基于神經(jīng)教育學(xué)的個體化教育研究及實踐*

楊　娟　劉　璇　喬興媚

（1．四川師范大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，四川成都 610061；2．四川廣播電視大學(xué) 期刊部，四川成都 610073）

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基于神經(jīng)教育學(xué)的個體化教育研究及實踐*

楊娟1劉璇1喬興媚2

（1．四川師范大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，四川成都 610061；2．四川廣播電視大學(xué) 期刊部，四川成都 610073）

摘要：現(xiàn)階段，神經(jīng)科學(xué)事實與教育教學(xué)的對接仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的神經(jīng)教育學(xué)的理念是個性化教育，但在操作性上存在缺陷。個體化教育理念將基于神經(jīng)事實基礎(chǔ)的教學(xué)約束在一個特定的學(xué)習(xí)場景或者一個特定的學(xué)習(xí)環(huán)境中，這樣可以最大程度地對神經(jīng)科學(xué)事實進行教育干預(yù)的轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)。文章指出，由個性化教育向個體化教育轉(zhuǎn)變，需要遵循五個步驟。通過在初中英語學(xué)習(xí)中使用神經(jīng)計算模型這一個體化學(xué)習(xí)案例的實驗及數(shù)據(jù)分析，文章對上述個體化教育理念進行了實踐驗證。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)教育學(xué)；個體化教育；神經(jīng)計算模型

神經(jīng)教育學(xué)是一門整合了心理學(xué)、腦科學(xué)和教育學(xué)研究而形成的新學(xué)科［1］［2］，匯集了包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、發(fā)展認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、教育心理學(xué)、教育技術(shù)學(xué)、學(xué)習(xí)理論和其它相關(guān)學(xué)科的研究者，致力于探索學(xué)習(xí)的生理機制，并試圖建立二者之間的永久性聯(lián)系。神經(jīng)教育學(xué)作為一個高度跨學(xué)科的綜合性研究領(lǐng)域，受到了國際社會的高度關(guān)注。美國、英國等率先在神經(jīng)教育領(lǐng)域開展研究，哈佛大學(xué)、劍橋大學(xué)、倫敦大學(xué)等世界著名學(xué)府也紛紛開設(shè)相關(guān)專業(yè)，授予學(xué)生博士或碩士學(xué)位。我國北京師范大學(xué)、華東師范大學(xué)也加大了對這一領(lǐng)域的研究，如華東師大副教授周加仙［3］提出教育神經(jīng)科學(xué)是將心智、腦與教育聯(lián)結(jié)起來為教育奠定科學(xué)基礎(chǔ)的、具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男屡d學(xué)科，在第二外語教學(xué)上應(yīng)“建立適合于人腦認(rèn)知機制和神經(jīng)機制的二語能力發(fā)展與促進策略”［4］；北師大的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)重點實驗室則在神經(jīng)教育領(lǐng)域開展了多元探索，如伍海燕等［5］提出情緒神經(jīng)科學(xué)研究將對教育產(chǎn)生顯著影響，孫聰穎等［6］探討了英語工作記憶的加工和儲存成分對我國中學(xué)生英語閱讀理解的作用及其途徑。

一　神經(jīng)教育學(xué)與個體化教育

雖然從神經(jīng)科學(xué)事實到教育教學(xué)實現(xiàn)仍然存在不可逾越的鴻溝［7］［8］，但神經(jīng)科學(xué)的實際應(yīng)用價值仍驅(qū)使大量研究者投入到整合二者的工作之中。例如，布魯爾［9］和梅森［10］就提出可通過心理學(xué)作為神經(jīng)科學(xué)在教育領(lǐng)域?qū)嵺`的橋梁。

