《最新破译人类“黑匣子”：与教育相关的脑科学研究汇编.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新破译人类“黑匣子”：与教育相关的脑科学研究汇编.doc（8页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、破译人类“黑匣子”：与教育相关的脑科学研究2014-06-05 张琳 刘玲 刘嘉 中小学管理【脑与认知神经科学究竟研究什么？对教与学改进有何意义？教育部长江学者特聘教授、北师大心理学院院长、“最强大脑”节目科学总顾问刘嘉教授及其团队，与您共同探秘“黑匣子”，揭示大脑在学习关键期、记忆能力、数学能力、语言能力、学习风格等领域的奥妙。中小学管理刊载并推荐】破译人类“黑匣子”：与教育相关的脑科学研究/张 琳 刘 玲 刘 嘉 人类的大脑是负责思维和意识的器官。人类对大脑的探索经历了漫长的岁月，早在公元前600年，古希腊哲学家和生理学家阿尔科迈翁就提出脑是智力的器官。然而，用科学的手段和先进的技术研究大
2、脑仅是近百年来的事情。脑科学从广义上来说是一门综合学科，包括从行为学、心理学以及神经科学等角度对大脑的功能和结构进行研究。早在20世纪70年代，伴随着认知神经科学的兴起，一些教育学者开始意识到脑科学与教育学的学科交叉对于教育发展的重要意义，提出了“基于脑的教育(Brain-based education)”的主张和“教育神经科学”(Educational Neuroscience)的概念。虽然人类对大脑的探索仍处于初级阶段，但在科技飞速发展的今天，脑科学研究对教学理论和实践的影响已经越来越深刻。尤其是各种脑成像技术的出现，使得直接观察正常人在进行各种任务时的大脑活动成为可能，极大地推动了脑科学
3、的发展。2013年，欧盟和美国分别启动耗资巨大的两个脑研究计划“人脑计划”和“尖端创新神经技术脑研究计划”，预计对大脑的研究将极大地改善人类的教育、医疗等方方面面。一、脑科学研究的历史和变革1. 关注人类内在的认知过程：认知科学对行为主义的挑战20世纪初，美国心理学家华生（John B. Watson）创建了行为主义理论流派。行为主义者试图用“刺激反应”（SR）的模型解释人类的所有行为，认为人与其他动物一样，都是受到外部刺激进而产生特定反应的机器，而学习则是通过外部环境的强化反馈而建立起的对新刺激进行反应的过程。行为主义在近半个世纪的时间里占据了心理学的主导地位，并对社会科学以及教育产生了很大
4、的影响。然而，科学家们逐渐发现，这种“刺激反应”模型并不能解释人类的所有行为。恰逢其时，基于信息加工理论的计算机科学的出现给研究者们带来了一种全新的视角。科学家们将大脑比做计算机，开始用信息加工的观点来研究人的智能：在刺激输入后，大脑负责对刺激进行处理和存储，最后再输出反应，而注意、记忆、思维、推理等都是在大脑这台计算机上运行的程序。通过吸收计算机科学的最新理念，将信息加工的观点用于人的智能研究，从而诞生了认知科学。认知科学的研究主题是诸如感知、注意、记忆、思维等人类的内在状态和过程。在研究方法上，认知科学将内在状态和过程比做复杂、神秘的“黑匣子”；研究者将信息加工分解为多个相对独立的阶段，通
5、过观察和记录外在行为反应（如反应时）来推测内在的认知加工过程，最后提出信息加工的认知模型。此外，研究者也大量采用计算机模拟的方法，即对认知模型进行计算机模拟，然后通过比较计算机的输出与人类行为的异同来验证认知模型。2. 对“黑匣子”的直接观察：从认知科学到认知神经科学对脑损伤病人的认知障碍研究使科学家们意识到：如果把作为认知过程的生理基础的大脑与认知过程对应起来，那么将有助于阐明认知过程和验证认知模型。例如：将患者在行为上的认知障碍与大脑的损伤区域对应起来，就可以推测参与这些认知过程的大脑结构。通过这种方式，早期的认知神经科学定位了参与语言产生的布罗卡区（Brocas area）和参与语言理解
