教育變革：利用腦科學改善教學與校園文化（簡體書）

科學技術飛速發展的今天，人工智能技術受到萬眾矚目，但人類對自身智能――人腦，瞭解依然有限，對思維與意識如何發生依然不甚明瞭。因此，對大多數人來說，腦科學高深又複雜，更遑論運用它。本書將腦科學知識與教學實踐相結合，深入淺出地講解了如何利用最新的神經生物學研究來揭示大腦是如何學習的，以及為什麼會產生某種行為。比如怎樣讓大腦為學習作好準備，怎樣提高學生的記憶與高水平思維，怎樣通過具身認知來學習，等等。總而言之，整本書的重點在於讓抽象的腦科學變得具體，教師通過腦科學進行教育變革，幫助學生提高學習成績，重新點燃學習熱情，從而改善每個孩子的生命質量。

奧拉西奧·桑切斯，曾在美國北卡羅來納等各州擔任教師、行政管理人員、心理健康主任和州教育部顧問。多樣的教育背景和工作幫助他將科研與實踐融為一體，成為在促進學生復原力和應用腦科學來改善學校成績方面的傑出專家之一。他是一位廣受歡迎的演講者，並在許多地區性和全國性會議上發表過重要講話。

·本書將教育學、心理學、腦科學的專業知識與課堂教學結合起來，既提供理論知識，又提供實踐案例。
·利用腦科學改善教學與校園文化，幫助讀者運用腦科學知識來應對諸如考試作弊、缺乏學習動機、校園欺淩等各種負面行為。
·為腦科學與教學鋪路架橋，一方面解釋了腦科學如何影響教學，另一方面闡明了如何在課堂與學校中應用這些前沿的科學研究。

序
　讓腦科學知識成為改善教學的力量
科學技術飛速發展的今天，人類顯得越來越強大，上天入地，探索宇宙，似乎無所不能，尤其是人工智能技術也開始大顯身手，但實際上我們人類對自身智能――人腦――瞭解依然十分有限，對“意識”“思維”等是如何發生的依然不甚明瞭，大腦作為宇宙中最複雜的系統之一，依然有許多未解之謎等待人類去探究。因此，在許多人看來，腦科學知識很高深，難以理解，教師也普遍認為腦科學知識離自己的教育教學很遙遠。不過，在下這個結論之前，我們先來看看在日常教育實踐中一些常見的做法：
尊重學生，鼓勵學生，建立良好的師生關係；
創建良好的班級氛圍和學習氛圍；
教授新知識時精心設計教學活動，將以前學過的知識與新知識聯繫起來；
設計教學活動讓學生親自動手操作，親身體驗；
複習時，用各種圖形表現形式向學生展示單元的整體結構……
這些做法是很多優秀教師的經驗之談，也是被不斷證實為有效的教學實踐，可是為什麼會奏效？很少有人能說清楚，我們僅僅是知其然，而不知其所以然。其實這些有效的教學活動背後都隱含著大腦工作和學習的原理，若用腦科學知識來解釋一些教育教學原則、現象，我們就會恍然大悟、豁然開朗。
腦科學的研究告訴我們，大腦的基本功能依次是：生存反應，滿足情緒的需要，認知學習（Carter，1998）。在讓學生開始學習之前，我們先要滿足他們的情緒需要，要讓學生感到安全、快樂，積極的情緒能提升他們的學習效果，激發創造力，而處於壓力環境下所產生的負面情緒如緊張、焦慮、恐懼等則會損害注意、記憶，對學習有不利影響。因此，營造學習的情緒氛圍是教師每日工作中最重要的事情。尊重學生，鼓勵學生，不僅僅是師德的要求，也是為了讓教學更高效。
大腦在學習新事物時，最初會感覺比較費力，因為它需要更多的專注和努力。在獲得一項新技能的過程中，大腦自然傾向於放棄，或回歸到熟悉的方法，因為這樣的處理更自動化。將新知識與先驗知識聯繫起來，一方面是降低了新知識的難度，使學生更容易接受，新知識也更容易進入長時記憶，另一方面則是讓學生與學習內容建立了情感連結，使新知識與學生具有更多聯繫，更有意義。
每個感官處理信息的方式都略有不同，並各自以獨特的方式將信息存儲在大腦中。如果在教學過程中讓學生動手操作，去感知，去體驗，激活各種感官，那麼他們將獲得更多的存儲和檢索信息的方法，這樣的教學方式會讓學生學得更快，記得更牢。近些年來大受歡迎的項目式學習、小組合作探究、綜合實踐活動等教學方式效果顯著，原因也在於此。
