自制細(xì)胞周期同步化演示儀在細(xì)胞增殖教學(xué)中的應(yīng)用

鄭 好 潘麗雅

（溫州市龍灣區(qū)永強(qiáng)中學(xué) 浙江溫州 325000）

我國(guó)教育部頒布的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）明確指出要提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)，并在課程目標(biāo)的知識(shí)目標(biāo)中首次增加了模擬實(shí)驗(yàn)、模型構(gòu)建等方面的教學(xué)內(nèi)容。自制教具是教師教學(xué)過(guò)程中的重要課程資源。結(jié)合《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求，教師自制教具模型并在課堂演示，用自制教具模型作為信息載體來(lái)傳遞知識(shí)，可以使抽象的知識(shí)具體化、形象化，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。學(xué)生參與自制教具能激發(fā)求知欲望，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)，激發(fā)創(chuàng)造能力。下面以高三一輪復(fù)習(xí)中“胸腺嘧啶脫氧核苷（TdR）在細(xì)胞周期研究中的應(yīng)用”一節(jié)教學(xué)為例，談?wù)勅绾卫米灾平叹咝蜗蟮貛椭鷮W(xué)生理解整個(gè)過(guò)程。

1 制作背景

“細(xì)胞周期”是指細(xì)胞從一次分裂完成開始到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的全過(guò)程，分為間期與分裂期兩個(gè)階段。間期包括G1期、S期、G2期。處于不同時(shí)期的細(xì)胞數(shù)與各時(shí)期持續(xù)的時(shí)間呈正相關(guān)。

“細(xì)胞同步化”是指利用某種方法使細(xì)胞群中處于細(xì)胞周期不同時(shí)期的細(xì)胞停留在同一時(shí)期，以獲取形態(tài)、生理狀態(tài)等一致的細(xì)胞群，用于研究細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，尤其是處于細(xì)胞周期不同階段的細(xì)胞的生化特征。胸腺嘧啶脫氧核苷（TdR）作為抑制劑，可逆地抑制DNA合成，不影響其他時(shí)期細(xì)胞的運(yùn)轉(zhuǎn)，終將細(xì)胞群阻斷在S期或G1/S交界處，達(dá)到細(xì)胞同步于S期的目的（圖1）。

圖1 TdR雙阻斷法進(jìn)行細(xì)胞周期同步化的原理

浙科版生物學(xué)教材回避了“細(xì)胞同步化”的相關(guān)概念。但“細(xì)胞同步化”在生物學(xué)研究中是一項(xiàng)非常基礎(chǔ)而重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，十分受重視，與其相關(guān)聯(lián)的知識(shí)在浙科版生物學(xué)教材中的章節(jié)跨度極大，是考查學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的良好素材。因此，浙江省高考對(duì)“細(xì)胞同步化”的相關(guān)考查頻繁出現(xiàn)，且基于基本知識(shí)概念的考查，注重科學(xué)思維和科學(xué)探究，強(qiáng)調(diào)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，需要學(xué)生構(gòu)建模型，繪制圖像，難度較大。為了直觀、形象地表示相關(guān)過(guò)程，筆者制作了有關(guān)該過(guò)程的物理模型并用于教學(xué)。

2 制作材料與工具

2.1 材料

亞克力板，磁性畫板，磁鐵粒，膠水，直徑為1cm的長(zhǎng)螺桿，配套螺母，鐵絲。

2.2 工具

數(shù)控激光雕刻機(jī)。

3 制作過(guò)程

用數(shù)控激光雕刻機(jī)將白色亞克力板切割出直徑50 cm圓形，中間打孔，孔徑為1cm；為了節(jié)約材料，用數(shù)控激光雕刻機(jī)將磁性畫板切割內(nèi)徑40 cm、外徑450 cm圓環(huán)，鑲嵌白色底板中間，便于分析過(guò)程留跡。據(jù)4個(gè)區(qū)段所占周期比例將圓形分4個(gè)大小不等扇形區(qū)域，分別標(biāo)為G1、S、G2、M期。用彩色亞克力制作三枚指針，在固定圓心處打孔，孔徑為1cm，分別在離圓心20、21、21 cm打孔，用于裝磁鐵粒。用透明亞克力做底座；將圓形與指針用長(zhǎng)螺桿固定，并安裝固定于底座；在底座上對(duì)應(yīng)磁性畫板圓環(huán)位置安一可活動(dòng)磁鐵，用于消除磁性畫板的留跡。

