初中数学教学中 渗透脑科学理论的初步尝试

    张军

    [摘? 要] 今天的教育科学研究已经超越了经验范畴，更多的指向学生在学习过程中的大脑活动，也就是所谓的脑科学. 这是一门相对陌生的科学，一线教师要想真正系统地掌握，存在非常大的困难，但从中找出能够指导学科教学的基本理论，并在实际教学中进行一定程度的渗透，应当是可行的. 脑科学研究的成果可以奠定教学论的基础，可以引导日常教学科学进行.

    [关键词] 初中数学;数学教学;脑科学理论;图形在坐标系中的平移

    有效的初中数学教学，往往得益于科学教学理论的指导，教学理论来自于教育科学研究以及心理学研究，前者往往是经验总结，而后者则涉及学生的心理研究. 一线教师在教学中更多的是经验积累，而且更倾向于寻找具有可操作性的理论作为指导，所以经验性的教育科研成果往往更受欢迎;相较而言，心理学的研究由于相对专业且概念较多，并没有前者那么受欢迎. 但非常有意思的是，笔者与更多专业成长较为出色的同行进行交流的时候发现，这个群体往往对教育心理学有着高度的重视，用他们的话说就是“教育心理学的理论往往更加科学，能够引导教师走得更远”. 事实上，今天的教育科学研究已经超越了经验范畴，更多的指向学生在学习过程中的大脑活动，也就是所谓的脑科学. 笔者注意到，近些年来，脑科学研究的进展越来越受到人们的关注，脑科学的研究成果也越来越多地应用于教学领域，不仅为教学理论和教学实践提供了新的解释与理论支持，而且给教学的变革和理论研究带来了新的冲击. 一线教师能否应付这样的冲击，很大程度上取决于教师对脑科学理论的学习以及实践运用情况. 尽管这是一门相对陌生的科学，一线教师要想真正系统地掌握，存在着非常大的困难，但是从中寻找出能够指导学科教学的基本理论，并且在实际教学中进行一定程度的渗透，这应当是可行的. 本文试以沪科版初中数学“图形在坐标系中的平移”的教学为例，谈谈笔者的一些初步思考.

    脑科学理论渗透在初中数学教学中的必要性

    在数学教学中渗透脑科学的理论，有其必要性. 关于这方面的研究，有好多研究成果值得借鉴与思考. 笔者在此梳理这样两点：

    第一，脑科学研究成果可以奠定教学论的基础. 对于相当一部分数学教师而言，可能都认为自己没有掌握系统的教学论，完全是凭着教学经验以及考试指向实施教学的. 但实际上，只要站在讲台上进行教学，就一定受教学论的支配. 班级授课制下的我国初中数学课堂教学有着明显的凯洛夫教学论的影子. 而强调脑科学理論能够奠定教学论的基础，是因为人的记忆思维等主要学习活动，都是受大脑活动支配的，而脑科学的研究表明，这种支配活动更多的与大脑中的不同部位有关，与不同部位的活跃程度有关，还会通过血液循环等活动表现出来. 比如有研究者研究学生在数学问题解决过程中左侧额前叶前部皮质的血红素变化情况，结果不同层次的学生就有着不同的变化.

    第二，脑科学研究成果可以引导日常教学的科学进行. 在脑科学的视角下，科学的课堂教学应当是符合大脑活动特征的. 在中国教育界有着很大影响的“多元智力理论”提出了人的大脑至少有8种智力，其直接对应着学习中的语言、音乐、逻辑、空间、运动、人际、自然等方面，而且指出学校教学往往只侧重于语言与逻辑数理能力的培养，对其他能力的培养不够. 事实上很少有人意识到，多元智力理论原本也是脑科学研究的成果，作为一种学说，其也正成为包括初中数学学科在内的基础性教学理论.

    再回到日常教学中，教师最强调学生的思维与记忆，看起来是在强调学习过程中必须背、必须想，但事实上思维、学习与记忆是大脑主要的高级神经功能活动的过程，从脑科学的角度认识学生在学习过程中的这些思维活动，往往更能够触摸到教学的真谛.

    初中数学教学中渗透脑科学理论的教学案例

    目前脑科学研究的范围几乎覆盖了学生在学习中的所有活动，这些活动从心理学的角度来讲，是认知活动，而再用脑科学理论去看这些认知活动，又可以认为大脑的这些高级认知功能是由广泛分布的神经元网络来实现的. 例如视觉性想象，除了激活视皮层外，还有顶叶、左半球后部外侧区等其他脑区参与，而语言信息的处理主要通过3群相互作用的神经结构来进行. 这里不妨以一则案例来说明初中数学教学活动中如何进行脑科学理论的渗透.

