“蚂蚁的通讯”实验改良与拓展设计

    吴涛 陈健辉

    

    

    

    [摘要]初中生物八年级新教材“蚂蚁的通讯”实验中，原有的实验设计虽已改进，但仍难以得出预期的效果，对此可以对实验装置进行改良，人工饲养蚂蚁，去掉有水环境，并进一步拓展探究蚂蚁的食性以及蚂蚁觅食行为中影响其通讯的可能因素。实验结果表明，蚂蚁通讯依靠信息素，信息素是一种没有极性的物质，蚂蚁的食性是甜食性。通过实验改良，有助于培养学生科学探究的学科素养。

    [关键词]蚂蚁的通讯，实验改良，初中生物，学科素养

    [中图分类号]G633.91[文献标识码]A [文章编号]1674-6058（2020）11-0094-03

    一、前言

    “蚂蚁的通讯”实验探究活动是人教版生物学八年级上册“社会行为”的内容，主要是让初中生通过探究蚂蚁的通讯行为，来了解“观察和实验是科学研究的基本方法”。虽然新教材的这一实验设计已改进，但按照教材设计进行多次实验均难以达到预期效果，在陌生环境中，不少慌张失措的蚂蚁都从“岛上”掉入水中淹死了。对此，可对实验装置进行改良，人工饲养蚂蚁，去掉有水环境，并进一步拓展探究蚂蚁的食性以及蚂蚁觅食行为中影响其通讯的可能因素。

    本实验以野蛮收获蚁（Messor barbarus）为实验对象，以柠檬、白砂糖、苦瓜、辣椒、粗制食用盐为实验材料，分别代表酸、甜、苦、辣、咸的口感，探究蚂蚁的通讯、蚂蚁的食性与蚂蚁觅食行为中影响其通讯的可能因素。

    二、材料

    1.实验对象

    野蛮收获蚁，隶属于切叶蚁亚科（Myrmicinae）的收获蚁属（Messor），是该属的模式种。

    2.实验材料

    白砂糖、粗制食用盐、辣椒、苦瓜、柠檬。

    3.实验器具

    镊子、透明胶、若干透明洁净的塑料吸管、塑料杯。

    三、过程和结果

    1.首期准备

    人工饲养一窝野蛮收获蚁（1只蚁后与60只工蚁），定期给它们投喂食物与补充水源，注意控制好湿度和温度。两周后蚂蚁适应新的环境，可進行实验，在实验前先进行一周饥饿处理，

    2.预实验

    制作如图1所示的探究装置：将塑料杯A与蚂蚁窝的巢穴口通过一根透明塑料吸管相连，作为中转站，分别将塑料杯B和C与塑料杯A也通过塑料吸管a、b相连（两管长度一致）;往塑料杯B中放入白砂糖，塑料杯C做空白处理。观察蚂蚁的觅食路径，记录两个塑料杯中不同时间段的蚂蚁数量，以便确定蚂蚁数量出现明显差异的时间。

    本实验重复三次，并记录实验结果如表1。

    现象描述：开始两管都有蚂蚁散布爬行，15min后，明显可以看到蚂蚁较多地选择进入管。，前往塑料杯B搬运食物;而塑料杯C中蚂蚁较少。说明食物对蚂蚁有吸引力，同时确定以15min作为下列正式实验的观察时间。

