扫描学生的大脑是下一个教育前沿吗？

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神经科学研究的是包括大脑在内的神经系统，这对我们教育学生意味着什么？这是一个神经科学家长期以来一直在努力解决的问题；而长期以来，答案往往是：“没有太多意味，因为我们不能扫描每个人的大脑。”

但最近一篇论文的作者表示，他们一些偶然的新发现，可以对如何应用神经科学来改善大学教学提供帮助。

包括乔治敦大学（Georgetown University）研究人员在内的一组科学家在《科学-进展》（Science Advances）上发表了一篇由国家科学基金会资助的论文，认为通过核磁共振扫描观察一组高中生的神经变化，可以预测他们将空间认知学习能力转化为更好的语言推理的能力，而且这比仅对他们的空间认知能力进行标准评估的效果更好。

这并不是通往未来教育的正道，不然大学生将沦落成罐装的脉冲大脑，在课程结束时通过扫描来决定他们的学位分数。但通过记录可测量的神经变化，并将其与学习能力迁移联系起来，研究人员认为他们的这一发现可以开始为未来教育提供一种选择，即在有限的范围内，对学生大脑进行核磁共振扫描，从而助力学生课程的研发。

乔治敦大学关系认知实验室（Georgetown’s Lab for Relational Cognition）主任、论文的主要作者亚当·格林（Adam Green）老师和第一作者、乔治敦大学博士生罗伯特·科尔蒂斯（Robert Cortes）表示，他们一直“对改进课程的方式感兴趣，并致力于开发课程，不限于让学生死记硬背讲授的内容，而是开发更普遍、更灵活的可用资源”。

这种“学习迁移”，即把特定知识应用于其他或更广泛的概念领域，是许多大学教学的宗旨所在。

这篇论文研究了“空间教育”在弗吉尼亚州北部5所公立高中的应用案例，它指的是“学生使用地理信息系统技术构建并评估现实世界地理数据集的空间表征（地图）”。这些学校在2005年采用了“丰富空间的地球科学课程”，这就是著名的“地理空间学期”（尽管它现在已经持续教学了一年多）。

关于空间认知是语言推理的基础这一论断，在哲学和心理学中存在争议。这个思想，即心理模型理论，认为当我们阅读和处理文字时，我们先依赖于灵长类祖先为导航空间世界而演化出的资源，然后建立语言信息的空间表征。

因此，研究人员观察了学生大脑的空间区域，在课前和课后对其进行扫描，看看大脑空间区域发生更多变化的学生是否更有可能将其应用于语言推理，并在该领域取得更好的成绩。

乔治敦大学教务长的杰出副教授格林博士说：“我们用功能性磁共振成像（fMRI）扫描，这与许多人（在受伤的情况下）扫描膝盖和肩膀是同一种技术。”

“但在我们的研究中，这项技术被用于跟踪大脑中的血液流动，作为大脑活动的指示器。”

研究人员在这篇题为《从空间教育到语言推理的迁移以及对与学习相关的神经变化迁移的预测》的论文中写道，他们发现“神经变化预测并调节学习迁移”。

格林博士说，扫描显示学生大脑空间区域发生变化，以及“这些空间区域和前额叶皮层区域之间的交流发生了变化，前额叶皮层主要涉及多种语言思维和推理”。

格林博士说：“将这些变化不仅与成绩和考试分数相比较，还与空间认知任务中行为表现发变化相比较时，我们发现这些变化比任何传统的学业或成绩评估方法都更能预测学生向语言推理的转变情况。”

他继续说，这突出强调了在对学习进行研究时，非常“值得深入研究，值得研究大脑中发生了什么变化——这就是学习，它是大脑中的变化”。

他补充说，特别重要的是“大脑变化更能预测迁移”，即“深度学习的指标——超越记忆内容的学习”价值凸显。

这可能会产生更广泛的影响。

格林博士说：“很长一段时间以来，人们一直在困惑，神经科学如何、或是否会对课堂教育有任何应用价值。”

应用神经科学来衡量学习有一个非常明显的障碍：扫描每个学生的大脑既昂贵又耗时。格林博士观察到，这样的想法“难以置信，而且对涉及的每个人来说都非常不愉快”。

有很多研究人员致力于通过脑部扫描来衡量教育的影响吗？

格林博士说，神经科学家曾对阅读障碍或视觉学习进行研究，但通过“时间点之间的纵向差异”对学习本身进行的神经科学评估“几乎从未有过”，这使得这项研究非常罕见。

还有其他研究人员将核磁共振扫描仪用于学生的大脑。例如，在去年发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的一篇论文中，普林斯顿大学（Princeton University）的一组科学家测试了他们的假设，即“学习在神经对齐中的映照：学习者个体的神经表征与专家以及其他学习者的神经表征匹配的程度”。  

他们通过“一项纵向功能性核磁共振成像研究，定期扫描参加计算机科学入门课程的大学生”，在扫描学生大脑时对其播放课程视频。研究发现，确实，“学生之间的一致性表现成功预测了期末考试的整体表现”。

这是“一篇非常酷的论文”，格林博士说，但“并不是那种可以规模化的东西”。

他认为，更广泛地说，“我们的目标不应该是将神经科学扩展到所教育的大量学生身上”，而是“让它在课程开发的层面上运作”。

他补充说，鉴于课程开发的规模通常相对较小，“如果我们能利用这些变化的神经指数”来展示“哪种教学方式会促成最强劲的变化”，教师们就可以“在课程开发的层面上利用这种先见之力”。

正如这篇论文所言，“利用神经变化来预测可迁移性，从而使神经科学加持的课程评估成为一种长期有望的手段，神经科学可以通过丰富课程设计来提升教育（例如，通过识别出可能实现迁移的现有课程，确定可以改善迁移的课程变化，促进新的可迁移课程的发展），同时，避免大规模神经成像在实践和伦理上的局限性（即通过评估课程而不是评估学生个体）”。

格林博士强调，尽管研究发现，与传统的学习迁移评估相比，对神经变化的核磁共振扫描“更具预测性”，但“最好的综合预测来自于两者(扫描和评估)的结合。我从不认为这类工作应被解读成：‘好吧，我们可以停止研究……评估学习的更传统的方法了。’它只是在已经评估学习的方式上锦上添花而已。”

研究人员在这项研究上走了一条艰难的道路。格林博士说，“我们花了大约比预期多一年的时间来进行这项研究，因为面临很多实际的挑战。”但他们有国家科学基金会资助来进一步开展两项相关研究。

格林博士说，其中一项研究将寻求“真正开始扫描教师的大脑……寻找恰当的教学方法使学生大脑中对概念的神经表征与教师大脑中对这些概念的表征最相似。然后看看老师和学生之间的神经相似性是否能预测学生对概念的记忆程度，以及将来使用这个概念是否灵活且恰到好处?”

john.morgan@timeshighereducation.com

本文由陈露为泰晤士高等教育翻译。