1、脑科学教育系列报告之一脑科学教育研究入门基础序言一 为什么要学习脑科学？ 为什么要研究脑科学教育？它能给我们带来什么？与大家已有的改革是否会冲突？ 1、 20世纪之前，人类不知道大脑的功能； 2、脑科学研究发现：人的一切心智和行为都是大脑功能或大脑支配下的活动。从脑功能开发的角度研究学习、教育和课程旨在从根本发起一场改革，是从开发脑、改变用脑的方式和角度去改革教育和课程。全面提高学习和教育的效率。 3、我们过去所做的教育 研究可用“摸象理论”类比，也摸到真象，但只是某一部分或某几部分，不是全部。脑科学教育就像引导我们从整体去认识大象一样，从全面认识脑的功能的视角，去研究教育，课程、教学。 4、
2、从脑科学看，现有的一切优秀的、成功的理论、经验都是符合脑科学的， “全脑开发教育”要求荟萃历史上一切优秀的教育思想和经验，并在脑科学教育的平台上进行科学的改革、提升和整合。前言二 普天下父母，谁不希望自己孩子阳光、聪明、健康成长！ 但是， 希望之路，路在何方？ 为教育者，哪个不希望全体学生，德智体美全面发展，将来成为国家优秀人才！ 但是，全面成才的教育之路有吗？ 十年脑科学教育研究给我们重要启示： 1、 脑科学正在使我们重新认识人类的潜能，原来我们只是用了大脑的很少一部分功能。“一个健康人的大脑与科学家之间并不存在不可逾越越的鸿沟，甚至是可以超越的。” 2、 开发大脑前景十分广阔，全脑开发教育
3、有可能为人类自身的发展创造前所未有的奇迹，人人都可以成为优秀人才，关键在于开发教育。 我们想想现代科学给我们带来了什么福祉，也可望脑科学教育给人类带来多大的智慧和力量【】 3、脑科学全脑开发教育实验让我们看到希望的曙光 举两个典型例子： 1） 邢台23中小学部四年级两个实验班，上学期语文期中期末使用教育局统一考题，优秀率局超过90%，其中一个班期末竟然超过99%。两个班数学优秀率均超过70%； 个个有礼貌，行为习惯好，全面发展、有特长，每人会一样乐器，会多项健身技能。 2）栾城梅家村小学，二年级实验班形成了“两个100%” 常态化高效课堂。区教研室主任听课后说“这个班没有一个孬的！”情况简介
4、十年脑科学教育研究初步成果： 小学全脑开发教育研究连续进行四年实验，主要成果： 1、系统地提出了脑科学学习论、教育论、课程论和教学论 2、提出并践行“国家课程脑科学校本化”理念，这项实验已经覆盖了小学14年级语文、数学、英语、音、体、美等学科。 3、填补国家课程能力培养缺失，开创了超常课程系列入校教育课程假期生活学习课程返校汇报展示交流课程和校园文化课程， 4、分别在邢台和石家庄形成了两种实验模式，实验表明，全脑教育理论和课程不仅适合中、小城市小学，而且也能在乡村小学落地生根。（邢台市五所实验小学都是中小城市学校，石家庄栾城三所全市农村小学） 5、实践使我认识到： 脑科学是教育创新强大理论武器
5、，一旦掌握了这个武器，就可以在教育科学、学习科学、课程理论、教育哲学等各个领域开展广泛研究，可以对历史的教育理论进行批判型研究，对现实的教育问题开展脑科学层面上的科学研究，可以成为优秀的教育工作者，长期坚持研究实践就有可能成为扎根于第一线有作为的脑科学教育家。全脑开发教育第三种模式的计划 1、我们强调参加“全脑开发教育实验”首先普及脑科学知识，获得第一张入门证 2、进行三个层级的培训： 1）脑科学教育入门基础 2）基于脑科学的学习论、教育论、课程论 3）全脑开发教育课程与实验 其中1）、2）3）的理论部分有我来讲，3）实践部分我会请一线各科实验教师和校长们来讲 第一阶段培训目标：弄清十个问题1
