教育神經科學研究的課堂教學轉化:價值、困境及其應對

周俊良

神經科學對腦與心智的研究有望揭開人類記憶與思維的黑箱,進而促進教育的發展,被認為是改革教育的一大利器。近年來,隨著教育神經科學的建立與不斷成熟,神經科學與教育之間互動日益頻繁,神經科學研究成果逐步應用到教育決策、特殊教育領域。然而,對于它改善課堂教學的作用,多數人仍持悲觀的看法,即便教育神經科學家群體內也是如此,在他們看來,教育神經科學是一門為基礎教育研究提供幫助的學科,它不涉及應用的問題。但是,長遠來看,教育神經科學終究要回答實踐應用中的問題,其價值最終需要落實到課堂教學層面。基于此,本文闡釋教育神經科學的課堂轉化價值,并分析教育神經科學在課堂轉化中遭遇的困境,然后探索突破困境的路徑,以期為課堂教學革新提供思路。

一、教育神經科學及其研究進展

(一)教育神經科學的研究領域

教育神經科學是新興的跨學科研究領域,它集合了心理學、生物學、神經學以及教育學等知識,采用多種技術對人類學習機制進行多視角、多層面的分析,旨在促進教育的科學發展。說它是新興領域并非因為它是新事物,而是指它在新技術幫助下取得研究新進展。其實,對學習的神經機制研究始終貫穿整個20 世紀,從桑代克到巴普洛夫再到班杜拉,都嘗試從神經科學視角揭示學習的發生機制。但直到20世紀90年代“腦的十年”,在神經成像技術的幫助下,理論才得以進步,才使教育神經科學成為可行的研究領域。從字面上看,教育神經科學是教育學與神經科學的結合,它的研究應該專注教育的生理機制。但實際上,教育神經科學的視角更廣,它不僅從生理角度,更從心理與行為的角度探索認知發展的本質、規律及其干預方式。可以這樣說,它的研究重心是“心智”而不是“大腦”。[1]因為,單純的腦科學發現對教育而言意義不大,只有把學習生理機制轉化為可操作的心理機制時才具有價值。具體而言,這種對學習機制的研究主要包括兩個方面:一是認知學習的發展機制研究,即通過研究認知發展的身心機制,來探索有效教育的模式;二是認知學習的障礙及其干預研究,即通過分析語言、閱讀等相關執行功能障礙的成因,來探索有效干預的途徑。

(二)教育神經科學的研究進展

在過去的20年里,教育神經科學研究取得較大進展,這主要體現在以下兩個領域。

一是認知學習機制的研究進展。首先,神經元可塑性的發現改變了對認知發展趨勢的看法。過去認為,大腦神經突觸在成人期后就停止生長。而近年的研究發現,大腦神經結構是不斷發育的,額葉皮層等纖維連接的形成貫穿整個成年時期。而且,成人在特定神經區域的發展效果甚至優于青少年。這些發現為終身學習的有效性提供了實證支持。其次,戈斯瓦米從認知神經科學視角提出的學習七原則為理解學習機制提供了新的洞見。[2]比如,學習是具身性的,身體屬性及其活動方式影響認知效果,在教學中鼓勵多感官實踐能有效提高學習質量。又如,學習是關聯性的,先前經歷對新神經元的發育與連接起指導作用,在教學中增強生活聯系能促進意義學習的生成。類似的原則還包括學習的交往性、學習的情境性等,它們共同為教育回歸身體、回歸生活世界等理念的落實提供了生物學證據。

