基于思維可視化的小學科學教學策略探析

厲軼

策劃人語

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，科學課程要培養的學生核心素養，主要是指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，是科學課程育人價值的集中體現，包括科學觀念、科學思維、探究實驗、責任態度等。教學實踐中，教師應怎樣設計符合學生發展的科學教學活動，更好地激發學生學習科學的興趣和熱情，全面提升學生的科學核心素養？本期《特別關注》刊發一組文章對此展開研究，以期為一線教師開展科學教學提供參考和借鑒。

【摘 要】科學思維是科學探究教與學的核心，將隱性的科學思維過程與科學思維方法進行可視化呈現，是培養學生的科學思維、促進學生深度學習的有效途徑之一。在小學科學教學中，教師可以通過學生前概念、學生思維進展和學習效果可視化等途徑，實現科學思維可視化，從而培養學生的科學思維能力，提升他們的思維品質，幫助他們建立起一個完整的思維體系。

【關鍵詞】小學科學 思維可視化 教學策略

科學思維是科學核心素養的重要內容，培養和發展學生的科學思維是有效落實新課標的關鍵。但是傳統的科學探究教學往往只注重培養學生的實踐技能，忽略了培養他們的創造性思維能力，從而使得他們很難真正理解科學探究的本質。因此，在實際教學中采取行之有效的教學策略改變當前科學思維培養的“窘境”尤為重要。

思維可視化的教學策略，是針對當前科學思維培養現狀而提出的教學策略。通過可視化策略，將學生的抽象思維方法、思維路徑等進行直觀呈現，有利于教師及時把握學生的思維動態，了解學生的思維過程和思維方法，從而有針對性地組織教學活動，提高學生的科學思維能力。本文圍繞科學思維可視化，以“可視思維”與“出聲思維”為研究基本點，提出教學策略。“可視思維”，即在探究過程中，將抽象事物具體化、形象化、直觀化，促進學生觀察與反思。“出聲思維”，即將抽象的、簡單的思維過程通過語言表達出來，促進學生理解、表達、推理、論證、分析、比較、綜合等方面的思維發展。

一、找準科學探究的前奏：學生前概念可視化

科學探索活動應以學生已有的認知結構為起點，也就是說，從概念出發。在進入科學世界之前，學生已經深入探索大自然，積累了豐富的實踐經歷、間接體驗，這些都構成了他們對自然界的認知，即學生的前概念。前概念往往具有碎片化、隱蔽性、差異性等特點，教師只有通過一定的教學策略將碎片化、隱蔽性和差異性的前概念外顯，實現前概念的可視化，也就是思維可視化的第一步，才能有利于學生調取并正視自身已有的認知，從而在后續學習中調整認知結構，建立與科學概念一致的新認知模型。

教師可通過畫圖法、問卷法、談話法、演示法、情境法等多種可視化方法充分暴露學生的前概念。以教科版科學四年級上冊“食物在口腔里的變化”一課為例，口腔對于學生來說并不陌生，教師可以在課前設置調查問卷，讓學生了解牙齒的種類，并畫一畫或寫一寫不同類型的牙齒。從學生的課前問卷中發現：學生對牙齒的分類標準并不是很清楚，甚至有些學生把乳牙、恒牙、蛀牙等都歸到了牙齒的種類之中。恒牙、乳牙是根據牙齒保留時間的長短來分的，而門齒、臼齒、犬齒是根據牙齒功能和位置來分的。因此在教學中，教師設計的探究活動的核心就是根據牙齒的功能和位置來分類，直面學生前概念的根源問題。

二、把握科學探究的時機：學生思維進展可視化

在新概念構建與完善的過程中，學生往往明白了探究的整體方向，卻缺乏明確的探究方式和精細化的思維路徑。教師可以通過提出明確問題、制作記錄單、使用圖表、填寫表格等方法將隱性的思維進展可視化，從而更好地收集、分析學生的思維痕跡，深入了解他們的思維發展情況，并根據實際情況靈活調整科學探究的時機，以激發學生積極的思考。

