大單元視角下小學科學思維可視化教學探索

在科學探索的道路上，人們需要以宏觀的視角去理解和解讀復雜的現象。教學革新就是讓學生不僅掌握知識，而且運用知識解決生活中的復雜問題。此背景下，小學科學教育正面臨著一次變遷。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）對科學知識內容進行了深度整合和優化，同時強調了培育學生核心素養，尤其是科學研究和科學學習所需要的觀察、思考與實踐等關鍵能力。然而，教師以傳統模式教學難以滿足新的需求——抽象的科學理論對于小學生來說難以理解，而單一的實驗教學又無法激發他們的探索興趣。如何將科學知識以更直觀、生動的方式展現給學生，成為教育工作者亟待解決的問題。大單元視角下的可視化教學在這一背景下應運而生。教師利用圖形、圖像、動畫等多種視覺元素，將抽象的科學原理具象化，使學生在觀看和互動中理解和掌握知識，將極大地提升學習興趣和學習效果[1]。為探討思維可視化工具在教學中的應用原則，尋找學生科學思維的培養之路，筆者以“增加船的載重量”等內容為例，將可視化工具應用于不同情境使之發揮應有的作用，優化教學方式，提升教學的親和力、可操作性，從不同角度和維度促進學生深度思維，讓學生有效參與高階思維活動，提升認知水平。

一、大單元視角下思維可視化教學設計的原則

（一）關注學生，多維培養

讓學習真正發生的實質是讓思維看得見。教師設計大概念統領下的大單元教學，要反映學生內在思維發展情況，設置的教學目標應有助于每個學生學習并發展他們的潛力。學生在學習中找到興趣，有利于激發他們的積極性和主動性。教師應設計多元化的課程內容和活動，在前概念、單知識、多點聯系、拓展上升、遷移發展之間建立聯系，通過可視化的思維操作，培養學生多方面能力。

（二）精煉知識，深度發展

在學生學習進階過程中，大概念的指向是不變的，變的是概念水平。大概念的學習如同“滾雪球”，學生只有對知識理解得越深刻越透徹，才能將“雪”滾得越多越精確，這也是教師開展大單元教學的目標[2]。教師利用可視化技術以畫圖、列表等形式呈現學生潛在的思維過程，有利于學生記憶知識、深化理解，提高思維水平。

（三）把握方向，提供支架

教師開展單元教學時，應同時運用“望遠鏡思維”和“放大鏡思維”。就大單元設計而言，“望遠鏡思維”就是向外擴展，讓知識之間形成迭代結構，便于學生進行多學科聯結學習；而“放大鏡思維”則是向內深挖，將大單元的知識構建成“概念地圖”[3]。教師要盡可能利用思維導圖、概念圖等工具對知識點進行拓展，使知識從抽象變得真實可見，使思維走向深層化、科學化。

二、大單元視角下科學思維可視化培養的工具與應用方法

思維可視化工具的用途是將思維形象化、可視化[4]。思維可視化數據往往是形成性評價及定性評價中最珍貴的資料。教師在教學中，可以利用以下方法對學生開展思維可視化的培養與訓練。

（一）應用氣泡圖發散思維

氣泡圖是思維導圖的呈現方式之一，教師可用其將中心主題與子主題以圓圈形式聯系起來，有助于增強學生學習效果。數字時代，師生可使用在線繪圖工具如Mindomo、Coggle或Lucidchart，便捷地創建和編輯氣泡圖（如圖1）。這些工具為師生提供了友好的交互界面和豐富的模板，使繪制工作變得簡便。數字平臺支持學生實時對氣泡圖進行共享與協作，也支持教師邀請學生共同編輯，提高互動與參與度。此外，數字氣泡圖能輕松嵌入圖片、視頻和鏈接，使內容更豐富、直觀。隨著課程深入，學生可以輕松修改和更新氣泡圖，不斷添加新知識或調整布局，展現其靈活性和動態性。氣泡圖的應用為師生提供了更廣闊的空間，促進了師生HV/49Ni9js7GSm2jeFi2bQ==互動和學生的個性化學習。

（二）智用橋形圖發展類比思維

橋形圖作為一種視覺輔助工具，它能夠清晰、直觀地呈現不同事物之間的聯系，通過明確的關系構建，幫助學生深入理解并把握抽象概念之間的內在關聯。教師可以利用橋形圖，引導學生逐步探索事物的規律，加深對科學知識的理解，促進應用。在數字化教學環境下，學生可將繪制的橋形圖實時上傳至平臺（如圖2），使學習行為延伸至課后，進一步激發學生的深入思考和學習熱情，實現學習效果最大化。

