圖片來源：教育家

科學發(fā)展至今，對于人腦我們依然知之甚少。億萬年前，當人類始祖在懵懂愚昧中靈智乍現(xiàn)，彷徨探索中第一次思考“為什么”時，他們對自己、對世界、對萬物的不解和疑惑，不僅出自靈智，也出自情感。而這些，都源于人腦。教育，實質(zhì)上就是在建構(gòu)人的大腦。

【腦科學與教育】是由《教育家》雜志2018年全新推出的一檔學術(shù)欄目。該欄目已邀請清華大學、北京大學、北師大、東南大學等國內(nèi)外高校的多位教育學家、心理學家、科學家加入。作為特約合作方，芥末堆深度參與其中，并會通過【芥末翻】欄目翻譯介紹國際上以腦科學為基礎(chǔ)的教育理念，教育技術(shù)，與《教育家》雜志一道，共同致力于推動腦科學最前沿的研究成果落地普及，讓更好的教育來得更快！

 腦科學與學習變革

圖片來源：教育家

我們正處在一個加速變化的時代。幾年前社會還在討論信息時代對人類的沖擊，轉(zhuǎn)眼間人工智能時代已經(jīng)翩然而至。在人工智能時代，通過對大腦的研究，我們?nèi)〉昧艘幌盗幸饬x非凡的成果。通過解碼大腦信號、實現(xiàn)腦機交互，我們可以讓癱瘓的人重新站起來，也能通過控制機械手臂完成喝水等行為，還能通過舌頭讓盲人恢復視覺。此外，通過揭示并模擬大腦的工作方式，我們讓機器和算法擁有智能，比如現(xiàn)在流行的深度學習算法所創(chuàng)造的阿爾法Go /Zero。

腦科學帶來了腦機交互和類腦計算的驚人成就，但其最關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域還是在塑造人腦本身。學習就是這樣一個重要的領(lǐng)域。人腦有將近870億的神經(jīng)元，每個神經(jīng)元約有1000個連接。每一秒鐘，都有數(shù)十萬新連接的建立和舊連接的“修剪”。學習活動在很大程度上決定了這些連接的命運。任何一個知識的獲取、技能的培養(yǎng)、習慣的養(yǎng)成、行為的變化、道德的形成，其背后都是對神經(jīng)連接模式的塑造。每個大腦都是具備個性化連接模式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它由先天基因和后天學習所塑造，并決定了每個人面對外界輸入的獨特反應(yīng)模式。

雖然學習對大腦有如此深刻的影響，過去幾十年腦科學的研究結(jié)果也對大腦學習機制有了較系統(tǒng)深入的研究，但其在學習中的應(yīng)用還沒有被充分認識和有效開展。一方面，腦科學本身還是一個新興領(lǐng)域，大眾特別是教育工作者和家長對此了解并不多；另一方面，在腦科學與學習領(lǐng)域，還沒有一個簡單實用類似于深度學習的算法；最后，目前腦科學對學習的研究還是基礎(chǔ)研究為主，針對性解決日常學習問題的腦科學研究還亟待提升。這都限制了腦科學在學習領(lǐng)域中的應(yīng)用和普及。在這樣的背景下，本文擬初步探討腦科學發(fā)展帶給未來學習的潛在變革，包括學習目標、學習評價、學習內(nèi)容、學習方式和學習技術(shù)幾個方面。希望能拋磚引玉，引發(fā)對腦科學的關(guān)注討論和更多真知灼見。

腦科學與學習目標的變革

基于核心素養(yǎng)的研究成果，最近教育的課程改革提出要進一步提高學生的綜合素質(zhì)，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，并從文化基礎(chǔ)、學會學習和社會參與三個方面，為素質(zhì)教育提出細化目標。從心理學的角度，文化基礎(chǔ)和學習、學習與晶體智力和流體智力有很強的對應(yīng)關(guān)系。晶體智力和流體智力分別強調(diào)了知識積累和信息加工能力對問題解決的貢獻。腦科學的研究則關(guān)注大腦的知識獲取與表征、信息加工能力、目標指向的執(zhí)行控制能力、情緒動機能力，與具體學科相關(guān)的基礎(chǔ)能力等。它們對應(yīng)著不同的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，也存在不同的發(fā)展軌跡。

大量實證研究表明，這些基礎(chǔ)能力是預測個體學習表現(xiàn)和社會適應(yīng)的核心指標。比如延遲滿足能力就是一種重要的情緒動機能力，它是影響個體終生發(fā)展的重要動力因素之一。隨著快速的社會發(fā)展和知識迭代，晶體智力的相對作用會逐漸減弱，而認知能力和情緒動機能力對個體發(fā)展會產(chǎn)生更重要的影響?，F(xiàn)代科技的發(fā)展，讓大量知識儲備可通過輔助設(shè)備（如手機、網(wǎng)絡(luò)）來完成，從而深刻改變我們學習和記憶的方式，并對信息收集、分析和整合能力提出更高要求。

