譚連桂

（貴州省凱里市第一中學(xué) 貴州凱里 556000）

1 科學(xué)思維

在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中將科學(xué)思維作為生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，是形成生命觀念的重要途徑，也是科學(xué)探究的重要組成部分?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》提及：科學(xué)思維是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。

認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)及事物之間的關(guān)系需要一定的方法才能得出正確的結(jié)論，因此科學(xué)思維的表現(xiàn)形式是科學(xué)思維方法，科學(xué)思維方法有多種分類(lèi)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》提出了學(xué)生應(yīng)該發(fā)展的科學(xué)思維方法有：基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。

生物學(xué)的一些重要概念，如原理、規(guī)律、定律等，都是人類(lèi)科學(xué)思維的產(chǎn)物。形成這些概念，一般需要運(yùn)用分析、比較、歸納、演繹、綜合、抽象和概括等科學(xué)思維的過(guò)程和方法。科學(xué)思維既重視概念形成的結(jié)果，也關(guān)注概念形成的過(guò)程。因此，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的能力和品質(zhì)是生物學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。

2 思維可視化工具

思維是人腦對(duì)客觀事物本質(zhì)屬性的間接的、概括的反映。思維是以語(yǔ)言、已有經(jīng)驗(yàn)或一定事物為媒介來(lái)反映事物，屬于認(rèn)知過(guò)程的高級(jí)階段。思維具有間接性、概括性兩個(gè)根本特點(diǎn)。間接性指思維可以通過(guò)對(duì)一個(gè)事物的認(rèn)識(shí)來(lái)認(rèn)識(shí)其他事物，可以通過(guò)事物外部特征去認(rèn)識(shí)事物內(nèi)部的變化和關(guān)系，還可以通過(guò)語(yǔ)言詞匯預(yù)測(cè)事物變化進(jìn)程。概括性指思維能將一類(lèi)事物的本質(zhì)特征抽取出來(lái)加以概括，從而認(rèn)識(shí)這類(lèi)事物的本質(zhì)屬性。

信息爆炸的時(shí)代，每天會(huì)有大量信息進(jìn)入大腦，思維工具能幫助人們提升思維效率，提升認(rèn)知能力。思維工具也被稱為認(rèn)知工具，包括思維策略工具、思維可視化工具兩類(lèi)。思維可視化是運(yùn)用一系列圖示技術(shù)將原本不可視的思維（思考方法和思考路徑）呈現(xiàn)出來(lái)，使其清晰可見(jiàn)的過(guò)程，也就是將大腦中的思維“畫(huà)”出來(lái)的過(guò)程。1988年，海勒博士提出思維可視化工具，他將學(xué)習(xí)和思考的過(guò)程通過(guò)圖示技術(shù)進(jìn)行視覺(jué)表征，旨在促進(jìn)學(xué)生元認(rèn)知和認(rèn)知持續(xù)發(fā)展。海勒博士開(kāi)發(fā)的8個(gè)思維可視化工具分別為圓圈圖、氣泡圖、雙氣泡圖、樹(shù)形圖、括號(hào)圖、流程圖、復(fù)流程圖和橋型圖（表1）。

表1 8個(gè)思維可視化工具圖形

在高中生物教學(xué)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)學(xué)科內(nèi)容的同時(shí)，也要鍛煉思維方式。思維方式?jīng)Q定行為方式，教學(xué)思維方式?jīng)Q定教學(xué)行為方式。教師使用好思維可視化工具，能提升學(xué)生思維的質(zhì)量，使學(xué)生的思維更清晰、更準(zhǔn)確、更有邏輯性。

3 思維可視化工具在提升學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)上的應(yīng)用

不同的思維可視化工具背后支持著不同的科學(xué)思維方式，如圓圈圖、氣泡圖支持發(fā)散思維，雙氣泡圖支持對(duì)比思維，括號(hào)圖支持結(jié)構(gòu)化思維，流程圖支持演繹思維，復(fù)流程圖支持邏輯思維，橋形圖支持類(lèi)比思維。教師在生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用思維可視化工具，能夠有效促進(jìn)學(xué)生的記憶，增強(qiáng)學(xué)生的理解，從而發(fā)展學(xué)生多方面的思維能力。

