运用可视化思维模型　提高学科教学效能

［摘 要］可视化思维模型，按照不同的划分方式可分为四种或者七种模型。可视化思维模型在生物学复习中有着广泛的应用，其在生物解题中同样适用。可视化思维模型是非常得力的学习工具和教学工具，它不仅可以帮助学生储存更多的学科知识以及准确记忆学科知识，还可以帮助教师更加宏观地审视信息、分析信息，有效提高教学效能。在高中生物学教学中，教师应引导学生运用思维导图、鱼骨图、组织结构图等不同的可视化思维模型进行知识梳理，从而有效提高生物学教学效能。

［关键词］可视化思维；模型；教学效能

［中图分类号］ G633.91 ［文献标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）32-0079-04

可视化思维就是我们常说的思维可视化，它是指运用一系列图示或图示组合把本来不可视的思维呈现出来，使其清晰可见的过程。曾获得“世界记忆大师”称号的吴帝德曾在《超实用记忆力训练法》一书中说道：“如果你想要在一次宴会上记住几个新认识的朋友的姓氏，比如说有位姓蒋的先生，‘蒋’字本身除表示姓氏外再无其他含义，而人类的大脑对于无意义的事物很难记得住，那么怎么才能一下子记住呢？只需在脑海中想象一个画面，就是这个人手里拿了张‘奖状’笑呵呵地走向你，这样一来就会大大加深你对这个人的印象。”由此可见，可视化思维能化无形为有形，是非常好的学习工具。

可视化思维目前在数学学科教学中应用较多，它可以使数学思维层层递进，让解题过程中的逻辑推理有章可循。其实，可视化思维在高中生物学科教学中也同样适用。在高中生物学教学中根据不同的教学内容运用可视化思维，往往会取得事半功倍的效果。

可视化思维有几种模型呢？按照不同的划分方式，有人分为四种，分别是放射状规整、层次化规整、线性化规整和矩阵式规整。也有人分为七种，分别是思维导图、鱼骨图、组织结构图、流程图、甘特图、时间轴以及矩阵图。后一种划分方式更精细、边界也更清晰。

本文就如何运用可视化思维模型来梳理知识从而提高教学效能谈谈几点看法。

一、运用思维导图进行知识梳理

思维导图也可以归类为放射状规整模型。思维导图一般是由一个核心概念出发，向四周发散，形成几个次要概念，再以每个次要概念为核心继续向四周发散，进而形成三级概念，以此类推，形成一个放射状的立体结构。这好比人的气管，气管经分支形成支气管，支气管再分支形成细支气管，细支气管还可以再形成分支图，直到不能再分。思维导图一眼看去就像一棵大树，所以也叫树状分支图。思维导图的每一个节点都有一个概念做支撑，直到调动所有相关知识充实完整，形成知识网络。思维导图对生物学科的阶段性复习非常有帮助。生物虽是实验学科，但相对物理和化学而言，它的知识点较琐碎复杂，利用思维导图可以把一章的知识主次分明地呈现出来，先找出主干知识，接下来在主干知识上不断衍生分支知识，分支知识又分为更细小的知识点，不仅如此，一个章节的内容可能又与其他章节的内容有联系。生物学科基础很好的学生在绘制思维导图时，通常可以将一节、一章、几章甚至是一本书的内容串联起来，形成一个巨大的知识网络。以人教版高中生物学必修1“细胞的生命历程”这一章为例，与细胞的生命历程相关的现象有细胞的增殖、分化、衰老、凋亡以及癌变等，我们在绘制思维导图时可以“细胞的生命历程”为核心，向四周发散出去，而每一方面又可以分支为概念、实例、方式、原因和意义等（如图1）。而原因可能是多方面的，方式也可能不止一种，所以还可以继续发散，直到将相关知识“一网打尽”。绘制思维导图并非易事，除了要对知识点的内在逻辑了如指掌，还要懂得整体的布局，如果是手绘，那么对绘画功底还要有一定的要求。手绘思维导图是非常有趣的过程，深受学生喜爱，一些绘画功底较好的学生往往会因手绘思维导图而获得成就感、建立自信，进而学习兴趣大增。不过手绘思维导图比较耗时，因此可以通过BoardMix博思白板、石墨文档思维导图、幕布、飞书思维笔记、GitMind、MindNode等软件来绘制会更加快捷。上述这些软件虽然都是办公软件，但对于梳理高中阶段知识点足够了（以下各图均是用GitMind软件绘制）。

