基于腦科學的微課教學設計探索

周 恒 鄭蓓蕾

浙江師范大學教師教育學院 浙江金華 321004

一、概述

在互聯網日益融入人們生活方方面面的同時，教育也在被互聯網改變著，線上學習得到了普遍的推廣。同時，現代生活的節奏日益加快，在校學生以及部分社會人士需要更高效、更便捷的學習方式，于是在可能性與必要性的現實背景下，大型開放式網絡課程(Massive Open Online Course)應運而生。這種大型開放式網絡課程首先出現在美國，主要代表便是有著國際在線教育三駕馬車之譽的Coursera、Udacity和edX。[1]為了適應在線學習的方式，出現了一種新的教學形式與課程載體，即8～12分鐘的教學視頻，這種短小精悍的教學視頻就是微課。我國互聯網事業雖起步較晚，但發展迅猛，并率先完成了向移動互聯網的轉變，為了適應在線教育事業的發展，同時《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020)》也提出了全面推進教育信息化建設，2010年胡鐵生首次提出“微課”建設理念，“微課”指按照新課標以及教學要求、以教學視頻為載體、反映教師在課堂教學過程中針對某個知識點或教學環節而開展的教與學活動的各種教學資源的有機組合。[2]然而微課如何對接我國學校教育的應用研究仍然停留在理論階段，其使用價值也尚未得到一線教師的廣泛認同，[3]缺乏成功的實踐案例供以參考。原因主要在于人們對微課這一不同于傳統教學形式的教學設計尚未有充分認識，有學者對一線教師進行調查顯示，76%的教師認為教學設計是微課制作中最重要的環節，而另一方面又有34%的教師認為自己在進行微課制作中遇到的主要問題是“沒有掌握微課的設計方法”。[4]

傳統教學設計面向的是中小學四十分鐘時長的課堂，時長較長，同時教師還能根據學生在課堂上的表現及時予以回應并調整自己的教學，師生有即時的互動交流。與傳統課堂對比微課有兩個特點，其一是“微”，即微課資源容量較小，主要僅為幾十MB大小的視頻文件，這意味著教師的教學時間短，要求教師能夠在短時間內激起學生的求知欲、使其集中注意力，并且能夠輸出足夠多、足夠豐富的信息；其二，微課的互聯網屬性使其突破了傳統課堂時間和空間上的限制，但在服務學生自主學習、使得移動學習成為可能的同時也造成了師生交流的割裂，網絡在促進信息溝通便捷的同時也成了教與學雙方的溝壑，如學生對課堂教學的疑問教師無法及時給予解答，教師也因此無法及時調整自己的教姿教法。雙方的交流有延時性，更何況作為微課核心的微視頻都是提前錄制好的，傳統課堂中師生互動往往被作為教學設計中需要考慮的重要部分，在微課教學中顯然是不現實的。如果依然拿著面向傳統課堂的教學設計思路來設計微課，很容易造成教學視頻過長、學習者缺乏學習自主性等問題，[5]因此微課教學設計必須能夠在“微”的基礎之上做到“精”。腦科學作為研究人腦結構與功能的綜合性學科涵蓋了所有關于腦和神經系統相關的研究，直接將腦作為研究對象，從神經層面觀察人類學習的過程與機制，以腦的認知特點為核心來設計微課有利于獲得更好的教學效果。本文從腦科學研究成果出發，試圖為微課教學設計探索合適的教學設計策略。

二、基于腦的教育——神經科學與教育的聯結

暨神經科學出現以后，fMRI、MEG等技術的應用可以使人們更直接地對認知過程與特定腦區建立對應關系，[6]自下而上地研究人類學習成為一種新的范式。目前，基于腦科學的教育理論主要分為以下兩個方面，首先是認知方面，如基于腦的科學認為產生意義是人本能的需要，也是各個不同腦區的功能之一，如顳葉形成意義關聯性，頂葉產生洞察力和靈感等，這些發現為建構主義觀點如學生作為信息加工的主體、意義的主動建構者等提供了支持；其次是情緒與認知的關系，在過去人們對二者認識停留在感性上，如“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”(《論語·雍也》)，情緒作為與機體需要相聯系的體驗與認知在功能上存在著密切的交互作用，腦科學的探索發現了二者間更加具體的規律。

