脑科学在教育行业的发展及应用

王国成·夏海

面向未来的学生发展

未来已经来了，但不会改变。这是当今社会的真实写照。我们正处于一个日新月异的时代。以脑科学、人工智能为代表的新兴科技的发展，正在加速社会发展和变革。这些技术不仅改变了社会，也对人类的发展提出了新的要求。在人工智能时代，一方面，大量的体力劳动和技术劳动将被人工智能取代，人们为了获得一份创新劳动的工作，将面临更加激烈的竞争。另一方面，通过对人性的理解，未来社会将产生更多不可抗拒的消费品，包括沉浸式智能移动社会和游戏应用、精准的广告和服务内容推送、低门槛的信贷和超前消费、高糖高油高盐的食品等。，会逐渐消磨人的意志，摧毁人成长和努力的动力。

教育是面向未来的职业。从这个意义上说，在思考教育的目标和方向时，既要牢牢把握时代的脉搏，又要未雨绸缪，为即将到来的未来做好准备。尤其是初中阶段，我们教育的对象是10年后或者更晚进入社会的人。10年后社会会是什么样子？我们的学生能适应未来，甚至引领未来，还是被未来淘汰？面对这些问题，耶鲁大学前校长理查德·莱文(richard levin)指出:“如果一个学生从耶鲁大学毕业后，实际上具备了一些专业知识和技能，这是耶鲁教育最大的失败。”清华大学的钱颖一教授说:“人工智能将使中国教育的唯一优势消失！知识就是力量，但创新人才的教育必须超越知识。”北京师范大学教授薛贵说:“面向未来，我们需要培养学生强大的学习能力，包括有机的知识体系、强大的认知能力和持久的学习动力。"

从脑科学角度促进学生学业发展

我们国家一直强调素质教育，近年来也发布了学生发展核心素养体系。但在实践中，应试教育的色彩还是相当浓厚的。一个潜在的认知问题是，很多教育工作者把素质教育和应试教育对立起来。也有一些教育工作者面临着短期目标和长期目标之间的冲突。从脑科学的角度，可以改变这种认识，实现应试教育与素质教育、近期目标与远期目标的统一，为素质教育提供许多全新的启示。关键因素是学生学习能力的培养。大量研究发现，提高学习能力可以提高学习效率，从而促进包括学业成绩在内的全面素质的培养，实现素质教育和应试教育的统一；提高学生的学习能力，既能满足当前学生学业发展的需要，又能为未来发展做好准备，实现短期目标和长期目标的统一。

脑科学研究表明，以培养学生认知能力和学习能力为重点的素质教育，可以提高学生的学习效率，促进包括学业在内的综合素质的全面发展。大量研究表明，学习基本脑能力是预测学生学习成绩的重要指标。例如，德国的一项研究表明，在许多领域，大脑基本能力的学习指标是预测学习成绩的最知名指标。一般智力和学习成绩的相关度通常在0.5左右。在另一项研究中，研究人员比较了智力因素、动机因素及其综合效应对语文、数学和科学成绩的影响。发现智力因素对语文成绩的贡献约为45%，数学为53%，科学高达90%。在中国进行的一项研究中，研究人员发现，工作记忆和一般智力可以解释17.8%的语文成绩和36.4%的数学成绩，而动机对学习的影响很小。英国一项大型研究对7万多名学生的测试表明，学生11岁时的认知能力可以很好地预测他们16岁时各科的成绩，包括语文、数学、物理、化学，甚至艺术，解释率约为50%。上面只列举了几个有代表性的研究案例。事实上，除了这些研究之外，还有许多研究结果一致强调基础学习能力和学习成绩之间的重要关系。

除了学习成绩，智力水平也影响一个人的工作表现和事业成就。来自美国的大数据显示，高智商的人更有可能完成高等教育，从事专业工作，收入更高，在工作中表现更好。智力水平也会影响人的生活质量。新闻中经常充斥着“高智商低能量”的极端报道，但一般来说，高智商的人对自己的生活更有掌控力，他们不太可能从事危害健康的冒险行为，也不太可能受到负面情绪的影响，患精神疾病。发表在《英国医学杂志》上的一项研究表明，儿童智力测试分数高的人往往比分数低的人长寿。世界卫生组织的一份报告也显示，聪明的人会更健康，这可能是因为高智商的人更在意自己的身体，医疗条件更好，不太会抽烟喝酒。

除了认知的改变，脑科学还可以提供学习和训练所需的工具和手段。与传统的教育理念不同，我们的理念在很多情况下是远远领先于评价的，很多内容是在不考虑评价的情况下提出的。基于脑科学的研究，可以开发基于大脑结构-功能定位的测量工具，从而实现对学生学习能力的全面测试。在此基础上，还可以开发相应的学习能力训练工具。通过科学的评价揭示不同学生学习能力的特点，可以有针对性地进行学习能力训练，从而提高学习能力，促进学习成绩。在这方面，已经有很多研究证据。例如，英国诺森比亚大学的研究人员Joni Holmes发现，对工作记忆差的儿童进行认知能力训练，可以提高他们的工作记忆表现，同时，他们的数学能力也可以得到显著提高。美国耶鲁大学认知训练的研究成果发现，工作记忆和注意的训练可以有效地提高学生的一般认知能力，以及他们在阅读和数学方面的学习成绩。再比如，美国科学院院士Michael Merzenich开发了一个有针对性的语音意识训练项目(Fast for Word)，以解决阅读障碍儿童在语音意识方面的困难。通过这个方案，可以有效提高儿童的语音意识，改善颞顶结合部的功能，提高他们的阅读成绩。与学校目前采用的方案相比，其效果可提高3-4倍。这些发现已经在美国的几个学区得到了验证。尽管学术界对其背后的机制和原因仍有一些争论，但这些结果表明，采取有针对性的培养方案可以更有效地提高学生的基础学习能力和学科基础能力，从而提高学生的学习效率和学习成绩。

