开发教育的脑科学理论基础

吴江滨，吴祖仁，陈培杰，张增常

(1.河北大学 科技园办公室，河北 保定 071000；2.中国创造学会大脑开发研究会，河北 保定 071000；3.湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

开发教育的脑科学理论基础

吴江滨1，吴祖仁2，陈培杰3，张增常3

(1.河北大学 科技园办公室，河北 保定 071000；2.中国创造学会大脑开发研究会，河北 保定 071000；3.湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

为了让一线教师在短时间内对“开发脑”相关的脑科学基础知识形成总体认识，文章以唐孝威院士的一系列脑科学著作为基本依据，结合多年的“全脑开发教育”研究和实践，提出了“开发教育的脑科学理论基础”，并从脑是自然界最复杂的系统、脑存在两种结构及其转变、脑遵循特殊的三维度耗散结构、脑功能有四个系统、脑内存在五种心理相互作用及其统一性、基于脑科学的智能理论等六个方面进行了阐述.

开发教育；脑科学；复杂性；耗散结构；心智；智能

1 引言

脑科学是一个20世纪发展起来的新兴学科，涉及学科领域众多，在充分认识大脑结构和功能的基础上利用脑科学的成果来引导教育和教学创新，是教育领域的一个新的研究课题. 随着脑科学的发展，在认识脑、保护脑和模拟脑的领域取得了非常多的成果，但开发脑使大脑功能得到更多应用这方面的研究还处于较低水平. 提到脑科学，大多数人的认识还停留在生物学和医学角度，但不可否认的是，对于从事教育的各级各类学校及教师来说，教育更离不开对受教育者大脑的认识和开发. 教育的目标不仅仅是传承、教化，而更应该是“开发”. 所谓开发教育，也即从认知心理学和神经科学等角度进一步开发大脑的功能，使受教育者在掌握自然科学和社会科学的基本概念和规律的基础上不断提升应用能力、创造能力和创造水平，从而用人类自己创造的科学、智慧去教育自己，不断创新人类自身，创造新的时代[1].

在各级学校教育中至今并没有关于脑科学的基础课程，广大教师缺乏脑科学的基础知识，因此更谈不上开发教育了. 本文在总结全国教育科学“十一五”“十二五”课题平台上开展的“全脑开发教育实验”成果及对唐孝威院士的一系列脑科学著作的反复研究基础上，提出了“开发教育脑科学基础”的简明速成教程. 多年来的实践表明，通过学习该教程，一线教师能用较少的时间掌握与教育相关的脑科学知识，对“开发脑”相关的脑科学知识有一个总体的认识，能够较好地理解基于脑科学的“学习论”“教育论”和“课程论”的基本思想，从而顺利地参与“全脑开发教育实验研究”.

2 开发教育的脑科学基础

“开发教育的脑科学基础”主要包括下几个方面：(1)脑是自然界最复杂的系统；(2)脑存在两种结构及其转变；(3)脑遵循特殊的三个维度的耗散结构；(4)脑功能有四个系统；(5)脑内存在五种心理相互作用及其统一性；(6)基于脑科学的智能理论. 下面对这六个方面做一简要介绍.

2.1 脑是自然界最复杂的系统

脑是自然界最复杂的系统，主要是指脑具有复杂的生理结构和功能结构，而且脑功能发育发展的过程非常复杂.

2.1.1 复杂性系统的主要特征

对于一般的复杂性系统，具有不确定性、自组织性、涌现性、初值的敏感性、非线性等主要特征.

不确定性是针对确定性而言的，是复杂性系统的一个重要特性. 复杂性系统是由大量的子系统集成的，人们对系统的特征虽然可以进行一定的科学预测，但总会存在不可预测结果. 所谓“不确定性”不是绝对不能确定，而是不能确定在一个确定“轨道”上，但是可以控制在一个“管道”内，即可以控制在一定的空间范围. 人在不同环境下，接受不同教育，会获得不同的成长.

自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论. 它的研究对象主要是复杂自组织系统(如生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自发地由无序走向有序、由低级有序走向高级有序的. 神经系统和脑的历史演化和发展是最神奇的自组织过程. 每个人的大脑伴随人的一生都在不断地经历自组织过程，脑科学中称“终身大脑重塑”.

