“光合作用”主題概念研究述評及其對課堂教學的啟示

周丐曉 劉恩山

（1溫州大學生命與環境科學學院 浙江溫州 325035 2北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

科學概念的深入理解對于科學素養的提高至關重要，科學教育應致力于理解一些科學大概念，包括科學概念，以及關于科學本身和科學在社會中所起作用的概念［1］。光合作用在地球生態系統中扮演著重要角色，光合作用吸收二氧化碳產生氧氣，維系著地球生態系統的循環，幾乎所有的生命都依賴于光合作用。在中、小學科學課程中，光合作用是學生必學的重要科學內容，但由于光合作用系統本身的復雜性與抽象性，又涉及生態學、生物化學等多學科概念的整合，學生對此理解較為困難，多僅限于名詞術語的記憶，難以深入理解和應用［2］，因此，對于“光合作用”主題的學習成為科學教學的一大難點［3］。本文對近20年的光合作用概念研究進行細致梳理，探尋其中規律和有益成分，以期為課程教學提供若干啟示。

1 早期“光合作用”主題概念研究主要聚焦錯誤概念的發掘

學生對于光合作用的學習存在諸多錯誤概念，這些錯誤概念阻礙其形成光合作用的科學概念，甚至在學完相關內容后，錯誤概念仍未得到轉變［4-6］。早期20世紀80年代的“光合作用”概念研究主要聚焦錯誤概念的發掘，眾多學者發掘出一系列學生的錯誤概念。

Wandersee［7］對小學生到大學生的光合作用概念理解情況進行了調查，整理了31個學生的迷思概念，還進一步探討了這些錯誤概念與科學史之間存在的關系。Mintzes等［8］通過訪談和紙筆測驗工具，對5年級、8年級、11年級、大學二年級約1 400名學生進行了測試，發現兒童對于“光合作用”有12個最常見的錯誤概念。諸多學者針對光合作用展開研究，發現學生普遍存在如下錯誤概念，例如：樹能長大是因為它吸收了周圍環境中的食物，尤其是土壤；植物通過根吸收二氧化碳；植物吸收陽光或礦物質作為生存的食物；光合作用是一種物質而不是一種過程，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］進一步指出，學生認為水、土壤、空氣、礦物質和陽光是植物的食物，對“食物”這一術語的理解有誤。Roth和Anderson認為學生學習光合作用的困難主要集中在4個方面：食物、能量、物質和科學解釋的功能性本質。具體集中在植物食物的來源、食物的本質、在植物生命中食物的作用、物質的轉換、物質的運動、能量的轉換、光合作用產物的重要性、光合作用對人類/動物的重要性等8個主題。

此外，臺灣學者也頗為關注錯誤概念的探查，吳麗娟［13］開發了一套共 14題的光合作用二階診斷問卷，結合訪談對小學5年級學生的光合作用錯誤概念進行測試，發現學生的錯誤概念主要集中在光合作用的內涵、反應場所、能量的轉換、養分的作用、物質的交換與運輸等5個主題，共檢測出37個小學生關于光合作用的錯誤概念，學生在前4個主題上的錯誤概念相對較多。林家平［14］在2001年對臺灣小學 4～6年級學生對于光合作用主題的錯誤概念進行了深入研究，通過共18題二階診斷測試題，檢測出33個關于光合作用的錯誤概念，主要集中在植物維持生命的方式、陽光在光合作用中的作用、光合作用的場所、光合作用與大氣循環、光合作用的產物與目的、呼吸作用與光合作用等6個方面。林達森［15］對初一年級學生有關光合作用和呼吸作用的錯誤概念進行了分析，發現學生的誤區主要包括：很難理解光合作用和呼吸作用都是能量轉換的過程；將光合作用當作提供能量的過程；混淆光合作用和呼吸作用，難以理解二者之間的聯系；不理解植物如何獲得食物、不理解根的功能。

表1 學生有關“光合作用”的錯誤概念及分布主題

由此，對上述“光合作用”概念研究所探查出的學生錯誤概念進行歸類和梳理，如表1所示。

2 中期轉向探析“光合作用”與其他概念的關聯，更注重概念理解的連貫性

“光合作用”是一個復雜的系統，包括碳循環、能量的轉化、氣體的交換和循環、生態系統中的生產者等諸多活動，理解起來較為困難。因此，基于早期對“光合作用”錯誤概念的研究，研究者認識到加深“光合作用”科學概念的理解，還需關注“光合作用”與其他概念的關聯，例如與“生物體中物質和能量的流動”“生態系統中的相互關系”“生態系統中物質循環和能量轉化”的關聯，其中較為成熟的研究主要來源于美國2061計劃（2061 project）的重要成果《科學素養導航圖》等。

作為2061計劃的研究成果之一，為加強概念理解的連貫性，Roseman等［16］構建了“物質和能量的轉換”主題的概念結構圖，在“物質和能量的轉換”主題中，核心概念包括a1～e，各級核心概念以下還有相關概念和前概念，其中構建的概念發展圖見圖1。其中與光合作用直接相關的核心概念包括：（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，或將其儲存。圖中字母下標1表示物質轉換，下標2表示能量轉換；實線圓角矩形內為核心概念，虛線圓角矩形內為前概念，橢圓形內為相關概念。

