生態瓶的獨白

資料來源
科學研習月刊57-10


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