可以看出，心理學和腦科學從更加基礎(chǔ)的角度，剖析了與人的學習密切相關(guān)的重要能力，為認識個體發(fā)展提供了全新的視角。另外，心理學和腦科學更強調(diào)立足實證數(shù)據(jù)來討論。從這個意義上講，建立個人終生發(fā)展的基因-腦-行為-環(huán)境大數(shù)據(jù)庫，對于揭示全面影響個體發(fā)展的重要能力、遺傳及環(huán)境等因素的作用，對于我們更科學確定學習目標具有決定性意義。

腦科學與學習評價的變革

 科學的評價是指導一切學習活動的出發(fā)點和落腳點。對應(yīng)著學習目標的變革，學習評價也必然產(chǎn)生全面深刻的變革，體現(xiàn)在評價的內(nèi)容、方式和使用上。 在評價內(nèi)容上，目前學校還主要是以知識掌握為目標，普遍缺少對學習能力、知識獲取過程和效率的系統(tǒng)評價。在招生環(huán)節(jié)，雖然能力測試特別是智商測試越來越普遍，但卻面臨著測式的理論基礎(chǔ)落后、題目形式傳統(tǒng)、測評對象有限、測評實施困難、常模更新滯后、難以重復施測等局限。這就迫切需要發(fā)展以大腦功能網(wǎng)絡(luò)和能力模塊為基礎(chǔ)的測評系統(tǒng) 。以注意力為例，注意力是學習的關(guān)鍵基礎(chǔ)能力，包括不同維度，如注意的選擇、分配和廣度，分別對應(yīng)人腦前額葉和頂葉的不同區(qū)域，測試需設(shè)計不同的任務(wù)。語文學習的基礎(chǔ)能力，如字符識別、形音聯(lián)系、加工速度、閱讀理解等，也對應(yīng)不同的腦區(qū)域。閱讀困難可能是其中某個或多個系統(tǒng)存在功能缺陷的結(jié)果。因此，只有對基礎(chǔ)學科的關(guān)鍵能力進行準確測試，才能找出學習問題背后的真原因。

在評價方式上，應(yīng)結(jié)合新興技術(shù)手段采用基于任務(wù)的測評方式。隨著大腦測量科技的發(fā)展，一些可穿戴腦設(shè)備的快速普及和測量精度的提升，已可實現(xiàn)對個體學習狀態(tài)、過程、注意力和情緒等的測量。對于特殊個體，更專業(yè)的大腦結(jié)構(gòu)和功能測量、基因測試、基因表達測試等，可以與行為數(shù)據(jù)一起，實現(xiàn)對個體學習能力的更精準表征，以及對學習困難的更準確診斷。

最后，在評價的實施和使用上，需要把評價深入到學習的每個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)測評的常態(tài)化和過程化。在減小測評誤差，提高測評精度同時，也有助于建立個體的成長性檔案。此外應(yīng)強化測評的診斷功能，強化成長性評價，通過全面診斷找出學習困難背后的真原因，進行有針對性的訓練，指導學習力的培養(yǎng)。

腦科學與學習內(nèi)容的變革

當下學校教育還是以知識傳授為主，一些教學理念先進，資源相對充足的學校還開展各種豐富的課程，實行選班走班學習。這些課程開設(shè)的重要動機一是為因材施教，二也是為提升學生綜合素質(zhì)。而這是基于“日常的教學能夠有效培養(yǎng)學生的學習能力”這一假設(shè)。

雖然核心素養(yǎng)的提出，把提升學習能力作為一個重要的培養(yǎng)目標，但幾乎很少有學校開設(shè)學習能力的課程。有針對性的學習能力培養(yǎng)是否可以提升學習力？以打籃球為例，籃球運動員的訓練一般包含球場上的實戰(zhàn)對抗和健身房的力量訓練。后一種訓練是更基礎(chǔ)、更個性化的，卻相當關(guān)鍵。如果肌肉力量不足，技術(shù)動作會變形，還容易受傷。大腦學習也如此，需要針對性的、分解了的基礎(chǔ)能力訓練，才能保證我們的有效學習。以閱讀障礙為例，如果負責形音聯(lián)系的腦區(qū)功能不足，無論多少閱讀量，可能都難以提升該部分的能力，而可能只是強化了前額葉的補償機制?；诖嗽恚芏鄼C構(gòu)開發(fā)專門的形音聯(lián)系訓練任務(wù)。比如基于Fastforword的數(shù)據(jù)，學校教育能把閱讀能力提高6分左右，而專門訓練能提高20分。類似結(jié)果在數(shù)學學習以及注意力困難干預中也有報道。還有研究發(fā)現(xiàn)，對兒童進行工作記憶等執(zhí)行功能的訓練也能提升學業(yè)表現(xiàn)，改善行為問題。

