利用簡易迷宮探究小白鼠的學(xué)習(xí)行為

張陸啟 王重力

“動物的運動和行為”是中學(xué)生物課程標(biāo)準(zhǔn)中一個重要的主題，該部分知識對學(xué)生認(rèn)識動物的本質(zhì)特征具有非常重要的作用。動物的行為是多種多樣的，從獲得途徑來區(qū)分，可分為先天性行為和學(xué)習(xí)行為。從中學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和認(rèn)知特點分析，區(qū)分動物的先天性行為和學(xué)習(xí)行為是該部分教學(xué)的難點。通過探究實驗的方法，讓學(xué)生感受動物的學(xué)習(xí)行為，有助于學(xué)生突破這一教學(xué)難點。

實驗以小白鼠作為實驗動物;簡易組合迷宮、水迷宮為實驗設(shè)施;以神經(jīng)科學(xué)研究中常用的“八臂迷宮延緩反應(yīng)作業(yè)”、“T迷宮交互延緩反應(yīng)作業(yè)”和“Morris水迷宮”三個經(jīng)典實驗為實驗原型，對小鼠走迷宮這一探究性活動進行設(shè)計和實驗探討。

1 過程設(shè)計和預(yù)期目標(biāo)

實驗前，從飼養(yǎng)實驗動物機構(gòu)購買出生約2個月的小白鼠數(shù)只備用。準(zhǔn)備好實驗使用的體積分?jǐn)?shù)為5%的乙醇溶液、脫脂棉、鑷子、帆布手套和足夠量的去殼瓜子。

1.1 十字形迷宮和T迷宮

1.1.1 學(xué)習(xí)階段

在迷宮內(nèi)放置食物（瓜子），將小白鼠放入迷宮內(nèi)讓其自由取食，適應(yīng)3～5 d。在此階段，每天抓握小白鼠數(shù)次并輕輕撫摸其頭背部，以消除小白鼠的緊張情緒。

1.1.2 準(zhǔn)備階段

實驗前3 d開始控制小白鼠的食量，飼喂其自由取食時食量的50%或使其體重降至自由取食時體重的80%左右。

1.1.3 訓(xùn)練階段

十字形迷宮實驗：訓(xùn)練方法以“八臂迷宮延緩反應(yīng)作業(yè)”為原型，將八臂簡化為四臂（圖1）。選取十字形迷宮中任意兩臂作為目標(biāo)臂，在其角落里放置半粒瓜子，讓小白鼠尋找取食，兩個目標(biāo)臂均取食完為一次，每天重復(fù)訓(xùn)練20次。每次訓(xùn)練完成都必須用5%乙醇溶液擦拭四個活動閘門入口處，以消除小白鼠留下的氣味對其下次訓(xùn)練選擇的影響。對同一只小白鼠，目標(biāo)臂應(yīng)是固定的。訓(xùn)練時小白鼠能正確進入目標(biāo)臂18次，連續(xù)錯誤不超過1次為學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)。為了防止瓜子的氣味對小鼠選擇的影響，訓(xùn)練時可用小白鼠進入目標(biāo)臂才給予食物獎勵的措施。

T迷宮交互作業(yè)：訓(xùn)練方法依據(jù)“T迷宮交互延緩反應(yīng)作業(yè)”。T迷宮的兩個短臂為目標(biāo)臂，長臂遠(yuǎn)離目標(biāo)臂端為起始箱。在目標(biāo)臂的角落里放置半粒瓜子，將小白鼠放在起始箱，打開閘門，小白鼠跑向目標(biāo)臂取食瓜子。當(dāng)小白鼠后肢進入目標(biāo)臂后，擋住開放式活動閘門的出入口。待其取食完成后，將小白鼠拿回起始箱。再次打開起始箱活動閘門后，若其選擇上一次未進入的目標(biāo)臂并且后肢進入該目標(biāo)臂，為選擇正確，給予瓜子獎勵，待取食完成后將小白鼠拿回起始箱進行下一次訓(xùn)練。若選擇錯誤則不獎勵，直接進行下一次訓(xùn)練（圖2）。每天訓(xùn)練20次，不包括第一次。消除氣味措施同“十字形迷宮實驗”。訓(xùn)練時，如果小鼠能正確進入目標(biāo)臂18次，連續(xù)錯誤不超過1次，則視為學(xué)會。并且可以通過延長打開起始箱活動閘門的時間來測定小白鼠的交互延緩作業(yè)時間。

1.2 水迷宮

1.2.1 適應(yīng)階段

除去水迷宮（圖3）中的逃生平臺，讓小白鼠在水迷宮中自由游泳1 min，結(jié)束后用吸水紙或干燥毛巾擦干小鼠身上水分，間隔5 min后可進行第二次適應(yīng)。每天2～3次，連續(xù)2～3 d。

