思维可视化在教学中的适切运用

◇郑思齐（江苏：南京市栖霞区龙潭中心小学江畔人家校区）

思维可视化（Thinking visualization）是指通过可视化的图示或图示组合的方式，把原本不可视的思维结构及规律、思考路径及方法呈现出来，使其清晰可见的过程，它包含“视觉思维”和“有声思维”两种形式。思维可视化工具包括两类，一类是图示方法，包括概念图、思维导图、思维地图等，另一类是生成图示的软件技术，包括imindmap，Mind manager，XMIND 等，可将抽象思维具体形象化、隐性思维显性化，从而提高信息加工和信息传递的效率。《义务教育科学课程标准》指出，科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。经过科学课程的学习，学生需要掌握基本的思维方法，具有初步的科学思维能力。

基于前人对于思维可视化的相关研究、信息加工理论、小学生认知发展阶段性特点和科学学科特点，笔者认为：通过利用可视化工具，将学生大脑中原本看不见的思维呈现出来，同时借助学生的语言表达将原本抽象的思维显现出来，将思维可视化运用到小学科学学科教学中，能帮助教师更加清楚地了解学生前概念，从而更好地确定教学起点和认知难点；能够激发学生的科学学习兴趣，促进学生科学知识体系的建构、思维能力的发展、认知水平的提高、科学素养的提升；能够丰富评价方式，多维度测评学生的学习效果，实现学习效能和教学效能的双向提高。因此，在科学教学过程中，教师需要创设真实的探究情境、选用合适的思维可视化教学策略，让师生共同“看见”思维的发生、发展的过程。

一、找准教学起点和认知难点

“思维从何而来”，指向思维的发生过程。杜威认为，思维不会凭空而生，我们的思维都起源于直接经验的情境。当学生处于问题情境时，就会凭借他们以往的经验和相关的知识储备来思考和解决问题，即实际问题是思维的出发点。教师在教学过程中，在创设情境时需要考虑学生的生活经验，基于日常生活经验创设情境，以此引发认知冲突，利用工具让思维冲突可视化，从而激发学生对科学学科的学习动力。

例如，在苏教版小学科学三年级上册《食物的旅行》这一课教学之前，教师可以通过科学学习记录单的形式，让学生提前画出食物在人体中消化的路径，标出经过部位的名称及食物状态。经过前概念调查笔者发现，几乎所有学生都知道食物从嘴巴（口腔）进入人体，在胃部进行消化，经过肠子，从屁股（肛门）排出体外，但是对于消化道中消化器官的位置、形态及功能、消化道的顺序，学生画得并不相同。其中还有一些学生认为，因为大脑和心脏是人体非常重要的器官，没有它们人就不能活，因此它们也参与食物的消化。经过分析学生的前概念图和访谈发现：嘴巴和屁股是学生能够直接接触到的器官，他们对这两个器官比较熟悉，只需在科学名称的表达上加以规范即可；学生或多或少都有自己胃部不舒服或者看见别人胃不舒服的经历，生活中也常听到家人或老师对于“吃饱了不能跑跳，不然容易胃疼”的提醒，知道从胃到肛门有肠子连接，但是对于胃和肠的大小形态、位置、功能并不清晰。教师通过画图的方式让学生看见自己思维发生的过程，这样不仅可以帮助教师了解学生对于人体消化的前概念，找准教学起点和认知难点，还可以通过引导学生在观察、比较中了解自己的已有认知，开启后续的有针对性的学习，进而提升学生自身的元认知能力。

二、让学生多感官参与思维的展现过程

“思维怎么来”，指向思维的展现过程。解决问题是思维发展的关键，可以指引思维发展的方向。学生在问题解决的过程中，认知系统处于不平衡、不协调的状态，这使其思维需要不断运动，或是同化，或是顺应，努力将新接触的知识与已有的思维结构进行整合，通过这一过程不断完善自己的思维结构与认知系统。因此，教师在教学过程中，可以充分利用思维可视化工具，让学生多感官参与思维的展现过程。

（一）优化教学课件，促进思维展现顺序可视化

根据皮亚杰的认知发展阶段论可知，小学生的思维还处于以具体形象思维为主的阶段，相较于文字和教师语言表达，视频、动图、实物更能吸引他们的注意力。因此教师在课件制作的过程中需要考虑处于不同年龄段学生的年龄特点，选用适切的思维可视化工具，帮助学生在科学探究前明确探究目的、步骤、结论等，以防影响学习效果。例如，在实验步骤的教学中，对于3～4 年级学生，教师可以自己或请学生拍摄实验操作视频，然后配以字幕播放；也可以呈现实物，请学生一边操作一边讲解以核对其是否明确操作步骤；对于5～6 年级学生，教师可以选用鱼骨图、流程图的方式逐条呈现实验步骤。对于一些实验器材或者工具的使用，教师可以拍摄动图（可根据需要放大细节）进行反复播放。对3～4 年级学生，教师可以提供一定的表达示例，引导学生条理清晰地去表达；对于1～2 年级学生，如苏教版小学科学一年级下册《形形色色的动物》这样的课，教师还可以引导他们用动作、声音等方式进行表达。根据学生的理解能力选择恰当的思维可视化工具进行课件制作，能够帮助学生提升科学思维的逻辑能力。

