/ 北京師范大學(xué)校長、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任

將腦與認(rèn)知科學(xué)的成果應(yīng)用于教育：國家需求與國際趨勢

黨的十九大報告明確提出，到2035年我國基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化。要達(dá)到國家現(xiàn)代化這個目標(biāo)，教育應(yīng)率先現(xiàn)代化。而教育的現(xiàn)代化必須遵循人的發(fā)展規(guī)律、學(xué)生發(fā)展的規(guī)律、教育教學(xué)的規(guī)律，必須培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)新能力。因此，對未來教育和未來學(xué)習(xí)的前瞻設(shè)計是當(dāng)前我國教育發(fā)展的重要問題。

未來教育是什么樣的？未來學(xué)習(xí)的特點是什么？這些問題受到了當(dāng)前世界各國、聯(lián)合國教科文組織的高度重視，以應(yīng)對科技社會發(fā)展的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)21世紀(jì)所需要的高素質(zhì)人才。關(guān)于未來教育、未來學(xué)習(xí)構(gòu)想有很多，其中有一個角度是將腦與認(rèn)知科學(xué)的成果應(yīng)用于教育。各國對此高度重視。例如，美國提出要以認(rèn)知科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步推動師生沉浸式學(xué)習(xí)，用腦科學(xué)研究的新發(fā)現(xiàn)和前沿技術(shù)改善教育教學(xué)。

學(xué)生是學(xué)習(xí)的主人，學(xué)生是用腦進(jìn)行學(xué)習(xí)的，腦是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要器官。因此，我們有必要從腦與認(rèn)知科學(xué)的角度思考今天的教育、改進(jìn)今天的教育。千百年來，人類的教育代代傳承，不斷追求因材施教的理想。然而，人類長期以來對學(xué)習(xí)的主要器官——腦的知識卻知之甚少。過去由于科學(xué)技術(shù)水平的限制難以滿足研究倫理的要求，我們很難直接探索人腦學(xué)習(xí)規(guī)律。近幾十年來，磁共振、腦磁圖、腦電、近紅外等一系列無創(chuàng)性技術(shù)的進(jìn)步，為我們越來越直接地探索人類在學(xué)習(xí)過程中的腦活動規(guī)律、發(fā)育規(guī)律提供了可能性。很多技術(shù)還正在不斷演進(jìn)。比如，最近腦磁圖在移動性、抗噪等方面有了顯著進(jìn)步。這將可能使我們有機會研究真實課堂教學(xué)中孩子們的學(xué)習(xí)。

21世紀(jì)的科學(xué)有很多重要趨勢，其中一個趨勢就是人類從關(guān)注外部世界轉(zhuǎn)到關(guān)注人類自身，尤其是關(guān)注人類大腦的奧秘。揭示人腦的奧秘，這已成為21世紀(jì)科學(xué)界共同關(guān)心的前沿課題之一。過去，人類對腦物質(zhì)層面和心理層面的研究相對分離。現(xiàn)在人類可以把行為層面、全腦層面、腦區(qū)層面以及細(xì)胞層面、分子層面的研究結(jié)合起來，因此能夠更好地理解兒童的腦是怎么工作的、怎樣學(xué)習(xí)的、可能出現(xiàn)什么問題，進(jìn)而更好地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和適應(yīng)，識別和干預(yù)學(xué)習(xí)困難、情緒困擾和行為問題。

在我們國家，黨和政府非常重視腦科學(xué)研究，高度關(guān)注從腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)等多個角度研究和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。2014年9月，習(xí)近平總書記在北京師范大學(xué)專門考察了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室所開展的學(xué)生學(xué)習(xí)方面的腦科學(xué)研究。國家在過去十多年投入了大量項目和經(jīng)費，建立了相關(guān)的國家重點實驗室等重要科研平臺。僅以北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和學(xué)習(xí)國家重點實驗室為例，自2006年建設(shè)以來，已經(jīng)承擔(dān)了國家科技部、國家自然科學(xué)基金委員會等多個重大、重點項目。全國其他高校、科研院所也承擔(dān)了許多項目。這些項目涉及學(xué)習(xí)困難、記憶、空間認(rèn)知能力等多方面，均取得了一些重要進(jìn)展。目前，北京師范大學(xué)、北京大學(xué)、東南大學(xué)等都有不少學(xué)者從心理認(rèn)知層面、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)層面以及其它層面，對學(xué)習(xí)問題進(jìn)行綜合研究。

