基于“思維可視化”的小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)策略

季榮臻

摘要：“思維可視化”是促進(jìn)兒童思維發(fā)展的有效認(rèn)知策略。在小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)中，教師可以通過學(xué)生前概念的可視化，找準(zhǔn)科學(xué)探究的起點；通過學(xué)生思維發(fā)展的可視化，把握科學(xué)探究的節(jié)奏；通過學(xué)生學(xué)習(xí)效果的可視化，評測科學(xué)探究的效度。這些學(xué)與教的思維可視化策略，能夠促進(jìn)科學(xué)探究活動有效開展，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：思維可視化；科學(xué)探究；前概念；評測

中圖分類號：G623 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9094（2018） 01B-0047-04

科學(xué)探究本質(zhì)上是用來解決自然領(lǐng)域或科學(xué)問題的一種思維方式。在小學(xué)科學(xué)探究活動中，運用一系列概念調(diào)查、課堂觀察、習(xí)作圖示和動作表情等分析技術(shù)，通過“圖畫”或者“分析表”等形式，把兒童探究過程中的思考方法、思考路徑等顯現(xiàn)出來，使其清晰可見、可感，即將抽象的思維具體化、隱形的思維可視化。教師在掌握學(xué)生的思維狀況的前提下，有針對性地設(shè)計科學(xué)探究活動，組織實施教學(xué)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識、概念、原理的理解更深入、更透徹、更系統(tǒng)，使學(xué)生的思維能力得到有效發(fā)展，提升學(xué)生的思維品質(zhì)，完善學(xué)生的思維力體系。

“思維可視化”是針對兒童抽象思維發(fā)展的局限性而提出的認(rèn)知策略，是建立在思維發(fā)展的認(rèn)知心理學(xué)基礎(chǔ)之上的?！八季S可視化”包括“可視思維”和“出聲思維”兩種思維活動：一方面在具體問題或探究環(huán)節(jié)中，將那些抽象的事物通過合理手段變得直觀、形象、具體；另一方面將抽象的、復(fù)雜的思維過程通過語言進(jìn)行解釋，促進(jìn)學(xué)生在理解、表達(dá)、推理、概括、抽象、判斷、論證、比較、分析、綜合等方面的思維發(fā)展。

一、找準(zhǔn)科學(xué)探究的起點：學(xué)生前概念可視化

科學(xué)探究活動的起點應(yīng)以學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過“畫一畫”“想一想”“說一說”等方法能夠把學(xué)生的前概念充分地展示出來。特別是當(dāng)學(xué)生用圖示的形式將隱形的思維呈現(xiàn)于記錄紙上時，能幫助教師依照學(xué)生的認(rèn)知需要和特征，有效引導(dǎo)學(xué)生的主題探究活動更有針對性，讓學(xué)生主動建構(gòu)對科學(xué)概念的理解。

如教學(xué)《簡單電路》前，讓學(xué)生畫出“用電池、導(dǎo)線點亮小燈泡”的方法，并想一想“為什么這樣做小燈泡會亮”。我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生“單線連接”的思路比較普遍，大部分學(xué)生把電池和燈泡底部用“導(dǎo)線”連接，又或者不用“導(dǎo)線”直接把燈泡底部接在電池的正極。他們的解釋是“這樣連接起來電池里的電能就能輸出給燈泡，燈泡自然就會亮了”。這就是現(xiàn)在的孩子關(guān)于電池點亮燈泡方法的“前概念”。通過進(jìn)一步訪談了解到，學(xué)生這樣的認(rèn)識源于對燈泡了解的局限，即對燈泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不了解。因此在教學(xué)中，教師設(shè)計的探究活動的核心就是圍繞認(rèn)識燈泡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開，即“燈泡燈絲的兩端各連接一條金屬架，它們一直往下延伸到了哪兒呢？”直面學(xué)生的前概念的根源問題。

