可视化思维工具在科学教学中的应用研究
一、问题提出
反思多年的小学科学教学课堂，学生们并没有完全成为课堂活动的主体，没有学习热情，只是老师讲什么就听什么、记什么，不去积极的参与课堂活动，不积极去思索问题；而教师只是把知识零碎的教授给学生，并未形成系统，学生对于知识的认知停留在初级水平上，没有深度理解。
同时，教学中学生思维能力的培养效果不佳。许多学生往往较多关注问题的答案, 而忽视了生成答案的思维方法和过程，很多时候，学生掌握的只是片面的、表层的知识。
《小学科学课程标准》（2017版）指出：小学科学课程以培养学生科学素养为宗旨，重在培养学生对科学的兴趣、正确的思维方式和学习习惯；要让学生体验科学探究的基本过程，发展科学探究能力；发展学习能力、思维能力等。《科学课程标准》强调思维能力的重要性，思维品质是发展学生智力与能力的突破口，也是学科核心素养落地的关键。
在科学课堂教学中运用一系列图示技术把本来不可视的思维（思考方法和思考路径）呈现出来，通过可视化的“思维”工具呈现出学生思维的过程和方法，帮助学生挖掘与呈现知识背后的思维规律并训练学生掌握这些思维的规律，能让学生对科学知识理解更深入、更透彻、更系统，培养学生的科学思维能力，从而提高学生学习的能力。所以应用可视化思维工具于科学教学，符合《科学课程标准》的要求和小学科学教学的现状。
小学生的逻辑思维能力和抽象思维能力较差，但对于视觉信息有天生的敏感性，教学中通过形象的思维便于学生理解抽象的科学现象，运用可视化思维工具形象、直观的展示科学概念和知识，符合小学生认知心理的要求。
总之，在课程标准重视思维能力的今天，我们的教学过程需要让学生更好地从形象思维开始，逐步培养和提高抽象思维能力，通过教学中思维可视化工具的使用，从而改变教师的教和学生的学，使学生获得良好的学习体验，构建清晰的知识结构并实现内化，从而培养、提升学生的核心思维能力。
二、国内外研究现状
在国外的研究中，通常把思维可视化当作一种方法应用在不同的领域。外国学者研究出了许多思维可视化工具，帮助人们进行思维的组织、梳理，他们主要将其应用在教育、工业、企业管理、行政等领域，用来提高工作效率。在教育领域，国外使用它进行教学组织、知识构建等，已经发展的较为成熟。
国内的研究通常把研究的重点放在思维可视化和教育的结合这个方向。国内学者从以下三个方面对于思维可视化在教育领域进行了研究，第一方面是思维可视化对教师教学的影响；第二方面是思维可视化工具与认知水平的关系；第三方面是设计出基于思维可视化的教学模式。可视化思维概念是由华东师范大学刘濯源首先提出，实现“思维可视化”的技术主要包括两类：图示技术（思维导图、模型图、流程图、概念图等）及生成图示的软件技术。小学教学中使用的主要是第一类。在我们研究的同时，2018 年，季荣臻研究了基于“思维可视化”的小学科学探究教学策略。
图1
由上图可以看出，2015年至2018年有关思维可视化的论文研究越来越多，2015年28篇，2016年34篇，2017年36篇，思维可视化不断受到关注，其研究也日渐活跃。其中，阐释某一学科的思维可视化教学论文，共28篇，占总数的49％。思维可视化的教学应用涉及包括语文、数学、英语、地理、化学、物理等11个学科，从数量统计结果来看，中学应用最多的前二个学科为生物，物理。小学阶段有27篇论文，数学占14篇，其余为科学3篇，集中在2017、2018年。其他学科为语文、计算机、英语。
以往的思维可视化的教学应用集中于理工类学科，基于某一学科进行教学模式设计或教学实验研究较多。国外研究的结果显示：可视化思维效果在理科教学中优于文科；生物教学中优于其他理科。
可视化思维工具的定义来自于研究可视化思维的几个教授，其中，气泡图、流程图采用了美国教育专家David Hyrle提出的Thinks Maps的概念，思维导图由英国Tony Buzan提出的Mind Mapping ,概念图采用的是美国康奈尔大学Jovak提出的概念。刘恩山教授把维恩图、流程图、循环图等也归为概念图。他们各自叫法不同，小学阶段的数学、科学教材将这些工具看作不同的类别，这样更适合于小学生，我们的目的是让孩子们使用这些工具，最终达到融会贯通、运用自如，不必纠结于用什么名字称呼。
图2
