探究可視化學習

〔摘 要〕 可視化學習是一種將抽象概念以直觀、形象的方式呈現出來的教學方法，它在科學教育領域具有顯著的促進作用。本文探討了可視化學習在科學教學中的應用，包括知識可視化、思維可視化和數據可視化三種主要類型。通過善用圖表、運用思維導圖以及建立具有“獲得感”的評價機制，可視化學習不僅能夠激發學生的學習興趣，幫助其構建知識網絡，還能優化教師的教學設計，并提高學生的元認知水平。

〔關鍵詞〕 小學科學；可視化學習；探究

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2025） 02 025-027

一、什么是可視化學習

“可視化”翻譯自英文“Visualization”，原意為“形象化的、展現清晰的”。通俗意義上的可視化，泛指將抽象的概念、數據或符號，通過特定的方式表現得更加直觀。但實際上，任何抽象的內容在教學中被形象化地表現出來，都可以稱為可視化。

在國內，很多學者和教師都做過可視化的探索，將其和教學結合起來，并應用在不同的學科中。相較于學習過程的可視化，知識的可視化是運用得最多的。因為學生接觸的很多知識內容都是復雜抽象的，這些知識需要更加具體、形象地呈現出來。因此，可視化手段被用來構建、傳達和表示復雜知識。除了知識學習，學習過程的可視化也是學者和教師探究的重點。以我國義務教育階段小學科學為例，科學探究的總目標之一，就是讓學生理解和掌握分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、推理、類比等思維方法。這一切能力的發展，都是與思維掛鉤的。但書中大量的教學內容及其表述，都只是對科學知識的講解和演繹再論證，獲得這些科學知識和科學方法的過程被隱藏了。即便有些內容可以體現知識的背景，但教學目標的達成卻又存在一些難度，并且缺少學生原生態的思考過程。要解決這個問題，教師就要學會用學生的思維方式去思考，在教學時，要嘗試完整還原、暴露、展示科學思維的過程，可以是文字、圖表，也可以是“可視化”的思維方式。當然，這只是可視化的實現方式之一。科學教學是一種充滿思維活動的教學，教師在課堂活動中，只有按照學生的思維發展過程和教學規律流程引導學生，才能幫助其形成良好的思維能力和素質。

二、可視化學習的類型

可視化學習的方式有很多，最常見的可視化學習包括：知識可視化、思維可視化、數據可視化。

（一）知識可視化

知識可視化是指可以用來構造、傳達和表現復雜知識的圖形化、圖像化手段。最簡單的形式為展示一些知識配圖，從而幫助學生理解。除了傳達事實信息外，知識可視化的目標是幫助學生重構、記憶并正確應用知識。

信息技術的發展給知識可視化提供了很多方便。以前，一本教材、一支粉筆教完一節課；現在，一個課件、一支翻頁筆，同樣教完一節課。但如果把可視化的策略融入其中，效果就大不一樣了。課件上的圖片、視頻、圖表等資源都屬于知識可視化的基本表現工具，而概念圖、模擬實驗、虛擬現實等一些依賴信息技術的手段，則為教師提供了更多的方法和更豐富的教學資源。

（二）思維可視化

思維可視化是將原本不可視的思考（思考方法、思考路徑等），利用一系列圖示技術呈現出來，使其清晰可見。通俗地說，就是將大腦中的思考“圖示”出來的過程，這能夠有效提高信息處理效率和信息傳遞效率。比較典型的可視化圖示包括在數學和科學學科中應用非常廣泛的概念圖、思維圖、魚骨圖等。如何正確使用這些圖示工具非常關鍵，若要正確選擇這些圖示工具，并最大化地發揮它們的效用，就需要了解它們的用法。以思維導圖為例，思維導圖是一種可視化、非線性的思維工具，它的效果之一是促進思維的整理。思維導圖不僅要求將所獲得的知識用圖示呈現出來，還講究一定的繪圖方法和設計技巧，如何圖文并茂地呈現思維導圖，將各層次、相互聯系的知識用各種元素完整清晰地呈現出來有很大的學問。

