校園植物物種多樣性的戶外調(diào)查實(shí)驗(yàn)

趙 玥

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200433)

滬教版高中《生命科學(xué)》第三冊(cè)第十章“生物多樣性”第一節(jié)“生物多樣性及其價(jià)值”中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，是在掌握遺傳多樣性知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)物種多樣性的了解，初步學(xué)會(huì)常用的物種多樣性測(cè)量方法。但在實(shí)際教學(xué)中一般是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)造成學(xué)生較難掌握該節(jié)知識(shí)重難點(diǎn)。本文基于樣方法和辛普森多樣性指數(shù)，將校園植物的物種多樣性實(shí)驗(yàn)改成戶外調(diào)查，對(duì)實(shí)施戶外調(diào)查過(guò)程中遇到的困難進(jìn)行說(shuō)明，并提出增進(jìn)課堂教學(xué)效果的有效措施?；谛@植物調(diào)查的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生形成尊重事實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)素養(yǎng)。

1 戶外調(diào)查實(shí)驗(yàn)影響因素分析

干擾本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的因素較多：①學(xué)生對(duì)不同物種的識(shí)別有困難；②在實(shí)地環(huán)境中如何對(duì)各種物種進(jìn)行計(jì)數(shù)，如在記錄統(tǒng)計(jì)樣方法中的各種植物數(shù)量時(shí)，需注意有些植物的幼苗和成體形態(tài)結(jié)構(gòu)上會(huì)有較大的區(qū)別，在操作過(guò)程中，要掌握如何利用卷尺測(cè)量距離，在樣方地4個(gè)角的頂點(diǎn)插上竹樁后用繩索連接時(shí)，如果過(guò)松過(guò)緊都會(huì)干擾到記錄的結(jié)果；③開展戶外實(shí)地調(diào)查的時(shí)間有限而不能順利完成實(shí)驗(yàn)?？紤]到以上的困難，筆者通過(guò)以下措施進(jìn)行了改進(jìn)：

2 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

2.1 選擇樣方地的一般方法 選擇樣方法的方法很多，依據(jù)生物種類、具體環(huán)境不同而有所不同。樣方的面積有大有小，樣方地的形狀也有方形、長(zhǎng)方形、圓形和條帶狀等多種，但是各種方法的原理基本相同[1]。由于同一地區(qū)的管理?xiàng)l件不同，或在不同的自然環(huán)境中群落的物種構(gòu)成都會(huì)影響辛普森多樣性指數(shù)值。所以作為定量實(shí)驗(yàn)，樣方的選擇至關(guān)重要，樣方面積的大小常常取該樣方中植物種類數(shù)最多時(shí)的最小面積。

例如，①調(diào)查雙子葉雜草時(shí)，調(diào)查地段的大小應(yīng)該規(guī)劃得小些，樣方大小一般為1 m2；②調(diào)查喬木時(shí)，地段應(yīng)該規(guī)劃得大些，樣方大小一般為100 m2；③調(diào)查灌木時(shí)，調(diào)查地段大小則應(yīng)該介于兩者之間，樣方大小一般為16 m2[2]。

面積過(guò)大費(fèi)時(shí)費(fèi)力，面積過(guò)小則失去調(diào)查的意義。樣方地的大小也應(yīng)根據(jù)調(diào)查對(duì)象的大小和分布情況而定。對(duì)某種樹的調(diào)查與在草地上對(duì)某種草的調(diào)查樣方大小是不同的。一般而言，對(duì)于分布不規(guī)則的種群，多個(gè)小樣方取樣比少數(shù)大樣方取樣的效果更好。

2.2 被測(cè)植物選擇的一般方法 一般而言，樣方地中的植物數(shù)目不能過(guò)少，如果樣本數(shù)量少于30個(gè)時(shí)，會(huì)造成過(guò)低的估計(jì)產(chǎn)生誤差[3]。

