教育神经科学的发展与工程教育方法的革新

李莉平，王元亮

(1.云南财经大学 信息学院，云南 昆明 650221； 2.云南财经大学 中华职业学院，云南 昆明 650221)

教育神经科学是神经科学、认知科学与教育学相结合的产物，并且它融合了当代计算科学，把研究的对象从纯粹的认知与行为扩展到脑的活动模式及其与认知过程的关系.教育神经科学在教育实践中的意义与价值，国际科学界已经形成共识，它在推动教育实践、夯实基础研究等方面都有重要的意义，特别是在脑、心理与教育的连接方面有不可替代的作用，具有广阔的研究前景.从实践层面来讲，各国教育界面对新时期的教育挑战，纷纷将目光聚焦在脑、心理与教育的关系上.很多国家提出了令人振奋的脑与学习、教育的行动计划.国际心、脑和教育协会已经发展了全球性的提案.自1999年开始， 经合组织(即国际经济合作与发展组织，OECD)的神经科学与教育规划已发起了广泛的合作.欧盟制定了学习与脑科学研究计划，成立联合研究组织，在苏黎世设立国际论坛平台.英国剑桥大学设立了教育性的神经科学基金会，并由著名科学家Tanaka领导.日本构建了一个强大的心、脑和教育研究纲要.在我国，北京师范大学建立了学习与认知神经科学国家重点实验室，华东师范大学建立了神经教育学研究基地.从以上背景可以看出，一个全球性的神经科学教育运动正在形成和蓬勃发展.

1 教育神经科学的理论先导

1.1 教育神经科学的引入——身体哲学

法国哲学家、社会学家和心理学家——莫里斯·梅洛·庞蒂认为，哲学作为对世界最根本思考的学问应该从对身体的思考开始[1].开启了西方哲学的新篇章，使西方哲学的研究转向更加关注人的身体，并深刻理解心智、大脑与行为的关系，这就是身体哲学研究的要点.人们对于认识世界的介质以及概念论也发生着不断的变化，从美国的詹姆士到杜威，从德国的海德格尔到法国的梅洛·庞蒂，与身性知识观也随之演变.听、说、读、写、推理、决策等活动回归了身体以及身体的动作，知识的与身性也需要融合生理学、病理学、脑科学、神经科学、认知科学等领域来进行深层次的透视与研究.由此，学者们着力于探索微观层面身体、认知、行为的关系，从而发起了认知神经科学的研究.所以，身体哲学的理论思潮感召了神经科学的实证研究，神经科学与教育学的结合催生了教育神经科学与神经教育学的研究热潮.

1.2 教育神经科学的基础和动力——认知神经科学

认知与神经科学的结合产生了认知神经科学.美国认知科学家费施巴赫在1992年发表的《心灵与大脑》中示例了人在听、说、读、看、思4种活动时的大脑正电子扫描图像，发现不同的认知和精神活动与大脑脑区的兴奋状态间存在对应关系.比如:听力注意时，大脑颞叶区血液集中;视觉注意时，大脑枕叶区兴奋;语言表达时，血流集中在颞顶区;斟酌语句时，额叶区下回表现兴奋[2].在洞察到认知的肉身原理后，科学研究进一步表明，社会性的教育活动可以改变和塑造肉身的结构.人类的神经系统、大脑皮层具有天性亲世界的特征，外界的刺激会在大脑相应区域形成一个构型，并使大量社会情境与其相适应的身体反应配对，而这些配对是怎样形成的呢？研究表明，人们所进行的理性思考和身体动作是在接受教育以及社会化活动中，通过特定的环境刺激和相应的身体活动在大脑中形成某种缔结而产生的[3].由此可知，人类的脑域神经机制具有交互性与可塑性，教育或学习活动在某种意义上讲可以重塑大脑皮层、神经系统、皮下组织的活动与结构.所以，认知神经科学为脑皮层、神经机制可以通过学习或其它社会活动进行重塑提供了理论支撑，成为教育神经科学的研究基础和认知神经化教育实践的强大动力.

