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品读精粹|刘徽：教育神经科学开启教学研究的新视角——读《理解脑——新的学习科学的诞生》

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2024-10-31 04:16

品读精粹由华东师范大学教授钟启泉主持

本书及作者简介

《理解脑——新的学习科学的诞生》是对国际经合组织教育研究与创新中心于1999年发起的一个研究项目“学习科学和脑科学研究”的重要研究成果汇编。近些年来，生物科学、认知科学和发展科学的迅猛发展带来了研究技术与方法的不断完善，为我们深入探究脑的运行规律和学生的学习机制创造了条件，由此，一门整合了心理、脑与教育的新兴学科——教育神经科学应运而生。

它不仅关注课堂中学生学习行为的改变、学生学习愿望的激发等宏观层面的研究，也关注脑在外部环境的刺激下形成神经联结或者改变脑功能区以及功能联结等微观层面的研究。

对于人脑，我们充满好奇，人脑的复杂性使它成为一个谜。随着科学技术的进步，在脑成像、核磁共振等技术的推动下，一门崭新的学科——教育神经科学诞生了，它为我们探索脑与学习的关系提供了可能。根据教育神经科学的研究，以下这些神话被一一破解：“人脑是不断生长的！”“比起关键期，敏感期的概念更加适宜，因为的确存在学习的最佳时机，但‘不可逆’和‘不可弥补’的焦虑是不必要的。”“脑成像技术表明，100%的脑都发挥作用。”“虽然左右脑半球的功能存在不对称性，但它们之间不是分开运行的，而是共同完成所有的认知任务。”“迄今为止，没有研究表明，性别特异性的加工过程参与了建立学习神经网络的过程。”“没有科学证据支持边睡觉边学习的观点，几乎所有的高级学习都需要意识的参与。”

不断生长的脑

由于基因因素和环境条件之间存在持续的、累积性的相互作用，因此学习过程会产生个体差异。在人的一生之中，环境能影响与学习有关的基因表达过程，进而影响脑的结构变化情况。

这种变化又会进一步影响由经验引起的基因表达过程。这样，个体的脑就会不断积累独特的结构特征，调节人们的学习过程。这就意味着我们不可能为每个人创造出一模一样的最佳学习环境——虽然促进脑发育的条件会让每个人都受益，但每个人的受益程度也是不同的。

学习环境的作用是一个非常复杂的问题，个体差异很大，不但受个人经验的影响，也受某些教育和训练经历的影响。未来的研究应当思考哪些学习类型会对脑和行为产生最有利的影响。我们应当认识到学习中的个体差异，并且思考不同人生阶段脑如何发展才是最佳的。

——摘自《理解脑——新的学习科学的诞生》，第56页

关于“脑”的神话，首先是“脑在幼儿时代就已经定形了”。这个结论源于一个实验，实验证明在丰富环境中成长的大鼠突触密度比较大。然而，这个实验的对象是大鼠，实验的环境是人为创设的，实验的结果被迁移扩大了，并不能推衍至“3岁前人类的脑就已经定形”的结论。

要理解这点，我们需要了解脑内学习的基本过程，脑的基本功能单位主要是神经元，脑的学习能力一则和神经元的数量相关，二则也受神经联结的强度影响，因为学习和记忆事实上就是神经元不断联结，形成神经网络的过程。

那么，我们分别来看这两点：首先，最新研究表明，在某些脑区的神经元在人的一生中都是不断增加的，其中就包括对学习和记忆起着关键作用的海马区；其次，随着外部学习环境的变化，人脑通过突触发生、突触修剪、突触增强和突触减弱的方式，使神经元之间不断进行联结，同时，神经联结会改变神经元的数量，因为活跃的神经联结会不断增强，而不活跃的神经联结会慢慢消减，相应的神经元也会冻滞。

当然，在人一生中，脑的变化轨迹是不同的，因为每个阶段人脑的可塑性都发生着变化。在人的一生中，脑都是在不断生长的，因而，要使脑在每一个阶段都得到充分发展，从而更有利于学习的展开，提供适宜的环境是必须的。

