“探究魚類適應(yīng)水中生活的特征”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及拓展

戴佳燕

(無(wú)錫市二泉中學(xué) 江蘇無(wú)錫 214101)

“探究魚類適應(yīng)水中生活的特征”是蘇科版《生物學(xué)·七年級(jí)·下冊(cè)》第五單元第十章第一節(jié)“水中的動(dòng)物”一節(jié)中的建議實(shí)驗(yàn)之一,也是這一節(jié)的教學(xué)重難點(diǎn)。探究實(shí)踐是《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中提出的核心素養(yǎng)內(nèi)涵之一,同時(shí)《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出教學(xué)建議要重視運(yùn)用以探究為特點(diǎn)的教學(xué)策略。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

教材探究實(shí)驗(yàn)選用鯽魚作為實(shí)驗(yàn)材料,要求學(xué)生通過(guò)觀察鯽魚,說(shuō)出鯽魚具有的與適應(yīng)水中生活相關(guān)的特征,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究。教材配套的參考資料中提供的探究實(shí)驗(yàn)有3 個(gè):①探究鯽魚在水中游泳靠的是魚鰭,并引導(dǎo)學(xué)生分別用紗布固定不同魚鰭,觀察魚的運(yùn)動(dòng)情況,推測(cè)不同魚鰭在魚游泳時(shí)的功能;②探究鯽魚在水中用鰓呼吸,引導(dǎo)學(xué)生滴墨水于魚口邊觀察鰓蓋后方水的顏色變化,探究魚的呼吸器官;③探究鯽魚的側(cè)線能感知水流方向,學(xué)生用凡士林封閉側(cè)線,用玻璃棒攪動(dòng)清水制造水流,觀察魚的游動(dòng)情況,探究側(cè)線的功能。在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,參照教參提供方法進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)存在以下不足。

1.1 探究“鯽魚在水中游泳靠的是魚鰭”的不足之處

鯽魚是學(xué)生比較熟悉的魚類,也是菜場(chǎng)上最常見的食用魚類,實(shí)驗(yàn)材料容易獲取。但是一般菜場(chǎng)上賣的鯽魚體形比較大,很難買到長(zhǎng)度在6—7 cm 以內(nèi)的小鯽魚。體形大的鯽魚適用于進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),便于觀察外形結(jié)構(gòu)。由于學(xué)校的魚缸一般都比較小,用體形大的鯽魚作為實(shí)驗(yàn)材料探究魚鰭功能時(shí),魚的運(yùn)動(dòng)非常受限。同時(shí),由于水槽較小,課堂教學(xué)過(guò)程中魚較容易躍出水槽,分散學(xué)生的注意力,進(jìn)而影響課堂教學(xué)進(jìn)程。

在探究不同魚鰭的功能時(shí),學(xué)生一般都是用紗布和皮筋捆綁的方法來(lái)固定魚鰭,捆綁太松沒法有效限制魚鰭的運(yùn)動(dòng),太緊則容易使魚受傷,影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)效果。

1.2 探究“鯽魚在水中用鰓呼吸”的不足之處

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)滴墨水觀察鰓蓋后方水的顏色變化來(lái)推測(cè)鯽魚用鰓呼吸,這個(gè)過(guò)程中學(xué)生沒有辦法直觀感受水流經(jīng)過(guò)鰓時(shí)的氣體變化,只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象間接推測(cè)魚是用鰓進(jìn)行呼吸的,實(shí)驗(yàn)證據(jù)不足。

1.3 探究“鯽魚的側(cè)線能感知水流方向”的不足之處

該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)水流變化觀察魚封住側(cè)線后魚的游動(dòng)情況,但是根據(jù)教參提示用玻璃棒順時(shí)針攪動(dòng)3圈再逆時(shí)針攪動(dòng)3 圈制造的水流變化比較微弱,不能非常明顯的觀察到鯽魚游動(dòng)情況的變化。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)存在的不足,通過(guò)教學(xué)實(shí)踐反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察,對(duì)這3 個(gè)探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 探究“鯽魚在水中游泳靠的是魚鰭”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