1.3 教育神经科学的概念解析

《脑认知与教育》将神经科学、认知科学与教育学连接起来，体现了一个新兴领域的研究内容与核心思想[4].这个新兴的科研方向与许多学科或研究领域相关，包括脑科学、神经科学、生物学、教育学，是教育学和生理学、心理学、生物学相融合形成的交叉学科.美国国家教育研究会于1978年撰写了《教育与脑》，第1次提出了“教育神经科学”一词(Education Neuroscience)[5].

2 教育神经科学促进工程教育方法革新

2.1 教育神经科学是连接心智、脑与工程教育的纽带

神经科学主要研究大脑的生理结构与功能，如脑皮层分区、神经元、神经递质等.认知心理学主要研究外显行为，如知觉、感觉、学习、记忆、思维、语言等认知过程，探索人的生理机制与心理机制间的关系.认知神经科学既研究脑的内部功能，又研究认知机制，洞悉大脑是如何在神经元、细胞、组织中实现认知活动.它借助高分辨率脑电或脑磁成像、磁共振、正电子发射层扫描等先进的技术手段，观察人认知或学习时的脑区活动，运用神经网络模型来研究、分析人类的高级认知活动，从而将脑、认知、行为三者联系起来.

为了适应新工业革命时代的需求，2017年2月，教育部提出了中国高等工程教育的“新工科”行动计划，把高等工程教育改革推入一个新的阶段，教育部将“新工科”的主要内容概括为“五个新”：新的工程教育理念、新的学科专业结构、新的人才培养模式与方法、新的教学质量标准、新的分类发展体系.教育神经科学对于新工科建设的贡献在于探索和研究基于脑、神经系统、认知层面的工程教育的理论、方法与手段，促进和推动工程教育方法的革新.

2.2 教育神经科学强调动脑与动手协同发展

工程教育包含“工程”与“教育”2个要素.工程观的核心是实践，教育的对象是学生.工程教育改革的根本目的是提高学生的工程应用与实践能力.实践即是动手，思维活动即是动脑.动手与动脑的关系表现为：其一，动手是动脑的外显.学生所进行的操作、实验等活动是脑部思维活动的外在表现.其二，动脑引领动手.当意识在脑中形成时，最直接和普遍的物化方式就是动手，动手是动脑物化的手段，动手的效度取决于动脑的深度.其三，动手与动脑相辅相成.心理学家皮亚杰认为，如果将动脑与动手理解为主体与客体的关系，则主体对客体产生作用，客体对主体进行反馈，主体根据反馈信息进行自我调整，并再次作用于客体，多次循环后主体与客体达到平衡.所以，动脑与动手相互影响，相互配合，缺一不可.在工程教育中，需充分发挥思维活动(动脑)与操作实践(动手)的效用，使“动脑”与“动手”相互促进，协同发展.

2.3 教育神经科学注重课堂教学与现场教学的结合

课堂教学是学校教育最普遍的方式，“新工科”教育理念的推出，使工程教育的教学方法更强调关联性学习、实践性学习的重要性.现场教学是学生到实际的操作场景或工作环境中进行学习的方式，其特征是实践性和互动性.工程教育着力于培养学生解决复杂工程问题的能力，问题的综合性、解决方法的多样性以及情景的非标准性是复杂工程问题的表征.由于工程学科知识具有灵活性、综合性、实践性、多学科交叉性等特点，所以在工程教育中需要把课堂讲解与现场实作结合起来.从人类大脑的功能上分析，人类具有一种自然的空间记忆系统，如果知识和技能可以纳入这个空间记忆系统，学生就能在自发、自然的状态中进行思考与解决问题，获得理想的教学效果.而空间记忆系统构建的最佳方法就是现场教学，让学生在一种自然、真实的环境中获得知识与技能.

