“探究溫度對金魚呼吸頻率的影響”實驗的改進

羅柳青

[摘 要]探究非生物因素對生物的影響實驗是初中探究初體驗，科學探究和理性思維的初步滲透十分重要。然而已有資料中的實驗方法不夠合理，因此對“探究溫度對金魚呼吸頻率的影響”實驗進行改進十分必要。文章在提出真實的問題情境后，設置問題串，引導學生理性思考合理的實驗步驟，利用連通器原理進行水浴換水改變水溫的方法，做到嚴格控制單一變量——水溫，以及進行其他科學性設計，分析結果和交流，也探討了指標選擇的優化，完成完整科學探究，以求培育學生的核心素養。

[關鍵詞]實驗改進;溫度;金魚呼吸頻率;影響

“探究非生物因素對生物的影響”是初中生物的第一個探究性實驗，旨在讓學生體會探究的一般過程，總結領會非生物因素影響生物，這對學生科學探究能力和科學思維的培養有重要作用。該實驗是生物學學科核心素養之科學探究能力培育落地的一個契機，即在真實情境中，觀察到某生物如金魚，金魚對水溫等非生物因素有所影響，基于此進行提問、實驗方案設計、實驗方案實施以及對實驗結果的交流與討論，小組合作實驗，體驗探究的一般過程。

一、實驗實施情況

人教版教材對“探究非生物因素對生物的影響”給出的具體案例是“探究溫度對鼠婦生活的影響”，而對“探究溫度對金魚呼吸頻率的影響”沒有具體的探究步驟，教師參考書中的“活動建議”欄雖有提及[1]，但細究發現有不少需要改進的地方。教參中“250 mL裝3條金魚”的步驟不太符合實際，250 mL燒杯對3條金魚而言空間相對狹窄，魚和魚以及魚和杯壁之間觸碰概率大，魚難以保持安靜狀態;“在大燒杯中加熱水升溫至25 ℃”以升高水溫，該操作實際改變了2個變量，即水溫和水量，“在玻璃缸中加冰塊每降5 ℃記錄一次”變溫梯度多，課堂實際操作困難。在理性思維方面，沒有足夠的體現和重視。

羅麗娟等[2-3]利用“微課引領，任務驅動”的教學模式，以課堂微課形式探究光對鼠婦分布的影響，再設計問題串探究溫度對金魚呼吸頻率的影響，并對實驗進行了改進，但是控制水溫同時也改變了水量，仍舊需要適當改進。總體上，沒有在理性思維、科學性、重復平行和單一變量原則等方面給出行之有效的方法。此外，也有利用黃粉蟲、蚯蚓等來探究非生物因素對生物的影響的[4-5]。除了線下實驗課，網絡微課有諸多便利之處，課堂探究“光對鼠婦分布的影響”分組實驗，再以微課形式進行“溫度對金魚呼吸頻率的影響”探究體驗，本實驗的混合式教學具有可行性。以下為“探究溫度對金魚呼吸頻率的影響”的實驗教學過程，課堂教學和微課復習均適用。

二、實驗改進

1.提出問題

起源于我國的觀賞魚——金魚，已陪伴人類生活了十幾個世紀，金魚總是生活在水中，水溫對金魚是否有影響？生物需要進行呼吸，用呼吸頻率為測量指標體現金魚的生活具有科學性。魚用鰓呼吸，往透明魚缸中滴加青菜汁，觀察青菜汁的流動方向為：從口進從鰓出，口鰓交替張合，用金魚每分鐘鰓的閉合次數來計算金魚的呼吸頻率。提出具體問題：溫度會影響金魚的呼吸頻率嗎？

2.做出假設

根據許多水族箱有隨時記錄水溫甚至控溫的經驗，做出假設：水溫對金魚的呼吸頻率有影響。觀察金魚用鰓呼吸，認同每分鐘鰓的閉合次數來計算金魚的呼吸頻率的方法。

3.制訂計劃

用1000 mL大燒杯裝健康的、品種大小一致的金魚3條（避免偶然性因素），使金魚依次在低于常溫（15 ℃）、常溫（25 ℃）、高于常溫（35 ℃）的水中生活，保持除水溫外其他條件均相同，每個水溫條件下，計算每條金魚的呼吸頻率。把握科學探究流程，對照實驗設計原則，設計如下問題串，并逐個擊破。

