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1、脑科学研究对生物学教学的启示1脑科学的定义 在19世纪,脑科学是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平的变化过程,以及这些过程在中枢神经系统内的整合作用而进行的研究,因此也称神经科学。随着脑科学所取得的研究成果不断地为教育科学所应用,脑科学的定义也逐渐增添出教育色彩。现在人们普遍认为,脑科学是研究各种状态下人脑结构与功能及其作用机理的一门综合性科学,与心理学、教育学以及创造学等学科有着密切联系和交叉渗透。脑科学定义的演变揭示了脑科学研究的发展历程。 2脑科学的研究历程 19世纪人类开始认识脑。西班牙医学家卡哈尔发现,神经元是神经系统的结构和功能单位,由细胞体、树突和轴突组成。当有信息刺激时,树突
2、接受信号,并向胞体传送,经过整合后到达轴突。随后研究发现,神经元和神经元之间的信息是通过突触传递的。然而,这些认识只局限于医学尝试,并未运用到教学实践中。 真正开始把脑科学与教育联系起来的是20世纪初巴甫洛夫的“经典条件反射说”和斯金纳的“操作条件反射说”,这两项脑科学成果在教学上的应用产生了早期的程序教学模式。20世纪60年代,斯佩里及其学生提出“大脑两半球功能分工说”,认为左半脑侧重于抽象思维,右半球侧重于形象思维,二者分工协作。奈德?赫曼整合了斯佩里的研究成果,于70年代后期提出大脑具有逻辑型、组织型、交流型和空想型四大思维类型的“全脑模型说”。80年代,加德纳提出“多元智力结构说”,认
3、为脑高级功能的生理基础主要是后天形成的并具可变性,不存在先天预成的智力,也不存在单一性的智力,心智的结构是多元的,且都在大脑中有相应的位置。90年代,勒杜的情商说表明了情感在人类学习中有不可低估的功效,使情感教育成为学校教学的重要主题之一。同期,凯恩夫妇出版创造联结教育与人脑,总结出适于脑的12条学习原则,从此掀起了把脑科学的研究成果运用到教育教学实践中的热潮。 20世纪90年代至今,随着大脑研究技术的创新,脑科学已成为当代国际重大的前沿研究领域。美国的“脑的十年”计划、欧共体的“EC欧洲脑十年”计划、日本的“脑科学时代”计划等相继涌现。21世纪初,中国成立了“脑科学与认知科学”中心,提出“脑
4、功能及其细胞和分子基础”研究项目,并将此列入了国家的“攀登计划”。 3脑科学研究对生物学教学的启示 脑科学的新发现不断地粉碎陈旧的思维定势所设置的藩篱,改变着人们对以自身作为对象的教育活动的看法。在生物学教学中,教师适时适度地运用脑科学知识,能够有效地激发学生求知潜能,优化课堂教学结构,提高课堂教学效能。 3.1依据脑科学,构建章节概念图,创设生物学知识的关联 信息加工理论认为,学习实质上是由习得和使用信息构成的。由脑科学研究可知,神经元是机体的沟通者,当信息刺激时,一个神经元的树突接受信号,向胞体传送,经整合后由轴突传出,再通过突触传递到另一个神经元。个体每获得一个新的信息,其神经网络便形成
5、一个新的联结。然而,并非所有的的信息都会引起人脑的注意,只有当信息与个体已有知识相互加工后,才会表现出意义倾向,从而引起相应神经元结构的联结。生物学教师应充分利用这一点,比如将学生已习得的相关知识引入新的教学内容中,积极扩充学生的知识网络。若不能从学生的经验中找到相应的成分来建立意义时,则可以人为创造关联,如构建概念图。 概念图是一种表征、修正、完善知识的认知工具,将各种概念及其关系以类似于脑对知识存储的层级结构形式排列,清晰地揭示了意义建构的实质。生物学教师可以通过梳理教材知识,构建出章、节概念图,并将其整合到课堂教学中,帮助学生在言语表征的基础上建立起概念之间关系的意象。例如,在学习“种群
