教育神经科学:一门具有重大现实意义和发展前景的新型学习科学_神经科学论文

教育神经科学:一门具有重大现实意义和发展前景的新型学习科学_神经科学论文

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心理学在强国战略中最可用武之处莫过于在人才培养方面的重要作用。高层次人才的成长与培养呼唤教育的现代化,而教育自身的现代化已不能脱离脑科学而侈谈之。基于脑科学的教育是教育现代化最鲜明的特色。

自新世纪以来,随着脑科学的研究成果在教育实践中的广泛应用,产生了一门新的学科即“教育神经科学”或曰“神经教育学”(educational neuroscience;neuroeducation)。它是心理学、神经科学和教育实践进行深度整合的产物,是构筑在后两个学科之上的桥梁(A bridge between brain science and educational policy and practice)。日本学者小泉英明(H,Koizumi)甚至认为其学科性质已不是一门简单的跨学科(Inter-disciplinary)而是融合(merge)与沟通(communication)了完全不同学科的超学科(trans-disciplinary)——至少,它处于朝向这一超学科演变的进程之中。如果说,西方发达国家的“经济合作与发展组织”(OCED:Organization for Economic Co-operation and Development)的“教育研究与革新中心”(CERI:Centre for Educational Research and Innovation)在1999年启动的“学习科学与脑研究”著名项目(主持人奇萨B.D.Chiesa)标志着这一新学科的肇始,那么2003年“国际心智、脑与教育协会”(International Mind,Brain & Education Society)的成立和2007年该协会主办的《心智、脑与教育》(Mind,Brain and Education)杂志的创刊则宣告其正式面世。西方发达国家均极其重视这一新兴的学科领域,并在相应研究机构的设立和专业人员的培养上投入大量资金。

1 教育神经科学出现并非偶然

可从心理学学科的自身发展和社会需求两方面来分析其产生动力。

某种意义上可以说,近代西方有关心、身关系的思潮,总体而言是对笛卡尔二元论的反思与疏离。在心理学领域,则表现为第一代认知科学(认知心理学)向第二代认知科学(认知神经科学)转换的总体趋势。这一转换的标志性特征,一言以蔽之,就是“离开计算(图灵意义上的计算)而走向大脑”,于是产生了一股强劲的回归大脑的“具身化运动”的旋风。目前,这股旋风所至,不仅影响到科学主义传统的所谓科学心理学,而且对长期受到人本主义浸淫的心理学各分支,如临床、咨询、社会、人格、管理、经济、文化心理学等也产生强烈影响。对发展与教育心理学的影响更是十分显著,教育神经科学就是这一影响的产物。因此,在回归大脑的宏观视野下,教育神经科学中所涉及的神经研究只不过是多种“具身化”中的一种。换言之,在认知神经科学之后还应有其他各种“**神经科学”。事实也的确如此。“**”不仅可按心理学自身的结构体系也可按心理学的应用领域来填充。

因此,我们认为,任何一门心理学的研究,迟早都要走向“回归大脑”之路。当然,这种回归之终极目标,不是去寻找“从生理到心理”的因果解释,而是去探明它们(身、心)在同一动力系统中的关联性和互塑性。对当前心理学中的“回归大脑”的趋势要有清醒的认识。心理学的每个分支都面临相同的任务,对此不应怀疑——因为你只要想到“人的心理是发生在人的脑中的”这一浅显的道理,你就应该感到释然。回归是迟早的事。现在的问题不是要不要回归大脑,而是应思考如何回归。因此,脑科学研究可以使我们在更合理的科学水平上,解读身、心两者上述关系。我们应在“大脑如何活动而与心理相伴”的研究方向上,深入再深入、细节再细节地探索和解读这种关系。否则,我们就会如达马西奥(Antonio R.Damasio)所说,犯笛卡尔式的同样错误。

从教育现代化的自身需求来说,“教育”回归大脑更有紧迫性和必然性。因而教育神经科学首先在争夺人才甚烈的西方发达国家兴起,这就不令人奇怪。

现在已有越来越多的有识之士认识到“神经科学与教育相关”,认为“理解人类大脑的运行规律有助于设计适合每个人的教育”,并可为教育政策的制定者提供“与教育相关的认知神经科学研究成果的信息”(这两句话可圈可点,因为它一语道出教育神经科学产生的合理性与必要性!)。

2 什么是教育神经科学?

对教育神经科学的定义有不同的取向:

取向之一:跨学科或超学科的取向

比较典型的说法有:教育神经科学是“一座架起脑科学与教育政策和教育实践的桥梁”,尽管有人(如John Bruer)指出:这是一座“过于遥远的桥梁”(“Education and the brain:A bridge too far”)。依我们之见,遥远不遥远全赖心理学或认知神经科学介入的深度如何(在此,我们是把“认知神经科学”理解为第二代的认知心理学),全赖它们能否为教育政策的制定和教育实践提供多少有价值的研究成果。因此,某种意义上,心理学是这座桥梁的桥墩和桥身,是其主体部分。

这种跨学科的定义还有另一种更为简洁的说法,即“教育神经科学是神经科学运用于教育实践而产生的一门学科”。人们“希望神经科学研究者与教育者不仅能够相互交流,而且双方能够合作创造出新的知识”,即“认识到本领域之外的问题,并从新的角度来看待各自的问题。”

取向之二:从“学习”的角度把教育神经科学定义为一门(新的)学习科学

简言之,教育神经科学就是认知神经科学时代的学习科学。广义的学习概念也包括“教”的方面,因为我们所指的“学习”是一种“合目的”的学习。需要指出的是,学习科学所指的“学习”,既主要指学龄阶段的课堂学习,也泛指非课堂的社会学习和终身学习。

用“学习科学”而不用“学习理论”一词,实际蕴涵着如下思想:

不结合脑科学的研究,不整合脑科学研究成果于学习过程中去的有关学习的各种学说和理论,我们只把它们称为学习理论。一言以蔽之,“学习理论”一词只属于前认知神经科学时代:而“学习科学”之概念只特定地用于与脑研究相结合的有关学习理论。因此,由于教育神经科学将神经科学(生物学)引入教育,那就要对学习和教育作出新的界定:

“学习被看做是根据外部环境的刺激所作出的神经连接的过程:而教育是控制或增加刺激,激发学习愿望的过程”。

可见,教育在学习过程中,并不直接与脑相联系,而是要通过心理学或通过认知神经科学与脑相沟通——因为如何“控制或增加刺激”才能“激发学习愿望”,这是需要心理学加以研究的。

从“学习”的角度来定义教育神经科学,可以突显心理学在其中的地位。这是一种立足桥墩(心理学),顾及两端(教育与神经科学)的定义。如果只立足于心理学而不去思考两端,那就永远只是心理学或认知神经科学的研究,也永远不会产生教育神经科学(新的学习科学)了!

