第頁(yè)調(diào)查廈門鰲園海灘招潮蟹的種群密度及其分布特點(diǎn)——基于解決真實(shí)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)探究方案廈門集美中學(xué)汪會(huì)喆使用教材人民教育出版社普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)生物必修3?穩(wěn)態(tài)與環(huán)境?第4章第1節(jié)“種群的特征〞中的探究實(shí)驗(yàn)——用樣方法調(diào)查生物的種群密度。二、實(shí)驗(yàn)器材與試劑自制取樣框、取樣標(biāo)記簽、篩子、鐵鍬、卷尺、繩子、水桶、石膏粉、清水三、實(shí)驗(yàn)改良要點(diǎn)基于“培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)問(wèn)題的能力，開(kāi)展學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)〞的目標(biāo)，我們對(duì)“用樣方法調(diào)查草地中某種雙子葉植物的種群密度〞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改良：調(diào)查對(duì)象及調(diào)查方法的創(chuàng)新結(jié)合本校為海濱學(xué)校的實(shí)際情況，我們選擇以動(dòng)物〔招潮蟹〕代替課本建議的某雙子葉植物為調(diào)查對(duì)象。創(chuàng)造性地使用樣方法對(duì)“潮間帶清道夫〞——招潮蟹進(jìn)行種群密度的調(diào)查，既具有濃厚的外鄉(xiāng)特色，又能高度激發(fā)學(xué)生關(guān)注生態(tài)，保護(hù)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任感。實(shí)驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新用“石膏塑形法〞研究招潮蟹的巢穴形態(tài)，確定了取樣的深度；通過(guò)使用專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件medcalc對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定了調(diào)查招潮蟹種群密度的最正確取樣面積。課程理念與形式的創(chuàng)新高度貫徹了教育部教育裝備研究與開(kāi)展中心曹志祥主任提倡的“未來(lái)教育，要培養(yǎng)在真實(shí)環(huán)境下解決復(fù)雜問(wèn)題的人〞的理念，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了真實(shí)的問(wèn)題情境，培養(yǎng)了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)還打通了課內(nèi)和課外的界限，拓展了課堂的外延。四、實(shí)驗(yàn)原理1．標(biāo)志重捕法適用于活動(dòng)能力強(qiáng)，活動(dòng)范圍大的動(dòng)物；而樣方法適用于某些植物及活動(dòng)能力弱，活動(dòng)范圍小的動(dòng)物。本實(shí)驗(yàn)調(diào)查的招潮蟹雖然活動(dòng)能力較強(qiáng)，但由于其營(yíng)穴居生活，活動(dòng)半徑很小，更適宜以樣方法調(diào)查其種群密度。2．液體石膏具有良好的流動(dòng)性及較快的凝固時(shí)間，可用于對(duì)招潮蟹巢穴形態(tài)進(jìn)行塑形研究。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)〔一〕知識(shí)與技能1．列舉種群的根本特征；2．概述樣方法與標(biāo)志重捕法調(diào)查種群密度的適用范圍和操作要點(diǎn)。過(guò)程與方法1．能結(jié)合文獻(xiàn)檢索的方法，制定調(diào)查某物種種群密度的實(shí)驗(yàn)方案；2．能利用數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；3．能通過(guò)小組合作，利用樣方法完成對(duì)某物種種群密度的調(diào)查。〔三〕情感態(tài)度與價(jià)值觀1．通過(guò)設(shè)計(jì)和完成實(shí)驗(yàn)，體會(huì)科學(xué)研究的方法，產(chǎn)生對(duì)生物科學(xué)研究的興趣，逐步樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度；2．通過(guò)分析招潮蟹分布特征，初步形成生物與環(huán)境相適應(yīng)的生命觀念；3．通過(guò)對(duì)具有外鄉(xiāng)特色的招潮蟹的調(diào)查，增強(qiáng)關(guān)注家鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境的意識(shí)；4．在小組探究合作過(guò)程中，增強(qiáng)探究意識(shí)和合作意識(shí)，形成團(tuán)隊(duì)合作觀念。