指向創新思維培養的思維可視化工具設計研究

賀玉婷 蔡建東

*該文為河南大學研究生培養創新與質量提升行動計劃項目“學習科學視閾下中小學教師信息素養提升路徑與對策研究”（SYLYC2022032）、河南省智慧教育課題“智慧學習空間下師范生信息化教學能力培養路徑”、鄭州師范學院教學改革項目“智慧學習空間中科學師范生數字素養提升策略研究”（JSJY-232343）的研究成果

創新思維是核心素養的重要組成部分。思維可視化工具以其獨特的優勢，能有效助力創新思維的發展。然而，教師如何設計基于創新思維培養的思維可視化工具成為亟待解決的問題。思維可視化工具可以為培養創新思維提供顯性載體、直觀圖像、互動平臺、整合手段。教師應遵循以“創新思維提升為目的、以學生發展特點為原點、以科學問題解決為驅動、以科學教學內容為依據”的設計原則，在設計流程上以“問題解決”為思路，運用“主觀—客觀—互動—技術—方式”的策略，有效地設計思維可視化工具，以促進學生創新思維的發展。

創新思維培養；思維可視化工具；小學科學；科學教育

賀玉婷，蔡建東.指向創新思維培養的思維可視化工具設計研究[J].教學與管理，2024（15）：90-94.

黨的二十大報告指出，要堅定科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略。創新型人才的培養是國家戰略層面高度關注的問題。創新型人才的培養應考慮個體的意識、思維和能力三個層面，其中思維是意識向能力轉化的關鍵[1]。隨著新一輪以“核心素養”為引領的教學改革不斷深化，作為六大核心素養之一的“實踐創新”，更加凸顯了“創新”的重要性。因此，培養學生的創新思維是當前教育領域一項重要任務。

近年來，思維可視化工具在小學階段已廣泛使用。然而，有些教師在使用工具時僅局限于使用“思維導圖”，并且僅用于梳理知識結構，未能有效促進學生思維的發展；還有些教師雖然讓學生以作業的形式做思維圖示，但將重點放在了藝術美觀層面上。針對大多數教師已意識到思維可視化工具的重要性但不知道如何設計和運用的問題，本研究以小學科學課程為例，探討如何利用思維可視化工具提高學生的創新思維，為小學教師提供思維可視化工具的設計思路與策略。

一、運用思維可視化工具培養創新思維的可行性

創新思維是在不能用原有方法對問題進行有效解決時，突破思維定勢與慣例，用新的方法和途徑去觀察、分析問題的過程[2]。思維可視化工具是將學生學習和思考的過程以圖示技術進行視覺表征的思維工具[3]。運用思維可視化工具可以為培養創新思維提供顯性載體、直觀圖像、互動平臺和整合手段。

1.思維可視化工具為創新思維提供顯性載體

思維可視化工具是現代教育和技術結合的產物，它為創新思維提供了一種顯性的載體。這些工具能夠將人們頭腦中難以捉摸的創意和想法轉化為直觀的圖形和圖像，使得原本隱性的創新思維得以顯性化，抽象的概念變得形象易懂，復雜的思考過程被具體化[4]，從而更易于理解和交流。通過運用色彩、符號、空間布局等多種視覺元素，這些工具以可視化、動態化、非線性的方式展示了思維的全過程，不僅有助于學生對知識的內化與遷移，還能有效激發思維潛能，促進創新思維的發展。思維可視化工具還可以展示學生的創新思維過程，并對其進行反思和改進。

2.思維可視化工具為創新思維提供直觀圖像

思維可視化工具以直觀展示復雜概念和思考過程的獨特方式，極大地促進了創新思維的激發。此工具可以利用色彩、圖形、結構等將復雜概念可視化，激發創新思維，是高效的信息傳遞方式。圖像化呈現能喚醒右腦深層思維，促進深度探討和創新碰撞，形成思維與圖像間的良性互動。利用思維可視化工具良好的建構性、直觀性和交流的互動感，可以將抽象、難以理解的創新思維具象為學生可以感知、易于理解的圖示等，作為支撐學生創新思維發展的載體。通過可視化工具中的關鍵詞和圖像的組合，可以激活右腦創新力，明確思考焦點。要發揮這些工具的作用，需結合具體情境精準應用，融合視覺元素和深度思考機制，有效提升學生創新思維技能。

