王楊春曉 盧春明 鄭永和

摘要：教育神經(jīng)科學(xué)是面向教育場景，旨在揭示教育現(xiàn)象背后認知神經(jīng)機理的新興研究方向，是聯(lián)結(jié)腦、心智與教育的重要橋梁。然而，目前教育神經(jīng)科學(xué)研究存在選題定位不準(zhǔn)確、目標(biāo)情境相對狹隘、關(guān)鍵科學(xué)問題凝練不足等問題，嚴(yán)重制約著該方向的發(fā)展。該文首先介紹了教育神經(jīng)科學(xué)形成和發(fā)展的動因，從回歸大腦是解析教育現(xiàn)象的必然選擇、多源與多層級數(shù)據(jù)互證是教育研究的迫切訴求、高生態(tài)效度腦影像技術(shù)的發(fā)展助推多科學(xué)融合這三方面論述了教育神經(jīng)科學(xué)研究的必然與應(yīng)然。在此基礎(chǔ)上，該文梳理了教育神經(jīng)科學(xué)研究的內(nèi)涵，并提出了教育神經(jīng)科學(xué)研究需要重點關(guān)注的五大研究主題，包括：（1）課堂教學(xué)過程的認知神經(jīng)機理及其評估；（2）學(xué)科教學(xué)情境中學(xué)生學(xué)習(xí)的認知神經(jīng)機理研究；（3）學(xué)生高階思維能力研究；（4）智能教學(xué)環(huán)境中的學(xué)習(xí)認知機理研究；（5）教育教學(xué)影響因素的作用機理研究。最后，該文提出了“促合作”“重轉(zhuǎn)化”“遵規(guī)范”“建機制”四大發(fā)展進路，以期為我國教育神經(jīng)科學(xué)研究提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：教育神經(jīng)科學(xué)研究；發(fā)展動因；研究內(nèi)涵；研究圖景；發(fā)展進路

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A

* 本文系2022年國家自然科學(xué)基金重大項目“人工智能賦能教與學(xué)的理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”子課題項目“智能教學(xué)環(huán)境下的學(xué)習(xí)認知機理”（項目編號：62293551）階段性研究成果。

教育神經(jīng)科學(xué)（Educational Neuroscience）是教育科學(xué)研究的一個新興研究方向，旨在通過整合教育學(xué)、心理學(xué)、認知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，融合自然科學(xué)研究范式，聚焦教育教學(xué)現(xiàn)象背后的認知神經(jīng)機理，探索教育的基礎(chǔ)科學(xué)規(guī)律，以促進教育科學(xué)研究走向循證的道路。通過教育神經(jīng)科學(xué)的研究，人們期望能夠從認知神經(jīng)機理的角度解釋教與學(xué)的認知行為模式，驗證學(xué)習(xí)理論，加強教育研究的科學(xué)性和可解釋度；對教學(xué)過程與教學(xué)效果進行神經(jīng)—心理—行為評估，驗證外在表現(xiàn)與內(nèi)在表征的一致性，提高評估結(jié)果的可靠性和有效性；對教育現(xiàn)象和教育問題進行啟發(fā)，對教育模式變革提供建議，以期提升教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化教育服務(wù)，實現(xiàn)教育質(zhì)的飛躍。因此，為從根本上對教育科學(xué)研究革故鼎新，必須重視和加強教育神經(jīng)科學(xué)研究。

雖然教育神經(jīng)科學(xué)研究是一個新型領(lǐng)域，但是一些科技發(fā)達國家已先后將其納入教育發(fā)展的重大戰(zhàn)略和規(guī)劃。如美國分別在1997年和2001年召開了“兒童早期發(fā)展與學(xué)習(xí)：腦科學(xué)對早期兒童教育的啟示”和“早期兒童認知發(fā)展”高峰會議，對教育神經(jīng)科學(xué)研究在該國的發(fā)展起到了重要引導(dǎo)作用；2005年，美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，NSF）投入9億美元，用以支持由神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、計算科學(xué)和教育學(xué)交叉融合的跨學(xué)科研究團隊，并建立了若干學(xué)習(xí)科學(xué)研究中心，以此大力推動教育神經(jīng)科學(xué)研究的高質(zhì)量發(fā)展。2019年10月，我國教育部印發(fā)《關(guān)于加強新時代教育科學(xué)研究工作的意見》，該文件明確提出要充分運用認知科學(xué)、腦科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域最新成果和研究方法，創(chuàng)新教育科學(xué)研究的科研范式和方法，不斷拓展科研廣度與深度。為從國家戰(zhàn)略層面進一步推進教育科學(xué)與技術(shù)的研究和應(yīng)用，解決教育技術(shù)研究缺乏基礎(chǔ)認知理論的難題，我國國家自然科學(xué)基金委員會于2018年增設(shè)“教育信息科學(xué)與技術(shù)”（F0701）資助代碼，明確了教育神經(jīng)科學(xué)在教育科學(xué)體系中重要的基礎(chǔ)理論地位，也為教育神經(jīng)科學(xué)研究提供了有效資助途徑和長期發(fā)展動力。

然而，根據(jù)對F0701項目申請和資助情況的分析可以發(fā)現(xiàn)，教育神經(jīng)科學(xué)研究項目仍然存在申請數(shù)量不高、選題定位不準(zhǔn)確、目標(biāo)情境相對狹隘、關(guān)鍵科學(xué)問題凝練不足等問題，嚴(yán)重制約著教育神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展。因此，亟需梳理教育神經(jīng)科學(xué)形成和發(fā)展的動因，明確該研究方向在教育研究中的必要性和重要性；在此基礎(chǔ)上，明晰教育神經(jīng)科學(xué)的內(nèi)涵與外延，精準(zhǔn)定位智能時代教育神經(jīng)科學(xué)研究的關(guān)鍵主題和重要方向；最后，進一步提出教育神經(jīng)科學(xué)未來的發(fā)展進路，以期促進教育神經(jīng)科學(xué)研究的健康穩(wěn)步前進。

