思維可視化在高中生物學(xué)闡述性問題學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

樊熒熒

（江蘇省沙溪高級(jí)中學(xué) 江蘇蘇州 215421）

面向多元化和信息化的21世紀(jì)，學(xué)習(xí)者必備的核心技能之一就是思維能力。在新一輪的課改中，將科學(xué)的思維培養(yǎng)方法應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐是每一位一線教師亟需研究和實(shí)踐的課題。然而，思維是不可見的，如何在有形的課堂教學(xué)活動(dòng)中培養(yǎng)無形的思維是當(dāng)前思維培養(yǎng)的難點(diǎn)。研究思維可視化可將學(xué)生內(nèi)隱的思維過程和思維結(jié)果以直觀的形象符號(hào)清晰地呈現(xiàn)出來，有助于教師找到學(xué)生的思維支點(diǎn)，從而通過多種途徑訓(xùn)練學(xué)生思維，提升思維品質(zhì)。

1 思維可視化的內(nèi)涵

從心理學(xué)范疇看，思維是對(duì)客觀事物的概括和間接的認(rèn)識(shí)，是不可見的。從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域看，可視化是指通過可以覺察的視覺方式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像并進(jìn)行交互處理的技術(shù)或方法。綜上所述，思維可視化是內(nèi)隱思維外顯的表征體系，可將人頭腦中內(nèi)隱的思維過程和思維結(jié)果通過視覺具化，以圖示形象等符號(hào)清晰、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)隱思維的外顯化，使“看不見”的思維有跡可循。將思維可視化引入教學(xué)可從多維度表征知識(shí)，有助于激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，引導(dǎo)學(xué)生在同化或順應(yīng)的過程中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)向思維的有效轉(zhuǎn)變，并形成思考問題的基本策略，實(shí)現(xiàn)高階思維的發(fā)展。

2 思維可視化對(duì)于高中生物學(xué)闡述性問題學(xué)習(xí)的意義

隨著新高考的改革，江蘇高考試卷中非選擇題的占比約65%，且出現(xiàn)了簡(jiǎn)單填空題減少、長(zhǎng)句闡述題增多的趨勢(shì)。而筆者在日常階段性測(cè)試及高考閱卷時(shí)發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生對(duì)長(zhǎng)句闡述題的得分比較薄弱，往往表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：①答非所問，即沒有明確問題指向，所答非所問；②邏輯混亂，即雖能提取題干信息，但缺乏完整有條理的邏輯來表述答案；③表述不全面，即能提取信息也能運(yùn)用科學(xué)理論準(zhǔn)確表述，但缺乏中間或最后環(huán)節(jié)，導(dǎo)致失分。基于上述問題的分析，結(jié)合新課改對(duì)學(xué)生思維能力的要求，教師可將可視化教學(xué)引入高中生物學(xué)闡述性問題的學(xué)習(xí)中，在日常教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用形象的圖示符號(hào)等方法來幫助厘清新情境中新問題的各方面要素及要素之間的關(guān)系，找到情境與教材知識(shí)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，并以此為思維對(duì)象，以聯(lián)想、發(fā)散性思維、邏輯思維等為工具，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的圖像化表征和思維的外顯化表征，最終運(yùn)用學(xué)科術(shù)語(yǔ)正確表達(dá)思維過程，從而解決問題。

3 思維可視化在高中生物學(xué)闡述性問題學(xué)習(xí)中的具體應(yīng)用

筆者研究了近幾年江蘇高考題以及8省聯(lián)考試題，總結(jié)出了闡述性問題的考查方式：在設(shè)問中給出一個(gè)由于某因素（或某條件）改變而引致的結(jié)果或現(xiàn)象，然后要求考生在具體情境中結(jié)合已有知識(shí)和題干信息解釋相關(guān)原因，或者說明理由，或者表述結(jié)論，或者闡釋觀點(diǎn)。

根據(jù)題干設(shè)問方式不同，筆者總結(jié)為以下4種類型。但不論是哪種類型，其解題步驟都可采用心理學(xué)中問題解決的一般模式，在具體操作中利用思維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)思維的外顯化表征（圖1）。

圖1 解題步驟示意圖

3.1 因果呼應(yīng)——雙向分析，找聯(lián)系

因果呼應(yīng)就是通過圖文構(gòu)建蘊(yùn)含特定生物學(xué)現(xiàn)象的情境，通常情境中明顯地給出了“條件”即事件的起因和事件的結(jié)果，請(qǐng)學(xué)生從情境中提取信息分析現(xiàn)象的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)從“起因”走到“結(jié)果”的詳細(xì)闡述。解決這類題目的關(guān)鍵就是找到一個(gè)橋墩，聯(lián)結(jié)起因和結(jié)果。

