大腦是宇宙中最複雜的系統之一，腦科學是研究腦認知、意識與智能的本質與規律的科學，被稱為人類理解自然和人類本身的「終極疆域」。
隨著腦成像、生物傳感、人機互動以及大數據等新技術不斷湧現，腦科學正成為多學科交叉的重要前沿科學領域，也成為發達國家的科技戰略重點，全球科研界下一個必爭之地。
自2013年起，美國、歐洲各國、日本等相繼啟動大型腦科學項目。華東師範大學出版社今年出版的《腦科學與課堂：以腦為導向的教學模式》為我們展示了美國最新的腦科學研究如何運用於學校和教室，如何與教學實踐緊密相連。腦科學不僅為教育教學提供了新的方法，也使我們洞悉課堂內一些複雜問題行為背後的神經加工過程。
對教育研究者、中小學教師而言，了解腦科學知識，可以幫助我們更好地理解個體發展規律和特點，更好地理解學習的發生和過程，從而實現因材施教，取得事半功倍的成效。
仔細通讀中科院心理所楊志老師的譯著《腦科學與課堂：以腦為導向的教學模式》，很有收穫。
先簡單介紹一下這本書的重點內容。比如，可以通過用進廢退來說明的「可塑性」；鍛鍊、營養和壓力都會影響的「神經生成」；為學習營造情緒氛圍的「情緒和壓力」；理解學習中注意作用的「注意控制」；包括工作記憶、抑制控制、靈活轉換的「執行功能」；「自我監控和情緒調節」；心情愉悅、鞏固記憶、促進「海馬新神經元」的發展；「運動」對知識的獲得與保持的作用。特別是對青少年階段「各個腦區之間更多的關聯互動，而腦內灰質容積卻顯著減少」和「邊緣系統和前額葉執行功能的連接平衡」；以及睡眠與學習關係「晝夜節律（晚睡晚醒，推遲上課時間）」等問題的解釋說明，都是大家非常關心的話題。
在此基礎上，書中還詳細介紹了以腦為導向的教學模式的實踐：由於積極的情緒能提升績效，教師可以通過讓學生選擇學習的內容、方法和評估來為學習營造情緒氛圍。社會性與情緒學習還可以通過反思和正念訓練、幽默、沉浸於藝術等方法和途徑達成。關注環境特徵，如照明（陽光）、聲音、氣味以及座位安排和教室環境設計等對注意和學習的作用，為學習創造良好的物理環境。通過整體圖景、概念組織、新舊聯繫和概念圖的構建創造更好的學習體驗。利用記憶規律幫助學生掌握內容、技能和概念。特別值得注意的是與學習評估有關，即採用持續性評估增強學習和記憶的效果。書中在倡導上述教學模式的過程中，充分利用案例進行詳細的說明和解讀，為實際操作提供了具體的行為指南。
上述內容是近來飛速發展的神經科學研究成果與學習和教育關係的一個縮影，接下來我們來拓展一下這方面的描述。我的專業是發展心理學，就從神經科學與個體發展的相關研究談起。
從畢生發展的角度理解神經科學與學習和教育應用的關係
這部分內容與一個新的分支學科的興起有關，即發展認知神經科學。董奇教授在2012年中國科學院院刊上介紹了這個正在迅速崛起的領域：發展認知神經科學，將以往研究心理行為生物學基礎的「靜態」視角討論大腦發展與心理行為發展的關係，轉向「動態」研究畢生發展進程中各種認知功能的發生、發展和衰退的過程，以及伴隨著學習、經驗等影響大腦結構和功能的動態變化及其可塑性。這一領域貫穿個體畢生發展全程。
我們在談論腦發育時，通常認為神經元的遷移在出生前就已經完成。2016年10月《科學》（Science）雜誌上發表的研究成果則首次揭示了大腦發育過程中一個全新的重要階段，在新生兒出生後的幾個月內，一些抑制性神經元會大規模遷移到大腦額葉皮層。研究人員推測，這種後期遷移可能在建立人類基礎認知能力中發揮重要作用，這一過程的紊亂可能與一些神經系統疾病密切相關。
嬰幼兒期大腦各個系統都在發展，但系統間的聯繫卻需要經驗和學習。在一項有趣的兒童研究中，實驗者讓孩子先與實體大小的玩具玩耍，如可供她們爬上滑下的室內滑梯，可以坐的椅子、可以進入的玩具車等。之後，再次進入時室內大型玩具被換成一模一樣的小玩具。孩子們玩小型玩具時，還是用的一樣的方法：試圖爬上滑梯、爬進小汽車和坐在小椅子上。這種行為反映了孩子大腦視覺系統中背側通路和腹側通路間的聯繫還沒有發育成熟。腹側通路識別物體是什麼，背側通路識別它的大小，但信息沒能充分共享。研究證明了背側通路與腹側通路間信息交換的重要性。這些證據也與幼兒教育和腦智開發對「做中學、知行合一」的強調不謀而合。