二、把握科學(xué)探究的節(jié)奏：學(xué)生思維發(fā)展可視化

借助關(guān)鍵問題、學(xué)生記錄單，用圖示、連線、填表等方法和技術(shù)將隱性的思維發(fā)展可視化，教師收集、分析學(xué)生在探究過程中的思維痕跡，推測他們的思維過程和思維狀態(tài)，了解其思維變化特點，針對性地調(diào)整科學(xué)探究的節(jié)奏，促成學(xué)生向著積極的思維方向發(fā)展。

1.基于“關(guān)鍵問題”的思維可視化

在探究“電磁鐵磁性的強弱與哪些因素有關(guān)”時，學(xué)生討論聚焦于鐵芯的粗細(xì)、鐵芯的長短、電池多少、線圈的多少等因素。接下來，教師通過下列關(guān)鍵問題的討論，引導(dǎo)學(xué)生的“出聲思維”可視化：

（1）如果讓你來研究，你會選哪幾種情況來研究？（指向判斷思維，思維力強的學(xué)生會想到磁性與電有關(guān)，與電相關(guān)的材料有電池和線圈，會選擇電池、線圈）

（2）纏繞導(dǎo)線的時候怎么做？（指向比較思維、判斷思維，開始繞的一端留下一段導(dǎo)線，綜合思維，兩端打結(jié)固定）

（3）在前后兩次吸大頭針的時候，要注意什么？（指向比較思維，學(xué)生會想到電磁鐵和大頭針接觸的部位相同）

（4）實驗結(jié)果怎樣？（指向判斷、概括思維）

通過關(guān)鍵問題的聚焦，讓學(xué)生用語言將自己的思維邏輯完整地表達(dá)，并在傾聽、交流中不斷地思考，推理、分析、概括，激活思維，完善探究實驗的方案，提升學(xué)生的思維品質(zhì)。在關(guān)鍵問題研討過程中，“可視思維”與“出聲思維”相互轉(zhuǎn)化，既是一種思維“呈現(xiàn)”，又是一種信息“反饋”。

2.基于“主題探究”的思維可視化

主題式探究活動是智力發(fā)展的源泉，學(xué)生思維發(fā)展的有效載體?？茖W(xué)教師應(yīng)創(chuàng)新教學(xué)情境和教學(xué)方式，讓學(xué)生在自然、自我和自為的狀態(tài)下進(jìn)行主題式動手探究，使學(xué)生呈現(xiàn)出真實完整的思維過程和探究路徑，并在此基礎(chǔ)上了解學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知特點及思維狀況，促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)的深度學(xué)習(xí)與建構(gòu)。

在教學(xué)《認(rèn)識常見的巖石》前，學(xué)生對巖石有一些簡單的了解，但對巖石的特征的認(rèn)識往往是模糊不清的。筆者觀摩過一位科學(xué)骨干教師是這樣處理的：（1）從學(xué)校要增添一塊大型文化石作為“校訓(xùn)石”情景切入，激發(fā)學(xué)生的探究動機；（2）組織學(xué)生討論作為“校訓(xùn)石”的巖石需要滿足哪些要求；（3）提供巖石樣本，學(xué)生研究這些巖石有什么特征，巖石名稱是什么，哪些巖石可以做“校訓(xùn)石”，并要求各研究小組記錄研究過程與研究成果；（4）全班交流研討，確認(rèn)最優(yōu)方案。課堂上，學(xué)生在小組內(nèi)自由探究，將巖石翻來覆去地仔細(xì)觀察。有的摸一摸，感受巖石的手感；有的敲一敲，看是否有碎片；有的借助放大鏡進(jìn)一步觀察；有的用兩塊巖石相互摩擦，比一比哪塊更硬。從看，到摸，再到敲一敲、比一比，學(xué)生的探究行為逐漸多樣，伴隨著的是學(xué)生的思維動態(tài)變化，從簡單向復(fù)雜遞進(jìn)。多種研究方法、尊重證據(jù)的意識正是科學(xué)探究活動中必不可少的科學(xué)素養(yǎng)，學(xué)生的思維力體系也在不斷完善。

