如何將腦科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用于教育實(shí)踐？①

摘要神經(jīng)教育學(xué)將腦科學(xué)與教育學(xué)的跨學(xué)科轉(zhuǎn)化研究成果應(yīng)用于教育實(shí)踐，有利于探索更有效的學(xué)習(xí)方法、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方法。在實(shí)踐中，神經(jīng)教育學(xué)研究通過(guò)在學(xué)校建立評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建以神經(jīng)生化檢測(cè)分析、生理信號(hào)檢測(cè)與分析、行為分析三大數(shù)據(jù)采集技術(shù)為基礎(chǔ)的腦智發(fā)展評(píng)估平臺(tái)，獲取學(xué)生關(guān)鍵能力評(píng)估數(shù)據(jù)、學(xué)生課堂行為數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)過(guò)程性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，建立學(xué)生個(gè)性化發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)和評(píng)估模型，研究創(chuàng)新人才培養(yǎng)和個(gè)性化教育，促進(jìn)基于實(shí)證的教育學(xué)研究。

關(guān)鍵詞神經(jīng)教育學(xué)；腦科學(xué)；腦智發(fā)展評(píng)估；關(guān)鍵腦智；神經(jīng)生化檢測(cè)分析；生理信號(hào)檢測(cè)與分析；行為分析

中圖分類號(hào)G63

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼B

文章編號(hào)1002-2384（2018）05-0017-04

教育實(shí)質(zhì)上是對(duì)人腦的建構(gòu)，因此創(chuàng)新人才成長(zhǎng)規(guī)律的研究必須建立在正確理解人腦發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)之上。但遺憾的是，我國(guó)的教育研究者和實(shí)踐工作者很少將教育與腦科學(xué)研究的最新成果相結(jié)合，因此在我國(guó)迫切需要支持開(kāi)展腦科學(xué)與教育學(xué)的跨學(xué)科轉(zhuǎn)化研究，為推動(dòng)教育實(shí)踐和教育政策制定提供實(shí)證基礎(chǔ) 。

一、神經(jīng)教育學(xué)的跨學(xué)科轉(zhuǎn)化研究正在成為熱點(diǎn)

近2 0年來(lái)，腦科學(xué)獲得了飛速發(fā)展，為教育學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。神經(jīng)教育學(xué)（Neuroeducation）就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，它正在引領(lǐng)教育科學(xué)研究方法的革命性變革，受到西方發(fā)達(dá)國(guó)家政府、國(guó)際學(xué)術(shù)界和教育界的高度關(guān)注。

目前國(guó)際上已經(jīng)形成了以國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的教育研究和革新中心（OECD-CERI）、心智-腦科學(xué)-教育學(xué)會(huì)（Mind，Brain and Education）為核心的兩大全球性神經(jīng)教育學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)。教育研究和革新中心在世界范圍內(nèi)組織了三個(gè)研究神經(jīng)教育學(xué)的國(guó)際研究網(wǎng)絡(luò)，分別從腦與語(yǔ)言能力發(fā)展、腦與數(shù)學(xué)能力發(fā)展、腦與終身學(xué)習(xí)三個(gè)方面研究腦的工作機(jī)制和神經(jīng)教育學(xué)，促進(jìn)科學(xué)家、教育實(shí)踐者和政策制定者之間的合作，目的是使教育決策更加科學(xué)化，推動(dòng)整個(gè)教育的發(fā)展和改革的深化。2003年11月7日在羅馬召開(kāi)的“心智-腦科學(xué)-教育”大會(huì)，也同樣強(qiáng)調(diào)必須在神經(jīng)科學(xué)研究和教育之間架設(shè)一座轉(zhuǎn)化研究的橋梁，以使腦科學(xué)研究成果能為教育實(shí)踐和教育政策的制定提供指導(dǎo)。

在神經(jīng)教育學(xué)促進(jìn)教育改革和實(shí)踐方面，眾多發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制訂了國(guó)家計(jì)劃。比如：日本將神經(jīng)教育學(xué)研究的最新成果廣泛應(yīng)用于幼兒教育和青少年學(xué)習(xí)等，并已對(duì)14000名兒童進(jìn)行全方位跟蹤，力求通過(guò)此項(xiàng)研究全面提升日本國(guó)民的綜合素質(zhì)。德國(guó)、瑞士、法國(guó)、荷蘭和西班牙等國(guó)政府也紛紛制訂國(guó)家計(jì)劃，撥付專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，成立各具特點(diǎn)的研究機(jī)構(gòu)，加入教育研究和革新中心神經(jīng)教育學(xué)研究計(jì)劃，推進(jìn)神經(jīng)教育學(xué)的研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

