2019-11-28

首先，提出问题

经过多年对小学科学教学的反思，学生并没有完全成为课堂活动的主体，他们没有学习的积极性。他们只是听老师讲，记老师讲，不积极参与课堂活动，不积极思考问题；但是老师只教给学生零碎的知识，没有形成体系。学生对知识的认知停留在初级水平，没有深刻的理解。

同时，教学中对学生思维能力的培养效果并不好。很多学生往往更注重问题的答案，而忽略了生成答案的思维方法和过程。很多时候，学生只有片面肤浅的知识。

《小学科学课程标准》(2017版)指出，小学科学课程以培养学生的科学素养为目标，重在培养学生对科学的兴趣、正确的思维方式和学习习惯；让学生体验科学探究的基本过程，发展学生的科学探究能力；发展学习能力和思维能力。《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和能力的突破口，也是学科核心素养落地的关键。

利用一系列的图形技术来呈现科学课堂教学中无形的思维(思维方法和思维路径)，通过可视化的“思维”工具来呈现学生思维的过程和方法，帮助学生挖掘和呈现知识背后的思维规律，训练学生掌握这些思维规律，可以使学生更加深入、透彻、系统地理解科学知识，培养学生的科学思维能力，从而提高学生的学习能力。因此，视觉思维工具在科学教学中的应用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差，但对视觉信息天生敏感。在教学中，学生可以通过形象思维轻松理解抽象的科学现象，利用形象思维工具直观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入手，逐步培养和提高他们的抽象思维能力。通过在教学中使用思维可视化工具，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，从而培养和提高学生的核心思维能力。

二、国内外研究现状

在国外的研究中，思维可视化通常作为一种方法用于不同的领域。国外学者开发了许多思维可视化工具，帮助人们组织和整理思维。主要应用于教育、工业、企业管理、行政等领域，提高工作效率。在教育领域，国外已用于教学组织和知识建构，发展较为成熟。

国内的研究通常侧重于思维可视化与教育的结合。国内学者从以下三个方面对教育领域的思维可视化进行了研究:第一个方面是思维可视化对教师教学的影响；第二个方面是思维可视化工具与认知水平的关系；第三个方面是设计基于思维可视化的教学模式。视觉思维的概念最早是由华东师范大学的刘卓元提出的。实现“思维可视化”的技术主要包括两类:图形技术(思维导图、模型图、流程图、概念图等。)和软件技术来生成图形。第一类主要用于小学教学。在我们研究的同时，2018，纪研究了基于“思维可视化”的小学科学探究教学策略。

图1

从上图可以看出，从2015到2018，关于思维可视化的论文越来越多，其中2015有28篇，2016有34篇，2017有36篇。思维可视化一直受到关注，其研究也日益活跃。其中解释某一学科的思维可视化教学论文***28篇，占总数的49%。思维可视化的教学应用涉及语文、数学、英语、地理、化学、物理等11学科。根据定量统计的结果，中学使用最多的前两门学科是生物和物理。小学27篇，其中数学14，理科3篇，集中在2065，438+07，2065，438+08。其他科目是语文、计算机和英语。

以往思维可视化的教学应用主要集中在理工科学科，基于某一学科的教学模式设计或教学实验很多。国外研究结果表明，理科教学中视觉思维效果优于文科；在生物教学中，它优于其他科学。

视觉思维工具的定义来自几位研究视觉思维的教授。其中气泡图和流程图采用了美国教育专家大卫？Hyrle提出的ThinkMaps概念，英国托尼·布赞提出的思维导图，美国康奈尔大学Jovak采用的概念图。刘恩善教授还将维恩图、流程图、循环图归类为概念图。他们有不同的名字。这些工具在小学数学和科学教材中被视为不同的类别，更适合小学生使用。我们的目标是让孩子使用这些工具，并最终达到精通和易用，而不必担心用什么名字来称呼它们。

图2

上图是将国内外的一些视觉思维工具按照思维的排序类型进行分类，方便教师在教学中选择使用。视觉思维工具的分类有很多不同的观点，分类也不完全一致，因为一个工具的用途是多种多样的。