3.基于“數(shù)據(jù)分析”的思維可視化

實驗數(shù)據(jù)是定量實驗結(jié)果的主要表現(xiàn)形式，亦是定量研究結(jié)果的主要證據(jù)。在教學(xué)中，一方面需要學(xué)生關(guān)注獲取哪些數(shù)據(jù)，更要關(guān)注數(shù)據(jù)如何獲取？獲取的方式方法是否科學(xué)、正確？獲取的途徑是否合適、可靠？另一方面需要學(xué)生明確實驗數(shù)據(jù)與結(jié)論之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，即實驗結(jié)論的得出，是在對實驗數(shù)據(jù)的分析、比較、綜合的基礎(chǔ)上，通過推理、概括形成的。這些都離不開學(xué)生高階思維的積極參與。endprint

在記錄數(shù)據(jù)時，一般可以把數(shù)據(jù)列成表格形式，既可以簡單而明確地表示出測量的量之間的對應(yīng)關(guān)系，使數(shù)據(jù)有序，便于分析和發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化的趨勢，有利于學(xué)生對數(shù)據(jù)組進(jìn)行歸納、概括，發(fā)現(xiàn)共性，并把共性作為規(guī)律性進(jìn)行提煉、總結(jié)，形成結(jié)論。同時，這樣的數(shù)據(jù)也有助于檢驗和發(fā)現(xiàn)實驗中的問題。當(dāng)然，因小學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)缺乏一定的敏感性，在對數(shù)據(jù)分析過程中需要將一系列數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或其變化情況用圖線直觀地表示出來，使“數(shù)據(jù)”變得直觀、可感。

在教學(xué)《吸熱和散熱》時，讓學(xué)生通過具體的測量比較油和水的吸熱性能、散熱性能，學(xué)生先預(yù)測給水和油同時加熱1分鐘，再停止加熱1分鐘，誰的吸熱快？誰的散熱快？然后分組實驗，觀察每分鐘內(nèi)水和油的溫度，并記錄。表1和表2為其中的一組數(shù)據(jù)。

學(xué)生通過對數(shù)據(jù)的橫向、縱向比較與分析，發(fā)現(xiàn)水加熱1分鐘后溫度由原來的18℃上升到了19℃，而油卻由原來的19℃上升到了22℃。以后的每分鐘，油的溫度都比水升得快，由此說明油比水更容易吸收熱量，也證明他們的猜測是正確的。而接下來對水和油的散熱的情況進(jìn)行分析時，我們發(fā)現(xiàn)這組數(shù)據(jù)比前一組數(shù)據(jù)更為復(fù)雜，很多小組不能用規(guī)律性的語言進(jìn)行概括。如果把這組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為折線統(tǒng)計圖，提供學(xué)生思維的“支架”，不僅能讓學(xué)生直觀地看到水和油停止加熱后溫度變化的曲線和變化的趨勢，還能進(jìn)行直觀地比較兩者變化的差異性，也有利于教師有更為充足的時間引導(dǎo)學(xué)生分析“停止加熱后，水和油的溫度還在上升，過一會兒才下降”的原因。事實上，后者的教學(xué)中學(xué)生能主動分析、歸納，并能聯(lián)系前面所學(xué)的有關(guān)熱傳遞的知識解釋“剛停止加熱時水和油的溫度還會上升”的原因，學(xué)生的科學(xué)思維得到有效的激活。

三、評測科學(xué)探究的效度：學(xué)生學(xué)習(xí)效果可視化

在教學(xué)過程中，可通過圖文的形式，形成一種可視化的思維圖表，也可通過特定情境中提出的問題與方案來測評學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

