教育神经科学研究的课堂教学转化:价值、困境及其应对

周俊良

神经科学对脑与心智的研究有望揭开人类记忆与思维的黑箱,进而促进教育的发展,被认为是改革教育的一大利器。近年来,随着教育神经科学的建立与不断成熟,神经科学与教育之间互动日益频繁,神经科学研究成果逐步应用到教育决策、特殊教育领域。然而,对于它改善课堂教学的作用,多数人仍持悲观的看法,即便教育神经科学家群体内也是如此,在他们看来,教育神经科学是一门为基础教育研究提供帮助的学科,它不涉及应用的问题。但是,长远来看,教育神经科学终究要回答实践应用中的问题,其价值最终需要落实到课堂教学层面。基于此,本文阐释教育神经科学的课堂转化价值,并分析教育神经科学在课堂转化中遭遇的困境,然后探索突破困境的路径,以期为课堂教学革新提供思路。

一、教育神经科学及其研究进展

(一)教育神经科学的研究领域

教育神经科学是新兴的跨学科研究领域,它集合了心理学、生物学、神经学以及教育学等知识,采用多种技术对人类学习机制进行多视角、多层面的分析,旨在促进教育的科学发展。说它是新兴领域并非因为它是新事物,而是指它在新技术帮助下取得研究新进展。其实,对学习的神经机制研究始终贯穿整个20 世纪,从桑代克到巴普洛夫再到班杜拉,都尝试从神经科学视角揭示学习的发生机制。但直到20世纪90年代“脑的十年”,在神经成像技术的帮助下,理论才得以进步,才使教育神经科学成为可行的研究领域。从字面上看,教育神经科学是教育学与神经科学的结合,它的研究应该专注教育的生理机制。但实际上,教育神经科学的视角更广,它不仅从生理角度,更从心理与行为的角度探索认知发展的本质、规律及其干预方式。可以这样说,它的研究重心是“心智”而不是“大脑”。[1]因为,单纯的脑科学发现对教育而言意义不大,只有把学习生理机制转化为可操作的心理机制时才具有价值。具体而言,这种对学习机制的研究主要包括两个方面:一是认知学习的发展机制研究,即通过研究认知发展的身心机制,来探索有效教育的模式;二是认知学习的障碍及其干预研究,即通过分析语言、阅读等相关执行功能障碍的成因,来探索有效干预的途径。

(二)教育神经科学的研究进展

在过去的20年里,教育神经科学研究取得较大进展,这主要体现在以下两个领域。

一是认知学习机制的研究进展。首先,神经元可塑性的发现改变了对认知发展趋势的看法。过去认为,大脑神经突触在成人期后就停止生长。而近年的研究发现,大脑神经结构是不断发育的,额叶皮层等纤维连接的形成贯穿整个成年时期。而且,成人在特定神经区域的发展效果甚至优于青少年。这些发现为终身学习的有效性提供了实证支持。其次,戈斯瓦米从认知神经科学视角提出的学习七原则为理解学习机制提供了新的洞见。[2]比如,学习是具身性的,身体属性及其活动方式影响认知效果,在教学中鼓励多感官实践能有效提高学习质量。又如,学习是关联性的,先前经历对新神经元的发育与连接起指导作用,在教学中增强生活联系能促进意义学习的生成。类似的原则还包括学习的交往性、学习的情境性等,它们共同为教育回归身体、回归生活世界等理念的落实提供了生物学证据。

