脑科学与素质教育，本文主要内容关键词为：脑科学论文,素质教育论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
第三次全国教育工作会议关于全面实施素质教育的决定，在我国教育发展中具有重大历史意义。为了使素质教育得到当代脑科学的坚实基础，本文就近年实行素质教育中存在的四个理论和实践问题，试图以当代脑科学新理论成果给予新的解释。这四个问题是：（1 ）心理素质包括智力、能力和智力潜能等的科学内涵：传统教育以考试成绩作为判断学生水平和教育质量的主要标准。推行素质教育不再仅以考试成绩作为判断标准，那么什么是衡量学生水平和教学质量的标准呢？这实质上是智力、能力、智力潜能的科学内涵及其客观测评的认知神经科学问题。（2 ）创造能力的实质：素质教育的重要目标之一是培养学生的创造能力，什么是创造能力，怎样才能培养学生的创造能力？教育家们从教育实践中总结出许多宝贵经验，如从培养形象思维、发散思维的途径以及形象思维与抽思维的综合运用等。然而，创造能力的脑科学基础和深层心理机制仍无确切答案。（3 ）个体差异：因才施教是教育学的理想教育原则。教育家们凭籍多年教学经验很快会对学生的天赋和潜能做出判断。那么是否存在一种客观的科学手段对个体差异进行更为可靠的科学测评呢？（4）儿童早期智力开发：儿童早期大脑可塑性最大， 早期脑发育的好坏对其一生发展具有重大意义，因此，教育必须抓住脑发育关键期充分塑造大脑。脑科学能否监测儿童脑发育关键期，成为当前急需解决的问题。
探讨这四个问题之前，让我们简短回顾一下与教育相关的脑科学发展历程。俄罗斯生理学家巴甫洛夫及其同事对狗分泌唾液的食物条件反射研究35年，形成了高级神经活动学说。50年代初，苏联采取政府行为推行其理论，改造教育学。1938年出版的美国心理学家斯金纳专著，总结了大白鼠按杠杆学习行为的食物强化规律（操作条件反射的强化时间表），到50年代末在美国用于教育，形成了程序教学与教学机的应用研究。这两项对教育产生过影响的脑科学成果，基于行为的宏观研究，未能直接揭露脑功能的物质基础，所以不可能引出教育的突破性进展；但经典条件反射的规律和操作条件反射研究提供的强化规律都对教育产生了积极影响。60年代脑科学的两大发展，即两半球功能一侧化现象和脑发育关键期以及可塑性现象，至今对教育仍发生一定影响。虽然他们给教育发展以新的启示，但这些都是脑机制中的一些现象，不可能赋予教育发展以新的策略。只有以当代认知神经科学的理论与技术对其进行更深入的研究，揭露这些现象的实质，才能成为素质教育的脑科学基石。我们首先从两半球分工问题谈起，因为它流传得相当广泛，应当从科学上有个明确交待。
一、思维活动的大脑两半球分工说之始末
1861年Broca医生在运动性失语症病人尸检中， 发现脑左半球下额回受损，后来左半球这一区就称为语言运动区。然而关于大脑两半球功能一侧化的理论问题，却是100年后由美国的Sperry，Gazzaniga等学者所提出。1961年，年轻的脑外科医生Gazzaniga 在Sperry 领导下， 对Bogen医生手术的裂脑病人进行神经心理检查， 病人对右侧视野的刺激物能正确说出名称，而对左侧视野刺激物只能做出反应，却说不出名称。这使他们得到两半球认知风格不同的观点，并于1962年发表左右脑分工之说的论文。然而他们通过大量病例研究发现，脑两半球认知分工现象因人而异。所以Gazzaniga1995年回顾说：“70 年代就发现右半球偏好图形刺激的现象，只有当被试实际触摸或摆弄图形或搭积木时，其优势效应才会表现出来；如果改成样本匹配，则右半球优势效应就消失了。试图确定右脑半球在心理活动中可能具有一些独特性是很困难的。裂脑人每一半球具有不同认知风格，这种观点在脑科学界没有流行很久，但却长久地流传在大众之中。关于左右半球的看法不久就不再被普遍接受。”（注：Gazzarniga M.主编沈政等译：《认知神经科学》，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年。）由此可见，左右脑分工之说是由Sperry和Gazzaniga等人提出的，也是Gazzaniga自己否定的。
