大自然虽然没有赋予人与生俱来的生存本能，但是它使人拥有一种区别于动物的独特器官，这就是人的大脑。大脑的存在，使人天生地具备潜在的学习能力，这种能力使人能够不断地完善自己并使自己发展的种种可能性逐步成为现实。正如进化认识论专家福尔迈所说，“事实上，人的大部分特征，是建立在人脑不同凡响的工作能力之上的。这种能力，是人身上真正属于人的东西。”[1]作为当代科学研究的前沿，脑与认知神经科学、生物科学研究的进展日新月异，人脑的特点以及脑与学习的复杂交互作用的研究，揭示了人类学习的能力是大脑潜伏着的一种本质上区别于其他任何动物的能力，有巨大的发展潜能[2]，告诉我们人可以终身持续不断地学习，同时要想使学习富有成效，人也需要学会学习。这些研究为儿童与成人的发展和学习提供了科学的依据，也为我们研究引导学生学会学习的教学策略研究奠定了理论基础。
一、大脑的复杂性及可塑性
研究表明，大脑巨大的发展潜力来自于大脑的复杂性及可塑性。大脑的复杂性不完全取决于基因数目及其复杂性而是取决于神经细胞及其联系方式的复杂性。DNA双螺旋结构的发现者克里克曾说，人的一切心理和行为，归根结底是由于神经细胞。成人脑大约由一万亿个细胞组成。其中约有一千亿个神经细胞即神经元，是执行脑和全部神经系统功能的核心，它们被神经胶质细胞网织在一起。后者具有调节神经性信号速率的作用。每个神经元通过自身发散出的上万个树突和一条轴突通过突触和成千上万个其他神经元联系。轴突周围由一层被称为髓鞘的物质包裹，它起到绝缘作用，将轴突与其他细胞隔开，提高了神经冲动传导的速度。神经元每秒可传导250～2500个脉冲信号。每个人的大脑中可能有突触数量大约为10亿亿个。如此庞大数量的突触可以使人脑加工源源不断的感觉输入；存储大量的记忆信息；学习语言；以这个星球上的其他个体从未想到过的方式将信息进行组合，等等。1973年冬天，莫斯科大学的柯米洛夫斯基教授，在长达60年脑细胞本质研究之后，在《自然及人工脑能的形成》一文中公布了他的最后结果：我们可以显示，人的一万亿脑细胞当中的每一个脑细胞所可能产生的连接数为1后面加上28个零！如果一个单神经细胞具有这种潜力，我们就无法想象整个大脑能够做什么了。它的含义在于，人脑细胞可能的排列组合总数，如果写下来的话，其长度将为1后面加上1050万公里长的零！类似的观点也可见于英国作家、心理学家、教育家托尼·布赞。他说：大脑是由万亿个脑细胞构成的，每个脑细胞就其形状而言就像最复杂的小章鱼。它有中心，有许多分支，每一分支有许多连接点。几十亿脑细胞中的每一个脑细胞都比今天地球上大多数的电脑强大和复杂许多倍。每个脑细胞与几万至几十万个脑细胞连接。它们来回不断地传送着信息。这被称为迷人的织造术，其复杂和美丽程度在世间万物中无与伦比[3]。有人曾大胆猜测，每多出10亿个神经元，就可能含有一次中等程度的进步，而人类比黑猩猩多出30亿。即使每天按1000～1200个速率死亡，在80岁时也只失去了1000（1200）×365×80＝2920万（3504万），以总数100亿计也不过是百分之五。然而遗憾的是人脑细胞只使用了10%，尚有90%处于休眠状态。
同时，在外界信息的作用刺激之下，特定的神经元会出现敏感化，神经元的长度会增长，树突会增加，突触之间的联系会增强和变化。神经元的突触被激活得越多这个神经元就会变得更加有效，同时可以产生结构的变化。这些变化过程是不可逆的。大量研究揭示了这种人脑基于输入不断进行自我重构的非凡方式，该过程被称为神经可塑性。知识在大脑中的保留，记忆的形成归根到底是神经元的沟通、联系以及突触的可塑性参与了这一过程。过去的研究认定儿童的大脑具有这种创造新信号通道，改变或适应缺陷的非凡能力。但成年大脑是否同样具有这种能力一直备受争议。在线版《神经科学杂志》（Journal of Neuroscience）2007年9月5日发表的美国麻省理工学院麦戈文大脑研究所博士后丹尼尔·迪尔克斯和同事们的最新研究成果显示，和儿童一样，成人大脑神经系统可能也有这种能自行重组的可塑性，具有创造新神经通路的能力。大脑的神经元基本上是“用进废退”，经常运用大脑的人神经比较不易退化，因此大脑是愈用愈灵。