探究“单细胞生物草履虫对外界刺激的反应”

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   摘要:“单细胞生物草履虫对外界刺激的反应”实验是培养学生动手操作能力的重要方式之一。因为草履虫个体微小,需要借助显微镜才能看得到,所以教师指导学生完成对草履虫的形态结构的观察活动、了解它所具有的生命活动特点,并设计方案、进行探究草履虫对外界刺激的反应的实验及分析,是有利于培养学生接触生物和观察能力的提高。也有利于提高学生对生物的兴趣和生物如何趋利避害及对环境适应性的认识。
  关键词:生物实验;草履虫;探究;分析
  
   人类的生产经验和科学知识,是人类长期主动观察、实践、探索、实验的结果。生物课就是一门以实验为基础的学科,实验教学是教学活动的重要组成部分。所以,生物课上引导学生在实验活动中进行主动的观察、探究、讨论、交流,是培养学生实践能力所必须的。《国务院关于基础教育改革与发展的决定》也指出,要“继续重视基础知识、基本技能的教学,并关注情感态度的培养,充分利用各科课程资源,培养学生收集处理信息的能力,开展研究性学习,培养学生提出问题、研究问题、解决问题的能力;鼓励学生合作学习、促进学生之间相互交流、共同发展,促进教学相长!”
  初中生物的许多实验是重复前人的探索、推测、验证等认识过程,但对初中学生来说是未知领域,作为教师如何对所做实验进行分析,正是要认真思考的事。通过实验分析,把实验目的、实验原理、实验结果等链接起来,就可看出实验方案的科学性与可行性,从而培养学生科学探究能力。以下是笔者在实验教学中的作法与体会。
  一、实验原理分析,体验知识的发生发展过程
  商务印书馆出版的《现代汉语词典》,对“原理”一词的解释是:“带有普遍性的、最基本的、可以作为其他规律的基础的规律;具有普遍意义的道理。”那么,生物实验原理就该是指为检验或验证某种科学理论(即教材中某种基础理论知识)而进行实验操作的基本的、带有普遍规律性的道理。生物实验原理是生物实验的重要组成部分,联系着实验目的和实验步骤,是用科学探究的方法验证某一生物学理论或探究某一生物问题的理论依据。
  生物实验设计必须遵循的原则包括科学性原则(增加)、单一变量原则、对照性原则等。本实验的原理是检验草履虫对刺激的反应,观察它对外界刺激的各种反应。我们可以通过实验证明,草履虫对盐的确存有应激反应,并从此推论在盐碱土壤中一般植物几乎不能生存,这是因为当外界溶液浓度大于细胞液浓度使细胞会失水而死亡。那么如何分析这些原则呢?
  1、科学性原则分析
  科学性原则指“实验目的要明确,实验原理要正确,实验材料和实验手段的选择要恰当,整个设计思路和实验方法的确定,都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。他具有两个方面的含义:首先必须保证实验的设计不出现科学性错误;其次,实验设计要具有科学思想和科学方法的因素”。本例正是依照“单细胞生物也能对外界环境的变化作出适当反应”这一原理而设计的。
  2、单一变量原则分析
  单一变量原则中的变量指实验中由实验者控制的因素或条件。食盐为本次试验的变量,但食盐的多少、浓度等都是影响实验结果的重要因素,量少会出现载玻片中左、右两侧培养液中的草履虫数量不变,实验结果不明显;学生会误得出“食盐对草履虫没影响”的结论。
  3、对照性原则分析
  对照性原则是指在实验组中,其他实验条件都相同而有某个关键条件(变量)不同,以此增强对条件与结果之间关系的理解。本次实验中加盐的培养液是实验组,没有加盐的培养液是对照组。通过这样分组既增强实验结论的可靠性,也使实验的科学性得到保证。