（三）利用圓圈圖梳理概念

圓圈圖就是大圓套小圓（小圓在中心）形成的圖景。教師將核心主題放在小圓中，在大圓空白處放與小圓相關的內容，通過提供相關信息來展示主題相關的知識，讓學生用文字或畫圖、其他標志等方式來表達其理解。例如，教師可以利用交互式電子白板及其內置的圖形工具輕松繪制圓圈圖基礎結構，并調用資源庫中的素材充實圖表內容，如拖曳相關圖片和視頻至圖中空白處。大部分交互式電子白板能支持學生使用觸控筆或手指參與編輯，允許實時添加內容，如不同船舶的圖片、對結構的描述文字。交互式電子白板的應用顯著優化了圓圈圖的教學應用場景和效率（如圖3）。

（四）借助流程圖提高執行力

教師科學運用流程圖，借助箭頭的指引，可幫助學生明晰學習順序和邏輯關系，使其思維更加有序。教師結合運用實物投影技術，可同步展現流程圖與實際操作，讓每個學生直觀感受每一步的變化與結果。這不僅能夠提升學生的參與熱情，而且能加深他們對制作流程和技巧的理解。同時，流程圖的應用還為學生提供了表達思維過程的平臺，有助于他們更加深入地探討和分享學習心得。

（五）運用數據圖深入分析數據

數字化教學形式越來越豐富，在創設情境、多重交互、自主探究等方面給學生帶來豐富、立體、直觀的學習體驗，便于學生理解知識。數據圖能在各環節中進行融入，以有效提高教學效率。例如，在實驗教學中，筆者利用電子表格迅速采集數據，利用圖表工具，快速地展現實驗現象的變化情況，讓學生加深理解，進而輕松解決重點難點問題。

（六）巧用魚骨圖展現思維過程

理論上講，教師對任何一節科學課都能設計合理的學習記錄單并有效運用。但是，很多教師授課時忽視記錄單的作用。筆者設計合理的學習單，直觀地記錄和呈現學生的學習過程及觀察過程，使抽象概念具體化。在設計制作活動中，筆者利用魚骨圖（如圖4），引導學生全面理解原理與過程，整體把握設計思想，形成深度學習路線，并向高階思維遷移。

三、大單元視角下思維可視化教學實踐

筆者以五年級“增加船的載重量”這節課為例，談如何在教學中開展思維可視化教學。

（一）基于大單元教學設計內容和學情分析確定教學方法

經過前面幾課的學習，學生體驗到了船的材料的演變是一個不斷優化與改進的過程，并且了解了將材料做成中空能改變船在水里的浮力，從而使材料能更好地浮在水面上。從本課開始，學生要根據船舶在生產生活中的需要進行設計和制作，從而解決載重量、穩定性及持續動力等技術問題。

真實生活中船舶的體積是難以計算的。五年級的學生剛剛學完體積計算方法。本課，筆者引導學生將船模做成方形容器（降低難度），讓學生用數學知識開展跨學科學習，同時為本課最后的拓展指向船艙的思考做好鋪墊。

筆者將本課的教學重點確定為指導學生制作船模（方形容器）使其發現船的載重量和船的體積有關，難點是根據測試結果不斷改進容器形狀和結構，以有效提高船的載重量和穩定性。本課科學思維的培養方法是，讓學生根據自己的假設，設計出不同底面積的容器，并計算各容器容積，根據最終測試結果，解決實際問題，找出影響容器載重量的因素。

（二）基于思維可視化的教學流程

筆者結合“增加船的載重量”的教學實際，設計了旨在推進學生思維可視化的教學流程（如圖5）。

（三）教學過程

1.課前導入

筆者創設情境，讓學生觀看關于我國最大載重船舶的視頻，繪制氣泡圖并上傳匯總到交互式電子白板平臺，分析哪些因素影響輪船的載重量。

2.分享討論，聚焦問題

學生展開頭腦風暴并匯總信息，在平臺上展示氣泡圖，了解到影響船的載重量的因素有很多。他們將其中的幾個因素進行匯總，總結出體積、船舷高、底面積這三個因素會影響載重量。此環節，筆者引出學生思維的開端。學生展現頭腦風暴式的氣泡圖，便于筆者在課堂導入時了解學生的學習狀態及學習深度，進而在學生已有認知基礎上調整課堂教學深度與難度，促進學生思維能力提升。

3.出示任務，設計方案

筆者提供相關材料（12 cm×12 cm鋁箔紙若干、代表載重量的墊圈、水槽、尺子、記錄表等），組織學生分組討論，讓他們選擇其VqfR8fkxhsBT3qMCGE19txctZZ1td1rVH0FpVi1l8ws=中的一個因素制作三只船模（方形容器）來研究船的載重量，討論后設計關于探究容器載重量與某一因素有關的實驗流程圖。學生按照流程圖，設計實驗方案。