从大脑切片可以看到，愈常动脑的人，神经组织之间的联结愈浓密，触类旁通的机会也愈高。传统观念认为，神经元是唯一不能再生的机体细胞。然而近年来研究者发现，成人脑中至少有一个部位——海马，可以再生神经元。这个发现对于人们进一步认识和开发大脑的学习潜能具有重要意义。加州大学伯克利分校的代蒙（Marian Diamond）等神经心理学家提出：学习和经验能够导致大脑结构和功能的改变——使之变得更好或更糟。在生活中，置身于积极、富有营养、充满刺激和交互作用的环境里，有助于持续地促进人的心智能力的发展。苏联学者叶夫里莫夫所断言：“一旦科学发展到能够深入地了解脑的构造和功能，人类将会为储存在脑内的巨大潜力而震惊。”
大脑的复杂性及可塑性以及神经元的可再生性决定了人天生是一种学习的动物，而且人的学习能力、人的智商在一生中都是可以改善和提高的。从脑科学的角度看，学习就是在神经元之间建立联系。教育是对自然人的大脑神经的定向化塑造和初始化定向发育训化。一方面人类依靠大脑进行学习；另一方面学习活动又会反作用于大脑，使大脑的功能和结构产生相应的改变，从而更有利于人的学习。
二、网状结构、左右脑半球协同活动与创造
网状结构是指位于脑干中线附近背侧，除界限清楚、机能明确的神经细胞核团和神经纤维束外，存在的许多大小不同、形态各异的神经细胞核团和纵横交错的神经纤维网络。其纤维与大脑、小脑、脊髓等均有密切联系。它是由两个子系统构成的：一个是从网状结构发出上行到大脑皮层的纤维，人们将其称为上行系统；一个是网状结构发出到脊髓前角的纤维，人们将其称为下行系统。脑干网状结构的主要机能是调节内脏，包括呼吸和心率、血压和血管收缩等心血管机能调节；维持大脑的兴奋水平，使之保持觉醒状态或睡眠状态，调节整个中枢神经系统的活动状态，也参与感觉意识活动，与选择性注意机制有关；调节肌肉牵张反射和其他脊髓反射。
苏联著名心理学家、神经心理学主要奠基者鲁利亚对网状结构的神经心理学作过许多研究。她认为脑结构是一个多层次的垂直结构。网状结构作为保证调节皮质紧张度和觉醒状态的器官，是大脑的“第一机能联合区”。它是一个垂直的机能系统，是按“反射环”原则建立起来的“统一的自我调节器官”，一方面保证大脑皮层紧张度的变化，同时“本身又处于大脑皮质中所出现的变化的调节作用之下”。网状结构的激活作用有三个来源：一是有机体本身的新陈代谢过程，这个过程是有机体内部平衡和本能过程的基础。这就是呼吸、消化、内分泌过程以及食物、性行为等先天的行为系统。二是外部刺激而引起定向反射的激活作用。鲁利亚认为：人生在信息的世界中，他对信息的需要，有时并不亚于对机体的物质代谢的需要。当一个人失去了通常的信息来源后，就会陷入睡眠，只有某种信息的输入才能够把他从睡眠中唤醒。所以神经系统总处于一定的活动状态中，某种紧张度的存在对任何生命活动的表现来说都是必需的。对于周围变化着的环境的觉醒状态的紧张化，就是巴甫洛夫所说的定向反射，“它是认识活动的基础”。三是脑机能联合体的直接参与。鲁利亚认为“人的积极性的相当大的部分是受在人的意识的生活过程中形成的意图和计划、远景和程序制约的，它们就其要求来说是社会的，并且起初是在外部言语，然后是在内部言语的密切参与下实现出来的”。这就是说，人的目的，也在制约着网状激活系统的程序。如果目的没有达到，一种积极性总保持着；如果目的达到了，积极性就停止了。这是人的意识对网状激活系统的一种控制。
人们认为第一个来源姑且不论，仅就第二、三个来源看，完全可以用来解释科学创造中的直觉及顿悟现象。我们完全有理由设想，脑干网状激活系统正是科学直觉及其顿悟产生的重要生理基础。在科学创造的某一时刻，思考者的网状系统的兴奋性提高了，积聚在网状结构的各种信息被调动起来了，迅速地跃入大脑皮层，将皮层的细胞激活，与大脑中原有思考的内容相结合，从而在高度激奋中产生新思想。在这种觉醒的过程中，人们的“边缘意识”“深层意识”，包括某些无意识、下意识被唤醒，从而在经过睡眠或注意力转移而获得某种休息的大脑“苏醒”的状态中被重新组合。即外界新材料进入到大脑中来，经过脑的选择，确认是一个新的信号，于是导致“定向反射”，意识被激活。任何导致直觉成果出现的“原型”，都是推动网状激活系统工作的动因。同时，大脑高级部位的影响和控制保证了人类科学创造过程活动。这可以说明，为什么科学的机遇总是光临那些有准备的头脑，为什么落地的苹果只对牛顿有意义，为什么马尔萨斯的“人口论”同时触发了达尔文与华莱士的灵感。也可以由此说明，为什么所谓“无意识”的东西，总能在意识中找到某种实在的根据。[4]
