探究可视化学习

〔摘 要〕 可视化学习是一种将抽象概念以直观、形象的方式呈现出来的教学方法，它在科学教育领域具有显著的促进作用。本文探讨了可视化学习在科学教学中的应用，包括知识可视化、思维可视化和数据可视化三种主要类型。通过善用图表、运用思维导图以及建立具有“获得感”的评价机制，可视化学习不仅能够激发学生的学习兴趣，帮助其构建知识网络，还能优化教师的教学设计，并提高学生的元认知水平。

〔关键词〕 小学科学；可视化学习；探究

〔中图分类号〕 G424 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674-6317 （2025） 02 025-027

一、什么是可视化学习

“可视化”翻译自英文“Visualization”，原意为“形象化的、展现清晰的”。通俗意义上的可视化，泛指将抽象的概念、数据或符号，通过特定的方式表现得更加直观。但实际上，任何抽象的内容在教学中被形象化地表现出来，都可以称为可视化。

在国内，很多学者和教师都做过可视化的探索，将其和教学结合起来，并应用在不同的学科中。相较于学习过程的可视化，知识的可视化是运用得最多的。因为学生接触的很多知识内容都是复杂抽象的，这些知识需要更加具体、形象地呈现出来。因此，可视化手段被用来构建、传达和表示复杂知识。除了知识学习，学习过程的可视化也是学者和教师探究的重点。以我国义务教育阶段小学科学为例，科学探究的总目标之一，就是让学生理解和掌握分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法。这一切能力的发展，都是与思维挂钩的。但书中大量的教学内容及其表述，都只是对科学知识的讲解和演绎再论证，获得这些科学知识和科学方法的过程被隐藏了。即便有些内容可以体现知识的背景，但教学目标的达成却又存在一些难度，并且缺少学生原生态的思考过程。要解决这个问题，教师就要学会用学生的思维方式去思考，在教学时，要尝试完整还原、暴露、展示科学思维的过程，可以是文字、图表，也可以是“可视化”的思维方式。当然，这只是可视化的实现方式之一。科学教学是一种充满思维活动的教学，教师在课堂活动中，只有按照学生的思维发展过程和教学规律流程引导学生，才能帮助其形成良好的思维能力和素质。

二、可视化学习的类型

可视化学习的方式有很多，最常见的可视化学习包括：知识可视化、思维可视化、数据可视化。

（一）知识可视化

知识可视化是指可以用来构造、传达和表现复杂知识的图形化、图像化手段。最简单的形式为展示一些知识配图，从而帮助学生理解。除了传达事实信息外，知识可视化的目标是帮助学生重构、记忆并正确应用知识。

信息技术的发展给知识可视化提供了很多方便。以前，一本教材、一支粉笔教完一节课；现在，一个课件、一支翻页笔，同样教完一节课。但如果把可视化的策略融入其中，效果就大不一样了。课件上的图片、视频、图表等资源都属于知识可视化的基本表现工具，而概念图、模拟实验、虚拟现实等一些依赖信息技术的手段，则为教师提供了更多的方法和更丰富的教学资源。

（二）思维可视化

思维可视化是将原本不可视的思考（思考方法、思考路径等），利用一系列图示技术呈现出来，使其清晰可见。通俗地说，就是将大脑中的思考“图示”出来的过程，这能够有效提高信息处理效率和信息传递效率。比较典型的可视化图示包括在数学和科学学科中应用非常广泛的概念图、思维图、鱼骨图等。如何正确使用这些图示工具非常关键，若要正确选择这些图示工具，并最大化地发挥它们的效用，就需要了解它们的用法。以思维导图为例，思维导图是一种可视化、非线性的思维工具，它的效果之一是促进思维的整理。思维导图不仅要求将所获得的知识用图示呈现出来，还讲究一定的绘图方法和设计技巧，如何图文并茂地呈现思维导图，将各层次、相互联系的知识用各种元素完整清晰地呈现出来有很大的学问。

