基于思维可视化工具包培养批判性思维

2017年，北京市西城区师范学校附属小学开展了专项课题“创客类校本课程开发在促进小学生创新思维能力培养方面的实践”的研究。科学教研组借助office 365平台低成本、易操作、共享便捷的优势，构建了一个开放的校园创客网络平台，并结合参与创客校本课程学生、教师的课程反馈，开发出一套适用于小学生的创客校本课程，希望借此促进学生创新思维能力的培养。

随着课题研究的推进，我们开始思考：既然要创新，那么创新的途径是什么？怎么样才算创新？知识总量的增加必然意味着创新吗？创客类校本课程的本质依旧是以传授学生最新的技术知识与技能为主要着力点。教育的价值不是记住很多知识，而是训练思维，这就提出了教育价值超越知识的另一个维度——思维。而恰恰是在这个维度上，我们的教学是薄弱的，学生思维的发展正是传统教学的短板。人类生命的本质在于不断超越、创新，创新从来都是建立在对旧思想、事物的质疑和批判的基础上，只有通过对旧思想、事物的缺陷进行分析和批判，才能创造出高于它、超越它的更好的思想和事物。批判性思维作为一种理性的、反省性的思维，是创新思维的前提和基础，没有对旧思想、事物的批判，就没有创新。批判性思维也是创新的内在要求，如果没有批判性思维，创新就是一句空话。

一、研究背景

1.学科表达的研究启示

教研组对于科学学科表达的研究，一直处于摸索状态，没能达成共识，一部分原因来自科学学科的特点，科学学科表达一定是能够体现本学科本质的，而从历史进程来看，数学与科学一直是密不可分的，科学学科研究的创新思维、问题解决、创设情境等主题，在数学中也有涉及，在逻辑建构如此相似的两门学科中，如何确定科学学科表达本质呢？科学的本质在于理论的可证伪性，即现行可检验性。[1]可证伪主义对科学的贡献是它允许科学也包含错误，并承认科学要受到经验的局限性影响。科学实验应是针对问题提出试探性的理论，并把理论交付经验检验，理论在检验中遭到证伪进而被淘汰，然后用一个新的、更好的理论来替代旧理论。任何一种科学理论都不过是某种猜想，潜藏着错误，即使能够暂时逃脱实验的检验，也总有一天会暴露。而这一新理论代替旧理论的过程，揭示了批判性思维在科学学科的重要地位，这也是教研组选择以它为抓手开展科学学科表达研究的重要原因。

2.学生小课题研究的辅导困境

近两年来，教研组完成了对科学课程评价方式的一次重要革新。相较于以往期末测试“一刀切”的形式，我们将小课题研究引入学生评价，在每个学期一开学就引导学生以小组为单位确定自己感兴趣的科学问题，展开一学期的研究，在期末上交课题研究报告并与全班同学分享自己的研究成果。这样的评价方式在关注学生学习成果的同时，又兼顾了他们在学习过程中的变化和发展。而这样的变化，给学生和任课教师都带来了很大的挑战：无问题可研究、无观点可表达、无信息（数据）可支撑，成了科学小课题研究推进的主要障碍。学生过度依赖教师给定的研究参考题目，不假思索地照搬网络上的各类信息，小课题研究的科学性无从谈起，教师的辅导更是无处着手。学生虽然掌握了科学课堂中的知识，但是科学思维方法的实践却依旧难以落地。

二、研究设计

训练小学科学课堂批判性思维的工具的开发与应用，为科学思维方法的实践与研究奠定了基础，也可以有效提升学生的批判性思维。

思维可视化工具有助于培养学生的高阶思维能力，不同的认知工具使他们用到不同的思维技能，但目前在小学语文、数学课堂中研究较为成熟的是思维导图。其实思维可视化工具的种类非常多样，我们将结合国内外的课堂研究以及我们的实践，选取较为适宜小学科学课堂批判性思维能力培养的工具进行开发和组合，通过使用这些可视化的工具辅助学生的倾听、表达、阅读、写作和实操学习。

