基于脑科学的微课教学设计探索

周 恒 郑蓓蕾

浙江师范大学教师教育学院 浙江金华 321004

一、概述

在互联网日益融入人们生活方方面面的同时，教育也在被互联网改变着，线上学习得到了普遍的推广。同时，现代生活的节奏日益加快，在校学生以及部分社会人士需要更高效、更便捷的学习方式，于是在可能性与必要性的现实背景下，大型开放式网络课程(Massive Open Online Course)应运而生。这种大型开放式网络课程首先出现在美国，主要代表便是有着国际在线教育三驾马车之誉的Coursera、Udacity和edX。[1]为了适应在线学习的方式，出现了一种新的教学形式与课程载体，即8～12分钟的教学视频，这种短小精悍的教学视频就是微课。我国互联网事业虽起步较晚，但发展迅猛，并率先完成了向移动互联网的转变，为了适应在线教育事业的发展，同时《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)》也提出了全面推进教育信息化建设，2010年胡铁生首次提出“微课”建设理念，“微课”指按照新课标以及教学要求、以教学视频为载体、反映教师在课堂教学过程中针对某个知识点或教学环节而开展的教与学活动的各种教学资源的有机组合。[2]然而微课如何对接我国学校教育的应用研究仍然停留在理论阶段，其使用价值也尚未得到一线教师的广泛认同，[3]缺乏成功的实践案例供以参考。原因主要在于人们对微课这一不同于传统教学形式的教学设计尚未有充分认识，有学者对一线教师进行调查显示，76%的教师认为教学设计是微课制作中最重要的环节，而另一方面又有34%的教师认为自己在进行微课制作中遇到的主要问题是“没有掌握微课的设计方法”。[4]

传统教学设计面向的是中小学四十分钟时长的课堂，时长较长，同时教师还能根据学生在课堂上的表现及时予以回应并调整自己的教学，师生有即时的互动交流。与传统课堂对比微课有两个特点，其一是“微”，即微课资源容量较小，主要仅为几十MB大小的视频文件，这意味着教师的教学时间短，要求教师能够在短时间内激起学生的求知欲、使其集中注意力，并且能够输出足够多、足够丰富的信息；其二，微课的互联网属性使其突破了传统课堂时间和空间上的限制，但在服务学生自主学习、使得移动学习成为可能的同时也造成了师生交流的割裂，网络在促进信息沟通便捷的同时也成了教与学双方的沟壑，如学生对课堂教学的疑问教师无法及时给予解答，教师也因此无法及时调整自己的教姿教法。双方的交流有延时性，更何况作为微课核心的微视频都是提前录制好的，传统课堂中师生互动往往被作为教学设计中需要考虑的重要部分，在微课教学中显然是不现实的。如果依然拿着面向传统课堂的教学设计思路来设计微课，很容易造成教学视频过长、学习者缺乏学习自主性等问题，[5]因此微课教学设计必须能够在“微”的基础之上做到“精”。脑科学作为研究人脑结构与功能的综合性学科涵盖了所有关于脑和神经系统相关的研究，直接将脑作为研究对象，从神经层面观察人类学习的过程与机制，以脑的认知特点为核心来设计微课有利于获得更好的教学效果。本文从脑科学研究成果出发，试图为微课教学设计探索合适的教学设计策略。

二、基于脑的教育——神经科学与教育的联结

暨神经科学出现以后，fMRI、MEG等技术的应用可以使人们更直接地对认知过程与特定脑区建立对应关系，[6]自下而上地研究人类学习成为一种新的范式。目前，基于脑科学的教育理论主要分为以下两个方面，首先是认知方面，如基于脑的科学认为产生意义是人本能的需要，也是各个不同脑区的功能之一，如颞叶形成意义关联性，顶叶产生洞察力和灵感等，这些发现为建构主义观点如学生作为信息加工的主体、意义的主动建构者等提供了支持；其次是情绪与认知的关系，在过去人们对二者认识停留在感性上，如“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”(《论语·雍也》)，情绪作为与机体需要相联系的体验与认知在功能上存在着密切的交互作用，脑科学的探索发现了二者间更加具体的规律。

