運用可視化思維模型　提高學科教學效能

劉琳

［摘 要］可視化思維模型，按照不同的劃分方式可分為四種或者七種模型。可視化思維模型在生物學復習中有著廣泛的應用，其在生物解題中同樣適用。可視化思維模型是非常得力的學習工具和教學工具，它不僅可以幫助學生儲存更多的學科知識以及準確記憶學科知識，還可以幫助教師更加宏觀地審視信息、分析信息，有效提高教學效能。在高中生物學教學中，教師應引導學生運用思維導圖、魚骨圖、組織結構圖等不同的可視化思維模型進行知識梳理，從而有效提高生物學教學效能。

［關鍵詞］可視化思維；模型；教學效能

［中圖分類號］G633.91［文獻標識碼］?A［文章編號］ 1674-6058（2023）32-0079-04

可視化思維就是我們常說的思維可視化，它是指運用一系列圖示或圖示組合把本來不可視的思維呈現出來，使其清晰可見的過程。曾獲得“世界記憶大師”稱號的吳帝德曾在《超實用記憶力訓練法》一書中說道：“如果你想要在一次宴會上記住幾個新認識的朋友的姓氏，比如說有位姓蔣的先生，‘蔣字本身除表示姓氏外再無其他含義，而人類的大腦對于無意義的事物很難記得住，那么怎么才能一下子記住呢？只需在腦海中想象一個畫面，就是這個人手里拿了張‘獎狀笑呵呵地走向你，這樣一來就會大大加深你對這個人的印象。”由此可見，可視化思維能化無形為有形，是非常好的學習工具。

可視化思維目前在數學學科教學中應用較多，它可以使數學思維層層遞進，讓解題過程中的邏輯推理有章可循。其實，可視化思維在高中生物學科教學中也同樣適用。在高中生物學教學中根據不同的教學內容運用可視化思維，往往會取得事半功倍的效果。

可視化思維有幾種模型呢？按照不同的劃分方式，有人分為四種，分別是放射狀規整、層次化規整、線性化規整和矩陣式規整。也有人分為七種，分別是思維導圖、魚骨圖、組織結構圖、流程圖、甘特圖、時間軸以及矩陣圖。后一種劃分方式更精細、邊界也更清晰。

本文就如何運用可視化思維模型來梳理知識從而提高教學效能談談幾點看法。

一、運用思維導圖進行知識梳理

思維導圖也可以歸類為放射狀規整模型。思維導圖一般是由一個核心概念出發，向四周發散，形成幾個次要概念，再以每個次要概念為核心繼續向四周發散，進而形成三級概念，以此類推，形成一個放射狀的立體結構。這好比人的氣管，氣管經分支形成支氣管，支氣管再分支形成細支氣管，細支氣管還可以再形成分支圖，直到不能再分。思維導圖一眼看去就像一棵大樹，所以也叫樹狀分支圖。思維導圖的每一個節點都有一個概念做支撐，直到調動所有相關知識充實完整，形成知識網絡。思維導圖對生物學科的階段性復習非常有幫助。生物雖是實驗學科，但相對物理和化學而言，它的知識點較瑣碎復雜，利用思維導圖可以把一章的知識主次分明地呈現出來，先找出主干知識，接下來在主干知識上不斷衍生分支知識，分支知識又分為更細小的知識點，不僅如此，一個章節的內容可能又與其他章節的內容有聯系。生物學科基礎很好的學生在繪制思維導圖時，通常可以將一節、一章、幾章甚至是一本書的內容串聯起來，形成一個巨大的知識網絡。以人教版高中生物學必修1“細胞的生命歷程”這一章為例，與細胞的生命歷程相關的現象有細胞的增殖、分化、衰老、凋亡以及癌變等，我們在繪制思維導圖時可以“細胞的生命歷程”為核心，向四周發散出去，而每一方面又可以分支為概念、實例、方式、原因和意義等（如圖1）。而原因可能是多方面的，方式也可能不止一種，所以還可以繼續發散，直到將相關知識“一網打盡”。繪制思維導圖并非易事，除了要對知識點的內在邏輯了如指掌，還要懂得整體的布局，如果是手繪，那么對繪畫功底還要有一定的要求。手繪思維導圖是非常有趣的過程，深受學生喜愛，一些繪畫功底較好的學生往往會因手繪思維導圖而獲得成就感、建立自信，進而學習興趣大增。不過手繪思維導圖比較耗時，因此可以通過BoardMix博思白板、石墨文檔思維導圖、幕布、飛書思維筆記、GitMind、MindNode等軟件來繪制會更加快捷。上述這些軟件雖然都是辦公軟件，但對于梳理高中階段知識點足夠了（以下各圖均是用GitMind軟件繪制）。

