论文部分内容阅读
教育的根本目的是为未来培养合适的人才，其本质是在增强大脑的功能。为了实现这个目标，一方面是要增强学生的学习能力，另外一方面是提高学习的效率。这两个重要的目标都可以通过对大脑的科学塑造来实现。
当下，脑科学正在深刻并加速变革着这个时代。通过解码大脑活动，可以帮助很多人实现人机交互，并实现众脑互联;通过模拟大脑，可以实现人脑的部分高级智能，推动人工智能的发展;脑科学即将带来的更巨大的变革是增强人脑本身。在大脑中植入一些装置，或通过无损的脑机接口技术，可以变革我们的学习和教育本身，增强学习能力，提高学习效率。
人的任何一种思想行为的改变、习惯的养成、知识的获得以及我们在这个过程当中发生的所有行为、态度、情感的变化，都是大脑本身结构和功能变化的结果。人脑大概有870亿个神经元，每一个神经元有一千到两千个突触联系。每一秒钟大概有几万个突触会消失，大致同样数量的新突触会生长出来。学习和教育就是通过塑造突触的联系来改变我们的知识和技能、思想和行为，并形成我们每个人大脑的独特连接模式。正如人的指纹是遗传与环境共同作用产生的，因而指纹人人皆有，却各不相同，个体人脑的独特连接也是如此。这种独特的连接模式是学习和教育的结果，也是学习和教育所要面对的客观对象。
正是因为这个原因，世界各国包括我们国家的领导人对脑科学和教育都高度重视。2014年，习近平总书记视察北京师范大学的时候，专门来到认知神经科学与学习国家重点实验室，高屋建瓴地指出，教育要“因人而异、因材施教，这就需要有科学基础，掌握脑的规律”。这几句话道出了教育的本质，也为我国未来教育的发展指出了重要的方向。
一些数据表明，中国的学生在学习上花的时间非常多，但学习效率非常低，所花时间与取得的学业成就并不匹配。脑科学对学习效率的提升，可以体现在很多方面，如学习能力的培养，基于大脑发育规律的学习目标设定和内容安排，基于大脑学习规律的学习方式制定，基于个体学习能力和知识网络的学习路径，等等。
基于脑科学的学习能力培养有助于提高学习效率
我们知道，教育的目的是为了提高学习的能力，但我们的课程体系中并没有学习能力的课程。一个原因可能是认为学习能力并不重要，另一个原因可能认为学习能力可以在知识学科的学习中自然获得。这两个观点都不太正确。我们知道，专业运动队里除了有技能战术训练和实战比赛以外，还有相当一部分是在健身房进行个性化力量训练，如果上臂、腹部力量不行，会有私人教练指导、提升你的相应肌群的力量。但是我们学校针对专注度方面有缺陷，或是计算、阅读存在障碍的学生，并没有专门的个性化训练。
我们知道，一个孩子阅读存在困难，很多时候并不是由于態度不对，或者阅读时间太短，而是某些特定的大脑区域存在结构和功能的不足，就像有些运动员上肢肌肉力量不足一样。这个时候给他大量的书去读，不仅不能提高阅读成绩，反而会影响阅读的兴趣和动机。在美国，研究人员已经研发了大量针对阅读障碍核心能力缺陷的训练方案和手段，并且在学校得到了广泛的使用。上课的时候，如果一个学生跟不上老师教的内容，那就可以先不用上这门课，而是到学习中心或大脑机房里面进行个性化的训练。等到能力提升了，能跟上正常教学进度以后再回来。实践表明，这样针对性的学习能力训练对于提高学习效率有很大好处。比如，美国科学院院士Michael Merzenich创造的一种新的阅读干预方案，通过对语音意识的训练，可以有针对性地解决孩子的阅读困难，提高阅读效率。用他所开发的软件，在学校使用以后学生成绩能够提高20分左右，而一般课堂教学大概能提高3到5分。除了这个方法以外，还有十几种不同的针对阅读障碍的科学训练方法，其核心都是针对特异性认知障碍采取训练。
