在科學(xué)探索的道路上，人們需要以宏觀的視角去理解和解讀復(fù)雜的現(xiàn)象。教學(xué)革新就是讓學(xué)生不僅掌握知識，而且運(yùn)用知識解決生活中的復(fù)雜問題。此背景下，小學(xué)科學(xué)教育正面臨著一次變遷?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）對科學(xué)知識內(nèi)容進(jìn)行了深度整合和優(yōu)化，同時強(qiáng)調(diào)了培育學(xué)生核心素養(yǎng)，尤其是科學(xué)研究和科學(xué)學(xué)習(xí)所需要的觀察、思考與實(shí)踐等關(guān)鍵能力。然而，教師以傳統(tǒng)模式教學(xué)難以滿足新的需求——抽象的科學(xué)理論對于小學(xué)生來說難以理解，而單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)又無法激發(fā)他們的探索興趣。如何將科學(xué)知識以更直觀、生動的方式展現(xiàn)給學(xué)生，成為教育工作者亟待解決的問題。大單元視角下的可視化教學(xué)在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生。教師利用圖形、圖像、動畫等多種視覺元素，將抽象的科學(xué)原理具象化，使學(xué)生在觀看和互動中理解和掌握知識，將極大地提升學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果[1]。為探討思維可視化工具在教學(xué)中的應(yīng)用原則，尋找學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)之路，筆者以“增加船的載重量”等內(nèi)容為例，將可視化工具應(yīng)用于不同情境使之發(fā)揮應(yīng)有的作用，優(yōu)化教學(xué)方式，提升教學(xué)的親和力、可操作性，從不同角度和維度促進(jìn)學(xué)生深度思維，讓學(xué)生有效參與高階思維活動，提升認(rèn)知水平。

一、大單元視角下思維可視化教學(xué)設(shè)計的原則

（一）關(guān)注學(xué)生，多維培養(yǎng)

讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生的實(shí)質(zhì)是讓思維看得見。教師設(shè)計大概念統(tǒng)領(lǐng)下的大單元教學(xué)，要反映學(xué)生內(nèi)在思維發(fā)展情況，設(shè)置的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)有助于每個學(xué)生學(xué)習(xí)并發(fā)展他們的潛力。學(xué)生在學(xué)習(xí)中找到興趣，有利于激發(fā)他們的積極性和主動性。教師應(yīng)設(shè)計多元化的課程內(nèi)容和活動，在前概念、單知識、多點(diǎn)聯(lián)系、拓展上升、遷移發(fā)展之間建立聯(lián)系，通過可視化的思維操作，培養(yǎng)學(xué)生多方面能力。

（二）精煉知識，深度發(fā)展

在學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階過程中，大概念的指向是不變的，變的是概念水平。大概念的學(xué)習(xí)如同“滾雪球”，學(xué)生只有對知識理解得越深刻越透徹，才能將“雪”滾得越多越精確，這也是教師開展大單元教學(xué)的目標(biāo)[2]。教師利用可視化技術(shù)以畫圖、列表等形式呈現(xiàn)學(xué)生潛在的思維過程，有利于學(xué)生記憶知識、深化理解，提高思維水平。

（三）把握方向，提供支架

教師開展單元教學(xué)時，應(yīng)同時運(yùn)用“望遠(yuǎn)鏡思維”和“放大鏡思維”。就大單元設(shè)計而言，“望遠(yuǎn)鏡思維”就是向外擴(kuò)展，讓知識之間形成迭代結(jié)構(gòu)，便于學(xué)生進(jìn)行多學(xué)科聯(lián)結(jié)學(xué)習(xí)；而“放大鏡思維”則是向內(nèi)深挖，將大單元的知識構(gòu)建成“概念地圖”[3]。教師要盡可能利用思維導(dǎo)圖、概念圖等工具對知識點(diǎn)進(jìn)行拓展，使知識從抽象變得真實(shí)可見，使思維走向深層化、科學(xué)化。

二、大單元視角下科學(xué)思維可視化培養(yǎng)的工具與應(yīng)用方法

思維可視化工具的用途是將思維形象化、可視化[4]。思維可視化數(shù)據(jù)往往是形成性評價及定性評價中最珍貴的資料。教師在教學(xué)中，可以利用以下方法對學(xué)生開展思維可視化的培養(yǎng)與訓(xùn)練。

