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摘要 通过试题引发对食物链中几种鱼类分层现象及原因的思考，设计实验对5种不同食性鱼类的外形和消化器官进行形态学对比，探讨不同食性鱼类分层现象与环境的关系。同时，通过解剖结构绘图、互动交流展示等环节，加深学生对“结构与功能相适应、生物与环境相适应”的生命观念的认识。
关键词 鱼类 食性 环境 分层现象 科学探究
中图分类号G633. 91 文献标志码B
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出要让学生在形成生物学学科核心素养的同时，能用科学的观点、知识、思路与方法，面对或解决现实生活中的某些问题。要达成该目标，就要高度关注教学过程中的实践经历。在课堂教学中将抽象知识形象化、具体化的最直接手段就是开展实验探究，从而解决学习过程中产生的问题。“生态系统”是高中生物学课程中的重要内容，往往采用食物链或食物网相关试题来考查学生的知识掌握情况。然而“纸上得来终觉浅”，要更为透彻地理解生物与环境之间的关系还需要亲身经历实验过程，从而获取真知。笔者以一道生态题为例，引出如何有效引导学生进行科学探究活动，并聚焦核心素养中科学思维和科学探究能力的培养（图1）。
1 发现问题、提出课题
1.1 发现问题
据题（图2）可知，不同食性鱼类处于不同营养级，如杂食性鲫鱼处于第二、三营养级，鲤鱼和鲢鱼位于第三营养级，肉食性黑鱼位于第三、四营养级。由于捕食对象不同，鱼类处于不同营养级。教师提出问题：联系生活可知，不同鱼类在垂直分布上也有所差异。两者是否有一定联系呢？鱼类为何会出现分层现象呢？各小组就此展开了讨论。
1.2 初步思考
查询教材发现，水生群落由于光的穿透性、温度和O2的垂直分布差异，存在分层现象。例如，北温带常见湖泊垂直结构可分为包括表水层、斜温层、静水层和底泥层4层（图3）。已有研究表明鱼类在水生环境中的分层现象受到食物、温度、溶解氧等因素影响。各小组一致认为，鱼类分层与生存环境关系密切。
1.3给出解释
对于“鱼类为何有分层现象”，各小组给出了几种解释：
组1：水越深，光线越少。弱视鱼类只能在光照充足的表水层进行活动。
组2：水生生物受到O2、温度和光照等因素影响，在水中的分布不同。而处于不同营养级的鱼类食性不同，会出现在食物富集的水层。
组3：鱼类分层是由鱼鳔大小决定的。不同深度的水域压强不同，鱼鳔较大的鱼类体内压强大，能够适应同样压强较大的深層水域。
2 讨论思路、设计方案
组3的观点率先被推翻，通过查阅资料发现并非所有鱼类都有鱼鳔，如软骨鱼就不存在鱼鳔。另外，鱼体腔内压强大小还受到鳃腔等结构的影响。组1成员认为鱼是天生的近视眼，且视力大致与眼珠大小成正比。已知多数深海鱼类眼睛较大，也是由于深海光线过少，鱼类长期进化的结果。组2成员认为自然界中动物的使命就是保证生命的延续，而食物是生存必需品。双方坚持己见，无法说服彼此。于是各小组决定通过实验来探究鱼类分层现象是否受食性的影响。除试题中出现的鱼外，小组补充了草食性鱼——草鱼来增加鱼的食性种类，同时增加肉食性鱼——鲈鱼。经讨论，成员们确定相关测量指标进行阐述，具体研究技术路线见图4。
3 人员分工、方案推进
3.1 人员分工