在儀器研制和產(chǎn)業(yè)推廣方面，以日本日立公司為代表的工業(yè)界積極參與到神經(jīng)教育學(xué)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局中來(lái)，已經(jīng)投入了大量資金研制支撐腦科學(xué)研究的儀器，并已用于兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)研究中。第一批可用于幼兒腦功能研究的近紅外腦成像儀（fNIRS）已投放市場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)神經(jīng)教育學(xué)的研究自2001年起在韋鈺院士的積極號(hào)召和推動(dòng)下也取得了一些進(jìn)展。韋鈺院士于2002年在東南大學(xué)建立了我國(guó)第一個(gè)學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心，于2005年創(chuàng)建了兒童發(fā)展與學(xué)習(xí)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并于2017年4月27日創(chuàng)建了我國(guó)第一個(gè)專門從事神經(jīng)教育學(xué)研究的學(xué)術(shù)組織—中國(guó)認(rèn)知科學(xué)學(xué)會(huì)神經(jīng)教育學(xué)分會(huì)。在韋鈺院士的帶領(lǐng)下，東南大學(xué)研制出包括兒童青少年腦智發(fā)展評(píng)估系統(tǒng)、個(gè)體化形成性測(cè)評(píng)系統(tǒng)、課堂教學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)、神經(jīng)信息反饋系統(tǒng)等一系列兒童青少年發(fā)展評(píng)估與個(gè)性化教育儀器，并將其應(yīng)用于教育實(shí)踐。

二、腦智發(fā)展評(píng)估的原理、方法和技術(shù)

人的腦智發(fā)展是一個(gè)連續(xù)的且具有個(gè)體差異的過(guò)程，受到基因和環(huán)境的不斷相互作用影響，并存在一些發(fā)展關(guān)鍵期或者敏感期。東南大學(xué)在韋鈺院士的帶領(lǐng)下，依托生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科系統(tǒng)開(kāi)展了從基因、神經(jīng)遞質(zhì)、腦功能、生理、心理到行為的多層次跨學(xué)科轉(zhuǎn)化研究，對(duì)執(zhí)行功能、社會(huì)情緒能力、創(chuàng)新能力、決策能力等腦智進(jìn)行了多學(xué)科和多層次的整合研究，并構(gòu)建了以神經(jīng)生化檢測(cè)分析、生理信號(hào)檢測(cè)與分析、行為分析三大數(shù)據(jù)采集技術(shù)為基礎(chǔ)的腦智發(fā)展評(píng)估平臺(tái)。

1. 神經(jīng)生化檢測(cè)與分析

神經(jīng)生化檢測(cè)是定量研究精神過(guò)程的有效途徑。目前神經(jīng)生化檢測(cè)在生物樣本的選擇上大多選擇的是血液，但這顯然會(huì)在教育實(shí)踐中遇到諸多不便，而且抽血本身會(huì)引起應(yīng)激反應(yīng)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成一定的干擾。為了便于此項(xiàng)技術(shù)在教育中的實(shí)踐應(yīng)用，生物樣本最好選擇無(wú)創(chuàng)傷的生物樣本，如唾液、尿液等。但與此同時(shí)，這些無(wú)創(chuàng)傷的生物樣本中能反映精神過(guò)程的相關(guān)物質(zhì)在體內(nèi)含量極低，且易受樣品中其他內(nèi)源性物質(zhì)的干擾，給檢測(cè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

課題組圍繞人體自主神經(jīng)系統(tǒng)（包括交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)、下丘腦-垂體-腎上腺軸兩個(gè)系統(tǒng)功能），選取唾液和頭發(fā)為樣本，將課題組發(fā)明的納米專利技術(shù)引入到神經(jīng)活性分子的篩選與檢測(cè)研究中，大大提升了神經(jīng)生物活性分子檢測(cè)靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)唾液和頭發(fā)中多種生物標(biāo)志物的檢測(cè)與比較研究，尋找確定社會(huì)情緒能力評(píng)測(cè)的關(guān)鍵生化指標(biāo)體系。

由于唾液和頭發(fā)等生物樣本取樣方便、無(wú)創(chuàng)，因此課題組發(fā)展的無(wú)創(chuàng)神經(jīng)生化檢測(cè)技術(shù)與方法將對(duì)神經(jīng)相關(guān)生化指標(biāo)的檢測(cè)產(chǎn)生巨大影響，將極大地促進(jìn)人們更為深入地揭示和理解精神生化過(guò)程，推動(dòng)精神生化測(cè)量領(lǐng)域的新發(fā)展。

