中学生物学模型构建视域下的可视化教学研究

【摘 要】模型构建可驱动内隐式科学思维的可视化表达。模型是一种思维工具，教师可借助图线、实物等构建模型，将内隐式的知识脉络、知识体系可视化地表达出来。在做中学、做中思、做中悟的建模过程中，学生内隐的思维品质、思维过程等能充分暴露出来。可见，以生为本、以解决问题为导向、围绕学生已有认知是模型构建视域下可视化教学的基础、根本与核心。

【关键词】模型构建；可视化教学；科学思维

思维工具是指那些能有效影响思维抽象活动，提高思维效能，延伸思维深度，能把抽象思维过程具体化、可视化的一类方法技能的总称。有学者将思维工具分为思维可视化工具和思维策略工具。思维可视化工具可以将学习和思考的过程通过图示技术进行视觉表征，但没有解决“按照什么逻辑去表征”的问题，思维策略工具则是思维可视化工具的良好补充，两者相互结合才能够发挥更大的作用。模型与建模作为一种思维工具，是科学发展的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力［1］。模型作为一种思维可视化工具，可以将内隐式的知识脉络、知识体系等显性化地表达出来；而建模作为一种思维策略工具，可以将建模者的思维品质、思维过程等在做中学、做中思、做中悟中呈现出来，具体表征见图1。

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》将“模型与建模”归入“科学思维”的范畴，意义主要有两点：第一，从教学政策的角度审视，以模型构建这种形式推动科学思维的可视化表达，是新课改语境下中学生物学教学的必然取向；第二，从教学主体的角度审视，以思维可视化驱动生物学模型构建活动，不仅能显性化呈现学生的隐性思维过程，还能实现个体认知和交互取向的达成。这种在做中学、在做中思、在做中悟的行动模式，能帮助学生在层层深入的动态体验、体悟中建立知识连接，实现深度学习。外国学者金特纳和图潘（Gentner & Toupin）认为，从建模发展的根源来看，模型本质上是一种推理。这种推理是一种复杂的连续体，关键在于基础和目标之间映射的属性。因此，借助模型构建可视化地表达教学内容，旨在用不同形式的模型（如概念模型、物理模型、数学模型等）多元化、多层次地表征知识的同时，潜移默化地培养和锻炼学生的科学思维能力。

基于以上认知，笔者尝试从思维可视化的角度，阐述生物学模型构建教学活动的价值，并以生物学模型构建教学实践举证，以期给一线教学提供理论与实践上的参考。

一、中学生物学模型构建教学的可视化基础

可视化是指人们依据不同群体的认知水平，将抽象的知识、烦冗的数据、错综复杂的信息等转化成易于理解的直观图形、图像或模型等的一种形式。这种“让思维看得见”的形式，不仅能将人们内隐的思考方法和思考路径显性表达出来，还能帮助人们借助可视化的数据分析，做出更优化的决策和更接近事物本质的交流。在中学生物学模型构建教学中，教师可依据生物学原理或概念，用可视化的方法、可视化的操作和可视化的实践激活学生的学习热情，条分缕析思维的构建路径，促进生本认知内化。这种借助可视化模型预设思考和操作路径的模式，为学生思维力的培养提供了有效保障。

（一）模型构建的物态模式，可作为思维可视化的载体

思维可视化不仅能将内隐化的认知结构图像化，还能将缄默性知识物态化。众所周知，左脑主要负责归纳与概括、推理与分析等科学思维活动，右脑主要负责联想与想象、图画与描述等感性思维活动。从生理学角度审视教育，可以发现传统的学习方法侧重于左脑的使用，忽视右脑的使用。如何实现左右脑的协同学习？新课标提出的模型与建模就是一种培养模式。模型是一种可视化的物化形式，中学生物学依据中学生的认知结构，将模型分为概念模型、物理模型与数学模型。例如线条、图画、物体（如磁力贴、剪纸、木条等）等都是模型构建的可视化元素，让学生用这些可视化的元素展现生命的本质或发展规律，能充分展现学生的思考痕迹，旁观者能从这些痕迹中对学生思考的过程与路径提出疑惑与建议，使学习不断深入。由此，我们可以发现：模型构建活动是思维可视化的载体，其最大的优势就是能将隐性的思维过程和结果以显性化形式呈现，方便学习者通过物化的方式在主体场域（如课堂等）中完成思维的推演、验证、反思和认知等过程。同时，模型构建活动中左右脑的协同合作，减轻了学生的认知负载，使抽象的生物学知识在感官领悟、身心体验中形成正确的认知理解，达成深度学习。