來自神經和認知科學研究的許多有價值的發現，比如情緒、注意、記憶、運動、睡眠等等，不斷加深了我們對認知和學習的理解，也改變了我們以往的一些錯誤觀念，比如，對運動的偏見。一直以來，從學校到教師再到家長，都普遍忽視了孩子們的體育鍛煉，然而運動對於大腦的發育具有非常重要的作用。再比如，教育領域非常重視“教”，各類師資培訓往往都致力於如何提高教師“教”的水平和技巧，而學生的“學”一直以來備受忽視，怎樣讓學生願意學，學得快，學得好？這些重要問題卻少有人關注。
神經和認知科學的發展日新月異，但是實驗室裡的研究能真正專門用於教學的很少，在研究和實踐之間還需要一座橋樑，為教育者們提供有用的、可操作的方法，這本書就是在做搭建橋樑的工作。書中一方面整合了神經科學和心理學的相關研究成果，解釋了它們是如何影響教育的，另一方面闡明了如何在課堂與學校內應用這些前沿的科學研究。
本書的前6章介紹了基於腦科學研究的教學方法，比如，怎樣讓大腦為學習作好準備，提高記憶的策略，學習發生的三個層次，怎樣通過具身認知來學習，怎樣提高學生的高水平思維等。之後的章節告訴我們如何運用腦科學研究來應對校園裡的各種負面行為，比如缺乏學習動機、校園欺淩等。最令教師和家長頭疼的是孩子厭學，逃避學習，作者解釋了大腦中多巴胺的分泌如何影響孩子的學習與生活，教師如何提升孩子的自我控制力和注意力，以促進孩子的成功。科技進步從來都是一把雙刃劍，學生可以通過手機、電腦等電子設備輕易地獲取豐富的資源，因而他們使用這些多媒體技術的時間大大增加，與人面對面互動的時間卻在減少，這成為他們同理心逐漸消退的重要原因，而同理心消退不僅嚴重影響了他們的社會行為，比如導致更多的欺淩事件發生，也嚴重影響了他們的學業成績。研究發現，提高學生的社交技能，改善學生之間的關係，可以減少欺淩、言語衝突和身體衝突，營造安全、友好的校園氛圍。此外，第15章的課例附錄呈現了一堂社交技能課，非常詳細地介紹了如何讓學生學會識別並正確解讀非語言線索，提高親和力和社交技能。
隨著神經和認知科學的發展，越來越多的教與學的秘密將被揭示出來，我們將能更有效地提升教與學的效果，更科學、理性地應對孩子的各種問題行為。尊重科學，同時也讓我們的教育回歸到了原點――尊重每個獨特的大腦，尊重每個獨特的個體。
這本書的翻譯由我和葉川合作完成，葉川是北京大學基礎醫學院在讀博士，他翻譯了本書的第一章，並負責把關本書中的專業術語與概念。在翻譯過程中還獲得了北京師範大學趙希斌老師、中國科學院心理所李甦老師、陝西師範大學陳旭海老師的悉心指導，在此致以衷心的感謝。同時也感謝我的領導李永梅，同事楊坤、韓貝多……是你們的鼓勵讓我有勇氣接受這個挑戰。由於譯者水平有限，在翻譯中出現的錯誤，請讀者不吝指正。
任紅瑚


導言
學習動力並非僅僅與學業成功相關，人類大腦有獎勵學習的機制，這一機制不是為了學術追求，而是為了生存。一個健康的大腦，其自身的維持和調整需要每天學習新的東西。因此，失去學習動力的學生不僅可能在學校中失敗，而且也可能在生活中失敗。他們的健康成長取決於每天學習所帶來的奇妙轉變。
這一段引用的話恰好說明了這本書的目的，即如何利用最新的神經生物學研究來揭示大腦是如何學習的，以及為什麼會產生某種行為。當試圖將當前的大腦研究應用于行為和學習領域時，一個普遍存在的問題是，主要進行這些研究的兩門學科――神經學和心理學，往往關注不相關的問題。神經科學極少關注學習，它常常局限於細胞及其化學功能的研究。而心理學往往關注如何通過規範的行為矯正手段來完成治療與行為改變。學校心理學工作者瞭解教育，他們努力將心理測評進行轉化，使之對教學與學生行為的改變產生意義。事實上，腦科學與心理學的研究進展都沒有被運用於課堂。這本書恰逢其時，因為這個話題雖然被普遍談及，但很少能超越它的理論層面、進入應用領域，真正幫助教師運用最新的腦科學和心理學的研究與發現。這本書綜合了神經科學與心理學的相關研究，不僅解釋了它們是如何影響教育的，而且闡明了如何在課堂與學校內應用這些最新的研究。
