教育神經科學研究：內涵、圖景與發(fā)展進路

王楊春曉 盧春明 鄭永和

摘要：教育神經科學是面向教育場景，旨在揭示教育現象背后認知神經機理的新興研究方向，是聯結腦、心智與教育的重要橋梁。然而，目前教育神經科學研究存在選題定位不準確、目標情境相對狹隘、關鍵科學問題凝練不足等問題，嚴重制約著該方向的發(fā)展。該文首先介紹了教育神經科學形成和發(fā)展的動因，從回歸大腦是解析教育現象的必然選擇、多源與多層級數據互證是教育研究的迫切訴求、高生態(tài)效度腦影像技術的發(fā)展助推多科學融合這三方面論述了教育神經科學研究的必然與應然。在此基礎上，該文梳理了教育神經科學研究的內涵，并提出了教育神經科學研究需要重點關注的五大研究主題，包括：（1）課堂教學過程的認知神經機理及其評估；（2）學科教學情境中學生學習的認知神經機理研究；（3）學生高階思維能力研究；（4）智能教學環(huán)境中的學習認知機理研究；（5）教育教學影響因素的作用機理研究。最后，該文提出了“促合作”“重轉化”“遵規(guī)范”“建機制”四大發(fā)展進路，以期為我國教育神經科學研究提供參考與借鑒。

關鍵詞：教育神經科學研究；發(fā)展動因；研究內涵；研究圖景；發(fā)展進路

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

* 本文系2022年國家自然科學基金重大項目“人工智能賦能教與學的理論與關鍵技術研究”子課題項目“智能教學環(huán)境下的學習認知機理”（項目編號：62293551）階段性研究成果。

教育神經科學（Educational Neuroscience）是教育科學研究的一個新興研究方向，旨在通過整合教育學、心理學、認知科學、神經科學和信息科學等學科領域，融合自然科學研究范式，聚焦教育教學現象背后的認知神經機理，探索教育的基礎科學規(guī)律，以促進教育科學研究走向循證的道路。通過教育神經科學的研究，人們期望能夠從認知神經機理的角度解釋教與學的認知行為模式，驗證學習理論，加強教育研究的科學性和可解釋度；對教學過程與教學效果進行神經—心理—行為評估，驗證外在表現與內在表征的一致性，提高評估結果的可靠性和有效性；對教育現象和教育問題進行啟發(fā)，對教育模式變革提供建議，以期提升教學質量，優(yōu)化教育服務，實現教育質的飛躍。因此，為從根本上對教育科學研究革故鼎新，必須重視和加強教育神經科學研究。

雖然教育神經科學研究是一個新型領域，但是一些科技發(fā)達國家已先后將其納入教育發(fā)展的重大戰(zhàn)略和規(guī)劃。如美國分別在1997年和2001年召開了“兒童早期發(fā)展與學習：腦科學對早期兒童教育的啟示”和“早期兒童認知發(fā)展”高峰會議，對教育神經科學研究在該國的發(fā)展起到了重要引導作用；2005年，美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）投入9億美元，用以支持由神經科學、心理學、計算科學和教育學交叉融合的跨學科研究團隊，并建立了若干學習科學研究中心，以此大力推動教育神經科學研究的高質量發(fā)展。2019年10月，我國教育部印發(fā)《關于加強新時代教育科學研究工作的意見》，該文件明確提出要充分運用認知科學、腦科學、生命科學等領域最新成果和研究方法，創(chuàng)新教育科學研究的科研范式和方法，不斷拓展科研廣度與深度。為從國家戰(zhàn)略層面進一步推進教育科學與技術的研究和應用，解決教育技術研究缺乏基礎認知理論的難題，我國國家自然科學基金委員會于2018年增設“教育信息科學與技術”（F0701）資助代碼，明確了教育神經科學在教育科學體系中重要的基礎理論地位，也為教育神經科學研究提供了有效資助途徑和長期發(fā)展動力。

然而，根據對F0701項目申請和資助情況的分析可以發(fā)現，教育神經科學研究項目仍然存在申請數量不高、選題定位不準確、目標情境相對狹隘、關鍵科學問題凝練不足等問題，嚴重制約著教育神經科學研究的發(fā)展。因此，亟需梳理教育神經科學形成和發(fā)展的動因，明確該研究方向在教育研究中的必要性和重要性；在此基礎上，明晰教育神經科學的內涵與外延，精準定位智能時代教育神經科學研究的關鍵主題和重要方向；最后，進一步提出教育神經科學未來的發(fā)展進路，以期促進教育神經科學研究的健康穩(wěn)步前進。

