教育神經科學的研究主題、困境及解決途徑

邢 強 張美琦

(廣州大學 教育學院，廣東 廣州 510006)

教育在廣義上是指一切有目的地對人的身心發展產生影響的社會實踐活動；狹義上是指學校教育，即教育者根據一定的社會和現實要求以及受教育者身心發展的規律，有目的、有計劃、成系統并且有組織地影響受教育者，使其獲得一定知識技能的活動。教育最首要的功能是促進個體發展，也就是人的發展。而人的發展都是通過腦神經中樞的發展來實現的，人發展的過程，就是在對外界刺激適當控制的情況下,形成預期的神經網絡和行為模式的過程。[1]因此，教育的本質就是對腦的建構，腦科學的發展也為教育的發展帶來了新的機遇。[2]

一、教育神經科學的興起

“教育神經科學”一詞，最早是由珍妮·肖爾(JeanneChall)和艾倫·莫斯基(AllanMirsky)在1978年提出來的，他們認為，教育神經科學是將認知科學、生物科學、教育科學等學科進行深度整合后，提出科學的教育理論，并用理論指導教育實踐的一門新興學科。[3]教育神經科學整合了多門學科，因此具有跨學科的性質。不同學科及不同專業的研究者將相關研究中的知識和技能整合以后，形成了新的見解和概念結構，使得教育神經科學具有學科的綜合性。

20世紀70年代以來，腦功能成像技術(如fMRl、PET、NIRS)不斷發展，并被投入到更廣泛的應用中，使得人們既可以利用無創技術，從整體上研究活體人腦和人的行為，又可以從分子、細胞、神經等微觀層面揭示人腦的奧秘，還能將二者整合，以深入了解人的思維、語言、記憶等高級認知活動。[4]技術進步使腦的相關研究領域得到突飛猛進的發展，腦科學的研究成果也不斷延伸到教育領域。1985年，Fuller和Glendening提出了“神經教育家”這一概念，他們認為，神經教育家的作用是研究和理解大腦或者行為的已知關系，并將這些關系應用到學習過程中，強調了利用腦結構和腦功能的知識進行教學的重要性。[5]國際經濟合作與發展組織(Organization for Economic Cooperation and Development，OCED)在1999年啟動了“學習科學與腦研究”的項目，該項目有26個國家的神經科學和教育學研究者以及政策制定者參與，由此神經科學與教育領域開始了廣泛的合作。2003年“國際心智、腦與教育(Mind，Brain and Education)”協會成立，該協會創辦的《心智、大腦與教育》刊物于2007年正式出版發行，至此，教育神經科學研究有了自己的國際組織和官方期刊。[6]

隨著教育神經科學的深入發展，跨學科和跨專業的信息交流愈發重要。在教育神經科學領域中，教育神經科學工作者接受心理學、神經科學和生物學等相關學科的訓練，這能夠使其更好地了解學生學習過程中的神經機制，并將其應用到課堂教學或者科學研究中。教育神經科學既關注社會文化環境對學生課堂學習的影響，也關注在外部環境刺激下，大腦如何形成神經聯結或怎樣改變大腦功能區等方面的問題。無論是關于學生課堂學習的實踐應用研究，還是在實驗室中進行的大腦機制的研究，對教育神經科學而言都很重要。[7]教育神經科學的重要目標，就是對課堂和實驗室中形成的知識進行深度整合，促進跨學科的合作和跨專業的語言翻譯，并在實踐中驗證其有效性。

二、 教育神經科學的三大主題

(一)神經科學在課堂學習中的應用

學習是一種復雜的社會文化與生物現象，涉及到社會、文化、心理等諸多方面，而腦是學習的主要生理機構，腦的可塑性是學習的關鍵。所謂腦的可塑性，是指“腦能夠被環境或經驗所修飾，具有在外界環境和經驗的作用下，不斷塑造結構與功能的能力”[8]。教育促進腦的成熟，腦神經結構、神經功能與學習之間相互作用，有利于教育工作者進一步開發大腦潛能。[9]從教育神經科學的視角看學校教育，可以將學校教育視為教師通過教學，對學生的大腦進行影響，幫助學生大腦中的神經元重塑的過程。[10]教育神經科學側重于對學習的腦機制進行研究，將關于大腦的研究發現應用于課堂教學，或利用神經科學來指導教育教學創新，使得研究成果能夠直接對教育產生影響。[6]教育工作者試圖從神經科學的研究領域中，找到更科學的教育理論和能夠解決教育問題的方法；神經科學研究者期望通過教育和教學實踐，驗證神經科學領域的研究成果。不同學科間相互交流和融合的需要，推動著教育神經科學的發展。