二是认知学习障碍及其干预的研究进展。首先,对学习障碍的早期诊断得到了完善。传统行为诊断需要在行为发生时才能进行,存在滞后的局限。借助脑电图数据,教育神经科学能把语言、情绪以及阅读等发展障碍的确诊期提前到行为发生前,这为有效干预赢得了宝贵时间。其次,对学习障碍成因的理解得到了深化与拓展。以发展性阅读障碍为例,过去主要是从语言学层面对其进行分析,把障碍视为语音表征、存储与提取的缺陷。而最近的研究发现,阅读障碍不仅局限于语言学层面,它可能是由更基础的视觉和听觉损伤或发展迟缓导致,[3]这些发现丰富了阅读障碍的类型谱系,为有效干预提供新的视角。最后,对学习障碍的干预取得了一定成效。学习障碍研究的突出问题是,干预措施与成因理解之间存在脱节,前者发展远慢于后者。近年来,这种趋势得到了改善。比如,汤普森等人的实验发现,在非言语和言语刺激中突出听觉节奏能显著提高障碍儿童的阅读效果,[4]这为阅读干预创造了选择空间。再如,对听力障碍儿童的语言干预发现,在3岁前植入人工耳蜗能显著改善听障儿童的语言能力,这挽救了可能错过的语言敏感期。上述案例皆是对学习障碍的实践回应,它反映了理解与干预之间的差距正在缩小。

二、教育神经科学研究的课堂教学转化价值

(一)为教学观念的变革提供证据

教学观念是对教学本质与过程的基本看法,它的形成受到多种因素的影响,比如受教育程度、执教经验等,但根源在于对学习本质的理解。可以说有怎样的学习观就有怎样的教学观,教学观念变革的关键在于学习观念的转变。当前,学习观存在的主要问题有,一是去实践化,把学习看作是理性玄思;二是去情境化,把学习看成单纯的符号加工;三是去交往性,把学习看成是单向的格式化流程。[5]学者们批判并呼吁学习观的变革,但效果不佳,多数教学依然照老路走。这有思维惰性的原因,另一个重要原因在于,教师们对变革倡议不信任。

教育神经科学是以实证的方式进行说服,它在逻辑思辨的基础上增添证据支持,效果更好。一方面,它提供反直觉的科学证据来挑战陈旧的思维习惯;另一方面,它提供支持性的科学证据来让已接触新观念却又踌躇不前的教师坚定变革信心。比如,它对学习具身性的发现挑战了心灵哲学导向的思辨学习,为扭转教学的去实践倾向提供证据支持;又如,它对学习关联性的发现有利于改变去情境化的教学观念;再如,它对学习交往性的发现有益于转变独白式教学的观念。并且,随着教育神经科学的不断发展,它能为学习观和教学观的变革提供更多有价值的信息,不仅为争论中的理念提供证据,更为孕育中的理念提供指向。

(二)为学习环境的改善提供方向

教学环境是一个广义的概念,它包括三个部分:一是教学的空间设置,二是教学的时间安排,三是教学文化的建设。教学环境是教学观念的产物,折射出的是对学习本质的理解,对学习的误解带来的是糟糕的教学环境。这种糟糕性主要表现在三个方面:一是区隔性的空间设计,二是同质化的时间设置,三是过度竞争的学习文化。把教育神经科学融入课堂教学能为教学空间的重构、教学时间的重置以及教学文化的建设提供新视角。

首先,学习具身性的发现为教学空间重构提供方向。瓦雷拉等人认为,认知依赖于体验的种类,这些体验来自具有各种感知运动的身体。身体感知不同,所获得的认知结果也不同。[6]当前学校通过围栏、桌椅的布置把各个区域封闭起来,这虽然对学生归属感和秩序感的建立有积极意义,但同时也限制了学生身体活动范围和方式,使课堂学习仅限于视觉和听觉,而其他诸如动觉、触觉等感官无法参与其中,这其实是在窄化认知与思维形式,不利于学习的发展。[7]鉴于区隔空间的弊端,有学者提出未来的教学空间变革,应该破除藩篱,由区隔独立的空间向联通开放空间转变,如此才能为多元化的学习提供条件。其次,学习风格的发现为教学时间的重置提供思路。自20世纪70年代起,学习风格就是教育和生命科学领域的研究热点之一。所谓学习风格就是学习者因身体惯习导致的差异性学习偏好,这些偏好体现在时间和空间的差别上。比如有学习者是场依赖型风格,而有的是场独立型风格,那么场独立型风格的人更倾向于拥有独立思考的时空,而场依赖型则更能适应统一的时间规划。可问题是,当前教学时间安排对所有学生而言是同质的,这必然无法满足场独立型学生的学习需求,因此未来的教学时间应该朝着“定制化”方向努力,使之从同质时间走向个性时间。最后,学习情感的研究为教学文化的重建提供参考。大脑中的情感系统是一组包含杏仁核和海马的结构,而情感系统中的杏仁核与额叶皮层(推理和解决问题的主要部位)有着紧密的联系,当学习者处于过度紧张和恐惧的情绪中时,杏仁核与额叶皮质的联系就会受损,进而对认知学习产生负面影响。当前课堂教学对分数排名过度关注而形成的竞争文化,正是造成学生紧张恐惧情绪的罪魁祸首。为避免因压力环境造成的无效或低效学习,有学者建议在教学环境设计时,应注重支持性氛围的营造,让课堂教学从过度竞争文化朝向和谐互助文化转变。[8]

