“观察根尖分生区细胞有丝分裂”的实验改进与拓展

刘淑蓉，惠芙玲

（山东省日照第一中学，山东日照 276800）

生物学是一门自然学科，其基本的概念和大多数的原理都是在实验的基础上发展起来的.而实验又是生物学教学的重要组成部分，也是达成生物学科核心素养的重要支撑.高中生物学学科核心素养是教师开展课堂教学的总目标，学科核心素养的形成也并非朝夕之间，需要教师在教学过程中逐渐渗透.教材中的学生实验是基于教学实际情况设计的优选方案，如果教师在开展实验教学时，能结合学生的学习情况加以优化和拓展，不仅可以取得良好的实验效果，还有助于学生生物学科素养的发展.

“观察根尖分生区组织细胞的有丝分裂实验”是新人教版《必修1分子与细胞》第六章第一节细胞增殖中的一节验证性实验，也是高中生物的重点和难点实验之一，同时也是失败率最高的实验之一.按照教材方法设计实验，70%左右的学生很难观察到有丝分裂过程各时期染色体的变化，针对学生在实验过程中出现的各种问题，本文以该实验为例，尝试对实验进行改进和拓展.

1 常规实验存在的问题

该实验包括装片的制作和显微镜的观察两大环节，实验要求观察细胞周期各个时相的主要特征，尤其是染色体行为的变化，因此装片制作的好坏是本实验能否取得成功的最为关键的一个环节，同时也直接影响到观察的效果及教学质量.在临时装片的制作过程中，本实验主要涉及材料的选择、培养的时间、剪根的时间、解离的方法、染液的选取及压片的方法.根据以往学生制作装片的情况以及预实验的效果来看，该实验的成功率很低，每个班平均只有个位数的学生能得出相对较好的实验结果.综合多年的教学经验，传统的实验方法主要有以下几个方面的问题.

1.1 取材时间比较局限

教材所用的材料是洋葱根尖，其分裂旺盛时期是上午10点至下午2点左右，但实验课不一定都能安排在这个时间段，从而导致学生通过临时取材难以观察到各时期的细胞.

1.2 实验时间较长

按新人教版（2019）的方法，临时装片制作的时间大约需要20 min，显微镜观察并记录结果至少要8 min，加上实验教师对原理的讲解及结果的分析，一节课40 min很难完成所有的教学过程，这也就使得很多同学即使做出结果，也没有足够的时间进行显微镜下的观察.

1.3 根尖操作不便

按新人教版（2019）教材的叙述，剪取洋葱根尖2-3 mm进行解离，这个长度不但难以用镊子夹取，而且染色后不易找到实验对象.

1.4 解离欠充分或解离过度，细胞难以分离

用体积分数为95%的酒精和质量分数为15%的盐酸按1∶1混合解离3～5 min，因为实验的时间大约在冬季，室温比较低，很难解离充分，细胞也就难以被压散成单层细胞，影响观察.如果解离时间过长，细胞也很难分离，且无法观察到分裂相的细胞，如图1 显示为解离不充分状态，图2显示为解离过度所示.

图1 解离不充分

图2 解离过度

1.5 染色效果欠佳

新人教版（2019）教材所用的染色剂为0.01g/mL 的甲紫溶液（旧称龙胆紫溶液），传统的染料不是只针对染色体进行的染色，容易把细胞质也染成紫色，对比不明显不利于染色体的观察.

1.6 压片方法不当

常规的压片方法是用镊子将根尖取出，放在载玻片上，加一滴清水，盖上盖玻片，然后用拇指轻轻按压，这种方法容易导致盖玻片周围有水溢出，使盖玻片位置的移动，造成细胞重叠，影响实验结果.

2 实验材料的优化

教材选取的实验材料为洋葱，但是洋葱根尖的分裂旺盛期短，培养周期长，大约需要7 d 左右，此外洋葱的实验成本高，占地方多，如果准备700 多个学生的实验，就要准备近100 个洋葱［2］.所以我尝试着寻找一种分裂旺盛期更长，培养周期更短的实验材料.通过鼓励学生查找资料并进行实验，我们最终锁定了几种比较常见的材料，大蒜、吊兰和水仙.大蒜作为实验材料，可以大量节省实验材料，降低实验成本.而且大蒜易于培养，生根快.依据学生实验需求的根的数量，用大蒜做实验只需要培养10 个左右就足够了.在常温环境下同时培养洋葱和大蒜，大蒜1 d 即可生根，其生根率也高达90%左右.洋葱培养时间大约需要7 d，其生根率为20%左右.吊兰是常见的一种室内观赏植物，可以土培或者水培.通过水培可快速生根，一天就可以生长1-2 cm，且生根数目多，分裂旺盛期长.水仙也是非常不错的实验材料，水仙与洋葱比较相似，但水仙生根时间相对较短，而且生根数量也比洋葱多，关键是水仙的分裂旺盛期相对较长.这样就有效解决了取材时间限制的问题.

