脑科学与教育研究

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脑科学与教育研究

    继20世纪90年代美国、欧洲共同体等提出“脑的十年”之后，人类又迎来了“脑科学的时代”。在美洲、欧洲、亚洲等国家的倾力投入与联合攻关下，十年里产生有关脑的研究成果超过了过去整个历史的总和，并产生了一些突破性的研究成果：脑成像技术的发展使得观察人脑学习活动的动态过程成为可能。这些研究成果掀起了国际社会从脑科学与教育相结合的视角来探寻学生学习规律的热潮。本文在考察国际脑科学与教育研究的发展现状、研究策略的基础上，提出对我国脑科学与教育研究的几点启示。
　   一、脑科学与教育研究的发展现状

     1. 国际研究组织已经形成

    目前，国际上成立了两个研究网络，其一是经济合作与发展组织“教育研究与革新中心”（CERI）于1999年启动了“学习科学与脑科学研究”项目。该项目已经进行了三个阶段的研究：第一阶段组织了三次高层论坛。第二阶段建立了三个网络：亚洲的“终身学习”网络（LLL），美国的“文化素养与阅读技能”网络（LRS），欧洲的“计算素养与数学技能”网络（NMS）。这三个领域的研究成果将对课程设计、教学实践以及学生个体的学习风格等非常重要的教育问题提供决策参考，并将在实践中发挥重要的作用。另一个国际研究网络是“国际心智、脑与教育协会”。该协会于2003年11月在梵蒂冈科学院成立400周年庆祝会上诞生。这个伽利略（1564—1662）曾经工作过的有着30位诺贝尔奖获得者的世界著名科学院将“心智、脑与教育”作为其会议的主题之一，标志着科学界与教育界联手共同研究人类学习的时代已经到来。“国际心智、脑与教育协会”对于促进认知科学、神经科学和教育实践的互动迈开了重要的一步，该协会的杂志《脑科学与教育》已于2007年开始发行。

    2. 各国政府非常重视

    在国际组织的倡导下，许多国家都积极行动起来，将脑科学与教育这一课题提上了重要议程。美国国家科学基金会积极酝酿筹办学习科学研究中心以及学习科学孵化中心，从2004年到2009年，美国国家科学基金会投入9千多万美元，在波士顿大学（2010万美元）、匹兹堡大学（2500万美元）、达特茅斯学院（2100万美元）、华盛顿大学和斯坦福大学（2500万美元）建立了四个学习科学中心。除此之外，还在明尼苏达大学双子城分校（200,838美元）、佛罗里达国际大学（210,343美元）、亚利桑那州立大学（110,944美元）等学校建立了若干个基于脑的学习科学孵化中心。由此可见，美国基于脑的学习科学研究组织与机构已经初具规模，而且美国国家科学基金会对学习科学组织与项目研究的投入还在继续增加。

    日本政府对脑科学与教育的研究也极为重视，不仅主办了世界经济合作与发展组织的“学习科学与脑科学研究”的高层次论坛，而且文部科学省在2003年元旦启动了庞大的“脑科学与教育”研究项目。该项目已经确立了11个横断研究项目，6个追踪研究项目，覆盖了脑科学与教育研究的各个方面。为了促进脑科学研究人员与教育研究人员之间的密切合作，日本还启动了大规模的“儿童研究”项目，运用认知神经科学的研究成果来设计适于儿童和婴幼儿的教养环境。2005年已经开始了为期2年的试点研究，在此基础上，将对1万名儿童和婴幼儿进行为期10年的追踪研究。在基础研究方面，日本科学技术、学术审议会计划和评价分科会于2003年5月提议，在原有“了解脑”、“保护脑”、“创造脑”的研究基础上，增设“培养脑”的领域，成为支撑“脑科学与教育”研究的重要课题。培养脑的议题主要研究人类思维的发展方式，运用脑成像技术，从脑发展、敏感期机制、认知发展以及人类学习等几个方面来进行研究，以期探明人的感觉、运动、语言机能的发展敏感期，揭示出生后的生活环境对高级神经系统发展的影响以及成人及老年人的学习、记忆机制等。