一、發(fā)展動因

（一）回歸大腦是解析教育現象的必然選擇

隨著教育心理學的誕生，研究者們逐漸認識到，學習的外顯行為與內隱認知過程和大腦功能活動之間密切相關，教育科學規(guī)律的探索需要追溯學習背后的內在認知過程和大腦神經基礎。與此相呼應，認知神經科學在20世紀70年代誕生，致力于探究有形的大腦如何產生無形的心智思維[1]?；谡J知神經科學的大量研究發(fā)現，即便大腦發(fā)育成熟后，學習經驗仍然可以改變大腦結構，大腦可塑是學習的生理基礎[2]。來自腦損傷的研究為學習塑造大腦的觀點提供了進一步的證據。具體而言，以往的研究者認為，大腦功能區(qū)損傷將導致對應行為能力的消失，例如布洛卡區(qū)損傷會導致語義表達困難，同時難以理解語法復雜的句子；威爾尼克區(qū)損傷將不能分辨語音和理解語義[3]。但是有研究報告了兩個因癲癇手術切除了一側大腦的孩子，他們均因有良好的學習環(huán)境支持，通過其他神經回路的代償作用而發(fā)展出了原本可能丟失的視覺和語言能力[4][5]。與健康兒童相比，大腦半球切除的兒童會以截然不同的方式習得知識和技能，而這種差異與他們各自保留的大腦半球功能特征相吻合[6][7]。這兩位半腦兒童的表現為教育帶來了重大啟示，即學習的通道不止一種。之后，許多認知神經科學研究著重解析學習與大腦之間的關系，例如數學、二語學習對應的腦功能和神經環(huán)路等[8][9]，說明學習伴隨著外顯學習行為、內在認知過程以及神經生理基礎的改變?？梢?，通過多維度解析教與學的過程，特別是探究外顯行為背后的內在認知過程及其神經生物學基礎，理解教育教學的認知神經科學機理，才能科學合理地規(guī)劃教學內容、設計教學環(huán)境，有效促進教育目標的實現。因此，若要探尋教育的根本問題，必須回歸大腦，開展教育神經科學研究。

然而，我們需要明確，雖然認知神經科學研究也會探索與教育教學相關的認知神經機理，但是教育與認知神經科學所關注的焦點存在本質差異：認知神經科學關注認知行為與人腦的關系，聚焦行為背后的內在認知機理及其神經生理基礎；而教育神經科學更關注認知行為規(guī)律，旨在通過聚合來自行為、認知和神經生理的多源證據，充分理解教與學的過程，例如教學主體與教學環(huán)境之間的相互作用和教育提質策略生成，其最終目標是促進人才培養(yǎng)。因此，認知神經科學的研究成果無法直接服務于教育教學實踐，教育研究需要發(fā)展自身的科學邏輯和方法論。

（二）多源與多層級數據互證是教育研究的迫切訴求

從古至今，教育研究者致力于利用各類數據描述和解釋教育教學這一復雜系統的作用機制，包括對教育現象的觀察數據，對觀察者的訪談數據，以及智能技術支持下教學相關的音頻、視頻、文本、圖像等多模態(tài)數據。然而，這些數據都無法避免由人主動或被動表露的“主觀性”，且大部分來自于對外顯行為層的描述，在解釋教育問題、剖析教育現象方面存在局限；同時，大樣本、細粒度的數據增長也會伴隨著數據價值密度降低，不足以完全支撐教與學的深度解構。教育研究需要更加多維、動態(tài)且能夠代表內隱認知層的信息來驗證行為分析的精準性和合理性。

隨著認知行為測量技術和輕量級神經生理測量技術的發(fā)展，眼動、皮膚電阻、心率、腦信號等認知行為和生理數據為教育研究帶來數據福利。例如，眼動數據中的注視時長可以用來反映學生的興趣點或難點等[10]，皮膚電阻可以用來反映學習過程的情緒喚醒程度或情緒效價屬性（如高興還是悲傷等）[11]，心率可以反映復雜學習任務中認知負荷狀態(tài)等[12]，大腦電信號或血氧信號直接或間接反映教學主體在教學過程中獨特的單腦活動模式和群腦活動規(guī)律等。然而，以上認知和生理測量結果僅代表機體對環(huán)境的反應，這些反應可能來自多個不同心理過程的疊加混淆，或者根本不是由認知過程引發(fā)。

由此可知，單一指標的測量結果難以有效解析教與學中復雜交疊的認知過程，重視多源數據和多層級數據整合是提高教育研究結果可信度和有效性的必要途徑。我們所探尋的教育規(guī)律，大部分還未經過充分的證實或證明。以往，這種“充分”需要通過觀察、問卷調查以及訪談的三角互證來避免單一數據帶來的局限性，而智能時代的教育科學研究對這種“充分”提出了更高要求，即在融合不同研究范式的基礎上，以探索基礎教與學規(guī)律為核心，利用智能技術支持教育情境中多模態(tài)認知行為數據的挖掘，并與神經影像數據分析相互融合，形成教育科學研究的完整證據鏈條，而行為層、心理層和神經層數據都是這些鏈條上的一個環(huán)節(jié)，如圖1所示。綜上，只有將不以人的意志為轉移的客觀生理數據來輔證教學現象解釋，以及用外顯觀測數據來區(qū)分和識別教學過程中可能存在的認知加工過程，配合理論建構的方向指引，才能串聯教學主體的生理、心理和行為，對教育現象進行科學合理解釋，精準還原教育教學生態(tài)全貌。而這也正是教育神經科學誕生的另一大成因。

（三）高生態(tài)效度腦影像技術的發(fā)展是助推教育科學和認知神經科學深度融合的必要條件

早期的大腦功能研究主要通過觀測動物或腦損傷病人進行外科手術后的行為變化來開展，而無創(chuàng)腦功能成像技術的出現極大促進了面向正常人群的認知神經科學研究，因此也被用于教育神經科學研究。此類成像技術從生理機制上主要包括兩大類：一類是記錄神經細胞放電以及因電流而產生的磁場強度變化，以腦電圖（Electroencephalogram，EEG）和腦磁圖（MEG）為代表性技術；另一類是追蹤和記錄大腦血流和血氧濃度變化，其中功能性磁共振成像技術（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）因其具有高空間分辨率，是目前為止運用最為廣泛的腦影像技術之一，其測量結果常被用作其他新技術進行可靠性和有效性驗證的“金標準”。然而，由于已有技術并非專為教育場景服務，因而往往無法用于教育場景下的大腦機理研究。

