教育神經科學視角下的語義網絡與空間能力

摘要：教育神經科學作為一門融合神經科學、心理學以及教育學的新興交叉性學科，為教師理解學生的認知發展和能力成長提供了新的視角與科學依據。深入探討語義網絡與空間能力的本質特征及其在日常生活和學術領域中的廣泛應用，通過分析這些認知能力在腦區激活方面的重疊模式，揭示英語學習和地理學習在大腦加工機制上的共通性。基于這些發現，探索英語和地理跨學科教學的創新實施路徑，發揮跨學科教學的育人優勢，開拓未來教育教學實踐的新思路，助力學生身心腦的全面發展。

關鍵詞：教育神經科學；跨學科教學；語義網絡；空間能力

隨著經濟發展、科技進步和社會需求的快速變化，教育正經歷著前所未有的深刻變革，教育的核心目標已經從傳統的知識傳授轉向對學生能力的全面培養，特別是強調對學生的終身成長和可持續發展能力的培育。教育神經科學通過揭示大腦與學習之間的深刻聯系，為教師理解學習行為的神經機制提供了全新的視角和堅實的科學基礎。該領域的研究表明，大腦在進行語義網絡構建和空間能力處理時，涉及的腦區存在明顯的重疊，這種重疊性揭示了語言和空間認知在大腦加工中的內在關聯。

基于這些發現，本研究探討了如何將教育神經科學的研究成果有效地應用于教育實踐，提出了實施英語和地理跨學科教學的方式，旨在優化學生的語義網絡和空間能力發展，促進學生在語言和空間領域綜合能力的提升。

一、英語教學中的語義網絡

（一）概念解析

隨著國際交流的日益頻繁，英語教學不僅僅要重視語言知識的傳授，更要注重培養學生的語言理解和表達能力，以及跨文化溝通和交流的能力。語義網絡的塑造對于學生掌握英語詞匯、構建語言知識體系以及提高語言運用能力至關重要。

《義務教育英語課程標準（2022版）》指出，“語言知識包括語音、詞匯、語法、語篇和語用知識，是發展語言技能的重要基礎”。語言能力是運用語言和非語言知識以及各種策略參與特定情景下相關主題的語言活動時表現出來的語言理解和表達能力。

語義網絡最早是作為聯想記憶的模型提出的，它強調事物之間的語義關系。根據以往研究，語義網絡是一種基于邏輯的知識表示形式，通常被稱為“聯想網絡”，是由一組頂點（或節點）和一組有向和有標記的邊構成的圖。頂點或節點表示概念，而邊表示概念之間的語義關系。這種方式具有心理學的聯想特征。在認知心理學與信息科學領域，語義網絡作為用于表達概念和概念之間關系的結構化網絡模型而產生，可以清晰地展示不同概念之間的關聯和聯系，進而幫助人們更好地理解與組織知識。語義網絡是一個復雜的動態系統，其發展受到多個因素相互作用的影響，呈現出非線性特征。這就使得學習者能夠更加靈活、開放地理解與探索知識，不用受到固定思維和框架的束縛，因此它又是一種能夠直觀地顯示事物性質及其之間的語義關系的圖形，既方便識記又易于理解，具有促進知識或語言教學與學習的先決條件與預期優勢。而知識本身就存在于語義記憶中，是由概念相互聯結構成的，依據連接提取記憶的過程，就是對語義網絡模型的加工過程。語義網絡以一種有機結構的方式展現知識，將概念、詞匯或其他信息通過相互聯系的方式呈現出來。通過語義網絡，事物的本質和它們之間的語義關系可以明顯地顯現出來。為了共享信息，下層概念可以繼承、補充或削弱上層概念的性質。

