淺談“思維可視化”在科學教學中的運用

美國自然教學法專家蘭本達教授認為，教師和學生在整個科學探究活動中，思維和行動應該比語言占優勢。而在引導學生開展科學探究活動，親歷“問題情境、發現問題、提出問題、實驗探究、收集證據、解決問題”的過程中，學生提出問題、匯報交流等探究活動大多停留在語言交流的層面，難以呈現學生科學思維的過程、凸現學生科學思維的深度。因此，在“熱鬧”的課堂探究中學生的思維狀態只是淺層活躍，沒有深思熟慮，也沒有思維的碰撞，學生缺乏激情，課堂不夠靈動。

基于以上的思考，我們嘗試在教學中將學生的思維過程“圖形化、概念化”，即讓學生的思維“可視化”，運用符號、集合圖、概念圖等圖示幫助學生將思維過程顯現出來，并幫助學生理清科學概念之間的邏輯關系，關注學生科學思維的走向和過程，促進學生思維的深度發展。下面就結合《物體的運動方式》一課的教學進行具體闡析。

一、運用符號引導學生認識運動方式

（一）教師示范：青蛙的運動路線。

師：同學們，像這樣用線條表示物體運動的路線、軌跡，用箭頭表示物體運動的方向。請同學們將下列物體的運動路線用符號畫出來。

（二）出示圖片，讓學生畫出物體運動路線圖示。

滑滑梯：

風車：

皮球：

蕩秋千：

彈牛皮筋：

直行的火車：

蹺蹺板：

轉椅：

水車：

拉鋸子：

這樣一畫出來，就易于發現學生思維中存在的問題：①滑滑梯不是垂直的，而是一個斜面；②學生知道怎樣拍皮球，但當他用符號來表示的時候，就變成了“Ｕ”型，即皮球是會拐彎的，而實際上，即使皮球的運動改變了方向，也是直線運動——“Ｖ”型。這其中，我們還驚喜地發現，有的學生竟然在畫蕩秋千的時候運用了虛線來表示物體運動的往返，為下面認識物體的往復運動作了鋪墊。

二、運用符號引導學生比較運動方式

第一層面：

師：請同學們觀察這些物體運動的路線，有什么特點嗎？

生：它們有的是直線，有的是曲線。

師：對，請將這些物體的運動方式按直線軌跡和曲線軌跡分成兩類。

揭示：直線運動——曲線運動

圖示已經將直線運動和曲線運動一目了然地呈現在學生的面前。

第二層面：

1.認識往復運動。

師：在這些直線運動中，它們的運動方式都是完全一樣的嗎？

生：不，它們有的是一個箭頭，有的是兩個箭頭。

師：好，你觀察得真仔細。請你們再認真思考：它們的運動方式有什么不同？

生：單箭頭的表示物體朝一個方向直線運動；雙箭頭的表示物體朝一個方向運動后還要回頭。

生：它們是來回地運動。

生：這種運動是重復的。

師：你們真了不起，像這樣來回、不斷重復的運動，我們稱之為“往復運動”。

這樣借助于圖示中的箭頭，讓學生較好地理解了往復運動，勝過千言萬語。

2.認識轉動、擺動。

師：再請同學們仔細看曲線運動中的兩種運動方式，它們的運動路線一樣嗎？

生：也不一樣，一個是圍繞一個中心點轉圈，一個是在一定范圍內來回擺動。

師：老師真欣賞你的觀察能力，你的語言表達也非常地準確。對，它們雖然都是曲線運動，但它們的運動范圍是不一樣的，聰明的你們，能不能給它們起個名字？

生：圍繞一個點轉圈的，我們可以叫它“轉動”。像鐘擺一樣來回擺動的，我們叫它“擺動”。

師：非常精彩，老師同意你的概括。

圖示中是圓形軌跡的就是轉動，而圓弧狀的就是擺動，這再清晰不過了。

三、運用符號引導學生認識復合運動

（一）以易拉罐為例，教師演示。學生很快就能理解：易拉罐的運動包含了自身的滾動和直行移動，既有曲線運動，又有直線運動。像這樣包含了一種以上運動方式的運動，我們稱之為“復合運動”。

