談生物觀察實(shí)驗(yàn)的探究性意義

張海銀 夏帆

2013年6月的一天，英國(guó)7歲女孩奧利維亞穿過(guò)自家附近的風(fēng)鈴草樹(shù)林時(shí)，驚訝地發(fā)現(xiàn)了五葉草。她讓媽媽用貼膜機(jī)把這朵幸運(yùn)花保存起來(lái)，還注明了發(fā)現(xiàn)日期，這可是全世界公認(rèn)的幸運(yùn)花。觀察實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)中的最基本的實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際教學(xué)中未能得到應(yīng)有的重視。本文以譯自Miller和Levine教授所著的“Biology”中實(shí)驗(yàn)“蝗蟲(chóng)外部解剖學(xué)特征探究”為例，通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)觀察蝗蟲(chóng)的外部形態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)方式，讓學(xué)生建立生物體的結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的核心概念。這與新課標(biāo)倡導(dǎo)的探究性學(xué)習(xí)，提升生命科學(xué)素養(yǎng)是一致的。

一、實(shí)驗(yàn)“蝗蟲(chóng)外部解剖學(xué)特征探究”譯文

1. 問(wèn)題：蝗蟲(chóng)身體的哪些部分適于陸地生活？

2. 簡(jiǎn)介：蝗蟲(chóng)是節(jié)肢動(dòng)物門(mén)的成員，昆蟲(chóng)的種類(lèi)超過(guò)一百萬(wàn)。（下略）

3. 實(shí)驗(yàn)前問(wèn)題：閱讀整個(gè)探究過(guò)程，和小組成員合作完成以下問(wèn)題。在探究的第一部分，能觀察到什么？寫(xiě)出觀察到的活體蝗蟲(chóng)三種運(yùn)動(dòng)方式?；认x(chóng)的身體包括哪三個(gè)主要部分？蝗蟲(chóng)的足和翅在身體的哪一部分？怎樣判斷蝗蟲(chóng)的雌雄？

4. 材料用具（每個(gè)小組）：廣口瓶，活體蝗蟲(chóng)，解剖針，蝗蟲(chóng)標(biāo)本，防水標(biāo)簽，手持放大鏡，萵苣葉片。

5. 安全警示：在這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)的第二部分，穿上實(shí)驗(yàn)服，戴上護(hù)目鏡和一次性塑料手套。小心處理動(dòng)物標(biāo)本，防腐液和所有接觸這些生物的實(shí)驗(yàn)儀器。不要用手接觸眼睛和口部。按照教師的指引歸還或處理所有實(shí)驗(yàn)材料用具。實(shí)驗(yàn)完成后用溫水和肥皂洗手。注意實(shí)驗(yàn)步驟旁的所有安全標(biāo)識(shí)，應(yīng)熟知這些安全警示的含義。

6. 實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）觀察活體蝗蟲(chóng)的反應(yīng)。

①小組合作完成探究，把觀察結(jié)果寫(xiě)在空白處。觀察廣口瓶中的活蝗蟲(chóng)。注意：小心不要打碎玻璃器皿。圖1幫助你找到蝗蟲(chóng)的頭部、腹部、胸部、三對(duì)足和兩對(duì)翅的位置。在不干擾蝗蟲(chóng)的前提下觀察幾分鐘。注意蝗蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)方式，并且記錄蝗蟲(chóng)用哪只足行走。輕敲廣口瓶的側(cè)壁，讓蝗蟲(chóng)受到刺激而跳躍，觀察用于跳躍的足。

②觀察蝗蟲(chóng)在靜止?fàn)顟B(tài)下的體位和姿式，用手持放大鏡觀察與呼吸及氣體交換相關(guān)的腹部運(yùn)動(dòng)。

③撕下一小片萵苣葉喂給蝗蟲(chóng)，注意它的攝食，近距離觀察口器的動(dòng)作。

④記錄你看到的蝗蟲(chóng)外部特征和運(yùn)動(dòng)方式，記錄完后把蝗蟲(chóng)歸還老師。

（2）觀察蝗蟲(chóng)外部解剖學(xué)特征。

①?gòu)睦蠋熖幦∫恢换认x(chóng)標(biāo)本，洗掉防腐劑。把蝗蟲(chóng)置于解剖盤(pán)中，輕觸外骨骼。并用手輕輕按壓，記錄下觀察到的蝗蟲(chóng)外骨骼。注意：用于保存蝗蟲(chóng)的防腐劑可能會(huì)腐蝕人體皮膚。穿上實(shí)驗(yàn)服，戴上護(hù)目鏡和一次性手套，避免接觸你的眼睛和口腔。

