“思維可視化”策略在科學教學中的應用
——以“擰螺絲釘的學問”為例

（福州市麥頂小學，福建 福州 350007）

科學教學倡導探究式學習。提出科學問題，形成猜想和假設，獲取和處理信息，基于證據得出結論并做出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思，促進積極思維、提升思維品質、完善思維體系，是科學教學的核心。但在實際教學中，教師更關注科學知識的學習，忽視學生思維的發展，缺乏支持學生探究學習的思維支架，這樣停留在知識表面、缺少深度思考參與的“淺層教學”高耗低效。思維是科學教學最本質的特征，可視化是呈現思維的手段。思維可視化是利用圖示化、形象化的方式，把不可見的思維結構、規律、路徑及方法呈現出來，使思維軌跡清晰可見，方便學生思考、表達、理解、交流。

一、運用“云平臺”定位學情，實現前概念的可視化

學生接受正規的科學教育前，在生活和學習中認識自然、探索未知、獲取信息，并根據其主觀理解，對信息進行加工和處理，形成對自然事物及現象非本質的前概念認知。前概念是科學概念建構的基礎，是科學探究的起點，是科學教師選擇教學策略的依據。［1］但碎片化的前概念處于隱藏狀態，通過云課堂的“云導學”等方式，可以實現前概念調查的可視化。教師在課前圍繞教學目標，精心設計導學案，上傳至云平臺；學生在線完成任務，提出科學問題，針對問題進行合理假設，并通過觀察、實驗等方式獲取證據，利用“云端”和同學、教師進行交流與協作。教師根據提交的導學案，了解學生以“動手做”“圖示法”等視覺認知輔助方式所表征的前概念，做出診斷性評估，找準教學切入點，進而精準施教。

例如，為了解學生關于“輪軸”的前概念，教師在課前設計“擰螺絲釘的學問”導學案，引導學生在家進行一系列體驗活動：首先使用細柄螺絲刀擰螺絲釘；接著根據生活經驗，對細柄螺絲刀進行改造，把自己的想法畫或寫在導學案中，動手做一做，并在設計圖中標注改進的螺絲刀在擰螺絲釘時用力部位、工作部位的運動路線；最后自評作品，備注修改意見。在導學案的任務引導下，學生親歷“觀察思考—提出問題—設計制作—實踐改進—解決問題”的科學探究過程，通過“可視化”的動手實踐及圖示，展現動態思維，實現思維的外化。

上述案例中，學生利用教師提供的細柄螺絲刀及自己改進的螺絲刀，分別進行擰螺絲釘的動手實踐活動，操作、試錯、糾錯、驗證，獲得擰螺絲釘的對比活動體驗。在此基礎上，學生用不同顏色的筆，將設計圖中螺絲刀工作時用力部位、工作部位的運動路線進行標注。這樣的“導學案”活動清單，將抽象、靜態的科學問題轉變為直觀、具體的實踐活動，調動學生多重感官，用動手操作展現思維過程，用直觀圖形呈現抽象思維，用語言表達外化思維軌跡，將內隱的心智過程顯性化，折射出學生不同的思維現狀、路徑和水平。前概念調查的可視化，幫助教師精準定位學生學情，了解學生思維水平，廓清學生元認知，助推科學探究的開展。

二、運用“問題串”引導探究，實現概念建構的可視化

教師圍繞科學探究目標，按照教材內容的邏輯關系和學生的思維邏輯結構設計問題串，環環相扣，螺旋上升，為學生搭建難度適中、層次分級的思維腳手架，引導學生親歷觀察、實驗、分析、交流等探究活動，引起思維碰撞，激發學習能動性，促進學生在觀察、描述的基礎上學會推理、概括等思維方法，實現概念建構，提升思維品質。［2］