6、、如何理解脑是自然界最复杂的系统，弄清这概念对改革教育有什么重要意义？2、人聪明与否主要决定于什么？3、为什么要学习，如何看待不爱学习的孩子？4、对脑是一种特殊生命物质系统两种结构、两种属性、两种工作方式的智慧生命物质的理解5、如何理解教育的“关键期”，“起跑线”6、脑功能四个系统论及其教育意义7、对“五种心理相互作用及其统一性”的理解8、对脑科学智能结构的理解及其与加德纳多元智能的对比9、对脑存在“两种工作状态”的理解及其教育意义10、人脑与电脑的异同比较及其对教育意义、几点说明：1、雄县教育局赵局长决心很大，我也很感动，计划在雄县教育界逐渐普及脑科学教育入门基础知识，在全县范围推动全脑开发
7、小学教育。2、上述10个问题就是第一期考核目标，用评价机制推动脑科学教育理论在雄县全县教育界普及。3、上面10个问题基本懂得，就可以获得“全脑开发教育实验”入门证，校长通过，学校获准进入“全脑开发教育实验” ；教师“通过”有资格进入下一轮培训，三轮培训合格取得实验教师上岗证4、评价办法，群众性自评与专家评比相结合脑科学教育研究入门基础 一、人脑是自然界最复杂的系统 二、脑有两种最基本的结构 三，脑内存在三个维度的耗散结构 四、脑功能四个系统 五、心智的五种心理相互作用及统一性 七、人脑与电脑的比较 八、专司信息的器官 一、人脑是自然界最复杂的系统 （一）、了解复杂性系统特性的常识 （二）大脑是
8、自然界最复杂的系统（一）、复杂性系统的基本特性（只要求了解） 1、 非线性 1+12 z=(x+y)2 2、不确定性可塑性 天气，生命过程 3、 自组织性 自发进行 4、 涌现性 会出现突变，量变到质变 5、初值的敏感性教育的“关键期” 1、非线性 基本概念： “非线性”与“线性”是一对数学概念，用于区分数学中不同变量之间两种性质不同的关系。从函数表达说，线性是一次函数 z=ax+by 非线性是 z=axn n不等于1 从图像说，线性是直线，后者是曲线 现实世界本质上是非线性的，但非线性程度和表现形式千差万别，线性系统不过是在简单情况下对非线性系统的一种可以接受的近似描述。 非线性的重要意义
9、非线性作用是复杂性的主是要根源.是系统无限多样性、不可预测性和差异性的根本原因。非线性思维是一种直面事物本身的复杂性以及事物之间相互关系的复杂性、运用超越直线式的思维去力争更清晰的理解和把握认识对象的思维方式。 科学研究发端于线性。经典物理研究起始于线性模型，如质点、匀速直线运动；弹性形变、弹性碰撞、单摆、简谐运动等都是忽略很多因素后的理想模型。物理学历史表明，正是伽利略、牛顿提出理想模型思想才开创了辉煌的经典力学时代。但是经典力学只是真实世界的近似。应用力学，如航空、航天领域都是非线性的，都不能用简单模型计算。 教育的反思之一：中国人为什么缺乏创造性？ 长期来，我国的基础教育，包括高等教育内
10、容，基本上是线性理论，回避复杂性思维，课程的主体特征是线性课程，课程体系是线性理论，轻视实验动手 、埋头题海（都是线性知识），所以抑制青少年的创造性 。 真实世界是复杂的，应该用复杂性思维去考虑。有人说“物理学一个实际问题也解决不了！”，这一说法虽然有些极端，但是在解决实际问题时，往往都不能完全搬用书本中的物理模型。 用线性思维去处理复杂性系统，如在技术、经济领域就会出大问题。回想中国的“人口问题”、五八年的大跃进的问题，当代一些工程问题，本质上都是由于缺乏复杂性思维，给国家和民族带了灾难性的后果。 结论：让我们的孩子从小就要面向实际，基础教育课程就要拓展非线性内容，强调真实世界的非线性特性，
