韋鈺，電子學(xué)專家，教育家，中國工程院院士，中國少數(shù)民族教育學(xué)會(huì)理事長，中國電子學(xué)會(huì)副理事長。曾任教育部副部長，中國科協(xié)副主席。
　　
　　有關(guān)兒童科學(xué)概念學(xué)習(xí)的研究在心理科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有近百年的歷史。自上世紀(jì)50年代認(rèn)知科學(xué)興起以后，對(duì)兒童科學(xué)概念學(xué)習(xí)的研究在認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域也是關(guān)注的重點(diǎn)。近幾十年來，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是腦成像技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展，使得科學(xué)家可以在線研究活體狀態(tài)下人的精神狀態(tài)和活動(dòng)過程，使我們對(duì)兒童科學(xué)概念的形成和發(fā)展有了進(jìn)一步的了解。學(xué)生科學(xué)概念的學(xué)習(xí)，也成為新出現(xiàn)的學(xué)習(xí)科學(xué)(Learning Science，或神經(jīng)教育學(xué)，Neuro Education)的研究重點(diǎn)。因?yàn)榻⒄_的科學(xué)概念對(duì)于學(xué)生非常重要，這會(huì)影響他們后續(xù)對(duì)許多問題的推理和判斷。
　　學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)不僅是重要的，而且是困難的。在有關(guān)學(xué)生科學(xué)概念學(xué)習(xí)的大量研究中，多次證明了這一點(diǎn)。有一部美國獲獎(jiǎng)的科教片“Private Universe”，實(shí)地記錄了學(xué)生對(duì)有關(guān)電回路和四季概念的學(xué)習(xí)過程。一些學(xué)生盡管很優(yōu)秀，但是在改變他們的錯(cuò)誤前概念時(shí)，同樣是很困難的，哈佛大學(xué)的學(xué)生也不例外。長期以來，人們依據(jù)不同的學(xué)習(xí)理論，對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行解釋，而且希望找到對(duì)某些核心科學(xué)概念的有效教學(xué)方法，但是仍然未能得到令人信服的結(jié)果。
　　不同方法的研究都發(fā)現(xiàn)，學(xué)生概念的發(fā)展和歷史上人類概念的發(fā)展十分相似。人對(duì)概念的接受有兩種情況：一種是在學(xué)習(xí)過程中概念的更改不大，只是在已有的概念結(jié)構(gòu)上增加一些知識(shí)，與學(xué)生原來持有的概念之間不存在沖突。這種微小的概念變化比較容易被學(xué)生接受，不需要將原來的知識(shí)重新建構(gòu)。第二種情況是需要概念發(fā)生根本性的移轉(zhuǎn)。在這種情況下，需要重新建構(gòu)概念。當(dāng)學(xué)生需要發(fā)生根本性的概念轉(zhuǎn)移時(shí)，就比較困難了，往往一兩節(jié)課的教學(xué)無法解決問題。
　　所以在科學(xué)教育中需要知道哪些概念學(xué)生轉(zhuǎn)移有困難，為什么會(huì)發(fā)生這種困難，然后才能研究解決的辦法。
　　現(xiàn)在，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們可以用腦成像的方法，在活體的情況下，在線監(jiān)測不同的學(xué)習(xí)過程中腦不同區(qū)域的激活情況。雖然，腦是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，并不能找到一個(gè)簡單的腦區(qū)或是腦中的回路，與完成某一項(xiàng)學(xué)習(xí)功能完全相對(duì)應(yīng)，但是，大量的研究已經(jīng)揭示了與某些學(xué)習(xí)過程有關(guān)的腦區(qū)激活情況。如在基底節(jié)的激活和傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程相關(guān)；位于邊緣系統(tǒng)的海馬區(qū)和副海馬區(qū)激活表示明晰性記憶發(fā)生；當(dāng)需要監(jiān)測誤差和沖突時(shí)，前扣帶回會(huì)激活等等。神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)得到了許多記憶、學(xué)習(xí)、注意、推理過程與腦激活區(qū)域的關(guān)系，為我們在腦、心智和教育的交叉學(xué)科領(lǐng)域里研究這些問題提供了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在可以用神經(jīng)科學(xué)的研究方法，得到有關(guān)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)概念過程的腦圖像，從而找到學(xué)生持有的某些科學(xué)概念難以改變的原因。
　　Dunbar博士曾做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。在物理領(lǐng)域里，有一個(gè)重要的核心概念——自由落體運(yùn)動(dòng)問題。在人類歷史上，從亞里士多德提出有關(guān)自由落體的觀點(diǎn)以后，他的錯(cuò)誤的觀點(diǎn)維持了兩千年，直到伽利略用實(shí)驗(yàn)和推理才給出了正確的答案，可見關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的物理概念并不是可以自發(fā)建立的。Dunbar設(shè)計(jì)了一個(gè)電腦上運(yùn)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(gè)同樣的小球下落；另一種情況是兩個(gè)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(gè)球下落的速度是否一樣。受試者由兩組人組成，一組是至少學(xué)過五級(jí)物理課程的物理系大學(xué)生，另一組是普通的沒有受過大學(xué)物理教育的成年人，兩組受試者的選擇考慮了在SAT考試和性別上類似的基礎(chǔ)條件。實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求被試者觀看電腦屏幕，看到認(rèn)為是正確的答案時(shí)，按下手邊的按鈕，同時(shí)用功能核磁共振腦成像儀對(duì)受試者的腦部進(jìn)行實(shí)時(shí)成像。
