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1、破译人类“黑匣子”：与教育相关的脑科学研究2014-06-05 张琳 刘玲 刘嘉 中小学管理【脑与认知神经科学究竟研究什么？对教与学改进有何意义？教育部特聘教授、北师大心理学院院长、“最强大脑”节目科学总顾问刘嘉教授及其团队，与您共同探秘“黑匣子”，揭示大脑在学习关键期、记忆能力、数学能力、语言能力、学习风格等领域的奥妙。中小学管理刊载并推荐】破译人类“黑匣子”：与教育相关的脑科学研究/张 琳 刘 玲 刘 嘉 人类的大脑是负责思维和意识的器官。人类对大脑的探索经历了漫长的岁月，早在公元前600年，古希腊哲学家和生理学家阿尔科迈翁就提出脑是智力的器官。然而，用科学的手段和先进的技术研究大脑仅是近
2、百年来的事情。脑科学从广义上来说是一门综合学科，包括从行为学、心理学以及神经科学等角度对大脑的功能和结构进行研究。早在20世纪70年代，伴随着认知神经科学的兴起，一些教育学者开始意识到脑科学与教育学的学科交叉对于教育发展的重要意义，提出了“基于脑的教育(Brain-based education)”的主张和“教育神经科学”(Educational Neuroscience)的概念。虽然人类对大脑的探索仍处于初级阶段，但在科技飞速发展的今天，脑科学研究对教学理论和实践的影响已经越来越深刻。尤其是各种脑成像技术的出现，使得直接观察正常人在进行各种任务时的大脑活动成为可能，极大地推动了脑科学的发展。
3、2013年，欧盟和美国分别启动耗资巨大的两个脑研究计划“人脑计划”和“尖端创新神经技术脑研究计划”，预计对大脑的研究将极大地改善人类的教育、医疗等方方面面。一、脑科学研究的历史和变革1. 关注人类内在的认知过程：认知科学对行为主义的挑战20世纪初，美国心理学家华生（John B. Watson）创建了行为主义理论流派。行为主义者试图用“刺激反应”（SR）的模型解释人类的所有行为，认为人与其他动物一样，都是受到外部刺激进而产生特定反应的机器，而学习则是通过外部环境的强化反馈而建立起的对新刺激进行反应的过程。行为主义在近半个世纪的时间里占据了心理学的主导地位，并对社会科学以及教育产生了很大的影响。
4、然而，科学家们逐渐发现，这种“刺激反应”模型并不能解释人类的所有行为。恰逢其时，基于信息加工理论的计算机科学的出现给研究者们带来了一种全新的视角。科学家们将大脑比做计算机，开始用信息加工的观点来研究人的智能：在刺激输入后，大脑负责对刺激进行处理和存储，最后再输出反应，而注意、记忆、思维、推理等都是在大脑这台计算机上运行的程序。通过吸收计算机科学的最新理念，将信息加工的观点用于人的智能研究，从而诞生了认知科学。认知科学的研究主题是诸如感知、注意、记忆、思维等人类的内在状态和过程。在研究方法上，认知科学将内在状态和过程比做复杂、神秘的“黑匣子”；研究者将信息加工分解为多个相对独立的阶段，通过观察和
5、记录外在行为反应（如反应时）来推测内在的认知加工过程，最后提出信息加工的认知模型。此外，研究者也大量采用计算机模拟的方法，即对认知模型进行计算机模拟，然后通过比较计算机的输出与人类行为的异同来验证认知模型。2. 对“黑匣子”的直接观察：从认知科学到认知神经科学对脑损伤病人的认知障碍研究使科学家们意识到：如果把作为认知过程的生理基础的大脑与认知过程对应起来，那么将有助于阐明认知过程和验证认知模型。例如：将患者在行为上的认知障碍与大脑的损伤区域对应起来，就可以推测参与这些认知过程的大脑结构。通过这种方式，早期的认知神经科学定位了参与语言产生的布罗卡区（Brocas area）和参与语言理解的威尔尼