6、的威尔尼克区（Wernickes area）。这些发现促使科学家将关注认知过程的认知科学与关注大脑结构、功能的神经科学相结合，产生了认知神经科学。然而，由于脑损伤病人的稀少性和大脑损伤的复杂性，对认知障碍个体的研究只能为揭示正常人的认知规律提供有限的线索。20世纪，以脑电图（Electroencephalography,EEG）、脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）和功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）等为代表的脑认知成像技术的出现，能够在对受试者无损伤的情况下，直接观察正常人在进行某种认知活动时
7、的大脑活动，从而为探索正常人认知过程的神经基础提供了有效手段。不夸张地说，脑认知成像技术对于认知科学的重要性，就像显微镜对于生物学、望远镜对于天文学一样。脑认知成像技术通过测量个体在完成某认知任务时的大脑活动，来探索该认知过程的神经基础和认知特征。例如：借助EEG的高时间分辨率（毫秒级），研究者通过测量大脑在完成某一认知活动时的脑电波，将该认知过程与某脑电波成分关联起来，就可以得知该认知过程发生的时间信息。借助fMRI的高空间分辨率（毫米级），研究者通过记录在完成某一认知过程时的大脑激活状况，就可以定位完成该认知过程所必需的大脑脑区和神经环路。基于对认知过程在时间和空间上的约束，可以将一个复杂
8、的认知过程分解成多个独立的成分、比较多个认知过程的异同和验证认知模型等。通过上述两次变革，有关人类认知能力的研究内容和研究方法都发生了革命性的变化。在研究内容方面，行为主义关注的是“人类的行为科学”，认知科学关注的是行为背后的“内在状态和认知过程”，而认知神经科学开始关注实现认知加工的物质基础，是“大脑的科学”。在研究方法方面，行为主义强调对外在行为表现的观察；认知科学通过实验设计，分离不同的认知加工过程和用计算机模拟大脑的认知过程；而认知神经科学则采用先进的脑成像技术，试图直接观察到大脑的活动。研究主题的拓展和深化、研究方法的改善和直接化，都极大地推动了人类对自身认知能力和学习规律的探索。二
9、、脑科学揭示大脑认知规律的相关研究人类的大脑是学习发生的生理基础，大脑的发育和学习过程有其自己的规律。因而在教学过程中，课程设置应该考虑到大脑的发育情况，教学方法应该符合大脑学习的规律。我们仅以几类研究为例，来说明脑科学揭示的大脑认知规律。1. 对于大脑一般规律的研究（1） 学习的关键期的研究 1965年，修博尔等（Hubel & Wiesel, 1965）研究者研究了视觉经验对猫的视觉脑区发育的影响。在小猫出生后的三个月里，将其单侧或双侧眼睑缝合一段时间会导致小猫失明，并导致严重的大脑视觉皮层的退化；但是成年猫遭受同样时间的视觉剥夺，却对大脑的视觉系统没有影响。基于类似研究，研究者们提出了“
