（北京市三帆中學(xué) 北京 100088）

1 研究背景與問題提出

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《高中課標(biāo)》）以核心素養(yǎng)為核心，突出了生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任四大生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，倡導(dǎo)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中深入理解生物學(xué)核心概念?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡(jiǎn)稱《初中課標(biāo)》）精選了50條重要概念，以幫助教師恰當(dāng)把握重要概念的教學(xué)深度。在教學(xué)實(shí)施和評(píng)價(jià)建議方面，2個(gè)課標(biāo)均明確指出教師在設(shè)計(jì)和組織教學(xué)活動(dòng)時(shí)，應(yīng)注意圍繞重要概念展開，促成學(xué)生對(duì)重要概念的建立、理解和應(yīng)用。概念理解的表現(xiàn)之一就是在新的情境下對(duì)概念的應(yīng)用情況。因而，教師采用含有情境的評(píng)價(jià)更能考查學(xué)生對(duì)核心概念的理解。在運(yùn)用問題情境測(cè)評(píng)概念理解時(shí)，從測(cè)評(píng)框架到具體題目都應(yīng)該重視問題情境維度。

光合作用作為《初中課標(biāo)》要求的重要概念之一，其新課教學(xué)通常在初一年級(jí)。而在這一階段，學(xué)生沒有相應(yīng)的物質(zhì)、物質(zhì)合成等相關(guān)知識(shí)作為鋪墊，理解這一概念較為困難。同時(shí)，學(xué)生對(duì)這一概念有比較頑固的前概念，這對(duì)科學(xué)概念的建立與概念轉(zhuǎn)變帶來了挑戰(zhàn)，因此這一重要概念是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究就光合作用這一概念做以下兩方面研究：

（1）在未學(xué)習(xí)前、初學(xué)后、學(xué)習(xí)完一年后以及經(jīng)過系統(tǒng)復(fù)習(xí)后，初中生對(duì)光合作用的理解情況如何？

（2）已完成學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)的初中生在不同問題情境下所展現(xiàn)的對(duì)光合作用的理解情況如何？

本研究借由以上兩個(gè)問題的回答，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)進(jìn)行反思，提出有針對(duì)性的教學(xué)改進(jìn)，同時(shí)也希望為其有效的概念教學(xué)方式提供新的切入點(diǎn)。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 研究工具

《初中課標(biāo)》對(duì)光合作用這一重要概念的內(nèi)含闡述為“綠色植物能利用太陽能（光能），把二氧化碳和水合成儲(chǔ)存了能量的有機(jī)物，同時(shí)釋放出氧氣”。具體的學(xué)習(xí)內(nèi)容要求為“闡明綠色植物的光合作用”“探究光合作用的條件、原料和產(chǎn)物”。本研究將考查點(diǎn)聚焦在光合作用的原料與產(chǎn)物方面。

試題情境依據(jù)復(fù)雜程度有三個(gè)復(fù)雜程度依次提升的水平：原型情境、熟悉情境、陌生情境。本研究將探查學(xué)生在以上三種情境中對(duì)光合作用概念的理解情況。

本研究所用的探查工具共含三道題目：

（1）原型情境（試題編號(hào)為T1）。

圖1中A、B、C分別表示某植物葉片所進(jìn)行的某些生理活動(dòng)，圖2為該植物在晴朗的春季一天24 h內(nèi)呼吸作用和光合作用的變化曲線。請(qǐng)據(jù)圖回答問題；該植物在晴朗的春季經(jīng)歷一天的生命活動(dòng)后，其體內(nèi)有機(jī)物的含量________（選填“增加”、“減少”或是“不變”）。

圖1 某植物葉片所進(jìn)行的某些生理活動(dòng)

