“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化”可行性探究

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱為“2020年修訂版課標(biāo)”）中強(qiáng)調(diào)，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展起來的，在解決真實(shí)情境中的實(shí)際問題時(shí)所表現(xiàn)出來的價(jià)值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力，是學(xué)生知識(shí)、能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀的綜合體現(xiàn)[1]。要落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)最好的方式就是實(shí)踐，高中生物學(xué)學(xué)生實(shí)驗(yàn)就是進(jìn)行實(shí)踐最方便易行的方式，因而，在高中生物學(xué)的教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常重要的一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容。對(duì)相關(guān)學(xué)生實(shí)驗(yàn)可行性的探究，是對(duì)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地的一種探索，也是新教材、新高考、新課程（以下簡(jiǎn)稱“三新”）的要求。

“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化”是人教版必修2第5章第2節(jié)染色體變異的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，在多年的實(shí)際教學(xué)中，筆者學(xué)校從未開展過該實(shí)驗(yàn)。2021年秋季甘肅省開始使用新教材，筆者發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)在修訂教材中依然存在，且放置在了探究實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)中。那么，為什么舊教材實(shí)行期間該實(shí)驗(yàn)一直未開展？新教材修訂后的實(shí)驗(yàn)可以開展嗎？為了更好地落實(shí)“三新”教育，筆者就該實(shí)驗(yàn)的可行性，結(jié)合新舊教材進(jìn)行了探究。

在舊教材教學(xué)期間，筆者在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與教材所描述不同甚至相反的情況，因而導(dǎo)致在教學(xué)實(shí)際中無法向?qū)W生解釋的情況，還可能造成學(xué)生理解混亂的情況;此外實(shí)驗(yàn)操作煩瑣，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，而實(shí)驗(yàn)操作步驟與根尖細(xì)胞有絲分裂實(shí)驗(yàn)類同，因而，筆者學(xué)校采取了不開展該實(shí)驗(yàn)的措施。據(jù)調(diào)查，周邊學(xué)校此實(shí)驗(yàn)開出率并不高。在2019年版人教版必修2教材中，筆者發(fā)現(xiàn)新教材對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了修訂，那么修訂后的該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌_展嗎？能否達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果呢？為此，筆者進(jìn)行了新教材此實(shí)驗(yàn)開展的可行性研究。

一、新舊教材實(shí)驗(yàn)要求的對(duì)比

（一）實(shí)驗(yàn)原理的變化

該實(shí)驗(yàn)的原理舊教材（普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書）中是這樣描述的：進(jìn)行正常有絲分裂的植物分生組織細(xì)胞，在有絲分裂后期，染色體的著絲點(diǎn)分裂，子染色體在紡錘絲的作用下分別移向細(xì)胞兩極，最終被平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。用低溫處理植物分生組織細(xì)胞，能夠抑制紡錘體的形成，以致影響染色體被拉向兩極，細(xì)胞也不能分裂成兩個(gè)子細(xì)胞，于是，植物細(xì)胞染色體組數(shù)目發(fā)生變化[2]。2019年版新教材刪去了有絲分裂后期現(xiàn)象的描述，直接從低溫作用原理說起，簡(jiǎn)潔明了。

（二）實(shí)驗(yàn)材料及試劑的變化

（三）方法步驟的變化

實(shí)驗(yàn)步驟的變化主要出現(xiàn)在第一步，與舊教材相比，新教材首先將實(shí)驗(yàn)材料在冰箱冷藏室（4℃）放置了一周，之后再進(jìn)行生根處理，待根長(zhǎng)至1cm左右，進(jìn)行低溫誘導(dǎo)，誘導(dǎo)培養(yǎng)時(shí)間為48～72h。

二、實(shí)驗(yàn)可行性探究及現(xiàn)象分析

（一）舊教材實(shí)驗(yàn)條件可行性驗(yàn)證

筆者于教學(xué)過程進(jìn)行中，開展了兩次該學(xué)生實(shí)驗(yàn)。第一次實(shí)驗(yàn)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，教研組教師在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)洋蔥根尖，待長(zhǎng)到1cm以后，將其放置到4℃的冰箱，誘導(dǎo)培養(yǎng)36h。之后按照教材實(shí)驗(yàn)操作程序進(jìn)行觀察，未見明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教研組內(nèi)教師分析原因，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是低溫處理洋蔥根尖時(shí)未關(guān)注到洋蔥根尖旺盛有絲分裂的時(shí)間為上午十點(diǎn)到下午兩點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致低溫并未起到誘導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