除了阅读能力的训练，现在还有很多记忆能力的训练、自控能力的训练、情绪调节能力的训练、数感的训练等。这些都是我们学习过程中所需要的核心关键学习能力。一些初步的结果表明，通过对这些能力的针对性训练，可以有效提升学习者的学习效率。虽然不同学科的关键学习能力，还有很多重要的问题值得研究，其训练效果也有待在课堂实践中验证，但我们相信，随着脑科学研究的不断深入，基于核心学习能力的训练能为提高学习效率做出重要贡献。
脑科学可以指导我们依据大脑发展规律进行有效的教学
现在的家长和老师非常困惑，比如0?3岁的孩子应该学什么，3?6岁学什么，6?12岁学什么，初中面临什么样的问题，高中又面临什么样的问题。科学回答这些问题需要以大量脑科学知识为基础。比如说在早期，大家知道学英语要学得早，最好从0岁就开始。为什么早期要学英语？学什么样的内容比较好呢？有的家长带着小孩去英语早教班，一节课学了五个单词，什么Apple，Banana，Orange，Pear，Grape，好像觉得钱没有白花。但实际上，0?3岁并不是孩子单词记忆能力的关键时期。恰恰相反，0?3岁的小孩由于其海马没有充分发育，记忆能力处于比较差的时期，你会发现，20岁以后，0?3岁的事情人们往往一件都想不起来，这叫婴儿失忆症。0?3岁最重要的是感知觉经验，对语言来说是听觉发展的关键时期，在一个英语母语环境下接受大量的听觉输入，会形成很好的语音感知能力和语法技能。这是孩子以后学习语言终身受益的。
小学阶段是大脑前额叶发展的关键时期，也是我们注意、记忆、思维和自控等一般学习能力发展的重要阶段。这个阶段的孩子本身面临的学习任务并不太重，所面临考试升学的压力也不太大，这为提高孩子的学习能力提供了非常好的机会。但在实践中，老师和家长对空出来的时间究竟用来做什么并不十分明确。有的家长在培训机构的推动下，把时间用来提前学习高年级甚至初中的课程，学习奥数，学习STEM、机器人编程，发展兴趣特长等。根据孩子的兴趣爱好发展兴趣特长当然值得鼓励，但超前学习却是毫无意义的。而在这个时间培养扎实的学习能力，提高孩子的注意、记忆、思维、自控等能力，培养良好的学习习惯，提升学习的兴趣和动机，比提前掌握大量的知识更为重要。 中学生在青春期存在着相当严重的动机和情绪问题，其产生的根源就在于这个阶段大脑发展的不平衡。有一个形象的比喻，青春期的大脑发育处于油门发展快但是刹车发展慢的时期，而且刹车和离合配合的能力也不强。所谓油门发展快，指的是性激素分泌导致人大脑里对奖赏的敏感性增强;刹车发展慢指的是大脑的前额叶自我控制能力发展相对延迟;刹车和离合配合能力不强是指青春期的孩子无法用知识来指导自己的行为。所以青春期的孩子你跟他讲道理他全都懂，但是一旦处在情绪波动状态下，讲的道理全都忘掉了，没有办法把道理转化为行动。所以对于青春期的孩子，一个重要的学习任务就是要培养控制社会情绪的能力，通过放松训练、情绪调节、自我控制能力训练，结合有氧运动、正念冥想和神经反馈等技术手段，改善孩子的学习动机，提升学习动力，不仅能够提高学习效率，对其长期健康发展还具有重要意义。
从这个意义上讲，提高学习效率，就是要针对不同阶段大脑发展的特征，制定有针对性的学习目标和学习任务。大脑的各个区域的发展存在一个机会的窗口，依据这个机会窗口来学习，可以事半功倍;而错过了这个机会窗口，则需要花更多的时间来弥补。比如错过了早期感知觉发展的窗口，在12岁以后才开始学习一门外语，就很难做到没有口音了。
脑科学揭示的有效学习规律，有助于提高知识和技能培养的效率
