思维导图在生理学教学中的应用与建议

罗自强，冯丹丹 (中南大学基础医学院生理学系， 长沙 410013)

思维导图(mind map)是由英国心理学家、教育学家托尼·博赞(Tony Buzan)20世纪70年代所创造，已被广泛应用于包括生理学在内的不同课程的教学[1,2]。但这些报道大多忽略了对思维导图在教学应用中的教育心理学原理探讨，不利于充分发挥思维导图的教学优势。本文在简述思维导图教育心理学原理的基础上，介绍我们基于教育心理学原理将思维导图应用于生理学教学的体会，并进一步结合教育心理学原理就如何更有效发挥思维导图的教学优势提出相应建议。

1 思维导图的教育心理学原理

思维导图是针对线性笔记不足而发明的一种新型的非线性笔记工具，具有思维可视化、思维激发、思维整理三个重要特征。思维可视化是指将思维过程整理再现的过程，思维激发是基于联想和想象的发展过程，思维整理是理清层级或顺序关系的过程。因此，思维导图又是以促进思维激发和思维整理为目的的可视化、非线性思维工具[3]。思维导图的发明人东尼·博赞是一位畅销书作者，其著作并未对思维导图的教育心理学原理进行深入阐述。为此，我们结合文献尝试探讨思维导图的教育心理学原理，为思维导图在生理学教学中的应用提供理论依据。

1.1 意义学习理论

美国认知教育心理学家奥苏贝尔(Ausubel)提出的意义学习(meaningful learning)理论指出，影响学习最重要的因素是学生已知的知识，而学习是新旧知识建立联系的过程，通过新旧知识建立实质性的联系,使新知识获得真正意义[3]。根据新知识与旧知识的不同相互关系，奥苏贝尔将意义学习分为下位学习、上位学习和并列结合学习三种模式[4]。如果认知结构中原有知识观念的概括水平高于新学知识，则新学知识为下位学习。例如，影响心室前负荷的因素从属于影响搏出量的因素，而搏出量的变化又从属于影响心输出量的因素；如果认知结构中原有观念的概括和包容水平低于新学习的知识，此时新学知识为上位学习。例如，在学习静息电位的形成机制时，将先前在物质跨膜转运中所学习过的生电性钠泵联系起来，并将先前所学生电性钠泵活动从属到作为静息电位形成的机制之一；若新旧知识之间处于同一层次，则属并列结合学习。例如，在学习反映前负荷对心室搏出量影响的心室功能曲线时，注意与反映前负荷对骨骼肌收缩影响的长度-张力曲线进行比较，可强化对心肌与骨骼肌抗过度延伸的不同机械特性及生理意义的认识。

奥苏贝尔认为，要实现意义学习需要满足两个条件：①学习者具备意义学习的心向，即表现出一种将新学的知识与已有的知识之间建立联系的倾向；②学习者具有与新知识相匹配的知识结构，使得学习者能够将新学习的知识与已有的知识结构联系起来[5]。如果学习者没有意义学习的心向，不将新学的知识与已有的知识之间建立联系，或者学习者本身尚不具备与新知识相匹配的知识结构，则只是将教师教授的内容进行机械死记硬背，并不理解所学知识的含义,就是机械学习。从意义学习角度来看，思维导图能够帮助学习者建立意义学习的心向，也能帮助学习者建立新旧知识的联系。因此，思维导图可以促进学生的意义学习。

1.2 认知负荷理论

认知心理学把记忆分为感觉记忆、工作记忆(又称短时记忆)和长时记忆。“记”就是把外在刺激通过感觉记忆接收，再通过工作记忆加工编码，然后储存到长时记忆的过程；“忆”是从长时记忆提取信息的工作记忆，然后参与加工的过程。因此，工作记忆的加工编码是记忆的最关键环节，是记忆系统的枢纽。工作记忆不仅储存时间短，且容量极为有限，只能同时存储7±2(5-9)个组块(chunk)，也就是说，当你看到或听到一连串没有意义的数字或字母时，你能记住的数量通常不超过9个。如果不进行复述，20 s后你能重复这些字符的能力迅速减退。因此，容量有限的工作记忆成为信息加工的瓶颈[3]。认知负荷理论(cognitive load theory)告诉我们，所学知识数量的庞大并不是学习负担的根源，而是这些知识的碎片化特性。思维导图所具有的思维可视化和思维整理的特点，通过使知识可视化以帮助整理和呈现客观的知识结构，理清知识的层级和顺序关系。因此，通过思维导图对碎片化知识进行整理，建立知识间的实质联系，将零散的“碎片化”知识进一步组成一个新的有意义的整体，也即形成了新的知识组块[6]。这个新的组块的大小虽然比原来的每一个小组块的信息大，但减少了组块的数目(此过程相当于信息的打包过程)，极大降低了工作记忆的负荷。在工作记忆储存容量有限的情况下增加了工作记忆中的容量，有利于进一步的信息加工和促进所学知识的记忆，提高学习效率。

