自制細胞周期同步化演示儀在細胞增殖教學中的應用

鄭 好 潘麗雅

（溫州市龍灣區永強中學 浙江溫州 325000）

我國教育部頒布的《普通高中生物課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）明確指出要提高學生的生物學學科核心素養，倡導探究性學習，并在課程目標的知識目標中首次增加了模擬實驗、模型構建等方面的教學內容。自制教具是教師教學過程中的重要課程資源。結合《課程標準》要求，教師自制教具模型并在課堂演示，用自制教具模型作為信息載體來傳遞知識，可以使抽象的知識具體化、形象化，加深學生對知識的理解。學生參與自制教具能激發求知欲望，培養學習興趣和創新意識，激發創造能力。下面以高三一輪復習中“胸腺嘧啶脫氧核苷（TdR）在細胞周期研究中的應用”一節教學為例，談談如何利用自制教具形象地幫助學生理解整個過程。

1 制作背景

“細胞周期”是指細胞從一次分裂完成開始到下一次分裂結束所經歷的全過程，分為間期與分裂期兩個階段。間期包括G1期、S期、G2期。處于不同時期的細胞數與各時期持續的時間呈正相關。

“細胞同步化”是指利用某種方法使細胞群中處于細胞周期不同時期的細胞停留在同一時期，以獲取形態、生理狀態等一致的細胞群，用于研究細胞的生長和代謝，尤其是處于細胞周期不同階段的細胞的生化特征。胸腺嘧啶脫氧核苷（TdR）作為抑制劑，可逆地抑制DNA合成，不影響其他時期細胞的運轉，終將細胞群阻斷在S期或G1/S交界處，達到細胞同步于S期的目的（圖1）。

圖1 TdR雙阻斷法進行細胞周期同步化的原理

浙科版生物學教材回避了“細胞同步化”的相關概念。但“細胞同步化”在生物學研究中是一項非常基礎而重要的實驗技術，十分受重視，與其相關聯的知識在浙科版生物學教材中的章節跨度極大，是考查學生生物學學科核心素養的良好素材。因此，浙江省高考對“細胞同步化”的相關考查頻繁出現，且基于基本知識概念的考查，注重科學思維和科學探究，強調分析問題和解決問題的能力，需要學生構建模型，繪制圖像，難度較大。為了直觀、形象地表示相關過程，筆者制作了有關該過程的物理模型并用于教學。

2 制作材料與工具

2.1 材料

亞克力板，磁性畫板，磁鐵粒，膠水，直徑為1cm的長螺桿，配套螺母，鐵絲。

2.2 工具

數控激光雕刻機。

3 制作過程

用數控激光雕刻機將白色亞克力板切割出直徑50 cm圓形，中間打孔，孔徑為1cm；為了節約材料，用數控激光雕刻機將磁性畫板切割內徑40 cm、外徑450 cm圓環，鑲嵌白色底板中間，便于分析過程留跡。據4個區段所占周期比例將圓形分4個大小不等扇形區域，分別標為G1、S、G2、M期。用彩色亞克力制作三枚指針，在固定圓心處打孔，孔徑為1cm，分別在離圓心20、21、21 cm打孔，用于裝磁鐵粒。用透明亞克力做底座；將圓形與指針用長螺桿固定，并安裝固定于底座；在底座上對應磁性畫板圓環位置安一可活動磁鐵，用于消除磁性畫板的留跡。

模型整體效果如圖2所示。

圖2 模型示意圖

4 教具在實際教學中的使用

（1）測細胞經TdR培養，所有S期細胞均被標記。即在小圓盤所有S期細胞區域被標記，在儀器上使用兩根指針所夾范圍表示，并將角度固定，如圖3所示。

圖3 第一次阻斷后，S期細胞區域情況

（2）S期以外其他時期細胞的運轉不受影響。轉動另一根指針，所畫范圍代表正常運轉的細胞范圍，如圖4所示。得出結論，至少培養G2+M+G1期的時間。此時，處于S期的細胞被阻斷于S期的原始狀態，處于G2期、M期和G1期的細胞被阻斷于G1/S交界處，如圖5所示。

圖4 第一次阻斷后，非S期細胞區域情況

圖5 培養G2+M+G1期后，各區域情況

（3）洗脫TdR，細胞正常培養，即逆時針轉動步驟①中的三根指針。時間至少長于S期，兩個指針所覆蓋的范圍才能完全離開S期，代表原先阻斷于S期的細胞完全離開S期，但此時細胞仍未完全同步化，如圖6所示。

圖6 洗脫TdR，經過S期時長，完全離開S期

（4）為了將細胞完全同步化，再次加入TdR。要在兩個指針所覆蓋的范圍重新進入S期之前進行阻斷，如圖7所示。所以，第二次阻斷時間要在長于S期的基礎上，短于G2+M+G1期的時間。

圖7 進入S期之前進行第二次阻斷

（5）最終所有位于G1/S交界處和S期的細胞通過S期，又不使S期末期細胞進入下一個S期，最終細胞同步在G1/S交界，如圖8所示。

圖8 細胞同步在G1與S期交界

5 特點

該教具新穎，創新使用磁性畫板，解決了雙阻斷過程的直觀呈現問題。該教具實用，將細胞周期的問題從平面表述到立體推演，將細胞周期形象地呈現給學生，印象深刻，難題迎刃而解。該教具可操作性強，可以放置在講臺桌上教師用來解釋雙阻斷問題，也可以用于推演解題過程，利用自制教具模型促進學生構建知識體系，充分體現了以學生為主體的教學理念。該教具易推廣，制作材料常見，容易獲取，制作過程也比較簡單。該教具可改裝，外圍增設細胞分裂各時期的圖像，能直觀地呈現各個時期的特點。

6 啟發與感悟

新課程改革倡導探究性教學。探究性教學能夠培養學生的創新精神和實踐能力，是當前教育教學改革的重點研究內容。探究性教學的開展需要教師創設一定條件和氛圍引導學生去發現、探索、構建知識體系。在教學中，師生參與自制教具活動能夠促進教與學的雙邊互動，調動深入開展探究性學習的積極性。同時，教具制作的過程有利于促進教師深入挖掘教材，研究教材，有助于探究性教學的開展，培養核心素養。