脑科学技术在教育研究中的功能与应用*
马 谐1,2王晓曦3杨舒涵1 陶 云1[通讯作者]
（1.云南师范大学 教育科学与管理学院，云南昆明 650500；2.中国科学院 心理研究所，北京 100101；3.昆明学院 学前教育与特殊教育学院，云南昆明 650214）
摘要： 脑科学技术已成为推动现代教育研究发展的重要动力。在此背景下，文章首先梳理了脑科学技术与教育研究的关系，指出脑科学技术的应用，使教育研究的开展不再盲目、抽象。随后，文章分析了脑科学技术在教育研究中的基础功能。最后，文章重点从测评教学效果、设计教学内容、改革教学方式、甄别和补偿学习障碍等角度，通过案例研究，系统地介绍了脑科学技术在教育研究中的具体应用。研究脑科学技术在教育研究中的功能与应用，有助于推动脑科学技术与教育教学的深度融合，实现学用转化的良性循环。
关键词： 脑科学技术；教育研究；基础功能；教学应用
引言
大脑是人类心智产生的物质基础，脑科学以其独特的视角和先进的手段，对人类的学习过程和心智特征展开了全面、具体、深入的探索。1997年，Bruner[1]首先提出搭建教育和脑科学之间的桥梁。在过去的20年间，利用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技术、正电子发射计算机断层扫描（Positron Emission Computed Tomography，PET）技术、脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）技术和脑电图（Electroencephalogram，EEG）技术等研究人类的认知学习活动（如知觉、注意、记忆、语言）已取得飞速进展，预示着脑科学技术的研究成果将成为改革传统教学模式和创新教学方法的重要依据[2]。
近10年来，美、英、日、韩等国从国家战略的高度对脑科学研究进行了布局，并相继启动了一系列针对教育发展研究的大型脑科学项目。如以美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，AAAS）、美国国家研究委员会（National Research Council，NRC）和英国皇家学会（The Royal Society）为首的国际科学机构已将基于脑科学研究的教育改革纳入国家专项教改计划，并作为评价和检验教育效果的标尺，渗透到具体的教学内容和教学过程中[3]。2016年，“中国脑科学计划”启动，“脑科学与类脑研究”被正式纳入“十三五”规划的“科技创新 2030—重大项目”。2018年，Nature 杂志发表《北京开创脑科学中心》（Beijing Launches Pioneering Brain-science Center ）一文[4]，标志着备受瞩目的“中国脑计划”正式落地，脑认知原理与脑智开发、类脑计算与脑机智能、脑疾病障碍诊治等内容被制定为未来中国脑科学研究发展的主体方向。“中国脑计划”刚刚启动，“基于脑”的教育探索尚属于起步阶段，大部分教育工作者对脑科学的认识仅停留在抽象概念上的“有用”层面，而对于究竟“如何用”、“用了做什么”甚是模糊不清[5]。若不能深入理解脑科学的学科价值，就难以将脑科学技术运用于实际的教育研究之中。据此，本研究拟基于脑科学技术与教育研究的关系分析，探究脑科学技术在教育研究中的基础功能及其具体应用，以期促成学用转化。
一 脑科学技术与教育研究的关系
1986年，Friedman等[6]在《脑、认知与教育》一书中首次将脑科学、认知科学和教育科学整合在一起，并阐述了脑、认知和教育三者之间的关系：就认知与教育而言，教育是从知识传授者的角度来讨论，而认知是从学生学习机制的角度来讨论，教育的方法需根据学习的认知机制来设计；就认知与脑而言，大脑是认知的生物载体，而认知是大脑的功能，认知活动的发生要遵循大脑活动的基本规律；就教育与脑而言，教育应以脑的认知研究为基础，以认知的脑研究结果作为教育的理论依据。总的来说，认知科学是教育科学与脑科学的中介，而脑科学是研究认知、教育的基础；认知科学要研究人脑发生学习活动的规律，教育科学则要探索符合脑神经系统认知活动规律的教学方法。
脑科学技术的应用，为探索“大脑如何进行学习”这一问题提供了重要的工具，能直接打开学习者大脑中的“黑匣子”，使教育研究的开展不再盲目、抽象。通过探测学习活动中脑神经系统运行的过程机制，脑科学技术可以直观、精细地揭示学习者认知活动发生的特点与规律，让教育研究者确切地知道在教育中该做什么、为什么要这么做、如何可以做得更好，以及如何让“不好”变“好”，从而最终探索出符合学习者大脑运行模式的教学方法，实现准确控制教育效果、提高教育效率的目标[7][8]。
