中学生物学拓展活动的新材料——蕨类植物配子体.pdf

SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验教学研究中学生物学拓展活动的新材料蕨类植物配子体戴锡玲1，郭严冬2，付秋爽3，齐晶1（1.上海师范大学生命科学学院，上海 200234；2.江苏省中国科学院植物研究所，南京 210014；3.上海市董恒甫高级中学，上海 200030）摘要：以蕨类植物鞭叶铁线蕨为例，介绍如何观察蕨类植物配子体的发育过程。利用不为学生所熟知的蕨类植物配子体为观察对象，可以丰富拓展活动的探究内容，培养学生探索生命奥秘的兴趣，强化学生的观察能力和动手操作能力等综合实践能力，锻炼科学思维和创新能力，提升团队合作和沟通能力，从而更好地实现对学生学科核心素养的培养。关键词：拓展活动；实验材料；蕨类植物；配子体DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.006教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见（教基 2019 16号）的总体要求指出，要拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式1。在课内实验教学的基础上充分利用课外时间，如兴趣社团和课外实践等，组织学生进行自主的科学探究活动，将对生物学教学具有重要的辅助和促进作用。开展生物学课外拓展活动，观察蕨类植物的配子体世代是一个新颖的思路和选择。1丰富内容，增强趣味性蕨类植物是植物界中一个独特的类群，是较原始的陆生植物，在它的生命中有两个不同的世代，即二倍体的孢子体世代（无性世代）和单倍体的配子体世代（有性世代），这两个世代是交替出现的2。配子体与孢子体相比，个头非常小，结构也简单，在蕨类整个生命周期中存在的时间较短，不占优势，因此，学生对它知之甚少。拓展实验以不为学生所熟知的蕨类植物配子体为研究对象，既丰富了拓展活动的探究内容，又利用学生的好奇心，增强了拓展活动的吸引力和趣味性，为学生拓宽了视野和知识面，同时，可以有效地提高生物学教学的质量和效果。此外，对苔藓植物的配子体和孢子体进行观察，也会产生同样的效果。2强化综合实践能力现以铁线蕨科（Adiantaceae）的鞭叶铁线蕨（Adiantum caudatum L.）为例介绍蕨类配子体发育的观察。把鞭叶铁线蕨成熟叶片收集到信封中，在干燥的通风处放置，随后收集孢子，置于4 冰箱中备用。用5%次氯酸钠溶液消毒孢子，再用无菌水漂洗3次后制成孢子悬浮液，将悬浮液均匀接种在改良Knops培养基上，并放置在人工培养箱中培养，培养条件为16 h光照培养，8 h黑暗培养，光照强度约2 000 lux，温度约25，湿度约60%70%。定期将不同发育阶段的配子体制成临时水封片，用光学显微镜观察并拍照记录。鞭叶铁线蕨的孢子萌发后，经过丝状体、片状体和原叶体阶段，最后发育成熟。它的孢子棕色、具三裂缝；孢子从极面观察为钝三角形，从赤道面观察为半圆形，其表面具瘤状纹饰（图1-1）。培养10 d左右，孢子吸水膨胀，分裂形成2个细胞，小的细胞从孢子壁的裂缝长出，成为透明、细长管状的假根（图1-2，图1-3）；大的细胞为原叶体原始细胞（图1-4）。接种15 d左右，原叶体原始细胞连续横向分裂形成单列不分支的丝状体，丝状体通常由26个圆桶状或长圆桶状细胞构成，内含分布均匀的叶绿体（图1-5至图1-7）。随后，丝状体的最前端出现楔形的顶端细胞（图1-8）。培养25 d左右，丝状体顶端细胞先进行1次纵向分裂，形成2个细胞，再进行多次左右交替的斜向分裂，形成匙状的片状体（图1-9，图1-10）。在片状体末期，其前端略偏一侧产生一排体积小、排列紧密的分生组织细胞（图1-11）。培养35 d左右，片状体一侧的分生组织细胞连续分裂形成略不对称的心脏形幼原叶体（图1-12）。继续发育，逐渐成为对称的心脏形成熟原叶体，其宽度大于长度，两翼的边缘平滑，大小为 1.6 mm 2.1 mm（图 1-13）。鞭叶铁线蕨的雌、雄生殖器官长在同一个配子体上。培养40 d左右，精子器出现在假根周围，十余个到几十个不等，近长圆球状。当精子器中充满球形的精细胞时，标志着精子器发育成熟（图1-14）。播孢约4550 d，颈卵器在生长点凹陷处的下方出现，大约10个。颈卵器的颈部约有45层细胞（图1-15）。在部分片状体的假根中含有叶绿体（图1-16），一般假根的基部稍微膨大，其余部分为长管状（图1-17）。拓展实验可以丰富实验教学的实施形式，在观察鞭叶铁线蕨配子体发育的过程中，综合运用了种植、培养、观测、体验等多种方式，能有效促进传统的验证式实验教学与多种实验技术的有机融合1，可以利用光学显微镜对配子体的发育过程连续跟踪观察，使学生熟练使用显微镜，锻炼其动手操作能力，提升其观察能力，同时亲身感悟生命的孕育。3培育创新思维和科学素养在前期观察鞭叶铁线蕨配子体发育过程的基础上，学生对这一植物陌生的发育阶段有了感性认识，可以进一步将拓展实验有目的地设计成研究型、任务型或项目型实验，例如探究不同的光照（光照强度、光质、光周期等）、温度、湿度、培养基质（基质类型、基质营养成分配比、激素添加等）等培养条件下鞭叶铁线蕨或其他蕨类植物孢子萌发和配子体发育的最适条件，以利于其孢子的繁殖。