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基于脑的教育:神经科学研究对教育的启示*
2012-07-02 00:00 浏览次数:3641次 来源:《教育研究》2010年第11期(总第370期)

[摘要] 教育应该重视儿童大脑发展的敏感期和可塑性。对于教育者而言,一方面要为学习者提供适宜的刺激和材料,促进他们的大脑发生可塑性的变化,但同时又要防止在大脑发生可塑性变化的过程中付出不必要的代价。大脑发展过程中出现的认知障碍往往有其对应的神经机制,要使神经科学研究真正对教育有所贡献,真正“大面积”地进入教育教学实践,无论是教育决策部门、还是相关的研究机构及其学者都需要进行必要的思路调整。

[关键词] 神经科学;敏感期;可塑性;认知障碍

[作者简介] 王亚鹏,北京师范大学教育学部助理研究员;董奇,北京师范大学副校长,认知神经科学与学习国家重点实验室教授、博士生导师(北京100875)

近年来,随着各种神经影像技术的发展,神经科学研究取得了丰硕的成果。运用正电子断层发射扫描(PET)、功能磁共振(fMRI)、脑磁图(MEG)、光学成像(optical topography,OT)等各种脑成像技术,许多研究者对学习与记忆的神经机制以及人类毕生发展过程中大脑的发育和变化进行了大量的研究。尽管有些研究者认为神经科学研究与教育之间还有一条很长的路要走,当前神经科学的研究也没有很好地与教育实践结合起来,但是毋庸置疑,神经科学研究对教育实践具有重要的启示。系统地分析和整理神经科学的研究成果,并将其自觉地应用于教育教学实践,对于促进教育教学质量的提高,帮助教师、家长和学生树立科学的学习观和发展观具有重要的意义。

一、大脑发育的“敏感期”与早期教育

“敏感期”这一概念是在“关键期”(criticalperiod)概念的基础上提出来的,“关键期”概念的提出最初原自于动物研究。早期对动物视觉发展的研究发现,如果在动物出生不久就蒙上其一只眼睛,那么这种早期的视觉剥夺会严重影响动物视觉皮层的神经联结,甚至在未来一段时间内遭受视觉剥夺的眼睛都无法像正常眼睛一样发挥其功能。相反,这种视觉剥夺对成年动物的视觉似乎并没有影响。也正是因为此,有些研究者提出了“关键期”的概念。按照“关键期”假说,大脑及其功能的发展存在“关键期”。如果错过“关键期”,将会对相应的认知发展造成难以弥补的后果。

但是,近些年来神经科学的研究却发现,尽管在某些特定的时间大脑对某些刺激比较敏感,但并不是像“关键期”假说所假设的那样,错过了“关键期”相应的认知功能就无法得到正常的发展,只不过在所谓的“关键期”大脑对某些刺激比较敏感,也就是说大脑发展存在敏感期(sensitiveperiod),在“敏感期”大脑对某些类型的刺激比较敏感。

当前神经科学的研究发现,语言学习和运动技能(比如器乐学习、运动技能的获得等)的发展都可能存在“敏感期”,在“敏感期”,大脑可以非常容易获得这些技能,而错过了“敏感期”,尽管也可以获得这些技能,但是相对比较困难。

比如对于年龄不到一岁的日本幼儿而言,他们可以区分英语中R 与L 之间的语音差异,但是由于日语中缺乏类似的语音对比,因而对于超过一岁以上的日本人而言,他们就无法区分英语中/R/与/L/之间的语音差异,即使到了成年他们也无法区分二者之间的语音差异。

大脑发展“敏感期”的研究表明,教育应该重视儿童大脑发展的“敏感期”。“敏感期”是大脑某些认知功能发展的“ 机会之窗”(window ofopportunity)。错过“敏感期”并不意味着机会的完全丧失,但是,可能需要付出很多的努力来弥补因错过“敏感期”而造成的认知发展滞后。在此期间,应该为儿童提供适应的环境和学习条件,让其认知功能得到适宜的发展。比如,在语言发展的“敏感期”就应该为婴幼儿或儿童提供大量的语言刺激,在音乐技能发展的“敏感期”就要为其提供大量的音乐刺激和训练。在进入正规的学校教育以前,儿童的学习主要是通过其与父母、同伴的日常交往和活动实现的。因而,在早期教育的过程中,父母应该提供充裕的机会让儿童与其他同伴进行交流和社会互动。封闭式的家庭管理就像环境剥夺一样,会影响儿童认知与社会性的发展,会影响其大脑神经元之间联结的形成。