學(xué)習(xí)活動有相應(yīng)腦的基礎(chǔ)

未來教育的重要特征之一就是要基于腦、適于腦、促進(jìn)腦。要做到這一點就必須科學(xué)認(rèn)識腦，認(rèn)識腦發(fā)育，認(rèn)識老師和學(xué)生腦活動的規(guī)律，以及老師的腦和孩子的腦怎樣相互作用，這樣才能更好地保護腦，進(jìn)而達(dá)到開發(fā)腦的目的。在目前實際的教育工作中，我們一方面在努力開發(fā)大腦，另一方面，在某些方面卻可能無意識地?fù)p害了腦，比如過度強調(diào)機械學(xué)習(xí)而影響了學(xué)生創(chuàng)造力、情感和健康的促進(jìn)。為此，理解學(xué)習(xí)活動的腦基礎(chǔ)極其重要。

首先，人腦是自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，是它產(chǎn)生了自然界最復(fù)雜的智慧現(xiàn)象、精神現(xiàn)象、意識。人類各種心理、認(rèn)知功能——無論是學(xué)習(xí)、記憶、思維、情感，還是學(xué)生的意志活動，都有其相應(yīng)的腦機制。一旦腦出了問題，其心理認(rèn)知功能都會出現(xiàn)嚴(yán)重問題。因此，保護腦無論怎樣強調(diào)都不過分。

無論學(xué)生學(xué)語文、數(shù)學(xué)、外語還是學(xué)物理、化學(xué)，都要運用感知能力、認(rèn)知能力，這些能力的獲得和正常發(fā)揮作用都需要一定腦區(qū)和網(wǎng)絡(luò)支撐。要學(xué)習(xí)好，僅有這些能力是不夠的，還需要有學(xué)習(xí)動機、學(xué)習(xí)積極性，需要得到鼓勵、獎勵。學(xué)習(xí)動機、情感等也有其相應(yīng)的腦基礎(chǔ)。當(dāng)然，人類的學(xué)習(xí)是多個腦區(qū)共同參與、協(xié)同作用的結(jié)果，腦的結(jié)構(gòu)和功能分工具有相對性，并非一個腦區(qū)只負(fù)責(zé)一個功能，也不是一種功能僅僅依賴一個腦區(qū)，而是多個腦區(qū)協(xié)同支撐多種功能。

人類會產(chǎn)生不同的情緒，比如生氣、悲哀、厭惡、悲傷等。對上百項情緒研究的元分析發(fā)現(xiàn)，不同的情緒具有不同的腦激活模式。任何一個人接受磁共振機器掃描腦，科學(xué)家可以依據(jù)其腦激活模式在一定程度上識別其情緒狀態(tài)。

我們的眼睛會看到外部世界，外部世界通過眼睛和視神經(jīng)活動到達(dá)大腦，這是我們真實看見的。另一方面，在無法真實看見的情況下，腦也能反映和理解外部世界。外部真實世界通過眼睛進(jìn)入腦可以形成記憶。例如，在座很多老師以前沒有見過我，今天見過我之后，走在大街上就可能認(rèn)出我。當(dāng)然，人還可以想象。想象是從大腦已有記憶中提取素材后再進(jìn)行加工，加工以后還可以再儲存、再記憶。想象的組合正是創(chuàng)造的源泉之一。想象和創(chuàng)造是人類很重要的能力，也有其相應(yīng)的腦機制。

人類較之于動物還有高級、復(fù)雜的語言系統(tǒng)，包括聽說讀寫。這是動物難以企及的腦高級功能。語言能力也是人類進(jìn)化達(dá)到高度智慧的重要原因之一。每個人只有一個腦，可我們不僅能學(xué)會漢語，還能學(xué)會多種語言。我們教語文要教聽說讀寫，聽說讀寫所依賴的腦區(qū)、腦網(wǎng)絡(luò)及其活動模式不完全一樣。有的學(xué)生閱讀能力很好，但寫作不行；有的學(xué)生寫作很好，閱讀沒有問題，但口頭表達(dá)不行；還有的學(xué)生口語很好，但寫作卻不行。我們每個人都可能表現(xiàn)出相對的能力優(yōu)勢和不足，這可能存在不同的腦神經(jīng)基礎(chǔ)。

