脑科学研究告诉我们什么

刘文利  孙静茹（北师大脑与认知科学研究院）

    大脑是人类学习和创造的生理基础，教育必须遵循大脑发育的规律，帮助儿童塑造大脑，让大脑朝着健康的方向发展。但是，理解大脑是一件困难的事，大脑是宇宙间已知的最复杂、最精致的器官，复杂、精致到“无与伦比”。大脑的结构和功能始终是自然科学研究中最具挑战也最具魅力的课题。

脑科学研究告诉我们的

   脑科学研究的主要任务是了解大脑的神经细胞如何活动，其次是探究环境与教育经验如何影射脑的活动。随着脑科学研究的不断深入，其揭示的事实将对教育产生深远影响。

大脑是可塑的

    脑科学研究告诉我们：大脑是可塑的。大脑可塑性是指大脑可以被环境和经验所修饰，具有在外界环境和经验的作用下塑造大脑结构和功能的能力。大脑的可塑性分为结构可塑性和功能可塑性。

   大脑的基本组成单位是神经细胞，又叫神经元。大脑约由1000亿个神经元组成。每个神经元有树突、胞体和轴突。树突负责加工整合信息，轴突负责把这些信息传递给下一个神经元。神经元与神经元之间的连接是靠“突触”完成的。大脑的结构可塑性就是指大脑内部的神经元和突触之间的可以经由学习和经验的影响而建立新的连接，从而影响个体行为。

    人脑的高级功能中枢主要集中在大皮层。利用大脑表面的裂和沟，研究者把大脑皮层划分为枕叶、颞叶、顶叶和额叶等四个区域。这些区域有相对明确的“责任”分工，枕叶主要负责视觉功能，颞叶主要负责听觉、视觉整合及记忆功能，顶叶主要负责躯体感觉整合及空间视觉整合功能，额叶主要与思维、判断、推理、决策等有关。这些区域虽然有分工，但在完成许多高级功能时需共同参与、彼此协作，使大脑形成一个“完整”的“工作网络”。大脑的功能可塑性可以理解为通过学习和训练，大脑某一区域的功能可以由邻近的脑区代替，也表现为脑损伤患者在经过学习，训练后，脑功能可在一定程度上得到恢复。

大脑的可塑性与年龄密切相关

   近年来，有科学家提出 人脑的发育有三个高峰期。其中，第一个高峰期是在胎儿时期，高端是在母亲受孕3——4个月的时候；第二个高峰期是0——6岁，高端是2——3岁；第三个高峰期是12——18岁，高端期是14——15岁。在大脑发育的高峰期内，其功能和结构特别容易受环境和经验的影响，可塑性水平最高，敏感性最强。大大脑可塑性的敏感期内，若有良性、丰富的环境信息刺激，可以改变神经元的大小、脑结构总质量和突触的数目，增加神经元之间的有效连接和轴突髓鞘化的形成。

   现代神经科学认为，大脑是一个动态发展的过程。，大脑的结构和功能在经过敏感期后，甚至在完全发育成熟后，仍然保持着相当程度的可塑性。在人的一生中，为了不断适应新的变化和需求，大脑一直在“重建”自身。基础教育阶段是儿童大脑发展的重要阶段，是教育“重塑”大脑大有可为的阶段。

丰富的环境刺激有利于大脑发育

   在与环境接触的过程中，神经元在经验和刺激下，突触增多，使脑神经的连接网络更加丰富。人脑就是基于个体自身的经验来创设新的连接，以实现功能重塑与不断发展。大脑的容量不仅取决于人的一生中随基因程序和生活经验发展起来的神经元之间的功能连接。对于正常人脑而言，大脑高级皮质功能的可塑性是学习和经验积累的结果。运动技巧的学习和丰富的环境因素可引起突触数量的增加和树突的增长，学习和经验可使高级皮质代表区增大。

   最近，一个国际科学家小组研究发现，在学习过程中，复杂的生化信号可以协调神经网络中的一些快慢变化，从而保持大脑的平衡，让大脑通过感官从环境中提取和存储新的信息。在学习时，大脑面对未知的新体验，会在同时达到较高的灵敏度和稳定性的需求中获得平衡。

