利用腦科學為物理教學增質增效

【摘要】文章基于腦科學研究，考慮學生情緒體驗，并在遵循學生的認知規律和學習規律基礎上，通過分層作業滿足不同層次學生的需要，讓學生獲得成就感，促進學生持續學習。

【關鍵詞】情緒體驗；自動化；成就感；高水平思維

2019年6月，中共中央、國務院印發《關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》中提出：“統籌調控不同年級、不同學科作業數量和作業時間，促進學生完成好基礎性作業，強化實踐性作業，探索彈性作業和跨學科作業，不斷提高作業設計質量。”2021年4月，教育部發布的《關于加強義務教育學校作業管理的通知》中提出：“作業是學校教育教學管理工作的重要環節，是課堂教學活動的必要補充。”上述對作業的功能、類型、數量和時長等進行了全方位的頂層設計和政策指導。筆者以為，教師所設計的作業首先學生愿意去完成，通過作業的完成又能讓學生有成就感，調動學習積極性。基于腦科學研究成果，在遵循學生的認知規律和學習規律的基礎上，設計由淺入深、由簡單到復雜帶有思維層級的作業，促成高水平思維的養成，實現作業的育人功能和落實核心素養。

一、傳統物理作業存在的問題

1.作業的內容缺乏針對性

傳統物理作業呈現的主要特點是作業內容“一刀切”的模式，不能滿足不同學習程度學生的學習需求。通過課程內容的學習，學生的學習效果是不一樣，而“一刀切”的作業，對于大部分學生來說，不能通過作業的完成有效幫助自己掌握核心知識點。這種缺乏明確關聯的作業，導致學生不能夠循序漸進地建立知識體系，不能通過作業訓練有效掌握物理學習中的重要概念和知識[1]。

2.作業題型以選擇題為主

傳統物理作業選擇題居多，解答題較少。選擇題不適宜作為課后作業的練習題，它會導致學生“重結果、輕過程”，不利于學生養成規范作答習慣和真實反映學生是否掌握核心知識，也不利于教師掌握學生的學習成果，不能有效進行個性化輔導和鞏固。以解答題的題型呈現能有效反映學生的真正水平，學生作答思路和對于問題解決方法能很好呈現出來。

3.缺乏有效的反饋機制

作業應服務于檢測學生學習目標的達成度。現有的作業設計中往往缺乏較為完善的反饋機制。學生通過作業完成，無法了解到自己的作業完成質量，便不能有效了解自己的學習情況。這種不完善不利于學生養成好習慣，會打消學生的學習激情，容易產生挫敗感，進而導致對物理的興趣和熱情逐漸消退。此外，缺乏反饋機制也會影響教師對教學效果的評估，教師無法了解學生在作業中的表現，也無法及時調整教學內容和方法，提升高中物理的教學質量[2]。

4.作業設計缺乏成就感體驗

現有的作業過于注重機械化訓練，側重數量而忽略質量，過于強調完成而忽視啟發功能。既起不到鞏固核心知識、提升能力，更重要的是沒有考慮學生的情緒體驗，讓學生反復面對相同類型的問題，或高于自己能力要求，或低于自己能力，學生會覺得枯燥乏味，覺得通過作業的完成沒有獲得成就感和進步，久而久之對物理學習漸漸失去興趣。這樣的作業，只會磨滅學生對學科熱情和持續學習的積極性，降低對作業完成的興趣。

二、利用腦科學為作業增質增效

有效的作業設計是能基于大腦，讓大腦為學習做好準備，只有大腦在安全感和舒適感的需求得到滿足，才能有效開始工作。筆者以為從“情緒體驗、核心知識自動化、成就感”這三個維度為作業增質增效。

1.作業要能讓學生有積極的情緒體驗

腦科學告訴我們，大腦的基本功能依次是：生存反應，滿足情緒的需要，認知學習[3]。也就說為了讓學生愿意去完成研究作業，首先要滿足學生的情緒體驗，讓學生感覺到所要完成的作業是可以完成的，是安全和舒適的。首先，在作業的題量上要讓學生舒服，少而精，讓學生能夠感受到作業是可以完成的。其次，作業要注重內容基礎性和選擇性。通過基礎性作業的完成，能讓學生擁有獲得感的積極情緒體驗，這樣能讓所有學生掌握核心知識和方法，形成物理觀念，提高學生學習物理的自信心和興趣。而對于選擇性作業要根據學生不同的學業水平層次進行設計并布置，既能關注全體學生的學習需求，又能為學生有個性地發展搭建平臺。最后，對于同一份作業對同一個班級不同層次的學生來說，難易程度不一，也會讓學生有緊張、焦慮的情緒體驗。為此，教師可以在作業設計上實行分層：學生根據所能達到的層級選擇不同難度的作業要求，鼓勵學生挑戰更高難度的題目。這樣的作業既能解決部分學生因作業難度和作業時間過長的問題，考慮到了學生的情緒體驗，增加學生成功感體驗，減少學生因做不出作業而產生的負面情緒，又能避免“吃不飽”現象，激發學生學習興趣，同時也能培養學生敢于向困難挑戰的精神。