認知神經科學的新成果為建立新的學習理論奠定了基礎。認知神經科學把腦看作專職學習的器官，因此現實生活中的“學習”及其需要與過程等配套資源便存在著“與腦相宜”或“與腦相對”兩種對立的情況。腦的學習本質上是神經突觸之間的聯結與再聯結，而每種不同種類的認知和學習會促進不同腦區間不同的活躍程度。教師實際上是人類神經發展的工程師，需要在最大程度上、更高效率地幫助學生建立起有效的神經聯結，減少不必要的學習成本。目前關于認知過程的研究成果主要認為：人腦對意義的追求潛藏在本能之中，感覺器官將神經沖動傳遞至特定的腦區，即“感覺意義”，然后這些特定的腦區將接收到的感覺意義在各個神經元之間進行聯結，包括情緒、情境、符號等，并且牽涉到的神經區域越多這些新的信息就會在腦中存儲得越久，最終形成獨特的意義，這便意味著如果想要將新信息更長久地儲存于腦中便需要更多更廣泛地激活神經區域聯結，即在輸入新信息之前通過舊信息引起神經元的活躍，幫助新信息的輸入更深刻地留在腦中；那么，對于學習來說直接經驗的獲得只是第一步，更重要的是將意義賦予直接經驗，將這種“感覺意義”轉化為“深層意義”。這種對意義的建構是主體主動地、本能地，但在這個過程中需要教師幫助建構合理正確的意義，否則就會造成認知資源的浪費。其次是認知過程的社會性，無論是凱恩夫婦十二條“基于腦的學習原理”、詹森的十二條“與腦相宜的學習原理”，還是吉文的“5種自然學習系統”，都把腦的社會性作為學習的一條重要維度展開，腦的社會性指兩方面，一是腦的社會性是指在腦的進化過程中是圍繞著人類的社會性而展開的，正如鐘啟泉所說“學習是一種社會認知行為”[7]，腦的學習要符合人類社會交往的需要，“人的成長過程，本質上也是一個社會化的過程。”[8](P224)通過與人交往而構建社會意義是腦進行學習的重要動力之一；另一方面，人腦在與其他腦交流協作時獲得的情感體驗會給予其對工作的強烈情感反應，通過合作完成工作會促進腦多巴胺等神經化學物質的分泌，提高學生的學習動機水平和自我效能感，[9]總之，社會化的情境有利于提高腦的學習效能，促進神經聯結和認知水平發展。

認知與情緒之間的關系人們很早就有了一定的樸素認識，西方最早是亞里士多德將情緒認知和情緒提出明確區分，認為情緒影響主體的行為方式及其如何對世界做出反應的解釋。[10]但在進入現代以來，有人如Zajonc認為情緒與認知相獨立，并且情緒是第一位的，與此相反，Lazarus認為情緒依賴于認知，是第二位的。[6]隨著腦科學的發展人們對二者的關系有了更加深入的了解，總的來說認知和情緒各自在不同的腦區更加活躍，將二者分割來看是不科學的，認知與情緒相互作用，有著緊密的聯系。目前關于情緒對認知影響的研究主要分為以下幾個方面，首先，情緒對注意的影響，大量研究表明腦對負面的消極情緒有著更高的敏感性，會顯著降低持續性注意水平，與消極情緒的負面作用相反，擴展—建構理論認為積極情緒有利于拓寬個體的思維和行動范疇，擴充認知資源，[11]長遠來看積極情緒更有利于學習的可持續。其次，情緒影響記憶且自身也為記憶的一部分。第一，情緒影響工作記憶從而影響長時記憶的效能，工作記憶分為言語記憶和空間記憶，消極情緒由于較多占用視覺注意資源從而影響空間記憶。第二，情緒本身也作為記憶而存在，根據對特定腦區的研究，人們發現杏仁核復合體處理人類主觀情緒，海馬處理事件的客觀信息，二者在生理上緊密接觸，信息交換上充分聯系，因此二者共同控制記憶的強度，影響長時記憶的加工和提取，與積極情緒相比，消極情緒更容易導致錯誤記憶。再次，情緒影響學習者在問題解決過程中的決策能力，Damasio的軀體標記假說認為情緒直接或間接與人類的軀體癥狀相聯系，同時對過去受情緒影響的決策行為會影響接下來的決策。[12]最后，情緒的相關調節機制會影響學習行為的可持續性，良好的情緒反應與控制會使機體調節面臨挑戰時的神經活躍程度，如上文提到的多巴胺獎勵效應，低效能的情緒調節機制會降低機體對外界的敏感性，最終影響學習效果，在對學業情緒與學業成就間的研究表明，消極情緒如無聊、焦慮等對學業成績產生負面影響，而由學業成績產生的負面情緒需要良好的情緒調節機制減少或消除其影響。

三、基于腦科學的微課教學設計路徑

相比過去傳統的課堂教學，微課不是將課程學習機械地搬運到網絡平臺上來，而是要形成自己獨特的設計與制作流程，因此在腦科學相關研究發現及成果的基礎上，微課的教學設計應做到：

