以思維導圖為支架工具的《細胞生物學》教學設計和實踐策略

張 青 史繼峰

(1.西南大學蠶桑紡織與生物質科學學院，重慶 400715；2.家蠶基因組生物學國家重點實驗室，重慶 400715；3.農業農村部蠶桑生物學與遺傳育種重點實驗室，重慶 400715)

細胞是生命體結構和功能的基本單位。細胞生物學研究細胞的結構、功能及活動規律，內容涉及生物化學、遺傳學、分子生物學、組織胚胎學等知識領域，是生物相關學科中最為重要的基礎學科之一[1]。在我國的基礎科學發展規劃中，細胞生物學與神經生物學、分子生物學和生態學一起被列為生命科學的四大基礎學科。高校的《細胞生物學》課程被設置為農、牧、林、醫和生物技術等專業的重要基礎課程[2]。《細胞生物學》教學的主要任務是使學生掌握細胞的基本知識和理論，為生物相關專業學生知識結構框架的構建奠定基礎，也為他們后期課程的學習及科研做準備。然而，由于《細胞生物學》本身的學科特性，使其在具體的教學過程中存在諸多問題：(1)因研究范圍廣、內容深且較為抽象，讓學生難以記憶、吸收并形成相對完整的知識體系；(2)作為一門新興學科，內容的不斷創新，如何兼顧教材和研究前沿使學生知曉知識的來龍去脈及學科走向，是教學的又一難點；(3)該學科與多門學科都有交叉聯系，如何處理好與其他學科間的區別和聯系，并幫助學生建立該學科和其所學專業的相關聯系，提高學生的知識遷移能力和科學素養，也是教學中有待解決的問題。

隨著中學教育改革不斷深化，考入大學的學生基本情況不同，主要表現在以下幾個方面。第一，學科知識基礎不同：不僅不同屆學生的學科知識基礎有所不同，而且來自不同地區的學生具有的學科知識基礎也有差異；學生的學科知識基礎不僅參差不齊，而且學科知識內容也有所不同，甚至有些地區的生源因為高考可選擇考某些科目，從而放棄了部分科目的學習，所以雖同為通過理科高考入學的同學，有些學的是生物+物理，有些學的是化學+物理等。這種情況下，老師授課不僅要注意到學生掌握基礎知識能力的差異，還要注意到有些學生高中階段沒有學習過相應學科的知識基礎，在考慮具體教學內容的時候則要有針對性地補充一定的基礎知識以增強學生的理解和學習興趣。第二，新高考背景下更強調學生能力的培養，而不再是只注重客觀知識的掌握。當前大學生普遍具有更好的學習能力、解決實際問題的能力和創新思維的能力[3]。大學教育應該繼續培養學生的個人能力和發掘他們的潛力。此外，在知識和信息爆炸的時代，學生能通過各種渠道獲取絕大部分的客觀知識甚至學科前沿信息，因此大學課程教學中教師應該借助這個優勢，提煉學科知識精髓，在講課中著重引導學生找出知識點內在的抽象聯系，并組織成學生自己的認知模式，而不再僅僅是知識的講授。此外，大學生的學習是在教師指導下，有目的、有計劃、有組織地掌握系統的科學知識和技能，提高學習能力，形成世界觀與社會道德品質的過程，具有專業性、自主性、探索性、實踐性、綜合性和廣泛性[4]。這就要求大學教師在講授專業課程的同時兼顧到學生整體專業知識系統的形成，兼顧到對學生獨立學習、思考能力的培養，以及探索、創新意識的培養和合作協助能力的培養。

鑒于《細胞生物學》教學中的實際問題和當前對大學生教育、培養的需要，本文擬以思維導圖為支架工具，結合學科發展史、情景模式、多媒體教學等構建《細胞生物學》的系統教學策略，希望能藉此提高教學效率，同時幫助學生提高學習效率、夯實學科基礎、構建專業知識系統，有效地激發他們的學習熱情，鍛煉他們的發散思維能力，培養他們的創新能力。

