李菲

摘 要：進化是生命科學(xué)的核心，是每一位生物學(xué)大學(xué)生必須理解和透徹掌握的課題。然而，進化的幾個核心方面并非與人們的直觀感覺一致。許多研究表明，學(xué)生對微觀進化中的關(guān)鍵概念，如自然選擇等，持有錯誤觀念。文章討論了大學(xué)生對進化樹的常見錯誤觀念，并提出了教學(xué)過程中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：進化樹；概念誤解；教學(xué)注意事項

中圖分類號：G642.0

文獻標(biāo)識碼：A

收稿日期：2017-12-31

作者簡介：李 菲（1985—），男，山東曲阜人，貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教師，講師，研究方向：進化生態(tài)學(xué)。

在過去的一年里，我們建立了一個名為EvoBeaker的模擬軟件，其可以通過模擬實驗向?qū)W生教授進化生物學(xué)。我們在軟件包中建立了宏觀進化的實驗?zāi)Ｐ停密浖锏倪M化實驗?zāi)Ｐ?，我們能夠找出在大學(xué)生中最容易出現(xiàn)的錯誤觀念。在這里，我們重點闡述了大學(xué)生對進化樹理解的最常見的誤解，以及在教學(xué)過程中應(yīng)對這些誤解需要注意的地方。

一、研究方法

1.發(fā)現(xiàn)和收集學(xué)生對進化樹的誤解

（1）我們反思了在教授進化樹方面的經(jīng)驗，并且列出了在大學(xué)生中普遍存在的錯誤觀念的初步清單。

（2）利用這個清單，我們開發(fā)了可能會引起這些誤解的書面問題。為了充分激發(fā)學(xué)生的思維過程，設(shè)計的問題大都是開放式的、自由回答的問題，每個問題都要求學(xué)生繪制圖表，撰寫簡短的論文，或者提供他們答案的書面解釋。

（3）我們向華中師范大學(xué)的一些專家（進化生物學(xué)家）提交了草擬的書面測試版本，征求他們的意見。

（4）為了改進和充實學(xué)生誤解的清單，我們對34名貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院大學(xué)生進行了初步的開放式問題的試點測試。

（5）學(xué)生答復(fù)被用來修改測試問題和誤解清單。

（6）另外募集10名大學(xué)生，要求他們解答不同版本的測試問題。筆試結(jié)束后，我們立即對這些學(xué)生進行采訪，并要求他們用自己的話重述問題。利用新收集的學(xué)生們的反饋和信息，我們精簡了誤解清單的列表，添加或刪除了筆試中的問題。因為新的、未曾預(yù)料的想法總是來自學(xué)生，而且在這個過程中，我們能夠觀察到哪些問題更容易引起學(xué)生的誤解。

（7）根據(jù)學(xué)生的書面答案和口頭解釋，我們選取??了常見的誤解和常用的理據(jù)和措辭，構(gòu)建了多種選擇答案，這些答案反映了學(xué)生在回答每個問題時所表達(dá)的不同誤解。

2.驗證和數(shù)據(jù)收集程序

完成測試問題的設(shè)計之后，我們招募了來自貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的124名學(xué)生（以下簡稱“本地學(xué)生”）參加問題的回答，回答過程大約需要20分鐘。在開始預(yù)測試之前，參與的本地學(xué)生可以閱讀一本經(jīng)典的生物學(xué)教科書中關(guān)于進化樹的描述。在閱讀這些資料后，學(xué)生在閉卷的條件下開始單獨進行測試。我們還招募了來自貴州省九所院校的教師對班級的學(xué)生進行測試。我們共收到286名學(xué)生（以下簡稱“遠(yuǎn)程學(xué)生”）的測試結(jié)果。與本地學(xué)生一樣，遠(yuǎn)程學(xué)生在測試前進行了預(yù)先閱讀，考試不由學(xué)生的教授打分，成績也不計入正式成績。參加這項研究的所有學(xué)生都必須至少參與一次關(guān)于進化生物學(xué)的大學(xué)水平的講座。

為了給特定的進化樹錯誤概念匹配測試答案，進行了大部分初始學(xué)生訪談的一位研究者使用了10名學(xué)生的書面答案和試點訪談中的筆記，將具體的測試答案與特定的誤解匹配起來。為了驗證這些配對的答案和概念誤解，另一位具有研究和教授進化生物學(xué)（Herron）經(jīng)歷的同事獨立地將答案與概念誤解配對。這位同事曾經(jīng)參與過測試構(gòu)建，但沒有參加學(xué)生訪談。然后這兩位作者討論他們間的差異，并達(dá)成共識。

