基于腦科學的學習能力測評與提升

/ 北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室教授

教育質量的提升既依賴于教師“教”的能力，更依賴于學生“學”的能力，特別是學生的基礎學習能力，包括注意力、記憶力、自控力，以及語文、數學等學科的基礎學科能力。因此，探討有利于學生學習能力全面綜合發展的科學方法和手段，成了我國當前教育改革和實踐的重要任務。

近年來，在國家各個部門的重視下，無論是教育投入還是教育質量都取得了很大進展，但也面臨著一些挑戰。第一，隨著國家教育的發展，單純的考試成績已經不能滿足人民群眾對教育的訴求，他們期待教育內涵的提升，期待孩子綜合素養的提升。與此同時，學生也對多元化的知識體系、多層次的綜合素養、多類別的核心學習能力訓練有著更濃厚的興趣以及更高的參與度。第二，我國幅員遼闊，人口眾多，地區和城鄉發展差異大。如何提升西部，特別是農村地區的教育發展水平，促進留守兒童、城市流動兒童的全面發展，促進教育公平，是我們全面建成小康社會的重要挑戰。第三，盡管總體上學生的學習效果、考試成績有了明顯的提升，但部分學生由于核心學習能力的不足，導致發展后勁乏力，隨著年級升高，慢慢會出現學習掉隊的現象；同時，由于缺乏有效的手段，對于某些有特殊需要的孩子，比如學習困難的學生、多動的學生、閱讀和計算障礙的學生等，目前缺乏有效的診斷和干預方法。

基于腦科學的學習能力提升是當前教育改革發展的新趨勢

為了深入細致解決教育教學實踐中的問題，一些國家開始將腦科學技術和手段應用到教育教學的實踐，對學生的學習能力、教師的教學能力等進行系統的檢測和評估，大力推行有針對性的提升方案。這些開創性的實踐表明，要想切實系統地提高學生的學習能力，真正解決部分學生所面臨的特殊需要，實現教育質量從外延到內涵的發展，必須對制約學生核心學習能力的因素進行系統的評估和檢測，并進行有針對性的提高訓練；同時，必須結合腦科學的最新研究成果，進一步拓寬教師的教育視野，提高業務素養。

首先，基于腦科學的學生基礎學習能力和學科學習能力的測評和提升可以快速準確掌握學生學習能力的優勢和短板，并根據學生能力發展的實際情況，提供個性化、精準化的訓練方案。其次，基于互聯網的技術，可以在線追蹤每個學生的發展變化，形成學生發展的大數據，為解決學生學習的根本問題提供保障。第三，通過對老師進行基于腦科學的教學組織和教學設計，可以把基于腦的有效學習方式有機地融入日常的學科教學中，潛移默化地提升學生素質，提高教學效率。從這個意義上講， 基于腦科學的學生學習能力測評和提升、基于腦科學的教師教學素養評價和提升，有望解決制約我國教育質量內涵式發展的瓶頸，有望滿足人民對教育質量提升的綜合需求，有望解決學生學習發展后勁不足的問題。借助互聯網的力量，還可以實現對全國的輻射和普及推廣，解決優質教育資源短缺的短板，彌補地區和城鄉差異。

大腦學習能力是學生長期學業表現的重要預測指標。大量研究表明，大腦基礎能力學習是預測學生學業表現的重要指標。比如，德國一項研究表明，在很多領域，大腦基礎能力學習指標都是已知的預測學業成績的最好指標。一般智力和學業成績的相關通常在0.5左右。在另一項研究中，研究人員比較了智力因素、動機因素和兩者共同作用對語文、數學和科學成績的影響。結果發現，智力因素對語文成績的貢獻大概為45%，對數學的貢獻為53%，對科學的貢獻高達90%。一項在中國進行的研究中，研究人員發現，工作記憶和一般智力可以解釋17.8%的語文分數、36.4%的數學分數，而動機因素對學習只有很小的影響。除了這些研究，還有很多發現都一致地強調了基礎學習能力與學業表現的重要關聯。

除了一般智力因素以外，學科學習還需要一些特殊的學科能力。這些學科能力包括語文、數學、科學、藝術等各個學科學習所必需的、重要的基礎性能力。這些能力區別于對學科知識的掌握，但對學習知識的掌握具有重要的影響。比如，倫敦大學學院教育學院的Emily Farran團隊研究發現，5～7歲兒童的空間能力與數學能力有很高的關聯（0.479）。進一步的回歸分析發現，在考慮了閱讀能力的貢獻后，空間能力仍然能很好地預測數學能力。我們在參與北京市腦計劃的研究中發現，中小學生認知能力和語文、數學及英語成績的表現有顯著關聯，特別是語言中的拼音能力可以顯著預測閱讀速度。對區域教育質量監測的研究也發現，初中生的數學成績不僅與基礎學習能力存在顯著相關，也與數學學科基礎能力，包括空間能力、計算能力、數感等能力存在密切關系。基礎學習能力和學科基礎能力對預測學習成績有獨特的貢獻。

基于這些發現，我們提出了學業表現的模型，認為大腦核心學習能力是影響學習表現的基礎能力。在此基礎上，還存在學科基礎能力，以及對學科知識的掌握，這三者共同影響了學業表現。其中，學科能力和學科知識之間很好的匹配，有助于發展個性化的學習路徑。