1.2.2 訓(xùn)練階段

訓(xùn)練方法依據(jù)“Morris水迷宮”。在水迷宮中注入20～23℃清水（若是冬天進行實驗，可適當(dāng)升高水溫至26℃），預(yù)留約2 L清水用來調(diào)節(jié)水位高低，在固定的某個象限置逃生平臺。將小白鼠從不同的方位面朝盆內(nèi)壁放入水中，小白鼠在水池中游泳，直到碰到隱藏的逃生平臺后爬到平臺上。如果小白鼠在水中超過60 s還未找到逃生平臺，用細(xì)木棍引導(dǎo)小白鼠游向逃生平臺。待小白鼠在逃生平臺上停留30 s后，取出并擦干其身上水分。2 min后，以同樣的方式進行訓(xùn)練，觀察其在水中游動尋找逃生平臺的路徑。

連續(xù)訓(xùn)練，觀察小白鼠每次尋找到逃生平臺的時間變化;若通過訓(xùn)練，小白鼠可以從下水位置轉(zhuǎn)身后幾乎沿直線直接游向逃生平臺，則說明小白鼠達到學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 實驗后處理

實驗完成后，組合迷宮經(jīng)消毒處理，曬干后存放，以備以后使用。水盆需經(jīng)過消毒處理后才能作它用。作為逃生平臺的石塊、磚塊放到綠化帶或花壇里。

小白鼠應(yīng)按照實驗規(guī)則正確處理，即可留作其他不涉及學(xué)習(xí)行為的實驗用，若無其他用途則需斷頸處死。

2 結(jié)果和應(yīng)用

2.1 結(jié)果

在十字形迷宮實驗中，訓(xùn)練前小白鼠在迷宮中無目的隨意取食，多次取食進出目標(biāo)臂的順序和次數(shù)無規(guī)律。經(jīng)過3 d連續(xù)訓(xùn)練，小白鼠達到學(xué)習(xí)目標(biāo)，將其從不同方向放入起始箱，其選擇進入目標(biāo)臂的順序相對固定，且?guī)缀醪贿M入無食物臂。改變迷宮的擺放方向，對小白鼠選擇目標(biāo)臂行為無影響。

相比較而言，T迷宮交互延緩作業(yè)訓(xùn)練進度較緩慢。訓(xùn)練過程作幾乎無延遲處理，即小白鼠剛吃完目標(biāo)臂的食物就拿回起始箱開始下一次訓(xùn)練，但經(jīng)過12 d訓(xùn)練方能達到預(yù)期目標(biāo)。未經(jīng)訓(xùn)練的小白鼠不會連續(xù)多次交互進入目標(biāo)臂。該設(shè)計如果只設(shè)一個固定短臂為目標(biāo)臂，則小白鼠的學(xué)習(xí)進程明顯加快，可在經(jīng)過2 d連續(xù)訓(xùn)練后達到學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)。且變換迷宮擺放方向，對小白鼠的選擇目標(biāo)臂行為無影響。

水迷宮實驗中，可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過約10次訓(xùn)練后小白鼠每次尋找到逃生平臺的時間明顯縮短;通過訓(xùn)練，小白鼠可以從下水位置轉(zhuǎn)身后幾乎沿直線游向逃生平臺。從開始訓(xùn)練至達到學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)可在1課時（約40 min）內(nèi)實現(xiàn)。

2.2 應(yīng)用

實驗表明，在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)時，運用小鼠走迷宮探究實驗讓學(xué)生認(rèn)識動物的學(xué)習(xí)行為是可行的。教師在組織教學(xué)活動時，可以本研究方法為范式指導(dǎo)學(xué)生進行探究，具體應(yīng)用時需注意以下問題：

選取適宜的材料，創(chuàng)造條件保證實驗順利進行。由于制作簡易迷宮的材料（舊抽屜）高度固定，低于15 cm，小鼠會從迷宮中爬出來，使實驗無法進行。所以，選取實驗材料時，舊抽屜高度最好能超過15 cm，低于10 cm則不宜使用。若在10～15 cm之間，需把迷宮放在凳子、桌子等較高的平臺上，或用有機玻璃給迷宮加蓋，也可以用氣體打火機的電子打火器給小白鼠施以微電擊防止小白鼠爬出迷宮。

