利用思维可视化工具开拓学生高阶思维

2023-11-29金奕莼浙江杭州市钱江新城实验小学

小学科学 2023年24期

◇金奕莼（浙江：杭州市钱江新城实验小学）

一、小学生科学高阶思维发展的困境

2022 年，教育部颁发了《义务教育科学课程标准》，强调科学课程要培养的学生核心素养，包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面。胡卫平教授提出的“核心素养之核心”的科学思维越来越得到重视。

小学科学承载着帮助学生初步建构科学概念，并将相关概念结构化以及逐渐形成知识体系的任务。要完成这个任务，学生要经历从非本质到本质特征的比较，判断现象与现象之间的因果关系，从具象到抽象以及将零散的概念形成结构化概念的思维发展过程，需要超越简单记忆、理解的更高认知水平的思维方式，培养学生以比较思维、因果逻辑思维、概括思维、结构化思维为主的小学生科学高阶思维。

（一）从非本质到本质

比较是科学学习中一种常用的建构概念的思维方法。建构概念过程中，需要通过比较事物来认识事物的共性与差异性。许多学生往往能关注到事物的非本质特征，却忽视对事物的本质特征进行抽象，从而影响正确的科学概念建构。

（二）从相关到因果

学生在探究过程中会观察到多个现象并建立它们之间的相互联系，但对现象间的因果关系很难进一步判断。这妨碍了相关概念的建构。

（三）从具象到抽象

概念建构需从一些具体的有共同特性的事物中抽象概括出它们的一般性或共有特性。学生在抽象概括过程中缺乏从事物的许多特性中概括出本质特性的能力，影响着概念建构。

（四）从零散到结构化

将已学的科学概念结构化是形成知识体系的重要过程。由于学生结构化思维薄弱，面对多个零散且相关的概念时，很难建立多个概念之间的关系，会影响知识体系的形成。

综上所述，小学生科学高阶思维的发展影响着学生科学概念的建构及知识体系的形成。因此，我们需要通过思维可视化的教学手段发展学生科学高阶思维，同时帮助学生提升科学概念建构能力和科学核心素养。

二、思维可视化对开拓小学生科学高阶思维的意义

思维可视化是指运用图示将原本不可视的思维清晰呈现出来，是一种符合学生认知心理的学习方式。在教学过程中，通过思维可视化工具将学生头脑中原本不可见的思维结构、方法、路径、流程及策略“画”出来，帮助学生有针对性地学习理解、记忆和表达，提高自己的问题解决能力和科学思维能力。

思维可视化能成为提升思维的重要载体，其原因是思维可视化的核心是“思维”，可视化是其手段，它具有双重价值。教师在课堂上运用可视化教学，其显性价值是将抽象的科学知识及不可见的思维过程可视化呈现，提供良好的科学探究环境、激发学习兴趣、帮助理解记忆、增加学生主动获取知识的效能。其隐性价值则是：有助于学生发现事物的本质特征，判断现象间的因果联系，提高抽象概括能力以及结构科学概念的能力；有助于学生培养比较思维、结构化思维、概括思维、因果逻辑思维，将隐性的思维显性化；促进学生思维流畅，严谨、清晰表达；帮助学生提出问题、分析问题和基于证据解决问题，有效引导学生对信息进一步加工和处理；促进学生高阶思维的发展。

三、利用思维可视化工具开拓小学科学高阶思维的路径

气泡图、韦恩图、树形图、流程图、鱼骨图等图示都可作为思维可视化工具，教师在教学过程中应选择合适的思维可视化工具并有效运用，帮助学生在学习和掌握知识的过程中，科学高阶思维得到同步发展。

（一）使用韦恩图开拓比较思维

韦恩图是通过表示两个（或两类）事物特征的两个圆相交取交集作为共同部分来表示它们的公共元素。韦恩图可以帮助学生提升比较和抽象事物特征及认识事物共性和差异性的思维能力。图1呈现了利用韦恩图发展比较思维的一般流程。

以《观察一瓶水》和《认识一袋空气》为例，学生通过比较水和空气的特征，初步建构液态和气态的概念。教师在黑板上介绍韦恩图的使用方法后，提供观察材料。观察是思维的前提，教师组织全班分享交流各组基于观察完成的韦恩图。学生在相互学习中辨析“水可以喝，空气不可以”是非本质特征，还通过对比分析，从“水里放糖或盐会变甜或咸，空气不能放糖或盐也不会变味道，但空气里会夹杂其他气味”这些看似非本质的特征中，抽象出本质特征“空气和水本来是没有气味和味道的；它们都会占据空间；空气和水都会流动，因为空气很轻所以我们用飘动”。教师还引导学生从不同点中寻找相同点，从相同点中寻找不同点，利用韦恩图辅助学生整理空气和水的异同点，帮助学生体会和内化比较思维（图2）。