（三）数据可视化

数据可视化，是将需要研究的数据，以某种方式更加直观地呈现出来。这种直观的展示方式对于科学教育尤为重要，因为它能够帮助学生从大量数据中迅速识别模式和趋势。这不仅提高了学生对数据的敏感度，也锻炼了他们的分析和解释能力，从而更深入地理解科学原理和方法。

三、可视化学习推动科学学习的策略

科学学习非常关注学习效能，可视化学习的一些策略在科学学习效能方面具有重要推动作用。

（一）善用图表

在科学实验中，对数据的分析能力是举足轻重的。学生在科学实验中经常需要搜集数据，有的实验较为简单，数据较为简单，直接就能看出因果规律。而当遇到需要长时间观察记录的实验，面对繁多的实验数据，学生有时会束手无策，很难一眼看出背后的规律。此时，如果能够运用一些可视化的手段，如用构建图表的方法，将数据用更加直观的方式呈现出来，学生一定能更容易找到隐藏在背后的科学规律。这种分析数据的方法也能让学生感受到将数据可视化的力量，并将这种学习方法延伸到未来的学习生活中去。

以苏教版科学四年级上册《弹力》一课为例，本课的教学目标是探究弹力的特性。教材中给出了用钩码拉伸弹簧的实验，先测量弹簧的原始长度，之后逐步增加弹簧下方钩码的数量，由此发现外力是影响物体弹力的原因。但对于“拉力大小与弹簧长度成正比”这一规律，学生通常会忽视。因此，我们可以让学生记录不同钩码下弹簧的伸展长度，将这些数据绘制成散点图，横轴表示施加的钩码数，纵轴表示弹簧的伸展长度。通过这种方式，学生可以直观地观察到拉力与弹簧伸展长度之间的线性关系，从而理解胡克定律，即在弹性限度内，弹簧的伸展长度与施加的力度成正比。

再如四年级下册测量“冰的融化温度”实验，因为没有标准的实验室环境，实验很难获得一个稳定的融点温度。但如果将所获得的温度数据用图表画出来，就可以发现冰在融化时，存在一个“平台”，温度围绕这个“平台”来回波动，也就获得“冰在融化时温度保持不变”的猜想。利用图表呈现数据，直观性强，学生不仅观察起来更便利，对实验结论和相关知识点的记忆也更深刻。

（二）运用思维导图

思维导图是一种强大的可视化工具，它可以帮助学生以图形化的方式组织和呈现信息，从而提高学习效率和记忆能力。在科学学习中，思维导图可以用于概括概念、整理知识点、规划实验步骤，以及整合不同主题之间的联系。绘制思维导图的一般路径是：确定中心主题（选择一个核心概念或主题作为思维导图的中心）；创建主分支（从中心主题向外延伸出几个主要分支，这些分支代表与中心主题密切相关的子主题或概念）；添加子分支（在每个主分支下，添加更具体的子分支，可以是定义、特征或相关的例子等）。在绘制过程中，可以用不同的颜色、符号、图像来表示信息，当某些分支存在联系时，可以用线条将它们连起来，显示它们之间的关系。

以苏教版科学六年级下册《节能小屋》一课为例，教学目标是运用所学知识，建造一座长、宽均为21厘米，高为17厘米的南北朝向且南北都有窗，墙的厚度不超过1厘米的节能小屋。根据夏天高温天气时，冷水温度上升速度来评价得分。要完成这个任务，学生首先需要了解现实的困境，在了解人类需求之后提出“制作节能小屋”的任务，并明确任务的具体要求及需要解决的问题，之后还要经历前期研究、查阅资料、实验探究、方案设计、初建模型、测试改进等一系列环节。

“节能小屋”是一个不同于以往学习的复杂任务。节能建筑保温隔热性能与哪些因素有关？与房屋结构有没有关系？哪些材料保温隔热性能好？如何综合运用节能技术设计并建造小屋？如何检测其节能效果？……这些问题一环扣一环，每一个都不能忽视。

