基于腦科學(xué)理論的工科教學(xué)策略研究

汪金花，韓秀麗，李鳴鐸，李孟倩

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

在實際課堂教學(xué)活動中，如何保持學(xué)生積極參與是老師最需要考慮的問題之一。大學(xué)教學(xué)課堂正受到信息網(wǎng)絡(luò)碎片化的沖擊，各種平臺充斥著快節(jié)奏媒體和視頻信息，使得激勵學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)變得更加困難。數(shù)字化新型學(xué)習(xí)方式加快了學(xué)習(xí)者快餐化、碎片化學(xué)習(xí)習(xí)慣，間接導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)淺表化、浮躁化的現(xiàn)象。為了優(yōu)化教學(xué)與學(xué)習(xí)過程，調(diào)動好學(xué)生的主動性和積極性，大學(xué)教師需要運用科學(xué)的教學(xué)理念，研究如何設(shè)計課堂活動和教學(xué)策略，提高學(xué)習(xí)過程的參與度和積極性。“全腦教學(xué)”是依據(jù)腦科學(xué)原理，開發(fā)利用腦科學(xué)的一種教學(xué)手段，是研究大腦部分功能與學(xué)習(xí)活動之間關(guān)系的基礎(chǔ)理論。最初應(yīng)用于小學(xué)教育，后期逐漸應(yīng)用于職業(yè)教學(xué)和大學(xué)教育等領(lǐng)域。如美國克里斯·比弗爾的全腦教學(xué)在專業(yè)培訓(xùn)和大學(xué)課堂實際應(yīng)用，改進(jìn)了部分教學(xué)模式。國內(nèi)的全腦教學(xué)理論主要在各類體育課堂、中學(xué)語文教學(xué)、特殊教學(xué)中有一些應(yīng)用。一些學(xué)者也開展了相應(yīng)的應(yīng)用研究，如黃姣華[2](2013)利用全腦教學(xué)原理開展了基于大腦的個性化教學(xué)研究，針對不同學(xué)生特點和情緒表現(xiàn)，分析了優(yōu)勢半腦的教學(xué)重點。夏云蘭[3](2017)運用全腦課堂的四個維度，即“學(xué)為主體、思為主線、練為主攻、效為主旨”來指導(dǎo)學(xué)生解決問題。劉欲穎[4](2007)探索基于全腦思維理論的中醫(yī)教育傳承模式。邵永紅[5](2008)研究了左右腦能夠協(xié)調(diào)運用，潛能將得到激發(fā)，教學(xué)就更有效。激發(fā)學(xué)生的全腦潛能需要科學(xué)地選擇和運用教學(xué)策略，如視覺加工、聽覺加工、活動加工、思維加工策略。王芳[6](2007)運用全腦教學(xué)策略對大學(xué)生英語學(xué)習(xí)情感變化影響做了系統(tǒng)研究。馬飲川[7](2011)應(yīng)用全腦理論實踐于美術(shù)教學(xué)活動中，去發(fā)展和提高學(xué)生認(rèn)知能力，形成完整的智力結(jié)構(gòu)的過程，提高學(xué)生的感受力、觀察力、記憶力、想象力和思維能力。關(guān)于工科教學(xué)如何運用全腦教學(xué)理念科學(xué)設(shè)計教學(xué)活動和教學(xué)策略的研究，報道很少。運用“全腦教學(xué)”原理，研究了工科課堂的全腦教學(xué)策略，系統(tǒng)分析了腦科學(xué)與多種形式教學(xué)活動和策略的關(guān)系，有助于教師科學(xué)合理優(yōu)化教學(xué)設(shè)計和教學(xué)策略。