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二 脑科学技术在教育研究中的基础功能
工作记忆（Working Memory）是指个体在执行认知任务的过程中，暂时性储存、加工信息的认知系统，它被认为是认知活动的核心，其主要功能是为完成记忆、言语操作和图形操作等智力活动提供重要支撑。训练工作记忆的方法有很多种，近年来，研究者纷纷依靠脑成像技术比较了各种训练方法的优劣。如Jolles等[14]通过数字正背任务（记忆保持）和数字倒背任务（记忆操作），对15名成年被试进行了为期6周的训练，并分别在训练的第一周和最后一周进行了MRI扫描，结果发现：工作记忆保持和操作加工产生了不同的神经变化特征，数字正背任务在训练后缺省模式区域的脑激活增加，数字倒背任务在训练后纹状体和左半球腹内侧前额皮层的脑激活增加；进一步比较视觉、听觉工作记忆在接受训练前后的大脑激活情况，结果发现：相较于听觉工作记忆，视觉工作记忆有更大的训练增益。Constantinidis等[15]发现，短期训练（时间为3个小时以内）会普遍导致大脑各区域活动的增加；长期训练则会根据大脑区域的不同，表现出不同的增减变化特征。近年来，有不少研究者关注教育刺激的施加对老年人大脑功能及其结构改变的问题。如De等[16]指出，老年人的认知功能（如记忆、推理、加工速度等）可通过训练得以提高，甚至在一定程度上会逆转退化，训练可明显激活智力相关脑区的脑容量、脑连接，改善老年人的神经活动效率，甚至可以延缓和阻止最易随增龄发生萎缩的一些脑区（如前额叶）。
长期以来，人类对学习作用的认识主要凭借主观经验，只是感觉到学习和教育似乎能使人类变得更聪明、可以更好地解决问题或让人类具有更强的社会适应能力。然而，这种主观经验是抽象且模糊的，对于教育在促使人类发展的问题上究竟有没有作用、在多大程度上有作用等问题甚为模糊。而脑科学技术的应用，可以让我们及时、清晰、直观地观察到施加学习刺激后大脑功能和结构发生的变化，从而更精准地量化教育的有效性[13]。
建立合理的HEC-RAS模型，可再现河道洪水行洪和溢流情况，对于缺测数据地区的工程选址和防洪规划具有指导意义。
1.1 资料来源 从2011年1月-2018年2月本院乳腺外科收治的383例行前哨淋巴结活检的原发性乳腺癌患者中筛选研究对象，68例SLN阳性，其中4例为微转移，64例为宏转移。将后者纳入研究对象。64例患者的中位年龄为49(33～89)岁。根据nSLN病理结果将64例患者分为nSLN阳性组和nSLN阴性组，分析对比两组间的临床病理特征。
②学习的认知功能时间进程研究，旨在了解某些学习的认知功能发生的时间进程，揭示学习过程中涉及的认知功能发生的时间阶段以及随时间发生的改变，通过探测认知活动相关的脑电诱发时间、诱发波形和波幅大小等，帮助研究者认识学习过程中不同认知功能激活的先后顺序和不同认知功能之间的相互作用关系。目前，此功能主要通过EEG、MEG等技术来实现[10]。
尽管如此，尽管没有十全十美的翻译策略，我们也绝不能认为文化缺省是不可译的，作为一种特殊的文化现象，它有其独特的魅力，并且与接受理论中的一些观点诸如“不定点”等不期而合，极大地丰富了一部作品，使其更加鲜活灵动，所以研究如何对其进行合理且接受度高的翻译是非常有必要并且是对翻译工作有很大的指导意义的。
④学习的认知功能脑网络联结研究，旨在了解学习的不同认知功能之间的神经联结方式、联结的空间方向和联结的程度，帮助研究者认识不同认知功能之间的相互作用关系，深入分析并解释学习活动发生的认知与神经机制[12]。目前，此功能主要通过MRI、MEG等技术来实现。
三 脑科学技术在教育研究中的具体应用
对于计算机技术而言，人工智能属于重要分支之一，其主要是根据计算机自身编程进行设计，可以模拟人类完成信息收集和分析判断、信息识别以及自动反馈等操作，进而实现人类智慧所能解决的各种问题。现阶段我国对于人工智能的研究内容相对比较广泛，例如：机器人专家系统、自然语言处理等，在研究过程中各位专家均对电气自动化进行应用。而将这项技术运用在电气自动化中除了可以改善系统、设备自动化整体水平，使设备处理更加精准，还可以降低人力的投入，进而提升工作效率。
1 测评教学效果
①学习的认知功能脑定位研究，旨在了解学习的认知功能定位于大脑的什么部位发生，揭示学习过程中涉及的认知功能与大脑生理组织结构的依存关系，通过揭示认知活动相关的脑内激活位置、激活程度和激活时间等方面的问题，帮助研究者认识学习功能具体关联的脑结构、追溯异常功能的发病起源[9]。目前，此功能主要通过MRI、PET、TMS等技术来实现。
