论生物学教学中可视化知识表征，本文主要内容关键词为：表征论文,生物学论文,知识论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
认知心理学、人工智能和教育技术领域都在关注和研究知识表征，它们的关注和研究既相互关联，又各有侧重。在认知心理学范畴，知识表征是指知识在人脑中记载和贮存的方式；在人工智能范畴，知识表征是指知识的表示和描述，知识在计算机中的存储形式和运算机制；在教育技术范畴，知识表征则是指将人们的个体知识通过图解手段表达出来，形成作用于人的感官的知识外在表现形式，以促进知识的传递和创造[1]。对于教学研究而言，教师需要借助这三大领域的研究成果，努力创建和改善可视化知识表征，以促进学生的有效学习——高效的信息传达、深度的阅读理解和创新的思维发展。同时，对于教材编写者来说，研究可视化知识表征也是一门非常重要的必修课。 一、问题的提出 教学研究者特别是教师理应非常注重研究知识表征，因为不同的知识表征就意味着不同的思维方式和学习效率。例如，不同学习者面对“24688642”这串数字，所采取的表征编码方式是不同的，其背后运用的知识和思维方式也不同，看不懂数字的幼儿根本无法完成表征编码，刚识数而不懂奇数、偶数的儿童一般是单个数字去表征，懂得奇偶数的小学生表征编码很可能是“正整数中最小的4个偶数递增排列+正整数中最小的4个偶数递减排列”[2]。显然，懂得奇偶数的学生无论是知识丰富度还是思维品质，在知识表征中都表现得十分优秀，其学习效率和持久性也最好。 现在的教育身处于一个数字化的时代、一个真正的读图时代，如今阅读的“图”与远古时期的图腾截然不同。图腾只是远古时期人们安顿灵魂、消除恐惧的精神力量，而如今“图像社会或视觉文化时代的来临，已经成为当今一种主导性、全面覆盖性的文化景观”。知识的剧增和生活的快节奏催生了这一文化景观，而现代信息技术使可视化的力量如虎添翼。“一图胜千言”的可视化力量，有时是一种视觉的震撼，有时是一种美的欣赏。而对于教育而言，则更多的是更为高效的信息传达[3]。同时，教师应该对读图时代的“浅阅读”“碎片化阅读”保持高度警惕，并且通过适当的教育方法加以防范或克服，以防止学生学习的浅尝辄止和思维的苍白无力。 二、可视化知识表征的基本类型 知识表征的可视化主要是指将知识以形象化的表征方式予以直观呈现，以便学习者更容易通过视觉功能建立真实的学习情境、揭示事物的本质属性，从而快捷地识别、处理和理解知识信息。在教学过程中，教师还可以让学生通过创建可视化的知识表征，促进知识的理解与内化、表达与交流、应用与创新。 知识表征可视化首先依赖于建立知识模型，接着就要依赖于适当的表达方法与技术，以准确而有效地实现模型外化。就生物学教学而言，实现知识表征可视化的知识模型主要是结构模型和事理模型。结构模型主要是为了直观展示结构的组成，如“真核细胞的三维结构模型”“生物膜模型”和“DNA双螺旋结构模型”等。事理模型则主要是为了展现生物学原理，让学生凭借其可视性的直观感知，促进学生对生物学原理的理解，如“性状分离比的模拟”“蛋白质合成示意图”“甲状腺激素分泌的分级调节示意图”和“能量金字塔”等都可作为其中的范例。 “信息时代的知识表征主要有文字、超文本、概念图、多媒体和虚拟现实等类型”[4]，但是上述分类明显存在着逻辑关系混乱的嫌疑。笔者认为，划分可视化知识表征的基本类型，可以从表征的知识类型上考虑，也可以从是否需要计算机及其技术的介入上思考，还可以从最终物化的形式方面界定。本文在中学生物学教学的实际应用背景中从知识表征最终物化的形式出发，举例说明其可视化知识表征的几种常见类型。 1.语义图示 这里的“语义”不是指语言中语词的意义，而是借用计算机科学中“语义”这个术语，可以粗略地理解为“图示语言的规范含义”。生物学教学中的每一张、每一幅图解都具有其自身的学科性和规范性，它既不是顽童的随意涂鸦，也不同于美术中的图画。例如，概念图有概念图的绘制要求，思维导图有思维导图的绘制规则，生物结构示意图的画法与油画的画法不同，维恩图中“圆”的含义不同于几何学中“圆”的含义，所以不能将它们混为一谈。语义图示是指通过带有一定规则和含义的图形、图像等可视性元素将抽象的知识予以表征，语义图示具有解释学科意义的功效，这与写实绘画、实物图像的直接呈现不同。例如，图1为“沙漠地区食物网”[5]，它不是一张沙漠地区几种生物及其环境的照片，而是经过科学调查而形成的多种生物之间复杂的营养关系，其中的箭头表示着物质和能量的流向；图2是
噬菌体结构模式图[5]，该图形象直观地呈现了