视觉思维:视觉思维是指运用一系列图形技术，将原本看不见的思维(思维方法和思维路径)呈现出来，使之清晰可见的过程。可视化的“思维”更有利于理解和记忆，因此能有效提高信息处理和信息传递的效率。也称为思维可视化。总的来说，就是用图标、符号、表格、多媒体等手段直观地反映学生的思维方式。

本课题研究的小学科学教学中常用的视觉思维工具有:泡泡图、网络图、维恩图、思维导图、流程图、概念图、图标、漫画、表格等。

动词 （verb的缩写）研究目标

1.总结一些适合小学科学教学的视觉思维工具。

2.建构视觉思维工具在小学科学教学中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，提高思维水平。

4.通过课题的研究，提高学校科学教师的教育科研能力。

不及物动词研究内容

1.适用于小学科学教学的视觉思维工具研究：

2.研究视觉思维工具在小学科学教学中应用的基本方法和策略。

本课题研究科学教学中常见的视觉思维工具的使用和应用情况:气泡图、思维导图、维恩图、概念图、流程图、课堂统计图；利用思维可视化工具进入教学实践，形成丰富的应用案例；开展实证研究，获取一线数据，构建适合学生认知实际的视觉思维工具应用策略，反思和改进应用策略，为视觉思维工具真正成为实用的教学工具和学习工具提供一定的参考。

九、研究过程:

(1)课题的研究经历了三个阶段:

1.初步调查和建立阶段(2017年4月-2065 438+07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点，并完成调查；

运用文献研究和理论研究，确立课题并进行论证，完成课题的研究方案。

2.研究的总体实施阶段(2017，10—2019，6月)。

提出组织、管理和科学研究的具体任务，开展研究实验。具体来说:

通过听课评课等教研活动，深入课堂，撰写典型案例，完成优秀课堂教学记录。

完成视觉思维工具教学应用的教学设计和教学案例编写；

总结视觉思维工具在小学科学教学中应用的基本方法和策略。

3.项目总结与结题阶段(2019年6月~ 2065 438+09年6月11)。

总结研究成果，撰写研究报告和论文。

(2)在研究中，我们主要做了以下工作:

1.课堂教学，对比实验

借助摄像机，完整地拍摄教学活动的全过程，从中可以发现学生在学习活动中的表现，从而评价学生科学素养各方面的发展，同时可以观察学生在学习过程中的认知发展。我们收集了十多段使用可视化思维工具的科学教学记录。授课结束后，对研究课前后学生的科学知识和能力进行对比测试，对学生的科学素养进行期初和期末的对比测试，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将自己的学习成果物化。科学记录是一种重要的手段，是视觉思维工具的载体之一。表格和思维导图记录学生的前概念，学习结束时回忆整个单元的学习过程。对比记录单，判断目前的想法是否更全面，修改完善自己的想法。记录给学生提供了一个有效的载体，让他们的思维可视化，帮助他们反思自己的学习，完成对学习的理解。它是视觉思维的工具，也是元认知思维的工具。

在教学中，我们为每个学生准备了一个科学笔记本，用可视化思维工具记录我们的想法。在笔记本上，思维导图、概念图、流程图等等非常精彩，学生已经习惯使用可视化思维工具。

3.行为观察

通过观察儿童在学习中的行为，如学生在基于视觉思维工具的课程教学中的操作水平和合作状态，可以了解学生在教学中使用视觉思维工具时的反应，并评估在教学中使用视觉思维工具的效果。

4.纸笔测验

每学期结束时，我们将进行一次科学素养评估。测试的内容主要是孩子对一些科学概念的理解，对一些问题的基本看法，科学态度等等。从测试结果可以知道他们的科学素养。两年来，我们* * *对学生整体进行了四次科学素养测试，研究后进行了两次教学效果测试。

5.总结不同科学课使用的工具类型，收集整理视觉思维工具在小学科学教学中的应用实例。

X.研究效果和成就

1.视觉思维工具在概念学习课中的应用

概念学习是科学课的一种重要类型。利用视觉思维工具中的气泡图、维恩图、思维导图，分散学生的思维，通过联想式的描述和比较，让学生深入理解概念，有效掌握。

“头脑风暴”是小学科学概念教学中经常使用的一种教学方法。“泡泡图”和“网络图”使学生的发散思维紧紧围绕头脑风暴中的关键问题，起到引导和记录的作用。在教育出版社的三年级科学教材中广泛使用气泡图和网络图来记录头脑风暴和构建科学概念。网络图以图形的形式记录了与中心词(话题)相关的内容，显示了中心词与其相关内容之间的关系。气泡图和网络图的使用有助于学生对已知信息的整理和加工，可以作为教师了解学生前概念的手段。