上图是国内外按照对思维的整理类型对部分可视化思维工具进行的分类，便于老师在教学中的选择和使用。对于可视化思维工具的分类有许多不同的看法，归类也不完全一致，因为一种工具的用途是多样的。
可视化思维：可视化思维（Thinking visualization）是指运用一系列图示技术把本来不可视的思维（思考方法和思考路径）呈现出来，使其清晰可见的过程。被可视化的“思维”更有利于理解和记忆，因此可以有效提高信息加工及信息传递的效能。也叫思维可视化。通俗的讲就是使用图标、符号、表格、多媒体等手段直观地体现学生的思维方式。
本课题研究的小学科学教学中常用的可视化思维工具包括:气泡图、网状图、维恩图、思维导图、流程图、概念图、图标、漫画、表格等。
五、研究目标
1.总结一些适合小学科学教学应用的可视化思维工具。
2.构建可视化思维工具在小学科学教学应用的基本方法和路径。
3.通过可视化思维工具的应用，促进学生对科学概念的理解和思维水平的提升。
4.通过课题的研究，提升学校科学教师的教育科研能力。
六、研究内容
1.研究适合小学科学教学应用的可视化思维工具；
2.研究可视化思维工具在小学科学教学应用的基本方法和策略。
本课题对科学教学中常见的可视化思维工具：气泡图、思维导图、维恩图、概念图、流程图及统计图等在课堂中的使用和应用情境进行研究；运用思维可视化工具进入教学实践，形成丰富的应用案例；进行实证研究， 获得一线数据，构建适合学生认知实际的可视化思维工具应用策略，反思和完善应用策略，为可视化思维工具真正成为实用的教学工具和学习工具提供一些参考和借鉴。
九、研究过程：
（一）课题研究经历了三个阶段：
1.前期调查与组建阶段（2017年4月——2017年9月）
调查科学课堂教学现状，分析课堂教学高效或低效的特征，完成调查；
利用文献研究和理论学习，确立课题并加以论证，完成课题研究方案。
2.课题研究的全面实施阶段（2017年10月——2019年6月）
提出组织、管理、科研的具体任务并实施研究实验。具体做到：
深入课堂，通过听课、评课等教研活动，编写典型案例，完成优秀课堂教学实录。
完成可视化思维工具教学应用的教学设计和教学案例汇编；
总结可视化思维工具在小学科学教学应用的基本方法和策略。
3.课题总结结题阶段（2019年6月～2019年11月）
总结课题研究成果、撰写研究报告、论文。
（二）在研究中主要做了以下工作：
1.班级授课，对比试验
课堂实录借助摄像机，将教学活动的整个过程完整地摄制下来，从中发现学生在学习活动中的表现，以评估学生科学素养各个方面的发展，同时还可以观察学生在学习过程中的认知发展状况。我们收集了应用可视化思维工具的科学课教学实录十余节。班级授课后，我们对学生研究课前后科学知识和科学能力进行对比测试，在期初期末对学生的科学素养情况对比测试，并进行分析。
2.科学记录，物化成果
学生在学习过程中往往需要物化学习成果，科学记录是重要的手段，也是可视化思维工具的载体之一，表格、思维导图记录出学生的前概念，学习结束时，回忆整个单元的学习过程。对照记录单判断现在的想法是否更全面，修改、完善自己的想法。记录为学生提供了有效的载体，让他们的思维可视化，帮助他们对自己的学习进行反思，完成对学习的认识，是可视化思维的工具，也是元认知思维工具。
教学中我们为每个学生准备了一个科学记录本，用可视化思维工具记录自己的想法。记录本上，思维导图、概念图、流程图等等记录非常精彩，学生利用可视化思维工具已经成为习惯。
3.行为观察
我们通过观察儿童学习中的行为表现，如基于可视化思维工具的课程教学中学生的操作水平、合作状态等，来了解应用可视化思维工具教学时学生的反应，评价运用可视化思维工具教学的效果。
4.纸笔测试
每个学期末，我们会进行科学素养测评。测试的内容主要是儿童对一些科学概念的理解和他们对一些问题的基本看法，科学态度等等，从测试结果中可以知道他们的科学素养状况。2年来，我们共开展了4次学生整体的科学素养测试，2次研究课后的教学效果测试。
5.总结不同科学课课型的使用工具类型，以及可视化思维工具在小学科学教学的应用实例收集整理。
十、研究成效与成果
1.概念学习课中可视化思维工具的应用