（二）神經機制

語言的意義表現在大腦皮層區域，這些區域統稱為“語義系統”。然而，很少有語義系統被全面映射，大多數區域的語義選擇性是未知的。在英語教學中，語義網絡的激活涉及大腦的多個區域，這些區域協同工作以處理和理解語言的意義。例如：布洛卡區（Broca'sarea）位于大腦左半球的額葉，主要負責語言的產生和語法結構的處理，在語義網絡中，能夠幫助學習者組織和表達語言的意義。角回（Angular gyrus）位于大腦左半球的頂葉，參與詞匯和概念的整合，以及語言和視覺信息的轉換。海馬體（Hippocampus）位于大腦的顳葉（Temporal lobe）內側，參與長期記憶的形成和存儲，對于語言學習中的記憶鞏固至關重要。前額葉皮層（Prefrontal cortex）位于大腦的前額部分，參與高級認知功能，如決策、計劃和語言的抽象理解。顳葉包括韋尼克區和其他相關區域，參與聲音的識別、詞匯的存儲和語言的理解。在英語教學中，通過激活這些腦區，學生可以更好地理解和使用語言。例如，閱讀和聽力練習可以激活顳葉，提高語言理解能力；口語和寫作練習可以激活布洛卡區和前額葉皮層，提高語言表達能力。

語義網絡的激活涉及多個腦區的協同工作，這些腦區對語言的產生、理解、記憶和應用發揮著關鍵作用。在英語教學中，通過多樣化的教學方法和練習可以有效地激活腦區，促進學生語言能力的提升。

二、地理教學中的空間能力

（一）概念解析

地理學是一門空間科學，它涉及對地球表面的空間分布、地理現象和自然規律的研究。學生需要具備強大的空間想象能力和分析能力，以理解和解釋地理信息。如何有效地培養學生的空間思維能力，是初中地理教學的重要課題。

《義務教育地理課程標準（2022版）》（以下簡稱《地理課程標準》）提出，地理課程主體由認識全球和認識區域兩大部分構成，搭建基于地理空間尺度的主題式內容框架。《地理課程標準》明確要求培養學生的區域認知能力，即從空間—區域的視角認識地理環境及人地關系的思維方式和能力，從不同空間尺度、不同類型的區域認識人類生存的地理環境，建立地理空間觀念。因此，在義務教育階段，如何培養學生的空間能力是地理教學任務的重點所在。

地理學中的尺度是指地理事物和現象在空間與時間上的量度，由于地理學研究對象存在于特定的時空共軛尺度和時空耦合關系之中，以尺度的透鏡來觀察世界成為重要的地理思想方法。空間能力是人類認知的重要組成部分，是一種多維度、跨領域的重要認知能力。人們普遍認為空間能力是指個體對空間的一種感知力、理解和操作，主要包含空間感知、空間想象力、空間可視化和空間關系推理等方面，是人們日常生活和工作中應具備的一項基本能力，也是理解、改造世界的有力工具。

空間感知力主要指個體通過視覺、觸覺等感官來感知物體在空間中的位置、方向和距離的能力；空間想象力涉及在大腦中形成、修改和操縱物體的心理表征的能力；空間可視化是指個體在心理上操作和轉換視覺信息的能力；空間關系推理表現為個體理解物體之間相對位置和運動關系的能力。

（二）神經機制

在認知功能方面，大腦額葉負責高階思維過程，如解決問題、抽象思考等，對于個體理解和適應環境至關重要。頂葉主要參與來自身體各部位的感覺信息，幫助人們理解位置和空間關系，在心理旋轉任務中有明顯參與活動。因此，額頂葉網絡是大腦網絡中的重要部分，參與控制認知功能，如工作記憶、空間注意力和決策等，在人類的認知功能和感知處理中扮演著核心角色，對信息的高效傳遞和處理具有重要作用。研究表明，地理教學會激活學生枕葉、顳葉、額葉等腦區，使不同腦區之間的功能連接強度顯著增強，即地理教學可以增強空間信息的定位聚焦和處理，促進參與決策、空間思維和視覺處理等中樞之間的高效協調，提高學生的空間認知與決策能力。

三、英語和地理跨學科教學關聯性討論

教育神經科學的前沿研究提出了深刻的洞見，為教師揭示了不同學科教學在大腦激活模式上的微妙差異及其內在聯系。地理教學和英語教學雖然在激活的具體腦區上有所區別，但它們在額葉、頂葉和顳葉等關鍵腦區卻有著重疊的激活現象。這種重疊不僅表明了不同學科教學對大腦功能影響的共性，反映了大腦在處理復雜信息時的整合能力，也凸顯了教育活動對大腦結構和功能發展的積極作用。

