利用簡易迷宮探究小白鼠的學習行為

張陸啟 王重力

“動物的運動和行為”是中學生物課程標準中一個重要的主題，該部分知識對學生認識動物的本質特征具有非常重要的作用。動物的行為是多種多樣的，從獲得途徑來區分，可分為先天性行為和學習行為。從中學生的知識結構和認知特點分析，區分動物的先天性行為和學習行為是該部分教學的難點。通過探究實驗的方法，讓學生感受動物的學習行為，有助于學生突破這一教學難點。

實驗以小白鼠作為實驗動物;簡易組合迷宮、水迷宮為實驗設施;以神經科學研究中常用的“八臂迷宮延緩反應作業”、“T迷宮交互延緩反應作業”和“Morris水迷宮”三個經典實驗為實驗原型，對小鼠走迷宮這一探究性活動進行設計和實驗探討。

1 過程設計和預期目標

實驗前，從飼養實驗動物機構購買出生約2個月的小白鼠數只備用。準備好實驗使用的體積分數為5%的乙醇溶液、脫脂棉、鑷子、帆布手套和足夠量的去殼瓜子。

1.1 十字形迷宮和T迷宮

1.1.1 學習階段

在迷宮內放置食物（瓜子），將小白鼠放入迷宮內讓其自由取食，適應3～5 d。在此階段，每天抓握小白鼠數次并輕輕撫摸其頭背部，以消除小白鼠的緊張情緒。

1.1.2 準備階段

實驗前3 d開始控制小白鼠的食量，飼喂其自由取食時食量的50%或使其體重降至自由取食時體重的80%左右。

1.1.3 訓練階段

十字形迷宮實驗：訓練方法以“八臂迷宮延緩反應作業”為原型，將八臂簡化為四臂（圖1）。選取十字形迷宮中任意兩臂作為目標臂，在其角落里放置半粒瓜子，讓小白鼠尋找取食，兩個目標臂均取食完為一次，每天重復訓練20次。每次訓練完成都必須用5%乙醇溶液擦拭四個活動閘門入口處，以消除小白鼠留下的氣味對其下次訓練選擇的影響。對同一只小白鼠，目標臂應是固定的。訓練時小白鼠能正確進入目標臂18次，連續錯誤不超過1次為學會標準。為了防止瓜子的氣味對小鼠選擇的影響，訓練時可用小白鼠進入目標臂才給予食物獎勵的措施。

T迷宮交互作業：訓練方法依據“T迷宮交互延緩反應作業”。T迷宮的兩個短臂為目標臂，長臂遠離目標臂端為起始箱。在目標臂的角落里放置半粒瓜子，將小白鼠放在起始箱，打開閘門，小白鼠跑向目標臂取食瓜子。當小白鼠后肢進入目標臂后，擋住開放式活動閘門的出入口。待其取食完成后，將小白鼠拿回起始箱。再次打開起始箱活動閘門后，若其選擇上一次未進入的目標臂并且后肢進入該目標臂，為選擇正確，給予瓜子獎勵，待取食完成后將小白鼠拿回起始箱進行下一次訓練。若選擇錯誤則不獎勵，直接進行下一次訓練（圖2）。每天訓練20次，不包括第一次。消除氣味措施同“十字形迷宮實驗”。訓練時，如果小鼠能正確進入目標臂18次，連續錯誤不超過1次，則視為學會。并且可以通過延長打開起始箱活動閘門的時間來測定小白鼠的交互延緩作業時間。

1.2 水迷宮

1.2.1 適應階段

除去水迷宮（圖3）中的逃生平臺，讓小白鼠在水迷宮中自由游泳1 min，結束后用吸水紙或干燥毛巾擦干小鼠身上水分，間隔5 min后可進行第二次適應。每天2～3次，連續2～3 d。

1.2.2 訓練階段

訓練方法依據“Morris水迷宮”。在水迷宮中注入20～23℃清水（若是冬天進行實驗，可適當升高水溫至26℃），預留約2 L清水用來調節水位高低，在固定的某個象限置逃生平臺。將小白鼠從不同的方位面朝盆內壁放入水中，小白鼠在水池中游泳，直到碰到隱藏的逃生平臺后爬到平臺上。如果小白鼠在水中超過60 s還未找到逃生平臺，用細木棍引導小白鼠游向逃生平臺。待小白鼠在逃生平臺上停留30 s后，取出并擦干其身上水分。2 min后，以同樣的方式進行訓練，觀察其在水中游動尋找逃生平臺的路徑。

連續訓練，觀察小白鼠每次尋找到逃生平臺的時間變化;若通過訓練，小白鼠可以從下水位置轉身后幾乎沿直線直接游向逃生平臺，則說明小白鼠達到學會標準。

1.3 實驗后處理

實驗完成后，組合迷宮經消毒處理，曬干后存放，以備以后使用。水盆需經過消毒處理后才能作它用。作為逃生平臺的石塊、磚塊放到綠化帶或花壇里。

小白鼠應按照實驗規則正確處理，即可留作其他不涉及學習行為的實驗用，若無其他用途則需斷頸處死。

2 結果和應用

2.1 結果

在十字形迷宮實驗中，訓練前小白鼠在迷宮中無目的隨意取食，多次取食進出目標臂的順序和次數無規律。經過3 d連續訓練，小白鼠達到學習目標，將其從不同方向放入起始箱，其選擇進入目標臂的順序相對固定，且幾乎不進入無食物臂。改變迷宮的擺放方向，對小白鼠選擇目標臂行為無影響。