2.作業能夠實現核心知識自動化

鮑邁斯特的研究表明大腦不擅長處理多任務。當人們被迫做好兩件需要集中注意力的事情時，這兩項任務都會受到影響。麻省理工學院的神經科學教授厄爾·米勒說：“人們不能很好地完成多重任務，當人們說他們可以時，他們是在自欺欺人。”在平時我們感覺在處理多個任務，其實是從一個任務快速切換到另一個任務。也就說所謂多任務處理，其實是我們大腦非常熟悉多項任務，以至于能自動切換。如果完成的是一項陌生和一項自動化任務時，大腦主要是集中在新任務上。如果兩項都是陌生的任務，大腦就很難同時完成，會導致大腦的化學物質失衡，阻礙學習。這就意味著我們所設計的作業要能基于學生的基礎，循序漸進設問，最終達到目標。這樣有利于將新的知識與原有基礎聯系起來，大腦的負擔就會小些，大腦就能夠保持物質平衡，從而保持最佳的學習狀態，讓學習持續進行下去，進而思考更具有挑戰性的任務。為了讓更高階的問題成為學生熟悉擅長的領域，通過一串具有思維臺階的問題驅動和反復再現讓學生經歷解決這類問題的歷程，讓學生獲得在實際情境中解決問題的大量經驗，使核心知識幾乎能夠自動化地完成。

3.作業要能促進學生成功，點燃學生學習積極性

大腦的杏仁核，有三個固有的驅動力：安全、被需要和成功，它決定著我們情緒反應，。可見，我們天生對成功的渴望，我們需要有更多的成功體驗，促進多巴胺的分泌，強化神經元，讓神經元保留更多成功的記憶，有利于大腦進行連結，促進學習。如果能給學生創造更多的成功體驗，有利于重塑大腦，為繼續成功創造更多的可能性。課后作業作為學習的一種延伸，通過作業完成是為了促進學生的學習，所設計的作業是要能夠幫助學生掌握知識和培養解決問題的能力。設計的作業是要能讓學生有成就感，從而點燃學生繼續學習的積極性。學生有了學習的積極性，就會主動學、學得快、學得好。有了主動學習的激情，就能主動迎面克服困難解決問題，有了解決問題的經驗就能有效培養高級思維和為未來學習奠定基礎。

三、利用腦科學為作業設計的實例分析

筆者基于腦科學研究成果，下面以新人教版《必修第二冊》“動能和動能定理”的作業設計為例。如何從“情緒體驗、核心知識自動化、成就感”三個維度進行作業設計。

1.營造安全舒適的情緒體驗，為核心知識自動化奠定基礎

在掌握所學的新內容時，起初會感覺比較費力，大腦往往是傾向于放棄。可以通過必備知識的再現讓學生有熟悉感，讓學生感到安全和舒適的情緒體驗，這樣能減少大腦負擔，為學習做好準備工作。同時題型的設計也會影響學生情緒體驗，以填空題呈現，既不會像選擇題那樣有干擾項，又不會像解答題那樣需要詳細的解答過程，所填結果應力求精簡。能最大程度減少大腦負荷，讓身心處于放松狀態，有利于促進繼續學習。故設計了A、B題。

A.動能的定義：_____；表達式：_____

B.動能定理的表達式："_____

說明：式中W為_____，它等于各力做功的_____動能定理的適用范圍：_____

在動能和動能定理知識的再現基礎上，學生已經進入了學習狀態，但畢竟是課堂教學后在頭腦中留下的感性認識，需要進一步理解物理概念和規律，以判斷題型呈現，能降低面對不確定性和復雜性情境的緊張感，給學生提供一個更加輕松的評估環境，也有及時的正向反饋，增強自我效能感體驗，減少挫敗感。又能有效幫助學生理解知識的本質和內涵。故設計了C、D題。

