生物學活動課中的實驗設(shè)計與探究

陳曉紅（雙流中學實驗學校 四川成都 610200）

活動課是依據(jù)學生的興趣和需要，在教師的指導下有目的、有計劃、有組織地通過多項活動項目和多種活動方式使學生獲得直接經(jīng)驗、最新信息及實踐能力的課程。

生物學活動課主要涉及學生在校內(nèi)、外應(yīng)用生物科學知識進行的有關(guān)觀察、考察、采集、收集、制作、種植、飼養(yǎng)和研究等實踐性的學習活動。要求學生將所學的生物學知識應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實際，分析和解釋一些生命現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)并解決一些現(xiàn)實問題，從而培養(yǎng)學生的思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，并形成愛護大自然、熱愛生命、保護生態(tài)環(huán)境的意識。

生物學活動課中常用的研究方法包括：調(diào)查法、觀察法、測量法、文獻法、實驗法和行動研究法等。實驗法是生物學研究最重要的方法，能充分調(diào)動學生的自主能動性，激發(fā)其對科學研究的興趣。

本文以活動課“調(diào)查雙流蛟龍港活水公園污水處理的工藝流程”為例，闡述如何指導學生在活動課中進行有效的實驗設(shè)計與探究。

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化、工業(yè)化進程的加快和人口的持續(xù)增加，污水排放量與日俱增。污水中含有大量的病原體和有毒物質(zhì)，對人類和其他生物都有嚴重的危害，也會污染環(huán)境。污水是怎樣產(chǎn)生的？對環(huán)境有哪些影響？怎樣對污水進行處理？帶著這些問題，學生走進了蛟龍工業(yè)港活水公園進行課題研究。

雙流蛟龍港活水公園是一座“公園式”的污水處理廠，位于四川省成都市雙流區(qū)九江鎮(zhèn)白河上游蛟龍段。它將整個蛟龍港工業(yè)園區(qū)的企業(yè)生產(chǎn)污水和居民生活廢水集中處理，解決了工業(yè)港對白河的污染問題。處理后的中水（水質(zhì)介于生活飲用水與污水之間）用于種花、種樹、清潔地面，從而實現(xiàn)中水回用。

本次課題分為6 個子課題：1）調(diào)查蛟龍工業(yè)港污水來源；2）探究污水對生物及環(huán)境的影響；3）調(diào)查活水公園污水處理流程；4）研究微生物在污水處理中的作用；5）探究污水處理的再生品利用；6）從污水凈化談水資源保護。

為了探究污水對生物及環(huán)境的影響，學生設(shè)計了3 組實驗：1）污水對小魚生活的影響；2）污水對小麥種子的萌發(fā)及幼苗生長的影響；3）污泥對天竺葵生長的影響。

1 實驗1：污水對小魚生活的影響［1］

1.1 資料和方法

1.1.1 資料 蛟龍港活水公園采用厭氧、缺氧、好氧工藝即A2O 工藝進行污水處理。處理流程為：入水口（未經(jīng)處理的污水）—粗細格柵池（攔截并清除大小雜物及漂浮物）—沉砂池（沉淀水中大于規(guī)定粒徑的有害泥沙，實現(xiàn)泥、水分離）—厭氧池（水體中無氧，適宜厭氧菌活動）—缺氧池（氧含量低，適宜兼氧菌生活）—好氧池（氧含量高，適宜好氧菌生長繁殖，利用厭氧菌、兼氧菌、好氧菌的作用，使有機物發(fā)生水解、酸化和甲烷化，去氮除磷，去除廢水中的有機物）—生態(tài)池（活性污泥與水分離,排除剩余污泥和回流污泥）—砂濾池（進一步減少不溶于水的懸浮物）—紫外線消毒池（殺滅污水中的大腸桿菌）—景觀池（中水）—出水口。

