党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央把生态文明建设作为关系中华民族永续发展的根本大计，坚持绿水青山就是金山银山的理念
［1］。对中学生开展生态文明教育具有现实意义。生态文明教育强调教育与自然和社会的联系，因而教师要善于挖掘课外资源，引导学生接触、认识并理解真实的自然环境和生态规律。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）要求树立健康意识和社会责任感，能够强身健体和服务社会，初步形成生态文明观念，践行“绿水青山就是金山银山”的理念，积极参与环境保护实践，立志成为美丽中国的建设者
［2］。“课程标准”指出，教师应重视科学实践活动的设计，围绕学生核心素养培养，依据生物学学科的概念体系，设计系列科学实践活动，并且要敢于突破教材的限制，充分挖掘教材以外的资源（如植物园、动物园、科研机构），选用真实多样的生物学材料。生物学是一门实验性科学，其基本的研究逻辑是：发现科学现象、对科学现象进行思考和逻辑推理并提出科学假说、设计实验方案、开展实验研究、验证科学假说。义务教育生物学课程注重探究和实践，中学生处于思维较为活跃且对未知世界充满好奇、探索欲望较为强烈的阶段，在此阶段开展突破教材内容的科学探究实验，对于学生来说具有积极意义且是有趣的，有利于培养学生的科学探索精神。
1 实验设计思路
“种子萌发的环境条件”探究实验是新人教版生物学七年级下册第三单元第一章“被子植物的一生”中“种子的萌发”一节中的内容，学生在探究前已经具备了生物的特征、植物种子的基本结构等知识储备，也具有了一定的探究能力和实验操作能力。设计简单、易操作的科学小实验，以具体的例子来探索开放性科学实验在中学生物学教学过程中的可行性，具有现实意义。设计和开展实验来探索不同温度及土壤埋藏深度对高山垫状植物山生福禄草种子出苗率及其幼苗生长的影响，有助于学生建构“生物在长期的进化过程中形成了与环境相适应的形态结构、生理功能和行为方式等特征”的适应观，从而培养学生的生态文明观念。
学生较容易理解温度会对种子萌发和幼苗生长产生影响，因气候变化的概念对于中学生来说并不陌生。需要向学生解释的是，为什么要探究种子在土壤中的埋藏深度对种子出苗和幼苗生长的影响。首先，需要从物理的角度解释：种子被过厚的土壤覆盖具有过高的机械阻力，从而不利于幼苗出土；其次，从自然环境角度解释：在高山生态系统中，土壤具有颗粒较大、流动性强等特点，植物种子很容易掉落进较深的土壤层中，因此很有可能不利于幼苗的破土。
2 实验设计流程
2.1 实验目标
利用校内校外的生物学教学资源，以教材基础知识为主线，突出适应观的达成和科学探究实验要素的培养，制订以下实验目标：①通过探究实验认识到种子萌发需要适宜的环境条件和自身条件，理解当环境条件不适宜时，植物将采取一些策略以保护自己，从而建构生物适应观并增强环境保护意识；②学生能够根据实验结论描述种子萌发所需的环境条件除了温度、水分、空气外，还有土壤埋藏深度，培养其严谨的科学态度；③通过对实验方案的探讨与制订，培养学生提出问题、作出假设、设计实验、观察记录和分析数据的科学探究能力；④根据实验现象探讨如何利用种子萌发的知识提高农作物的产量与质量，为农业生产提出合理建议。
2.2 实验材料的选择
在实验设计中，选择一种典型的高山垫状植物山生福禄草为实验材料。山生福禄草（
Arenaria oreophila）是石竹科（Caryophyllaceae）无心菜属（
Arenaria）植物，主要分布于我国西南部横断山的高山地区，海拔高达5 000 m。由于海拔非常高，诸如低温、土壤贫瘠且保水能力差、强紫外线辐射等极端环境条件限制了大部分植物的生存。但作为高山生态系统的先锋物种，山生福禄草对植物群落物种组成、群落结构以及物种多样性等起着重要调节作用
［3］。同时，山生福禄草对气候变化较为敏感，气候变化可能对其野生种群产生负面影响
［4］，并有可能直接或间接地对整个高山生态系统产生不利影响。实验所用山生福禄草种子由中国科学院昆明植物研究所陈建国研究员（长期从事高山生态研究）团队提供，种子于2023年9月底采自云南省西北部白马雪山海拔4 680 m处。
2.3 种子萌发与幼苗培养实验
（1） 提出问题。
