基于脑科学的学习能力测评与提升

/ 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室教授

教育质量的提升既依赖于教师“教”的能力，更依赖于学生“学”的能力，特别是学生的基础学习能力，包括注意力、记忆力、自控力，以及语文、数学等学科的基础学科能力。因此，探讨有利于学生学习能力全面综合发展的科学方法和手段，成了我国当前教育改革和实践的重要任务。

近年来，在国家各个部门的重视下，无论是教育投入还是教育质量都取得了很大进展，但也面临着一些挑战。第一，随着国家教育的发展，单纯的考试成绩已经不能满足人民群众对教育的诉求，他们期待教育内涵的提升，期待孩子综合素养的提升。与此同时，学生也对多元化的知识体系、多层次的综合素养、多类别的核心学习能力训练有着更浓厚的兴趣以及更高的参与度。第二，我国幅员辽阔，人口众多，地区和城乡发展差异大。如何提升西部，特别是农村地区的教育发展水平，促进留守儿童、城市流动儿童的全面发展，促进教育公平，是我们全面建成小康社会的重要挑战。第三，尽管总体上学生的学习效果、考试成绩有了明显的提升，但部分学生由于核心学习能力的不足，导致发展后劲乏力，随着年级升高，慢慢会出现学习掉队的现象；同时，由于缺乏有效的手段，对于某些有特殊需要的孩子，比如学习困难的学生、多动的学生、阅读和计算障碍的学生等，目前缺乏有效的诊断和干预方法。

基于脑科学的学习能力提升是当前教育改革发展的新趋势

为了深入细致解决教育教学实践中的问题，一些国家开始将脑科学技术和手段应用到教育教学的实践，对学生的学习能力、教师的教学能力等进行系统的检测和评估，大力推行有针对性的提升方案。这些开创性的实践表明，要想切实系统地提高学生的学习能力，真正解决部分学生所面临的特殊需要，实现教育质量从外延到内涵的发展，必须对制约学生核心学习能力的因素进行系统的评估和检测，并进行有针对性的提高训练；同时，必须结合脑科学的最新研究成果，进一步拓宽教师的教育视野，提高业务素养。

首先，基于脑科学的学生基础学习能力和学科学习能力的测评和提升可以快速准确掌握学生学习能力的优势和短板，并根据学生能力发展的实际情况，提供个性化、精准化的训练方案。其次，基于互联网的技术，可以在线追踪每个学生的发展变化，形成学生发展的大数据，为解决学生学习的根本问题提供保障。第三，通过对老师进行基于脑科学的教学组织和教学设计，可以把基于脑的有效学习方式有机地融入日常的学科教学中，潜移默化地提升学生素质，提高教学效率。从这个意义上讲， 基于脑科学的学生学习能力测评和提升、基于脑科学的教师教学素养评价和提升，有望解决制约我国教育质量内涵式发展的瓶颈，有望满足人民对教育质量提升的综合需求，有望解决学生学习发展后劲不足的问题。借助互联网的力量，还可以实现对全国的辐射和普及推广，解决优质教育资源短缺的短板，弥补地区和城乡差异。

大脑学习能力是学生长期学业表现的重要预测指标。大量研究表明，大脑基础能力学习是预测学生学业表现的重要指标。比如，德国一项研究表明，在很多领域，大脑基础能力学习指标都是已知的预测学业成绩的最好指标。一般智力和学业成绩的相关通常在0.5左右。在另一项研究中，研究人员比较了智力因素、动机因素和两者共同作用对语文、数学和科学成绩的影响。结果发现，智力因素对语文成绩的贡献大概为45%，对数学的贡献为53%，对科学的贡献高达90%。一项在中国进行的研究中，研究人员发现，工作记忆和一般智力可以解释17.8%的语文分数、36.4%的数学分数，而动机因素对学习只有很小的影响。除了这些研究，还有很多发现都一致地强调了基础学习能力与学业表现的重要关联。

除了一般智力因素以外，学科学习还需要一些特殊的学科能力。这些学科能力包括语文、数学、科学、艺术等各个学科学习所必需的、重要的基础性能力。这些能力区别于对学科知识的掌握，但对学习知识的掌握具有重要的影响。比如，伦敦大学学院教育学院的Emily Farran团队研究发现，5～7岁儿童的空间能力与数学能力有很高的关联（0.479）。进一步的回归分析发现，在考虑了阅读能力的贡献后，空间能力仍然能很好地预测数学能力。我们在参与北京市脑计划的研究中发现，中小学生认知能力和语文、数学及英语成绩的表现有显著关联，特别是语言中的拼音能力可以显著预测阅读速度。对区域教育质量监测的研究也发现，初中生的数学成绩不仅与基础学习能力存在显著相关，也与数学学科基础能力，包括空间能力、计算能力、数感等能力存在密切关系。基础学习能力和学科基础能力对预测学习成绩有独特的贡献。

基于这些发现，我们提出了学业表现的模型，认为大脑核心学习能力是影响学习表现的基础能力。在此基础上，还存在学科基础能力，以及对学科知识的掌握，这三者共同影响了学业表现。其中，学科能力和学科知识之间很好的匹配，有助于发展个性化的学习路径。

