“语言转化”学习困难的脑机制及其优化路径

摘" "要：基于30余年物理学科语言的实践研究，探索产生物理学习困难的脑机制。直观具体的自然语言向抽象的学科语言转化的信息传导，学科语言向定量、严密推理论证的数学语言转化的信息传导，及其相互整合联系过程中，信息传导受阻、减弱或整合联系断开，是产生学习困难的重要根源。优化脑学习的有效途径有“建立认知基础”“增强空间动态思维”“唤醒激活复杂真实情境”“进行不同类型语言转换分析”，以期在人工智能时代，运用“语言转化”脑机制实现物理学科科学学习。

关键词：学习困难；脑机制；语言转化；优化路径

中图分类号：G633.7 文献标识码：A " " 文章编号：1003-6148（2025）1-0005-3

对于大多数学生而言，从初中接触物理就觉得学习这门学科很困难，根本原因在于深度理解困难，人脑中对核心概念的深度理解源于语言信息的存储和表征，呈现多模态特征，以语言网络的形式广泛分布在大脑中，从而实现了大脑皮层的感知觉与运动系统之间密切而复杂的联系。基于30余年的物理教学实践研究发现，把解决物理问题的技能迁移变成真实情境中做事的能力，要有深刻的学科洞察，澄清基本概念，在真实情境、真实实践中激活对大概念的深度理解。在这个深度理解过程中，物理学科语言信息的加工过程涉及语义加工转化的两个系统，首先要攻克的难题就是揭示自然语言与物理学科语言的相互转化机制，以及物理学科语言与数学语言的相互转化机制。因此，有必要探究物理学习过程中与深度理解相关的“语言转化”的脑机制。

人工智能时代，语言的学习使用和相互转化备受关注，语言和根植大脑深处的思维紧密相连，揭示脑“语言转化”机制，解码产生学习困难的根源的研究正在成为新热点。

语言与大脑思维紧密相连，某种程度上，语言对大脑思维具有简化和促进作用，因而可以促进人们对科学知识的理解和解释。比如，在小学阶段，学生只学过算术语言，一旦进入初中学习了方程的解法以后，就可以通过列方程将复杂的思维过程转化为固定的代数运算。物理学科对研究对象的描述用到“质点、刚体”等科学、精细的学科语言，研究对象之间错综复杂的相互关系用到“弹簧振子”“理想气体”等物理模型。离开学科语言，仅凭直观，通常只能达到对事物表面或者宏观的认识，而很难达到对事物本质的认识。从这一层面来说，关注学科语言其实就是关注大脑思维，关注学生的表达，关注学生之间的相互理解，关注学生的意义赋予。

我们在研究自然科学时，除了使用日常语言（自然语言）外，还要使用学科语言。学科语言的作用在于将规律形式化、普遍化，为从事科学活动的人们之间进行交流提供了对话的平台，消极作用则在于抬高了准入的门槛，使得没有掌握学科语言或解码不同语言相互转化内在机制的人学习变得很困难，相反，深奥的物理变得深入浅出，容易被理解。

1" " 自然语言向学科语言转化的脑机制

人类在改造自然、认识自然、探索物理规律的过程中建立了一门独立的物理学科，具有一套独特的学科语言，如物理概念、物理符号、物理规律、物理公式、物理图像、物理模型等。例如，面对“铁块沉入水中”这样的物理现象，学生使用自然语言得出如下分析：是因为铁比水重。而物理语言则选择从物质的密度来加以说明。

从学习心理学角度来看，自然语言转化为物理语言的过程是如何发生的？皮亚杰认为，知识是个体在与环境交互作用的过程中逐渐建构的结果。物理语言形成了学生朴素表征的（自然的、生活的）物理认知结构（认知图式），而这种图式通过同化（assimilation）、顺应（accommodation）、不断地打破平衡（equilibration）的过程来实现认知的发展，从而形成新的认知结构与图式［1-2］，这就是物理语言的形成。这启发我们，物理教学应当从学生实验、生活实践中的物理现象着手，通过学生的观察、探究、与同伴合作学习等物理教学活动，并借助于不断地同化与顺应过程，真正改变学生的原有认知结构与图式（自然语言），使他们最终形成自己的“物理语言”。二者转化的难点在于，自然语言可能是对周围物理现象的一知半解、甚至是根本不懂物理的人传递的“虚假经验”，而这种概念在学生的大脑中是根深蒂固的，比如铁球和羽毛做自由落体运动时铁球先落地。这时，随着物理教学的深入，自然语言“前概念”的影响将逐渐消除［3］。

2" " 学科语言向数学语言转化的脑机制

如果我们把“物理语言”看作是人们对“物理事实、物理现象、物理问题”的定性（实体性）描述的话，“数学语言”则是人们对“物理事实、物理现象、物理问题”（其实数学描述的范围更广泛）的定量（抽象性）描述，要实现从“物理语言”到“数学语言”的转换，不仅需要人们进行“测量、定义、寻求关系、寻找守恒”等物理方面的努力，也需要人们借助“数学建模、数学处理”等数学方面的帮助。

