“語言轉化”學習困難的腦機制及其優化路徑

摘" "要：基于30余年物理學科語言的實踐研究，探索產生物理學習困難的腦機制。直觀具體的自然語言向抽象的學科語言轉化的信息傳導，學科語言向定量、嚴密推理論證的數學語言轉化的信息傳導，及其相互整合聯系過程中，信息傳導受阻、減弱或整合聯系斷開，是產生學習困難的重要根源。優化腦學習的有效途徑有“建立認知基礎”“增強空間動態思維”“喚醒激活復雜真實情境”“進行不同類型語言轉換分析”，以期在人工智能時代，運用“語言轉化”腦機制實現物理學科科學學習。

關鍵詞：學習困難；腦機制；語言轉化；優化路徑

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2025）1-0005-3

對于大多數學生而言，從初中接觸物理就覺得學習這門學科很困難，根本原因在于深度理解困難，人腦中對核心概念的深度理解源于語言信息的存儲和表征，呈現多模態特征，以語言網絡的形式廣泛分布在大腦中，從而實現了大腦皮層的感知覺與運動系統之間密切而復雜的聯系。基于30余年的物理教學實踐研究發現，把解決物理問題的技能遷移變成真實情境中做事的能力，要有深刻的學科洞察，澄清基本概念，在真實情境、真實實踐中激活對大概念的深度理解。在這個深度理解過程中，物理學科語言信息的加工過程涉及語義加工轉化的兩個系統，首先要攻克的難題就是揭示自然語言與物理學科語言的相互轉化機制，以及物理學科語言與數學語言的相互轉化機制。因此，有必要探究物理學習過程中與深度理解相關的“語言轉化”的腦機制。

人工智能時代，語言的學習使用和相互轉化備受關注，語言和根植大腦深處的思維緊密相連，揭示腦“語言轉化”機制，解碼產生學習困難的根源的研究正在成為新熱點。

語言與大腦思維緊密相連，某種程度上，語言對大腦思維具有簡化和促進作用，因而可以促進人們對科學知識的理解和解釋。比如，在小學階段，學生只學過算術語言，一旦進入初中學習了方程的解法以后，就可以通過列方程將復雜的思維過程轉化為固定的代數運算。物理學科對研究對象的描述用到“質點、剛體”等科學、精細的學科語言，研究對象之間錯綜復雜的相互關系用到“彈簧振子”“理想氣體”等物理模型。離開學科語言，僅憑直觀，通常只能達到對事物表面或者宏觀的認識，而很難達到對事物本質的認識。從這一層面來說，關注學科語言其實就是關注大腦思維，關注學生的表達，關注學生之間的相互理解，關注學生的意義賦予。

我們在研究自然科學時，除了使用日常語言（自然語言）外，還要使用學科語言。學科語言的作用在于將規律形式化、普遍化，為從事科學活動的人們之間進行交流提供了對話的平臺，消極作用則在于抬高了準入的門檻，使得沒有掌握學科語言或解碼不同語言相互轉化內在機制的人學習變得很困難，相反，深奧的物理變得深入淺出，容易被理解。

1" " 自然語言向學科語言轉化的腦機制

人類在改造自然、認識自然、探索物理規律的過程中建立了一門獨立的物理學科，具有一套獨特的學科語言，如物理概念、物理符號、物理規律、物理公式、物理圖像、物理模型等。例如，面對“鐵塊沉入水中”這樣的物理現象，學生使用自然語言得出如下分析：是因為鐵比水重。而物理語言則選擇從物質的密度來加以說明。

從學習心理學角度來看，自然語言轉化為物理語言的過程是如何發生的？皮亞杰認為，知識是個體在與環境交互作用的過程中逐漸建構的結果。物理語言形成了學生樸素表征的（自然的、生活的）物理認知結構（認知圖式），而這種圖式通過同化（assimilation）、順應（accommodation）、不斷地打破平衡（equilibration）的過程來實現認知的發展，從而形成新的認知結構與圖式［1-2］，這就是物理語言的形成。這啟發我們，物理教學應當從學生實驗、生活實踐中的物理現象著手，通過學生的觀察、探究、與同伴合作學習等物理教學活動，并借助于不斷地同化與順應過程，真正改變學生的原有認知結構與圖式（自然語言），使他們最終形成自己的“物理語言”。二者轉化的難點在于，自然語言可能是對周圍物理現象的一知半解、甚至是根本不懂物理的人傳遞的“虛假經驗”，而這種概念在學生的大腦中是根深蒂固的，比如鐵球和羽毛做自由落體運動時鐵球先落地。這時，隨著物理教學的深入，自然語言“前概念”的影響將逐漸消除［3］。

2" " 學科語言向數學語言轉化的腦機制

如果我們把“物理語言”看作是人們對“物理事實、物理現象、物理問題”的定性（實體性）描述的話，“數學語言”則是人們對“物理事實、物理現象、物理問題”（其實數學描述的范圍更廣泛）的定量（抽象性）描述，要實現從“物理語言”到“數學語言”的轉換，不僅需要人們進行“測量、定義、尋求關系、尋找守恒”等物理方面的努力，也需要人們借助“數學建模、數學處理”等數學方面的幫助。