一、發(fā)展動因

（一）回歸大腦是解析教育現(xiàn)象的必然選擇

隨著教育心理學(xué)的誕生，研究者們逐漸認識到，學(xué)習(xí)的外顯行為與內(nèi)隱認知過程和大腦功能活動之間密切相關(guān)，教育科學(xué)規(guī)律的探索需要追溯學(xué)習(xí)背后的內(nèi)在認知過程和大腦神經(jīng)基礎(chǔ)。與此相呼應(yīng)，認知神經(jīng)科學(xué)在20世紀(jì)70年代誕生，致力于探究有形的大腦如何產(chǎn)生無形的心智思維[1]?；谡J知神經(jīng)科學(xué)的大量研究發(fā)現(xiàn)，即便大腦發(fā)育成熟后，學(xué)習(xí)經(jīng)驗仍然可以改變大腦結(jié)構(gòu)，大腦可塑是學(xué)習(xí)的生理基礎(chǔ)[2]。來自腦損傷的研究為學(xué)習(xí)塑造大腦的觀點提供了進一步的證據(jù)。具體而言，以往的研究者認為，大腦功能區(qū)損傷將導(dǎo)致對應(yīng)行為能力的消失，例如布洛卡區(qū)損傷會導(dǎo)致語義表達困難，同時難以理解語法復(fù)雜的句子；威爾尼克區(qū)損傷將不能分辨語音和理解語義[3]。但是有研究報告了兩個因癲癇手術(shù)切除了一側(cè)大腦的孩子，他們均因有良好的學(xué)習(xí)環(huán)境支持，通過其他神經(jīng)回路的代償作用而發(fā)展出了原本可能丟失的視覺和語言能力[4][5]。與健康兒童相比，大腦半球切除的兒童會以截然不同的方式習(xí)得知識和技能，而這種差異與他們各自保留的大腦半球功能特征相吻合[6][7]。這兩位半腦兒童的表現(xiàn)為教育帶來了重大啟示，即學(xué)習(xí)的通道不止一種。之后，許多認知神經(jīng)科學(xué)研究著重解析學(xué)習(xí)與大腦之間的關(guān)系，例如數(shù)學(xué)、二語學(xué)習(xí)對應(yīng)的腦功能和神經(jīng)環(huán)路等[8][9]，說明學(xué)習(xí)伴隨著外顯學(xué)習(xí)行為、內(nèi)在認知過程以及神經(jīng)生理基礎(chǔ)的改變?？梢姡ㄟ^多維度解析教與學(xué)的過程，特別是探究外顯行為背后的內(nèi)在認知過程及其神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，理解教育教學(xué)的認知神經(jīng)科學(xué)機理，才能科學(xué)合理地規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計教學(xué)環(huán)境，有效促進教育目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，若要探尋教育的根本問題，必須回歸大腦，開展教育神經(jīng)科學(xué)研究。

然而，我們需要明確，雖然認知神經(jīng)科學(xué)研究也會探索與教育教學(xué)相關(guān)的認知神經(jīng)機理，但是教育與認知神經(jīng)科學(xué)所關(guān)注的焦點存在本質(zhì)差異：認知神經(jīng)科學(xué)關(guān)注認知行為與人腦的關(guān)系，聚焦行為背后的內(nèi)在認知機理及其神經(jīng)生理基礎(chǔ)；而教育神經(jīng)科學(xué)更關(guān)注認知行為規(guī)律，旨在通過聚合來自行為、認知和神經(jīng)生理的多源證據(jù)，充分理解教與學(xué)的過程，例如教學(xué)主體與教學(xué)環(huán)境之間的相互作用和教育提質(zhì)策略生成，其最終目標(biāo)是促進人才培養(yǎng)。因此，認知神經(jīng)科學(xué)的研究成果無法直接服務(wù)于教育教學(xué)實踐，教育研究需要發(fā)展自身的科學(xué)邏輯和方法論。

（二）多源與多層級數(shù)據(jù)互證是教育研究的迫切訴求

從古至今，教育研究者致力于利用各類數(shù)據(jù)描述和解釋教育教學(xué)這一復(fù)雜系統(tǒng)的作用機制，包括對教育現(xiàn)象的觀察數(shù)據(jù)，對觀察者的訪談數(shù)據(jù)，以及智能技術(shù)支持下教學(xué)相關(guān)的音頻、視頻、文本、圖像等多模態(tài)數(shù)據(jù)。然而，這些數(shù)據(jù)都無法避免由人主動或被動表露的“主觀性”，且大部分來自于對外顯行為層的描述，在解釋教育問題、剖析教育現(xiàn)象方面存在局限；同時，大樣本、細粒度的數(shù)據(jù)增長也會伴隨著數(shù)據(jù)價值密度降低，不足以完全支撐教與學(xué)的深度解構(gòu)。教育研究需要更加多維、動態(tài)且能夠代表內(nèi)隱認知層的信息來驗證行為分析的精準(zhǔn)性和合理性。

隨著認知行為測量技術(shù)和輕量級神經(jīng)生理測量技術(shù)的發(fā)展，眼動、皮膚電阻、心率、腦信號等認知行為和生理數(shù)據(jù)為教育研究帶來數(shù)據(jù)福利。例如，眼動數(shù)據(jù)中的注視時長可以用來反映學(xué)生的興趣點或難點等[10]，皮膚電阻可以用來反映學(xué)習(xí)過程的情緒喚醒程度或情緒效價屬性（如高興還是悲傷等）[11]，心率可以反映復(fù)雜學(xué)習(xí)任務(wù)中認知負荷狀態(tài)等[12]，大腦電信號或血氧信號直接或間接反映教學(xué)主體在教學(xué)過程中獨特的單腦活動模式和群腦活動規(guī)律等。然而，以上認知和生理測量結(jié)果僅代表機體對環(huán)境的反應(yīng)，這些反應(yīng)可能來自多個不同心理過程的疊加混淆，或者根本不是由認知過程引發(fā)。

