“光合作用”主題概念研究述評(píng)及其對(duì)課堂教學(xué)的啟示

周丐曉 劉恩山

（1溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 浙江溫州 325035 2北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

科學(xué)概念的深入理解對(duì)于科學(xué)素養(yǎng)的提高至關(guān)重要，科學(xué)教育應(yīng)致力于理解一些科學(xué)大概念，包括科學(xué)概念，以及關(guān)于科學(xué)本身和科學(xué)在社會(huì)中所起作用的概念［1］。光合作用在地球生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，光合作用吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣，維系著地球生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)，幾乎所有的生命都依賴(lài)于光合作用。在中、小學(xué)科學(xué)課程中，光合作用是學(xué)生必學(xué)的重要科學(xué)內(nèi)容，但由于光合作用系統(tǒng)本身的復(fù)雜性與抽象性，又涉及生態(tài)學(xué)、生物化學(xué)等多學(xué)科概念的整合，學(xué)生對(duì)此理解較為困難，多僅限于名詞術(shù)語(yǔ)的記憶，難以深入理解和應(yīng)用［2］，因此，對(duì)于“光合作用”主題的學(xué)習(xí)成為科學(xué)教學(xué)的一大難點(diǎn)［3］。本文對(duì)近20年的光合作用概念研究進(jìn)行細(xì)致梳理，探尋其中規(guī)律和有益成分，以期為課程教學(xué)提供若干啟示。

1 早期“光合作用”主題概念研究主要聚焦錯(cuò)誤概念的發(fā)掘

學(xué)生對(duì)于光合作用的學(xué)習(xí)存在諸多錯(cuò)誤概念，這些錯(cuò)誤概念阻礙其形成光合作用的科學(xué)概念，甚至在學(xué)完相關(guān)內(nèi)容后，錯(cuò)誤概念仍未得到轉(zhuǎn)變［4-6］。早期20世紀(jì)80年代的“光合作用”概念研究主要聚焦錯(cuò)誤概念的發(fā)掘，眾多學(xué)者發(fā)掘出一系列學(xué)生的錯(cuò)誤概念。

Wandersee［7］對(duì)小學(xué)生到大學(xué)生的光合作用概念理解情況進(jìn)行了調(diào)查，整理了31個(gè)學(xué)生的迷思概念，還進(jìn)一步探討了這些錯(cuò)誤概念與科學(xué)史之間存在的關(guān)系。Mintzes等［8］通過(guò)訪(fǎng)談和紙筆測(cè)驗(yàn)工具，對(duì)5年級(jí)、8年級(jí)、11年級(jí)、大學(xué)二年級(jí)約1 400名學(xué)生進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兒童對(duì)于“光合作用”有12個(gè)最常見(jiàn)的錯(cuò)誤概念。諸多學(xué)者針對(duì)光合作用展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍存在如下錯(cuò)誤概念，例如：樹(shù)能長(zhǎng)大是因?yàn)樗樟酥車(chē)h(huán)境中的食物，尤其是土壤；植物通過(guò)根吸收二氧化碳；植物吸收陽(yáng)光或礦物質(zhì)作為生存的食物；光合作用是一種物質(zhì)而不是一種過(guò)程，就是植物的呼吸；植物只在白天吸收二氧化碳；混淆光合作用和呼吸作用等［9-11］。

Lumpe 等［12］進(jìn)一步指出，學(xué)生認(rèn)為水、土壤、空氣、礦物質(zhì)和陽(yáng)光是植物的食物，對(duì)“食物”這一術(shù)語(yǔ)的理解有誤。Roth和Anderson認(rèn)為學(xué)生學(xué)習(xí)光合作用的困難主要集中在4個(gè)方面：食物、能量、物質(zhì)和科學(xué)解釋的功能性本質(zhì)。具體集中在植物食物的來(lái)源、食物的本質(zhì)、在植物生命中食物的作用、物質(zhì)的轉(zhuǎn)換、物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、能量的轉(zhuǎn)換、光合作用產(chǎn)物的重要性、光合作用對(duì)人類(lèi)/動(dòng)物的重要性等8個(gè)主題。

