思維可視化在教學中的適切運用

◇鄭思齊（江蘇：南京市棲霞區龍潭中心小學江畔人家校區）

思維可視化（Thinking visualization）是指通過可視化的圖示或圖示組合的方式，把原本不可視的思維結構及規律、思考路徑及方法呈現出來，使其清晰可見的過程，它包含“視覺思維”和“有聲思維”兩種形式。思維可視化工具包括兩類，一類是圖示方法，包括概念圖、思維導圖、思維地圖等，另一類是生成圖示的軟件技術，包括imindmap，Mind manager，XMIND 等，可將抽象思維具體形象化、隱性思維顯性化，從而提高信息加工和信息傳遞的效率。《義務教育科學課程標準》指出，科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創新思維等。經過科學課程的學習，學生需要掌握基本的思維方法，具有初步的科學思維能力。

基于前人對于思維可視化的相關研究、信息加工理論、小學生認知發展階段性特點和科學學科特點，筆者認為：通過利用可視化工具，將學生大腦中原本看不見的思維呈現出來，同時借助學生的語言表達將原本抽象的思維顯現出來，將思維可視化運用到小學科學學科教學中，能幫助教師更加清楚地了解學生前概念，從而更好地確定教學起點和認知難點；能夠激發學生的科學學習興趣，促進學生科學知識體系的建構、思維能力的發展、認知水平的提高、科學素養的提升；能夠豐富評價方式，多維度測評學生的學習效果，實現學習效能和教學效能的雙向提高。因此，在科學教學過程中，教師需要創設真實的探究情境、選用合適的思維可視化教學策略，讓師生共同“看見”思維的發生、發展的過程。

一、找準教學起點和認知難點

“思維從何而來”，指向思維的發生過程。杜威認為，思維不會憑空而生，我們的思維都起源于直接經驗的情境。當學生處于問題情境時，就會憑借他們以往的經驗和相關的知識儲備來思考和解決問題，即實際問題是思維的出發點。教師在教學過程中，在創設情境時需要考慮學生的生活經驗，基于日常生活經驗創設情境，以此引發認知沖突，利用工具讓思維沖突可視化，從而激發學生對科學學科的學習動力。

例如，在蘇教版小學科學三年級上冊《食物的旅行》這一課教學之前，教師可以通過科學學習記錄單的形式，讓學生提前畫出食物在人體中消化的路徑，標出經過部位的名稱及食物狀態。經過前概念調查筆者發現，幾乎所有學生都知道食物從嘴巴（口腔）進入人體，在胃部進行消化，經過腸子，從屁股（肛門）排出體外，但是對于消化道中消化器官的位置、形態及功能、消化道的順序，學生畫得并不相同。其中還有一些學生認為，因為大腦和心臟是人體非常重要的器官，沒有它們人就不能活，因此它們也參與食物的消化。經過分析學生的前概念圖和訪談發現：嘴巴和屁股是學生能夠直接接觸到的器官，他們對這兩個器官比較熟悉，只需在科學名稱的表達上加以規范即可；學生或多或少都有自己胃部不舒服或者看見別人胃不舒服的經歷，生活中也常聽到家人或老師對于“吃飽了不能跑跳，不然容易胃疼”的提醒，知道從胃到肛門有腸子連接，但是對于胃和腸的大小形態、位置、功能并不清晰。教師通過畫圖的方式讓學生看見自己思維發生的過程，這樣不僅可以幫助教師了解學生對于人體消化的前概念，找準教學起點和認知難點，還可以通過引導學生在觀察、比較中了解自己的已有認知，開啟后續的有針對性的學習，進而提升學生自身的元認知能力。

二、讓學生多感官參與思維的展現過程

“思維怎么來”，指向思維的展現過程。解決問題是思維發展的關鍵，可以指引思維發展的方向。學生在問題解決的過程中，認知系統處于不平衡、不協調的狀態，這使其思維需要不斷運動，或是同化，或是順應，努力將新接觸的知識與已有的思維結構進行整合，通過這一過程不斷完善自己的思維結構與認知系統。因此，教師在教學過程中，可以充分利用思維可視化工具，讓學生多感官參與思維的展現過程。

（一）優化教學課件，促進思維展現順序可視化

根據皮亞杰的認知發展階段論可知，小學生的思維還處于以具體形象思維為主的階段，相較于文字和教師語言表達，視頻、動圖、實物更能吸引他們的注意力。因此教師在課件制作的過程中需要考慮處于不同年齡段學生的年齡特點，選用適切的思維可視化工具，幫助學生在科學探究前明確探究目的、步驟、結論等，以防影響學習效果。例如，在實驗步驟的教學中，對于3～4 年級學生，教師可以自己或請學生拍攝實驗操作視頻，然后配以字幕播放；也可以呈現實物，請學生一邊操作一邊講解以核對其是否明確操作步驟；對于5～6 年級學生，教師可以選用魚骨圖、流程圖的方式逐條呈現實驗步驟。對于一些實驗器材或者工具的使用，教師可以拍攝動圖（可根據需要放大細節）進行反復播放。對3～4 年級學生，教師可以提供一定的表達示例，引導學生條理清晰地去表達；對于1～2 年級學生，如蘇教版小學科學一年級下冊《形形色色的動物》這樣的課，教師還可以引導他們用動作、聲音等方式進行表達。根據學生的理解能力選擇恰當的思維可視化工具進行課件制作，能夠幫助學生提升科學思維的邏輯能力。

