例析思维导图在高中生物实验教学中的应用

▍广西师范学院环境与生命科学学院 羊秀美 韩京哲 杨剑

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：培养学生的生物学科核心素养。其中，培养学生科学探究的素养，是使学生具备团队合作、勇于创新与提高实践的能力。学生科学探究与实践创新能力的培养途径之一，是让学生切身探究实验活动。但高中生物实验教学中常常出现以下现象：一是传统教学方法的课前预习，有些学生只是简单地看看实验讲义，没有形成自己的一个清晰的思路，而冗长的实验原理、材料用具、方法步骤以及操作要点和注意事项，甚至是思考讨论等，都可能使学生学习起来思维混乱。二是学生在实验动手操作中一板一眼地照着书本步骤模仿实验，或者照着老师的演示一步步地进行，没有自己清晰的思路，同时缺乏在实验操作中的思考。三是在高考的压力下，有些教师认为实验操作费时费力，留给学生独立思考的时间和机会就会减少，或者把“动手做”实验变成了“口头讲”实验，制约了学生动手能力和实践探究能力的发展。四是在探究性实验中，由于开放性大，内容比较丰富，师生探讨起来容易混乱，使得实验方案设计不合理、思路不清晰、思考不周全。因此，在高中生物实验教学中，基于学生如何有效地进行实验前的预习，进而清晰有序地进行实验操作；教师如何分配时间，高效率地指导学生进行实验；师生如何周全地设计探究性实验，进而有效地培养学生的实践创新与科学探究能力，一些学者在研究中发现，运用思维导图可以有效地进行高中生物实验教学，更好地促进学生核心素养的形成。

思维导图（Mind Map）是英国著名心理学家东尼·博赞（Tony Buzan）在20世纪70年代与兄弟巴利创造的一种发散性思维的表达工具。它强调的是大脑的发散性生理与意识概念的结构，以一个中心为一级主题，再分别向四周扩散形成二级主题、三级主题等分支。即从中心关键词出发，运用词组、短语、字体、线条、代码、图形、色彩、绘画、通感等方式构成。思维导图的特征在于：一是焦点在中央图像；二是从中央向四周扩散；三是分支由相关图或词组成；四是各分支由节点连接。思维导图也被人们称为瑞士军刀一般的思维工具。运用思维导图进行高中生物实验教学，结合学生的发散性思维与图式理论，可以将高中生物实验的知识直观地、可视化地呈现出来，有利于学生进行实验预习，有序操作；有利于教师掌握时间，合理分配，优化过程；同时也有利于师生思考与设计实验方案，井然有序地完成探究实验。本文以人教版高中生物教材的实验为例，从实验教学的四个方面来分析运用思维导图在高中生物实验教学中的优越性。

一、实验预习胸有成竹

在操作实验之前要组织学生运用思维导图进行实验课前的预习，要在学习相关的理论基础知识之上梳理冗长的实验原理、方法步骤，理清材料用具，谨慎注意事项，对实验进行预设与思考。例如，人教版高中生物必修一《分子与细胞》中“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”的实验预习（如图1所示）。学生可以从基础知识、实验准备、基本操作、注意事项和预设与思考等方面进行实验课预习，运用思维导图可以对整个实验活动清晰把握，了然于胸。带着这样的蓝图思路进入实验室操作，才能信心十足。而传统的课前预习方法，学生只是简单地浏览，预习过程不清晰，没有真正地达到预习的效果。相比之下，运用思维导图可以锻炼学生的放射性思维，同时也可以清晰地反映学生的关注点与不足之处。教师可以根据学生实验预习的思维导图快速找到学生的不足与误区，在讲解知识点时及时对学生进行查漏补缺。运用思维导图这一科学的思维与方法进行高中生物实验课的预习，有利于促进学生理性思维能力的发展。同时，实验课前的预习有利于培养学生自主学习的核心素养。

图1：“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验预习

二、实验操作思路清晰

在高中生物实验的探究中经常要进行多个实验的比较操作，比如观察叶绿体与线粒体，DNA和RNA的分布，酶活性的影响条件：温度和pH，检测生物组织的糖类、脂肪、蛋白质和淀粉等。在传统的实验教学中，由于多个实验进行比较，往往容易造成学生思路混乱、理不清头绪，动手操作过程中可能会造成张冠李戴的现象；学生也可能在实验操作过程中跟随教师的演示机械性地重复实验操作步骤。但在实验课堂中，运用思维导图的教学策略，可以清晰、系统、有条理地呈现各个实验的原理、材料、步骤和注意事项，让学生一目了然。例如，人教版高中生物必修一《分子与细胞》中“检测生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质和淀粉”的实验(如图2所示)。从思维导图中，我们可以清晰地看到糖类、淀粉、脂肪和蛋白质的各个原理、材料、步骤和注意事项，为学生在实验操作中提供了一个思路清晰的操作蓝图。教师在学生的实验操作中就可以做一个积极的引导者，启发和辅助学生完成实验操作。学生也可以对整个知识框架进行比较与思考，从而归纳、总结出自己的实验知识。

