学习科学：从实验室到教室

潘卡杰·沙赫 张阳 周加仙

神经元结构和功能的改变是学习的生理基础

教育最根本的目的是创造更好的人。学习和记忆是教育的基础。学习是获得技能或知识从而改变行为的过程;记忆是保留信息和从先前经验中提取信息的能力。学习和记忆相关理论的基础来自17世纪的哲学家勒内·笛卡尔。他的基本思想是心理和大脑是相互分离的，即身心二元论。身心二元论是错误的。弗朗兹·约瑟夫·加尔（1758-1828）是第一个认为学习可能和大脑有关的人，第一个提出心理功能是生物性的且位于大脑的不同区域。

现代神经科学开始于神经元假说。卡米洛·高尔基和拉蒙·卡哈尔在1906年提出大脑是由被称为神经元的细胞构成，他们因此获得了诺贝尔奖。我们现在理解的大脑是一个复杂的处理器，由神经元组成，神经元的交汇处称为突触。在大脑中突触的数量非常巨大。

那么，脑是如何依靠这些结构学习的呢？卡哈尔在1906年提出了一种学习和记忆形成的细胞理论，即神经元连接强度变化理论。他认为，神经元之间的连接强度可能会随着时间和学习而变化。

唐纳德·赫布在1949年写了一本书《行为的组织方式》。书中写道，持续或者重复的激活会导致细胞长久性的变化，且随着激活的持续或重复，其稳定性也不断增强……当细胞A的轴突与细胞B的树突足够接近，而且能反复或持续激活B，那么其中一个细胞（或者两个细胞）会发生生长或代谢变化，此后A激活B的效率就会提高。这就是赫布突触学说。在学习的过程中，两个细胞协同工作，连接强度发生变化，形成强突触，这就是我们现在讲的神经元可塑性。神经元的可塑性发生在突触，例如，你要记住一朵花的样子，在你学习的过程中，需要两个细胞协同工作，同时放电，细胞之间的连接加强。

研究这一现象的还有Tim Bliss和Terje Lomo。这两个人在1973年发现了海马突触可塑性，突触连接加强的现象。如果对突触进行高频持久的刺激，那么这种突触的改变将是永久的。这被称为长时程增强作用。突触可塑性是当前主流的学习模型，成人与儿童在学习的过程中都会发生这种变化，这是学习的生物基础。当你正在学习这朵花的时候，一些神经元的连接发生了变化，从而形成了对这朵花的记忆。所有的记忆，诸如你对母亲的记忆，你吃早餐的记忆或者其他记忆，都是这样形成的。到目前为止，神经科学认为记忆是以神经元连接模式进行编码的，连接模式就是记忆的痕迹。

学习是获取技能或知识，从而改变行为的过程;记忆是保留信息和从先前经验中提取信息的能力。教育是技能、知识或思想从一代传到另一代的过程（比如知识从老师、父母或其他类似的人传给下一代），是一种学习形式。学习和记忆是教育的基础，如果你不能学习，或者不能形成记忆，那么教育也是无用的。如果个体患有学习障碍、记忆障碍或者阿尔兹海默症，那么他可能在教育方面也会存在问题。

有一种学习的观点是课堂中教师的声音和图像输入个体的大脑，大脑内部进行某些加工，大脑的结构或功能发生了变化（这被称为大脑的可塑性），个体会有一些收获，可以输出某些口语或行为，比如能学会2×2=4，学会2000多个汉字等。

教育需要循证实践

蛋白质是学习和记忆过程的分子基础，神经科学中有关蛋白质等分子的研究成果较为丰富，有关突触的研究成果较少，而有关大脑（即我们谈到的教育）的研究成果就更少了。心理学对学习和记忆的研究通常需要对个体进行实验或测量，通过控制刺激呈现的时间、被试反应的时间或信息呈现的方式来开展实验。神经科学的研究涵盖了心理学，其研究对象不仅包括人类还包括动物。

大多数人都认同教育是关于学习的科学，而教育实践（即我们在学校当中如何实施）受到教育学、社会压力和政治的影响。在我居住的澳洲（我认为也包括美国和世界其他地区），政治影响了教育实践。例如，当我的女儿读三年级时，当地政府决定在学校取消教授乘法表。我的女儿现在25岁了，仍然不能背出完整的乘法表。如果你问她7×5等于多少，她要拿出计算器计算，购物对她来说是个大问题。

问题出在哪里？尽管心理学和神经科学有几十年的进步，但我们仍然没能为教育和学习实践建立证据基础，教师可能没有时间或资源接受训练和阅读新近的研究，从而无法判断自己的教学方式是否是最合适的。循证的医学实践始于20世纪70年代，因此，可以说学习和教育领域落后了医学几十年。

如果我现在告诉你，我有一个比阿司匹林更好的治疗头痛的药物，在澳大利亚、美国或者中国通过了食品药品监督管理局审批之后，这个药品要拿到市场上销售（这个流程可能需要五年或十年的时间），这是健康领域的正常流程，是基于证据的流程。然后我问你药物是否有效，是否造成其他问题，你发现自己在摄入药物一个小时后头痛症状确实减轻了，并且没有其他副作用，这说明药物确实有效果。在澳大利亚，如果我告诉你，我们不应该教乘法表，这不是一个好的教育方式，然后政府成立了委员会，委员会同意取消乘法表，之后学校再也不教乘法表了。但是将乘法表从学校教学中移除是基于什么证据？不教乘法表，孩子在数学上是否取得了更好的效果？当他们18岁的时候这样做会不会对他们更有帮助？这就是问题所在，教育需要像对待健康一樣，需要以证据为基础的实践。

学习反馈：教学中的重要环节

你在课堂中学习到信息或技能，储存到大脑中形成记忆，通过不断的复习，巩固记忆，通过测试进行回忆，这种对测试和回忆结果给予反馈是很重要的。我们知道，大脑是一台预测机器，它会将回忆的结果和正确结果进行比较，如果错误，会反馈给记忆系统重新形成新记忆，同时形成一些情绪反应，可能还会有激素释放，使你感到沮丧。这些情绪对形成新记忆也有帮助。总之，反馈会有认知和情绪两个方面的作用。这也是教师对学生的反馈所起到的影响。

反馈在教育中是非常重要的。教师在课堂中如何给反馈？给学生什么样的反馈？是立即给予反馈还是明天再反馈？给学生五次机会还是三次机会？最好的反馈方式是什么？什么样的学生应该得到什么样的反馈？为什么这样的反馈会起作用？我们的学习科学中心就在做类似的研究，并将研究成果进行转化，提出教师最佳反馈时间和最佳反馈类型的策略，将其整合成一个“教师反馈矩阵”，帮助教师做好教学反馈，通过提高学生的注意力使学生获得最佳学习。

基于学习科学的教学原则

我们还研究了科学课堂小组合作学习的作用，提出了一些教学策略，开展了研究型教师的专业发展项目，提出了基于心理学、教育学和神经科学研究的教学原则。

无论在中国、美国、澳大利亚还是世界其他地区，教育应该是总体相似的。我们希望教育能趋同，找到相似的教育原理，产生相似的教育效果。