（二）基于科學記錄，促進思維展現內容可視化

教師想要通過教學活動實現學生科學思維能力的提升，促進學生從具體形象思維向抽象邏輯思維的發展，就需要引導學生學會將隱性思維轉化為顯性思維，這個過程離不開科學記錄。科學記錄的方式有很多，可以根據學生和課程不同進行選擇，例如，1～2 年級的學生識字較少、寫字較慢，教師引導學生用打鉤、畫圈等方式進行比較，用粘貼等方式進行分類，用畫圖等方式突破思維定式進行想象，等等；對于5～6 年級的學生，可以選用圖文結合、數據分析、圖表等方式提升推理與論證能力，選擇材料制作模型的方式提升模型建構能力，選擇繪制思維導圖、概念圖等方式提升抽象概括能力，選擇氣泡圖來提升發散性思維能力，等等。豐富多樣的科學記錄方式都是在記錄學生的思維過程和內容，當學生能夠自如地選用思維可視化方式進行記錄并經由語言表達進行交流與分享時，其科學思維能力一定得到了發展與提升。

三、評測科學思維培養效果

“思維如何再現”指向思維的再現過程。何時會思維再現？除了解決問題，就屬反思評價了。教師在教學過程中應引導學生學會對自己的學習和思維過程進行反思評價，關注學生的反思評價情況是否及時、準確、全面，并將自己的觀察反饋給學生。與此同時，在學生需要時教師應提供腳手架，鼓勵學生將自己在學習和反思過程中所產生的疑問、想法，形成的思考方式、策略以及最終掌握的知識情況等，運用適合的和自己擅長的可視化方式記錄下來，從而讓自己看到自己的思維過程，促進學生深度思維的發展。這種方式有利于構建一個更加具體形象、不斷完善的科學認知系統，知識的記憶、加工和提取也更加方便。

（一）采用圖示工具進行反思評價

圖示表征是指人們對概念知識的獲得、提取及輸出，是知識在人大腦中的圖示表現。學生采用思維可視化方式進行知識表征，既可以讓原本抽象的科學概念更加具體形象、直觀可感，降低科學概念的理解難度，又有利于教師了解學生對于科學概念的掌握情況。在小學科學教學過程中，教師可以引導學生使用氣泡圖、概念圖、思維導圖等思維可視化工具進行反思評價，進而幫助學生突破學習難點，提升科學思維能力，進而提高科學學習效率。

例如，在學生學完蘇教版小學科學五年級下冊“簡單機械”單元后，教師可以指導學生畫一幅單元思維導圖。學生在繪制的過程中會再現自己的學習過程，反思自己學習前的困惑是否解決、是否產生新的疑問。這樣不僅完善了學生自己原有的科學知識體系，還發展了自身的歸納、概括、推理、分析等科學思維能力，同時也提升了學生的自主學習能力，提升了后續的科學學習的積極性，加強了科學與生活的聯系。又如，在學生學完蘇教版小學科學四年級下冊“生物與環境”單元后，教師引導學生設計一張宣傳海報，呼吁人們保護環境，努力實現人與自然和諧相處。這時學生就需要綜合考慮各種因素：一張畫紙，既要包含生物與非生物因素，又要凸顯人類行為的影響力；內容既要老少皆宜，又要發人深省；既要體現危機意識，又不能引起恐慌……若教師在教學過程中能夠經常采用思維可視化方式培養學生的反思評價意識，則能夠為學生繼續學習和研究指引方向，科學學習也將事半功倍。

（二）通過問題解決進行反思評價

科學思維不會自然發生，它由問題解決引發和維持。因此，科學教師可以參考PISA 科學素養試題，也可以通過創設相關的真實問題情境，評測學生能否利用已有的知識經驗和現實問題情境提出可研究的問題，或制訂可行的探究方案，抑或進行歸納、概括和總結。

例如，在學生學完蘇教版小學科學四年級上冊《簡單電路》一課后，可以給學生電池、導線、小燈泡、開關等基本材料，讓學生設計一個LED 手環，或者讓學生設計這樣一個簡單電路：電路中有兩個開關，其中一個開關同時控制兩個小燈泡，而另一個開關只能控制其中一個小燈泡，讓學生在問題解決的過程中進行思維再現和知識遷移。又如，在教學蘇教版小學科學六年級下冊《適應生存的本領》一課時，教師可以讓學生利用其在課堂基于圖表分析角馬遷徙的原因的學習方法，歸納、概括、總結出銀鮭魚和北極燕鷗遷徙的原因。

綜上所述，教師在小學科學的教學過程中，根據學生年齡特點和課程類型，和學生一起做出嘗試和努力，選擇適切的思維可視化工具，讓學生看見、聽見自己的思維過程，相信這種教學策略的施行，一定能夠讓學生的科學思維能力得到提升，元認知水平得到提高，學生的科學學習和教師的科學教學都將事半功倍！