神经科学+心理学+教育=?

文 / 苏彦捷 责编 / 未知 2018-05-28 点击 896

神经科学+心理学+教育=?
苏彦捷
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    大脑是宇宙中最复杂的系统之一,脑科学是研究脑认知、意识与智能的本质与规律的科学,被称为人类理解自然和人类本身的“终极疆域”。

    随着脑成像、生物传感、人机交互以及大数据等新技术不断涌现,脑科学正成为多学科交叉的重要前沿科学领域,也成为发达国家的科技战略重点,全球科研界下一个必争之地。

    自2013年起,美国、欧洲各国、日本等相继启动大型脑科学项目。华东师范大学出版社今年出版的《脑科学与课堂:以脑为导向的教学模式》为我们展示了美国最新的脑科学研究如何运用于学校和教室,如何与教学实践紧密相连。脑科学不仅为教育教学提供了新的方法,也使我们洞悉课堂内一些复杂问题行为背后的神经加工过程。

    对教育研究者、中小学教师而言,了解脑科学知识,可以帮助我们更好地理解个体发展规律和特点,更好地理解学习的发生和过程,从而实现因材施教,取得事半功倍的成效。

    仔细通读中科院心理所杨志老师的译著《脑科学与课堂:以脑为导向的教学模式》,很有收获。

    先简单介绍一下这本书的重点内容。比如,可以通过用进废退来说明的“可塑性”;锻炼、营养和压力都会影响的“神经生成”;为学习营造情绪氛围的“情绪和压力”;理解学习中注意作用的“注意控制”;包括工作记忆、抑制控制、灵活转换的“执行功能”;“自我监控和情绪调节”;心情愉悦、巩固记忆、促进“海马新神经元”的发展;“运动”对知识的获得与保持的作用。特别是对青少年阶段“各个脑区之间更多的关联互动,而脑内灰质容积却显著减少”和“边缘系统和前额叶执行功能的连接平衡”;以及睡眠与学习关系“昼夜节律(晚睡晚醒,推迟上课时间)”等问题的解释说明,都是大家非常关心的话题。

    在此基础上,书中还详细介绍了以脑为导向的教学模式的实践:由于积极的情绪能提升绩效,教师可以通过让学生选择学习的内容、方法和评估来为学习营造情绪氛围。社会性与情绪学习还可以通过反思和正念训练、幽默、沉浸于艺术等方法和途径达成。关注环境特征,如照明(阳光)、声音、气味以及座位安排和教室环境设计等对注意和学习的作用,为学习创造良好的物理环境。通过整体图景、概念组织、新旧联系和概念图的构建创造更好的学习体验。利用记忆规律帮助学生掌握内容、技能和概念。特别值得注意的是与学习评估有关,即采用持续性评估增强学习和记忆的效果。书中在倡导上述教学模式的过程中,充分利用案例进行详细的说明和解读,为实际操作提供了具体的行为指南。

    上述内容是近来飞速发展的神经科学研究成果与学习和教育关系的一个缩影,接下来我们来拓展一下这方面的描述。我的专业是发展心理学,就从神经科学与个体发展的相关研究谈起。

    从毕生发展的角度理解神经科学与学习和教育应用的关系

    这部分内容与一个新的分支学科的兴起有关,即发展认知神经科学。董奇教授在2012年中国科学院院刊上介绍了这个正在迅速崛起的领域:发展认知神经科学,将以往研究心理行为生物学基础的“静态”视角讨论大脑发展与心理行为发展的关系,转向“动态”研究毕生发展进程中各种认知功能的发生、发展和衰退的过程,以及伴随着学习、经验等影响大脑结构和功能的动态变化及其可塑性。这一领域贯穿个体毕生发展全程。

    我们在谈论脑发育时,通常认为神经元的迁移在出生前就已经完成。2016年10月《科学》(Science)杂志上发表的研究成果则首次揭示了大脑发育过程中一个全新的重要阶段,在新生儿出生后的几个月内,一些抑制性神经元会大规模迁移到大脑额叶皮层。研究人员推测,这种后期迁移可能在建立人类基础认知能力中发挥重要作用,这一过程的紊乱可能与一些神经系统疾病密切相关。

    婴幼儿期大脑各个系统都在发展,但系统间的联系却需要经验和学习。在一项有趣的儿童研究中,实验者让孩子先与实体大小的玩具玩耍,如可供她们爬上滑下的室内滑梯,可以坐的椅子、可以进入的玩具车等。之后,再次进入时室内大型玩具被换成一模一样的小玩具。孩子们玩小型玩具时,还是用的一样的方法:试图爬上滑梯、爬进小汽车和坐在小椅子上。这种行为反映了孩子大脑视觉系统中背侧通路和腹侧通路间的联系还没有发育成熟。腹侧通路识别物体是什么,背侧通路识别它的大小,但信息没能充分共享。研究证明了背侧通路与腹侧通路间信息交换的重要性。这些证据也与幼儿教育和脑智开发对“做中学、知行合一”的强调不谋而合。

