學生學習的腦科學進展、啟示與建議

/ 北京師范大學校長、認知神經科學與學習國家重點實驗室學術委員會主任

將腦與認知科學的成果應用于教育：國家需求與國際趨勢

黨的十九大報告明確提出，到2035年我國基本實現社會主義現代化。要達到國家現代化這個目標，教育應率先現代化。而教育的現代化必須遵循人的發(fā)展規(guī)律、學生發(fā)展的規(guī)律、教育教學的規(guī)律，必須培養(yǎng)學生的問題解決能力、創(chuàng)新能力。因此，對未來教育和未來學習的前瞻設計是當前我國教育發(fā)展的重要問題。

未來教育是什么樣的？未來學習的特點是什么？這些問題受到了當前世界各國、聯合國教科文組織的高度重視，以應對科技社會發(fā)展的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)21世紀所需要的高素質人才。關于未來教育、未來學習構想有很多，其中有一個角度是將腦與認知科學的成果應用于教育。各國對此高度重視。例如，美國提出要以認知科學和技術的進步推動師生沉浸式學習，用腦科學研究的新發(fā)現和前沿技術改善教育教學。

學生是學習的主人，學生是用腦進行學習的，腦是學生學習的主要器官。因此，我們有必要從腦與認知科學的角度思考今天的教育、改進今天的教育。千百年來，人類的教育代代傳承，不斷追求因材施教的理想。然而，人類長期以來對學習的主要器官——腦的知識卻知之甚少。過去由于科學技術水平的限制難以滿足研究倫理的要求，我們很難直接探索人腦學習規(guī)律。近幾十年來，磁共振、腦磁圖、腦電、近紅外等一系列無創(chuàng)性技術的進步，為我們越來越直接地探索人類在學習過程中的腦活動規(guī)律、發(fā)育規(guī)律提供了可能性。很多技術還正在不斷演進。比如，最近腦磁圖在移動性、抗噪等方面有了顯著進步。這將可能使我們有機會研究真實課堂教學中孩子們的學習。

21世紀的科學有很多重要趨勢，其中一個趨勢就是人類從關注外部世界轉到關注人類自身，尤其是關注人類大腦的奧秘。揭示人腦的奧秘，這已成為21世紀科學界共同關心的前沿課題之一。過去，人類對腦物質層面和心理層面的研究相對分離。現在人類可以把行為層面、全腦層面、腦區(qū)層面以及細胞層面、分子層面的研究結合起來，因此能夠更好地理解兒童的腦是怎么工作的、怎樣學習的、可能出現什么問題，進而更好地促進學生的學習和適應，識別和干預學習困難、情緒困擾和行為問題。

在我們國家，黨和政府非常重視腦科學研究，高度關注從腦科學、認知科學等多個角度研究和促進學生學習。2014年9月，習近平總書記在北京師范大學專門考察了認知神經科學與學習國家重點實驗室所開展的學生學習方面的腦科學研究。國家在過去十多年投入了大量項目和經費，建立了相關的國家重點實驗室等重要科研平臺。僅以北京師范大學認知神經科學和學習國家重點實驗室為例，自2006年建設以來，已經承擔了國家科技部、國家自然科學基金委員會等多個重大、重點項目。全國其他高校、科研院所也承擔了許多項目。這些項目涉及學習困難、記憶、空間認知能力等多方面，均取得了一些重要進展。目前，北京師范大學、北京大學、東南大學等都有不少學者從心理認知層面、認知神經科學層面以及其它層面，對學習問題進行綜合研究。

學習活動有相應腦的基礎

未來教育的重要特征之一就是要基于腦、適于腦、促進腦。要做到這一點就必須科學認識腦，認識腦發(fā)育，認識老師和學生腦活動的規(guī)律，以及老師的腦和孩子的腦怎樣相互作用，這樣才能更好地保護腦，進而達到開發(fā)腦的目的。在目前實際的教育工作中，我們一方面在努力開發(fā)大腦，另一方面，在某些方面卻可能無意識地損害了腦，比如過度強調機械學習而影響了學生創(chuàng)造力、情感和健康的促進。為此，理解學習活動的腦基礎極其重要。