神經科學在課堂學習中的應用，主要包括閱讀學習、數學學習、語言學習、注意力、記憶力等方面。腦功能成像技術為神經科學提供了技術方面的支持，如研究閱讀能力和閱讀障礙時，通常采用功能性磁共振成像(fMRI)、正電子發射斷層掃描(PET)、腦結構成像(MRI)、腦電圖(EEG)等技術，這些技術通過測量個體在完成特定認知任務時的大腦活動，來探索該認知過程的神經基礎和認知特征。例如，在閱讀學習方面，閱讀障礙兒童與正常兒童相比腦結構上存在著明顯異常。[11]神經影像學顯示，閱讀障礙兒童的左顳頂葉皮層、白質連接性以及與有效干預相關的腦功能可塑性降低。[12]閱讀障礙兒童的腦特征是閱讀相關的關鍵神經網絡激活不足。[13]但已有研究發現，接受過良好教育的兒童，也有可能獲得閱讀的能力。[14-15]語音干預能夠提高閱讀障礙兒童的閱讀水平，語音訓練與字母—聲音對應規則的教學訓練相結合比單獨的語音訓練更為有效。[16]在一項為期8周的干預研究中，使用較為密集的教學干預，每個小組中一名教師對應一名或兩名學生，每天進行100分鐘的語音意識和語音解碼策略的系統教學。干預結束后，約50%的學生在學校學習中也繼續使用了干預訓練中所學的內容，并從中獲益。教師干預不僅對閱讀學習和閱讀障礙學生有幫助，對學生數學學習、注意力等的提高也會產生一定作用。[17]蘇佩卡等對24名小學三年級學生進行了為期8周的一對一算數輔導，觀察到這些學生的算數問題解決速度和準確性隨著輔導而增加。兒童解決加法問題的基本策略有數手指、手指、言語數數和檢索策略四種，策略出現的順序是基本固定的，反映的是兒童由低到高的策略發展過程。經過8周的輔導，學生的算數策略由“言語數數”轉變為“檢索”。但有些孩子的進步會比較明顯，有些孩子的改善卻十分有限。研究者通過檢查大腦結構和靜息功能掃描，發現學生輔導前的智力、工作記憶、數學能力等都不能預測學生在輔導中算數問題解決能力提升的程度，而海馬灰質體積、海馬與前額皮質的內在功能連接強度則能預測中學生算數技能習得的個體差異。表明在學生早期數學學習中，海馬的結構和回路起到了重要的作用，教師在這一階段的教學應注意讓學生掌握數學運算的基本法則和基礎知識，注重學生對基本知識的記憶。根據神經科學的研究結果，教師在課堂教學中應注意學生的個體差異，不能忽略先天不足的學生，而應提供積極的干預，使學生發揮其最大潛能。[18]

教育神經工作者還關注課堂學習對神經可塑性的影響。人腦的神經可塑性是教育得以進行的關鍵，大腦可以隨著環境和經驗的改變而發生變化。在課堂中，兩種不同的教學模式會對學生產生不同的影響。一種是教師采用標準化的學習材料，每個問題只有一個正確答案與之對應。教師通過反復講授和練習，刺激學生腦內形成特定的神經聯結，使學生的大腦內機械生成單一又封閉的特定神經環路，以期通過這樣的訓練，能夠使學生在看到問題后，腦內特定神經聯結立刻反應出正確答案。另一種教學模式強調學生在學習過程中的主動性。教師在教學中為學生提供適當的學習環境和豐富的學習資源，創設激發學生思考的情景，引導學生基于自身的特點和個性主動形成解決問題的答案及思維。學生在課堂中通過親身體驗和主動思維，激發神經的主動定向，豐富并強化神經聯結和神經環路。[19]這種教學模式不僅能使學生主動探索出解決問題的答案，還能激發學生的創造性思維。不同的教學模式對學生的腦神經環路和解決問題方式的影響是不同的，因此，教師在授課時，要注意根據學生的特點、學習材料內容的差異等，選擇適合學生的教學模式。

