思維可視化：行走在深度學習中的杠桿解

惲亞杰

【摘要】思維可視化是通過各種方式呈現思維的一種行之有效的學習法。縱觀深度學習，思維是必要條件，是著力點。文章致力于探尋幫助學生自主建構深度學習的最優（省力且持續有效）策略。思維可視化是一種行走在深度學習中的優質杠桿解，它能幫助學生在主動建構的同時，保證杠桿的良性運轉。

【關鍵詞】思維可視化;深度學習;淺層學習

【基金項目】本文為常州市教育科學“十四五”規劃備案課題“小學科學教學中學生‘思維可視化’的探索與研究”研究成果。

一、亂花漸欲迷人眼：辨析“淺層學習”和“深度學習”

（一）案例一：“把液體倒進水里”淺層學習教學片段

實驗一：把蜂蜜、油分別倒入水中。

1.預測：把油、蜂蜜分別倒入水里，會出現什么現象？生預測。

2.分組實驗。

3.匯報：把油倒入水里，油浮在水面上;把蜂蜜倒入水中，蜂蜜沉在水底。

4.提問：為什么油浮在水面上，蜂蜜沉在水底？

5.回答：因為油比水輕，蜂蜜比水重。（學生前概念中認為“輕的物體會浮，重的物體會沉”）

實驗二：把水、油和蜂蜜按照不同的順序倒進同一杯子中。

1.預測：把油、蜂蜜和水依次倒入同一杯子里，會出現什么現象？生預測。

2.設計方案：列出油、蜂蜜、水三者不同的倒入順序。

3.實驗匯報：最上面是油，中間是水，底部是蜂蜜。

4.提問：為什么每次都是“油浮在水面上，水在中間，蜂蜜沉在水底呢”？

5.回答：因為油比水輕，蜂蜜比水重。

【辨析】上述案例中，學生按照教學流程進行驗證性實驗，學生的預測結果只有兩種，要么是沉，要么是浮，沒有預測的思維含量（僵化）;學生自身不用思考實驗設計，只是按流程進行機械化操作，即把液體倒進水里（被動）;學生按照自己的原有認知進行了沉浮現象的解釋，缺乏科學嚴謹性，學生看到實際現象和自己的預測一致后，沒有對現象進行深入思考，沒有追根究底地探索現象背后的本質規律（膚淺）。

綜上所述，這是一種淺層學習。在淺層學習狀態下，學生的認知狀態是膚淺的，在知識建構上，只能獲得淺顯知識，發現不了本質規律;學生的心智發展是“躺平”的，在思維發展上，缺乏思維的橫向和縱向發展;在心態上，容易產生枯燥感，失去對活動的興趣。

（二）案例二：“探秘沉浮”深層學習教學片段

實驗一：觀察物體放入不同液體中的三種沉浮狀態。

1.預測：這是三個裝滿不同液體并封口的乒乓球，放入水中會怎么樣？生猜測。

2.演示實驗，語言描述沉浮狀態，板書沉浮狀態。

3.介紹三種沉浮狀態：漂浮、懸浮、下沉。

實驗二：同體積的液體的質量與沉浮的關系。

1.分組實驗觀察球的沉浮情況：把三個球依次放入水中，仔細觀察三個球在水中的沉浮。

2.根據沉浮情況，對同體積三種液體的質量進行檢測。問題聚焦：為什么三個小球在水中的沉浮情況不同？

3.預測：沉浮與液體的質量有關。

4.根據預測推斷：生表述預測，設計方案。

5.實驗：相同體積的液體，稱質量。

歸納沉浮與物體質量之間的關系：體積相同的情況下，一號液體的質量比水的質量小，漂浮;二號液體的質量和水的質量相同，懸浮;三號液體的質量比水的質量大，下沉。

推斷：同種液體在同種液體中是懸浮的。

1.提問：如果這三種液體中有一種液體是水，應該是哪個？為什么？

2.小結：同種液體在同種液體中是懸浮的。

3.提問：如果把這三種液體分別放入油、洗手液中，會怎樣？

4.師生演示實驗，觀察現象。

5.提問：如果有一種液體是油，是幾號液體？如果有一種液體是洗手液，是幾號液體？

學生回答，并解釋原因：同種液體在同種液體中是懸浮的。

【辨析】上述案例中，學生的預測會和實驗現象產生很大的反差，從而激發學生的探究欲（主動）;學生能聚焦關鍵性問題，展開有思維含量的設計，并進行推斷驗證，交流自己的想法，主動建構關于沉浮的概念（系統）;學生能運用自主建構的概念，反向推斷，解決問題（靈活）。

