深度学习的实践逻辑——基于认知神经科学的视角

● 唐玉溪

深度学习是当今国际教育学界的热门研究领域，亦是推动教育变革的重要理念。“深度学习是如何发生的”成为当前国外学界在深度学习研究领域的前沿问题。［1］尽管学界为深度学习内在机制提出了多种理论假设，但由于深度学习发生存在着情境、文化及个体差异等方面因素，学界尚未对深度学习的发生机制达成一致认识。要进一步把握深度学习的发生规律，有必要深入到其涉及的脑神经机制方面规律。有学者提出要从脑神经作用机制及认知神经科学等方面进一步探索深度学习的发生学原理，［2］启发学界进一步探索深度学习相关的神经机制及其对教育实践的启示。研究学生深度学习具有何种大脑神经机制，既有助于为深度学习理论构建提供基础，亦可对促进深度学习的教学实践提供参考。本研究从深度学习理论认识出发，系统梳理学界相关认知神经科学研究成果，挖掘深度学习活动背后的认知神经机制，以期对教学实践有启发作用。

一、深度学习发生的基本条件

课堂教学情境下的学生深度学习往往需要一系列的前提条件。由多样化激励价值所诱发的强烈学习动机在推动深度学习发生过程中扮演重要角色，而相应的知识经验基础为学生展开深度学习活动提供支撑。在学生深度学习发生的过程中，充裕的认知资源不可或缺。

（一）学习认知富含激励价值

由激励价值感知所诱发的学生学习动机是其深度学习发生的逻辑起点。已有深度学习研究主要从如何激发学生学习动机入手，如增强同伴对话反馈、［3］引发学生认知失衡［4］及借助人工智能手段［5］等，但学界对学习动机何以诱发深度学习机理尚不清晰，以致在讨论具体策略时过于泛化，具有情景局限性。从认知神经科学视角来看，学习动机是一种效应现象。多巴胺系统是影响人类高级认知及动机增强的关键神经结构。［6］该系统能够识别事物对自身的激励价值，进而控制主动认知行为。大量实证研究表明，人类神经系统拥有识别奖励价值功能及控制执行功能两类神经结构网络，其相互作用表现为动机效应。［7］为此，在学生学习过程中，采取系列让学生感受激励价值的措施相当重要，如帮助学生获得相关的成就感与愉悦感，让学生对其学习内容的意义有充分认识，以及使学生对学习内容产生积极目标等。

学生能否开展教育者预期的学习行为取决于其是否感受到特定形式的激励信号。学生学习认知过程中具有多样化激励信号，且与学生个体需求密切相关。首先，外在奖赏预期会对学生深度学习过程产生影响。学生会无意识地将其学习行为与其预期获得的结果联系起来，而且近期有奖励的学习行为更能获得强化。学生的背侧前扣带皮层、额叶盖、前岛叶等大脑区域的活动与学生获得的真实奖励感知有关，尤其是前额叶皮质区域的活跃使学生倾向于选择能获得其感知持久奖励的学习方式。［8］当学生感知其所进行的深度学习过程会带来预期奖励，就更有可能采取深度认知模式进行学习。其次，对学习内容价值的感知可促使学生主动学习认知，推动深度学习发生。研究者通过对学生面临不同学习主题时的事件相关电位N2pc 成分测量，发现学生更快响应其感知到的最有价值的任务。［9］学生对学习内容的意义认识及潜在奖励的积极预期，使其在深度学习过程中更能获得参与感、目标感和挑战感，从而激活深度学习发生。再次，相较于外在激励而言，学生对学习内容充满好奇心及兴趣所产生的内在激励更能够促进深度学习发生。探索式学习本身所带来的奖励能通过多巴胺激活海马体，从而使得更复杂的记忆结构能够形成。［10］概而言之，使不同情境条件下的学生认识与感受到显著的激励价值是推动深度学习发生的关键。