1 思維導圖及其特點和應用現狀

20世紀60年代，英國心理學家和教育家托尼·巴贊(Tony Buzan)受達·芬奇(Leonardo di ser Piero da Vinci)的筆記啟發，創建了一種用來提高記憶和記載效率的筆記形式，被稱為思維導圖。具體操作是模仿放射性思考中神經細胞間傳遞信息的方式，先寫出核心詞，以此為中心向外延伸出許多線索進而發展出多個副主題，再在各個副主題的基礎上進一步衍生出更多的子主題[5]。一副完整的思維導圖由核心詞通過線條、關鍵詞、顏色等建立起各個部分間的鏈接和邏輯關系，調動左右腦協助記憶和思考[6]。思維導圖的主要優點有：(1)以核心詞為中心結合支鏈上的關鍵詞和進一步分支來組織知識，能幫助學習者對學習內容進行整體把握和記憶；(2)色彩、圖像等的應用可有效地促進學生邏輯、思維、審美、構想等方面的均衡發展；(3)思維導圖呈現的是一個思維過程，通過不斷地學習和使用思維導圖可有效地提高使用者的發散思維能力，也可供使用者回顧整個思維過程進而鞏固記憶和理解；(4)思維導圖反映的是制作者本人的發散思維過程，因而有強烈的個人色彩和風格，有利于記憶、運用和創造[8]，也有利于老師對學生知識掌握程度、思維模式的了解而因材施教[7-8]。

思維導圖剛開始主要用于提升記筆記的效率和提高記憶能力，后來隨著其研究的推進，被廣泛地應用于人們日常生活、工作和學習，涉及教育、家庭、職業規劃、計算機、商業等各個方面[9]。思維導圖因與構建主義等多種學習理論相契合，因而也被大量應用于各個學齡段的教學研究和實踐，不僅可提高學生的學習效率，還能提升學生的思維能力、智力發育水平及創新能力[10]。自2000年王功玲[11]首次在我國提出思維導圖教學法的研究之后，我國學者相繼在語文、數學、英語、物理、歷史、地理、政治等學科開展了思維導圖的教學研究[12]。在生物相關學科中的教學研究表明，采用思維導圖教學能提高教學效率，改善學生對生物知識的記憶能力、理解能力和應用能力，還能提高學生的學習熱情以及創新和發散思維能力[10，12-13]，但這些教學研究主要集中在初、高中階段，相關策略和結論并不適用于大學相關生物類學科的教學及人才培養。徐鑫等[14]構建的思維導圖用于《細胞生物學》教學的模式相對簡單，僅限于傳授思維導圖的繪制方法及用于小組討論，并未嘗試將其融入更多教學環節及探討其應用模式的多樣性。

2 思維導圖的相關理論基礎

思維導圖本質上是模仿人腦的工作模式，即信號以一個神經元為中心通過軸突或樹突分別向上一級或下一級神經細胞傳遞興奮。思維導圖將制作者的思維模式展示出來，同時使知識及相互間的聯系形象化，有利于學習者記憶和理解[15]。此外，腦科學研究表明人的左右大腦分別負責不同的功能：左腦主要負責數字、詞匯及邏輯等為主的理性思維，右腦主要負責以空間感、結構及色彩等為主的形象思維[16]。而思維導圖正好結合了圖片、文字、色彩和邏輯，制造和使用的過程中充分調動左右半腦，可有效結合學生的形象思維和邏輯思維，充分發掘學生的大腦認知潛能。

皮亞杰在其認知發展理論中把個體對外界所有事物的知覺、了解和思索模式定義為個體的圖式。個體認知發展的本質就是圖式的形成、變化、豐富和發展，具體來講就是個體在與環境相互作用下導致圖式的生成和更迭，同時也反映了認知結構的發生及改變的實質和規律[17]。圖式理論主張色彩、圖像、聯想等只是認知單元的組織形式，注重學生學習知識過程中對知識的整合，不認同傳統的線性單一思維運轉方式。這和思維導圖鼓勵學生以圖像、色彩、關鍵詞等對所學知識進行組織歸納、理解和記憶如出一轍[18]。