3.思維可視化工具為創新思維提供互動平臺

思維可視化工具提供了一個自由、靈活且高度互動的平臺，以一種更加直觀和動態的方式思考問題，從而激發創意與創新。首先，可以利用思維可視化工具的靈活性，隨時重新組織、合并或分裂各個節點，這種靈活性有助于不斷調整和改進想法，從而推動創新思維發展；再次，思維可視化工具的無限延展性，能夠激勵用戶從一個點發散出更多想法，這種視覺化的呈現有助于尋找到更多關聯和創新的可能性。最后，思維可視化工具可以實現師生、生生之間的思維互動，集體智慧和多元觀點的融合是創新的重要源泉。

4.思維可視化工具為創新思維提供整合手段

利用思維可視化工具的關聯性思考能夠促進創新思維的整合。思維可視化工具可以通過視覺化方式促進思維的發散，其中心向外延展的分支結構支持從中心問題向外發散的思考模式。這種模式可以促進學生主動探索新概念的多個方面和層次，從而可能產生新的想法或洞見，學生通過分支的延伸，在不同概念、事實和想法之間建立連接。這種關聯性的思考方式有助于發掘不同思維之間的潛在聯系，是思維整合的有效手段之一。

總之，思維可視化工具可以在不斷使用的過程之中被學生內化，成為學生日后思考的常用方式方法，提高學生自己的思維能力。長期運用思維可視化工具，可以幫助學生形成系統的思考習慣，提高解決問題的效率和創造力。

二、運用思維可視化工具培養創新思維的著力點

為有效提升創新思維，設計思維可視化工具時應找準著力點。著力點的選擇可以從創新思維和思維可視化工具的分類中展開。創新思維是通過獨特的視角和方法來解決問題或實現目標。創新思維包括發散思維、辯證思維、形象思維、直覺思維、邏輯思維、橫縱思維這六種思維。其中，發散思維和辯證思維是創新思維的核心，如圖1所示。

思維可視化工具包括：概念圖、思維導圖、思維地圖、圖表（如條形圖、折線圖、餅圖等）、韋恩圖、六頂思考帽、SWOT分析、SCAMPER創新思維、魚骨圖、組織框架圖、時間線圖、Compass Points。思維可視化工具中的概念圖、思維導圖、思維地圖、圖表等包括多種子分類。相較而言，概念圖和思維導圖更為綜合，可以在一種工具中體現出事物的多方面關系[7]，思維地圖和韋恩圖則主要研究針對事物相關的一種思維邏輯[8]。

不同的思維可視化工具對思維的發展有不同的著力點。思維可視化工具的種類繁多，為了便于教師精準選擇促進創新思維的思維可視化工具，筆者深入研究不同思維可視化工具及子工具的不同特點、功能、結構、著力點等方面，結合創新思維要素的特征、培養要點，從思維可視化工具中篩選出能夠促進創新思維發展的工具。表1所呈現的十余種促進創新思維發展的思維可視化工具，可以方便教師選擇使用。例如，思維導圖的子工具——輻射型思維導圖具有發散性、邏輯性、直覺性等特點，利用這一工具對培養學生發散思維、邏輯思維、直覺思維等思維能力可以起到促進作用。教師可以依據創新思維的具體培養目標，依據此表選擇合適的思維可視化工具。

三、指向創新思維培養的思維可視化工具設計思路

1.設計原則

（1）以創新思維提升為目的

設計思維可視化工具應以培養學生創新思維為目的。思維可視化工具分類、功能較多，應選擇并設計能夠培養創新思維的工具。在設計思維可視化工具時，應以引導學生跳出傳統的思維模式，以更具創意和獨特性的視角來審視問題為目的。學生可以基于自己發現的新視角，積極探索解決問題的新思路和研究事物的新方法。學生將能夠在特定情境中實現對知識的創新性理解，并將其融入自己已有的知識體系中，從而使學生的邏輯思維和辯證思維能力不斷提升。因此，教師應考慮學生在不同學齡階段的思維發展進階性，設計相應的進階性應用工具。

（2）以學生發展特點為原點

學生發展是創新思維可視化工具設計的原點。教師設計時應做到以下幾點：第一，明確學生發展特點和知識基礎。教師要明確現階段學生身心發展特點，在學生已有知識基礎之上來設計創新思維可視化工具。第二，注意操作的可行性和思維進階的合理性設計。小學生在不同年齡階段的思維發展特點是不一樣的。因此，設計應用思維可視化工具時，需要考慮學生發展階段特點，確保工具的進階性和適用性。同時，為了滿足學生審美需求，激發學習興趣，教師也可以設計色彩豐富、美觀生動的思維可視化工具[9]。第三，以學生為設計主體，發揮學生主觀能動性。教師可以讓學生參與到思維可視化工具的設計中，學生會更有參與感，更能發揮主觀能動性。

