黃俊杰，張 陽，周加仙

（1. 上海市民辦新黃浦實(shí)驗(yàn)學(xué)校，上海 200065；2. 華東師范大學(xué)教育學(xué)部，上海 200062；3. 華東師范大學(xué)教育神經(jīng)科學(xué)研究中心，上海 200062）

一、引言

近年來，隨著新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，腦科學(xué)家開始從不同的角度來揭示人類認(rèn)知活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制。日益豐富的腦科學(xué)研究成果也為構(gòu)建基于腦科學(xué)的新型學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式提供了必要性和可能性。研究者根據(jù)這些研究成果在教育教學(xué)領(lǐng)域展開實(shí)驗(yàn)，為課堂教學(xué)實(shí)踐提供了有益的啟示和幫助。一種學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)、學(xué)習(xí)品質(zhì)的提升，或是任何一項(xiàng)知識(shí)的獲取、合作的建立、行為的變化、情緒的調(diào)節(jié)，以及注意力、記憶力、思維力、反應(yīng)力和自控力的養(yǎng)成都離不開神經(jīng)科學(xué)的支持。因此，中小學(xué)教師是“大腦的變革者”，教師對(duì)學(xué)生用腦學(xué)習(xí)規(guī)律越了解，就越容易在教育教學(xué)中取得突出效果。

物理學(xué)是研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、相互作用和一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)，以觀察、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，與人類生活、社會(huì)、科技的發(fā)展息息相關(guān)。初中物理知識(shí)的學(xué)習(xí)往往是從某一個(gè)物理現(xiàn)象展開的，很多現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)在邏輯是抽象的，需要學(xué)生利用想象力去搭建與物理現(xiàn)象相符合的模型。為此，學(xué)好物理的前提是對(duì)現(xiàn)象有一定的敏感性，需要學(xué)生具備從實(shí)際現(xiàn)象中提煉出物理模型，并將物理模型的理論知識(shí)靈活地遷移、應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)象中的能力，還需要學(xué)生擁有一定的想象力和獨(dú)立畫出抽象模型的能力。比如，磁場、電場是看不見摸不著的，卻普遍存在于日常生活中，學(xué)生需要善于觀察生活中的現(xiàn)象，根據(jù)磁鐵與鐵屑之間相互作用的現(xiàn)象來想象磁場的作用等。

然而，現(xiàn)實(shí)的教學(xué)工作往往只重視邏輯思維的發(fā)展，而嚴(yán)重地忽視了形象思維的培養(yǎng)，教師在抽象中教，學(xué)生在抽象中學(xué)。定義、概念、推理、公式、定律、定理都是抽象的，從而導(dǎo)致學(xué)生沒有形成與物理知識(shí)相對(duì)應(yīng)的、正確的物理形象，這樣就構(gòu)筑不出與物理知識(shí)相對(duì)應(yīng)的物理圖景，不能建構(gòu)物理過程的動(dòng)態(tài)形象，不會(huì)運(yùn)用形象思維來分析與解決物理問題?？梢?，學(xué)生可能精于解題，擅長考試，但不善于動(dòng)手，更不善于想象和創(chuàng)新。到了高中階段，復(fù)雜抽象的物理概念就會(huì)使學(xué)生陷入困境，導(dǎo)致對(duì)物理感興趣的人越來越少。因此，初中物理教學(xué)應(yīng)立足于形象思維，再過渡到抽象思維。物理形象思維是以物理表象（物理表象是物理形象在人腦中的間接的、概括的反映）為主要材料，通過分析、加工和改造來認(rèn)識(shí)事物的內(nèi)容、本質(zhì)和規(guī)律的一種思維方式。物理形象思維的養(yǎng)成是對(duì)物理現(xiàn)象、物理事實(shí)、物理過程等進(jìn)行分析、加工，把感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)的過程。初中物理教學(xué)要提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，必須要豐富學(xué)生頭腦中的物理表象。

在初中物理教學(xué)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生形象思維的能力，需要采取“遞進(jìn)式”的教育策略，具體包括：感知物理現(xiàn)象，儲(chǔ)存形象思維素材；操作物理實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)形象思維的發(fā)展；運(yùn)用形象思維，促進(jìn)物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)。

