教育神经科学视域下教师专业发展与启示*

崔宇路 张 海

（1.东北师范大学 信息科学与技术学院；2.东北师范大学 传媒科学学院，吉林长春 130117）

在当下的教育研究和教育实践中，遵循“证据”逐渐成为教师、 学校领导和教育研究者关注和讨论的问题，在这些讨论中，有关学习和大脑的话题经常出现。越来越多的研究者开始认识到人脑学习和其发生机制的重要作用，神经科学也揭示了更多关于人类学习的“秘密”。国外研究者曾指出：未来的教育实践可以被神经科学所改变，就像历史上科学对医学的贡献一样（Thomas，2013）。威康基金会（Welcome Trust）发布的题为《神经科学如何影响教育》的报告中显示，在一项涉及1000 多名教师的调查中，90%以上的教师表示，对神经科学的理解影响了他们的教学实践；此外，80%的教师表示，他们会与神经科学家合作进行教育方面的研究（Simmonds，2014）。尽管其中仅有25%的教师表示对神经科学有良好或相当的知识储备，大多数教师的实践仍受到相当有限知识的影响。但了解大脑如何工作、 影响人类的学习，已经开始引发教师和学者们的关注。

对教师而言，他们大多对神经科学在教育中的应用——即教育神经科学（Educational Neuroscience）持积极肯定的态度，但对于教育神经科学的认知十分有限。教师为了了解神经科学，往往选择更容易获得但可能是未经认证的教育神经科学信息来源（互联网、电视等），甚至会盲目地接受被媒体过度简化、歪曲或夸大的科学结果（Ching，et al.，2021），“神经迷思”开始逐渐产生。研究发现，英国、荷兰等诸多国家的教师中“神经迷思”现象尤为显著，在中国华东地区，也有50%的教师认可大脑使用率、 大脑学习的关键期、大脑的半球优势等“神经迷思”（武志峰，2021）。这种现象的产生，一方面，源于对教育神经科学的曲解，另一方面，媒体、教育企业的不科学解读，加重了这一现象的产生。虽然教师群体对教育神经科学的关注程度起来越高，但目前许多教师尚难以理解教育神经科学如何在教育实践中发挥作用，导致基于教育神经科学的专业实践难以进行。西蒙斯（Simmonds，2014）指出，虽然教师想要了解大脑和学习发生机制的愿望较为强烈，但由于受到知识储备等的限制，教师做到完全掌握该领域知识显得尤为困难。

因此，探索教育神经科学如何作用于教师的日常教学，以及教育神经科学如何促进教师知识和能力的转型，对促进智能时代教师专业发展具有积极意义。

一、神经科学与教育神经科学的内在联系

（一）神经科学与教育神经科学

教育神经科学缘起于神经科学对人脑和神经系统的探索，其目的在于应用神经科学的相关研究，促进教育实践的深入开展。在早期的神经科学研究中，神经学家根据大脑的结构细节和不同区域的工作状态，对大脑进行了划分。对脑的研究，促使人们开始关注人脑不同区域特定的认知功能，而不是将其作为一个复杂的整体进行解析。神经科学的兴起，使得推理、注意力、记忆和阅读等技能研究，开始走进科学研究者的视野。随着技术的进步，神经影像学提供了一种定位在不同过程或任务中大脑活跃区域的方法，这些技术大多依赖于对神经元的探索：当神经元活跃时，它们的血液供应就会发生变化，这种变化意味着可以通过追踪大脑中的血液流动，来追踪大脑活动区域的变化（Abdullaev，2014）。

