體現(xiàn)3R原則的初中生物學(xué)動物實驗教學(xué)研究

曹鳳璋

［摘 要］3R原則是指在動物實驗中所遵循的優(yōu)化（Refine）原則、減少（Reduce）原則和替換（Replace）原則。3R原則體現(xiàn)生物學(xué)珍視生命的學(xué)科價值取向，對于學(xué)生態(tài)度責(zé)任素養(yǎng)的培養(yǎng)有一定的促進(jìn)作用。文章以“探究蚯蚓適應(yīng)土壤中生活的特征”的實驗課為例，對體現(xiàn)3R原則的初中生物學(xué)動物實驗教學(xué)進(jìn)行研究。

［關(guān)鍵詞］3R原則；動物實驗；態(tài)度責(zé)任

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0097-03

隨著生命科學(xué)在生物倫理學(xué)方面的發(fā)展，動物福利在動物實驗中日益受到關(guān)注。在生命科學(xué)研究中，動物福利是考查研究合規(guī)性的重要方面。中學(xué)生物學(xué)中的動物實驗雖然不是專業(yè)的學(xué)術(shù)研究，但是應(yīng)盡可能地遵守實驗動物福利的要求。3R原則是指在動物實驗中所遵循的優(yōu)化（Refine）原則、減少（Reduce）原則和替換（Replace）原則，旨在改變傳統(tǒng)的動物實驗方式，盡可能地將動物實驗減少到最低限度［1］。3R原則作為被廣泛接受的動物福利原則，已經(jīng)被許多國家立法承認(rèn)，它是生物學(xué)實驗設(shè)計和實施中必須遵守的行為規(guī)范?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）提出，要在生物學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)態(tài)度責(zé)任素養(yǎng)，要求學(xué)生在科學(xué)態(tài)度方面有自我要求和責(zé)任擔(dān)當(dāng)［2］。3R原則是在長期的動物實驗實踐中總結(jié)出的旨在保障動物福利的實驗優(yōu)化思路，即體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)求實地開展自然探索的心理傾向，也體現(xiàn)了對自然界其他生命體認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度。

一、聯(lián)系實踐：體現(xiàn)3R原則的知識教學(xué)策略

3R原則作為重要的動物福利原則，其文本內(nèi)容應(yīng)當(dāng)作為教學(xué)目標(biāo)之一，學(xué)生應(yīng)當(dāng)達(dá)到能舉例說出3R原則的內(nèi)容并在該原則指導(dǎo)下進(jìn)行動物實驗的程度。作為一個實驗規(guī)范，體現(xiàn)3R原則的知識教學(xué)的重要策略應(yīng)當(dāng)是理論聯(lián)系實踐。在開展“探究蚯蚓適應(yīng)土壤中生活的特征”這一動物實驗時，筆者先將3R原則內(nèi)涵作為重要的知識給學(xué)生進(jìn)行簡要介紹，之后引導(dǎo)學(xué)生討論發(fā)掘3R原則所體現(xiàn)的價值取向。學(xué)生普遍能體會到實驗設(shè)計時應(yīng)當(dāng)盡可能地尊重并保護(hù)實驗動物的生命。筆者在講解實驗的注意事項后，讓學(xué)生思考問題：“這些實驗設(shè)計是怎樣體現(xiàn)3R原則的？以進(jìn)一步加深學(xué)生對3R原則的理解。

在實驗教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生在首次進(jìn)行動物實驗時，3R原則應(yīng)當(dāng)作為要求學(xué)生了解的知識內(nèi)容之一。在此后涉及動物實驗時還要不斷考查學(xué)生是否能發(fā)現(xiàn)其中有關(guān)動物福利的操作細(xì)節(jié)，并運用3R原則解決動物實驗中的實際問題。

