生態瓶的獨白

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資料來源: 科學研習月刊57-10

文
林辰駿 /高雄市立三民高中教師

我們的日常活動及所見所聞，皆在生態系中發生，因此了解生態系的基本概念，將有助於覺察並改善環境問題。可惜的是，生態系的知識既繁雜又抽象，儘管將內容整理得條理分明，講解時也設法呈現概念之間的邏輯性，仍有學生反應「我都有聽懂，但是背不起來！」，再者是學生對於生態系平衡的看法，大多認為保育成功與否取決於有無嚴格的法治，幾乎忽略心態對於環境改善的潛在效益。從學生的回饋當中，使我驚覺到傳統教學不容易教懂學生正確概念，考試成績優異或許只是假象。某一天備課時，在課本上看到生態球的圖片，使我靈感乍現，想到人人都有眼見為憑的習性，透過感官接觸到的畫面印象較深，因此啟發我對課程設計的重新思考「能否藉由觀察來建構知識？」，於是生態系的探究教學模式孕育而生！

以感官經驗建構心像為課程基礎

相較於自然環境，生態球及水族箱皆可象徵最基本的生態系，然而生態球的球狀玻璃不易取得，若使用水族箱則維護成本過高，因此我選擇了兩者折衷的生態瓶作為教具，期盼在每位學生經濟都能負擔的情況下，親自體驗做中學的樂趣。經過長期和學生的對話，逐漸了解他們在此單元的迷思與困難，於是我選擇融入科學方法中的實驗設計，讓他們從比較變因有無的過程中獲得知識，彷彿讓生態瓶成為教導他們的老師，當有了感官證據作為支持，學習將不再是應付考試的不求甚解！

由於自己對生態瓶深感興趣，在多種條件積極測試下，很快找到了可以在三週內 (至少兩週) 呈現出明顯差異的條件，其差異主要呈現於水質與水草的葉片。
約一週時，差異呈現於水蘊草葉緣的完整度(圖1)；
約兩週時，差異呈現於瓶壁上附著的微生物量(圖2)；
約三週時，前兩週的差異更為明顯，甚至可觀察到消費者的生存與死亡關係(圖3)。

將這些差異的結果整理之後，即可作為學生實作及討論的參考答案。在教學則建議：觀察週數視學生特質調整，因為在觀察過程中，打破瓶子和忘記定時拍照是常有的事，若班級學生多數態度較不嚴謹，可採取兩週的觀察。

已知「生態系」是由生物因子與環境因子交互作用形成的體系，而生物因子又可分為三類，分別是自行製造所需養分的生產者，透過攝食而獲得養分的消費者，以及分解生產者和消費者遺體的分解者。三者之間的互動仰賴物質循環與能量流轉維繫，並趨於穩定狀態，稱之為生態系的動態平衡(圖4)。

為了破解可能的迷思，我根據生態系的基本組成與動態平衡兩大面向設計測驗，並於正式上課前，以分組討論的方式施測。根據測驗結果，學生普遍對於生物因子的定義較不清楚，因此我便針對三大生物因子，分別設計單一變因的生態瓶(圖5)，讓學生從觀察中發現三大生物因子的特徵，以取代文字記憶。於測驗後至正式上課前，學生須完成約三週的觀察紀錄。正式上課時，則以學生所拍攝的照片為依據，逐一破解測驗時所發現的迷思。

圖4.本課程欲傳達給學生的生態系概念圖，唯有各互動關係取得供需平衡，生態系才得以穩定運作。

圖5.將組成生態瓶的生物因子以單一變因的實驗呈現，讓學生從觀察中獲知其角色。

藉由問題引導揭露觀察目的 (按教材呈現次序排列)

第一，學生認為清除者以遺體為食；消費者以植物或動物為食，兩者食性不同，因此清除者不等同消費者，即兩者關係各自獨立。有鑑於學生普遍對活體感到興趣，且難以理解清除者是消費者的其中一種，因此特別選用米蝦作為生態瓶中的活體。起初可先讓學生觀察各種顏色的米蝦引起動機(圖6)，學生們往往會出現難得一見的專注，並熱烈發問。在解答問題的過程中，我盡可能著重在食性關係的探討，以使學生瞭解蝦子在生態系中扮演的雙重角色。當學生問起「蝦子吃什麼？」時，可提供水草和死蝦，讓學生分別放入容器中觀察(圖7A)。於觀察後再以循序誘答來引出概念(圖7B)。

圖6.米蝦具有多種不同顏色性狀，彼此可互相交配產生斑駁色彩，圖中為水族館較常見的類型。

師：蝦子吃水草時是草食性消費者，吃遺體時是清除者，那麼蝦子在生態系中是否為單一角色？
生：應該是消費者兼清除者
師：消費者的定義為何？
生：會攝食的生物
師：清除者吃遺體時是否和某一種消費者類似？
生：肉食性消費者
師：兩種角色之間是否存在著「包含」的概念？
生：有可能！會攝食就是消費者，只是吃的對象可以有很多種，清除者只是吃的東西比較特殊......