（一）基于“問題串”的思維可視化

在小學科學課堂教學中，“問題串”是一種引發學生思考和互動的教學方法。通過提出一系列相關問題并鼓勵學生進行思考和討論，可以為學生搭建具有層次性、環環相扣、螺旋式上升的思維支架，使學生在分享、交流、質疑和辨析中將內在的思維外化，實現“出聲思維”的可視化發展，并促進學生之間進行思維碰撞，激發學生的學習積極性。如教科版科學三年級上冊“壓縮空氣”一課，教師可通過設置一連串的問題激發學生的思考，實現學生的“出聲思維”可視化：

1.從學生玩常見的氣球引入“如何玩注射器”，給其中一小組一個秘密武器——橡皮塞，暗示玩的方法。學生經過玩，發現空氣被壓縮時空間變小，空氣被拉伸時空間變大。（指向概括思維）

2.如果往注射器中裝水和沙子，會如何？（指向推理思維）

3.為什么空氣容易被壓縮，而水和沙子不容易？引出空氣是由“微粒”間構成的。（指向比較思維）

4.壓縮和拉伸注射器時，空氣“微粒”如何變化？引出易錯的知識點：空氣“微粒”的多少不會改變，改變的是“微粒”間的距離。最后通過模擬實驗來升華學生對“空氣易壓縮”本質的理解。（指向推斷、概括思維）

在此過程中，學生將“空氣易壓縮”這一概念逐步構建起來，并通過語言表達自己的思維，使概念構建的思維過程有跡可循。

（二）基于“數據分析”的思維可視化

數據分析是培養學生科學思維和實踐能力的重要手段。通過對實驗數據的分析，學生可以學習如何觀察、記錄、整理和分析數據，還能培養獨立的科學思維和實踐技能。因此數據分析的過程，也是學生解決科學問題的過程，更是學生思維發展的過程。通過可視化教學策略，如采取數字化方式進行探究，利用圖表記錄數據、語言表達或呈現數據分析路徑等，使數據及其分析過程清晰地呈現在學生面前，并通過深度研討提高探究的思維含量，能夠有效提高學生科學思維鍛煉的效能。如教科版科學六年級上冊“不簡單的杠桿”一課，教師設計了用固定的小石塊，以木板作杠桿，撬動和移動大石塊的任務，希望學生在使用杠桿的過程中體驗、感受杠桿在什么情況下是能省力的。對于六年級的學生而言，比較手指用的力和小石塊的重量，不是很科學也不是很準確。因此筆者對這個環節進行了改進：用彈簧壓力計代替手指的力。這樣，通過以上活動，學生親歷了“數據讀取可視化—數據比較可視化—數據歸納可視化—規律總結可視化”的流程，使學生對“杠桿的省力情況”這一認識從感性上升到理性，探究過程從定性延伸至定量，以此實現數據分析的思維可視化，提高學生的思維水平。

（三）基于“模型構建”的思維可視化

模型建構作為一種認識手段和思維方式，簡單地說就是把抽象的、看不到的、內化的思維流程建立成一個可以看見的、具體可感的認知模型。借助模型，可以幫助學生樹立系統的思想，明確模型系統內各個結構的相互關系及變化過程，特別是小學科學中部分研究對象具有時間和空間上的復雜性，如地球公轉、地殼運動等難以在課堂上直接進行研究，模型構建可將此類探究直觀地呈現在學生面前，實現探究過程的可視化。如“壓縮空氣”一課模擬空氣微粒這一環節，空氣微粒這個知識比較抽象，教師通過讓學生展示自己的空氣微粒模型，將學生思維可視化，有效暴露學生的前概念，一種是微粒間的距離變化，另一種是微粒的數量變化。到底是哪種變化呢？通過設計方案、尋找證據、檢驗假設，逐步培養學生的證據意識和孜孜不倦的科學探索精神。實驗后學生修正模型，至此完成對現象和現象原因的建模。研討環節，教師可以結合教學內容為學生搭建游戲場，把教室過道設置為“注射器”，自己作為“活塞”，讓全體學生化身為“空氣微粒”，親身體驗“空氣能被壓縮”與“壓縮空氣有彈性”的現象。在輕松愉悅的探究過程中，學生既豐富了對壓縮空氣的感性認識，又培養了解決問題的實踐能力。在此過程中，學生科學探究的興趣得到了有效激發。

