教育神經科學視域下的物理概念教學研究

摘要：教育神經科學認為，學生并不是空著腦袋進入教室的，而是帶著已有經驗的。在學生的前概念中，正確的概念可以促進學生學習，而錯誤的概念則會干擾學生學習。因此，教師進行概念教學的研究能夠提高課堂教學效率，讓課堂變得鮮活有趣，促進學生更好地學習物理，幫助學生減負增效。

關鍵詞：教育神經科學；物理教學；前概念

《義務教育物理課程標準（2022年版）》中強調了物理課程要培養的核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。位于首位的物理觀念是從物理學角度所確立的對于物體、運動和相互作用、能量等內容的全面理解，是物理學概念與法則等在學生頭腦中的精練和升華，是從物理角度闡釋自然界現象和處理現實問題的重要依據。物理教師運用基于教育神經科學的物理教學方法，能夠借助腦科學的力量解決物理概念教學的問題。

一、物理學科開展概念教學的理論依據

教育領域的大量研究文獻指出，在教學中，想要讓學生對一個概念完全地理解是非常困難的，錯誤觀念的更正更為困難。學生對物理知識的概念理解大多是根據自己的生活經驗，而其中有很多錯誤的經驗會干擾他們的物理學習。這些概念通常被稱為先入為主的概念、錯誤的概念或簡單的初始概念。無論用哪一個詞語來描述，這些概念都是指學生的現有觀念與正確物理觀念之間的對立。例如，在人教版物理教材八年級下冊第十章“浮力”的教學中，教師發現學生認為質量輕的物體會浮起來，而重的物體會沉下去。這是因為他們在評估浮力時只考慮了質量因素，而沒有考慮到體積這個因素。

雖然物理學科是學生從初中開始學習的基礎科學之一，但對物理知識概念的大腦基礎的研究卻很少。目前教育神經科學的研究開始填補這一空白。從表面上看，物理的知識學習只是學習的新概念定義。然而，物理概念與具體的名詞、動詞，甚至簡單的抽象概念在性質上都是不同的。物理概念需要新的公式，超越已知類別的知識，包括抽象概念、數學計算，以及復雜知識的分析與整合。有研究者通過使用磁共振功能成像（fMRI）來評估物理概念（動量、能量等）的神經表征，使用因子分析來減少激活維度的數量，得到了四個物理相關的因子，這些因子被映射到體素集上。這四個因素可解釋為因果運動可視化、周期性、代數形式和能量流。研究者發現這四個物理因素激活的位置完全不同，只有少部分重合。所以想要真正讓學生完全理解一個新的物理概念非常困難，不只是訓練單一腦區就能實現的。

在物理教學中，教師期望學生的錯誤觀念能夠完全被更正，但是實際上，學生即使獲得了科學知識后，其直覺上的誤解仍然存在于大腦中。而針對物理學習背景下的沖突監測和抑制技能進行教育干預是有意義的。所以，如果教師在教學中發現無法幫助學生改正錯誤觀念的時候，不如在教給學生正確的概念后，再教給學生抑制錯誤概念的方法。例如，學生在面對三個物體疊加勻速直線運動的問題時，很難理解中間不受推力的物體所受摩擦力為0，學生會下意識地認為，中間物體一定是受到摩擦力了。教師可以幫助學生建立遇到受力問題時，先進行受力分析的固定思維模式。當學生發現如果中間物體受到摩擦力便無法保持勻速直線運動時，就能夠抑制錯誤的觀念了。

二、教育神經科學視域下物理概念教學的實踐策略

一是注重腦科學理論的融入。根據教育神經科學的研究，教師可以理解和應用有關學習和記憶的神經過程，以及大腦在物理概念理解與應用中的作用。通過這種方式，教師可以更好地了解學生的學習方式和需要，設計更有效的教學方法與策略。

二是考慮學生的認知水平。不同年齡和認知水平的學生對物理概念的理解與應用可能存在差異。因此，教師需要考慮學生的認知發展水平，并借助教育神經科學的知識，設計適合學生個體差異的教學內容和任務。例如，低學段學生更適合通過實物模型和故事情境來學習物理概念，而高學段學生需要更多的數學和邏輯推理來理解與應用物理概念。

三是強調理解和記憶的學習策略。教育神經科學的研究揭示了一些有效的理解和記憶策略。教師可以應用這些策略來幫助學生更好地理解和記憶物理概念。例如，通過使用多感官教學法，將聽覺、視覺和觸覺等多種感官輸入結合起來，可以加強學生對物理概念的理解和記憶。

四是提供實踐和應用機會。根據教育神經科學的研究，當學生有機會將所學知識應用到實際情境中時，其學習效果更好。因此，在物理概念教學中，教師應向學生提供實踐和應用機會，如實驗、探究等。