再如數(shù)學(xué)，“3”和“5”誰大誰小，“3”和“5”做加減或乘除數(shù)學(xué)運算，這些不同的數(shù)學(xué)活動依賴的腦活動網(wǎng)絡(luò)是不同的。學(xué)習(xí)者初學(xué)乘法會感到很復(fù)雜，而一旦熟練記誦了九九表，乘法對于學(xué)習(xí)者而言變成了記憶的儲存和提取，可以達(dá)到高度自動化的程度。然而僅僅基于記憶的數(shù)學(xué)活動不足以培養(yǎng)學(xué)生的高水平數(shù)學(xué)思維。

研究發(fā)現(xiàn)，人類的社會功能也有其腦物質(zhì)基礎(chǔ)。比如，“感恩的腦”“承諾的腦”“公平的腦”“幸福的腦”，都在一定程度上有所不同。當(dāng)我們感到幸福的時候，不是一個抽象概念，而是跟腦的認(rèn)知加工以及相應(yīng)的體驗及其所對應(yīng)的特定神經(jīng)活動網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。“滿足的腦”，尤其是延遲滿足，對于人的學(xué)習(xí)成才非常重要，實際也存在其相對特定的神經(jīng)活動基礎(chǔ)。

總之，學(xué)生從事各種各樣的學(xué)習(xí)，涉及推理、記憶，語言學(xué)習(xí)、數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)、道德判斷等多種活動，都有相應(yīng)的腦基礎(chǔ)。我們培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、開展各個學(xué)段教學(xué)的時候，確實要理解不同認(rèn)知活動、學(xué)習(xí)不同材料。不同學(xué)習(xí)方式在不同年齡所依賴的腦基礎(chǔ)并不完全一樣。

腦的發(fā)育在不同階段具有不同特點

從出生到幼兒園，從小學(xué)、初中到高中，腦處于不同的發(fā)展階段。出生以前，從胎內(nèi)10周到胎內(nèi)40周，胎兒的腦發(fā)育已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)程度。0～7歲，一些重要的皮質(zhì)區(qū)域迅速發(fā)展。如果孩子在胎兒期腦發(fā)育有問題，那出生以后問題將極其嚴(yán)重；如果孩子在早期腦不能正常健康發(fā)展，就會帶來很多心理行為、認(rèn)知的問題。

腦發(fā)育有一定先后順序，先發(fā)育的是跟感知運動有關(guān)的部分，之后是記憶、推理等高級功能。腦發(fā)育規(guī)律制約著孩子的行為、認(rèn)知及其學(xué)習(xí)特點。出生前神經(jīng)纖維已經(jīng)發(fā)育，出生以后聯(lián)絡(luò)纖維發(fā)育極為重要。不同年齡腦網(wǎng)絡(luò)核心區(qū)域與網(wǎng)絡(luò)發(fā)育是不同的，涉及感知覺的初級網(wǎng)絡(luò)先發(fā)育，之后是高級網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，如注意網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行功能網(wǎng)絡(luò)，這些高級網(wǎng)絡(luò)分別對應(yīng)著兒童青少年不同的重要認(rèn)知功能。

青少年時期是腦發(fā)育的另一重要時期。在這一時期，言語和非言語智力也在快速發(fā)展和不斷分化，和相對特定區(qū)域腦結(jié)構(gòu)和功能的變化有密切聯(lián)系。這個時期腦發(fā)育不平衡，跟青春期孩子的沖動性比較強，自控性比較差等行為特點有關(guān)。

人腦連接模式是很復(fù)雜的。就像每個人都有獨特的指紋一樣，每個人都有獨特的腦連接模式和活動模式。隨著年齡的增長，腦的獨特性在增加，而且女孩的腦獨特性發(fā)育比男孩要快一些。智力很高、比較高、一般的青少年，其大腦皮層厚度達(dá)到峰值的時間點明顯不同。所以，建立兒童各種認(rèn)知功能，包括視覺、聽覺、記憶、注意、執(zhí)行功能等的腦發(fā)育圖譜極其重要。通過研制精細(xì)的腦發(fā)育圖譜，我們有可能更好地了解學(xué)習(xí)功能及其相關(guān)腦發(fā)育的特點，有可能更早、更準(zhǔn)確地認(rèn)識腦發(fā)育過程中的問題。目前這方面的研究還處在初步階段，尤其需要基于大樣本、精心設(shè)計、統(tǒng)一參數(shù)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一工具、細(xì)致長時間追蹤的腦智發(fā)育數(shù)據(jù)。沒有這些基礎(chǔ)性的研究和數(shù)據(jù)，我們就不能準(zhǔn)確刻畫腦智發(fā)育的年齡階段特點，難以為教育和醫(yī)療提供相關(guān)方法和工具，因此迫切需要盡快開展相關(guān)科學(xué)研究。

