模型思維可視化在高中生物學教學中的應用

吳宇清

摘要： 生物學教師開展可視化教學，以簡化和理想化的形式再現原形的各種復雜結構、功能和聯系，能快速幫助學生連接理論與應用。模型思維是教師創設建構主義課堂的鑰匙，也是學生快速建構自身知識體系的工具。為引導學生對生物學信息進行可視化處理，鞏固原有知識的理解和記憶、加快吸收新生知識，教師基于實踐總結出具體方法，即在概念模型中應用思維導圖，梳理知識并結構化呈現；在物理模型中應用3D工具，立體化認知生物的生理結構；在數學模型中應用數據可視化工具，探究生物現象和規律。用信息技術賦能模型思維可視化教學是可行策略，教師要循序漸進培養學生模型思維，提高思維演繹歸納水平，還應關注學生的思維表達和知識建構，不能完全依賴技術。

關鍵詞：科學思維；模型思維；思維可視化

培養學生的科學思維是中學生物學教學的基本任務和根本目標。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）倡導教師發展學生科學思維，引導學生“運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律”。在信息技術與學科教學日趨融合的當下，教師在建模和用模的過程中借助一些簡單、實用的軟件工具，將教學思維和過程可視化，能加深學生對生物學知識的理解和記憶、激發學生的科學思維，這是一種創新、高效、便捷的教學方法。下面，筆者介紹模型思維可視化在高中生物教學中應用的緣由、方法、策略和要領。

一、緣由：為何將模型思維可視化

《現代漢語詞典（第7版）》對模型解釋如下：依照實物的形狀和結構按比例制成的物品；用數學公式或圖形等顯示事物的抽象結構或系統。建模的含義：為了研究某種現實或事物而建立相應的模型。因為模型具有一對多的特性，人們按需選擇模型種類和重新定義模型中各要素即可應用于多種情況。生物學包含物理模型、概念模型和數學模型。在建立模型的過程中，學生需要對知識和概念進行內化和重建。筆者提及的模型思維指從諸多生物學事實中抽象出核心要點，并在核心要點之間建立聯系，進而形成生物學概念的思維過程。模型思維是一種高級的思維模式。現實中人們需要學習并掌握一定量的模型，但無需窮盡所有。將模型思維運用于生物學科教學，是邏輯方法的一種特有形式。教師運用信息技術將建模過程可視化，以簡化和理想化的形式再現原形的各種復雜結構、功能和聯系，能快速幫助學生打通連接理論和應用的信息公路。

（一）為何用模型思維

在傳統教學中，教師的教學設計很完備，但學生卻只能零碎地、片面地習得知識和能力，也不能舉一反三，將知識和能力聯系起來綜合運用。美國教育專家喬納森（David Jonassen）教授認為，利用建模工具幫助學生將抽象概念具象化，促使學生在建模的過程中積極地調整與修改自我的概念模型結構，并通過多種形式的認知呈現，幫助學生豐富和拓展內部的認知概念模型的意義。根據費曼學習法，“輸出式學習”（或輸入輸出相結合）的效果遠勝于單純的“輸入式學習”，這是由人腦生理結構和思維特點決定的。教師要幫助學生快速構建知識體系，需要必要的教學方法和工具。教師以模型思維組織教學內容，做更容易被學生接受的教學設計；引導學生運用模型思維將所學知識重新建模“輸出”，將片段知識連接成閉環知識，從已學知識延伸至未學知識，將局部知識組合成整體知識。模型思維的運用有利于教師創設建構主義課堂，也有利于學生快速建構知識體系。

（二）為何將思維可視化

思維可視化指利用一系列圖示來展示學習者的學習的過程和思路。在傳統思維產生和交流過程中，人們通常使用語言和文字，思維過程是不可見的。相較于傳統的思維過程，思維可視化更強調將內在的思維展示出來，借助圖、符等更加鮮明的表現形式，用可視化方式表達，使之更加直觀和易懂。從培養學生科學思維角度來看，學生思維發展不僅僅依靠知識積累，更在于思維方法和過程。掌握如何獲取知識比獲取知識本身更重要。教師要將“看不見的”思維過程和方法清晰地呈現，這種思維可視化教學更有利于學生的理解和記憶，可以有效提高信息加工及信息傳遞的效能，讓教學過程更生動、更高效。教師引導學生應用數字化工具對所學生物學知識進行可視化處理，有利于學生對原有知識的理解和記憶、加快對新生知識的學習和吸收。

二、方法：借助數字化建模工具快捷將思維可視化

生物學中的模型是生命世界在人們頭腦中簡化的反映，是人們認識生命世界和闡明生命活動原理的重要方式之一。高中生物學涉及的模型主要包括物理模型（如DNA的結構模型）、數學模型（如種群數量增長模型）和概念模型（如血糖平衡的調節過程）3種。在數據—信息—知識—智慧（DIKW）模型中，數據（data）到信息（information）的轉化需要更多地理解數據間的聯系，信息到知識（knowledge）的理解需要更多地理解信息間的表達、傳遞、加工和更新等信息模式，知識到智慧（wisdom）的轉化更多的是理解知識法則。學生要想從大量零散的實驗數據或生物現象中提取信息，將信息演繹或歸納成生物學知識，并將知識內化成個人智慧，關鍵是對獲取數據關系、信息模式和知識法則有深入理解；將數據、信息、知識之間的邏輯架構和關系直觀形象地表示出來。此過程與應用數字化工具建模的過程非常相似，也是思維可視化重要切入點。