11、从而培养学生的创造性2、不确定性 1）、“不确定性“是复杂性系统的一个基本特性。 二十世纪60年代以来，现代系统科学中关于混沌现象的研究，却打破了传统科学中把“确定性”与“不确定性”截然分割的思想禁锢，并用大量客观事实和实验表明，正是由于确定性和不确定性的相互联系和相互转化，才构成了丰富多彩的现实世界。 2）.不确定性的重大启示 不确定性是推动科学进步的动力。现代科学是靠不确定性发展繁荣的 近代科学从确定论起步走到自己的终 点，现代科学从不确定论开始开创全新的时代，所以确定论和不确定论反映人类认识的不同发展阶段 3）. 教育反思之二中国人为什么缺乏创造性？ 我们的基础教育课程主体是一个确定论课
12、程体系，确定论是一个严密的逻辑体系，能培养按逻辑思维处理事情的品质，但是，真实世界并不服从确定论逻辑。确定是相对的，不确定是绝对的。 不确定性是创新的源泉，我们的基础教育课程缺少不确定性课程，也是抑制创造力的重要原因。这就回答了“优秀生工作岗位往往缺乏创造性”的问题。 结论：应该关注“不确定性课程”内容。如，强化遗传的变异，随机问题等课程内容。3、自组织性 1）、基本概念： 组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。 自组织系统是能自行组织、自行创生、自行演化，能够自主地从无序走向有序，形成有结构的系统。 德国理论物理学家哈肯依据组织的进化形式把“组织”分为他组织和自组织两类。自组织是
13、相对于他组织而言的，我们一般把不能自行组织、自行创生、自行演化，不能够自主地从无序走向有序的组织称为他组织。相反，自组织是指无需外界特定指令，能够自主地从无序走向有序 。 2）、自组织理论 是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。它的研究对象主要是复杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题，即在一定条件下，系统是如何自发地由无序走向有序、由低级有序走向高级有序的。 3）、自组织形成的条件：系统开放、远离平衡、非线性相互作用、涨落是自组织形成的基本条件。 4）、自组织性是自然界和人类社会演化发展的基本原因地球上生态的演化发展是一个复杂的自组织过程。几十亿年的演化形成
14、大约3000万种动物；2000万种植物。 我们常说抗菌素失效，菌种变异。就是微生物的自主演化。 神经系统和脑的演化和发展是自组织过程最神奇的创造。 脑是最复杂的自组织系统。 4、涌现性 1）、基本概念：把整体还原为各个部分时，整体所具有的这些属性、特征、行为、功能等便不可能体现在单个的部分上。复杂性科学把系统整体具有，而部分或者部分和，所不具有的属性、特征、行为、功能等特性称为涌现性。 2）、涌现性的形成。 当构成整体的各部分形成有机的整合，即集成为一个新的复杂体系时，就会出现涌现性。 一堆沙子不会出现涌现性。蛋白质细胞的有序结构就会涌现出生命现象 3）、突发性是一种特殊的涌现性。 自然界恶劣
15、的气象现象是突发性； 社会生活中突发性事件、瘟疫形成和传播、全球性金融灾难等就属于复杂社会的突发性； 大脑功能开发到一定阶段会出现涌现性。 开发大脑，将无序的神经元系统连接成有序的结构就是建构脑的“涌现性”。突然会说话了，突然掌握了某项技能。 心理异常，狂躁发怒等5、初值的敏感性 1）、“蝴蝶效应”是最典型的复杂系统初值敏感性。 “蝴蝶效应”的形象的比喻：亚马孙河上一只蝴蝶的翅膀抖动一下就可以在美国的德克萨斯州引起一场风暴。 2）、生命演化、物种的多样性 回顾生命演化的历史，生命从单细胞开始，为什么几十亿年后会演化出形形色色的动物和植物。用处置敏感性就比较容易理解。假设亿万年前，生物之间存在的
