以思维导图为支架工具的《细胞生物学》教学设计和实践策略

张 青 史继峰

(1.西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院，重庆 400715；2.家蚕基因组生物学国家重点实验室，重庆 400715；3.农业农村部蚕桑生物学与遗传育种重点实验室，重庆 400715)

细胞是生命体结构和功能的基本单位。细胞生物学研究细胞的结构、功能及活动规律，内容涉及生物化学、遗传学、分子生物学、组织胚胎学等知识领域，是生物相关学科中最为重要的基础学科之一[1]。在我国的基础科学发展规划中，细胞生物学与神经生物学、分子生物学和生态学一起被列为生命科学的四大基础学科。高校的《细胞生物学》课程被设置为农、牧、林、医和生物技术等专业的重要基础课程[2]。《细胞生物学》教学的主要任务是使学生掌握细胞的基本知识和理论，为生物相关专业学生知识结构框架的构建奠定基础，也为他们后期课程的学习及科研做准备。然而，由于《细胞生物学》本身的学科特性，使其在具体的教学过程中存在诸多问题：(1)因研究范围广、内容深且较为抽象，让学生难以记忆、吸收并形成相对完整的知识体系；(2)作为一门新兴学科，内容的不断创新，如何兼顾教材和研究前沿使学生知晓知识的来龙去脉及学科走向，是教学的又一难点；(3)该学科与多门学科都有交叉联系，如何处理好与其他学科间的区别和联系，并帮助学生建立该学科和其所学专业的相关联系，提高学生的知识迁移能力和科学素养，也是教学中有待解决的问题。

随着中学教育改革不断深化，考入大学的学生基本情况不同，主要表现在以下几个方面。第一，学科知识基础不同：不仅不同届学生的学科知识基础有所不同，而且来自不同地区的学生具有的学科知识基础也有差异；学生的学科知识基础不仅参差不齐，而且学科知识内容也有所不同，甚至有些地区的生源因为高考可选择考某些科目，从而放弃了部分科目的学习，所以虽同为通过理科高考入学的同学，有些学的是生物+物理，有些学的是化学+物理等。这种情况下，老师授课不仅要注意到学生掌握基础知识能力的差异，还要注意到有些学生高中阶段没有学习过相应学科的知识基础，在考虑具体教学内容的时候则要有针对性地补充一定的基础知识以增强学生的理解和学习兴趣。第二，新高考背景下更强调学生能力的培养，而不再是只注重客观知识的掌握。当前大学生普遍具有更好的学习能力、解决实际问题的能力和创新思维的能力[3]。大学教育应该继续培养学生的个人能力和发掘他们的潜力。此外，在知识和信息爆炸的时代，学生能通过各种渠道获取绝大部分的客观知识甚至学科前沿信息，因此大学课程教学中教师应该借助这个优势，提炼学科知识精髓，在讲课中着重引导学生找出知识点内在的抽象联系，并组织成学生自己的认知模式，而不再仅仅是知识的讲授。此外，大学生的学习是在教师指导下，有目的、有计划、有组织地掌握系统的科学知识和技能，提高学习能力，形成世界观与社会道德品质的过程，具有专业性、自主性、探索性、实践性、综合性和广泛性[4]。这就要求大学教师在讲授专业课程的同时兼顾到学生整体专业知识系统的形成，兼顾到对学生独立学习、思考能力的培养，以及探索、创新意识的培养和合作协助能力的培养。

鉴于《细胞生物学》教学中的实际问题和当前对大学生教育、培养的需要，本文拟以思维导图为支架工具，结合学科发展史、情景模式、多媒体教学等构建《细胞生物学》的系统教学策略，希望能藉此提高教学效率，同时帮助学生提高学习效率、夯实学科基础、构建专业知识系统，有效地激发他们的学习热情，锻炼他们的发散思维能力，培养他们的创新能力。

