教育科学发展新取向：来自认知神经科学的影响

教育科学发展新取向：来自认知神经科学的影响?

王道阳1，姚本先

（安徽师范大学教育科学学院，芜湖 241000）

摘要：认知神经科学是认知科学和神经科学相结合的产物，是运用神经成像技术，对脑发育、脑认知、意识与无意识脑机制以及记忆的脑机制开展的微观研究。其研究成果将成为教育改革和思维训练的重要理论基础，势必对教育科学的学科理论、教学手段、学科体系等产生广泛而深远的影响。教育科学可以汲取认知神经科学，包括其分支学科，如发展认知神经科学、社会认知神经科学的最新研究成果，与生物科学、认知科学、发展科学进行深度整合，可以改变长期以来教育学缺乏科学实证依据的状况，为教育奠定坚实的科学基础。 关键词：认知神经科学；教育科学；教育神经科学

认知神经科学（Cognitive neuroscience）是以认知科学的理论以及神经心理学、神经科学及计算模型的实验证据为基础，探讨心理历程的神经机制，也就是大脑的运作如何造就心理或认知功能的一门学科。认知神经科学是心理学和神经科学的分支，并且横跨众多领域，如生理心理学、神经科学、认知心理学和神经心理学。认知神经科学运用ERP（事件相关电位）、PET（正电子发射计算机断层扫描）、fMRI（功能性核磁共振成像）、EEG（高精度脑电）、MEG（脑磁图）等神经成像技术，对脑发育、脑认知、意识与无意识脑机制以及记忆的脑机制开展的微观研究。关于人类的学习也是认知神经科学的重要议题，并提出了生理理论、表征理论和信息加工理论等三种心理学理论。[1]特别是对“发展与教育”的问题的揭示为丰富教育科学视野提供重要的科学依据。[2]这一领域的发展直接涉及人类科学最大难题脑与意识的本质。有关研究结论和成果将成为教育改革和思维训练的重要理论基础，势必对教育科学的发展产生极其重要的影响。

一、认知神经科学的兴起与发展

20世纪80年代，各种脑造影技术有了突破性进展，这些技术提供了一个让遗传学、医学、语言学、心理学、神经科学、物理学、电机工程等各方研究人才得以整合的平台。奠基于认知心理学的知识、概念和研究方法，直接探究一般人的认知行为之神经机制，验证过去许多脑伤或行为研究的理论，也开启了脑与心智研究的新局。认知神经科学兴起于20世纪90年代，是认知科学和神经科学相结合的新生儿。认知神经科学的研究任务在于阐明认知活动的脑机制。人类大脑如何调用各个层次上的组件，包括分子、细胞、脑组织区和全脑去实现自己的认知活动，是认知神经科学拟回答的根本问题。认知科学理论发展对该命题的迫切要求和神经科学的巨大成果，使科学家着手认知神经科学命题成为可能。进入21世纪后，各国开始重视认知神经科学的发展，也有不少学者开始研究该学科对教育的影响和应用。2003年，美国哈佛大学推出了“心智、脑与教育”研习班，将研究心智的心理科学和研究脑的神经科学，落实在教育的研究和实践中。[3]2005年，中国科技部将“脑科学与认知科学”列为八大前沿科学问题之一，并成立国家重点实验室。[4]近年来，认知神经科学在知觉、记忆、阅读、注意力以及情绪、社会行为、人类发展、精神医学等领域都取得了一系列成果。

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本文是国家社会科学基金教育学青年课题：不同类型流动青少年心理健康教育的衔接与贯通研究

（CBA120108）；安徽省教育厅人文社会科学研究重点项目：流动青少年心理干预的长效机制与创新模式研究的研究成果。

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王道阳，男，安徽师范大学教育科学学院，副教授，硕士生导师。通讯地址：安徽省芜湖市北京东路1号

安徽师范大学教育科学学院；电话13966034900；E-mail:daoyangwang@126.com。姚本先，男，安徽师范大学教育科学学院教授，博士生导师，安徽机电职业技术学院院长。

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二、认知神经科学将夯实教育理论基础

教育研究从上世纪20年代起就不断经历着各种波折，心理学家和教育学家们都在寻找行之有效的教育教学手段。在经历了行为主义、新行为主义、人本主义、联结主义和至今还在盛行的建构主义教育理论之后，人们似乎找到了合适的理论基础。但是，当认知神经科学兴起之后，它以其独特的视角和先进的手段开始对人的认知活动进行全面、详实和深入的剖析。[5]