二、運用魚骨圖進行知識梳理

有人把魚骨圖歸類為放射狀規整模型。魚骨圖因形似魚骨而得名，由日本學者石川發明，故又稱為石川圖。因為魚骨圖能很好地體現因果關系，所以又稱為因果圖。魚骨圖非常直觀簡明，能幫助我們根據各因素找出從屬關系或因果關系。在魚骨圖中，我們可以將問題或者問題的階段性成果標記在“魚刺”處，通過一個個問題的解決和一個個成果的產生，最終推導出匯總后的結論。我們在梳理生物學知識時，還可以按照問題或因素的大小，把主要問題或主要因素繪成比較粗壯的“大魚骨”，把次要問題或次要因素繪成相對較細的“小魚骨”，以此類推，把最終得到的結論作為“魚頭”。如人教版高中生物學必修2“DNA是主要的遺傳物質”這個內容，我們就可以將其繪成一幅魚骨圖（如圖2）。通過魚骨圖，我們不但可以直觀地看到對于最終結論有幾個主要相關實驗，而且可以體現出幾個實驗結論之間的層層遞進關系，還可以把對遺傳物質的早期推測、作為遺傳物質應具備的特點、R型菌和S型菌的主要區別、上清液和沉淀物的放射性分析等內容加入進去，在原“魚骨”主干上再畫出細小分支來使內容更加豐富。

三、運用組織結構圖進行知識梳理

有人把組織結構圖歸類為層次化規整模型。它也是通過樹狀分支的方式對事物進行層層分解，但是它和思維導圖不同，它側重的不是思維的發散過程，而是挖掘概念之間的包含關系，形成一個架構圖，體現概念層級之間的嚴謹性。比如生物的多樣性包含遺傳多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性三個層次，這是最簡單的生物概念間的層次關系。而有些內容比較復雜，比如細胞的結構，在這一重要概念下又下轄一些次位概念，也就是第二層次，包含細胞壁、細胞膜、細胞質和細胞核，就細胞質來說又下轄第三層次，包含細胞質基質和細胞器，接下來多種細胞器的結構和功能又是第四層次。而這些次位概念又有一些相應的實驗和事實做支撐。還有許多比較典型的例子，比如“神經系統的結構基礎”這一節，其主要內容可以用一個組織結構圖勾畫出來。神經系統包括中樞神經系統和外周神經系統，中樞神經系統由腦和脊髓組成，其中腦又由大腦、小腦、下丘腦和腦干等組成。而外周神經系統有兩種劃分方式，一是分為腦神經和脊神經，二是分為傳入神經和傳出神經，而傳出神經又分為支配軀體部分和支配內臟兩部分，支配內臟部分又可分為交感神經和副交感神經。這一系列包含關系如果用文字描述就非常冗長和瑣碎了，但是如果用組織結構圖來呈現就一目了然。

四、運用時間軸進行知識梳理

有人把時間軸歸類為線性化規整模型。時間軸是根據時間順序，把依次發生的事件串聯起來，采用圖文結合的方式形成一條軸線，從而形成一個完整的歷史資料。利用時間軸可以很好地對教材中的生物科學史進行歸納和總結。新教材非常重視對生物科學史的呈現，因為通過生物科學史的學習可以將知識溯源、能力培養和價值觀教育相融合，再現知識的生成過程；通過對許多經典實驗的再現體驗和讓學生感受科學推理的內在邏輯，培養學生的科學思維和科學探究能力。例如人教版高中生物學必修1中有細胞學說的建立、生物膜結構的探索歷程、通道蛋白的研究、酶本質的探索歷程、光合作用的發現等；必修2中有DNA是主要的遺傳物質、建立中心法則、現代生物進化理論等；選擇性必修1中有促胰液素的發現、生長素的發現過程等；選擇性必修3中有大量的生物科學史內容，每一章都專門設計了一個“科技探索之路”小欄目，介紹了發酵工程、細胞工程、基因工程以及生物技術的發展與人類的進步。以光合作用的發現史為例，從2000多年前的亞里士多德關注植物的增重原因開始，通過普利斯特利、薩克斯、恩格爾曼、希爾、魯賓與卡門、阿爾農以及卡爾文等幾代科學家的共同努力，才使得人們對光合作用這一“地球上最重要的化學反應”有了大致的了解。我們可以應用時間軸（如圖4）按時間順序把研究進程中的事件像珍珠一樣串起來，從而厘清所學知識的發展脈絡，這在大大提高記憶效率的同時也能讓學生對科學家鍥而不舍的精神有深刻的體會。