要使神經(jīng)科學(xué)在教育科學(xué)中得到有效運用，一個必然要素是兩個領(lǐng)域?qū)Ρ舜说钠谕麘?yīng)符合實際［11］。教育科學(xué)對神經(jīng)科學(xué)提出的實際應(yīng)用期望是希望從根本上了解學(xué)習(xí)者，因此“個性化”教學(xué)必須轉(zhuǎn)變?yōu)椤皞€體化”教學(xué)，即教學(xué)應(yīng)更尊重學(xué)習(xí)者的個體神經(jīng)事實。因為基于經(jīng)驗的“個性化”學(xué)習(xí)并不能確保學(xué)習(xí)效果，如使用學(xué)習(xí)風(fēng)格進行教育是缺乏事實基礎(chǔ)的［12］。因此，要使神經(jīng)教育學(xué)走進課堂，必須尊重個體神經(jīng)事實基礎(chǔ)，并不能像傳統(tǒng)“個性化教育”一樣簡單地根據(jù)學(xué)習(xí)者表象將其進行粗糙的分類操作，而應(yīng)更注重個體的實際神經(jīng)功能，為其提供更具有針對性和可操作性的干預(yù)操作。

雖然神經(jīng)科學(xué)可為教育政策與實踐提供個體事實基礎(chǔ)，但不能簡單地認(rèn)為神經(jīng)科學(xué)的知識就能為教育教學(xué)實踐提供現(xiàn)成答案或標(biāo)準(zhǔn)答案。要使神經(jīng)科學(xué)真正發(fā)揮作用，需要將研究問題設(shè)定得更具體，并對研究分析進行精細(xì)的劃分。例如，除了要獲得相應(yīng)的神經(jīng)科學(xué)事實基礎(chǔ)外，還必須根據(jù)特定事實基礎(chǔ)設(shè)計可進行特質(zhì)甄別的學(xué)習(xí)科學(xué)實驗［13］。這種區(qū)別于傳統(tǒng)表象分類的本質(zhì)分類，可以更直接地進行學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的因果分析，并針對這種因果關(guān)系提出假設(shè)性的干預(yù)建議，實施干預(yù)；然后根據(jù)效果修正干預(yù)，實施再干預(yù)。因此，基于神經(jīng)事實基礎(chǔ)的個體化教育必須遵循以下五個步驟：

①有適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)科學(xué)事實基礎(chǔ)。所謂神經(jīng)科學(xué)事實基礎(chǔ)，是指必須有與教育緊密聯(lián)系的神經(jīng)科學(xué)事實。

②將神經(jīng)科學(xué)實驗轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)科學(xué)實驗。神經(jīng)科學(xué)事實通常只有解釋作用，對于該事實所造成的現(xiàn)象應(yīng)如何有效應(yīng)對，暫時還沒有一個成型的模型和體系?，F(xiàn)階段對神經(jīng)科學(xué)事實的應(yīng)用，仍停留在通過培訓(xùn)教師來實現(xiàn)更為有針對性的個體化教學(xué)。而參訓(xùn)教師由于學(xué)科背景不同、理念不同，對神經(jīng)科學(xué)事實的理解和應(yīng)用也千差萬別。要將神經(jīng)科學(xué)的事實基礎(chǔ)真正應(yīng)用于課堂中，需要設(shè)計基于特定神經(jīng)科學(xué)事實的可執(zhí)行、可操作的學(xué)習(xí)科學(xué)實驗。

③只有學(xué)習(xí)科學(xué)相關(guān)實驗的結(jié)論與神經(jīng)科學(xué)事實保持一致，神經(jīng)科學(xué)的結(jié)論才具有指導(dǎo)意義，否則需找出矛盾因素并加以驗證。

④當(dāng)學(xué)習(xí)科學(xué)實驗與已知神經(jīng)科學(xué)事實保持一致時，提出特定學(xué)習(xí)領(lǐng)域的因果關(guān)系假設(shè)，并針對該假設(shè)設(shè)計教學(xué)干預(yù)建議。