1.3 双重编码理论

双重编码理论(dual coding theory)认为，人的认知系统是由言语编码和非言语编码两套编码组成。有研究显示，让大学新生观看一个关于自行车打气筒运行机理的动画，其中一个文字描述先于图像，另外一个文图同步。结果发现，在后来的知识测试中，图文同步组的表现要优于图文异步组[7]。这表明同时以视觉形式和语言形式呈现信息能够增强记忆和识别。思维导图将知识以图片的方式展现出来，为基于语言的理解提供了很好的辅助和补充，极大降低了语言通路的认知负荷，加速了思维的发生[3]。此外，思维导图还把思考的过程和结果清晰地呈现出来，实现了隐性思维的显性化。

2 思维导图在生理学教学中的应用

2.1 以图串点，用思维导图整理知识

生理学知识实际上是由一系列概念组成的知识体系。生理学各概念之间存在复杂的相互联系。如果孤立地学习生理学概念，机械性地记住生理学概念的定义，不注重概念之间的联系与情境的运用，则难以深刻理解这些概念，也不足以搭建起一个基于理解的生物学知识框架，难以将所学内容应用于临床表现和问题的解释。例如，在小组讨论影响心输出量的因素时，学生通常七嘴八舌，非常凌乱地历数出前负荷、后负荷、心肌收缩能力、心率、异长调节、等长调节、静脉回心血量、心室充盈时间、静脉回流速度、心室舒张功能、心室顺应性、心包腔的压力、心室残余血量等，很少看到学生能够按照一定的逻辑顺序述说出可以影响心输出量的系列因素。这说明学生课后并未认真整理影响心输出量的各因素之间的层次关系和并列关系，大脑中并未清晰形成影响因素之间相互联系的知识框架或知识图谱。思维导图是由主题(又称节点、关键词)和连线构成。按照图1所示，通过思维导图可理清各影响因素之间的相互关系，将凌乱的碎片化知识进行归类整理，构建良好的知识结构框架。因此，教师在课堂上使用思维导图展示知识，更轻松地让学生理解知识与知识之间的关系与层次，从而帮助学生形成他们脑中完整的知识结构图，让学生既见树木又见森林。另一方面，学生在课后用思维导图复习整理所学知识的过程，也是学生对知识进行动态的加工过程，能够帮助自身建立起知识之间的联系，还原知识本身的内在结构，促进深入的理解；学生通过把零碎的知识串联成有机整体，可以扩大组块的容量，减少组块的数量，降低学生自己的认知负荷，促进知识的记忆。此外，通过思维导图还能够清晰地展现学生在学习过程中知识的遗漏以及产生的误解，让学生发现自我知识结构的盲点和误点，及时查缺补漏、弥补课堂吸收不足，从而反过来帮助教师进行针对性教学。思维导图为教师和学生提供了一种结构化的工具，将知识搬上知识树，让知识在学生的大脑中牢牢生根。

图1 影响心输出量的因素

此外，学生在课后复习中使用思维导图整理思维，通过以图串点，可用图串联起零散知识点，促进新旧知识间有意义的建构，将凌乱的碎片化知识构建成良好的知识结构框架，在体系中对知识进行清晰定位，而非机械记忆，既不容易遗忘，又有利于知识的运用。

2.2 据点绘图，用思维导图激发思维

除上面提到的思维可视化和思维整理外，非线性工具和思维激发是体现思维导图本质的另外两个核心词。思维导图的非线性特征能更清晰地表达出文字不易阐明的复杂关系，这就是“一图胜过千言”。思维导图上的每一个节点(关键词)都可以作为新的思维激发起点，从而帮助人们充分利用联想和想象，促进思维的发散，拓宽思维的广度[3]。

例如，在讨论水肿可由哪些因素引起时，教师可以根据循环生理中组织液的教学内容将这些因素分解为组织液生成增多(有效滤过压增高、毛细血管通透性增大)和淋巴回流减少，以及联系内分泌激素改变所引起的全身性细胞外液增多。教师在每一个因素下又可进一步分解出多个子因素(如图2)，从而以水肿这个中心词为起点，对与组织液增多的相关知识点进行发散关联，通过不断的发散思维将分属于循环系统和内分泌系统的前后不同章节的相关内容有机地整合在一张图上，充分发挥激发思维的非线性思维工具作用，由此促进学生在知识学习阶段由被动接受者转变为主动建构者。

