教育神经科学的研究主题、困境及解决途径

邢 强 张美琦

(广州大学 教育学院，广东 广州 510006)

教育在广义上是指一切有目的地对人的身心发展产生影响的社会实践活动；狭义上是指学校教育，即教育者根据一定的社会和现实要求以及受教育者身心发展的规律，有目的、有计划、成系统并且有组织地影响受教育者，使其获得一定知识技能的活动。教育最首要的功能是促进个体发展，也就是人的发展。而人的发展都是通过脑神经中枢的发展来实现的，人发展的过程，就是在对外界刺激适当控制的情况下,形成预期的神经网络和行为模式的过程。[1]因此，教育的本质就是对脑的建构，脑科学的发展也为教育的发展带来了新的机遇。[2]

一、教育神经科学的兴起

“教育神经科学”一词，最早是由珍妮·肖尔(JeanneChall)和艾伦·莫斯基(AllanMirsky)在1978年提出来的，他们认为，教育神经科学是将认知科学、生物科学、教育科学等学科进行深度整合后，提出科学的教育理论，并用理论指导教育实践的一门新兴学科。[3]教育神经科学整合了多门学科，因此具有跨学科的性质。不同学科及不同专业的研究者将相关研究中的知识和技能整合以后，形成了新的见解和概念结构，使得教育神经科学具有学科的综合性。

20世纪70年代以来，脑功能成像技术(如fMRl、PET、NIRS)不断发展，并被投入到更广泛的应用中，使得人们既可以利用无创技术，从整体上研究活体人脑和人的行为，又可以从分子、细胞、神经等微观层面揭示人脑的奥秘，还能将二者整合，以深入了解人的思维、语言、记忆等高级认知活动。[4]技术进步使脑的相关研究领域得到突飞猛进的发展，脑科学的研究成果也不断延伸到教育领域。1985年，Fuller和Glendening提出了“神经教育家”这一概念，他们认为，神经教育家的作用是研究和理解大脑或者行为的已知关系，并将这些关系应用到学习过程中，强调了利用脑结构和脑功能的知识进行教学的重要性。[5]国际经济合作与发展组织(Organization for Economic Cooperation and Development，OCED)在1999年启动了“学习科学与脑研究”的项目，该项目有26个国家的神经科学和教育学研究者以及政策制定者参与，由此神经科学与教育领域开始了广泛的合作。2003年“国际心智、脑与教育(Mind，Brain and Education)”协会成立，该协会创办的《心智、大脑与教育》刊物于2007年正式出版发行，至此，教育神经科学研究有了自己的国际组织和官方期刊。[6]

随着教育神经科学的深入发展，跨学科和跨专业的信息交流愈发重要。在教育神经科学领域中，教育神经科学工作者接受心理学、神经科学和生物学等相关学科的训练，这能够使其更好地了解学生学习过程中的神经机制，并将其应用到课堂教学或者科学研究中。教育神经科学既关注社会文化环境对学生课堂学习的影响，也关注在外部环境刺激下，大脑如何形成神经联结或怎样改变大脑功能区等方面的问题。无论是关于学生课堂学习的实践应用研究，还是在实验室中进行的大脑机制的研究，对教育神经科学而言都很重要。[7]教育神经科学的重要目标，就是对课堂和实验室中形成的知识进行深度整合，促进跨学科的合作和跨专业的语言翻译，并在实践中验证其有效性。

二、 教育神经科学的三大主题

(一)神经科学在课堂学习中的应用

学习是一种复杂的社会文化与生物现象，涉及到社会、文化、心理等诸多方面，而脑是学习的主要生理机构，脑的可塑性是学习的关键。所谓脑的可塑性，是指“脑能够被环境或经验所修饰，具有在外界环境和经验的作用下，不断塑造结构与功能的能力”[8]。教育促进脑的成熟，脑神经结构、神经功能与学习之间相互作用，有利于教育工作者进一步开发大脑潜能。[9]从教育神经科学的视角看学校教育，可以将学校教育视为教师通过教学，对学生的大脑进行影响，帮助学生大脑中的神经元重塑的过程。[10]教育神经科学侧重于对学习的脑机制进行研究，将关于大脑的研究发现应用于课堂教学，或利用神经科学来指导教育教学创新，使得研究成果能够直接对教育产生影响。[6]教育工作者试图从神经科学的研究领域中，找到更科学的教育理论和能够解决教育问题的方法；神经科学研究者期望通过教育和教学实践，验证神经科学领域的研究成果。不同学科间相互交流和融合的需要，推动着教育神经科学的发展。