圖2 植物的呼吸作用和光合作用的變化曲線

參考答案：增加。

（2）相似情境（試題編號(hào)為T2）。

馬鈴薯有很多不同的品種，按皮色分有紅皮和白皮品種，按成熟期分有早熟和晚熟品種，按形狀分有圓形和橢圓形品種等。試回答以下問題：植物生長過程中，其重量增加主要來自____________（填生理過程名稱）。

參考答案：光合作用。

（3）陌生情境（試題編號(hào)為T3）。

北京市的市樹是國槐?；睒鋸姆N子長成參天大樹，若將其枝干和樹葉晾干，晾干后所剩物質(zhì)的重量主要來自 （ ）

A.氧氣 B.二氧化碳

C.土壤中的礦物質(zhì) D.土壤中的有機(jī)物

參考答案：B。

后來考慮到2022屆學(xué)生對(duì)題目中有些概念不清楚，對(duì)2022屆學(xué)生調(diào)查時(shí)，將T3修改為：

北京市的市樹是國槐?；睒鋸姆N子長成參天大樹，若將其枝干和樹葉晾干，晾干后所剩物質(zhì)的重量主要來自 （ ）

A.氧氣（空氣中的一種氣體）

B.二氧化碳（空氣中的一種氣體）

C.土壤中的礦物質(zhì)

D.土壤中的有機(jī)物（一些較大較復(fù)雜的物質(zhì)）

E.以上都不是，我認(rèn)為是

我選擇以上選項(xiàng)的原因是：_______________。

2.2 研究過程及樣本

本研究的研究對(duì)象包括本校2019-2022屆共四屆學(xué)生。本校屬北京市優(yōu)質(zhì)初中校，學(xué)生主要根據(jù)戶籍劃片入校，與本市其他學(xué)校生源無明顯差別；這四屆學(xué)生生源構(gòu)成類似，亦無明顯差別。

除對(duì)2022屆學(xué)生進(jìn)行的是隨堂調(diào)查外，對(duì)其余三屆學(xué)生的調(diào)查都通過階段性檢測(cè)完成。由于階段性檢測(cè)的題目不全與本次研究有關(guān)，因而題目已刪除與本研究無關(guān)的小問。原型情境與相似情境的題目是參考課本及練習(xí)冊(cè)自編而成，題目表述與教學(xué)及習(xí)題中情境較為接近，2019-2021屆學(xué)生均有此類教學(xué)和習(xí)題接觸，而2022屆學(xué)生并未接觸過。

了解學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段對(duì)光合作用概念的理解情況，需在同一情境水平中進(jìn)行比較。因此，研究通過在陌生情境中考查不同學(xué)習(xí)經(jīng)歷的學(xué)生對(duì)光合作用概念理解情況來回應(yīng)研究問題（1），通過對(duì)2019屆學(xué)生的考查來回應(yīng)研究問題（2）。

上述調(diào)查具體情況見表1。

表1 調(diào)查時(shí)間、對(duì)象及題目使用情況

3 結(jié)果與分析

3.1 不同學(xué)習(xí)經(jīng)歷的學(xué)生對(duì)光合作用的理解

調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 不同學(xué)習(xí)經(jīng)歷的學(xué)生對(duì)T3作答情況

3.1.1“未學(xué)習(xí)”的學(xué)生對(duì)光合作用的理解

“未學(xué)習(xí)”的學(xué)生中，選擇“土壤中的礦物質(zhì)”和“土壤中的有機(jī)物”人數(shù)較多。關(guān)于選擇“礦物質(zhì)”的原因，學(xué)生的典型作答包括：“晾干后樹沒有氣體，樹會(huì)吸收土壤中的礦物質(zhì)，礦物質(zhì)不會(huì)因?yàn)榭諝獾南ФА薄把鯕夂投趸疾]有重量，礦物質(zhì)是硬的，樹干也是硬的”“樹在生長中吸收了許多有重量的礦物質(zhì)”“礦物質(zhì)不會(huì)被蒸發(fā)”。關(guān)于選擇“有機(jī)物”的原因，學(xué)生的典型作答包括：“有機(jī)物會(huì)有一些重量”“樹會(huì)吸收養(yǎng)分，再把養(yǎng)分給枝干和樹葉”“植物生活需要營養(yǎng)”“植物吸收有機(jī)物，生長”。