本書的前半部分描述了運用腦科學研究的一些具體的教學策略，比如，將身體運動融入課程教學，幫助大腦理解抽象概念。後半部分介紹了新的腦神經研究如何引導教師更好地利用課程來達成預期目標，並提供了具體的步驟幫助教師完善課程的內容和結構，促進所有學生的學業進步。如何更好地利用課程很重要，因為當今的課程設計趨勢是讓教師重點關注更高的學習目標，但大多數課程的結構反而使學生獲得高水平思維能力的可能性減少了，這讓師生都備感沮喪和挫敗。
感到挫敗的教師難以盡全力，感到挫敗的學生失去了學習的動力，也更容易表現出負面行為。比如，當學生答錯問題時，他們得不到多巴胺a的強化，只有在回答正確時才會得到。多巴胺的反饋驅使學生不斷地努力，不斷地去尋找正確答案。因此，讓學生獲得成功是修復學習動力的關鍵。在當下的學術氛圍中，所有談論教學的書都需要關注如何修復學生的學習動力。如果學生不想學，那麼最好的教學策略也是無效的。這本書將解釋學生失去學習動力這一現象何以越來越嚴重，以及如何解決這一難題。
今天的教育制度的另一個副產品是學生的負面行為越來越多，這在一定程度上是因為它與技術的互動不斷增加。許多教師都意識到科技在網絡欺淩等負面行為中所起的作用，很少有教育者認識到這也是學生大腦被重塑的結果，即變得更難以專注，對他人的感受更加冷漠。教師們都在呼籲要尋求更好的辦法來提高學生的注意力，減少他們的各種負面行為。這本書提供了預防和處理各種負面行為的策略，用這些獨特的方法來應對那些最頑固的學生也被證實是有效的。
當人類的大腦能快速地將新知識與先驗知識建立連結的時候，就能輕鬆地理解新知識。教材編寫者和教師一直在為此努力――既要使新知識更容易理解，又要避免過於簡化，使之失去學科學習的挑戰性。這本書的目標之一就是介紹神經科學的新進展，為常見的教育問題提供解決方案。儘管本書已盡力用通俗的語言來討論神經科學，但神經科學的一些術語和理論的使用仍是不可避免的。要認識到這一點，即大腦在處理新的術語和概念時會運轉得更慢，因為新知識與先驗知識沒有關聯起來。因此，可以預料到，本書中那些探討我們所熟悉的話題的部分理解起來將會更容易。閱讀時認真思考和回顧本書前半部分的一些有挑戰性的內容，將有助於我們獲得更高水平的理解。
本書的後半部分告訴教師如何運用最新的神經生物學研究來應對今天校園裡讓人頭疼的負面行為。整本書的重點在於讓抽象的科學變得具體。許多類似主題的資源不斷出現只是為了解釋問題。教師最需要的是，如何幫助他們提高學生的成績，重新點燃學生的學習熱情，以及管理學生的行為。
為什麼要呼籲教育變革？變革是組織結構在相對短的時間內發生的基本變化。本書關注的許多問題不僅對於年輕人的教育至關重要，對於他們的身體、社會性以及情緒健康都至關重要。當發生的變化真的能夠顯著地改善每個孩子的生命質量時，我們就必須確保採取快速、果斷的行動。

大腦學習的生理機制
很少人寫文章來研究課程實施的方法以及它與有效的實踐和結果的關係。例如，實施的教學方法是否能促進不同學生的學習，包括有天賦的學生和學習困難的學生？從理論上講，生物與環境因素會導致大腦功能的改變。而大腦功能的改變將直接影響個體學習、記憶知識的能力。因此，我們可以採用最適宜大腦的教學方法，從而讓學生學得又快又好。
大腦的最佳功能狀態建立在大腦中化學分泌物平衡的狀態下，即穩態。當處在不平衡狀態時，大腦處理新信息的能力就會下降。很多人不知道的是，當新信息難以理解或與之前的學習相矛盾時，大腦的反應會對其化學物質的穩態造成影響。大腦是通過神經元來傳遞信息的。在情緒產生的過程中，神經元通過化學信號傳遞信息。神經元之間信息傳遞的效率會影響大腦對信息的理解。傳出信號的神經元釋放大量神經遞質，作用於接收信號的神經元。一個神經元可以與20000個神經元溝通。大腦共有1000億個神經元，它們分別與20000個神經元溝通，因而記憶過程非常複雜。