10、关键期”的概念。对小猫而言，前三个月是其视觉发展的关键期，如果在这段关键期内剥夺了小猫的视觉经验，就会对其大脑视觉皮层的发展以及视觉功能造成损伤。后人（Chow &Stewart, 1972）重复了这个研究，并发现，虽然视觉经验的剥夺对于视觉造成了损伤，但只要对小猫进行训练，强迫其使用被剥夺视觉经验的眼睛，视觉可以在一定程度上有所恢复。目前研究者普遍认为，关键期并不是短暂且严格限定的。在关键期内，经验的影响程度达到顶峰，在这段时间内能最快、最好地发展出某种能力，而错过关键期后，获得某种能力并非不可能，只不过要付出更多的努力。研究者发现，关键期也存在于人类的能力发展过程中。其中最典型的研究是第二
11、语言获得的关键期。研究者针对第二语言获得的关键期问题进行了大量的研究，有研究者（Patkowski, 1990）研究了5岁50岁的移民第二语言学习的情况，发现在口音和移民年龄（开始接触外语的年龄）之间存在显著的负相关，即移民年龄越小，第二语言口音越好。当移民年龄超过15岁之后，第二语言的获得情况都较差，且与年龄相关变小。这一研究表明：第二语言的获得是存在关键期的，个体到达一定年龄后，第二语言的学习不会有很好的效果。脑成像研究也表明，人开始学习第二语言的年龄不同，其加工语言的机制也存在差异。研究者福克斯（Weber-Fox & Neville, 1996）采用事件相关电位技术，考察了从不同年龄开
12、始学习第二外语的个体在进行语义和语法判断时的大脑活动特征。结果表明，在语义加工时，早期学习英语的受试者，其大脑顶叶和颞叶前部的活动与英语是母语的受试者非常类似；而16岁以后开始学习英语的受试者则略有不同。在句法加工方面，3岁前学习英语的受试者和英语为母语的受试者大脑的加工模式是一致的，活动的脑区都集中在大脑左侧颞叶前部，而3岁后接触英语的受试者则表现出不同：其中4岁6岁开始接触英语的受试者需要大脑两半球来加工语法信息，而13岁后接触英语的受试者表现出句法加工和理解方面的缺陷。（2）记忆的脑科学研究在学习过程中，学生需要不断地重复记忆某些知识以便加强对知识的回忆。40多年前，心理学家提出了“编码
13、变异假说”。该假说认为，将要记忆的内容与多种不同的背景联系起来，相比只与一种背景相联系，更容易让人想起。比如：要背诵一段课文，如果我们在教室里、家里和放学路上分别背诵，与只在教室里背诵同样的时间和次数相比，前者的记忆效果更好。这个假说的理由是多背景的联系允许人们从多种途径来提取对课文的记忆，每种不同的环境都能激活大脑的不同功能区，而不同的神经反应能提高记忆效果。然而，2010年发表在科学杂志上的一个脑成像研究（Xue et al., 2010）却挑战了这种经典的记忆理论。在这个研究中，研究者采用功能磁共振成像技术检测了24个受试者的大脑活动。研究者让受试者分别看120个词汇和面孔，每个词汇和面
14、孔都以不同的时间间隔重复四次，功能磁共振扫描仪器记录了大脑在整个过程中的活动；一个小时后，考察受试者对词汇和面孔的记忆成绩。研究者发现，在重复记忆词汇或面孔的阶段，大脑对同一个词汇和面孔加工的反应模式越类似，我们就越可能记住这个词汇或面孔。这就提示我们，在记忆知识时，每次记忆引起的大脑反应要尽可能一致。而选择同一个环境无疑会使大脑的反应模式更加类似。这与“编码变异假说”中提到的将记忆内容与多种背景进行联系是相反的。目前对于如何提高记忆仍有许多争论，脑科学的研究则为解决这些疑惑和争论提供了科学的依据。（3）睡眠对学习的影响在学习过程中，很多学生都能感到，如果睡眠不足，那么学习效率就会下降，表明睡
15、眠与认知能力之间可能存在着某种关系。脑科学的研究证实了睡眠对学习效果的影响。在2007年的一个研究中（Yoo et al., 2007），受试者被随机分为两组。第一组，两天一夜不能睡觉，第二组，保证正常的睡眠。在随后的测试中，受试者要观看并记忆大量的图片。在这个过程中，研究者采用功能磁共振对受试者的大脑活动进行了扫描，测试后，所有受试者都可正常睡眠，两天后对受试者的学习效果进行考察。研究发现，正常睡眠组对图片的再认情况显著好于睡眠剥夺组。而脑成像的数据表明，在学习阶段，相对于正常组而言，睡眠剥夺组大脑中负责记忆存储的脑区海马活动变弱。该研究表明，睡眠剥夺能影响到接下来大脑的活动状态，从而进一步