數學語言的最大特點就在于其系統性和邏輯性，它可以將復雜的問題轉化為簡單的問題，可以將未知的問題轉化為已知的問題，從而實現復雜思維向簡單思維、個人思維、他人思維的轉換，達到非常高的抽象程度，優點是對我們的世界給出科學的描述。與自然科學不同，人文科學和社會科學的思維則多為形象思維，而形象思維無常形，往往要隨時間、地點、條件的變化而變化，這就使人文科學和社會科學研究中對前人或他人思維的依存度降低。調查表明，平常缺少或忽視學科語言向數學語言轉化的訓練是造成學生理解學科知識的主要障礙。為了突破學生的學科語言理解和應用障礙，教師需要通過有效示范、指導、對話、訓練、反饋等，促進學生有效模仿、練習、交談、書寫、創生等，幫助學生真正實現從自然（生活）語言到物理（學科）語言、從物理（學科）語言到數學（學科）語言、從數學（學科）語言再回到自然（生活）語言的螺旋式上升，并達到更高的層次［4］。

3" " 物理學習困難的腦表現

物理是高中階段最重要的學科之一，學習者既驚奇于物理學的博大、有趣，與科技、生活緊密相連，又驚詫于物理實驗、計算的精深、嚴謹，思維方式的嚴密。學習者即使對理論清晰明了，但遇到實際問題時又茫然失措、無從下手。

對比研究揭示，我國中小學科學學習機會欠缺（尤其是小學段）［5］，物理教學活動中，不乏簡單化、表層化的處理。例如，重知識結果，輕知識獲取途徑；重操作技能和步驟，輕建構解釋、創建論證和為解釋作辯論。偏重刷題、不求甚解、強化記憶，由此造成學生厭學、畏難情緒，這種現象確實相當普遍，許多學生的學習困難并不是出在物理思維上，而是出在數學思維、物理語言上。我們以計算機的大腦CPU信息傳導過程進行類比，人的大腦語言信息傳導受阻、減弱或整合聯系斷開，是學科語言的薄弱造成解決物理問題理解的困難。為此，有效教學需要在更微觀的層面上深入學習腦科學，重視學生更內在、更本質的學科語言對認知結構的建構，探究科學學習的有效途徑。

4" " 人工智能時代，優化腦學習的有效途徑

“語言轉化”之所以成為學科教育研究的新課題，與信息時代的特征密不可分。由于任何一門學科都有自己的語言體系，“一個人的智力發展和他形成概念的方法在很大程度上取決于語言”，解碼“語言轉化”的腦機制，有助于改善學習者語言信息傳導受阻、減弱或整合聯系斷開等學習困難，提供針對性的優化路徑。在人工智能時代，手機和互聯網技術模擬人腦的思維，建立經驗和理性的聯系，在實驗、計算、邏輯的基礎上，探索個性化的、自適應的科學學習。

4.1" " 引入兩種語言轉化分析

加強對學科語言、數學語言、自然語言約定含義的深入了解，特別是對一些學科語言的表達方式、物理模型加深理解有助于解決“語言轉化”學習困難。語言轉化分析，開拓了科學學習新方法，具有統一整個科學知識和認知結構的功能，使得現實世界與科學世界、直觀經驗與模型建構、學科概念與實在意義，在語義分析的過程中內在地連成一體，形成把握科學學習的新視角。

4.2" " 開展積累性學習，激活“認知基礎”

在解決物理問題過程中，總要有一個原有知識的激活階段，然后通過同化或順應過程重建新知識與原有知識結構之間的聯系，使認知發展從一個平衡狀態進入到另一個更高的發展平衡狀態。顯然，物理知識的累積是必要的，但這不是知識的簡單疊加或知識的量變，而是在原有認知基礎上加深理解，解決疑難、優化結構，最終形成質變。

4.3" " 通過視覺和非語言的形式呈現，增強空間能力、動態表征

抽象、深奧的物理規律，如電磁感應定律，將三維空間立體的表述體現在二維書本上，用“×”“○”分別表示小磁針垂直紙面向里或向外，我們用立體的右手定則增強學習者的空間理解能力。大量通過視覺獲得的映象所涉及的正是空間領域的信息，語言與非語言編碼以及知識的語義、情節和動作表征之間存在密切、豐富、強大的聯系［6］，學習者需要努力建構豐富、多元的記憶表征，在行動中獲得與個人的直接體驗有意義的連接，增強物理知識的建構能力。

4.4" " 將學科話語和探究模式相整合，建構復雜性的深度學習

科學實踐中，學習者面對的是基礎性的真實任務，如探索橋的物理結構，具有實用性、復雜性、跨學科的整合性。學習者面對的可能是“橋塌了”等結構不良的問題。學習者需要建立力學模型，考慮各種影響因素，進行實驗與計算，通過無數個詳細的動態數據記錄和批判性思考，尋找解決方案，以應對不確定世界中的動態變化與復雜挑戰，在對科學知識的生產及科學本質深入理解的過程中，掌握科學方法的意義和運用，加強學習的遷移效應。

語言是知識發展的必然結果，學科語言不同程度地帶有時代的印記和學科的印記，是人工智能以及若干潛在新學科的起點。海德格爾說：“語言乃存在的家園”，解碼大腦思維中“語言轉化”的內在機制，其目的是識別腦語言認知結構、構建腦有向連接模型、預測認知行為變化、構建思維過程表征等，促進科學學習，更好地理解世界存在的問題。

參考文獻：

［1］維果茨基.教育心理學［M］.北京：教育科學出版社，1991.

［2］施良方.學習論［M］.北京：人民教育出版社，1994.

［3］廖伯琴，黃希庭.優差生解決物理問題的表征層次的實驗研究［C］.第八屆全國心理學學術會議文摘選集，1997：95-96.

［4］何善亮.有效教學批判［D］.南京：南京師范大學，2007.

［5］裴新寧.重新思考科學教育［J］.科學教育與博物館， 2021（4）：272-277.

［6］廖小根，倪傳斌.語言加工腦機制研究的自然取向［J］.現代外語，2021，44（11）：731-741.

（欄目編輯" " 趙保鋼）