從腦科學視角談學習和教學

教育、教學的本質(zhì)是什么呢？不是簡單的傳授知識、傳承技能，而是“授人以漁”，就是教給學生學習和思考的能力?！八枷搿钡男∽瓕懽鳌啊保八肌弊稚厦孢@個字是“囟”是嬰兒顱骨合縫的地方，指代腦；“思”字下面是一個“心”字。所以“思”就是建立腦跟心之間的聯(lián)系，“如絲之相貫不絕”。“想”字上面是“相”，相就是用眼睛觀察一棵樹的生長，想就是用心去了解這個觀察的過程。從某種層面來講，“思想”指的是用心感受客體世界，用腦思考，使心和腦得以貫通?？梢娔X科學的研究對于我們了解思考的本質(zhì)是非常重要的。

新生兒的大腦在剛出生時大概只有300g。如果把大腦看作一張行政區(qū)劃圖的話，腦白質(zhì)的連接就像一張相應的交通路線圖，告訴我們大腦中不同區(qū)域間的神經(jīng)元是如何聯(lián)系的。嬰幼兒到3歲時，其大腦的重量基本能達到1.1公斤左右；6歲入小學時，大腦容量就已經(jīng)達到成人腦容量的95%左右。如下圖所示，彩色標注的就是白質(zhì)纖維束，白質(zhì)纖維合并在一起，負責相連接區(qū)域的協(xié)同信號傳遞。白質(zhì)的“白”色是來自髓鞘，髓鞘的形成使得神經(jīng)元有效和快速地傳遞信號，所以髓鞘化對于大腦的正常運作是一個非常重要的過程。

嬰兒剛出生時，腦內(nèi)的髓鞘沒有完全形成，很多認知能力也尚未發(fā)育。隨著兒童和青少年期的成長，額葉或者前額葉的白質(zhì)纖維束會不斷發(fā)育，直到9-12歲左右。前額葉是大腦的“司令官”，很多重要的認知能力，包括執(zhí)行控制、語言、注意等，都和前額葉有關，或者跟包括前額葉在內(nèi)的腦網(wǎng)絡有關。最近的腦科學研究發(fā)現(xiàn)，哪怕人到了中老年，在進行有效的新能力學習過程中，腦內(nèi)的髓鞘還是可以變化生長的。我們知道，學習能力是基于認知能力，認知能力則是基于腦的生物基礎，所以腦是學習的根本載體。白質(zhì)纖維束的形成，就是讓大腦不同區(qū)域形成更有效的聯(lián)系。因此，我們將更多地從動態(tài)腦網(wǎng)絡的視角去解讀大腦是如何協(xié)同工作的。

目前研究大腦活動的方法主要有兩類：一類是腦電、腦磁，另一類是功能性磁共振、功能性近紅外成像。前者是觀測神經(jīng)元的電活動本身，后者通過大腦活動時特定腦區(qū)的代謝來觀測磁場下局部信號的改變。腦電就是在第一類路徑下一個非常簡單的方法，觀測每個電極周圍的某一組神經(jīng)元活動，可以達到毫秒級的精度。功能性磁共振成像則是觀測人腦在進行特定活動時不同腦區(qū)的耗氧情況。腦神經(jīng)活動時某一特定區(qū)域耗氧，會改變這個區(qū)域毛細血管中氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的比例，從而使得我們可以觀測到與特定腦活動有關的信號。

就腦電領域的研究實踐來說，在2017年，David Poeppel團隊（Dikker et al., 2017）關于課堂教學中師生腦際活動同步性的研究，獲得了美國國家科學基金會的科研大獎（NSF INSPIRE Track 1 Award）。該團隊在三個月中跟蹤一個學校的課程，讓師生都戴上腦電帽，一周一次，共臨堂檢測11次，下圖是師生的腦神經(jīng)信號在不同頻段的情況。

通過一學期的跟蹤，研究發(fā)現(xiàn)，學生對這些課程的喜愛程度、對課程教學法的課后評分，都與師生之間大腦活動同步性有密切關系。這類非傳統(tǒng)的腦科學研究是近年新興的研究手段。以往，不管是腦電還是磁共振，更多是基于單個個體的活動，而這項研究是考察不同個體之間的活動同步性。在這一過程中，對于一個具體的腦活動，不再去細究是哪個腦區(qū)在集中活動，也不是基于實驗室設計，而是從整個腦網(wǎng)絡的視角來研究課堂教學背后的神經(jīng)機制。這項研究中一個最有意義之處在于，它提出講者和聽者之間的同步性源自“共享的注意”，可見注意力在課堂教學中是相當重要的因素，始終提醒教師反思“在教學中最應該注意什么”。注意涉及不同層面，比如從觀察其它個體的活動、對自身行為的控制，再到集中精力跟隨、模仿他人進行學習而不走神等等，乃至延伸到與之關系密切的記憶力訓練。研究也顯示，教學的基本能力是可以通過訓練得到提升的。

