腦認知科學視野下學習研究的新進展*

胡衛(wèi)星　李　玲　徐　多（渤海大學 教育學院，遼寧錦州121013）

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腦認知科學視野下學習研究的新進展*

胡衛(wèi)星李玲徐多
（渤海大學 教育學院，遼寧錦州121013）

摘要：受現(xiàn)代分子生物學、細胞生物學、遺傳學、影像學和信息科學技術發(fā)展的影響，大腦認知功能和作用機制正從微觀腦細胞分子水平和宏觀腦系統(tǒng)整體水平兩個方面得到深入揭示。文章認為，腦認知科學已經(jīng)在腦神經(jīng)機制、腦高級認知功能、腦計算理論、腦心理與行為分析等四個方面取得了突破性發(fā)展。受其影響，學習科學領域也正在經(jīng)歷深刻變化，并呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢：在研究內(nèi)容方面，基于腦認知的有意義高效學習的系統(tǒng)模型得以構建，基于文化情境交互的社會學習機制得以重視；在研究范式方面，學習科學領域開始采用多學科交叉合作研究、神經(jīng)科學實驗和臨床診斷與技術干預等新的研究方法。

關鍵詞：腦機制；認知科學；學習科學

引言

宇宙、物質、生命和智力是自然界中的四大奧秘，尤其是涉及腦機制研究的智力探索更是人類認識自然和自我過程中極具挑戰(zhàn)性的科學命題。人類對大腦認知功能的智力探索已有數(shù)千年的歷史，然而以往探索基本上都是哲學思辨討論式和直覺經(jīng)驗觀察式的探索[1]。

當今，腦認知科學的發(fā)展已經(jīng)建立在科學理性分析研究的基礎上，人類對自身特有精神和心理活動的探索已進入到一個新的研究層次。尤其是從20世紀90年代世界各國紛紛啟動腦科學研究計劃以來，現(xiàn)代分子生物學、細胞生物學、遺傳學、影像學和信息科學技術的發(fā)展，為腦認知科學研究提供了層出不窮的新工具與方法[2]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，腦認知科學總體上形成了兩大研究發(fā)展趨勢：微觀分子細胞水平上對腦功能和腦疾病機理的研究，宏觀系統(tǒng)整體水平上對腦功能多層次的整合研究。通過這兩大方面研究的推動，大腦各部分如何協(xié)同工作來實現(xiàn)復雜認知功能并產(chǎn)生智力，正得到日趨廣泛和深入的研究[3]。腦認知科學研究的重要地位得以迅速確立，并推動著當前諸多相關學科的有機融合和交叉發(fā)展。學習科學的研究領域、研究方法和研究新動向大部分都基于腦認知科學，深受腦認知科學發(fā)展的影響和推動[4]。因此，系統(tǒng)梳理近十年來腦認知科學發(fā)展的重大突破和研究動態(tài)，將為學習科學研究提供重要的理論框架和未來發(fā)展的關鍵點。

一　腦認知科學的新研究動態(tài)

1腦的神經(jīng)機制研究

從20世紀90年代開始，由于在心理學等科學領域中功能性磁共振等神經(jīng)影像技術的產(chǎn)生及其廣泛應用，科學家們開始研究復雜心理活動是如何通過某些神經(jīng)環(huán)路、某些腦區(qū)、某些神經(jīng)元甚至某些神經(jīng)遞質來完成的[5]。同時，受生命科學研究實現(xiàn)從基因組學到蛋白質組學，再到神經(jīng)連接組學轉變的影響，腦認知科學開始將研究中心放在從事腦功能的神經(jīng)環(huán)路分析上，試圖對腦內(nèi)的神經(jīng)活動線路作圖，實現(xiàn)對腦機制的基因—腦—行為—認知的完整系統(tǒng)研究[6]。當前，腦的神經(jīng)機制研究主要關注以個兩個方面：

（1）神經(jīng)信息的編碼機制

外部世界的信息在大腦內(nèi)被統(tǒng)一編碼成神經(jīng)元的電活動，了解神經(jīng)信息編碼的機制是破譯大腦計算方法的關鍵。關于神經(jīng)信息編碼機制存在著多種假說，如發(fā)放頻率編碼、時間精細結構編碼、同步化發(fā)放編碼和群編碼等，這些假說都得到了一定的實驗支持，但同時也都遇到了很多挑戰(zhàn)[7]。但越來越多的實驗數(shù)據(jù)表明，人腦中神經(jīng)信息的編碼不是以一種單獨編碼形式存在，而是多種機制并存。

