在创新实验中发展学生科学探究能力<br/>——以“观察无壳鸡卵孵化”为例*

在创新实验中发展学生科学探究能力
——以“观察无壳鸡卵孵化”为例*

2021-07-01陈晓红杜尚兵

生物学通报 2021年9期

陈晓红杜尚兵

（1 四川省成都市双流中学实验学校四川成都 610200 2 成都市双流区教科院四川成都 610200）

《义务教育生物学课程标准（2011 年版）》指出：本世纪人类已进入生物科学和生物技术的新时代，生物科学的迅猛发展对社会和经济的发展日益显现巨大的推动作用，也影响到社会和个人生活的各个方面；当代社会发展的许多重大问题的解决又都依赖于生物科学技术的进一步发展。

生物学教学内容的选择要反映社会、经济和科技发展的需要，体现“科学、技术和社会”的思想。应当融生物科学、技术和社会于一体，充分体现科学、技术和社会的互动，反映生物科学的发展及其对社会发展和个人生活的影响。生物学教学要注重学生的发展和社会的需求，更多地反映生物科学和生物技术的最新进展，使学生能对生物学产生更浓厚的兴趣，对生物学有更深入的理解，对今后的职业选择和学习方向有更多的思考；能在探究能力、学习能力和解决问题能力方面有更好的发展；能在责任感、科学精神、创新意识和环境意识等方面得到提高。要让学生了解我国生物科学技术发展状况，形成爱祖国、爱家乡的情感，增强振兴祖国面貌的使命感和责任感[1]。

课程标准要求教师转变教学方式，多关注生物科学的最新进展，尝试将教学内容与生物科学最新研究成果相结合，创造性地进行教学。本文以创新实验“观察无壳鸡卵孵化”为例，说明如何结合科学热点进行实验改进，以及怎样引导学生进行自主探索。

1 实验改进的由来

2018 年8 月13 日，央视大型科普节目《加油！向未来》揭秘了我国第1 只无壳孵化小鸡的诞生过程，引起了学生的极大兴趣和关注。联系到《生物学》教材8 年级上册第6 单元“生命的延续”第19 章“生物的生殖和发育”第2 节“动物的生殖和发育”中有2 个活动：“观察鸟卵的结构”和“孵化鸡卵”，设想如果将这2 个活动与无壳孵化实验相结合，学生就能直观地观察到胚胎发育的整个过程，对鸡卵的结构和胚胎发育的特点也会有更深刻的理解。因此，笔者组织了7 年级兴趣小组学生进行了实验改进的尝试。

2 实验改进的准备

1）学生自主查阅资料，了解无壳孵化实验。2）通过解剖观察鸡卵，认识鸡卵的结构及各部分结构的功能。

3）通过热水泡鸡蛋卵壳上出现气泡的实验，说明卵壳上有气孔；通过醋泡鸡蛋，卵壳上产生大量的气泡，说明卵壳的主要成分是碳酸钙，与醋发生化学反应，产生二氧化碳，从而明确卵壳的作用除了抑菌保护，还有补充钙质和通氧透气。

4）设计实验装置图和观察记录表。

3 实验器材的准备

实验器材包括孵化箱、受精的鸡蛋（种蛋）、无菌塑料杯、抑菌水、保鲜膜、乳酸钙、重蒸水、酒精灯、玻璃棒等。其中抑菌水、保鲜膜、乳酸钙能替代卵壳的作用。

塑料杯、抑菌水、保鲜膜及乳酸钙的种类很多，原实验只提供了主要步骤，并未说明具体使用哪一种材料器具。学生只能通过查阅资料、做对比实验，从而对器材进行选择。

抑菌水：学生选择了一种刺激性特别小，具有很好的消毒和杀菌作用的新洁尔灭溶液作为抑菌水。

乳酸钙：选用更容易吸收，价格更便宜，可用于做实验的L-乳酸钙。

保鲜膜：选用最轻薄透明、安全无毒的PMP保鲜膜，由于保鲜膜需要拉成鸡蛋的形状，学生设计并制作了简易的拉膜器（图1、图2、图3）。

图1 自制简易拉膜器

图2 3D 打印拉膜器

图3 改进后的拉膜器

原实验中使用硬塑料杯，开通氧孔很不方便，改用了软塑料杯，用加热的玻璃棒开通氧孔，简化了实验。器材灭菌：使用实验室的高压灭菌锅。后期输氧：使用家用输氧机。

4 实验步骤

1）将种蛋预孵2～3 d。

2）将材料器具进行灭菌、消毒。

3）在塑料杯上开通氧孔，塞上脱脂棉，加入40 mL 浓度为0.01 mol/L 的抑菌水。

4）将保鲜膜拉成鸡蛋的形状，加入少量乳酸钙、重蒸水。

5）将鸡蛋壳小心剪开，内容物倒入保鲜膜中。将保鲜膜兜在塑料杯中，内容物悬空，扎上橡皮筋。

6）在保鲜膜边缘烫出几个小孔，盖上杯盖，放入孵化箱。从第17 天起，给鸡胚胎额外输氧。

7）每天进行观察、记录，拍摄胚胎发育的过程。

5 问题分析与实验改进

通过6 次无壳孵化实验的尝试，引导学生不断发现问题并进行实验改进。

第1 次实验：使用13 个种蛋，其中4 个未受精，9 个在前8 天陆续死亡。推测实验失败的原因：通氧孔位置偏低、翻蛋器翻蛋角度过大，导致抑菌水和卵黄漏出。改进：调整通氧孔位置，调节翻蛋角度。

