模型思维可视化在高中生物学教学中的应用

吴宇清

摘要： 生物学教师开展可视化教学，以简化和理想化的形式再现原形的各种复杂结构、功能和联系，能快速帮助学生连接理论与应用。模型思维是教师创设建构主义课堂的钥匙，也是学生快速建构自身知识体系的工具。为引导学生对生物学信息进行可视化处理，巩固原有知识的理解和记忆、加快吸收新生知识，教师基于实践总结出具体方法，即在概念模型中应用思维导图，梳理知识并结构化呈现；在物理模型中应用3D工具，立体化认知生物的生理结构；在数学模型中应用数据可视化工具，探究生物现象和規律。用信息技术赋能模型思维可视化教学是可行策略，教师要循序渐进培养学生模型思维，提高思维演绎归纳水平，还应关注学生的思维表达和知识建构，不能完全依赖技术。

关键词：科学思维；模型思维；思维可视化

培养学生的科学思维是中学生物学教学的基本任务和根本目标。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）倡导教师发展学生科学思维，引导学生“运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律”。在信息技术与学科教学日趋融合的当下，教师在建模和用模的过程中借助一些简单、实用的软件工具，将教学思维和过程可视化，能加深学生对生物学知识的理解和记忆、激发学生的科学思维，这是一种创新、高效、便捷的教学方法。下面，笔者介绍模型思维可视化在高中生物教学中应用的缘由、方法、策略和要领。

一、缘由：为何将模型思维可视化

《现代汉语词典（第7版）》对模型解释如下：依照实物的形状和结构按比例制成的物品；用数学公式或图形等显示事物的抽象结构或系统。建模的含义：为了研究某种现实或事物而建立相应的模型。因为模型具有一对多的特性，人们按需选择模型种类和重新定义模型中各要素即可应用于多种情况。生物学包含物理模型、概念模型和数学模型。在建立模型的过程中，学生需要对知识和概念进行内化和重建。笔者提及的模型思维指从诸多生物学事实中抽象出核心要点，并在核心要点之间建立联系，进而形成生物学概念的思维过程。模型思维是一种高级的思维模式。现实中人们需要学习并掌握一定量的模型，但无需穷尽所有。将模型思维运用于生物学科教学，是逻辑方法的一种特有形式。教师运用信息技术将建模过程可视化，以简化和理想化的形式再现原形的各种复杂结构、功能和联系，能快速帮助学生打通连接理论和应用的信息公路。

（一）为何用模型思维

在传统教学中，教师的教学设计很完备，但学生却只能零碎地、片面地习得知识和能力，也不能举一反三，将知识和能力联系起来综合运用。美国教育专家乔纳森（David Jonassen）教授认为，利用建模工具帮助学生将抽象概念具象化，促使学生在建模的过程中积极地调整与修改自我的概念模型结构，并通过多种形式的认知呈现，帮助学生丰富和拓展内部的认知概念模型的意义。根据费曼学习法，“输出式学习”（或输入输出相结合）的效果远胜于单纯的“输入式学习”，这是由人脑生理结构和思维特点决定的。教师要帮助学生快速构建知识体系，需要必要的教学方法和工具。教师以模型思维组织教学内容，做更容易被学生接受的教学设计；引导学生运用模型思维将所学知识重新建模“输出”，将片段知识连接成闭环知识，从已学知识延伸至未学知识，将局部知识组合成整体知识。模型思维的运用有利于教师创设建构主义课堂，也有利于学生快速建构知识体系。

（二）为何将思维可视化

思维可视化指利用一系列图示来展示学习者的学习的过程和思路。在传统思维产生和交流过程中，人们通常使用语言和文字，思维过程是不可见的。相较于传统的思维过程，思维可视化更强调将内在的思维展示出来，借助图、符等更加鲜明的表现形式，用可视化方式表达，使之更加直观和易懂。从培养学生科学思维角度来看，学生思维发展不仅仅依靠知识积累，更在于思维方法和过程。掌握如何获取知识比获取知识本身更重要。教师要将“看不见的”思维过程和方法清晰地呈现，这种思维可视化教学更有利于学生的理解和记忆，可以有效提高信息加工及信息传递的效能，让教学过程更生动、更高效。教师引导学生应用数字化工具对所学生物学知识进行可视化处理，有利于学生对原有知识的理解和记忆、加快对新生知识的学习和吸收。

二、方法：借助数字化建模工具快捷将思维可视化

生物学中的模型是生命世界在人们头脑中简化的反映，是人们认识生命世界和阐明生命活动原理的重要方式之一。高中生物学涉及的模型主要包括物理模型（如DNA的结构模型）、数学模型（如种群数量增长模型）和概念模型（如血糖平衡的调节过程）3种。在数据—信息—知识—智慧（DIKW）模型中，数据（data）到信息（information）的转化需要更多地理解数据间的联系，信息到知识（knowledge）的理解需要更多地理解信息间的表达、传递、加工和更新等信息模式，知识到智慧（wisdom）的转化更多的是理解知识法则。学生要想从大量零散的实验数据或生物现象中提取信息，将信息演绎或归纳成生物学知识，并将知识内化成个人智慧，关键是对获取数据关系、信息模式和知识法则有深入理解；将数据、信息、知识之间的逻辑架构和关系直观形象地表示出来。此过程与应用数字化工具建模的过程非常相似，也是思维可视化重要切入点。