    在欧洲，许多国家都投入到这一领域的研究中。2001年丹麦政府在丹麦教育大学成立了学习实验室，研究将神经科学知识运用于教育的方式。仅2003年财政年度，该中心就得到政府拨款2770万丹麦克朗（其他收入为950万丹麦克朗）。而荷兰的科学研究组织则成立了“脑与学习”委员会，目的是促进人们将神经科学知识、认知科学知识运用于学习与教育。2004年，欧洲还启动了由英国、比利时等国家的8个实验室共同合作的大型研究项目“计算技能与脑发展”项目，研究计算能力的脑机制，并将研究成果运用于教学教育。

    3. 教育界积极投入

    教育界也积极投入其中。早在1978年，美国“国家教育研究会”（National Society For The Study Of Education）出版的《教育与脑》一书中率先提出建立“教育神经科学”的构想；而美国教育研究协会（AERA）则成立“脑、神经科学与教育”特别兴趣小组。自1992年开始，举办一年一度的论坛，近几年来该小组多次举行“教育神经科学”学科建设的讨论。世界上的一些著名大学纷纷开设脑科学与教育研究的硕士、博士学位课程、教师教育课程以及网络课程。如美国的哈佛大学、英国的剑桥大学、牛津布鲁克斯大学、加拿大的卡尔加里大学和台湾的某些大学等也都开设相关课程。除此之外，英国的有些大学还开设了固定的脑科学与教育的跨学科论坛，如英国的布里斯托尔大学的“认知神经科学与教育论坛”，这些论坛的主要目的是设计能够解决教育中重要问题的认知神经科学实验、向教育界报告相关的认知神经科学研究，澄清教育界流传的神经科学错误。

    上述研究组织与机构的创立表明，脑科学与教育研究的独立领域已经形成，北美洲、欧洲和亚洲都积极投入到这一新兴领域的研究中。

　　

    二、国际脑科学与教育的研究特征

    那么究竟应该采取怎样的研究策略才能够将脑科学与教育连接起来，这是200多年来脑科学与教育探索历程中人们一直思考的一个重要问题。直到上个世纪90年代，仍然有学者认为，目前对脑的发展与功能了解不多，脑科学与教育之间存在着巨大的鸿沟，不能将两者直接连接起来，以指导教学实践。我们认为，一方面，这类批判更多地关注了这个领域中尚无定论的、有待深入研究的问题;另一方面，人们还没有探索到有效的研究方法。近年来，国际上对如何架起脑科学与教育的桥梁做了积极的探索，取得了一些值得借鉴的经验。

    1. 选择不同的研究切入点

    研究切入点的选择是脑科学与教育研究机构存在的价值体现。国际上的一些研究机构，选择了不同的研究视角。有的侧重基础研究，有的侧重应用研究。达特茅斯大学建立的“认知与教育神经科学研究中心”研究的是各种情景中学习的脑机制，建立教育神经科学，以改变教育实践。美国波士顿大学的“教育、科学、技术优质学习中心”则将脑科学的实验研究、计算机模拟、生物技术和课堂教学改革结合起来，共同研究真实世界的学习体系。为了达到这个目标，该中心将实施四种活动：首先对学习过程的感知、认知、情绪和行为进行量化模拟；然后运用认知与神经科学的跨学科实验来研究这些学习过程，验证模拟的假设；再研究机器学习或者模拟脑学习的运算法则；最后通过心智与脑的课程资源、学校教育活动、会议与工作坊等多种形式，将脑科学的基础研究与不同阶段的教育整合起来。华盛顿大学建立的“正规与非正规环境中的学习”研究中心则从神经生理学、认知神经科学、发展心理学与社会文化理论等多种角度来研究内隐学习、正规学习与非正规学习。这些组织虽然研究视角各不相同，但是它们都拥有一个共同的目标，就是从不同的角度研究不同情景中的学习，建立学习科学。