概念学习是科学课的一种重要类型，利用可视化思维工具中的气泡图、维恩图、思维导图，可以发散学生思维，通过联想描述与对比，促进学生深入理解概念、有效掌握概念。
“头脑风暴”是小学科学概念教学经常采用的一种教学方法，“气泡图”和“网状图”在头脑风暴中让学生的发散思维紧紧围绕关键问题展开，发挥导向和记录的作用。教科版三年级科学教材大量使用了气泡图和网状图来记录头脑风暴、构建科学概念。网状图用图解的形式记录与中心词（主题）有关的内容，呈现中心词和与之相关内容之间的关系。使用气泡图和网状图都有助于学生整理加工已知信息，可以作为老师了解学生前概念的一种手段。
案例一：
三年级《材料》单元，将“木头”、“塑料”等材料作为中心词板书出示，学生通过头脑风暴发散思维写出它们的特性，运用气泡图展示了学生的已有知识，奠定了新知学习的基础。
图4
案例二：
教科版科学三年级上册“水和空气”单元第一课是《水》，“水”是学生非常熟悉的，但是他们的思维是零散的、没有条理的。运用网状图来让学生交流，帮助学生归纳，用圆圈和直线串起来，形成有结构的知识。网状图帮助学生构建起了“水”的核心概念，学生对水的认识提升到了一个更高的层次。在教师的引导下，学生从水的“用途”、“和生物的关系”、“基本特点”几方面将水的知识进行分类和梳理，形成思维的网状脉络，提高了学生处理信息的能力（如图5）。“水”的网状图让学生理清了新旧知识间的关系，明确了新的探究目标，为建构科学概念架起了思维的桥梁。
5
在传统的数学教学中，维恩图是一种利用率很高的可视化思维工具，例如交集、并集的求取。维恩图也是一种科学概念教学中选择、分类和比较信息的非常有用的工具，它可以用来整理观察比较结果，形成明确的概念，显示概念之间的关系。
案例三：
三年级科学上册《植物》单元《大树和小草》一课，大树和小草的形态特征区别非常明显，学生在比较过程中获取到两者之间多个零散的知识点。维恩图把这些零散的知识点分类集合在一起，梳理形成木本植物、草本植物等概念，再从他们的分类信息中找到信息之间共同的内在联系，揭示出大树和小草的共同特点，学生认识到在生命世界里不管个体的大小如何，都是有生命的，都具有生命体的共同特征。通过维恩图进行比较和分类，教学清晰地指向了单元核心概念“生命体的共同特征”。
《科学》教材“比较植物和动物的相同和不同”、“比较蒸发前和蒸发后的食盐晶体”、“比较固体和液体”、“比较在水中上浮和下沉的物体”等等，都是通过维恩图这一工具，帮助学生找到了生命体的共同特征、食盐溶解的特性、固体和液体的不同属性等，维恩图在学生建构概念的过程中发挥了重要的作用。借助这些思维工具，学生间的交流变得顺畅和高效；学生们学会了进行科学的思考，养成了科学思维的方式，这一点，在我们的实验中已经得到了证实。
2. 问题解决课中可视化思维工具的应用
在解决科学问题的过程中，引入可视化思维工具，可以帮助学生沟通概念之间的联系，改变以往零碎、片断的机械式学习，形成注重关系、脉络并充满主动探究活力的有意义学习，从而促进科学知识之间的融合，让学生形成系统化的认知结构。
案例四：
教科版《科学》四年级上册《相互协作的人体器官》一课，学生认识了人体的肌肉、骨骼和关节、呼吸系统、循环系统、消化系统的工作过程之后，根据各个系统所完成的工作，寻找系统之间的联系。这一单元是让学生认识到人体的各个器官是协调工作的，将人体作为一个系统的整体来看待，整体的认识其内部结构和功能，能应用“系统论”的观点看待人体的结构组成。四年级的学生理解比较有难度，教材通过画图的方式，让学生先完成简单的联系，学生先将关系线索中的元素提取出来，如心脏、氧气等等，再明确相邻两个元素的关系，主要以表示动作、过程的词语表示，如帮助、运动等，形成了下面的关系图：
当学生能把各个器官之间的联系表达出来之后，教师再指导他们进行综合性描述。将各个元素之间用线连接，用箭头表示关系指向，通过图示将身体各部位之间的相互关系直观的表现出来（如图8），学生发现了身体在工作中的协调工作特点，感受到人体的精密、和谐之美。这是一个比较复杂的流程图，也有的学者称之为视觉化图或概念图，它的使用突出了直观性，提升了学生对“人体各个器官是协调作用的”的认知。
图9