    吻合儿童“学习高峰”与青少年“青春期”等一系列行为表现的则是,儿童与青少年期的基本功能网络(如运动控制、注意/认知控制、冲突监控、社会信息加工和情绪管理等)已初步形成,但相比成人而言,这些网络功能并不稳固,尤其是注意控制功能,主要还以自下而上的刺激驱动为主,腹侧注意网络的功能连接更弱。同时,边缘系统比前额叶更早发育,扣带回尾部与腹部之间的认知控制等长距离功能连接较弱。结果,青少年往往容易做出一些冲动冒险和物质滥用等危险行为。青少年时期,大脑开始选择性地修剪那些很少会用到的联系。正如交通工程师一样,通过清除某些街道和建立新的环形公路来减缓交通堵塞,提高效率。同时,额叶也逐渐会和边缘系统更好地连接,从而更好地进行情绪调节,日趋完善的自我意识背后是大脑的发展。

    对于人脑功能和发展的未知和误解常常导致违背科学规律的教育,进而影响学习和发展的效率。因此了解脑的发展可以更好地理解个体发展规律和特点,也就更有可能做到因材施教,取得事半功倍的成效。

    脑的可塑性为教育提供了大有可为的空间

    2017年11月,我在两次学术会议上聆听了谭力海教授的学术报告,对其中一些内容印象深刻。如“大脑语言功能区文化特异性理论”、中文阅读与书写的关系等。他们的一些研究结果表明,如果总是用手机拼音输入,缺乏书写的运动输入,会影响个体的汉语阅读能力。国外的研究也表明,文盲个体即使到中年才开始学习阅读,也还是可以看到脑的变化。这些都说明了大脑结构和功能的可塑性,学习、经验、职业等会一直持续地塑造着大脑结构与功能,调节着脑—行为—环境的平衡。与《脑科学与课堂》一书的内容呼应,艺术体验和运动都塑造着我们的大脑,如音乐训练可以改变听觉、视觉、运动等皮层的形态结构和功能连接,增强这些网络之间连接的协调性和同步性。体育运动、动作技能训练均能使运动区、顶下沟、枕颞皮层等区域的灰质增加。甚至在想象运动的时候,运动员的海马旁回、前额叶区域也会有更大的激活。经验帮助大脑优化其结构和功能的研究为知识改变命运中教育的作用提供了重要的神经科学基础。

    20世纪最后10年以来,由于成像技术和计算方法的进步,神经科学的发展日新月异,积累了大量的基础研究数据,并被用来解释个体发展规律及其可能的问题,也常常作为教育政策和教育教养实践的理论基础。近年来,我国在新的科研布局中也设立了“脑科学与类脑研究”重大研究计划,其中就有一系列研究项目会系统探讨儿童脑身心发育规律。2017年9月,由北京师范大学、北京大学、清华大学、华东师范大学、华中师范大学、东北师范大学等十八家机构共同发起建立“中国儿童青少年脑智研究全国联盟”,共同签署了《中国儿童青少年脑智研究全国联盟共识》:希望推动跨学科交叉融合,深入揭示儿童青少年脑发育、心理适应与学习能力发展规律,基于科学证据,建立、改进儿童青少年脑智发育与各类发育困难的评估技术、诊断工具与标准、分型分类系统及干预促进方案,大范围应用于基础教育和儿童医疗、健康相关领域。虽然“脑科学与类脑研究”不只是局限在教育应用的基础研究,但教育无疑是最重要的成果转化领域。

    神经科学与心理学及教育的学科交叉与融合

    神经科学方面的发现不仅增进了我们对睡眠、压力和营养情况如何影响个体发展的理解,同时也有助于我们识别可能存在的发展和学习障碍。将神经科学与教育进行有机结合可以使我们在这些理论运用的初期谨慎解读,避免误会。当然了解脑功能有助于教育者更加科学地处理如青春期阶段个体遇到的“加足油门难以刹车”这类问题,但仅仅对于青少年阶段大脑发育情况的了解并不一定就能帮助教育者直接有效地提升青少年的自我控制力,这也提示未来神经科学与教育领域的融合还特别有赖于那些有教育实践经验的专家将理论真正运用并落到实处。

    《脑科学与课堂》一书的序言中有句话非常重要——“哈迪曼博士……能从浩瀚的科学信息中找到教师真正想知道的内容,并以一种容易理解和应用的方式传递给教师”。研究成果与理论分析如何真正让一线教师理解和正确运用是一个不亚于发现和总结神经科学研究的工作。也已经有学者开始关注神经科学与心理学和教育的融合,融合后的新领域不仅应为教育教学提供新的方法,也应从神经科学角度洞悉课堂内一些复杂的问题行为背后的神经加工过程。

    未来,如果我们希望教育教学实践能够得益于神经科学,那么两个领域间的沟通合作就显得非常重要。当然,神经科学所遵循的自然科学解释框架和发展心理学以及教育学的社会科学解释框架的固有差异,是将神经科学的研究成果应用于心理发展与教育实践上时所面临的一项重要挑战。有时,“神经科学数据可以加深我们对学习者与学习过程的认知限制因素的理解,但不能直接指导设计教学来最大程度地促进学习”。但愿我们的科学家和教育工作者能够充分关注这个问题,促进神经科学与心理学和教育的真正结合,造福社会,造福人类。

    (作者系北京大学元培学院副院长、教授)