（二）模型的可视化构建过程，可检测思维的水平

可视化标识当代文明演进的特定领域，思维可视化与知识可视化的时间临界、空间临界、人员临界，表征了思维可视化与知识可视化的对立统一联系。［2］在中学生物学教学过程中，学生可根据自我的认知水平、知识体系与思维模式，选择不同的材料建构模型。例如在“尝试制作真核细胞的三维结构模型”教学中，首先，学生可以根据对真核细胞的自我认知，自主选择不同的材料去设计、构建真核细胞模型并集中展示。其次，以小组为单位组织学生分别从知识内容、科学性、美学等维度进行评判，对存在某些缺陷或科学错误的模型，师生间、生生间要紧密合作，合力将导致缺陷的缘由找出来。最后，通过指点或交流的方式，学生认清并修正自身存在的认知错误、知识错误或行为缺陷等。这种模型构建和评价互助的演进过程，展现了模型可视化教学与思维可视化学习的协同作用。因此，一方面物态化的模型组件在人的手脑驱动与操作下，不仅能可视化地呈现一个人的思维进程和演进质量，还能折射出一个人的思维品质与水平层次；另一方面借助缺陷性或错误性模型的直观展示，对模型演进过程中出现的问题进行溯源与循证，鼓励小组内开展互评与自评，对现有的模型进行查漏补缺和优化，对学生科学思维的培养和提升起着重要的作用。

（三）模型构建的良性论证，是科学思维可视化的保障

良性论证是指对学习者而言有意义且重要的实践活动。良性论证常以真实世界中的情境为锚点，组织并推动活动的进展，使学生在寻求解决方案的过程中，加深对科学概念、科学规律及应用前景的理解。良性论证为学生习得生物学知识提供了模型构建的导向体系，架设了模型构建教学与思维可视化之间的桥梁，为科学知识的呈现提供了有力的支撑与保障。从认知论上看，模型构建是学生认识科学世界的可视化思维方式；从学习论上看，模型构建是学生研究科学世界的可视化操作工具；从价值论上看，模型构建承担着引发学生思考和塑造学生科学思维素养的重要作用。通过以上分析，我们认为模型构建的良性论证应具备两个高度：一是模型构建应能借助可视化的思维模式，序列化地构建生物学知识的显性体系，促使学习者在体验与体悟下达成思想的交互、经验的交流、疑惑的交换，继而完成思维的更迭与提升；二是模型构建应能突破科学知识的琐碎与零散，借助可视化的思维模式使知识像游走的积木，在遇到不同的问题时互相整合与拼接，以适应解决问题的需要。因此，在现实教学中，以良性论证的模型构建去协助会话，能将学生头脑中内隐式的思维过程表达出来，达成思维能力的进阶。

二、中学生物学模型构建教学的可视化实践

在教学的多变环境中，教师采用的教学方法时刻影响着学生的知识理解、思维的深化和拓展应用，而学生在教学场域中的反馈也影响着教师对教法的改进。［3］从理论思辨的角度来看，模型构建教学对思维可视化的开发和培养具有重要的价值，但课堂是一个特殊的“生态系统”，要打通模型构建与可视化思维的联结通路，需要教师在教学中致力于理解、发展基于模型的推理，形成支持推理的实践形式。从建模发展的根源来看，模型本质上是一种类推。［4］基于此，本文以“DNA的复制”一课为例，借助模型构建教学，可视化地呈现假说—演绎、类比—推理、归纳—概括等科学思维，让学生在可视化情境中完成科学思维的进阶。

（一）借助可视化工具，构建DNA复制的“假说—演绎”思维模型

假说—演绎是在观察和分析的基础上提出问题，通过推理和想象提出解释问题的假说，根据假说进行演绎推理，再通过实验检验演绎推理的结论。如果实验结果与预期结论相符，就证明假说是正确的，反之，则说明假说是错误的。［5］在“DNA的复制”一课的第一阶段，可运用模型构建，可视化地演绎DNA复制的三种模式，具体过程见图2。

【教学过程】第一步，创设问题情境——“以亲本DNA为模板复制生成两个DNA的过程中，有几种复制模式？”，引导学生提出DNA复制特点的假说。第二步，收集学生的假说，不外乎有三类，即全保留复制、半保留复制和弥散型复制。第三步，用红色磁力贴（图2中的实心线段）、黑色磁力贴（图2中的虚线线段），在黑板上分别演绎不同复制模式下亲本DNA复制两次的推理过程。

