基于神經教育學的個體化教育研究及實踐*

楊　娟　劉　璇　喬興媚

（1．四川師范大學 計算機科學學院，四川成都 610061；2．四川廣播電視大學 期刊部，四川成都 610073）

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基于神經教育學的個體化教育研究及實踐*

楊娟1劉璇1喬興媚2

（1．四川師范大學 計算機科學學院，四川成都 610061；2．四川廣播電視大學 期刊部，四川成都 610073）

摘要：現階段，神經科學事實與教育教學的對接仍面臨著巨大挑戰。傳統的神經教育學的理念是個性化教育，但在操作性上存在缺陷。個體化教育理念將基于神經事實基礎的教學約束在一個特定的學習場景或者一個特定的學習環境中，這樣可以最大程度地對神經科學事實進行教育干預的轉換和實現。文章指出，由個性化教育向個體化教育轉變，需要遵循五個步驟。通過在初中英語學習中使用神經計算模型這一個體化學習案例的實驗及數據分析，文章對上述個體化教育理念進行了實踐驗證。

關鍵詞：神經教育學；個體化教育；神經計算模型

神經教育學是一門整合了心理學、腦科學和教育學研究而形成的新學科［1］［2］，匯集了包括認知神經科學、發展認知神經科學、教育心理學、教育技術學、學習理論和其它相關學科的研究者，致力于探索學習的生理機制，并試圖建立二者之間的永久性聯系。神經教育學作為一個高度跨學科的綜合性研究領域，受到了國際社會的高度關注。美國、英國等率先在神經教育領域開展研究，哈佛大學、劍橋大學、倫敦大學等世界著名學府也紛紛開設相關專業，授予學生博士或碩士學位。我國北京師范大學、華東師范大學也加大了對這一領域的研究，如華東師大副教授周加仙［3］提出教育神經科學是將心智、腦與教育聯結起來為教育奠定科學基礎的、具有巨大發展潛力的新興學科，在第二外語教學上應“建立適合于人腦認知機制和神經機制的二語能力發展與促進策略”［4］；北師大的認知神經科學與學習重點實驗室則在神經教育領域開展了多元探索，如伍海燕等［5］提出情緒神經科學研究將對教育產生顯著影響，孫聰穎等［6］探討了英語工作記憶的加工和儲存成分對我國中學生英語閱讀理解的作用及其途徑。

一　神經教育學與個體化教育

雖然從神經科學事實到教育教學實現仍然存在不可逾越的鴻溝［7］［8］，但神經科學的實際應用價值仍驅使大量研究者投入到整合二者的工作之中。例如，布魯爾［9］和梅森［10］就提出可通過心理學作為神經科學在教育領域實踐的橋梁。

要使神經科學在教育科學中得到有效運用，一個必然要素是兩個領域對彼此的期望應符合實際［11］。教育科學對神經科學提出的實際應用期望是希望從根本上了解學習者，因此“個性化”教學必須轉變為“個體化”教學，即教學應更尊重學習者的個體神經事實。因為基于經驗的“個性化”學習并不能確保學習效果，如使用學習風格進行教育是缺乏事實基礎的［12］。因此，要使神經教育學走進課堂，必須尊重個體神經事實基礎，并不能像傳統“個性化教育”一樣簡單地根據學習者表象將其進行粗糙的分類操作，而應更注重個體的實際神經功能，為其提供更具有針對性和可操作性的干預操作。

雖然神經科學可為教育政策與實踐提供個體事實基礎，但不能簡單地認為神經科學的知識就能為教育教學實踐提供現成答案或標準答案。要使神經科學真正發揮作用，需要將研究問題設定得更具體，并對研究分析進行精細的劃分。例如，除了要獲得相應的神經科學事實基礎外，還必須根據特定事實基礎設計可進行特質甄別的學習科學實驗［13］。這種區別于傳統表象分類的本質分類，可以更直接地進行學習者學習效果的因果分析，并針對這種因果關系提出假設性的干預建議，實施干預；然后根據效果修正干預，實施再干預。因此，基于神經事實基礎的個體化教育必須遵循以下五個步驟：

①有適當的神經科學事實基礎。所謂神經科學事實基礎，是指必須有與教育緊密聯系的神經科學事實。

②將神經科學實驗轉換為學習科學實驗。神經科學事實通常只有解釋作用，對于該事實所造成的現象應如何有效應對，暫時還沒有一個成型的模型和體系。現階段對神經科學事實的應用，仍停留在通過培訓教師來實現更為有針對性的個體化教學。而參訓教師由于學科背景不同、理念不同，對神經科學事實的理解和應用也千差萬別。要將神經科學的事實基礎真正應用于課堂中，需要設計基于特定神經科學事實的可執行、可操作的學習科學實驗。