画出上述图示后学生再利用图进行知识表达和学习交流，他们对自己画的图进行解读，描述关系，以加深理解。学生还在学习小组内交流自己制作的流程图，由于学生认识角度、理解深度、表达方式的不同，必将导致所制作的流程图存在差异，而这样的差异是学生很好的学习资源，它将促使学生对器官间的关系进行再思考、再发现。
问题解决类型的科学课在实验或观察完成后，经常需要统计数据，这时适合利用图表来展示学生成果，引领他们的思维。如六年级上册《相貌各异的我们》一课，学生观察相貌特征后，找出了全班同学的性状编码，这么多性状编码的数据，小学生又对实验数据缺乏一定的敏感性，怎样展示更清晰？怎样能更好的观察呢？我们采用了如下的EXCEL表格同步进行统计和展示，使数据可视化，便于分析和发现数据变化的趋势，发现共性，形成结论。
图10
3.复习整理课中可视化思维工具的应用
在科学单元复习课中，引入可视化思维工具，可以统整单元概念，对知识进行加工和整理，实现知识结构的重组与生成。
案例五：
在学习了教科版四年级上册《食物》之后，教师带领同学们通过自制思维导图，对知识进行了有效的加工整理，知识结构更优化。学生从中学会了反思自己的学习过程，提高了元认知水平。下面是《减慢食物变质》一课复习的教师板书和学生对《食物的营养》的总结图。
图11
图12
案例六：
五年级《地球的运动》单元内容抽象，学生理解起来有一定的困难。在对单元的知识进行梳理时，发现学生概念之间混淆严重，特别是对知识之间的关系缺乏整体的把握和认知。复习时让学生通过图示总结本单元内容后，学生对各知识点在知识结构中的位置及前后联系一目了然，促成了学生知识形成网络。思维导图、框架图进行单元梳理后，学生从总体上理解了教材，厘清了单元内各个教学内容之间的脉络，充分了解教学内容之间的关联，从而实现可视化学习，引领学生的思维走向深入。
图13
图14
（二） 实验效果与分析
通过两年的实验，获得的实验结果如下：
1.对1301班实验前期及后期的学生科学素养问卷调查情况
实验前后对实验班利用科学素养调查问卷（见附件）进行问卷调查，调查包括学生的科学知识、情感态度价值观、科学探究的三个方面内容，实验前测收回的有效卷分别是50 张，实验后测收回的有效卷分别是51 张，二次问卷调查结果见下表：
图15
通过上表可以看出，虽然，学生科学知识、探究能力的增长和年龄有关，但在课堂教学中通过可视化思维工具的应用，学生的学习态度比实验前有明显的改变，提高了学生的学习兴趣，学生的问题意识和分析问题和解决问题的能力都有明显的提高。
2.期末学生科学素养测评情况
期末全校分年级科学素养考查时发现学生的思维能力有了明显提高，他们思考问题速度更快了，想得更周到，更细致，更能抓住要点，交流更有条理，更准确，能从不同角度思考问题，说出理由。促进了学生的认知学习和主动探究，学生的主动性和自主性得到发挥，由于学生的思维参与，学生能感受到学习的快乐；思维让学生享受到了学习的快乐、成功的快乐；思考后成功的愉悦，是对学生的良好学习习惯和持续发展最有价值的强化和激励。（学生科学素养分年级的分析详情见附件一）
3.利用可视化思维工具教学《浮沉子的秘密》一课的前测、后测，学生对科学概念的掌握情况更好。
4.实际课堂教学情况
从课堂教学的情况看，同样的教学内容，未使用可视化思维工具上课时，有一部分学生经常注意力不集中，学习兴趣缺乏。在实验过程中，上述的情况有了很大改观，大多数学生在课堂上都能够把注意力投入到学习中。在课堂上注意力不集中的现象明显减少。通过访谈6名学生（成绩上、中、差各2 名），学生普遍反映在课堂中进行可视化思维工具比只听教师讲容易理解，记得牢固，听课没那么枯燥了。有学习成绩较差的学生反映，虽然可视化思维工具对自己来说也有一定的难度，但自己要比以前愿意学习这门课程了。从观察到的和访谈得到的这些情况看，无论是学生的学习态度，还是学习的主动性、探究能力都比以前有很大提高。
（三）课题组成员所取得的成果分析
1.典型课例收集
科学教学中可视化思维工具使用的典型课例收集，分类整理，发现规律，形成合集后这些课例进行分类，找出共同规律，什么样的课型适合运用什么工具，效果更好，以供以后同类型教学内容借鉴。2年来，我们收集整理了小学科学教学中应用可视化思维工具的二十多篇课例。
2.论文总结