首先，人腦是自然界最復雜的系統(tǒng)之一，是它產生了自然界最復雜的智慧現象、精神現象、意識。人類各種心理、認知功能——無論是學習、記憶、思維、情感，還是學生的意志活動，都有其相應的腦機制。一旦腦出了問題，其心理認知功能都會出現嚴重問題。因此，保護腦無論怎樣強調都不過分。

無論學生學語文、數學、外語還是學物理、化學，都要運用感知能力、認知能力，這些能力的獲得和正常發(fā)揮作用都需要一定腦區(qū)和網絡支撐。要學習好，僅有這些能力是不夠的，還需要有學習動機、學習積極性，需要得到鼓勵、獎勵。學習動機、情感等也有其相應的腦基礎。當然，人類的學習是多個腦區(qū)共同參與、協(xié)同作用的結果，腦的結構和功能分工具有相對性，并非一個腦區(qū)只負責一個功能，也不是一種功能僅僅依賴一個腦區(qū)，而是多個腦區(qū)協(xié)同支撐多種功能。

人類會產生不同的情緒，比如生氣、悲哀、厭惡、悲傷等。對上百項情緒研究的元分析發(fā)現，不同的情緒具有不同的腦激活模式。任何一個人接受磁共振機器掃描腦，科學家可以依據其腦激活模式在一定程度上識別其情緒狀態(tài)。

我們的眼睛會看到外部世界，外部世界通過眼睛和視神經活動到達大腦，這是我們真實看見的。另一方面，在無法真實看見的情況下，腦也能反映和理解外部世界。外部真實世界通過眼睛進入腦可以形成記憶。例如，在座很多老師以前沒有見過我，今天見過我之后，走在大街上就可能認出我。當然，人還可以想象。想象是從大腦已有記憶中提取素材后再進行加工，加工以后還可以再儲存、再記憶。想象的組合正是創(chuàng)造的源泉之一。想象和創(chuàng)造是人類很重要的能力，也有其相應的腦機制。

人類較之于動物還有高級、復雜的語言系統(tǒng)，包括聽說讀寫。這是動物難以企及的腦高級功能。語言能力也是人類進化達到高度智慧的重要原因之一。每個人只有一個腦，可我們不僅能學會漢語，還能學會多種語言。我們教語文要教聽說讀寫，聽說讀寫所依賴的腦區(qū)、腦網絡及其活動模式不完全一樣。有的學生閱讀能力很好，但寫作不行；有的學生寫作很好，閱讀沒有問題，但口頭表達不行；還有的學生口語很好，但寫作卻不行。我們每個人都可能表現出相對的能力優(yōu)勢和不足，這可能存在不同的腦神經基礎。

再如數學，“3”和“5”誰大誰小，“3”和“5”做加減或乘除數學運算，這些不同的數學活動依賴的腦活動網絡是不同的。學習者初學乘法會感到很復雜，而一旦熟練記誦了九九表，乘法對于學習者而言變成了記憶的儲存和提取，可以達到高度自動化的程度。然而僅僅基于記憶的數學活動不足以培養(yǎng)學生的高水平數學思維。

研究發(fā)現，人類的社會功能也有其腦物質基礎。比如，“感恩的腦”“承諾的腦”“公平的腦”“幸福的腦”，都在一定程度上有所不同。當我們感到幸福的時候，不是一個抽象概念，而是跟腦的認知加工以及相應的體驗及其所對應的特定神經活動網絡有關?！皾M足的腦”，尤其是延遲滿足，對于人的學習成才非常重要，實際也存在其相對特定的神經活動基礎。

總之，學生從事各種各樣的學習，涉及推理、記憶，語言學習、數學學習、道德判斷等多種活動，都有相應的腦基礎。我們培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)、開展各個學段教學的時候，確實要理解不同認知活動、學習不同材料。不同學習方式在不同年齡所依賴的腦基礎并不完全一樣。