一是運用感官的多通道特點，給予豐富刺激。腦作為專職學習的器官，需要必要的環境刺激才能促進神經元數量的增長和提高神經元之間的聯結質量。微課作為以網絡為載體的課程，其核心是微視頻，相較于以教師為中心的講授為主的傳統課堂，微視頻充分利用多媒體技術，視聽結合，是微課的顯著優勢之一。因此微課的教學設計應當從腦整體的認知特點角度出發，有目的、有計劃地營造豐富多彩的信息環境，抓住學生的視線和耳朵，在學生注意力有限的時間內盡量給予盡可能多的刺激，比如在講授過程中伴隨柔和舒緩的音樂，微課背景采取對比強烈的顏色等。同時，腦的各部分是協同工作的，各個特定的腦區有著自己的獨特功能，這要求教師在微課教學中采取多元化策略，通過視頻、音頻和動畫等多種方式呈現知識，實現整個教學過程的可感知。目前微課錄制方式主要有傳統紙張類、演示文稿類、數字故事類、即時講授類和交互式白板五類，不同的錄制方式意味著不同的知識呈現方式，對學生不同感官和腦區的作用也不同，因此應當以某一種微課錄制方式為主，輔之以其他方式，實現教學過程的多維化。

二是重視腦的社會性，為學習者互相交流提供支持。微課的作品是事先準備好的，這樣做在打破了傳統課堂教學時間與空間限制的同時也導致教師無法實時根據學生的反應來調整自己的教學，也沒辦法及時針對每個學生進行答疑。盡管教師和學生中間隔著便捷交流的網絡，但網絡也成了二者之間的一堵高墻，面向傳統課堂的教學設計造成了微課教學過程中互動效率低、支持性資源缺乏等問題，主要表現為微課教學設計缺少相關社會性服務。[3]要打破這個高墻就必須在教學設計時考慮到腦的社會性，人在本質上是社會的、追求意義的。在微課學習中，教師也許無法及時對學生的疑問做出回應，但學生之間可以相互交流獲得彼此的支持，因此針對微課的教學設計需要有專門的交流互動環節，以及為此提供特定的技術支持，如每節微課之間專門開辟一塊場所以供學習者們之間相互交流、給予學習效果良好的學習者以證書獎章以及成立相關學習主題的社區等。

三是利用多媒體優勢，展現思維圖式形成過程。學習意義的獲得不僅在于要將知識與學生先前的生活經驗等聯系起來，還要形成圖式嵌入原有認知結構中。首先，微課教學設計要靈活運用其形象變化的特點，運用多樣的多媒體技術生動地將知識與學生的現實生活經驗關聯起來，為知識學習提供支點與腳手架支撐；其次，還應當在把握人類腦的學習規律基礎上生動展現知識間的聯系網，在傳統的學校課堂中教師經常以思維導圖的形式呈現知識內容，而對微課進行教學設計時，教師往往把微課中的思維導圖作為學習任務單的部分內容提前呈現。然而微課不僅應當呈現既有的思維導圖，還應當發揮微課的多媒體優勢，利用相關軟件展現思維導圖的形成過程，使經驗抽象到知識的過程得到清晰的展現。從無向有、由零到整，在把抽象知識直觀化的同時也使得教學脈絡清晰可見，既能幫助學生一方面能夠賦予知識以現實生活經驗意義，一方面又能夠以合理的結構存貯在腦中，形成相互聯系的知識網絡。

四是善于運用情緒與認知間的交互關系，營造活潑緊張的教學氣氛。微課作為以互聯網為載體的教學方式，不能只是將傳統的課堂教學機械地移植到網絡上，這甚至會由于微課缺乏師生間面對面的交流而造成課程枯燥無味。正如前文所言，消極情緒如無聊、焦慮和煩躁等影響人腦記憶、判斷和認知等各項機能，還會削減已有的學習效果。因此，在設計微課時應考慮呈現豐富信息的同時必須避免使學生感到威脅和不安，消除緊張感和壓力感，不能安排過長的視頻內容；另一方面要挖掘多巴胺等神經化學物質的作用、調動學生的積極情緒，激發學生繼續學習的興趣與動力，特別是在微課教學評價設計中可以運用相關技術使學生的學習效果量化并“看得見”，為學生的學習提供持續的、及時的反饋，保持學生學習時腦的活躍與興奮，使得學生在完成每一個練習后都能得到與此相當的回饋與獎勵，從而形成類似的“心流”效應，提高微課的學習效果。