“植物种群动态特征调查与分析”实验设计与实践

[摘 要] “植物种群动态特征调查与分析”实验以学生为主导开展实验设计和实验教学。实验系统化了学生的知识体系，培养了学生的科研思维，提高了学生学习生态学的兴趣。

[关键词] 生态学实验;种群动态;研究性实验

[基金项目] 2018年度西南大学校级教育教学改革研究项目“高校生态学实验创新体系研究与实践推广”（2018JY053）

[作者简介] 朱海燕（1977—），女，湖北咸宁人，博士，西南大学生命科学学院讲师，主要从事植物生态学研究。

[中图分类号] G642.423    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）30-0379-02   [收稿日期] 2019-10-02

生态学是研究生物与环境之间相互关系的学科，具有很强的实践性[1]。实验是理论知识向实践过渡的重要过程[2]。在加强理论教育的同时，我们注重实验教学改革，丰富实验体系[3]，优化实验方案[4]。在现有的生态学实验体系中，种群动态实验多为种群密度、种群生命表、种群增长模型等基础性实验[5-8]。教学发现，学生对单个知识点掌握好，但综合应用及延伸学习效果较差，且实验中学生主导性有限。为此，课程组以“植物种群增长模型”为例，扩充实验内容，设计了“植物种群动态特征调查与分析”，变基础性实验为研究性实验，以期培养学生的生态学素养和科研思维能力，提高生态学实验课程的教学质量。

一、教学设计与实践

（一）教学设计

教师给出任务。以自然群落中的某乔木种群为实验对象，要求学生通过实验，理解种群动态与环境的关系，提出种群利用和保护、或病虫害防治等策略。

学生完成任务。首先，学生自主分组，以小组为单位，利用课余时间，结合所学知识，检索文献，确定实验方法和实验内容，完成实验方案初稿。之后，各小组推荐一名成员进行实验方案的班级陈述，教师和其他同学对方案进行质疑和修订补充，形成最终的实验方案。最后，各小组独立完成实验操作、数据分析及报告撰写等过程。

（二）实验操作

以槐树（Sophora japonica Linn）种群动态特征分析为例。为了解群落中槐树种群的现状和未来发展趋势，小组采用总数量调查法对其进行每木检测，完成种群年龄结构、静态生命表、存活曲线、及种群增长模型四个实验内容。实验设备有GPS、罗盘和软尺。

学生利用实验设备获取实验样地的地理位置、坡度坡向，样地内槐树的树高和1.3m处的胸围，估算群落的郁闭度。结果记录于事先制定好的野外调查记录表上。

实验过程中，组员合理分工，自主完成实验操作，教师为学生现场解惑答疑，如“连理枝”、倒伏和坡地上槐树胸围的测量;或引导组员关注槐树幼苗生长与光照条件的关系、自然群落的演替等，将课堂内容生动地再现于自然群落中。

野外调查结束后，组员运用Excel独立完成原始数据的处理和分析，教师为其提供必要的指导，如静态生命表编制过程中数据倒置的处理，三点法[4]计算环境容纳量K及三点的选择，Excel中直线回归求r和a值等。

（三）实验结果

实验样地位于东经106°26′、北纬29°50′，海拔252.6m，群落郁闭度0.6。小组共调查槐树466株。以径级结构代替年龄结构，每级间隔2cm[9]，将其划分为19个龄级，1—4龄级个体数量大，从第五龄级开始下降，龄级越大，个体数量越少，为增长型种群。由于采用不同龄级在空间上的差异来研究特定时间段的种群动态，难免存在一定的系统误差，及与数学假设技术不符的现象，因此在8、9、10、11龄级出现了数据倒置，借助方程匀滑技术[ 10 ]对数据进行处理，得到槐树种群的静态生命表和存活曲线，曲线为Ⅲ型，表现出幼苗死亡率较高，到第九龄级后死亡率降低。以树高1.3m处的胸围为基础，计算各龄级槐树种群的基盖度，采用三点法和直线回归，得到K、r和a值，建立种群增长模型（式1）。