此外，大量的脑与神经科学的研究与事例也表明，左右脑的协同活动对于人的创造性活动具有重要影响。人类从19世纪60年代开始，就认识到大脑可以划分为左右两半球，并对之进行研究。进入20世纪后对两半球的功能和作用认识得越来越清楚：左半球主要有言语的、分析的、逻辑的、数字的、线性的、抽象思维的功能；右半球具有非言语的、综合的、直觉的、音乐的、色彩的几何图形识别以及想象等形象思维的功能。前者是串行的、继时的信息处理，是收敛性的因果式思考方式；后者是并行的、空间的信息处理，是发散性的非因果式思考方式。左右两半球的功能具有不对称性。这就是所谓大脑活动的单侧化。近年来，日本学者将左脑又称为“自身脑”，认为它不断地储存着出生以后获得的信息，储存信息的多少与人寿命的长短和健康状况有着密切关系，它是人们经验和知识的记忆宝库。右脑则称为“祖先脑”，它储存着人类从祖先继承下来的全部信息。因此，许多超常规的思维都可以用这一观点来解释。他们认为，左脑的功能是有限的，因为人的寿命有限。而右脑则不同，它被称为“祖先脑”，它储存着从古到今人类500万年遗传因子的全部信息。两半球之间是靠胼胝体（corpus callosum）联结并进行频繁的信息交换。胼胝体是由2亿根呈乳白色神经纤维束组成。胼胝体将两半球联结在一起而且促成两半球的协同活动。如果胼胝体发育不全，就会造成个体智力能力的降低。胼胝体“缺失”，会阻碍人的右半球中专门化的非言语和空间定位的正常能力，同时左半球的言语和意志活动能力也会受到极大影响。因为胼胝体具有使大脑左右两半球的协同活动的功能，所以可使非语言思维有机会借助动作或图像的思维进行。我们可以从左右半球的联合以及胼胝体的机能上考察直觉思维的脑生理基础。美国康奈尔大学教授卡尔·萨根认为，在日常生活中，大脑两半球的相对独立表现比较明显。但我们对于左右半球的独立性不应当估计过高，应当强调大脑左右两半球的彼此协同合作。他指出，“像胼胝体这样复杂的电缆系统的存在，必将意味着两半球的交互作用是人维持生命所必需的。”如果两半球的联系被削弱甚至切断后，会产生许多莫名其妙的现象。人类的许多创造性活动都有赖于这种两半球功能的结合。例如，凯库勒发现苯环结构式的创造过程就是一个典型的图形识别练习，而不是分析活动。这是“通过做梦完成的最著名的创造行为的典范。这种创造行为是右半球而不是左半球的活动”“要有效地获得知识，则需要两个半球的协同工作”。他认为：“没有经过左半球的详尽研究，就无法断言通过右半球推断出来的模式是现实的还是虚构的。”所以，“在聚变的环境中要解决复杂问题就需要两半球的共同活动。通过胼胝体沟通大脑两个半球，是通向未来的唯一途径”。只有通过大脑左右半球的协同合作，只有通过胼胝体的联结才有可能实现人类的科学、艺术等方面的创造活动。他甚至说，“因此，我们可以说，人类的文明就是胼胝体的功能。”[5]
还有，1976年美国生理学家M.S.加查尼加提出脑认知功能的“模块说”也有助于我们进一步认识大脑及其功能和人的创造间的关系。他认为：在结构和功能上，脑是由在神经系统的各个水平进行活动的子系统以模块的形式组织在一起的，脑功能模块是一种动态变化的组装[6]。模块理论认为人脑这些高度专门化的、相对独立的模块之间复杂而巧妙的结合是实现复杂而精细的认知功能的基础。人脑所形成的功能模块是一种快速、特异的信息过程。脑由在神经系统的各个水平上进行活动的子系统以模块形式组织在一起，复杂的心理能力是大脑中许多离散的特异区域功能的产物。近几年，“模块说”已被大量用无创伤脑功能成像技术所获的科学事实所证明。
