“觀察根尖分生區細胞有絲分裂”的實驗改進與拓展

劉淑蓉，惠芙玲

（山東省日照第一中學，山東日照 276800）

生物學是一門自然學科，其基本的概念和大多數的原理都是在實驗的基礎上發展起來的.而實驗又是生物學教學的重要組成部分，也是達成生物學科核心素養的重要支撐.高中生物學學科核心素養是教師開展課堂教學的總目標，學科核心素養的形成也并非朝夕之間，需要教師在教學過程中逐漸滲透.教材中的學生實驗是基于教學實際情況設計的優選方案，如果教師在開展實驗教學時，能結合學生的學習情況加以優化和拓展，不僅可以取得良好的實驗效果，還有助于學生生物學科素養的發展.

“觀察根尖分生區組織細胞的有絲分裂實驗”是新人教版《必修1分子與細胞》第六章第一節細胞增殖中的一節驗證性實驗，也是高中生物的重點和難點實驗之一，同時也是失敗率最高的實驗之一.按照教材方法設計實驗，70%左右的學生很難觀察到有絲分裂過程各時期染色體的變化，針對學生在實驗過程中出現的各種問題，本文以該實驗為例，嘗試對實驗進行改進和拓展.

1 常規實驗存在的問題

該實驗包括裝片的制作和顯微鏡的觀察兩大環節，實驗要求觀察細胞周期各個時相的主要特征，尤其是染色體行為的變化，因此裝片制作的好壞是本實驗能否取得成功的最為關鍵的一個環節，同時也直接影響到觀察的效果及教學質量.在臨時裝片的制作過程中，本實驗主要涉及材料的選擇、培養的時間、剪根的時間、解離的方法、染液的選取及壓片的方法.根據以往學生制作裝片的情況以及預實驗的效果來看，該實驗的成功率很低，每個班平均只有個位數的學生能得出相對較好的實驗結果.綜合多年的教學經驗，傳統的實驗方法主要有以下幾個方面的問題.

1.1 取材時間比較局限

教材所用的材料是洋蔥根尖，其分裂旺盛時期是上午10點至下午2點左右，但實驗課不一定都能安排在這個時間段，從而導致學生通過臨時取材難以觀察到各時期的細胞.

1.2 實驗時間較長

按新人教版（2019）的方法，臨時裝片制作的時間大約需要20 min，顯微鏡觀察并記錄結果至少要8 min，加上實驗教師對原理的講解及結果的分析，一節課40 min很難完成所有的教學過程，這也就使得很多同學即使做出結果，也沒有足夠的時間進行顯微鏡下的觀察.

1.3 根尖操作不便

按新人教版（2019）教材的敘述，剪取洋蔥根尖2-3 mm進行解離，這個長度不但難以用鑷子夾取，而且染色后不易找到實驗對象.

1.4 解離欠充分或解離過度，細胞難以分離

用體積分數為95%的酒精和質量分數為15%的鹽酸按1∶1混合解離3～5 min，因為實驗的時間大約在冬季，室溫比較低，很難解離充分，細胞也就難以被壓散成單層細胞，影響觀察.如果解離時間過長，細胞也很難分離，且無法觀察到分裂相的細胞，如圖1 顯示為解離不充分狀態，圖2顯示為解離過度所示.

圖1 解離不充分

圖2 解離過度

1.5 染色效果欠佳

新人教版（2019）教材所用的染色劑為0.01g/mL 的甲紫溶液（舊稱龍膽紫溶液），傳統的染料不是只針對染色體進行的染色，容易把細胞質也染成紫色，對比不明顯不利于染色體的觀察.

1.6 壓片方法不當

常規的壓片方法是用鑷子將根尖取出，放在載玻片上，加一滴清水，蓋上蓋玻片，然后用拇指輕輕按壓，這種方法容易導致蓋玻片周圍有水溢出，使蓋玻片位置的移動，造成細胞重疊，影響實驗結果.

2 實驗材料的優化

教材選取的實驗材料為洋蔥，但是洋蔥根尖的分裂旺盛期短，培養周期長，大約需要7 d 左右，此外洋蔥的實驗成本高，占地方多，如果準備700 多個學生的實驗，就要準備近100 個洋蔥［2］.所以我嘗試著尋找一種分裂旺盛期更長，培養周期更短的實驗材料.通過鼓勵學生查找資料并進行實驗，我們最終鎖定了幾種比較常見的材料，大蒜、吊蘭和水仙.大蒜作為實驗材料，可以大量節省實驗材料，降低實驗成本.而且大蒜易于培養，生根快.依據學生實驗需求的根的數量，用大蒜做實驗只需要培養10 個左右就足夠了.在常溫環境下同時培養洋蔥和大蒜，大蒜1 d 即可生根，其生根率也高達90%左右.洋蔥培養時間大約需要7 d，其生根率為20%左右.吊蘭是常見的一種室內觀賞植物，可以土培或者水培.通過水培可快速生根，一天就可以生長1-2 cm，且生根數目多，分裂旺盛期長.水仙也是非常不錯的實驗材料，水仙與洋蔥比較相似，但水仙生根時間相對較短，而且生根數量也比洋蔥多，關鍵是水仙的分裂旺盛期相對較長.這樣就有效解決了取材時間限制的問題.

