摘要：“思维可视化”是促进儿童思维发展的有效认知策略。在小学科学探究教学中，教师可以通过学生前概念的可视化，找准科学探究的起点；通过学生思维发展的可视化，把握科学探究的节奏；通过学生学习效果的可视化，评测科学探究的效度。这些学与教的思维可视化策略，能够促进科学探究活动有效开展，培养学生的科学思维能力，进一步提升学生的科学思维品质。
关键词：思维可视化；科学探究；前概念；评测
科学探究本质上是用来解决自然领域或科学问题的一种思维方式。在小学科学探究活动中，运用一系列概念调查、课堂观察、习作图示和动作表情等分析技术，通过“图画”或者“分析表”等形式，把儿童探究过程中的思考方法、思考路径等显现出来，使其清晰可见、可感，即将抽象的思维具体化、隐形的思维可视化。教师在掌握学生的思维状况的前提下，有针对性地设计科学探究活动，组织实施教学，进而促进学生对科学知识、概念、原理的理解更深入、更透彻、更系统，使学生的思维能力得到有效发展，提升学生的思维品质，完善学生的思维力体系。“思维可视化”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。“思维可视化”包括“可视思维”和“出声思维”两种思维活动：一方面在具体问题或探究环节中，将那些抽象的事物通过合理手段变得直观、形象、具体；另一方面将抽象的、复杂的思维过程通过语言进行解释，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。
一、找准科学探究的起点：学生前概念可视化
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。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。如教学《简单电路》前，让学生画出“用电池、导线点亮小灯泡”的方法，并想一想“为什么这样做小灯泡会亮”。我们发现，学生“单线连接”的思路比较普遍，大部分学生把电池和灯泡底部用“导线”连接，又或者不用“导线”直接把灯泡底部接在电池的正极。他们的解释是“这样连接起来电池里的电能就能输出给灯泡，灯泡自然就会亮了”。这就是现在的孩子关于电池点亮灯泡方法的“前概念”。通过进一步访谈了解到，学生这样的认识源于对灯泡了解的局限，即对灯泡内部结构的不了解。因此在教学中，教师设计的探究活动的核心就是围绕认识灯泡的内部结构展开，即“灯泡灯丝的两端各连接一条金属架，它们一直往下延伸到了哪儿呢？”直面学生的前概念的根源问题。
二、把握科学探究的节奏：学生思维发展可视化
借助关键问题、学生记录单，用图示、连线、填表等方法和技术将隐性的思维发展可视化，教师收集、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，针对性地调整科学探究的节奏，促成学生向着积极的思维方向发展。
1.基于“关键问题”的思维可视化
在探究“电磁铁磁性的强弱与哪些因素有关”时，学生讨论聚焦于铁芯的粗细、铁芯的长短、电池多少、线圈的多少等因素。接下来，教师通过下列关键问题的讨论，引导学生的“出声思维”可视化：（1）如果让你来研究，你会选哪几种情况来研究？（指向判断思维，思维力强的学生会想到磁性与电有关，与电相关的材料有电池和线圈，会选择电池、线圈）（2）缠绕导线的时候怎么做？（指向比较思维、判断思维，开始绕的一端留下一段导线，综合思维，两端打结固定）（3）在前后两次吸大头针的时候，要注意什么？（指向比较思维，学生会想到电磁铁和大头针接触的部位相同）（4）实验结果怎样？（指向判断、概括思维）通过关键问题的聚焦，让学生用语言将自己的思维逻辑完整地表达，并在倾听、交流中不断地思考，推理、分析、概括，激活思维，完善探究实验的方案，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”。
2.基于“主题探究”的思维可视化
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。在教学《认识常见的岩石》前，学生对岩石有一些简单的了解，但对岩石的特征的认识往往是模糊不清的。笔者观摩过一位科学骨干教师是这样处理的：（1）从学校要增添一块大型文化石作为“校训石”情景切入，激发学生的探究动机；（2）组织学生讨论作为“校训石”的岩石需要满足哪些要求；（3）提供岩石样本，学生研究这些岩石有什么特征,岩石名称是什么，哪些岩石可以做“校训石”，并要求各研究小组记录研究过程与研究成果；（4）全班交流研讨，确认最优方案。课堂上，学生在小组内自由探究，将岩石翻来覆去地仔细观察。有的摸一摸，感受岩石的手感；有的敲一敲，看是否有碎片；有的借助放大镜进一步观察；有的用两块岩石相互摩擦，比一比哪块更硬。从看，到摸，再到敲一敲、比一比，学生的探究行为逐渐多样，伴随着的是学生的思维动态变化，从简单向复杂递进。多种研究方法、尊重证据的意识正是科学探究活动中必不可少的科学素养，学生的思维力体系也在不断完善。