③学习的认知功能脑结构特征研究，旨在了解学习的不同认知功能所造成的大脑结构的面积、厚度、形状和灰质白质密度等的不同，揭示学习过程中由于认知功能的差异而带来的大脑结构和形态等方面的差异，帮助研究者认识学习过程中某一认知功能的改变所引起的大脑结构特征的改变，并帮助研究者观测异常功能导致的脑结构特征差异[11]。目前，此功能主要通过MRI技术来实现。
目前，用于教育研究的脑科学技术主要分为两类：一类是提供高分辨率脑活动空间信息的脑成像工具，如MRI、PET、经颅磁（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）等技术；另一类是精确记录脑在学习活动中随时间发生变化的工具，如MEG、EEG等技术。这两类脑科学技术在教育研究中的基础功能主要包括：
通过脑科学技术的应用，教育与学习对个体发展的意义由抽象变得具体。我们可以清晰地观察到，正向且适宜的教育刺激的施加，会大大增加大脑的可塑性：宏观层面上，由可塑性引起的大脑结构的改变表现为脑重量的变化、皮层厚度的变化、不同脑区沟回面积的变化等；微观层面上，由可塑性引起的大脑结构的改变表现为树突长度的变化、树突棘密度的变化、神经元数量的变化、大脑皮层代谢的变化等。教育从不同层面对大脑结构的改变效应，将促使学习者和教育者重新审视“接受教育”与“施与教育”的重要价值，并促使教育研究者更加积极地探索什么样的教育方式和教育内容更有利于个体的发展，故有利于推动教育研究的科学化进程。
二环路处于北京市道路路网的核心位置，全长32.7 km，全线为全立交、全封闭的城市快速路。道路红线总宽90 m，标准横断面为四幅路型式，中央隔离带宽0.5～1.5 m。主路标准路段为双向六车道，在出入口和公交站处由于设置加减速车道和公交港湾，车道数为双向八车道，主路两侧全线设置辅路。道路路拱为直线型，主路和辅路路拱横坡为1.5%，由路中向外倾斜；人行道路拱横坡为2%，向路内侧倾斜。
2 设计教学内容
“教育可以塑造大脑”这一结论揭示了教育和学习的重要性，但“如何塑”仍然困扰着教育研究者，因为只有尊重大脑本身的运行规律，才能使大脑发生积极、高效的变化。在这个问题上，对大脑“关键期”的深入研究可为教育内容的设置提供思路。关键期主要指人类在成长的过程中，大脑存在一系列更容易接受某种知识、习得某种能力的年龄时期。若在这一时期提供适宜、合理的教育刺激，那么学习者的能力将得以迅速且高质量地发展；而若错过关键期或提供的刺激不得当，那么学习者的学习效率将会降低，甚至会丧失习得某种能力的机会。脑科学技术的研究为深化认识、利用儿童发展过程中的“机会”提供了可能——它通过对大脑突触发生、突触修剪关联性、人脑发育顺序和成熟时间的研究，来揭示出功能相应脑区的关键期定位、分析关键期的成因，可为确立关键期的教学内容提供更准确的指导[17]。相关研究成果表明，0～4岁是幼儿培养数理逻辑能力的重要时期——在这一时期，家长或幼儿园教师应经常指导儿童进行数数游戏，充分建立数字概念，这对儿童未来数理逻辑能力的优质发展将有明显帮助；语言学习关键期是0～3岁，其中基本的语音能力是在0～1岁形成的——在这一时期，家长需尽可能地为儿童提供丰富且较为标准的语音环境，鼓励儿童识别语音信息和模仿发音[18]；音乐能力学习关键期则在0～5岁——在这一时期，儿童若有音乐的体验，如听辨乐器、伴随哼唱，将促进其音乐脑区皮质系统的发达（如灰质皮层增厚）；乐器的训练（如钢琴）则能有效提高儿童大脑对语言领域中音高变化的神经反应敏感性，显著促进儿童早期语言能力的发展[19]。
目前，脑科学技术已被广泛地应用于视觉加工、记忆、语言、阅读、数学、问题解决等学习认知领域的研究中，有效揭示了学生在学习活动中与认知相关的脑结构和脑联结网络特征，并已被综合性地应用于测评教学效果、设计教学内容、改革教学方式、甄别和补偿学习障碍等教育研究活动之中，具体情况如下：
与“因材施教”这一教育基本原则相呼应的是，脑科学技术有助于发现学习者个体之间存在的差异，并在此基础上告诉教师应施以什么样的教学内容。如 Michael等[20]发现数学超常儿童和普通儿童在完成心理旋转任务时，其大脑激活模式存在显著差异：普通儿童主要激活右额部和右顶叶，左半球激活较少；而数学超常儿童大脑双边激活，特别是左侧前额皮质显著激活，同时伴有前运动皮层区、顶叶和前扣带回等区域的激活。随后，他们进一步发现：数学超常儿童的大脑右半球发育较好，左右脑联结通路模式与普通儿童不一样，思考时右脑的视觉皮层区显著激活，说明数学超常儿童可能更倾向于依赖视觉表征加工，这提示教师应为数学能力超常的儿童设计并提供利用视觉图像的教学方法和课堂活动。
3 改革教学方式