同样是学习，有时候学的东西记得住、有时候记不住，里面有很多科学规律是和我们的直觉相反的。我们想创造一个条件让你学得非常轻松简单，但实际上轻松的学习害了你。脑科学的研究表明，提高学习效率，促进学习的长期保持和有效迁移的一个前提条件是，要创造适度难度的学习环境，让大脑的资源做充分的参与。比如同样学习三次，怎么学习效果更好？一种是拿着一本单词书背单词，念三遍，熟了就换下一个单词;另一个方式是把每个要学的词学一遍，第二天再学一遍，第三天再学一遍。虽然每天学一遍感觉都没记住，第二天学起来有点费劲，但这种通过分散学习的方式会促进学习的保持。我们实验室过去十多年的研究发现，分散学习能够促进大脑的参与，有更多的大脑资源参与到学习过程当中。
学习还需要遵循大脑分工的规律。人有多套不同的学习系统，有的是情绪的学习，有的是知识的学习，有的是感知觉的学习，有的是运动技能的学习。你需要通过恰当的方式让正确的大脑学习系统参与到其中。有的時候我们觉得很简单，但很多时候我们用错了方式。例如，知识的记忆和技能的学习用到的系统是不一样的，游泳的时候你不能光给他上十节游泳理论课，这样他是学不会游泳的。但英语语法的学习实际上是一种技能，不是做题就能够学会的。我们在学校做了大量的语法题，却常常开口就犯语法的错误，其原因就在此。知识和技能的差别还体现在情绪调节能力、社会交往技能，乃至我们的动机习惯等的培养上，这些都需要技能系统的参与，而不是简单的道理和知识的传递。
脑科学的研究还发现，有效的学习需要把大脑中先前的记忆重新唤醒，然后才能进行巩固或者修改。从这个意义上讲，学习就是不断改变大脑中记忆痕迹的过程。我们的一些学习方法，比如死记硬背或者简单重复等，往往并不能有效唤醒先前的记忆痕迹，从而达不到训练的效果。相反，有的时候，比如在我们回忆的时候，在我们休息的时候，在我们睡觉的时候，我们的记忆可以得到更有效的唤醒并重新组织，形成有机的知识网络。
学习和记忆里面还有很多别的规律，包括组块的规律，迁移的规律，以及元记忆策略等等，这些都是我们科学高效学习的基础。通过科学利用大脑学习的规律，能够充分调动大脑的潜能，真正做到事半功倍，举一反三！
脑科学有助于实现个性化精准教育
每个人的大脑都是不同的，在遗传和环境的共同作用下形成了自己独特的神经联结模式。这种独特的大脑决定了个体不同的学习能力、学习兴趣和知识结构。采用现在的脑机接口，人工智能和大数据技术，结合个体知识图谱和能力特征的精准建模，能够发展个性化的知识路径，实现精准教育。
通过脑机接口的技术，我们可以很好地测量学生的学习状态，通过对学习状态的监控可以从多个方面来提高学习的效果。比如，我们可以在大脑学习状态好的时候呈现学习的材料，学习状态不好的时候呈现一些有趣的材料或者让学生休息，从而提高学习的效率;还可以通过大脑的学习状态预测记忆的效果，从而在更恰当的时间安排对该材料的复习。如果记忆牢固，则可以在更长的间隔后复习;如果记忆不牢固，则安排及时复习。这些都可基于个体学习状态的精准学习过程来安排。
当然，我们还可以对学生的知识网络进行测查。通过脑科学的技术，现在研究者可以很好地描述大脑中的知识组织结构。比如谷歌DeepMind就和哈佛大学心理系合作，测量个体的语义知识网络，从而根据这个网络结构预测人们在学习一个词汇的时候能否记住，会犯什么样的错误。把这样的方法进行扩展，结合现在的知识分解和检测，以及个体的学习能力特征建模，可以建立一个更为精准的个性化知识空间，并发展个性化学习路径。
