校园植物物种多样性的户外调查实验

赵 玥

(复旦大学附属中学 上海 200433)

沪教版高中《生命科学》第三册第十章“生物多样性”第一节“生物多样性及其价值”中的学生实验，是在掌握遗传多样性知识的基础上，通过实验进一步加深学生对物种多样性的了解，初步学会常用的物种多样性测量方法。但在实际教学中一般是通过模拟实验的形式来实现，这样会造成学生较难掌握该节知识重难点。本文基于样方法和辛普森多样性指数，将校园植物的物种多样性实验改成户外调查，对实施户外调查过程中遇到的困难进行说明，并提出增进课堂教学效果的有效措施。基于校园植物调查的感性认识，帮助学生形成尊重事实、实事求是的科学素养。

1 户外调查实验影响因素分析

干扰本实验统计结果的因素较多：①学生对不同物种的识别有困难；②在实地环境中如何对各种物种进行计数，如在记录统计样方法中的各种植物数量时，需注意有些植物的幼苗和成体形态结构上会有较大的区别，在操作过程中，要掌握如何利用卷尺测量距离，在样方地4个角的顶点插上竹桩后用绳索连接时，如果过松过紧都会干扰到记录的结果；③开展户外实地调查的时间有限而不能顺利完成实验。考虑到以上的困难，笔者通过以下措施进行了改进：

2 实验前期准备

2.1 选择样方地的一般方法 选择样方法的方法很多，依据生物种类、具体环境不同而有所不同。样方的面积有大有小，样方地的形状也有方形、长方形、圆形和条带状等多种，但是各种方法的原理基本相同[1]。由于同一地区的管理条件不同，或在不同的自然环境中群落的物种构成都会影响辛普森多样性指数值。所以作为定量实验，样方的选择至关重要，样方面积的大小常常取该样方中植物种类数最多时的最小面积。

例如，①调查双子叶杂草时，调查地段的大小应该规划得小些，样方大小一般为1 m2；②调查乔木时，地段应该规划得大些，样方大小一般为100 m2；③调查灌木时，调查地段大小则应该介于两者之间，样方大小一般为16 m2[2]。

面积过大费时费力，面积过小则失去调查的意义。样方地的大小也应根据调查对象的大小和分布情况而定。对某种树的调查与在草地上对某种草的调查样方大小是不同的。一般而言，对于分布不规则的种群，多个小样方取样比少数大样方取样的效果更好。

2.2 被测植物选择的一般方法 一般而言，样方地中的植物数目不能过少，如果样本数量少于30个时，会造成过低的估计产生误差[3]。

户外调查时，单子叶植物通常是丛生或蔓生，叶片一般呈条形或披针形，叶脉一般是平行脉，观察地上部分往往难以辨别是一株还是多株，其种群密度统计较复杂。双子叶草本植物容易辨别个体数目，叶脉一般是网状脉。因此，双子叶植物、灌木与乔木的统计则相对简单，容易操作。

为了提高实验教学的有效性、培养学生重点掌握样方法的操作技能，教师可在课前将校园内样方地中被测植物的形状、名称等相关知识，以图片的形式事先发给学生预习，以减少因学生辨认植物而花费较多的课堂时间。

2.3 户外实验样方地的选择 根据校园植物的生长情况，选择3块样方地：①富含乔木和灌木的样方地A，大小为2.6×2.6 m2；②草坪植物的样方地B，大小为50×50 cm2；③沙生植物的样方地C，大小为50×50 cm2。当然，在选择样方地时也要注意避开突起物、被落叶覆盖的暗坑、毒虫等存在安全隐患的地点。

有时会误解样方地计数是较容易的，其实户外的植物分布及特点都有其不确定性。例如，样方地B草坪植物的计数问题就是难点。因为，除非将植物连根拔起，否则难以计数。之所以把草坪植物选为被测植物，主要是考察学生发现问题和解决问题的能力，而不是照搬教材。草坪植物有其独特的计数方式，也可通过“重要值”来进行物种多样性的调查[4]。

2.4 户外调查实验活动学案的设计 考虑到学生识别植物时有困难，教师需事先准备好植物分类图鉴，即样方地中出现的植物物种图片、名称等内容，地形图(样方地位置)、时间安排表、实验数据统计表和样方法实施细则在课前以学案的形式发给学生，让学生在课前预习实验原理和方法。

样方法的操作过程、估算种群密度的过程，可能会掺入学生的主观因素，因采用的是小样本，在估算时就有误差。因此，要强调学生注意：①提醒取样的关键是要做到随机取样，如果刻意选择有较多被测植物的地方，无意中会增大被选择该植物的统计频率，会造成统计数值偏大。②不管样方大小如何，无论采用哪一种取样方法，最终都要对样方中个体进行正确计数。采用“五点取样法”时，样方内植物个体数量统计遵循“样方内部个体全部统计、压在边界上的植物只随机统计相邻两边及其相邻的那个夹角”[5]。③采用五点取样法或等距取样法确定样方位置后，用卷尺量好距离。一般调查双子叶草本植物的样方面积为1 m2。“等距取样法”需将样方地段按纵向分成若干等分，由抽样比率决定距离或间隔，然后按相等的距离或间隔抽取样方。如地段总长50 m，如果要等距抽取5个样方，那么抽样的比率为1/5。抽样距离为10 m，需要在每10 m的前1 m内进行取样。④由于常用的取样方法有“五点取样法”和“等距取样法”两种。“五点取样法”适用于调查地段为正方形草地，一般植物个体分布比较均匀的地形。“五点法”估算、“等距取样法”可适用于地段为长条形草地。

教师可选取两种典型的地形，让学生分别体验学习这两种取样的方法。

2.5 实验材料以及分组准备 绳子、一次性筷子(代替竹桩)、卷尺、笔、计算器、纸、植物分类图鉴、时间安排表和实验数据统计表等。一般5位学生分为一组，每块样方地安排2组学生，3块样方地共6组，分别编为A1、A2、B1、B2、C1和C2。为了节省调查时间，课前请各小组组长带领组员，根据学案自学的内容选取并圈好样方地。

3 校园户外实践

3.1 新课的引入 教师先出示校园植物样方地的图片，请学生推测：“3块样方地中哪个物种多样性最高呢？”请学生通过实验来验证自己的推测。接着，带领学生去校园指定的样方地点开展户外调查，通过小组合作的形式对调查实验结果进行统计与分析。

教师要注意以下方面：①采样时要关注学生的操作方式是否得当，及时纠正；②随时留意学生的安全，避免发生意外的伤害事故；③通过协调组员的分工情况，提高小组合作学习的效率。

3.2 交流与讨论 按照约定时间，师生返回课堂展开交流与讨论。先请各小组展示户外调查数据(表1)。

表1 各小组户外调查记录数据统计表(表中个体数分别是样方地的A1、A2、B1、B2、C1和C2)

教师根据学生的数据记录提问：“根据3块样方地的6组数据，请总结影响辛普森指数的因素是什么？”引导学生找出影响辛普森多样性指数的两个因素，即物种均匀度和丰富度。接着，再提问：“为什么同一样方地不同小组数据记录会不一样？”引导学生总结实验操作时人为因素和实验方法等因素造成的误差。此时，教师可适当补充“重要值”的概念，即草坪植物的计数有其独特的方式，并告知学生在实际生态学研究时，还有其他的指标可用来估算草坪植物的数目。通过充分地交流与讨论，让学生感悟到在从事生物科学研究时，科学方法和科学态度的重要性。

该节课的教学内容看似不多，但教学环境复杂，耗时较长。因此，教师“控时”和“控班”能力是完成教学既定目标的保证。