⑤針對特定學(xué)習(xí)個體實施教學(xué)干預(yù)，根據(jù)效果進行干預(yù)策略調(diào)整及修正。重復(fù)本步驟，直到策略成功。

概括個體化教育的理念，就是將基于神經(jīng)事實基礎(chǔ)的教學(xué)約束在一個特定的學(xué)習(xí)場景或者一個特定的學(xué)習(xí)環(huán)境中，這樣可以最大程度地對神經(jīng)科學(xué)事實進行教育干預(yù)的轉(zhuǎn)換和實現(xiàn)。

二　基于神經(jīng)科學(xué)事實的個體化教育實踐案例

1 實驗概況

本研究沿用英國倫敦大學(xué)腦和認(rèn)知發(fā)展中心（Centre for Brain and Cognitive Development）托馬斯（Thomas）教授的神經(jīng)計算模型框架以及相關(guān)神經(jīng)學(xué)事實［14］，提出了一個第二語言學(xué)習(xí)中的語音意識與記憶能力的關(guān)聯(lián)模型。該模型使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN），為學(xué)習(xí)者的語音意識和記憶能力建立關(guān)聯(lián)假設(shè)，建立個體 ANN并進行預(yù)測，為學(xué)習(xí)者提供促進第二語言學(xué)習(xí)的干預(yù)建議。實驗總體時間持續(xù)了半年，被試是四川省成都市某中學(xué)實驗西區(qū)七年級二班的15名學(xué)生（含9名女生），所有被試均沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過動詞過去時的變換形式（被試年齡為12歲～13歲，mean=12.33歲，標(biāo)準(zhǔn)差Standard Deviation［SD］=0.471）。15名學(xué)生均采用右手寫字，采集英語學(xué)習(xí)障礙者有5人，其余10人為學(xué)習(xí)英語正常的學(xué)生。

實驗主要涉及三個任務(wù)：測試學(xué)習(xí)者語音意識的任務(wù)1、測試學(xué)習(xí)者短時記憶的任務(wù)2、測試學(xué)習(xí)者長時記憶的任務(wù)3。針對每個學(xué)習(xí)者的個體ANN通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集（實際采集的3個任務(wù)的完成數(shù)據(jù)以及根據(jù)每個任務(wù)錯誤特征生成的虛擬數(shù)據(jù)），形成每個個體的學(xué)習(xí)軌跡 ANN，如圖1所示。

圖1　個體學(xué)習(xí)者的SSE

2 T測試分析

隨后，本研究使用T測試來考察學(xué)習(xí)者語音意識、短時記憶以及長時記憶對學(xué)習(xí)效果的影響，將數(shù)據(jù)進行細(xì)分，給每個動詞過去時分配一定的分值——被試對象讀過去時完全正確分配4分，將每個元音、輔音、后綴讀正確均分配1分，單詞完全讀錯分配0分，不讀的單詞分配0分，在元音、輔音、后綴中每出現(xiàn)一個錯誤讀音分配0分。從學(xué)習(xí)正常者中選取較優(yōu)秀者5人，與學(xué)習(xí)障礙者5人分別在3個任務(wù)完成度上進行差異分析。

表1是兩組被試對象的單詞、輔音、元音、后綴在三個任務(wù)（語音意識、工作記憶、長時記憶）上的平均得分（M）和標(biāo)準(zhǔn)差（SD），其中M精確到百分位，SD精確到千分位。根據(jù)表1，從T測試的獨立數(shù)據(jù)中可以看出，短時記憶和長時記憶對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)障礙的影響均具有統(tǒng)計學(xué)上的顯著意義。表2是表1的補充部分，TTEST-SD是兩組被試對象的單詞、輔音、元音、后綴在三個任務(wù)（語音意識、工作記憶、長時記憶）標(biāo)準(zhǔn)差（SD）上的TTEST值，精確到百分位。根據(jù)表2，從T測試的獨立數(shù)據(jù)中可以看出，工作記憶和長時記憶對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)障礙的影響均具有統(tǒng)計學(xué)上的顯著意義，其中，后綴部分在長時記憶上起關(guān)鍵作用。