“如何塑”的问题，不仅包括刺激内容本身，还包括提供刺激的方式方法，具体体现为学习和教学的方法是否得当——方法是否得当，将直接决定着对大脑机制运行规律的利用程度，进而决定可塑的程度。近年来，研究者重点探索了不同认知功能对应脑区的可塑性差异，以及如何通过对提供方式、提供时间和提供数量上的控制来实现不同脑区的最大可塑性。如文东等[21]根据多感官通道有效整合的原理，提出与感觉统合理论相符的教学措施——多重感觉呈现，即教学内容的呈现要调动多种感觉的参与。在教学中应多加运用现代化的教学设备（如投影、幻灯、电视、电脑、实验室等），来实现多重感觉重现——这种教学措施遵循学习和记忆的特点，能够激活脑内相关皮层区域（如感知觉皮层区域和工作记忆所涉区域），并增强这些皮层区域之间的相互连接。
以双语教学为例，脑科学技术的应用，为移民地区双语教学政策的制定提供了重要的指导。在移民地区的儿童教育中，儿童的语言教育是采用只学习第二语言的单语侵入式教学，还是采用保留母语教学的双语教学，一直是教育研究者和教育政策制定者谈论的话题。Olulade等[22]指出，采用保留母语教学的双语教学有效促进了儿童核心智力机制的发展。双语儿童最突出的优势在于执行功能（抑制注意、监控和认知控制机制），而执行控制能够准确预测儿童的心智发展水平及其相关的学业表现和社会交往能力。在执行冲突任务和转换任务中，相较于单语儿童，双语儿童的前扣带回区域激活更少，说明双语儿童调用语言神经机制的效率更高。Olulade等[23]还进一步发现，较于单语儿童，双语儿童的前扣带回区域具有更高的白质密度，在整合涉及控制的皮层区域灰质体积也更大，并且这种生理结构优势是持久的。值得一提的是，双语经验对抵御认知老化具有积极作用：在执行转换任务时，老年双语者的大脑激活模式更像年轻人，与老年单语者相比，他们的左侧前额叶和纹状体激活更少，说明双语者的大脑激活效率更高，并且神经网络在涉及控制功能的皮层区也具有更好的连接性。可见，脑科学研究为改革教学方法、创新教育方式、制定教育政策提供了重要的理论依据[24]。
4 甄别和补偿学习障碍
脑科学技术对于学习障碍群体中神经机制异常者的重要价值主要在于两个方面：①能够及时、准确地甄别异常机制；②能够为教育干预提供重要的依据。以往甄别学习障碍群体的主要方法是行为观察和口头报告等行为层面的研究，而行为研究的一个明显局限，在于有些障碍疾病往往存在较长的潜伏期，当研究者能够通过行为确定“障碍”的反应时，已经错过最佳的治疗和干预时期。此外，一些语言或动作能力有限的群体（婴幼儿）的障碍症状，往往难以被抚养者敏锐察觉到，而这些症状在早期潜伏阶段可以通过脑科学技术侦察出来，并能在准确判断发病源的基础上提出治疗和干预的方案。如Saygin等[25]探索了甄别阅读障碍儿童早期症状的大脑异常模式，发现连接大脑前部和后部语言区的左侧弓状纤维束的体积与复合语音意识的评分正相关。缺乏语音意识的幼儿往往在弓状纤维束的白质组织上表现出更小的体积和更差的完整性，这些幼儿在未来出现阅读障碍风险的可能性远远大于其他儿童。因此，测量弓状纤维束的结构特征是否异常，既是甄别儿童是否存在阅读障碍风险的重要筛查手段，也是治疗阅读障碍的重要突破口。
以注意缺陷障碍为例，新近磁共振成像扫描发现，注意缺陷障碍的早期预警信号是前额叶皮层和基底神经节的体积偏小，以及它们之间的连接异常，这些症状可能会导致个体存在执行功能障碍和注意力不稳定的情况[26]。此外，Strandburg等[27]采用EEG技术，发现在持续性注意任务中，注意缺陷障碍儿童在编码阶段的脑电活动模式正常；但在反应阶段，P300成分波幅（与注意、记忆等认知加工过程有关）相较于正常儿童显著降低——这说明核心障碍可能发生在认知过程的晚期反应阶段，干预训练应着眼于提高反应能力。Rubia等[28]发现，早期可以通过药物改变神经递质，来有效缓解和控制注意缺陷症状，如利他林的补充有利于大脑前额叶皮层激活和连接的正常化、阿托西汀可以提高睡眠阶段的皮质醇水平等，这些药物的使用有助于缓解注意缺陷儿童的临床症状。脑科学技术对于特殊教育的重要意义，就在于该技术的应用能为特殊儿童提供神经诊断的依据、标准以及可能补偿缺陷的方法。准确甄别与科学干预的有效结合，能够帮助受损功能在最佳修复时期内获得补偿与重塑，故能提高教育与康复的效果。
四 结语
科学成果的有效应用，首先取决于教育主体的科学意识和科学知识水平，而科学意识与科学知识水平密切相关，因为只有真正懂得了“如何用（方法）”、“用什么（知识）”，才会懂得科学的价值，才会习惯性地应用科学知识，并通过科学知识来促进方法学和理论的革新。同样，脑科学技术的蓬勃兴起，为教育研究和实践提供了新的理论基础和方法指引，但前提是教育主体对脑科学技术有深入的认识。本研究梳理了脑科学技术与教育研究的关系，重点分析了脑科学技术在教育研究中的基础功能与具体应用。希望通过本研究的分析，能够深化教育者对脑科学技术的认识与理解，并促使教育者主动将脑科学技术应用于教育研究之中。