由此可知，單一指標(biāo)的測量結(jié)果難以有效解析教與學(xué)中復(fù)雜交疊的認知過程，重視多源數(shù)據(jù)和多層級數(shù)據(jù)整合是提高教育研究結(jié)果可信度和有效性的必要途徑。我們所探尋的教育規(guī)律，大部分還未經(jīng)過充分的證實或證明。以往，這種“充分”需要通過觀察、問卷調(diào)查以及訪談的三角互證來避免單一數(shù)據(jù)帶來的局限性，而智能時代的教育科學(xué)研究對這種“充分”提出了更高要求，即在融合不同研究范式的基礎(chǔ)上，以探索基礎(chǔ)教與學(xué)規(guī)律為核心，利用智能技術(shù)支持教育情境中多模態(tài)認知行為數(shù)據(jù)的挖掘，并與神經(jīng)影像數(shù)據(jù)分析相互融合，形成教育科學(xué)研究的完整證據(jù)鏈條，而行為層、心理層和神經(jīng)層數(shù)據(jù)都是這些鏈條上的一個環(huán)節(jié)，如圖1所示。綜上，只有將不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀生理數(shù)據(jù)來輔證教學(xué)現(xiàn)象解釋，以及用外顯觀測數(shù)據(jù)來區(qū)分和識別教學(xué)過程中可能存在的認知加工過程，配合理論建構(gòu)的方向指引，才能串聯(lián)教學(xué)主體的生理、心理和行為，對教育現(xiàn)象進行科學(xué)合理解釋，精準(zhǔn)還原教育教學(xué)生態(tài)全貌。而這也正是教育神經(jīng)科學(xué)誕生的另一大成因。

（三）高生態(tài)效度腦影像技術(shù)的發(fā)展是助推教育科學(xué)和認知神經(jīng)科學(xué)深度融合的必要條件

早期的大腦功能研究主要通過觀測動物或腦損傷病人進行外科手術(shù)后的行為變化來開展，而無創(chuàng)腦功能成像技術(shù)的出現(xiàn)極大促進了面向正常人群的認知神經(jīng)科學(xué)研究，因此也被用于教育神經(jīng)科學(xué)研究。此類成像技術(shù)從生理機制上主要包括兩大類：一類是記錄神經(jīng)細胞放電以及因電流而產(chǎn)生的磁場強度變化，以腦電圖（Electroencephalogram，EEG）和腦磁圖（MEG）為代表性技術(shù)；另一類是追蹤和記錄大腦血流和血氧濃度變化，其中功能性磁共振成像技術(shù)（Functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）因其具有高空間分辨率，是目前為止運用最為廣泛的腦影像技術(shù)之一，其測量結(jié)果常被用作其他新技術(shù)進行可靠性和有效性驗證的“金標(biāo)準(zhǔn)”。然而，由于已有技術(shù)并非專為教育場景服務(wù)，因而往往無法用于教育場景下的大腦機理研究。

進入21世紀(jì)后，隨著認知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)日新月異，以系統(tǒng)輕便、操作簡單、抗干擾能力強為主要特點的便攜式腦影像技術(shù)迅速發(fā)展，促進了自然情境中的認知神經(jīng)機理探索，使得真實課堂（線上、線下）中的師生腦活動測量成為可能。其中，較為典型的技術(shù)為功能性近紅外光譜成像技術(shù)（Functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS），其便攜性、高魯棒性、較好的時間采樣率與空間解剖定位能力等，使其尤其適用于教育科學(xué)研究對高生態(tài)效度和高科學(xué)性的需求。在生理機制方面，fNIRS與fMRI類似，也是通過測量大腦血流和血氧濃度變化來間接反映神經(jīng)細胞的電活動和代謝活動。但是，與fMRI不同，fNIRS通過近紅外光與人體組織之間的相互作用，將光強變化轉(zhuǎn)化為血氧濃度變化，因而更加安全無創(chuàng)，無需電磁屏蔽，對身體動作無限制，尤其適合自然情景，可用于全天候、全人群、全場景的大腦功能研究。因此，fNIRS允許研究者對教育情境中的自然刺激和常規(guī)教學(xué)模式進行探索，例如可測量課堂教學(xué)中的師生大腦活動，人機協(xié)同時的學(xué)生大腦活動等，滿足了教育研究對自然實驗范式的需求。然而，fNIRS技術(shù)也存在局限性：相較EEG毫秒級的時間分辨率，fNIRS的秒級分辨率不足以顯示腦活動的即時性；fNIRS對大腦的探測深度有限，無法捕捉大腦深部核團的活動?？梢姡煌X影像技術(shù)具有各自的優(yōu)勢與不足（如表1所示）。即便如此，高生態(tài)效度的腦影像技術(shù)出現(xiàn)是近年來促進教育神經(jīng)科學(xué)研究快速發(fā)展的關(guān)鍵。

然而，由于教育神經(jīng)科學(xué)的新生特性，尚沒有建立起成熟的方法論體系。目前，大量的教育神經(jīng)科學(xué)研究實際上仍然是“披著教育神經(jīng)科學(xué)外衣”的認知神經(jīng)科學(xué)或心理學(xué)研究，在研究問題、研究范式、驗證場景等方面與真正的教育教學(xué)尚有距離。因此，如何將腦功能的研究證據(jù)納入課堂教學(xué)仍然是教育神經(jīng)科學(xué)研究者面臨的巨大挑戰(zhàn)[13]。我們亟需一個研究圖景作為溝通教育研究者、認知神經(jīng)科學(xué)研究者的橋梁，幫助前者精準(zhǔn)捕捉基礎(chǔ)教育規(guī)律研究所需的認知-神經(jīng)線索與相關(guān)研究方法，幫助后者快速聚焦真實的教育問題與研究需求，形成多研究領(lǐng)域共同奔赴的良好學(xué)術(shù)樣態(tài)。而在此之前，需要明確教育神經(jīng)科學(xué)研究的內(nèi)涵，為更加合理地規(guī)劃研究圖景奠定基礎(chǔ)。