二是認知學習障礙及其干預的研究進展。首先,對學習障礙的早期診斷得到了完善。傳統行為診斷需要在行為發生時才能進行,存在滯后的局限。借助腦電圖數據,教育神經科學能把語言、情緒以及閱讀等發展障礙的確診期提前到行為發生前,這為有效干預贏得了寶貴時間。其次,對學習障礙成因的理解得到了深化與拓展。以發展性閱讀障礙為例,過去主要是從語言學層面對其進行分析,把障礙視為語音表征、存儲與提取的缺陷。而最近的研究發現,閱讀障礙不僅局限于語言學層面,它可能是由更基礎的視覺和聽覺損傷或發展遲緩導致,[3]這些發現豐富了閱讀障礙的類型譜系,為有效干預提供新的視角。最后,對學習障礙的干預取得了一定成效。學習障礙研究的突出問題是,干預措施與成因理解之間存在脫節,前者發展遠慢于后者。近年來,這種趨勢得到了改善。比如,湯普森等人的實驗發現,在非言語和言語刺激中突出聽覺節奏能顯著提高障礙兒童的閱讀效果,[4]這為閱讀干預創造了選擇空間。再如,對聽力障礙兒童的語言干預發現,在3歲前植入人工耳蝸能顯著改善聽障兒童的語言能力,這挽救了可能錯過的語言敏感期。上述案例皆是對學習障礙的實踐回應,它反映了理解與干預之間的差距正在縮小。

二、教育神經科學研究的課堂教學轉化價值

(一)為教學觀念的變革提供證據

教學觀念是對教學本質與過程的基本看法,它的形成受到多種因素的影響,比如受教育程度、執教經驗等,但根源在于對學習本質的理解。可以說有怎樣的學習觀就有怎樣的教學觀,教學觀念變革的關鍵在于學習觀念的轉變。當前,學習觀存在的主要問題有,一是去實踐化,把學習看作是理性玄思;二是去情境化,把學習看成單純的符號加工;三是去交往性,把學習看成是單向的格式化流程。[5]學者們批判并呼吁學習觀的變革,但效果不佳,多數教學依然照老路走。這有思維惰性的原因,另一個重要原因在于,教師們對變革倡議不信任。

教育神經科學是以實證的方式進行說服,它在邏輯思辨的基礎上增添證據支持,效果更好。一方面,它提供反直覺的科學證據來挑戰陳舊的思維習慣;另一方面,它提供支持性的科學證據來讓已接觸新觀念卻又躊躇不前的教師堅定變革信心。比如,它對學習具身性的發現挑戰了心靈哲學導向的思辨學習,為扭轉教學的去實踐傾向提供證據支持;又如,它對學習關聯性的發現有利于改變去情境化的教學觀念;再如,它對學習交往性的發現有益于轉變獨白式教學的觀念。并且,隨著教育神經科學的不斷發展,它能為學習觀和教學觀的變革提供更多有價值的信息,不僅為爭論中的理念提供證據,更為孕育中的理念提供指向。

(二)為學習環境的改善提供方向

教學環境是一個廣義的概念,它包括三個部分:一是教學的空間設置,二是教學的時間安排,三是教學文化的建設。教學環境是教學觀念的產物,折射出的是對學習本質的理解,對學習的誤解帶來的是糟糕的教學環境。這種糟糕性主要表現在三個方面:一是區隔性的空間設計,二是同質化的時間設置,三是過度競爭的學習文化。把教育神經科學融入課堂教學能為教學空間的重構、教學時間的重置以及教學文化的建設提供新視角。

首先,學習具身性的發現為教學空間重構提供方向。瓦雷拉等人認為,認知依賴于體驗的種類,這些體驗來自具有各種感知運動的身體。身體感知不同,所獲得的認知結果也不同。[6]當前學校通過圍欄、桌椅的布置把各個區域封閉起來,這雖然對學生歸屬感和秩序感的建立有積極意義,但同時也限制了學生身體活動范圍和方式,使課堂學習僅限于視覺和聽覺,而其他諸如動覺、觸覺等感官無法參與其中,這其實是在窄化認知與思維形式,不利于學習的發展。[7]鑒于區隔空間的弊端,有學者提出未來的教學空間變革,應該破除藩籬,由區隔獨立的空間向聯通開放空間轉變,如此才能為多元化的學習提供條件。其次,學習風格的發現為教學時間的重置提供思路。自20世紀70年代起,學習風格就是教育和生命科學領域的研究熱點之一。所謂學習風格就是學習者因身體慣習導致的差異性學習偏好,這些偏好體現在時間和空間的差別上。比如有學習者是場依賴型風格,而有的是場獨立型風格,那么場獨立型風格的人更傾向于擁有獨立思考的時空,而場依賴型則更能適應統一的時間規劃。可問題是,當前教學時間安排對所有學生而言是同質的,這必然無法滿足場獨立型學生的學習需求,因此未來的教學時間應該朝著“定制化”方向努力,使之從同質時間走向個性時間。最后,學習情感的研究為教學文化的重建提供參考。大腦中的情感系統是一組包含杏仁核和海馬的結構,而情感系統中的杏仁核與額葉皮層(推理和解決問題的主要部位)有著緊密的聯系,當學習者處于過度緊張和恐懼的情緒中時,杏仁核與額葉皮質的聯系就會受損,進而對認知學習產生負面影響。當前課堂教學對分數排名過度關注而形成的競爭文化,正是造成學生緊張恐懼情緒的罪魁禍首。為避免因壓力環境造成的無效或低效學習,有學者建議在教學環境設計時,應注重支持性氛圍的營造,讓課堂教學從過度競爭文化朝向和諧互助文化轉變。[8]

