“觀察小魚尾鰭血液的流動”實驗的再探究及思考

馬建興　浦彤

摘 要 因對一道關于“動脈、靜脈和毛細血管判定” 試題的不同見解，引發(fā)了對“如何判定小魚尾鰭血管種類”的爭議，在“觀察小魚尾鰭血液的流動”實驗再探究的基礎上，尋找到了問題的答案，同時還提出了對試題命制、科學探究和重要概念教學的深入思考。

關鍵詞 小魚尾鰭血液流動 試題命制 科學探究 重要概念

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

清代學者劉開認為：“非學無以致疑，非問無以廣識?！笨茖W探究實驗正是由“問題”開始，以實驗為途徑，最終達成“廣識”的?！读x務教育生物學課程標準》（2011版）指出：“生物課程中的科學探究是學生積極主動地獲取生物科學知識、領悟科學研究方法而進行的各種活動?！毕旅嫱ㄟ^由一道“觀察小魚尾鰭血液的流動”試題引發(fā)爭議與思考，以期與大家探討科學探究的一般過程與方法及其對于概念形成的重要價值。

1 提出問題

某課堂教學中，教師呈示問題如下，試題1：圖l表示“觀察小魚尾鰭血液的流動”實驗中材料的處理及小魚在顯微鏡載物臺上的擺放位置。圖2是實驗過程中顯微鏡視野下觀察到小魚尾鰭血液流動的情況。請據(jù)圖作答：

經(jīng)過一番討論后，學生主要有兩種不同觀點，其中正方認為：“圖2中，血管A中血液向左側分流，血管B中細胞成單行通過，血液在C血管中匯合。則可判斷A為動脈、B為毛細血管、C為靜脈。判斷的主要依據(jù)是顯微鏡下的血液流動方向?！狈捶降挠^點則是：“光學顯微鏡是依據(jù)凸透鏡成像的原理，經(jīng)凸透鏡兩次成像形成的一種倒立放大的虛像，如物體為‘F，在顯微鏡下觀察到的物像為‘[F]。圖2是在低倍鏡視野中觀察到的小魚尾鰭內(nèi)血液流動的情況，A和C處血液流動方向均為右→左，實際血液流動應為左→右，所以C為動脈、B為毛細血管、A為靜脈?！闭椒瘩g：“依照對方觀點，顯微鏡成的虛像與物體上下、左右正好相反，除了血液流動方向相反外，血管對應的位置也是相反的。所以仍舊A為動脈、C為靜脈。”在爭論中，正方觀點逐漸占上風。此時，反方一位學生提出不同觀點如下：“在圖1中，小魚在顯微鏡載物臺上的擺放位置是頭在右側，尾在左側，那么在顯微鏡的視野中，應其頭部在左側、尾部在右側，而心臟是位于頭部鰓下側的位置。圖2中的血液流動方向均為右→左，也就是血液都是從尾部流向心臟，若A為動脈的話，有悖于‘動脈是血液從心臟流向全身的血管這一概念?！眱煞N觀點針鋒相對，且很難以更有說服力的證據(jù)辯駁對方的觀點。當教學中的生成超出了預設，教師又未能及時以智慧去化解時，課堂就陷入了暫時的寂靜。

2 實驗探究

那么，究竟該如何“分辨血管的種類以及血液在不同血管內(nèi)流動的情況”呢？師生共同回到實驗室，開展“觀察小魚尾鰭血液的流動”實驗的再探究，從而以事實作為證據(jù)、以邏輯作為辯論的武器，真正說服對方。

2.1 作出假設，設計并實施實驗

經(jīng)分析，針對本次探究提出的假設為：① 在低倍鏡視野中，辨識動脈、靜脈和毛細血管依據(jù)有哪些？② 依據(jù)何種特征判定動脈、靜脈和毛細血管最為實用和準確？③ 用泥鰍等材料進行本實驗，效果是否會優(yōu)于小魚？

實驗材料：市場購得的單尾小金魚、長4～5 cm左右的泥鰍、紗布、小號（直徑9 cm）培養(yǎng)皿、數(shù)碼顯微鏡（型號DMWSK200IP-VC）（含載玻片）、滴管等。

實驗步驟與方法：

（1） 挑選尾鰭色素較少的小金魚，用濕潤的紗布包裹小金魚的頭部鰓蓋和軀干部，露出口和尾部，再將小金魚放在培養(yǎng)皿里，將培養(yǎng)皿中多余的水倒干，擦干培養(yǎng)皿外壁水珠。