（二）知识经验支撑迁移创造

学生已有知识经验是实现深度学习中迁移创造功能的基础。有学者提出，深度学习需要在学生已有经验基础上理解、联结及迁移知识。［11］然而，人们对学生知识经验背景影响学生深度学习的机理尚未阐明。从认知神经科学视角看，学生深度学习过程中需要经历对知识内容进行检索、处理及编码等步骤。当学生具备与课程内容相关的知识基础时，其知识获取、信息加工及记忆编码过程将变得更加容易。这意味着学生深度学习发生，需要拥有与即将学习的知识相关的知识及技能储备基础。先前知识经验转变了学生学习过程机制，使其从依赖大脑内侧颞叶处理转向大脑新皮质的记忆生成过程。［12］当学生拥有相关知识基础时，其后续对图式一致知识内容的加工、记忆及迁移更加容易。

先前知识经验支撑学生深度学习发生背后存在着多种神经机制，如神经突触捕获机制、记忆分配机制及神经元可塑性等机制，其中记忆方面的机制尤为关键。非神经突触形式的记忆痕迹，在特定情况下对学习的启动有重要影响。［13］在学生深度学习启动过程中，学生先前知识经验差异会影响后续学习过程所需的时间、过程及效果。学者们通过核磁共振成像实验发现，右海马体及右侧前额叶皮层在学生通过对已有的知识进行整合、进行自我推导以生成及积累新的知识过程中扮演重要角色。［14］学生深度学习需要调用已有的知识，当缺乏与所需要学习内容相关知识经验结构时，学生就难以有效地建构起新的知识体系。

学生深度学习需要对原有知识经验进行批判反思。学生深度学习过程并非对原有知识的简单复制，而是要动态关联、反思及重构原有知识经验。一方面，学生先前存在的错误认识观点会影响深度学习发生，需要对错误知识观点加以批判。此种先前学习经验阻碍后续学习的现象被称之为记忆主动干扰。［15］在一些科学概念的学习过程中，学生对一些自然现象的误解会抑制其充分理解的过程。研究者通过功能性磁共振成像发现，记忆提取现象在对科学概念产生误解的学生群体中较为普遍，表明了原有知识记忆导致了学生的误解。［16］这意味着驱动学生深度学习发生所需要的相关知识经验应该是正确的知识观点。另一方面，学生深度学习需要主动对自身知识结构进行升级，以提升创造力水平。对已有固定化、陈旧化知识观点进行识别及抑制传统惯性思维的创造性思维模式，有助于实现更高阶认知目标，其与颞中回的神经机制有关。［17］为此，深度学习发生需要建立在原有知识经验基础上，并且持续展开批判、反思及迁移创造。

（三）合理调用必需神经资源

深度学习发生需要学生拥有相应的认知思维神经结构基础及合理的认知资源调用模式。首先，学生深度学习活动需拥有一定认知思维神经基础。学生知识结构不断关联及联结是其深度学习的重要表征，而在实践中常常能发现不同学生知识关联能力存在显著差异。学生知识关联及创造新概念的能力与其神经网络系统动态连接功能有关。认知神经学研究发现，大脑网络结构之间动态连接能力与学生创造性思维表现密切相关。［18］这种大脑网络结构连接能力既与先天遗传因素有关，又可通过后天训练逐渐形成，还会随着年龄增长而动态变化。学者们发现，默认模式网络和小脑网络此种影响创造力的关键神经网络会随着年龄增长而变化。［19］与高阶认知能力相关的神经基础是学生深度学习的核心条件。

