基于神经教育学的个体化教育研究及实践*

杨　娟　刘　璇　乔兴媚

（1．四川师范大学 计算机科学学院，四川成都 610061；2．四川广播电视大学 期刊部，四川成都 610073）



基于神经教育学的个体化教育研究及实践*

杨娟1刘璇1乔兴媚2

（1．四川师范大学 计算机科学学院，四川成都 610061；2．四川广播电视大学 期刊部，四川成都 610073）

摘要：现阶段，神经科学事实与教育教学的对接仍面临着巨大挑战。传统的神经教育学的理念是个性化教育，但在操作性上存在缺陷。个体化教育理念将基于神经事实基础的教学约束在一个特定的学习场景或者一个特定的学习环境中，这样可以最大程度地对神经科学事实进行教育干预的转换和实现。文章指出，由个性化教育向个体化教育转变，需要遵循五个步骤。通过在初中英语学习中使用神经计算模型这一个体化学习案例的实验及数据分析，文章对上述个体化教育理念进行了实践验证。

关键词：神经教育学；个体化教育；神经计算模型

神经教育学是一门整合了心理学、脑科学和教育学研究而形成的新学科［1］［2］，汇集了包括认知神经科学、发展认知神经科学、教育心理学、教育技术学、学习理论和其它相关学科的研究者，致力于探索学习的生理机制，并试图建立二者之间的永久性联系。神经教育学作为一个高度跨学科的综合性研究领域，受到了国际社会的高度关注。美国、英国等率先在神经教育领域开展研究，哈佛大学、剑桥大学、伦敦大学等世界著名学府也纷纷开设相关专业，授予学生博士或硕士学位。我国北京师范大学、华东师范大学也加大了对这一领域的研究，如华东师大副教授周加仙［3］提出教育神经科学是将心智、脑与教育联结起来为教育奠定科学基础的、具有巨大发展潜力的新兴学科，在第二外语教学上应“建立适合于人脑认知机制和神经机制的二语能力发展与促进策略”［4］；北师大的认知神经科学与学习重点实验室则在神经教育领域开展了多元探索，如伍海燕等［5］提出情绪神经科学研究将对教育产生显著影响，孙聪颖等［6］探讨了英语工作记忆的加工和储存成分对我国中学生英语阅读理解的作用及其途径。

一　神经教育学与个体化教育

虽然从神经科学事实到教育教学实现仍然存在不可逾越的鸿沟［7］［8］，但神经科学的实际应用价值仍驱使大量研究者投入到整合二者的工作之中。例如，布鲁尔［9］和梅森［10］就提出可通过心理学作为神经科学在教育领域实践的桥梁。

要使神经科学在教育科学中得到有效运用，一个必然要素是两个领域对彼此的期望应符合实际［11］。教育科学对神经科学提出的实际应用期望是希望从根本上了解学习者，因此“个性化”教学必须转变为“个体化”教学，即教学应更尊重学习者的个体神经事实。因为基于经验的“个性化”学习并不能确保学习效果，如使用学习风格进行教育是缺乏事实基础的［12］。因此，要使神经教育学走进课堂，必须尊重个体神经事实基础，并不能像传统“个性化教育”一样简单地根据学习者表象将其进行粗糙的分类操作，而应更注重个体的实际神经功能，为其提供更具有针对性和可操作性的干预操作。

虽然神经科学可为教育政策与实践提供个体事实基础，但不能简单地认为神经科学的知识就能为教育教学实践提供现成答案或标准答案。要使神经科学真正发挥作用，需要将研究问题设定得更具体，并对研究分析进行精细的划分。例如，除了要获得相应的神经科学事实基础外，还必须根据特定事实基础设计可进行特质甄别的学习科学实验［13］。这种区别于传统表象分类的本质分类，可以更直接地进行学习者学习效果的因果分析，并针对这种因果关系提出假设性的干预建议，实施干预；然后根据效果修正干预，实施再干预。因此，基于神经事实基础的个体化教育必须遵循以下五个步骤：

