探索蟋蟀跳水自殺的原因

活動方案背景

教育家杜威認(rèn)為，“興趣總是一些隱藏著的能力的信號”，教師的任務(wù)在于發(fā)現(xiàn)學(xué)生的這些能力，了解他們的興趣需求，選擇合適的教材，使他們學(xué)習(xí)得更起勁、更有效。校外教育沒有統(tǒng)一的教學(xué)大綱和教材，能否“使活動更富有吸引力”，除了來自教師自身的魅力之外，在很大程度上取決于“選材”和“組織形式”。我館生物組有50名學(xué)生，他們分別來自不同的學(xué)校，其年齡、性別、家庭背景、受教育程度、興趣愛好、心理素質(zhì)等各方面存在很大差異，但是，他們有著共同的興趣和追求。據(jù)了解，他們中間有90%的學(xué)生喜歡昆蟲，有繼續(xù)探究的欲望和要求。另外，在每年的3月至10月期間，各種昆蟲活動頻繁，是青少年認(rèn)識昆蟲、探究昆蟲行為的大好時節(jié)。據(jù)此，作者選擇了一起離奇的事件，采取情景模擬法，沿著“蟋蟀跳水自殺的原因”和“科學(xué)探索的一般步驟”明暗兩條線展開調(diào)查。

活動目標(biāo)

在教師的輔導(dǎo)下，學(xué)生對“蟋蟀跳水自殺”的“案情”進行分析，要求達到3個目標(biāo)：

①知識：知道蟋蟀自殺的原因，了解鐵線蟲的生活史和操縱機制；

②技能：掌握科學(xué)研究的一般步驟和研究方案的設(shè)計，學(xué)會使用觀察、分析、判斷、推理、歸納等技能對“案情”進行分析；

③情感：學(xué)習(xí)如何與人相互配合，增進伙伴之間的合作。

活動內(nèi)容

要了解的知識

蟋蟀為什么跳水自殺？

鐵線蟲是如何寄生到蟋蟀體內(nèi)的？

鐵線蟲是如何操縱蟋蟀跳水的？

科學(xué)研究的一般步驟和方案設(shè)計（暗線）。

活動方法

情景模擬法、角色扮演法、探究性學(xué)習(xí)方法。

活動創(chuàng)新及設(shè)計思路

本次活動有特定的情景：“一件有悖常理的事件——蟋蟀跳水自殺”，“蒙彼利埃研究人員立案調(diào)查”，適合采取“情景模擬、角色扮演、探究性學(xué)習(xí)”教學(xué)方法。主要沿著“蟋蟀跳水自殺的原因”和“科學(xué)探索的一般步驟”明暗兩條線展開，每解決一個問題，發(fā)現(xiàn)一個新問題，步步接近活動目標(biāo)。最終使學(xué)生掌握相應(yīng)的科學(xué)知識，學(xué)會方案設(shè)計，學(xué)會與人合作。

本方案的設(shè)計思路見圖1。活動過程

活動導(dǎo)入

話題從一件有悖常理的事件開始。給學(xué)生演示視頻：一只蟋蟀在草叢里蹦跳，似乎它正在尋覓它最愛吃的昆蟲遺骸。然而它卻直奔小溪而去，義無反顧地縱身跳入水中。無論這事情多么離奇，這只蟋蟀確實自殺了。演示后學(xué)生提問：“這只蟋蟀為什么要自殺呢？”學(xué)生的想象力非常豐富，給出的答案五花八門。此時教師提示學(xué)生：“這件有悖常理的事件驚動了蒙彼利埃的研究人員，2002年‘立案’調(diào)查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蟋蟀自殺的背后實際隱藏著一起謀殺事件，兇手是一種叫鐵線蟲的寄生蟲。”那么，鐵線蟲是怎樣寄生到蟋蟀體內(nèi)的？寄生的動機又是什么呢？

主題活動

學(xué)習(xí)設(shè)計“蟋蟀跳水自殺”調(diào)查方案

技能：方案設(shè)計。

教師：關(guān)于蟋蟀跳水自殺的問題，大家可以考慮以下幾個問題：鐵線蟲是一種什么動物？鐵線蟲是怎樣寄生到蟋蟀體內(nèi)的？寄生的動機是什么？鐵線蟲寄生于蟋蟀的策略又是什么呢？