神经科学在课堂学习中的应用，主要包括阅读学习、数学学习、语言学习、注意力、记忆力等方面。脑功能成像技术为神经科学提供了技术方面的支持，如研究阅读能力和阅读障碍时，通常采用功能性磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层扫描(PET)、脑结构成像(MRI)、脑电图(EEG)等技术，这些技术通过测量个体在完成特定认知任务时的大脑活动，来探索该认知过程的神经基础和认知特征。例如，在阅读学习方面，阅读障碍儿童与正常儿童相比脑结构上存在着明显异常。[11]神经影像学显示，阅读障碍儿童的左颞顶叶皮层、白质连接性以及与有效干预相关的脑功能可塑性降低。[12]阅读障碍儿童的脑特征是阅读相关的关键神经网络激活不足。[13]但已有研究发现，接受过良好教育的儿童，也有可能获得阅读的能力。[14-15]语音干预能够提高阅读障碍儿童的阅读水平，语音训练与字母—声音对应规则的教学训练相结合比单独的语音训练更为有效。[16]在一项为期8周的干预研究中，使用较为密集的教学干预，每个小组中一名教师对应一名或两名学生，每天进行100分钟的语音意识和语音解码策略的系统教学。干预结束后，约50%的学生在学校学习中也继续使用了干预训练中所学的内容，并从中获益。教师干预不仅对阅读学习和阅读障碍学生有帮助，对学生数学学习、注意力等的提高也会产生一定作用。[17]苏佩卡等对24名小学三年级学生进行了为期8周的一对一算数辅导，观察到这些学生的算数问题解决速度和准确性随着辅导而增加。儿童解决加法问题的基本策略有数手指、手指、言语数数和检索策略四种，策略出现的顺序是基本固定的，反映的是儿童由低到高的策略发展过程。经过8周的辅导，学生的算数策略由“言语数数”转变为“检索”。但有些孩子的进步会比较明显，有些孩子的改善却十分有限。研究者通过检查大脑结构和静息功能扫描，发现学生辅导前的智力、工作记忆、数学能力等都不能预测学生在辅导中算数问题解决能力提升的程度，而海马灰质体积、海马与前额皮质的内在功能连接强度则能预测中学生算数技能习得的个体差异。表明在学生早期数学学习中，海马的结构和回路起到了重要的作用，教师在这一阶段的教学应注意让学生掌握数学运算的基本法则和基础知识，注重学生对基本知识的记忆。根据神经科学的研究结果，教师在课堂教学中应注意学生的个体差异，不能忽略先天不足的学生，而应提供积极的干预，使学生发挥其最大潜能。[18]

教育神经工作者还关注课堂学习对神经可塑性的影响。人脑的神经可塑性是教育得以进行的关键，大脑可以随着环境和经验的改变而发生变化。在课堂中，两种不同的教学模式会对学生产生不同的影响。一种是教师采用标准化的学习材料，每个问题只有一个正确答案与之对应。教师通过反复讲授和练习，刺激学生脑内形成特定的神经联结，使学生的大脑内机械生成单一又封闭的特定神经环路，以期通过这样的训练，能够使学生在看到问题后，脑内特定神经联结立刻反应出正确答案。另一种教学模式强调学生在学习过程中的主动性。教师在教学中为学生提供适当的学习环境和丰富的学习资源，创设激发学生思考的情景，引导学生基于自身的特点和个性主动形成解决问题的答案及思维。学生在课堂中通过亲身体验和主动思维，激发神经的主动定向，丰富并强化神经联结和神经环路。[19]这种教学模式不仅能使学生主动探索出解决问题的答案，还能激发学生的创造性思维。不同的教学模式对学生的脑神经环路和解决问题方式的影响是不同的，因此，教师在授课时，要注意根据学生的特点、学习材料内容的差异等，选择适合学生的教学模式。