模型整體效果如圖2所示。

圖2 模型示意圖

4 教具在實(shí)際教學(xué)中的使用

（1）測(cè)細(xì)胞經(jīng)TdR培養(yǎng)，所有S期細(xì)胞均被標(biāo)記。即在小圓盤所有S期細(xì)胞區(qū)域被標(biāo)記，在儀器上使用兩根指針?biāo)鶌A范圍表示，并將角度固定，如圖3所示。

圖3 第一次阻斷后，S期細(xì)胞區(qū)域情況

（2）S期以外其他時(shí)期細(xì)胞的運(yùn)轉(zhuǎn)不受影響。轉(zhuǎn)動(dòng)另一根指針，所畫范圍代表正常運(yùn)轉(zhuǎn)的細(xì)胞范圍，如圖4所示。得出結(jié)論，至少培養(yǎng)G2+M+G1期的時(shí)間。此時(shí)，處于S期的細(xì)胞被阻斷于S期的原始狀態(tài)，處于G2期、M期和G1期的細(xì)胞被阻斷于G1/S交界處，如圖5所示。

圖4 第一次阻斷后，非S期細(xì)胞區(qū)域情況

圖5 培養(yǎng)G2+M+G1期后，各區(qū)域情況

（3）洗脫TdR，細(xì)胞正常培養(yǎng)，即逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)步驟①中的三根指針。時(shí)間至少長(zhǎng)于S期，兩個(gè)指針?biāo)采w的范圍才能完全離開S期，代表原先阻斷于S期的細(xì)胞完全離開S期，但此時(shí)細(xì)胞仍未完全同步化，如圖6所示。

圖6 洗脫TdR，經(jīng)過(guò)S期時(shí)長(zhǎng)，完全離開S期

（4）為了將細(xì)胞完全同步化，再次加入TdR。要在兩個(gè)指針?biāo)采w的范圍重新進(jìn)入S期之前進(jìn)行阻斷，如圖7所示。所以，第二次阻斷時(shí)間要在長(zhǎng)于S期的基礎(chǔ)上，短于G2+M+G1期的時(shí)間。

圖7 進(jìn)入S期之前進(jìn)行第二次阻斷

（5）最終所有位于G1/S交界處和S期的細(xì)胞通過(guò)S期，又不使S期末期細(xì)胞進(jìn)入下一個(gè)S期，最終細(xì)胞同步在G1/S交界，如圖8所示。

圖8 細(xì)胞同步在G1與S期交界

5 特點(diǎn)

該教具新穎，創(chuàng)新使用磁性畫板，解決了雙阻斷過(guò)程的直觀呈現(xiàn)問(wèn)題。該教具實(shí)用，將細(xì)胞周期的問(wèn)題從平面表述到立體推演，將細(xì)胞周期形象地呈現(xiàn)給學(xué)生，印象深刻，難題迎刃而解。該教具可操作性強(qiáng)，可以放置在講臺(tái)桌上教師用來(lái)解釋雙阻斷問(wèn)題，也可以用于推演解題過(guò)程，利用自制教具模型促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的教學(xué)理念。該教具易推廣，制作材料常見(jiàn)，容易獲取，制作過(guò)程也比較簡(jiǎn)單。該教具可改裝，外圍增設(shè)細(xì)胞分裂各時(shí)期的圖像，能直觀地呈現(xiàn)各個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)。

6 啟發(fā)與感悟

新課程改革倡導(dǎo)探究性教學(xué)。探究性教學(xué)能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，是當(dāng)前教育教學(xué)改革的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。探究性教學(xué)的開展需要教師創(chuàng)設(shè)一定條件和氛圍引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)、探索、構(gòu)建知識(shí)體系。在教學(xué)中，師生參與自制教具活動(dòng)能夠促進(jìn)教與學(xué)的雙邊互動(dòng)，調(diào)動(dòng)深入開展探究性學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，教具制作的過(guò)程有利于促進(jìn)教師深入挖掘教材，研究教材，有助于探究性教學(xué)的開展，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。