教育神经科学视域下的物理概念教学研究

摘要：教育神经科学认为，学生并不是空着脑袋进入教室的，而是带着已有经验的。在学生的前概念中，正确的概念可以促进学生学习，而错误的概念则会干扰学生学习。因此，教师进行概念教学的研究能够提高课堂教学效率，让课堂变得鲜活有趣，促进学生更好地学习物理，帮助学生减负增效。

关键词：教育神经科学；物理教学；前概念

《义务教育物理课程标准（2022年版）》中强调了物理课程要培养的核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。位于首位的物理观念是从物理学角度所确立的对于物体、运动和相互作用、能量等内容的全面理解，是物理学概念与法则等在学生头脑中的精练和升华，是从物理角度阐释自然界现象和处理现实问题的重要依据。物理教师运用基于教育神经科学的物理教学方法，能够借助脑科学的力量解决物理概念教学的问题。

一、物理学科开展概念教学的理论依据

教育领域的大量研究文献指出，在教学中，想要让学生对一个概念完全地理解是非常困难的，错误观念的更正更为困难。学生对物理知识的概念理解大多是根据自己的生活经验，而其中有很多错误的经验会干扰他们的物理学习。这些概念通常被称为先入为主的概念、错误的概念或简单的初始概念。无论用哪一个词语来描述，这些概念都是指学生的现有观念与正确物理观念之间的对立。例如，在人教版物理教材八年级下册第十章“浮力”的教学中，教师发现学生认为质量轻的物体会浮起来，而重的物体会沉下去。这是因为他们在评估浮力时只考虑了质量因素，而没有考虑到体积这个因素。

虽然物理学科是学生从初中开始学习的基础科学之一，但对物理知识概念的大脑基础的研究却很少。目前教育神经科学的研究开始填补这一空白。从表面上看，物理的知识学习只是学习的新概念定义。然而，物理概念与具体的名词、动词，甚至简单的抽象概念在性质上都是不同的。物理概念需要新的公式，超越已知类别的知识，包括抽象概念、数学计算，以及复杂知识的分析与整合。有研究者通过使用磁共振功能成像（fMRI）来评估物理概念（动量、能量等）的神经表征，使用因子分析来减少激活维度的数量，得到了四个物理相关的因子，这些因子被映射到体素集上。这四个因素可解释为因果运动可视化、周期性、代数形式和能量流。研究者发现这四个物理因素激活的位置完全不同，只有少部分重合。所以想要真正让学生完全理解一个新的物理概念非常困难，不只是训练单一脑区就能实现的。

在物理教学中，教师期望学生的错误观念能够完全被更正，但是实际上，学生即使获得了科学知识后，其直觉上的误解仍然存在于大脑中。而针对物理学习背景下的冲突监测和抑制技能进行教育干预是有意义的。所以，如果教师在教学中发现无法帮助学生改正错误观念的时候，不如在教给学生正确的概念后，再教给学生抑制错误概念的方法。例如，学生在面对三个物体叠加匀速直线运动的问题时，很难理解中间不受推力的物体所受摩擦力为0，学生会下意识地认为，中间物体一定是受到摩擦力了。教师可以帮助学生建立遇到受力问题时，先进行受力分析的固定思维模式。当学生发现如果中间物体受到摩擦力便无法保持匀速直线运动时，就能够抑制错误的观念了。

二、教育神经科学视域下物理概念教学的实践策略

一是注重脑科学理论的融入。根据教育神经科学的研究，教师可以理解和应用有关学习和记忆的神经过程，以及大脑在物理概念理解与应用中的作用。通过这种方式，教师可以更好地了解学生的学习方式和需要，设计更有效的教学方法与策略。

二是考虑学生的认知水平。不同年龄和认知水平的学生对物理概念的理解与应用可能存在差异。因此，教师需要考虑学生的认知发展水平，并借助教育神经科学的知识，设计适合学生个体差异的教学内容和任务。例如，低学段学生更适合通过实物模型和故事情境来学习物理概念，而高学段学生需要更多的数学和逻辑推理来理解与应用物理概念。

三是强调理解和记忆的学习策略。教育神经科学的研究揭示了一些有效的理解和记忆策略。教师可以应用这些策略来帮助学生更好地理解和记忆物理概念。例如，通过使用多感官教学法，将听觉、视觉和触觉等多种感官输入结合起来，可以加强学生对物理概念的理解和记忆。

四是提供实践和应用机会。根据教育神经科学的研究，当学生有机会将所学知识应用到实际情境中时，其学习效果更好。因此，在物理概念教学中，教师应向学生提供实践和应用机会，如实验、探究等。

三、教育神经科学视域下物理概念教学的设计案例

（一）课前测试

在学习新的物理概念之前，物理教师可以采用诊断性测试来了解学生头脑中的前概念，同时激发学生的独特思维模式。很多教师困扰于课堂开始时很难立刻抓住学生的注意力，那么在进行课前测试的同时就要及时反馈。美国心理学家波斯纳提出了一个早期的概念变化理论，描述了学习者用以前的概念吸收或适应新信息的过程；要使概念发生变化，学习者必须对他们现有的概念感到不满，并发现新的概念是易于理解、合乎逻辑且具有实际效果的。当面对与自己的前概念不同的问题时，学生头脑中与错误检测、冲突监测和抑制相关的区域，包括背外侧前额叶皮层（DLPFC）和前扣带回（ACC）的背侧区域被激活，注意力资源也将重新分配，学生会不自主地将注意力集中到这个问题的学习中，那么教师困扰的问题也就迎刃而解了。