五、運用流程圖進行知識梳理

流程圖是指借助系列的信息、觀點或元素組件來描述一個系統的圖形代表。流程圖是流經一個系統的信息流，在生活生產中隨處可見，因為任何事情都是有步驟的。對于流程圖的簡單應用，可以是去超市購物前做個小小的規劃，腦海里有個大致的流程圖，避免走重復路線而耽誤時間；對于流程圖的復雜應用，既可以是生產中的工藝流程圖的應用，也可以是完成任務時必須打通的一個個節點。一般來說，用圖形方塊來表示每一個步驟，一個框內一個步驟，方塊之間再用箭頭相連接，用來明確先后順序。如果在某些步驟中有需要特別說明的地方，還可以添加菱形塊，用來補充和強調。高中生物學教材中有多處必須按照時間和空間順序來掌握的知識點。比如豚鼠胰腺腺泡細胞分泌蛋白的形成過程，傳統發酵技術中腐乳、泡菜、果酒和果醋的制作，植物體細胞雜交技術，動物細胞的培養，單克隆抗體的制備，胚胎工程中胚胎移植的過程，胚胎分割技術，基因工程的基本操作程序等，在復習這些內容時可以利用流程圖，按先后順序梳理各個步驟，再根據每一步驟需要的外部條件和內部因素補充說明。如圖5所示為“果酒和果醋的制作”流程圖。

六、運用矩陣圖進行知識梳理

矩陣圖是一種結構化的思考方式，先要厘清解析的大概念包含幾個大緯度，然后把緯度沉淀成矩陣，用已知的內容來填充。我們可以稍加改造，改為拼圖法進行知識總結更加合理。例如“賽達伯格湖能量流動”分析圖解。針對能量沿食物鏈流動的去向問題，采用拼圖法（如圖5）就非常直觀，便于學生掌握。以第一營養級為例，輸入該生態系統的總能量是W1，W1由A1、B1、C1和D14個部分組成，其中A1是用于呼吸作用消耗的能量，C1是流向分解者的能量，D1是流到第二營養級的能量，也就是第二營養級的同化量。那么剩下的B1就是“未利用”部分。接下來，可以讓學生按照剛才的分析方法對D1進行能量去向分析。當然D1又可以同樣由4個部分組成，也有4個去向，以此類推。不僅如此，我們可以把B1、D1和C1看成一個整體，表示該營養級生物用于生長、發育和繁殖的能量，還可以把B1去掉，因為在沒有時間限定的情況下，可以把B1合并到C1中。引入拼圖法可以讓學生直觀地理解能量流動的過程。通過拼接、疊加和逐層分解，拼圖能很好地體現出不同能量之間的包含關系，有助于學生理解其中的各種等量關系。拼圖中的箭頭有進有出，有助于學生理解能量流經每一個營養級的來源和去路，而拼圖中代表每個部分能量方塊的大小和箭頭的粗細，有助于學生理解能量流動的特點，即單向流動、逐級遞減。

除了以上幾種可視化思維模型，還有一種模型——甘特圖。甘特圖是以圖示的方式通過活動列表和時間刻度表示出特定項目的順序與持續時間。橫軸表示時間，縱軸表示項目，坐標軸內表示計劃的完成情況，可以在圖上通過對比明確剩余量，通常用于企業的管理。生物學科也可以借鑒這種方法。比如教師制訂復習計劃或者開展教學活動，可利用甘特圖隨時掌控活動的進展情況，不過繪制甘特圖較為復雜，所以將其作為教學工具來運用的教師比較少。

