“思维可视化”策略在科学教学中的应用——以“拧螺丝钉的学问”为例

（福州市麦顶小学，福建 福州 350007）

科学教学倡导探究式学习。提出科学问题，形成猜想和假设，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思，促进积极思维、提升思维品质、完善思维体系，是科学教学的核心。但在实际教学中，教师更关注科学知识的学习，忽视学生思维的发展，缺乏支持学生探究学习的思维支架，这样停留在知识表面、缺少深度思考参与的“浅层教学”高耗低效。思维是科学教学最本质的特征，可视化是呈现思维的手段。思维可视化是利用图示化、形象化的方式，把不可见的思维结构、规律、路径及方法呈现出来，使思维轨迹清晰可见，方便学生思考、表达、理解、交流。

一、运用“云平台”定位学情，实现前概念的可视化

学生接受正规的科学教育前，在生活和学习中认识自然、探索未知、获取信息，并根据其主观理解，对信息进行加工和处理，形成对自然事物及现象非本质的前概念认知。前概念是科学概念建构的基础，是科学探究的起点，是科学教师选择教学策略的依据。［1］但碎片化的前概念处于隐藏状态，通过云课堂的“云导学”等方式，可以实现前概念调查的可视化。教师在课前围绕教学目标，精心设计导学案，上传至云平台；学生在线完成任务，提出科学问题，针对问题进行合理假设，并通过观察、实验等方式获取证据，利用“云端”和同学、教师进行交流与协作。教师根据提交的导学案，了解学生以“动手做”“图示法”等视觉认知辅助方式所表征的前概念，做出诊断性评估，找准教学切入点，进而精准施教。

例如，为了解学生关于“轮轴”的前概念，教师在课前设计“拧螺丝钉的学问”导学案，引导学生在家进行一系列体验活动：首先使用细柄螺丝刀拧螺丝钉；接着根据生活经验，对细柄螺丝刀进行改造，把自己的想法画或写在导学案中，动手做一做，并在设计图中标注改进的螺丝刀在拧螺丝钉时用力部位、工作部位的运动路线；最后自评作品，备注修改意见。在导学案的任务引导下，学生亲历“观察思考—提出问题—设计制作—实践改进—解决问题”的科学探究过程，通过“可视化”的动手实践及图示，展现动态思维，实现思维的外化。

上述案例中，学生利用教师提供的细柄螺丝刀及自己改进的螺丝刀，分别进行拧螺丝钉的动手实践活动，操作、试错、纠错、验证，获得拧螺丝钉的对比活动体验。在此基础上，学生用不同颜色的笔，将设计图中螺丝刀工作时用力部位、工作部位的运动路线进行标注。这样的“导学案”活动清单，将抽象、静态的科学问题转变为直观、具体的实践活动，调动学生多重感官，用动手操作展现思维过程，用直观图形呈现抽象思维，用语言表达外化思维轨迹，将内隐的心智过程显性化，折射出学生不同的思维现状、路径和水平。前概念调查的可视化，帮助教师精准定位学生学情，了解学生思维水平，廓清学生元认知，助推科学探究的开展。

二、运用“问题串”引导探究，实现概念建构的可视化

教师围绕科学探究目标，按照教材内容的逻辑关系和学生的思维逻辑结构设计问题串，环环相扣，螺旋上升，为学生搭建难度适中、层次分级的思维脚手架，引导学生亲历观察、实验、分析、交流等探究活动，引起思维碰撞，激发学习能动性，促进学生在观察、描述的基础上学会推理、概括等思维方法，实现概念建构，提升思维品质。［2］

例如，学生利用“云导学”平台上传用细柄螺丝刀、改进的螺丝刀拧螺丝钉的实验操作视频和作品图片，呈现学习行为背后的思维轨迹。教师第一时间接收学生的预习作业并进行整理，选择有代表性的作品作为课堂教学资源，有针对性地设计“问题串”：“请你根据导学案，说说使用细柄螺丝刀拧螺丝钉有什么感受？”“使用改进的螺丝刀再拧螺丝钉，又有什么感受？两次拧螺丝钉的感受有什么不同？”“你能对全班同学所改进的螺丝刀进行分类吗？”“请你找找这些改进后的螺丝刀结构上有什么相同的地方?”“除增加一个装置外，请你再观察，在拧螺丝钉的时候，用力部位和工作部位的运动路线，还有什么发现呢？”“你能描述轮轴是怎样运动的吗？”“能举些生活中其他轮轴的例子吗？”这一系列问题串统领本课的探究活动，让学生经历提出问题、设计方案及解决问题的过程，引导学生开展系列论证活动，分析改进后螺丝刀的结构特点，接受质疑，及时调整，达成共识，逐步建立“轮轴”概念。

上述案例中，教师为学生营造互动交流空间，学生就自己分别用细柄螺丝刀及改进螺丝刀拧螺丝钉的感受进行交流，在分享、对话、质疑、辨析中，求同存异、寻求共识、建构意义，推动思维纵深发展。“问题串”引导学生在层层递进的精细化的科学问题情境中，形成思维驱动效应，加深问题理解，并通过分析、综合、抽象、概括、推理、类比等思维方法，实现“可视思维”与“出声思维”相互转化，让思维呈现触手可及，概念建构有迹可循。［3］

三、运用“建构模型”搭建探究支架，实现实验操作的可视化

探究式教学强调学生通过科学探究自主解决问题，促进学生对科学概念的理解和建构。这个过程需要相关知识与经验作支撑，因此，结合具体概念特点和教学内容，设计环节活动，应用类比、推理等思维方式进行解释，为学生科学探究搭建思维的“脚手架”。而建构模型是科学解决复杂问题的途径，体现了一种系统思维的方式。寻找关键因素，弄清关键因素之间的关系和系统结构，建立对科学事物本质属性、内在规律及事物间相互关系的间接和概括的反映，帮助学生领悟方法、发展思维，主动完成认知结构的构建过程。