(三)為教學公正的實現提供助力

過去,我們對教學公正的理解存在偏差,認為公正就是用相同標準來對待所有學生,強調教學在目標設置、內容選擇以及學業評價等方面要“一視同仁”。這種過度強調同一性的公正觀忽略了個體間的興趣與稟賦差異,不僅限制了才華橫溢者的潛能發展,也使才智平庸者因難以跟上進度而選擇放棄,是偽善的平等而非公正的應有之義。事實上,教學公正不僅僅意味著平等,還蘊含“合理對待學生差異”之意,即教學要為學生個性發展提供與之相適宜的學習資源與機會,要用差異化的教學來滿足學生多樣化的學習需求。而實施差異化教學的關鍵與困難在于如何對學生的差異需求進行精準評估。

通常,教師是憑借直覺與行為表現來判斷學生的潛在需求,這種簡單便捷的方式存在兩個問題:一是受教師主觀經驗影響的直覺判斷容易出錯,它局限于教師的經驗與理解范圍內,超出經驗理解范圍的需求容易被忽略;二是基于行為表現獲得的判斷存在滯后的局限,它要在行為發生時才能被觀察到,容易錯過某些能力發展的“敏感期”。把教育神經科學研究融入教學能夠有效規避上述問題。一方面,教育神經科學強調證據在教學判斷中的重要性,它要求教師在教學設計、實施與評價過程中具備“循證意識”,要求對教學行為作出科學解釋,這在一定程度上防范了教師因主觀判斷造成的決策失誤。另一方面,教育神經科學在腦成像等技術的幫助下能更好地揭示學習發展的復雜機制,能更細致、更早地檢測到學生發展的潛在需求。比如,利用神經標記能有效識別出兒童閱讀障礙形成的認知缺陷機制,這為精準訓練和缺陷矯正贏得了時間,避免了兒童在長期失敗后因標簽化而帶來的難以逆轉的風險。[9]由此看來,教育神經科學對改善傳統教學決策中的模糊性與主觀性等弊端有積極價值,能夠為教學公正的實現提供助力。

三、教育神經科學研究的課堂教學轉化困境

(一)缺乏課堂情境中的實踐案例支持

教育神經科學的課堂轉化需要實踐案例的支持。一是它能為教學轉化提供信心,讓教師看到方案實施的可行性。二是它能為教學轉化提供參考模式,讓教師在實施過程中有章可循。三是它能為教學轉化提供選擇空間,以適應不同層次的學校需求。但從目前情況來看,基于教育神經科學的實踐案例很少,多數有啟發性的神經科學結論都還未能在實際課堂環境中進行檢驗。[10]而且,在少有的實施案例中都普遍存在一些問題,比如美國的莫扎特計劃等都未能取得預期效果。對此,有學者悲觀地評價道,教育神經科學至今尚未對任何新的和有用的教學實踐作出貢獻。[11]