（2）學習、記憶及信息存儲的神經(jīng)網(wǎng)絡

神經(jīng)元間突觸連接強度的變化是學習的物質基礎，這種強度變化的理論模型從早期的赫布（Hebbian）學習律迅速發(fā)展到突觸動作電位時間依賴可塑性規(guī)律[8]。隨著實驗證據(jù)的積累和研究的深入，突觸和神經(jīng)環(huán)路可塑性變化機制將會促使學習理論產(chǎn)生一個很大的突破。但記憶的神經(jīng)網(wǎng)絡研究理論還只是停留在簡單的集中形式方面（即短期記憶和長期記憶的網(wǎng)絡實現(xiàn)機制），盡管已經(jīng)取得了從傳統(tǒng)霍普菲爾德（Hopfield）模型到現(xiàn)代連續(xù)吸引子網(wǎng)絡模型的大突破[9]，但整體上記憶的神經(jīng)網(wǎng)絡理論模型研究還有很長的路要走。

2腦的高級認知功能研究

腦的高級認知功能是指人具有的學習、記憶、注意、語言、抉擇、問題解決等認知功能。目前，這個方面的研究主要集中在如下三個方面：

（1）感知覺信息的處理與整合

感知覺信息的處理與整合主要體現(xiàn)在三個方面：①感知覺信息的基本表達研究，主要是“初期特征分析”與“初期整體知覺”兩大研究思路的爭論；②特征綁定問題的研究，這是當前計算機視覺和人類視覺研究中的一個根本性難題，迄今為止各種解釋機制都失敗了；③注意的基本表達問題，主要是基于空間、基于特征性質和基于時間三大理論的爭鳴，其中占主導地位的是基于空間的理論，但基于物體的理論正在快速形成并得以發(fā)展。

（2）工作記憶和語義記憶的腦機制

設計意圖：學生體會艾弗里體外轉化實驗的關鍵設計思路，進行實驗設計的技能訓練，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和縝密的科學思維。

對于工作記憶的研究主要有兩個層次：一是宏觀層次的研究，主要分析有哪些腦區(qū)參與了工作記憶的過程，并且這些腦區(qū)之間的關系是怎樣的；二是環(huán)路層次的研究，主要分析工作記憶由什么樣的神經(jīng)元活動所代表，調節(jié)這些神經(jīng)元活動的機制是什么[10]。目前，有證據(jù)表明：工作記憶并不是由某個特定腦區(qū)所負責，而是一種由大部分聯(lián)合皮層甚至感覺皮層聯(lián)合支持的、能持續(xù)一定時間的不間斷放電活動。另外，認為語義記憶是一個超模態(tài)符號系統(tǒng)的傳統(tǒng)觀念是錯誤的。語義記憶研究的最新結果顯示，長時記憶是一個腦分布式存儲系統(tǒng)，不同類別的物體在腦中有著不同的處理系統(tǒng)，系統(tǒng)中存在一個聯(lián)合區(qū)域負責將分散信息整合起來靈活應用[11]。

（3）記憶的固化與消退

當下記憶研究依然深受百年前提出的記憶鞏固假說的影響，認為不同類型的記憶在不同的腦區(qū)進行加工處理，記憶在儲存后是穩(wěn)固的，長時記憶是記憶神經(jīng)反復震蕩活動的穩(wěn)定[12]。然而有實驗數(shù)據(jù)顯示：提取記憶會引發(fā)一個額外不穩(wěn)定期（即存在重鞏固過程），記憶維持是一個持續(xù)動態(tài)的變化過程。傳統(tǒng)記憶消退理論認為，導致消退的原因是條件刺激與非條件刺激之間的聯(lián)系不斷被弱化并最終被破壞[13]。而實質上，記憶消退過程有更多的復雜機制參與，消退并沒有影響到以前的興奮性聯(lián)系，而是形成了另外一個抑制性聯(lián)系，記憶消退和習慣化現(xiàn)象之間有共同的腦認知作用機制[14]。

