第二章 文獻探討
第二節 光合作用相關概念以及教學之研究
根據 Arnon (1982) 說法，光合作用是地球上最重要的生化過程研 究；學生可透過建立光合作用的基本概念，了解整個生態系統的運 作；以及扮演生物與非生物之間的橋梁。正因為它的重要性，分析國 內外國高中生物課內容發現，探討植物透過行光合作用獲得養分的過 程，大都被學校視為重要生物課程學習單元；然而，研究也指出此單 元的學習對於學生來說具有困難度，學生常在學習此單元形成許多迷
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思概念(熊召弟、王美芬、段曉林、熊同鑫，1996)。因此，許多針對 此單元的教學策略也是科學教育者深入探究的方向。以下針對光合作 用相關概念的研究以及教學策略兩個面向來探討。
一、光合作用概念研究
Bell(1985)綜合自己的研究計畫以及結合 Simpson and Arnold (1982) 以及 Roth, Smith, and Anderson (1983)的研究結果，發現中學 生對於植物養分的概念可以分成幾個面向：1.學生對於「食物」以及
「葉綠體」存有另有概念，例如認為植物的「食物」是根從土壤中所 吸收的水、肥料、甚至受到生活經驗的影響，認為陽光、照顧植物也 可以是一種食物。學生認為「葉綠體」是讓植物顏色呈現綠色，可分 解澱粉，可從空氣中吸收二氧化碳。2.學生對食物的概念僅存在表象 的讓生物活著，但不了解可提供維持植物代謝所需的能量；3.對於植 物行光合作用與吸收水的現象、呼吸作用之間的關係無法有正確的科 學解釋。
Driver, Child, Gott, Head, Johnson, Worsley, 與 Wylie (1984)請十五 歲的學生回答植物從小樹變成大樹重量是如何增加，將近 40%學生認 為植物重量的增加來自於植物本身所吸收的食物，類似動物重量增加
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的過程。植物食物的來源有土壤或是太陽；有 26%的學生認為植物可 從環境中獲得讓重量增加的材料；有 8%學生認為植物重量增加是透 過從環境中獲得一些成分來增加組織。另外比較光合作用以及呼吸作 用中氣體交換的差異發現學生具有下列四個現象：1.有三分之一的學 生理解植物當中氣體交換的過程；2.將近一半的學生都知道呼吸作用 需要氧氣，對於呼吸作用中氣體交換的過程理解較光合作用佳；3.有 四分之一到三分之一的學生表達出綠色植物吸收二氧化碳，少部分學 生認為這現象發生在有光的時候；4.學生對氧氣的理解較二氧化碳 好。
Stavy, Eisen, Yaakobi (1987)認為學生在理解光合作用的困難可分 成心理以及課程兩個因素。從心理學的觀點來討論，1.一般學生存在 生機論(vitalism)的想法，用自己的生活經驗將生物與無生物做分類；
若要學生從自然論(naturalism)觀點將生物體視為一個化學有機體，生 物是由物質分子所組成，對於學生而言是有困難的。2.學生認為人是 宇宙的主宰，可以控制週遭的環境；因此難以接受人類需要依賴植物 而活。對於自營生物概念的學習較有困難。3.學生對光合作用存在零 星片段的想法，缺乏一個有意義的整體觀點。課程方面，可由生物、
化學、物理三個面向討論：1.生物：學生將光合作用視為呼吸作用的
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一種。對於光合作用以及呼吸作用都存有迷思概念。2.化學：缺乏基 本化學知識，如元素、化合物等，並且存有許多迷思概念。3.物理：
對能量概念的了解太少。
Barman, Stein, McNair,與 Barman(2006)利用問卷評估學生在光合 作用各面向的理解情形，其研究結果顯示十三歲的學生無法將光合作 用視為一個化學反應過程；無法了解葉綠素所扮演的角色；對能量有 迷思概念：不了解能量獲得的形式、如何獲得太陽能量的概念；部分 學生認為植物從環境中獲得所有養分；學生混淆光合作用以及呼吸作 用，甚至認為呼吸作用出現在沒有光合作用的情況下。
在林達森(2004)所整理的光合作用與呼吸作用以及生物獲得食物 (生長所需之能量來源)相關迷思概念如表 2-2 所示：總結來說，學生 無法理解植物如何獲得養分以及不了解根部的功能；無法了解光合作 用的功能、目的、反應過程中各種物質扮演的角色，將光合作用視為 提供能量的過程；對呼吸作用發生的場所、進行的時間以及呼吸作用 的目的都感到困擾，甚至將呼吸作用與呼吸運動混淆；不能了解在植 物中呼吸作用與光合作用之間的關係。
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二、光合作用教學策略研究