    3.蚂蚁觅食行为的探究

    （1）探究蚂蚁的通讯

    ①验证信息素的存在

    继续上述的实验，保持塑料杯B有食物、塑料杯C没有食物（且原方位及位置不变），用镊子快速将塑料吸管a、b调换位置（如图2），注意连接方向不变。

    观察蚂蚁的觅食路径变化，记录两个塑料杯中的蚂蚁数量（如表2）。

    现象描述：调换吸管位置后，蚂蚁仍较多地选择进入管a，15min后塑料杯C的蚂蚁明显更多。说明管。有某种特殊的信息物质引导蚂蚁优先选择进入，验证了信息素的存在。

    ②探究信息素是否有极性

    在上一步观察到相应现象后，用镊子快速将管a连接塑料杯A与C的两端互换，探究信息素是否有极性。观察蚂蚁的觅食路径变化，记录两个塑料杯中的蚂蚁数量（如表3）。

    现象描述：调换吸管a连接塑料杯A与C的两端后，蚂蚁仍然较多地选择进入管a中，15min后塑料杯C的蚂蚁仍然比塑料杯B多。说明信息素作为蚂蚁通讯的化学物质是没有极性的。

    ③验证信息素在蚂蚁觅食行为中的重要性

    保持塑料杯B有食物，塑料杯C没有食物，将上一步实验中的管a小心取出，另外用镊子换上一根新管a'，观察蚂蚁是否较多地选择进入管a'中，记录两个塑料杯中的蚂蚁数量（如表4）。

    现象描述：将管a换成管a'后，蚂蚁没有较多地选择进入管a'中，15min后塑料杯B的蚂蚁数量较多。推测信息素在蚂蚁觅食中起到很重要的作用。

    （2）探究蚂蚁的觅食口味

    用新的塑料杯与塑料吸管制作如图3所示的装置。注意：中转站是半圆形（将塑料杯对半切开，取一半用塑料膜封好），保证蚂蚁从管。出发，到五个新人口的距离一样;同时，除了管。之外的五根塑料吸管应长度一致。

    给蚂蚁提供不同味道的食物，尽量保证切成的颗粒大小相近。五个塑料杯中分别放置酸、甜、苦、辣、咸五种食物：A中为柠檬果肉颗粒，B中为白砂糖，C中为苦瓜颗粒，D中为辣椒颗粒，E中为粗制食盐颗粒。观察蚂蚁的觅食路径，记录蚂蚁数量在15min后的变化，重复实验三次（如表5）。

    根据五个塑料杯中停留的蚂蚁数量，推测蚂蚁觅食口味为喜甜味食物，咸味食物次之，不喜酸味、苦味和辣味食物。

    四、分析和讨论

    将上述实验的过程、现象与结论整理如表6。

    本实验具有以下优点：①在无水环境下进行，避免蚂蚁容易受到惊扰，经常表现出隐蔽不动或惊慌乱窜，不断掉入水中。②塑料吸管与塑料杯限制了蚂蚁的活动范围，只要做好防逃逸的措施，蚂蚁就不会随意出现在实验区与休息区之外。③因变量为塑料杯区域中的蚂蚁数量，学生3到5人一组相互配合可以很方便地计算出蚂蚁的数量，或结合摄影、录像技术也可以很直观地反映自变量不同对因变量造成的影响。④选择人工饲养的蚂蚁进行实验，一来可避免学生直接在自然界接触到有毒蚂蚁，保证学生实验的安全;二来方便师生随时对蚂蚁进行饥饿处理并实验，不需要在自然界蚂蚁饥饿感最强的清晨做实验，也避免用食物引诱了半天蚂蚁都不出来的情况。

    综上所述，本实验不仅验证了蚂蚁是通过气味进行通讯的，还可以有效拓展探究，强化学生“科学探究”能力的培养。“科学探究”是义务教育生物新课程标准的一级主题，将其引入课程内容中，可促进学生学习方式的改变，使学生能主动地获取生物科学知识，体验科学过程，形成一定的科学探究能力和科学态度与价值观，培养创新精神。大部分初中生都对生物学科感兴趣，对蚂蚁搬运食物的现象比较熟悉，故可利用这一实验激发学生科学探究的兴趣。通过这一实验的开展，学生可以运用已有知识经验进行推理和假设，尝试探究蚂蚁的信息交流方式，体验科学探究的乐趣，培养科学探究能力，并在小组合作探究中认同合作与交流的重要性，培养互助友爱的精神。