     2. 探索脑科学与教育连接的研究模式

    究竟采用怎样的方式将脑科学与教育连接起来？通过世界范围的考察，我们认为，将脑科学与教育紧密连接起来并直接促进教育发展的研究模式是：选取教育现场的研究问题，采用认知神经科学研究、行为研究和教育实证研究相结合的模式，在这种研究成果的基础上，设计出应用于教育的干预计划，最后在教育现场进行临床验证。“认知与教育神经科学研究中心”采用的就是这种研究模式。该中心遵循“提出最佳问题、获取脑科学研究证据、将研究成果运用于学习环境”的研究策略，其中，最佳的研究问题是决定脑科学与教育能否连接起来并服务于教育的关键。为此该中心成立了两个研究小组：脑科学研究组与知识交流组。脑科学研究组研究学习的脑机制。知识交流组成员熟悉各类学习环境，拥有与不同对象合作的知识。知识交流组的这种知识背景与经验有助于确定教育中有待研究的重要问题。脑科学研究组与知识交流组或者教育实践者相互交流，共同确定教育实践中有待研究的核心问题。

     3. 关注应用性的研究问题

    选择怎样的问题才能揭示学生学习的自然规律，寻找到科学教育的基础？我们研究世界上脑科学与教育的研究课题，发现这些运用fMRI、扩散张量磁共振成像（DTI）等技术进行研究的课题已经涉及到学校教育的方方面面。

    脑、环境、教育之间究竟存在着怎样的关系是人们十分关心的问题。“开发人类潜能”项目选择脑变化最大、可塑性最强的婴儿（0-5岁）与青少年（l0-15）为研究对象，从结构、功能与行为三个层面来研究脑可塑性、环境和教育因素之间的关系，具体研究认知、语言、社会和道德的发展与脑结构、功能、行为以及环境与教育因素之间的关系，最终根据实验的研究结果来开发教育干预计划，改善儿童青少年的家庭和学校教育环境，从而优化脑的可塑性变化，提高智力能力。

     社会性是学校课堂环境的基本特征。如何用科学的方法来研究真实而复杂情景中学生学习的社会行为是脑科学研究者面临的巨大挑战。“脑发展、社会行为与学习”项目从中间学段学生的关系性攻击行为入手，从认知神经科学的角度来研究课堂中的社会认知。关系性攻击行为是指有意破坏或者威胁破坏人际关系等非直接的攻击性行为。在学校和课堂中，这类行为消耗学生大量的时间与精力。研究者在描述关系性攻击的危害的基础上，设计行为量表来精确地评价这些行为对中间学段学生的影响，查明关系性攻击的神经机制。预研究揭示，抵制关系性攻击的能力与主要负责认知调节和执行功能的前额叶活动具有相关性，表明认知技能在关系攻击中有重要的作用，这为教育干预计划的设计提供了一个依据。“学习的社会性”研究项目则主要研究课堂情景中社会、情绪、文化因素是怎样影响学习的，这些社会因素的认知神经机制是什么，不同年龄段、不同种族的人执行思维任务的能力有何异同。

    科学研究一般采用任务分解的方式，将复杂问题分解为简单的可以控制与操作的研究成分，那么如何从脑科学的角度来研究人类复杂技能的学习。“复杂技能学习”项目将胼胝体作为研究对象，因为，在学生获得阅读和数学技能时，在两个脑半球之间形成交互联系的脑结构—胼胝体上会产生变化。该项目研究胼胝体在执行阅读和数学任务、获得技能的过程中整合与处理资源的速度，研究脑活动的变化模式以及与数学和语言学习有关的脑功能区域。

