高中生物学习“理解”的表征证据
——以“光合作用的原理和应用”为例

戴丹丹

（江苏省泰州中学 江苏泰州 225300）

“理解”是教育的重要价值追求，衡量“理解”的基本指标是知识迁移，而迁移能力的高低很大程度上取决于人们对知识的理解程度。学生若能在学习中“提取”“理解”，并将其在情境化问题中加以运用，才能表明真正理解了所学知识。《辞海》对“理解”一词的解释为：应用已有知识揭露事物之间的联系而认识新事物的过程，其水平随所揭露联系的性质和人的认识能力而异。美国著名教育心理学家布鲁姆将认知领域的目标分为识记、理解、应用、分析、综合和评价6个层次。他认为理解是指能用自己的话表述所学材料的意义，是对方法、原理的内化过程。下面以“光合作用的原理和应用”为例，对“理解”一词作出学科化表达，旨在形成高中生物学习“理解”的多元化表征证据。

1 教材的内容结构

“光合作用”安排在人教版高中生物《必修1·分子与细胞》（以下简称人教版必修1）第五章“细胞的能量供应和利用”第四节，对应《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中的次位概念：植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转化为糖和氧的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。本单元的学习聚焦《课程标准》中的重要概念“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”。各级概念之间的关系如图1所示。

2 学生“理解”的表征证据

2.1 能解释

从高中生物学习的视角出发，“解释”是指学习者将生物学知识经过判断、推理等抽象思维过程，将概念、原理、方法等内化为自身的一种东西，并用以分析阐明自然界中的生命现象、生物事实和实验数据，进而说明相关概念的意义、特征和关系。

案例1：植物质量增加现象的解释。

【例1】（2019·全国卷I）将一株质量为20 g的黄瓜幼苗栽种在光照等适宜的环境中。一段时间后，植株达到40 g，其增加的质量来自 （ ）

A.水、矿质元素和空气 B.光、矿质元素和水

C.水、矿质元素和土壤 D.光、矿质元素和空气

分析：如果学生能说出什么是光合作用，只能表明他们“知道”光合作用的定义，掌握了相关知识。而“理解”超越了知识的外在形态，是对其内隐意义的认识，能够通晓相关要素之间的关联。根据光合作用的定义，教师引导学生分析题目，推理出：①植物光合作用会引起植物质量增加；②该过程需要光照，并可以进行能量转化，将光能转化为化学能。本题的解题逻辑如图2所示。

2.2 能转译

高中生物相关知识可以通过文字、图像、表格等不同形式呈现，高中生物学习中的“转译”是指从一种形式中获取相关信息，并将之转化为另一种形式，如图文之间的相互转化，学生从读文字到读图，从读简单的图表到复杂的综合过程图，从读图到自己能绘图，是深度学习螺旋上升的一种体现。该表征证据可反映学生对原有信息的解读、提炼是否正确。

案例2：密闭恒温箱中CO2浓度的变化。

【例2】将只含有小球藻的培养液置于密闭恒温箱中，8：00至24：00给予恒定光照强度，24：00至次日8：00为黑暗条件，每隔1 h检测恒温箱中CO2浓度。表1反映的是不同时刻恒温箱中的CO2浓度。

表1 恒温箱中CO2浓度变化记录表

对CO2浓度变化进行分析，可以发现其中蕴含的规律：

（1）光照阶段恒温箱中CO2浓度逐渐下降，黑暗阶段逐渐上升。

（2）光照阶段随着培养时间的延长，CO2浓度下降越来越慢，最后稳定在一定浓度；黑暗阶段CO2浓度上升越来越慢。其变化规律如图3所示。

实验本身提供的是每隔1 h检测得到的不连续的数据。教师引导学生通过图表之间的信息转译，可将表格中的数据进行扩展，由不连续的数据发现CO2浓度随时间连续变化的规律。

2.3 能建模

高中生物学习中的“建模”，即为建构模型。建模是研究生物学的重要思维方法，在理解系统知识或复杂概念时，教师可引导学生学习运用建构模型的方法。例如，教师引导学生进一步分析案例2密闭恒温箱中CO2浓度的变化。通过图表间的信息转译，学生可发现CO2浓度随时间连续变化的规律。但是，这并不能说明学生理解CO2浓度变化的原因。若要加深学生对问题的理解，教师可引导学生通过建构、检验、修正模型来分析数据变化背后的原因，如图4所示。

