思維可視化應(yīng)用在高中生物學(xué)課堂中的探索與實(shí)踐

思維是人腦對客觀事物間接的、概括的反映，能幫助學(xué)生理解知識(shí)、解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)習(xí)質(zhì)量。但是思維的過程看不見、摸不著，導(dǎo)致部分學(xué)生難以察覺自身的思維誤區(qū)，部分教師難以精準(zhǔn)把握學(xué)生思維動(dòng)態(tài)。思維可視化是借助多種圖示方法，使思維過程清晰可見，引導(dǎo)學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的理解和內(nèi)化。動(dòng)畫視頻、實(shí)體模型、思維導(dǎo)圖等是實(shí)現(xiàn)思維可視化的重要工具，能幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，從而順利構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系。在高中生物學(xué)課堂教學(xué)中，教師可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)以及課程內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，設(shè)置相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生利用可視化的方式發(fā)展思維能力、提升思維品質(zhì)[1]。本文將以高中生物學(xué)課堂的教學(xué)實(shí)踐為例，談?wù)勊季S可視化在教學(xué)中的應(yīng)用策略。

一、使用多媒體技術(shù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

隨著科技的發(fā)展，多媒體技術(shù)在課堂教學(xué)中得到了普及。利用多媒體技術(shù)，展示高清圖像、演示視頻，能使生物學(xué)知識(shí)變得具體，幫助學(xué)生突破認(rèn)知局限，激發(fā)探索生物奧秘的興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維。

例如，人教版生物學(xué)必修1第6章“細(xì)胞的生命歷程”第1節(jié)“細(xì)胞的增殖”重點(diǎn)闡述了有絲分裂的基本過程、特點(diǎn)和意義。高一年級的學(xué)生大都已經(jīng)知道細(xì)胞可以通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞，掌握生命系統(tǒng)的組成物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能，這有利于他們深入學(xué)習(xí)細(xì)胞增殖；而且，他們在學(xué)習(xí)必修1第3章第3節(jié)時(shí)大都已經(jīng)初步了解染色體在細(xì)胞分裂時(shí)的形態(tài)，這對他們學(xué)習(xí)有絲分裂中染色體的行為、數(shù)量變化和DNA的數(shù)量變化很有幫助。但是有的學(xué)生抽象邏輯思維能力不強(qiáng)，對于有絲分裂各時(shí)期特點(diǎn)的理解存在一定困難，甚至產(chǎn)生畏難情緒。為了激發(fā)學(xué)生的探索興趣，教師選擇合適的材料加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生理解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。教師在多媒體設(shè)備上播放的視頻畫面中首先出現(xiàn)了一顆受精卵，旁白介紹的內(nèi)容為“這是人類生命的起點(diǎn)，里面藏著個(gè)體發(fā)育的全部遺傳信息”。接著，神奇的一幕發(fā)生了一受精卵一分為二，再從兩個(gè)變成四個(gè)、八個(gè)，旁白介紹的內(nèi)容為“這是受精卵在分裂，為構(gòu)成完整的生命體做準(zhǔn)備”。然后，胚胎發(fā)育出的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)變成各種組織，胚胎漸漸有了雛形，心臟開始跳動(dòng)，血管遍布全身，四肢開始生長，五官逐漸清晰。最后，一個(gè)健康的嬰兒呱呱墜地。學(xué)生目不轉(zhuǎn)睛地看完視頻后發(fā)覺生命的誕生是細(xì)胞不斷分裂和分化的結(jié)果，對細(xì)胞增殖的奧秘充滿好奇，迫不及待地想和教師一起深入探究。于是，教師展示名為《象與鼠》的圖片，要求學(xué)生對比它們的體重與身高，推測象的細(xì)胞與鼠的細(xì)胞的大小，以及它們的體形相去懸殊的主要原因，思考“生物體的長大，是靠細(xì)胞數(shù)量的增多還是靠細(xì)胞體積的增大？”這一問題。在圖文的輔助下，學(xué)生很快就掌握了細(xì)胞增殖的概念、意義、特點(diǎn)。

多媒體技術(shù)賦能下的生物學(xué)課堂教學(xué)不再局限于教材。海量的資源如同一座信息寶庫，源源不斷地為教學(xué)注入新活力。從中選取與教學(xué)內(nèi)容相匹配的資源，將教學(xué)內(nèi)容以圖片、視頻等多元形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生對生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。

二、借助概念圖，厘清內(nèi)在關(guān)系

概念圖利用節(jié)點(diǎn)、線條等將零散知識(shí)組合成系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)。高中生物學(xué)課程的概念知識(shí)很多。運(yùn)用直觀形象的概念圖能按照概念之間的邏輯呈現(xiàn)概念知識(shí)的結(jié)構(gòu)，有利于幫助學(xué)生厘清各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)系，把握知識(shí)脈絡(luò)，加深對知識(shí)的記憶［2]。