（一）應(yīng)用氣泡圖發(fā)散思維

氣泡圖是思維導(dǎo)圖的呈現(xiàn)方式之一，教師可用其將中心主題與子主題以圓圈形式聯(lián)系起來，有助于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果。數(shù)字時代，師生可使用在線繪圖工具如Mindomo、Coggle或Lucidchart，便捷地創(chuàng)建和編輯氣泡圖（如圖1）。這些工具為師生提供了友好的交互界面和豐富的模板，使繪制工作變得簡便。數(shù)字平臺支持學(xué)生實(shí)時對氣泡圖進(jìn)行共享與協(xié)作，也支持教師邀請學(xué)生共同編輯，提高互動與參與度。此外，數(shù)字氣泡圖能輕松嵌入圖片、視頻和鏈接，使內(nèi)容更豐富、直觀。隨著課程深入，學(xué)生可以輕松修改和更新氣泡圖，不斷添加新知識或調(diào)整布局，展現(xiàn)其靈活性和動態(tài)性。氣泡圖的應(yīng)用為師生提供了更廣闊的空間，促進(jìn)了師生HV/49Ni9js7GSm2jeFi2bQ==互動和學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。

（二）智用橋形圖發(fā)展類比思維

橋形圖作為一種視覺輔助工具，它能夠清晰、直觀地呈現(xiàn)不同事物之間的聯(lián)系，通過明確的關(guān)系構(gòu)建，幫助學(xué)生深入理解并把握抽象概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。教師可以利用橋形圖，引導(dǎo)學(xué)生逐步探索事物的規(guī)律，加深對科學(xué)知識的理解，促進(jìn)應(yīng)用。在數(shù)字化教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生可將繪制的橋形圖實(shí)時上傳至平臺（如圖2），使學(xué)習(xí)行為延伸至課后，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的深入思考和學(xué)習(xí)熱情，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)效果最大化。

（三）利用圓圈圖梳理概念

圓圈圖就是大圓套小圓（小圓在中心）形成的圖景。教師將核心主題放在小圓中，在大圓空白處放與小圓相關(guān)的內(nèi)容，通過提供相關(guān)信息來展示主題相關(guān)的知識，讓學(xué)生用文字或畫圖、其他標(biāo)志等方式來表達(dá)其理解。例如，教師可以利用交互式電子白板及其內(nèi)置的圖形工具輕松繪制圓圈圖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并調(diào)用資源庫中的素材充實(shí)圖表內(nèi)容，如拖曳相關(guān)圖片和視頻至圖中空白處。大部分交互式電子白板能支持學(xué)生使用觸控筆或手指參與編輯，允許實(shí)時添加內(nèi)容，如不同船舶的圖片、對結(jié)構(gòu)的描述文字。交互式電子白板的應(yīng)用顯著優(yōu)化了圓圈圖的教學(xué)應(yīng)用場景和效率（如圖3）。

（四）借助流程圖提高執(zhí)行力

教師科學(xué)運(yùn)用流程圖，借助箭頭的指引，可幫助學(xué)生明晰學(xué)習(xí)順序和邏輯關(guān)系，使其思維更加有序。教師結(jié)合運(yùn)用實(shí)物投影技術(shù)，可同步展現(xiàn)流程圖與實(shí)際操作，讓每個學(xué)生直觀感受每一步的變化與結(jié)果。這不僅能夠提升學(xué)生的參與熱情，而且能加深他們對制作流程和技巧的理解。同時，流程圖的應(yīng)用還為學(xué)生提供了表達(dá)思維過程的平臺，有助于他們更加深入地探討和分享學(xué)習(xí)心得。

（五）運(yùn)用數(shù)據(jù)圖深入分析數(shù)據(jù)

數(shù)字化教學(xué)形式越來越豐富，在創(chuàng)設(shè)情境、多重交互、自主探究等方面給學(xué)生帶來豐富、立體、直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，便于學(xué)生理解知識。數(shù)據(jù)圖能在各環(huán)節(jié)中進(jìn)行融入，以有效提高教學(xué)效率。例如，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者利用電子表格迅速采集數(shù)據(jù)，利用圖表工具，快速地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化情況，讓學(xué)生加深理解，進(jìn)而輕松解決重點(diǎn)難點(diǎn)問題。

（六）巧用魚骨圖展現(xiàn)思維過程

理論上講，教師對任何一節(jié)科學(xué)課都能設(shè)計合理的學(xué)習(xí)記錄單并有效運(yùn)用。但是，很多教師授課時忽視記錄單的作用。筆者設(shè)計合理的學(xué)習(xí)單，直觀地記錄和呈現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程及觀察過程，使抽象概念具體化。在設(shè)計制作活動中，筆者利用魚骨圖（如圖4），引導(dǎo)學(xué)生全面理解原理與過程，整體把握設(shè)計思想，形成深度學(xué)習(xí)路線，并向高階思維遷移。

