大单元视角下小学科学思维可视化教学探索

在科学探索的道路上，人们需要以宏观的视角去理解和解读复杂的现象。教学革新就是让学生不仅掌握知识，而且运用知识解决生活中的复杂问题。此背景下，小学科学教育正面临着一次变迁。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）对科学知识内容进行了深度整合和优化，同时强调了培育学生核心素养，尤其是科学研究和科学学习所需要的观察、思考与实践等关键能力。然而，教师以传统模式教学难以满足新的需求——抽象的科学理论对于小学生来说难以理解，而单一的实验教学又无法激发他们的探索兴趣。如何将科学知识以更直观、生动的方式展现给学生，成为教育工作者亟待解决的问题。大单元视角下的可视化教学在这一背景下应运而生。教师利用图形、图像、动画等多种视觉元素，将抽象的科学原理具象化，使学生在观看和互动中理解和掌握知识，将极大地提升学习兴趣和学习效果[1]。为探讨思维可视化工具在教学中的应用原则，寻找学生科学思维的培养之路，笔者以“增加船的载重量”等内容为例，将可视化工具应用于不同情境使之发挥应有的作用，优化教学方式，提升教学的亲和力、可操作性，从不同角度和维度促进学生深度思维，让学生有效参与高阶思维活动，提升认知水平。

一、大单元视角下思维可视化教学设计的原则

（一）关注学生，多维培养

让学习真正发生的实质是让思维看得见。教师设计大概念统领下的大单元教学，要反映学生内在思维发展情况，设置的教学目标应有助于每个学生学习并发展他们的潜力。学生在学习中找到兴趣，有利于激发他们的积极性和主动性。教师应设计多元化的课程内容和活动，在前概念、单知识、多点联系、拓展上升、迁移发展之间建立联系，通过可视化的思维操作，培养学生多方面能力。

（二）精炼知识，深度发展

在学生学习进阶过程中，大概念的指向是不变的，变的是概念水平。大概念的学习如同“滚雪球”，学生只有对知识理解得越深刻越透彻，才能将“雪”滚得越多越精确，这也是教师开展大单元教学的目标[2]。教师利用可视化技术以画图、列表等形式呈现学生潜在的思维过程，有利于学生记忆知识、深化理解，提高思维水平。

（三）把握方向，提供支架

教师开展单元教学时，应同时运用“望远镜思维”和“放大镜思维”。就大单元设计而言，“望远镜思维”就是向外扩展，让知识之间形成迭代结构，便于学生进行多学科联结学习；而“放大镜思维”则是向内深挖，将大单元的知识构建成“概念地图”[3]。教师要尽可能利用思维导图、概念图等工具对知识点进行拓展，使知识从抽象变得真实可见，使思维走向深层化、科学化。

二、大单元视角下科学思维可视化培养的工具与应用方法

思维可视化工具的用途是将思维形象化、可视化[4]。思维可视化数据往往是形成性评价及定性评价中最珍贵的资料。教师在教学中，可以利用以下方法对学生开展思维可视化的培养与训练。

（一）应用气泡图发散思维

气泡图是思维导图的呈现方式之一，教师可用其将中心主题与子主题以圆圈形式联系起来，有助于增强学生学习效果。数字时代，师生可使用在线绘图工具如Mindomo、Coggle或Lucidchart，便捷地创建和编辑气泡图（如图1）。这些工具为师生提供了友好的交互界面和丰富的模板，使绘制工作变得简便。数字平台支持学生实时对气泡图进行共享与协作，也支持教师邀请学生共同编辑，提高互动与参与度。此外，数字气泡图能轻松嵌入图片、视频和链接，使内容更丰富、直观。随着课程深入，学生可以轻松修改和更新气泡图，不断添加新知识或调整布局，展现其灵活性和动态性。气泡图的应用为师生提供了更广阔的空间，促进了师生HV/49Ni9js7GSm2jeFi2bQ==互动和学生的个性化学习。

（二）智用桥形图发展类比思维

桥形图作为一种视觉辅助工具，它能够清晰、直观地呈现不同事物之间的联系，通过明确的关系构建，帮助学生深入理解并把握抽象概念之间的内在关联。教师可以利用桥形图，引导学生逐步探索事物的规律，加深对科学知识的理解，促进应用。在数字化教学环境下，学生可将绘制的桥形图实时上传至平台（如图2），使学习行为延伸至课后，进一步激发学生的深入思考和学习热情，实现学习效果最大化。

