“光合作用”主题概念研究述评及其对课堂教学的启示

周丐晓 刘恩山

（1温州大学生命与环境科学学院 浙江温州 325035 2北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

科学概念的深入理解对于科学素养的提高至关重要，科学教育应致力于理解一些科学大概念，包括科学概念，以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念［1］。光合作用在地球生态系统中扮演着重要角色，光合作用吸收二氧化碳产生氧气，维系着地球生态系统的循环，几乎所有的生命都依赖于光合作用。在中、小学科学课程中，光合作用是学生必学的重要科学内容，但由于光合作用系统本身的复杂性与抽象性，又涉及生态学、生物化学等多学科概念的整合，学生对此理解较为困难，多仅限于名词术语的记忆，难以深入理解和应用［2］，因此，对于“光合作用”主题的学习成为科学教学的一大难点［3］。本文对近20年的光合作用概念研究进行细致梳理，探寻其中规律和有益成分，以期为课程教学提供若干启示。

1 早期“光合作用”主题概念研究主要聚焦错误概念的发掘

学生对于光合作用的学习存在诸多错误概念，这些错误概念阻碍其形成光合作用的科学概念，甚至在学完相关内容后，错误概念仍未得到转变［4-6］。早期20世纪80年代的“光合作用”概念研究主要聚焦错误概念的发掘，众多学者发掘出一系列学生的错误概念。

Wandersee［7］对小学生到大学生的光合作用概念理解情况进行了调查，整理了31个学生的迷思概念，还进一步探讨了这些错误概念与科学史之间存在的关系。Mintzes等［8］通过访谈和纸笔测验工具，对5年级、8年级、11年级、大学二年级约1 400名学生进行了测试，发现儿童对于“光合作用”有12个最常见的错误概念。诸多学者针对光合作用展开研究，发现学生普遍存在如下错误概念，例如：树能长大是因为它吸收了周围环境中的食物，尤其是土壤；植物通过根吸收二氧化碳；植物吸收阳光或矿物质作为生存的食物；光合作用是一种物质而不是一种过程，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］进一步指出，学生认为水、土壤、空气、矿物质和阳光是植物的食物，对“食物”这一术语的理解有误。Roth和Anderson认为学生学习光合作用的困难主要集中在4个方面：食物、能量、物质和科学解释的功能性本质。具体集中在植物食物的来源、食物的本质、在植物生命中食物的作用、物质的转换、物质的运动、能量的转换、光合作用产物的重要性、光合作用对人类/动物的重要性等8个主题。

此外，台湾学者也颇为关注错误概念的探查，吴丽娟［13］开发了一套共 14题的光合作用二阶诊断问卷，结合访谈对小学5年级学生的光合作用错误概念进行测试，发现学生的错误概念主要集中在光合作用的内涵、反应场所、能量的转换、养分的作用、物质的交换与运输等5个主题，共检测出37个小学生关于光合作用的错误概念，学生在前4个主题上的错误概念相对较多。林家平［14］在2001年对台湾小学 4～6年级学生对于光合作用主题的错误概念进行了深入研究，通过共18题二阶诊断测试题，检测出33个关于光合作用的错误概念，主要集中在植物维持生命的方式、阳光在光合作用中的作用、光合作用的场所、光合作用与大气循环、光合作用的产物与目的、呼吸作用与光合作用等6个方面。林达森［15］对初一年级学生有关光合作用和呼吸作用的错误概念进行了分析，发现学生的误区主要包括：很难理解光合作用和呼吸作用都是能量转换的过程；将光合作用当作提供能量的过程；混淆光合作用和呼吸作用，难以理解二者之间的联系；不理解植物如何获得食物、不理解根的功能。

表1 学生有关“光合作用”的错误概念及分布主题

由此，对上述“光合作用”概念研究所探查出的学生错误概念进行归类和梳理，如表1所示。

2 中期转向探析“光合作用”与其他概念的关联，更注重概念理解的连贯性

“光合作用”是一个复杂的系统，包括碳循环、能量的转化、气体的交换和循环、生态系统中的生产者等诸多活动，理解起来较为困难。因此，基于早期对“光合作用”错误概念的研究，研究者认识到加深“光合作用”科学概念的理解，还需关注“光合作用”与其他概念的关联，例如与“生物体中物质和能量的流动”“生态系统中的相互关系”“生态系统中物质循环和能量转化”的关联，其中较为成熟的研究主要来源于美国2061计划（2061 project）的重要成果《科学素养导航图》等。

作为2061计划的研究成果之一，为加强概念理解的连贯性，Roseman等［16］构建了“物质和能量的转换”主题的概念结构图，在“物质和能量的转换”主题中，核心概念包括a1～e，各级核心概念以下还有相关概念和前概念，其中构建的概念发展图见图1。其中与光合作用直接相关的核心概念包括：（a1）植物将二氧化碳（空气中）和水合成糖分子；（a2）植物将能量从光能转移到“能量丰富”的糖分子；（b1）植物将糖分子分解为二氧化碳和水，使用糖分子合成物质，或将其储存。图中字母下标1表示物质转换，下标2表示能量转换；实线圆角矩形内为核心概念，虚线圆角矩形内为前概念，椭圆形内为相关概念。

