薛贵[2]

我们正处在一个加速变化的时代。几年前社会还在讨论信息时代对人类的冲击，转眼间人工智能时代已经翩然而至。在人工智能时代，通过对大脑的研究，我们取得了一系列令人非常震惊和眼花缭乱的成果。我们可以读取和解码大脑的信号，实现脑机交互，让瘫痪的人重新站起来，也通过控制机械手臂实现了喝水等功能，还能通过舌头让盲人恢复视觉。我们还可以揭示并模拟大脑的工作方式，让机器和算法拥有智能，如现在流行的深度学习算法所实现的AlphaGo Zero这样的人工智能，解决复杂的智力问题。不难想象，通过更深层次揭示大脑工作原理并解密大脑信息，人们还会创造更多脑机交互的手段，并发展通用的人工智能。

脑科学带来了脑机交互和类脑计算的惊人成就，但其最关键的应用领域还是在塑造人脑本身。学习就是这样一个重要的领域。人脑有大概870亿个神经元，每个神经元大概有1000个连接。每一秒，都有数十万新连接的建立和旧连接的修剪。学习活动在很大程度上决定了这些连接的命运。任何一个知识的获取、技能的培养、习惯的养成、行为的变化、道德的形成，其背后都需要对神经连接模式进行塑造。每个大脑都是一个具有独特连接模式的神经网络，它被先天的基因和后天的学习所塑造，并决定了每个人面对外界输入而产生的独特反应模式。

虽然学习对大脑有这样深刻的影响，过去几十年脑科学的研究结果也对大脑学习机制有了较为系统深入的研究，但其在学习中的应用还没有得到充分的认识和有效开展。一方面，脑科学本身还是一个新兴的领域，大众特别是教育工作者和家长对此了解得并不多。另一方面，在脑科学与学习领域，还没有一个类似于深度学习的算法，可以让大家简单实用。最后，目前脑科学对学习的研究还是以基础研究为主，有针对性地解决日常学习问题的脑科学研究还亟待提升。这都限制了脑科学在学习领域中的应用和普及。在这样的背景下，本文拟初步探讨脑科学发展对未来学习带来的潜在变革，包括学习目标、学习评价、学习内容、学习方式和学习技术几个方面。希望这样的探讨能够抛砖引玉，引发大家对脑科学的关注讨论和更多真知灼见！

脑科学与学习目标的变革：我国长期提倡素质教育。基于核心素养的研究成果，最近教育的课程改革提出要进一步提高学生的综合素质，着力发展核心素养，并从文化基础、学会学习和社会参与三个方面，为素质教育提供细化和明确的目标。从心理学的角度，文化基础和学习与晶体智力和流体智力有很强的对应关系。晶体智力和流体智力分别强调了知识积累和信息加工能力对问题解决的贡献。脑科学的研究则关注大脑的知识获取与表征、信息加工能力、目标指向的执行控制能力、情绪动机能力、与具体学科相关的基础能力等。它们对应着不同的脑神经网络基础，也存在不同的发展轨迹。

大量实证研究表明，这些基础能力是预测个体学习表现和社会适应的核心指标，加强这些能力的培养对促进学生健康发展，提升学业表现等具有积极的作用。比如延迟满足能力就是一种重要的情绪动机能力，它是影响个体终生发展的重要动力和方向系统之一。随着社会的快速发展和知识的快速更新换代，晶体智力的相对作用会逐渐减弱，而认知能力和情绪动机能力对于个体的生存和发展会产生更加重要的贡献。现代科技和人工智能的发展，可以把很多知识的记忆通过辅助设备（如手机、网络）来完成，会深刻改变我们学习和记忆的方式，并对信息收集、分析和整合的能力提出更高要求。

可以看到，心理学和脑科学从更加基础和底层的角度来描述与人的学习和社会适应密切相关的重要能力，为我们认识个体发展提供全新的视角。另外，心理学和脑科学更强调以数据和实证证据为讨论的基础。从这个意义上讲，建立个人终生发展的基因-脑-行为-环境大数据库，对于全面影响个体发展的重要能力因素，及其遗传和环境的作用揭示，对于我们更科学确定学习目标具有重要的决定性意义。

