高中生物学有丝分裂实验材料的改进与创新性研究

摘 要：创新教学是素质教育的特点，实验教学则是生物学教育的基石。在中学生物学课程中，观察生物细胞的有丝分裂是重要的生物学实验。但是目前的课程采用植物细胞作为实验材料，具有明显的缺点。本文以模式生物粟酒裂殖酵母为突破口，分析有丝分裂实验材料改进的可行性，并提出有丝分裂实验教学的优化方法与思路，增强课程的创新性。

关键词：高中生物学教学；有丝分裂；实验创新；实验教学

文章编号：1003-7586（2024）10-0049-03

中图分类号：G633.91

文献标识码：B

新一轮基础教育课程改革的核心内容是教学创新，教学创新的基石则是学科核心素质的教育创新。生物学是以实践为前提的自然科学，实践是提高学生能力的关键方法。因此教师应当注重生物学教学中的实验教学，将实验课创新纳入教育创新。^{［1］［2］}目前多数高中生物学教科书的有丝分裂实验章节，推荐的材料以紫色洋葱的根尖为主。而选取洋葱根尖进行有丝分裂观察实验具有一定局限，包括生长发育不良的紫色洋葱出根率低、根尖细胞染色体形状不直观、染色效果不明显、实验结果难以观测等。^［3］

在生物学研究过程中，模式生物是支持研究人员解决问题的关键材料。^［4］高中生物学教材已经编入了使用噬菌体和大肠杆菌进行噬菌体侵染微生物实验、利用黑腹果蝇进行遗传学实验以及利用老鼠进行生长激素功能检验实验的案例。^［5］1680年，荷兰物理学家列文虎克（A. Leeuwenhoek）首次在显微镜下观测到酵母。20世纪30年代，酵母开始作为模式生物被广泛用于实验室研究。20世纪60年代，美籍生物学家哈特韦尔（L. Hartwell）和英格兰动物学家米基森（J. M. Mitchison）将裂殖酵母用于研究细胞生长发育与控制周期。目前，高中生物学教学中使用酵母开展了研究细胞呼吸方式、菌群数量变异、制作果酒和发酵葡萄糖等教学实验。^［6］

粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）是子囊菌纲盘菌科裂殖酵母属的一种单细胞杆状真核生物。粟酒裂殖酵母是研究有丝分裂和细胞周期的理想模型生物。当其处于营养生长期时，细胞宽度保持不变，但细胞长度随时间增加，当细胞达到特定长度时，微管蛋白开始收缩，染色体迁移到细胞两极。此后，细胞中部发生收缩缢裂，并合成新的细胞壁和细胞膜，形成两个大小相等的子细胞。这一过程为研究有丝分裂的基本机制提供了绝佳的实验思路（见图1）。^［7］

1 实验教学的问题现状及不足

1.1 实验材料

高中生物学教材中，有丝分裂实验选取紫色洋葱的根尖细胞作为实验材料。一般选择老洋葱，因为新洋葱处在休眠期间，不易生根；学生培养洋葱时要定期换水避免根尖腐烂；根尖的取用时间应在上午十点至下午两点间，此时间段细胞正处在有丝分裂活跃期。上述材料的准备增加了实验材料的预处理难度和实验失误概率。

1.2 实验准备

学生根据生物学教材中的细胞有丝分裂实验方法，采用盐酸和乙醇混合溶剂（1∶1）对洋葱根尖进行分解，解离时间为10～12min，解离完毕后，用清水漂洗解离后的根尖。

根尖分离是该实验的关键步骤。实际操作中，解离剂容易导致洋葱的原生质发生收缩，在漂洗过程中，脆弱的根尖容易损坏。此外，教材中所使用的盐酸若漂洗不彻底，容易造成细胞染色错误。

1.3 实验观察

教材中采用浓度为0.01g/mL的龙胆紫溶液对洋葱根尖细胞进行染色体染色，染色时间为1～2min。染色完毕后，用盖玻片轻轻敲击根尖，使细胞散开，再观察根尖细胞的有丝分裂情况。