此外，臺(tái)灣學(xué)者也頗為關(guān)注錯(cuò)誤概念的探查，吳麗娟［13］開(kāi)發(fā)了一套共 14題的光合作用二階診斷問(wèn)卷，結(jié)合訪(fǎng)談對(duì)小學(xué)5年級(jí)學(xué)生的光合作用錯(cuò)誤概念進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的錯(cuò)誤概念主要集中在光合作用的內(nèi)涵、反應(yīng)場(chǎng)所、能量的轉(zhuǎn)換、養(yǎng)分的作用、物質(zhì)的交換與運(yùn)輸?shù)?個(gè)主題，共檢測(cè)出37個(gè)小學(xué)生關(guān)于光合作用的錯(cuò)誤概念，學(xué)生在前4個(gè)主題上的錯(cuò)誤概念相對(duì)較多。林家平［14］在2001年對(duì)臺(tái)灣小學(xué) 4～6年級(jí)學(xué)生對(duì)于光合作用主題的錯(cuò)誤概念進(jìn)行了深入研究，通過(guò)共18題二階診斷測(cè)試題，檢測(cè)出33個(gè)關(guān)于光合作用的錯(cuò)誤概念，主要集中在植物維持生命的方式、陽(yáng)光在光合作用中的作用、光合作用的場(chǎng)所、光合作用與大氣循環(huán)、光合作用的產(chǎn)物與目的、呼吸作用與光合作用等6個(gè)方面。林達(dá)森［15］對(duì)初一年級(jí)學(xué)生有關(guān)光合作用和呼吸作用的錯(cuò)誤概念進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的誤區(qū)主要包括：很難理解光合作用和呼吸作用都是能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程；將光合作用當(dāng)作提供能量的過(guò)程；混淆光合作用和呼吸作用，難以理解二者之間的聯(lián)系；不理解植物如何獲得食物、不理解根的功能。

表1 學(xué)生有關(guān)“光合作用”的錯(cuò)誤概念及分布主題

由此，對(duì)上述“光合作用”概念研究所探查出的學(xué)生錯(cuò)誤概念進(jìn)行歸類(lèi)和梳理，如表1所示。

2 中期轉(zhuǎn)向探析“光合作用”與其他概念的關(guān)聯(lián)，更注重概念理解的連貫性

“光合作用”是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括碳循環(huán)、能量的轉(zhuǎn)化、氣體的交換和循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者等諸多活動(dòng)，理解起來(lái)較為困難。因此，基于早期對(duì)“光合作用”錯(cuò)誤概念的研究，研究者認(rèn)識(shí)到加深“光合作用”科學(xué)概念的理解，還需關(guān)注“光合作用”與其他概念的關(guān)聯(lián)，例如與“生物體中物質(zhì)和能量的流動(dòng)”“生態(tài)系統(tǒng)中的相互關(guān)系”“生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化”的關(guān)聯(lián)，其中較為成熟的研究主要來(lái)源于美國(guó)2061計(jì)劃（2061 project）的重要成果《科學(xué)素養(yǎng)導(dǎo)航圖》等。

作為2061計(jì)劃的研究成果之一，為加強(qiáng)概念理解的連貫性，Roseman等［16］構(gòu)建了“物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換”主題的概念結(jié)構(gòu)圖，在“物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換”主題中，核心概念包括a1～e，各級(jí)核心概念以下還有相關(guān)概念和前概念，其中構(gòu)建的概念發(fā)展圖見(jiàn)圖1。其中與光合作用直接相關(guān)的核心概念包括：（a1）植物將二氧化碳（空氣中）和水合成糖分子；（a2）植物將能量從光能轉(zhuǎn)移到“能量豐富”的糖分子；（b1）植物將糖分子分解為二氧化碳和水，使用糖分子合成物質(zhì)，或?qū)⑵鋬?chǔ)存。圖中字母下標(biāo)1表示物質(zhì)轉(zhuǎn)換，下標(biāo)2表示能量轉(zhuǎn)換；實(shí)線(xiàn)圓角矩形內(nèi)為核心概念，虛線(xiàn)圓角矩形內(nèi)為前概念，橢圓形內(nèi)為相關(guān)概念。

圖1 “物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換”主題概念發(fā)展圖

表2 “生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)——碳的生成”學(xué)習(xí)進(jìn)階

