国外教育神经科学促进教师教学变革的研究与启示：从观念到技术

李 刚

(东北师范大学教育学部，吉林长春 130024)

21世纪，世界教育改革领域持续关注教师教学能力发展这一提升教学质量的关键性话题。《中国教育现代化2035》强调要深化课程改革，推行多种教学方式及教学组织模式，创新发展素质教育的有效途径。当前，教师教学相关研究已经越发系统和完善，研究边界越发清晰和明确，诸多问题已经不能仅仅依靠其本身来得到有效解决，而是需要借助其他领域的研究成果进而得到突破。近年来，国外新兴的教育神经科学得到了该领域研究者的普遍认同与大力支持。我们可以从认知神经科学角度认识教学现象、解读教学规律，进一步改善教师的教育实践成效，为我国教师教学改革提供助力。

一、教育神经科学与教师教学

随着生物科学、认知科学、发展科学等领域的相关研究成果不断地渗透到教育理论与教育实践等教育科学领域中并产生巨大影响，整合心智、脑与教育的，旨在研究人类教育现象的，文理交叉的新兴科学领域——教育神经科学(Educational Neuroscience)应运而生。教育神经科学不仅仅专注于教育政策等宏大图景的描绘，还着眼于课堂教学等教育微观样态的阐释，为推动我国教育改革与发展注入了新的活力。

(一)理解教育神经科学

1978年，Chall和Mirsky在其合著《教育与脑》一书中提到，“在21世纪，将会有把教育与神经科学这两个完全不同领域整合起来的新兴专业——教育神经科学”，[1]教育神经科学的概念被首次提出。随后，各国及相关学术机构高度重视教育神经科学的研究与发展，纷纷成立专业研究机构，如美国哈佛大学教育研究院的教育神经科学实验室、英国剑桥大学的教育神经科学研究中心、中国华东师范大学的教育神经科学研究中心等。经过多年的积累与发展，21世纪的教育神经科学研究展现出勃勃生机。Campbell将教育神经科学视为一个新的教育研究领域，而不仅仅是将认知神经科学应用于教育背景；其强调教育神经科学的重点是活着的人，而不仅仅是生理基础，不仅仅关注大脑的学习方式，还关注学习者与环境各个方面之间的相互作用。[2]一般认为，教育神经科学是综合心理学、脑科学以及教育学等不同学科不同情境中对于课堂学习行为中脑与认知各类现象的研究，从突触、神经元等微观现象到教师教学、学生学习等中观现象再到课程目标规划、教育政策制定等宏观现象等，都在教育神经科学的研究范围之内。[3]教育神经科学凝聚了多个学科领域的共同智慧，是理论驱动的研究，而非技术驱动的研究。我们可以借助神经科学中的技术手段测量脑部结构特征及其在认知过程中的脑部活动变化，在基于证据的基础上，最终促进当前教育理论与实践发生根本性的变化，指导教学过程，提高学习效率。教育神经科学进一步拓展了传统的教育研究范畴，使我们不仅仅重视对于教育规律的发现，还重视教育问题的解决。

(二)教育神经科学对教师教学的作用机理

神经科学是描述性的，其必要性研究发生在实验室，受到设备调节与限制；教师教学则是规范性的，通常发生在实际的学习环境中而不是模拟实验。神经科学所产生的描述性数据可以为规范性决策提供信息，但其本身并不能构成规范性决策。那么，从实验室到课堂的鸿沟无法跨越吗？并不是，只是没有将神经科学应用于教育的直接途径。事实上，神经科学在教育领域中发挥作用是不可否认的，但是任何一项神经科学研究成果都不能直接应用于课堂教学，其与具体课堂实践之间存在着长远距离与复杂关系。托梅尔达尔·乔迪(Tommerdahl Jodi)提出了一个从神经科学到课堂实践的有序递归的作用机制，该机制包括五个阶段，即神经科学阶段、认知神经科学阶段、心理机制阶段、教育理论阶段与课堂阶段，如图1所示。[4]