格式塔心理學家主張以整體的動力結構觀來研究心理現象，強調經驗和行為的整體性。他們認為學習的實質就是構造一種完形，即要看到事物的基本要素，也要感知各要素間的內在聯系[19]。教師在講授的過程中能引導學生理解到知識點間抽象的聯系并最終鏈接成一幅完整的認知圖畫，將非常有助于學生對知識的掌握和知識系統的構建。《細胞生物學》中的大部分內容都是陳述性知識，知識點繁雜、散亂。將思維導圖引入到《細胞生物學》教學的各個環節，有助于學生形成整體視角，加深對細胞生物學整體知識的記憶、理解和系統認知。

構建主義者認為學習是學生在其現有知識經驗的基礎上，不斷認識、解釋、理解世界或人際互動中通過社會性協商構建新的知識[20]，因此知識不是學生被動獲得的，而是他們主動構建的結果[21]。構建主義教學觀認為教學過程是學生在教師幫助下，以原有知識經驗為基礎，在教學情境、學習動機、情感等多方面因素綜合作用下具有主動構建意義的過程[8]。構建主義教學觀強調學生的主體性，教師是教學活動的引領者、促進者。教師一方面可以利用思維導圖設計出教學情境，另一方面也可借助思維導圖引導學生進入特定情景后進行小組協作學習或獨立思考。這些模式均可促進學生主動探索、思考并構建新的知識經驗體系。學生也在這樣的教學模式下，在已有知識的基礎上不斷增加新的分支、新的聯系，并以圖文并茂的方式表達出學習構建的過程和對知識的理解，充分體現了學生作為學習者的主體地位[22]。

奧蘇貝爾為代表的有意義學習理論認為：學習材料本身有一定的邏輯關聯，可以和學習者經驗邏輯建立聯系；學習者必須有學習新材料的基礎和學習的意愿[23]。無論思維導圖作為教學工具還是學生自己構建思維導圖，學生都需要將新的信息和已有知識聯系起來，在理解的基礎上建立新舊知識的聯系。這個過程充分體現了奧蘇貝爾有意愿學習的同化理論。此外，思維導圖也很好地呈現了認知模型理論[24]、知識可視化理論[25]、多元智能理論[26]及人本主義理論[27]等教育心理學理論的相關主張。

3 思維導圖在具體教學環節中的應用

目前將思維導圖應用于教學僅僅涉及課程或教學中的部分環節。筆者在《細胞生物學》教學設計策略中根據高等教育的教學特點，嘗試將思維導圖應用到整個教學過程，包括教學設計、課前回顧、課后總結和復習課，同時引導學生以獨立或小組的形式在預習、復習環節使用思維導圖。由此一方面可借助思維導圖幫助學生理清知識脈絡；另一方面通過學生自己完成思維導圖促進其對知識的理解，形成自己的知識體系，鍛煉科學的發散思維。教師也可以通過查閱學生預習和復習的思維導圖分別了解學生學習前的知識背景和學習后對知識的掌握情況。

教師在進行教學設計的時候就繪制出相關章節知識的思維導圖，并圍繞該思維導圖開展教學活動。這樣可以很好地保證教學過程始終圍繞核心知識內容展開，并建立起以核心內容為中心的知識網絡，有助于學生對知識的理解和整體掌握。同時在講授新課之前，教師給出之前內容的簡要思維導圖，并通過提問等方式完善細化思維導圖，達到復習和承前啟后的作用，在幫助學生回顧之前學習內容的同時也很好地過渡到新講授內容的學習。另外，在講授完一節新課之后，教師往往要對該節內容做簡要的總結和復習，以幫助學生了解需要掌握哪些重點知識。此環節借助思維導圖，不僅能很好地總結知識內容，還能使知識以清晰的邏輯結構形式展現出來，讓人一目了然，從而提高學生的學習興趣和學習效率。最后，教師根據該學期的學習內容和具體的教學情況，借助思維導圖復習學習內容，進一步深化知識體系，加深學生對知識的理解，增強他們對知識的掌握度。