(二)教育神经科学领域的跨学科合作

教育神经科学整合了心理学、生物学、教育学和认知科学等多个学科。这些学科经过多年发展，学科之间的鸿沟逐渐拉大，不同学科彼此独立，难以互相融合，致使学科之间合作困难。尽管教育界对于神经科学家提供的第一手科学研究资料表现出了极大的热情，但是当发现目前学校里的大部分“基于脑的教学”并没什么科学依据时，教师们也感到非常沮丧。这些“基于脑的教学”是将神经科学的研究成果不加选择地应用到了教育中，其中很多成果还含有被媒体夸大的部分。神经科学研究更多关注严谨的实验操作，习惯使用数据来表达观点，而教育学更注重信息的整体性和有用性。这种学科之间的鸿沟很难通过神经科学或教育学的单方面努力来解决。因此，教育神经科学作为交叉学科，结合神经科学的严谨性和教育领域更为注重的实用性，能够为跨学科的合作提供便利。

美国国家科学院协会《促进跨学科研究》报告指出，跨学科研究是人类目前所进行的最有成效、最令人鼓舞的尝试之一，它为新知识间的交流与联结的产生提供了一种新的方式。教育神经科学作为一门交叉学科，能够为跨学科交流与合作搭建重要桥梁，促进不同学科的深度发展与整合。[20]一方面,教育神经科学要重视神经科学、心理学、生物学等学科的研究成果，思考什么样的理论知识和技能，能够在实践中应用到教学领域，这一过程也促使神经学家对教育学和教育研究有所了解。另一方面，教育神经科学为教育学带来更先进和客观的研究方法，借鉴认知神经科学中对人体无损伤的神经影像技术，如眼动追踪、反应时记录、脑电记录等，能够进一步验证教学方式的科学性，为教育实践提供更专业的理论支撑；教育神经科学也能使教育工作者接触到最新的神经科学理论和方法，改变长期以来教育工作缺乏科学依据的状况，并能了解到目前神经科学存在的局限性，有利于推进科研成果向实践的转化。在过去的几十年中，已有研究者为探讨教育神经科学如何整合不同学科的成果，从而进行更深入的跨学科合作做出了努力。他们试图在神经科学和教育学这两个研究方法、理论框架相距较远的学科间，搭建彼此沟通的桥梁。加强神经学家、教育学研究者和教育工作者之间的交流和互动，能够在一定程度上缩小神经科学与教育学之间的鸿沟，有利于找到搭建沟通桥梁的方法，促进研究者和实践者更好地将研究成果转变为具体的实践应用，这样的跨学科合作为不同学科之间的转换提供了条件。[21]

(三)跨专业的“语言翻译”

神经科学和教育分属于不同的研究领域。由于神经科学和教育学这两个领域之间存在巨大的语言差异，教育工作者在解释和应用神经科学的相关研究时发现，可能会出现误解或偏差，导致“神经神话”，即来源于神经科学，但是在演化过程中简化、夸大或歪曲神经科学的事实，并在非神经科学领域广泛流传的现象，如广为流传的关键期理论。这种“神经神话”认为学习存在关键期，如果在相应的关键期内没有进行应有的学习活动，儿童就无法获得或不能全部获得该关键期内的能力。然而神经成像技术研究发现，神经元并非随着年龄的增大而减少，神经元的总数量基本保持不变，而较大的神经元数量减少，较小的神经元不断增多。[22]因此，即使错过了所谓的关键期，大脑仍具有可塑性，只要给予适当的刺激，就可以获得关键期内学习到的知识和能力，并且关键期前后的学习也同样不容忽视。[23]“神经神话”的存在阻碍了教育工作者正确运用神经科学的知识理论与发现，将错误的理论应用到教学实践也会对学生造成一定程度的危害。要消除“神经神话”，需要教育神经科学工作者对两个领域术语的准确翻译和解释，确保跨专业的语言一致性，并进行相应的培训，组织专业论坛和应用方面的交流，形成两个领域之间的双向互动，加深联系和理解，减少误会和曲解。