健康的大腦知道什麼時候傳遞、傳遞多少、傳遞哪一類化學物質，以及如何處理每一類化學物質以產生相應的反應。基本而言，這個化學過程可以解釋個體的所有行為，並解釋了為什麼可以將學習障礙、大腦病變的情況歸結為大腦內的化學異常。神經元受損將導致大腦內化學物質水平的改變，從而導致學習異常。多種因素都可能導致神經元的損傷，如遺傳缺陷、持續的壓力、創傷經歷等。即使是短暫的壓力也會阻礙學習，直到大腦化學物質恢復穩態。在兒童生命早期，如果關鍵刺激被剝奪也會導致神經元功能的改變。然而目前還不太為人所知的是，在青少年大腦重新建立連結的時期，大量接觸基本刺激也是必不可少的。學生在青春期所從事的活動可以高度預測大腦以後的能力。
當學生大腦內的化學物質不平衡時，他們身體的各個器官、系統都會受到影響，如心血管、肺、皮膚、唾液腺、肌肉、消化系統、免疫系統等（Chiras, 2012）。患有學習障礙或大腦病變的個體，大腦中化學物質不平衡的狀態會持續存在。例如，攻擊性強的兒童，大腦中存在5–羥色胺不平衡。然而很多人不知道的是，大腦中任何化學物質的異常分泌都會對學習產生長期或短期的影響。健康的學生在壓力狀態下，也會經歷記憶和理解障礙，這種障礙與上述化學物質持續失衡的同齡人相似。不同之處在于，健康的學生受到的影響只是暫時的。教師需要重視短期化學物質失衡，即重視處在壓力狀態下的學生們的短期記憶和理解障礙。化學物質失衡持續的時間越長，糾正失衡就越困難。
腦幹位於大腦底部，它對機體的內穩態起調節作用。這個調節過程通過自主神經系統完成。自主神經系統遍佈於全身，並調節心率、呼吸頻率和消化。自主神經系統分為兩部分：交感神經系統使我們警覺，副交感系統使我們平靜。當我們機體的化學物質失衡時，交感神經系統會引發壓力、憤怒以及異常行為；副交感神經系統會令人昏睡、乏味，甚至抑鬱。為了保持內穩態，我們的大腦需要感到安全，並處於不過分激動也不過度抑制的微妙平衡狀態。
化學物質分泌模式的改變不僅影響大腦底部，而且會影響大腦的中部――控制飲食與睡眠的區域。大腦的中部主要指的是邊緣系統，邊緣系統主要包括下丘腦、杏仁核和海馬。杏仁核決定情緒反應，情緒反應會影響身體的所有功能，尤其是飲食和睡眠。這就是為什麼人們在經歷了諸如離婚、限期完成工作或親人去世等應激事件後，他們的飲食和睡眠模式往往會受到短期的干擾。邊緣系統的化學物質失衡解釋了許多精神病診斷與飲食、睡眠模式的改變共同存在的原因。
邊緣系統的化學物質失衡帶來的影響使整個神經系統產生連鎖反應。邊緣系統被認為是人類情感的中心，它告訴我們什麼時候該逃跑，什麼時候該戰鬥。簡單來說，它是身體面對危險時作出反應的調控中心，不論是真實存在的危險還是感受到的危險。邊緣系統在對刺激作出反應之前，會與大腦皮層進行溝通。大腦皮層負責推理和執行功能，它接收數據並搜尋相關信息，以幫助人們根據先前的經驗作出合理的決定。在分析數據後，大腦皮層與邊緣系統溝通，並調整情緒反應的水平。然而，在化學物質嚴重不平衡的情況下，邊緣系統可能會不經大腦皮層參與，自己作出衝動的決定。正是這種衝動和錯誤的感知導致了許多有情緒問題的兒童做出非理性的行為。
化學物質分泌模式的改變不僅影響行為，也影響學習。海馬是邊緣系統的重要組成部分，它是初始學習和短時記憶的場所。化學物質失衡會導致初始學習減緩，並使長期的學習受到阻滯，因為長時記憶建立在短時記憶的基礎之上。睡眠和飲食模式的改變也會損害大腦皮層的邏輯運算能力。當大腦皮層功能受阻時，推理和解決問題的能力就會減弱。
當大腦無法適當地管理它產生的化學物質時，它就不能達到最佳學習狀態。那些大腦無法控制體內化學物質分泌模式的兒童往往經歷著更多的危險因素。風險的增加又會進一步導致大腦化學物質的變化。
在每個教學過程和實踐中我們都要反思大腦是如何學習的。例如，在幫助學習困難的學生時，應考慮採取能提高大腦功能水平的策略，從而讓他們易於接收信息。教師應獲得的最有價值的知識是瞭解大腦如何工作。不管學生面臨的困境有多複雜，運用這些知識指導教育與教學，都能對學生的表現產生積極的影響。好在基於大腦的策略具有普適性，有助於某一個大腦學習的策略能幫助所有的大腦學習。當教師學習並使用適於大腦學習的教學策略時，將會有效提高學生的認知能力。同樣，學習是獲得更健康的大腦的秘密。學習實際上是一種治療。