神经科学意在解释大脑和连接的神经系统的工作原理、 大脑的功能结构以及大脑和思维如何协同工作等，该领域的发展，有助于促进人们对学习的神经机制的基本理解。教育与神经科学的结合，可以深度挖掘人类学习心理和生理过程，这种跨学科的研究实践，促使一个新的学科领域——教育神经科学（Educational Neuroscience）被建立起来。作为一种跨学科研究领域，教育神经科学也具有不同的名称，如基于大脑的学习（Brain based Learning）、认知神经学（Cognitive Neuropsychology）、神经教育（Neuroeducation）等等，研究者最常使用“教育神经科学”这个术语，从本质上看，教育神经科学是将神经科学研究的发现与教育研究的理论和实践科学地结合起来，以提高学习效果的学科（Amran，et al.，2019）。在这个新兴的研究领域，教育领域的专业人员、认知科学家和神经科学家合作，将神经科学研究的结果应用于教育，教育神经科学也更好地反映了一个以教育为核心、以神经科学技术为特征的，基于经验、社会和生物证据来构建知识的领域（Doukakis，et al.，2020）。

（二）教育神经科学兴起的迫切需求

教育神经科学的兴起，源于神经科学对教育研究和实践的改变。任何对学习产生影响的东西，最终都会以大脑为基础，因此，教师对大脑如何工作的理解，同样也会影响教育实践的计划和开展。教育神经科学的发展受到两方面的推动： 神经科学家强调他们的工作具有改善教育的潜力，而教育工作者热衷于了解神经科学能提供什么，或者说能做什么事情（Howard-Jones，2014）。尽管神经科学和教育研究者、教师对大脑有着明显的共同兴趣，但目前神经科学家和教育工作者在联合研究项目和课堂实践方面，并没有取得很大的进展，导致这一现象产生的原因之一，可能是两者根本目标的不同。神经科学旨在研究大脑工作、思维的功能结构，以及大脑和思维如何结合在一起，该学科或许能够为教育学的发展提供信息，但不能帮助教育研究者解释所有的学习生发机理（Dommett，et al.，2010）。

受学科跨度的影响，不同学科也难以在同一领域达到“共识”，这意味着神经科学难以理解教育的运行规律，而一线教师也难以理解教育神经科学所能起到的具体作用（Dubinsky，et al.，2019）。虽然理论进步促进了有可能改善教育的神经科学成果的产生，但将其转化为有效的教学和学习策略，对课堂上的学习者产生积极影响并非易事（Jamaludin，et al.，2019）。这种衔接的矛盾，源于双方复杂的学科背景和研究领域的差异，技术的复杂和多元属性，也正影响着教师的教育决策（陈晓慧，等，2019）。

从神经科学研究的五个层级来看，在分子和遗传水平、神经活动、功能系统层面上的神经科学研究，对教育的用处不大，与教育最适切的则是综合征和行为层面的研究应用（如图1所示）（Dommett，et al.，2010）。

与实验室环境中的单一情境不同，教育学研究则涉及社会和环境等各类复杂因素（Mason，2009）。因此，在教育实践中，教育研究者进行的往往是准实验研究，因为复杂的教育场景、教育对象、教育内容的变化，使得教育研究的结论往往无法大范围推广和应用。但经过近30年的研究探索，教育神经科学相关的学术团体、研究刊物、研究成果的涌现，为学习者的认知发展和学习活动，提供了更多可以利用的有效证据（付道明，等，2021）。这些证据给予了研究人员、 教育工作者和管理者重新审现教育实践和教学行为的机会，为理解教育过程中人类学习发生的大脑规律、学习的机制，提供了一个新的切入点。

目前，教育神经科学的相关培训，已经纳入到大学教师教育核心课程之中，很多研究机构也开始进行有关脑、 有关学习的研究项目。比如，“学习与大脑”（Learning & the Brain Foundation）等组织，会组织多个学术会议和职业发展培训，提供教育神经科学相关信息，举行系列会议和暑期研修班，邀请神经科学家向教育工作者介绍关于儿童如何学习和关乎学习障碍的最新研究。美国哈佛大学、斯坦福大学、纽约大学等，也均设有教育神经科学研究机构或组织。如今，教育研究领域中对大脑学习方式和教学效果的研究，已经引起国内外学者的广泛关注，许多实验室也均设有教育神经科学相关的研究方向。华东师范大学于2010年创立了教育神经科学研究中心，北京师范大学也成立了认知神经科学与学习国家重点实验室。相比于国外，我国教育神经科学领域学术研究机构数量有限、人才培养机构严重匮乏、学科整体发展迟缓，尚难以与国际学术接轨甚至比肩 （周加仙，2019）。因此，如何利用教育神经科学的研究成果，促进教师专业发展，已经成为学界关注的重要话题。

