中學生物學模型構建視域下的可視化教學研究

【摘 要】模型構建可驅動內隱式科學思維的可視化表達。模型是一種思維工具，教師可借助圖線、實物等構建模型，將內隱式的知識脈絡、知識體系可視化地表達出來。在做中學、做中思、做中悟的建模過程中，學生內隱的思維品質、思維過程等能充分暴露出來。可見，以生為本、以解決問題為導向、圍繞學生已有認知是模型構建視域下可視化教學的基礎、根本與核心。

【關鍵詞】模型構建；可視化教學；科學思維

思維工具是指那些能有效影響思維抽象活動，提高思維效能，延伸思維深度，能把抽象思維過程具體化、可視化的一類方法技能的總稱。有學者將思維工具分為思維可視化工具和思維策略工具。思維可視化工具可以將學習和思考的過程通過圖示技術進行視覺表征，但沒有解決“按照什么邏輯去表征”的問題，思維策略工具則是思維可視化工具的良好補充，兩者相互結合才能夠發揮更大的作用。模型與建模作為一種思維工具，是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力［1］。模型作為一種思維可視化工具，可以將內隱式的知識脈絡、知識體系等顯性化地表達出來；而建模作為一種思維策略工具，可以將建模者的思維品質、思維過程等在做中學、做中思、做中悟中呈現出來，具體表征見圖1。

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》將“模型與建模”歸入“科學思維”的范疇，意義主要有兩點：第一，從教學政策的角度審視，以模型構建這種形式推動科學思維的可視化表達，是新課改語境下中學生物學教學的必然取向；第二，從教學主體的角度審視，以思維可視化驅動生物學模型構建活動，不僅能顯性化呈現學生的隱性思維過程，還能實現個體認知和交互取向的達成。這種在做中學、在做中思、在做中悟的行動模式，能幫助學生在層層深入的動態體驗、體悟中建立知識連接，實現深度學習。外國學者金特納和圖潘（Gentner & Toupin）認為，從建模發展的根源來看，模型本質上是一種推理。這種推理是一種復雜的連續體，關鍵在于基礎和目標之間映射的屬性。因此，借助模型構建可視化地表達教學內容，旨在用不同形式的模型（如概念模型、物理模型、數學模型等）多元化、多層次地表征知識的同時，潛移默化地培養和鍛煉學生的科學思維能力。

基于以上認知，筆者嘗試從思維可視化的角度，闡述生物學模型構建教學活動的價值，并以生物學模型構建教學實踐舉證，以期給一線教學提供理論與實踐上的參考。

一、中學生物學模型構建教學的可視化基礎

可視化是指人們依據不同群體的認知水平，將抽象的知識、煩冗的數據、錯綜復雜的信息等轉化成易于理解的直觀圖形、圖像或模型等的一種形式。這種“讓思維看得見”的形式，不僅能將人們內隱的思考方法和思考路徑顯性表達出來，還能幫助人們借助可視化的數據分析，做出更優化的決策和更接近事物本質的交流。在中學生物學模型構建教學中，教師可依據生物學原理或概念，用可視化的方法、可視化的操作和可視化的實踐激活學生的學習熱情，條分縷析思維的構建路徑，促進生本認知內化。這種借助可視化模型預設思考和操作路徑的模式，為學生思維力的培養提供了有效保障。

（一）模型構建的物態模式，可作為思維可視化的載體

思維可視化不僅能將內隱化的認知結構圖像化，還能將緘默性知識物態化。眾所周知，左腦主要負責歸納與概括、推理與分析等科學思維活動，右腦主要負責聯想與想象、圖畫與描述等感性思維活動。從生理學角度審視教育，可以發現傳統的學習方法側重于左腦的使用，忽視右腦的使用。如何實現左右腦的協同學習？新課標提出的模型與建模就是一種培養模式。模型是一種可視化的物化形式，中學生物學依據中學生的認知結構，將模型分為概念模型、物理模型與數學模型。例如線條、圖畫、物體（如磁力貼、剪紙、木條等）等都是模型構建的可視化元素，讓學生用這些可視化的元素展現生命的本質或發展規律，能充分展現學生的思考痕跡，旁觀者能從這些痕跡中對學生思考的過程與路徑提出疑惑與建議，使學習不斷深入。由此，我們可以發現：模型構建活動是思維可視化的載體，其最大的優勢就是能將隱性的思維過程和結果以顯性化形式呈現，方便學習者通過物化的方式在主體場域（如課堂等）中完成思維的推演、驗證、反思和認知等過程。同時，模型構建活動中左右腦的協同合作，減輕了學生的認知負載，使抽象的生物學知識在感官領悟、身心體驗中形成正確的認知理解，達成深度學習。

