薛 貴 / 北京師范大學(xué)

我們正處在一個加速變化的時代。幾年前社會還在討論信息時代對人類的沖擊,轉(zhuǎn)眼間人工智能時代已經(jīng)翩然而至。在人工智能時代,通過對大腦的研究,我們?nèi)〉昧艘幌盗幸饬x非凡的成果。通過解碼大腦信號、實現(xiàn)腦機(jī)交互,我們可以讓癱瘓的人重新站起來,也能通過控制機(jī)械手臂完成喝水等行為,還能通過舌頭讓盲人恢復(fù)視覺。此外,通過揭示并模擬大腦的工作方式,我們讓機(jī)器和算法擁有智能,比如現(xiàn)在流行的深度學(xué)習(xí)算法所創(chuàng)造的阿爾法Go /Zero。

腦科學(xué)帶來了腦機(jī)交互和類腦計算的驚人成就,但其最關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域還是在塑造人腦本身。學(xué)習(xí)就是這樣一個重要的領(lǐng)域。人腦有將近870億的神經(jīng)元,每個神經(jīng)元約有1000個連接。每一秒鐘,都有數(shù)十萬新連接的建立和舊連接的“修剪”。學(xué)習(xí)活動在很大程度上決定了這些連接的命運。任何一個知識的獲取、技能的培養(yǎng)、習(xí)慣的養(yǎng)成、行為的變化、道德的形成,其背后都是對神經(jīng)連接模式的塑造。每個大腦都是具備個性化連接模式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它由先天基因和后天學(xué)習(xí)所塑造,并決定了每個人面對外界輸入的獨特反應(yīng)模式。

雖然學(xué)習(xí)對大腦有如此深刻的影響,過去幾十年腦科學(xué)的研究結(jié)果也對大腦學(xué)習(xí)機(jī)制有了較系統(tǒng)深入的研究,但其在學(xué)習(xí)中的應(yīng)用還沒有被充分認(rèn)識和有效開展。一方面,腦科學(xué)本身還是一個新興領(lǐng)域,大眾特別是教育工作者和家長對此了解并不多;另一方面,在腦科學(xué)與學(xué)習(xí)領(lǐng)域,還沒有一個簡單實用類似于深度學(xué)習(xí)的算法;最后,目前腦科學(xué)對學(xué)習(xí)的研究還是基礎(chǔ)研究為主,針對性解決日常學(xué)習(xí)問題的腦科學(xué)研究還亟待提升。這都限制了腦科學(xué)在學(xué)習(xí)領(lǐng)域中的應(yīng)用和普及。在這樣的背景下,本文擬初步探討腦科學(xué)發(fā)展帶給未來學(xué)習(xí)的潛在變革,包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)評價、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)技術(shù)幾個方面。希望能拋磚引玉,引發(fā)對腦科學(xué)的關(guān)注討論和更多真知灼見。

腦科學(xué)與學(xué)習(xí)目標(biāo)的變革

基于核心素養(yǎng)的研究成果,最近教育的課程改革提出要進(jìn)一步提高學(xué)生的綜合素質(zhì),著力發(fā)展核心素養(yǎng),并從文化基礎(chǔ)、學(xué)會學(xué)習(xí)和社會參與三個方面,為素質(zhì)教育提出細(xì)化目標(biāo)。從心理學(xué)的角度,文化基礎(chǔ)與學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)與晶體智力、流體智力有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。晶體智力和流體智力分別強(qiáng)調(diào)了知識積累和信息加工能力對問題解決的貢獻(xiàn)。腦科學(xué)的研究則關(guān)注大腦的知識獲取與表征、信息加工能力、目標(biāo)指向的執(zhí)行控制能力、情緒動機(jī)能力,與具體學(xué)科相關(guān)的基礎(chǔ)能力等。它們對應(yīng)著不同的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),也存在不同的發(fā)展軌跡。

大量實證研究表明,這些基礎(chǔ)能力是預(yù)測個體學(xué)習(xí)表現(xiàn)和社會適應(yīng)的核心指標(biāo)。比如延遲滿足能力就是一種重要的情緒動機(jī)能力,它是影響個體終生發(fā)展的重要動力因素之一。隨著快速的社會發(fā)展和知識迭代,晶體智力的相對作用會逐漸減弱,而認(rèn)知能力和情緒動機(jī)能力對個體發(fā)展會產(chǎn)生更重要的影響?，F(xiàn)代科技的發(fā)展,讓大量知識儲備可通過輔助設(shè)備（如手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)）來完成,從而深刻改變我們學(xué)習(xí)和記憶的方式,并對信息收集、分析和整合能力提出更高要求。