   环境对个体大脑的发展具有非常重要的作用。丰富的环境刺激和经验可促进大脑的功能发育，剥夺环境刺激将严重阻碍儿童的脑发育。研究表明，不玩耍的孩子的脑比正常同龄孩子的脑小20%左右。一系列以观察或实验为依据的研究结果表明，可塑性的神经元会在受到教育干预时发生变化。

学习可以促进大脑的生长与发展

   学习属于高级神经活动或脑的高级功能。研究发现，学习可以增强大脑皮层某一功能代表区的活跃程度，促使大脑皮层重新组合。

实验教学可以培养儿童的形象思维

   大脑主要包括左右两个半球，两个半球相互合作。对大部分人来说，左脑是处理语言信息，进行抽象思维和逻辑思维的神经中枢；右脑主要处理表象信息，负责非逻辑的或形象化、直觉式的思维，主管人们的视觉、知觉、空间感觉、形象记忆、模式识别、身体感受和情绪反应等。右脑的这些特点可以进一步概括为非言语性、形象化和直觉性。

   在传统教学中，我们更注重学生的逻辑思维能力的培养。实际上，通过合适的右脑思维思维训练，能够培养学生的形象思维能力。形象思维以事物的形象（表象）为思维材料，是事物的本质和事物之间规律性的关系在人们头脑中间接的、概括性的反映，具有形象性、概括性、运动性和创造性等特征。学生在想象和联想的过程中，可以顺利地将抽象的结构和形象的模型联系起来，通过类比学习来减轻记忆的负担。这也是提高学生想象力和创造力，促进学生全面发展的重要途径。

   中小学有许多实验内容有助于学生形象思维的发展。以高中生物教学为例，为了帮助学生理解一些物质的结构，经常涉及模型的构建，即进行“建模”实验，如DNA双螺旋结构模型、细胞膜流动镶嵌模型、真核细胞的三维结构模型的制作等。研究表明，在“建模”实验教学中可以触发儿童的形象思维。

动手操作能够刺激大脑的不同区域

    儿童通过视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉等五种感觉器官获得各种环境信息刺激，由此诱发儿童大脑中新树突和突触的形成，同时促进神经环路的修饰。神经环路使用频率的增加，促进更多新突触的形成，增加神经元之间的有效连接，增加大脑内信息的输入和储存。

   大脑是高级神经中枢，人们可以通过各种操作来满足生存需要，认识各种事物，学习各种知识，创造和使用各种工具，从而引发大脑的思维。大量研究表明，动作、操作为儿童提供了许多认识各种事物和社会环境的机会，在解决问题的过程中，使儿童获得新的经验，改变儿童与环境互动方式，从而促进儿童的大脑发育。

空间认知能力可以通过学习来改变

   美国学者凯瑟琳·辛普森研究发现，伦敦中心的交通线路错综复杂，数以千计的车辆挤在路上。其中黑色出租车司机以伦敦中心地理位置的全面认识而闻名。比如，他们知道每个建筑的地点，知道怎样从一个地方到另一个地方，途中会经过什么商店等。这是因为，英国法律规定，要考取出租车执照，考试者需要花长达四年的时间上课，并骑着小型摩托车或自行车在伦敦市中心熟悉路况。

   研究显示，这些考试者脑部海马区后方的体积比对照组大，而且这个体积会随着他们学习时间的延长而显著增大。即工作经验越久的司机，脑内相关的这个区域就越大。与此同时，海马区的前方会变小，可能是为了给后方的生长腾出空间。这些变化说明，可以通过学习来提高人的空间认知能力。

工作记忆是一种有效的信息储存机制

   工作记忆是一种对信息进行暂时性加工和储存的记忆系统，包含一个中央执行部分和两个从属的子系统（也称为两个缓冲区）。在科学教育中，理解、思维等高级认知活动更需要一个暂时的信息加工和存储机制，保存被激活的信息表征，为下一步加工作准备，工作记忆就是这样一种有效的信息存储机制。工作记忆容量大的学生会尽力去理解科学知识，如概念、规律、原理等，相对而言，工作记忆容量小的学生则努力去记住科学知识。