腦與學(xué)習(xí)的關(guān)系具有復(fù)雜性、交互性、動態(tài)性

研究表明，腦發(fā)育受很多因素影響，需要正常營養(yǎng)、正常教育、正常活動、正常同伴關(guān)系。任何經(jīng)驗的剝奪都可能導(dǎo)致腦發(fā)育的嚴(yán)重問題。而特定的學(xué)習(xí)經(jīng)驗可能在一定程度上塑造腦活動特點。

以乘法表學(xué)習(xí)為例。我國香港特別行政區(qū)的學(xué)生學(xué)九九乘法表時，需要背誦大數(shù)在前小數(shù)在后，以及小數(shù)在前大數(shù)在后兩種，內(nèi)地學(xué)生只背后一種。有意思的是，雖然乘法表在小學(xué)學(xué)習(xí)，到了大學(xué)階段內(nèi)地和香港學(xué)生在做大數(shù)在前小數(shù)在后的乘法時其腦電波仍然顯著不同。根據(jù)做大數(shù)在前小數(shù)在后的乘法時腦電波特點，人們就能判斷該學(xué)生數(shù)學(xué)是在內(nèi)地學(xué)的，還是在香港學(xué)的。在長期復(fù)雜地形識別和記憶活動經(jīng)驗驅(qū)動下，倫敦出租車司機負(fù)責(zé)心理地圖搜索的海馬區(qū)比一般人更大。同樣，閱讀干預(yù)不僅可以改善孩子的閱讀表現(xiàn)，而且可改變閱讀障礙孩子腦的活動模式。

學(xué)習(xí)的有效性是整個學(xué)習(xí)研究和教育實踐關(guān)注的核心問題。我們學(xué)了很多東西，有的記住了，有的遺忘了，有的總是記不住，為什么？實際上學(xué)習(xí)在不同情境、不同節(jié)點對應(yīng)的神經(jīng)活動不同。學(xué)習(xí)時神經(jīng)活動具有一致性，則記憶的效果就好。根據(jù)學(xué)習(xí)過程的神經(jīng)活動一致性高低，我們就可以預(yù)測什么學(xué)習(xí)有效，什么學(xué)習(xí)可能無效。長期以來，我們知道分散學(xué)習(xí)比集中學(xué)習(xí)好，但不知道原因?，F(xiàn)在我們知道，分散學(xué)習(xí)比集中學(xué)習(xí)好的原因也跟神經(jīng)活動的一致性有關(guān)。

同樣，在課堂上有的孩子主動學(xué)習(xí)，有的孩子學(xué)習(xí)很被動，學(xué)習(xí)效果也不一樣。很多研究表明，能動學(xué)習(xí)對于提高學(xué)習(xí)效果非常重要。在同一個課堂里，一個老師的腦要同時面對幾十個學(xué)生的腦，學(xué)生的腦跟老師的腦同步，則教學(xué)效果就比較好，反之則較差。

大家知道，學(xué)生學(xué)習(xí)不僅是學(xué)習(xí)知識、發(fā)展能力，也是人際互動。同學(xué)之間、師生間會遇到這樣那樣的問題，會出現(xiàn)矛盾和沖突，所以良好的情緒情感、良好的人際氛圍對學(xué)生學(xué)習(xí)的腦活動和學(xué)生腦發(fā)育也非常重要。比如學(xué)校給孩子創(chuàng)造愉快的體驗，即使孩子看到他人微笑，自己也會受到積極影響，因為有情緒共享的神經(jīng)基礎(chǔ)。假設(shè)在一個學(xué)校，同學(xué)之間頻繁沖突，老師跟學(xué)生之間頻繁沖突，那么不僅影響當(dāng)事人，還會影響所有人的腦發(fā)育和腦活動成效。