若以腦的學習能力為導向，課程設(shè)置或應(yīng)有較大變化。如對于學習能力，包括注意力、 記憶力、思維力、反應(yīng)力和自控力的培養(yǎng)；對于學科基礎(chǔ)能力，包括數(shù)學中的數(shù)量加工、空間幾何能力等，語文中的形音聯(lián)系、語音語素意識等的培養(yǎng)；對于積極情緒和動機，包括成長性思維、習慣養(yǎng)成、決策能力、情緒調(diào)節(jié)能力等的培養(yǎng)。諸如此類都可以開發(fā)專門課程和訓練任務(wù)來培養(yǎng)。再如體育鍛煉特別是有氧鍛煉，不僅有助于身體發(fā)育和健康，對大腦的發(fā)育、學習和記憶也價值非凡，在課程開發(fā)上也很必要。

此外，更需要將腦科學的理念方法融入到學科教育的方方面面，在充分的教育實踐基礎(chǔ)上指導課程設(shè)置和教學方式。最后，這樣的課程一定是個性化的，因人而異，因材施教。從這個意義上講，建立個體學習過程和能力發(fā)展大數(shù)據(jù)，對教學的科學決策至關(guān)重要。

腦科學與學習方式的變革

圖片來源：教育家

腦科學同時對基本的學習規(guī)律和不同類型學習的特殊規(guī)律給出了指導。

第一個要遵循的就是大腦發(fā)育規(guī)律。出生后，人腦依次發(fā)展的區(qū)域分別是感知覺皮層、運動皮層、顳葉，最后是前額葉，其中外側(cè)前額葉發(fā)展先于內(nèi)側(cè)前額葉。學習的設(shè)計就應(yīng)基于這個腦發(fā)育規(guī)律，而不應(yīng)超前或者延遲學習的窗口。比如，0-3歲是早期語言爆發(fā)期，此時是聽覺感知能力發(fā)展的關(guān)鍵時機，但提前識字、背外語單詞等都沒有遵遁這一規(guī)律。小學階段是基礎(chǔ)認知能力發(fā)展的重要時期，但有些家長只想著如何超前或額外學習。中學階段（青春期）則是情緒動機和決策能力發(fā)展的關(guān)鍵期，可這一點卻沒有得到充分科學地關(guān)注。

第二要遵循大腦分工規(guī)律。大腦中有多種不同學習系統(tǒng)：如知識學習系統(tǒng)，又稱陳述性記憶，可快速獲得，也容易遺忘 ；又如一種技能性系統(tǒng)，是程序性記憶，習得雖慢但可長期保存。二者具有不同的大腦神經(jīng)基礎(chǔ)。不同內(nèi)容的學習對應(yīng)不同學習方式，但我們在實踐中往往犯錯。比如語法本是技能訓練，我們卻把它當成一種知識來考察。結(jié)果是語法題都答對了，而一開口說話就犯錯。類似的，能力培養(yǎng)是一個慢過程，但產(chǎn)品為導向的學習（模仿和識記）是一個相對較快的過程。現(xiàn)在的STEM教育過多以產(chǎn)品為導向，并沒有真正培養(yǎng)創(chuàng)新和問題解決能力。我們的學科教育致力獲取正確答案，而忽視了知識產(chǎn)生過程的再現(xiàn)。實際上，創(chuàng)新性思維能力、問題解決能力、社會適應(yīng)能力以及領(lǐng)導力等的培養(yǎng)都需基于科學的大腦分工規(guī)律。

第三要遵循學習和記憶的基本規(guī)律。人腦記憶有很多重要的，有時甚至違背直覺的規(guī)律。比如，在有效學習中，大腦會呈現(xiàn)一種特定的神經(jīng)活動模式。如果你產(chǎn)生了這個模式，學習效果就好；而即使你沒在學習，若通過其他手段實現(xiàn)此種模式，也能夠?qū)崿F(xiàn)鞏固記憶的效果。死記硬背、不注意休息和鍛煉，實際達不到有效學習的目的。另據(jù)研究顯示，分散的學習、以測代練和變化學習等都有助于學習的長期保持和遷移，但我們直覺會認為這樣的學習沒有效果。這要求我們在加大對有效學習規(guī)律研究的同時，還需加強對學生學習方法的指導。

