利用思維可視化工具開拓學(xué)生高階思維

◇金奕莼（浙江：杭州市錢江新城實驗小學(xué)）

一、小學(xué)生科學(xué)高階思維發(fā)展的困境

2022 年，教育部頒發(fā)了《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，強調(diào)科學(xué)課程要培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)，包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任等方面。胡衛(wèi)平教授提出的“核心素養(yǎng)之核心”的科學(xué)思維越來越得到重視。

小學(xué)科學(xué)承載著幫助學(xué)生初步建構(gòu)科學(xué)概念，并將相關(guān)概念結(jié)構(gòu)化以及逐漸形成知識體系的任務(wù)。要完成這個任務(wù)，學(xué)生要經(jīng)歷從非本質(zhì)到本質(zhì)特征的比較，判斷現(xiàn)象與現(xiàn)象之間的因果關(guān)系，從具象到抽象以及將零散的概念形成結(jié)構(gòu)化概念的思維發(fā)展過程，需要超越簡單記憶、理解的更高認(rèn)知水平的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生以比較思維、因果邏輯思維、概括思維、結(jié)構(gòu)化思維為主的小學(xué)生科學(xué)高階思維。

（一）從非本質(zhì)到本質(zhì)

比較是科學(xué)學(xué)習(xí)中一種常用的建構(gòu)概念的思維方法。建構(gòu)概念過程中，需要通過比較事物來認(rèn)識事物的共性與差異性。許多學(xué)生往往能關(guān)注到事物的非本質(zhì)特征，卻忽視對事物的本質(zhì)特征進(jìn)行抽象，從而影響正確的科學(xué)概念建構(gòu)。

（二）從相關(guān)到因果

學(xué)生在探究過程中會觀察到多個現(xiàn)象并建立它們之間的相互聯(lián)系，但對現(xiàn)象間的因果關(guān)系很難進(jìn)一步判斷。這妨礙了相關(guān)概念的建構(gòu)。

（三）從具象到抽象

概念建構(gòu)需從一些具體的有共同特性的事物中抽象概括出它們的一般性或共有特性。學(xué)生在抽象概括過程中缺乏從事物的許多特性中概括出本質(zhì)特性的能力，影響著概念建構(gòu)。

（四）從零散到結(jié)構(gòu)化

將已學(xué)的科學(xué)概念結(jié)構(gòu)化是形成知識體系的重要過程。由于學(xué)生結(jié)構(gòu)化思維薄弱，面對多個零散且相關(guān)的概念時，很難建立多個概念之間的關(guān)系，會影響知識體系的形成。

綜上所述，小學(xué)生科學(xué)高階思維的發(fā)展影響著學(xué)生科學(xué)概念的建構(gòu)及知識體系的形成。因此，我們需要通過思維可視化的教學(xué)手段發(fā)展學(xué)生科學(xué)高階思維，同時幫助學(xué)生提升科學(xué)概念建構(gòu)能力和科學(xué)核心素養(yǎng)。

二、思維可視化對開拓小學(xué)生科學(xué)高階思維的意義

思維可視化是指運用圖示將原本不可視的思維清晰呈現(xiàn)出來，是一種符合學(xué)生認(rèn)知心理的學(xué)習(xí)方式。在教學(xué)過程中，通過思維可視化工具將學(xué)生頭腦中原本不可見的思維結(jié)構(gòu)、方法、路徑、流程及策略“畫”出來，幫助學(xué)生有針對性地學(xué)習(xí)理解、記憶和表達(dá)，提高自己的問題解決能力和科學(xué)思維能力。

思維可視化能成為提升思維的重要載體，其原因是思維可視化的核心是“思維”，可視化是其手段，它具有雙重價值。教師在課堂上運用可視化教學(xué)，其顯性價值是將抽象的科學(xué)知識及不可見的思維過程可視化呈現(xiàn)，提供良好的科學(xué)探究環(huán)境、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、幫助理解記憶、增加學(xué)生主動獲取知識的效能。其隱性價值則是：有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)特征，判斷現(xiàn)象間的因果聯(lián)系，提高抽象概括能力以及結(jié)構(gòu)科學(xué)概念的能力；有助于學(xué)生培養(yǎng)比較思維、結(jié)構(gòu)化思維、概括思維、因果邏輯思維，將隱性的思維顯性化；促進(jìn)學(xué)生思維流暢，嚴(yán)謹(jǐn)、清晰表達(dá)；幫助學(xué)生提出問題、分析問題和基于證據(jù)解決問題，有效引導(dǎo)學(xué)生對信息進(jìn)一步加工和處理；促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展。

