教育與腦科學是“魚和水”的關系

郭愛克

當代科學與技術正處在大發展、大交叉、大融合的時代，正在向深海、深地、深空、量子、超算、大數據、大模型、腦海深處進軍。物質科學、信息科學、生命科學和智能科學正在相互照亮。教育和腦科學，是魚和水、樹與根的關系，是辯證統一的關系。腦科學研究，能夠幫助我們發現人類學習行為的物理學和生物學規律，揭示認知、學習、記憶和教育過程的本質，啟發我們不斷創新思維、創造新思想，從而為解決教育問題提供新思路、新解法，構建更加科學、健康的教育生態。

腦認知功能具有整體性、復雜性和非線性的特性，根據這些特性，結合最新研究技術，我們可以破除一些過時的錯誤假設。例如，曾經有學者假設大腦有一個所謂專門識別祖母面孔的“祖母細胞”，但近些年來的研究表明，大腦并不是用一個特定的面孔細胞“一對一”地編碼一個特定的面孔，而是由一個面孔細胞參與對許多面孔的一些特征編碼，一個面孔特征也同時被多個面孔細胞編碼，是“一對多，多對一”的關系。人類大腦如何記憶和回想，腦科學研究提供了更加客觀、科學的解釋，這也幫助我們更好地理解大腦在知識的學習過程中如何運轉，從而為科學的教育理論提供依據。

學習從提問開始，愛因斯坦認為：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要。”我們能否在生活中發現問題，對于科學研究非常重要，例如，歌曲為什么不能倒著唱？這個問題的實質是：對于復雜認知功能來說，了解事物發生的先后順序至關重要。研究者通過對獼猴進行實驗，揭示了“時序工作記憶的群體編碼”原理。大腦中前額葉皮層5325個神經元在進行時序記憶時，在時間延遲段的高維神經狀態空間可分解為低維狀態子空間之和，也即“降維原則”（系統的維數是指描述其所有狀態所需的自變量的數量）。序列記憶依賴于一個組合神經代碼，每個秩（Every rank）都有獨立的低維秩子空間，每個秩子空間都廣泛分布在神經集群中，時間序列中的信息各有獨立空間，互不重疊干擾。這項研究反映在教育過程中則是：教師應該遵循什么樣的教學順序，才能使學生更高效地記憶知識、掌握能力、鍛煉思維。

心智通過腦和行為的互動而演化。行為越豐富，大腦越發達；大腦越發達，行為越復雜。動物在內外環境變化的驅動下產生行為，每次行動的結果或是成功，或是失敗，然而當失敗重復發生時，動物常能及時停止無效行為。例如，有學者對斑馬魚“游泳”進行實驗監測，在虛擬現實技術支持下，建立了可以與全腦成像匹配的“放棄”行為學范式，即動物嘗試“游泳”卻不能產生預期的反饋，失敗持續發生后，斑馬魚會暫時“躺平”，放棄“游泳”。又如，有學者進行實驗，發現小鼠在重復勝利行為時，會引起“中縫背側丘腦—內側前額葉皮層”突觸連接增強，揭示了“勝利者效應”的腦機制和丘腦到皮層的輸入有關。同理，這也說明人在反復獲勝后，會增加之后比賽的獲勝概率。在教育中，如果學生能夠不斷成功掌握知識和技能，會增加學習動力和信心，從而提高之后獲得成功的概率。

宇宙浩瀚，地球人雖然渺小，但人類的科學探索精神是偉大的。有關人腦的“計算機隱喻”已經過時，人們更傾向將大腦心智比作交響樂章?！澳X—智”科學正在描繪一幅關于精神活動如何從“基因—腦—行為—環境”精致協調互動中涌現的生動圖景，并將對人工智能的演化產生深遠的影響。教育與腦科學相結合，能夠發揮“腦—智”創造力的強大作用，拓展教育的深度和廣度，不斷將教育轉化為“新質生產力”。