教育生物學(xué)介紹

沈曉明，金星明，黃 紅，杜祖貽

教育生物學(xué)（bio-education），是從生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)、腦神經(jīng)科學(xué)的角度研究人類教育現(xiàn)象及其一般規(guī)律的學(xué)科，為生物科學(xué)與教育科學(xué)相融合形成的一門交叉學(xué)科。其研究對象是人，著重研究處于接受教育和生長發(fā)育階段的兒童和青少年個體及群體。借助生物醫(yī)學(xué)手段，如神經(jīng)心理測試、神經(jīng)生物學(xué)的動物實(shí)驗(yàn)、神經(jīng)生理學(xué)的檢查，以及神經(jīng)影像學(xué)的研究，包括腦計算機(jī)斷層掃描術(shù)（CT）、腦電圖（EEG）、腦磁共振（MRI）、功能性磁共振（fMRI）、正電子掃描（PET）等，研究人體和人腦的本體結(jié)構(gòu)及其發(fā)生發(fā)展以及人體和人腦的功能，包括學(xué)習(xí)、記憶、注意、認(rèn)知、情感、創(chuàng)造、社會性等大腦活動的奧秘，并將科學(xué)研究成果廣泛地應(yīng)用于人類的教育實(shí)踐。這些方法和技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用效果可以通過以生物醫(yī)學(xué)客觀指標(biāo)變化為依據(jù)的檢驗(yàn)來呈現(xiàn)，從而摒除既往評價標(biāo)準(zhǔn)的主觀性。

教育生物學(xué)的研究內(nèi)容有四個方面：① 教育的生物學(xué)基礎(chǔ)，包括人腦的結(jié)構(gòu)、人腦各部位的功能、人腦的發(fā)育過程及其影響因素，不同教育方式下人腦的生理生化過程、功能變化、神經(jīng)系統(tǒng)各部分的基因表達(dá)和分子遺傳學(xué)、人體各器官組織結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育及其影響因素等。② 將生物科學(xué)對人腦高級功能的最新研究成果轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新性的教育理念和方法，用于教育實(shí)踐，并接受生物醫(yī)學(xué)客觀科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)。③ 研究正常兒童個體學(xué)習(xí)、記憶、注意、認(rèn)知、思維、運(yùn)動控制、語言、情感、社會性、創(chuàng)造力等大腦高級功能及其發(fā)展變化的神經(jīng)機(jī)制，并與教育學(xué)相結(jié)合，從中發(fā)展最佳教育方法，讓每個兒童都得到適合其個體特點(diǎn)的教育。④ 研究異常兒童如學(xué)習(xí)障礙(包括閱讀、計算和書寫困難)、注意缺陷多動障礙、情緒障礙、智能低下、孤獨(dú)癥等的大腦結(jié)構(gòu)與功能的異常改變，探索對此類兒童的特殊教育途徑，最大限度地發(fā)展其能力，使其達(dá)到最好的生存狀態(tài)。

教育生物學(xué)的研究任務(wù)是從生物醫(yī)學(xué)角度研究人體和人腦的結(jié)構(gòu)和功能、發(fā)生和發(fā)展變化及其影響因素，從中探索教育和教學(xué)規(guī)律，尋求最佳的教育方法和手段，并促進(jìn)多學(xué)科合作，實(shí)現(xiàn)教育理念的更新及教育模式的轉(zhuǎn)變，建立人才高效培養(yǎng)機(jī)制。

教育生物學(xué)的特點(diǎn)在于將生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的研究方法導(dǎo)入人類的教育實(shí)踐，從本質(zhì)的角度觀察和闡釋人類的教育現(xiàn)象，建立符合人類生理本性的科學(xué)教育方法。與教育相關(guān)的腦科學(xué)領(lǐng)域擁有諸多研究手段，特別是PET、fMRI 和EEG 等對腦的結(jié)構(gòu)和腦神經(jīng)活動的研究方法。教育生物學(xué)的研究方法主要有六種：① 形態(tài)學(xué)，主要通過顯微鏡或熒光標(biāo)記等方法觀察腦組織及其他神經(jīng)組織的大小、結(jié)構(gòu)及形態(tài)等。② 生理學(xué)方法，具體包括神經(jīng)遞質(zhì)釋放量的測定、神經(jīng)遞質(zhì)的功能測定和行為學(xué)方法。③ 電生理學(xué)，具體包括細(xì)胞外記錄，用以獲取神經(jīng)元細(xì)胞是否處于激發(fā)狀態(tài)以及激發(fā)的強(qiáng)度等信息；細(xì)胞內(nèi)記錄，研究神經(jīng)元的基本生物物理特征，腦內(nèi)電刺激，刺激核團(tuán)、腦區(qū)，進(jìn)行中樞功能定位研究；順行沖動記錄法，電刺激某一突觸前的細(xì)胞體、樹突或軸突，在突觸后神經(jīng)細(xì)胞體上記錄此刺激的電活動變化；逆行沖動記錄法，電刺激神經(jīng)元的軸突主干或末梢，在同一神經(jīng)元細(xì)胞體上記錄反相傳導(dǎo)的動作電位；電壓鉗，通過插入細(xì)胞內(nèi)的一根微電極向細(xì)胞內(nèi)充電流，補(bǔ)充的電流量正好等于跨膜流出的反相離子流，這樣即使膜通透性發(fā)生改變時，也能使膜電位數(shù)值不變，因此可以測定細(xì)胞興奮時的離子電流；斑片鉗；腦電波。④ 生物化學(xué)和分子生物學(xué)方法，在基因和分子層面上，通過基因模型或用離心、高壓液相層析、放射免疫等方法研究與學(xué)習(xí)有關(guān)神經(jīng)細(xì)胞和遞質(zhì)的活動情況。這對了解疾病的根源或是尋找基因治療的靶目標(biāo)有重大意義。⑤ 腦成像（brain imaging），具體包括顱骨X 線成像、同位素腦掃描、腦超聲波、腦血管造影術(shù)、CT、MRI、fMRI 和PET。⑥ 教育實(shí)驗(yàn)法，構(gòu)成教育實(shí)驗(yàn)的最基本要素包括實(shí)驗(yàn)假設(shè)、自變量的操作、因變量測定及無關(guān)變量控制。

