體現3R原則的初中生物學動物實驗教學研究

曹鳳璋

［摘 要］3R原則是指在動物實驗中所遵循的優化（Refine）原則、減少（Reduce）原則和替換（Replace）原則。3R原則體現生物學珍視生命的學科價值取向，對于學生態度責任素養的培養有一定的促進作用。文章以“探究蚯蚓適應土壤中生活的特征”的實驗課為例，對體現3R原則的初中生物學動物實驗教學進行研究。

［關鍵詞］3R原則；動物實驗；態度責任

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0097-03

隨著生命科學在生物倫理學方面的發展，動物福利在動物實驗中日益受到關注。在生命科學研究中，動物福利是考查研究合規性的重要方面。中學生物學中的動物實驗雖然不是專業的學術研究，但是應盡可能地遵守實驗動物福利的要求。3R原則是指在動物實驗中所遵循的優化（Refine）原則、減少（Reduce）原則和替換（Replace）原則，旨在改變傳統的動物實驗方式，盡可能地將動物實驗減少到最低限度［1］。3R原則作為被廣泛接受的動物福利原則，已經被許多國家立法承認，它是生物學實驗設計和實施中必須遵守的行為規范。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）提出，要在生物學教學中培養態度責任素養，要求學生在科學態度方面有自我要求和責任擔當［2］。3R原則是在長期的動物實驗實踐中總結出的旨在保障動物福利的實驗優化思路，即體現了嚴謹求實地開展自然探索的心理傾向，也體現了對自然界其他生命體認真負責的態度。

一、聯系實踐：體現3R原則的知識教學策略

3R原則作為重要的動物福利原則，其文本內容應當作為教學目標之一，學生應當達到能舉例說出3R原則的內容并在該原則指導下進行動物實驗的程度。作為一個實驗規范，體現3R原則的知識教學的重要策略應當是理論聯系實踐。在開展“探究蚯蚓適應土壤中生活的特征”這一動物實驗時，筆者先將3R原則內涵作為重要的知識給學生進行簡要介紹，之后引導學生討論發掘3R原則所體現的價值取向。學生普遍能體會到實驗設計時應當盡可能地尊重并保護實驗動物的生命。筆者在講解實驗的注意事項后，讓學生思考問題：“這些實驗設計是怎樣體現3R原則的？以進一步加深學生對3R原則的理解。

在實驗教學中，當學生在首次進行動物實驗時，3R原則應當作為要求學生了解的知識內容之一。在此后涉及動物實驗時還要不斷考查學生是否能發現其中有關動物福利的操作細節，并運用3R原則解決動物實驗中的實際問題。

二、關注細節：基于3R原則的實驗設計策略

（一）優化原則

優化原則是指最大限度地減少動物實驗動物的痛苦，保障動物福利。筆者在實驗中首先說明什么是優化原則。在使用蚯蚓進行實驗時，筆者要求學生在觀察和實驗的前后將蚯蚓放置在濕潤且有充足腐殖質的濕土中。在觀察蚯蚓的形態特征時要注意多用濕棉球擦拭蚯蚓的體表，保持蚯蚓體表濕潤。為保證蚯蚓為相同品種，筆者在實驗中使用了統一購買的蚯蚓。如果要求學生自行捕捉蚯蚓，還應注意要求學生將蚯蚓放在通氣良好且裝有富含腐殖質的濕土的瓶子（見圖1）中，然后要求學生分析這些操作的目的。學生通過分析，普遍能說出這些操作的目的是優化實驗過程，減少實驗動物的痛苦，保障動物福利。

教師基于優化原則開展動物實驗教學，并在實驗以外的時間盡可能地為動物提供最自然的生活環境，在實驗中盡可能地避免實驗動物受到傷害，這些操作可以最大限度地保障實驗動物擁有良好的狀態。動物實驗的優化設計通常可以從實驗動物在非實驗進程中的攜帶、飼養，實驗中的操作，實驗后的處理等方面進行思考。在動物實驗的教學過程中，應保障動物福利，引導學生尊重動物生命，強化學生對生物與環境關系的理解，增強學生的環境保護意識。