为检验思维可视化工具在小学科学课堂中对学生批判性思维能力的提升效果，我们随机选取了学校五年级中的两个班作为研究对象，其中18班为实验班，16班为对照班。实验班与对照班的参与人数均为32人。两个班级均为同一名科学教师授课，实验班使用思维可视化工具进行教学，对照班采用常规教学策略。为了解使用思维可视化工具前后学生批判性思维水平是否发生变化，我们利用批判性思维倾向测试卷和批判性技能测试卷对学生进行了前测、后测，并采用SPSS 20.0对数据进行统计分析。在数据统计过程中先进行描述性统计分析，再使用思维可视化工具对班级前测、后测数据进行配对T检验，观察教学实践前后学生批判性思维水平是否存在显著差异。

三、思维可视化工具包的构建

根据脑科学的相关研究，在人类解决问题的过程中存在两种系统：一种是启发式系统，一种是分析式系统。前者是基于直觉的，在很多情况下，这种策略是有效的，但有时会产生误导；后者则需要分析式策略，需要较长时间，但总会得出正确答案。通常儿童和成人都会优先采用启发式系统，当启发式系统与问题冲突时，必须抑制住它的误导，才能启动分析式系统并正确解决问题。研究者发现，思维可视化工具是启动分析式系统的有效工具，其作用主要表现在四个方面：以具体的形态表明抽象的信息；描绘事实与概念之间的关系；将要学的知识与已学的知识相互联系；理顺写作或解决问题的思路。这也使我们萌发了一个大胆的想法：如果反思与改进部分的实验记录单能够结合思维可视化工具的特点，兼顾过程性与终结性，通过形式与结构上的变化，引导学生梳理并形成有价值的讨论结果，那么将在课堂上达到事半功倍的效果。

《批判性思维工具》一书中提到，批判性思维的发展途径主要有表达、写作和行动。对小学科学课堂教学而言，学生借助实验记录单就能将以上三种方式有机融合，即通过书写实验记录单自我反思、总结问题的原因（个人评价、文本评价），通过表达对他人问题进行分析和评价或回应他人质疑（集体评价、过程性评价），促使深入思考，通过再次实验纠正问题和方法应用（增值评价、终结性评价），提升批判性思维水平。

1.鱼骨图

鱼骨图因形似鱼骨而得名，其特点是简捷实用、直观深入，它是一种把与某个问题有关的知识组织起来并用图形加以描述的工具。鱼骨图是一种发现问题“根本原因”的方法，是一种透过现象看本质的分析方法。

学生记录完已有数据之后，通过清楚的鱼骨图的表征，进行观察、归纳、分类，最后通过分析得到问题的结论。这一环节体现了批判性思维中的分析部分，能够清楚地识别要解决的问题和证据之间实际的推论关系、问题、概念、描述，或其他意在表达信念、判断、经验、理由、信息与意见的表征形式。

例如，在四个科学实践活动结束之后，通过鱼骨图（如图1），学生能够清楚地看到声音可以在什么情况下进行传播。空气与水这两种存在形式是学生容易说出来的，桌子和暖气管是固体，大部分学生对于概念的认知不够明确，难以直接说出，但通过三种不同状态的对比，他们可以很清楚地观察出区别来，从而更快地得出结论：声音可以在固体、液体、气体中传播。同时，鱼骨图分支的开放性也会激发学生思考：声音除了可以在这种液体中传播外，是否还可以在别的液体中传播？这可以培养学生批判性思维中的分析能力。

2.复流程图

复流程图在小学科学物质科学领域的教学功能主要为：用于已有现象、事件的分析；根据学生对已有现象、事件的认识和判断，尽可能多地记录事件发生的原因和造成的结果；通过记录的原因和造成的影响，帮助学生总结、分析现象和事件的本质。特别是在研究某一系统时，教师引导学生从中发现事件造成的影响又会反过来作用在事件的成因上，此时复流程图便可用于介绍这种循环的原因和结果之间存在着的反馈关系。以复流程图的基本框架为基础，以探究实践活动的要素为串联，我们为《小电机转起来》一课的主要探究活动设计了复流程图（如图2），指导学生探究实践，达成该课教学目标。