植物种群要想在自然界中长期维持和扩张，主要依赖于种子萌发产生幼苗，并且幼苗能够成功存活。因此，我们可以通过实验来探索“哪些环境因子可能对植物种子萌发和幼苗生长产生影响，并可能影响它的自然种群更新和扩张？”
（2） 作出假设。
温度、水分、空气、土壤埋藏深度等环境因子可能对植物种子萌发和幼苗生长产生影响，并可能影响它的自然种群更新和扩张。
（3） 制订计划。
实验器材：种子若干、6孔育苗盘、恒温培养箱、塑料盒、腐殖土与珍珠岩、记号笔、实验记录本。
设置种子播种深度：0 cm、1 cm、2 cm，每孔20粒种子，每一深度重复6次（即一个育苗盘），将育苗盘置于塑料盒中，倒入自来水湿润土壤，适时添加，保证整个实验过程中不缺水。设置3个恒温培养箱温度条件分别为：2 ℃/5 ℃、10 ℃/15 ℃、20 ℃/25 ℃，夜/昼各12 h，夜间无光照，白天光照强度为7 000 Lux，将经不同处理的育苗盘放入对应培养箱中，每个培养箱中放置不同深度的育苗盘各一盘。实验前，将腐殖土与5 mm珍珠岩按体积5∶1的比例混合后装填于6孔育苗盘。每隔1 d观察和记录出苗情况，每次由2~3名学生合作完成，用时约30 min，直至实验结束（持续41 d，记录21次）。
（4） 完善计划。
在实验正式开始前，可以采取问答的形式与学生讨论如
表1所示的启发性问题，并在学生充分思考和讨论后给出明确的答案或解释。
（5） 实施计划。
采用预实验方法挑选成熟饱满的种子进行播种和幼苗培养实验。成熟饱满的种子通常具有更好的活力和萌发能力，主要根据外观特征（如大小、性状、色泽等）挑选。因高山植物山生福禄草部分种子的种壳较紧实，需用物理揉搓法才能把种子剥离开来，随后用镊子把颗粒饱满的种子挑选出来，每20粒装一袋，标记后6袋为一组，即同一处理设置6次重复。注：因山生福禄草的种子质量极小，在挑选时一般不会考虑水浸法，通过外表观察种皮呈现黄褐色、形态圆润饱满，即可视为质量较好。
由前人研究成果可知，山生福禄草种子没有休眠期，在确保种子成熟、饱满且无机械损伤的前提下，于水分充足环境中播种后约4 d即可萌发，种子萌发率可达到95%以上。在此基础上向学生解释有些种子会有休眠期，即使在条件适宜的环境中，种子也不一定都能萌发。首先，这是种子适应环境的方式，能避开不好的环境，比如太干、太冷、太热的时候，等环境改善后再发芽，幼苗更容易存活；其次，有的种子离开母体时，里面的胚还没长好，要等长好了才能发芽；再者，种子内可能存在抑制萌发的物质，如脱落酸；还有，种皮可能会阻碍氧气、水分吸收或限制胚的生长；最后，种子收获后要经历一个生理成熟的过程，这期间也会休眠。因此解除休眠期的方法主要有：低温处理，把种子放在低温的环境中一段时间；晒种，让种子晒晒太阳，吸收热量；激素处理，使用像赤霉素这样的激素刺激种子；机械处理，比如把种子的外皮划破或者弄薄一点，让里面的胚能更好地接触外界条件。按确定的探究计划进行实验，定期观察，认真记录种子的萌发情况（
图1）。设计的实验观察记录表见
表2。
实验结束时，记录不同埋藏深度的幼苗数量，并测量和记录幼苗株高、叶片数。若幼苗数量大于5株，则选择肉眼观察到的最高的5株进行测量；若幼苗数量小于5株，则测量全部存活幼苗。之后，用工笔刷轻轻将幼苗刷干净，并将所有幼苗装入纸质信封袋内，做好标记，送至中国科学院昆明植物研究所烘干并称量相应处理的幼苗鲜重与总干重。
2.4 数据处理与分析
将记录的数据进行整理、计算平均值、制作图表、对比分析、寻找规律和趋势。对以下指标进行比较分析。
（1） 出苗率=出苗数量/播种种子数量（20粒）×100%。
（2） 幼苗株高、叶片数量。
（3） 幼苗干重=幼苗总干重/幼苗数量。
采用生态学研究中常用的双因素方差分析方法，并使用专业统计软件SPSS 16.0对数据进行统计分析。将数据分析结果以图表的形式呈现出来，可直观地让学生理解实验结果所揭示的科学规律，从而更好地回答实验前所提出的科学问题。
2.5 实验结果与讨论
（1） 种子出苗率。
每隔1 d记录一次出苗数量，以出苗率（%）为纵坐标，时间（
t）为横坐标得到
图2。从
图2可以直观看出，总体上温度越高越利于山生福禄草种子出苗，同时埋藏深度越浅越利于种子出苗。在中高温（培养温度大于10 ℃）条件下，0 cm埋深的种子出苗率最高，出苗速度也最快，即在较短时间内达到较高的出苗率；而温度过低（小于5 ℃），则会对种子出苗形成强烈的抑制作用。
