教育神经科学与信息技术的跨学科整合研究——

发布时间：2022-10-09 23:04 热度：

　　周加仙(华东师范大学心理与认知科学学院/教育神经科学研究中心，上海200062)

　　[编者按]将教育神经科学与计算机信息技术进行整合，尤其是根据教育神经科学所揭示的规律探讨教育游戏的设计，研究用户中心原则在教育游戏设计中的应用，以及教育游戏对人脑基本认知过程产生的影响，是目前教育技术学的前沿研究课题。教育游戏兼具教育性和娱乐性的特征，其设计需要以科学的教育理论为支撑，通过游戏的方式完成教育过程，实现教育目标。玩游戏的过程会使大脑的奖励系统产生信号。不确定性的奖励会使人脑中的神经递质多巴胺的释放达到高峰值。

　　因此，在结合了不确定性游戏的学习任务中，学习者的情绪反应增加，情绪反应的增强又可以支持记忆的编码，使学内容更加难忘，学习效果更好。琼斯教授是英国布里斯托尔大学神经科学与教育专业负责人，是当今世界最重要的教育神经科学专家之一，曾受邀到联合国教科文组织参加为期三个月的教育神经科学研究。2011年，他成为英国皇家学会神经科学与教育工作组成员。琼斯教授在国际上率先将教育神经科学研究和教育信息技术结合起来，探索动机、奖励和学习之间的关系。他以神经科学研究为基础，以互联网和应用软件为窗口，创造性地开发了适合提升学习水平的应用软件和教学方法，并将其应用于教育游戏中，其目的是提高教与学的效果。

　　琼斯教授出版了《神经教育学研究导论》一书，并由笔者翻译为中文。他两次应邀访问华东师范大学。笔者借机与他就教育神经科学与教育信息技术的整合问题进行了深入的对话。

　　[关键词]教育神经科学;教育信息技术;用户中心设计;多巴胺;奖励系统

　　[中图分类号]G40-057[文献标识码]A[文章编号]1007-2179(2016)06-0004-07

　　[收稿日期]2016-07-09[修回日期]2016-10-14[DOI编码]10.13966/j.cnki.kfjyyj.2016.06.001

　　[作者简介]周加仙，副教授，华东师范大学心理与认知科学学院教育神经科学研究中心副主任(jxzhou@psy.ecnu.edu.cn)。

　　[致谢]感谢课题组成员杨恺、谢依恬对本文部分原始资料的整理。

　　记者：近年来，教育神经科学发展迅猛，国际上已经建立了70多个研究机构。发达国家投入巨额资金，推动该学科研究，如美国自然科学基金委员会专门设立了教育神经科学项目，支持教育神经科学发展。哈佛、斯坦福、剑桥等著名大学创立了教育神经科学研究机构。您从事该学科研究已多年，能否谈谈神经科学与教育结合主要面临哪些挑战?

　　琼斯教授：近20年来，认知神经科学与教育学相结合的探索基于这样一种观点：大量涌现的神经科学研究成果对教育具有独特的价值。事实上，越来越多的神经科学家开始思考和探索他们的工作对“真实世界”的学习可能产生的影响，尽管这种影响还处于教育学的边缘位置。这些探索常以“教育神经科学”为主题，其研究带有认知神经科学的认识论、方法论以及目的性特征。然而，从理论推测到实际应用并非简单易行，神经科学领域的见解要真正实现其教育价值，还有赖于与教育学的完美结合，并渗透到教学经验和生活常识中。寻找神经加工过程和学生在课堂中表现出来的、可观察到的复杂日常学习行为规律之间的关系，成为教育神经科学研究面临的新挑战。

　　上述挑战中，核心任务是将三个不同层面的证据结合起来：生理层面、社会层面和经验层面。需要指出的是，在教育工作者的实践以及教育信息技术研发人员设计产品的过程中，简单地向他们传递神经科学的知识是无效的。因为神经科学家研究时几乎不考虑课堂的实践应用，因此神经科学的研究成果无法直接为教师提供即时的解决方法。我们迫切需要教育神经科学的实验研究与课堂教学实践之间搭建沟通联结的桥梁，开展实践转化工作，以填补两者之间的鸿沟。无论对科学研究者还是教育工作者而言，不同学科概念的共建均要求扩大个体认识论的范围，理解原有领域常见术语(例如，学习、意义、注意、奖励等)在其他学科的意义，并尊重彼此的价值观和职业目标。不同领域的研究者通过对话和讨论发现并理解不同的学科观点和证据是如何以不同但又相互补充的方式破解“学习究竟是什么”这一命题的。与这种真正的跨学科工作相比，教育学与神经科学之间简单的知识联结，势必无法取得理想的效果。由于对心理学、神经科学概念缺乏深刻了解，这种草率的行为常常引发神经神话(neuro-myth)。典型例子是，用“突触联结”解释人脑如何在多个想法之间建立有意义的联结。这类例子通常包含脑与思维的结合，使得对教育实践活动的解释明显带有神经科学的味道。然而，事实却是，尽管思维联结在心理学领域得到充分的讨论，但就目前而言，我们仍然没有在突触水平上对其展开研究。而且研究表明，如果用神经科学解释人们的行为，即便这些解释与行为本身没有多少关系，但是该解释仍然会给读者带来更高的满意度。总之，脑科学数据在解读人类行为(如学习)方面具有意义重要，但是要深入理解这一行为，还必须有思维的心理学理论作为重要补充(Howard-Jones，2015)。