6、的特征”一节时,教师可以利用“种群的特征”概念图辅助教学,如图1。 在生物学教学中,教师还可以运用深入浅出、简明扼要的概念图形式引导学生根据自己对所学知识的理解构建概念图。通过绘制概念图,学生主动参与知识的回顾与提炼过程,整合新旧知识,建构知识网络,优化认知结构。 3.2依据脑科学,采用多种教学方式,促进课堂有效教学 个体主要通过五种感觉器官从环境中获取信息。但是,这五种感觉器官对个体的学习作出的贡献并不均等。几乎每个人都有感官偏好,即更倾向于用一种或两种感觉器官收集信息。美国的脑科学研究发现,当今的学生中接近一半是视觉偏好者,1/5的学生属于听觉偏好者,1/3以上的学生属于知觉一触觉偏好者。
7、可见,不同的学生有不同的学习风格,他们在学习概念、技能时存在着天生优势和偏好差异。当然感觉偏好并不意味着学生只用一种感觉通道。因此,多感觉通道、多变化的教学方式往往能取得更好的效果。例如,在学习“细胞器”时,教师可以展示内质网、核糖体、高尔基体等细胞器的模式图,以此为载体,讲解各细胞器的结构与功能。通过观察各细胞器在细胞中的分布位置,学生直观理解“蛋白质在核糖体中合成,经过粗面内质网的细管,在其末端形成小泡,移动到高尔基体,并由高尔基体输送到细胞内或细胞外目的地”的过程。这种视觉图像法的教学方式,可以满足视觉偏好学生的需求。又如,在学习“孟德尔定律”时,教师可以播放“孟德尔杂交实验”动画,介绍
8、分离定律和自由组合定律。之后,分给每组学生4个信封和20张卡片,要求学生利用这些材料动手模拟一对相对性状和两对相对性状的杂交实验。这不仅在视觉和听觉上给学生以信息刺激,还为学生搭建了运用知觉一触觉学习的平台,利于学生多感觉通道的打开,满足了绝大部分学生的感官需求。 3.3依据脑科学,采取适于脑的评价,给予学生正确反馈 脑科学研究发现,脑高级功能的生理基础主要是后天形成的并具可变性,不存在先天预成的智力,也不存在单一性的智力。由此,加德纳提出“多元智力理论”,批判了“智力是以语言能力和数理一逻辑能力为核心构成的”传统观点,并将智力分为八类言语一语言智力、逻辑数理智力、身体动觉智力、自知自省智力、
9、交往交流智力、音乐节奏智力、视觉空间智力、自然观察智力。多元智力理论的提出,推动了教育范式的变更。随着教育范式向教授更有意义的概念和技能转变,教育评价也必须改变其呆板的标准化测验方式,增添多种渠道的替代性评价方式,确实考查学生在知识、能力和情感目标上的达标情况。 如教师可采用二段式测验对学生的知识学习进行评价,弥补传统标准化测验无法揭示学生如何思考的弊端。下面以“光合作用”内容为例。 例生长在较弱光照条件下的植物,当提高C02浓度时,光合作用强度并未随之增加,主要限制因素是(光反应或暗反应)。 理由光反应为暗反应提供的ATP和NADPH有限; 光反应需要光,与二氧化碳浓度无关; 在较弱光照条件下,暗反应发挥主要作用; 光照不足,光反应形成的葡萄糖很少,光合作用强度不高; 其他_。 这种测验方式,不仅可以测出学生是否知道“光反应”和“暗反应”两个概念,还能看出学生是否真正理解两个反应间的内在联系。这避免了学生因猜测而选对答案。理由中还设置了“其他”选项,学生可以自行填写,这也为选择题型增加了访谈性质。 另外,教师还可采取替代性评价,允许学生选择多种方式展示成果。如学习完“DNA的分子结构和特点”后,教师可以提供绳子或纸板等材料,建议学生制作出DNA的分子结构模型,以此检测学生对碱基互补配对原则和DNA双螺旋结构的掌握情况。第 7 页
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