認知的腦神經機制及其對教學的啟示

蘇保中

◆摘? 要：尋找模式是人類大腦認知的本質特點。認知的本質是模式建構。模式結構包括：模式識別、模式記憶、模式遷移。模式建構教學策略是符合認知規律的教學策略。包括模式建構為本的教學目標、教學內容、教學過程。

◆關鍵詞：認知;模式;模式建構;模式識別;模式記憶;模式遷移

一、為什么討論認知

——核心素養的落實與減負困局

學界普遍認為，西方哲學側重理性能力，關注腦;中國哲學側重生命情感，關注心。隨著近代中西方的交流，兩種哲學取向也在相互借鑒，相互融合。漸漸地，對于人的素質或素養的構成似乎達成了共識——人的素質：理性能力和感性素質。于是教育的使命也就大致包括兩方面：提高學生的理性能力，提升學生的生命情感。于是，學習的兩個基本問題也就應該是認知和情感。可見，認知能力是核心素養的“一半”（暫且這樣比喻）。

2016年9月13日，中國學生發展核心素養研究成果發布，提出學生發展核心素養，主要指學生應具備的，能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。

對于什么是關鍵能力？2017年9月24日中共中央辦公廳 國務院辦公廳印發施行《關于深化教育體制機制改革的意見》，意見提出，在培養學生基礎知識和基本技能的過程中，強化學生關鍵能力培養。指出關鍵能力是指認知能力、合作能力、創新能力、職業能力。可見，認知能力是核心素養的關鍵能力。

大腦有近1000億個神經元，彼此之間形成非常復雜的連接方式。這構成了人認知的生物學基礎（神經機制）。神經元的連接方式（模式），很大程度上決定了人與人的不同。

大腦的重量只有2磅多，但是卻消耗人每天攝入能量的約百分之八十。大腦的這一特點決定了人類的大腦是不夠用的。于是面臨異常復雜的世界，大腦在不斷地尋找規律（模式），來提高神經系統的運行效率。由此得到推論：在一個充滿不確定性的世界中尋找確定性，是人類的本能;在不確定性中尋找確定性，這種能力就是認知能力。

毛澤東的《實踐論》也是認識論，是我們認識世界改造世界的方法論。毛澤東指出：“從感性認識到理性認識。從理性認識再到實踐。實踐、認識、再實踐、再認識，這種形式，循環往復以至無窮，而實踐和認識之每一循環的內容，都比較地進到了高一級的程度。這就是辯證唯物論的全部認識論。”

《實踐論》正好指出人類認識世界改造世界的理性能力中的關鍵能力是認知能力。同時又揭示了這個認知過程。

用認知神經科學原理，可以解釋毛澤東《實踐論》的認知神經機制：（見下圖）

從下腦到上腦是一個從感性認識到理性認識的過程，從上腦到下腦是一個從理性認識再回到實踐的過程。

來自國家層面的減負效果之所以不好，根本原因在于我們在提高學生認知能力方面缺乏科學的辦法。特別是近年來快速發展的腦科學成果沒有被學校教師所重視。有些成果停留在實驗室，離教室很遠。科研人員和教師這兩種人彼此隔離，因此需要第三種人或“二傳手”，幫助老師們把實驗室的腦科學成果，運用到教學實踐中。

二、認知的本質：模式建構

——神經元的連接方式的不斷重

如上所述，人類大腦的認知特點是在不確定現象中尋找確定性。人類不遺余力找到的“確定性”（客觀世界規律的抽象性、結構性表達），其表達形式就是模式（模型）。模式（模型）是一種物理或信息結構（程序），它體現了被抽象物體的功能特征。從神經生物學上講，一種模式，就是由相互連接的神經元組成的網絡。

哲學家康德較早地揭示了認知的規律。提出了一個知性范疇（圖式schema）的概念。知性范疇（圖式schema）就是知識的形式框架和結構，人的知識則是在知性范疇與感性材料結合的基礎上建構的，由此突出了人作為認知主體的能動性。

皮亞杰在康德的基礎上，把知性范疇稱為認知結構（圖式schema）。如下圖：

兒童通過認識某個具體的事物，然后在大腦中形成該事物的抽象概念schema，并借助其識別同類的事物。（如上圖）

維果茨基提出了內化說。所謂內化是指外部的東西轉化為內部的東西，把客體的東西轉化為主體的東西。人的各種高級心理機能都是人類活動和交往形式不斷內化的結果。兩人共同被認為是建構主義認識論的奠基人。

圖式（schema）在不同的研究者那里有不同的表達。但意思大同小異。以下各詞幾乎是同義詞。

格式塔（完形）、認知結構、心智模式、思維模式、架構、算法、神經元模型、框架、吸引子、……。

所以，認知就是創造新的心智結構的過程。從神經生物學上講，認知就是模式建構。

（一）模式識別——同化和順應

模式識別就是神經元網絡被激活。大腦將新事物識別為熟悉的范疇內的事物。就是生物體將一個新的對象或者一個新的問題，識別成已經熟悉的一類對象或一類問題的能力。

按照建構主義的原理，模式識別的過程包括同化和順應。當外部信息與內部認知結構相一致時，外部信息納入原有認知結構的過程叫同化：當外部信息內部認知結構不一致時，原有認知結構做出改變，以適應新信息的過程叫做順應。同化和順應的神經機制，就是大腦神經元之間的連接不斷調整的過程。學習者理解了一個新模式，就意味著他的心智結構發生了重大變化。