二、大脑发展的可塑性与终身教育

大脑是一个复杂的系统,也是一个动态的系统。受学习、训练以及经验的影响,大脑皮层会出现结构的变化和功能的重组,即出现所谓的可塑性。[1]当前认知神经科学的研究发现,不但幼儿大脑的发展存在可塑性,而且成人甚至老年人的大脑也存在可塑性。换言之,在毕生发展的过程中,大脑皮层都具有一定的可塑性。只不过在个体发展的不同阶段大脑不同区域的可塑性有所不同罢了。

同样以日本人为例,尽管成年日本人无法区分英语中R 与L 之间的语音差异,但是通过训练他们不但可以区分二者的差异,而且大脑的激活模式也会出现可塑性的变化。有人曾对9 位日本成人进行了为期一个月的R 与L 的反馈式语音辨别训练,并对其训练前后大脑进行语音辨别任务时的激活模式进行了评估。结果发现,被试在训练结束后不但行为表现(反应的正确率)有了很大的提高,而且在训练结束后被试在区分R 与L 时不仅其听觉语音皮层出现了重组,而且训练前与听觉语言加工无关的双侧脑区及一些皮下组织也出现了激活。[2]

此外,对于某些长期从事特定职业的成人的研究发现,受经验的影响,他们的大脑也会出现可塑性的变化。对于长期从事器乐演奏的音乐家而言,他们的听觉皮层比从来没有器乐弹奏经历的人扩大了25%,而且他们听觉皮层的扩大程度与其开始器乐演奏的年龄具有相关性。[3]此外,还有研究者以不同琴龄的钢琴演奏家为被试,研究了钢琴演奏对大脑皮层白质的影响。结果发现,钢琴弹奏的时间长短与其大脑白质纤维束的组织具有相关性。[4]这表明在大脑发展的“敏感期”所进行长期的钢琴训练可能会加速特异脑区鞘化的进程,引起大脑白质结构的可塑性变化。

神经科学的研究表明,海马在空间定位和空间记忆的过程中扮演着一个非常重要的角色。有研究者对伦敦出租车司机进行研究发现,出租车司机海马的后部比一般人的更大,而且其大小与司机的驾龄存在相关。[5]这表明受长期的驾车经验的影响,出租车司机负责空间记忆和定位的脑区的结构出现了可塑性的变化。

所有这些研究都表明,不仅儿童的大脑存在可塑性,而且即使大脑发育成熟以后仍然存在可塑性。只要提供适宜的刺激和经验,大脑就会产生可塑性的变化,而且这种可塑性不会因为年龄的增长而丧失。

遗憾的是,有些人随着年龄的增长往往会对自己的学习能力产生怀疑,失去信心。比如,就语言学习而言,随着年龄的增长,有些人会对自己的语言学习能力失去信心,尤其在语音(听力)学习上更是采取放弃的态度。但是脑科学的研究则表明,即使短短几天高强度的语音训练不仅能提高被训练者的行为表现,而且能引起其大脑产生可

塑性的变化。而且大量的研究发现,第二语言学习不但可以促进语言能力的提高,而且可以提高执行控制能力等一般的认知能力,可以延缓认知老化的进程。因而,只要学习者对自己的学习抱有信心,并且能合理安排时间的话,大脑都会产生可塑性的变化,并将学习的结果固化下来。

不过,尽管脑科学的研究发现个体毕生发展的过程中大脑都具有一定的可塑性,但是学习、训练以及经验既可能引起大脑皮层神经元之间联结的增加,也可能会引起相应脑区神经元之间联结的降低。因而,对于教育者而言,一方面要为学习者提供适宜的刺激和材料,促进他们的大脑发生可塑性的变化,但同时又要防止在大脑发生可塑性变化的过程中付出不必要的代价。

