中學生物教學中學習進階的現狀分析與教學策略
——以“光合作用”為例

■蔡同華

中學生物學教學主要是圍繞重要概念展開的，生物學課程內容的基本組成之一即為生物學概念。《義務教育生物學課程標準(2022年版)》要求課程設計重銜接，使初中階段的生物學學習與小學和高中階段的學習能夠有效銜接、循序漸進、連貫一致[1]。每個學習主題的內容要求部分以大概念、重要概念和次位概念的形式呈現相應的概念體系，有利于教師的教和學生的學?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準(2017年版)》的課程理念之一為“課程內容聚焦大概念”[2]，通過學生深刻理解和應用重要的生物學概念來發展學生的生物學學科核心素養。初中生和高中生在知識水平和思維水平上處在不同的發展階段，在相同概念的學習認知中，從課標要求到課本內容呈現形式都體現出明顯的進階性，這也就要求教師在概念教學的過程中探索體現概念進階性的教學策略。

一、學習進階的概念分析

“概念學習進階”實際上是對“應該為學生設定怎樣的學習路徑”這一問題的探索，它可以直觀呈現各概念之間的發展路徑及聯系，顯示概念學習的來龍去脈，為教師的教和學生的學提供可參考的目標，為最終理解核心概念提供“線路圖”[3]。在不同學習階段，學生的前概念、知識儲備、思維水平不同，對概念的理解程度也存在差異，因此，在準確掌握學情的基礎上，為學生設置環環相扣的概念階梯，有利于通過層層遞進的方式幫助學生深度理解概念內涵，構建概念體系，實現概念學習進階。

二、中學生物教學中學習進階的現狀分析

（一）課標分析

在初、高中生物學學習中，有很多同一主題下的重要概念，例如在初中學習中有關細胞的結構和功能、細胞代謝、細胞的分裂分化、遺傳的物質基礎、遺傳的規律、人和動物生命活動的調節等內容，在高中階段的相應模塊中都會有進一步的相關闡述?！肮夂献饔谩本褪瞧渲兄?，其概念進階性描述主要體現在：初中段側重物質和能量的變化結果，高中段則以相應變化的具體過程作為概念核心。（表1）

表1 初、高中階段“光合作用”核心概念表述比較

結合課標的進階要求，分析初、高中“光合作用”重要概念及其下位概念之間的邏輯關系，形成兩個學段中聚焦“光合作用”概念學習進階的概念體系。

圖1 初中階段“光合作用”概念體系

圖2 高中階段“光合作用”概念體系

（二）教材進階分析

1.關于“光合作用場所”概念的進階

初、高中教材對“光合作用場所”的內容呈現出從顯微結構水平到亞顯微結構水平的認知變化特點。

初中階段通過活動“觀察葉片的結構”，在光學顯微鏡下觀察到葉肉細胞中有許多綠色顆粒結構，并介紹該結構是光合作用的場所。其主要分布在葉片的葉肉細胞即柵欄組織和海綿組織中，在表皮細胞及葉脈中無葉綠體結構。

在高中教學中，通過系列活動幫助學生認識葉綠體的亞顯微結構。如通過實驗“綠葉中色素的提取和分離” 幫助學生認識到綠葉中有四種色素，四種色素的含量不同。將綠葉中的4 種色素溶液分別放在陽光和三棱鏡之間，從連續光譜看到葉綠素a和葉綠素b 主要吸收藍紫光和紅光，胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光。通過資料分析可知，薩克斯的發現確定了光合作用的場所在葉綠體。通過電子顯微鏡下葉綠體結構的觀察，認識葉綠體的亞顯微結構，包括雙層膜結構、葉綠體基質、類囊體堆疊而成的基粒等結構。

2.關于光合作用探索歷程科學史的進階

對科學本質的認識，初、高中都以科學史作為事實基礎，構建光合作用的原料、場所、產物、條件的相關概念。通過科學史及學生基本實驗認識光合作用的原料、場所、產物、條件，通過科學史的學習能解釋光合作用的物質具體是如何從無機物到有機物的，能量是如何從光能轉變成化學能的。