造成這種情況的原因在于,從科學結論到課堂實踐間的鴻溝未得到有效彌合,即缺乏把科學結論轉化為具體教學原則的中介機制。根據加百利的說法,教育神經科學是一門基礎學科,它的直接目標是為基礎教育研究提供證據,而不是改善課堂教學。[12]換言之,教育神經科學對課堂教學的影響是間接的,它的教學轉化需經過多個階段的努力:首先是為教學研究提供證據,然后形成具體、可操作的教學理論,最后在課堂情境中進行檢驗、修正與完善。可當前的問題在于,解讀證據以形成教學理論的中間環節是缺失的,即教學研究領域未能與教育神經科學建立起聯系。一方面,教學研究領域對哲學的青睞勝過科學,它更強調教學的藝術性而非科學性。另一方面,學科定位注定了它不會在實踐轉化層面花費過多精力,教育神經科學的重心在于生產有價值的見解,至于見解是否被采納則不是它所關心的范圍。由此產生的結果是,雙方聯系的缺失使得具有指導意義的教學理論難以產生,這削弱了教育神經科學的課堂影響力,導致有價值的實踐案例匱乏。

(二)缺乏聯通教師與神經科學知識的有效渠道

作為教學的實施者,教師對神經科學的理解是科學課堂轉化成功與否的關鍵。英國一項調查發現,約87%的教師對神經科學表現出濃厚興趣,認為它對教學設計與實施有促進作用。[13]但矛盾的是,多數教師在隨后的科學素養測評中表現不佳,誤把神經神話當成科學來對待。[14]我國一項教師科學素養調查也發現了類似的結果。[15]造成這種情況的原因在于,教師們缺乏獲取神經科學知識的有效渠道。當前,教師獲取神經科學知識的途徑可歸納為三種:一是口耳相傳的民間傳說,二是媒體呈現的科普知識,三是教育心理學知識。前兩種因非正式和碎片化的獲知方式存在被誤導的風險,后一種因內容更新緩慢存在滯后的局限。

根據OECD的說法,當前泛濫于課堂中的神經神話大多源于未經證實的民間傳說,比如左右腦功能區隔、潛力開發、學習風格等。[16]這種誤導性的傳說無法引導教育的發展,只會徒增危害。在媒體呈現的科普知識中,經常出現夸大和以偏概全的現象,有時為了宣傳某一項目,會故意夸大其功效。在教育心理學課程中,存在教學內容與前沿心理學研究脫節的現象。一些研究發現,當前教育心理學教材的內容普遍滯后于心理學前沿發現。許多對教育具有啟發意義的心理學成果未能納入教師教育課程中,而神經科學的許多有啟發性的成果如心智發展的階段性以及工作記憶的發展規律等,也同樣被略過。概言之,當前教師獲取教育神經科學知識的渠道是狹窄的,它不僅阻礙了課堂教學科學化的實現,也使教師難以有效甄別與規避神經神話的課堂滲入,甚至誤信偽科學而造成反教育的后果。此外,單純知識獲取并不能保證轉化的效果。有學者指出,有效轉化過程的關鍵在于讓接受培訓的教師和其他教育專家理解證據是如何產生和被評估的。[17]也就是說,讓教師參與教育神經科學研究論證與實施過程對課堂轉化是有益的,而當前這種參與式理解的渠道是不暢通的。

(三)缺乏完善的教育神經科學應用倫理

與生物科學相關的研究應用總會遭遇一些倫理問題,教育神經科學的課堂轉化也是如此,概括來說,問題大致可歸為三類:一是生物還原論問題。當教育用權威的腦科學語言來表述學習成就差距時,存在將群體差異本質化的風險。它可能會延續、強化并被用來為社會不平等辯護,把導致成就差距的原因從社會文化轉移到基因或腦型等生物方面。二是隱私安全問題。過去認為,人的思想是抵御外部入侵最安全的防線,只要選擇隱藏就可避免被透視的危險。但現在,神經成像等技術的進步使得精確監測與操縱人類大腦成為可能,這意味著人們可以繞過行為判斷而直接入侵思想內部,這給隱私安全造成了威脅。三是社會公平問題。教育神經科學的一個貢獻在于設計干預措施來增強大腦功能,這其中包括藥物干預,比如使用利他林來改善記憶。通常來說,用于增強大腦功能的藥物價格是昂貴的,它無形間架起了階級區隔,使來自富裕階層的孩子在學習上更具競爭力,這挑戰了我們對個人努力與成就的傳統理解。