（3）以科學問題解決為驅動

思維可視化工具應以解決實際科學問題為驅動。由于創新思維本質上是由外在動機驅動，或源于超越先前標準的需要[10]，以實際需求為基礎，因此基于實際生活的科學問題作為驅動尤為重要。“問題”對學生學習的漸進性起到引導作用，有助于提升學生的核心素養。首先，教師在創設問題情境時，可以聯系生活實際、學生感興趣的主題或跨學科問題。教師可利用學生面對問題時新舊知識矛盾的困惑，引導學生深入思考和探索，尋找解決方法。其次，問題解決可以以小組為單位，協作設計思維可視化工具，讓學生在解決問題的過程中相互學習，將問題解決的過程，以思維可視化工具為載體顯現。最后，以思維可視化工具作為評價的依據，通過對問題解決過程的記錄和呈現，可以對團隊成員的表現進行客觀評價和分析。

（4）以科學教學內容為依據

思維可視化工具作為科學教學的輔助手段，以教材內容作為信息傳遞的載體。將思維可視化工具融入教學設計中，不僅能幫助學生更好地理解并掌握基礎知識，也能通過這一工具的運用激發學生的科學創新思維。因此，在教學設計的每一個環節，教師都要緊密圍繞教學內容，結合學生當前的思維水平和認知需求，確保思維可視化工具能夠與學生的學習需求相契合，同時也能夠符合科學教育的規律和要求，做到自然、和諧地融入課堂教育教學之中，從而有效推動學生科學創新思維的不斷發展。

2.設計流程

思維可視化工具支持下的科學教學，能夠將思考問題的角度和解決問題的思路以符號的形式進行外顯，以工具簇的形式針對事物進行相對更為全面、具體的角度剖析。為使教師明確培養創新思維的思維可視化工具設計流程，筆者設計了如圖2所示的流程圖。此圖依據桑新民的“太極課堂”理念[11]，以圓環形順時針的方式構建模型，既能體現“教”與“學”教學相長、和諧共濟、互相轉化的關系，又能夠體現學生中心、教師支持、師生共建的課堂理念，并將學生活動作為設計的重要環節。為突出學生主體地位，將學生活動的圓形放在外圍，教師活動放在內圍。學生活動與教師活動的某些環節是相對應的，在設計模式時要體現兩者的對應關系。在課前，教師要明確工具的用途，對于課堂中要用的思維工具做到心中有數。隨后，在課堂教學環節創設問題情境，激發認知沖突。接著使用思維工具將思維顯性化，指導學生重新審視自己的思維過程，在審視回顧過程中，逐漸對知識有更深度的剖析，隨后可以借助工具輔助完成教師布置的變式習題，進一步鞏固深化，完成思維的內化與遷移。

3.設計案例

本研究以大象版五年級下冊第五單元第五節“我們的空投包”為例，為教師設計思維圖示提供參考。“我們的空投包”一課屬于“技術與工程”領域，需要學生運用所學的仿生學知識，自主設計并制作一個空投包。

在設計環節，教師可以先設置問題情境“如何為受災地區群眾投放救災物資”引出“空投包”這一主題。教師通過啟發性提問——“一個合格的空投包應該具有哪些功能”引導學生自主討論。由于小學生對形狀、顏色和形式的關注度較高，筆者設計“空投包的功能”花瓣—圓圈圖，如圖3所示，以心形代替圓形，為學生提供視覺新鮮感，激發學生的興趣。教師可以引導學生在花瓣圖的花瓣中填寫空投包的功能，之后進一步提問——“要想實現這些功能，應該怎樣設計空投包的結構”組織學生開展交流討論、頭腦風暴，可以以彩色便利貼的形式，將答案填寫在對應的小花瓣上，不僅可以使學生更好地理解功能與結構的關系，還能促進其發散思維的發展。

在挑選空投包的制作材料時，可以使用雙氣泡圖用來對比不同的材料共性與特性，以期獲得更加適合的材料。

在交流討論環節，教師帶領學生回憶制作過程并完成“六頂思考帽圖”。“六頂思考帽圖”中不同的帽子代表不同的角色，培養學生不同的思維方式，如黑色帽子關注學生問題識別以及對方案的批評和質疑的能力。教師通過提問——“你們在設計與制作的過程中遇到了哪些問題以及如何解決的”引導學生重新審視制作過程，培養學生的批判性思維以及問題解決能力。從不同顏色帽子的功能出發，完成對知識的鞏固以及培養學生從多角度進行思考的能力。

