設計挑戰性學習任務，塑造最強大腦

【摘" "要】大腦的發展是一種“經驗期待”， 為此教師需要設計有挑戰性的學習任務以激活大腦。魯班立方是一種立體七巧板，是中國傳統的益智玩具。從腦科學出發，以魯班立方為載體設計教學，讓學生經歷魯班立方的形成以及根據分層記錄單還原立方體等活動，使他們的思維在二維和三維間不斷切換，從而加強其腦區內部神經的連接。同時，利用聲畫刺激和新鮮的學材刺激，加強不同腦區間的連接，使學生大腦神經網絡間的連接更加暢通。

【關鍵詞】魯班立方；神經連接；腦科學

人的大腦具有可塑性，學習就是塑造大腦的過程。教師是學生塑造大腦的引導者。教師對大腦的運作方式越了解，就越能科學地組織教學活動，從而使學生的學習更加高效。基于教育神經科學視角，教師需要在尊重大腦發展特點的基礎上設計教學環節，為學生的大腦提供相應刺激，從而開發其大腦潛能。

魯班立方是一種立體七巧板，是中國傳統的益智玩具。在學生已經具備觀察物體、三視圖經驗的基礎上，將魯班立方這一玩具作為學具引入教學，用新鮮的學材刺激學生的大腦，能夠激活學生大腦的各個腦區，促進其腦區內各神經元的不斷連接，形成更強大的神經網絡，進而實現學生腦智的發展。

一、教學設計

大腦的發展是一種“經驗期待”，為此教師需要設計有挑戰性的學習任務以激活大腦。［1］基于此，以魯班立方為載體設計拓展教學實踐，在激活學生已有知識經驗的基礎上，進一步提升學生的想象力、推理力、好奇心和專注力，從而促進學生腦智的發展。

（一）腦智發展目標

（1）想象力。在分類、盲找魯班立方組塊活動中發展直觀想象力，在創拼、盲拼還原魯班立方活動中提升結構想象力。

（2）推理力。在魯班立方的分解與重組活動中，通過分析組塊間的數量關系和空間結構提高幾何抽象和想象推理能力。

（3）好奇心和專注力。通過動手操作經歷魯班立方形成的整個過程，在認識魯班立方特點的基礎上進行拼搭，在新穎且具有挑戰性的學習素材刺激下，產生好奇心，提升專注力。

（二）教學策略設計

為達成以上腦智發展目標，可設計如下教學策略。

（1）好奇引領。用平面七巧板引出立體七巧板，用《最強大腦》節目視頻引入魯班立方的拼搭，以新鮮的學材刺激θ波（一種腦電波）的生成。

（2）多感協同。借助創拼、盲拼等不同層次的拼搭挑戰，充分調動學生的手、眼等多個感官，激活其腦內神經以及不同腦區神經的連接。

（3）藝術嵌入。在魯班立方拼搭活動中，播放每分鐘60～70拍的音樂，在渲染氣氛的同時，調節學生情緒，激發學生靈感。

（4）思維整理。播放微課視頻，引導學生梳理全課。利用聲畫刺激，在學生注意力渙散時提升其專注力，同時加強其對整體結構的把握。

（三）適合神經連接的環境設計

（1）課始播放平面七巧板視頻，課中播放《最強大腦》節目視頻，課尾播放微課小結視頻，在課堂的不同時段，利用豐富多彩的聲畫刺激喚醒學生的專注力，激活其大腦的海馬區，從而幫助學生提升信息加工的效率。

（2）以魯班立方為載體，設計創拼、盲拼等不同層次的學習挑戰，能夠促進學生中腦分泌多巴胺，從而讓他們的大腦感到愉快和滿足，這對于激活學生大腦神經元的活性有重要意義。

（3）在開展魯班立方拼搭活動時播放平緩的音樂，以調動學生情緒，激發學生靈感。

二、教學實踐

（一）認識魯班立方

1.經歷7個組塊的產生

吸引學生的注意是學習完成的前提。為此，教學時用視頻導入課堂，以豐富多彩的聲畫刺激吸引學生的注意，使其迅速調整學習的狀態，從身和心兩方面做好準備，積極參與到數學課堂中。另外，人類智力從本質上講是運用類比的能力，故選擇七巧板定格動畫《夢游記》作為視頻素材，以便于后續類比活動的順利開展。

