談生物觀察實驗的探究性意義

張海銀 夏帆

2013年6月的一天，英國7歲女孩奧利維亞穿過自家附近的風鈴草樹林時，驚訝地發現了五葉草。她讓媽媽用貼膜機把這朵幸運花保存起來，還注明了發現日期，這可是全世界公認的幸運花。觀察實驗是生物學中的最基本的實驗，但實際教學中未能得到應有的重視。本文以譯自Miller和Levine教授所著的“Biology”中實驗“蝗蟲外部解剖學特征探究”為例，通過靜態和動態觀察蝗蟲的外部形態特征和運動方式，讓學生建立生物體的結構和功能相適應的核心概念。這與新課標倡導的探究性學習，提升生命科學素養是一致的。

一、實驗“蝗蟲外部解剖學特征探究”譯文

1. 問題：蝗蟲身體的哪些部分適于陸地生活？

2. 簡介：蝗蟲是節肢動物門的成員，昆蟲的種類超過一百萬。（下略）

3. 實驗前問題：閱讀整個探究過程，和小組成員合作完成以下問題。在探究的第一部分，能觀察到什么？寫出觀察到的活體蝗蟲三種運動方式。蝗蟲的身體包括哪三個主要部分？蝗蟲的足和翅在身體的哪一部分？怎樣判斷蝗蟲的雌雄？

4. 材料用具（每個小組）：廣口瓶，活體蝗蟲，解剖針，蝗蟲標本，防水標簽，手持放大鏡，萵苣葉片。

5. 安全警示：在這個探究實驗的第二部分，穿上實驗服，戴上護目鏡和一次性塑料手套。小心處理動物標本，防腐液和所有接觸這些生物的實驗儀器。不要用手接觸眼睛和口部。按照教師的指引歸還或處理所有實驗材料用具。實驗完成后用溫水和肥皂洗手。注意實驗步驟旁的所有安全標識，應熟知這些安全警示的含義。

6. 實驗步驟：

（1）觀察活體蝗蟲的反應。

①小組合作完成探究，把觀察結果寫在空白處。觀察廣口瓶中的活蝗蟲。注意：小心不要打碎玻璃器皿。圖1幫助你找到蝗蟲的頭部、腹部、胸部、三對足和兩對翅的位置。在不干擾蝗蟲的前提下觀察幾分鐘。注意蝗蟲的運動方式，并且記錄蝗蟲用哪只足行走。輕敲廣口瓶的側壁，讓蝗蟲受到刺激而跳躍，觀察用于跳躍的足。

②觀察蝗蟲在靜止狀態下的體位和姿式，用手持放大鏡觀察與呼吸及氣體交換相關的腹部運動。

③撕下一小片萵苣葉喂給蝗蟲，注意它的攝食，近距離觀察口器的動作。

④記錄你看到的蝗蟲外部特征和運動方式，記錄完后把蝗蟲歸還老師。

（2）觀察蝗蟲外部解剖學特征。

①從老師處取一只蝗蟲標本，洗掉防腐劑。把蝗蟲置于解剖盤中，輕觸外骨骼。并用手輕輕按壓，記錄下觀察到的蝗蟲外骨骼。注意：用于保存蝗蟲的防腐劑可能會腐蝕人體皮膚。穿上實驗服，戴上護目鏡和一次性手套，避免接觸你的眼睛和口腔。

②找出蝗蟲身體三個部分的位置：頭部、胸部和腹部。如果需要，參考圖1用放大鏡觀察頭部。注意頭部頂端的兩個長觸角，這是蝗蟲的觸覺器官。用放大鏡近距離觀察觸角，蝗蟲的三個單眼在頭部：每個觸角的基部各有一個單眼，第三個單眼在頭前部正中。頭部的兩側還各有一只復眼。單眼和復眼是蝗蟲的視覺器官。記錄下你的觀察。

③找到胸部的位置，注意蝗蟲胸部分為三節，每一節附著一對足。觀察2對前足和第3對最大的足，即跳躍足（亦稱后足），注意每只足都由腿節、脛節和蚹節組成。

④觀察兩對翅，用手指輕輕展開蝗蟲的翅。注意觀察前翅和后翅的區別，前翅革質化，保護著專司飛行的后翅。寫出蝗蟲胸部的觀察記錄。

⑤找到腹部并注意它的分節。在腹部第一節，有一突出的鼓形結構——鼓膜，是蝗蟲的聽覺器官。在腹部每一節的兩側，有很多小的開口稱為氣門。氣門是蝗蟲呼吸系統在體表的開口，是氣體進出的通道。