1.1.2 方法 取4 個500 mL 的燒杯，分別倒入等量的從入水口、厭氧池、景觀池中獲取的水樣和自來水，貼上標簽，各放入2 條大小相同有活力的小金魚，觀察并記錄小魚在不同水樣中的生活情況及水樣的pH 值變化情況，用表格的形式呈現(xiàn)觀察結(jié)果。

表1 小魚在不同水樣中的生活情況及水樣的pH 值變化

1.2 結(jié)果

1）由于入水口水質(zhì)較差，小魚前2 d 被迫游至水面呼吸。但2 d 后入水口的水樣由污濁變得越來越澄清，小魚開始正?；顒樱⑸媪?0 d，與景觀池水樣中的小魚存活天數(shù)相近。

2）小魚在厭氧池水樣中的生存時間最短，只存活了1 天。說明氧氣對小魚生存的重要性。

3）小魚在景觀池的水樣中可存活10～11 d，結(jié)果與預期基本符合。景觀池中是處理后的中水，水質(zhì)較好，并有一定量的微生物。

4）由于缺少微生物，小魚在自來水中僅生存了8 d。

5）水的pH 值過高或過低都不適合小魚生活，魚的死亡會引起pH 值變化。

1.3 問題

1）pH 值的大小與水質(zhì)有何關(guān)系？

2）小魚能否凈化水質(zhì)？

3）小魚的死亡對水質(zhì)有什么影響？

1.4 討論

1）pH 值代表水的酸堿度。pH 值高于7 時，水溶液呈堿性，pH 值越高堿性越強；pH 值低于7時，水溶液呈酸性，pH 值越低酸性越強；pH 值等于7 時，水溶液呈中性。水的pH 值高、低能反映水的污染程度，pH 值越高或越低說明水質(zhì)污染越嚴重。

2）只有少數(shù)魚類例如清道夫能起到凈化水質(zhì)的作用，小金魚并不能凈化水質(zhì)。入水口的水樣慢慢變得澄清是因為污水具有一定的自凈能力。

3）小魚死后，會產(chǎn)生大量病菌，加重水的污染程度，使pH 值升高，加速其他魚的死亡。

1.5 結(jié)論 污水中的有害物質(zhì)、氧氣含量、微生物的含量都對魚的生活有不同程度的影響。

2 實驗2：污水對小麥種子的萌發(fā)及幼苗生長的影響［2］

2.1 材料器具 培養(yǎng)皿4 個，浸泡24 h 的小麥種子，餐巾紙，標簽，藥匙，入水口、厭氧池、景觀池中的水樣及自來水。

2.2 方法 取4 個相同的培養(yǎng)皿，鋪上大小相同的餐巾紙，分別均勻地放入提前浸泡好的60 粒大小相同、飽滿的小麥種子（可在餐巾紙上畫十字，分為4 份，每份放15 粒種子，方便計數(shù)），將培養(yǎng)皿置于溫暖的環(huán)境中，每天噴灑等量的入水口、厭氧池、景觀池中獲取的水及自來水，觀察記錄種子萌發(fā)及幼苗生長情況（表2）。

表2 不同水樣中小麥種子萌發(fā)及幼苗生長情況

2.3 實驗現(xiàn)象及分析

1）小麥種子在污水中能正常萌發(fā)并長出幼苗，而且萌發(fā)率更高，幼苗前期長勢最好，幼苗根部的根毛數(shù)量也最多。這是因為污水中的重金屬例如鉛、鎘等能促進種子的萌發(fā)和根的生長。

2）厭氧池中的小麥苗初期長勢最好、顏色最深，是由于污水中含有較多的有機質(zhì)和N、P、K 等營養(yǎng)元素，使葉綠素的合成量增加，進而促進了麥苗的生長。厭氧池中的小麥苗后期出現(xiàn)莖變細，葉片卷曲的現(xiàn)象，說明污水中的重金屬濃度過大對小麥苗中、后期生長有非常不利的影響。

