從腦科學(xué)視角談學(xué)習(xí)和教學(xué)

教育、教學(xué)的本質(zhì)是什么呢？不是簡單的傳授知識(shí)、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(gè)字是“囟”是嬰兒顱骨合縫的地方，指代腦；“思”字下面是一個(gè)“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(gè)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(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(hào)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(hào)，所以髓鞘化對(duì)于大腦的正常運(yùn)作是一個(gè)非常重要的過程。

嬰兒剛出生時(shí)，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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)本身，后者通過大腦活動(dòng)時(shí)特定腦區(qū)的代謝來觀測磁場下局部信號(hào)的改變。腦電就是在第一類路徑下一個(gè)非常簡單的方法，觀測每個(gè)電極周圍的某一組神經(jīng)元活動(dòng)，可以達(dá)到毫秒級(jí)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(dòng)時(shí)不同腦區(qū)的耗氧情況。腦神經(jīng)活動(dòng)時(shí)某一特定區(qū)域耗氧，會(huì)改變這個(gè)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(dòng)有關(guān)的信號(hào)。

就腦電領(lǐng)域的研究實(shí)踐來說，在2017年，David Poeppel團(tuán)隊(duì)（Dikker et al., 2017）關(guān)于課堂教學(xué)中師生腦際活動(dòng)同步性的研究，獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)的科研大獎(jiǎng)（NSF INSPIRE Track 1 Award）。該團(tuán)隊(duì)在三個(gè)月中跟蹤一個(gè)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(hào)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(duì)這些課程的喜愛程度、對(duì)課程教學(xué)法的課后評(píng)分，都與師生之間大腦活動(dòng)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(gè)個(gè)體的活動(dòng)，而這項(xiàng)研究是考察不同個(gè)體之間的活動(dòng)同步性。在這一過程中，對(duì)于一個(gè)具體的腦活動(dòng)，不再去細(xì)究是哪個(gè)腦區(qū)在集中活動(dòng)，也不是基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，而是從整個(gè)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(xiàng)研究中一個(gè)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(gè)體的活動(dòng)、對(duì)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(jí)認(rèn)知能力對(duì)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(jì)劃并執(zhí)行的能力、持續(xù)注意能力、多項(xiàng)同時(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)^于1970年米歇爾教授做的棉花糖實(shí)驗(yàn)，通常被簡單稱為“延遲滿足實(shí)驗(yàn)”。在實(shí)驗(yàn)中，能夠忍住對(duì)眼前糖果的欲望，從而在考驗(yàn)時(shí)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(huì)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(huì)訓(xùn)練孩子的延遲滿足能力。然而，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的人群，會(huì)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(shí)驗(yàn)中做得更好的個(gè)體能做出更好的跨期決策。與此同時(shí)，另一個(gè)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(shí)驗(yàn)方法基礎(chǔ)上添加一個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn)：其中一組主試先告訴孩子“這個(gè)蠟筆很難看，老師去拿另外一個(gè)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(shí)驗(yàn)。這兩組被試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中數(shù)據(jù)差別非常顯著——在研究人員沒有對(duì)被試者（孩子）信守承諾的條件下參與后續(xù)棉花糖實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組人數(shù)的25%。

這個(gè)進(jìn)階版的棉花糖實(shí)驗(yàn)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(huì)的小縮影，推而論之，一個(gè)班級(jí)、一個(gè)學(xué)校，只有在讓孩子信任時(shí)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(gè)以后在更晚的階段獲得更好的獎(jiǎng)賞”，這是人的自主決定。早先為公眾熟知的棉花糖實(shí)驗(yàn)，被誤讀之處在于以上兩點(diǎn)。而對(duì)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(dòng)可以被認(rèn)為是非常復(fù)雜的動(dòng)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(jí)別上來研究腦的動(dòng)態(tài)，就像把整個(gè)大腦呈現(xiàn)為3D動(dòng)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(dòng)是如何組織的，有哪些區(qū)域（節(jié)點(diǎn)）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(gè)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(gè)子網(wǎng)絡(luò)正是整個(gè)腦組織中最為關(guān)鍵的一個(gè)功能子網(wǎng)絡(luò)。

此外，腦科學(xué)的研究也通過雙胞胎實(shí)驗(yàn)、視覺剝奪實(shí)驗(yàn)等研究發(fā)現(xiàn)，人類個(gè)體的早期經(jīng)驗(yàn)會(huì)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(duì)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(huì)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(gè)過程既涉及對(duì)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(dòng)態(tài)發(fā)展，了解哪些遺傳因素、環(huán)境因素會(huì)改變它們，以及了解每個(gè)個(gè)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。