The challenge of visualizing complex biological processes: overcoming cognitive barriers through infographics

Full Text

Современная система образования требует от педагога не только передачи знаний, но и формирования у обучающихся способности к самостоятельному анализу, синтезу и визуализации информации. Особую сложность представляет преподавание биологии – науки, где большинство процессов носит многоуровневый, системный и абстрактный характер. Процессы жизнедеятельности организма (обмен веществ и превращение энергии, деление клеток, рост, развитие и др.) представляют собой сложные многоуровневые взаимодействия, которые невозможно наблюдать непосредственно. Сложность биологических процессов требует от обучающихся способности удерживать в памяти взаимодействия между множеством элементов. Еще одна проблема заключается в том, что обучающиеся нередко воспринимают биологические явления как набор несвязанных фактов, не осознавая их внутренней логики и взаимозависимости. Это приводит к фрагментарности знаний, ошибочным представлениям и низкой мотивации к изучению учебного предмета.

Изучив психолого-педагогические работы [1, с. 120–132; 2, с. 48–70] можно выделить следующие когнитивные барьеры, возникающие при изучении биологических систем и процессов:

1. Перегрузка рабочей памяти обучающихся из-за избытка текстовой информации.
2. Невозможность учителю визуализировать абстрактные биологические процессы.
3. Отсутствие у обучающихся представлений о структурно-функциональных связях в биологических системах.
4. Неосвоенность обучающимися системного подхода к изучению живого.
5. Слабая развитость у обучающихся навыков системного мышления.
6. Отсутствие сформированных стратегий работы с научной информацией.

Одним из способов преодоления этих трудностей является визуализация сложной информации – представление содержания в виде наглядных структур (схем, моделей, инфографики), способствующих пониманию и запоминанию. Отметим, что в принятом ФГОС ООО необходимость целенаправленного обучения школьников способам визуализации информации отражена двояко:

• на уровне метапредметных результатов освоения учебного предмета «Биология» (овладение ПУУД при работе с информацией): «самостоятельно выбирать оптимальную форму представления информации и иллюстрировать решаемые задачи несложными схемами, диаграммами, иной графикой и их комбинациями» [3];
• на уровне предметных результатов освоения учебного предмета «Биология»: «умение создавать и применять словесные и графические модели для объяснения строения живых систем, явлений и процессов живой природы» [3].

Д.И. Трайтак писал: «Современное преподавание биологии не может обходиться только натуральными объектами… Содержание программ по многим предметам, начиная с начальных классов, подводит учащихся к пониманию «искусственного языка», выраженного в знаках и символах…» [4, с. 39].

Знаково-символическая наглядность представляет собой неотъемлемую часть визуализации учебной информации. Посредством графических, условных и символических форм она обеспечивает визуальную репрезентацию содержания, способствуя формированию целостного понимания изучаемого материала. Это делает её одним из ключевых компонентов современной образовательной среды, особенно в условиях перехода к цифровым и визуально ориентированным форматам обучения.

Теоретические основы визуализации учебной информации отражены в трудах отечественных и зарубежных исследователей, заложивших фундамент когнитивно-визуального подхода к обучению. В отечественной педагогике значительный вклад внесли В.Ф. Шаталов, разработавший систему опорных конспектов и символьных моделей представления учебной информации, а также Г.К. Селевко, рассмотревший технологию интенсификации обучения в рамках метода Шаталова как средство активизации познавательной деятельности учащихся. Существенное развитие идеи визуализации получили в исследованиях Г.В. Лаврентьева с соавторами, где описана технология визуализации учебной информации как средство формирования системного мышления и когнитивных связей между элементами содержания. В контексте дистанционного и электронного обучения проблему эффективности визуальных средств рассматривает О.А. Кондратенко, подчёркивая роль когнитивной визуализации как инструмента повышения мотивации и осознанного усвоения знаний.