（三）利用圆圈图梳理概念

圆圈图就是大圆套小圆（小圆在中心）形成的图景。教师将核心主题放在小圆中，在大圆空白处放与小圆相关的内容，通过提供相关信息来展示主题相关的知识，让学生用文字或画图、其他标志等方式来表达其理解。例如，教师可以利用交互式电子白板及其内置的图形工具轻松绘制圆圈图基础结构，并调用资源库中的素材充实图表内容，如拖曳相关图片和视频至图中空白处。大部分交互式电子白板能支持学生使用触控笔或手指参与编辑，允许实时添加内容，如不同船舶的图片、对结构的描述文字。交互式电子白板的应用显著优化了圆圈图的教学应用场景和效率（如图3）。

（四）借助流程图提高执行力

教师科学运用流程图，借助箭头的指引，可帮助学生明晰学习顺序和逻辑关系，使其思维更加有序。教师结合运用实物投影技术，可同步展现流程图与实际操作，让每个学生直观感受每一步的变化与结果。这不仅能够提升学生的参与热情，而且能加深他们对制作流程和技巧的理解。同时，流程图的应用还为学生提供了表达思维过程的平台，有助于他们更加深入地探讨和分享学习心得。

（五）运用数据图深入分析数据

数字化教学形式越来越丰富，在创设情境、多重交互、自主探究等方面给学生带来丰富、立体、直观的学习体验，便于学生理解知识。数据图能在各环节中进行融入，以有效提高教学效率。例如，在实验教学中，笔者利用电子表格迅速采集数据，利用图表工具，快速地展现实验现象的变化情况，让学生加深理解，进而轻松解决重点难点问题。

（六）巧用鱼骨图展现思维过程

理论上讲，教师对任何一节科学课都能设计合理的学习记录单并有效运用。但是，很多教师授课时忽视记录单的作用。笔者设计合理的学习单，直观地记录和呈现学生的学习过程及观察过程，使抽象概念具体化。在设计制作活动中，笔者利用鱼骨图（如图4），引导学生全面理解原理与过程，整体把握设计思想，形成深度学习路线，并向高阶思维迁移。

三、大单元视角下思维可视化教学实践

笔者以五年级“增加船的载重量”这节课为例，谈如何在教学中开展思维可视化教学。

（一）基于大单元教学设计内容和学情分析确定教学方法

经过前面几课的学习，学生体验到了船的材料的演变是一个不断优化与改进的过程，并且了解了将材料做成中空能改变船在水里的浮力，从而使材料能更好地浮在水面上。从本课开始，学生要根据船舶在生产生活中的需要进行设计和制作，从而解决载重量、稳定性及持续动力等技术问题。

真实生活中船舶的体积是难以计算的。五年级的学生刚刚学完体积计算方法。本课，笔者引导学生将船模做成方形容器（降低难度），让学生用数学知识开展跨学科学习，同时为本课最后的拓展指向船舱的思考做好铺垫。

笔者将本课的教学重点确定为指导学生制作船模（方形容器）使其发现船的载重量和船的体积有关，难点是根据测试结果不断改进容器形状和结构，以有效提高船的载重量和稳定性。本课科学思维的培养方法是，让学生根据自己的假设，设计出不同底面积的容器，并计算各容器容积，根据最终测试结果，解决实际问题，找出影响容器载重量的因素。

（二）基于思维可视化的教学流程

笔者结合“增加船的载重量”的教学实际，设计了旨在推进学生思维可视化的教学流程（如图5）。

（三）教学过程

1.课前导入

笔者创设情境，让学生观看关于我国最大载重船舶的视频，绘制气泡图并上传汇总到交互式电子白板平台，分析哪些因素影响轮船的载重量。

2.分享讨论，聚焦问题

学生展开头脑风暴并汇总信息，在平台上展示气泡图，了解到影响船的载重量的因素有很多。他们将其中的几个因素进行汇总，总结出体积、船舷高、底面积这三个因素会影响载重量。此环节，笔者引出学生思维的开端。学生展现头脑风暴式的气泡图，便于笔者在课堂导入时了解学生的学习状态及学习深度，进而在学生已有认知基础上调整课堂教学深度与难度，促进学生思维能力提升。

3.出示任务，设计方案

笔者提供相关材料（12 cm×12 cm铝箔纸若干、代表载重量的垫圈、水槽、尺子、记录表等），组织学生分组讨论，让他们选择其VqfR8fkxhsBT3qMCGE19txctZZ1td1rVH0FpVi1l8ws=中的一个因素制作三只船模（方形容器）来研究船的载重量，讨论后设计关于探究容器载重量与某一因素有关的实验流程图。学生按照流程图，设计实验方案。