二、教育神經(jīng)科學(xué)研究的內(nèi)涵

學(xué)習(xí)是眾多領(lǐng)域和學(xué)科共同關(guān)注的對象。關(guān)于學(xué)習(xí)本質(zhì)及學(xué)習(xí)認知神經(jīng)機理的相關(guān)研究，在認知心理學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)和教育神經(jīng)科學(xué)中具有部分重疊，如學(xué)習(xí)與記憶、語言中的二語習(xí)得、閱讀加工等方向，這是教育神經(jīng)科學(xué)研究中選題定位不準(zhǔn)確的主要原因。我們需要在認知心理學(xué)和認知神經(jīng)科學(xué)研究的影響下發(fā)展教育神經(jīng)科學(xué)，同時也必須在學(xué)理上將其加以區(qū)分。

首先，教育神經(jīng)科學(xué)關(guān)注的核心是教育現(xiàn)象和教育規(guī)律，而不是認知過程本身。第一，雖然認知神經(jīng)科學(xué)已經(jīng)對注意、工作記憶、元認知、情緒、語言等認知過程開展了深入的腦機理探索，但是這些探索與教育神經(jīng)科學(xué)的關(guān)注焦點有所區(qū)別。例如，認知神經(jīng)科學(xué)研究通常關(guān)注工作記憶的成分和時間進程與學(xué)業(yè)成績之間的關(guān)系[14]，而教育神經(jīng)科學(xué)則關(guān)注課堂情境下學(xué)生如何通過工作記憶等認知過程實現(xiàn)知識獲取和能力形成，以及在這一過程中發(fā)揮作用的認知和非認知影響因素，包括興趣、動機、情緒情感等。第二，教育神經(jīng)科學(xué)更加關(guān)注學(xué)習(xí)主體的個性化規(guī)律，如不同學(xué)業(yè)成績分布的學(xué)生在工作記憶方面有何差異，單人和多人的認知學(xué)習(xí)過程存在何種特異性神經(jīng)機理，學(xué)習(xí)焦慮何以產(chǎn)生、學(xué)與測結(jié)合的教學(xué)設(shè)計為何會更好等。此外，教育不僅關(guān)注全學(xué)段、多學(xué)科中學(xué)生的學(xué)，還重視教師的教以及教與學(xué)的互動，這些均要納入教育神經(jīng)科學(xué)研究的范疇。第三，教育神經(jīng)科學(xué)研究還需要考慮研究結(jié)果對教育教學(xué)實踐層面的參考性與價值，要能夠針對現(xiàn)象和問題提供教學(xué)策略調(diào)整和教學(xué)方法改進的科學(xué)建議。

其次，教育神經(jīng)科學(xué)需基于教育教學(xué)的特定情境開展研究。情境與學(xué)習(xí)接收到的刺激屬性相關(guān)聯(lián)，否則其研究結(jié)論不一定能對教育教學(xué)實踐帶來實際參考價值。例如德國心理學(xué)家赫爾曼·艾賓浩斯（Hermann Ebbinghaus）研究的記憶遺忘曲線，是基于個體對于有意義材料和無意義材料的記憶量變化而得出的理論[15]，而在一般教學(xué)情境中更常發(fā)生的社會性記憶，說者對聽者的記憶會產(chǎn)生影響[16][17]，因此真實教學(xué)情境下的學(xué)習(xí)規(guī)律還有待在不同教學(xué)情境中作進一步探討。

最后，教育神經(jīng)科學(xué)研究應(yīng)以多元復(fù)合的生態(tài)學(xué)視角解析教與學(xué)的內(nèi)隱機理。教育神經(jīng)科學(xué)的研究屬于教育領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，雖然關(guān)注底層規(guī)律和內(nèi)隱認知機理的探討，但人的學(xué)習(xí)過程和教育教學(xué)結(jié)果的歸因具有復(fù)雜性，是自然環(huán)境、社會環(huán)境以及教育要素共同作用的結(jié)果。而且，教育研究需要疏通微觀機制到宏觀機制的路徑，力求教育投入和人才產(chǎn)出、教學(xué)輸入和知識習(xí)得的穩(wěn)定平衡。因此，包括教育神經(jīng)科學(xué)在內(nèi)的教育科學(xué)研究需要納入教學(xué)主體、課堂、家庭、學(xué)校和社會中各個微觀、中觀和宏觀要素，把握要素之間的聯(lián)系、相互作用以及功能上的統(tǒng)一[18]。以生態(tài)學(xué)視角來解構(gòu)教育教學(xué)是教育研究的基礎(chǔ)原則，也是服務(wù)于教育神經(jīng)科學(xué)研究范式下實驗結(jié)果解釋和問題分析的必要途徑。

總之，教育神經(jīng)科學(xué)研究是在以真實教育問題為研究導(dǎo)向，以融合教育學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)的理論、方法與技術(shù)為研究范式，以生態(tài)學(xué)的復(fù)合視角為問題詮釋原則，以明晰教育情境中教育教學(xué)的認知神經(jīng)機理為研究重點，最終服務(wù)于科學(xué)的人才培養(yǎng)、精準(zhǔn)教育評價、教育政策建言的交叉研究體系。

三、研究圖景

根據(jù)以上對教育神經(jīng)科學(xué)內(nèi)涵的解析，結(jié)合國家自然科學(xué)基金委員會信息學(xué)部“信息科學(xué)與技術(shù)”（F0701）中已有的教育神經(jīng)科學(xué)研究主題，同時面向教育基礎(chǔ)研究的重點需求和關(guān)鍵科學(xué)問題，拓展未來可能進行教育神經(jīng)科學(xué)探索的典型教育情境，本文認為教育神經(jīng)科學(xué)的研究圖景可能由以下五大研究主題構(gòu)成。這五大研究主題是彼此交織與嵌套的研究網(wǎng)絡(luò)，但本研究將其分開描述，以便更好地把握對教育神經(jīng)科學(xué)研究的布局。研究本身需要基于具體問題與情境，系統(tǒng)性思考相關(guān)主題間的要素與邏輯。

