譚連桂

（貴州省凱里市第一中學 貴州凱里 556000）

1 科學思維

在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中將科學思維作為生物學學科核心素養(yǎng)的主要內(nèi)容，是形成生命觀念的重要途徑，也是科學探究的重要組成部分?！墩n程標準》提及：科學思維是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴謹和務實的求知態(tài)度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。

認識事物的本質及事物之間的關系需要一定的方法才能得出正確的結論，因此科學思維的表現(xiàn)形式是科學思維方法，科學思維方法有多種分類?！墩n程標準》提出了學生應該發(fā)展的科學思維方法有：基于生物學事實和證據(jù)，運用歸納與概括、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，審視或論證生物學社會議題。

生物學的一些重要概念，如原理、規(guī)律、定律等，都是人類科學思維的產(chǎn)物。形成這些概念，一般需要運用分析、比較、歸納、演繹、綜合、抽象和概括等科學思維的過程和方法?？茖W思維既重視概念形成的結果，也關注概念形成的過程。因此，發(fā)展學生科學思維的能力和品質是生物學教學的重要目標之一。

2 思維可視化工具

思維是人腦對客觀事物本質屬性的間接的、概括的反映。思維是以語言、已有經(jīng)驗或一定事物為媒介來反映事物，屬于認知過程的高級階段。思維具有間接性、概括性兩個根本特點。間接性指思維可以通過對一個事物的認識來認識其他事物，可以通過事物外部特征去認識事物內(nèi)部的變化和關系，還可以通過語言詞匯預測事物變化進程。概括性指思維能將一類事物的本質特征抽取出來加以概括，從而認識這類事物的本質屬性。

信息爆炸的時代，每天會有大量信息進入大腦，思維工具能幫助人們提升思維效率，提升認知能力。思維工具也被稱為認知工具，包括思維策略工具、思維可視化工具兩類。思維可視化是運用一系列圖示技術將原本不可視的思維（思考方法和思考路徑）呈現(xiàn)出來，使其清晰可見的過程，也就是將大腦中的思維“畫”出來的過程。1988年，海勒博士提出思維可視化工具，他將學習和思考的過程通過圖示技術進行視覺表征，旨在促進學生元認知和認知持續(xù)發(fā)展。海勒博士開發(fā)的8個思維可視化工具分別為圓圈圖、氣泡圖、雙氣泡圖、樹形圖、括號圖、流程圖、復流程圖和橋型圖（表1）。

表1 8個思維可視化工具圖形

在高中生物教學中，學生在學習學科內(nèi)容的同時，也要鍛煉思維方式。思維方式?jīng)Q定行為方式，教學思維方式?jīng)Q定教學行為方式。教師使用好思維可視化工具，能提升學生思維的質量，使學生的思維更清晰、更準確、更有邏輯性。

3 思維可視化工具在提升學生科學思維素養(yǎng)上的應用

不同的思維可視化工具背后支持著不同的科學思維方式，如圓圈圖、氣泡圖支持發(fā)散思維，雙氣泡圖支持對比思維，括號圖支持結構化思維，流程圖支持演繹思維，復流程圖支持邏輯思維，橋形圖支持類比思維。教師在生物學教學中應用思維可視化工具，能夠有效促進學生的記憶，增強學生的理解，從而發(fā)展學生多方面的思維能力。

3.1 思維可視化工具在比較與分類中的應用

比較和分類在生物學教學中普遍存在。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，教師引導學生比較藍藻和大腸桿菌的結構特點，促進學生發(fā)現(xiàn)原核細胞的共同特點，這體現(xiàn)了比較中的求同思維。比較神經(jīng)調節(jié)和體液調節(jié)的特點，這是求異思維的體現(xiàn)。比較植物細胞和動物細胞，找出其相同點和不同點，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，可以引導學生在相異的對象間探求相同點，在相同的對象間探求相異點，能夠使學生更好地認識和把握事物，同時更好地訓練學生的求同和求異思維。例如，在體液調節(jié)與神經(jīng)調節(jié)的關系教學中，學生可以通過雙氣泡圖對體液調節(jié)和神經(jīng)調節(jié)進行比較和對比（圖1）。

