基于思维可视化的小学科学教学策略探析

厉轶

策划人语

《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，科学课程要培养的学生核心素养，主要是指学生在学习科学课程的过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观、必备品格和关键能力，是科学课程育人价值的集中体现，包括科学观念、科学思维、探究实验、责任态度等。教学实践中，教师应怎样设计符合学生发展的科学教学活动，更好地激发学生学习科学的兴趣和热情，全面提升学生的科学核心素养？本期《特别关注》刊发一组文章对此展开研究，以期为一线教师开展科学教学提供参考和借鉴。

【摘 要】科学思维是科学探究教与学的核心，将隐性的科学思维过程与科学思维方法进行可视化呈现，是培养学生的科学思维、促进学生深度学习的有效途径之一。在小学科学教学中，教师可以通过学生前概念、学生思维进展和学习效果可视化等途径，实现科学思维可视化，从而培养学生的科学思维能力，提升他们的思维品质，帮助他们建立起一个完整的思维体系。

【关键词】小学科学 思维可视化 教学策略

科学思维是科学核心素养的重要内容，培养和发展学生的科学思维是有效落实新课标的关键。但是传统的科学探究教学往往只注重培养学生的实践技能，忽略了培养他们的创造性思维能力，从而使得他们很难真正理解科学探究的本质。因此，在实际教学中采取行之有效的教学策略改变当前科学思维培养的“窘境”尤为重要。

思维可视化的教学策略，是针对当前科学思维培养现状而提出的教学策略。通过可视化策略，将学生的抽象思维方法、思维路径等进行直观呈现，有利于教师及时把握学生的思维动态，了解学生的思维过程和思维方法，从而有针对性地组织教学活动，提高学生的科学思维能力。本文围绕科学思维可视化，以“可视思维”与“出声思维”为研究基本点，提出教学策略。“可视思维”，即在探究过程中，将抽象事物具体化、形象化、直观化，促进学生观察与反思。“出声思维”，即将抽象的、简单的思维过程通过语言表达出来，促进学生理解、表达、推理、论证、分析、比较、综合等方面的思维发展。

一、找准科学探究的前奏：学生前概念可视化

科学探索活动应以学生已有的认知结构为起点，也就是说，从概念出发。在进入科学世界之前，学生已经深入探索大自然，积累了丰富的实践经历、间接体验，这些都构成了他们对自然界的认知，即学生的前概念。前概念往往具有碎片化、隐蔽性、差异性等特点，教师只有通过一定的教学策略将碎片化、隐蔽性和差异性的前概念外显，实现前概念的可视化，也就是思维可视化的第一步，才能有利于学生调取并正视自身已有的认知，从而在后续学习中调整认知结构，建立与科学概念一致的新认知模型。

教师可通过画图法、问卷法、谈话法、演示法、情境法等多种可视化方法充分暴露学生的前概念。以教科版科学四年级上册“食物在口腔里的变化”一课为例，口腔对于学生来说并不陌生，教师可以在课前设置调查问卷，让学生了解牙齿的种类，并画一画或写一写不同类型的牙齿。从学生的课前问卷中发现：学生对牙齿的分类标准并不是很清楚，甚至有些学生把乳牙、恒牙、蛀牙等都归到了牙齿的种类之中。恒牙、乳牙是根据牙齿保留时间的长短来分的，而门齿、臼齿、犬齿是根据牙齿功能和位置来分的。因此在教学中，教师设计的探究活动的核心就是根据牙齿的功能和位置来分类，直面学生前概念的根源问题。

二、把握科学探究的时机：学生思维进展可视化

在新概念构建与完善的过程中，学生往往明白了探究的整体方向，却缺乏明确的探究方式和精细化的思维路径。教师可以通过提出明确问题、制作记录单、使用图表、填写表格等方法将隐性的思维进展可视化，从而更好地收集、分析学生的思维痕迹，深入了解他们的思维发展情况，并根据实际情况灵活调整科学探究的时机，以激发学生积极的思考。

