“思維可視化”策略在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
——以“擰螺絲釘?shù)膶W(xué)問”為例

（福州市麥頂小學(xué)，福建 福州 350007）

科學(xué)教學(xué)倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)。提出科學(xué)問題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思，促進積極思維、提升思維品質(zhì)、完善思維體系，是科學(xué)教學(xué)的核心。但在實際教學(xué)中，教師更關(guān)注科學(xué)知識的學(xué)習(xí)，忽視學(xué)生思維的發(fā)展，缺乏支持學(xué)生探究學(xué)習(xí)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(xué)”高耗低效。思維是科學(xué)教學(xué)最本質(zhì)的特征，可視化是呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)、規(guī)律、路徑及方法呈現(xiàn)出來，使思維軌跡清晰可見，方便學(xué)生思考、表達、理解、交流。

一、運用“云平臺”定位學(xué)情，實現(xiàn)前概念的可視化

學(xué)生接受正規(guī)的科學(xué)教育前，在生活和學(xué)習(xí)中認識自然、探索未知、獲取信息，并根據(jù)其主觀理解，對信息進行加工和處理，形成對自然事物及現(xiàn)象非本質(zhì)的前概念認知。前概念是科學(xué)概念建構(gòu)的基礎(chǔ)，是科學(xué)探究的起點，是科學(xué)教師選擇教學(xué)策略的依據(jù)。［1］但碎片化的前概念處于隱藏狀態(tài)，通過云課堂的“云導(dǎo)學(xué)”等方式，可以實現(xiàn)前概念調(diào)查的可視化。教師在課前圍繞教學(xué)目標，精心設(shè)計導(dǎo)學(xué)案，上傳至云平臺；學(xué)生在線完成任務(wù)，提出科學(xué)問題，針對問題進行合理假設(shè)，并通過觀察、實驗等方式獲取證據(jù)，利用“云端”和同學(xué)、教師進行交流與協(xié)作。教師根據(jù)提交的導(dǎo)學(xué)案，了解學(xué)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(xué)切入點，進而精準施教。

例如，為了解學(xué)生關(guān)于“輪軸”的前概念，教師在課前設(shè)計“擰螺絲釘?shù)膶W(xué)問”導(dǎo)學(xué)案，引導(dǎo)學(xué)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(jù)生活經(jīng)驗，對細柄螺絲刀進行改造，把自己的想法畫或?qū)懺趯?dǎo)學(xué)案中，動手做一做，并在設(shè)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(dǎo)學(xué)案的任務(wù)引導(dǎo)下，學(xué)生親歷“觀察思考—提出問題—設(shè)計制作—實踐改進—解決問題”的科學(xué)探究過程，通過“可視化”的動手實踐及圖示，展現(xiàn)動態(tài)思維，實現(xiàn)思維的外化。

上述案例中，學(xué)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?shù)膭邮謱嵺`活動，操作、試錯、糾錯、驗證，獲得擰螺絲釘?shù)膶Ρ然顒芋w驗。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生用不同顏色的筆，將設(shè)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(dǎo)學(xué)案”活動清單，將抽象、靜態(tài)的科學(xué)問題轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^、具體的實踐活動，調(diào)動學(xué)生多重感官，用動手操作展現(xiàn)思維過程，用直觀圖形呈現(xiàn)抽象思維，用語言表達外化思維軌跡，將內(nèi)隱的心智過程顯性化，折射出學(xué)生不同的思維現(xiàn)狀、路徑和水平。前概念調(diào)查的可視化，幫助教師精準定位學(xué)生學(xué)情，了解學(xué)生思維水平，廓清學(xué)生元認知，助推科學(xué)探究的開展。

二、運用“問題串”引導(dǎo)探究，實現(xiàn)概念建構(gòu)的可視化

教師圍繞科學(xué)探究目標，按照教材內(nèi)容的邏輯關(guān)系和學(xué)生的思維邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計問題串，環(huán)環(huán)相扣，螺旋上升，為學(xué)生搭建難度適中、層次分級的思維腳手架，引導(dǎo)學(xué)生親歷觀察、實驗、分析、交流等探究活動，引起思維碰撞，激發(fā)學(xué)習(xí)能動性，促進學(xué)生在觀察、描述的基礎(chǔ)上學(xué)會推理、概括等思維方法，實現(xiàn)概念建構(gòu)，提升思維品質(zhì)。［2］