可以看出,心理學(xué)和腦科學(xué)從更加基礎(chǔ)的角度,剖析了與人的學(xué)習(xí)密切相關(guān)的重要能力,為認(rèn)識個體發(fā)展提供了全新的視角。另外,心理學(xué)和腦科學(xué)更強(qiáng)調(diào)立足實證數(shù)據(jù)來討論。從這個意義上講,建立個人終生發(fā)展的基因-腦-行為-環(huán)境大數(shù)據(jù)庫,對于揭示全面影響個體發(fā)展的重要能力、遺傳及環(huán)境等因素的作用,對于我們更科學(xué)確定學(xué)習(xí)目標(biāo)具有決定性意義。

腦科學(xué)與學(xué)習(xí)評價的變革

科學(xué)的評價是指導(dǎo)一切學(xué)習(xí)活動的出發(fā)點和落腳點。對應(yīng)著學(xué)習(xí)目標(biāo)的變革,學(xué)習(xí)評價也必然產(chǎn)生全面深刻的變革,體現(xiàn)在評價的內(nèi)容、方式和使用上。 在評價內(nèi)容上,目前學(xué)校還主要是以知識掌握為目標(biāo),普遍缺少對學(xué)習(xí)能力、知識獲取過程和效率的系統(tǒng)評價。在招生環(huán)節(jié),雖然能力測試特別是智商測試越來越普遍,但卻面臨著測試的理論基礎(chǔ)落后、題目形式傳統(tǒng)、測評對象有限、測評實施困難、常模更新滯后、難以重復(fù)施測等局限。這就迫切需要發(fā)展以大腦功能網(wǎng)絡(luò)和能力模塊為基礎(chǔ)的測評系統(tǒng) 。以注意力為例,注意力是學(xué)習(xí)的關(guān)鍵基礎(chǔ)能力,包括不同維度,如注意的選擇、分配和廣度,分別對應(yīng)人腦前額葉和頂葉的不同區(qū)域,測試需設(shè)計不同的任務(wù)。語文學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)能力,如字符識別、形音聯(lián)系、加工速度、閱讀理解等,也對應(yīng)不同的腦區(qū)域。閱讀困難可能是其中某個或多個系統(tǒng)存在功能缺陷的結(jié)果。因此,只有對基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)鍵能力進(jìn)行準(zhǔn)確測試,才能找出學(xué)習(xí)問題背后的真原因。

在評價方式上,應(yīng)結(jié)合新興技術(shù)手段采用基于任務(wù)的測評方式。隨著大腦測量科技的發(fā)展,一些可穿戴腦設(shè)備的快速普及和測量精度的提升,已可實現(xiàn)對個體學(xué)習(xí)狀態(tài)、過程、注意力和情緒等的測量。對于特殊個體,更專業(yè)的大腦結(jié)構(gòu)和功能測量、基因測試、基因表達(dá)測試等,可以與行為數(shù)據(jù)一起,實現(xiàn)對個體學(xué)習(xí)能力的更精準(zhǔn)表征,以及對學(xué)習(xí)困難的更準(zhǔn)確診斷。

最后,在評價的實施和使用上,需要把評價深入到學(xué)習(xí)的每個環(huán)節(jié),實現(xiàn)測評的常態(tài)化和過程化。在減小測評誤差,提高測評精度的同時,也有助于建立個體的成長性檔案。此外應(yīng)強(qiáng)化測評的診斷功能,強(qiáng)化成長性評價,通過全面診斷找出學(xué)習(xí)困難背后的真原因,進(jìn)行有針對性的訓(xùn)練,指導(dǎo)學(xué)習(xí)力的培養(yǎng)。

腦科學(xué)與學(xué)習(xí)內(nèi)容的變革

當(dāng)下學(xué)校教育還是以知識傳授為主,一些教學(xué)理念先進(jìn),資源相對充足的學(xué)校還開展各種豐富的課程,實行選班走班學(xué)習(xí)。這些課程開設(shè)的重要動機(jī),一是為因材施教,二是為提升學(xué)生綜合素質(zhì)。而這是基于“日常的教學(xué)能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力”這一假設(shè)。

