模型思維可視化在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

吳宇清

摘要： 生物學(xué)教師開展可視化教學(xué)，以簡化和理想化的形式再現(xiàn)原形的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，能快速幫助學(xué)生連接理論與應(yīng)用。模型思維是教師創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義課堂的鑰匙，也是學(xué)生快速建構(gòu)自身知識體系的工具。為引導(dǎo)學(xué)生對生物學(xué)信息進行可視化處理，鞏固原有知識的理解和記憶、加快吸收新生知識，教師基于實踐總結(jié)出具體方法，即在概念模型中應(yīng)用思維導(dǎo)圖，梳理知識并結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)；在物理模型中應(yīng)用3D工具，立體化認知生物的生理結(jié)構(gòu)；在數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化工具，探究生物現(xiàn)象和規(guī)律。用信息技術(shù)賦能模型思維可視化教學(xué)是可行策略，教師要循序漸進培養(yǎng)學(xué)生模型思維，提高思維演繹歸納水平，還應(yīng)關(guān)注學(xué)生的思維表達和知識建構(gòu)，不能完全依賴技術(shù)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維；模型思維；思維可視化

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維是中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的基本任務(wù)和根本目標(biāo)?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）倡導(dǎo)教師發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，引導(dǎo)學(xué)生“運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律”。在信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)日趨融合的當(dāng)下，教師在建模和用模的過程中借助一些簡單、實用的軟件工具，將教學(xué)思維和過程可視化，能加深學(xué)生對生物學(xué)知識的理解和記憶、激發(fā)學(xué)生的科學(xué)思維，這是一種創(chuàng)新、高效、便捷的教學(xué)方法。下面，筆者介紹模型思維可視化在高中生物教學(xué)中應(yīng)用的緣由、方法、策略和要領(lǐng)。

一、緣由：為何將模型思維可視化

《現(xiàn)代漢語詞典（第7版）》對模型解釋如下：依照實物的形狀和結(jié)構(gòu)按比例制成的物品；用數(shù)學(xué)公式或圖形等顯示事物的抽象結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)。建模的含義：為了研究某種現(xiàn)實或事物而建立相應(yīng)的模型。因為模型具有一對多的特性，人們按需選擇模型種類和重新定義模型中各要素即可應(yīng)用于多種情況。生物學(xué)包含物理模型、概念模型和數(shù)學(xué)模型。在建立模型的過程中，學(xué)生需要對知識和概念進行內(nèi)化和重建。筆者提及的模型思維指從諸多生物學(xué)事實中抽象出核心要點，并在核心要點之間建立聯(lián)系，進而形成生物學(xué)概念的思維過程。模型思維是一種高級的思維模式?，F(xiàn)實中人們需要學(xué)習(xí)并掌握一定量的模型，但無需窮盡所有。將模型思維運用于生物學(xué)科教學(xué)，是邏輯方法的一種特有形式。教師運用信息技術(shù)將建模過程可視化，以簡化和理想化的形式再現(xiàn)原形的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系，能快速幫助學(xué)生打通連接理論和應(yīng)用的信息公路。

（一）為何用模型思維

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師的教學(xué)設(shè)計很完備，但學(xué)生卻只能零碎地、片面地習(xí)得知識和能力，也不能舉一反三，將知識和能力聯(lián)系起來綜合運用。美國教育專家喬納森（David Jonassen）教授認為，利用建模工具幫助學(xué)生將抽象概念具象化，促使學(xué)生在建模的過程中積極地調(diào)整與修改自我的概念模型結(jié)構(gòu)，并通過多種形式的認知呈現(xiàn)，幫助學(xué)生豐富和拓展內(nèi)部的認知概念模型的意義。根據(jù)費曼學(xué)習(xí)法，“輸出式學(xué)習(xí)”（或輸入輸出相結(jié)合）的效果遠勝于單純的“輸入式學(xué)習(xí)”，這是由人腦生理結(jié)構(gòu)和思維特點決定的。教師要幫助學(xué)生快速構(gòu)建知識體系，需要必要的教學(xué)方法和工具。教師以模型思維組織教學(xué)內(nèi)容，做更容易被學(xué)生接受的教學(xué)設(shè)計；引導(dǎo)學(xué)生運用模型思維將所學(xué)知識重新建?！拜敵觥保瑢⑵沃R連接成閉環(huán)知識，從已學(xué)知識延伸至未學(xué)知識，將局部知識組合成整體知識。模型思維的運用有利于教師創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義課堂，也有利于學(xué)生快速建構(gòu)知識體系。

