自然科教學：用組塊與發散/專注切換，打造高效學習課堂

《大腦喜歡這樣學》作者說她小時候非常不擅長自然科的學習，長大後才知道自然科學習是有方法的，甚至成為了數理科教授。她這本書就是要解釋自然科為什麼難以學習的原因。

但是，讀完整本書，你是否有以下疑問？

1. 作者提到的『組塊（Chunking）』，是不是宣告了小時候沒學好自然的學生的墓碑？難不成還要這些學生回去國小重新學習嗎？
2. 發散式學習與專注模式，也不是每個人都能隨時切換的；上課時間可能教師也不允許學生如此切換。

所以，這本書對於學生的學習有什麼幫助呢？身為一個自然科教師，要怎麼幫助學生學習自然？

關於「組塊」（Chunking）的挑戰與補救

核心定義 (Authority)

組塊（Chunking） 是人類將零散的資訊元素組織成一個更具意義的、單一的「意元」或「意義單元」的過程。

這是一種強大的認知工具，能讓大腦有限的工作記憶（Short-term working memory）（大約只能容納 4 個資訊組塊）看起來比實際更大，從而處理更複雜的資訊。

專家之所以是專家，正是因為他們能利用有限的短期工作記憶，調動幾乎無限的長期記憶（以高度結構化的組塊網路形式儲存）。

易懂類比 (Accessibility)

你可以把「組塊」想像成我們處理資訊時的「壓縮檔」。

對於一個初學者來說，他看到的是一堆亂碼（個別的知識點），每輸入一個亂碼，工作記憶就佔用一個空間。

但對於專家來說，他們能將這些亂碼識別並歸類成一個個有意義的「壓縮檔」（組塊），所以他們雖然只用了 4 個空間，但每個空間裡裝的資訊量卻是巨大的。

如果學生缺乏先備知識，就像電腦裡沒有解壓縮軟體，無法識別這些「壓縮檔」，自然無法有效吸收新知。

挑戰與實務轉化：先備知識不足的認知負荷分析

當學生缺乏必要的先備知識時，他們面對新概念時的認知負荷（Cognitive Load）將會極高。因為他們無法將新資訊與既有知識網路建立連結。這使得每一個新的概念都像一個孤立、隨機的「字母」，而不是有意義的「單詞」或「段落」。

對於自然科而言，如果學生對國小或國中階段的基礎概念（如能量轉換、物質結構、基本生物學功能）理解不深，當他們進入高中物理的電磁學或生物學的分子層次時，這些新的知識點（表面特徵）會淹沒他們，使他們無法抓住核心原理（深層特徵）。

這時，要求學生「回頭重新學習國小內容」確實不切實際，這會造成時間浪費和學習動機低落。我們需要的是一種高效的、針對性的彌補策略。

教學策略建議：逆向組塊設計與支架式複習

我們不必讓學生重修基礎，而是要應用「逆向組塊設計」與「支架式複習」，快速建立知識的「骨架」。

1. 逆向組塊設計 (Reverse Chunking Design)
   • 核心理念：
     從宏觀的結果或功能出發，逆向推導到微觀的機制或定義。這模仿了兒童學習時從中間層次的總類開始，再向上或向下細分的過程。這樣能讓學生先看到「全貌」（組塊的功能），再填充細節，避免一開始就被細節淹沒。
   • 實務行動：
     教師應從「應用」或「現象」開始提問，將抽象的概念放入具體的情境模型（Situational Model）中。
2. 支架式複習 (Scaffolding Review)
   
   • 核心理念：
     透過系統性的提問，引導學生將新知識與過去零散的經驗或知識點進行強迫連結，從而將扁平的資訊轉化為立體的、有脈絡的知識。
   • 實務行動：
     採用蘇格拉底式提問法（Socratic Questioning），專注於概念的因果關係（Causality）、時間順序（Timing）主角意圖（Agency）。

具體教學活動範例：逆向理解「淋巴系統」

步驟	策略應用	內容（以淋巴系統為例）
I. 設定現象	逆向設計起點	現象： 為什麼感冒或生病時，我們的腋下和鼠蹊部會摸到腫塊？
II. 逆向推導	支架式提問（問結果與影響）	這些「腫塊」是什麼？（引導到「淋巴結」） 淋巴結的功能是什麼？（引導到「過濾組織液中的細菌」） 如果淋巴系統出問題，會發生什麼事？（引導到「組織液過多，形成水腫」）
III. 填補空缺	連結先備知識	組織液（淋巴）是從哪裡來的？（引導到「血液中的血漿滲出微血管」） 為什麼淋巴液需要送回靜脈？（引導到「維持血液總量不變」）
IV. 鞏固組塊	總結與應用	總結： 淋巴系統是一個「維護全身液體平衡」和「過濾細菌、保護身體」的回收與淨化系統。這樣一來，學生不必從頭背誦定義，而是透過理解功能和因果關係，快速建立起一個完整的概念組塊。