一、全腦教學(xué)策略

教師要駕馭課堂教學(xué)，就必須對一堂課的教學(xué)進(jìn)行精心設(shè)計。采用合理有效的教學(xué)策略，做到課堂應(yīng)學(xué)生而動，應(yīng)情境而變。全腦教學(xué)是以研究大腦結(jié)構(gòu)功能活動為基礎(chǔ)的一種教學(xué)手段，通過科學(xué)分析學(xué)習(xí)活動與腦科學(xué)之間關(guān)系，來設(shè)計學(xué)習(xí)活動和教學(xué)策略的一種模式。腦功能系統(tǒng)分為覺察系統(tǒng)、認(rèn)識系統(tǒng)、感受系統(tǒng)和運動系統(tǒng)。各個功能系統(tǒng)都能獨立產(chǎn)生意識，我們正常意識狀態(tài)是多個意識并存和相互作用的結(jié)果，是產(chǎn)生心理活動的基礎(chǔ)。全腦教學(xué)，主要是研究了大腦前額葉皮層、布洛卡區(qū)、韋尼克氏區(qū)、邊緣系統(tǒng)、海馬區(qū)、視覺皮層和運動皮層等部分對學(xué)習(xí)環(huán)境產(chǎn)生作用。例如大腦前額葉具有記憶、判斷、分析、思考、操作等功能。布洛卡區(qū)是第三額葉回后部、靠近大腦外側(cè)裂處的一個小區(qū)是產(chǎn)生言語的動機(jī)和愿望。韋尼克區(qū)(又稱威尼克區(qū)、沃尼克區(qū))是大腦聽覺中樞，視覺性語言中樞。邊緣系統(tǒng)參與調(diào)解本能和情感行為，參與學(xué)習(xí)和記憶活動。大腦海馬區(qū)是幫助人類長期學(xué)習(xí)與負(fù)責(zé)記憶的，主要記憶聲光、味覺等事件的大腦區(qū)域。

那么“全腦教學(xué)”理論與實際課堂活動和教學(xué)策略是否有關(guān)聯(lián)呢？在原來全腦教學(xué)法則基礎(chǔ)上，通過理論分析和實際課堂試驗發(fā)現(xiàn)，“全腦教學(xué)”理論與實際教學(xué)策略和活動之間有密切關(guān)系，見表1。表中列舉常見幾種教學(xué)活動，對應(yīng)活動腦功能區(qū)所產(chǎn)生反應(yīng)。試驗中發(fā)現(xiàn)，一些已經(jīng)在課堂上有效的教學(xué)策略，實際都與腦科學(xué)理論息相關(guān)。

表1 全腦教學(xué)激活神經(jīng)功能區(qū)教學(xué)行為的關(guān)聯(lián)

從表中可以看出，不同活動引發(fā)大腦刺激和反應(yīng)是不一樣的。例如課堂中“同學(xué)們，注意啦”，播放視頻動畫等，教師做某些吸引學(xué)生神情，動作，聲音高低等教學(xué)策略時，這些策略會激發(fā)前額葉皮層，讓學(xué)生集中注意力，仿佛打開工作電源一樣重要，大大增加學(xué)生對后面教學(xué)內(nèi)容的關(guān)注度，提高教學(xué)的有效性。如果教師在教學(xué)過程中增加一些課堂活動，讓學(xué)生盡可能動用眼睛，耳朵，手等更多器官(手眼結(jié)合法，讓學(xué)生當(dāng)老師，鏡像模擬法等)時，教學(xué)過程會充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的布洛卡區(qū)、韋尼克氏區(qū)、邊緣系統(tǒng)、海馬區(qū)、視覺皮層和運動皮層功能，比單純講解效果大大提高。如果教師引用一些感人案例，思政內(nèi)容或科研創(chuàng)新想法時，容易誘導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生情感變化，會直接刺激學(xué)習(xí)者大腦邊緣系統(tǒng)，鼓勵或警示的杏仁核，產(chǎn)生深層記憶?？傊處熆梢愿鶕?jù)教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計一些策略，讓教學(xué)過程充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的腦功能，吸引學(xué)生的注意力，提高主動性與參與度。達(dá)到課堂活躍、主動交流，增大師生之間明確知識和默會知識的學(xué)習(xí)效果。

二、腦科學(xué)有效教學(xué)

全腦教學(xué)是與腦神經(jīng)細(xì)胞活動相關(guān)的。大腦在不斷適應(yīng)內(nèi)外部環(huán)境變化時，自身的結(jié)構(gòu)和功能也經(jīng)歷著調(diào)節(jié)和塑造。教學(xué)需要的是提供環(huán)境刺激、活動誘導(dǎo)，讓學(xué)生在認(rèn)識過程中進(jìn)行再次知識建構(gòu)。根據(jù)奧蘇貝爾等人的研究，讓學(xué)習(xí)能否變得有意義，有效果，關(guān)鍵是教師要激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的心向，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣；其次采用合理教學(xué)策略，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者主動學(xué)習(xí)，加強(qiáng)新知識和認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，達(dá)到有效教學(xué)的目的。因此教師需要根據(jù)大腦學(xué)習(xí)規(guī)律來進(jìn)行教學(xué)，形成“適于腦”的教學(xué)而不是“對抗腦”的教學(xué)，避免“滿堂灌”、“填鴨式”的做法，多采用多樣化的參與式教學(xué)，設(shè)計豐富學(xué)習(xí)活動，充分調(diào)動學(xué)生的聽覺、視覺、運動感覺等全方位的學(xué)習(xí)方式。

