思維導圖在生理學教學中的應用與建議

羅自強，馮丹丹 (中南大學基礎醫學院生理學系， 長沙 410013)

思維導圖(mind map)是由英國心理學家、教育學家托尼·博贊(Tony Buzan)20世紀70年代所創造，已被廣泛應用于包括生理學在內的不同課程的教學[1,2]。但這些報道大多忽略了對思維導圖在教學應用中的教育心理學原理探討，不利于充分發揮思維導圖的教學優勢。本文在簡述思維導圖教育心理學原理的基礎上，介紹我們基于教育心理學原理將思維導圖應用于生理學教學的體會，并進一步結合教育心理學原理就如何更有效發揮思維導圖的教學優勢提出相應建議。

1 思維導圖的教育心理學原理

思維導圖是針對線性筆記不足而發明的一種新型的非線性筆記工具，具有思維可視化、思維激發、思維整理三個重要特征。思維可視化是指將思維過程整理再現的過程，思維激發是基于聯想和想象的發展過程，思維整理是理清層級或順序關系的過程。因此，思維導圖又是以促進思維激發和思維整理為目的的可視化、非線性思維工具[3]。思維導圖的發明人東尼·博贊是一位暢銷書作者，其著作并未對思維導圖的教育心理學原理進行深入闡述。為此，我們結合文獻嘗試探討思維導圖的教育心理學原理，為思維導圖在生理學教學中的應用提供理論依據。

1.1 意義學習理論

美國認知教育心理學家奧蘇貝爾(Ausubel)提出的意義學習(meaningful learning)理論指出，影響學習最重要的因素是學生已知的知識，而學習是新舊知識建立聯系的過程，通過新舊知識建立實質性的聯系,使新知識獲得真正意義[3]。根據新知識與舊知識的不同相互關系，奧蘇貝爾將意義學習分為下位學習、上位學習和并列結合學習三種模式[4]。如果認知結構中原有知識觀念的概括水平高于新學知識，則新學知識為下位學習。例如，影響心室前負荷的因素從屬于影響搏出量的因素，而搏出量的變化又從屬于影響心輸出量的因素；如果認知結構中原有觀念的概括和包容水平低于新學習的知識，此時新學知識為上位學習。例如，在學習靜息電位的形成機制時，將先前在物質跨膜轉運中所學習過的生電性鈉泵聯系起來，并將先前所學生電性鈉泵活動從屬到作為靜息電位形成的機制之一；若新舊知識之間處于同一層次，則屬并列結合學習。例如，在學習反映前負荷對心室搏出量影響的心室功能曲線時，注意與反映前負荷對骨骼肌收縮影響的長度-張力曲線進行比較，可強化對心肌與骨骼肌抗過度延伸的不同機械特性及生理意義的認識。

奧蘇貝爾認為，要實現意義學習需要滿足兩個條件：①學習者具備意義學習的心向，即表現出一種將新學的知識與已有的知識之間建立聯系的傾向；②學習者具有與新知識相匹配的知識結構，使得學習者能夠將新學習的知識與已有的知識結構聯系起來[5]。如果學習者沒有意義學習的心向，不將新學的知識與已有的知識之間建立聯系，或者學習者本身尚不具備與新知識相匹配的知識結構，則只是將教師教授的內容進行機械死記硬背，并不理解所學知識的含義,就是機械學習。從意義學習角度來看，思維導圖能夠幫助學習者建立意義學習的心向，也能幫助學習者建立新舊知識的聯系。因此，思維導圖可以促進學生的意義學習。