（二）減少原則

減少原則是指動物實驗中在保證數據信息的數量與精確度的前提下，最大限度地減少實驗中使用的動物數量。在探究蚯蚓適宜的生活環境時，筆者設計了這樣的學生實驗：首先將解剖盤一半鋪干燥的土壤，另一半鋪濕潤的土壤，用黑色遮光板分別將干燥的土壤和濕潤的土壤遮住一半；然后將蚯蚓放置在解剖盤中，一段時間后觀察蚯蚓分布的位置。

根據實驗設計的原則，應當使用多條蚯蚓進行實驗。在這個實驗中，筆者將全班學生分為10個小組，每組只提供2條蚯蚓，由各組學生分別開展實驗。為了盡可能地排除實驗操作者操作差異帶來的誤差，筆者在實驗前首先明確了操作的步驟和標準，包括蚯蚓的初始位置、遮光板位置和實驗時長。各組實驗結束后，由安排的小統計員對各組實驗結果進行匯總，這樣就獲得了一個具有20個樣本的實驗結果。完成實驗后，筆者對實驗過程進行分析，說明每組實驗只選用2條蚯蚓的做法可以在不影響實驗結果的前提下極大地減少了蚯蚓的使用量，進而深化學生對“減少原則”的理解。

減少原則在中學動物實驗條件下可優化的方面較少，中學動物實驗很難提供標準的實驗室環境，但是教師仍可以在保證各小組遵循統一的標準和步驟開展實驗的前提下，減少每個實驗小組的樣本量，通過匯總各組實驗結果，在保證實驗總體樣本量充足的同時，達到減少實驗動物使用量的目的。這是學生實驗課中體現減少原則的可行方法。

（三）替代原則

替代原則是指使用模型模擬或細胞實驗替代動物實驗，或使用沒有知覺的動物替代有知覺的動物。例如，在探究蚯蚓剛毛的作用時，根據探究的問題，實驗的自變量應當是蚯蚓剛毛的有無。但是將蚯蚓剛毛拔去是比較殘忍的操作，會對蚯蚓的狀態產生不良影響，也不利于實驗結束后蚯蚓的放歸。此外，在初中學校的設施條件下，這一操作也較難實現。

《課標》建議教師利用現代工程手段制作模型開展實驗。基于此，筆者利用3D Builder設計并制作了蚯蚓的體節模型，每個模型包含20個放大了的蚯蚓體節，模型一頭連有掛鉤。蚯蚓體節模型每組包括一個帶有剛毛的體節模型（見圖2中的A模型）和一個不帶剛毛的體節模型（見圖2中的B模型）。由于模型的剛毛細小，在拖拽時易斷裂，因此為了保證模型強度，筆者使用光固化3D打印技術將電子模型制成實物模型。此外，所使用的模型還可以進一步改進優化，如先3D打印蚯蚓內臟結構模型，然后用透明樹脂翻模鑄造出蚯蚓的體節外形。這樣，學生可以通過觀察該模型，歸納環節動物的特征。

使用時可先在解剖盤中鋪上適量的潮濕沙土，將蚯蚓模型半埋入潮濕沙土中，用彈簧測力計連接蚯蚓模型的掛鉤；再水平拉動彈簧測力計，當蚯蚓模型被拉動時，記錄蚯蚓模型在潮濕沙土中滑行過程中彈簧測力計的讀數。使用有剛毛的蚯蚓體節模型和無剛毛的蚯蚓體節模型分別進行三次實驗，記錄實驗數據并取平均值。通過對比拉動有剛毛的蚯蚓體節模型和無剛毛的蚯蚓體節模型的拉力，學生能更加直觀地發現剛毛可以增加蚯蚓與土壤顆粒之間的摩擦力。

中學生物學實驗室通常難以支持動植物細胞培養、分子純化方面實驗的開銷，所以只能開展很少部分極簡單的細胞和分子層面的實驗，因此用細胞實驗或分子生物學實驗替代動物實驗的可行性不大。但是基于實驗目的對實驗動物進行簡化的、概括性的描述，僅保留與探究內容相關的特征從而構建替代模型，可以簡化認知過程，促進知識理解［3］。通過模型替代的方法，不僅可以使一些難以控制的實驗過程變得簡單，使難以量化的實驗結果變得直觀，還可以減少動物實驗的開展次數，避免多次實驗對實驗動物造成的傷害。例如探究蚯蚓剛毛的作用實驗以及教材中對魚鰭功能的探究實驗，這類探究生物某一結構的功能的實驗，都可以通過應用模型實驗來替代動物實驗。

