“探究温度对金鱼呼吸频率的影响”实验的改进

罗柳青

[摘 要]探究非生物因素对生物的影响实验是初中探究初体验，科学探究和理性思维的初步渗透十分重要。然而已有资料中的实验方法不够合理，因此对“探究温度对金鱼呼吸频率的影响”实验进行改进十分必要。文章在提出真实的问题情境后，设置问题串，引导学生理性思考合理的实验步骤，利用连通器原理进行水浴换水改变水温的方法，做到严格控制单一变量——水温，以及进行其他科学性设计，分析结果和交流，也探讨了指标选择的优化，完成完整科学探究，以求培育学生的核心素养。

[关键词]实验改进;温度;金鱼呼吸频率;影响

“探究非生物因素对生物的影响”是初中生物的第一个探究性实验，旨在让学生体会探究的一般过程，总结领会非生物因素影响生物，这对学生科学探究能力和科学思维的培养有重要作用。该实验是生物学学科核心素养之科学探究能力培育落地的一个契机，即在真实情境中，观察到某生物如金鱼，金鱼对水温等非生物因素有所影响，基于此进行提问、实验方案设计、实验方案实施以及对实验结果的交流与讨论，小组合作实验，体验探究的一般过程。

一、实验实施情况

人教版教材对“探究非生物因素对生物的影响”给出的具体案例是“探究温度对鼠妇生活的影响”，而对“探究温度对金鱼呼吸频率的影响”没有具体的探究步骤，教师参考书中的“活动建议”栏虽有提及[1]，但细究发现有不少需要改进的地方。教参中“250 mL装3条金鱼”的步骤不太符合实际，250 mL烧杯对3条金鱼而言空间相对狭窄，鱼和鱼以及鱼和杯壁之间触碰概率大，鱼难以保持安静状态;“在大烧杯中加热水升温至25 ℃”以升高水温，该操作实际改变了2个变量，即水温和水量，“在玻璃缸中加冰块每降5 ℃记录一次”变温梯度多，课堂实际操作困难。在理性思维方面，没有足够的体现和重视。

罗丽娟等[2-3]利用“微课引领，任务驱动”的教学模式，以课堂微课形式探究光对鼠妇分布的影响，再设计问题串探究温度对金鱼呼吸频率的影响，并对实验进行了改进，但是控制水温同时也改变了水量，仍旧需要适当改进。总体上，没有在理性思维、科学性、重复平行和单一变量原则等方面给出行之有效的方法。此外，也有利用黄粉虫、蚯蚓等来探究非生物因素对生物的影响的[4-5]。除了线下实验课，网络微课有诸多便利之处，课堂探究“光对鼠妇分布的影响”分组实验，再以微课形式进行“温度对金鱼呼吸频率的影响”探究体验，本实验的混合式教学具有可行性。以下为“探究温度对金鱼呼吸频率的影响”的实验教学过程，课堂教学和微课复习均适用。

二、实验改进

1.提出问题

起源于我国的观赏鱼——金鱼，已陪伴人类生活了十几个世纪，金鱼总是生活在水中，水温对金鱼是否有影响？生物需要进行呼吸，用呼吸频率为测量指标体现金鱼的生活具有科学性。鱼用鳃呼吸，往透明鱼缸中滴加青菜汁，观察青菜汁的流动方向为：从口进从鳃出，口鳃交替张合，用金鱼每分钟鳃的闭合次数来计算金鱼的呼吸频率。提出具体问题：温度会影响金鱼的呼吸频率吗？

2.做出假设

根据许多水族箱有随时记录水温甚至控温的经验，做出假设：水温对金鱼的呼吸频率有影响。观察金鱼用鳃呼吸，认同每分钟鳃的闭合次数来计算金鱼的呼吸频率的方法。

3.制订计划

用1000 mL大烧杯装健康的、品种大小一致的金鱼3条（避免偶然性因素），使金鱼依次在低于常温（15 ℃）、常温（25 ℃）、高于常温（35 ℃）的水中生活，保持除水温外其他条件均相同，每个水温条件下，计算每条金鱼的呼吸频率。把握科学探究流程，对照实验设计原则，设计如下问题串，并逐个击破。