在學生欣賞視頻后，教師提出問題：“七巧板的‘巧’，巧在哪兒？”學生紛紛發表自己的看法。有的說，七巧板由7塊板構成；有的說，七巧板可以拼出很多有意思的圖形；還有的說，以最小的三角形為單位，可以拼出其他各種圖形。教師追問：“可以具體說一說嗎？”學生舉例解釋：如果把最小的圖形看成1，那正方形、平行四邊形和中等三角形就是2，大三角形則是4。

教師順著學生的回答，用課件動態演示（如圖1）。接著啟發學生：“平面中，用1～4個小三角形可以拼成七巧板。那如果用1～4個小立方體，可以拼出幾種立體圖形呢？”（平移、旋轉或者翻轉之后能夠重合的算同一種）

教師先讓學生展開想象，然后為學生提供磁性小立方體（立方體之間可互相吸附），讓他們同桌合作拼一拼。學生操作后發現，總共有12種不同的組合方式（如圖2）。除去“一”字型和“田”字型這類比較簡單（指該立體圖形沒有凹陷或彎角）的組塊后，還剩7個組塊（如圖3）。教師由此揭示課題：“和七巧板一樣，用1～4個小立方體同樣可以拼成7個復雜組塊，所以我們把這些組塊叫作立體七巧板，也稱魯班立方。這節課，我們就來挑戰魯班立方。”

學習就是大腦將自己的神經細胞重新排列組合，形成新的神經連接的過程。［2］上述教學過程中，教師從二維的七巧板構造出發，啟發學生主動探索同樣原理的三維立體結構——魯班立方，讓學生通過類比，從二維聯想到三維，從而使學生的大腦產生更多的神經元連接，增強其大腦的可塑性。

2.認識7個組塊

以想象為媒介可以促進大腦發展，激發大腦的無限潛能，而想象只有在表象的基礎上才能進行。因此，教師應設計能夠豐富學生頭腦中表象的學習任務，讓學生后續可以直觀為基礎進行理性思考。

教師引導學生仔細觀察7個組塊，并給它們分類。學生發現分類標準不同，分類的結果也不同。如根據小立方體的數量，可以將它們分成兩類：第一類是1號組塊，由3個小立方體構成；剩下的6個組塊屬于第二類，都由4個小立方體構成。在此基礎上，教師隨機報出組塊的序號，讓學生戴上眼罩，盲找相應的魯班立方，幫助學生進一步熟悉魯班立方。

分類活動要求學生仔細觀察魯班立方，充分認識組塊特征。學生發現的組塊間聯系越多，大腦越容易維持表象。盲找活動則通過調動學生的觸覺，豐富學生腦中的魯班立方組塊形象，使學生得以將觀察到的表象儲存在大腦中。在人腦中，辨別、記憶等認知活動主要由額葉負責。［3］這兩項活動旨在通過視覺、觸覺等的刺激，激活學生大腦的額葉區域。

（二）拼搭魯班立方

1.自由拼

人通過各種感覺器官接收外界信息，再將這些信息傳遞至中樞信息處理系統。因此，學習任務如果能充分調動學生的手、眼、腦等身體部位，就能激活他們大腦的前額葉皮質、基底節、頂葉、枕葉、小腦等多個腦區，并促進不同功能腦區間關聯的建立。［2］

教師出示如下學習任務。（1）想一想：你想搭一個什么圖形？（2）搭一搭：選幾個組塊，搭出你想搭的圖形。讓學生操作后全班交流。

自由拼活動要求學生先在腦海中想象出要搭的圖形，再借助魯班立方進行拼搭，以此激發學生的學習興趣，刺激學生大腦中θ波的生成，進而激活學生的海馬區，提升其大腦的創造力［2］。在這一活動的刺激下，學生充分發揮自己的想象，拼搭出多樣化的作品。