例如，人教版生物學(xué)必修1第3章“細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)”第2節(jié)“細(xì)胞器之間的分工合作”的核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)主要有：通過介紹細(xì)胞器之間的分工合作，培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念；通過使用高倍顯微鏡觀察葉綠體和細(xì)胞質(zhì)的流動(dòng)等探究實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；通過分析細(xì)胞器的功能和相互關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。涉及的知識(shí)點(diǎn)主要有：各種細(xì)胞器（線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體、高爾基體、溶酶體、葉綠體等）的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，細(xì)胞器的協(xié)同工作機(jī)制。該節(jié)的知識(shí)點(diǎn)多且具有一定難度，在教學(xué)時(shí)可以組織學(xué)生對教材的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行閱讀，由師生共同梳理概念，討論概念，給概念歸類，繪制概念圖。具體來說，教師要鼓勵(lì)學(xué)生除仔細(xì)研讀教材外，還可依托科普視頻、學(xué)術(shù)文章等多種輔助資料，圍繞各種細(xì)胞器進(jìn)行系統(tǒng)梳理與歸納，嘗試初步構(gòu)建相關(guān)概念的框架。教師可組織小組閱讀討論活動(dòng)，針對學(xué)生在梳理細(xì)胞器的相關(guān)概念時(shí)產(chǎn)生的困惑，如“線粒體與葉綠體在能量轉(zhuǎn)換上的差異是什么？”“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體在蛋白質(zhì)加工中的分工是怎樣的？”等，給予專業(yè)的指導(dǎo)，以便有條不紊地推進(jìn)概念梳理工作。在學(xué)生經(jīng)過深入閱讀和討論全面了解細(xì)胞器的相關(guān)概念后，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生按以下步驟繪制概念圖（如圖1所示）：第一步，寫出中心概念一—細(xì)胞器之間的分工合作。第二步，在中心概念下方分別列出“雙層膜細(xì)胞器”“單層膜細(xì)胞器”“無膜細(xì)胞器”三個(gè)分支概念。第三步，對每個(gè)分支概念進(jìn)行細(xì)分，標(biāo)注出相應(yīng)的細(xì)胞器的功能。如屬于雙層膜細(xì)胞器的線粒體和葉綠體的功能分別是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場所、綠色植物進(jìn)行光合作用的場所。同時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生積極展開交流，讓學(xué)生充分理解每個(gè)概念及不同概念之間的聯(lián)系。之后，教師可集中展示學(xué)生富有個(gè)性的概念圖作品。

通過使用概念圖，學(xué)生能按照一定的邏輯，對所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行分類、歸納和總結(jié)，理解知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建完整的知識(shí)體系。學(xué)生在繪制概念圖的過程中開展分析、綜合、比較等思維活動(dòng)，有利于鍛煉邏輯思維。學(xué)生繪制出的概念圖還能方便他們在復(fù)習(xí)時(shí)快速回顧整節(jié)的內(nèi)容，查漏補(bǔ)缺，鞏固所學(xué)知識(shí)。

三、搭建圖表支架，顯示思維路徑

支架原指建筑工地內(nèi)的腳手架，而生物學(xué)課堂上使用的圖表支架是為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)而搭建的。以圖形、表格等形式直觀呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，有利于幫助學(xué)生將碎片化知識(shí)進(jìn)行整合，從而更有效地掌握知識(shí)。學(xué)生對圖表的繪制和分析是使自己的思維路徑外顯的過程。

例如，人教版生物學(xué)必修2第4章“基因的表達(dá)”第1節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”的主要知識(shí)點(diǎn)是遺傳信息的轉(zhuǎn)錄、翻譯和遺傳信息傳遞的中心法則。輔助學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)是比較DNA和RNA的結(jié)構(gòu)、基本組成單位，以及認(rèn)識(shí)三種RNA和不同的密碼子。不過，遺傳信息的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程等較為抽象，如果沒有精心梳理，那么在建立堿基序列與氨基酸序列對應(yīng)關(guān)系時(shí)就容易遇到思維障礙，出現(xiàn)概念模糊、邏輯混亂的問題。因此，教師可以設(shè)計(jì)體現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的問題串，開展實(shí)踐活動(dòng)，幫助學(xué)生在比較、總結(jié)中化解難點(diǎn)。如在探究“遺傳信息的翻譯”時(shí)，結(jié)合“mRNA經(jīng)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，翻譯過程開始；翻譯是以mRNA為模板合成具有特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)的過程”這一內(nèi)容，教師可以提出以下三個(gè)問題：1.組成生物體蛋白質(zhì)的氨基酸有21種，RNA的4種堿基（A、G、C、U）如何決定蛋白質(zhì)的氨基酸？2.堿基通過什么方式控制氨基酸的種類及排列順序？3.mRNA翻譯成蛋白質(zhì)的過程具體是怎樣的？并且，教師可以要求學(xué)生以小組為單位，圍繞“4種堿基決定21種氨基酸的方式”展開推理，以書面的形式呈現(xiàn)推理過程。學(xué)生需要根據(jù)教師提供的圖表，做出以下判斷：如果1個(gè)堿基決定1個(gè)氨基酸，那么4種堿基只能決定40 4¹=4 ）