二、結(jié)論

1.關(guān)于進化樹的主要誤解

通過書面的問答，在檢測后進行面談，我們發(fā)現(xiàn)了四個常見的學(xué)生對進化樹的誤解。下面列出了這些錯誤，以及來自參與者的書面或口頭答復(fù)，以便展現(xiàn)這些錯誤概念的典型例子。

2.對進化樹時間流的理解

許多學(xué)生對進化樹上時間流的空間表示感到困惑。在閱讀垂直方向的進化樹、時間從下到上流動的時候，學(xué)生們常常認(rèn)為，現(xiàn)存物種橫向排列的順序是有含義的，并假設(shè)較古老的物種在左邊，而較新的物種在右邊。學(xué)生也經(jīng)常認(rèn)為樹被錨定在左上角的物種上，并假定這個物種是樹上其他物種的共同祖先。學(xué)生被要求在進化樹上畫出表示時間流逝的箭頭（圖b顯示了正確的繪圖）。例如，當(dāng)被問及圖a中節(jié)點種類（P，C，W，N）的生存順序時，一名學(xué)生說：“古老的動物在頂端。”另一名學(xué)生說：“最近的是哺乳動物， 是在N，P，C，W之后出現(xiàn)的分支。”當(dāng)被要求在進化樹上畫一個代表時間的箭頭（問題8）時，許多學(xué)生從左到右畫了一個水平的箭頭（圖c），其他的畫了一個從上到下箭頭，還有學(xué)生畫了一個與其中一個外部分支箭頭平行的箭頭（圖d）。有些學(xué)生甚至畫了兩個箭頭，一個從左到右，另一個從上到下。同樣，當(dāng)被要求畫箭頭來顯示尖端和結(jié)點之間的時間方向時，許多學(xué)生從左上角向下畫箭頭，然后向后向右移動（圖c和d）。

3.節(jié)點計數(shù)

有些學(xué)生認(rèn)為，在樹上的兩個物種之間一個路徑的交叉點的數(shù)量表明了它們之間的密切關(guān)系。例如，看圖a的樹，學(xué)生會說海龜與哺乳動物的關(guān)系比鱷魚更密切，因為海龜和哺乳動物之間只有兩個節(jié)點（W和N），而龜和鱷魚之間有三個（W，C ，P）。在學(xué)生回答這些問題的時候，我們觀察到他們在計算節(jié)點的數(shù)目，他們的解釋也會提到節(jié)點計數(shù)。一名學(xué)生解釋說：“龜?shù)淖嫦龋╓）與哺乳動物的祖先相連，而鳥類的祖先則由另一個祖先（C）隔開?！?/p>

4.直線等于無變化

通常，進化樹會以一條直線起始。這條直線從樹上的一個共同祖先延伸到其中一條尖端，其他物種從這條直線上分叉。這是繪畫的一個漏洞，很多學(xué)生把它理解為直線尖端的物種是其他分支的祖先?？丛囶}（10—14）的目標(biāo)樹，對鱷魚和鳥類之間的關(guān)系有一個共同的解釋是“鱷魚從鳥類進化”或“鳥后，鱷魚出現(xiàn)了”。如果切換鳥類和鱷魚在圖中的位置，但保留所有的進化關(guān)系，學(xué)生會說，這顯示出不同的樹，因為鳥類現(xiàn)在是從鱷魚演化而來，而不是鱷魚從鳥類演化而來。

5.討論

本研究中的大多數(shù)學(xué)生通過書面材料、講座，或兩者都接觸過進化樹的相關(guān)知識。因此，我們在這里確定的關(guān)于進化樹的錯誤觀念可能會相當(dāng)廣泛地存在。同樣，學(xué)生缺乏閱讀和重建進化樹所需的技能，通過中學(xué)和中學(xué)后的大學(xué)生物學(xué)教學(xué)仍然存在，這些誤解是理解進化如何運作的基本障礙，因此，教師探索教授樹思維的工具是非常需要的。

參考文獻：

[1]Anderson DL，F(xiàn)isher KM，Norman GJ.Development and evaluation of the conceptual inventory of natural selection[J].Journal of Research in Science Teaching，2002，39（10）：952-978.

[2]Baum DA，Smith SD，Donovan SS.Evolution.The tree-thinking challenge.[J].Science，2005，310（5750）：979-980.