在創(chuàng)新實驗中發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力
——以“觀察無殼雞卵孵化”為例*

陳曉紅 杜尚兵

（1 四川省成都市雙流中學(xué)實驗學(xué)校 四川成都 610200 2 成都市雙流區(qū)教科院 四川成都 610200）

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準（2011 年版）》指出：本世紀人類已進入生物科學(xué)和生物技術(shù)的新時代，生物科學(xué)的迅猛發(fā)展對社會和經(jīng)濟的發(fā)展日益顯現(xiàn)巨大的推動作用，也影響到社會和個人生活的各個方面；當(dāng)代社會發(fā)展的許多重大問題的解決又都依賴于生物科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展。

生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容的選擇要反映社會、經(jīng)濟和科技發(fā)展的需要，體現(xiàn)“科學(xué)、技術(shù)和社會”的思想。應(yīng)當(dāng)融生物科學(xué)、技術(shù)和社會于一體，充分體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)和社會的互動，反映生物科學(xué)的發(fā)展及其對社會發(fā)展和個人生活的影響。生物學(xué)教學(xué)要注重學(xué)生的發(fā)展和社會的需求，更多地反映生物科學(xué)和生物技術(shù)的最新進展，使學(xué)生能對生物學(xué)產(chǎn)生更濃厚的興趣，對生物學(xué)有更深入的理解，對今后的職業(yè)選擇和學(xué)習(xí)方向有更多的思考；能在探究能力、學(xué)習(xí)能力和解決問題能力方面有更好的發(fā)展；能在責(zé)任感、科學(xué)精神、創(chuàng)新意識和環(huán)境意識等方面得到提高。要讓學(xué)生了解我國生物科學(xué)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，形成愛祖國、愛家鄉(xiāng)的情感，增強振興祖國面貌的使命感和責(zé)任感[1]。

課程標(biāo)準要求教師轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，多關(guān)注生物科學(xué)的最新進展，嘗試將教學(xué)內(nèi)容與生物科學(xué)最新研究成果相結(jié)合，創(chuàng)造性地進行教學(xué)。本文以創(chuàng)新實驗“觀察無殼雞卵孵化”為例，說明如何結(jié)合科學(xué)熱點進行實驗改進，以及怎樣引導(dǎo)學(xué)生進行自主探索。

1 實驗改進的由來

2018 年8 月13 日，央視大型科普節(jié)目《加油！向未來》揭秘了我國第1 只無殼孵化小雞的誕生過程，引起了學(xué)生的極大興趣和關(guān)注。聯(lián)系到《生物學(xué)》教材8 年級上冊第6 單元“生命的延續(xù)”第19 章“生物的生殖和發(fā)育”第2 節(jié)“動物的生殖和發(fā)育”中有2 個活動：“觀察鳥卵的結(jié)構(gòu)”和“孵化雞卵”，設(shè)想如果將這2 個活動與無殼孵化實驗相結(jié)合，學(xué)生就能直觀地觀察到胚胎發(fā)育的整個過程，對雞卵的結(jié)構(gòu)和胚胎發(fā)育的特點也會有更深刻的理解。因此，筆者組織了7 年級興趣小組學(xué)生進行了實驗改進的嘗試。

2 實驗改進的準備

1）學(xué)生自主查閱資料，了解無殼孵化實驗。2）通過解剖觀察雞卵，認識雞卵的結(jié)構(gòu)及各部分結(jié)構(gòu)的功能。

3）通過熱水泡雞蛋卵殼上出現(xiàn)氣泡的實驗，說明卵殼上有氣孔；通過醋泡雞蛋，卵殼上產(chǎn)生大量的氣泡，說明卵殼的主要成分是碳酸鈣，與醋發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳，從而明確卵殼的作用除了抑菌保護，還有補充鈣質(zhì)和通氧透氣。

4）設(shè)計實驗裝置圖和觀察記錄表。

3 實驗器材的準備

實驗器材包括孵化箱、受精的雞蛋（種蛋）、無菌塑料杯、抑菌水、保鮮膜、乳酸鈣、重蒸水、酒精燈、玻璃棒等。其中抑菌水、保鮮膜、乳酸鈣能替代卵殼的作用。

塑料杯、抑菌水、保鮮膜及乳酸鈣的種類很多，原實驗只提供了主要步驟，并未說明具體使用哪一種材料器具。學(xué)生只能通過查閱資料、做對比實驗，從而對器材進行選擇。