可以预期，通过脑科学、人工智能和人脑学习的深度融合，提高学习效率，实现个性化的高效学习是完全可行的。这是人脑智能和人工智能融合生长、相互促进的一个最好时代。
当下，脑科学正在深刻并加速变革着这个时代。通过解码大脑活动，可以帮助很多人实现人机交互，并实现众脑互联;通过模拟大脑，可以实现人脑的部分高级智能，推动人工智能的发展;脑科学即将带来的更巨大的变革是增强人脑本身。在大脑中植入一些装置，或通过无损的脑机接口技术，可以变革我们的学习和教育本身，增强学习能力，提高学习效率。
人的任何一种思想行为的改变、习惯的养成、知识的获得以及我们在这个过程当中发生的所有行为、态度、情感的变化，都是大脑本身结构和功能变化的结果。人脑大概有870亿个神经元，每一个神经元有一千到两千个突触联系。每一秒钟大概有几万个突触会消失，大致同样数量的新突触会生长出来。学习和教育就是通过塑造突触的联系来改变我们的知识和技能、思想和行为，并形成我们每个人大脑的独特连接模式。正如人的指纹是遗传与环境共同作用产生的，因而指纹人人皆有，却各不相同，个体人脑的独特连接也是如此。这种独特的连接模式是学习和教育的结果，也是学习和教育所要面对的客观对象。
正是因为这个原因，世界各国包括我们国家的领导人对脑科学和教育都高度重视。2014年，习近平总书记视察北京师范大学的时候，专门来到认知神经科学与学习国家重点实验室，高屋建瓴地指出，教育要“因人而异、因材施教，这就需要有科学基础，掌握脑的规律”。这几句话道出了教育的本质，也为我国未来教育的发展指出了重要的方向。
一些数据表明，中国的学生在学习上花的时间非常多，但学习效率非常低，所花时间与取得的学业成就并不匹配。脑科学对学习效率的提升，可以体现在很多方面，如学习能力的培养，基于大脑发育规律的学习目标设定和内容安排，基于大脑学习规律的学习方式制定，基于个体学习能力和知识网络的学习路径，等等。
基于脑科学的学习能力培养有助于提高学习效率
我们知道，教育的目的是为了提高学习的能力，但我们的课程体系中并没有学习能力的课程。一个原因可能是认为学习能力并不重要，另一个原因可能认为学习能力可以在知识学科的学习中自然获得。这两个观点都不太正确。我们知道，专业运动队里除了有技能战术训练和实战比赛以外，还有相当一部分是在健身房进行个性化力量训练，如果上臂、腹部力量不行，会有私人教练指导、提升你的相应肌群的力量。但是我们学校针对专注度方面有缺陷，或是计算、阅读存在障碍的学生，并没有专门的个性化训练。
我们知道，一个孩子阅读存在困难，很多时候并不是由于態度不对，或者阅读时间太短，而是某些特定的大脑区域存在结构和功能的不足，就像有些运动员上肢肌肉力量不足一样。这个时候给他大量的书去读，不仅不能提高阅读成绩，反而会影响阅读的兴趣和动机。在美国，研究人员已经研发了大量针对阅读障碍核心能力缺陷的训练方案和手段，并且在学校得到了广泛的使用。上课的时候，如果一个学生跟不上老师教的内容，那就可以先不用上这门课，而是到学习中心或大脑机房里面进行个性化的训练。等到能力提升了，能跟上正常教学进度以后再回来。实践表明，这样针对性的学习能力训练对于提高学习效率有很大好处。比如，美国科学院院士Michael Merzenich创造的一种新的阅读干预方案，通过对语音意识的训练，可以有针对性地解决孩子的阅读困难，提高阅读效率。用他所开发的软件，在学校使用以后学生成绩能够提高20分左右，而一般课堂教学大概能提高3到5分。除了这个方法以外，还有十几种不同的针对阅读障碍的科学训练方法，其核心都是针对特异性认知障碍采取训练。