6、克区（Wernickes area）。这些发现促使科学家将关注认知过程的认知科学与关注大脑结构、功能的神经科学相结合，产生了认知神经科学。然而，由于脑损伤病人的稀少性和大脑损伤的复杂性，对认知障碍个体的研究只能为揭示正常人的认知规律提供有限的线索。20世纪，以脑电图（Electroencephalography,EEG）、脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）和功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）等为代表的脑认知成像技术的出现，能够在对受试者无损伤的情况下，直接观察正常人在进行某种认知活动时的大脑活
7、动，从而为探索正常人认知过程的神经基础提供了有效手段。不夸张地说，脑认知成像技术对于认知科学的重要性，就像显微镜对于生物学、望远镜对于天文学一样。脑认知成像技术通过测量个体在完成某认知任务时的大脑活动，来探索该认知过程的神经基础和认知特征。例如：借助EEG的高时间分辨率（毫秒级），研究者通过测量大脑在完成某一认知活动时的脑电波，将该认知过程与某脑电波成分关联起来，就可以得知该认知过程发生的时间信息。借助fMRI的高空间分辨率（毫米级），研究者通过记录在完成某一认知过程时的大脑激活状况，就可以定位完成该认知过程所必需的大脑脑区和神经环路。基于对认知过程在时间和空间上的约束，可以将一个复杂的认知过
8、程分解成多个独立的成分、比较多个认知过程的异同和验证认知模型等。通过上述两次变革，有关人类认知能力的研究内容和研究方法都发生了革命性的变化。在研究内容方面，行为主义关注的是“人类的行为科学”，认知科学关注的是行为背后的“内在状态和认知过程”，而认知神经科学开始关注实现认知加工的物质基础，是“大脑的科学”。在研究方法方面，行为主义强调对外在行为表现的观察；认知科学通过实验设计，分离不同的认知加工过程和用计算机模拟大脑的认知过程；而认知神经科学则采用先进的脑成像技术，试图直接观察到大脑的活动。研究主题的拓展和深化、研究方法的改善和直接化，都极大地推动了人类对自身认知能力和学习规律的探索。二、脑科学
9、揭示大脑认知规律的相关研究人类的大脑是学习发生的生理基础，大脑的发育和学习过程有其自己的规律。因而在教学过程中，课程设置应该考虑到大脑的发育情况，教学方法应该符合大脑学习的规律。我们仅以几类研究为例，来说明脑科学揭示的大脑认知规律。1. 对于大脑一般规律的研究（1） 学习的关键期的研究 1965年，修博尔等（Hubel & Wiesel, 1965）研究者研究了视觉经验对猫的视觉脑区发育的影响。在小猫出生后的三个月里，将其单侧或双侧眼睑缝合一段时间会导致小猫失明，并导致严重的大脑视觉皮层的退化；但是成年猫遭受同样时间的视觉剥夺，却对大脑的视觉系统没有影响。基于类似研究，研究者们提出了“关键期”
10、的概念。对小猫而言，前三个月是其视觉发展的关键期，如果在这段关键期内剥夺了小猫的视觉经验，就会对其大脑视觉皮层的发展以及视觉功能造成损伤。后人（Chow &Stewart, 1972）重复了这个研究，并发现，虽然视觉经验的剥夺对于视觉造成了损伤，但只要对小猫进行训练，强迫其使用被剥夺视觉经验的眼睛，视觉可以在一定程度上有所恢复。目前研究者普遍认为，关键期并不是短暂且严格限定的。在关键期内，经验的影响程度达到顶峰，在这段时间内能最快、最好地发展出某种能力，而错过关键期后，获得某种能力并非不可能，只不过要付出更多的努力。研究者发现，关键期也存在于人类的能力发展过程中。其中最典型的研究是第二语言获得
11、的关键期。研究者针对第二语言获得的关键期问题进行了大量的研究，有研究者（Patkowski, 1990）研究了5岁50岁的移民第二语言学习的情况，发现在口音和移民年龄（开始接触外语的年龄）之间存在显著的负相关，即移民年龄越小，第二语言口音越好。当移民年龄超过15岁之后，第二语言的获得情况都较差，且与年龄相关变小。这一研究表明：第二语言的获得是存在关键期的，个体到达一定年龄后，第二语言的学习不会有很好的效果。脑成像研究也表明，人开始学习第二语言的年龄不同，其加工语言的机制也存在差异。研究者福克斯（Weber-Fox & Neville, 1996）采用事件相关电位技术，考察了从不同年龄开始学习第