三、利用思維可視化工具開拓小學(xué)科學(xué)高階思維的路徑

氣泡圖、韋恩圖、樹形圖、流程圖、魚骨圖等圖示都可作為思維可視化工具，教師在教學(xué)過程中應(yīng)選擇合適的思維可視化工具并有效運用，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)和掌握知識的過程中，科學(xué)高階思維得到同步發(fā)展。

（一）使用韋恩圖開拓比較思維

韋恩圖是通過表示兩個（或兩類）事物特征的兩個圓相交取交集作為共同部分來表示它們的公共元素。韋恩圖可以幫助學(xué)生提升比較和抽象事物特征及認(rèn)識事物共性和差異性的思維能力。圖1呈現(xiàn)了利用韋恩圖發(fā)展比較思維的一般流程。

以《觀察一瓶水》和《認(rèn)識一袋空氣》為例，學(xué)生通過比較水和空氣的特征，初步建構(gòu)液態(tài)和氣態(tài)的概念。教師在黑板上介紹韋恩圖的使用方法后，提供觀察材料。觀察是思維的前提，教師組織全班分享交流各組基于觀察完成的韋恩圖。學(xué)生在相互學(xué)習(xí)中辨析“水可以喝，空氣不可以”是非本質(zhì)特征，還通過對比分析，從“水里放糖或鹽會變甜或咸，空氣不能放糖或鹽也不會變味道，但空氣里會夾雜其他氣味”這些看似非本質(zhì)的特征中，抽象出本質(zhì)特征“空氣和水本來是沒有氣味和味道的；它們都會占據(jù)空間；空氣和水都會流動，因為空氣很輕所以我們用飄動”。教師還引導(dǎo)學(xué)生從不同點中尋找相同點，從相同點中尋找不同點，利用韋恩圖輔助學(xué)生整理空氣和水的異同點，幫助學(xué)生體會和內(nèi)化比較思維（圖2）。

（二）采用復(fù)合流程圖或魚骨圖發(fā)展因果邏輯思維

因果推理，即因為A 所以B，或者說如果出現(xiàn)現(xiàn)象A，必然出現(xiàn)現(xiàn)象B。這是一種引起和被引起的關(guān)系，屬于典型的邏輯思維。在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中，我們可以借助復(fù)合流程圖或魚骨圖引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注問題的因果關(guān)系。在一系列的探究和驗證性實驗活動中，學(xué)生會逐步形成因果推理及有邏輯的思維能力。圖3 提供了利用復(fù)合流程圖或魚骨圖發(fā)展因果邏輯思維的一個路徑。

以“比較種子發(fā)芽”實驗為例，教師在《種子萌發(fā)條件》的教學(xué)中，借助魚骨圖引導(dǎo)學(xué)生通過改變的“因”來探究“果”。用在魚骨主干上標(biāo)注點的方式來表示學(xué)生通過經(jīng)驗所猜測影響種子萌發(fā)的因素。教師組織學(xué)生交流討論并補充影響種子萌發(fā)的因素，結(jié)合對比實驗，在主干骨上每個點的兩側(cè)魚骨中分別畫出具體引起種子萌發(fā)情況變化的條件，對比分析這些改變的條件即“因”會產(chǎn)生的“果”，并將“果”記錄在魚骨圖上對應(yīng)的小骨位置（圖4）。學(xué)生根據(jù)魚骨圖的方向以及魚骨間直觀的因果關(guān)系推理得出結(jié)論：種子萌發(fā)需要充足的空氣、適宜的溫度、適量的水分，不受土壤和陽光的影響。學(xué)生在對魚骨圖反思整理與總結(jié)的過程中發(fā)展了因果邏輯思維。

圖4 魚骨圖用于種子萌發(fā)影響因素及結(jié)果的表征

（三）借助流程圖與括號圖開拓概括思維

概括是指從具有共同屬性的事物或現(xiàn)象中抽取一般或共有的屬性，綜合并推廣遷移到同類事物的過程，從而獲得關(guān)于一般事物或現(xiàn)象的本質(zhì)屬性。概括的過程就是學(xué)生認(rèn)識事物性質(zhì)、建立概念、探究事物本質(zhì)的過程，同時形成有序思考及抽象概括的思維能力。流程圖與括號圖配合使用能夠為學(xué)生的概括思維發(fā)展提供腳手架。圖5 呈現(xiàn)了利用流程圖與括號圖發(fā)展概括思維的一般流程。