戶外調(diào)查時(shí)，單子葉植物通常是叢生或蔓生，葉片一般呈條形或披針形，葉脈一般是平行脈，觀察地上部分往往難以辨別是一株還是多株，其種群密度統(tǒng)計(jì)較復(fù)雜。雙子葉草本植物容易辨別個(gè)體數(shù)目，葉脈一般是網(wǎng)狀脈。因此，雙子葉植物、灌木與喬木的統(tǒng)計(jì)則相對(duì)簡(jiǎn)單，容易操作。

為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性、培養(yǎng)學(xué)生重點(diǎn)掌握樣方法的操作技能，教師可在課前將校園內(nèi)樣方地中被測(cè)植物的形狀、名稱等相關(guān)知識(shí)，以圖片的形式事先發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，以減少因?qū)W生辨認(rèn)植物而花費(fèi)較多的課堂時(shí)間。

2.3 戶外實(shí)驗(yàn)樣方地的選擇 根據(jù)校園植物的生長(zhǎng)情況，選擇3塊樣方地：①富含喬木和灌木的樣方地A，大小為2.6×2.6 m2；②草坪植物的樣方地B，大小為50×50 cm2；③沙生植物的樣方地C，大小為50×50 cm2。當(dāng)然，在選擇樣方地時(shí)也要注意避開突起物、被落葉覆蓋的暗坑、毒蟲等存在安全隱患的地點(diǎn)。

有時(shí)會(huì)誤解樣方地計(jì)數(shù)是較容易的，其實(shí)戶外的植物分布及特點(diǎn)都有其不確定性。例如，樣方地B草坪植物的計(jì)數(shù)問(wèn)題就是難點(diǎn)。因?yàn)椋菍⒅参镞B根拔起，否則難以計(jì)數(shù)。之所以把草坪植物選為被測(cè)植物，主要是考察學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，而不是照搬教材。草坪植物有其獨(dú)特的計(jì)數(shù)方式，也可通過(guò)“重要值”來(lái)進(jìn)行物種多樣性的調(diào)查[4]。

2.4 戶外調(diào)查實(shí)驗(yàn)活動(dòng)學(xué)案的設(shè)計(jì) 考慮到學(xué)生識(shí)別植物時(shí)有困難，教師需事先準(zhǔn)備好植物分類圖鑒，即樣方地中出現(xiàn)的植物物種圖片、名稱等內(nèi)容，地形圖(樣方地位置)、時(shí)間安排表、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表和樣方法實(shí)施細(xì)則在課前以學(xué)案的形式發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生在課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理和方法。

樣方法的操作過(guò)程、估算種群密度的過(guò)程，可能會(huì)摻入學(xué)生的主觀因素，因采用的是小樣本，在估算時(shí)就有誤差。因此，要強(qiáng)調(diào)學(xué)生注意：①提醒取樣的關(guān)鍵是要做到隨機(jī)取樣，如果刻意選擇有較多被測(cè)植物的地方，無(wú)意中會(huì)增大被選擇該植物的統(tǒng)計(jì)頻率，會(huì)造成統(tǒng)計(jì)數(shù)值偏大。②不管樣方大小如何，無(wú)論采用哪一種取樣方法，最終都要對(duì)樣方中個(gè)體進(jìn)行正確計(jì)數(shù)。采用“五點(diǎn)取樣法”時(shí)，樣方內(nèi)植物個(gè)體數(shù)量統(tǒng)計(jì)遵循“樣方內(nèi)部個(gè)體全部統(tǒng)計(jì)、壓在邊界上的植物只隨機(jī)統(tǒng)計(jì)相鄰兩邊及其相鄰的那個(gè)夾角”[5]。③采用五點(diǎn)取樣法或等距取樣法確定樣方位置后，用卷尺量好距離。一般調(diào)查雙子葉草本植物的樣方面積為1 m2?！暗染嗳臃ā毙鑼臃降囟伟纯v向分成若干等分，由抽樣比率決定距離或間隔，然后按相等的距離或間隔抽取樣方。如地段總長(zhǎng)50 m，如果要等距抽取5個(gè)樣方，那么抽樣的比率為1/5。抽樣距離為10 m，需要在每10 m的前1 m內(nèi)進(jìn)行取樣。④由于常用的取樣方法有“五點(diǎn)取樣法”和“等距取樣法”兩種?！拔妩c(diǎn)取樣法”適用于調(diào)查地段為正方形草地，一般植物個(gè)體分布比較均勻的地形?！拔妩c(diǎn)法”估算、“等距取樣法”可適用于地段為長(zhǎng)條形草地。

