“低温诱导植物细胞染色体数目的变化”可行性探究

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称为“2020年修订版课标”）中强调，生物学学科核心素养是学生在生物学课程学习过程中逐渐发展起来的，在解决真实情境中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格与关键能力，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体现[1]。要落实生物学学科核心素养最好的方式就是实践，高中生物学学生实验就是进行实践最方便易行的方式，因而，在高中生物学的教学中，实验教学是非常重要的一项教学内容。对相关学生实验可行性的探究，是对生物学学科核心素养落地的一种探索，也是新教材、新高考、新课程（以下简称“三新”）的要求。

“低温诱导植物细胞染色体数目的变化”是人教版必修2第5章第2节染色体变异的学生实验，在多年的实际教学中，笔者学校从未开展过该实验。2021年秋季甘肃省开始使用新教材，笔者发现该实验在修订教材中依然存在，且放置在了探究实践类实验中。那么，为什么旧教材实行期间该实验一直未开展？新教材修订后的实验可以开展吗？为了更好地落实“三新”教育，笔者就该实验的可行性，结合新旧教材进行了探究。

在旧教材教学期间，笔者在实验准备中发现，该实验存在实验现象与教材所描述不同甚至相反的情况，因而导致在教学实际中无法向学生解释的情况，还可能造成学生理解混乱的情况;此外实验操作烦琐，实验时间长，而实验操作步骤与根尖细胞有丝分裂实验类同，因而，笔者学校采取了不开展该实验的措施。据调查，周边学校此实验开出率并不高。在2019年版人教版必修2教材中，笔者发现新教材对该实验进行了修订，那么修订后的该实验能够顺利开展吗？能否达到预期的教学效果呢？为此，笔者进行了新教材此实验开展的可行性研究。

一、新旧教材实验要求的对比

（一）实验原理的变化

该实验的原理旧教材（普通高中课程标准实验教科书）中是这样描述的：进行正常有丝分裂的植物分生组织细胞，在有丝分裂后期，染色体的着丝点分裂，子染色体在纺锤丝的作用下分别移向细胞两极，最终被平均分配到两个子细胞中。用低温处理植物分生组织细胞，能够抑制纺锤体的形成，以致影响染色体被拉向两极，细胞也不能分裂成两个子细胞，于是，植物细胞染色体组数目发生变化[2]。2019年版新教材删去了有丝分裂后期现象的描述，直接从低温作用原理说起，简洁明了。

（二）实验材料及试剂的变化

（三）方法步骤的变化

实验步骤的变化主要出现在第一步，与旧教材相比，新教材首先将实验材料在冰箱冷藏室（4℃）放置了一周，之后再进行生根处理，待根长至1cm左右，进行低温诱导，诱导培养时间为48～72h。

二、实验可行性探究及现象分析

（一）旧教材实验条件可行性验证

笔者于教学过程进行中，开展了两次该学生实验。第一次实验在学生实验室进行，教研组教师在实验室培养洋葱根尖，待长到1cm以后，将其放置到4℃的冰箱，诱导培养36h。之后按照教材实验操作程序进行观察，未见明显实验现象。教研组内教师分析原因，发现应该是低温处理洋葱根尖时未关注到洋葱根尖旺盛有丝分裂的时间为上午十点到下午两点，进而导致低温并未起到诱导作用，从而导致实验失败。

第二次实验选择在家庭冰箱进行低温诱导，材料处理36h后，在分裂旺盛的时间段内进行固定制片观察。此次实验看到了细胞较为规则的分裂相，但是诱导加倍的结果无法明确区分，因为显微镜下染色体的计数并不清楚。笔者采用学校为教师配备的Motic显微镜进行观察，仍然存在此类问题。学生使用的普通光学显微镜更是无法分清不同的染色体，从而无法实现计数和结果分析。

基于以上实验，笔者进行分析，发现旧教材该学生实验在实际教学过程中开出率低的原因有以下几个方面。

1.36h处理时间，学生实验不好操作。面对大量的教学班，实验材料的处理量很大，同时要满足10：00-14：00旺盛分裂期操作更难，加上不同教学班学生上课时间有限，基本无法保证正常教学。

2.学生实验条件不够，显微镜的放大倍数不够，染色体数目很难数清。

本校为省级示范学校，最好的显微镜下也数不清染色体条数，更无法清楚比较常温实验和低温处理两次实验的差异。

3.此实验主要操作雷同观察根尖细胞有丝分裂实验，在具体实验操作中意义不大，且实验效果不好，因而该实验开出率很低。

（二）新教材变化的目的及有效性分析

新教材删去了大葱这一实验材料，并以大蒜为主要实验材料，这是因为大蒜较洋葱生活中更常见，易购买，新生根尖培养较容易，根尖细胞分裂旺盛，是该实验的最佳材料[3]。生根实验开始前将大蒜在冰箱冷藏室放置一周，这在旧教材中没有。新教材增加这一操作步骤的原因是大蒜正常情况处于休眠期，低温处理的目的是为了打破休眠期，让大蒜更好地生根。