S=■ （式1）

从槐树的角度来看，林业上应注意幼苗的管护，并对该群落进行适度的干扰，为幼苗的生长提供适宜的光照条件。

（四）成绩评定

实验成绩由实验设计、野外调查和研究报告三部分组成，依次占比为30%、30%和40%。实验设计由小组成员根据贡献率互评给出分数;野外调查按照出勤和野外实作情况决定。实验报告以研究报告的形式呈现，含前言、研究区概况、研究方法、结果与分析、讨论与结论、参考文献几个部分。

二、实验效果

原有的基础性实验主要是通过教师讲解实验原理和实验过程，规范学生基本操作技术、使学生掌握实验方法、数据处理和结果分析。学生依葫芦画瓢，积极性和参与度不高;且不同实验之间关联性不强。当以一个植物种群串起多个实验，并融入科学研究的方法、技能和思维后，实验具有了一定的科研性質，产生了良好的教学效果：

1.系统化了学生的知识体系。实验内容综合了种群年龄结构、静态生命表、存活曲线、增长模型四个实验，曾经独立分开的知识系统地展现在学生的研究报告中，促进了知识的内化吸收;同时，补充了理论教学，如扩展了数据匀滑技术、植物种群年龄的划分、逻辑斯蒂增长模型参数的计算等内容;第三，融合了多个实验技术，如环境因子调查、植物分类、Excel数据处理等。

2.培养了学生的科研思维能力。科研思维训练对学生再学习和创新具有重要作用。实验过程中，学生学会了查阅和分析文献，这有助于学生在更深层面上理解知识，形成扎实全面的知识体系;实验操作和结果分析等过程培养了学生的实践操作能力、分析问题和解决问题的能力。

3.提高了学生的学习兴趣。在“学生为主，教师为辅”的教学模式中，学生的心态不再是“我被学”，而是“我要学”，充分调动了学生的主观能动性。实验过程中，学生体会到了理论应用于实践的价值和乐趣，教学质量有了很大提升。

参考文献

[1]杨持.生态学[M].北京：高等教育出版社，2014.

[2]孙杰，钟小剑，杨红玉，等.“生态学实验与技术”课程实验教学改革的实践与探索[J].实验室科学，2019（3）：146-150.

[3]刘锦春，陈瑶，魏虹.“生态学”实验教学初探-建立以生态评价和生态建设为主线的“生态学”实验实习体系[J].西南农业大学学报（社会科学版），2014（1）：133-135.

[4]施军琼.浅析生态学实验课如何发挥培养科研素养的作用[J].当代教育实践与教学研究，2017（11）：238.

[5]杨持.生态学实验与实习[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]章家恩.生态学常用实验研究方法与技术[M].北京：化学工业出版社，2007.

[7]赵建刚，乔永民，林秋奇，等.生態学综合实验的教学探索与实践[J].生态科学，2010（4）：400-402.

[8]张仁懿，袁建立，史小明.基于Netlogo建设生态学虚拟仿真实验库的实践[J].实验室科学，2018（4）：67-69.

[9]封磊，洪伟，吴承祯，等.珍稀濒危植物南方铁杉种群动态研究[J].武汉植物学研究，2003（5）：401-405.

[10]解婷婷，苏培玺，周紫鹃，等.荒漠绿洲过渡带沙拐枣种群结构及动态特征[J].生态学报，2014（15）：4272-4279.

Experimental Design and Practice on the Investigation and Analysis of Dynamic Characteristics of Plant Population

ZHU Hai-yan

（School of Life Science，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Abstract：The research experiment is beneficial for the students.Taking the experiment of "Investigation and Analysis of the Dynamic Characteristics of Plant Population" as an example，the experimental schemes were designed and completed by the students，and necessary guidance was provided by teachers.The results showed that，through the experiment，knowledge points were systematically integrated in one goal，and the students' abilities of investigation and analysis were trained，and the learning interest was promoted.

Key words：ecological experiment;population dynamic;research experiment