除了阅读能力的训练，现在还有很多记忆能力的训练、自控能力的训练、情绪调节能力的训练、数感的训练等。这些都是我们学习过程中所需要的核心关键学习能力。一些初步的结果表明，通过对这些能力的针对性训练，可以有效提升学习者的学习效率。虽然不同学科的关键学习能力，还有很多重要的问题值得研究，其训练效果也有待在课堂实践中验证，但我们相信，随着脑科学研究的不断深入，基于核心学习能力的训练能为提高学习效率做出重要贡献。
脑科学可以指导我们依据大脑发展规律进行有效的教学
现在的家长和老师非常困惑，比如0?3岁的孩子应该学什么，3?6岁学什么，6?12岁学什么，初中面临什么样的问题，高中又面临什么样的问题。科学回答这些问题需要以大量脑科学知识为基础。比如说在早期，大家知道学英语要学得早，最好从0岁就开始。为什么早期要学英语？学什么样的内容比较好呢？有的家长带着小孩去英语早教班，一节课学了五个单词，什么Apple，Banana，Orange，Pear，Grape，好像觉得钱没有白花。但实际上，0?3岁并不是孩子单词记忆能力的关键时期。恰恰相反，0?3岁的小孩由于其海马没有充分发育，记忆能力处于比较差的时期，你会发现，20岁以后，0?3岁的事情人们往往一件都想不起来，这叫婴儿失忆症。0?3岁最重要的是感知觉经验，对语言来说是听觉发展的关键时期，在一个英语母语环境下接受大量的听觉输入，会形成很好的语音感知能力和语法技能。这是孩子以后学习语言终身受益的。
小学阶段是大脑前额叶发展的关键时期，也是我们注意、记忆、思维和自控等一般学习能力发展的重要阶段。这个阶段的孩子本身面临的学习任务并不太重，所面临考试升学的压力也不太大，这为提高孩子的学习能力提供了非常好的机会。但在实践中，老师和家长对空出来的时间究竟用来做什么并不十分明确。有的家长在培训机构的推动下，把时间用来提前学习高年级甚至初中的课程，学习奥数，学习STEM、机器人编程，发展兴趣特长等。根据孩子的兴趣爱好发展兴趣特长当然值得鼓励，但超前学习却是毫无意义的。而在这个时间培养扎实的学习能力，提高孩子的注意、记忆、思维、自控等能力，培养良好的学习习惯，提升学习的兴趣和动机，比提前掌握大量的知识更为重要。 中学生在青春期存在着相当严重的动机和情绪问题，其产生的根源就在于这个阶段大脑发展的不平衡。有一个形象的比喻，青春期的大脑发育处于油门发展快但是刹车发展慢的时期，而且刹车和离合配合的能力也不强。所谓油门发展快，指的是性激素分泌导致人大脑里对奖赏的敏感性增强;刹车发展慢指的是大脑的前额叶自我控制能力发展相对延迟;刹车和离合配合能力不强是指青春期的孩子无法用知识来指导自己的行为。所以青春期的孩子你跟他讲道理他全都懂，但是一旦处在情绪波动状态下，讲的道理全都忘掉了，没有办法把道理转化为行动。所以对于青春期的孩子，一个重要的学习任务就是要培养控制社会情绪的能力，通过放松训练、情绪调节、自我控制能力训练，结合有氧运动、正念冥想和神经反馈等技术手段，改善孩子的学习动机，提升学习动力，不仅能够提高学习效率，对其长期健康发展还具有重要意义。
从这个意义上讲，提高学习效率，就是要针对不同阶段大脑发展的特征，制定有针对性的学习目标和学习任务。大脑的各个区域的发展存在一个机会的窗口，依据这个机会窗口来学习，可以事半功倍;而错过了这个机会窗口，则需要花更多的时间来弥补。比如错过了早期感知觉发展的窗口，在12岁以后才开始学习一门外语，就很难做到没有口音了。
脑科学揭示的有效学习规律，有助于提高知识和技能培养的效率