确定实验方向后，小组成员对本次探究活动作出了明确的人员分工。安排了3名采购员、3名实验准备员来完成实验材料的准备;6名解剖员、3名测量员、3名记录员、3名摄影员、3名数据输入与校对员和3名数据处理与分析员来完成形态学实验;3名绘图员参与鱼类解剖结构绘图比赛;3位展示员和3位交流员进行活动最后的展示与交流。全部师生参与点评。
3.2 实验步骤
3.2.1 材料准备
采购员前往菜市场购买草鱼、鲫鱼、鳙鱼、鲈鱼和黑鱼5种活鱼，实验准备员联系实验室老师准备解剖剪、解剖刀、解剖针、镊子（尖头、圆头）、直尺、鱼体测量板、电子秤、洗瓶、脱脂棉、培养皿、乳胶手套等实验工具。
3.2.2 形态解剖学实验
测量员进行鱼类外形测量，包括体长、体高、头长、吻长、口裂长、尾柄长、尾柄高等性状;解剖员解剖并观察鱼类消化系统（包括口腔解剖和体腔解剖），再由测量员称量每条鱼的体重及鱼体各部分结构（心脏、胆囊、肝脏、胰脏和肠），记录员记录数据，摄影员拍摄完整鱼体、鱼体口腔和解剖结构等。
3.2.3 数据处理
数据输入与校对员将实验数据输入到Excel表中，并进行校对，确保输入无误。数据处理与分析员用Excel计算比胰脏重、比肝脏重等数据，计算平均值与方差并制作相应图表。计算公式：比某器官重=某器官重量，体重。
3.3 解剖结构绘图
将鲫鱼鱼腹剪开后，各小组绘图员进行了鲫鱼解剖图绘制比赛。学生细致描绘鱼体内脏器官，并标出相应结构以后，运用专业术语介绍鲫鱼内部结构。完成绘图后，师生对解剖结构图进行评价与打分，选出结构最清晰，阐述最准确、最具科学性的作品（图5）。绘图通过真实再现的鱼体结构，加深了学生对鲫鱼等常见鱼类内部结构的认识与理解。同时，学生通过绘图，也纠正了部分观察的不足。
3.4 实验结果与分析
3.4.1 不同食性活体鱼类外形的测量与比较
由表1可知，不同食性鱼类头长/眼径、头长/眼间距无明显趋势变化，表明眼睛大小与鱼类分层现象联系并不紧密。可见视力并非鱼类分层的主要原因。草鱼体长/体高为3.41，鲫鱼、鳙鱼体长/体高依次为2.76、3.74，而鲈鱼、黑鱼体长/体高均在4以上，说明草食性和杂食性鱼体型更扁平，而肉食性鱼体型大都较为饱满;黑鱼的头长/尾柄长仅有1.78、体长/尾柄长仅为6.26，而草食性鱼类和杂食性鱼类的头长/尾柄长、体长/尾柄长均大于肉食性鱼类，说明肉食性鱼类的鱼尾较大且长度更长。造成以上性状差异的原因可能是肉食性鱼类为提高捕食能力，进化出更长的尾部以增加推动力及更饱满、流畅的身材从而加快游动速度。 3.4.2 不同食性活体鱼类消化系统形态结构的测定与比较
3.4.2.1 口腔
黑鱼长有极为密集、错杂、尖锐的牙齿，而鲢鱼无牙齿;且肉食性鱼类相对其他鱼类有更大的口裂;不同食性鱼类的鳃耙各有不同。例如，鲫鱼有三副鳃，而黑鱼有四副。鳙鱼、鲫鱼的鳃耙长，鳃丝细长;黑鱼、鲈鱼鳃耙短而疏，鳃丝数目较少。鳃耙是鱼类在排出水时阻拦细小食物碎块随水流出的滤食结构。因此以浮游生物为食的杂食性鱼类如鳙鱼，鳃耙细长稠密，以便形成滤网状以过滤微小食物。综上分析，肉食性鱼类长有更大的口裂和牙齿是为了适应其获取猎物的需要，即增加咬合力来强化攻击性。
3.4.2.2内脏
比较5种活体鱼类消化器官数据发现（表2），黑鱼和鲈鱼的肠长仅有23.87、20.50，比肠重均不足10，鲈鱼的比肠重甚至只有3.83，远远小于其他食性鱼类，且黑鱼相对草鱼有胃的构造。分析认为，纤维素较肉类难消化，所以草食性鱼类需较长的肠来消化。而肉食性鱼类的食物含蛋白成分多，故需胃来协助消化。从数据中还可发现，肝的质量与鱼的体型成正相关;肉食性鱼类心脏更大，如黑鱼可达2.82，鳙鱼仅有1.67，这可能因为肉食性鱼类需要捕捉动物，进而需要更大的心脏来增加供血。
