腦科學研究對生物學教學的啟示

摘要 介紹了腦科學的定義及其研究歷程，并結合生物學教學實踐，提出了幾條基于腦科學研究結果的教學策略。

關鍵詞 腦科學 生物學教學 啟示

中圖分類號G633.91 文獻標識碼B

1 腦科學的定義

在19世紀，腦科學是為了了解神經系統內分子水平、細胞水平的變化過程，以及這些過程在中樞神經系統內的整合作用而進行的研究，因此也稱神經科學。隨著腦科學所取得的研究成果不斷地為教育科學所應用，腦科學的定義也逐漸增添出教育色彩。現在人們普遍認為，腦科學是研究各種狀態下人腦結構與功能及其作用機理的一門綜合性科學，與心理學、教育學以及創造學等學科有著密切聯系和交叉滲透。腦科學定義的演變揭示了腦科學研究的發展歷程。

2 腦科學的研究歷程

19世紀人類開始認識腦。西班牙醫學家卡哈爾發現，神經元是神經系統的結構和功能單位，由細胞體、樹突和軸突組成。當有信息刺激時，樹突接受信號，并向胞體傳送，經過整合后到達軸突。隨后研究發現，神經元和神經元之間的信息是通過突觸傳遞的。然而，這些認識只局限于醫學嘗試，并未運用到教學實踐中。

真正開始把腦科學與教育聯系起來的是20世紀初巴甫洛夫的“經典條件反射說”和斯金納的“操作條件反射說”，這兩項腦科學成果在教學上的應用產生了早期的程序教學模式。20世紀60年代，斯佩里及其學生提出“大腦兩半球功能分工說”，認為左半腦側重于抽象思維，右半球側重于形象思維，二者分工協作。奈德·赫曼整合了斯佩里的研究成果，于70年代后期提出大腦具有邏輯型、組織型、交流型和空想型四大思維類型的“全腦模型說”。80年代，加德納提出“多元智力結構說”，認為腦高級功能的生理基礎主要是后天形成的并具可變性，不存在先天預成的智力，也不存在單一性的智力，心智的結構是多元的，且都在大腦中有相應的位置。90年代，勒杜的情商說表明了情感在人類學習中有不可低估的功效，使情感教育成為學校教學的重要主題之一。同期，凱恩夫婦出版《創造聯結：教育與人腦》，總結出適于腦的12條學習原則，從此掀起了把腦科學的研究成果運用到教育教學實踐中的熱潮。

20世紀90年代至今，隨著大腦研究技術的創新，腦科學已成為當代國際重大的前沿研究領域。美國的“腦的十年”計劃、歐共體的“EC歐洲腦十年”計劃、日本的“腦科學時代”計劃等相繼涌現。21世紀初，中國成立了“腦科學與認知科學”中心，提出“腦功能及其細胞和分子基礎”研究項目，并將此列入了國家的“攀登計劃”。

3 腦科學研究對生物學教學的啟示

腦科學的新發現不斷地粉碎陳舊的思維定勢所設置的藩籬，改變著人們對以自身作為對象的教育活動的看法。在生物學教學中，教師適時適度地運用腦科學知識，能夠有效地激發學生求知潛能，優化課堂教學結構，提高課堂教學效能。

3.1 依據腦科學，構建章節概念圖，創設生物學知識的關聯

信息加工理論認為，學習實質上是由習得和使用信息構成的。由腦科學研究可知，神經元是機體的溝通者，當信息刺激時，一個神經元的樹突接受信號，向胞體傳送，經整合后由軸突傳出，再通過突觸傳遞到另一個神經元。個體每獲得一個新的信息，其神經網絡便形成一個新的聯結。然而，并非所有的的信息都會引起人腦的注意，只有當信息與個體已有知識相互加工后，才會表現出意義傾向，從而引起相應神經元結構的聯結。生物學教師應充分利用這一點，比如將學生已習得的相關知識引入新的教學內容中，積極擴充學生的知識網絡。若不能從學生的經驗中找到相應的成分來建立意義時，則可以人為創造關聯，如構建概念圖。

