大腦研究如何啟迪學習和教學？

[美]理查德?E.梅耶/著

盛群力2蔣慧2/譯

理論探索

大腦研究如何啟迪學習和教學？

[美]理查德?E.梅耶1/著

盛群力2蔣慧2/譯

（1.美國加利福尼亞州立大學圣巴巴拉分校 心理與腦科學系，加利福尼亞州 93106；2 .浙江大學 教育學院課程與學習科學系，浙江 杭州 310028）

本文討論了教育心理學作為一門連接科學所主張的觀點，指明神經科學對提高教育實踐的潛力；提供了歷史背景來展現教育心理學對教育神經科學長達100年的探究；給神經科學、認知科學、教育心理學和教育神經科學之間的聯系提供了一個概念化框架；并且為教育神經科學這一新興領域制定了一個研究議程。

教育神經科學；全腦學習；大腦研究；認知神經科學

一、教育心理學作為一門連接科學

教育神經科學是試圖將教育和神經科學（例如理解神經系統是怎樣運作的）聯系起來的一個科學領域。你是否同意下面每一條關于教育和神經科學的陳述：“神經系統科學家現在了解了大量關于學習的知識。”“關于大腦是如何學習的知識可以并且將會對教育產生很大影響。”“現在幾乎還沒有闡述關于腦科學和教育之間聯系的文獻。”“神經科學研究尚未在教育理論和實踐方面有著重要的應用。”

以上幾項引用，源自布萊克默（Blakemore）和弗里斯（Frith）[1]，代表了他們對教育神經科學這一領域的觀點。簡言之，神經系統科學家已經發現了許多對學習有用的、并且應該與教育相聯系的新信息，但是這些研究尚未對教育方面產生太多影響。例如，在《教育心理學雜志》數據庫超過9000篇文章之中，只有6篇（少于千分之一）的題目包含“大腦”這個詞。

神經科學的進展對教育乃至教育研究幾乎沒有影響的部分答案在于對學習科學（是研究人如何學習的一門科學研究，涉及到認知神經科學的方法）的觀察并未有直接轉化為教學科學。在19世紀末，美國第一本心理學教科書的作者威廉?詹姆斯（William James），就心理學對改進教育影響談話，后來結集成《和教師的談話》,他不得不承認：“作為心智規律的一門科學，如果你認為可以直接從心理學中推斷出明確的課程方案或者教學方式方法，然后即時用于課堂教學，那就犯了一個莫大的錯誤”[2]。

連接心理學和教育學需要的是一個全新的科學領域，這一領域開始被稱為教育心理學，由詹姆斯的學生桑代克（E.L.Thorndike）所創立。教育心理學曾通過創造一門教學科學來連接心理學（包括學習科學）和教育學（包括教育實踐）。我曾經指出過：學習和教學在教育心理學這一學科中相遇[3]，教育心理學作為一門連接科 學在神經科學和教育學之間建立起了聯系[4]。

二、歷史考察

在教育心理學領域，將神經科學和學與教的科學相聯系已經有100年歷史了。桑代克被視為是世界上第一位教育心理學家[5],他最先試圖展示怎樣通過神經科學了解學與教的科學[6]。如圖1所示，桑代克將他《教育心理學》中的整個第一卷獻給了學習的生理基礎，包括當時的衛生健康水平對神經系統發育的影響[7]。例如，桑代克試圖說明大腦突觸方面的生理變化與學習之間的聯系：“神經元和神經元之間的聯系代表了環境和響應之間形成的聯系……聯系的強弱是突觸的一種狀態……就讓我們把這叫做突觸的親密關系吧”[8]。總之，教育心理學和神經科學之間的關系起源于20世紀上半葉。

整個20世紀的每一代教育心理學家，都已經率先在神經科學和學與教的科學之間建立聯系。例如，維特洛克（Wittrock)主編的《大腦和心理學》一書，關注了神經科學和學與教的科學之間的聯系：“研習教育心理學的人在神經科學和認知科學方面有了一些新的同事。興趣以及跨越這些不同層次和領域的研究結果都逐漸趨于一致，這將使得大家都會受益，提高教育心理學研究的質量和效能，這些研究涉及人類學習和個別差異教育”[9]。