图1 教育神经科学对教师教学的作用机制

神经科学专注于大脑细胞水平的研究，认知神经科学更加专注于大脑的结构和功能，也就是说神经科学关注细胞内部和细胞之间的信息传递机制，而认知神经科学关注细胞如何协同工作从而形成负责精确活动的机制感知、检索或记忆。神经元的特定结构是认知的神经机制，认知神经科学将神经活动的结构直接作为认知的基础，如听觉、视觉等。心理机制是可以被视为从认知神经科学中抽取出来的物理实体而非功能实体，进而明晰心理机制与认知神经科学之间的界限。心理机制代表着神经群体所产生的物理表现，这些神经群体包括注意力、记忆类型、学习类型，以及归纳能力、演绎能力等机制。在教育理论阶段，教育工作者将上述发现结合到新的教育实践中去，形成新的教学理论或教学方法，并判断其是否对原有方法进行了改进。最后阶段是实施新的教学方法的课堂，检测实施效果。

二、教育神经科学视野下教师教学的观念变革

教育神经科学为教育改革带来了不一样的视角，教育工作者与科研工作者正在共同努力促成其研究成果在教育领域中的转化和应用，尤其是带给教师教学领域中教师对于教学设计以及教学评估等多种教育元素的深刻理解和进一步认识。

(一)着力于教学设计改进

教育神经科学研究指出，教学虽然在特定学科领域、特定时间范围内进行，但是其指向的是让学习者获得应该能够在任何适当的现实生活中可以使用的永久保留的记忆或联系并能够随时召回。教学本身不是目的，介绍新的内容也不是目的，重要的是学习者在教学过程中接触到更多知识和经验时可以建立更多知识网络和相互联系。[5]根据教育神经科学的发现，高级概念或者说更广义的知识往往被保留为持久的语义记忆，而不是情景记忆。鉴于有限的教学时间，教育工作者在教学过程中应涵盖重要的高级概念或概括性概念，因为其在与现有的知识网络建立连接时更好也更有效，同时减少对于具体细节或狭义知识的过度关注，让学习者留下积极的回忆而不是否定性回忆，以免学生在未来的学习中形成永久性障碍，如对于学科核心概念、学科大概念的深入挖掘和探讨。[6]详细的描述有助于学生理解，但无法帮助学生以语义记忆的形式产生意义或者持久的记忆，因为个体的记忆能力有限，当其充满了细节内容时，便很难与之前的知识建立联系。基于此，教育工作者在进行教学设计时应该使用上下文完整的句子而不是孤立的片段来突出高级概念，以便学习者在连续统一体中获得意义。

(二)着力于教学评估更新

在教育神经科学研究看来，在理想情况下，教学评估应该说明学习者是否已经形成了持久的记忆或者知识网络，评估过程应该让学习者能够使用连接多个大脑区域的额叶提供评估问题的答案。[7]教育神经科学视野下新时代的学习评估应特别考虑以下两个方面。首先，学习评估应考虑展示学习者的内隐学习，人类所学知识的大部分都是内隐的，内隐学习可以帮助学生创造新的知识、个性化的知识，[8]教育工作者在评估中应当展示学习者内隐学习的有效性，让学习者提供他们的主观回应，避免回顾事实和确切信息的联想召回型问题，评估学习者使用新颖的、开放式的概念性问题，能够更好地引导学习者学习和生活。其次，学习评估应考虑提升学习者智慧。大脑由很多不同的功能区组成，教育神经科学研究指出，学习者应使用多个大脑区域或者功能区域来解决问题，尽可能多地联结相关的神经网络，从而精细地使用额叶皮层资源，避免自动化现象的产生。[9]当学习者能够将多领域的知识以及可能领域的知识结合起来做出推论时，学习者的智慧得到大幅提升。因而在评估中，教育工作者重要的是创建复杂的问题，而非高难度的问题。

三、促进教师教学变革的技术工具——“教育神经科学+学习研究”

发展教育神经科学与教师教学的理论与实践连贯性，支持教师教学实践的理论理解已经成为当前教育神经科学研究回归实践，弥合教育神经科学与教育学鸿沟的关键落点。2019年，Amiel与Tan在其研究中指出，学习研究可以成为帮助教师发展教育神经科学素养，并将教育神经科学研究应用于教学环境以评估其对于改善学生学习有效性且发展教师应用教育神经科学实践经验的技术工具，提出了教育神经科学视野下的学习研究分析框架与实践框架，助力教师教学能力的发展，并且在实践中大获成功。[10]