概念圖是一種表征、修正、完善知識的認知工具，將各種概念及其關系以類似于腦對知識存儲的層級結構形式排列，清晰地揭示了意義建構的實質。生物學教師可以通過梳理教材知識，構建出章、節概念圖，并將其整合到課堂教學中，幫助學生在言語表征的基礎上建立起概念之間關系的意象。例如，在學習“種群的特征”一節時，教師可以利用“種群的特征”概念圖輔助教學，如圖1。

在生物學教學中，教師還可以運用深入淺出、簡明扼要的概念圖形式引導學生根據自己對所學知識的理解構建概念圖。通過繪制概念圖，學生主動參與知識的回顧與提煉過程，整合新舊知識，建構知識網絡，優化認知結構。

3.2 依據腦科學，采用多種教學方式，促進課堂有效教學

個體主要通過五種感覺器官從環境中獲取信息。但是，這五種感覺器官對個體的學習作出的貢獻并不均等。幾乎每個人都有感官偏好，即更傾向于用一種或兩種感覺器官收集信息。美國的腦科學研究發現，當今的學生中接近一半是視覺偏好者，1/5的學生屬于聽覺偏好者，1/3以上的學生屬于知覺一觸覺偏好者。可見，不同的學生有不同的學習風格，他們在學習概念、技能時存在著天生優勢和偏好差異。當然感覺偏好并不意味著學生只用一種感覺通道。因此，多感覺通道、多變化的教學方式往往能取得更好的效果。例如，在學習“細胞器”時，教師可以展示內質網、核糖體、高爾基體等細胞器的模式圖，以此為載體，講解各細胞器的結構與功能。通過觀察各細胞器在細胞中的分布位置，學生直觀理解“蛋白質在核糖體中合成，經過粗面內質網的細管，在其末端形成小泡，移動到高爾基體，并由高爾基體輸送到細胞內或細胞外目的地”的過程。這種視覺圖像法的教學方式，可以滿足視覺偏好學生的需求。又如，在學習“孟德爾定律”時，教師可以播放“孟德爾雜交實驗”動畫，介紹分離定律和自由組合定律。之后，分給每組學生4個信封和20張卡片，要求學生利用這些材料動手模擬一對相對性狀和兩對相對性狀的雜交實驗。這不僅在視覺和聽覺上給學生以信息刺激，還為學生搭建了運用知覺一觸覺學習的平臺，利于學生多感覺通道的打開，滿足了絕大部分學生的感官需求。

3.3 依據腦科學，采取適于腦的評價，給予學生正確反饋

腦科學研究發現，腦高級功能的生理基礎主要是后天形成的并具可變性，不存在先天預成的智力，也不存在單一性的智力。由此，加德納提出“多元智力理論”，批判了“智力是以語言能力和數理一邏輯能力為核心構成的”傳統觀點，并將智力分為八類：言語一語言智力、邏輯—數理智力、身體—動覺智力、自知—自省智力、交往—交流智力、音樂—節奏智力、視覺—空間智力、自然—觀察智力。多元智力理論的提出，推動了教育范式的變更。隨著教育范式向教授更有意義的概念和技能轉變，教育評價也必須改變其呆板的標準化測驗方式，增添多種渠道的替代性評價方式，確實考查學生在知識、能力和情感目標上的達標情況。

如教師可采用二段式測驗對學生的知識學習進行評價，彌補傳統標準化測驗無法揭示學生如何思考的弊端。下面以“光合作用”內容為例。

例：生長在較弱光照條件下的植物，當提高C02濃度時，光合作用強度并未隨之增加，主要限制因素是(光反應或暗反應)。

理由：①光反應為暗反應提供的ATP和NADPH有限；

②光反應需要光，與二氧化碳濃度無關；

③在較弱光照條件下，暗反應發揮主要作用；

④光照不足，光反應形成的葡萄糖很少，光合作用強度不高；

⑤其他：________。

這種測驗方式，不僅可以測出學生是否知道“光反應”和“暗反應”兩個概念，還能看出學生是否真正理解兩個反應間的內在聯系。這避免了學生因猜測而選對答案。理由中還設置了“其他”選項，學生可以自行填寫，這也為選擇題型增加了訪談性質。

另外，教師還可采取替代性評價，允許學生選擇多種方式展示成果。如學習完“DNA的分子結構和特點”后，教師可以提供繩子或紙板等材料，建議學生制作出DNA的分子結構模型，以此檢測學生對堿基互補配對原則和DNA雙螺旋結構的掌握情況。