（二）為何將思維可視化

思維可視化指利用一系列圖示來展示學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)的過程和思路。在傳統(tǒng)思維產(chǎn)生和交流過程中，人們通常使用語言和文字，思維過程是不可見的。相較于傳統(tǒng)的思維過程，思維可視化更強調(diào)將內(nèi)在的思維展示出來，借助圖、符等更加鮮明的表現(xiàn)形式，用可視化方式表達，使之更加直觀和易懂。從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維角度來看，學(xué)生思維發(fā)展不僅僅依靠知識積累，更在于思維方法和過程。掌握如何獲取知識比獲取知識本身更重要。教師要將“看不見的”思維過程和方法清晰地呈現(xiàn)，這種思維可視化教學(xué)更有利于學(xué)生的理解和記憶，可以有效提高信息加工及信息傳遞的效能，讓教學(xué)過程更生動、更高效。教師引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用數(shù)字化工具對所學(xué)生物學(xué)知識進行可視化處理，有利于學(xué)生對原有知識的理解和記憶、加快對新生知識的學(xué)習(xí)和吸收。

二、方法：借助數(shù)字化建模工具快捷將思維可視化

生物學(xué)中的模型是生命世界在人們頭腦中簡化的反映，是人們認識生命世界和闡明生命活動原理的重要方式之一。高中生物學(xué)涉及的模型主要包括物理模型（如DNA的結(jié)構(gòu)模型）、數(shù)學(xué)模型（如種群數(shù)量增長模型）和概念模型（如血糖平衡的調(diào)節(jié)過程）3種。在數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧（DIKW）模型中，數(shù)據(jù)（data）到信息（information）的轉(zhuǎn)化需要更多地理解數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，信息到知識（knowledge）的理解需要更多地理解信息間的表達、傳遞、加工和更新等信息模式，知識到智慧（wisdom）的轉(zhuǎn)化更多的是理解知識法則。學(xué)生要想從大量零散的實驗數(shù)據(jù)或生物現(xiàn)象中提取信息，將信息演繹或歸納成生物學(xué)知識，并將知識內(nèi)化成個人智慧，關(guān)鍵是對獲取數(shù)據(jù)關(guān)系、信息模式和知識法則有深入理解；將數(shù)據(jù)、信息、知識之間的邏輯架構(gòu)和關(guān)系直觀形象地表示出來。此過程與應(yīng)用數(shù)字化工具建模的過程非常相似，也是思維可視化重要切入點。

針對不同的信息選擇不同的模型綜合處理，有利于學(xué)生快速對信息條理化、邏輯化、系統(tǒng)化進行學(xué)習(xí)，并逐步內(nèi)化。例如，當(dāng)前高中生物學(xué)課程沒有系統(tǒng)介紹病毒學(xué)基礎(chǔ)知識，學(xué)生對新冠病毒、流感病毒等的生理結(jié)構(gòu)、傳播規(guī)律也沒有深刻理解。教師可運用模型思維和配套數(shù)字化工具，拓展學(xué)生的認知邊界，引導(dǎo)他們與時俱進、學(xué)以致用，在原有的生物學(xué)科認知基礎(chǔ)上拓展、建構(gòu)病毒學(xué)入門知識。