4 实验讨论、展示交流
4.1 实验结论与讨论
实验显示，鱼类食性与其身体构造密切相关。草食性鱼口裂长较小，无牙齿，鳃耙细长稠密如滤网状，消化内脏占体重比例小，肠道长，多以浮游植物或水草为食，而水生植物为进行光合作用多分布在光照充足的表水层，因此草食性鱼一般在水的中层活动。杂食性鱼如鳙鱼和鲫鱼通常以浮游动物或植物为食，因此也活跃在水的中上层。肉食性鱼口裂长较大，有尖牙，鳃耙短而疏，鳃丝较少，消化内脏占体重比例大，肠道短，如黑鱼性情凶猛，食量大，往往捕食其生存水域中的优势种。此外，黑鱼对溶氧量、水温以及水质都有很强的耐受性。因此，黑鱼能很好地适应底栖生活，并捕食中下层的鱼类。
当然，鱼类在水中的分布受到多种环境因素的综合影响，不能简单讨论单一环境因子对鱼类分层现象的绝对影响。因此，只强调某一因素对鱼类分层现象的影响都是缺乏科学性和全面性的。
4.2 汇报展示
解剖实验和绘图比赛完成后，各小组分别从实验结论、绘图和解剖心得等角度出发进行汇报。整个过程中，成员们对汇报人的语言表达能力、PPT制作情况、汇报内容的科学性等方面进行了点评。有的成员对汇报内容产生了疑问，提出了新的问题。在各种思想的碰撞中，成员思路开阔，思维发散，科学思维能力得以提升。以下是各汇报小组的片段节选。
4.2.1 鲫鱼解剖结构图展示与介绍
打开鲫鱼体腔，能看到各个消化器官。鲫鱼的食道较短，直接通肠部，也没有胃的分化，肠长较肉食性鱼长，且在胸腹腔内迂回盘旋。肝呈弥散状分布在肠管之间，胰也呈弥散状混杂于肝中，称为肝胰脏。
4.2.2 鱼体解剖心得交流
鲫鱼等多数鱼类的肠、肝、胰、脾周围都有脂肪围绕，腹部各脏器大都相互贴近。这对鱼体的解剖技术提出了较高的要求，如操作时经常发生胆囊破裂的情况。为此，解剖员改进了操作方法，先将胆囊与周围的组织分离，再小心地将其取出。
4.2.3 不同食性鱼类分层现象与环境的关系探讨
不同食性魚类在水中的分层现象受到内源性和外源性两方面因素的影响。其中外源性方面涉及到多种环境因素。光线不同会影响到水生植物的分布，如在阳光充足的表水层，浮游生物、水草较多，更适宜于草食性和杂食性鱼的捕食。
5 结语
通过一系列活动，学生对鱼类内外部形态特征有了细致的认识;利用数据证明了鱼类形态结构特征与食性之间的密切关系;借助文献资料，在交流探讨中说明了鱼类分层与环境之间的关系，解决了由一道生态题引出的一系列问题。通过科学探究，学生获得的知识将是深刻的、透彻的、难以遗忘的，同时，学生逐渐形成了“结构与功能相适应、生物与环境相适应”的生命观念，其科学思维和科学探究能力也得到了锻炼和提升。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018： 2-4.
[2]吴相钰，刘恩山.生物·必修3.稳态与环境[M]杭州：浙江科学技术出版社，2016： 86.
[3]尹超，黄健，黄亮亮，等.桂江鱼类组成及其群落的时空变化[J].水生态学杂志，2019，40（5）： 48-53.
[4]潘黔生，郭广全，方之平，等.6种有胃真骨鱼消化系统比较解剖学[J].华中农业大学学报，1996，15（5）：463-469.
