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ZT 韋鈺的個人博克:有關科學概念學習

作者:HappyUSANA  於 2012-4-7 00:29 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

通用分類:村內互動

關鍵詞:學習

有關科學概念學習,神經科學研究告訴我們什麼(1)

 

有關兒童科學概念學習的研究在心理科學領域已經有近百年的歷史。自上世紀50年 代認知科學興起以後,對兒童科學概念學習的研究在認知科學領域也是關注的重點。近幾十年來,由於科學技術的進步,特別是腦成像技術的發明和發展,使得科學 家可以在線研究活體狀態下人的精神狀態和活動過程,使我們對兒童科學概念的形成和發展有了進一步的了解。學生科學概念的學習,也成為新出現的學習科學(Learning  Science, 或神經教育學,Neuro-Education,)的研究重點。下面介紹兩個例子。

 

(一)為什麼學生對一些科學概念的掌握十分不易?

學生對科學概念的學習不僅是重要的,而且是困難的。在有關學生科學概念學習的大量研究中,多次證明了這一點。如果參加過漢博教師培訓中心組織的教師培訓,教師們可能都觀看過一部DVD電影「Private  Universe」。.這 是一部美國獲獎的科教片,實地記錄了學生對有關電迴路和四季概念的學習過程。一些學生儘管很優秀,但是在改變他們的錯誤前概念時,同樣是很困難的,哈佛大 學的學生也不例外。長期以來,人們依據不同的學習理論,對這個問題進行解釋,而且希望找到對某些核心科學概念的有效教學方法,但是結果仍然不能得到令人信 服的結果。

用 不同方法來進行研究,都發現學生概念的發展和歷史上人類概念的發展十分相似。人對概念的接受有兩種情況.一種是在學習過程中概念的更改不大,只是在已有的 概念結構上增加一些知識,增加的知識和原來學生持有的概念之間不存在衝突,這種微小的概念變化就比較容易被學生接受.不需要將原來的知識重新建構。第二種 情況是需要概念發生根本性的移轉。在這種情況下。需要重新建構概念。當學生需要發生根本性的概念轉移時,就比較困難了,常常經過一、兩節課的教學不能解決 問題。

所以在科學教育中需要知道那些概念學生轉移有困難,為什麼會發生這種困難,然後才能研究解決的辦法。

 

現在,由於科學技術的發展,我們可 以用腦成像的方法,在活體的情況下,在線檢測不同的學習過程中,腦不同區域的激活情況。雖然,腦是一個十分複雜的動態系統,並不能找到一個簡單的腦區或是 腦中的迴路,與完成某一項學習功能完全相對應,但是,大量的研究已經揭示了與某些學習過程有關的腦區激活情況。如在基底節的激活和傳統的學習過程相關《1》;位於邊緣系統的海馬區和副海馬區激活表示明晰性記憶發生《2》;當需要監測誤差和衝突時,前扣帶回會激活《3》等等。神經科學已經得到了許多和記憶、學習、注意、推理過程與腦激活區域的關係,因此,為我們在腦、心智和教育的交叉學科領域裡研究這些問題提供了基礎,現在可以用神經科學的研究方法,得到有關學生學習科學概念過程的腦圖像,從而說明學生持有的某些科學概念難以改變的原因。

Dunbar 博士的一個實驗是這樣進行的《4》。在物理領域裡,有一個重要的核心概念--自由落體運動問題。在人類歷史上,從亞里斯多德提出有關自由落體的觀點以後,他的錯誤的觀點維持了兩千年,直到伽利略用實驗和推理才給出了正確的答案,可見關於自由落體運動的物理概念並不是自發地就可以建立的。Dunbar設 計了一個電腦上運行的電影,讓電腦的屏幕上依次顯示不同的物體自由下落的過程。一種情況是兩個同樣的小球下落;另一種情況是兩個大小不同的球下落。如果是 在不存在摩擦力的情況下,要求受試者判斷兩個球下落的速度是否一樣,它們是同時到達地面,還是一快一慢,一先一後到達地面。受試者由兩組人組成,一組是至 少在物理方面學過五級物理課程的物理系大學生,另一組是普通的沒有受過大學物理教育的成年人,兩組受試者的選擇考慮了在SAT考試和性別上相類似的基礎條件。實驗時,要求被試者觀看電腦的屏幕,看到認為是正確的答案時,按下手邊的按鈕,同時用功能核磁共振腦成像儀對受試者的腦部進行實時成像。

 

