如何将脑科学研究成果转化应用于教育实践？①

摘要神经教育学将脑科学与教育学的跨学科转化研究成果应用于教育实践，有利于探索更有效的学习方法、教学方法和评价方法。在实践中，神经教育学研究通过在学校建立评测实验室，构建以神经生化检测分析、生理信号检测与分析、行为分析三大数据采集技术为基础的脑智发展评估平台，获取学生关键能力评估数据、学生课堂行为数据、学习过程性评价数据，建立学生个性化发展数据库和评估模型，研究创新人才培养和个性化教育，促进基于实证的教育学研究。

关键词神经教育学；脑科学；脑智发展评估；关键脑智；神经生化检测分析；生理信号检测与分析；行为分析

中图分类号G63

文献标识码B

文章编号1002-2384（2018）05-0017-04

教育实质上是对人脑的建构，因此创新人才成长规律的研究必须建立在正确理解人脑发育规律的基础之上。但遗憾的是，我国的教育研究者和实践工作者很少将教育与脑科学研究的最新成果相结合，因此在我国迫切需要支持开展脑科学与教育学的跨学科转化研究，为推动教育实践和教育政策制定提供实证基础 。

一、神经教育学的跨学科转化研究正在成为热点

近2 0年来，脑科学获得了飞速发展，为教育学的发展带来了难得的发展机遇。神经教育学（Neuroeducation）就是在这样的背景下产生和发展起来的，它正在引领教育科学研究方法的革命性变革，受到西方发达国家政府、国际学术界和教育界的高度关注。

目前国际上已经形成了以国际经济合作与发展组织（OECD）的教育研究和革新中心（OECD-CERI）、心智-脑科学-教育学会（Mind，Brain and Education）为核心的两大全球性神经教育学研究网络。教育研究和革新中心在世界范围内组织了三个研究神经教育学的国际研究网络，分别从脑与语言能力发展、脑与数学能力发展、脑与终身学习三个方面研究脑的工作机制和神经教育学，促进科学家、教育实践者和政策制定者之间的合作，目的是使教育决策更加科学化，推动整个教育的发展和改革的深化。2003年11月7日在罗马召开的“心智-脑科学-教育”大会，也同样强调必须在神经科学研究和教育之间架设一座转化研究的桥梁，以使脑科学研究成果能为教育实践和教育政策的制定提供指导。

在神经教育学促进教育改革和实践方面，众多发达国家纷纷制订了国家计划。比如：日本将神经教育学研究的最新成果广泛应用于幼儿教育和青少年学习等，并已对14000名儿童进行全方位跟踪，力求通过此项研究全面提升日本国民的综合素质。德国、瑞士、法国、荷兰和西班牙等国政府也纷纷制订国家计划，拨付专项经费，成立各具特点的研究机构，加入教育研究和革新中心神经教育学研究计划，推进神经教育学的研究和转化应用。

在仪器研制和产业推广方面，以日本日立公司为代表的工业界积极参与到神经教育学的相关产业布局中来，已经投入了大量资金研制支撑脑科学研究的仪器，并已用于儿童发展与学习科学研究中。第一批可用于幼儿脑功能研究的近红外脑成像仪（fNIRS）已投放市场。

国内神经教育学的研究自2001年起在韦钰院士的积极号召和推动下也取得了一些进展。韦钰院士于2002年在东南大学建立了我国第一个学习科学研究中心，于2005年创建了儿童发展与学习科学教育部重点实验室，并于2017年4月27日创建了我国第一个专门从事神经教育学研究的学术组织—中国认知科学学会神经教育学分会。在韦钰院士的带领下，东南大学研制出包括儿童青少年脑智发展评估系统、个体化形成性测评系统、课堂教学实时监测与评估系统、神经信息反馈系统等一系列儿童青少年发展评估与个性化教育儀器，并将其应用于教育实践。

二、脑智发展评估的原理、方法和技术

人的脑智发展是一个连续的且具有个体差异的过程，受到基因和环境的不断相互作用影响，并存在一些发展关键期或者敏感期。东南大学在韦钰院士的带领下，依托生物医学工程学科系统开展了从基因、神经递质、脑功能、生理、心理到行为的多层次跨学科转化研究，对执行功能、社会情绪能力、创新能力、决策能力等脑智进行了多学科和多层次的整合研究，并构建了以神经生化检测分析、生理信号检测与分析、行为分析三大数据采集技术为基础的脑智发展评估平台。