Зарубежные подходы к визуализации учебного материала опираются на когнитивные теории переработки информации. Так, А. Paivio разработал теорию двойного кодирования (Dual Coding Theory), согласно которой познание осуществляется через взаимодействие двух систем – вербальной и невербальной, что обеспечивает более прочное запоминание и воспроизведение информации. Когнитивная теория мультимедийного обучения Р.E. Mayer (Cognitive Theory of Multimedia Learning, CTML) развивает эти идеи, доказывая, что сочетание словесных и визуальных компонентов способствует интеграции знаний и формированию глубинных когнитивных структур. В свою очередь, теория когнитивной нагрузки John Sweller (Cognitive Load Theory) демонстрирует, что оптимальное соотношение текстовой и визуальной информации снижает нагрузку на оперативную память, предотвращая её перегрузку и способствуя осмысленному усвоению содержания.

История формирования представлений о когнитивно-образовательном потенциале визуализации в отечественной науке активно развивается с 1990-х годов. Данное направление отражено в исследованиях В.Э. Штейнберга [5, с. 50–60], Н.Н. Манько [6, с. 100–150], С.В. Арановой [7, c. 18–24] и других авторов, рассматривающих визуальные формы представления знаний как основу для формирования метакогнитивных навыков учащихся. Концептуально близкий подход представлен в работах В.А. Далингера [8, c. 28–32] и О.О. Князевой [9, с. 1–20], сформулировавших когнитивно-визуальный подход к обучению математике, в котором акцент переносится с иллюстративной функции наглядности на её познавательно-смысловую роль в процессе построения внутреннего знания.

В современной педагогической литературе всё чаще используется термин «когнитивная визуализация», под которым понимают визуальное представление информации, выполняющее не только иллюстративную, но и интеллектуально-эвристическую функцию, способствующую осмысленному конструированию нового знания. Таким образом, визуализация рассматривается не как вспомогательный инструмент обучения, а как механизм когнитивного посредничества, направленный на активизацию познавательных процессов, развитие у обучающихся произвольного внимания и формирование в сознании устойчивых понятийных структур.

Особое значение для педагогической интерпретации процессов визуализации имеют работы отечественных психологов и культурно-исторической школы – Л.С. Выготского, А.Н. Леонтьева, Д.Б. Эльконина, В.П. Зинченко, Е.Е. Кравцовой, Н.Г. Салминой, В.И. Слободчикова и др. Исследователи определяют символизацию как базовый принцип интеллектуального развития, обеспечивающий способность субъекта к использованию знаково-символических средств для перевода содержания в различные планы выражения – от конкретно-образного до абстрактно-понятийного. Именно в этом контексте визуализация рассматривается как педагогическая технология, способствующая переходу от наглядно-действенного к абстрактно-логическому мышлению, а также как средство формирования понятийного аппарата в структуре знаний обучающихся и развития их метапознавательной компетентности.

В условиях современного информационного общества особое значение приобретает инфографика – визуальная форма представления знаний, сочетающая графические и текстовые элементы в единой логической структуре. Наиболее распространено определение инфографики, данное Ж.Е. Ермолаевой, О.В. Лапуховой, И.Н. Герасимовой, которые рассматривают ее как «синтетическую форму организации информационного материала, включающая в себя визуальные элементы и тексты, которые поясняют эти визуальные элементы» [10, c. 28]. Похожее определение дает С.В. Селеменов, определяя инфографику как «способ передачи какой-либо идеи, основанный на иллюстративном сопровождении какой-либо информации, представленной в виде сведений или данных, часто количественных» [11, c. 39].

Инфографика выполняет в образовательном процессе несколько взаимосвязанных функций [12, c. 226]:

• информационную – обеспечивает компрессию и структурирование учебного материала, позволяет визуализировать большие объёмы данных в наглядной форме;
• когнитивную – способствует глубинному пониманию взаимосвязей между элементами биологической системы, облегчает переход от конкретного к абстрактному;
• мотивационную – повышает интерес и познавательную активность обучающихся, делает процесс усвоения материала более эмоционально привлекательным и интерактивным;
• контрольно-рефлексивную – создаёт возможность оценить степень понимания учащимися изучаемого материала, способствует развитию навыков самооценки и рефлексии.

