中學生物學教學中應用思維導圖培養學生科學思維的探究

郝琦蕾 徐圣潔

[作者簡介]*郝琦蕾（1968—），女，山西臨汾人。博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為生物課程與教學論。

[摘要]科學思維是生物學核心素養的重要組成部分。思維導圖是一種多要素、可視化教學工具。在中學生物學不同類型課的教學中，探索應用思維導圖的教學策略：利用思維導圖對關鍵知識點展開分析或創設問題情境，幫助學生搭建知識結構;將建模的思路或探索過程繪制成思維導圖，促進學生建模能力的提高;引導學生用思維導圖梳理科學探究過程，學習科學研究方法;利用思維導圖呈現實驗流程，突出實驗思維。以此培養學生科學思維，幫助學生高效掌握生物學知識，提高課堂教學效率。

[關鍵詞]思維導圖;科學思維;中學生物學教學;應用策略

[中圖分類號]G642.4[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2021）02-0087-06

0引言

思維導圖（Mind Map）由英國心理學家東尼·博贊（Tony Buzan）開發，它是一種組織性思維工具，又稱心智圖或腦圖[1]。思維導圖是一種可以對有價值的信息進行存儲、組織、優化，進而內化為自己的知識，進行表達輸出的可視化思維工具，通常表現為網狀形式。思維導圖的主要結構包括一個核心關鍵詞和若干分支，經思維發散再生成次要分支，形成一個核心與其外延之間具有放射性的思維關聯知識網絡圖。思維導圖可以將大量信息表示為有用的知識庫圖形，有助于高效地記錄和組織信息，幫助學生建立新的想法[2]。科學思維是一種有意識的認知活動，主要包括自覺探索科學知識的行為和主動探求問題本質的深入思考。新課標中指出，“科學思維”是指尊重事實和依據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力[3]。思維導圖對培養學生科學思維具有重要作用，科學思維的培養要通過實現學生“歸納與概括”“演繹與推理”“模型與建模”“批判性思維”和“創造性思維”等能力來落實[3]。在課堂教學中引入思維導圖有利于培養學生的超文本閱讀能力，幫助學生快速建構知識網絡和思維體系，從而提高學生的信息編碼和信息提取能力，逐步提高學生的科學思維能力[4]。本文基于具體的教學案例，闡述不同類型生物學課中思維導圖教學對培養學生科學思維能力的價值，探索思維導圖的教學策略。

1思維導圖研究概述

自20世紀70年代被提出以來，思維導圖迅速得到了推廣應用。美國要求中小學教師運用思維導圖編寫大部分的教案;德國、韓國、日本等國家，對思維導圖課題進行了學習、研究和探索。有研究指出，可以運用思維導圖技術來分析學生的邏輯思維和發散思維，提高書面信息事實記憶的有效性[5]，采用思維導圖技術的學習方法可以提高學生在復雜分析程序中的學習效果[6]。新加坡育德小學的教師們將思維導圖與現代信息技術相結合運用于教學中，來激發學生學習中文的興趣，取得了明顯的效果[7]。

國內對思維導圖的研究起步相對較晚，多集中在思維導圖的理論研究和教學應用研究兩個方面。思維導圖的理論研究主要是指對其性質、定義、理論基礎等方面的研究。大多數學者將思維導圖視為一種學習工具。思維導圖有廣義和狹義之分，狹義的思維導圖沒有順序編號，不顯示創作者的邏輯順序;廣義的思維導圖有順序編號，可以表現創作者的思維過程[8]。學者們從建構主義學習理論、思維可視化理論和認知語言學圖式理論方面探討思維導圖的理論基礎。有研究者闡述了運用思維導圖的實踐意義，并對思維導圖的發散性思維模式進行了研究。有研究者將思維導圖與概念圖進行對比分析[8]。思維導圖在教學方面的應用研究涉及多個學科教學設計和教學方法策略的探索。如在新授課、復習課、實驗課不同類型課中借助思維導圖改進學案導學[9]。在初中生物學概念教學中運用思維導圖幫助學生正確理解概念[10]。在生物學實驗課中利用思維導圖構建相關知識框架與實驗流程，設計相應的教學策略，提高中學生物學實驗課教學效果。