（三）數據可視化

數據可視化，是將需要研究的數據，以某種方式更加直觀地呈現出來。這種直觀的展示方式對于科學教育尤為重要，因為它能夠幫助學生從大量數據中迅速識別模式和趨勢。這不僅提高了學生對數據的敏感度，也鍛煉了他們的分析和解釋能力，從而更深入地理解科學原理和方法。

三、可視化學習推動科學學習的策略

科學學習非常關注學習效能，可視化學習的一些策略在科學學習效能方面具有重要推動作用。

（一）善用圖表

在科學實驗中，對數據的分析能力是舉足輕重的。學生在科學實驗中經常需要搜集數據，有的實驗較為簡單，數據較為簡單，直接就能看出因果規律。而當遇到需要長時間觀察記錄的實驗，面對繁多的實驗數據，學生有時會束手無策，很難一眼看出背后的規律。此時，如果能夠運用一些可視化的手段，如用構建圖表的方法，將數據用更加直觀的方式呈現出來，學生一定能更容易找到隱藏在背后的科學規律。這種分析數據的方法也能讓學生感受到將數據可視化的力量，并將這種學習方法延伸到未來的學習生活中去。

以蘇教版科學四年級上冊《彈力》一課為例，本課的教學目標是探究彈力的特性。教材中給出了用鉤碼拉伸彈簧的實驗，先測量彈簧的原始長度，之后逐步增加彈簧下方鉤碼的數量，由此發現外力是影響物體彈力的原因。但對于“拉力大小與彈簧長度成正比”這一規律，學生通常會忽視。因此，我們可以讓學生記錄不同鉤碼下彈簧的伸展長度，將這些數據繪制成散點圖，橫軸表示施加的鉤碼數，縱軸表示彈簧的伸展長度。通過這種方式，學生可以直觀地觀察到拉力與彈簧伸展長度之間的線性關系，從而理解胡克定律，即在彈性限度內，彈簧的伸展長度與施加的力度成正比。

再如四年級下冊測量“冰的融化溫度”實驗，因為沒有標準的實驗室環境，實驗很難獲得一個穩定的融點溫度。但如果將所獲得的溫度數據用圖表畫出來，就可以發現冰在融化時，存在一個“平臺”，溫度圍繞這個“平臺”來回波動，也就獲得“冰在融化時溫度保持不變”的猜想。利用圖表呈現數據，直觀性強，學生不僅觀察起來更便利，對實驗結論和相關知識點的記憶也更深刻。

（二）運用思維導圖

思維導圖是一種強大的可視化工具，它可以幫助學生以圖形化的方式組織和呈現信息，從而提高學習效率和記憶能力。在科學學習中，思維導圖可以用于概括概念、整理知識點、規劃實驗步驟，以及整合不同主題之間的聯系。繪制思維導圖的一般路徑是：確定中心主題（選擇一個核心概念或主題作為思維導圖的中心）；創建主分支（從中心主題向外延伸出幾個主要分支，這些分支代表與中心主題密切相關的子主題或概念）；添加子分支（在每個主分支下，添加更具體的子分支，可以是定義、特征或相關的例子等）。在繪制過程中，可以用不同的顏色、符號、圖像來表示信息，當某些分支存在聯系時，可以用線條將它們連起來，顯示它們之間的關系。

以蘇教版科學六年級下冊《節能小屋》一課為例，教學目標是運用所學知識，建造一座長、寬均為21厘米，高為17厘米的南北朝向且南北都有窗，墻的厚度不超過1厘米的節能小屋。根據夏天高溫天氣時，冷水溫度上升速度來評價得分。要完成這個任務，學生首先需要了解現實的困境，在了解人類需求之后提出“制作節能小屋”的任務，并明確任務的具體要求及需要解決的問題，之后還要經歷前期研究、查閱資料、實驗探究、方案設計、初建模型、測試改進等一系列環節。

