數據圖表中的科學思維可視化表達

浙江省嘉興市海寧市實驗小學 段鑫雅 顧建鋒

思維可視化是教師在教學中運用一系列圖表技術，把不可見的思維方式、思維過程、思維結果呈現出來，幫助學生實現學習進階的一種教學手段。在小學科學探究實踐活動中，學生往往通過探究實踐活動獲取各種信息，包括科學實驗數據，教師可以通過引導學生對信息、數據進行分析處理，幫助其建立對事物的正確認識，形成科學概念，從而在這一過程中發展學生的科學思維。

但是在教學中，學生不會科學處理數據信息，無法快速找到信息背后隱含的科學概念，這就需要教師引導學生將科學數據轉化為圖表形式，讓錯綜復雜的科學數據變成有結構的、具有一定思維邏輯的圖表呈現出來。圖表可以提升學生分析、處理數據的能力，方便學生從中獲取信息，建構科學概念，發展科學思維。下面，筆者淺讀如何利用數據圖表讓學生科學思維可視化。

一、“可視化”輸入，讓科學觀念建構進階

科學觀念是在理解科學概念、規律、原理的基礎上形成的對客觀事物的總體認識。學生親手繪制的圖表包含豐富的信息，能在學生大腦中留下深刻的印象，讓學生對獲取的信息有生動的感受，對科學知識的梳理和發掘起著重要作用，有助于學生形成清晰而準確的科學觀念。

（一）數圖轉換法，讓規律躍然紙上

在科學探究活動中，有些實驗數據多、信息量大，學生有時很難發現事物的變化規律，這時教師可以通過數圖轉化法，把這些凌亂的數據處理后繪制成柱狀統計圖，將枯燥的數據變成有層次變化的圖表，一目了然，這樣有利于學生科學觀念的建構。

例如，教學“測量降水量”一課時，降水是天氣的一個基本特征，學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，本課要讓學生知道氣象學家是用雨量筒測量、記錄和確認降水量的。學生利用自制雨量筒連續測量十天的降水量并進行記錄，再把這十天降水量數據繪制成柱狀圖。通過觀察柱狀圖中柱子的高低變化，結合24小時降水量等級標準，可在圖上標注等級，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概念便在學生的頭腦中清晰地建立起來了。數與圖的轉換，加強了學生對數據的處理分析能力。

（二）數圖結合法，讓限制突破時空

學生對一些事物的變化規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識。教師要引導學生利用數據圖表尋找其背后隱含的規律，建立正確的科學概念，讓學生真實體驗數圖結合法在分析處理數據方面的優勢與實用性。

例如，教學“陽光下物體的影子”一課時，學生探究“一天中影子有什么變化規律”需要用一天的時間去觀察、測量、記錄，如果只測量記錄影子的長短數據，后期再繪制坐標柱狀圖，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，教師還可以引導學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特殊的柱狀圖，數圖結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。學生在分析一天中影子的變化規律時，特殊的柱狀圖將作為有力的證據，分析客觀，結論可靠，突破了普通柱狀圖的時空限制。

二、“可視化”編碼，讓探究實踐能力進階

探究實踐能力主要指在了解和探索自然、獲取科學知識、解決科學問題以及技術與工程實踐的過程中，形成的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。教師可以利用圖表，將數據“可視化”編碼，形象直觀地展示具體內容，調動學生多種感覺器官參與學習活動，促進學生探究實踐能力的發展。

（一）數據分析從“感性”走向“理性”

科學探究的提出假設這一環節中，學生是憑借生活中的一些感性認知進行猜測的。然后通過實驗獲取證據，進一步加深其感性的認識。在分析數據、將數據整理并繪制統計圖的過程中，學生的感性認識在逐步走向理性認識。一張鮮明直觀的統計圖表，可以展示出這一探究的成果，學生通過觀察、分析統計圖得出最后的理性結論。

