学习元 · Part 2：学习与脑的可塑性

学习计划指南

学习的脑机制研究很复杂，其复杂程度与探索宇宙的研究相比有过之而无不及，脑有多个的结构分区，不同的区域有特定的功能，依下图所示：看上去轻软的小脑负责协调身体平衡和完成熟练动作一一从摆出优美的舞蹈姿势，到吃饭时不让叉子刺伤鼻子。小脑对学习等高级认知功能的发挥也具有一定的作用。在回忆新信息和新经验时，海马体扮演着十分重要的角色。情绪由杏仁核控制。丘脑与学习新信息尤其是口头信息的能力有关。

脑成像技术的飞速发展，使得科学家对大脑的功能有了更深入的认识。例如，功能性磁共振成像( functional magnetic resonance imaging，fMRI)能够易示儿童或成人处理不同认知任务时，其大脑中血液流动的不同模式。事件相关电位(event-related potential，ERP)能够测量个体阅读或学习单词等认知活动时经过其头皮或颅骨的脑内电流的活动。正电子发射断层扫描(positron emission tomography，PET)能在不同情况下追踪大脑的活动。这些技术发展对于研究大脑发育与学习的关系来说极其重要。

请各位同学带着以上的问题开始相关资料和案例的阅读，并完成相关的活动。

1、人脑是先天基因还是后天环境塑造的结果？

2、大脑发展的关键期与学习能力的关系？

3、大脑是如何工作的？

资料一、反向自行车实验证明：大脑神经的可塑性

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资料二、大脑是如何工作的？

在你看来，大脑是什么样的呢?它是一个文化中立的容器，每个人的知识存储方式都一样，还是像一个收录事实的图书馆或是装满各种信息的计算机?它是早上醒来后下载完一天所需的所有东西，然后就可以欢乐地度过一天了，还是像一个管道，将信息从一个人的大脑传递到另一个人的大脑里，比如从教师的大脑传递到学生的大脑里?库尔特·费希尔是发展心理学家和哈佛大学的教授，他根据神经科学的研究提出了不同的观点(Kurt Fischer，2009)。他认为，知识的获得是一种主动建构意义并采取行动的过程，知识源自我们的活动，大脑在不断变化：

当动物和人类在各自的世界中从事各项活动时他们塑造了自身的行为。脑相关研究表明，通过这些活动，动物和人类也塑造了他们大脑 (以及身体) 的生理解剖结构。当我们主动控制自身的经验时，这些经验也塑造着我们大脑的工作方式，从而促使神经元、突触和大脑活动发生改变。(p.5)

所有的经验都在塑造着大脑——游戏和有意识的练习、正式和非正式的学习(Dubinsky et al.，2013)，“可塑性”这个术语，描述了大脑在神经元、突触和活动等方面不断变化的能力。大脑活动的文化差异很好地说明了世界中的互动是如何通过可塑性来塑造大脑的。例如，一项研究发现，母语为汉语的个体在进行阿拉伯数字加法运算和大小比较时，大脑的运动区域会有明显的活动；而母语为英语的个体在进行相同任务时，大脑的语言区域有明显的活动 (Tang etal.，2006)。其中一种解释是，母语为汉语的个体在学习数学时会使用算盘这种计算工具，这种工具涉及运动、空间位置等。长大成人后，他们仍保留了有关数字的视觉——运动感 ( Varma，McCandliss，&Schwartz，2008)。语言影响阅读的方式也存在文化差异，例如，母语为汉语的个体在阅读时，大脑中一些额外的、与空间信息加工有关的区域会活跃起来,这可能是由于汉字带有图形的性质。而当他们阅读英语时，这些与空间信息加工有关的脑区也会活跃起来，这表明个体在阅读时会使用多条神经通路 (HintonMiyamoto，& Della-Chiesa,2008 )。

因此，由于具有可塑性，大脑在不断变化，被个体的活动、文化和环境所塑造着。我们通过从事某项活动，在生理上与心智中操作客体和观念，从而建构出我们的知识。如你可以想象到的那样，教育工作者已经试图将这些神经科学的研究应用于教学实践。而这引发了倡导基于脑的教育的激进教育工作者和对此持怀疑态度的神经科学研究者之间的激烈争论，这些神经科学研究者认为对大脑的研究并不能真正解决主要的教育问题。很多针对家长和教师的出版物提供了很多关于大脑与教育的有用观念，但请谨慎采纳那些过分简单化的建议。很多“基于脑”的教育计划的科学性还存在争议 (Beauchamp & Beauchamp，2013)。

资料三

Commentary: Do we need to understand how the brain works to teach well?