（1）組間交流，達成共識

小組分享關于方案設計的流程圖，簡單明了展示自己小組的設計方案，上傳至交互式電子白板平臺，讓其他小組給出修改建議，最終確定小組的設計方案。

（2）確定方案，設計船模

學生觀看關于制作容器的視頻，將12 cm×12 cm鋁箔紙設計成容器的尺寸，運用數學方法盡可能列舉出來（見表1），根據自己所選擇的影響因素確定3種容器的設計方案。

（3）測試小船，記錄結果

學生對制作好的容器進行測試，將測試結果記錄在表格中。表格數據能清楚地反映實驗過程。

方案設計是本課的重難點。各組學生要充分討論，深入思考，驗證實驗方案的可行性。流程圖的應用有助于學生思維廣度的可視化，如要實現思維深度的可視化，學生需要經歷“設計—制作—測試—改進”的過程。設計容器尺寸涉及數學換算知識。筆者給學生一定的時間思考，讓他們將容器設計的尺寸盡可能多地列舉出來，使其思維以數或圖的形式展示出來，最終攻克難點。

4.分析數據，研討問題

（1）數據匯總，綜合分析

各組將實驗驗證的數據匯總到電子表格中，先生成可視化的圖表，再綜合分析。

（2）觀看小組制作過程，分析方法

筆者將學生有疑慮的幾個數據以實物展臺方式再次展示，讓學生直觀地看到實驗過程，對實驗操作進行對比分析。

5.歸納知識，得出結論

筆者將學生的探究情況進行匯總，引導學生歸納得出結論：影響載重量的因素有船的容積，船的容積越大，載重量越大。

此環節，筆者利用表格數據與直觀的柱狀圖（見表2），使結果可視化，降低理解難度，使得知識的形成水到渠成。同時，培養了學生的綜合分析能力。

6.思維的過程性歸納：拓展延伸，提升思維

（1）模擬生活，拓展知識

筆者出示生活中的多種貨物，讓學生思考其中的圓形貨物，對學生想到的情況進行匯總，使其認識到船的穩定性會影響船的載重量。

（2）討論改進，知識遷移

筆者讓學生結合他們繪制的流程圖，分組討論并改進方案，結合討論的結果將其思維過程展示出來。

（3）觀看生活中船艙的利用

此環節是對課堂教學的拓展。筆者為學生展現了滾動的貨物裝載過程，引導學生思考如何提高載重量。筆者用這個看似簡單的例子，引出船的最大的部件——船艙。提出問題，記錄學生答案，是將學生的思維可視化的過程，有助于他們深化認知，解決問題。本環節筆者引導學生將知識遷移到生活中，根據思維情況進行有效調整，使先前錯誤的想法得以糾正，也使得學生習得大概念的知識體系越來越完善。

筆者于2022年9月至2023年6月，對五年級4個班進行了思維可視化培養教學改革實驗，將（3）、（4）班作為實驗組，（1）、（2）班作為常規組。通過對學生從實驗后的測試成績、調查問卷、課堂觀察、教學報告分析數據、學生的作品情況等方面進行定量與定性分析，發現接受可視化教學的班級學生知識掌握程度普遍高于普通班。實驗組95%的學生對基礎知識的掌握程度極高，特別是在作答實驗操作題上表現突出。對于提出問題、作出假設、設計方案、驗證方案、得出結論這些開放度較大的題，實驗組學生完成正確率高達98%。結果表明，學生接受這種思維可視化的培養使其發散思維得到了增強，促進了思維能力向高階發展。

在大單元教學中，筆者利用思維可視化工具培養學生的思維可視化，降低了概念理解難度，使學生的學習興趣得到提高。教師開展大單元教學，要學會利用多種可視化工具實現學生思維可視化，使學生的思維有效地在課堂上展現，并且在教學中創新應用可視化工具，為高效教學提供支撐，如借助增強現實技術（AR）優化學生體驗，不斷開闊可視化的新天地。

參考文獻

[1] 岑健林.可視化教學的研究與探索[J].中國教育信息化，2022（7）：41-49.

[2][3]劉薇.大概念教學：素養導向的單元整體設計[M].北京：教育科學出版社，2022.

[4] 吳志敏.思維導圖在高一化學課堂上的應用[J].科教導刊（下旬），2017（27）：136-137.

（作者系廣東省佛山市南海區桂城街道燈湖第五小學高級教師）

責任編輯：祝元志