涌现性是指系统整体具有而部分或者部分之和所不具有的属性、特征、行为、功能等特性，突发性是一种特殊的涌现性. 自然界恶劣的气象现象是涌现性；当前社会中某些地区突发性事件，如1998、2008两次金融风暴，都属于复杂社会的涌现性；一个人突然闪出奇思妙想就属于大脑功能涌现性.

科学家用“蝴蝶效应”来比喻复杂性系统的初值敏感性. “差之毫厘，谬以千里”是我们祖先对复杂性系统初值敏感性的精辟经验总结. 比如几百万年前我们的祖先类人猿和今天的黑猩猩是同类，但由于某种原因，类人猿从树上下来，手脚分工，使用并制造工具，走劳动谋生存的道路. 今天，人类发展成具有高度智慧和理性的群体，创造了高度文明的社会，而黑猩猩还在丛林中一代又一代地重复着几百万年前祖先的故事.

非线性是复杂性系统的基本性质. 非线性反映系统内部的作用机制，复杂性是系统内部非线性相互作用演化发展的结果，所以认识复杂性必须知道非线性. 复杂性系统内的非线性相互作用是系统演化发展的基本动力，是复杂性系统形成无限多样性，具有不可预测性和差异性的根本原因.

脑的神经网络结构非常复杂，脑内存在复杂的非线性相互作用(有意识活动和无意识活动). 由于历史文化和教育课程的原因，线性思维在当今人们的思维中往往占主导地位. 但是现实世界中，一切实际现象往往都是非线性的，都难以用线性理论直接解决. 所以，在面对实际问题时，尤其研究大脑特性，应当高度重视脑的非线性特性，将有利于理解脑功能的复杂性，大脑重塑、创造性等，也有利于理解基于脑科学提出的“学习论”“教育”和“课程论”等.

2.1.2 脑具有复杂的生理结构

一百多年前，从解剖生理学研究发现人的大脑不仅存在左右两个半球状结构，分成“四叶”，即额叶、顶叶、枕叶和颞叶，并发现大脑功能存在分区结构. 最早发现脑具有十一个功能分区，如图1所示：

图1 大脑功能分区

后来发现的52个脑区，进一步发现脑有更复杂的分区结构. 现代脑科学研究表明，人的大脑存在有神经网络组成的精细空间分区结构，每一个功能都定位于解剖学上一个专一性脑区. 而一个专一性脑区包含几百到几千个神经元细胞，其空间尺寸大约才几十到几百微米，即不足1毫米[2]11.

大脑另外一个复杂的生理结构是神经元系统. 人的中枢神经系统大约有1011个神经元细胞，每个神经元细胞又有数以千计的突触. 大脑神经网络就是通过不同神经元突触之间的相互作用联结起来的.

2.1.3 脑具有非常巨大的复杂的潜在功能结构

脑的神经元网络是大脑功能结构的物质基础. 人脑的复杂生理结构决定它具有神奇的复杂的潜在功能. 人们感觉到的是有意识活动，仅仅是冰山一角，感觉不到的则是更多的复杂的无意识活动[3]. 有学者估算，全球的电话网络系统的复杂程度仅占大脑网络的一小部分，而且大脑的运行速度也是任何电脑所无法比拟的，每秒钟运行4亿次的电脑工作100年，才能完成人脑1分钟之内做的事情[4].

2.1.4 脑功能发育发展具有复杂过程

人脑功能是自然演化与社会演化的结合，是神经元系统由生理结构转变成功能链接一步步建立起来的. 这个过程是非常缓慢、复杂的，需要一个神经通道一个神经通道地连接、一个回路一个回路地形成、一个专一性脑区一个专一性脑区地建立.