1.2 認知負荷理論

認知心理學把記憶分為感覺記憶、工作記憶(又稱短時記憶)和長時記憶?！坝洝本褪前淹庠诖碳ねㄟ^感覺記憶接收，再通過工作記憶加工編碼，然后儲存到長時記憶的過程；“憶”是從長時記憶提取信息的工作記憶，然后參與加工的過程。因此，工作記憶的加工編碼是記憶的最關鍵環節，是記憶系統的樞紐。工作記憶不僅儲存時間短，且容量極為有限，只能同時存儲7±2(5-9)個組塊(chunk)，也就是說，當你看到或聽到一連串沒有意義的數字或字母時，你能記住的數量通常不超過9個。如果不進行復述，20 s后你能重復這些字符的能力迅速減退。因此，容量有限的工作記憶成為信息加工的瓶頸[3]。認知負荷理論(cognitive load theory)告訴我們，所學知識數量的龐大并不是學習負擔的根源，而是這些知識的碎片化特性。思維導圖所具有的思維可視化和思維整理的特點，通過使知識可視化以幫助整理和呈現客觀的知識結構，理清知識的層級和順序關系。因此，通過思維導圖對碎片化知識進行整理，建立知識間的實質聯系，將零散的“碎片化”知識進一步組成一個新的有意義的整體，也即形成了新的知識組塊[6]。這個新的組塊的大小雖然比原來的每一個小組塊的信息大，但減少了組塊的數目(此過程相當于信息的打包過程)，極大降低了工作記憶的負荷。在工作記憶儲存容量有限的情況下增加了工作記憶中的容量，有利于進一步的信息加工和促進所學知識的記憶，提高學習效率。

1.3 雙重編碼理論

雙重編碼理論(dual coding theory)認為，人的認知系統是由言語編碼和非言語編碼兩套編碼組成。有研究顯示，讓大學新生觀看一個關于自行車打氣筒運行機理的動畫，其中一個文字描述先于圖像，另外一個文圖同步。結果發現，在后來的知識測試中，圖文同步組的表現要優于圖文異步組[7]。這表明同時以視覺形式和語言形式呈現信息能夠增強記憶和識別。思維導圖將知識以圖片的方式展現出來，為基于語言的理解提供了很好的輔助和補充，極大降低了語言通路的認知負荷，加速了思維的發生[3]。此外，思維導圖還把思考的過程和結果清晰地呈現出來，實現了隱性思維的顯性化。

2 思維導圖在生理學教學中的應用

2.1 以圖串點，用思維導圖整理知識

生理學知識實際上是由一系列概念組成的知識體系。生理學各概念之間存在復雜的相互聯系。如果孤立地學習生理學概念，機械性地記住生理學概念的定義，不注重概念之間的聯系與情境的運用，則難以深刻理解這些概念，也不足以搭建起一個基于理解的生物學知識框架，難以將所學內容應用于臨床表現和問題的解釋。例如，在小組討論影響心輸出量的因素時，學生通常七嘴八舌，非常凌亂地歷數出前負荷、后負荷、心肌收縮能力、心率、異長調節、等長調節、靜脈回心血量、心室充盈時間、靜脈回流速度、心室舒張功能、心室順應性、心包腔的壓力、心室殘余血量等，很少看到學生能夠按照一定的邏輯順序述說出可以影響心輸出量的系列因素。這說明學生課后并未認真整理影響心輸出量的各因素之間的層次關系和并列關系，大腦中并未清晰形成影響因素之間相互聯系的知識框架或知識圖譜。思維導圖是由主題(又稱節點、關鍵詞)和連線構成。按照圖1所示，通過思維導圖可理清各影響因素之間的相互關系，將凌亂的碎片化知識進行歸類整理，構建良好的知識結構框架。因此，教師在課堂上使用思維導圖展示知識，更輕松地讓學生理解知識與知識之間的關系與層次，從而幫助學生形成他們腦中完整的知識結構圖，讓學生既見樹木又見森林。另一方面，學生在課后用思維導圖復習整理所學知識的過程，也是學生對知識進行動態的加工過程，能夠幫助自身建立起知識之間的聯系，還原知識本身的內在結構，促進深入的理解；學生通過把零碎的知識串聯成有機整體，可以擴大組塊的容量，減少組塊的數量，降低學生自己的認知負荷，促進知識的記憶。此外，通過思維導圖還能夠清晰地展現學生在學習過程中知識的遺漏以及產生的誤解，讓學生發現自我知識結構的盲點和誤點，及時查缺補漏、彌補課堂吸收不足，從而反過來幫助教師進行針對性教學。思維導圖為教師和學生提供了一種結構化的工具，將知識搬上知識樹，讓知識在學生的大腦中牢牢生根。