吻合兒童「學習高峰」與青少年「青春期」等一系列行為表現的則是，兒童與青少年期的基本功能網絡（如運動控制、注意/認知控制、衝突監控、社會信息加工和情緒管理等）已初步形成，但相比成人而言，這些網絡功能並不穩固，尤其是注意控制功能，主要還以自下而上的刺激驅動為主，腹側注意網絡的功能連接更弱。同時，邊緣系統比前額葉更早發育，扣帶回尾部與腹部之間的認知控制等長距離功能連接較弱。結果，青少年往往容易做出一些衝動冒險和物質濫用等危險行為。青少年時期，大腦開始選擇性地修剪那些很少會用到的聯繫。正如交通工程師一樣，通過清除某些街道和建立新的環形公路來減緩交通堵塞，提高效率。同時，額葉也逐漸會和邊緣系統更好地連接，從而更好地進行情緒調節，日趨完善的自我意識背後是大腦的發展。
對於人腦功能和發展的未知和誤解常常導致違背科學規律的教育，進而影響學習和發展的效率。因此了解腦的發展可以更好地理解個體發展規律和特點，也就更有可能做到因材施教，取得事半功倍的成效。
腦的可塑性為教育提供了大有可為的空間
2017年11月，我在兩次學術會議上聆聽了譚力海教授的學術報告，對其中一些內容印象深刻。如「大腦語言功能區文化特異性理論」、中文閱讀與書寫的關係等。他們的一些研究結果表明，如果總是用手機拼音輸入，缺乏書寫的運動輸入，會影響個體的漢語閱讀能力。國外的研究也表明，文盲個體即使到中年才開始學習閱讀，也還是可以看到腦的變化。這些都說明了大腦結構和功能的可塑性，學習、經驗、職業等會一直持續地塑造著大腦結構與功能，調節著腦—行為—環境的平衡。與《腦科學與課堂》一書的內容呼應，藝術體驗和運動都塑造著我們的大腦，如音樂訓練可以改變聽覺、視覺、運動等皮層的形態結構和功能連接，增強這些網絡之間連接的協調性和同步性。體育運動、動作技能訓練均能使運動區、頂下溝、枕顳皮層等區域的灰質增加。甚至在想像運動的時候，運動員的海馬旁回、前額葉區域也會有更大的激活。經驗幫助大腦優化其結構和功能的研究為知識改變命運中教育的作用提供了重要的神經科學基礎。
20世紀最後10年以來，由於成像技術和計算方法的進步，神經科學的發展日新月異，積累了大量的基礎研究數據，並被用來解釋個體發展規律及其可能的問題，也常常作為教育政策和教育教養實踐的理論基礎。近年來，我國在新的科研布局中也設立了「腦科學與類腦研究」重大研究計劃，其中就有一系列研究項目會系統探討兒童腦身心發育規律。2017年9月，由北京師範大學、北京大學、清華大學、華東師範大學、華中師範大學、東北師範大學等十八家機構共同發起建立「中國兒童青少年腦智研究全國聯盟」，共同籤署了《中國兒童青少年腦智研究全國聯盟共識》：希望推動跨學科交叉融合，深入揭示兒童青少年腦發育、心理適應與學習能力發展規律，基於科學證據，建立、改進兒童青少年腦智發育與各類發育困難的評估技術、診斷工具與標準、分型分類系統及幹預促進方案，大範圍應用於基礎教育和兒童醫療、健康相關領域。雖然「腦科學與類腦研究」不只是局限在教育應用的基礎研究，但教育無疑是最重要的成果轉化領域。
神經科學與心理學及教育的學科交叉與融合
神經科學方面的發現不僅增進了我們對睡眠、壓力和營養情況如何影響個體發展的理解，同時也有助於我們識別可能存在的發展和學習障礙。將神經科學與教育進行有機結合可以使我們在這些理論運用的初期謹慎解讀，避免誤會。當然了解腦功能有助於教育者更加科學地處理如青春期階段個體遇到的「加足油門難以剎車」這類問題，但僅僅對於青少年階段大腦發育情況的了解並不一定就能幫助教育者直接有效地提升青少年的自我控制力，這也提示未來神經科學與教育領域的融合還特別有賴於那些有教育實踐經驗的專家將理論真正運用並落到實處。
《腦科學與課堂》一書的序言中有句話非常重要——「哈迪曼博士……能從浩瀚的科學信息中找到教師真正想知道的內容，並以一種容易理解和應用的方式傳遞給教師」。研究成果與理論分析如何真正讓一線教師理解和正確運用是一個不亞於發現和總結神經科學研究的工作。也已經有學者開始關注神經科學與心理學和教育的融合，融合後的新領域不僅應為教育教學提供新的方法，也應從神經科學角度洞悉課堂內一些複雜的問題行為背後的神經加工過程。
未來，如果我們希望教育教學實踐能夠得益於神經科學，那麼兩個領域間的溝通合作就顯得非常重要。當然，神經科學所遵循的自然科學解釋框架和發展心理學以及教育學的社會科學解釋框架的固有差異，是將神經科學的研究成果應用於心理發展與教育實踐上時所面臨的一項重要挑戰。有時，「神經科學數據可以加深我們對學習者與學習過程的認知限制因素的理解，但不能直接指導設計教學來最大程度地促進學習」。但願我們的科學家和教育工作者能夠充分關注這個問題，促進神經科學與心理學和教育的真正結合，造福社會，造福人類。
（作者系北京大學元培學院副院長、教授）
《中國教育報》2018年05月21日第9版