(三)为教学公正的实现提供助力

过去,我们对教学公正的理解存在偏差,认为公正就是用相同标准来对待所有学生,强调教学在目标设置、内容选择以及学业评价等方面要“一视同仁”。这种过度强调同一性的公正观忽略了个体间的兴趣与禀赋差异,不仅限制了才华横溢者的潜能发展,也使才智平庸者因难以跟上进度而选择放弃,是伪善的平等而非公正的应有之义。事实上,教学公正不仅仅意味着平等,还蕴含“合理对待学生差异”之意,即教学要为学生个性发展提供与之相适宜的学习资源与机会,要用差异化的教学来满足学生多样化的学习需求。而实施差异化教学的关键与困难在于如何对学生的差异需求进行精准评估。

通常,教师是凭借直觉与行为表现来判断学生的潜在需求,这种简单便捷的方式存在两个问题:一是受教师主观经验影响的直觉判断容易出错,它局限于教师的经验与理解范围内,超出经验理解范围的需求容易被忽略;二是基于行为表现获得的判断存在滞后的局限,它要在行为发生时才能被观察到,容易错过某些能力发展的“敏感期”。把教育神经科学研究融入教学能够有效规避上述问题。一方面,教育神经科学强调证据在教学判断中的重要性,它要求教师在教学设计、实施与评价过程中具备“循证意识”,要求对教学行为作出科学解释,这在一定程度上防范了教师因主观判断造成的决策失误。另一方面,教育神经科学在脑成像等技术的帮助下能更好地揭示学习发展的复杂机制,能更细致、更早地检测到学生发展的潜在需求。比如,利用神经标记能有效识别出儿童阅读障碍形成的认知缺陷机制,这为精准训练和缺陷矫正赢得了时间,避免了儿童在长期失败后因标签化而带来的难以逆转的风险。[9]由此看来,教育神经科学对改善传统教学决策中的模糊性与主观性等弊端有积极价值,能够为教学公正的实现提供助力。

三、教育神经科学研究的课堂教学转化困境

(一)缺乏课堂情境中的实践案例支持

教育神经科学的课堂转化需要实践案例的支持。一是它能为教学转化提供信心,让教师看到方案实施的可行性。二是它能为教学转化提供参考模式,让教师在实施过程中有章可循。三是它能为教学转化提供选择空间,以适应不同层次的学校需求。但从目前情况来看,基于教育神经科学的实践案例很少,多数有启发性的神经科学结论都还未能在实际课堂环境中进行检验。[10]而且,在少有的实施案例中都普遍存在一些问题,比如美国的莫扎特计划等都未能取得预期效果。对此,有学者悲观地评价道,教育神经科学至今尚未对任何新的和有用的教学实践作出贡献。[11]

