脑科学与教育创新

脑科学与教育创新触及灵魂深处吴祖仁教授讲座[e-mail]@cpenet.net.cn中国创造学会大脑开发研究会理事长国家课程标准初、高中物理教科书(教科版）主编Qq号：13099252752012.5.8序——研究背景和问题提出•现代社会对教育发展影响最大的两个领域•数字技术•脑科学个人专业背景和兴趣趋向●身在高校情系基础教育，投身中学物理课程改革28年●为谋求教改深入研究，申请全国教育科学研究课题，年逾花甲步入脑科学领域，●结识著名脑科学家唐孝威院士，快步跻身脑科学与教育的研究前沿●创建中国创造学会大脑开发研究会，致力我国教育界的脑科学与教育的普及与研究活动。主要内容一、脑科学简介二、认识自己的脑——脑是一个怎样的器官？三、基于脑的教育基本理论四、从脑科学看当前基础教育课程五、从脑科学看物理课程特殊教育功能与初步实践一。脑科学简介1.基本研究领域2.多学科交汇3.基本研究方法脑科学简介之一——基本研究领域认识脑保护脑开发脑仿造脑脑科学简介之二——多学科交汇，对多个领域重大影响神经科学认知科学人工智能心理学信息科学精神科学教育学医学脑科学简介之三——多种研究方法的应用观察探测仿真成像解剖内省二、认识自己的脑——脑是一个怎样的器官？1、自然界最复杂的系统2、自然界最神奇的系统3、脑——专司信息的器官人与动物区别的主要器官1、自然界最复杂的系统•是一个巨大的复杂系统1011个神经元细胞和10倍的胶质•两种结构、两种属性：••生理结构与功能结构•自然属性和社会属性细胞•人脑是地球上生命物质亿万年演化的结果从鱼脑到脑的演化人脑是人类祖先几百万年劳动的创造种类脑重量神经元总数（单位：亿个）类人猿黑猩猩394ml43猩猩411ml大猩猩506ml53非洲猿人南方古猿非洲种(300万年前)422ml46-52南方古猿粗壮种(200万年前)518ml鲍氏东非人(200万年前)656ml人ER1470(能人)(200万年前)775ml直立人(60万年前)1043ml北京猿人(40万年前)1043ml60-94智人1330ml94-100现代人1450ml1000人类与黑猩猩的脑对比黑猩猩人类人脑的特殊性——与哺乳动物脑的基本数据比较•几种动物脑/体重之比种类鲸象大猩猩豚人脑重9000g6000g540g1600g1450g脑/体比1/100001/10000.0020.01171/50人脑的基本数据之一●人脑平均重1400克，●包含有约1011次方个神经元细胞●10倍于神经元的胶质细胞。●每个神经元又有大约104突触，即大约有1015个突触。人脑的基本数据之二脑的几项指标与人体所占例：•脑重量/人体比2%•血流量/人体比20%•耗氧量/人体比25%人脑的基本数据之三人脑的生长过程年龄新生儿9个月3岁7岁成人重量（g）390660101112801400人脑的基本数据之四人脑的衰老过程年龄70岁80岁90岁重量（g）133012601120比例（%）959080人脑神经元平均每日死亡数约50万个。(出生时约1万亿）2、脑是自然界最神奇的系统1）脑存在特殊的耗散结构特性——超耗散结构系统2）脑的复杂神经网络结构——1015的突触连接的排列组合（超天文数字）3）脑内存在五种基本心理相互作用及一体性1）脑具有特殊的耗散结构——超耗散结构系统•耗散结构系统是一个开放系统，与周围环境保持能量与物质的持续交流，是一个远离平衡态的非平衡态、非线性、有序的自组织系统•超耗散结构，大脑是具有“信息、能量、物质”三个维度的耗散结构系统。所以我们称其为超耗散结构系统超耗散结构系统特性1.信息维度占有主导的地位，对脑的物质能量耗散结构活动起着控制的作用2、存在发展的阶段性和时间性上的敏感性。3.能自主获取信息，学习和创造是大脑的本能4．脑的超耗散结构使神经网络始终处于动态建构之中，人脑具有终身可塑性。5.创造了“物质与精神”“存在与意识”统一的特殊空间。1.信息维度占有主导的地位，对脑的物质能量耗散结构活动起着控制的作用•1）反例——狼孩•2）许多实例可以说明信息维度对于发展和维持人脑正常耗散结构活动有着决定性作用。如处于深度昏迷，医学上称为脑死亡的人停止信息交流，因此缺乏正常的“信息、能量、物质”的三个维度耗散结构活动，实验表明，这种病人大脑的能耗量比正常人低得多；“实验表明，药物麻醉可导致大脑能量消耗显著下降，”；“植物人的脑能量代谢比控制组低30—40%”【1】。2)脑的复杂神经网络结构神经元——神经元簇（约1毫米尺度）——神经元簇回路——脑功能子系统——脑整体网络。大脑功能的定性估计●“整个大脑网络可以有多少条通路呢·据专家的保守估计，这是一个大到令人无法相信的数字，如果用标准打字机打出来，会有15万千米总长度的“0”!这个数字比全宇宙原子的总数目还要大上许多倍。●若将全球的电话网络系统和大脑电路网络相比，它的复杂程度也仅仅占大脑网络的一小部分。而且大脑的运行速度也是任何电脑所无法比拟的。