体现3R原则的初中生物学动物实验教学研究

曹凤璋

［摘 要］3R原则是指在动物实验中所遵循的优化（Refine）原则、减少（Reduce）原则和替换（Replace）原则。3R原则体现生物学珍视生命的学科价值取向，对于学生态度责任素养的培养有一定的促进作用。文章以“探究蚯蚓适应土壤中生活的特征”的实验课为例，对体现3R原则的初中生物学动物实验教学进行研究。

［关键词］3R原则；动物实验；态度责任

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）23-0097-03

随着生命科学在生物伦理学方面的发展，动物福利在动物实验中日益受到关注。在生命科学研究中，动物福利是考查研究合规性的重要方面。中学生物学中的动物实验虽然不是专业的学术研究，但是应尽可能地遵守实验动物福利的要求。3R原则是指在动物实验中所遵循的优化（Refine）原则、减少（Reduce）原则和替换（Replace）原则，旨在改变传统的动物实验方式，尽可能地将动物实验减少到最低限度［1］。3R原则作为被广泛接受的动物福利原则，已经被许多国家立法承认，它是生物学实验设计和实施中必须遵守的行为规范。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）提出，要在生物学教学中培养态度责任素养，要求学生在科学态度方面有自我要求和责任担当［2］。3R原则是在长期的动物实验实践中总结出的旨在保障动物福利的实验优化思路，即体现了严谨求实地开展自然探索的心理倾向，也体现了对自然界其他生命体认真负责的态度。

一、联系实践：体现3R原则的知识教学策略

3R原则作为重要的动物福利原则，其文本内容应当作为教学目标之一，学生应当达到能举例说出3R原则的内容并在该原则指导下进行动物实验的程度。作为一个实验规范，体现3R原则的知识教学的重要策略应当是理论联系实践。在开展“探究蚯蚓适应土壤中生活的特征”这一动物实验时，笔者先将3R原则内涵作为重要的知识给学生进行简要介绍，之后引导学生讨论发掘3R原则所体现的价值取向。学生普遍能体会到实验设计时应当尽可能地尊重并保护实验动物的生命。笔者在讲解实验的注意事项后，让学生思考问题：“这些实验设计是怎样体现3R原则的？以进一步加深学生对3R原则的理解。

在实验教学中，当学生在首次进行动物实验时，3R原则应当作为要求学生了解的知识内容之一。在此后涉及动物实验时还要不断考查学生是否能发现其中有关动物福利的操作细节，并运用3R原则解决动物实验中的实际问题。

二、关注细节：基于3R原则的实验设计策略

（一）优化原则

优化原则是指最大限度地减少动物实验动物的痛苦，保障动物福利。笔者在实验中首先说明什么是优化原则。在使用蚯蚓进行实验时，笔者要求学生在观察和实验的前后将蚯蚓放置在湿润且有充足腐殖质的湿土中。在观察蚯蚓的形态特征时要注意多用湿棉球擦拭蚯蚓的体表，保持蚯蚓体表湿润。为保证蚯蚓为相同品种，笔者在实验中使用了统一购买的蚯蚓。如果要求学生自行捕捉蚯蚓，还应注意要求学生将蚯蚓放在通气良好且装有富含腐殖质的湿土的瓶子（见图1）中，然后要求学生分析这些操作的目的。学生通过分析，普遍能说出这些操作的目的是优化实验过程，减少实验动物的痛苦，保障动物福利。

教师基于优化原则开展动物实验教学，并在实验以外的时间尽可能地为动物提供最自然的生活环境，在实验中尽可能地避免实验动物受到伤害，这些操作可以最大限度地保障实验动物拥有良好的状态。动物实验的优化设计通常可以从实验动物在非实验进程中的携带、饲养，实验中的操作，实验后的处理等方面进行思考。在动物实验的教学过程中，应保障动物福利，引导学生尊重动物生命，强化学生对生物与环境关系的理解，增强学生的环境保护意识。

