脑科学视角下高效课堂的基本要素

刘新玉,王东云

1.黄淮学院 智能制造学院(驻马店,463000) 2.郑州大学 河南省脑科学与脑机接口技术重点实验室(郑州,450001)

0 引言

随着人们对外部世界及自然规律认识的逐步深入，现代科学与技术得到了蓬勃发展，但是当今社会来自于科学届并能切实有效地解决课堂教学问题凤毛麟角。但是相对于其它学科门类，无论是神经迷思(Neuromyths)还是神经机制(Neuromechanism)，越来越多理论的提出似乎在暗示着我们，脑科学可能是一个例外。来自于脑科学研究许多有价值的发现，比如注意、记忆、情绪、认知等等诸多机制逐步被解析，不仅不断地加深我们对教育的理解，而且让我们不断反思，如何利用有限的课堂资源提高学生学习的效率，即如何实现高效课堂。从脑科学的角度探讨现代课堂教学的基本要素，对于实现高效课堂具有积极的启示作用。

高效课堂的概念提出由来已久，最初始于上个世纪中叶美国等西方在教学科学化运动上对“有效教学”的研究。简单地讲，高效课堂就是如何让学生在规定的教学时间内，获得尽可能大的收益，即实现教学效果、效率和效益的最大化。在此基础上，孟照彬[1]提出了“效率优先、过程优化”的孟氏-有效教育(Meng Shi-Effiective Education in Participatory Organization)理念；马广柏[2]在教学效益理念视角下论述了高效课堂的基本要素，认为要实现教学效益最大化，就必须研究教师、学生、教材、时间和环境这五个要素；朱永飞等[3]从“看、听、讲、想、做、动、静”等七个基本行为方式论述高效课堂的基本要素及其组合原则。但是目前对课堂教学基本要素的论述大多是从教学理论角度出发，而从脑科学角度的论述则鲜有报道。

毋容置疑，教学的目的是为了受教育者能得到更好的学习，正所谓“授人以鱼，不如授人以渔”。而学习的物质基础就是大脑神经结构的改变[4]。尽管实现高效课堂并不需要高深的神经科学知识，但是神经和认知科学研究正在使大脑学习的机制逐渐明晰，脑科学的研究成果将能够使教育工作者更好地利用科学知识，以促进高效课堂的发展。因此，本文在总结课堂教学显性因素的基础上，讨论了课堂教学的隐性因素，并在此基础上，进一步分析了脑科学视角下课堂教学的影响因素，以期能为高效课堂的实现提供科学依据。

1 课堂教学的显性因素

课堂教学的显性因素即物质因素，即课堂教学活动中所涉及的各种客观要素[5]。目前对于课堂因素的组成还存在诸多争议，理论上要给课堂组成因素下一个确定的结论是困难的。课型不同组成的课堂因素就不同，同一课型也会因授课时间、内容、对象的不同造成课堂因素的不同。但是，随着时间的累积，在整体趋势上对课堂因素的认识基本呈逐渐增容态势[3]。从最初的“教师与学生”二要素说到“教师、学生、教材”三要素说，到“教师、学生、教材、环境”四要素说，到“教师、学生、教材、环境、时间”五要素说，到“教师、学生、教材、工具、时间、空间”六要素说，到“教师、学生、教材、工具、时间、空间、环境”七要素说，还有目前出现的分层要素说，使得课堂教学因素包含的内容越来越多。而且随着教育研究者对课堂的认识越来越深入，分类也越来越细致。

但是无论课堂要素的划分随着时代如何变迁，其物质组成是不变的，综合目前对课堂显性因素的研究成果，以及对学生学习神经机制的理解，我们认为“学生、教师、教材、教室”这四种物质要素应该是课堂教学中最重要的显性因素。其中学生是课堂教学的第一要素，课堂围绕学生展开，通过学生发挥作用，最终的课堂效果也是为了学生，而且无论外界环境如何变化，学生学到知识才是硬道理；教师是第二要素，严师出高徒，教师的水平决定了学生的高度；教材即教学内容是第三要素，简单地讲就是教师要向学生传输什么知识，教材是教师与学生之间关系的纽带；教室是第四要素，好的学习环境不仅能够促进学习行为的发生，而且可以提高学生的学习效率。因此，要实现高效课堂，未来需利用脑科学的成果对这四个要素进一步完善和科学量化，并赋予其新的物质内涵。