由于體形小的鯽魚很難購(gòu)買,所以選用了金魚(Carcssius auratus)替代。金魚和鯽魚都屬于鯉形目、鯉科、鯽屬、鯽種。同時(shí),金魚體形較小,魚鰭相對(duì)魚體來(lái)說(shuō)較大,固定魚鰭后魚的游動(dòng)情況變化明顯,效果顯著。此外,固定魚鰭時(shí)選用醫(yī)用彈性繃帶和彈性網(wǎng)狀繃帶,既能夠比較緊的固定魚鰭,對(duì)金魚的傷害也很小。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

①探究魚鰭在魚游泳時(shí)有無(wú)作用

選取兩條大小相同、生活狀態(tài)相似的金魚,一條不做處理作為對(duì)照,標(biāo)記為1 號(hào),另一條用醫(yī)用彈性網(wǎng)狀繃帶套住魚的軀干部和尾部(圖1),固定胸鰭、腹鰭、背鰭和臀鰭,用醫(yī)用彈性繃帶固定尾鰭,標(biāo)記為2 號(hào),觀察記錄兩條金魚的游動(dòng)情況。

圖1 探究“魚鰭在魚游泳時(shí)有無(wú)作用”實(shí)驗(yàn)處理圖

②探究各魚鰭的作用

將3 號(hào)金魚用醫(yī)用彈性網(wǎng)狀繃帶套住魚體軀干部和尾部,露出尾鰭,將腹鰭、背鰭和臀鰭處的網(wǎng)狀繃帶剪破,讓腹鰭、背鰭和臀鰭完全展開,胸鰭固定。用同樣的方法,依次分別固定4 號(hào)金魚的腹鰭、5 號(hào)金魚的背鰭和6 號(hào)金魚的臀鰭。同時(shí),用醫(yī)用彈性繃帶固定7 號(hào)金魚的尾鰭,其余魚鰭不處理,觀察記錄3號(hào)—7 號(hào)金魚游動(dòng)情況。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

分別比較1 號(hào)金魚和其余6 條金魚的游動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)魚鰭在魚游動(dòng)時(shí)起重要作用,不同的魚鰭所起作用也有區(qū)別,實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果見表1。

表1 探究魚鰭在魚游泳時(shí)的作用

2.2 探究“鯽魚在水中用鰓呼吸”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)選用溴麝香草酚藍(lán)溶液代替墨水,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)少量使用溴麝香草酚藍(lán)溶液對(duì)鯽魚影響不大。溴麝香草酚藍(lán)溶液(BTB 溶液)在中性溶液、酸性溶液、堿性溶液中呈現(xiàn)的顏色都是不同的,在中性溶液中呈現(xiàn)淡藍(lán)色、酸性溶液中呈現(xiàn)黃色、堿性溶液中呈現(xiàn)藍(lán)色。溴麝香草酚藍(lán)溶液鑒定較低濃度的二氧化碳時(shí)溶液顏色由淡藍(lán)色變成綠色,鑒定較高濃度二氧化碳時(shí)溶液顏色由淡藍(lán)色變成綠色再變?yōu)辄S色。學(xué)生通過(guò)溶液顏色的變化可以直觀感受水中二氧化碳濃度的改變。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

學(xué)生觀察鯽魚呼吸時(shí)口和鰓蓋的開閉情況,判斷口和鰓蓋是同時(shí)開閉還是交替開閉;用滴管靠近魚口前方滴4—5 滴溴麝香草酚藍(lán)溶液,觀察溶液從魚體流出的位置以及溶液的顏色變化;將鯽魚放入解剖盤中,翻開鰓蓋快速查看鰓周圍溶液的顏色。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到滴入魚口的溴麝香草酚藍(lán)溶液是藍(lán)綠色的,從鰓蓋后緣流出的溶液顏色變?yōu)榫G色,翻開鰓蓋查看鰓周圍的溶液顏色為黃綠色。因此,從溶液顏色變化得出水中二氧化碳含量的變化:流入魚口的水二氧化碳含量較低,鰓蓋流出的水中二氧化碳含量升高。綜上,學(xué)生可以比較科學(xué)合理得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:鯽魚在水中用鰓呼吸。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)拓展