其次，学生深度学习需要在认知负荷之内主动投入认知资源。一方面，学生需要主动调动认知资源解决学习问题。由于学生在学习过程中会无意识地避免投入过多的认知成本及精神努力，使得深度学习的发生并非易事。在学生学习过程中，大脑背内侧和外侧额叶皮质中的活动使其倾向于选择预期认知成本较低的路径。［20］认知成本的存在使学生在有意或无意中避免选择耗费较高认知成本的深度学习方式，倾向选择认知需求较低的学习路径。与采取新的学习策略相比，学生更有可能选择惯用的学习策略，即使该学习策略并非该学习任务的最优解。通过事件相关电位实验分析发现，学生在处理不同类型问题时，更倾向于选取同质的问题解决策略。［21］另一方面，学生深度学习需要保证在其认知负荷之内。认知负荷理论认为，由于学生的信息处理及记忆能力有限，过高的认知负荷会影响学生学习及迁移。［22］学生处理高难度的学习材料同样需要耗费较高的认知资源。对于抽象性的图表、概念及知识点等需较高学习处理能力的学习内容，学生的大脑P3b 成分活动更为活跃，说明需要学生投入较高的认知成本。［23］对复杂性学习内容的预处理可在某种程度上降低其认知成本，使学生深度学习更容易发生。

二、深度学习发生的过程机制

学生进行有效的知识加工、通过多种形式促进知识理解及保持足够的专注力是深度学习发生尤为关键且相互协同的过程机制。

（一）增强知识加工深度

学生深度学习过程中需要对知识内容进行有效加工。师生共同对学科知识进行深度加工是深度学习应有之义。［24］知识加工对学生深度学习而言是基础性过程环节，在推动学生深度学习过程中理解相应认知神经机制活动尤为关键。例如，学者发现额叶、前额叶皮质及小脑后部的功能连接影响了学习者对文学故事的认知处理过程。［25］又如，在数学知识加工过程中涉及到认知控制、数量处理、陈述性记忆及工作记忆等多个脑回路系统，其中认知控制脑回路调控了信息在不同大脑系统之间的流动、整合及操作。［26］学生深度学习过程需要多个大脑功能系统协同，且不同学科知识内容加工所涉及到的大脑功能区域既有共同之处，又有差异，如除了共享双侧顶叶神经区域之外，学习者数字思维还与左侧顶内沟激活相关，而空间思维则关联额中回活动。［27］教育者在掌握不同类型知识内容加工神经机制背后的关联机理后，能更好地推动学生知识的衔接及迁移。

推动学生知识深度加工过程需要接受专业训练指导以及采取适切学习策略。学生可以通过辅导训练及反复练习获得更有效学习的知识加工机制。研究者通过对学生进行训练前后的问题处理表现进行比较，发现经过短期培训后学生在处理相似问题时表现提高了11%，而在面对新问题时其近迁移能力也获得有效的提升。在这过程中，右前海马体和海马旁回发挥主要的促进作用。为学生提供合理的学习迁移策略能使得其知识获得及迁移效果更加显著。重视认知灵活性的策略有助于学生实现技能的迁移。［28］合理的策略能够提升深度学习效果。例如，在学生的学习过程中，其处理图像的大脑机制与处理语言交互的大脑机制并不一致，当学生采取言语学习及视觉学习相结合的学习策略时，大脑处理学习信息的性能相应加强。［29］此外，不同的个体存在着学习速度及其相关联的神经表征差异。学习能力强的学生个体呈现出更加独立的大脑神经回路连接模式。［30］教育者需要因材施教引导学生个性化地完成知识深度加工及迁移任务。

（二）综合理解知识内容

对于学生深度学习过程而言，理解无疑是其核心要素。有学者将促进理解作为推动学生深度学习的教学模式设计导向。［31］学生在学习过程中达到对学科知识综合理解的状态往往意味着学生明白其所接触的学科知识涉及的种种关系，形成对特定知识内容的整体理解，并能够在日后快速检索及基于不同情景迁移应用。此种综合理解知识内容的深度学习过程，可推动学生从机械化浅层次知识记忆走向灵活性深层次知识应用。