三、大單元視角下思維可視化教學(xué)實(shí)踐

筆者以五年級“增加船的載重量”這節(jié)課為例，談如何在教學(xué)中開展思維可視化教學(xué)。

（一）基于大單元教學(xué)設(shè)計內(nèi)容和學(xué)情分析確定教學(xué)方法

經(jīng)過前面幾課的學(xué)習(xí)，學(xué)生體驗(yàn)到了船的材料的演變是一個不斷優(yōu)化與改進(jìn)的過程，并且了解了將材料做成中空能改變船在水里的浮力，從而使材料能更好地浮在水面上。從本課開始，學(xué)生要根據(jù)船舶在生產(chǎn)生活中的需要進(jìn)行設(shè)計和制作，從而解決載重量、穩(wěn)定性及持續(xù)動力等技術(shù)問題。

真實(shí)生活中船舶的體積是難以計算的。五年級的學(xué)生剛剛學(xué)完體積計算方法。本課，筆者引導(dǎo)學(xué)生將船模做成方形容器（降低難度），讓學(xué)生用數(shù)學(xué)知識開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)，同時為本課最后的拓展指向船艙的思考做好鋪墊。

筆者將本課的教學(xué)重點(diǎn)確定為指導(dǎo)學(xué)生制作船模（方形容器）使其發(fā)現(xiàn)船的載重量和船的體積有關(guān)，難點(diǎn)是根據(jù)測試結(jié)果不斷改進(jìn)容器形狀和結(jié)構(gòu)，以有效提高船的載重量和穩(wěn)定性。本課科學(xué)思維的培養(yǎng)方法是，讓學(xué)生根據(jù)自己的假設(shè)，設(shè)計出不同底面積的容器，并計算各容器容積，根據(jù)最終測試結(jié)果，解決實(shí)際問題，找出影響容器載重量的因素。

（二）基于思維可視化的教學(xué)流程

筆者結(jié)合“增加船的載重量”的教學(xué)實(shí)際，設(shè)計了旨在推進(jìn)學(xué)生思維可視化的教學(xué)流程（如圖5）。

（三）教學(xué)過程

1.課前導(dǎo)入

筆者創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生觀看關(guān)于我國最大載重船舶的視頻，繪制氣泡圖并上傳匯總到交互式電子白板平臺，分析哪些因素影響輪船的載重量。

2.分享討論，聚焦問題

學(xué)生展開頭腦風(fēng)暴并匯總信息，在平臺上展示氣泡圖，了解到影響船的載重量的因素有很多。他們將其中的幾個因素進(jìn)行匯總，總結(jié)出體積、船舷高、底面積這三個因素會影響載重量。此環(huán)節(jié)，筆者引出學(xué)生思維的開端。學(xué)生展現(xiàn)頭腦風(fēng)暴式的氣泡圖，便于筆者在課堂導(dǎo)入時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)及學(xué)習(xí)深度，進(jìn)而在學(xué)生已有認(rèn)知基礎(chǔ)上調(diào)整課堂教學(xué)深度與難度，促進(jìn)學(xué)生思維能力提升。

3.出示任務(wù)，設(shè)計方案

筆者提供相關(guān)材料（12 cm×12 cm鋁箔紙若干、代表載重量的墊圈、水槽、尺子、記錄表等），組織學(xué)生分組討論，讓他們選擇其VqfR8fkxhsBT3qMCGE19txctZZ1td1rVH0FpVi1l8ws=中的一個因素制作三只船模（方形容器）來研究船的載重量，討論后設(shè)計關(guān)于探究容器載重量與某一因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)流程圖。學(xué)生按照流程圖，設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。

（1）組間交流，達(dá)成共識

小組分享關(guān)于方案設(shè)計的流程圖，簡單明了展示自己小組的設(shè)計方案，上傳至交互式電子白板平臺，讓其他小組給出修改建議，最終確定小組的設(shè)計方案。

（2）確定方案，設(shè)計船模

學(xué)生觀看關(guān)于制作容器的視頻，將12 cm×12 cm鋁箔紙設(shè)計成容器的尺寸，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法盡可能列舉出來（見表1），根據(jù)自己所選擇的影響因素確定3種容器的設(shè)計方案。

