中学生对遗传学重要概念的理解，本文主要内容关键词为：遗传学论文,中学生论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
概念是对事物的抽象或概括。生物学概念是生物学课程内容的基本组成。对于学习者来说，建立、理解和使用生物学概念是他们生物学素养水平的指标之一。生物学重要概念是处于学科中心位置，包括了对生命现象、规律、理论等的理解和解释，是生物学科知识的主干部分，对学生学习生物学及相关科学具有重要的支撑作用。概念的表述有多种方式，其中用描述概念内涵的方式来传递概念可以更好地针对学生的年龄特点和认知能力来确定概念教学的深度或水平，以期切实达到预期的教学效果，并为后续的学习打下基础，在下一个学段进入更深入的学习，实现重要概念的螺旋式发展[1]。
遗传学作为生物学的重要分支，其中包含了许多生物学科的主干内容。在科技无处不在的现代社会，理解遗传学的重要概念是未来公民科学素养的重要部分[2]。本研究力图考查学生对这些遗传学重要概念的理解情况，探讨学生的概念发展情况。根据比格对概念理解的阐释[3]，如果一个人真正理解概念原理，他大概能够：用自己的话来陈述它；举出关于它的一个例子；在各种各样的外表和情况下认识它；辨别可能代表它的行为或不能代表它的行为；了解它和其他原理或概括之间的关系；明白它可能有的用途；在各种各样的情境中运用它；预料应用它的结果；陈述一个和它相反的原理。本研究设计的概念理解测试内容也将从这几个方面入手。
一、研究工具与操作
对于如何探查学生概念理解的方法，文献表明研究方法主要集中在访谈、纸笔测验、分类任务、画图、调查问卷、开放式回答、概念图等[4]，题型主要是客观题和主观题。与客观题相比，主观题更能测查出学生对知识的真正理解，但是由于开放程度较大，学生的回答会比较多样，后续的统计和分析工作会有较大的难度，而且样本量相对有限。客观题虽然在各种领域的测验中广泛使用，但是选择题为学生提供了选项，增加了学生猜测的可能性，不容易很好地探明学生对知识内容真正的理解。
在本研究中，主要采用的是纸笔测验的方法，以主观题为主，题型分为3类：
第1类是选择题+开放式追问。选择题是基于重要概念编制而成，包含3～5个选项；为了更好地探明学生对该内容的理解，在选择题下面往往跟随一个开放式的追问，要求学生解释选择的理由，由此判断学生是否真正理解该内容（参见附录：题例1）。
第2类是命题产生任务（proposition generating task）。这是基于Amir和Tamir于1995年提出的方法[5]，即要求学生阐明2个重要概念词之间关系的本质。Amir等人认为可以把这种方法看成是微型概念图，与概念图相比，它还有自己的优点，包括：①不需要对学生进行特殊的训练；②花费时间较少；③相对易于评价（参见附录：题例2）。
第3类是简答题，要求学生根据题干所提供的情境材料回答数个小问题，形成结构化的主观题。这样编制的目的是一方面给学生留有开放回答的空间，另一方面使得命题测查重点更加明确，具有一定的操作性（参见附录：题例3）。
在选择题目情境和编制题目时，注意到应该使问题表述清晰明确，选择的情境贴近学生生活；题目所涉及的相关信息都是学生所熟悉的；题干用语符合学生年级段水平，尽量少地使用术语。
根据不同年级段涉及的不同重要概念[6]，本研究编制出了3份试卷，分别针对：还未学习初中遗传学这部分内容的学生；已经学习了初中遗传学内容但还未学习高中遗传学的学生；已经学习了高中遗传学内容的学生。为了更好地考查年级段之间的学生知识衔接与理解发展的情况，3份试卷有交叉考查的概念以及据此设计的题目。即：
具体情况如下表所示：