六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容“用樣方法調(diào)查生物的種群密度〞是人教版高中生物必修3第4章第1節(jié)“種群的特征〞一節(jié)中設(shè)置的一個(gè)探究型實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生理解調(diào)查種群密度的實(shí)踐意義，掌握使用樣方法調(diào)查種群密度的根本方法。本實(shí)驗(yàn)以弧邊招潮為調(diào)查對(duì)象，通過(guò)樣方法調(diào)查廈門鰲園海灘弧邊招潮的種群密度及其分布特點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中遇到了以下問(wèn)題：1．如何選擇適宜的調(diào)查方法？2．如何確定招潮蟹的巢穴形態(tài)？3．如何確定取樣面積？對(duì)此我們進(jìn)行了一一探究，利用文獻(xiàn)檢索、石膏塑形、數(shù)據(jù)軟件分析等方法解決了這些問(wèn)題，最終計(jì)算出了廈門集美鰲園海灘弧邊招潮的種群密度并繪制出其空間分布圖。同時(shí)還對(duì)弧邊招潮的性別比例進(jìn)行了拓展研究。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程1．調(diào)查對(duì)象的選擇結(jié)合海濱學(xué)校的本地的實(shí)際，我們選擇調(diào)查招潮蟹的種群密度。招潮蟹是一種廣泛分布在我國(guó)海灘的一種蟹類，是潮間帶重要的組成物種，以海灘上的碎屑為食，是“潮間帶清道夫〞，其攝食、爬行和挖掘行為對(duì)潮間帶的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)有重要的意義，被譽(yù)為“潮灘濕地的生態(tài)系統(tǒng)工程師〞。同時(shí)其生活對(duì)海水水質(zhì)要求嚴(yán)格，其種群密度可反響海水污染的程度。因此調(diào)查其種群密度具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)文獻(xiàn)檢索以及實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)廈門鰲園海灘有弧邊招潮〔Ucaarcuata〕和清白招潮〔Ucalacteus〕兩種招潮蟹，但清白招潮數(shù)量極其稀少，因此本實(shí)驗(yàn)確定弧邊招潮為調(diào)查對(duì)象。2．制定實(shí)驗(yàn)方案確定了調(diào)查對(duì)象之后，學(xué)生便嘗試制定實(shí)驗(yàn)方案。首先進(jìn)行文獻(xiàn)檢索和閱讀，然后在課外對(duì)招潮蟹進(jìn)行實(shí)地考查，制定了初步實(shí)驗(yàn)方案，提出了調(diào)查的方法，取樣方法的建議及可能會(huì)遇到的問(wèn)題，經(jīng)討論修正后確定了最終的實(shí)驗(yàn)方案。3．調(diào)查方法確實(shí)定圖1招潮蟹洞穴圖標(biāo)志重捕法適用于活動(dòng)能力強(qiáng)，活動(dòng)范圍大的動(dòng)物；而樣方法適用于某些植物及活動(dòng)能力弱，活動(dòng)范圍小的動(dòng)物。招潮蟹的活動(dòng)能力雖然較強(qiáng)，但其營(yíng)穴居生活〔圖1〕，經(jīng)文獻(xiàn)查閱和興趣小組的實(shí)地觀察發(fā)現(xiàn)其有固定的巢穴，活動(dòng)半徑小，一般不超過(guò)其洞穴半徑的1m。根據(jù)其生活特點(diǎn)，假設(shè)以標(biāo)志重捕法那么圖1招潮蟹洞穴圖4．樣方的選擇圖2樣方示意圖選擇學(xué)校旁邊的廈門集美鰲園旁的海灘為樣地進(jìn)行調(diào)查。該地海灘地勢(shì)平坦且有大量招潮蟹的分布，興趣小組進(jìn)行實(shí)地考察，通過(guò)目測(cè)發(fā)現(xiàn)，距海岸線的距離不同招潮蟹的分布有差異，在距海岸線的末端招潮蟹分布的邊緣地帶其密度明顯較少，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)招潮蟹的分布范圍為至低潮時(shí)水位線約50m處。根據(jù)樣地特點(diǎn)，設(shè)定退潮時(shí)最低水位線為0m線，在0m、10m、20m、30m、40m、50m處分別進(jìn)行取樣，在每一樣線內(nèi)每隔10m取樣一次，共取100m，最后在50m×100m的樣方內(nèi)共取66個(gè)樣點(diǎn)〔如圖2圖2樣方示意圖5．計(jì)數(shù)方法的選擇如何對(duì)招潮蟹進(jìn)行計(jì)數(shù)？學(xué)生提出能否依據(jù)招潮蟹在沙灘上的洞穴數(shù)，進(jìn)行“數(shù)穴計(jì)數(shù)法〞，以洞穴數(shù)來(lái)表示招潮蟹的數(shù)目。興趣小組進(jìn)行了預(yù)調(diào)查，調(diào)查過(guò)程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)存在著一穴多蟹的現(xiàn)象〔如圖3〕。