一、脑科学理论的发展及对教育的影响
1.大脑的功能定位与全脑开发。20世纪60年代以来，最盛行的关于大脑功能定位的理论是大脑的两半球分工说，其主要观点是:大脑左右两半球完全以不同的方式进行思考，左脑对演绎推理、抽象思维、数学运算、形成概念的能力较强;右脑则擅长诸如形象的学习和记忆、图形识别、几何学方面的空间感觉。因此，左脑也被称为理性的脑、知识的脑，右脑也被称为感性的脑、创造的脑。然而，随着科学技术的发展，这一学说的局限性被暴露出来。人们逐渐了解到，在一个特定作业期间，几个不同脑区是同时工作的，并非仅有一个脑区实施一种功能，而是不同的脑区以某种方式结合起来，携手在不同的功能中起作用。
1998年，美国密执安州立大学两位心理学家撰写了题为《人脑功能——侧化的认知神经科学:裂脑研究的教训》一文，文中列举的大量事实表明，大量脑功能系统不是惟一按左右分工原则组装，更多是皮层与皮层下，后头部与前头部，乃至背侧与腹侧系统等多种形式组装模块。也正基于此种原因，笔者认为，教育上应以多种教育活动及方式对大脑进行整体、全面开发，同时教育活动的展开也应基于左右脑互动及大脑整体功能的发挥，这样才能更有利于教育活动的顺利开展及教育目的的更好实现。
2.脑发育的关键期与教育的适时性。现代生态理论认为，脑的发育就是在遗传基因和环境相互作用中逐渐完成脑功能模块的构建过程，其关键期也就是各种功能的构建期，也是细胞功能效率提高的时期。从教育的角度来看，一方面，我们应采取有效的措施和方法促进学生在青春期时抽象概念表达和复杂精细评议表达能力的发展和完善。另一方面，我们还应分步骤、分阶段、有计划地进行，以符合学生在该阶段的大脑发育特征。再者，对不同的学生我们应区别对待，因为在整体的共性下还有个体的特性，不同学生在同一时期的概念抽象和语言表达能力并不完全同步，我们不能强求在同一目标下大家都达到统一的标准，而应满足和适应学生差别发展的需求。
3.脑结构和功能的可塑性与教育的适切性。与脑发育关键期密切相关的是脑的神经系统结构和功能的可塑性，即脑可以被环境或经验所修饰，具有在外界环境和经验的作用下不断塑造其结构和功能的能力。脑科学研究发现，多姿多彩的环境刺激对早期大脑发展具有显著的影响，大脑的生理变化是经验的结果，而大脑功能的水平，在很大程度上取决于其工作时所处的环境状态，服从“用进废退”的原则。这说明，教育对大脑的发育不但是可行的，而且是必要的。且环境对大脑的发育和学习是如此的重要，因此，不但儿童在学习期间需要一个多姿多彩的环境，处于青春期的高中学生在学习时良好而适宜的环境同样必须。
4.情绪的脑机制与情感教育。1995年和1996年，美国哈佛大学的行为与脑科学专家科尔曼相继推出《情感智力》和《情绪脑》，认为人有两种不同形式的智力:理性的和情感的。人的成功与否，不仅仅取决于智商(IQ)，还取决于情商(EQ)，对经典的智力概念提出了挑战，对传统的教育观念更是形成了极大的冲击。他们使人们认识到一个人的情绪状态直接影响司职情绪的大脑相关组织激素蛋白质的分泌，进而极大地影响人的学习和生活。因此，教育必须要对学生情感给以应有的关注，在发展学生智力的同时，必须培养学生健康、积极的情感，发展学生的情感智力。而且，教育也应擅于采取多种方法，利用和调动学生的情感智力，为学生的知识技能的学习和素质的培养提供良好的动力和扎实的情感基础。
5.脑电波与最佳学习状态。1929年，德国精神病学家汉斯?贝格尔(HansBergar，1873-1941)检测到人在不同清醒状态时的4种不同类型的脑电波。其中，当人们处于高度清醒状态时，大脑在13-25Hz的波段上工作，叫做β波状态。处于这一状态时，人们容易过分激动或烦躁。当松弛而清醒(中度清醒)时，大脑在8-13Hz波段上工作，叫做α波状态。这一状态又被称为“放松性警觉”状态，是理想的学习状态。据此，心理学家发现，当人们处于中等清醒状态时，最能有效完成任务，当脑获得适宜的挑战时，它能以最优的方式学习。但是，当觉察到威胁或过度紧张时，脑则会变得功能低下。当大脑处于α波状态时，能促进灵感，回忆资料收集，增强记忆。在这种状态下，人们可以进入潜意识，非凡的记忆力、高度专注和不同寻常的创造力都可以取得。因此，从它对教育意义的角度分析，我们就必须在学生中创造一种放松的警觉状态，给学生提供一种低威胁、高挑战的氛围。
二、脑科学理论对高中物理教材设计的启示
