數(shù)據(jù)圖表中的科學(xué)思維可視化表達(dá)

浙江省嘉興市海寧市實(shí)驗(yàn)小學(xué) 段鑫雅 顧建鋒

思維可視化是教師在教學(xué)中運(yùn)用一系列圖表技術(shù)，把不可見的思維方式、思維過程、思維結(jié)果呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階的一種教學(xué)手段。在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生往往通過探究實(shí)踐活動(dòng)獲取各種信息，包括科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師可以通過引導(dǎo)學(xué)生對信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，幫助其建立對事物的正確認(rèn)識，形成科學(xué)概念，從而在這一過程中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

但是在教學(xué)中，學(xué)生不會(huì)科學(xué)處理數(shù)據(jù)信息，無法快速找到信息背后隱含的科學(xué)概念，這就需要教師引導(dǎo)學(xué)生將科學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表形式，讓錯(cuò)綜復(fù)雜的科學(xué)數(shù)據(jù)變成有結(jié)構(gòu)的、具有一定思維邏輯的圖表呈現(xiàn)出來。圖表可以提升學(xué)生分析、處理數(shù)據(jù)的能力，方便學(xué)生從中獲取信息，建構(gòu)科學(xué)概念，發(fā)展科學(xué)思維。下面，筆者淺讀如何利用數(shù)據(jù)圖表讓學(xué)生科學(xué)思維可視化。

一、“可視化”輸入，讓科學(xué)觀念建構(gòu)進(jìn)階

科學(xué)觀念是在理解科學(xué)概念、規(guī)律、原理的基礎(chǔ)上形成的對客觀事物的總體認(rèn)識。學(xué)生親手繪制的圖表包含豐富的信息，能在學(xué)生大腦中留下深刻的印象，讓學(xué)生對獲取的信息有生動(dòng)的感受，對科學(xué)知識的梳理和發(fā)掘起著重要作用，有助于學(xué)生形成清晰而準(zhǔn)確的科學(xué)觀念。

（一）數(shù)圖轉(zhuǎn)換法，讓規(guī)律躍然紙上

在科學(xué)探究活動(dòng)中，有些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多、信息量大，學(xué)生有時(shí)很難發(fā)現(xiàn)事物的變化規(guī)律，這時(shí)教師可以通過數(shù)圖轉(zhuǎn)化法，把這些凌亂的數(shù)據(jù)處理后繪制成柱狀統(tǒng)計(jì)圖，將枯燥的數(shù)據(jù)變成有層次變化的圖表，一目了然，這樣有利于學(xué)生科學(xué)觀念的建構(gòu)。

例如，教學(xué)“測量降水量”一課時(shí)，降水是天氣的一個(gè)基本特征，學(xué)生從小就嘗試著用他們的感官來觀察并判斷降水情況：小雨、中雨、大雨等，本課要讓學(xué)生知道氣象學(xué)家是用雨量筒測量、記錄和確認(rèn)降水量的。學(xué)生利用自制雨量筒連續(xù)測量十天的降水量并進(jìn)行記錄，再把這十天降水量數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖。通過觀察柱狀圖中柱子的高低變化，結(jié)合24小時(shí)降水量等級標(biāo)準(zhǔn)，可在圖上標(biāo)注等級，這十天的降水量等級躍然紙上。如何判斷降水量的多少這一科學(xué)概念便在學(xué)生的頭腦中清晰地建立起來了。數(shù)與圖的轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)了學(xué)生對數(shù)據(jù)的處理分析能力。

（二）數(shù)圖結(jié)合法，讓限制突破時(shí)空

學(xué)生對一些事物的變化規(guī)律有著不同程度的感知，教師需要通過一定的方法幫助其建立正確的認(rèn)識。教師要引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)據(jù)圖表尋找其背后隱含的規(guī)律，建立正確的科學(xué)概念，讓學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)數(shù)圖結(jié)合法在分析處理數(shù)據(jù)方面的優(yōu)勢與實(shí)用性。

