深入挖掘問(wèn)題素材　科學(xué)開(kāi)展探究活動(dòng)

王穎　韓佳宜　樓苡鋮　張志祥

摘要 通過(guò)試題引發(fā)對(duì)食物鏈中幾種魚(yú)類(lèi)分層現(xiàn)象及原因的思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)5種不同食性魚(yú)類(lèi)的外形和消化器官進(jìn)行形態(tài)學(xué)對(duì)比，探討不同食性魚(yú)類(lèi)分層現(xiàn)象與環(huán)境的關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)解剖結(jié)構(gòu)繪圖、互動(dòng)交流展示等環(huán)節(jié)，加深學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、生物與環(huán)境相適應(yīng)”的生命觀念的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞 魚(yú)類(lèi) 食性 環(huán)境 分層現(xiàn)象 科學(xué)探究

中圖分類(lèi)號(hào)G633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出要讓學(xué)生在形成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的同時(shí)，能用科學(xué)的觀點(diǎn)、知識(shí)、思路與方法，面對(duì)或解決現(xiàn)實(shí)生活中的某些問(wèn)題。要達(dá)成該目標(biāo)，就要高度關(guān)注教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐經(jīng)歷。在課堂教學(xué)中將抽象知識(shí)形象化、具體化的最直接手段就是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，從而解決學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)”是高中生物學(xué)課程中的重要內(nèi)容，往往采用食物鏈或食物網(wǎng)相關(guān)試題來(lái)考查學(xué)生的知識(shí)掌握情況。然而“紙上得來(lái)終覺(jué)淺”，要更為透徹地理解生物與環(huán)境之間的關(guān)系還需要親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程，從而獲取真知。筆者以一道生態(tài)題為例，引出如何有效引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究活動(dòng)，并聚焦核心素養(yǎng)中科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)（圖1）。

1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出課題

1.1 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

據(jù)題（圖2）可知，不同食性魚(yú)類(lèi)處于不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)，如雜食性鯽魚(yú)處于第二、三營(yíng)養(yǎng)級(jí)，鯉魚(yú)和鰱魚(yú)位于第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)，肉食性黑魚(yú)位于第三、四營(yíng)養(yǎng)級(jí)。由于捕食對(duì)象不同，魚(yú)類(lèi)處于不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)。教師提出問(wèn)題：聯(lián)系生活可知，不同魚(yú)類(lèi)在垂直分布上也有所差異。兩者是否有一定聯(lián)系呢？魚(yú)類(lèi)為何會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象呢？各小組就此展開(kāi)了討論。

1.2 初步思考

查詢(xún)教材發(fā)現(xiàn)，水生群落由于光的穿透性、溫度和O2的垂直分布差異，存在分層現(xiàn)象。例如，北溫帶常見(jiàn)湖泊垂直結(jié)構(gòu)可分為包括表水層、斜溫層、靜水層和底泥層4層（圖3）。已有研究表明魚(yú)類(lèi)在水生環(huán)境中的分層現(xiàn)象受到食物、溫度、溶解氧等因素影響。各小組一致認(rèn)為，魚(yú)類(lèi)分層與生存環(huán)境關(guān)系密切。

1.3給出解釋

對(duì)于“魚(yú)類(lèi)為何有分層現(xiàn)象”，各小組給出了幾種解釋?zhuān)?/p>

組1：水越深，光線越少。弱視魚(yú)類(lèi)只能在光照充足的表水層進(jìn)行活動(dòng)。

組2：水生生物受到O2、溫度和光照等因素影響，在水中的分布不同。而處于不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的魚(yú)類(lèi)食性不同，會(huì)出現(xiàn)在食物富集的水層。

組3：魚(yú)類(lèi)分層是由魚(yú)鰾大小決定的。不同深度的水域壓強(qiáng)不同，魚(yú)鰾較大的魚(yú)類(lèi)體內(nèi)壓強(qiáng)大，能夠適應(yīng)同樣壓強(qiáng)較大的深層水域。

2 討論思路、設(shè)計(jì)方案

組3的觀點(diǎn)率先被推翻，通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)并非所有魚(yú)類(lèi)都有魚(yú)鰾，如軟骨魚(yú)就不存在魚(yú)鰾。另外，魚(yú)體腔內(nèi)壓強(qiáng)大小還受到鰓腔等結(jié)構(gòu)的影響。組1成員認(rèn)為魚(yú)是天生的近視眼，且視力大致與眼珠大小成正比。已知多數(shù)深海魚(yú)類(lèi)眼睛較大，也是由于深海光線過(guò)少，魚(yú)類(lèi)長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果。組2成員認(rèn)為自然界中動(dòng)物的使命就是保證生命的延續(xù)，而食物是生存必需品。雙方堅(jiān)持己見(jiàn)，無(wú)法說(shuō)服彼此。于是各小組決定通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究魚(yú)類(lèi)分層現(xiàn)象是否受食性的影響。除試題中出現(xiàn)的魚(yú)外，小組補(bǔ)充了草食性魚(yú)——草魚(yú)來(lái)增加魚(yú)的食性種類(lèi)，同時(shí)增加肉食性魚(yú)——鱸魚(yú)。經(jīng)討論，成員們確定相關(guān)測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行闡述，具體研究技術(shù)路線見(jiàn)圖4。