引导学生作出如下的科学推断：既然高温可以促进山生福禄草种子的出苗率，那么在全球气候变暖的背景下，气温升高是否意味着它们的野生种群中更容易产生新生幼苗，新生幼苗的大量出现又可能促进其种群的更新和扩张。但是也需要认识到，新生幼苗的出现同时也受制于种子在土壤中的埋藏深度，如果埋藏太深，可能最终也不利于其种群的扩张。
（2） 幼苗生长表现。
种子成功萌发长出幼苗，并不意味着它们就一定有利于种群的扩张，还需要看幼苗的生长及存活情况。尤其对于高海拔植物而言，它们的生长季节非常短暂，若在有限的生长季节内不能很好地生长，则可能很难成功地抵抗接下来长久的冬季严寒（高山地区冬季漫长，近7个月时间可能被厚厚的积雪覆盖）。
从
图3中可以看出，温度越高越能促进山生福禄草幼苗的生长，既能促进它们长得更高，又能促进它们长出更多的叶片，而叶片是植物进行光合作用、生产和储存有机物的最重要的器官；反之，若温度过低，则非常不利于幼苗的生长发育。这就意味着，气候变暖、气温升高可能有利于山生福禄草幼苗在有限的生长季节内长得更好，同时也能积累和储存更多的有机物质，从而在接下来漫长的冬季期间具有更强的逆境抵抗力。此外，种子的埋藏深度对其幼苗的株高和叶片数量也产生较大影响，埋藏越深越不利于幼苗的生长发育。
有趣的是，实验结果表明，虽然高温可以在一定程度上增加幼苗的干重，即有利于幼苗积累生物量。但在相同的温度条件下，不同的埋藏深度对幼苗最后的干重并没有产生显著影响（
图4）。结合前面的实验结果，可以推测：一方面，虽然埋藏较浅的幼苗长得更高、具有更多的叶片，但其在生物量积累方面可能并不具备更大的优势；另一方面，这也意味着，幼苗本身的含水量可能更高。
3 总结与开放性思考
对山生福禄草这一典型的高山植物进行实验分析，可以得出以下结论：温度以及埋藏深度都显著地影响着种子出苗率及后续幼苗的生长表现。这样的研究结果可能对预测山生福禄草在未来气候变暖背景下的种群更新和扩张提供一定的参考价值。首先，全球气候变暖可能导致高山地区的气温持续上升，有可能促进山生福禄草种子的出苗率和出苗速率，而较高的出苗率则意味着较快的种群更新和扩张速率。但是，因为种子出苗速率和出苗率，以及幼苗的生长表现同时受到种子埋藏深度的影响，而高山地区土壤发育不全，流动性较强，一些种子，尤其是体积和质量较小的植物种子容易被埋进较深的土壤层中，从而不利于后期的出苗以及幼苗生长。
基于此，可以引导和激发学生进行以下开放性思考：①虽然高温能提高种子出苗速度和出苗率，但实验过程中人为保证了水分条件，假若在真实的自然条件下，温度升高后可能因为蒸发作用强烈而导致土壤缺水，又会对种子出苗和幼苗生长产生怎样的影响？②由于培养时间较短，并没有观察到幼苗死亡的情况发生，但实际上，有研究表明气温升高可能会加快幼苗的死亡速率
［4］，因此，若有可能，未来还需要如何增加或改进实验内容？③埋藏深度对幼苗的干物质累积没有影响，但埋藏较浅的幼苗具有更高的株高，说明其自身含水量较高，那么含水量对幼苗的后期生长以及逆境抵抗力有没有影响？
4 探索性科学实验在中学生物学教学中的可行性及意义
本实验具有开放性和探索性，针对实验材料提出一定的科学问题后，由教师设计相应的实验内容和过程。但在实验开始前，并不能完全预判实验结果，从而也不能提前解释科学现象和科学规律，有助于学生在整个实验过程中持续保持兴趣和积极性，激发其科学探索的热情。
实验设计主要考虑温度和土壤埋藏深度等学生容易理解的环境因子，并以种子出苗率和幼苗株高、叶片数、干重等为检测幼苗生长发育指标，结果以图片形式直观、形象地呈现，便于学生理解和接受实验结果及其反映的科学现象和科学规律。在整个实验过程中，保持与学生的沟通和交流，并结合中学生物学教材中的有关课程内容解答学生的疑问。在实验结束后，针对实验结果尚未揭示的一些科学现象或疑问，采取开放性思考的方式与学生进行自由讨论，做到寓教于“乐”。
综上所述，在中学生物学教学中开展探索性科学小实验活动具有较高的可行性。相关实验活动的开展，对激发和培养学生的科学探索兴趣和精神具有积极意义，同时也能增长和丰富其生物学知识。但同时，开展相关科学实验活动，对教师也提出了较高要求，需要教师不断学习、思考并拓展自身的生物学知识和专业素养。
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