16、影响学习的效果。因而，学生在学习过程中，一定要保证充足的睡眠。尤其是紧张的高中阶段，不能因为学业的繁重压力而压缩睡眠的时间。2. 脑科学揭示特定技能学习规律的研究（1） 记忆是数学运算技能学习的关键技能的学习是一个复杂的过程，涉及多种高级的认知功能。在学习某些知识和能力的过程中，到底哪一种认知能力起到了比较关键的作用？脑科学研究对这一问题的回答能帮助教师在教学过程中把握要点、有的放矢。2013年发表在美国科学院院刊上的一篇脑科学研究论文（Supekar et al., 2013）为此提供了线索。在这个研究中，24名三年级的小学生参加了为期八周的、关于数学加减运算的数学辅导项目。在辅导前，研究者
17、对学生进行了一系列行为因素测查以及大脑结构和静息功能（在不做任何任务时记录大脑的活动）的扫描。有的学生通过这次辅导，数学运算能力得到了很大的提升，而有些学生的进步却非常有限。研究者发现，学生辅导前的智商、工作记忆、辅导前的数学和阅读成绩都不能预测学生在辅导中运算能力提升的程度。用辅导前的大脑结构和脑区间的静息功能连接强度（不做任何任务时两个脑区间活动的同步性）与学生的成绩提升结合起来进行关联分析，发现大脑中海马的灰质容量、海马与额叶脑区的功能连接强度能显著地预测成绩的提升量，而与数学能力有关的脑区（如顶内沟）与成绩的提升并无关系。海马在记忆编码和回忆中都起到了非常重要的作用，海马与额叶脑区的静
18、息功能连接强度对长时记忆的形成十分关键。上述研究结果暗示，在数学运算知识掌握的早期阶段，儿童非常依赖以海马为基础的记忆系统。基于这个研究结果，在儿童学习数学基本知识的初级阶段，教师要特别注意要求学生记忆加减运算的规则等基本知识，并着重考察记忆效果。（2）音乐和语言存在共同的认知和神经基础早在1871年，达尔文就提出语言的“乐源性假说”，认为语言可能是从音乐进化来的。音乐和语言确实有诸多的共同点，如它们都是人类所独有的认知能力，都需要把分离的知觉元素组合成有结构的序列。有研究者提出，语言和音乐可能共享了一部分加工机制。脑科学为验证这一假设提供了直接证据。首先，一些被认为是经典语言区的脑区（如布罗
19、卡区、威尔尼克区）在音乐加工的任务中也被激活了（Brown et al., 2004），表明这些脑区可能也参与了音乐的加工。其次，研究者采用脑成像研究（Schn et al., 2010），直接观察同一批受试者分别听到口语词汇、哼歌（没有歌词）以及唱歌（有歌词）时的大脑活动。发现在三种情况下，大脑双侧的中后侧颞叶以及额叶的下部和中部都有不同程度的激活，表明语言的加工和音乐的加工之间确实存在共同的神经基础。那么，如果对人类进行音乐能力的训练，语言能力能否得到提高呢？研究者（Musacchia et al., 2007）比较了音乐家和非音乐家对音乐刺激和讲话刺激的大脑反应，发现音乐家的脑干对音乐刺
20、激和讲话刺激的反应更快、更大。研究者对儿童的研究（Moreno et al., 2009）表明，对没有学过音乐的儿童进行为期九个月的音乐训练，发现儿童在区分音阶的能力上有显著的提升，更重要的是，他们在阅读任务上的表现也得到了显著的提升，表明对音乐的训练效果能扩展到语言技能上。脑科学的研究不仅证明了音乐和语言的联系，也表明采用音乐训练方法提高语言能力的可行性，为儿童的语言教育提供了新的思路。3. 脑科学对个体间差异的研究（1）阅读障碍儿童的脑科学研究越来越多的研究表明，很多学习障碍都有着神经基础上的异常。许多脑科学的研究（彭聃龄等，2009）发现，阅读障碍儿童与正常儿童之间确实在脑功能和脑结构上