在实验过程中，学生压片操作时易用力过大，从而造成玻片损坏；染色液含量过高或染色持续时间过长，易造成细胞全部出现紫色，从而难以观察。

2 实验教学的改良与创新措施

2.1 实验材料

笔者查阅文献资料，结合教学要求对有丝分裂的实验方法进行改进。本改进实验选用粟酒裂殖酵母作为实验材料，简化实验前的准备工作，采用微管蛋白与组蛋白被绿色荧光蛋白（GFP）或红色荧光蛋白（RFP）标记的粟酒裂殖酵母，用正置荧光显微镜观察细胞内荧光蛋白的标记情况，GFP标记的微管蛋白分布在整个细胞，RFP标记的染色体位于细胞中部。

2.2 实验准备

实验正式开始前需要先完成菌株的活化，选取少量菌株接种于装有YE5S液体培养基的锥形瓶中，利用紫外分光光度计将菌液起始OD595值调为0.1左右并将锥形瓶置于25℃、200rpm/min的恒温摇床中孵育10～14h，使菌株处于对数生长期。待菌株活化完成后，吸取1μL活化好的菌液滴加在载玻片上，盖上盖玻片轻压10s，肉眼观察到无较大的气泡，即制片成功。

2.3实验观察

本改进实验采用正置荧光显微镜观察有丝分裂情况，学生可以观察到在有丝分裂过程中，随着细胞分裂的进行，粟酒裂殖酵母内GFP标记的微管蛋白聚集形成纺锤体，纺锤体逐渐伸长，将红色荧光标记的染色体拉向两级，细胞中部收缩缢裂，产生两个大小相同的子细胞。

3 教学反思

按照教育部制定的《中小学实验教学基本目录（2023年版）》，并根据《基础教育课程教学改革深化行动方案》和《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》规定，教师需把实验教学作为课程体系的主要教学内容纳入课程教学基本规范，以提升学生核心素质为导向，提高实验教学应用性和创新能力。

有丝分裂是真核细胞分裂形成体细胞的过程，对细胞的繁殖、发展以及遗传稳定性具有重要价值。在高中生物学课程中“研究根尖分生组织细胞的有丝分裂”是细胞分裂的主要实践教学内容。然而，这种实践教学存在效率低下、教学效果不佳、学生体验感不强等问题。

粟酒裂殖酵母是单细胞真核生物，通常作为模式生物被用于研究有丝分裂周期以及检查点。有研究使用荧光蛋白标记的粟酒裂殖酵母作为实验材料，成功地观察到有丝分裂的全过程。粟酒裂殖酵母具有培养简单、繁殖快、便于采集和储存、制片简便的优势。将荧光蛋白质标记在粟酒裂殖酵母基因组上，伴随酵母的有丝分裂，荧光蛋白质标记也不会丢失，每个实验结果都无须重复标记，有效降低了实验操作的复杂性，且荧光蛋白质的可视性远强于染色。荧光蛋白质标记的酵母细胞处在活细胞状态，能更清晰地显示细胞有丝分裂的真实情况。笔者选择粟酒裂殖酵母作为实验材料进行细胞有丝分裂观察实验，既可以保证实验教学的科学性、创新性、安全性和实用价值，又可以推动传统实验教学和现代科技的有机融合，从而提高实验教学的趣味性和吸引力，大大提高实验教学质量和效果。

参考文献

［1］王永旭.高中生物实验教学面临的问题及改进策略［J］.新课程研究，2023（23）：40-42.

［2］周丽云.核心素养视域下高中生物探究性实验教学设计策略研究［J］.教学管理与教育研究，2022（21）：92-94.

［3］黄雄伟.基于基本理念的单元课时教学设计——以“有丝分裂”（第2课时）为例［J］.生物学通报，2023，58（10）：15-18.

［4］王凯.生命科学研究中常用模式生物［J］.生命科学研究，2010，14（2）：156-165.

［5］曾红艳.高中生物学课程中的常用模式生物［J］.生物学教学，2011，36（11）：54-56.

［6］席兴字.模式生物［J］.生物学教学，2005（11）：60-61.

［7］冯碧薇，陈建强，雷秉坤，等.酵母模式生物研究表观遗传调控基因组稳定性的进展［J］.遗传，2010，32（8）：799-807.