中国人在走上工作岗位之前从中小学到大学要接受近20年的教育和学习. 从脑科学的角度看，这二十年就是在进行大脑功能开发. 从神经网络建构的角度看，就是神经网络的建构和发展过程，也就是由一群功能及定位都比较接近或相关的神经元构成神经元簇，再逐渐形成神经元簇回路，进而由完成同一种功能的、包括大量神经元族回路的有关脑区及其连接组成的一个功能子系统. 大脑整体网络就是由这样许多具有不同功能的、相对独立而又相互连接和相互作用的功能子系统组成.[2]9-10

脑科学实验已经证明，听、读、说、写同一个字，都对应不同的脑区. 如“妈”字，就需要有几百个神经元组成的专一性脑区才能支持这一功能. 而文字、语言、自然科学、社会科学、人文学科、各种行为、习惯、意识、道德、品质等都对应完全不同的神经网络或脑区结构，因此大脑功能的脑区结构非常复杂.

需要强调的是人脑的功能是不断发展的，大脑具有终生可塑性，是一个生态系统.

2.1.5 脑的早期发育敏感性

复杂性系统的一个重要特点是初值敏感性. 世界上没有两个完全相同的脑，加上人出生后的家庭和社会环境千差万别，孩子在早期生活的种种微小差别导致以后的人生道路各不相同.

由上可以看出，人脑不但有复杂的生理结构、神奇的功能结构，而且是一个不断变化的生态系统. 所以，脑是自然界最复杂的系统.

2.2 脑内的两种结构及其转变

脑内有两种基本结构，一是生理结构，二是功能结构. 这里说的功能结构，是指信息功能结构，是人在后天学习过程中逐渐形成的，它不仅是脑区别于其它一切器官特有的结构，更是人类区别于一切动物的器官特性.

大脑的生理结构主要由神经元细胞和10倍于神经元细胞的胶质细胞构成. 人脑的信息功能是在生理结构的基础上，通过感觉器官从外界获取信息，输入大脑，形成网络结构，形成记忆. 在外界信息的不断作用下，随着神经网络结构的发展，脑的信息功能也逐渐发育、发展起来.

大脑功能的发展主要有两个过程.

首先是通过眼、耳等感官，将周围的信息传入大脑，在某些位置的神经元的突触之间发生耦合，有蛋白质生成，形成记忆，并形成神经元通路. 类似的现象不断发生，逐渐将这种学习和记忆的过程在同类神经元中传递，形成神经元簇，进一步扩大形成专一性脑区，这时孩子就具有某种大脑功能. 比如，认识妈妈，学会叫“妈妈”；认识苹果，认识喝水的杯子等；学会拿东西、会摇铃等动作. 在这个过程中，能看到的是孩子一点一点地学会了本领，看不见的是发生在孩子脑内的神经结构的形成和发展及一个个专一性脑区的形成.

第二，在形成一个个专一性脑区基础上，相关脑区形成连接，然后形成具有复杂功能的神经网络结构. 这样，就在生理结构的基础上逐渐形成了脑的功能结构.

脑的生理结构是先天的，靠遗传获得的. 脑的功能结构是不能靠遗传直接获得的，是在后天的环境和教育作用下，通过每个人自身的努力才能逐渐形成的. 从这个意义上说，脑的功能结构具有社会属性.

脑的功能与先天的遗传有关系，虽然至今未见有深入、具体的研究和结论，但通过简单的实例可以说明. 如：眼睛和耳朵决定人的基本感知能力，对大脑功能的发展有重要关系. 汉语的聪字造得很好，左边是耳朵，右边上面两点表示眼睛，而后下面才是口和心，可以理解成为有了耳朵、眼睛，才能发挥嘴的作用，才能有心里活动. 聪耳明目，一个人如果眼睛耳朵敏锐、接受的信息多而准确，一定比较聪明. 眼睛、耳朵是生理特征，是遗传决定的. 人们的眼力、听觉存在差别，这是由遗传因素确定的，它们会直接影响信息的接受. 眼睛和耳朵的生理差别会导致大脑功能的差别，这就从一个侧面回答了聪明与遗传的关系.

2.3 脑是三个维度的特殊耗散结构

大脑系统遵循的是包括“信息、能量、物质”三个维度的耗散结构，称之为“三维耗散结构”系统.