　　记者：随着人类迈入21世纪，计算机信息技术不仅运用于神经影像的实验研究，如呈现刺激、反馈记录和数据的挖掘与分析。更重要的是，计算机信息技术作为学习资源开发的重要工具，可以缩短从脑部扫描到课程设计之间的距离，这对神经科学研究者和教育信息技术开发者都提出了新的挑战，即必须将神经科学的实验研究成果、教育学理论与实践智慧以及计算机信息技术进行整合。那么，哪些研究方法可以有效地将这三者结合起来，设计科学有效的教育环境?

　　琼斯教授：从不同的角度探讨学习这一重要问题，是神经科学、教育学和计算机信息技术这一交叉领域研究构建理论框架的第一步。这能帮助我们合理地结合这三个不同领域的研究结果，更好地理解“学习”这一行为。当然，这将涉及方法论问题。如果这些领域的研究结果确有关联，那么就有必要设计相应的研究方法，以更好地支持这一交互关系。

　　例如，可以有效地利用认知神经科学的概念对课堂话语进行质性分析与解释。神经影像研究包含对参与者开展半结构化访谈，展示他们在构念、策略和态度上的经验性看法，这些研究能够对教育神经科学的概念建构做出有价值的贡献。在一些跨学科的实验研究中，适当地运用折中和创新的方法，在控制外部变量的基础上，提高实验的生态效度是目前心理学与教育神经科学领域的热点。值得注意的是，跨学科研究者在尝试既适用于解决社会科学研究问题的方法，又能解决自然科学问题的方法的过程中，即便同一小组的研究者也会发现，不同学科的研究者在搜集各类证据(生理、社会、经验)时所使用的方法大相径庭。

　　将上述结果应用于教育技术设计，还需要进一步的整合研究。就现阶段而言，研究者还无法确保任何产生于实验室并可以有效应用于课堂的学习理论能否通过软件的设计与运用加以提升和完善。可惜的是，现在最基本的软件都还没有。因此，教育神经科学与计算机信息技术的结合是一块尚未开发的空白领域。为了获得好的成效，需要包括软件的使用者，如教师和学习者，以及掌握相关原理的技术设计专家，以及神经科学研究者加入。我们不仅要设计有效的流程，还需要了解技术设计的局限性，这样才能将教育神经科学的研究方法延伸到教育信息技术领域，并体现以用户为中心的设计流程。我们团队已经开始这方面的研究。我们用特定的研究方法，即运用设计实验法，经历了包括设计、干预、分析和思考在内的五次循环，研发了一款网络应用程序zondleTeamPlay(zTP)。

　　我们组建了多学科团队，综合应用教育神经科学理论、教师基于课堂教学经验的观点和完备的技术设计专业知识。这款应用程序使教师可以通过游戏教学法完成课堂授课。我们将这一原则称为“以用户为中心”。这一原则已广泛应用于教育信息技术的设计、用户观察(从“局外·5人”的角度，通过视频、观察和现场记录研究用户的交互)和合作设计方法(用户与设计及研发团队处于平等位置)之中。我们在设计过程中遵守将用户的需求愿景最大化的原则，同时也注意到，这种合作性的设计可能会引发的诸多问题。在该方法中，教师以专家身份向设计者阐述教学经验的关键点，协助其确定初期设计思路和测试原型的研发。在这一过程中，教师提供的专业理念对设计的形塑与完善起着至关重要的作用，同时神经科学和设计方面的专业知识亦发挥了重要作用(Howard-Jones，2015)。

　　记者：用户中心原则是教育信息产品设计应遵循的重要原则，它将用户的需要与感受置于产品设计的中心，而不是让用户去适应产品。用户中心设计关注用户使用这些产品所需要的时间成本、学习成本和情绪感受。美好的情绪感受可以让用户愿意花费更多的时间学习这个产品。在教育电子游戏的设计中，如何体现用户中心原则，又符合教育神经科学研究成果方面的研究很少有人关注，你们团队的研究已经走在了世界前沿。您能否以教育电子游戏的设计为例，说明如何将教育神经科学的研究成果与计算机信息技术整合起来，在教育电子游戏的设计中体现用户中心原则?如何根据游戏者大脑的加工规律，实现教育电子游戏的效益最大化?