从动物系统发生中考察脑的左右分化，发现昆虫和大量软体动物的头节已经形成了左右对称性结构。因为这可以有效地判定食物或危险出现的方位和距离，并有利于身体平衡的维持。所有脊椎动物的脑都有左右两半球之分，但不是所有左右脑的动物，都能进行抽象思维和形象思维。由此可见，大脑两半球之分化与形象思维和抽象思维没有直接因果关系。
人脑左右半球的生态意义仍然主要是维系感知觉与运动功能的精确性。由于人类语言功能十分复杂，包括感觉、知觉、运动、注意、记忆等多种成分，所以语言功能和利手现象一并出现了优势半球的分化。一般而言，利右手者左半球优势，利左手者右半球优势。但这种优势不是绝对一成不变的，非优势半球也具有语言功能，正如利右手者左手并非废物，仍有同右手相似的一切功能。如果右手受伤，其优势可以转移至左手（如写字、用筷子等）。
有人善用右手，有人善用左手，这种利手现象的个体差异是客观存在的，应该听其自然，使手脑得到较好的发展。可是右脑增智或右脑开发的某些训练，强行孩子用左手左脚，称之谓开发右脑提高形象思维的基本训练。这样，打乱了正常发育的进程，可能会造成某些孩子的口吃，严重者会导致儿童性精神分裂症。据1997年文献中的统计报导，精神分裂症发病年龄与语言优势半球形成的性别差异十分吻合。因此，语言优势半球发育受阻可能是精神分裂症的原因之一。
1998年，美国密执安州立大学两位心理学家撰写了题为《人脑功能一侧化的认知神经科学：裂脑研究的教训》一文，开头就说：35年之后Sperry的科学继承人仍继续研究着裂脑病人，以便解决认知神经科学面对的许多难题。随后，该文例举大量相互矛盾的科学事实。科学家们在过去30多年的研究中，尝试过许多归纳途径，如语言半球与非语言半球，抽象思维与形象思维，细节加工与全息加工，解释器与写真器等。然而，这些两分法的研究结果都会在几年以后出现反例的报告，甚至反例竟是同一位学者深入研究的结果。90年代以来，利用多种无创性脑成像技术，实验性分离多重脑功能系统（模块）已成为当代脑科学研究的热门课题。这些研究表明，大量脑功能系统不是唯一按左右分工原则组装，更多是皮层与皮层下，后头部与前头部，乃至背侧与腹侧系统等多种形式组装模块。所以Gazzaniga说：“对裂脑人研究35年了， 每过十年都会有新的认识”（注：Gazzarniga M.主编沈政等译：《认知神经科学》，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年。）。但是， 这并不意味着两半球功能一侧化理论是错误的或诺贝尔奖发错了，正如不能因为有了量子力学，就说牛顿经典力学是错误的。诺贝尔奖既不是科学终极真理的标志，又不能因发展了新理论否定该奖的历史意义。
二、脑认知功能模块论
大脑两半球功能一侧化理论的创始人之一，Gazzaniga1976 年第一个提出模块（modulc）的新概念，试图取代左右半球分工说。他写到：“新的观点认为脑是由在神经系统的各个水平上进行活动的子系统以模块的形式组织在一起的。”（注：Gazzarniga M.主编沈政等译：《认知神经科学》，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年。）
1983年认知科学家Foder从理论计算机科学和人工智能研究中， 也提出了智能的模块性（modularity）。他认为确定功能模块的三条标准是：认知的封装性、域特异性和浅输出性。认知的封装性类似于商品的包装，每个包装就是最小的功能单元；域特异性是指每一包装的单元具有非常专一的功能特性，发挥一种作用；浅输出是指模块信息加工的结果，可以在无意识中表现出来，无须深层意识活动的干预。这三条标准后来为许多认知心理学家引用。