相比較而言，T迷宮交互延緩作業訓練進度較緩慢。訓練過程作幾乎無延遲處理，即小白鼠剛吃完目標臂的食物就拿回起始箱開始下一次訓練，但經過12 d訓練方能達到預期目標。未經訓練的小白鼠不會連續多次交互進入目標臂。該設計如果只設一個固定短臂為目標臂，則小白鼠的學習進程明顯加快，可在經過2 d連續訓練后達到學會標準。且變換迷宮擺放方向，對小白鼠的選擇目標臂行為無影響。

水迷宮實驗中，可發現經過約10次訓練后小白鼠每次尋找到逃生平臺的時間明顯縮短;通過訓練，小白鼠可以從下水位置轉身后幾乎沿直線游向逃生平臺。從開始訓練至達到學會標準可在1課時（約40 min）內實現。

2.2 應用

實驗表明，在中學生物學教學時，運用小鼠走迷宮探究實驗讓學生認識動物的學習行為是可行的。教師在組織教學活動時，可以本研究方法為范式指導學生進行探究，具體應用時需注意以下問題：

選取適宜的材料，創造條件保證實驗順利進行。由于制作簡易迷宮的材料（舊抽屜）高度固定，低于15 cm，小鼠會從迷宮中爬出來，使實驗無法進行。所以，選取實驗材料時，舊抽屜高度最好能超過15 cm，低于10 cm則不宜使用。若在10～15 cm之間，需把迷宮放在凳子、桌子等較高的平臺上，或用有機玻璃給迷宮加蓋，也可以用氣體打火機的電子打火器給小白鼠施以微電擊防止小白鼠爬出迷宮。

巧設自變量，通過實驗體現教育因素。選擇探究課題時，教師可有意將影響小白鼠學習行為因素設置為自變量，以期暗示學生的學習需要注意的問題。例如，“不同年齡對小白鼠T迷宮交互作業學習能力的影響”為題的探究過程中，根據年齡可將小白鼠分為“幼年組”、“成年組”、“老年組”三組，每組2～3只;通過T迷宮交互作業訓練，計算出各個年齡組達到預期目標的平均時間，讓學生分析年齡對小白鼠T迷宮交互作業學習能力的影響。通過對實驗結果的討論，暗示學生：青少年階段是學習的最佳時期，在校學生應該通過努力學習擴展知識、練就本領，為進入社會打下堅實基礎。

根據實際情況設計實驗方法，合理利用時間進行教學。學生以不超過8人的學習小組的形式進行探究性實驗;除簡單的水迷宮實驗外，其余探究實驗宜以研究性學習活動的形式在課外完成，再于課堂上展示結果，實驗結果可以現場演示，也可以是訓練時候用攝像機或是手機拍攝的DV。

遵守實驗原則，最大限度排除無關因素的干擾。遵守實驗的單一變量原則和對照原則，每個小組必須設置對照組，對照組小白鼠除不做相應訓練外，其余處理都與實驗組小白鼠相同。實驗過程中，為保證消除小白鼠留下的氣味信息對實驗結果的影響，小白鼠排在組合迷宮中的糞便和尿液需要及時清除，并用5%乙醇溶液作消除氣味處理。訓練時保持安靜，實驗場所通風條件良好、無光照直曬、最大限度排除聲音、氣味和光照對實驗結果的影響。另外，小白鼠進入目標臂取食時不能觸碰，以免小鼠因受到驚嚇而擾亂正常訓練過程。

安全是實驗的第一要務，衛生不可小覷。與小白鼠接觸時必須戴帆布手套，以防小白鼠抓傷或咬傷，實驗后必須用肥皂或洗手液清洗雙手。

3 討論

加強課前的資料收集是實驗成功的基礎。為培養學生的探究性學習能力，實驗前教師應指導學生搜集足夠全面的關于小白鼠的資料，引導學生通過閱讀、分析資料了解小白鼠的生活習性和活動特點，從而發現有意義的探究題目。

定型的實驗程序也可以組織學生探究。如果學生未能提出有意義的探究課題，教師可以利用定型的探究題目指導學生進行探究。可在組合迷宮中進行的探究有“不同溫度（濕度）對小白鼠十字迷宮學習行為的影響”、“訓練次數對小白鼠T迷宮交互作業學習能力的影響”、“饑餓程度對小白鼠十字迷宮學習行為的影響”和“不同光強度對小白鼠T迷宮交互作業學習行為的影響”等課題。適于在水迷宮中進行的探究有“不同性別（年齡）小白鼠之間的學習能力競賽”、“不同環境線索對小白鼠學習行為的影響”、“一定范圍內不同水溫對小白鼠學習行為的影響”和“水池大小與小白鼠學習行為的關系”等。

探究建立在物質基礎上，但優秀的教師可以利用自己的專業基礎設計豐富的學習方式。在小白鼠走迷宮這一探究主題下，啟發學生選擇多樣化的探究課題。通過學生親自設計活動方案、完成活動內容，不僅能讓學生了解動物學習行為的形成過程，還能讓學生熟悉科學探究的過程。實驗完成后，教師組織學生討論動物在特定的環境下形成相關學習行為的意義，引導學生將探究活動與自身學習過程相聯系，感悟學習的意義和本質。