學習科學的誕生——通過認知和腦科學了解學習
【芥末翻】是芥末堆全新推出的一檔學術欄目，由芥末堆海外翻譯社群的小夥伴們助力完成。我們致力於將全球經典或是前沿的教育理念、教育技術、學習理論、實踐案例等文獻翻譯成中文，並希望能夠通過引進這類優質教育研究成果，在全球教育科學的推動下，讓更好的教育來得更快！
圖片來源：谷歌圖片；論文來源：CERI（Centre for Educational Research and Innovation）；題目：Understanding the Brain: the Birth of a Learning Science ；譯者：董倩；編輯：介一隹
本期芥末翻主要羅列了CERI（Centre for Educational Research and Innovation）在教育神經科學領域的研究成果，從簡單的原理陳述到糾正人們普遍對大腦的誤解再到牽涉到了的倫理問題，最後根據目前的研究狀況給出概括性的研究方向。
一、原理陳述
大腦是如何學習的
大腦的核心特徵---可塑性，可分為兩種：加強或減弱神經元的聯繫。這種修改的程度取決於學習的類型，而長期的學習會讓神經元之間聯繫的修改更為深刻持久。不但如此，修改的程度還取決於學習的時期，例如嬰兒期的孩子新突觸的發育即為迅猛。
後天環境的重要性
既然大腦具有可塑性，那麼影響大腦可塑性最關鍵的因素就是環境的影響力。很多日常的環境因素都對改進大腦功能有益，例如社會環境以及與之的互動性、營養的攝入、體育鍛煉、睡眠等。這些因素對教育的影響顯而易見，但卻常常被人們忽視。只有通過正確調節我們的大腦和身體，我們有可能發揮大腦可塑性的潛能來促進學習過程。
除了日常環境之外，環境中的情緒對人的影響也至關重要。我們的情緒會重塑大腦神經組織。在人們所處的社會環境中，有效地管控情緒是成為一名高效學習者的關鍵技能；自我調節能力更是行為和情緒技能中的最重要技能之一。
語言、讀寫能力與大腦
語言學習的有效性與年齡之間的存在負相關關係，一般來說，人們接觸一門語言的年齡越小，其學習的成功率越高。神經科學已經著手對比在語言學習過程中，幼兒和成年人的大腦的差異。理解大腦對語音和語義的處理過程，可以幫助我們在讀寫能力教學中採用平衡的方法。
閱讀中涉及的大腦環路大部分是跨語言共享的，但也存在一些差異，語言學習的特定方面需要激活不同功能的腦區，例如不同的解碼或單詞認知策略。字母語言「深度」學習中拼寫的重要性，深層語言（將聲音映射到富有變化的字母上），例如英語、法語，相較於淺層語言，如芬蘭語、土耳其語會其拼寫和發音會更加一致。在這種情形下，特定的大腦結構會支持人們對特定語言的閱讀。
閱讀障礙這一問題非常普遍，一般來說，閱讀障礙與大腦左半球的後方區域與有關，這個腦區受損會導致處理語言聲音元素功能受損，皮層不規則這一特徵也用作判斷閱讀障礙的標誌。神經科學正要開啟識別和干預的新方法。
算術與腦
研究表明，即使是完成非常簡單的數值運算，也需要激活大腦中很多不同部分的腦區，並且需要多個結構一起配合共同完成。僅僅是數字的簡單展示，涉及一串複雜的迴路，調動數感、視覺、語言表徵。計算則需要調用其他更為複雜的分散式網路。根據討論的問題，這些網路要隨著變化，減法主要調動下頂葉區域的腦回，而加法和乘法需要調動其他腦區。目前對高等數學的研究還不是很多，但是至少我們知道處理不同問題需要激活大腦中不同的腦區。
從腦科學的視角出發了解數學的潛在發展路徑對教學策略的設計有著積極影響。不同的教學方法會形成不同的神經通路，從而造成學習效果的差異。例如相較於現有的較為成熟的教學策略，學習訓練這種策略發展的神經通路效果較差。從神經科學發展出來的「支持」教學策略，不是僅給出學生正確或錯誤的判斷，而是提供更豐富的細節。
二、謠言粉碎機
以下是人們對大腦和學習的普遍誤解，它們成為熱門話題但沒有足夠的證據支撐。