（一）基于“问题串”的思维可视化

在小学科学课堂教学中，“问题串”是一种引发学生思考和互动的教学方法。通过提出一系列相关问题并鼓励学生进行思考和讨论，可以为学生搭建具有层次性、环环相扣、螺旋式上升的思维支架，使学生在分享、交流、质疑和辨析中将内在的思维外化，实现“出声思维”的可视化发展，并促进学生之间进行思维碰撞，激发学生的学习积极性。如教科版科学三年级上册“压缩空气”一课，教师可通过设置一连串的问题激发学生的思考，实现学生的“出声思维”可视化：

1.从学生玩常见的气球引入“如何玩注射器”，给其中一小组一个秘密武器——橡皮塞，暗示玩的方法。学生经过玩，发现空气被压缩时空间变小，空气被拉伸时空间变大。（指向概括思维）

2.如果往注射器中装水和沙子，会如何？（指向推理思维）

3.为什么空气容易被压缩，而水和沙子不容易？引出空气是由“微粒”间构成的。（指向比较思维）

4.压缩和拉伸注射器时，空气“微粒”如何变化？引出易错的知识点：空气“微粒”的多少不会改变，改变的是“微粒”间的距离。最后通过模拟实验来升华学生对“空气易压缩”本质的理解。（指向推断、概括思维）

在此过程中，学生将“空气易压缩”这一概念逐步构建起来，并通过语言表达自己的思维，使概念构建的思维过程有迹可循。

（二）基于“数据分析”的思维可视化

数据分析是培养学生科学思维和实践能力的重要手段。通过对实验数据的分析，学生可以学习如何观察、记录、整理和分析数据，还能培养独立的科学思维和实践技能。因此数据分析的过程，也是学生解决科学问题的过程，更是学生思维发展的过程。通过可视化教学策略，如采取数字化方式进行探究，利用图表记录数据、语言表达或呈现数据分析路径等，使数据及其分析过程清晰地呈现在学生面前，并通过深度研讨提高探究的思维含量，能够有效提高学生科学思维锻炼的效能。如教科版科学六年级上册“不简单的杠杆”一课，教师设计了用固定的小石块，以木板作杠杆，撬动和移动大石块的任务，希望学生在使用杠杆的过程中体验、感受杠杆在什么情况下是能省力的。对于六年级的学生而言，比较手指用的力和小石块的重量，不是很科学也不是很准确。因此笔者对这个环节进行了改进：用弹簧压力计代替手指的力。这样，通过以上活动，学生亲历了“数据读取可视化—数据比较可视化—数据归纳可视化—规律总结可视化”的流程，使学生对“杠杆的省力情况”这一认识从感性上升到理性，探究过程从定性延伸至定量，以此实现数据分析的思维可视化，提高学生的思维水平。

（三）基于“模型构建”的思维可视化

模型建构作为一种认识手段和思维方式，简单地说就是把抽象的、看不到的、内化的思维流程建立成一个可以看见的、具体可感的认知模型。借助模型，可以帮助学生树立系统的思想，明确模型系统内各个结构的相互关系及变化过程，特别是小学科学中部分研究对象具有时间和空间上的复杂性，如地球公转、地壳运动等难以在课堂上直接进行研究，模型构建可将此类探究直观地呈现在学生面前，实现探究过程的可视化。如“压缩空气”一课模拟空气微粒这一环节，空气微粒这个知识比较抽象，教师通过让学生展示自己的空气微粒模型，将学生思维可视化，有效暴露学生的前概念，一种是微粒间的距离变化，另一种是微粒的数量变化。到底是哪种变化呢？通过设计方案、寻找证据、检验假设，逐步培养学生的证据意识和孜孜不倦的科学探索精神。实验后学生修正模型，至此完成对现象和现象原因的建模。研讨环节，教师可以结合教学内容为学生搭建游戏场，把教室过道设置为“注射器”，自己作为“活塞”，让全体学生化身为“空气微粒”，亲身体验“空气能被压缩”与“压缩空气有弹性”的现象。在轻松愉悦的探究过程中，学生既丰富了对压缩空气的感性认识，又培养了解决问题的实践能力。在此过程中，学生科学探究的兴趣得到了有效激发。