三、大脑发展障碍与特殊教育

在大脑发育的过程中,有些个体会由于大脑发育异常而出现自闭症(autism)、注意缺陷与多动综合症(attention deficit hyperactivity disorder ,ADHD)以及学习障碍等认知障碍。对认知障碍的研究不但可以揭示认知障碍的认知神经机制,而且有助于认知障碍的早期鉴别和干预,并且有针对性地开展面向知认知障碍群体的特殊教育。当前神经科学的研究发现,大脑发展过程中出现的认知障碍往往有其对应的神经机制。

就语言学习与加工而言,对母语为英语的儿童阅读时的脑成像研究发现,儿童在阅读时主要依赖于左侧颞上回的后部,但是随着阅读能力的提高,他们在阅读时左半球的视觉字形区会越来越多地卷入,而最初参与阅读的右半球的卷入会越来越少。[6]

但是对于发展性阅读障碍儿童的研究则发现,他们在阅读时右半球颞顶皮层仍然会出现激活,而他们左半球的激活则明显低于正常儿童。有趣的是,大量的语音训练和形—音转换训练可以促使发展性阅读障碍儿童左侧顶叶和颞叶的激活水平达到正常人的水平。[7]

就数学学习与加工而言,认知神经科学的研究发现,数字表征是大脑多个神经系统协同完成的。数字意识(有关数字及其关系的知识)在数学能力的获得和发展的过程中扮演着非常重要的角色。脑成像研究发现,数字意识主要依赖于双侧顶内沟。比如,在进行数量大小比较时,双侧顶内沟往往会出现激活。而另外一些数学知识则与语言系统有关,它是以语词的形式进行存储的。[8]该系统似乎与“数字事实”的存储有关,但却与数学计算无关。比如,计数和乘法表的存储主要依赖于该系统。对于成人而言,有些比较简单的数学运算(比如3+5=?或者3×5=?)也可能存储在语言系统。而比较复杂的数学运算则似乎需要视觉空间区的参与。此外,手指计数和运算则会激活顶叶和前运动皮层。

遗憾的是,有些儿童在发展的过程中,尽管他们智力正常,但是却会出现各种各样的发展性数学障碍。尽管目前对发展性数学障碍的神经机制尚不是十分清楚,有些研究者认为不同的数学障碍其神经机制可能有所不同,但是至少对于有些具有发展性数学障碍的个体而言,一种可能的原因是他们负责数字意识的核心脑区——双侧顶内沟的发育异常引起的。

除了探讨语言和数学学习与加工的认知神经机制外,也有些研究者对社会认知及其异常的脑机制进行了一些探讨。大量的神经科学的研究结果发现,杏仁核在情绪信息与社交信号的加工中扮演着一个非常重要的角色。对于自闭症儿童的研究发现,自闭症儿童杏仁核的体积比正常儿童的大。同时,有些研究也发现,自闭症儿童大脑的结构与正常儿童不太一样,他们没有所谓的“心灵理论”模块。

此外,有些研究还发现自闭症儿童与正常儿童在加工情绪信息时大脑的激活模式有所不同。比如,正常儿童在模仿情绪表情时双侧额下回的盖部会出现激活,但是自闭症儿童在对应的脑区却没有激活;在观察情绪表情时,与自闭症儿童相比,正常儿童右侧额下回盖部激活明显更强。可喜的时,通过教育可以在一定程度上改善自闭症儿童的情绪“阅读”能力。从对自闭症儿童的脑成像研究可以看出,也许通过情绪或者社交信号的“阅读”训练可以改善自闭症儿童的社交能力。

尽管当前有些脑科学的研究发现还有待进一步证实,但是将脑成像技术与神经测量学的方法结合起来,可以对某些具有认知障碍的儿童进行早期鉴别,并在此基础上基于脑科学的研究成果,通过大量的、有针对性的训练可以改善或者部分恢复他们的认知功能。