（一）在概念模型中應(yīng)用思維導(dǎo)圖工具，梳理知識并結(jié)構(gòu)化呈現(xiàn)（實踐1）

概念模型一般通過概念圖的形式進行可視化表征。概念圖是康奈爾大學(xué)的諾瓦克博士根據(jù)奧蘇貝爾的“有意義學(xué)習(xí)理論”提出的一種教學(xué)技術(shù)。在數(shù)字化環(huán)境中，人們一般使用思維導(dǎo)圖類工具制作概念圖。以MindMaster軟件為例（操作風(fēng)格非常接近微軟的Office），用戶通過模板化的思維框架、拖拉式的簡易操作，可以將混亂的思路梳理清楚，從繁多信息中提煉重點，使抽象的思維圖像化，讓思考更有邏輯、有條理，也更有利于激發(fā)靈感。

高中生物學(xué)教材中沒有專門章節(jié)介紹病毒，而是分散呈現(xiàn)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生借助思維導(dǎo)圖類軟件工具重新組織知識，并按一定邏輯構(gòu)建知識圖譜（如圖1）。

繪制知識圖譜需注意以下5點。

一是關(guān)鍵詞要簡練：提取關(guān)鍵詞是主動對信息進行內(nèi)化和思考的過程，繪圖過程中要盡量運用能闡明關(guān)鍵概念的詞，而不是長句。

二是梳理邏輯結(jié)構(gòu)：運用金字塔結(jié)構(gòu)，對概念用分類、概括、類比、發(fā)散、聯(lián)系等方法進行梳理。

三是色彩要鮮明：用顏色區(qū)分不同的主題和信息。

四是用好圖像：在關(guān)鍵部分插入圖片以激發(fā)聯(lián)想，強調(diào)關(guān)鍵概念。

五是恰當(dāng)運用線條：用線條的樣式、走向來呈現(xiàn)思路。

教師引導(dǎo)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖作為學(xué)習(xí)工具，有利于促進學(xué)生主動建構(gòu)、自覺反思、整體把握知識結(jié)構(gòu)，形成獨立完善的認知能力，在加工內(nèi)化知識的過程中參與更多“有意義的學(xué)習(xí)活動”。

（二）在物理模型中應(yīng)用3D工具，立體化認知生物的生理結(jié)構(gòu)（實踐2）

課標(biāo)強調(diào)，以發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為宗旨，注重創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，開展工程學(xué)任務(wù)教學(xué)。當(dāng)前，3D建模和打印技術(shù)因其多學(xué)科的通用性和模型建構(gòu)的靈活性，其應(yīng)用為教師建構(gòu)模型，開展工程學(xué)教學(xué)提供了新的方法和途徑。教師借助一些簡單的3D工具指導(dǎo)學(xué)生建模，有助于培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力，提高數(shù)字素養(yǎng)。

目前在模型建構(gòu)教學(xué)中，普遍存在重形成具體化模型結(jié)果、輕建構(gòu)思維過程的現(xiàn)象，且由于教學(xué)資源缺乏，降低了教學(xué)中模型建構(gòu)的有效性。筆者觀察課堂教學(xué)中普遍使用的生物模型資源發(fā)現(xiàn)，無論是物理性呈現(xiàn)的標(biāo)本還是虛擬化的數(shù)字標(biāo)本，相當(dāng)一部分模型立體感和整體性不足。已有的3D打印生物模型多以靜態(tài)模型為主，存在結(jié)構(gòu)表征不當(dāng)?shù)葐栴}，不利于培養(yǎng)學(xué)生能力，甚至誤導(dǎo)學(xué)生。教師在教學(xué)中如何取得素材布設(shè)場景，筆者建議到網(wǎng)上3D模型素材庫里查找。例如，教師可以從網(wǎng)上下載新型冠狀病毒Sars-cov-23D模型，該模型支持不同3D軟件進行格式轉(zhuǎn)換，有的甚至可以直接打印或進行動畫展示。

（三）在數(shù)學(xué)模型中應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化工具，探究生物現(xiàn)象和規(guī)律（實踐3）