Применение инфографики при изучении биологии позволяет повысить эффективность обучения, развить аналитическое и системное мышление обучающихся, а также формировать метапредметные компетенции, необходимые для успешной работы с информацией в современной образовательной среде.

Педагогическая ценность инфографики в обучении биологии заключается в её способности объединять когнитивные, коммуникативные и визуальные механизмы восприятия информации. Она не только облегчает процесс усвоения сложных теоретических знаний, но и способствует формированию у обучающихся универсальных учебных действий, метапредметных компетенций и естественнонаучной грамотности. Следовательно, инфографика выполняет в образовательном процессе следующие функции.

1. Стимулирует у обучающихся визуально-образное и логико-аналитическое мышление. Инфографика активизирует деятельность обоих полушарий мозга: правого, отвечающего за образное, пространственное и интуитивное восприятие, и левого, обеспечивающего логико-вербальную обработку информации и последовательное построение рассуждений. Такое взаимодействие способствует формированию целостного мышления, объединяющего аналитическую и ассоциативную составляющие.

Визуальные образы, графические связи и цветовые акценты задействуют ассоциативную память и эмоциональные каналы восприятия, в то время как текстовые и символические элементы требуют логического анализа и структурирования. В результате учащиеся не просто запоминают отдельные факты, а выстраивают внутренние когнитивные карты – визуально-логические структуры, отражающие взаимосвязи между элементами биологических систем. Это обеспечивает более глубокое понимание содержания и повышает устойчивость знаний.

2. Позволяет интегрировать разнородную информацию. В инфографике сочетаются различные формы представления данных – текст, схемы, символы, графики, таблицы, иллюстрации. Такая интеграция способствует комплексному восприятию информации, что особенно важно в биологии, где процессы и явления тесно связаны на разных уровнях организации живого. Например, при изучении фотосинтеза, дыхания или круговорота веществ обучающиеся могут одновременно наблюдать химические реакции, анатомические структуры и экологические связи.
3. Создаёт опору для мыслительной деятельности обучающихся. Инфографика выполняет функцию наглядного опорного сигнала, который помогает удерживать логическую структуру учебного материала и способствует переходу от внешнего действия к внутреннему плану мышления. Такие визуальные «якоря» обеспечивают развитие произвольного внимания, помогают систематизировать материал и выступают средством формирования понятийного мышления.
4. Формирует у обучающихся навыки моделирования. В биологии моделирование является одним из ключевых методов познания. Работа с инфографикой побуждает обучающихся строить и анализировать модели биологических систем и процессов – от молекулярных взаимодействий до экосистемных связей. Это способствует развитию исследовательских умений: выделять существенные признаки, устанавливать причинно-следственные связи, прогнозировать последствия изменений в системе.
5. Развивает читательскую и естественнонаучную грамотность обучающихся. Интерпретация инфографики требует умения извлекать информацию из визуальных источников, анализировать графические данные, делать выводы и формулировать аргументированные суждения. Это напрямую связано с развитием функциональной грамотности, как способность использовать знания в реальных ситуациях.

В целом, использование инфографики в обучении биологии позволяет объединить визуальный, логический и эмоциональный каналы восприятия, делая процесс обучения более осмысленным, интегративным и мотивирующим.

