摘要神經(jīng)教育學將腦科學與教育學的跨學科轉(zhuǎn)化研究成果應用于教育實踐，有利于探索更有效的學習方法、教學方法和評價方法。在實踐中，神經(jīng)教育學研究通過在學校建立評測實驗室，構(gòu)建以神經(jīng)生化檢測分析、生理信號檢測與分析、行為分析三大數(shù)據(jù)采集技術(shù)為基礎的腦智發(fā)展評估平臺，獲取學生關鍵能力評估數(shù)據(jù)、學生課堂行為數(shù)據(jù)、學習過程性評價數(shù)據(jù)，建立學生個性化發(fā)展數(shù)據(jù)庫和評估模型，研究創(chuàng)新人才培養(yǎng)和個性化教育，促進基于實證的教育學研究。

關鍵詞神經(jīng)教育學；腦科學；腦智發(fā)展評估；關鍵腦智；神經(jīng)生化檢測分析；生理信號檢測與分析；行為分析

中圖分類號G63

文獻標識碼B

文章編號1002-2384（2018）05-0017-04

教育實質(zhì)上是對人腦的建構(gòu)，因此創(chuàng)新人才成長規(guī)律的研究必須建立在正確理解人腦發(fā)育規(guī)律的基礎之上。但遺憾的是，我國的教育研究者和實踐工作者很少將教育與腦科學研究的最新成果相結(jié)合，因此在我國迫切需要支持開展腦科學與教育學的跨學科轉(zhuǎn)化研究，為推動教育實踐和教育政策制定提供實證基礎 。

一、神經(jīng)教育學的跨學科轉(zhuǎn)化研究正在成為熱點

近2 0年來，腦科學獲得了飛速發(fā)展，為教育學的發(fā)展帶來了難得的發(fā)展機遇。神經(jīng)教育學（Neuroeducation）就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的，它正在引領教育科學研究方法的革命性變革，受到西方發(fā)達國家政府、國際學術(shù)界和教育界的高度關注。

目前國際上已經(jīng)形成了以國際經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）的教育研究和革新中心（OECD-CERI）、心智-腦科學-教育學會（Mind，Brain and Education）為核心的兩大全球性神經(jīng)教育學研究網(wǎng)絡。教育研究和革新中心在世界范圍內(nèi)組織了三個研究神經(jīng)教育學的國際研究網(wǎng)絡，分別從腦與語言能力發(fā)展、腦與數(shù)學能力發(fā)展、腦與終身學習三個方面研究腦的工作機制和神經(jīng)教育學，促進科學家、教育實踐者和政策制定者之間的合作，目的是使教育決策更加科學化，推動整個教育的發(fā)展和改革的深化。2003年11月7日在羅馬召開的“心智-腦科學-教育”大會，也同樣強調(diào)必須在神經(jīng)科學研究和教育之間架設一座轉(zhuǎn)化研究的橋梁，以使腦科學研究成果能為教育實踐和教育政策的制定提供指導。

在神經(jīng)教育學促進教育改革和實踐方面，眾多發(fā)達國家紛紛制訂了國家計劃。比如：日本將神經(jīng)教育學研究的最新成果廣泛應用于幼兒教育和青少年學習等，并已對14000名兒童進行全方位跟蹤，力求通過此項研究全面提升日本國民的綜合素質(zhì)。德國、瑞士、法國、荷蘭和西班牙等國政府也紛紛制訂國家計劃，撥付專項經(jīng)費，成立各具特點的研究機構(gòu)，加入教育研究和革新中心神經(jīng)教育學研究計劃，推進神經(jīng)教育學的研究和轉(zhuǎn)化應用。

在儀器研制和產(chǎn)業(yè)推廣方面，以日本日立公司為代表的工業(yè)界積極參與到神經(jīng)教育學的相關產(chǎn)業(yè)布局中來，已經(jīng)投入了大量資金研制支撐腦科學研究的儀器，并已用于兒童發(fā)展與學習科學研究中。第一批可用于幼兒腦功能研究的近紅外腦成像儀（fNIRS）已投放市場。

國內(nèi)神經(jīng)教育學的研究自2001年起在韋鈺院士的積極號召和推動下也取得了一些進展。韋鈺院士于2002年在東南大學建立了我國第一個學習科學研究中心，于2005年創(chuàng)建了兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室，并于2017年4月27日創(chuàng)建了我國第一個專門從事神經(jīng)教育學研究的學術(shù)組織—中國認知科學學會神經(jīng)教育學分會。在韋鈺院士的帶領下，東南大學研制出包括兒童青少年腦智發(fā)展評估系統(tǒng)、個體化形成性測評系統(tǒng)、課堂教學實時監(jiān)測與評估系統(tǒng)、神經(jīng)信息反饋系統(tǒng)等一系列兒童青少年發(fā)展評估與個性化教育儀器，并將其應用于教育實踐。

二、腦智發(fā)展評估的原理、方法和技術(shù)