数学语言的最大特点就在于其系统性和逻辑性，它可以将复杂的问题转化为简单的问题，可以将未知的问题转化为已知的问题，从而实现复杂思维向简单思维、个人思维、他人思维的转换，达到非常高的抽象程度，优点是对我们的世界给出科学的描述。与自然科学不同，人文科学和社会科学的思维则多为形象思维，而形象思维无常形，往往要随时间、地点、条件的变化而变化，这就使人文科学和社会科学研究中对前人或他人思维的依存度降低。调查表明，平常缺少或忽视学科语言向数学语言转化的训练是造成学生理解学科知识的主要障碍。为了突破学生的学科语言理解和应用障碍，教师需要通过有效示范、指导、对话、训练、反馈等，促进学生有效模仿、练习、交谈、书写、创生等，帮助学生真正实现从自然（生活）语言到物理（学科）语言、从物理（学科）语言到数学（学科）语言、从数学（学科）语言再回到自然（生活）语言的螺旋式上升，并达到更高的层次［4］。

3" " 物理学习困难的脑表现

物理是高中阶段最重要的学科之一，学习者既惊奇于物理学的博大、有趣，与科技、生活紧密相连，又惊诧于物理实验、计算的精深、严谨，思维方式的严密。学习者即使对理论清晰明了，但遇到实际问题时又茫然失措、无从下手。

对比研究揭示，我国中小学科学学习机会欠缺（尤其是小学段）［5］，物理教学活动中，不乏简单化、表层化的处理。例如，重知识结果，轻知识获取途径；重操作技能和步骤，轻建构解释、创建论证和为解释作辩论。偏重刷题、不求甚解、强化记忆，由此造成学生厌学、畏难情绪，这种现象确实相当普遍，许多学生的学习困难并不是出在物理思维上，而是出在数学思维、物理语言上。我们以计算机的大脑CPU信息传导过程进行类比，人的大脑语言信息传导受阻、减弱或整合联系断开，是学科语言的薄弱造成解决物理问题理解的困难。为此，有效教学需要在更微观的层面上深入学习脑科学，重视学生更内在、更本质的学科语言对认知结构的建构，探究科学学习的有效途径。

4" " 人工智能时代，优化脑学习的有效途径

“语言转化”之所以成为学科教育研究的新课题，与信息时代的特征密不可分。由于任何一门学科都有自己的语言体系，“一个人的智力发展和他形成概念的方法在很大程度上取决于语言”，解码“语言转化”的脑机制，有助于改善学习者语言信息传导受阻、减弱或整合联系断开等学习困难，提供针对性的优化路径。在人工智能时代，手机和互联网技术模拟人脑的思维，建立经验和理性的联系，在实验、计算、逻辑的基础上，探索个性化的、自适应的科学学习。

4.1" " 引入两种语言转化分析

加强对学科语言、数学语言、自然语言约定含义的深入了解，特别是对一些学科语言的表达方式、物理模型加深理解有助于解决“语言转化”学习困难。语言转化分析，开拓了科学学习新方法，具有统一整个科学知识和认知结构的功能，使得现实世界与科学世界、直观经验与模型建构、学科概念与实在意义，在语义分析的过程中内在地连成一体，形成把握科学学习的新视角。

4.2" " 开展积累性学习，激活“认知基础”

在解决物理问题过程中，总要有一个原有知识的激活阶段，然后通过同化或顺应过程重建新知识与原有知识结构之间的联系，使认知发展从一个平衡状态进入到另一个更高的发展平衡状态。显然，物理知识的累积是必要的，但这不是知识的简单叠加或知识的量变，而是在原有认知基础上加深理解，解决疑难、优化结构，最终形成质变。

4.3" " 通过视觉和非语言的形式呈现，增强空间能力、动态表征

抽象、深奥的物理规律，如电磁感应定律，将三维空间立体的表述体现在二维书本上，用“×”“○”分别表示小磁针垂直纸面向里或向外，我们用立体的右手定则增强学习者的空间理解能力。大量通过视觉获得的映象所涉及的正是空间领域的信息，语言与非语言编码以及知识的语义、情节和动作表征之间存在密切、丰富、强大的联系［6］，学习者需要努力建构丰富、多元的记忆表征，在行动中获得与个人的直接体验有意义的连接，增强物理知识的建构能力。

4.4" " 将学科话语和探究模式相整合，建构复杂性的深度学习

科学实践中，学习者面对的是基础性的真实任务，如探索桥的物理结构，具有实用性、复杂性、跨学科的整合性。学习者面对的可能是“桥塌了”等结构不良的问题。学习者需要建立力学模型，考虑各种影响因素，进行实验与计算，通过无数个详细的动态数据记录和批判性思考，寻找解决方案，以应对不确定世界中的动态变化与复杂挑战，在对科学知识的生产及科学本质深入理解的过程中，掌握科学方法的意义和运用，加强学习的迁移效应。

语言是知识发展的必然结果，学科语言不同程度地带有时代的印记和学科的印记，是人工智能以及若干潜在新学科的起点。海德格尔说：“语言乃存在的家园”，解码大脑思维中“语言转化”的内在机制，其目的是识别脑语言认知结构、构建脑有向连接模型、预测认知行为变化、构建思维过程表征等，促进科学学习，更好地理解世界存在的问题。

参考文献：

［1］维果茨基.教育心理学［M］.北京：教育科学出版社，1991.

［2］施良方.学习论［M］.北京：人民教育出版社，1994.

［3］廖伯琴，黄希庭.优差生解决物理问题的表征层次的实验研究［C］.第八届全国心理学学术会议文摘选集，1997：95-96.

［4］何善亮.有效教学批判［D］.南京：南京师范大学，2007.

［5］裴新宁.重新思考科学教育［J］.科学教育与博物馆， 2021（4）：272-277.

［6］廖小根，倪传斌.语言加工脑机制研究的自然取向［J］.现代外语，2021，44（11）：731-741.

（栏目编辑" " 赵保钢）