12、二外语的个体在进行语义和语法判断时的大脑活动特征。结果表明，在语义加工时，早期学习英语的受试者，其大脑顶叶和颞叶前部的活动与英语是母语的受试者非常类似；而16岁以后开始学习英语的受试者则略有不同。在句法加工方面，3岁前学习英语的受试者和英语为母语的受试者大脑的加工模式是一致的，活动的脑区都集中在大脑左侧颞叶前部，而3岁后接触英语的受试者则表现出不同：其中4岁6岁开始接触英语的受试者需要大脑两半球来加工语法信息，而13岁后接触英语的受试者表现出句法加工和理解方面的缺陷。（2）记忆的脑科学研究在学习过程中，学生需要不断地重复记忆某些知识以便加强对知识的回忆。40多年前，心理学家提出了“编码变异假说
13、”。该假说认为，将要记忆的内容与多种不同的背景联系起来，相比只与一种背景相联系，更容易让人想起。比如：要背诵一段课文，如果我们在教室里、家里和放学路上分别背诵，与只在教室里背诵同样的时间和次数相比，前者的记忆效果更好。这个假说的理由是多背景的联系允许人们从多种途径来提取对课文的记忆，每种不同的环境都能激活大脑的不同功能区，而不同的神经反应能提高记忆效果。然而，2010年发表在科学杂志上的一个脑成像研究（Xue et al., 2010）却挑战了这种经典的记忆理论。在这个研究中，研究者采用功能磁共振成像技术检测了24个受试者的大脑活动。研究者让受试者分别看120个词汇和面孔，每个词汇和面孔都以不
14、同的时间间隔重复四次，功能磁共振扫描仪器记录了大脑在整个过程中的活动；一个小时后，考察受试者对词汇和面孔的记忆成绩。研究者发现，在重复记忆词汇或面孔的阶段，大脑对同一个词汇和面孔加工的反应模式越类似，我们就越可能记住这个词汇或面孔。这就提示我们，在记忆知识时，每次记忆引起的大脑反应要尽可能一致。而选择同一个环境无疑会使大脑的反应模式更加类似。这与“编码变异假说”中提到的将记忆内容与多种背景进行联系是相反的。目前对于如何提高记忆仍有许多争论，脑科学的研究则为解决这些疑惑和争论提供了科学的依据。（3）睡眠对学习的影响在学习过程中，很多学生都能感到，如果睡眠不足，那么学习效率就会下降，表明睡眠与认知
15、能力之间可能存在着某种关系。脑科学的研究证实了睡眠对学习效果的影响。在2007年的一个研究中（Yoo et al., 2007），受试者被随机分为两组。第一组，两天一夜不能睡觉，第二组，保证正常的睡眠。在随后的测试中，受试者要观看并记忆大量的图片。在这个过程中，研究者采用功能磁共振对受试者的大脑活动进行了扫描，测试后，所有受试者都可正常睡眠，两天后对受试者的学习效果进行考察。研究发现，正常睡眠组对图片的再认情况显著好于睡眠剥夺组。而脑成像的数据表明，在学习阶段，相对于正常组而言，睡眠剥夺组大脑中负责记忆存储的脑区海马活动变弱。该研究表明，睡眠剥夺能影响到接下来大脑的活动状态，从而进一步影响学习
16、的效果。因而，学生在学习过程中，一定要保证充足的睡眠。尤其是紧张的高中阶段，不能因为学业的繁重压力而压缩睡眠的时间。2. 脑科学揭示特定技能学习规律的研究（1） 记忆是数学运算技能学习的关键技能的学习是一个复杂的过程，涉及多种高级的认知功能。在学习某些知识和能力的过程中，到底哪一种认知能力起到了比较关键的作用？脑科学研究对这一问题的回答能帮助教师在教学过程中把握要点、有的放矢。2013年发表在美国科学院院刊上的一篇脑科学研究论文（Supekar et al., 2013）为此提供了线索。在这个研究中，24名三年级的小学生参加了为期八周的、关于数学加减运算的数学辅导项目。在辅导前，研究者对学生进行了一系列行为因素测查以及大脑结构和静息功能（在不做任何任务时记录大脑的活动）的
