教育神经科学视角下的语义网络与空间能力

摘要：教育神经科学作为一门融合神经科学、心理学以及教育学的新兴交叉性学科，为教师理解学生的认知发展和能力成长提供了新的视角与科学依据。深入探讨语义网络与空间能力的本质特征及其在日常生活和学术领域中的广泛应用，通过分析这些认知能力在脑区激活方面的重叠模式，揭示英语学习和地理学习在大脑加工机制上的共通性。基于这些发现，探索英语和地理跨学科教学的创新实施路径，发挥跨学科教学的育人优势，开拓未来教育教学实践的新思路，助力学生身心脑的全面发展。

关键词：教育神经科学；跨学科教学；语义网络；空间能力

随着经济发展、科技进步和社会需求的快速变化，教育正经历着前所未有的深刻变革，教育的核心目标已经从传统的知识传授转向对学生能力的全面培养，特别是强调对学生的终身成长和可持续发展能力的培育。教育神经科学通过揭示大脑与学习之间的深刻联系，为教师理解学习行为的神经机制提供了全新的视角和坚实的科学基础。该领域的研究表明，大脑在进行语义网络构建和空间能力处理时，涉及的脑区存在明显的重叠，这种重叠性揭示了语言和空间认知在大脑加工中的内在关联。

基于这些发现，本研究探讨了如何将教育神经科学的研究成果有效地应用于教育实践，提出了实施英语和地理跨学科教学的方式，旨在优化学生的语义网络和空间能力发展，促进学生在语言和空间领域综合能力的提升。

一、英语教学中的语义网络

（一）概念解析

随着国际交流的日益频繁，英语教学不仅仅要重视语言知识的传授，更要注重培养学生的语言理解和表达能力，以及跨文化沟通和交流的能力。语义网络的塑造对于学生掌握英语词汇、构建语言知识体系以及提高语言运用能力至关重要。

《义务教育英语课程标准（2022版）》指出，“语言知识包括语音、词汇、语法、语篇和语用知识，是发展语言技能的重要基础”。语言能力是运用语言和非语言知识以及各种策略参与特定情景下相关主题的语言活动时表现出来的语言理解和表达能力。

语义网络最早是作为联想记忆的模型提出的，它强调事物之间的语义关系。根据以往研究，语义网络是一种基于逻辑的知识表示形式，通常被称为“联想网络”，是由一组顶点（或节点）和一组有向和有标记的边构成的图。顶点或节点表示概念，而边表示概念之间的语义关系。这种方式具有心理学的联想特征。在认知心理学与信息科学领域，语义网络作为用于表达概念和概念之间关系的结构化网络模型而产生，可以清晰地展示不同概念之间的关联和联系，进而帮助人们更好地理解与组织知识。语义网络是一个复杂的动态系统，其发展受到多个因素相互作用的影响，呈现出非线性特征。这就使得学习者能够更加灵活、开放地理解与探索知识，不用受到固定思维和框架的束缚，因此它又是一种能够直观地显示事物性质及其之间的语义关系的图形，既方便识记又易于理解，具有促进知识或语言教学与学习的先决条件与预期优势。而知识本身就存在于语义记忆中，是由概念相互联结构成的，依据连接提取记忆的过程，就是对语义网络模型的加工过程。语义网络以一种有机结构的方式展现知识，将概念、词汇或其他信息通过相互联系的方式呈现出来。通过语义网络，事物的本质和它们之间的语义关系可以明显地显现出来。为了共享信息，下层概念可以继承、补充或削弱上层概念的性质。

（二）神经机制

语言的意义表现在大脑皮层区域，这些区域统称为“语义系统”。然而，很少有语义系统被全面映射，大多数区域的语义选择性是未知的。在英语教学中，语义网络的激活涉及大脑的多个区域，这些区域协同工作以处理和理解语言的意义。例如：布洛卡区（Broca'sarea）位于大脑左半球的额叶，主要负责语言的产生和语法结构的处理，在语义网络中，能够帮助学习者组织和表达语言的意义。角回（Angular gyrus）位于大脑左半球的顶叶，参与词汇和概念的整合，以及语言和视觉信息的转换。海马体（Hippocampus）位于大脑的颞叶（Temporal lobe）内侧，参与长期记忆的形成和存储，对于语言学习中的记忆巩固至关重要。前额叶皮层（Prefrontal cortex）位于大脑的前额部分，参与高级认知功能，如决策、计划和语言的抽象理解。颞叶包括韦尼克区和其他相关区域，参与声音的识别、词汇的存储和语言的理解。在英语教学中，通过激活这些脑区，学生可以更好地理解和使用语言。例如，阅读和听力练习可以激活颞叶，提高语言理解能力；口语和写作练习可以激活布洛卡区和前额叶皮层，提高语言表达能力。