孢子繁殖成功后长出来的新一代鞭叶铁线蕨植物体可以移栽到校园中，再融入学生的设计，搭配其他适宜的植物（如苔藓、草花等）形成独特的校园景观，既美化校园，又让学生得到实践锻炼，并获得成就感和体验感。在探究实验项目的实施过程中，学生需要通过对翔实的实验数据进行科学分析和严密的逻辑推理，得出可靠的结论；在实验数据出现误差时要能够分析出可能的原因以及有效的解决办法，并一一实践进行验证；最终实现进一步培养学生的创新思维和多方面的科学素养，磨炼坚韧的意志品质。4提升团队合作和沟通能力类似上述复杂的、周期较长的拓展实验比较适合以实验小组的方式开展，学生可以充分利用社团活动或课余时间，在学校的开放实验室开展探究实验，在学生任务分工、克服困难、互相帮助的过程中可以培养团队合作能力和沟通交流能力。实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。在中学生物学常规实验的基础上，根据学校实际情况，适当加强和拓展实验教学的内容，可以提高中学生物学实验教学的水平和人才培养的质量，对学生综合素质的全面培养也是非常有效的途径。以蕨类植物的配子体为实验材料开展生物学拓展活动是中学师生的全新选择。（基金项目：上海植物种质资源工程技术研究中心项目，编号：17DZ2252700）参考文献1 教育部.教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见R.中华人民共和国国务院公报，2020（8）：74-76.2 王全喜，张小平.植物学 M.北京：科学出版社，2004.1171615141312111098765432注：1.孢子；24.孢子萌发；57.丝状体；8.丝状体末期，箭头示顶端细胞；9.片状体，箭头示顶端细胞；10.片状体；11.片状体末期，箭头示分生组织；12.幼原叶体；13.成熟原叶体；14.精子器；15.颈卵器；1617.假根图1鞭叶铁线蕨配子体的发育 142023 年第7期实验教学研究两翼的边缘平滑，大小为 1.6 mm 2.1 mm（图 1-13）。鞭叶铁线蕨的雌、雄生殖器官长在同一个配子体上。培养40 d左右，精子器出现在假根周围，十余个到几十个不等，近长圆球状。当精子器中充满球形的精细胞时，标志着精子器发育成熟（图1-14）。播孢约4550 d，颈卵器在生长点凹陷处的下方出现，大约10个。颈卵器的颈部约有45层细胞（图1-15）。在部分片状体的假根中含有叶绿体（图1-16），一般假根的基部稍微膨大，其余部分为长管状（图1-17）。拓展实验可以丰富实验教学的实施形式，在观察鞭叶铁线蕨配子体发育的过程中，综合运用了种植、培养、观测、体验等多种方式，能有效促进传统的验证式实验教学与多种实验技术的有机融合1，可以利用光学显微镜对配子体的发育过程连续跟踪观察，使学生熟练使用显微镜，锻炼其动手操作能力，提升其观察能力，同时亲身感悟生命的孕育。3培育创新思维和科学素养在前期观察鞭叶铁线蕨配子体发育过程的基础上，学生对这一植物陌生的发育阶段有了感性认识，可以进一步将拓展实验有目的地设计成研究型、任务型或项目型实验，例如探究不同的光照（光照强度、光质、光周期等）、温度、湿度、培养基质（基质类型、基质营养成分配比、激素添加等）等培养条件下鞭叶铁线蕨或其他蕨类植物孢子萌发和配子体发育的最适条件，以利于其孢子的繁殖。孢子繁殖成功后长出来的新一代鞭叶铁线蕨植物体可以移栽到校园中，再融入学生的设计，搭配其他适宜的植物（如苔藓、草花等）形成独特的校园景观，既美化校园，又让学生得到实践锻炼，并获得成就感和体验感。在探究实验项目的实施过程中，学生需要通过对翔实的实验数据进行科学分析和严密的逻辑推理，得出可靠的结论；在实验数据出现误差时要能够分析出可能的原因以及有效的解决办法，并一一实践进行验证；最终实现进一步培养学生的创新思维和多方面的科学素养，磨炼坚韧的意志品质。4提升团队合作和沟通能力类似上述复杂的、周期较长的拓展实验比较适合以实验小组的方式开展，学生可以充分利用社团活动或课余时间，在学校的开放实验室开展探究实验，在学生任务分工、克服困难、互相帮助的过程中可以培养团队合作能力和沟通交流能力。实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。在中学生物学常规实验的基础上，根据学校实际情况，适当加强和拓展实验教学的内容，可以提高中学生物学实验教学的水平和人才培养的质量，对学生综合素质的全面培养也是非常有效的途径。以蕨类植物的配子体为实验材料开展生物学拓展活动是中学师生的全新选择。（基金项目：上海植物种质资源工程技术研究中心项目，编号：17DZ2252700）参考文献1 教育部.教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见R.中华人民共和国国务院公报，2020（8）：74-76.2 王全喜，张小平.植物学 M.北京：科学出版社，2004.1171615141312111098765432注：1.孢子；24.孢子萌发；57.丝状体；8.丝状体末期，箭头示顶端细胞；9.片状体，箭头示顶端细胞；10.片状体；11.片状体末期，箭头示分生组织；12.幼原叶体；13.成熟原叶体；14.精子器；15.颈卵器；1617.假根图1鞭叶铁线蕨配子体的发育 15