基于脑科学理论的工科教学策略研究

汪金花，韩秀丽，李鸣铎，李孟倩

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210)

在实际课堂教学活动中，如何保持学生积极参与是老师最需要考虑的问题之一。大学教学课堂正受到信息网络碎片化的冲击，各种平台充斥着快节奏媒体和视频信息，使得激励学生主动参与学习变得更加困难。数字化新型学习方式加快了学习者快餐化、碎片化学习习惯，间接导致课堂学习浅表化、浮躁化的现象。为了优化教学与学习过程，调动好学生的主动性和积极性，大学教师需要运用科学的教学理念，研究如何设计课堂活动和教学策略，提高学习过程的参与度和积极性。“全脑教学”是依据脑科学原理，开发利用脑科学的一种教学手段，是研究大脑部分功能与学习活动之间关系的基础理论。最初应用于小学教育，后期逐渐应用于职业教学和大学教育等领域。如美国克里斯·比弗尔的全脑教学在专业培训和大学课堂实际应用，改进了部分教学模式。国内的全脑教学理论主要在各类体育课堂、中学语文教学、特殊教学中有一些应用。一些学者也开展了相应的应用研究，如黄姣华[2](2013)利用全脑教学原理开展了基于大脑的个性化教学研究，针对不同学生特点和情绪表现，分析了优势半脑的教学重点。夏云兰[3](2017)运用全脑课堂的四个维度，即“学为主体、思为主线、练为主攻、效为主旨”来指导学生解决问题。刘欲颖[4](2007)探索基于全脑思维理论的中医教育传承模式。邵永红[5](2008)研究了左右脑能够协调运用，潜能将得到激发，教学就更有效。激发学生的全脑潜能需要科学地选择和运用教学策略，如视觉加工、听觉加工、活动加工、思维加工策略。王芳[6](2007)运用全脑教学策略对大学生英语学习情感变化影响做了系统研究。马饮川[7](2011)应用全脑理论实践于美术教学活动中，去发展和提高学生认知能力，形成完整的智力结构的过程，提高学生的感受力、观察力、记忆力、想象力和思维能力。关于工科教学如何运用全脑教学理念科学设计教学活动和教学策略的研究，报道很少。运用“全脑教学”原理，研究了工科课堂的全脑教学策略，系统分析了脑科学与多种形式教学活动和策略的关系，有助于教师科学合理优化教学设计和教学策略。

一、全脑教学策略

教师要驾驭课堂教学，就必须对一堂课的教学进行精心设计。采用合理有效的教学策略，做到课堂应学生而动，应情境而变。全脑教学是以研究大脑结构功能活动为基础的一种教学手段，通过科学分析学习活动与脑科学之间关系，来设计学习活动和教学策略的一种模式。脑功能系统分为觉察系统、认识系统、感受系统和运动系统。各个功能系统都能独立产生意识，我们正常意识状态是多个意识并存和相互作用的结果，是产生心理活动的基础。全脑教学，主要是研究了大脑前额叶皮层、布洛卡区、韦尼克氏区、边缘系统、海马区、视觉皮层和运动皮层等部分对学习环境产生作用。例如大脑前额叶具有记忆、判断、分析、思考、操作等功能。布洛卡区是第三额叶回后部、靠近大脑外侧裂处的一个小区是产生言语的动机和愿望。韦尼克区(又称威尼克区、沃尼克区)是大脑听觉中枢，视觉性语言中枢。边缘系统参与调解本能和情感行为，参与学习和记忆活动。大脑海马区是帮助人类长期学习与负责记忆的，主要记忆声光、味觉等事件的大脑区域。

那么“全脑教学”理论与实际课堂活动和教学策略是否有关联呢？在原来全脑教学法则基础上，通过理论分析和实际课堂试验发现，“全脑教学”理论与实际教学策略和活动之间有密切关系，见表1。表中列举常见几种教学活动，对应活动脑功能区所产生反应。试验中发现，一些已经在课堂上有效的教学策略，实际都与脑科学理论息相关。