(二)教育神經科學領域的跨學科合作

教育神經科學整合了心理學、生物學、教育學和認知科學等多個學科。這些學科經過多年發展，學科之間的鴻溝逐漸拉大，不同學科彼此獨立，難以互相融合，致使學科之間合作困難。盡管教育界對于神經科學家提供的第一手科學研究資料表現出了極大的熱情，但是當發現目前學校里的大部分“基于腦的教學”并沒什么科學依據時，教師們也感到非常沮喪。這些“基于腦的教學”是將神經科學的研究成果不加選擇地應用到了教育中，其中很多成果還含有被媒體夸大的部分。神經科學研究更多關注嚴謹的實驗操作，習慣使用數據來表達觀點，而教育學更注重信息的整體性和有用性。這種學科之間的鴻溝很難通過神經科學或教育學的單方面努力來解決。因此，教育神經科學作為交叉學科，結合神經科學的嚴謹性和教育領域更為注重的實用性，能夠為跨學科的合作提供便利。

美國國家科學院協會《促進跨學科研究》報告指出，跨學科研究是人類目前所進行的最有成效、最令人鼓舞的嘗試之一，它為新知識間的交流與聯結的產生提供了一種新的方式。教育神經科學作為一門交叉學科，能夠為跨學科交流與合作搭建重要橋梁，促進不同學科的深度發展與整合。[20]一方面,教育神經科學要重視神經科學、心理學、生物學等學科的研究成果，思考什么樣的理論知識和技能，能夠在實踐中應用到教學領域，這一過程也促使神經學家對教育學和教育研究有所了解。另一方面，教育神經科學為教育學帶來更先進和客觀的研究方法，借鑒認知神經科學中對人體無損傷的神經影像技術，如眼動追蹤、反應時記錄、腦電記錄等，能夠進一步驗證教學方式的科學性，為教育實踐提供更專業的理論支撐；教育神經科學也能使教育工作者接觸到最新的神經科學理論和方法，改變長期以來教育工作缺乏科學依據的狀況，并能了解到目前神經科學存在的局限性，有利于推進科研成果向實踐的轉化。在過去的幾十年中，已有研究者為探討教育神經科學如何整合不同學科的成果，從而進行更深入的跨學科合作做出了努力。他們試圖在神經科學和教育學這兩個研究方法、理論框架相距較遠的學科間，搭建彼此溝通的橋梁。加強神經學家、教育學研究者和教育工作者之間的交流和互動，能夠在一定程度上縮小神經科學與教育學之間的鴻溝，有利于找到搭建溝通橋梁的方法，促進研究者和實踐者更好地將研究成果轉變為具體的實踐應用，這樣的跨學科合作為不同學科之間的轉換提供了條件。[21]

(三)跨專業的“語言翻譯”

神經科學和教育分屬于不同的研究領域。由于神經科學和教育學這兩個領域之間存在巨大的語言差異，教育工作者在解釋和應用神經科學的相關研究時發現，可能會出現誤解或偏差，導致“神經神話”，即來源于神經科學，但是在演化過程中簡化、夸大或歪曲神經科學的事實，并在非神經科學領域廣泛流傳的現象，如廣為流傳的關鍵期理論。這種“神經神話”認為學習存在關鍵期，如果在相應的關鍵期內沒有進行應有的學習活動，兒童就無法獲得或不能全部獲得該關鍵期內的能力。然而神經成像技術研究發現，神經元并非隨著年齡的增大而減少，神經元的總數量基本保持不變，而較大的神經元數量減少，較小的神經元不斷增多。[22]因此，即使錯過了所謂的關鍵期，大腦仍具有可塑性，只要給予適當的刺激，就可以獲得關鍵期內學習到的知識和能力，并且關鍵期前后的學習也同樣不容忽視。[23]“神經神話”的存在阻礙了教育工作者正確運用神經科學的知識理論與發現，將錯誤的理論應用到教學實踐也會對學生造成一定程度的危害。要消除“神經神話”，需要教育神經科學工作者對兩個領域術語的準確翻譯和解釋，確保跨專業的語言一致性，并進行相應的培訓，組織專業論壇和應用方面的交流，形成兩個領域之間的雙向互動，加深聯系和理解，減少誤會和曲解。

