脑认知科学视野下学习研究的新进展*

胡卫星　李　玲　徐　多（渤海大学 教育学院，辽宁锦州121013）



脑认知科学视野下学习研究的新进展*

胡卫星李玲徐多
（渤海大学 教育学院，辽宁锦州121013）

摘要：受现代分子生物学、细胞生物学、遗传学、影像学和信息科学技术发展的影响，大脑认知功能和作用机制正从微观脑细胞分子水平和宏观脑系统整体水平两个方面得到深入揭示。文章认为，脑认知科学已经在脑神经机制、脑高级认知功能、脑计算理论、脑心理与行为分析等四个方面取得了突破性发展。受其影响，学习科学领域也正在经历深刻变化，并呈现出一些新的发展趋势：在研究内容方面，基于脑认知的有意义高效学习的系统模型得以构建，基于文化情境交互的社会学习机制得以重视；在研究范式方面，学习科学领域开始采用多学科交叉合作研究、神经科学实验和临床诊断与技术干预等新的研究方法。

关键词：脑机制；认知科学；学习科学

引言

宇宙、物质、生命和智力是自然界中的四大奥秘，尤其是涉及脑机制研究的智力探索更是人类认识自然和自我过程中极具挑战性的科学命题。人类对大脑认知功能的智力探索已有数千年的历史，然而以往探索基本上都是哲学思辨讨论式和直觉经验观察式的探索[1]。

当今，脑认知科学的发展已经建立在科学理性分析研究的基础上，人类对自身特有精神和心理活动的探索已进入到一个新的研究层次。尤其是从20世纪90年代世界各国纷纷启动脑科学研究计划以来，现代分子生物学、细胞生物学、遗传学、影像学和信息科学技术的发展，为脑认知科学研究提供了层出不穷的新工具与方法[2]。经过20多年的发展，脑认知科学总体上形成了两大研究发展趋势：微观分子细胞水平上对脑功能和脑疾病机理的研究，宏观系统整体水平上对脑功能多层次的整合研究。通过这两大方面研究的推动，大脑各部分如何协同工作来实现复杂认知功能并产生智力，正得到日趋广泛和深入的研究[3]。脑认知科学研究的重要地位得以迅速确立，并推动着当前诸多相关学科的有机融合和交叉发展。学习科学的研究领域、研究方法和研究新动向大部分都基于脑认知科学，深受脑认知科学发展的影响和推动[4]。因此，系统梳理近十年来脑认知科学发展的重大突破和研究动态，将为学习科学研究提供重要的理论框架和未来发展的关键点。

一　脑认知科学的新研究动态

1脑的神经机制研究

从20世纪90年代开始，由于在心理学等科学领域中功能性磁共振等神经影像技术的产生及其广泛应用，科学家们开始研究复杂心理活动是如何通过某些神经环路、某些脑区、某些神经元甚至某些神经递质来完成的[5]。同时，受生命科学研究实现从基因组学到蛋白质组学，再到神经连接组学转变的影响，脑认知科学开始将研究中心放在从事脑功能的神经环路分析上，试图对脑内的神经活动线路作图，实现对脑机制的基因—脑—行为—认知的完整系统研究[6]。当前，脑的神经机制研究主要关注以个两个方面：

（1）神经信息的编码机制

外部世界的信息在大脑内被统一编码成神经元的电活动，了解神经信息编码的机制是破译大脑计算方法的关键。关于神经信息编码机制存在着多种假说，如发放频率编码、时间精细结构编码、同步化发放编码和群编码等，这些假说都得到了一定的实验支持，但同时也都遇到了很多挑战[7]。但越来越多的实验数据表明，人脑中神经信息的编码不是以一种单独编码形式存在，而是多种机制并存。

（2）学习、记忆及信息存储的神经网络

神经元间突触连接强度的变化是学习的物质基础，这种强度变化的理论模型从早期的赫布（Hebbian）学习律迅速发展到突触动作电位时间依赖可塑性规律[8]。随着实验证据的积累和研究的深入，突触和神经环路可塑性变化机制将会促使学习理论产生一个很大的突破。但记忆的神经网络研究理论还只是停留在简单的集中形式方面（即短期记忆和长期记忆的网络实现机制），尽管已经取得了从传统霍普菲尔德（Hopfield）模型到现代连续吸引子网络模型的大突破[9]，但整体上记忆的神经网络理论模型研究还有很长的路要走。