因此,我们面临的任务是:人在学习时或人在被要求学习时(“教”及由此而导致的“合目的的学”),一方面必然要去了解心理上到底发生了什么以及怎样发生的,要求了解知识的获取是否适合(匹配)或遵循着我们已知的心理及其发展的规律(这是所有学习理论赖以存在的基础,或曰,所有的认知神经科学前的学习理论都是基于行为层面的认知心理学的)。但我们仍应继续追问,在学习的同时,大脑本身究竟发生了什么?追问的结果,有可能证实,也有可能否证以前的认知心理学所得到的心理层面的规律——这就是当前认知神经科学一直在做并且继续在做的工作。换言之,我们不仅应该知道儿童是怎样学习的(认知心理学),还应知道人在学习时,脑中究竟发生了什么,即还应扩展这一表述于教育:所有教育活动发生时,脑中发生了什么、是否发生、如何发生(从认知神经科学到教育神经科学)?不考虑脑的教育是浅层的、只有暂时效果的教育。因此,把神经科学排除在学习之外,无论如何,不说是错误的,那也终非久长之计。

我们强调教育神经科学与如何组织和促进“某种合目的的”学习有关,是基于如下思想:无论认知心理学还是认知神经科学,都还只是属于对“批判的武器”的研究,而重要的是要进行“武器的批判”之探索,“好剑再好,不射则若无”。要使好武器有其用武之地,教育就是它的最直接、最重要的应用领域(合目的性的体现)。

综上所述,教育神经科学就是“从脑、认知与行为三个层次来理解人的一生中不同阶段的学习能力,解决学生在学习过程中普遍存在的问题,为教育政策、课程与教学改革实践提供科学的依据”。更具体而言,教育神经科学所要做的工作就是:“在对学生学习数据(来自“脑、认知与行为三个层次”)进行科学分析的基础上,确定学生的发展阶段、特长与弱点、擅长学习的教学内容、学习生涯中可能出现的问题等,并根据每一个学生成长与成熟的状况,扬长避短,设计出适合其发展的最佳教育计划”;同时,“还能够及早鉴别出有特殊需要的学生,尽早采取有效措施进行教育干预”。

用更简洁的话说就是:“教育神经科学就是探索人类学习的脑与认知的机制,并将其研究成果用于教育实践(决策与教学)”,故有学者干脆把教育神经科学称为“神经学习(neurolearning)”(董奇等)。

于是,打个比方,“学习”犹如一根红线,它把以上各个珍珠(层面)串联起来了。

取向之三:从“心理表征的发展”角度定义教育神经科学

英国剑桥大学的斯祖克斯(D.Szucs)和格斯瓦米(U.Goswami)在2007年提出了一个新的定义:他们认为教育神经科学是关于“心理表征的发展研究”。这里重要的是“发展”二字,作者认为,“研究心理表征的发展就可以使教育神经科学区别于一般的认知神经科学”,因为“教育的一个重要方面是系统地塑造儿童的认知系统。发展儿童的认知系统部分地依赖于脑的结构和功能”——这一观点有些学者又称之为“神经建构论”(neuroconstructivism)。因此,教育意味着“通过教室中获取的目标设定的(targeted)经验来塑造(shaping)每个儿童的脑——这就是所谓‘教’”。

他们在把教育神经科学定义为“认知神经科学和行为方法相结合的研究心理表征的发展”之后,继而又把“心理表征”定义为“脑中的神经活动”(neural activity in the brain)。又说“心理表征意指脑的神经网络的活动,它以电化学活动的形式对信息加以编码”(code information in the form of electrochemical activity)。神经科学的研究显示:人类信息加工依赖于脑中延展的、相互联结的神经网络。而所有的心理的活动依赖于分布的心理表征,后者是具身于(体现于)神经网络的。联结主义就是企图通过神经网络来研究学习并建立心理表征的简化计算模型。心理表征本质上是分级的。例如,一个表征可以根据相关的神经元激活的数目、激活的比率、激活形式的连贯性,以及它们发出信息的清晰程度而处于不同的等级。

我们知道,传统的认知心理学是在一个较高的描述水平上来定义和研究表征并认为表征本质上是符号性的。它通常把心理表征视为心理的概念单元(conceptual uints)。大部分认知理论是假设符号表征的,其在形式上是离散的,并且其功能性是全或无的(所谓“代数的”心理之隐喻)。人的认知行为可以运用这种符号表征的假设来加以分析。但当人们现在已认识到所有的心理活动都依赖于脑功能时,那么对脑的神经网络的活动的思考就可使我们对这些较高描述水平有更好的理解。实际上,认知神经科学最重要的方面就是在一个共同的框架下,既解释了高水平的心理(如认知理论及其符号表征),也解释了较低水平的数据(关于脑中神经网络的激活)。

因此,对教育神经科学来说,它为了实现其最终目标:理解脑的功能如何产生心理功能的(understanding how brain function gives rise to mental function),它也需要一个类似的整合的框架(integrative framework),在“一种共同的框架上去思考心理和生物现象”。斯祖克斯和格斯瓦米认为他们提出的“心理表征的发展”就能为教育神经科学展开多层次的跨学科研究提供这样“一个共同的分析水平”,即“共同的思考框架”。

斯祖克斯和格斯瓦米关于心理表征之新观点的一个关键点是:不存在一个复杂的表征可定位于脑的一个部分!复杂的心理表征是通过多个相互联结的神经网络的相互作用来编码的。“心理表征依赖于分布的神经网络”这一事实对教育神经科学极具挑战性。(以下所举“数的心理表征”的例子,它就依赖于几个不同的编码。)

例如,编码非数字的数量的网络主要是在顶叶皮层(parietal cortex);存贮记忆的计算的facts的网络主要在角回(angular gyrus)和脑的语言加工区域。这些心理表征使得对符号数的认知理解和对数字符号的操作成为可能。构成数的心理表征的神经网络和在这些表征上进行心理加工的操作的神经网络,它们的协调活动导致了对数概念的理解。