2.3.1 耗散结构的概念

耗散结构理论是四十多年前由比利时科学家普利高津提出，它描绘了自然界一类具有以下基本特点的系统：系统必须是开放的，与周围环境存在不断的能量、物质交换；必须处于远离平衡的非线性区；系统中必须有某些非线性动力学过程，系统内各要素之间具有协同动作和相干效应，从而使得系统能从杂乱无章变为井然有序的自组织系统. 耗散结构理论对认识物质世界的演化，尤其是生命物质的演化和发展具有普遍的指导意义，是20世纪最伟大的科学发现之一.

2.3.2 脑的耗散结构的特殊性

脑作为一个开放系统，与外界不仅需要进行物质能量的交换，而且必须进行信息的交流；脑功能的发育发展过程与一般生命组织不同，脑的生命活动不是仅仅靠能量、物质的代谢就可以正常实现的，还必须有信息的不断输入. 脑是一个在一般生命物质基础上形成的更高级的自组织系统，脑不仅具有十分精致的生理结构，还是一个能够具有高度的意识、复杂的情感、高级的智慧和创造力的最复杂、最神奇的自组织系统，脑是比一般生命物质更高一级的物质，称其为智慧物质. 因此，普利高津的耗散结构理论并不能反映大脑系统的根本特征.

脑是动物世界在数亿年的漫长演化过程中逐渐形成的，是自然界物质演化进程中出现的比普通生命物质更高一级的物质形态，是超越普利高津耗散结构规范的一种新的物质结构形态. 如果说普通生命物质是物质、能量两个维度的耗散结构系统，那么，大脑系统遵循的应该是包括“信息、能量、物质”的“三维耗散结构”系统[5]. 在对脑功能发育发展的动力学机制的研究中，发现普利高津的耗散结构理论解释不了大脑功能的发育发展问题，脑功能是在信息主导下的“信息、能量、物质”的代谢过程，正是在这种三维耗散结构过程中形成的.

2.3.3 认识脑的特殊耗散结构的重要意义

首先，脑存在两个不同的发展阶段：生理阶段和心智发展阶段. 而后者是在学习和教育中，使神经元系统逐渐从无序到有序的过程，逐渐建构起神经网络的过程. 学习是大脑的本能，是脑健康发育发展的基本动力，是大脑正常生命的天然需要. 所以，人人都需要学习，说“某某孩子不爱学习！”是一种偏见.

其次，脑从生理结构到网络功能结构是一个信息、能量、物质的缓慢过程. 所以教育和课程需要遵循大脑功能发展规律.

第三，基础教育应该转移到以全面开发大脑功能为基本目标，教育和课程必须坚持“以人为本”原则，必须开创适合脑发展的教育和课程.

第四，脑的出现使物质世界演化呈现一种全新的形态，从生命的起源和演化飞跃到智慧的起源和创造. 超耗散结构可以回答”智慧之谜”，智慧是脑的复杂神经网络支撑下的五种基本心理相互作用机制的创造. 脑对外部信息有存储、记忆，就会有认知，对外界有记忆、认知，就会有感情. 随着脑功能的发展出现复杂的记忆，复杂的感情和行为，这个过程就是脑的一个不断自主创造的过程. 人类的演化史已经证明了这一点.

第五，脑的信息特征更多的反映是外部世界的特征——时代特征(所受的环境和教育积累)和历史文化特征——民族特征(人类历史文明积累)，而不是个体特征. 但是却通过个体的文化素养反映出来，因而才带有个体特征.

信息能量物质的代谢是脑功发展的动力机制，使脑从生理结构向功能结构转变的动力. 只有通过学习才能获得信息，才能实现大脑重塑. 所以要坚信，学习是人的天然需要，人人都爱学习，关键是为学生创造适合学生的课程.

2.4 脑功能的四个系统

1973年前苏联科学家luria在《神经心理学原理》中阐明脑功能有三个系统：即保证、调节紧张度和觉醒状态的功能系统、接受、加工和储存信息的功能系统和制定程序、调节和控制心理活动与行为的功能系统[6]16. 脑的三个功能系统的学说对了解脑的整体功能有重要意义.

