脑科学与美国小学科学课程改革新进展
南京师范大学教科院 郑洁
内容提要：目前，我国的科学课程改革正处于攻坚阶段，虽然在许多方面已经取得了很大的改观，但从总体上来看，改革所依托的心理学基础不够厚实，脑科学方面的理诊尤为薄弱。本文介绍了美国科学课程改革和脑科学之间的关系，希望通过此文，能对国内的科学教育改革有所启示。
关键词：科学课程建构联系
大脑——思维的器官，已经与生命、宇宙并列为三大科学之谜。在过去的一个世纪，特别是2O世纪90年代以来，关于脑研究的成果层出不穷、日新月异，特别是以脑科学为基础的学习科学取得了显著进展，并对世界各国的教育教学改革产生了影响。例如，历来十分重视基础科学教育的美国就以脑科学的有关理论为依托，对各个阶段的科学教育进行了全方位的改革，开发了诸如FOSS、STC、INsIGHTs等一系列科学教育项目。本文从脑科学研究在学习领域的应用角度出发，对美国小学科学课程改革新进展做一个简单的介绍。
在认知神经科学、认知心理学和人工智能等各领域内研究成果的支持下，一种新的学习观应运而生了。这一新理念对如何有效地设计课程以及怎样提高教学效率都产生了直接的影响。目前，关于学习本质的这一新观点已经在世界范围内得到了关注和认可。它描述了学习者如何从新手过渡到专家的最佳历程，有助于教育工作者理解促进学习发生的各个因素，并且为改善低效或者负效教学提供了新思路。其要旨可以简述如下：
学习者个体自主建构知识。
理解就是明确事物之间的关系。
关系的明确取决于先前所具有的相关知识。
1、建构知识
很多研究者都认为所有的知识和行为，无论是意识层次还是潜意识层次的，都是大脑所建构的复杂系统。大脑要建构知识和行为，当然必须要有原材料——即信息的输入。其获取信息的唯一途径就是身体五种感觉器官的感知活动。研究表明学习者并不只是橡镜子一样简单地反射出他们所听到的或者看到的信息，大脑也不会原封不动地储存某一事件的完整画面，或者说，它并不直接记录呈现在眼前的任何客体的情状。一个人所做、所见、所想或者所感都要经过大脑中复杂的储存与路径系统的加工。具体来说，它要把感觉器官对世界所进行的各种非言语感知结果和言语的各个方面都储存在不同的区域。比如形状、颜色与运动状态，名词与动词等等都有各自相应的位置。在将各种知觉结果纳入所属区域的同时，存储区内的各细胞之间就构筑起“路径”，即建立了联系，而这一过程其实就是使词汇、物体、事件及其相互之间关系以一种有序且相互交织的方式组织起来的过程。结果人类知识就以群集的形式储存在大脑中，并形成系统。在特定的场合，这些系统和路径就能被重新激活，而当语言——词汇和句法结构也参与这个组织过程中时，整个结构就成为抽象思维和问题解决的基础，进而帮助我们对相似或新异情境作出解释或推断。
由于呈现——告诉式的教学方法，比如讲演、演示和叙述课文等只能激活少量的大脑路径，美国的国家科学基金会力图建立运用多种感官以及以实验室操作为基础的科学与数学项目，他们所开发的这些项目都设计了丰富的学习环境，使得学生有可能处在一个有着多种多样联系的探究情境中，并做到尽可能充分地调动学生多种感官的参与。这就增加了学生建构有价值知识的机会以及发展其思维能力的可能性。比如，在处理“骨骼”这一原本枯燥乏味的内容时，课程一改以往“简单告诉”的方式，把主动权还给了学生：从通过摸来辨别自己身体各部位的骨骼数量开始，到认真察看人体骨骼的表征图，再到亲自动手组装骨骼模型，最后到仔细对照正确的骨骼模型，在多种感官的参与下，在多种刺激的作用下，大脑的储存和路径系统一直处于活跃状态，因此学生对骨骼的认识是真实清晰、完整深刻的。
2、领悟关系
学生大脑中知识的建构质量受三个因素的影响：学生的兴趣爱好、先前已有的知识以及环境刺激的丰富程度。因为学生具有探究、操作、验证和改变手头物体的能力，动手做的经历能够激起学生强烈的好奇心和求知欲，使其努力把新近感知到的结果与大脑储存系统中已经建构形成的结果联系起来，并利用先前经验去解释新信息。相比之下，文字材料比如课本，由于是一些抽象、不真实的符号，所以不能对之进行操作或验证，因此就无法取得上述效果。换言之，只有在学习者具备了与文字符号相关的经验性知识以后，才能理解符号的象征意义。例如，如果你向儿童呈现一个大大的黄色字母“M”，这个符号就会使他回忆起先前在麦当劳餐厅的一些经历。另一方面，由于通过阅读所获得的新知识实际上就是将先前知识，重新加以组合以后形成的新关系，因此在读者原有知识的基础上，作者能够帮助他们理解从来没有亲身体验过的抽象观念。但是如果读者原有的知识背景与阅读内容相关不大的话，他们就无法获得很多新信息。也就是说，让学生通过探究活动，有了相关的体验之后再安排阅读有关的文字材料就能取得事半功倍的效果。基于此，美国新近开发的、由国家料学基金会(NSF)赞助的小学科学计划，无论是FOSS还是STC项目，都在学生获得了一些经历和体验后再提供一些精选的阅读材料。越来越多的证据表明，这种课程设计不仅能通过修正、完善、强化学生的亲身体验，进而加深对某一主题的理解，而且还有助于发展学生的阅读能力、语言艺术和其他技能。
