学生学习的脑科学进展、启示与建议

/ 北京师范大学校长、认知神经科学与学习国家重点实验室学术委员会主任

将脑与认知科学的成果应用于教育：国家需求与国际趋势

党的十九大报告明确提出，到2035年我国基本实现社会主义现代化。要达到国家现代化这个目标，教育应率先现代化。而教育的现代化必须遵循人的发展规律、学生发展的规律、教育教学的规律，必须培养学生的问题解决能力、创新能力。因此，对未来教育和未来学习的前瞻设计是当前我国教育发展的重要问题。

未来教育是什么样的？未来学习的特点是什么？这些问题受到了当前世界各国、联合国教科文组织的高度重视，以应对科技社会发展的挑战，培养21世纪所需要的高素质人才。关于未来教育、未来学习构想有很多，其中有一个角度是将脑与认知科学的成果应用于教育。各国对此高度重视。例如，美国提出要以认知科学和技术的进步推动师生沉浸式学习，用脑科学研究的新发现和前沿技术改善教育教学。

学生是学习的主人，学生是用脑进行学习的，脑是学生学习的主要器官。因此，我们有必要从脑与认知科学的角度思考今天的教育、改进今天的教育。千百年来，人类的教育代代传承，不断追求因材施教的理想。然而，人类长期以来对学习的主要器官——脑的知识却知之甚少。过去由于科学技术水平的限制难以满足研究伦理的要求，我们很难直接探索人脑学习规律。近几十年来，磁共振、脑磁图、脑电、近红外等一系列无创性技术的进步，为我们越来越直接地探索人类在学习过程中的脑活动规律、发育规律提供了可能性。很多技术还正在不断演进。比如，最近脑磁图在移动性、抗噪等方面有了显著进步。这将可能使我们有机会研究真实课堂教学中孩子们的学习。

21世纪的科学有很多重要趋势，其中一个趋势就是人类从关注外部世界转到关注人类自身，尤其是关注人类大脑的奥秘。揭示人脑的奥秘，这已成为21世纪科学界共同关心的前沿课题之一。过去，人类对脑物质层面和心理层面的研究相对分离。现在人类可以把行为层面、全脑层面、脑区层面以及细胞层面、分子层面的研究结合起来，因此能够更好地理解儿童的脑是怎么工作的、怎样学习的、可能出现什么问题，进而更好地促进学生的学习和适应，识别和干预学习困难、情绪困扰和行为问题。

在我们国家，党和政府非常重视脑科学研究，高度关注从脑科学、认知科学等多个角度研究和促进学生学习。2014年9月，习近平总书记在北京师范大学专门考察了认知神经科学与学习国家重点实验室所开展的学生学习方面的脑科学研究。国家在过去十多年投入了大量项目和经费，建立了相关的国家重点实验室等重要科研平台。仅以北京师范大学认知神经科学和学习国家重点实验室为例，自2006年建设以来，已经承担了国家科技部、国家自然科学基金委员会等多个重大、重点项目。全国其他高校、科研院所也承担了许多项目。这些项目涉及学习困难、记忆、空间认知能力等多方面，均取得了一些重要进展。目前，北京师范大学、北京大学、东南大学等都有不少学者从心理认知层面、认知神经科学层面以及其它层面，对学习问题进行综合研究。

学习活动有相应脑的基础

未来教育的重要特征之一就是要基于脑、适于脑、促进脑。要做到这一点就必须科学认识脑，认识脑发育，认识老师和学生脑活动的规律，以及老师的脑和孩子的脑怎样相互作用，这样才能更好地保护脑，进而达到开发脑的目的。在目前实际的教育工作中，我们一方面在努力开发大脑，另一方面，在某些方面却可能无意识地损害了脑，比如过度强调机械学习而影响了学生创造力、情感和健康的促进。为此，理解学习活动的脑基础极其重要。

首先，人脑是自然界最复杂的系统之一，是它产生了自然界最复杂的智慧现象、精神现象、意识。人类各种心理、认知功能——无论是学习、记忆、思维、情感，还是学生的意志活动，都有其相应的脑机制。一旦脑出了问题，其心理认知功能都会出现严重问题。因此，保护脑无论怎样强调都不过分。

无论学生学语文、数学、外语还是学物理、化学，都要运用感知能力、认知能力，这些能力的获得和正常发挥作用都需要一定脑区和网络支撑。要学习好，仅有这些能力是不够的，还需要有学习动机、学习积极性，需要得到鼓励、奖励。学习动机、情感等也有其相应的脑基础。当然，人类的学习是多个脑区共同参与、协同作用的结果，脑的结构和功能分工具有相对性，并非一个脑区只负责一个功能，也不是一种功能仅仅依赖一个脑区，而是多个脑区协同支撑多种功能。

人类会产生不同的情绪，比如生气、悲哀、厌恶、悲伤等。对上百项情绪研究的元分析发现，不同的情绪具有不同的脑激活模式。任何一个人接受磁共振机器扫描脑，科学家可以依据其脑激活模式在一定程度上识别其情绪状态。