图2 引起水肿的相关疾病

2.3 以图导学，用思维导图作为先行组织者

奥苏贝尔认为，影响学习最重要的因素就是学习者已经知道了什么。为了帮助学习者建立先前知识和将要学习知识之间的桥梁，奥苏贝尔提出了先行组织者(advance organizer)的概念。先行组织者是指在引导学生接受新知识之前，向学生提供一个辅助的、描述性引导材料。这个引导材料主要用于揭示新知识与旧知识的关系，可引导学生将当前所学新内容(新概念、新命题、新知识)整合到学生已有的认知结构中。这种先于某个学习任务本身呈现的引导性材料称为先行组织者[8]。先行组织者的核心思想是在学习者学习新知识之前,对其呈现一定的引导性材料,为已经知晓与需要知晓的知识搭建桥梁，也就是为新知识的学习搭建“脚手架”[9]。在课前预习或采用翻转课堂教学的课前自主学习阶段，教师在布置预习或自主学习任务时为学生提供一张展现待学知识主要框架的引导式思维导图作为先行组织者，要求学生通过课前自主学习在作为先行组织者的思维导图上加入自主学习的新知识，引导学生有效达成课前学习目标。在课堂教学开始时，仍可采用思维导图作为有效的先行组织者，简要呈现和复习学生过去已经学习过的与本次课堂教学相关的知识结构，帮助学生把新的知识和已有的知识联系起来，从而成为学生学习新知识的“锚定点”。因此，思维导图可作为新旧知识联系的工具。在学习新知识之前回顾旧知识的环节，可通过思维导图把旧知识之间的层次关系清晰呈现给学生，帮助学生快速定位新知识在知识体系中的位置，将知识加入已有的知识网络中去，把多个知识进行关联，有利于新知识与旧知识的辨别与对比。此外，基于思维导图呈现本节课教学内容的主要框架作为先行组织者展开教学，还能实时呈现课堂教学的进度，利于教师更好控制课堂节奏，也有助于学生有效安排注意力[3]。例如，在教师讲授影响每搏输出量的因素之前，可以使用一张思维导图简要展示学生过去已经学习过的影响骨骼肌收缩的因素(图3)，在此基础上进行比较性介绍心肌收缩的特点，并进一步比较影响骨骼肌收缩的因素和影响心肌收缩的因素之间的异同及出现差异的机制，将过去所学知识作为新知识学习的“锚定点”，既扩大了认知负荷理论中组块的容量，又减少组块的数目，还使得知识更加结构化，使新的知识易学易记，对新知识的理解和应用也将更加深刻。

图3 影响骨骼肌收缩效能的因素

3 思维导图应用的建议

3.1 不直接使用他人的思维导图，重在帮助思维整理

思维导图的绘制过程充分体现了学习者控制、主动参与和创造生成三大建构主义特征，是对大脑知识和想法进行碎片整理并不断优化的过程，可有效调动学生学习的主观能动性，已被证实取得了良好的教学效果[10]。而对于只使用教师绘制的思维导图的学生来说，已有的思维导图仅仅只是一种知识呈现方式，并未达到帮助学生自主建构知识的目的[11]。由于每个人思维习惯的差异，原有知识结构及知识整理的关注点不同，即使针对同一知识内容绘制出的思维导图也并不完全相同。因此，每位学生都应该独立绘制符合自己思维过程和原有知识结构的思维导图，才能取得较好的学习效果。

建议同学们在绘制思维导图时合上教材，根据自己的回忆和理解进行，注意深度挖掘自己对知识的理解，将新的知识点连接或整理到自己过去已有的相关知识结构中，实现意义学习。若在绘制思维导图过程中无法回忆部分内容时，再打开教材认真阅读和理解后，重新合上教材继续完成思维导图的绘制。因此，他人绘制的思维导图可以作为整理自己知识结构的参考，但不要照抄教材(尤其不要照抄教材的目录)和他人的思维导图，要充分利用思维导图，引导自己的思维整理，从而完成意义学习。有报道显示，通过组织学生思维导图创作比赛，激发了学生学习和使用思维导图的热情，促进了学生独立绘制思维导图，提升了教学效果[12]。

3.2 思维导图的内容不宜过于复杂，重在帮助学习记忆

认知负荷理论告诉我们，由于工作记忆的容量只能同时处理7±2个组块，因此，思维导图的内容不宜过多，导图的分支数以5-9个为宜，每个分支下的子分支也尽量遵循这一原则。如果我们在绘制思维导图过程中分支数目过多，可以对这些分支内容进一步分类，再增加一级子分支，以便突出重点，更好发挥思维导图帮助记忆的作用。为此，我们还采用网络信息技术构建思维导图，用在线分层点击的打开方式来逐层展开，从宏观、中观和微观不同层面呈现生理学知识的相互关系，实现宏观整体和微观细节的统一。

3.3 思维导图无需过于拘谨，重在展现内容和概念间关系

思维导图发明人博赞反复强调，在绘制思维导图时每条分支应该使用关键词，不要使用短语和句子以免限制自由关联，削弱其发生功能。但依照这个规则绘制出来的思维导图大多只有绘制者本人能够理解，难以实现教学中知识传递的目的[13]。绘制思维导图的重要目的就是整理思维以激发创新和加强记忆以及有利于知识传递以促进教学。因此，我们可以将一些核心名词概念的定义出现在思维导图中，以便加强对该名词概念的记忆。由于机体或器官功能的活动和调节的规律是生理学学习的重要内容，也可将一些反映机体活动及调节规律的曲线或简表放入思维导图，通过科学图表进一步丰富思维导图对机体功能活动规律的展现。此外，还可借用概念图的表达方式，在父子节点(关键词)间用简要的连接词明示其具体关系，帮助自己对不同概念之间相关关系的理解。最后还要指出的是，思维导图绘制的层次和逻辑不能混乱，要注意把握好节点间的层次关系和节点之间的内在逻辑关系。