“青島市二球懸鈴木葉片的生長(zhǎng)分析”課外探究實(shí)驗(yàn)

張 琛 馬文習(xí) 高曉琳

（青島西海岸新區(qū)第一高級(jí)中學(xué) 山東青島 266555）

組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵[1]。高中生物學(xué)開(kāi)展課外探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、探索精神和創(chuàng)新意識(shí)。教師結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中提出相關(guān)的探究性問(wèn)題，作出假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)并積累豐富的直接經(jīng)驗(yàn)。不僅能為生物學(xué)概念的生成提供事實(shí)性證據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的和價(jià)值，還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析能力、科學(xué)思維和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性具有重要作用。本文以青島西海岸新區(qū)第一高級(jí)中學(xué)為基地，于2018年至2019 學(xué)年第2 學(xué)期，開(kāi)展“青島市二球懸鈴木葉片的生長(zhǎng)分析”的課外探究活動(dòng)，授課對(duì)象為高中一年級(jí)學(xué)生，共30 人，總計(jì)16 課時(shí)。通過(guò)此次課外探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1）對(duì)青島市二球懸鈴木［Platanus acerifolia（Aiton）Willd.］葉片長(zhǎng)度、寬度和生物量進(jìn)行測(cè)量，分析3 個(gè)性狀兩兩之間的函數(shù)關(guān)系，選擇其中相關(guān)性最高的定量分析模型，分析二球懸鈴木葉片長(zhǎng)度、寬度和生物量等數(shù)量性狀上的可塑性。

2）通過(guò)對(duì)二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征的進(jìn)一步分析，計(jì)算生物量與葉片長(zhǎng)度的冪函數(shù)異速生長(zhǎng)規(guī)律，生物量與葉片寬度呈線性的同速生長(zhǎng)規(guī)律，葉片長(zhǎng)度與寬度呈冪函數(shù)異速生長(zhǎng)規(guī)律，提高定量分析能力。

3）通過(guò)對(duì)真實(shí)問(wèn)題的探究，提高對(duì)生活環(huán)境狀況的關(guān)注，養(yǎng)成關(guān)心環(huán)境、保護(hù)環(huán)境的社會(huì)意識(shí)和責(zé)任。

2 實(shí)驗(yàn)用具

二球懸鈴木成株葉片、直尺、三角板、電子天平。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備通過(guò)查閱資料了解本地區(qū)氣候條件，二球懸鈴木的基本概況；學(xué)習(xí)生長(zhǎng)規(guī)律的相關(guān)理論知識(shí)，明確實(shí)驗(yàn)研究方法；學(xué)會(huì)使用Excel 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 采集校園內(nèi)的二球懸鈴木葉片。二球懸鈴木喜光、不耐蔭[2]，應(yīng)選擇向陽(yáng)生長(zhǎng)且長(zhǎng)勢(shì)良好的種群采集葉片。取樣時(shí)，隨機(jī)選取任意枝條，摘取完整的32 片葉并收集。葉是進(jìn)行光合作用的部位，一般具有平展的葉片，以葉柄與莖相連[3]。因此，需去掉葉柄，僅保留葉片部分。

葉片長(zhǎng)度、寬度的測(cè)量方法：用三角板和直尺分別測(cè)量葉片的最寬處記為葉片的寬度、測(cè)量葉片的最長(zhǎng)處記為葉片的長(zhǎng)度并記錄（圖1）。

圖1 二球懸鈴木葉片寬度測(cè)量示意圖（http://ppbc.iplant.cn/tu/1647317，王強(qiáng)攝）

葉片生物量的測(cè)量方法：用電子天平稱量葉片鮮重并記錄。

為減少測(cè)量的誤差，每片葉片的長(zhǎng)度、寬度、生物量分別測(cè)量3 次，輸入Excel 表格后取平均值并記錄，且所有數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后2 位。用Excel 統(tǒng)計(jì)分析32 片葉片的測(cè)量數(shù)據(jù)，并分別用以下2 種函數(shù)模擬葉片長(zhǎng)度、寬度、生物量?jī)蓛芍g的關(guān)系，選擇其中相關(guān)性最高的作為定量分析的模型。

冪函數(shù)：y=axb

線性函數(shù)：y=ax+b

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與模型構(gòu)建

4.1 二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征 二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征見(jiàn)表1。其中，最大值和最小值反映樣本的實(shí)際大小，平均數(shù)反映樣本各性狀的整體水平，從標(biāo)準(zhǔn)差中可得出樣本的絕對(duì)變異度，相對(duì)變異度可通過(guò)變異系數(shù)反映[4]。從表1可知葉長(zhǎng)的平均值是14.99 cm，變動(dòng)范圍為6.10～29.30 cm；葉寬的平均值是18.86 cm，變動(dòng)范圍為7.00～39.50 cm；葉片鮮重的生物量的平均值是2.66 g，變動(dòng)范圍為0.35～7.78 g。

由表1 可知，葉長(zhǎng)、葉寬和生物量這3 個(gè)數(shù)量特征均有較大的表型可塑性。其中，以葉生物量最大（變異系數(shù)為76%），葉寬、葉長(zhǎng)次之（變異系數(shù)均為41%）。表明葉片的表型可塑性以葉的生物量為最大，葉的寬度、長(zhǎng)度次之。

表1 二球懸鈴木葉片數(shù)量特征的統(tǒng)計(jì)分析

4.2 構(gòu)建葉長(zhǎng)與葉寬關(guān)系模型 由圖2 可知，二球懸鈴木的葉長(zhǎng)與葉寬均呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系，確定系數(shù)R2為0.9205，增長(zhǎng)的冪值為0.9614，說(shuō)明二球懸鈴木的葉長(zhǎng)與葉寬之間具有異速生長(zhǎng)規(guī)律。