當學生理解清除者屬於消費者後，對於三大生物因子的分類會比較明確，接著可以導入生物因子的必要和非必要關係。配合課前觀察紀錄之有、無蝦子的生態瓶，老師可提問「是否需有蝦子的生態瓶才有生命現象？」，學生即能發現無蝦的生態瓶之水草仍存活，而蝦屬於消費者，所以生態系不一定需要消費者。
第二，根據日常生活的經驗，如馬桶裡或水溝裡的水充滿細菌，無形中建立微生物與髒亂環境的必然連結，所以學生普遍認為微生物不利於生態瓶的維持，因此也就難以想像特定微生物在淨化及穩定水質的可能性。為了呈現出硝化菌在生態瓶中不可或缺的地位，可讓學生比較有、無菌液的生態瓶 (○1號v.s.○3號)。透過水質觀察可發現含菌液組能維持清澈，反之未含菌液組於第二週起微呈混濁，且瓶壁上附著大量微生物。

師：想一想，在養魚時，為什麼魚缸需要定期換水？
生：魚的排泄物會讓水質變髒
師：排泄物的確是影響水質的主因，那麼水質變差會對瓶中的微生物造成什麼影響？
生：有些微生物會死亡，能適應水質的微生物會大量繁殖
師：根據剛才的答案，是否能解釋1號瓶與3號瓶的水質差異？
生：可能加入生態瓶的細菌有「分解」排泄物的功能
師：猜測合理，並不是所有微生物都會造成環境髒亂！

當學生認同特定微生物在生態系的必要性之後，老師可引導到排泄物的含氮本質，以利於學生發現硝化菌的重要任務！此時讓學生瀏覽氮循環的圖(圖8)再進行問題引導。

圖8.氮循環示意圖。( 圖片取自翰林版高中基礎生物下冊 )

師：蝦排泄的氨進入到氮循環中，會經過許多微生物的作用，但是加入生態瓶的細菌只有一種，你認為是哪一種？為什麼？
生：藍綠菌或固氮菌，因為植物有銨鹽就能活了！
師：回想一下，○3號瓶無菌液，蝦排泄的氨直接溶於水形成銨鹽，不再轉化；○1號瓶含菌液，銨鹽可能再轉化成其他鹽類。根據這個差異，如何解釋第三週的結果(圖3)？
生：銨鹽轉化成其他鹽類會讓植物長得比較好
師：根據氮循環示意圖，每一種含氮物質都能被植物利用嗎？
生：只能利用銨鹽和硝酸鹽
師：根據觀察結果，只要有銨鹽就能使水草長得好嗎？你有沒有發現了什麼？
生：加入的細菌應該是硝化菌，能將排泄物轉為植物的主要養分，使水草維持健康，排泄物持續被清除，最後水質呈現清澈(圖9)。
師：根據硝化菌對水質的關係，你認為牠是哪一種生物因子？
生：分解者！

圖9.透過對話提示，幫助學生將氮循環與實際觀察結果建立連結，使學生更容易推論出未知細菌的身份。

第三，由於「清除」和「分解」意思相近；國中課本強調細菌和真菌是自然界中重要的分解者；氮循環把硝化菌標示在土壤中，代表著不能行光合作用。於是學生容易根據他們先前觀察的結果，自行將分解者定義為不行光合作用的細菌或真菌。此迷思可算是破解前一個迷思的節外生枝，老師可從「營養方式」著手，配合氮循環示意圖解說。在破解學生對分解者的迷思時，先複習「自營」與「異營」的辨別原則，再由各細菌的代謝方式返回對應營養方式。此作法是為了讓學生從光合作用(CO2＋H2O→醣類)和硝化作用(NH4＋→NO2－→NO3－)發現兩者的共同原則都是利用「無機物」的代謝，以間接合成體內所需的化學能 (一種有機物)，和分解作用利用「有機物」代謝成無機物截然不同，於是得知硝化細菌屬於自營的生產者，且生產者又可分為光合性自營和化學合成性自營。

