“語言轉(zhuǎn)化”學(xué)習(xí)困難的腦機(jī)制及其優(yōu)化路徑

摘" "要：基于30余年物理學(xué)科語言的實(shí)踐研究，探索產(chǎn)生物理學(xué)習(xí)困難的腦機(jī)制。直觀具體的自然語言向抽象的學(xué)科語言轉(zhuǎn)化的信息傳導(dǎo)，學(xué)科語言向定量、嚴(yán)密推理論證的數(shù)學(xué)語言轉(zhuǎn)化的信息傳導(dǎo)，及其相互整合聯(lián)系過程中，信息傳導(dǎo)受阻、減弱或整合聯(lián)系斷開，是產(chǎn)生學(xué)習(xí)困難的重要根源。優(yōu)化腦學(xué)習(xí)的有效途徑有“建立認(rèn)知基礎(chǔ)”“增強(qiáng)空間動(dòng)態(tài)思維”“喚醒激活復(fù)雜真實(shí)情境”“進(jìn)行不同類型語言轉(zhuǎn)換分析”，以期在人工智能時(shí)代，運(yùn)用“語言轉(zhuǎn)化”腦機(jī)制實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科科學(xué)學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)困難；腦機(jī)制；語言轉(zhuǎn)化；優(yōu)化路徑

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " 文章編號(hào)：1003-6148（2025）1-0005-3

對(duì)于大多數(shù)學(xué)生而言，從初中接觸物理就覺得學(xué)習(xí)這門學(xué)科很困難，根本原因在于深度理解困難，人腦中對(duì)核心概念的深度理解源于語言信息的存儲(chǔ)和表征，呈現(xiàn)多模態(tài)特征，以語言網(wǎng)絡(luò)的形式廣泛分布在大腦中，從而實(shí)現(xiàn)了大腦皮層的感知覺與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間密切而復(fù)雜的聯(lián)系?；?0余年的物理教學(xué)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，把解決物理問題的技能遷移變成真實(shí)情境中做事的能力，要有深刻的學(xué)科洞察，澄清基本概念，在真實(shí)情境、真實(shí)實(shí)踐中激活對(duì)大概念的深度理解。在這個(gè)深度理解過程中，物理學(xué)科語言信息的加工過程涉及語義加工轉(zhuǎn)化的兩個(gè)系統(tǒng)，首先要攻克的難題就是揭示自然語言與物理學(xué)科語言的相互轉(zhuǎn)化機(jī)制，以及物理學(xué)科語言與數(shù)學(xué)語言的相互轉(zhuǎn)化機(jī)制。因此，有必要探究物理學(xué)習(xí)過程中與深度理解相關(guān)的“語言轉(zhuǎn)化”的腦機(jī)制。

人工智能時(shí)代，語言的學(xué)習(xí)使用和相互轉(zhuǎn)化備受關(guān)注，語言和根植大腦深處的思維緊密相連，揭示腦“語言轉(zhuǎn)化”機(jī)制，解碼產(chǎn)生學(xué)習(xí)困難的根源的研究正在成為新熱點(diǎn)。

語言與大腦思維緊密相連，某種程度上，語言對(duì)大腦思維具有簡化和促進(jìn)作用，因而可以促進(jìn)人們對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解和解釋。比如，在小學(xué)階段，學(xué)生只學(xué)過算術(shù)語言，一旦進(jìn)入初中學(xué)習(xí)了方程的解法以后，就可以通過列方程將復(fù)雜的思維過程轉(zhuǎn)化為固定的代數(shù)運(yùn)算。物理學(xué)科對(duì)研究對(duì)象的描述用到“質(zhì)點(diǎn)、剛體”等科學(xué)、精細(xì)的學(xué)科語言，研究對(duì)象之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互關(guān)系用到“彈簧振子”“理想氣體”等物理模型。離開學(xué)科語言，僅憑直觀，通常只能達(dá)到對(duì)事物表面或者宏觀的認(rèn)識(shí)，而很難達(dá)到對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。從這一層面來說，關(guān)注學(xué)科語言其實(shí)就是關(guān)注大腦思維，關(guān)注學(xué)生的表達(dá)，關(guān)注學(xué)生之間的相互理解，關(guān)注學(xué)生的意義賦予。

