利用思維可視化工具開拓學生高階思維

◇金奕莼（浙江：杭州市錢江新城實驗小學）

一、小學生科學高階思維發展的困境

2022 年，教育部頒發了《義務教育科學課程標準》，強調科學課程要培養的學生核心素養，包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等方面。胡衛平教授提出的“核心素養之核心”的科學思維越來越得到重視。

小學科學承載著幫助學生初步建構科學概念，并將相關概念結構化以及逐漸形成知識體系的任務。要完成這個任務，學生要經歷從非本質到本質特征的比較，判斷現象與現象之間的因果關系，從具象到抽象以及將零散的概念形成結構化概念的思維發展過程，需要超越簡單記憶、理解的更高認知水平的思維方式，培養學生以比較思維、因果邏輯思維、概括思維、結構化思維為主的小學生科學高階思維。

（一）從非本質到本質

比較是科學學習中一種常用的建構概念的思維方法。建構概念過程中，需要通過比較事物來認識事物的共性與差異性。許多學生往往能關注到事物的非本質特征，卻忽視對事物的本質特征進行抽象，從而影響正確的科學概念建構。

（二）從相關到因果

學生在探究過程中會觀察到多個現象并建立它們之間的相互聯系，但對現象間的因果關系很難進一步判斷。這妨礙了相關概念的建構。

（三）從具象到抽象

概念建構需從一些具體的有共同特性的事物中抽象概括出它們的一般性或共有特性。學生在抽象概括過程中缺乏從事物的許多特性中概括出本質特性的能力，影響著概念建構。

（四）從零散到結構化

將已學的科學概念結構化是形成知識體系的重要過程。由于學生結構化思維薄弱，面對多個零散且相關的概念時，很難建立多個概念之間的關系，會影響知識體系的形成。

綜上所述，小學生科學高階思維的發展影響著學生科學概念的建構及知識體系的形成。因此，我們需要通過思維可視化的教學手段發展學生科學高階思維，同時幫助學生提升科學概念建構能力和科學核心素養。

二、思維可視化對開拓小學生科學高階思維的意義

思維可視化是指運用圖示將原本不可視的思維清晰呈現出來，是一種符合學生認知心理的學習方式。在教學過程中，通過思維可視化工具將學生頭腦中原本不可見的思維結構、方法、路徑、流程及策略“畫”出來，幫助學生有針對性地學習理解、記憶和表達，提高自己的問題解決能力和科學思維能力。

思維可視化能成為提升思維的重要載體，其原因是思維可視化的核心是“思維”，可視化是其手段，它具有雙重價值。教師在課堂上運用可視化教學，其顯性價值是將抽象的科學知識及不可見的思維過程可視化呈現，提供良好的科學探究環境、激發學習興趣、幫助理解記憶、增加學生主動獲取知識的效能。其隱性價值則是：有助于學生發現事物的本質特征，判斷現象間的因果聯系，提高抽象概括能力以及結構科學概念的能力；有助于學生培養比較思維、結構化思維、概括思維、因果邏輯思維，將隱性的思維顯性化；促進學生思維流暢，嚴謹、清晰表達；幫助學生提出問題、分析問題和基于證據解決問題，有效引導學生對信息進一步加工和處理；促進學生高階思維的發展。

三、利用思維可視化工具開拓小學科學高階思維的路徑

氣泡圖、韋恩圖、樹形圖、流程圖、魚骨圖等圖示都可作為思維可視化工具，教師在教學過程中應選擇合適的思維可視化工具并有效運用，幫助學生在學習和掌握知識的過程中，科學高階思維得到同步發展。

（一）使用韋恩圖開拓比較思維

韋恩圖是通過表示兩個（或兩類）事物特征的兩個圓相交取交集作為共同部分來表示它們的公共元素。韋恩圖可以幫助學生提升比較和抽象事物特征及認識事物共性和差異性的思維能力。圖1呈現了利用韋恩圖發展比較思維的一般流程。

以《觀察一瓶水》和《認識一袋空氣》為例，學生通過比較水和空氣的特征，初步建構液態和氣態的概念。教師在黑板上介紹韋恩圖的使用方法后，提供觀察材料。觀察是思維的前提，教師組織全班分享交流各組基于觀察完成的韋恩圖。學生在相互學習中辨析“水可以喝，空氣不可以”是非本質特征，還通過對比分析，從“水里放糖或鹽會變甜或咸，空氣不能放糖或鹽也不會變味道，但空氣里會夾雜其他氣味”這些看似非本質的特征中，抽象出本質特征“空氣和水本來是沒有氣味和味道的；它們都會占據空間；空氣和水都會流動，因為空氣很輕所以我們用飄動”。教師還引導學生從不同點中尋找相同點，從相同點中尋找不同點，利用韋恩圖輔助學生整理空氣和水的異同點，幫助學生體會和內化比較思維（圖2）。

