“可视化思维工具在科学教学中的应用和研究”课题研究报告

一、研究的背景

反思多年的小学科学课堂教学过程，感到在培养学生思维能力方面效果不佳。在新课程改革的今天，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，通过被可视化的“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。

小学科学新课程标准提出：《基础教育课程改革纲要》明确指出：改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力 ，因此利用可视化思维工具应用于科学教学是适应新课程标准要求的。

科学知识和方法是从社会生活总结出来的，经过研究和讨论学习，又服务于社会生活实践。因此，在学习科学的过程中要培养学生将科学问题情境化，将科学思维过程可视化，即让学生把科学过程描绘出来，从而加深对科学知识的理解和运用。在小学科学学习过程中要注重学生科学核心概念的建立，这就需要运用恰当的思维方式——如概念图、思维导图等来理解，小学科学教学注重实验、科学探究能力的培养，所以我们在教学的过程中可以利用可视化思维工具让学生理解过程，使学生的科学探究兴趣得到增强、科学探究能力得到培养。让小学生将抽象的科学思维过程转变为可视的、直观的图示，是小学科学教学的学科特点决定的。

通过近年来的教学反思，小学生的逻辑思维能力和抽象思维能力较差，所以教学中必须通过形象的思维让学生理解抽象的科学现象，在教学中，运用可视化思维工具形象、直观的展示科学概念和知识，是小学生的心理特点决定的，符合小学生认知心理的要求。

二、研究目的

本课题主要进行“可视化思维工具在科学教学中的应用和研究”，其主要目的有四：一是转变教师的教学理念，研究可视化思维工具应用于教学的策略，建构科学教学课堂新模式，提高科学课堂教学的效率与效益；二是改变学生学习方式，积极参与科学课堂教学活动，实行师生互动、生生互动，提高学生学习兴趣；三是建构科学概念和知识网络，浓缩知识结构，从而让学生在整体上把握知识；四是提高教师的整体素质和业务水平，使大多数教师理解并真正掌握可视化思维工具教学，提高教学质量。

三、可视化思维工具教学应用研究现状

可视化思维工具被广泛的应用于企业、个人、家庭和教育中。中小学教育改革实践项目中进行的如火如茶。

在中国期刊网搜索以可视化思维工具为关键词的文章共有139篇，其中时间为2005年至2008年的共129篇，以此为关键字的相关硕士、博士论文30篇，由此可见近年来思维导图已经越来越受到人们的关注，从其创始人巴赞先生自2005年初在国内的一系列宣传推广活动可以看出，目前关于思维导图的研究和应用还处于介绍和引进阶段，其潜在的教育应用的价值已经引起教育工作者，尤其是教育技术研究者的高度关注。

综合分析国内有关可视化思维工具的教学研究，不足之处：在实践应用研究中，教师仅通过进行一次个别可视化思维工具指导的教学实验就得到的结论可信度不是很高；没有形成一个可操作的教学模式，很难为教师的实际教学应用给予有价值的导向。然而一线教师对这种新的工具抱有极大的热情和兴趣，迫切希望将其应用于课堂教学，因此我们将基于这些研究和探索，尝试基于可视化思维工具的科学教学模式在小学科学教学中的应用研究，探索教学设计的方法和步骤，建立初步的教学模式，为一线教师提供教学应用参考。

四、可视化思维工具应用于教学的理论基础

1．脑科学理论

研究表明：人的心理是通过人脑、人的整个神经系统的活动而实现的。随着脑科学的研究深入，人们认识到人脑的两个半球有不同的分工，左脑负责逻辑、语言、数字等语言性思维，右脑负责抽象、图像、颜色、空间等非语言性思维。由于大多数人习惯以一只手为主，绝大部分还是以右手为主，这就造成左脑较右脑得到更多的刺激，产生更多的突触连接。左脑过度疲劳，而右脑却闲置一边。这种左右脑不均衡的发展和不协调的工作使人脑的思维能力大打折扣。再有，创新更多的来源于右脑的非语言性思维，所以更不能忽视右脑的使用。罗杰斯也讲，“要使整个人投入到学习中去就要充分发挥大脑左右两半球的整体功能，而不是传统的只重视人脑左半球的开发与利用"。 可视化思维工具中使用线条、图形、颜色可以使右脑发挥作用，减轻了左脑的负担，使大脑的运转更加灵活和高效。

2．教育心理学基础

(1)建构主义学习理论

建构主义学习理论的核心是：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。建构主义认为，学习不是单向的知识传输，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，通过与他人(包括教师和学习伙伴)的积极的交流合作，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的，“情境"(situation)、“协作”(collaboration)、“会话”(conversation)和“意义建构"(meaning construction)是学习环境中的四大要素。可视化思维工具的使用能有效地促进学生的知识建构。首先，可视化思维工具作为一种学习工具，它以可视化、结构化的形式表征知识，有助于学习者把握某个知识领域的全貌，将知识融会贯通，发展对知识的理解。其次，思维导图是一种改变认知结构的良好工具。认知方式是个体对外部世界稳定的知觉形式和概念归纳形式，能够形象地展示和说明知识的意义和知识问的关联，能够促进学生以一种全新的认知方式去建构知识。

