CBE—生命科学教育 • 15:ar74, 1–21, 2016年冬季刊
研究报告
一、研究概况
本研究由美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，简称AAAS）2061项目组的Cari F. Herrmann-Abell、Mary Koppal和Jo Ellen Roseman主导完成。论文《Toward High School Biology: Helping Middle School Students Understand Chemical Reactions and Conservation of Mass in Nonliving and Living Systems》发表于期刊 CBE—Life Sciences Education 2016年冬季刊第15卷第4期。该研究受美国细胞生物学学会（The American Society for Cell Biology）版权保护，并采用知识共享（Creative Commons）署名-非商业性使用-相同方式共享3.0许可协议发布。
二、研究背景与目的
随着现代生物学日益呈现分子化特征，学生理解基本化学概念变得愈发重要。然而，大量研究表明，许多中学生无法准确掌握化学反应过程中原子重排（atom rearrangement）和质量守恒（conservation of mass）等核心概念，更难以将这些概念应用于解释生命系统中的生物学现象。美国国家研究理事会（National Research Council，简称NRC）在其《K-12科学教育框架》（*A Framework for K–12 Science Education*，以下简称《框架》）和《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards，简称NGSS）中，均强调学生应跨越学科界限，整合物理科学、生命科学与地球科学的核心概念（disciplinary core ideas），并运用科学与工程实践（science and engineering practices）及跨学科概念（crosscutting concepts）来理解现象和解决问题。
现有教材在帮助学生建立生物学所需的化学基础方面存在严重不足。例如，教材往往忽视学生的先前知识和迷思概念（misconceptions），使用可能强化常见迷思概念的表征方式，提供太少真实世界的现象（phenomena）来连接抽象概念，且缺乏引导学生理解现象的教学设计。素材多以主题（如物理变化、化学变化、光合作用）为组织核心，而非遵循一条连贯的、适合初学者的内容故事线（coherent content story line），这使得学生难以将孤立的知识点与核心概念联系起来。此外，教材极少整合物理科学与生命科学的实例来展示化学反应，也未能引导学生运用科学概念和实践来解释现象或挑战其迷思概念。为解决这些问题，研究者利用基于研究的设计原则，开发了一套名为“迈向高中生物”（Toward High School Biology，简称THSB）的课程干预（curricular intervention）单元，旨在帮助八年级（middle school）学生打下坚实的化学基础，为高中生物学习做好准备。
本研究旨在评估THSB单元的有效性，具体回答两个研究问题：第一，与常规教学（business-as-usual curriculum）相比，THSB单元在多大程度上提高了学生对目标科学概念的理解？第二，THSB单元在多大程度上以及以何种方式减少了学生与目标科学概念相关的迷思概念？
三、研究设计与工作流程
本研究的核心是一项随机对照试验（randomized control trial），属于课程开发项目第三年的实地测试（field test）。
1. THSB单元的理论框架与设计原则 THSB单元的开发基于Clements提出的课程研究框架（Curriculum Research Framework，简称CRF），该框架将课程开发与教育研究紧密结合。其理论基础包括：
基于上述学习研究，THSB单元明确了四条设计原则（design principles）： 1. 呈现一套连贯的科学概念及其相互联系，使内容形成清晰的故事线。 2. 充分考虑学生的现有知识、信念和常见迷思概念，并针对性地设计活动加以挑战。 3. 提供与相关科学现象互动的体验，这些现象经过精心选择，覆盖非生命系统和生命系统，从可直接观察的现象逐步过渡到需通过放射性标记等数据推断的现象。 4. 支持学生对科学现象的解释和阐释（interpretation and explanation），通过结构化任务、脚手架（scaffolds，如“主张、证据、推理”框架）和精心排序的问题，引导学生用科学原理解释现象，并使思维外显化。
2. 研究对象与分组 研究于2013年春季在华盛顿特区都会区的一个郊区学区进行。共有6所学校的6名八年级教师及其594名学生参与，最终有574名完成前测（pretest）和后测（posttest）且答题率超过25%的学生的数据被纳入分析。 这6名教师被分为三组： - 经验组（Experienced group）：2名教师，曾参与前一年的试点测试，本次继续使用修订后的THSB单元进行教学。共9个班级，184名学生。 - 新手组（Novice group）：2名新参与项目的教师，经随机分配使用THSB单元。共10个班级，194名学生。 - 对照组（Comparison group）：与新手组教师进行配对的另2名新教师，使用学区指定的常规教学材料进行教学。共9个班级，196名学生。配对基于学校八年级数学和科学州统考成绩及学生人口学变量。