綜上所述，這是一種深度學習。在深度學習狀態下，學生的認知是深入的，在知識的建構上，是遞進的、有層次性的，符合概念教學的要求，能幫助學生透過現象看本質;學生的心智發展是良性的，學生帶著稚嫩的想法展開交流，帶著質疑的精神深挖思維，帶著合作的態度整合思維，帶著學習的動力升華思維，實現思維的提升;在人格發展上，學生的探究興趣愈發濃厚，找到了活動的價值感和成就感。

二、問渠那得清如許：科學思維是深度學習的著力點

科學思維是人類長期實踐活動中形成的一種有價值的思維。在科學思維的幫助下，我們能夠很清楚地透過現象看本質，找到事物的本質屬性，游刃有余地參與社會，改造社會，所以，科學思維是一種具有實際意義的思維。在小學科學教學中，教師往往要帶領學生經歷“提出問題→作出假設→尋找證據→得出結論→解釋運用”的過程。在這個過程中，教師要充分發揮學生的科學思維，引領學生展開思維的較量，使學生更好地感知信息的價值，加深對問題的理解。對于小學生來說，只有擁有了科學思維，并能在學習和生活中根據思維要求加以運用，才能提升學習力，在成長和發展中實現自身價值。

在深度學習過程中，只有讓科學思維參與歸納和演繹、分析與綜合、抽象與具體，深度學習才實現了本真的意義，這也是每位教師想要達到的最佳狀態。在上述兩個案例中，我們明晰了“淺層學習”和“深度學習”的不同之處，也知道了科學思維和深度學習應同時貫穿于科學探究中，并呈現螺旋式向上發展的樣態，使學生的科學思維深度促進學習的深度。為此，我們有必要對“深度學習的發生”進行多維思考，讓科學思維成為深度學習的著力點，實現深度學習的“清如許”狀態。

三、為有源頭活水來：思維可視化是深度學習的杠桿解

思維可視化是運用圖示、符號、表格、動作、多媒體等多種手段直觀、深入淺出地將思維的過程表現出來，更好地促進學生的認知發展。在具體問題或探究環節，融合思維可視化的教學技能，能夠幫助學生建構概念并融入概念體系，幫助教師看清學生思維的行走路徑和行走方向，讓思維可視化站在離支點更遠的杠桿端，實現價值最大化，成為深度學習的杠桿解。下面以“四季成因”教學為例，思考思維可視化支持下的深度學習策略。

（一）創設可視化教學情境，驅動深度學習

一切知識都是從感官開始的。我們讓學生在設計好的可視化情境中看到情境，感受情境，走入情境，不僅能實現學生從形象感知到抽象理解的頓悟，而且能讓學生走進教師設計好的教學“圈套”，讓學習活動變成一種自覺行動。

在“四季成因”教學中，因為地球太大，學生無法看到地球的全部，所以教師出示直觀形象的地球模型，讓學生觀察地球各地的氣候特點，發現“地球上各地的冷暖不同”。在交流過程中，學生的腦海中生出一個個有探究價值的問題：“地球上為什么各個地方冷暖不同？”“為什么我們所處的中國有四個季節？”這些有探究價值的問題不是教師硬塞給學生的，而是學生在可視化的情境中萌發出來的，這個萌發出來的問題越有研究價值，就說明教師創設的可視化情境越具有合理性、必要性。學生帶著自己想要研究的問題來到課堂上，就會主動扎實地行走在探究的每一個流程中，開啟深度思考的大門。所以，創設可視化的情境，為深度學習的杠桿解指明了發力方向。

（二）展開可視化學生前概念，激發深度學習

學生在進入課堂之前，已經擁有了自發的概念結構，并用之來認識、解釋世界。他們的前概念有隱藏性、頑固性等特點，思維具有局限性。如何在“最近發展區”給予學生恰到好處的幫助，促進概念的自主建構？為此，教師要充分尊重學生的前概念，不論對與錯、片面與模糊，都不做評價。因為教師不是學習的主導者，而是學習的引領者，需要做的是讓學生根據前概念進行解釋和說明（產生認知沖突的環節），看清自己的前概念存在的問題，根據問題精準定位概念建構的起點。