80年代关于记忆脑机制的认知神经科学研究发现，记忆有许多性质不同的功能系统或模块所组成。 怎样判定功能模块呢？ 双分离原则（double dissociation）是个重要标准。某病人甲脑结构受损， 甲类记忆发生障碍，而乙类记忆完好无损。另一病人乙脑结构受损，乙类记忆发生障碍，而甲类记忆无损，这时称甲、乙两类记忆符合双分离原则，是脑内两个不同结构组成的两个功能模块。利用双分离原则，得到的许多不同记忆系统又称记忆的多功能系统理论。1995年， 加拿大Toranto大学著名教授Tulvimg把这一理论进一步完善化， 提出人脑内的五大记忆系统：程序记忆、知觉启动效应、语义记忆、次级或工作记忆和情景性记忆。（注：Gazzarniga M.主编沈政等译：《认知神经科学》，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年。）
近几年利用无创性脑功能成像技术对人类各种高级功能的研究，发现大量科学事实，证明了脑高级功能的模块性。概括地说，脑功能模块是一种动态变化的组装。同一种高级功能如言语包括听、说、写、想等不同环节，完成每一句话又包括名词、动词、副词等不同语法成分以及句子的流畅性、韵律、声调等。因此关于言语的脑功能模块由数以十计的脑结构按一定时序参与，除优势半球外，还包含着大脑皮层与皮层下脑结构，以及多种感觉和运动成分的关系。现代模块论发现，猴脑枕叶、颞叶、顶叶和额叶至少32个脑区参与视觉功能，这些脑区形成背、腹两大功能系统，分别负责空间知觉和物体知觉。人类神经心理学研究发现对物体识别、面孔识别是颞下回的两个临近而彼此重叠的不同功能模块，左、右脑的优势性依认知任务而异。面孔熟悉性判断中右颞叶优于左颞叶，名字识别中左颞叶优于右颞叶。已有的科学事实表明，五大记忆功能模块非常复杂，某些脑结构可参与不同记忆模块，同一记忆模块又由许多脑结构组成。总之，当代脑高级功能模块理论已经极大地改变了简单脑机能定位和两半球分工的理论，正以大量新科学事实不断丰富、完善着脑功能模块组装和动态变化规律。
三、心理素质的认知神经科学基础
“心理素质”、“身体素质”、“政治素质”等名词，并不是科学专用名词，而是源于日常生活和大众媒体，用以粗略地表达某一方面的基本品格。最初素质教育正是基于全面提高学生素质的目的而提出的一种教育口号。在心理学中，与“素质”一词有关的一些专用科学名词是素质、气质、特质，至今这些名词概念仍存在许多不同的定义。原苏联心理学将素质作为能力基础的身体的生理和解剖特点，如反应快的长腿是短跑运动能力的素质。身体素质在医学中常用以描述对某疾病的易感性，如身体瘦长是抑郁症或结核病的易感素质。原苏联心理学把气质作为智力基础的脑进行高级神经活动的特点，西方心理学把气质作为性格或人格的一种先天生理基础，如古老的四种体液类型说。美国心理学家利用因素分析法在大量描述人格特征的因素中总结出某些相对稳定的行为倾向性，将之称为人格特质，例如少言寡语属于内向性人格特质等。在这三个名词的各家定义与科学内涵中，以气质的脑科学定义较为清楚，尤以俄国生理学家巴甫洛夫高级神经活动理论的解释，在科学上较严格。
巴甫洛夫在建立高级神经活动类型学说的过程中，十分注重可操作性的测定方法和判定标准。他用兴奋过程和抑制过程的强度、均衡性、灵活性测定动物的高级神经活动类型。例如，兴奋过程强弱的判定以0.3克咖啡因耐受性为标准，服用后增强了兴奋性的动物称为强型，反之削弱了兴奋过程者称为弱型。对人类高级神经活动类型，除了与动物相似的标准外，还测定语言（第二信号系统）与非语言（第一信号系统）的相对强度作为分型的客观标准。60年代英国心理学家艾森克发展了人格维度理论，认为大脑皮层兴奋性水平是人格特质的重要脑科学基础。他认为皮层兴奋性水平高者为内向性人格特质，反之则为外向性人格特质。皮层兴奋性水平可以利用脑电图加以客观测定。他还应用闪光融合频率等实验心理学方法作为皮层兴奋性和人格特质的客观测定方法。这说明心理品质与脑功能特点的关系早为生理学家和心理学家所关注，并取得了一定的研究成果。
近些年脑科学已取得了长足的发展，认知神经科学的理论与方法学已臻成熟。这一领域极大地超出了巴甫洛夫高级神经活动的理论概念。因此，气质是高级神经活动类型与后天习得特性的合金这一定义已显不足。另一方面，心理素质这一名词已在我国社会生活和教育中应用多年。素质教育主张对全体学生进行全面发展的教育，以便有助于学生形成毕生主动发展的基本品格。吸收当代认知神经科学最新成果，将当代科学新概念与社会生活中最富生命力的名词结合起来，赋予心理素质以认知神经科学新内涵，不仅对推动我国教育工作有益，也将促进认知神经科学的发展。