3. 干预措施与教学实施 干预组教师均接受了为期3天的面对面专业发展培训。THSB单元由20节课组成，分为四个章节，总时长约6周，旨在让学生整合物理和生命科学概念。单元核心概念为原子重排和守恒，应用于解释生物的生长与修复。对照组教师则根据学区课程标准，自行选择为期6周的教学活动，这些活动在主题上与THSB单元目标概念对齐，但在教学策略上存在显著差异，如缺乏为理解现象而进行的建模活动，仅注重平衡化学方程式，且未在物理和生命科学概念间建立联系。 在单元完成度方面，经验组9个班级中有5个完成了所有课程，平均完成3.7章；新手组无一完成全部课程，平均完成2.9章。
4. 测量工具与数据分析流程 为测量学生理解的变化，研究者开发了一套包含36个题目的前后测内容知识测验。测验题目与目标科学概念严格对齐，干扰项（distractors）专门设计用于探测特定迷思概念。题目类型包括干扰项驱动的单选题和双层题（two-tiered items，即单选题后跟开放式解释题）。测验经前期试测，使用Rasch模型（Rasch modeling）分析，项目信度（item separation reliability）达0.96。 数据分析流程如下： - 第一步：Rasch模型分析。采用“堆叠法”（stacking method）将前后测数据合并分析，使用WinSteps软件运行“部分得分模型”（partial credit model），为每位学生生成前测和后测量尺分数（scale scores），单位是逻辑值（logits）。数据与Rasch模型拟合良好，项目与人员的分离信度分别为1.00和0.88。 - 第二步：分层线性模型（Hierarchical Linear Modeling, HLM）分析。将后测量尺分数作为结果变量，在HLM 7软件中构建两层线性模型：第一层为学生个体变量（前测分、性别、族裔、语言），第二层为班级变量（所在组别、是否为资优班）。模型采用意向性分析（intent-to-treat）原则，无论班级是否完成所有课程都纳入分析。研究者分别构建了以“组别（新手/经验）”和“完成章节数”为自变量的条件模型。 - 第三步：干扰项分析。针对测验中与特定迷思概念相关的干扰项，统计其在前后测中被选择的频率，以洞察学生思维的变化。
四、主要研究结果
1. 整体理解水平提升 分层线性模型结果显示，在控制前测分数、性别、语言和族裔后，使用THSB单元的学生在后测中表现显著优于对照组。 - 组别模型：非资优班的对照组学生后测平均分为-0.31 logit。新手组非资优班学生平均分比对照组高0.92 logit（效应量[effect size]为0.84），经验组非资优班学生平均分比对照组高1.19 logit（效应量为1.10）。两者在统计学上均属于大效应（>0.80）。经验组表现优于新手组的结果提示，教师对该单元的熟悉度和实施完整度对教学效果有重要影响。 - 章节完成度模型：对于非资优班学生，每多完成一章THSB单元，其后测分数平均提高0.32 logit。完成两章、三章和四章的学生，其后测平均分分别为0.34、0.66和0.98 logit。这直接证明了完成更多单元内容与更高的学习收益正相关。
2. 迷思概念的显著减少 干扰项分析揭示了THSB单元在转变某些特定迷思概念上尤为有效： - 迷思概念：化学反应中原子发生嬗变（atoms are transmuted）。前测时，约三分之一的学生选择此迷思概念相关的干扰项。后测时，对照组选择率从31%降至23%，而THSB组从33%大幅降至14%。THSB组的效果量（Cramér’s V = 0.22）远大于对照组（0.09），差异具有高度统计学意义。这表明THSB单元中反复进行的、让学生只能用原有“原子”搭建产物分子的建模活动，有效纠正了“原子会变成其他原子”的错误观念。 - 迷思概念：食物只用于供能或排泄，不构成身体部分。前测时，约三分之一的学生持有此迷思概念。后测时，对照组选择率从34%降至22%，THSB组则从37%锐减至11%。两组的效应量分别为0.14和0.31，THSB单元的干预效果极为显著。这归功于单元中引入的放射性同位素标记实验（如¹⁴C标记卤虫喂养幼鱼）等数据，清晰展示了食物中的原子被整合到捕食者体内。 - 迷思概念：仅细胞分裂足以解释生长。针对此概念，前测时各组均有约三分之一学生选择相关干扰项。后测时，对照组选择率从34%降至26%（效应量0.09），而THSB组从28%剧降至7%（效应量0.28），降幅远超对照组。这说明THSB单元成功地将生长与物质摄入和原子重排联系起来，克服了单纯依赖细胞分裂解释生长的狭隘观念。 - 迷思概念：植物大部分质量来自土壤中的矿物质。有趣的是，该迷思概念的纠正主要出现在完整完成第四单元的经验组中。经验组学生在后测中选择此干扰项的比例从前测的41%跌至16%。而对照组的比例（42%至39%）和新手组（50%至50%）均无明显变化。新手组因未完成第四章而未能显著减少这一迷思概念，从反面证明了第四章（聚焦植物如何利用空气中的CO₂构建自身物质）教学内容的关键性。
对于“原子可被创造或毁灭”的迷思概念，THSB组与对照组在选择题上的减少幅度相似，但研究者指出，THSB组学生在开放式解释题中更能使用原子重排和守恒的深层原理来阐释新现象，显示了更高质量的概念理解。
五、研究结论与价值
本研究证实，“迈向高中生物”课程单元在提升八年级学生对化学反应和物质守恒的理解上具有显著效果，尤其是在减少多个根深蒂固的迷思概念方面远胜于常规教学。研究结果表明，一个基于认知科学和学习进阶研究、遵循连贯故事线、充分考虑并挑战学生迷思概念、提供丰富现象体验并支持学生科学解释的课程干预，能够有效帮助学生跨越物理科学与生命科学的鸿沟，建立整合性的知识框架。单元的教学效果与教师实施经验及课程完成度密切相关，这强调了专业发展和保障教学时间的重要性。
本研究的价值在于它不仅仅停留在理论层面，而是提供了一个经过严格实证检验的课程开发范例。它将Clements的课程研究框架与AAAS的课程连贯性分析标准相结合，展示了如何将基础研究转化为有效的教学实践。该研究为响应NGSS提出的三维整合学习目标，特别是跨学科概念和科学实践的应用，提供了具体的课程材料、教学策略和实证证据，对于推动中学科学教育改革、加强生物学与化学的衔接具有重要的参考和推广价值。
六、研究亮点与特色