16、某些很小的差异，逐渐形成明显差异，以致成为不同物种。 3）、幼儿教育的敏感期 不被人注意的婴儿早期的环境和教育的差异会导致人的智能重大差异，一言以蔽之“天赋”（二）、脑是自然界最复杂的系统1、复杂的生理结构2、复杂的潜在功能结构3、从脑功能发育发展过程认识脑的复杂性4、从脑的早期发育敏感性体会脑的复杂性1、复杂的生理结构 1）复杂的脑区结构 2）复杂的神经元系统1）脑区结构 最先发现脑具有 十一个分区 现代脑科学研究表明,脑科学已经从实验发现人的大脑存在很精细的空间分区结构，每一个功能都定位于解剖学上一个专一性脑区。而一个脑区包含几百到几千个神经元细胞，其空间尺寸大约才几十几百微米。可见会有多
17、少专一性脑区（上亿个专一性脑区） 2）复杂的神经元系统 1011 个神经元，每个神经元有 104 ，1015个突触系统两两“链接”，形成天文数字的复杂系统 10倍神经元系统的的胶质神经细胞2、复杂的功能结构 1）复杂的网络结构 1011 个神经元，每个神经元有 104 ，1015个突触系统两两“链接”，形成天文数字的复杂系统 2）网络结构形成的复杂过程 神经元通道神经元簇神经元簇回路功能子系统整体神经网络。 这是一个顺着点、线、面、体，逐渐形成网络结构的过程，这是一个漫长的学习过程。严格将是一辈子。3、复杂的脑功能发育发展过程 1）神经元之间的微观过程 2）神经网络和脑区的建构过程 3）脑功能
18、建构的复杂过程1、神经元之间的微观过程2、神经网络和脑区建构过程 1）神经网络的建构 神经网络的结构的层次包括：生物大分子、神经元、神经元簇，神经元簇回路、脑功能子系统和脑整体网络。 “ 一个神经元族由一群功能及定位都比较接近或相关的神经元构成，一个神经元族回路由一群功能类似或相关的神经元族及其连接构成。一个功能子系统由完成同一种功能的，包括大量神经元族回路的有关脑区及其连接组成。脑整体网络由许多具有不同功能的、相对独立而又相互连接和相互作用的功能子系统组成。”（心智的无意识活动P910 ）2）脑区之间的连接 最先发现脑具有 十一个分区 现代脑科学研究表明,脑科学已经从实验发现人的大脑存在很精
19、细的空间分区结构，每一个功能都定位于解剖学上一个专一性脑区。而一个脑区包含几百到几千个神经元细胞，其空间尺寸大约才几十几百微米。可见会有多少专一性脑区（上亿个专一性脑区）3）、功能结构形成的复杂过程 大脑基础功能建立是一个缓慢过程 语言功能，婴儿一般到10个月，才会叫“妈”到三岁才学会简单的生活用语。中国人学汉语要中、小学12年，加上幼儿园共计15年.， 文化和专业素质教育，在走上工作岗位之前要接受近20年的教育和学习。从脑科学的角度看，就是进行二十年大脑功能开发，不但要在认知，而且还要在情感、意志和行为等方面进行开发，就是通过各种课程的学习，完成基本神经网络的建构。 研究表明，脑具有终生可塑
20、性，脑功能的复杂性与整个生命同在，我们的大脑时时刻刻处在重塑之中编码、存储、记忆调整，存储、形成长程记忆。4、从脑的早期发育敏感性体会脑的复杂性 早期教育敏感性是脑这个自然界最复杂复杂系统的一个重要特点 早期教育决定脑功能的基本结构 人出生后的家庭和社会环境千差万别。形成伟大科学家和普通百姓，鲁迅和闰土之间的重大区别。中国有句古话，“三岁看大、七岁看老”，“差之毫厘、失之千里”，这是从历史统计的观点朴素地揭示了复杂性系统处置敏感性。 世界上没有两个完全相同的脑。 孩子在早期生活的种种微小差别，造成大脑功能结构系统的差别。二、大脑的两种基本结构、属性和工作方式1、生理结构自然属性，经过漫长的演化