2脑的高级认知功能研究

脑的高级认知功能是指人具有的学习、记忆、注意、语言、抉择、问题解决等认知功能。目前，这个方面的研究主要集中在如下三个方面：

（1）感知觉信息的处理与整合

感知觉信息的处理与整合主要体现在三个方面：①感知觉信息的基本表达研究，主要是“初期特征分析”与“初期整体知觉”两大研究思路的争论；②特征绑定问题的研究，这是当前计算机视觉和人类视觉研究中的一个根本性难题，迄今为止各种解释机制都失败了；③注意的基本表达问题，主要是基于空间、基于特征性质和基于时间三大理论的争鸣，其中占主导地位的是基于空间的理论，但基于物体的理论正在快速形成并得以发展。

（2）工作记忆和语义记忆的脑机制

设计意图：学生体会艾弗里体外转化实验的关键设计思路，进行实验设计的技能训练，培养严谨的科学态度和缜密的科学思维。

对于工作记忆的研究主要有两个层次：一是宏观层次的研究，主要分析有哪些脑区参与了工作记忆的过程，并且这些脑区之间的关系是怎样的；二是环路层次的研究，主要分析工作记忆由什么样的神经元活动所代表，调节这些神经元活动的机制是什么[10]。目前，有证据表明：工作记忆并不是由某个特定脑区所负责，而是一种由大部分联合皮层甚至感觉皮层联合支持的、能持续一定时间的不间断放电活动。另外，认为语义记忆是一个超模态符号系统的传统观念是错误的。语义记忆研究的最新结果显示，长时记忆是一个脑分布式存储系统，不同类别的物体在脑中有着不同的处理系统，系统中存在一个联合区域负责将分散信息整合起来灵活应用[11]。

（3）记忆的固化与消退

当下记忆研究依然深受百年前提出的记忆巩固假说的影响，认为不同类型的记忆在不同的脑区进行加工处理，记忆在储存后是稳固的，长时记忆是记忆神经反复震荡活动的稳定[12]。然而有实验数据显示：提取记忆会引发一个额外不稳定期（即存在重巩固过程），记忆维持是一个持续动态的变化过程。传统记忆消退理论认为，导致消退的原因是条件刺激与非条件刺激之间的联系不断被弱化并最终被破坏[13]。而实质上，记忆消退过程有更多的复杂机制参与，消退并没有影响到以前的兴奋性联系，而是形成了另外一个抑制性联系，记忆消退和习惯化现象之间有共同的脑认知作用机制[14]。

3 脑的计算理论分析研究

现代脑认知科学发展理念上存在着一个重要隐喻：人脑和计算机一样也存在硬件与软件两个层次，要模拟人脑功能，只需设计出不同的设备或程序来模拟驱动实现相应的功能即可。随着理论研究和技术的进步，基于传统计算机模拟的大脑计算理论（脑中信息处理通路是静态的和串行加工的）受到了重大挑战：人脑中信息处理回路（神经细胞网络）会通过持续进化和并行运算来解决复杂问题，脑的高级功能不是由某单个神经元或单一脑区孤立完成，而是由许多脑区或神经网络系统的交互作用而实现[15]。因此，从神经环路网络的角度，利用并行计算理论来重新阐释人脑的结构和功能，揭示脑对神经信息的加工处理机制是非常必要的。

利用高时空分辨率成像技术和现代计算技术的结合，研究学者们通过建立不同脑区交互作用的脑网络模型并分析其动态演化规律，来理解脑信息加工的动态过程及脑高级认知功能[16]。目前，该方面的研究主要集中在以下两个核心点：①神经网络拓扑计算理论的发展。主要是在功能性脑图谱构建的基础上，进行神经网络拓扑、功能属性及其动力学机制的分析，弄清楚大脑不同脑区是如何采集分析和处理神经信息的；②脑—机接口的设计与开发。即在脑与外部设备之间建立起一种直接的交流通道，实现脑对外部设备的直接控制，也可直接把外界信息传入大脑来调控人的某些行为。目前这方面的研究，主要集中在接口信息自适应处理与神经可塑性的相互关系分析、接口神经反馈机制与技术这两大问题上[17]。

4脑的心理与行为研究

目前，心理科学领域中普遍采用了行为反应测量结合脑影像技术，来研究诸如感知觉、注意、记忆、语言等基本认知功能，来阐明复杂心理活动在认知各个水平上的作用机制，同时也在积极探索社会文化环境对人类行为及其复杂社会行为的影响[18]。受其影响，脑认知科学领域也尝试采用心理与行为研究技术方法来展开相关的研究。目前，脑的心理与行为研究主要分析在大脑各部的协同工作下各种复杂认知功能和智力是如何产生的，并如何实现对行为的控制。该方向研究的主要核心点有：