1 思维导图及其特点和应用现状

20世纪60年代，英国心理学家和教育家托尼·巴赞(Tony Buzan)受达·芬奇(Leonardo di ser Piero da Vinci)的笔记启发，创建了一种用来提高记忆和记载效率的笔记形式，被称为思维导图。具体操作是模仿放射性思考中神经细胞间传递信息的方式，先写出核心词，以此为中心向外延伸出许多线索进而发展出多个副主题，再在各个副主题的基础上进一步衍生出更多的子主题[5]。一副完整的思维导图由核心词通过线条、关键词、颜色等建立起各个部分间的链接和逻辑关系，调动左右脑协助记忆和思考[6]。思维导图的主要优点有：(1)以核心词为中心结合支链上的关键词和进一步分支来组织知识，能帮助学习者对学习内容进行整体把握和记忆；(2)色彩、图像等的应用可有效地促进学生逻辑、思维、审美、构想等方面的均衡发展；(3)思维导图呈现的是一个思维过程，通过不断地学习和使用思维导图可有效地提高使用者的发散思维能力，也可供使用者回顾整个思维过程进而巩固记忆和理解；(4)思维导图反映的是制作者本人的发散思维过程，因而有强烈的个人色彩和风格，有利于记忆、运用和创造[8]，也有利于老师对学生知识掌握程度、思维模式的了解而因材施教[7-8]。

思维导图刚开始主要用于提升记笔记的效率和提高记忆能力，后来随着其研究的推进，被广泛地应用于人们日常生活、工作和学习，涉及教育、家庭、职业规划、计算机、商业等各个方面[9]。思维导图因与构建主义等多种学习理论相契合，因而也被大量应用于各个学龄段的教学研究和实践，不仅可提高学生的学习效率，还能提升学生的思维能力、智力发育水平及创新能力[10]。自2000年王功玲[11]首次在我国提出思维导图教学法的研究之后，我国学者相继在语文、数学、英语、物理、历史、地理、政治等学科开展了思维导图的教学研究[12]。在生物相关学科中的教学研究表明，采用思维导图教学能提高教学效率，改善学生对生物知识的记忆能力、理解能力和应用能力，还能提高学生的学习热情以及创新和发散思维能力[10，12-13]，但这些教学研究主要集中在初、高中阶段，相关策略和结论并不适用于大学相关生物类学科的教学及人才培养。徐鑫等[14]构建的思维导图用于《细胞生物学》教学的模式相对简单，仅限于传授思维导图的绘制方法及用于小组讨论，并未尝试将其融入更多教学环节及探讨其应用模式的多样性。

2 思维导图的相关理论基础

思维导图本质上是模仿人脑的工作模式，即信号以一个神经元为中心通过轴突或树突分别向上一级或下一级神经细胞传递兴奋。思维导图将制作者的思维模式展示出来，同时使知识及相互间的联系形象化，有利于学习者记忆和理解[15]。此外，脑科学研究表明人的左右大脑分别负责不同的功能：左脑主要负责数字、词汇及逻辑等为主的理性思维，右脑主要负责以空间感、结构及色彩等为主的形象思维[16]。而思维导图正好结合了图片、文字、色彩和逻辑，制造和使用的过程中充分调动左右半脑，可有效结合学生的形象思维和逻辑思维，充分发掘学生的大脑认知潜能。

皮亚杰在其认知发展理论中把个体对外界所有事物的知觉、了解和思索模式定义为个体的图式。个体认知发展的本质就是图式的形成、变化、丰富和发展，具体来讲就是个体在与环境相互作用下导致图式的生成和更迭，同时也反映了认知结构的发生及改变的实质和规律[17]。图式理论主张色彩、图像、联想等只是认知单元的组织形式，注重学生学习知识过程中对知识的整合，不认同传统的线性单一思维运转方式。这和思维导图鼓励学生以图像、色彩、关键词等对所学知识进行组织归纳、理解和记忆如出一辙[18]。

格式塔心理学家主张以整体的动力结构观来研究心理现象，强调经验和行为的整体性。他们认为学习的实质就是构造一种完形，即要看到事物的基本要素，也要感知各要素间的内在联系[19]。教师在讲授的过程中能引导学生理解到知识点间抽象的联系并最终链接成一幅完整的认知图画，将非常有助于学生对知识的掌握和知识系统的构建。《细胞生物学》中的大部分内容都是陈述性知识，知识点繁杂、散乱。将思维导图引入到《细胞生物学》教学的各个环节，有助于学生形成整体视角，加深对细胞生物学整体知识的记忆、理解和系统认知。