在表中，所有问题数总和为51。由于部分试题在不同年级段有重复出现，所以出现了题数的累加情况，实际题目数量为40。
试题编制完成之后，请了5位生物学教育专家审阅，审阅内容包括：题目测查是否恰当，题目内容是否考查了相关概念的理解，题目文字是否与学生的阅读水平相当。根据反馈信息做出调整和修订。由于题目量较大，且多为开放性题目，在完成上述工作后，又选取了部分学生进行试测，试测目的主要是考查题干是否与学生的阅读和文字表达水平相当，以及把握答题时间。A类试卷选取了10名初一学生完成，B类试卷选取了10名初二学生完成，C类试卷选取了10名高一学生完成。试测结果表明题干内容与学生年级段的阅读水平相符，A类试卷学生能在0.5h内完成，B类和C类试卷学生需要1h完成。
在实际施测过程中，鉴于B卷和C卷所花时间较长，因此把B卷和C卷分别拆为2个部分，由不同的学生完成，将学生的答题时间控制在0.5h。
在本研究中，采用委托测评的方式，请样本学校教师协助完成施测过程。测试为闭卷作答，由教师负责监督和管理。所有班级的答卷时间均为30 min。在测验时，初一学生使用试卷A，初二和高一的学生使用试卷B，高二的学生使用试卷C，即如下表所示：
本研究在北京市2所普通中学的初一、初二和高一、高二4个年级共发放了390份测试卷，回收390份，回收率为100%。其中有效试卷386份，有效率为98.97%。试卷信度采取分半信度法检验，将学生回答结果进行编码，测算Split-half值，其中A卷为0.7218，B卷为0.7845，C卷为0.8021，属于可以接受的信度范围。试卷效度主要由专家审阅把握，每题考查相应的一条或多条概念。为了尽可能提高试卷的效度，本卷尽量使用主观题，对于选用的部分选择题也在题后继续追问选择的理由，从中看出学生回答是猜测选项还是真正理解得来。
二、研究结果与结论
本研究的目的并不是对学生的回答进行打分，根据成绩评估学生理解的好坏；本研究是要掌握学生对概念较为细致的理解情况。因此，本测试卷不计算学生总分，而是通过收集学生的回答进行编码，从而揭示学生头脑中对相应概念的理解情况。
1.A卷学生对遗传学重要概念的理解情况
A卷发放对象主要为初一学生，他们还未进行初中遗传学内容的学习。
研究发现，学生能较好地理解“亲代与子代之间，子代与子代之间，往往有很大的相似之处，但不是完全一模一样。”学生几乎都能从生物体所表现的形态结构、生理特征和行为方式等来看待生物之间的相似与不同。同时，对于生物体相似或不同的原因解释，学生大多能与遗传相关的内容联系起来，大概知道生物体内有一些物质是由亲代传给子代可以决定生物体外在表现的，还有不少学生能够说出基因或DNA在其中扮演重要角色。
大多数学生分不清楚哪些是先天遗传，哪些是后天获得的。有不少学生认为后天获得的过程中会破坏体内基因，使得后天获得的生物学特性得以遗传。
有许多学生认为男孩体内的遗传信息来自父亲的要多一些，而来自母亲的要少一些，他们不自主将性别与同性亲代传递遗传信息多少挂钩，认为子代体内的遗传信息来自同性亲代的会要多一些。
2.B卷学生对遗传学重要概念的理解情况
B卷发放对象主要是初二学生和高一学生，他们已经学习过了初中遗传学内容，尚未学习高中遗传学内容。
A、B卷中有部分试题重叠，对于这些重叠的内容，B卷学生明显比A卷学生表现出了较好的理解情况。如绝大部分学生都理解了后天获得的性状不会影响体内基因，因此不会遗传给子代。同时，也有大部分学生认识到体内的遗传信息分别来自父母各一半，但是依旧有30%的学生认为男孩子体内来自父亲的遗传信息会多一些。对于进一步的询问有关性染色体的情况，学生理解情况不太好，只有33.3%的学生认为男孩体内的X染色体来自母亲。