（1）组间交流，达成共识

小组分享关于方案设计的流程图，简单明了展示自己小组的设计方案，上传至交互式电子白板平台，让其他小组给出修改建议，最终确定小组的设计方案。

（2）确定方案，设计船模

学生观看关于制作容器的视频，将12 cm×12 cm铝箔纸设计成容器的尺寸，运用数学方法尽可能列举出来（见表1），根据自己所选择的影响因素确定3种容器的设计方案。

（3）测试小船，记录结果

学生对制作好的容器进行测试，将测试结果记录在表格中。表格数据能清楚地反映实验过程。

方案设计是本课的重难点。各组学生要充分讨论，深入思考，验证实验方案的可行性。流程图的应用有助于学生思维广度的可视化，如要实现思维深度的可视化，学生需要经历“设计—制作—测试—改进”的过程。设计容器尺寸涉及数学换算知识。笔者给学生一定的时间思考，让他们将容器设计的尺寸尽可能多地列举出来，使其思维以数或图的形式展示出来，最终攻克难点。

4.分析数据，研讨问题

（1）数据汇总，综合分析

各组将实验验证的数据汇总到电子表格中，先生成可视化的图表，再综合分析。

（2）观看小组制作过程，分析方法

笔者将学生有疑虑的几个数据以实物展台方式再次展示，让学生直观地看到实验过程，对实验操作进行对比分析。

5.归纳知识，得出结论

笔者将学生的探究情况进行汇总，引导学生归纳得出结论：影响载重量的因素有船的容积，船的容积越大，载重量越大。

此环节，笔者利用表格数据与直观的柱状图（见表2），使结果可视化，降低理解难度，使得知识的形成水到渠成。同时，培养了学生的综合分析能力。

6.思维的过程性归纳：拓展延伸，提升思维

（1）模拟生活，拓展知识

笔者出示生活中的多种货物，让学生思考其中的圆形货物，对学生想到的情况进行汇总，使其认识到船的稳定性会影响船的载重量。

（2）讨论改进，知识迁移

笔者让学生结合他们绘制的流程图，分组讨论并改进方案，结合讨论的结果将其思维过程展示出来。

（3）观看生活中船舱的利用

此环节是对课堂教学的拓展。笔者为学生展现了滚动的货物装载过程，引导学生思考如何提高载重量。笔者用这个看似简单的例子，引出船的最大的部件——船舱。提出问题，记录学生答案，是将学生的思维可视化的过程，有助于他们深化认知，解决问题。本环节笔者引导学生将知识迁移到生活中，根据思维情况进行有效调整，使先前错误的想法得以纠正，也使得学生习得大概念的知识体系越来越完善。

笔者于2022年9月至2023年6月，对五年级4个班进行了思维可视化培养教学改革实验，将（3）、（4）班作为实验组，（1）、（2）班作为常规组。通过对学生从实验后的测试成绩、调查问卷、课堂观察、教学报告分析数据、学生的作品情况等方面进行定量与定性分析，发现接受可视化教学的班级学生知识掌握程度普遍高于普通班。实验组95%的学生对基础知识的掌握程度极高，特别是在作答实验操作题上表现突出。对于提出问题、作出假设、设计方案、验证方案、得出结论这些开放度较大的题，实验组学生完成正确率高达98%。结果表明，学生接受这种思维可视化的培养使其发散思维得到了增强，促进了思维能力向高阶发展。

在大单元教学中，笔者利用思维可视化工具培养学生的思维可视化，降低了概念理解难度，使学生的学习兴趣得到提高。教师开展大单元教学，要学会利用多种可视化工具实现学生思维可视化，使学生的思维有效地在课堂上展现，并且在教学中创新应用可视化工具，为高效教学提供支撑，如借助增强现实技术（AR）优化学生体验，不断开阔可视化的新天地。

参考文献

[1] 岑健林.可视化教学的研究与探索[J].中国教育信息化，2022（7）：41-49.

[2][3]刘薇.大概念教学：素养导向的单元整体设计[M].北京：教育科学出版社，2022.

[4] 吴志敏.思维导图在高一化学课堂上的应用[J].科教导刊（下旬），2017（27）：136-137.

（作者系广东省佛山市南海区桂城街道灯湖第五小学高级教师）

责任编辑：祝元志