三、合理分配过程优化

《中国学生发展核心素养》倡导培养学生的“实践创新”精神，勇于创新，而非按部就班。同时，生物学科核心素养指出要培养学生的科学思维、批判性的思维，寻找最合适的解决途径。在高中生物实验的操作中，并非所有的实验都要按照课本的要求一步步地操作。有许多的实验可以通过小组合作的方式进行，比如观察叶绿体和线粒体、影响酶活性的条件、绿叶中色素的提取与分离等。通过小组分工合作，优化实验的进程，避免传统教学中出现的实验操作时间不足、课堂拖延、学生不专心等现象出现。例如，人教版高中生物必修一《分子与细胞》中的“绿叶中色素的提取与分离”的实验(如图3所示)。学生在一同学习实验的原理、材料以及知道注意事项后，色素的提取与分离可以分为两个小组进行，共同完成实验的操作，并且共同交流学习，高效率地完成实验。思维导图可以清晰呈现优化的实验步骤，实验过程分工明确，让学生清楚地分步骤协同合作，快捷操作，高效有序，更好、更快地完成实验的探究。同时，在实验的操作过程中，既分工又合作的模式可以培养学生团队合作与责任担当的核心素养。

四、探究实验设计明了

高中生物学科的课程标准倡导培养学生科学探究的生物学科核心素养，善于观察、发现、质疑、设计、实施、验证等。人教版高中生物教材中有许多探究性实验，比如调查人群中的遗传病：“用样方法调查草地中某种双子叶植物的种群密度”“土壤中小动物类群丰富度的研究”等。探究性实验开放性大、内容多、涉及范围广，传统教学中，由于学生的认知水平不一，在讨论时七嘴八舌，提出的方案五花八门，没有详细的计划安排和考虑彼此之间的相互联系，往往会计划不足，或者简单照搬课本，实验课堂的教学效果难以得到提高。而让学生学会运用思维导图进行探究性实验，可以清晰地反映学生的思考思路，紧扣主题，有效记录并且设计实验方案。同时也可以进行二次实验的可行性分析，体现以学生为主体的学习模式。在实验课堂上，有效促进师生间广度与深度地交流，激活发散式的探究思维方式。例如，人教版高中生物必修三《稳态与环境》中的“土壤中小动物类群丰富度的研究”的探究实验（如图4所示），围绕主题，从探究目的、原理、问题、计划、实施、注意、结果以及讨论等方面，条理清晰地进行探讨，记录要点，补充完善，形成完整的实验方案，在科学探究的过程中更好地培养学生科学探究与科学精神的核心素养。

图2：检测生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质和淀粉

图3：绿叶中色素的提取与分离

图4：土壤中小动物类群丰富度研究

五、结果与讨论

在高中生物教学中，利用思维导图可以从各个方面很好地提高生物学习效率和课堂教学效率，对教师而言，是备课、授课、解决问题等的好工具；对学生来说，是预习、做笔记、复习等的学习方式。但高中生物实验教学中很少发现运用思维导图进行实验教学与学习，大多数是提出解决问题的策略，很少运用到具体的教与学中。思维导图就是一种很好的知识表征工具。相对于理科中的化学实验、物理实验的教学，基于思维导图的教学模式探讨并且得到应用也较多。因此，思维导图应用于高中生物实验教学是一种尝试与创新，它以发散性的表达方式，以系统条理、层次分明、逻辑清晰、简洁明了的构建来促进学生建立完善的知识体系。在高中生物实验教学中，利用思维导图进行实验预习，可使学生胸有成竹，提高实践信心；可使教师查漏补缺，灵活设计；操作过程中，学生思路清晰，井然有序，教师启发引导，勇于创新。同时优化实验过程，省时省力，高效实践。在探究性实验中，体现了以学生为本的教育理念，提高了学生科学探究的兴趣和实验课堂教学的有效性。思维导图在高中生物实验教学中的应用，有利于培养学生学科核心素养与学生发展的核心素养。同时，思维导图中的实验教学可以有效促进新课程标准下的实验教学改革，勇于创新，挖掘新模式，促进有利于师生教与学的高中生物实验教学新方法的形成。