学生自主创新实验的思维可视化研究
山东省莱州市玉皇中学 潘书朋
南京师大附中树人学校 汤金波
摘要：学生自主创新实验的思维可视化课堂是以“发展学生思维能力”为深层次目标，教学活动以“学生思维发展”为中心展开，以“生生以及师生思维对话合作探究”为课堂形式，借助思维导图等思维可视化工具将整个教与学的思维过程直观展示给大家，从而促进思维的激发和整理。通过学生自主创新实验思维可视化的研究，可以实现教学效果的不断提升，最终让学生完成对知识的理解、掌握和应用。
关键词：学生自主创新实验；思维可视化；思维能力
学生自主创新实验的思维可视化研究是对新课标倡导教学方式多样化的一种积极有效的回应,学生利用身边的物品对物理现象和规律进行创造性“智慧复演”，通过动手操作、个性化展示和解说等方式将大脑中的思维“画”出来。学生自主创新实验思维可视化的核心在“思维”，“可视化”只是手段，其关注点从“知识层”深入到“思维层”，从“学会”升华到“会学”，走进深度学习，彻底告别死记硬背及题海战术，让学生对深度思考和实践研究成为一种学习习惯、一种精神享受，更是一种文化信仰，可以为减负增效提供一个全新的“支点”。
一、基于真实情境构建教与学的思维可视化课堂
学生自主创新实验思维可视化课堂目前在中国很有影响力，已经深得教育科研人员和广大一线教师的赞同和认可。这既是一种课堂教学模式，也是学生积极参与的深度学习方式，按照“创设情境，思维启迪（有趣感知）——猜想假设，思维独立（兴趣激发）——合作探究，思维碰撞（智慧众筹）——创新设计，思维迁移（志趣升华）——实际应用，思维升华（智慧生成）”的思维培训流程，让物理课堂成为学生思维发展的乐园。
学生自主创新实验思维可视化课堂的设计理念是“让教师的教学对学生的可见，让学生的学习对教师可见”，即：教师要注重通过思维可视化工具（例如:思维导图、流程图、概念图等）的运用，这样可以让学生对教师教的过程，以及教师对学生学的过程都会有彼此充分地了解，教师可以及时对学生的思考方法、思考方式作出科学客观的激励性评价，同时便于学生对自主设计的实验方案进行反思改进和整合优化（过程性评价）。
二、学生自主创新实验思维可视化教学效能评价
学生自主创新实验的思维可视化很重要的教学效能评价就是既关注教学效果更关注学习过程，尤其要对学生在实验过程中的心智水平进行发展性评价，即：将教与学的思维过程可视化后，可以一边学习一边评价，还可以将学习过程被可视化后储存起来，在课后或者考试后及时对大脑中的“图”进行梳理反馈，非常直观高效。下面就以“探究影响滑动摩擦力大小的因素”为例，阐述一下如何进行学生自主创新实验的思维可视化研究。
1.隐形思维显性化
该实验首先是基于真实情境，提出有思维度的问题，然后学生通过体验以及已有的知识进行科学合理地猜想假设，自主设计实验方案，利用身边的物品进行实验操作、展示交流。在实验探究过程中可以应用思维可视化工具（思维图示、思维导图、概念图等）将思维过程和思维结果“画”出来，通过“隐形思维显性化”的方式便于师生及时进行观察反思。通过生生、师生的思维对话可以很好地促进思维的激发和整理，即：表达思路可视化，便于发现问题；修改过程可视化，调整认知结构；思维发散可视化，实现思路拓展；重新构思可视化，审视梳理过程[1]。
（1）创设情境，思维启迪
情境：在自行车轮气门芯小软管安装中，如果将小软管浸泡在水中，可以减小气门芯与橡皮管之间的摩擦，非常容易安装。农民在使用铁锹劳动时为了防滑，通常要往手心吐一口唾沫，这又说明水可以增大摩擦。问题：水究竟是减小摩擦还是增大摩擦？
（2）猜想假设，思维独立
快乐体验：用一只手分别压在玻璃板和桌面上慢慢滑动，然后将另一只手压在手上并在桌面上滑动。
猜想假设：猜想1，可能与压力大小有关;猜想2，可能与接触面粗糙程度有关;猜想3，可能与接触面的面积大小有关;猜想4，可能与物体运动的速度有关;猜想5，......