语义网络的激活涉及多个脑区的协同工作，这些脑区对语言的产生、理解、记忆和应用发挥着关键作用。在英语教学中，通过多样化的教学方法和练习可以有效地激活脑区，促进学生语言能力的提升。

二、地理教学中的空间能力

（一）概念解析

地理学是一门空间科学，它涉及对地球表面的空间分布、地理现象和自然规律的研究。学生需要具备强大的空间想象能力和分析能力，以理解和解释地理信息。如何有效地培养学生的空间思维能力，是初中地理教学的重要课题。

《义务教育地理课程标准（2022版）》（以下简称《地理课程标准》）提出，地理课程主体由认识全球和认识区域两大部分构成，搭建基于地理空间尺度的主题式内容框架。《地理课程标准》明确要求培养学生的区域认知能力，即从空间—区域的视角认识地理环境及人地关系的思维方式和能力，从不同空间尺度、不同类型的区域认识人类生存的地理环境，建立地理空间观念。因此，在义务教育阶段，如何培养学生的空间能力是地理教学任务的重点所在。

地理学中的尺度是指地理事物和现象在空间与时间上的量度，由于地理学研究对象存在于特定的时空共轭尺度和时空耦合关系之中，以尺度的透镜来观察世界成为重要的地理思想方法。空间能力是人类认知的重要组成部分，是一种多维度、跨领域的重要认知能力。人们普遍认为空间能力是指个体对空间的一种感知力、理解和操作，主要包含空间感知、空间想象力、空间可视化和空间关系推理等方面，是人们日常生活和工作中应具备的一项基本能力，也是理解、改造世界的有力工具。

空间感知力主要指个体通过视觉、触觉等感官来感知物体在空间中的位置、方向和距离的能力；空间想象力涉及在大脑中形成、修改和操纵物体的心理表征的能力；空间可视化是指个体在心理上操作和转换视觉信息的能力；空间关系推理表现为个体理解物体之间相对位置和运动关系的能力。

（二）神经机制

在认知功能方面，大脑额叶负责高阶思维过程，如解决问题、抽象思考等，对于个体理解和适应环境至关重要。顶叶主要参与来自身体各部位的感觉信息，帮助人们理解位置和空间关系，在心理旋转任务中有明显参与活动。因此，额顶叶网络是大脑网络中的重要部分，参与控制认知功能，如工作记忆、空间注意力和决策等，在人类的认知功能和感知处理中扮演着核心角色，对信息的高效传递和处理具有重要作用。研究表明，地理教学会激活学生枕叶、颞叶、额叶等脑区，使不同脑区之间的功能连接强度显著增强，即地理教学可以增强空间信息的定位聚焦和处理，促进参与决策、空间思维和视觉处理等中枢之间的高效协调，提高学生的空间认知与决策能力。

三、英语和地理跨学科教学关联性讨论

教育神经科学的前沿研究提出了深刻的洞见，为教师揭示了不同学科教学在大脑激活模式上的微妙差异及其内在联系。地理教学和英语教学虽然在激活的具体脑区上有所区别，但它们在额叶、顶叶和颞叶等关键脑区却有着重叠的激活现象。这种重叠不仅表明了不同学科教学对大脑功能影响的共性，反映了大脑在处理复杂信息时的整合能力，也凸显了教育活动对大脑结构和功能发展的积极作用。

回顾过去的研究，认知科学正朝着互动式框架发展，语言、感知、行动之间存在着复杂的相互关系。语言的特性对说话者时空边界的表达及视觉注意模式有影响，英语的系统编码方式会让说话者将视觉注意集中在空间成分上，这表明人类的空间认知是一个高度互动的过程。

教育神经科学的研究表明，跨学科学习可以促进大脑的信息整合能力。例如，地理教学可能要求学生使用语言来描述地理位置，而英语教学可能要求学生阅读和理解描述不同文化与地理背景的文本，这种跨学科学习可以促进大脑不同区域之间的连接和协作。长期参与跨学科的学习活动可以对大脑结构和功能产生积极影响。持续的认知刺激可以增强神经可塑性，即大脑适应新学习方式和构建经验的能力。这意味着通过学习，人们可以改善记忆力、注意力和其他认知功能。

