可視化工具助力高中生物學(xué)習(xí)題講評

在新課程改革背景下，高考生物學(xué)試題的綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性顯著提升，對學(xué)生的思維能力和問題解決能力提出了更高要求。然而，傳統(tǒng)的習(xí)題講評教學(xué)方式多以教師講授為主，學(xué)生參與度低。教師運(yùn)用可視化技術(shù)呈現(xiàn)思維結(jié)構(gòu)與路徑，能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和高階思維能力。筆者結(jié)合具體案例，探討在習(xí)題講評教學(xué)中運(yùn)用可視化技術(shù)的途徑與策略。

一、可視化工具的應(yīng)用價值

教師借助可視化工具以模型圖、流程圖等直觀形式解析習(xí)題中的知識關(guān)聯(lián)與情境邏輯，旨在降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷。利用可視化工具促進(jìn)思維顯性化，是將原本不可見的思維結(jié)構(gòu)、思考路徑及方法以圖示或圖示組合的方式呈現(xiàn)出來，使其清晰可見的過程[11。將可視化工具應(yīng)用于習(xí)題講評教學(xué)，能夠顯著提升教學(xué)效果，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（一）理解問題，發(fā)展思維

目前，高中生物學(xué)教學(xué)注重對學(xué)生問題解決能力和思維品質(zhì)的培養(yǎng)。教師利用流程圖、模型圖等可視化技術(shù)剖析習(xí)題（或考題）中的知識和情境，可使復(fù)雜情境更易理解，抽象思維過程變得直觀易懂。學(xué)生在應(yīng)用可視化方式重構(gòu)解題步驟的過程中，能夠更好地理解解題的過程與方法，進(jìn)而培養(yǎng)批判性思維和創(chuàng)造性思維。例如，在分析細(xì)胞代謝過程中的復(fù)雜反應(yīng)時，學(xué)生通過繪制流程圖可以清晰地看到各個反應(yīng)步驟之間的聯(lián)系，理解能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)的機(jī)制。這種可視化的方式不僅幫助學(xué)生掌握知識點(diǎn)，還培養(yǎng)了他們分析和解決問題的能力。

（二）重構(gòu)情境，促進(jìn)探究

生物學(xué)以實(shí)驗為基礎(chǔ)，實(shí)驗教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)的重要方面，也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。借助虛擬實(shí)驗平臺、交互式白板等方式，可以將文字信息轉(zhuǎn)化為圖示、動畫等形式，重構(gòu)教學(xué)情境和活動。學(xué)生在文圖轉(zhuǎn)化、模型建構(gòu)等過程中暴露、分享并解決問題，促進(jìn)了信息獲取與加工、批判性思維等能力的發(fā)展。例如，在學(xué)習(xí)植物的光合作用時，教師可以借助虛擬實(shí)驗平臺讓學(xué)生模擬不同光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度下的光合作用過程，觀察實(shí)驗結(jié)果，分析數(shù)據(jù)，從而深人理解光合作用的影響因素。這種互動式的學(xué)習(xí)方式不僅提高了學(xué)生實(shí)驗操作技能，還培養(yǎng)了他們的科學(xué)探究精神。

（三）參與教學(xué)，增強(qiáng)體驗

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，人是積極主動的學(xué)習(xí)主體，而非被動接受知識的對象。思維可視化鼓勵學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)過程，以討論和協(xié)作的方式，在與他人的交往中學(xué)習(xí)，從教師與同學(xué)的交流中獲得信心，體驗成功，進(jìn)而積極迎接更多挑戰(zhàn)[2]。例如，在小組討論中，學(xué)生可以利用概念圖共同梳理知識，分享各自的理解和見解。這種協(xié)作學(xué)習(xí)的方式不僅提高了學(xué)習(xí)效率，還增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力。

二、可視化工具助力學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)策略

科學(xué)思維是高中生物學(xué)重要的學(xué)科核心素養(yǎng)，涵蓋歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等思維能力。教師可通過圖解、模型、動畫及互動軟件等多種手段，將學(xué)生的思維過程及其結(jié)果可視化，培養(yǎng)和評估學(xué)生的科學(xué)思維能力。