關於「發散與專注模式」切換的實務限制

核心定義 (Authority)

專注模式（Focused Mode） 是我們有意識地、針對特定目標進行邏輯推理和解決問題的狀態。

發散模式（Diffuse Mode/潛念狀態） 則是一種放鬆的、非集中性的思維狀態，此時大腦會將注意力從單一問題中移開，進行更廣泛的聯想與資訊整合，這對於創造性解決問題（如愛因斯坦的思維實驗）至關重要。

實務限制分析：45 分鐘課堂的挑戰與理論目的

在標準 45 分鐘的課堂中，教師難以允許學生「隨意」切換模式，因為這會導致課堂失控或進度拖延。然而，理論上，這種模式切換的目的是：

1. 認知休息與恢復：
   專注力會隨著時間推移而下降。短暫的休息（哪怕只有幾分鐘）能讓大腦從持續的自制和專注中恢復，啟動副交感神經系統，避免意志力（認知資源）耗竭。
2. 記憶固化與連結：
   發散時間提供了大腦將短期記憶中的資訊固化（consolidation）並存入長期記憶的機會。更重要的是，它能促進新知識與舊知識之間建立非線性、跨領域的連結，這是產生靈感和深度理解的前提。

在 45 分鐘內，我們不能追求長時間的發散狀態（如午休或睡眠中進行的固化），但可以設計微型的、結構化的切換來模擬其效果。

教學策略建議：微型結構化活動（Micro-structured Activities）

為了在有限的課堂時間內達成模式切換的效益，教師可以在核心教學環節中穿插 5-10 分鐘的活動。

5 分鐘「類比生成」發散式休息 (Analogy Generation Break)

在教授完一個新的、複雜的自然科學概念（如熱力學第二定律、電子雲的概率分佈）後，不要直接進入練習題，而是給予 5 分鐘的發散任務：

1. 活動設計： 「請將我們剛才學到的 [核心概念 X]，用一個完全不相關的日常生活的例子或比喻（例如：食物、運動、社交事件）來解釋。」
2. 效益分析：
   
   • 切換模式： 強迫學生離開嚴謹的邏輯推理（專注模式），轉向創意聯想（發散模式），從而釋放認知負荷。
   • 強化連結： 尋找類比的過程，就是在大腦中建立新概念與舊知識（日常經驗）的心智表徵，將抽象轉為具體，使概念更容易理解和記憶。
   • 具體範例：
     
     • 將「細胞膜的選擇性通透性」類比為「保全嚴格的夜店入口」或「只允許特定車種進入的收費站」。
     • 將「光合作用」類比為一個「自給自足的食物工廠」。

7 分鐘「筆記留白與提問」反思活動 (Structured White Space/Questioning)

在課程進行到 15-20 分鐘時（注意力容易下降的時段），要求學生進行一輪自我回顧。

• 活動設計： 暫停授課，讓學生翻看筆記，在空白處寫下三個問題，這三個問題必須圍繞：
  1. 我還不確定什麼？ (I don't understand X, why?)
  2. 這個知識點的重要性/應用場景是什麼？ (What is the value/impact?)
  3. 如果這個知識點是錯的，會怎樣？ (What if...)
• 效益分析：
  
  1. 元認知提升： 迫使學生主動檢視自身的理解狀態，發現「膠著點」（Stick Points），這是高效學習的思維習慣。
  2. 主動學習： 從被動接收轉為主動提問。提問是將扁平資訊轉化為立體知識的關鍵步驟。
  3. 模擬切換： 雖然不是完全放空，但從「接收資訊」轉為「處理與評估資訊」的認知行為，即是暫時離開了純粹的專注輸入，進行有目的性的發散與反思。

關於書籍對教師的實用價值總結

核心定義 (Authority)

許多教師認為這類書籍的建議過於籠統，但在我看來，它們提供了教育者在設計教學活動時不可或缺的「認知底層邏輯」。知識工作者之間的競爭，並非僅在於單一環節，而是對整個學習、保存、共用、使用與創新過程的管理。

二階效益 (Second-Order Benefit)