（二）减少原则

减少原则是指动物实验中在保证数据信息的数量与精确度的前提下，最大限度地减少实验中使用的动物数量。在探究蚯蚓适宜的生活环境时，笔者设计了这样的学生实验：首先将解剖盘一半铺干燥的土壤，另一半铺湿润的土壤，用黑色遮光板分别将干燥的土壤和湿润的土壤遮住一半；然后将蚯蚓放置在解剖盘中，一段时间后观察蚯蚓分布的位置。

根据实验设计的原则，应当使用多条蚯蚓进行实验。在这个实验中，笔者将全班学生分为10个小组，每组只提供2条蚯蚓，由各组学生分别开展实验。为了尽可能地排除实验操作者操作差异带来的误差，笔者在实验前首先明确了操作的步骤和标准，包括蚯蚓的初始位置、遮光板位置和实验时长。各组实验结束后，由安排的小统计员对各组实验结果进行汇总，这样就获得了一个具有20个样本的实验结果。完成实验后，笔者对实验过程进行分析，说明每组实验只选用2条蚯蚓的做法可以在不影响实验结果的前提下极大地减少了蚯蚓的使用量，进而深化学生对“减少原则”的理解。

减少原则在中学动物实验条件下可优化的方面较少，中学动物实验很难提供标准的实验室环境，但是教师仍可以在保证各小组遵循统一的标准和步骤开展实验的前提下，减少每个实验小组的样本量，通过汇总各组实验结果，在保证实验总体样本量充足的同时，达到减少实验动物使用量的目的。这是学生实验课中体现减少原则的可行方法。

（三）替代原则

替代原则是指使用模型模拟或细胞实验替代动物实验，或使用没有知觉的动物替代有知觉的动物。例如，在探究蚯蚓刚毛的作用时，根据探究的问题，实验的自变量应当是蚯蚓刚毛的有无。但是将蚯蚓刚毛拔去是比较残忍的操作，会对蚯蚓的状态产生不良影响，也不利于实验结束后蚯蚓的放归。此外，在初中学校的设施条件下，这一操作也较难实现。

《课标》建议教师利用现代工程手段制作模型开展实验。基于此，笔者利用3D Builder设计并制作了蚯蚓的体节模型，每个模型包含20个放大了的蚯蚓体节，模型一头连有挂钩。蚯蚓体节模型每组包括一个带有刚毛的体节模型（见图2中的A模型）和一个不带刚毛的体节模型（见图2中的B模型）。由于模型的刚毛细小，在拖拽时易断裂，因此為了保证模型强度，笔者使用光固化3D打印技术将电子模型制成实物模型。此外，所使用的模型还可以进一步改进优化，如先3D打印蚯蚓内脏结构模型，然后用透明树脂翻模铸造出蚯蚓的体节外形。这样，学生可以通过观察该模型，归纳环节动物的特征。

使用时可先在解剖盘中铺上适量的潮湿沙土，将蚯蚓模型半埋入潮湿沙土中，用弹簧测力计连接蚯蚓模型的挂钩；再水平拉动弹簧测力计，当蚯蚓模型被拉动时，记录蚯蚓模型在潮湿沙土中滑行过程中弹簧测力计的读数。使用有刚毛的蚯蚓体节模型和无刚毛的蚯蚓体节模型分别进行三次实验，记录实验数据并取平均值。通过对比拉动有刚毛的蚯蚓体节模型和无刚毛的蚯蚓体节模型的拉力，学生能更加直观地发现刚毛可以增加蚯蚓与土壤颗粒之间的摩擦力。

中学生物学实验室通常难以支持动植物细胞培养、分子纯化方面实验的开销，所以只能开展很少部分极简单的细胞和分子层面的实验，因此用细胞实验或分子生物学实验替代动物实验的可行性不大。但是基于实验目的对实验动物进行简化的、概括性的描述，仅保留与探究内容相关的特征从而构建替代模型，可以简化认知过程，促进知识理解［3］。通过模型替代的方法，不仅可以使一些难以控制的实验过程变得简单，使难以量化的实验结果变得直观，还可以减少动物实验的开展次数，避免多次实验对实验动物造成的伤害。例如探究蚯蚓刚毛的作用实验以及教材中对鱼鳍功能的探究实验，这类探究生物某一结构的功能的实验，都可以通过应用模型实验来替代动物实验。