（2） 將小金魚的尾鰭平貼在培養(yǎng)皿底壁內(nèi)，按頭在右側、尾在左側的方式，放置在載物臺上，將蓋玻片蓋在尾鰭上。使尾鰭正對通光孔。待小金魚安靜后，用低倍鏡觀察小金魚尾鰭內(nèi)的血管及血液在血管內(nèi)的流動情況。移動培養(yǎng)皿，尋找合適的視野。記錄視頻，截取照片如圖3（放大100倍）。

（3） 實驗完畢后，將小金魚放回水中。

（4） 將泥鰍先放入濃度為5%的酒精溶液中進行輕度麻醉（由于泥鰍生性活潑，注意泥鰍放入酒精時，要蓋上蓋子，以防泥鰍受到刺激后躍出容器）。根據(jù)實際情況，一般麻醉時間控制在2 min左右。

（5） 將輕度麻醉的泥鰍放在培養(yǎng)皿中，用濕潤的紗布蓋住頭部的鰓蓋和軀干部，同步驟2?？梢圆簧w蓋玻片，在低倍鏡下直接觀察泥鰍的尾（胸）鰭內(nèi)的血管及血流情況，并記錄視頻，截取照片如圖4（放大100倍）。

（6） 實驗完畢后，將泥鰍放入清水中，一段時間后，麻醉自行解除。整理實驗器材。

2.2 觀察現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)并得出結論

（1） 在顯微鏡視野中，辨識動脈、靜脈和毛細血管的依據(jù)有哪些？理論上根據(jù)血管的管腔大小、血液的流動速度以及血液流動方向等都是判定的依據(jù)。判定毛細血管的最好的方法就是紅細胞是否單行通過，由于此實驗是活體觀察，小魚時不時會出現(xiàn)跳動，因而大多數(shù)學生不易觀察到此現(xiàn)象。真實實驗中，較易觀察到的是小動脈和小靜脈血管中的血液流動情況。但是通過比較血管管腔大小、血流速度快慢等特征并不能準確判斷動脈、靜脈，原因有三：① 在顯微鏡下，管腔大小特征確實明顯，但各級動脈和靜脈的管腔有差別，故無法據(jù)此做出判斷。② 在所觀察的區(qū)域里，如果速度有明顯差別的可以基本判定流速慢的是靜脈，流速快的是動脈。但是在觀察時，流速快慢可能難以分辨，不能據(jù)此判定動脈和靜脈。再者，管腔大小是影響血液流動速度的主要因素，不同級別的動脈、靜脈的流速本來就有差異，以此特征判定動脈和靜脈也不準確。③ 若依據(jù)血液是回流到心臟還是從心臟出發(fā)輸送到尾部來判定，學生首先要有清晰的顯微鏡成倒像的概念，進而判斷血管類型，這一點在實際操作很難做到。再者，魚尾鰭中的血管排布并非都是規(guī)則的，實際上，在顯微鏡的一個視野中出現(xiàn)動脈、靜脈和毛細血管的血液朝同一方向流動也是正常的，所以此特征也不是最為恰當?shù)姆椒ā?/p>

（2） 依據(jù)何種特征判定動脈、靜脈和毛細血管最為實用和準確？由于顯微鏡下實際觀察是很難看到由小動脈→毛細血管→小靜脈組成的同一個微循環(huán)，因此觀察時往往需要不斷移動尾鰭位置。如果找到紅細胞單行通過的血管為毛細血管；如果觀察到血液流動方向逐漸出現(xiàn)分支（分流）的血管為小動脈；反之，逐漸匯合（合流）的血管，即小靜脈。根據(jù)血液分流、合流的情況，這是判定動脈、靜脈最為實用和準確的依據(jù)。

（3） 用泥鰍等材料進行本實驗，效果是否會優(yōu)于小金魚？以泥鰍作為實驗材料，開展了“觀察泥鰍尾（胸）鰭的血液流動”實驗。與小金魚相比，略遜一籌。原因有三：① 泥鰍具有材料易得、價格便宜的優(yōu)點，其生命活力強，持續(xù)觀察時間也較長。但其活動能力較強，即使進行輕度麻醉（重度麻醉會導致其死亡），也較難使其安靜下來，不便于觀察。② 以泥鰍的胸鰭為對象觀察血液的流動情況優(yōu)于尾鰭。主要原因是泥鰍的尾鰭有色素斑點存在，影響觀察效果。泥鰍胸鰭色素沉積較少，觀察效果更好。但是胸鰭中血液流動速度非?？?，用肉眼也很難區(qū)分血液流動方向。并且泥鰍的胸鰭比較小，容易緊貼在軀干上，對實驗操作要求較高。而小金魚的尾鰭中的血液流動速度相對較緩，便于觀察。③ 泥鰍外表有黏液很滑，不易捕捉。

