校園植物物種多樣性的戶外調查實驗

趙 玥

(復旦大學附屬中學 上海 200433)

滬教版高中《生命科學》第三冊第十章“生物多樣性”第一節“生物多樣性及其價值”中的學生實驗，是在掌握遺傳多樣性知識的基礎上，通過實驗進一步加深學生對物種多樣性的了解，初步學會常用的物種多樣性測量方法。但在實際教學中一般是通過模擬實驗的形式來實現，這樣會造成學生較難掌握該節知識重難點。本文基于樣方法和辛普森多樣性指數，將校園植物的物種多樣性實驗改成戶外調查，對實施戶外調查過程中遇到的困難進行說明，并提出增進課堂教學效果的有效措施。基于校園植物調查的感性認識，幫助學生形成尊重事實、實事求是的科學素養。

1 戶外調查實驗影響因素分析

干擾本實驗統計結果的因素較多：①學生對不同物種的識別有困難；②在實地環境中如何對各種物種進行計數，如在記錄統計樣方法中的各種植物數量時，需注意有些植物的幼苗和成體形態結構上會有較大的區別，在操作過程中，要掌握如何利用卷尺測量距離，在樣方地4個角的頂點插上竹樁后用繩索連接時，如果過松過緊都會干擾到記錄的結果；③開展戶外實地調查的時間有限而不能順利完成實驗。考慮到以上的困難，筆者通過以下措施進行了改進：

2 實驗前期準備

2.1 選擇樣方地的一般方法 選擇樣方法的方法很多，依據生物種類、具體環境不同而有所不同。樣方的面積有大有小，樣方地的形狀也有方形、長方形、圓形和條帶狀等多種，但是各種方法的原理基本相同[1]。由于同一地區的管理條件不同，或在不同的自然環境中群落的物種構成都會影響辛普森多樣性指數值。所以作為定量實驗，樣方的選擇至關重要，樣方面積的大小常常取該樣方中植物種類數最多時的最小面積。

例如，①調查雙子葉雜草時，調查地段的大小應該規劃得小些，樣方大小一般為1 m2；②調查喬木時，地段應該規劃得大些，樣方大小一般為100 m2；③調查灌木時，調查地段大小則應該介于兩者之間，樣方大小一般為16 m2[2]。

面積過大費時費力，面積過小則失去調查的意義。樣方地的大小也應根據調查對象的大小和分布情況而定。對某種樹的調查與在草地上對某種草的調查樣方大小是不同的。一般而言，對于分布不規則的種群，多個小樣方取樣比少數大樣方取樣的效果更好。

2.2 被測植物選擇的一般方法 一般而言，樣方地中的植物數目不能過少，如果樣本數量少于30個時，會造成過低的估計產生誤差[3]。

戶外調查時，單子葉植物通常是叢生或蔓生，葉片一般呈條形或披針形，葉脈一般是平行脈，觀察地上部分往往難以辨別是一株還是多株，其種群密度統計較復雜。雙子葉草本植物容易辨別個體數目，葉脈一般是網狀脈。因此，雙子葉植物、灌木與喬木的統計則相對簡單，容易操作。

為了提高實驗教學的有效性、培養學生重點掌握樣方法的操作技能，教師可在課前將校園內樣方地中被測植物的形狀、名稱等相關知識，以圖片的形式事先發給學生預習，以減少因學生辨認植物而花費較多的課堂時間。

2.3 戶外實驗樣方地的選擇 根據校園植物的生長情況，選擇3塊樣方地：①富含喬木和灌木的樣方地A，大小為2.6×2.6 m2；②草坪植物的樣方地B，大小為50×50 cm2；③沙生植物的樣方地C，大小為50×50 cm2。當然，在選擇樣方地時也要注意避開突起物、被落葉覆蓋的暗坑、毒蟲等存在安全隱患的地點。

有時會誤解樣方地計數是較容易的，其實戶外的植物分布及特點都有其不確定性。例如，樣方地B草坪植物的計數問題就是難點。因為，除非將植物連根拔起，否則難以計數。之所以把草坪植物選為被測植物，主要是考察學生發現問題和解決問題的能力，而不是照搬教材。草坪植物有其獨特的計數方式，也可通過“重要值”來進行物種多樣性的調查[4]。