2. 生理信號(hào)檢測(cè)與分析

潛在具備用于腦智發(fā)展評(píng)估的生理信號(hào)十分廣泛，典型的信號(hào)包括功能核磁共振（fMRI）、近紅外腦成像（fNIRS）、腦磁圖（MEG）、腦電（EEG）、眼動(dòng)信號(hào)、身體姿態(tài)和體位信號(hào)、心電信號(hào)、肌電信號(hào)、心音信號(hào)、心率信號(hào)、體溫信號(hào)、呼吸信號(hào)、血壓信號(hào)等。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制研究方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但對(duì)于如何利用生理信號(hào)，特別是功能核磁共振、近紅外腦成像、腦磁圖、腦電等與腦功能直接相關(guān)的信號(hào)，進(jìn)行腦智發(fā)展的評(píng)估尚未取得系統(tǒng)性進(jìn)展。

針對(duì)執(zhí)行功能、社會(huì)情緒能力、創(chuàng)新能力、決策能力等腦智的評(píng)估，課題組運(yùn)用大數(shù)據(jù)和智能網(wǎng)絡(luò)搜索來(lái)整合腦科學(xué)研究成果和數(shù)據(jù)，嘗試建立了一些可用于腦智發(fā)展評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試范式和信號(hào)分析方法。例如：通過(guò)腦電或近紅外腦成像的額葉偏側(cè)化來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體的情緒調(diào)節(jié)能力；通過(guò)P300幅值來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體的抑制能力；通過(guò)楔前葉和右側(cè)的顳-頂聯(lián)合區(qū)的激活程度來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體的創(chuàng)新能力；通過(guò)心率變異性來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體的情緒調(diào)節(jié)能力；通過(guò)近紅外多人跨腦掃描數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體的社會(huì)情緒能力；利用腦電β波和θ波的功率譜來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體的注意力水平。

3. 行為分析

可用于行為評(píng)定的問(wèn)卷、量表和操作十分廣泛，但它們大多測(cè)試的生態(tài)效度差，而且在本土化以及常模的樣本量等方面均存在一些不足。課題組通過(guò)大數(shù)據(jù)和智能網(wǎng)絡(luò)搜索來(lái)整合行為評(píng)定的研究成果和數(shù)據(jù)，借助情境化設(shè)計(jì)理念，建立可用于腦智發(fā)展評(píng)估的一系列測(cè)試范式和數(shù)據(jù)分析方法，并在全國(guó)十多個(gè)省市進(jìn)行了大樣本量的實(shí)測(cè)，獲得了不同年齡的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，課題組獲得了全國(guó)性的大數(shù)據(jù)和常模，并分析和篩選出了適合我國(guó)中小學(xué)不同年齡、具有高敏感性的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試工具和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法。

此外，課題組還應(yīng)用先進(jìn)的視頻分析技術(shù)，對(duì)學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生在課堂上的認(rèn)知與情緒狀態(tài)，指導(dǎo)教師調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。為保證評(píng)測(cè)的生態(tài)性，課題組嘗試通過(guò)智能坐墊采集學(xué)生的體動(dòng)、心率、呼吸率等數(shù)據(jù)，通過(guò)智能攝像頭采集學(xué)生的專注力指數(shù)和快樂(lè)指數(shù)等數(shù)據(jù)，并嘗試將這些數(shù)據(jù)運(yùn)用到教育教學(xué)當(dāng)中，為評(píng)價(jià)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)提供更有效的工具。

三、腦智發(fā)展評(píng)估促進(jìn)教育實(shí)證研究

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們分別利用神經(jīng)生化檢測(cè)分析、生理信號(hào)檢測(cè)與分析、行為分析這三大數(shù)據(jù)采集平臺(tái)獲得評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)而形成“生理-生化-行為”跨模態(tài)數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，我們積累和研究?jī)和嗌倌觋P(guān)鍵腦智發(fā)展的基本數(shù)據(jù)，建立以學(xué)生為中心的兒童青少年關(guān)鍵腦智發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)，以研究?jī)和嗌倌觋P(guān)鍵腦智發(fā)展規(guī)律和過(guò)程，并可了解兒童青少年關(guān)鍵腦智發(fā)展的區(qū)域差異、城鄉(xiāng)差異、發(fā)展均衡性以及性別差異。利用這一數(shù)據(jù)庫(kù)，我們還可進(jìn)一步分析教師教學(xué)方法、家庭教育養(yǎng)育環(huán)境等各種因素對(duì)兒童青少年關(guān)鍵腦智發(fā)展的影響，為學(xué)生關(guān)鍵腦智的開(kāi)發(fā)和教育評(píng)價(jià)提供基于實(shí)證的科學(xué)方法，為創(chuàng)新人才的早期鑒別與干預(yù)提供實(shí)證基礎(chǔ)，促進(jìn)教育研究方法、學(xué)習(xí)方式和學(xué)生綜合評(píng)價(jià)發(fā)生深刻變革。在醫(yī)生的配合下，利用兒童青少年關(guān)鍵腦智發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)還可以對(duì)問(wèn)題行為（包括多動(dòng)癥、學(xué)習(xí)困難、社交障礙、網(wǎng)癮等）學(xué)生進(jìn)行早期鑒別。受篇幅所限，本文僅選取下面兩個(gè)案例來(lái)進(jìn)一步展示腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究成果對(duì)教育實(shí)證研究的促進(jìn)。