3 近10年研究嘗試從系統(tǒng)視角詮釋“光合作用”概念理解的學(xué)習(xí)進(jìn)階

基于上述錯(cuò)誤概念及概念理解連貫性的研究，隨著近10年學(xué)習(xí)進(jìn)階的興起，對(duì)于“光合作用”的概念研究邁向一個(gè)新的階段。密歇根大學(xué)的Anderson教授認(rèn)為：對(duì)“復(fù)雜系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)表征是“碳循環(huán)系統(tǒng)”研究下一步需要克服的難題。由此，研究者將“光合作用”置于“碳循環(huán)系統(tǒng)”的大背景下，嘗試開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)其概念理解的學(xué)習(xí)進(jìn)階，并嘗試從系統(tǒng)的視角探尋學(xué)生對(duì)“光合作用”的理解，解釋學(xué)生在宏觀觀察和不可見(jiàn)系統(tǒng)及過(guò)程之間的聯(lián)系。

當(dāng)前，密歇根大學(xué)Anderson教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在這方面開(kāi)展了一系列高質(zhì)量的研究。2009年，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了“社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)”的學(xué)習(xí)進(jìn)階［17］，以“生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)”為研究主題，以 4年級(jí)及6～12年級(jí)學(xué)生為研究對(duì)象，研究學(xué)生對(duì)“生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)”過(guò)程的理解是如何隨年級(jí)變化并日臻完善的；通過(guò)開(kāi)發(fā)開(kāi)放性評(píng)量試題和訪(fǎng)談，借由不同年級(jí)學(xué)生在試題上的作答反應(yīng)及訪(fǎng)談的質(zhì)性分析結(jié)果，厘清了碳循環(huán)學(xué)習(xí)進(jìn)階的各階段內(nèi)容，在此基礎(chǔ)之上發(fā)展了跨年級(jí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

研究者發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者通常在碳循環(huán)主題上有較多不科學(xué)的理解和解釋?zhuān)ㄟ^(guò)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，在物質(zhì)轉(zhuǎn)換這一主題上，學(xué)習(xí)者若要完成從不科學(xué)的解釋轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)且多維度的解釋?zhuān)?個(gè)要素至關(guān)重要：①識(shí)別生命的化學(xué)基礎(chǔ)（life生命）；②表征系統(tǒng)和過(guò)程中涉及的材料或化學(xué)物質(zhì)（materials材料）；③在多個(gè)尺度上推理系統(tǒng)和過(guò)程（scale尺度）；④使用科學(xué)模型和原則以聯(lián)系和解釋碳轉(zhuǎn)化的內(nèi)部過(guò)程（models模型）。表2呈現(xiàn)了“生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)——碳的生成”學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究成果。

2012年，該團(tuán)隊(duì)深化了2009年的研究，將研究重點(diǎn)聚焦于社會(huì)生態(tài)系統(tǒng)中的能量概念，進(jìn)行了理論研究和實(shí)證研究。首先，基于文獻(xiàn)和實(shí)證研究的成果，確定能有效反映科學(xué)/不科學(xué)解釋差異的關(guān)鍵要素，進(jìn)階變量、最低水平、最高水平及中間水平，由此提出假設(shè)的“生態(tài)系統(tǒng)中的能量”主題學(xué)習(xí)進(jìn)階。在實(shí)證研究階段，研究聚焦于4～12年級(jí)學(xué)生在碳轉(zhuǎn)移過(guò)程中使用能量概念解釋問(wèn)題的水平，根據(jù)學(xué)生對(duì)碳轉(zhuǎn)移過(guò)程中能量的分析解釋水平，修正和實(shí)證了假設(shè)的學(xué)習(xí)進(jìn)階框架［18］。隨后在2013年，為進(jìn)一步細(xì)化和檢驗(yàn)上述碳轉(zhuǎn)移過(guò)程學(xué)習(xí)進(jìn)階框架，采用教學(xué)介入的方式檢驗(yàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，通過(guò)半結(jié)構(gòu)式訪(fǎng)談和試題進(jìn)行前、后測(cè)分析，比較學(xué)生教學(xué)前、后的改變。研究中確定了5個(gè)進(jìn)階變量，分別是：解釋材料、解釋質(zhì)量、解釋能量、解釋子系統(tǒng)及解釋大規(guī)模系統(tǒng)，同時(shí)覆蓋物質(zhì)、能量和尺度3個(gè)核心概念，以及2種推理方式：受限的推理（constraintreasoning）和跨層級(jí)的推理（reasoning across scales）［19］。 此外， 基于以上研究，2015年，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步深化研究成果，探索了學(xué)習(xí)進(jìn)階在指導(dǎo)評(píng)價(jià)方面的作用，針對(duì)教師的學(xué)科知識(shí)（content knowledge，CK）和學(xué)科教學(xué)知識(shí)（pedagogical content knowledge，PCK）進(jìn)行了進(jìn)一步研究和測(cè)試［20］。