例如，关于“力”一课教学的课前测试问题可以主要围绕力的概念、力的作用是相互的两个知识点来展开。例如：“你认为什么是力？”“力可以凭空存在吗？”“鸡蛋和石头相碰，会发生什么呢？是为什么呢？你认为谁受到的力大呢？”“滑轮滑的人推墙时，反而自己会倒退，这是由于什么原因呢？”

（二）课前引入

在积极的情绪下，学生的自我调节能力能够有效地转化为促进学业成绩提升的因素。当学生进行体育运动时，大脑会产生多巴胺、血清素和去甲肾上腺素，这些能够提升学生的记忆力、专注力等。

例如，“力”这节课引入的运动为中国传统运动“大象拔河”——两名学生分别趴在场地两端，两人的脖子上套上同一根长绸布，分别向相反的方向拉爬，拉过指定区域者即为胜出。通过这样充满趣味的课前活动，学生的情绪是积极的，其能直接感受到力的作用是相互的，从而增强认知的灵活性，提高解决问题的效率，进而促进后续的学习。

（三）新课讲授

初中生的前概念基本上是在日常生活中慢慢形成的，以真实问题或亲身体验作为学习案例，可以让学生产生一定的真实感和亲切感。因此，教师在教学中应采用实际操作的任务或者构建相似的场景，让学生依照他们对之前知识的领悟，去预估在试验或者行为过程中所遭遇的问题和挑战，并根据自己的理解对现象进行解释；同时，由于学生具有社会性学习特性，可以让学生在小组中进行辩论，使他们脑海中原有的图式产生冲突，并强烈意识到自己错误的前概念的存在。而且，每个人的前概念都是独一无二的，图式的差异性使我们能够全方位地纠正错误的前概念。在学生成为课堂的中心的同时，教师也需要引领课堂，在适当的时机进行调整，指导学生用正确的物理概念来解决现有的问题。

在“力”这节课中有一个重要的任务是让学生认识不同的力。亲身体验能够显著提高学习效果。例如：用手举起水桶、拎起水桶、推动水桶、拉动水桶等，学生可以感受到不同形式的力；推门时，手接触门的不同地方容易程度也不同，学生可以感受到力的作用点不同会影响力的作用效果；两名学生坐在带有轮子的椅子上互相推动，其可以感受到力的作用是相互的。通过以上的亲身实践，学生能很好地理解对应的物理概念，同时教师要及时地让学生进行总结，从而形成新的图式，进入长期记忆。

（四）随堂测试

心流体验是一种最佳的情绪体验。反馈会让学生慢慢进入心流状态，保持很高的积极性，他们将更加热衷于参与下一轮的学习。由于“力”这节课知识点不涉及计算，教师可以设置选择题，反馈速度快。

教育神经科学研究发现，竞争能够影响学生的学习动机。参与竞争过程的关键大脑区域包括杏仁核、海马体、前扣带回和背外侧前额叶皮层。在这些区域中，杏仁核主要是对竞争引发的情绪反应进行评估；海马体主要是编码和储存竞争中的胜负情况；前扣带回主要是处理编码竞争需要付出的努力信息；背外侧前额叶皮层主要是个体评估自己和竞争对手的能力。

竞赛获胜能够明显增强个人的内驱力，从而有效地优化其行为；竞赛失败虽然会减少个人的内驱力，但也会使个体在后续的任务中表现出更加强烈的内在动机。因此，教师需要进行至少两轮的检测，这样第一次输的小组学生能在修正自己的错误观念后体验成功，教师也能确定学生错误的前概念是否已经被完全修正。

（五）课堂小结

学生只有具备一定的思维与逻辑能力，才能学好物理。鉴于物理学涵盖诸多抽象内容及复杂概念，加之初中生处于主要依赖形象思维的阶段，教师在授课过程中应着重加强对学生思维的引领。

思维导图作为一种高效的可视化工具，其能将复杂文字转化为直观图像，表现出显著的优势。学生运用此工具，能够更具体地感知、整理所学内容，从而清晰把握知识点间的内在联系。教师可以鼓励学生亲自动手绘制思维导图，以个性化方式总结知识，将思维过程图形化，促使知识真正内化于心。同时，通过反复强调并巩固新的、正确的物理概念，可增强学生大脑中的海马体对这些概念的记忆深度，有效防止信息的快速遗忘，为学生的物理学习奠定坚实基础。

参考文献：

［1］王全.基于镜像神经机制的高中生物学体验式教学策略研究与实践［D］.济南：山东师范大学，2023.

［2］刘哲雨，周继慧，周加仙.教育神经科学视角下促进心流体验的智慧教学活动设计［J］.现代教育技术，2022（7）.

［3］裴冠雄.竞争对内在动机的影响研究：来自认知神经科学的证据［D］.杭州：浙江大学，2018.

（责任编辑：赵昆伦）