构建主义者认为学习是学生在其现有知识经验的基础上，不断认识、解释、理解世界或人际互动中通过社会性协商构建新的知识[20]，因此知识不是学生被动获得的，而是他们主动构建的结果[21]。构建主义教学观认为教学过程是学生在教师帮助下，以原有知识经验为基础，在教学情境、学习动机、情感等多方面因素综合作用下具有主动构建意义的过程[8]。构建主义教学观强调学生的主体性，教师是教学活动的引领者、促进者。教师一方面可以利用思维导图设计出教学情境，另一方面也可借助思维导图引导学生进入特定情景后进行小组协作学习或独立思考。这些模式均可促进学生主动探索、思考并构建新的知识经验体系。学生也在这样的教学模式下，在已有知识的基础上不断增加新的分支、新的联系，并以图文并茂的方式表达出学习构建的过程和对知识的理解，充分体现了学生作为学习者的主体地位[22]。

奥苏贝尔为代表的有意义学习理论认为：学习材料本身有一定的逻辑关联，可以和学习者经验逻辑建立联系；学习者必须有学习新材料的基础和学习的意愿[23]。无论思维导图作为教学工具还是学生自己构建思维导图，学生都需要将新的信息和已有知识联系起来，在理解的基础上建立新旧知识的联系。这个过程充分体现了奥苏贝尔有意愿学习的同化理论。此外，思维导图也很好地呈现了认知模型理论[24]、知识可视化理论[25]、多元智能理论[26]及人本主义理论[27]等教育心理学理论的相关主张。

3 思维导图在具体教学环节中的应用

目前将思维导图应用于教学仅仅涉及课程或教学中的部分环节。笔者在《细胞生物学》教学设计策略中根据高等教育的教学特点，尝试将思维导图应用到整个教学过程，包括教学设计、课前回顾、课后总结和复习课，同时引导学生以独立或小组的形式在预习、复习环节使用思维导图。由此一方面可借助思维导图帮助学生理清知识脉络；另一方面通过学生自己完成思维导图促进其对知识的理解，形成自己的知识体系，锻炼科学的发散思维。教师也可以通过查阅学生预习和复习的思维导图分别了解学生学习前的知识背景和学习后对知识的掌握情况。

教师在进行教学设计的时候就绘制出相关章节知识的思维导图，并围绕该思维导图开展教学活动。这样可以很好地保证教学过程始终围绕核心知识内容展开，并建立起以核心内容为中心的知识网络，有助于学生对知识的理解和整体掌握。同时在讲授新课之前，教师给出之前内容的简要思维导图，并通过提问等方式完善细化思维导图，达到复习和承前启后的作用，在帮助学生回顾之前学习内容的同时也很好地过渡到新讲授内容的学习。另外，在讲授完一节新课之后，教师往往要对该节内容做简要的总结和复习，以帮助学生了解需要掌握哪些重点知识。此环节借助思维导图，不仅能很好地总结知识内容，还能使知识以清晰的逻辑结构形式展现出来，让人一目了然，从而提高学生的学习兴趣和学习效率。最后，教师根据该学期的学习内容和具体的教学情况，借助思维导图复习学习内容，进一步深化知识体系，加深学生对知识的理解，增强他们对知识的掌握度。

