大學生對進化樹的常見誤解

李菲

摘 要：進化是生命科學的核心，是每一位生物學大學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，學生對微觀進化中的關鍵概念，如自然選擇等，持有錯誤觀念。文章討論了大學生對進化樹的常見錯誤觀念，并提出了教學過程中應注意的問題。

關鍵詞：進化樹；概念誤解；教學注意事項

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

收稿日期：2017-12-31

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

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。我們在軟件包中建立了宏觀進化的實驗模型，利用軟件包里的進化實驗模型，我們能夠找出在大學生中最容易出現(xiàn)的錯誤觀念。在這里，我們重點闡述了大學生對進化樹理解的最常見的誤解，以及在教學過程中應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)學生的思維過程，設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的一些專家（進化生物學家）提交了草擬的書面測試版本，征求他們的意見。

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

（5）學生答復被用來修改測試問題和誤解清單。

（6）另外募集10名大學生，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、未曾預料的想法總是來自學生，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生的誤解。

（7）根據(jù)學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，構建了多種選擇答案，這些答案反映了學生在回答每個問題時所表達的不同誤解。

2.驗證和數(shù)據(jù)收集程序

完成測試問題的設計之后，我們招募了來自貴州師范大學生命科學學院的124名學生（以下簡稱“本地學生”）參加問題的回答，回答過程大約需要20分鐘。在開始預測試之前，參與的本地學生可以閱讀一本經(jīng)典的生物學教科書中關于進化樹的描述。在閱讀這些資料后，學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生進行測試。我們共收到286名學生（以下簡稱“遠程學生”）的測試結(jié)果。與本地學生一樣，遠程學生在測試前進行了預先閱讀，考試不由學生的教授打分，成績也不計入正式成績。參加這項研究的所有學生都必須至少參與一次關于進化生物學的大學水平的講座。

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生訪談的一位研究者使用了10名學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（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)參與過測試構建，但沒有參加學生訪談。然后這兩位作者討論他們間的差異，并達成共識。

二、結(jié)論

1.關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，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，學生們常常認為，現(xiàn)存物種橫向排列的順序是有含義的，并假設較古老的物種在左邊，而較新的物種在右邊。學生也經(jīng)常認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，當被問及圖a中節(jié)點種類（P，C，W，N）的生存順序時，一名學生說：“古老的動物在頂端?！绷硪幻麑W生說：“最近的是哺乳動物， 是在N，P，C，W之后出現(xiàn)的分支?！碑敱灰笤谶M化樹上畫一個代表時間的箭頭（問題8）時，許多學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)

有些學生認為，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系。例如，看圖a的樹，學生會說海龜與哺乳動物的關系比鱷魚更密切，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，很多學生把它理解為直線尖端的物種是其他分支的祖先。看試題（10—14）的目標樹，對鱷魚和鳥類之間的關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系，學生會說，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)學生通過書面材料、講座，或兩者都接觸過進化樹的相關知識。因此，我們在這里確定的關于進化樹的錯誤觀念可能會相當廣泛地存在。同樣，學生缺乏閱讀和重建進化樹所需的技能，通過中學和中學后的大學生物學教學仍然存在，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.