21、，通过遗传获得。2、功能结构社会属性，大脑神经网络结构是需要在生理结构基础上，通过社会化生活逐渐形成的。3、两种工作方式有意识与无意识心智活动1、脑的生理结构 系统包括： 1）、脑的分区结构 半球结构四叶结构十一个脑区结构大脑半球分为52个区专一性脑区 2）、神经网络结构 （1）1011个神经元细胞 （2）每个神经元细胞包含有几千个神经元突触 （3）1015， 个突触两两结合，形成天文数字的神经网络连接脑的分区结构从解剖学得到最早的分区结构2、脑的功能结构 人脑的信息功能是在生理结构的基础上，通过教育和学习逐渐形成的。大致过如下： 首先是通过眼、耳等感官，将周围的信息传入大脑，在某些位置的神经
22、元之间发生响应，有蛋白质生成，形成神经元通路，形成记忆。 其次，类似的现象在附近不断发生，一些性质相近的神经元共同形成专一性脑区。 第三，在专一性脑区基础上形成脑区，相关脑区建立连接，形成具有某种复杂功能的神经网络结构 。 三、脑的三个维度耗散结构 1、一切生命系统动力学机制是物质能量 耗散结构 2、本人提出脑存在特殊的耗散结构信息、能量、物质耗散结构 耗散结构基本概念 耗散结构系统是一个与周围环境保持能量与物质的持续交流， 远离平衡态的有序的非平衡态自组织开放系统。 生命系统是典型的耗散结构，与环境存在持续的物质与能量的交流，是一个开放、高度有序的自组织系统。生命系统一旦失去外界交流，就不能
23、维持正常的耗散活动，系统就会迅速衰退，生命就会终止。 时间是耗散系统的基本参数，系统总要随时间发生变化，不但有自然的发育、发展过程，还必然存在自然的衰老，直至死亡。 耗散系统不仅在微观结构上存在近程相互作用，而且系统存在整体的相互关联，是一个有机的整体，缺了某部分，如某一器官，生命就可能出现重大问题，甚至就要死亡。2、脑存在特殊的耗散结构信息、能量、物质耗散结构 1）经验观察通过学习脑形成功能、学习型社会是对脑的理解 2）科学实验， 1、脑是一个特殊的耗能器官，静息态占全身能耗20%，折射出专司信息器官的特性 2、一系列实验表明，大脑的能量物质代谢水平与认得意识状况有关，即与信息耗散有关 结论
24、;脑是一种超越一般生命物质的耗散结构信息、能量、物质的三维度耗散结构系统，是自然界演化生成的更高一级的生命物质。1、 由不同麻醉剂造成的代谢下降从31%68%不等（Alkire et al.1995, 1997, 1999） 2 、植物人的脑能量代谢比控制组低30%40%（schiff et al.2002） 3、在慢波睡眠阶段，脑代谢活动总量下降（Maquet et al 1992, 1997; braun et al.1997） 4、脑功能实验表明，有效的学习和记忆发生时，在神经元之间，通过神经递质的分泌有新的蛋白质生成。现在已经发现50多种不同神经递质。四、脑功能的四个系统 四个系统的提
25、出过程; 1、1973年前苏联科学家鲁里亚luria发表他的专著神经心理学原理，首先提出脑功能的三个系统支持觉醒系统、信息处理系统和调节控制系统 2、2003年我国科学家唐孝威院士提出脑功能还存在第四个系统评估系统和情感系统。应该叫鲁里亚唐孝威脑功能四个系统理论 3、四个系统的排序是本人向唐先生的建议1、 支持保证觉醒系统，对应脑区是 脑干网状结构和边缘系统 2、 信息处理系统， 对应脑区是枕叶、颞叶和顶叶等 3、 评估、情感系统， 对应脑区是 杏仁核、中脑侧背盖、黑质等 4、 调节控制系统 对应脑区是额叶等 心心相互有用 心，心智是脑的功能 心脑相互作用 脑是脑神经网络 心身相互作用 身指身