造成这种情况的原因在于,从科学结论到课堂实践间的鸿沟未得到有效弥合,即缺乏把科学结论转化为具体教学原则的中介机制。根据加百利的说法,教育神经科学是一门基础学科,它的直接目标是为基础教育研究提供证据,而不是改善课堂教学。[12]换言之,教育神经科学对课堂教学的影响是间接的,它的教学转化需经过多个阶段的努力:首先是为教学研究提供证据,然后形成具体、可操作的教学理论,最后在课堂情境中进行检验、修正与完善。可当前的问题在于,解读证据以形成教学理论的中间环节是缺失的,即教学研究领域未能与教育神经科学建立起联系。一方面,教学研究领域对哲学的青睐胜过科学,它更强调教学的艺术性而非科学性。另一方面,学科定位注定了它不会在实践转化层面花费过多精力,教育神经科学的重心在于生产有价值的见解,至于见解是否被采纳则不是它所关心的范围。由此产生的结果是,双方联系的缺失使得具有指导意义的教学理论难以产生,这削弱了教育神经科学的课堂影响力,导致有价值的实践案例匮乏。

(二)缺乏联通教师与神经科学知识的有效渠道

作为教学的实施者,教师对神经科学的理解是科学课堂转化成功与否的关键。英国一项调查发现,约87%的教师对神经科学表现出浓厚兴趣,认为它对教学设计与实施有促进作用。[13]但矛盾的是,多数教师在随后的科学素养测评中表现不佳,误把神经神话当成科学来对待。[14]我国一项教师科学素养调查也发现了类似的结果。[15]造成这种情况的原因在于,教师们缺乏获取神经科学知识的有效渠道。当前,教师获取神经科学知识的途径可归纳为三种:一是口耳相传的民间传说,二是媒体呈现的科普知识,三是教育心理学知识。前两种因非正式和碎片化的获知方式存在被误导的风险,后一种因内容更新缓慢存在滞后的局限。

根据OECD的说法,当前泛滥于课堂中的神经神话大多源于未经证实的民间传说,比如左右脑功能区隔、潜力开发、学习风格等。[16]这种误导性的传说无法引导教育的发展,只会徒增危害。在媒体呈现的科普知识中,经常出现夸大和以偏概全的现象,有时为了宣传某一项目,会故意夸大其功效。在教育心理学课程中,存在教学内容与前沿心理学研究脱节的现象。一些研究发现,当前教育心理学教材的内容普遍滞后于心理学前沿发现。许多对教育具有启发意义的心理学成果未能纳入教师教育课程中,而神经科学的许多有启发性的成果如心智发展的阶段性以及工作记忆的发展规律等,也同样被略过。概言之,当前教师获取教育神经科学知识的渠道是狭窄的,它不仅阻碍了课堂教学科学化的实现,也使教师难以有效甄别与规避神经神话的课堂渗入,甚至误信伪科学而造成反教育的后果。此外,单纯知识获取并不能保证转化的效果。有学者指出,有效转化过程的关键在于让接受培训的教师和其他教育专家理解证据是如何产生和被评估的。[17]也就是说,让教师参与教育神经科学研究论证与实施过程对课堂转化是有益的,而当前这种参与式理解的渠道是不畅通的。

(三)缺乏完善的教育神经科学应用伦理

与生物科学相关的研究应用总会遭遇一些伦理问题,教育神经科学的课堂转化也是如此,概括来说,问题大致可归为三类:一是生物还原论问题。当教育用权威的脑科学语言来表述学习成就差距时,存在将群体差异本质化的风险。它可能会延续、强化并被用来为社会不平等辩护,把导致成就差距的原因从社会文化转移到基因或脑型等生物方面。二是隐私安全问题。过去认为,人的思想是抵御外部入侵最安全的防线,只要选择隐藏就可避免被透视的危险。但现在,神经成像等技术的进步使得精确监测与操纵人类大脑成为可能,这意味着人们可以绕过行为判断而直接入侵思想内部,这给隐私安全造成了威胁。三是社会公平问题。教育神经科学的一个贡献在于设计干预措施来增强大脑功能,这其中包括药物干预,比如使用利他林来改善记忆。通常来说,用于增强大脑功能的药物价格是昂贵的,它无形间架起了阶级区隔,使来自富裕阶层的孩子在学习上更具竞争力,这挑战了我们对个人努力与成就的传统理解。

