腦科學(xué)與科學(xué)教育 為什么需要圍繞大概念和模型來組織科學(xué)教學(xué)

　　科學(xué)研究作為一項(xiàng)重要的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)是一條連綿不斷的、始終充滿活力的長(zhǎng)河，但是它的發(fā)展不是漸進(jìn)改良式的，而是會(huì)間或出現(xiàn)激進(jìn)的飛躍式的變革階段，有的科學(xué)概念的建立會(huì)給科學(xué)的發(fā)展帶來革命性的變革，從而引起科學(xué)研究范式的轉(zhuǎn)移。這是上世紀(jì)60年代學(xué)者庫(kù)姆(Thomas S.Kuhn)在他所撰寫的《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》一書中提出來的觀點(diǎn)，并且成為學(xué)界的共識(shí)。
　　諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者費(fèi)曼(Richard Phillips Feynman)說過：“如果發(fā)生一場(chǎng)大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)都將被毀滅，只允許留下一句話給后代，如何能以最少的字句傳遞最重要的信息呢?我相信應(yīng)該是有關(guān)原子的假定：所有的物質(zhì)都是由原子組成的，這種小的微粒處于永恒的運(yùn)動(dòng)之中，它們相距不遠(yuǎn)時(shí)，相互吸引；而當(dāng)一者被塞入另一者之中時(shí)，相互排斥?！?br/>　　可見概念作為組織起來的科學(xué)知識(shí)，它們是有層次的。也就是說，有一些概念能夠解釋的客觀現(xiàn)象較少，可以稱它們?yōu)檩^小的概念；有的則更為抽象，建立在較小的概念之上，往往可以解釋更多的客觀現(xiàn)象，這些就是較大的概念。科學(xué)概念中有一些概念要比另一些概念能夠解釋更多的自然現(xiàn)象、甚至跨領(lǐng)域的自然現(xiàn)象。在人類的歷史上這些科學(xué)概念的建立也給科學(xué)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步帶來更大的影響。
　　我們需要選擇一些重要的概念來進(jìn)行學(xué)習(xí)也是實(shí)施探究式科學(xué)教育所必需的。學(xué)習(xí)同樣的內(nèi)容，與用傳統(tǒng)講授的方法相比，探究式科學(xué)教育需要的學(xué)習(xí)時(shí)間要長(zhǎng)，這就需要學(xué)習(xí)內(nèi)容更為集中。特別是在科學(xué)知識(shí)爆炸性增長(zhǎng)的今天，提高綜合解決問題能力的途徑不是簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展學(xué)習(xí)知識(shí)的內(nèi)容，而是要把知識(shí)組織得更為合理，學(xué)少一點(diǎn)，學(xué)得深一點(diǎn)。美國(guó)調(diào)查了8130個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，證明需要圍繞核心概念學(xué)得少一點(diǎn)、深一點(diǎn)，這樣做比學(xué)得寬一點(diǎn)，淺一點(diǎn)要好。因此美國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)公布了高中生畢業(yè)時(shí)，能夠進(jìn)入更高一級(jí)學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)該掌握的語(yǔ)文、數(shù)學(xué)等核心概念，科學(xué)的核心概念也將在日后不久進(jìn)行公布。
　　
　　來自學(xué)習(xí)科學(xué)研究的支持
　　
　　近30年來有關(guān)學(xué)習(xí)科學(xué)的研究，使我們了解了人們是怎樣學(xué)習(xí)的、怎樣能夠理解和掌握一些概念的，得出了一些十分重要的結(jié)論。為什么專家要比生手善于解決問題呢?就他們的知識(shí)結(jié)構(gòu)來看，有以下三方面的原因：①專家具有他們所熟悉領(lǐng)域的知識(shí)，而且能夠把這些知識(shí)和周圍的世界相聯(lián)系；②他們所具有的知識(shí)是有組織的，也就是說有清晰的概念和表達(dá)概念之間聯(lián)系的模型；③他們對(duì)自己的認(rèn)知過程能夠監(jiān)測(cè)，具有反思和元認(rèn)知的能力。