2思維導圖教學對培養學生科學思維的價值思維導圖主要有圓圈圖、氣泡圖、雙重氣泡圖、樹狀圖、流程圖、多重流程圖、括號圖、橋型圖8種類型。圓圈圖主要用來定義概念，描述一種生物現象或介紹一種物質;氣泡圖主要用于分析、解釋、描述生物學知識;雙重氣泡圖可以用來區分有關事物的異同點;樹狀圖用于整理歸納知識點;流程圖用于厘清知識點的先后順序;括號圖可以用于梳理整體和局部的關系。根據普通高中生物學課程標準的要求，按照教學內容，中學生物學課型主要有概念教學課、原理與規律教學課、模型教學課、科學史教學課、實驗教學課等。思維導圖應用的共同之處，即它可以作為優化筆記的方式出現在學生的日常學習活動中，由文字和圖形組合而成的、富有趣味的思維導圖可以清晰地呈現出各知識點之間的關聯，方便學生整理思路，有助于學生的復習鞏固。

2.1概念教學中的應用——有助于培養學生的發散思維能力中學生物學中許多知識都以概念的形式呈現，陳述性知識多，且易混淆，不利于學生高效地識記。教師需要將知識化繁為簡，以便學生抓住重難點，從而提高教學的有效性和針對性[4]。運用思維導圖將核心概念的相關知識點進行整合，有助于培養學生發散思維能力。以人教版高中生物“酶的活性”為例，引導學生從核心概念“酶”出發建立思維導圖（氣泡圖），如圖1所示[11]，從酶的來源鏈接到活細胞，從酶的本質擴展到蛋白質和 RNA，引出酶的催化作用，引出酶的特性，即酶的高效性、溫和性條件和專一性等，建立從核心概念輻射出的知識點間的邏輯關聯[11]。

氣泡圖的結構較為簡單，描述事物的概念時可以較為容易地促進學生發散思維的培養。首先確定核心關鍵詞“酶”為第一層，圍繞核心關鍵詞，教師引導學生思考與其相關的次級主題，如來源、本質、作用、特性等，有效地進行發散思維，構建框架，之后交流修正。利用思維導圖把“酶的特性”這一概念的基本特征以立體完整的形式呈現出來，使學生的知識更加條理化、系統化，提高了教學效率。

2.2原理教學中的應用——有助于培養學生的批判性思維能力蛋白質工程是指通過修飾天然蛋白質的氨基酸序列來改造其結構和構象，以獲得具有理想生物學功能的蛋白質[12]。蛋白質工程是在基因工程的基礎上發展起來的，是基因工程的延伸與發展[13]。教師在對“基因工程的應用”和“蛋白質工程”的內容進行教學時，可以案例和提問的形式從利用基因工程技術改善生物性狀、獲取基因產品的角度組織教學。在整個過程中，教師引導學生繪制思維導圖（樹狀圖），如圖2所示[13]，將“改善生物性狀”和“獲取基因工程產品”及其相關案例進行梳理和總結，可使學生對蛋白質工程和基因工程的應用有更深入的認識[13]。隨后組織展開“轉基因生物與食品安全”課堂辯論賽，學生在已學知識的基礎上，對辯論資料收集整理，全面深刻地分析辯題，把握爭議點、切入點，以據說理，對生物工程的安全性和倫理性問題展開討論并表明自己的觀點。

將樹狀圖應用到生物學原理知識的學習上，可以幫助學生分析原理的內在邏輯，有助于學生內化知識。學生在理解基因工程和蛋白質工程的定義、掌握其原理的基礎上，選擇相對應的實例鞏固知識，加深理解。隨后的課堂辯論，學生通過表達對轉基因食品安全性問題的見解，發展獨立思考能力，提高團隊合作意識，培養質疑能力和批判性思維。

及其案例的思維導圖2.3模型教學中的應用——有助于學生建模及解決問題能力的提高模型是舍去了原型的一些次要細節、非本質的聯系，以簡化和理想化的形式去再現原型的各種復雜結構、功能和聯系，是連接理論和應用的橋梁[14]。在中學生物學教學中被廣泛應用的主要是物理模型（如DNA雙螺旋結構模型）、概念模型（如內環境的組成與穩態）和數學模型（如種群數量增長曲線模型）。模型教學中教師應該培養學生從復雜問題情境中抽提模型，運用模型解決問題的能力。思維導圖與模型同為可視化教學工具，在模型教學過程中合理運用思維導圖，既有助于學生加深對知識的理解，又可培養學生的科學思維能力。對“有絲分裂”內容進行教學設計時，主要是開展了動態物理模型建構活動，還原有絲分裂染色體行為的動態過程，具體如圖3所示[15]。同時對抽象數學模型進行建構分析，觀察歸納有絲分裂過程中染色體和 DNA 的數量變化。最后通過合作探究自主構建細胞增殖的思維導圖（樹狀圖），具體如圖4所示[15]。