二、教育神经科学于教师专业发展

作为神经科学与教育、 心理学融合发展的研究领域，教育神经科学领域的建立，标志着一个关注人类大脑学习方式的时代到来，神经科学与教育之间如何连接，受到研究者的广泛关注。事实上，教育神经科学为教师专业发展带来了诸多积极的启示，既往的研究可以总结为以下几个方面：

（一）促进教师对生理层面学习机理的理解

教育神经科学从神经科学的视角，解读了教育发生的机制和运行规律，这对于教师理解学习发生的机理，具有积极的作用。如在教育评价中，人们往往认识到“错误”具有消极的作用，人们会本能地责怪自己、感觉焦虑，教学中的错误甚至会导致分数下降等后果。但从教育神经科学的角度来看，这些错误是有价值的，因为它们为大脑发展提供了机会，特别是在学习过程中处理和纠正错误，增强了神经连接，从而加快和丰富了学习者的学习经验和知识的转化（Moser，et al.，2011）。因此，从教育神经科学的视角来看，教师必须在课程设计上不拘泥于传统的以成绩为目的的课程设计规则，尽量避免在教学过程中设计机械、琐碎、没有挑战性的问题；而应提出一个以上正确答案的问题，从而激发学生学习的积极性，让学生更多的尝试、甚至故意“出错”。而当学习者有机会使用多维方法来考虑一个概念或想法时，脑神经的通路、学习的结果就会得到优化（Doukakis，et al.，2020）。

在教学实践中，将新知识与已有知识联系起来（即学习迁移）日益受到教师的推崇，也成为教师教学的“本能”。而教育神经科学为我们揭示了为什么过去的学习，对新知识的获得有很强的影响：检索图式一致的信息，会导致更强的前额叶活动和与后表征区的连接（Fernández，et al.，2018）。这进一步证明，教师在将新知识与学生过去的学习联系起来这方面做得越多，学生理解和记住新知识的机会就越大。教育神经科学同样对“最近发展区” 研究具有新的启示：当学习任务在最近发展区域内、学习者感到“可接近”时，学习者会感到压力更小、处理任务的动力更强，而不是感觉任务遥不可及。换言之，在最近发展区帮助学生在更复杂的水平上取得成就时，学习的过程也会更加愉悦（Baars，et al.，2018）。

（二）促进教师对学习障碍和特殊学习群体的关注

神经科学对人脑学习机制的关注，使得教育研究者有更多机会可以了解和观测特殊人群和学习群体在学习过程中发生的诸多现象。通过神经科学的研究手段，可以从生理层面帮助我们了解学生学习过程中出现的语言学习、文字阅读、数学计算等学习障碍。其中，阅读障碍是许多学习者所面临的主要学习障碍之一，脑功能成像技术（fMRI、PET、MRI、EEG 等）为探索阅读障碍，起到了至关重要的作用。通过这些技术，研究者可以发现阅读障碍儿童的脑结构差异，如脑功能可塑性降低、神经网络激活不足等等。而通过良好的教育引导和教学干预，可以帮助和缓解这些阅读障碍，以及提高学生的注意力（邢强，等，2021）。

教育神经科学的实践，还有助于教师关注多动症（ADHD）、阅读困难（Dyslexia）、自闭症（ASD）等特殊学习群体，这些关注有助于教师设计合理的课程、完善教育教学的方法，从而优化教育教学的成效（Churches，et al.，2017）。如针对患有多动症的学生，教师可以通过预先干预——操纵前因条件的干预，比如，环境、任务或指导（如，座位、音乐、辅导、选择、计算机辅助教学）、结果干预——通过强化和惩罚来改变目标行为频率的干预（如，表扬、训斥、奖励、特权、反应成本）、自我调节干预——旨在发展自我控制和解决问题的技能，以调节认知和行为的干预（例如自我指导、自我监控、自我强化），来帮助学生专注于教学任务（Gaastra，et al.，2018）。针对阅读困难（阅读或阅读理解困难）的学生，可以通过适度的补偿性音频、图片乃至游戏等多媒体方式，来促进学生对文字内容的理解（Knoop-van Campen，et al.，2020）。