二、感知物理現(xiàn)象，儲(chǔ)存形象思維素材

初中物理與實(shí)際生活有著密不可分的關(guān)系，初中生雖然閱歷尚淺，但是已經(jīng)具備了對(duì)生活現(xiàn)象進(jìn)行觀察和總結(jié)的能力。從生活實(shí)際出發(fā)去觀察物理現(xiàn)象，并結(jié)合自身情況來思考物理現(xiàn)象，是學(xué)生積累物理表象的過程。讓學(xué)生充分地感知物理現(xiàn)象，豐富其表象庫，是培養(yǎng)學(xué)生形象思維能力的前提和基礎(chǔ)。

視覺信息的輸入對(duì)視覺表象有重要的影響。①Cattaneo，Zaira，Silvia Bona，Juha Silvanto，“Cross-adaptation Combined with TMS Reveals a Functional Overlap between Vision and Imagery in the Early Visual Cortex”，Neuroimage，Vol. 59，no. 3（2012），pp. 3015-3020.視覺表象是一種視覺記憶能力，是個(gè)體看到某一物體后能在頭腦中形成視覺形象的能力。當(dāng)個(gè)體看到物體，在頭腦中形成物體的表象時(shí)，他的早期視覺皮層（又被稱為初級(jí)視覺皮層、布羅德曼17 區(qū)）被激活。例如，正電子發(fā)射斷層（PET）掃描的研究發(fā)現(xiàn)，與基線條件相比，被試在完成視覺表象任務(wù)時(shí)早期視覺皮層被激活。②Kosslyn，M.Stephen，et al.，“The Role of Area 17 in Visual Imagery：Convergent Evidence from PET and Rtms”，Science，Vol. 284，no. 5411（1999），pp.167-170.如果該區(qū)域受到經(jīng)顱磁刺激（TMS）的干擾，那么個(gè)體的視覺表象能力就會(huì)下降，個(gè)體在完成視覺任務(wù)或者表象任務(wù)時(shí)就要花費(fèi)更長的時(shí)間。③Cattaneo，Zaira，Silvia Bona，Juha Silvanto，“Cross-adaptation Combined with TMS Reveals a Functional Overlap between Vision and Imagery in the Early Visual Cortex”，Neuroimage，Vol. 59，no. 3（2012），pp. 3015-3020.這意味著如果學(xué)生能夠接收大量的視覺信息，這些視覺信息可以以表象的形式存儲(chǔ)到記憶中，從而形成學(xué)生的形象思維素材。因此，視覺信息激活個(gè)體的早期視覺皮層，而早期視覺皮層的激活使得個(gè)體擁有視覺能力和視覺表象能力。視覺表象是記憶、語言和思維等更高級(jí)認(rèn)知過程的基礎(chǔ)，也是人類通過視覺進(jìn)行學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。在物理學(xué)習(xí)過程中，教師需要給學(xué)生提供大量的視覺信息，這些視覺信息可以激發(fā)其早期視覺皮層，從而形成視覺形象。這些視覺形象暫存于腦中，經(jīng)過反復(fù)的刺激，可以存儲(chǔ)到長時(shí)記憶中，從而形成學(xué)生的形象思維素材。因此，在教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和感知生活中的物理現(xiàn)象，為物理學(xué)習(xí)儲(chǔ)備大量的形象思維素材，豐富表象庫。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》提出：“遵循初中學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律，貼近學(xué)生生活，關(guān)注學(xué)習(xí)生長點(diǎn)，以具體事實(shí)、鮮活案例、生活經(jīng)驗(yàn)和基本概念等引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理性思考?！雹苤腥A人民共和國教育部：《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》，北京師范大學(xué)出版社2022 年版，第4 頁。例如，在學(xué)習(xí)“光的直線傳播”前，可以引導(dǎo)學(xué)生觀察每天不同時(shí)段自己影子的大小情況，為學(xué)習(xí)“光的直線傳播”儲(chǔ)備形象思維的素材；在學(xué)習(xí)“慣性”前，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)在乘車時(shí)突然啟動(dòng)或突然剎車時(shí)的反應(yīng)，為理解“慣性”的概念儲(chǔ)備形象的圖像表征。鼓勵(lì)學(xué)生利用身邊的資源進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，如將塑料藥瓶和塑料軟管做成潛水艇模型，研究其浮沉的原理。學(xué)生通過實(shí)踐形成的物理表征，將會(huì)得到更復(fù)雜的神經(jīng)編碼，記憶更加鞏固、更加深刻。