3 人員分工、方案推進(jìn)

3.1 人員分工

確定實(shí)驗(yàn)方向后，小組成員對(duì)本次探究活動(dòng)作出了明確的人員分工。安排了3名采購(gòu)員、3名實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備員來(lái)完成實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備;6名解剖員、3名測(cè)量員、3名記錄員、3名攝影員、3名數(shù)據(jù)輸入與校對(duì)員和3名數(shù)據(jù)處理與分析員來(lái)完成形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn);3名繪圖員參與魚(yú)類(lèi)解剖結(jié)構(gòu)繪圖比賽;3位展示員和3位交流員進(jìn)行活動(dòng)最后的展示與交流。全部師生參與點(diǎn)評(píng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1 材料準(zhǔn)備

采購(gòu)員前往菜市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)草魚(yú)、鯽魚(yú)、鳙魚(yú)、鱸魚(yú)和黑魚(yú)5種活魚(yú)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備員聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室老師準(zhǔn)備解剖剪、解剖刀、解剖針、鑷子（尖頭、圓頭）、直尺、魚(yú)體測(cè)量板、電子秤、洗瓶、脫脂棉、培養(yǎng)皿、乳膠手套等實(shí)驗(yàn)工具。

3.2.2 形態(tài)解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)

測(cè)量員進(jìn)行魚(yú)類(lèi)外形測(cè)量，包括體長(zhǎng)、體高、頭長(zhǎng)、吻長(zhǎng)、口裂長(zhǎng)、尾柄長(zhǎng)、尾柄高等性狀;解剖員解剖并觀察魚(yú)類(lèi)消化系統(tǒng)（包括口腔解剖和體腔解剖），再由測(cè)量員稱(chēng)量每條魚(yú)的體重及魚(yú)體各部分結(jié)構(gòu)（心臟、膽囊、肝臟、胰臟和腸），記錄員記錄數(shù)據(jù)，攝影員拍攝完整魚(yú)體、魚(yú)體口腔和解剖結(jié)構(gòu)等。

3.2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)輸入與校對(duì)員將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到Excel表中，并進(jìn)行校對(duì)，確保輸入無(wú)誤。數(shù)據(jù)處理與分析員用Excel計(jì)算比胰臟重、比肝臟重等數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值與方差并制作相應(yīng)圖表。計(jì)算公式：比某器官重=某器官重量，體重。

3.3 解剖結(jié)構(gòu)繪圖

將鯽魚(yú)魚(yú)腹剪開(kāi)后，各小組繪圖員進(jìn)行了鯽魚(yú)解剖圖繪制比賽。學(xué)生細(xì)致描繪魚(yú)體內(nèi)臟器官，并標(biāo)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)以后，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)介紹鯽魚(yú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。完成繪圖后，師生對(duì)解剖結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行評(píng)價(jià)與打分，選出結(jié)構(gòu)最清晰，闡述最準(zhǔn)確、最具科學(xué)性的作品（圖5）。繪圖通過(guò)真實(shí)再現(xiàn)的魚(yú)體結(jié)構(gòu)，加深了學(xué)生對(duì)鯽魚(yú)等常見(jiàn)魚(yú)類(lèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)與理解。同時(shí)，學(xué)生通過(guò)繪圖，也糾正了部分觀察的不足。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 不同食性活體魚(yú)類(lèi)外形的測(cè)量與比較

由表1可知，不同食性魚(yú)類(lèi)頭長(zhǎng)/眼徑、頭長(zhǎng)/眼間距無(wú)明顯趨勢(shì)變化，表明眼睛大小與魚(yú)類(lèi)分層現(xiàn)象聯(lián)系并不緊密。可見(jiàn)視力并非魚(yú)類(lèi)分層的主要原因。草魚(yú)體長(zhǎng)/體高為3.41，鯽魚(yú)、鳙魚(yú)體長(zhǎng)/體高依次為2.76、3.74，而鱸魚(yú)、黑魚(yú)體長(zhǎng)/體高均在4以上，說(shuō)明草食性和雜食性魚(yú)體型更扁平，而肉食性魚(yú)體型大都較為飽滿(mǎn);黑魚(yú)的頭長(zhǎng)/尾柄長(zhǎng)僅有1.78、體長(zhǎng)/尾柄長(zhǎng)僅為6.26，而草食性魚(yú)類(lèi)和雜食性魚(yú)類(lèi)的頭長(zhǎng)/尾柄長(zhǎng)、體長(zhǎng)/尾柄長(zhǎng)均大于肉食性魚(yú)類(lèi)，說(shuō)明肉食性魚(yú)類(lèi)的魚(yú)尾較大且長(zhǎng)度更長(zhǎng)。造成以上性狀差異的原因可能是肉食性魚(yú)類(lèi)為提高捕食能力，進(jìn)化出更長(zhǎng)的尾部以增加推動(dòng)力及更飽滿(mǎn)、流暢的身材從而加快游動(dòng)速度。