3 教育神经科学的研究类型与方法

教育神经科学领域的研究主要有科学研究、转化研究、实践研究[6].科学研究使用量化研究、质性研究，研究有关大脑、神经系统、认知等内容，并进行知识的创新、新规律的发现等.转化研究的目的是把脑、认知科学的基础研究理论与教育实践相结合，研究教育神经科学实验室成果的应用价值、实现的可能性、实现方法，及影响因素，对于教学环境中的许多难以控制的变量，还需使用干预研究的手段.实践研究把基础科学研究和转化研究的成果在真实的教育情景中进行应用和验证，并形成教育知识体系和教育话语.从传统上来说，神经科学研究者和教育研究者虽然都关注大脑、认知与学习，但在研究目标、研究方法和话语体系等方面都有着较大差异，所以难以进行科研的合作，更不用说科研成果的转化和应用.教育神经科学使神经科学研究者和教育研究者共同参与科研，把实践与思辨相连接，量化研究与质性研究相补充，实验方法与自然方法相结合，权衡实验变量与生态效度，从而实现不同研究领域的沟通与交融.

4 基于教育神经科学的工程教育方法改革探索与实践

4.1 关注学生的身心状态

1) 情绪的影响.人类的脑干之上与小脑之下聚集着一些结构体，称为边缘系统，边缘系统中的各结构体发挥着多种机能，如，丘脑从事记忆认知，海马从事长时记忆，杏仁核影响情绪[7].教育神经科学研究发现，良好的情绪使人体内的多巴胺水平上升，使多巴胺成为大脑内有利于学习的神经递质，对记忆和认知有较大的促进作用.所以，在工程教育中，教师应重视对学生的人文关怀，不要仅仅是机械冰冷的传授，要了解学生的情绪、情感和态度，采取必要的措施调节学生的不良情绪、情感，纠正不端正的学习态度，并安排恰当的教学活动，以达良好的教学效果.

2) 运动的影响.运动对于人脑也有较大的影响.运动能增加脑中的血液流量，使脑内的海马(形成长时记忆的区域)更有效地发挥其功能.工程教育强调实践与操作，教师一方面应鼓励学生多参加课外运动，另一方面让学生尽可能多的参与课堂动手与实践活动，这对学生身心健康与教学大有裨益.

4.2 重视内隐学习

4.2.1 内隐学习的含义及影响因素

人类的学习既包括集中注意力、有意识的主动学习——外显学习，也包括无目的、无意识的自动学习——内隐学习.内隐学习是一种受外围环境影响的自动的，无意识的，对复杂规律敏感的学习[8].在日常生活中，内隐学习的效果能够达到甚至超过外显学习.所以，研究内隐学习具有重要意义.保加利亚心里分析教育家洛扎诺夫指出，教学中的每一个刺激都能被编码、被建立相互联系和被符号化，如每一个声音、每一个可视信号[8].所以，学生所处学习环境中的所有因素都会对学生的内隐学习产生影响，比如教室的光线，墙壁的颜色，教师的音调、表情、身体的姿势等.内隐学习反应了整个教学中感知情景对人脑的作用，并且，它们可能会上升到意识层面，影响人们的认知和思维.

4.2.2 工程教育中的内隐学习

1) 进行必要的重复和强化训练.相关研究表明，重复练习会潜移默化地提高学生的理解力和学习能力，还能提高学生灵活运用知识及解决问题的能力[8].比如在程序设计类课程的教学中，让学生进行大量的程序编写、录入、调试，对于程序语言的掌握是大有裨益的.再如，在学习图像处理技术时，大量重复练习各种基本工具的使用，能使学生熟练操作、举一反三，达到灵活运用的目的.

2) 重视学生的动手实践.内隐学习学到的是不可言表的缄默知识，直接讲授难以获得较好的学习效果.相关研究证明，基底神经参与内隐学习的加工，其在运动、知觉、认知技能的学习中起着重要作用[8].在工程教育中，教师要鼓励和督促学生亲身参与实践，如进行课堂实验，参加工地实作，参加学生科研项目，参加学科竞赛等，尽可能创造内隐学习的条件，发挥内隐学习的效能.