认知心理学在过去30多年的发展中，基于人类认知活动的实验研究，概括出许多基本心理过程的普遍特性，这些特性不仅可以通过认知实验进行严格的科学描述，有些还可进行定量化比较。与此同时，神经科学发展的新理论和新技术，有助于揭露基本心理品质的脑科学基础。这里将可作为心理素质的科学基础的普遍心理特性及其脑功能参数概括如下。
（1 ）内隐心理过程与外显心理过程的相互转换特性及其脑细胞活动基础。参观、访问或浏览的画面、景观、诗句等在随后的各类创作活动中自发映射在主观意识中，促进创作任务或作业的完成，是内隐心理过程转换为外显心理过程的例证；早年有意背诵的诗句在触景生情中自动地有利于形成脑海中具有新义的诗句或文章构思的过程，则可作为外显心理活动转化为内隐心理活动的例子。从上面两个例证中，可以看到内隐心理活动都是通过外显心理活动的变化间接测量，目前尚未找到直接测量内隐心理活动的好方法。内隐记忆与外显记忆相比，神经细胞活动水平有显著差异，内隐记忆参与的细胞数少、耗能低，信息加工效率高。（注：Ungerleider,L.G.Functional train imaging studres of cortical mechanisms for memory,Science,1995,270,775—776.）（2）自动加工与控制加工过程的转换效率及其脑代谢基础。可以用学骑自行车、学织毛衣的过程为例。开始总是要全身心地紧张投入一段时间，多次练习逐渐达到熟练的程度，可以漫不经心地骑车或边聊天边织毛衣。从全身心贯注地学习到自动化熟练技能的形成是心理加工过程转化的特性。相反，巧妙应用熟练技能，有意识地达到最佳成绩的过程可以作为自动加工过程转化为控制加工过程的例证，如射击运动员、跳高运动员比赛夺魁就是这类心理加工的转换过程。两类加工过程的特性在脑功能影像中有明显可见的差异。例如学习计算机游戏程序之始，脑区域性葡萄糖代谢率普遍增高；三周后操作自如地玩同一游戏程序，则脑区域性代谢率与安静休息时无明显差异。（注：Baars B.J.In the Theaterof Consciousness.New York:Oxtord Unrversity Press,1997p1—2.）（3 ）心理资源分配的速度与特点及其脑诱发电位特性。可以通俗地解释为从一心一意做某件事到一心二用或多用时作业成绩变化的特性。在认知心理学实验研究中，常用增加刺激类型或刺激数目，乃至改变作业目标要求而进行精细地定量研究。神经冲动在脑内传导的特性，可通过平均诱发电位不同成分的多种算法，精细分析某些认知作业中神经信息在脑内传导方向与速度的特性，包括脑左右两半球间、前后脑间、表层与深层结构间的传导关系，均可作为心理素质的脑功能基础的一种客观参数。脑事件相关电位研究表明，心理资源分配和随意注意转移伴随多种成分的改变。脑自发电活动研究也发现，0—14 岁儿童自发脑电复杂性随年龄增长，维度复杂性显著增高。（4 ）心理过程的时序性、复杂条件下的决策水平及其脑影像表现是较为复杂的心理特征。这种复杂心理素质可以简单地通俗解释为完成某项心理作业的速度和流畅程度，以及作业成绩的完美性。认知心理学认为，任何一种心理作业或问题的解决，都由一系列顺序进行信息加工的过程组成，称之为时序性。完成同一心理作业，不同人的心理时序既有相似性又有个性差异，特别在复杂条件下，如情绪波动等，其个体差异是心理素质的一个重要侧面。近年认知神经科学研究表明，高智商者完成同一认知任务速度快，脑能量消耗低，信息加工效率高。（注：Deary I.J.,Cargl P.G.Neuroscrenceand buman mtellrgence differences.TINS 1997,20:73—78.）用多种脑成像技术可以测出这些生理参数的个体差异。
明确了心理素质的上述认知神经科学内涵，有助于我们建立心理素质的客观测评体系和方法。
四、脑功能和智力潜能开发的科学内涵