那么對于洋蔥等分裂旺盛期短的材料，能否解決該問題呢？通過查閱相關資料，發現卡諾氏液可以固定殺死細胞，維持細胞的形態，所以可以先將處在旺盛期的洋蔥根尖放入卡諾氏液固定，再放入70%酒精中保存，據資料顯示可以保存幾年，這樣也可以解決實驗時間的限制.

3 實驗步驟的優化

根尖分生區裝片的制作主要包括解離、漂洗、染色和制片4 步，裝片制作的好壞直接影響到能否在顯微鏡下觀察到細胞分裂的各個時期的圖像，所以本實驗主要是針對實驗的4 個步驟進行的改進，以下是具體的改進方法.

3.1 根尖獲取方法的改進

針對新人教版（2019）教材中給出的取根尖2-3 mm，用鑷子不易夾取和染色后不易找到的問題，我們進行了以下改良：首先剪取根尖1-2 cm，將其放入解離液中，待其解離完成之后，可將根尖直接放在載玻片上，然后用刀片切取2-3 mm 的根尖，并直接放在載玻片上進行染色，這樣可以使操作更加便捷，材料不丟失易.

3.2 解離過程的改進

新人教版（2019）中常規的解離方法是用體積分數為95%的酒精和質量分數為15%的鹽酸按1∶1 的比例進行混合，在常溫下解離3-5 min.為了盡量節省時間，提高解離的效率，我們將常溫條件下的解離改為用恒溫水浴鍋加熱至60℃進行解離.操作如下：提前準備好水浴鍋，將溫度調節至60℃左右，并將剪取的1-2 cm 的根尖放入盛有解離液的小燒杯中，蓋上培養皿皿蓋，再將小燒杯放入溫熱的水浴鍋中解離50 s 左右即可［3］.為了防止細胞解離不足或者解離過度，導致細胞分散不開或者細胞結構被破壞.需要仔細觀察根尖的變化，一般情況下，待根尖邊緣呈現乳白色，中部呈現透明狀即可.在實驗的過程中有學生可能還會提出其他的方法，比如提高鹽酸的濃度，這樣會更加縮短解離的時間，但是我們要考慮到鹽酸的特殊性質即腐蝕性和易揮發特性［4］，對學生而言可能會存在潛在的危害，所以我們會優先考慮學生的安全性，在盡量降低潛在危害的基礎上，最大限度地縮短解離時間，最終采取了在保持原有鹽酸濃度的前提下，進行封閉式水浴加熱.由此我們將時間縮短在50 s左右，這樣不但節省了時間，也取得良好的效果.

3.3 漂洗過程的改進

新人教版（2019）教材中給的漂洗方案是在培養皿中進行漂洗約10 min 后再進行染色，這樣就極大地延長了實驗的時間.為此，我們嘗試改進漂洗的方法來縮短時間.根據預實驗和學生之間的討論，我們對此提出了以下兩種方案：方案一：分別取2個50 mL的燒杯，加入足量的清水，然后將剪取的1-2 cm的根尖分別通過2個燒杯，順序漂洗，當根尖不再在燒杯中旋轉即可，該操作大約需要2-3 min.方案二：取2 個50 mL 的小燒杯，其中一個燒杯中加入清水，另一個燒杯中不加清水.左手用鑷子夾住洋蔥根尖，右手持盛有清水的滴管在未加水的小燒杯上方將清水以每秒1 滴的速度滴加在洋蔥根尖上進行漂洗，持續1 min.最終結果發現漂洗1 min 的效果和漂洗10 min 的效果差別不大.最終我們選擇了方案二來縮短漂洗的時間，這樣就極大地節省了時間，提高教學效率.

3.4 染色過程的改進

經過解離和漂洗過程的改進之后，染色就相對就比較容易了.為了使根尖染色更加充分我們可以先將根尖搗碎，但這就會出現一個問題，新人教版（2019）中給出的染色方法是將漂洗后的根尖放到培養皿中進行染色3-5 min，因為剪取的根尖長度只有2-3 mm，這樣就會使得根尖無法夾取了.因此我們采用直接在載玻片上進行染色的方法，將根尖直接夾取至載玻片，然后將其搗碎，滴加1-2 滴染液，可將染色時間控制在2 min 以內.此外，如果采用甲紫溶液進行染色，還存在染色太深且特異性差的問題.我們經過多次嘗試，最終發現改良的苯酚品紅染液染色的效果明顯優于甲紫溶液染色的效果，原因是改良后的苯酚品紅染液特異性強，染色清晰，幾乎所有染色體被染色，細胞質無色，區別更加明顯，更有利于染色體的觀察.所以我們最終采用的染色方法是用改良后的苯酚品紅染液進行載玻片直接染色法.