3 教學反思

3.1 以激勵教學為指向，提升試題編制的嚴謹性

我國中學生物教學目前采用的主要評價手段和方式依舊是紙筆測試。那么，命題者該如何編制試題，以更為全面地了解學生生物學課程學習的過程和結果，更好地激勵學生學習和改進教師教學呢？在考查內(nèi)容上，要重視對生物學重要概念及概念體系的考核，盡量避免考查枝節(jié)的、零散的知識；在能力導向上，要重視對生物學概念、原理的理解和應用，注重科學方法的考查，適當減少對事實記憶、概念背誦和實驗結論復述等低層次能力的考核；在呈現(xiàn)方式上，材料情境要盡可能地貼近于學生的生活世界，表述要規(guī)范、簡練，便于學生閱讀，設問指向明確，邏輯思維清晰，參考答案表述規(guī)范，評價指向明確；在價值導向上，要特別尊重科學事實，以科學性作為檢驗試題質量的首要標準。

試題1以“觀察小魚尾鰭血液的流動”實驗為背景材料，綜合考查了光學顯微鏡成像、血液循環(huán)等知識，其抽象思維、邏輯推理等能力的要求超過了初中學生的實際?？陀^來說，試題1本身并無科學性問題，圖2中的動脈、毛細血管和靜脈未構成一個微循環(huán)，且血管A、C中的血流方向一致，這都是實驗過程中常見的現(xiàn)象，但不符合典型的血液循環(huán)的特征，若學生缺乏親身體驗，僅憑血液流動方向來判斷血管種類，則會產(chǎn)生解題思維的混亂。而“觀察小魚尾鰭血液的流動”實驗的主要教學目標是讓學生通過觀察“觀察血液在動脈、靜脈和毛細血管內(nèi)流動的情況”，嘗試“分辨血管的種類以及血液在不同血管內(nèi)流動的情況”，在提煉事實的基礎上，形成“血液循環(huán)系統(tǒng)包括心臟、動脈、靜脈、毛細血管和血液，其功能是運輸氧氣、二氧化碳、營養(yǎng)物質、廢物和激素等物質”的重要概念，并提高顯微鏡操作技能和實驗觀察能力。試題1的考查顯然與此目標不相符合，這樣的評價也會挫傷教與學的積極性。因此，建議修改如下：

修訂1：圖5是小魚尾鰭內(nèi)血液流動的情況。請根據(jù)實驗的方法步驟和現(xiàn)象，回答下列問題：

參考答案：動脈、毛細血管、靜脈；A中血流方向是由主干流向分支，B中紅細胞單行通過，C中血流方向是由分支流向主干。

修訂1思考角度有別于試題1，學生只需要依據(jù)血液流動中的分流、合流來判斷動脈和靜脈，依據(jù)紅細胞成單行通過來判斷毛細血管。減少了顯微鏡光學成像特點對學生的解題造成的影響，凸顯了基礎知識和重要概念的考查。命題者若堅持要考查顯微鏡成像特點，在試題1其他條件不變的前提下，只需將圖2改為圖6，參考答案同修訂1。以此方式呈現(xiàn)情景，既尊重了實驗事實，更符合學生的典型思維模式，提高了學生運用概念解決問題的效率，評價激勵了學生的學習。

當教師將教學重點放在核心概念教學上來時，就會重視對概念內(nèi)涵和外延的理解，教學評價應該更多的考察學生對概念的理解，以及更高認知層次的概念應用，鼓勵學生采用基于理解的學習方式。

3.2 以實驗探究為導向，提升實驗教學的真實性

古人云：“學起于思，思源于疑。”科學探究將疑問、思考、實證與結論有機整合，是一種有效的學習策略，而培養(yǎng)學生的探究能力則是初中生物學課程的重要目標之一。但受“應試教育”等多種因素的影響，探究性學習并沒有真正被重視、落實，探究教學的“新八股”趨勢卻愈演愈烈。一些學校的實驗開設率很低，學生對實驗本身缺乏直觀感受和親身體驗，對真實的問題解決過程缺乏思考，對于材料的選擇、步驟的設計、現(xiàn)象的分析等探究要點只會生搬硬套，不從實際出發(fā)，實驗操作技能并沒有提高，探究能力也沒有真正發(fā)展。那么，生物教學中該如何落實上述課程目標呢？課標明確指出：“理解科學探究和對科學探究能力的形成需要學生親歷探究性學習的過程?！敝袑W生物教學應大力倡導探究性實驗，在教學中，適時將部分驗證性實驗轉變?yōu)樘骄啃詫嶒?，或者開展一些實驗的再探究，都是很好地培養(yǎng)學生探究能力的渠道。在本文中，讓學生重新進入實驗室“觀察小魚尾鰭血液的流動”，就是對“實驗再探究”思想的具體實踐。在再探究的基礎上，以學生的體驗為基礎，對試題1修改如下：