圖1 雙氣泡圖在體液調節(jié)和神經(jīng)調節(jié)比較中的應用

比較是分類的基礎，只有比較了對象的共同點和差異點，才能進行科學的分類。分類分為“分”和“類”，“分”的依據(jù)是對象的不同點，“類”的依據(jù)是對象的相同點。分類體現(xiàn)了客觀事物的共性與個性的差異，有助于人們更好地認識客觀事物的本質。樹形圖思維可視化工具可以對需要信息進行分類和組織。例如，真核細胞中的細胞器可以按照膜的數(shù)量分為單膜、雙膜、無膜結構。其中，含有單膜結構的細胞器有內(nèi)質網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、液泡；含有雙膜結構有線粒體和葉綠體；無膜結構的有核糖體、中心體（圖2）。

圖2 樹形圖在比較細胞器結構中的應用

3.2 思維可視化工具在分析與綜合中的應用

分析是把研究對象的整體分解為一個個部分或局部，分別進行研究的思維方法。綜合是從整體上去認識和把握研究對象的思維方法。分析是綜合的基礎，綜合是分析的發(fā)展，分析之后要進行綜合，綜合之后要進行分析，可見，兩者相互依存、相互滲透甚至相互轉化。自然科學中的任何活動都離不開分析，無論是觀察與實驗、比較與分類，還是歸納與演繹都離不開分析，分析是最基本的科學方法。在分析的基礎上進一步綜合，是思維的延伸和發(fā)展。

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

圖3 括號圖在學習生態(tài)系統(tǒng)成分中的應用

3.3 思維可視化工具在歸納與演繹中的應用

人們對事物的認識往往是從個別開始，然后擴展到一般，再從一般進一步認識個別。歸納就是在個別中發(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)個別的推理形式和思維方式，歸納與演繹是兩個不可分割的思維過程。例如，教師引導學生分析鰱魚、草魚、鯽魚、鯉魚等魚，促進學生歸納出魚的主要特征：生活在水中，用鰓呼吸，有鰭輔助游泳。然后，學生利用魚的特征去推理其他水生生物是不是魚，從而加深對魚的特征的理解。

復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。在高中生物學的必修2的孟德爾發(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的雙螺旋結構，DNA的半保留復制假說等中，歸納和演繹的科學思維都在其中起到重要作用。例如，教師針對教材提供的DNA結構模型的建構歷史資料，讓學生梳理DNA結構的探索過程，了解其中的關鍵環(huán)節(jié)，歸納出DNA是由兩條脫氧核苷酸鏈盤旋成的雙螺旋結構的結論（圖4）。然后，教師引導學生利用DNA的結構特征去演繹DNA分子中堿基數(shù)量、氫鍵數(shù)的計算規(guī)律，加深學生對DNA結構的理解。

圖4 復流程圖在構建DNA雙螺旋結構中的應用

3.4 思維可視化工具在抽象與概括中的應用

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

生物學概念的構建一般是抽象與概括的結果。薩頓用蝗蟲細胞作材料，研究精子和卵細胞的形成過程中，他并沒有看到基因，也沒看到基因在染色體上的位置，但他用到了抽象的科學思維，提出基因和染色體的行為存在明顯的平行關系的推論。因此在基因在染色體上的教學中，教師可以運用橋形圖體驗抽象的基因位于染色體上的假說（圖5），將看不見的基因與看得見的染色體的行為進行類比推理，引導學生提出“基因在染色體上”的假說。

圖5 橋形圖在“基因在染色體上”類比推理中的應用

卡爾·薩根說過“科學與其說是一種知識體系，不如說是一種思維方式”。生物學課程的學習與其說是學習一種知識體系，不如說是學習一種思維方式。從生物學學科核心素養(yǎng)角度看，生命觀念的形成需要科學思維，科學探究的進行需要科學思維，社會責任的擔當同樣也需要科學思維。培養(yǎng)學生的科學思維習慣和能力，是生物學課程的核心目標之一。思維可視化工具在生物教學中的應用，只是一次小的嘗試，如何達成培養(yǎng)科學思維這一目標，依然任重而道遠。