①有适当的神经科学事实基础。所谓神经科学事实基础，是指必须有与教育紧密联系的神经科学事实。

②将神经科学实验转换为学习科学实验。神经科学事实通常只有解释作用，对于该事实所造成的现象应如何有效应对，暂时还没有一个成型的模型和体系。现阶段对神经科学事实的应用，仍停留在通过培训教师来实现更为有针对性的个体化教学。而参训教师由于学科背景不同、理念不同，对神经科学事实的理解和应用也千差万别。要将神经科学的事实基础真正应用于课堂中，需要设计基于特定神经科学事实的可执行、可操作的学习科学实验。

③只有学习科学相关实验的结论与神经科学事实保持一致，神经科学的结论才具有指导意义，否则需找出矛盾因素并加以验证。

④当学习科学实验与已知神经科学事实保持一致时，提出特定学习领域的因果关系假设，并针对该假设设计教学干预建议。

⑤针对特定学习个体实施教学干预，根据效果进行干预策略调整及修正。重复本步骤，直到策略成功。

概括个体化教育的理念，就是将基于神经事实基础的教学约束在一个特定的学习场景或者一个特定的学习环境中，这样可以最大程度地对神经科学事实进行教育干预的转换和实现。

二　基于神经科学事实的个体化教育实践案例

1 实验概况

本研究沿用英国伦敦大学脑和认知发展中心（Centre for Brain and Cognitive Development）托马斯（Thomas）教授的神经计算模型框架以及相关神经学事实［14］，提出了一个第二语言学习中的语音意识与记忆能力的关联模型。该模型使用人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN），为学习者的语音意识和记忆能力建立关联假设，建立个体 ANN并进行预测，为学习者提供促进第二语言学习的干预建议。实验总体时间持续了半年，被试是四川省成都市某中学实验西区七年级二班的15名学生（含9名女生），所有被试均没有系统学习过动词过去时的变换形式（被试年龄为12岁～13岁，mean=12.33岁，标准差Standard Deviation［SD］=0.471）。15名学生均采用右手写字，采集英语学习障碍者有5人，其余10人为学习英语正常的学生。

实验主要涉及三个任务：测试学习者语音意识的任务1、测试学习者短时记忆的任务2、测试学习者长时记忆的任务3。针对每个学习者的个体ANN通过训练数据集（实际采集的3个任务的完成数据以及根据每个任务错误特征生成的虚拟数据），形成每个个体的学习轨迹 ANN，如图1所示。

图1　个体学习者的SSE

2 T测试分析

随后，本研究使用T测试来考察学习者语音意识、短时记忆以及长时记忆对学习效果的影响，将数据进行细分，给每个动词过去时分配一定的分值——被试对象读过去时完全正确分配4分，将每个元音、辅音、后缀读正确均分配1分，单词完全读错分配0分，不读的单词分配0分，在元音、辅音、后缀中每出现一个错误读音分配0分。从学习正常者中选取较优秀者5人，与学习障碍者5人分别在3个任务完成度上进行差异分析。

表1是两组被试对象的单词、辅音、元音、后缀在三个任务（语音意识、工作记忆、长时记忆）上的平均得分（M）和标准差（SD），其中M精确到百分位，SD精确到千分位。根据表1，从T测试的独立数据中可以看出，短时记忆和长时记忆对学习者学习障碍的影响均具有统计学上的显著意义。表2是表1的补充部分，TTEST-SD是两组被试对象的单词、辅音、元音、后缀在三个任务（语音意识、工作记忆、长时记忆）标准差（SD）上的TTEST值，精确到百分位。根据表2，从T测试的独立数据中可以看出，工作记忆和长时记忆对学习者学习障碍的影响均具有统计学上的显著意义，其中，后缀部分在长时记忆上起关键作用。

表1　两类学生的单词、辅音、元音、后缀在各任务上的T测试分析（1）

表2　两类学生的单词、辅音、元音、后缀在各任务上的T测试分析（2）

通过神经网络仿真和T测试可以看出，影响学习者整体英语成绩的因素并非语音意识，而是短时记忆和长时记忆，但从仿真个体ANN可知工作记忆的作用尤为明显——此结论与神经科学中关于大脑双语控制的理论相符。个体ANN通过仿真学习者学习路径，可为预测学习者学习能力及学习障碍风险分析提供依据，并为学科教师进行个体化教学提供更为准确的线索和方向。

