思维可视化：铺陈于探究教学中最富潜能的力量

——浅谈小学科学探究教学中学生思维可视化的研究与策略

湖塘桥第三实验小学   沈宇

【摘要】思维是科学教学最本质的特征,可视化是呈现思维的手段。将思维可视化运用到科学教学中,引导学生参与思维活动,实施基于思维的科学探究,促进学生思维的深度发展。文章以《点亮小灯泡》为例,分析“思维可视化”策略在科学教学中的应用，将隐蔽的前概念、抽象的科学概念、复杂的数据分析等，直观多样地表征出来,让学生内隐的思维可视化,从而提高思维能力和科学素养。

【关键词】科学探究  思维可视化  儿童思维

现象点击：科学探究和科学思维“我行我素”

【案例1】《点亮小灯泡》教学片断：

1.创设情景：夜晚的灯光效果

2.出示小灯泡，提出问题：你会让这个小灯泡亮起来吗？

3.提供材料，根据已有经验，进行猜测性动手：一个小灯泡，一节电池，一根导线（教师没有介绍小灯泡的内部结构和电池的内部结构、功能。）

4.生分组活动。

5.展示接亮小灯泡的小组，讲连接方法。（没有接亮的小组按照接亮小组的连接方法连接，全保全班12组都接亮。）

6.教师强调接亮的方法，一定要怎么连接。

7.出示科学概念：电池的正负极和灯泡的两个触点连接，形成同路，小灯泡亮。（全班读一遍，记住连接方法。）

8.介绍加入开关的作用，学生分组活动：电路中加入开关。（学生操作开关，感受开关的功能效果：小灯泡的亮和灭。）

9.总结本课：谈谈本节课的收获。

这是一个典型的用授受式学习的基本理念和做法开展科学探究活动的范例，科学探究的基本要素和环节非常完全----问题的提出、假设或预测的生成、数据收集和分析、结论的构建等，相应的资源、工具、仪器等的配备方式也都符合科学探究活动的要求。所以，在整个科学探究过程中，我们能看到学生在走科学探究的流程，却看不到科学思维的含量在行走，比如，在学生的动手中，我们看不到思维在指尖跳动，在组间交流中，我们看不到思维在百家争鸣，在追问质疑中，我们看不到思维在辩证升华。在这样的探究活动中，教师像一个主导者，主导着整节探究课，学生根据教师的指令，思考着教师提出的问题，做着教师规定的步骤，生成教师想要的结论。这样的探究丢失了探究活动所需的思维含量的基本内核，是一种没有灵魂的探究式学习，是一种“驯服了的探究式学习”。这种他主的探究也有专家称之为过度“结构化”的探究。

儿童的思维具有三大特征。儿童思维具有具体形象性，是因为他们接触的事物和知识水平都极为有限，所以他们的思维只能处于具体形象思维为主的阶段。虽然随着年龄的增长，他们的思维会逐步由具体形象性向逻辑性、抽象性发展，但他们在思维方面，很大程度上仍然具有一定的形象性。儿童思维还缺乏批判性。由于小学生对事物的认识还处于启蒙、幼稚阶段，所以决定了他们的思维缺乏批判性，常常不能根据事物、情况的变化而改变，盲目信任老师。儿童思维具有发展性。儿童在小学学习的时间较长，随着年龄和知识的增长，思维能力也慢慢有具体形象性向抽象性转化和发展。

所以，上述探究教学案例中，我们不难发现：科学探究和科学思维没有得到双螺旋的向上发展，在整个探究活动中，儿童的科学思维发展没有得到任何动静，学生走进课堂和走出课堂，除了知道了科学概念，儿童的科学思维没有得到生长，这样的科学课堂，与新课标对科学探究课堂的要求是相悖的，学生的科学学习力、思维力没有得到提升，科学探究和科学思维“我行我素”。