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The Function and Application of Brain Science Technology in Educational Research
MA Xie1,2 WANG Xiao-xi3 YANG Shu-han1 TAO Yun1[CorrespondingAuthor]
(1.School of Education Science and Management,Yunnan Normal University,Kunming,Yunnan,China 650500;2.Institute of Psychology,Chinese Academy of Sciences,Beijing,China 100101;3.Department of Preschool Education and Special Education,Kunming University,Kunming,Yunnan,China 650214)
Abstract: Brain science technology has become an important driving force for the development of modern educational research.Under this background,the paper firstly combed the relationship between brain science technology and educational research,and pointed out that the application of brain science technology could make educational research no longer blind and abstract.Then,basic functions of brain science technology in educational research was analyzed.Finally,the specific application of brain science research in the educational research was systematically introduced through case study from the perspectives of evaluating teaching effects，designing teaching contents,reforming teaching methods,discriminating and compensating learning disabilities.Studying the function and application of brain science technology in educational research was helpful to promote the deep integration of brain science technology and education teaching as well as realized the virtuous cycle from“theory”to“application”.
Keywords: brain science technology;educational research;basic function;teaching application
【中图分类号】 G40-057
【文献标识码】 A
【论文编号】 1009—8097（2019）07—0032—07
【DOI】 10.3969/j.issn.1009-8097.2019.07.005
*基金项目： 本文受国家自然科学基金“民族双语者的认知控制”（项目编号：31660282）、云南省哲学社会科学基金“少数民族中学生英语句法学习创新机制”（项目编号：QN2017043）资助。
作者简介： 马谐，云南师范大学副教授，中国科学院博士后，研究方向为音乐和语言认知的脑神经机制，邮箱为mxnn6@aliyun.com。
收稿日期： 2019年1月29日
编辑：小米
标签：脑科学技术论文; 教育研究论文; 基础功能论文; 教学应用论文; 云南师范大学教育科学与管理学院论文; 中国科学院心理研究所论文; 昆明学院学前教育与特殊教育学院论文;