基于腦科學的未來教育

薛貴

近幾年大家一直都在提的詞是“未來已來”。未來究竟是什么形態？虛擬現實、信息社會、知識爆炸、全球化……每個人都有許多思考。作為一個從事認知神經科學和腦科學研究的學者，我認為，腦科學在定義未來的過程中起到非常重要的作用。

腦科學定義未來

隨著腦科學的發展，特別是腦機接口的出現，在拓展人的認知和行動能力上有很大的潛能。目前，已經有人用腦機接口在低等動物身上做了演示。未來，腦機接口的使用可能成為常態，不僅會用到動物身上，還會用到人類身上;不僅會用于殘疾人，也會用于正常人。通過對大腦870億個神經元的放電過程進行深入研究，把神經元放電所要表達的信號解讀清楚，實現通過機械裝置來幫助殘疾人恢復正常的生活，甚至促進人類大腦的功能增強與延伸。

腦科學對未來的定義還表現在人工智能的推動。在人工智能時代，技能型人才將會被人工智能所代替。不僅如此，在前兩年阿爾法狗出現以后，AlphaFold通過智能算法，可以解析高度復雜的蛋白質的結構，給科學家的工作帶來了挑戰。人們一直認為科學家的工作較為安穩，然而伴隨著人工智能時代的到來，就連創新的科學工作也受到了挑戰。所以，未來教育究竟如何發展，能實現人的個性化潛能發展，提升學習能力和創新能力，實際具有非常大的挑戰。

腦科學定義學習力

教育的一個目的是為未來培養人才。面對快速發展的社會或者未知的社會，最有效適應環境的辦法，是為他配備強大的學習能力，這樣他可以在任何的環境下適應并生存。從腦科學的角度如何定義學習力？根據這幾年我個人的思考，學習力可能至少包括三個方面的內容。

首先，學習力需要有一個有機的知識體系，實際上是跟我們大腦的感知覺平層和顳葉密切相關，這里是人存儲信息一個非常重要的區域。人的信息存儲有幾個特點：第一是層級性，它是從后面到前面，從簡單到復雜，從具體到抽象;第二是緊密聯系;第三是靈活使用;如果你的知識符合這樣的規律，這個信息就能夠存儲下來，而且能夠靈活地使用，如果不符合這個規律，比如說碎片化的知識或者死記硬背的學習，不能形成有機聯系的知識，一方面這樣的學習很難保持，學完了以后很快會遺忘，另一方面是即使你花了幾十次、上百次的重復把它記住了，也沒有辦法去靈活使用。為了實現這種基于人腦的知識存儲機制，我們需要相應的有效的學習方式。比如，我們現在特別強調學習要從老師的“教”轉向學生的“學”，從“輸入”到“輸出”，讓學生成為學習的主角。在這個過程中，我們還需要依據知識本身的聯系來構建這種知識的空間，而不是學習孤立、碎片化的知識。思維導圖能夠幫助我們建立知識之間的聯系，但我們要更科學地使用思維導圖，而不是簡單羅列各種知識點。

其次，學習力還需要強大的認知能力，包括注意力、記憶力、思維力、反應力等等。這都是我們大腦外側前額葉的主要功能，是我們獲得知識，并進行綜合分析和創新的基礎，也是我們現在教育需要重點培養的一個方面。但是認知能力對教師來講太陌生了，因為教師過去長時間都在進行知識的傳授。我們跟老師更多的普及，比如認知能力究竟怎么來定義，認知能力是不是就等同于智商，如何科學測量這樣的能力？認知能力與學生學習成績有沒有關系，訓練認知能力能不能提升學業成績？實際上，很多研究都對這兩個問題給出了肯定的答案，但我們的老師，家長和學生還缺乏深入的認識。還有，通過專業化的訓練，能否提升個體的認知能力？最后，我們如何依據孩子的個性化認知能力來實現個性化的教育？對于這些問題，我們可能還需要更多的研究。一方面從做基礎研究的項目來講，還需要更多的研究來回答這些問題，另外還需要更多的實踐，以及一線的老師一起來做大數據的研究，來揭示這種認知能力和學習之間的深刻關系。

