思维可视化：行走在深度学习中的杠杆解

恽亚杰

【摘要】思维可视化是通过各种方式呈现思维的一种行之有效的学习法。纵观深度学习，思维是必要条件，是着力点。文章致力于探寻帮助学生自主建构深度学习的最优（省力且持续有效）策略。思维可视化是一种行走在深度学习中的优质杠杆解，它能帮助学生在主动建构的同时，保证杠杆的良性运转。

【关键词】思维可视化;深度学习;浅层学习

【基金项目】本文为常州市教育科学“十四五”规划备案课题“小学科学教学中学生‘思维可视化’的探索与研究”研究成果。

一、乱花渐欲迷人眼：辨析“浅层学习”和“深度学习”

（一）案例一：“把液体倒进水里”浅层学习教学片段

实验一：把蜂蜜、油分别倒入水中。

1.预测：把油、蜂蜜分别倒入水里，会出现什么现象？生预测。

2.分组实验。

3.汇报：把油倒入水里，油浮在水面上;把蜂蜜倒入水中，蜂蜜沉在水底。

4.提问：为什么油浮在水面上，蜂蜜沉在水底？

5.回答：因为油比水轻，蜂蜜比水重。（学生前概念中认为“轻的物体会浮，重的物体会沉”）

实验二：把水、油和蜂蜜按照不同的顺序倒进同一杯子中。

1.预测：把油、蜂蜜和水依次倒入同一杯子里，会出现什么现象？生预测。

2.设计方案：列出油、蜂蜜、水三者不同的倒入顺序。

3.实验汇报：最上面是油，中间是水，底部是蜂蜜。

4.提问：为什么每次都是“油浮在水面上，水在中间，蜂蜜沉在水底呢”？

5.回答：因为油比水轻，蜂蜜比水重。

【辨析】上述案例中，学生按照教学流程进行验证性实验，学生的预测结果只有两种，要么是沉，要么是浮，没有预测的思维含量（僵化）;学生自身不用思考实验设计，只是按流程进行机械化操作，即把液体倒进水里（被动）;学生按照自己的原有认知进行了沉浮现象的解释，缺乏科学严谨性，学生看到实际现象和自己的预测一致后，没有对现象进行深入思考，没有追根究底地探索现象背后的本质规律（肤浅）。

综上所述，这是一种浅层学习。在浅层学习状态下，学生的认知狀态是肤浅的，在知识建构上，只能获得浅显知识，发现不了本质规律;学生的心智发展是“躺平”的，在思维发展上，缺乏思维的横向和纵向发展;在心态上，容易产生枯燥感，失去对活动的兴趣。

（二）案例二：“探秘沉浮”深层学习教学片段

实验一：观察物体放入不同液体中的三种沉浮状态。

1.预测：这是三个装满不同液体并封口的乒乓球，放入水中会怎么样？生猜测。

2.演示实验，语言描述沉浮状态，板书沉浮状态。

3.介绍三种沉浮状态：漂浮、悬浮、下沉。

实验二：同体积的液体的质量与沉浮的关系。

1.分组实验观察球的沉浮情况：把三个球依次放入水中，仔细观察三个球在水中的沉浮。

2.根据沉浮情况，对同体积三种液体的质量进行检测。问题聚焦：为什么三个小球在水中的沉浮情况不同？

3.预测：沉浮与液体的质量有关。

4.根据预测推断：生表述预测，设计方案。

5.实验：相同体积的液体，称质量。

归纳沉浮与物体质量之间的关系：体积相同的情况下，一号液体的质量比水的质量小，漂浮;二号液体的质量和水的质量相同，悬浮;三号液体的质量比水的质量大，下沉。

推断：同种液体在同种液体中是悬浮的。

1.提问：如果这三种液体中有一种液体是水，应该是哪个？为什么？

2.小结：同种液体在同种液体中是悬浮的。

3.提问：如果把这三种液体分别放入油、洗手液中，会怎样？

4.师生演示实验，观察现象。

5.提问：如果有一种液体是油，是几号液体？如果有一种液体是洗手液，是几号液体？

学生回答，并解释原因：同种液体在同种液体中是悬浮的。

【辨析】上述案例中，学生的预测会和实验现象产生很大的反差，从而激发学生的探究欲（主动）;学生能聚焦关键性问题，展开有思维含量的设计，并进行推断验证，交流自己的想法，主动建构关于沉浮的概念（系统）;学生能运用自主建构的概念，反向推断，解决问题（灵活）。