例如，本课实验材料是将螺丝刀这一简单机械进行概念转换，建构模型：转动外面大圆，带动小圆转动；半径最小的轴，模拟螺丝刀的金属杆，半径大的轮，模拟不同大小的螺丝刀手柄。只依靠语言描述，学生很难理解这就是“变形的螺丝刀”。创设可视化教学情境，通过Flash 动画演示，将侧面大小不同的螺丝刀重叠在一起，然后“压缩”形成本课所用的实验材料。通过图示动画建构模型，将抽象性内容通过具体图示展示出来，学生自然而然地将轮轴概念与实验材料建立联系，明确实验方案设计，掌握实验操作规范，提高实验效率，为获取准确、可靠的信息奠定基础，实现实验操作策略、实验过程的可视化，学生的思维体系不断得到完善。

四、运用“数据分析”得出结论，实现探究记录的可视化

学生在教师指导下，根据科学探究方案，利用科学语言、概念图、统计图等方式，搜集、分析数据获得证据，运用创造性思维和逻辑推理解决问题，得出结论。数据分析的过程既是问题解决的过程，更是体现能力、发展思维的过程。例如，本课通过数字化实验，得知轮轴的轴半径不变时，轮半径越大越省力。

［实验1］将力传感器竖直挂在与半径为1 厘米的圆相连的绳上，并固定在桌面，待数值稳定后记录在表格中；保持轴上钩码不变，测出半径为1.5 厘米的轮上所需要的力，以同样方法分别测出挂两个钩码和三个钩码所需要的力，将数据一一记录在表格中。

［实验2］保持半径为1 厘米的轴上挂一个钩码，将力传感器竖直挂在与半径为2 厘米的圆相连的绳上，并固定在桌面，待数值稳定后记录在表格中；以同样的方法，测出半径为3 厘米的轮上所需要的力，将数据一一记录在表格中（见表1）。

表1 “拧螺丝钉的学问”数字化模拟实验记录单

（续上表）

上述案例中，数字化实验数据的收集、整理、归纳及规律的论证是完成本课教学及建构概念的重要内容。通过可视化教学方式，如图表记录数据、力传感器使用，使数据清晰呈现，化零为整，提高思维可视化的效能。两个实验层层递进，学生通过对比、分析等归纳式推理方式，发现实验数据之间的联系，进而加工复杂信息，将数据分析与思维层次建立有效关联，让思维过程和数据分析外显，归纳其背后隐藏的规律，使碎片化的数据可视化。学生亲历了“提出问题—作出假设—设计方案—搜集证据—处理信息—得出结论—评价交流”的科学探究过程，同时利用问题串、建构模型、数据分析等可视化方式，将实验过程最优化。引导学生体验“数据读取可视化—数据比较可视化—数据归纳可视化—实验规律总结可视化”的流程，直观地将实验的思维过程可视化，获得通过解释规律而形成的科学概念，提升思维水平。

五、运用“学科评价”创设情境，实现学习效果的可视化

《义务教育小学科学课程标准（2017 年版）》指出，科学教学评价不是基于某种简单的方式或脱离情境对学生的零碎知识与技能展开的评价，要在一个或多个新情境下，对学生的素养水平进行评价。关注学习过程中学生的思维发展，强调学业获得的“整合”，要以促进学生科学素养发展和教学发展为主要目标。这既是发展学生核心素养的要求，也是科学思维评价的必然路径。

（一）基于“电子书包”的思维可视化

电子书包是在“云计算”技术的依托下，利用“云终端”——平板电脑的无障碍交流与传输功能，实现高效、便携、实时互动的课堂教学形式。在教学中，教师运用电子书包的系统功能，为学生推送学习资源（见表2）。教师根据教学目标，从学生熟悉的日常生活出发，结合一定的情境设计问题，引导学生在解决问题的过程中，调用本课及本单元知识，实现知识迁移与整合。学生的学习方式从“识记主导”升级为“理解主导”，更学会客观分析、辩证看待问题：“在设计螺丝刀时，是不是无限加大手柄，就可以得到一个特别好用的螺丝刀呢？”教师动态监测学生回答情况，真实、完整地“看到”学生的思维过程，线上帮助学生答疑解惑，高效完成学习效果的评测。在单元测评中，还可以利用电子书包系统中的思维导图、概念图等图示工具，引导学生对单元探究活动进行回顾，联结单元中相关联的概念，架起思维桥梁，形成可视化思维图表，对学生的概念领悟、理解程度进行有效评价。

表2 “电子书包”学习资源

（二）基于“科学实践”的思维可视化

科学实践是将科学知识外化。学生在教师的指导下对问题进行讨论和实践，应用科学知识解决实际问题，产生具有一定价值的方案、作品等，进而释放科学知识的潜在意义，实现跨学科知识融合，培养学生动手实践能力和创新思维，实现个性化发展。例如，教学结束后，教师布置一项科学实践活动“制作省力螺丝刀”：利用木柄螺丝刀、小铁棍、电钻等材料，做一把省力的螺丝刀。学生将本课所学的科学知识和科学探究方法与生活经验紧密结合，经历提出问题、应用知识及技能解决问题的过程，有效整合运用知识。通过“云平台”提交作品，教师组织评议，发现隐藏在作品背后的学生思维轨迹及科学原理的掌握程度，综合客观地评价学生的科学素养水平。