减数分裂染色体变化模型实验的优化与拓展

摘要

使用扭扭棒模拟染色体和中心体，纸盒模拟细胞，细铁丝模拟纺锤体，从而建立减数分裂中染色体变化的立体模型。该模型为立体空间物理模型，能较好地还原减数分裂的全过程，将微观的生物学现象加以宏观展示，能够加深学生对抽象内容的直观认识。改进实验模型不但可以用于学生的探究实验，还可以将其作为教具，用于教师课堂演示实验，借此演示“分离定律”和“自由组合定律”的实质。

Graphical abstract

关键词

减数分裂 / 染色体 / 变化 / 模型 / 优化与拓展

“建立减数分裂中染色体变化的模型”是人教版高中生物学必修2·《遗传与进化》第二章第一节“减数分裂和授精作用”所设置的一个探究实验。新课标明确提出，减数分裂是高中生物学的核心概念之一，也是教学的重难点。

在实际教学中，要求教师在教学中运用模型、装片或视频观察等手段模拟减数分裂过程中染色体的变化，且鼓励教师结合学校和学生实际，设计出有特色和创造性的学生实验^［1］。

基于此，笔者将教材实验加以改进和拓展，以进一步提高学生的创新思维能力和实验操作能力，从而更好地落实生物学科核心素养。

1 材料用具

扭扭棒、纸盒、小磁扣和细铁丝、LED小灯、剪刀、镊子、魔术贴等。

2 探究性实验装置的制作与使用

2.1 模拟减数分裂中染色体的复制和螺旋化

（1） 制作染色体和中心体。

①用小刀以平行方式给小磁扣钻两个小洞，将红、蓝两种颜色扭扭棒穿入小磁扣制成若干染色质，备用（带有两种不同颜色、大小相同扭扭棒的小磁扣表示同源染色体，分别代表来自父方和母方；带有两种相同颜色、大小不同扭扭棒的小磁扣表示非同源染色体）。

②接着，采用不同颜色扭扭棒垂直制成中心体若干，如图1所示。

（2） 用硬纸盒制作细胞。

用硬纸盒制作细胞，在纸盒的上下处各插入U形细铁丝模拟纺锤体，可以模拟纺锤体的移动（图2）。

（3） 模拟减数分裂中染色体的复制和螺旋化。

固定染色体于制好的细胞内，让两个相同颜色、大小扭扭棒的小磁扣吸在一起模拟染色体复制；用圆珠笔将扭扭棒螺旋化模拟由染色质到染色体形态变化过程（图3）。

2.2 模拟减数分裂中染色体数目及主要行为的变化

（1） 让带有两种不同颜色、大小相同扭扭棒的小磁扣靠近配对，模拟减I前期同源染色体联会，形成四分体。

（2） 将配对的两对小磁扣排列在细胞中央的赤道板两侧，模拟减I中期同源染色体排列在赤道板的两侧。

（3） 用手牵拉两侧细铁丝，使两种颜色的小磁扣分别移向细胞两极，模拟减I后期同源染色体分离，非同源染色体自由组合。

（4） 将一张硬纸卡置于细胞中央，代表完成减数第一次分裂，并形成两个次级精母细胞（图4）。

（5） 把新细胞中的小磁扣排列在细胞中央的赤道板上；接着，将吸在一起的小磁扣分开，相当丝粒分离，染色体单体消失，再将分离的小磁扣拉向两极；最后，用纸板卡住中央，代表完成减数分裂形成4个精细胞（图5）。

2.3 模拟减数分裂中染色体的自由组合

（1） 将配对的两对小磁扣横向分别排列在细胞中央的赤道板两侧，模拟同源染色体排列在赤道板的两侧。

（2） 可以是相同颜色排列在一侧（来自同一方的非同源染色体），也可以是不同颜色排列在一侧（一个来自父方，一个来自母方的非同源染色体）。

（3） 形成的次级精母细胞和精母细胞各不相同，如图6所示。

2.4 模拟减数分裂中染色体的互换

（1） 分别取一小段不同颜色扭扭棒与制备好的染色体对折；将对折的地方相互钩住固定，用圆珠笔螺旋成染色体（图7）。

（2） 对换蓝色和红色部分扭扭棒颜色模拟四分体间的非姐妹染色单体互换，这样形成的次级精母细胞和精细胞各不相同（图8）。

3 演示实验装置的制作与使用

3.1 演示基因在染色体上

（1） 在制作好的染色体上，将对应颜色的小LED灯螺旋缠绕在扭扭棒上模拟染色体上的DNA，而LED灯光亮点模拟基因。

（2） 可以演示基因在染色体上呈线性排列（图9）。

3.2 演示分离定律和自由组合定律的实质

将绕有LED小灯配对的两对小磁扣横向分别排列在细胞中央的赤道板两侧，用手在两侧牵拉细铁丝，慢慢地将两种不同颜色、相同大小的小磁扣分别移向细胞两极，模拟减I后期同源染色体分离导致其上的等位基因分离，非同源染色体自由组合导致其上的非等位基因自由组合，如图10所示。

4 改进和拓展后的实验优点

（1） 材料可重复利用，凸显环保理念。

教材上采用橡皮泥模拟染色体模型，放置过久会导致橡皮泥干裂，不能重复利用。改进实验采用扭扭棒搭配小磁扣模拟的染色体可以多次使用。

（2） 模型立体，展示方便。

教材采用橡皮泥模拟染色体行为变化，学生操作时橡皮泥太软且带黏性，导致移动时易粘连在纸上，模拟染色体动态变化时易弄断，故学生多采取放置方式，不能显示染色体连续、动态变化。学生用白纸画的细胞是一个平面模型，只能水平放置桌上。在实验评价阶段，学生需低头观察，既不便教师管理，也不便教师面向全体学生展示。改进实验采用扭扭棒搭配小磁扣模拟染色体模型，移动容易，不易损坏。该模型是空间立体结构模型，可以动态、连续显示染色体行为变化，展示方便。

（3） 全过程还原，更加直观。

橡皮泥模拟的染色体易断裂，教材上用橡皮泥直接制成染色单体，不能体现减数分裂间期染色体的复制和螺旋化过程。改进实验用扭扭棒搭配小磁扣模拟的染色体模型易于表示出染色体复制及由染色质螺旋为染色体过程，尽量还原减数分裂过程染色体变化，符合学生认知规律。

（4） 实验模型作用多样。

教材上设置的探究实验“建立减数分裂中染色体变化的模型”仅用于学生对减数分裂过程及其特点的认识。而改进实验还能拓展其作用，不仅可以用于学生探究实验，还可以用于教师课堂演示实验，如在原实验基础上缠绕小LED灯，就能模拟基因在染色体上。另外，可以用于演示人教版高中生物学必修2·《遗传与进化》第二章第二节“基因在染色体上”中摩尔根证明的基因在染色体上这一结论和演示分离定律和组合定律实质。

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年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.