圖1 影響心輸出量的因素

此外，學生在課后復習中使用思維導圖整理思維，通過以圖串點，可用圖串聯起零散知識點，促進新舊知識間有意義的建構，將凌亂的碎片化知識構建成良好的知識結構框架，在體系中對知識進行清晰定位，而非機械記憶，既不容易遺忘，又有利于知識的運用。

2.2 據點繪圖，用思維導圖激發思維

除上面提到的思維可視化和思維整理外，非線性工具和思維激發是體現思維導圖本質的另外兩個核心詞。思維導圖的非線性特征能更清晰地表達出文字不易闡明的復雜關系，這就是“一圖勝過千言”。思維導圖上的每一個節點(關鍵詞)都可以作為新的思維激發起點，從而幫助人們充分利用聯想和想象，促進思維的發散，拓寬思維的廣度[3]。

例如，在討論水腫可由哪些因素引起時，教師可以根據循環生理中組織液的教學內容將這些因素分解為組織液生成增多(有效濾過壓增高、毛細血管通透性增大)和淋巴回流減少，以及聯系內分泌激素改變所引起的全身性細胞外液增多。教師在每一個因素下又可進一步分解出多個子因素(如圖2)，從而以水腫這個中心詞為起點，對與組織液增多的相關知識點進行發散關聯，通過不斷的發散思維將分屬于循環系統和內分泌系統的前后不同章節的相關內容有機地整合在一張圖上，充分發揮激發思維的非線性思維工具作用，由此促進學生在知識學習階段由被動接受者轉變為主動建構者。

圖2 引起水腫的相關疾病

2.3 以圖導學，用思維導圖作為先行組織者

奧蘇貝爾認為，影響學習最重要的因素就是學習者已經知道了什么。為了幫助學習者建立先前知識和將要學習知識之間的橋梁，奧蘇貝爾提出了先行組織者(advance organizer)的概念。先行組織者是指在引導學生接受新知識之前，向學生提供一個輔助的、描述性引導材料。這個引導材料主要用于揭示新知識與舊知識的關系，可引導學生將當前所學新內容(新概念、新命題、新知識)整合到學生已有的認知結構中。這種先于某個學習任務本身呈現的引導性材料稱為先行組織者[8]。先行組織者的核心思想是在學習者學習新知識之前,對其呈現一定的引導性材料,為已經知曉與需要知曉的知識搭建橋梁，也就是為新知識的學習搭建“腳手架”[9]。在課前預習或采用翻轉課堂教學的課前自主學習階段，教師在布置預習或自主學習任務時為學生提供一張展現待學知識主要框架的引導式思維導圖作為先行組織者，要求學生通過課前自主學習在作為先行組織者的思維導圖上加入自主學習的新知識，引導學生有效達成課前學習目標。在課堂教學開始時，仍可采用思維導圖作為有效的先行組織者，簡要呈現和復習學生過去已經學習過的與本次課堂教學相關的知識結構，幫助學生把新的知識和已有的知識聯系起來，從而成為學生學習新知識的“錨定點”。因此，思維導圖可作為新舊知識聯系的工具。在學習新知識之前回顧舊知識的環節，可通過思維導圖把舊知識之間的層次關系清晰呈現給學生，幫助學生快速定位新知識在知識體系中的位置，將知識加入已有的知識網絡中去，把多個知識進行關聯，有利于新知識與舊知識的辨別與對比。此外，基于思維導圖呈現本節課教學內容的主要框架作為先行組織者展開教學，還能實時呈現課堂教學的進度，利于教師更好控制課堂節奏，也有助于學生有效安排注意力[3]。例如，在教師講授影響每搏輸出量的因素之前，可以使用一張思維導圖簡要展示學生過去已經學習過的影響骨骼肌收縮的因素(圖3)，在此基礎上進行比較性介紹心肌收縮的特點，并進一步比較影響骨骼肌收縮的因素和影響心肌收縮的因素之間的異同及出現差異的機制，將過去所學知識作為新知識學習的“錨定點”，既擴大了認知負荷理論中組塊的容量，又減少組塊的數目，還使得知識更加結構化，使新的知識易學易記，對新知識的理解和應用也將更加深刻。