隨后，有學(xué)生提出漲退潮會(huì)將沙灘外表的穴孔覆蓋，人類對(duì)洞穴有踐踏破壞的行為，經(jīng)文獻(xiàn)的檢閱，圖3一穴多蟹現(xiàn)象學(xué)生發(fā)現(xiàn)招潮蟹有特珠的“封洞行為〞。據(jù)于這些理由，將“數(shù)穴計(jì)數(shù)法圖3一穴多蟹現(xiàn)象后有學(xué)生提出能否利用“挖掘法〞，將樣方下的沙子掘后，對(duì)其中的招潮蟹進(jìn)行逐個(gè)計(jì)數(shù)。隨后馬上有同學(xué)提出疑問(wèn)，我們挖掘的深度多少適宜？學(xué)生通過(guò)上網(wǎng)查找資料，未能發(fā)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后我們的興趣小組對(duì)招潮蟹的巢穴形態(tài)進(jìn)行了研究。圖4弧邊圖4弧邊招潮洞穴模型用清水和石膏粉配置液體石膏〔水：石膏約為1：1.5〕，將現(xiàn)配的液體石膏注入招潮蟹的洞穴之中，待其凝固后得到了其洞穴的結(jié)構(gòu)模型〔如圖4〕。對(duì)大量的模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該樣地內(nèi)弧邊招潮巢穴深度一般不超過(guò)20cm，因此確定樣方的挖掘深度為20cm。7．計(jì)數(shù)方法確實(shí)定通過(guò)以上的討論和研究，為“挖掘法〞提供了理論的依據(jù)，學(xué)生確定了計(jì)數(shù)的方法：取樣，將樣方下的近20cm的沙子掘出，放入篩網(wǎng)中，在海水中過(guò)濾掉沙子，再對(duì)樣方內(nèi)的招潮蟹進(jìn)行逐個(gè)計(jì)數(shù)〔如圖5〕。圖圖5計(jì)數(shù)方法示意圖8．取樣面積的選擇樣方的大小多少適宜？樣方越大結(jié)果越準(zhǔn)確，但是工作量也相應(yīng)越大。樣方太小，隨機(jī)性太大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性下降。文獻(xiàn)檢索沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，我們使用鐵絲制作了邊長(zhǎng)分別為20cm、30cm、40cm、50cm的正方形取樣框進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。在同一區(qū)域內(nèi)分別用4種規(guī)格的樣方進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共統(tǒng)計(jì)10個(gè)區(qū)域。得到如下數(shù)據(jù)：表1各取樣框在10個(gè)樣地的取樣數(shù)據(jù)種群密度〔只/m2〕區(qū)域1區(qū)域2區(qū)域3區(qū)域4區(qū)域5區(qū)域6區(qū)域7區(qū)域8區(qū)域9區(qū)域1020cm×20cm5551375471605241834630cm×30cm7863758076736571736040cm×40cm8168587671727785646250cm×50cm86668178798073757971指導(dǎo)學(xué)生使用medcalc數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，50cm×50cm樣方的結(jié)果應(yīng)最接近真實(shí)值。我們將各組數(shù)據(jù)與50cm×50cm的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和T檢驗(yàn)，并作出數(shù)據(jù)分布圖，得到如下結(jié)果〔表2-4，圖6-8〕：圖圖620cm*20cm與50cm*50cm數(shù)據(jù)分布比擬表220cm*20cm樣方數(shù)據(jù)分析結(jié)果20cm*20cm50cm*50cm采樣尺寸1010算術(shù)平均值5576.895%CI平均值45.1915-64.808572.7281-80.8719方差18832.4標(biāo)準(zhǔn)偏差13.71135.6921平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差4.33591.8等方差的F檢驗(yàn)P=0.015T檢驗(yàn)〔假設(shè)等方差〕差異21.8標(biāo)準(zhǔn)誤差4.6947差異的95%CI11.9368-31.6632檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)t4.644自由度〔DF〕18雙側(cè)概率P=0.0002圖圖730cm*30cm與50cm*50cm數(shù)據(jù)分布比擬表330cm*30cm樣方數(shù)據(jù)分析結(jié)果30cm*30cm50cm*50cm采樣尺寸1010算術(shù)平均值71.476.895%CI平均值66.6405-76.159572.7281-80.8719方差44.266732.4標(biāo)準(zhǔn)偏差6.65335.6921平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