运用思维导图提高生物学实验教学的有效性

谭秋霞 (河北省石家庄市第二十七中学 石家庄 050031)

提高生物学实验教学有效性的一个重要途径就是帮助学生形成良好的认知结构。因为学生在良好认知结构的支持下能够目标明确地进行自主探究实验，了解和分析学生的认知结构也有利于教师开展针对性的实验指导。思维导图是一种帮助学生形成良好认知结构的思维工具和学习工具。它顺应了人类思维具有形象思维和抽象思维交互作用的特点，可以实现将抽象思维形象化和图像化。学生通过自主绘制相关实验的思维导图，形成良好的认知结构，并且使自己的认知结构可视化，师生通过交流思维导图不断完善认知结构，从而提高生物学实验教学的有效性。

1 思维导图应用于生物学实验教学的具体步骤

1.1 教师示范思维导图的基本绘制方法 教师示范绘制思维导图的过程，使自己原生态的思维过程可视化，充分地展现自己的发散思维、逻辑思维、图像思维，帮助学生理解思维导图制作原则。教师耐心引领学生，使其亲历思维导图制作的3个基本步骤： ①研读学习内容，把握部分与整体的关系，将最核心内容画在思维导图中央；②把与核心内容相关的其他内容浓缩提炼成关键词，放在线条上面，通过线条、箭头等，用概括的方法，展示知识间联系，明晰各部分知识在整体中的地位；③在整体框架下思考，关注到每个知识点的完整掌握，完成思维导图。在必修1模块“酶”这部分教学中，教师绘制的示范思维导图如图1。

1.2 学生自主学习，绘制导图 以“酶的实验”教学为例，学生课前自主学习所有相关内容。强调通过自己的理解和解释对教材中的信息进行一个新的建构。

思考： 教材研讨了几个酶的实验？最关键的内容是什么？各部分之间有什么联系？如何用形象直观的方法表示彼此联系？等等。要特别关注： 哪些是自己以前就懂得的，哪些是通过自学就明白的，哪些是需要教师和同学帮助的。通过自学，锻炼学生把握重点和提取关键词的能力，这是取得良好思维效果的重要保障，为到课堂上主动参与整个学习过程打下坚实基础。学生要在充分思考的基础上大胆绘制“酶的实验”思维导图。学生自主绘制的思维导图如图2和图3。自主学习的效果： 大约80%的内容学生自己能在课前消化，20%解决不了的问题带到课堂上协商。因为目标明确，所以学习效率将大大提高。教师要对全班同学的思维导图进行逐一批阅，通过可视化思维导图了解学生原生态思考过程，给予积极回应以增强信心，同时标出知识性错误，但对其余内容如思维架构不轻易决定对错，延迟评价。因为思维存在个体差异，其中很可能有创新成分。

图1 《分子与细胞》模块中“酶”思维导图

图2 学生A自主绘制的思维导图注： 教师评价——对酶的相关知识进行了有效整合，表述清晰；注意化学本质为RNA的酶，不会被蛋白酶降解

研究A条件对实验的影响，应使B、 C、 D条件均处于实验最合适状态，凸显A条件的影响，放大效果图3 学生B自主绘制的思维导图注： 教师评价——“注”写得很好，说明透彻理解了“单一变量”原则；绘图很用心，字少，信息量大

1.3 师生合作，交流分享 ①课堂上学习小组交流分享思维导图，运用集体智慧，对思维导图的整体框架和关键词进行交流、修改、完善；②教师引导全班进行整体交流。各小组代表讲解思维导图，全体学生讨论，互相补充。教师创设民主氛围让学生自己去讨论、去争辩、去论证自己的观点。学生会积极地开动脑筋，完善思维导图。交流后更新的思维导图如图4。

学生经过独立思考、小组交流和全班交流后，形成自己良好的认知结构。

1.4 初次实验，形成能力 学生在较为完善的知识结构指导下，目的明确，更能有效地开展实验，取得很好的实验效果。但在实验过程中往往会出现“意外”情况，教师要鼓励学生大胆质疑，补充思维导图，更新自己的认知结构。例如，某学生进行的“探究pH对酶活性的影响”实验，采用的原理是： 淀粉酶将淀粉水解为麦芽糖，碘液可以使淀粉溶液变成蓝色；根据是否变蓝或蓝色的深浅来判断相关pH对酶活性的影响程度。实验设置的pH梯度为： 5.60、 6.20、 6.80、 7.40、 8.00。实验结果： pH为5.60、 6.20、 7.40的试管都不同程度地显现蓝色；而pH为6.80、 8.00的试管显现的颜色均接近橙黄色。出现了与预设结果不一致的“意外”。学生质疑： 唾液淀粉酶的最适pH约为6.80，为什么pH为8.00与pH为6.80的结果相似？难道唾液淀粉酶在过碱的环境中并没有失活？面对“意外”和疑问，提出假说： 碱性条件下唾液淀粉酶的活性依然很高，NaOH改变了淀粉的性质，NaOH改变了碘液的性质。师生要特别重视实验过程中临时生成的问题，充分交流，突出学生的主体作用，享受知识的认知过程，引导学生进入更深层次的思考，设计实施更深刻的探究实验，帮助学生的分析推理等能力得到提高。