认知神经科学的新成果为建立新的学习理论奠定了基础。认知神经科学把脑看作专职学习的器官，因此现实生活中的“学习”及其需要与过程等配套资源便存在着“与脑相宜”或“与脑相对”两种对立的情况。脑的学习本质上是神经突触之间的联结与再联结，而每种不同种类的认知和学习会促进不同脑区间不同的活跃程度。教师实际上是人类神经发展的工程师，需要在最大程度上、更高效率地帮助学生建立起有效的神经联结，减少不必要的学习成本。目前关于认知过程的研究成果主要认为：人脑对意义的追求潜藏在本能之中，感觉器官将神经冲动传递至特定的脑区，即“感觉意义”，然后这些特定的脑区将接收到的感觉意义在各个神经元之间进行联结，包括情绪、情境、符号等，并且牵涉到的神经区域越多这些新的信息就会在脑中存储得越久，最终形成独特的意义，这便意味着如果想要将新信息更长久地储存于脑中便需要更多更广泛地激活神经区域联结，即在输入新信息之前通过旧信息引起神经元的活跃，帮助新信息的输入更深刻地留在脑中；那么，对于学习来说直接经验的获得只是第一步，更重要的是将意义赋予直接经验，将这种“感觉意义”转化为“深层意义”。这种对意义的建构是主体主动地、本能地，但在这个过程中需要教师帮助建构合理正确的意义，否则就会造成认知资源的浪费。其次是认知过程的社会性，无论是凯恩夫妇十二条“基于脑的学习原理”、詹森的十二条“与脑相宜的学习原理”，还是吉文的“5种自然学习系统”，都把脑的社会性作为学习的一条重要维度展开，脑的社会性指两方面，一是脑的社会性是指在脑的进化过程中是围绕着人类的社会性而展开的，正如钟启泉所说“学习是一种社会认知行为”[7]，脑的学习要符合人类社会交往的需要，“人的成长过程，本质上也是一个社会化的过程。”[8](P224)通过与人交往而构建社会意义是脑进行学习的重要动力之一；另一方面，人脑在与其他脑交流协作时获得的情感体验会给予其对工作的强烈情感反应，通过合作完成工作会促进脑多巴胺等神经化学物质的分泌，提高学生的学习动机水平和自我效能感，[9]总之，社会化的情境有利于提高脑的学习效能，促进神经联结和认知水平发展。

认知与情绪之间的关系人们很早就有了一定的朴素认识，西方最早是亚里士多德将情绪认知和情绪提出明确区分，认为情绪影响主体的行为方式及其如何对世界做出反应的解释。[10]但在进入现代以来，有人如Zajonc认为情绪与认知相独立，并且情绪是第一位的，与此相反，Lazarus认为情绪依赖于认知，是第二位的。[6]随着脑科学的发展人们对二者的关系有了更加深入的了解，总的来说认知和情绪各自在不同的脑区更加活跃，将二者分割来看是不科学的，认知与情绪相互作用，有着紧密的联系。目前关于情绪对认知影响的研究主要分为以下几个方面，首先，情绪对注意的影响，大量研究表明脑对负面的消极情绪有着更高的敏感性，会显著降低持续性注意水平，与消极情绪的负面作用相反，扩展—建构理论认为积极情绪有利于拓宽个体的思维和行动范畴，扩充认知资源，[11]长远来看积极情绪更有利于学习的可持续。其次，情绪影响记忆且自身也为记忆的一部分。第一，情绪影响工作记忆从而影响长时记忆的效能，工作记忆分为言语记忆和空间记忆，消极情绪由于较多占用视觉注意资源从而影响空间记忆。第二，情绪本身也作为记忆而存在，根据对特定脑区的研究，人们发现杏仁核复合体处理人类主观情绪，海马处理事件的客观信息，二者在生理上紧密接触，信息交换上充分联系，因此二者共同控制记忆的强度，影响长时记忆的加工和提取，与积极情绪相比，消极情绪更容易导致错误记忆。再次，情绪影响学习者在问题解决过程中的决策能力，Damasio的躯体标记假说认为情绪直接或间接与人类的躯体症状相联系，同时对过去受情绪影响的决策行为会影响接下来的决策。[12]最后，情绪的相关调节机制会影响学习行为的可持续性，良好的情绪反应与控制会使机体调节面临挑战时的神经活跃程度，如上文提到的多巴胺奖励效应，低效能的情绪调节机制会降低机体对外界的敏感性，最终影响学习效果，在对学业情绪与学业成就间的研究表明，消极情绪如无聊、焦虑等对学业成绩产生负面影响，而由学业成绩产生的负面情绪需要良好的情绪调节机制减少或消除其影响。