第二次實(shí)驗(yàn)選擇在家庭冰箱進(jìn)行低溫誘導(dǎo)，材料處理36h后，在分裂旺盛的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行固定制片觀察。此次實(shí)驗(yàn)看到了細(xì)胞較為規(guī)則的分裂相，但是誘導(dǎo)加倍的結(jié)果無法明確區(qū)分，因?yàn)轱@微鏡下染色體的計(jì)數(shù)并不清楚。筆者采用學(xué)校為教師配備的Motic顯微鏡進(jìn)行觀察，仍然存在此類問題。學(xué)生使用的普通光學(xué)顯微鏡更是無法分清不同的染色體，從而無法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和結(jié)果分析。

基于以上實(shí)驗(yàn)，筆者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)舊教材該學(xué)生實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)過程中開出率低的原因有以下幾個(gè)方面。

1.36h處理時(shí)間，學(xué)生實(shí)驗(yàn)不好操作。面對(duì)大量的教學(xué)班，實(shí)驗(yàn)材料的處理量很大，同時(shí)要滿足10：00-14：00旺盛分裂期操作更難，加上不同教學(xué)班學(xué)生上課時(shí)間有限，基本無法保證正常教學(xué)。

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)條件不夠，顯微鏡的放大倍數(shù)不夠，染色體數(shù)目很難數(shù)清。

本校為省級(jí)示范學(xué)校，最好的顯微鏡下也數(shù)不清染色體條數(shù)，更無法清楚比較常溫實(shí)驗(yàn)和低溫處理兩次實(shí)驗(yàn)的差異。

3.此實(shí)驗(yàn)主要操作雷同觀察根尖細(xì)胞有絲分裂實(shí)驗(yàn)，在具體實(shí)驗(yàn)操作中意義不大，且實(shí)驗(yàn)效果不好，因而該實(shí)驗(yàn)開出率很低。

（二）新教材變化的目的及有效性分析

新教材刪去了大蔥這一實(shí)驗(yàn)材料，并以大蒜為主要實(shí)驗(yàn)材料，這是因?yàn)榇笏廨^洋蔥生活中更常見，易購(gòu)買，新生根尖培養(yǎng)較容易，根尖細(xì)胞分裂旺盛，是該實(shí)驗(yàn)的最佳材料[3]。生根實(shí)驗(yàn)開始前將大蒜在冰箱冷藏室放置一周，這在舊教材中沒有。新教材增加這一操作步驟的原因是大蒜正常情況處于休眠期，低溫處理的目的是為了打破休眠期，讓大蒜更好地生根。

此外，待根長(zhǎng)出1cm左右放進(jìn)冰箱冷藏室進(jìn)行低溫誘導(dǎo)的時(shí)長(zhǎng)改為48～72h，這與筆者之前根據(jù)舊教材完成的實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，延長(zhǎng)了誘導(dǎo)時(shí)間，保證在后期的觀察中能夠看到發(fā)生加倍的染色體。新教材這樣修改的原因在于，大蒜正常的細(xì)胞周期是24h，而低溫誘導(dǎo)干擾前期紡錘體的形成，使細(xì)胞周期停留在前期，只有細(xì)胞分裂進(jìn)入第二個(gè)周期的中期時(shí)才能看到加倍的染色體，也就是說至少要36h。但要注意的是低溫干擾紡錘體形成的同時(shí)，也抑制了酶活性，細(xì)胞周期必然延長(zhǎng)，因而，低溫誘導(dǎo)時(shí)長(zhǎng)改為48～72h更為合理、有效[3]。

新教材實(shí)驗(yàn)中染色體染色劑重新使用龍膽紫，與該染色劑使用方便、簡(jiǎn)單，染色效果較好有關(guān)。舊教材的改良苯酚品紅溶液雖然染色效果好，但是配置過程復(fù)雜，對(duì)于高中生物學(xué)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)來講，增大了實(shí)驗(yàn)開設(shè)的難度，因而改為龍膽紫，實(shí)驗(yàn)的可行性更強(qiáng)。