如前所说,教育神经科学涉及三个学科而非两个学科的整合,即教育、神经科学和认知心理学:神经科学是研究人的神经系统,教育的目标是发现形成和丰富个体的认知系统的最佳方法,心理学科提供分析个体认知系统的工具。因此,认知心理学是神经科学和教育之间的必要的中介。虽然不能把神经科学和教育整合成为一个整体,但可以通过使我们聚焦于认知心理学中感兴趣之处,即心理表征研究来整合教育和神经科学之研究活动于最相容的水平。

上述关于心理表征的新观点必然导致对认知系统采取与符号隐喻不同的隐喻。克拉克(A.Clark)认为,整个认知系统应被理解为是一种“松散的织品”(loose-knit),即分布的表征组织(economy)。在发展的过程中,完全可能在economy中的一些元素发展了而与其他元素产生冲突。这是不可避免的,因为不存在什么“小人”(“homunculus”)或一个所谓“中央reasoning engine”来决定发展。相反,在整个reasoning machinery-economy中有许多相互作用的部分(它们是按不同速率发展的),而“所有这些部分的活动就是认知”(the activity of all these parts is cognition)。

大脑中没有“全知的,内部执行官”来支配认知发展,这一观点如果从神经网络之本质的角度来看,它显然对教育具有挑战性。这意味着教育必须要平等地认真对待那些“具有或多或少影响力的广泛而平行的成员”(vast parallel coalition of more-or-less influential);而且,正是这些成员之影响力的展开,才“使我们的每一个人的思维表现得如我们自己”(unfolding makes each of us the thinking beings that we are)。

费希尔(K.Fischer,曾是新皮亚杰学派的代表人物之一、“国际心智、脑与教育协会”的创始人之一及首任会长)及其同事讨论了认知与脑之间的“发展的循环”,他们认为这种循环展现了重要的类似阶段的特征。如儿童在某一年龄期间,他们会对蕴涵着某种特别结构的认知技能进行最宜(optimal)的操作,表现出明显的发展(spurts)来。由于对皮层活动的研究也能揭示出这种发展,故费希尔进而认为:皮层的改变可以联系于认知的改变,它为把心理、脑与教育联席起来提供了机会。

分布的心理表征的发展可以通过认知心理学、联结主义、神经建构论和教育等加以整合以形成其理论的和方法论的框架:联结主义对学习的研究提供了一种新的框架,它是通过从简单的加工单元的网络构建心理表征的计算模型来进行的。神经建构论对发展的研究提供了一种新的框架,它是通过对构成心理表征的神经激活形式的生物限制条件加以审视来实现的。认知心理学已揭示对教育具有关键作用的某类心理表征的本质特征,例如对语言获得(literacy acquisition)的语音表征,以及对数的获得的近似模拟量的表征。教育研究寻找的是发展儿童表征的最佳方法。

这种整合突显了对各种“神经变量”(neural variable)加以研究的重要性。把“神经变量”结合进来的最关键的好处是:它使我们对脑活动的观察成为可能。

例如,EEG就是对神经元构成之神经网络中的电活动的一种直接测量。如果在假设的认知加工过程和神经表征和神经变量(不限于EEG)之间,探明了一种有意义的联系,那么,这些神经变量就成了产生相应认知加工的特定心理表征和加工过程的神经标记(Neural markers),这些神经标记将使心理功能的研究即使在无注意情况下也成为可能。而且,这些研究神经变量的技术也为研究心理表征和教育行为之间的关系提供了独特的方法。当前大多数认知神经科学就是把由认知心理学所假设的认知结构(如工作记忆、语法规则知识)映射到人脑中的心理表征上。我们在此建议:这些心理表征的神经测量可能对教育具有重要意义——因为神经标记是与认知结构有着系统联系的。因此,找出神经标记并对其进行发展的分析,这将为作为认知发展基础的心理表征的发展研究提供一种方法。

对成功的教育神经科学来说,我们需要把神经变量与教育行为联系起来。神经变量可以产生影响心理学理论的新知识,并能够进一步影响教育的研究。

例如,认知神经科学发现:事件相关电位(ERP)的振幅可以作为人脑中数量信息的指标。因此,这一变量可被视为数量加工的神经标记。发现这一标记就使测量脑中数量加工的反应时成为可能。最近的研究揭示:与数字相关联的数量信息(magnitude information)其被迅速激活的速度幼儿与成人相同。但是,儿童在那些数量加工任务中的行为反应则比成人慢得多。儿童认知行为操作远在他们的数量加工技能之后(后者以神经标记ERP作为指标)。对数学教育的一个挑战是随后如何解释:为什么儿童不能在简单的数字任务中做得像成人一样。

另一个潜在神经标记的例子是N100对语言发展的意义。N100是当声音被登记时所出现的早期负波。虽然N100在潜伏期和振幅上有发展上的变化,但它适合于作为脑所接受的听觉刺激性质的早期加工的指标。可以测量熟睡儿童的N100以评估其对言语声音的反应性。因此,即使在完全没有认知或行为的变量存在时,像N100这样的神经标记也可以提供关于言语声音的心理表征的数据。这表明语言功能的语音认知方面就能很早得到测量,甚至不需要注意的参与。这意味着神经科学的方法能够研究教育方面的某些问题——当这些问题不能由心理学中传统的认知的、行为的研究方法所回答时。脑成像等技术手段也可以广泛应用于通常难以研究的对象,如听障儿童、语前婴儿等。

3 教育神经科学的主要研究领域

认知神经科学中具有丰富教育含义的内容构成了教育神经科学的主要研究领域。

3.1 早期教育

由于素朴知识(naive knowledge)的存在,儿童很早就形成了他们各自的“关于世界(语言、智力、人、动物、植物、物体)的理论”。因此,应该“以儿童在早期环境中所获得的知识作为学校实践的基础”。有学者甚至主张“学校甚至应该为最小的孩子提供成为科学家的机会,而不仅仅是告诉他们关于科学的知识”,如在低年级开设日常心理学,或从现实的自然概念(或者错误概念)入手来教育孩子,以使他们真正理解科学概念。另外,就教学方式而言,早期教育要求施教者应更好地考虑幼儿独特的思维方式和个别化概念(儿童自己的素朴知识),并从脑的层次上,特别是从其可塑性的角度延伸这一探索。