3、学习中联系和先前知识的重要性
新课程充分体现了如何使学生通过探究材料——包括物体和观念之间的关系，或通过巩固原有知识来建构自己知识的理念。比如，在一次科学探究中，学生要想尝试着使得具有一定形状(龙虾形状)的卡片能在手指上保持平衡。如前所言，学生执行任务的过程是大脑对各种新知觉信息进行归类，并在储存区内的细胞之间建立起新联系的过程，其实也就是新旧知识相互交织、相互作用的过程。
在这个活动中，当学生知道通过不断变化卡片上的夹子以改变它的重心位置时，就表明他们已经学会了使物体保持平衡的多种方法。具体说来，活动包括四个子任务，每一新的任务都包含两个目的：复习先前的知识结构，使之更为持久；提供一些能为原有知识所同化的新信息，从而丰富和扩充原有的认知结构。这一教学顺序对于帮助学生实现由新手发展为专家的目标起着关键性的作用。下面简单介绍一下这个活动的过程：
首先，要求儿童尝试在不用夹子的情况下，如何使卡片(龙虾形状)立于手指上，并在水平方向上保持平衡。然后要求学生如何通过使用夹子来使卡片的前端(龙虾的鼻子部位)立于指尖上，并在垂直方向上保持平衡，接着要求学生通过变化夹子的位置使卡片侧面的某个位置立于手指上，同样必须做到保持平衡；最后要求学生想办法使卡片的后部(龙虾的尾巴)平衡于手指上。在学生反复平衡卡片的过程中，他们一方面强化了先前所学的有关平衡的知识，同时，因为每一新的任务都增加了一些能够为大脑中已有系统所同化和吸收的新信息，于是，活动中隐含的模式就逐渐明朗化了。后面进行的几个子任务就称做复习。
新课程中的复习活动与练习不同。练习是指一遍又一遍的重复做同样的事情，以改善某个行为的过程。通过练习，行为的准确度、速度和效率都能得到提高，但不具有迁移性。而复习则是指人们以某种相似但不是相同的方式做某事，在解决新任务的同时巩固已经学过的内容。这些新任务保证了正在学习的知识不会受制于特定的任务情境，也就是说，能够提高知识的可迁移性和实用性。另一方面，复习过程强了大脑系统中各个储存区的联系。这些联系一旦得不到强化，就会逐渐消退或者分解。
随着平衡活动的推进，要求学生继续探究不同形状卡片(三角形、弧形)的平衡方法。接下来的每一任务都是循序渐进的，它们能够帮助学生将先前的学习迁移到新的情境中，直到学生们能够平衡自己的铅笔，创造出更复杂的运动物体，并能解释平衡的机理时为止。必须注意的是，学生先前所进行的各种活动都有两个作用：巩固原有知识；提高迁移力和加深理解，而此后的每个挑战都充分体现了学生在上述活动中所反复体验到的一组基本的、强有力的科学概念。所以，平衡活动使得学生能够将各种经验相互结合起来，最终以自己的方式主动建构了各自的知识。
4、有序的活动
传统的科学课程涵盖的面很广，但都是蜻蜓点水式的，多面不精，新课程遵循“一英寸宽，一英里深”的原则，将更多的时间集中在少数几个、但极有意义的主题上。然后随着年级的递增，新课程根据不同年龄段学生的能力发展水平及其构成要素不同，有序地更换主题。序列活动从一些随意的排列开始，这是人在出生以前就具有并将持续一生的学习能力：接着是一些简单的探究活动，需要运用比较和组织能力，这种能力形成于儿童早期，也将保持一生；然后是一些系统的探究活动，要求具备综合和相关的能力，大约在12岁的时候发展起来；而在高年级的课程中会逐步提高对灵活的抽象推理能力的要求。比如，作为美国三大科学教育项目之一的FOSS就根据学生所处的认知发展水平来设计相应的学习主题，以培养相应层次的思维技能。比如在幼儿园阶段安排了《纸》、《两两成对的动物》等较具象、与孩子生活很贴近的主题，促进其比较、交流、观察等初级思维能力的发展；而到了五、六年级，则给学生设计了《变量》、《地形》等较抽象的主题，并要求通过实验、验证、推理等更复杂的认知技能来建构较高级的概念。
新课程的基本策略，是按所涉及的概念发展的心理顺序来组织内容，并使这些概念相互交织、相互联结，最终构成一个更大的概念。它对每个知识以哪种形式、在哪个年龄段进行教学都根据学生的心理发展顺序作了精心的组织。在这一策略的指导下，课程设计的各种活动紧密相关、并指向同一个终极目标。所以，这一顺序策略保证了课程的完整性和一致性。新课程认为仅仅通过一节课或一次教学，学生无法习得任何重要的概念和观点。学生们必须经过多年的学习，积累了许多相关的经验以后，才能够理解诸如进化论、板块构造论、元素周期表等重大思想。即对于新课程来说，重要的是学习迁移的顺序，而不是年级或年龄水平。
新课程并不是要“加速”学生的发展或者是将高级概念“降级”，更早地下放到低年级的课程中去，它的目的是增加学习内容的实用性、有效性、相关性和趣味性，使学生能够随着年级的上升，通过将后来学习的知识与先前的知识相联系，逐步逐级地建构起对某一事物有关概念的理解。