抑菌水：學(xué)生選擇了一種刺激性特別小，具有很好的消毒和殺菌作用的新潔爾滅溶液作為抑菌水。

乳酸鈣：選用更容易吸收，價格更便宜，可用于做實驗的L-乳酸鈣。

保鮮膜：選用最輕薄透明、安全無毒的PMP保鮮膜，由于保鮮膜需要拉成雞蛋的形狀，學(xué)生設(shè)計并制作了簡易的拉膜器（圖1、圖2、圖3）。

圖1 自制簡易拉膜器

圖2 3D 打印拉膜器

圖3 改進后的拉膜器

原實驗中使用硬塑料杯，開通氧孔很不方便，改用了軟塑料杯，用加熱的玻璃棒開通氧孔，簡化了實驗。器材滅菌：使用實驗室的高壓滅菌鍋。后期輸氧：使用家用輸氧機。

4 實驗步驟

1）將種蛋預(yù)孵2～3 d。

2）將材料器具進行滅菌、消毒。

3）在塑料杯上開通氧孔，塞上脫脂棉，加入40 mL 濃度為0.01 mol/L 的抑菌水。

4）將保鮮膜拉成雞蛋的形狀，加入少量乳酸鈣、重蒸水。

5）將雞蛋殼小心剪開，內(nèi)容物倒入保鮮膜中。將保鮮膜兜在塑料杯中，內(nèi)容物懸空，扎上橡皮筋。

6）在保鮮膜邊緣燙出幾個小孔，蓋上杯蓋，放入孵化箱。從第17 天起，給雞胚胎額外輸氧。

7）每天進行觀察、記錄，拍攝胚胎發(fā)育的過程。

5 問題分析與實驗改進

通過6 次無殼孵化實驗的嘗試，引導(dǎo)學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題并進行實驗改進。

第1 次實驗：使用13 個種蛋，其中4 個未受精，9 個在前8 天陸續(xù)死亡。推測實驗失敗的原因：通氧孔位置偏低、翻蛋器翻蛋角度過大，導(dǎo)致抑菌水和卵黃漏出。改進：調(diào)整通氧孔位置，調(diào)節(jié)翻蛋角度。

第2 次實驗：使用13 個種蛋，2 個未受精，8 個前7 天陸續(xù)死亡，2 個在第10 天死亡，最后一個到第18 天死亡。推測實驗失敗的原因：1）發(fā)育的胚胎都遠離光源，離光源近的胚胎都較早死亡，可能光對胚胎發(fā)育有影響；2）胚胎前期死亡率高，是否抑菌水無效甚至對胚胎有毒害作用？改進：1）關(guān)掉孵化箱內(nèi)的照明燈，并對孵化箱的觀察窗進行遮光處理；2）設(shè)置對照實驗：9 個孵化杯中，3 個加抑菌水，3 個加濃度為5%的酒精、3 個不加抑菌水。結(jié)果：未加抑菌水的3 個胚胎分別于第3 天、第4 天死亡；加濃度為5%的酒精的胚胎分別于當(dāng)天、第2 天死亡；加抑菌水的胚胎繼續(xù)發(fā)育。說明選用的抑菌水對無殼孵化非常重要，酒精雖然有殺菌的作用，但由于刺激性過強，會導(dǎo)致胚胎死亡。

第3 次實驗：使用13 個種蛋，3 個未受精，5 個前7 d 陸續(xù)死亡，4 個在第10 天死亡，1 個到第21天死亡。推測實驗失敗的原因：1）通過查閱資料了解到，孵化的前幾天很關(guān)鍵，胚胎對環(huán)境的變化非常敏感。為了觀察，學(xué)生頻繁打開孵化箱、拿出孵化杯，引起溫度、濕度突然改變，對胚胎發(fā)育有很大的影響；2）小雞出膜也是一個難關(guān)，需要在發(fā)育第19～20 天進行人工助產(chǎn)。改進：1）使用紅外夜視攝像頭代替人進行觀察（圖4），通過手機監(jiān)測胚胎發(fā)育情況，從而減少打開孵化箱的時間和頻率；使用攝像頭也提高了拍攝清晰度（圖5）；2）制作固定杯架，實現(xiàn)自動翻蛋，避免人工翻蛋導(dǎo)致溫度、濕度的改變；3）到第19～20 天，根據(jù)胚胎發(fā)育情況，進行出膜助產(chǎn)。

圖4 用紅外夜視攝像頭拍攝

圖5 夜視攝像頭拍攝效果

第4 次實驗：使用13 個種蛋，大部分胚胎仍然在前期死亡，有2 個胚胎繼續(xù)發(fā)育到第21 天，出膜前死亡。推測實驗失敗的原因：胚胎發(fā)育前期死亡率高，可能是由于孵化溫度偏低。改進：將孵化箱自動設(shè)置的溫度37.8℃調(diào)高至38.2℃。

