谈生物观察实验的探究性意义

2013年6月的一天，英国7岁女孩奥利维亚穿过自家附近的风铃草树林时，惊讶地发现了五叶草。她让妈妈用贴膜机把这朵幸运花保存起来，还注明了发现日期，这可是全世界公认的幸运花。观察实验是生物学中的最基本的实验，但实际教学中未能得到应有的重视。本文以译自Miller和Levine教授所著的“Biology”中实验“蝗虫外部解剖学特征探究”为例，通过静态和动态观察蝗虫的外部形态特征和运动方式，让学生建立生物体的结构和功能相适应的核心概念。这与新课标倡导的探究性学习，提升生命科学素养是一致的。

一、实验“蝗虫外部解剖学特征探究”译文

1. 问题：蝗虫身体的哪些部分适于陆地生活？

2. 简介：蝗虫是节肢动物门的成员，昆虫的种类超过一百万。（下略）

3. 实验前问题：阅读整个探究过程，和小组成员合作完成以下问题。在探究的第一部分，能观察到什么？写出观察到的活体蝗虫三种运动方式。蝗虫的身体包括哪三个主要部分？蝗虫的足和翅在身体的哪一部分？怎样判断蝗虫的雌雄？

4. 材料用具（每个小组）：广口瓶，活体蝗虫，解剖针，蝗虫标本，防水标签，手持放大镜，莴苣叶片。

5. 安全警示：在这个探究实验的第二部分，穿上实验服，戴上护目镜和一次性塑料手套。小心处理动物标本，防腐液和所有接触这些生物的实验仪器。不要用手接触眼睛和口部。按照教师的指引归还或处理所有实验材料用具。实验完成后用温水和肥皂洗手。注意实验步骤旁的所有安全标识，应熟知这些安全警示的含义。

6. 实验步骤：

（1）观察活体蝗虫的反应。

①小组合作完成探究，把观察结果写在空白处。观察广口瓶中的活蝗虫。注意：小心不要打碎玻璃器皿。图1帮助你找到蝗虫的头部、腹部、胸部、三对足和两对翅的位置。在不干扰蝗虫的前提下观察几分钟。注意蝗虫的运动方式，并且记录蝗虫用哪只足行走。轻敲广口瓶的侧壁，让蝗虫受到刺激而跳跃，观察用于跳跃的足。

②观察蝗虫在静止状态下的和姿式，用手持放大镜观察与呼吸及气体交换相关的腹部运动。

③撕下一小片莴苣叶喂给蝗虫，注意它的摄食，近距离观察口器的动作。

④记录你看到的蝗虫外部特征和运动方式，记录完后把蝗虫归还老师。

（2）观察蝗虫外部解剖学特征。

①从老师处取一只蝗虫标本，洗掉防腐剂。把蝗虫置于解剖盘中，轻触外骨骼。并用手轻轻按压，记录下观察到的蝗虫外骨骼。注意：用于保存蝗虫的防腐剂可能会腐蚀人体皮肤。穿上实验服，戴上护目镜和一次性手套，避免接触你的眼睛和口腔。

②找出蝗虫身体三个部分的位置：头部、胸部和腹部。如果需要，参考图1用放大镜观察头部。注意头部顶端的两个长触角，这是蝗虫的触觉器官。用放大镜近距离观察触角，蝗虫的三个单眼在头部：每个触角的基部各有一个单眼，第三个单眼在头前部正中。头部的两侧还各有一只复眼。单眼和复眼是蝗虫的视觉器官。记录下你的观察。

③找到胸部的位置，注意蝗虫胸部分为三节，每一节附着一对足。观察2对前足和第3对最大的足，即跳跃足（亦称后足），注意每只足都由腿节、胫节和k节组成。

④观察两对翅，用手指轻轻展开蝗虫的翅。注意观察前翅和后翅的区别，前翅革质化，保护着专司飞行的后翅。写出蝗虫胸部的观察记录。

⑤找到腹部并注意它的分节。在腹部第一节，有一突出的鼓形结构――鼓膜，是蝗虫的听觉器官。在腹部每一节的两侧，有很多小的开口称为气门。气门是蝗虫呼吸系统在体表的开口，是气体进出的通道。