②找出蝗蟲(chóng)身體三個(gè)部分的位置：頭部、胸部和腹部。如果需要，參考圖1用放大鏡觀察頭部。注意頭部頂端的兩個(gè)長(zhǎng)觸角，這是蝗蟲(chóng)的觸覺(jué)器官。用放大鏡近距離觀察觸角，蝗蟲(chóng)的三個(gè)單眼在頭部：每個(gè)觸角的基部各有一個(gè)單眼，第三個(gè)單眼在頭前部正中。頭部的兩側(cè)還各有一只復(fù)眼。單眼和復(fù)眼是蝗蟲(chóng)的視覺(jué)器官。記錄下你的觀察。

③找到胸部的位置，注意蝗蟲(chóng)胸部分為三節(jié)，每一節(jié)附著一對(duì)足。觀察2對(duì)前足和第3對(duì)最大的足，即跳躍足（亦稱(chēng)后足），注意每只足都由腿節(jié)、脛節(jié)和蚹節(jié)組成。

④觀察兩對(duì)翅，用手指輕輕展開(kāi)蝗蟲(chóng)的翅。注意觀察前翅和后翅的區(qū)別，前翅革質(zhì)化，保護(hù)著專(zhuān)司飛行的后翅。寫(xiě)出蝗蟲(chóng)胸部的觀察記錄。

⑤找到腹部并注意它的分節(jié)。在腹部第一節(jié)，有一突出的鼓形結(jié)構(gòu)——鼓膜，是蝗蟲(chóng)的聽(tīng)覺(jué)器官。在腹部每一節(jié)的兩側(cè)，有很多小的開(kāi)口稱(chēng)為氣門(mén)。氣門(mén)是蝗蟲(chóng)呼吸系統(tǒng)在體表的開(kāi)口，是氣體進(jìn)出的通道。

⑥注意雌雄蝗蟲(chóng)的腹部最后一節(jié)是不同的。雌蟲(chóng)的最后一節(jié)有一個(gè)爪形結(jié)構(gòu)，其上有4個(gè)用于挖洞產(chǎn)卵的點(diǎn)狀突起，雌蟲(chóng)的腹部比雄蟲(chóng)長(zhǎng)，雄蟲(chóng)腹部最后一節(jié)是鈍而彎曲向上的。判斷你手中的蝗蟲(chóng)是雌的還是雄的，寫(xiě)下對(duì)蝗蟲(chóng)腹部的觀察結(jié)果。

⑦完成實(shí)驗(yàn)探究后，按照教師的指引處理蝗蟲(chóng)。注意：研究過(guò)蝗蟲(chóng)標(biāo)本后，用溫水和肥皂洗手。

7. 分析和結(jié)論

（1）觀察。蝗蟲(chóng)身體的三部分中，哪一部分是專(zhuān)門(mén)適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的？

（2）數(shù)據(jù)分析?；认x(chóng)在其生活環(huán)境中，可以通過(guò)哪三種方式感知移動(dòng)的物體？

（3）推論?；认x(chóng)的體色怎樣幫助它躲避敵害？

（4）預(yù)測(cè)。如果把蝗蟲(chóng)的頭部浸沒(méi)在水中，它會(huì)被淹死嗎？

（5）得出結(jié)論。哪三種結(jié)構(gòu)有利于蝗蟲(chóng)生活在干燥的環(huán)境中？

8. 拓展研究

盡可能多的收集節(jié)肢動(dòng)物的各類(lèi)標(biāo)本，并比較以下特征：身體的分部、足的數(shù)量、口器的類(lèi)型、呼吸器官的類(lèi)型。在資料表中記錄相關(guān)觀察，利用資料表鑒定器官，這有利于解釋節(jié)肢動(dòng)物極為豐富的多樣性。