每个研究领域都有各自特定的语言和研究方法，这是学科建构的基础。但是不同学科之间以及理论和实践之间桥梁的搭建，不是在其间强加一种语言或者文化，而是联合多个学科，建立学科间共享的翻译框架。神经科学使用的术语和研究方法通常比较复杂，该专业以外的人很难准确把握其中的专业信息。教育工作者接触专业文献是很有必要的，但却往往因缺乏神经科学方面的知识，对大脑结构和功能的理解不足，缺少对神经成像技术的了解；他们也往往没有受过生物学和神经科学方面的专业培训。因此，他们无法准确理解神经科学领域的术语和文献，也就不能很好地将神经科学研究的成果应用在教育环境中。神经科学家要将大脑和学习方面的发现传递给教育工作者和教育决策者，以便更好地指导教学实践，这也需要神经科学家了解教育学方面的现状和专业语言。教育神经科学可以进行跨专业的语言翻译，帮助这些相关领域搭建共享的翻译框架，将学科专业术语转化成不同学科都能理解的共通语言，避免因翻译问题造成对专业知识的误解。[24]

教育神经科学作为交叉学科，可以促进神经科学与教育学之间的双向沟通，利用神经科学的发现调整教育策略。例如，有的老师会发现，学生认识句子中的每个单词，但是却不能理解整句话的含义;或者一个学生不能够做算术题，老师不断地训练这名学生，给予他足够的重复练习，最终这名学生“学会了”算术。但是已有脑成像研究表明，这些任务的基础是心理过程，这些看似是数学或阅读理解的问题，实际上是工作记忆的问题。一些学生工作记忆信息保持的时间不够长，言语信息很快被遗忘，做算术题或者阅读题时，这类学生并不是没有习得知识或者做题技能，而是他们的工作记忆能力相对较差。所以,教师面对这类学生时，想要提升其成绩，对学生进行工作记忆能力训练会比让学生不断重复练习题目更为有效。[25]因此，教育神经科学要努力让教育工作者有更多接触神经科学专业文献的机会和能力，从神经科学文献中汲取和运用神经科学的最新成果，以便使教育工作者在多种场景下对学生产生影响，如教室、操场或通过布置家庭作业或课外作业等，从而影响学生的大脑认知水平。

三、 教育神经科学面临的困境及解决方式

(一)教育神经科学面临的协作困境

教育神经科学目前急需解决一个重要问题，就是如何使神经科学与教育学之间能够进行双向协作，将神经科学的最新研究成果应用到教育教学实践中，再通过教学实践去进一步验证神经科学成果的可行性，给予神经科学反馈和建议。跨学科协作能够促进教育神经科学的发展，使理论和实践之间互相补充，用理论知识指导教学实践，教学实践再对理论成果进行检验，使理论具有科学性并具有实际应用价值。

但是神经科学和教育学之间面临协作上的困境。教育学注重学生课堂上的行为表现以及这些行为表现是如何变化的，并且关注教师在教学过程中应如何合理引导学生学习，以提高学生的课堂表现。而神经科学侧重于研究行为背后的生理机制与认知过程，利用非入侵性的工具形成脑成像，并基于技术和工具研究人脑在发展和学习过程中的变化机制。神经科学和教育学二者关注的内容有重叠部分，神经科学的研究项目要探索教育环境中出现的各种问题，但是大多数的神经科学研究人员都没有在教育环境中工作的经验，神经科学因其研究工具的特殊性和神经领域的专业名词的复杂性，常会使教育工作者感到与“学习”相关的实证研究难以在课堂中应用或者被误解和误用，导致“神经神话”的产生。常见的“神经神话”如“莫扎特效应”[26]，0—3岁决定人的一生，大脑只使用了10%，有右脑学习者和左脑的学习者，一个人以喜欢的学习方式(如听觉、视觉)接收信息时能够学得更好等。[27]这些“神经神话”并不是凭空产生的，而是以神经科学研究为依据，融合了对科学事实的错误解读，对研究过程扭曲夸大和对研究结果的错误推论等。由于其来源是科学研究，不容易被教育工作者识别出违背科学之处，一旦被直接应用到教育当中，不但起不到相应效果，甚至还会对教育教学产生不良的影响。