在本教改策略中，除了需要教师在适当的教学环节使用思维导图外，还要求学生在学习的各个环节积极地使用和练习绘制思维导图，以增加他们对知识的理解和掌握程度，锻炼他们的发散思维能力。首先，要求学生在学习新章节的时候预习并绘制思维导图。这可以帮助他们提前了解知识内容，在绘制思维导图的过程中标注出未能理解的内容和难点，方便他们在后续听课过程中有所侧重。与此同时，教师通过查阅学生的预习思维导图能了解到学生的知识基础、背景和难点所在，从而在课程设计和讲授过程中有所侧重。其次，也要求学生在学习完新章节之后绘制复习思维导图。学生可以通过复习思维导图的绘制归纳所学知识体系，反思预习时对知识及其相互联系认识的不足，以进一步提升对知识的掌握程度。教师则可以通过查阅学生的复习思维导图，了解学生对知识的掌握情况；通过对比分析预习和复习思维导图，了解教学效果；还可将复习思维导图作为学习成绩评定的部分内容，使对学生学习成绩的评定更为全面合理。第三，学生在独立完成思维导图之后，通过小组讨论协作的形式再完善一份思维导图。这样不仅可以促进同学间的相互学习，增强协作沟通能力，还可以让他们在此过程中对比思维差异，进一步加深他们对知识的理解和提升他们的思维能力。

在将思维导图运用到教学各个环节的过程中，因各环节并非独立存在，每个环节的思维导图也并非一成不变，相互间的关联如图1所示。教师在准备新课教学设计时，除了根据教学大纲外，还应参考学生提交的预习思维导图，并进行学习情况分析，绘制更为有效的思维导图用于教学设计；而在准备课前回顾思维导图的时候，应参考学生提交的复习思维导图，有所侧重地引导学生对所学知识进行复习和巩固；在绘制复习课中的思维导图时，更应结合整个学期的教学思维导图和学生们绘制的思维导图，重新整理绘制出更符合那个教学阶段和学生知识情况的思维导图，进一步帮助学生在更高的知识层面和深度上去理解和掌握相关知识。学生在绘制预习、复习思维导图，观看老师展示的思维导图及参与小组讨论完成思维导图的过程中，不断反复地对知识进行琢磨、思考，同时也是对自己认知和思维的重塑与锤炼，使他们的知识和思维都更为精进。

图1 思维导图在教学各个环节的应用及相互关系

4 思维导图应用于“完型”知识的构建

如前所述，教师通过在教学各个环节适时适当地借助思维导图帮助学生建立起了《细胞生物学》的知识体系，加深了他们对知识间相互关系的理解。但这时候建立的知识体系还局限于课本或者教学大纲所要求的知识，还较为抽象，尚未“完形”。鉴于此，本教学设计拟在思维导图为核心的教学设计中巧妙地引入学科发展史、诺奖故事、上下游课程的衔接和相关专业背景，让学生从历史和专业等多维角度加深对细胞生物学的认识，增强他们的知识迁移转化能力，进而能学以致用。

诺贝尔奖是全世界公认的自然科学最高荣誉奖，能获该殊荣的成果往往是相关领域的里程碑式的重大突破。细胞生物学作为近些年发展最快的自然科学之一，很多诺贝尔化学奖和生理学或医学奖均与细胞生物学密切相关。若在《细胞生物学》课程的教学中适当进行诺奖成果的解析，将会极大地增强学生的学习兴趣和动力。但是，仅仅简单地将诺奖成果和相关知识点结合起来阐述还不足以体现诺奖突破性成果的历史意义，也不能让学生更充分地了解相关知识的前因后果。故在本教学策略中，笔者建议将相关诺奖成果和知识点与相应的学科发展进度结合起来讲，即将其还原到当时的研究背景和学科背景中，并简要介绍相关研究的最新进展。这既是让学生从学科历史发展变化的角度去看待课本上的知识点和诺奖成果，从而知道所学知识的“来龙去脉”，有助于他们对知识的理解和激发他们的学习积极性；更是让他们能从这些科学历史故事中体会科学研究的不易、乐趣和真谛，增强他们对科学研究的敬畏之心。

《细胞生物学》作为生命科学的基础学科，是农、牧、林、医和生物技术等专业基础课程。如果只是单方面教授《细胞生物学》课程，将会使其内容变得抽象而没有落脚点。因此在《细胞生物学》具体教学过程中，不仅要考虑相关知识的取舍和侧重，也应考虑上下游课程的相关内容，尽量不重复、不遗漏。同时在课程讲授过程中建立起和上下游课程的良好衔接，让学生将相关知识点放到专业中去理解、领会，帮助学生建立起专业特点的学科知识网络系统。这一方面可以加深学生对细胞生物学的理解，另一方面也可增强学生将基础知识向专业知识迁移的能力。