在本教改策略中，除了需要教師在適當的教學環節使用思維導圖外，還要求學生在學習的各個環節積極地使用和練習繪制思維導圖，以增加他們對知識的理解和掌握程度，鍛煉他們的發散思維能力。首先，要求學生在學習新章節的時候預習并繪制思維導圖。這可以幫助他們提前了解知識內容，在繪制思維導圖的過程中標注出未能理解的內容和難點，方便他們在后續聽課過程中有所側重。與此同時，教師通過查閱學生的預習思維導圖能了解到學生的知識基礎、背景和難點所在，從而在課程設計和講授過程中有所側重。其次，也要求學生在學習完新章節之后繪制復習思維導圖。學生可以通過復習思維導圖的繪制歸納所學知識體系，反思預習時對知識及其相互聯系認識的不足，以進一步提升對知識的掌握程度。教師則可以通過查閱學生的復習思維導圖，了解學生對知識的掌握情況；通過對比分析預習和復習思維導圖，了解教學效果；還可將復習思維導圖作為學習成績評定的部分內容，使對學生學習成績的評定更為全面合理。第三，學生在獨立完成思維導圖之后，通過小組討論協作的形式再完善一份思維導圖。這樣不僅可以促進同學間的相互學習，增強協作溝通能力，還可以讓他們在此過程中對比思維差異，進一步加深他們對知識的理解和提升他們的思維能力。

在將思維導圖運用到教學各個環節的過程中，因各環節并非獨立存在，每個環節的思維導圖也并非一成不變，相互間的關聯如圖1所示。教師在準備新課教學設計時，除了根據教學大綱外，還應參考學生提交的預習思維導圖，并進行學習情況分析，繪制更為有效的思維導圖用于教學設計；而在準備課前回顧思維導圖的時候，應參考學生提交的復習思維導圖，有所側重地引導學生對所學知識進行復習和鞏固；在繪制復習課中的思維導圖時，更應結合整個學期的教學思維導圖和學生們繪制的思維導圖，重新整理繪制出更符合那個教學階段和學生知識情況的思維導圖，進一步幫助學生在更高的知識層面和深度上去理解和掌握相關知識。學生在繪制預習、復習思維導圖，觀看老師展示的思維導圖及參與小組討論完成思維導圖的過程中，不斷反復地對知識進行琢磨、思考，同時也是對自己認知和思維的重塑與錘煉，使他們的知識和思維都更為精進。

圖1 思維導圖在教學各個環節的應用及相互關系

4 思維導圖應用于“完型”知識的構建

如前所述，教師通過在教學各個環節適時適當地借助思維導圖幫助學生建立起了《細胞生物學》的知識體系，加深了他們對知識間相互關系的理解。但這時候建立的知識體系還局限于課本或者教學大綱所要求的知識，還較為抽象，尚未“完形”。鑒于此，本教學設計擬在思維導圖為核心的教學設計中巧妙地引入學科發展史、諾獎故事、上下游課程的銜接和相關專業背景，讓學生從歷史和專業等多維角度加深對細胞生物學的認識，增強他們的知識遷移轉化能力，進而能學以致用。

諾貝爾獎是全世界公認的自然科學最高榮譽獎，能獲該殊榮的成果往往是相關領域的里程碑式的重大突破。細胞生物學作為近些年發展最快的自然科學之一，很多諾貝爾化學獎和生理學或醫學獎均與細胞生物學密切相關。若在《細胞生物學》課程的教學中適當進行諾獎成果的解析，將會極大地增強學生的學習興趣和動力。但是，僅僅簡單地將諾獎成果和相關知識點結合起來闡述還不足以體現諾獎突破性成果的歷史意義，也不能讓學生更充分地了解相關知識的前因后果。故在本教學策略中，筆者建議將相關諾獎成果和知識點與相應的學科發展進度結合起來講，即將其還原到當時的研究背景和學科背景中，并簡要介紹相關研究的最新進展。這既是讓學生從學科歷史發展變化的角度去看待課本上的知識點和諾獎成果，從而知道所學知識的“來龍去脈”，有助于他們對知識的理解和激發他們的學習積極性；更是讓他們能從這些科學歷史故事中體會科學研究的不易、樂趣和真諦，增強他們對科學研究的敬畏之心。

《細胞生物學》作為生命科學的基礎學科，是農、牧、林、醫和生物技術等專業基礎課程。如果只是單方面教授《細胞生物學》課程，將會使其內容變得抽象而沒有落腳點。因此在《細胞生物學》具體教學過程中，不僅要考慮相關知識的取舍和側重，也應考慮上下游課程的相關內容，盡量不重復、不遺漏。同時在課程講授過程中建立起和上下游課程的良好銜接，讓學生將相關知識點放到專業中去理解、領會，幫助學生建立起專業特點的學科知識網絡系統。這一方面可以加深學生對細胞生物學的理解，另一方面也可增強學生將基礎知識向專業知識遷移的能力。