圖2 二球懸鈴木的葉長(zhǎng)與葉寬的冪函數(shù)關(guān)系圖

4.3 構(gòu)建生物量與葉寬、葉長(zhǎng)關(guān)系模型 由圖3、圖4 可知，二球懸鈴木葉片的生物量與葉寬、葉長(zhǎng)之間具有高度一致的規(guī)律性變化，可用線性函數(shù)和冪函數(shù)表達(dá)，且各函數(shù)關(guān)系均達(dá)到極顯著水平，確定系數(shù)R2在0.9215～0.9661 之間。其中，圖3呈現(xiàn)葉片的生物量隨葉寬的增加而直線增長(zhǎng)，葉寬每增加1 cm，生物量將增加0.2489 g，說(shuō)明生物量與葉寬具有同速生長(zhǎng)規(guī)律；圖4 表示生物量與葉長(zhǎng)呈現(xiàn)極顯著的冪函數(shù)，增長(zhǎng)的冪值分別為1.9535，說(shuō)明生物量與葉長(zhǎng)具有異速生長(zhǎng)規(guī)律。

圖3 二球懸鈴木的生物量與葉寬的線性函數(shù)關(guān)系圖

圖4 二球懸鈴木的生物量與葉長(zhǎng)的冪函數(shù)關(guān)系圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二球懸鈴木葉片的生物量與葉長(zhǎng)呈現(xiàn)出冪函數(shù)異速生長(zhǎng)規(guī)律，生物量與葉寬呈線性的同速生長(zhǎng)規(guī)律，葉長(zhǎng)與葉寬呈冪函數(shù)異速生長(zhǎng)規(guī)律。

6 實(shí)驗(yàn)反思

學(xué)生通過(guò)探究活動(dòng)，明確了青島市二球懸鈴木在葉片長(zhǎng)度、寬度、生物量等數(shù)量性狀上均具有較大的可塑性，初步形成了結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。同時(shí)，這樣的課外實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)能為培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任搭建有效橋梁。學(xué)生在活動(dòng)中不僅增長(zhǎng)了知識(shí)，更重要的是提高其主動(dòng)探究的意識(shí)和能力。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）課外探究實(shí)驗(yàn)應(yīng)立足于解決現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際問(wèn)題。此次課外探究實(shí)驗(yàn)以“青島市二球懸鈴木葉片的生長(zhǎng)分析”作為課題，學(xué)生通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)了二球懸鈴木葉片長(zhǎng)度、寬度、生物量的生長(zhǎng)規(guī)律的研究過(guò)程，增強(qiáng)了探究意識(shí)和保護(hù)植物的意識(shí)。

2）課外探究實(shí)驗(yàn)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)推測(cè)結(jié)論。在課外實(shí)驗(yàn)的探究過(guò)程中，先讓學(xué)生測(cè)量二球懸鈴木葉片的長(zhǎng)度和寬度，稱量葉片鮮重生物量并記錄，初步感知二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征。然后教師提出問(wèn)題：“如何利用相關(guān)數(shù)據(jù)建立葉長(zhǎng)與葉寬的關(guān)系模型？如何建立生物量與葉寬、葉長(zhǎng)的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型？”啟發(fā)學(xué)生利用線性函數(shù)和冪函數(shù)相關(guān)知識(shí)定量探究，從而使學(xué)生的科學(xué)思維得到較大提高。

3）課外探究實(shí)驗(yàn)還要注重興趣性、探究性和創(chuàng)新性。本實(shí)驗(yàn)是結(jié)合學(xué)生日常學(xué)習(xí)和生活環(huán)境，基于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，從而給出課題范圍“植物構(gòu)件生長(zhǎng)規(guī)律分析”。讓學(xué)生依據(jù)自己的愛(ài)好和興趣，在充分了解校園內(nèi)、外植物的分布情況后，選擇二球懸鈴木植物的葉片進(jìn)行生長(zhǎng)分析。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能在一定程度上解決問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)后，教師鼓勵(lì)學(xué)生思考，例如，該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還存在哪些不足？應(yīng)怎樣進(jìn)一步深化本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，才能解決更多的實(shí)際問(wèn)題？這樣既保證課題的探究性和創(chuàng)新性，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

7 結(jié)語(yǔ)

“相關(guān)生長(zhǎng)分析”是在種群生態(tài)學(xué)研究中一種較常用的分析方法，相關(guān)生長(zhǎng)分析在理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐中都有廣泛的用途。作為指導(dǎo)教師，選擇這一課題的原因是實(shí)驗(yàn)分析取樣方便、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)分析有較強(qiáng)的規(guī)律性，適合學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。

通過(guò)“青島市二球懸鈴木葉片的生長(zhǎng)分析”這一高中生物學(xué)課外探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐探索，為學(xué)生提供了廣闊的探索空間，使學(xué)生對(duì)生物學(xué)的興趣得到提升。學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析得出相應(yīng)結(jié)論，親歷科學(xué)研究的全過(guò)程，認(rèn)識(shí)到“科學(xué)”的本質(zhì)。這種高中生物學(xué)課外探究實(shí)驗(yàn)，可突破教材的局限性，更好地展現(xiàn)生物學(xué)的魅力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和科學(xué)精神，在一定意義上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中以知識(shí)為主的局限，激發(fā)了學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造力，為其進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)打下基礎(chǔ)。