我们怎样学习：神经科学的视角

张军凤

我们怎样学习：神经科学的视角

张军凤

对于神经科学而言，人就是脑。学习的内部机制是信息的脑加工过程引起脑内结构的改变。我们的心智是一个网络系统，学习即网络的形成，知识以网络的形式储存于我们的头脑中。脑的发育和成熟及环境对脑的影响是我们实现有效学习的根本保障。学习的个体差异性从根本上源于脑的个体差异性。

学习；神经科学；脑

农业革命、工业革命、信息革命给人类社会带来了革新式的变化，技术改变了我们的生活，我们也一次又一次地对一个崭新的世界翘首以盼。有人说，我们即将迎来第四次革命，即由神经科技引起的革命。随着神经科学的蓬勃发展，我们对人体的一个重要器官——脑有了更为精确的认知。利用神经科学的研究成果，采用神经科学的方法对学习进行研究，既搭起了学习科学与脑科学的桥梁，也为我们的教学实践提供了坚实的科学理论。

一、学习的内部机制：信息的脑加工过程引起脑内结构的改变

对于神经科学而言，人就是脑。假如A的脑被移植到了B的身体里面，神经科学家不认为是B得到了一个新的脑，而是认为A得到了一个新的身体。神经科学家会把学习看作是脑在学习，在他们看来，学习就是信息的脑加工过程，包括脑对信息的感知、处理和整合，在这个过程中会伴随发生脑内结构的改变。

脑是由大量神经元和神经胶质细胞组成的，它们构成了脑的基本单位。胎儿期是脑发育最快的时候，在这个时候，脑每分钟产生大约250000个神经元。到婴儿出生的时候，脑已经包含了一生之中的大部分神经细胞，有150～320亿个。成人的脑中包含大约1000亿个神经元以及10倍于它的胶质细胞。神经元之间相互连接，每个神经元通常会与几千个神经元相连。神经元之间时而建立连接并得到加强，时而连接变弱并最终消失。脑的学习能力不仅受神经元的数量影响，也受神经联结的强度及依此形成的相应结构的稳定性的影响。“脑物理结构的改变是通过强化、减弱和消除原有神经联结，产生新的神经联结实现的。结构改变的程度取决于学习的类型：学习时间越长，结构改变越显著”。［1］（34）

神经科学家认为学习是脑对刺激产生的反应。的确，我们的脑会随着我们的经验而改变，这是学习发生的基本机制。这里的经验主要指的非基因因素，在大多数情况下指的是环境。我们把脑适应环境要求的能力称为可塑性。脑能够学习是因为其具有可塑性。可塑性的脑生理机制在于，经验塑造了神经元的连接，连接一旦形成，就将接受功能测试，此后或者不断得到强化，或者被不可逆转地删除。神经联结的增加或减少说明了脑的可塑性的提升或下降。通常意义上，可塑性可分为两种：一种是经验期待型，指的是遗传倾向所引起的脑结构改变，发生于我们人的较早时期，例如，有研究证实婴儿在一个月大的时候就能注意到周围物体的数量，等到稍大一些的时候他们就能进行数字运算。经验期待型可塑性启发我们：教育不是始于一块“白板”，而是建立在婴儿对内部以及外部环境的先天知识的基础之上，这是因为婴儿的脑天生就被赋予了一个庞大的让人难以置信的信息宝库。另一种是经验依赖型可塑性，指面对复杂环境时发生的脑结构的改变，它在一生之中都能发生。例如，如果让被试练习某种特定视觉特征的识别，经过一段时间，他们在这一特定知觉任务上的成绩会得到提高，这种能力的提高依赖于视觉皮层神经元反应属性的改变。经验依赖型可塑性启发我们：每个人都有学习的潜能，都有终身学习的能力，只不过在人的不同阶段的学习方式可能不同。

二、我们怎样学习：心智的神经科学隐喻

不管我们以何种理论来定义学习，学习必然体现为一个过程，在这个过程中，我们在观念、思想、潜能乃至行为上有了新的收获，或者说发生了改变。“理论就是一套用于解释现象的科学原理”。［2］各种学习理论都企图对学习过程作出权威、合理的解释，以形象地让我们知晓我们的心智是如何进行学习的。