上述这些研究成果启示我们，要想培养人的创新素质，就必须重视大脑活动的特性，注意在教学中为发挥脑干网状系统的激活功能创造条件，同时要重视促使左右脑在高水平上协同发挥作用，改变目前我国教育偏重左脑训练，而对右脑的开发严重不足，左脑的负担过重而右脑的负担又太轻的局面，还要以整体的、动态的观点来看待大脑的活动，努力对学生实施全脑教育，以促进学生更好地发展。
三、脑波与学习
根据现代脑科学提供的依据，大脑两半球的活动会体现于神经元组成的临时网络的不同的脑波组合中。人的脑电波有四种，β波比较急促，电压较低，其频率每秒13到30次，但振幅不大，是人在正常清醒状态下的脑电波，此时人意识清晰、明确，能够比较灵敏地思考和解决问题；α波的频率为每秒8到13次，通常在休息、深度放松时产生，尤其在昏昏欲睡时加强活动，人的意识进入冥想状态；θ波的频率为每秒4到7次，状如一连串凹形，常在半睡半醒的轻度睡眠，无意识状态下产生；δ波是进入深度睡眠时出现，频率每秒1到3次。格力（1970）等人发现，低频率的α波与θ波常与幻想（reverie）以及冥幻（hypnagogic imagery）并生。冥幻是静坐者入定时或常人发呆时所无意中出现的灵感。它常在冥冥中与α波并生。它具有清晰闪耀、在无意识中产生、变化无端三种特征。
当人集中某一问题思考时，往往经历从以β波为主的左脑兴奋、到以α波为主的右脑沉思、以θ波为主的恍然大悟（灵感）、再到以β波为主的检验验证的过程；或者从以β波为主的左脑兴奋、到以α波为主的右脑沉思、以δ波为主的睡眠做梦、到以θ波为主的恍然大悟、再到以β波为主的检验验证的过程。另外，实验表明，当实验者给予受试者某种轻微的刺激以唤醒他，使他将冥幻的灵感意识化时，入定者的β波会大增。当入定者道出具体印象或外界事物时，其脑波便呈β波形状。人在意识状态下能够进行学习活动，无意识状态中思维活动并未停止，而且往往会有清晰状态下意想不到灵感出现。
如果人们认识了这些大脑活动的过程，就可以积极训练培养，学会科学用脑，提高自身脑能，从而具有发现与创造的能力。
这些研究成果表明，青少年的教育与学习质量、效率的提高既有赖于对他们大脑认知活动规律的了解，同时也有赖于他们及教师对大脑认知活动规律的认识程度。目前，建立“基于脑、适于脑、促进脑的教育”，根据脑发育与活动规律、根据脑认知活动的规律进行教育教学，在充分了解和认识脑的认知功能、情感功能和自我意识等高级功能的前提下建立适应儿童认知能力发展特点的教育教学方法和教学组织策略、教育评价方式方法等，以真正奠定教育的科学基础，做到科学地教与学，努力提高教与学的质量和效率，已成为世界各发达国家教育科学研究和改革的重点之一。
事实上，教师每天都在试图改变人脑。对脑的学习的机制理解得越多，教师就会有更多的教学选择自由，就越能够使学生的学习取得成功。如何根据脑科学研究揭示的脑学习的机制等研究成果，进行教学设计，选择合适的教学策略和教学方法，使得教学过程更有效率，更利于学生学会学习，从而改善教学质量使教学效果更为显著。这是我们在研究中关注的问题之一。
[1] ［德］福尔迈.进化认识论.舒远招译.武汉：武汉大学出版社，1994：119
[2] 联合国教科文组织报告指出：“近几年来我们在大脑的研究和生物化学科学方面所取得的突破已经使我们更加清楚和更加客观地理解了人类行为、心理机制和学习过程。这些新发现显示了一个惊人的事实：人的大脑中还有很大一部分潜力未曾加以利用，而且根据某些权威多少带点武断的估计，这种未曾利用的大脑潜力竟高达百分之九十。”联合国教科文组织国际教育发展委员会编著.学会生存——教育世界的今天和明天.北京：教育科学出版社，1996：140
[3] 脑与创新素质.中国脑网，http：//www.brainweb.cn/ProjectView.asp?id=616
[4] 脑与创新素质.中国脑网，http：//www.brainweb.cn/ProjectView.asp?id=616
[5] 脑与创新素质.中国脑网，http：//www.brainweb.cn/ProjectView.asp?id=616
[6] 朱法良.对全面开发人脑的思考.教育研究，2001（7）