教育神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用
——腦機接口

（天津體育學(xué)院 天津 300000）

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)教育快速發(fā)展，人工智能逐漸為教育賦能。人工智能教育已經(jīng)成為新時期教育信息化促進(jìn)教育現(xiàn)代化的重要抓手，為深入貫徹《中國教育現(xiàn)代化2035》，人工智能在教育上出現(xiàn)以仿生為基礎(chǔ)的類腦智能，典型應(yīng)為腦機接口。

腦機接口是腦科學(xué)的研究成果之一，腦科學(xué)的研究不斷應(yīng)用于教育領(lǐng)域，從神經(jīng)科學(xué)的角度研究學(xué)習(xí)科學(xué)，衍生出教育學(xué)與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的交叉學(xué)科，教育神經(jīng)科學(xué)。教育神經(jīng)科學(xué)嘗試通過整合認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)和教育科學(xué)等領(lǐng)域，來探索有關(guān)學(xué)習(xí)認(rèn)知的腦機制，并依據(jù)研究成果設(shè)計出更加有效的教與學(xué)，以指導(dǎo)與改善教育政策的制定。腦機接口技術(shù)逐漸成熟，也為教育大數(shù)據(jù)、人工智能教育應(yīng)用提供數(shù)據(jù)來源，對對智慧／智能學(xué)習(xí)環(huán)境、智慧／智能課堂的構(gòu)建，以及學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為分析和自適應(yīng)學(xué)習(xí)均產(chǎn)生了重要影響。

1.教育神經(jīng)科學(xué)的概念及其發(fā)展

在《心智、腦與教育》一書中提到，教學(xué)實質(zhì)是一門藝術(shù)形式，它需要整合有關(guān)腦與心理的知識。心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和教育學(xué)三門學(xué)科綜合起教育神經(jīng)科學(xué)。1978年，Chall和Mirsky首次提出“教育神經(jīng)學(xué)”的概念，并預(yù)測該學(xué)科會將教育學(xué)和神經(jīng)科學(xué)整合在一起共同促進(jìn)教育學(xué)的發(fā)展。2003年梵蒂岡的“心理、腦與教育”的研討會，標(biāo)志著教育神經(jīng)科學(xué)的誕生，這是一門實證科學(xué)，2007年有了第一本專業(yè)期刊《Joural of mind brain and education》很多專業(yè)研究機構(gòu)的建立加快了研究的前進(jìn)步伐。

對于教育神經(jīng)科學(xué)，目前尚無統(tǒng)一的定義。我國學(xué)者周加仙從研究內(nèi)容上概括，認(rèn)為教育神經(jīng)科學(xué)是將神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)和教育學(xué)等都學(xué)科整合起來，以人類的教育現(xiàn)象為研究對象，是揭示一般規(guī)律、橫跨文理的交叉學(xué)科；Varma等人從研究方法角度進(jìn)行嚴(yán)格界定，教育神經(jīng)學(xué)是利用神經(jīng)科學(xué)方法與行為研究方法解決教學(xué)與學(xué)習(xí)問題的一門學(xué)科。Szcs和Goswami認(rèn)為教育神經(jīng)學(xué)是研究心智表征發(fā)展的學(xué)科；而Fischer等認(rèn)為這是一門從基因和大腦方面分析教和學(xué)過程的學(xué)科。由此可見，教育神經(jīng)科學(xué)是以教育現(xiàn)象的神經(jīng)機制為研究對象，從而揭示心、腦、教育三者之間的相互關(guān)系的一門學(xué)科。