对于设计窗户，我们要考虑：窗户的材料，窗户的造型，窗户数量，窗户位置，用什么来连接窗户和墙壁等，为此我们可以用气泡图来表示这一系列问题。

墙壁、屋顶、地板、门，它们的选材、设计都需要面临同样的问题，有一些还要思考得更加全面，例如墙壁还需要考虑厚度，屋檐还需要考虑长短、朝向等。如果我们把所有的气泡图连起来，就会得到一张更大的、更完整的关于整个房屋设计的大气泡图。这其实就是将整个学习过程可视化。

（三）建立有“获得感”的评价机制

建立评价机制的初衷，是为了让学生的课堂行为得到教师的积极反馈，让学生更积极地参与到课堂中来，认真听讲，学好科学知识。建立具有“获得感”的评价机制，关键是要确保评价过程能够激励学生，让他们感受到学习过程中的成长和进步。

要建立具有“获得感”的评价机制，教师可以尝试通过“多元化评价方式”“及时反馈与鼓励”以及“展示学习成果”来实现。多元化评价方式允许学生通过多种途径展示自己的能力，无论是口头报告、小组讨论还是实验演示，都能让不同学习风格的学生得到认可。同时，教师还需要提供及时的反馈，不仅要指出学生的优点，还要给予建设性的建议。不断地反馈和激励可以极大提升学生的自信心和学习动力。此外，教师还要定期组织学习成果展示会，让学生有机会向他人展示自己的科学探索和发现。这种公开的认可和赞赏，不仅增强了学生的获得感，也进一步激发他们继续探索科学的热情。

四、可视化学习的价值

可视化学习在外显和内隐两个层面推动科学学习效能的增长。外显包括激发学习兴趣、帮助教师优化教学设计；内隐包括构建知识网络、提高元认知水平。

（一）让学生拥有获得感，激发学习兴趣

让学生拥有获得感，激发学习兴趣，是可视化学习的核心价值之一。通过将学习过程和成果以图形、图表、模型等形式直观展示，学生能够清晰地看到自己的进步和成就，从而增强学习的内在动力。这种获得感能够转化为持续的学习动力，促使学生更加主动地探索未知，积极参与课堂讨论和实践活动。

（二）帮助教师优化教学设计，提高教学效率

通过让学生参与图表和模型的创建，教师可以收集到学生的反馈，以便及时调整教学方法和内容。教师还可以通过观察学生在可视化任务中的表现，评估学生对知识的掌握程度和理解深度，从而对教学策略进行相应调整。这种基于证据的教学调整，有助于提高教学的适应性和灵活性，最终实现教学效能的提升。

（三）促进学生整合知识结构，建构知识网络

可视化学习通过将抽象概念具体化，帮助学生在大脑中构建一个清晰的知识框架。通过思维导图、概念图等工具，学生能够将复杂的概念和信息以逻辑清晰、层次分明的方式组织起来。这种结构化的知识呈现方式，不仅有助于学生理解知识点之间的内在联系，还能加深他们对知识的理解，培养他们的批判思维和问题解决能力。

（四）提高学生元认知水平，促进学习反思

元认知，是指个体对自己的认知过程的认识和调控能力。可视化学习让学生参与学习过程的监控和反思中来，观察自己的学习路径，评估自己的学习方法和效果，从而调整自己的学习行为。这种自我调节的学习过程能够培养学生的自主学习能力，使他们能够在没有教师指导的情况下，独立地学习和探索。

可视化学习的价值非常大，每一个单元、每个系列内容，都有不同的价值体现，有待进一步发掘。总之，积极利用学习可视化的策略，将学生所学知识、思维过程展现出来，是提高科学学习效能的一个非常值得贯穿始终的方法。

参考文献

[1]杨洋.创设SKC-CAT科学课堂引导学生进行抽象概括：以“光的反射”课程为例[J].中国科技教育，2021（6）：13-16.

[2]贾羽生.可视化思想在小学科学物理部分的应用[D].扬州：扬州大学，2021.