在“四季成因”教學中，教師針對“四季是怎樣形成的？”反拋問題。關于這個問題，學生擁有的是充分的感性感受，對新知的認知是很少的。教師作為協助者，給每組提供地球儀代表地球，提供紅外線代表太陽直射點，讓學生模擬并用自己的前概念解釋和表達。這種可視化預測比語言的解釋說明來得更方便，全方位立體展示了學生關于“四季成因”的前概念。學生看到了每個人對于“四季成因”的認知是不一樣的，就會產生認知沖突，進而深度思考到底哪種說法是正確的，這樣就根據概念建構中關于同化或順應的需要，順利進入教師設計的“圈套”，開始深度思考怎么設計實驗進行驗證和探究。所以，實現學生前概念的可視化，可視化情境的功勞是很大的，為杠桿解做了發力。

（三）設計可視化探究方案，催化深度學習

“授人以魚不如授人以漁”，教師應重視技能的傳授。為此，在科學活動中，教師可以讓學生以組為單位設計方案，匯報交流方案，修改完善方案，不能忽視這個流程，因為這是學生思維展開的過程。教師作為引領者，在學生思維展開過程中需要“看”“思”“推”“定”，即看思維內容，分析思維軌跡，推測思維狀態，確定教學節奏，讓可視化的探究方案向著學生積極的思維方向發展。

在“四季成因”教學中，學生預測“四季與地球的公轉有關”后，設計了兩組探究方案，教師提供結構化材料（地軸垂直軌道面、地軸傾斜軌道面）輔助學生的設計，這兩組探究方案都是可視化的。

第一個實驗“地軸垂直公轉”，觀察太陽直射點的位置有沒有發生變化，并進行假設推斷：如果太陽直射點的位置發生變化，說明地軸垂直公轉能引起溫度變化;如果太陽直射點的位置沒有發生變化，說明地軸垂直公轉的假設不成立。

第二個實驗“地軸傾斜公轉”，觀察太陽直射點的位置有沒有發生變化，并進行推斷：如果太陽直射點的位置發生變化，說明地軸傾斜公轉，能引起太陽直射點的變化。繼續推斷：太陽直射點的位置發生變化，會引起什么變化？

進入第三個實驗“以中國為例，探究四季成因”，標注出每種公轉狀態所表示的季節。

這三個實驗設計是思維可視化的設計，體現的是思維的軌跡和狀態。在這個可視化的過程中，我們看到了學生在每個實驗設計中的思維碰撞、思維矯正、思維調整，聽到了思維拔節的聲音。所以，可視化的探究方案為深度學習的杠桿解拉長了動力臂。

（四）共享可視化數據結論，深化深度學習

科學數據是定量研究結果的主要證據。學生在尋找證據中會產生一系列的數據。面對數據，教師要教會學生辨析數據的科學性和正確性，找出錯誤數據，帶領學生分析數據，讓學生站在多維的視角看數據，看出數據背后隱藏的規律和結論。

小學生由于年齡特點，對一長串的數據缺乏敏感性，不能很好地辨識出數據之間的內在關系和內在規律。所以，在共享實驗數據時，教師可以畫柱狀圖、曲線圖，把現象直接標注在對應的圖片上，便于直觀分享。

在“四季成因”教學第一個實驗“地軸垂直公轉”中，學生在地球儀上標注了“地球公轉到各個地方，太陽的直射點都在赤道”;在呈現數據的時候，學生把每組的地球儀舉起來給大家看，紅色的圓形貼紙都在赤道上，一目了然。第二個實驗“地軸傾斜公轉”，學生同樣在地球儀上標注了“地球公轉到各個地方，太陽直射點的位置在南北回歸線之間運動”;在呈現數據的時候，學生把每組的地球儀舉起來給大家看，同樣一目了然。第三個實驗“以中國為例，探究四季成因，標注出每種公轉狀態所表示的季節”，學生清楚地看到：“太陽直射點離中國最近，就是夏天;慢慢變遠，就是秋天;最遠，就是冬天;再變近，就是春天。”這種可視化的數據分析，符合學生的認知理解層次，比枯燥的表格中的數據更具形象力、解釋力、理解力。所以，可視化數據結論讓深度學習的杠桿解變得更省力。

【參考文獻】

季榮臻.基于“思維可視化”的小學科學探究教學策略[J].江蘇教育研究，2018（02）：47-50.

劉濯源，劉彥芳.找到撬動深度學習的杠桿解——思維可視化支持下的深度學習策略[J].中國信息技術教育，2019（21）.