Современный этап преподавания биологии в школе характеризуется переходом от репродуктивного усвоения знаний к осмысленному и исследовательскому типу обучения, ориентированному на развитие метапредметных компетенций и функциональной грамотности. В этом контексте старшая школа (10–11 классы) занимает особое место, так как обучающиеся данного возраста обладают уже сформированным абстрактно-логическим и критическим мышлением, способностью к саморефлексии и обобщению информации. Именно поэтому на данном этапе обучения целесообразно использовать инфографику как инструмент аналитического и системного осмысления биологических процессов. Если в основной школе визуальные средства выступают преимущественно в роли наглядной поддержки и мотивационного элемента, то в старших классах они становятся средством когнитивного моделирования и анализа взаимосвязей внутри сложных биологических систем [13, c. 80–85].

Использование инфографики в 10–11 классах позволяет перейти от восприятия отдельных фактов к осознанию закономерностей и механизмов функционирования живого. Старшеклассники способны не только воспринимать и интерпретировать визуальные данные, но и самостоятельно конструировать инфографические модели, что способствует развитию исследовательских, аналитических и проектных умений.

В условиях высокой информационной насыщенности учебного процесса инфографика выполняет не только иллюстративную, но и когнитивно-развивающую функцию. Особенно значимым данный инструмент оказывается при изучении тем, где требуется осмысление многоуровневых процессов – например, при рассмотрении фотосинтеза как системного явления, объединяющего молекулярные, клеточные, физиологические и экологические аспекты. Так, инфографика по теме «Фотосинтез» позволяет обучающимся увидеть взаимосвязь процессов, протекающих в световую и темновую фазы, соотнести энергетические и структурные компоненты фотосинтеза, а также понять его роль в круговороте веществ в биосфере и поддержании жизни на Земле (рис. 1). При этом визуальное представление не только облегчает запоминание, но и способствует формированию научного стиля мышления, развивает способность к анализу и интерпретации данных.

 

Рисунок 1 – Инфографика «Процесс фотосинтеза»

 

Приведём пример основных функций инфографики и проиллюстрируем их содержание на материале темы «Фотосинтез» (табл. 1).

 

Таблица 1 – Функции инфографики

Функции	Раскрытие функции
Стимулирует визуально-образное и логико-аналитическое мышление	При изучении темы «Фотосинтез» учащиеся одновременно воспринимают пространственную модель процесса (расположение хлоропластов, движение электронов, поток энергии света) и логическую последовательность стадий (световая и темновая фазы, синтез глюкозы). Визуальные элементы – стрелки, цветовые зоны, символы – задействуют ассоциативную память и эмоциональные каналы восприятия, а текстовые подписи и формулы требуют логического анализа. Таким образом, ученик не просто запоминает, что «в фотосинтезе образуется глюкоза», а выстраивает внутреннюю когнитивную карту, связывая энергию света, структуру хлоропласта, химические реакции и экосистемное значение процесса.
Позволяет интегрировать разнородную информацию	При изучении фотосинтеза школьники одновременно видят: органный, клеточный и субклеточный уровни – строение листа, расположение хлоропластов в клетке; молекулярный уровень – химические уравнения синтеза глюкозы; организменный уровень – функционирование целого растения в процессе фотосинтеза, поскольку растение как организм поглощает воду корнями, транспортирует её по сосудам древесины стебля и обеспечивает поступление углекислого газа через устьица листа; продукты фотосинтеза распределяются по всем органам растений; экологический уровень – роль процесса в круговороте веществ и энергетическом балансе биосферы. Интеграция этих уровней через инфографику помогает учащимся осознать, что фотосинтез – не изолированный химический акт, а системное взаимодействие организмов и среды, объединяющее физику, химию и биологию.
Создаёт опорные сигналы	Например, в схеме фотосинтеза визуально обозначенные стрелки потока электронов и направлений движения веществ (вода → кислород, СО₂ → глюкоза) служат опорными якорями, позволяющими учащемуся восстановить ход процесса без заучивания текста. Такие визуальные опоры способствуют развитию произвольного внимания, организации памяти и усвоению понятийного аппарата («хлорофилл», «электронный транспорт», «световая энергия», «углеродный цикл»). Благодаря этому школьник способен самостоятельно воспроизвести причинно-следственную структуру фотосинтеза, не опираясь на внешний источник.
Формирует навыки моделирования	Например, создавая собственную инфографику по теме «Фотосинтез», учащиеся: выделяют ключевые этапы процесса (поглощение света, фотолиз воды, фиксация углерода, синтез глюкозы); определяют взаимосвязи между стадиями; устанавливают причинно-следственные зависимости (от количества света, к скорости синтеза глюкозы); прогнозируют влияние внешних факторов (температуры, концентрации СО₂). Таким образом, инфографика превращается из иллюстрации в модель, которую ученик создаёт сам, формируя исследовательские и прогностические умения.
Развивает читательскую и естественнонаучную грамотность	Работа с инфографикой по фотосинтезу требует умения читать и интерпретировать графические данные, анализировать условные обозначения, делать выводы. Например, в инфографике «Баланс фотосинтеза» ученики видят диаграмму, показывающую зависимость скорости образования глюкозы от интенсивности освещения. Для правильного анализа они должны определить: где участок насыщения фотосинтеза, как влияет температура на эффективность процесса, почему при избытке света возможен фотоповреждающий эффект. Такое задание развивает функциональную грамотность – умение применять знания в реальных контекстах, анализировать данные и аргументировать свои выводы.

