大概念单元教学：让学生思维可视化

浙江杭州二中白马湖学校（310051） 张佳艳 胡晓敏

随着《义务教育科学课程标准（2022 年版）》（以下简称“2022 版课标”）的颁布，聚焦学科核心概念，即大概念的单元教学越来越受到广大教师的重视。但学生的思维具有内隐性，看不见也摸不着，教师难以感知大概念单元教学中学生思维发展的情况，无法根据学生的反馈及时调控教学进程。思维可视化工具有让隐性思维显性化的作用，能为推动大概念单元教学提供有力抓手。因此，笔者以思维可视化工具为载体，探讨大概念视角下的单元教学如何让学生思维可视化。

一、大概念及其对思维可视化的价值

（一）大概念内涵

2022 版课标共设置了13 个学科核心概念和4个跨学科概念（见图1）。学科核心概念（大概念）是所有学生在义务教育阶段应该掌握的科学课程核心内容。教材聚焦学科核心概念，精选与学科核心概念相关的学习内容，基于学生的认知水平和知识经验，由浅入深、由表及里、由易到难地安排学习内容，加强不同学段间的衔接，引导学生进一步迁移应用所学知识，以解决生活中的实际问题。

图1 科学课程的13个学科核心概念和4个跨学科概念

由此可知，科学学科大概念既具有统摄性，自上而下统领不同学习内容，高度概括看似零散分布的科学概念、科学方法、原理应用等，形成有组织、有结构的学习框架，又具有本质性，是在理解科学概念、规律、原理的基础上对客观事物形成的高度概括的总体认识，揭示了科学的本质，同时为学生的迁移应用提供了思维认识方式。

（二）大概念对思维可视化的价值

1.统领单元教学形成结构化

2022 版课标以主题单元形式将13 个学科核心概念分解成若干学习内容，但科学学习不是零散的。大概念统领下的单元教学在一开始就确定以一个或多个核心概念统领整个单元，在顶层设计中将单元学习内容进行“解构—重构”，形成结构化学习内容。如教科版科学教材四年级上册《呼吸与消化》单元的大概念为“人体由多个系统组成，各系统分工配合，共同维持生命活动，并依赖于周围环境”。围绕单元大概念，笔者重新组织单元内容，使其呈现结构化特征（见图2），并设计健康计划表（见表1），以可视化的表现性任务统整单元学习内容。

表1 健康计划表

图2 《呼吸与消化》单元学习内容解构与重构

2.促进思维发展呈现进阶性

学生科学思维的发展具有一定的内隐性，是衡量科学教学实效性的标准之一。利用可视化工具可以实现思维的外显，而大概念则可以勾连小学科学三个学段的学习内容，帮助学生逐步建构完整的科学概念。如笔者对教科版科学教材三年级上册《空气》一课中的相关内容进行纵向整理时，发现“空气是一种常见的重要物质”的概念建构，小学三个学段都有涉及。学习了一年级下册《我们周围的物体》单元后，学生了解到空气是一种无色、无味、透明、会流动、形状不固定的气体，积累了感性认识。随着探究方法的丰富和探究能力的发展，学习了三年级上册《空气》单元后，学生对空气的质量、占据空间等特点有了进一步的理解（见图3）。这样，大概念建构的学习内容在编排上呈螺旋式上升，大大促进了学生的思维向深层次发展。

图3 教材对空气概念的纵向学业要求

3.关联生活应用反映真实性

大概念能够高度概括科学知识、规律和方法等，体现科学本质，有利于学生综合解决生活实际问题。如教科版科学教材四年级下册《岩石与土壤》单元的学科核心概念为“地球系统”，大概念为“岩石和土壤是我们地球的重要资源，利用科学的观察方法可以让我们对岩石和土壤有更多的认识”。为了构建这样的科学概念，在执教《岩石的组成》一课时，笔者将知识关联生活，创设“小小矿物鉴定师”这一真实情境，引导学生开展微项目学习（见图4），以大概念驱动学生解决生活中的实际问题，提高学生的核心素养。

图4 《岩石的组成》单元微项目学习安排

二、基于大概念实施可视化单元教学

（一）实施框架

笔者依据教科版科学教材及2022 版课标中与大概念建构有关的内容，提炼出指向思维可视化的三个要点：图解大概念，把握思维可视化的起点；关联大概念，夯实思维可视化的基点；运用大概念，指向思维可视化的落点。

（二）实施方案

如何在单元教学中实现学生思维可视化？如何将学生的学习内容进行结构化组织和可视化呈现？如何在单元教学中避免课程内容的零散、庞杂？带着这些问题，笔者以教科版科学教材三年级上册《空气能占据空间吗》一课的实施方案为例，初步验证指向思维可视化的三个要点。