學業成績的金字塔模型

大腦學習能力是特殊學習困難的重要診斷指標。除了預測正常人的學業表現以外，大腦學習能力還能夠對學習困難者實現科學精準診斷，包括注意缺陷多動障礙（ADHD）、自閉癥、閱讀障礙、計算障礙等，從而揭示學習困難背后的真正原因。大量研究發現，計算障礙的兒童存在數量加工的問題，在數字估計上，計算障礙兒童和正常兒童相比存在顯著的缺陷。這種行為的缺陷反映在大腦功能上主要表現為大腦頂內溝區域的功能不足。同樣，注意力存在缺陷的孩子往往是大腦前額葉負責注意控制的腦區存在障礙。有的注意力缺陷的孩子還伴隨情緒控制問題，表現為情緒波動大、易怒、大喊大叫，有時候攻擊性強等，這也與前額葉負責自控力的腦區的功能缺陷存在關系。

在閱讀障礙方面，研究發現有閱讀障礙的兒童同正常兒童相比存在字形分析以及語音意識的障礙，在大腦上表現為視覺區域的梭狀回和顳頂聯合區存在功能不足，而這兩個區域正是負責字形分析以及語音意識的專門區域。有意思的是，閱讀障礙兒童在大腦前額葉存在功能代償，表現出過度活動。這就表明，由于在特定的閱讀區域存在功能缺陷，閱讀障礙兒童會用大腦負責多種任務的高級區域進行補償。這就類似于在一個公司里面，負責具體任務的員工能力不足，需要單位的負責人來完成他的工作。這樣做所帶來的后果就是，一方面，專門區域的能力永遠得不到提高，另一方面，負責多種任務的高級腦區被占用，文字加工效率降低，同時也無法完成更加復雜的任務，包括閱讀理解等。有意思的是，如果僅僅通過一般綜合的閱讀任務來訓練孩子，往往達不到提高專門區域功能的目的，讓訓練失去了針對性，還影響孩子的學習動機和興趣。

由此可見，從腦科學的角度，可以更加深入地揭示學習困難者的心理和行為原因，乃至大腦結構和功能的問題。這些可以讓老師和家長避免把學習困難簡單理解為態度、思想乃至品德問題，從而更好地理解這些學生。更重要的是，這些測試可以更加深入地揭示行為問題背后的真正原因，從而更好地找到針對性的解決方案。

基于大腦學習能力的訓練提升是提高學習表現的有效手段，通過科學測評揭示不同學生的學習能力特點，可以開展有針對性的學習能力訓練，從而提高學習能力，促進學習表現。在這個方面，目前已經有了大量的研究證據。比如，英國諾森比亞大學的研究者Joni Holmes研究發現，對工作記憶較差的兒童進行認知能力訓練能夠提高工作記憶表現，同時數學能力也能得到顯著的提高。耶魯大學的認知訓練研究結果發現，通過對工作記憶、注意力等的訓練，可以有效提高學生的一般認知能力，同時提高閱讀和數學的學習表現。我們與北京大學第六醫院合作，針對兒童多動癥的認知訓練干預，也取得了顯著的效果。

除了對基礎學習能力進行訓練，針對不同學科的學科基礎能力進行訓練，也可以有效改善學生的學科學習成績。比如，蘇黎世大學兒童醫院磁共振研究中心的K.Kucian團隊采用數字估計訓練任務，對9～10歲計算障礙兒童和正常兒童分別進行長達五周的訓練。發現訓練對于兩組兒童都有一定效果，但是對于計算障礙兒童而言，效果更大。密歇根州立大學教育學院的Yi-Ling Cheng團隊采用持續40分鐘的心理旋轉題目，對6～8歲的兒童進行訓練。結果顯示，相對于控制組而言，訓練組的數學能力訓練后有了明顯提升。

再如，美國科學院院士Michael Merzenich針對閱讀障礙兒童在語音意識方面的困難，發展了針對性的語音意識訓練方案 （ Fast for Word），通過這個方案，可以有效提高兒童的語音意識，改善顳頂聯合區的功能，提高閱讀成績。與學校現在采用的方案相比，其效果可以提高3～4倍。這些發現在美國多個學區得到了驗證。雖然學術界對其背后的機制和原因解釋方面還存在一些爭論，但結果表明采用針對性的訓練方案，可以有效提高學生的基礎學習能力和學科基礎能力，從而提高學習效率，提升學業表現。

總結與展望

隨著科學研究的不斷深入和發展，心理學和腦科學對學習與記憶、注意力、自控力，以及思維反應力等核心學習能力，以及語文、數學等特定學科的規律有了越來越深入的理解，同時對兒童青少年腦與心智發展的基本規律有了更全面的認識，這些都為腦科學服務教育提供了重要研究基礎。

但是，基于腦科學學習能力測評和提升還有待廣泛開展。一方面，腦科學本身還是一個新興的領域，大眾特別是教育工作者和家長對此了解并不多；另一方面，在腦科學與學習領域，還沒有一個類似于深度的學習的算法，或者用一個簡單的儀器，讓任何人都可以簡單地操作使用；再者，目前腦科學對學習的研究還是以基礎研究為主，針對性解決日常學習問題的腦科學研究還亟待加強。這些都限制了腦科學在學校的普及應用。要解決這些挑戰，需要加強普及宣傳，還需要腦科學的研究人員和一線實踐人員密切結合，不斷發展和完善操作性強的教育解決方案。

可以預見，隨著腦科學研究成果的不斷突破，對社會、學校和公眾普及和傳播的不斷加強，與學校教育實踐融合的不斷深入，腦科學與教育的結合將會愈加深入。特別是基于腦科學的學習能力的測評和提升，會在其中起到重要的作用。另一方面，互聯網、大數據和人工智能的蓬勃興起，已成為推動社會發展和變革的重要力量。“互聯網+腦科學+教育”的全新模式將從多學科整合視角來系統、全面、深入地評估學生的學習能力，進行針對性提升。這種方式的大范圍普及推廣，必將有效變革學習，并在提高教育質量、促進教育公平這一重要使命中發揮積極的作用。