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視頻課題：第五屆全國高中生物實驗教學說課視頻錄像《調查廈門鰲園海灘招潮蟹的種群密度及其分布特點》
教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國高中生物實驗教學說課視頻錄像《調查廈門鰲園海灘招潮蟹的種群密度及其分布特點》廈門集美中學高中生物
調查廈門鰲園海灘招潮蟹的種群密度及其分布特點
——基于解決真實問題的實驗探究方案
廈門集美中學 汪會喆
一、使用教材
人民教育出版社普通高中課程標準實驗教科書生物必修3《穩態與環境》第4章第1節“種群的特征”中的探究實驗——用樣方法調查生物的種群密度。
二、實驗器材與試劑
自制取樣框、取樣標記簽、篩子、鐵鍬、卷尺、繩子、水桶、石膏粉、清水
三、實驗改進要點
基于“培養學生解決真實問題的能力，發展學生生物學科核心素養”的目標，我們對“用樣方法調查草地中某種雙子葉植物的種群密度”實驗進行如下改進：
1．調查對象及調查方法的創新
結合本校為海濱學校的實際情況，我們選擇以動物（招潮蟹）代替課本建議的某雙子葉植物為調查對象。創造性地使用樣方法對“潮間帶清道夫”——招潮蟹進行種群密度的調查，既具有濃厚的本土特色，又能高度激發學生關注生態，保護環境的社會責任感。
2．實驗技術的創新
用“石膏塑形法”研究招潮蟹的巢穴形態，確定了取樣的深度；通過使用專業數據分析軟件medcalc對預實驗的數據進行分析，確定了調查招潮蟹種群密度的最佳取樣面積。
3．課程理念與形式的創新
高度貫徹了教育部教育裝備研究與發展中心曹志祥主任提倡的“未來教育，要培養在真實環境下解決復雜問題的人”的理念，實驗中設置了真實的問題情境，培養了學生利用所學知識解決實際問題的能力。同時還打通了課內和課外的界限，拓展了課堂的外延。
四、實驗原理
1．標志重捕法適用于活動能力強，活動范圍大的動物；而樣方法適用于某些植物及活動能力弱，活動范圍小的動物。本實驗調查的招潮蟹雖然活動能力較強，但由于其營穴居生活，活動半徑很小，更適宜以樣方法調查其種群密度。
2．液體石膏具有良好的流動性及較快的凝固時間，可用于對招潮蟹巢穴形態進行塑形研究。
五、實驗教學目標
（一）知識與技能
1．列舉種群的基本特征；
2．概述樣方法與標志重捕法調查種群密度的適用范圍和操作要點。
（二）過程與方法
1．能結合文獻檢索的方法，制定調查某物種種群密度的實驗方案；
2．能利用數據分析軟件，對實驗數據進行分析處理；
3．能通過小組合作，利用樣方法完成對某物種種群密度的調查。
（三）情感態度與價值觀
1．通過設計和完成實驗，體會科學研究的方法，產生對生物科學研究的興趣，逐步樹立嚴謹的實驗態度；
2．通過分析招潮蟹分布特征，初步形成生物與環境相適應的生命觀念；
3．通過對具有本土特色的招潮蟹的調查，增強關注家鄉生態環境的意識；
4．在小組探究合作過程中，增強探究意識和合作意識，形成團隊合作觀念。
六、實驗教學內容
“用樣方法調查生物的種群密度”是人教版高中生物必修3第4章第1節“種群的特征”一節中設置的一個探究型實驗，旨在讓學生理解調查種群密度的實踐意義，掌握使用樣方法調查種群密度的基本方法。本實驗以弧邊招潮為調查對象，通過樣方法調查廈門鰲園海灘弧邊招潮的種群密度及其分布特點。在教學過程中遇到了以下問題：1．如何選擇合適的調查方法？2．如何確定招潮蟹的巢穴形態？3．如何確定取樣面積？對此我們進行了一一探究，利用文獻檢索、石膏塑形、數據軟件分析等方法解決了這些問題，最終計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。同時還對弧邊招潮的性別比例進行了拓展研究。
七、實驗教學過程
1．調查對象的選擇
結合海濱學校的本地的實際，我們選擇調查招潮蟹的種群密度。
招潮蟹是一種廣泛分布在我國海灘的一種蟹類，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、爬行和挖掘行為對潮間帶的物質循環和能量流動有重要的意義，被譽為“潮灘濕地的生態系統工程師”。同時其生活對海水水質要求嚴格，其種群密度可反應海水污染的程度。因此調查其種群密度具有重大的現實意義。
