认知的脑神经机制及其对教学的启示

苏保中

◆摘  要：寻找模式是人类大脑认知的本质特点。认知的本质是模式建构。模式结构包括：模式识别、模式记忆、模式迁移。模式建构教学策略是符合认知规律的教学策略。包括模式建构为本的教学目标、教学内容、教学过程。

◆关键词：认知;模式;模式建构;模式识别;模式记忆;模式迁移

一、为什么讨论认知

——核心素养的落实与减负困局

学界普遍认为，西方哲学侧重理性能力，关注脑;中国哲学侧重生命情感，关注心。随着近代中西方的交流，两种哲学取向也在相互借鉴，相互融合。渐渐地，对于人的素质或素养的构成似乎达成了共识——人的素质：理性能力和感性素质。于是教育的使命也就大致包括两方面：提高学生的理性能力，提升学生的生命情感。于是，学习的两个基本问题也就应该是认知和情感。可见，认知能力是核心素养的“一半”（暂且这样比喻）。

2016年9月13日，中国学生发展核心素养研究成果发布，提出学生发展核心素养，主要指学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。

对于什么是关键能力？2017年9月24日中共中央办公厅 国务院办公厅印发施行《关于深化教育体制机制改革的意见》，意见提出，在培养学生基础知识和基本技能的过程中，强化学生关键能力培养。指出关键能力是指认知能力、合作能力、创新能力、职业能力。可见，认知能力是核心素养的关键能力。

大脑有近1000亿个神经元，彼此之间形成非常复杂的连接方式。这构成了人认知的生物学基础（神经机制）。神经元的连接方式（模式），很大程度上决定了人与人的不同。

大脑的重量只有2磅多，但是却消耗人每天摄入能量的约百分之八十。大脑的这一特点决定了人类的大脑是不够用的。于是面临异常复杂的世界，大脑在不断地寻找规律（模式），来提高神经系统的运行效率。由此得到推论：在一个充满不确定性的世界中寻找确定性，是人类的本能;在不确定性中寻找确定性，这种能力就是认知能力。

毛泽东的《实践论》也是认识论，是我们认识世界改造世界的方法论。毛泽东指出：“从感性认识到理性认识。从理性认识再到实践。实践、认识、再实践、再认识，这种形式，循环往复以至无穷，而实践和认识之每一循环的内容，都比较地进到了高一级的程度。这就是辩证唯物论的全部认识论。”

《实践论》正好指出人类认识世界改造世界的理性能力中的关键能力是认知能力。同时又揭示了这个认知过程。

用认知神经科学原理，可以解释毛泽东《实践论》的认知神经机制：（见下图）

从下脑到上脑是一个从感性认识到理性认识的过程，从上脑到下脑是一个从理性認识再回到实践的过程。

来自国家层面的减负效果之所以不好，根本原因在于我们在提高学生认知能力方面缺乏科学的办法。特别是近年来快速发展的脑科学成果没有被学校教师所重视。有些成果停留在实验室，离教室很远。科研人员和教师这两种人彼此隔离，因此需要第三种人或“二传手”，帮助老师们把实验室的脑科学成果，运用到教学实践中。

二、认知的本质：模式建构

——神经元的连接方式的不断重

如上所述，人类大脑的认知特点是在不确定现象中寻找确定性。人类不遗余力找到的“确定性”（客观世界规律的抽象性、结构性表达），其表达形式就是模式（模型）。模式（模型）是一种物理或信息结构（程序），它体现了被抽象物体的功能特征。从神经生物学上讲，一种模式，就是由相互连接的神经元组成的网络。

哲学家康德较早地揭示了认知的规律。提出了一个知性范畴（图式schema）的概念。知性范畴（图式schema）就是知识的形式框架和结构，人的知识则是在知性范畴与感性材料结合的基础上建构的，由此突出了人作为认知主体的能动性。

皮亚杰在康德的基础上，把知性范畴称为认知结构（图式schema）。如下图：

儿童通过认识某个具体的事物，然后在大脑中形成该事物的抽象概念schema，并借助其识别同类的事物。（如上图）

维果茨基提出了内化说。所谓内化是指外部的东西转化为内部的东西，把客体的东西转化为主体的东西。人的各种高级心理机能都是人类活动和交往形式不断内化的结果。两人共同被认为是建构主义认识论的奠基人。

图式（schema）在不同的研究者那里有不同的表达。但意思大同小异。以下各词几乎是同义词。

格式塔（完形）、认知结构、心智模式、思维模式、架构、算法、神经元模型、框架、吸引子、……。

所以，认知就是创造新的心智结构的过程。从神经生物学上讲，认知就是模式建构。

（一）模式识别——同化和顺应

模式识别就是神经元网络被激活。大脑将新事物识别为熟悉的范畴内的事物。就是生物体将一个新的对象或者一个新的问题，识别成已经熟悉的一类对象或一类问题的能力。

按照建构主义的原理，模式识别的过程包括同化和顺应。当外部信息与内部认知结构相一致时，外部信息纳入原有认知结构的过程叫同化：当外部信息内部认知结构不一致时，原有认知结构做出改变，以适应新信息的过程叫做顺应。同化和顺应的神经机制，就是大脑神经元之间的连接不断调整的过程。学习者理解了一个新模式，就意味着他的心智结构发生了重大变化。