人的腦智發(fā)展是一個連續(xù)的且具有個體差異的過程，受到基因和環(huán)境的不斷相互作用影響，并存在一些發(fā)展關鍵期或者敏感期。東南大學在韋鈺院士的帶領下，依托生物醫(yī)學工程學科系統(tǒng)開展了從基因、神經(jīng)遞質(zhì)、腦功能、生理、心理到行為的多層次跨學科轉(zhuǎn)化研究，對執(zhí)行功能、社會情緒能力、創(chuàng)新能力、決策能力等腦智進行了多學科和多層次的整合研究，并構(gòu)建了以神經(jīng)生化檢測分析、生理信號檢測與分析、行為分析三大數(shù)據(jù)采集技術(shù)為基礎的腦智發(fā)展評估平臺。

1. 神經(jīng)生化檢測與分析

神經(jīng)生化檢測是定量研究精神過程的有效途徑。目前神經(jīng)生化檢測在生物樣本的選擇上大多選擇的是血液，但這顯然會在教育實踐中遇到諸多不便，而且抽血本身會引起應激反應，對檢測結(jié)果造成一定的干擾。為了便于此項技術(shù)在教育中的實踐應用，生物樣本最好選擇無創(chuàng)傷的生物樣本，如唾液、尿液等。但與此同時，這些無創(chuàng)傷的生物樣本中能反映精神過程的相關物質(zhì)在體內(nèi)含量極低，且易受樣品中其他內(nèi)源性物質(zhì)的干擾，給檢測帶來了巨大挑戰(zhàn)。

課題組圍繞人體自主神經(jīng)系統(tǒng)（包括交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)、下丘腦-垂體-腎上腺軸兩個系統(tǒng)功能），選取唾液和頭發(fā)為樣本，將課題組發(fā)明的納米專利技術(shù)引入到神經(jīng)活性分子的篩選與檢測研究中，大大提升了神經(jīng)生物活性分子檢測靈敏度，可以實現(xiàn)對唾液和頭發(fā)中多種生物標志物的檢測與比較研究，尋找確定社會情緒能力評測的關鍵生化指標體系。

由于唾液和頭發(fā)等生物樣本取樣方便、無創(chuàng)，因此課題組發(fā)展的無創(chuàng)神經(jīng)生化檢測技術(shù)與方法將對神經(jīng)相關生化指標的檢測產(chǎn)生巨大影響，將極大地促進人們更為深入地揭示和理解精神生化過程，推動精神生化測量領域的新發(fā)展。

2. 生理信號檢測與分析

潛在具備用于腦智發(fā)展評估的生理信號十分廣泛，典型的信號包括功能核磁共振（fMRI）、近紅外腦成像（fNIRS）、腦磁圖（MEG）、腦電（EEG）、眼動信號、身體姿態(tài)和體位信號、心電信號、肌電信號、心音信號、心率信號、體溫信號、呼吸信號、血壓信號等。雖然近年來國內(nèi)外在認知功能的神經(jīng)機制研究方面取得了長足進展，但對于如何利用生理信號，特別是功能核磁共振、近紅外腦成像、腦磁圖、腦電等與腦功能直接相關的信號，進行腦智發(fā)展的評估尚未取得系統(tǒng)性進展。

針對執(zhí)行功能、社會情緒能力、創(chuàng)新能力、決策能力等腦智的評估，課題組運用大數(shù)據(jù)和智能網(wǎng)絡搜索來整合腦科學研究成果和數(shù)據(jù)，嘗試建立了一些可用于腦智發(fā)展評估的標準測試范式和信號分析方法。例如：通過腦電或近紅外腦成像的額葉偏側(cè)化來預測個體的情緒調(diào)節(jié)能力；通過P300幅值來預測個體的抑制能力；通過楔前葉和右側(cè)的顳-頂聯(lián)合區(qū)的激活程度來預測個體的創(chuàng)新能力；通過心率變異性來預測個體的情緒調(diào)節(jié)能力；通過近紅外多人跨腦掃描數(shù)據(jù)來預測個體的社會情緒能力；利用腦電β波和θ波的功率譜來預測個體的注意力水平。

3. 行為分析

可用于行為評定的問卷、量表和操作十分廣泛，但它們大多測試的生態(tài)效度差，而且在本土化以及常模的樣本量等方面均存在一些不足。課題組通過大數(shù)據(jù)和智能網(wǎng)絡搜索來整合行為評定的研究成果和數(shù)據(jù)，借助情境化設計理念，建立可用于腦智發(fā)展評估的一系列測試范式和數(shù)據(jù)分析方法，并在全國十多個省市進行了大樣本量的實測，獲得了不同年齡的測評數(shù)據(jù)。在此基礎上，課題組獲得了全國性的大數(shù)據(jù)和常模，并分析和篩選出了適合我國中小學不同年齡、具有高敏感性的標準化測試工具和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法。

此外，課題組還應用先進的視頻分析技術(shù)，對學生在課堂上的學習行為進行監(jiān)測，實時掌握學生在課堂上的認知與情緒狀態(tài)，指導教師調(diào)整教學內(nèi)容和教學方法。為保證評測的生態(tài)性，課題組嘗試通過智能坐墊采集學生的體動、心率、呼吸率等數(shù)據(jù)，通過智能攝像頭采集學生的專注力指數(shù)和快樂指數(shù)等數(shù)據(jù)，并嘗試將這些數(shù)據(jù)運用到教育教學當中，為評價教師教學和學生學習提供更有效的工具。