《大腦喜歡這樣學》等認知科學著作對於自然科教師的決策，其最大的二階效益在於：幫助教師從「知識傳遞者」轉變為「認知流程設計師」。

教師的教學決策不再基於經驗或「我被怎麼教」，而是基於對學生大腦工作原理的科學理解。一旦理解了專注力、主動參與、錯誤回饋和每日固化（consolidation）對學習的影響，教師就能設計出更有效、更具預測性的教學活動，大幅提高學生的學習效率和持久記憶。

教學行動的 3 條關鍵原則

將本書的認知科學洞見提煉為 3 條最關鍵、可立即改變教師行為的教學原則：

原則一：以「提取」為核心的課堂設計（Retrieval Priority）

1. 認知底層邏輯：
   記憶不是靠重複輸入或長時間盯著教材就能強化；而是必須主動、費力地從腦中提取（Recall）時，才會牢固地附著在長期記憶上。
2. 教師行動建議：
   
   • 取代被動複習： 停止單純的「請再讀一遍」。應在課堂開始或結束時，採用**「白紙複習法」或「兩分鐘默寫」**：要求學生在白紙上寫下他們記得的內容、概念或公式。
   • 強調必要難度： 避免過度親切的提示（提示詞、顏色標記等）。在提取時，應讓學生感到一定的認知掙扎，因為這種「必要難度」正是強化記憶的關鍵。

原則二：擁抱錯誤與挫折（Productive Failure Mindset）

1. 認知底層邏輯：
   錯誤並非教學失敗的結果，而是學習過程中不可或缺的轉捩點。在面臨困難時，學生被迫更深入地探索問題結構，而不是被動接受答案，從而獲得未來解決問題所需的知識。
2. 教師行動建議：
   
   • 先嘗試，後指導： 在引入複雜概念時，可以先給予學生一個「挑戰性問題」，讓他們嘗試自行解決或小組合作，經歷適度的失敗和困惑，再介入指導。研究顯示，經歷過掙扎的團隊比一開始就得到協助的團隊，能獲得對問題結構更深層的了解。
   • 重構失敗敘事： 鼓勵學生將問題視為「挑戰而非挫敗」，並提供機會讓他們解釋和描述自己犯錯的過程。讓他們理解，即便是偉大的科學家，也是透過不斷的努力和失敗才取得成功的。

原則三：將抽象化為具體行動或視覺（Concretization and Embodiment）

1. 認知底層邏輯：
   大腦是強大的視覺器官。將事物具體化（例如畫圖、演出、製作模型），能讓學習內容更符合大腦的視覺迴路，更容易理解。此外，學習是一種涉及全身心的活動，身體力行更有助於知識吸收。
2. 教師行動建議：
   
   • 視覺化優先： 鼓勵學生將學習內容畫出來、演出來，或製作概念模型。例如，解釋複雜的分子結構時，不只是看圖，而是讓他們用肢體或積木來表現其互動關係。
   • 運用假設思維： 利用「如果...會怎麼樣？」的假設推測法，迫使學生在腦海中進行思維實驗，這能系統化地認識概念中的各種因素組合，尤其對於抽象的自然科學概念（如廣義相對論）的理解極具價值。

下一步：把大腦的規則變成課堂的規則

組塊（chunking）是可後天養成的能力；關鍵在於先立「骨架」，再填「肌理」。透過逆向組塊設計與支架式複習，學生不必回頭重修國小，只要在現象—機制—應用之間建立穩固的通道，就能降低認知負荷、加速理解。搭配課中可操作的微型切換（類比生成、筆記留白與提問），即使只有 45 分鐘，也能在專注與發散之間取得最小可行的平衡。

當教師從「內容傳遞者」轉為「認知流程設計師」，提取優先、擁抱錯誤與具體化行動就不再是口號，而是可立即落地的課堂節奏。不要等基礎「補完」才開始；先把骨架立起來，讓理解帶著記憶走，學生自然能在自然科的世界裡走得更穩、更遠。

但是該怎麼開始呢？或許可以試著：

1. 選一個單元，以真實現象開場，設計 3 個因果導向的提問
2. 開場與收尾各安排 2 分鐘「白紙提取」或默寫
3. 中段插入 5 分鐘「類比生成」或 7 分鐘「筆記留白與提問」
4. 先嘗試後指導，收集常見錯誤，建立下次課前的「迷思清單」

如果學生能用自己的例子解釋概念；能畫出簡圖或流程；也能預測「如果 X 改變，會發生什麼」，那學生應該已經形成該單元的核心組塊。