教育神经科学作为交叉学科，不可避免地要解决不同学科协作困难的问题，以免受到“神经神话”的消极影响。想要消除“神经神话”，可以对现有的教育工作者和神经科学工作者进行跨学科培训，使二者能够优势互补，互利共赢。对教育工作者进行教育神经科学相关的培训，能够使教育工作者首先具备相关的神经科学理论知识，有了相应的知识储备，才能避免受到“神经神话”的误导，更快速和准确地区别科学与伪科学，才能充分汲取神经科学的知识成果，为解决实际教育问题提供更大的帮助；[28]对神经科学工作者进行培训，在培训中加入课堂实践和教学经验的内容，能够让神经科学和教育学有更多的对话机会，搭建二者沟通和协作的桥梁，形成能够解决教学实际问题的科学方法。[29]介于神经科学和教育学之间的相关领域，可以作为两个学科间沟通和协作的桥梁。已有研究表明，参加认知心理学、教育心理学等跨学科的培训，可以提高教师的神经科学素养，心理学在神经科学与教育学的沟通交流之间起到了重要的作用。[30]教师将科学知识准确地教给学生，能够增加学生对科学的了解，使学生意识到可以利用科学做有意义的事情；教育神经科学家通过教学和科普，也能更好地理解自己的学科和该学科的应用价值。[31]

(二)教育神经科学面临的干预问题

教育神经科学的研究从得出实验结果到能在现实环境中对人实施干预，是一个不断由理论向实践的转化过程。例如，已有大量研究表明，在个体生命早期制定促进批判性思维和探究能力的教学策略与学习活动，对人的发展是有积极影响的。[32]但是这样的实验结果要应用于实践，就要解决如下的一系列问题：这个实验结果是否意味着能对生命早期的个体进行干预？如果能够进行干预，在什么时候进行干预才是最合适的？采用什么样的工具和方法进行干预？这种干预的普遍性和个体特殊性之间要怎样平衡？而寻求答案的过程，就是促进由实验结果向实践转化的发生的过程。[33]无论是对神经科学还是其他学科而言，实验结果都只是转化过程的开始。已有的科学研究已经为教育神经科学提供了大量的实验结果，但是如何制定适当的干预措施，如何具体实施科学干预以及怎样对干预措施进行有效性评价，是教育神经科学工作者亟需解决的问题。

解决教育神经科学所面临的干预问题，首先，应该对实验结果和干预对象进行深入分析，针对干预对象的特点选择干预的时间、干预所用的方法和工具，做到既了解干预对象群体的普遍性，也深入了解干预对象的特殊性，这样才能找到有针对性的干预措施，制定出更合理的、更科学的干预方案。例如，设计学前儿童有关的干预措施时，不仅要重点关注干预目的本身，还要考虑到学前儿童的自身特点，干预方法尽量新奇有趣，能够给儿童带来成就感和愉悦感。激发儿童的主动性和能动性才能获得更好的干预效果。[34]其次，要有相应的评价标准，对干预措施实施的有效性进行具体的评价，并根据评价，发现实施过程中遇到的问题，进而解决问题，不断修改和完善干预措施。[35]再次，还要注重对教育神经科学人才的培养。有效的干预措施需要专业人士严格按照流程并能根据特殊情况变通实施，才能发挥出干预措施的最大效果。教育神经科学作为交叉学科，可以融合拥有不同学科背景的人才优势，让该领域的学科建设更加多元化。因此，加大培养力度，优化培养方式，形成系统科学的人才培养方案，使教育神经科学成为科研与教育实验并重的学科，将有利于更好地解决干预问题。