我们的眼睛会看到外部世界，外部世界通过眼睛和视神经活动到达大脑，这是我们真实看见的。另一方面，在无法真实看见的情况下，脑也能反映和理解外部世界。外部真实世界通过眼睛进入脑可以形成记忆。例如，在座很多老师以前没有见过我，今天见过我之后，走在大街上就可能认出我。当然，人还可以想象。想象是从大脑已有记忆中提取素材后再进行加工，加工以后还可以再储存、再记忆。想象的组合正是创造的源泉之一。想象和创造是人类很重要的能力，也有其相应的脑机制。

人类较之于动物还有高级、复杂的语言系统，包括听说读写。这是动物难以企及的脑高级功能。语言能力也是人类进化达到高度智慧的重要原因之一。每个人只有一个脑，可我们不仅能学会汉语，还能学会多种语言。我们教语文要教听说读写，听说读写所依赖的脑区、脑网络及其活动模式不完全一样。有的学生阅读能力很好，但写作不行；有的学生写作很好，阅读没有问题，但口头表达不行；还有的学生口语很好，但写作却不行。我们每个人都可能表现出相对的能力优势和不足，这可能存在不同的脑神经基础。

再如数学，“3”和“5”谁大谁小，“3”和“5”做加减或乘除数学运算，这些不同的数学活动依赖的脑活动网络是不同的。学习者初学乘法会感到很复杂，而一旦熟练记诵了九九表，乘法对于学习者而言变成了记忆的储存和提取，可以达到高度自动化的程度。然而仅仅基于记忆的数学活动不足以培养学生的高水平数学思维。

研究发现，人类的社会功能也有其脑物质基础。比如，“感恩的脑”“承诺的脑”“公平的脑”“幸福的脑”，都在一定程度上有所不同。当我们感到幸福的时候，不是一个抽象概念，而是跟脑的认知加工以及相应的体验及其所对应的特定神经活动网络有关。“满足的脑”，尤其是延迟满足，对于人的学习成才非常重要，实际也存在其相对特定的神经活动基础。

总之，学生从事各种各样的学习，涉及推理、记忆，语言学习、数学学习、道德判断等多种活动，都有相应的脑基础。我们培养学生的核心素养、开展各个学段教学的时候，确实要理解不同认知活动、学习不同材料。不同学习方式在不同年龄所依赖的脑基础并不完全一样。

脑的发育在不同阶段具有不同特点

从出生到幼儿园，从小学、初中到高中，脑处于不同的发展阶段。出生以前，从胎内10周到胎内40周，胎儿的脑发育已经达到相当程度。0～7岁，一些重要的皮质区域迅速发展。如果孩子在胎儿期脑发育有问题，那出生以后问题将极其严重；如果孩子在早期脑不能正常健康发展，就会带来很多心理行为、认知的问题。

脑发育有一定先后顺序，先发育的是跟感知运动有关的部分，之后是记忆、推理等高级功能。脑发育规律制约着孩子的行为、认知及其学习特点。出生前神经纤维已经发育，出生以后联络纤维发育极为重要。不同年龄脑网络核心区域与网络发育是不同的，涉及感知觉的初级网络先发育，之后是高级网络发育，如注意网络、执行功能网络，这些高级网络分别对应着儿童青少年不同的重要认知功能。

青少年时期是脑发育的另一重要时期。在这一时期，言语和非言语智力也在快速发展和不断分化，和相对特定区域脑结构和功能的变化有密切联系。这个时期脑发育不平衡，跟青春期孩子的冲动性比较强，自控性比较差等行为特点有关。

人脑连接模式是很复杂的。就像每个人都有独特的指纹一样，每个人都有独特的脑连接模式和活动模式。随着年龄的增长，脑的独特性在增加，而且女孩的脑独特性发育比男孩要快一些。智力很高、比较高、一般的青少年，其大脑皮层厚度达到峰值的时间点明显不同。所以，建立儿童各种认知功能，包括视觉、听觉、记忆、注意、执行功能等的脑发育图谱极其重要。通过研制精细的脑发育图谱，我们有可能更好地了解学习功能及其相关脑发育的特点，有可能更早、更准确地认识脑发育过程中的问题。目前这方面的研究还处在初步阶段，尤其需要基于大样本、精心设计、统一参数、统一标准、统一工具、细致长时间追踪的脑智发育数据。没有这些基础性的研究和数据，我们就不能准确刻画脑智发育的年龄阶段特点，难以为教育和医疗提供相关方法和工具，因此迫切需要尽快开展相关科学研究。

脑与学习的关系具有复杂性、交互性、动态性

研究表明，脑发育受很多因素影响，需要正常营养、正常教育、正常活动、正常同伴关系。任何经验的剥夺都可能导致脑发育的严重问题。而特定的学习经验可能在一定程度上塑造脑活动特点。