例如，學生利用“云導學”平臺上傳用細柄螺絲刀、改進的螺絲刀擰螺絲釘的實驗操作視頻和作品圖片，呈現學習行為背后的思維軌跡。教師第一時間接收學生的預習作業并進行整理，選擇有代表性的作品作為課堂教學資源，有針對性地設計“問題串”：“請你根據導學案，說說使用細柄螺絲刀擰螺絲釘有什么感受？”“使用改進的螺絲刀再擰螺絲釘，又有什么感受？兩次擰螺絲釘的感受有什么不同？”“你能對全班同學所改進的螺絲刀進行分類嗎？”“請你找找這些改進后的螺絲刀結構上有什么相同的地方?”“除增加一個裝置外，請你再觀察，在擰螺絲釘的時候，用力部位和工作部位的運動路線，還有什么發現呢？”“你能描述輪軸是怎樣運動的嗎？”“能舉些生活中其他輪軸的例子嗎？”這一系列問題串統領本課的探究活動，讓學生經歷提出問題、設計方案及解決問題的過程，引導學生開展系列論證活動，分析改進后螺絲刀的結構特點，接受質疑，及時調整，達成共識，逐步建立“輪軸”概念。

上述案例中，教師為學生營造互動交流空間，學生就自己分別用細柄螺絲刀及改進螺絲刀擰螺絲釘的感受進行交流，在分享、對話、質疑、辨析中，求同存異、尋求共識、建構意義，推動思維縱深發展。“問題串”引導學生在層層遞進的精細化的科學問題情境中，形成思維驅動效應，加深問題理解，并通過分析、綜合、抽象、概括、推理、類比等思維方法，實現“可視思維”與“出聲思維”相互轉化，讓思維呈現觸手可及，概念建構有跡可循。［3］

三、運用“建構模型”搭建探究支架，實現實驗操作的可視化

探究式教學強調學生通過科學探究自主解決問題，促進學生對科學概念的理解和建構。這個過程需要相關知識與經驗作支撐，因此，結合具體概念特點和教學內容，設計環節活動，應用類比、推理等思維方式進行解釋，為學生科學探究搭建思維的“腳手架”。而建構模型是科學解決復雜問題的途徑，體現了一種系統思維的方式。尋找關鍵因素，弄清關鍵因素之間的關系和系統結構，建立對科學事物本質屬性、內在規律及事物間相互關系的間接和概括的反映，幫助學生領悟方法、發展思維，主動完成認知結構的構建過程。

例如，本課實驗材料是將螺絲刀這一簡單機械進行概念轉換，建構模型：轉動外面大圓，帶動小圓轉動；半徑最小的軸，模擬螺絲刀的金屬桿，半徑大的輪，模擬不同大小的螺絲刀手柄。只依靠語言描述，學生很難理解這就是“變形的螺絲刀”。創設可視化教學情境，通過Flash 動畫演示，將側面大小不同的螺絲刀重疊在一起，然后“壓縮”形成本課所用的實驗材料。通過圖示動畫建構模型，將抽象性內容通過具體圖示展示出來，學生自然而然地將輪軸概念與實驗材料建立聯系，明確實驗方案設計，掌握實驗操作規范，提高實驗效率，為獲取準確、可靠的信息奠定基礎，實現實驗操作策略、實驗過程的可視化，學生的思維體系不斷得到完善。

四、運用“數據分析”得出結論，實現探究記錄的可視化

學生在教師指導下，根據科學探究方案，利用科學語言、概念圖、統計圖等方式，搜集、分析數據獲得證據，運用創造性思維和邏輯推理解決問題，得出結論。數據分析的過程既是問題解決的過程，更是體現能力、發展思維的過程。例如，本課通過數字化實驗，得知輪軸的軸半徑不變時，輪半徑越大越省力。

［實驗1］將力傳感器豎直掛在與半徑為1 厘米的圓相連的繩上，并固定在桌面，待數值穩定后記錄在表格中；保持軸上鉤碼不變，測出半徑為1.5 厘米的輪上所需要的力，以同樣方法分別測出掛兩個鉤碼和三個鉤碼所需要的力，將數據一一記錄在表格中。