⑥注意雌雄蝗蟲的腹部最后一節是不同的。雌蟲的最后一節有一個爪形結構，其上有4個用于挖洞產卵的點狀突起，雌蟲的腹部比雄蟲長，雄蟲腹部最后一節是鈍而彎曲向上的。判斷你手中的蝗蟲是雌的還是雄的，寫下對蝗蟲腹部的觀察結果。

⑦完成實驗探究后，按照教師的指引處理蝗蟲。注意：研究過蝗蟲標本后，用溫水和肥皂洗手。

7. 分析和結論

（1）觀察。蝗蟲身體的三部分中，哪一部分是專門適應運動的？

（2）數據分析。蝗蟲在其生活環境中，可以通過哪三種方式感知移動的物體？

（3）推論。蝗蟲的體色怎樣幫助它躲避敵害？

（4）預測。如果把蝗蟲的頭部浸沒在水中，它會被淹死嗎？

（5）得出結論。哪三種結構有利于蝗蟲生活在干燥的環境中？

8. 拓展研究

盡可能多的收集節肢動物的各類標本，并比較以下特征：身體的分部、足的數量、口器的類型、呼吸器官的類型。在資料表中記錄相關觀察，利用資料表鑒定器官，這有利于解釋節肢動物極為豐富的多樣性。

二、實驗評析

1. 觀察實驗不是解剖實驗。觀察實驗中應該培養學生的實驗動物福利意識。據統計，美、英等歐美國家每年用于實驗的動物數量高達3000萬只，這引發了動物保護組織的抗議和各國科研部門的關注，在如何對待實驗動物上， 歐美廣為采用的選擇方案是“3R法則”，即減少、優化和替代。“優化”即是減少動物的精神緊張和痛苦，比如采用麻醉或其它適當的實驗方法；“替代”就是不再利用活體動物進行實驗，而是以單細胞生物、微生物或細胞、組織、器官甚至電腦模擬來加以替代。“3R法則”在發達國家已經普遍采用。

2. 科學觀察可分為自然觀察和實驗觀察兩類。自然觀察是指對自然界的現象不作任何改變而進行的觀察，它是在自然發生的條件下考察對象的。本實驗觀察玻璃瓶中的活體蝗蟲，盡可能地模擬自然環境，但與自然環境還是有一定差距，在實驗的過程中，學生盡量做到不說話，不走動，保持安靜，以便觀察蝗蟲的行走、跳躍、攝食等。根據觀察的分類，我們在教學過程中還要引導多種觀察，如整體觀察與重點觀察、形態觀察與解剖觀察、順序觀察與逆序觀察、長期觀察與短期觀察、自然觀察與實驗觀察，活體觀察與標本觀察、動態觀察與靜態觀察、單次觀察與重復觀察、直接觀察與間接觀察、驗證性觀察與探究性觀察等等。

3. 觀察具有明確的目的。每節課都有教學目標和重點，生物觀察實驗也一樣。貫徹好這些目標，才能集中注意力觀察，抓住觀察對象的重點，以便達到預期的觀察效果。本實驗在開始直接提出問題：蝗蟲身體的哪些部分適于陸地生活？整個實驗的設計和開展都圍繞這個目的進行。

4. 觀察實驗的探究性。生物觀察實驗分為驗證性觀察實驗和探究性觀察實驗。探究的過程是一次全新的經歷，是一次愉快的體驗，探究的結果的未知性和神秘感會更激發學生的創造力和求知欲。輕敲廣口瓶的側壁，讓蝗蟲受到刺激而跳躍，觀察用于跳躍的足；提出問題“如果把蝗蟲的頭部浸沒在水中，它會被淹死嗎？”這是對于蝗蟲呼吸的探究。

5. 觀察對象的系統性。觀察對象一般是一個有機的整體，這要求把握好整體與局部的關系；由整體到局部，突出重點結構，再由局部回到整體。本實驗設計先讓學生對蝗蟲整體感知，找到蝗蟲的頭、胸、腹三部分，觀察蝗蟲的體色，然后到局部，分別觀察頭部的觸角、口器、單眼和復眼、胸部的兩對翅和三對足以及腹部的氣門等，具有嚴格的空間順序。在動態觀察方面，按照一定的時間順序，觀察蝗蟲的行走、跳躍和飛翔。