既然思维功能的左右脑分工说是不确切的过时说法，就不能以右脑作为智力潜能开发的科学根据，那么怎样理解全脑开发呢？由于近年无创性脑功能成像技术使科学家直接观测人类思维过程中脑功能的动态变化，使脑高级功能研究发生了重大变革。 与此同时， 心理学家在过去15年的研究中也取得了突破性进展，采用精细的实验设计研究了无意识的内隐心理过程。结果表明以往心理学的全部研究仅是意识过程的变化规律，只是人类心理活动的一小部分，有如海上漂浮的冰山，露在海平面以上的只是小小的山尖，更大的是水平面以下的无意识心理活动。
1954年加拿大蒙特利尔大学教授潘菲尔德医生出版了一本难得的科学专著，描述了切除癫痫病灶脑手术中发现的科学事实。例如，一位年已60多岁的病人在切除位于颞叶的癫痫病灶之前，对附近的正常颞叶皮层用适当的微弱电流刺激，则病人立即童声稚气地唱起一首社会上早已失传的童歌，或说出绝传的童谣，并不时喊起爷爷、奶奶或小猫、小狗的名字。停止电刺激，病人就会立即从50多年前的生活情景中回到手术台的现实中来。医生请他重复方才唱的歌、说的童谣，他却十分茫然，不明白医生要他做什么。这一科学事实说明，人类无意识记忆的容量是无限的，它可以把你一生中所看、听到的一切情景完好无损地存储到头脑中。我们之所以回忆不起来，既不是没把事情放入脑海，也不是记忆痕迹在脑海中随时间推移而消退，其真正原因是提取困难，很难投射到意识中来。然而，脑中大量无意识的内存总是找机会发挥作用。利用补笔测验可以证明这一点。你可请一位朋友到你家作客，先跟他在客厅中聊天，客厅墙上挂许多字画，但你们并不谈及墙上的字画。随后请朋友到另一间屋子，拿给他一张写满许多偏旁、部首的半个汉字的纸，请他用笔把这些半个字补笔成完整的字。统计他的补笔结果就会发现，这些字中许多是客厅字画上的字。然而你问他是否按客厅字画上的字完成的作业，他会说：“客厅中有字画？我怎么没看见！”这说明无意中映入眼帘的字，竟在随后的补笔任务中无意中冒了出来。可见无意识心理过程在一定条件下自动投射到意识中来，是心理活动的一个重要规律。
智力潜能正蕴藏在这些无意识过程之中。自发的创造活动即灵感油然而生、豁然开朗的境界正是源于大量无意识活动，源于头脑中存储的长期经验和经历。脑功能开发正是要创造条件充分利用无意识过程的宝藏使其在必要时投射到意识中来。从大量教育实践总结出培养学生创造性的必由之路，在于使学生综合运用形象思维与抽象思维能力。形象和抽象思维能力，都是意识活动的能力。意识活动调用无意识内存中的经验和知识，使它们服务于现实的任务就是自觉创作活动的基本过程。反之，意识活动转换到无意识活动的现象也随处可见，如学自行车、织毛衣等，都是逐渐从控制加工过程到自动加工的过程。几乎所有年过半百者都常体验到记忆的干涉现象，他们竟然一下子叫不出熟人的名字或一时想不出不应忘记的事，事后，这些却一下子又从头脑中跳了出来。这些现象都说明内隐的无意识活动与外显意识活动的相互转化，在脑功能开发中是不可忽视的环节。
人类的情感和情绪过程也由意识与无意识两个侧面组成。日常生活中，我们常常体验到的持续性的无名烦恼和焦虑，就是一种无意识的情绪状态。无意识心境是一种较为持久的情绪状态，对人们的身心健康影响很大。许多生理因素和病理过程常是无意识心境形成的重要原因；生活环境和人们的意识修养以及社会价值观对心境的形成也具有重要作用。情操和人格特质持久地终生影响人们的情感和认知活动。因此，脑智力潜能的开发常常是自觉地调节心境，乃至培养美好情操，激励认知过程。反之，正确的认知活动有利于调节情感活动。近年研究发现，作为知识积累基础的长时记忆的分子生物学基础相当复杂，不仅包括不同神经细胞间信息传递的神经递质、受体、离子通道等的数以百计分子，还包括细胞质内的大量信号转导通路中的许多分子转换事件，更包括细胞核内的基因调节蛋白调节基因表达的过程。 例如， 其中一种简写为CREB的核内蛋白质就成为长时记忆形成中的一种关键分子。它的激活通常经过递质—受体—胞内信使等数十种分子链的传递过程。然而发现有一种类似激素的小分子（38肽）却可以迅速激活CREB，分子生物学还发现激素分子可以径直穿过细胞膜乃至核膜，钻入核内快速激活基因调解蛋白。这个发现有可能解释快乐情绪背景下长时记忆不但容易形成而且维持长久。可能“一见钟情、刻骨铭心的记忆”正是激素分子径直钻入细胞乃至细胞核内引起CREB激活的结果。当然这是一种推论，还需科学实验加以证明。但我们可以肯定地说，快乐心境有助于学习、记忆的宏观规律，一定有其分子神经生物学基础。