问题1：用什么判断温度？

A.温度计                   B.手感

问题2：如何改变水温且保持其他条件一致？

A.往水中加冰块或加热水

B.将大烧杯连着鱼整體水浴降温或升温

问题3：什么时候开始计算呼吸频率，为什么？

A.温度达到要求即可

B.温度达到要求，且鱼处于安静状态

问题4：为了减小误差，在每组温度下，针对每条金鱼该如何计数更为准确？

A.1组温度计算3次取均值即为金鱼该温度下的呼吸频率

B.1组温度计算1次即为金鱼该温度下的呼吸频率

问题5：如何做到不动烧杯（不惊扰金鱼）、不更换烧杯的水（不改变水体积），只改变烧杯内的水温呢？

展示水浴变温换水装置（如图1），进行操作：将金鱼放入[1000 mL]大烧杯中，连同烧杯放入水槽中，记下水槽的水位。通过改变水槽内的水温而改变烧杯内的水温，注意更换不同温度的水前后不移动大烧杯，且保持水槽水位不变。具体的换水方法是：利用虹吸原理（连通器原理），将出水软管装满水，堵住两端，一头伸入水槽中，一头引出到水池中，且软管口在水槽的高度应高于吹水方向。

4.实施计划

按计划规范操作，将每组温度里每条鱼的三次计数的均值数据填入表1中。

5.得出结果

3条金鱼在15 ℃、25 ℃、35 ℃温度下呼吸频率均值分别是76次/分、95次/分、171次/分（如图2），说明温度对金鱼的呼吸频率有影响，在15 ℃～35 ℃范围，温度越高，呼吸越快。

6.讨论与交流

查阅资料，对比实验数据和文献中的数据有无相似性，并分析原因。实验过程中还有哪些注意事项？例如实验时温度计的使用，移动烧杯时的动作、保持安静等。

后续跟踪观察，3条金鱼经过变温实验，24小时后，仍健康地活着，从非生物因素和生物之间的关系考虑，还说明了什么问题？说明金鱼可以适应一定的温度变化，即生物可以适应一定的环境。

三、反思和展望

1.重复平行原则

实验亲做，数据真实可靠，演示到位，先用表再用图的方式展现实验结果，结果更为直观，结论科学。强调用3条鱼，而不是单纯的只使用1条鱼计算3次呼吸频率，前者是样本重复，属于重复实验，减少偶然性，而后者是为了降低计算误差的重复工作，后者不属于统计学上的重复实验。

2.数据分析改进

对金鱼在不同温度下的呼吸频率做单因素方差分析表明：35 ℃分别与15 ℃、25 ℃差异显著（P < 0.05），而15 ℃、25 ℃差异不显著（P > 0.05）（如图2）。实际上，品种大小均一致的3条金鱼，在同一温度下的呼吸频率仍旧存在组内差异。若以每条金鱼自身对照，以不同温度和25 ℃的呼吸频率差值百分比为指标（如图3）分析，不同温度组之间差异显著（P < 0.05）。因此，从降低组内个体差异角度考虑，可选择自身对照方法，分析呼吸频率的百分差值比。

3.课堂实施

连通器原理和水浴法渗透了不同理科之间的交叉，如能做好引导，对发展学生科学思维也是一个很好的契机。此外，微课和传统课堂授课有所区别，对于学生而言，微课主要是教师引导，学生有思考，但难以互动反馈。因此，在微课中需要适当留有时间给学生思考。厦门市连续8届微课程建设中就有不少微课资源，微课程除了视频还有明确的学习任务点，可自动批改的微检测等，在不可控因素无法在线下课堂授课时，网络微课不失为一个好办法。有条件的学校可以直接在课堂进行应用，因为有设置温度梯度，结合七年级学生动手能力不够强等学情，每组只做两个温度组，如一、二大组进行常温和低温实验;三、四大组进行常温和高温实验，提高效率。

[   参   考   文   献   ]

[1]  朱正威， 赵占良， 吴成军，等. 义务教育教科书生物学七年级上册教师教学用书[M].北京：人民教育出版社， 2013.

[2]  罗丽娟， 朱毅鸿， 夏曙华. “微课引领——问题驱动”构建生物实验高效课堂：以探究“水温对金鱼呼吸频率的影响”一节教学为例[J].中学生物学，2018（4）：38-40 .

[3]  朱毅鸿， 夏曙华， 罗丽娟. 基于支架的初中生物探究性实验教学：以“探究水温对金鱼呼吸频率的影响”为例[J]. 實验教学与仪器， 2018（5）：26-28.

[4]  廖懂玲， 黄月云. 用蚯蚓替代鼠妇来探究“非生物因素对生物生活的影响”[J].生物学教学，2006（5）：54.

[5]  孔海艳. 探究“光照条件对黄粉虫分布的影响”实验的教学体会[J].生物学教学，2015（4）：38-39.

（责任编辑 黄春香）