3) 注意内隐学习与外显学习的结合.认知神经科学表明，人脑中的顶叶活动与内隐知识的迁移有关，内隐与外显学习的最佳顺序为：内隐学习在先，外显学习进行配合，从而将内隐知识迁移到外显学习的过程中[8].在工程教育教学中，教师可以先让学生在特定任务情景中进行充分训练(内隐学习)，然后再进行讲解和分析(外显学习).比如，在学习计算机语言的基本语法元素时，先让学生亲身体会和感受整个程序的运行过程，感知从程序录入、编辑、调试、运行的环节，然后对程序语法元素逐个进行详细地讲解，使之前的认知迁移到后续的学习中.

4) 创建良好的外围学习环境.人脑的底部有控制呼吸、血压、心跳等无意识活动的脑干，脑干里有接收各种感官信息并调控知觉水平的神经元系统[7].有些觉知是有意识的，如听老师讲话，有些觉知是无意识的，如周围的声音、光线、气味等.这些无意识的觉知会对学生的学习产生影响.教师可以尝试调节麦克风音量、照明，调节讲话的语速，注意自身的肢体语言(表情、动作)，以给学生创建一个利于师生身心健康的，和谐的学习环境.

4.3 采用多感知教学

1) 学习形态.人类的学习活动具有多种形态，即学习形态.学习形态指以听觉、视觉、动觉作为信息来源而划分的学习类型[7].听觉学习发起于耳朵听到声音信息之时，如教师的讲解.视觉学习发起于眼睛看到信息之时，如看书、讲义、黑板、幻灯片、电脑屏幕等.动觉学习发起于肢体运动做某项操作的时候，如做实验、记笔记、演示等.研究表明，多种学习形态共存时的学习效率高于单一学习形态的学习效率.

2) 在工程教育中的多感知教学方法.在工程教育的教学活动中，教师可以在教室、机房、实验室、实训基地等多种环境中教学，调动学生的眼、耳、手、口、脑，充分发挥各种学习形态的学习效果.利用多媒体教学平台播放内容丰富、形式多样的课件(可以包含文字、图片、音乐、动画、视频等)，精心设计与布置实验、巧妙安排师生互动，如提问、远程监控、学生演示、屏幕广播、分组讨论、作业提交等，有效调动学生的多种感觉器官，进行多感官刺激与认知强化.由于每个学生具有自身所偏好的学习形态或学习方式，在教学活动中，假如教师传授知识的方式与学生的学习形态或学习方式不同，学生就难以接收和消化老师所讲授的内容.所以，对于教师来说，要以多种不同的方式来传递知识，使所有学生最大限度的掌握知识.

4.4 使用多样化教学

1) 生理原理.人类的大脑对周围环境的变化保持者浓厚的兴趣，当新奇的事或者某种变化出现时，人体会即刻分泌肾上腺素，调动大脑专注于此事[7].现在的学生们生活在一个科技快速发展、资讯丰富、变化层出的社会环境中，他们的大脑已经习惯于和乐于接收新事物或刺激，如果我们的教学方式还如若干年前一样单一和刻板，学生就容易对课堂失去兴趣.但是，可以运用一些方法来振奋学生的大脑，重燃他们的学习热情.

2) 工程教育中的多样化教学方式.教师可以在工程教育中开展多样化的教学方式.在开讲新课时，以问题、引子使学生对某方面的问题感兴趣，并专注于此.比如，1个有趣的程序、1段精彩的视频、1个和实际生活密切相关的系统等.在教学过程中，开展分组讨论或分组实验，每组提交1个作品，小组成员需阐述自己负责的工作和实效，最后由小组集体为每个成员评定绩效.教师还可以指导学生开展社会调查、考察、分析报表、进行项目研发等，如软件开发、数据分析、机械设计、工业产品研发、人工智能应用、多媒体创意作品设计等.还可以鼓励学生参与科研、撰写学术论文或调查报告.这样的教学方法使知识融入到实际应用中，使学生成为主动地探究者而非被动的听众.

4.5 使用情景化教学

1) 情景化教学的含义.人类具有一种自然的空间记忆系统，它无需任何有意而为的记忆术来进行记忆[8].它是一个被人们长期使用并用之不竭的记忆系统.所需学习的知识和技能，如果能纳入这个空间记忆系统，则能获得良好的学习效果.正如大家学习母语，是在多元交互的环境中习得的.情景化教学通过经验性学习引发，采用大量真实生活中的活动来进行学习.