解读链接：“思维可视化"是促进儿童思维发展的有效认知策略力

皮亚杰认为，所有儿童的心理都以确定不移的顺序经过各认知阶段发展。他把儿童心理发展分为四个阶段：感知运动阶段（出生至2岁），前运算阶段（2～7岁），具体运算阶段（7～12岁），形式运算阶段（12～15岁）。小学儿童思维的基本特点是：从以具体形象思维为主要形式逐步过渡到以抽象逻辑思维为主要形式。但这种抽象思维在很大程度上，仍然是直接与感性经验相联系的，仍然具有很大成分的具体形象性、不自觉性，面对这种思维特点，我们可以采用可视化思维，化解这种思维的弊端，促进学生儿童思维的理解和建构。

“可视化思维”是针对儿童抽象思维发展的局限性而提出的认知策略，是建立在思维发展的认知心理学基础之上的。可视化思维是运用图示、符号、表格、动作、多媒体等多种手段直观、深入浅出地将思维的过程表现出来。在具体问题或探究环节中，可视化思维将那些抽象的事物通过合理手段变得直观、形象、具体；在面对抽象的、复杂的思维过程时，通过语言这种可视化思维进行解释，促进学生在理解、表达、推理、概括、抽象、判断、论证、比较、分析、综合等方面的思维发展^[1]。

学生“思维可视化”在儿童思维发展过程中具有诊断功能、发展功能、整合功能、评价功能，为儿童的思维发展起到促进作用，实现科学探究活动中的学生高级智慧的培养与发展^[2]。

一、思维可视化可以诊断儿童的思维。思维可视化诊断功能是指一种通过可以觉察的视觉方式将思维进行外化呈现，并加以了解判断。教师在科学课堂中，通过一定的方式让学生思维外显，一方面能让教师及时了解学生的前概念，学习的认知状态，有助于教师根据学生现有的认知状态合理的改变教学思路，通过实践，发现这样的教学更有利提高课堂效率，更有利于促进学生的发展。另一方面，也能让学生了解自己最初的想法，当然这些想法有的是正确的，有的是错误的，并对自己的想法加以改进、完善。例如，在执教《食物的消化》一课中，我们为了充分了解学生的前概念，我们通过画图的方式，画出学生心中认为的食物消化的路线和各消化器官，这种画图的方式（思维可视化）更直观的显示了学生内心的思维表达，当每个学生都直观展示了自己的思维后，我们教师就能全方位的诊断全班学生的思维，判断思维的正确度，明晰整班学生的学情分析，实现更好的以学定教。

二、思维可视化可以发展儿童的思维。学生的思维感性色彩较浓，往往需要借助于实物进行观察、思考。“思维可视化”的多种表现形式有利于学生借助图示、图画、表格、模型进行深层思维，将学生的思维由感性、浅层的思考逐步完善、深入，逐步达到抽象思维、逻辑思维的训练成效。例如在执教《点亮小灯泡》一课中，接亮小灯泡是有思维含量在里面的，全班都接亮小灯泡后，教学达成了技能方面的目标，即“灯泡的两个触点和电池的正负极相连”，但是学生更需要的是“知其所以然”，这就要求教师在接下来的环节中要激发和发展学生的思维，所以教师追问“为什么这样连接后，小灯泡就能亮起来了呢”，教师引导学生进行思维可视化的交流学习，即“看着电路连接实物图，指一指说一说电流的流动”，这样一来，学生就能在技能掌握的基础上，更深入本质的理解“通路”概念，学生的思维发展就实现了质的飞越，在这一过程中，“思维可视化”的策略功不可没。

三、思维可视化可以整合学生的思维。学生在研究过程中将信息及时收集、记录，在研究结束后，借助于本身的思考的轨迹记录，再与同学进行展示、交流，通过不同途径、不同方式进入相同主题内容的学习，获得全面的理解与认识上的飞跃。而学生的本身的“记录、设计方案”在交流、修改中整合了多方面的思考和启示。例如，在执教《动植物的繁殖》一单元时，在学习完本单元后，我通过思维导图的方式，让每位学生归纳整理本单元关于“植物、动物、人”三方面的知识要点，同时根据自己的课外所学，补充和拓展三方面的知识。最后把每位学生的思维导图进行展示学习，不断的增加新知，不断地拓宽着关于这三方面的知识面。透过越来越大的思维导图，我们欣喜的看到的是学生思维的整合和拓宽，看到的是学生看待事物的更加全面化。所以，这种思维可视化加速了学生思维的合成反应，是思维的一种“催化剂”。