二、關(guān)注細(xì)節(jié)：基于3R原則的實驗設(shè)計策略

（一）優(yōu)化原則

優(yōu)化原則是指最大限度地減少動物實驗動物的痛苦，保障動物福利。筆者在實驗中首先說明什么是優(yōu)化原則。在使用蚯蚓進(jìn)行實驗時，筆者要求學(xué)生在觀察和實驗的前后將蚯蚓放置在濕潤且有充足腐殖質(zhì)的濕土中。在觀察蚯蚓的形態(tài)特征時要注意多用濕棉球擦拭蚯蚓的體表，保持蚯蚓體表濕潤。為保證蚯蚓為相同品種，筆者在實驗中使用了統(tǒng)一購買的蚯蚓。如果要求學(xué)生自行捕捉蚯蚓，還應(yīng)注意要求學(xué)生將蚯蚓放在通氣良好且裝有富含腐殖質(zhì)的濕土的瓶子（見圖1）中，然后要求學(xué)生分析這些操作的目的。學(xué)生通過分析，普遍能說出這些操作的目的是優(yōu)化實驗過程，減少實驗動物的痛苦，保障動物福利。

教師基于優(yōu)化原則開展動物實驗教學(xué)，并在實驗以外的時間盡可能地為動物提供最自然的生活環(huán)境，在實驗中盡可能地避免實驗動物受到傷害，這些操作可以最大限度地保障實驗動物擁有良好的狀態(tài)。動物實驗的優(yōu)化設(shè)計通常可以從實驗動物在非實驗進(jìn)程中的攜帶、飼養(yǎng)，實驗中的操作，實驗后的處理等方面進(jìn)行思考。在動物實驗的教學(xué)過程中，應(yīng)保障動物福利，引導(dǎo)學(xué)生尊重動物生命，強(qiáng)化學(xué)生對生物與環(huán)境關(guān)系的理解，增強(qiáng)學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識。

（二）減少原則

減少原則是指動物實驗中在保證數(shù)據(jù)信息的數(shù)量與精確度的前提下，最大限度地減少實驗中使用的動物數(shù)量。在探究蚯蚓適宜的生活環(huán)境時，筆者設(shè)計了這樣的學(xué)生實驗：首先將解剖盤一半鋪干燥的土壤，另一半鋪濕潤的土壤，用黑色遮光板分別將干燥的土壤和濕潤的土壤遮住一半；然后將蚯蚓放置在解剖盤中，一段時間后觀察蚯蚓分布的位置。

根據(jù)實驗設(shè)計的原則，應(yīng)當(dāng)使用多條蚯蚓進(jìn)行實驗。在這個實驗中，筆者將全班學(xué)生分為10個小組，每組只提供2條蚯蚓，由各組學(xué)生分別開展實驗。為了盡可能地排除實驗操作者操作差異帶來的誤差，筆者在實驗前首先明確了操作的步驟和標(biāo)準(zhǔn)，包括蚯蚓的初始位置、遮光板位置和實驗時長。各組實驗結(jié)束后，由安排的小統(tǒng)計員對各組實驗結(jié)果進(jìn)行匯總，這樣就獲得了一個具有20個樣本的實驗結(jié)果。完成實驗后，筆者對實驗過程進(jìn)行分析，說明每組實驗只選用2條蚯蚓的做法可以在不影響實驗結(jié)果的前提下極大地減少了蚯蚓的使用量，進(jìn)而深化學(xué)生對“減少原則”的理解。

減少原則在中學(xué)動物實驗條件下可優(yōu)化的方面較少，中學(xué)動物實驗很難提供標(biāo)準(zhǔn)的實驗室環(huán)境，但是教師仍可以在保證各小組遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和步驟開展實驗的前提下，減少每個實驗小組的樣本量，通過匯總各組實驗結(jié)果，在保證實驗總體樣本量充足的同時，達(dá)到減少實驗動物使用量的目的。這是學(xué)生實驗課中體現(xiàn)減少原則的可行方法。

（三）替代原則

替代原則是指使用模型模擬或細(xì)胞實驗替代動物實驗，或使用沒有知覺的動物替代有知覺的動物。例如，在探究蚯蚓剛毛的作用時，根據(jù)探究的問題，實驗的自變量應(yīng)當(dāng)是蚯蚓剛毛的有無。但是將蚯蚓剛毛拔去是比較殘忍的操作，會對蚯蚓的狀態(tài)產(chǎn)生不良影響，也不利于實驗結(jié)束后蚯蚓的放歸。此外，在初中學(xué)校的設(shè)施條件下，這一操作也較難實現(xiàn)。