“節能小屋”是一個不同于以往學習的復雜任務。節能建筑保溫隔熱性能與哪些因素有關？與房屋結構有沒有關系？哪些材料保溫隔熱性能好？如何綜合運用節能技術設計并建造小屋？如何檢測其節能效果？……這些問題一環扣一環，每一個都不能忽視。

對于設計窗戶，我們要考慮：窗戶的材料，窗戶的造型，窗戶數量，窗戶位置，用什么來連接窗戶和墻壁等，為此我們可以用氣泡圖來表示這一系列問題。

墻壁、屋頂、地板、門，它們的選材、設計都需要面臨同樣的問題，有一些還要思考得更加全面，例如墻壁還需要考慮厚度，屋檐還需要考慮長短、朝向等。如果我們把所有的氣泡圖連起來，就會得到一張更大的、更完整的關于整個房屋設計的大氣泡圖。這其實就是將整個學習過程可視化。

（三）建立有“獲得感”的評價機制

建立評價機制的初衷，是為了讓學生的課堂行為得到教師的積極反饋，讓學生更積極地參與到課堂中來，認真聽講，學好科學知識。建立具有“獲得感”的評價機制，關鍵是要確保評價過程能夠激勵學生，讓他們感受到學習過程中的成長和進步。

要建立具有“獲得感”的評價機制，教師可以嘗試通過“多元化評價方式”“及時反饋與鼓勵”以及“展示學習成果”來實現。多元化評價方式允許學生通過多種途徑展示自己的能力，無論是口頭報告、小組討論還是實驗演示，都能讓不同學習風格的學生得到認可。同時，教師還需要提供及時的反饋，不僅要指出學生的優點，還要給予建設性的建議。不斷地反饋和激勵可以極大提升學生的自信心和學習動力。此外，教師還要定期組織學習成果展示會，讓學生有機會向他人展示自己的科學探索和發現。這種公開的認可和贊賞，不僅增強了學生的獲得感，也進一步激發他們繼續探索科學的熱情。

四、可視化學習的價值

可視化學習在外顯和內隱兩個層面推動科學學習效能的增長。外顯包括激發學習興趣、幫助教師優化教學設計；內隱包括構建知識網絡、提高元認知水平。

（一）讓學生擁有獲得感，激發學習興趣

讓學生擁有獲得感，激發學習興趣，是可視化學習的核心價值之一。通過將學習過程和成果以圖形、圖表、模型等形式直觀展示，學生能夠清晰地看到自己的進步和成就，從而增強學習的內在動力。這種獲得感能夠轉化為持續的學習動力，促使學生更加主動地探索未知，積極參與課堂討論和實踐活動。

（二）幫助教師優化教學設計，提高教學效率

通過讓學生參與圖表和模型的創建，教師可以收集到學生的反饋，以便及時調整教學方法和內容。教師還可以通過觀察學生在可視化任務中的表現，評估學生對知識的掌握程度和理解深度，從而對教學策略進行相應調整。這種基于證據的教學調整，有助于提高教學的適應性和靈活性，最終實現教學效能的提升。

（三）促進學生整合知識結構，建構知識網絡

可視化學習通過將抽象概念具體化，幫助學生在大腦中構建一個清晰的知識框架。通過思維導圖、概念圖等工具，學生能夠將復雜的概念和信息以邏輯清晰、層次分明的方式組織起來。這種結構化的知識呈現方式，不僅有助于學生理解知識點之間的內在聯系，還能加深他們對知識的理解，培養他們的批判思維和問題解決能力。

（四）提高學生元認知水平，促進學習反思

元認知，是指個體對自己的認知過程的認識和調控能力。可視化學習讓學生參與學習過程的監控和反思中來，觀察自己的學習路徑，評估自己的學習方法和效果，從而調整自己的學習行為。這種自我調節的學習過程能夠培養學生的自主學習能力，使他們能夠在沒有教師指導的情況下，獨立地學習和探索。

可視化學習的價值非常大，每一個單元、每個系列內容，都有不同的價值體現，有待進一步發掘。總之，積極利用學習可視化的策略，將學生所學知識、思維過程展現出來，是提高科學學習效能的一個非常值得貫穿始終的方法。

參考文獻

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