世界很复杂，因此需要简化。因此，模式识别的出现，早于语言在进化中出现的时间。

模式识别的运行方式是分类处理：

1.面对同一类事物能否有一个普遍的方法来解决？

2.如何确定一些事物是否属于同一类？

3.对于同一类事物，如何找到解决问题的普遍的方法？

模式识别的基本环节：

1.简化。为需要认识的事物建立模式;

2.修正——在对新事物识别过程中不断修正;

3.应用——用模式解释事物、预测未来。

模式识别的基本形式：

1.模仿——从形似到神似;

2.比喻——比喻是人对新知识认知的途径，即必须通过已有的认知来理解新的事物;

3.类比——就是由两个对象的某些相同或相似的性质，推断它们在其他性质上也有可能相同或相似的一种推理形式。

（二）模式记忆——神经元联系的巩固

记忆就是神经联系（模式）巩固的过程 。睡眠能够帮助人们把短期记忆固化为长期记忆，并将学习内容与自身知识融为一体。短时记忆是突触联系强度变化的结果。而长时记忆的形成还需要形成结构（模式）

（三）模式迁移——洞察一切的智慧

迁移的发生条件：

1.情境的相似性;

2.原有经验的抽象程度：能否在更高的抽象层次——图式（schema）上表征问题。

情境的相似性，就是透过现象看本质。某小品中“穿上马甲我照样认识你”反映的就是这个问题。传统数学教学中的变式训练就是这个意思;伏击战不止是可以在山地进行，也可以在水上进行。关键的因素是：第一，一个地方一定是敌人必经之地;第二，敌人通过这个地方时一定走不快;第三，这个地方有利与我军埋伏。这就是能在更高的抽象层次上表征问题。

考试就是考察迁移能力。迁移能力不强是学生学习负担重的深层次原因。真实情境下解决复杂问题的能力更是考察迁移能力。早在上世纪80年代，我国学者就提出“为迁移而教”的口号。

三、对教学的启示

——减负的一种路径：模式建构教学策略

（一）模式建构为本的教学目标——深度学习

2001年新课程提出了“三维目标”：知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。在之后的十年时间里备受质疑。其中一个方面是

三维目标中的过程与方法，不应该成为目标。而认知目标中又只有知识与技能这样的低级目标。而缺乏更高层次的认知目标。参考下图。

从图上看，事实性的认知目标只是冰山之一角。于是，在新修订的义务教育数学课程标准2011版中，认知目标从“两基”扩展到“四基”：基础知识、基本技能、基本思想、基本活动经验。

近年来，受国外的影响，教育界开始重视“大概念”。所谓大概念（big idea，也译为大观念、核心概念），是指反映事物本质的可迁移的基本原理、定律、理论、思想等，是能够连接碎片化知识的一种结构性的、框架性的有意义的模型、模式。下图是围绕大概念的学科知识结构金字塔：

下图则体现了基于大概念的课程和教学目标：

（二）模式建构为本的教学内容——模型与模式框架、结构

现有的课程教学仍然存在碎片化的问题。前些年高中课改中的“模块化”现在看来是一场灾难。模块隐喻了知识的破碎性，它将知识视为积木。带来的不仅是知识组织中的去中心化，更是知识选择的无序化。不符合基于脑科学的模式建构原理。碎片化学习不利于建构系统化的知识结构，这对知识向深度、广度发展极为不利。所以人类必须学会将碎片化的知识整合为系统性知识的方法——“零存整取、碎片重构”。

倡导以学科核心素养为目标，以“大任务、大观念、大问题、大项目”的名义来组织或结构化要学的知识、技能、问题、情境、活动、评价等，使之成为一个完整的学习故事或事件。

（三）模式建构为本的教学过程——探究学习与掌握学习相统一

探究学习为创新而学，掌握学习为效率而学。在教学过程中，学生是一个积极的探究者。教师的作用是要形成一种学生能够独立探究的情境，而不是提供现成的知识。布鲁纳指出，“所谓"掌握学习"，就是在"所有学生都能学好"的思想指导下，以集体教学（班级授课制）为基础，辅之以经常、及时的反馈，为学生提供所需的训化帮助以及所需的额外学习时间，从而使大多数学生达到课程目标所定的掌握标准”。

探究学习与掌握学习各有各的优势，关键是两者之间的统一。（见下图）

方法就是“先探究后掌握”。先探究——通过教学实践中严密组织起来的探究活动，帮助学生以最佳的普遍适用的模式掌握人类世代积累起来的社会普遍性内容;再掌握——在发展中求巩固。在运用规律（模式）的过程中体验自由。实现模式与动力的统一、规范与自主的统一、创新与效率的统一。

參考文献

[1]林崇德.21世纪中国学生发展核心素养研究.2016.

[2]格兰特.威金斯等著.追求理解的教学设计.2017.