數(shù)學(xué)模型是用來描述一個系統(tǒng)或事件性質(zhì)的數(shù)學(xué)表達形式，對探究和揭示研究對象的本質(zhì)屬性和變化規(guī)律有獨特作用。課標(biāo)在教學(xué)與評價案例中指出：構(gòu)建數(shù)學(xué)模型是解決實際問題、探索客觀規(guī)律的有效途徑。其中“種群的數(shù)量變化”是高中生物學(xué)《生物與環(huán)境》中“種群及其動態(tài)”的內(nèi)容。課標(biāo)建議，“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動”，并給出了“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量動態(tài)變化”的建議活動，旨在落實高中生物學(xué)核心素養(yǎng)中關(guān)于培養(yǎng)“模型與建?！笨茖W(xué)思維和提升科學(xué)探究能力的要求。

數(shù)學(xué)模型一般分為曲線模型、集合模型、幾何模型、排列組合模型、函數(shù)模型、概率模型、公式模型7類，以圖表、坐標(biāo)曲線、邏輯圖等形式展現(xiàn)。建立生物數(shù)學(xué)模型需要解決3個基本問題：一是將實際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型；二是設(shè)計模型中的坐標(biāo)參數(shù)并標(biāo)記觀察到的數(shù)據(jù)；三是根據(jù)觀察數(shù)據(jù)對已建立的模型進行趨勢預(yù)判或擬合分析。例如，生態(tài)學(xué)的種群增長模型符合邏輯斯蒂方程（Logistic Equation），也適用于研究冠狀病毒感染人數(shù)變化趨勢，有人應(yīng)用GeoGebra軟件建模對各地冠狀病毒感染者數(shù)據(jù)做回歸分析并進行圖形化呈現(xiàn)（https：//www.geogebra.org/search/covid19）。

教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型過程中，如何引導(dǎo)學(xué)生將現(xiàn)實觀測記錄到的離散數(shù)據(jù)點通過合適的曲線進行表征？這就需要用到一些數(shù)據(jù)可視化工具了，比如GeoGebra這款動態(tài)數(shù)學(xué)軟件，非常適合繪圖計算、幾何作圖等，其內(nèi)置的統(tǒng)計數(shù)值分析模型能快捷地將數(shù)據(jù)表在二維坐標(biāo)中進行曲線擬合。教師可引導(dǎo)學(xué)生下載并分析各地官網(wǎng)發(fā)布的新冠疫情數(shù)據(jù)，導(dǎo)入GeoGebra軟件構(gòu)建種群數(shù)量“S形”增長的曲線來解釋新冠疫情快速增長的現(xiàn)象和我國防疫的對策，以培養(yǎng)學(xué)生透過事物現(xiàn)象揭示其本質(zhì)特性的洞察力及簡約嚴密的思維品質(zhì)，讓他們體驗由具體到抽象的思維模式轉(zhuǎn)化。

三、策略：以信息技術(shù)賦能模型思維可視化教學(xué)

教師結(jié)合新冠病毒感染情境教學(xué)實踐，綜合運用了3種模型。一是對病毒相關(guān)概念和知識點進行歸納和概括，基于大概念教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建新冠病毒知識樹。二是對新冠病毒結(jié)構(gòu)進行3D物理建模，讓學(xué)生深入了解病毒結(jié)構(gòu)和特征。三是對疫情數(shù)據(jù)進行建模和比對，演繹推理出傳染趨勢和特點。教師在這一系列思維可視化的教學(xué)過程中，加強互動，通過拓展訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性思維和批判性思維，對新冠病毒的發(fā)展趨勢和預(yù)防手段“大膽假設(shè)，小心求證”，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。筆者對信息技術(shù)賦能模型思維可視化教學(xué)過程中的目標(biāo)和方法進行分析，梳理如下（見表1）。

教師針對不同的教學(xué)情境和教學(xué)任務(wù)，對學(xué)生物理模型、數(shù)字模型、概念模型等思維培養(yǎng)過程，進行仿真、建模、可視化，可實現(xiàn)隱性思維顯性化，思維語言模式化，思維能力可遷移，有利于學(xué)生掌握科學(xué)知識，提升學(xué)生科學(xué)探究能力，培養(yǎng)科學(xué)情感態(tài)度，也為傳統(tǒng)生物學(xué)課堂教學(xué)改革提供新的思路和途徑。結(jié)合可視化技術(shù)的分類與特點，筆者對信息技術(shù)賦能模型思維可視化教學(xué)做了總結(jié)分析（如圖2）。