3 个体干预建议

通过对个体任务完成度的一致性分析以及T测试的独立数据分析，可以看出在第二外语学习中造成学习障碍的主要因素有四个：工作记忆差、长时记忆差、语音意识差、综合因素的影响。基于此，在学习干预上，本研究提出如下建议：

（1）因为工作记忆和双语切换都会涉及大脑DLPFC（Dorsolateral Prefrontal Cortex）区域，故针对工作记忆差的学习者，可通过强化双语切换注意力训练改进学习效果。例如，可通过母语干扰法进行DLPFC功能训练［15］，即给定图片，让学生从另一边的多幅对应单词中找出正确的一个选项，所提供的选项中包含母语干扰项（如拼音类似发音）。

（2）进行加强学生的瞬时记忆训练。建议方法有两种：①老师讲授新课后，要求学生在规定的时间内背诵课文中指定的好词好句或某一段；②通过纸牌游戏加强记忆，即首先拿出3张不同花色、不同数字的纸牌给学生看，然后把纸牌收起来，让学生说出纸牌的花色及数字；当学生能够很好地记住3张纸牌的花色和数字后，可以增加纸牌的张数。

（3）针对长时记忆，可采用不定时提问法，即上课的时候老师针对长时记忆较差的学生，不定时地提问之前学过的内容；或采用复述课文法，即老师让学生复述几天前学过的课文，并经常让学生复述，以培养学生自己课后看书的习惯，最终使学生的长时记忆增强。

（4）针对语音意识，可以使用语音训练法［16］，如通过增加单词音标、减少单词音标或改变部分音标的方法，生成可专门训练某种语音的近似词和人工词。学习者再对这些近似词或人工词进行增强学习，则可达到提升语音意识的目的。

三　基于仿真实验的相关分析

从上述神经教育学实践案例可以看出，基于神经事实基础的个体化教育教学干预策略比传统的个性化教育教学策略更具有针对性和可靠性。在实践中，本研究严格遵循前文提到的实施“个体化教育”的五个步骤，其基于仿真实验的分析如下：

①适当的神经科学事实基础——本例中涉及的神经事实基础，是脑科学领域比较成熟的大脑中关于双语意识和双语处理的神经科学事实，即人脑中双语由两套不同的系统处理，并由大脑前叶系统负责切换，同时受大脑前叶系统控制的还有工作记忆［17］。

②将神经科学实验转换为学习科学实验——在本例中建立的学习科学实验，提出了一个关于英语学习短时记忆、长时记忆和语音意识的神经网络关联模型。

③只有学习科学相关实验的结论与神经科学事实保持一致，神经科学的结论才具有指导意义，否则需找出矛盾因素并加以验证——在本例中，学习科学实验与神经科学结论保持一致，即负责工作记忆的大脑前叶系统在英语学习中起关键作用。

④在本例中，提出了基于神经事实基础的个体教学干预建议，并实施该建议。

实验结论显示，英语学习障碍者的短时记忆任务完成度较差，可认为该类学习者前叶系统功能较弱，单纯为其提供传统的英语学习辅导并不能提升学习者的学习效果。针对该类学习障碍者，应将重点放在注意训练上。虽然干预建议需在实施过程中予以不断完善，但其转化的学习科学实验结论已为学科教师提供了更为准确的原因分析。除了本研究提出的干预建议，学科教师在了解基于神经事实基础的新的因果关联后，可在传统学习者和教学方式分类上进行重组和补充，并根据以前的教学经验对特定学习者群体开展新的教学策略——而这，是在神经教育真正走进教学课堂之前从未有过的新突破。

参考文献

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编辑：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

【中图分类号】G40-057

【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2016）05—0050—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.05.008

*基金项目：本文受国家自然科学基金“智能学习环境中的学习风格动态预测模型及其应用研究”（项目编号：61402309）资助。

作者简介：杨娟，副教授，博士，研究方向为E-learning、人工智能，邮箱为jkxy_yjuan@sicnu.edu.cn。

收稿日期：2015年12月7日