思維可視化應(yīng)用在高中生物學(xué)課堂中的探索與實踐

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、解決問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，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)，促進學(xué)生對知識的理解和內(nèi)化。動畫視頻、實體模型、思維導(dǎo)圖等是實現(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，從而順利構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識體系。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)知識變得具體，幫助學(xué)生突破認知局限，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“細胞的生命歷程”第1節(jié)“細胞的增殖”重點闡述了有絲分裂的基本過程、特點和意義。高一年級的學(xué)生大都已經(jīng)知道細胞可以通過分裂產(chǎn)生新細胞，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)細胞增殖；而且，他們在學(xué)習(xí)必修1第3章第3節(jié)時大都已經(jīng)初步了解染色體在細胞分裂時的形態(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，對于有絲分裂各時期特點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)生的感性認識，幫助學(xué)生理解各個知識點。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，里面藏著個體發(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，再從兩個變成四個、八個，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)細胞團變成各種組織，胚胎漸漸有了雛形，心臟開始跳動，血管遍布全身，四肢開始生長，五官逐漸清晰。最后，一個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)覺生命的誕生是細胞不斷分裂和分化的結(jié)果，對細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，推測象的細胞與鼠的細胞的大小，以及它們的體形相去懸殊的主要原因，思考“生物體的長大，是靠細胞數(shù)量的增多還是靠細胞體積的增大？”這一問題。在圖文的輔助下，學(xué)生很快就掌握了細胞增殖的概念、意義、特點。

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

例如，人教版生物學(xué)必修1第3章“細胞的基本結(jié)構(gòu)”第2節(jié)“細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胞質(zhì)的流動等探究實踐活動，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力；通過分析細胞器的功能和相互關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。涉及的知識點主要有：各種細胞器（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，細胞器的協(xié)同工作機制。該節(jié)的知識點多且具有一定難度，在教學(xué)時可以組織學(xué)生對教材的相應(yīng)內(nèi)容進行閱讀，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，教師要鼓勵學(xué)生除仔細研讀教材外，還可依托科普視頻、學(xué)術(shù)文章等多種輔助資料，圍繞各種細胞器進行系統(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，針對學(xué)生在梳理細胞器的相關(guān)概念時產(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“雙層膜細胞器”“單層膜細胞器”“無膜細胞器”三個分支概念。第三步，對每個分支概念進行細分，標(biāo)注出相應(yīng)的細胞器的功能。如屬于雙層膜細胞器的線粒體和葉綠體的功能分別是細胞進行有氧呼吸的主要場所、綠色植物進行光合作用的場所。同時，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)的知識進行分類、歸納和總結(jié)，理解知識點之間的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建完整的知識體系。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，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)時快速回顧整節(jié)的內(nèi)容，查漏補缺，鞏固所學(xué)知識。

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)生將碎片化知識進行整合，從而更有效地掌握知識。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”第1節(jié)“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成”的主要知識點是遺傳信息的轉(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，以及認識三種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)計體現(xiàn)知識點之間關(guān)聯(lián)的問題串，開展實踐活動，幫助學(xué)生在比較、總結(jié)中化解難點。如在探究“遺傳信息的翻譯”時，結(jié)合“mRNA經(jīng)核孔進入細胞質(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個堿基決定1個氨基酸，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個堿基決定1個氨基酸，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個堿基決定1個氨基酸，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驗證實1個氨基酸由3個相鄰的堿基（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，如果單純進行理論解釋，學(xué)生往往難以接受，教學(xué)效果也會大打折扣；而如果根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容合理設(shè)計圖表，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，能促使學(xué)生主動建構(gòu)知識體系，并自覺進行反思，形成較強的認知能力，提高學(xué)習(xí)效率。

四、繪制思維導(dǎo)圖，提高認知程度

思維導(dǎo)圖是圍繞一個核心主題，通過分支將相關(guān)的知識點逐一呈現(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)知識進行系統(tǒng)梳理，在使思維可視化的過程中將新知識融入已有的認知結(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，教師鉆研教材，確定教學(xué)重點和難點，理清知識點之間的層級關(guān)系。在教學(xué)時，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)知識點。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）”“免疫缺陷?。ㄟ^弱）”；對于第三層級，在設(shè)計“過敏反應(yīng)”對應(yīng)的內(nèi)容時，列出“定義”“癥狀”“特點”“預(yù)防措施”；對于第四層級，在設(shè)計“癥狀”對應(yīng)的內(nèi)容時，列出“毛細血管擴張”“血管壁通透性增強”“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，合理地進行評價，對發(fā)現(xiàn)的問題及時進行更正。如：有的小組發(fā)現(xiàn)本組的思維導(dǎo)圖中遺漏了一個知識點，意識到本組在圈畫知識點時存在疏忽，于是加深對這個知識點的理解與記憶；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)動視覺感官，能夠?qū)⒊橄蟮乃季S路徑、思考方法以及知識間的關(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】

［1］朱靈君．思維可視化在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J].中學(xué)生物教學(xué)，2024（25）：26-29.

[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.