1. 神经生化检测与分析

神经生化检测是定量研究精神过程的有效途径。目前神经生化检测在生物样本的选择上大多选择的是血液，但这显然会在教育实践中遇到诸多不便，而且抽血本身会引起应激反应，对检测结果造成一定的干扰。为了便于此项技术在教育中的实践应用，生物样本最好选择无创伤的生物样本，如唾液、尿液等。但与此同时，这些无创伤的生物样本中能反映精神过程的相关物质在体内含量极低，且易受样品中其他内源性物质的干扰，给检测带来了巨大挑战。

课题组围绕人体自主神经系统（包括交感神经和副交感神经系统、下丘脑-垂体-肾上腺轴两个系统功能），选取唾液和头发为样本，将课题组发明的纳米专利技术引入到神经活性分子的筛选与检测研究中，大大提升了神经生物活性分子检测灵敏度，可以实现对唾液和头发中多种生物标志物的检测与比较研究，寻找确定社会情绪能力评测的关键生化指标体系。

由于唾液和头发等生物样本取样方便、无创，因此课题组发展的无创神经生化检测技术与方法将对神经相关生化指标的检测产生巨大影响，将极大地促进人们更为深入地揭示和理解精神生化过程，推动精神生化测量领域的新发展。

2. 生理信号检测与分析

潜在具备用于脑智发展评估的生理信号十分广泛，典型的信号包括功能核磁共振（fMRI）、近红外脑成像（fNIRS）、脑磁图（MEG）、脑电（EEG）、眼动信号、身体姿态和体位信号、心电信号、肌电信号、心音信号、心率信号、体温信号、呼吸信号、血压信号等。虽然近年来国内外在认知功能的神经机制研究方面取得了长足进展，但对于如何利用生理信号，特别是功能核磁共振、近红外脑成像、脑磁图、脑电等与脑功能直接相关的信号，进行脑智发展的评估尚未取得系统性进展。

针对执行功能、社会情绪能力、创新能力、决策能力等脑智的评估，课题组运用大数据和智能网络搜索来整合脑科学研究成果和数据，尝试建立了一些可用于脑智发展评估的标准测试范式和信号分析方法。例如：通过脑电或近红外脑成像的额叶偏侧化来预测个体的情绪调节能力；通过P300幅值来预测个体的抑制能力；通过楔前叶和右侧的颞-顶联合区的激活程度来预测个体的创新能力；通过心率变异性来预测个体的情绪调节能力；通过近红外多人跨脑扫描数据来预测个体的社会情绪能力；利用脑电β波和θ波的功率谱来预测个体的注意力水平。

3. 行为分析

可用于行为评定的问卷、量表和操作十分广泛，但它们大多测试的生态效度差，而且在本土化以及常模的样本量等方面均存在一些不足。课题组通过大数据和智能网络搜索来整合行为评定的研究成果和数据，借助情境化设计理念，建立可用于脑智发展评估的一系列测试范式和数据分析方法，并在全国十多个省市进行了大样本量的实测，获得了不同年龄的测评数据。在此基础上，课题组获得了全国性的大数据和常模，并分析和筛选出了适合我国中小学不同年龄、具有高敏感性的标准化测试工具和数据统计方法。

此外，课题组还应用先进的视频分析技术，对学生在课堂上的学习行为进行监测，实时掌握学生在课堂上的认知与情绪状态，指导教师调整教学内容和教学方法。为保证评测的生态性，课题组尝试通过智能坐垫采集学生的体动、心率、呼吸率等数据，通过智能摄像头采集学生的专注力指数和快乐指数等数据，并尝试将这些数据运用到教育教学当中，为评价教师教学和学生学习提供更有效的工具。