三、善用科學評價機制：學生學習效果可視化

評價是教學的有機組成部分，有效教學需要評價的支持。在一般教學過程中，教師通常選擇作業作為學生學習效果評價的主要方式，但是由于缺乏多樣性和全面性，這種方式往往會導致評價結果偏頗。《義務教育科學課程標準（2022 年版）》強調，應該充分利用多種多樣的評價方法，以達到更加精準、有效的評價效果。為了提高學生的科學核心素養，教師應當使用各種不同的評價方法對學生的學習效果進行評價，以實現學生學習效果的可視化。

（一）基于課堂反饋的學習效果可視化

課堂評價是根據學生的學習結果對課堂教學過程進行評判。教師可以從學生學習活動中的學習興趣、思維投入程度、學習的主動性等方面來判斷學生的學習效果，檢驗學生的科學思維能力、知識理解水平和實驗操作水平。

如在“食物在口腔里的變化”一課中，在研討環節，教師引導學生利用當天所學的知識給幼兒園的小朋友制作一個牙齒模型，通過呈現牙齒模型和評分表來檢驗本節課學生的學習效果，實現了學習效果的可視化。

（二）基于圖示工具的學習效果可視化

使用圖表工具是衡量學生思維發展最有效的方式，這樣教師就可以更好地了解學生的思維情況。通過全面而準確地展示學生的思維過程，可以有效地提高他們的思維能力，并且可以擴大他們的思維范圍和拓展其思維深度。如“食物在口腔里的變化”一課，教師從學生的前概念出發，通過“實際觀察（用鏡子觀察吃餅干等活動）—閱讀修正前概念”，幫助學生完善和修正對牙齒模型的認識，最后以“畫廊漫步法”分享和展示學生的學習成果，在研討、分享中促進學生科學思維的發展。

在完成單課或某一單元的學習后，教師可指導學生繪制概念圖或思維導圖，使學生將“點”狀的思維逐漸變成“框架”式，彼此聯系，建立自己的知識體系。在繪制思維導圖的過程中，學生需要不斷回憶科學研究過程，梳理相關聯的概念，形成可視化的思維圖表，培養思維的條理性、邏輯性，以此促進學生學習效率的提高。

（三）基于特定探究情境的學習效果可視化

科學來源于生活，也將更好地運用于生活。通過課后延伸拓展，學生可以更好地理解和運用課堂上學到的知識，這不僅可以提高他們的科學思維能力，而且還可以讓他們更深入地探索和實踐科學知識，從而更好地掌握新的技能。經過一段探索性的學習，教師應該設計一個更具有挑戰性的情境，讓學生更好地運用自己所學的科學知識、思維方式、實踐技能，從而更好地完成探究任務。如教科版科學三年級上冊“空氣占據空間”一課，教師創設情境：“烏鴉喝水”大家都熟悉吧，誰能分析一下烏鴉為什么能喝到水？引導學生利用所學知識解決實際問題，發掘其中隱藏的思維軌跡，以此對學生的學習效果進行評價。

又如“壓縮空氣”一課，在學生已經知道“空氣能被壓縮，壓縮空氣有彈性”的科學概念的基礎上，教師通過“皮球模型、水和沙子的壓縮實驗”等進行拓展，加深學生對知識的理解，實現知識的遷移。課堂以解決生活問題為中心，讓學生的思維沿著不同方向、不同角度向外擴散。生活場景的引入巧妙地打開了學生的生活世界，激發了學生對書本外的世界的好奇心和探究欲。

總而言之，小學科學課堂應體現“生本課堂、學為中心”的思想，努力從學生的角度進行思考和探索，嘗試著給學生不一樣的學習認知，為學生提供更加全面的科學學習思維可視化操作，改變教與學的方式，真正促進學生科學核心素養的提升。

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