[5]孟庆闻，李婉端.鲱科鱼类的消化系统和鳔的比较研究[J].动物学报，1983，29（4）： 357-368.
[6]刘凌云，郑光美.普通动物学[M].北京：高等教育出版社，2009： 342.
关键词 鱼类 食性 环境 分层现象 科学探究
中图分类号G633. 91 文献标志码B
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出要让学生在形成生物学学科核心素养的同时，能用科学的观点、知识、思路与方法，面对或解决现实生活中的某些问题。要达成该目标，就要高度关注教学过程中的实践经历。在课堂教学中将抽象知识形象化、具体化的最直接手段就是开展实验探究，从而解决学习过程中产生的问题。“生态系统”是高中生物学课程中的重要内容，往往采用食物链或食物网相关试题来考查学生的知识掌握情况。然而“纸上得来终觉浅”，要更为透彻地理解生物与环境之间的关系还需要亲身经历实验过程，从而获取真知。笔者以一道生态题为例，引出如何有效引导学生进行科学探究活动，并聚焦核心素养中科学思维和科学探究能力的培养（图1）。
1 发现问题、提出课题
1.1 发现问题
据题（图2）可知，不同食性鱼类处于不同营养级，如杂食性鲫鱼处于第二、三营养级，鲤鱼和鲢鱼位于第三营养级，肉食性黑鱼位于第三、四营养级。由于捕食对象不同，鱼类处于不同营养级。教师提出问题：联系生活可知，不同鱼类在垂直分布上也有所差异。两者是否有一定联系呢？鱼类为何会出现分层现象呢？各小组就此展开了讨论。
1.2 初步思考
查询教材发现，水生群落由于光的穿透性、温度和O2的垂直分布差异，存在分层现象。例如，北温带常见湖泊垂直结构可分为包括表水层、斜温层、静水层和底泥层4层（图3）。已有研究表明鱼类在水生环境中的分层现象受到食物、温度、溶解氧等因素影响。各小组一致认为，鱼类分层与生存环境关系密切。
1.3给出解释
对于“鱼类为何有分层现象”，各小组给出了几种解释：
组1：水越深，光线越少。弱视鱼类只能在光照充足的表水层进行活动。
组2：水生生物受到O2、温度和光照等因素影响，在水中的分布不同。而处于不同营养级的鱼类食性不同，会出现在食物富集的水层。
组3：鱼类分层是由鱼鳔大小决定的。不同深度的水域压强不同，鱼鳔较大的鱼类体内压强大，能够适应同样压强较大的深層水域。
2 讨论思路、设计方案
组3的观点率先被推翻，通过查阅资料发现并非所有鱼类都有鱼鳔，如软骨鱼就不存在鱼鳔。另外，鱼体腔内压强大小还受到鳃腔等结构的影响。组1成员认为鱼是天生的近视眼，且视力大致与眼珠大小成正比。已知多数深海鱼类眼睛较大，也是由于深海光线过少，鱼类长期进化的结果。组2成员认为自然界中动物的使命就是保证生命的延续，而食物是生存必需品。双方坚持己见，无法说服彼此。于是各小组决定通过实验来探究鱼类分层现象是否受食性的影响。除试题中出现的鱼外，小组补充了草食性鱼——草鱼来增加鱼的食性种类，同时增加肉食性鱼——鲈鱼。经讨论，成员们确定相关测量指标进行阐述，具体研究技术路线见图4。
3 人员分工、方案推进
3.1 人员分工
确定实验方向后，小组成员对本次探究活动作出了明确的人员分工。安排了3名采购员、3名实验准备员来完成实验材料的准备;6名解剖员、3名测量员、3名记录员、3名摄影员、3名数据输入与校对员和3名数据处理与分析员来完成形态学实验;3名绘图员参与鱼类解剖结构绘图比赛;3位展示员和3位交流员进行活动最后的展示与交流。全部师生参与点评。