3.2 语言学习

主要涉及语言的理解和产生及第二语言学习。语言的理解和产生所涉及的语法和语义两个加工过程依赖于不同的神经系统(当然还包括对情境与意图的理解、韵律与语音加工等其他过程):语法加工,主要在左前额叶;语义加工,主要在左、右脑的后部外侧区域。语言功能不是由单一脑区而是整个脑中的不同神经系统来执行的。

认知神经科学研究的主要成果:(1)语法学习开始越晚,脑变得越活跃(表明难度越大),如专家型读者比新手型读者的脑激活更少。起步晚的学习者不是只在左半脑加工语法,而是两半球加工相同信息(使用不同的策略)。进一步研究表明,两半球都激活的被试,在语法的正确运用上存在更大的困难。(2)对第二语言学习者来说,越早学习,掌握语法更快更容易。但语义学习将持续终身,不受时间限制。这说明语法学习的研究是学习敏感期及经验期待型学习的一个例子(关于学习敏感期及经验期待型学习后文还将论及)。不是说晚学者不能达到高水平,而是说由于在生物限定的时间段内,由于没有接受相关经验,学习会更加困难。(3)上述研究结果对教育政策的启示显而易见:①13岁以后学习第二语言很可能会导致对该语言的语法掌握程度不高:与第二语言学习有关的任何公共政策与干预措施(如提高起步晚者的学习语言的能力)必须考虑大脑是如何加工语言的,如此才能保证其有效性。②如果能确定脑的哪个系统受敏感期的限制,哪一个不受限制,那么开发与实施合理的教育与康复计划就可以成为教育决策者的一个目标。如语音辨别能力的习得也存在“敏感期”,有人做过调查:母语为日语的人区别load和road相当困难,即使在美国生活多年,当“你听到有人用外地口音来说你的母语的时候,你(就)可以肯定他(她)是在12岁以后学的”。但是,切不可产生以下误解:“学习障碍在敏感期以后成为永久的了!”事实不是如此,成人能够进行新的学习。上例中,如对母语为日语的被试,在对之大量输入r和l的语音并使其可以区分,在受过这样的短期训练之后,他们在听没有训练过的语音时,也能够迁移这种能力。脑成像表明:这种训练影响了负责母语语音感知的大脑皮层。

3.3 阅读技能

认知神经科学的研究告诉我们:从牙牙学语到认识字词,到掌握句法和理解句子的情境,再到学习阅读,它们激活的是不同的脑机制。教育神经科学的视角主要关注这些发现对字词识别困难者进行鉴别和干预的应用与启示。

在鉴别阅读障碍的孩子时,至少一个脑区——左侧颞上回非常重要:它用于注意词汇的声音结构。他们不能正常激活该区,但额叶却代偿性地活跃(尽管智力正常)。

至于对阅读障碍的干预,人们知道:一方面,单纯靠教育手段很难矫治阅读障碍;另一方面,人们又相信,当我们能够借助认知神经科学工具,将阅读技能分解为一个个信息加工步骤和功能模块之际,或许可以乐观期待,它就是为克服阅读障碍设计有效的矫正项目之时。当然,它们同样也可服务于为正常儿童设计更好的教学方法。

中文与西方拼音文字相比,虽有其自身特点但原则也许是通用的:关键是要将中文阅读的技能也分解为一个个认知过程及寻找到对应的神经机制。在这方面,中外的认知神经科学家们做着同样的工作并不断收获着成果。有人乐观地预言:阅读障碍的研究与治疗将在不久的将来成为认知神经科学的一个重要的“成功故事”!

3.4 数学技能

根据法国著名认知神经科学家迪昂(S.Dehaene)的研究发现:婴儿天生具有某种数感,它构成了婴儿初步的数的“概念”。负责这种能力的脑区在脑顶内沟(intraparietal sulcus)。它用于表征数量,使婴儿能够理解“许多”和“一些”的差异。这是一种天生的估算能力。

数学运算的认知神经科学研究成果丰富。我们现了解到数学加工涉及到的脑区很多,如精确的算术运算在左前额叶(词汇记忆任务);数学估算还包括左右顶叶下部(与视觉和空间任务相连)。

除了上面提到的脑区,其他脑区也参与数学加工,而且两半球各个脑区是协同而不是单独运行的。如额叶前部皮层和前扣带脑皮层通过控制非自动化的策略而在复杂计算中发挥重要作用。

迪昂还提出一种模型来描述脑半球协同运行实现儿童在学习或进行数学运算时脑区的激活系统,即著名的三重编码模型(The Triple Code Model):

三种基本数字操作 —— 运用三个不同脑区(激活)

看到阿拉伯数字“3” 梭状回(fusiform gyrus)

听或读到言语数字“three” 外侧裂区(perisylvian area)

比较数量大小,如“3比1大” 顶间叶(interparietal lobes)

但是,导致脑网络损坏的脑损伤或其他任何形式的伤害都可能产生计算能力缺失或者计算障碍。

脑损伤是物质本体(硬件)的损伤,还有两种(至少)被认为是软件意义上的原因会导致数学困难:

一是可能某些与数量有关的神经网络受到损害而解体,故而很难理解数字中所包含的信息;二是儿童还未学会把数量表征与词语符号(及视觉符号)联系起来。(但是这种分离也证明了不用语言来进行数学思维的可能性——如以强调数字的空间物体(如,数列)或者具体物体隐喻(如,算盘)的数学材料来培养数字意识。这方面已有成功的案例:如通过所谓“适时开端项目”(The Right Start Programme)传授数学的基本技能如数数,将数字、数量与数列概念对应起来,利用数量表征系统来说明教学的有效性。该计划还运用物体如“蛇和梯子”的游戏来教孩子数字的空间类比概念。通过此类训练,可成功地矫正了儿童的数学障碍。

有研究者据此认为,认知神经科学下一步可以进行的研究是:人们是在何种程度上运用图像图式(即空间关系,如容量、密度、中心与边缘等)与概念隐喻(不同集合间的对应关系,保留了推理的结构)来构建与理解数学的?对这些问题的深入研究需要神经层面的介入。

3.5 终身学习与脑的终身可塑性

教育神经科学关注老年人的学习,它涉及脑的可塑性、认知衰退等问题。老年社会的到来,极大促进了这一领域研究的开展。从终身学习的角度来看,老年人的学习无疑是其题中应有之义。