此外，教師還要利用好教材插圖和網(wǎng)絡(luò)圖片等視覺資源。教材是基礎(chǔ)，物理教材中插圖數(shù)量多，不僅有實(shí)物圖，還有示意圖（受力圖、電路圖、光路圖等）、立體剖面圖（原子反應(yīng)堆等），以及可與實(shí)物模型相配合的內(nèi)燃機(jī)四步?jīng)_程圖等。網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)巨大的資源庫，網(wǎng)絡(luò)圖片不僅增加了物理教材的形象感，為學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理、學(xué)習(xí)物理提供了指引，而且為學(xué)生形象思維能力的培養(yǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)。

最后，學(xué)生需要感知豐富的視覺信息，才能形成準(zhǔn)確而全面的視覺形象。這在概念教學(xué)中尤為重要。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)“杠桿”這個(gè)概念時(shí)，如果只見過最基本的“桿狀杠桿模型”，就很難理解“滑輪是變形的杠桿”這一原理，也很難將自己頭腦中的“杠桿”與生活中其他杠桿類工具聯(lián)系起來。因此，教學(xué)中，教師要展示生產(chǎn)生活中各種各樣與杠桿有關(guān)的工具，讓學(xué)生在頭腦中對(duì)“杠桿”這個(gè)概念形成全面的表征，從而有利于之后解決與“杠桿”相關(guān)的一系列問題。

三、通過物理實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)形象思維的發(fā)展

感知物理現(xiàn)象、接收豐富的視覺信息不僅需要學(xué)生觀察記錄，而且需要他們主動(dòng)地與世界進(jìn)行互動(dòng)。參與物理實(shí)驗(yàn)就是學(xué)生與物質(zhì)世界進(jìn)行互動(dòng)的一種方式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能夠創(chuàng)造并觀察大量的物理現(xiàn)象，豐富頭腦中的表象庫，為形象思維的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，不僅僅是視覺通道，其他感覺通道也會(huì)被利用，這有利于個(gè)體形成全面且準(zhǔn)確的表象和記憶。從信息豐富性的角度而言，能產(chǎn)生最多的信息首先是學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，其次是演示實(shí)驗(yàn)，再次是呈現(xiàn)圖片，最后是文字描述。因此，在物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)就顯得更加重要。當(dāng)學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，不僅能觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還能與物體進(jìn)行互動(dòng)，這些過程調(diào)動(dòng)了學(xué)生的軀體感覺系統(tǒng)和軀體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，這兩大系統(tǒng)幫助學(xué)生獲取更多的感知信息。①Beauchamp，S. Michael，Alex Martin，“Grounding Object Concepts in Perception and Action：Evidence from fMRI Studies of Tools”，Cortex，Vol. 43，no. 3（2007），pp. 461-468.學(xué)生接收多種感覺通道的信息，激活更廣泛的腦區(qū)，并將其整合起來，形成更加準(zhǔn)確的表象和記憶，使得形象思維的內(nèi)容更加準(zhǔn)確。

有研究探討了學(xué)生在學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)學(xué)概念時(shí)，不同實(shí)驗(yàn)方式，如動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)效果和腦激活能產(chǎn)生不同影響。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生動(dòng)手參與物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱岣邔?duì)相關(guān)物理知識(shí)的推理能力。此外，當(dāng)學(xué)生在進(jìn)行物理推理測驗(yàn)時(shí)，與觀察組相比，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的背側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮層（dPMc）、軀體運(yùn)動(dòng)皮層、軀體感覺皮層（M1、S1）、頂上小葉（SPL）、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA）和小腦會(huì)激活更大的腦部區(qū)域②Kontra，Carly，et al.，“Physical Experience Enhances Science Learning”，Psychological Science，Vol. 26，no. 6（2015），pp. 737-749.，這些區(qū)域被認(rèn)為是與動(dòng)作執(zhí)行、計(jì)劃、調(diào)用動(dòng)作經(jīng)驗(yàn)有關(guān)的腦區(qū)③Beilock，L.Sian，et al.，“Sports Experience Changes the Neural Processing of Action Language”，Proceedings of the National Academy of Sciences，Vol. 105，no. 36（2008），pp. 13269-13273.④Calvo-Merino，Beatriz，et al.，“Action Observation and Acquired Motor Skills：An FMRI Study with Expert Dancers”，Cerebral Cortex，Vol. 15，no. 8（2005），pp.1243-1249.⑤Cross，S. Emily，F(xiàn). Antonia de C. Hamilton，and Scott T. Grafton，“Building A Motor Simulation De Novo：Observation of Dance by Dancers”，Neuroimage，Vol. 31，no. 3（2006），pp. 1257-1267.，因此，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的計(jì)劃能力和動(dòng)作執(zhí)行能力得到了訓(xùn)練，積累了操作經(jīng)驗(yàn)。動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的學(xué)生左腦軀體感覺區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)激活程度更高，且激活程度與物理推理測驗(yàn)成績呈正相關(guān)。⑥Kontra，Carly，et al.，“Physical Experience Enhances Science Learning”，Psychological Science，Vol. 26，no. 6（2015），pp. 737-749.研究證明，動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)?zāi)苷{(diào)動(dòng)學(xué)生的感覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，學(xué)生能獲得更充分的感覺和運(yùn)動(dòng)信息，這些信息將儲(chǔ)存在記憶中。學(xué)生在進(jìn)行物理推理時(shí)，能夠調(diào)用之前的感覺和運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，在頭腦中建立正確的視覺形象，在物理推理時(shí)正確率會(huì)更高。所以，在涉及物體運(yùn)動(dòng)的領(lǐng)域，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)是非常有效的學(xué)習(xí)方式。