教育神经科学的前沿研究揭示了不同学科教学在大脑激活模式上的微妙差异及其内在联系，强调了教育活动对大脑结构和功能发展的积极作用。这些发现为教育实践提供了科学依据，有助于教师设计更有效的教学策略和课程。

四、英语和地理跨学科教学实施路径

英语和地理的跨学科教学设计成果体现在多方面，包括课程内容融合、教学方法创新以及学生能力培养等。在未来的地理课堂上，有希望实现双语教学，这种教学方式以课程标准为导向，旨在不牺牲地理学科内容的教授，同时提高学生的英语能力，从而提升学生的语言应用和跨文化交际能力。本研究组以人教版地理教材七年级上册《多样的文化》为例，进行教学设计（见下页表1），在讲授地理知识的过程中，教师以英语为教学语言，创设英语语言环境，让学生使用英语并用英语思维来学习地理。教学目标：运用反映语言、宗教、习俗等内容的图文资料，描述世界文化的丰富多彩，树立尊重世界文化多样性的意识。具体来说，要求学生知道世界主要语言；了解世界三大宗教及其主要分布地区；了解各地衣食住行等习俗的形成与自然环境的关系；树立尊重和理解世界多元文化的意识。教学重点：认识世界文化的多样性；教学难点：挖掘不同文化习俗形成的地理背景，渗透人地协调观，培养学生的全球视野与跨文化交际能力。

此外，教师可以利用智慧教育平台的相关素材创设情境，通过整合图文、音频、视频等多媒体资源，激发学生的学习兴趣，提升他们的综合素养。例如，教师利用多媒体和虚拟现实技术，创建真实的地理场景，让学生在英语环境中探索世界地理。这种沉浸式学习不仅加深了学生对地理知识的理解，也锻炼了他们的英语听力与口语表达能力。教师还可以开展项目式学习活动，组织国际学生交流项目，如在“地理笔友计划”活动中，教师通过书信交流或数字媒体方式，将来自不同地理背景的学生连接起来，让他们相互学习对方的文化、环境和地理特点，培养学生的全球视野和跨文化交流能力。

五、英语和地理跨学科教学的未来启示

教育神经科学视角下实施英语和地理跨学科教学，不仅为教师提供了理解教育对大脑影响的新视角，也为教育实践提供了重要的指导。教师可以利用这些知识，依据自己对大脑学习机制的深入理解，设计出更加高效、科学的教学策略，促进学生在不同学科领域的学习。例如，教师通过跨学科的教学方法，可以增强学生在空间感知、语言理解和记忆形成等方面的能力。同时，这也提示教师在教育过程中要关注学生的个体差异，因为学生间的大脑激活模式可能有细微差异，这意味着教育者在设计教学方案时需要注重个性化教学，适应每一名学生的独特学习需求，确保每一名学生都能在适合自己的学习路径上达到最佳的学习效果。

教育神经科学的最新研究成果为教师揭示了大脑在学习过程中的奥秘，深化了教师对教育如何塑造大脑功能的认识，为教师提供了丰富理论知识的同时，也为教育实践提供了坚实的科学基础和创新的教学策略。通过运用基于教育神经科学的教学方法，教师可以更有效地激发学生的潜能，促进他们在多个认知领域的发展，从而为他们在未来社会中的成功奠定坚实的基础，使其在复杂多变的社会环境中能够更加自信、从容地面对挑战，实现个人价值。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育英语课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［2］冯学芳，刘洁.中国初、高中英语学习者二语词汇语义网络结构比较研究［J］.外语教学与研究，2023（3）.

［3］中华人民共和国教育部.义务教育地理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

［4］张家辉，袁孝亭.地理教育中的尺度思想：基本内容与教学价值［J］.课程·教材·教法，2016（6）.

［5］游洋，饶燕，闵昌祥.初中英语跨学科主题教学的设计与运用：以Unit 8 Topic 2为例［J］.英语教师，2024（18）.

［6］牛亭亭，王秋红.地理资源在英语教学中的开发与应用［J］.中学地理教学参考，2024（11）.

［7］蔡新.初中地理双语教学研究［J］.中学地理教学参考，2014（20）.

［8］周加仙.教育神经科学视角的知识创造与知识判断标准［J］.教育发展研究，2018（24）.

［9］王杨春晓，卢春明，郑永和.教育神经科学研究：内涵、图景与发展进路［J］.中国电化教育，2023（6）.

［10］周加仙.教育神经科学视角的课程设计：联合国教科文组织LIBRE课程设计的样例分析与启示［J］.人民教育，2020（9）.

（责任编辑：赵春艳）