為了更加清晰的觀察水流從魚口流經(jīng)鰓由鰓蓋后緣流出的過(guò)程,可以將鯽魚換成印度玻璃魚。印度玻璃魚是硬骨魚綱、鱸形目、雙邊魚科,成魚體長(zhǎng)3—4 cm,通體透明,透過(guò)玻璃魚透明的鰓蓋可以非常清晰的觀察到鮮紅的魚鰓(圖2)。在玻璃魚口前方滴2—3 滴溴麝香草酚藍(lán)溶液,可以清晰的看到溶液進(jìn)入魚鰓的過(guò)程以及溶液顏色的變化。

圖2 印度玻璃魚

2.3 探究“鯽魚的側(cè)線能感知水流方向”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

在明顯的水流變化中(譬如水旋渦)可以比較顯著地觀察魚側(cè)線的功能。為了制造水旋渦,實(shí)驗(yàn)用的魚缸建議改成圓柱形魚缸或者直接在水桶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以用勺子代替玻璃棒攪動(dòng)水流,增加與水的接觸面積,以便形成水流變化。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)方案

①選取兩條大小相同、生活狀態(tài)相似的鯽魚,一條不做處理作為對(duì)照,標(biāo)記為1 號(hào),另一條用凡士林涂抹鯽魚的測(cè)線,標(biāo)記為2 號(hào),放入水桶中。②用勺子順時(shí)針攪動(dòng)水流5—8 圈;③觀察記錄1 號(hào)、2 號(hào)兩條金魚的游動(dòng)情況。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

在順時(shí)針的水流旋渦中,1 號(hào)鯽魚逆時(shí)針逆流游動(dòng),2 號(hào)鯽魚順時(shí)針隨著水流方向順流而動(dòng)。通過(guò)2條鯽魚在水流中的游動(dòng)情況可以推測(cè)側(cè)線可以感知水流方向變化。

3 拓展實(shí)驗(yàn)

在課堂教學(xué)過(guò)程中學(xué)生會(huì)提出魚類具有的適應(yīng)水中生活的其他特征:鯽魚的體形是梭形,可以減小游泳阻力;鯽魚的魚鰾可以調(diào)節(jié)魚在水中的位置等。對(duì)于這些特征的探究,教材和教參中沒有過(guò)多的實(shí)驗(yàn)資料,經(jīng)過(guò)多次教學(xué)實(shí)踐,教師梳理得出以下拓展實(shí)驗(yàn)。

3.1 探究“鯽魚的體形可以減小游泳阻力”

3.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

準(zhǔn)備兩種不同顏色的超輕黏土分別稱取2 g,取兩個(gè)10 g 的砝碼,用超輕黏土包裹住砝碼并分別捏制成梭形模型和方形模型并稱量模型重量(圖3),確保兩個(gè)模型重量相同;準(zhǔn)備一個(gè)2 000 mL 的量筒裝滿水,將兩個(gè)模型懸在水面保持同一高度,同時(shí)釋放,比較兩個(gè)模型在水中的下沉速度。

圖3 超清黏土模型

3.1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

在同一水面同時(shí)釋放兩個(gè)模型,發(fā)現(xiàn)梭形模型在水中下沉速度快,更快沉到量筒底部,方形模型下沉速度稍慢。本實(shí)驗(yàn)用模型模擬不同形狀生物在水中的運(yùn)動(dòng),通過(guò)比較模型在水中的下沉速度來(lái)比較不同形狀在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,梭形生物在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力較小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明鯽魚的體形可以減小游泳的阻力進(jìn)而幫助鯽魚適應(yīng)水中生活。