四、思维可视化可以评价学生的思维。学生在研究过程中“思维可视化”的成果是学生讨论时相互评价、教师评价时的凭借，载体。学生和教师可以通过这些外显记录了解同学的思维轨迹、深度想法，并能做出准确的判断、评价。例如，在执教《电磁铁》一课，学生分组设计“影响电磁铁磁力大小与什么有关”的方案，教师让每组汇报实验设计，在这里我注重“层层追问”，什么条件要变？为什么要变？怎么变？哪些条件不要变？为什么不要变？通过这种层层追问的方式，把学生的思维可视化，在这个可视化的追问过程中，其他学生可以评价思维，实现思维朝着优化的视角靠近。最后，各组形成了最佳的设计方案，同时也渗透了控制变量的知识，一举两得。

策略搜索：基于思维可视化的科学探究教学策略

【案例2】《点亮小灯泡》新教学设计：

创设可视化探究主题

1.红领巾走访活动：去福利院送“爱心贺卡”送祝福活动。

2.你会制作一个会发光的贺卡吗？你需要哪些材料？  生：电池、灯泡、导线、

利用“电池”“导线”点亮小灯泡

1.提供材料，接亮小灯泡。

（1）介绍电池的内部结构：这是2号电池（PPT），它的电压是1.5V，凸起的一端是正极，用“+”表示，另一端是负极，用“-”表示，电就是从正极出发流向负极的。（板画：电池）

（2）学生连接电路，画实物图。提示：不论接亮还是没有接亮，都要把实物图画出来。 

2.实物交流，精练探据

（1）展示接亮灯泡的连接方法（一位同学展示装置，一位同学画实物图）

（2）展示没有接亮灯泡的连接方法（一位同学展示装置，一位同学画实物图）

（3）思考：为什么这种方法可以接亮小灯泡，而那边两种却不可以接亮灯泡呢？

（4）介绍灯泡的内部结构：小灯泡外面是玻璃的灯泡，里面有两根金属棒连着灯丝，这个灯丝其实就是“钨丝”，下面是螺旋状的金属外壳，底部有一个白色的金属连接点连着一根金属棒，另外一个金属棒与金属外壳相连接。（板画：灯泡内部结构）

（5）了解了灯泡的内部结构，以组为单位思考：为什么这种方法可以接亮小灯泡，而那边两种却不可以接亮灯泡呢？

3.发现共性，揭示“回路”