圖3 影響骨骼肌收縮效能的因素

3 思維導圖應用的建議

3.1 不直接使用他人的思維導圖，重在幫助思維整理

思維導圖的繪制過程充分體現了學習者控制、主動參與和創造生成三大建構主義特征，是對大腦知識和想法進行碎片整理并不斷優化的過程，可有效調動學生學習的主觀能動性，已被證實取得了良好的教學效果[10]。而對于只使用教師繪制的思維導圖的學生來說，已有的思維導圖僅僅只是一種知識呈現方式，并未達到幫助學生自主建構知識的目的[11]。由于每個人思維習慣的差異，原有知識結構及知識整理的關注點不同，即使針對同一知識內容繪制出的思維導圖也并不完全相同。因此，每位學生都應該獨立繪制符合自己思維過程和原有知識結構的思維導圖，才能取得較好的學習效果。

建議同學們在繪制思維導圖時合上教材，根據自己的回憶和理解進行，注意深度挖掘自己對知識的理解，將新的知識點連接或整理到自己過去已有的相關知識結構中，實現意義學習。若在繪制思維導圖過程中無法回憶部分內容時，再打開教材認真閱讀和理解后，重新合上教材繼續完成思維導圖的繪制。因此，他人繪制的思維導圖可以作為整理自己知識結構的參考，但不要照抄教材(尤其不要照抄教材的目錄)和他人的思維導圖，要充分利用思維導圖，引導自己的思維整理，從而完成意義學習。有報道顯示，通過組織學生思維導圖創作比賽，激發了學生學習和使用思維導圖的熱情，促進了學生獨立繪制思維導圖，提升了教學效果[12]。

3.2 思維導圖的內容不宜過于復雜，重在幫助學習記憶

認知負荷理論告訴我們，由于工作記憶的容量只能同時處理7±2個組塊，因此，思維導圖的內容不宜過多，導圖的分支數以5-9個為宜，每個分支下的子分支也盡量遵循這一原則。如果我們在繪制思維導圖過程中分支數目過多，可以對這些分支內容進一步分類，再增加一級子分支，以便突出重點，更好發揮思維導圖幫助記憶的作用。為此，我們還采用網絡信息技術構建思維導圖，用在線分層點擊的打開方式來逐層展開，從宏觀、中觀和微觀不同層面呈現生理學知識的相互關系，實現宏觀整體和微觀細節的統一。

3.3 思維導圖無需過于拘謹，重在展現內容和概念間關系

思維導圖發明人博贊反復強調，在繪制思維導圖時每條分支應該使用關鍵詞，不要使用短語和句子以免限制自由關聯，削弱其發生功能。但依照這個規則繪制出來的思維導圖大多只有繪制者本人能夠理解，難以實現教學中知識傳遞的目的[13]。繪制思維導圖的重要目的就是整理思維以激發創新和加強記憶以及有利于知識傳遞以促進教學。因此，我們可以將一些核心名詞概念的定義出現在思維導圖中，以便加強對該名詞概念的記憶。由于機體或器官功能的活動和調節的規律是生理學學習的重要內容，也可將一些反映機體活動及調節規律的曲線或簡表放入思維導圖，通過科學圖表進一步豐富思維導圖對機體功能活動規律的展現。此外，還可借用概念圖的表達方式，在父子節點(關鍵詞)間用簡要的連接詞明示其具體關系，幫助自己對不同概念之間相關關系的理解。最后還要指出的是，思維導圖繪制的層次和邏輯不能混亂，要注意把握好節點間的層次關系和節點之間的內在邏輯關系。