例如，教學(xué)“陽光下物體的影子”一課時(shí)，學(xué)生探究“一天中影子有什么變化規(guī)律”需要用一天的時(shí)間去觀察、測量、記錄，如果只測量記錄影子的長短數(shù)據(jù)，后期再繪制坐標(biāo)柱狀圖，只能直觀地看出一天中影子的長短變化。因此在觀測過程中，除了測量影子的長短之外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生在觀察記錄紙上直接畫出小短桿的影子。小短桿的影子圖類似于一張?zhí)厥獾闹鶢顖D，數(shù)圖結(jié)合法具象地展示出了一天中物體影子的長短和方向的變化。學(xué)生在分析一天中影子的變化規(guī)律時(shí)，特殊的柱狀圖將作為有力的證據(jù)，分析客觀，結(jié)論可靠，突破了普通柱狀圖的時(shí)空限制。

二、“可視化”編碼，讓探究實(shí)踐能力進(jìn)階

探究實(shí)踐能力主要指在了解和探索自然、獲取科學(xué)知識、解決科學(xué)問題以及技術(shù)與工程實(shí)踐的過程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。教師可以利用圖表，將數(shù)據(jù)“可視化”編碼，形象直觀地展示具體內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生多種感覺器官參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生探究實(shí)踐能力的發(fā)展。

（一）數(shù)據(jù)分析從“感性”走向“理性”

科學(xué)探究的提出假設(shè)這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生是憑借生活中的一些感性認(rèn)知進(jìn)行猜測的。然后通過實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù)，進(jìn)一步加深其感性的認(rèn)識。在分析數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)整理并繪制統(tǒng)計(jì)圖的過程中，學(xué)生的感性認(rèn)識在逐步走向理性認(rèn)識。一張鮮明直觀的統(tǒng)計(jì)圖表，可以展示出這一探究的成果，學(xué)生通過觀察、分析統(tǒng)計(jì)圖得出最后的理性結(jié)論。

例如，教學(xué)“抵抗彎曲”一課時(shí)，學(xué)生要研究“橫梁的抗彎曲能力與什么因素有關(guān)？”學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對紙的抗彎曲能力進(jìn)行研究，在經(jīng)歷預(yù)測后開展實(shí)驗(yàn)探究，獲取數(shù)據(jù)；教師可以利用電子表對各個(gè)小組的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做成一張統(tǒng)計(jì)圖幫助其分析。結(jié)合多個(gè)小組的數(shù)據(jù)以及層次分明的折線圖，學(xué)生能夠理性地分析出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，即雖然增加寬度和厚度都能提高橫梁的抗彎曲能力，但增加厚度比增加寬度更能提高橫梁的抗彎曲能力。

（二）圖表分析從“理性”走向“共性”

技術(shù)與工程實(shí)踐是一個(gè)注重問題解決的過程，學(xué)生通過辨別問題、評估實(shí)際需要、思考各種選擇及其限制條件提出有創(chuàng)意的方案，再通過建模及迭代的方式解決問題，從而發(fā)展將未知情境轉(zhuǎn)化為已知情境并在復(fù)雜環(huán)境中行動(dòng)等重要的問題解決能力。在這樣的過程中，借助統(tǒng)計(jì)圖輔助分析，學(xué)生從“理性”的認(rèn)識走向“共性”的認(rèn)識。

例如，教學(xué)“做個(gè)保溫杯”的拓展課“拯救北極熊”時(shí)，在提出“為北極熊造一個(gè)保冷的房子”驅(qū)動(dòng)型任務(wù)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析如何更好地減少熱傳遞，并在實(shí)驗(yàn)中對比研究各種材料的保溫性能，最后選擇合適的材料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和制作。在研究不同材料的保溫性能時(shí)，使用初始溫度為4℃的水，在室溫下放置半小時(shí)后，學(xué)生使用溫度計(jì)測量水的溫度，再測量不同材料包裹下水的溫度變化。學(xué)生觀測后將測得的溫度記錄在表格中，并繪制不同材料包裹下水的溫度匯總柱狀圖，借助統(tǒng)計(jì)圖分析，學(xué)生很快就能得出科學(xué)概念。