3.1 思維可視化工具在比較與分類(lèi)中的應(yīng)用

比較和分類(lèi)在生物學(xué)教學(xué)中普遍存在。比較可以體現(xiàn)求同思維、求異思維、既求同又求異思維3種。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生比較藍(lán)藻和大腸桿菌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)原核細(xì)胞的共同特點(diǎn)，這體現(xiàn)了比較中的求同思維。比較神經(jīng)調(diào)節(jié)和體液調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，這是求異思維的體現(xiàn)。比較植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞，找出其相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，這是比較法中的既求同又求異思維。教師利用思維可視化工具——雙氣泡圖，可以引導(dǎo)學(xué)生在相異的對(duì)象間探求相同點(diǎn)，在相同的對(duì)象間探求相異點(diǎn)，能夠使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)和把握事物，同時(shí)更好地訓(xùn)練學(xué)生的求同和求異思維。例如，在體液調(diào)節(jié)與神經(jīng)調(diào)節(jié)的關(guān)系教學(xué)中，學(xué)生可以通過(guò)雙氣泡圖對(duì)體液調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)進(jìn)行比較和對(duì)比（圖1）。

圖1 雙氣泡圖在體液調(diào)節(jié)和神經(jīng)調(diào)節(jié)比較中的應(yīng)用

比較是分類(lèi)的基礎(chǔ)，只有比較了對(duì)象的共同點(diǎn)和差異點(diǎn)，才能進(jìn)行科學(xué)的分類(lèi)。分類(lèi)分為“分”和“類(lèi)”，“分”的依據(jù)是對(duì)象的不同點(diǎn)，“類(lèi)”的依據(jù)是對(duì)象的相同點(diǎn)。分類(lèi)體現(xiàn)了客觀事物的共性與個(gè)性的差異，有助于人們更好地認(rèn)識(shí)客觀事物的本質(zhì)。樹(shù)形圖思維可視化工具可以對(duì)需要信息進(jìn)行分類(lèi)和組織。例如，真核細(xì)胞中的細(xì)胞器可以按照膜的數(shù)量分為單膜、雙膜、無(wú)膜結(jié)構(gòu)。其中，含有單膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、液泡；含有雙膜結(jié)構(gòu)有線粒體和葉綠體；無(wú)膜結(jié)構(gòu)的有核糖體、中心體（圖2）。

圖2 樹(shù)形圖在比較細(xì)胞器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3.2 思維可視化工具在分析與綜合中的應(yīng)用

分析是把研究對(duì)象的整體分解為一個(gè)個(gè)部分或局部，分別進(jìn)行研究的思維方法。綜合是從整體上去認(rèn)識(shí)和把握研究對(duì)象的思維方法。分析是綜合的基礎(chǔ)，綜合是分析的發(fā)展，分析之后要進(jìn)行綜合，綜合之后要進(jìn)行分析，可見(jiàn)，兩者相互依存、相互滲透甚至相互轉(zhuǎn)化。自然科學(xué)中的任何活動(dòng)都離不開(kāi)分析，無(wú)論是觀察與實(shí)驗(yàn)、比較與分類(lèi)，還是歸納與演繹都離不開(kāi)分析，分析是最基本的科學(xué)方法。在分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步綜合，是思維的延伸和發(fā)展。

括號(hào)圖可以更好地把握整體與部分的關(guān)系，有助于分析整體與部分之間關(guān)系。例如，教師針對(duì)森林中的植物、生長(zhǎng)在樹(shù)上的昆蟲(chóng)和啄木鳥(niǎo)，以及部分腐爛樹(shù)樁上的蘑菇，引導(dǎo)學(xué)生利用括號(hào)圖（圖3）分析這些生物之間的關(guān)系，以及在生態(tài)系統(tǒng)中所承擔(dān)的角色和地位，從而使學(xué)生得出生態(tài)系統(tǒng)的成分包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和非生物的物質(zhì)和能量。又如，教師引導(dǎo)學(xué)生利用氣泡圖分別去分析光合作用的條件、場(chǎng)所、原料、產(chǎn)物等環(huán)節(jié)后，學(xué)生會(huì)自然而然地綜合出光合作用的概念。