2.腦機接口應(yīng)用發(fā)展

教育神經(jīng)學(xué)借鑒了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中一些無損傷的神經(jīng)影像技術(shù)，如腦電圖（EEG）、事件相關(guān)電位（ERP）、磁共振成像（MRI）、功能性磁共振成像（fMRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和經(jīng)顱磁刺激（TMS）等，這些研究技術(shù)僅僅能完成顯示觀察活動的過程，而腦機接口的應(yīng)用，則是根據(jù)所接受到大腦信息的改變，促使機體某種改變。腦機接口是一種交互設(shè)備，不依賴于正常的外周神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)，它能夠直接為大腦提供一種新的信息交換和控制通路，創(chuàng)造性地幫助大腦和外界環(huán)境或體外設(shè)備進(jìn)行直接交互。腦機接口工作的核心是找合適的信號處理和轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行腦電信號的轉(zhuǎn)變。一般的腦機接口系統(tǒng)由信號采集、信號處理和交互控制模塊三部分組成，利用該系統(tǒng)人類就可以直接實現(xiàn)大腦與外界的交互反饋。

3.學(xué)科展望

當(dāng)下人工智能等新型人機交互技術(shù)日趨成熟，結(jié)合腦機接口技術(shù)與人工智能等技術(shù)實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析與干預(yù)，對學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行反饋與策略調(diào)整，對學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)分析與調(diào)節(jié)。

作為新型人機交互技術(shù)的腦機接口技術(shù)能夠為學(xué)習(xí)通用設(shè)計提供三方面的支持：（1）針對學(xué)習(xí)通用設(shè)計原則之一，每位學(xué)習(xí)者都有自己的表征方式并在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上構(gòu)建表征，而且每位學(xué)習(xí)者對信息識別也都有各自的偏好，利用腦機接口技術(shù)檢測不同學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)方式下學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，方便為不同學(xué)習(xí)者提供合適的學(xué)習(xí)材料呈現(xiàn)方式；（2）針對學(xué)習(xí)通用設(shè)計原則之二，不同學(xué)習(xí)者在面對問題時的處理方式、理解和表達(dá)都存在差異，通過腦機接口技術(shù)監(jiān)測學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程的神經(jīng)機制，了解學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，以便為學(xué)習(xí)者提供靈活多樣的學(xué)習(xí)方式，為教學(xué)設(shè)計的改進(jìn)提供幫助；（3）動機是學(xué)習(xí)持續(xù)的重要影響因素，動力充足的學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中能自如調(diào)控情緒并在面對學(xué)習(xí)任務(wù)時保持充分的彈性。學(xué)習(xí)通用設(shè)計的原則之三就是關(guān)注學(xué)習(xí)者情感層面的變化，為學(xué)習(xí)者提供多種參與方式，使學(xué)習(xí)者能以各自偏好的方式沉浸其中，讓他們充分調(diào)動自身積極性并保持努力，而利用腦機接口技術(shù)測量學(xué)習(xí)者情感狀態(tài)，能夠為教師靈活設(shè)計多樣化的學(xué)習(xí)活動參與方式、提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性和參與度提供便利條件。

腦機接口與人工智能等技術(shù)的結(jié)合增強了TRACE3智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的功能，使智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的過程記錄功能不僅僅是基于動作捕捉、眼動追蹤等技術(shù)的學(xué)習(xí)者外部行為記錄，而是基于大腦內(nèi)部機制監(jiān)測的注意力、動機等認(rèn)知層面數(shù)據(jù)信息的實時追蹤和過程記錄，這也為學(xué)習(xí)與教學(xué)評價、學(xué)習(xí)者建模分析提供了數(shù)據(jù)來源。

總結(jié)

腦科學(xué)及其研究成果的教育神經(jīng)科學(xué)為教育研究與實踐提供了理論和實證基礎(chǔ)，腦機接口技術(shù)的教育教學(xué)應(yīng)用就是最好的證明，其應(yīng)用仍然是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域較為成熟的應(yīng)用遷移，盡管腦機接口的教育教學(xué)應(yīng)用還處于初步應(yīng)用和探索期，但隨著腦機接口技術(shù)的不斷發(fā)展和教育實踐的不斷探索，其必然會對未來的教育理論和實踐產(chǎn)生重要的影響，后續(xù)需要更多研究者持續(xù)關(guān)注和進(jìn)一步探索。