關(guān)于選擇“氧氣”的原因，學(xué)生的典型作答有“氧氣對(duì)植物生長很重要”。關(guān)于選擇“二氧化碳”的原因，學(xué)生的典型作答包括：“植物是靠二氧化碳進(jìn)行的光合作用，這使樹開始生長，晾干后只會(huì)把水分蒸發(fā)”“植物會(huì)吸收二氧化碳”。另有部分學(xué)生選擇“其他”，典型作答如“生長時(shí)產(chǎn)生的物質(zhì)”“陽光”等。

對(duì)作答進(jìn)行分析可以看出，學(xué)生對(duì)光合作用的原料與產(chǎn)物有較多前概念，主要集中：①氧氣和二氧化碳是氣體，沒有重量，晾干后會(huì)散失；②植物吸收土壤中的礦物質(zhì)，礦物質(zhì)有重量；③植物需要從土里吸收養(yǎng)分，有機(jī)物就是養(yǎng)分。這些體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)光合作用有兩個(gè)理解：①認(rèn)為植物增重的物質(zhì)是來自于吸收了現(xiàn)有的有重量的物質(zhì)；②認(rèn)為二氧化碳和有機(jī)物、礦物質(zhì)不一樣，是沒有重量的，植物增重不可能來自于二氧化碳，這與Charles等的研究結(jié)果一致。周丐曉等對(duì)國內(nèi)外關(guān)于光合作用錯(cuò)誤概念研究的綜述中也包含了以上錯(cuò)誤概念。

3.1.2 學(xué)生在學(xué)習(xí)光合作用后對(duì)光合作用的理解

由表2的數(shù)據(jù)可知，后三種學(xué)習(xí)經(jīng)歷學(xué)生的作答均未達(dá)到合格水平，數(shù)據(jù)與“未學(xué)習(xí)”的學(xué)生前測(cè)結(jié)果相似，選擇“土壤中的有機(jī)物”的學(xué)生均最多。

“學(xué)習(xí)完一年后”的學(xué)生正答率最低，可能原因是，測(cè)試時(shí)其處于初二年級(jí)，是在一年前學(xué)習(xí)的本主題，因而有知識(shí)遺忘的情況?！俺鯇W(xué)后”的學(xué)生處于初一年級(jí)，測(cè)試時(shí)剛完成了本主題的學(xué)習(xí)，對(duì)知識(shí)較為熟悉，因而作答優(yōu)于初二年級(jí)學(xué)生；“已學(xué)習(xí)并復(fù)習(xí)后”的學(xué)生測(cè)試時(shí)剛完成了此部分內(nèi)容中考備考的復(fù)習(xí)，其答題情況與初一年級(jí)學(xué)生相似。

選擇“二氧化碳”的學(xué)生數(shù)較少。在這三屆學(xué)生的筆記中，均明確記錄“光合作用的原料是二氧化碳和水”，并且在復(fù)習(xí)提問時(shí)，隨機(jī)抽查的學(xué)生超過50%能說出上述筆記內(nèi)容，也即學(xué)生在學(xué)習(xí)后對(duì)于光合作用原料的有關(guān)概念是認(rèn)同的。但是，在陌生情境下，學(xué)生無法提取關(guān)于這一問題的相關(guān)概念并進(jìn)行應(yīng)用。三屆學(xué)生相似的作答結(jié)果提示，學(xué)生對(duì)光合作用的原料在“陌生情境”中的理解并未因?yàn)閷?duì)此內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)甚至復(fù)習(xí)而有所改善。這也許與教師的教學(xué)有關(guān)。但是，三屆學(xué)生經(jīng)不同教師教授，結(jié)果類似，更有可能是學(xué)生確實(shí)難以理解植物增長的質(zhì)量主要來自于氣體。