三、脑智发展评估促进教育实证研究

在实际应用过程中，我们分别利用神经生化检测分析、生理信号检测与分析、行为分析这三大数据采集平台获得评测数据，并进而形成“生理-生化-行为”跨模态数据集。在此基础上，我们积累和研究儿童青少年关键脑智发展的基本数据，建立以学生为中心的儿童青少年关键脑智发展数据库，以研究儿童青少年关键脑智发展规律和过程，并可了解儿童青少年关键脑智发展的区域差异、城乡差异、发展均衡性以及性别差异。利用这一数据库，我们还可进一步分析教师教学方法、家庭教育养育环境等各种因素对儿童青少年关键脑智发展的影响，为学生关键脑智的开发和教育评价提供基于实证的科学方法，为创新人才的早期鉴别与干预提供实证基础，促进教育研究方法、学习方式和学生综合评价发生深刻变革。在医生的配合下，利用儿童青少年关键脑智发展数据库还可以对问题行为（包括多动症、学习困难、社交障碍、网瘾等）学生进行早期鉴别。受篇幅所限，本文仅选取下面两个案例来进一步展示脑科学转化研究成果对教育实证研究的促进。

图1给出了某学生的认知功能发展评估结果，其中常模分数设定为90。数据显示：该学生的注意力、短时记忆、抑制控制、工作记忆、言语流畅性几大指标发展优势明显，但该生的认知灵活性以及认知与决策两大能力存在发展短板。这些评测结果为精准的个性化教育提供了实证数据和科学依据，使真正的因材施教成为可能。

图2给出了某小学学生的认知能力发展概况。数据显示：（1）该小学学生的认知功能综合发展指数随年级增加呈现上升趋势，且均优于常模水平，这表明该小学学生的认知功能发展优势明显。（2）该小学四年级学生的认知功能综合发展优势达到最大，三年级学生发展优势相对最不突出，而一年级学生的发展优势处于相当高的水平（六个年级中排第三）。针对上述分析结果，笔者通过与该学校师生进行深入交流，结合学校的实际情况，最后找到了出现上述情况的可能原因，为学校下一步教学改革提供了方向性指导。

借助脑智发展评估方法，我们不仅可以获得每个学生的发展状况，提供精准的个性化教育建议，更重要的是，通过汇集每个学生的发展数据进行统计分析，可实现对学校和区域教育质量的监测。比如：在教育局层面，我们借此可以分析区域教育发展均衡性、学校发展差异、特色学校的“外显指标”（在脑智的哪方面有突出优势）、需要特别关注学校的名单等；在学校层面，我们可以分析学校学生发展均衡性、各年级学生发展的差异和优势、每个年级各班級学生发展的差异和优势、需要特别关注学生的名单等。针对脑智发展存在不足的学生，课题组还专门开发了行为控制、行为习惯养成、认知灵活性、专注力等方面的训练课程，通过游戏化的训练方式提升学生的各项认知能力。

将脑科学成果应用于教育实践实际上是一种教育学研究的新范式，展示了一种基于实证的教育研究方法，通过将专业的智慧与科学的实证研究相结合，有效地支持教育方法的革新和教育政策的制定。我们相信神经教育学将引领未来教育学研究方法的革命性变革，将改变学习模式、教学模式和教师的培养模式，改变父母对孩子的教养方式，并最终改变国家教育政策的制定模式。

参考文献：

[1] 韦钰.十年“做中学”为了说明什么：以科学研究为基础的教学改革之路[M].北京：中国科学技术出版社，2012.

[2] 韦钰.神经教育学对探究式科学教育的促进[J].北京大学教育评论，2011，（4）.

[3] Battro A M， Fischer K W， Léna P. The educated brain： essays in neuroeducation[M]. Cambridge：Cambridge University Press， 2008.

[4] Koizumi H. Scientific Learning and Education for Human Security and Well-Being[G]//Battro A M， Léna P， Sorondo M S， Braun J. Children and Sustainable Development. Berlin：Springer International Publishing，2017：239-257.

[5] Zhu Yanmei， Zheng Wenming， Yu Dongchuan，Lu Qing， Wei Yu.The Development of Neuroeducation in China： the Past and the Future[G]//Battro A M， Fischer K W， Majdalani M L. Mind， Brain and Education at Erice：Ten Years. Erice： Ettore Majorana Foundation and Centre for Scientific Culture， 2016：139-145.

[6] 禹东川.基于脑电的课堂注意力监测：构建“可视化”教学生态[J].中小学管理，2016，（7）.

注释：

① 本文系国家自然科学基金项目“基于脑网络拓扑估计的中国儿童社会情绪能力评测研究”（项目编号：61273224）和“基于近红外脑功能成像技术的孤独症谱系障碍儿童社会功能评估”（项目编号：61673113）的研究成果之一。