综上所述，这是一种深度学习。在深度学习状态下，学生的认知是深入的，在知识的建构上，是递进的、有层次性的，符合概念教学的要求，能帮助学生透过现象看本质;学生的心智发展是良性的，学生带着稚嫩的想法展开交流，带着质疑的精神深挖思维，带着合作的态度整合思维，带着学习的动力升华思维，实现思维的提升;在人格发展上，学生的探究兴趣愈发浓厚，找到了活动的价值感和成就感。

二、问渠那得清如许：科学思维是深度学习的着力点

科学思维是人类长期实践活动中形成的一种有价值的思维。在科学思维的帮助下，我们能够很清楚地透过现象看本质，找到事物的本质属性，游刃有余地参与社会，改造社会，所以，科学思维是一种具有实际意义的思维。在小学科学教学中，教师往往要带领学生经历“提出问题→作出假设→寻找证据→得出结论→解释运用”的过程。在这个过程中，教师要充分发挥学生的科学思维，引领学生展开思维的较量，使学生更好地感知信息的价值，加深对问题的理解。对于小学生来说，只有拥有了科学思维，并能在学习和生活中根据思维要求加以运用，才能提升学习力，在成长和发展中实现自身价值。

在深度学习过程中，只有让科学思维参与归纳和演绎、分析与综合、抽象与具体，深度学习才实现了本真的意义，这也是每位教师想要达到的最佳状态。在上述两个案例中，我们明晰了“浅层学习”和“深度学习”的不同之处，也知道了科学思维和深度学习应同时贯穿于科学探究中，并呈现螺旋式向上发展的样态，使学生的科学思维深度促进学习的深度。为此，我们有必要对“深度学习的发生”进行多维思考，让科学思维成为深度学习的着力点，实现深度学习的“清如许”状态。

三、为有源头活水来：思维可视化是深度学习的杠杆解

思维可视化是运用图示、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，更好地促进学生的认知发展。在具体问题或探究环节，融合思维可视化的教学技能，能够帮助学生建构概念并融入概念体系，帮助教师看清学生思维的行走路径和行走方向，让思维可视化站在离支点更远的杠杆端，实现价值最大化，成为深度学习的杠杆解。下面以“四季成因”教学为例，思考思维可视化支持下的深度学习策略。

（一）创设可视化教学情境，驱动深度学习

一切知识都是从感官开始的。我们让学生在设计好的可视化情境中看到情境，感受情境，走入情境，不仅能实现学生从形象感知到抽象理解的顿悟，而且能让学生走进教师设计好的教学“圈套”，让学习活动变成一种自觉行动。

在“四季成因”教学中，因为地球太大，学生无法看到地球的全部，所以教师出示直观形象的地球模型，让学生观察地球各地的气候特点，发现“地球上各地的冷暖不同”。在交流过程中，学生的脑海中生出一个个有探究价值的问题：“地球上为什么各个地方冷暖不同？”“为什么我们所处的中国有四个季节？”这些有探究价值的问题不是教师硬塞给学生的，而是学生在可视化的情境中萌发出来的，这个萌发出来的问题越有研究价值，就说明教师创设的可视化情境越具有合理性、必要性。学生带着自己想要研究的问题来到课堂上，就会主动扎实地行走在探究的每一个流程中，开启深度思考的大门。所以，创设可视化的情境，为深度学习的杠杆解指明了发力方向。

（二）展开可视化学生前概念，激发深度学习

学生在进入课堂之前，已经拥有了自发的概念结构，并用之来认识、解释世界。他们的前概念有隐藏性、顽固性等特点，思维具有局限性。如何在“最近发展区”给予学生恰到好处的帮助，促进概念的自主建构？为此，教师要充分尊重学生的前概念，不论对与错、片面与模糊，都不做评价。因为教师不是学习的主导者，而是学习的引领者，需要做的是让学生根据前概念进行解释和说明（产生认知冲突的环节），看清自己的前概念存在的问题，根据问题精准定位概念建构的起点。