适宜的环境由以下多种因素组成：一是食物营养。美国明尼苏达州“普通学校早餐计划”的试点研究发现，学生数学和阅读的综合成绩普遍提高。

二是社会交往。研究发现，在极度缺乏关爱的环境下成长的儿童，脑的化学物质会产生相对持久的改变，正常的激素分泌也会遭到破坏。

三是情绪调控。情绪脑（杏仁核和海马）与额叶皮层是紧密相连的，因此情绪与注意集中能力、问题解决能力和关系维持能力等紧密相关，其中恐惧和压力所引发的情绪会直接影响学习和记忆，这与应激反应受激素、肾上腺素和去甲肾上腺素和皮质醇的分泌与调节有关。

四是身体锻炼。Arthur Kramaer曾经进行过一项研究，他让一组55岁以上的老年人参与一项连续3个月的运动计划，即每天散步一段时间。6个月后，发现参与实验的人的脑的额叶中部和顶叶上部脑区功能发生了变化。换言之，通过身体锻炼可以有效地提升关键脑区的功能。

五是音乐演奏。演奏需要双手配合，并同时调动听觉、动觉和触觉，因此，音乐家的前扣带回（含有联系两半球运动区的纤维束）比常人大，两半球运动区域的协调能力强。另外，音乐家的运动区域和听觉区域范围都比一般人大。

六是睡眠质量。大量研究表明，睡眠对于人脑十分重要，比如，如果说许多身体功能都能在清醒状态下得以恢复，然而脑皮层功能只有通过睡眠才能恢复。夜晚睡眠会重塑神经，包括强化主要神经联结，剪除次要神经联结。

学习动机的脑体验

小的时候，大部分人都应当体验过高效学习背后的内部动机。很多人一直都保持这种能力，Csikszentmihalyi（1990）称之为“舒畅感”——个体努力追求自己真正快乐的状态，而它并不需要明确的外部奖励。许多因素都能激发人的学习动机，如渴望赞扬和认同等，但其中最有力的一种（如果不是唯一一种）是理解时的喜悦感。脑对这种感觉有着明确的反应。

例如，在人们突然有一种“我明白了”的感觉时，脑会突然产生一些神经联结，并觉察到所有信息之间的内部联系。这是一种最快乐的脑体验，至少在学习情境中如此，真可谓是一种“心智的极度快感”。人一旦有过这种体验，就会再想拥有。早期教育的主要目标之一就应当让儿童尽早获得这种体验。这样，孩子们就会知道，学习是一件多么美妙的事情！

——摘自《理解脑——新的学习科学的诞生》，第69页

众所周知，学习有外部动机和内部动机两种，以往，无论在研究还是实践中，我们更关注的是外部动机，回忆一下那些经典的实验“苛勒的猩猩”“巴普洛夫的狗”“桑代克的猫”都是以“香蕉”“骨头”“鱼”为诱饵，而从“小红花”“红五星”的评比到“德育银行”都印证了外部动机在学习激励中的广泛运用。

然而，我们对更为重要的内部动机却重视不够，如果回想一下儿时的学习经历，大多数人都会觉得有过所谓的“舒畅感”：阅读一本好书时的“酣畅淋漓”、解出一道难题时的“醍醐灌顶”等，都让人兴奋不已。

虽然当前的脑成像技术还不足以对内部动机展开深入的研究，但已有的研究发现，学习是认知和情绪交互作用的过程，当人积极投入他所感兴趣的活动中，体内会产生一种“流”，它会带来智力和情绪上的兴奋，会调动相应的身体物质和功能，使人从身心两个方面达到“加速”的状态，这在一定程度上解释了“内在动机产生高峰体验”的神秘现象。

所以，对于儿童阶段的学习，我们应该竭力保护和引发儿童的内在兴趣和动机，创设“寓教于乐”的环境，让儿童自然自发地学习。游戏就是一个重要的载体，它的“综合性”“非正式”和“趣味性”等特点都让游戏有效持久地激发学习的“内在动机”，一项采用近红外光学成像技术的研究发现通过游戏的方法进行学习能明显增加学生血流量。通过有趣而愉悦的游戏，可以增进学生语言能力、情感情绪、运动技能、社会交往和认知功能的发展，因此我们会发现所有的哺乳动物在幼年期都有过游戏阶段，而婴儿虽然不具备游戏的能力，却能对父母所引导的游戏有所回应。