圖文結合的思維導圖，高度整合了有絲分裂的核心概念，幫助學生了解細胞有絲分裂的過程，明確有絲分裂各個時期染色體的變化，從而有效建構細胞增殖的知識網絡。此處細胞增殖的思維導圖也可看作是一個混合模型（物理模型+數學模型），因此可以培養學生構建模型及運用模型解決問題的能力。

2.4科學史教學中的應用——有助于學生掌握科學方法，發展批判性思維生物科學史內容是生物學課程資源的重要組成部分，包含科學思想、科學方法、科學知識。生物科學史所呈現的不僅僅是科學家探究生命科學規律的歷程，更能展現科學家的思考過程。科學史內容在啟迪學生思考、培養學生科學思維方面有極其重要的作用[16]。批判性思維是就一定的觀點和行為構建一個合理且公正的判斷，應具備監控自己思維過程、發現錯誤并進行更正的能力[17]。在高中生物學學習過程中，批判性思維的形成要求學生能基于生物學原理和限定條件等對生物學問題或觀點提出質疑或論證[18]。生物科學史體現了科學家發現問題、尋找證據、合理推理和得出結論的探索歷程，將思維導圖合理運用到生物科學史的教學中，可以清晰展現科學家的探究過程，學生通過體驗科學家不斷深化對問題認識的過程，提高自身批判性思維能力[17]。在學習光合作用的發展歷程時，中心詞是“光合作用的發現歷程”。教師用多媒體展示科學家的實驗，請學生將本組的實驗方案同科學家的實驗方案進行對照分析，引導學生對科學家的實驗進行懷疑并提出自己的觀點及假設。同時還要思考所采用實驗方法的最初用意：為什么要將選用的實驗材料進行事先處理？是如何處理的？是基于怎樣的研究目的來設計實驗的？實驗變量是什么？這種實驗方法設計目的何在？以此幫助學生進行思考或論證，培養他們的批判性思維和質疑能力。學生從實驗原理、實驗過程、實驗結果三方面進行光合作用歷程的學習，教師適時指導，學生不斷地質疑和論證，層層遞進，揭示問題的實質，用思維導圖的方式把自己的想法展現出來，培養了批判性思維能力，具體如圖5所示[19]。

2.5實驗教學中的應用——有助于學生掌握實驗原理，培養創造性思維能力生物學科是一門實驗學科，大部分高中生還不具備完全獨立創新設計某個實驗的能力，但可以鼓勵學生從已學實驗中的某個知識點入手進行嘗試。以“降低化學反應活化能的酶”為例，學生在初中化學課中已經學習過氧化氫分解的相關知識，且熟悉氧氣具有助燃作用。教師依據本節課的教學內容，為幫助學生更好地理解實驗原理，掌握實驗操作的流程，鼓勵學生在注意實驗安全的前提下，讓學生自己嘗試設計實驗，并繪制思維導圖（流程圖），具體如圖6所示[20]。以實驗目的“比較過氧化氫在不同條件下的分解”作為核心關鍵詞，實驗原理、材料用具、實驗步驟作為次級主題，以輻射的方式，將核心關鍵詞與實驗過程添加到流程圖中，通過設置不同溫度和不同反應底物觀察實驗反應的最終結果。在實驗過程中，學生可以自主控制實驗變量，一方面掌握了控制變量的方法，另一方面學會了判斷實驗中自變量、因變量以及對照變量的因果關系和含義[20]。利用思維導圖把教師教學策略和學生實驗思維融合為一體，培養學生創新思維能力，讓學生在實驗中既掌握方法，又學到知識。

3中學生物學教學中思維導圖的應用策略

3.1利用思維導圖對關鍵知識點展開分析或創設問題情境，幫助學生搭建知識結構思維導圖在概念、原理、規律教學中的運用流程大體為：教材研究—教師繪制并講解思維導圖—學生梳理知識—自己繪制思維導圖。在備課時，教師要吃透教材，在學生已有知識水平基礎上，按照邏輯關系將教材內容進行重組。課堂教學中，引導學生分析教材內容，在黑板上繪制思維導圖。色彩豐富、形式多樣的圖畫讓學生耳目一新，這種講繪同步的形式使得知識信息圍繞中心主題逐步展開[21]。課后，要求學生明晰各知識點之間的聯系，設計出符合自己個性的思維導圖，體現學生自主性和創造性。在概念、原理、規律的教學中較為常用的思維導圖類型是氣泡圖，中心關鍵詞為中心氣泡，外面的氣泡為第二層，即次級主題。以此類推，可以較為清晰明了地歸納總結知識，培養學生科學思維能力。教師可以采用思維導圖教學策略幫助學生搭建層次化知識結構：（1）運用思維導圖對關鍵知識點展開分析，引發學生的認知沖突，教師充分引導幫助學生解決認知沖突，并理解各知識點之間的聯系，重構知識體系。（2）利用思維導圖創設問題情境。生物學中有些概念、原理及規律較為抽象復雜，教師可以結合教材設置一系列問題，并使用思維導圖將問題清晰地呈現出來，循序漸進引導學生分析教學內容，同時圖文并茂的思維導圖有助于加深學生對知識的理解。