（1）电在电路里流动我们虽然看不到的，但你能画出它的流动线路吗？

（2）小结“回路”：（课件展示回路）电从电池的正极流出，从小灯泡的一个触点进入，再经过灯丝从另一个触点流出，通过导线流回电池的负极，形成一条

回路，这时小灯泡就亮了。所以刚才只要是成功接亮小灯泡的小组，说明你们的电流形成了回路（板书：回路），这是保证电路连通的最基本的要求。

（3）没接亮灯泡的小组，你知道问题出出哪了吗？没接亮的小组再次接亮灯泡，接亮的小组尝试看看还有没有其他的连接方法。

利用“电池”“导线”“开关”点亮小灯泡

1.引出开关：只要灯泡亮着，电流就一直在流，很浪费资源，怎么样来控制电流的流通呢？（板书：开关）

2.巩固“回路”概念

（1）老师提供开关座、灯泡座、电池座，进行实物操作。

  思考1：用电池盒来固定电池，导线应该连接在哪里？两个连接点代表什么？

  思考2：观察灯泡座，思考灯泡座上的两个接触片的作用。

 思考3：思考开关打开的工作原理、开关闭和的工作原理。

（2）生分组实物操作。

3.揭示课题

谈话：今天我们利用电池、导线、成功接亮了灯泡，还会用开关控制灯泡的亮和灭，这样的爱心贺卡不仅让你学到了科学知识，还表达了自己的爱心，这是一张有意义的贺卡。

拓展延伸，总结巩固（并联）

1.谈话：红绿灯有三种颜色的灯，它是怎样工作的？里面的结构是什么样的呢？

2.生画图思考红绿灯工作原理，展示介绍红绿灯电路图。

我们要像科学家一样真刀实枪的搞科学，在经历科学探究的过程中，融合思维可视化的教学技能，根据各个环节的探究需求，采用各种呈现形式的思维可视化的方法，让学生在动手探究的同时，看见思维、摸到思维、与思维对话、与思维碰撞、深化思维、生化思维，为此，笔者在实际教学中努力探寻基于思维可视化的科学探究教学策略。笔者以《点亮小灯泡》为例，设计一条思维可视化的科学探究教学策略。

一、精心创设科学探究的主题：主题探究思维可视化

主题式探究活动是智力发展的源泉，学生思维发展的有效载体。科学教师应创新教学情境和教学方式，让学生在自然、自我和自为的状态下进行主题式动手探究，使学生呈现出真实完整的思维过程和探究路径，并在此基础上了解学生的科学认知特点及思维状况，促进学生对科学的深度学习与建构。

上述案例中，1.教师从“制作贺卡，点亮爱心”入手，让每个孩子制作一个会发光的贺卡，作为给福利院孩子的礼物，表达爱心，以此来激发探究动机；2.然后学生在这一个过程中，需要思考：制作这种会发光的贺卡需要哪些材料，这些材料怎么连接才能发光，发光的原理是什么；3.接着开始动手操作、实物连接、互相展示；4.发现自己接不亮小灯泡，于是寻找方法：归纳接亮小灯泡的方法有哪些相同之处，没有接亮小灯泡的小组有哪些相同之处，建构“回路”概念；5.最后遇到问题：无法控制爱心贺卡的亮和灭，又进行了加入开关的操作。在这样一个可视化的主题下，探究情境波澜曲折，困难重重，在情境的内驱力下，学生积极主动地完成着自己的任务，充分感受着探究的喜悦感。

二、精准定位科学探究的起点：学生前概念思维可视化

科学探究活动的起点应以学生已有的认知结构为基础，通过“画一画”“想一想”“说一说”等方法能够把学生的前概念充分地展示出来^[3]。特别是当学生用图示的形式将隐形的思维呈现于记录纸上时，能帮助教师依照学生的认知需要和特征，有效引导学生的主题探究活动更有针对性，让学生主动建构对科学概念的理解。

上述案例中，教师提供一根导线、一节电池，想办法接亮小灯泡，这是一个测试学生前概念的环节，教师采用动手做一做的方式，充分暴露学生的思维，发现学生对灯泡的内部结构是不了解的，他们不知道灯泡有两个触点，触电的位置在哪里，成功接亮的小组，很多是因为偶然触碰才成功接亮的。这更加让教师看清楚了每位学生对于电路的前概念情况是怎样的，在这种学情分析的的大背景下，教师就能精准定位科学探究起点，无缝衔接学生的前概念和新授概念。

三、精确表达科学探究的问题：关键问题思维可视化

借助关键探究问题，用动图、PPT展示实验步骤、学生设计实验方案等手段，将隐性的思维发展可视化，师生共同整理分析学生在探究过程中的思维痕迹，推测他们的思维过程和思维状态，了解其思维变化特点。

在上述案例中，在“利用电池、导线、开关点亮小灯泡”这个问题展开教学的时候，因为我们需要准备电池盒、灯泡座、开关座来固定电池、灯泡、开关，教师通过几个关键问题的讨论，引导学生的出声思维可视化：1.用电池盒来固定电池，导线应该连接在哪里？这两个连接点分别代表什么？（指向判断思维，部分学生知道代表电池的正负极）2.观察灯泡座，思考灯泡座上的两个接触片的作用。（指向比较思维，根据对电池座的了解，发现两个接触片分别连接灯泡的两个触点）3.思考开关打开的工作原理、开关闭和的工作原理（指向判断、概括思维，学生明白开关就是控制电流的流通的。通过三个关键问题的聚焦，学生用语言将自己的思维完整的表述出来，并在倾听、交流中不断地思考，推理、分析、概括，激活思维，完善探究实验的步骤，提升学生的思维品质。在关键问题研讨过程中，“可视思维”与“出声思维”相互转化，既是一种思维“呈现”，又是一种信息“反馈”。

