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        從腦科學(xué)視角談學(xué)習(xí)和教學(xué)

        2019-01-04 05:40:36
        教育家 2018年48期
        關(guān)鍵詞:腦科學(xué)髓鞘白質(zhì)

        教育、教學(xué)的本質(zhì)是什么呢?不是簡單的傳授知識、傳承技能,而是“授人以漁”,就是教給學(xué)生學(xué)習(xí)和思考的能力?!八枷搿钡男∽瓕懽鳌啊?,“思”字上面這個字是“囟”是嬰兒顱骨合縫的地方,指代腦;“思”字下面是一個“心”字。所以“思”就是建立腦跟心之間的聯(lián)系,“如絲之相貫不絕”?!跋搿弊稚厦媸恰跋唷?,相就是用眼睛觀察一棵樹的生長,想就是用心去了解這個觀察的過程。從某種層面來講,“思想”指的是用心感受客體世界,用腦思考,使心和腦得以貫通??梢娔X科學(xué)的研究對于我們了解思考的本質(zhì)是非常重要的。

        新生兒的大腦在剛出生時大概只有300g。如果把大腦看作一張行政區(qū)劃圖的話,腦白質(zhì)的連接就像一張相應(yīng)的交通路線圖,告訴我們大腦中不同區(qū)域間的神經(jīng)元是如何聯(lián)系的。嬰幼兒到3歲時,其大腦的重量基本能達(dá)到1.1公斤左右;6歲入小學(xué)時,大腦容量就已經(jīng)達(dá)到成人腦容量的95%左右。如下圖所示,彩色標(biāo)注的就是白質(zhì)纖維束,白質(zhì)纖維合并在一起,負(fù)責(zé)相連接區(qū)域的協(xié)同信號傳遞。白質(zhì)的“白”色是來自髓鞘,髓鞘的形成使得神經(jīng)元有效和快速地傳遞信號,所以髓鞘化對于大腦的正常運作是一個非常重要的過程。

        嬰兒剛出生時,腦內(nèi)的髓鞘沒有完全形成,很多認(rèn)知能力也尚未發(fā)育。隨著兒童和青少年期的成長,額葉或者前額葉的白質(zhì)纖維束會不斷發(fā)育,直到9-12歲左右。前額葉是大腦的“司令官”,很多重要的認(rèn)知能力,包括執(zhí)行控制、語言、注意等,都和前額葉有關(guān),或者跟包括前額葉在內(nèi)的腦網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。最近的腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),哪怕人到了中老年,在進(jìn)行有效的新能力學(xué)習(xí)過程中,腦內(nèi)的髓鞘還是可以變化生長的。我們知道,學(xué)習(xí)能力是基于認(rèn)知能力,認(rèn)知能力則是基于腦的生物基礎(chǔ),所以腦是學(xué)習(xí)的根本載體。白質(zhì)纖維束的形成,就是讓大腦不同區(qū)域形成更有效的聯(lián)系。因此,我們將更多地從動態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的視角去解讀大腦是如何協(xié)同工作的。

        目前研究大腦活動的方法主要有兩類:一類是腦電、腦磁,另一類是功能性磁共振、功能性近紅外成像。前者是觀測神經(jīng)元的電活動本身,后者通過大腦活動時特定腦區(qū)的代謝來觀測磁場下局部信號的改變。腦電就是在第一類路徑下一個非常簡單的方法,觀測每個電極周圍的某一組神經(jīng)元活動,可以達(dá)到毫秒級的精度。功能性磁共振成像則是觀測人腦在進(jìn)行特定活動時不同腦區(qū)的耗氧情況。腦神經(jīng)活動時某一特定區(qū)域耗氧,會改變這個區(qū)域毛細(xì)血管中氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的比例,從而使得我們可以觀測到與特定腦活動有關(guān)的信號。

        就腦電領(lǐng)域的研究實踐來說,在2017年,David Poeppel團(tuán)隊(Dikker et al., 2017)關(guān)于課堂教學(xué)中師生腦際活動同步性的研究,獲得了美國國家科學(xué)基金會的科研大獎(NSF INSPIRE Track 1 Award)。該團(tuán)隊在三個月中跟蹤一個學(xué)校的課程,讓師生都戴上腦電帽,一周一次,共臨堂檢測11次,下圖是師生的腦神經(jīng)信號在不同頻段的情況。

        通過一學(xué)期的跟蹤,研究發(fā)現(xiàn),學(xué)生對這些課程的喜愛程度、對課程教學(xué)法的課后評分,都與師生之間大腦活動同步性有密切關(guān)系。這類非傳統(tǒng)的腦科學(xué)研究是近年新興的研究手段。以往,不管是腦電還是磁共振,更多是基于單個個體的活動,而這項研究是考察不同個體之間的活動同步性。在這一過程中,對于一個具體的腦活動,不再去細(xì)究是哪個腦區(qū)在集中活動,也不是基于實驗室設(shè)計,而是從整個腦網(wǎng)絡(luò)的視角來研究課堂教學(xué)背后的神經(jīng)機(jī)制。這項研究中一個最有意義之處在于,它提出講者和聽者之間的同步性源自“共享的注意”,可見注意力在課堂教學(xué)中是相當(dāng)重要的因素,始終提醒教師反思“在教學(xué)中最應(yīng)該注意什么”。注意涉及不同層面,比如從觀察其它個體的活動、對自身行為的控制,再到集中精力跟隨、模仿他人進(jìn)行學(xué)習(xí)而不走神等等,乃至延伸到與之關(guān)系密切的記憶力訓(xùn)練。研究也顯示,教學(xué)的基本能力是可以通過訓(xùn)練得到提升的。

