当我们在学习时,我们的大脑在不断变化。从学步期到早教期,孩子们所有自然产生的学习经历——包括和朋友一起玩以及反复听睡前故事——都在完善大脑回路的功能和结构,这些回路对我们在这个世界中的视觉、听觉、感觉以及行动至关重要。孩子们去上学时,他们要学习将字母转换成单词,将单词转换成思想,将数字转换成数学概念,于是他们需要以全新的、深刻的方式调整这些大脑回路。目前,科学家和教育工作者正在合作研究学校教育对大脑发育的影响——从研究结果中吸取经验以改进学习过程。
来自斯坦福大学的神经科学家团队在加利福尼亚州门洛帕克的Synapse学校度过了一天,他们与学校老师共同合作,顺便让学生们参观脑波研究中心(BLC),BLC是一个现场实验室,实验人员会戴上一种有弹性的帽子,帽子上有100多个小型海绵传感器。这些传感器会感应自然产生的脑电波,当他们进行教育游戏或冥想指导时,脑电波会产生波动。学生们还可以现场观看电脑演示,了解当他们专注于任务或沉浸于思考时,自己的脑电波是如何变化的。这种互动体验让每个孩子都有机会看到并思考个人大脑活动在学习中所产生的变化,它甚至会随着思维方式,每时每刻进行改变,这有助于向学生灌输在学习中的主人翁意识。同时,教育游戏引发的大脑活动为正在进行的大脑及技能发展研究提供了重要数据。
这项新的研究将两个不同的领域结合在一起:一是进步快速的发展认知神经科学领域,这一领域为塑造和支撑学习进程提供理论支持,同时对大脑在学习过程中产生的变化加以研究。二是对学校、教师和课程的复合领域进行研究。这一新兴的教育神经科学领域超越了这两个领域中各自可以解决的问题,有助于回答更重要的问题:课堂学习如何给特定的脑回路施加压力去做出对应的改变。这些回路有哪些不同之处,帮助我们理解为什么有些孩子觉得学习很难?我们有何办法改善教育,帮助孩子们应对这些挑战?
脑回路早期适应人脸识别,
并重新配置对象以识别数千个视觉单词。
但是,教育经历如何能与大脑的结构功能变化直接相关呢?值得注意的是,现在许多大脑成像技术对大脑回路每周累积的变化很敏感,这让研究人员能够更好地了解特定的学习经历是如何驱动大脑功能和结构变化的。在某项研究中,研究人员使用MRI技术为阅读障碍者拍摄大脑照片,这些人在阅读障碍范围内进行测试,并接受数周的强化辅导。同时每两周进行一次脑部扫描,结果显示,阅读技能和白质束(连接大脑一部分和另一个部分的长纤维束)的结构性脑部扫描测量都发生了明显变化。对照组接受了数周的“一切照常”型教育,因此这种强化教育实际上会在一定程度上导致大脑回路改变,研究人员对此也做出了有力的声明。这样的结果具有挑战性,甚至会改变我们对“学习障碍”一词的理解。这些发现越来越关注正确的教育方式,以及如何让思维和大脑发生积极变化。
我们还可以通过观察教育系统中一直在存在的自然实验,来研究一学年内每周的变化是如何积累起来的。比如,学校要决定学生何时进入幼儿园,何时必须等待。假设在某学区内,有一群5岁的孩子都是同年9月出生的,而学区要求新生的生日必须在15号之前。一年后,将这些同龄人,即在校生与等待入学的学生进行比较。这提供了一个难得的机会,让我们得以一窥幼儿园的正规学习——与幼儿园或日托班等其他选择相比——对大脑发育的影响。这些研究已经开始表明,幼儿园的经历可以促进与持续性注意等技能相关的大脑网络的发展。
当然,老师在指导孩子的学习经历中起着核心作用。老师让学生集中注意力的方式可能会影响学习的本质,包括特定大脑回路的变化。最近有一项大脑成像研究要求学生学习单词,这些单词由一套人工符号组成,而非传统字母,且学生以前从未见过这些符号。于是,两套不同的学习指导要么会让他们偏向“全词”策略,要么会偏向“字母发音”策略。在“全词”指导下学习的单词将导致一种大脑活动模式,这种模式与初学者或陌生的单词相关。相比之下,在“字母发音”指导下学习的单词会引起左脑的区域反应,这种反应与成人水平的单词识别能力相关。越来越多的研究表明,老师进行教学选择,在指导直接学习方面发挥着重要作用,而这可能会对大脑中发生变化的回路产生影响。
当孩子们了解他们的大脑在学习新事物时会发生的变化后,在校学习的这一想法可能会对他们产生深远的影响。