以下误解需要澄清:并非年老之渐至必然地伴随着认知能力的降低——尽管大多数认知能力的普遍衰退发生于20岁到80岁(如字母比较;范式比较;心理旋转;计算范围;阅读范围;线索回忆;自由回忆等),但有些能力在此期间却反而会有所提高,甚至显著提高;有些则要到80岁后才会衰退(如Shipley词汇测验,同义词与反义词测验等)。

上述认知心理学的发现,可获得认知神经科学关于脑可塑性研究的支持。因为随着年龄增加,脑并不是走向一条不断衰退的不归路,而是终身都具有可塑性。脑可塑性既表现在神经元和突触数量的变化上,也表现在神经回路、神经网络的调整和重组等方面。

对“脑可塑性与学习的关系”的深入研究,特别可澄清一些时下流行的“神经神话(神经谬误)”(关于“神经神话”,本文后专节再议)。

对脑可塑性与学习在个体生命周期中不断变化的研究已经取得了新的成果。以前认为:脑每天损失大量神经元(据说有10万之多),但新近的研究发现,皮层内每一个区域总神经元数与年龄无关。年龄上升,则大神经元下降而小神经元上升(但总数基本维持不变)。随着神经元变小,会产生两种后果,即神经回路增多和突触数量减少。突触数量减少是把双刃剑:一方面,它意味着可塑性下降;但另一方面,它又并不必然意味着认知能力的下降——这是因为神经回路的增加保证了某种认知技能的获得,突触数量的减少实际意味着修饰了一些神经元连接并同时强化了另一些神经元连接!这一事实或许可启示从如下角度理解脑的可塑性:是否有这样的可能:尽管脑是终身可塑的,但可塑性本身的水平的确是在逐渐减低的,主体认知学习的高水平同时也伴随着这种可塑性水平的降低?这一问题似值得进一步研究。

脑终身可塑性和终身学习(某些认知能力的终身提高)两者是相互影响、相互塑造的,我们尤其不应忽视后者对前者的作用——所谓流水不腐、用进废退的功能进化之效果。近来对“学习经验使脑作出反应的可塑性(或灵活性)”的研究令人瞩目。人们开始关注成年人因长期学习对脑中突触形成(在脑细胞之间形成新的连接)的作用。须知,这种新的连接,实际修饰和改变了脑的生理形态。

要抛弃有关0-3岁的“神经神话”(“神经谬误”)。珀斯纳(M.I.Posner)在“经济合作与发展组织”2000年主题为“脑机制与早期教育”的“纽约论坛”上说:“我们确实抛弃了0-3岁的谬误,取而代之的是可塑性与阶段性的重要性。换言之,脑是可塑的,然而在我们生命的某个阶段发生的某些事情对早期学习和终身学习都非常重要。”

可塑性不是0-3岁儿童的专利,各年龄阶段有各自的可塑性形式。说到底,可塑性都是学习经验对脑的作用所致。但这种经验对幼脑和成人脑的影响方式和价值还是有区别的——在这个意义上可以说存在两种不同性质的可塑性:

生命早期自然发生的突触形成,我们称之为“经验期待可塑性”(experience-expectant plasticity);生命历程中因复杂环境影响而产生的突触形成则是另一种“经验依赖可塑性”(experience-dependent plasticity)。

经验期待可塑性更多体现的是种属发展的特征;而经验依赖可塑性则被理解为是健康脑的自然条件,它使我们终身都能学习,同时从中也反映出个体的差异:学者们试图从认知神经科学层面阐明经验期待可塑性和经验依赖可塑性的神经机制,探索特定脑区和具体技能可能的联系,研究环境对学习的影响,同时加深对脑可塑性的理解,这似乎对经验依赖型可塑性来说更为重要。现已发现,海马——参与空间记忆和空间导航能力任务;听觉皮层——与音乐技能发展有正相关;运动区——与手指运动之间有正相关等等。

两种可塑性导致两种学习:从学习发生的难易程度上说,依赖敏感期的学习过程(如语法学习),期待在一定的时间段(敏感期)发生相关的经验,这就是经验期待现象。人们认为经验期待学习发生于生命的早期。人们把不依赖于敏感期的学习过程(如词汇-语义学习)称为经验依赖现象,它发生的时间段不受年龄或时间的限制,这类学习是终身的。

3.6 情感因素对学习的影响

人所周知:情绪影响认知水平。人们质疑现在的教育系统(学校体系和教育政策等)并未把非认知的方面(情绪、个性等)作为主要关注点。

科学家已确定情绪表达的生理结构。在人脑中央,有一被称为边缘系统的结构(与额叶皮层相连),它的主要结构是杏仁核和海马。人们称这一区域为“情绪脑”,它与情绪的生物基础和脑机制有关。

当代认知神经科学为具体任务的加工过程进行细致的成分分析提供了工具。这种方法同时适用于情绪和情感领域的分析,惜乎人们还未充分认识到情绪成分在有效认知功能中的作用。当然,毋庸讳言,由于测量工具的缺乏与理论基础的薄弱,这在很长的时间内制约了人们对情绪调节功能研究的深入。

但,一门新的学科——情感神经科学(Affective Neuroscience)最近正在兴起。

根据达马西奥的观点,西方神经科学研究的传统长期偏向于重视认知的研究,相对忽视对情感的研究。近来随着脑科学的飞速发展,情况有变,原因在于人们越来越认识到情感研究的重要性。目前国内东南大学的“学习科学研究中心”在情感神经科学与学习科学相结合的领域正展开富有开拓意义的研究,韦钰院士在其博客中也对教育神经科学(她称之为“神经教育学”或“学习科学”)发表了一系列我们认为非常重要和正确的观点。

认知和情感两个过程构成了人的精神生活的主要基础,所有高级精神功能都需情感伴随;认知和情感的协调决定了每个人的性格特点;情感是智慧、道德和自尊的基础;情感是创新的驱动力,“创新是激情支配下的直觉思维”(韦钰);认知和情感相协调产生思维和决策;情感是影响人们生活质量的核心因素:情感也是许多暴力行为和精神疾病的成因等等。以上观点现已几成人们共识。

当代教育神经科学在这一领域的研究主要集中在基本情绪反应的脑回路和系统、情绪对认知的影响、气质和性格、情绪的社会行为等方面。

人们现在说得较多的一个概念是情绪能力。情绪能力是社会能力的基础。情绪能力有五个方面的表现和功能:

