“青島市二球懸鈴木葉片的生長分析”課外探究實驗

張 琛 馬文習 高曉琳

（青島西海岸新區(qū)第一高級中學 山東青島 266555）

組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養(yǎng)的關鍵[1]。高中生物學開展課外探究實驗活動是為了培養(yǎng)學生的實踐能力、探索精神和創(chuàng)新意識。教師結合具體的教學內容，通過拓展實驗教學，讓學生從現(xiàn)實生活中提出相關的探究性問題，作出假設，引導學生動手實驗，親身體驗并積累豐富的直接經(jīng)驗。不僅能為生物學概念的生成提供事實性證據(jù)，實現(xiàn)實驗教學的目的和價值，還能培養(yǎng)學生的觀察能力、分析能力、科學思維和解決實際問題的能力，對激發(fā)學生學習的積極性具有重要作用。本文以青島西海岸新區(qū)第一高級中學為基地，于2018年至2019 學年第2 學期，開展“青島市二球懸鈴木葉片的生長分析”的課外探究活動，授課對象為高中一年級學生，共30 人，總計16 課時。通過此次課外探究實驗，培養(yǎng)學生的科學探究能力，提升學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

1 實驗目的

1）對青島市二球懸鈴木［Platanus acerifolia（Aiton）Willd.］葉片長度、寬度和生物量進行測量，分析3 個性狀兩兩之間的函數(shù)關系，選擇其中相關性最高的定量分析模型，分析二球懸鈴木葉片長度、寬度和生物量等數(shù)量性狀上的可塑性。

2）通過對二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征的進一步分析，計算生物量與葉片長度的冪函數(shù)異速生長規(guī)律，生物量與葉片寬度呈線性的同速生長規(guī)律，葉片長度與寬度呈冪函數(shù)異速生長規(guī)律，提高定量分析能力。

3）通過對真實問題的探究，提高對生活環(huán)境狀況的關注，養(yǎng)成關心環(huán)境、保護環(huán)境的社會意識和責任。

2 實驗用具

二球懸鈴木成株葉片、直尺、三角板、電子天平。

3 實驗步驟

3.1 實驗前期準備通過查閱資料了解本地區(qū)氣候條件，二球懸鈴木的基本概況；學習生長規(guī)律的相關理論知識，明確實驗研究方法；學會使用Excel 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

3.2 實驗過程 采集校園內的二球懸鈴木葉片。二球懸鈴木喜光、不耐蔭[2]，應選擇向陽生長且長勢良好的種群采集葉片。取樣時，隨機選取任意枝條，摘取完整的32 片葉并收集。葉是進行光合作用的部位，一般具有平展的葉片，以葉柄與莖相連[3]。因此，需去掉葉柄，僅保留葉片部分。

葉片長度、寬度的測量方法：用三角板和直尺分別測量葉片的最寬處記為葉片的寬度、測量葉片的最長處記為葉片的長度并記錄（圖1）。

圖1 二球懸鈴木葉片寬度測量示意圖（http://ppbc.iplant.cn/tu/1647317，王強攝）

葉片生物量的測量方法：用電子天平稱量葉片鮮重并記錄。

為減少測量的誤差，每片葉片的長度、寬度、生物量分別測量3 次，輸入Excel 表格后取平均值并記錄，且所有數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后2 位。用Excel 統(tǒng)計分析32 片葉片的測量數(shù)據(jù)，并分別用以下2 種函數(shù)模擬葉片長度、寬度、生物量兩兩之間的關系，選擇其中相關性最高的作為定量分析的模型。

冪函數(shù)：y=axb

線性函數(shù)：y=ax+b

4 實驗結果分析與模型構建

4.1 二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征 二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征見表1。其中，最大值和最小值反映樣本的實際大小，平均數(shù)反映樣本各性狀的整體水平，從標準差中可得出樣本的絕對變異度，相對變異度可通過變異系數(shù)反映[4]。從表1可知葉長的平均值是14.99 cm，變動范圍為6.10～29.30 cm；葉寬的平均值是18.86 cm，變動范圍為7.00～39.50 cm；葉片鮮重的生物量的平均值是2.66 g，變動范圍為0.35～7.78 g。

由表1 可知，葉長、葉寬和生物量這3 個數(shù)量特征均有較大的表型可塑性。其中，以葉生物量最大（變異系數(shù)為76%），葉寬、葉長次之（變異系數(shù)均為41%）。表明葉片的表型可塑性以葉的生物量為最大，葉的寬度、長度次之。