（二）模型的可視化構建過程，可檢測思維的水平

可視化標識當代文明演進的特定領域，思維可視化與知識可視化的時間臨界、空間臨界、人員臨界，表征了思維可視化與知識可視化的對立統一聯系。［2］在中學生物學教學過程中，學生可根據自我的認知水平、知識體系與思維模式，選擇不同的材料建構模型。例如在“嘗試制作真核細胞的三維結構模型”教學中，首先，學生可以根據對真核細胞的自我認知，自主選擇不同的材料去設計、構建真核細胞模型并集中展示。其次，以小組為單位組織學生分別從知識內容、科學性、美學等維度進行評判，對存在某些缺陷或科學錯誤的模型，師生間、生生間要緊密合作，合力將導致缺陷的緣由找出來。最后，通過指點或交流的方式，學生認清并修正自身存在的認知錯誤、知識錯誤或行為缺陷等。這種模型構建和評價互助的演進過程，展現了模型可視化教學與思維可視化學習的協同作用。因此，一方面物態化的模型組件在人的手腦驅動與操作下，不僅能可視化地呈現一個人的思維進程和演進質量，還能折射出一個人的思維品質與水平層次；另一方面借助缺陷性或錯誤性模型的直觀展示，對模型演進過程中出現的問題進行溯源與循證，鼓勵小組內開展互評與自評，對現有的模型進行查漏補缺和優化，對學生科學思維的培養和提升起著重要的作用。

（三）模型構建的良性論證，是科學思維可視化的保障

良性論證是指對學習者而言有意義且重要的實踐活動。良性論證常以真實世界中的情境為錨點，組織并推動活動的進展，使學生在尋求解決方案的過程中，加深對科學概念、科學規律及應用前景的理解。良性論證為學生習得生物學知識提供了模型構建的導向體系，架設了模型構建教學與思維可視化之間的橋梁，為科學知識的呈現提供了有力的支撐與保障。從認知論上看，模型構建是學生認識科學世界的可視化思維方式；從學習論上看，模型構建是學生研究科學世界的可視化操作工具；從價值論上看，模型構建承擔著引發學生思考和塑造學生科學思維素養的重要作用。通過以上分析，我們認為模型構建的良性論證應具備兩個高度：一是模型構建應能借助可視化的思維模式，序列化地構建生物學知識的顯性體系，促使學習者在體驗與體悟下達成思想的交互、經驗的交流、疑惑的交換，繼而完成思維的更迭與提升；二是模型構建應能突破科學知識的瑣碎與零散，借助可視化的思維模式使知識像游走的積木，在遇到不同的問題時互相整合與拼接，以適應解決問題的需要。因此，在現實教學中，以良性論證的模型構建去協助會話，能將學生頭腦中內隱式的思維過程表達出來，達成思維能力的進階。

二、中學生物學模型構建教學的可視化實踐

在教學的多變環境中，教師采用的教學方法時刻影響著學生的知識理解、思維的深化和拓展應用，而學生在教學場域中的反饋也影響著教師對教法的改進。［3］從理論思辨的角度來看，模型構建教學對思維可視化的開發和培養具有重要的價值，但課堂是一個特殊的“生態系統”，要打通模型構建與可視化思維的聯結通路，需要教師在教學中致力于理解、發展基于模型的推理，形成支持推理的實踐形式。從建模發展的根源來看，模型本質上是一種類推。［4］基于此，本文以“DNA的復制”一課為例，借助模型構建教學，可視化地呈現假說—演繹、類比—推理、歸納—概括等科學思維，讓學生在可視化情境中完成科學思維的進階。

（一）借助可視化工具，構建DNA復制的“假說—演繹”思維模型

假說—演繹是在觀察和分析的基礎上提出問題，通過推理和想象提出解釋問題的假說，根據假說進行演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結論。如果實驗結果與預期結論相符，就證明假說是正確的，反之，則說明假說是錯誤的。［5］在“DNA的復制”一課的第一階段，可運用模型構建，可視化地演繹DNA復制的三種模式，具體過程見圖2。

【教學過程】第一步，創設問題情境——“以親本DNA為模板復制生成兩個DNA的過程中，有幾種復制模式？”，引導學生提出DNA復制特點的假說。第二步，收集學生的假說，不外乎有三類，即全保留復制、半保留復制和彌散型復制。第三步，用紅色磁力貼（圖2中的實心線段）、黑色磁力貼（圖2中的虛線線段），在黑板上分別演繹不同復制模式下親本DNA復制兩次的推理過程。