3.2 实验步骤
3.2.1 材料准备
采购员前往菜市场购买草鱼、鲫鱼、鳙鱼、鲈鱼和黑鱼5种活鱼，实验准备员联系实验室老师准备解剖剪、解剖刀、解剖针、镊子（尖头、圆头）、直尺、鱼体测量板、电子秤、洗瓶、脱脂棉、培养皿、乳胶手套等实验工具。
3.2.2 形态解剖学实验
测量员进行鱼类外形测量，包括体长、体高、头长、吻长、口裂长、尾柄长、尾柄高等性状;解剖员解剖并观察鱼类消化系统（包括口腔解剖和体腔解剖），再由测量员称量每条鱼的体重及鱼体各部分结构（心脏、胆囊、肝脏、胰脏和肠），记录员记录数据，摄影员拍摄完整鱼体、鱼体口腔和解剖结构等。
3.2.3 数据处理
数据输入与校对员将实验数据输入到Excel表中，并进行校对，确保输入无误。数据处理与分析员用Excel计算比胰脏重、比肝脏重等数据，计算平均值与方差并制作相应图表。计算公式：比某器官重=某器官重量，体重。
3.3 解剖结构绘图
将鲫鱼鱼腹剪开后，各小组绘图员进行了鲫鱼解剖图绘制比赛。学生细致描绘鱼体内脏器官，并标出相应结构以后，运用专业术语介绍鲫鱼内部结构。完成绘图后，师生对解剖结构图进行评价与打分，选出结构最清晰，阐述最准确、最具科学性的作品（图5）。绘图通过真实再现的鱼体结构，加深了学生对鲫鱼等常见鱼类内部结构的认识与理解。同时，学生通过绘图，也纠正了部分观察的不足。
3.4 实验结果与分析
3.4.1 不同食性活体鱼类外形的测量与比较
由表1可知，不同食性鱼类头长/眼径、头长/眼间距无明显趋势变化，表明眼睛大小与鱼类分层现象联系并不紧密。可见视力并非鱼类分层的主要原因。草鱼体长/体高为3.41，鲫鱼、鳙鱼体长/体高依次为2.76、3.74，而鲈鱼、黑鱼体长/体高均在4以上，说明草食性和杂食性鱼体型更扁平，而肉食性鱼体型大都较为饱满;黑鱼的头长/尾柄长仅有1.78、体长/尾柄长仅为6.26，而草食性鱼类和杂食性鱼类的头长/尾柄长、体长/尾柄长均大于肉食性鱼类，说明肉食性鱼类的鱼尾较大且长度更长。造成以上性状差异的原因可能是肉食性鱼类为提高捕食能力，进化出更长的尾部以增加推动力及更饱满、流畅的身材从而加快游动速度。 3.4.2 不同食性活体鱼类消化系统形态结构的测定与比较
3.4.2.1 口腔
黑鱼长有极为密集、错杂、尖锐的牙齿，而鲢鱼无牙齿;且肉食性鱼类相对其他鱼类有更大的口裂;不同食性鱼类的鳃耙各有不同。例如，鲫鱼有三副鳃，而黑鱼有四副。鳙鱼、鲫鱼的鳃耙长，鳃丝细长;黑鱼、鲈鱼鳃耙短而疏，鳃丝数目较少。鳃耙是鱼类在排出水时阻拦细小食物碎块随水流出的滤食结构。因此以浮游生物为食的杂食性鱼类如鳙鱼，鳃耙细长稠密，以便形成滤网状以过滤微小食物。综上分析，肉食性鱼类长有更大的口裂和牙齿是为了适应其获取猎物的需要，即增加咬合力来强化攻击性。
3.4.2.2内脏
比较5种活体鱼类消化器官数据发现（表2），黑鱼和鲈鱼的肠长仅有23.87、20.50，比肠重均不足10，鲈鱼的比肠重甚至只有3.83，远远小于其他食性鱼类，且黑鱼相对草鱼有胃的构造。分析认为，纤维素较肉类难消化，所以草食性鱼类需较长的肠来消化。而肉食性鱼类的食物含蛋白成分多，故需胃来协助消化。从数据中还可发现，肝的质量与鱼的体型成正相关;肉食性鱼类心脏更大，如黑鱼可达2.82，鳙鱼仅有1.67，这可能因为肉食性鱼类需要捕捉动物，进而需要更大的心脏来增加供血。