（一）认知神经科学为学习理论作出科学解释

由于认知神经科学的发展，我们可以用脑成像的方法，在活体的情况下，在线检测不同的学习过程中，脑不同区域的激活情况。虽然，脑是一个十分复杂的动态系统，并不能找到一个简单的脑区或是脑中的回路，与完成某一项学习功能完全相对应，但是，大量的研究已经揭示了与某些学习过程有关的脑区激活情况。如在基底节的激活和传统的学习过程相关[6]，位于边缘系统的海马区和副海马区激活表示明晰性记忆发生，当需要监测误差和冲突时，前扣带回会激活等等[7]。认知神经科学已经得到了许多和记忆、学习、注意、推理过程与脑激活区域的关系，因此，为我们在脑、心智和教育的交叉学科领域里研究这些问题提供了基础，现在可以认知用神经科学的研究方法，得到有关学生学习过程的脑图像，从而说明学生学习知识的神经机制。

认知神经科学的研究者还对智力和技能学习的有关理论进行了神经机制研究，从而为这些理论提供了实验证据。关于技能学习的神经机制研究。Johnson认为成年的皮层感觉定位可

[8]

在其外周神经损伤后完全改组，即成年人的皮层感觉代表区通过训练是可以改变的。 Dunbar研究表明，当现实的结果和原来持有的概念一致时，学习过程发生了，现实的实验结果和原有的观念不一致时，脑中会发生抑制这些信息被接受的过程，学习过程并没有被有效进行。同时，实验中发现了内侧前额皮层的激活，这相应于已存在的概念被表现。因而内侧前额皮层激活可以用来作为学生是否具有某种概念表达的一种标志。Duncan利用PE技术对斯皮尔曼提出的智力“普遍因素(g因素)”进行了神经机制的研究。[9]Duncan选择了三种表面特征差异明显的任务(空间任务、言语任务、运动感知任务),但这三种任务都与g因素有中等偏强的相关(相关系数为0.55-0.67)，实验者还设计了与上面相对应的控制任务(与g因素有较弱的相关相关系数为0.37-0.41)。实验发现，与g因素高相关的三种任务并没有激活多个脑区，而只激活了单侧或者双侧的外侧前额叶皮质。Duncan认为，这个结果说明了“普遍智力”可能产生于额叶的一个特定系统，这个系统在控制不同形式的活动中发挥重要作用，这为智力是单一的结构系统提供了证据。

（二）认知神经科学为素质教育提供科学基础

素质教育的本质是能力教育。[10]能力教育要求促进人的全面发展，要体现终身教育的思想。发展认知神经科学的研究目标在于阐明人类心理行为发生发展背后动态的神经机制，其最终目的在于促进人的全面发展，特别是促进人脑及其他神经系统的生长发育和维护，并进一步促进知识经验的获得和能力的全面提升。发展认知神经科学强调多层次、多水平的立体交叉研究，有利于揭示儿童心智发展的神经机制，为儿童的全面潜能开发提供科学依据。特别是新近代表发展认知神经科学前沿的交互特化作用理论强调适宜环境、适宜教育情境与神经发育的生成性动态建构，为推进素质教育，促进人的全面发展提供了重要的科学依据。

有学者在老化研究中确实发现70岁人的大脑仍会长出新的神经元（在海马状突起处），而且能够使大脑恢复部分功能。这不仅否定了过去关于成人脑细胞损伤后不能再生的定论，也为神经元与行为之间的关系找到了直接的证据。[11]这表明高级大脑皮层的神经可塑性是终身性的，它为“活到老，学到老”提供了重要的认知神经科学证据，并为成年人大脑新皮层的损伤修复带来了希望。

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（三）认知神经科学为学校教育提供科学依据

遗传、环境与智力的关系一直是心理学家和教育学家最关注的问题之一。在科学心理学诞生之初就有遗传决定论和环境决定论的论争。现代心理学家认为遗传与环境对心理的影响可能是交互在一起的，很难说哪一个起决定作用。对于个体的心理发展来说，最重要的环境就是学校教育。而教育专家一直认为学校教育对个体的心理（智力等）发展有着极其重要的影响。因此，如果找到环境对智力影响的实验证据将是对学校教育最有力的科学依据。认知神经科学的发展为此提供了可能。大脑是连接遗传、环境与智力的桥梁，遗传是通过决定大脑的结构和功能而对智力产生影响的；环境对智力的影响，也有一部分是通过改变大脑的结构或者功能来实现的，因此研究环境对大脑结构的影响，将为认识环境与智力之间的关系提供支持。认知神经科学为研究正常人的大脑提供了丰富的范式和技术手段，通过大脑这个桥梁，人类能对遗传、环境与智力之间的关系有更深入的认识。[12]