    科学学习中错误概念普遍存在，而纠正这些错误概念需要付出巨大的代价。“科学学习”项目研究科学学习中错误概念形成的脑机制，理解学生加工与提取科学概念的方式，通过比较有错误概念和没有错误概念的学生的脑活动，来查明物理、化学和生物中形成错误概念的原因以及改变错误概念的方法，并根据研究结果来设计教学材料，改变学生的错误科学概念。预研究表明，在接受正规的物理教育后，学生在神经系统与行为方面都发生了变化。学生对陌生领域的学习，运用腹侧通路；对该领域熟悉后，运用背侧通路，这种神经组织从腹侧通路到背侧通路的转变可能是概念转变的标志。

    如何通过教学方法来优化学生的学习是每个教师都面临的挑战。“培训方法的建构”项目从认知神经科学的视角，通过研究脑的生理结构、脑功能结构与不同训练方法之间的关系，综合研究脑的发展与行为。该研究的切入口是情景干扰。行为研究表明，在运动技能、语言获得、问题解决、乐器学习以及课堂学习环境中，随机训练内容与高度结构化的训练内容相比及时学习效果降低，而随机情景的保持率更高。该研究采用行为测量、功能磁共振成像（fMRI）、扩散张量磁共振成像（DTI）技术，研究学习环境中情景干扰的脑机制以及对学习的影响。

    此外，国际上已经启动了阅读与读写能力、计算能力和数学等众多项目的研究，这些问题的解决将为我们勾画出一幅基于脑科学的教育决策与课程教学设计的图景。

    4. 采用先进的研究工具与技术

    正是由于脑科学研究工具与技术的发展，脑科学与教育的结合才变为现实。脑成像仪是目前研究人类学习的最有价值的工具，一般有两类：提供高分辨率脑活动空间信息的脑成像工具，如正电子发射断层扫描（PET）技术、功能磁共振成像技术（fMRI）、经颅磁刺激技术（TMS）；精确地记录脑在学习活动中时间变化的工具，如脑电图（EEG）、事件相关电位（ERP）、脑磁图（MEG）等。新的研究工具光学绘图仪（OT）由于能够便捷地研究成人与婴幼儿的脑活动与行为，已经显示出重要的研究前景。而扩散张量磁共振成像（DTI）对大脑白质纤维束有很高的敏感性，可以研究活体动物与人脑中白质的联系特征。大脑白质区的水分子扩散呈现出各向异性特征，扩散张量磁共振成像可以从张量信息的各向异性入手，跟踪得到白质中神经纤维和功能束的走行方向和三维形态。如将扩散张量磁共振成像与功能磁共振成像技术结合起来，可以测量脑执行阅读和数学任务时两半球之间的交流，较深入地理解脑的发展中，阅读和数学技能的个体差异是如何形成的。这些工具各有其独特的优势与局限性，脑科学与教育研究人员综合运用这些工具，揭示学生在学习活动中脑的变化。目前，这类研究工具与研究分析已经运用于视觉加工、记忆、语言、阅读、数学、问题解决以及教学方法的研究中，这对开发有效的教育技术，设计基于脑的课程与教学，形成干预与治疗方案，制定教育政策都具有重要的作用。

　　

     三、脑科学与教育研究对我国的启示

     1. 营造社会氛围为脑科学与教育的生长提供肥沃的土壤

     当我们思考国际脑科学与教育研究中已有的成功经验时，我们发现一些措施值得借鉴：其一，高层领导的重视。两次以脑科学和教育为主题的白宫会、美国“各州教育委员会”（ECS）等组织赞助召开的“架起神经科学与教育的桥梁”的决策研讨会、日本文部科学省启动的庞大的全国性脑科学与教育项目以及大规模的儿童研究项目等对引领学术界投入该领域的研究产生了巨大的影响。其二，大众媒体的广泛报道。科普期刊、大众媒体、电台的积极报道;在社会上免费发送的大量录像、光盘、宣传册的广泛宣传；每年在世界上许多国家举办的“脑意识周”科学普及活动等形成了整个社会关注脑科学研究的意识。这种意识反映到学校中就是要求学校与教师要在了解儿童脑的基础上进行教育与教学活动，这为学校与教师关心、研究、进而运用该领域的研究成果起了积极的推动作用。其三，教育组织的积极投入。美国“国家教育研究会”、教育研究协会（AERA）等教育组织积极倡导脑科学与教育的研究。这种社会氛围的形成为脑科学与教育的研究提供了良好的社会环境。