脑科学与学习评价的变革：科学的评价是指导我们一切学习活动的出发点和落脚点。对应着学习目标的变革，学习评价也必然会产生全面深刻的变革。这种变革体现在评价的内容、评价的方式和评价的使用上。在评价内容上，目前学校还主要以知识的掌握为评价目标，普遍缺少对学习能力、知识获取过程和效率等的系统评价。在招生环节，能力测试，特别是智商测试的使用越来越普遍。但传统的智力测试面临着理论基础落后，传统题目形式为主，测评对象有限，测评实施困难，常模更新不及时，难以重复施测等局限。这就迫切需要发展以大脑功能网络和能力模块为基础的测评系统。以注意力为例，注意力是学习的关键基础能力，包含了不同的成分，包括注意的选择、注意的分配和注意的广度，分别对应于人脑前额叶和顶叶的不同区域，需要用不同的任务进行测试。在语文学习中也包含着一些基础能力，如字符识别、形音联系、加工速度、阅读理解等，也对应着不同的区域。阅读的困难可能是其中的某个或者多个系统存在功能缺陷的结果。因此，需要对这些关键基础学科能力进行准确测试，从而找出学业测评所难以揭示的学习问题背后的真正原因。

在评价方式上，采用基于任务的测评方式，并结合最新的互联网手段，来进行一般学习能力和学科能力的评价，将弥补当前评价的很多不足。随着大脑测量科技的发展，一些可穿戴脑设备的快速普及和测量精度的提升，实现了对个体学习状态和学习过程，包括注意和情绪等的测量。对于特殊的个体，更专业的大脑结构和功能测量、基因测试、基因表达测试等，可以与行为数据一起，实现对个体学习能力的精细刻画，以及对学习困难进行更准确的诊断和评估。

最后，在评价的实施和使用上，需要把评价深入到学习的每个环节，实现测评的常态化和过程化，从而减小测评误差，提高测评精度，同时也有助于建立个体的成长性档案。另外，还需要强化测评的诊断功能，强化成长性评价，从而能对学生的学习能力进行全面诊断，找出学生学习困难的真正原因，进而进行有针对性的训练，指导学习能力的培养。

脑科学与学习内容的变革：我们的学校教育目前还是以知识的传授为主。一些教学理念先进、资源相对充足的学校还开展了各种丰富的课程，实行选班走班学习。这些课程开设的一个重要动机就是因材施教，另一个是提升学生的综合素质。这里面存在的第一个假设是日常的学习和教学活动能够有效培养学生的学习能力。大量国外的研究表明，学校教育确实能够促进个体学习能力的发展，但我国目前还没有这样的研究和数据。

虽然核心素养的培养把提升学生的学习能力作为一个重要的培养目标，但几乎很少有学校开设学习能力的课程。有针对性的学习能力的培养是否可以更好地培养学生的学习能力？以打篮球为例，篮球运动员的训练一般分成两个部分：一部分是球场上的实战和模拟对抗，另一部分是健身房的肌肉和力量训练。后一种训练是更基础的，更个性化的，也是相当关键的。如果肌肉力量不足，技术动作会变形，还容易受伤。大脑的学习也同样如此，也需要有针对性的、分解了的基础能力训练，才能保证我们正确地完成学习任务。以阅读障碍为例，如果形音联系的脑区功能不足，无论完成多少阅读任务，都可能难以训练这个部分的能力，而可能只是强化了前额叶的补偿机制。基于这个原理，美国很多机构发展专门的形音联系的训练任务。比如基于Fast ForWord的数据，学校教育能把阅读能力提高6分左右，而专门训练能提高20分。类似的结果在数学学习以及注意力困难干预中也有报道。还有一些研究发现，对儿童进行工作记忆等执行功能的训练也能提升儿童的学业表现，改善儿童的行为问题。