進入21世紀后，隨著認知神經科學技術日新月異，以系統輕便、操作簡單、抗干擾能力強為主要特點的便攜式腦影像技術迅速發(fā)展，促進了自然情境中的認知神經機理探索，使得真實課堂（線上、線下）中的師生腦活動測量成為可能。其中，較為典型的技術為功能性近紅外光譜成像技術（Functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS），其便攜性、高魯棒性、較好的時間采樣率與空間解剖定位能力等，使其尤其適用于教育科學研究對高生態(tài)效度和高科學性的需求。在生理機制方面，fNIRS與fMRI類似，也是通過測量大腦血流和血氧濃度變化來間接反映神經細胞的電活動和代謝活動。但是，與fMRI不同，fNIRS通過近紅外光與人體組織之間的相互作用，將光強變化轉化為血氧濃度變化，因而更加安全無創(chuàng)，無需電磁屏蔽，對身體動作無限制，尤其適合自然情景，可用于全天候、全人群、全場景的大腦功能研究。因此，fNIRS允許研究者對教育情境中的自然刺激和常規(guī)教學模式進行探索，例如可測量課堂教學中的師生大腦活動，人機協同時的學生大腦活動等，滿足了教育研究對自然實驗范式的需求。然而，fNIRS技術也存在局限性：相較EEG毫秒級的時間分辨率，fNIRS的秒級分辨率不足以顯示腦活動的即時性；fNIRS對大腦的探測深度有限，無法捕捉大腦深部核團的活動?？梢?，不同腦影像技術具有各自的優(yōu)勢與不足（如表1所示）。即便如此，高生態(tài)效度的腦影像技術出現是近年來促進教育神經科學研究快速發(fā)展的關鍵。

然而，由于教育神經科學的新生特性，尚沒有建立起成熟的方法論體系。目前，大量的教育神經科學研究實際上仍然是“披著教育神經科學外衣”的認知神經科學或心理學研究，在研究問題、研究范式、驗證場景等方面與真正的教育教學尚有距離。因此，如何將腦功能的研究證據納入課堂教學仍然是教育神經科學研究者面臨的巨大挑戰(zhàn)[13]。我們亟需一個研究圖景作為溝通教育研究者、認知神經科學研究者的橋梁，幫助前者精準捕捉基礎教育規(guī)律研究所需的認知-神經線索與相關研究方法，幫助后者快速聚焦真實的教育問題與研究需求，形成多研究領域共同奔赴的良好學術樣態(tài)。而在此之前，需要明確教育神經科學研究的內涵，為更加合理地規(guī)劃研究圖景奠定基礎。

二、教育神經科學研究的內涵

學習是眾多領域和學科共同關注的對象。關于學習本質及學習認知神經機理的相關研究，在認知心理學、認知神經科學和教育神經科學中具有部分重疊，如學習與記憶、語言中的二語習得、閱讀加工等方向，這是教育神經科學研究中選題定位不準確的主要原因。我們需要在認知心理學和認知神經科學研究的影響下發(fā)展教育神經科學，同時也必須在學理上將其加以區(qū)分。

首先，教育神經科學關注的核心是教育現象和教育規(guī)律，而不是認知過程本身。第一，雖然認知神經科學已經對注意、工作記憶、元認知、情緒、語言等認知過程開展了深入的腦機理探索，但是這些探索與教育神經科學的關注焦點有所區(qū)別。例如，認知神經科學研究通常關注工作記憶的成分和時間進程與學業(yè)成績之間的關系[14]，而教育神經科學則關注課堂情境下學生如何通過工作記憶等認知過程實現知識獲取和能力形成，以及在這一過程中發(fā)揮作用的認知和非認知影響因素，包括興趣、動機、情緒情感等。第二，教育神經科學更加關注學習主體的個性化規(guī)律，如不同學業(yè)成績分布的學生在工作記憶方面有何差異，單人和多人的認知學習過程存在何種特異性神經機理，學習焦慮何以產生、學與測結合的教學設計為何會更好等。此外，教育不僅關注全學段、多學科中學生的學，還重視教師的教以及教與學的互動，這些均要納入教育神經科學研究的范疇。第三，教育神經科學研究還需要考慮研究結果對教育教學實踐層面的參考性與價值，要能夠針對現象和問題提供教學策略調整和教學方法改進的科學建議。

其次，教育神經科學需基于教育教學的特定情境開展研究。情境與學習接收到的刺激屬性相關聯，否則其研究結論不一定能對教育教學實踐帶來實際參考價值。例如德國心理學家赫爾曼·艾賓浩斯（Hermann Ebbinghaus）研究的記憶遺忘曲線，是基于個體對于有意義材料和無意義材料的記憶量變化而得出的理論[15]，而在一般教學情境中更常發(fā)生的社會性記憶，說者對聽者的記憶會產生影響[16][17]，因此真實教學情境下的學習規(guī)律還有待在不同教學情境中作進一步探討。