（3）測試小船，記錄結(jié)果

學(xué)生對制作好的容器進(jìn)行測試，將測試結(jié)果記錄在表格中。表格數(shù)據(jù)能清楚地反映實(shí)驗(yàn)過程。

方案設(shè)計是本課的重難點(diǎn)。各組學(xué)生要充分討論，深入思考，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的可行性。流程圖的應(yīng)用有助于學(xué)生思維廣度的可視化，如要實(shí)現(xiàn)思維深度的可視化，學(xué)生需要經(jīng)歷“設(shè)計—制作—測試—改進(jìn)”的過程。設(shè)計容器尺寸涉及數(shù)學(xué)換算知識。筆者給學(xué)生一定的時間思考，讓他們將容器設(shè)計的尺寸盡可能多地列舉出來，使其思維以數(shù)或圖的形式展示出來，最終攻克難點(diǎn)。

4.分析數(shù)據(jù)，研討問題

（1）數(shù)據(jù)匯總，綜合分析

各組將實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)匯總到電子表格中，先生成可視化的圖表，再綜合分析。

（2）觀看小組制作過程，分析方法

筆者將學(xué)生有疑慮的幾個數(shù)據(jù)以實(shí)物展臺方式再次展示，讓學(xué)生直觀地看到實(shí)驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行對比分析。

5.歸納知識，得出結(jié)論

筆者將學(xué)生的探究情況進(jìn)行匯總，引導(dǎo)學(xué)生歸納得出結(jié)論：影響載重量的因素有船的容積，船的容積越大，載重量越大。

此環(huán)節(jié)，筆者利用表格數(shù)據(jù)與直觀的柱狀圖（見表2），使結(jié)果可視化，降低理解難度，使得知識的形成水到渠成。同時，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合分析能力。

6.思維的過程性歸納：拓展延伸，提升思維

（1）模擬生活，拓展知識

筆者出示生活中的多種貨物，讓學(xué)生思考其中的圓形貨物，對學(xué)生想到的情況進(jìn)行匯總，使其認(rèn)識到船的穩(wěn)定性會影響船的載重量。

（2）討論改進(jìn)，知識遷移

筆者讓學(xué)生結(jié)合他們繪制的流程圖，分組討論并改進(jìn)方案，結(jié)合討論的結(jié)果將其思維過程展示出來。

（3）觀看生活中船艙的利用

此環(huán)節(jié)是對課堂教學(xué)的拓展。筆者為學(xué)生展現(xiàn)了滾動的貨物裝載過程，引導(dǎo)學(xué)生思考如何提高載重量。筆者用這個看似簡單的例子，引出船的最大的部件——船艙。提出問題，記錄學(xué)生答案，是將學(xué)生的思維可視化的過程，有助于他們深化認(rèn)知，解決問題。本環(huán)節(jié)筆者引導(dǎo)學(xué)生將知識遷移到生活中，根據(jù)思維情況進(jìn)行有效調(diào)整，使先前錯誤的想法得以糾正，也使得學(xué)生習(xí)得大概念的知識體系越來越完善。

筆者于2022年9月至2023年6月，對五年級4個班進(jìn)行了思維可視化培養(yǎng)教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)，將（3）、（4）班作為實(shí)驗(yàn)組，（1）、（2）班作為常規(guī)組。通過對學(xué)生從實(shí)驗(yàn)后的測試成績、調(diào)查問卷、課堂觀察、教學(xué)報告分析數(shù)據(jù)、學(xué)生的作品情況等方面進(jìn)行定量與定性分析，發(fā)現(xiàn)接受可視化教學(xué)的班級學(xué)生知識掌握程度普遍高于普通班。實(shí)驗(yàn)組95%的學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度極高，特別是在作答實(shí)驗(yàn)操作題上表現(xiàn)突出。對于提出問題、作出假設(shè)、設(shè)計方案、驗(yàn)證方案、得出結(jié)論這些開放度較大的題，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生完成正確率高達(dá)98%。結(jié)果表明，學(xué)生接受這種思維可視化的培養(yǎng)使其發(fā)散思維得到了增強(qiáng)，促進(jìn)了思維能力向高階發(fā)展。

在大單元教學(xué)中，筆者利用思維可視化工具培養(yǎng)學(xué)生的思維可視化，降低了概念理解難度，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高。教師開展大單元教學(xué)，要學(xué)會利用多種可視化工具實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維可視化，使學(xué)生的思維有效地在課堂上展現(xiàn)，并且在教學(xué)中創(chuàng)新應(yīng)用可視化工具，為高效教學(xué)提供支撐，如借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）優(yōu)化學(xué)生體驗(yàn)，不斷開闊可視化的新天地。

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（作者系廣東省佛山市南海區(qū)桂城街道燈湖第五小學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志