此外，待根长出1cm左右放进冰箱冷藏室进行低温诱导的时长改为48～72h，这与笔者之前根據旧教材完成的实验相对比，延长了诱导时间，保证在后期的观察中能够看到发生加倍的染色体。新教材这样修改的原因在于，大蒜正常的细胞周期是24h，而低温诱导干扰前期纺锤体的形成，使细胞周期停留在前期，只有细胞分裂进入第二个周期的中期时才能看到加倍的染色体，也就是说至少要36h。但要注意的是低温干扰纺锤体形成的同时，也抑制了酶活性，细胞周期必然延长，因而，低温诱导时长改为48～72h更为合理、有效[3]。

新教材实验中染色体染色剂重新使用龙胆紫，与该染色剂使用方便、简单，染色效果较好有关。旧教材的改良苯酚品红溶液虽然染色效果好，但是配置过程复杂，对于高中生物学的学生实验来讲，增大了实验开设的难度，因而改为龙胆紫，实验的可行性更强。

三、实验可行性及必要性分析

对比新旧教材关于该实验的要求变化，结合笔者实际实验操作的结果，另外参考相关资料，笔者认为，“低温诱导植物细胞染色体数目的变化”实验在实际教学中存在操作难度大、成功率低、可行性较差的现状。虽然新教材针对旧教材之前存在的低温诱导的时长不准确和解除休眠、利于生根等方面做了相关的改进。但是开设依然存在困难，主要原因如下。

（一）实验要求的材料处理的时间较长

为了解除大蒜休眠，先在冰箱冷藏室进行一周的低温处理，然后室温（25℃）培养不定根，大约三到四天，培养不定根至1cm左右时，放置冰箱冷藏室诱导培养48～72h。大多数学校无专职实验员，教师基于教学实际情况，完成此项任务，存在时间上的困难。

（二）教学班多，学生多，实验材料不易准备

笔者所在学校为一所省级示范性高中，一般一个年级的教学班级在十个左右，每班50人左右，一次实验组织，需要的实验材料较多，需要充足的时间来准备，否则就会影响实验效果。

（三）卡诺氏液的使用

在新旧两个版本的教材中都提到了卡诺氏液的使用，它的作用是固定细胞分裂相。卡诺氏液是无水酒精：冰醋酸=3∶1配制的，主要作用是迅速杀死细胞，从而达到固定细胞分裂相的目的。我们知道解离液也有杀死细胞的作用，所以高中进行实验时一般会简化实验步骤，而不使用卡诺氏液。但是卡诺氏液渗透力强能迅速穿透细胞将其固定，并维持染色体结构的完整性，还能够增强染色体的嗜碱性，达到优良的染色效果。所以要想实验达到良好的效果，最好先用卡诺氏液固定实验材料再进行制片，以达到良好的观察效果[4]。这就增加了实验操作的复杂程度，提高了实验开设要求。

（四）从培养学生實验探究能力角度来看

该实验与根尖细胞有丝分裂实验操作步骤相似，主要的区别在于低温诱导处理，包括解除休眠和诱导染色体数目加倍，但是根据教学实际，这两项实验学生基本不能操作，且操作的实际意义不大。此外，根尖细胞有丝分裂实验的操作足够让学生熟悉该类型实验的操作过程以及显微镜下染色体的观察。因而笔者认为，该实验在培养学生实验探究能力方面的意义不大。

综上所述，低温诱导植物细胞染色体数目加倍的实验，在新教材修订以后，实际教学开设的可行性并未提高。但是，若要加强“三新教育”的实效，落实生物学学科核心素养，在实验条件允许的学校还是建议开设，可以由教师进行前期的材料准备，进一步摸索实验条件，进而保证实验的效果。若是实验条件不允许全员开设，可以组织部分学生进行兴趣小组探究，录制为微课视频，教学时进行展示、分享，或也能达到落实学科核心素养、培养学生实验探究能力的目的。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018：5.

[2]课程教材研究所.生物课程教材研究开发中心生物（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[3]张兴莲.潘宁.“低温诱导植物染色体数目变化”的实验探究[J].中学生物教学，2011（7）：45.

[4]张韶杰，周俊芳.教材中染色体观察类实验对比分析[J].中学生物教学，2019（11）：48.

作者简介：王静（1982—），女，汉族，甘肃兰州人，本科，兰州市第五十九中学生物教师，中小学一级教师，研究方向：高中生物学教学研究。