最后，教育神經科學研究應以多元復合的生態(tài)學視角解析教與學的內隱機理。教育神經科學的研究屬于教育領域的基礎研究，雖然關注底層規(guī)律和內隱認知機理的探討，但人的學習過程和教育教學結果的歸因具有復雜性，是自然環(huán)境、社會環(huán)境以及教育要素共同作用的結果。而且，教育研究需要疏通微觀機制到宏觀機制的路徑，力求教育投入和人才產出、教學輸入和知識習得的穩(wěn)定平衡。因此，包括教育神經科學在內的教育科學研究需要納入教學主體、課堂、家庭、學校和社會中各個微觀、中觀和宏觀要素，把握要素之間的聯系、相互作用以及功能上的統一[18]。以生態(tài)學視角來解構教育教學是教育研究的基礎原則，也是服務于教育神經科學研究范式下實驗結果解釋和問題分析的必要途徑。

總之，教育神經科學研究是在以真實教育問題為研究導向，以融合教育學、認知神經科學、信息科學的理論、方法與技術為研究范式，以生態(tài)學的復合視角為問題詮釋原則，以明晰教育情境中教育教學的認知神經機理為研究重點，最終服務于科學的人才培養(yǎng)、精準教育評價、教育政策建言的交叉研究體系。

三、研究圖景

根據以上對教育神經科學內涵的解析，結合國家自然科學基金委員會信息學部“信息科學與技術”（F0701）中已有的教育神經科學研究主題，同時面向教育基礎研究的重點需求和關鍵科學問題，拓展未來可能進行教育神經科學探索的典型教育情境，本文認為教育神經科學的研究圖景可能由以下五大研究主題構成。這五大研究主題是彼此交織與嵌套的研究網絡，但本研究將其分開描述，以便更好地把握對教育神經科學研究的布局。研究本身需要基于具體問題與情境，系統性思考相關主題間的要素與邏輯。

（一）課堂教學過程的認知神經機理及其評估

課堂教學是學校教育的主體和核心內容[19]，然而目前仍然缺乏對這一復雜過程的認識。教育教學的社會活動無法被簡化為非社會性過程，因為相較于非社會活動，人際交互過程中的大腦活動具有特異性。在單腦方面（參與者以“觀察者”的角色被動感知非交互刺激，如面部圖片或教學視頻），人類的部分大腦功能和結構與社會行為相關，這也被神經科學家稱為“社會腦”網絡。例如人類的額葉皮層等腦區(qū)中具有人類各種行為的神經基礎——鏡像神經元，并在顳頂聯合區(qū)發(fā)現了理解和猜測他人心理想法的“心智理論”功能[20]。在雙腦方面（兩個個體直接進行社會交互，而不是被動接受外部刺激），可以探索交互對象大腦活動之間的關聯性[21]，如參與社會交互的雙方會形成腦間神經活動的同步（參與者之間在相同或不同腦區(qū)的活動隨時間變化出現同步）[22]。這些單腦功能特征和腦間神經同步特征是社會行為形成的生理基礎，也是教學互動研究中不能忽視的重要維度。相關研究從認知神經機理的視角驗證了維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論，表明面對面交互對有效教學具有重要作用，并發(fā)現神經標記也許可以成為未來評估課堂學習效果和教學效果的有力工具[23]。此外，教育神經科學研究還需要系統闡明教學互動中知識傳遞的多層級交互結構，探討基于不同感知覺通道的信息加工、基于共享概念空間的知識理解、以及基于相同心理表征的社會預測而形成的動態(tài)信息交互的多層級屬性，挖掘與教學成效相映射的認知行為和神經指標，發(fā)展符合科學規(guī)律的課堂教學模式，創(chuàng)新基于認知神經機理的教學評估方法。

（二）學科教學情境中的學習認知機理研究

對不同學科而言，其知識的組織方式、表征方式和學習方法具有差異，學科學習也存在明顯的認知過程和神經生理基礎的特異性。教育神經科學研究能夠聯結腦、認知和行為，對學科教學的認知過程進行有效闡釋，填補學科教學理論空白，并對教學實踐產生科學啟示。例如，在數學學習中，頂葉與額葉在數學認知加工中具有重要作用，且這類認知加工具有性別差異[24]；若要提高學生的數字邏輯推理能力，進行如數字序列完型任務或通過珠算等其他需要調用額頂區(qū)域的認知任務均可達到效果[25]。

除了探索正常學科學習機理以外，教育神經科學研究還需要解析具有學科特點的學習困難的認知神經機理，探討教學干預策略。這里的學習困難主要有兩類：第一類是學生在學科學習中遇到的一般困難，如知識理解、概念轉變、知識遷移相關的學習問題；第二類也叫學習障礙，是指智力正常，但由于未知的神經生理或遺傳原因導致學習表現異常，在注意、口語、閱讀、社會交往等方面存在問題[26]。對于第一類困難而言，教育神經科學研究需要結合生物科學，挖掘能夠及時有效識別學科教學中學習障礙出現的神經標記或其他生理指標，融合人工智能技術追蹤困難形成的關鍵圖式節(jié)點，分析阻礙學習進階的成因，從而使學生在錯誤圖式變得龐大和復雜之前，助力教師通過高效能的教學干預，幫助學生解決一般性學習困難，或對已有學習困難的學生進行動機重建。對于第二類困難而言，不同學科具有一些典型障礙，如數學中的失算癥，音樂中的失樂癥，二語中的閱讀困難等。這些障礙一般具有神經-認知缺陷[27]，需要利用神經-行為-心理的綜合評估技術對學習障礙進行高效篩查和精準評估，促進有效和及時的教學干預。