C.關于對動能的理解，請判斷下列說法正確與否，并說明理由。

（1）一定質量的物體，速度發生變化時，動能一定變化。

（2）一定質量的物體，動能發生變化時，速度一定變化。

（3）動能不變的物體，一定做勻速直線運動。

D.關于動能定理，請判斷下列說法正確與否，并說明理由。

（1）動能定理只適用于恒力做功和直線運動。

（2）合外力做功不等于零，物體的動能一定變化。

（3）物體的動能增加，合外力做正功。

（4）物體的速度發生變化，合外力做功一定不等于零。

2.核心知識自動化，為高階思維培養奠定基礎

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對本節內容的要求：“理解動能和動能定理。能用動能定理解釋生產生活中的現象。” 基于此，學生要掌握高水平的思維目標：能用動能定理解釋生產生活中的現象。核心知識需要達到自動化，即學生能夠建構物理情境并正確畫出該過程的示意圖，明確研究對象的過程、初末狀態的動能；正確畫出在該過程中受到哪些力的作用，各力做什么功；并正確列動能定理表達式。讓這些核心知識達到自動化。大腦是不擅長處理多任務，讓一個知識點幾乎能夠自動化地完成，大腦才能以更高的效率完成一件事，重復是實現自動化的關鍵。下文第E題的設計意圖為通過臺階式的設問，讓學生經歷一個物理探究過程，培養解決問題思維能力，引導學生歸納總結解決問題的步驟，再加以重復再現，讓學生獲得更多的解決問題經驗，讓解決問題的步驟達到自動化。對大腦而言，更重要的是“輸出”。也就是說，站在海馬體的角度，更重要的是得出這種判斷：“這個信息竟然會被如此頻繁地調用，看來必須要記住它才行”。[4]作業F的重現再現既是規范學生作答，也是為了幫助學生對核心知識達到自動化訓練。

E.一架噴氣式飛機，質量m為7.0×104kg，起飛過程中從靜止開始滑跑。當位移l達到2.5×103 m時，速度達到起飛速度80m/s。在此過程中，飛機受到的平均阻力是機所受重力的0.02。已知g取10m/s2。[5]求：

（1）畫出題中物理情境的示意圖。

（2）該過程飛機受到哪些力作用，各力做了多少功。

（3）從運動學和牛頓定律、動能定理兩個視角求解飛機平均牽引力的大小。通過比較兩個視角，總結運用動能定理的優點。

F.某體育公園兒童游樂場的斜面滑梯長為L，斜面滑梯高為H。一質量為m的小朋友從斜面滑梯上端由靜止滑下。已知人沿斜面滑下時所受的阻力為f，重力加速度為g，不計空氣阻力。求：

（1）畫出題中物理情境的示意圖。

（2）人滑下過程受到哪些力作用，各力做了多少功。

（3）人滑至底端時的速度大小。

3.作業要能促進學生成功，點燃學生學習積極性，進而培養高階思維能力

最近的神經科學研究表明：只有不斷獲得成功的人，才能從失敗和錯誤中學習。分層作業的設計是為了滿足不同層次學生的成就感。學生能根據自己的能力和需求，接受屬于自己層次上的挑戰，讓學生更有可能感受到自我效能，增強對自己能力的信心和肯定。這種成就感體驗會激勵學生繼續努力，追求更高程度的挑戰，形成積極的學習循環。滿足不同層次的學生達成動能定理內容的高階思維：能用動能定理解釋生產生活中的現象。讓不同程度的學生都能有“可視性”成就感體驗，為持續努力創造可能。故設計了如下G、H題。

★（分成作業）G.如圖所示，粗糙水平面AB與豎直半圓形導軌在B點相接。一質量為m的物體在水平恒力F作用下，從A點由靜止開始向右運動，物體運動到B點時立即撤去水平恒力F，物體經B點沿半圓形導軌運動，到達C點的速度為vc。已知物體與水平面AB的動摩因素為μ，AB距離為s，重力加速度為g。求：

（1）物體運動到B的速度大小。

（2）物體沿半圓形導軌運動過程中克服阻力做的功。

★★（分成作業）H.如圖所示，人們有時用“打夯”的方式把松散的地面夯實。設某次打夯符合以下模型：兩人同時通過繩子對重物各施加一個力，力的大小均為320N，方向都與豎直方向成37°，重物離開地面30cm后人停止施力，最后重物自由下落把地面砸深2cm。已知重物的質量為50kg，g取10m/s2，cos37°＝0.8。[5]求重物對地面的平均沖擊力是多大。

四、結語

作業屬于課程中的一部分，作業的質量直接影響到學科育人的達成度。精準設計和布置作業勢在必行。在考慮學生情緒體驗基礎上，通過“可視化”進階作業的完成情況，讓核心知識達到自動化，讓學生有成就感體驗，進行持續學習。又能有效反饋學生思維達到的層級，根據所達到的思維層級再進行個性化輔導，幫助學生思維層級再進階，從而形成高水平思維。

【參考文獻】

[1]林靈平.新時期高中物理校本作業設計策略研究[J].課程教育研究，2021（16）.

[2]蔡輝森.基于學習進階的高中物理作業設計[J].福建基礎教育研究，2021（07）.

[3]奧拉西奧·桑切斯.教育變革[M].上海：華東師范大學出版社.

[4]池谷裕一.考試腦科學[M].北京：人民郵電出版社.

[5]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究所開發中心.普通高中教科書物理必修第二冊[S].北京：人民教育出版社，2019.