  实验原理是进行实验操作的依据。原理不明,导致目的不清,实验的连续性被破坏,这也是学生常出错的原因之一。由此可以看出在实验前有必要对实验原理进行分析,增强学生对学习目的的认知性。
  二、实验过程分析,激发学习兴趣
  1、发现问题,提出假设
  提出“草履虫能够对某种刺激(如光、化学物质等)可能产生哪些反应”等问题。激起学生学习动机,使他们对实验自始至终保持浓厚的兴趣。
  作出假设是草履虫能够对某种刺激产生如趋向或避开这种刺激的反应。
  2、选择实验材料、器具
  “杂交水稻之父”袁隆平院士,在对水稻的研究中,正因找到了表现杂种优势的水稻植株,使杂交水稻的培育获得成功,为解决粮食短缺问题做出了巨大的贡献。可见选择适合的实验材料是初中生物实验的条件之一。
  本次实验的材料是草履虫,草履虫是最原始的单细胞原生动物,在实验中能表现出对各种外界环境的应激反应。草履虫很容易培养,找来新鲜芦苇或稻草,剪成一寸长数段,放在大烧杯中,注入自来水,制成浸泡液,放在有阳光下25℃以上的环境中,可在浸泡液内加入少许熟鸡蛋黄,能促进其生长。
  通过对选择生物实验材料的分析,要让学生明白实验对材料的挑选是有严格要求的,须本着科学的态度,不能图一时的方便,否则就无法达到预期的效果。
  3、设计实验方案
  本实验选择对照比较实验方案。对照比较实验是在两个相似组样中进行,其中一个是已经确定其结果的事物,称之为“对照组”,让其自然发展,实验者对之不加干涉;另一组是未稳中有降的、需要研究的事物,称其为“实验组”。将实验组中的未知因素同对照组的已知因素进行对照比较,通过对实验组的人为干预,以确定该因素的影响作用。对照比较实验在生物学研究中是广泛应用的。
  本实验选择草履虫为实验材料,以有无食盐为变量,进行对照实验控制变量。观察指标是草履虫状况,属于探究性实验,本次为双组单变量对照实验,施加变量的为实验组,不施加变量的是对照组。
  4、实施实验的步骤:
  第一步 在载破片上滴两滴草履虫培养液,用牙签在两滴培养液液滴之间划出一条连接通道。
  第二步 在载玻片上的一侧含草履虫的培养液中(或在左侧培养液中)滴入1~2滴(或少许)食盐液滴。
  第三步 让学生在显微镜下观察草履虫的运动。用讨论交流的方式说出观察到的现象。
  第四步 根据实验结果得出相应的结论。
  5、分析实验结果,得出实验结论
  第一种可能从显微镜看到加盐的培养液中草履虫比原来的少,而没有加盐的培养液中的草履虫比原来多了,即载玻片上加盐的培养液中的草履虫从一侧由通道游向没有加盐的培养液,说明试验成功,学生能分析出正确结论:食盐对草履虫是有影响的,草履虫在逃避过量盐水带来的有害刺激。
  第二种可能通过显微镜观察发现载玻片中左、右两侧培养液的草履虫数量不变;这说明食盐水浓度与草履虫体内实验浓度相等,食盐对草履虫没影响,实验没有成功。
  第三种可能 绝大部分草履虫从一侧游向加盐的培养液,说明食盐含量过低,食盐对草履虫是有利的影响,草履虫有趋向有利刺激。
  不过最后得出的结论,仍要根据实验的结果得出。因为实验结果是实验过程中出现的实验现象,其中实验变量起了决定作用。实验结论又是根据实验结果作出的一种理论推论,二者是因果关系,使实验要达到的实验目的。
  三、实验现象与结果的分析,培养观察和思考能力
  1、通过实验现象分析培养观察能力
  本次实验先在低倍镜下观察,可容易看到草履虫的外形与运动。不过在制作草履虫临时玻片标本时,应取少许棉花,将其撕松放在载玻片中部,再用滴管吸取草履虫培养液,滴在棉花纤维中间,盖上盖玻片,以限制草履虫的游动,使观察更容易。
   同时,光亮度要稍暗,保证草履虫与周围背景有一定的明暗反差,这样草履虫的形态(倒转的草鞋底)、体表纤毛、口沟的位置及细小藻类进入。