雖然核心素養(yǎng)的提出,把提升學(xué)習(xí)能力作為一個重要的培養(yǎng)目標(biāo),但幾乎很少有學(xué)校開設(shè)學(xué)習(xí)能力的課程。有針對性的學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)是否可以提升學(xué)習(xí)力？以打籃球為例,籃球運動員的訓(xùn)練一般包含球場上的實戰(zhàn)對抗和健身房的力量訓(xùn)練。后一種訓(xùn)練是更基礎(chǔ)、更個性化的,卻相當(dāng)關(guān)鍵。如果肌肉力量不足,技術(shù)動作會變形,還容易受傷。大腦學(xué)習(xí)也如此,需要針對性的、分解了的基礎(chǔ)能力訓(xùn)練,才能保證我們的有效學(xué)習(xí)。以閱讀障礙為例,如果負(fù)責(zé)形音聯(lián)系的腦區(qū)功能不足,無論多少閱讀量,可能都難以提升該部分的能力,而可能只是強(qiáng)化了前額葉的補(bǔ)償機(jī)制?；诖嗽?很多機(jī)構(gòu)開發(fā)專門的形音聯(lián)系訓(xùn)練任務(wù)。比如基于Fastforword的數(shù)據(jù),學(xué)校教育能把閱讀能力提高6分左右,而專門訓(xùn)練能提高20分。類似結(jié)果在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)以及注意力困難干預(yù)中也有報道。還有研究發(fā)現(xiàn),對兒童進(jìn)行工作記憶等執(zhí)行功能的訓(xùn)練也能提升學(xué)業(yè)表現(xiàn),改善行為問題。

若以腦的學(xué)習(xí)能力為導(dǎo)向,課程設(shè)置或應(yīng)有較大變化。如對于學(xué)習(xí)能力,包括注意力、 記憶力、思維力、反應(yīng)力和自控力的培養(yǎng);對于學(xué)科基礎(chǔ)能力,包括數(shù)學(xué)中的數(shù)量加工、空間幾何能力等,語文中的形音聯(lián)系、語音語素意識等的培養(yǎng);對于積極情緒和動機(jī),包括成長性思維、習(xí)慣養(yǎng)成、決策能力、情緒調(diào)節(jié)能力等的培養(yǎng)。諸如此類都可以開發(fā)專門課程和訓(xùn)練任務(wù)來培養(yǎng)。再如體育鍛煉特別是有氧鍛煉,不僅有助于身體發(fā)育和健康,對大腦的發(fā)育、學(xué)習(xí)和記憶也價值非凡,在課程開發(fā)上也很有必要。

此外,更需要將腦科學(xué)的理念方法融入學(xué)科教育的方方面面,在充分的教育實踐基礎(chǔ)上指導(dǎo)課程設(shè)置和教學(xué)方式。最后,這樣的課程一定是個性化的,因人而異,因材施教。從這個意義上講,建立個體學(xué)習(xí)過程和能力發(fā)展大數(shù)據(jù),對教學(xué)的科學(xué)決策至關(guān)重要。

腦科學(xué)與學(xué)習(xí)方式的變革

腦科學(xué)同時對基本的學(xué)習(xí)規(guī)律和不同類型學(xué)習(xí)的特殊規(guī)律給出了指導(dǎo)。

第一個要遵循的就是大腦發(fā)育規(guī)律。出生后,人腦依次發(fā)展的區(qū)域分別是感知覺皮層、運動皮層、顳葉,最后是前額葉,其中外側(cè)前額葉發(fā)展先于內(nèi)側(cè)前額葉。學(xué)習(xí)的設(shè)計就應(yīng)基于這個腦發(fā)育規(guī)律,而不應(yīng)超前或者延遲學(xué)習(xí)的窗口。比如,0-3歲是早期語言爆發(fā)期,此時是聽覺感知能力發(fā)展的關(guān)鍵時機(jī),但提前識字、背外語單詞等都沒有遵循這一規(guī)律。小學(xué)階段是基礎(chǔ)認(rèn)知能力發(fā)展的重要時期,但有些家長只想著如何超前或額外學(xué)習(xí)。中學(xué)階段（青春期）則是情緒動機(jī)和決策能力發(fā)展的關(guān)鍵期,可這一點卻沒有得到充分科學(xué)地關(guān)注。