噬菌体的基本结构：具有蝌蚪状的外形、多边形的头部和圆柱形的尾部，头部的蛋白质衣壳内含有折叠的DNA分子，尾部的蛋白质衣壳为一中空的长管，尾部末端具有鞭毛；图3是DNA重组技术的基本工具作用示意图[6]，阅读该图后学生能很快领会限制性核酸内切酶（“分子手术刀”）、DNA连接酶（“分子缝合针”）和质粒（“分子运输车”）在基因工程中的基本作用。
2.实物模型 “模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”。模型方法是通过研究和建立模型以简化、扼要和直观的形式来揭示原型的特征和本质的方法，模型方法在科学研究和学习科学中具有重要作用和地位[7]。关于模型的种类，划分的角度、依据和论述不尽相同。在多种模型种类中，实物模型是较好实现知识表征可视化的模型种类之一，而在课堂教学中尤以人工实物模型应用为主。实物模型可大可小，大型实物模型可以用于集体展示与观摩教学，小型模型可由学生个体或小组制作，通过制作过程达到深化知识理解与表达的教学目的。自制的实物模型（下页图4）可以用来演示气孔开闭原理：先拿下注射器，吸入半管水，再插上注射器，快速推进注射器活塞，“气孔细胞”就会“吸水”膨胀，气孔（胶管中间的缝隙）打开，快速放手，“气孔”就会关闭[8]；图5是学生分别用彩色回形针、几种水果制作的“DNA平面结构模型”，其创造性、趣味性让学生品尝到学习的快乐，后者被学生戏称为“舌尖上的DNA”；图6为学生利用多种材料制作的真核细胞细胞核、细胞器等结构模型，他们选择制作的材料真可谓五花八门，这些材料主要有水果糖、花生壳、眼镜盒、包装泡沫网、塑料管、柑橘和蛋黄等，我们不得不惊叹于学生的精雕细琢和聪明才智，这也正是自主课堂所焕发出来的无比精彩和无穷魅力。
3.模拟游戏 所谓模拟游戏是指借鉴科学研究中的模拟方法及其原理，由学生充当研究对象的替代物或模拟实验的演示者，从而获得感性认识、表征知识的一种学习活动。 例如，人教版高中生物必修2教材中“性状分离比的模拟实验”，用两只小桶中的彩球分别代表雌、雄配子，然后分别从两只小桶内随机抓取一个小球，组合在一起代表合子。在多次反复的游戏活动中，学生获得遗传因子分离、配子随机结合与子代性状之间的数量关系，从而体验孟德尔的假说。 又如，图7中的学生及其道具直接充当脱氧核苷酸，以角色扮演的游戏方式模拟DNA分子的平面结构，具有很好的体验性和展示性，不仅让参与者深化了脱氧核苷酸的结构组成、脱氧核苷酸链的形成以及两条脱氧核苷酸链的反向平行等知识的认知，而且作为一种可视化知识表征方式可以在班级教学中进行展示与观摩。为了进一步模拟和体验DNA分子中两条脱氧核苷酸链反向平行的关系，在教室中可以让走道左侧的几位同学分别将左手搭在前一位学生的左肩上，右臂向右侧平举，右手掌张开代表碱基，走道右侧的几位同学同样这样做。然后边尝试边思考：如果两个纵列同学的脸都朝向黑板站立，那么左右对应两位同学的右手能相互握手（握手代表碱基互补配对）吗？如果要实现左右侧两位同学的右手相互握手，这两个纵列同学应该怎样站立？
三、可视化知识表征的注意事项 可视化知识表征应适合学生的认知水平。如何让可视化知识表征更合适学生的认知水平，这理应是教学研究和教材建设的重点之一。例如，有教师曾对英国《Spotlight Science 7》教材《生殖》中生殖系统的正面图与我国初中生物学教材的矢状剖面图进行了对比研究，结果表明，对于以形象思维为主的初中学生来说，男、女生殖系统的正面图远比复杂的矢状剖面图更容易被接受和理解，而且正面图比矢状剖面图更符合由表及里的认知规律，知识结构的呈现也更为完整[9]。尤其要特别指出的是，随着计算机技术的迅猛发展和媒介的不断丰富，可视化知识表征为有效学习开辟了崭新的天地，赋予其前所未有的动态性、非线性、选择性、交互性和情境性等时代特征。因限于文章篇幅和笔者专业，在此不敢妄论。 高度警惕可视化知识表征的肤浅化和碎片化。读图时代的“浅阅读”和片面追求娱乐化，非常容易导致学生学习的浮光掠影和思维的苍白无力。要将学生的学习引向深层阅读和思维发展，教学就不能在“看图”前止步不前，教学需要从“看图”走向“识图”，从“识图”走向“释图”“绘图”，让可视化知识表征成为知识学习与理解、表达与交流、应用和创造的有效工具。如此看来，教学的可视化知识表征不能只是炫目的陈列和精彩的呈现，更应注重可视化知识表征过程中的知识建模、表征设计和意义阐释。 致谢：图5、图7由徐州高级中学王静老师提供，图6由南京市第二十七高级中学唐春明老师提供，在此表示感谢！
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