圖1 神經元圖例——選自桑代克（1926）《教育心理學》第1卷

21世紀，認知神經科學所涉及的技術日新月異，尤其是廣泛使用了磁共振成像和腦電圖法，引起了旨在連接神經科學和教育的研究迅速膨脹。由伯 恩斯（Byrnes）[10]、布魯爾（Bruer）[11]、布萊克默（Blakemore）和弗里斯（Frith）[12]、安德森（Anderson）[13]、波斯納（Posner）和羅斯巴特（Rothbart）[14]、巴特羅（Battro）、費斯克（Fische）和莉娜（Lena）[15]、蘇薩（Sousa）[16]和馬雷沙爾（Mareschal）、巴特沃斯（Butterworth）和托爾米（Tolmie）[17]所寫的一些重要的書籍，反映了越來越多基于教育神經科學的研究。很明顯，正如數以百計的教育神經科學方面研究的文章引用了這些書，以及一些新的學術期刊，例如《思維》《大腦》《教育或教育神經科學》的出現，都表明在過去的20年中所取得的進展。例如，教育神經科學的承諾也表現在波斯納和羅斯巴特對“本卷中討論的研究給學校學科學習提供了一個新視角”之深信不疑[18]。

圖2顯示了教育心理學三個方面之間的關系：學習科學，即關于人如何學習的科學研究；教學科學，即關于如何幫助人學習的科學研究；以及評估科學，即關于如何判定哪些人已經學會的科學研究[19]。圖中所示的循環顯示了不同教學方法可以引起學習，學習反映在評估中，評估又相應地表明了在后續教學中如何加以改進。這三個領域——學習、教學和評估——在教育心理學中結合在一起，即研究教學環境和學習者特性是如何相互作用從而引起學習者認知發展。

作為一門連接學科，教育心理學旨在做出獨特的貢獻，包括：1.關注學科領域的學習而不是一般的學習；2.關注真實情境的學習任務而不是人為的實驗室學習任務；3.關注學習期間的認知過程和學習結果；4.關注指導學習中認知過程的教學技能。

圖2 教育心理學的三個成分

學習科學在試圖開發一般的學習理論方面一直沒有取得太多進展，并且已經疲于研究老鼠在迷宮中行走和人如何記憶單詞表，以上四個方面的關注點有助于學習科學重新崛起。

圖3指出了教育心理學承擔的角色是一個既有基礎性研究目標（為了理解學習是怎樣進行的）又有實踐性研究目標（為了理解如何指導學習過程走向預期的學習結果）的領域。斯托克斯（Stokes）[20]建議將基礎性研究和應用性研究看作兩種不同的研究目標，而不是將其視為一個連續過程的兩端。當研究只含有實踐性目標而不含理論目標時，這就是一種純應用型研究，比如去尋找哪種教學方法對學會一種技能是最適合的，但是不去考慮這種教學方法是如何開展的。當研究只含有理論目標而不含實踐性目標，這就是一個純基礎性研究，比如對教育沒有什么影響的學習研究。但是，既有實踐性目標又有應用性目標的研究才是最重要的研究，正如教育心理學這樣，擔當起連接學科的角色。

圖3 兩種研究目標

三、概念框架

如圖4所示，心理學和教育之間關系的發展脈絡是體現在以下路徑的：1.20世紀上半葉的單行線，即心理學提出重大的學習理論，然后在教育上加以應用。2.20世紀中期的死胡同，即心理學關注的是與教育毫無關聯的研究，而教育則僅僅關注于如何教學的實踐問題，不涉及理論分析。3.20世紀下半葉的雙通道，兩者之間互利雙贏，即教育挑戰心理學，使其研究與真實世界相關的學習理論；心理學發展研究性學習理論，反過來影響教育實踐[21][22]。單行線和死胡同都沒有給心理學或教育帶來太多成效，雙通道卻是一條非常富有成效的道路，可以作為神經科學和教育學之間關系的典范。

圖4 心理學和教育之間的三種路徑

圖5 提出了神經科學、心理學和教育之間關系的三種路徑——分離式單 行線、傳導式單行線和整合式雙通道。首先，在分離式單行線情境下，神經科學的研究應用于教育，心理學的研究也應用于教育。然而，如20世紀早期所顯示，單行線其實是不符合實際的，因為那時關于思維是如何開展，大腦是如何運轉的研究并沒有直接轉化為有效的教學方法。其次，在傳導式單行線情境下，神經科學的研究應用于心理學，相應地，心理學開始了融入神經科學的研究，然后又應用于教育。然而心理學和教育關系的歷史表明，單行線可能不太有效，因為直接將心理學研究（包括融入神經科學的心理學研究）應用于教育比較困難。