世界很復雜，因此需要簡化。因此，模式識別的出現，早于語言在進化中出現的時間。

模式識別的運行方式是分類處理：

1.面對同一類事物能否有一個普遍的方法來解決？

2.如何確定一些事物是否屬于同一類？

3.對于同一類事物，如何找到解決問題的普遍的方法？

模式識別的基本環節：

1.簡化。為需要認識的事物建立模式;

2.修正——在對新事物識別過程中不斷修正;

3.應用——用模式解釋事物、預測未來。

模式識別的基本形式：

1.模仿——從形似到神似;

2.比喻——比喻是人對新知識認知的途徑，即必須通過已有的認知來理解新的事物;

3.類比——就是由兩個對象的某些相同或相似的性質，推斷它們在其他性質上也有可能相同或相似的一種推理形式。

（二）模式記憶——神經元聯系的鞏固

記憶就是神經聯系（模式）鞏固的過程 。睡眠能夠幫助人們把短期記憶固化為長期記憶，并將學習內容與自身知識融為一體。短時記憶是突觸聯系強度變化的結果。而長時記憶的形成還需要形成結構（模式）

（三）模式遷移——洞察一切的智慧

遷移的發生條件：

1.情境的相似性;

2.原有經驗的抽象程度：能否在更高的抽象層次——圖式（schema）上表征問題。

情境的相似性，就是透過現象看本質。某小品中“穿上馬甲我照樣認識你”反映的就是這個問題。傳統數學教學中的變式訓練就是這個意思;伏擊戰不止是可以在山地進行，也可以在水上進行。關鍵的因素是：第一，一個地方一定是敵人必經之地;第二，敵人通過這個地方時一定走不快;第三，這個地方有利與我軍埋伏。這就是能在更高的抽象層次上表征問題。

考試就是考察遷移能力。遷移能力不強是學生學習負擔重的深層次原因。真實情境下解決復雜問題的能力更是考察遷移能力。早在上世紀80年代，我國學者就提出“為遷移而教”的口號。

三、對教學的啟示

——減負的一種路徑：模式建構教學策略

（一）模式建構為本的教學目標——深度學習

2001年新課程提出了“三維目標”：知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀。在之后的十年時間里備受質疑。其中一個方面是

三維目標中的過程與方法，不應該成為目標。而認知目標中又只有知識與技能這樣的低級目標。而缺乏更高層次的認知目標。參考下圖。

從圖上看，事實性的認知目標只是冰山之一角。于是，在新修訂的義務教育數學課程標準2011版中，認知目標從“兩基”擴展到“四基”：基礎知識、基本技能、基本思想、基本活動經驗。

近年來，受國外的影響，教育界開始重視“大概念”。所謂大概念（big idea，也譯為大觀念、核心概念），是指反映事物本質的可遷移的基本原理、定律、理論、思想等，是能夠連接碎片化知識的一種結構性的、框架性的有意義的模型、模式。下圖是圍繞大概念的學科知識結構金字塔：

下圖則體現了基于大概念的課程和教學目標：

（二）模式建構為本的教學內容——模型與模式框架、結構

現有的課程教學仍然存在碎片化的問題。前些年高中課改中的“模塊化”現在看來是一場災難。模塊隱喻了知識的破碎性，它將知識視為積木。帶來的不僅是知識組織中的去中心化，更是知識選擇的無序化。不符合基于腦科學的模式建構原理。碎片化學習不利于建構系統化的知識結構，這對知識向深度、廣度發展極為不利。所以人類必須學會將碎片化的知識整合為系統性知識的方法——“零存整取、碎片重構”。

倡導以學科核心素養為目標，以“大任務、大觀念、大問題、大項目”的名義來組織或結構化要學的知識、技能、問題、情境、活動、評價等，使之成為一個完整的學習故事或事件。

（三）模式建構為本的教學過程——探究學習與掌握學習相統一

探究學習為創新而學，掌握學習為效率而學。在教學過程中，學生是一個積極的探究者。教師的作用是要形成一種學生能夠獨立探究的情境，而不是提供現成的知識。布魯納指出，“所謂"掌握學習"，就是在"所有學生都能學好"的思想指導下，以集體教學（班級授課制）為基礎，輔之以經常、及時的反饋，為學生提供所需的訓化幫助以及所需的額外學習時間，從而使大多數學生達到課程目標所定的掌握標準”。

探究學習與掌握學習各有各的優勢，關鍵是兩者之間的統一。（見下圖）

方法就是“先探究后掌握”。先探究——通過教學實踐中嚴密組織起來的探究活動，幫助學生以最佳的普遍適用的模式掌握人類世代積累起來的社會普遍性內容;再掌握——在發展中求鞏固。在運用規律（模式）的過程中體驗自由。實現模式與動力的統一、規范與自主的統一、創新與效率的統一。

參考文獻

[1]林崇德.21世紀中國學生發展核心素養研究.2016.

[2]格蘭特.威金斯等著.追求理解的教學設計.2017.