差2.1041.8等方差的F檢驗(yàn)P=0.650T檢驗(yàn)〔假設(shè)等方差〕差異5.4標(biāo)準(zhǔn)誤差2.7689差異的95%CI-11.6344檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)t1.95自由度〔DF〕18雙側(cè)概率P=0.0669圖8圖840cm*40cm與50cm*50cm數(shù)據(jù)分布比擬40cm*40cm50cm*50cm采樣尺寸1010算術(shù)平均值71.476.895%CI平均值65.2537-77.546372.7281-80.8719方差73.822232.4標(biāo)準(zhǔn)偏差8.5925.6921平均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差2.7171.8等方差的F檢驗(yàn)P=0.236T檢驗(yàn)〔假設(shè)等方差〕差異5.4標(biāo)準(zhǔn)誤差3.2592差異的95%CI-13.6946檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)t1.657自由度〔DF〕18雙側(cè)概率P=0.1149由上述結(jié)果可以看出20cm×20cm樣方與50cm×50cm樣方的方差P值小于0.05，差異顯著，T檢驗(yàn)結(jié)果小于0.01，差異非常顯著；而30cm×30cm樣方、40cm×40cm樣方與50cm×50cm樣方的方差分析結(jié)果P值均大于0.05，無(wú)顯著差異，T檢驗(yàn)結(jié)果均大于0.05，無(wú)顯著差異。因此，我們可以得出20cm×20cm樣方與真實(shí)結(jié)果差異較大，后三組無(wú)顯著差異。綜合考慮得出：樣方大小為30cm×30cm最為適宜。9．學(xué)生實(shí)施實(shí)驗(yàn)首先，興趣小組完成樣方的劃分和標(biāo)記工作；再分組實(shí)驗(yàn)，每組4-5人，共10組，每組完成6-7個(gè)樣方。實(shí)驗(yàn)完成后匯總數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，得出結(jié)論，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果匯報(bào)。10．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論匯總各組數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)果〔表5〕：表5各取樣點(diǎn)弧邊招潮數(shù)量1234567891011均值0m8610796103485.610m8851061270475.320m65110008126865.630m3972008811214.640m574000755944.250m108445251153.3統(tǒng)計(jì)得出該樣地弧邊招潮的種群密度約53只/m2。作出其空間分布圖〔圖9〕：圖9樣方內(nèi)弧圖9樣方內(nèi)弧邊招潮的空間分布圖由圖可知，樣方內(nèi)的弧邊招潮有集群分布的特點(diǎn)。結(jié)合招潮蟹的生境進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)弧邊招潮喜歡生活在泥沙混合的土壤條件中，這可能與其食物條件和棲息環(huán)境有關(guān)，表達(dá)了生物與環(huán)境相適應(yīng)的現(xiàn)象。11．拓展研究①將所捕獲的弧邊招潮統(tǒng)計(jì)其性別：雄性246只，雌性69只，雄雌比約為3.6：1.②興趣小組使用標(biāo)志重捕法統(tǒng)計(jì)了30m樣線處的種群密度：在30m樣線附近的100m2內(nèi)捕獲標(biāo)記53只弧邊招潮，兩天后重捕65只，其中3只有標(biāo)記，經(jīng)計(jì)算得出該樣方內(nèi)種群密度約為11.5只/m2。而經(jīng)樣方法統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)弧邊招潮的種群密度約為51只/m2。兩者差異很大，與我們之前的分析相匹配。實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的激發(fā)：本實(shí)驗(yàn)探究的是“真問(wèn)題〞和“真情境〞，特別有利于激發(fā)學(xué)生的探究熱情，雖然實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，但是學(xué)生們都積極主動(dòng)地要求開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，參與實(shí)驗(yàn)的熱情特別高漲。2．科學(xué)探究素養(yǎng)的提升：學(xué)生在檢索文獻(xiàn)后，分析發(fā)現(xiàn)未有對(duì)招潮蟹種群密度進(jìn)行研究的先例，于是自主設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)方案，包括：做出假設(shè)和預(yù)期、