然而，如今我们的孩子很多被剥夺了“游戏”的时间，大量的作业和补习压缩了放学后的“游戏”，而课堂上因为时间有限，“用游戏形式来教学”也只是一种点缀。

脑科学、神经科学与教育实践的双向互惠关系

仅仅依靠教育神经科学一门学科不能为设计有效的教育方法提供必要的知识，所以教育神经科学不会将脑科学的研究技术带进课堂。必须在教育实践与学习研究者之间建立双向互惠的关系。这种关系就像医学与生物学之间的关系一样。这种互惠的关系必须保持持续的、双向的信息流动，以支持基于脑科学研究知识的、有实证依据的教育实践。

然后，研究者和实践者才能共同确定与教育有关的研究目标，讨论研究结果可能具有的启示。在采用了具有脑科学依据的方法后，实践者应该系统地验证这些方法的有效性，并提供课堂学习的结果，并作为反馈来调整与改进未来的研究方向。

——摘自《理解脑——新的学习科学的诞生》，第146页

英国布里斯托大学曾经有一项调研，调查教师如何看待“脑科学、神经科学与教育实践之间的关系”，结果表明大多数教师都表现出对脑科学（神经科学）的研究成果的浓厚兴趣，然而比起“直接传授脑科学促进课堂教学的技能和策略”相比，他们更关心“产生效果的原理和过程”，教师们建议，可以培养混合型研究人员，增加教师培训中神经科学的内容，提供教师参与“基于神经科学研究的教学研究”的机会，赋予其批判建议的权力。

的确，脑科学、神经科学的研究与教学实践应该建立一种双向互惠的关系，就像医生与生物学之间的关系，医生常常介入生物学的研究，而生物学研究发现的原理需要医生在实践中加以系统地验证，提供反馈，保持持续双向的交流和合作。当前神经科学已经深入教学实践领域，取得了一系列成果，其中包括“听说读写与脑”和“数学素养与脑”。

听说读写与脑。比如，关于脑的研究发现，脑的左侧额下回（布洛卡区）、左侧颞中回后部（威尔尼克区）和语言能力相关，其中布洛卡区和语音功能相关，威尔尼克区则和语义功能相关，大多数研究认为语义加工是通过“视觉字形区”直达的，也就是说，当我们看到字形时就直接理解，而语音的加工则是双重的，这就涉及我们使用“整体语言学习”还是“语音学习先行”的问题。

另外，第二语言的学习时间决定学习策略的不同，研究表明如果将1~3岁儿童放在外语环境中，脑会像母语一样运用左半球加工语法信息，但如果4~6岁接触外语，脑就会使用两个半球来加工语法信息，而如果11岁以后才接触外语，脑的激活模式就会发生异常。读写能力不像语言能力一样已经进化形成特定的脑区和结构，读写是通过不断的刺激强化形成神经联系的。有一项研究解释了为什么贫穷家庭孩子读写能力差，因为他们在3岁前的词汇量比富裕家庭的孩子少。

数学素养与脑。比如，在脑科学研究中有关数学素养一个重要的发现便是数学与其他认知领域是分开的。举例来说，顶叶对于数学运算来说是至关重要的，一个顶叶被破坏的病人不能回答“3与5之间的数是几”这样简单的抽象问题，但却可以回答介于“六月到八月的月份是几”的具体问题。

换言之，一个学生数学能力的低下不代表其阅读能力也差，反之亦然。因此，这个研究给予数学教学的启示是，教师应该提供学习数学的多种途径，学生解不出一道题有时可能仅是因为他书面阅读上的障碍，如果换作语音提示他或许就能充分显现出其数学天赋。

作为一门整合了脑、心理与教育的崭新学科，教育神经科学有助于脑科学、神经科学与教育学的跨学科研究，许多世界知名的高校和研究机构都积极投入到这门新兴学科的研究之中，比如哈佛大学、剑桥大学等。

今后，教育神经科学将继续研究“各阶段各类别学习的最优时机”“脑的情绪”“社会交往和文化差异对学习的影响”“有效提升阅读能力的多种途径”“确立不同的数学脑区图谱”“比较专家、常人和出现认知障碍人不同脑区活动，从而研究有效的学习方式”等领域和话题，教育神经科学犹如为我们打开了一扇窗，能让我们更好地理解教学，更科学地提高教学有效性。

（作者系浙江大学教育学院刘徽）

（本文刊载于《现代教学》2011年6月刊）

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