（二）讓學生用圖示的方法畫出易拉罐滾動中所包含的運動方式。學生沒有障礙。

（三）讓學生說出并畫出飛機、竹蜻蜓、飛碟、直線行走的人所包含的運動方式。

四、運用集合圖理解概念之間的邏輯關系

（一）認識復合運動中的邏輯關系。

1.師：同學們，如果老師用一個圓來表示易拉罐的滾動，那么它所包含的運動方式怎樣在圓中表示呢？

學生試畫。

2.學生運用集合圖的方式畫出其余復合運動中的邏輯關系。

（二）認識直線運動、曲線運動和往復運動之間的邏輯關系。

1.直線運動和曲線運動中都存在往復運動。

師：同學們，我們剛才知道了來回不斷重復的運動叫往復運動。那么，是不是只有像彈牛皮筋、拍皮球、蹺蹺板、拉鋸子這些直線運動中才有往復運動呢？

生：不是的，在曲線運動中的擺動也是往復運動。

師：你能說一說你的想法嗎？

生：因為擺動也是來回不斷地重復運動。

2.用集合圖方式將直線運動、曲線運動和往復運動的邏輯關系表達出來。

師：如果老師用交叉的兩個圓來表示直線運動和曲線運動，你能將直線運動、曲線運動和往復運動之間的關系表示出來嗎？

學生試畫。

五、運用概念圖理解概念之間的邏輯關系

師：同學們，剛才你們用圖示的方法將我們所學的知識畫了出來。現在，老師給你們一個更大的挑戰，能不能將我們今天所學到的內容都畫到一張圖表中呢？

學生試畫，教師點撥、師生合作。

概念圖（Concept Map）是美國康奈爾大學的諾瓦克（J. D. Novak）博士根據奧蘇貝爾（David P. Ausubel）的有意義學習理論提出的一種教學技術，由節點（概念）和連接節點的線段（關系標簽）所組成。概念圖形象地表述了一系列的概念含義及其內在的邏輯關系。運用概念圖我們可以將整課的內容都歸結到一張圖表中，在學生頭腦中清晰地留下印記，很難遺忘。

小學生由于知識經驗不豐富，邏輯思維不深刻，思維的獨立性和批判性還不成熟，考慮問題容易產生片面性。他們往往會被表面現象所迷惑，看不到事物的本質，容易產生錯誤的概念。同時，學生前概念中的模糊認識，甚至是錯誤理解，往往對學生重新建構科學概念形成負遷移。因此，教師需要關注學生頭腦中看不見、摸不著的科學思維，判斷學生思維過程和概念建構上所存在的問題。

教學中，我們可以憑借有聲的“科學表達”，即口頭語言來呈現學生的科學思維，更需借助“思維可視化”來形象地記錄學生的科學思維，呈現學生的思維過程。因為學生的有聲思維具有一定的局限性，表述者語言表達能力的高低影響了反映學生思維的準確性；另外，有聲思維具有一定的欺騙性，而前概念和思維過程具有一定的隱蔽性。因此，教師不能僅僅通過師生之間提問、理答來診斷學生的前概念，判斷學生的思維是否準確，思維過程是否正確。

我們嘗試通過“思維可視化”的方式捕捉到學生思維的不足，進行追問，和學生展開充分的對話，深度了解學生思維過程中的問題。正如在以上案例中，我們運用了符號、集合圖、概念圖等方式將學生的前概念和思維過程直觀、形象地顯現出來，將教學內容由淺入深、化繁為簡，步步引導學生理解科學的概念以及概念之間的邏輯關系，培養、訓練學生思維的深度和廣度，提高學生的科學素養。

（作者單位：江蘇省鎮江市教育局教研室）