学生能够较好地理解“在进行有性生殖的生物体中，来自于雌体的生殖细胞与来自于雄体的生殖细胞结合在一起，以形成新的个体。”并且基本上都了解个体内的每个细胞均含有相同的基因。
学生认同DNA是主要的遗传物质。但是对于染色体、DNA和基因之间的关系，学生理解情况相当不好。许多学生只知道染色体、DNA、基因与遗传有关系，但是对其中的含义不清楚，对它们之间的联系也非常混乱。
对于简单孟德尔定律的应用，大部分学生无法通过亲代基因型判断子代性状。
对于“多样性程度大的群体更容易生存”的理解，只有不到一半的学生认可多样性程度大的群体适应环境能力强，因此比单一化程度大的群体更容易生存。
3.C卷学生对遗传学重要概念的理解情况
C卷发放对象主要是高二学生，他们已经学习过了高中遗传学内容。
B、C卷中有部分试题重叠，对于这些重叠的内容，C卷学生比B卷学生表现出了稍好一些的理解情况。比如，绝大多数学生都能够很好地理解“多样性程度大的群体更容易生存”。但是对于染色体、DNA和基因之间的关系，学生理解情况依旧不好，很多学生是用依次包含这样一种关系来联系三者，他们在潜意识里似乎是分开孤立地来看待染色体、DNA和基因，将其看成3个不同的物质。对于基因的认识，学生知道它是DNA上的有效片段，但是在其功能方面，偏重于遗传信息的传递（即用于遗传），而对于基因在控制蛋白质合成方面的作用，学生涉及较少。因此学生难于理解基于此发展起来的遗传工程技术的原理，这些技术在新情境中的应用自然也无从下手。
孟德尔遗传定律的应用依旧让学生感到困难，对于判断亲代的基因型，有半数以上的学生都没有写出正确的基因型，还有一些学生使用了性染色体标记的组合，说明对这部分的理解还不够深入。
学生对“只有发生在生殖细胞中的基因突变才可能传给子代”的理解情况较好，也能根据给出的DNA序列判断是否发生了单个碱基的改变（基因突变），但是在进一步预测这样改变对机体造成的可能影响时，大部分学生对这方面的理解还相当片面，只是表层地认为DNA序列发生改变就会发生病变，会带来不好的影响。这样的理解将会阻碍学生对进化的认识。
4.学生常见相异概念列表（见下页表3）
对学生理解情况进行进一步的总结，形成学生常见相异概念（alternative conception）列表。这里的相异概念是指学生拥有的与科学概念不一致的那些认识和想法。
三、讨论与建议
1.有关学生对遗传学重要概念理解的讨论与建议
本研究发现绝大多数学生都能清楚地意识到亲代向子代传递遗传物质，而遗传物质就是DNA或基因，不过他们不能很好地应用孟德尔遗传定律对子代的表现型和基因型进行预测。本研究中的所有学生（包括初一刚入学的学生）对DNA和基因这个名词都非常熟悉，但是显然他们几乎都对DNA和基因没有全面的理解和认识，包括DNA和基因到底是什么，它们之间的关系，它们的功能等等。这个研究结果与外国研究专家的研究结果类似[2，7～9]。这也提示教师在教学中特别要注意，学生很容易出现这种现象，即对标记概念的名词很熟悉，但是对其囊括的概念本身并不清楚。在这里试图对其中的原因进行分析和讨论。
学生对DNA和基因熟悉的原因之一在于这2个名词现在频繁地出现在人们的生活中，包括电视里、杂志上、游戏中等。出现在媒体中的DNA和基因常常被强化为亲代和子代的联系，比如犯罪破案、亲子鉴定等。
不仅如此，学生在刚接触遗传学时，就被要求将基因看作可以从亲代传递给子代的一个单位（unit）。虽然这样教学在知识上是没有错的，但是学生容易将基因看作是一个在亲、子代之间传递的被动粒子，只关注它的遗传特性，而难以理解基因作为一段指令在指导蛋白质合成中的重要作用，而这，恰恰是现在分子信息时代的基石。