从上述科学事实中，我们不难理解：首先，人脑中的无意识活动的容量是无限的，而意识活动是容量有限的。因此，脑功能开发的科学内涵是开发无意识心理过程，多接触新事物，浏览新知识，提高无意识过程的蕴藏量，再创造条件充分利用无意识过程的宝藏，使其在必要时迅速映射到意识中来。在生理水平上就是要不断提高无意识功能模块的神经效率，效率越高其蕴藏量就越大。这里所说的神经效率就是完成某一事件的信息存储需耗费多少能量，或消耗同一生物能量换取多少事件的信息存储。这种神经效率完全可以用现代科学仪器客观测定。其次，由于内隐心理活动可以促进意识活也可能妨碍意识活动，所以脑开发的含义也在于创造条件促进内隐与外显心理活动的相互促进和相互转化。那些能提高两类心理活动间转化效率的教育或训练方法，就是最佳的教育手段，这种转换效率可以通过认知神经科学实验利用仪器进行客观测定。再次，脑功能开发的含义在于创造身心健康发展的良好环境，形成美好情操，促进情感活动对认知过程的激励作用以及认知过程对情感的调节作用，以便高效率地实现目的行为。在生理水平上可以通过各种唤醒水平的生理参数测定绘制唤醒水平与作业成绩的变化曲线，寻求每个人的最佳变化范围，进行客观的认知神经科学研究。
五、科学监测脑发育关键期的可行途径
60年代初动物视觉剥夺实验发现，将刚出生的猫或猴的眼睛遮起来，长时间以后再打开眼罩，则其视知觉能力很难正常发展起来。狼孩语言能力的个案报导，自幼失去语言发展的环境，多年以后即使复得语言环境则其语言能力仍不能达到正常人水平。这些研究揭示了脑在个体发育中存在着不同功能的发育关键期，此期是该脑功能结构组建的重要阶段，此时必须有相应的适宜环境条件，环境条件越优越，相应经验越丰富，则功能结构就会组建得越好，相应功能则更强。错过这一时期，即使复得良好条件，其功能结构也难以顺利组建，相应功能很难发展到完美的程度。
脑发育关键期研究已有30多年的历史，但由于不可能在儿童发育期象对动物那样剥夺感知觉条件，进行类似的实验研究，因此儿童许多能力发展的关键期至今不十分明了。大体上说0—2岁是儿童感觉—运动功能和简单语言能力发展的关键期，3—4月龄至13月龄为简单感觉运动发育关键期，知觉表征发育关键期为0—7岁，抽象概念表达和复杂精细语言表达能力直到青春期才能发育完全。不同脑功能结构形成的关键期起始、终止和持续时间不同，而且个体差异很大，大量实验证据已不容怀疑其客观存在，问题在于如何研究和观察正常儿童脑发育关键期。为此，应首先回答关键期的实质。
现代生态理论认为脑的进化发展总是受制约于生态环境，脑的胚胎发生和个体发育也毫不例外，总是在遗传基因和环境相互作用中逐渐完成脑功能模块的构建过程。虽然成年脑仅占全身重量的2%， 耗能量却达20%，脑基因组数占全身1／3。在脑个体发育过程中，遗传基因决定所生成的脑细胞及其间联系的突触总数超过实际所需的量，依环境因素选择最佳的细胞及其间联系的突触构建功能模块后，再清除超量组织成分。胎儿脑在出生前6—9周，已形成的脑细胞数超过正常成人的一倍，这种超量为形成脑的诸多基本功能模块提供了充分的选择余地。通过神经内分泌系统和植物神经调节内脏活动的功能模块，很快组建起来；但机体对外环境刺激的感觉—运动模块，因母体内环境限制，则得不到充分发展，造成大量多余细胞的清除。出生时脑细胞总数与成人相同，但细胞体积小，树突分枝少，轴突裸露（成年人细胞轴突覆盖脂蛋白的髓鞘，类似电线外包的绝缘层以保证传导功能）。所以，出生后在丰富外界刺激作用下，第一个十年脑消耗全身总能量之半，主要用于神经细胞轴突髓鞘化，树突分枝、胞体增大以及细胞间联系的突触大量形成， 4—6岁儿童脑细胞间突触总数达成人150%，为各种脑高级功能模块构建提供了充分前提条件。随着各种高级功能模块一个个构建成功，多余的突触逐渐被清除。16岁或至青春期，各种高级功能模块均已构建完毕，脑突触总数完全降至成年人水平。此后脑细胞总数逐日减少，一些细胞的凋亡伴随存活细胞功能效率的提高。所以脑发育的关键期实际就是各种功能模块的构建期，包括高效突触与网络的选择和多余细胞与突触的清除两个过程，也是细胞功能效率提高的时期。参与功能的脑细胞数和消耗能量由多变少的过程，就是脑发育关键期的可观测生理参数。