图4 学生交流后更新的思维导图注： 教师评价——图画得形象生动、赏心悦目；请思考老师标注内容

1.5 二次实验，创新升华 二次实验是指在初次传统生物学实验教学知识结构和基本技能的基础上，针对学生在初次实验过程中发现的问题进行重新设计探究的实验教学，利于培养学生敢于质疑的精神，也利于师生完善和更新知识结构。例如，上述实验中，针对pH为8.00时出现反常现象的三个假说开展二次实验。实验1： 重复上面的实验步骤，只是在结果鉴定时把碘液换为斐林试剂，观察颜色变化。实验2： 取3支试管均加入淀粉溶液，再分别加入H2O、 HCl和NaOH，向3支试管中均加入碘液，观察颜色变化；再向NaOH试管中追加HCl，观察颜色变化。实验3： 向分别盛有H2O、 HCl和NaOH的三支试管中滴加碘液，观察颜色变化；再向加入NaOH试管中追加HCl，观察颜色变化。正是在二次实验过程中，学生提出了“探究pH对酶活性的影响”实验的材料不适合选用淀粉和淀粉酶的观点。师生补充完善思维导图(图5)，从而使相应的知识结构得到更新。

图5 “酶的实验”思维导图

图5可以达到将“酶的实验”总结升华之目的。在教材提供的众多图片中，“锁钥模型”最重要，并且最重要的环节是酶与底物的特异性结合。该环节可以解释酶的所有特性： ①温和性： 酶需要温和的条件以保证其空间结构正常；②专一性： 酶对底物的要求是专一的，酶只能与专一底物发生特异性结合；③高效性： 只要正常结构的酶与专一底物结合，就可以大大降低反应活化能，从而使反应高效进行；④酶浓度、底物浓度均能影响反应速率，因为化学反应依赖于分子之间的有效碰撞；⑤不能用“H2O2与H2O2酶”设计温度影响酶活性实验的原因，不能用“淀粉与淀粉酶”设计pH影响酶活性实验的原因： H2O2分解受温度影响、淀粉分解受pH(H+是淀粉分解反应的无机催化剂)影响，即反应速率并不只是受酶的影响。由此可见，思维导图能够帮助学生形成良好的认知结构，酶的实验相关问题可以迎刃而解。

2 教学效果与体会

2.1 学生处于积极主动的思维状态 绘制和使用思维导图时，学生的大脑始终处于主动联想状态： 思考关键词的意义，联想关键词之间的联系，思考知识的要点和知识间的内在联系。通过彼此分享、倾听和交流各自的思维导图，把主要精力集中在最关键的问题上，节省学习时间，提高学习效益。

2.2 学生的认知结构得到优化 思维导图能够将新旧知识有机地结合起来，能够把图形和文字有机结合起来，能够使新知识尽快同化到原有的认知结构中，从而使学习者的认知结构得到丰富、完善和发展。

2.3 学生的创新精神创新能力得以展现 思维导图的个性化，张扬了学生的创新精神。思维导图提倡图文转换、图文并茂，强调图像训练优于单纯的文字训练。由于图形、线条、色彩、关键词之间的灵活组合，使学习者的头脑越来越清醒，师生都会处在不断发现、不断找到新联系的边缘，思维处于不间断地流动状态和生成状态，师生的直觉思维、想象能力和创新能力得到激发和唤醒，始终处于左右脑协调发展的理想状态。

当然，整个学习过程需要学生自己努力通过意义建构的方式获取知识，开始确实需要花费较多时间，并且有相当一部分学生不适应。但是依靠自身的努力和顽强的意志获取的知识越多，记忆就越牢固，新的知识在大脑中的安置就越有秩序和严整。学生评价： 思维导图的运用是一个前期痛苦后期幸福的过程。总之，在生物学实验教学中，放手让学生亲历构建、修改完善、灵活运用思维导图的全过程，学生的理解能力、获取信息能力和自主创新学习能力等得到了一定提升，可以提高生物学实验教学的有效性。