（3）合作探究，思维碰撞
在实验探究过程中，通过思维导图、流程图等思维可视化工具的运用，把原本不可见的思维结构、思考路径及方法呈现出来，实现隐性思维显性化[2]。让教师对学生，学生对学生的思考方式、设计思路以及探究过程能够“清晰再现”。
2.显性思维工具化
此实验最关键也是最困难的操作是“拉动物体做匀速直线运动”，如果能够通过学生自主创新实验将这一难点加以突破，对于培养学生的创新思维是非常有益的。在评估交流环节引导学生梳理反思实验过程中遇到的问题，对传统实验方案加以改进优化，这是培养学生“批判性思维”的很好契机。为此，可以运用思维工具来引导、矫正学生的思维进程（图1），通过“显性思维工具化”的方式让学生形成相对稳定的科学思维模式。
图1 学生自主创新实验思维可视化研究流程图
由于学生思维的迁移和升华需要有一个递进过程，所以实验方案也是通过学生不断的思维独立、思维碰撞，逐渐改进、优化，从而让学生的批判思维和创新能力得到培养和提升。改进1.0版：主要解决传统版中很难保持拉动木块做匀速直线运动问题。将弹簧测力计固定，在木块下垫木板，无论用手是否水平匀速拉动木板，木块始终保持静止状态（图2）。这样改进有的学生是比较容易想到的，由于这个方案在很多习题中出现过，如果学生课前做过预习并且看到过这样的习题，也就可以很好描述出来。这样改进仍存在的问题是由于拉力是沿水平方向，因此读数还是不太方便。改进2.0版：主要解决改变拉力方向的问题，这是创新思维的一个突破口。在学生思维遇到障碍难以突破的时候，教师必须及时介入，可以列举“升国旗、拉窗帘”等现象，此时个别能力比较强的学生就会想到使用“定滑轮”。尽管有关滑轮的知识没有学到，但这并不妨碍学生的思维发展，可以让有能力的学生尽情展示自己（图3）。这样的改进读数会更方便一些，但不能保证拉动木块做匀速直线运动。改进3.0版：主要是为了将以上两个改进方案进行优化组合。如果此时学生的思维再次受阻无法突破，教师可以将中考试题适时展示给学生，从而激发学生的思维灵感。在木块（或铁块）下垫木板，用电动机可以慢速、中速、快速拉动木板，通过定滑轮改变拉力的方向，将弹簧测力计竖直固定，方便读数（图4）。
创新版：既能解决传统实验方案存在的问题，又能解决改进3.0版“成本较高”的问题。为了便于让学生通过自主设计创新实验继续进行深度思考和研究，教师可以将以下问题出示给学生：（1）如何使用生活中物品进行“低成本”实验（更节约、更有趣味性）？（2）如何克服弹簧测力计示数不稳定和必须用到二力平衡知识的问题（更方便进行实验操作）？（3）如何将传统实验方案多个探究过程进行优化整合？（4）......（其他有思维度的优质问题）。在经历课堂实验探究反思改进之后，学生的灵感已经得到激发，接下来的环节就是让学生的“思维火花”继续迸发，经过生生、师生不断思维对话，一个能够显示出学生较强创新能力的实验方案也就应运而生。【案例1】用拔河比赛探究影响滑动摩擦力大小的因素[3]。（1）探究滑动摩擦力与接粗面粗糙程度的关系：分别向两个纸杯中加入质量相等的小米（图5），然后将两个纸杯分别放在毛巾和纸板上，匀速拉动毛巾和纸板，毛巾上的纸杯没有脱离，纸板上的纸杯脱离。（2）探究滑动摩擦力与压力大小的关系：向两个纸杯中放入质量不同的小米，然后将纸杯分别放在两块粗糙程度相同的纸板上，匀速拉动纸板，质量小的纸杯与纸板脱离，质量大的纸杯与纸板没脱离。（3）探究滑动摩擦力与接触面积的关系：分别向两个纸杯中加入质量相等的小米，在一个纸杯的底部糊上一层纸，在另一个纸杯的顶部糊上相同的纸。将一个纸杯的面积较小的底部放在硬纸板上，另一个纸杯的面积较大的顶部放在相同的硬纸板上，匀速拉动纸板，两个纸杯几乎同时以相同的速度脱离纸板。