每個研究領域都有各自特定的語言和研究方法，這是學科建構的基礎。但是不同學科之間以及理論和實踐之間橋梁的搭建，不是在其間強加一種語言或者文化，而是聯合多個學科，建立學科間共享的翻譯框架。神經科學使用的術語和研究方法通常比較復雜，該專業以外的人很難準確把握其中的專業信息。教育工作者接觸專業文獻是很有必要的，但卻往往因缺乏神經科學方面的知識，對大腦結構和功能的理解不足，缺少對神經成像技術的了解；他們也往往沒有受過生物學和神經科學方面的專業培訓。因此，他們無法準確理解神經科學領域的術語和文獻，也就不能很好地將神經科學研究的成果應用在教育環境中。神經科學家要將大腦和學習方面的發現傳遞給教育工作者和教育決策者，以便更好地指導教學實踐，這也需要神經科學家了解教育學方面的現狀和專業語言。教育神經科學可以進行跨專業的語言翻譯，幫助這些相關領域搭建共享的翻譯框架，將學科專業術語轉化成不同學科都能理解的共通語言，避免因翻譯問題造成對專業知識的誤解。[24]

教育神經科學作為交叉學科，可以促進神經科學與教育學之間的雙向溝通，利用神經科學的發現調整教育策略。例如，有的老師會發現，學生認識句子中的每個單詞，但是卻不能理解整句話的含義;或者一個學生不能夠做算術題，老師不斷地訓練這名學生，給予他足夠的重復練習，最終這名學生“學會了”算術。但是已有腦成像研究表明，這些任務的基礎是心理過程，這些看似是數學或閱讀理解的問題，實際上是工作記憶的問題。一些學生工作記憶信息保持的時間不夠長，言語信息很快被遺忘，做算術題或者閱讀題時，這類學生并不是沒有習得知識或者做題技能，而是他們的工作記憶能力相對較差。所以,教師面對這類學生時，想要提升其成績，對學生進行工作記憶能力訓練會比讓學生不斷重復練習題目更為有效。[25]因此，教育神經科學要努力讓教育工作者有更多接觸神經科學專業文獻的機會和能力，從神經科學文獻中汲取和運用神經科學的最新成果，以便使教育工作者在多種場景下對學生產生影響，如教室、操場或通過布置家庭作業或課外作業等，從而影響學生的大腦認知水平。

三、 教育神經科學面臨的困境及解決方式

(一)教育神經科學面臨的協作困境

教育神經科學目前急需解決一個重要問題，就是如何使神經科學與教育學之間能夠進行雙向協作，將神經科學的最新研究成果應用到教育教學實踐中，再通過教學實踐去進一步驗證神經科學成果的可行性，給予神經科學反饋和建議。跨學科協作能夠促進教育神經科學的發展，使理論和實踐之間互相補充，用理論知識指導教學實踐，教學實踐再對理論成果進行檢驗，使理論具有科學性并具有實際應用價值。

但是神經科學和教育學之間面臨協作上的困境。教育學注重學生課堂上的行為表現以及這些行為表現是如何變化的，并且關注教師在教學過程中應如何合理引導學生學習，以提高學生的課堂表現。而神經科學側重于研究行為背后的生理機制與認知過程，利用非入侵性的工具形成腦成像，并基于技術和工具研究人腦在發展和學習過程中的變化機制。神經科學和教育學二者關注的內容有重疊部分，神經科學的研究項目要探索教育環境中出現的各種問題，但是大多數的神經科學研究人員都沒有在教育環境中工作的經驗，神經科學因其研究工具的特殊性和神經領域的專業名詞的復雜性，常會使教育工作者感到與“學習”相關的實證研究難以在課堂中應用或者被誤解和誤用，導致“神經神話”的產生。常見的“神經神話”如“莫扎特效應”[26]，0—3歲決定人的一生，大腦只使用了10%，有右腦學習者和左腦的學習者，一個人以喜歡的學習方式(如聽覺、視覺)接收信息時能夠學得更好等。[27]這些“神經神話”并不是憑空產生的，而是以神經科學研究為依據，融合了對科學事實的錯誤解讀，對研究過程扭曲夸大和對研究結果的錯誤推論等。由于其來源是科學研究，不容易被教育工作者識別出違背科學之處，一旦被直接應用到教育當中，不但起不到相應效果，甚至還會對教育教學產生不良的影響。