三、“可視化”輸出，讓科學(xué)思維品質(zhì)進(jìn)階

科學(xué)思維是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等。其中推理論證體現(xiàn)在：基于證據(jù)與邏輯，運(yùn)用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系并提出合理見解。在教學(xué)過程中如果能夠充分結(jié)合圖表系統(tǒng)，通過圖表系統(tǒng)地呈現(xiàn)科學(xué)思維，將數(shù)據(jù)圖表“可視化”輸出，就能實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維品質(zhì)進(jìn)階。

（一）通過“具象”識“抽象”，讓思維可視化

小學(xué)科學(xué)課程中有些知識概念對學(xué)生來說比較抽象，摸不到，看不見。學(xué)生對這些抽象的概念在生活中有一定的感性認(rèn)識，但他們的認(rèn)識中還沒有一個(gè)更概括性的概念。這時(shí)候，教師可以將其他具體的事物作為載體，讓學(xué)生通過觀察具象的物體所產(chǎn)生的一些現(xiàn)象來認(rèn)識、理解抽象的概念，借助圖表，讓思維可視化。

例如，教學(xué)“運(yùn)動(dòng)的小車”一課時(shí)，四年級的學(xué)生已經(jīng)在使用能量這個(gè)詞，他們知道發(fā)光、發(fā)熱的物體是具有能量的，也聽說過光能、電能、水能、風(fēng)能等，但對能量沒有形成一個(gè)具體的概念。教師可以將運(yùn)動(dòng)的小車作為載體，引導(dǎo)學(xué)生觀察理解小車從坡上下滑后，能將木塊撞開一定的距離，這是小車具有能量的表現(xiàn)。再通過對比觀察、測量、記錄，將所有小組的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總到班級統(tǒng)計(jì)表中。通過觀察各個(gè)小組的小車推動(dòng)木塊滑行的距離，學(xué)生發(fā)現(xiàn)坡度越大，小車滑下的速度越快，推動(dòng)木塊滑行的距離越遠(yuǎn)。木塊滑行的距離是小車具有能量的表現(xiàn)，因此，物體的運(yùn)動(dòng)速度不同，具有的能量也不同。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)圖，學(xué)生可以直觀地觀察到各個(gè)小組的木塊滑行距離有著相似的“具象”表現(xiàn)，從而推出小車所具有的能量大小不同這一“抽象”的概念。

（二）透過“表象”看“實(shí)質(zhì)”，讓思維顯性化

小學(xué)科學(xué)課程中，貼近生活的內(nèi)容往往最能吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生對生活中的一些現(xiàn)象比較熟悉，但是很少關(guān)注引起這一現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)，為了使學(xué)生能夠透過表象看到實(shí)質(zhì)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，繪制折線統(tǒng)計(jì)圖，借助統(tǒng)計(jì)圖思考這一表象背后的實(shí)質(zhì)，讓思維顯性化。

例如，教學(xué)“溫度不同的物體相互接觸”一課時(shí)，五年級的學(xué)生對熱牛奶的現(xiàn)象并不陌生，對于冷的物體和熱的物體接觸后，冷的物體會(huì)變熱的現(xiàn)象認(rèn)識也比較清晰。但他們很少關(guān)注冷的物體變熱的實(shí)質(zhì)是熱量發(fā)生了傳遞。教師可以讓學(xué)生根據(jù)觀察到的現(xiàn)象和記錄的數(shù)據(jù)，繪制出折線統(tǒng)計(jì)圖，思考溫度不同的物體在相互接觸過程中熱量的轉(zhuǎn)移和平衡。這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生分析和處理數(shù)據(jù)的能力，還可以幫助學(xué)生更好地理解溫度的變化這一表象背后的實(shí)質(zhì)是熱量在不同溫度的物體間的傳遞。

綜上所述，數(shù)據(jù)圖表是小學(xué)科學(xué)教學(xué)的“第二語言”，是科學(xué)觀念、探究過程、探究能力的載體，具有較強(qiáng)的教學(xué)功能，教師在教學(xué)過程中要充分發(fā)揮自身的教學(xué)智慧，準(zhǔn)確地揣摩統(tǒng)計(jì)圖的內(nèi)涵和外延，并不斷發(fā)現(xiàn)、發(fā)掘、運(yùn)用，最終使統(tǒng)計(jì)圖的教育功能幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。