四、模型思維可視化探究式教學(xué)注意事項

課標(biāo)將學(xué)科核心素養(yǎng)水平從易到難劃分為四個層級，其中建模思維和可視化工具的運用處于科學(xué)思維、科學(xué)探究要素中最高的層級（第四層）。教師在應(yīng)用模型思維可視化教學(xué)法，組織學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)的過程中，要把握好以下兩點，避免教學(xué)內(nèi)容喧賓奪主，讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，影響整體教學(xué)效果。

（一）模型思維的培養(yǎng)要循序漸進，注重思維演繹歸納水平的提升

學(xué)生的認知發(fā)展是循序漸進、螺旋上升的。教師培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，需要注意廣度和深度。在模型建構(gòu)過程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生通過觀察或?qū)嶒炦M行歸納和演繹；引導(dǎo)學(xué)生運用已有知識進行假設(shè)、模擬，將復(fù)雜的事物進行簡化，抽象出其本質(zhì)屬性；將學(xué)生頭腦中抽象的概念具體化、形象化、可視化。三種模型建構(gòu)的思維難度有一定的差異：物理模型一般較具體，側(cè)重模擬，其難度體現(xiàn)在數(shù)字化的虛擬模型與實體的比較分析方面；數(shù)學(xué)模型較抽象，側(cè)重數(shù)形轉(zhuǎn)換分析，其難度體現(xiàn)在離散的數(shù)據(jù)測量和符合邏輯的曲線擬合方面；概念模型注重對知識歸納概括、思維框架的邏輯演繹。教師在教學(xué)過程中要結(jié)合建模的目標(biāo)和難易度，根據(jù)學(xué)生的思維能力和水平逐步培養(yǎng)學(xué)生的模型思維能力。學(xué)生在探索的過程中體驗?zāi)Ｐ徒?gòu)的成功與喜悅，有助于將模型方法和相關(guān)知識內(nèi)化，提升自身認知水平。

（二）可視化工具的應(yīng)用重在思維表達和知識建構(gòu)，不能唯技術(shù)

模型思維可視化的精髓在于模型的探索與發(fā)現(xiàn)過程中，學(xué)生如果不親身經(jīng)歷很難領(lǐng)悟建模的方法和關(guān)鍵要素。筆者列舉的三個建模案例中，選用的工具都是操作簡易的平臺化軟件，支持主流數(shù)據(jù)、資源的導(dǎo)入導(dǎo)出；所使用的素材在網(wǎng)上都能找到開放資源。師生對這些可視化工具的操作不必畏難，也不必花費大量時間在建模過程中，大幅減少師生學(xué)習(xí)軟件技術(shù)的成本。教學(xué)中教師通過下載合適的素材和資源，即可對相關(guān)教學(xué)模型“點點用、改改用、創(chuàng)創(chuàng)用”。因此，在可視化工具融合應(yīng)用于生物學(xué)教學(xué)過程中，教師除了向?qū)W生傳達事實信息之外，要注重見解、經(jīng)驗、態(tài)度、價值觀、期望、觀點、意見和預(yù)測等方面的交流，幫助學(xué)生更快地建構(gòu)、記憶、運用知識。也就是說，教師要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)，更要在建構(gòu)中實現(xiàn)行為與思維的統(tǒng)一，而不能將重點放在工具的技術(shù)研究上。

生物學(xué)是一門與現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系的自然科學(xué)，它與數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科是相互滲透、共同發(fā)展的，與人文社會學(xué)科是相互影響、相互促進的。教師運用模型思維可視化教學(xué)策略，有利于加強學(xué)科間的聯(lián)系，便于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)和思想方法，建立科學(xué)的生命觀并逐步形成正確的世界觀，從而促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

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（作者系廣東省中山市教育技術(shù)中心高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志