圖1給出了某學(xué)生的認(rèn)知功能發(fā)展評(píng)估結(jié)果，其中常模分?jǐn)?shù)設(shè)定為90。數(shù)據(jù)顯示：該學(xué)生的注意力、短時(shí)記憶、抑制控制、工作記憶、言語(yǔ)流暢性幾大指標(biāo)發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯，但該生的認(rèn)知靈活性以及認(rèn)知與決策兩大能力存在發(fā)展短板。這些評(píng)測(cè)結(jié)果為精準(zhǔn)的個(gè)性化教育提供了實(shí)證數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)，使真正的因材施教成為可能。

圖2給出了某小學(xué)學(xué)生的認(rèn)知能力發(fā)展概況。數(shù)據(jù)顯示：（1）該小學(xué)學(xué)生的認(rèn)知功能綜合發(fā)展指數(shù)隨年級(jí)增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且均優(yōu)于常模水平，這表明該小學(xué)學(xué)生的認(rèn)知功能發(fā)展優(yōu)勢(shì)明顯。（2）該小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知功能綜合發(fā)展優(yōu)勢(shì)達(dá)到最大，三年級(jí)學(xué)生發(fā)展優(yōu)勢(shì)相對(duì)最不突出，而一年級(jí)學(xué)生的發(fā)展優(yōu)勢(shì)處于相當(dāng)高的水平（六個(gè)年級(jí)中排第三）。針對(duì)上述分析結(jié)果，筆者通過(guò)與該學(xué)校師生進(jìn)行深入交流，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，最后找到了出現(xiàn)上述情況的可能原因，為學(xué)校下一步教學(xué)改革提供了方向性指導(dǎo)。

借助腦智發(fā)展評(píng)估方法，我們不僅可以獲得每個(gè)學(xué)生的發(fā)展?fàn)顩r，提供精準(zhǔn)的個(gè)性化教育建議，更重要的是，通過(guò)匯集每個(gè)學(xué)生的發(fā)展數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校和區(qū)域教育質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。比如：在教育局層面，我們借此可以分析區(qū)域教育發(fā)展均衡性、學(xué)校發(fā)展差異、特色學(xué)校的“外顯指標(biāo)”（在腦智的哪方面有突出優(yōu)勢(shì)）、需要特別關(guān)注學(xué)校的名單等；在學(xué)校層面，我們可以分析學(xué)校學(xué)生發(fā)展均衡性、各年級(jí)學(xué)生發(fā)展的差異和優(yōu)勢(shì)、每個(gè)年級(jí)各班級(jí)學(xué)生發(fā)展的差異和優(yōu)勢(shì)、需要特別關(guān)注學(xué)生的名單等。針對(duì)腦智發(fā)展存在不足的學(xué)生，課題組還專門開(kāi)發(fā)了行為控制、行為習(xí)慣養(yǎng)成、認(rèn)知靈活性、專注力等方面的訓(xùn)練課程，通過(guò)游戲化的訓(xùn)練方式提升學(xué)生的各項(xiàng)認(rèn)知能力。

將腦科學(xué)成果應(yīng)用于教育實(shí)踐實(shí)際上是一種教育學(xué)研究的新范式，展示了一種基于實(shí)證的教育研究方法，通過(guò)將專業(yè)的智慧與科學(xué)的實(shí)證研究相結(jié)合，有效地支持教育方法的革新和教育政策的制定。我們相信神經(jīng)教育學(xué)將引領(lǐng)未來(lái)教育學(xué)研究方法的革命性變革，將改變學(xué)習(xí)模式、教學(xué)模式和教師的培養(yǎng)模式，改變父母對(duì)孩子的教養(yǎng)方式，并最終改變國(guó)家教育政策的制定模式。

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注釋：

① 本文系國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔烙?jì)的中國(guó)兒童社會(huì)情緒能力評(píng)測(cè)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：61273224）和“基于近紅外腦功能成像技術(shù)的孤獨(dú)癥譜系障礙兒童社會(huì)功能評(píng)估”（項(xiàng)目編號(hào)：61673113）的研究成果之一。