 

Педагогический опыт свидетельствует, что инфографика может быть органично интегрирована во все этапы урока. На мотивационном этапе она используется для создания проблемных визуальных ситуаций, побуждающих учащихся к формулированию учебной задачи. На этапе изучения нового учебного материала инфографика выполняет функцию смысловой опоры, обеспечивая наглядное представление биологических процессов и структур. В процессе закрепления знаний эффективным приёмом становится самостоятельное создание учащимися инфографических моделей, отражающих взаимосвязи между изучаемыми элементами. На этапе контроля и самооценки визуальные схемы используются как инструмент самопроверки и осмысления степени усвоения материала.

Результаты педагогических исследований подтверждают эффективность данного подхода. Так, Ю.В. Кузнецова отмечает, что использование инфографики повышает вовлечённость обучающихся и способствует активизации познавательной деятельности [14, c. 167]. Полученные нами данные также демонстрируют положительное влияние визуализации учебного материала на качество усвоения знаний.

В рамках формирующего эксперимента, проведённого авторами, апробировалась методика использования инфографики на уроках биологии при изучении темы «Птицы». В исследовании приняли участие 435 обучающихся 8-х классов, распределённых на контрольные и экспериментальные группы (КГ и ЭГ). Методика реализовывалась в условиях, максимально приближённых к естественному образовательному процессу. При этом различие между КГ и ЭГ заключалось только в систематическом применении инфографики в процессе обучения учащихся экспериментальных групп.

Применение инфографики на различных этапах урока (объяснение нового материала, закрепление, самостоятельная работа и домашние задания) позволило повысить уровень осмысленного восприятия информации, развить умения структурировать учебные сведения и выделять причинно-следственные связи. В ходе эксперимента учащиеся ЭГ демонстрировали более высокие показатели при выполнении аналитических и интерпретационных заданий, связанных с распознаванием биологических закономерностей, классификацией объектов и моделированием процессов.

После завершения изучения каждой темы во всех группах определялись достигнутыми учащимися уровни знаний по коэффициентам усвоения (срезы), используя письменные работы, включающие выполнение интегративных заданий. Особенно заметно возрастание качества знаний наблюдалось по таким критериям, как правильность, полнота и осознанность ответов. Сравнительный анализ промежуточных результатов показал устойчивую положительную динамику по всем критериям. Наиболее существенные различия были выявлены на эвристическом и творческом уровнях усвоения, которые характеризуются такими показателями, как действенность и системность знаний. Так, коэффициент усвоения учебного материала в экспериментальных группах вырос в среднем на 18–22%, в то время как в контрольных группах данный показатель увеличился не более чем на 8–10%. Сравнение результатов контрольной (КГ) и экспериментальной (ЭГ) групп с применением t‑критерия Стьюдента выявило статистически значимые различия в пользу ЭГ. Применение t‑критерия Стьюдента подтвердило статистическую значимость выявленных различий: эмпирическое значение t‑статистики (t_эмп = 3,10) превысило критическое (t_крит = 2,048 при α = 0,05), а уровень значимости p = 0,004 позволил отвергнуть нулевую гипотезу о равенстве средних.