教育神经科学的课堂转化需要直面上述伦理问题,它必须有一套完善的应用伦理机制来规避潜在风险,但当前这种机制是缺失或不完善的。正如法拉赫所说,直到今天,人们对神经科学引发的伦理问题还知之甚少。[18]虽然从21世纪开始,神经科学家已经着手讨论这些问题,并建立了神经伦理学,但内容大多是关于研究伦理,很少涉及应用伦理。此外,教育神经科学面临的情况似乎更为复杂。因为,教育的对象是青少年儿童,他们的身份脆弱且敏感,稍有不慎便会引起严重的后果,它需要比成人更严格的伦理原则。也就是说,教育神经科学不能单纯移植神经科学或医学领域的应用伦理,它还必须融合教育学、儿童学等思想。但从该主题相关文献的匮乏现状来看,目前这种多视野融合的应用伦理还不完善,这大概是安萨里教授在谈及教育神经科学发展时特别提到伦理挑战的原因。[19]在美国,因神经科学应用导致的教育问题已经出现。在比弗利事件中,家长们抗议爱她林的使用,认为这是对人权的强迫。[20]这些都为神经科学的课堂转化敲响警钟:即只有在完善的应用伦理体系建立起来后,教育神经科学的课堂转化才能实现。

四、教育神经科学研究转化的突困路径

(一)构建教育神经科学与教学研究间的跨界合作机制

虽然教育神经科学得出学习的生理与心理发生机制,它仍然难以改善课堂教学,原因有两个:一是这些发生机制是复杂的,相关概念和术语是陌生的,教师理解起来有困难;二是即便教师理解了这些机制,要把它们转化为可操作的教学原则也很有挑战性。因此,教育神经科学研究的教学转化还需要理论孵化的中介机制,即在神经科学家与教学研究者之间建立起跨界合作关系。根据舒尔曼的定义,跨界是指跨入一个陌生并且难以胜任的领域,伴随而来的是文化差异引发的交流与行动不畅,这种不畅增加了跨界合作的难度。要克服这种困难,需要一套有效的合作机制,它的构建可从三方面着手。

首先,建立边界物的设计机制。边界物是双方都可以理解的内容,比如共同关注的话语。[21]设计边界物的目的是方便合作双方理解彼此的话语与诉求,聚焦共同关注的问题,使合作具有可能性。在具体设计的过程中,需要遵循两个基本原则:一是互惠原则,即设计需要考量双方的利益诉求,避免因一方过度强势而导致的合作中断;二是协作原则,要让合作双方共同参与边界物的设计,以避免因概念含糊不清而引发的误解与矛盾。

其次,探索中介者的培养机制。受条件限制,在领域间实施大规模的跨界合作是困难的,因而有学者提出一条中间路线,即通过培养少数中介者来引领更大范围的交流与合作。[22]所谓中介者是指那些穿梭于两种文化交叉处的边缘参与者,他们拥有双重身份,熟悉双边文化。通过中介者的培养,可以促进领域间的知识流动与文化理解,激发更多人的参与热情。中介者的培养路径可归纳为三个阶段:一是成员选择,重点关注有跨学科背景或是对跨边界学习感兴趣的人;二是机会创造,要为被培养人创造深度接触边界文化的机会;三是行动反思,训练被培养人的文化反思意识以提升其跨界学习与交往能力。

最后,制定合作的协商机制。受文化差异影响,跨界合作不会一帆风顺。杜宾斯基的Brain U 合作项目就是例证,神经科学家与学校教师在合作中因知识观、价值观与实践观的差异而摩擦不断。[23]要消解分歧,使合作具有可持续性,需要双方的有效协商。在协商时,需遵循以下原则:平等,没有哪方地位更高;尊重,不能贬低对方文化;移情,学会从对方角度思考;反思,分析摩擦根源。

(二)探索教师神经科学素养的发展路径

发展教师神经科学素养必须联通神经科学知识的渠道,而知识联通不能仅局限于信息输入层面,它应从专业发展角度来系统理解和把握,具体可从课程设置、学习模式和实践方式上进行设计。