表1 二球懸鈴木葉片數(shù)量特征的統(tǒng)計分析

4.2 構建葉長與葉寬關系模型 由圖2 可知，二球懸鈴木的葉長與葉寬均呈極顯著的冪函數(shù)關系，確定系數(shù)R2為0.9205，增長的冪值為0.9614，說明二球懸鈴木的葉長與葉寬之間具有異速生長規(guī)律。

圖2 二球懸鈴木的葉長與葉寬的冪函數(shù)關系圖

4.3 構建生物量與葉寬、葉長關系模型 由圖3、圖4 可知，二球懸鈴木葉片的生物量與葉寬、葉長之間具有高度一致的規(guī)律性變化，可用線性函數(shù)和冪函數(shù)表達，且各函數(shù)關系均達到極顯著水平，確定系數(shù)R2在0.9215～0.9661 之間。其中，圖3呈現(xiàn)葉片的生物量隨葉寬的增加而直線增長，葉寬每增加1 cm，生物量將增加0.2489 g，說明生物量與葉寬具有同速生長規(guī)律；圖4 表示生物量與葉長呈現(xiàn)極顯著的冪函數(shù)，增長的冪值分別為1.9535，說明生物量與葉長具有異速生長規(guī)律。

圖3 二球懸鈴木的生物量與葉寬的線性函數(shù)關系圖

圖4 二球懸鈴木的生物量與葉長的冪函數(shù)關系圖

5 實驗結論

綜合以上實驗結果表明，二球懸鈴木葉片的生物量與葉長呈現(xiàn)出冪函數(shù)異速生長規(guī)律，生物量與葉寬呈線性的同速生長規(guī)律，葉長與葉寬呈冪函數(shù)異速生長規(guī)律。

6 實驗反思

學生通過探究活動，明確了青島市二球懸鈴木在葉片長度、寬度、生物量等數(shù)量性狀上均具有較大的可塑性，初步形成了結構與功能相適應的生命觀念。同時，這樣的課外實驗探究活動能為培養(yǎng)學生的社會責任搭建有效橋梁。學生在活動中不僅增長了知識，更重要的是提高其主動探究的意識和能力。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）課外探究實驗應立足于解決現(xiàn)實生活中的實際問題。此次課外探究實驗以“青島市二球懸鈴木葉片的生長分析”作為課題，學生通過真實實驗，體驗了二球懸鈴木葉片長度、寬度、生物量的生長規(guī)律的研究過程，增強了探究意識和保護植物的意識。

2）課外探究實驗應引導學生通過定量實驗推測結論。在課外實驗的探究過程中，先讓學生測量二球懸鈴木葉片的長度和寬度，稱量葉片鮮重生物量并記錄，初步感知二球懸鈴木葉片的數(shù)量特征。然后教師提出問題：“如何利用相關數(shù)據(jù)建立葉長與葉寬的關系模型？如何建立生物量與葉寬、葉長的關系的數(shù)學模型？”啟發(fā)學生利用線性函數(shù)和冪函數(shù)相關知識定量探究，從而使學生的科學思維得到較大提高。

3）課外探究實驗還要注重興趣性、探究性和創(chuàng)新性。本實驗是結合學生日常學習和生活環(huán)境，基于學校的實驗設備條件，從而給出課題范圍“植物構件生長規(guī)律分析”。讓學生依據(jù)自己的愛好和興趣，在充分了解校園內、外植物的分布情況后，選擇二球懸鈴木植物的葉片進行生長分析。本實驗設計能在一定程度上解決問題。實驗后，教師鼓勵學生思考，例如，該實驗的設計還存在哪些不足？應怎樣進一步深化本實驗的設計，才能解決更多的實際問題？這樣既保證課題的探究性和創(chuàng)新性，又能激發(fā)學生的學習興趣。

7 結語

“相關生長分析”是在種群生態(tài)學研究中一種較常用的分析方法，相關生長分析在理論研究和生產(chǎn)實踐中都有廣泛的用途。作為指導教師，選擇這一課題的原因是實驗分析取樣方便、操作簡單、數(shù)據(jù)分析有較強的規(guī)律性，適合學生進行科學探究。

通過“青島市二球懸鈴木葉片的生長分析”這一高中生物學課外探究實驗的設計和實踐探索，為學生提供了廣闊的探索空間，使學生對生物學的興趣得到提升。學生通過對實驗中的一些現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進行具體分析得出相應結論，親歷科學研究的全過程，認識到“科學”的本質。這種高中生物學課外探究實驗，可突破教材的局限性，更好地展現(xiàn)生物學的魅力，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力和科學精神，在一定意義上彌補了傳統(tǒng)課堂教學中以知識為主的局限，激發(fā)了學生科學創(chuàng)造力，為其進一步學習科學打下基礎。