可见，从脑科学的角度来看，关注学习能力，不仅可以解决我们当前教育面临的认知困境，也可以为教育者提供可操作的工具和手段。

初步实践

基于以上知识，我们在2018年启动了“基于脑科学的学习能力提升”项目。在本项目中，我们以脑科学的理论和实践为指导，在大量文献研究、思考和讨论的基础上，进行了一系列有益的探索。

首先，对学生的能力进行了总体评估。从2018年开始，我们对高一新生的学习能力进行持续评估，目的是全面了解龙跃学生学习能力的发展情况。通过评估，我们得到了一些非常有价值的结果。通过对比，我们发现，近三年来，龙跃学生新生的学习能力有了明显的提升，这说明我们的生源水平有所提高，更多的优秀学生加入了龙跃大家庭。同时，对高二、高三学生的纵向跟踪也表明，学生的学习能力有了很大的进步。然而，我们发现龙跃的学生在注意力和记忆力方面存在不足，这为我们的教学活动设计提供了重要的参考。我们还发现龙跃的孩子整体认知发展是不平衡的，这说明这些孩子有很多自己独有的特点，我们需要因材施教，提供个性化教育。

其次，在学习能力评估的基础上，基于学生的认知能力对学生的学业成绩进行诊断。发现，总体来看，学生各科成绩高度相关，大约在0.8-0.9之间。这说明各科的学习能力可能反映了学生的一般学习能力。进一步分析发现，语文、政治、英语的分数关联更为紧密，可以理解为传统意义上的文科。数学、物理、生物、历史、地理的分数相关性更强，这与传统的科学观不同。说明现在的生物、历史、地理更注重科学思维。我们发现认知能力可以很好的预测学业能力。学生的注意力、记忆力、思维力、自制力、反应力都对学习成绩有很强的预测作用。总的来说，我们发现可以预测学习成绩的认知能力指标有20多个，总体揭示率在60%左右，超过了英国研究的发现。说明了系统全面的认知能力测试对揭示学习成绩的重要作用，进一步强调了学习能力的重要性。有趣的是，我们发现两位数的心算能力、联想记忆能力、图形推理能力等是预测各个科学领域成就的良好指标，这为我们进一步培养学生的学习能力提供了很好的启示。

在了解学生学习能力的特点和重要性的基础上，一个重要的方面就是对学生的学习能力进行干预训练。我们抓住2020年疫情期间在家学习的机会，通过家长和学生自愿报名的方式，在一年级学生中开展学习能力干预训练。230名学生报名参加培训，其中50%完成了全部24节课(每节20分钟)，其余也完成了大部分培训课程。另有25%的学生在培训结束后主动要求继续培训。大多数家长对这个在线培训课程表现出浓厚的兴趣和支持。他们不仅积极报名，督促孩子完成培训，也有家长积极参与培训，与孩子一起学习进步。学生对这种新颖的学习方式也表现出浓厚的兴趣和参与，表示体验比视频课好得多。通过对培训结果的分析，我们发现学生的学习能力通过培训得到了明显的提高。

这些训练对学生的学习成绩有帮助吗？带着这个问题，我们分析了训练前后学生成绩的变化。我们把学生分成两组，一组是参加培训并完成大部分培训的学生(培训组)，另一组是没有报名参加培训的学生(对照组)。以2019年秋季学期和2020年夏季学期的期末成绩为指标，我们发现训练组的所有科目总成绩提高了约8.4分，而对照组的成绩下降了11.6分。这一结果初步表明认知训练确实能促进学生的学习成绩。

总结与思考

出于对脑科学的信仰和敬畏，三年来我们进行了大胆而谨慎的实践。取得了一些好的经验和初步成果，也带来了很多经验和感受。

首先，大脑是宇宙中最复杂的器官，教育是人类最伟大的事业。脑科学与教育结合，不仅有无限可能，也充满巨大挑战。在这个过程中，最重要的是加强学习。无论是校长还是每一位老师，都需要解放思想，突破传统教育的束缚和壁垒。只有大家的大脑都意识到了，我们才能有明确的方向，下定决心，突破困难，采取扎实的行动。

其次，在实施过程中，我们的一条经验是，组建包括校长、分管科研的副校长、专职教师在内的科研团队，与高校科研团队紧密合作，从机制上保证科研任务的完成。

第三，脑科学是一个全新的实践，需要家长的理解和支持。通过家校合作，既加强了与家长的沟通和教育，又创造了家长参与的机会。通过这个过程，可以获得父母的理解和支持。此外，从技术层面，开放线上线下空两个房间和课后两个小时，实现学校与家庭的联动。

关于脑科学与教育的融合，我们才刚刚起步。面向未来，我们还有很多空的空间去思考和实践。比如如何将学习能力评价的结果更全面、更深入地融入学校教学体系，包括如何根据学生学习能力的特点实施分层班级教学？如何与学科教学紧密结合，在课堂上培养孩子的学习能力，弥补学习能力的短板？如何结合学生在素质教育课程中的学习能力，包括兴趣班的设置和选课推荐，通过课后330课程(即学生每天下午三点半放学)实现学生综合素质和学习能力的全面提升？如何通过家庭教育和家校融合，更有效地调动家长的参与，促进学生学习能力的培养？对于这些问题，我们渴望在未来积极思考和探索。面向未来，只有迎接挑战，锐意进取，才能不辜负国家、社会、家庭和孩子的期望和重托。