教育與腦科學(xué)是“魚和水”的關(guān)系

郭愛克

當代科學(xué)與技術(shù)正處在大發(fā)展、大交叉、大融合的時代，正在向深海、深地、深空、量子、超算、大數(shù)據(jù)、大模型、腦海深處進軍。物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、生命科學(xué)和智能科學(xué)正在相互照亮。教育和腦科學(xué)，是魚和水、樹與根的關(guān)系，是辯證統(tǒng)一的關(guān)系。腦科學(xué)研究，能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)人類學(xué)習(xí)行為的物理學(xué)和生物學(xué)規(guī)律，揭示認知、學(xué)習(xí)、記憶和教育過程的本質(zhì)，啟發(fā)我們不斷創(chuàng)新思維、創(chuàng)造新思想，從而為解決教育問題提供新思路、新解法，構(gòu)建更加科學(xué)、健康的教育生態(tài)。

腦認知功能具有整體性、復(fù)雜性和非線性的特性，根據(jù)這些特性，結(jié)合最新研究技術(shù)，我們可以破除一些過時的錯誤假設(shè)。例如，曾經(jīng)有學(xué)者假設(shè)大腦有一個所謂專門識別祖母面孔的“祖母細胞”，但近些年來的研究表明，大腦并不是用一個特定的面孔細胞“一對一”地編碼一個特定的面孔，而是由一個面孔細胞參與對許多面孔的一些特征編碼，一個面孔特征也同時被多個面孔細胞編碼，是“一對多，多對一”的關(guān)系。人類大腦如何記憶和回想，腦科學(xué)研究提供了更加客觀、科學(xué)的解釋，這也幫助我們更好地理解大腦在知識的學(xué)習(xí)過程中如何運轉(zhuǎn)，從而為科學(xué)的教育理論提供依據(jù)。

學(xué)習(xí)從提問開始，愛因斯坦認為：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要?！蔽覀兡芊裨谏钪邪l(fā)現(xiàn)問題，對于科學(xué)研究非常重要，例如，歌曲為什么不能倒著唱？這個問題的實質(zhì)是：對于復(fù)雜認知功能來說，了解事物發(fā)生的先后順序至關(guān)重要。研究者通過對獼猴進行實驗，揭示了“時序工作記憶的群體編碼”原理。大腦中前額葉皮層5325個神經(jīng)元在進行時序記憶時，在時間延遲段的高維神經(jīng)狀態(tài)空間可分解為低維狀態(tài)子空間之和，也即“降維原則”（系統(tǒng)的維數(shù)是指描述其所有狀態(tài)所需的自變量的數(shù)量）。序列記憶依賴于一個組合神經(jīng)代碼，每個秩（Every rank）都有獨立的低維秩子空間，每個秩子空間都廣泛分布在神經(jīng)集群中，時間序列中的信息各有獨立空間，互不重疊干擾。這項研究反映在教育過程中則是：教師應(yīng)該遵循什么樣的教學(xué)順序，才能使學(xué)生更高效地記憶知識、掌握能力、鍛煉思維。

心智通過腦和行為的互動而演化。行為越豐富，大腦越發(fā)達；大腦越發(fā)達，行為越復(fù)雜。動物在內(nèi)外環(huán)境變化的驅(qū)動下產(chǎn)生行為，每次行動的結(jié)果或是成功，或是失敗，然而當失敗重復(fù)發(fā)生時，動物常能及時停止無效行為。例如，有學(xué)者對斑馬魚“游泳”進行實驗監(jiān)測，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下，建立了可以與全腦成像匹配的“放棄”行為學(xué)范式，即動物嘗試“游泳”卻不能產(chǎn)生預(yù)期的反饋，失敗持續(xù)發(fā)生后，斑馬魚會暫時“躺平”，放棄“游泳”。又如，有學(xué)者進行實驗，發(fā)現(xiàn)小鼠在重復(fù)勝利行為時，會引起“中縫背側(cè)丘腦—內(nèi)側(cè)前額葉皮層”突觸連接增強，揭示了“勝利者效應(yīng)”的腦機制和丘腦到皮層的輸入有關(guān)。同理，這也說明人在反復(fù)獲勝后，會增加之后比賽的獲勝概率。在教育中，如果學(xué)生能夠不斷成功掌握知識和技能，會增加學(xué)習(xí)動力和信心，從而提高之后獲得成功的概率。

宇宙浩瀚，地球人雖然渺小，但人類的科學(xué)探索精神是偉大的。有關(guān)人腦的“計算機隱喻”已經(jīng)過時，人們更傾向?qū)⒋竽X心智比作交響樂章?！澳X—智”科學(xué)正在描繪一幅關(guān)于精神活動如何從“基因—腦—行為—環(huán)境”精致協(xié)調(diào)互動中涌現(xiàn)的生動圖景，并將對人工智能的演化產(chǎn)生深遠的影響。教育與腦科學(xué)相結(jié)合，能夠發(fā)揮“腦—智”創(chuàng)造力的強大作用，拓展教育的深度和廣度，不斷將教育轉(zhuǎn)化為“新質(zhì)生產(chǎn)力”。