在本研究中发现，学生容易将染色体、DNA、基因看作是3个独立的物质，将它们三者的关系视为位置上的互相包含，这样的理解使得整个遗传学的知识无法连续和完整。
在Venville等人的研究中[2]，他们发现学生对于基因的理解有2种倾向，一种是将基因看或一个能被传递的粒子，另一种是将基因看成一段指令序列。那种将基因看成是粒子的学生在后续学习中遇到困难，因为无法说服自己基因如何来影响性状；而那些将基因看成是一段指令序列的学生在后续学习中比较顺利，因为他们能够合理地解释出基因、染色体、遗传密码、蛋白质合成（继而形成性状）之间的联系。
这提示教师在课堂教学中要关注到学生的这2种理解倾向，这可能是直接造成学生对遗传学概念理解的障碍之一。倘若不能很好地理解基因在指导蛋白质过程中的重要作用，那对后续的现代遗传学技术也难以真正理解。
2.有关学生相异概念的讨论与建议
本研究通过考查学生对重要概念的理解，收集学生的回答并进行编码，统计学生各类答案的频度和百分比，在此基础上进一步总结和提炼，得到学生具有代表性的一些相异概念。在这里使用了相异概念这个词，而没有用大家熟悉的错误概念（misconception）这个词，是因为研究者认为学生头脑中的这些概念不一定是错误的，可能仅是片面的，但是这些对概念的片面理解将会对学生接下来的学习造成障碍。比如，有许多学生认为突变造成的结果一定是具有危害性的。如果学生持有这样的理解，就很难接受进化理论中“由突变和重组引起的基因变异，是进化的源泉”。
诺瓦克曾指出，学习者通过学习与教学获得的不仅是有效的概念，有时，他们获得的还可能是残缺的概念[10]。
在学习过程中，学习者认知中有误解和片面的理解都是难免的，但遗憾的是，传统教学很少关注学生大脑中形成的已有概念到底是什么，而大多数学习者由于起初都是采取死记硬背的方式学习的，获得的知识是彼此互不相关、缺乏结构的，这使得对学生头脑中通过机械学习形成的知识框架具有明显的局限性和不合理性。然而，学校的测验不容易区分学生的关联学习和机械学习，即便学生头脑中对概念理解不深入，但他们往往还是能够应付学校的日常考试。只有当他们需要解决新的问题或必须将知识应用于真实世界中时，才会暴露出他们知识中的缺陷和问题。另外，学习者在考试中取得的好成绩也许会使得他们自己和教师以为达到了很好的学习效果，忽略学习者头脑中对概念的真实理解情况。
为了使学习者获得对科学概念的真正理解，课堂教学需要重视学习者头脑中的相异概念，也要给学生提供一些情境冲突来让他们发现自己头脑中的概念存在问题，引起学习者的反思，促进科学概念的发展。
3.有关概念表述的讨论与建议
为了更加明确地描述出希望学生理解的内容，建议概念表述采用完整的陈述句方式，即将希望学生达成的概念基本理解用完整的语句表述出来，在表述中尽可能少地使用术语。如：“说明基因突变的原因”，这不是概念的基本理解；若表述为“插入、删减或取代DNA片段都可能会改变基因”，则更易于学生确认需要理解和掌握概念的内容及其意义。这主要是基于以下3个考虑。
第1个考虑是许多学生对概念名词很熟悉，但是对概念名词代表的概念本身不熟悉。本研究证实了这种情况的存在。本研究中的所有学生（包括初一刚入学的学生）对DNA和基因这个名词都非常熟悉，但是显然他们几乎都对DNA和基因没有全面的理解和认识，包括DNA和基因到底是什么，它们之间的关系，它们的功能等等。
第2个考虑是为了更明确地指出希望学生理解的内容。在本研究中也发现，学生对于遗传学概念的发展，总体来说确实是一个向上的趋势。对于不同年龄段的学生，他们对概念理解的情况是不一样的，教学中对他们的要求也是不同的。高年龄段学生对概念的学习，不是凭空而起，而是在以前学习基础上，对概念的进一步的发展和延伸。使用名词和定义的方式比较固定和刻板，无法展现同一概念层级上的区别，采用陈述句的方式则可以很好地处理这个问题。