（三）促进教师对青少年认知和情绪变化的思考

相较于成人学习者，青少年在学习过程中的情绪和价值观，常发生明显的波动，这极大地影响了教师对教学模式和教学手段的选择。教育神经科学的研究和实践，有助于教师思考当前青少年行为和大脑发育的情况，从而及时调节教学策略。研究者认为，青少年行为和情绪的诸多变化，可能源于其青春期大脑突触的修建和髓鞘化（李艳玮，等，2010）。青少年大脑结构的变化，使得许多重要的神经元得以连接和升级，这种变化导致青少年创造力和兴趣的迸发，这可能就是青少年学习成就和行为上表现出如此大的反差的原因之一。青少年脑的发育和变化，除了对认知发展结构的具有显著影响之外，对情绪也具有重要的作用，这种反应之一，就是青少年对同伴（同龄青少年）的依赖（Brookman-Byrne，2018）。

在一项针对青少年同伴评价的研究中，在参与者不知情的情况下，研究者虚构了参与过程中评价的同伴，研究结果表明，虽然积极地评价能够帮助其改善情绪，但相比于成人，青少年更容易受同伴消极评价的影响，其情绪更容易低落和焦虑（Somerville，et al.，2013）。在另一项关乎学习同伴的研究中，研究人员发现，青少年更容易形成“从众效应”（Conformity Effect），这也反映在青少年脑的生理结构之中（Sherman，et al.，2016）。上述的研究表明，从教育神经科学研究的视角来看待青少年认知和情绪的变化，具有积极地意义。教师可以从这些已有的研究结论出发，来思考并改善教学活动的设计，比如，学习活动中思考如何避免学习同伴分散青少年注意力，如何利用这种青少年脑的发育特点来促进其参与教学，如何创造理想而和谐的课堂氛围等。

三、教育神经科学视域下的教师发展转型

（一）教师专业知识的转型

所谓教师专业发展（Teacher professional development，TPD），特指教师群体在教育教学实践中的成长和发展状况。一般意义上，从新手到专家的教师专业发展过程，是教师从边缘到中心、从边界跨越与融合发展的过程。在这个过程中，其教学知识与技能、实践经验、问题解决、专业眼光和素养、教学策略创造、问题解决等能力，能够得到不断融合、升华（张晓蕾，等，2014）。在传统的教师专业发展观点中，其是对教师进行知识传授，以此改善教师知识、技能，规范教师行为、提高教育教学质量的过程，强调教师“扎实的理论知识和专业的教学技能”（朱文辉，2018）。

在20世纪80年代，教师专业发展强调培养学科教学知识（PCK）的重要性。进入21世纪，教师专业发展已经从对学科教学法与教学内容的关注，转变为关注以技术为依托的整合技术的学科教学知识（TPACK），即从技术、教学内容和教学法三个维度，审视教师的专业发展。教育神经科学视域下的教师专业发展，使得人们开始逐渐转向脑的认知结构、神经和人的学习机理，这也对教师的专业知识转型和重构，提出了新的挑战。

教育神经科学是了解人脑学习发生规律的一门系统科学，因此，对教育神经科学的关注，有助于教师理解学习发生的一般规律和特征，从而改变教师传统的教学方式（Cui，et al.，2021）。尽管教师期待采用教育神经科学的研究成果来改变教学过程，但不可否认的是，教师对教育神经科学的理解和实践水平往往相对不足，相对于教学内容、心理学和技术知识，教育神经科学相关的知识尚处于教师知识结构的边缘。教育神经科学知识的缺失，使得一线教师难以关注到学习者学习过程发生的一般规律，也难以在智能教学环境下实施精准和个性化教学。教育研究者也指出：如果缺乏对大脑学习机制的一般了解，就不能研判教学策略的有效性，不能有效把握学习的心理机制，也就更谈不上使用技术来促进教学（武志峰，2021）。这迫切需要教师转变传统的教育观念，而更多地从教育神经科学的视角出发，来调整教育教学方法。尤其在智能时代背景下，教师的专业知识更需纳入教育神经科学的相关理论，教师的专业知识构成也亟待更新和拓展，从而促进教师在教学或课程设计中“创造新的可能性”（Cui，et al.，2021）。