学业成绩的金字塔模型

大脑学习能力是特殊学习困难的重要诊断指标。除了预测正常人的学业表现以外，大脑学习能力还能够对学习困难者实现科学精准诊断，包括注意缺陷多动障碍（ADHD）、自闭症、阅读障碍、计算障碍等，从而揭示学习困难背后的真正原因。大量研究发现，计算障碍的儿童存在数量加工的问题，在数字估计上，计算障碍儿童和正常儿童相比存在显著的缺陷。这种行为的缺陷反映在大脑功能上主要表现为大脑顶内沟区域的功能不足。同样，注意力存在缺陷的孩子往往是大脑前额叶负责注意控制的脑区存在障碍。有的注意力缺陷的孩子还伴随情绪控制问题，表现为情绪波动大、易怒、大喊大叫，有时候攻击性强等，这也与前额叶负责自控力的脑区的功能缺陷存在关系。

在阅读障碍方面，研究发现有阅读障碍的儿童同正常儿童相比存在字形分析以及语音意识的障碍，在大脑上表现为视觉区域的梭状回和颞顶联合区存在功能不足，而这两个区域正是负责字形分析以及语音意识的专门区域。有意思的是，阅读障碍儿童在大脑前额叶存在功能代偿，表现出过度活动。这就表明，由于在特定的阅读区域存在功能缺陷，阅读障碍儿童会用大脑负责多种任务的高级区域进行补偿。这就类似于在一个公司里面，负责具体任务的员工能力不足，需要单位的负责人来完成他的工作。这样做所带来的后果就是，一方面，专门区域的能力永远得不到提高，另一方面，负责多种任务的高级脑区被占用，文字加工效率降低，同时也无法完成更加复杂的任务，包括阅读理解等。有意思的是，如果仅仅通过一般综合的阅读任务来训练孩子，往往达不到提高专门区域功能的目的，让训练失去了针对性，还影响孩子的学习动机和兴趣。

由此可见，从脑科学的角度，可以更加深入地揭示学习困难者的心理和行为原因，乃至大脑结构和功能的问题。这些可以让老师和家长避免把学习困难简单理解为态度、思想乃至品德问题，从而更好地理解这些学生。更重要的是，这些测试可以更加深入地揭示行为问题背后的真正原因，从而更好地找到针对性的解决方案。

基于大脑学习能力的训练提升是提高学习表现的有效手段，通过科学测评揭示不同学生的学习能力特点，可以开展有针对性的学习能力训练，从而提高学习能力，促进学习表现。在这个方面，目前已经有了大量的研究证据。比如，英国诺森比亚大学的研究者Joni Holmes研究发现，对工作记忆较差的儿童进行认知能力训练能够提高工作记忆表现，同时数学能力也能得到显著的提高。耶鲁大学的认知训练研究结果发现，通过对工作记忆、注意力等的训练，可以有效提高学生的一般认知能力，同时提高阅读和数学的学习表现。我们与北京大学第六医院合作，针对儿童多动症的认知训练干预，也取得了显著的效果。

除了对基础学习能力进行训练，针对不同学科的学科基础能力进行训练，也可以有效改善学生的学科学习成绩。比如，苏黎世大学儿童医院磁共振研究中心的K.Kucian团队采用数字估计训练任务，对9～10岁计算障碍儿童和正常儿童分别进行长达五周的训练。发现训练对于两组儿童都有一定效果，但是对于计算障碍儿童而言，效果更大。密歇根州立大学教育学院的Yi-Ling Cheng团队采用持续40分钟的心理旋转题目，对6～8岁的儿童进行训练。结果显示，相对于控制组而言，训练组的数学能力训练后有了明显提升。

再如，美国科学院院士Michael Merzenich针对阅读障碍儿童在语音意识方面的困难，发展了针对性的语音意识训练方案 （ Fast for Word），通过这个方案，可以有效提高儿童的语音意识，改善颞顶联合区的功能，提高阅读成绩。与学校现在采用的方案相比，其效果可以提高3～4倍。这些发现在美国多个学区得到了验证。虽然学术界对其背后的机制和原因解释方面还存在一些争论，但结果表明采用针对性的训练方案，可以有效提高学生的基础学习能力和学科基础能力，从而提高学习效率，提升学业表现。

总结与展望

随着科学研究的不断深入和发展，心理学和脑科学对学习与记忆、注意力、自控力，以及思维反应力等核心学习能力，以及语文、数学等特定学科的规律有了越来越深入的理解，同时对儿童青少年脑与心智发展的基本规律有了更全面的认识，这些都为脑科学服务教育提供了重要研究基础。

但是，基于脑科学学习能力测评和提升还有待广泛开展。一方面，脑科学本身还是一个新兴的领域，大众特别是教育工作者和家长对此了解并不多；另一方面，在脑科学与学习领域，还没有一个类似于深度的学习的算法，或者用一个简单的仪器，让任何人都可以简单地操作使用；再者，目前脑科学对学习的研究还是以基础研究为主，针对性解决日常学习问题的脑科学研究还亟待加强。这些都限制了脑科学在学校的普及应用。要解决这些挑战，需要加强普及宣传，还需要脑科学的研究人员和一线实践人员密切结合，不断发展和完善操作性强的教育解决方案。

可以预见，随着脑科学研究成果的不断突破，对社会、学校和公众普及和传播的不断加强，与学校教育实践融合的不断深入，脑科学与教育的结合将会愈加深入。特别是基于脑科学的学习能力的测评和提升，会在其中起到重要的作用。另一方面，互联网、大数据和人工智能的蓬勃兴起，已成为推动社会发展和变革的重要力量。“互联网+脑科学+教育”的全新模式将从多学科整合视角来系统、全面、深入地评估学生的学习能力，进行针对性提升。这种方式的大范围普及推广，必将有效变革学习，并在提高教育质量、促进教育公平这一重要使命中发挥积极的作用。