⑥注意雌雄蝗虫的腹部最后一节是不同的。雌虫的最后一节有一个爪形结构，其上有4个用于挖洞产卵的点状突起，雌虫的腹部比雄虫长，雄虫腹部最后一节是钝而弯曲向上的。判断你手中的蝗虫是雌的还是雄的，写下对蝗虫腹部的观察结果。

⑦完成实验探究后，按照教师的指引处理蝗虫。注意：研究过蝗虫标本后，用温水和肥皂洗手。

7. 分析和结论

（1）观察。蝗虫身体的三部分中，哪一部分是专门适应运动的？

（2）数据分析。蝗虫在其生活环境中，可以通过哪三种方式感知移动的物体？

（3）推论。蝗虫的体色怎样帮助它躲避敌害？

（4）预测。如果把蝗虫的头部浸没在水中，它会被淹死吗？

（5）得出结论。哪三种结构有利于蝗虫生活在干燥的环境中？

8. 拓展研究

尽可能多的收集节肢动物的各类标本，并比较以下特征：身体的分部、足的数量、口器的类型、呼吸器官的类型。在资料表中记录相关观察，利用资料表鉴定器官，这有利于解释节肢动物极为丰富的多样性。

二、实验评析

1. 观察实验不是解剖实验。观察实验中应该培养学生的实验动物福利意识。据统计，美、英等欧美国家每年用于实验的动物数量高达3000万只，这引发了动物保护组织的抗议和各国科研部门的关注，在如何对待实验动物上， 欧美广为采用的选择方案是“3R法则”，即减少、优化和替代。“优化”即是减少动物的精神紧张和痛苦，比如采用麻醉或其它适当的实验方法；“替代”就是不再利用活体动物进行实验，而是以单细胞生物、微生物或细胞、组织、器官甚至电脑模拟来加以替代。“3R法则”在发达国家已经普遍采用。

2. 科学观察可分为自然观察和实验观察两类。自然观察是指对自然界的现象不作任何改变而进行的观察，它是在自然发生的条件下考察对象的。本实验观察玻璃瓶中的活体蝗虫，尽可能地模拟自然环境，但与自然环境还是有一定差距，在实验的过程中，学生尽量做到不说话，不走动，保持安静，以便观察蝗虫的行走、跳跃、摄食等。根据观察的分类，我们在教学过程中还要引导多种观察，如整体观察与重点观察、形态观察与解剖观察、顺序观察与逆序观察、长期观察与短期观察、自然观察与实验观察，活体观察与标本观察、动态观察与静态观察、单次观察与重复观察、直接观察与间接观察、验证性观察与探究性观察等等。

3. 观察具有明确的目的。每节课都有教学目标和重点，生物观察实验也一样。贯彻好这些目标，才能集中注意力观察，抓住观察对象的重点，以便达到预期的观察效果。本实验在开始直接提出问题：蝗虫身体的哪些部分适于陆地生活？整个实验的设计和开展都围绕这个目的进行。

4. 观察实验的探究性。生物观察实验分为验证性观察实验和探究性观察实验。探究的过程是一次全新的经历，是一次愉快的体验，探究的结果的未知性和神秘感会更激发学生的创造力和求知欲。轻敲广口瓶的侧壁，让蝗虫受到刺激而跳跃，观察用于跳跃的足；提出问题“如果把蝗虫的头部浸没在水中，它会被淹死吗？”这是对于蝗虫呼吸的探究。

5. 观察对象的系统性。观察对象一般是一个有机的整体，这要求把握好整体与局部的关系；由整体到局部，突出重点结构，再由局部回到整体。本实验设计先让学生对蝗虫整体感知，找到蝗虫的头、胸、腹三部分，观察蝗虫的体色，然后到局部，分别观察头部的触角、口器、单眼和复眼、胸部的两对翅和三对足以及腹部的气门等，具有严格的空间顺序。在动态观察方面，按照一定的时间顺序，观察蝗虫的行走、跳跃和飞翔。