腦的發(fā)育在不同階段具有不同特點

從出生到幼兒園，從小學、初中到高中，腦處于不同的發(fā)展階段。出生以前，從胎內10周到胎內40周，胎兒的腦發(fā)育已經達到相當程度。0～7歲，一些重要的皮質區(qū)域迅速發(fā)展。如果孩子在胎兒期腦發(fā)育有問題，那出生以后問題將極其嚴重；如果孩子在早期腦不能正常健康發(fā)展，就會帶來很多心理行為、認知的問題。

腦發(fā)育有一定先后順序，先發(fā)育的是跟感知運動有關的部分，之后是記憶、推理等高級功能。腦發(fā)育規(guī)律制約著孩子的行為、認知及其學習特點。出生前神經纖維已經發(fā)育，出生以后聯絡纖維發(fā)育極為重要。不同年齡腦網絡核心區(qū)域與網絡發(fā)育是不同的，涉及感知覺的初級網絡先發(fā)育，之后是高級網絡發(fā)育，如注意網絡、執(zhí)行功能網絡，這些高級網絡分別對應著兒童青少年不同的重要認知功能。

青少年時期是腦發(fā)育的另一重要時期。在這一時期，言語和非言語智力也在快速發(fā)展和不斷分化，和相對特定區(qū)域腦結構和功能的變化有密切聯系。這個時期腦發(fā)育不平衡，跟青春期孩子的沖動性比較強，自控性比較差等行為特點有關。

人腦連接模式是很復雜的。就像每個人都有獨特的指紋一樣，每個人都有獨特的腦連接模式和活動模式。隨著年齡的增長，腦的獨特性在增加，而且女孩的腦獨特性發(fā)育比男孩要快一些。智力很高、比較高、一般的青少年，其大腦皮層厚度達到峰值的時間點明顯不同。所以，建立兒童各種認知功能，包括視覺、聽覺、記憶、注意、執(zhí)行功能等的腦發(fā)育圖譜極其重要。通過研制精細的腦發(fā)育圖譜，我們有可能更好地了解學習功能及其相關腦發(fā)育的特點，有可能更早、更準確地認識腦發(fā)育過程中的問題。目前這方面的研究還處在初步階段，尤其需要基于大樣本、精心設計、統(tǒng)一參數、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一工具、細致長時間追蹤的腦智發(fā)育數據。沒有這些基礎性的研究和數據，我們就不能準確刻畫腦智發(fā)育的年齡階段特點，難以為教育和醫(yī)療提供相關方法和工具，因此迫切需要盡快開展相關科學研究。

腦與學習的關系具有復雜性、交互性、動態(tài)性

研究表明，腦發(fā)育受很多因素影響，需要正常營養(yǎng)、正常教育、正?；顒?、正常同伴關系。任何經驗的剝奪都可能導致腦發(fā)育的嚴重問題。而特定的學習經驗可能在一定程度上塑造腦活動特點。

以乘法表學習為例。我國香港特別行政區(qū)的學生學九九乘法表時，需要背誦大數在前小數在后，以及小數在前大數在后兩種，內地學生只背后一種。有意思的是，雖然乘法表在小學學習，到了大學階段內地和香港學生在做大數在前小數在后的乘法時其腦電波仍然顯著不同。根據做大數在前小數在后的乘法時腦電波特點，人們就能判斷該學生數學是在內地學的，還是在香港學的。在長期復雜地形識別和記憶活動經驗驅動下，倫敦出租車司機負責心理地圖搜索的海馬區(qū)比一般人更大。同樣，閱讀干預不僅可以改善孩子的閱讀表現，而且可改變閱讀障礙孩子腦的活動模式。

學習的有效性是整個學習研究和教育實踐關注的核心問題。我們學了很多東西，有的記住了，有的遺忘了，有的總是記不住，為什么？實際上學習在不同情境、不同節(jié)點對應的神經活動不同。學習時神經活動具有一致性，則記憶的效果就好。根據學習過程的神經活動一致性高低，我們就可以預測什么學習有效，什么學習可能無效。長期以來，我們知道分散學習比集中學習好，但不知道原因。現在我們知道，分散學習比集中學習好的原因也跟神經活動的一致性有關。