三、教育神經科學視域下物理概念教學的設計案例

（一）課前測試

在學習新的物理概念之前，物理教師可以采用診斷性測試來了解學生頭腦中的前概念，同時激發學生的獨特思維模式。很多教師困擾于課堂開始時很難立刻抓住學生的注意力，那么在進行課前測試的同時就要及時反饋。美國心理學家波斯納提出了一個早期的概念變化理論，描述了學習者用以前的概念吸收或適應新信息的過程；要使概念發生變化，學習者必須對他們現有的概念感到不滿，并發現新的概念是易于理解、合乎邏輯且具有實際效果的。當面對與自己的前概念不同的問題時，學生頭腦中與錯誤檢測、沖突監測和抑制相關的區域，包括背外側前額葉皮層（DLPFC）和前扣帶回（ACC）的背側區域被激活，注意力資源也將重新分配，學生會不自主地將注意力集中到這個問題的學習中，那么教師困擾的問題也就迎刃而解了。

例如，關于“力”一課教學的課前測試問題可以主要圍繞力的概念、力的作用是相互的兩個知識點來展開。例如：“你認為什么是力？”“力可以憑空存在嗎？”“雞蛋和石頭相碰，會發生什么呢？是為什么呢？你認為誰受到的力大呢？”“滑輪滑的人推墻時，反而自己會倒退，這是由于什么原因呢？”

（二）課前引入

在積極的情緒下，學生的自我調節能力能夠有效地轉化為促進學業成績提升的因素。當學生進行體育運動時，大腦會產生多巴胺、血清素和去甲腎上腺素，這些能夠提升學生的記憶力、專注力等。

例如，“力”這節課引入的運動為中國傳統運動“大象拔河”——兩名學生分別趴在場地兩端，兩人的脖子上套上同一根長綢布，分別向相反的方向拉爬，拉過指定區域者即為勝出。通過這樣充滿趣味的課前活動，學生的情緒是積極的，其能直接感受到力的作用是相互的，從而增強認知的靈活性，提高解決問題的效率，進而促進后續的學習。

（三）新課講授

初中生的前概念基本上是在日常生活中慢慢形成的，以真實問題或親身體驗作為學習案例，可以讓學生產生一定的真實感和親切感。因此，教師在教學中應采用實際操作的任務或者構建相似的場景，讓學生依照他們對之前知識的領悟，去預估在試驗或者行為過程中所遭遇的問題和挑戰，并根據自己的理解對現象進行解釋；同時，由于學生具有社會性學習特性，可以讓學生在小組中進行辯論，使他們腦海中原有的圖式產生沖突，并強烈意識到自己錯誤的前概念的存在。而且，每個人的前概念都是獨一無二的，圖式的差異性使我們能夠全方位地糾正錯誤的前概念。在學生成為課堂的中心的同時，教師也需要引領課堂，在適當的時機進行調整，指導學生用正確的物理概念來解決現有的問題。

在“力”這節課中有一個重要的任務是讓學生認識不同的力。親身體驗能夠顯著提高學習效果。例如：用手舉起水桶、拎起水桶、推動水桶、拉動水桶等，學生可以感受到不同形式的力；推門時，手接觸門的不同地方容易程度也不同，學生可以感受到力的作用點不同會影響力的作用效果；兩名學生坐在帶有輪子的椅子上互相推動，其可以感受到力的作用是相互的。通過以上的親身實踐，學生能很好地理解對應的物理概念，同時教師要及時地讓學生進行總結，從而形成新的圖式，進入長期記憶。

（四）隨堂測試

心流體驗是一種最佳的情緒體驗。反饋會讓學生慢慢進入心流狀態，保持很高的積極性，他們將更加熱衷于參與下一輪的學習。由于“力”這節課知識點不涉及計算，教師可以設置選擇題，反饋速度快。

教育神經科學研究發現，競爭能夠影響學生的學習動機。參與競爭過程的關鍵大腦區域包括杏仁核、海馬體、前扣帶回和背外側前額葉皮層。在這些區域中，杏仁核主要是對競爭引發的情緒反應進行評估；海馬體主要是編碼和儲存競爭中的勝負情況；前扣帶回主要是處理編碼競爭需要付出的努力信息；背外側前額葉皮層主要是個體評估自己和競爭對手的能力。

競賽獲勝能夠明顯增強個人的內驅力，從而有效地優化其行為；競賽失敗雖然會減少個人的內驅力，但也會使個體在后續的任務中表現出更加強烈的內在動機。因此，教師需要進行至少兩輪的檢測，這樣第一次輸的小組學生能在修正自己的錯誤觀念后體驗成功，教師也能確定學生錯誤的前概念是否已經被完全修正。

（五）課堂小結

學生只有具備一定的思維與邏輯能力，才能學好物理。鑒于物理學涵蓋諸多抽象內容及復雜概念，加之初中生處于主要依賴形象思維的階段，教師在授課過程中應著重加強對學生思維的引領。

思維導圖作為一種高效的可視化工具，其能將復雜文字轉化為直觀圖像，表現出顯著的優勢。學生運用此工具，能夠更具體地感知、整理所學內容，從而清晰把握知識點間的內在聯系。教師可以鼓勵學生親自動手繪制思維導圖，以個性化方式總結知識，將思維過程圖形化，促使知識真正內化于心。同時，通過反復強調并鞏固新的、正確的物理概念，可增強學生大腦中的海馬體對這些概念的記憶深度，有效防止信息的快速遺忘，為學生的物理學習奠定堅實基礎。

參考文獻：

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（責任編輯：趙昆倫）