（一）維恩圖：生物特征比較的簡易工具

維恩圖用于展示不同概念或集合間的關(guān)系，在生物學(xué)教學(xué)中具有重要應(yīng)用價值。教師可指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)共同和獨(dú)特特征對不同物種或類別進(jìn)行分類比較，發(fā)展比較思維能力。以2024年高考北京卷中關(guān)于大腸桿菌和水綿共同點(diǎn)的題目（選編，見案例1）為例，教師可以先展示大腸桿菌和水綿的亞顯微結(jié)構(gòu)示意圖，指導(dǎo)學(xué)生歸納這兩種生物的結(jié)構(gòu)和代謝特點(diǎn)，如細(xì)胞結(jié)構(gòu)、呼吸方式、是否進(jìn)行光合作用等，再指導(dǎo)學(xué)生用維恩圖進(jìn)行分析（如圖1）。教師可將其作為習(xí)題進(jìn)行圖解式講評，讓學(xué)生直觀看到兩者的共同點(diǎn)，加深了他們對原核生物和真核生物特征的理解。教師可利用多媒體技術(shù)展示維恩圖動態(tài)變化過程，幫助學(xué)生更好地理解生物間的關(guān)系，提高學(xué)習(xí)效率。

圖1應(yīng)用維恩圖進(jìn)行生物特征比較的示意圖

【案例1】關(guān)于大腸桿菌和水綿的共同點(diǎn)，以下表述正確的是。

A.都是真核生物

B.能量代謝都發(fā)生在細(xì)胞器中

C.都能進(jìn)行光合作用

D.都具有核糖體

（二）概念圖：知識體系重構(gòu)的協(xié)作路徑

概念圖在生物學(xué)教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。教師在習(xí)題講評中使用概念圖整合知識點(diǎn)，可以形成系統(tǒng)化的知識結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的歸納與概括能力，促進(jìn)學(xué)生對知識的深入理解和應(yīng)用。以2024年高考廣東卷中關(guān)于技術(shù)進(jìn)步與科學(xué)發(fā)現(xiàn)之間促進(jìn)關(guān)系的題目（見案例2）為例，教師可根據(jù)學(xué)生能力水平設(shè)計課前任務(wù)，如提供相關(guān)技術(shù)微視頻、導(dǎo)圖支架等，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)后繪制或拖動詞匯完善概念圖。講評時，教師先借助電子白板讓學(xué)生展示構(gòu)建的概念圖，分享構(gòu)建思路，再討論交流，共同完善概念圖。這種方法使知識以系統(tǒng)化、直觀化的形式展現(xiàn)，既能提升學(xué)生語言組織與表達(dá)能力，又有助于把握學(xué)生的思維脈絡(luò)。

【案例2】關(guān)于技術(shù)進(jìn)步與科學(xué)發(fā)現(xiàn)之間的促進(jìn)關(guān)系，下列敘述正確的是。

A.電子顯微鏡的發(fā)明促進(jìn)了細(xì)胞學(xué)說的提出B.差速離心法的應(yīng)用促進(jìn)了對細(xì)胞器的認(rèn)識C.光合作用的解析促進(jìn)花期控制技術(shù)的成熟D.RNA聚合酶的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了PCR技術(shù)的發(fā)明

（三）流程圖：生理機(jī)制推演的動態(tài)展示

流程圖是生物學(xué)教材中常見的圖示形式，能直觀展示生命過程和相關(guān)概念。教師整合多媒體平臺和信息技術(shù)，可為學(xué)生提供動態(tài)展示流程變化的平臺，有助于深入理解生理過程的動態(tài)特性，提升演繹推理能力。以2024年高考廣東卷中關(guān)于甲狀腺激素分泌異常的題目（見案例3）為例，教師可設(shè)計有難度梯度的學(xué)習(xí)任務(wù)：先讓學(xué)生提取試題中下丘腦、垂體、TSH等關(guān)鍵詞，再引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建流程圖，最后指導(dǎo)學(xué)生在希沃白板中拖曳圖形，推理甲狀腺激素的分泌調(diào)節(jié)過程（如圖2）。在操作過程中，學(xué)生思維外顯，教師能夠更好地評價學(xué)生對該部分知識的理解水平，據(jù)此可實(shí)施針對性教學(xué)。

【案例3】某患者甲狀腺激素分泌不足。經(jīng)診斷，醫(yī)生建議采用激素治療。下列敘述錯誤的是。

圖2應(yīng)用流程圖推演甲狀腺激素分泌的調(diào)節(jié)過程示意圖

A.若該患者血液TSH水平低于正常值，可能是垂體功能異常B.若該患者血液TSH水平高于正常，可能是甲狀腺功能異常C.使用甲狀腺激素進(jìn)行治療可恢復(fù)患者甲狀腺的分泌功能D.檢測血液中相關(guān)激素水平可評估治療效果注：不同顏色、形狀的圖形代表不同激素，學(xué)生在交互式電子白板中拖曳圖形，推理甲狀腺激素的分泌調(diào)節(jié)過程。