行为主义学习理论认为我们的心智是一个黑箱。该理论认为我们没有必要用思想、情感之类的内部事件来解释学习，虽然这些内部事件是客观存在的，但是我们不能完全知道真正发生了什么。我们关注行为，根据环境中的事件即可观察的思想和认知的表现来说明学习过程。社会认知学习理论主张把我们的心智看作一台录像机。我们的学习发生在社会环境中，我们通过对他人的观察、模仿进行学习。知识成为一种符号表征，引领我们从事各种活动。信息加工理论认为我们的心智看起来更像是一台计算机。我们接受从环境中输入的信息，对其进行编码，并在短时记忆中对它们进行处理，再把它们保存到长时记忆中，在需要的时候提取出来。建构主义学习理论认为我们的心智建构我们自己的知识。我们并不自动获得知识，而是通过主动接受环境的影响，并根据我们自己的理解而主动建构形成个体化的知识。

神经科学与上述学习理论不同，认为我们的心智是一个网络系统。在我们刚刚来到这个世界的时候，我们脑内的神经元就建立起了联系，组成了广泛的网络系统，形成了对外界环境的先天应答机制，这为我们的学习做好了准备。之后，随着我们与环境的互动增强，所积累的经验不断丰富，我们会动态地扩张、重塑、修饰、调整网络来反映新环境和新信息。学习即网络的形成，知识以网络的形式储存于我们的头脑中。在整个的网络形成过程中，那些新的知识和常常被使用的知识在网络中是活跃和稳定的，而那些旧的知识和很少被使用的知识在网络中逐渐显得松散进而被清除出去。通过这种机制，脑不断适应环境，发展出最佳的网络结构系统。

三、实现有效学习：促进脑的发育和成熟

毋庸置疑，我们的学习能力取决于我们的脑。脑具有强大的功能。脑由不同的脑区构成，一方面，不同的脑区高度分化，司职不同的功能；另一方面，每一种功能的实现都与一个由多个脑区形成的网络相关，而同一个脑区又能参与到多个类似的网络中。脑区之间相互保持协作，同一脑区及不同脑区之间由大量神经元相互联系，构成复杂的神经回路。当一个较为复杂的学习活动，例如它涉及认知、技能等多种学习内容时，若要完成此项活动，就需要多个脑区相互作用、协同工作才能实现，此时我们的脑神经网络就开始活跃起来，专注于学习活动了。

我们的学习是一项系统性任务，往往需要脑内多个功能区的协调工作，这可能与我们对于脑的认识的“常识”不相符合。传统上我们把脑分成左右两个半球，并且认为每个半球都更擅长于某些独特的功能，例如左脑被认为擅长于理性思维、分析与语言，适合处理与语言、代数、数学问题解决、逻辑运算有关的任务，右脑被认为擅长于直觉的、情绪的、创造性的、非语言思维，适合从事艺术与创造类的任务。根据最近的研究成果，科学家们认为，没有足够的科学证据可以表明人的创造性水平与脑的右半球活动之间存在着相关性。“虽然脑的两个半球的功能存在着不对称性，但是并不是分开来运行的，而是共同完成所有的认知任务。作为一个高度整合的系统，大脑单独的脑区很少独立工作”。［1］（121）这启发我们在教育上根据脑优势半球对学生进行认知特点方面的分层或分类，可能是一个错误。我们对学生实施文理分科教育，其理论和逻辑基础就是一些人的脑适合于文科类的学习，即所谓的左脑思维较为发达，另一些人的脑更适合于进行理科类的学习，即所谓的右脑思维较为发达，这种观点缺乏科学依据。

脑的发育和成熟及环境对脑的影响是我们实现有效学习的根本保障。通常意义上，一个健康的脑比一个有脑功能损伤的脑能够学到更多东西；有营养的脑能发育得更好；青少年的脑比成年人的脑具有更大的可塑性；丰富的视觉环境有助于脑的发育和成熟，进而提升脑的学习能力；脑存在最佳学习期，称之为敏感期，脑在这个时期对特定学习类型的效果是最好的。例如语言学习存在敏感期，婴儿在最初10个月的特定语言经验会使大脑对与该种语言有关的语音很敏感，语言学习越早，脑就能越有效地掌握这门语言的语法，同样，口音的获得也有敏感期；睡眠有助于脑皮层功能的恢复，限制睡眠、睡眠时间过短会影响人的认知功能，最新的研究指出，睡眠剥夺和睡眠困难与学业成绩不良相关，睡得越少成绩越差。“从非临床数据上来看，大概有20%～30%的儿童和青少年有睡眠困难”。［3］据英国伦敦大学一项针对1万多名7岁儿童的研究发现，如果没有相对固定的睡觉时间，或睡觉时间晚于21点，儿童在阅读、算术等方面的成绩会比较差；［4］处在和谐的社会氛围之中，保持良好的人际交往，有助于提升脑的学习能力；拥有较高的“情绪智力”，即以合适方式运用和控制自己情绪的能力，有利于促进脑的发育和成熟，能够对我们的学习起到积极作用。