Barker 和 Carr (1989a)分析了三種光合作用教學法，認為三者共同 的缺點是缺乏參考學生的先前知識，沒有將光合作用的教學連結到醣 類生成的過程。第一種策略是「引導式發現教學法」，透過提供一連 串計畫好的經驗來引導學生讓他們習得計畫好的課程概念；其中最常 被使用的課程即碘澱粉實驗，然而該策略下最大的問題是忽略學生對 於醣類的先備概念，以及光合作用中葡萄糖、纖維素的部分。第二種 策略是「成分分析教學法」，以科學史上發現光合作用化學反應的機 制進行，學生必須具備有原子、分子的概念以及平衡方程式等化學基 礎，來了解光合作用的化學反應過程。雖然這個策略用來解釋光合作 用最符合科學觀點，但此策略的問題在於忽略學生既有巨觀對植物營 養的想法；學生對於自然現象比較容易用直覺的觀察做功能性的描 述，比較難從微觀的物質的原子組成觀點來回答問題。第三種策略是
「植物食物意義教學法」，此策略希望教導學生了解植物會自己製造 出食物，食物並非是吸收而來。但這個策略的問題是 1.教科書本身對 於食物的定義太過廣泛，舉凡可提供能量的醣類、脂質、蛋白質到不 能提供能量的礦物質、維生素、水等；2.學生對於植物製造自己所需 的食物的想法會跟動物如人類、乳牛可以製造養分的行為產生連結。
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3.此策略會增強學生原先對食物以及吃既有的想法，甚至將動物與植 物產生類比，認為植物的”吃”即是”吸收”。因此 Barker 和 Carr (1989b) 提 出 生 成 學 習 教 學 策 略 ， 該 策 略 是 參 考 Osborne 和 Wittrock(1985)以建構主義為基礎所發展的生成學習模式來設計。課 程主題為「植物的木材從哪裡來」，課程設計讓學生實際觀察植物的 生長，測量重量以及莖的長度變化，思考水分、土壤、礦物質、葉子 等對植物生長的影響，鼓勵同學彼此討論講出自己的想法。研究結果 顯示，將近七成的學生可將光合作用視為是一個醣類生成的過程。
Waheed 和 Lucas(1992)提到學生在光合作用相關學習上的困難 性：最主要的原因乃出自於光合作用這個概念本身含括生態學、植物 生理學、生物化學、能量、自營生物。另外，學生在光合作用、呼吸 作用兩個內在機制作用觀念上的學習困難，建議加入基本物質以及能 量的觀念來改善。
Stavy 和 Eisen (1992)經由多年研究學生光合作用學習後，他們認 為要讓學生將光合作用學好，教師必須先了解學生原本的先有概念為 何，透過在教學中改變學生的迷思概念以及避免再增加新的迷思概 念。該研究先參考學生的迷思概念如植物的養分來自於土壤；水分是
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植物最主要的營養；以及發現學生沒有將化學課程中所學到的知識運 用在生物的課程中，對於二氧化碳是構成植物體的來源感到疑惑。因 此將化學課程與生物課程做整合；提出新的方式來教導學生，他們建 議可由下列的教學步驟來引導學生學習：1.元素構成生物體的組成；
2.物質進出身體內外的差異；3.身體物質發生什麼事；4.為什麼空氣 中的氧氣沒有被用盡；5.動植物的身體組成元素都相同；6.物質在光 合作用被合成；呼吸作用被分解；7.自然界的物質循環；8.自然界碳 的來源；9.人類對碳循環的影響。結果顯示在 Eisen 和 Stavy (1993) 的調查中，整個研究課程中包含了四個與光合作用過程相關的主題：
1.生態、2.化學、3.自營、4 呼吸；整題分數融入課程組表現較控制組 好，具顯著差異。另外分析各主題兩組間的表現，發現在生態以及呼 吸主題上兩組有顯著差異。從研究結果作者建議簡化課程只讓學生認 識元素，不需要介紹化合物；課程中需將光合作用與呼吸作用彼此間 的關係做連結；生態系中生物能量的過程應被強調。
董美津(2005)在探討融入科學史教學於國中生物課程「光合作用」
單元學生學習成效，研究結果發現融入科學史教學後，對於融入課程 組學生的生物學習成就、光合作用概念皆沒有達到顯著成效；但融入 科學史教學可以比較有效幫助學生將概念釐清，提高學生的生物學習
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態度。
賈本惠(2010) 針對國小五年級學童採用 Osborne 和 Freyberg
（1985）四段式概念改變教學策略，進行 POE(Prediction-Observation- Explanation)，藉以引出學生植物光合作用的迷思概念，並嘗試以「概 念卡通」（concept cartoon）呈現概念衝突情境，輔以科學史的故事加 以引導，以及合作學習共同討論，最後呈現日常生活情境，驗證其概 念的應用。研究結果顯示：該教學策略有顯著的成效，學生在教學後 概念圖的關係、階層、關鍵概念、總分平均都顯著優於前測，且命題 總數和正確命題數也都顯著優於前測；在「光合作用」產物和目的也 有顯著進步。
綜合上述文獻的結果發現，學生在學習植物光合作用相關概念上 遭遇到困難，因此許多研究關注在學生本身對科學概念的理解以及認 知發展的關係，甚至以學生的先有概念為前提，了解其概念學習上的 困難進而調整課程內容或教學法的改變，期望能夠幫助學生學習，然
綜合上述文獻的結果發現，學生在學習植物光合作用相關概念上 遭遇到困難，因此許多研究關注在學生本身對科學概念的理解以及認 知發展的關係，甚至以學生的先有概念為前提，了解其概念學習上的 困難進而調整課程內容或教學法的改變，期望能夠幫助學生學習，然