（三）學生高階思維能力研究

面對新時代人才培養(yǎng)的迫切需求，設計符合人才成長規(guī)律和認知規(guī)律的培養(yǎng)模式與教學策略，促進學生如創(chuàng)造性、批判性思維、協作能力、問題解決等高階思維能力以發(fā)展深度學習是關鍵。目前，關于高階思維能力的認知神經機理研究多聚焦在成年人群體，并多關注創(chuàng)造性。已有研究探討了成人的急性壓力影響創(chuàng)造性思維的潛在神經機理，發(fā)現急性壓力會損害創(chuàng)造性思維，主要影響創(chuàng)造性認知過程的早期階段[28]，這啟發(fā)教師需要為學生營造適宜且寬松的學習環(huán)境，從而促進學生的創(chuàng)造性產出。

還有研究表明，創(chuàng)造性的發(fā)展存在階段性，于嬰幼兒期便已開始萌芽[29]，進入兒童青少年時期發(fā)展迅速，青少年時期呈現倒V型發(fā)展[30]，進入成年期后發(fā)展較為平緩。由此可知，基礎教育階段兒童的創(chuàng)造性會迅速發(fā)展，創(chuàng)造性培養(yǎng)在該階段也顯得尤為重要。然而，目前還缺少面向基礎教育階段甚至更早期的學生的創(chuàng)造性認知神經機理研究，更缺乏教學環(huán)境、教學理念、教學內容等對兒童青少年創(chuàng)造性的影響機理解析。關于批判性思維、問題解決等高階思維能力的教育神經科學研究面臨著同樣窘境。教育神經科學研究需要加強全學段學生在不同教學情境中的高階思維能力的精細分解與認知神經機理探索，探究不同教學形式、教學策略和教學活動影響下的高階思維能力的外顯行為和內隱神經環(huán)路，同時挖掘如親社會性、韌性、自我控制能力、意志等非認知能力、品質與這些高階思維能力之間的作用關系，以此豐富創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學理論，啟發(fā)教學實踐。

（四）智能教學環(huán)境中的學習認知機理研究

人工智能+教育是世界各國教育的重要戰(zhàn)略發(fā)展方向，人工智能技術也逐漸成為教育教學變革創(chuàng)新的重要因素[31]。然而，并非所有的智能技術都對教育教學產生了人們期待中的效果。究其原因，目前人們對智能教學情境下學習認知機理的理解十分有限，智能教學的有效模式亟需深入探索。

目前，已有研究對智能技術在教育教學中的適用性、融合智能技術的教學形式與一般教學形式的教學效果對比、智能教學環(huán)境中影響學習過程與學習效果的重要因素的作用機理等方面開展了基于認知神經科學視角的探討，例如相比沒有類人教學代理（Pedagogical Agent，PA）的課程，具有PA的課程在學習結果測試中表現更好，同時在學習過程中大腦的社會區(qū)域表現出更強的腦活動。學習者在在線學習過程中參與社會加工，并通過類人化的教學代理來提高教學效果[32]。進一步，教育神經科學研究還需探索師—機—生協同過程中的認知神經層級，闡明智能教學環(huán)境下知識建構的影響因素及其作用機理，考察不同在線教學方式中教師和學生的適應性行為、神經活動模式和神經—行為計算模型，為構建在線教學質量監(jiān)控與評估的關鍵指標體系，以及更加符合人腦的教與學規(guī)律的在線課堂教學環(huán)境設計提供科學依據。

（五）教育教學影響因素的作用機理研究

無論是教學主體、教學內容還是教學環(huán)境，其中有諸多影響課堂教學效果和學生成長發(fā)展的因素。在教學主體層面，動機、情緒、態(tài)度等非認知因素與學習認知的耦合是教與學表現的結果，而大腦是對這種耦合的內隱、客觀體現。例如合作與競爭是兩種主要的人際互動和群體學習方式，而其中互動動機可能是影響互動有效性及其教學效果的主要因素[33]，且兩種互動方式的人際間腦同步模式存在顯著差異[34]。其次，具身認知學習理論指出，學習不可忽視個體身體所產生的作用[35]。身體基礎不僅作為認知資源和認知能量的載體，還承載著整個學習過程中的維穩(wěn)功能，如疲勞會影響學習專注度、記憶和認知負荷等[36]。

在教學層面，課堂教學策略、教學方法、課程設計等因素對教學效果的影響機理有待探索。例如在有限教學時間內，與視頻教學相比，面對面授課可以使師生更快地進入知識教學，有利于提高教學效率。這可能是由于面對面互動能夠誘發(fā)更強的腦間同步，互動越頻繁，腦間同步就越強[37]。此外，如游戲化教學、項目式教學等如今廣泛運用的教學方式也需要認知神經科學探索其設計背后的合理性，使其符合學生的學習認知規(guī)律[38]。進一步，研究者還可從課堂生態(tài)環(huán)境中挖掘對教育教學的關鍵影響因素及其作用機理，如獨立于課堂生態(tài)主體而客觀存在的環(huán)境因素，包括教室顏色和溫度、課桌、教室光線和照明等，以及由課堂生態(tài)主體派生而形成的環(huán)境因素，涉及人際關系、班級學習風氣和班級管理制度等[39]。