為進(jìn)一步了解學(xué)生理解的難點(diǎn)，本研究針對(duì)T3，對(duì)“學(xué)習(xí)完一年后”和“已學(xué)習(xí)并復(fù)習(xí)后”的部分學(xué)生做了訪談。

“學(xué)習(xí)完一年后”的學(xué)生中有近六成選擇“土壤中的有機(jī)物”，主要有以下兩種代表性解釋：①“A、B是氣體，沒有重量，看到土壤中的有機(jī)物就聯(lián)想到了光合作用的產(chǎn)物是有機(jī)物”。②“增重的是有機(jī)物，有機(jī)物的合成原料是來自于土壤中有機(jī)物的分解”。這都表明，學(xué)生并不清楚作為產(chǎn)物的有機(jī)物是如何得來，與其他物質(zhì)有怎樣的聯(lián)系。

對(duì)“已學(xué)習(xí)并復(fù)習(xí)后”學(xué)生的訪談反映出以下幾種情況：①有部分學(xué)生在推理得出“樹木中的有機(jī)物的來源是光合作用”后，沒有認(rèn)真審題，看到“有機(jī)物”的字樣，就選擇了“土壤中的有機(jī)物”選項(xiàng)。②有部分學(xué)生依然認(rèn)為“植物可以直接從土壤中吸收有機(jī)物”。③有部分學(xué)生存在錯(cuò)誤概念“植物體的組成物質(zhì)主要吸收自土壤”或“光合作用的產(chǎn)物來自土壤中的礦物質(zhì)”，因此選擇了“土壤中的礦物質(zhì)”。王燕等曾對(duì)高中生做過光合作用相關(guān)錯(cuò)誤概念的探查，結(jié)果與這類錯(cuò)答學(xué)生類似。④有部分學(xué)生在推理得出“樹木中的有機(jī)物源自光合作用”后，雖然能夠過渡到對(duì)光合作用原料的分析，但是他們直覺地認(rèn)為“作為氣體的二氧化碳怎么可能是植物干重的主要來源呢”，再經(jīng)由對(duì)A、D選項(xiàng)的排除，轉(zhuǎn)而選擇了“土壤中的礦物質(zhì)”，這一情況與“未學(xué)習(xí)”的學(xué)生的前概念類似。這表明即使到了初三階段，仍有一部分學(xué)生不認(rèn)為氣體有重量。

調(diào)查結(jié)果顯示，在光合作用原料的概念理解方面，在各學(xué)習(xí)階段，都有很多學(xué)生認(rèn)為二氧化碳是氣體，不會(huì)成為植物增重的原因，認(rèn)為原料是礦物質(zhì)，或植物能吸收有機(jī)物的也不在少數(shù)。學(xué)生的前概念非常頑固。

3.2 學(xué)生在不同情境下對(duì)光合作用的概念理解情況

3.2.1 學(xué)生在原型情境和相似情境中對(duì)光合作用概念的理解

T1的提問與作答都是在學(xué)生熟悉的情境中，學(xué)生拿到題目即知道如何進(jìn)行分析，正答率達(dá)70%。

T2的正答率達(dá)70%，頻次較高的錯(cuò)誤答案有呼吸作用、蒸騰作用等。這說明，有部分學(xué)生雖然經(jīng)過學(xué)習(xí)，知道“光合作用的產(chǎn)物包括有機(jī)物”，但無法在“增重”和“有機(jī)物”之間建立有效的聯(lián)系。在Charles等的研究中，也僅有19.31%的學(xué)生能把增重和有機(jī)物聯(lián)系在一起，并知道這個(gè)有機(jī)物是植物通過光合作用自己制造的。