以乘法表学习为例。我国香港特别行政区的学生学九九乘法表时，需要背诵大数在前小数在后，以及小数在前大数在后两种，内地学生只背后一种。有意思的是，虽然乘法表在小学学习，到了大学阶段内地和香港学生在做大数在前小数在后的乘法时其脑电波仍然显著不同。根据做大数在前小数在后的乘法时脑电波特点，人们就能判断该学生数学是在内地学的，还是在香港学的。在长期复杂地形识别和记忆活动经验驱动下，伦敦出租车司机负责心理地图搜索的海马区比一般人更大。同样，阅读干预不仅可以改善孩子的阅读表现，而且可改变阅读障碍孩子脑的活动模式。

学习的有效性是整个学习研究和教育实践关注的核心问题。我们学了很多东西，有的记住了，有的遗忘了，有的总是记不住，为什么？实际上学习在不同情境、不同节点对应的神经活动不同。学习时神经活动具有一致性，则记忆的效果就好。根据学习过程的神经活动一致性高低，我们就可以预测什么学习有效，什么学习可能无效。长期以来，我们知道分散学习比集中学习好，但不知道原因。现在我们知道，分散学习比集中学习好的原因也跟神经活动的一致性有关。

同样，在课堂上有的孩子主动学习，有的孩子学习很被动，学习效果也不一样。很多研究表明，能动学习对于提高学习效果非常重要。在同一个课堂里，一个老师的脑要同时面对几十个学生的脑，学生的脑跟老师的脑同步，则教学效果就比较好，反之则较差。

大家知道，学生学习不仅是学习知识、发展能力，也是人际互动。同学之间、师生间会遇到这样那样的问题，会出现矛盾和冲突，所以良好的情绪情感、良好的人际氛围对学生学习的脑活动和学生脑发育也非常重要。比如学校给孩子创造愉快的体验，即使孩子看到他人微笑，自己也会受到积极影响，因为有情绪共享的神经基础。假设在一个学校，同学之间频繁冲突，老师跟学生之间频繁冲突，那么不仅影响当事人，还会影响所有人的脑发育和脑活动成效。

研究表明，获得母亲支持程度越高，儿童的海马体积越大。生活中心理排斥、社会互动的排斥所引发的脑活动，就像真的在身体上被打了一拳一样。所以心理的冷淡、冷暴力和行动上的暴力，本质上导致脑的伤害密切关联。母爱被剥夺的经历会导致儿童杏仁核发育提早，而杏仁核跟处理应激、焦虑有着密切关系，涉及学生的心理健康。一项25年的追踪研究表明，贫困影响儿童脑发育，但良好的亲子互动、较少的应激性生活事件则可起到一定保护性作用。课堂上师生、生生脑活动同步性越强，学生的课堂参与度就越好。

科学评测学生的脑智发育

由于脑科学研究不断取得重要进展，我们现在可以开始科学探讨怎么基于脑科学对认知功能的理解，来更加客观、准确地测试评价学生的能力。如前所述，多种认知功能，比如记忆、执行控制等都有不同的脑区与脑网络，我们可以根据认知层面的测试了解孩子脑功能的发育状况。又如注意障碍、计算障碍、语言学习障碍、情绪行为障碍都存在脑结构和功能的异常。因此我们还可以结合认知行为和脑发育指标，研究如何准确评价、预测脑智发育问题，并进一步精确分型，甚至建立神经调控的靶标，引导精准的干预。但这些方面仍处于研究起步阶段，实际应用需要慎之又慎。特别值得指出的是，近期研究通过大量文献的整合分析发现，现有神经调控的干预效果不明，因此严谨的科学态度极其重要。

对脑科学研究的建议

关于脑科学研究我提几个建议。一是需要中国的高等学校、研究机构更多关注与学习、教育相关的科学问题的研究，尤其是儿童青少年学习、认知、情感、心理健康相关问题的研究。研究这些问题对于我们更好地理解儿童发展的规律、学习和教学的规律至关重要。二是建立基础科学研究和教育应用实践的联盟。本次青岛会议就是一个很好的跨界联合尝试。三是要面向重要的教育现实问题，关注实践应用转化。每位老师都在用自己的脑影响学生的脑，每个教室在一定意义上都是脑科学的实验室。为此，每位老师都应成为具有丰富脑科学知识的专家，要先用脑科学的知识武装自己的脑。最后，要真正促进儿童脑的健康发展，促进儿童心理的健康发展，光靠学校、光靠脑科学与教育联盟是不够的，还迫切地需要政府部门真正从政策上引导和重视，首先建立脑科学普及和严谨应用的示范区，然后逐步推广，将脑科学研究的重要成果恰当地应用于每一所学校、每一间教室，惠及亿万儿童青少年，为我们中华民族伟大复兴的中国梦的实现奠定人才基础。

脑科学是一个科学研究的前沿领域，要真正解决学生学习和教育的问题，就迫切需要围绕重要教育问题，需要科学研究与教育实践主动、深入地结合。而教育本质上是人脑的保护和促进，因此也迫切需要与脑科学恰当、有效地结合。脑科学和教育双向赋能才都能更好地发展。