教育神經科學的課堂轉化需要直面上述倫理問題,它必須有一套完善的應用倫理機制來規避潛在風險,但當前這種機制是缺失或不完善的。正如法拉赫所說,直到今天,人們對神經科學引發的倫理問題還知之甚少。[18]雖然從21世紀開始,神經科學家已經著手討論這些問題,并建立了神經倫理學,但內容大多是關于研究倫理,很少涉及應用倫理。此外,教育神經科學面臨的情況似乎更為復雜。因為,教育的對象是青少年兒童,他們的身份脆弱且敏感,稍有不慎便會引起嚴重的后果,它需要比成人更嚴格的倫理原則。也就是說,教育神經科學不能單純移植神經科學或醫學領域的應用倫理,它還必須融合教育學、兒童學等思想。但從該主題相關文獻的匱乏現狀來看,目前這種多視野融合的應用倫理還不完善,這大概是安薩里教授在談及教育神經科學發展時特別提到倫理挑戰的原因。[19]在美國,因神經科學應用導致的教育問題已經出現。在比弗利事件中,家長們抗議愛她林的使用,認為這是對人權的強迫。[20]這些都為神經科學的課堂轉化敲響警鐘:即只有在完善的應用倫理體系建立起來后,教育神經科學的課堂轉化才能實現。

四、教育神經科學研究轉化的突困路徑

(一)構建教育神經科學與教學研究間的跨界合作機制

雖然教育神經科學得出學習的生理與心理發生機制,它仍然難以改善課堂教學,原因有兩個:一是這些發生機制是復雜的,相關概念和術語是陌生的,教師理解起來有困難;二是即便教師理解了這些機制,要把它們轉化為可操作的教學原則也很有挑戰性。因此,教育神經科學研究的教學轉化還需要理論孵化的中介機制,即在神經科學家與教學研究者之間建立起跨界合作關系。根據舒爾曼的定義,跨界是指跨入一個陌生并且難以勝任的領域,伴隨而來的是文化差異引發的交流與行動不暢,這種不暢增加了跨界合作的難度。要克服這種困難,需要一套有效的合作機制,它的構建可從三方面著手。

首先,建立邊界物的設計機制。邊界物是雙方都可以理解的內容,比如共同關注的話語。[21]設計邊界物的目的是方便合作雙方理解彼此的話語與訴求,聚焦共同關注的問題,使合作具有可能性。在具體設計的過程中,需要遵循兩個基本原則:一是互惠原則,即設計需要考量雙方的利益訴求,避免因一方過度強勢而導致的合作中斷;二是協作原則,要讓合作雙方共同參與邊界物的設計,以避免因概念含糊不清而引發的誤解與矛盾。

其次,探索中介者的培養機制。受條件限制,在領域間實施大規模的跨界合作是困難的,因而有學者提出一條中間路線,即通過培養少數中介者來引領更大范圍的交流與合作。[22]所謂中介者是指那些穿梭于兩種文化交叉處的邊緣參與者,他們擁有雙重身份,熟悉雙邊文化。通過中介者的培養,可以促進領域間的知識流動與文化理解,激發更多人的參與熱情。中介者的培養路徑可歸納為三個階段:一是成員選擇,重點關注有跨學科背景或是對跨邊界學習感興趣的人;二是機會創造,要為被培養人創造深度接觸邊界文化的機會;三是行動反思,訓練被培養人的文化反思意識以提升其跨界學習與交往能力。

最后,制定合作的協商機制。受文化差異影響,跨界合作不會一帆風順。杜賓斯基的Brain U 合作項目就是例證,神經科學家與學校教師在合作中因知識觀、價值觀與實踐觀的差異而摩擦不斷。[23]要消解分歧,使合作具有可持續性,需要雙方的有效協商。在協商時,需遵循以下原則:平等,沒有哪方地位更高;尊重,不能貶低對方文化;移情,學會從對方角度思考;反思,分析摩擦根源。

(二)探索教師神經科學素養的發展路徑

發展教師神經科學素養必須聯通神經科學知識的渠道,而知識聯通不能僅局限于信息輸入層面,它應從專業發展角度來系統理解和把握,具體可從課程設置、學習模式和實踐方式上進行設計。