在“四季成因”教学中，教师针对“四季是怎样形成的？”反抛问题。关于这个问题，学生拥有的是充分的感性感受，對新知的认知是很少的。教师作为协助者，给每组提供地球仪代表地球，提供红外线代表太阳直射点，让学生模拟并用自己的前概念解释和表达。这种可视化预测比语言的解释说明来得更方便，全方位立体展示了学生关于“四季成因”的前概念。学生看到了每个人对于“四季成因”的认知是不一样的，就会产生认知冲突，进而深度思考到底哪种说法是正确的，这样就根据概念建构中关于同化或顺应的需要，顺利进入教师设计的“圈套”，开始深度思考怎么设计实验进行验证和探究。所以，实现学生前概念的可视化，可视化情境的功劳是很大的，为杠杆解做了发力。

（三）设计可视化探究方案，催化深度学习

“授人以鱼不如授人以渔”，教师应重视技能的传授。为此，在科学活动中，教师可以让学生以组为单位设计方案，汇报交流方案，修改完善方案，不能忽视这个流程，因为这是学生思维展开的过程。教师作为引领者，在学生思维展开过程中需要“看”“思”“推”“定”，即看思维内容，分析思维轨迹，推测思维状态，确定教学节奏，让可视化的探究方案向着学生积极的思维方向发展。

在“四季成因”教学中，学生预测“四季与地球的公转有关”后，设计了两组探究方案，教师提供结构化材料（地轴垂直轨道面、地轴倾斜轨道面）辅助学生的设计，这两组探究方案都是可视化的。

第一个实验“地轴垂直公转”，观察太阳直射点的位置有没有发生变化，并进行假设推断：如果太阳直射点的位置发生变化，说明地轴垂直公转能引起温度变化;如果太阳直射点的位置没有发生变化，说明地轴垂直公转的假设不成立。

第二个实验“地轴倾斜公转”，观察太阳直射点的位置有没有发生变化，并进行推断：如果太阳直射点的位置发生变化，说明地轴倾斜公转，能引起太阳直射点的变化。继续推断：太阳直射点的位置发生变化，会引起什么变化？

进入第三个实验“以中国为例，探究四季成因”，标注出每种公转状态所表示的季节。

这三个实验设计是思维可视化的设计，体现的是思维的轨迹和状态。在这个可视化的过程中，我们看到了学生在每个实验设计中的思维碰撞、思维矫正、思维调整，听到了思维拔节的声音。所以，可视化的探究方案为深度学习的杠杆解拉长了动力臂。

（四）共享可视化数据结论，深化深度学习

科学数据是定量研究结果的主要证据。学生在寻找证据中会产生一系列的数据。面对数据，教师要教会学生辨析数据的科学性和正确性，找出错误数据，带领学生分析数据，让学生站在多维的视角看数据，看出数据背后隐藏的规律和结论。

小学生由于年龄特点，对一长串的数据缺乏敏感性，不能很好地辨识出数据之间的内在关系和内在规律。所以，在共享实验数据时，教师可以画柱状图、曲线图，把现象直接标注在对应的图片上，便于直观分享。

在“四季成因”教学第一个实验“地轴垂直公转”中，学生在地球仪上标注了“地球公转到各个地方，太阳的直射点都在赤道”;在呈现数据的时候，学生把每组的地球仪举起来给大家看，红色的圆形贴纸都在赤道上，一目了然。第二个实验“地轴倾斜公转”，学生同样在地球仪上标注了“地球公转到各个地方，太阳直射点的位置在南北回归线之间运动”;在呈现数据的时候，学生把每组的地球仪举起来给大家看，同样一目了然。第三个实验“以中国为例，探究四季成因，标注出每种公转状态所表示的季节”，学生清楚地看到：“太阳直射点离中国最近，就是夏天;慢慢变远，就是秋天;最远，就是冬天;再变近，就是春天。”这种可视化的数据分析，符合学生的认知理解层次，比枯燥的表格中的数据更具形象力、解释力、理解力。所以，可视化数据结论让深度学习的杠杆解变得更省力。

【参考文献】

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.

刘濯源，刘彦芳.找到撬动深度学习的杠杆解——思维可视化支持下的深度学习策略[J].中国信息技术教育，2019（21）.