　　2002年“諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)”獲得者，普林斯頓大學(xué)的卡訥曼(Daniel Kahneman)教授畢生從事有關(guān)人決策行為的研究。他得到這樣的結(jié)論：人有兩類決策系統(tǒng)，第一類決策系統(tǒng)是直覺決策系統(tǒng)，第二類是推理決策系統(tǒng)(圖1)。直覺決策系統(tǒng)又分成兩種：一種依靠當(dāng)時(shí)的直接的感知來形成判斷。例如兒童在作判斷時(shí)，常常使用的是這種決策方式。兒童會(huì)憑借第一眼的印象，說：你是壞人或你是好人。情侶“一見鐘情”作出的抉擇常常會(huì)憑直覺像兒童那樣作判斷。在依靠直覺來進(jìn)行決策的另一種情況是需要建立在已經(jīng)獲得的概念和模型之上，也就是需要有了相應(yīng)領(lǐng)域的知識(shí)積累以后，在一種激情，或是特別沉浸的情緒狀態(tài)下，依靠直覺來進(jìn)行決策。這種類型的決策過程是快速的、平行和自動(dòng)的處理過程，常常需要啟動(dòng)聯(lián)想思維，而不需要有意識(shí)的搜尋。這個(gè)過程通常是不明晰的。這種直覺的決策過程需要建構(gòu)在已經(jīng)獲得的概念和模型之上。經(jīng)過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)積累，專家判斷他熟悉的專業(yè)問題時(shí)常常會(huì)啟動(dòng)這種直覺的決策過程。創(chuàng)新的思維也是一種直覺的思維過程，有時(shí)也稱之為靈感。靈感是不常出現(xiàn)的，而且是不能預(yù)期的，它不能刻意追求，也不能依靠簡(jiǎn)單的訓(xùn)練而獲得。另一類依靠推理判斷來決策的過程是一個(gè)較慢的、串聯(lián)的、可控的、費(fèi)力的、有規(guī)則可循的過程。這個(gè)過程是可以訓(xùn)練的，也就是我們通常的學(xué)習(xí)概念和模型的過程。這兩類的決策過程也會(huì)在解決問題時(shí)交替出現(xiàn)。但是，不管是直覺的決策還是推理判斷的決策，只要不是類似于兒童的、依靠當(dāng)時(shí)的感知信息進(jìn)行快速判斷的話，掌握概念和建立模型都是決策必要的基礎(chǔ)。學(xué)什么概念，如何建立模型必然會(huì)影響到?jīng)Q策判斷能力和創(chuàng)新能力。
　　認(rèn)知科學(xué)家研究了專業(yè)棋手和不是專業(yè)棋手在記憶棋譜能力上的區(qū)別。如果是正規(guī)的棋譜，專業(yè)棋手的記憶能力明顯比非專業(yè)人士要好得多。但是對(duì)雜亂擺設(shè)的棋子，專業(yè)棋手和普通人的記憶能力沒有明顯的差別。說明專業(yè)棋手之所以成為專才，是因?yàn)樗麄冊(cè)谟?xùn)練過程中形成了一些記憶的模型。這些模型在他們競(jìng)賽作決策時(shí)是起作用的。
　　
　　2011年美國(guó)《科學(xué)》雜志上刊登了日本科學(xué)家的一個(gè)十分有趣的研究結(jié)果。他們利用功能核磁共振成像，對(duì)日本將棋(Shogi)的專業(yè)棋手與業(yè)余棋手下棋過程中的決策行為進(jìn)行了研究。他們比較了兩類人，即專業(yè)選手和業(yè)余人士在下棋過程中作決策時(shí)的腦激活區(qū)域。得到的結(jié)果表明，專業(yè)選手和業(yè)余選手在看棋譜和做出下一步棋子移動(dòng)抉擇時(shí)，腦激活的區(qū)域是不同的。專業(yè)選手在作快速?zèng)Q策時(shí)，激活的腦區(qū)是位于邊緣系統(tǒng)中的基底核?；缀怂４娴挠洃浭欠顷愂鲂杂洃洠枰?jīng)過模仿、學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)的過程才能形成。說明專業(yè)選手在作快速?zèng)Q策時(shí)利用了一種當(dāng)時(shí)不需要意識(shí)控制的直覺的決策過程，依靠的是他們經(jīng)過長(zhǎng)期訓(xùn)練而習(xí)得的有關(guān)棋譜的某種模型，決策的正確度和速度與所訓(xùn)練的已經(jīng)掌握的棋譜知識(shí)有關(guān)。而業(yè)余選手激活的腦區(qū)則十分分散，他們需要啟動(dòng)前額皮層的工作記憶區(qū)，而且是否熟悉所見到的棋譜會(huì)影響他們的自信，從而影響取得的效果。這項(xiàng)研究對(duì)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)需要圍繞概念和模型來進(jìn)行，提供了有力的實(shí)證支