3 腦的計算理論分析研究

現(xiàn)代腦認知科學發(fā)展理念上存在著一個重要隱喻：人腦和計算機一樣也存在硬件與軟件兩個層次，要模擬人腦功能，只需設計出不同的設備或程序來模擬驅動實現(xiàn)相應的功能即可。隨著理論研究和技術的進步，基于傳統(tǒng)計算機模擬的大腦計算理論（腦中信息處理通路是靜態(tài)的和串行加工的）受到了重大挑戰(zhàn)：人腦中信息處理回路（神經(jīng)細胞網(wǎng)絡）會通過持續(xù)進化和并行運算來解決復雜問題，腦的高級功能不是由某單個神經(jīng)元或單一腦區(qū)孤立完成，而是由許多腦區(qū)或神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的交互作用而實現(xiàn)[15]。因此，從神經(jīng)環(huán)路網(wǎng)絡的角度，利用并行計算理論來重新闡釋人腦的結構和功能，揭示腦對神經(jīng)信息的加工處理機制是非常必要的。

利用高時空分辨率成像技術和現(xiàn)代計算技術的結合，研究學者們通過建立不同腦區(qū)交互作用的腦網(wǎng)絡模型并分析其動態(tài)演化規(guī)律，來理解腦信息加工的動態(tài)過程及腦高級認知功能[16]。目前，該方面的研究主要集中在以下兩個核心點：①神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲計算理論的發(fā)展。主要是在功能性腦圖譜構建的基礎上，進行神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲、功能屬性及其動力學機制的分析，弄清楚大腦不同腦區(qū)是如何采集分析和處理神經(jīng)信息的；②腦—機接口的設計與開發(fā)。即在腦與外部設備之間建立起一種直接的交流通道，實現(xiàn)腦對外部設備的直接控制，也可直接把外界信息傳入大腦來調控人的某些行為。目前這方面的研究，主要集中在接口信息自適應處理與神經(jīng)可塑性的相互關系分析、接口神經(jīng)反饋機制與技術這兩大問題上[17]。

4腦的心理與行為研究

目前，心理科學領域中普遍采用了行為反應測量結合腦影像技術，來研究諸如感知覺、注意、記憶、語言等基本認知功能，來闡明復雜心理活動在認知各個水平上的作用機制，同時也在積極探索社會文化環(huán)境對人類行為及其復雜社會行為的影響[18]。受其影響，腦認知科學領域也嘗試采用心理與行為研究技術方法來展開相關的研究。目前，腦的心理與行為研究主要分析在大腦各部的協(xié)同工作下各種復雜認知功能和智力是如何產(chǎn)生的，并如何實現(xiàn)對行為的控制。該方向研究的主要核心點有：

（1）自我意識與自我相關信息的加工。諸多研究主要集中于自我參照加工、自我面孔識別和自傳體記憶三個方面。其中，自我面孔識別是個體關注外部世界的過程，而自我參照加工和自傳體記憶則是個體關注自我內(nèi)心世界的過程。

（3）人類決策與行為研究。這個方向研究的重點是理解和把握人們在不確定環(huán)境中的反應特征和行為規(guī)律[20]。主要研究點有基于行為的決策理論與方法、情緒和個體差異對決策的影響機制、集群行為等。

二　腦認知科學視野下學習科學研究內(nèi)容的新進展

1有意義高效學習的系統(tǒng)模型

腦認知科學和新媒體技術的發(fā)展，使未來學習形式和內(nèi)容發(fā)生了深刻的變化。學習是一個大腦積極參與的過程，是學習者諸認知功能和大腦各功能區(qū)綜合發(fā)揮的過程，更是一個有趣、有效和高效的過程[21]。學習活動的實施需要一定的心理結構要素，如知識呈現(xiàn)方式、選擇性注意、元認知、內(nèi)隱認知、非智力因素和學習策略[22]。要實現(xiàn)學習的有趣、高效和有效，就必須在發(fā)揮腦認知功能的基礎上，讓上述心理參與要素按一定層次構成一個相對完善的系統(tǒng)?；诖耍狙芯繕嫿艘粋€有意義高效學習的系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1　有意義高效學習的系統(tǒng)模型