例如，學(xué)生利用“云導(dǎo)學(xué)”平臺上傳用細柄螺絲刀、改進的螺絲刀擰螺絲釘?shù)膶嶒灢僮饕曨l和作品圖片，呈現(xiàn)學(xué)習(xí)行為背后的思維軌跡。教師第一時間接收學(xué)生的預(yù)習(xí)作業(yè)并進行整理，選擇有代表性的作品作為課堂教學(xué)資源，有針對性地設(shè)計“問題串”：“請你根據(jù)導(dǎo)學(xué)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?shù)母惺苡惺裁床煌?？”“你能對全班同學(xué)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(jié)構(gòu)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?shù)臅r候，用力部位和工作部位的運動路線，還有什么發(fā)現(xiàn)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(tǒng)領(lǐng)本課的探究活動，讓學(xué)生經(jīng)歷提出問題、設(shè)計方案及解決問題的過程，引導(dǎo)學(xué)生開展系列論證活動，分析改進后螺絲刀的結(jié)構(gòu)特點，接受質(zhì)疑，及時調(diào)整，達成共識，逐步建立“輪軸”概念。

上述案例中，教師為學(xué)生營造互動交流空間，學(xué)生就自己分別用細柄螺絲刀及改進螺絲刀擰螺絲釘?shù)母惺苓M行交流，在分享、對話、質(zhì)疑、辨析中，求同存異、尋求共識、建構(gòu)意義，推動思維縱深發(fā)展?！皢栴}串”引導(dǎo)學(xué)生在層層遞進的精細化的科學(xué)問題情境中，形成思維驅(qū)動效應(yīng)，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(xiàn)“可視思維”與“出聲思維”相互轉(zhuǎn)化，讓思維呈現(xiàn)觸手可及，概念建構(gòu)有跡可循。［3］

三、運用“建構(gòu)模型”搭建探究支架，實現(xiàn)實驗操作的可視化

探究式教學(xué)強調(diào)學(xué)生通過科學(xué)探究自主解決問題，促進學(xué)生對科學(xué)概念的理解和建構(gòu)。這個過程需要相關(guān)知識與經(jīng)驗作支撐，因此，結(jié)合具體概念特點和教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計環(huán)節(jié)活動，應(yīng)用類比、推理等思維方式進行解釋，為學(xué)生科學(xué)探究搭建思維的“腳手架”。而建構(gòu)模型是科學(xué)解決復(fù)雜問題的途徑，體現(xiàn)了一種系統(tǒng)思維的方式。尋找關(guān)鍵因素，弄清關(guān)鍵因素之間的關(guān)系和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立對科學(xué)事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間相互關(guān)系的間接和概括的反映，幫助學(xué)生領(lǐng)悟方法、發(fā)展思維，主動完成認知結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(zhuǎn)換，建構(gòu)模型：轉(zhuǎn)動外面大圓，帶動小圓轉(zhuǎn)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(xué)生很難理解這就是“變形的螺絲刀”。創(chuàng)設(shè)可視化教學(xué)情境，通過Flash 動畫演示，將側(cè)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(gòu)模型，將抽象性內(nèi)容通過具體圖示展示出來，學(xué)生自然而然地將輪軸概念與實驗材料建立聯(lián)系，明確實驗方案設(shè)計，掌握實驗操作規(guī)范，提高實驗效率，為獲取準確、可靠的信息奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)實驗操作策略、實驗過程的可視化，學(xué)生的思維體系不斷得到完善。

四、運用“數(shù)據(jù)分析”得出結(jié)論，實現(xiàn)探究記錄的可視化

學(xué)生在教師指導(dǎo)下，根據(jù)科學(xué)探究方案，利用科學(xué)語言、概念圖、統(tǒng)計圖等方式，搜集、分析數(shù)據(jù)獲得證據(jù)，運用創(chuàng)造性思維和邏輯推理解決問題，得出結(jié)論。數(shù)據(jù)分析的過程既是問題解決的過程，更是體現(xiàn)能力、發(fā)展思維的過程。例如，本課通過數(shù)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(shù)值穩(wěn)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(shù)據(jù)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(shù)值穩(wěn)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(shù)據(jù)一一記錄在表格中（見表1）。