修訂2：圖7為“觀察小魚尾鰭內(nèi)血液的流動”實驗材料的處理方式，圖8為低倍鏡鏡下觀察時，小魚于載物臺上的實際擺放位置，圖9為顯微鏡下看到的視野圖像。請根據(jù)圖9中血流方向的箭頭判斷，A為

血管，B為 血管。（提示：魚的心臟位于頭部下方）

參考答案：靜脈 動脈。

修訂2主要考核了學生血液循環(huán)和顯微鏡成像的基本原理。解題需要學生理解及運用的概念是：① 動脈是將血液從心臟輸送到身體各部分去的血管；靜脈是將血液從身體各部分送回心臟的血管。② 魚的心臟位于頭部下方。因此觀察魚尾鰭內(nèi)血液流動方向時，向頭部流動的應該為靜脈，向尾部流動的應該為動脈。③ 顯微鏡下所觀察的像是倒像，因此在顯微鏡下金魚的頭在右側，尾在左側。圖9中的A血管中的血流方向是往右的，即流向心臟，因此A血管為靜脈；同理可得，B血管為動脈。教師應關注學生在探究活動中逐步形成觀察、發(fā)現(xiàn)和提煉問題的能力，逐步提高設計實驗、調查研究、動手實驗的能力，逐步養(yǎng)成收集和分析數(shù)據(jù)、表達和交流的習慣等。教師應結合探究活動的全過程評價學生的探究能力。

3.3 以凸顯概念傳遞為核心，提升課堂教學的有效性

本次初中義務教育階段課標的修訂（2011年）凸顯了重要概念的傳遞。中學生物學的學習，若將學習的重點放在背誦一些事實或記憶一些孤立的信息上，這樣的學習成果在科學素養(yǎng)的提高上顯然是低層次的，不是課改所期望的結果。中學生物學的學習，重要的是要讓學生在掌握事實的基礎上去同化概念、建構概念體系，在理解概念的基礎上，運用概念解決具體問題。

教學中，呈現(xiàn)生物學事實的途徑可以是教材資料、教師講述、媒體信息等，也可以讓學生動手做實驗獲取事實，通過歸納、類比推理和演繹等多種方法提煉事實的本質屬性，進而幫助學生建立相對抽象的概念。本節(jié)內(nèi)容，通過“觀察小魚尾鰭的血液流動”，學生獲取了有關“血管與血液流動”的事實證據(jù)。教師再用圖10來表示本節(jié)課的概念框架，其中包含的基本知識有以下兩點：① 血液是在由心臟、動脈、毛細血管、靜脈構成的密閉空間里流動的。② 動脈是運輸血液離心的血管，起于心臟，止于毛細血管；靜脈是運輸血液回心的血管，起于毛細血管，止于心臟。血液是從動脈逐步分流向毛細血管然后再由毛細血管逐步匯聚回流至心臟的。從而在歸納、提煉事實的基礎上，建立起相對抽象的血液在動脈、毛細血管、靜脈流動的概念關系圖，提高了學生對于血液循環(huán)概念的理解，優(yōu)化了概念學習的策略。

當然學生學習生物學知識的主旨還在于運用知識解決實際問題。探究“小魚尾鰭血液的流動”是為了幫助學生更好地理解血液循環(huán)的原理，并用血液循環(huán)的知識解決學生生活世界的具體問題。因此建議在教學最后讓學生思考以下問題：醫(yī)生在給病人打點滴時針頭插入的是什么血管，為什么要選擇這種血管？在抽血或輸液時，為什么要將針刺入部位的上方（近心端）用乳膠管捆扎起來？為什么盡管有地球引力的存在，而你腿部靜脈中的血液仍然能向上流回心臟？三種血管受傷后出血的急救措施有何區(qū)別？惟有我們“從社會中來”發(fā)現(xiàn)存在的問題，“到社會中去”尋找運用知識解決實際問題的方法，才能更好理解科學、社會與技術的關系（STS）。

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