中學(xué)生物學(xué)模型構(gòu)建視域下的可視化教學(xué)研究

【摘 要】模型構(gòu)建可驅(qū)動內(nèi)隱式科學(xué)思維的可視化表達(dá)。模型是一種思維工具，教師可借助圖線、實物等構(gòu)建模型，將內(nèi)隱式的知識脈絡(luò)、知識體系可視化地表達(dá)出來。在做中學(xué)、做中思、做中悟的建模過程中，學(xué)生內(nèi)隱的思維品質(zhì)、思維過程等能充分暴露出來?？梢姡陨鸀楸?、以解決問題為導(dǎo)向、圍繞學(xué)生已有認(rèn)知是模型構(gòu)建視域下可視化教學(xué)的基礎(chǔ)、根本與核心。

【關(guān)鍵詞】模型構(gòu)建；可視化教學(xué)；科學(xué)思維

思維工具是指那些能有效影響思維抽象活動，提高思維效能，延伸思維深度，能把抽象思維過程具體化、可視化的一類方法技能的總稱。有學(xué)者將思維工具分為思維可視化工具和思維策略工具。思維可視化工具可以將學(xué)習(xí)和思考的過程通過圖示技術(shù)進(jìn)行視覺表征，但沒有解決“按照什么邏輯去表征”的問題，思維策略工具則是思維可視化工具的良好補(bǔ)充，兩者相互結(jié)合才能夠發(fā)揮更大的作用。模型與建模作為一種思維工具，是科學(xué)發(fā)展的重要元素，也是科學(xué)學(xué)習(xí)中不可或缺的認(rèn)知與能力［1］。模型作為一種思維可視化工具，可以將內(nèi)隱式的知識脈絡(luò)、知識體系等顯性化地表達(dá)出來；而建模作為一種思維策略工具，可以將建模者的思維品質(zhì)、思維過程等在做中學(xué)、做中思、做中悟中呈現(xiàn)出來，具體表征見圖1。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將“模型與建模”歸入“科學(xué)思維”的范疇，意義主要有兩點：第一，從教學(xué)政策的角度審視，以模型構(gòu)建這種形式推動科學(xué)思維的可視化表達(dá)，是新課改語境下中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的必然取向；第二，從教學(xué)主體的角度審視，以思維可視化驅(qū)動生物學(xué)模型構(gòu)建活動，不僅能顯性化呈現(xiàn)學(xué)生的隱性思維過程，還能實現(xiàn)個體認(rèn)知和交互取向的達(dá)成。這種在做中學(xué)、在做中思、在做中悟的行動模式，能幫助學(xué)生在層層深入的動態(tài)體驗、體悟中建立知識連接，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。外國學(xué)者金特納和圖潘（Gentner & Toupin）認(rèn)為，從建模發(fā)展的根源來看，模型本質(zhì)上是一種推理。這種推理是一種復(fù)雜的連續(xù)體，關(guān)鍵在于基礎(chǔ)和目標(biāo)之間映射的屬性。因此，借助模型構(gòu)建可視化地表達(dá)教學(xué)內(nèi)容，旨在用不同形式的模型（如概念模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型等）多元化、多層次地表征知識的同時，潛移默化地培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力。

基于以上認(rèn)知，筆者嘗試從思維可視化的角度，闡述生物學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)活動的價值，并以生物學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)實踐舉證，以期給一線教學(xué)提供理論與實踐上的參考。

一、中學(xué)生物學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)的可視化基礎(chǔ)

可視化是指人們依據(jù)不同群體的認(rèn)知水平，將抽象的知識、煩冗的數(shù)據(jù)、錯綜復(fù)雜的信息等轉(zhuǎn)化成易于理解的直觀圖形、圖像或模型等的一種形式。這種“讓思維看得見”的形式，不僅能將人們內(nèi)隱的思考方法和思考路徑顯性表達(dá)出來，還能幫助人們借助可視化的數(shù)據(jù)分析，做出更優(yōu)化的決策和更接近事物本質(zhì)的交流。在中學(xué)生物學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)中，教師可依據(jù)生物學(xué)原理或概念，用可視化的方法、可視化的操作和可視化的實踐激活學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，條分縷析思維的構(gòu)建路徑，促進(jìn)生本認(rèn)知內(nèi)化。這種借助可視化模型預(yù)設(shè)思考和操作路徑的模式，為學(xué)生思維力的培養(yǎng)提供了有效保障。