三、實(shí)驗(yàn)可行性及必要性分析

對(duì)比新舊教材關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的要求變化，結(jié)合筆者實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的結(jié)果，另外參考相關(guān)資料，筆者認(rèn)為，“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化”實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中存在操作難度大、成功率低、可行性較差的現(xiàn)狀。雖然新教材針對(duì)舊教材之前存在的低溫誘導(dǎo)的時(shí)長(zhǎng)不準(zhǔn)確和解除休眠、利于生根等方面做了相關(guān)的改進(jìn)。但是開設(shè)依然存在困難，主要原因如下。

（一）實(shí)驗(yàn)要求的材料處理的時(shí)間較長(zhǎng)

為了解除大蒜休眠，先在冰箱冷藏室進(jìn)行一周的低溫處理，然后室溫（25℃）培養(yǎng)不定根，大約三到四天，培養(yǎng)不定根至1cm左右時(shí)，放置冰箱冷藏室誘導(dǎo)培養(yǎng)48～72h。大多數(shù)學(xué)校無專職實(shí)驗(yàn)員，教師基于教學(xué)實(shí)際情況，完成此項(xiàng)任務(wù)，存在時(shí)間上的困難。

（二）教學(xué)班多，學(xué)生多，實(shí)驗(yàn)材料不易準(zhǔn)備

筆者所在學(xué)校為一所省級(jí)示范性高中，一般一個(gè)年級(jí)的教學(xué)班級(jí)在十個(gè)左右，每班50人左右，一次實(shí)驗(yàn)組織，需要的實(shí)驗(yàn)材料較多，需要充足的時(shí)間來準(zhǔn)備，否則就會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。

（三）卡諾氏液的使用

在新舊兩個(gè)版本的教材中都提到了卡諾氏液的使用，它的作用是固定細(xì)胞分裂相。卡諾氏液是無水酒精：冰醋酸=3∶1配制的，主要作用是迅速殺死細(xì)胞，從而達(dá)到固定細(xì)胞分裂相的目的。我們知道解離液也有殺死細(xì)胞的作用，所以高中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)一般會(huì)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，而不使用卡諾氏液。但是卡諾氏液滲透力強(qiáng)能迅速穿透細(xì)胞將其固定，并維持染色體結(jié)構(gòu)的完整性，還能夠增強(qiáng)染色體的嗜堿性，達(dá)到優(yōu)良的染色效果。所以要想實(shí)驗(yàn)達(dá)到良好的效果，最好先用卡諾氏液固定實(shí)驗(yàn)材料再進(jìn)行制片，以達(dá)到良好的觀察效果[4]。這就增加了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜程度，提高了實(shí)驗(yàn)開設(shè)要求。

（四）從培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力角度來看

該實(shí)驗(yàn)與根尖細(xì)胞有絲分裂實(shí)驗(yàn)操作步驟相似，主要的區(qū)別在于低溫誘導(dǎo)處理，包括解除休眠和誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍，但是根據(jù)教學(xué)實(shí)際，這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生基本不能操作，且操作的實(shí)際意義不大。此外，根尖細(xì)胞有絲分裂實(shí)驗(yàn)的操作足夠讓學(xué)生熟悉該類型實(shí)驗(yàn)的操作過程以及顯微鏡下染色體的觀察。因而筆者認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力方面的意義不大。

綜上所述，低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目加倍的實(shí)驗(yàn)，在新教材修訂以后，實(shí)際教學(xué)開設(shè)的可行性并未提高。但是，若要加強(qiáng)“三新教育”的實(shí)效，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)條件允許的學(xué)校還是建議開設(shè)，可以由教師進(jìn)行前期的材料準(zhǔn)備，進(jìn)一步摸索實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)的效果。若是實(shí)驗(yàn)條件不允許全員開設(shè)，可以組織部分學(xué)生進(jìn)行興趣小組探究，錄制為微課視頻，教學(xué)時(shí)進(jìn)行展示、分享，或也能達(dá)到落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的目的。

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作者簡(jiǎn)介：王靜（1982—），女，漢族，甘肅蘭州人，本科，蘭州市第五十九中學(xué)生物教師，中小學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中生物學(xué)教學(xué)研究。