生物学活动课中的实验设计与探究

陈晓红（双流中学实验学校 四川成都 610200）

活动课是依据学生的兴趣和需要，在教师的指导下有目的、有计划、有组织地通过多项活动项目和多种活动方式使学生获得直接经验、最新信息及实践能力的课程。

生物学活动课主要涉及学生在校内、外应用生物科学知识进行的有关观察、考察、采集、收集、制作、种植、饲养和研究等实践性的学习活动。要求学生将所学的生物学知识应用于生活和生产实际，分析和解释一些生命现象，发现并解决一些现实问题，从而培养学生的思维能力、实践能力和创新能力，并形成爱护大自然、热爱生命、保护生态环境的意识。

生物学活动课中常用的研究方法包括：调查法、观察法、测量法、文献法、实验法和行动研究法等。实验法是生物学研究最重要的方法，能充分调动学生的自主能动性，激发其对科学研究的兴趣。

本文以活动课“调查双流蛟龙港活水公园污水处理的工艺流程”为例，阐述如何指导学生在活动课中进行有效的实验设计与探究。

随着经济的高速发展，城市化、工业化进程的加快和人口的持续增加，污水排放量与日俱增。污水中含有大量的病原体和有毒物质，对人类和其他生物都有严重的危害，也会污染环境。污水是怎样产生的？对环境有哪些影响？怎样对污水进行处理？带着这些问题，学生走进了蛟龙工业港活水公园进行课题研究。

双流蛟龙港活水公园是一座“公园式”的污水处理厂，位于四川省成都市双流区九江镇白河上游蛟龙段。它将整个蛟龙港工业园区的企业生产污水和居民生活废水集中处理，解决了工业港对白河的污染问题。处理后的中水（水质介于生活饮用水与污水之间）用于种花、种树、清洁地面，从而实现中水回用。

本次课题分为6 个子课题：1）调查蛟龙工业港污水来源；2）探究污水对生物及环境的影响；3）调查活水公园污水处理流程；4）研究微生物在污水处理中的作用；5）探究污水处理的再生品利用；6）从污水净化谈水资源保护。

为了探究污水对生物及环境的影响，学生设计了3 组实验：1）污水对小鱼生活的影响；2）污水对小麦种子的萌发及幼苗生长的影响；3）污泥对天竺葵生长的影响。

1 实验1：污水对小鱼生活的影响［1］

1.1 资料和方法

1.1.1 资料 蛟龙港活水公园采用厌氧、缺氧、好氧工艺即A2O 工艺进行污水处理。处理流程为：入水口（未经处理的污水）—粗细格栅池（拦截并清除大小杂物及漂浮物）—沉砂池（沉淀水中大于规定粒径的有害泥沙，实现泥、水分离）—厌氧池（水体中无氧，适宜厌氧菌活动）—缺氧池（氧含量低，适宜兼氧菌生活）—好氧池（氧含量高，适宜好氧菌生长繁殖，利用厌氧菌、兼氧菌、好氧菌的作用，使有机物发生水解、酸化和甲烷化，去氮除磷，去除废水中的有机物）—生态池（活性污泥与水分离,排除剩余污泥和回流污泥）—砂滤池（进一步减少不溶于水的悬浮物）—紫外线消毒池（杀灭污水中的大肠杆菌）—景观池（中水）—出水口。

1.1.2 方法 取4 个500 mL 的烧杯，分别倒入等量的从入水口、厌氧池、景观池中获取的水样和自来水，贴上标签，各放入2 条大小相同有活力的小金鱼，观察并记录小鱼在不同水样中的生活情况及水样的pH 值变化情况，用表格的形式呈现观察结果。

表1 小鱼在不同水样中的生活情况及水样的pH 值变化

1.2 结果

1）由于入水口水质较差，小鱼前2 d 被迫游至水面呼吸。但2 d 后入水口的水样由污浊变得越来越澄清，小鱼开始正常活动，并生存了10 d，与景观池水样中的小鱼存活天数相近。

2）小鱼在厌氧池水样中的生存时间最短，只存活了1 天。说明氧气对小鱼生存的重要性。

3）小鱼在景观池的水样中可存活10～11 d，结果与预期基本符合。景观池中是处理后的中水，水质较好，并有一定量的微生物。

4）由于缺少微生物，小鱼在自来水中仅生存了8 d。

5）水的pH 值过高或过低都不适合小鱼生活，鱼的死亡会引起pH 值变化。

1.3 问题

1）pH 值的大小与水质有何关系？

2）小鱼能否净化水质？

3）小鱼的死亡对水质有什么影响？

1.4 讨论

1）pH 值代表水的酸碱度。pH 值高于7 时，水溶液呈碱性，pH 值越高碱性越强；pH 值低于7时，水溶液呈酸性，pH 值越低酸性越强；pH 值等于7 时，水溶液呈中性。水的pH 值高、低能反映水的污染程度，pH 值越高或越低说明水质污染越严重。