Thompson研究发现，同卵双胞胎在额叶、感觉运动区和语言区有极其显著的相关(均高于0.9)，而在额叶部位没有发现显著的相关。[13]从理论上讲，同卵双胞胎的基因完全相同，他们的大脑结构应该完全相同，但实验仅发现在额叶、感觉运动区和语言区存在显著相关，这说明其他脑区之间的差异比较大，这些脑区的差异可以理解为是由环境因素或者基因与环境因素的交互作用引起的。Draganski研究发现，接受两次Juggle技能训练（一种抛球游戏，规则为：左右手抛三个球，保持每一只手里有一个球，另一个球在空中，球不落地时间越长，说明技能水平越高）后的被试， MRI扫描时发现，颞叶中部和左顶内沟后部的灰质出现明显的

[14]

双向扩展。Dragansk实验说明人类的大脑结构受到外在环境的影响会发生暂时的改变。Stern通过对早老性痴呆症病人研究发现，受教育水平高的被试比受教育水平低的被试在顶颞区的脑血流更明显。[15]这些研究成果都揭示，如果这种外在环境持续存在，那么大脑结构可能会发生永久性改变。也说明了学校教育的必要性和重要性。但大脑结构是怎么被遗传与环境交互影响而发生变化的，尚需更深入的研究。

三、认知神经科学将拓展教育教学手段

自1977年在理论上论证出功能性核磁共振技术的可行性，历经15年的艰苦努力才于1992~1994年间真正实现了fMRI技术，从而带动了ERP、EEG、MEG以及PET等多种无创

[16]

性脑功能成像研究领域的全面发展，为认知神经科学的迅速发展打下了坚实的方法学基础。这些技术和手段既深化了教育教学的神经机制研究，也为拓展教育教学手段提供了可能。

（一）认知神经科学为早期教育教学提供科学方法

幼儿期是神经可塑性最强的时期，也是语言能力迅速发展的时期。在这一时期，神经系统会自动寻找最经济、最高效的神经通路，删减冗余的神经突触，从而形成最精简的网络系统。此时如果为儿童提供以听觉形式呈现为主的语言环境，随着言语刺激的不断积累，儿童正在发育的大脑就会自动发展最有效的神经语言网络。因此，早期开始学习第二语言的儿童可以在处理母语的专门言语处理系统的支持下更省力地学习新语言，而不需要再重新构建一个新的言语处理系统。新生儿神经突触的密度低于成人，但婴儿期突触的生长极快，到4岁时突触的密度在脑的所有部位达到顶峰，并超过成人水平的50%，就人脑的视觉区域而言，突触的迅速增加开始于出生后的2个月，增长顶峰在8—10个月，然后在10岁左右下降到成人水平。这说明，对4岁前儿童进行脑潜能开发具有十分重要的意义。[17]

（二）认知神经科学为第二语言教学提供科学手段

认知神经科学研究者提出了语言习得的神经机制。Geschwind曾对Wernicke模型进行拓展，提出了Wernicke-Geschwind模型。Geschwind认为，构成语言加工系统的关键部分是Broca区、Wernicke区、弓状纤维束和角回。[18]该模型非常细致地描述了在复述口语单词和朗读书面单词时信号在语言中枢传导的过程。Cheour等人研究了在法语学校或者是在50%～90%的

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日常时间里使用法语的日护中心里进行法语学习的3～6岁被试。结果发现，被试学习第二语言的时间越久，所引起的听觉ERP变化越明显，MMN的波幅随着被试学习法语时间的增长而惊人地增大，并且MMN的潜伏期也开始不断缩小。[19]这显示被试对法语的掌握程度越高，他们对法语音素的差异就越敏感。该研究结果还表明，被试在没有经过特殊训练的前提下，能在普通的、自然的语言环境中自动发展法语特殊记忆回路。由此可见，语言习得的年龄与语言的熟练程度密切相关，并且在浸入式的语言环境中儿童可以自动习得第二语言。这就意味着第二语言的使用应渗透到所有教育活动中，应该让儿童在一种自然的语言环境中进行第二语言的学习。这些研究说明儿童早期学习第二语言是可行的。