【例1】（2021·蘇州零模·22節(jié)選）圖2為馬鈴薯植株葉肉細(xì)胞中淀粉和蔗糖的積累與分流途徑示意圖。依據(jù)該圖，請(qǐng)解釋遮光部分檢測(cè)不到淀粉的最可能原因是：_____________________。

圖2 馬鈴薯植株葉肉細(xì)胞中淀粉和蔗糖的積累與分流途徑示意圖

參考答案：黑暗條件下無法進(jìn)行光合作用，淀粉不能合成；同時(shí)原有的淀粉已經(jīng)被水解為麥芽糖和葡萄糖。

學(xué)生典型錯(cuò)誤及原因分析：在批閱學(xué)生試卷時(shí)，筆者總結(jié)了學(xué)生常見的幾種錯(cuò)誤并分析了錯(cuò)因：①遮光部分無法形成淀粉（什么原因都沒說）；②葉片遮光，不進(jìn)行光合作用，未產(chǎn)生淀粉（只依據(jù)頭腦中已有知識(shí)，沒有據(jù)圖分析）；③淀粉在葉綠體中分解為麥芽糖和葡萄糖，再形成蔗糖，在根莖處分解供能（依據(jù)圖中的部分信息，缺乏全局觀）。

思維外顯化問題解決模型：為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)，建立學(xué)生的思維范式，筆者在評(píng)講試題時(shí)依據(jù)圖1基于思維外顯化的問題解決路徑，并結(jié)合本題情境，繪制了圖3所示的思維網(wǎng)絡(luò)模型，引導(dǎo)學(xué)生明確問題起因?yàn)椤罢诠狻保Y(jié)果為“檢測(cè)不到淀粉”，從而實(shí)現(xiàn)因果呼應(yīng)，雙向分析，尋找聯(lián)系，解決問題。

圖3 思維網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 由果推因——獲取信息，準(zhǔn)表述

由果推因就是通過圖文構(gòu)建蘊(yùn)含特定生物學(xué)現(xiàn)象的情境，通常情境中沒有或隱含地給出了“條件”即事件的起因，但明確地給出了事件的結(jié)果，請(qǐng)學(xué)生溯因推理，實(shí)現(xiàn)從“結(jié)果”回溯到“起因”。解決這類題目的關(guān)鍵就是抓取關(guān)鍵信息，運(yùn)用因果思維逆推，即從結(jié)果推理出條件。

【例2】（2021·蘇州一模·21節(jié)選）為培育轉(zhuǎn)固氮基因的小麥新品種，科研人員利用土壤農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒和普通質(zhì)粒按圖4構(gòu)建了雙元載體系統(tǒng)（Ti輔助質(zhì)粒和T-DNA給體質(zhì)粒），圖中基因編碼產(chǎn)物能激活T-DNA轉(zhuǎn)移。請(qǐng)回答下列問題：該過程中T-DNA給體質(zhì)粒并不含有基因，但仍能將轉(zhuǎn)化成功的原因是________________________________________。

圖4 雙元載體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

參考答案：農(nóng)桿菌中同時(shí)含有兩種質(zhì)粒，其中Ti輔助質(zhì)粒上含有基因，其編碼產(chǎn)物能激活T-DNA給體質(zhì)粒中的T-DNA轉(zhuǎn)移。

學(xué)生典型錯(cuò)誤及原因分析：在批閱學(xué)生試卷時(shí)，筆者總結(jié)了學(xué)生常見的幾種錯(cuò)誤并分析了錯(cuò)因：①Ti輔助質(zhì)粒存在基因，將雙元載體同時(shí)導(dǎo)入（沒有答出基因?qū)-DNA的轉(zhuǎn)移起什么作用）；②基因作用于T-DNA使其激活，T-DNA給體質(zhì)粒可不需基因（理解錯(cuò)誤基因作用）；③基因編碼產(chǎn)物已經(jīng)在給體質(zhì)粒中表達(dá)（理解錯(cuò)誤基因表達(dá)的場(chǎng)所）。

思維外顯化問題解決模型：筆者在評(píng)講試題時(shí)依據(jù)圖1基于思維外顯化的問題解決路徑，繪制了圖5所示的思維網(wǎng)絡(luò)模型，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)設(shè)問句明確事件的結(jié)果為“轉(zhuǎn)化成功”，即“T-DNA轉(zhuǎn)移”，再根據(jù)已知結(jié)果推出事件的起因，并尋找題干關(guān)鍵信息準(zhǔn)確表述。

圖5 思維網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 有因無果——推測(cè)結(jié)果，找關(guān)聯(lián)