第三，學習力還需要持久的學習動力，這是我們大腦內側前額葉的一個重要功能，它負責我們學習的動力系統。動力系統包含兩個方面，就像我們講汽車的動力系統，一個是它的方向盤，等同于人的價值觀。哪些東西對人來講有價值，人就會追求這個方向;另一個方面實際上是講它的油門和剎車，就是不僅有強大的發動機，還要有很好的剎車。當前，社會競爭加劇，社會的隔離，各種誘惑的增加，對人的動機系統提出了嚴峻的考驗，需要未來的孩子擁有對生活的持久熱愛和激情、成長性思維、堅韌的品質，而且能夠善于管理情緒和延遲滿足，這才是一個強大的動力系統。為了培養強大的學習動力系統，教育還需要作出很多的改變，包括引入社會情緒學習的方法，進行心理品質的測評和提升練習;包括運動，包括正念冥想，包括成長型思維培養等等。

基于此，我們過去幾年做了一些初步的嘗試。首先，為了實現培養提升學習力的教育目標，我們研發了學習的測評體系和工具，從核心認知能力、學科學習能力、心理品質和成長規劃的角度對學生進行深入的測評。這些測評建立在腦科學所揭示的大腦結構和功能的對應關系基礎上，從而能更好地揭示人腦的功能。全面檢測一個孩子在各方面的能力得分情況，以及他在整個人群的分布情況，然后把這些孩子進行不同的分類。有的是各方面都很突出的，也是我們所說的拔尖人才;有的是各方面還有待提升的;還有一部分可能是屬于不均衡型的，有些方面比較強，但還有一些薄弱環節。

2019年，我們對1萬多個學生做了一個測查，然后把學習能力和學業成績進行關聯。研究發現，隨著年級的增加，認知能力對學業的貢獻越來越大，而且有一些能力的貢獻相對更為突出。這個研究還發現了幾個有意思的結果。首先，我們發現兩位數的心算是預測學業成績的一個特別重要的指標。因為兩位數的心算不僅考察你的計算能力，而且是訓練你的工作記憶能力的一個非常重要的指標。這個結果實際上可以直接指導我們的教學和課后作業安排。第二，可以基于認知能力和學業成績的關聯，對學生進行學習的診斷，明確學習成績后面的影響因素。第三，可以結合學業成績和學習能力，開展分層走班教學，從而實現更好的個性化教育。現在很多的分層教學是基于當前的學習成績，可能還不足以全面反映學生的學習潛能。第四，在高中，這種學業診斷還有助于高考選科的指導。

基于這樣一些思考和數據，我們研發了針對學生不同階段的大腦學習能力的普及課程和教材，對小學生、初中生和高中生進行腦科學的普及，傳遞“認知腦”“保護腦”“提升腦”的科學理念和訓練提升方法。在小學階段更多地突出認知領域的發展，因為小學階段是大腦前額葉發展的一個關鍵時期。在中學階段我們更多地突出認知能力和心理品質的教育;在高中階段我們會把認知能力、心理品質和生涯規劃進行一個融合，來指導學生個性化的發展。在這些課程中，我們把大腦測評、大腦訓練/發展指導和腦科學普及有機融合，從而更有效地提升學生的學習能力。對于特殊的學生，無論是拔尖的學生，還是學困生，我們也可以針對其學習能力的情況，利用課后的時間，開展個性化的干預訓練課程。

在這個過程中，我們研發了一些基于腦科學的技術，比如在學校嘗試建立基于腦科學的學習中心，結合基于互聯網的學習力大數據平臺，進行促進學生學習力發展的個性化的測評、訓練干預，以及基于學習力的個性化教學。在這個過程中，我們得到了一些驗證的結果，比如能夠對學生進行學習力的診斷，還有揭示不同的學生的學習成績和學習潛能;另外，專門的認知訓練確實能夠提高認知能力，改善大腦的結構和功能。在疫情期間，我們為一所中學研發了學習力課程，發現認知能力對學習成績有提升作用。這說明，在通過認知訓練提升學業方面，還有很多的潛力可以去挖掘，能夠作為促進學生學業發展，乃至后面長期發展的一個方向。