回顧過去的研究，認知科學正朝著互動式框架發展，語言、感知、行動之間存在著復雜的相互關系。語言的特性對說話者時空邊界的表達及視覺注意模式有影響，英語的系統編碼方式會讓說話者將視覺注意集中在空間成分上，這表明人類的空間認知是一個高度互動的過程。

教育神經科學的研究表明，跨學科學習可以促進大腦的信息整合能力。例如，地理教學可能要求學生使用語言來描述地理位置，而英語教學可能要求學生閱讀和理解描述不同文化與地理背景的文本，這種跨學科學習可以促進大腦不同區域之間的連接和協作。長期參與跨學科的學習活動可以對大腦結構和功能產生積極影響。持續的認知刺激可以增強神經可塑性，即大腦適應新學習方式和構建經驗的能力。這意味著通過學習，人們可以改善記憶力、注意力和其他認知功能。

教育神經科學的前沿研究揭示了不同學科教學在大腦激活模式上的微妙差異及其內在聯系，強調了教育活動對大腦結構和功能發展的積極作用。這些發現為教育實踐提供了科學依據，有助于教師設計更有效的教學策略和課程。

四、英語和地理跨學科教學實施路徑

英語和地理的跨學科教學設計成果體現在多方面，包括課程內容融合、教學方法創新以及學生能力培養等。在未來的地理課堂上，有希望實現雙語教學，這種教學方式以課程標準為導向，旨在不犧牲地理學科內容的教授，同時提高學生的英語能力，從而提升學生的語言應用和跨文化交際能力。本研究組以人教版地理教材七年級上冊《多樣的文化》為例，進行教學設計（見下頁表1），在講授地理知識的過程中，教師以英語為教學語言，創設英語語言環境，讓學生使用英語并用英語思維來學習地理。教學目標：運用反映語言、宗教、習俗等內容的圖文資料，描述世界文化的豐富多彩，樹立尊重世界文化多樣性的意識。具體來說，要求學生知道世界主要語言；了解世界三大宗教及其主要分布地區；了解各地衣食住行等習俗的形成與自然環境的關系；樹立尊重和理解世界多元文化的意識。教學重點：認識世界文化的多樣性；教學難點：挖掘不同文化習俗形成的地理背景，滲透人地協調觀，培養學生的全球視野與跨文化交際能力。

此外，教師可以利用智慧教育平臺的相關素材創設情境，通過整合圖文、音頻、視頻等多媒體資源，激發學生的學習興趣，提升他們的綜合素養。例如，教師利用多媒體和虛擬現實技術，創建真實的地理場景，讓學生在英語環境中探索世界地理。這種沉浸式學習不僅加深了學生對地理知識的理解，也鍛煉了他們的英語聽力與口語表達能力。教師還可以開展項目式學習活動，組織國際學生交流項目，如在“地理筆友計劃”活動中，教師通過書信交流或數字媒體方式，將來自不同地理背景的學生連接起來，讓他們相互學習對方的文化、環境和地理特點，培養學生的全球視野和跨文化交流能力。

五、英語和地理跨學科教學的未來啟示

教育神經科學視角下實施英語和地理跨學科教學，不僅為教師提供了理解教育對大腦影響的新視角，也為教育實踐提供了重要的指導。教師可以利用這些知識，依據自己對大腦學習機制的深入理解，設計出更加高效、科學的教學策略，促進學生在不同學科領域的學習。例如，教師通過跨學科的教學方法，可以增強學生在空間感知、語言理解和記憶形成等方面的能力。同時，這也提示教師在教育過程中要關注學生的個體差異，因為學生間的大腦激活模式可能有細微差異，這意味著教育者在設計教學方案時需要注重個性化教學，適應每一名學生的獨特學習需求，確保每一名學生都能在適合自己的學習路徑上達到最佳的學習效果。

教育神經科學的最新研究成果為教師揭示了大腦在學習過程中的奧秘，深化了教師對教育如何塑造大腦功能的認識，為教師提供了豐富理論知識的同時，也為教育實踐提供了堅實的科學基礎和創新的教學策略。通過運用基于教育神經科學的教學方法，教師可以更有效地激發學生的潛能，促進他們在多個認知領域的發展，從而為他們在未來社會中的成功奠定堅實的基礎，使其在復雜多變的社會環境中能夠更加自信、從容地面對挑戰，實現個人價值。

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（責任編輯：趙春艷）