以基于脑的学习能力为导向，我们课程设置可能会发生相当大的变化。对于学习能力的培养，包括注意力、记忆力、思维力、反应力和自控力的培养；对于学科基础能力的培养，包括数学中的数量加工、空间几何能力等，语文中的形音联系、语音语素意识等的培养；对积极情绪和动机的培养，包括成长性思维、习惯养成、决策能力、情绪调节能力等的培养。这些都可以开发专门的课程和训练任务来进行。另外，很多研究表明，体育锻炼，特别是有氧锻炼，不仅有助于身体发育和身体健康，而且对大脑的发育，对于学习和记忆，对于压力缓解等都具有非常重要的价值。所以，很有必要开展这样的课程。

在开设专门的课程的基础上，还需要把这些思想和方法融入学科教育的方方面面，从而改变我们必修课的教学方式，改变我们选修课程的设置。当然，这样的改变一定是要建立在充分的教育实践证据的基础上的。最后，这样的课程一定要是具有个性化的，因人而异，因材施教。从这个意义上讲，建立个体学习过程大数据，以及学习能力发展大数据，对于科学决策就至关重要。

脑科学与学习方式的变革：脑科学为提升学习效率提供了重要指导，包括要遵循的一些基本学习规律，以及不同类型学习的一些特殊规律。第一要遵循的就是大脑发育的规律。人从出生后，人脑最先开始发展的是感知觉皮层，其次是运动皮层，然后是颞叶，最后才是前额叶，其中外侧前额叶发展先于内侧前额叶。学习的设计要依据这个大脑发育的基本规律，而不要超前或者延迟学习的窗口。比如，0～3岁是早期学习语言的重要时机，这个阶段是听觉感知能力发展的关键时机，但提前识字、背外语单词等都没有遵循这个规律。小学阶段虽然学业负担不重，却是基础认知能力发展的重要时期，但有些家长却想着如何超前或者额外学习。中学阶段（青春期）则是情绪动机和决策能力发展的重要时期，但这个问题却没有得到充分的、科学的关注。

第二要遵循大脑分工的规律。我们大脑中有多种不同的学习系统，一个是知识学习的系统，我们叫陈述性的记忆，可以快速获得，但也容易遗忘。还有一种是技能性的，是一种程序性的记忆，习得较慢，但可以长期保存。两者具有不同的大脑神经基础。不同内容的学习对应着不同的学习方式，但我们在实践中往往会犯错。比如语言的语法是一种技能训练，但我们却把它当成一种知识来考查。结果虽然语法题都答对了，但一开口说话就犯错误。类似地，能力的培养是一个缓慢的过程，但以产品为导向的学习（模仿和识记）是一个相对较快的过程。现在的STEM教育以产品为导向，并没有真正培养创新能力和问题解决能力。我们的学科教育注重正确答案的习得，而忽视了知识产生过程的再现。类似地，创新性思维能力、问题解决能力、社会交往能力、竞争与合作能力以及领导力等的培养都需要依赖正确的大脑系统来学习。

第三要遵循学习和记忆的基本规律。人脑记忆有很多重要的、有时候甚至违背直觉的规律。比如，当我们在有效学习某个材料的时候，在大脑里面会产生一种特定的神经活动模式。如果你产生了这个神经活动模式，学习效果就好。另外，即使你不学习，如果通过其他手段能产生这样的模式，也能够达到巩固记忆的目的。死记硬背，不注意休息和锻炼，往往达不到有效学习的目的。另外，还有很多研究发现，分散的学习、以测代练和变化学习等都有助于学习的长期保持和迁移，但我们的直觉却认为这样的学习没有效果。这不仅需要我们加大对有效学习规律和机制的研究，还需要加强对学生学习方法的指导。

第四要遵循情绪和动机的工作规律，注重持久强大动机的培养。我们现在的教学过度依赖外在动机，依靠大脑的意志力作为学习的动力。但人的意志力是有限的，也是容易消耗的，对于发展阶段的儿童尤其存在挑战。相反，学生对所学内容的内在的兴趣和动机则是一个非常强大的学习动力，在我们的教学中需要加强培养和发展这种深厚的内在学习动机。另外，心理学和脑科学的研究发现，习惯也是一个非常强大和稳定的动力系统，这也值得高度关注，加深认识和理解，发展科学的习惯养成方式。