（一）模型構(gòu)建的物態(tài)模式，可作為思維可視化的載體

思維可視化不僅能將內(nèi)隱化的認(rèn)知結(jié)構(gòu)圖像化，還能將緘默性知識物態(tài)化。眾所周知，左腦主要負(fù)責(zé)歸納與概括、推理與分析等科學(xué)思維活動，右腦主要負(fù)責(zé)聯(lián)想與想象、圖畫與描述等感性思維活動。從生理學(xué)角度審視教育，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法側(cè)重于左腦的使用，忽視右腦的使用。如何實現(xiàn)左右腦的協(xié)同學(xué)習(xí)？新課標(biāo)提出的模型與建模就是一種培養(yǎng)模式。模型是一種可視化的物化形式，中學(xué)生物學(xué)依據(jù)中學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，將模型分為概念模型、物理模型與數(shù)學(xué)模型。例如線條、圖畫、物體（如磁力貼、剪紙、木條等）等都是模型構(gòu)建的可視化元素，讓學(xué)生用這些可視化的元素展現(xiàn)生命的本質(zhì)或發(fā)展規(guī)律，能充分展現(xiàn)學(xué)生的思考痕跡，旁觀者能從這些痕跡中對學(xué)生思考的過程與路徑提出疑惑與建議，使學(xué)習(xí)不斷深入。由此，我們可以發(fā)現(xiàn)：模型構(gòu)建活動是思維可視化的載體，其最大的優(yōu)勢就是能將隱性的思維過程和結(jié)果以顯性化形式呈現(xiàn)，方便學(xué)習(xí)者通過物化的方式在主體場域（如課堂等）中完成思維的推演、驗證、反思和認(rèn)知等過程。同時，模型構(gòu)建活動中左右腦的協(xié)同合作，減輕了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)載，使抽象的生物學(xué)知識在感官領(lǐng)悟、身心體驗中形成正確的認(rèn)知理解，達(dá)成深度學(xué)習(xí)。

（二）模型的可視化構(gòu)建過程，可檢測思維的水平

可視化標(biāo)識當(dāng)代文明演進(jìn)的特定領(lǐng)域，思維可視化與知識可視化的時間臨界、空間臨界、人員臨界，表征了思維可視化與知識可視化的對立統(tǒng)一聯(lián)系。［2］在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)過程中，學(xué)生可根據(jù)自我的認(rèn)知水平、知識體系與思維模式，選擇不同的材料建構(gòu)模型。例如在“嘗試制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型”教學(xué)中，首先，學(xué)生可以根據(jù)對真核細(xì)胞的自我認(rèn)知，自主選擇不同的材料去設(shè)計、構(gòu)建真核細(xì)胞模型并集中展示。其次，以小組為單位組織學(xué)生分別從知識內(nèi)容、科學(xué)性、美學(xué)等維度進(jìn)行評判，對存在某些缺陷或科學(xué)錯誤的模型，師生間、生生間要緊密合作，合力將導(dǎo)致缺陷的緣由找出來。最后，通過指點或交流的方式，學(xué)生認(rèn)清并修正自身存在的認(rèn)知錯誤、知識錯誤或行為缺陷等。這種模型構(gòu)建和評價互助的演進(jìn)過程，展現(xiàn)了模型可視化教學(xué)與思維可視化學(xué)習(xí)的協(xié)同作用。因此，一方面物態(tài)化的模型組件在人的手腦驅(qū)動與操作下，不僅能可視化地呈現(xiàn)一個人的思維進(jìn)程和演進(jìn)質(zhì)量，還能折射出一個人的思維品質(zhì)與水平層次；另一方面借助缺陷性或錯誤性模型的直觀展示，對模型演進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行溯源與循證，鼓勵小組內(nèi)開展互評與自評，對現(xiàn)有的模型進(jìn)行查漏補(bǔ)缺和優(yōu)化，對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和提升起著重要的作用。