二、运用鱼骨图进行知识梳理

有人把鱼骨图归类为放射状规整模型。鱼骨图因形似鱼骨而得名，由日本学者石川发明，故又称为石川图。因为鱼骨图能很好地体现因果关系，所以又称为因果图。鱼骨图非常直观简明，能帮助我们根据各因素找出从属关系或因果关系。在鱼骨图中，我们可以将问题或者问题的阶段性成果标记在“鱼刺”处，通过一个个问题的解决和一个个成果的产生，最终推导出汇总后的结论。我们在梳理生物学知识时，还可以按照问题或因素的大小，把主要问题或主要因素绘成比较粗壮的“大鱼骨”，把次要问题或次要因素绘成相对较细的“小鱼骨”，以此类推，把最终得到的结论作为“鱼头”。如人教版高中生物学必修2“DNA是主要的遗传物质”这个内容，我们就可以将其绘成一幅鱼骨图（如图2）。通过鱼骨图，我们不但可以直观地看到对于最终结论有几个主要相关实验，而且可以体现出几个实验结论之间的层层递进关系，还可以把对遗传物质的早期推测、作为遗传物质应具备的特点、R型菌和S型菌的主要区别、上清液和沉淀物的放射性分析等内容加入进去，在原“鱼骨”主干上再画出细小分支来使内容更加丰富。

三、运用组织结构图进行知识梳理

有人把组织结构图归类为层次化规整模型。它也是通过树状分支的方式对事物进行层层分解，但是它和思维导图不同，它侧重的不是思维的发散过程，而是挖掘概念之间的包含关系，形成一个架构图，体现概念层级之间的严谨性。比如生物的多样性包含遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次，这是最简单的生物概念间的层次关系。而有些内容比较复杂，比如细胞的结构，在这一重要概念下又下辖一些次位概念，也就是第二层次，包含细胞壁、细胞膜、细胞质和细胞核，就细胞质来说又下辖第三层次，包含细胞质基质和细胞器，接下来多种细胞器的结构和功能又是第四层次。而这些次位概念又有一些相应的实验和事实做支撑。还有许多比较典型的例子，比如“神经系统的结构基础”这一节，其主要内容可以用一个组织结构图勾画出来。神经系统包括中枢神经系统和外周神经系统，中枢神经系统由脑和脊髓组成，其中脑又由大脑、小脑、下丘脑和脑干等组成。而外周神经系统有两种划分方式，一是分为脑神经和脊神经，二是分为传入神经和传出神经，而传出神经又分为支配躯体部分和支配内脏两部分，支配内脏部分又可分为交感神经和副交感神经。这一系列包含关系如果用文字描述就非常冗长和琐碎了，但是如果用组织结构图来呈现就一目了然。

四、运用时间轴进行知识梳理

有人把时间轴归类为线性化规整模型。时间轴是根据时间顺序，把依次发生的事件串联起来，采用图文结合的方式形成一条轴线，从而形成一个完整的历史资料。利用时间轴可以很好地对教材中的生物科学史进行归纳和总结。新教材非常重视对生物科学史的呈现，因为通过生物科学史的学习可以将知识溯源、能力培养和价值观教育相融合，再现知识的生成过程；通过对许多经典实验的再现体验和让学生感受科学推理的内在逻辑，培养学生的科学思维和科学探究能力。例如人教版高中生物学必修1中有细胞学说的建立、生物膜结构的探索历程、通道蛋白的研究、酶本质的探索历程、光合作用的发现等；必修2中有DNA是主要的遗传物质、建立中心法则、现代生物进化理论等；选择性必修1中有促胰液素的发现、生长素的发现过程等；选择性必修3中有大量的生物科学史内容，每一章都专门设计了一个“科技探索之路”小栏目，介绍了发酵工程、细胞工程、基因工程以及生物技术的发展与人类的进步。以光合作用的发现史为例，从2000多年前的亚里士多德关注植物的增重原因开始，通过普利斯特利、萨克斯、恩格尔曼、希尔、鲁宾与卡门、阿尔农以及卡尔文等几代科学家的共同努力，才使得人们对光合作用这一“地球上最重要的化学反应”有了大致的了解。我们可以应用时间轴（如图4）按时间顺序把研究进程中的事件像珍珠一样串起来，从而厘清所学知识的发展脉络，这在大大提高记忆效率的同时也能让学生对科学家锲而不舍的精神有深刻的体会。

五、运用流程图进行知识梳理

流程图是指借助系列的信息、观点或元素组件来描述一个系统的图形代表。流程图是流经一个系统的信息流，在生活生产中随处可见，因为任何事情都是有步骤的。对于流程图的简单应用，可以是去超市购物前做个小小的规划，脑海里有个大致的流程图，避免走重复路线而耽误时间；对于流程图的复杂应用，既可以是生产中的工艺流程图的应用，也可以是完成任务时必须打通的一个个节点。一般来说，用图形方块来表示每一个步骤，一个框内一个步骤，方块之间再用箭头相连接，用来明确先后顺序。如果在某些步骤中有需要特别说明的地方，还可以添加菱形块，用来补充和强调。高中生物学教材中有多处必须按照时间和空间顺序来掌握的知识点。比如豚鼠胰腺腺泡细胞分泌蛋白的形成过程，传统发酵技术中腐乳、泡菜、果酒和果醋的制作，植物体细胞杂交技术，动物细胞的培养，单克隆抗体的制备，胚胎工程中胚胎移植的过程，胚胎分割技术，基因工程的基本操作程序等，在复习这些内容时可以利用流程图，按先后顺序梳理各个步骤，再根据每一步骤需要的外部条件和内部因素补充说明。如图5所示为“果酒和果醋的制作”流程图。

