在創新實驗中發展學生科學探究能力
——以“觀察無殼雞卵孵化”為例*

陳曉紅 杜尚兵

（1 四川省成都市雙流中學實驗學校 四川成都 610200 2 成都市雙流區教科院 四川成都 610200）

《義務教育生物學課程標準（2011 年版）》指出：本世紀人類已進入生物科學和生物技術的新時代，生物科學的迅猛發展對社會和經濟的發展日益顯現巨大的推動作用，也影響到社會和個人生活的各個方面；當代社會發展的許多重大問題的解決又都依賴于生物科學技術的進一步發展。

生物學教學內容的選擇要反映社會、經濟和科技發展的需要，體現“科學、技術和社會”的思想。應當融生物科學、技術和社會于一體，充分體現科學、技術和社會的互動，反映生物科學的發展及其對社會發展和個人生活的影響。生物學教學要注重學生的發展和社會的需求，更多地反映生物科學和生物技術的最新進展，使學生能對生物學產生更濃厚的興趣，對生物學有更深入的理解，對今后的職業選擇和學習方向有更多的思考；能在探究能力、學習能力和解決問題能力方面有更好的發展；能在責任感、科學精神、創新意識和環境意識等方面得到提高。要讓學生了解我國生物科學技術發展狀況，形成愛祖國、愛家鄉的情感，增強振興祖國面貌的使命感和責任感[1]。

課程標準要求教師轉變教學方式，多關注生物科學的最新進展，嘗試將教學內容與生物科學最新研究成果相結合，創造性地進行教學。本文以創新實驗“觀察無殼雞卵孵化”為例，說明如何結合科學熱點進行實驗改進，以及怎樣引導學生進行自主探索。

1 實驗改進的由來

2018 年8 月13 日，央視大型科普節目《加油！向未來》揭秘了我國第1 只無殼孵化小雞的誕生過程，引起了學生的極大興趣和關注。聯系到《生物學》教材8 年級上冊第6 單元“生命的延續”第19 章“生物的生殖和發育”第2 節“動物的生殖和發育”中有2 個活動：“觀察鳥卵的結構”和“孵化雞卵”，設想如果將這2 個活動與無殼孵化實驗相結合，學生就能直觀地觀察到胚胎發育的整個過程，對雞卵的結構和胚胎發育的特點也會有更深刻的理解。因此，筆者組織了7 年級興趣小組學生進行了實驗改進的嘗試。

2 實驗改進的準備

1）學生自主查閱資料，了解無殼孵化實驗。2）通過解剖觀察雞卵，認識雞卵的結構及各部分結構的功能。

3）通過熱水泡雞蛋卵殼上出現氣泡的實驗，說明卵殼上有氣孔；通過醋泡雞蛋，卵殼上產生大量的氣泡，說明卵殼的主要成分是碳酸鈣，與醋發生化學反應，產生二氧化碳，從而明確卵殼的作用除了抑菌保護，還有補充鈣質和通氧透氣。