（二）教师专业能力的转型

教育神经科学的系统研究，促使了教育实践从传统的基于经验的教学实践，逐渐转向基于证据的教学决策过程，严格、科学、系统的教育神经科学研究的证据，正成为教师实践的“标准”。如在数学学习中，数学焦虑是对学习数学的恐惧，可以通过多种方式来衡量。比如，让学习者对数学的焦虑程度打分，并将其与学习其他东西时的感受进行比较。而从幼儿到中等教育阶段的儿童，各个年龄段都可能存在与数学相关的焦虑，这种数学焦虑甚至阻碍了其学业进展。教育神经科学的研究表明，明确表示自己有数学焦虑的学生，与那些未明确表示自己有数学焦虑的学生相比，焦虑水平的表现程度也更好（Ramirez，et al.，2011）。这意味着对负面情绪反应需要进行重新评估，即大脑重新解释负面反应的能力，可以减轻其严重性或使其变得积极。因此，如果教师了解了教育神经科学研究的一般结论、 基本观点和最新进展，教师便更有可能在指导和减弱学生的数学焦虑水平上发挥作用。

在一项关于教育神经科学相关概念（Educational Neuroscience Concepts）学习的研究中，研究者探究了教育神经科学相关概念对教师的课程设计和教学过程的影响。研究结果显示，所有科目类别和年级水平的教师都认为，教育神经科学概念对他们现在和将来的教学是有用的，而这种对课程设计的影响，从课程实验前测的51%增加到90%。在进一步的课堂观察和访谈中，部分教师也认为，教育神经科学可以来指导他们的教学决策、 影响教师的教学活动（Chang，et al.，2021）。切里耶（Cherrier）等研究者证实，教师可以使用神经科学的干预手段（Neuroscience Intervention）来促进教学。通过学生的反馈和观察发现，尽管学生的学习成绩在实验和非实验组没有显著的变化，但是实验组对该项目总体上感到满意，他们认为自己更有效率、更有组织性，并提高了规划学习活动的能力。大部分学生认为自己更自立、更积极、更自信，自我认识也更强。这些成果，有助于提高学生的自我效能感，从长远来看，这可能会影响学校的业绩，并对学生的进步有积极的影响（Cherrier，et al.，2020）。

四、未来我国教育神经科学的实践路向

（一）教育多模态数据的融合

基于证据的教学方式，即循证教学日益成为新时代教师有效教学的方式之一。教育神经科学的出现，意味着一种以研究为基础、以证据为中心的教学方式的出现（Tomlinson，et al.，2020），这种教学方式依靠教育多模态数据的产生、识别、获取和利用。随着脑成像技术等的不断发展，教育神经科学研究也呈现日益丰富的特征，新兴技术为促进生理层面的教师教育研究，提供了新的启示与帮助，教师得以从生理层面对学习肌理进行深入了解。伴随着多模态数据分析等，使得教育人工智能、教育大数据驱动的精准教学成为可能。比如，教师可以利用脑成像技术，可进行学习者认知风格、学习投入、教学质量的监测和评估，进而辅助学习者情绪识别、大脑自我调节、动作习得、深度学习。目前，新兴技术也逐渐与人工智能、虚拟现实、眼动追踪技术相结合，来协同开展教育研究与实验（郑旭东，等，2020）。未来，随着脑机接口技术的发展和突破，课堂中可以基于“脑的证据”开展教学实践，教师的教学行为可获得智能化的支持。教师通过与教育多模态数据的有效融合，对学生的学习能力、学习风格、课堂效果、课后活动，也可以使用以证据中心的准则，来进行监测和干预（王朋利，等，2020）。