1.基于圖示工具的思維可視化評測

大腦對“圖”非常敏感，圖示的直觀性與思維的結(jié)構(gòu)性、嚴(yán)密性、概括性結(jié)合起來，提高了思維信息傳遞及加工的效能，這些科學(xué)知識、概念更容易被理解、被評價、被遷移。思維導(dǎo)圖、概念圖等圖示工具是幫助學(xué)生搭建思維支架的好工具，以圖文的形式，把科學(xué)問題的探究或科學(xué)概念層層表現(xiàn)出來，形成思維鏈接網(wǎng)絡(luò)，形成一種可視化的思維圖表。

在一個主題探究單元學(xué)習(xí)后，可以指導(dǎo)學(xué)生畫一張思維導(dǎo)圖或概念圖，學(xué)生有步驟、有目的地對科學(xué)探究活動的回顧與梳理，把一些相關(guān)聯(lián)的概念形象地聯(lián)結(jié)起來，為學(xué)生架構(gòu)思維的橋梁，使他們清楚地看到各個概念之間的相互關(guān)聯(lián)，建構(gòu)學(xué)生的思維，促進(jìn)意義學(xué)習(xí)的發(fā)生，使學(xué)習(xí)效率得到提高。

如在學(xué)習(xí)完《宇宙》單元后，有老師指導(dǎo)學(xué)生用思維導(dǎo)圖進(jìn)行了梳理，從學(xué)生“畫”出來的各種“思維導(dǎo)圖”可以看出，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從“識記主導(dǎo)”升級為“思考主導(dǎo)”，在科學(xué)知識、概念的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)過程中，發(fā)展出較強的歸納、概括、推理、分析、綜合等高階思維能力。在教學(xué)實踐中，如果能較好地運用思維可視化策略，一張圖就可以喚醒學(xué)生的思考意識，可以評價學(xué)生對某類科學(xué)知識、概念的領(lǐng)悟、理解的程度。

圖示工具是觀察及測量學(xué)生思維發(fā)展的最佳工具和方法，能真實、完整地呈現(xiàn)學(xué)生的思維過程，能有效培養(yǎng)兒童思維力在廣度、深度和長度上的拓展、延伸。

2.基于特定探究情境的思維可視化評測

西蒙認(rèn)為，思維可以被視作是在問題空間上進(jìn)行的搜索過程，科學(xué)探究一般是從提出問題開始到解決問題結(jié)束，這樣就構(gòu)成了一個完整的科學(xué)思維過程。而任何一個科學(xué)問題的提出都需要已有知識背景作為基礎(chǔ)，因此對學(xué)生科學(xué)思維的測評重點應(yīng)關(guān)注學(xué)生在特定的探究情境中，能否根據(jù)已有的知識經(jīng)驗和現(xiàn)實條件提出具有研究價值、研究可行性的科學(xué)問題與研究方案。基于以上思考，在實際測評中：一方面可以采用情境化探究活動過程“再現(xiàn)”的方式，主要觀察學(xué)生的探究、實踐、操作、記錄的全過程；另一方面可以參考PISA科學(xué)素養(yǎng)試題，為學(xué)生設(shè)置在現(xiàn)實生活中可能遇到的，如臺風(fēng)、海嘯、地震、海洋生物、大氣、陽光、溫室效應(yīng)、細(xì)菌、冰山等情境化、主題化閱讀和理解材料，包括短文，圖像，表格，圖表等，有效測評學(xué)生對有關(guān)自然世界和科學(xué)本身的知識的應(yīng)用，以及對待科學(xué)事物的態(tài)度，特別是了解學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)中對已有實驗數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行分析的能力，推理的能力，批判性思考方式等。

古希臘智者學(xué)派的代表人物普魯塔戈拉說：“頭腦不是一個要被填滿的容器，而是一把需要被點燃的火把?！睂W(xué)與教的思維可視化策略，是能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)探究有效開展的一種重要途徑。學(xué)生思維可視化的過程中，科學(xué)探究實驗的設(shè)計、操作、記錄、交流等行為，學(xué)習(xí)方式真正走向“主動參與、探究發(fā)現(xiàn)、合作交流”，能有效培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，使思維的品質(zhì)得以提升。

責(zé)任編輯：趙赟endprint