1.图解大概念：把握思维可视化的起点

思维的内隐性让学习过程的发生无法被及时追踪和有效反馈，且学生在课堂上人云亦云，难以表达真实想法，这在一定程度上阻碍了学生科学思维的发展。作为核心素养的核心，科学思维的重要性不言而喻。笔者以图解大概念为手段，直观呈现中年段学生课堂思维发展过程，捕捉学生的学习起点，通过将学生思维外显化及时调整课堂教学，实现因材施教。

（1）个性化图解，暴露前概念

学生在进入课堂前并不是一张白纸。教师要把握好学生的已有经验，在学生已有经验的基础上开展教学，提高课堂教学的有效性。但在实际教学中普遍存在学生前概念难获取的现象，主要有以下三个原因：中年段学生缺乏抽象思维，无法使用具体的语言或文字表述自己的想法；课堂时间有限，提问、谈话等形式无法实现对每一个学生前概念的获取，易造成人云亦云的现象，使不同的声音被掩盖；前概念调查难反馈，导致调查流于形式，没有真正起到帮助教师了解学情的作用。

因此，对“空气能占据空间吗”这一前概念的调查，笔者利用石块、水等可见物品为学生建立“占据空间会导致瓶内水位上升”的直观联结，通过画“剪去底的瓶子竖直压入水后”水位线的位置图，呈现学生对空气是否占据空间的前概念（见图5）。利用图示的手段呈现前概念，实现了思维呈现的化繁为简，使每个学生都能在课堂上大胆地表达自己的想法，同时为后面图解呈现大概念建构的过程做好铺垫。

图5 可视化工具呈现学生前概念

（2）理解为先，明确学习目标

《理解为先模式——单元教学设计指南》一书，强调了理解是教学和评估的中心，即为理解而教，为理解而评。从理解的六个维度（见图6）可知，明确学习目标可以激发学生的学习动机，为后面的深度学习提供方向指引，避免无效观察，同时使学生的思维变化有迹可循。

图6 理解的六个维度

从2022 版课标可知，《空气能占据空间吗》一课涉及的学科核心概念是“物质的结构性质”，内容要求是“说明空气有质量并占有一定的空间，空气会充满各处”。结合单元大概念及学生学情，教师利用理解为先理念逆向设计，从大概念视角出发，重新明确本单元的学习目标：能利用证据说明空气占据空间、充满各处等性质（见表2）。引导学生在学习活动正式开始前明确学习目标，是大概念视角下单元教学的第一步。目标作为课堂教学的一条内线，引导深度学习的发生和学习成果的评价反馈，以此实现“教—学—评”一体化。

表2 《空气》单元学习目标

由表2 可知，本单元教学围绕“空气是一种常见而重要的混合物质”这一大概念展开，而《空气能占据空间吗》一课是在学生对空气有了一定认知后，围绕“能够通过一定的工具或方法探究发现‘空气像石块、水等物质一样能够占据空间，并充满各处’的性质，并能联系生活，解释、应用生活的一些现象”的目标展开教学。

2.关联大概念：夯实思维可视化的基点

著名教育家维果斯基将儿童现有的独立解决问题的水平和通过成人或更有经验的同伴的帮助而能达到的潜在的发展水平之间的区域界定为“最近发展区”。可见，在大概念的建构过程中，学生的思维发展需要几个关键性的思维节点来支撑他们跨越“最近发展区”，实现知识理解与实际应用，即真实、有意义的学习。

基于这样的前概念认知和学习目标，笔者利用学生生活中的常见物品——剪底的矿泉水瓶和水槽等，让学生亲身经历、体验瓶子竖直压入水中的过程。在观察中，学生用图示的方式对自己的猜测进行修正，直观呈现思维变化过程。

经过探究，大部分学生都观察到水进了一点之后就进不去了，而瓶子外的水位却上升了（见图7）。这与前面学生的猜测形成了鲜明对比，产生这个现象的原因是什么呢？教师及时抓住契机，进一步引导学生观察打开瓶盖后出现的现象，并思考出现这个现象的原因。

图7 利用思维可视化工具开展探究

通过有组织、有结构的探究活动，学生结合思维可视化工具，呈现自己的思维发展成果，一共得出四种不同结果。笔者板贴这四种结果的图式（见图8），以此组织学生开展研讨，帮助学生进行意义建构。学生在研讨中进一步完善和修正自己的想法，共同建立“空气能够占据空间”的概念。