学生深度学习过程中需要对学习材料进行有效编码处理。对学习内容进行适当处理有助于促进学生的理解及记忆。生动、详细及情景性的学习内容可保持在学生的大脑海马体中，而陈述性的知识内容通常保留在大脑皮层之中，这些大脑皮质间的连接随着时间而弱化，导致记忆痕迹的减弱。［32］学生应与学习材料建立意义连接。当学生能够深度理解所接触的学习材料后，其将建立新的脑回路连接关系，有助于学生实现知识迁移应用。研究者对数学教学中案例学习和言语指导式学习两种情况下学生大脑激活区域的差异进行研究，发现学生在案例学习中前额叶和顶叶大脑区域显著活跃，而在言语指导下负责运动和视觉的大脑区域显著活跃。但是在学生理解所学问题后，两种情况下学生大脑的激活模式趋向一致。［33］学生需要避免理解过程存在的错误认识。与理解相反的误解时常存在于学生的学习过程中，从而妨碍了学生进行深度学习。研究者发现，专业人员和初学者在分析错误电路问题时大脑激活方式存在差异，专家更倾向于抑制容易导致误解的大脑区域，而初学者无法有效抑制，从而产生错误回答。［34］学生深度学习既需对学习内容有足够的理解，也应分辨容易导致误解的认识，并对容易产生误解的思维模式进行认知抑制。

（三）专注参与知识学习

学生有效控制学习过程的专注力及注意力，增加学习参与度及投入度，对其促进深度学习过程有重要作用。有学者指出，学生缺乏学习及学习投入是课堂教学实践中普遍存在的问题，需要重新设计教学，促进学生在行为、情感及认知上的参与，以达到深度学习状态。［35］学生学习过程中与外界交互方式影响深度学习过程。在课堂教学情境中，师生互动、同伴关系与学习主题等因素均对学生学习注意力有一定影响。这种机制与学生了解自己及他人意向的社会认知能力相关，均涉及延髓前额叶皮层的参与，可通过刺激引导的方式提高学生专注力。［36］另外，学生深度学习过程需要恰当的情绪状态。积极的情绪提高注意力范围，而消极情绪则对注意力有负面影响。［37］学生深度学习过程中需监测及动态调节情绪，避免分散深度学习所需要的认知资源。

学生深度学习发生过程需要注重持续认知控制。学生学习需由多个神经元集群的协调活动所驱动，并依靠神经元群体活动的改变而达到学习效果，但其在短期内难以完成大规模的神经重塑。［38］学生开展深度学习活动的过程往往需要进行多次的知识加工及耗费较大的认知资源，这亦要求学生在深度学习过程中保持足够专注力。学生深度学习过程需要避免有限认知资源争夺。对于单线程的学习内容处理而言，多线程的学习内容处理会引发特定的神经资源竞争，导致学习效果下降。例如，学生阅读及听力均共享左前颞叶和左角颅的神经机制，同时要求学生进行两种形式的学习处理会导致神经资源间的竞争，降低学习效率。［39］当存在着多维感知及交互形式的学习任务时，学生需要避免使用引发认知资源竞争的学习方式，以免阻碍深度学习的发生。

三、深度学习发生的结果表征

由于特定神经机制的作用，学生深度学习最终指向高阶思维形塑、多元素养培育以及良好学习习惯养成等方面结果，使得学生能够更好地将知识技能迁移到新的问题情境解决上，逐步成长为符合社会需要的人才。

（一）高阶思维形塑

学生深度学习以知识迁移应用及问题解决为标识，反映了学生高阶思维的形成。学生深度学习，推动其思维往更高的层级进阶，提升其未来解决新问题时的迁移能力。学生深度学习过程中对所学内容进行主动建构、思考及转化，可有效激发其大脑相关区域的活跃性，促进新的脑神经回路建立稳定连接。研究者发现，在诸多需要学生进行创造性活动的领域中，学生在开展此类活动时其大脑活动模式及脑区连接模式趋向一致，涉及大范围的脑区交互。［40］学生通过多次深度学习所形塑的脑神经回路，在面对不同形式的创造性任务时能发挥相似的功用，标志着高阶思维能力的形成。由额叶及顶叶脑区域组成的“默认”“突出”及“执行”的脑功能网络同时大规模活动是表征高创造思维的大脑功能连接模式。［41］这些大脑功能连接模式可以有效提升学生后续的创造力水平及质量。学生在经过反复多次的深度学习实践后，其预测思维、发散思维及创造思维等高阶思维能够获得有效的培育，可达成深度学习指向高阶思维形塑的目标。