四、發(fā)展進路

通過對教育神經科學的發(fā)展動因梳理和內涵剖析可以發(fā)現，教育神經科學雖在教育科學研究中具有其他學科無法直接代替的重要地位，但也存在多學科交叉和范式融合下的諸多研究困難。教育神經科學研究若要健康長效發(fā)展，需要基于圖景開展系統性研究，并進一步推動多學科交叉融合，注重研究、實踐之間的貫通以及倫理、實驗規(guī)范，并建立教育神經科學研究的長效機制。

（一）促進教育神經科學研究的跨學科和跨域合作

作為典型的跨學科研究，教育神經科學需要教育學、認知科學、神經科學、信息科學等各學科背景的研究者協同參與教與學的認知神經機理探索，從問題凝練到問題解構，逐漸從合作研究升級為協作探索。更進一竿，教育研究者需要將自然科學范式構建到自身研究體系中，掌握研究的理論、技術與方法，打通教育神經科學研究的完整鏈路，兼得研究的高效與自由。然而，目前跨學科研究還存在諸多問題，例如學科間研究力量不均衡，心理學與神經科學的研究者占比過大，削弱了教育的人文考量與實踐思考；研究者無法提出有效的關鍵科學問題，研究的實際內容最終又回歸到認知神經科學的范疇，研究結論無法在教育場景中落地；研究任務分工僵硬，關鍵問題提出、實驗設計與操作、數據處理環(huán)節(jié)分離，未形成有效的協作研究樣態(tài)。為有效解決以上問題，第一，以關鍵教育問題或迫切教育難題為導向，以重大研究項目作為牽引，招納多學科研究者共同參與問題解決，人盡其才，優(yōu)勢互補，突破學科間壁壘，相互間不斷浸潤研究范式，開掘研究深度，形成真正意義上的多學科深度融合；第二，優(yōu)化跨學科協作交流機制，搭建跨學科信息交流和數據共享平臺，共同探討教育關鍵問題以及底層的認知機理，加強多學科間的知識流動、思想匯聚和方法交叉，統一研究話語體系，營造學術共同體與專業(yè)共同體的良好生態(tài)。第三，促進研究者、教育實踐者和腦影像技術工程師開展研發(fā)合作，解決腦影像技術的卡脖子問題，研發(fā)高生態(tài)效度、有效信息互補的腦影像技術，建立研究—教學的一體化系統，助力教育神經科學的課堂研究和實驗培訓。

（二）注重基礎科學規(guī)律的課堂轉化與科學應用

一直以來，教育科學基礎研究與教學實踐之間存在著銜接困難的問題，腦的重塑理論如何在在課堂中發(fā)揮作用？大到“雙減”效果的檢驗，小到學生考試焦慮、邏輯演繹過程的追蹤與評估，教育神經科學研究在其中扮演著怎樣的角色？一方面，幾百年來教育提及的黑箱問題需要教育神經科學研究在第一時間追本溯源，另一方面，教育政策需要教育神經科學進行落地服務。其中，聚焦真實教育場景，突破關鍵科學問題凝練機制是關鍵。研究者要面向實際教育問題，疏通教育問題背后的認知—神經關聯，明確教育問題背后認知神經機理探索的必要性；或從神經科學的視角提出科學問題后，評判實際的教學應用與科學問題的結合程度，再著力進行神經科學、心理學與教育學融合交叉的教育現象和教育問題基礎研究。反之，不應將認知神經科學的手段和方法生硬地嵌入教育科學研究，為了“交叉而去交叉”。其次，國家需要建立教育神經科學實驗校，貫通基礎研究與教學實踐體系，促進研究者與教學實踐者的交流合作，形成研究與實踐的優(yōu)化與迭代機制，保證實驗結果的課堂轉化與實踐可落地。最后，隨著腦影像技術的不斷發(fā)展，交叉研究大規(guī)模應用于真實課堂逐漸成為可能，應促進教育神經科學從實驗室走向真實課堂，最大化發(fā)揮教育神經科學的研究價值與專業(yè)效益。

（三）遵循教育神經科學研究的倫理原則和實驗規(guī)范

任何研究開展都需要關注倫理問題。雖然教育神經科學不涉及手術、侵入式腦影像或大腦分子層面的研究，但仍然要堅持國際公認的倫理準則，如貝爾蒙人體受試者倫理準則中的尊重個人、無傷害（善行）、公正等原則，以及知情同意、風險利益評估和受試者選擇等研究必需條件[40]，保證人體實驗安全；同時，教育神經科學數據涉及教學主體的認知、情感等私密性問題，研究者需要保證實驗參與者的數據隱私安全，不隨意公開，并尊重每一份數據，用科學態(tài)度去分析。此外，研究者需要尊重各個學科自身的實驗規(guī)范，謹慎使用不同學科的技術與方法，勿將主觀的隨意操作視為研究創(chuàng)新，這不僅是對交叉學科的輕視，更是對本學科研究的荼毒；同時，不斷優(yōu)化教育神經科學研究中的實驗規(guī)范與數據算法，研制實驗技術標準，優(yōu)化實驗流程，更好地服務研究者順利投入到教育神經科學研究當中。