  口沟可清晰见到,草履虫游泳时的特点(旋转前进)、当遇到阻挡物时虫体游动方向等等也可清晰见到。之后再转用高倍镜观察,在高倍镜下,可观察到其内部结构细胞核、细胞质、伸缩泡、食物泡等。同时与课本上理论知识相结合,起到加深理解和巩固已学知识的目的,也有助于实验的顺利进行。
  学习生物离不开观察。在实验过程中,教师须引导学生根据实验目的观察实验变化,启发学生分析思考,同时让其通过自己的观察分析得出结果,而不是急于下结论。这也符合新课程理念,即让学生在实验探究中自主学习、合作学习。
   著名的生物学家达尔文曾说过:“我既没有突出迅速的理解力,也没有过人的机智,我觉得对事物进行仔细地观察的能力上,我是超过中等水平的人们的。”著名生理学家巴甫洛夫在他的实验室里刻着“观察,观察,再观察”的警句。可见观察的重要性。
  2、通过实验结果分析培养思考能力
  实验分析一方面可以找出并排除影响因素,使实验重做能获得成功;另一方面,还可以总结出经验教训,甚至可能还有意外的收获、新的发现,这在科学史上是不乏其例的。我们在进行实验时,首先对实验的根本目的要有深刻的认识;同时要重视实验结果,还要重视分析结果。不能只满足于实验的成功,而不愿对实验失败的原因进行分析等。
  不论分组实验还是演示实验,不可能万无一失,对成功的要展示给大家看,对实验效果不好的,帮助分析原因,为什么没能达到预期效果,有几种可能情况,应该怎么改,从而提高学生分析问题、解决问题的能力。
  四、挖掘开拓实验发现并关注新问题
  陶行知提出“教学做合一”,“事怎样做便怎样学,怎样学便怎样教。教而不做,不能算是教;学而不做,不能算是学。教与学都以做为中心”。陶行知特别强调要亲自在“做”的活动中获得知识。因此,做实验、分析实验真是实现陶行知教育思想的最好途径。这要求教师尊重学生,注意教学之外的生活,指导学生在实际的活动中学好本领,培养他们的生活能力。这对我们现在的教学方式也有启发之处。
  1、通过“多问”引导“多思”
  聪明在于多问多思,疑问易使学生产生好奇心。教师在授课时,可以要求学生联系教学内容边观察、边思考,并发现和提出新问题,从而引起积极的思维活动。如补充些讨论的问题或作进一步探究,如草履虫对光或糖的刺激有什么样的反应?草履虫这种趋利避害的反应,对其生活有什么意义?(草履虫的趋利避害的特性有利于其对环境的适应性和生存能力。)再如草履虫对外界刺激产生反应,是通过神经系统完成的吗?为什么?(不是,因草履虫是单细胞生物,没有神经系统的分化。)
  2、通过“分析”引导“思考”
  对实验结果的分析是提高学生分析能力的重要环节。从心理学看,有系统有条理地进行观察,便于输入信息的加工储存,提高感知效率,突出重点,避免遗漏,
  做到全面认识观察对象。以往的教学和备课中还发现,学生不一定按照原计划要求
  或在教师的指导完成操作,而是以他们个人的解释来进行实验。因此教师还要注重观察分析,在实验中关注学生原有的知识经验,从学生的角度出发,关注他们的操作过程和方法,引导其学会实验,使之在实验中真正理解知识,掌握技能。
  总之,实验教学是教学活动的重要组成部分。结合学生实际,重视实验设计。有针对性的进行实验分析,让学生带着问题去观察和思考,正是《全日制义务教育生物课程标准》的要求。实验,使学生获得了生物基础知识,掌握了基本技能,培养了观察能力、实验操作能力,分析和解决问题等综合能力。提高了学生对生物学的兴趣,养成理论联系实际,实事求是的科学态度。而实验中暴露出的问题,也将成为教师实验教学与实验分析中努力改进的方面。
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