第5 次實驗：13 個種蛋，2 個未受精，3 個7 d前死亡，其他胚胎繼續(xù)發(fā)育，但14 d 后陸續(xù)死亡，最后2 個發(fā)育到第21 天，但卵黃未完全吸收，進行人工助產(chǎn)，開膜后很快死亡。推測實驗失敗的原因：1）適當(dāng)提高孵化溫度極大改善了胚胎前期死亡率高的情況，說明溫度確實是影響胚胎發(fā)育最重要的因素之一，但較高的溫度又會引起了胚胎后期的死亡；2）可能無殼孵化的胚胎發(fā)育較慢，到第21 天仍沒有發(fā)育成熟，不能進行人工助產(chǎn)。改進：1）進行變溫孵化，1～7 d 38.2℃，8～16 d 37.8℃，17～21 d 37.6℃。同時，到胚胎發(fā)育后期，適當(dāng)增大濕度；2）監(jiān)測胚胎發(fā)育情況，等卵黃吸收完全，再進行開膜助產(chǎn)。

通過不斷改進實驗器材和方法后，進行了第6 次實驗。本次用了13 個種蛋，3 個未受精，4 個在14 d 前陸續(xù)死亡，6 個發(fā)育到第21 天，實驗的情況比前幾次有很大的改善。但小雞到后期生命力逐漸減弱，開膜后仍然很快死亡。通過查閱資料了解到：科研人員做實驗時，也出現(xiàn)了胚胎發(fā)育到第10 天大批死亡的現(xiàn)象，實驗的成功率僅高于1/15。所以，無殼孵化實驗確實有一定難度。雖然實驗多次失敗，但學(xué)生在失敗中不斷反思、研究、總結(jié)，不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，不斷改進實驗器材和方法，使得實驗結(jié)果也不斷改善，在一步步地向成功靠近，尤其是最后一次接近成功的實驗體驗極大增強了學(xué)生繼續(xù)實踐的信心[2]。

6 實驗成果及意義

1）錄制孵化視頻，作為教學(xué)素材展示給學(xué)生，讓學(xué)生清晰地觀察到小雞胚胎發(fā)育的整個過程。第1 天：胚胎還只是一個“小白點”，即胚盤。第3 天：胚盤處出現(xiàn)了肉眼可見的血管和心跳。第4 天：胚胎出現(xiàn)了眼睛。第7 天：尿囊明顯可見，胚胎從“小白點”長成“小肉球”，卵白減少。第9 天：胚胎雛形明顯，血管豐富，尿囊增大。第11 天：血管加粗，頭部輪廓清晰可見（圖6）。第12天：胚胎初步成型，卵黃減少。第13 天：各個器官發(fā)育明顯，能清晰地觀察到喙、翅、脛部、腳和腳趾等（圖7）。第15 天：長出了眼瞼，能觀察到眼瞼開合。第16 天：羽毛長長，覆蓋全身，卵黃繼續(xù)減少（圖8）。第17 天：尿囊液減少，由于胚胎產(chǎn)生了大量的廢物而變渾濁。開始給小雞額外輸氧，保證后期正常發(fā)育。第19 天：卵黃繼續(xù)減少，胚胎活動減少。第20 天：卵黃大部分被吸收。第21 天：小雞的喙伸出尿囊膜，啟動肺呼吸，發(fā)出第1 次叫聲。通過視頻，學(xué)生能清楚地觀察到小雞是由胚盤發(fā)育而來，卵黃和卵白提供營養(yǎng)。這樣使教學(xué)更生動直觀，更能激發(fā)學(xué)生的興趣。

圖6 第11 天的雞胚胎

圖7 第13 天的雞胚胎

圖8 第16 天的雞胚胎

2）關(guān)注和結(jié)合科學(xué)熱點，將生物科學(xué)的最新研究成果與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。讓學(xué)生走近科學(xué)，嘗試開展科學(xué)研究。

3）了解胚胎發(fā)育的營養(yǎng)要求，探究環(huán)境因素及藥物對胚胎發(fā)育的影響。理解無殼孵化的科研價值。

4）清晰地觀察雞胚胎發(fā)育的過程，見證生命的怒放，感受科學(xué)和大自然的神奇力量。

5）簡化、改進原實驗，盡量利用身邊的器具或選購經(jīng)濟適用的材料，降低成本，使實驗具有可操作性和推廣性。

6）讓學(xué)生獲得課外知識、開拓視野，通過親身體驗科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，培養(yǎng)實驗技能和創(chuàng)新思維。同時，感受科學(xué)研究的艱辛與不易，培養(yǎng)敢于嘗試、勇于探索、堅韌不拔的科學(xué)精神。