四、指向創新思維培養的思維可視化工具設計策略

1.理解創新本質，掌握工具內核

理解創新的本質和掌握工具的使用是提升教學質量和效率的關鍵因素。理解創新的本質意味著教師能夠洞察新思想、新技術背后的基本理念與運作機制，從而引導學生超越傳統學習模式，激發他們的探究精神和創造力。理解并掌握思維可視化工具的相關理論是有效進行工具設計的前提，教師需精通其功能、類型、設計手段及適應內容，以便在課堂教學中精準應用。同時密切關注學生課堂反饋，實時監測使用可視化工具的教學效果，以此驗證教學設計的適用性。遇到問題時，及時與其他教師交流求解，靈活調整教學方案，確保教學設計與時俱進并契合實際需求。

2.遵循發展階段，設計適切工具

設計思維可視化工具應當依據學生發展階段，確保適切性和遞進性。首先，設計思維可視化工具時，須遵循學生發展階段的特點，確保工具的適切性和遞進性。其次，低年級階段不宜過早引入復雜邏輯訓練，高年級階段則應利用學生已積累的知識基礎，指導他們進行更深層次的思維探索。再次，針對不同難度的思維可視化工具，教師應遵循由易到難的教學原則，逐步引入新的工具類型。最后，在策劃和設計思維可視化教學工具時，需要緊密貼合學生思維發展特性，設立清晰的教學目標，創造出既易理解、操作，又能促進其思維能力進步的教學手段。教師在設計思維可視化工具時，應尊重學生認知規律，有效推動學生思維能力提升。

3.注重學生參與，促進師生互動

運用思維可視化工具重新定位師生角色，能夠更好地凸顯學生的主體地位。第一，教師在課堂上，注重讓學生全程參與對思維可視化工具的設計與制作，既可以讓學生獨立完成，也可以小組內協作，幫助學生在探究中發現問題，解決問題。第二，教師鼓勵學生大膽提出個人觀點，這樣有利于產生多元創意成果。第三，利用思維可視化工具的互動功能，可以實現師生、生生之間的思想交互，進一步提升教學質量和學習效果，不僅有利于提高學生的思維能力和創新能力，還可以促進教師和學生之間的互動、交流。

4.運用技術手段，創新學習方式

運用信息技術手段可以為學生構建一個更加高效、互動和個性化的學習環境。在技術支持下，思維可視化工具可以為學習者自主建構知識提供思維策略和方法，通過引導和優化學習者內部思考來提升學習者的思維技能[12]。教師可利用CmapTools、Xmind、WPS思維導圖等軟件制作思維圖示，這些工具相比手繪而言，更加便捷、高效、靈活、多樣。同時，引導學生使用這些技術工具，參與集體討論與思維共建。在條件允許的情況下，通過電子書包實現在線協作式的思維可視化，打破傳統時空限制，增強學生自主與選擇權，滿足個性化學習需求。

5.動態呈現工具，激活思維顯現

利用動態化的思維工具，能有效促進學生思維的顯現過程。教師在展示思維圖示時，通過動畫設置將靜態的思維地圖變為動態形式，清晰地展現思維顯現化的過程。這樣的思維可視化工具讓復雜、抽象的知識變得直觀易懂，有助于學生深入理解知識并培養思維能力。因此，在學科課堂上，動態思維工具得到了廣泛應用。隨著現代教育技術的迅猛發展，信息化教學已成為教育教學活動的重要趨勢。教師可以借助信息化手段，利用Flash、來畫、Focusky等動畫制作軟件，達到更好的教學效果，從而增強師生互動，營造積極的課堂氛圍。這些生動有趣的思維工具不僅有助于學生深度理解知識內容，更能激發他們的學習興趣，活躍思維。

本研究以小學科學為例，提出培養創新思維可視化工具的設計分類、設計思路和設計策略，旨在為不同學科背景的教師在設計思維圖示時提供參考借鑒。在后續研究中，筆者會通過實證的方式進一步驗證思維可視化工具設計在提高學生創新思維中的有效性；研究思維策略工具如何更好地與思維可視化工具的結合，發揮出思維工具更大的價值；探索思維可視化工具如何設計能更好地促進批判性思維、創造性思維等高階思維能力的發展等，為學生思維能力提升做出努力。

參考文獻

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[12] 趙國慶，段艷艷，趙曉玉，等.面向智慧學習的認知工具與思維工具[J].現代遠程教育研究，2022，34（03）：96-103.

[作者：賀玉婷（1987-），女，河南平頂山人，河南大學教育學部，博士生；蔡建東（1974-），男，河南汝南人，河南大學教育學部，教授，博士生導師。]

【責任編輯? ? 鄭雪凌】