26、体各部分 心物相互作用 物指周围各种物体 心社相互作用 社指各种社会现象 统一性是指五种心理相互作用往往是相互联系在一起的 心智能力 智能 创造能力 行为能力 语言 文字 思维 科学 创造能力 技术 艺术 社会 各种行为七、人脑与电脑的比较 人脑 电脑结构特性 生态结构 ，运算和记忆 机械结构 一体化，软硬件一体 软硬件分立 形成 过程 从生理结构逐渐转变， 人工设计安装形成 功能结构体念、学习 耗散特性 三维耗散结构 没有物质宏观运动 一体化 运动 只有能量信息传递记忆特征 生态记忆 需能量维护 机械记忆 存在遗忘曲线 环境稳定下记忆牢固创造特性 非线性 自主织创造 线性 按程序工作 时间特
27、性 结构重塑性、衰老、死亡 性能固定 系统特性 生命系统、存在 智能系统 初值敏感性 终生可塑 人为设计 人脑 电脑 结构特性 生态结构 ，运算和记忆 机械结构 一体化，软硬件一体 软硬件分立 形成 过程 从生理结构逐渐转变， 人工设计安装形成 功能结构体念、学习 耗散特性 三维耗散结构 没有物质宏观运动 一体化 运动 只有能量信息传递 人脑 电脑 记忆特征 生态记忆 需能量维护 机械记忆 存在遗忘曲线 稳定环境下记 忆牢固 创造特性 非线性 自主织创造 线性 按程序工作 时间特性 结构重塑性、衰老、死亡 性能固定 系统特性 生命系统、存在 智能系统 初值敏感性 终生可塑 人为设计八、专司信息
28、的器官 1、大脑中属于生命体征控制调节部分神经元，由基因作用在婴儿出生前已经形成神经网络生理功能网络，由遗传决定 2、大脑的智能结构网络是在出生后逐渐形成，由环境与学习教育，开发决定。大脑在信息作用中成长，“终生”致力于信息事业，所以称其为“专司信息的器官”。留存资料 孩子刚刚降生时，他的大脑中不过是一团混杂的神经元，它们等待着被连接成精妙的神经意识系统，所以需要学习。 有些神经元在受精卵中的基因作用下已经形成了连接，包括控制呼吸和心跳，调节体温或产生反射等等它们有遗传决定。 但无数的神经元却只是像未加预载软件的电脑一样，那些无序的大脑网路可能会在某一天被用来创作歌曲，研究微积分，被愤怒激发，
29、或毁于药物沉迷。如果这些神经元得到了应用，就会与其他神经元连接成大脑中网络；如果神经元没有被应用，就可能死亡。 正是童年时期的各种体验决定了那些神经元可以应用于连接大脑网络，就好像一个程序员坐在键盘前在奔腾®电脑上重新装载软件一样。他每装载得一个电脑程序就如同孩子的每种早期体验决定了孩子未来是聪明还是愚钝，自信还是胆小，发音清晰还是口齿不灵。恩州立大学儿科神韦经生物学家Harry Chugani指出，孩子的早期的体验十分重要，“它可以改变一个人的一生。” 传统观点认为，大脑中的接线图像我们新房子中的电路图一样，是被受精卵中的基因预先决定了的。然而尽管有几乎一半（大约5万）的基因在某种程
30、度上与中枢神经系统有所关联，但真正参与到组织大脑复杂结构的基因却不是很很多。这就产生了另一种可能：基因也许决定了大脑中神经系统的某些主要连接，但更为精细的神经元连接却不是由基因完成的。 依据目前的范例，加利福尼亚柏克莱大学神经生物学家Carla Shatz指出，“大脑神经元网络连接包括两个阶段： 早期阶段是不需要体验参与的，（由遗传基因决定） 而第二阶段则需要体验来实现。（大脑长期演化形成的特征） 这种神经元连接，在时间上有很大敏感性，大脑的某种能力的发展，敏感期会在不同的时期。所谓的“关键期”，事实上就是自然状态的最敏感时期，这种自然状态从出生以前就开始了，然后一个接一个地出现，随着孩子年龄的增长不断开启和闭合。