（2）图式理论

皮亚杰(J．Piaget)认为知识不是客观的东西，也不是主观的东西，而是个体在与环境交互作用的过程中逐步建构的结果。个体的认知图式(Schema)是通过同化(Assimilation)和顺应(Accommodation)而不断发展，以适应新环境的。而利用可视化思维工具进行教学与学习就是利用个体原来的认知结构与新知识之间发生冲突，当学习者将新知识与旧知识正确联系在一起时，新知识即成为其已有知识网络中一个新联结点和知识生长点而整合到其认知结构中。认知科学证明，知识结构便于长时间记忆，知识结构的存在便于概括理解，有助于问题解决。

用图的方式进行思考，容易从整体上把握事物，促进思维的创新，从而促进对知识的建构、理解。具体来说，它可以帮助教师展示教学内容，帮助学生

整合新旧知识，建构知识网络，从而使学生从整体上把握知识脉络，促进学生的

意义学习和合作学习，此外，可视化思维工具还可以作为一种元认知策略，提高学生的自学能力、反思能力和思维能力。

四、核心概念界定

思维：思维最初是人脑借助于语言对客观事物的概括和间接的反应过程。思维以感知为基础又超越感知的界限。它探索与发现事物的内部本质联系和规律性，是认识过程的高级阶段。

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。

思维可视化概念是由曾受聘于华东师范大学现代教育技术研究所，任思维可视化教学实验中心主任的刘濯源首先提出，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（Mindmanager、mindmapper、FreeMind、Sharemind、XMIND、Linux、Mindv、imindmap等）。我们研究的可视化思维工具主要包括:思维导图(Mind Map)、模型图、(考试规律模型、学科规律模型、思维方式模型)、气泡图、网状图、流程图、概念图(Concept Map)、维恩图、图标、漫画、表格等等。（刘恩山教授把维恩图、流程图、循环图等也叫概念图。）为了大家容易理解，我们采用的是百度百科的释义，将维恩图、概念图等分别归类，它们都属于可视化思维工具的类型。可视化思维技术的研究历时十年，经过“理念构建——技术整合——学科结合——模板开发——模式构建——教师培训——系统导入”七个阶段的深入研究及实践，来自全国的教育专家及80多所学校的校长对思维可视化教学模式表示了高度的认可，一致认为该教学模式对提升学生学习能力及教师的教学品质具有关键性作用。

当然，概念图与思维导图都是辅助思维的工具，有时没有必要严格区分。虽然思维导图的评价功能相对概念图来说比较薄弱，却更能体现思维的过程，没有严格要求概念间的层级关系，使用灵活、约束性小、更能激发学生的兴趣，更能体现学生的差异性、主体性和创造性，更符合新课程的理念。因此笔者认为思维导图更适合在初中数学教学中应用。

五、课题研究的步骤和时间进程

本课题研究拟定为两年，基本过程与设想如下：

（一）实验前期调查与组建阶段（2017年4月——2017年10月）

1．调查科学课堂教学现状，分析课堂教学高效或低效的特征，完成调查报告；

2．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；   

3．转变教师观念，聘请课题组成员指导与研究，举办配套的有效教学理论讲座； 4。成立课题组和组织机构，开题。

（二）课题研究的全面实施阶段（2017年11月——2018年12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：

①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。

②完成可视化思维工具教学应用的新授课、复习课的教学设计和教学案例汇编。③完成各经验论文集编制研究；

4邀请相关专家商讨实验中存在的问题，以及解决的对策；

5考察学习，收集资料信息，完成有关课堂有效教学策略研究阶段实验报告。

6制定阶段研究计、开展研讨活动、进行阶段总结。

7召开课堂教学课题研讨会。

（三）课题总结结题阶段（2018年12月～2019年1月）

总结课题研究成果、撰写研究报告、论文、完成专著；召开课题验收鉴定会，汇报课题研究成果；根据情况对研究成果进行推广。 主要工作：(1)、收集研究资料、形成研究成果。(2)、申请结题。(3)、成果推广。

六、课题研究的原则与方法

（一）研究原则：

教学理念的转变，现代教学思想的确立，必然带来课题研究中原则的巨大变化。我们在本课题研究中力求遵循以下四个原则：

（1）主体性原则（师生互为主体）。

（2）人本化原则。

（3）开放性原则。

（4）实践性原则。

研究方法：本课题主要采用以下方法进行研究：

1、行动研究法

2、综合其他研究方法：结合观察法、调查法、统计法等研究方法。

在上述研究方法中，行动研究方法是我们的主要研究方法。这是因为个性的形成、发展受各种因素、各个方面的综合影响，学校教育只是其中一个重要的但决不是唯一的方面，因此，我们无法采用严格控制的标准实验研究方法，而只能提出假设，针对问题，施加操作变量，观察变化，分析因果关系，但这种来自实践，并经过实践检验的结论仍不乏具有客观性、正确性和科学性。