針對不同的信息選擇不同的模型綜合處理，有利于學生快速對信息條理化、邏輯化、系統化進行學習，并逐步內化。例如，當前高中生物學課程沒有系統介紹病毒學基礎知識，學生對新冠病毒、流感病毒等的生理結構、傳播規律也沒有深刻理解。教師可運用模型思維和配套數字化工具，拓展學生的認知邊界，引導他們與時俱進、學以致用，在原有的生物學科認知基礎上拓展、建構病毒學入門知識。

（一）在概念模型中應用思維導圖工具，梳理知識并結構化呈現（實踐1）

概念模型一般通過概念圖的形式進行可視化表征。概念圖是康奈爾大學的諾瓦克博士根據奧蘇貝爾的“有意義學習理論”提出的一種教學技術。在數字化環境中，人們一般使用思維導圖類工具制作概念圖。以MindMaster軟件為例（操作風格非常接近微軟的Office），用戶通過模板化的思維框架、拖拉式的簡易操作，可以將混亂的思路梳理清楚，從繁多信息中提煉重點，使抽象的思維圖像化，讓思考更有邏輯、有條理，也更有利于激發靈感。

高中生物學教材中沒有專門章節介紹病毒，而是分散呈現。教師可以引導學生借助思維導圖類軟件工具重新組織知識，并按一定邏輯構建知識圖譜（如圖1）。

繪制知識圖譜需注意以下5點。

一是關鍵詞要簡練：提取關鍵詞是主動對信息進行內化和思考的過程，繪圖過程中要盡量運用能闡明關鍵概念的詞，而不是長句。

二是梳理邏輯結構：運用金字塔結構，對概念用分類、概括、類比、發散、聯系等方法進行梳理。

三是色彩要鮮明：用顏色區分不同的主題和信息。

四是用好圖像：在關鍵部分插入圖片以激發聯想，強調關鍵概念。

五是恰當運用線條：用線條的樣式、走向來呈現思路。

教師引導學生使用思維導圖作為學習工具，有利于促進學生主動建構、自覺反思、整體把握知識結構，形成獨立完善的認知能力，在加工內化知識的過程中參與更多“有意義的學習活動”。

（二）在物理模型中應用3D工具，立體化認知生物的生理結構（實踐2）

課標強調，以發展學生核心素養為宗旨，注重創新精神和實踐能力的培養，開展工程學任務教學。當前，3D建模和打印技術因其多學科的通用性和模型建構的靈活性，其應用為教師建構模型，開展工程學教學提供了新的方法和途徑。教師借助一些簡單的3D工具指導學生建模，有助于培養學生工程設計能力，提高數字素養。

目前在模型建構教學中，普遍存在重形成具體化模型結果、輕建構思維過程的現象，且由于教學資源缺乏，降低了教學中模型建構的有效性。筆者觀察課堂教學中普遍使用的生物模型資源發現，無論是物理性呈現的標本還是虛擬化的數字標本，相當一部分模型立體感和整體性不足。已有的3D打印生物模型多以靜態模型為主，存在結構表征不當等問題，不利于培養學生能力，甚至誤導學生。教師在教學中如何取得素材布設場景，筆者建議到網上3D模型素材庫里查找。例如，教師可以從網上下載新型冠狀病毒Sars-cov-23D模型，該模型支持不同3D軟件進行格式轉換，有的甚至可以直接打印或進行動畫展示。

（三）在數學模型中應用數據可視化工具，探究生物現象和規律（實踐3）

數學模型是用來描述一個系統或事件性質的數學表達形式，對探究和揭示研究對象的本質屬性和變化規律有獨特作用。課標在教學與評價案例中指出：構建數學模型是解決實際問題、探索客觀規律的有效途徑。其中“種群的數量變化”是高中生物學《生物與環境》中“種群及其動態”的內容。課標建議，“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動”，并給出了“探究培養液中酵母菌種群數量動態變化”的建議活動，旨在落實高中生物學核心素養中關于培養“模型與建模”科學思維和提升科學探究能力的要求。

數學模型一般分為曲線模型、集合模型、幾何模型、排列組合模型、函數模型、概率模型、公式模型7類，以圖表、坐標曲線、邏輯圖等形式展現。建立生物數學模型需要解決3個基本問題：一是將實際問題轉化為數學模型；二是設計模型中的坐標參數并標記觀察到的數據；三是根據觀察數據對已建立的模型進行趨勢預判或擬合分析。例如，生態學的種群增長模型符合邏輯斯蒂方程（Logistic Equation），也適用于研究冠狀病毒感染人數變化趨勢，有人應用GeoGebra軟件建模對各地冠狀病毒感染者數據做回歸分析并進行圖形化呈現（https：//www.geogebra.org/search/covid19）。