l 我們沒有時間可以浪費，因為大腦的所有重要因素都是在三歲時就決定了。
l 有些特定的內容必須在關鍵時期教授和學習。
l 但是，我曾在書中得知，我們只開發了大腦的10%。
l 我是左腦人，她是右腦人。
l 讓我們面對現實吧——男人和男孩的大腦和女人和女孩的大腦就是不同的。
l 一個小孩的大腦只能在同一時間學習一種語言。
l 提高你的記憶力！
l 邊睡覺邊學習。睡覺的時候大腦在進行自我學習
三、教育神經科學的倫理規範與組織機構
大腦相關數據的數據的使用、影響大腦的調節性產品的使用以及人機結合的倫理與界限性問題的解決需要進一步的商榷和研究，不能因為這一新領域的重要性和未來領號發展前景而迴避現存的基本道德問題。
雖然教育神經科學還處於初級階段，但是隨著跨學科研究的戰略發展策略，它會為科學和教育界服務，走向國際視野。前沿研究機構有：日本科學技術研究所、德國烏爾姆大學神經科學與學習轉化中心、丹麥學習實驗室、英國劍橋大學的教育神經科學中心、美國哈佛大學教育學院的「心智、大腦、教育」研究所。
關鍵信息及潛在政策解讀
學習個性化和普及化體現在年齡階段上也體現個體能力上。
一方面腦研究為終身學習的整體目標提供了重要的神經科學證據支持，即教育沒有年齡歧視，更不是只針對年輕人。儘管年輕人有更強的學習能力，但神經科學證實，學習是一項終身活動並且持續時間越長，學習越有效。值得注意的是神經科學為教育提供了更為廣泛的利益，特別是人口老齡化。
另一方面，神經影像學提供； 更個性化的評估來改進學習，而非篩選和淘汰：強有力的評測機制可以用來來確定學生個性化學習特徵和初始能力，但是同時它也可能導致比現在更強力度的篩選和淘汰。
此外，確保神經科學對專業學習挑戰的貢獻，也包括對「三大障礙」（閱讀障礙、計算障礙、痴呆症）的貢獻。就最近幾年才引起人們關注的閱讀障礙為例，人們可以通過檢查聽覺皮層（有些情況是視覺皮層）是否規則這一特徵來判斷是否患有閱讀障礙，我們可以運用這一特徵在孩子很小的時候做檢測和鑒定。雖然早期干預和晚期干預都可能使閱讀障礙患者治癒，但是早期干預的成功率會更高。
四、結論和未來展望
結論
---教育神經科學不斷產生有價值的新知識來指導教育的政策和實踐
將看不見的教育觀點轉化為看的見得，例如，通過對專家和新手大腦活動模式差異的研究，幫助我們更好理解二者區別。此外，對不同年齡段大腦活動的研究，有助於規避年齡風險，實現有效的終身學習相關研究也會嘗試解釋在其他領域擅長的學生會在某一領域出現障礙的原因，並給出相應有針對性的建議。
---腦研究為終身學習的整體目標提供了重要的神經科學證據支持，特別是人口老齡化問題
大腦的可塑性指大腦由於經驗和實踐的需要，發展和改造內部結構的行為。比如當某一部分不必要時，這個部分就會退化更新。這個過程貫穿整個生命時期，也包括老年時代。越來越多的證據表明教育應該應用於公民健康的實踐中（參見CERI的「學習的社會產出」）。這個報告鞏固了關於學習具有更大效益的觀點，即通過神經科學研究發現，很多老齡化人群面臨老年痴呆症問題，可以通過學習干預來解決。
---我們需要基於身心、情感和認知相結合的整體方案
一方面，飲食、運動、睡眠方式通過對大腦功能的影響會進而對學習產生影響。另一方面，不僅情緒在大腦運轉過程中發揮著重要作用，這個過程也通過情緒影響著其他人。特別是教育當中，通過分析恐懼和壓力兩種情緒，我們發現這兩種情緒會降低人類分析能力，反之亦然，積極情緒會提升大腦的分析能力。
---我們需要更好地理解青春期（高潛力、低控制）
神經科學為青春期及其發生的變化提供了新視角，這個階段對於個人教育生涯的發展發揮著重要作用。青年人正處在青春期，他們認知能力較強（高潛力），但情感不夠成熟（低控制）。有效地管控情緒是成為一名有效學習者的關鍵技能。在年輕人青春期的關鍵時期，鑒於他們情緒的「低控制」特徵、培養他們成熟情感的價值顯得更為重要，神經科學的「情緒調節」概念將有助於學生的情感發展。