圖5 神經科學、心理學和教育之間的三種路徑

依我看來，第三種情境最有可能以心理學和神經科學來促進教育實踐和理論。在整合式雙通道情境下，神經科學和心理學靠彼此之間相互作用來解釋學習是如何進行的（即學習科學），其相應地又通過教育心理學這一連接科學與教育相互作用，從而解釋教學方法是如何影響學習過程和結果的（即教學科學）。這一情境有個最大的挑戰，即判定神經科學研究是否只局限于在教育心理學方面顯示能證實現有的行為結果的大腦活動模式，或者大腦研究是否可以使我們超越該領域當前的狀態，從而使教育心理學家能解決那些用行為研究方法所不能解決的問題。針對這一問題，能判斷出具體的大腦活動模式的含義是非常有用的，比如德瑪里亞（Damaria）和賈斯特（Jus t）[23]的開創性工作體現“破譯腦內活動模式的數值所代表的含義”——也就是能顯示出當一個學生思考時大腦活動的數字量。

1997年，布魯爾寫了一篇有影響力的論文[24]，表達了他對圖5中所示的單行線情境——即聲稱神經科學將會徹底改變教育這一看法的懷疑態度。20年后，反對單行線的呼聲依舊很強，正如布魯爾的回憶篇里所總結的，“在1997年，我寫道：‘教育和大腦：一座太遙遠的橋’……我依然懷疑那些關于教育神經科學現在可以在神經科學和教育之間建立直接聯系的說法”[25]。相反，支持整合式雙通道的呼聲也是由布魯爾所總結的[26]，“認知心理學和功能成像研究（即認知神經科學）相互之間高度依存。忽視彼此之間的依存關系則不利于教育神經科學的發展”。

總之，并非要將神經科學視為心理學的救星，或者把心理學視為教育學的救星。預計在未來，由神經科學、心理學和教育學相互作用所創造的學習科學及教學科學方面的進展，可能會更加富有實效。在我看來，教育心理學在連接理解學習是如何發生的（基于心理學和神經科學的研究）和理解教學能如何影響學習（對改進教育實踐有影響）方面都起到了重要作用。

在最近一篇關于“教育神經科學的實用性和原則性問題”的論文中，鮑爾斯（Bowers）提醒我們[27]：有越來越多的研究基于“當下還沒有神經科學促進有效教學方法的實例”，并且提供了一個合理的論證來說明“未來的神經科學不可能改進教學”。還有更糟的是，確實存在教育神經科學不利于教育實踐的跡象。在霍姆斯（Holmes）[28]最近的一本書《教育和學習的偉大神話》（2016年）中，他舉出了人的左右腦分工是16個神話（由教育工作者所提出的）之一，書中所討論的那些都是基于對教育神經科學研究的一種誤解。然而，盡管對當前事態的評估并不樂觀，但是在涉及神經科學和教育這些復雜領域之間建立聯系方面，我們還是要繼續付諸努力[29]。

四、教育神經科學的期許

從教育心理學的視角，我認為教育神經科學可以給教育做出四個方面的重要貢獻：考察認知過程、考察學習結果、考察學習中介以及考察調節機制。

（一）考察認知過程

首先，教育心理學家已經能熟練開發后測，來測量學習者從不同的教學方法中學到了什么。雖然假定學習期間的認知過程導致了學習結果的差異，但是要根據學習期間認知過程的行為評估來檢驗這種說法是極其困難的。神經科學可以提供更多的關于學習者在學習認知過程中的有用的測量方法。在100年的探索中，有一些問題是為了理解教學是如何影響學習的，包括：1.學習者在有意義的和機械的教學方式下學習，是否呈現出不同的大腦活動？2.學習者在高認知負荷和低認知負荷的教學下學習，是否呈現出不同的大腦活動？3.成功的和失敗的學習者在學習時是否呈現出不同的大腦活動？

教育神經科學可以使長期存在于意義學習與機械學習、低認知負荷與高認知負荷、成功與失敗學習策略之間的區別更加明顯。而我們所需要的只是一種方法，來發現特定的大腦活動模式與教育心理學里一些存在已久的概念（如有意義學習、認知負荷和有效的學習策略）之間的聯系。例如，伊甸（Eden）等人[30]做了一次磁共振成像研究。在這一研究中，成功和不成功的讀者在學習過程中顯示出了不同的神經活動模式。此外,接受語音訓練后的不成功讀者在閱讀時的神經活動模式更像是成功的讀者。這種類型的大腦研究，其關鍵一步是確定不同的神經活動模式就閱讀的認知加工模式而言是什么意思。