21、存在着明显的差异，且这些差异比较稳定和一致。比如：相对于正常儿童而言，阅读障碍儿童在阅读拼音文字时，负责“形音转换”的主要区域颞顶区域和颞枕区域的激活明显不足，而前额叶区域则出现了过度激活的情况。在网络层面上，阅读障碍儿童大脑的角回与其他语言区的连接比正常儿童弱。在大脑结构方面，阅读障碍儿童与正常儿童在脑区结构上也存在稳定的差异，表现为一系列脑区如负责语音切分的左侧额下回、负责语音工作记忆的颞顶联合区等，其体积都小于正常儿童。由于阅读障碍儿童与正常儿童在多种大脑指标上都存在差异，所以研究者可以根据神经影像技术的特点，合理运用一种或几种技术来鉴别阅读障碍儿童，如静息状态的脑功能成像，这种鉴别不需
22、要儿童完成任何任务就可以进行，便于推广操作。脑科学的研究表明，采用大脑指标鉴别阅读障碍是完全可行的。但目前还没有采用大脑成像技术来鉴别阅读障碍儿童的成熟研究，当然采用类似指标判别其他疾病已经有很多成功的例子，如对阿兹海默综合征的判断等。（2）超常儿童的脑科学研究智力超常的儿童与一般儿童相比也存在大脑上的区别。因而，采用大脑指标来鉴别超常儿童也是可行的，且更加客观。人类的大脑皮层发育表现为随着年龄的增长大脑皮层逐渐增厚，到一定的年龄后，大脑皮层又逐渐变薄。脑科学的研究（Shaw et al., 2006）发现，智力超常儿童和一般儿童大脑上的区别主要表现在大脑发育上的差异。研究发现，大脑皮层厚度的
23、变化轨迹与智力之间存在很强的联系。研究者将儿童分为超常智力组、较高智力组以及一般智力组，并在多个年龄阶段测量了其大脑的结构，分别计算了他们的大脑皮层厚度。研究发现，超常儿童组皮层厚度变化更剧烈，皮层增厚在11岁时到达顶点，然后快速变薄。相反，其他组儿童大脑皮层厚度变化较为缓慢，且皮层变化的拐点在8岁左右。这种皮层厚度变化的差异可能反映了大脑发育过程的不同，可以作为一种客观的指标来鉴别超常儿童。（3）关于学习风格的脑科学研究除了特殊儿童和超常儿童与正常儿童之间存在着显著差异，正常儿童内部也有很大的个体差异，而这些个体差异也关乎他们的教育和学习。比如：儿童之间表现出对学习风格的不同偏好。在信息接受
24、的过程中，有些儿童更偏好听觉信息，而有些儿童的大脑优先加工视觉信息。脑科学研究能帮助儿童选择自己的学习风格。为了鉴别不同儿童的感官偏好，研究者（Nunley, 2002）采用脑磁图的技术，同时给儿童呈现听觉刺激和视觉刺激，并观察大脑听觉区域和视觉区域的反应。结果，在偏好听觉的儿童的大脑上仅观察到听觉区反应活跃；在偏好视觉的儿童的大脑上仅观察到视觉区的反应；而在感官偏好不明显的儿童的大脑上可以观察到两种脑区都有反应。三、关于教与学的建议脑科学研究对于教育有着深远的意义。自上世纪90年代脑成像技术被应用于心理学研究以来，我们对大脑是如何工作的这个问题有了更进一步的认识。但是，将脑科学的发现转化到教
25、学应用仍处于一种起步阶段。脑科学与教育之间仍旧需要更多的交流和互相借鉴。一方面，教育工作者拥有丰富的实践经验，对实践中遇到的问题和困惑有着最直观的感受，脑科学研究者应该从教育工作者的反馈中确定研究问题，进行有针对性的实验研究。而教育工作者也应该密切关注脑科学的研究，并积极将研究成果转化应用到实践中。1. 要遵循大脑的发展规律来进行教学安排比如：关键期的发现对于教育有十分重大的意义。通过对个体行为和脑成像的研究，研究者们可以确定各种能力获得及其对应的大脑皮层发展的关键期。它提示人们，课程的设置要符合儿童发展的规律。如果在某种能力发展的关键期内，给儿童提供适宜的教学和环境，让儿童充分接触发展该能力