针对不同的信息选择不同的模型综合处理，有利于学生快速对信息条理化、逻辑化、系统化进行学习，并逐步内化。例如，当前高中生物学课程没有系统介绍病毒学基础知识，学生对新冠病毒、流感病毒等的生理结构、传播规律也没有深刻理解。教师可运用模型思维和配套数字化工具，拓展学生的认知边界，引导他们与时俱进、学以致用，在原有的生物学科认知基础上拓展、建构病毒学入门知识。

（一）在概念模型中应用思维导图工具，梳理知识并结构化呈现（实践1）

概念模型一般通过概念图的形式进行可视化表征。概念图是康奈尔大学的诺瓦克博士根据奥苏贝尔的“有意义学习理论”提出的一种教学技术。在数字化环境中，人们一般使用思维导图类工具制作概念图。以MindMaster软件为例（操作风格非常接近微软的Office），用户通过模板化的思维框架、拖拉式的简易操作，可以将混乱的思路梳理清楚，从繁多信息中提炼重点，使抽象的思维图像化，让思考更有逻辑、有条理，也更有利于激发灵感。

高中生物学教材中没有专门章节介绍病毒，而是分散呈现。教师可以引导学生借助思维导图类软件工具重新组织知识，并按一定逻辑构建知识图谱（如图1）。

绘制知识图谱需注意以下5点。

一是关键词要简练：提取关键词是主动对信息进行内化和思考的过程，绘图过程中要尽量运用能阐明关键概念的词，而不是长句。

二是梳理逻辑结构：运用金字塔结构，对概念用分类、概括、类比、发散、联系等方法进行梳理。

三是色彩要鲜明：用颜色区分不同的主题和信息。

四是用好图像：在关键部分插入图片以激发联想，强调关键概念。

五是恰当运用线条：用线条的样式、走向来呈现思路。

教师引导学生使用思维导图作为学习工具，有利于促进学生主动建构、自觉反思、整体把握知识结构，形成独立完善的认知能力，在加工内化知识的过程中参与更多“有意义的学习活动”。

（二）在物理模型中应用3D工具，立体化认知生物的生理结构（实践2）

课标强调，以发展学生核心素养为宗旨，注重创新精神和实践能力的培养，开展工程学任务教学。当前，3D建模和打印技术因其多学科的通用性和模型建构的灵活性，其应用为教师建构模型，开展工程学教学提供了新的方法和途径。教师借助一些简单的3D工具指导学生建模，有助于培养学生工程设计能力，提高数字素养。

目前在模型建构教学中，普遍存在重形成具体化模型结果、轻建构思维过程的现象，且由于教学资源缺乏，降低了教学中模型建构的有效性。笔者观察课堂教学中普遍使用的生物模型资源发现，无论是物理性呈现的标本还是虚拟化的数字标本，相当一部分模型立体感和整体性不足。已有的3D打印生物模型多以静态模型为主，存在结构表征不当等问题，不利于培养学生能力，甚至误导学生。教师在教学中如何取得素材布设场景，笔者建议到网上3D模型素材库里查找。例如，教师可以从网上下载新型冠状病毒Sars-cov-23D模型，该模型支持不同3D软件进行格式转换，有的甚至可以直接打印或进行动画展示。

（三）在数学模型中应用数据可视化工具，探究生物现象和规律（实践3）

数学模型是用来描述一个系统或事件性质的数学表达形式，对探究和揭示研究对象的本质属性和变化规律有独特作用。课标在教学与评价案例中指出：构建数学模型是解决实际问题、探索客观规律的有效途径。其中“种群的数量变化”是高中生物学《生物与环境》中“种群及其动态”的内容。课标建议，“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”，并给出了“探究培养液中酵母菌种群数量动态变化”的建议活动，旨在落实高中生物学核心素养中关于培养“模型与建模”科学思维和提升科学探究能力的要求。

数学模型一般分为曲线模型、集合模型、几何模型、排列组合模型、函数模型、概率模型、公式模型7类，以图表、坐标曲线、逻辑图等形式展现。建立生物数学模型需要解决3个基本问题：一是将实际问题转化为数学模型；二是设计模型中的坐标参数并标记观察到的数据；三是根据观察数据对已建立的模型进行趋势预判或拟合分析。例如，生态学的种群增长模型符合逻辑斯蒂方程（Logistic Equation），也适用于研究冠状病毒感染人数变化趋势，有人应用GeoGebra软件建模对各地冠状病毒感染者数据做回归分析并进行图形化呈现（https：//www.geogebra.org/search/covid19）。