《課標(biāo)》建議教師利用現(xiàn)代工程手段制作模型開展實驗?；诖耍P者利用3D Builder設(shè)計并制作了蚯蚓的體節(jié)模型，每個模型包含20個放大了的蚯蚓體節(jié)，模型一頭連有掛鉤。蚯蚓體節(jié)模型每組包括一個帶有剛毛的體節(jié)模型（見圖2中的A模型）和一個不帶剛毛的體節(jié)模型（見圖2中的B模型）。由于模型的剛毛細(xì)小，在拖拽時易斷裂，因此為了保證模型強(qiáng)度，筆者使用光固化3D打印技術(shù)將電子模型制成實物模型。此外，所使用的模型還可以進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，如先3D打印蚯蚓內(nèi)臟結(jié)構(gòu)模型，然后用透明樹脂翻模鑄造出蚯蚓的體節(jié)外形。這樣，學(xué)生可以通過觀察該模型，歸納環(huán)節(jié)動物的特征。

使用時可先在解剖盤中鋪上適量的潮濕沙土，將蚯蚓模型半埋入潮濕沙土中，用彈簧測力計連接蚯蚓模型的掛鉤；再水平拉動彈簧測力計，當(dāng)蚯蚓模型被拉動時，記錄蚯蚓模型在潮濕沙土中滑行過程中彈簧測力計的讀數(shù)。使用有剛毛的蚯蚓體節(jié)模型和無剛毛的蚯蚓體節(jié)模型分別進(jìn)行三次實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)并取平均值。通過對比拉動有剛毛的蚯蚓體節(jié)模型和無剛毛的蚯蚓體節(jié)模型的拉力，學(xué)生能更加直觀地發(fā)現(xiàn)剛毛可以增加蚯蚓與土壤顆粒之間的摩擦力。

中學(xué)生物學(xué)實驗室通常難以支持動植物細(xì)胞培養(yǎng)、分子純化方面實驗的開銷，所以只能開展很少部分極簡單的細(xì)胞和分子層面的實驗，因此用細(xì)胞實驗或分子生物學(xué)實驗替代動物實驗的可行性不大。但是基于實驗?zāi)康膶嶒瀯游镞M(jìn)行簡化的、概括性的描述，僅保留與探究內(nèi)容相關(guān)的特征從而構(gòu)建替代模型，可以簡化認(rèn)知過程，促進(jìn)知識理解［3］。通過模型替代的方法，不僅可以使一些難以控制的實驗過程變得簡單，使難以量化的實驗結(jié)果變得直觀，還可以減少動物實驗的開展次數(shù)，避免多次實驗對實驗動物造成的傷害。例如探究蚯蚓剛毛的作用實驗以及教材中對魚鰭功能的探究實驗，這類探究生物某一結(jié)構(gòu)的功能的實驗，都可以通過應(yīng)用模型實驗來替代動物實驗。

三、啟示與反思

（一）賦予教學(xué)活動更多的意義

動物福利問題越來越受到社會的關(guān)注，相關(guān)的生物倫理學(xué)的討論也日益深化。在討論這些社會議題時，3R原則為學(xué)生提供了正確的視角。本文提到的一些實驗的具體操作在教學(xué)實踐中其實早有運用。此外，教材在其他實驗中也常常體現(xiàn)3R原則。例如，探究魚類游動發(fā)力部位時使用模型替代而不是剪去尾鰭，體現(xiàn)了替代原則；觀察魚尾鰭血液流動時用濕潤的毛巾包裹魚身，減少魚在空氣中的不適，體現(xiàn)了優(yōu)化原則。但是在這些實驗教學(xué)中，教師通常不會向?qū)W生系統(tǒng)地解釋這些實施方式的意義。在新課程標(biāo)準(zhǔn)的實施背景下，培養(yǎng)學(xué)生的態(tài)度責(zé)任素養(yǎng)成了教學(xué)目標(biāo)之一。3R原則作為動物實驗設(shè)計的重要原則，體現(xiàn)著生命科學(xué)的人文關(guān)懷。教師應(yīng)當(dāng)將3R原則作為核心內(nèi)容，在教學(xué)中明確指出在動物實驗設(shè)計中如何體現(xiàn)3R原則。發(fā)掘看似平常的實驗操作的更多意義，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注并思考動物實驗中各種常見操作的深意，有助于學(xué)生明確動物實驗的設(shè)計規(guī)范，形成珍視生命的情感態(tài)度。