3.2將建模的思路或探索過程繪制成思維導圖，促進學生建模能力的提高建模是為了解決特定問題，利用所給定的思維工具，通過一定的抽象、簡化和假設活動，以某種表征系統再現原型客體的基本屬性及其關系[22]。中學生物學教學中需要借助模型進行講解的知識通常較為抽象，教師要引導學生進行比較，理清各知識點之間的關系，抓住主要矛盾，把需要解決的問題轉化為模型，引導學生運用模型分析解決問題。教師可以運用思維導圖教學策略幫助學生提高建模能力：（1）在教師引導下，學生可以通過動手體驗制作模型的方式，獲得感性認識，同時將建模的思路繪制成思維導圖，既加深了對知識的理解與掌握，又提高了建模能力。（2）記錄利用模型探索科學規律的過程。學生可以從模型出發對研究對象的未知屬性進行推測、驗證與歸納總結，從而認識規律并進行整合提煉，將探索過程建構為思維導圖（樹狀圖），使思維過程清晰明了，輔助提高建模能力。

3.3引導學生用思維導圖梳理科學探究過程，學習科學研究方法在科學史教學中常應用思維導圖中的括號圖，強調的是知識的整體性。教師可采用思維導圖教學策略：（1）清晰呈現科學家的科學探究過程。教師對科學史的材料進行適當地選擇和組織，啟發學生自主學習，讓學生沿著科學家的思維路線，經歷發現的歷程，了解并理解科學家解決問題的思路和方法，并將科學探究的過程繪制成思維導圖。隨后，教師點評并進行針對性指導，學生完善思維導圖。科學史內容以一個較完整的形式展現在學生面前，有助于培養學生的科學思維與科學精神。（2）對比。教師引導學生自主設計實驗方案，并嘗試梳理科學探究過程，繪制成思維導圖。鼓勵學生將自己的設計方案與科學家科學探究的實驗方案進行對比，批判和質疑最后完善思維導圖，從而學會科學研究方法。

3.4利用思維導圖呈現實驗流程，突出實驗思維

高中生物學實驗旨在培養學生的創造性思維能力和動手實踐能力。思維導圖所具備的良好可視性教學效果及主題詞之間清晰的邏輯關系，是其應用在實驗教學中的最大優勢。在實驗教學中，教師可以采用如下思維導圖教學策略：（1）利用思維導圖清晰呈現實驗目的、原理、材料用具、流程等，可以幫助學生明確實驗目的，掌握實驗原理，熟知實驗步驟，了解實驗注意事項，構建知識框架與實驗流程，創設理論與實踐相結合的高效教學情境。（2）幫助學生掌握控制變量法，學會判斷實驗中自變量、因變量以及對照變量的關系。（3）創設探索性實驗教學情境。以問題為主線，教師引導學生設計并繪制探索性實驗過程的思維導圖，直觀表現科學探究實驗步驟和內部知識間的邏輯關系，培養學生發現問題、解決問題的能力，突出實驗思維。

4結束語

中學生物學中的大部分知識都可以借助繪制思維導圖進行整理歸類，應用思維導圖能夠提高教學效率。在符合中學生認知和心理發展規律的基礎上，將思維導圖合理地應用在課堂教學中，以學生為主體，教師為主導，營造出輕松愉快的學習氛圍，有助于培養學生的邏輯思維、發散思維以及創新思維等能力，從而促進學生科學思維能力的提高。

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AbstractScientific thinking is an important part of biology core accomplishment. Mind map is a multi-factor visual teaching tool. In the teaching of different types of biology classes in middle school， the teaching strategy of mind mapping is explored： using mind mapping to analyze key knowledge points or create problem situations to help students build knowledge structure; Draw the modeling ideas or exploration process into a mind map to promote the improvement of students′ modeling ability; Guide students to comb the process of scientific inquiry with mind map and learn scientific research methods; Use the mind map to present the experimental process and highlight the experimental thinking. To cultivate students′ scientific thinking， help students to master biology knowledge efficiently， and improve classroom teaching efficiency.

Keywordsmind map;scientific thinking;biology;the application strategy

[責任編輯馬曉寧]