四、精练总结科学探究的数据：数据分析思维可视化

实验数据是定量实验结果的主要表现形式，亦是定量研究结果的主要证据。在教学中，学生要及时的搜集探究实验中的数据，确保实验数据的精准；需要学生明确实验数据与科学结论之间的逻辑关系，是在我们对实验数据进行分析、比较、综合的基础后，通过推理、概括，能形成实验结论。然而这一过程，都离不开学生高阶思维的积极参与。搜集数据的方法有很多，比如：画图、记录数据等，我们教师要精心设计搜集数据的记录单，方便学生在记录的同时，发现有价值的规律或结论。我们需要提醒学生把错误的数据和正确的数据都要进行保存，通过对比分析正确数据和错误数据，提升我们的思维对比、思维分析、思维判断能力。我们需要帮助学生把复杂的数据简单化处理，形成数据柱状图和线形图，因为小学生对实验数据缺乏一定的敏感性，在对数据分析过程中需要将一系列数据之间的关系或其变化情况用图线直观地表示出来，使“数据”变得直观、可感。

上述案例中，利用一节电池、一根导线，点亮小灯泡，学生的连接方法有很多：1.电池正极和灯泡侧面触点相连，电池负极和灯泡底部触点相连，2.电池正极和灯泡底部触点相连，电池负极和灯泡侧面触点相连，3.电池正极和灯泡的两个触点相连，4.电池正极和灯泡底部触点相连，5.电池负极和灯泡的两个触点相连。面对多种连接方式，教师的做法是：1.选择保存所有的电路连接方法，让学生把接亮灯泡的画法和没有接亮灯泡的画法，都画出来，都进行展示，2.把接亮灯泡的画法放在一起，把没有接亮的画法放在一起，分析接亮灯泡的方法有什么相同之处，没有接亮灯泡的方法有什么相同之处，3.主动产生和建构“回路”概念，学生发现，接亮灯泡的小组连接上都是“电池正负极和灯泡的两个触点相连”，顺理成章建构了新概念，形成了科学结论。  

五、精彩解释生活问题和现象：巩固延伸思维可视化

在帮助学生完成从前概念到科学概念的转化后，还要提供对科学概念进行巩固的机会。已有教学研究表明：一种新概念，只有能被学生表达时，学生才能接受它，因为当学生刚刚形成新的科学概念时，这个概念在认知系统中往往是孤立的，很容易受到其他因素的影响，也难以迁移到其他情境中去。因此，学生在形成概念后，还需设置一些不同的教学情境帮助学生迁移新概念，让学生能运用新学习的科学概念解决实际问题。

上述案例中，我们让学生解释“红绿灯”的工作原理，让学生尝试画一画的方式，进行设计，这是有难度系数的，因为这涉及到“并联”的知识 ，所以我们通过画图的方式，外显学生思维，学生想到的办法很多：1.可能有三个电路，安装传感器，自动切换每个电路。2.可能只有一个电路，但是开关很特别，他会切换到不同颜色的灯上去。3.只有一个电路，但是这个灯很特别，会自动根据时间控制进行变色。在这个环节，不仅巩固了概念，还发散了学生的思维，我们互相碰撞思维，激发新思维。

参考文献

[1]季荣臻.基于“思维可视化”的小学科学探究教学策略[J].江苏教育研究,2018(02):47-50.

[2]陈季霞.思维可视化：培养学生真性表达力的抓手[J].新作文,2021(24):68-69.

[3]李小健.基于“思维可视化”的小学科学教学策略探析[J].小学科学(教师版),2017(05):21.