(1)正确评估和认识自己的感情;(2)控制自己的情感,使之适当并能分析其起因,找到办法处理恐惧、焦虑、愤怒、悲伤等所谓消极情绪;(3)激励自己,克服自满与迟疑,调动自己情绪达到某一目的并较持久地保持这种动力;(4)了解并理解别人的情感,欣赏别人对事物不同的认识和感情;(5)善于处理人际关系,掌握别人的情绪,具备社会能力和社会技巧。

在教育神经科学的视野下,特别重视对儿童情绪能力的培养。人类从孩提时代起就能判断一定的情境,使我们“不仅仅是加工信息的计算机,因为它(还)让我们判断与思考这种信息的价值,让我们拥有感情,并能感受到美”(所谓“情绪价”(emotional valence)的意义)。

至于“随意控制”、“自我调节”、“有意行为”、“自动控制行为”等说法,实际含义相近,它们都是儿童适应社会环境所需要的一种或一些重要的行为与情绪技能。

目前,在行为层面,儿童“随意控制”的水平可通过“集中注意”(专心活动的倾向)、“抑制控制”(克制力的训练)、“低强度快乐”(享受低强度的刺激)、“知觉敏感性”(对环境中细微变化的意识)等研究范式的操作结果加以判断。控制冲动而延迟满足的能力是随意控制的一个很好的指标,并有预测性:4岁儿童抵制吃软糖的时间与以后取得的学业成功之间有显著的相关。

调节情绪的脑区也在著名的“前扣带回”(anterior cingulate),它在所谓眶额皮层(orbito-frond cortex)的后面。这个脑区作用很大,不仅调节认知过程,还负责调节情绪,获得所谓有意行为或自动控制行为。

情感神经科学研究发现,杏仁核是恐惧回路的基础部分,是情绪学习和恐惧记忆的主要部位。而且,它也是构成儿童的不同气质倾向的主要生物基础,是具有神经可塑性的学习和恐惧记忆的主要部位。杏仁核起两方面的作用:首先决定直接呈现的刺激是否对生物主体有威胁性。如有,它必须指挥相应的行为反应、内分泌反应等。同时,杏仁核与脑中的感知系统、认知系统有广泛联系(这是直接与皮层联系);杏仁核也可以投射到不同的激励系统,间接地影响知觉皮层对信息的处理。

情绪调节与想象的关系是情感神经科学另一活跃的研究领域,其研究成果提示我们如下丰富的教育含义:

情绪脑与感知区域相连接。脑枕叶(occipitao lobe)是这些感知区域的一部分。脑枕叶不仅参与感知,还参与心理想象。想象会激活与感知相同的许多区域!心理想象会改变情绪状态,无论是正性刺激还是负性刺激,它们不仅会被记录而且会影响身体;想象有助于记忆,如通过想象与某词语相关的物体与情境来记住该词语(情绪记忆参与的记忆术应用);把想象作为心理辅助手段,克服(考试)焦虑和恐惧症;将想象作为一种激素调节物,间接影响认知能力,如睾丸激素会影响空间能力,比赛胜利会提高其在血液中的水平,如此等等。

4 教育神经神话(neuromythologies):“回归大脑”的过犹不及

教育神经神话本质上为一种教育虚无主义。反对教育神经神话是促进教育神经科学健康发展所面临的任务之一。它的产生乃是源于对脑科学研究事实的错误理解、错误解释而形成错误概念,并把这些错误概念误作为脑科学研究的成果运用于教育和其他情境。简言之,所谓“神经神话”就是对神经科学(大脑)研究结果的错误解读并且将之神秘化,甚至错误地作为指导教育实践的理论或根据。

这里要强调的是:那些被错误解读的原始研究可能并无不当,不当的是后续的曲解,所谓“真理向前跨越了一步”,自然谬误难免。

教育神经神话的害处很大,特别是媒体参与构建的神话。如沉迷于这种神话,将阻碍真正科学知识的传播,使教育者作出错误的决策和判断而最终伤害教育。我们简略说说以下几个著名的神经神话:

(1)对生命早期突触发展研究的错误推论

哈腾罗切尔(Peter Huttenlocher)和诸格尼(Harry Chugani)发现:出生不久,神经细胞突触数量开始快速增长,10个月达到顶峰,持续到2-3岁左右,然后开始下降,10岁左右稳定在成人水平,呈现出所谓倒U型曲线:其上升意味着突触连接大量形成,即所谓“突触形成”;下降则指突触连接数量的减少,即所谓“删除”。突触形成和删除都是发展过程中的正常而必要的过程。但是面对这种现象,“神经神话”出现了:一些人将神经突触密度与智力水平直接联系起来,认为突触数量越多,人越聪明,学习能力也越强,于是陷入“突触迷信论”。

但,人类神经科学的研究未能证明突触密度与学习能力之间存在如此简单的线性关系——尽管表面看来似乎可以理解。其反驳的证据至少有二:其一,人的智力与学习能力的发展并未遵循倒U型曲线。在出生和成年初期,突触密度相近,但后者比前者更具智慧能力,更灵活,复杂学习和推理能力更强。随着突触密度的降低,青少年和成人的能力并没有下降,而是开始掌握更加抽象的知识体系和更复杂的技能(见N,A,Fox等人的研究)(这个论据似不充分,因为它可能混淆了绝对量与速度两者的区别);其二,不同种类智障者的研究发现,如唐氏综合症会突触密度降低,脆性X综合症会由于遗传缺陷造成突触删除异常,因而导致突触密度很高。(这也许恰恰说明适当的密度是智力和学习能力的保障,因此两者的线性关系只在一定范围内存在)。

(2)人仅运用了大脑“10%潜能”也是一个著名的神经神话

该神话来源乃是对脑功能定位研究的误解。早在18世纪末,研究者就发现了布罗卡、威尔尼克、角回三个语言区以及与视觉、听觉和运动控制相关之脑区,显示了神经和心理功能定位于脑的具体结构上。当时的确仅绘出了10%的结构和功能。“10%潜能”神经神话的另一来源可能与错误解释著名神经科学家拉希里(Karl S.Lashley)上世纪20年代所设计的系列迷宫实验结果有关:在保留老鼠一定量的大脑皮层而切除其皮层中较大一部分后,其解决简单任务如走迷宫、视觉辨别的能力并不受影响。甚至在皮层的切除量达到58%时都不会影响某种类型的学习。很可能对这些数据的过度解释与夸大,造成了“10%论断”的流传。对“静息皮层”(silent cortex)概念的误解也是该神话的来源之一。所谓静息平层指的是在电刺激下没有引起明显反应的脑区,但这并不意味这些脑区是“不活跃的或没有使用过的”!目前人们已将这些脑区改称为“联想皮层”,它是负责语言、想象等人类特有行为的重要脑区。