研究結果顯示,當實驗結果和受試者的預期一致時,腦的核磁功能腦圖像顯示腦中的尾核和副海馬回Caudate and Parahippocampal Gyrus)被激活;表示這兩個腦區在運作;而當結果和受試者的預期不一致時,前扣帶回和輔助運動區(Anterior Cingulate and Supplementary Motor Area) 激活增加,因為他們認為這種情況是和他們的理解衝突的。我們知道,尾核是基底節的一部分,它的激活表示學習過程發生,而副海馬區是形成明晰性記憶的重要區 域,前扣帶回激活表示受試者有認知上的衝突。在不同大小的球以同樣的速度下落時,學過物理的學生腦中的尾核和副海馬區激活,說明他們已經接受了正確的有關 自由落體的科學概念,學習過程發生。物理系的學生看到球落下的速度不一致時,不符合他們學過的物理理論,他們的前扣帶回激活增加,表示了概念上的衝突。而 普通的成年人顯示的結果則相反,他們在觀看大小不同的兩個球先後落地時,腦中的尾核和副海馬區激活;而在看到兩個球同時到達地面時,他們的前扣帶回和輔助 運動區激活增加。這個實驗說明即使是成年人,沒有經過認真的科學教育,他們仍然持有伽利略以前的關於自由落體運動的錯誤概念。

實驗結果說明,當現實的結果和原來持有的概念一致時,學習過程發生了,現實的實驗結果和原有的觀念不一致時,腦中會發生抑制這些信息被接受的過程,學習過程並沒有被有效進行,這就是為什麼學生接收一個新的概念是如此的困難。

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同時,實驗中發現了內側前額皮層的激活,這相應於已存在的概念被表現。因而內側前額皮層激活可以用來作為學生是否具有某種概念表達的一種標誌。Dunber在實驗中發現,即使是物理系的大學生,在他們看到錯誤的圖像時,內側前額皮層也是被激活的,只是因為結果和學生現在持有的概念不符合時,他們會抑制原有的概念。

這個實驗事實是十分重要的,因為它提出了一個問題,當學生的前概念改變時,是知識結構的重構嗎?這是教育上一個重要的問題,一直以來,在建構主義理論的解釋中,認為學生概念變化時,學生持有的知識被重構了。但是,根據實驗結果,Dunber提出了一種新的和不同的觀點,認 為物理系的學生既表現為建立了新的正確的科學概念,但是並沒有重構他們的知識,而是在接受了新的知識以後,在激活他們正確的概念以後,抑制了他們原來的前 概念。物理系的學生不管是在看到正確的概念,還是不正確的原有的概念的影像出現時,他們的內側前額皮層都被激活了。但是在前概念出現時,內側皮層被激活的 同時,前扣帶回也被激活.說明即使在概念的改變發生的時候,學生仍然保留了他們原來的前概念,只不過新的知識抑制了他們原來的概念。這和目前在教育界流行的建構主義的結論並不一致。在建構主義的教學理論里,人們認為,在接受了新的教育以後,學生的科學概念是被從新建構了。

 

這些結果對教育有什麼意義呢?首 先我們知道了,在學生學習新的科學概念的過程中,有腦中發生的生物過程相伴。而腦中存在的抑制機製造成了學生接受新概念的困難。其次,學生在某些方面具有 的前概念,始終不會完全消失,即使在他們接受了良好的教育以後,了解了新的正確的概念以後,這些舊的錯誤的概念只是被抑制了,而不是被消滅了,原有的知識 並沒有被重構。

我們從長期記憶的形成原理中似乎也可以說明這個問題。

 

總之,有關教育的神經科學研究說明了學生有些正確的科學概念的建立不是可以自發形成的,需要良好的教學策略。一些概念要比另一些概念更難建立。說明應該儘早對兒童進行科學教育,應在他們鞏固這些錯誤概念以前,幫助他們建立正確的科學概念或是糾正錯誤的概念。因為可能在許多情況下,這些錯誤的概念不能被置換或是重新組織,而只是可以被一定程度地抑制。我想,這再一次證明在新教改中取消小學一、二年級的科學課是不正確的。

 

為什麼幫助學生建立正確的科學概念這麼重要呢。因為這會影響他們後續對許多問題的推理和判斷,學習科學的研究也已經得到了有關這個問題的實驗結果。(待續)

主要參考資料

1.   Michael J. Frank「Go」 and 「NoGo」  Learning and the Basal GangliaDana FoundationDecember 07, 2007  

2.   韋鈺,腦與教育學習札記1-15,可以在此博客中下載。

3.     Bush, G., Luu, P. & Posner, M.I. (2000) Cognitive and emotional influences in anterior cingulate cortex. Trends in Cognitive Science, 4: 215-222

4.     Laura-Ann Petitto & Kevin DunbarNew findings from Educational Neuroscience on Bilingual Brains, Scientific Brains, and the Educated MindIn press: K. Fischer & T. Katzir (Eds.), Building Usable Knowledge in Mind, Brain, & Education. Cambridge University Press.


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