脑科学与学习技术的变革：随着脑科学的发展，特别是与信息技术、虚拟现实技术和人工智能技术的融合，有很多崭新的技术可以运用到学习中，从而革新现有的学习模式。比如，现在一些公司通过大数据分析，形成一个全面而系统的知识空间，并根据个体能力发展个性化的知识路径。随着脑科学的进入，知识空间和知识路径的建构可以更加精确。另外，通过对大脑的扫描，未来可以很好地描述个体的已有知识体系，从而发展更符合大脑知识表征规律、更个性化的知识表征体系，制定更优的学习路径，从而提高学习的效率。

另外，一些基于脑的可穿戴测查手段正在不断发展，随着精度的提高，算法的改进，使用方便程度的提升和价格的降低，其用于日常学习的空间越来越大。比如，这可以成为学生学习状态的一个过程性检测手段，包括专注或分心状态、放松或紧张状态、积极的或消极的情绪状态等。另外，这些指标还能预测特定学习材料的掌握程度和保持时间，从而可以提早计划后续复习时间；最后，通过神经反馈调节训练，可以进一步提升学生的学习状态，改善学习效果。把这些功能整合起来，可以发展基于脑的高效学习装置，成为学生的学习管家，在状态好的时间学习，在恰当的时候复习，同时监控并提升学习的状态。这样的科技具有非常好的前景。

除此之外，还有更多的脑科学手段可以用于学习的提升，包括药物的手段、无损脑刺激手段、侵入式脑机接口和侵入式脑刺激等。这些技术虽然看似离我们日常的学习很远，但在一些特殊的场合也存在应用场景，包括学习困难的矫正、特殊人才的培养（美国正在发展类似的科学打造超级战士）。另外，随着这些技术的发展，安全性逐步提高，效果进一步改进，同时随着人们观念的改变，这些认知增强技术应用到普通人身上的可能性也会增加。现在有很多人为了美容而手术，那让自己成为更高效学习者的**应该更大。在这些科技逐步变成现实的时候，这里面所带来的很多伦理问题值得深入研究。

最后，人工智能技术的进一步发展，必将创造出新的人机融合的技术，让机器智能成为人脑的延伸和补充。这里面有太多的可能，比如，很多技术已经成为我们感知和记忆能力的扩展，包括GPS导航系统、手机和互联网等。目前，这种人机交互的方式还不是特别方便，但类似Google Glass这样的技术，可以实现人机的自然交互，让你从互联网搜索知识就如同从头脑中提取知识一样自然和方便，我们的学习方式就会发生重要的变化。另外，超过现有教师的私人学习顾问会出现。在AlphaGo和李世石比赛的时候，AlphaGo创造出一种人类所不能理解的思维，但李世石在第四局的时候也下出了前所未有的招数。这就是人机智能相互促进的很好例子。这样的科技会如何更深刻变革人类未来的学习，让我们拭目以待！

未来已来，唯变不变！在高速发展的社会，人们是被动适应，还是引领变化？为更好培养未来的人才，提前变革学习是我们唯一的选择。习近平在十九大报告中指出，建设教育强国是中华民族伟大复兴的基础工程。党和政府对教育的高度重视，在脑科学、人工智能等领域的重大科学布局，社会、学校和家庭在教育领域的积极探索，为中国在脑科学与学习领域引领世界提供了重要的基础。当然，我们也要清醒地认识到，要实现这一目标还有很长的路要走。这一方面需要国家和政府继续加大对教育的重视和投入，特别对脑科学与学习领域的基础研究的支持。除了前沿性的自由探索，大规模队列研究对于准确揭示脑智发育规律以及遗传和环境因素的作用具有重要价值。另外，我们也需要加强脑科学与学习领域的人才培养，包括对科研人员、在校师范生、一线教师和教育管理者等进行相关的教育。我们还需要积极实践，谨慎求证，探索符合大脑规律的有效教育措施。最后，我们还需要加强对公众的科学普及，让脑科学的研究成果，基于脑的学习思想深入每个人的脑中。

[1] 本文根据笔者在第四届北京教育论坛的发言整理，首次发表在《教育家》杂志2018年第一期上。

[2] 作者简介：教育部长江学者特聘教授、北京师范大学脑与学习科学研究中心主任。