---在處理課程問題時，我們需要考慮時間和周期
現在教育神經科學引入了皮亞傑模型，同時通過「學習敏感期」的研究擴大對學習時間和周期的理解。神經科學確實認為，關於對終生存在的大腦可塑性的理解，告訴我們人民總是能打開新的知識大門。另一方面，它也給「敏感期」賦予精確界定，即個體特別擅長從事某項學習活動的最佳時期。
---神經科學可以對重大學習挑戰做出貢獻
神經科學的貢獻在於他助力研發診斷和有效干預的方法，而且很有可能用於檢測以下三種障礙上，即閱讀障礙、計算障礙、痴呆症。
---更個性化的評估來改進學習，而非選拔和淘汰
腦呈現的潛力可能會對教育產生深遠影響，也可能引發重大倫理問題。關於大腦如何運作的知識，以及大腦結構和過程如何反映學習者能力和掌握能力的相關內容，都可以作為評估傳統教學以及學習者是否處在學習關鍵期的標準。
未來展望
在未來，可以更好地理解不同類型學習的最佳學習時期，特別是在青年和老年人。這包括「敏感期」的研究，即特定學習領域的學生能力最強的最佳學習時期，例如語言學習。
了解不斷增長的知識和逐漸下降的記憶力、處理能力之間的聯繫。可以更多地研究老齡化進程，特別是在老年和中年人群中，通過研究學習能力的變化和探索如何利用學習延緩衰老。
大腦中情緒表達需要很多。接下來的調查可以借鑒心理學和神經影像學的研究，探索壓力之下的學習和記憶，需要哪些神經機制的調節。關於此調查一個具體的問題就是，青春期的情緒腦是如何與不同類型的課堂環境發生交互作用。
更好地理解環境詩如何影響調查結果，以及在不同環境中結果的適用性和可轉移性，研究者需要進一步分析適當的學習材料和特定環境之間的關鍵作用，排除那些質疑環境是否產生影響的因素。
實性研究揭示了營養是如何對大腦發育產生有益影響的，並且更多的研究表明這個影響與教育領域直接相關。未來有望在神經科學領域深入了解教育與營養、體育鍛煉、睡眠、音樂和創造性表達的相關聯繫。
在未來，應該進一步了解學生人群（尤其是性別）和社會文化差異，但它也是一個誤解的雷區。神經科學當然不應該納入種族主義或性別歧視的固有定型觀念。
神經科學對進一步建立大腦中數學差異化圖譜是非常有用的，這種分析圖譜是建立在對可分離技能和大腦功能以及二者互聯性的基礎上。 藉此分析圖譜，幫助學習者識別克服「數學焦慮」。
理解不同的大腦活動：神經網路、認知功能和記憶的作用。再真實情境中，比較專家和一般學習者的差異，這將有助於明確成功學習的原理、發線有效且有針對性的教學方法。
相關名詞：
生物神經網路(Biological neural network):一般指生物的大腦神經元，細胞，觸點等組成的網路，用於產生生物的意識，幫助生物進行思考和行動。
閱讀障礙(Dyslexia、reading disorder、alexia)：閱讀障礙症簡單說來它是一種大腦綜合處理視覺和聽覺信息不能協調而引起的一種閱讀和拼寫障礙症。要特別注意區分它和那種因為智力低下而引起的閱讀障礙症，相反很多患者是智商極高，甚至包括天才型的人。象達芬奇，愛迪生，愛因斯坦，肯尼迪在兒童時代都被認為成績極差的「笨孩子」，最後科學家發現他們都屬於閱讀障礙症的典型例子。它的表現特徵主要反映在識字閱讀方面，其原因也是複雜而多面的，但兒童時期可以進行科學的矯正。
計算障礙（Dyscalculia)：計算障礙亦稱「失算症」或「計算不能」，是指數學符號認識和運用障礙。
痴呆症（Dementia）：稱失智症，其字來自拉丁語（de-意指「遠離」 + mens意指「心智」）。是腦部疾病的其中一類，此症導致思考能力和記憶力長期而逐漸地退化，並使個人日常生活功能受到影響。
>>聲明
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