模型的建构、检验、修正过程有助于连接、牵动许多相关的小问题，使知识结构化，模型的复杂程度可反映出学生对知识理解的深度。通过建模分析CO2浓度变化时，教师要引导学生从生命活动的复杂性角度去思考：光照阶段不能只考虑光合作用，只有当光合作用、呼吸作用两者强度不等时才会引起密闭容器内CO2浓度变化；多种因素会影响光合作用、呼吸作用。本题因光照阶段给予恒定光照强度，密闭箱中始终恒温，气体浓度成为影响的主要因素。

2.4 能比较

生命现象是十分复杂的，生物学中的原理和规律总有“特例”存在，高中生物学习中的“比较”是指能够透过不同事物或现象之间的“异”看到“同”，以及在表面相似的“同”中分辨出本质的“异”。

案例3：C3植物、C4植物及CAM植物比较。

有学生只注意到3种植物光合作用过程的差异，忽略了其光合作用共同的本质：光合作用均发生光反应和暗反应，暗反应中均会发生C3途径的固定及C3的还原。有学生只注意到C4植物、CAM植物光合作用过程均发生C4途径的固定、合成苹果酸，忽略了两种反应本质的差异：C4植物C4途径的固定发生在白天的叶肉细胞中，C3途径的固定及C3的还原发生在白天的维管束鞘细胞中，而CAM植物前者发生在夜晚的叶肉细胞中，后者发生在白天的叶肉细胞中。若学生能联系C4植物、CAM植物生存的环境及叶片结构解剖图，则可以对两者光合作用有更深刻的理解，也有助于更好地形成结构与功能观及稳态与平衡观。

2.5 能推演

推演就是推论演绎，高中生物学的学习不仅仅在于让学生获得基础的生物学知识和基本技能，更重要的是使学生领悟科学家在解决问题的过程中思维的碰撞、采用的方法，模仿科学家根据相关现象或实验结果提出问题、作出假设、演绎推理、设计实验检验假设的正确性。

案例4：光合作用释放的氧气来源。

师：1881年，恩格尔曼的实验（人教版必修1第100页思考·讨论）在没有空气的环境中实施，为什么还可以释放O2？

生：可能是水绵无氧呼吸产生CO2继而进行光合作用。

师：1937年，希尔的实验（人教版必修1第102页思考·讨论）选用离体叶绿体，排除了呼吸作用的影响，在有H2O没有CO2的悬浮液中实验，为什么还可以释放O2？

生：光合作用释放的O2来自H2O。

师：这个实验能否说明光合作用释放的O2全部来自H2O？什么样的生物技术可用于探究O2的来源？如何控制变量设计对照实验？

学生说出实验方案后，教师可呈现鲁宾、卡门的实验，引导学生自己比较两种方案之间的差异，使他们在获得成就感的同时，亲历探究实验中推论演绎的整个过程，也有助于养成科学思维的习惯。

2.6 能判断

生物学学科核心素养之一——社会责任，是指学生基于生物学的认识，参与个人与社会事务的讨论，并具有作出理性解释和判断，解决生产生活问题的担当和能力。高中生物学习中的“判断”，即为学生应能够灵活、准确地运用生物学的基础知识和基本方法，对生物学问题作出理性解释，辨别迷信和伪科学。

案例5：海洋酸化对束毛藻的影响。

教师联系社会，提出问题：人类活动排放的CO2引起海水中CO2浓度上升、pH下降，导致“海洋酸化”。有人认为海水中CO2浓度上升，有利于促进束毛藻光合作用，对束毛藻的增长是有益的，因此，没有必要限制化石燃料的使用。

在学生判断海洋酸化对束毛藻的影响时，教师首先要提醒学生摒弃简单的线性思维方式，不能仅从光合作用速率看待植物的增长，不能仅从CO2浓度上升判断植物光合作用速率提高。海洋酸化带来的影响包含CO2浓度上升、pH下降双重效应，为调节pH稳态，束毛藻需加大能量生产；同时pH下降还会引起内部酶活性下降，进而导致反应速率降低，束毛藻会代偿性上调相关酶的表达，海洋酸化最终表现出的净效应为抑制束毛藻增长。

核心素养指导下的教学从关注“教师的教”转向关注“学生的学”，部分教师直接向学生讲述自己对知识的理解，忽略了“理解”是智力层面的建构，需从学生的行为出发来判断他们是否真正理解。本研究对“理解”一词作出学科化的表达，思考“高中生物学习理解”的多元化表征，明确学生进行高中生物学习“理解”的评估证据，有助于制定指向理解教学的有效策略。