學習科學：從實驗室到教室

潘卡杰·沙赫 張陽 周加仙

神經元結構和功能的改變是學習的生理基礎

教育最根本的目的是創造更好的人。學習和記憶是教育的基礎。學習是獲得技能或知識從而改變行為的過程;記憶是保留信息和從先前經驗中提取信息的能力。學習和記憶相關理論的基礎來自17世紀的哲學家勒內·笛卡爾。他的基本思想是心理和大腦是相互分離的，即身心二元論。身心二元論是錯誤的。弗朗茲·約瑟夫·加爾（1758-1828）是第一個認為學習可能和大腦有關的人，第一個提出心理功能是生物性的且位于大腦的不同區域。

現代神經科學開始于神經元假說。卡米洛·高爾基和拉蒙·卡哈爾在1906年提出大腦是由被稱為神經元的細胞構成，他們因此獲得了諾貝爾獎。我們現在理解的大腦是一個復雜的處理器，由神經元組成，神經元的交匯處稱為突觸。在大腦中突觸的數量非常巨大。

那么，腦是如何依靠這些結構學習的呢？卡哈爾在1906年提出了一種學習和記憶形成的細胞理論，即神經元連接強度變化理論。他認為，神經元之間的連接強度可能會隨著時間和學習而變化。

唐納德·赫布在1949年寫了一本書《行為的組織方式》。書中寫道，持續或者重復的激活會導致細胞長久性的變化，且隨著激活的持續或重復，其穩定性也不斷增強……當細胞A的軸突與細胞B的樹突足夠接近，而且能反復或持續激活B，那么其中一個細胞（或者兩個細胞）會發生生長或代謝變化，此后A激活B的效率就會提高。這就是赫布突觸學說。在學習的過程中，兩個細胞協同工作，連接強度發生變化，形成強突觸，這就是我們現在講的神經元可塑性。神經元的可塑性發生在突觸，例如，你要記住一朵花的樣子，在你學習的過程中，需要兩個細胞協同工作，同時放電，細胞之間的連接加強。

研究這一現象的還有Tim Bliss和Terje Lomo。這兩個人在1973年發現了海馬突觸可塑性，突觸連接加強的現象。如果對突觸進行高頻持久的刺激，那么這種突觸的改變將是永久的。這被稱為長時程增強作用。突觸可塑性是當前主流的學習模型，成人與兒童在學習的過程中都會發生這種變化，這是學習的生物基礎。當你正在學習這朵花的時候，一些神經元的連接發生了變化，從而形成了對這朵花的記憶。所有的記憶，諸如你對母親的記憶，你吃早餐的記憶或者其他記憶，都是這樣形成的。到目前為止，神經科學認為記憶是以神經元連接模式進行編碼的，連接模式就是記憶的痕跡。

學習是獲取技能或知識，從而改變行為的過程;記憶是保留信息和從先前經驗中提取信息的能力。教育是技能、知識或思想從一代傳到另一代的過程（比如知識從老師、父母或其他類似的人傳給下一代），是一種學習形式。學習和記憶是教育的基礎，如果你不能學習，或者不能形成記憶，那么教育也是無用的。如果個體患有學習障礙、記憶障礙或者阿爾茲海默癥，那么他可能在教育方面也會存在問題。

有一種學習的觀點是課堂中教師的聲音和圖像輸入個體的大腦，大腦內部進行某些加工，大腦的結構或功能發生了變化（這被稱為大腦的可塑性），個體會有一些收獲，可以輸出某些口語或行為，比如能學會2×2=4，學會2000多個漢字等。

教育需要循證實踐

蛋白質是學習和記憶過程的分子基礎，神經科學中有關蛋白質等分子的研究成果較為豐富，有關突觸的研究成果較少，而有關大腦（即我們談到的教育）的研究成果就更少了。心理學對學習和記憶的研究通常需要對個體進行實驗或測量，通過控制刺激呈現的時間、被試反應的時間或信息呈現的方式來開展實驗。神經科學的研究涵蓋了心理學，其研究對象不僅包括人類還包括動物。

大多數人都認同教育是關于學習的科學，而教育實踐（即我們在學校當中如何實施）受到教育學、社會壓力和政治的影響。在我居住的澳洲（我認為也包括美國和世界其他地區），政治影響了教育實踐。例如，當我的女兒讀三年級時，當地政府決定在學校取消教授乘法表。我的女兒現在25歲了，仍然不能背出完整的乘法表。如果你問她7×5等于多少，她要拿出計算器計算，購物對她來說是個大問題。

問題出在哪里？盡管心理學和神經科學有幾十年的進步，但我們仍然沒能為教育和學習實踐建立證據基礎，教師可能沒有時間或資源接受訓練和閱讀新近的研究，從而無法判斷自己的教學方式是否是最合適的。循證的醫學實踐始于20世紀70年代，因此，可以說學習和教育領域落后了醫學幾十年。

如果我現在告訴你，我有一個比阿司匹林更好的治療頭痛的藥物，在澳大利亞、美國或者中國通過了食品藥品監督管理局審批之后，這個藥品要拿到市場上銷售（這個流程可能需要五年或十年的時間），這是健康領域的正常流程，是基于證據的流程。然后我問你藥物是否有效，是否造成其他問題，你發現自己在攝入藥物一個小時后頭痛癥狀確實減輕了，并且沒有其他副作用，這說明藥物確實有效果。在澳大利亞，如果我告訴你，我們不應該教乘法表，這不是一個好的教育方式，然后政府成立了委員會，委員會同意取消乘法表，之后學校再也不教乘法表了。但是將乘法表從學校教學中移除是基于什么證據？不教乘法表，孩子在數學上是否取得了更好的效果？當他們18歲的時候這樣做會不會對他們更有幫助？這就是問題所在，教育需要像對待健康一樣，需要以證據為基礎的實踐。

學習反饋：教學中的重要環節

你在課堂中學習到信息或技能，儲存到大腦中形成記憶，通過不斷的復習，鞏固記憶，通過測試進行回憶，這種對測試和回憶結果給予反饋是很重要的。我們知道，大腦是一臺預測機器，它會將回憶的結果和正確結果進行比較，如果錯誤，會反饋給記憶系統重新形成新記憶，同時形成一些情緒反應，可能還會有激素釋放，使你感到沮喪。這些情緒對形成新記憶也有幫助。總之，反饋會有認知和情緒兩個方面的作用。這也是教師對學生的反饋所起到的影響。

反饋在教育中是非常重要的。教師在課堂中如何給反饋？給學生什么樣的反饋？是立即給予反饋還是明天再反饋？給學生五次機會還是三次機會？最好的反饋方式是什么？什么樣的學生應該得到什么樣的反饋？為什么這樣的反饋會起作用？我們的學習科學中心就在做類似的研究，并將研究成果進行轉化，提出教師最佳反饋時間和最佳反饋類型的策略，將其整合成一個“教師反饋矩陣”，幫助教師做好教學反饋，通過提高學生的注意力使學生獲得最佳學習。

基于學習科學的教學原則

我們還研究了科學課堂小組合作學習的作用，提出了一些教學策略，開展了研究型教師的專業發展項目，提出了基于心理學、教育學和神經科學研究的教學原則。

無論在中國、美國、澳大利亞還是世界其他地區，教育應該是總體相似的。我們希望教育能趨同，找到相似的教育原理，產生相似的教育效果。