2）只有少数鱼类例如清道夫能起到净化水质的作用，小金鱼并不能净化水质。入水口的水样慢慢变得澄清是因为污水具有一定的自净能力。

3）小鱼死后，会产生大量病菌，加重水的污染程度，使pH 值升高，加速其他鱼的死亡。

1.5 结论 污水中的有害物质、氧气含量、微生物的含量都对鱼的生活有不同程度的影响。

2 实验2：污水对小麦种子的萌发及幼苗生长的影响［2］

2.1 材料器具 培养皿4 个，浸泡24 h 的小麦种子，餐巾纸，标签，药匙，入水口、厌氧池、景观池中的水样及自来水。

2.2 方法 取4 个相同的培养皿，铺上大小相同的餐巾纸，分别均匀地放入提前浸泡好的60 粒大小相同、饱满的小麦种子（可在餐巾纸上画十字，分为4 份，每份放15 粒种子，方便计数），将培养皿置于温暖的环境中，每天喷洒等量的入水口、厌氧池、景观池中获取的水及自来水，观察记录种子萌发及幼苗生长情况（表2）。

表2 不同水样中小麦种子萌发及幼苗生长情况

2.3 实验现象及分析

1）小麦种子在污水中能正常萌发并长出幼苗，而且萌发率更高，幼苗前期长势最好，幼苗根部的根毛数量也最多。这是因为污水中的重金属例如铅、镉等能促进种子的萌发和根的生长。

2）厌氧池中的小麦苗初期长势最好、颜色最深，是由于污水中含有较多的有机质和N、P、K 等营养元素，使叶绿素的合成量增加，进而促进了麦苗的生长。厌氧池中的小麦苗后期出现茎变细，叶片卷曲的现象，说明污水中的重金属浓度过大对小麦苗中、后期生长有非常不利的影响。

3）由于缺少营养元素，小麦苗在自来水中的初期长势是最差的。

4）入水口的污水污染最严重，含重金属浓度最高，但对小麦种子萌发及麦苗生长的影响反而不及厌氧池明显。经过思考讨论，推测应是取水方法不同造成的。入水口的水位高，学生用自制的取水工具（长瓢）舀的是上层水样。而厌氧池水位太低不易取水，借用了水桶获取的是中、下层的水样。由此可能导致厌氧池水样的重金属浓度大于入水口水样的重金属浓度。

2.4 结论 污水中的重金属浓度过高，不利于小麦生长。

3 实验3：污泥对天竺葵生长的影响［3］

污水处理过程中会产生中水、污泥、甲烷、二氧化碳和硫化氢等再生品。污泥含磷高，具有较高的肥效，可用于饲养蚯蚓。污泥是否可用于栽种植物？对植物的生长有什么影响？带着疑问，学生用常见的天竺葵进行实验研究。

3.1 方法 取2 个相同的花盆，分别装入等量的污泥和普通土壤，并贴上标签。选2 株长势良好、叶片和花朵数量都相同的天竺葵，分别栽入2 个花盆中，每天浇水、观察、测量并记录，将用污泥种植的天竺葵与普通土壤种植的天竺葵的生长情况进行比较（表3）。

表3 天竺葵在不同土质中的生长情况比较

3.2 实验现象及分析

1）污泥种植的天竺葵刚开始出现了烧苗现象：植株萎焉、叶子变黄并掉落。原因是污泥中无机盐的含量较高，土壤溶液溶度较大，导致植株失水。

2）几天后，污泥种植的天竺葵长出了新叶和花蕾，并开出了美丽的红色花朵，而且其比普通土壤种植的天竺葵生长更快。通过查阅资料发现：污水中含有较多的磷，磷能促进花芽的形成和茎的生长。

3）1 个月后，污泥种植的天竺葵出现了严重的萎焉现象，叶子和花都开始脱落。普通土壤种植的天竺葵正常生长，并长出了嫩绿的新叶。

3.3 结论 污泥并不适合栽种植物。以上3 组实验说明，污水中含有较多的有害物质，对小鱼的生活及小麦、天竺葵的生长均不利。通过自主学习，学生了解了有害物质具有富集作用，即沿食物链，越往顶端，生物体内积累的有害物质越多。人类位于食物链的最顶端，体内积累的有害物质也最多。可见，水污染对人类的影响才是最大的。保护好水资源，就是保护人类自己［4］。

通过本次课题研究，学生获得了知识、开拓了视野、培养了技能、体验了科学研究的方法和过程。从自主提出问题、设计方案、实施实验、观察现象、查阅文献、研究分析，到最后解决问题、得出结论，学生亲身感受到了科学实验的严谨和艰辛，也从中体会到了乐趣和成就感。

对于7年级的学生，引导他们设计一些简单的实验进行课题研究，能激发研究兴趣，提高观察能力、动手能力、自主学习能力和团队协作能力，培养吃苦耐劳、积极进取、勤于思考、敢于质疑的精神。在实验过程中，教师要及时给予学生评价和建议，引导其分析实验设计中的不足，例如实验材料的数量：本次实验中小鱼和天竺葵的数量过少，不具有代表性；污水和污泥的获取量太少，不足以进行普遍性研究。提醒学生以后的实验要有完善的方案、充分的准备，确保实验的准确性。总之，让学生在不断的实践活动中逐渐熟练掌握并运用实验法，逐步提高科学探究能力和生物学素养。