我們?cè)谘芯孔匀豢茖W(xué)時(shí)，除了使用日常語言（自然語言）外，還要使用學(xué)科語言。學(xué)科語言的作用在于將規(guī)律形式化、普遍化，為從事科學(xué)活動(dòng)的人們之間進(jìn)行交流提供了對(duì)話的平臺(tái)，消極作用則在于抬高了準(zhǔn)入的門檻，使得沒有掌握學(xué)科語言或解碼不同語言相互轉(zhuǎn)化內(nèi)在機(jī)制的人學(xué)習(xí)變得很困難，相反，深?yuàn)W的物理變得深入淺出，容易被理解。

1" " 自然語言向?qū)W科語言轉(zhuǎn)化的腦機(jī)制

人類在改造自然、認(rèn)識(shí)自然、探索物理規(guī)律的過程中建立了一門獨(dú)立的物理學(xué)科，具有一套獨(dú)特的學(xué)科語言，如物理概念、物理符號(hào)、物理規(guī)律、物理公式、物理圖像、物理模型等。例如，面對(duì)“鐵塊沉入水中”這樣的物理現(xiàn)象，學(xué)生使用自然語言得出如下分析：是因?yàn)殍F比水重。而物理語言則選擇從物質(zhì)的密度來加以說明。

從學(xué)習(xí)心理學(xué)角度來看，自然語言轉(zhuǎn)化為物理語言的過程是如何發(fā)生的？皮亞杰認(rèn)為，知識(shí)是個(gè)體在與環(huán)境交互作用的過程中逐漸建構(gòu)的結(jié)果。物理語言形成了學(xué)生樸素表征的（自然的、生活的）物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)（認(rèn)知圖式），而這種圖式通過同化（assimilation）、順應(yīng)（accommodation）、不斷地打破平衡（equilibration）的過程來實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的發(fā)展，從而形成新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與圖式［1-2］，這就是物理語言的形成。這啟發(fā)我們，物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)從學(xué)生實(shí)驗(yàn)、生活實(shí)踐中的物理現(xiàn)象著手，通過學(xué)生的觀察、探究、與同伴合作學(xué)習(xí)等物理教學(xué)活動(dòng)，并借助于不斷地同化與順應(yīng)過程，真正改變學(xué)生的原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)與圖式（自然語言），使他們最終形成自己的“物理語言”。二者轉(zhuǎn)化的難點(diǎn)在于，自然語言可能是對(duì)周圍物理現(xiàn)象的一知半解、甚至是根本不懂物理的人傳遞的“虛假經(jīng)驗(yàn)”，而這種概念在學(xué)生的大腦中是根深蒂固的，比如鐵球和羽毛做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)鐵球先落地。這時(shí)，隨著物理教學(xué)的深入，自然語言“前概念”的影響將逐漸消除［3］。

2" " 學(xué)科語言向數(shù)學(xué)語言轉(zhuǎn)化的腦機(jī)制

如果我們把“物理語言”看作是人們對(duì)“物理事實(shí)、物理現(xiàn)象、物理問題”的定性（實(shí)體性）描述的話，“數(shù)學(xué)語言”則是人們對(duì)“物理事實(shí)、物理現(xiàn)象、物理問題”（其實(shí)數(shù)學(xué)描述的范圍更廣泛）的定量（抽象性）描述，要實(shí)現(xiàn)從“物理語言”到“數(shù)學(xué)語言”的轉(zhuǎn)換，不僅需要人們進(jìn)行“測量、定義、尋求關(guān)系、尋找守恒”等物理方面的努力，也需要人們借助“數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)處理”等數(shù)學(xué)方面的幫助。