以上可視化思維模型對復習歸納生物學知識非常有幫助，但相關模型基本是由全文字形式和少量簡單的直線或箭頭構成，如果能用圖文結合、全圖形式、3D立體形式甚至是全動畫形式則更加有效。正如記憶大師吳帝德所說的那樣，如果能讓文字轉變成圖，又能讓圖動起來，則會讓人記憶更加深刻。比如復習“細胞的結構和功能”這一內容時，我們可以把相關知識像動畫一樣徐徐展開。首先，將一些大量元素和微量元素“拼接”在一起形成各種化合物；接著，繼續“組裝”這些化合物，逐漸構成細胞的壁、膜、質和核；最后，它們的每一部分都在忙忙碌碌地“工作”著，細胞膜上的物質被運送進來，在細胞內發生了變化，當它被轉變成廢物和CO2后又被運送出去；細胞質中的各種細胞器彼此分工合作，流水化作業，巧妙銜接又緊張有序；細胞核內正發生著基因的轉錄或者是DNA的復制，進而進行有絲分裂或者減數分裂。就這樣伴隨物質的積累，細胞逐漸由小變大，逐漸衰老直至凋亡，由此結束它的一生。就在我們想象這一切的同時，我們身體內許許多多的細胞就在各自忙碌著，有的進行著分裂，有的在生長，有的在變老，有的則剛剛死亡。這些蘊含著生命的精妙和壯美。

可視化思維模型除了在復習教學中有著非常廣泛的應用，在解題教學中也同樣適用。主要有以下三種方式：

一是基于題干情境的可視化。最典型的例子就是在遺傳題解題過程中的應用。遺傳圖解是解決遺傳題最簡捷有效的方法，它有多種畫法，如棋盤法、配子交叉線法等，還有一種類型題是根據家族成員間的相互關系來推導某一代或者某個人出現某種性狀的概率。如果題干給出的都是文字敘述或者文字加表格的信息呈現形式，那首先要做的就是繪出該家系的遺傳系譜圖，然后再根據家系中的人物關系來推導后代的基因型和表現型。生物學科有一類題目學生掌握起來有一定的難度，即涉及有絲分裂和減數分裂的相關題目，因為細胞分裂過程中涉及染色體、染色單體和DNA的行為變化，所以比較復雜，最好的辦法就是繪制細胞分裂圖，先進行圖文對照再進行判斷推理，這樣會使解題思路更加清晰。

二是基于原認知水平的可視化。如在解題過程中充分調動形象思維，把較難理解的事物形象化。比如為什么一個新型冠狀病毒的抗原可以結合多種抗體？實際上是因為一個病毒表面有多種不同的抗原決定簇，每一種抗原決定簇都可以引起免疫應答，從而產生相應抗體。如果我們用文字描述相關原理，那么學生會很難理解，而若采取畫圖的方式，在一個病毒的表面畫出各種形狀的蛋白，每一種蛋白對應一種相契合的抗體，這樣學生就好理解多了。

三是基于題目要求的可視化解答。例如2020年高考全國Ⅲ卷中生物試題第31題的第（2）小題，要求“畫出該湖泊生態系統能量流動的示意圖”，本題中存在A→B的食物鏈，能量流動是沿著食鏈進行的，且能量流動的起點是生產者固定的太陽能，每一營養級都包括自身呼吸作用消耗、被分解者利用、流向下一個營養級。許多學生在這道題上失分嚴重，原因有畫圖不規范，不使用箭頭而用直線（如光—A—B）；違背能量單向流動的規律，畫雙向箭頭；漏寫呼吸作用、分解者；錯寫某一個營養級的能量輸入、利用過程；等等。復習時，教師要重視引導學生對課本的概念圖進行理解和掌握。

總之 ，可視化思維模型在知識梳理方面有重要作用，還是非常得力的解題工具。它可以幫助學生儲存更多的學科知識，使其不容易遺忘，而且能夠一一羅列信息，使教師可以更加宏觀地審視信息，進行全局的分析和把控。可視化思維模型，還可以提高教學效能。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

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（責任編輯 黃春香）