“探究溫度對(duì)金魚呼吸頻率的影響”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

羅柳青

[摘 要]探究非生物因素對(duì)生物的影響實(shí)驗(yàn)是初中探究初體驗(yàn)，科學(xué)探究和理性思維的初步滲透十分重要。然而已有資料中的實(shí)驗(yàn)方法不夠合理，因此對(duì)“探究溫度對(duì)金魚呼吸頻率的影響”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)十分必要。文章在提出真實(shí)的問題情境后，設(shè)置問題串，引導(dǎo)學(xué)生理性思考合理的實(shí)驗(yàn)步驟，利用連通器原理進(jìn)行水浴換水改變水溫的方法，做到嚴(yán)格控制單一變量——水溫，以及進(jìn)行其他科學(xué)性設(shè)計(jì)，分析結(jié)果和交流，也探討了指標(biāo)選擇的優(yōu)化，完成完整科學(xué)探究，以求培育學(xué)生的核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)改進(jìn);溫度;金魚呼吸頻率;影響

“探究非生物因素對(duì)生物的影響”是初中生物的第一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生體會(huì)探究的一般過程，總結(jié)領(lǐng)會(huì)非生物因素影響生物，這對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力和科學(xué)思維的培養(yǎng)有重要作用。該實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之科學(xué)探究能力培育落地的一個(gè)契機(jī)，即在真實(shí)情境中，觀察到某生物如金魚，金魚對(duì)水溫等非生物因素有所影響，基于此進(jìn)行提問、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的交流與討論，小組合作實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)探究的一般過程。

一、實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況

人教版教材對(duì)“探究非生物因素對(duì)生物的影響”給出的具體案例是“探究溫度對(duì)鼠婦生活的影響”，而對(duì)“探究溫度對(duì)金魚呼吸頻率的影響”沒有具體的探究步驟，教師參考書中的“活動(dòng)建議”欄雖有提及[1]，但細(xì)究發(fā)現(xiàn)有不少需要改進(jìn)的地方。教參中“250 mL裝3條金魚”的步驟不太符合實(shí)際，250 mL燒杯對(duì)3條金魚而言空間相對(duì)狹窄，魚和魚以及魚和杯壁之間觸碰概率大，魚難以保持安靜狀態(tài);“在大燒杯中加熱水升溫至25 ℃”以升高水溫，該操作實(shí)際改變了2個(gè)變量，即水溫和水量，“在玻璃缸中加冰塊每降5 ℃記錄一次”變溫梯度多，課堂實(shí)際操作困難。在理性思維方面，沒有足夠的體現(xiàn)和重視。

羅麗娟等[2-3]利用“微課引領(lǐng)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)模式，以課堂微課形式探究光對(duì)鼠婦分布的影響，再設(shè)計(jì)問題串探究溫度對(duì)金魚呼吸頻率的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，但是控制水溫同時(shí)也改變了水量，仍舊需要適當(dāng)改進(jìn)?？傮w上，沒有在理性思維、科學(xué)性、重復(fù)平行和單一變量原則等方面給出行之有效的方法。此外，也有利用黃粉蟲、蚯蚓等來探究非生物因素對(duì)生物的影響的[4-5]。除了線下實(shí)驗(yàn)課，網(wǎng)絡(luò)微課有諸多便利之處，課堂探究“光對(duì)鼠婦分布的影響”分組實(shí)驗(yàn)，再以微課形式進(jìn)行“溫度對(duì)金魚呼吸頻率的影響”探究體驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)具有可行性。以下為“探究溫度對(duì)金魚呼吸頻率的影響”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，課堂教學(xué)和微課復(fù)習(xí)均適用。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.提出問題