（二）多元素养培育

学生深度学习最终指向人际技能、自我发展技能以及认知技能等有助于个体发展及适应社会要求的素养生成，而这些素养生成的背后原因在于特定的神经机制形成。技能学习的结果表现为分布式神经网络之间的同步连接发生变化。［42］学生深度学习有助于其形成展开人际交往及社会实践中恰当的素养。研究者发现，人们的社会学习及交往能力取决于过去经验，其能够利用过去经验中的道德编码信息指导未来实践，这种刺激泛化机制与杏仁核中神经激活模式有关。［43］学生对特定学科内容所蕴含间接经验进行深度加工及直接深度参与社会实践，有助于学生掌握社会学习及道德决策方面的技能，表现为学生建立起适应社会规范的神经机制。研究者发现，在亚属前扣带皮层区域的神经活动作用下，当人们不断将某些不道德的行为加强认知，在遇到特定道德难题的情境时，更有可能自动地将这些不道德的行为排除在道德决策范围之外。［44］学生通过深度学习可形成相应的道德决策方面的神经回路。简言之，学生经过多种形式的深度学习，可促进特定神经机制的形成，从而使得学生在新的问题情境中表现出有效的问题解决能力及遵循社会规范的恰当行为。

（三）学习习惯优化

深度学习除了能帮助学生形成高阶思维，提升元认知能力及问题解决能力之外，还能提升学生在后续学习过程中对知识检索、处理及建构方面的效率，可从整体上优化学生学习习惯。学生经常进行深度学习，可促使其对相关知识及技能之间的联系理解更为深入，有利于其进行高质量的知识与技能迁移。在学生经历多次类比推理训练后，其相关大脑区域的耦合加强，呈现出功能性连接的特征。［45］学生在长期深度学习过程中会形成特定的神经功能性连接，使得学生相关思维及行为更加流畅。通常而言，学生在面临多重学习任务时，其深度加工处理能力往往有所下降，但经过长时间高频次的训练后，可提高学生同时处理多学习任务的能力。学生的大脑中前额叶皮层在多次训练后可以将前额叶细胞分离成可独立处理特定任务的神经元集群，可减少不同任务之间的相互干扰。［46］此种大脑中的神经元网络发生特异性变化能够帮助其形成多学习任务处理习惯。此外，学生在深度学习过程中，可通过目标导向的学习机制引导自身开展批判性思考、主动性认知及高层级精神资源投入等深度学习相关的行为，促进其学习习惯优化。目标导向学习系统涉及眶额皮质、背内侧纹状体和背外侧纹状体等大脑神经区域，在特定情况下可转向习惯学习系统。［47］此种学习模式的转换，可使得深度学习成为学生无意识的默认学习方式。

四、对课堂教学中促进学生深度学习的启示

在系统对深度学习涉及的认知神经机理进行探讨后，可为课堂教学优化提供实践策略。具体应从打造有深度教学特质的课堂、教师加强对课堂教学的反思、长期推动学生深度学习训练以及给予学生高质量的个性化反馈四个方面入手。

（一）打造有深度教学特质的课堂

要推动课堂教学中学生深度学习的发生，需要教师对其课堂教学模式进行系统设计，以深度教学引领学生深度学习。首先，教师要对所面向的学生群体特征与学习状态有充分了解。学生身心特征及已有的知识、技能和情感等方面的储备是学生进行深度学习的基础。教师在课堂教学中对学生群体的特征及学习状况了解越充分，其在教学中所采取的引导方式就越有可能符合学生的深度学习发生需要。其次，教师在课堂教学中还应重视识别学生是否具备进入深度学习的状态。学生学习状态将影响学生对于非良构知识、复杂性问题及抽象性概念等高阶任务的深度学习效果。学生的学习准备状态与其大脑学习信息处理能力及记忆生成速率有密切关系，且其学习状态并不稳定。教师在教学中需及时观察并调整引导策略，使学生有意识地优化学习准备状态，并针对学生学习状态变化而改变教学任务及策略，以优化学生深度学习进程。其次，教师需要在课堂教学中合理设计、处理及呈现学生容易转化吸收、蕴含特定教育价值的教学材料。当教师有意识地提供具有生动知识特性、具备深刻情景体验属性及丰富认知内涵的教学材料时，可使学生在深度学习过程中更易产生内在的认知联系，促进学生深度理解及获得可迁移应用能力。

