“青岛市二球悬铃木叶片的生长分析”课外探究实验

张 琛 马文习 高晓琳

（青岛西海岸新区第一高级中学 山东青岛 266555）

组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键[1]。高中生物学开展课外探究实验活动是为了培养学生的实践能力、探索精神和创新意识。教师结合具体的教学内容，通过拓展实验教学，让学生从现实生活中提出相关的探究性问题，作出假设，引导学生动手实验，亲身体验并积累丰富的直接经验。不仅能为生物学概念的生成提供事实性证据，实现实验教学的目的和价值，还能培养学生的观察能力、分析能力、科学思维和解决实际问题的能力，对激发学生学习的积极性具有重要作用。本文以青岛西海岸新区第一高级中学为基地，于2018年至2019 学年第2 学期，开展“青岛市二球悬铃木叶片的生长分析”的课外探究活动，授课对象为高中一年级学生，共30 人，总计16 课时。通过此次课外探究实验，培养学生的科学探究能力，提升学生的生物学学科核心素养。

1 实验目的

1）对青岛市二球悬铃木［Platanus acerifolia（Aiton）Willd.］叶片长度、宽度和生物量进行测量，分析3 个性状两两之间的函数关系，选择其中相关性最高的定量分析模型，分析二球悬铃木叶片长度、宽度和生物量等数量性状上的可塑性。

2）通过对二球悬铃木叶片的数量特征的进一步分析，计算生物量与叶片长度的幂函数异速生长规律，生物量与叶片宽度呈线性的同速生长规律，叶片长度与宽度呈幂函数异速生长规律，提高定量分析能力。

3）通过对真实问题的探究，提高对生活环境状况的关注，养成关心环境、保护环境的社会意识和责任。

2 实验用具

二球悬铃木成株叶片、直尺、三角板、电子天平。

3 实验步骤

3.1 实验前期准备通过查阅资料了解本地区气候条件，二球悬铃木的基本概况；学习生长规律的相关理论知识，明确实验研究方法；学会使用Excel 对数据进行统计分析。

3.2 实验过程 采集校园内的二球悬铃木叶片。二球悬铃木喜光、不耐荫[2]，应选择向阳生长且长势良好的种群采集叶片。取样时，随机选取任意枝条，摘取完整的32 片叶并收集。叶是进行光合作用的部位，一般具有平展的叶片，以叶柄与茎相连[3]。因此，需去掉叶柄，仅保留叶片部分。

叶片长度、宽度的测量方法：用三角板和直尺分别测量叶片的最宽处记为叶片的宽度、测量叶片的最长处记为叶片的长度并记录（图1）。

图1 二球悬铃木叶片宽度测量示意图（http://ppbc.iplant.cn/tu/1647317，王强摄）

叶片生物量的测量方法：用电子天平称量叶片鲜重并记录。

为减少测量的误差，每片叶片的长度、宽度、生物量分别测量3 次，输入Excel 表格后取平均值并记录，且所有数据精确到小数点后2 位。用Excel 统计分析32 片叶片的测量数据，并分别用以下2 种函数模拟叶片长度、宽度、生物量两两之间的关系，选择其中相关性最高的作为定量分析的模型。

幂函数：y=axb

线性函数：y=ax+b

4 实验结果分析与模型构建

4.1 二球悬铃木叶片的数量特征 二球悬铃木叶片的数量特征见表1。其中，最大值和最小值反映样本的实际大小，平均数反映样本各性状的整体水平，从标准差中可得出样本的绝对变异度，相对变异度可通过变异系数反映[4]。从表1可知叶长的平均值是14.99 cm，变动范围为6.10～29.30 cm；叶宽的平均值是18.86 cm，变动范围为7.00～39.50 cm；叶片鲜重的生物量的平均值是2.66 g，变动范围为0.35～7.78 g。

由表1 可知，叶长、叶宽和生物量这3 个数量特征均有较大的表型可塑性。其中，以叶生物量最大（变异系数为76%），叶宽、叶长次之（变异系数均为41%）。表明叶片的表型可塑性以叶的生物量为最大，叶的宽度、长度次之。