種氨基酸；這種方式組成的氨基酸種類不足，排除。如果2個(gè)堿基決定1個(gè)氨基酸，那么4種堿基只能決定16 （ 4²=16 ）種氨基酸；這種方式組成的氨基酸種類仍少于21種，排除。如果3個(gè)堿基決定1個(gè)氨基酸，那么4種堿基可以決定64（ 4³=64 ）種氨基酸；這種方式能滿足需要。在此基礎(chǔ)上，教師可以介紹“1961年，英國科學(xué)家克里克及其同事通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)1個(gè)氨基酸由3個(gè)相鄰的堿基（即三聯(lián)體密碼）決定”的內(nèi)容。這樣，學(xué)生很容易就能理解密碼子的概念。

對于教材中涉及的分子生物學(xué)知識(shí)，如果單純進(jìn)行理論解釋，學(xué)生往往難以接受，教學(xué)效果也會(huì)大打折扣；而如果根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容合理設(shè)計(jì)圖表，就有利于消除學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，讓學(xué)生找到自身問題的癥結(jié)所在，提升學(xué)習(xí)效果。

思維導(dǎo)圖能清晰明了地展現(xiàn)學(xué)生的思維過程，使學(xué)生的學(xué)習(xí)思路更加明確。使用思維導(dǎo)圖學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)，能促使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)體系，并自覺進(jìn)行反思，形成較強(qiáng)的認(rèn)知能力，提高學(xué)習(xí)效率。

四、繪制思維導(dǎo)圖，提高認(rèn)知程度

思維導(dǎo)圖是圍繞一個(gè)核心主題，通過分支將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)逐一呈現(xiàn)的工具[3]。在生物學(xué)課堂上利用圖文結(jié)合的方式，展現(xiàn)各級主題的關(guān)系，有利于幫助學(xué)生通過繪制思維導(dǎo)圖，對所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，在使思維可視化的過程中將新知識(shí)融入已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

例如，人教版生物學(xué)選擇性必修1第4章“免疫調(diào)節(jié)”闡述了免疫系統(tǒng)的組成和功能、特異性免疫、免疫失調(diào)及相關(guān)疾病、免疫學(xué)的應(yīng)用等。在備課時(shí)，教師鉆研教材，確定教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，理清知識(shí)點(diǎn)之間的層級關(guān)系。在教學(xué)時(shí)，教師采用小組合作學(xué)習(xí)的方法，要求組長安排組員一起交流探究，制作思維導(dǎo)圖，串聯(lián)知識(shí)點(diǎn)。經(jīng)過討論，有的小組將“免疫失調(diào)”作為本章學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容；以此為中心、結(jié)合教材確定第二層級的關(guān)鍵詞“過敏反應(yīng)”“自身免疫反應(yīng)（過強(qiáng)）”“免疫缺陷病（過弱）”；對于第三層級，在設(shè)計(jì)“過敏反應(yīng)”對應(yīng)的內(nèi)容時(shí)，列出“定義”“癥狀”“特點(diǎn)”“預(yù)防措施”；對于第四層級，在設(shè)計(jì)“癥狀”對應(yīng)的內(nèi)容時(shí)，列出“毛細(xì)血管擴(kuò)張”“血管壁通透性增強(qiáng)”“平滑肌收縮”“腺體分泌增多”。在各組制作完思維導(dǎo)圖后，教師讓學(xué)生自主對照本組的思維導(dǎo)圖與教師事先制作的思維導(dǎo)圖，合理地進(jìn)行評價(jià)，對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行更正。如：有的小組發(fā)現(xiàn)本組的思維導(dǎo)圖中遺漏了一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，意識(shí)到本組在圈畫知識(shí)點(diǎn)時(shí)存在疏忽，于是加深對這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶；有的小組發(fā)現(xiàn)本組的思維導(dǎo)圖存在邏輯不合理的地方，于是重新審視教材內(nèi)容，尋找本組在解讀中的誤區(qū)，經(jīng)過判斷后調(diào)整思維導(dǎo)圖的結(jié)構(gòu)。

結(jié)語

思維可視化需要調(diào)動(dòng)視覺感官，能夠?qū)⒊橄蟮乃季S路徑、思考方法以及知識(shí)間的關(guān)系直觀地呈現(xiàn)出來，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間。在高中生物學(xué)課堂上應(yīng)用思維可視化，可以鍛煉學(xué)生對圖像的識(shí)別能力，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和推理能力。這也有利于教師把握學(xué)生的思維軌跡，真正了解學(xué)情，進(jìn)而針對性調(diào)整課堂內(nèi)容和教學(xué)方式，多渠道優(yōu)化教學(xué)策略，保證學(xué)生核心素養(yǎng)得以全面發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

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[2］吳宇清.模型思維可視化在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2023（7）：13-17.

[3］廖雅芳.核心素養(yǎng)視域下高中生物課堂“思維可視化”教學(xué)策略研究［J].高考，2024（19）：119-121.