(一)分析框架

Tan基于神经可塑性理念提出了对于教师教学的教育神经科学分析框架，我们将其归纳为注意和意识分析(信息识别)、记忆和学习分析(信息增强)、联结和重建分析(信息召回)三个维度进行解释。

注意和意识分析(Attention and Awareness，A-A Analysis)：信息能否进入学习者的大脑在很大程度上取决于注意，注意是一个非常重要的教学主题，受到个人期望、对于信息的兴趣，以及是否以合适的方式呈现信息等。同样的，意识对于学习有很大的影响，大脑中的边缘系统是情感和认知的连接桥梁，杏仁核用于唤起焦虑、恐惧以及喜悦等意识情感信号。[11]注意会导致大脑中的神经递质释放，这些神经递质在突触之间传递信号，进而促进学生学习，如多巴胺在奖赏情况下释放，乙酰胆碱在新颖的情况下释放。[12]De Kloet指出，学生参与同伴讨论任务能够增强学生的自信情绪，阻止抑制学习的神经递质释放，从而间接促进学生学习，如在高压力学习状态下释放的高水平的应激激素皮质醇能够抑制记忆编码和恢复。[13]该维度可以帮助教师建立有助于学习的环境，消除阻碍学习的因素，如教师根据学生兴趣定制示例、问题以及教学活动，创建经常性、和谐的思想交流氛围增加学生归属感。

记忆和学习分析(Memory and Learning，M-L Analysis)：在理论上，一个广泛分布的神经网络包含着对于某一个物体或者概念的心理表征，Caroni指出对于物体或概念进行反复接触和认知或不断感觉到外界刺激能够加强神经之间的联系，而如果长时间处于非活动状态，这种联系会减弱，对于物体或概念的信息就很难检索。[14]比如，仅仅看到玫瑰花的图片并不能获得与真正的玫瑰花进行互动那样强大的学习经验。[15]神经网络这种建立、强化以及消除联系的能力是学生记忆和学习的基础，Hebb将这个过程称为突触可塑性。[16]该维度可以用来帮助教师理解学生的记忆和学习过程，并且认识到重新审视学习对象(反思)、重视情感意义(情境)、唤起更多感官(体验)有助于加强神经网络之间的联系，提高学生对于学习对象的信息存储和提取能力，塑造学习者看待世界的方式。

联结和重组分析(Network and Review，N-R Analysis)：神经网络之间的联结越强，学生回忆学习对象的能力就越强。该维度指出，学习对象的心理表征是由较小的信息单元组成的，这些信息单元被存储在大脑的不同区域，当学习者试图回忆一个学习对象时，分布在不同区域的信息单元被重新组合。比如，玫瑰的心理表征包括形状、大小、颜色、气味等多个感官信息，这些感官信息都被独立地存储在大脑的不同部位，当学习者试图重建玫瑰概念时，大脑会将这些信息汇集在一起。相较于一种回忆形式而言，学习者对于学习对象的多重熟悉感会加深学习者的印象，增强神经网络之间的联系。该维度可以用来帮助教师调整教学策略，使用多重概念回顾形式强化学生神经网络之间的联结。

表1 教育神经科学视野下的学习研究分析框架

(二)实践框架

教育神经科学与教师教学的目的不是让教师成为教育神经科学家，而是为他们提供一定程度上的帮助，使他们能够准确地理解相关内容并解释相关现象，进而评估教育神经科学是否可以改善学生学习及其对教育工作者的有效性程度。学习研究为教育神经科学在具体教学情境中的引入、检验和应用提供了一条途径。教育神经科学框架下的学习研究(Educational Neuroscience-framed Learning Study，EN-LS)是教育神经科学指导的、教师驱动的教学行动研究，旨在解决教学活动中的具体问题，提升教师对于教学实践的理解。在这个框架中，教师将教育神经科学视为一组规定性的固定原则，需要根据教育神经科学的知识和对学生学习的不断认识来动态调整自己的教学活动。这个过程使教师能够认识到哪些教育神经科学知识是有实践价值的，提高教师理解和应用教育神经科学的能力，发展其对于教与学在理论上的连贯性。该框架在学习研究的基础上进行设计，共包含六个阶段，分别是确定目标、理论学习、教学设计、课堂教学、课后反思以及经验分享。