图5
该自主创新实验使用生活中常见物品，并使用拔河比赛这种学生乐见的公平有趣的方法，不再受到弹簧测力计示数不稳定的干扰和二力平衡知识的影响，抓住受不同摩擦力物体从接触面上脱离的时间和速度这个“创新点”，可以显示出学生较强的创新能力。通过传统版、改进版、创新版的不断反思改进和整合优化，学生能够很好理解和掌握影响滑动摩擦力大小因素，在此基础上通过思维可视化的方式继续深入探究“水是减小摩擦还是增大摩擦”。学生自主创新实验的思维可视化研究所要达到的最高境界就是“高效思维自动化”，通过大量的实践练习，在已经充分理解和熟练掌握思维工具的基础上，学生可以无意识地运用这些工具，达到高效思维自动化的效果。培养学生创新思维更好的方式就是利用所学知识解决实际问题，例如：利用光盘、气球等生活中常见的物品自制“悬浮碰碰车”——模拟“气垫船”如何减小摩擦的原理；学生自主设计创新实验探究“水是减小摩擦还是增大摩擦”。【案例2】水是减小摩擦还是增大摩擦。首先将木块放在有油漆的木板表面，此时木板的表面是干燥的，匀速直线拉动木块（改进：也可以固定弹簧测力计，让木块不动，拉动木板），读出此时弹簧测力计的示数F1；然后将木板表面抹上少许水，重复操作，读出此时弹簧测力计的示数F2。接着将木块放在没有油漆干燥的木板表面，匀速直线拉动木块（也可以让木块不动，拉动木板），读出此时弹簧测力计的示数F3，然后将没有油漆的木板表面抹少量的水，重复操作，读出此时弹簧测力计的示数F4，最后将没有油漆的木板表面加大量的水，重复操作，读出此时弹簧测力计的示数F5。通过比较弹簧测力计的示数分析得出结论。当木块放在有油漆的木板表面时，在两个固体接触面之间有液体时，这个液体薄层会将两个接触面分开，从而使接触面之间的摩擦力减小；当木块放在没有油漆的木板表面时，最初抹少量的水，虽然变湿可是没有形成液体层，由于接触面的性质被破坏，接触面之间的摩擦力就不一定减小[4]。
综上所述，学生自主创新实验的思维可视化课堂是以“发展学生思维能力”为深层次目标，教学活动以“学生思维发展”为中心展开，以“生生以及师生思维对话合作探究”为课堂形式，借助思维导图等思维可视化工具将整个教与学的思维过程直观展示给大家，从而促进思维的激发和整理。通过学生自主创新实验思维可视化的研究，可以实现教学效果的不断提升，最终让学生完成对知识的理解，掌握和应用。物理知识、物理规律是通过科学实验探究得出的，如果学生不了解整个实验思维过程就很难从实质上掌握实验课程。因此，在物理教学中要注重学生自主创新实验思维可视化的研究，只有让学习在课堂上真正发生，才能培养学生核心素养，实现学科育人的教育目标。（此文为山东省烟台市教育科学“十三五”2018年度规划课题“初中物理实践教学中学生核心素养的培养策略研究”研究成果。课题批准号：135—2018GH116）[1]赵国庆.思维可视化[M].北京：北京师范大学出版社，2016.[2]刘濯源.思维可视化：减负增效的新支点[J].中小学管理，2014（6）10-13.[3]汤金波.汤老师创新物理实验室（力学）[M].浙江：浙江大学出版社，2019.[4]郑青岳.郑青岳科学教育讲演录[M].浙江：浙江教育出版社，2015.