表1 二球悬铃木叶片数量特征的统计分析

4.2 构建叶长与叶宽关系模型 由图2 可知，二球悬铃木的叶长与叶宽均呈极显著的幂函数关系，确定系数R2为0.9205，增长的幂值为0.9614，说明二球悬铃木的叶长与叶宽之间具有异速生长规律。

图2 二球悬铃木的叶长与叶宽的幂函数关系图

4.3 构建生物量与叶宽、叶长关系模型 由图3、图4 可知，二球悬铃木叶片的生物量与叶宽、叶长之间具有高度一致的规律性变化，可用线性函数和幂函数表达，且各函数关系均达到极显著水平，确定系数R2在0.9215～0.9661 之间。其中，图3呈现叶片的生物量随叶宽的增加而直线增长，叶宽每增加1 cm，生物量将增加0.2489 g，说明生物量与叶宽具有同速生长规律；图4 表示生物量与叶长呈现极显著的幂函数，增长的幂值分别为1.9535，说明生物量与叶长具有异速生长规律。

图3 二球悬铃木的生物量与叶宽的线性函数关系图

图4 二球悬铃木的生物量与叶长的幂函数关系图

5 实验结论

综合以上实验结果表明，二球悬铃木叶片的生物量与叶长呈现出幂函数异速生长规律，生物量与叶宽呈线性的同速生长规律，叶长与叶宽呈幂函数异速生长规律。

6 实验反思

学生通过探究活动，明确了青岛市二球悬铃木在叶片长度、宽度、生物量等数量性状上均具有较大的可塑性，初步形成了结构与功能相适应的生命观念。同时，这样的课外实验探究活动能为培养学生的社会责任搭建有效桥梁。学生在活动中不仅增长了知识，更重要的是提高其主动探究的意识和能力。主要体现在以下几个方面。

1）课外探究实验应立足于解决现实生活中的实际问题。此次课外探究实验以“青岛市二球悬铃木叶片的生长分析”作为课题，学生通过真实实验，体验了二球悬铃木叶片长度、宽度、生物量的生长规律的研究过程，增强了探究意识和保护植物的意识。

2）课外探究实验应引导学生通过定量实验推测结论。在课外实验的探究过程中，先让学生测量二球悬铃木叶片的长度和宽度，称量叶片鲜重生物量并记录，初步感知二球悬铃木叶片的数量特征。然后教师提出问题：“如何利用相关数据建立叶长与叶宽的关系模型？如何建立生物量与叶宽、叶长的关系的数学模型？”启发学生利用线性函数和幂函数相关知识定量探究，从而使学生的科学思维得到较大提高。

3）课外探究实验还要注重兴趣性、探究性和创新性。本实验是结合学生日常学习和生活环境，基于学校的实验设备条件，从而给出课题范围“植物构件生长规律分析”。让学生依据自己的爱好和兴趣，在充分了解校园内、外植物的分布情况后，选择二球悬铃木植物的叶片进行生长分析。本实验设计能在一定程度上解决问题。实验后，教师鼓励学生思考，例如，该实验的设计还存在哪些不足？应怎样进一步深化本实验的设计，才能解决更多的实际问题？这样既保证课题的探究性和创新性，又能激发学生的学习兴趣。

7 结语

“相关生长分析”是在种群生态学研究中一种较常用的分析方法，相关生长分析在理论研究和生产实践中都有广泛的用途。作为指导教师，选择这一课题的原因是实验分析取样方便、操作简单、数据分析有较强的规律性，适合学生进行科学探究。

通过“青岛市二球悬铃木叶片的生长分析”这一高中生物学课外探究实验的设计和实践探索，为学生提供了广阔的探索空间，使学生对生物学的兴趣得到提升。学生通过对实验中的一些现象、数据进行具体分析得出相应结论，亲历科学研究的全过程，认识到“科学”的本质。这种高中生物学课外探究实验，可突破教材的局限性，更好地展现生物学的魅力，有助于培养学生的创新精神、实践能力和科学精神，在一定意义上弥补了传统课堂教学中以知识为主的局限，激发了学生科学创造力，为其进一步学习科学打下基础。