图1 “物质和能量的转换”主题概念发展图

表2 “生态系统中的碳循环——碳的生成”学习进阶

3 近10年研究尝试从系统视角诠释“光合作用”概念理解的学习进阶

基于上述错误概念及概念理解连贯性的研究，随着近10年学习进阶的兴起，对于“光合作用”的概念研究迈向一个新的阶段。密歇根大学的Anderson教授认为：对“复杂系统”的学习表征是“碳循环系统”研究下一步需要克服的难题。由此，研究者将“光合作用”置于“碳循环系统”的大背景下，尝试开发设计其概念理解的学习进阶，并尝试从系统的视角探寻学生对“光合作用”的理解，解释学生在宏观观察和不可见系统及过程之间的联系。

当前，密歇根大学Anderson教授带领的团队在这方面开展了一系列高质量的研究。2009年，该团队开发了“社会生态系统中碳循环”的学习进阶［17］，以“生态系统中的碳循环”为研究主题，以 4年级及6～12年级学生为研究对象，研究学生对“生态系统中的碳循环”过程的理解是如何随年级变化并日臻完善的；通过开发开放性评量试题和访谈，借由不同年级学生在试题上的作答反应及访谈的质性分析结果，厘清了碳循环学习进阶的各阶段内容，在此基础之上发展了跨年级的学习进阶。

研究者发现，学习者通常在碳循环主题上有较多不科学的理解和解释，通过文献研究发现，在物质转换这一主题上，学习者若要完成从不科学的解释转变为科学且多维度的解释，有4个要素至关重要：①识别生命的化学基础（life生命）；②表征系统和过程中涉及的材料或化学物质（materials材料）；③在多个尺度上推理系统和过程（scale尺度）；④使用科学模型和原则以联系和解释碳转化的内部过程（models模型）。表2呈现了“生态系统中的碳循环——碳的生成”学习进阶的研究成果。

2012年，该团队深化了2009年的研究，将研究重点聚焦于社会生态系统中的能量概念，进行了理论研究和实证研究。首先，基于文献和实证研究的成果，确定能有效反映科学/不科学解释差异的关键要素，进阶变量、最低水平、最高水平及中间水平，由此提出假设的“生态系统中的能量”主题学习进阶。在实证研究阶段，研究聚焦于4～12年级学生在碳转移过程中使用能量概念解释问题的水平，根据学生对碳转移过程中能量的分析解释水平，修正和实证了假设的学习进阶框架［18］。随后在2013年，为进一步细化和检验上述碳转移过程学习进阶框架，采用教学介入的方式检验学习进阶，通过半结构式访谈和试题进行前、后测分析，比较学生教学前、后的改变。研究中确定了5个进阶变量，分别是：解释材料、解释质量、解释能量、解释子系统及解释大规模系统，同时覆盖物质、能量和尺度3个核心概念，以及2种推理方式：受限的推理（constraintreasoning）和跨层级的推理（reasoning across scales）［19］。 此外， 基于以上研究，2015年，该团队进一步深化研究成果，探索了学习进阶在指导评价方面的作用，针对教师的学科知识（content knowledge，CK）和学科教学知识（pedagogical content knowledge，PCK）进行了进一步研究和测试［20］。

4 对教学的启示与建议

有关“光合作用”主题概念的研究，经历了从早期挖掘学生错误概念转向聚焦概念连贯性的研究，再到近10年光合作用核心概念学习进阶的研究，上述研究可为课堂教学提供一些启示。

4.1 从已有研究和实践经验中收集光合作用错误概念，帮助学生顺利完成概念转变 奥苏伯尔指出：影响学习的唯一最重要的因素，就是学习者已经知道了什么，教学应探明这一点并据此进行教学［21］。学习者的概念学习必须建立在已有知识概念之上，才能在新、旧知识之间建立联系并形成有意义的学习。新概念的学习是学习者将新信息统整于原有知识框架之中，在此过程中错误概念会干扰概念构建的过程。因此，有效的科学教学应关注学习者的错误概念，帮助他们完成错误概念到科学概念的转变。目前，有关“光合作用”错误概念的研究已相当广泛，教师可从中收集常见的错误概念，在教学中引发学生的认知冲突，帮助学生顺利完成概念转变过程。

4.2 理解光合作用也需帮助学生理解有关气体、食物和能量等相关概念的内涵 光合作用系统是一个复杂的过程，包括碳循环、能量的转化、气体的交换和循环、生态系统中的生产者等诸多科学概念，理解光合作用的原理也是进一步学习理解生态系统、能量流动、食物链等生命科学重要主题的关键，如图1所示，光合作用概念的学习与众多概念之间相互关联、相互支撑。而教学中学生通常很难理解植物生长中质量的增加来源于气体，因此，光合作用主题的概念学习还需关注这些与之相关的概念，课堂教学中要注意先帮助学生厘清这些相关概念的内涵，并督促学生不断构建自己的“光合作用”概念系统，才能帮助学生构建连贯科学的概念理解。

4.3 课堂教学可参考学习进阶研究成果，帮助学生循序渐进地理解光合作用 学习进阶的设计理念可将学科核心概念、科学与工程实践、跨学科概念贯穿于整个K-12年级各个学段，刻画出学生在科学概念或者科学实践能力上由粗浅到精熟的一系列学习轨迹，以便帮助教育者更为科学有效地开展教学活动。在“光合作用”主题的学习上，密歇根大学Anderson教授团队基于大量理论和实证研究已开发出较为成熟的学习进阶，对学生的学习进程和理解水平进行了细致阐述，并就其理解中可能存在的难点和重点进行了深入分析，教师可进一步参考相关研究成果，汲取有益成分于教学设计之中，帮助学生更好地循序渐进地理解光合作用。