（二）采用复合流程图或鱼骨图发展因果逻辑思维

因果推理，即因为A 所以B，或者说如果出现现象A，必然出现现象B。这是一种引起和被引起的关系，属于典型的逻辑思维。在小学科学课堂教学中，我们可以借助复合流程图或鱼骨图引导学生关注问题的因果关系。在一系列的探究和验证性实验活动中，学生会逐步形成因果推理及有逻辑的思维能力。图3 提供了利用复合流程图或鱼骨图发展因果逻辑思维的一个路径。

以“比较种子发芽”实验为例，教师在《种子萌发条件》的教学中，借助鱼骨图引导学生通过改变的“因”来探究“果”。用在鱼骨主干上标注点的方式来表示学生通过经验所猜测影响种子萌发的因素。教师组织学生交流讨论并补充影响种子萌发的因素，结合对比实验，在主干骨上每个点的两侧鱼骨中分别画出具体引起种子萌发情况变化的条件，对比分析这些改变的条件即“因”会产生的“果”，并将“果”记录在鱼骨图上对应的小骨位置（图4）。学生根据鱼骨图的方向以及鱼骨间直观的因果关系推理得出结论：种子萌发需要充足的空气、适宜的温度、适量的水分，不受土壤和阳光的影响。学生在对鱼骨图反思整理与总结的过程中发展了因果逻辑思维。

图4 鱼骨图用于种子萌发影响因素及结果的表征

（三）借助流程图与括号图开拓概括思维

概括是指从具有共同属性的事物或现象中抽取一般或共有的属性，综合并推广迁移到同类事物的过程，从而获得关于一般事物或现象的本质属性。概括的过程就是学生认识事物性质、建立概念、探究事物本质的过程，同时形成有序思考及抽象概括的思维能力。流程图与括号图配合使用能够为学生的概括思维发展提供脚手架。图5 呈现了利用流程图与括号图发展概括思维的一般流程。

图5 流程图与括号图用于发展概括思维的一般流程

以《物质的变化》为例，学生通过实验观察收集了各种常见物质变化现象等感性的概括材料。教师引导学生根据物质变化现象的特点对各种物质变化现象进行分类，并寻找同一类物质变化的相同特点。同时指导学生将这一有序的观察过程及分类结果记录在流程图中。面对不同的分类想法，教师选择先引导学生对已经认同的分类现象进行抽象概括。在此过程中，教师着重引导学生剔除物质变化的非本质特点，保留本质特点——是否与原物质相同，即是否产生新物质，并用括号图将其条理化。学生借助括号图进行概括结果的图示呈现（图6）。此时，学生已从具象到抽象概括出物质变化的类型，再根据物质变化的本质特点来辨析之前有歧义的分类现象。在整个学习过程中，学生不仅概括思维得到了发展，所形成的知识概念也得到了巩固。

图6 流程图与括号图表征物质的变化

（四）利用树形图或概念图发展结构化思维

结构化思维是人们认识世界从整体到局部关系建立的过程。这个过程要求人们从被认识对象的结构出发，有序认识事物的整体与局部关系，从而认识事物及解决与事物相关的问题的思维方式。树形图和概念图是以层级结构表达概念间相互关系的一种空间结构图示。在教学中应用概念图或树形图能够引导学生对相关概念进行结构化的梳理，将零散杂乱的知识进行结构化分类，形成整体、系统的知识网络结构。图7 呈现了利用树形图或概念图发展结构化思维的一般流程。

图7 树形图或概念图用于结构化思维发展的一般流程

以小学阶段生命科学领域中与动物相关的概念为例。学生经历低段到高段的相关概念学习，应建构相互联系的动物概念结构。分类是用于研究动物最基本且重要的方法，教师借助概念图帮助学生对动物分类的概念结构化。教师引导学生明确概念结构化的对象，回顾小学阶段与动物相关的概念，通过对比分析这些概念确定动物分类最上位的分类标准——动物是否有脊柱。并根据子项目分类结果，将本质特点整理在其子项目的下一层，最后辨析所学过的动物特点，将动物对应到每个类别的底层（图8）。学生在完成概念图的过程中，建立了知识结构的同时，分类能力和结构化思维也得到了培养和发展。