通過文獻檢索以及實際調查發現廈門鰲園海灘有弧邊招潮（Uca arcuata）和清白招潮（Uca lacteus）兩種招潮蟹，但清白招潮數量極其稀少，因此本實驗確定弧邊招潮為調查對象。
2．制定實驗方案
確定了調查對象之后，學生便嘗試制定實驗方案。首先進行文獻檢索和閱讀，然后在課外對招潮蟹進行實地考查，制定了初步實驗方案，提出了調查的方法，取樣方法的建議及可能會遇到的問題，經討論修正后確定了最終的實驗方案。
3．調查方法的確定
標志重捕法適用于活動能力強，活動范圍大的動物；而樣方法適用于某些植物及活動能力弱，活動范圍小的動物。招潮蟹的活動能力雖然較強，但其營穴居生活（圖1），經文獻查閱和興趣小組的實地觀察發現其有固定的巢穴，活動半徑小，一般不超過其洞穴半徑的1m。根據其生活特點，若以標志重捕法則捕獲標記后無法在樣地內隨機混合均勻，所以更適宜以樣方法調查其種群密度。
4．樣方的選擇
選擇學校旁邊的廈門集美鰲園旁的海灘為樣地進行調查。該地海灘地勢平坦且有大量招潮蟹的分布，興趣小組進行實地考察，通過目測發現，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，通過測量發現招潮蟹的分布范圍為至低潮時水位線約50m處。根據樣地特點，設定退潮時最低水位線為0m線，在0m、10m、20m、30m、40m、50m處分別進行取樣，在每一樣線內每隔10m取樣一次，共取100m，最后在50m×100m的樣方內共取66個樣點（如圖2）。
5．計數方法的選擇
如何對招潮蟹進行計數？學生提出能否依據招潮蟹在沙灘上的洞穴數，進行“數穴計數法”，以洞穴數來表示招潮蟹的數目。
興趣小組進行了預調查，調查過程中學生發現存在著一穴多蟹的現象（如圖3）。隨后，有學生提出漲退潮會將沙灘表面的穴孔覆蓋，人類對洞穴有踐踏破壞的行為，經文獻的檢閱，學生發現招潮蟹有特珠的“封洞行為”。據于這些理由，將“數穴計數法”舍棄。
后有學生提出能否利用“挖掘法”，將樣方下的沙子掘后，對其中的招潮蟹進行逐個計數。隨后馬上有同學提出疑問，我們挖掘的深度多少合適？學生通過上網查找資料，未能發現相關數據。隨后我們的興趣小組對招潮蟹的巢穴形態進行了研究。
6．招潮蟹洞穴形態研究
用清水和石膏粉配置液體石膏（水：石膏約為1：1.5），將現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構模型（如圖4）。對大量的模型進行分析，發現該樣地內弧邊招潮巢穴深度一般不超過20cm，因此確定樣方的挖掘深度為20cm。
7．計數方法的確定
通過以上的討論和研究，為“挖掘法”提供了理論的依據，學生確定了計數的方法：取樣，將樣方下的近20cm的沙子掘出，放入篩網中，在海水中過濾掉沙子，再對樣方內的招潮蟹進行逐個計數（如圖5）。
8．取樣面積的選擇
樣方的大小多少適宜？樣方越大結果越準確，但是工作量也相應越大。樣方太小，隨機性太大，實驗結果的準確性下降。文獻檢索沒有發現相關的研究數據，我們使用鐵絲制作了邊長分別為20cm、30cm、40cm、50cm的正方形取樣框進行預實驗。在同一區域內分別用4種規格的樣方進行統計，共統計10個區域。得到如下數據：
表1 各取樣框在10個樣地的取樣數據
| 種群密度（只/m2） | 區域1 | 區域2 | 區域3 | 區域4 | 區域5 | 區域6 | 區域7 | 區域8 | 區域9 | 區域10 |
| 20cm×20cm | 55 | 51 | 37 | 54 | 71 | 60 | 52 | 41 | 83 | 46 |
| 30cm×30cm | 78 | 63 | 75 | 80 | 76 | 73 | 65 | 71 | 73 | 60 |
| 40cm×40cm | 81 | 68 | 58 | 76 | 71 | 72 | 77 | 85 | 64 | 62 |
