基于脑科学的课堂教学培训材料

北京市北外附属外国语学校教师专业提升委托培训材料第九期基于脑科学的课堂教学中国教师杂志社2014-10-28从古至今，人们始终对脑投入较大的研究力度，特别是20世纪80年代之后，研究脑成为最富有挑战性的一个研究话题，吸引了众多领域的各位研究者的注意，愈演愈烈，研究成果也不断涌现。且伴随神经影像技术，尤其是脑成像技术，如正电子断层发射扫描（PET）、脑磁图（MEG）、光学成像（OT）等的进步与应用，再加上人们在脑科学领域的不断研究，人们逐渐地发现脑与教育、教学存在着密切的关系，尽管这一关系如何界定并不是很清晰，但是它也指出了教师的课堂教学活动应关注学生的大脑，要利用学生大脑发展的关键期或敏感期，要重视其具有的可塑性，遵循大脑这一复杂系统自身的生理特点，进行有针对性的教学。因此，这就需要教师要更好地掌握学生课堂活动的大脑运作情况，自觉地将脑科学运用在课堂教学实践中，为学生提供合适的教学内容与刺激，充分利用学生课堂活动中的大脑关键期，提升教育教学的质量。一、脑科学脑科学是探究脑与心智现象、规律的一门科学。大脑就是一个比较复杂的系统，控制人们身体的各项机能，存在学习、记忆、认知、思维、语言等能力，而脑科学研究的主要层面集中在探测、认知、保护、开发与仿造大脑等。基于脑科学的课堂教学，实际上就是基于大脑的发展规律实施教育活动，也就是基于脑的教育，或者基于脑的学习。20世纪70年代晚期，基于脑的教育出现，其主要目的是为了在教育活动中应用相关大脑学习的脑科学研究经验。20世纪80年代早期，列斯力·哈特第一次给出“基于脑的学习”这个词语，将教育分成“与脑兼容的”、“与脑对抗的”两种1。他指出，学校教学的效果不明显主要是由于学校并不清楚突触和神经递质的化学组成，并未将脑看成学习的器官，让教育和环境切合大脑的结构。基于脑的教育，主要指的是认可大脑具有进行意义学习的规律性，教师要按照大脑的自然学习规律进行课堂教学，因此，教师要认识大脑的学习规律，研发适合学生大脑发展的课程与教学内容，让学生拥有和脑加工相符的学习时机，开发满足脑的教育条件。二、大脑发展关键期或者敏感期脑科学和教育之间存在的联系，变成当前教育学界研究的重点问题。明确大脑的运作机理，研究各种教育与学习形式在大脑结构和功能可塑性上的主要价值，这会给教师教学与学生学习效率的提升、各类学习和认知难题的处理提供有效的方式。脑科学的研究成果指出，大脑发展阶段，具有一系列的发展关键期或者敏感期，这些都可以叫做学习关键期2。这一关键阶段的教学对学生各方面能力的培育至为关键，也有脑科学研究将这一学习关键期看作是学生个体发展阶段的“机会之窗”。20世纪60年代，戴维·休伯尔等依据视觉剥夺实验的结论提出大脑发展关键期这一概念3，研究指出，把才出生一段时间的小猴子或者小猫借助外科手术的方式将眼皮缝上的话，几个月再打开，就会发现它们不能得到视觉信息，虽然这些动物的眼睛在生理层面正常，并且这些最初被剥夺视觉经验的动物的视皮层的机构也和其他的动物不一样。基于此，休伯尔等指出视觉机能存在发展关键期。而且，众多的脑科学研究者也开始研究大脑发展的关键期，获得了较大进步，得出比较一致的结果，认为大脑的不同功能的发展存在不同的关键性。一些能力会在大脑发展的敏感阶段易于得到，例如，人们视觉能力的发展关键期是在幼年，而1雷纳特·N·凯恩,等.创设联结:教学与人脑[M].吕林海,译.上海：华东师范大学出版社,2004.2陈建华,刘丹.当代脑科学视野中的儿童学习关键期研究及其启示[J].外国中小学教育,2008(1).3王薇.基于脑科学的小学古诗课堂教学实践研究[D].华东师范大学,2010.对于语言学习而言，幼年则是音韵学习的关键期，约在16岁之前是语法学习的关键期。而且，这一时期的神经系统存在较大的可塑性，发育速度也比较迅速，这一关键期结束，大脑的可塑性和发育速度都会遭受较大影响。并且，个体存在一定的差异性，使得大脑的不同功能的发展关键关键期并不一定相符，彼此之间存在一定的差别，在大脑的发育上也存在一定的不均衡性4。