同样是学习，有时候学的东西记得住、有时候记不住，里面有很多科学规律是和我们的直觉相反的。我们想创造一个条件让你学得非常轻松简单，但实际上轻松的学习害了你。脑科学的研究表明，提高学习效率，促进学习的长期保持和有效迁移的一个前提条件是，要创造适度难度的学习环境，让大脑的资源做充分的参与。比如同样学习三次，怎么学习效果更好？一种是拿着一本单词书背单词，念三遍，熟了就换下一个单词;另一个方式是把每个要学的词学一遍，第二天再学一遍，第三天再学一遍。虽然每天学一遍感觉都没记住，第二天学起来有点费劲，但这种通过分散学习的方式会促进学习的保持。我们实验室过去十多年的研究发现，分散学习能够促进大脑的参与，有更多的大脑资源参与到学习过程当中。
学习还需要遵循大脑分工的规律。人有多套不同的学习系统，有的是情绪的学习，有的是知识的学习，有的是感知觉的学习，有的是运动技能的学习。你需要通过恰当的方式让正确的大脑学习系统参与到其中。有的時候我们觉得很简单，但很多时候我们用错了方式。例如，知识的记忆和技能的学习用到的系统是不一样的，游泳的时候你不能光给他上十节游泳理论课，这样他是学不会游泳的。但英语语法的学习实际上是一种技能，不是做题就能够学会的。我们在学校做了大量的语法题，却常常开口就犯语法的错误，其原因就在此。知识和技能的差别还体现在情绪调节能力、社会交往技能，乃至我们的动机习惯等的培养上，这些都需要技能系统的参与，而不是简单的道理和知识的传递。
脑科学的研究还发现，有效的学习需要把大脑中先前的记忆重新唤醒，然后才能进行巩固或者修改。从这个意义上讲，学习就是不断改变大脑中记忆痕迹的过程。我们的一些学习方法，比如死记硬背或者简单重复等，往往并不能有效唤醒先前的记忆痕迹，从而达不到训练的效果。相反，有的时候，比如在我们回忆的时候，在我们休息的时候，在我们睡觉的时候，我们的记忆可以得到更有效的唤醒并重新组织，形成有机的知识网络。
学习和记忆里面还有很多别的规律，包括组块的规律，迁移的规律，以及元记忆策略等等，这些都是我们科学高效学习的基础。通过科学利用大脑学习的规律，能够充分调动大脑的潜能，真正做到事半功倍，举一反三！
脑科学有助于实现个性化精准教育
每个人的大脑都是不同的，在遗传和环境的共同作用下形成了自己独特的神经联结模式。这种独特的大脑决定了个体不同的学习能力、学习兴趣和知识结构。采用现在的脑机接口，人工智能和大数据技术，结合个体知识图谱和能力特征的精准建模，能够发展个性化的知识路径，实现精准教育。
通过脑机接口的技术，我们可以很好地测量学生的学习状态，通过对学习状态的监控可以从多个方面来提高学习的效果。比如，我们可以在大脑学习状态好的时候呈现学习的材料，学习状态不好的时候呈现一些有趣的材料或者让学生休息，从而提高学习的效率;还可以通过大脑的学习状态预测记忆的效果，从而在更恰当的时间安排对该材料的复习。如果记忆牢固，则可以在更长的间隔后复习;如果记忆不牢固，则安排及时复习。这些都可基于个体学习状态的精准学习过程来安排。
当然，我们还可以对学生的知识网络进行测查。通过脑科学的技术，现在研究者可以很好地描述大脑中的知识组织结构。比如谷歌DeepMind就和哈佛大学心理系合作，测量个体的语义知识网络，从而根据这个网络结构预测人们在学习一个词汇的时候能否记住，会犯什么样的错误。把这样的方法进行扩展，结合现在的知识分解和检测，以及个体的学习能力特征建模，可以建立一个更为精准的个性化知识空间，并发展个性化学习路径。
可以预期，通过脑科学、人工智能和人脑学习的深度融合，提高学习效率，实现个性化的高效学习是完全可行的。这是人脑智能和人工智能融合生长、相互促进的一个最好时代。