4）設計實驗裝置圖和觀察記錄表。

3 實驗器材的準備

實驗器材包括孵化箱、受精的雞蛋（種蛋）、無菌塑料杯、抑菌水、保鮮膜、乳酸鈣、重蒸水、酒精燈、玻璃棒等。其中抑菌水、保鮮膜、乳酸鈣能替代卵殼的作用。

塑料杯、抑菌水、保鮮膜及乳酸鈣的種類很多，原實驗只提供了主要步驟，并未說明具體使用哪一種材料器具。學生只能通過查閱資料、做對比實驗，從而對器材進行選擇。

抑菌水：學生選擇了一種刺激性特別小，具有很好的消毒和殺菌作用的新潔爾滅溶液作為抑菌水。

乳酸鈣：選用更容易吸收，價格更便宜，可用于做實驗的L-乳酸鈣。

保鮮膜：選用最輕薄透明、安全無毒的PMP保鮮膜，由于保鮮膜需要拉成雞蛋的形狀，學生設計并制作了簡易的拉膜器（圖1、圖2、圖3）。

圖1 自制簡易拉膜器

圖2 3D 打印拉膜器

圖3 改進后的拉膜器

原實驗中使用硬塑料杯，開通氧孔很不方便，改用了軟塑料杯，用加熱的玻璃棒開通氧孔，簡化了實驗。器材滅菌：使用實驗室的高壓滅菌鍋。后期輸氧：使用家用輸氧機。

4 實驗步驟

1）將種蛋預孵2～3 d。

2）將材料器具進行滅菌、消毒。

3）在塑料杯上開通氧孔，塞上脫脂棉，加入40 mL 濃度為0.01 mol/L 的抑菌水。

4）將保鮮膜拉成雞蛋的形狀，加入少量乳酸鈣、重蒸水。

5）將雞蛋殼小心剪開，內容物倒入保鮮膜中。將保鮮膜兜在塑料杯中，內容物懸空，扎上橡皮筋。

6）在保鮮膜邊緣燙出幾個小孔，蓋上杯蓋，放入孵化箱。從第17 天起，給雞胚胎額外輸氧。

7）每天進行觀察、記錄，拍攝胚胎發育的過程。

5 問題分析與實驗改進

通過6 次無殼孵化實驗的嘗試，引導學生不斷發現問題并進行實驗改進。

第1 次實驗：使用13 個種蛋，其中4 個未受精，9 個在前8 天陸續死亡。推測實驗失敗的原因：通氧孔位置偏低、翻蛋器翻蛋角度過大，導致抑菌水和卵黃漏出。改進：調整通氧孔位置，調節翻蛋角度。

第2 次實驗：使用13 個種蛋，2 個未受精，8 個前7 天陸續死亡，2 個在第10 天死亡，最后一個到第18 天死亡。推測實驗失敗的原因：1）發育的胚胎都遠離光源，離光源近的胚胎都較早死亡，可能光對胚胎發育有影響；2）胚胎前期死亡率高，是否抑菌水無效甚至對胚胎有毒害作用？改進：1）關掉孵化箱內的照明燈，并對孵化箱的觀察窗進行遮光處理；2）設置對照實驗：9 個孵化杯中，3 個加抑菌水，3 個加濃度為5%的酒精、3 個不加抑菌水。結果：未加抑菌水的3 個胚胎分別于第3 天、第4 天死亡；加濃度為5%的酒精的胚胎分別于當天、第2 天死亡；加抑菌水的胚胎繼續發育。說明選用的抑菌水對無殼孵化非常重要，酒精雖然有殺菌的作用，但由于刺激性過強，會導致胚胎死亡。

第3 次實驗：使用13 個種蛋，3 個未受精，5 個前7 d 陸續死亡，4 個在第10 天死亡，1 個到第21天死亡。推測實驗失敗的原因：1）通過查閱資料了解到，孵化的前幾天很關鍵，胚胎對環境的變化非常敏感。為了觀察，學生頻繁打開孵化箱、拿出孵化杯，引起溫度、濕度突然改變，對胚胎發育有很大的影響；2）小雞出膜也是一個難關，需要在發育第19～20 天進行人工助產。改進：1）使用紅外夜視攝像頭代替人進行觀察（圖4），通過手機監測胚胎發育情況，從而減少打開孵化箱的時間和頻率；使用攝像頭也提高了拍攝清晰度（圖5）；2）制作固定杯架，實現自動翻蛋，避免人工翻蛋導致溫度、濕度的改變；3）到第19～20 天，根據胚胎發育情況，進行出膜助產。

圖4 用紅外夜視攝像頭拍攝

圖5 夜視攝像頭拍攝效果

第4 次實驗：使用13 個種蛋，大部分胚胎仍然在前期死亡，有2 個胚胎繼續發育到第21 天，出膜前死亡。推測實驗失敗的原因：胚胎發育前期死亡率高，可能是由于孵化溫度偏低。改進：將孵化箱自動設置的溫度37.8℃調高至38.2℃。