2 课堂教学的隐性因素

如果说上述学生、教师、教材、教室等显性要素组成了高效课堂物质基础的话，高效课堂的实现还应包括反映课堂精神面貌的隐性要素。隐性要素也即精神形态要素[3]，概括地讲包括学生的精神形态和教师的精神形态两部分。如果说显性因素表征的是教师的授课水平和学生的学习能力的话，隐性因素衡量的则是课堂教学中老师和学生的状态，即教师的授课状态和学生的学习状态。现代心理学和脑科学的研究结果早已证实，一天甚至是一堂课中人的精神集中程度和学习的效率都是不同的。因此，如果说显性要素为高效课堂的存在和功能发挥提供了必要条件的话，隐性要素则决定了高效课堂的实现效果。

在课堂教学中决定教师和学生精神状态的因素种类繁多，有研究者根据各部分功能的不同将其划分为了技能要素、情商要素、认知要素、道德要素等不同方面[5]。尽管一个经验丰富的教师可以通过自己技能和情商来应对教学状态的变化，一个悟性超群的学生可以通过自己的认知能力来弥补课堂的走神和心不在焉，但是对于大部分的教师和学生而言，如何科学的利用精神状态等内在因素的变化规律，提高课堂教学的效果是课堂教学现代化的必经之路。因此，在现代教育中要实现高效课堂就离不开现代科学知识的运用，而在现代科学中脑科学的研究成果将会促进教学的现代化，尤其是高效课堂的发展。

3 课堂教学的影响因素

如果说显性因素和隐性因素是组成课堂教学的基本元素的话，如何将这些元素进行合理搭配决定了是否能够实现高效课堂。在高效课堂的影响因素中，由于显性因素是显而易见，因此也是容易改变的，比如改善教学环境、提高课本质量、提升教师上课水平等等，但是隐性因素是看不见、摸不着的，必须通过系统完善的现代科学研究才能改善。根据上述我们对课堂要素的分析可知，课堂教学从本质上就是知识在教师和学生大脑之间的传递。因此，如果针对一堂课而言，为了使学生最大化的获得知识，我们认为有三个问题需要思考：学习从什么时间开始，即课堂学习的时差问题；一次学习持续多长时间合适，即课堂学习的时长问题；一次课堂中什么时间学习效率最高，即课堂学习的效能问题。因此，下面我们将从这三个方面详细论述脑科学对高效课堂的启示，图1给出了上述三个主要影响因素的示意图。

图1 课堂教学影响因素示意图Fig.1 Schematic diagram of influencing factors of classroom education

3.1 课堂学习的时差

时差一般用于形容不同地区时间上的差异，通常也用来形容人体内部生物钟的变化。大幅度的生物钟变化会引起身体上的不适，比如眩晕、头痛、恶心等。而小范围的生物钟变化虽然对人体影响较小，但是会使大脑判断力及注意力下降，对学习和课堂教学影响较大。比如，很多人都有因为早上睡眼惺忪而影响工作和学习质量的经历，这种个体的昼夜节律与其所处环境所要求的作息之间的错位被称为社会时差。

最近有研究显示[6]，社会时差会导致学习能力和注意力缺陷。美国加州大学伯克利分校和伊利诺伊大学的联合研究小组通过对14 894名在校大学生两年学习管理系统登录活动记录的分析发现，只有40.4%的学生生物钟与课程安排是同步的，而其余大部分学生经历了大概30 min的社会时差。而且他们发现社会时差的增加与学业成绩的显著下降呈强相关。他们认为,如果学生们可以知道自己的社会时差是多少，并根据此进行课程的安排，他们的学习成果将会更好。因此，如果可以总结出大部分同学的社会时差，合理安排上课时间，将极大提高学生学习的效率，获得良好的课堂效率，对高效课堂将极其有益。