（三）模型構(gòu)建的良性論證，是科學(xué)思維可視化的保障

良性論證是指對學(xué)習(xí)者而言有意義且重要的實踐活動。良性論證常以真實世界中的情境為錨點，組織并推動活動的進(jìn)展，使學(xué)生在尋求解決方案的過程中，加深對科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律及應(yīng)用前景的理解。良性論證為學(xué)生習(xí)得生物學(xué)知識提供了模型構(gòu)建的導(dǎo)向體系，架設(shè)了模型構(gòu)建教學(xué)與思維可視化之間的橋梁，為科學(xué)知識的呈現(xiàn)提供了有力的支撐與保障。從認(rèn)知論上看，模型構(gòu)建是學(xué)生認(rèn)識科學(xué)世界的可視化思維方式；從學(xué)習(xí)論上看，模型構(gòu)建是學(xué)生研究科學(xué)世界的可視化操作工具；從價值論上看，模型構(gòu)建承擔(dān)著引發(fā)學(xué)生思考和塑造學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)的重要作用。通過以上分析，我們認(rèn)為模型構(gòu)建的良性論證應(yīng)具備兩個高度：一是模型構(gòu)建應(yīng)能借助可視化的思維模式，序列化地構(gòu)建生物學(xué)知識的顯性體系，促使學(xué)習(xí)者在體驗與體悟下達(dá)成思想的交互、經(jīng)驗的交流、疑惑的交換，繼而完成思維的更迭與提升；二是模型構(gòu)建應(yīng)能突破科學(xué)知識的瑣碎與零散，借助可視化的思維模式使知識像游走的積木，在遇到不同的問題時互相整合與拼接，以適應(yīng)解決問題的需要。因此，在現(xiàn)實教學(xué)中，以良性論證的模型構(gòu)建去協(xié)助會話，能將學(xué)生頭腦中內(nèi)隱式的思維過程表達(dá)出來，達(dá)成思維能力的進(jìn)階。

二、中學(xué)生物學(xué)模型構(gòu)建教學(xué)的可視化實踐

在教學(xué)的多變環(huán)境中，教師采用的教學(xué)方法時刻影響著學(xué)生的知識理解、思維的深化和拓展應(yīng)用，而學(xué)生在教學(xué)場域中的反饋也影響著教師對教法的改進(jìn)。［3］從理論思辨的角度來看，模型構(gòu)建教學(xué)對思維可視化的開發(fā)和培養(yǎng)具有重要的價值，但課堂是一個特殊的“生態(tài)系統(tǒng)”，要打通模型構(gòu)建與可視化思維的聯(lián)結(jié)通路，需要教師在教學(xué)中致力于理解、發(fā)展基于模型的推理，形成支持推理的實踐形式。從建模發(fā)展的根源來看，模型本質(zhì)上是一種類推。［4］基于此，本文以“DNA的復(fù)制”一課為例，借助模型構(gòu)建教學(xué)，可視化地呈現(xiàn)假說—演繹、類比—推理、歸納—概括等科學(xué)思維，讓學(xué)生在可視化情境中完成科學(xué)思維的進(jìn)階。

（一）借助可視化工具，構(gòu)建DNA復(fù)制的“假說—演繹”思維模型

假說—演繹是在觀察和分析的基礎(chǔ)上提出問題，通過推理和想象提出解釋問題的假說，根據(jù)假說進(jìn)行演繹推理，再通過實驗檢驗演繹推理的結(jié)論。如果實驗結(jié)果與預(yù)期結(jié)論相符，就證明假說是正確的，反之，則說明假說是錯誤的。［5］在“DNA的復(fù)制”一課的第一階段，可運用模型構(gòu)建，可視化地演繹DNA復(fù)制的三種模式，具體過程見圖2。