3.基于“数据分析”的思维可视化
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，一方面需要学生关注获取哪些数据，更要关注数据如何获取？获取的方式方法是否科学、正确？获取的途径是否合适、可靠？另一方面需要学生明确实验数据与结论之间的内在逻辑关系，即实验结论的得出，是在对实验数据的分析、比较、综合的基础上，通过推理、概括形成的。这些都离不开学生高阶思维的积极参与。在记录数据时，一般可以把数据列成表格形式，既可以简单而明确地表示出测量的量之间的对应关系，使数据有序，便于分析和发现数据变化的趋势，有利于学生对数据组进行归纳、概括，发现共性，并把共性作为规律性进行提炼、总结，形成结论。同时，这样的数据也有助于检验和发现实验中的问题。当然，因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。在教学《吸热和散热》时，让学生通过具体的测量比较油和水的吸热性能、散热性能，学生先预测给水和油同时加热1分钟，再停止加热1分钟，谁的吸热快？谁的散热快？然后分组实验，观察每分钟内水和油的温度，并记录。表1和表2为其中的一组数据。学生通过对数据的横向、纵向比较与分析，发现水加热1分钟后温度由原来的18℃上升到了19℃，而油却由原来的19℃上升到了22℃。以后的每分钟，油的温度都比水升得快，由此说明油比水更容易吸收热量，也证明他们的猜测是正确的。而接下来对水和油的散热的情况进行分析时，我们发现这组数据比前一组数据更为复杂，很多小组不能用规律性的语言进行概括。如果把这组数据转化为折线统计图，提供学生思维的“支架”，不仅能让学生直观地看到水和油停止加热后温度变化的曲线和变化的趋势，还能进行直观地比较两者变化的差异性，也有利于教师有更为充足的时间引导学生分析“停止加热后，水和油的温度还在上升，过一会儿才下降”的原因。事实上，后者的教学中学生能主动分析、归纳，并能联系前面所学的有关热传递的知识解释“刚停止加热时水和油的温度还会上升”的原因，学生的科学思维得到有效的激活。
三、评测科学探究的效度：学生学习效果可视化
在教学过程中，可通过图文的形式，形成一种可视化的思维图表，也可通过特定情境中提出的问题与方案来测评学生的学习效果。
1.基于图示工具的思维可视化评测
大脑对“图”非常敏感，图示的直观性与思维的结构性、严密性、概括性结合起来，提高了思维信息传递及加工的效能，这些科学知识、概念更容易被理解、被评价、被迁移。思维导图、概念图等图示工具是帮助学生搭建思维支架的好工具，以图文的形式，把科学问题的探究或科学概念层层表现出来，形成思维链接网络，形成一种可视化的思维图表。在一个主题探究单元学习后，可以指导学生画一张思维导图或概念图，学生有步骤、有目的地对科学探究活动的回顾与梳理，把一些相关联的概念形象地联结起来，为学生架构思维的桥梁，使他们清楚地看到各个概念之间的相互关联，建构学生的思维，促进意义学习的发生，使学习效率得到提高。如在学习完《宇宙》单元后，有老师指导学生用思维导图进行了梳理，从学生“画”出来的各种“思维导图”可以看出，学生的学习方式从“识记主导”升级为“思考主导”，在科学知识、概念的网络建构过程中，发展出较强的归纳、概括、推理、分析、综合等高阶思维能力。在教学实践中，如果能较好地运用思维可视化策略，一张图就可以唤醒学生的思考意识，可以评价学生对某类科学知识、概念的领悟、理解的程度。图示工具是观察及测量学生思维发展的最佳工具和方法，能真实、完整地呈现学生的思维过程，能有效培养儿童思维力在广度、深度和长度上的拓展、延伸。
2.基于特定探究情境的思维可视化评测
西蒙认为，思维可以被视作是在问题空间上进行的搜索过程，科学探究一般是从提出问题开始到解决问题结束，这样就构成了一个完整的科学思维过程。而任何一个科学问题的提出都需要已有知识背景作为基础，因此对学生科学思维的测评重点应关注学生在特定的探究情境中，能否根据已有的知识经验和现实条件提出具有研究价值、研究可行性的科学问题与研究方案。基于以上思考，在实际测评中：一方面可以采用情境化探究活动过程“再现”的方式，主要观察学生的探究、实践、操作、记录的全过程；另一方面可以参考PISA科学素养试题，为学生设置在现实生活中可能遇到的，如台风、海啸、地震、海洋生物、大气、阳光、温室效应、细菌、冰山等情境化、主题化阅读和理解材料，包括短文，图像，表格，图表等，有效测评学生对有关自然世界和科学本身的知识的应用，以及对待科学事物的态度，特别是了解学生在科学学习中对已有实验数据图表进行分析的能力，推理的能力，批判性思考方式等。古希腊智者学派的代表人物普鲁塔戈拉说：“头脑不是一个要被填满的容器，而是一把需要被点燃的火把。”学与教的思维可视化策略，是能够实现科学探究有效开展的一种重要途径。学生思维可视化的过程中，科学探究实验的设计、操作、记录、交流等行为，学习方式真正走向“主动参与、探究发现、合作交流”，能有效培养学生的思维能力，使思维的品质得以提升。
作者:季荣臻 单位:无锡市教育科学研究院