此外，腦的一些其它高級認知能力對于學習和教學也是極其重要的。這些認知能力包括擬定計劃并執(zhí)行的能力、持續(xù)注意能力、多項同時注意的能力、抑制控制能力、快速處理數(shù)據(jù)的能力，乃至具備認知靈活性和基本分類的能力等等，以上種種共同構(gòu)成了人腦的執(zhí)行能力。與此有關的最著名的實驗莫過于1970年米歇爾教授做的棉花糖實驗，通常被簡單稱為“延遲滿足實驗”。在實驗中，能夠忍住對眼前糖果的欲望，從而在考驗時間段后獲得更多棉花糖的孩子，以后在職業(yè)發(fā)展、控制力、社會適應等方面都做得更好，這也直接導致了不管學校還是早期教育機構(gòu)都會訓練孩子的延遲滿足能力。然而，實驗真正揭示的內(nèi)涵遠非如此簡單。

四十年后，研究者再次跟蹤當年參與實驗的人群，會發(fā)現(xiàn)他們的大腦額葉中與執(zhí)行功能相關的腦區(qū)存在著非常清晰的正相關，在棉花糖效應實驗中做得更好的個體能做出更好的跨期決策。與此同時，另一個同樣關于棉花糖效應的后續(xù)研究也很有意義：研究人員在原來的實驗方法基礎上添加一個預實驗：其中一組主試先告訴孩子“這個蠟筆很難看，老師去拿另外一個好不好”，然后回來說“蠟筆沒有了，給你一些粘紙吧”，接著又回來說“粘紙也沒有了，給你別的東西吧”，而另一組主試則如約帶給孩子蠟筆和粘紙。接下來進行原來的棉花糖實驗。這兩組被試的實驗結(jié)果中數(shù)據(jù)差別非常顯著——在研究人員沒有對被試者（孩子）信守承諾的條件下參與后續(xù)棉花糖實驗而做到延遲滿足的被試者人數(shù)，只有只進行了棉花糖實驗組人數(shù)的25%。

這個進階版的棉花糖實驗結(jié)果給了我們什么啟示？第一，信任是非常重要的條件。學校是社會的小縮影，推而論之，一個班級、一個學校，只有在讓孩子信任時才能夠提供好的教育。第二，所謂延遲滿足，指的是自主性的延遲滿足，就是“我知道放棄這個以后在更晚的階段獲得更好的獎賞”，這是人的自主決定。早先為公眾熟知的棉花糖實驗，被誤讀之處在于以上兩點。而對教育者來說重要的啟示是，與學生建立互信關系是至關重要的，并且要讓學生更多地進行自主決策。

大腦的活動可以被認為是非常復雜的動態(tài)網(wǎng)絡，近幾年新的研究技術手段使得我們可以從毫米或毫秒級別上來研究腦的動態(tài)，就像把整個大腦呈現(xiàn)為3D動態(tài)圖，用視覺圖像表達和分析它，從而研究在局部和全腦，腦活動是如何組織的，有哪些區(qū)域（節(jié)點）是非常重要的，遠程連接又有怎樣的意義等等。例如我們現(xiàn)在了解到執(zhí)行控制就和一個關鍵的子網(wǎng)絡“額-頂葉網(wǎng)絡”有重要的關系，而這個子網(wǎng)絡正是整個腦組織中最為關鍵的一個功能子網(wǎng)絡。

此外，腦科學的研究也通過雙胞胎實驗、視覺剝奪實驗等研究發(fā)現(xiàn)，人類個體的早期經(jīng)驗會極大地調(diào)制腦網(wǎng)絡的一些先天因素。從基本的DNA遺傳到表觀遺傳，再到后天環(huán)境作用，教育本身可被視為能夠改變腦網(wǎng)絡的后天環(huán)境，從而對大腦進行進一步的塑造。也有研究提出，教育是不是有可能改變表觀遺傳？比如父母早期是處于饑餓狀態(tài)或是噪聲污染狀態(tài)，這些是否會通過表觀遺傳改變孩子的認知能力。不管是在腦科學界還是教育界，這都有待于進一步深入的研究。因此，腦科學界有必要和教育界有更密切的合作，這個過程既涉及對重要的腦科學基本概念和理論的科普，也涉及進一步研究基本認知能力在兒童青少年早期的動態(tài)發(fā)展，了解哪些遺傳因素、環(huán)境因素會改變它們，以及了解每個個體在不同方面的發(fā)展水平等。只有這樣，我們才能最終真正做到因人而異、因材施教。