在全腦教學(xué)實際應(yīng)用過程，教師設(shè)計學(xué)習(xí)活動需要考察以下主要因素：(1)學(xué)習(xí)主體分析，分析學(xué)生原有認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)風(fēng)格、個性特征等，作為學(xué)習(xí)活動設(shè)計的重要基點。(2)活動內(nèi)容確定。學(xué)習(xí)活動設(shè)計的核心是活動任務(wù)的設(shè)計，活動任務(wù)往往決定了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，如制作一個模型，就要求學(xué)生采取探究性學(xué)習(xí)方式。(3)活動組織方式。教師要根據(jù)人員組織、空間大小和教學(xué)時長限制，確定組織學(xué)生的活動形式和策略，如小組合作學(xué)習(xí)，辯論探究還是實驗論證等。(4)學(xué)習(xí)活動成果。就是學(xué)習(xí)結(jié)束后的“產(chǎn)品”，也是學(xué)習(xí)考量依據(jù)。如實驗探究，學(xué)生往往要撰寫實驗報告，或者制作出某種模型。整個學(xué)習(xí)過程或活動設(shè)計要合理設(shè)，計內(nèi)容，組織形式和考核方法，要確保學(xué)習(xí)環(huán)境的挑戰(zhàn)性、新異性，讓學(xué)生感覺到難度，但通過努力還可以實現(xiàn)，確實提高教學(xué)的有效性。

關(guān)于學(xué)習(xí)活動設(shè)計形式，可以參照學(xué)習(xí)金字塔，見表2。某種程度上，它也可以說明，教學(xué)活動中，學(xué)生參與性越多，學(xué)生激發(fā)更多腦功能區(qū)，似乎保留下記憶越多，相對產(chǎn)生教學(xué)有效性越明顯。從表中可以看出講授法，被動聽講，讀書是傳統(tǒng)教學(xué)形式中最常用的，其刺激腦功能區(qū)最少。留存率較低，只有5%-10%。當(dāng)學(xué)生如果注意力不集中時候，這種教學(xué)行為學(xué)習(xí)留存率會更低。如果教師在教學(xué)過程中，設(shè)計一定比例的討論、演示、讓學(xué)生動手環(huán)節(jié)，或者讓學(xué)生互相教授等活動時，學(xué)生應(yīng)會有思考，分析加工等腦活動，從而實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。因此在實際教學(xué)過程中，需要圍繞教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)加大學(xué)生參與性活動的所占比例，科學(xué)合理設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)和課堂活動，使學(xué)習(xí)活動更適合學(xué)習(xí)者大腦，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)的留存率。

表2 學(xué)習(xí)形式與腦活動關(guān)系

三、PBL教學(xué)的腦科學(xué)分析

腦科學(xué)視野下的教學(xué)觀與建構(gòu)主義、多元智能等教學(xué)理論存在著千絲萬縷的聯(lián)系，腦科學(xué)基礎(chǔ)下教學(xué)將情緒、動機(jī)、運動、記憶等心理要素納入了考慮的范疇，同時與信息加工模式、目標(biāo)分類學(xué)進(jìn)行了不同程度的融合。然而學(xué)生的學(xué)習(xí)活動和教師的教學(xué)行為是相互影響的，教師的“教”往往也就約定了學(xué)生的“學(xué)”，但在確定學(xué)習(xí)活動時，教師做好充足逆向教學(xué)的準(zhǔn)備。PBL教學(xué)是現(xiàn)代教學(xué)方法的一種，在工科教學(xué)中較為常見。PBL教學(xué)是以實際問題出發(fā)，在老師的指導(dǎo)和設(shè)定活動框架下，學(xué)生以團(tuán)體活動進(jìn)行具體任務(wù)的調(diào)查，分析，探究和評價的過程，包含了信息的收集、方案的設(shè)計、到項目實施及最終評價等環(huán)節(jié)，如圖1所示。圖1遙感PBL教學(xué)應(yīng)用一般過程，有發(fā)布案例或問題、分小組討論后、信息的認(rèn)知重構(gòu)，以及團(tuán)隊合作探究，最后進(jìn)行對比評價與分析?？梢允且惶谜n時，還可以多個課時的教學(xué)環(huán)節(jié)。在這種教學(xué)過程中，需要教師綜合設(shè)計每個步驟教學(xué)策略，適度引導(dǎo)，拋出問題，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實際問題的綜合能力。