那么对于洋葱等分裂旺盛期短的材料，能否解决该问题呢？通过查阅相关资料，发现卡诺氏液可以固定杀死细胞，维持细胞的形态，所以可以先将处在旺盛期的洋葱根尖放入卡诺氏液固定，再放入70%酒精中保存，据资料显示可以保存几年，这样也可以解决实验时间的限制.

3 实验步骤的优化

根尖分生区装片的制作主要包括解离、漂洗、染色和制片4 步，装片制作的好坏直接影响到能否在显微镜下观察到细胞分裂的各个时期的图像，所以本实验主要是针对实验的4 个步骤进行的改进，以下是具体的改进方法.

3.1 根尖获取方法的改进

针对新人教版（2019）教材中给出的取根尖2-3 mm，用镊子不易夹取和染色后不易找到的问题，我们进行了以下改良：首先剪取根尖1-2 cm，将其放入解离液中，待其解离完成之后，可将根尖直接放在载玻片上，然后用刀片切取2-3 mm 的根尖，并直接放在载玻片上进行染色，这样可以使操作更加便捷，材料不丢失易.

3.2 解离过程的改进

新人教版（2019）中常规的解离方法是用体积分数为95%的酒精和质量分数为15%的盐酸按1∶1 的比例进行混合，在常温下解离3-5 min.为了尽量节省时间，提高解离的效率，我们将常温条件下的解离改为用恒温水浴锅加热至60℃进行解离.操作如下：提前准备好水浴锅，将温度调节至60℃左右，并将剪取的1-2 cm 的根尖放入盛有解离液的小烧杯中，盖上培养皿皿盖，再将小烧杯放入温热的水浴锅中解离50 s 左右即可［3］.为了防止细胞解离不足或者解离过度，导致细胞分散不开或者细胞结构被破坏.需要仔细观察根尖的变化，一般情况下，待根尖边缘呈现乳白色，中部呈现透明状即可.在实验的过程中有学生可能还会提出其他的方法，比如提高盐酸的浓度，这样会更加缩短解离的时间，但是我们要考虑到盐酸的特殊性质即腐蚀性和易挥发特性［4］，对学生而言可能会存在潜在的危害，所以我们会优先考虑学生的安全性，在尽量降低潜在危害的基础上，最大限度地缩短解离时间，最终采取了在保持原有盐酸浓度的前提下，进行封闭式水浴加热.由此我们将时间缩短在50 s左右，这样不但节省了时间，也取得良好的效果.

3.3 漂洗过程的改进

新人教版（2019）教材中给的漂洗方案是在培养皿中进行漂洗约10 min 后再进行染色，这样就极大地延长了实验的时间.为此，我们尝试改进漂洗的方法来缩短时间.根据预实验和学生之间的讨论，我们对此提出了以下两种方案：方案一：分别取2个50 mL的烧杯，加入足量的清水，然后将剪取的1-2 cm的根尖分别通过2个烧杯，顺序漂洗，当根尖不再在烧杯中旋转即可，该操作大约需要2-3 min.方案二：取2 个50 mL 的小烧杯，其中一个烧杯中加入清水，另一个烧杯中不加清水.左手用镊子夹住洋葱根尖，右手持盛有清水的滴管在未加水的小烧杯上方将清水以每秒1 滴的速度滴加在洋葱根尖上进行漂洗，持续1 min.最终结果发现漂洗1 min 的效果和漂洗10 min 的效果差别不大.最终我们选择了方案二来缩短漂洗的时间，这样就极大地节省了时间，提高教学效率.

3.4 染色过程的改进

经过解离和漂洗过程的改进之后，染色就相对就比较容易了.为了使根尖染色更加充分我们可以先将根尖捣碎，但这就会出现一个问题，新人教版（2019）中给出的染色方法是将漂洗后的根尖放到培养皿中进行染色3-5 min，因为剪取的根尖长度只有2-3 mm，这样就会使得根尖无法夹取了.因此我们采用直接在载玻片上进行染色的方法，将根尖直接夹取至载玻片，然后将其捣碎，滴加1-2 滴染液，可将染色时间控制在2 min 以内.此外，如果采用甲紫溶液进行染色，还存在染色太深且特异性差的问题.我们经过多次尝试，最终发现改良的苯酚品红染液染色的效果明显优于甲紫溶液染色的效果，原因是改良后的苯酚品红染液特异性强，染色清晰，几乎所有染色体被染色，细胞质无色，区别更加明显，更有利于染色体的观察.所以我们最终采用的染色方法是用改良后的苯酚品红染液进行载玻片直接染色法.