圖5 流程圖與括號圖用于發(fā)展概括思維的一般流程

以《物質(zhì)的變化》為例，學(xué)生通過實驗觀察收集了各種常見物質(zhì)變化現(xiàn)象等感性的概括材料。教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物質(zhì)變化現(xiàn)象的特點對各種物質(zhì)變化現(xiàn)象進(jìn)行分類，并尋找同一類物質(zhì)變化的相同特點。同時指導(dǎo)學(xué)生將這一有序的觀察過程及分類結(jié)果記錄在流程圖中。面對不同的分類想法，教師選擇先引導(dǎo)學(xué)生對已經(jīng)認(rèn)同的分類現(xiàn)象進(jìn)行抽象概括。在此過程中，教師著重引導(dǎo)學(xué)生剔除物質(zhì)變化的非本質(zhì)特點，保留本質(zhì)特點——是否與原物質(zhì)相同，即是否產(chǎn)生新物質(zhì)，并用括號圖將其條理化。學(xué)生借助括號圖進(jìn)行概括結(jié)果的圖示呈現(xiàn)（圖6）。此時，學(xué)生已從具象到抽象概括出物質(zhì)變化的類型，再根據(jù)物質(zhì)變化的本質(zhì)特點來辨析之前有歧義的分類現(xiàn)象。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不僅概括思維得到了發(fā)展，所形成的知識概念也得到了鞏固。

圖6 流程圖與括號圖表征物質(zhì)的變化

（四）利用樹形圖或概念圖發(fā)展結(jié)構(gòu)化思維

結(jié)構(gòu)化思維是人們認(rèn)識世界從整體到局部關(guān)系建立的過程。這個過程要求人們從被認(rèn)識對象的結(jié)構(gòu)出發(fā)，有序認(rèn)識事物的整體與局部關(guān)系，從而認(rèn)識事物及解決與事物相關(guān)的問題的思維方式。樹形圖和概念圖是以層級結(jié)構(gòu)表達(dá)概念間相互關(guān)系的一種空間結(jié)構(gòu)圖示。在教學(xué)中應(yīng)用概念圖或樹形圖能夠引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的梳理，將零散雜亂的知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分類，形成整體、系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖7 呈現(xiàn)了利用樹形圖或概念圖發(fā)展結(jié)構(gòu)化思維的一般流程。

圖7 樹形圖或概念圖用于結(jié)構(gòu)化思維發(fā)展的一般流程

以小學(xué)階段生命科學(xué)領(lǐng)域中與動物相關(guān)的概念為例。學(xué)生經(jīng)歷低段到高段的相關(guān)概念學(xué)習(xí)，應(yīng)建構(gòu)相互聯(lián)系的動物概念結(jié)構(gòu)。分類是用于研究動物最基本且重要的方法，教師借助概念圖幫助學(xué)生對動物分類的概念結(jié)構(gòu)化。教師引導(dǎo)學(xué)生明確概念結(jié)構(gòu)化的對象，回顧小學(xué)階段與動物相關(guān)的概念，通過對比分析這些概念確定動物分類最上位的分類標(biāo)準(zhǔn)——動物是否有脊柱。并根據(jù)子項目分類結(jié)果，將本質(zhì)特點整理在其子項目的下一層，最后辨析所學(xué)過的動物特點，將動物對應(yīng)到每個類別的底層（圖8）。學(xué)生在完成概念圖的過程中，建立了知識結(jié)構(gòu)的同時，分類能力和結(jié)構(gòu)化思維也得到了培養(yǎng)和發(fā)展。

圖8 概念圖表征動物的分類

我們知道，發(fā)展科學(xué)高階思維的方法是多元化的，小學(xué)科學(xué)高階思維的培養(yǎng)和落實還需要不斷探索和嘗試。我們在繼續(xù)實踐研究發(fā)展學(xué)生科學(xué)高階思維可視化工具的路徑的同時，還要努力實踐、不斷研究，探索發(fā)展科學(xué)高階思維的新路徑。