2.想象拼

良好的情緒能促進內啡肽、多巴胺等神經遞質的分泌，實現對知識的高效編碼和提取。［4］為此，教師應設計能調動學生積極情緒的多功能學習任務，以加強學生大腦不同腦區間的連接，使其神經網絡間的互動更加暢通。

師：（出示圖4）這只“駱駝”由幾個組塊拼成？

生1：（邊比畫邊說）我通過觀察，發現它是由2號、3號和4號組塊拼成的（如圖5）。

生2：我也覺得是由3個組塊拼成的。圖上一共有12個小立方體，除了1號組塊由3個小立方體構成，其余組塊都由4個小立方體構成。由于1號組塊無法與其他組塊一起湊成12個小立方體，所以該圖肯定是由3個有4個小立方體的組塊拼成的。

教師對學生觀察和分析的方法表示肯定。

師：（出示圖6）這個“車子圖”（用磁性小立方體搭建）可以由哪幾個組塊拼成？

生1：我覺得拼出該圖一共需要12個小立方體，那肯定是由3個有4個小立方體的組塊拼成的，所以要在2～7號組塊中選。我想象了下，發現可以用2號、3號和7號組塊來拼（如圖7）。

生2：我覺得用10個小立方體也能拼成，下面一層放6個小立方體就可以了。

生3：10個不行。魯班立方的7個組塊中，只有1號組塊是3個小立方體，其余組塊都是4個小立方體，無論怎么組合，總數都不會是10。

生4：我同意10個不行，但11可以。3+4+4=11，可以用1號、2號和4號組塊來拼。

學生自發鼓掌。

師：現在出現了兩種答案——2號、3號、7號和1號、2號、4號。那這兩種方案到底可不可行呢？請大家先在腦海中想一想，再拼一拼進行驗證。

學生通過想象、操作，發現兩種方案都可行。

想象拼活動要求學生拼搭的兩個圖形從簡單到復雜，難度逐步進階。教學時，鼓勵學生自由辯論、說理，從而讓學生體會到成功解決問題的愉悅。活動中，首先讓學生充分觀察，以激活學生的視皮層，并促進其頂葉、左半球后部外側區等其他腦區的發展。接著引導學生分析圖形的結構，從中拆出魯班立方的組塊，并根據所需小立方體的數量推理分析該組合是否可行，以激活學生的前額葉皮層、下丘腦、腦干等多個大腦系統，促進高級腦區和低級腦區的互相合作［5］。

3.分層記

負責數字和空間加工的腦區在頂葉有重疊，因此把數量和空間聯系起來進行教學更為合理。［6］當學生通過操作、想象，在頭腦中形成表象后，教師要引導學生采用語言文字、圖式等多種方式，把利用魯班立方搭建圖形的過程用數學語言進行描述。這種方式能夠清晰地表示出魯班立方各組塊的結構和它們之間的關系，并以符號的形式進行呈現，有利于激活學生大腦的前額葉和頂葉。

在學生嘗試拼搭“車子圖”后，教師讓學生分享一下自己是怎么拼的。學生隨即發現自己知道怎么拼，但說不清楚拼法。教師順勢引導學生：“那有什么好的方法能夠清楚地進行描述呢？”然后介紹分層記錄法：用數字表示對應的組塊及其所處的位置，分層記錄組塊拼擺的情況（如圖8）。

學生試著依照教師提供的記錄單還原圖形，驗證發現分層記錄法是可行的。隨后，教師讓學生嘗試用同樣的方法，將另一種拼法（1號、2號和3號）也記錄下來。

4.探還原

一般來說，大腦神經元的連接越多，神經元間的交流越活躍，大腦的功能就越強。如果學習任務能建立二維和三維的連接，那么大腦就更容易形成并改變其神經元的連通性。

教師出示圖9，引導學生思考：依照這張記錄單能拼出什么圖形？學生發現記錄單總共有三層，每一層都有9個小立方體，總共有27個小立方體，據此推斷能拼出一個大立方體。

教師質疑：“想一想，一定能成功嗎？”學生想象后自主拼搭，驗證發現能還原成一個立方體。

教師繼續提問：“用魯班立方搭建立方體有很多種拼法。仔細觀察，依照這兩份記錄單（如圖10）能拼成立方體嗎？”學生觀察后發現：第①份記錄單中，5號、6號組塊的數量和形狀不對，因此不能還原；第②份記錄單中，6號組塊的形狀不對，也不能還原。