第二次世界大戰(zhàn)后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展呈高度分化和高度整體化趨勢。生物醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展使人們對自身的發(fā)展過程有了全新認(rèn)識，20 世紀(jì)后期現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)和腦電生理學(xué)的進(jìn)一步應(yīng)用，為深入了解人腦的功能創(chuàng)造條件，對腦結(jié)構(gòu)和腦神經(jīng)活動的研究取得新進(jìn)展，腦科學(xué)得以產(chǎn)生和發(fā)展。腦科學(xué)研究涉及神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、解剖學(xué)、組織學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、藥理學(xué)、免疫學(xué)、病理學(xué)、神經(jīng)病學(xué)、精神病學(xué)、影像學(xué)、控制學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等多門學(xué)科。20 世紀(jì)90 年代中期之后的兒童發(fā)展與教育研究均不同程度地關(guān)注腦科學(xué)。生物科學(xué)、腦科學(xué)的研究進(jìn)展對傳統(tǒng)教育領(lǐng)域提出巨大挑戰(zhàn)，教育的科學(xué)化迫切需要教育學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的聯(lián)合，即以生物醫(yī)學(xué)為研究手段，以教育實(shí)踐為研究目的和結(jié)果，在生物和教育兩大領(lǐng)域證實(shí)科學(xué)化教育的成果，從而奠定人類教育的生物和生理學(xué)基礎(chǔ)。在這一背景下，教育生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

促進(jìn)教育研究與實(shí)踐的腦科學(xué)有以下五個概念：① 大腦神經(jīng)突觸生長呈∩型的模型假說。腦科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，早期大腦神經(jīng)突觸聯(lián)系的形成最迅速。人在出生后的20 年里，神經(jīng)突觸密度的變化呈∩型，幼年期隨年齡增長而增加，童年期達(dá)到高峰，成年后又開始降低。突觸生長高峰期的童年是學(xué)習(xí)收獲最多和智力發(fā)展最充分的時期。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)為開展早期教育提供了科學(xué)依據(jù)，值得進(jìn)一步探討。② 大腦發(fā)育的關(guān)鍵期假說。“大腦發(fā)展的關(guān)鍵期”概念由英國學(xué)者休伯爾等人在20 世紀(jì)60 年代提出，并由此出現(xiàn)視覺功能發(fā)展的關(guān)鍵期概念。20 世紀(jì)后半葉，腦科學(xué)家對關(guān)鍵期進(jìn)行大量研究并得出結(jié)論：腦的不同功能的發(fā)展有不同的關(guān)鍵期，某些能力在大腦發(fā)展的某一時期最易獲得，如人的視覺功能發(fā)展的關(guān)鍵期大約在幼年期，音韻學(xué)習(xí)的關(guān)鍵期在幼年(約8 歲前)，語法學(xué)習(xí)的關(guān)鍵期約在16 歲以前?？傮w上，識字、閱讀的關(guān)鍵期在8 歲前，最佳期在12 歲前，良好期在16 歲前，這個時期左右腦同時參與語言認(rèn)知，而16 歲以后的語言認(rèn)知主要是左腦。③ 大腦的變化、學(xué)習(xí)和記憶及腦內(nèi)神經(jīng)元的聯(lián)結(jié)程度取決于環(huán)境對大腦的刺激。④ 腦的高級功能和生理基礎(chǔ)部分是后天形成的，心智結(jié)構(gòu)是多元化的。美國哈佛大學(xué)心理學(xué)教授加德納通過數(shù)年對大腦和大腦對教育的影響的研究，提出多元智能理論，拓寬對智力的認(rèn)識，向傳統(tǒng)的智商測試提出挑戰(zhàn)，并為教學(xué)策略研究提供了腦科學(xué)依據(jù)。⑤ 突出杏仁核在情緒反應(yīng)乃至大腦整體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，并強(qiáng)調(diào)大腦神經(jīng)系統(tǒng)與行為系統(tǒng)的整合機(jī)能，進(jìn)而提出“情感智力”概念。腦科學(xué)越來越多的研究表明，情感在人類學(xué)習(xí)中的作用不可低估，情感與認(rèn)知是兩個并行的過程，以特殊的方式聯(lián)系在一起，對機(jī)體具有不同的意義和價值，是腦神經(jīng)功能的體現(xiàn)。哈佛大學(xué)行為與腦科學(xué)專家戈?duì)柭摹肚楦兄橇Α泛汀肚榫w腦》，對經(jīng)典的智力概念提出挑戰(zhàn)。2000—2004年，香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院杜祖貽主持“腦神經(jīng)認(rèn)知科學(xué)與教學(xué)過程”研究，獲得可直接應(yīng)用于教育實(shí)踐的研究資料，推動了教育生物學(xué)在中國的發(fā)展。