三、善用科学评价机制：学生学习效果可视化

评价是教学的有机组成部分，有效教学需要评价的支持。在一般教学过程中，教师通常选择作业作为学生学习效果评价的主要方式，但是由于缺乏多样性和全面性，这种方式往往会导致评价结果偏颇。《义务教育科学课程标准（2022 年版）》强调，应该充分利用多种多样的评价方法，以达到更加精准、有效的评价效果。为了提高学生的科学核心素养，教师应当使用各种不同的评价方法对学生的学习效果进行评价，以实现学生学习效果的可视化。

（一）基于课堂反馈的学习效果可视化

课堂评价是根据学生的学习结果对课堂教学过程进行评判。教师可以从学生学习活动中的学习兴趣、思维投入程度、学习的主动性等方面来判断学生的学习效果，检验学生的科学思维能力、知识理解水平和实验操作水平。

如在“食物在口腔里的变化”一课中，在研讨环节，教师引导学生利用当天所学的知识给幼儿园的小朋友制作一个牙齿模型，通过呈现牙齿模型和评分表来检验本节课学生的学习效果，实现了学习效果的可视化。

（二）基于图示工具的学习效果可视化

使用图表工具是衡量学生思维发展最有效的方式，这样教师就可以更好地了解学生的思维情况。通过全面而准确地展示学生的思维过程，可以有效地提高他们的思维能力，并且可以扩大他们的思维范围和拓展其思维深度。如“食物在口腔里的变化”一课，教师从学生的前概念出发，通过“实际观察（用镜子观察吃饼干等活动）—阅读修正前概念”，帮助学生完善和修正对牙齿模型的认识，最后以“画廊漫步法”分享和展示学生的学习成果，在研讨、分享中促进学生科学思维的发展。

在完成单课或某一单元的学习后，教师可指导学生绘制概念图或思维导图，使学生将“点”状的思维逐渐变成“框架”式，彼此联系，建立自己的知识体系。在绘制思维导图的过程中，学生需要不断回忆科学研究过程，梳理相关联的概念，形成可视化的思维图表，培养思维的条理性、逻辑性，以此促进学生学习效率的提高。

（三）基于特定探究情境的学习效果可视化

科学来源于生活，也将更好地运用于生活。通过课后延伸拓展，学生可以更好地理解和运用课堂上学到的知识，这不仅可以提高他们的科学思维能力，而且还可以让他们更深入地探索和实践科学知识，从而更好地掌握新的技能。经过一段探索性的学习，教师应该设计一个更具有挑战性的情境，让学生更好地运用自己所学的科学知识、思维方式、实践技能，从而更好地完成探究任务。如教科版科学三年级上册“空气占据空间”一课，教师创设情境：“乌鸦喝水”大家都熟悉吧，谁能分析一下乌鸦为什么能喝到水？引导学生利用所学知识解决实际问题，发掘其中隐藏的思维轨迹，以此对学生的学习效果进行评价。

又如“压缩空气”一课，在学生已经知道“空气能被压缩，压缩空气有弹性”的科学概念的基础上，教师通过“皮球模型、水和沙子的压缩实验”等进行拓展，加深学生对知识的理解，实现知识的迁移。课堂以解决生活问题为中心，让学生的思维沿着不同方向、不同角度向外扩散。生活场景的引入巧妙地打开了学生的生活世界，激发了学生对书本外的世界的好奇心和探究欲。

总而言之，小学科学课堂应体现“生本课堂、学为中心”的思想，努力从学生的角度进行思考和探索，尝试着给学生不一样的学习认知，为学生提供更加全面的科学学习思维可视化操作，改变教与学的方式，真正促进学生科学核心素养的提升。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

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