問題1：用什么判斷溫度？

A.溫度計? ? ? ? ? ? ? ? ? ?B.手感

問題2：如何改變水溫且保持其他條件一致？

A.往水中加冰塊或加熱水

B.將大燒杯連著魚整體水浴降溫或升溫

問題3：什么時候開始計算呼吸頻率，為什么？

A.溫度達到要求即可

B.溫度達到要求，且魚處于安靜狀態

問題4：為了減小誤差，在每組溫度下，針對每條金魚該如何計數更為準確？

A.1組溫度計算3次取均值即為金魚該溫度下的呼吸頻率

B.1組溫度計算1次即為金魚該溫度下的呼吸頻率

問題5：如何做到不動燒杯（不驚擾金魚）、不更換燒杯的水（不改變水體積），只改變燒杯內的水溫呢？

展示水浴變溫換水裝置（如圖1），進行操作：將金魚放入[1000 mL]大燒杯中，連同燒杯放入水槽中，記下水槽的水位。通過改變水槽內的水溫而改變燒杯內的水溫，注意更換不同溫度的水前后不移動大燒杯，且保持水槽水位不變。具體的換水方法是：利用虹吸原理（連通器原理），將出水軟管裝滿水，堵住兩端，一頭伸入水槽中，一頭引出到水池中，且軟管口在水槽的高度應高于吹水方向。

4.實施計劃

按計劃規范操作，將每組溫度里每條魚的三次計數的均值數據填入表1中。

5.得出結果

3條金魚在15 ℃、25 ℃、35 ℃溫度下呼吸頻率均值分別是76次/分、95次/分、171次/分（如圖2），說明溫度對金魚的呼吸頻率有影響，在15 ℃～35 ℃范圍，溫度越高，呼吸越快。

6.討論與交流

查閱資料，對比實驗數據和文獻中的數據有無相似性，并分析原因。實驗過程中還有哪些注意事項？例如實驗時溫度計的使用，移動燒杯時的動作、保持安靜等。

后續跟蹤觀察，3條金魚經過變溫實驗，24小時后，仍健康地活著，從非生物因素和生物之間的關系考慮，還說明了什么問題？說明金魚可以適應一定的溫度變化，即生物可以適應一定的環境。

三、反思和展望

1.重復平行原則

實驗親做，數據真實可靠，演示到位，先用表再用圖的方式展現實驗結果，結果更為直觀，結論科學。強調用3條魚，而不是單純的只使用1條魚計算3次呼吸頻率，前者是樣本重復，屬于重復實驗，減少偶然性，而后者是為了降低計算誤差的重復工作，后者不屬于統計學上的重復實驗。

2.數據分析改進

對金魚在不同溫度下的呼吸頻率做單因素方差分析表明：35 ℃分別與15 ℃、25 ℃差異顯著（P < 0.05），而15 ℃、25 ℃差異不顯著（P > 0.05）（如圖2）。實際上，品種大小均一致的3條金魚，在同一溫度下的呼吸頻率仍舊存在組內差異。若以每條金魚自身對照，以不同溫度和25 ℃的呼吸頻率差值百分比為指標（如圖3）分析，不同溫度組之間差異顯著（P < 0.05）。因此，從降低組內個體差異角度考慮，可選擇自身對照方法，分析呼吸頻率的百分差值比。

3.課堂實施

連通器原理和水浴法滲透了不同理科之間的交叉，如能做好引導，對發展學生科學思維也是一個很好的契機。此外，微課和傳統課堂授課有所區別，對于學生而言，微課主要是教師引導，學生有思考，但難以互動反饋。因此，在微課中需要適當留有時間給學生思考。廈門市連續8屆微課程建設中就有不少微課資源，微課程除了視頻還有明確的學習任務點，可自動批改的微檢測等，在不可控因素無法在線下課堂授課時，網絡微課不失為一個好辦法。有條件的學?？梢灾苯釉谡n堂進行應用，因為有設置溫度梯度，結合七年級學生動手能力不夠強等學情，每組只做兩個溫度組，如一、二大組進行常溫和低溫實驗;三、四大組進行常溫和高溫實驗，提高效率。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 朱正威， 趙占良， 吳成軍，等. 義務教育教科書生物學七年級上冊教師教學用書[M].北京：人民教育出版社， 2013.

[2]? 羅麗娟， 朱毅鴻， 夏曙華. “微課引領——問題驅動”構建生物實驗高效課堂：以探究“水溫對金魚呼吸頻率的影響”一節教學為例[J].中學生物學，2018（4）：38-40 .

[3]? 朱毅鴻， 夏曙華， 羅麗娟. 基于支架的初中生物探究性實驗教學：以“探究水溫對金魚呼吸頻率的影響”為例[J]. 實驗教學與儀器， 2018（5）：26-28.

[4]? 廖懂玲， 黃月云. 用蚯蚓替代鼠婦來探究“非生物因素對生物生活的影響”[J].生物學教學，2006（5）：54.

[5]? 孔海艷. 探究“光照條件對黃粉蟲分布的影響”實驗的教學體會[J].生物學教學，2015（4）：38-39.

（責任編輯 黃春香）