(3)脑的半侧化或特化

另一错误理解脑科学与学习的著名例子是所谓“右脑学习与左脑学习”概念——“脑的左半球主管逻辑与语言信息代码,而右半球具有创造性,主管视觉信息代码”,即所谓艺术家是“右脑型的”,数学家是“左脑型的”。

迪昂的研究表明(运用词汇掩蔽和无意识启动范式):加工数字单词(“one”、“two”)是由左半球负责,但在辨别阿拉伯数字(“1”、“2”)时,左右半球都被激活。

在文本阅读这类高层次加工时,对书面文字的解码或者辨别言语的声音,大脑两侧的系统都被激活。

再如所谓纯粹的“右半脑能力”之空间关系编码,其实也是在两半球的共同参与下而完成的——只不过两者活动方式不同:左脑善于对“分类”空间关系进行编码(如上、下或左、右);右脑善于对距离的空间关系进行编码。更有进者,脑成像显示,即使在这两种情况下,两半球区域也是都被激活的。因此我们可得出如下结论:脑是高度综合的系统,单独脑区几乎不独立运行:尽管像面部识别及言语发声以某半球为优势,但大多数任务都要求两半球并行工作。难怪有人对这种所谓两半球学习的神经神话戏说为“left no left;right no right”!

5 发展教育神经科学:面临的问题

目前教育神经科学的发展状况并不尽如人意,其影响其原因是多方面的。

浅层原因主要来自不同领域人员的某些消极态度:教育决策者往往缘于社会文化的差异和对学科前景的难以预测而立场消极。神经科学家的态度又可细分为不同的年龄段:对30-60岁的神经科学家来说,他们的研究领域基本定型,一般不会牺牲自己的未来目标而热衷于与教育界进行效果不明的交流。30岁以下和60岁以上的神经科学家则比较支持,前者因没有固定研究方向,于是可借此新机会来确定未来方向;后者已达或已过事业顶峰,因不再需要向任何人证明其学术能力而敢于开始新的探索。来自教育领域不同功能性群体的态度也会有所不同:研究者们生怕神经科学的新观点危及自己已确定的知识和职位而在新领域面前裹足不前;教育部门的领导者或是被晦涩难懂的神经科学术语所吓倒,或是担心传统教育所依据的社会科学被神经科学所取代而丧失话语权;教育实践者们更多的是表现出急功近利的立场,只对日常教学中所遇问题的解决更感兴趣,认为教育神经科学似乎“远水救不了近火”,如此等等。

深层原因则既可能源于对“笛卡尔的错误”认识不足,又可能在回归大脑时对还原论缺乏警惕。

先说对“笛卡尔的错误”认识不足。

如前所说,西方20世纪(至少20世纪下半叶)的思想特征是对笛卡尔二元论的背离,但据韦钰等的观点,这种背离在中国教育界大多数人的思想中似乎并没有发生。后者的主流思想仍是以二元论观点来对待教育问题,即离开脑、甚至离开心理而谈教育。例如,很多人大谈如何加强德育教育,施教者的愿望良好,却很少有人去研究被教育对象是否真的发生了变化以及如何变化的,特别是脑中如何变化的?再如,如果无视心理规律和深层次的脑机制,培养创新型人才光靠“资金投入、领导重视”就能实现吗?

因此,当务之急是应提高对开展教育神经科学研究的必要性和必然性的认识。

顺便提及,心理学不仅承担着连接“脑与教育”的桥梁作用,即不仅为教育神经科学的建立负有使命,而且同样要为前述其它的“某某神经科学”承担类似的使命。正像“思维发生时,大脑是如何活动的”一语中“思维”一词可以替换为“教育”一样,即我们可发出类似的追问:“教育活动发生时,大脑是如何活动的”,而且,其“教育”一词还可以换成各种不同的人之实践活动:如管理、咨询、审讯等。但所有这些实践活动并不与神经科学直接相联系,而是要通过各领域的心理学(即管理心理学、咨询心理学、审讯心理学等)的桥梁作用才能沟通起来。因此,管理心理学、咨询心理学、审讯心理学等所有的行为层面的研究都面临着同样的追问:“某某(管理、咨询、审讯等)活动发生时,大脑是如何活动的”,研究者都应学会善于把心理学的行为层面的研究进一步演化为“某某(管理、咨询、审讯等)神经科学”研究。缺失这一环节,任何“某某神经科学”的建立就无从谈起。显然,这是一个最见研究者功力的环节!

另一方面,在回归大脑时应对还原论保持警惕以避免“回归过头”。

教育神经科学、认知神经科学,乃至第二代认知科学,它们的理论基础绝不是生理还原论,而是具身认知的“身、脑、环境的综合论或动力系统论”:脑机制只是在必要条件而非充分条件的意义上为心理提供基础,它并不能为心理提供因果解释。

心理(精神、理性、意识)与物质的本质区别不会因大脑的研究而被彻底磨平,即永远也不可能在两者之间画上等号。心理“产生于”物质,但绝不是说,心理“变成了”物质。我们是在前者“产生于”后者的意义上而不是在前者“变成了”后者的意义上来研究大脑的。应澄清“大脑如何思维”这样一种说法,因为它实际上蕴涵着某种“身心混淆论”——而这种混淆并不是我们在反笛卡尔二元论时所愿看到的。大脑不是思维的主体。正确的表述一如前说:“人在思维时,大脑是如何活动的。”或者如尼采所言:“大脑并不思考,而是我们思考大脑。”

正确地理解心理活动的脑机制,也许可以通俗地表述为:“它应比传统的生理机制多一点,比还原论要少一点。”须知,我们反对“笛卡尔的错误”或推进具身化运动,并不是回到生理一元论或生理还原论!