三、腦智發(fā)展評估促進教育實證研究

在實際應用過程中，我們分別利用神經(jīng)生化檢測分析、生理信號檢測與分析、行為分析這三大數(shù)據(jù)采集平臺獲得評測數(shù)據(jù)，并進而形成“生理-生化-行為”跨模態(tài)數(shù)據(jù)集。在此基礎上，我們積累和研究兒童青少年關鍵腦智發(fā)展的基本數(shù)據(jù)，建立以學生為中心的兒童青少年關鍵腦智發(fā)展數(shù)據(jù)庫，以研究兒童青少年關鍵腦智發(fā)展規(guī)律和過程，并可了解兒童青少年關鍵腦智發(fā)展的區(qū)域差異、城鄉(xiāng)差異、發(fā)展均衡性以及性別差異。利用這一數(shù)據(jù)庫，我們還可進一步分析教師教學方法、家庭教育養(yǎng)育環(huán)境等各種因素對兒童青少年關鍵腦智發(fā)展的影響，為學生關鍵腦智的開發(fā)和教育評價提供基于實證的科學方法，為創(chuàng)新人才的早期鑒別與干預提供實證基礎，促進教育研究方法、學習方式和學生綜合評價發(fā)生深刻變革。在醫(yī)生的配合下，利用兒童青少年關鍵腦智發(fā)展數(shù)據(jù)庫還可以對問題行為（包括多動癥、學習困難、社交障礙、網(wǎng)癮等）學生進行早期鑒別。受篇幅所限，本文僅選取下面兩個案例來進一步展示腦科學轉(zhuǎn)化研究成果對教育實證研究的促進。

圖1給出了某學生的認知功能發(fā)展評估結(jié)果，其中常模分數(shù)設定為90。數(shù)據(jù)顯示：該學生的注意力、短時記憶、抑制控制、工作記憶、言語流暢性幾大指標發(fā)展優(yōu)勢明顯，但該生的認知靈活性以及認知與決策兩大能力存在發(fā)展短板。這些評測結(jié)果為精準的個性化教育提供了實證數(shù)據(jù)和科學依據(jù)，使真正的因材施教成為可能。

圖2給出了某小學學生的認知能力發(fā)展概況。數(shù)據(jù)顯示：（1）該小學學生的認知功能綜合發(fā)展指數(shù)隨年級增加呈現(xiàn)上升趨勢，且均優(yōu)于常模水平，這表明該小學學生的認知功能發(fā)展優(yōu)勢明顯。（2）該小學四年級學生的認知功能綜合發(fā)展優(yōu)勢達到最大，三年級學生發(fā)展優(yōu)勢相對最不突出，而一年級學生的發(fā)展優(yōu)勢處于相當高的水平（六個年級中排第三）。針對上述分析結(jié)果，筆者通過與該學校師生進行深入交流，結(jié)合學校的實際情況，最后找到了出現(xiàn)上述情況的可能原因，為學校下一步教學改革提供了方向性指導。

借助腦智發(fā)展評估方法，我們不僅可以獲得每個學生的發(fā)展狀況，提供精準的個性化教育建議，更重要的是，通過匯集每個學生的發(fā)展數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可實現(xiàn)對學校和區(qū)域教育質(zhì)量的監(jiān)測。比如：在教育局層面，我們借此可以分析區(qū)域教育發(fā)展均衡性、學校發(fā)展差異、特色學校的“外顯指標”（在腦智的哪方面有突出優(yōu)勢）、需要特別關注學校的名單等；在學校層面，我們可以分析學校學生發(fā)展均衡性、各年級學生發(fā)展的差異和優(yōu)勢、每個年級各班級學生發(fā)展的差異和優(yōu)勢、需要特別關注學生的名單等。針對腦智發(fā)展存在不足的學生，課題組還專門開發(fā)了行為控制、行為習慣養(yǎng)成、認知靈活性、專注力等方面的訓練課程，通過游戲化的訓練方式提升學生的各項認知能力。

將腦科學成果應用于教育實踐實際上是一種教育學研究的新范式，展示了一種基于實證的教育研究方法，通過將專業(yè)的智慧與科學的實證研究相結(jié)合，有效地支持教育方法的革新和教育政策的制定。我們相信神經(jīng)教育學將引領未來教育學研究方法的革命性變革，將改變學習模式、教學模式和教師的培養(yǎng)模式，改變父母對孩子的教養(yǎng)方式，并最終改變國家教育政策的制定模式。

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注釋：

① 本文系國家自然科學基金項目“基于腦網(wǎng)絡拓撲估計的中國兒童社會情緒能力評測研究”（項目編號：61273224）和“基于近紅外腦功能成像技術(shù)的孤獨癥譜系障礙兒童社會功能評估”（項目編號：61673113）的研究成果之一。