4 实验讨论、展示交流
4.1 实验结论与讨论
实验显示，鱼类食性与其身体构造密切相关。草食性鱼口裂长较小，无牙齿，鳃耙细长稠密如滤网状，消化内脏占体重比例小，肠道长，多以浮游植物或水草为食，而水生植物为进行光合作用多分布在光照充足的表水层，因此草食性鱼一般在水的中层活动。杂食性鱼如鳙鱼和鲫鱼通常以浮游动物或植物为食，因此也活跃在水的中上层。肉食性鱼口裂长较大，有尖牙，鳃耙短而疏，鳃丝较少，消化内脏占体重比例大，肠道短，如黑鱼性情凶猛，食量大，往往捕食其生存水域中的优势种。此外，黑鱼对溶氧量、水温以及水质都有很强的耐受性。因此，黑鱼能很好地适应底栖生活，并捕食中下层的鱼类。
当然，鱼类在水中的分布受到多种环境因素的综合影响，不能简单讨论单一环境因子对鱼类分层现象的绝对影响。因此，只强调某一因素对鱼类分层现象的影响都是缺乏科学性和全面性的。
4.2 汇报展示
解剖实验和绘图比赛完成后，各小组分别从实验结论、绘图和解剖心得等角度出发进行汇报。整个过程中，成员们对汇报人的语言表达能力、PPT制作情况、汇报内容的科学性等方面进行了点评。有的成员对汇报内容产生了疑问，提出了新的问题。在各种思想的碰撞中，成员思路开阔，思维发散，科学思维能力得以提升。以下是各汇报小组的片段节选。
4.2.1 鲫鱼解剖结构图展示与介绍
打开鲫鱼体腔，能看到各个消化器官。鲫鱼的食道较短，直接通肠部，也没有胃的分化，肠长较肉食性鱼长，且在胸腹腔内迂回盘旋。肝呈弥散状分布在肠管之间，胰也呈弥散状混杂于肝中，称为肝胰脏。
4.2.2 鱼体解剖心得交流
鲫鱼等多数鱼类的肠、肝、胰、脾周围都有脂肪围绕，腹部各脏器大都相互贴近。这对鱼体的解剖技术提出了较高的要求，如操作时经常发生胆囊破裂的情况。为此，解剖员改进了操作方法，先将胆囊与周围的组织分离，再小心地将其取出。
4.2.3 不同食性鱼类分层现象与环境的关系探讨
不同食性魚类在水中的分层现象受到内源性和外源性两方面因素的影响。其中外源性方面涉及到多种环境因素。光线不同会影响到水生植物的分布，如在阳光充足的表水层，浮游生物、水草较多，更适宜于草食性和杂食性鱼的捕食。
5 结语
通过一系列活动，学生对鱼类内外部形态特征有了细致的认识;利用数据证明了鱼类形态结构特征与食性之间的密切关系;借助文献资料，在交流探讨中说明了鱼类分层与环境之间的关系，解决了由一道生态题引出的一系列问题。通过科学探究，学生获得的知识将是深刻的、透彻的、难以遗忘的，同时，学生逐渐形成了“结构与功能相适应、生物与环境相适应”的生命观念，其科学思维和科学探究能力也得到了锻炼和提升。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018： 2-4.
[2]吴相钰，刘恩山.生物·必修3.稳态与环境[M]杭州：浙江科学技术出版社，2016： 86.
[3]尹超，黄健，黄亮亮，等.桂江鱼类组成及其群落的时空变化[J].水生态学杂志，2019，40（5）： 48-53.
[4]潘黔生，郭广全，方之平，等.6种有胃真骨鱼消化系统比较解剖学[J].华中农业大学学报，1996，15（5）：463-469.
[5]孟庆闻，李婉端.鲱科鱼类的消化系统和鳔的比较研究[J].动物学报，1983，29（4）： 357-368.
[6]刘凌云，郑光美.普通动物学[M].北京：高等教育出版社，2009： 342.