那些真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果不夠理想，或現(xiàn)實(shí)生活中不能完成或不便完成的實(shí)驗(yàn)，如在學(xué)校條件下難以觀察到的物理現(xiàn)象（例如火箭的發(fā)射、原子彈的爆炸等）、臨時(shí)難以演示成功的實(shí)驗(yàn)或某些技能的示范等，也可以通過仿真實(shí)驗(yàn)、音像教材，或者通過虛擬現(xiàn)實(shí)等途徑來實(shí)現(xiàn)，這些途徑不受場地和時(shí)間的限制，具有可視性好、反饋及時(shí)、便捷靈活、可重復(fù)進(jìn)行等特點(diǎn)。這種非真實(shí)的呈現(xiàn)途徑雖然少了觸覺上的真實(shí)感受，但是卻更加精準(zhǔn)地幫助學(xué)生提高了形象思維能力的知識(shí)儲(chǔ)備。

四、運(yùn)用形象思維，促進(jìn)物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)

感知物理現(xiàn)象之后，大部分學(xué)生大腦中儲(chǔ)備了豐富的形象思維材料，接下來，教師需要立足于學(xué)生發(fā)展情況，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用形象思維能力更加高效地學(xué)習(xí)新知識(shí)。

新的概念對(duì)學(xué)生而言往往比較抽象，難以理解。這時(shí)教師可以將抽象的概念形象化，聯(lián)系學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，以降低學(xué)生理解新概念的難度。根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀，學(xué)生學(xué)習(xí)的新知識(shí)建立在原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在學(xué)習(xí)時(shí)，需要調(diào)用原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，去幫助他們建構(gòu)新知識(shí)的意義。但是，初中物理教學(xué)中有一些概念比較抽象（例如電流、電壓、功、密度），與學(xué)生原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)相距較遠(yuǎn)，學(xué)生難以想象和理解。當(dāng)學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)時(shí)，可以通過類比、觀察實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫模擬等教學(xué)手段，向?qū)W生呈現(xiàn)更加具體和形象的物理過程，借助形象思維，使學(xué)生理解新知識(shí)。