    “图形在坐标系中的平移”是沪科版初中数学初二上册的内容，从学生学习的角度来看，其中的一个关键环节就是让学生在平面直角坐标系上平移三角形，从教学手段运用的角度来看，教师的选择是多元的：可以用PPT中最基本的平移功能，可以用Flash制作动画，还可以借助其他应用软件来显示三角形平移过程中顶点的坐标变化等.

    从教学实践的角度来看，这些教学手段的运用，确实可以帮学生建立起图形在坐标系中平移的表象，从而收到较好的教学效果. 那么从脑科学理论的角度，这样的教学设计是怎样体现出脑科学规律的呢？而如果在教学设计的时候思考这个问题，这个问题则又可以变成：如何在学生的学习过程中渗透脑科学的理论呢？根据笔者对脑科学规律的初步认识，这里至少有两点值得研究：一是图形在平面直角坐标系上的平移;二是图形在平面直角坐标系上平移时的参数（坐标）变化.

    事实上，学生在小学阶段就已经学过平移与旋转，图形在平面直角坐标系上的平移，本质上是图形的平移与平面直角坐标系叠加的结果，因而学生在“图形在坐标系中的平移”这一言语的刺激之下，大脑中会将图形与平面直角坐标系叠加起来，然后通过想象去建构一个动态的情境——从多元智力理论的角度来看，这实际上就是空间智力的体现. 而对于自身认知系统中缺乏相关素材的学生而言（经验表明，学困生中多数学生对“平移”的概念印象不够深，难以直接调出应用），就会形成学习上的障碍，因此在教授此知识之前，帮学生回忆“平移”的概念是非常必要的. 类似的，表象建构过程中，现代教学手段的运用之所以能够起作用，是因为多媒体所提供的声、光刺激，可以激活学生的视觉与听觉通道——对应着不同的脑区，教学设计应当考虑这些通道如何才能得到有效的刺激. 对于平面直角坐标系中图形的移动，需要提供的则是更高层次的思维活动或者说是脑活动，比如图形平移之后与平移之前的位置变化体现在哪里？对于这个问题的解答，实际上就是从“数”的角度去描述“形”，其必然需要“坐标”的参与，于是经验视角下的“数形结合”就对应着脑科学中的新知建构. 即当学生尝试用三角形顶点坐标的变化去描述三角形在平面直角坐标系中平移的具体情形时，大脑中有两个活动：一是控制视觉输入的双眼所接收到的三角形的移动，在“双眼竞争”原理的支配下，准确地输入现代教学手段所呈现的内容;二是坐标的变化对应着大脑中工作记忆的编码，促进了学生将感知范围内的图形平移，上升为思维加工的图形平移的量化表达.

    利用脑科学理论指导初中数学教学的可能性

    由上述案例思考脑科学理论在初中数学教学中的渗透，并思考以脑科学理论来指导初中数学教学的可能性，笔者以为还是有着非常广阔的前景的. 一方面，基于经验的教学理论需要修正，从脑科学的角度寻找教学的规律，显然要比经验总结更加贴近教学的本质;另一方面，数学学科本身是非常重视规律的，数学规律往往是致力于数学研究且非常具有智慧的人大脑思维的产物，初中生虽然不是每个人都具有数学家那样智慧的大脑，但遵循大脑活动的规律进行学习，显然更能够达成提高教学效率的目标.

    当然，脑科学运用面对的挑战也是不容忽视的，一线教师实际上更多的是受自身教学经验的支配的，而考试所发挥的指挥棒作用，几乎影响着包括数学教师在内的所有教师的教学行为，在这样的背景下，不要说脑科学，就是基于学习行为研究的心理学也在相当一部分教师的视野之外. 如何让脑科学真正走近初中数学教师进而指导教师的教学，存在着不小的困难. 当然，此处强调困难的存在，更多的是为了理性地认识脑科学规律，从而让教师能够切实地探寻到其与数学学科教学的联结点.

    其实，初中数学教学作为学科教学之一，本身是无法脱离教学这一大的框架的，教学本身所遵循的脑科学规律，自然也就适用于数学学科. 在对学习的研究中，脑科学可以教会人们按照脑的特性，对不同人群进行针对性的“学习”与“教育”活动，从而培养人们的创造性，激发人们的热情，提高人们的适应能力，为人类的安宁和幸福做出贡献. 而作为基础性学科之一的数学学科教学，理应在初中学生成长的过程中发挥其应有的指导性作用.