六、运用矩阵图进行知识梳理

矩阵图是一种结构化的思考方式，先要厘清解析的大概念包含几个大纬度，然后把纬度沉淀成矩阵，用已知的内容来填充。我们可以稍加改造，改为拼图法进行知识总结更加合理。例如“赛达伯格湖能量流动”分析图解。针对能量沿食物链流动的去向问题，采用拼图法（如图5）就非常直观，便于学生掌握。以第一营养级为例，输入该生态系统的总能量是W1，W1由A1、B1、C1和D14个部分组成，其中A1是用于呼吸作用消耗的能量，C1是流向分解者的能量，D1是流到第二营养级的能量，也就是第二营养级的同化量。那么剩下的B1就是“未利用”部分。接下来，可以让学生按照刚才的分析方法对D1进行能量去向分析。当然D1又可以同样由4个部分组成，也有4个去向，以此类推。不仅如此，我们可以把B1、D1和C1看成一个整体，表示该营养级生物用于生长、发育和繁殖的能量，还可以把B1去掉，因为在没有时间限定的情况下，可以把B1合并到C1中。引入拼图法可以让学生直观地理解能量流动的过程。通过拼接、叠加和逐层分解，拼图能很好地体现出不同能量之间的包含关系，有助于学生理解其中的各种等量关系。拼图中的箭头有进有出，有助于学生理解能量流经每一个营养级的来源和去路，而拼图中代表每个部分能量方块的大小和箭头的粗细，有助于学生理解能量流动的特点，即单向流动、逐级递减。

除了以上几种可视化思维模型，还有一种模型——甘特图。甘特图是以图示的方式通过活动列表和时间刻度表示出特定项目的顺序与持续时间。横轴表示时间，纵轴表示项目，坐标轴内表示计划的完成情况，可以在图上通过对比明确剩余量，通常用于企业的管理。生物学科也可以借鉴这种方法。比如教师制订复习计划或者开展教学活动，可利用甘特图随时掌控活动的进展情况，不过绘制甘特图较为复杂，所以将其作为教学工具来运用的教师比较少。

以上可视化思维模型对复习归纳生物学知识非常有帮助，但相关模型基本是由全文字形式和少量简单的直线或箭头构成，如果能用图文结合、全图形式、3D立体形式甚至是全动画形式则更加有效。正如记忆大师吴帝德所说的那样，如果能让文字转变成图，又能让图动起来，则会让人记忆更加深刻。比如复习“细胞的结构和功能”这一内容时，我们可以把相关知识像动画一样徐徐展开。首先，将一些大量元素和微量元素“拼接”在一起形成各种化合物；接着，继续“组装”这些化合物，逐渐构成细胞的壁、膜、质和核；最后，它们的每一部分都在忙忙碌碌地“工作”着，细胞膜上的物质被运送进来，在细胞内发生了变化，当它被转变成废物和CO2后又被运送出去；细胞质中的各种细胞器彼此分工合作，流水化作业，巧妙衔接又紧张有序；细胞核内正发生着基因的转录或者是DNA的复制，进而进行有丝分裂或者减数分裂。就这样伴随物质的积累，细胞逐渐由小变大，逐渐衰老直至凋亡，由此结束它的一生。就在我们想象这一切的同时，我们身体内许许多多的细胞就在各自忙碌着，有的进行着分裂，有的在生长，有的在变老，有的则刚刚死亡。这些蕴含着生命的精妙和壮美。

可视化思维模型除了在复习教学中有着非常广泛的应用，在解题教学中也同样适用。主要有以下三种方式：

一是基于题干情境的可视化。最典型的例子就是在遗传题解题过程中的应用。遗传图解是解决遗传题最简捷有效的方法，它有多种画法，如棋盘法、配子交叉线法等，还有一种类型题是根据家族成员间的相互关系来推导某一代或者某个人出现某种性状的概率。如果题干给出的都是文字叙述或者文字加表格的信息呈现形式，那首先要做的就是绘出该家系的遗传系谱图，然后再根据家系中的人物关系来推导后代的基因型和表现型。生物学科有一类题目学生掌握起来有一定的难度，即涉及有丝分裂和减数分裂的相关题目，因为细胞分裂过程中涉及染色体、染色单体和DNA的行为变化，所以比较复杂，最好的办法就是绘制细胞分裂图，先进行图文对照再进行判断推理，这样会使解题思路更加清晰。