教育神經科學的發(fā)展與應用
——腦機接口

（天津體育學院 天津 300000）

當前互聯(lián)網教育快速發(fā)展，人工智能逐漸為教育賦能。人工智能教育已經成為新時期教育信息化促進教育現(xiàn)代化的重要抓手，為深入貫徹《中國教育現(xiàn)代化2035》，人工智能在教育上出現(xiàn)以仿生為基礎的類腦智能，典型應為腦機接口。

腦機接口是腦科學的研究成果之一，腦科學的研究不斷應用于教育領域，從神經科學的角度研究學習科學，衍生出教育學與認知神經科學的交叉學科，教育神經科學。教育神經科學嘗試通過整合認知神經科學、心理學和教育科學等領域，來探索有關學習認知的腦機制，并依據研究成果設計出更加有效的教與學，以指導與改善教育政策的制定。腦機接口技術逐漸成熟，也為教育大數據、人工智能教育應用提供數據來源，對對智慧／智能學習環(huán)境、智慧／智能課堂的構建，以及學習者的學習行為分析和自適應學習均產生了重要影響。

1.教育神經科學的概念及其發(fā)展

在《心智、腦與教育》一書中提到，教學實質是一門藝術形式，它需要整合有關腦與心理的知識。心理學、神經科學和教育學三門學科綜合起教育神經科學。1978年，Chall和Mirsky首次提出“教育神經學”的概念，并預測該學科會將教育學和神經科學整合在一起共同促進教育學的發(fā)展。2003年梵蒂岡的“心理、腦與教育”的研討會，標志著教育神經科學的誕生，這是一門實證科學，2007年有了第一本專業(yè)期刊《Joural of mind brain and education》很多專業(yè)研究機構的建立加快了研究的前進步伐。

對于教育神經科學，目前尚無統(tǒng)一的定義。我國學者周加仙從研究內容上概括，認為教育神經科學是將神經科學、心理學、醫(yī)學和教育學等都學科整合起來，以人類的教育現(xiàn)象為研究對象，是揭示一般規(guī)律、橫跨文理的交叉學科；Varma等人從研究方法角度進行嚴格界定，教育神經學是利用神經科學方法與行為研究方法解決教學與學習問題的一門學科。Szcs和Goswami認為教育神經學是研究心智表征發(fā)展的學科；而Fischer等認為這是一門從基因和大腦方面分析教和學過程的學科。由此可見，教育神經科學是以教育現(xiàn)象的神經機制為研究對象，從而揭示心、腦、教育三者之間的相互關系的一門學科。

2.腦機接口應用發(fā)展

教育神經學借鑒了認知神經科學中一些無損傷的神經影像技術，如腦電圖（EEG）、事件相關電位（ERP）、磁共振成像（MRI）、功能性磁共振成像（fMRI）、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和經顱磁刺激（TMS）等，這些研究技術僅僅能完成顯示觀察活動的過程，而腦機接口的應用，則是根據所接受到大腦信息的改變，促使機體某種改變。腦機接口是一種交互設備，不依賴于正常的外周神經和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)，它能夠直接為大腦提供一種新的信息交換和控制通路，創(chuàng)造性地幫助大腦和外界環(huán)境或體外設備進行直接交互。腦機接口工作的核心是找合適的信號處理和轉換算法進行腦電信號的轉變。一般的腦機接口系統(tǒng)由信號采集、信號處理和交互控制模塊三部分組成，利用該系統(tǒng)人類就可以直接實現(xiàn)大腦與外界的交互反饋。

3.學科展望

當下人工智能等新型人機交互技術日趨成熟，結合腦機接口技術與人工智能等技術實現(xiàn)對學生學習過程進行分析與干預，對學習結果進行反饋與策略調整，對學習狀態(tài)進行精準分析與調節(jié)。

作為新型人機交互技術的腦機接口技術能夠為學習通用設計提供三方面的支持：（1）針對學習通用設計原則之一，每位學習者都有自己的表征方式并在已有經驗的基礎上構建表征，而且每位學習者對信息識別也都有各自的偏好，利用腦機接口技術檢測不同學習材料的呈現(xiàn)方式下學習者的學習狀態(tài)，方便為不同學習者提供合適的學習材料呈現(xiàn)方式；（2）針對學習通用設計原則之二，不同學習者在面對問題時的處理方式、理解和表達都存在差異，通過腦機接口技術監(jiān)測學習者認知過程的神經機制，了解學習者的認知發(fā)展規(guī)律，以便為學習者提供靈活多樣的學習方式，為教學設計的改進提供幫助；（3）動機是學習持續(xù)的重要影響因素，動力充足的學習者在學習過程中能自如調控情緒并在面對學習任務時保持充分的彈性。學習通用設計的原則之三就是關注學習者情感層面的變化，為學習者提供多種參與方式，使學習者能以各自偏好的方式沉浸其中，讓他們充分調動自身積極性并保持努力，而利用腦機接口技術測量學習者情感狀態(tài)，能夠為教師靈活設計多樣化的學習活動參與方式、提高學習者的學習積極性和參與度提供便利條件。

腦機接口與人工智能等技術的結合增強了TRACE3智慧學習環(huán)境的功能，使智慧學習環(huán)境的過程記錄功能不僅僅是基于動作捕捉、眼動追蹤等技術的學習者外部行為記錄，而是基于大腦內部機制監(jiān)測的注意力、動機等認知層面數據信息的實時追蹤和過程記錄，這也為學習與教學評價、學習者建模分析提供了數據來源。

總結

腦科學及其研究成果的教育神經科學為教育研究與實踐提供了理論和實證基礎，腦機接口技術的教育教學應用就是最好的證明，其應用仍然是醫(yī)學領域較為成熟的應用遷移，盡管腦機接口的教育教學應用還處于初步應用和探索期，但隨著腦機接口技術的不斷發(fā)展和教育實踐的不斷探索，其必然會對未來的教育理論和實踐產生重要的影響，后續(xù)需要更多研究者持續(xù)關注和進一步探索。