深入挖掘问题素材 科学开展探究活动

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。