3.2 课堂学习的时长

课堂时长即一节课具体的上课时长，对其研究也由来已久，其实远在孔子时代都总结过课堂时长问题，现在课堂时长的设定主要是源于教育心理学的研究成果。在教育心理学中有一个重要的观点就是：青少年的注意力一般持续集中只有10～30分钟左右，而成人注意力持续集中时间要长一些，大概30～50分钟时长。这就是为什么绝大部分高等院校课堂教学中一堂课设置为45或50分钟的原因。也有科学研究显示，成年人颈部疲劳极限为45分钟。换句话说，当你全神贯注做任何一件事，45分钟后都应该站起身活动一下。

此外，脑科学的研究发现[7]，在进行某项工作时，人类集中精力的时间是一定的。尽管有些人可以长时间的集中精力，有些人只能短时间集中精力，但是40～50 min是平均水平，超过这个时间，大部分同学都不能集中精力了。因此，为了实现高效课堂，就需要大脑注意力要时刻保持集中，而由于大脑高度集中的时间是有限的，如何在有限的精神高度集中时间内，尽可能多地获取知识就显得尤为珍贵了。因此，为了实现高效课堂，还需要进一步研究大脑注意力集中的神经机制，给出课堂学习时长的科学依据，不仅有利于学生身体健康，而且也能提高其学习效率。

3.3 课堂学习的效能

效能通常是指人们在有目的、有组织活动中所表现出来的效率和效果，而课堂学习效能即一堂课中学生的学习效果。台湾国立大学在调查了1 094位大学生课堂注意力的变化，发现学生在上课刚开始时精神集中，中间渐渐注意力涣散，到下课前精神又回来了[8]。因此，一节课的时长是固定的，如何当学生处于注意力集中高峰期时，使学生掌握课程的精华与要旨？如何在学生注意力下滑后，继续维持学生的学习兴趣，使学生继续投入课程学习？这些问题对于高效课堂都十分重要。

2017年，Current Biology杂志上发表的一项研究中，Dikker等[9]尝试在课堂上让老师跟学生全部戴上简易的无线脑电电极帽，然后观察人跟人之间大脑同步性的变化。结果发现，不管是教育者和被教育者之间的脑电同步性，还是被教育者之间相互讨论时的同步性，都可以预测最终学习效果的好坏。通过对大脑的脑电信号进行分析，使得我们在课堂上可以随时知道学生的精神状况。如果学生的注意力只达到40%，这说明要么教材不好，要么老师不好，要么学生疲劳，此时应该进行一些其它活动，活跃一下课堂气氛，比如做练习，或讲一些重要性弱一些的知识点，比如一些考察性的知识点，等等。因此，在课堂教学中要根据学生大脑精神注意力的变化改变课堂的教学内容，以提高教学效果。

4 结语

高效课堂源于教学科学化运动。顾名思义，高校课堂就是教学效率高、教育成果显著的课堂。但是如何去实现高效课堂以体现高效课堂的精髓及则众说纷纭，可谓仁者见仁，智者见智。二十一世纪是脑的世纪，近年来声称以最新大脑研究为基础的教育方案和项目的受欢迎程度出现了惊人的增长[10]，脑科学的研究成果对于高效课堂具有积极的启示意义。

但是，如何将脑科学研究引入课堂，目前并没有合适的技术途径，而且也牵扯着哲学和伦理问题，人们忌讳莫深。近期，浙江一小学利用脑机接口头环监测学生脑电波，以评判学生上课或做作业时的精神集中状态，就引起了人们的广泛关注，舆论的反映也褒贬不一。因此，如果能够通过记录上课过程中大脑的活动状态，研究其中内在的变化规律，也许可以更好地指导课程标准的制定及教学模式的设计，更科学地实现高效课堂。

本文在脑科学的视角下，讨论了课堂教学的显性因素和隐性因素，在此基础上，根据脑科学的研究成果重点分析了高效课堂影响因素中课堂教学的时差、时长和学习效能问题。从理论上讲，在课堂教学中，善用脑科学知识可以帮助教师更好地进行教学设计，提高教学效果。但是，将脑科学与课堂教学有效结合的实践问题将还任重而道远。