（二）新型教师培训项目引领

现有教师的培训项目，较少涉及教育神经科学的相关进展和最新成果。研究者广泛呼吁对教师开展更丰富的教师培训，以提高教师对于教育神经科学的理解。在教育神经科学视域下，新型教师培训项目意在促进教师对学习机理、 特殊群体和学习方式的关注。对教师来说，如果教师能够对教育神经科学有所了解，他们就能促进学生更好地学习。对大脑潜在机制的理解，也为教师提供了改进教学实践的机会，教师可以更好地进行教学反思（Brookman-Byrne，2019）。如，杜宾斯基（Dubinsky）等研究者开发的BrainU 教师工作坊项目，该项目旨在通过教授教师神经科学的相关概念，来促进教师的教育实践工作。研究者通过建立专家骨干教师队伍，将神经科学的概念、活动、演示和实验融入课堂，并增加教师对探究式教学的使用（Roehrig，et al.，2012）。在实施该项目时，研究者发现，教师的神经科学知识显著增加、教学能力显著提升。在实验组与非实验组12 个观察指标中，11 个都具有显著差异（Dubinsky，et al.，2013）。可见，通过教育工作者（教师、学校领导）、神经科学家、教育研究者的有效协作和沟通交流，可有效促进教育神经科学的研究成果在教育实践中的落实。而有针对性对教师进行专业化教学改进的方式，逐渐成为实现教师成长的重要举措（刘冬萍，等，2021），也为教师专业发展，起到了良好的引领作用（张海，等，2020）。

（三）深度教学反思和知识生成

在复杂的教学系统中，教师往往具有既定的教育观念、教学方法和教学经验，即“教学前见”。“教学前见”的形成，依赖于教师长期以来的学习和教学经验，而教师先前的教育经验和行为模式，难以适应智能时代对教师专业发展的最新要求，甚至产生阻碍（张志祯，等，2020）。教育神经科学领域的建立和形成，有利于教师反思“教学前见”，使得可以基于神经科学的研究证据，促进深度和个性化教学的发生。如，研究者对青少年大脑发育的研究表明，青春期可能是大脑发育的敏感时期，青少年关于学习关系推理的能力在青春期显著增加。尽管人们普遍认为，更小的孩子大脑可塑性更强、学习速度更快，但进入青春期后期，仍然是学习新技能的关键年龄（Brookman-Byrne，et al.，2018）。如果教师能够熟知教育神经科学研究的一般观点和最新研究证据，教师便更有可能在促进青少年深度和个性化学习中发挥重要作用。科学的研究证据，也为教师理解学习的过程和一般机制提供了新的启示，这些发现，可以被用来改进智能时代教师教学的授课方式，促进教师深度反思教育教学的一般过程。同时，教育神经科学也有助于在发现教师学习规律、 促进教师知识生成方面，发挥重要作用，从而为教师的专业发展提供有力的证据支持（冯晓英，等，2021）。

五、结语

总之，教育神经科学领域的建立，有助于促进教师对生理层面教育发生规律的认知，也为教师提供了一个重新考虑、重新设想和设计课程的机会；教师在这个过程中，既能够充分地反思教学，又能够增强教学设计和教学活动组织的技能。尽管教师在教育神经科学的相关认知上仍有所缺陷，但从教师专业发展的角度出发，教育神经科学有助于促进教师对生理层面学习机理的理解，促进教师对学习障碍和特殊学习群体的关注，促进教师对青少年认知和情绪变化的思考，促进教师对证据为中心教学方式的应用，这进一步促进了教师知识和能力素养的转型发展。审视我国教师专业发展的一般逻辑，未来亟需形成专业化的教育神经科学团队，从传统对教师知识和技能传授，转向对学习发生一般机制和学习机理的理解。通过融入教育神经科学的研究成果，以教师教育培训项目为依托、以广泛的机构合作为支撑，来深度落实教育神经科学指导教育实践的过程，进而引领和促进我国教育神经科学的发展，促进高水平、高素质和创新型教师队伍的发展。