③只有學習科學相關實驗的結論與神經科學事實保持一致，神經科學的結論才具有指導意義，否則需找出矛盾因素并加以驗證。

④當學習科學實驗與已知神經科學事實保持一致時，提出特定學習領域的因果關系假設，并針對該假設設計教學干預建議。

⑤針對特定學習個體實施教學干預，根據效果進行干預策略調整及修正。重復本步驟，直到策略成功。

概括個體化教育的理念，就是將基于神經事實基礎的教學約束在一個特定的學習場景或者一個特定的學習環境中，這樣可以最大程度地對神經科學事實進行教育干預的轉換和實現。

二　基于神經科學事實的個體化教育實踐案例

1 實驗概況

本研究沿用英國倫敦大學腦和認知發展中心（Centre for Brain and Cognitive Development）托馬斯（Thomas）教授的神經計算模型框架以及相關神經學事實［14］，提出了一個第二語言學習中的語音意識與記憶能力的關聯模型。該模型使用人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN），為學習者的語音意識和記憶能力建立關聯假設，建立個體 ANN并進行預測，為學習者提供促進第二語言學習的干預建議。實驗總體時間持續了半年，被試是四川省成都市某中學實驗西區七年級二班的15名學生（含9名女生），所有被試均沒有系統學習過動詞過去時的變換形式（被試年齡為12歲～13歲，mean=12.33歲，標準差Standard Deviation［SD］=0.471）。15名學生均采用右手寫字，采集英語學習障礙者有5人，其余10人為學習英語正常的學生。

實驗主要涉及三個任務：測試學習者語音意識的任務1、測試學習者短時記憶的任務2、測試學習者長時記憶的任務3。針對每個學習者的個體ANN通過訓練數據集（實際采集的3個任務的完成數據以及根據每個任務錯誤特征生成的虛擬數據），形成每個個體的學習軌跡 ANN，如圖1所示。

圖1　個體學習者的SSE

2 T測試分析

隨后，本研究使用T測試來考察學習者語音意識、短時記憶以及長時記憶對學習效果的影響，將數據進行細分，給每個動詞過去時分配一定的分值——被試對象讀過去時完全正確分配4分，將每個元音、輔音、后綴讀正確均分配1分，單詞完全讀錯分配0分，不讀的單詞分配0分，在元音、輔音、后綴中每出現一個錯誤讀音分配0分。從學習正常者中選取較優秀者5人，與學習障礙者5人分別在3個任務完成度上進行差異分析。

表1是兩組被試對象的單詞、輔音、元音、后綴在三個任務（語音意識、工作記憶、長時記憶）上的平均得分（M）和標準差（SD），其中M精確到百分位，SD精確到千分位。根據表1，從T測試的獨立數據中可以看出，短時記憶和長時記憶對學習者學習障礙的影響均具有統計學上的顯著意義。表2是表1的補充部分，TTEST-SD是兩組被試對象的單詞、輔音、元音、后綴在三個任務（語音意識、工作記憶、長時記憶）標準差（SD）上的TTEST值，精確到百分位。根據表2，從T測試的獨立數據中可以看出，工作記憶和長時記憶對學習者學習障礙的影響均具有統計學上的顯著意義，其中，后綴部分在長時記憶上起關鍵作用。

表1　兩類學生的單詞、輔音、元音、后綴在各任務上的T測試分析（1）

表2　兩類學生的單詞、輔音、元音、后綴在各任務上的T測試分析（2）

通過神經網絡仿真和T測試可以看出，影響學習者整體英語成績的因素并非語音意識，而是短時記憶和長時記憶，但從仿真個體ANN可知工作記憶的作用尤為明顯——此結論與神經科學中關于大腦雙語控制的理論相符。個體ANN通過仿真學習者學習路徑，可為預測學習者學習能力及學習障礙風險分析提供依據，并為學科教師進行個體化教學提供更為準確的線索和方向。

3 個體干預建議

通過對個體任務完成度的一致性分析以及T測試的獨立數據分析，可以看出在第二外語學習中造成學習障礙的主要因素有四個：工作記憶差、長時記憶差、語音意識差、綜合因素的影響。基于此，在學習干預上，本研究提出如下建議：