首先,要把教育神經科學知識有機融入教師教育課程中。有機是個生態學概念,是指總體中的各部有序融洽地結合為一體,它講究巧妙地融入,而不是生硬地插入。通常而言,把教育神經知識納入教師教育課程大體有三種方式:一是獨立開設教育神經科學課程,二是把它融入教育心理學范疇,三是在教育原理中穿插神經科學知識。前兩種方式因課程設置的孤立性難以與相關知識體系深度融合,后一種是在原有概念中穿插神經科學證據,這符合有機教學所包含的理念,有助于知識體系間聯系的建立。

其次,要為教師創造參與式學習的機會。傳統講座式學習收效甚微,而參與式學習能改善講座式學習沉悶、單調的弊端。一是它能激發探究欲。親歷體驗更能帶來感官與心理上的刺激,繼而喚起繼續探索的欲望。二是它有助于知識理解的深入。知識是自我建構的,參與意味著自我的卷入,這種卷入式學習為知識的自我構建提供了機會。三是它能促進身份轉換。在參與式學習中,教師不是旁觀者,而是共同體一員,這種被包含在內的體驗有助于強化對神經科學知識的認同。參與式學習的核心在于與教育神經學者們一同思維,理解他們研究的邏輯與性質,它大致包括三種方式:一是參觀訪學,通過短期的浸潤式訪學,在與科學家接觸過程中,觀察與學習他們的思維方式;二是參與研討會,讓教師在研討會上與科學家進行交流,在思想碰撞中轉變陳舊觀念;三是建設實踐基地,讓科學家定期到校指導實踐,聚焦過程中的疑惑,共同解決實踐中的問題。

最后,要在學校層面建立教育神經科學導向的實踐共同體。當前學校中存在帕爾默所說的“關上門的教學”現象,教師之間缺乏切磋與對話,彼此間筑起壁壘,把教室視為自我王國。[24]這不利于神經科學知識在教師群體間的傳播。化解閉門造車的有效途徑是建立實踐共同體,它既有利于成員間的知識共享,也有助于信念的增強。具體而言,實踐共同體的創建可以從三方面著手:一是搭建組織架構,即識別與邀請潛在共同體成員,創建教育神經科學興趣共同體;二是建設核心文化,通過制度規范,把興趣共同體轉化為信仰共同體;三是創立實踐平臺,為成員理念檢驗設置實踐平臺。

(三)建設教育神經科學的應用倫理體系

教育神經科學作為前沿交叉性學科,涉及生命科學領域中與個人隱私、安全相關的系列問題,其應用存在一定的潛在風險,因此需要制定相應的預防和懲戒措施,具體可以從以下三方面進行。

首先,制定科學應用的倫理指導原則。倫理指導原則是科學實踐需要遵循的基本準則,其目的是讓科學應用有章可循,保障實踐符合倫理性。大致而言,它應該包含但不局限于以下內容:安全原則,即使用設備或藥物等方式進行教育干預時要保證學生的生理與心理安全;公正原則,保證學生都可以平等享受科學發展帶來的好處;保密原則,嚴格保守學生信息不被泄露或盜用;發展原則,明確科學應用的最終目的是促進學生的發展。教育神經科學的應用倫理需要融合多學科視野,它的原則制定也要經過多方交流與協商,如此才能建立起規范的應用標準。

其次,建設倫理監督機制。倫理監督是為保障師生利益不受侵犯而對科學應用規范實施的審計與督查,它包含倫理審查與倫理問責兩部分。倫理審查是對科學應用程序規范性的審計督查,比如腦成像技術使用時是否存在泄露學生隱私等違規行為;倫理問責是對科學誤用與濫用等失范行為進行責任追究。在落實監督機制時,需系統設計。一是設置有層次性監督機構,使倫理監督更具實效性。二是要細化審查與問責規則,使其具有可操作性。

最后,提升倫理素養。如果說倫理監督是科學規范的外部約束,那么倫理素養則是內部保障。倫理素養是指科學應用者保持實踐倫理性的基本能力,它由倫理認知、倫理情感以及倫理反思三部分構成。具體來說,倫理素養的培養可以從以下方面著手:一是建設倫理知識體系,提升倫理認知水平;二是構建倫理文化,以引領情感認同;三是研究性學習,在案例研究中提高倫理反思能力。