用模型构建的方式可视化地呈现假说—演绎的思维过程，一方面促进学生的抽象思维与形象思维的协调统一；另一方面借助语言与思维的逻辑性，引导学生在综合、推理、想象与观察等活动中实现能力进阶。以模型构建活动为载体，把个人的认知与想法融入其间，从课堂教学性质的角度审视，可以发现：第一，这种形式在巩固师生交流、生生交互的合作体制下，拓宽了学生的自我认知境界与知识体系；第二，模型这种直观化的元素符号，更易于呈现学生只可意会不可言传的缄默性知识。

（二）创设可视化装置，构建DNA复制的“类比—推理”思维模型

类比—推理亦称“类推”，常指根据两个对象在某些属性上相同或相似，通过比较推断出它们在其他属性上也相同的推理过程。类比—推理是从观察个别现象开始的，因而近似归纳推理，但它又不是由特殊到一般，而是由特殊到特殊，因而又不等同于归纳推理。在“DNA的复制”一课的第二阶段，运用模型构建，类比解说密度梯度离心的原理，推理含14N14N、14N15N、15N15N的DNA分子离心后的分布情况，具体过程见图3。

【教学过程】第一步，制备不同密度层的混合液。用量筒分别量取20mL的蜂蜜、自来水和食用油，依次倒入一个烧杯中，静置2分钟可观察到，食用油、自来水、蜂蜜的密度差异导致它们在垂直方向上呈明显的三层分布。第二步，制作含14N14N、14N15N、15N15N的DNA实物模型。将一根长约18cm的铜线，切割成等长的三段后，将绝缘层与铜芯剥离。然后按照“绝缘层与绝缘层”（图2中的虚线线段）、“绝缘层与铜芯”（图2中的虚线+实心线段）、“铜芯与铜芯”（图3中的实心线段）两两组合的形式，模拟制作含14N14N、14N15N、15N15N的DNA实物模型。第三步，模拟离心过程。将制作好的含14N14N、14N15N、15N15N的DNA实物模型，轻轻放入不同密度层的混合液后能观察到：模拟含14N14N的DNA实物模型悬浮在食用油层；模拟含14N15N的DNA实物模型悬浮于自来水层；模拟含15N15N的DNA实物模型悬浮于蜂蜜层。

以模型构建活动为平台，将学生不熟悉的观念（如密度梯度离心）与较熟悉的类似观念（图3构建的一系列模型）联系起来，达到解决问题的目的。用模型构建将理论性极强的理化知识融入学生的体验认知中，使用类比、演示以及模型等手段，联系学生先前掌握的知识与技能，在满足学生感知需要的同时，达成深度认知。

（三）整合模型与科学事实，驱动DNA复制的“归纳—概括”思维的深入

归纳—概括是指用概括的语言，将内容依前后次序，分若干部分表达出来，帮助学习者揭示事物的本质，从而得出事物的定义。归纳—概括是一个从现象到本质，从个别到普遍，从特殊到一般的过程，目的在于掌握内容要点，有利于发展连续思维的能力。在“DNA的复制”一课的第三阶段，运用模型构建，显性化地归纳概括出DNA复制的真实模式，具体过程见图4。

【教学过程】第一步，引导学生依据图2 DNA复制模型、图3密度梯度离心原理模型，归纳出第一次DNA复制（复制时间为20min）的结果，并依据归纳的结果，在模型图中标出密度带及比例。第二步，同理，归纳出第二次DNA复制（复制时间为40min）的结果，并依据归纳的结果，在模型图中标出密度带及比例。第三步，将学生归纳概括的结果，与Meselson和Stahl两位科学家的实验结果（图5）进行比对，得出实验结论，即DNA复制的特点是半保留复制。

用模型构建显性化地表达归纳—概括的思维过程，不仅仅是简单地合并归纳，而是要经历细致地讨论、推敲、修正、补充。用模型构建驱动归纳—概括的思维教学时，一定要基于学生现有的认知水平与客观的知识层级，帮助学生逐步排除事物个别的、特殊的属性，从而揭露事物的本质。特别提醒，在以模型构建推演思维进阶的过程中，一定要遵循科学的标准与原则，并以科学的实验数据或事实进行评价矫正。