學(xué)生：分組討論，設(shè)計調(diào)查方案。10分鐘后，各小組派代表陳述本組調(diào)查方案。

參加本次活動的15名學(xué)生在科技館活動時間半年到2年不等，他們分別來自不同的學(xué)校和家庭，受教育程度和家庭背景存在很大差異，知識水平也相差很大，特別是在校外科技活動的經(jīng)歷不同，使他們在活動過程中表現(xiàn)出不同的能力水平。

第1組有2名初中學(xué)生，活動時間2學(xué)年以上。設(shè)計的方案最完整：提出問題、成立研究小組（分配任務(wù)）、調(diào)查方法及過程（現(xiàn)場勘查、實驗室化驗、整理資料等）、討論分析、總結(jié)。

第2、3、4組都是小學(xué)生，活動時間較短。設(shè)計的方案內(nèi)容有不同的缺陷，但是，方案內(nèi)容都基本涉及“提出問題、到現(xiàn)場考察、跟蹤附近其他蟋蟀的行蹤、解剖”等。

最后，討論形成可行性方案。

調(diào)查過程

技能：調(diào)查、觀察、推理、判斷。

教師發(fā)給每個學(xué)生一份關(guān)于“蟋蟀跳水自殺”的參考資料，以鍛煉學(xué)生在有限的時間內(nèi)捕捉有效信息的能力。要求20分鐘后，各組提交一份調(diào)查結(jié)果。

學(xué)生則分組展開調(diào)查。

匯總各組調(diào)查結(jié)果

第1組關(guān)于蟋蟀跳水自殺現(xiàn)場勘查的結(jié)果

自立夏以來，研究人員在野外考察的過程中發(fā)現(xiàn)，偶有橡樹叢蟋蟀跳水自殺的現(xiàn)象發(fā)生。蟋蟀跳水前，在草叢里可以蹦跳好幾個小時，然后，直奔正下方的小溪而去，義無反顧地縱身跳入水中，頃刻間就會一命嗚呼，其目的顯然不是為了尋找食物，肯定另有原因。

第2組關(guān)于蟋蟀“社會關(guān)系”的調(diào)查結(jié)果

研究人員在“案發(fā)現(xiàn)場——小溪邊”的周圍發(fā)現(xiàn)了許多蟋蟀最愛吃的石蛾的尸體以及蟋蟀食用石蛾的現(xiàn)象。同時，研究人員在跟蹤跳水的蟋蟀時發(fā)現(xiàn)，蟋蟀總是從高海拔向低海拔跳躍，直到蟋蟀跳入水中。

蟋蟀尸體漂浮在水面上，1條或2條長約10多厘米的蠕蟲，像“異形”那樣從蟋蟀的尸體里一點一點地鉆出來，然后從受害者身旁游走。除此之外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，像螳螂、蝗蟲等昆蟲也有“跳水自殺”的現(xiàn)象，情況和蟋蟀的情況極其相似。

觀察發(fā)現(xiàn)，在一些石蛾幼蟲的身體表面、水草和一些魚的體表發(fā)現(xiàn)有大量的卵狀物附著。

第3組關(guān)于蟋蟀跳水自殺的技術(shù)鑒定結(jié)果

資料表明，這種神秘的蠕蟲是一種鐵線蟲屬的寄生蟲（圖3）。目前這一屬共有300多個種類，影響到蝗蟲、螽斯等不下9種的直翅目昆蟲（圖4、圖5）。

第4組信息匯總結(jié)果

根據(jù)各個小組提交的調(diào)查結(jié)果，初步判斷，蟋蟀是被一種叫鐵線蟲的鐵線蟲屬的寄生蟲所寄生。

蟋蟀跳入水中后，鐵線蟲從尸體內(nèi)游出，進行交配產(chǎn)卵。根據(jù)在石蛾幼蟲體表發(fā)現(xiàn)的鐵線蟲卵和在岸邊發(fā)現(xiàn)的石蛾成蟲尸體可以推斷，鐵線蟲的繁殖與石蛾的生活史有關(guān)。石蛾成蟲一般將卵產(chǎn)在淡水中，或產(chǎn)于水面上或水面下巖石和植物上，數(shù)日后孵出幼蟲，幼蟲以藻類、植物或其他昆蟲為食，食性依種而異，再過數(shù)日化蛹，最后游到水面羽化完成變態(tài)，交配產(chǎn)卵后死去。蟋蟀喜歡吃石蛾的尸體，寄生在石蛾體表的鐵線蟲卵可能趁機進入蟋蟀體內(nèi)，并開始在蟋蟀體內(nèi)發(fā)育，引起寄主的行為異常。