        此外,腦的一些其它高級認(rèn)知能力對于學(xué)習(xí)和教學(xué)也是極其重要的。這些認(rèn)知能力包括擬定計劃并執(zhí)行的能力、持續(xù)注意能力、多項同時注意的能力、抑制控制能力、快速處理數(shù)據(jù)的能力,乃至具備認(rèn)知靈活性和基本分類的能力等等,以上種種共同構(gòu)成了人腦的執(zhí)行能力。與此有關(guān)的最著名的實驗?zāi)^于1970年米歇爾教授做的棉花糖實驗,通常被簡單稱為“延遲滿足實驗”。在實驗中,能夠忍住對眼前糖果的欲望,從而在考驗時間段后獲得更多棉花糖的孩子,以后在職業(yè)發(fā)展、控制力、社會適應(yīng)等方面都做得更好,這也直接導(dǎo)致了不管學(xué)校還是早期教育機(jī)構(gòu)都會訓(xùn)練孩子的延遲滿足能力。然而,實驗真正揭示的內(nèi)涵遠(yuǎn)非如此簡單。

        四十年后,研究者再次跟蹤當(dāng)年參與實驗的人群,會發(fā)現(xiàn)他們的大腦額葉中與執(zhí)行功能相關(guān)的腦區(qū)存在著非常清晰的正相關(guān),在棉花糖效應(yīng)實驗中做得更好的個體能做出更好的跨期決策。與此同時,另一個同樣關(guān)于棉花糖效應(yīng)的后續(xù)研究也很有意義:研究人員在原來的實驗方法基礎(chǔ)上添加一個預(yù)實驗:其中一組主試先告訴孩子“這個蠟筆很難看,老師去拿另外一個好不好”,然后回來說“蠟筆沒有了,給你一些粘紙吧”,接著又回來說“粘紙也沒有了,給你別的東西吧”,而另一組主試則如約帶給孩子蠟筆和粘紙。接下來進(jìn)行原來的棉花糖實驗。這兩組被試的實驗結(jié)果中數(shù)據(jù)差別非常顯著——在研究人員沒有對被試者(孩子)信守承諾的條件下參與后續(xù)棉花糖實驗而做到延遲滿足的被試者人數(shù),只有只進(jìn)行了棉花糖實驗組人數(shù)的25%。

        這個進(jìn)階版的棉花糖實驗結(jié)果給了我們什么啟示?第一,信任是非常重要的條件。學(xué)校是社會的小縮影,推而論之,一個班級、一個學(xué)校,只有在讓孩子信任時才能夠提供好的教育。第二,所謂延遲滿足,指的是自主性的延遲滿足,就是“我知道放棄這個以后在更晚的階段獲得更好的獎賞”,這是人的自主決定。早先為公眾熟知的棉花糖實驗,被誤讀之處在于以上兩點。而對教育者來說重要的啟示是,與學(xué)生建立互信關(guān)系是至關(guān)重要的,并且要讓學(xué)生更多地進(jìn)行自主決策。

        大腦的活動可以被認(rèn)為是非常復(fù)雜的動態(tài)網(wǎng)絡(luò),近幾年新的研究技術(shù)手段使得我們可以從毫米或毫秒級別上來研究腦的動態(tài),就像把整個大腦呈現(xiàn)為3D動態(tài)圖,用視覺圖像表達(dá)和分析它,從而研究在局部和全腦,腦活動是如何組織的,有哪些區(qū)域(節(jié)點)是非常重要的,遠(yuǎn)程連接又有怎樣的意義等等。例如我們現(xiàn)在了解到執(zhí)行控制就和一個關(guān)鍵的子網(wǎng)絡(luò)“額-頂葉網(wǎng)絡(luò)”有重要的關(guān)系,而這個子網(wǎng)絡(luò)正是整個腦組織中最為關(guān)鍵的一個功能子網(wǎng)絡(luò)。

        此外,腦科學(xué)的研究也通過雙胞胎實驗、視覺剝奪實驗等研究發(fā)現(xiàn),人類個體的早期經(jīng)驗會極大地調(diào)制腦網(wǎng)絡(luò)的一些先天因素。從基本的DNA遺傳到表觀遺傳,再到后天環(huán)境作用,教育本身可被視為能夠改變腦網(wǎng)絡(luò)的后天環(huán)境,從而對大腦進(jìn)行進(jìn)一步的塑造。也有研究提出,教育是不是有可能改變表觀遺傳?比如父母早期是處于饑餓狀態(tài)或是噪聲污染狀態(tài),這些是否會通過表觀遺傳改變孩子的認(rèn)知能力。不管是在腦科學(xué)界還是教育界,這都有待于進(jìn)一步深入的研究。因此,腦科學(xué)界有必要和教育界有更密切的合作,這個過程既涉及對重要的腦科學(xué)基本概念和理論的科普,也涉及進(jìn)一步研究基本認(rèn)知能力在兒童青少年早期的動態(tài)發(fā)展,了解哪些遺傳因素、環(huán)境因素會改變它們,以及了解每個個體在不同方面的發(fā)展水平等。只有這樣,我們才能最終真正做到因人而異、因材施教。

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