四、总结与展望

自20 世纪90 年代末开始,随着神经科学研究的发展,越来越多的研究者开始关注神经科学研究与教育之间的关系,开展二者之间“对话”的呼声也越来越高。对此,不同的研究者持有不同的观点。有些研究者采取谨慎甚至怀疑的态度,认为从神经科学研究到教育还有一条很长的路要走。有些研究者认为,要使神经科学研究对教育有所贡献,首先需要开展二者之间的“对话”,建立共同的“话语体系”,填平二者之间的鸿沟。还有些研究者则保持完全乐观的态度,甚至提出了神经教育学(Neuroeducation)的概念。从当前的研究来看,神经教育学已经不是一个单纯的理论构想,而正逐渐成为一个全新的研究领域,或者一门全新的学科。美国、日本、欧洲等世界发达国家和地区的许多研究机构都已经建立了神经教育学,或者神经科学与教育相结合的相关研究中心。

实际上,由于专业背景的不同,不同研究者对神经科学与教育之间的关系持有不同的看法是一种正常的现象。但是,从目前的情况来看,过分消极或者过分积极的态度也许都有失偏颇。毋庸置疑,神经科学研究开启了另外一扇洞悉学习与教育的窗户,其中有些研究成果的确对教育具有重要的启示。比如有关“敏感期”的研究、有关神经系统可塑性的研究、有关数学认知和加工的研究、有关音乐与语言的关系研究、有关发展性阅读障碍、自闭症、注意缺陷障碍等方面的研究都对教育教学实践的某些层面具有重要的启示。

但是,值得提醒的是,要把目前神经科学研究的成果直接搬进课堂,搬进教学第一线的确还有一段距离。尽管神经科学研究对学习和记忆的神经机制等都有了进一步的了解,但是目前的神经科学研究主要是实验室研究,这种研究除了对研究者感兴趣的变量进行操纵以外,对其他的变量一般都进行了比较严格的控制,显得比较“纯净”。在一定程度上说,神经科学的研究越“纯净”,其离教育教学实践的距离也许会越远。因为教育教学实践是一种非常复杂的人际或人机互动,其中包括许多通过人为的因素很难控制也没必要控制的因素。

因而,要使神经科学研究真正对教育有所贡献,真正“大面积”地进入教育教学实践,无论是教育决策部门、还是相关的研究机构及其学者都需要进行必要的思路调整。

第一,从政策层面,国家要进一步加大对脑科学研究,尤其是脑科学与教育相结合的研究的进一步支持和投入。尽管我国政府高度重视脑科学研究的发展,在“国家中长期科技发展规划”中,脑与认知科学被列为优先发展的八大前沿学科之一。同时,科技部也在认知神经科学领域设立了两个国家重点实验室。但是,从项目设置的角度来讲,脑科学与教育相结合的研究至今尚未进入决策者的视野。自上而下的政策指导无论是对于公众、对于研究者、对于该领域的发展都具有重要的指导意义和宏观调控意义。这种政策层面的重视和调整对于相关研究机构及其研究者的研究兴趣、研究思路的调整都是一剂有力的催化剂。

第二,从研究取向来讲,脑科学研究需要紧密结合教育教学实践,教育教学的研究者和实践者也要高度关注脑科学研究的进展。当前我国的脑科学研究主要集中在基础研究层面,教育应用层面的研究还远远不足。造成这种现状的原因是多方面的,脑科学在我国的发展较晚,这在一定程度上导致了其尚不能很好地为教育教学实践服务。但是,更为重要的是,脑科学研究者与教育教学实践者之间缺乏对话和沟通更是造成这种现状的重要原因。因此,除了需要神经科学研究者了解教育教学实践、关注教育教学实践,有志于利用神经科学的研究成果来指导教育教学实践以外,还需要教育教学第一线的教师或者研究者参与其中,共同制定或者设计研究方案,制定或者设计离教育教学实践比较近的实验方案,这样神经科学的研究成果才会真正“大面积”进入教育教学第一线,并进而指导教育教学实践。