关于第二语言习得的全脑教育。Danesi提出了双脑模式理论(Bimodality Theory)，构建了一个具体的二语教学观点。它把大脑对获得知识的经验和分析模式看作整个二语习得的系统贡献者。只有当大脑的两个半球协同工作时，我们才能欣赏到故事的寓意、隐喻的意义、描述感情的词语以及玩笑的妙语。[20]Sousa(2006)认为，当教师使用全脑外语教学策略时，学生学习得最好。[21]这些结论要求教师在课程设计方面应采用使两个脑半球都参与的活动，使学生可以将新的学习内容整合为一个有意义的整体。

（三）认知神经科学为特殊教育教学提供科学工具

认知神经科学对神经异常的研究为特殊教育教学提供了科学基础，为特殊儿童的矫正、治疗提供了科学的工具。Purpur等人用Golgi染色法发现智障儿童的脑树突结构有明显的变化，表现为在树突上少了很多的树突棘，智障儿童的树突棘少而细长，这种改变的程度与智力的迟钝程度成正相关。研究进一步发现在胎儿染色体正常的情况下，早期丰富的环境婴儿的神

[22]

经环路形成得以正常并促进树突棘的生长发育成熟，智力障碍在一定程度上是可以逆转的。儿童多动症(ADHD)是常见的儿童注意障碍，新近的磁共振成像扫描发现ADHD儿童的前额叶皮层和基底神经节的体积小于正常儿童，进而影响其执行和控制功能，而上述缺陷不同其多巴胺能神经元功能的发挥有关，目前认为最有效的办法是抑制多巴胺转运体，增强多巴胺的突触后效应。早期诊断有特殊教育需要的儿童，监控和比较各类教育措施对学习的影响，深入理解学习活动中的个别差异，以及了解与不同学生相匹配的最优教学方法等。[23]认知神经科学对特殊教育研究为特殊儿童教育教学提供了提供神经依据与标准，有助于提高特殊教育教学效果。

四、认知神经科学将丰富教育科学体系

认知神经科学的诞生和发展，尤其是近年来发展的新理论和新技术，使心理学、生理学、生物学等传统学科获得了新生。于是，认知神经心理学、认知生理心理学、认知心理生理学、认知神经生物学、计算神经科学等逐渐形成。认知神经科学渗透到心理科学体系中形成了颇有影响和发展前途的交叉学科：发展认知神经科学与社会认知神经科学。认知神经科学的发展势必要对教育科学产生重要影响，近几年发展认知神经科学、社会认知神经科学的兴起就逐渐涉及教育领域。

教育研究者也开始关注认知神经科学的发展及其对教育的影响。哈佛大学教育研究院启动了心智、大脑和教育计划，旨在培训那些希望应用神经科学和认知科学来改进教学并更准确地把握学生的需要的人士。国内有学者呼吁教育心理学和认知神经科学的融合（胡谊，2007；王晶等，2009）。甚至有研究者开始尝试建立教育神经科学[24]。教育神经科学是将生物科学、认知科学、发展科学和教育学等学科的知识与技能进行深度整合，提出科学的教育理论、践行科学的教育实践的、具有独特话语体系的一门新兴学科。教育神经科学凝聚跨学科专业研究者的共同智慧，汲取多门相关学科中的知识精华与哲学理念，来形成自己独特的概念结构。教育神经科学的诞生改变了长期以来教育学缺乏科学实证依据的状况，为教育奠定坚实的科学基础。这是吸收认知神经科学，丰富教育科学体系的勇敢尝试。认知神经科学与教育学及

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其分支学科（教育心理学、教育社会学等）的融合必将推动教育学科体系的进一步丰富。或许不久的将来就有教育认知神经科学、教育认知神经心理学、教育社会认知神经科学等学科的诞生。一批既懂认知神经科学，又知晓教育实践的教育神经科学工作者，就可以让他们探索认知神经科学应用于教育实践的途径，把包括智力脑机制研究成果在内的认知神经科学的发现运用到提高教育质量，促进人类全面发展的教育实践中去，也许会对认知神经科学关于智力的研究起到更大的推动作用。[12]

认知神经科学对教育学科发展的影响是教育工作者不容忽视的。但我们也要意识到，认知神经科学还很年轻，要达到对教育教学产生革命性影响，其发展还远远不够。还需要认知神经科学和教育科学的研究者共同推动。

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