表1　兩類學(xué)生的單詞、輔音、元音、后綴在各任務(wù)上的T測試分析（1）

表2　兩類學(xué)生的單詞、輔音、元音、后綴在各任務(wù)上的T測試分析（2）

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真和T測試可以看出，影響學(xué)習(xí)者整體英語成績的因素并非語音意識，而是短時記憶和長時記憶，但從仿真?zhèn)€體ANN可知工作記憶的作用尤為明顯——此結(jié)論與神經(jīng)科學(xué)中關(guān)于大腦雙語控制的理論相符。個體ANN通過仿真學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)路徑，可為預(yù)測學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)能力及學(xué)習(xí)障礙風(fēng)險分析提供依據(jù)，并為學(xué)科教師進行個體化教學(xué)提供更為準(zhǔn)確的線索和方向。

3 個體干預(yù)建議

通過對個體任務(wù)完成度的一致性分析以及T測試的獨立數(shù)據(jù)分析，可以看出在第二外語學(xué)習(xí)中造成學(xué)習(xí)障礙的主要因素有四個：工作記憶差、長時記憶差、語音意識差、綜合因素的影響?；诖?，在學(xué)習(xí)干預(yù)上，本研究提出如下建議：

（1）因為工作記憶和雙語切換都會涉及大腦DLPFC（Dorsolateral Prefrontal Cortex）區(qū)域，故針對工作記憶差的學(xué)習(xí)者，可通過強化雙語切換注意力訓(xùn)練改進學(xué)習(xí)效果。例如，可通過母語干擾法進行DLPFC功能訓(xùn)練［15］，即給定圖片，讓學(xué)生從另一邊的多幅對應(yīng)單詞中找出正確的一個選項，所提供的選項中包含母語干擾項（如拼音類似發(fā)音）。

（2）進行加強學(xué)生的瞬時記憶訓(xùn)練。建議方法有兩種：①老師講授新課后，要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)背誦課文中指定的好詞好句或某一段；②通過紙牌游戲加強記憶，即首先拿出3張不同花色、不同數(shù)字的紙牌給學(xué)生看，然后把紙牌收起來，讓學(xué)生說出紙牌的花色及數(shù)字；當(dāng)學(xué)生能夠很好地記住3張紙牌的花色和數(shù)字后，可以增加紙牌的張數(shù)。

（3）針對長時記憶，可采用不定時提問法，即上課的時候老師針對長時記憶較差的學(xué)生，不定時地提問之前學(xué)過的內(nèi)容；或采用復(fù)述課文法，即老師讓學(xué)生復(fù)述幾天前學(xué)過的課文，并經(jīng)常讓學(xué)生復(fù)述，以培養(yǎng)學(xué)生自己課后看書的習(xí)慣，最終使學(xué)生的長時記憶增強。

（4）針對語音意識，可以使用語音訓(xùn)練法［16］，如通過增加單詞音標(biāo)、減少單詞音標(biāo)或改變部分音標(biāo)的方法，生成可專門訓(xùn)練某種語音的近似詞和人工詞。學(xué)習(xí)者再對這些近似詞或人工詞進行增強學(xué)習(xí)，則可達到提升語音意識的目的。

三　基于仿真實驗的相關(guān)分析

從上述神經(jīng)教育學(xué)實踐案例可以看出，基于神經(jīng)事實基礎(chǔ)的個體化教育教學(xué)干預(yù)策略比傳統(tǒng)的個性化教育教學(xué)策略更具有針對性和可靠性。在實踐中，本研究嚴(yán)格遵循前文提到的實施“個體化教育”的五個步驟，其基于仿真實驗的分析如下：