敏感期的概念主要是基于关键期这一概念而出现的，因为关键期概念的出现最早是源于对动物的探究。最初通过对动物视觉的研究指出，假如将刚出生的动物的眼睛蒙上，这一初期的视觉剥夺会在很大程度上干扰其视觉皮层的神经联结，有时可能在今后的一段时间中不能发挥视觉功能。基于此，一些学者给出了关键期的概念，认为大脑发展具有关键期，假如没有很好地利用这一关键期，就会对有关的认知发展产生无法弥补的影响。然而，最近几年的神经科学试验指出，虽然一些关键时期脑对一些刺激较为敏感，但是并非是错过这一阶段，有关的认知功能就不会获得正常运作，仅仅是大脑在这些关键期时会对一些刺激较为敏感，即存在大脑发展的敏感期5。在敏感期时，大脑对一些类别的刺激较为敏感。而且，现在的神经科学试验指出，语言学习与运动能力的获取或许都具有敏感期。假如人们对这些能力的获取处于敏感期中，就会易于得到，而一旦错失这一敏感期，虽然会拥有这些能力，但相对而言难度系数会增加。大脑发展不管是具有关键期，还是敏感期，其实都在说明某些能力的获取存在最佳时机，如果能够抓住这一最佳时机，进行必要的刺激，就会有事半功倍的效果，反之，错失这一最佳时期，不但可能会事倍功半，还可能会出现认知发展滞后的情况。这就为当前教师课堂教学提出了新的机遇和挑战。机遇是：教师可以掌握并利用大脑发育的关键期与敏感期，知道其起始周期、持续期限、表现方式等，在课堂教学活动中利用这一关键期或者敏感期，使得学生的视觉、语言、听觉等能力可以及时地得到发展，开启“机会之窗”，让学生大脑的各项功能得以开发。挑战是：教学如何在教学过程中把握这一关键期或者敏感期，避免在大脑在敏感期不能被合理地利用，或付出不必要代价。例如，语言学习的关键期或敏感期主要是在婴幼儿或者儿童阶段，这一时期要给他们较多的言语刺激，对他们进行语言训练。在进入学校接受教育之前，儿童的学习基本上是在和其父母、伙伴的平常交流与游玩中完成的，所以，早期教育阶段，父母要让孩子有和其他小朋友沟通与交流的机会，实现社会互动，这样促进儿童认知和社会性的发展，促进大脑神经元间联结的出现。此外，大脑也具有可塑性。大脑作为一个比较复杂的系统，处于动态发展的状态，由于学习、训练、经验等因素的作用，其皮层会发生结构改变与功能重塑，即为大脑具有了可塑性。而且，认知神经科学试验指出，幼儿的大脑具有可塑性，其实成年人、老年人的大脑也具有可塑性，这说明大脑可塑性存在于个体的终身，仅仅是在不同时期大脑各个区域的可塑性存在一定的差异而已，对人们终身教育提供了脑科学层面的一个重要依据。如何将脑科学研究和教育教学实践结合起来，将脑科学的研究成果应用到教育活动中，这是众多在脑科学与教育科学研究领域的专家学者孜孜以求的目标。美国加利福尼亚州立大学雷纳特·N·凯恩教授及其丈夫杰弗里·凯恩及密西西比州立大学杰夫利·A·拉科雷博士是脑科学研究中教育科学领域的代表性人物，他们整理出了脑学习的12条原则（见表1）6。这一脑学习的原则较为全面、深刻地阐述了脑的学习本质，基于生命系统这一中心，使得身体、智力与大脑构成一个动态的有机体。4徐崇文.学习理论与学习潜能开发中小学教师读本[M].上海:上海三联书店,2006.5王亚鹏,董奇.基于脑的教育:神经科学研究对教育的启示[J].教育研究,2010(11).6约翰·D·布兰斯福特,等.人是如何学习的[M].程可拉,等,译.上海:华东师范大学出版社,2002.表1脑学习的12条原则生命系统原则1.脑是一个生命系统：身体、智力和大脑是一个动态的整体2.脑是具有社会性的3.对意义的探寻是与生俱来的4.对意义的探寻通过模式化而发生5.信感对于模式化非常重要6.脑同时对部分和整体进行加工处理7.学习既包括集中注意，又包括边缘性感知8.学习总是包括有意识过程的无意识过程9.我们至少有两套不同类型的记忆：一套空间记忆系统和一套进行机械学习的系统10.当事实和技能镶嵌在自然的空间记忆中时，我们就能最佳地理解和记忆11.