第2 次实验：使用13 个种蛋，2 个未受精，8 个前7 天陆续死亡，2 个在第10 天死亡，最后一个到第18 天死亡。推测实验失败的原因：1）发育的胚胎都远离光源，离光源近的胚胎都较早死亡，可能光对胚胎发育有影响；2）胚胎前期死亡率高，是否抑菌水无效甚至对胚胎有毒害作用？改进：1）关掉孵化箱内的照明灯，并对孵化箱的观察窗进行遮光处理；2）设置对照实验：9 个孵化杯中，3 个加抑菌水，3 个加浓度为5%的酒精、3 个不加抑菌水。结果：未加抑菌水的3 个胚胎分别于第3 天、第4 天死亡；加浓度为5%的酒精的胚胎分别于当天、第2 天死亡；加抑菌水的胚胎继续发育。说明选用的抑菌水对无壳孵化非常重要，酒精虽然有杀菌的作用，但由于刺激性过强，会导致胚胎死亡。

第3 次实验：使用13 个种蛋，3 个未受精，5 个前7 d 陆续死亡，4 个在第10 天死亡，1 个到第21天死亡。推测实验失败的原因：1）通过查阅资料了解到，孵化的前几天很关键，胚胎对环境的变化非常敏感。为了观察，学生频繁打开孵化箱、拿出孵化杯，引起温度、湿度突然改变，对胚胎发育有很大的影响；2）小鸡出膜也是一个难关，需要在发育第19～20 天进行人工助产。改进：1）使用红外夜视摄像头代替人进行观察（图4），通过手机监测胚胎发育情况，从而减少打开孵化箱的时间和频率；使用摄像头也提高了拍摄清晰度（图5）；2）制作固定杯架，实现自动翻蛋，避免人工翻蛋导致温度、湿度的改变；3）到第19～20 天，根据胚胎发育情况，进行出膜助产。

图4 用红外夜视摄像头拍摄

图5 夜视摄像头拍摄效果

第4 次实验：使用13 个种蛋，大部分胚胎仍然在前期死亡，有2 个胚胎继续发育到第21 天，出膜前死亡。推测实验失败的原因：胚胎发育前期死亡率高，可能是由于孵化温度偏低。改进：将孵化箱自动设置的温度37.8℃调高至38.2℃。

第5 次实验：13 个种蛋，2 个未受精，3 个7 d前死亡，其他胚胎继续发育，但14 d 后陆续死亡，最后2 个发育到第21 天，但卵黄未完全吸收，进行人工助产，开膜后很快死亡。推测实验失败的原因：1）适当提高孵化温度极大改善了胚胎前期死亡率高的情况，说明温度确实是影响胚胎发育最重要的因素之一，但较高的温度又会引起了胚胎后期的死亡；2）可能无壳孵化的胚胎发育较慢，到第21 天仍没有发育成熟，不能进行人工助产。改进：1）进行变温孵化，1～7 d 38.2℃，8～16 d 37.8℃，17～21 d 37.6℃。同时，到胚胎发育后期，适当增大湿度；2）监测胚胎发育情况，等卵黄吸收完全，再进行开膜助产。

通过不断改进实验器材和方法后，进行了第6 次实验。本次用了13 个种蛋，3 个未受精，4 个在14 d 前陆续死亡，6 个发育到第21 天，实验的情况比前几次有很大的改善。但小鸡到后期生命力逐渐减弱，开膜后仍然很快死亡。通过查阅资料了解到：科研人员做实验时，也出现了胚胎发育到第10 天大批死亡的现象，实验的成功率仅高于1/15。所以，无壳孵化实验确实有一定难度。虽然实验多次失败，但学生在失败中不断反思、研究、总结，不断发现问题、解决问题，不断改进实验器材和方法，使得实验结果也不断改善，在一步步地向成功靠近，尤其是最后一次接近成功的实验体验极大增强了学生继续实践的信心[2]。

6 实验成果及意义

1）录制孵化视频，作为教学素材展示给学生，让学生清晰地观察到小鸡胚胎发育的整个过程。第1 天：胚胎还只是一个“小白点”，即胚盘。第3 天：胚盘处出现了肉眼可见的血管和心跳。第4 天：胚胎出现了眼睛。第7 天：尿囊明显可见，胚胎从“小白点”长成“小肉球”，卵白减少。第9 天：胚胎雏形明显，血管丰富，尿囊增大。第11 天：血管加粗，头部轮廓清晰可见（图6）。第12天：胚胎初步成型，卵黄减少。第13 天：各个器官发育明显，能清晰地观察到喙、翅、胫部、脚和脚趾等（图7）。第15 天：长出了眼睑，能观察到眼睑开合。第16 天：羽毛长长，覆盖全身，卵黄继续减少（图8）。第17 天：尿囊液减少，由于胚胎产生了大量的废物而变浑浊。开始给小鸡额外输氧，保证后期正常发育。第19 天：卵黄继续减少，胚胎活动减少。第20 天：卵黄大部分被吸收。第21 天：小鸡的喙伸出尿囊膜，启动肺呼吸，发出第1 次叫声。通过视频，学生能清楚地观察到小鸡是由胚盘发育而来，卵黄和卵白提供营养。这样使教学更生动直观，更能激发学生的兴趣。