高中生物學習“理解”的表征證據
——以“光合作用的原理和應用”為例

戴丹丹

（江蘇省泰州中學 江蘇泰州 225300）

“理解”是教育的重要價值追求，衡量“理解”的基本指標是知識遷移，而遷移能力的高低很大程度上取決于人們對知識的理解程度。學生若能在學習中“提取”“理解”，并將其在情境化問題中加以運用，才能表明真正理解了所學知識。《辭海》對“理解”一詞的解釋為：應用已有知識揭露事物之間的聯系而認識新事物的過程，其水平隨所揭露聯系的性質和人的認識能力而異。美國著名教育心理學家布魯姆將認知領域的目標分為識記、理解、應用、分析、綜合和評價6個層次。他認為理解是指能用自己的話表述所學材料的意義，是對方法、原理的內化過程。下面以“光合作用的原理和應用”為例，對“理解”一詞作出學科化表達，旨在形成高中生物學習“理解”的多元化表征證據。

1 教材的內容結構

“光合作用”安排在人教版高中生物《必修1·分子與細胞》（以下簡稱人教版必修1）第五章“細胞的能量供應和利用”第四節，對應《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中的次位概念：植物細胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在二氧化碳和水轉化為糖和氧的過程中，轉換并儲存為糖分子中的化學能。本單元的學習聚焦《課程標準》中的重要概念“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發生在細胞的特定區域”。各級概念之間的關系如圖1所示。

2 學生“理解”的表征證據

2.1 能解釋

從高中生物學習的視角出發，“解釋”是指學習者將生物學知識經過判斷、推理等抽象思維過程，將概念、原理、方法等內化為自身的一種東西，并用以分析闡明自然界中的生命現象、生物事實和實驗數據，進而說明相關概念的意義、特征和關系。

案例1：植物質量增加現象的解釋。

【例1】（2019·全國卷I）將一株質量為20 g的黃瓜幼苗栽種在光照等適宜的環境中。一段時間后，植株達到40 g，其增加的質量來自 （ ）

A.水、礦質元素和空氣 B.光、礦質元素和水

C.水、礦質元素和土壤 D.光、礦質元素和空氣

分析：如果學生能說出什么是光合作用，只能表明他們“知道”光合作用的定義，掌握了相關知識。而“理解”超越了知識的外在形態，是對其內隱意義的認識，能夠通曉相關要素之間的關聯。根據光合作用的定義，教師引導學生分析題目，推理出：①植物光合作用會引起植物質量增加；②該過程需要光照，并可以進行能量轉化，將光能轉化為化學能。本題的解題邏輯如圖2所示。

2.2 能轉譯

高中生物相關知識可以通過文字、圖像、表格等不同形式呈現，高中生物學習中的“轉譯”是指從一種形式中獲取相關信息，并將之轉化為另一種形式，如圖文之間的相互轉化，學生從讀文字到讀圖，從讀簡單的圖表到復雜的綜合過程圖，從讀圖到自己能繪圖，是深度學習螺旋上升的一種體現。該表征證據可反映學生對原有信息的解讀、提煉是否正確。

案例2：密閉恒溫箱中CO2濃度的變化。

【例2】將只含有小球藻的培養液置于密閉恒溫箱中，8：00至24：00給予恒定光照強度，24：00至次日8：00為黑暗條件，每隔1 h檢測恒溫箱中CO2濃度。表1反映的是不同時刻恒溫箱中的CO2濃度。

表1 恒溫箱中CO2濃度變化記錄表

對CO2濃度變化進行分析，可以發現其中蘊含的規律：

（1）光照階段恒溫箱中CO2濃度逐漸下降，黑暗階段逐漸上升。

（2）光照階段隨著培養時間的延長，CO2濃度下降越來越慢，最后穩定在一定濃度；黑暗階段CO2濃度上升越來越慢。其變化規律如圖3所示。

實驗本身提供的是每隔1 h檢測得到的不連續的數據。教師引導學生通過圖表之間的信息轉譯，可將表格中的數據進行擴展，由不連續的數據發現CO2濃度隨時間連續變化的規律。

2.3 能建模

高中生物學習中的“建模”，即為建構模型。建模是研究生物學的重要思維方法，在理解系統知識或復雜概念時，教師可引導學生學習運用建構模型的方法。例如，教師引導學生進一步分析案例2密閉恒溫箱中CO2濃度的變化。通過圖表間的信息轉譯，學生可發現CO2濃度隨時間連續變化的規律。但是，這并不能說明學生理解CO2濃度變化的原因。若要加深學生對問題的理解，教師可引導學生通過建構、檢驗、修正模型來分析數據變化背后的原因，如圖4所示。