起源于我國(guó)的觀賞魚——金魚，已陪伴人類生活了十幾個(gè)世紀(jì)，金魚總是生活在水中，水溫對(duì)金魚是否有影響？生物需要進(jìn)行呼吸，用呼吸頻率為測(cè)量指標(biāo)體現(xiàn)金魚的生活具有科學(xué)性。魚用鰓呼吸，往透明魚缸中滴加青菜汁，觀察青菜汁的流動(dòng)方向?yàn)椋簭目谶M(jìn)從鰓出，口鰓交替張合，用金魚每分鐘鰓的閉合次數(shù)來計(jì)算金魚的呼吸頻率。提出具體問題：溫度會(huì)影響金魚的呼吸頻率嗎？

2.做出假設(shè)

根據(jù)許多水族箱有隨時(shí)記錄水溫甚至控溫的經(jīng)驗(yàn)，做出假設(shè)：水溫對(duì)金魚的呼吸頻率有影響。觀察金魚用鰓呼吸，認(rèn)同每分鐘鰓的閉合次數(shù)來計(jì)算金魚的呼吸頻率的方法。

3.制訂計(jì)劃

用1000 mL大燒杯裝健康的、品種大小一致的金魚3條（避免偶然性因素），使金魚依次在低于常溫（15 ℃）、常溫（25 ℃）、高于常溫（35 ℃）的水中生活，保持除水溫外其他條件均相同，每個(gè)水溫條件下，計(jì)算每條金魚的呼吸頻率。把握科學(xué)探究流程，對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)如下問題串，并逐個(gè)擊破。

問題1：用什么判斷溫度？

A.溫度計(jì)? ? ? ? ? ? ? ? ? ?B.手感

問題2：如何改變水溫且保持其他條件一致？

A.往水中加冰塊或加熱水

B.將大燒杯連著魚整體水浴降溫或升溫

問題3：什么時(shí)候開始計(jì)算呼吸頻率，為什么？

A.溫度達(dá)到要求即可

B.溫度達(dá)到要求，且魚處于安靜狀態(tài)

問題4：為了減小誤差，在每組溫度下，針對(duì)每條金魚該如何計(jì)數(shù)更為準(zhǔn)確？

A.1組溫度計(jì)算3次取均值即為金魚該溫度下的呼吸頻率

B.1組溫度計(jì)算1次即為金魚該溫度下的呼吸頻率

問題5：如何做到不動(dòng)燒杯（不驚擾金魚）、不更換燒杯的水（不改變水體積），只改變燒杯內(nèi)的水溫呢？

展示水浴變溫?fù)Q水裝置（如圖1），進(jìn)行操作：將金魚放入[1000 mL]大燒杯中，連同燒杯放入水槽中，記下水槽的水位。通過改變水槽內(nèi)的水溫而改變燒杯內(nèi)的水溫，注意更換不同溫度的水前后不移動(dòng)大燒杯，且保持水槽水位不變。具體的換水方法是：利用虹吸原理（連通器原理），將出水軟管裝滿水，堵住兩端，一頭伸入水槽中，一頭引出到水池中，且軟管口在水槽的高度應(yīng)高于吹水方向。

4.實(shí)施計(jì)劃

按計(jì)劃規(guī)范操作，將每組溫度里每條魚的三次計(jì)數(shù)的均值數(shù)據(jù)填入表1中。

5.得出結(jié)果

3條金魚在15 ℃、25 ℃、35 ℃溫度下呼吸頻率均值分別是76次/分、95次/分、171次/分（如圖2），說明溫度對(duì)金魚的呼吸頻率有影響，在15 ℃～35 ℃范圍，溫度越高，呼吸越快。

6.討論與交流

查閱資料，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)有無相似性，并分析原因。實(shí)驗(yàn)過程中還有哪些注意事項(xiàng)？例如實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度計(jì)的使用，移動(dòng)燒杯時(shí)的動(dòng)作、保持安靜等。

后續(xù)跟蹤觀察，3條金魚經(jīng)過變溫實(shí)驗(yàn)，24小時(shí)后，仍健康地活著，從非生物因素和生物之間的關(guān)系考慮，還說明了什么問題？說明金魚可以適應(yīng)一定的溫度變化，即生物可以適應(yīng)一定的環(huán)境。