第二要遵循大腦分工規(guī)律。大腦中有多種不同學(xué)習(xí)系統(tǒng)：如知識學(xué)習(xí)系統(tǒng),又稱陳述性記憶,可快速獲得,也容易遺忘 ;又如一種技能性系統(tǒng),是程序性記憶,習(xí)得雖慢但可長期保存。二者具有不同的大腦神經(jīng)基礎(chǔ)。不同內(nèi)容的學(xué)習(xí)對應(yīng)不同學(xué)習(xí)方式,但我們在實踐中往往犯錯。比如語法本是技能訓(xùn)練,我們卻把它當(dāng)成一種知識來考察。結(jié)果是語法題都答對了,而一開口說話就犯錯。類似的,能力培養(yǎng)是一個慢過程,但產(chǎn)品為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)（模仿和識記）是一個相對較快的過程?，F(xiàn)在的STEM教育過多以產(chǎn)品為導(dǎo)向,并沒有真正培養(yǎng)創(chuàng)新和問題解決能力。我們的學(xué)科教育致力獲取正確答案,而忽視了知識產(chǎn)生過程的再現(xiàn)。實際上,創(chuàng)新性思維能力、問題解決能力、社會適應(yīng)能力以及領(lǐng)導(dǎo)力等的培養(yǎng)都需基于科學(xué)的大腦分工規(guī)律。

第三要遵循學(xué)習(xí)和記憶的基本規(guī)律。人腦記憶有很多重要的,有時甚至違背直覺的規(guī)律。比如,在有效學(xué)習(xí)中,大腦會呈現(xiàn)一種特定的神經(jīng)活動模式。如果你產(chǎn)生了這個模式,學(xué)習(xí)效果就好;而即使你沒在學(xué)習(xí),若通過其他手段實現(xiàn)此種模式,也能夠?qū)崿F(xiàn)鞏固記憶的效果。死記硬背、不注意休息和鍛煉,實際達(dá)不到有效學(xué)習(xí)的目的。另據(jù)研究顯示,分散的學(xué)習(xí)、以測代練和變化學(xué)習(xí)等都有助于學(xué)習(xí)的長期保持和遷移,但我們直覺會認(rèn)為這樣的學(xué)習(xí)沒有效果。這要求我們在加大對有效學(xué)習(xí)規(guī)律研究的同時,還需加強(qiáng)對學(xué)生學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)。

第四要依據(jù)情緒和動機(jī)的工作規(guī)律,注重持久強(qiáng)大動機(jī)的培養(yǎng)。當(dāng)下教學(xué)過度依賴外在動機(jī),依賴大腦意志力作為學(xué)習(xí)動力。但人的意志力是有限的,也是容易消耗的,對于發(fā)展階段的兒童尤其是挑戰(zhàn)。相反,學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在興趣才是更強(qiáng)的學(xué)習(xí)動力,需要挖掘。同時習(xí)慣也是一個非常強(qiáng)大和穩(wěn)定的動力系統(tǒng),對其值得強(qiáng)化認(rèn)識研究,發(fā)展科學(xué)的習(xí)慣養(yǎng)成方式 。

腦科學(xué)與學(xué)習(xí)技術(shù)的變革

伴隨腦科學(xué)的發(fā)展,特別是與虛擬現(xiàn)實和人工智能技術(shù)等的融合,新興科技已然開始革新現(xiàn)有學(xué)習(xí)模式。比如有公司就通過大數(shù)據(jù)分析,構(gòu)建起全面系統(tǒng)的知識空間,并根據(jù)個體能力匹配個性化知識路徑。而輔以腦科學(xué),知識空間和路徑的建構(gòu)可以更加精確。另外,通過掃描大腦,未來可以精準(zhǔn)表征個體知識體系,從而發(fā)展更符合大腦知識表征規(guī)律,更個性化的知識表征體系,制定更優(yōu)的學(xué)習(xí)路徑,從而提高學(xué)習(xí)的效率。