5 思維導圖與其他教學模式的結合

將思維導圖合理地應用到教學的各個環節，并巧妙地將細胞生物學知識融入學科發展和專業知識學習中去，能很好地幫助學生建立完善的細胞生物學基礎知識體系及細胞生物學基礎知識和其專業知識的聯系。不過在具體的教學過程中，除了傳統的講授法外，還應結合情境教學、多媒體教學、PBL(problem-based learning)教學以及學生參與教學等模式，更好地激發學生學習的興趣和學習的主動性。

多媒體能將畫面、符號、聲音及影像等相結合使知識內容的展示變得形象生動，因而被廣泛地應用于教學實踐。制作精良的Power Point能很好地幫助教師組織教學內容和展開教學實踐，同時也能吸引學生的注意力，幫助學生理解知識[28]。將相關思維導圖制作為Power Point并在上課時逐一展現或者采用板書+Power Point的方式，都能充分地發揮多媒體課件和思維導圖的優勢，獲得良好的教學效果。此外，還可借助網上大量的視頻資源或flash動畫，如BBC的紀錄片《The Inner Life of a Cell》、我國的精品視頻公開課及網易公開課等，豐富教學內容，充盈以思維導圖為組織構架的知識體系。教師還可根據實際教學情況和相關專業制作微課用于學生對知識難點、重點的學習[29]。

情境教學是運用具體生動的場景，激發學生主動學習的興趣、提高學習效率的一種教學方法。在具體的教學實踐中創建合適的情境模式能很好地幫助學生理解和領會重難點知識[30]。將《細胞生物學》課程的知識理論生活化是創建情景模式的好方法之一。如講到細胞膜時，可結合護膚品的成分及原理進行講解：護膚品中的油相成分和細胞膜有很好的親和性，因而對皮膚具有一定的保護、潤濕和加速有效成分吸收的效果。如講到細胞的分化、衰老和凋亡時，可結合社會關注的癌癥、iPS等進行講解。此外，擬人和比喻的手法也是非常有效而生動的創建情景模式的方法之一。如講到物質的跨膜運輸，可采用擬人的方法，將涉及跨膜的各成分比喻為一定的從業人員，進而有利于學生的理解。

PBL教學模式是以學生為中心，把學習內容設置在特定的問題情境中，讓學生通過解決問題來學習隱含于問題后面的科學知識，形成解決問題的能力和自主學習的能力[31]。在教學過程中適當地使用PBL教學法，能提高教學效率和學生的綜合素質。此外，翻轉課堂(Flipped classroom)、Seminar及學生參與式教學等教學模式也可靈活、適當地引入到本教學設計的實踐中，以發揮出各種教學模式的優勢，克服其弊端，最大化利用課堂時間增強教學效果，夯實學生的學習基礎，增強他們的綜合能力。

6 《細胞生物學》課程的教學設計

綜上，將構建以思維導圖為支架工具的細胞生物教學設計策略歸納為圖2。

圖2 以思維導圖為支架工具的細胞生物學教學設計

該設計通過將思維導圖應用到學生的預習、復習及教師的課前回顧、新課教學、課程小結和復習課等各個環節，旨在提高教學效率，幫助學生建立細胞生物學基礎知識框架，鍛煉他們的發散思維能力和增強他們的創新能力；并結合學科發展歷史、諾獎故事、上下游課程和專業知識背景等，讓學生了解知識的“來龍去脈”，強化他們對所學知識的理解，進一步幫助學生打通細胞生物學與專業的聯系，增強他們的知識遷移能力。與此同時，在教學過程中靈活采用傳統的講授法、多媒體教學、PBL教學、情境教學等多種模式，幫助學生領會學科知識，領略學科理論精髓，全面培養他們的綜合素質。該教學設計有望提高《細胞生物學》教學效率，培養具有良好學科知識體系和綜合素質的專業人才。該教學設計也可為類似的專業基礎課程提供教學設計參考。