三、启示与反思

（一）赋予教学活动更多的意义

动物福利问题越来越受到社会的关注，相关的生物伦理学的讨论也日益深化。在讨论这些社会议题时，3R原则为学生提供了正确的视角。本文提到的一些实验的具体操作在教学实践中其实早有运用。此外，教材在其他实验中也常常体现3R原则。例如，探究鱼类游动发力部位时使用模型替代而不是剪去尾鳍，体现了替代原则；观察鱼尾鳍血液流动时用湿润的毛巾包裹鱼身，减少鱼在空气中的不适，体现了优化原则。但是在这些实验教学中，教师通常不会向学生系统地解释这些实施方式的意义。在新课程标准的实施背景下，培养学生的态度责任素养成了教学目标之一。3R原则作为动物实验设计的重要原则，体现着生命科学的人文关怀。教师应当将3R原则作为核心内容，在教学中明确指出在动物实验设计中如何体现3R原则。发掘看似平常的实验操作的更多意义，启发学生关注并思考动物实验中各种常见操作的深意，有助于学生明确动物实验的设计规范，形成珍视生命的情感态度。

（二）关注学习过程中的情感体验

学习过程中的情感体验不像知识、能力或品格那样容易考察，因此常常被教师忽略。人本主义认为，有意义的学习不仅需要思维参与，还需要情感的卷入。学生在学习过程中不仅要获取知识、锻炼能力，还要体验情感，以及能全身心地参与。在动物实验课上，这种情感体验既有对生物多样的形态结构和生理习性的好奇，对实验操作步骤精巧设计的叹服，又有平等对待每一个生命这样的珍视生命的情感体验。如果教师不引导学生关注动物实验中的动物福利，“珍视生命”这一情感体验很容易被忽视。这样的实验课中实验动物就很容易失去关爱，论为实验工具。长此以往，学生容易在观念中将生命工具化，形成“漠视生命”的错误价值观。因此，在动物实验教学中，教师需要十分关注动物福利问题。这种关注不仅包括在设计实验操作中保障动物福利，还包括向学生说明这些实验操作背后的动物福利原则，让学生明白实验动物的使用是有伦理学冲突的，开展动物实验是为了人类的发展而不得已的選择。在动物实验中，应当怀着感激和不忍去面对实验动物。这样的情感体验才能帮助学生建立尊重生命、珍视生命的正确价值观。

（三）推动实验设计更加严谨

本节课涉及的实验是教材中要求开设的，但是教材中使用的探究实验方式在论证逻辑上并不严谨。教材中采用的方法是将蚯蚓分别置于光滑玻璃和毛玻璃上，然后观察、记录并比较蚯蚓的运动情况。这种方式存在蚯蚓行为不可控的问题，蚯蚓不一定会尽全力向前蠕动，因此实验结果难以真正量化。同时，该实验中的变量是玻璃表面的粗糙程度，因此实验所能得出的结论实质上是关于“环境的粗糙程度对蚯蚓爬行的影响”，不能真正论证“蚯蚓的刚毛可以增加摩擦力”。探究蚯蚓刚毛的作用时应当将刚毛的有无作为实验的自变量。本文提供的方法能建立一条更为严谨的逻辑链，使得实验能真正证明蚯蚓刚毛的作用。同时，该方法较原方法还具有结果可测量、可量化的优点。模型替代可以帮助生物实验实现更多的可能性，尤其是在实验过程的可控性以及实验结果的观测和量化方面，实物模型都展现出了一定的优势。

基于3R原则进行实验优化是需要不断思考、不断改进的，需要教师发挥批判精神，认真思考动物实验的原理和每个具体操作，不断推动动物实验向着更好的方向发展。

［   参   考   文   献   ］

［1］  IHLE S. Animal experimentation in research：the 3Rs principle and the validity of scientific research［M］.Bonn：German Research Foundation，2022.

［2］  中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准：2022年版［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［3］  李希明.建构生物模型，突破教学难点［J］.中学生物教学，2011（7）：10-12.

（责任编辑 黄春香）