（一）課堂教學(xué)過程的認知神經(jīng)機理及其評估

課堂教學(xué)是學(xué)校教育的主體和核心內(nèi)容[19]，然而目前仍然缺乏對這一復(fù)雜過程的認識。教育教學(xué)的社會活動無法被簡化為非社會性過程，因為相較于非社會活動，人際交互過程中的大腦活動具有特異性。在單腦方面（參與者以“觀察者”的角色被動感知非交互刺激，如面部圖片或教學(xué)視頻），人類的部分大腦功能和結(jié)構(gòu)與社會行為相關(guān)，這也被神經(jīng)科學(xué)家稱為“社會腦”網(wǎng)絡(luò)。例如人類的額葉皮層等腦區(qū)中具有人類各種行為的神經(jīng)基礎(chǔ)——鏡像神經(jīng)元，并在顳頂聯(lián)合區(qū)發(fā)現(xiàn)了理解和猜測他人心理想法的“心智理論”功能[20]。在雙腦方面（兩個個體直接進行社會交互，而不是被動接受外部刺激），可以探索交互對象大腦活動之間的關(guān)聯(lián)性[21]，如參與社會交互的雙方會形成腦間神經(jīng)活動的同步（參與者之間在相同或不同腦區(qū)的活動隨時間變化出現(xiàn)同步）[22]。這些單腦功能特征和腦間神經(jīng)同步特征是社會行為形成的生理基礎(chǔ)，也是教學(xué)互動研究中不能忽視的重要維度。相關(guān)研究從認知神經(jīng)機理的視角驗證了維果茨基的最近發(fā)展區(qū)理論，表明面對面交互對有效教學(xué)具有重要作用，并發(fā)現(xiàn)神經(jīng)標(biāo)記也許可以成為未來評估課堂學(xué)習(xí)效果和教學(xué)效果的有力工具[23]。此外，教育神經(jīng)科學(xué)研究還需要系統(tǒng)闡明教學(xué)互動中知識傳遞的多層級交互結(jié)構(gòu)，探討基于不同感知覺通道的信息加工、基于共享概念空間的知識理解、以及基于相同心理表征的社會預(yù)測而形成的動態(tài)信息交互的多層級屬性，挖掘與教學(xué)成效相映射的認知行為和神經(jīng)指標(biāo)，發(fā)展符合科學(xué)規(guī)律的課堂教學(xué)模式，創(chuàng)新基于認知神經(jīng)機理的教學(xué)評估方法。

（二）學(xué)科教學(xué)情境中的學(xué)習(xí)認知機理研究

對不同學(xué)科而言，其知識的組織方式、表征方式和學(xué)習(xí)方法具有差異，學(xué)科學(xué)習(xí)也存在明顯的認知過程和神經(jīng)生理基礎(chǔ)的特異性。教育神經(jīng)科學(xué)研究能夠聯(lián)結(jié)腦、認知和行為，對學(xué)科教學(xué)的認知過程進行有效闡釋，填補學(xué)科教學(xué)理論空白，并對教學(xué)實踐產(chǎn)生科學(xué)啟示。例如，在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中，頂葉與額葉在數(shù)學(xué)認知加工中具有重要作用，且這類認知加工具有性別差異[24]；若要提高學(xué)生的數(shù)字邏輯推理能力，進行如數(shù)字序列完型任務(wù)或通過珠算等其他需要調(diào)用額頂區(qū)域的認知任務(wù)均可達到效果[25]。

除了探索正常學(xué)科學(xué)習(xí)機理以外，教育神經(jīng)科學(xué)研究還需要解析具有學(xué)科特點的學(xué)習(xí)困難的認知神經(jīng)機理，探討教學(xué)干預(yù)策略。這里的學(xué)習(xí)困難主要有兩類：第一類是學(xué)生在學(xué)科學(xué)習(xí)中遇到的一般困難，如知識理解、概念轉(zhuǎn)變、知識遷移相關(guān)的學(xué)習(xí)問題；第二類也叫學(xué)習(xí)障礙，是指智力正常，但由于未知的神經(jīng)生理或遺傳原因?qū)е聦W(xué)習(xí)表現(xiàn)異常，在注意、口語、閱讀、社會交往等方面存在問題[26]。對于第一類困難而言，教育神經(jīng)科學(xué)研究需要結(jié)合生物科學(xué)，挖掘能夠及時有效識別學(xué)科教學(xué)中學(xué)習(xí)障礙出現(xiàn)的神經(jīng)標(biāo)記或其他生理指標(biāo)，融合人工智能技術(shù)追蹤困難形成的關(guān)鍵圖式節(jié)點，分析阻礙學(xué)習(xí)進階的成因，從而使學(xué)生在錯誤圖式變得龐大和復(fù)雜之前，助力教師通過高效能的教學(xué)干預(yù)，幫助學(xué)生解決一般性學(xué)習(xí)困難，或?qū)σ延袑W(xué)習(xí)困難的學(xué)生進行動機重建。對于第二類困難而言，不同學(xué)科具有一些典型障礙，如數(shù)學(xué)中的失算癥，音樂中的失樂癥，二語中的閱讀困難等。這些障礙一般具有神經(jīng)-認知缺陷[27]，需要利用神經(jīng)-行為-心理的綜合評估技術(shù)對學(xué)習(xí)障礙進行高效篩查和精準(zhǔn)評估，促進有效和及時的教學(xué)干預(yù)。

（三）學(xué)生高階思維能力研究

面對新時代人才培養(yǎng)的迫切需求，設(shè)計符合人才成長規(guī)律和認知規(guī)律的培養(yǎng)模式與教學(xué)策略，促進學(xué)生如創(chuàng)造性、批判性思維、協(xié)作能力、問題解決等高階思維能力以發(fā)展深度學(xué)習(xí)是關(guān)鍵。目前，關(guān)于高階思維能力的認知神經(jīng)機理研究多聚焦在成年人群體，并多關(guān)注創(chuàng)造性。已有研究探討了成人的急性壓力影響創(chuàng)造性思維的潛在神經(jīng)機理，發(fā)現(xiàn)急性壓力會損害創(chuàng)造性思維，主要影響創(chuàng)造性認知過程的早期階段[28]，這啟發(fā)教師需要為學(xué)生營造適宜且寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而促進學(xué)生的創(chuàng)造性產(chǎn)出。