用模型構建的方式可視化地呈現假說—演繹的思維過程，一方面促進學生的抽象思維與形象思維的協調統一；另一方面借助語言與思維的邏輯性，引導學生在綜合、推理、想象與觀察等活動中實現能力進階。以模型構建活動為載體，把個人的認知與想法融入其間，從課堂教學性質的角度審視，可以發現：第一，這種形式在鞏固師生交流、生生交互的合作體制下，拓寬了學生的自我認知境界與知識體系；第二，模型這種直觀化的元素符號，更易于呈現學生只可意會不可言傳的緘默性知識。

（二）創設可視化裝置，構建DNA復制的“類比—推理”思維模型

類比—推理亦稱“類推”，常指根據兩個對象在某些屬性上相同或相似，通過比較推斷出它們在其他屬性上也相同的推理過程。類比—推理是從觀察個別現象開始的，因而近似歸納推理，但它又不是由特殊到一般，而是由特殊到特殊，因而又不等同于歸納推理。在“DNA的復制”一課的第二階段，運用模型構建，類比解說密度梯度離心的原理，推理含14N14N、14N15N、15N15N的DNA分子離心后的分布情況，具體過程見圖3。

【教學過程】第一步，制備不同密度層的混合液。用量筒分別量取20mL的蜂蜜、自來水和食用油，依次倒入一個燒杯中，靜置2分鐘可觀察到，食用油、自來水、蜂蜜的密度差異導致它們在垂直方向上呈明顯的三層分布。第二步，制作含14N14N、14N15N、15N15N的DNA實物模型。將一根長約18cm的銅線，切割成等長的三段后，將絕緣層與銅芯剝離。然后按照“絕緣層與絕緣層”（圖2中的虛線線段）、“絕緣層與銅芯”（圖2中的虛線+實心線段）、“銅芯與銅芯”（圖3中的實心線段）兩兩組合的形式，模擬制作含14N14N、14N15N、15N15N的DNA實物模型。第三步，模擬離心過程。將制作好的含14N14N、14N15N、15N15N的DNA實物模型，輕輕放入不同密度層的混合液后能觀察到：模擬含14N14N的DNA實物模型懸浮在食用油層；模擬含14N15N的DNA實物模型懸浮于自來水層；模擬含15N15N的DNA實物模型懸浮于蜂蜜層。

以模型構建活動為平臺，將學生不熟悉的觀念（如密度梯度離心）與較熟悉的類似觀念（圖3構建的一系列模型）聯系起來，達到解決問題的目的。用模型構建將理論性極強的理化知識融入學生的體驗認知中，使用類比、演示以及模型等手段，聯系學生先前掌握的知識與技能，在滿足學生感知需要的同時，達成深度認知。

（三）整合模型與科學事實，驅動DNA復制的“歸納—概括”思維的深入

歸納—概括是指用概括的語言，將內容依前后次序，分若干部分表達出來，幫助學習者揭示事物的本質，從而得出事物的定義。歸納—概括是一個從現象到本質，從個別到普遍，從特殊到一般的過程，目的在于掌握內容要點，有利于發展連續思維的能力。在“DNA的復制”一課的第三階段，運用模型構建，顯性化地歸納概括出DNA復制的真實模式，具體過程見圖4。

【教學過程】第一步，引導學生依據圖2 DNA復制模型、圖3密度梯度離心原理模型，歸納出第一次DNA復制（復制時間為20min）的結果，并依據歸納的結果，在模型圖中標出密度帶及比例。第二步，同理，歸納出第二次DNA復制（復制時間為40min）的結果，并依據歸納的結果，在模型圖中標出密度帶及比例。第三步，將學生歸納概括的結果，與Meselson和Stahl兩位科學家的實驗結果（圖5）進行比對，得出實驗結論，即DNA復制的特點是半保留復制。

用模型構建顯性化地表達歸納—概括的思維過程，不僅僅是簡單地合并歸納，而是要經歷細致地討論、推敲、修正、補充。用模型構建驅動歸納—概括的思維教學時，一定要基于學生現有的認知水平與客觀的知識層級，幫助學生逐步排除事物個別的、特殊的屬性，從而揭露事物的本質。特別提醒，在以模型構建推演思維進階的過程中，一定要遵循科學的標準與原則，并以科學的實驗數據或事實進行評價矯正。