（二）教师需加强对课堂教学反思

教师能否有效地反思自己的课堂教学是影响学生深度学习过程的重要因素。在课堂教学中，教师及时察觉自身教学状态、提升与学生的互动质量以及达到教师教学与学生学习的同步，均对促进学生深度学习过程产生影响。教学中学生颞叶前部的脑活动状态与教师颞顶联合区的脑活动状态同步时，更能取得良好的教学效果。［48］这些脑区的活动分别与学生知识认知、教师的教学预测与反思有关，说明教师恰当的教学反思与教学引导，对学生深度学习过程有促进作用。教师应及时对课堂教学中学生知识加工程度、知识理解水平及学生学习参与度进行反思。教师专业发展对其在课堂教学中的反思能力有促进作用，教师可以通过专业发展方面的培训加强自身对课堂教学的反思能力。

（三）长期推动学生深度学习训练

从深度学习发生的神经机理可以发现，深度学习背后的神经机制形塑是长期、缓慢且复杂的过程。学生深度学习的过程及理想结果的产生需要诸多触发前提。对于多数学生而言，其难以快速地达到深度学习状态并形成深度学习习惯。学生学习过程需要大脑中特定的神经元进行连接与重组，而这些神经元通常有相对稳定的连接模式，使其建立起新的连接需要充分训练。在推动学生走向深度学习的过程中，需要给予学生充分的深度认知及深度加工时间，让其在具体的学习环节、内容和主题中有足够的体验、练习及思考空间。在此过程中，教师引导学生进行多次训练也相当重要。短期集中式学习训练并不能取得较好效果，而具有固定时间间隔的训练或不定时间间隔的训练可使得学生获得更好的深度学习效果。神经重塑难以在短期内进行，这主要源于学生学习涉及到神经元信号级联动力学、树突状脊柱重塑和转录协同作用。［49］为使得学生获得预期深度学习效果，教师应采取多次训练及间隔训练的教学策略。

（四）给予学生高质量个性化反馈

学生深度学习的发生需要强烈的动机及足够的专注力进行支撑，教师给予学生高质量个性化反馈有助于鼓励学生采取积极的学习行动，推动学生深度学习过程发生。学生在深度学习过程中获得的学习反馈包括其自身对学习内容的价值与意义感知、正式的学习测试，以及学习带来直接及间接奖励的预期等。多种形式的学习反馈是维持学生深度学习过程的关键因子，能促使学生在深度学习过程中充分调动脑力资源及对深度学习过程充满积极的信念。为此，教师在特定课程内容课堂教学中应设置适当的学习测试，并根据学生的测试情况给予个性化的指导。教师需要在学生学习过程中实施适当的形成性评价，通过反馈的形式加强学生对自身学习的元认知及学习动机，使其增加深度学习过程中的学习投入。在学生学习内驱力不足的情况下，教师个性化的关怀亦可推动学生深度学习的发生。

五、结语

对深度学习涉及的认知神经机理探索可以为学者及教师更好地把握学生深度学习如何发生提供神经机制层面的参考。深度学习的认知神经机制是人们整体性认识课堂教学中的学生深度学习发生的重要视角，人们可以将教学实践经验、深度学习的认知神经机理及其他层次的深度学习理论三者进行相互印证，指导教学实践变革。随着脑神经科学研究技术的进步，学生深度学习规律有望得到进一步探明。在后续研究中，除了要进一步推进深度学习的认知神经机理研究之外，人们还需要贯通不同研究视角的深度学习理论，并在教学实践中审慎地及符合教学伦理地展开试验，以总结出可推广的教学方法，以期推动课堂教学中学生更好地进行深度学习。