圖1 “物質和能量的轉換”主題概念發展圖

表2 “生態系統中的碳循環——碳的生成”學習進階

3 近10年研究嘗試從系統視角詮釋“光合作用”概念理解的學習進階

基于上述錯誤概念及概念理解連貫性的研究，隨著近10年學習進階的興起，對于“光合作用”的概念研究邁向一個新的階段。密歇根大學的Anderson教授認為：對“復雜系統”的學習表征是“碳循環系統”研究下一步需要克服的難題。由此，研究者將“光合作用”置于“碳循環系統”的大背景下，嘗試開發設計其概念理解的學習進階，并嘗試從系統的視角探尋學生對“光合作用”的理解，解釋學生在宏觀觀察和不可見系統及過程之間的聯系。

當前，密歇根大學Anderson教授帶領的團隊在這方面開展了一系列高質量的研究。2009年，該團隊開發了“社會生態系統中碳循環”的學習進階［17］，以“生態系統中的碳循環”為研究主題，以 4年級及6～12年級學生為研究對象，研究學生對“生態系統中的碳循環”過程的理解是如何隨年級變化并日臻完善的；通過開發開放性評量試題和訪談，借由不同年級學生在試題上的作答反應及訪談的質性分析結果，厘清了碳循環學習進階的各階段內容，在此基礎之上發展了跨年級的學習進階。

研究者發現，學習者通常在碳循環主題上有較多不科學的理解和解釋，通過文獻研究發現，在物質轉換這一主題上，學習者若要完成從不科學的解釋轉變為科學且多維度的解釋，有4個要素至關重要：①識別生命的化學基礎（life生命）；②表征系統和過程中涉及的材料或化學物質（materials材料）；③在多個尺度上推理系統和過程（scale尺度）；④使用科學模型和原則以聯系和解釋碳轉化的內部過程（models模型）。表2呈現了“生態系統中的碳循環——碳的生成”學習進階的研究成果。

2012年，該團隊深化了2009年的研究，將研究重點聚焦于社會生態系統中的能量概念，進行了理論研究和實證研究。首先，基于文獻和實證研究的成果，確定能有效反映科學/不科學解釋差異的關鍵要素，進階變量、最低水平、最高水平及中間水平，由此提出假設的“生態系統中的能量”主題學習進階。在實證研究階段，研究聚焦于4～12年級學生在碳轉移過程中使用能量概念解釋問題的水平，根據學生對碳轉移過程中能量的分析解釋水平，修正和實證了假設的學習進階框架［18］。隨后在2013年，為進一步細化和檢驗上述碳轉移過程學習進階框架，采用教學介入的方式檢驗學習進階，通過半結構式訪談和試題進行前、后測分析，比較學生教學前、后的改變。研究中確定了5個進階變量，分別是：解釋材料、解釋質量、解釋能量、解釋子系統及解釋大規模系統，同時覆蓋物質、能量和尺度3個核心概念，以及2種推理方式：受限的推理（constraintreasoning）和跨層級的推理（reasoning across scales）［19］。 此外， 基于以上研究，2015年，該團隊進一步深化研究成果，探索了學習進階在指導評價方面的作用，針對教師的學科知識（content knowledge，CK）和學科教學知識（pedagogical content knowledge，PCK）進行了進一步研究和測試［20］。

4 對教學的啟示與建議

有關“光合作用”主題概念的研究，經歷了從早期挖掘學生錯誤概念轉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習進階的研究，上述研究可為課堂教學提供一些啟示。

4.1 從已有研究和實踐經驗中收集光合作用錯誤概念，幫助學生順利完成概念轉變 奧蘇伯爾指出：影響學習的唯一最重要的因素，就是學習者已經知道了什么，教學應探明這一點并據此進行教學［21］。學習者的概念學習必須建立在已有知識概念之上，才能在新、舊知識之間建立聯系并形成有意義的學習。新概念的學習是學習者將新信息統整于原有知識框架之中，在此過程中錯誤概念會干擾概念構建的過程。因此，有效的科學教學應關注學習者的錯誤概念，幫助他們完成錯誤概念到科學概念的轉變。目前，有關“光合作用”錯誤概念的研究已相當廣泛，教師可從中收集常見的錯誤概念，在教學中引發學生的認知沖突，幫助學生順利完成概念轉變過程。

4.2 理解光合作用也需幫助學生理解有關氣體、食物和能量等相關概念的內涵 光合作用系統是一個復雜的過程，包括碳循環、能量的轉化、氣體的交換和循環、生態系統中的生產者等諸多科學概念，理解光合作用的原理也是進一步學習理解生態系統、能量流動、食物鏈等生命科學重要主題的關鍵，如圖1所示，光合作用概念的學習與眾多概念之間相互關聯、相互支撐。而教學中學生通常很難理解植物生長中質量的增加來源于氣體，因此，光合作用主題的概念學習還需關注這些與之相關的概念，課堂教學中要注意先幫助學生厘清這些相關概念的內涵，并督促學生不斷構建自己的“光合作用”概念系統，才能幫助學生構建連貫科學的概念理解。

4.3 課堂教學可參考學習進階研究成果，幫助學生循序漸進地理解光合作用 學習進階的設計理念可將學科核心概念、科學與工程實踐、跨學科概念貫穿于整個K-12年級各個學段，刻畫出學生在科學概念或者科學實踐能力上由粗淺到精熟的一系列學習軌跡，以便幫助教育者更為科學有效地開展教學活動。在“光合作用”主題的學習上，密歇根大學Anderson教授團隊基于大量理論和實證研究已開發出較為成熟的學習進階，對學生的學習進程和理解水平進行了細致闡述，并就其理解中可能存在的難點和重點進行了深入分析，教師可進一步參考相關研究成果，汲取有益成分于教學設計之中，幫助學生更好地循序漸進地理解光合作用。