三、落實生物學模型構建可視化教學的關鍵

物態的模型構建是建模者思維活動的真實反映，關乎其身體的互動和由互動引發的思維表征。這種互動經歷了自我認知的喚醒、理想主義的構造和思維空間結構的形成，實現了思維可視化驅動下的模型塑造、發展和修正。同時，在小組成員、教師的輔助性提示以及科學性批判和現實主義的審視下，模型構建最終發展為有程序思維、學科內涵和認知進階特色的可操作化模式。為了提升教學中模型與建模應用的實際效果，教師應以生為本，以解決問題為導向，結合在做中學、做中思、做中悟的認知規律，在學生思維的最近發展區尋找著力點并加以干預。那么，基于模型建構的思維可視化教學，落實的關鍵是什么？

（一）以生為本是基礎

要讓學生在模型構建的過程中不加修飾、不加掩藏地暴露自己的思維特征、思維缺陷和思維歷程，尊重學生的主體地位是關鍵。和諧、公平、友善的交互氛圍，能喚醒學生的內化需求，弱化課堂上的師生隔閡，促使學生去反映他們對信息的理解。雖然借助思維工具實施教學變得越來越普及，但多數課堂還是以教師為主導，將由圖線、實物等建構的思維可視化工具（如模型）直接以PPT或圖示的形式展現出來。與傳統的教學相比，盡管這種物態化的呈現方式比抽象、冗長的文字描述更易讓學生接受和理解，但并沒有體現學習者為中心、主動參與、創造生成等建構主義特征，而只是教師控制、被動參與、展示等行為。通俗地講，就是學生的主體地位缺失，課堂上教師沒有引領學生經歷在做中學、在做中思、在做中悟的思維訓練過程。此時的模型對學生來說僅僅是一種媒介或知識呈現方式，并未達到幫助學生自主建構知識的目的。因此，實現由行為主義工具向建構主義工具的轉變非常關鍵。

（二）以解決問題為導向是根本

基于模型構建的可視化教學不是為了建模而建模，而是要以解決具體的問題為目標。以問題為指引，思維的激發才能找到方向，思維的整理才能覓到依據。因此，堅持以具體問題為指引，回答并指導解決問題是模型構建教學的根本任務。從教學的角度審視，抓住問題才能找到前進的突破點。所以，教師要緊扣教學目標與教學內容，精心創設由易到難、由直觀到抽象的梯度式問題，真正推動模型思維的發生、發展與落地。教師要驅使學生在已有認知的基礎上，研究導向性問題，自發地開展交流與說理、辯論與評價，并主動分享模型構建的原理、思路、疑惑等，準確地表達出內心世界對相關生物學知識的理解。以解決問題為導向的模型構建，一方面可以積極地引領師生交流、生生交互，讓學生多維化思考、多角度反思，最終達成一體式的模型構建認知譜系；另一方面，通過互相交流、評價反饋，能激發學生的創新思維和提升解決問題的能力。

（三）圍繞學生已有認知來建模是核心

建構主義認為，新問題出現在學生面前時，學生往往會基于自我認知能力、探究水平、興趣愛好，對新問題給出合理的解釋或提出假設。因此，模型構建活動一定要從具體的學情或學生的生活經驗出發，依據學生的認知水平去創設一系列科學思維活動。目前中學階段檢測學生現有認知水平的方法主要有觀察法、訪談法、問卷調查法、畫圖法等。基于學生現有認知水平的模型構建活動，才能讓學生有話可講、有事可做、有情可表。因此，教師應剖析學生的真實想法，繼而設計有針對性與實效性的模型構建活動。這種情境下的模型構建活動，在形制上，會引起學生的高度注意，能充分調動學生的參與熱情和體驗欲望；在內容上，強調生物學知識與真實情境的融合，延展了教材內容又考量了綜合實踐；在行動上，學思融合的具身認知體悟，能引導學生運用所學知識解決實際問題，真正推動科學教育從“離身”到“具身”的轉變，實現思維從“隱身”到“顯身”的歷程。

參考文獻：

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［2］尹晗，張際平. 思維可視化視角下的未來課堂架構研究［J］. 遠程教育雜志，2016（2）：106-112.

［3］左開俊. 以結構化情境創設驅動生物學模型構建教學［J］. 教學與管理，2023（13）：49-53.

［4］索耶.劍橋學習科學手冊［M］. 徐曉東，等譯. 北京：教育科學出版社，2010：427.

［5］人民教育出版社課程教材研究所生物課程教材研究開發中心. 普通高中教科書：生物學：必修2：遺傳與進化［M］. 北京：人民教育出版社，2019：7.

（責任編輯：潘安）