第5 次實驗：13 個種蛋，2 個未受精，3 個7 d前死亡，其他胚胎繼續發育，但14 d 后陸續死亡，最后2 個發育到第21 天，但卵黃未完全吸收，進行人工助產，開膜后很快死亡。推測實驗失敗的原因：1）適當提高孵化溫度極大改善了胚胎前期死亡率高的情況，說明溫度確實是影響胚胎發育最重要的因素之一，但較高的溫度又會引起了胚胎后期的死亡；2）可能無殼孵化的胚胎發育較慢，到第21 天仍沒有發育成熟，不能進行人工助產。改進：1）進行變溫孵化，1～7 d 38.2℃，8～16 d 37.8℃，17～21 d 37.6℃。同時，到胚胎發育后期，適當增大濕度；2）監測胚胎發育情況，等卵黃吸收完全，再進行開膜助產。

通過不斷改進實驗器材和方法后，進行了第6 次實驗。本次用了13 個種蛋，3 個未受精，4 個在14 d 前陸續死亡，6 個發育到第21 天，實驗的情況比前幾次有很大的改善。但小雞到后期生命力逐漸減弱，開膜后仍然很快死亡。通過查閱資料了解到：科研人員做實驗時，也出現了胚胎發育到第10 天大批死亡的現象，實驗的成功率僅高于1/15。所以，無殼孵化實驗確實有一定難度。雖然實驗多次失敗，但學生在失敗中不斷反思、研究、總結，不斷發現問題、解決問題，不斷改進實驗器材和方法，使得實驗結果也不斷改善，在一步步地向成功靠近，尤其是最后一次接近成功的實驗體驗極大增強了學生繼續實踐的信心[2]。

6 實驗成果及意義

1）錄制孵化視頻，作為教學素材展示給學生，讓學生清晰地觀察到小雞胚胎發育的整個過程。第1 天：胚胎還只是一個“小白點”，即胚盤。第3 天：胚盤處出現了肉眼可見的血管和心跳。第4 天：胚胎出現了眼睛。第7 天：尿囊明顯可見，胚胎從“小白點”長成“小肉球”，卵白減少。第9 天：胚胎雛形明顯，血管豐富，尿囊增大。第11 天：血管加粗，頭部輪廓清晰可見（圖6）。第12天：胚胎初步成型，卵黃減少。第13 天：各個器官發育明顯，能清晰地觀察到喙、翅、脛部、腳和腳趾等（圖7）。第15 天：長出了眼瞼，能觀察到眼瞼開合。第16 天：羽毛長長，覆蓋全身，卵黃繼續減少（圖8）。第17 天：尿囊液減少，由于胚胎產生了大量的廢物而變渾濁。開始給小雞額外輸氧，保證后期正常發育。第19 天：卵黃繼續減少，胚胎活動減少。第20 天：卵黃大部分被吸收。第21 天：小雞的喙伸出尿囊膜，啟動肺呼吸，發出第1 次叫聲。通過視頻，學生能清楚地觀察到小雞是由胚盤發育而來，卵黃和卵白提供營養。這樣使教學更生動直觀，更能激發學生的興趣。

圖6 第11 天的雞胚胎

圖7 第13 天的雞胚胎

圖8 第16 天的雞胚胎

2）關注和結合科學熱點，將生物科學的最新研究成果與教學內容相結合。讓學生走近科學，嘗試開展科學研究。

3）了解胚胎發育的營養要求，探究環境因素及藥物對胚胎發育的影響。理解無殼孵化的科研價值。

4）清晰地觀察雞胚胎發育的過程，見證生命的怒放，感受科學和大自然的神奇力量。

5）簡化、改進原實驗，盡量利用身邊的器具或選購經濟適用的材料，降低成本，使實驗具有可操作性和推廣性。

6）讓學生獲得課外知識、開拓視野，通過親身體驗科學探究的過程，學習科學研究的方法，培養實驗技能和創新思維。同時，感受科學研究的艱辛與不易，培養敢于嘗試、勇于探索、堅韌不拔的科學精神。