（1）自我意识与自我相关信息的加工。诸多研究主要集中于自我参照加工、自我面孔识别和自传体记忆三个方面。其中，自我面孔识别是个体关注外部世界的过程，而自我参照加工和自传体记忆则是个体关注自我内心世界的过程。

（3）人类决策与行为研究。这个方向研究的重点是理解和把握人们在不确定环境中的反应特征和行为规律[20]。主要研究点有基于行为的决策理论与方法、情绪和个体差异对决策的影响机制、集群行为等。

二　脑认知科学视野下学习科学研究内容的新进展

1有意义高效学习的系统模型

脑认知科学和新媒体技术的发展，使未来学习形式和内容发生了深刻的变化。学习是一个大脑积极参与的过程，是学习者诸认知功能和大脑各功能区综合发挥的过程，更是一个有趣、有效和高效的过程[21]。学习活动的实施需要一定的心理结构要素，如知识呈现方式、选择性注意、元认知、内隐认知、非智力因素和学习策略[22]。要实现学习的有趣、高效和有效，就必须在发挥脑认知功能的基础上，让上述心理参与要素按一定层次构成一个相对完善的系统。基于此，本研究构建了一个有意义高效学习的系统模型，如图1所示。

图1　有意义高效学习的系统模型

学习的本质是让学生通过领会和掌握知识来提高自身的能力，而如何用适当方式来合理地呈现知识，会直接关系到学习的效率和效果。符合学习者脑认知规律的知识呈现方式（如知识网络），是实现有意义高效学习的基本保证。在学习过程中，首先需要解决的是如何让学习者排除各种无关干扰，将注意力集中到所学知识内容之上，有效的选择性注意是学习者有意义高效学习的基本前提条件[23]。学习是一个学习者自觉主动学习的过程，学习过程中应该让学习者对自己的学习过程和状态有清晰的认识与实时了解，这就需要学习者发挥元认知的作用——元认知是学习者有意义高效学习的重要监控系统。此外，学习过程中学习者认知活动往往都需要有非智力因素的伴随参与，强烈的学习动机、坚强的意志力和良好的性格特征等非智力因素使学习者学习能够更加深入和持续，为其有意义高效学习提供了源源不断的动力[24]。学习过程中还需要学习者根据学习状况，选择最佳学习策略来完成任务——学习策略是实现有意义高效学习的重要保障。内隐认知则是学生在没有意识到要学习却掌握了某种知识和技能，它是有意义高效学习的高级形式，体现了学习者学习活动的自动化和智能化[25]。

2社会学习的机制研究

诸多领域的新见解正在改变着教育的实施方式，生成了一个新的学习理论——社会学习观，即人的心理和思维发展往往依托于人所处的社会文化环境，学习者在内外部诸因素交互作用的过程中得到了提升和发展[26]。当前社会学习理论主要表现为三个基本原理：①学习是通过计算来实现的。学习者具有强大的计算能力，能从经验统计模式中推断出周围环境的结构模型，并利用经验统计模式来学习语言和因果关系；②学习是通过具有可塑性的脑来完成的[27]。学习记忆过程可以塑造大脑的结构和功能，同时，大脑特定的结构和功能也在影响、优化着学习行为及认知过程；③学习是通过社会互动来实现的。学习者在与其他人的互动中迅速学习，并倾向于关注和模仿别人的行为。时下，学校教育正越来越关注和体现社会学习的交互作用原则。

同时，人们也发现人类进行学习时需要具有三个基本社会技能：模仿、共同注意和共情理解，它们形成了人类发展的基础[28]。其中，观察和模仿专家学习是一种强大的社会学习机制，学习者可大量模仿他人的行为，利用他人的信息来增加自己的知识并提升自我；共同注意是社会学习易化的一个重要途径，它让不同的学习者对同一物体和事件进行共同关注，进而为他们的共同交流提供基础；共情理解的能力对学习者的学习至关重要，很多学习过程往往都受特定感情过程的影响与制约。按照脑认知科学家的建议，编排的、浸润性的、充满互动的、充分激趣的和具有积极加工经验的学校教育教学活动最有可能让学习者投入其中，形成具有共同体特征与内涵的参与感，产生自然的有意义知识和高效学习，从而帮助学习者获得最优的学习体验和大脑发展[29]。