數(shù)學(xué)語言的最大特點(diǎn)就在于其系統(tǒng)性和邏輯性，它可以將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為簡單的問題，可以將未知的問題轉(zhuǎn)化為已知的問題，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜思維向簡單思維、個(gè)人思維、他人思維的轉(zhuǎn)換，達(dá)到非常高的抽象程度，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)我們的世界給出科學(xué)的描述。與自然科學(xué)不同，人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的思維則多為形象思維，而形象思維無常形，往往要隨時(shí)間、地點(diǎn)、條件的變化而變化，這就使人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)研究中對(duì)前人或他人思維的依存度降低。調(diào)查表明，平常缺少或忽視學(xué)科語言向數(shù)學(xué)語言轉(zhuǎn)化的訓(xùn)練是造成學(xué)生理解學(xué)科知識(shí)的主要障礙。為了突破學(xué)生的學(xué)科語言理解和應(yīng)用障礙，教師需要通過有效示范、指導(dǎo)、對(duì)話、訓(xùn)練、反饋等，促進(jìn)學(xué)生有效模仿、練習(xí)、交談、書寫、創(chuàng)生等，幫助學(xué)生真正實(shí)現(xiàn)從自然（生活）語言到物理（學(xué)科）語言、從物理（學(xué)科）語言到數(shù)學(xué)（學(xué)科）語言、從數(shù)學(xué)（學(xué)科）語言再回到自然（生活）語言的螺旋式上升，并達(dá)到更高的層次［4］。

3" " 物理學(xué)習(xí)困難的腦表現(xiàn)

物理是高中階段最重要的學(xué)科之一，學(xué)習(xí)者既驚奇于物理學(xué)的博大、有趣，與科技、生活緊密相連，又驚詫于物理實(shí)驗(yàn)、計(jì)算的精深、嚴(yán)謹(jǐn)，思維方式的嚴(yán)密。學(xué)習(xí)者即使對(duì)理論清晰明了，但遇到實(shí)際問題時(shí)又茫然失措、無從下手。

對(duì)比研究揭示，我國中小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)欠缺（尤其是小學(xué)段）［5］，物理教學(xué)活動(dòng)中，不乏簡單化、表層化的處理。例如，重知識(shí)結(jié)果，輕知識(shí)獲取途徑；重操作技能和步驟，輕建構(gòu)解釋、創(chuàng)建論證和為解釋作辯論。偏重刷題、不求甚解、強(qiáng)化記憶，由此造成學(xué)生厭學(xué)、畏難情緒，這種現(xiàn)象確實(shí)相當(dāng)普遍，許多學(xué)生的學(xué)習(xí)困難并不是出在物理思維上，而是出在數(shù)學(xué)思維、物理語言上。我們以計(jì)算機(jī)的大腦CPU信息傳導(dǎo)過程進(jìn)行類比，人的大腦語言信息傳導(dǎo)受阻、減弱或整合聯(lián)系斷開，是學(xué)科語言的薄弱造成解決物理問題理解的困難。為此，有效教學(xué)需要在更微觀的層面上深入學(xué)習(xí)腦科學(xué)，重視學(xué)生更內(nèi)在、更本質(zhì)的學(xué)科語言對(duì)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建構(gòu)，探究科學(xué)學(xué)習(xí)的有效途徑。

4" " 人工智能時(shí)代，優(yōu)化腦學(xué)習(xí)的有效途徑

“語言轉(zhuǎn)化”之所以成為學(xué)科教育研究的新課題，與信息時(shí)代的特征密不可分。由于任何一門學(xué)科都有自己的語言體系，“一個(gè)人的智力發(fā)展和他形成概念的方法在很大程度上取決于語言”，解碼“語言轉(zhuǎn)化”的腦機(jī)制，有助于改善學(xué)習(xí)者語言信息傳導(dǎo)受阻、減弱或整合聯(lián)系斷開等學(xué)習(xí)困難，提供針對(duì)性的優(yōu)化路徑。在人工智能時(shí)代，手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模擬人腦的思維，建立經(jīng)驗(yàn)和理性的聯(lián)系，在實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、邏輯的基礎(chǔ)上，探索個(gè)性化的、自適應(yīng)的科學(xué)學(xué)習(xí)。

4.1" " 引入兩種語言轉(zhuǎn)化分析

加強(qiáng)對(duì)學(xué)科語言、數(shù)學(xué)語言、自然語言約定含義的深入了解，特別是對(duì)一些學(xué)科語言的表達(dá)方式、物理模型加深理解有助于解決“語言轉(zhuǎn)化”學(xué)習(xí)困難。語言轉(zhuǎn)化分析，開拓了科學(xué)學(xué)習(xí)新方法，具有統(tǒng)一整個(gè)科學(xué)知識(shí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的功能，使得現(xiàn)實(shí)世界與科學(xué)世界、直觀經(jīng)驗(yàn)與模型建構(gòu)、學(xué)科概念與實(shí)在意義，在語義分析的過程中內(nèi)在地連成一體，形成把握科學(xué)學(xué)習(xí)的新視角。