（四）建立教育神經科學研究的長效機制

相較于發(fā)達國家，我國的教育神經科學或學習科學研究還處于起步階段[41]，道阻且長。為推動教育神經科學研究的有序發(fā)展，應在研究支持、智庫建設和跨學科人才培養(yǎng)等環(huán)節(jié)保障教育神經科學研究形成長效機制。第一，優(yōu)化我國教育神經科學研究資助體系，聯合國家自然科學基金委員會和教育部，通過教育神經科學研究相關的重大項目和重點項目群設立，在研究領域內形成示范效應，推動教育神經科學的科學問題凝練與問題攻關。第二，加強對國家級研究中心建設的支持力度，通過項目設立、人才引進、經費投入等措施培育國家一流的教育神經科學重點研究基地，形成該領域的人才高地和學術高峰。第三，推動面向教育神經科學前沿發(fā)展的智庫建設，以教育神經科學領域的知名專家學者為主體，對教育神經科學研究、人才培養(yǎng)、教師培訓體系等進行戰(zhàn)略規(guī)劃與布局，為教育神經科學研究的發(fā)展理清思路，提供決策支持。第四，培養(yǎng)跨學科研究型人才，設置以教育學、心理學、認知神經科學、學習科學等相關知識內容為根基，以研究問題為導向，以研究項目為驅動的專業(yè)課程，需著重構建交叉學科理論、跨學科研究范式和教學實踐的系統架構，突出跨學科的銜接與融合。

五、思考與展望

在進行教育神經科學研究時，我們需要時刻思考教育這種人文社會環(huán)境下的特殊性，并適量地借鑒自然科學的研究方法進行教育規(guī)律詮釋，對教育現象或問題的解釋要謹慎并進行限定，否則又會出現神經謬論的盛行。同時，作為一門新型的前沿交叉學科，教育神經科學研究首先需要關注典型的、關鍵的教學發(fā)生過程，探索有效對標教育教學實踐的認知神經機理；然后以點帶面，系統性推進多種教育教學情境中的機理解析，將大量的研究向實踐靠攏，在復雜的教育情境和影響因素中理出條條頭緒，結合科學研究成果來重新認知課堂教學過程，并以更新后的學習觀、師生關系觀與教學觀為指導建構課堂教學實踐，真正呈現出無限接近真實教育現象與規(guī)律的復雜系統，以此更加清晰地俯瞰教育全貌，助力新時代下的人才培養(yǎng)。

參考文獻：

[1] GAZZANIGA M，IVRY R，et al.認知神經科學：關于心智的生物學[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2011.

[2] 郭瑞芳，彭聃齡.腦可塑性研究綜述[J].心理科學，2005，（2）：409-411.

[3] 彭聃齡.普通心理學 第5版[M].北京：北京師范大學出版社，2001.

[4] FISCHER K W.Mind，Brain，and Education：Building a Scientific Groundwork for Learning and Teaching [J].Mind，Brain，Education，2009，3（1）：3-16.

[5] ANTONIO M，BATTRO.Half a brain is enough：The story of nico [J]. Integrative Physiological Behavioral Science，2001，36（2）：168-169.

[6] IMMORDINO-YANG M H.A tale of two cases：Emotion and affective prosody after hemispherectomy [D].Boston：Harvard University，2005.

[7] MARY，HELEN，et al.A Tale of Two Cases：Lessons for Education From the Study of Two Boys Living With Half Their Brains [J].Mind，Brain，Education，2007，1（2）：66-83.

[8] 路浩，周新林.數學認知與學習的腦科學研究進展及其教育啟示[J].教育學報，2012，8（4）：62-69.

[9] 宋偉，周加仙.腦與第二語言能力的發(fā)展機制與教育促進策略[J].教育發(fā)展研究，2013，33（Z2）：89-92.

[10] 閆國利，熊建萍等.閱讀研究中的主要眼動指標評述[J].心理科學進展，2013，21（4）：589-605.

[11] 翟雪松，束永紅等.輕量級生理反饋技術的教育應用及測量——基于2015—2020年的文獻綜述[J].開放教育研究，2020，26（6）：37-46.

[12] STRAIN A C，AZEVEDO R，et al.Using a false biofeedback methodology to explore relationships between learners affect，metacognition，and performance [J].Contemporary Educational Psychology，2013，38（1）：22-39.

[13] 周加仙.教育神經科學：創(chuàng)建心理、腦與教育之間的永久連接——哈佛大學Kurt W.Fischer教授訪談[J].全球教育展望，2011，40（1）：11-16+21.

[14] LEVIN D S，THURMAN S K，et al.More than just a memory：The nature and validity of working memory in educational settings [M]. London：Psychology Press，2010.

[15] 邊玉芳.遺忘的秘密——艾賓浩斯的記憶遺忘曲線實驗[J].中小學心理健康教育，2013，（3）：31-32.

[16] CUE A，KOPPEL J，et al.Silence Is Not Golden：A Case for Socially Shared Retrieval-Induced Forgetting [J].Psychological Science，2007，18（8）：727-733.

[17] 白鷺，毛偉賓等.社會性記憶的新領域：社會性共同提取誘發(fā)遺忘[J].心理科學進展，2016，24（5）：707-715.

[18] 鄧小泉，杜成憲.教育生態(tài)學研究二十年[J].教育理論與實踐，2009， 29（13）：12-16.