2.4 戶外調查實驗活動學案的設計 考慮到學生識別植物時有困難，教師需事先準備好植物分類圖鑒，即樣方地中出現的植物物種圖片、名稱等內容，地形圖(樣方地位置)、時間安排表、實驗數據統計表和樣方法實施細則在課前以學案的形式發給學生，讓學生在課前預習實驗原理和方法。

樣方法的操作過程、估算種群密度的過程，可能會摻入學生的主觀因素，因采用的是小樣本，在估算時就有誤差。因此，要強調學生注意：①提醒取樣的關鍵是要做到隨機取樣，如果刻意選擇有較多被測植物的地方，無意中會增大被選擇該植物的統計頻率，會造成統計數值偏大。②不管樣方大小如何，無論采用哪一種取樣方法，最終都要對樣方中個體進行正確計數。采用“五點取樣法”時，樣方內植物個體數量統計遵循“樣方內部個體全部統計、壓在邊界上的植物只隨機統計相鄰兩邊及其相鄰的那個夾角”[5]。③采用五點取樣法或等距取樣法確定樣方位置后，用卷尺量好距離。一般調查雙子葉草本植物的樣方面積為1 m2。“等距取樣法”需將樣方地段按縱向分成若干等分，由抽樣比率決定距離或間隔，然后按相等的距離或間隔抽取樣方。如地段總長50 m，如果要等距抽取5個樣方，那么抽樣的比率為1/5。抽樣距離為10 m，需要在每10 m的前1 m內進行取樣。④由于常用的取樣方法有“五點取樣法”和“等距取樣法”兩種。“五點取樣法”適用于調查地段為正方形草地，一般植物個體分布比較均勻的地形。“五點法”估算、“等距取樣法”可適用于地段為長條形草地。

教師可選取兩種典型的地形，讓學生分別體驗學習這兩種取樣的方法。

2.5 實驗材料以及分組準備 繩子、一次性筷子(代替竹樁)、卷尺、筆、計算器、紙、植物分類圖鑒、時間安排表和實驗數據統計表等。一般5位學生分為一組，每塊樣方地安排2組學生，3塊樣方地共6組，分別編為A1、A2、B1、B2、C1和C2。為了節省調查時間，課前請各小組組長帶領組員，根據學案自學的內容選取并圈好樣方地。

3 校園戶外實踐

3.1 新課的引入 教師先出示校園植物樣方地的圖片，請學生推測：“3塊樣方地中哪個物種多樣性最高呢？”請學生通過實驗來驗證自己的推測。接著，帶領學生去校園指定的樣方地點開展戶外調查，通過小組合作的形式對調查實驗結果進行統計與分析。

教師要注意以下方面：①采樣時要關注學生的操作方式是否得當，及時糾正；②隨時留意學生的安全，避免發生意外的傷害事故；③通過協調組員的分工情況，提高小組合作學習的效率。

3.2 交流與討論 按照約定時間，師生返回課堂展開交流與討論。先請各小組展示戶外調查數據(表1)。

表1 各小組戶外調查記錄數據統計表(表中個體數分別是樣方地的A1、A2、B1、B2、C1和C2)

教師根據學生的數據記錄提問：“根據3塊樣方地的6組數據，請總結影響辛普森指數的因素是什么？”引導學生找出影響辛普森多樣性指數的兩個因素，即物種均勻度和豐富度。接著，再提問：“為什么同一樣方地不同小組數據記錄會不一樣？”引導學生總結實驗操作時人為因素和實驗方法等因素造成的誤差。此時，教師可適當補充“重要值”的概念，即草坪植物的計數有其獨特的方式，并告知學生在實際生態學研究時，還有其他的指標可用來估算草坪植物的數目。通過充分地交流與討論，讓學生感悟到在從事生物科學研究時，科學方法和科學態度的重要性。

該節課的教學內容看似不多，但教學環境復雜，耗時較長。因此，教師“控時”和“控班”能力是完成教學既定目標的保證。