高中生物教学中“思维可视化”的实践应用策略

摘要：“思维可视化”是一个重要的思维教学工具。在教师的引导下学生使用不同符号，如语言、图画、图表、反应式、流程图等构建概念体系，这样学生的思维过程和方法就能清晰地呈现出来，即为思维可视化。它不仅可以将抽象难懂的生物概念直观地展现出来，更可以将碎片生物知识系统化，方便学生的理解与分析。本文以高中生物为研究对象，首先简述了思维可视化和生物教学的特点，然后明确了高中生物开展思维可视化教学的意义与可行性，最后以课堂教学实例从利用思维导图、概念图、多种表征符号的思维可视化工具及多媒体等方面，阐述思维可视化在高中生物课堂教学中的应用。关键词：高中生物；思维可视化；实践思维是对事物本质或事物间关系进行反应的一种认知力，是学生生物学习的一个重要元素。传统的生物教学以知识教学为主，往往忽视了学生思维的发展。中国现代教育专家成尚荣先生指出：“让学习真正发生的实质是让思想真正发生，让学习看得见的实质是让思维看得见。”本文所指的思维是思考的过程，是学生可以看清的事物分析的过程。这不仅提升了学生对生物知识的理解力、接受力，而且强化了学生的记忆力、想象力，有助于学生生物综合能力的提升，从而促进学生生物核心素养的发展[1]。一、思维可视化将抽象的事物与过程转换为图形、图像、语言等形象化的表示过程，都可以称为“可视化”。思维可视化是隐性思维的直接体现，通过将人脑思维过程具象化地展现出来，让看不到的思维有迹可循。思维可视化在生物课堂的应用，不仅可以深化学生对知识的理解，而且能强化学生的记忆，很好地规避学生学了后面忘记前面的问题。加强思维可视化在生物教学的应用，不仅发散了学生的思维，而且在学生的自我思考与分析中，实现了低阶思维向高阶思维的发展。思维可视化不仅仅是前沿的教育热词，更是撬动深度学习及素养发展型教学的新模式。思维可视化教学的开展，将教学聚焦到了学生思维发展层面，教学过程应该强调思维发展，将学生思维能力培养作为教育核心任务，形成一种能终身获益的学习方法与技能；帮助学生理解知识、建构概念，建立完整的知识体系并积极运用，实现学科育人价值。本文探索通过“字—图—形”等多重表征符号的设计，让具象的视觉美感落实抽象的学习策略，通过掌握思维可视化技巧，让学生思维得以提升。二、高中生物课程的特点生物是高中阶段的一门基础学科，生物学知识主要由概念、原理、规律、理论等组成，而原理、规律和理论往往是由若干概念通过一定关系构成的。围绕学科的核心概念组织课堂教学能促使学生超越对零散事实的记忆，达成对知识的深层理解。《普通高中生物学课程标准》的四大理念之一就是“内容聚焦大概念”。可以说，重视概念的教学、为理解而教已经成为当今科学教育发展的大趋势。高中生物教材内的核心概念淡化了细枝末节，如果教师还是“灌输式”的教学方法，就很难让学生真正地理解和把握，从而陷入了学习的误区。基于《普通高中生物学课程标准》对学生核心素养的培养要求，考虑到高中生物知识的特点，利用可视化工具开展思维可视化教学模式，可以帮助教师解决在传统课堂上无法很好处理的难点，也帮助学生把学习过程中的问题以各种更直观的表征可视化。三、高中生物开展思维可视化教学的意义与可行性（一）教学意义1.激发学生的生物学习兴趣学生的学习兴趣影响着学生的生物学习效果。学生只有对生物知识产生兴趣，才会主动参与到课堂学习中来，才会想尽一切方法弄懂它。而思维可视化教学的开展，通过用思维导图、图像、动画、板画、教具、动作和其他可视化工具的方式将知识展现出来，激活了学生的学习热情，再通过参与教师设定的问题的探究，可以让学生真切地感悟到生物的魅力。2.帮助学生构建系统化的知识体系高中生物教材概念繁多且较为抽象，学生难以真正地理解。思维可视化教学的开展，不仅将抽象的知识生动地展现出来，而且还帮助学生把握了知识点间的关系，有助于学生对生物学原理的理解，有助于学生知识应用力地提升。3.培养学生的科学思维力培养高中生的科学思维是新课标明确的一项要求，不仅可以深化学生对生物知识的理解，还有助于学生求真、严谨科学态度地树立。