3.5 制片过程的改进

染色完成后，最后一步就是装片制作，在这一步中能否使细胞充分分散成单细胞，最关键的是压片.新人教版（2019）中采用的方法是用镊子夹取染色后的根尖，放在载玻片上，加一滴清水，并用镊子把根尖弄碎，盖上盖玻片，然后用拇指轻轻按压盖玻片.因为载玻片和盖玻片之间有清水，如果仅仅是在盖玻片上方用拇指压片，就会使根尖因为水的移动而发生位置的改变，会使更多的细胞被挤出视野之外，很难达到理想的效果.为此，我们对压片的方法进行了改良，在压片之前先将吸水纸放于盖玻片上方，然后用橡皮擦或者胶头滴管的胶头进行按压，控制好力度，使细胞分散成云雾状.这样的操作一方面可以很好的控制好力度，另一方面压片工具易获取、操作简单且效果明显.

综上所述，通过材料和操作步骤的优化，实验效果明显改良，成功率也显著提高了.改进后的实验操作更加便捷，细胞更加分散且分裂相多，染色更加清晰，同时大大缩短了实验操作的时间，这样就为在显微镜下进行观察腾出了更多的时间.通过分组比较4 种材料在培养时间和分裂旺盛时间以及解离时间，发现除了材料地培养时间和分裂旺盛时期有差异之外，在操作步骤方面所用到的时间差异性不大，如表1所示.

表1 不同材料培养时间和旺盛时期的比较

4 图像的观察

装片制作完成之后，能否观察到有丝分裂各时期染色体的形态，这就关系到显微镜的质量以及学生能否准确地使用高倍显微镜来进行观察的技术.一般情况下光学显微镜的最大的物镜放大倍数为40，是可以观察到比较清晰的图像，但是通过对比发现，效果明显不如电子显微镜.所以如果有条件的话，最好用电子显微镜进行观察.一般来说，分生区细胞的特点是细胞排列紧密，呈正方形.所以可在低倍镜下找到这类细胞，然后再转到高倍镜下进行观察［5］.图3是在电子显微镜下观察到的4种材料的图像.

图3 不同材料有丝分裂各时期的形态

5 实验拓展

在原有实验的基础上可以开展课后实验延伸，引导学生关注环境因素对有丝分裂的影响，通过查阅相关资料并进行实验探究PH、温度变化和化学药剂等因素对有丝分裂的影响，比如让学生课后探究一下不同污染程度的水质对洋葱、大蒜、吊兰和水仙根尖分生区细胞的影响.教师要鼓励学生设计实验步骤，并进行实验数据的统计，最终得出结论.具体方法可以让学生组成生物实验兴趣小组，在课余时间完成，教师在这个过程中给予指导和帮助.

6 实验反思

学生实验的过程仅仅是对有丝分裂的一种感性认识［6］，如果学生通过实验操作，获得了制作根尖分生区细胞有丝分裂装片的技术，同时还能够在自己制作的装片中清晰的观察到植物有丝分裂各时相的染色体状态，才能把种感性认识上升为理性认识.老师可以在这个过程中收集学生观察到的一些较典型的分裂时相或者处于临界状态的分裂时相进行拍照，在课后的讨论环节进行分析总结.

本实验是一个验证性实验，为了使学科核心素养在实验教学中得到落实，提高学生科学探究的能力，作者将本实验设计为探究性实验.课前，学生通过微课自主学习；课中，教师营造民主的学习氛围，让学生敢于表达自己的观点，从而形成本节课的探究问题.并且学生在教师的指导下，分小组讨论完成探究问题.教师在指导的过程中，鼓励学生大胆创新，提出自己的改进意见，并与本组内的成员讨论交流，记录结果，以便后期探究出更加完善的结果.通过团结合作，不仅提高学生的科学探究能力，还优化了实验步骤，将原来约20 min 的临时装片制作时间缩短为10 min 以内，让学生可以有更多的时间进行图像的观察，优化了课堂，提高了实验的成功率.除此之外，还可以利用手机显微摄像技术及时分享效果的好的图像，这样不仅提高了学生的积极性和兴趣，还让学生的印象更加深刻.

探究实验结束之后，教师启发学生，将探究进一步向深入，将学习由课内拓展到课外.教师引导学生将本节课的知识与环境保护联系起来，有助于学生理解科学技术和环境之间的复杂关系.因此在实验中加入了环境污染对有丝分裂的影响这一环节，并鼓励学生在课后完成该实验.学生可采用不同的水质对给出的4 种植物进行培养，然后进行实验，最后得出结论.通过拓展实验的设计和实施，有助于学生创新能力和实践能力的培养.在此过程中渗透环保意识，能够促使学生关注环境污染对生物的伤害，建立环保意识，确立积极的生活态度，从而增强学生的社会责任感，使生物学科的核心素养在实验课堂中得以落实.