| 50cm×50cm | 86 | 66 | 81 | 78 | 79 | 80 | 73 | 75 | 79 | 71 |
| 表2 20cm*20cm樣方數據分析結果 | ||
| 20cm*20cm | 50cm*50cm | |
| 采樣尺寸 | 10 | 10 |
| 算術平均值 | 55 | 76.8 |
| 95% CI平均值 | 45.1915 - 64.8085 | 72.7281 - 80.8719 |
| 方差 | 188 | 32.4 |
| 標準偏差 | 13.7113 |
5.6921 |
| 平均值的標準誤差 | 4.3359 | 1.8 |
| 等方差的F檢驗 | P = 0.015 | |
| T檢驗（假設等方差） | ||
| 差異 | 21.8 | |
| 標準誤差 | 4.6947 | |
| 差異的95% CI | 11.9368 - 31.6632 | |
| 檢驗統計t | 4.644 | |
| 自由度（DF） | 18 | |
| 雙側概率 | P = 0.0002 | |
| 表3 30cm*30cm樣方數據分析結果 | |||
| 30cm*30cm | 50cm*50cm | ||
| 采樣尺寸 | 10 | 10 | |
| 算術平均值 | 71.4 | 76.8 | |
| 95% CI平均值 | 66.6405 - 76.1595 | 72.7281 - 80.8719 | |
| 方差 | 44.2667 | 32.4 | |
| 標準偏差 | 6.6533 | 5.6921 | |
| 平均值的標準誤差 | 2.104 | 1.8 | |
| 等方差的F檢驗 | P = 0.650 | ||
| T檢驗（假設等方差） | |||
| 差異 | 5.4 | ||
| 標準誤差 | 2.7689 | ||
| 差異的95% CI | -11.6344 | ||
| 檢驗統計t | 1.95 | ||
| 自由度（DF） | 18 | ||
| 雙側概率 | P = 0.0669 | ||
| 40cm*40cm | 50cm*50cm | ||
| 采樣尺寸 | 10 | 10 | |
| 算術平均值 | 71.4 | 76.8 | |
| 95% CI平均值 | 65.2537 - 77.5463 | 72.7281 - 80.8719 | |
| 方差 | 73.8222 | 32.4 | |
| 標準偏差 | 8.592 | 5.6921 | |
| 平均值的標準誤差 | 2.717 | 1.8 | |
| 等方差的F檢驗 | P = 0.236 | ||
| T檢驗（假設等方差） | |||
| 差異 | 5.4 | ||
| 標準誤差 | 3.2592 | ||
| 差異的95% CI | -13.6946 | ||
| 檢驗統計t | 1.657 | ||
| 自由度（DF） | 18 | ||
| 雙側概率 | P = 0.1149 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 均值 | |
| 0m | 8 | 6 | 1 | 0 | 7 | 9 | 6 | 10 | 3 | 4 | 8 | 5.6 |
| 10m | 8 | 8 | 5 | 1 | 0 | 6 | 12 | 7 | 0 | 4 | 7 | 5.3 |
| 20m | 6 | 5 | 11 | 0 | 0 | 0 | 8 | 12 | 6 | 8 | 6 | 5.6 |
| 30m | 3 | 9 | 7 | 2 | 0 | 0 | 8 | 8 | 11 | 2 | 1 | 4.6 |
| 40m | 5 | 7 | 4 | 0 | 0 | 0 | 7 | 5 | 5 | 9 | 4 | 4.2 |
| 50m | 1 | 0 | 8 | 4 | 4 | 5 | 2 | 5 | 1 | 1 | 5 | 3.3 |
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