三、啟示與反思

（一）賦予教學活動更多的意義

動物福利問題越來越受到社會的關注，相關的生物倫理學的討論也日益深化。在討論這些社會議題時，3R原則為學生提供了正確的視角。本文提到的一些實驗的具體操作在教學實踐中其實早有運用。此外，教材在其他實驗中也常常體現3R原則。例如，探究魚類游動發力部位時使用模型替代而不是剪去尾鰭，體現了替代原則；觀察魚尾鰭血液流動時用濕潤的毛巾包裹魚身，減少魚在空氣中的不適，體現了優化原則。但是在這些實驗教學中，教師通常不會向學生系統地解釋這些實施方式的意義。在新課程標準的實施背景下，培養學生的態度責任素養成了教學目標之一。3R原則作為動物實驗設計的重要原則，體現著生命科學的人文關懷。教師應當將3R原則作為核心內容，在教學中明確指出在動物實驗設計中如何體現3R原則。發掘看似平常的實驗操作的更多意義，啟發學生關注并思考動物實驗中各種常見操作的深意，有助于學生明確動物實驗的設計規范，形成珍視生命的情感態度。

（二）關注學習過程中的情感體驗

學習過程中的情感體驗不像知識、能力或品格那樣容易考察，因此常常被教師忽略。人本主義認為，有意義的學習不僅需要思維參與，還需要情感的卷入。學生在學習過程中不僅要獲取知識、鍛煉能力，還要體驗情感，以及能全身心地參與。在動物實驗課上，這種情感體驗既有對生物多樣的形態結構和生理習性的好奇，對實驗操作步驟精巧設計的嘆服，又有平等對待每一個生命這樣的珍視生命的情感體驗。如果教師不引導學生關注動物實驗中的動物福利，“珍視生命”這一情感體驗很容易被忽視。這樣的實驗課中實驗動物就很容易失去關愛，論為實驗工具。長此以往，學生容易在觀念中將生命工具化，形成“漠視生命”的錯誤價值觀。因此，在動物實驗教學中，教師需要十分關注動物福利問題。這種關注不僅包括在設計實驗操作中保障動物福利，還包括向學生說明這些實驗操作背后的動物福利原則，讓學生明白實驗動物的使用是有倫理學沖突的，開展動物實驗是為了人類的發展而不得已的選擇。在動物實驗中，應當懷著感激和不忍去面對實驗動物。這樣的情感體驗才能幫助學生建立尊重生命、珍視生命的正確價值觀。

（三）推動實驗設計更加嚴謹

本節課涉及的實驗是教材中要求開設的，但是教材中使用的探究實驗方式在論證邏輯上并不嚴謹。教材中采用的方法是將蚯蚓分別置于光滑玻璃和毛玻璃上，然后觀察、記錄并比較蚯蚓的運動情況。這種方式存在蚯蚓行為不可控的問題，蚯蚓不一定會盡全力向前蠕動，因此實驗結果難以真正量化。同時，該實驗中的變量是玻璃表面的粗糙程度，因此實驗所能得出的結論實質上是關于“環境的粗糙程度對蚯蚓爬行的影響”，不能真正論證“蚯蚓的剛毛可以增加摩擦力”。探究蚯蚓剛毛的作用時應當將剛毛的有無作為實驗的自變量。本文提供的方法能建立一條更為嚴謹的邏輯鏈，使得實驗能真正證明蚯蚓剛毛的作用。同時，該方法較原方法還具有結果可測量、可量化的優點。模型替代可以幫助生物實驗實現更多的可能性，尤其是在實驗過程的可控性以及實驗結果的觀測和量化方面，實物模型都展現出了一定的優勢。

基于3R原則進行實驗優化是需要不斷思考、不斷改進的，需要教師發揮批判精神，認真思考動物實驗的原理和每個具體操作，不斷推動動物實驗向著更好的方向發展。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? IHLE S. Animal experimentation in research：the 3Rs principle and the validity of scientific research［M］.Bonn：German Research Foundation，2022.

［2］? 中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準：2022年版［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［3］? 李希明.建構生物模型，突破教學難點［J］.中學生物教學，2011（7）：10-12.

（責任編輯 黃春香）