第三,要加强对脑科学与教育相关的高级专业人才的培养。从世界发达国家的研究经验来看,许多国家和地区的著名高校和科研机构,比如英国的剑桥大学、美国的杜克大学等都前瞻性地把握学科发展的趋势,建立了脑科学与教育相关的研究机构。这些研究机构的研究人员来自脑科学、心理学、教育学等不同的学科背景,他们结合自身的优势,开展脑科学与教育相结合的研究,这一方面促进了该领域的多元化发展,促进了脑科学与教育的有效结合,同时也培养了高级的专业研究队伍。此外,美国的哈佛大学、斯坦福大学、西北大学、华盛顿大学以及其他国家和地区的一些高等院校和科研机构也设置了专门的脑科学与教育相结合的硕士、博士等高级人才培养方案和项目,以期培养专门的从事脑科学与教育的研究者、教育管理者以及一线教师。而我国在脑科学与教育相结合的高级人才培养方面,尽管有些研究机构做了一些尝试,但是仍然没有形成合力,各自为营的情况仍然比较明显。

第四,脑科学研究者要加强对脑科学研究成果的宣传和普及,避免所谓的“神经神话”的蔓延。由于脑科学研究在我国起步较晚,因而无论是教育决策者,还是包括家长、教师、学生等在内的普通民众都缺乏对脑科学的了解,而民众对脑科学的了解和接受是其真正服务于教育的先决条件。因此,作为脑科学研究者,要通过多种渠道,尽可能地创设多种条件,宣传和普及脑科学的研究成果。这种宣传和普及不但可以增加大众对脑科学的了解和接受度,而且可以纠正一些过于简单化的“神经神话”。比如,所谓的“右脑开发”,就是对脑科学研究成果过于简单化的理解和应用。大脑是一个整合的、互动的神经网络,其两半球无时不刻都在进行信息的传递和交流。因而,“关闭左脑”而“开发右脑”无论在理论层面,还是在实践层面,都不是真实情况下大脑的运作方式。值得说明的是,即使大脑真正遵从简单的左右脑分工的原则,当前市面上流行的开发右脑的产品和方案是否能真正开发右脑,都值得商榷。


* 本文得到美国自然科学基金会LIFE中心(项目编号:SLC-0354453)的资助。


参考文献:

[1]王亚鹏,董奇.脑的可塑性研究及其对教育的启示[J].教育研究,2005,(10).

[2]Daniell et al.Learning-induced neural plasticity associated with improved identification performance after training of a difficult second-language phonetic contrast [J].NeuroImage ,2003,(19).

[3]Pantev C.,Oostenveld R.,Engelien A.,Ross B.,Roberts L. E. & Hoke M. Increased auditory cortical representation in musicians [J]. Nature,1998,(392).

[4]Bengtsson et al. Extensive piano practicing has regionally specific effects on white matter development [J].Nature Neuroscience, 2005,(9).

[5]Maguire,E.A.et al. Navigation related structural change in the hippocampi of taxidrivers [J]. PNAS,2000,(97).

[6]Goswami. Neuroscience and education:from research to practice?[J].Nature Reviews Neuroscience. 2006,(4).

[7]Temple,E. et al. Neural deficits in children with dyslexia ameliorated by behavioural remediation:evidence from functional fMRI [J]. PNAS,2003,(100).

[8].Dehaene S,Spelke E,Pinel P,Stanescu R,Tsivkin S. Sources of mathematical thinking: behavioral and brain-imaging evidence [J]. Science . 1999,(284).


Brain-based Education: Neuroscience Research and Its Implication for Education

Wang Yapeng & Dong Qi

Abstract: Education should pay attention to the sensitive period and plasticity of the children’s brain development.As for the educators, on the one hand, the suitable stimulation and materials should be provided to educatees to improve the change of the plasticity of their brains; on the other hand, the un-necessary cost should be avoided in the process of the plasticity change of the brains. The cognitive disorder in the development of the brains has normally resulted from the relevant neuroscience mechanism. If we really want the neuroscience research to make some contribution to education, and be widely applied in educational practice, the necessary adjustment of train of thought should be conducted in educational policy-decision departments, relevant research institutes, and the researchers.

Key words: neuroscience, sensitive period, plasticity, cognitive disorder

Authors: Wang Yapeng, assistant researcher of Faculty of Education, Beijing Normal University; Dong Qi, Vice President of Beijing Normal University, professor and doctoral supervisor of State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience Science and Learning (Beijing 100875)

[责任编辑:金东贤]