［實驗2］保持半徑為1 厘米的軸上掛一個鉤碼，將力傳感器豎直掛在與半徑為2 厘米的圓相連的繩上，并固定在桌面，待數值穩定后記錄在表格中；以同樣的方法，測出半徑為3 厘米的輪上所需要的力，將數據一一記錄在表格中（見表1）。

表1 “擰螺絲釘的學問”數字化模擬實驗記錄單

（續上表）

上述案例中，數字化實驗數據的收集、整理、歸納及規律的論證是完成本課教學及建構概念的重要內容。通過可視化教學方式，如圖表記錄數據、力傳感器使用，使數據清晰呈現，化零為整，提高思維可視化的效能。兩個實驗層層遞進，學生通過對比、分析等歸納式推理方式，發現實驗數據之間的聯系，進而加工復雜信息，將數據分析與思維層次建立有效關聯，讓思維過程和數據分析外顯，歸納其背后隱藏的規律，使碎片化的數據可視化。學生親歷了“提出問題—作出假設—設計方案—搜集證據—處理信息—得出結論—評價交流”的科學探究過程，同時利用問題串、建構模型、數據分析等可視化方式，將實驗過程最優化。引導學生體驗“數據讀取可視化—數據比較可視化—數據歸納可視化—實驗規律總結可視化”的流程，直觀地將實驗的思維過程可視化，獲得通過解釋規律而形成的科學概念，提升思維水平。

五、運用“學科評價”創設情境，實現學習效果的可視化

《義務教育小學科學課程標準（2017 年版）》指出，科學教學評價不是基于某種簡單的方式或脫離情境對學生的零碎知識與技能展開的評價，要在一個或多個新情境下，對學生的素養水平進行評價。關注學習過程中學生的思維發展，強調學業獲得的“整合”，要以促進學生科學素養發展和教學發展為主要目標。這既是發展學生核心素養的要求，也是科學思維評價的必然路徑。

（一）基于“電子書包”的思維可視化

電子書包是在“云計算”技術的依托下，利用“云終端”——平板電腦的無障礙交流與傳輸功能，實現高效、便攜、實時互動的課堂教學形式。在教學中，教師運用電子書包的系統功能，為學生推送學習資源（見表2）。教師根據教學目標，從學生熟悉的日常生活出發，結合一定的情境設計問題，引導學生在解決問題的過程中，調用本課及本單元知識，實現知識遷移與整合。學生的學習方式從“識記主導”升級為“理解主導”，更學會客觀分析、辯證看待問題：“在設計螺絲刀時，是不是無限加大手柄，就可以得到一個特別好用的螺絲刀呢？”教師動態監測學生回答情況，真實、完整地“看到”學生的思維過程，線上幫助學生答疑解惑，高效完成學習效果的評測。在單元測評中，還可以利用電子書包系統中的思維導圖、概念圖等圖示工具，引導學生對單元探究活動進行回顧，聯結單元中相關聯的概念，架起思維橋梁，形成可視化思維圖表，對學生的概念領悟、理解程度進行有效評價。

表2 “電子書包”學習資源

（二）基于“科學實踐”的思維可視化

科學實踐是將科學知識外化。學生在教師的指導下對問題進行討論和實踐，應用科學知識解決實際問題，產生具有一定價值的方案、作品等，進而釋放科學知識的潛在意義，實現跨學科知識融合，培養學生動手實踐能力和創新思維，實現個性化發展。例如，教學結束后，教師布置一項科學實踐活動“制作省力螺絲刀”：利用木柄螺絲刀、小鐵棍、電鉆等材料，做一把省力的螺絲刀。學生將本課所學的科學知識和科學探究方法與生活經驗緊密結合，經歷提出問題、應用知識及技能解決問題的過程，有效整合運用知識。通過“云平臺”提交作品，教師組織評議，發現隱藏在作品背后的學生思維軌跡及科學原理的掌握程度，綜合客觀地評價學生的科學素養水平。