還有研究表明，創(chuàng)造性的發(fā)展存在階段性，于嬰幼兒期便已開始萌芽[29]，進入兒童青少年時期發(fā)展迅速，青少年時期呈現(xiàn)倒V型發(fā)展[30]，進入成年期后發(fā)展較為平緩。由此可知，基礎(chǔ)教育階段兒童的創(chuàng)造性會迅速發(fā)展，創(chuàng)造性培養(yǎng)在該階段也顯得尤為重要。然而，目前還缺少面向基礎(chǔ)教育階段甚至更早期的學(xué)生的創(chuàng)造性認知神經(jīng)機理研究，更缺乏教學(xué)環(huán)境、教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容等對兒童青少年創(chuàng)造性的影響機理解析。關(guān)于批判性思維、問題解決等高階思維能力的教育神經(jīng)科學(xué)研究面臨著同樣窘境。教育神經(jīng)科學(xué)研究需要加強全學(xué)段學(xué)生在不同教學(xué)情境中的高階思維能力的精細分解與認知神經(jīng)機理探索，探究不同教學(xué)形式、教學(xué)策略和教學(xué)活動影響下的高階思維能力的外顯行為和內(nèi)隱神經(jīng)環(huán)路，同時挖掘如親社會性、韌性、自我控制能力、意志等非認知能力、品質(zhì)與這些高階思維能力之間的作用關(guān)系，以此豐富創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)理論，啟發(fā)教學(xué)實踐。

（四）智能教學(xué)環(huán)境中的學(xué)習(xí)認知機理研究

人工智能+教育是世界各國教育的重要戰(zhàn)略發(fā)展方向，人工智能技術(shù)也逐漸成為教育教學(xué)變革創(chuàng)新的重要因素[31]。然而，并非所有的智能技術(shù)都對教育教學(xué)產(chǎn)生了人們期待中的效果。究其原因，目前人們對智能教學(xué)情境下學(xué)習(xí)認知機理的理解十分有限，智能教學(xué)的有效模式亟需深入探索。

目前，已有研究對智能技術(shù)在教育教學(xué)中的適用性、融合智能技術(shù)的教學(xué)形式與一般教學(xué)形式的教學(xué)效果對比、智能教學(xué)環(huán)境中影響學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)效果的重要因素的作用機理等方面開展了基于認知神經(jīng)科學(xué)視角的探討，例如相比沒有類人教學(xué)代理（Pedagogical Agent，PA）的課程，具有PA的課程在學(xué)習(xí)結(jié)果測試中表現(xiàn)更好，同時在學(xué)習(xí)過程中大腦的社會區(qū)域表現(xiàn)出更強的腦活動。學(xué)習(xí)者在在線學(xué)習(xí)過程中參與社會加工，并通過類人化的教學(xué)代理來提高教學(xué)效果[32]。進一步，教育神經(jīng)科學(xué)研究還需探索師—機—生協(xié)同過程中的認知神經(jīng)層級，闡明智能教學(xué)環(huán)境下知識建構(gòu)的影響因素及其作用機理，考察不同在線教學(xué)方式中教師和學(xué)生的適應(yīng)性行為、神經(jīng)活動模式和神經(jīng)—行為計算模型，為構(gòu)建在線教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控與評估的關(guān)鍵指標(biāo)體系，以及更加符合人腦的教與學(xué)規(guī)律的在線課堂教學(xué)環(huán)境設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

（五）教育教學(xué)影響因素的作用機理研究

無論是教學(xué)主體、教學(xué)內(nèi)容還是教學(xué)環(huán)境，其中有諸多影響課堂教學(xué)效果和學(xué)生成長發(fā)展的因素。在教學(xué)主體層面，動機、情緒、態(tài)度等非認知因素與學(xué)習(xí)認知的耦合是教與學(xué)表現(xiàn)的結(jié)果，而大腦是對這種耦合的內(nèi)隱、客觀體現(xiàn)。例如合作與競爭是兩種主要的人際互動和群體學(xué)習(xí)方式，而其中互動動機可能是影響互動有效性及其教學(xué)效果的主要因素[33]，且兩種互動方式的人際間腦同步模式存在顯著差異[34]。其次，具身認知學(xué)習(xí)理論指出，學(xué)習(xí)不可忽視個體身體所產(chǎn)生的作用[35]。身體基礎(chǔ)不僅作為認知資源和認知能量的載體，還承載著整個學(xué)習(xí)過程中的維穩(wěn)功能，如疲勞會影響學(xué)習(xí)專注度、記憶和認知負荷等[36]。

在教學(xué)層面，課堂教學(xué)策略、教學(xué)方法、課程設(shè)計等因素對教學(xué)效果的影響機理有待探索。例如在有限教學(xué)時間內(nèi)，與視頻教學(xué)相比，面對面授課可以使師生更快地進入知識教學(xué)，有利于提高教學(xué)效率。這可能是由于面對面互動能夠誘發(fā)更強的腦間同步，互動越頻繁，腦間同步就越強[37]。此外，如游戲化教學(xué)、項目式教學(xué)等如今廣泛運用的教學(xué)方式也需要認知神經(jīng)科學(xué)探索其設(shè)計背后的合理性，使其符合學(xué)生的學(xué)習(xí)認知規(guī)律[38]。進一步，研究者還可從課堂生態(tài)環(huán)境中挖掘?qū)逃虒W(xué)的關(guān)鍵影響因素及其作用機理，如獨立于課堂生態(tài)主體而客觀存在的環(huán)境因素，包括教室顏色和溫度、課桌、教室光線和照明等，以及由課堂生態(tài)主體派生而形成的環(huán)境因素，涉及人際關(guān)系、班級學(xué)習(xí)風(fēng)氣和班級管理制度等[39]。