当前,某些教育神经科学家的说法似有还原论之嫌,如“你就是你的突触”就是一种较典型的说法。这一说法把学习甚至把所有心理活动极端地落在了“突触”之上。如此“突触”的要害不在于它认为突触的结构变化意味着宏观学习有了成效,而在于它所蕴含的还原论思想:人的全部本质属性可能被误导为决定于各自的突触状态。

有学者特别推崇这一观点,如日本的小泉英明(日本“脑与教育”项目的总协调人)。“你就是你的突触”(You are your synapses)一语的发明权则归于美国神经科学家莱顿克斯(Joseph Ledoux,其人以“恐惧情绪”的研究著称于世)。

“你就是你的突触”这句话还可有很多变式,因为它也可以用其他词来替换其中的“突触”一词而改写为“你就是你的神经元”、“你就是你的神经网络”、“你就是你的基因”等等。这些不同的说法难免都可能落入还原论的窠臼。

“你就是你的突触”之类说法的要害是无法把心理的文化、社会烙印的丰富多样化性与突触等的丰富多样化性两者严格地一一对应。有些神经科学家一辈子都在追求这种对应——他们似乎永远对还原论情有独钟。

相对而言,“你就是你的神经网络”这一说法似乎其解释力更大些——但仍属于还原论范畴。因为从突触变化到形成宏观行为其中存在许多层次,突触的变化只是分子层次的变化,形成人的行为要取决于神经元形成的网络和网络组成的系统,以及不同系统之间协调运作的情况。仅就由神经元构成的神经网络而言,对它的模拟目前科学上还无法做到,因此,即便在神经网络层次上,对心理的还原也是不可行的。

而且,更重要的是,我们不应忘记另外一句更著名、更经典的话,即“人的本质是社会关系的总和”。与“你就是你的突触”同构,它也可合理地被改说成“你就是你的社会关系的总和”。

那么,“你就是你的突触”与“你就是你的社会关系的总和”两句话何种说法更可取?两者能否统一又如何统一?

我们认为:首先,两者其义似乎相距甚远;其次,如果要使第一句话成立,那就必须上述文化、社会内容的丰富多样性与突触的丰富多样性严格对应。再次,我们认为第二句话似乎更为合理些,尽管它是老生常谈,甚至也面临另一种对心理作“社会-文化还原论”解读的类似困境。

但前者(“你就是你的突触”)又不是无足轻重的。因为前者不仅是后者的必要条件——人之所以成为人,先决前提是先要有人的遗传素质(包括突触),就像永远不能使宠物真正变成你的家庭成员,使之彻底“人化”一样。而且前者还会影响并介入到后者(社会化进程)之中,成为生理-社会相互作用之整体中的一个必不可少的对偶(coupling)成分。当前社会神经科学就是研究这方面的内容(我们认为广义的社会神经科学也包括教育神经科学)。

还原论还以前述某些神经神话的面目出现,因此,这些神话实际上是某些披着大众喜欢之外衣的还原论。如“人的聪明哪里来?——智力基因被发现”(文汇报,1998-1-23);“诺贝尔生理学或医学奖花开两家揭开秘密——嗅觉全靠‘专业流水线’”(新民晚报,2004-10-5);“人脑有个‘后悔中心’”(新民晚报,2006-2-25);“人类移植智慧为期不远”(新民晚报,1999-1-7);“变基因——让花心汉变痴心郎”(新民晚报,2006-3-4);“科学家发现大脑中的‘天才按钮’”(新民晚报,2004-7-10);“人类大脑存在‘恐惧’中心”(新民晚报,2006-5-9);等等。

此外,在操作层面上,以下“三不够”也是制约教育神经科学发展的重要原因,即:“心理”不够——“桥”已有了,“两岸”似乎也并不遥远,但“桥身”并不坚固,即所谓“心理”不够。它表现为目前的认知心理学成果似乎仍很有限,能为教育神经科学提供具有丰富教育含义的心理学研究并不多。“神经”不够——向脑回归的方向虽对,但成果不丰。表现在目前教育神经科学还没有多少属于自己的独特研究(因为前面引述的那些研究成果似乎放在任何一本“认知神经科学”的书中亦合适)。“神经不够”还指心理与生理的对应(非因果说明)关系目前研究得不够特异化。当然,我们既不赞同“完全对应”的终极可能性,但也不应满足过于一般化的脑区定位与激活之类的描述上。未来至少可有两点思考方向:求救于其它层次,特别是“活的网络”层次。我们脑中神经网络的复杂性主要不是由于神经元数量之庞大——虽然有数以千亿计的神经元,每个神经元又可以具有数千个突触,但今天已能造出超级计算机或网络计算群,——计算量不是根本性的困难,神经网络之复杂在于它是一个“活的化学网络”。或许我们可以“认知通道和情绪通道上的突触以及递质的多样化”来作为解释心理学多样性的方向。如韦钰所言:“由于化学过程的参与,使得神经网络即使结构没有变化,也会在瞬间因神经递质的变化而导致网络特性发生很大变化。如情急之下的所谓‘头脑一片空白’,其时神经网络的结构不可能在如此之短的时间内有了改变,但神经递质的分布状态改变了,于是导致学习行为的改变”。训练不够——“虽然教育神经科学对于教育政策与实践具有潜在的价值,但是认为神经科学将为教育实践与课程设计提供现成答案的观点不免有些幼稚和简单。因为认知神经科学的研究目的在于观察与描述大脑内部结构的功能与各种认知活动的现象,但这些描述性研究的目的并不是为了制定教育政策”,这说明认知神经科学家并不必然就是教育神经科学家。特别是目前“三通”(心理、脑、教育)人才的训练严重不足。心理学家的教育、神经科学方面的素养不足;类似的,教育与神经科学工作者也对其它二个方面的基本训练不足。当前美国训练“三通”人才似乎也只有一家(哈佛大学自2002年起已有“心智、脑和教育博士项目”),中国则无。所以某种意义上,大家都处于同一起跑线上。不过总的说来,教育神经科学目前在中国基本上仍经历着“外货内销”的初始阶段,且多少还有些“内销不畅”。目前主要有北京师大“认知科学与学习教育部重点实验室”(2000)和“认知神经科学与学习”国家重点实验室(2005)、东南大学的“学习科学研究中心”(2002)以及华东师大“教育神经科学研究中心”(2010)少数单位开展着教育神经科学的研究。

当然,“小荷已露尖尖角”,“岂止连天无穷碧”。我们对未来教育神经科学的发展深具信心,因为我们深信,和谐社会的建立和创新人才的培养这两大时代主题和实践需要,是助推其发展的最大动力!

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教育神经科学:一门具有重大现实意义和发展前景的新型学习科学_神经科学论文
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