教師引導學生構建數學模型過程中，如何引導學生將現實觀測記錄到的離散數據點通過合適的曲線進行表征？這就需要用到一些數據可視化工具了，比如GeoGebra這款動態數學軟件，非常適合繪圖計算、幾何作圖等，其內置的統計數值分析模型能快捷地將數據表在二維坐標中進行曲線擬合。教師可引導學生下載并分析各地官網發布的新冠疫情數據，導入GeoGebra軟件構建種群數量“S形”增長的曲線來解釋新冠疫情快速增長的現象和我國防疫的對策，以培養學生透過事物現象揭示其本質特性的洞察力及簡約嚴密的思維品質，讓他們體驗由具體到抽象的思維模式轉化。

三、策略：以信息技術賦能模型思維可視化教學

教師結合新冠病毒感染情境教學實踐，綜合運用了3種模型。一是對病毒相關概念和知識點進行歸納和概括，基于大概念教學引導學生構建新冠病毒知識樹。二是對新冠病毒結構進行3D物理建模，讓學生深入了解病毒結構和特征。三是對疫情數據進行建模和比對，演繹推理出傳染趨勢和特點。教師在這一系列思維可視化的教學過程中，加強互動，通過拓展訓練，引導學生創造性思維和批判性思維，對新冠病毒的發展趨勢和預防手段“大膽假設，小心求證”，培養學生的科學思維能力。筆者對信息技術賦能模型思維可視化教學過程中的目標和方法進行分析，梳理如下（見表1）。

教師針對不同的教學情境和教學任務，對學生物理模型、數字模型、概念模型等思維培養過程，進行仿真、建模、可視化，可實現隱性思維顯性化，思維語言模式化，思維能力可遷移，有利于學生掌握科學知識，提升學生科學探究能力，培養科學情感態度，也為傳統生物學課堂教學改革提供新的思路和途徑。結合可視化技術的分類與特點，筆者對信息技術賦能模型思維可視化教學做了總結分析（如圖2）。

四、模型思維可視化探究式教學注意事項

課標將學科核心素養水平從易到難劃分為四個層級，其中建模思維和可視化工具的運用處于科學思維、科學探究要素中最高的層級（第四層）。教師在應用模型思維可視化教學法，組織學生開展探究式學習的過程中，要把握好以下兩點，避免教學內容喧賓奪主，讓學生產生畏難情緒，影響整體教學效果。

（一）模型思維的培養要循序漸進，注重思維演繹歸納水平的提升

學生的認知發展是循序漸進、螺旋上升的。教師培養學生科學思維，需要注意廣度和深度。在模型建構過程中，教師需要引導學生通過觀察或實驗進行歸納和演繹；引導學生運用已有知識進行假設、模擬，將復雜的事物進行簡化，抽象出其本質屬性；將學生頭腦中抽象的概念具體化、形象化、可視化。三種模型建構的思維難度有一定的差異：物理模型一般較具體，側重模擬，其難度體現在數字化的虛擬模型與實體的比較分析方面；數學模型較抽象，側重數形轉換分析，其難度體現在離散的數據測量和符合邏輯的曲線擬合方面；概念模型注重對知識歸納概括、思維框架的邏輯演繹。教師在教學過程中要結合建模的目標和難易度，根據學生的思維能力和水平逐步培養學生的模型思維能力。學生在探索的過程中體驗模型建構的成功與喜悅，有助于將模型方法和相關知識內化，提升自身認知水平。

（二）可視化工具的應用重在思維表達和知識建構，不能唯技術

模型思維可視化的精髓在于模型的探索與發現過程中，學生如果不親身經歷很難領悟建模的方法和關鍵要素。筆者列舉的三個建模案例中，選用的工具都是操作簡易的平臺化軟件，支持主流數據、資源的導入導出；所使用的素材在網上都能找到開放資源。師生對這些可視化工具的操作不必畏難，也不必花費大量時間在建模過程中，大幅減少師生學習軟件技術的成本。教學中教師通過下載合適的素材和資源，即可對相關教學模型“點點用、改改用、創創用”。因此，在可視化工具融合應用于生物學教學過程中，教師除了向學生傳達事實信息之外，要注重見解、經驗、態度、價值觀、期望、觀點、意見和預測等方面的交流，幫助學生更快地建構、記憶、運用知識。也就是說，教師要引導學生建構，更要在建構中實現行為與思維的統一，而不能將重點放在工具的技術研究上。

生物學是一門與現實生活緊密聯系的自然科學，它與數學、信息技術等學科是相互滲透、共同發展的，與人文社會學科是相互影響、相互促進的。教師運用模型思維可視化教學策略，有利于加強學科間的聯系，便于學生理解科學的本質和思想方法，建立科學的生命觀并逐步形成正確的世界觀，從而促進生物學學科核心素養的提升。

參考文獻

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[3] 王睿.淺析高中生物教材中模型與建構的應用[J].科教文匯（中旬刊），2021（20）：165-167.

（作者系廣東省中山市教育技術中心高級教師）

責任編輯：祝元志