（1）因為工作記憶和雙語切換都會涉及大腦DLPFC（Dorsolateral Prefrontal Cortex）區域，故針對工作記憶差的學習者，可通過強化雙語切換注意力訓練改進學習效果。例如，可通過母語干擾法進行DLPFC功能訓練［15］，即給定圖片，讓學生從另一邊的多幅對應單詞中找出正確的一個選項，所提供的選項中包含母語干擾項（如拼音類似發音）。

（2）進行加強學生的瞬時記憶訓練。建議方法有兩種：①老師講授新課后，要求學生在規定的時間內背誦課文中指定的好詞好句或某一段；②通過紙牌游戲加強記憶，即首先拿出3張不同花色、不同數字的紙牌給學生看，然后把紙牌收起來，讓學生說出紙牌的花色及數字；當學生能夠很好地記住3張紙牌的花色和數字后，可以增加紙牌的張數。

（3）針對長時記憶，可采用不定時提問法，即上課的時候老師針對長時記憶較差的學生，不定時地提問之前學過的內容；或采用復述課文法，即老師讓學生復述幾天前學過的課文，并經常讓學生復述，以培養學生自己課后看書的習慣，最終使學生的長時記憶增強。

（4）針對語音意識，可以使用語音訓練法［16］，如通過增加單詞音標、減少單詞音標或改變部分音標的方法，生成可專門訓練某種語音的近似詞和人工詞。學習者再對這些近似詞或人工詞進行增強學習，則可達到提升語音意識的目的。

三　基于仿真實驗的相關分析

從上述神經教育學實踐案例可以看出，基于神經事實基礎的個體化教育教學干預策略比傳統的個性化教育教學策略更具有針對性和可靠性。在實踐中，本研究嚴格遵循前文提到的實施“個體化教育”的五個步驟，其基于仿真實驗的分析如下：

①適當的神經科學事實基礎——本例中涉及的神經事實基礎，是腦科學領域比較成熟的大腦中關于雙語意識和雙語處理的神經科學事實，即人腦中雙語由兩套不同的系統處理，并由大腦前葉系統負責切換，同時受大腦前葉系統控制的還有工作記憶［17］。

②將神經科學實驗轉換為學習科學實驗——在本例中建立的學習科學實驗，提出了一個關于英語學習短時記憶、長時記憶和語音意識的神經網絡關聯模型。

③只有學習科學相關實驗的結論與神經科學事實保持一致，神經科學的結論才具有指導意義，否則需找出矛盾因素并加以驗證——在本例中，學習科學實驗與神經科學結論保持一致，即負責工作記憶的大腦前葉系統在英語學習中起關鍵作用。

④在本例中，提出了基于神經事實基礎的個體教學干預建議，并實施該建議。

實驗結論顯示，英語學習障礙者的短時記憶任務完成度較差，可認為該類學習者前葉系統功能較弱，單純為其提供傳統的英語學習輔導并不能提升學習者的學習效果。針對該類學習障礙者，應將重點放在注意訓練上。雖然干預建議需在實施過程中予以不斷完善，但其轉化的學習科學實驗結論已為學科教師提供了更為準確的原因分析。除了本研究提出的干預建議，學科教師在了解基于神經事實基礎的新的因果關聯后，可在傳統學習者和教學方式分類上進行重組和補充，并根據以前的教學經驗對特定學習者群體開展新的教學策略——而這，是在神經教育真正走進教學課堂之前從未有過的新突破。

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編輯：小米

The Research and Practice of the Individualized Education based on the Educational Neuroscience

YANG Juan1LIU Xuan1QIAO Xing-mei2

（1. School of Computer Science， Sichuan Normal University， Chengdu， Sichuan， China 610061；2. Periodicals Department， Sichuan Radio and TV University， Chengdu， Sichuan， China 610073）

Abstract：There is still huge distance between neuroscience evidence and educational practice. Although the idea of traditional educational neuroscience was individualized education， it had the flaw that the operational was bad. The concept of individualized education constrained the teaching which was based on neuro-evidence in a specific learning space or environment in order to transform and implement the education intervention of neuroscience evidence to the greatest extent. There were five steps for the transition from personalized education to individualized education. A case study of using the neural computation model in English learning in the junior middle schools was analyzed to testify the above education concept.

Keywords：educational neuroscience； individualized education； neural computation model

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2016）05—0050—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.05.008

*基金項目：本文受國家自然科學基金“智能學習環境中的學習風格動態預測模型及其應用研究”（項目編號：61402309）資助。

作者簡介：楊娟，副教授，博士，研究方向為E-learning、人工智能，郵箱為jkxy_yjuan@sicnu.edu.cn。

收稿日期：2015年12月7日