表1 “擰螺絲釘?shù)膶W(xué)問”數(shù)字化模擬實驗記錄單

（續(xù)上表）

上述案例中，數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的收集、整理、歸納及規(guī)律的論證是完成本課教學(xué)及建構(gòu)概念的重要內(nèi)容。通過可視化教學(xué)方式，如圖表記錄數(shù)據(jù)、力傳感器使用，使數(shù)據(jù)清晰呈現(xiàn)，化零為整，提高思維可視化的效能。兩個實驗層層遞進，學(xué)生通過對比、分析等歸納式推理方式，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，進而加工復(fù)雜信息，將數(shù)據(jù)分析與思維層次建立有效關(guān)聯(lián)，讓思維過程和數(shù)據(jù)分析外顯，歸納其背后隱藏的規(guī)律，使碎片化的數(shù)據(jù)可視化。學(xué)生親歷了“提出問題—作出假設(shè)—設(shè)計方案—搜集證據(jù)—處理信息—得出結(jié)論—評價交流”的科學(xué)探究過程，同時利用問題串、建構(gòu)模型、數(shù)據(jù)分析等可視化方式，將實驗過程最優(yōu)化。引導(dǎo)學(xué)生體驗“數(shù)據(jù)讀取可視化—數(shù)據(jù)比較可視化—數(shù)據(jù)歸納可視化—實驗規(guī)律總結(jié)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(guī)律而形成的科學(xué)概念，提升思維水平。

五、運用“學(xué)科評價”創(chuàng)設(shè)情境，實現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的可視化

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準（2017 年版）》指出，科學(xué)教學(xué)評價不是基于某種簡單的方式或脫離情境對學(xué)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(xué)生的素養(yǎng)水平進行評價。關(guān)注學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的思維發(fā)展，強調(diào)學(xué)業(yè)獲得的“整合”，要以促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展和教學(xué)發(fā)展為主要目標。這既是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的要求，也是科學(xué)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(shù)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(xiàn)高效、便攜、實時互動的課堂教學(xué)形式。在教學(xué)中，教師運用電子書包的系統(tǒng)功能，為學(xué)生推送學(xué)習(xí)資源（見表2）。教師根據(jù)教學(xué)目標，從學(xué)生熟悉的日常生活出發(fā)，結(jié)合一定的情境設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中，調(diào)用本課及本單元知識，實現(xiàn)知識遷移與整合。學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從“識記主導(dǎo)”升級為“理解主導(dǎo)”，更學(xué)會客觀分析、辯證看待問題：“在設(shè)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(tài)監(jiān)測學(xué)生回答情況，真實、完整地“看到”學(xué)生的思維過程，線上幫助學(xué)生答疑解惑，高效完成學(xué)習(xí)效果的評測。在單元測評中，還可以利用電子書包系統(tǒng)中的思維導(dǎo)圖、概念圖等圖示工具，引導(dǎo)學(xué)生對單元探究活動進行回顧，聯(lián)結(jié)單元中相關(guān)聯(lián)的概念，架起思維橋梁，形成可視化思維圖表，對學(xué)生的概念領(lǐng)悟、理解程度進行有效評價。

表2 “電子書包”學(xué)習(xí)資源

（二）基于“科學(xué)實踐”的思維可視化

科學(xué)實踐是將科學(xué)知識外化。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下對問題進行討論和實踐，應(yīng)用科學(xué)知識解決實際問題，產(chǎn)生具有一定價值的方案、作品等，進而釋放科學(xué)知識的潛在意義，實現(xiàn)跨學(xué)科知識融合，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力和創(chuàng)新思維，實現(xiàn)個性化發(fā)展。例如，教學(xué)結(jié)束后，教師布置一項科學(xué)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(xué)生將本課所學(xué)的科學(xué)知識和科學(xué)探究方法與生活經(jīng)驗緊密結(jié)合，經(jīng)歷提出問題、應(yīng)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(fā)現(xiàn)隱藏在作品背后的學(xué)生思維軌跡及科學(xué)原理的掌握程度，綜合客觀地評價學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)水平。