案例1:

三年级“材料”单元中，“木头”“塑料”等材料作为中心词呈现在黑板上。学生通过头脑风暴和发散思维写出自己的特点，用气泡图展示学生已有的知识，为新知识学习打下基础。

图4

案例二:

联合国教科文组织公布的科学三年级“水与空气”单元的第一课是“水”，学生对此非常熟悉，但思维零散，无条理。用网络图让学生交流，帮助学生总结，用圆和直线串起来，形成结构化的知识。网络图有助于学生构建“水”的核心概念，学生对水的认识提升了一个层次。学生在教师的指导下，从“用途”、“与生物的关系”、“基本特性”等方面对水的知识进行分类整理，形成思维的网络脉络，提高学生处理信息的能力(图5)。“水”的网络图让学生理清新旧知识的关系，明确新的探索目标，为构建科学概念搭建思维桥梁。

五

在传统的数学教学中，维恩图是一种使用率很高的可视化思维工具，比如交集和并集的计算。文氏图也是科学概念教学中选择、分类和比较信息的一个非常有用的工具。它可以用来整理和观察比较结果，形成清晰的概念，显示概念之间的关系。

案例三:

三年级科学上册“大树大草”一课中，大树和大草的形态特征差异很大，学生在比较中得到了它们之间很多零散的知识点。维恩图将这些零散的知识点归类在一起，梳理形成木本植物和草本植物的概念，然后从它们的分类信息中找到信息之间的内在联系，揭示了树和草的* * *特征。学生们意识到，无论个体大小，他们都是活着的，都具有生命的* * *特征。通过维恩图的比较和分类，教学明确指向了单元的核心概念“生命的* * *相同特征”。

理科的教材，比如比较植物和动物的异同，比较蒸发前后的盐晶体，比较固体和液体，比较在水中漂浮和下沉的物体，都有助于学生发现生命的异同，盐溶解的特点，固体和液体的不同性质等。通过维恩图这一工具，维恩图在学生的概念建构过程中发挥了重要作用。借助这些思维工具，学生之间的交流变得顺畅高效；学生学会了科学思考，养成了科学思考的方式，这在我们的实验中得到了证实。

2.视觉思维工具在解题课堂中的应用

在解决科学问题的过程中，引入视觉思维工具可以帮助学生沟通概念之间的关系，改变以往零敲碎打、支离破碎的机械学习，形成注重关系和语境、充满主动探索活力的有意义学习，从而促进科学知识的整合，使学生形成系统的认知结构。

案例4:

在教育出版社出版的《科学》四年级上册中，让学生了解人体的肌肉、骨骼、关节、呼吸系统、循环系统、消化系统的工作过程，然后根据各系统所做的功寻找各系统之间的关系。本单元是让学生认识到人体各器官协调工作，把人体作为一个整体系统来看待，从整体上理解其内部结构和功能，应用“系统论”的观点来看待人体的结构组成。四年级学生很难理解。教材中要求学生通过画图完成简单的连接。学生先提取关系线索中的元素，如心脏和氧气，然后理清两个相邻元素之间的关系，主要用表示动作和过程的词来表达，如帮助和运动，形成如下关系图:

当学生能够表达各个器官之间的关系时，老师会引导他们进行全面的描述。用线条将元素连接起来，用箭头表示关系的方向，通过图表直观地显示身体各部分之间的关系(如图8)。学生在工作中发现身体协调工作的特点，感受人体的精密和谐之美。这是一个复杂的流程图，有学者称之为可视化图表或概念图。它的使用突出了直观性，增强了学生对“人体各器官是协调的”的理解。

图9

画完上面的图后，学生可以用图来表达自己的知识，互相交流。他们可以解释自己的图表并描述关系，以加深理解。同学们也在学习小组里交流自己的流程图。由于学生理解角度、理解深度、表达方式的差异，流程图会有差异，而这样的差异对学生来说是很好的学习资源，会促使学生重新思考和重新发现器官之间的关系。