三　脑认知科学视野下学习科学研究方法的新变化

1多学科交叉研究和合作研究的开展

受脑认知科学发展的影响，学习科学往往会涉及多学科前沿，也往往会进行学科交叉性研究。越来越多本来从事生理学、生物学、基因组学、计算机科学、社会学、数学和逻辑学等的研究人员，正在加盟到对学习这一现象的机制研究中[30]。尤其是近些年来，从认知神经科学角度对学习展开跨文化的心理学研究正在如火如荼地进行着。同时，相关领域的国际研究合作活动也发展快速且联系日趋紧密，更多地区性或国际性组织正在形成，各类地区性或国际性学术会议也在频繁召开。当下，一方面需要全面收集、解读并跟踪脑认知科学研究的已有重要成果；另一方面更需开展脑认知科学研究与教学实践活动的联手工作，在脑认知科学的基础上进行教学实践活动的创新，尤其是在现代教学技术手段的支持下，积极提出新教育理论、策略与模式，设计和创造出新的学习环境和学习形式[31]。

2神经科学方法和实验技术的新突破

近些年来，研究方法和实验技术的新发展已经给脑认知科学带来了重大的理论突破，人类对学习的研究正逐渐从间接转向直接、从猜测转向实证、从模糊趋于清晰。实时观测神经活动（非浸入性成像技术）研究技术的出现，使人们在展开脑认知、人工智能、学习机制研究等方面有了新的方法和实现路线[32]。利用高分辨率时空成像技术来解析神经环路的功能性动态调控规律、来理解脑的信息加工过程及脑高级功能，进而能够全面系统地揭示人类学习的奥秘。新研究方法和技术使人们能够在更系统、更深入的水平上研究脑神经网络活动及其调控机制，将促进信息科学、神经科学、心理科学甚至是临床医学的综合交叉[33]。与严格的行为数据相比，来自认知神经科学等方面的新技术方法将会使学习机制研究的信息更为丰富，对人脑基本认知功能的解释也更为直接和可视化。

3临床诊断与技术干预的案例研究

传统智力观认为，学习者出现学习困难主要是学习者的智力存在一定状况，故常采用形式训练方式来重点提升学生的观察力、记忆力和想象力等。但实际上，学习困难生与优秀生的智力差别不是在思维过程和形式上，真正的差异在于当他们进行分析、综合、比较、抽象概括等思维时，其所加工知识内容的质量、性质、特征、结构等方面存在着显著差距。因此，有效把握学习困难者在具体学科知识学习和问题解决的过程中如何通过获取、加工和组织知识内容而进行思维的特点，才是学习成功与否的关键之所在。基于临床诊断与相关技术干预，能够使研究者实实在在地追踪到学生的学习过程，亲自体察学生应用知识进行思维的实际过程，对学习的了解和理解要比其它任何形式的研究更加真实、深入和细致[34]。

总之，大脑是一个极其复杂的系统（包含1011个神经元和大约1015个突触），弄清楚人脑是如何工作的仍然困难重重。脑学习系统如何组织，学习时脑内部进行着哪些过程，这些过程如何相互作用引发系统的行为——这些问题的解决，都需要研究者进行更加深入的实验工作和计算工作；尤其是针对如何采用无损伤的直接方式来记录大脑活动的实时过程这一问题，还需要研究者汇聚更多的智慧来实现突破。随着脑认知科学的进一步发展，学习科学将会进入到一个全新的综合性突破发展阶段。

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编辑：小米

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The New Development of Learning Research from the Perspective of Brain and Cognitive Science

HU Wei-xingLI LingXU Duo
（Educational College,Bohai University,Jinzhou,Liaoning,China 121013）

Abstract:Through the development of modern molecular biology,cell biology,genetics,imaging and information science technology,the cognitive function and its action mechanism have been revealed from the aspects of microscopic brain cellular and molecular level and macroscopical brain system and overall level.Current brain and cognitive science has achieved strategically progresses on the brain neural mechanism,brain advanced cognitive function,brain calculation theory,brain psychology and behavior analysis,which profoundly affected the learning science field.The learning science emerged the new development trend: on the aspects of research content,the meaningful and efficient learning model based on brain-based learning mechanism was constructed and social learning mechanism based on the culture and context interaction was taken seriously; on the aspects of research method,the learning science field started to adopt the new method of interdisciplinary and cooperation research,neuroscience experiment and clinical diagnosis and intervention.

Keywords:brain mechanism; cognitive science; learning science

收稿日期：2015年7月10日

作者简介：胡卫星，副教授，博士，研究方向为信息技术环境下新学习形式的心理机制，数字化教学资源的设计、开发和管理等，邮箱为satellitehu@163.com。

*基金项目：本文受教育部人文社会科学基金项目“四元交互作用机制下的动画多媒体学习研究”（项目编号：13YJC880028）、辽宁省高校青年教育科研骨干专项课题“信息技术融入课堂教学的有效性研究”（项目编号：JGZXQDB039）资助。

【中图分类号】G40-057

【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2016）03—0019—07 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.03.003