3.2.2 學(xué)生在陌生情境中對(duì)光合作用概念的理解

學(xué)生在陌生情境中對(duì)光合作用概念的理解的具體結(jié)果參見表3。T3的推理路徑如下：①樹木干重的主要成分是有機(jī)物；②樹木中有機(jī)物來源自光合作用；③光合作用的原料有二氧化碳。三者均為概念性知識(shí)，構(gòu)成了遞進(jìn)的因果推理鏈①→②→③。其中①→②是T2的解題思路，2019屆學(xué)生T2的正答率是70.0%，而T3的正答率僅為22.3%，也即大部分學(xué)生無法把③和①→②結(jié)合起來。Charles等對(duì)學(xué)生做過類似的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生知道植物增重需要二氧化碳，但是無法將植物需要的二氧化碳和植物的有機(jī)物是自己合成的相聯(lián)系。由此反映出，學(xué)生在陌生情境中對(duì)光合作用概念的認(rèn)知和運(yùn)用存在困難。這也提示，學(xué)生在概念學(xué)習(xí)的過程中，不能夠很好建立概念之間的聯(lián)系，沒有將微觀過程和宏觀現(xiàn)象聯(lián)系起來，而是機(jī)械地、割裂地使用知識(shí)。

由以上結(jié)果分析可知，學(xué)生在學(xué)習(xí)光合作用概念時(shí)習(xí)慣于記背。原型情境和相似情境并不能有效地反映學(xué)生的真實(shí)理解情況，當(dāng)情境陌生時(shí)，學(xué)生表現(xiàn)出解題困難。

4 結(jié)論與建議

光合作用是初中學(xué)生較難理解的重要概念，不同學(xué)習(xí)階段學(xué)生在陌生情境中的理解應(yīng)用情況都不理想。學(xué)生對(duì)這一概念存在較多錯(cuò)誤概念，并且這些錯(cuò)誤概念來自學(xué)生的直觀感受，較難轉(zhuǎn)變。這一概念較為抽象、微觀，學(xué)生難以“眼見為實(shí)”，學(xué)習(xí)起來較為困難。另外，這一概念需要一些化學(xué)、物理概念做鋪墊，而學(xué)生對(duì)這些作為鋪墊的概念的學(xué)習(xí)晚于對(duì)光合作用的學(xué)習(xí)，這種概念的斷層增加了學(xué)習(xí)理解的難度。

面對(duì)以上問題，教師可以通過以下方式改進(jìn)教學(xué)。①教師在進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)時(shí)，可以嘗試將抽象概念具象化，如給學(xué)生呈現(xiàn)真實(shí)的干冰，讓學(xué)生感受干冰的重量，認(rèn)同氣體也有重量；可以燃燒植株體，稱重灰燼，了解礦物質(zhì)在植物體中的占比等。②人教版初中生物學(xué)教材在有關(guān)光合作用的章節(jié)里，開篇就介紹了海爾蒙特種植樹苗、探究植物生長原理的實(shí)驗(yàn)。教師可以通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析，幫助學(xué)生糾正“光合作用的產(chǎn)物來自土壤中的礦物質(zhì)”的錯(cuò)誤概念，同時(shí)強(qiáng)調(diào)植物不能直接吸收有機(jī)物。③復(fù)習(xí)時(shí)，少用原型情境提問，要給學(xué)生提供較多相似情境，并逐步地過渡到陌生情境。情境要呈現(xiàn)一定的信息量和適當(dāng)?shù)膹?fù)雜程度，使其成為學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的載體。④教師要幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到新的概念與已有概念的聯(lián)系，使學(xué)生理解生物學(xué)知識(shí)間的聯(lián)系。在學(xué)生學(xué)習(xí)了相關(guān)的跨學(xué)科概念后，教師要再次將這些概念應(yīng)用于光合作用概念的復(fù)習(xí)中，讓這些跨學(xué)科概念輔助學(xué)生對(duì)生物學(xué)概念的理解。