我国著名科学家唐孝威院士，通过对国际上脑科学研究的成果的综合分析研究，提出了脑功能的第四个系统——评估与情感系统. 唐先生注意到，Edelman等人提出，“评估功能是在许多心理活动中普遍存在的”，进一步注意到，“脑内对外界信息进行评估的结果，还会引起个体的情绪体验：符合个体需要或愿望的信息，有肯定性的评估结果，并可能产生正的情绪体验；不符合个体需要或愿望的信息，有否定性的评估结果，并可能产生负的情绪体验”

唐先生还注意到评估和情绪心理活动的相关脑区的研究成果：“脑杏仁核对奖惩相关事件的记忆起重要作用，所以杏仁核是与评估功能相关的脑区. 中脑侧背盖区、黑质等区的多巴胺神经元能对预测的奖励与实际奖励的误差做出反应，这也可能是评估系统的部分. 边缘系统等与情绪功能有关的脑区也是评估—情绪功能系统的一部分. 此外，前额叶的一部分可能是评估—情绪功能系统的高级部位[7].

综合上述研究，唐先生提出了脑功能的第四个系统：评估—情绪功能系统，这样组成了脑功能四个系统.

笔者认真研究脑功能四个系统论后，认为应该是评估、形成主体情绪后才进入调节和控制，进而将排序进行了调整，并得到了唐先生的认可. 因此，脑功能四个系统应为：支持保证和觉醒系统、信息接受和处理系统、评估和情绪系统、调节与控制系统. 如表1所示：

表1 脑功能四个系统的脑区分布

2.5 心智的五种心理相互作用及其统一性

心智是大脑的功能，大脑功能是人出生后，通过环境和教育逐渐形成的. 但大脑功能是隐藏在人脑内部，长期来不被认识的秘密. “心之官则思”，历史上人们一直把心脏看作思维的器官，并把相应的活动称为心理活动. 脑科学的发展逐渐揭开了大脑的神秘空间，但是现在也常常用心理学俗语来描述大脑的功能.

20世纪，心理学得到很大发展，人们根据各自领域的心理研究的需要，相继发展起来形形色色的几十个心理学应用领域. 于是在20世纪末，国际上出现了统一心理学理论的呼声和研究. 如：staats、Sternberg和Grigorenko、Denmark和Krauss、Sternberg等心理学家纷纷提出了从理论上统一心理学的想法. 唐孝威院士根据国际上心理学界的研究趋向，从脑科学高度对心理学的研究历史和发展现状进行了综合的分析和研究，以物理学家的思维和胆略提出了“大统一心理学的理论框架”. 唐先生在仿照物理学的四种基本力的思维，提出“五种心理相互作用及其统一性”理论的基础上，按照心理相互作用的特征，将形形色色的当代心理学分支学科归纳成为四个类型，为心理学的大统一描绘出了清晰的结构框架[2]19-20，这是中国科学家对现代心理学发展的重大贡献.

五种心理相互作用主要是指[6]56-57：

心—心相互作用：即心理活动的各种成分之间的相互作用；

心—脑相互作用：心理活动与脑之间的相互作用；

心—物相互作用：心理活动与外部因素之间的相互作用；

心—身相互作用：心理活动与身体之间的相互作用；

心—社相互作用：心理活动与外部社会环境之间的相互作用.

理解并学会应用五种心理相互作用及其统一性学说，对认识理解脑功能的发育和发展有重要意义，对研究心理学和教育学的许多基本问题，在此基础上研究基于脑科学的学习理论、教育理论，进行课程创新犹如掌握了一种强大的理论武器，或者说仿佛登上一个全新的广阔的研究、创造平台.

2.6 基于脑科学的智能论

一个人有哪些能力？能力该如何培养？怎样使人聪明？在倡导注重能力培养的时代，尤其是教育部启动以“核心素养”为基本标志的新一轮课程改革的形势下，弄清智能及其如何培养问题，对教育改革创新，对中国教育的转型发展有着十分重要意义.

关于能力问题是心理学家长期关注研究的重要问题，但是至今在心理学界也没有就能力形成统一的认识. 从原子弹到脑科学的唐孝威院士，20多年来从实验到理论对脑科学进行系统广泛地研究，在智能问题上做出了重要贡献. 他广泛地研究了国际上各个学派关于智能的学说，同时系统地研究心智能力和行为能力的实验基础和脑功能机理，尤其他本人亲自主持脑功能方面的实验研究，获得一系列成果. 唐先生通过综合研究写成了《脑与心智》《心智的定量研究》《心智的无意识活动》《智能论》等学术专著，是将智能问题在脑科学的基础上系统化、理论化的研究典范. 他的智能理论既具有理论性，也具有广泛的实践性，可操作性.