師：根據氮循環，硝化作用需要利用什麼特別的元素？
生：氧氣
師：很好！硝化作用也是一種氧化作用，○1號瓶因含氧量高，是硝化菌適合工作的環境，如果把第三週的○3號瓶加入硝化菌，水質會變回來嗎？
生：不會，髒水中微生物太多，會把氧氣搶光，使硝化菌無法存活
師：預測合理！還記得自營和異營的差異嗎？自營是將無機物代謝成體內的有機物，異營則是將有機物代謝成化學能(一種有機物)。請再觀察一下氮循環，根據分解作用和硝化作用的原料，在性質上有什麼差異？
生：分解作用的原料是有機的生物遺體；硝化作用的原料是無機的銨鹽
師：再比較一下，硝化作用和光合作用的原料是否有相似處？
生：都是利用無機物！
師：沒錯！其實硝化菌能利用硝化作用過程中釋出的電子間接合成化學能。想一想，硝化菌應屬於哪一種營養方式？哪一種生物因子？

自上述迷思破解後，大部分學生已能區別三大生物因子與交互關係，此時老師可以提問「一個恰達穩定的生態瓶，若多了一隻蝦，將會發生什麼事？」，可能馬上就有人因觀察到蝦子大部分的時間都在攝食水草，而提出食物不足或餓死的答案。於是可以從此答案繼續追問「若蝦子都死了，倖存的水草會有什麼改變？」，當學生能回答出因無消費者而能恢復生長時，表示學生心中已經形成「有限利用」的概念，即蝦子每天的攝食量和水草每天的生產量達供需平衡時，生態瓶就能生生不息，而此過程中也能附帶發現，消費者並非生態系組成的必要條件。

第四，學生都清楚當前的環境問題因人為擾動而起，但是要他們提出一種能根除多數環境問題的策略時，所有的答案都聚焦在法治層面，嚴重忽略心態對環境改善的重要性。為了讓概念圖的建構更完整，老師可以利用化工廠排放廢水的實際影片，讓怵目驚心的畫面烙印在學生的腦海中，如此便能引發他們對於後果的想像。若要使教學目標更為明確，可以請學生思考「當化工廠被勒令停業後，你認為業者會藉此改過向善？還是等待時機東山再起？」，藉問題促進保育概念的內化。俗話說「打鐵要趁熱」，在學生認同保育的同時，可引入環境議題的討論，如：低碳材料的優缺點、碳交易和碳稅制等，將有助於提升學習成效。

提供實踐機會促成有意義的學習

有效的行動，來自於正確的知識。在生態系概念圖建構完畢之後，我會以小組專題研究的方式，給予學生實踐知識的機會，並在過程中檢證知識的真偽(圖10)。專題以「如何延長生態瓶的壽命？」為題，透過科學方法，找出製作生態瓶的最佳條件。實施流程如下：
(1)小組討論可能的變因；
(2)老師利用課前觀察作業為例，說明單一變因的實驗設計；
(3)小組形成合理假說；
(4)小組以實際材料模擬實驗設計，老師協助判斷是否符合假說；
(5)老師示範生態瓶的製作方式(附圖11&附件1)並指導各組實作；
(6)成品驗收；
(7)老師協助各組形成暫時性結論；
(8)延伸學習：根據結論嘗試解釋實際環境問題，並提出解決方案。

此活動的設計目的，在於改變學生對學習的定義，甚至將來從事環保工作時，不是因為老師有說，也不是因為法令規範，而是根據自己的知識判斷後，認為我應該這麼做！

圖10.小組專題研究與教學目標之關係。

圖11.生態瓶製備材料，水草應浸泡於水中保持潮濕。

在一系列的教學當中，除了看到許多異於往常的專注與「想知道」的渴望之外，更從實作中，看見學生試誤學習而成長的軌跡。例如有一組把光照強度當成變因，實驗設計則把一瓶放置室外，一瓶放置室內陰暗處，卻忽略室外環境複雜 (如：氣流、日夜溫差、光照時間等)及光合作用的必要性，導致為了操作一個變因而衍伸出更多變因。經過多次修正後，學生能逐漸掌握變因的控制，進而了解嚴謹的實驗設計並非自己想像中的簡單。

實際嘗試探究教學模式後，使我感受到寓教於樂對學習成效的影響力，學生也從探究的經驗中，獲得發現知識的樂趣(圖12)。然而，生態瓶兼具教學和欣賞的功能，學生往往容易專注在觀察而難以專注在教學活動上，建議在解說概念及示範生態瓶的製作時，可視學生自制力調整，對自制力不高的班級，可由預先拍攝好的照片或影片取代實體，以免延誤教學進度。

圖12：學生對於罕見的生態瓶實驗感到新鮮，學習態度較傳統講授課程更為積極主動。

附件1：生態瓶製備方法

1. 材料

2. 方法