可视化思维工具的应用，会根据学生的基本情况设计相应的教学方案，指引着学生一步步地探究，从而促进学生观察、归纳等科学思维力的发展。（二）可行性思维可视化教学模式及思维可视化工具在生物教学中推广是否可行呢？本文将从以下几个方面对这一问题做出解答。1.高中生与思维可视化工具有很强的适配性随着学习经验的不断增加，高中生的思维能力得到了一定的发展，他们已经从最初的理解、记忆知识向着重构和应用知识的视角深入，所以完全适用思维可视化这一全新的教学工具[2]。2.提升高中生物教学质量通过对心理学家提出的7/38/55定律的分析可以知道，在信息传递的效果贡献中，词语占到了7%，有声语言占到了38%，而视觉化的体验语言则占到了55%。另外，双重编码理论认为，将视觉和语言融合起来展现信息，可以降低学生对抽象知识的理解难度，同样让学生的思维得到有效地锻炼。思维可视化工具的应用，可以将知识点间的关系直观地展现出来，通过学生的分析把握知识点间的联系，有效提升了学生的学习效率。3.与新课标明确的核心素养要求相适应思维可视化工具以高效的方式传递着信息，关键是能解决学生学习浅显、思维发展不足的问题，有助于学生深度学习的发生。而且将学生的思维发展作为教育的核心，优化教育教学，可以很好地满足新课标提倡的促进学生核心素养发展的要求。四、高中生物教学中思维可视化的实践应用策略思维可视化教学的开展，不仅将知识的形成过程再现了出来，而且帮助学生建立了系统的知识体系，更让学生在可视化的学习中体会到了生物的魅力，培养了学生的观察、推理、归纳等生物能力。（一）利用思维导图，让概念形成过程思维可视化思维导图是新课标下发展起来的一个重要教学工具，它以图文的方式展现人的思维过程，从而直观展现知识间的关系，实现学生开放、综合思维的发展。如在生物教学开展中，教师在明确教学目标、学生基本学情的基础上，利用思维导图展现知识，不仅让学生准确把握了复杂的生物知识，而且减轻了学生的学习压力，最关键的是从根本上提升了学生的生物学习效果。因此在当下的生物教学中，教师要把握住思维导图的功能与优势，灵活采用思维导图展现生物知识，从而帮助学生把握生物知识间的关系。例如，在新课教学《细胞的物质输入和输出》这一单元的学习中，为了帮助学生把握物质跨膜运输的几种方式，帮助学生构建起系统化的知识体系。教师利用思维导图展现了本节内容，首先，教师明确核心关键词“物质的输入和输出”，然后在二级分支上写下小分子和离子、大分子和颗粒这两个关键词，再分别在第三级分支写下被动运输、主动运输、胞吞、胞吐，依次向下进行逐级呈现几种物质运输方式在浓度、能量供应和转运蛋白协助等方面的区别和相同点，系统的知识体系就展现在了大家的面前，避免了学生学习和记忆知识时出现混淆的现象，保证了学生的学习效果。（二）利用多种表征符号，开展思维可视化教学通过某种符号系统或模型来表示或呈现某个对象、概念、事物或现象的方式称为表征。表征可以是多种形式，如语言、图像、符号、流程图等。本人在教学实践中探索出思维可视化的教学模式如下。课前练习反馈：问题暴露、呈现学情—课中1.概念形成：基础复习、建构网络。2.概念巩固：图文转化、文字表达。3.概念升华：补充拓展、深化概念。4.概念应用：形成模型、解决问题。课后概念整理：巩固练习、评价反思。以高三一轮复习的《基因的表达和调控》为例。课前练习反馈：设计基础练习，从基因表达两个阶段的模板、原料、能量、酶、特点等方面检测学生的掌握情况，获取学情反馈。课中1.概念形成：用概念图构建DNA—RNA—蛋白质的遗传信息流关系图解进行基础复习，可以用板画呈现知识网络；2.概念巩固：设计课堂练习，引导学生审题读图，进行图文转换和文字表达，利用图形和文字实现思维可视化，深化对概念的理解。3.概念升华：补充基因的结构和基因表达的调控内容来扩展概念，如大肠杆菌乳糖操纵子，帮助学生深入理解概念，课堂上侧重让学生通过语言表达，实现思维可视化。