學習的本質是讓學生通過領會和掌握知識來提高自身的能力，而如何用適當方式來合理地呈現(xiàn)知識，會直接關系到學習的效率和效果。符合學習者腦認知規(guī)律的知識呈現(xiàn)方式（如知識網(wǎng)絡），是實現(xiàn)有意義高效學習的基本保證。在學習過程中，首先需要解決的是如何讓學習者排除各種無關干擾，將注意力集中到所學知識內(nèi)容之上，有效的選擇性注意是學習者有意義高效學習的基本前提條件[23]。學習是一個學習者自覺主動學習的過程，學習過程中應該讓學習者對自己的學習過程和狀態(tài)有清晰的認識與實時了解，這就需要學習者發(fā)揮元認知的作用——元認知是學習者有意義高效學習的重要監(jiān)控系統(tǒng)。此外，學習過程中學習者認知活動往往都需要有非智力因素的伴隨參與，強烈的學習動機、堅強的意志力和良好的性格特征等非智力因素使學習者學習能夠更加深入和持續(xù)，為其有意義高效學習提供了源源不斷的動力[24]。學習過程中還需要學習者根據(jù)學習狀況，選擇最佳學習策略來完成任務——學習策略是實現(xiàn)有意義高效學習的重要保障。內(nèi)隱認知則是學生在沒有意識到要學習卻掌握了某種知識和技能，它是有意義高效學習的高級形式，體現(xiàn)了學習者學習活動的自動化和智能化[25]。

2社會學習的機制研究

諸多領域的新見解正在改變著教育的實施方式，生成了一個新的學習理論——社會學習觀，即人的心理和思維發(fā)展往往依托于人所處的社會文化環(huán)境，學習者在內(nèi)外部諸因素交互作用的過程中得到了提升和發(fā)展[26]。當前社會學習理論主要表現(xiàn)為三個基本原理：①學習是通過計算來實現(xiàn)的。學習者具有強大的計算能力，能從經(jīng)驗統(tǒng)計模式中推斷出周圍環(huán)境的結構模型，并利用經(jīng)驗統(tǒng)計模式來學習語言和因果關系；②學習是通過具有可塑性的腦來完成的[27]。學習記憶過程可以塑造大腦的結構和功能，同時，大腦特定的結構和功能也在影響、優(yōu)化著學習行為及認知過程；③學習是通過社會互動來實現(xiàn)的。學習者在與其他人的互動中迅速學習，并傾向于關注和模仿別人的行為。時下，學校教育正越來越關注和體現(xiàn)社會學習的交互作用原則。

同時，人們也發(fā)現(xiàn)人類進行學習時需要具有三個基本社會技能：模仿、共同注意和共情理解，它們形成了人類發(fā)展的基礎[28]。其中，觀察和模仿專家學習是一種強大的社會學習機制，學習者可大量模仿他人的行為，利用他人的信息來增加自己的知識并提升自我；共同注意是社會學習易化的一個重要途徑，它讓不同的學習者對同一物體和事件進行共同關注，進而為他們的共同交流提供基礎；共情理解的能力對學習者的學習至關重要，很多學習過程往往都受特定感情過程的影響與制約。按照腦認知科學家的建議，編排的、浸潤性的、充滿互動的、充分激趣的和具有積極加工經(jīng)驗的學校教育教學活動最有可能讓學習者投入其中，形成具有共同體特征與內(nèi)涵的參與感，產(chǎn)生自然的有意義知識和高效學習，從而幫助學習者獲得最優(yōu)的學習體驗和大腦發(fā)展[29]。

三　腦認知科學視野下學習科學研究方法的新變化

1多學科交叉研究和合作研究的開展

受腦認知科學發(fā)展的影響，學習科學往往會涉及多學科前沿，也往往會進行學科交叉性研究。越來越多本來從事生理學、生物學、基因組學、計算機科學、社會學、數(shù)學和邏輯學等的研究人員，正在加盟到對學習這一現(xiàn)象的機制研究中[30]。尤其是近些年來，從認知神經(jīng)科學角度對學習展開跨文化的心理學研究正在如火如荼地進行著。同時，相關領域的國際研究合作活動也發(fā)展快速且聯(lián)系日趨緊密，更多地區(qū)性或國際性組織正在形成，各類地區(qū)性或國際性學術會議也在頻繁召開。當下，一方面需要全面收集、解讀并跟蹤腦認知科學研究的已有重要成果；另一方面更需開展腦認知科學研究與教學實踐活動的聯(lián)手工作，在腦認知科學的基礎上進行教學實踐活動的創(chuàng)新，尤其是在現(xiàn)代教學技術手段的支持下，積極提出新教育理論、策略與模式，設計和創(chuàng)造出新的學習環(huán)境和學習形式[31]。