课题组成员定期撰写论文，形成理论性成果。已有获国家级一等奖论文一篇，省级获奖论文两篇，市级论文获奖一篇。
3.学生教师作品收集
我们在应用可视化思维工具教学时，收集了大量的优秀的学生作品，当我们用研究的眼光去寻找时，发现：首先大部分学生对于可视化思维工具的应用很有兴趣，他们非常喜欢用这种方式学习思考，他们的作品很精彩，思维能力越来越强，很多学生已经能够自由运用、自主的去运用，当课堂上需要分析一个问题时，他们会主动用图示思维工具去分析。这说明利用可视化思维工具，在科学课上学生思进去了，就不会感到学习的痛苦、烦躁；思不进去，上课就如坐针毡，苦闷难熬。学生的思维可见，教师就能了解学生的思维脉络，并循着学生的思维轨迹展开教学，才变 “知识灌输型 ”教学为“思维发展型”教学，学生能学得进去，展示出来。
4.优课展示
对于课例中的优秀案例我们通过教研课、公开课、一师一优课、微课等平台进行了展示，让这些优秀案例成为榜样，起到带动作用。
5.课题组成员所取得的成果
在课题研究实践中教师素质不断提高，课题组成员教育教学理论得到提升，教学的专业化水平得到了发展。教师的学科教育教学水平、科研意识和能力都得到提高。
十一、研究反思
思维可视化工具在小学科学课堂教学中的应用研究，通过概念图、思维导图、流程图等图例把我们的思维和知识结构、知识间的关系由中心向四周，转化成了学生便于理解的内容。通过在教学活动中培养学生运用图像手段、可视化的界面由浅入深地体现自己思维的过程，使学生把科学课程学习作为一种乐趣和展示自己的手段，实现了学习过程中的学生高级智慧的培养与发展。
（一）实施课题以来我们认为可视化思维工具在科学教学中主要可以起以下作用：
1.作为教学工具和学生的认知工具，提高学生认知能力，科学构建认知结构。
2.作为提高学生思维能力的工具，提高学生逻辑思维能力。
3.作为教学评估工具，评定学生对某个领域知识的理解，探查学生的内部认知结构。
4.作为表征认识主体思想的工具，用于分析问题和决策。
（二）可视化思维工具在小学科学教学中的应用策略
经过教学实践，我们深切的感受到，可视化思维工具之所以能够在各科教学中获得较高的评价，是与教学者采取的一系列行之有效的教学策略有关，在平时的教学活动中引入可视化思维工具，我们总结了以下策略：
1.明确目标。
教学目标是课堂教学的出发点和归宿，决定着学习者将要发生什么变化，既决定着教学结果将是什么。以可视化思维工具为主的课堂教学，要不断朝着教学目标进行，最终达到教学目标。我们使用可视化思维工具是为了教学目标的达成，是为了学生思维的提升，不是为了学会工具的使用而用。
可视化思维工具是能够有效帮助我们提高思考效率的工具，但它只是辅助性的工具，能够辅助思考，而不能代替思考。会使用这些图示工具，不意味着思考力就强；但一个思考力强的人，善用这些工具，能够显著提高思考效率。
2.把握教材，精心选择可视化思维工具的类型。
就教学内容而言，虽然小学科学课程有许多可供探究的素材，但不是所有知识都适合学生利用可视化思维工具学习，因此，在实施可视化思维工具的教学时，要注意选择适合的内容，精心选择可视化思维工具的类型。
3.评价完善
多次修改完善，这样学生的思维才能不断发展和提高。
（三）待解决的问题
本研究只是对科学课堂教学如何引导学生进行可视化思维工具进行了实践和初步的探讨，由于实践经验不足，水平有限，致使本研究存在不足之处，课题研究过程中仍有许多问题值得商榷：
1.如何使可视化思维工具较好地落实到科学课堂教学中，取得最佳的教学效果，还有待在今后的课堂教学实践中进一步去探索。
2.对学生利用可视化思维工具的学习还没有形成一个完整评价体系，可视化思维工具的使用怎样量化评价 还有待进一步完善。
参考文献
百度百科： 可视化思维
韦钰 《我们为什么要围绕科学概念来组织科学教育》
朱学庆 《概念图的知识及其综述》
熊频、胡小勇 《可视化思维支架：概念图研究的新视角》
吴宝席 《让学生的思维在课堂教学中“可视化”》
许燕、郑丽萍 《思维可视化工具支持学习的理论与应用方法》
赵国庆 《中学思维训练1——思维可视化》
赵国庆 《八大思维图示法》
刘濯源 《基于思维可视化的教学效能提升策略》
赵慧臣、王玥 《我国思维可视化的研究和展望》
《小学科学课程标准》（2017）