现代多种无创性脑成像技术可用来测定不同认知功能中脑激活区及其与能量代谢相关的生理参数，[18]F —脱氧葡萄糖分子正电子发射层描技术可以测定脑区域性葡萄糖代谢率，功能性磁共振成像（FMRI）可以测定认知活动中脑区域性氧代谢情况，[14]O—水与PET结合可测局部脑血流量，近红外光学扫描（NIRs）可以测定脑局部氧合与脱氧血红蛋白分布。在这些测定技术中，近红外扫描是较为经济、方便易得的技术手段，易于推广应用，实现对儿童脑发育关键期的科学观察与监测。
六、为脑可塑性良好发展创造两类必要条件
60年代初，两种不同生活条件下大鼠脑细胞的比较研究，开创了脑可塑性的研究领域。美国加州大学心理系教授将一组12只大鼠放在宽敞的笼中饲养，多种玩具不断轮换地放入笼中。另一批大鼠分别孤独地单一饲养在非常小的笼内，除食物和水外没有任何玩具。半年后处死两组动物，发现两者脑发育明显不同。这项研究报告以来的30年中，从整体、细胞和分子等不同层次上揭露了大量科学事实，证明脑结构与功能毕生都存在着可塑性，包括在病理条件下脑功能代偿性变化，实验动物中感觉器官状态引起的脑功能区重组以及脑内突触可塑性变化（如长时程增强或抑制效应LTP和LTD）以及细胞内外生化物质代谢的变化。所以，脑可塑性变化的科学事实已相当充分，问题在于它对教育发展的启示是什么，如何将脑可塑性研究成果转化为教育策略或教育措施。为了回答这个问题，必须对可塑性变化从现象入手得出实质性的认识。
脑的可塑性是指其先天预成的结构或功能具有一定的可变性。脑结构和功能是生物进化长期累积的结果，后天环境条件不同，引起脑结构与功能相应的变化，其实质是短期事件（从毫秒级的脉冲刺激到数日数年的病理状态）引起的改变转化为脑结构或功能模式的长时事件，包括突触稳定的形成，脑功能的区重组等。从教育的角度关注这类研究的重要内容是可塑性变化的约束条件。大量实验证明，引起脑可塑性变化的两个必要条件是：环境中的适宜刺激和脑内必须的营养与能量。脑发育关键期中脑的可塑性最大，此时脑消耗的能量最多，也最需要良好的环境条件。动物实验表明，为了促进脑细胞树突分枝且在其上形成大量突触，两类必须的物质分别是神经营养因子和兴奋性神经递质。前者促进细胞得到充分必要的营养因子，后者在生态环境下是受到外界刺激后脑内形成的传递神经冲动的分子。下面我们分别介绍这两个条件的含义。
充分利用可塑性的适宜环境条件，因科学发展水平不同，可有不同的理解。50—60年代巴甫洛夫经典条件反射的观点，认为适宜的条件是刺激与强化在时间上的接近。斯金纳的操作条件反射理论则强调学习的内躯力和动机水平以及强化时间表的作用，有四种刺激与强化的时间关系，分别有利于不同行为模式的巩固。然而，近几年分子神经生物学研究发现长时记忆的形成不但靠神经信息在细胞之间传递信息的大量分子，还靠细胞内一些分子将信息传向细胞核内，激活一种核内的基因调节蛋白（如CRCB）是长时记忆形成的必要条件。这种核内基因调节蛋白激活所需要的细胞间和细胞内信息传递过程在果蝇中至少10—15分钟。果蝇形成长时记忆的效果随学习和复习之间的时间间隔在1—10 分钟之内随时间延长而提高，15分钟之后就不再变化。学习和复习的最佳间隔为10—15分钟与脑内细胞核CREB蛋白激活时间吻合。这说明过于频繁重复或重复默写生字几十遍的做法未必有利于学生长时记忆的形成。
充分利用脑可塑性的脑营养条件更是值得深入研究的问题。吃什么食物对儿童脑高级功能十分重要。美国教育家发现：食物中的化学物质可以产生各种不同反应，吃东西本该是令人愉快的事，但食物不当可导致注意涣散、抑郁、惊恐，甚至困倦。营养的早餐应含有充足蛋白质，仅食水果汁、饮料和甜食，一小时后就会从体内耗尽，有些孩子就会变得烦躁甚至恶作剧。至少蛋白质缺乏可引起淡漠、反应低下或易激惹等，所以儿童许多行为问题与营养有关。总之，为了充分发挥脑可塑性的作用，不但在教学方法上下功夫，还必须在儿童营养学上下功夫。
七、基于脑科学的教育发展策略