3.2 探究“鯽魚的鰾可以調(diào)節(jié)魚體浮沉”

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

①準(zhǔn)備橡皮軟管(內(nèi)徑3 mm×外徑5 mm)、針管注射器(10 mL)、小氣球、皮筋、燕尾夾(小號(hào)19 mm)、2 000 mL 量筒。②組裝實(shí)驗(yàn)器材(圖4):將橡皮軟管一端套于注射器的針管處,將注射器的推拉桿向外拉到最外;排出小氣球中的空氣后將小氣球套在橡皮軟管的另一端,用皮筋固定后用燕尾夾夾住氣球底部。③實(shí)驗(yàn)前將裝置放入水中,注意針管注射器頂部不要浸入水中,推拉注射器的推拉桿,觀察氣球和橡皮軟管接口處、橡皮軟管和針管接口處是否有氣泡產(chǎn)生,以此來(lái)檢查裝置氣密性。④將實(shí)驗(yàn)裝置放入2 000 mL量筒,固定針管位置保持針管注射器頂部不浸入水中,輕輕推動(dòng)注射器的推拉桿,觀察氣球的位置變化。

圖4 探究“鯽魚的鰾可以調(diào)節(jié)魚體浮沉”實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)用氣球模擬魚鰾,燕尾夾模擬魚體其他結(jié)構(gòu)。如圖5所示,將實(shí)驗(yàn)裝置放入水中時(shí),由于燕尾夾的重量,氣球沉入水底;逐漸推動(dòng)注射器向小氣球中注入空氣后,小氣球緩慢上浮;如果暫停注射空氣,氣球可以懸停于水層中;將注射器中的空氣全部注入氣球后,氣球浮于水面。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知:改變氣球中的氣體量可以控制氣球在水中的位置,由此學(xué)生可以得出魚鰾可以調(diào)節(jié)魚體的浮沉。

圖5 模擬魚鰾實(shí)驗(yàn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)反思

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及拓展,實(shí)驗(yàn)方法更加嚴(yán)謹(jǐn),實(shí)驗(yàn)效果更加明顯,學(xué)生能夠獲得更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持自己的假設(shè)。探究活動(dòng)更加全面,學(xué)生能從更多的方面對(duì)于魚類適應(yīng)水中生活的特征進(jìn)行探究,更加有利于學(xué)生構(gòu)建概念,體會(huì)結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

增加的兩個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)不僅是生物學(xué)知識(shí),還需要學(xué)生融合物理學(xué)、工程學(xué)等知識(shí),通過(guò)綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)等方法解決探究中遇到的問(wèn)題。當(dāng)不能用實(shí)驗(yàn)生物進(jìn)行探究活動(dòng)時(shí),教師合理設(shè)計(jì)并引導(dǎo)學(xué)生制作模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),提升學(xué)生科學(xué)探究能力和跨學(xué)科實(shí)踐能力。

由于課堂教學(xué)時(shí)間有限,這些實(shí)驗(yàn)在45 分鐘的課堂中是不可能全部完成的,所以教師在教學(xué)時(shí)需要合理安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)可以采取分組探究的形式,教師進(jìn)行分層引導(dǎo),既能讓學(xué)生全程參與探究活動(dòng),也能有效節(jié)約課堂教學(xué)時(shí)間。教師還可以布置課后探究任務(wù),如觀察鯽魚內(nèi)部結(jié)構(gòu),制作鯽魚相關(guān)美食等。在生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中,教師應(yīng)該盡量給學(xué)生創(chuàng)設(shè)探究實(shí)踐平臺(tái),讓學(xué)生能在真實(shí)情境中通過(guò)活動(dòng)體驗(yàn)不斷構(gòu)建生物學(xué)概念,提升學(xué)生的生物學(xué)核心素養(yǎng)。