教师引导学生构建数学模型过程中，如何引导学生将现实观测记录到的离散数据点通过合适的曲线进行表征？这就需要用到一些数据可视化工具了，比如GeoGebra这款动态数学软件，非常适合绘图计算、几何作图等，其内置的统计数值分析模型能快捷地将数据表在二维坐标中进行曲线拟合。教师可引导学生下载并分析各地官网发布的新冠疫情数据，导入GeoGebra软件构建种群数量“S形”增长的曲线来解释新冠疫情快速增长的现象和我国防疫的对策，以培养学生透过事物现象揭示其本质特性的洞察力及简约严密的思维品质，让他们体验由具体到抽象的思维模式转化。

三、策略：以信息技术赋能模型思维可视化教学

教师结合新冠病毒感染情境教学实践，综合运用了3种模型。一是对病毒相关概念和知识点进行归纳和概括，基于大概念教学引导学生构建新冠病毒知识树。二是对新冠病毒结构进行3D物理建模，让学生深入了解病毒结构和特征。三是对疫情数据进行建模和比对，演绎推理出传染趨势和特点。教师在这一系列思维可视化的教学过程中，加强互动，通过拓展训练，引导学生创造性思维和批判性思维，对新冠病毒的发展趋势和预防手段“大胆假设，小心求证”，培养学生的科学思维能力。笔者对信息技术赋能模型思维可视化教学过程中的目标和方法进行分析，梳理如下（见表1）。

教师针对不同的教学情境和教学任务，对学生物理模型、数字模型、概念模型等思维培养过程，进行仿真、建模、可视化，可实现隐性思维显性化，思维语言模式化，思维能力可迁移，有利于学生掌握科学知识，提升学生科学探究能力，培养科学情感态度，也为传统生物学课堂教学改革提供新的思路和途径。结合可视化技术的分类与特点，笔者对信息技术赋能模型思维可视化教学做了总结分析（如图2）。

四、模型思维可视化探究式教学注意事项

课标将学科核心素养水平从易到难划分为四个层级，其中建模思维和可视化工具的运用处于科学思维、科学探究要素中最高的层级（第四层）。教师在应用模型思维可视化教学法，组织学生开展探究式学习的过程中，要把握好以下两点，避免教学内容喧宾夺主，让学生产生畏难情绪，影响整体教学效果。

（一）模型思维的培养要循序渐进，注重思维演绎归纳水平的提升

学生的认知发展是循序渐进、螺旋上升的。教师培养学生科学思维，需要注意广度和深度。在模型建构过程中，教师需要引导学生通过观察或实验进行归纳和演绎；引导学生运用已有知识进行假设、模拟，将复杂的事物进行简化，抽象出其本质属性；将学生头脑中抽象的概念具体化、形象化、可视化。三种模型建构的思维难度有一定的差异：物理模型一般较具体，侧重模拟，其难度体现在数字化的虚拟模型与实体的比较分析方面；数学模型较抽象，侧重数形转换分析，其難度体现在离散的数据测量和符合逻辑的曲线拟合方面；概念模型注重对知识归纳概括、思维框架的逻辑演绎。教师在教学过程中要结合建模的目标和难易度，根据学生的思维能力和水平逐步培养学生的模型思维能力。学生在探索的过程中体验模型建构的成功与喜悦，有助于将模型方法和相关知识内化，提升自身认知水平。

（二）可视化工具的应用重在思维表达和知识建构，不能唯技术

模型思维可视化的精髓在于模型的探索与发现过程中，学生如果不亲身经历很难领悟建模的方法和关键要素。笔者列举的三个建模案例中，选用的工具都是操作简易的平台化软件，支持主流数据、资源的导入导出；所使用的素材在网上都能找到开放资源。师生对这些可视化工具的操作不必畏难，也不必花费大量时间在建模过程中，大幅减少师生学习软件技术的成本。教学中教师通过下载合适的素材和资源，即可对相关教学模型“点点用、改改用、创创用”。因此，在可视化工具融合应用于生物学教学过程中，教师除了向学生传达事实信息之外，要注重见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等方面的交流，帮助学生更快地建构、记忆、运用知识。也就是说，教师要引导学生建构，更要在建构中实现行为与思维的统一，而不能将重点放在工具的技术研究上。

生物学是一门与现实生活紧密联系的自然科学，它与数学、信息技术等学科是相互渗透、共同发展的，与人文社会学科是相互影响、相互促进的。教师运用模型思维可视化教学策略，有利于加强学科间的联系，便于学生理解科学的本质和思想方法，建立科学的生命观并逐步形成正确的世界观，从而促进生物学学科核心素养的提升。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020．

[2]（美）乔纳森.技术支持的思维建模：用于概念转变的思维工具[M].上海：华东师范大学出版社，2008.

[3] 王睿.浅析高中生物教材中模型与建构的应用[J].科教文汇（中旬刊），2021（20）：165-167.

（作者系广东省中山市教育技术中心高级教师）

责任编辑：祝元志