学习因挑战而增强，因威胁而抑制12.每一个大脑都是独一无二的三、课堂教学研究大脑是一个比较复杂的系统，是脑科学研究的重要对象，也是学生学习的重要生物载体，大脑发展存在一定的关键期或敏感期及可塑性，教师在教学的时候可以充分利用这一大脑生物机能，针对学生大脑处于的不同阶段，有目的性地实施教学活动。而且，我们也可以说教师课堂教学存在一定的关键期，也就是说将课堂教学时间划分成不同的阶段，根据各个阶段其自己的特色与学生大脑情况特点，遵循大脑发展状态进行教学设计，充分利用这一脑科学知识，将所有的课堂时间给予充分的利用，从而提升学生学习效率。基于脑科学的课堂教学，主要是基于脑科学和认知科学的理论与知识体系，全面掌握大脑发展和认知活动规律，将较好地推动学生学习和发展当作目标，有效地分配教学内容、教学方法、教学过程与教学评价形式等教学要素，让所有学生不但能够拥有知识、提升能力、获取情感，还要让他们能够学会学习，潜能得以开发。并且，从20世纪90年代末，神经科学研究领域有了较大进步，人们逐渐重视神经科学和教育、教学活动间的关系，虽然不同的研究对此拥有不同的态度，或乐观，或质疑，但基于目前的研究而言，学界已经出现了神经教育学这门学科，且从单纯理论研究渐渐地发展为具有全新研究面貌的领域，在许多地区，如美国、日本、欧洲设立了有关神经教育学的研究机构或者研究中心。有学者指出，经过心理学者不断地研究与探索，认为45分钟的课堂教学中，学生生理与心理情况能够划分成5个“时区”，即启动区、兴奋区、调试区、回暖区与终结区，见图1，能够集中学习的“时区”主要是兴奋区、回暖区和终结区7。因此，教师课堂教学时要尽可能的将兴奋区的时间延长，全面运用这一“时区”进行课堂教学，将课堂主要内容教给学生，较好地让学生了解本节课的学习重点与难点。并且，回暖区时，教师要侧重课后练习的解答与内容提升或深化，会更好地促进学生掌握学科知识，以便能够很好地运用。7武小鹏,张怡.基于脑的课堂教学分区研究[J].教育研究与评论·中学教育教学,2014(6).图1学生生理与心理情况划分的5个“时区”1.课堂启动区（0—5分钟）这一阶段，教师的主要目标是要将学生的注意力从课件转向课堂。经过课间10分钟的休息，每堂课上课前的5分钟，学生的身心基本上都是一种轻松愉快的，相应的，大脑也处于放松状态，思维游离于课堂之外。1）呈现课堂教学目标托尔曼的“认知地图”理论认为，基于以往经验在大脑中形成了一些类似现场地图的模型，他将白鼠进行迷津学习的活动当作认知学习，指出白鼠能够发现食物的位置，并不是简单地进行左右转动，并将其联结，而是在走过这些路以后，这些白鼠把迷津道路内的一些特点，如活动方向等看作是符号标识，借助对符号间存在的联系，如工具—目标—联系等进行分辨，得到迷津道路的总体概念，形成认知地图。因此，教师可以利用这一时期，将本堂课的教学目标展示出来，让学生已有的经验与当前要学习的内容形成一定的认知冲突，对学生给予鼓励，让其认真学习，以期获得更大的收获。正像托尔曼指出的，一旦个体的认知地图和周边条件出现矛盾的时候，个体会尽可能地调整，以期能够满足周边条件的变化要求。这也适合学生学习情况。一旦学生已有的认知和当前要学习的认知存在矛盾的时候，他们会自主地寻找一定的方式，处理这些矛盾，从而和新的环境相适应。例如，教师在讲授《牛津初中英语》7AUnit3Let’scelebrate!一课时，就可以采用先给出本堂课教学目标的方式，即了解西方传统节日——万圣节的庆祝形式。由于中西文化的差异，很多学生可能并不熟悉西方万圣节是个什么样的节日，该如何庆祝，这和中国的传统节日有何异同？这就会在学生头脑中存在一定的冲突与矛盾，带着这个疑问与好奇，就容易将学生的注意力转向课堂，从而认真地教师讲解。2）组织复习按照识记和维持时间的长短，能够将记忆划分成瞬时记忆、短时记忆与长时记忆。瞬时记忆指的是实验活动内将材料在极短时间中出现在被试者眼前形成的记忆，存在较为显著的感觉形象