（二）采用復合流程圖或魚骨圖發展因果邏輯思維

因果推理，即因為A 所以B，或者說如果出現現象A，必然出現現象B。這是一種引起和被引起的關系，屬于典型的邏輯思維。在小學科學課堂教學中，我們可以借助復合流程圖或魚骨圖引導學生關注問題的因果關系。在一系列的探究和驗證性實驗活動中，學生會逐步形成因果推理及有邏輯的思維能力。圖3 提供了利用復合流程圖或魚骨圖發展因果邏輯思維的一個路徑。

以“比較種子發芽”實驗為例，教師在《種子萌發條件》的教學中，借助魚骨圖引導學生通過改變的“因”來探究“果”。用在魚骨主干上標注點的方式來表示學生通過經驗所猜測影響種子萌發的因素。教師組織學生交流討論并補充影響種子萌發的因素，結合對比實驗，在主干骨上每個點的兩側魚骨中分別畫出具體引起種子萌發情況變化的條件，對比分析這些改變的條件即“因”會產生的“果”，并將“果”記錄在魚骨圖上對應的小骨位置（圖4）。學生根據魚骨圖的方向以及魚骨間直觀的因果關系推理得出結論：種子萌發需要充足的空氣、適宜的溫度、適量的水分，不受土壤和陽光的影響。學生在對魚骨圖反思整理與總結的過程中發展了因果邏輯思維。

圖4 魚骨圖用于種子萌發影響因素及結果的表征

（三）借助流程圖與括號圖開拓概括思維

概括是指從具有共同屬性的事物或現象中抽取一般或共有的屬性，綜合并推廣遷移到同類事物的過程，從而獲得關于一般事物或現象的本質屬性。概括的過程就是學生認識事物性質、建立概念、探究事物本質的過程，同時形成有序思考及抽象概括的思維能力。流程圖與括號圖配合使用能夠為學生的概括思維發展提供腳手架。圖5 呈現了利用流程圖與括號圖發展概括思維的一般流程。

圖5 流程圖與括號圖用于發展概括思維的一般流程

以《物質的變化》為例，學生通過實驗觀察收集了各種常見物質變化現象等感性的概括材料。教師引導學生根據物質變化現象的特點對各種物質變化現象進行分類，并尋找同一類物質變化的相同特點。同時指導學生將這一有序的觀察過程及分類結果記錄在流程圖中。面對不同的分類想法，教師選擇先引導學生對已經認同的分類現象進行抽象概括。在此過程中，教師著重引導學生剔除物質變化的非本質特點，保留本質特點——是否與原物質相同，即是否產生新物質，并用括號圖將其條理化。學生借助括號圖進行概括結果的圖示呈現（圖6）。此時，學生已從具象到抽象概括出物質變化的類型，再根據物質變化的本質特點來辨析之前有歧義的分類現象。在整個學習過程中，學生不僅概括思維得到了發展，所形成的知識概念也得到了鞏固。

圖6 流程圖與括號圖表征物質的變化

（四）利用樹形圖或概念圖發展結構化思維

結構化思維是人們認識世界從整體到局部關系建立的過程。這個過程要求人們從被認識對象的結構出發，有序認識事物的整體與局部關系，從而認識事物及解決與事物相關的問題的思維方式。樹形圖和概念圖是以層級結構表達概念間相互關系的一種空間結構圖示。在教學中應用概念圖或樹形圖能夠引導學生對相關概念進行結構化的梳理，將零散雜亂的知識進行結構化分類，形成整體、系統的知識網絡結構。圖7 呈現了利用樹形圖或概念圖發展結構化思維的一般流程。

圖7 樹形圖或概念圖用于結構化思維發展的一般流程

以小學階段生命科學領域中與動物相關的概念為例。學生經歷低段到高段的相關概念學習，應建構相互聯系的動物概念結構。分類是用于研究動物最基本且重要的方法，教師借助概念圖幫助學生對動物分類的概念結構化。教師引導學生明確概念結構化的對象，回顧小學階段與動物相關的概念，通過對比分析這些概念確定動物分類最上位的分類標準——動物是否有脊柱。并根據子項目分類結果，將本質特點整理在其子項目的下一層，最后辨析所學過的動物特點，將動物對應到每個類別的底層（圖8）。學生在完成概念圖的過程中，建立了知識結構的同時，分類能力和結構化思維也得到了培養和發展。

圖8 概念圖表征動物的分類

我們知道，發展科學高階思維的方法是多元化的，小學科學高階思維的培養和落實還需要不斷探索和嘗試。我們在繼續實踐研究發展學生科學高階思維可視化工具的路徑的同時，還要努力實踐、不斷研究，探索發展科學高階思維的新路徑。