例如，教學“抵抗彎曲”一課時，學生要研究“橫梁的抗彎曲能力與什么因素有關？”學生通過自主設計實驗對紙的抗彎曲能力進行研究，在經歷預測后開展實驗探究，獲取數據；教師可以利用電子表對各個小組的數據進行系統的整理，引導學生將實驗數據做成一張統計圖幫助其分析。結合多個小組的數據以及層次分明的折線圖，學生能夠理性地分析出實驗結論，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”

技術與工程實踐是一個注重問題解決的過程，學生通過辨別問題、評估實際需要、思考各種選擇及其限制條件提出有創意的方案，再通過建模及迭代的方式解決問題，從而發展將未知情境轉化為已知情境并在復雜環境中行動等重要的問題解決能力。在這樣的過程中，借助統計圖輔助分析，學生從“理性”的認識走向“共性”的認識。

例如，教學“做個保溫杯”的拓展課“拯救北極熊”時，在提出“為北極熊造一個保冷的房子”驅動型任務后，教師要引導學生分析如何更好地減少熱傳遞，并在實驗中對比研究各種材料的保溫性能，最后選擇合適的材料進行方案設計和制作。在研究不同材料的保溫性能時，使用初始溫度為4℃的水，在室溫下放置半小時后，學生使用溫度計測量水的溫度，再測量不同材料包裹下水的溫度變化。學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，借助統計圖分析，學生很快就能得出科學概念。

三、“可視化”輸出，讓科學思維品質進階

科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創新思維等。其中推理論證體現在：基于證據與邏輯，運用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據與解釋之間的關系并提出合理見解。在教學過程中如果能夠充分結合圖表系統，通過圖表系統地呈現科學思維，將數據圖表“可視化”輸出，就能實現科學思維品質進階。

（一）通過“具象”識“抽象”，讓思維可視化

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

例如，教學“運動的小車”一課時，四年級的學生已經在使用能量這個詞，他們知道發光、發熱的物體是具有能量的，也聽說過光能、電能、水能、風能等，但對能量沒有形成一個具體的概念。教師可以將運動的小車作為載體，引導學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。再通過對比觀察、測量、記錄，將所有小組的數據結果匯總到班級統計表中。通過觀察各個小組的小車推動木塊滑行的距離，學生發現坡度越大，小車滑下的速度越快，推動木塊滑行的距離越遠。木塊滑行的距離是小車具有能量的表現，因此，物體的運動速度不同，具有的能量也不同。運用統計圖，學生可以直觀地觀察到各個小組的木塊滑行距離有著相似的“具象”表現，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“實質”，讓思維顯性化

小學科學課程中，貼近生活的內容往往最能吸引學生，激發學生的學習興趣。學生對生活中的一些現象比較熟悉，但是很少關注引起這一現象的實質，為了使學生能夠透過表象看到實質，教師可以引導學生根據觀察到的現象和記錄的數據，繪制折線統計圖，借助統計圖思考這一表象背后的實質，讓思維顯性化。

例如，教學“溫度不同的物體相互接觸”一課時，五年級的學生對熱牛奶的現象并不陌生，對于冷的物體和熱的物體接觸后，冷的物體會變熱的現象認識也比較清晰。但他們很少關注冷的物體變熱的實質是熱量發生了傳遞。教師可以讓學生根據觀察到的現象和記錄的數據，繪制出折線統計圖，思考溫度不同的物體在相互接觸過程中熱量的轉移和平衡。這樣不僅培養了學生分析和處理數據的能力，還可以幫助學生更好地理解溫度的變化這一表象背后的實質是熱量在不同溫度的物體間的傳遞。

綜上所述，數據圖表是小學科學教學的“第二語言”，是科學觀念、探究過程、探究能力的載體，具有較強的教學功能，教師在教學過程中要充分發揮自身的教學智慧，準確地揣摩統計圖的內涵和外延，并不斷發現、發掘、運用，最終使統計圖的教育功能幫助學生實現學習進階，培養學生的科學核心素養。