教育生物学介绍

沈晓明，金星明，黄 红，杜祖贻

教育生物学(bio-education)，是从生物学、神经生理学、神经心理学、脑神经科学的角度研究人类教育现象及其一般规律的学科。生物科学与教育科学相融合形成的一门交叉学科。其研究对象是人，着重研究处于接受教育和生长发育阶段的儿童和青少年个体及群体。借助生物医学手段，如神经心理测试、神经生物学的动物实验、神经生理学的检查，以及神经影像学的研究，包括脑计算机断层扫描术(CT)、脑电图(EEG)，脑磁共振(MRI)、功能性磁共振(fMRI)、正电子扫描(PET)等，研究人体和人脑的本体结构及其发生发展以及人体和人脑的功能，包括学习、记忆、注意、认知、情感、创造、社会性等大脑活动的奥秘，并将科学研究成果广泛地应用于人类的教育实践。这些方法和技术在教育教学中的应用效果可以通过以生物医学客观指标变化为依据的检验，从而摒除既往评价标准的主观性。

教育生物学的研究内容有四个方面：① 教育的生物学基础，包括人脑的结构、人脑各部位的功能、人脑的发育过程及其影响因素，不同教育方式下人脑的生理生化过程、功能变化、神经系统各部分的基因表达和分子遗传学、人体各器官组织结构和功能的发育及其影响因素等。② 将生物科学对人脑高级功能的最新研究成果转化为创新性的教育理念和方法用于教育实践，并接受生物医学客观科学标准的检验。③ 研究正常儿童个体学习、记忆、注意、认知、思维、运动控制、语言、情感、社会性、创造力等大脑高级功能及其发展变化的神经机制，并与教育学相结合，从中发展最佳教育方法，让每个儿童都得到适合其个体特点的教育。④ 研究异常儿童如学习障碍(包括阅读、计算和书写困难)、注意缺陷多动障碍、情绪障碍、智能低下、孤独症等的大脑结构与功能的异常改变，探索对此类儿童的特殊教育途径，最大限度地发展其能力，使其达到最好的生存状态。

教育生物学的研究任务是从生物医学角度研究人体和人脑的结构和功能、发生和发展变化及其影响因素，从中探索教育和教学规律，寻求最佳的教育方法和手段，并促进多学科合作，实现教育理念的更新及教育模式的转变，建立人才高效培养机制。

教育生物学的特点在于将生物医学科学的研究方法导入人类的教育实践，从本质的角度观察和阐释人类的教育现象，建立符合人类生理本性的科学教育方法。与教育相关的脑科学领域拥有诸多研究手段，特别是PET、fMRI和EEG等对脑的结构和脑神经活动的研究进展。教育生物学的研究方法主要有六种：① 形态学，主要通过显微镜或荧光标记等方法观察脑组织及其他神经组织的大小、结构及形态等。② 生理学方法，具体包括神经递质释放量的测定、神经递质的功能测定和行为学方法。③ 电生理学，具体包括细胞外记录，用以获取神经元细胞是否处于激发状态以及激发的强度等信息；细胞内记录，研究神经元的基本生物物理特征，脑内电剌激，刺激核团、脑区，进行中枢功能定位研究；顺行冲动记录法，电刺激某一突触前的细胞体、树突或轴突，在突触后神经细胞体上记录此刺激的电活动变化；逆行冲动记录法，电剌激神经元的轴突主干或末梢，在同一神经元细胞体上记录反相传导的动作电位；电压钳，通过插入细胞内的一根微电极向细胞内充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反相离子流，这样即使膜通透性发生改变时，也能使膜电位数值不变，因此可以测定细胞兴奋时的离子电流；斑片钳；脑电波。④ 生物化学和分子生物学方法，在基因和分子层面上，通过基因模型或用离心、高压液相层析、放射免疫等方法研究与学习有关神经细胞和递质的活动情况。这对了解疾病的根源或是寻找基因治疗的靶目标有重大意义。⑤ 脑成像(brain imaging)，具体包括颅骨X线成像、同位素脑扫描、脑超声波、脑血管造影术、CT、MRI、fMRI和PET。⑥ 教育实验法，构成教育实验的最基本要素包括实验假设、自变量的操作、因变量测定及无关变量控制。

第二次世界大战后，科学技术的发展呈高度分化和高度整体化趋势。生物医学的快速发展使人们对自身的发展过程有了全新认识，20世纪后期现代医学影像学和脑电生理学的进一步应用，为深入了解人脑的功能创造条件，对脑结构和脑神经活动的研究取得新进展，脑科学得以产生和发展。脑科学研究涉及神经生物学、分子生物学、细胞生物学、解剖学、组织学、发育生物学、生理学、生物化学、生物物理学、遗传学、药理学、免疫学、病理学、神经病学、精神病学、影像学、控制学、心理学、认知科学等多门学科。20世纪90年代中期之后的儿童发展与教育研究均不同程度地关注脑科学。生物科学、脑科学的研究进展对传统教育领域提出巨大挑战，教育的科学化迫切需要教育学与生物医学的联合，即以生物医学为研究手段，以教育实践为研究目的和结果，在生物和教育两大领域证实科学化教育的成果，从而奠定人类教育的生物和生理学基础。在这一背景下，教育生物学应运而生。

促进教育研究与实践的脑科学有以下五个概念：① 大脑神经突触生长呈∩型的模型假说。脑科学的研究发现，早期大脑神经突触联系的形成最迅速。人在出生后的20年里，神经突触密度的变化呈∩型，幼年期随年龄增长而增加，童年期达到高峰，成年后又开始降低。突触生长高峰期的童年是学习收获最多和智力发展最充分的时期。这项研究发现为开展早期教育提供了科学依据，值得进一步探讨。② 大脑发育的关键期假说。“大脑发展的关键期”概念由英国学者休伯尔等人在20世纪60年代提出，并由此出现视觉功能发展的关键期概念。20世纪后半叶，脑科学家对关键期进行大量研究并得出结论：脑的不同功能的发展有不同的关键期，某些能力在大脑发展的某一时期最易获得，如人的视觉功能发展的关键期大约在幼年期，音韵学习的关键期在幼年(约8岁前)，语法学习的关键期约在16岁以前。总体上，识字、阅读的关键期在8岁前，最佳期在12岁前，良好期在16岁前，这个时期左右脑同时参与语言认知，而16岁以后的语言认知主要是左脑。③ 大脑的变化、学习和记忆及脑内神经元的联结程度取决于环境对大脑的剌激。④ 脑的高级功能和生理基础部分是后天形成的，心智结构是多元化的。美国哈佛大学心理学教授加德纳通过数年对大脑和大脑对教育的影响的研究，提出多元智能理论，拓宽对智力的认识，向传统的智商测试提出挑战，并为教学策略研究提供了脑科学依据。⑤ 突出杏仁核在情绪反应乃至大脑整体结构中的关键作用，并强调大脑神经系统与行为系统的整合机能，进而提出“情感智力”概念。脑科学越来越多的研究表明，情感在人类学习中的作用不可低估，情感与认知是两个并行的过程，以特殊的方式联系在一起，对机体具有不同的意义和价值，是脑神经功能的体现。哈佛大学行为与脑科学专家戈尔曼的《情感智力》和《情绪脑》，对经典的智力概念提出挑战。2000—2004年，香港中文大学医学院杜祖贻主持“脑神经认知科学与教学过程”研究，获得可直接应用于教育实践的研究资料，推动了教育生物学在中国的发展。