圖3 括號(hào)圖在學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)成分中的應(yīng)用

3.3 思維可視化工具在歸納與演繹中的應(yīng)用

人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)往往是從個(gè)別開(kāi)始，然后擴(kuò)展到一般，再?gòu)囊话氵M(jìn)一步認(rèn)識(shí)個(gè)別。歸納就是在個(gè)別中發(fā)現(xiàn)一般的推理形式和思維方式，演繹就是在一般中發(fā)現(xiàn)個(gè)別的推理形式和思維方式，歸納與演繹是兩個(gè)不可分割的思維過(guò)程。例如，教師引導(dǎo)學(xué)生分析鰱魚(yú)、草魚(yú)、鯽魚(yú)、鯉魚(yú)等魚(yú)，促進(jìn)學(xué)生歸納出魚(yú)的主要特征：生活在水中，用鰓呼吸，有鰭輔助游泳。然后，學(xué)生利用魚(yú)的特征去推理其他水生生物是不是魚(yú)，從而加深對(duì)魚(yú)的特征的理解。

復(fù)流程圖思維可視化工具的左邊部分體現(xiàn)了歸納的思維，右邊部分體現(xiàn)了演繹的思維。在高中生物學(xué)的必修2的孟德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律、摩爾根發(fā)現(xiàn)果蠅的伴性遺傳、沃森和克里克提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，DNA的半保留復(fù)制假說(shuō)等中，歸納和演繹的科學(xué)思維都在其中起到重要作用。例如，教師針對(duì)教材提供的DNA結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)歷史資料，讓學(xué)生梳理DNA結(jié)構(gòu)的探索過(guò)程，了解其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，歸納出DNA是由兩條脫氧核苷酸鏈盤(pán)旋成的雙螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)論（圖4）。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用DNA的結(jié)構(gòu)特征去演繹DNA分子中堿基數(shù)量、氫鍵數(shù)的計(jì)算規(guī)律，加深學(xué)生對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的理解。

圖4 復(fù)流程圖在構(gòu)建DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3.4 思維可視化工具在抽象與概括中的應(yīng)用

抽象是在觀念里把事物的共同屬性、本質(zhì)特征抽取出來(lái)，舍棄其有所不同的、非本質(zhì)特征的過(guò)程。把抽象出的共同的本質(zhì)特征結(jié)合在一起就是概括的過(guò)程。抽象與概括是兩種方向不同的思維方法，抽象側(cè)重于分析和提煉，概括側(cè)重于歸納和綜合。但兩者又有著密切的關(guān)系，抽象是概括的基礎(chǔ)，概括是抽象的發(fā)展。

生物學(xué)概念的構(gòu)建一般是抽象與概括的結(jié)果。薩頓用蝗蟲(chóng)細(xì)胞作材料，研究精子和卵細(xì)胞的形成過(guò)程中，他并沒(méi)有看到基因，也沒(méi)看到基因在染色體上的位置，但他用到了抽象的科學(xué)思維，提出基因和染色體的行為存在明顯的平行關(guān)系的推論。因此在基因在染色體上的教學(xué)中，教師可以運(yùn)用橋形圖體驗(yàn)抽象的基因位于染色體上的假說(shuō)（圖5），將看不見(jiàn)的基因與看得見(jiàn)的染色體的行為進(jìn)行類(lèi)比推理，引導(dǎo)學(xué)生提出“基因在染色體上”的假說(shuō)。

圖5 橋形圖在“基因在染色體上”類(lèi)比推理中的應(yīng)用

卡爾·薩根說(shuō)過(guò)“科學(xué)與其說(shuō)是一種知識(shí)體系，不如說(shuō)是一種思維方式”。生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)與其說(shuō)是學(xué)習(xí)一種知識(shí)體系，不如說(shuō)是學(xué)習(xí)一種思維方式。從生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)角度看，生命觀念的形成需要科學(xué)思維，科學(xué)探究的進(jìn)行需要科學(xué)思維，社會(huì)責(zé)任的擔(dān)當(dāng)同樣也需要科學(xué)思維。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣和能力，是生物學(xué)課程的核心目標(biāo)之一。思維可視化工具在生物教學(xué)中的應(yīng)用，只是一次小的嘗試，如何達(dá)成培養(yǎng)科學(xué)思維這一目標(biāo)，依然任重而道遠(yuǎn)。