研究表明，獲得母親支持程度越高，兒童的海馬體積越大。生活中心理排斥、社會互動的排斥所引發(fā)的腦活動，就像真的在身體上被打了一拳一樣。所以心理的冷淡、冷暴力和行動上的暴力，本質(zhì)上導(dǎo)致腦的傷害密切關(guān)聯(lián)。母愛被剝奪的經(jīng)歷會導(dǎo)致兒童杏仁核發(fā)育提早，而杏仁核跟處理應(yīng)激、焦慮有著密切關(guān)系，涉及學(xué)生的心理健康。一項25年的追蹤研究表明，貧困影響兒童腦發(fā)育，但良好的親子互動、較少的應(yīng)激性生活事件則可起到一定保護性作用。課堂上師生、生生腦活動同步性越強，學(xué)生的課堂參與度就越好。

科學(xué)評測學(xué)生的腦智發(fā)育

由于腦科學(xué)研究不斷取得重要進(jìn)展，我們現(xiàn)在可以開始科學(xué)探討怎么基于腦科學(xué)對認(rèn)知功能的理解，來更加客觀、準(zhǔn)確地測試評價學(xué)生的能力。如前所述，多種認(rèn)知功能，比如記憶、執(zhí)行控制等都有不同的腦區(qū)與腦網(wǎng)絡(luò)，我們可以根據(jù)認(rèn)知層面的測試了解孩子腦功能的發(fā)育狀況。又如注意障礙、計算障礙、語言學(xué)習(xí)障礙、情緒行為障礙都存在腦結(jié)構(gòu)和功能的異常。因此我們還可以結(jié)合認(rèn)知行為和腦發(fā)育指標(biāo)，研究如何準(zhǔn)確評價、預(yù)測腦智發(fā)育問題，并進(jìn)一步精確分型，甚至建立神經(jīng)調(diào)控的靶標(biāo)，引導(dǎo)精準(zhǔn)的干預(yù)。但這些方面仍處于研究起步階段，實際應(yīng)用需要慎之又慎。特別值得指出的是，近期研究通過大量文獻(xiàn)的整合分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)控的干預(yù)效果不明，因此嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度極其重要。

對腦科學(xué)研究的建議

關(guān)于腦科學(xué)研究我提幾個建議。一是需要中國的高等學(xué)校、研究機構(gòu)更多關(guān)注與學(xué)習(xí)、教育相關(guān)的科學(xué)問題的研究，尤其是兒童青少年學(xué)習(xí)、認(rèn)知、情感、心理健康相關(guān)問題的研究。研究這些問題對于我們更好地理解兒童發(fā)展的規(guī)律、學(xué)習(xí)和教學(xué)的規(guī)律至關(guān)重要。二是建立基礎(chǔ)科學(xué)研究和教育應(yīng)用實踐的聯(lián)盟。本次青島會議就是一個很好的跨界聯(lián)合嘗試。三是要面向重要的教育現(xiàn)實問題，關(guān)注實踐應(yīng)用轉(zhuǎn)化。每位老師都在用自己的腦影響學(xué)生的腦，每個教室在一定意義上都是腦科學(xué)的實驗室。為此，每位老師都應(yīng)成為具有豐富腦科學(xué)知識的專家，要先用腦科學(xué)的知識武裝自己的腦。最后，要真正促進(jìn)兒童腦的健康發(fā)展，促進(jìn)兒童心理的健康發(fā)展，光靠學(xué)校、光靠腦科學(xué)與教育聯(lián)盟是不夠的，還迫切地需要政府部門真正從政策上引導(dǎo)和重視，首先建立腦科學(xué)普及和嚴(yán)謹(jǐn)應(yīng)用的示范區(qū)，然后逐步推廣，將腦科學(xué)研究的重要成果恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用于每一所學(xué)校、每一間教室，惠及億萬兒童青少年，為我們中華民族偉大復(fù)興的中國夢的實現(xiàn)奠定人才基礎(chǔ)。

腦科學(xué)是一個科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，要真正解決學(xué)生學(xué)習(xí)和教育的問題，就迫切需要圍繞重要教育問題，需要科學(xué)研究與教育實踐主動、深入地結(jié)合。而教育本質(zhì)上是人腦的保護和促進(jìn)，因此也迫切需要與腦科學(xué)恰當(dāng)、有效地結(jié)合。腦科學(xué)和教育雙向賦能才都能更好地發(fā)展。