三、反思和展望

1.重復(fù)平行原則

實(shí)驗(yàn)親做，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，演示到位，先用表再用圖的方式展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果更為直觀，結(jié)論科學(xué)。強(qiáng)調(diào)用3條魚，而不是單純的只使用1條魚計(jì)算3次呼吸頻率，前者是樣本重復(fù)，屬于重復(fù)實(shí)驗(yàn)，減少偶然性，而后者是為了降低計(jì)算誤差的重復(fù)工作，后者不屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)上的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2.數(shù)據(jù)分析改進(jìn)

對(duì)金魚在不同溫度下的呼吸頻率做單因素方差分析表明：35 ℃分別與15 ℃、25 ℃差異顯著（P < 0.05），而15 ℃、25 ℃差異不顯著（P > 0.05）（如圖2）。實(shí)際上，品種大小均一致的3條金魚，在同一溫度下的呼吸頻率仍舊存在組內(nèi)差異。若以每條金魚自身對(duì)照，以不同溫度和25 ℃的呼吸頻率差值百分比為指標(biāo)（如圖3）分析，不同溫度組之間差異顯著（P < 0.05）。因此，從降低組內(nèi)個(gè)體差異角度考慮，可選擇自身對(duì)照方法，分析呼吸頻率的百分差值比。

3.課堂實(shí)施

連通器原理和水浴法滲透了不同理科之間的交叉，如能做好引導(dǎo)，對(duì)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維也是一個(gè)很好的契機(jī)。此外，微課和傳統(tǒng)課堂授課有所區(qū)別，對(duì)于學(xué)生而言，微課主要是教師引導(dǎo)，學(xué)生有思考，但難以互動(dòng)反饋。因此，在微課中需要適當(dāng)留有時(shí)間給學(xué)生思考。廈門市連續(xù)8屆微課程建設(shè)中就有不少微課資源，微課程除了視頻還有明確的學(xué)習(xí)任務(wù)點(diǎn)，可自動(dòng)批改的微檢測(cè)等，在不可控因素?zé)o法在線下課堂授課時(shí)，網(wǎng)絡(luò)微課不失為一個(gè)好辦法。有條件的學(xué)?？梢灾苯釉谡n堂進(jìn)行應(yīng)用，因?yàn)橛性O(shè)置溫度梯度，結(jié)合七年級(jí)學(xué)生動(dòng)手能力不夠強(qiáng)等學(xué)情，每組只做兩個(gè)溫度組，如一、二大組進(jìn)行常溫和低溫實(shí)驗(yàn);三、四大組進(jìn)行常溫和高溫實(shí)驗(yàn)，提高效率。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 朱正威， 趙占良， 吳成軍，等. 義務(wù)教育教科書生物學(xué)七年級(jí)上冊(cè)教師教學(xué)用書[M].北京：人民教育出版社， 2013.

[2]? 羅麗娟， 朱毅鴻， 夏曙華. “微課引領(lǐng)——問題驅(qū)動(dòng)”構(gòu)建生物實(shí)驗(yàn)高效課堂：以探究“水溫對(duì)金魚呼吸頻率的影響”一節(jié)教學(xué)為例[J].中學(xué)生物學(xué)，2018（4）：38-40 .

[3]? 朱毅鴻， 夏曙華， 羅麗娟. 基于支架的初中生物探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)：以“探究水溫對(duì)金魚呼吸頻率的影響”為例[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2018（5）：26-28.

[4]? 廖懂玲， 黃月云. 用蚯蚓替代鼠婦來探究“非生物因素對(duì)生物生活的影響”[J].生物學(xué)教學(xué)，2006（5）：54.

[5]? 孔海艷. 探究“光照條件對(duì)黃粉蟲分布的影響”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體會(huì)[J].生物學(xué)教學(xué)，2015（4）：38-39.

（責(zé)任編輯 黃春香）