表1 全脑教学激活神经功能区教学行为的关联

从表中可以看出，不同活动引发大脑刺激和反应是不一样的。例如课堂中“同学们，注意啦”，播放视频动画等，教师做某些吸引学生神情，动作，声音高低等教学策略时，这些策略会激发前额叶皮层，让学生集中注意力，仿佛打开工作电源一样重要，大大增加学生对后面教学内容的关注度，提高教学的有效性。如果教师在教学过程中增加一些课堂活动，让学生尽可能动用眼睛，耳朵，手等更多器官(手眼结合法，让学生当老师，镜像模拟法等)时，教学过程会充分调动学习者的布洛卡区、韦尼克氏区、边缘系统、海马区、视觉皮层和运动皮层功能，比单纯讲解效果大大提高。如果教师引用一些感人案例，思政内容或科研创新想法时，容易诱导学生产生情感变化，会直接刺激学习者大脑边缘系统，鼓励或警示的杏仁核，产生深层记忆。总之，教师可以根据教学内容，合理设计一些策略，让教学过程充分调动学习者的脑功能，吸引学生的注意力，提高主动性与参与度。达到课堂活跃、主动交流，增大师生之间明确知识和默会知识的学习效果。

二、脑科学有效教学

全脑教学是与脑神经细胞活动相关的。大脑在不断适应内外部环境变化时，自身的结构和功能也经历着调节和塑造。教学需要的是提供环境刺激、活动诱导，让学生在认识过程中进行再次知识建构。根据奥苏贝尔等人的研究，让学习能否变得有意义，有效果，关键是教师要激发学生主动学习的心向，引发学习兴趣；其次采用合理教学策略，引导学习者主动学习，加强新知识和认知结构进行关联，达到有效教学的目的。因此教师需要根据大脑学习规律来进行教学，形成“适于脑”的教学而不是“对抗脑”的教学，避免“满堂灌”、“填鸭式”的做法，多采用多样化的参与式教学，设计丰富学习活动，充分调动学生的听觉、视觉、运动感觉等全方位的学习方式。

在全脑教学实际应用过程，教师设计学习活动需要考察以下主要因素：(1)学习主体分析，分析学生原有认知水平、学习风格、个性特征等，作为学习活动设计的重要基点。(2)活动内容确定。学习活动设计的核心是活动任务的设计，活动任务往往决定了学生的学习方式，如制作一个模型，就要求学生采取探究性学习方式。(3)活动组织方式。教师要根据人员组织、空间大小和教学时长限制，确定组织学生的活动形式和策略，如小组合作学习，辩论探究还是实验论证等。(4)学习活动成果。就是学习结束后的“产品”，也是学习考量依据。如实验探究，学生往往要撰写实验报告，或者制作出某种模型。整个学习过程或活动设计要合理设，计内容，组织形式和考核方法，要确保学习环境的挑战性、新异性，让学生感觉到难度，但通过努力还可以实现，确实提高教学的有效性。

关于学习活动设计形式，可以参照学习金字塔，见表2。某种程度上，它也可以说明，教学活动中，学生参与性越多，学生激发更多脑功能区，似乎保留下记忆越多，相对产生教学有效性越明显。从表中可以看出讲授法，被动听讲，读书是传统教学形式中最常用的，其刺激脑功能区最少。留存率较低，只有5%-10%。当学生如果注意力不集中时候，这种教学行为学习留存率会更低。如果教师在教学过程中，设计一定比例的讨论、演示、让学生动手环节，或者让学生互相教授等活动时，学生应会有思考，分析加工等脑活动，从而实现深度学习。因此在实际教学过程中，需要围绕教学内容，适当加大学生参与性活动的所占比例，科学合理设计教学环节和课堂活动，使学习活动更适合学习者大脑，进一步提高学习的留存率。