　　研究結(jié)果顯示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和受試者的預(yù)期一致時(shí)，腦的核磁功能腦圖像顯示腦中的尾核和副海馬回(Caudateand Parahippocampal Gyrus)被激活；表示這兩個(gè)腦區(qū)在運(yùn)作；而當(dāng)結(jié)果和受試者的預(yù)期不一致時(shí)，前扣帶回和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(Anterior Cingulate andSupplementary Motor Area)激活增加，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這種情況是和他們的理解沖突的。我們知道，尾核是基底節(jié)的一部分，它的激活表示學(xué)習(xí)過程發(fā)生，而副海馬區(qū)是形成明晰性記憶的重要區(qū)域，前扣帶回激活表示受試者有認(rèn)知上的沖突。在不同大小的球以同樣的速度下落時(shí)，學(xué)過物理的學(xué)生腦中的尾核和副海馬區(qū)激活，說明他們已經(jīng)接受了正確的有關(guān)自由落體的科學(xué)概念，學(xué)習(xí)過程發(fā)生。物理系的學(xué)生看到球落下的速度不一致時(shí)，不符合他們學(xué)過的物理理論，他們的前扣帶回激活增加，表示了概念上的沖突。而普通的成年人顯示的結(jié)果則相反，他們在觀看大小不同的兩個(gè)球先后落地時(shí)，腦中的尾核和副海馬區(qū)激活；而在看到兩個(gè)球同時(shí)到達(dá)地面時(shí)，他們的前扣帶回和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)激活增加。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明即使是成年人，沒有經(jīng)過認(rèn)真的科學(xué)教育，他們?nèi)匀怀钟匈だ砸郧暗年P(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤概念。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，當(dāng)現(xiàn)實(shí)的結(jié)果和原來持有的概念一致時(shí)，學(xué)習(xí)過程發(fā)生了，現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原有的觀念不一致時(shí)，腦中會(huì)發(fā)生抑制這些信息被接受的過程，學(xué)習(xí)過程并沒有被有效進(jìn)行，這就是為什么學(xué)生接受一個(gè)新的概念是如此的困難。
　　同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)側(cè)前額皮層的激活，這相應(yīng)于已存在的概念被表現(xiàn)。因而內(nèi)側(cè)前額皮層激活可以用來作為學(xué)生是否具有某種概念表達(dá)的一種標(biāo)志。Dunber在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使是物理系的大學(xué)生，在他們看到錯(cuò)誤的圖像時(shí)，內(nèi)側(cè)前額皮層也是被激活的，只是因?yàn)榻Y(jié)果和學(xué)生現(xiàn)在持有的概念不符合時(shí)，他們會(huì)抑制原有的概念。
　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)是十分重要的，因?yàn)樗岢隽艘粋€(gè)問題，當(dāng)學(xué)生的前概念改變時(shí)，是知識(shí)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)嗎?這是教育上一個(gè)重要的問題。一直以來，在建構(gòu)主義理論的解釋中，認(rèn)為學(xué)生概念變化時(shí)，學(xué)生持有的知識(shí)被重構(gòu)了。但是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Dunber提出了一種新的和不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為物理系的學(xué)生既表現(xiàn)為建立了新的正確的科學(xué)概念，但是并沒有重構(gòu)他們的知識(shí)，而是在接受了新的知識(shí)、在激活正確的概念以后，抑制了他們原來的前概念。物理系的學(xué)生無論是在看到正確的概念，還是不正確的原有概念的影像出現(xiàn)時(shí)，他們的內(nèi)側(cè)前額皮層都被激活了。但是在前概念出現(xiàn)時(shí)，內(nèi)側(cè)皮層被激活的同時(shí)，前扣帶回也被激活。這說明，即使在概念的改變發(fā)生時(shí)，學(xué)生仍然保留了他們原來的前概念，只是新的知識(shí)抑制了他們原來的概念。這和目前在教育界流行的建構(gòu)主義的結(jié)論并不一致。在建構(gòu)主義的教學(xué)理論里，人們認(rèn)為，在接受了新的教育以后，學(xué)生的科學(xué)概念是被重新建構(gòu)了。
　　這些結(jié)果對(duì)教育有什么意義呢?首先我們知道了，在學(xué)生學(xué)習(xí)新的科學(xué)概念的過程中，有腦中發(fā)生的生物過程相伴。而腦中存在的抑制機(jī)制造成了學(xué)生接受新概念的困難。其次，學(xué)生在某些方面具有的前概念，始終不會(huì)完全消失，即使在他們接受了良好的教育以后，了解了新的正確的概念以后，這些舊的錯(cuò)誤的概念只是被抑制了，而不是被消滅了，原有的知識(shí)并沒有被重構(gòu)。
　　總之，有關(guān)教育的神經(jīng)科學(xué)研究說明了學(xué)生有些正確的科學(xué)概念的建立不是可以自發(fā)形成的，需要良好的教學(xué)策略。一些概念要比另一些概念更難建立。說明應(yīng)該盡早對(duì)兒童進(jìn)行科學(xué)教育，應(yīng)在他們鞏固這些錯(cuò)誤概念以前，幫助他們建立正確的科學(xué)概念或是糾正錯(cuò)誤的概念。因?yàn)榭赡茉谠S多情況下，這些錯(cuò)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。
　　
　　全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)科學(xué)教育