①適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)科學(xué)事實基礎(chǔ)——本例中涉及的神經(jīng)事實基礎(chǔ)，是腦科學(xué)領(lǐng)域比較成熟的大腦中關(guān)于雙語意識和雙語處理的神經(jīng)科學(xué)事實，即人腦中雙語由兩套不同的系統(tǒng)處理，并由大腦前葉系統(tǒng)負(fù)責(zé)切換，同時受大腦前葉系統(tǒng)控制的還有工作記憶［17］。

②將神經(jīng)科學(xué)實驗轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)科學(xué)實驗——在本例中建立的學(xué)習(xí)科學(xué)實驗，提出了一個關(guān)于英語學(xué)習(xí)短時記憶、長時記憶和語音意識的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)模型。

③只有學(xué)習(xí)科學(xué)相關(guān)實驗的結(jié)論與神經(jīng)科學(xué)事實保持一致，神經(jīng)科學(xué)的結(jié)論才具有指導(dǎo)意義，否則需找出矛盾因素并加以驗證——在本例中，學(xué)習(xí)科學(xué)實驗與神經(jīng)科學(xué)結(jié)論保持一致，即負(fù)責(zé)工作記憶的大腦前葉系統(tǒng)在英語學(xué)習(xí)中起關(guān)鍵作用。

④在本例中，提出了基于神經(jīng)事實基礎(chǔ)的個體教學(xué)干預(yù)建議，并實施該建議。

實驗結(jié)論顯示，英語學(xué)習(xí)障礙者的短時記憶任務(wù)完成度較差，可認(rèn)為該類學(xué)習(xí)者前葉系統(tǒng)功能較弱，單純?yōu)槠涮峁﹤鹘y(tǒng)的英語學(xué)習(xí)輔導(dǎo)并不能提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。針對該類學(xué)習(xí)障礙者，應(yīng)將重點放在注意訓(xùn)練上。雖然干預(yù)建議需在實施過程中予以不斷完善，但其轉(zhuǎn)化的學(xué)習(xí)科學(xué)實驗結(jié)論已為學(xué)科教師提供了更為準(zhǔn)確的原因分析。除了本研究提出的干預(yù)建議，學(xué)科教師在了解基于神經(jīng)事實基礎(chǔ)的新的因果關(guān)聯(lián)后，可在傳統(tǒng)學(xué)習(xí)者和教學(xué)方式分類上進行重組和補充，并根據(jù)以前的教學(xué)經(jīng)驗對特定學(xué)習(xí)者群體開展新的教學(xué)策略——而這，是在神經(jīng)教育真正走進教學(xué)課堂之前從未有過的新突破。

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編輯：小米

The Research and Practice of the Individualized Education based on the Educational Neuroscience

YANG Juan1LIU Xuan1QIAO Xing-mei2

（1. School of Computer Science， Sichuan Normal University， Chengdu， Sichuan， China 610061；2. Periodicals Department， Sichuan Radio and TV University， Chengdu， Sichuan， China 610073）

Abstract：There is still huge distance between neuroscience evidence and educational practice. Although the idea of traditional educational neuroscience was individualized education， it had the flaw that the operational was bad. The concept of individualized education constrained the teaching which was based on neuro-evidence in a specific learning space or environment in order to transform and implement the education intervention of neuroscience evidence to the greatest extent. There were five steps for the transition from personalized education to individualized education. A case study of using the neural computation model in English learning in the junior middle schools was analyzed to testify the above education concept.

Keywords：educational neuroscience； individualized education； neural computation model

【中圖分類號】G40-057

【文獻標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097（2016）05—0050—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.05.008

*基金項目：本文受國家自然科學(xué)基金“智能學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)風(fēng)格動態(tài)預(yù)測模型及其應(yīng)用研究”（項目編號：61402309）資助。

作者簡介：楊娟，副教授，博士，研究方向為E-learning、人工智能，郵箱為jkxy_yjuan@sicnu.edu.cn。

收稿日期：2015年12月7日