教育神經科學作為交叉學科，不可避免地要解決不同學科協作困難的問題，以免受到“神經神話”的消極影響。想要消除“神經神話”，可以對現有的教育工作者和神經科學工作者進行跨學科培訓，使二者能夠優勢互補，互利共贏。對教育工作者進行教育神經科學相關的培訓，能夠使教育工作者首先具備相關的神經科學理論知識，有了相應的知識儲備，才能避免受到“神經神話”的誤導，更快速和準確地區別科學與偽科學，才能充分汲取神經科學的知識成果，為解決實際教育問題提供更大的幫助；[28]對神經科學工作者進行培訓，在培訓中加入課堂實踐和教學經驗的內容，能夠讓神經科學和教育學有更多的對話機會，搭建二者溝通和協作的橋梁，形成能夠解決教學實際問題的科學方法。[29]介于神經科學和教育學之間的相關領域，可以作為兩個學科間溝通和協作的橋梁。已有研究表明，參加認知心理學、教育心理學等跨學科的培訓，可以提高教師的神經科學素養，心理學在神經科學與教育學的溝通交流之間起到了重要的作用。[30]教師將科學知識準確地教給學生，能夠增加學生對科學的了解，使學生意識到可以利用科學做有意義的事情；教育神經科學家通過教學和科普，也能更好地理解自己的學科和該學科的應用價值。[31]

(二)教育神經科學面臨的干預問題

教育神經科學的研究從得出實驗結果到能在現實環境中對人實施干預，是一個不斷由理論向實踐的轉化過程。例如，已有大量研究表明，在個體生命早期制定促進批判性思維和探究能力的教學策略與學習活動，對人的發展是有積極影響的。[32]但是這樣的實驗結果要應用于實踐，就要解決如下的一系列問題：這個實驗結果是否意味著能對生命早期的個體進行干預？如果能夠進行干預，在什么時候進行干預才是最合適的？采用什么樣的工具和方法進行干預？這種干預的普遍性和個體特殊性之間要怎樣平衡？而尋求答案的過程，就是促進由實驗結果向實踐轉化的發生的過程。[33]無論是對神經科學還是其他學科而言，實驗結果都只是轉化過程的開始。已有的科學研究已經為教育神經科學提供了大量的實驗結果，但是如何制定適當的干預措施，如何具體實施科學干預以及怎樣對干預措施進行有效性評價，是教育神經科學工作者亟需解決的問題。

解決教育神經科學所面臨的干預問題，首先，應該對實驗結果和干預對象進行深入分析，針對干預對象的特點選擇干預的時間、干預所用的方法和工具，做到既了解干預對象群體的普遍性，也深入了解干預對象的特殊性，這樣才能找到有針對性的干預措施，制定出更合理的、更科學的干預方案。例如，設計學前兒童有關的干預措施時，不僅要重點關注干預目的本身，還要考慮到學前兒童的自身特點，干預方法盡量新奇有趣，能夠給兒童帶來成就感和愉悅感。激發兒童的主動性和能動性才能獲得更好的干預效果。[34]其次，要有相應的評價標準，對干預措施實施的有效性進行具體的評價，并根據評價，發現實施過程中遇到的問題，進而解決問題，不斷修改和完善干預措施。[35]再次，還要注重對教育神經科學人才的培養。有效的干預措施需要專業人士嚴格按照流程并能根據特殊情況變通實施，才能發揮出干預措施的最大效果。教育神經科學作為交叉學科，可以融合擁有不同學科背景的人才優勢，讓該領域的學科建設更加多元化。因此，加大培養力度，優化培養方式，形成系統科學的人才培養方案，使教育神經科學成為科研與教育實驗并重的學科，將有利于更好地解決干預問題。