    2. 倡导循证教育研究文化是脑科学与教育研究可持续发展的保证

   目前，教育仍然处于众多教育范式并存的前科学阶段，这些教育范式根据不同的哲学思想或者哲学理论而形成，由于各种范式所研究的问题与方法都不相同，因此，缺乏确定范式有效性的研究机制。这种状况造成了教育研究与决策中普遍存在的“钟摆现象”。因此，自20世纪90年代中期以来，欧美的一些学者积极倡导循证教育，以期改变教育的这种前科学境况。目前在世界范围内，已经形成了循证教育研究运动。根据美国国家教育研究所首任所长格罗弗·怀特赫斯特博士的观点，循证教育是指专业智慧与最佳实验证据相结合以决定教学方法的一种教育研究与决策方式。专业智慧是指个体通过经验而获得的判断力。实验证据则来自神经科学、心理学、社会学以及经济学等的科学研究成果，尤其是教育环境中的研究成果。没有专业智慧，教育就不能适应当地的情况，在缺乏研究证据或者研究证据不完整时，则不能够机智地进行教育决策；而没有实验证据，教育就不能形成有效的方法，产生出可持续性的知识，或者避免流行趋势、推测想象以及个人偏见。循证教育研究的思想由于美国《不让一个孩子掉队》法案的颁布而在教育界产生了深远的影响。该法案规定，只有以“科学研究为基础”的教育计划与实践才能够得到联邦政府的资助，这对于塑造以“求取证据”和“使用证据”为核心的循证教育文化发挥了巨大的作用。而脑科学与教育的研究在科学研究人员与教育研究人员之间形成互惠的合作关系，运用严格的科学方法来求取学生学习的最佳证据，并将这种证据运用于教育决策与课程教学的设计中，这样一种新型的研究范式在循证教育的文化中得到了滋养。

   3. 形成批判性思维意识是促进脑科学与教育健康发展的必要措施

    脑科学与教育虽然都关注人脑的学习问题，但是由于两者之间追求的目标、探究的问题、研究的方法、思维的逻辑体系等都各不相同，因此，两个领域之间缺乏共同的话语，交流困难，造成了一些错误观点的流传，其中影响最大的有“人类仅仅用了大脑的10%”的论断、“左脑与右脑学习”、“关键期”以及“复杂环境的脑科学研究”等。这些错误或者由于大众报刊与媒体的简单化报道，或者对脑科学研究的原始资料做出错误的解释和推论而形成。因此，在这个新兴领域形成的过程中，搭起脑科学研究者与教育人员之间相互交流的平台，形成对话关系，组成批判性的研究共同体，对于澄清错误，沟通与理解两个学科间不同的概念与命题能够发挥积极的作用。批判性思维意识的形成是正确地判断基于脑科学的教学观点、制定基于脑科学的教育政策的基础。

    4. 走向基于脑科学的教育决策与课程教学设计是脑科学与教育研究的最终目的

    脑科学与教育相结合的最终目的是形成基于脑的课程，走向基于脑的教育决策。目前，相关研究已经揭示出美好的前景。例如，神经科学、认知科学以及脑与认知的科学研究关于学生睡眠时间、第二语言学习起始时间的研究等对于学校学生作息时间以及第二语言课程开设时间提供了依据。关于语言认知、数学认知、社会认知等方面的认知神经科学研究对于我们了解不同学习的神经机制，并根据学生学习的自然规律而设计课程提供了一种新的视角。（摘自《全球教育展望》）