教師可選取兩種典型的地形，讓學(xué)生分別體驗(yàn)學(xué)習(xí)這兩種取樣的方法。

2.5 實(shí)驗(yàn)材料以及分組準(zhǔn)備 繩子、一次性筷子(代替竹樁)、卷尺、筆、計(jì)算器、紙、植物分類圖鑒、時(shí)間安排表和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表等。一般5位學(xué)生分為一組，每塊樣方地安排2組學(xué)生，3塊樣方地共6組，分別編為A1、A2、B1、B2、C1和C2。為了節(jié)省調(diào)查時(shí)間，課前請(qǐng)各小組組長(zhǎng)帶領(lǐng)組員，根據(jù)學(xué)案自學(xué)的內(nèi)容選取并圈好樣方地。

3 校園戶外實(shí)踐

3.1 新課的引入 教師先出示校園植物樣方地的圖片，請(qǐng)學(xué)生推測(cè)：“3塊樣方地中哪個(gè)物種多樣性最高呢？”請(qǐng)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的推測(cè)。接著，帶領(lǐng)學(xué)生去校園指定的樣方地點(diǎn)開展戶外調(diào)查，通過(guò)小組合作的形式對(duì)調(diào)查實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

教師要注意以下方面：①采樣時(shí)要關(guān)注學(xué)生的操作方式是否得當(dāng)，及時(shí)糾正；②隨時(shí)留意學(xué)生的安全，避免發(fā)生意外的傷害事故；③通過(guò)協(xié)調(diào)組員的分工情況，提高小組合作學(xué)習(xí)的效率。

3.2 交流與討論 按照約定時(shí)間，師生返回課堂展開交流與討論。先請(qǐng)各小組展示戶外調(diào)查數(shù)據(jù)(表1)。

表1 各小組戶外調(diào)查記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表(表中個(gè)體數(shù)分別是樣方地的A1、A2、B1、B2、C1和C2)

教師根據(jù)學(xué)生的數(shù)據(jù)記錄提問(wèn)：“根據(jù)3塊樣方地的6組數(shù)據(jù)，請(qǐng)總結(jié)影響辛普森指數(shù)的因素是什么？”引導(dǎo)學(xué)生找出影響辛普森多樣性指數(shù)的兩個(gè)因素，即物種均勻度和豐富度。接著，再提問(wèn)：“為什么同一樣方地不同小組數(shù)據(jù)記錄會(huì)不一樣？”引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)人為因素和實(shí)驗(yàn)方法等因素造成的誤差。此時(shí)，教師可適當(dāng)補(bǔ)充“重要值”的概念，即草坪植物的計(jì)數(shù)有其獨(dú)特的方式，并告知學(xué)生在實(shí)際生態(tài)學(xué)研究時(shí)，還有其他的指標(biāo)可用來(lái)估算草坪植物的數(shù)目。通過(guò)充分地交流與討論，讓學(xué)生感悟到在從事生物科學(xué)研究時(shí)，科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度的重要性。

該節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容看似不多，但教學(xué)環(huán)境復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，教師“控時(shí)”和“控班”能力是完成教學(xué)既定目標(biāo)的保證。