3.5 制片過程的改進

染色完成后，最后一步就是裝片制作，在這一步中能否使細胞充分分散成單細胞，最關鍵的是壓片.新人教版（2019）中采用的方法是用鑷子夾取染色后的根尖，放在載玻片上，加一滴清水，并用鑷子把根尖弄碎，蓋上蓋玻片，然后用拇指輕輕按壓蓋玻片.因為載玻片和蓋玻片之間有清水，如果僅僅是在蓋玻片上方用拇指壓片，就會使根尖因為水的移動而發生位置的改變，會使更多的細胞被擠出視野之外，很難達到理想的效果.為此，我們對壓片的方法進行了改良，在壓片之前先將吸水紙放于蓋玻片上方，然后用橡皮擦或者膠頭滴管的膠頭進行按壓，控制好力度，使細胞分散成云霧狀.這樣的操作一方面可以很好的控制好力度，另一方面壓片工具易獲取、操作簡單且效果明顯.

綜上所述，通過材料和操作步驟的優化，實驗效果明顯改良，成功率也顯著提高了.改進后的實驗操作更加便捷，細胞更加分散且分裂相多，染色更加清晰，同時大大縮短了實驗操作的時間，這樣就為在顯微鏡下進行觀察騰出了更多的時間.通過分組比較4 種材料在培養時間和分裂旺盛時間以及解離時間，發現除了材料地培養時間和分裂旺盛時期有差異之外，在操作步驟方面所用到的時間差異性不大，如表1所示.

表1 不同材料培養時間和旺盛時期的比較

4 圖像的觀察

裝片制作完成之后，能否觀察到有絲分裂各時期染色體的形態，這就關系到顯微鏡的質量以及學生能否準確地使用高倍顯微鏡來進行觀察的技術.一般情況下光學顯微鏡的最大的物鏡放大倍數為40，是可以觀察到比較清晰的圖像，但是通過對比發現，效果明顯不如電子顯微鏡.所以如果有條件的話，最好用電子顯微鏡進行觀察.一般來說，分生區細胞的特點是細胞排列緊密，呈正方形.所以可在低倍鏡下找到這類細胞，然后再轉到高倍鏡下進行觀察［5］.圖3是在電子顯微鏡下觀察到的4種材料的圖像.

圖3 不同材料有絲分裂各時期的形態

5 實驗拓展

在原有實驗的基礎上可以開展課后實驗延伸，引導學生關注環境因素對有絲分裂的影響，通過查閱相關資料并進行實驗探究PH、溫度變化和化學藥劑等因素對有絲分裂的影響，比如讓學生課后探究一下不同污染程度的水質對洋蔥、大蒜、吊蘭和水仙根尖分生區細胞的影響.教師要鼓勵學生設計實驗步驟，并進行實驗數據的統計，最終得出結論.具體方法可以讓學生組成生物實驗興趣小組，在課余時間完成，教師在這個過程中給予指導和幫助.

6 實驗反思

學生實驗的過程僅僅是對有絲分裂的一種感性認識［6］，如果學生通過實驗操作，獲得了制作根尖分生區細胞有絲分裂裝片的技術，同時還能夠在自己制作的裝片中清晰的觀察到植物有絲分裂各時相的染色體狀態，才能把種感性認識上升為理性認識.老師可以在這個過程中收集學生觀察到的一些較典型的分裂時相或者處于臨界狀態的分裂時相進行拍照，在課后的討論環節進行分析總結.

本實驗是一個驗證性實驗，為了使學科核心素養在實驗教學中得到落實，提高學生科學探究的能力，作者將本實驗設計為探究性實驗.課前，學生通過微課自主學習；課中，教師營造民主的學習氛圍，讓學生敢于表達自己的觀點，從而形成本節課的探究問題.并且學生在教師的指導下，分小組討論完成探究問題.教師在指導的過程中，鼓勵學生大膽創新，提出自己的改進意見，并與本組內的成員討論交流，記錄結果，以便后期探究出更加完善的結果.通過團結合作，不僅提高學生的科學探究能力，還優化了實驗步驟，將原來約20 min 的臨時裝片制作時間縮短為10 min 以內，讓學生可以有更多的時間進行圖像的觀察，優化了課堂，提高了實驗的成功率.除此之外，還可以利用手機顯微攝像技術及時分享效果的好的圖像，這樣不僅提高了學生的積極性和興趣，還讓學生的印象更加深刻.

探究實驗結束之后，教師啟發學生，將探究進一步向深入，將學習由課內拓展到課外.教師引導學生將本節課的知識與環境保護聯系起來，有助于學生理解科學技術和環境之間的復雜關系.因此在實驗中加入了環境污染對有絲分裂的影響這一環節，并鼓勵學生在課后完成該實驗.學生可采用不同的水質對給出的4 種植物進行培養，然后進行實驗，最后得出結論.通過拓展實驗的設計和實施，有助于學生創新能力和實踐能力的培養.在此過程中滲透環保意識，能夠促使學生關注環境污染對生物的傷害，建立環保意識，確立積極的生活態度，從而增強學生的社會責任感，使生物學科的核心素養在實驗課堂中得以落實.