21世纪知识经济发展使人才与教育成为人类与社会发展的关键问题，引起世界各国普遍重视。刚刚召开的全国教育工作会议吹响了全面推行素质教育的号角，那么当代脑科学向政府发展教育的策略提供哪些咨询建议呢？
1.加速素质与教育质量测评体系的建设。第三次全国教育工作会议后，全国教育事业必将迅速发展，特别是各类民办学校的发展将带来教育质量评估的客观需求，而教育改革和素质教育的方针又不能沿用过去多年教育测量和评估的办法对待新问题。因此，心理素质评估成了最核心的问题。本文对于心理素质的见解尚须转化为可行的科学方法。
传统心理测验虽积累了许多心理测验方法，但这些方法都是通过被试完成某些心理作业（语言和非语言两类）的成绩加以判定。而这些心理作业基本都是外显的意识活动的结果。这就使这些测验方法仅反映出智力或能力而不能涵盖智力潜能。当代心理学研究表明，外显意识活动仅是心理活动中的一部分，比例更大的内隐心理活动对基本心理品质的制约作用更大。所以必须将内隐心理的认知实验方法作为心理素质测评的重要途径之一；其次与巴甫洛夫—艾森克时代相比，脑科学手段取得了许多突破性进展，应用无创性脑功能成像的方法，进行心理素质测评是当代脑科学发展的重要方向之一。因此通过认知实验、无创性脑功能检测、心理测验和教育者客观评估四位一体的技术路线，完全可能建立一套心理素质测评体系，使因才施教的教育原则有的放矢，推进我国教育事业的发展。
2.开展素质教育的跨学科前沿研究，力争走在世界前列。素质教育与传统知识教育相比，是一场教育思想和教育制度的变革，蕴藏着许多重大理论与实践问题。这些问题既存在于基础教育、高等教育之中，也存在于学前教育之中，例如，心理素质和创造性的科学内涵及其培养途径问题。这类全面实施素质教育的普遍性核心问题涉及许多学科的科学理论，即不是教育学、心理学所能单独研究清楚的问题，也不是脑科学独自能够阐明的科学命题。扩大视野多学科多层次地吸收当代脑科学研究成果，才能有所创新和有所突破。例如前面所说的果蝇学习和复习的间隔期以及细胞核内的CREB基因调节蛋白，乃至激素可以直接钻入细胞核等事实，足以说明，低等动物分子或细胞水平的研究成果也常是脑科学带给教育启示的重要途径。事实上对教育产生过影响的脑科学知识都始于动物实验研究，因此，形成一支跨学科的研究队伍，进行跨学科交流，并设置重大研究课题，特殊支持，才能使素质教育理论有所突破。
3.跟踪发达国家的研究进展。1997年美国总统及其夫人召开白宫会议专门研究了儿童早期智力发展的问题，同年MIT接受2700 万美元捐助建立儿童研究中心。在美国《时代周刊》和许多教育刊物上一大批文章讨论脑发育与儿童心理发展中的关键期和可塑性问题。由此可见，美国教育发展的策略似乎从儿童早期的智力开发做起。美国对儿童早期智力开发的投资和研究力量是我国无法相比的。美国高等教育远比中国普及，几乎所有想读大学的年轻人，都能根据自己的条件就读于不同类型的大学。因此美国的基础教育和高等教育都为下一代人成长，提供了多种发展方向和多条选择的可能性。与此不同，美国学前教育却除父母之外，较少受到社会的普遍关注。令人难以置信的是在美国这样经济发达的国家中，竟然存在数以千计的少年儿童处于贫困与饥饿之中。所以，美国政府把发展教育的注意力放在儿童早期智力开发问题上，不仅是因为早期经验对人的毕生发展至关重要，还由美国社会现实所决定。我国社会中也存在儿童早期智力开发的问题，但由于中国社会扶老携幼的道德传统以及紧密的家庭宗族关系，学前儿童总能从父母以外的宗族长辈中得到顾照。所以，学前教育问题不如基础教育问题那么迫切。尽管如此，一方面跟踪美国研究进展，另一方面结合中国文化特点进行儿童早期教育的研究，对全面提高人口素质，仍是十分重要的课题。中国儿童早期智力开发中迫切需要的是充分利用宣传媒体、普及幼教的科学知识，研究和制订儿童营养和玩具的科学标准，加强幼儿心身保健工作。
4.普及脑科学知识，提高新教学法的理论水平。在教师中进行脑科学知识的普及教育，编写脑发育、个体心理发展、生理心理学、医学心理学等系列教材。鼓励教师用脑科学理论总结新教学方法，逐渐形成素质教育的新方法学体系。
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