4 對(duì)教學(xué)的啟示與建議

有關(guān)“光合作用”主題概念的研究，經(jīng)歷了從早期挖掘?qū)W生錯(cuò)誤概念轉(zhuǎn)向聚焦概念連貫性的研究，再到近10年光合作用核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究，上述研究可為課堂教學(xué)提供一些啟示。

4.1 從已有研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中收集光合作用錯(cuò)誤概念，幫助學(xué)生順利完成概念轉(zhuǎn)變 奧蘇伯爾指出：影響學(xué)習(xí)的唯一最重要的因素，就是學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么，教學(xué)應(yīng)探明這一點(diǎn)并據(jù)此進(jìn)行教學(xué)［21］。學(xué)習(xí)者的概念學(xué)習(xí)必須建立在已有知識(shí)概念之上，才能在新、舊知識(shí)之間建立聯(lián)系并形成有意義的學(xué)習(xí)。新概念的學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者將新信息統(tǒng)整于原有知識(shí)框架之中，在此過(guò)程中錯(cuò)誤概念會(huì)干擾概念構(gòu)建的過(guò)程。因此，有效的科學(xué)教學(xué)應(yīng)關(guān)注學(xué)習(xí)者的錯(cuò)誤概念，幫助他們完成錯(cuò)誤概念到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。目前，有關(guān)“光合作用”錯(cuò)誤概念的研究已相當(dāng)廣泛，教師可從中收集常見(jiàn)的錯(cuò)誤概念，在教學(xué)中引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，幫助學(xué)生順利完成概念轉(zhuǎn)變過(guò)程。

4.2 理解光合作用也需幫助學(xué)生理解有關(guān)氣體、食物和能量等相關(guān)概念的內(nèi)涵 光合作用系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括碳循環(huán)、能量的轉(zhuǎn)化、氣體的交換和循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者等諸多科學(xué)概念，理解光合作用的原理也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)理解生態(tài)系統(tǒng)、能量流動(dòng)、食物鏈等生命科學(xué)重要主題的關(guān)鍵，如圖1所示，光合作用概念的學(xué)習(xí)與眾多概念之間相互關(guān)聯(lián)、相互支撐。而教學(xué)中學(xué)生通常很難理解植物生長(zhǎng)中質(zhì)量的增加來(lái)源于氣體，因此，光合作用主題的概念學(xué)習(xí)還需關(guān)注這些與之相關(guān)的概念，課堂教學(xué)中要注意先幫助學(xué)生厘清這些相關(guān)概念的內(nèi)涵，并督促學(xué)生不斷構(gòu)建自己的“光合作用”概念系統(tǒng)，才能幫助學(xué)生構(gòu)建連貫科學(xué)的概念理解。

4.3 課堂教學(xué)可參考學(xué)習(xí)進(jìn)階研究成果，幫助學(xué)生循序漸進(jìn)地理解光合作用 學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計(jì)理念可將學(xué)科核心概念、科學(xué)與工程實(shí)踐、跨學(xué)科概念貫穿于整個(gè)K-12年級(jí)各個(gè)學(xué)段，刻畫(huà)出學(xué)生在科學(xué)概念或者科學(xué)實(shí)踐能力上由粗淺到精熟的一系列學(xué)習(xí)軌跡，以便幫助教育者更為科學(xué)有效地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。在“光合作用”主題的學(xué)習(xí)上，密歇根大學(xué)Anderson教授團(tuán)隊(duì)基于大量理論和實(shí)證研究已開(kāi)發(fā)出較為成熟的學(xué)習(xí)進(jìn)階，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程和理解水平進(jìn)行了細(xì)致闡述，并就其理解中可能存在的難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，教師可進(jìn)一步參考相關(guān)研究成果，汲取有益成分于教學(xué)設(shè)計(jì)之中，幫助學(xué)生更好地循序漸進(jìn)地理解光合作用。