5 思维导图与其他教学模式的结合

将思维导图合理地应用到教学的各个环节，并巧妙地将细胞生物学知识融入学科发展和专业知识学习中去，能很好地帮助学生建立完善的细胞生物学基础知识体系及细胞生物学基础知识和其专业知识的联系。不过在具体的教学过程中，除了传统的讲授法外，还应结合情境教学、多媒体教学、PBL(problem-based learning)教学以及学生参与教学等模式，更好地激发学生学习的兴趣和学习的主动性。

多媒体能将画面、符号、声音及影像等相结合使知识内容的展示变得形象生动，因而被广泛地应用于教学实践。制作精良的Power Point能很好地帮助教师组织教学内容和展开教学实践，同时也能吸引学生的注意力，帮助学生理解知识[28]。将相关思维导图制作为Power Point并在上课时逐一展现或者采用板书+Power Point的方式，都能充分地发挥多媒体课件和思维导图的优势，获得良好的教学效果。此外，还可借助网上大量的视频资源或flash动画，如BBC的纪录片《The Inner Life of a Cell》、我国的精品视频公开课及网易公开课等，丰富教学内容，充盈以思维导图为组织构架的知识体系。教师还可根据实际教学情况和相关专业制作微课用于学生对知识难点、重点的学习[29]。

情境教学是运用具体生动的场景，激发学生主动学习的兴趣、提高学习效率的一种教学方法。在具体的教学实践中创建合适的情境模式能很好地帮助学生理解和领会重难点知识[30]。将《细胞生物学》课程的知识理论生活化是创建情景模式的好方法之一。如讲到细胞膜时，可结合护肤品的成分及原理进行讲解：护肤品中的油相成分和细胞膜有很好的亲和性，因而对皮肤具有一定的保护、润湿和加速有效成分吸收的效果。如讲到细胞的分化、衰老和凋亡时，可结合社会关注的癌症、iPS等进行讲解。此外，拟人和比喻的手法也是非常有效而生动的创建情景模式的方法之一。如讲到物质的跨膜运输，可采用拟人的方法，将涉及跨膜的各成分比喻为一定的从业人员，进而有利于学生的理解。

PBL教学模式是以学生为中心，把学习内容设置在特定的问题情境中，让学生通过解决问题来学习隐含于问题后面的科学知识，形成解决问题的能力和自主学习的能力[31]。在教学过程中适当地使用PBL教学法，能提高教学效率和学生的综合素质。此外，翻转课堂(Flipped classroom)、Seminar及学生参与式教学等教学模式也可灵活、适当地引入到本教学设计的实践中，以发挥出各种教学模式的优势，克服其弊端，最大化利用课堂时间增强教学效果，夯实学生的学习基础，增强他们的综合能力。

6 《细胞生物学》课程的教学设计

综上，将构建以思维导图为支架工具的细胞生物教学设计策略归纳为图2。

图2 以思维导图为支架工具的细胞生物学教学设计

该设计通过将思维导图应用到学生的预习、复习及教师的课前回顾、新课教学、课程小结和复习课等各个环节，旨在提高教学效率，帮助学生建立细胞生物学基础知识框架，锻炼他们的发散思维能力和增强他们的创新能力；并结合学科发展历史、诺奖故事、上下游课程和专业知识背景等，让学生了解知识的“来龙去脉”，强化他们对所学知识的理解，进一步帮助学生打通细胞生物学与专业的联系，增强他们的知识迁移能力。与此同时，在教学过程中灵活采用传统的讲授法、多媒体教学、PBL教学、情境教学等多种模式，帮助学生领会学科知识，领略学科理论精髓，全面培养他们的综合素质。该教学设计有望提高《细胞生物学》教学效率，培养具有良好学科知识体系和综合素质的专业人才。该教学设计也可为类似的专业基础课程提供教学设计参考。