在概念教學(xué)中，需要格外重視視覺信息和視覺表象。人腦存在將抽象概念形象化的傾向，在思考抽象問題時(shí)也常將其形象化。這是因?yàn)槿藗冊(cè)谒伎汲橄蟾拍罨騿栴}時(shí)，距狀裂皮質(zhì)（calcarine cortex）會(huì)被激活①Klein，Isabelle，et al.，“Transient Activity in the Human Calcarine Cortex During Visual-mental Imagery：An Event-related fMRI Study.”Journal of Cognitive Neuroscience，Vol.12，no.2（2000），pp. 15-23.，而距狀裂皮質(zhì)是與視覺表象有關(guān)的腦區(qū)。但在物理教學(xué)中，某些物理概念和規(guī)律比較抽象，學(xué)生很難理解和接受，往往只能根據(jù)教材中的敘述或通過教師的講授，似懂非懂地記憶，而真正應(yīng)用這些物理概念和規(guī)律時(shí)，學(xué)生卻很難把握其本質(zhì)。即使概念和規(guī)律是用語言文字呈現(xiàn)的，當(dāng)個(gè)體在頭腦中檢索這些概念時(shí)，也會(huì)激活與表象相關(guān)的腦區(qū)，因?yàn)閭€(gè)體頭腦中對(duì)概念的表征主要是圖像式的，而不是語言式的。②Goodale，A. Melvyn，“Image and Brain：The Resolution of the Imagery Debate”，Journal of Cognitive Neuroscience，Vol. 7，no. 3（1995），pp. 415-420.因此，當(dāng)學(xué)生看到物理概念時(shí)，頭腦中首先浮現(xiàn)出的不是這個(gè)概念的定義，而是與這個(gè)概念相關(guān)的視覺表象。例如，當(dāng)學(xué)生想到“力”這個(gè)概念時(shí)，頭腦中可能會(huì)浮現(xiàn)出兩個(gè)物體相互作用的形象，而不是課本中對(duì)“力”的文字定義。因此，教師在教學(xué)過程中，要引導(dǎo)學(xué)生用形象的圖形來描述，或進(jìn)行物理情景的聯(lián)想，將抽象的物理概念、物理規(guī)律形象化，則能收到很好的教學(xué)效果。

類比是將抽象概念形象化的一種教學(xué)方法。在進(jìn)行電學(xué)教學(xué)時(shí)，用水壓類比電壓，用水流類比電流，學(xué)生就更容易理解電壓和電流的相關(guān)規(guī)律?！肮β省备拍顚?duì)學(xué)生來講比較抽象，而學(xué)生對(duì)“速度”概念比較熟悉，學(xué)生頭腦中擁有許多與速度快慢有關(guān)的視覺形象。因此，在開始教授“功率”概念時(shí)，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生先回憶“速度”的相關(guān)知識(shí)，以此類比讓學(xué)生去掌握功率相關(guān)的規(guī)律。如：在講授分子結(jié)構(gòu)時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生將自己想象成一個(gè)個(gè)分子，當(dāng)學(xué)生在教室里聽講時(shí)，學(xué)生間距比較小，排列解密，類似固體內(nèi)部分子的排列；當(dāng)學(xué)生在課間休息時(shí)，學(xué)生間距增大，相對(duì)有序，類似液體內(nèi)部分子的排列；而當(dāng)學(xué)生在戶外活動(dòng)時(shí)，學(xué)生間距很大，排列松散無序，類似氣體分子的排列。又如：講授電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，可以類比運(yùn)動(dòng)規(guī)律與之相似的行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的模型；講授電荷間相互作用時(shí)，可以用磁極間的相互作用的規(guī)律來幫助學(xué)生理解。這種類比的學(xué)習(xí)方法讓學(xué)生不僅可以在舊的表象基礎(chǔ)之上建立新的表象，還可以在溫習(xí)鞏固舊知識(shí)的基礎(chǔ)之上去學(xué)習(xí)、掌握新的知識(shí)。

一些抽象難懂的物理規(guī)律也可以通過想象實(shí)現(xiàn)形象化。例如，初學(xué)者難以理解牛頓第一定律，因?yàn)檫@不符合他們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。如果教師將這一抽象的物理規(guī)律形象化，就可能容易被學(xué)生理解。伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)將抽象規(guī)律形象化的過程。讓小球沿一個(gè)光滑斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始下滾，小球?qū)L上另一個(gè)斜面，達(dá)到與原來差不多的高度后再往下滾。只是因?yàn)槟Σ亮?，小球才沒能達(dá)到原來的高度。如果減小后一斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍然可以達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要滾得更遠(yuǎn)些。如果逐漸減小第二個(gè)斜面的坡度，小球?qū)⒃诘诙€(gè)斜面上越滑越遠(yuǎn)。最后，如果把第二個(gè)斜面放平，小球?qū)墓饣泵婊瞎饣矫妗８鶕?jù)上述推理，小球?qū)⒃诖斯饣矫嫔匣氯ィ肋h(yuǎn)不會(huì)停下來，因?yàn)樾∏蛟谒椒较蛏喜粫?huì)受到任何阻力的作用。雖然該實(shí)驗(yàn)無法在現(xiàn)實(shí)中完成，但是學(xué)生可以利用形象思維能力在腦海中構(gòu)建出完整的物理過程。這樣的形象化建構(gòu)過程將存儲(chǔ)于學(xué)生的頭腦中，牛頓第一定律的內(nèi)容也更容易被學(xué)生理解、接受和記憶。