【教學(xué)過程】第一步，創(chuàng)設(shè)問題情境——“以親本DNA為模板復(fù)制生成兩個DNA的過程中，有幾種復(fù)制模式？”，引導(dǎo)學(xué)生提出DNA復(fù)制特點的假說。第二步，收集學(xué)生的假說，不外乎有三類，即全保留復(fù)制、半保留復(fù)制和彌散型復(fù)制。第三步，用紅色磁力貼（圖2中的實心線段）、黑色磁力貼（圖2中的虛線線段），在黑板上分別演繹不同復(fù)制模式下親本DNA復(fù)制兩次的推理過程。

用模型構(gòu)建的方式可視化地呈現(xiàn)假說—演繹的思維過程，一方面促進(jìn)學(xué)生的抽象思維與形象思維的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；另一方面借助語言與思維的邏輯性，引導(dǎo)學(xué)生在綜合、推理、想象與觀察等活動中實現(xiàn)能力進(jìn)階。以模型構(gòu)建活動為載體，把個人的認(rèn)知與想法融入其間，從課堂教學(xué)性質(zhì)的角度審視，可以發(fā)現(xiàn)：第一，這種形式在鞏固師生交流、生生交互的合作體制下，拓寬了學(xué)生的自我認(rèn)知境界與知識體系；第二，模型這種直觀化的元素符號，更易于呈現(xiàn)學(xué)生只可意會不可言傳的緘默性知識。

（二）創(chuàng)設(shè)可視化裝置，構(gòu)建DNA復(fù)制的“類比—推理”思維模型

類比—推理亦稱“類推”，常指根據(jù)兩個對象在某些屬性上相同或相似，通過比較推斷出它們在其他屬性上也相同的推理過程。類比—推理是從觀察個別現(xiàn)象開始的，因而近似歸納推理，但它又不是由特殊到一般，而是由特殊到特殊，因而又不等同于歸納推理。在“DNA的復(fù)制”一課的第二階段，運用模型構(gòu)建，類比解說密度梯度離心的原理，推理含14N14N、14N15N、15N15N的DNA分子離心后的分布情況，具體過程見圖3。

【教學(xué)過程】第一步，制備不同密度層的混合液。用量筒分別量取20mL的蜂蜜、自來水和食用油，依次倒入一個燒杯中，靜置2分鐘可觀察到，食用油、自來水、蜂蜜的密度差異導(dǎo)致它們在垂直方向上呈明顯的三層分布。第二步，制作含14N14N、14N15N、15N15N的DNA實物模型。將一根長約18cm的銅線，切割成等長的三段后，將絕緣層與銅芯剝離。然后按照“絕緣層與絕緣層”（圖2中的虛線線段）、“絕緣層與銅芯”（圖2中的虛線+實心線段）、“銅芯與銅芯”（圖3中的實心線段）兩兩組合的形式，模擬制作含14N14N、14N15N、15N15N的DNA實物模型。第三步，模擬離心過程。將制作好的含14N14N、14N15N、15N15N的DNA實物模型，輕輕放入不同密度層的混合液后能觀察到：模擬含14N14N的DNA實物模型懸浮在食用油層；模擬含14N15N的DNA實物模型懸浮于自來水層；模擬含15N15N的DNA實物模型懸浮于蜂蜜層。

以模型構(gòu)建活動為平臺，將學(xué)生不熟悉的觀念（如密度梯度離心）與較熟悉的類似觀念（圖3構(gòu)建的一系列模型）聯(lián)系起來，達(dá)到解決問題的目的。用模型構(gòu)建將理論性極強(qiáng)的理化知識融入學(xué)生的體驗認(rèn)知中，使用類比、演示以及模型等手段，聯(lián)系學(xué)生先前掌握的知識與技能，在滿足學(xué)生感知需要的同時，達(dá)成深度認(rèn)知。