1.教材的内容设计应满足和引导学生的用脑需求。大脑的机能分为学习能力和情感智力两个方面，这两个方面互相影响，互相促进。我们需要通过对学生情感智力的发掘来帮助其学习能力的提高;需要通过学习活动促进学生左右大脑的协调发展;还需要在学习活动中有效调动学生大脑各部分互动以增强学习能力和效率。因此，在设计高中物理教材时必须对学生大脑的学习能力和情感智力作通盘考虑。一方面，教材的内容、问题和呈现方式要能够调动学生的兴趣，激发学生的情感智力来帮助认识学习能力的展开以有效地完成学习任务;另一方面，教材中设计问题的思想应定位在不仅要促进学生认识学习能力的发展、知识技能的积累和智力水平的提高，而且要包含一定比例的问题，这些问题应能体现和促进学生的情感智力的发展。当然这样的问题不一定全要单独列出，不一定只把促进学生的情感智力当成唯一目的，它可和其它类型的习题杂揉在一起，或在问题中有一两个要求涉及对学生情感方面的培养和引导。当然，在教师用书中应把对学生情感智力的培养这一要求明确列出，还要较详细地提供一些具体的方法和例子，以帮助教师领会意义和把握方法。
2.教材的设计目的应体现引导学生协调发展的总方向。脑机制的认识学习能力和情感能力必然影响到教育的手段和发展方向，作为这一切文本化体现的教材，其编制的过程中也就必然要考虑到学生的情感因素。高中物理教材设计中应重视考虑如何调动学生积极的情感因素来为该课程的顺利进展服务。虽然这一目标需要在教师的精心策划、课堂内容的合理安排、师生的积极互动的过程中逐步显现和实现，但教材必须体现这一方面的考虑和引导功能。因此，教材设计者在编制教材时，应努力采用各种手段，从事例的来源、呈现的方式、知识技能的应用、社会的相应需求、学生的切身联系与学生自身体会等方面通盘考虑，并在教师指导用书中给出适当的建议，引导和促进教师采用这些办法，努力减少和消除教师实际授课中的困难和畏难情绪，以达到对情感智力“为我所用、用得起来”的目的。
3.教材的呈现方式应富于变化，问题的提出应丰富多彩。大脑的发育和功能的发挥取决于刺激的程度。在设计教材时，可以安排富于变化的呈现方式和提出丰富多彩的问题，不断地提供积极的刺激，以使学生大脑较长时间处于一个活跃的状态。(1)教材中应提供一些有关内容的网站链接，这样教师下载相关内容后可在课堂上使用，或者学生自行上网浏览;也可配套发行多媒体演示光盘，以丰富多彩的画面、具体细致的过程和详实的资料吸引学生的眼球，引发学生积极思考。(2)周边的学习环境是外界刺激中一个非常重要的组成部分。因此，我们所设计的问题思考应体现与外界环境的有机结合，让学生的思绪飞腾到相应的环境情景中，从而间接地获得相应的刺激以调动大脑的兴奋。(3)社会实践是丰富多彩的，现实需求是最有效的动力和最强大的外部环境刺激，因此，思考的范围和内容与之紧密结合是我们的必然选择。
4.教材的内容应满足学生的差异性需求。高中物理教材的内容应满足学生因脑力发展的不同步而出现的差异性需求。不同的问题在同一阶段并不要求所有的学生都能完满解答，课堂评价和各种测试这三类试题也要各占相应的比例，这样既可满足处于同一能力不同发展阶段的学生的需求，又可刺激和调动学生学习相应内容的兴趣和积极性，培养学生的成就感。这样，在阶段的学习逐步完成之后，每一个学生的能力都可得到相应的发展。
5.CAI等多媒体技术与教材文本的有机结合。高中物理教学往往重视培养学生的抽象思维能力，它的学科特点也注定了对抽象思维能力的强调。要关注学生的全面发展，教师应重视对学生形象思维的开发和培养。
在课堂上开发学生的形象思维往往需借助一定的工具，以前教师经常采用各种教具、学具来进行这项工作。当然，教具、学具固然必不可少，但它存在着携带不便、不好保管、易于损坏、对某些过程不能根据需要调整演示的进程、对微观和快速的过程不能演示等缺点。目前，中小学普遍配有计算机，这为课堂CAI等多媒体教学的大规模开展提供了可能，它通过软件编制和电脑模拟展示过程和图片，可以有效地解决上述缺陷。为此，新教材的编制应考虑课堂CAI教学的需要，在教师用书中提供相应的教学资源、课件素材来源和方法指导。出版社应挂接相应的网站支持以满足教师的这种需求，也就是说，教材的编写也应包括相应网站的建设。
6.编制教材时应注意难度的梯次性。高中物理教材的内容要求和所设问题应有一定的难度，但要梯次发展，逐步加深。研究表明，当学生的大脑处于α波状态时，学习效果最好。因此，从教材编制的角度考虑:(1)教材所提出的问题，需要学生理解、掌握与运用的原理、规律要有一定的难度，以使学生大脑获得适宜的刺激而进入较好的学习状态。但难度又不能太大，以避免学生因过度焦虑、紧张而处于烦燥状态，降低脑力的功能。对于较难的原理和问题，可分成若干小块，梯次增加难度。(2)对于需理解和记忆的内容应有意识地间隔安排，这样让学生大脑不同的工作区域轮流工作，轮流休息，既不易过于疲劳，由此而影响了学习的效率、兴趣、信心和积极性，同时，不同大脑区域工作期间比较清醒高效的状态又有利于学生把理解与记忆的内容结合起来，从而加深对问题的认识。(3)每一章节后面所配习题的顺序也应讲究。首先要注意先易后难，其次是注意把能够直接运用本节所学的问题放在前面，需与前面知识结合求解的放在后面，需要与社会实践和社会存在问题联系起来考虑的再向后排。理论论证、推理、求解的放在前面，而需要动手实践操作的则放在后面。总之，“小步骤，多台阶，勤反馈、强巩固”不仅是教学的要求，而且也是教材的内容和问题的呈现要求