26、所需要的刺激和经验，就能最大效率地让儿童发展出这种能力。而如果错过了这段时间，即使给予儿童同样的教学指导，教学效果也会大打折扣。学校要尽量使学生在最合适的时期发展特定的技能。其中最典型的例子就是英语课程的设置。中国学生学习英语的时间很长，从初中到研究生都把英语的教学放在十分重要的位置，但不少学生都反映，他们在英语学习上很吃力，付出很大努力但收效甚微。现在，越来越多的人已经意识到关键期对于英语学习的重要性，英语课程的设置相对提前了，很多家长也开始创造条件，让儿童从最佳学习期开始接触外语。2. 基于特定能力的认知机制和神经基础来改进教与学脑科学的研究揭示了个体获得不同能力的认知机制和神经基础，我们
27、可以基于这些研究来优化教学策略。比如：我们要在儿童最初的数学运算能力掌握期间，着重对其进行运算知识记忆的训练；我们可以利用语言和音乐的共同机制，通过有趣的音乐训练，提高学生掌握语言的能力等。大脑有自己的学习和工作规律。我们应该多顺应大脑的活动规律，健康用脑，比如保证充足的睡眠，积极锻炼身体，保持积极乐观的心态等；应多根据大脑的认知规律制定学习方法和学习策略，如有效的记忆策略等。3. 要尽可能为学生提供个性化教育青少年之间在学习能力和偏好方面有很大的个体差异。基于脑科学的研究，教育工作者应为特定的人群提供个性化的教育干预，如对于阅读障碍的儿童提供救济措施，为超常儿童提供更多的学习挑战等。教师可以
28、在鉴别儿童不同学习风格的基础上选择合适的授课方式。我们可以鉴定出哪些学生偏好听觉刺激，哪些学生偏好视觉刺激，进而为不同偏好的学生提供个性化的课程及教学方式，如对于偏好听觉刺激的学生可以多采用讲授的方式等。版权声明：本文为中小学管理独家稿件，未经允许，任何媒体及微信公众号不得转载。如果您喜欢这篇文章，欢迎分享至朋友圈！为了使您不错过中小学管理以往推送的精彩内容，小编特将几位名师大家和反响热烈的微信文章整理如下，欢迎您随时查阅！回复“1”，查看中小学管理发布的所有陶西平的往期微信文章；贷：预计负债 140回复“2”，查看中小学管理发布的所有李希贵的往期微信文章；贷：累计折旧 147.83回复“3”
29、，查看中小学管理发布的所有沙培宁的往期微信文章；16大量使用肾上腺皮质激素容易诱发DIC与下列哪一项因素有关？回复“4”，查看以“治理”理念重塑政校关系柴纯青；贷：坏账准备 800回复“5”，查看我的教育叙事叶翠微；A.结构化问题B.半结构化问题和非结构化问题要查看中小学管理所有往期微信文章，请点击右上角进入“详细资料”中的“查看历史消息”这一项即可。D150万元当年取得的可供出售金融资产公允价值相对成本上升600万元，该资产的计税基础为取得时的成本；同时我们欢迎您订阅中小学管理官方微信，添加方法如下：2症状及异常检查结果的发生机制是什么？1.直接点击标题下方蓝色字体的“中小学管理”查看官方账号进行添加。2.在“查找公众号”中搜索“中小学管理”，选择微信号为“zxxglmedia”的公众号进行添加。3.点击微信“通讯录”选项内右上角的“添加”按钮，在“搜索号码添加朋友”下的对话框内直接输入“zxxglmedia”进行添加。对损益调整的确认即期末应确认的投资收益=（1200-500-1000/56/12）20%=120(万元)(5)甲公司20 X 4年度合并利润表中包括的其他综合收益涉及事项如下：