（三）整合模型與科學(xué)事實，驅(qū)動DNA復(fù)制的“歸納—概括”思維的深入

歸納—概括是指用概括的語言，將內(nèi)容依前后次序，分若干部分表達(dá)出來，幫助學(xué)習(xí)者揭示事物的本質(zhì)，從而得出事物的定義。歸納—概括是一個從現(xiàn)象到本質(zhì)，從個別到普遍，從特殊到一般的過程，目的在于掌握內(nèi)容要點，有利于發(fā)展連續(xù)思維的能力。在“DNA的復(fù)制”一課的第三階段，運用模型構(gòu)建，顯性化地歸納概括出DNA復(fù)制的真實模式，具體過程見圖4。

【教學(xué)過程】第一步，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)圖2 DNA復(fù)制模型、圖3密度梯度離心原理模型，歸納出第一次DNA復(fù)制（復(fù)制時間為20min）的結(jié)果，并依據(jù)歸納的結(jié)果，在模型圖中標(biāo)出密度帶及比例。第二步，同理，歸納出第二次DNA復(fù)制（復(fù)制時間為40min）的結(jié)果，并依據(jù)歸納的結(jié)果，在模型圖中標(biāo)出密度帶及比例。第三步，將學(xué)生歸納概括的結(jié)果，與Meselson和Stahl兩位科學(xué)家的實驗結(jié)果（圖5）進(jìn)行比對，得出實驗結(jié)論，即DNA復(fù)制的特點是半保留復(fù)制。

用模型構(gòu)建顯性化地表達(dá)歸納—概括的思維過程，不僅僅是簡單地合并歸納，而是要經(jīng)歷細(xì)致地討論、推敲、修正、補(bǔ)充。用模型構(gòu)建驅(qū)動歸納—概括的思維教學(xué)時，一定要基于學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平與客觀的知識層級，幫助學(xué)生逐步排除事物個別的、特殊的屬性，從而揭露事物的本質(zhì)。特別提醒，在以模型構(gòu)建推演思維進(jìn)階的過程中，一定要遵循科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)與原則，并以科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)或事實進(jìn)行評價矯正。

三、落實生物學(xué)模型構(gòu)建可視化教學(xué)的關(guān)鍵

物態(tài)的模型構(gòu)建是建模者思維活動的真實反映，關(guān)乎其身體的互動和由互動引發(fā)的思維表征。這種互動經(jīng)歷了自我認(rèn)知的喚醒、理想主義的構(gòu)造和思維空間結(jié)構(gòu)的形成，實現(xiàn)了思維可視化驅(qū)動下的模型塑造、發(fā)展和修正。同時，在小組成員、教師的輔助性提示以及科學(xué)性批判和現(xiàn)實主義的審視下，模型構(gòu)建最終發(fā)展為有程序思維、學(xué)科內(nèi)涵和認(rèn)知進(jìn)階特色的可操作化模式。為了提升教學(xué)中模型與建模應(yīng)用的實際效果，教師應(yīng)以生為本，以解決問題為導(dǎo)向，結(jié)合在做中學(xué)、做中思、做中悟的認(rèn)知規(guī)律，在學(xué)生思維的最近發(fā)展區(qū)尋找著力點并加以干預(yù)。那么，基于模型建構(gòu)的思維可視化教學(xué)，落實的關(guān)鍵是什么？

（一）以生為本是基礎(chǔ)