提出问题环节，教师利用不同的实验现象激发学生的好奇心，让他们提出有研究价值的问题。之后，教师引导他们利用文字、符号或者图像等方式将问题记录在中间的大矩形中。作出假设环节，学生大胆假设，将合理的、有依据的假设罗列在位于中心矩形左侧的小矩形中，用来表示造成线圈不同转动情况发生的原因，并据此合理制订实验计划。实验过程中，学生搜集证据，及时将观察到的实验现象记录在右侧对应的小矩形中。在依次对提出的影响因素进行实验验证后，学生分析、归纳几组实验现象，小组交流讨论，得出实验结论，对照复流程图回顾整个科学探究的过程，对复流程图中反映出的因果关系进行审查，以此来检验科学探究中每一个环节是否存在需要改进的地方。对科学探究过程的回顾还可以加深学生对这些因果关系的认识，建构科学概念。对于小学生来说，电动机工作的原理太过复杂，影响电动机线圈转动快慢的因素主要是电流的强弱即串联电池的个数，磁性的强弱即磁铁的大小和数量等，另外线圈的匝数、磁铁的磁极都会影响到线圈的转动。这些内容不属于该学段课程标准的内容要求，但在小学阶段我们可以训练学生的思维能力，利用复流程图让他们将探究问题与假设之间建立因果逻辑关系，形成科学的实验结论。在交流讨论环节，学生还可以借助复流程图审视因果关系是否成立，提升批判性思维能力。

3.时间流程图

时间流程图是一种特殊形式的流程图，它可以系统、完整地记录某一领域的发展足迹和详细事迹。在《认识星空》一课的教学过程中，教师尝试利用时间轴，引导学生在比较、分析古今中外有关北斗七星的诗歌中，形成人类对北斗七星认识的变化图景，体会科技发展对于文学创作的影响。在课堂的最后，学生还颇具创造性地将“北斗”导航系统补充在了时间轴的最后，将“北斗七星”这一特殊的文化符号的意义拓展到未来。而在随后的《极简天文学》阅读沙龙中，学生也将时间流程图应用在了对书籍主要内容的梳理上，梳理出了对人类探索宇宙有重大意义的事件，并借助时间轴系统、完整地记录整个探索足迹和重要事件（如图3）。

4.工程流程图

在《设计制作》一课中，为了体现学生实施项目的完整过程，帮助他们对任务实施过程进行合理的规划和时间分配，让项目学习的过程更清晰、更充实，教师设置的任务单是以工程里程碑的形式呈现的（第一周里程如图4），提供实时记录的工作日志，学生以填写和涂色的方式记录项目的完成情况。这种方式不仅能将学生对项目的思考显性化，还便于他们对子任务的及时跟踪记录和完善，提升小组成员的工作效率和工作默契。在这个过程中，学生也能初步体会到做时间管理者的乐趣。

四、研究反思

1.研究成效

思维可视化工具在课堂中的实践，是将批判性思维的培养与学科教学有机结合起来，通过常规的课堂教学发展学生的批判性思维。这种方法通过学科知识教学潜移默化地提升学生的批判性思维能力。此方法的优点是不向学生特别地传授批判性思维的一般原理，而是趋向于通过日常的学科教学去唤醒他们的批判性思维意识。

在研究过程中，我们得到了全校教师的大力支持。从最初的研讨、制订目标到确定具体的批判性思维技能培养路径，教研组教师都参与其中，拓宽了对教育和教学的认识，提高了教学研究能力，完成了学生批判性思维评估技能的科学课堂教学案例编写工作。随着案例在校内的发布以及相关培养路径在不同学科中的尝试推进，学校越来越多的教师开始对批判性思维技能产生研究兴趣，并尝试在自己的课堂中引进思维可视化工具，这也形成了一种特别的校园氛围。面对知识面广泛的学生、日新月异的科学手段，教师只有不断学习，不断完善、创新自己的教学方式、方法，才能跟上时代发展步伐，这些挑战也成了教师不断进步的动力。

2.存在的问题

研究时间较短。由于思维的复杂性和难测性，对思维的培养是一个漫长而复杂的过程，短时间内很难看到思维培养的效果。该研究只持续了一学年，实践的周期偏短，要想真正看到批判性思维实施的效果，教学实践应该再持续更长的时间，而且应该追踪学习者的后续表现。