Кроме того, включение визуальных заданий в структуру домашних работ способствовало формированию элементов функциональной и инфографической грамотности: учащиеся научились преобразовывать текстовую информацию в визуальные схемы, интерпретировать графические данные и строить собственные инфографические модели биологических процессов.

Как отмечает Ф.К. Исенова, внедрение инфографики в учебный процесс развивает аналитические навыки, улучшает качество осмысления и запоминания информации, способствует выявлению причинно-следственных связей и структурированию знаний; развивает саморегуляцию и рефлексивные умения, поскольку визуальная форма представления материала помогает учащимся планировать, отслеживать и корректировать собственную познавательную деятельность [15, c. 39]; способствует формированию метапредметных компетенций – планирования, анализа, интерпретации данных и визуального мышления, необходимого для осознанного восприятия сложных научных моделей и процессов [16, c. 256].

Использование инфографики в образовательной практике не ограничивается традиционными формами визуализации. Современные тенденции цифровизации образования открывают новые возможности для её применения в интерактивном формате.

Современные цифровые платформы – такие как ЯКласс, LearningApps, «Московская электронная школа» (МЭШ) – предоставляют педагогам и учащимся инструменты для создания и использования интерактивных инфографик, объединяющих визуальные, текстовые и мультимедийные элементы. Интеграция подобных средств в информационно-образовательную среду способствует переходу от пассивного восприятия учебного материала к активной когнитивной деятельности, основанной на анализе, интерпретации и моделировании информации.

Такая форма работы не только повышает наглядность учебного процесса, но и стимулирует самостоятельное конструирование знаний учащимися, развитие их исследовательских умений и цифровой грамотности. Кроме того, использование интерактивной инфографики на онлайн-платформах способствует индивидуализации обучения, позволяя адаптировать материал к уровню подготовки и познавательным интересам школьников.

Эффективное использование инфографики требует соблюдения ряда условий:

1. Методическая готовность педагога: умение структурировать материал, выделять ключевые понятия, строить визуальную логику.
2. Учёт возрастных и индивидуальных особенностей учащихся (по Ж. Пиаже – переход от конкретных операций к формально-логическому мышлению).
3. Создание учебных ситуаций, где ученик выступает не потребителем, а соавтором визуальной модели.
4. Рефлексия: обсуждение визуальных решений и их интерпретации.

При этих условиях инфографика становится не просто иллюстрацией, а педагогическим инструментом развития когнитивных и метапредметных компетенций.

Инфографика является эффективным психолого-педагогическим средством преодоления когнитивных барьеров при изучении биологии. Она способствует развитию визуального и аналитического мышления, помогает осознать структуру сложных процессов и установить связи между уровнями организации живой материи. Использование инфографики повышает качество понимания и запоминания, способствует формированию функциональной грамотности и развивает когнитивную самостоятельность учащихся. В перспективе целесообразно разрабатывать методики проектного обучения на основе инфографики и создавать цифровые ресурсы визуализации для школьного и вузовского образования.

About the authors

Maxim Kirillovich Korepanov

Moscow Pedagogical State University

Author for correspondence.
Email: korepanovmax@yandex.ru

postgraduate student of Natural Science Education and Communication Technologies Department

Russian Federation, Moscow

Alexander Valentinovich Teremov

Moscow Pedagogical State University

Email: av.teremov@mpgu.su

doctor of pedagogical sciences, professor of Natural Science Education and Communication Technologies Department

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files