（四）模型圖：抽象概念的具象化解析

生物學(xué)高考試題常融人最新研究成果和概念，要求考生準(zhǔn)確理解文字描述并應(yīng)用所學(xué)知識解決問題。模型圖作為有效的教學(xué)輔助工具，能支撐教與學(xué)的過程，幫助學(xué)生快速掌握抽象概念，發(fā)展科學(xué)思維和探究能力。以2024年高考廣東卷中關(guān)于腫瘤治療的題目（見案例4）為例，教師可先指導(dǎo)學(xué)生閱讀文字，再結(jié)合文字理解繪制腫瘤細(xì)胞模型圖和細(xì)胞毒性T細(xì)胞模型圖（如圖3至圖5）。最后，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合模型圖和免疫學(xué)相關(guān)知識，判斷各藥物設(shè)計方案的可行性，并說明理由。其間，教師還可巡查了解學(xué)生繪圖的情況，進(jìn)行個別指導(dǎo)或借助多媒體平臺展示共性問題，指導(dǎo)學(xué)生互相改進(jìn)。借助模型圖的構(gòu)建，不僅使抽象機(jī)理得以直觀展示，而且讓學(xué)生的信息獲取與加工、邏輯推理及思維建模等能力得以提升。

圖3腫瘤細(xì)胞和細(xì)胞毒性T細(xì)胞模型

【案例4】某些腫瘤細(xì)胞表面的 PD-L1 與細(xì)胞毒性T細(xì)胞（CTL）表面的 PD-1 結(jié)合能抑制CTL的免疫活性，導(dǎo)致腫瘤免疫逃逸。免疫檢查點(diǎn)療法使用單克隆抗體阻斷PD-L1和PD-1的結(jié)合，可恢復(fù)CTL的活性，用于腫瘤治療。為進(jìn)一步提高療效，研究者以黑色素瘤模型小鼠為材料，開展該療法與化療的聯(lián)合治療研究。某興趣小組基于現(xiàn)有抗體一藥物偶聯(lián)物的思路提出了兩種藥物設(shè)計方案。方案一：將化療藥物與PD-L1單克隆抗體結(jié)合在一起。方案二：將化療藥物與 PD-1 單克隆抗體結(jié)合在一起。你認(rèn)為方案 （填“一”或“二”）可行，理由是

圖4治療方案一示意圖

圖5治療方案二示意圖

三、虛擬實(shí)驗平臺在科學(xué)探究能力培養(yǎng)中的應(yīng)用

科學(xué)探究是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的有效途徑，也是高考生物學(xué)考查的重點(diǎn)方向之一?？茖W(xué)探究能力考查包括設(shè)計實(shí)驗方案、優(yōu)化實(shí)驗程序、分析實(shí)驗結(jié)果等多個方面。教師和學(xué)生在應(yīng)對這類習(xí)題（或考題）時面臨諸多挑戰(zhàn)。教師可利用虛擬實(shí)驗平臺和交互式白板等技術(shù)工具，重現(xiàn)關(guān)鍵實(shí)驗或重組實(shí)驗元素，為學(xué)生提供直觀、互動、探究式的學(xué)習(xí)環(huán)境，提升科學(xué)素養(yǎng)和研究能力。

（一）虛擬實(shí)驗平臺：實(shí)驗操作的仿真訓(xùn)練

受限于條件和時間，實(shí)驗教學(xué)中教師常以視頻和PPT展示替代學(xué)生實(shí)驗探究，導(dǎo)致學(xué)生因操作能力不足而探究不深人。在講評習(xí)題時，教師可利用虛擬實(shí)驗平臺克服實(shí)驗教學(xué)困難。以2024年高考廣東卷中關(guān)于銀香綠葉和黃葉中所含的色素差別的題目（見案例5）為例，教師可利用中央電化教育館虛擬實(shí)驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗平臺等平臺及資源，開展實(shí)驗操作的仿真訓(xùn)練。教師可先引導(dǎo)學(xué)生模擬實(shí)驗操作，再探討各操作步驟的意義，并通過微視頻展示錯誤操作導(dǎo)致的結(jié)果，最后歸納總結(jié)明確實(shí)驗原理和操作步驟。教師運(yùn)用這種方法教學(xué)可以使學(xué)生暴露在實(shí)驗操作中存在的問題，發(fā)現(xiàn)思維障礙，加深學(xué)生對實(shí)驗的理解，培養(yǎng)他們的科學(xué)探究精神和創(chuàng)新能力。