另外,一些基于腦的可穿戴測查手段正在不斷發(fā)展,隨著精度的提高,算法的改進(jìn),使用方便程度的提升和價格的降低,其用于日常學(xué)習(xí)的空間越來越大。比如,可以成為學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的一個過程性檢測手段,包括專注或分心狀態(tài)、放松或緊張狀態(tài)、積極或消極情緒狀態(tài)等。另外,這些指標(biāo)還能預(yù)測特定學(xué)習(xí)材料的掌握程度和保持時間,從而可以提早計劃后續(xù)復(fù)習(xí)時間;通過神經(jīng)反饋調(diào)節(jié)訓(xùn)練,可以進(jìn)一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài),改善學(xué)習(xí)效果。把這些功能整合起來,可以發(fā)展基于腦的高效學(xué)習(xí)裝置,成為學(xué)生的學(xué)習(xí)管家,在狀態(tài)好的時間學(xué)習(xí),在恰當(dāng)?shù)臅r候復(fù)習(xí),同時監(jiān)控并提升學(xué)習(xí)的狀態(tài)。這樣的科技具有非常好的前景。

除此以外,還有更多的腦科學(xué)手段可以用于學(xué)習(xí)的提升,包括藥物的手段、無損腦刺激手段、侵入式腦機(jī)接口和侵入式腦刺激等。這些技術(shù)雖然看似還離我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)很遠(yuǎn),但在一些特殊的場合也存在應(yīng)用場景,包括學(xué)習(xí)困難的矯正,特殊人才培養(yǎng)（美國正在發(fā)展類似的科學(xué)打造超級戰(zhàn)士）。另外,隨著這些技術(shù)的發(fā)展、安全性逐步提高、效果進(jìn)一步改進(jìn)和人們觀念的改變,這些認(rèn)知增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用到普通人身上的可能性也會增加。現(xiàn)在有這么多人為了美容而手術(shù),那讓自己成為更高效學(xué)習(xí)者的誘惑應(yīng)該更大。在這些科技逐步變成現(xiàn)實的時候,這里面所帶來的很多倫理問題值得深入研究。

最后,人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,必將創(chuàng)造出新的人機(jī)融合的新技術(shù),讓機(jī)器智能成為人腦的延伸和補(bǔ)充。這里面有太多的可能,比如,很多技術(shù)已經(jīng)成為我們感知和記憶能力的擴(kuò)展,包括GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等。目前,這種人機(jī)交互的方式還不是特別方便,但類似Google Glass這樣的技術(shù),可以實現(xiàn)人機(jī)的自然交互,讓你從互聯(lián)網(wǎng)搜索知識就如同從頭腦中提取知識一樣自然和方便,我們的學(xué)習(xí)方式就會發(fā)生重要的變化。另外,超過現(xiàn)有老師的私人學(xué)習(xí)顧問會出現(xiàn)。在AlphaGo和李世石比賽的時候,AlphaGo創(chuàng)造出一種人類所不能理解的思維,但李世石在第四局的時候也下出了前所未有的招數(shù)。這就是人機(jī)智能相互促進(jìn)的很好例子。這樣的科技會如何更深刻變革人類未來的學(xué)習(xí),讓我們拭目以待。

未來已來,唯變不變。在高速發(fā)展的社會,人們是被動適應(yīng),還是引領(lǐng)變化？為更好培養(yǎng)未來的人才,提前變革學(xué)習(xí)是我們唯一的選擇。習(xí)總書記在19大指出,要把教育作為中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程。黨和政府對教育的高度重視,在腦科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的重大科學(xué)布局,社會、學(xué)校和家庭在教育領(lǐng)域的積極探索,為中國在腦科學(xué)與學(xué)習(xí)領(lǐng)域引領(lǐng)世界提供了重要的基礎(chǔ)。當(dāng)然,我們也要清醒地認(rèn)識到,要實現(xiàn)這一目標(biāo)還有很長的路要走。這一方面需要國家和政府繼續(xù)加大對教育的重視和投入,特別是對腦科學(xué)與學(xué)習(xí)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究的支持。除了前沿性的自由探索,大規(guī)模隊列研究對于準(zhǔn)確揭示腦智發(fā)育規(guī)律以及遺傳和環(huán)境因素的作用具有重要價值。另外,我們也需要加強(qiáng)腦科學(xué)與學(xué)習(xí)領(lǐng)域的人才培養(yǎng),包括科研人員,包括對在校師范生、一線老師和教育管理者等進(jìn)行相關(guān)的教育。我們還需要積極實踐,謹(jǐn)慎求證,探索符合大腦規(guī)律的有效教育措施。最后,我們還需要加強(qiáng)對公眾的科學(xué)普及,讓腦科學(xué)的研究成果,基于腦的學(xué)習(xí)思想深入到每個人的腦中。