实验或观察完成后，解题科学课往往需要统计数据。这时候就适合用图表来展示学生的成绩，引导学生的思维。比如六年级上册《我们看起来不一样》，学生在观察外貌特征后，找出全班的人物代号。这么多字符码的数据，小学生对实验数据缺乏一定的敏感度。如何更清晰地展示它们？怎么才能更好的观察呢？我们使用下面的EXCEL表格进行统计并同步显示，使数据可视化，方便分析发现数据的变化趋势，发现* * *并形成结论。

图10

3.复习视觉思维工具在精修课中的应用。

在理科单元复习课中，引入可视化思维工具，可以整合单元概念，加工组织知识，实现知识结构的重组和生成。

案例5:

学完教育版四年级上册《食物》后，老师带领学生通过自制思维导图对知识进行有效加工和整理，知识结构更加优化。学生学会反思自己的学习过程，提高元认知水平。以下是老师的板书和学生在“减缓食物变质”一课中复习的“食物营养”的总结。

图11

图12

案例6:

五年级单元“地球的运动”内容抽象，学生难以理解。在对该单元知识进行梳理时，发现学生存在严重的概念混淆现象，尤其是对知识之间的关系缺乏整体把握和认知。复习时，让学生通过图示概括本单元的内容，让学生对知识结构中各知识点的位置和关系一目了然，有助于学生知识网络的形成。经过思维导图和框架图的整理，学生从整体上理解教材，理清单元内各教学内容的脉络，充分理解教学内容之间的关系，实现可视化学习，引导学生思维走向深入。

图13

图14

(2)实验结果及分析

经过两年的实验，实验结果如下:

1.1301班实验前期和后期学生科学素养问卷调查。

实验前后，采用科学素养问卷(见附件)对实验班进行调查。调查内容包括学生的科学知识、情感态度和价值观、科学探究三个方面。实验前回收的有效论文50篇，实验后回收的有效论文51篇。第二次问卷调查的结果如下表所示:

图15

从上表可以看出，虽然学生科学知识和探究能力的增长与年龄有关，但通过可视化思维工具在课堂教学中的应用，学生的学习态度与实验前相比发生了显著变化，提高了学生的学习兴趣，学生的问题意识和分析解决问题的能力有了显著提高。

2.学生科学素养的最终评价

年底全校检查不同年级的科学素养时，发现学生的思维能力有了明显的提高。他们思考得更快，思考得更周到细致，更好地抓住要点，沟通更有序准确，从不同角度思考问题，给出理由。它促进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。因为学生的思维参与，学生才能感受到学习的快乐。思考让学生享受学习和成功的快乐；思考后成功的快感，是对学生良好学习习惯和可持续发展最有价值的强化和鼓励。(各年级学生科学素养分析详情见附件一)

3.利用视觉思维工具进行《浮子的秘密》课程的前测和后测教学，可以让学生更好地掌握科学概念。

4.实际课堂教学情况

从课堂教学的情况来看，在没有使用可视化思维工具上课的情况下，一些学生往往注意力不集中，缺乏学习兴趣。在实验过程中，上述情况得到了很大的改善，大部分学生可以在课堂上把注意力投入到学习中去。上课不专心的现象明显减少。通过对6名学生(年级2名，平均2名，差2名)的访谈，学生们普遍反映课堂上的视觉思维工具比单纯听老师讲课更容易理解和记忆，课堂也没有那么枯燥。一些学习成绩不好的学生反映，虽然视觉思维工具对他们来说很难，但他们比以前更愿意学习这门课程。从观察和访谈中可以看出，学生的学习态度、学习主动性和探究能力都得到了很大的提高。

(3)课题组成员的成果分析

1.典型课程集

对科学教学中运用视觉思维工具的典型课例进行收集、整理、归类，发现规律。形成集合后，将这些课例进行分类，找出相同的规律。什么样的课型适合用什么工具，效果更好，为以后类似的教学内容提供参考。在过去的两年中，我们收集了20多个在小学科学教学中应用视觉思维工具的课例。

