深入挖掘問題素材　科學開展探究活動

王穎　韓佳宜　樓苡鋮　張志祥

摘要 通過試題引發對食物鏈中幾種魚類分層現象及原因的思考，設計實驗對5種不同食性魚類的外形和消化器官進行形態學對比，探討不同食性魚類分層現象與環境的關系。同時，通過解剖結構繪圖、互動交流展示等環節，加深學生對“結構與功能相適應、生物與環境相適應”的生命觀念的認識。

關鍵詞 魚類 食性 環境 分層現象 科學探究

中圖分類號G633. 91 文獻標志碼B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出要讓學生在形成生物學學科核心素養的同時，能用科學的觀點、知識、思路與方法，面對或解決現實生活中的某些問題。要達成該目標，就要高度關注教學過程中的實踐經歷。在課堂教學中將抽象知識形象化、具體化的最直接手段就是開展實驗探究，從而解決學習過程中產生的問題?！吧鷳B系統”是高中生物學課程中的重要內容，往往采用食物鏈或食物網相關試題來考查學生的知識掌握情況。然而“紙上得來終覺淺”，要更為透徹地理解生物與環境之間的關系還需要親身經歷實驗過程，從而獲取真知。筆者以一道生態題為例，引出如何有效引導學生進行科學探究活動，并聚焦核心素養中科學思維和科學探究能力的培養（圖1）。

1 發現問題、提出課題

1.1 發現問題

據題（圖2）可知，不同食性魚類處于不同營養級，如雜食性鯽魚處于第二、三營養級，鯉魚和鰱魚位于第三營養級，肉食性黑魚位于第三、四營養級。由于捕食對象不同，魚類處于不同營養級。教師提出問題：聯系生活可知，不同魚類在垂直分布上也有所差異。兩者是否有一定聯系呢？魚類為何會出現分層現象呢？各小組就此展開了討論。

1.2 初步思考

查詢教材發現，水生群落由于光的穿透性、溫度和O2的垂直分布差異，存在分層現象。例如，北溫帶常見湖泊垂直結構可分為包括表水層、斜溫層、靜水層和底泥層4層（圖3）。已有研究表明魚類在水生環境中的分層現象受到食物、溫度、溶解氧等因素影響。各小組一致認為，魚類分層與生存環境關系密切。

1.3給出解釋

對于“魚類為何有分層現象”，各小組給出了幾種解釋：

組1：水越深，光線越少。弱視魚類只能在光照充足的表水層進行活動。

組2：水生生物受到O2、溫度和光照等因素影響，在水中的分布不同。而處于不同營養級的魚類食性不同，會出現在食物富集的水層。

組3：魚類分層是由魚鰾大小決定的。不同深度的水域壓強不同，魚鰾較大的魚類體內壓強大，能夠適應同樣壓強較大的深層水域。

2 討論思路、設計方案

組3的觀點率先被推翻，通過查閱資料發現并非所有魚類都有魚鰾，如軟骨魚就不存在魚鰾。另外，魚體腔內壓強大小還受到鰓腔等結構的影響。組1成員認為魚是天生的近視眼，且視力大致與眼珠大小成正比。已知多數深海魚類眼睛較大，也是由于深海光線過少，魚類長期進化的結果。組2成員認為自然界中動物的使命就是保證生命的延續，而食物是生存必需品。雙方堅持己見，無法說服彼此。于是各小組決定通過實驗來探究魚類分層現象是否受食性的影響。除試題中出現的魚外，小組補充了草食性魚——草魚來增加魚的食性種類，同時增加肉食性魚——鱸魚。經討論，成員們確定相關測量指標進行闡述，具體研究技術路線見圖4。

3 人員分工、方案推進

3.1 人員分工

確定實驗方向后，小組成員對本次探究活動作出了明確的人員分工。安排了3名采購員、3名實驗準備員來完成實驗材料的準備;6名解剖員、3名測量員、3名記錄員、3名攝影員、3名數據輸入與校對員和3名數據處理與分析員來完成形態學實驗;3名繪圖員參與魚類解剖結構繪圖比賽;3位展示員和3位交流員進行活動最后的展示與交流。全部師生參與點評。

3.2 實驗步驟

3.2.1 材料準備

采購員前往菜市場購買草魚、鯽魚、鳙魚、鱸魚和黑魚5種活魚，實驗準備員聯系實驗室老師準備解剖剪、解剖刀、解剖針、鑷子（尖頭、圓頭）、直尺、魚體測量板、電子秤、洗瓶、脫脂棉、培養皿、乳膠手套等實驗工具。

3.2.2 形態解剖學實驗

測量員進行魚類外形測量，包括體長、體高、頭長、吻長、口裂長、尾柄長、尾柄高等性狀;解剖員解剖并觀察魚類消化系統（包括口腔解剖和體腔解剖），再由測量員稱量每條魚的體重及魚體各部分結構（心臟、膽囊、肝臟、胰臟和腸），記錄員記錄數據，攝影員拍攝完整魚體、魚體口腔和解剖結構等。

3.2.3 數據處理

數據輸入與校對員將實驗數據輸入到Excel表中，并進行校對，確保輸入無誤。數據處理與分析員用Excel計算比胰臟重、比肝臟重等數據，計算平均值與方差并制作相應圖表。計算公式：比某器官重=某器官重量，體重。

3.3 解剖結構繪圖

將鯽魚魚腹剪開后，各小組繪圖員進行了鯽魚解剖圖繪制比賽。學生細致描繪魚體內臟器官，并標出相應結構以后，運用專業術語介紹鯽魚內部結構。完成繪圖后，師生對解剖結構圖進行評價與打分，選出結構最清晰，闡述最準確、最具科學性的作品（圖5）。繪圖通過真實再現的魚體結構，加深了學生對鯽魚等常見魚類內部結構的認識與理解。同時，學生通過繪圖，也糾正了部分觀察的不足。

3.4 實驗結果與分析

3.4.1 不同食性活體魚類外形的測量與比較

由表1可知，不同食性魚類頭長/眼徑、頭長/眼間距無明顯趨勢變化，表明眼睛大小與魚類分層現象聯系并不緊密?？梢娨暳Σ⒎囚~類分層的主要原因。草魚體長/體高為3.41，鯽魚、鳙魚體長/體高依次為2.76、3.74，而鱸魚、黑魚體長/體高均在4以上，說明草食性和雜食性魚體型更扁平，而肉食性魚體型大都較為飽滿;黑魚的頭長/尾柄長僅有1.78、體長/尾柄長僅為6.26，而草食性魚類和雜食性魚類的頭長/尾柄長、體長/尾柄長均大于肉食性魚類，說明肉食性魚類的魚尾較大且長度更長。造成以上性狀差異的原因可能是肉食性魚類為提高捕食能力，進化出更長的尾部以增加推動力及更飽滿、流暢的身材從而加快游動速度。