儿童掌握这些基本教育技能时,会将阅读科学和数学发展科学与大脑成像相结合,人们会对其大脑回路产生的变化提出新的见解。我们知道,新兴读者的大脑变化有两种方式:一是脑回路早期适应人脸识别,并重新配置对象以识别数千个视觉单词。另一种是早期发育完成的听单词并且发音的语言回路,这一回路要适应并识别与音节和字母相关的声音。当孩子们学着阅读时,这些回路要不断地将一些细小的直线、曲线和空间转变为可识别的字母模式、字母组合模式以及熟悉的单词,比如“rabbit(兔子)”一词,恰好是Synapse一年级学生通过视觉认识的为数不多的六个字母的单词之一。到了中学,学生的神经回路进一步成熟,他们能够识别出在Synapse时接触到的数千个单词,所需时间比眨眼的时间更短。
同时,我们知道,数学的特点体现在大脑其它几个区域的变化,包括视觉系统识别数字符号的区域。掌握数学只需要孩子们学会主动将数字意义与这些符号联系起来——比如将数字“七”写作7。这种特定形式的数学学习改变了大脑回路,而这些回路位于专门处理空间关系而非语言关系的系统中。孩子们进入中学后,他们的大脑回路开始巩固并提取事实,在简单的思维和数字之间建立关系。
Synapse幼儿园的每个班级在学年中都经历了这些过程。每个学生在语言、视觉、注意力和其它认知因素方面中的技能多样性都得以发展,这些技能可以在我们的现场脑波录音室中安全且方便地进行测试。当学生将那些传感器网络戴在头上时,通过测试大脑活动所产生的自然电场,我们每秒能够捕捉一千张活动“图片”。
经过六个月的学习,学生们再次来到研究中心,以便我们追踪他们的大脑回路的发展。随后在小学阶段中,学生将反复访问研究中心,他们会从幼儿园新生成长为自信的中学生,每天会花几小时阅读,并在阅读中学习,我们的研究团队和学校工作人员将观察在这一过程中他们大脑回路发生的变化。重要的是,我们将这些大脑测试与主要的行为阅读评估相结合。这一目的是要利用这些方法重合且互补的见解,更好地了解教育经历与每个学生的优缺点之间的相互作用,预测并快速应对新的挑战。
这些知识可以为年轻学者提供额外的教学支持,例如,将额外的培训重点放在语音处理或视觉注意需求上。同样,我们知道,儿童在早期难以排列或组合物体、识别空间模式以及理解数量——即对某物有多少的一般感知——会影响后来的数学成绩。因此,这些知识也可以帮助年轻学者关注额外支持,加强大脑网络,为数学技能做基础。显然,我们需要超越只描述学生成绩的传统方式——对他们是否达到预期标准进行评级——并提供见解,研究具体的教学方法,解释为什么这些方法只对响应的学生有效。
世界各地的认知神经学家与学校之间的合作越来越多,他们开始解决阅读和数学以外的一系列问题。这将帮助我们理解移共情、创造力、自我控制和解决问题能力等关键因素是如何在学校经历中发展起来的,以及在许多教导我们做人的事物中,学校又是如何影响大脑回路的。
这是我们与Synapse学校合作的重点,在Synapse学校中,社交—情感学习是一项基本原则。Synapse的学生从幼儿园就开始接受心智觉知训练,包括在“精神时间”中关注呼吸。我们研究团队的关键成员也是学校的全职工作人员,因此我们对这些学校特有的做法和价值观有着深刻理解。当孩子们在头上戴着传感器网络度过“精神时间”时,也就是在做一些课堂上常见的事情时,他们可以看到自己的脑电波发生了变化。
这种见解之所以可能,是因为实验室和学校之间的连续性。孩子们也在与他们熟悉的成年人互动且对其深信不疑。而神经学家不仅是那个把外观滑稽的传感器网络戴在他们头上的人,也是之前课间他们掉乳牙时出去休息的成年人,或是那天在班上帮助完成任务的人。当神经科学实验室和学校之间的边界有所重合时,我们就能够超越传统障碍,对学校如何改变我们的大脑有一个新的理解。
通过直接在学校进行研究,教育神经学家学到很多关于学习本身的概念。当然,这些学校的学生有机会看到科学家的实际行动。研究人员开展工作的同时,他们也有机会学习,将自己的大脑视为复杂的实体,改变并适应各自的经历。这给我们所有人都上了一节课:因为当孩子们了解他们的大脑在学习新事物时会发生的变化后,在校学习的这一想法可能会对他们产生深远的影响。
布鲁斯·麦坎德利斯是斯坦福大学“教育神经科学倡议”的负责人,也是教育专业研究生院的教授。伊丽莎白·图马里安伊丽莎白是Synapse学校脑波研究中心的负责人,也是斯坦福大学“教育神经科学倡议”的研究人员。
我们需要克服对教育表现的传统描述,培养洞察力,获得有效的教学方法,并理解它们对学生的影响。
作者: B. McCandliss
翻译:Y. Lei
排版:H. Huang
校订:S. Ni
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