2.论文摘要

课题组成员定期撰写论文，形成理论成果。已有国家一等奖论文1篇，省级获奖论文2篇，市级获奖论文1篇。

3.学生和教师作品集

当我们将视觉思维工具应用于教学时，我们收集了大量优秀学生的作品。当我们从研究的角度去寻找他们时，我们发现:首先，大多数学生对视觉思维工具的应用非常感兴趣，他们喜欢学习用这种方式思考。他们的作品很精彩，思维能力也越来越强。许多学生已经能够自由独立地使用它们。当一个问题需要在课堂上分析时，他们会主动使用图形思维工具进行分析。这说明使用视觉思维工具，学生在科学课上想一想，就不会感到学习的痛苦和烦躁；想不开，上课就如坐针毡，苦不堪言。学生的思维是看得见的，所以教师可以了解学生的思维脉络，根据学生的思维轨迹展开教学，进而变“知识灌输”教学为“思维发展”教学，学生可以学习，可以展示。

4.出色的课堂展示

对于课中的优秀案例，我们通过教研课、公开课、一师精品课、微课等平台进行展示，让这些优秀案例成为榜样，起到引领作用。

5.研究小组成员取得的成就

？在研究实践中，教师的素质不断提高，课题组成员的教学理论不断完善，教学的专业化水平不断发展。教师的学科教育教学水平、科研意识和能力都得到了提高。

XI。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，将我们的思维、知识结构、知识之间的关系从中心向外围转化为学生容易理解的东西。通过培养学生在教学活动中运用形象手段和可视化界面来反映自己的思维过程，让学生把科学课程学习作为一种乐趣和展示自己的手段，在学习过程中实现学生高级智慧的培养和发展。

(1)自项目实施以来，我们认为视觉思维工具在科学教学中主要可以发挥以下作用:

1.作为教学工具和学生认知工具，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，提高学生的逻辑思维能力。

3.作为一种教学评价工具，评价学生对某一领域知识的理解程度，探究学生的内在认知结构。

4.作为表征认知主体思想的工具，用于分析问题和决策。

(二)视觉思维工具在小学科学教学中的应用策略

通过教学实践，我们深刻感受到，视觉思维工具之所以能在各科教学中得到很高的评价，与教师采取的一系列有效的教学策略有关。我们通过在正常的教学活动中引入视觉思维工具，总结了以下策略:

1.明确的目标。

教学目标是课堂教学的出发点和归宿，它决定着学习者会发生什么样的变化，教学结果会怎样。基于视觉思维工具的课堂教学要朝着教学目标不断进行，最终达到教学目标。我们使用视觉思维工具是为了实现教学目标，是为了提高学生的思维，而不是为了学习如何使用工具。

视觉思维工具是可以有效帮助我们提高思维效率的工具，但它只是辅助工具，可以辅助思维，不能代替思维。能使用这些图形工具并不代表你有很强的思维能力；但是一个思维能力很强的人，善用这些工具，可以显著提高思维的效率。

2.把握教材，精挑细选视觉思维工具的类型。

就教学内容而言，小学科学课程虽然有很多材料可供探索，但并不是所有的知识都适合学生用视觉思维工具学习。因此，在实施视觉思维工具教学时，要注意选择合适的内容，谨慎选择视觉思维工具的类型。

3.完美评价

多次修改完善，让学生的思维不断发展完善。

(3)有待解决的问题

本研究只是对如何在科学课堂教学中引导学生使用视觉思维工具的一个实践性的初步探讨。由于缺乏实践经验和水平有限，本研究还存在一些不足之处，在研究过程中还有许多问题需要探讨:

1.如何使可视化思维工具更好地在科学课堂教学中实施，达到最佳的教学效果，还有待于在今后的课堂教学实践中进一步探索。

2.对学生使用视觉思维工具的研究尚未形成完整的评价体系，如何定量评价视觉思维工具的使用有待进一步完善。

参考

百度百科:？视觉思维

魏巍？为什么要围绕科学概念组织科学教育？

朱呢？概念图的知识及其概述

熊品和胡小勇，视觉思维支架:概念图研究的新视角。

吴宝喜《在课堂教学中形象化学生思维》

严旭和郑立平的工具支持学习理论及其在思维可视化中的应用。

赵国庆《中学思维训练1-思维可视化》

赵国庆的“八卦图”

基于思维可视化的刘卓元教学效率提升策略。

赵，，Blair，思维可视化在中国的研究与展望。

小学科学课程标准(2017)