鐵線蟲的寄主有多種，主要為直翅目昆蟲。包括蝗蟲、螽斯、蟋蟀、螻蛄等。有報道說，少數(shù)鐵線蟲也可以寄生在人體內(nèi)。因此，要謹(jǐn)慎食用昆蟲類菜肴，以免感染寄生蟲病。

新問題：鐵線蟲是如何操縱寄主跳水的呢？

技能：發(fā)現(xiàn)問題、研究方案設(shè)計

蒙彼利埃傳染病遺傳與演化實驗室的生物學(xué)家佛雷德里克·托馬認(rèn)為：昆蟲體內(nèi)的鐵線蟲幼蟲發(fā)育成成年鐵線蟲，開始操縱寄主的行動，直至逼迫寄主自盡，以達到返回自己繁殖環(huán)境的目的。那么，鐵線蟲是如何操縱寄主跳水的呢？研究人員一直懷疑，由于鐵線蟲的寄生，寄主的神經(jīng)出現(xiàn)錯亂。根據(jù)以往的經(jīng)驗，原因可能是寄主因鐵線蟲的刺激，迫使自身分泌某種化學(xué)物質(zhì)作用于大腦，也許是物理擠壓神經(jīng)的結(jié)果，從而導(dǎo)致寄主的行為異常。蒙彼利埃的研究人員對此進行了實驗室實驗，結(jié)果很令人吃驚。

寄生蟲操縱策略有2種：一是間接操縱策略，寄生蟲誘使寄主自己分泌改變其行為的物質(zhì)；二是直接操縱策略，寄生蟲分泌的物質(zhì)進入寄主體內(nèi)后影響其行為。鐵線蟲向蟋蟀的大腦里注入一些分子促使其“自殺”。這種策略在已知的動物操縱類型中是絕無僅有的。

同學(xué)在回答問題的過程中，多次使用了“智慧、聰明”一類的詞。其實，鐵線蟲不會有什么隱藏的智慧。這種不擇手段的操縱方式的存在純粹屬于偶然。在進化過程中，自然選擇有利于那些由于基因變異而變得長于合成與這些昆蟲wnt蛋白結(jié)構(gòu)相似的wnt蛋白的個體，而缺乏這種能力未能及時返回繁殖環(huán)境的滅絕了。

活動結(jié)果及呈現(xiàn)方式

在活動結(jié)束之前，大部分同學(xué)能把剛才偵查的過程和結(jié)果串聯(lián)起來，能指出本次活動中所使用的研究技能。

學(xué)生在自由發(fā)言時陳述研究過程、列舉研究技能。首先到現(xiàn)場進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)兇手鐵線蟲，然后繼續(xù)觀察弄清了鐵線蟲的生活史和寄生于蟋蟀體內(nèi)的途徑，接著利用蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)解釋了鐵線蟲利用wnt蛋白操縱蟋蟀跳水的原理。最后，利用同樣的蛋白質(zhì)組學(xué)分析技術(shù)弄清了wnt蛋白使蟋蟀趨地性功能紊亂只能向海拔下降的方向跳躍，最后跳進小溪。

整個過程體現(xiàn)的就是一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究的過程，利用了觀察、實驗、推理、判斷、歸納等技能。

活動心得體會（教學(xué)反思）及評價

選題適合中小學(xué)生的年齡特點、興趣需求及知識水平，同學(xué)們普遍對昆蟲感興趣，本次活動涉及的相關(guān)動物是一種寄生蟲，其奇特的寄生策略讓同學(xué)們浮想聯(lián)翩，興趣盎然。組織形式強調(diào)團隊合作，采取情景模擬教學(xué)法和角色扮演教學(xué)法。實踐證明，本次活動深受學(xué)生的喜愛，參與率高達100%，參與熱情度高，教學(xué)效果顯著。

學(xué)生能說出蟋蟀“自殺”的原因，能解釋鐵線蟲寄生蟋蟀的過程，知道鐵線蟲操縱蟋蟀跳水自殺的機制等問題。更重要的是，能按科學(xué)研究的一般步驟和方法進行調(diào)查，學(xué)會了研究方案的設(shè)計，學(xué)會了與人合作。

該項目獲得第26屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科技教育方案類一等獎。

專家評語

該方案體現(xiàn)了“三自”原則，教育目標(biāo)明確，符合科技教育活動的基本規(guī)律，所設(shè)計活動的內(nèi)容和形式具有較好的創(chuàng)新性，方案同時體現(xiàn)出科學(xué)性，完整性和可行性，實施后亦會產(chǎn)生較好的示范效應(yīng)。