二、實(shí)驗(yàn)評(píng)析

1. 觀察實(shí)驗(yàn)不是解剖實(shí)驗(yàn)。觀察實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利意識(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美、英等歐美國(guó)家每年用于實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物數(shù)量高達(dá)3000萬(wàn)只，這引發(fā)了動(dòng)物保護(hù)組織的抗議和各國(guó)科研部門(mén)的關(guān)注，在如何對(duì)待實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上， 歐美廣為采用的選擇方案是“3R法則”，即減少、優(yōu)化和替代。“優(yōu)化”即是減少動(dòng)物的精神緊張和痛苦，比如采用麻醉或其它適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法；“替代”就是不再利用活體動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是以單細(xì)胞生物、微生物或細(xì)胞、組織、器官甚至電腦模擬來(lái)加以替代?！?R法則”在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)普遍采用。

2. 科學(xué)觀察可分為自然觀察和實(shí)驗(yàn)觀察兩類(lèi)。自然觀察是指對(duì)自然界的現(xiàn)象不作任何改變而進(jìn)行的觀察，它是在自然發(fā)生的條件下考察對(duì)象的。本實(shí)驗(yàn)觀察玻璃瓶中的活體蝗蟲(chóng)，盡可能地模擬自然環(huán)境，但與自然環(huán)境還是有一定差距，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生盡量做到不說(shuō)話，不走動(dòng)，保持安靜，以便觀察蝗蟲(chóng)的行走、跳躍、攝食等。根據(jù)觀察的分類(lèi)，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中還要引導(dǎo)多種觀察，如整體觀察與重點(diǎn)觀察、形態(tài)觀察與解剖觀察、順序觀察與逆序觀察、長(zhǎng)期觀察與短期觀察、自然觀察與實(shí)驗(yàn)觀察，活體觀察與標(biāo)本觀察、動(dòng)態(tài)觀察與靜態(tài)觀察、單次觀察與重復(fù)觀察、直接觀察與間接觀察、驗(yàn)證性觀察與探究性觀察等等。

3. 觀察具有明確的目的。每節(jié)課都有教學(xué)目標(biāo)和重點(diǎn)，生物觀察實(shí)驗(yàn)也一樣。貫徹好這些目標(biāo)，才能集中注意力觀察，抓住觀察對(duì)象的重點(diǎn)，以便達(dá)到預(yù)期的觀察效果。本實(shí)驗(yàn)在開(kāi)始直接提出問(wèn)題：蝗蟲(chóng)身體的哪些部分適于陸地生活？整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開(kāi)展都圍繞這個(gè)目的進(jìn)行。

4. 觀察實(shí)驗(yàn)的探究性。生物觀察實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證性觀察實(shí)驗(yàn)和探究性觀察實(shí)驗(yàn)。探究的過(guò)程是一次全新的經(jīng)歷，是一次愉快的體驗(yàn)，探究的結(jié)果的未知性和神秘感會(huì)更激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和求知欲。輕敲廣口瓶的側(cè)壁，讓蝗蟲(chóng)受到刺激而跳躍，觀察用于跳躍的足；提出問(wèn)題“如果把蝗蟲(chóng)的頭部浸沒(méi)在水中，它會(huì)被淹死嗎？”這是對(duì)于蝗蟲(chóng)呼吸的探究。

5. 觀察對(duì)象的系統(tǒng)性。觀察對(duì)象一般是一個(gè)有機(jī)的整體，這要求把握好整體與局部的關(guān)系；由整體到局部，突出重點(diǎn)結(jié)構(gòu)，再由局部回到整體。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)先讓學(xué)生對(duì)蝗蟲(chóng)整體感知，找到蝗蟲(chóng)的頭、胸、腹三部分，觀察蝗蟲(chóng)的體色，然后到局部，分別觀察頭部的觸角、口器、單眼和復(fù)眼、胸部的兩對(duì)翅和三對(duì)足以及腹部的氣門(mén)等，具有嚴(yán)格的空間順序。在動(dòng)態(tài)觀察方面，按照一定的時(shí)間順序，觀察蝗蟲(chóng)的行走、跳躍和飛翔。