圖1 一種工科PBL課堂教學(xué)設(shè)計框架

應(yīng)用在測繪類本科“數(shù)字地形測量學(xué)A-1”“遙感原理與應(yīng)用”的教學(xué)過程，并進(jìn)行不同策略下的腦科學(xué)對比試驗。一組學(xué)生是以傳統(tǒng)講授教學(xué)，另一組是以PBL模式進(jìn)行教學(xué)。結(jié)果表明教師在教授同樣內(nèi)容情況下，PBL教學(xué)效果更明顯，學(xué)生記憶留存率更高。另外從腦科學(xué)角度分析，由于PBL教學(xué)過程包含多種綜合性教學(xué)活動。例如，在情境導(dǎo)入過程中，引入了案例，視聽，讓學(xué)生集中注意力。在學(xué)習(xí)過程中，又包含社會調(diào)查，研究討論，分工合作等形式。這些教學(xué)活動的設(shè)計可以有效激活前額葉皮層、布洛卡區(qū)、韋尼克氏區(qū)、邊緣系統(tǒng)、海馬區(qū)、視覺皮層和運動皮層的神經(jīng)元細(xì)胞，從而讓學(xué)生調(diào)動情感大腦邊緣系統(tǒng)，產(chǎn)生大量的學(xué)習(xí)留存率。這樣課堂設(shè)計活動突出了學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的主動性，參與性?？梢宰寣W(xué)生產(chǎn)生深層記憶。更主要的整個設(shè)計過程，要充分分析學(xué)生的知識基礎(chǔ)和能力水平，將自主合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)運用于課堂的教學(xué)。所以PBL整個教學(xué)效果之所以好，能給學(xué)生產(chǎn)生高的知識留存率，是因為整個教學(xué)過程中的策略豐富。所有教學(xué)活動都在強(qiáng)調(diào)或引導(dǎo)學(xué)生主動去探究，去學(xué)習(xí)，去思考，自然能達(dá)到有效教學(xué)目的。

另外在對研究生的“現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理”“高光譜遙感”課堂的對比試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用現(xiàn)代教學(xué)方法，如討論，案例和探究式課堂活動時，同一個知識點的教學(xué)有效性會更好。由于是小課堂，知識難度更深，試驗結(jié)果更加突出。課堂教學(xué)過程中，學(xué)生參與度越高，如加入學(xué)生講話，演示，探討和多樣性考核時，后期調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)習(xí)留存率的更多，印象更具體。

四、結(jié)語

對于人類大腦以及學(xué)習(xí)過程的研究結(jié)果表明，學(xué)生模仿、思考和相互教學(xué)的時候，能學(xué)到最多的知識。這些使學(xué)生大腦中的五個區(qū)域活躍起來，包括視覺皮層(看到動作)、運動皮層(做出動作)、布羅卡區(qū)域(用語言上課)、韋尼克區(qū)域(聽到課程內(nèi)容)，以及邊緣系統(tǒng)(為課堂內(nèi)容帶去感情色彩)。如果工科課堂除了保持對原有工科知識邏輯性與思維訓(xùn)練之外，還能夠運用腦科學(xué)去設(shè)計教學(xué)過程和活動，讓學(xué)生對提出問題、分析問題、解決問題模式，及由淺入深的探究模式，保持全腦活躍度，那么有效教學(xué)隨之自然就產(chǎn)生了。所以在運用腦科學(xué)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，教師要考慮如何體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體作用。如何充分利用情境、協(xié)作、會話等學(xué)習(xí)環(huán)境要素，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動機(jī)；如何創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)內(nèi)容的情境，提示新舊知識之間聯(lián)系的線索，組織協(xié)作學(xué)習(xí)，提出適當(dāng)?shù)膯栴}以引起學(xué)生的思考和討論；如何通過教學(xué)活動設(shè)計，激發(fā)學(xué)習(xí)者腦功能區(qū)各部分神經(jīng)，形成深層記憶。通過研究全腦學(xué)理論在工科教學(xué)中的應(yīng)用，真正將教學(xué)做好，潤物無聲。