同樣，在課堂上有的孩子主動學習，有的孩子學習很被動，學習效果也不一樣。很多研究表明，能動學習對于提高學習效果非常重要。在同一個課堂里，一個老師的腦要同時面對幾十個學生的腦，學生的腦跟老師的腦同步，則教學效果就比較好，反之則較差。

大家知道，學生學習不僅是學習知識、發(fā)展能力，也是人際互動。同學之間、師生間會遇到這樣那樣的問題，會出現矛盾和沖突，所以良好的情緒情感、良好的人際氛圍對學生學習的腦活動和學生腦發(fā)育也非常重要。比如學校給孩子創(chuàng)造愉快的體驗，即使孩子看到他人微笑，自己也會受到積極影響，因為有情緒共享的神經基礎。假設在一個學校，同學之間頻繁沖突，老師跟學生之間頻繁沖突，那么不僅影響當事人，還會影響所有人的腦發(fā)育和腦活動成效。

研究表明，獲得母親支持程度越高，兒童的海馬體積越大。生活中心理排斥、社會互動的排斥所引發(fā)的腦活動，就像真的在身體上被打了一拳一樣。所以心理的冷淡、冷暴力和行動上的暴力，本質上導致腦的傷害密切關聯。母愛被剝奪的經歷會導致兒童杏仁核發(fā)育提早，而杏仁核跟處理應激、焦慮有著密切關系，涉及學生的心理健康。一項25年的追蹤研究表明，貧困影響兒童腦發(fā)育，但良好的親子互動、較少的應激性生活事件則可起到一定保護性作用。課堂上師生、生生腦活動同步性越強，學生的課堂參與度就越好。

科學評測學生的腦智發(fā)育

由于腦科學研究不斷取得重要進展，我們現在可以開始科學探討怎么基于腦科學對認知功能的理解，來更加客觀、準確地測試評價學生的能力。如前所述，多種認知功能，比如記憶、執(zhí)行控制等都有不同的腦區(qū)與腦網絡，我們可以根據認知層面的測試了解孩子腦功能的發(fā)育狀況。又如注意障礙、計算障礙、語言學習障礙、情緒行為障礙都存在腦結構和功能的異常。因此我們還可以結合認知行為和腦發(fā)育指標，研究如何準確評價、預測腦智發(fā)育問題，并進一步精確分型，甚至建立神經調控的靶標，引導精準的干預。但這些方面仍處于研究起步階段，實際應用需要慎之又慎。特別值得指出的是，近期研究通過大量文獻的整合分析發(fā)現，現有神經調控的干預效果不明，因此嚴謹的科學態(tài)度極其重要。

對腦科學研究的建議

關于腦科學研究我提幾個建議。一是需要中國的高等學校、研究機構更多關注與學習、教育相關的科學問題的研究，尤其是兒童青少年學習、認知、情感、心理健康相關問題的研究。研究這些問題對于我們更好地理解兒童發(fā)展的規(guī)律、學習和教學的規(guī)律至關重要。二是建立基礎科學研究和教育應用實踐的聯盟。本次青島會議就是一個很好的跨界聯合嘗試。三是要面向重要的教育現實問題，關注實踐應用轉化。每位老師都在用自己的腦影響學生的腦，每個教室在一定意義上都是腦科學的實驗室。為此，每位老師都應成為具有豐富腦科學知識的專家，要先用腦科學的知識武裝自己的腦。最后，要真正促進兒童腦的健康發(fā)展，促進兒童心理的健康發(fā)展，光靠學校、光靠腦科學與教育聯盟是不夠的，還迫切地需要政府部門真正從政策上引導和重視，首先建立腦科學普及和嚴謹應用的示范區(qū)，然后逐步推廣，將腦科學研究的重要成果恰當地應用于每一所學校、每一間教室，惠及億萬兒童青少年，為我們中華民族偉大復興的中國夢的實現奠定人才基礎。

腦科學是一個科學研究的前沿領域，要真正解決學生學習和教育的問題，就迫切需要圍繞重要教育問題，需要科學研究與教育實踐主動、深入地結合。而教育本質上是人腦的保護和促進，因此也迫切需要與腦科學恰當、有效地結合。腦科學和教育雙向賦能才都能更好地發(fā)展。