4.概念应用：以“油菜的中间代谢产物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的两条代谢途径培育高油油菜”为例，提问①科研人员培育高油油菜的思路是什么？②抑制PEP转化生成蛋白质相关酶合成的方法是什么？③基因工程中反义基因如何制作？让学生在读图分析—阐述原理—解决问题—概念延伸的思维探索模式中参与构建概念形成解题模型，获得学习的成就感。课后概念整理：通过练习训练学生学习“基因表达”时的思维可视化模式应用，了解学生的概念掌握情况，借此可以师生共同进行双向评价和反思。（三）合理使用多媒体，助力可视化教学多媒体技术的应用不仅丰富了枯燥的生物课堂，而且保证了生物教学效果。多媒体技术可以将枯燥的知识直观展现出来，能解决微观概念抽象性的难题，而且保证了教学效果。例如，在《基因指导蛋白质的合成》一节内容的教学中，教师借助多媒体的动画功能为学生展示基因指导蛋白质合成的动画视频，同时以问题串引导学生思考，再让学生复述基因表达两个阶段的过程，实现图文转换，最后带着学生利用板画呈现DNA、mRNA、蛋白质、tRNA、密码子、反密码子和核糖体的关系图解，教师不必一遍遍地语言重复，学生也在观看动画视频和参与问题解决的过程中获得知识，学生不懂的点只要认真分析思考即可掌握，有效提升了学生的学习效率。又如《细胞的能量“货币”ATP》一节，展示ATP为钙离子主动运输供能的动画，引导学生思考并回答①该载体蛋白具有哪些功能？②ATP如何为主动运输供能？学生尝试把动画内容用图解的形式展示出来“钙离子与载体蛋白结合—激活该载体的ATP酶活性—ATP水解，载体蛋白磷酸化—载体蛋白空间结构改变，钙离子的结合位点转向膜外—钙离子释放到膜外”。同时也解决了问题①该载体具有转运和催化两种功能；②ATP水解后，分子末端的磷酸基团脱离下来与载体结合，伴随着能量的转移驱动钙离子逆浓度转运。（四）巧用概念图，开展思维可视化教学概念图是用节点表示概念、用连线及其连接词表示关系的一种图示方法。概念图是知识与知识之间的关系图形化表征，也是思维可视化的表征，它被认为有助于创意发想，具有清晰性，利于理解和记忆。高中生物概念很多，复杂的概念更是不在少数。在生物概念教学中，教师积极优化生物教学方法，充分了解概念图的使用方法，并将其合理地应用于教学之中，让学生对生物知识的关系有基本的了解。在课堂教学开展中，教师可以根据章节内容中生物概念间的关系提前制作好概念图发布给学生，也可以一边授课，一边指导学生绘制，试图通过从浅到深的方式帮助学生把握生物概念。例如，以《走进细胞》为主题，必修1第1～3章为知识载体，绘制概念图。教师向学生提出要求，如需要包括含“原核细胞、真核细胞、细胞壁、细胞膜（流动镶嵌模型、糖被）、细胞质（细胞质基质、细胞器）、细胞核（核膜、核仁、染色体、染色质）、生物膜系统”等关键词，然后指导学生以此为“细胞”核心进行绘制，学生跟随教师的讲述不断完善概念图，最终形成了关于本节知识的清晰脉络，达到了最佳的教学效果。概念图在复习课中的应用不仅可以促使学生有效整合所学知识，帮助学生查缺补漏，还能给学生以新的感悟和启发。有时，学生可能因为同一概念产生认知冲突，而在解决认知冲突的过程中就需要重建知识框架，这就能激发学生更加深入挖掘知识的关联。教师在组织生物复习活动的过程中，也可以使用概念图将章节内知识点间的关系展现出来，一来让学生对知识关系有整体把握，二来引导学生反思自己学习中的不足，大幅提升了学生的复习效率。例如，在选择性必修1的《人体的内环境和稳态》的复习课上，教师可以利用“内环境”和“稳态”两个核心概念引导学生绘制出相关的知识联系，通过对内环境的“组成成分、理化性质”和稳态的“调节机制、意义”等内容的概念图解，而学生在解决“组织水肿与渗透压”的关系时，教师可以引入“原尿渗透压与糖尿病多尿”的问题引导学生解决“糖尿病患者血糖浓度高为什么还会多尿”的认知冲突，从而实现复习课