作者：Harold B. White

Biochemical Education发表了过一系列文章[1-3]，回答了“一个好医生应该知道多少生物化学？”从那以后，这个挑衅性的问题一直伴随着我教的那些渴望成为医生的本科生，成为与其他生物化学老师的讨论，以及与医生的谈话话题。大多数初级保健医生的回答是：“不多，他们主要关心的是身份识别。他们以症状、体征和测试的形式寻求证据，以正确诊断和治疗患者的问题。当然，许多基本的生物化学是这个过程的基础，但在大多数情况下，一个复杂的计算机程序也可以工作，或者更好。医生可以发挥作用的地方在于他们如何与患者互动，以理解他们作为个体并同情每个人情况的独特性。他们通过提出真诚的开放式问题来做到这一点，例如“你好吗？”可以引发各种信息丰富的回答。

然而，老师们，包括我自己，都为我们对生物化学的肤浅、困惑和不完整的理解感到痛苦，我们认为许多未来的医生在离开我们的课程时都会有这种理解。我们的“患者”对我们的治疗反应不佳。我们责备医生没有足够的生物化学知识来做好他们的工作，但以此类推，我们大多数人在没有接受过正规教育培训的情况下教学。关于人们如何学习的研究表明，基于问题的学习（PBL）等教学法比传统讲座更有效[4，5]，但这些数据似乎被大多数科学教师所忽视[6]。如何改变我们的教学方式以改善学生的学习？

我在教学中采用PBL方法[7]的原因是情感而不是基于数据。学习有很强的情感成分[8]。我的大脑只是说，“这是有道理的。我的理性大脑仍然在思考这样一个事实，即我们对生物化学和医学的了解比我们对学习和大脑如何工作的了解要多得多。我想知道，如果我们更多地了解大脑，它会如何改变教学以改善学习，教师会因此接受不同的方法吗？

大脑令人着迷。单个基因可以改变语言学习[9]或影响算术[10]。中风可以切除特定功能并使其他功能完好无损。大脑能力显示出精确的发育进展[11]。人们可以想象一个模块化的大脑，其中稍微改变的编码或功能单元会产生全局后果。我们的个人经历揭示了幻觉与客观现实之间的微妙界限，我们自己或他人情绪的巨大变化可能发生而没有明显的外部变化，以及基于逻辑和证据改变思想的困难。显然，关于大脑如何优化学习，我们还有很多东西需要学习。

几个世纪前，詹姆斯·林德（James Lind）发现，给坏血病水手喂柑橘类水果可以治愈他们的疾病。治疗奏效了。他不需要知道胶原蛋白中的抗坏血酸或羟基化脯氨酸。林德的发现花了几代人的时间才转化为实践[12]。我想我们对学习的理解可以与林德对坏血病的理解相媲美。我们知道什么有效，但对它为什么有效或是否有更好的方法知之甚少。然而，采用那些有效的教学策略似乎是谨慎的，即使我们不知道它们为什么有效。

这些反思是在阅读奥利弗·萨克斯（Oliver Sacks）的《觉醒》（Awakenings [13]）时出现的，奥利弗·萨克斯（Oliver Sacks）是一名医学博士，他的化学和基础科学知识令人印象深刻[14]。通过20个医学案例，他描述了3，4-二羟基-L-苯丙氨酸（L-DOPA）对脑炎后帕金森综合征患者的影响。这些患者中的一些患者几十年来几乎无法动弹和言语，但几乎每个人都在给予3，4-二羟基-L-苯丙氨酸后不久就转变为反应灵敏的行走者。然而，向正常状态的变化是不可预测的，很少长期控制，并且非常依赖于个体患者。

与神经递质相关的单一化合物可以产生如此深远的影响，使人们意识到大脑稳态对我们这些在各种近似正常状态下运作的人来说是多么重要。轻微的不平衡会产生深远的后果。当然，这些问题适用于学习。从生物化学上讲，什么是学习？它是如何发生的？不同的人也一样吗？“思考”与记忆有何不同？环境或教学环境如何改变学习能力？

当我在高中时，我记得服用肾上腺素治疗哮喘发作。它不仅消除了我的症状，还使我能够全神贯注地学习三个小时，参加德语考试，而德语考试之前无法吸引我的注意力超过 10 分钟。（我不推荐这种学习方法，尽管咖啡因似乎是一种更温和的替代品。

当我们最终知道大脑是如何工作的，以及学习发生时会发生什么，我希望它能让我们深入了解如何帮助学生更好地学习，以及为什么某些方法比其他方法效果更好。然而，我怀疑，当那个时候到来时，有人问生物化学教授他或她需要知道多少关于大脑如何工作才能教好，答案将是，“不多。就像现在的医学一样，一个关键因素仍然是教师和学生之间的沟通，将每个人都视为个体。这就是为什么我发现PBL是一种令人满意的教学方式的部分原因。我仍然想知道如何让它更好地工作，以便我的医学预科和其他学生能够理解和记住他们的生物化学。

https://doi.org/10.1002/bmb.2006.49403402129