图8 利用思维可视化工具组织研讨

在这个过程中，笔者利用生活化的探究材料关联大概念建构过程，通过提取学生原有的生活经验，使结果与猜测形成强烈对比，从而深化学生的思维发展，促使学生利用思维可视化工具开展研讨，为跨越“最近发展区”提供支架。

3.运用大概念：指向思维可视化的落点

面对真实世界，解决实际问题需要的不仅是单一的知识，更是综合运用知识的能力。而深度学习强调的就是对知识的理解和运用所学知识解决实际问题的能力，即正向的高阶思维迁移。

笔者以问题为导向，引导学生思考、解释生活中的不同现象或应用，并以此为依据进行评价反馈。这样既可以检验学生对课堂所学知识的掌握情况，又能反映课堂教学成效，有助于调整教学方向。

以下是探究“如何用塑料瓶装一瓶外面的新鲜空气？”的教学片段。

师：你能用这个塑料瓶帮老师装一瓶会场外的新鲜空气吗？

生1：可以。（拿着塑料瓶直接跑到外面后回来）装好了。

师：同学们觉得他装成功了吗？

生2：我觉得他没装成功，瓶子里还是原来的空气。

师：为什么？能不能说得更具体一些？

生3：我们知道空气是占据空间的，而这个瓶子里已经有空气了，所以外面的空气装不进去了。

生4：是的。空气已经把这个塑料瓶内的空间占满了，新鲜空气就进不去了。

师：那你们有办法装一瓶外面的新鲜空气回来吗？

生5：先用水装满这个瓶子，再跑出去把水倒掉，这样瓶内装的就是外面的新鲜空气了。

（全体学生鼓掌）

师：看来，要想把外面的新鲜空气装进来，就要把原来瓶内的空气“赶”出去。这个办法不错，除了水，还可以用什么？

生6：沙子也可以。

……

运用大概念解决生活实际问题是提升学生核心素养的真正落脚点。笔者利用问题链的形式，将问题转化为思维可视化的过程。在问题引导的过程中，学生思维实现了向高阶思维的正向迁移。

（1）问题导向，解决生活实际问题

“你能用这个塑料瓶帮老师装一瓶会场外的新鲜空气吗？”，这问题看似简单，其实背后折射出学生概念建构及应用的真实反馈，也是学生思维可视化的落点——建立知识与生活的联系，运用大概念解决生活实际问题。对于笔者提出的问题，如果学生已经建立“空气能够占据空间”的认知，就会想到要用这个塑料瓶装一瓶外面的空气，就要先将瓶里原有的空气排出，再让外面的空气重新占据这个瓶子，而不是直接把瓶子带到外面再带回来就可以的。

（2）正向迁移，实现“教—学—评”一体化

学生对所学知识迁移应用的过程，即思维进阶的过程。为了更好地运用大概念，帮助学生进一步巩固所学“空气能像水、沙子一样占据空间”，还可以通过制作“喷泉”来检测学生大概念建构的情况，以及反馈评价教师本堂课的目标达成情况，实现“教—学—评”的一体化。制作“喷泉”这种经典的生活应用既富含科学乐趣，又与空气占据空间的知识应用紧密相连。

无论是设置问题链，在不断追问的过程中解释、应用生活实际问题，还是利用实际操作，促进学生实现正向迁移，都是为了帮助学生真正形成大概念，提高学生解决生活实际问题的能力。这也是运用可视化工具，促进学生深度学习的出发点和落脚点。通过课堂教学实践，笔者发现优化后的课堂，学生的思维参与度更高，每个学生在原有前概念的基础上，都要经历“质疑—修订—实践探究—再修订—建立新概念—应用解释”的过程，而质疑和批判精神是学生科学思维的关键。在黑板上呈现每个学生的思维图像，不仅方便课堂交流研讨，而且可以直观呈现不同学生的思维过程，推动后续的实践探究。

三、走向基于大概念的单元可视化教学

基于大概念的单元可视化教学是对教师如何教、学生如何学的一次变革。它反映了新课改背景下教师教学理念的转变，对促进学生思维可视化活动的设计与改进提出了全新挑战。

首先，教师缺乏思维可视化工具教学应用能力。在大概念单元教学背景下，如何选择有效的思维可视化工具，以及如何更精准地使用这些工具，对一线教师提出了更高的要求。其次，教师如何快速转变角色，成为学生学习过程中的引导者、参与者和合作者，这成为教师需要重点考虑的问题。一方面，运用思维可视化工具开展单元教学体现了教师教学理念的转变，即从“教什么”到“怎么教”的变革；另一方面，大概念、思维可视化工具教学缺乏完善的教师研修活动，不利于新教育理念在实际教学中的应用。可见，基于大概念的单元可视化教学的探讨与实践任重道远，需要继续研究，并在实践中逐步完善。