初中的光合作用科學史包括：17世紀以前，人們認為植物生長在土壤中，一定是從土壤中獲得生長需要的各種物質；海爾蒙特的木桶種柳樹實驗；普利斯特利通過實驗證明綠色植物能夠凈化因蠟燭燃燒或動物呼吸而變得污濁的空氣；英格豪斯通過實驗證明綠色植物只有在光下才能凈化空氣；瑟訥比埃通過實驗證明植物在光下放出氧氣的同時，還要吸收空氣中的二氧化碳；索緒爾發現綠色植物在光下同時還要消耗水，這和海爾蒙特的結論相吻合；薩克斯通過實驗證明綠色植物在光照下不僅能夠釋放氧氣，而且能夠合成淀粉等物質，供給植物生長發育等生命活動能量；1897年，科學家首次提出光合作用等。

通過系列發現史實驗，幫助學生認識光合作用的原料、產物、條件，形成光合作用的一般概念：光合作用的原料需要二氧化碳和水；光合作用的產物包括水和淀粉等有機物；光合作用需要在光照條件下進行。

高中的光合作用科學史在初中涉及的普利斯特利、英格豪斯、梅耶、薩克斯實驗基礎上增加了恩格爾曼通過水綿和好氧細菌實驗證明光合作用的場所在葉綠體；魯賓和卡門利用同位素標記法證明光合作用釋放的氧氣來自水；卡爾文用同位素標記法探明了CO2中碳在光合作用中轉化成有機物中的碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環。在初中認識光合作用原料、產物、條件的基礎上進一步探明光合作用的具體場所，物質和能量轉換的具體路徑。形成一般概念：植物光合作用時能將光能轉換成化學能儲存起來；光合作用的產物有氧氣和淀粉；光合作用的場所在葉綠體；光合作用釋放的氧氣來自水；卡爾文循環。

3.關于光合作用影響因素的進階

教材對光合作用影響因素的闡述體現出從初中階段的感性、定性探究，到高中階段的理性、定量探究的進階特點。

初中段通過“驗證綠葉在光下合成淀粉”“檢驗光合作用釋放氧氣”“檢驗光合作用需要二氧化碳”等一系列實驗，使學生獲得大量直觀的感性認識，為學生進一步構建核心概念奠定基礎。

高中生物通過“綠葉中色素的提取和分離”“探究環境因素對光合作用強度的影響”等系列實驗幫助構建核心概念體系。高中段實驗較初中有明顯減少，更多的是在感性認識的基礎上強調理性思維，強調根據現象分析原因，構建數學模型，對學生的邏輯思維能力要求更高。

三、中學生物教學中學習進階的教學策略

（一）升級觀察材料，升級結構認知

在構建概念“葉綠體是光合作用的場所”過程中，初中教師需要提供更多事實性材料作為支撐。例如引導學生利用光學顯微鏡觀察各種植物葉片材料，通過材料的多樣性觀察讓學生認識到葉綠體的結構并不都是一樣的。在發展學生“結構和功能觀” 的同時也培養學生比較與分類等科學思維能力。高中階段，可以讓學生觀察電子顯微鏡下的葉綠體或者葉綠體的亞顯微結構圖片，幫助學生構建概念體系，同時培養學生的結構功能觀。

（二）豐富探究歷史，完善過程理解

需要充分利用科學史幫助學生了解光合作用的發現過程。教師要充分引導學生站在科學家的思維角度，再現科學家的科學探究過程和思維歷程，分析實驗、得出結論。高中段的科學史增加了以同位素標記法為手段的科學實驗，這是建立在學生物理、化學知識達到一定水平基礎上的，充分體現了學科的融合性。為了幫助學生更為全面地認識光合作用的發現過程，建立更為完善的認知結構，高中教師可以補充光合作用發現史實驗，如希爾用離體的葉綠體在具有NADP+的水溶液中且無CO2的條件下給予光照有O2放出；阿爾農向反應體系中供給ADP、Pi 和NADP+，同時給離體的葉綠體照光，體系中就會有ATP 和NADPH 產生。

（三）分析實驗原理，提升探究精度

實現概念的進階也離不開科學探究實驗，通過探究實驗能培養學生的科學思維，提高學生的學科素養，幫助學生構建概念。教師要充分利用身邊資源幫助學生開展探究活動。初中段需要學生能通過實驗的設計與實施，了解、熟悉科學探究的基本步驟。高中段學生開展探究活動時要側重引導學生理性分析實驗過程中出現的現象及出現該現象的根本原因，以及影響實驗結果的因素等更深層次的問題，進一步結合呼吸作用原理，通過模型建構的方法分析生產實踐中的具體問題，并提出相應的解決措施，提升學生應用知識進行實踐從而解決實際問題的能力。