表2 教育神经科学视野下的学习研究实践框架

图2 教育神经科学视野下的学习研究实践流程图

教育神经科学框架下的学习研究实践框架能够有效充当教育神经科学家与教师之间的“翻译器”，从而可以大幅度改善课堂教学效果。Tan与Amiel在学习研究的实践探索中发现，有的教师根据神经网络中有关记忆和学习的神经科学机制，在教学过程中添加使用视频、iPad等更多方法以及有意义的重复来加强学生对于目标概念的联系； 有的教师基于神经科学中的关键特征思想，思考目标对象中哪些关键特征对于学生学习目标对象至关重要，并依据这些关键特征进行教学设计，提高学生对目标对象的心理表征；有的教师指出教育神经科学赋予了教学设计过程中有意义联系的价值，并强化了这样的认识。

四、教育神经科学促进教师教学变革的保障措施

教育神经科学研究是对教育现象的再考察，是对教育问题的再探索，必须要与课程、教学、教师、家庭、学校等真实教育环境元素产生互通联系，进而发挥作用与价值，其研究优势才能得以体现。因此，我们要在教育领域中创建推动教育神经科学深入发展的基础设施。

(一)创建研究型学校

教育改革的最终推动者是教育工作者，因而创建将教育工作者与研究人员聚集在一起的基础设施是非常必要的。这让我们既可以将实验室的研究成果转化到学校的具体实践，又可以将学校实践中遇到的具体问题带到实验室进行研究。Fish等人一直致力于推动类似教育与医学共享的“教学医院”模式，建立连接神经科学与教育实践的研究型学校。[17]所谓教学医院是指将医学研究与临床实践进行整合的机构，实现药物研究与医生培养的双重使命。Fisher指出，研究型学校有两类基本的运作模式：其一是使用神经科学研究成果设计整套教学方案并对学习者学习进行干预，再根据学习结果评估方案，进行方案的修正与完善；其二是根据教育实践中所遇到的教育问题，形成基于神经科学研究的设计范例，然后应用到实践中。[18]

(二)打造学习数据库

除了研究型学校以外，为学习和教学提供强有力的科学基础的基础设施还包括建立关于学习和发展的大型数据库，包括脑、遗传以及行为等方面的数据等。对于教育神经科学数据库而言，其关键是将和学习相关的生物学特征与现实环境中的学习和教学证据相结合，而不仅仅是标准化测试中的表现。为了建立功能更加强大的教育神经科学数据库，研究人员需要进行跨站点协调研究，即多站点研究。原因有三：其一，研究需要对不同的学习者进行抽样以代表学习途径及学习环境的整体情况；其二，对于人群中典型发展的纵向研究需要大量数据，这远远超出了任何一个研究中心的研究能力；其三，多站点研究能够极大地促进对于研究结果的解释，提高了数据库质量。[19]

(三)纳入教师教育课程

教师不需要成为专业的教育神经科学研究者，但需要增进教师对于教学与学生的认识，祛除错误的教学信念等。比如，从教育神经科学的角度来看，教学优化可以被描述为寻找开发大脑领域的最佳方式，学生在学习中应该利用自己的智慧而不仅仅是记忆的能力，教师在课堂教学中不一定要与现实生活中的问题相联系，重要的是让学生清楚地理解问题设置的原因以及解决方案的含义。教师可以通过口头表扬或者小礼物进一步激励学生进行深入调查，这个过程是将学习领域与学生大脑快感中心联系起来的最佳选择。再比如，我们一直认为学生以自己喜欢的学习方式(如视觉、听觉等)学习时效果更好，但事实上大脑处理不同感官的神经网络不是孤立的，而是即时交互的，教育神经科学的这项证据并不支持首选学习方式与教学方式的匹配。[20]