[19] 何克抗.從“翻轉課堂”的本質，看“翻轉課堂”在我國的未來發(fā)展[J].電化教育研究，2014，35（7）：5-16.

[20] [美]拉塞爾·K.舒特，拉里·丁.塞爾曼等.馮正直譯.社會神經科學：腦、心理與社會（第1版）[M].重慶：西南師范大學出版社，2021.

[21] BABILONI F，ASTOLFI L.Social neuroscience and hyperscanning techniques：Past，present and future [J].Neuroscience & Biobehavioral Reviews，2014，44：76-93.

[22] REDCAY E，SCHILBACH L.Using second-person neuroscience to elucidate the mechanisms of social interaction [J].Nature Reviews Neu roscience，2019，20（8）：495-505.

[23] ZHENG L，CHEN C，et al.Enhancement of teaching outcome through neural prediction of the students knowledge state [J].Human Brain Mapping，2018，39（2）：3046-3057.

[24] 董奇，張紅川等.數學認知：腦與認知科學的研究成果及其教育啟示[J].北京師范大學學報（社會科學版），2005，（3）：40-46.

[25] 周新林.教育神經科學視野中的數學教育創(chuàng)新[M].北京：教育科學出版社，2016.

[26][27] 張祖牟.學習障礙研究文獻綜述[J].教育科學研究，1997，（2）：12-17+9.

[28] WANG X，DUAN H，et al.The creative thinking cognitive process influenced by acute stress in humans：an electroencephalography study [J]. Stress，2019，22（4）：1-10.

[29] 郁美.國內外關于兒童創(chuàng)造心理發(fā)展的研究綜述[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2003，（2）：68-72.

[30] 申繼亮，王鑫等.青少年創(chuàng)造性傾向的結構與發(fā)展特征研究[J].心理發(fā)展與教育，2005，（4）：28-33.

[31] 梁迎麗，劉陳.人工智能教育應用的現狀分析、典型特征與發(fā)展趨勢[J].中國電化教育，2018，（3）：24-30.

[32] LI W，WANG F，et al.Animated pedagogical agents enhance learning outcomes and brain activity during learning [J].Journal of Computer Assisted Learning，2022，38（3）：621-637.

[33] RAINA M K.A Study into the Effect of Competition on Creativity [J]. Gifted Child Quarterly，1968，12（4）：217-220.

[34] CUI X，BRYANT D M，et al.NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation [J].NeuroImage，2012，59（3）：2430-2437.

[35] 殷明，劉電芝.身心融合學習：具身認知及其教育意蘊[J].課程·教材·教法，2015，35（7）：57-65.

[36] GAIS S.Sleep after learning aids memory recall [J].Learning & Memory，2005，13（3）：259-262.

[37] JIANG J，DAI B，et al.Neural Synchronization during Face-to-Face Communication [J].Journal of Neuroscience，2012，32（45）：16064-16069.

[38] 裴蕾絲，尚俊杰等.基于教育神經科學的數學游戲設計研究[J].中國電化教育，2017，（10）：60-69.

[39] 李森.論課堂的生態(tài)本質、特征及功能[J].教育研究，2005，（10）：55-60+79.

[40] 周全.教育研究的倫理訴求——兼論《貝爾蒙報告》[J].現代教育論叢，2009，（11）：2-5.

[41] 尚俊杰，張露.基于認知神經科學的游戲化學習研究綜述[J].電化教育研究，2017，38（2）：104-111.

作者簡介：

王楊春曉：在讀博士，研究方向為教育神經科學、教育技術。

盧春明：教授，博士生導師，研究方向為教育神經科學。

鄭永和：教授，博士生導師，院長，研究方向為教育信息科學與技術、科學教育。

Educational Neuroscience Research： Connotation， Landscape， and Development Pathways

Wang Yangchunxiao1， Lu Chunming2， Zheng Yonghe1

（1.Research Institute of Science Education， Beijing Normal University， Beijing 100875； 2.State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning， Beijing Normal University， Beijing 100875）

Abstract： Educational neuroscience is an emerging research direction that aims to reveal the cognitive neural mechanisms behind educational phenomena， and is an important bridge linking the brain， mind， and education. However， the current research in educational neuroscience suffers from inaccurate topic selection， relatively narrow target contexts， and insufficient condensation of key scientific questions， which seriously restrict the development of this direction. The paper first introduces the motivation for the emergence and development of educational neuroscience， and reveals the inevitability and desirability of educational neuroscience research from three aspects： returning to the brain is an inevitable choice for analyzing educational phenomena， inter-evidence of multi-source and multi-level data is an urgent demand for educational research， and the development of high ecological validity brain imaging technology promotes multi-science integration. On this basis， the paper compares the connotation of educational neuroscience research and proposes five major research themes that need to be focused on educational neuroscience research， including （1）cognitive neural mechanism of the classroom teaching process and its assessment； （2）cognitive neural mechanism of student learning in disciplinary teaching context； （3）higher-order thinking ability of students； （4）cognitive mechanism of learning in intelligent teaching environment； （5）research on the mechanism of effective teaching influencing factors. Finally， the study proposes four major development pathways， “promoting cooperation”， “emphasizing transformation”， and “building mechanisms”， to provide a reference for Chinas educational neuroscience research.

Keywords： educational neuroscience research； developmental motivation； research connotation； research landscape； development pathways

責任編輯：李雅瑄

① 鄭永和為本文通訊作者。