巧設(shè)自變量，通過實驗體現(xiàn)教育因素。選擇探究課題時，教師可有意將影響小白鼠學(xué)習(xí)行為因素設(shè)置為自變量，以期暗示學(xué)生的學(xué)習(xí)需要注意的問題。例如，“不同年齡對小白鼠T迷宮交互作業(yè)學(xué)習(xí)能力的影響”為題的探究過程中，根據(jù)年齡可將小白鼠分為“幼年組”、“成年組”、“老年組”三組，每組2～3只;通過T迷宮交互作業(yè)訓(xùn)練，計算出各個年齡組達到預(yù)期目標(biāo)的平均時間，讓學(xué)生分析年齡對小白鼠T迷宮交互作業(yè)學(xué)習(xí)能力的影響。通過對實驗結(jié)果的討論，暗示學(xué)生：青少年階段是學(xué)習(xí)的最佳時期，在校學(xué)生應(yīng)該通過努力學(xué)習(xí)擴展知識、練就本領(lǐng)，為進入社會打下堅實基礎(chǔ)。

根據(jù)實際情況設(shè)計實驗方法，合理利用時間進行教學(xué)。學(xué)生以不超過8人的學(xué)習(xí)小組的形式進行探究性實驗;除簡單的水迷宮實驗外，其余探究實驗宜以研究性學(xué)習(xí)活動的形式在課外完成，再于課堂上展示結(jié)果，實驗結(jié)果可以現(xiàn)場演示，也可以是訓(xùn)練時候用攝像機或是手機拍攝的DV。

遵守實驗原則，最大限度排除無關(guān)因素的干擾。遵守實驗的單一變量原則和對照原則，每個小組必須設(shè)置對照組，對照組小白鼠除不做相應(yīng)訓(xùn)練外，其余處理都與實驗組小白鼠相同。實驗過程中，為保證消除小白鼠留下的氣味信息對實驗結(jié)果的影響，小白鼠排在組合迷宮中的糞便和尿液需要及時清除，并用5%乙醇溶液作消除氣味處理。訓(xùn)練時保持安靜，實驗場所通風(fēng)條件良好、無光照直曬、最大限度排除聲音、氣味和光照對實驗結(jié)果的影響。另外，小白鼠進入目標(biāo)臂取食時不能觸碰，以免小鼠因受到驚嚇而擾亂正常訓(xùn)練過程。

安全是實驗的第一要務(wù)，衛(wèi)生不可小覷。與小白鼠接觸時必須戴帆布手套，以防小白鼠抓傷或咬傷，實驗后必須用肥皂或洗手液清洗雙手。

3 討論

加強課前的資料收集是實驗成功的基礎(chǔ)。為培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)能力，實驗前教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生搜集足夠全面的關(guān)于小白鼠的資料，引導(dǎo)學(xué)生通過閱讀、分析資料了解小白鼠的生活習(xí)性和活動特點，從而發(fā)現(xiàn)有意義的探究題目。

定型的實驗程序也可以組織學(xué)生探究。如果學(xué)生未能提出有意義的探究課題，教師可以利用定型的探究題目指導(dǎo)學(xué)生進行探究?？稍诮M合迷宮中進行的探究有“不同溫度（濕度）對小白鼠十字迷宮學(xué)習(xí)行為的影響”、“訓(xùn)練次數(shù)對小白鼠T迷宮交互作業(yè)學(xué)習(xí)能力的影響”、“饑餓程度對小白鼠十字迷宮學(xué)習(xí)行為的影響”和“不同光強度對小白鼠T迷宮交互作業(yè)學(xué)習(xí)行為的影響”等課題。適于在水迷宮中進行的探究有“不同性別（年齡）小白鼠之間的學(xué)習(xí)能力競賽”、“不同環(huán)境線索對小白鼠學(xué)習(xí)行為的影響”、“一定范圍內(nèi)不同水溫對小白鼠學(xué)習(xí)行為的影響”和“水池大小與小白鼠學(xué)習(xí)行為的關(guān)系”等。

探究建立在物質(zhì)基礎(chǔ)上，但優(yōu)秀的教師可以利用自己的專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)計豐富的學(xué)習(xí)方式。在小白鼠走迷宮這一探究主題下，啟發(fā)學(xué)生選擇多樣化的探究課題。通過學(xué)生親自設(shè)計活動方案、完成活動內(nèi)容，不僅能讓學(xué)生了解動物學(xué)習(xí)行為的形成過程，還能讓學(xué)生熟悉科學(xué)探究的過程。實驗完成后，教師組織學(xué)生討論動物在特定的環(huán)境下形成相關(guān)學(xué)習(xí)行為的意義，引導(dǎo)學(xué)生將探究活動與自身學(xué)習(xí)過程相聯(lián)系，感悟?qū)W習(xí)的意義和本質(zhì)。