教育神经科学的发展与应用——脑机接口

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当前互联网教育快速发展，人工智能逐渐为教育赋能。人工智能教育已经成为新时期教育信息化促进教育现代化的重要抓手，为深入贯彻《中国教育现代化2035》，人工智能在教育上出现以仿生为基础的类脑智能，典型应为脑机接口。

脑机接口是脑科学的研究成果之一，脑科学的研究不断应用于教育领域，从神经科学的角度研究学习科学，衍生出教育学与认知神经科学的交叉学科，教育神经科学。教育神经科学尝试通过整合认知神经科学、心理学和教育科学等领域，来探索有关学习认知的脑机制，并依据研究成果设计出更加有效的教与学，以指导与改善教育政策的制定。脑机接口技术逐渐成熟，也为教育大数据、人工智能教育应用提供数据来源，对对智慧／智能学习环境、智慧／智能课堂的构建，以及学习者的学习行为分析和自适应学习均产生了重要影响。

1.教育神经科学的概念及其发展

在《心智、脑与教育》一书中提到，教学实质是一门艺术形式，它需要整合有关脑与心理的知识。心理学、神经科学和教育学三门学科综合起教育神经科学。1978年，Chall和Mirsky首次提出“教育神经学”的概念，并预测该学科会将教育学和神经科学整合在一起共同促进教育学的发展。2003年梵蒂冈的“心理、脑与教育”的研讨会，标志着教育神经科学的诞生，这是一门实证科学，2007年有了第一本专业期刊《Joural of mind brain and education》很多专业研究机构的建立加快了研究的前进步伐。

对于教育神经科学，目前尚无统一的定义。我国学者周加仙从研究内容上概括，认为教育神经科学是将神经科学、心理学、医学和教育学等都学科整合起来，以人类的教育现象为研究对象，是揭示一般规律、横跨文理的交叉学科；Varma等人从研究方法角度进行严格界定，教育神经学是利用神经科学方法与行为研究方法解决教学与学习问题的一门学科。Szcs和Goswami认为教育神经学是研究心智表征发展的学科；而Fischer等认为这是一门从基因和大脑方面分析教和学过程的学科。由此可见，教育神经科学是以教育现象的神经机制为研究对象，从而揭示心、脑、教育三者之间的相互关系的一门学科。

2.脑机接口应用发展

教育神经学借鉴了认知神经科学中一些无损伤的神经影像技术，如脑电图（EEG）、事件相关电位（ERP）、磁共振成像（MRI）、功能性磁共振成像（fMRI）、正电子发射断层扫描（PET）和经颅磁刺激（TMS）等，这些研究技术仅仅能完成显示观察活动的过程，而脑机接口的应用，则是根据所接受到大脑信息的改变，促使机体某种改变。脑机接口是一种交互设备，不依赖于正常的外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统，它能够直接为大脑提供一种新的信息交换和控制通路，创造性地帮助大脑和外界环境或体外设备进行直接交互。脑机接口工作的核心是找合适的信号处理和转换算法进行脑电信号的转变。一般的脑机接口系统由信号采集、信号处理和交互控制模块三部分组成，利用该系统人类就可以直接实现大脑与外界的交互反馈。

3.学科展望

当下人工智能等新型人机交互技术日趋成熟，结合脑机接口技术与人工智能等技术实现对学生学习过程进行分析与干预，对学习结果进行反馈与策略调整，对学习状态进行精准分析与调节。

作为新型人机交互技术的脑机接口技术能够为学习通用设计提供三方面的支持：（1）针对学习通用设计原则之一，每位学习者都有自己的表征方式并在已有经验的基础上构建表征，而且每位学习者对信息识别也都有各自的偏好，利用脑机接口技术检测不同学习材料的呈现方式下学习者的学习状态，方便为不同学习者提供合适的学习材料呈现方式；（2）针对学习通用设计原则之二，不同学习者在面对问题时的处理方式、理解和表达都存在差异，通过脑机接口技术监测学习者认知过程的神经机制，了解学习者的认知发展规律，以便为学习者提供灵活多样的学习方式，为教学设计的改进提供帮助；（3）动机是学习持续的重要影响因素，动力充足的学习者在学习过程中能自如调控情绪并在面对学习任务时保持充分的弹性。学习通用设计的原则之三就是关注学习者情感层面的变化，为学习者提供多种参与方式，使学习者能以各自偏好的方式沉浸其中，让他们充分调动自身积极性并保持努力，而利用脑机接口技术测量学习者情感状态，能够为教师灵活设计多样化的学习活动参与方式、提高学习者的学习积极性和参与度提供便利条件。

脑机接口与人工智能等技术的结合增强了TRACE3智慧学习环境的功能，使智慧学习环境的过程记录功能不仅仅是基于动作捕捉、眼动追踪等技术的学习者外部行为记录，而是基于大脑内部机制监测的注意力、动机等认知层面数据信息的实时追踪和过程记录，这也为学习与教学评价、学习者建模分析提供了数据来源。

总结

脑科学及其研究成果的教育神经科学为教育研究与实践提供了理论和实证基础，脑机接口技术的教育教学应用就是最好的证明，其应用仍然是医学领域较为成熟的应用迁移，尽管脑机接口的教育教学应用还处于初步应用和探索期，但随着脑机接口技术的不断发展和教育实践的不断探索，其必然会对未来的教育理论和实践产生重要的影响，后续需要更多研究者持续关注和进一步探索。