有因無果就是通過圖文構(gòu)建蘊(yùn)含特定生物學(xué)現(xiàn)象的情境，通常情境中明確給出了“條件”即事件的起因，但沒有給出事件的結(jié)果，請(qǐng)學(xué)生分析起因可能導(dǎo)致的結(jié)果，在結(jié)合結(jié)果解釋起因?qū)Y(jié)果的意義。解決這類題目的關(guān)鍵就是深刻理解給定的“條件”的內(nèi)涵和外延并推測(cè)其在該情境中的應(yīng)用。

【例3】（2021·蘇州一模·19節(jié)選）檢測(cè)是否感染HCV可采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)血清中是否存在HCV的RNA。空腹采血后經(jīng)離心分離取血清置于-20℃的冰柜中保存的原因可能是：________。

參考答案：低溫可以降低RNA酶的活性，以防止RNA被水解。

學(xué)生典型錯(cuò)誤及原因分析：在批閱這道題時(shí)筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生毫無答題思路，幾乎空著，不知從哪個(gè)角度入手，也不知考查的是教材哪個(gè)版塊知識(shí)。

思維外顯化問題解決模型：基于上述分析和思考，筆者在評(píng)講試題時(shí)依據(jù)圖1基于思維外顯化的問題解決路徑，結(jié)合本題情境，繪制了圖6所示的思維網(wǎng)絡(luò)模型，引導(dǎo)學(xué)生從目的“需要檢測(cè)血清中是否存在RNA”出發(fā)，推出結(jié)果“血清中RNA不能被破壞”，再聯(lián)系起因“低溫保存血清”，最后引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系舊知，得出原因。

圖6 思維網(wǎng)絡(luò)模型

3.4 科學(xué)解釋——對(duì)比分析，合邏輯

科學(xué)解釋就是通過圖文呈現(xiàn)某個(gè)科學(xué)探究的目的、步驟和結(jié)果，請(qǐng)學(xué)生自主分析所給信息闡述實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象所得出的結(jié)論。解決這類題目的關(guān)鍵就是圖文結(jié)合，深挖情境信息，并厘清探究中的各變量以及變量之間的內(nèi)在關(guān)系，最后運(yùn)用邏輯思維準(zhǔn)確表征問題。

【例4】（2021·蘇州零模·23節(jié)選）交感神經(jīng)使心率加快；副交感神經(jīng)使心率減慢。為研究這兩種神經(jīng)對(duì)心臟作用的強(qiáng)度差異，科學(xué)家給兩組健康志愿青年分別注射等量的阿托品和心得安，給藥次序和測(cè)得的平均心率如圖7所示。注射阿托品后心率的變化幅度明顯大于注射心得安后心率的變化幅度，這說明 。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考答案：副交感神經(jīng)對(duì)心跳的抑制作用遠(yuǎn)超過交感神經(jīng)對(duì)心跳的促進(jìn)作用。

學(xué)生典型錯(cuò)誤及原因分析：學(xué)生對(duì)于探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析和結(jié)果表述是較為薄弱的，所以此題的錯(cuò)誤答案類型較多：①阿托品對(duì)副交感神經(jīng)的抑制作用強(qiáng)于心得安對(duì)其的促進(jìn)作用（沒有看懂題目）；②阿托品對(duì)副交感神經(jīng)的抑制作用大于心得安對(duì)交感神經(jīng)的抑制作用（沒有弄清研究的目的）；③交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)相互作用時(shí)，交感神經(jīng)作用效果強(qiáng)（表述混亂，規(guī)律總結(jié)錯(cuò)誤）。

思維外顯化問題解決模型：為了幫助學(xué)生建立此類型題目的思維范式，筆者在講評(píng)時(shí)依據(jù)圖1基于思維外顯化的問題解決路徑，結(jié)合本題情境，繪制圖8所示的思維網(wǎng)絡(luò)模型，將題干中曲線圖中信息提取出來，以直觀圖示的形式引導(dǎo)學(xué)生思考事件中條件改變對(duì)結(jié)果的影響，最后運(yùn)用邏輯思維分析條件和結(jié)果的關(guān)系，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康模U述實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

圖8 思維網(wǎng)絡(luò)模型

4 小結(jié)

無論教育改革進(jìn)行到哪個(gè)階段，習(xí)題教學(xué)永遠(yuǎn)是不可或缺的。習(xí)題教學(xué)不僅是教會(huì)學(xué)生習(xí)得知識(shí)，更是訓(xùn)練學(xué)生的思維能力。然而，思維是轉(zhuǎn)瞬即逝的，而圖像卻能定格思維，使思維得以直觀而清晰地呈現(xiàn)。因此，教師將思維可視化引入習(xí)題教學(xué)，尤其是具有復(fù)雜情境的闡述性問題的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生透過淺層知識(shí)去發(fā)掘知識(shí)背后的深度思維，通過具象的表征體系呈現(xiàn)個(gè)體解決問題時(shí)的思維過程，最終幫助學(xué)生構(gòu)建思考問題的思維范式，發(fā)展高階思維。