四、学习的个体差异性：遗传和环境对脑的塑造

学习的个体差异性从根本上源于脑的个体差异性。首先，尽管所有的脑都具有相同的结构，但每一个人的脑的遗传基因组成都是不同的，而且脑的结构、大小也各不相同，这是个体差异的基础，这也从根本上决定了我们每个人都具有不同的能力和天赋。其次，在脑的基因构成中始终存在着可改变的空间，这就为经验和环境因素发挥作用提供了条件。经验与环境因素和脑结构之间表现为一种相互影响的关系。经验与环境因素能够引起脑结构的改变，脑结构反过来也会影响经验和环境因素对脑的作用方式。此外学习的个体差异性还受到学习者的学习动机、社会交往、学习策略等方面的影响。总之，基因因素和经验、环境因素共同完成了对脑的个性化塑造，造成了学习的个体差异。

在学校教育中，教师常常根据认知风格的分类把学生们分成若干类型的学习者。例如，可以把学习者分为聚合型和发散型、保守型和冒险型、冲动型和沉思型、逻辑型和直觉型、表象型和言语型、视觉、听觉和运动知觉类型、分析型和非分析型、场依赖型和场独立型，等等。以视觉/听觉/运动知觉理论为例，该理论认为，所有人都通过这三种感官获取新信息，但是大多数人有一个最常用的感官。当我们学习一个新的事物时，视觉型学习者喜欢看图表，听觉型学习者喜欢倾听言语上的描述，运动知觉型学习者喜欢通过移动自己的身体来学习。上述现象涉及学习个体差异性的一个重要问题，即学习风格。我们每个人所具有的不同的认知风格是否决定了学习风格的个体差异性。学习风格指学习者倾向于思考和学习的方式。学习风格作为一种理念提出，认为“我们能够以多种方式学习，但是对单个的学习者来说，存在某些特定的个体条件能够促进学习。没有一种学习风格比其他的更好，但是在每一个个案中有必要找到最为适合学习的方式”。［5］那么，每个人确实都有自己的学习风格吗？我们的回答宁愿是肯定的，即承认它存在，但时至今日人们还没有确切地找到它们，这其中一个重要原因在于认知并不能代表学习的全部，除了认知的因素之外，学习还受诸如动机、情绪、意志等非智力因素的影响。紧接着一个问题是，如果我们肯定有学习风格的存在，那么，教育应该秉持什么态度？教育是要寻找和适应学习者的学习风格呢，还是培养学习者在遭遇或面对学习挑战时自己作出改变？

此外，就男性和女性在学习上的性别差异来讲，从生理层面上来说，虽然男性脑比女性脑更大，但是由于女孩子总体上比男孩子成熟得更快，这就意味着女孩子能够比男孩子更早地学习很多东西；从脑的功能层面上来说，英国脑科学研究者西蒙·巴伦-科恩在他的著作《本质差异》中，提出了这样一个论点：女性大脑是压倒性地在共情作用方面极为兴奋的。男性大脑是压倒性地在理解和构建系统方面极为兴奋的；从学校教育层面上来说，在学前和中小学教育中，一般来说，比起男性来，更多的女性在学校中工作，尤其是在幼儿园、小学和初中学校中，女性教师通常比男性教师更多，学校开始变得“女性化”，教师更为推崇顺从、听话的教育，学校教育可能更为呼应女孩子而不是男孩子的需求，这就使得在学校中女孩子从整体上来讲比男孩子更为优秀，由此进而也可能产生学校教育中的性别不平等问题。

［1］经济合作与发展组织，周加仙，等.理解脑——新的学习科学的诞生［M］.北京：教育科学出版社，2010.

［2］［美］戴尔·H·申克，韦小满，等.学习理论［M］.南京：江苏教育出版社，2003：3.

［3］［阿根廷］安东尼奥·M·巴特罗，［美］库尔特·W.费希尔，［法］皮埃尔·J·莱纳，周加仙，等.受教育的脑——神经教育学的诞生［M］.北京：教育科学出版社，2009：114.

［4］刘石磊.科普：睡眠习惯差影响儿童智力发育［EB/OL］.http:// news.xinhuanet.com/tech/2013-07/10/c_116478034.htm.

［5］［丹］克努兹·伊列雷斯，孙玫璐.我们如何学习:全视角学习理论［M］.北京：教育科学出版社，2010：198.

责任编辑：刘升芳

张军凤，天津市教育科学研究院副研究员，主要从事基础教育改革发展研究（天津300191）。

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1671-2277-（2015）02-0012-03

天津市教育科学“十二五”规划青年专项课题“小学生数学有效学习方式研究”（课题批准号：BEYP5004）