（二）考察學習結果

其次，在教學效果研究中，有一個挑戰性任務，即確定如何測量學習者已經學到的內容，這也可以稱作評估科學[31][32]。如同經典的布盧姆（Bloom)分類學[33]以及它的修訂版[34]中所分析的那樣：最常見的評估形式包括采用紙筆或者電腦等記憶和遷移測驗。例如，教育心理學家一直在探究如何檢測出機械學習和意義學習兩者學習結果之間的差異，研究已經超過100年之久[35]。認知神經科學給教育評估提供了一種新的方法，即通過精確測量大腦活動的動態來解釋不同類型的學習經歷。一些研究質疑認知神經科學是否有助于評估科學，包括：1.學習者在進行機械記憶式測試和問題解決型知識遷移式測試中是否呈現出不同的大腦活動？2.當學習者回答出正確和錯誤的答案時是否呈現出不同的大腦活動？3.學習者在教學后測試和教學前測試時是否呈現出不同的大腦活動？

教育神經科學可以幫助澄清記憶式測試和遷移式測試、正誤答案、學習前后大腦的變化之間的區別。我們所需要的是一種方法，來發現特定大腦活動模式和特定類型的學習結果之間的聯系，因此依據大腦活動來辨別學習者在學習什么也是有可能的。例如，德雷澤（Delazer）等人[36]做了一項研究，一些成年人接受了18種復雜乘法問題的訓練，通常他們在上學的時候都沒有記住這些。不出所料，參與者做那些已經訓練過的問題時，比做那些沒有訓練過但是難度相當的乘法問題時要更快而且更加準確。另外，磁功能成像結果顯示，當參與者處理已經訓練過的問題時，他們使用的大腦網絡通常與記憶檢索相關，而當他們處理未訓練過的問題時，使用的大腦網絡通常與巨量處理和執行功能有關。這一研究表明，對18種乘法問題的培訓導致了人腦內由策略加工（如大腦活動模式所顯示）轉變為記憶 加工（如另一種大腦活動模式所顯示）。教育心理學的貢獻大小，取決于我們可以根據學習過程和結果的差異來弄清楚大腦活動差異的含義的程度。

（三）考察學習中介

再次，教學效果研究是有用的，能夠針對影響學習的重要個體差異來確定教學影響的邊界情況[37]。當一種教學方法對一類學習者最有效，而另外一種不同的教學方法對另外種類的學習者有效，那么就使用交互屬性處理[38][39][40]。然而，交互屬性處理的研究曾經有點兒令人失望[41]，部分原因是要將能力改變的大小概念化比較困難。考慮到大量可能相關的個體差異的測量方式，教育神經科學可以幫助找出哪些方式能緩和教學干預的影響。一些基礎研究質疑教育神經科學，包括：1.知識豐富的和知識匱乏的學習者在學習和測試時是否呈現出不同的大腦活動？2.工作記憶長的學習者和工作記憶短的學習者在學習和測試時是否呈現出不同的大腦活動？3.高學業成就者和低學業成就者是否呈現出不同的大腦活動？

因此，教育神經科學可以幫助理解在不同教學方法下，在學習上學習者的個體差異所起的作用，尤其是先前知識、工作記憶能力，以及學業成就水平所起的作用。為了推進這一領域的發展，我們需要清楚地知道怎樣譯解不同學習者所呈現出的不同的大腦活動模式。例如，庫訊（Kucian）等人做了一個研究[42]，其中將有計算障礙（即在數學計算上有困難）的11歲學生與年齡相仿的沒有計算障礙的學生做對照。當讓學生在一個檢測設備上解決類似加法問題時，計算障礙小組學生腦中與數量表征相關的網絡顯示出更少活性，表明他們在表征數量大小方面存在困難。為了得出有用的結論進行像這樣的研究，我們需要澄清因信息處理策略的不同所構成的不同大腦活動意味著什么。

（四）考察調節機制

最后，隨著學習科學和教學科學逐漸成熟，值得我們去確定不同教學方法對學習結果的影響是不是由其他因素調節的，比如學習者的動機、元認知加工或者情緒情感狀態[43]。當教育心理學家越來越認識到動機、元認知和學習情緒的基本作用，更多需要去做的就是如何概念化和測量這些因素。教育神經科學可以幫助提供特殊的方法來檢測學生學習和測試時的動機的、元認知的或情緒的加工過程。一些關鍵研究質疑教育神經科學關于調節機制的教學效能，包括：1.擁有不同動機水平的學習者在學習和測試時是否呈現出不同的大腦活動？2.擁有不同元認知策略的學習者在學習和測試時是否呈現出不同的大腦活動？3.擁有不同情感情緒的學習者在學習和測試時是否顯示出不同的大腦活動？