三、落实生物学模型构建可视化教学的关键

物态的模型构建是建模者思维活动的真实反映，关乎其身体的互动和由互动引发的思维表征。这种互动经历了自我认知的唤醒、理想主义的构造和思维空间结构的形成，实现了思维可视化驱动下的模型塑造、发展和修正。同时，在小组成员、教师的辅助性提示以及科学性批判和现实主义的审视下，模型构建最终发展为有程序思维、学科内涵和认知进阶特色的可操作化模式。为了提升教学中模型与建模应用的实际效果，教师应以生为本，以解决问题为导向，结合在做中学、做中思、做中悟的认知规律，在学生思维的最近发展区寻找着力点并加以干预。那么，基于模型建构的思维可视化教学，落实的关键是什么？

（一）以生为本是基础

要让学生在模型构建的过程中不加修饰、不加掩藏地暴露自己的思维特征、思维缺陷和思维历程，尊重学生的主体地位是关键。和谐、公平、友善的交互氛围，能唤醒学生的内化需求，弱化课堂上的师生隔阂，促使学生去反映他们对信息的理解。虽然借助思维工具实施教学变得越来越普及，但多数课堂还是以教师为主导，将由图线、实物等建构的思维可视化工具（如模型）直接以PPT或图示的形式展现出来。与传统的教学相比，尽管这种物态化的呈现方式比抽象、冗长的文字描述更易让学生接受和理解，但并没有体现学习者为中心、主动参与、创造生成等建构主义特征，而只是教师控制、被动参与、展示等行为。通俗地讲，就是学生的主体地位缺失，课堂上教师没有引领学生经历在做中学、在做中思、在做中悟的思维训练过程。此时的模型对学生来说仅仅是一种媒介或知识呈现方式，并未达到帮助学生自主建构知识的目的。因此，实现由行为主义工具向建构主义工具的转变非常关键。

（二）以解决问题为导向是根本

基于模型构建的可视化教学不是为了建模而建模，而是要以解决具体的问题为目标。以问题为指引，思维的激发才能找到方向，思维的整理才能觅到依据。因此，坚持以具体问题为指引，回答并指导解决问题是模型构建教学的根本任务。从教学的角度审视，抓住问题才能找到前进的突破点。所以，教师要紧扣教学目标与教学内容，精心创设由易到难、由直观到抽象的梯度式问题，真正推动模型思维的发生、发展与落地。教师要驱使学生在已有认知的基础上，研究导向性问题，自发地开展交流与说理、辩论与评价，并主动分享模型构建的原理、思路、疑惑等，准确地表达出内心世界对相关生物学知识的理解。以解决问题为导向的模型构建，一方面可以积极地引领师生交流、生生交互，让学生多维化思考、多角度反思，最终达成一体式的模型构建认知谱系；另一方面，通过互相交流、评价反馈，能激发学生的创新思维和提升解决问题的能力。

（三）围绕学生已有认知来建模是核心

建构主义认为，新问题出现在学生面前时，学生往往会基于自我认知能力、探究水平、兴趣爱好，对新问题给出合理的解释或提出假设。因此，模型构建活动一定要从具体的学情或学生的生活经验出发，依据学生的认知水平去创设一系列科学思维活动。目前中学阶段检测学生现有认知水平的方法主要有观察法、访谈法、问卷调查法、画图法等。基于学生现有认知水平的模型构建活动，才能让学生有话可讲、有事可做、有情可表。因此，教师应剖析学生的真实想法，继而设计有针对性与实效性的模型构建活动。这种情境下的模型构建活动，在形制上，会引起学生的高度注意，能充分调动学生的参与热情和体验欲望；在内容上，强调生物学知识与真实情境的融合，延展了教材内容又考量了综合实践；在行动上，学思融合的具身认知体悟，能引导学生运用所学知识解决实际问题，真正推动科学教育从“离身”到“具身”的转变，实现思维从“隐身”到“显身”的历程。

参考文献：

［1］左开俊. 中学生物学概念模型的理解与实践价值［J］. 中小学课堂教学研究，2024（1）：20-25.

［2］尹晗，张际平. 思维可视化视角下的未来课堂架构研究［J］. 远程教育杂志，2016（2）：106-112.

［3］左开俊. 以结构化情境创设驱动生物学模型构建教学［J］. 教学与管理，2023（13）：49-53.

［4］索耶.剑桥学习科学手册［M］. 徐晓东，等译. 北京：教育科学出版社，2010：427.

［5］人民教育出版社课程教材研究所生物课程教材研究开发中心. 普通高中教科书：生物学：必修2：遗传与进化［M］. 北京：人民教育出版社，2019：7.

（责任编辑：潘安）