四、發(fā)展進路

通過對教育神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展動因梳理和內(nèi)涵剖析可以發(fā)現(xiàn)，教育神經(jīng)科學(xué)雖在教育科學(xué)研究中具有其他學(xué)科無法直接代替的重要地位，但也存在多學(xué)科交叉和范式融合下的諸多研究困難。教育神經(jīng)科學(xué)研究若要健康長效發(fā)展，需要基于圖景開展系統(tǒng)性研究，并進一步推動多學(xué)科交叉融合，注重研究、實踐之間的貫通以及倫理、實驗規(guī)范，并建立教育神經(jīng)科學(xué)研究的長效機制。

（一）促進教育神經(jīng)科學(xué)研究的跨學(xué)科和跨域合作

作為典型的跨學(xué)科研究，教育神經(jīng)科學(xué)需要教育學(xué)、認知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)等各學(xué)科背景的研究者協(xié)同參與教與學(xué)的認知神經(jīng)機理探索，從問題凝練到問題解構(gòu)，逐漸從合作研究升級為協(xié)作探索。更進一竿，教育研究者需要將自然科學(xué)范式構(gòu)建到自身研究體系中，掌握研究的理論、技術(shù)與方法，打通教育神經(jīng)科學(xué)研究的完整鏈路，兼得研究的高效與自由。然而，目前跨學(xué)科研究還存在諸多問題，例如學(xué)科間研究力量不均衡，心理學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的研究者占比過大，削弱了教育的人文考量與實踐思考；研究者無法提出有效的關(guān)鍵科學(xué)問題，研究的實際內(nèi)容最終又回歸到認知神經(jīng)科學(xué)的范疇，研究結(jié)論無法在教育場景中落地；研究任務(wù)分工僵硬，關(guān)鍵問題提出、實驗設(shè)計與操作、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)分離，未形成有效的協(xié)作研究樣態(tài)。為有效解決以上問題，第一，以關(guān)鍵教育問題或迫切教育難題為導(dǎo)向，以重大研究項目作為牽引，招納多學(xué)科研究者共同參與問題解決，人盡其才，優(yōu)勢互補，突破學(xué)科間壁壘，相互間不斷浸潤研究范式，開掘研究深度，形成真正意義上的多學(xué)科深度融合；第二，優(yōu)化跨學(xué)科協(xié)作交流機制，搭建跨學(xué)科信息交流和數(shù)據(jù)共享平臺，共同探討教育關(guān)鍵問題以及底層的認知機理，加強多學(xué)科間的知識流動、思想?yún)R聚和方法交叉，統(tǒng)一研究話語體系，營造學(xué)術(shù)共同體與專業(yè)共同體的良好生態(tài)。第三，促進研究者、教育實踐者和腦影像技術(shù)工程師開展研發(fā)合作，解決腦影像技術(shù)的卡脖子問題，研發(fā)高生態(tài)效度、有效信息互補的腦影像技術(shù)，建立研究—教學(xué)的一體化系統(tǒng)，助力教育神經(jīng)科學(xué)的課堂研究和實驗培訓(xùn)。

（二）注重基礎(chǔ)科學(xué)規(guī)律的課堂轉(zhuǎn)化與科學(xué)應(yīng)用

一直以來，教育科學(xué)基礎(chǔ)研究與教學(xué)實踐之間存在著銜接困難的問題，腦的重塑理論如何在在課堂中發(fā)揮作用？大到“雙減”效果的檢驗，小到學(xué)生考試焦慮、邏輯演繹過程的追蹤與評估，教育神經(jīng)科學(xué)研究在其中扮演著怎樣的角色？一方面，幾百年來教育提及的黑箱問題需要教育神經(jīng)科學(xué)研究在第一時間追本溯源，另一方面，教育政策需要教育神經(jīng)科學(xué)進行落地服務(wù)。其中，聚焦真實教育場景，突破關(guān)鍵科學(xué)問題凝練機制是關(guān)鍵。研究者要面向?qū)嶋H教育問題，疏通教育問題背后的認知—神經(jīng)關(guān)聯(lián)，明確教育問題背后認知神經(jīng)機理探索的必要性；或從神經(jīng)科學(xué)的視角提出科學(xué)問題后，評判實際的教學(xué)應(yīng)用與科學(xué)問題的結(jié)合程度，再著力進行神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)與教育學(xué)融合交叉的教育現(xiàn)象和教育問題基礎(chǔ)研究。反之，不應(yīng)將認知神經(jīng)科學(xué)的手段和方法生硬地嵌入教育科學(xué)研究，為了“交叉而去交叉”。其次，國家需要建立教育神經(jīng)科學(xué)實驗校，貫通基礎(chǔ)研究與教學(xué)實踐體系，促進研究者與教學(xué)實踐者的交流合作，形成研究與實踐的優(yōu)化與迭代機制，保證實驗結(jié)果的課堂轉(zhuǎn)化與實踐可落地。最后，隨著腦影像技術(shù)的不斷發(fā)展，交叉研究大規(guī)模應(yīng)用于真實課堂逐漸成為可能，應(yīng)促進教育神經(jīng)科學(xué)從實驗室走向真實課堂，最大化發(fā)揮教育神經(jīng)科學(xué)的研究價值與專業(yè)效益。

（三）遵循教育神經(jīng)科學(xué)研究的倫理原則和實驗規(guī)范

任何研究開展都需要關(guān)注倫理問題。雖然教育神經(jīng)科學(xué)不涉及手術(shù)、侵入式腦影像或大腦分子層面的研究，但仍然要堅持國際公認的倫理準(zhǔn)則，如貝爾蒙人體受試者倫理準(zhǔn)則中的尊重個人、無傷害（善行）、公正等原則，以及知情同意、風(fēng)險利益評估和受試者選擇等研究必需條件[40]，保證人體實驗安全；同時，教育神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)涉及教學(xué)主體的認知、情感等私密性問題，研究者需要保證實驗參與者的數(shù)據(jù)隱私安全，不隨意公開，并尊重每一份數(shù)據(jù)，用科學(xué)態(tài)度去分析。此外，研究者需要尊重各個學(xué)科自身的實驗規(guī)范，謹慎使用不同學(xué)科的技術(shù)與方法，勿將主觀的隨意操作視為研究創(chuàng)新，這不僅是對交叉學(xué)科的輕視，更是對本學(xué)科研究的荼毒；同時，不斷優(yōu)化教育神經(jīng)科學(xué)研究中的實驗規(guī)范與數(shù)據(jù)算法，研制實驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化實驗流程，更好地服務(wù)研究者順利投入到教育神經(jīng)科學(xué)研究當(dāng)中。