表2 学习形式与脑活动关系

三、PBL教学的脑科学分析

脑科学视野下的教学观与建构主义、多元智能等教学理论存在着千丝万缕的联系，脑科学基础下教学将情绪、动机、运动、记忆等心理要素纳入了考虑的范畴，同时与信息加工模式、目标分类学进行了不同程度的融合。然而学生的学习活动和教师的教学行为是相互影响的，教师的“教”往往也就约定了学生的“学”，但在确定学习活动时，教师做好充足逆向教学的准备。PBL教学是现代教学方法的一种，在工科教学中较为常见。PBL教学是以实际问题出发，在老师的指导和设定活动框架下，学生以团体活动进行具体任务的调查，分析，探究和评价的过程，包含了信息的收集、方案的设计、到项目实施及最终评价等环节，如图1所示。图1遥感PBL教学应用一般过程，有发布案例或问题、分小组讨论后、信息的认知重构，以及团队合作探究，最后进行对比评价与分析。可以是一堂课时，还可以多个课时的教学环节。在这种教学过程中，需要教师综合设计每个步骤教学策略，适度引导，抛出问题，发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。

图1 一种工科PBL课堂教学设计框架

应用在测绘类本科“数字地形测量学A-1”“遥感原理与应用”的教学过程，并进行不同策略下的脑科学对比试验。一组学生是以传统讲授教学，另一组是以PBL模式进行教学。结果表明教师在教授同样内容情况下，PBL教学效果更明显，学生记忆留存率更高。另外从脑科学角度分析，由于PBL教学过程包含多种综合性教学活动。例如，在情境导入过程中，引入了案例，视听，让学生集中注意力。在学习过程中，又包含社会调查，研究讨论，分工合作等形式。这些教学活动的设计可以有效激活前额叶皮层、布洛卡区、韦尼克氏区、边缘系统、海马区、视觉皮层和运动皮层的神经元细胞，从而让学生调动情感大脑边缘系统，产生大量的学习留存率。这样课堂设计活动突出了学习过程中学生的主动性，参与性。可以让学生产生深层记忆。更主要的整个设计过程，要充分分析学生的知识基础和能力水平，将自主合作学习和探究学习运用于课堂的教学。所以PBL整个教学效果之所以好，能给学生产生高的知识留存率，是因为整个教学过程中的策略丰富。所有教学活动都在强调或引导学生主动去探究，去学习，去思考，自然能达到有效教学目的。

另外在对研究生的“现代数据处理”“高光谱遥感”课堂的对比试验中发现，当采用现代教学方法，如讨论，案例和探究式课堂活动时，同一个知识点的教学有效性会更好。由于是小课堂，知识难度更深，试验结果更加突出。课堂教学过程中，学生参与度越高，如加入学生讲话，演示，探讨和多样性考核时，后期调查结果显示学习留存率的更多，印象更具体。

四、结语

对于人类大脑以及学习过程的研究结果表明，学生模仿、思考和相互教学的时候，能学到最多的知识。这些使学生大脑中的五个区域活跃起来，包括视觉皮层(看到动作)、运动皮层(做出动作)、布罗卡区域(用语言上课)、韦尼克区域(听到课程内容)，以及边缘系统(为课堂内容带去感情色彩)。如果工科课堂除了保持对原有工科知识逻辑性与思维训练之外，还能够运用脑科学去设计教学过程和活动，让学生对提出问题、分析问题、解决问题模式，及由浅入深的探究模式，保持全脑活跃度，那么有效教学随之自然就产生了。所以在运用脑科学进行教学设计时，教师要考虑如何体现学生在学习过程中的主体作用。如何充分利用情境、协作、会话等学习环境要素，激发学生的学习兴趣和学习动机；如何创设符合教学内容的情境，提示新旧知识之间联系的线索，组织协作学习，提出适当的问题以引起学生的思考和讨论；如何通过教学活动设计，激发学习者脑功能区各部分神经，形成深层记忆。通过研究全脑学理论在工科教学中的应用，真正将教学做好，润物无声。