模型的建構、檢驗、修正過程有助于連接、牽動許多相關的小問題，使知識結構化，模型的復雜程度可反映出學生對知識理解的深度。通過建模分析CO2濃度變化時，教師要引導學生從生命活動的復雜性角度去思考：光照階段不能只考慮光合作用，只有當光合作用、呼吸作用兩者強度不等時才會引起密閉容器內CO2濃度變化；多種因素會影響光合作用、呼吸作用。本題因光照階段給予恒定光照強度，密閉箱中始終恒溫，氣體濃度成為影響的主要因素。

2.4 能比較

生命現象是十分復雜的，生物學中的原理和規律總有“特例”存在，高中生物學習中的“比較”是指能夠透過不同事物或現象之間的“異”看到“同”，以及在表面相似的“同”中分辨出本質的“異”。

案例3：C3植物、C4植物及CAM植物比較。

有學生只注意到3種植物光合作用過程的差異，忽略了其光合作用共同的本質：光合作用均發生光反應和暗反應，暗反應中均會發生C3途徑的固定及C3的還原。有學生只注意到C4植物、CAM植物光合作用過程均發生C4途徑的固定、合成蘋果酸，忽略了兩種反應本質的差異：C4植物C4途徑的固定發生在白天的葉肉細胞中，C3途徑的固定及C3的還原發生在白天的維管束鞘細胞中，而CAM植物前者發生在夜晚的葉肉細胞中，后者發生在白天的葉肉細胞中。若學生能聯系C4植物、CAM植物生存的環境及葉片結構解剖圖，則可以對兩者光合作用有更深刻的理解，也有助于更好地形成結構與功能觀及穩態與平衡觀。

2.5 能推演

推演就是推論演繹，高中生物學的學習不僅僅在于讓學生獲得基礎的生物學知識和基本技能，更重要的是使學生領悟科學家在解決問題的過程中思維的碰撞、采用的方法，模仿科學家根據相關現象或實驗結果提出問題、作出假設、演繹推理、設計實驗檢驗假設的正確性。

案例4：光合作用釋放的氧氣來源。

師：1881年，恩格爾曼的實驗（人教版必修1第100頁思考·討論）在沒有空氣的環境中實施，為什么還可以釋放O2？

生：可能是水綿無氧呼吸產生CO2繼而進行光合作用。

師：1937年，希爾的實驗（人教版必修1第102頁思考·討論）選用離體葉綠體，排除了呼吸作用的影響，在有H2O沒有CO2的懸浮液中實驗，為什么還可以釋放O2？

生：光合作用釋放的O2來自H2O。

師：這個實驗能否說明光合作用釋放的O2全部來自H2O？什么樣的生物技術可用于探究O2的來源？如何控制變量設計對照實驗？

學生說出實驗方案后，教師可呈現魯賓、卡門的實驗，引導學生自己比較兩種方案之間的差異，使他們在獲得成就感的同時，親歷探究實驗中推論演繹的整個過程，也有助于養成科學思維的習慣。

2.6 能判斷

生物學學科核心素養之一——社會責任，是指學生基于生物學的認識，參與個人與社會事務的討論，并具有作出理性解釋和判斷，解決生產生活問題的擔當和能力。高中生物學習中的“判斷”，即為學生應能夠靈活、準確地運用生物學的基礎知識和基本方法，對生物學問題作出理性解釋，辨別迷信和偽科學。

案例5：海洋酸化對束毛藻的影響。

教師聯系社會，提出問題：人類活動排放的CO2引起海水中CO2濃度上升、pH下降，導致“海洋酸化”。有人認為海水中CO2濃度上升，有利于促進束毛藻光合作用，對束毛藻的增長是有益的，因此，沒有必要限制化石燃料的使用。

在學生判斷海洋酸化對束毛藻的影響時，教師首先要提醒學生摒棄簡單的線性思維方式，不能僅從光合作用速率看待植物的增長，不能僅從CO2濃度上升判斷植物光合作用速率提高。海洋酸化帶來的影響包含CO2濃度上升、pH下降雙重效應，為調節pH穩態，束毛藻需加大能量生產；同時pH下降還會引起內部酶活性下降，進而導致反應速率降低，束毛藻會代償性上調相關酶的表達，海洋酸化最終表現出的凈效應為抑制束毛藻增長。

核心素養指導下的教學從關注“教師的教”轉向關注“學生的學”，部分教師直接向學生講述自己對知識的理解，忽略了“理解”是智力層面的建構，需從學生的行為出發來判斷他們是否真正理解。本研究對“理解”一詞作出學科化的表達，思考“高中生物學習理解”的多元化表征，明確學生進行高中生物學習“理解”的評估證據，有助于制定指向理解教學的有效策略。