（二）關(guān)注學(xué)習(xí)過程中的情感體驗

學(xué)習(xí)過程中的情感體驗不像知識、能力或品格那樣容易考察，因此常常被教師忽略。人本主義認(rèn)為，有意義的學(xué)習(xí)不僅需要思維參與，還需要情感的卷入。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不僅要獲取知識、鍛煉能力，還要體驗情感，以及能全身心地參與。在動物實驗課上，這種情感體驗既有對生物多樣的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理習(xí)性的好奇，對實驗操作步驟精巧設(shè)計的嘆服，又有平等對待每一個生命這樣的珍視生命的情感體驗。如果教師不引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注動物實驗中的動物福利，“珍視生命”這一情感體驗很容易被忽視。這樣的實驗課中實驗動物就很容易失去關(guān)愛，論為實驗工具。長此以往，學(xué)生容易在觀念中將生命工具化，形成“漠視生命”的錯誤價值觀。因此，在動物實驗教學(xué)中，教師需要十分關(guān)注動物福利問題。這種關(guān)注不僅包括在設(shè)計實驗操作中保障動物福利，還包括向?qū)W生說明這些實驗操作背后的動物福利原則，讓學(xué)生明白實驗動物的使用是有倫理學(xué)沖突的，開展動物實驗是為了人類的發(fā)展而不得已的選擇。在動物實驗中，應(yīng)當(dāng)懷著感激和不忍去面對實驗動物。這樣的情感體驗才能幫助學(xué)生建立尊重生命、珍視生命的正確價值觀。

（三）推動實驗設(shè)計更加嚴(yán)謹(jǐn)

本節(jié)課涉及的實驗是教材中要求開設(shè)的，但是教材中使用的探究實驗方式在論證邏輯上并不嚴(yán)謹(jǐn)。教材中采用的方法是將蚯蚓分別置于光滑玻璃和毛玻璃上，然后觀察、記錄并比較蚯蚓的運動情況。這種方式存在蚯蚓行為不可控的問題，蚯蚓不一定會盡全力向前蠕動，因此實驗結(jié)果難以真正量化。同時，該實驗中的變量是玻璃表面的粗糙程度，因此實驗所能得出的結(jié)論實質(zhì)上是關(guān)于“環(huán)境的粗糙程度對蚯蚓爬行的影響”，不能真正論證“蚯蚓的剛毛可以增加摩擦力”。探究蚯蚓剛毛的作用時應(yīng)當(dāng)將剛毛的有無作為實驗的自變量。本文提供的方法能建立一條更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬫湥沟脤嶒災(zāi)苷嬲C明蚯蚓剛毛的作用。同時，該方法較原方法還具有結(jié)果可測量、可量化的優(yōu)點。模型替代可以幫助生物實驗實現(xiàn)更多的可能性，尤其是在實驗過程的可控性以及實驗結(jié)果的觀測和量化方面，實物模型都展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。

基于3R原則進(jìn)行實驗優(yōu)化是需要不斷思考、不斷改進(jìn)的，需要教師發(fā)揮批判精神，認(rèn)真思考動物實驗的原理和每個具體操作，不斷推動動物實驗向著更好的方向發(fā)展。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? IHLE S. Animal experimentation in research：the 3Rs principle and the validity of scientific research［M］.Bonn：German Research Foundation，2022.

［2］? 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［3］? 李希明.建構(gòu)生物模型，突破教學(xué)難點［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2011（7）：10-12.

（責(zé)任編輯 黃春香）