（二）基于科学记录，促进思维展现内容可视化

教师想要通过教学活动实现学生科学思维能力的提升，促进学生从具体形象思维向抽象逻辑思维的发展，就需要引导学生学会将隐性思维转化为显性思维，这个过程离不开科学记录。科学记录的方式有很多，可以根据学生和课程不同进行选择，例如，1～2 年级的学生识字较少、写字较慢，教师引导学生用打钩、画圈等方式进行比较，用粘贴等方式进行分类，用画图等方式突破思维定式进行想象，等等；对于5～6 年级的学生，可以选用图文结合、数据分析、图表等方式提升推理与论证能力，选择材料制作模型的方式提升模型建构能力，选择绘制思维导图、概念图等方式提升抽象概括能力，选择气泡图来提升发散性思维能力，等等。丰富多样的科学记录方式都是在记录学生的思维过程和内容，当学生能够自如地选用思维可视化方式进行记录并经由语言表达进行交流与分享时，其科学思维能力一定得到了发展与提升。

三、评测科学思维培养效果

“思维如何再现”指向思维的再现过程。何时会思维再现？除了解决问题，就属反思评价了。教师在教学过程中应引导学生学会对自己的学习和思维过程进行反思评价，关注学生的反思评价情况是否及时、准确、全面，并将自己的观察反馈给学生。与此同时，在学生需要时教师应提供脚手架，鼓励学生将自己在学习和反思过程中所产生的疑问、想法，形成的思考方式、策略以及最终掌握的知识情况等，运用适合的和自己擅长的可视化方式记录下来，从而让自己看到自己的思维过程，促进学生深度思维的发展。这种方式有利于构建一个更加具体形象、不断完善的科学认知系统，知识的记忆、加工和提取也更加方便。

（一）采用图示工具进行反思评价

图示表征是指人们对概念知识的获得、提取及输出，是知识在人大脑中的图示表现。学生采用思维可视化方式进行知识表征，既可以让原本抽象的科学概念更加具体形象、直观可感，降低科学概念的理解难度，又有利于教师了解学生对于科学概念的掌握情况。在小学科学教学过程中，教师可以引导学生使用气泡图、概念图、思维导图等思维可视化工具进行反思评价，进而帮助学生突破学习难点，提升科学思维能力，进而提高科学学习效率。

例如，在学生学完苏教版小学科学五年级下册“简单机械”单元后，教师可以指导学生画一幅单元思维导图。学生在绘制的过程中会再现自己的学习过程，反思自己学习前的困惑是否解决、是否产生新的疑问。这样不仅完善了学生自己原有的科学知识体系，还发展了自身的归纳、概括、推理、分析等科学思维能力，同时也提升了学生的自主学习能力，提升了后续的科学学习的积极性，加强了科学与生活的联系。又如，在学生学完苏教版小学科学四年级下册“生物与环境”单元后，教师引导学生设计一张宣传海报，呼吁人们保护环境，努力实现人与自然和谐相处。这时学生就需要综合考虑各种因素：一张画纸，既要包含生物与非生物因素，又要凸显人类行为的影响力；内容既要老少皆宜，又要发人深省；既要体现危机意识，又不能引起恐慌……若教师在教学过程中能够经常采用思维可视化方式培养学生的反思评价意识，则能够为学生继续学习和研究指引方向，科学学习也将事半功倍。

（二）通过问题解决进行反思评价

科学思维不会自然发生，它由问题解决引发和维持。因此，科学教师可以参考PISA 科学素养试题，也可以通过创设相关的真实问题情境，评测学生能否利用已有的知识经验和现实问题情境提出可研究的问题，或制订可行的探究方案，抑或进行归纳、概括和总结。

例如，在学生学完苏教版小学科学四年级上册《简单电路》一课后，可以给学生电池、导线、小灯泡、开关等基本材料，让学生设计一个LED 手环，或者让学生设计这样一个简单电路：电路中有两个开关，其中一个开关同时控制两个小灯泡，而另一个开关只能控制其中一个小灯泡，让学生在问题解决的过程中进行思维再现和知识迁移。又如，在教学苏教版小学科学六年级下册《适应生存的本领》一课时，教师可以让学生利用其在课堂基于图表分析角马迁徙的原因的学习方法，归纳、概括、总结出银鲑鱼和北极燕鸥迁徙的原因。

综上所述，教师在小学科学的教学过程中，根据学生年龄特点和课程类型，和学生一起做出尝试和努力，选择适切的思维可视化工具，让学生看见、听见自己的思维过程，相信这种教学策略的施行，一定能够让学生的科学思维能力得到提升，元认知水平得到提高，学生的科学学习和教师的科学教学都将事半功倍！