第3个考虑是可以更有效地指出概念之间的联系。对于教师如何帮助学生学习有意义的科学概念？著名教育专家格林的答案是帮助学生有关联地学习科学概念11]。学生应该学习一些有相互关联、经过组织的概念，而不是学一些没有组织随意组成的事项。在这个过程中，学生需要去架构概念和概念之间的关联，这必然是一个庞大的网络体系。用陈述句的方式表述高层次的概念可以很容易将2个或以上的概念名词联系在一起，不同层次的概念陈述之间又可以箭头表示彼此的关联，较低层次的概念往往是理解较高层次概念的知识基础。
附录：题例
[题例1]1889年，生物学家维斯曼想要培育出没有尾巴的老鼠，于是他把老鼠的尾巴剪掉，让没有尾巴的老鼠生育下一代。
1）你认为下一代老鼠是否有尾巴？（）
A.下一代老鼠没有尾巴
B.下一代老鼠有尾巴
C.一下代老鼠有的有尾巴，有的没有尾巴
2）你选择这一项的理由是：
因为______________________。
[题例2]请你简要描述染色体、DNA和基因之间的关系。
[题例3]以下文字改编自1990年3月的《发现》（Discovery）杂志，阅读完后请回答下列问题。
终极药物
破碎基因会引起多种疾病。现在，遗传外科医生可以深入细胞内对破碎基因进行修复，他们所使用的工具竟然是——病毒。
理查德·马利根在他25岁时，完成了一项生物工程的壮举，他首次将病毒变成了“运载卡车”。通常，病毒只运载自己的基因，它们将自己的遗传物质装在壳里，然后从一个宿主细胞转移到另一个细胞。待进入细胞后，病毒能指挥宿主细胞的遗传机器从而制造出成千上万个病毒拷贝。马利根运用分子技术，剔除病毒基因中那些控制病毒复制的基因，转而代替制造血红蛋白的基因。血红蛋白是生物体内负责运输氧气的蛋白质分子。马利根希望这些处理过的病毒不再告诉细胞去制造更多的病毒，而是去制造血红蛋白。
马利根组建了他的病毒“运载卡车”，他给这些病毒都“装载”上了血红蛋白基因，接着他将这些病毒导入猴子的肾脏细胞中。由于肾脏细胞不具有运输氧气的功能，因此通常不会制造血红蛋白分子。但是在被导入马利根的病毒后，肾脏细胞开始发生令人惊异的变化，出现了大量血红蛋白分子。
马利根的这个实验具有划时代的意义，他将人类遗传疾病的治疗带入一个全新的阶段。人们可以将病毒——这种自然界的“寄生虫”——变成分子救护车，从而将有益基因载入“生病”的细胞中。这不仅是基础生物学研究的重要事件，还标志着药物新时代的到来，医生将可以深入到疾病的分子水平，从根本上治愈疾病。
根据你的遗传学知识和上文中的信息，回答下列问题。
1）你认为什么是基因？基因由什么组成，它的主要功能是什么？
2）文中提到“基因破碎会引起多种疾病”，你觉得为什么“破碎基因”不能正常工作？你觉得什么原因会导致基因“破碎”？
3）在马利根的实验中，病毒携带着血红蛋白基因。在病毒进入肾脏细胞后，血红蛋白基因“告诉”细胞产生血红蛋白分子。请你简要解释基因中的信息如何能让细胞产生蛋白分子。
4）本文中所描述的方法对于治疗某些疾病有很大帮助。请你举出这样一个病例，并解释应该如何运用这个方法来进行治疗。
5）请举出一个不能用这个方法来治疗的病例，并解释为什么不能治疗这个疾病？
6）这个方法除了可以用来治疗疾病，还有其他很广泛的用途，请你举出2个其他的用途。
7）人体中几乎所有的细胞都包含相同的基因。比如，肾脏细胞中包含的基因与通常产生血红蛋白的那些细胞所包含的基因相同。那为什么肾脏细胞本身含有血红蛋白基因，可是通常却不会产生血红蛋白呢？