3）由于缺少營養(yǎng)元素，小麥苗在自來水中的初期長勢是最差的。

4）入水口的污水污染最嚴重，含重金屬濃度最高，但對小麥種子萌發(fā)及麥苗生長的影響反而不及厭氧池明顯。經(jīng)過思考討論，推測應(yīng)是取水方法不同造成的。入水口的水位高，學生用自制的取水工具（長瓢）舀的是上層水樣。而厭氧池水位太低不易取水，借用了水桶獲取的是中、下層的水樣。由此可能導致厭氧池水樣的重金屬濃度大于入水口水樣的重金屬濃度。

2.4 結(jié)論 污水中的重金屬濃度過高，不利于小麥生長。

3 實驗3：污泥對天竺葵生長的影響［3］

污水處理過程中會產(chǎn)生中水、污泥、甲烷、二氧化碳和硫化氫等再生品。污泥含磷高，具有較高的肥效，可用于飼養(yǎng)蚯蚓。污泥是否可用于栽種植物？對植物的生長有什么影響？帶著疑問，學生用常見的天竺葵進行實驗研究。

3.1 方法 取2 個相同的花盆，分別裝入等量的污泥和普通土壤，并貼上標簽。選2 株長勢良好、葉片和花朵數(shù)量都相同的天竺葵，分別栽入2 個花盆中，每天澆水、觀察、測量并記錄，將用污泥種植的天竺葵與普通土壤種植的天竺葵的生長情況進行比較（表3）。

表3 天竺葵在不同土質(zhì)中的生長情況比較

3.2 實驗現(xiàn)象及分析

1）污泥種植的天竺葵剛開始出現(xiàn)了燒苗現(xiàn)象：植株萎焉、葉子變黃并掉落。原因是污泥中無機鹽的含量較高，土壤溶液溶度較大，導致植株失水。

2）幾天后，污泥種植的天竺葵長出了新葉和花蕾，并開出了美麗的紅色花朵，而且其比普通土壤種植的天竺葵生長更快。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)：污水中含有較多的磷，磷能促進花芽的形成和莖的生長。

3）1 個月后，污泥種植的天竺葵出現(xiàn)了嚴重的萎焉現(xiàn)象，葉子和花都開始脫落。普通土壤種植的天竺葵正常生長，并長出了嫩綠的新葉。

3.3 結(jié)論 污泥并不適合栽種植物。以上3 組實驗說明，污水中含有較多的有害物質(zhì)，對小魚的生活及小麥、天竺葵的生長均不利。通過自主學習，學生了解了有害物質(zhì)具有富集作用，即沿食物鏈，越往頂端，生物體內(nèi)積累的有害物質(zhì)越多。人類位于食物鏈的最頂端，體內(nèi)積累的有害物質(zhì)也最多?？梢姡廴緦θ祟惖挠绊懖攀亲畲蟮?。保護好水資源，就是保護人類自己［4］。

通過本次課題研究，學生獲得了知識、開拓了視野、培養(yǎng)了技能、體驗了科學研究的方法和過程。從自主提出問題、設(shè)計方案、實施實驗、觀察現(xiàn)象、查閱文獻、研究分析，到最后解決問題、得出結(jié)論，學生親身感受到了科學實驗的嚴謹和艱辛，也從中體會到了樂趣和成就感。

對于7年級的學生，引導他們設(shè)計一些簡單的實驗進行課題研究，能激發(fā)研究興趣，提高觀察能力、動手能力、自主學習能力和團隊協(xié)作能力，培養(yǎng)吃苦耐勞、積極進取、勤于思考、敢于質(zhì)疑的精神。在實驗過程中，教師要及時給予學生評價和建議，引導其分析實驗設(shè)計中的不足，例如實驗材料的數(shù)量：本次實驗中小魚和天竺葵的數(shù)量過少，不具有代表性；污水和污泥的獲取量太少，不足以進行普遍性研究。提醒學生以后的實驗要有完善的方案、充分的準備，確保實驗的準確性。總之，讓學生在不斷的實踐活動中逐漸熟練掌握并運用實驗法，逐步提高科學探究能力和生物學素養(yǎng)。