第四要依據(jù)情緒和動機的工作規(guī)律，注重持久強大動機的培養(yǎng)。當下教學過度依賴外在動機，依賴大腦意志力作為學習動力。但人的意志力是有限的，也是容易消耗的，對于發(fā)展階段的兒童尤其是挑戰(zhàn)。相反，學生對所學內(nèi)容的內(nèi)在興趣才是更強的學習動力，需要挖掘。同時習慣也是一個非常強大和穩(wěn)定的動力系統(tǒng)，對其值得強化認識研究，發(fā)展科學的習慣養(yǎng)成方式 。

腦科學與學習技術(shù)的變革

圖片來源：教育家

伴隨腦科學的發(fā)展，特別是與虛擬現(xiàn)實和人工智能技術(shù)等的融合，新興科技已然開始革新現(xiàn)有學習模式。比如有公司就通過大數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建起全面系統(tǒng)的知識空間，并根據(jù)個體能力匹配個性化知識路徑。而輔以腦科學，知識空間和路徑的建構(gòu)可以更加精確。另外，通過掃描大腦，未來可以精準表征個體知識體系，從而發(fā)展更符合大腦知識表征規(guī)律，更個性化的知識表征體系，制定更優(yōu)的學習路徑，從而提高學習的效率。

另外，一些基于腦的可穿戴測查手段正在不斷發(fā)展，隨著精度的提高，算法的改進，使用方便程度的提升和價格的降低，其用于日常學習的空間越來越大。比如，可以成為學生學習狀態(tài)的一個過程性檢測手段，包括專注或分心狀態(tài)、放松或緊張狀態(tài)、積極或消極情緒狀態(tài)等。另外，這些指標還能預測特定學習材料的掌握程度和保持時間，從而可以提早計劃后續(xù)復習時間；通過神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)訓練，可以進一步提升學生的學習狀態(tài)，改善學習效果。把這些功能整合起來，可以發(fā)展基于腦的高效學習裝置，成為學生的學習管家，在狀態(tài)好的時間學習，在恰當?shù)臅r候復習，同時監(jiān)控并提升學習的狀態(tài)。這樣的科技具有非常好的前景。

除此以外，還有更多的腦科學手段可以用于學習的提升，包括藥物的手段、無損腦刺激手段、侵入式腦機接口和侵入式腦刺激等。這些技術(shù)雖然看似還離我們?nèi)粘５膶W習很遠，但在一些特殊的場合也存在應(yīng)用場景，包括學習困難的矯正，特殊人才培養(yǎng)（美國正在發(fā)展類似的科學打造超級戰(zhàn)士）。另外，隨著這些技術(shù)的發(fā)展、安全性逐步提高、效果進一步改進和人們觀念的改變，這些認知增強技術(shù)應(yīng)用到普通人身上的可能性也會增加。現(xiàn)在有這么多人為了美容而手術(shù)，那讓自己成為更高效學習者的誘惑應(yīng)該更大。在這些科技逐步變成現(xiàn)實的時候，這里面所帶來的很多倫理問題值得深入研究。

最后，人工智能技術(shù)的進一步發(fā)展，必將創(chuàng)造出新的人機融合的新技術(shù)，讓機器智能成為人腦的延伸和補充。這里面有太多的可能，比如，很多技術(shù)已經(jīng)成為了我們感知和記憶能力的擴展，包括GPS導航系統(tǒng)、手機和互聯(lián)網(wǎng)等。目前，這種人機交互的方式還不是特別方便，但類似Google Glass這樣的技術(shù)，可以實現(xiàn)人機的自然交互，讓你從互聯(lián)網(wǎng)搜索知識就如同從頭腦中提取知識一樣自然和方便，我們的學習方式就會發(fā)生重要的變化。另外，超過現(xiàn)有老師的私人學習顧問會出現(xiàn)。在AlphaGo和李世石比賽的時候，AlphaGo創(chuàng)造出一種人類所不能理解的思維，但李世石在第四局的時候也下出了前所未有的招數(shù)。這就是人機智能相互促進的很好例子。這樣的科技會如何更深刻變革人類未來的學習，讓我們拭目以待。

作者介紹：

薛貴，北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室教授、985首席科學家；長江學者特聘教授，腦與學習科學研究中心主任，博士生導師。入選中組部首批青年千人計劃入選者以及教育部新世紀人才計劃。擔任中國教育學會腦科學與教育分會副理事長。

（原文刊于《教育家》2018年一月刊上，本文略有刪減）