總之，教育神經科學可以幫助檢測學習者在學習和測試時的動機水平、元認知策略和情緒加工。然而，連接教育心理學和教育神經科學的關鍵是確定大腦活動模式和特殊的動機水平或元認知策略之間的聯系。

在一個典型的磁功能成像研究中，曼格爾斯（Mangels）等人[44]發現懷有不太強動機信念的學生比懷有強烈動機信念的學生在試誤之后緊跟的矯正性反饋后，表現出更少的與持續記憶相關活動。這一大腦活動模式表明：學習者缺乏積極的動機信念，那么就會減少對矯正性反饋的思考。因此，學習者的動機信念可以調節反饋（這也是最有效的教學方法之一）的作用。這樣的推理是基于有些大腦活動意味著記憶建構活動，也就是說，大腦活動測量和信息加工建構之間存在聯系。

五、總結

（一）過去：將學習科學應用于教育

100年的教育心理學的歷史表明：教育心理學（教學科學）作為連接科學，在心理學（學習科學）和教育（教育實踐）之間具有雙通道的價值[45][46]。正如圖6所示那樣，歷史表明單行線（如由心理學到教育）收效甚微，但是雙通道可以合作共贏。

圖6 單行線收效甚微

（二）現在：當前面臨的一些挑戰

今天教育神經科學這一新興領域正面臨著四種主要的挑戰：1.有關如何收集和分析數據方面的“技術問題”（如腦電圖和核磁成像技術）；2.有關大腦活動模式代表什么含義的“概念問題”；3.研究教育相關任務的“生態問題”；4.聚焦哪種神經科學技術可以實現而非研究怎樣幫助人學習的“視野問題”。

總之，我們應該將神經科學方法視為一種工具，用其促進關于如何幫助人們學習的研究和理論。

（三）未來：應用將神經科學融入學習科學中并指導教育

圖7 神經科學與學習科學和教學科學相互促進

教育神經科學的潛力在于通過在學習科學和神經科學之間建立聯系來建立一門融入神經科學的學習科學。因此，以教學科學（也被神經科學影響）作為連接，在融入神經科學的學習科學和教育實踐之間應該有一個雙向通道。圖7展示了神經科學、學習科學、教學科學和教育實踐之間的相互聯系。為了促進教育神經科學的進步，我們需要的是代表神經科學、認知科學（學習科學）、教育心理學（教學科學）和教育實踐方面的專家組成的多學科研究小組。教學神經科學對教育心理學領域的貢獻大小，最終考量的是能具體明確教育神經科學研究能夠超出現有的教育心理學的研究成果和理論的增值部分，包括對教學設計和課堂教學的新的啟示。

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(責任編輯 杜丹丹)

How Can Brain Research Inform Academic Learning and Instruction?

Author:Richard E.Mayer1, Compilers:SHENG Qunli2,JIANG Hui2
(1.Department of Psychological and Brain Sciences,University of California,Santa Barbara,CA 93106,USA; 2.Department of Curriculum & Learning Sciences,College of Education,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang,China 310028)

This paper explores the potential of neuroscience for improving educational practice by describing the perspective of educational psychology as a linking science;providing historical context showing educational psychology’s 100-year search for an educationally relevant neuroscience;offering a conceptual framework for the connections among neuroscience,cognitive science,educational psychology,and educational practice;and laying out a research agenda for the emerging field of educational neuroscience.

Educational neuroscience;Brain-based learning;Brain research;Cognitive neuroscience

G434

A

2096-0069（2017）03-0011-07

資料來源：Richard E.Mayer.（2016）How Can Brain Research Inform Academic Learning and Instruction？Educational Psychology Review,online:2007 November,DOI 10.1007/s10648-016-9391-1.

2017-02-15

浙江大學中央高校基本科研業務費專項資金資助課題“教學設計與課堂學習研究”(DCL001)

作者/譯者簡介：理查德?E.梅耶（Richard E. Mayer），當代國際頂尖教育心理學家和學習科學家，美國加利福尼亞州立大學圣巴巴拉分校心理與腦科學系教授，意義學習（生成學習）理論開拓者；盛群力（1957— ），男，上海崇明人，浙江大學教育學院課程與學習科學系教授，博士生導師，主要研究專長為教學理論與設計；蔣慧（1993— ），女，河南信陽人，浙江大學教育學院課程與學習科學系研究生，專業方向為教學理論與科學教育。