4.2" " 開展積累性學(xué)習(xí)，激活“認(rèn)知基礎(chǔ)”

在解決物理問題過程中，總要有一個(gè)原有知識(shí)的激活階段，然后通過同化或順應(yīng)過程重建新知識(shí)與原有知識(shí)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，使認(rèn)知發(fā)展從一個(gè)平衡狀態(tài)進(jìn)入到另一個(gè)更高的發(fā)展平衡狀態(tài)。顯然，物理知識(shí)的累積是必要的，但這不是知識(shí)的簡單疊加或知識(shí)的量變，而是在原有認(rèn)知基礎(chǔ)上加深理解，解決疑難、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終形成質(zhì)變。

4.3" " 通過視覺和非語言的形式呈現(xiàn)，增強(qiáng)空間能力、動(dòng)態(tài)表征

抽象、深?yuàn)W的物理規(guī)律，如電磁感應(yīng)定律，將三維空間立體的表述體現(xiàn)在二維書本上，用“×”“○”分別表示小磁針垂直紙面向里或向外，我們用立體的右手定則增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的空間理解能力。大量通過視覺獲得的映象所涉及的正是空間領(lǐng)域的信息，語言與非語言編碼以及知識(shí)的語義、情節(jié)和動(dòng)作表征之間存在密切、豐富、強(qiáng)大的聯(lián)系［6］，學(xué)習(xí)者需要努力建構(gòu)豐富、多元的記憶表征，在行動(dòng)中獲得與個(gè)人的直接體驗(yàn)有意義的連接，增強(qiáng)物理知識(shí)的建構(gòu)能力。

4.4" " 將學(xué)科話語和探究模式相整合，建構(gòu)復(fù)雜性的深度學(xué)習(xí)

科學(xué)實(shí)踐中，學(xué)習(xí)者面對(duì)的是基礎(chǔ)性的真實(shí)任務(wù)，如探索橋的物理結(jié)構(gòu)，具有實(shí)用性、復(fù)雜性、跨學(xué)科的整合性。學(xué)習(xí)者面對(duì)的可能是“橋塌了”等結(jié)構(gòu)不良的問題。學(xué)習(xí)者需要建立力學(xué)模型，考慮各種影響因素，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，通過無數(shù)個(gè)詳細(xì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄和批判性思考，尋找解決方案，以應(yīng)對(duì)不確定世界中的動(dòng)態(tài)變化與復(fù)雜挑戰(zhàn)，在對(duì)科學(xué)知識(shí)的生產(chǎn)及科學(xué)本質(zhì)深入理解的過程中，掌握科學(xué)方法的意義和運(yùn)用，加強(qiáng)學(xué)習(xí)的遷移效應(yīng)。

語言是知識(shí)發(fā)展的必然結(jié)果，學(xué)科語言不同程度地帶有時(shí)代的印記和學(xué)科的印記，是人工智能以及若干潛在新學(xué)科的起點(diǎn)。海德格爾說：“語言乃存在的家園”，解碼大腦思維中“語言轉(zhuǎn)化”的內(nèi)在機(jī)制，其目的是識(shí)別腦語言認(rèn)知結(jié)構(gòu)、構(gòu)建腦有向連接模型、預(yù)測認(rèn)知行為變化、構(gòu)建思維過程表征等，促進(jìn)科學(xué)學(xué)習(xí)，更好地理解世界存在的問題。

參考文獻(xiàn)：

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［3］廖伯琴，黃希庭.優(yōu)差生解決物理問題的表征層次的實(shí)驗(yàn)研究［C］.第八屆全國心理學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議文摘選集，1997：95-96.

［4］何善亮.有效教學(xué)批判［D］.南京：南京師范大學(xué)，2007.

［5］裴新寧.重新思考科學(xué)教育［J］.科學(xué)教育與博物館， 2021（4）：272-277.

［6］廖小根，倪傳斌.語言加工腦機(jī)制研究的自然取向［J］.現(xiàn)代外語，2021，44（11）：731-741.

（欄目編輯" " 趙保鋼）