图2 智能框架结构

在《智能论》中唐先生将智能分为三个层级，第一层级为心智能力和行为能力两大部分. 第二层级中将心智能力分为觉醒能力、认知能力、情感能力和意志能力四种；将行为能力分为运动能力、操作能力、适应能力和社会能力四种. 第三层级中将认知能力又分为感知觉能力、记忆能力、思维能力、语言能力和其他能力；将社会能力分为人际能力、管理能力、表达能力和其他能力等. 各层级能力之间有相互联系和影响.

笔者从脑功能的机制出发，在与唐孝威院士交换意见后，主张把创造能力与心智能力和行为能力并列，作为一个独立能力领域纳入智能框架结构. 原因有二：

(1)既然心智能力和行为能力都可以包含创造能力，就说明谁也代表不了创造能力，创造能力应该有它的独立定位. 行为活动是在心智支配下的，所以行为能力中也必然包含心智能力，但心智能力仍然有独立定位.

(2)从心智的相互作用特点考虑，有新要素的生成. 不可逆是非线性系统的特点，不可逆就应该理解出现了创新因素. 心智的五种不同的心理相互作用都是非线性相互作用，所以创新是智能活动的基本特点，创造是心智活动过程的一种必然现象.

修改后的智能框架如图2所示.

由图2可知：智能是多元的，有层级分布、有结构的一个体系；智能结构是开放的，每一个层次都可以有相应的拓扑结构，可以进一步研究探索；创造能力也具有多层级结构，创造力是大脑的功能. 五种心理相互作用之间的非线性效应是创造力的源泉. 创造力是随着大脑功能发展逐渐发展的. 创造力往往是综合的，更多的是综合创造力.

脑科学研究揭开了创造力的脑功能本质，建立创造力的结构框架，为创造力培养进入基础教育课程提供了理论依据，使教育工作者可以从教育理论和课程体系进行创新，对各个年龄段学生普遍地、系统地进行创造力的培养.

3 结语

(1)本文的开发教育脑科学基础是针对开发教育的特定应用需要提出的，是笔者在主持“全脑开发教育实验”实践中总结出来培训实验教师的速成资料，不是普遍意义上的脑科学基础.

(2)本文所提的“开发教育脑科学基础”仅仅是脑科学相关知识的入门，读者如果有志深入开展“开发脑教育”研究，则应该在本文基础上，对相关文献进行系统的研读，进一步加深并扩展脑科学基础.

(3)本文是基于笔者对唐孝威先生的一系列脑科学研究成果的理解，突出了脑科学研究中的“物质观”“能量观”“信息观”“相互作用观”和“智能结构”理论等与脑功能密切相关的重要内容，其中关于脑的复杂性系统特性、脑的两种结构及其转变、脑的特殊耗散结构特性等论述是笔者多年来的一些研究；在脑功能四个系统的结构排序、智能结构框架中增加创造力层级等方面经与唐先生讨论加入了笔者一些意见. 借此机会对唐先生多年来的帮助和指导诚表衷心感谢！

[1] 吴祖仁.未来教育展望：迎接教育的第三个时代[N].科学时报，2009-03-27.

[2] 唐孝威.心智的无意识活动[M].杭州：浙江大学出版社，2008：9-11，19-20.

[3] 彭聃龄.普通心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2004：175.

[4] 唐孝威.脑科学导论[M].杭州：浙江大学出版社，2006：115.

[5] 应和平，张剑波，陈飞燕.走近唐孝威(续)[M].杭州：浙江科学技术出版社，2014：100-101.

[6] 唐孝威.智能论[M].杭州：浙江大学出版社，2010：16，56-57.

[7] 唐孝威.脑与心智[M].杭州：浙江大学出版社，2008：176-177.

(责任编辑：徐 杰)

2017-07-25；

2017-08-23

吴江滨(1971— )，男，河北保定人，河北大学科技园办公室高级工程师.

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