   研究表明，对科学学科学习兴趣低的学生，其工作记忆容量较小，而工作记忆容量小的学生对科学学科的喜爱程度也较低。由此可见，工作记忆是影响学生学习科学学科的重要因素。正如荷兰学者保罗·柯尔斯克纳所言，科学教育若想得到发展，必须在科学、学习及评价过程中融入工作记忆因素，否则再多的努力也无法解决学习者学习科学的困难。因而，在教学中，教师要不断扩大学生的工作记忆容量，促进学生科学学习。

脑科学研究对教育的启示

   学习既是一个复杂的生物现象，又是一个体现多元文化的社会现象，不仅与神经结构和功能之间存在相互作用与影响，还涉及心理、社会、文化、传统等方面。脑科学研究对理解学习的本质和规律，揭示大脑学习的奥秘具有重要意义，并且将影响教育的科学化进程。

在大脑发育的不同阶段采取相应的教育策略

   教师要充分利用脑可塑性的发展规律，重视儿童的早期教育。脑科学研究表明，在个体发展的生命全程，大脑都具有一定的可塑性，然而在个体发展的不同阶段，脑的可塑性也不尽相同，而且脑部不同区域的发展也并不同步。这就要求我们在大脑发育的不同阶段采取相应的教育策略促进儿童大脑的发展。

   幼儿处于大脑发育的敏感时期，脑的可塑性较强进行早期教育或及时干预的效果更好。父母和幼儿园老师要注意对孩子运动、语言等能力的培养，经常带孩子到大自然中多运动，多与孩子交流，多认识各种事物，通过五种感觉器官感知世界，刺激大脑的相关区域。

   对小学 阶段的学生，教师要尽可能利用参与式教学方法，如游戏、角色扮演等，让学生在形象、生动的游戏活动中通过多种感觉器官获取信息。还可以设置多种情境，给学生尝试解决问题、锻炼各种能力的机会，在这个过程中，注意培养学生认真思考问题、清晰表达自己、准确理解他人的能力。

   中学阶段，教师要尽量让学生通过各门课程的学习和各项活动的参与得到全面发展。人的各种认知和思维活动依赖全脑的协调活动，通过运动、语言、数学、科学、艺术等方面的学习，可以让大学生的大脑受到多样性刺激，促进学生大亨的均衡发展。

   教师要根据学生大脑的发展规律，综合制订有利、有效的教育方案或干预措施，真正 帮助学生实现健康成长。

增加动手操作教学环节

   儿童的动手能力会随着大脑的发育、动作经验的丰富而逐步发展，手部经常运动，特别是手部的精细动作对大脑的发育和智力的发展具有促进作用。儿童动手做事情时，手的动作是大大脑的支配下进行的，是观察力、注意力、控制力、联想力、空间认知能力的综合运用过程。同时，手的动作又反过来刺激大脑的支配能力，促进大脑各功能区的发展，从而加速脑神经的成熟与发展。在基础教育阶段，教师要创设合适的教学环境，尽可能多让儿童动手制作，以刺激儿童的大脑发育。

   科学教育可以为学生提供很多动手操作的机会，在设计实验方案、寻找实验材料、操作实验仪器、探究实验过程、分析实验结果等一系列动手动脑的活动中，大脑的各部位都受到相应的刺激。教师在为学生创设的科学探究活动中，尽量让学生多动手，而不是为了“节省”课时，急于告诉学生所谓的“正确答案”，或让学生“死亡硬背”实验内容和实验结论。

创设良好的教育环境

    脑的可塑性贯穿在儿童发展的全程，甚至人的一生。环境和教育经验在人的一生中都会对大脑产生积极或消极影响。教育的任务就是要为儿童的大脑发展提供有利的环境。良好的教育环境，不仅包括校园景观、教室布置、图书资料、教学仪器、教学设备等，还包括儿童学习的人文环境，如师生关系、生生关系、家校关系等。教师要尊重学生，满足学生的求知欲望和社会交往需要，以爱心和耐心回应学生的各种需求。在基础教育阶段，一个安全、没有欺凌、彼此关怀、能够正常表达人类情感和需求的校园环境，有利于儿童的大脑发育，也有利于儿童的健康成长。