大脑——思维的器官，已经与生命、宇宙并列为三大科学之谜。在过去的一个世纪，特别是2O世纪90年代以来，关于脑研究的成果层出不穷、日新月异，特别是以脑科学为基础的学习科学取得了显著进展，并对世界各国的教育教学改革产生了影响。例如，历来十分重视基础科学教育的美国就以脑科学的有关理论为依托，对各个阶段的科学教育进行了全方位的改革，开发了诸如FOSS、STC、INsIGHTs等一系列科学教育项目。本文从脑科学研究在学习领域的应用角度出发，对美国小学科学课程改革新进展做一个简单的介绍。
      在认知神经科学、认知心理学和人工智能等各领域内研究成果的支持下，一种新的学习观应运而生了。这一新理念对如何有效地设计课程以及怎样提高教学效率都产生了直接的影响。目前，关于学习本质的这一新观点已经在世界范围内得到了关注和认可。它描述了学习者如何从新手过渡到专家的最佳历程，有助于教育工作者理解促进学习发生的各个因素，并且为改善低效或者负效教学提供了新思路。其要旨可以简述如下：
    学习者个体自主建构知识。
    理解就是明确事物之间的关系。
    关系的明确取决于先前所具有的相关知识。
    1、建构知识
    很多研究者都认为所有的知识和行为，无论是意识层次还是潜意识层次的，都是大脑所建构的复杂系统。大脑要建构知识和行为，当然必须要有原材料——即信息的输入。其获取信息的唯一途径就是身体五种感觉器官的感知活动。研究表明学习者并不只是橡镜子一样简单地反射出他们所听到的或者看到的信息，大脑也不会原封不动地储存某一事件的完整画面，或者说，它并不直接记录呈现在眼前的任何客体的情状。一个人所做、所见、所想或者所感都要经过大脑中复杂的储存与路径系统的加工。具体来说，它要把感觉器官对世界所进行的各种非言语感知结果和言语的各个方面都储存在不同的区域。比如形状、颜色与运动状态，名词与动词等等都有各自相应的位置。在将各种知觉结果纳入所属区域的同时，存储区内的各细胞之间就构筑起“路径”，即建立了联系，而这一过程其实就是使词汇、物体、事件及其相互之间关系以一种有序且相互交织的方式组织起来的过程。结果人类知识就以群集的形式储存在大脑中，并形成系统。在特定的场合，这些系统和路径就能被重新激活，而当语言——词汇和句法结构也参与这个组织过程中时，整个结构就成为抽象思维和问题解决的基础，进而帮助我们对相似或新异情境作出解释或推断。
      由于呈现——告诉式的教学方法，比如讲演、演示和叙述课文等只能激活少量的大脑路径，美国的国家科学基金会力图建立运用多种感官以及以实验室操作为基础的科学与数学项目，他们所开发的这些项目都设计了丰富的学习环境，使得学生有可能处在一个有着多种多样联系的探究情境中，并做到尽可能充分地调动学生多种感官的参与。这就增加了学生建构有价值知识的机会以及发展其思维能力的可能性。比如，在处理“骨骼”这一原本枯燥乏味的内容时，课程一改以往“简单告诉”的方式，把主动权还给了学生：从通过摸来辨别自己身体各部位的骨骼数量开始，到认真察看人体骨骼的表征图，再到亲自动手组装骨骼模型，最后到仔细对照正确的骨骼模型，在多种感官的参与下，在多种刺激的作用下，大脑的储存和路径系统一直处于活跃状态，因此学生对骨骼的认识是真实清晰、完整深刻的。
     2、领悟关系
     学生大脑中知识的建构质量受三个因素的影响：学生的兴趣爱好、先前已有的知识以及环境刺激的丰富程度。因为学生具有探究、操作、验证和改变手头物体的能力，动手做的经历能够激起学生强烈的好奇心和求知欲，使其努力把新近感知到的结果与大脑储存系统中已经建构形成的结果联系起来，并利用先前经验去解释新信息。相比之下，文字材料比如课本，由于是一些抽象、不真实的符号，所以不能对之进行操作或验证，因此就无法取得上述效果。换言之，只有在学习者具备了与文字符号相关的经验性知识以后，才能理解符号的象征意义。例如，如果你向儿童呈现一个大大的黄色字母“M”，这个符号就会使他回忆起先前在麦当劳餐厅的一些经历。另一方面，由于通过阅读所获得的新知识实际上就是将先前知识，重新加以组合以后形成的新关系，因此在读者原有知识的基础上，作者能够帮助他们理解从来没有亲身体验过的抽象观念。但是如果读者原有的知识背景与阅读内容相关不大的话，他们就无法获得很多新信息。也就是说，让学生通过探究活动，有了相关的体验之后再安排阅读有关的文字材料就能取得事半功倍的效果。基于此，美国新近开发的、由国家料学基金会(NSF)赞助的小学科学计划，无论是FOSS还是STC项目，都在学生获得了一些经历和体验后再提供一些精

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