首先,要把教育神经科学知识有机融入教师教育课程中。有机是个生态学概念,是指总体中的各部有序融洽地结合为一体,它讲究巧妙地融入,而不是生硬地插入。通常而言,把教育神经知识纳入教师教育课程大体有三种方式:一是独立开设教育神经科学课程,二是把它融入教育心理学范畴,三是在教育原理中穿插神经科学知识。前两种方式因课程设置的孤立性难以与相关知识体系深度融合,后一种是在原有概念中穿插神经科学证据,这符合有机教学所包含的理念,有助于知识体系间联系的建立。

其次,要为教师创造参与式学习的机会。传统讲座式学习收效甚微,而参与式学习能改善讲座式学习沉闷、单调的弊端。一是它能激发探究欲。亲历体验更能带来感官与心理上的刺激,继而唤起继续探索的欲望。二是它有助于知识理解的深入。知识是自我建构的,参与意味着自我的卷入,这种卷入式学习为知识的自我构建提供了机会。三是它能促进身份转换。在参与式学习中,教师不是旁观者,而是共同体一员,这种被包含在内的体验有助于强化对神经科学知识的认同。参与式学习的核心在于与教育神经学者们一同思维,理解他们研究的逻辑与性质,它大致包括三种方式:一是参观访学,通过短期的浸润式访学,在与科学家接触过程中,观察与学习他们的思维方式;二是参与研讨会,让教师在研讨会上与科学家进行交流,在思想碰撞中转变陈旧观念;三是建设实践基地,让科学家定期到校指导实践,聚焦过程中的疑惑,共同解决实践中的问题。

最后,要在学校层面建立教育神经科学导向的实践共同体。当前学校中存在帕尔默所说的“关上门的教学”现象,教师之间缺乏切磋与对话,彼此间筑起壁垒,把教室视为自我王国。[24]这不利于神经科学知识在教师群体间的传播。化解闭门造车的有效途径是建立实践共同体,它既有利于成员间的知识共享,也有助于信念的增强。具体而言,实践共同体的创建可以从三方面着手:一是搭建组织架构,即识别与邀请潜在共同体成员,创建教育神经科学兴趣共同体;二是建设核心文化,通过制度规范,把兴趣共同体转化为信仰共同体;三是创立实践平台,为成员理念检验设置实践平台。

(三)建设教育神经科学的应用伦理体系

教育神经科学作为前沿交叉性学科,涉及生命科学领域中与个人隐私、安全相关的系列问题,其应用存在一定的潜在风险,因此需要制定相应的预防和惩戒措施,具体可以从以下三方面进行。

首先,制定科学应用的伦理指导原则。伦理指导原则是科学实践需要遵循的基本准则,其目的是让科学应用有章可循,保障实践符合伦理性。大致而言,它应该包含但不局限于以下内容:安全原则,即使用设备或药物等方式进行教育干预时要保证学生的生理与心理安全;公正原则,保证学生都可以平等享受科学发展带来的好处;保密原则,严格保守学生信息不被泄露或盗用;发展原则,明确科学应用的最终目的是促进学生的发展。教育神经科学的应用伦理需要融合多学科视野,它的原则制定也要经过多方交流与协商,如此才能建立起规范的应用标准。

其次,建设伦理监督机制。伦理监督是为保障师生利益不受侵犯而对科学应用规范实施的审计与督查,它包含伦理审查与伦理问责两部分。伦理审查是对科学应用程序规范性的审计督查,比如脑成像技术使用时是否存在泄露学生隐私等违规行为;伦理问责是对科学误用与滥用等失范行为进行责任追究。在落实监督机制时,需系统设计。一是设置有层次性监督机构,使伦理监督更具实效性。二是要细化审查与问责规则,使其具有可操作性。

最后,提升伦理素养。如果说伦理监督是科学规范的外部约束,那么伦理素养则是内部保障。伦理素养是指科学应用者保持实践伦理性的基本能力,它由伦理认知、伦理情感以及伦理反思三部分构成。具体来说,伦理素养的培养可以从以下方面着手:一是建设伦理知识体系,提升伦理认知水平;二是构建伦理文化,以引领情感认同;三是研究性学习,在案例研究中提高伦理反思能力。