2神經(jīng)科學方法和實驗技術的新突破

近些年來，研究方法和實驗技術的新發(fā)展已經(jīng)給腦認知科學帶來了重大的理論突破，人類對學習的研究正逐漸從間接轉向直接、從猜測轉向實證、從模糊趨于清晰。實時觀測神經(jīng)活動（非浸入性成像技術）研究技術的出現(xiàn)，使人們在展開腦認知、人工智能、學習機制研究等方面有了新的方法和實現(xiàn)路線[32]。利用高分辨率時空成像技術來解析神經(jīng)環(huán)路的功能性動態(tài)調控規(guī)律、來理解腦的信息加工過程及腦高級功能，進而能夠全面系統(tǒng)地揭示人類學習的奧秘。新研究方法和技術使人們能夠在更系統(tǒng)、更深入的水平上研究腦神經(jīng)網(wǎng)絡活動及其調控機制，將促進信息科學、神經(jīng)科學、心理科學甚至是臨床醫(yī)學的綜合交叉[33]。與嚴格的行為數(shù)據(jù)相比，來自認知神經(jīng)科學等方面的新技術方法將會使學習機制研究的信息更為豐富，對人腦基本認知功能的解釋也更為直接和可視化。

3臨床診斷與技術干預的案例研究

傳統(tǒng)智力觀認為，學習者出現(xiàn)學習困難主要是學習者的智力存在一定狀況，故常采用形式訓練方式來重點提升學生的觀察力、記憶力和想象力等。但實際上，學習困難生與優(yōu)秀生的智力差別不是在思維過程和形式上，真正的差異在于當他們進行分析、綜合、比較、抽象概括等思維時，其所加工知識內(nèi)容的質量、性質、特征、結構等方面存在著顯著差距。因此，有效把握學習困難者在具體學科知識學習和問題解決的過程中如何通過獲取、加工和組織知識內(nèi)容而進行思維的特點，才是學習成功與否的關鍵之所在?；谂R床診斷與相關技術干預，能夠使研究者實實在在地追蹤到學生的學習過程，親自體察學生應用知識進行思維的實際過程，對學習的了解和理解要比其它任何形式的研究更加真實、深入和細致[34]。

總之，大腦是一個極其復雜的系統(tǒng)（包含1011個神經(jīng)元和大約1015個突觸），弄清楚人腦是如何工作的仍然困難重重。腦學習系統(tǒng)如何組織，學習時腦內(nèi)部進行著哪些過程，這些過程如何相互作用引發(fā)系統(tǒng)的行為——這些問題的解決，都需要研究者進行更加深入的實驗工作和計算工作；尤其是針對如何采用無損傷的直接方式來記錄大腦活動的實時過程這一問題，還需要研究者匯聚更多的智慧來實現(xiàn)突破。隨著腦認知科學的進一步發(fā)展，學習科學將會進入到一個全新的綜合性突破發(fā)展階段。

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編輯：小米

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The New Development of Learning Research from the Perspective of Brain and Cognitive Science

HU Wei-xingLI LingXU Duo
（Educational College,Bohai University,Jinzhou,Liaoning,China 121013）

Abstract:Through the development of modern molecular biology,cell biology,genetics,imaging and information science technology,the cognitive function and its action mechanism have been revealed from the aspects of microscopic brain cellular and molecular level and macroscopical brain system and overall level.Current brain and cognitive science has achieved strategically progresses on the brain neural mechanism,brain advanced cognitive function,brain calculation theory,brain psychology and behavior analysis,which profoundly affected the learning science field.The learning science emerged the new development trend: on the aspects of research content,the meaningful and efficient learning model based on brain-based learning mechanism was constructed and social learning mechanism based on the culture and context interaction was taken seriously; on the aspects of research method,the learning science field started to adopt the new method of interdisciplinary and cooperation research,neuroscience experiment and clinical diagnosis and intervention.

Keywords:brain mechanism; cognitive science; learning science

收稿日期：2015年7月10日

作者簡介：胡衛(wèi)星，副教授，博士，研究方向為信息技術環(huán)境下新學習形式的心理機制，數(shù)字化教學資源的設計、開發(fā)和管理等，郵箱為satellitehu@163.com。

*基金項目：本文受教育部人文社會科學基金項目“四元交互作用機制下的動畫多媒體學習研究”（項目編號：13YJC880028）、遼寧省高校青年教育科研骨干專項課題“信息技術融入課堂教學的有效性研究”（項目編號：JGZXQDB039）資助。

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2016）03—0019—07 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.03.003