要讓學(xué)生在模型構(gòu)建的過程中不加修飾、不加掩藏地暴露自己的思維特征、思維缺陷和思維歷程，尊重學(xué)生的主體地位是關(guān)鍵。和諧、公平、友善的交互氛圍，能喚醒學(xué)生的內(nèi)化需求，弱化課堂上的師生隔閡，促使學(xué)生去反映他們對信息的理解。雖然借助思維工具實施教學(xué)變得越來越普及，但多數(shù)課堂還是以教師為主導(dǎo)，將由圖線、實物等建構(gòu)的思維可視化工具（如模型）直接以PPT或圖示的形式展現(xiàn)出來。與傳統(tǒng)的教學(xué)相比，盡管這種物態(tài)化的呈現(xiàn)方式比抽象、冗長的文字描述更易讓學(xué)生接受和理解，但并沒有體現(xiàn)學(xué)習(xí)者為中心、主動參與、創(chuàng)造生成等建構(gòu)主義特征，而只是教師控制、被動參與、展示等行為。通俗地講，就是學(xué)生的主體地位缺失，課堂上教師沒有引領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷在做中學(xué)、在做中思、在做中悟的思維訓(xùn)練過程。此時的模型對學(xué)生來說僅僅是一種媒介或知識呈現(xiàn)方式，并未達(dá)到幫助學(xué)生自主建構(gòu)知識的目的。因此，實現(xiàn)由行為主義工具向建構(gòu)主義工具的轉(zhuǎn)變非常關(guān)鍵。

（二）以解決問題為導(dǎo)向是根本

基于模型構(gòu)建的可視化教學(xué)不是為了建模而建模，而是要以解決具體的問題為目標(biāo)。以問題為指引，思維的激發(fā)才能找到方向，思維的整理才能覓到依據(jù)。因此，堅持以具體問題為指引，回答并指導(dǎo)解決問題是模型構(gòu)建教學(xué)的根本任務(wù)。從教學(xué)的角度審視，抓住問題才能找到前進(jìn)的突破點。所以，教師要緊扣教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容，精心創(chuàng)設(shè)由易到難、由直觀到抽象的梯度式問題，真正推動模型思維的發(fā)生、發(fā)展與落地。教師要驅(qū)使學(xué)生在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)向性問題，自發(fā)地開展交流與說理、辯論與評價，并主動分享模型構(gòu)建的原理、思路、疑惑等，準(zhǔn)確地表達(dá)出內(nèi)心世界對相關(guān)生物學(xué)知識的理解。以解決問題為導(dǎo)向的模型構(gòu)建，一方面可以積極地引領(lǐng)師生交流、生生交互，讓學(xué)生多維化思考、多角度反思，最終達(dá)成一體式的模型構(gòu)建認(rèn)知譜系；另一方面，通過互相交流、評價反饋，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和提升解決問題的能力。

（三）圍繞學(xué)生已有認(rèn)知來建模是核心

建構(gòu)主義認(rèn)為，新問題出現(xiàn)在學(xué)生面前時，學(xué)生往往會基于自我認(rèn)知能力、探究水平、興趣愛好，對新問題給出合理的解釋或提出假設(shè)。因此，模型構(gòu)建活動一定要從具體的學(xué)情或?qū)W生的生活經(jīng)驗出發(fā)，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平去創(chuàng)設(shè)一系列科學(xué)思維活動。目前中學(xué)階段檢測學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知水平的方法主要有觀察法、訪談法、問卷調(diào)查法、畫圖法等?；趯W(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知水平的模型構(gòu)建活動，才能讓學(xué)生有話可講、有事可做、有情可表。因此，教師應(yīng)剖析學(xué)生的真實想法，繼而設(shè)計有針對性與實效性的模型構(gòu)建活動。這種情境下的模型構(gòu)建活動，在形制上，會引起學(xué)生的高度注意，能充分調(diào)動學(xué)生的參與熱情和體驗欲望；在內(nèi)容上，強(qiáng)調(diào)生物學(xué)知識與真實情境的融合，延展了教材內(nèi)容又考量了綜合實踐；在行動上，學(xué)思融合的具身認(rèn)知體悟，能引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識解決實際問題，真正推動科學(xué)教育從“離身”到“具身”的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)思維從“隱身”到“顯身”的歷程。

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［4］索耶.劍橋?qū)W習(xí)科學(xué)手冊［M］. 徐曉東，等譯. 北京：教育科學(xué)出版社，2010：427.

［5］人民教育出版社課程教材研究所生物課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中教科書：生物學(xué)：必修2：遺傳與進(jìn)化［M］. 北京：人民教育出版社，2019：7.

（責(zé)任編輯：潘安）