三、基于脑科学的微课教学设计路径

相比过去传统的课堂教学，微课不是将课程学习机械地搬运到网络平台上来，而是要形成自己独特的设计与制作流程，因此在脑科学相关研究发现及成果的基础上，微课的教学设计应做到：

一是运用感官的多通道特点，给予丰富刺激。脑作为专职学习的器官，需要必要的环境刺激才能促进神经元数量的增长和提高神经元之间的联结质量。微课作为以网络为载体的课程，其核心是微视频，相较于以教师为中心的讲授为主的传统课堂，微视频充分利用多媒体技术，视听结合，是微课的显著优势之一。因此微课的教学设计应当从脑整体的认知特点角度出发，有目的、有计划地营造丰富多彩的信息环境，抓住学生的视线和耳朵，在学生注意力有限的时间内尽量给予尽可能多的刺激，比如在讲授过程中伴随柔和舒缓的音乐，微课背景采取对比强烈的颜色等。同时，脑的各部分是协同工作的，各个特定的脑区有着自己的独特功能，这要求教师在微课教学中采取多元化策略，通过视频、音频和动画等多种方式呈现知识，实现整个教学过程的可感知。目前微课录制方式主要有传统纸张类、演示文稿类、数字故事类、即时讲授类和交互式白板五类，不同的录制方式意味着不同的知识呈现方式，对学生不同感官和脑区的作用也不同，因此应当以某一种微课录制方式为主，辅之以其他方式，实现教学过程的多维化。

二是重视脑的社会性，为学习者互相交流提供支持。微课的作品是事先准备好的，这样做在打破了传统课堂教学时间与空间限制的同时也导致教师无法实时根据学生的反应来调整自己的教学，也没办法及时针对每个学生进行答疑。尽管教师和学生中间隔着便捷交流的网络，但网络也成了二者之间的一堵高墙，面向传统课堂的教学设计造成了微课教学过程中互动效率低、支持性资源缺乏等问题，主要表现为微课教学设计缺少相关社会性服务。[3]要打破这个高墙就必须在教学设计时考虑到脑的社会性，人在本质上是社会的、追求意义的。在微课学习中，教师也许无法及时对学生的疑问做出回应，但学生之间可以相互交流获得彼此的支持，因此针对微课的教学设计需要有专门的交流互动环节，以及为此提供特定的技术支持，如每节微课之间专门开辟一块场所以供学习者们之间相互交流、给予学习效果良好的学习者以证书奖章以及成立相关学习主题的社区等。

三是利用多媒体优势，展现思维图式形成过程。学习意义的获得不仅在于要将知识与学生先前的生活经验等联系起来，还要形成图式嵌入原有认知结构中。首先，微课教学设计要灵活运用其形象变化的特点，运用多样的多媒体技术生动地将知识与学生的现实生活经验关联起来，为知识学习提供支点与脚手架支撑；其次，还应当在把握人类脑的学习规律基础上生动展现知识间的联系网，在传统的学校课堂中教师经常以思维导图的形式呈现知识内容，而对微课进行教学设计时，教师往往把微课中的思维导图作为学习任务单的部分内容提前呈现。然而微课不仅应当呈现既有的思维导图，还应当发挥微课的多媒体优势，利用相关软件展现思维导图的形成过程，使经验抽象到知识的过程得到清晰的展现。从无向有、由零到整，在把抽象知识直观化的同时也使得教学脉络清晰可见，既能帮助学生一方面能够赋予知识以现实生活经验意义，一方面又能够以合理的结构存贮在脑中，形成相互联系的知识网络。

四是善于运用情绪与认知间的交互关系，营造活泼紧张的教学气氛。微课作为以互联网为载体的教学方式，不能只是将传统的课堂教学机械地移植到网络上，这甚至会由于微课缺乏师生间面对面的交流而造成课程枯燥无味。正如前文所言，消极情绪如无聊、焦虑和烦躁等影响人脑记忆、判断和认知等各项机能，还会削减已有的学习效果。因此，在设计微课时应考虑呈现丰富信息的同时必须避免使学生感到威胁和不安，消除紧张感和压力感，不能安排过长的视频内容；另一方面要挖掘多巴胺等神经化学物质的作用、调动学生的积极情绪，激发学生继续学习的兴趣与动力，特别是在微课教学评价设计中可以运用相关技术使学生的学习效果量化并“看得见”，为学生的学习提供持续的、及时的反馈，保持学生学习时脑的活跃与兴奋，使得学生在完成每一个练习后都能得到与此相当的回馈与奖励，从而形成类似的“心流”效应，提高微课的学习效果。