（四）建立教育神經(jīng)科學(xué)研究的長效機制

相較于發(fā)達國家，我國的教育神經(jīng)科學(xué)或?qū)W習(xí)科學(xué)研究還處于起步階段[41]，道阻且長。為推動教育神經(jīng)科學(xué)研究的有序發(fā)展，應(yīng)在研究支持、智庫建設(shè)和跨學(xué)科人才培養(yǎng)等環(huán)節(jié)保障教育神經(jīng)科學(xué)研究形成長效機制。第一，優(yōu)化我國教育神經(jīng)科學(xué)研究資助體系，聯(lián)合國家自然科學(xué)基金委員會和教育部，通過教育神經(jīng)科學(xué)研究相關(guān)的重大項目和重點項目群設(shè)立，在研究領(lǐng)域內(nèi)形成示范效應(yīng)，推動教育神經(jīng)科學(xué)的科學(xué)問題凝練與問題攻關(guān)。第二，加強對國家級研究中心建設(shè)的支持力度，通過項目設(shè)立、人才引進、經(jīng)費投入等措施培育國家一流的教育神經(jīng)科學(xué)重點研究基地，形成該領(lǐng)域的人才高地和學(xué)術(shù)高峰。第三，推動面向教育神經(jīng)科學(xué)前沿發(fā)展的智庫建設(shè)，以教育神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的知名專家學(xué)者為主體，對教育神經(jīng)科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、教師培訓(xùn)體系等進行戰(zhàn)略規(guī)劃與布局，為教育神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展理清思路，提供決策支持。第四，培養(yǎng)跨學(xué)科研究型人才，設(shè)置以教育學(xué)、心理學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)、學(xué)習(xí)科學(xué)等相關(guān)知識內(nèi)容為根基，以研究問題為導(dǎo)向，以研究項目為驅(qū)動的專業(yè)課程，需著重構(gòu)建交叉學(xué)科理論、跨學(xué)科研究范式和教學(xué)實踐的系統(tǒng)架構(gòu)，突出跨學(xué)科的銜接與融合。

五、思考與展望

在進行教育神經(jīng)科學(xué)研究時，我們需要時刻思考教育這種人文社會環(huán)境下的特殊性，并適量地借鑒自然科學(xué)的研究方法進行教育規(guī)律詮釋，對教育現(xiàn)象或問題的解釋要謹慎并進行限定，否則又會出現(xiàn)神經(jīng)謬論的盛行。同時，作為一門新型的前沿交叉學(xué)科，教育神經(jīng)科學(xué)研究首先需要關(guān)注典型的、關(guān)鍵的教學(xué)發(fā)生過程，探索有效對標(biāo)教育教學(xué)實踐的認知神經(jīng)機理；然后以點帶面，系統(tǒng)性推進多種教育教學(xué)情境中的機理解析，將大量的研究向?qū)嵺`靠攏，在復(fù)雜的教育情境和影響因素中理出條條頭緒，結(jié)合科學(xué)研究成果來重新認知課堂教學(xué)過程，并以更新后的學(xué)習(xí)觀、師生關(guān)系觀與教學(xué)觀為指導(dǎo)建構(gòu)課堂教學(xué)實踐，真正呈現(xiàn)出無限接近真實教育現(xiàn)象與規(guī)律的復(fù)雜系統(tǒng)，以此更加清晰地俯瞰教育全貌，助力新時代下的人才培養(yǎng)。

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作者簡介：

王楊春曉：在讀博士，研究方向為教育神經(jīng)科學(xué)、教育技術(shù)。

盧春明：教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為教育神經(jīng)科學(xué)。

鄭永和：教授，博士生導(dǎo)師，院長，研究方向為教育信息科學(xué)與技術(shù)、科學(xué)教育。

Educational Neuroscience Research： Connotation， Landscape， and Development Pathways

Wang Yangchunxiao1， Lu Chunming2， Zheng Yonghe1

（1.Research Institute of Science Education， Beijing Normal University， Beijing 100875； 2.State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning， Beijing Normal University， Beijing 100875）

Abstract： Educational neuroscience is an emerging research direction that aims to reveal the cognitive neural mechanisms behind educational phenomena， and is an important bridge linking the brain， mind， and education. However， the current research in educational neuroscience suffers from inaccurate topic selection， relatively narrow target contexts， and insufficient condensation of key scientific questions， which seriously restrict the development of this direction. The paper first introduces the motivation for the emergence and development of educational neuroscience， and reveals the inevitability and desirability of educational neuroscience research from three aspects： returning to the brain is an inevitable choice for analyzing educational phenomena， inter-evidence of multi-source and multi-level data is an urgent demand for educational research， and the development of high ecological validity brain imaging technology promotes multi-science integration. On this basis， the paper compares the connotation of educational neuroscience research and proposes five major research themes that need to be focused on educational neuroscience research， including （1）cognitive neural mechanism of the classroom teaching process and its assessment； （2）cognitive neural mechanism of student learning in disciplinary teaching context； （3）higher-order thinking ability of students； （4）cognitive mechanism of learning in intelligent teaching environment； （5）research on the mechanism of effective teaching influencing factors. Finally， the study proposes four major development pathways， “promoting cooperation”， “emphasizing transformation”， and “building mechanisms”， to provide a reference for Chinas educational neuroscience research.

Keywords： educational neuroscience research； developmental motivation； research connotation； research landscape； development pathways

責(zé)任編輯：李雅瑄

① 鄭永和為本文通訊作者。