在依照記錄單還原拼擺活動中，學生需先根據二維的記錄單進行三維空間結構的想象，再進行實際拼搭。這樣的活動促使學生的思維不斷在二維記錄單和三維立體拼圖間切換，其大腦神經元的連接由此變得更加緊密、暢通，信息加工處理的效率進而獲得提升。

教師繼續升級任務難度，要求學生戴上眼罩還原立方體，并將拼法用記錄單記錄下來。學生盲拼并記錄后，教師展示學生作品（如圖11），請學生交流分享：這份記錄單的記錄正確嗎？每一層分別對應立方體的哪一層？

由于機械記憶僅對與語言有關的左側前額葉和角回區域有更多的激活，所以僅通過試錯還原立方體，對于提升學生想象力的作用不大。策略學習則能在右側額葉、雙側的扣帶回和楔葉區域引起更多的激活［7］，而大腦本就喜新厭舊，相比于機械記憶的試錯，盲拼活動中學生對還原立方體策略的調取更能有效激活他們大腦的多個區域。

三、教學反思

回顧整個教學，魯班立方這一拓展內容的教學從腦科學出發，通過給大腦提供適時、恰當的挑戰，激活學生的認知和情緒的發展。這不僅可以加強學生腦區內部神經的連接，還能加強不同腦區間神經的連接，使得神經的通路更加暢通。

（一）激活認知

大腦皮層主管認知，主要負責想象、推理等高級思維活動。大腦各區負責的功能不同，學習的本質是增加神經細胞之間的連接，連接越豐富，大腦功能就越強。魯班立方這一教學內容，讓學生充分經歷了魯班立方的形成過程，從二維的七巧板出發，啟發學生通過類比聯想構造出形成原理相同的三維立體結構——魯班立方，并引導學生根據分層記錄單還原立方體。在參與這些活動的過程中，學生的思維在二維和三維間不斷切換，大腦神經的連接由此變得更加靈活，這有助于提高他們信息處理和加工的速度。此外，根據拼圖找想要組塊的活動需要學生進行想象和推理，這離不開頂葉、前額葉等多個區域的協調，大腦神經元的連接因而也會更加復雜，由此構筑起更強大的神經網絡。

（二）關注情緒

人的思維和行為很容易受情緒的影響，學習的動機和態度等都與情緒有關。在大腦獲得額外獎勵時，中腦的多巴胺神經元會被激活，釋放出多巴胺，這對整個大腦前額葉等腦區神經元的活性有重要影響。［8］對于大腦來說，對未知問題的求解就是額外的獎勵。因此，設計魯班立方拼搭這一挑戰性任務，采用比賽形式的創拼、盲拼等拼搭活動，能夠調動學生的興趣，進而激活海馬區。在這一過程中，身體多感官接受的外界刺激會變成神經沖動，使大腦不斷處于工作狀態，進而推進想象和推理等高級思維活動。

（三）調節行為

教師可以從學生的行為，包括言談舉止等外部行為和思維等內在行為，推斷其認知和情緒的發展情況。比如：依據學生在盲找魯班立方組塊活動中的表現，可以知曉他們大腦中表象的積累情況；根據學生拼搭的魯班立方作品和填寫的記錄單，則可以知道學生大腦中是如何分析圖形結構并進行空間構造等復雜思維加工過程的。

總之，教師需要結合腦科學相關的知識，在尊重大腦發展特點的基礎上設計有挑戰性的學習任務，以加強學生大腦神經元之間的連接，使得他們大腦神經網絡間的連接更加暢通，從而塑造最強大腦。

參考文獻：

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［8］李澄宇，楊天明，顧勇，等.腦認知的神經基礎［J］.中國科學院院刊，2016，31（7）：755-764．

（浙江省杭州市勝利小學）