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深入挖掘问题素材 科学开展探究活动

2020-12-28王颖韩佳宜楼苡铖张志祥

中学生物学 2020年9期
关键词:食性科学探究鱼类

王颖 韩佳宜 楼苡铖 张志祥

摘要 通过试题引发对食物链中几种鱼类分层现象及原因的思考,设计实验对5种不同食性鱼类的外形和消化器官进行形态学对比,探讨不同食性鱼类分层现象与环境的关系。同时,通过解剖结构绘图、互动交流展示等环节,加深学生对“结构与功能相适应、生物与环境相适应”的生命观念的认识。

关键词 鱼类 食性 环境 分层现象 科学探究

中图分类号G633. 91 文献标志码B

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》指出要让学生在形成生物学学科核心素养的同时,能用科学的观点、知识、思路与方法,面对或解决现实生活中的某些问题。要达成该目标,就要高度关注教学过程中的实践经历。在课堂教学中将抽象知识形象化、具体化的最直接手段就是开展实验探究,从而解决学习过程中产生的问题。“生态系统”是高中生物学课程中的重要内容,往往采用食物链或食物网相关试题来考查学生的知识掌握情况。然而“纸上得来终觉浅”,要更为透彻地理解生物与环境之间的关系还需要亲身经历实验过程,从而获取真知。笔者以一道生态题为例,引出如何有效引导学生进行科学探究活动,并聚焦核心素养中科学思维和科学探究能力的培养(图1)。

1 发现问题、提出课题

1.1 发现问题

据题(图2)可知,不同食性鱼类处于不同营养级,如杂食性鲫鱼处于第二、三营养级,鲤鱼和鲢鱼位于第三营养级,肉食性黑鱼位于第三、四营养级。由于捕食对象不同,鱼类处于不同营养级。教师提出问题:联系生活可知,不同鱼类在垂直分布上也有所差异。两者是否有一定联系呢?鱼类为何会出现分层现象呢?各小组就此展开了讨论。

1.2 初步思考

查询教材发现,水生群落由于光的穿透性、温度和O2的垂直分布差异,存在分层现象。例如,北温带常见湖泊垂直结构可分为包括表水层、斜温层、静水层和底泥层4层(图3)。已有研究表明鱼类在水生环境中的分层现象受到食物、温度、溶解氧等因素影响。各小组一致认为,鱼类分层与生存环境关系密切。

1.3给出解释

对于“鱼类为何有分层现象”,各小组给出了几种解释:

组1:水越深,光线越少。弱视鱼类只能在光照充足的表水层进行活动。

组2:水生生物受到O2、温度和光照等因素影响,在水中的分布不同。而处于不同营养级的鱼类食性不同,会出现在食物富集的水层。

组3:鱼类分层是由鱼鳔大小决定的。不同深度的水域压强不同,鱼鳔较大的鱼类体内压强大,能够适应同样压强较大的深層水域。

2 讨论思路、设计方案

组3的观点率先被推翻,通过查阅资料发现并非所有鱼类都有鱼鳔,如软骨鱼就不存在鱼鳔。另外,鱼体腔内压强大小还受到鳃腔等结构的影响。组1成员认为鱼是天生的近视眼,且视力大致与眼珠大小成正比。已知多数深海鱼类眼睛较大,也是由于深海光线过少,鱼类长期进化的结果。组2成员认为自然界中动物的使命就是保证生命的延续,而食物是生存必需品。双方坚持己见,无法说服彼此。于是各小组决定通过实验来探究鱼类分层现象是否受食性的影响。除试题中出现的鱼外,小组补充了草食性鱼——草鱼来增加鱼的食性种类,同时增加肉食性鱼——鲈鱼。经讨论,成员们确定相关测量指标进行阐述,具体研究技术路线见图4。

3 人员分工、方案推进

3.1 人员分工

确定实验方向后,小组成员对本次探究活动作出了明确的人员分工。安排了3名采购员、3名实验准备员来完成实验材料的准备;6名解剖员、3名测量员、3名记录员、3名摄影员、3名数据输入与校对员和3名数据处理与分析员来完成形态学实验;3名绘图员参与鱼类解剖结构绘图比赛;3位展示员和3位交流员进行活动最后的展示与交流。全部师生参与点评。

3.2 实验步骤

3.2.1 材料准备

采购员前往菜市场购买草鱼、鲫鱼、鳙鱼、鲈鱼和黑鱼5种活鱼,实验准备员联系实验室老师准备解剖剪、解剖刀、解剖针、镊子(尖头、圆头)、直尺、鱼体测量板、电子秤、洗瓶、脱脂棉、培养皿、乳胶手套等实验工具。

3.2.2 形态解剖学实验

测量员进行鱼类外形测量,包括体长、体高、头长、吻长、口裂长、尾柄长、尾柄高等性状;解剖员解剖并观察鱼类消化系统(包括口腔解剖和体腔解剖),再由测量员称量每条鱼的体重及鱼体各部分结构(心脏、胆囊、肝脏、胰脏和肠),记录员记录数据,摄影员拍摄完整鱼体、鱼体口腔和解剖结构等。

3.2.3 数据处理

数据输入与校对员将实验数据输入到Excel表中,并进行校对,确保输入无误。数据处理与分析员用Excel计算比胰脏重、比肝脏重等数据,计算平均值与方差并制作相应图表。计算公式:比某器官重=某器官重量,体重。

3.3 解剖结构绘图

将鲫鱼鱼腹剪开后,各小组绘图员进行了鲫鱼解剖图绘制比赛。学生细致描绘鱼体内脏器官,并标出相应结构以后,运用专业术语介绍鲫鱼内部结构。完成绘图后,师生对解剖结构图进行评价与打分,选出结构最清晰,阐述最准确、最具科学性的作品(图5)。绘图通过真实再现的鱼体结构,加深了学生对鲫鱼等常见鱼类内部结构的认识与理解。同时,学生通过绘图,也纠正了部分观察的不足。

3.4 实验结果与分析

3.4.1 不同食性活体鱼类外形的测量与比较

由表1可知,不同食性鱼类头长/眼径、头长/眼间距无明显趋势变化,表明眼睛大小与鱼类分层现象联系并不紧密。可见视力并非鱼类分层的主要原因。草鱼体长/体高为3.41,鲫鱼、鳙鱼体长/体高依次为2.76、3.74,而鲈鱼、黑鱼体长/体高均在4以上,说明草食性和杂食性鱼体型更扁平,而肉食性鱼体型大都较为饱满;黑鱼的头长/尾柄长仅有1.78、体长/尾柄长仅为6.26,而草食性鱼类和杂食性鱼类的头长/尾柄长、体长/尾柄长均大于肉食性鱼类,说明肉食性鱼类的鱼尾较大且长度更长。造成以上性状差异的原因可能是肉食性鱼类为提高捕食能力,进化出更长的尾部以增加推动力及更饱满、流畅的身材从而加快游动速度。

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