　　琼斯教授：随着智能手机和平板电脑等移动设备游戏的逐渐盛行，通过数字化游戏进行学习成为新的研究焦点。大多数研究将兴趣集中于游戏对学生动机和参与感的积极影响，并提出了多种理论。系列证据显示，有效的游戏式教学的开发可能来自不同理论观点的交互作用而形成的正确观点，这些理论观点来自游戏学习、教学论、课堂实践和神经科学研究等。关于大脑奖励系统的新见解为理解游戏带来的高度参与感提供了科学依据。游戏中赢得分数的动机会使大脑的奖励系统产生信号，这种信号与食物所引起的愉悦感相似。中脑区域的神经递质多巴胺与奖励系统的活动有关。研究显示，如果灵长目动物意识到一定会有奖励，或者获得预期之外的奖励，其脑中多巴胺能的释放会达到峰值。如果他意识到奖励的出现是不确定的，那么其脑中的多巴胺能的释放还是会达到峰值，但是这个峰值会一直持续到奖励的出现为止，并伴有多巴胺能的递增。

　　因此，不确定的奖励会导致大脑释放出更多的神经递质多巴胺。当受到奖励的可能性为50%时，多巴胺的释放达到峰值。这从神经生理学的角度较好地解释了为什么人们常常被机遇性游戏吸引的原因(Howard-Jones，2011)。

　　记者：您提到的游戏中的不确定性与大脑多巴胺之间的关系，解释了不确定性在游戏教学设计中的重要作用，这是设计学生持续性投入游戏的重要因素。那么，不确定性是如何在游戏教学中发挥作用的?

　　琼斯教授：对于教育者而言，更感兴趣的可能是结果的不确定性也会影响大脑对奖励的反应。不确定性的奖励是游戏包括电子游戏的显著特征。人们把它看作是游戏之所以具有挑战性且令人愉悦的因素。对灵长类动物大脑的研究中，研究者将一组刺激的呈现和100%的后续奖励相匹配，以创造一个“确定”的奖励。其他刺激则与不确定的奖励匹配。他们发现，由确定性的奖励引发的多巴胺能峰电位与完全不出现奖励(奖励率为0)引发的峰电位相似。确定性奖励的呈现对峰电位的改变影响不大，因为先前的刺激已经表明，这是完全可以预期的。实验表明，50%上下的成功率会增强动机。当奖励以50%的概率呈现，即呈现不确定性的奖励时，与其联结的刺激会引发类似形状的电波，接着多巴胺会以波浪式上升的方式释放，并在奖励可能出现(也有可能不出现)的时刻达到峰值。由不确定奖励所引发的多巴胺释放量的总和，要多于由确定性奖励或者完全没有奖励诱发的多巴胺释放量。换句话说，不确定的奖励似乎增加了与动机有关的多巴胺能反应的类型。这种奖励的不确定效应可以帮助我们解释，为什么人类会痴迷于赌博和机遇型游戏。因此，不确定性为50%的风险游戏会对参与者产生最大程度的吸引力。但是，当游戏结果完全取决于个人能力时，其吸引力会相对下降。研究显示，学习者在纯学术任务中最佳的不确定性水平为88%。这一较高的不确定性水平可能源于对失败的自我评估和社会评估。在这种环境中，“舒适空间”的不确定性减小，这可能会影响学习。在高度确定性的舒适空间工作，无法全面观察到在游戏中出现的、与多巴胺活动有关的、较强的刺激信号。这还可以解释，为什么结合了运气的游戏学习任务，学习者的情绪反应会增强。情绪反应可以支持记忆编码，包含更多情绪反应体验的学习会更加让人难忘。

　　[参考文献]

　　[1]Howard-Jones，P.，Holmes，W.，Demetriou，S.，etal(2015).Neuroeducationalresearchinthedesignanduseofalearningtechnology[J].Learning，MediaandTechnology，40(2)：227-246.

　　[2]Howard-JonesP.，DemetriouS.，BogaczR.，etal(2011).Towardascienceoflearninggames[J].Mind，Brain，andEducation，5(1)：33-41.