【案例5】銀杏是我國特有的珍稀植物，其葉片變黃后極具觀賞價值。某同學(xué)用紙層析法探究銀杏綠葉和黃葉中所含色素的差別，下列實(shí)驗操作正確的是。

A.選擇新鮮程度不同的葉片混合研磨B.研磨時用水補(bǔ)充損失的提取液C.將兩組濾紙條置于同一燒杯中層析D.用過的層析液直接倒入下水道

（二）多媒體交互工具：實(shí)驗設(shè)計的動態(tài)優(yōu)化

隨著交互式電子白板等多媒體平臺的普及，教師獲得了更多工具來增強(qiáng)教學(xué)互動性和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。在講評實(shí)驗類習(xí)題時，教師可利用多媒體平臺展示實(shí)驗關(guān)鍵要素，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗并模擬操作，組織學(xué)生評價實(shí)驗方案，促進(jìn)學(xué)生高階能力的發(fā)展。以2024年高考廣東卷中關(guān)于水體生態(tài)恢復(fù)的題目（選編，見案例6）為例，教師可呈現(xiàn)實(shí)驗情境，提供黑藻、臺燈、魚缸等實(shí)驗要素，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計完整的實(shí)驗步驟。隨后學(xué)生在平臺上拖動金魚藻等素材呈現(xiàn)實(shí)驗設(shè)計，教師還可組織學(xué)生討論交流并評價實(shí)驗操作和方案。運(yùn)用這種方法，學(xué)生在控制變量、設(shè)計對照實(shí)驗等方面的發(fā)展?fàn)顩r可以直觀地展現(xiàn)出來。同時，這種互動式學(xué)習(xí)方式還可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和問題解決能力。

【案例6】某湖泊正處于重度富營養(yǎng)化狀態(tài)，水面漂浮著大量浮游藻類。管理部門采取控源、清淤、換水以及引種沉水植物等手段，實(shí)現(xiàn)水體生態(tài)恢復(fù)。多媒體平臺呈現(xiàn)了引種的3種多年生草本沉水植物（ ① 金魚藻、 ② 黑藻、 ③ 苦草，答題時植物名稱可用對應(yīng)序號表示）在不同光照強(qiáng)度下的光合速率及水質(zhì)凈化能力情況。上述3種草本沉水植物中，只有黑藻具有 C₄ 光合作用途徑（濃縮 CO₂ 形成高濃度 C₄ 后，再分解成 CO₂ 傳遞給 C₅ ），使其在 CO₂ 受限的水體中仍可有效地進(jìn)行光合作用，在水生植物群落中競爭力較強(qiáng)。為設(shè)計一個簡單的實(shí)驗方案，驗證黑藻的碳濃縮優(yōu)勢，請完成下列填空任務(wù)，完善實(shí)驗設(shè)計方案（見表1）。

表1實(shí)驗設(shè)計方案

在新課程改革背景下，教師需更新教育觀念，豐富教學(xué)方式，推動教學(xué)從知識記憶向素養(yǎng)提升轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生健康全面發(fā)展。信息技術(shù)和智能教學(xué)系統(tǒng)等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展為習(xí)題講評教學(xué)帶來新的可能。教師運(yùn)用維恩圖、概念圖等思維可視化技術(shù)改進(jìn)習(xí)題講評教學(xué)，顯示出顯著價值。筆者基于傳統(tǒng)要素開展了數(shù)字化教學(xué)，提升了學(xué)生的思維能力，要實(shí)現(xiàn)對學(xué)生新型能力的全面培養(yǎng)，還需繼續(xù)探索。

注：本文系廣東省2025年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計劃重大項目“核心素養(yǎng)視域下高中生物課堂結(jié)構(gòu)化邏輯教學(xué)模式與策略研究”（編號：2025DQJK73）、惠州市2024年基礎(chǔ)教育教育科研項目“新課標(biāo)背景下高中生物學(xué)校本實(shí)驗課程開發(fā)與應(yīng)用的研究”（編號：2023hzkt105）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉濯源.思維可視化：減負(fù)增效的新支點(diǎn)[J].中小學(xué)管理，2014（6）：10-13.

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（作者系廣東省惠州市惠東榮超中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志