2) 工程教育中的情景化教学.首先，教师通过联系生活中的实例进行课堂知识和技能的传授.比如，让学生进行班级管理系统的设计与创建，使学生亲身体会系统设计的整个过程；通过制作个人网站使学生学习网站的建立和维护；使用网络技术获取社会热点新闻、网页关键词，进行社会舆情分析；让学生参与用户调查，找到产品设计的痛点和痒点，撰写系统需求分析、可行性分析报告；设计小型智能系统，解决日常生活中的问题等；其次，鼓励学生参与项目研究与竞赛.项目研究与竞赛可以给学生提供知识应用较全面的场景，在社会需求、人际合作、专业融合等多元交互的情景中使学生得到全面提升和锻炼.比如参与教师的科研项目、参与大学生创新创业训练、参加学生科研(SRTP)、参加学科竞赛等.另外，还可以通过校企合作、协同育人的方式，让学生到企业中实践，让知识真正“活”起来，而不是书本上枯燥的文字.

4.6 注重形成性评价与反馈

1) 基本含义.形成性评价不同于传统的终结性评价，它是对学生日常学习过程中的表现、成效等所做的全过程、全面性、持续性的评价.人的大脑运转基于某种制衡机制，使认知活动基于先前的认知基础之上[7]，如何使大脑调整和改进原有的认知，这就需要形成性评价和反馈.学生通过形成性评价来矫正自己的学习行为，教师通过学生反馈来了解学生的学习情况.

2) 工程教育中的形成性评价与反馈.在工程教育教学中可以采用的形成性评价有自我评价、小组评价、相互评价、教师评价等.比如，教师通过问卷、调查等方式了解学生的学习背景或学习情况，以调整教学内容和教学方法；布置“一分钟书面作业”了解学生掌握基本概念的情况；让学生提交实验作品，并当众点评；进行小测验；让学生对优秀作品进行演示和讲解，教师点评；学生分组实验与小组评价.在此过程中，教师要注意学生的心理体验，加强师生互动与交流，时刻关注学生在学习中的情感、态度、方法、成效.

4.7 实践案例分析

在实际的课堂教学中运用互动式教学方法，通过对比实验，初步取得一些成效.比如，在“Python程序设计”课堂教学中，安排了非传统的机房授课，该机房中的计算机分为10个组摆放，每个组6台机器，分别围绕一个圆桌排列，学生上课时，自然形成10个小组，教师的讲台和教师机放置在中间，现场氛围有利于学生讨论与交流，也有利于师生互动.课前给学生安排好了学习任务，让每个小组准备一份Python程序设计作品，要求组员们协作完成，课堂上每个小组经过再次的讨论和交流后，完善作品，并派出代表，利用多媒体教学平台向全班讲解并展示其的作品，其余组的同学认真听，根据作品的内容、创新及讲述质量为其打分，教师也对每个组进行点评，最后评出得分最高的组并给予奖励.此种尝试意在创建一个友好、合作、互动的教学场景，使师生处于一个放松、愉快的身心状态中，强调学生的动手实践和协作，手、脑、口、眼配合，脱离枯燥的教师单方面讲授.此种教学尝试，经过对学生的问卷，得到数据如表1所示：

表1 传统教学和互动式教学对比实验数据 %

由上表数据可知，互动式教学在学生的学习兴趣、课堂参与度、知识吸收率中的效果优于传统教学.初步证明学生良好的身心状态，以及内隐学习、多感知教学、多样化教学、情景化教学、形成性评价在实际教学中起到的积极影响和作用.

5 基于教育神经科学的工程教育方法改革之展望

基于教育神经科学的工程教育方法改革，为传统工程教育方法注入新的内容和动力，是中国工程教育方法研究的新方向.神经科学研究者与教育研究者之间需建立双向对话，才能整合多门学科内容，建立新知识体系.将自然科学与社会科学的研究相结合，把脑与认知科学中的最新研究成果运用于工程教育改革与实践，将有广阔的应用前景.