假如电脑每秒钟运行4亿次，那么它要工作l00年，才能完成人脑1分钟之内做的事情”《脑科学导论》3）五种基本心理相互作用•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•心——物相互作用•心——社相互作用3、脑——专司信息的器官，（人区别动物的主要器官）脑的工作特性•信息交流——学习是大脑的本能•五种心理相互作用——创造是大脑的功能•多元智能是脑的自然特性•信息处理——定期适当休息是脑的必须•能量需要——脑需要新鲜空气，所以需要活动•物质需要——适当的蛋白质，满足记忆需要•个性特性——人脑网络的唯一性决定三、基于脑的教育基本理论1、人脑有无限的潜在功能，每个人都有可能成为天才2、儿童敏感期期是脑复杂性系统特性——必须抓早期大脑开发3、学习是大脑的本能——教育必须以人为本，人人都需要学习，4、学习和记忆是大脑网络功能——具有微观和宏观机制5、多元智能是脑的功能结构特性——智能结构6、人脑具有唯一性——必须尊重人的个性需求7、提高教学效率的脑科学原理——脑功能发育发展的动力学机制超耗散结构五种基本心理相互作用及一体化8、人应当坚持终身学习——脑具有终身可塑性，人脑健康的需要1、人脑有无限的潜在功能，每个人都有可能成为天才1）神经网络的复杂性决定认得智能水平•“整个大脑网络可以有多少条通路呢·据专家的保守估计，这是一个大到令人无法相信的数字，如果用标准打字机打出来，会有15万千米总长度的“0”!这个数字比全宇宙原子的总数目还要大上许多倍。2）脑功能决定于后天的环境和教育•任何一个大脑健康的人与一个伟大科学家之间并没有不可跨越的鸿沟，他们的差别只是用脑的程度和方式不同，而这个鸿沟可以不断填平，甚至可以超越，因为从理论上讲，人脑的潜能几乎是无穷无尽的……•《美国心理学会年度报告》•反例：狼孩初值敏感性是复杂性系统的基本特性●蝴蝶效应●狼孩现象●犹太人效应2、儿童敏感期期是脑复杂性系统特性——必须抓早期大脑开发3、学习是大脑的本能——教育必须以人为本，人人都需要学习•学习的本质是获取信息•从脑的耗散结构特性看，信息与物质、能量拨那个列是大脑发育发展的基本需要，而且信息维度在脑的耗散活动中起着主导作用，获取信息是大脑的本能。•结论：人人都需要学习，重要的是学什么，怎么学？4、学习和记忆是大脑网络功能——具有微观和宏观机制•微观机制——神经元之间的功能连接——信息、能量、物质过程。•宏观机制——网络整体功能的建立（理论假设）从微观看：神经元之间的关联——学习过程是信息、能量、物质过程•宏观机制——学习是发展网络整体结构功能••神经元——神经元簇（约1毫米尺度）——神经元簇回路——脑功能子系统——脑整体网络。•“学习是目标导向的神经网络的发展。对于记忆，单个神经元并不出色，但一起激活的整组神经元的作用却非常出色，这样和谐地结合起来的神经元交响乐正是学习的全部。”（引自《基于脑的学习》P28）•5、多元智能是脑的功能结构特性•多元智能是脑的结构特性•创造能力是脑功能的动力学特性脑科学的智能理论框架•智能心智能力行为能力觉醒能力认知能力情感能力意志能力记忆能力思维能力语言能力其它能力运动能力适应能力操作能力社会能力管理能力人际能力表达能力改变能力其它能力创造能力6、人脑具有唯一性——必须尊重人的个性需求•复杂系统的初值敏感性决定人脑的千差万别•世界上没有两个相同的脑7、脑功能发育发展的动力学机制——提高教学效率的脑科学原理•五种基本心理相互作用的有效性和强弱决定教学的水平和效率8、人应当坚持终身学习——脑具有终身可塑性，人脑健康的需要•脑的超耗散系统特性决定脑是一个动态、不断建构的系统•同一个人不同时间对应两个不同结构的大脑四、从脑科学看当前基础教育课程改革•1、脑科学看课程基本理念•2、脑科学看“三维教学目标”•3、从脑科学看现行我国基础教育课标教材1、脑科学看课程基本理念●“以人为本”符合“基于脑的学习”的原则●面向全体学生发展，关注个性特长符合脑功能及开发基本理论●注重科学探究、关注学习方法多样化符合五种基本心里相互作用理论2、脑科学看“三维教学目标”•1）注重过程与方法，就比单纯知识有更丰富的信息，能促使更多的脑区参与，形成复杂性网络结构。教学结果：不仅能加深对知识的理解，保证技能的掌握，而且能学到与过程相关的许多相关知识和技能。•如概念形成注重过程与方法，•规律学习注重探究性学习过程•物理实验倡导探究性实验。都会有更多的脑区参与，提高学习的有效性。•结论：多种信息、多个脑区参与、网络式学习和记忆，理解得较深，记得较老•2）、注重情感、态度和价值观符合脑科学•脑科学研究表明：情绪会影响学习过程神经递质的分泌，直接影响学习效率。应试教育，枯草、超负荷必然是低效率。•情绪能力是人的智能结构的重要部分，所以强调情感、态度和价值观，也是大脑开发功能•结论：既是提高学习效效率的需要，更是开发大脑功能本身的要求3、从脑科学看现行我国基础教育课标教材•现行中小学教材普遍具有以下基本特点：•1）以学生为本，贴近学生生活•2）体现三维学习目标•3）联系实际，体现动手动脑•。结论：基本符合脑科学，方向正确•不足之处在于：•缺乏智能结构理论指引，对能力培养进行系统规划；•缺乏五种基本心理相互作用理论指导，情景创设，问题提出，过程设计等存在一些不符合学生情况，要求不合理现象等五、从脑科学看物理课程特殊教育功能与初步实践•1、从脑科学看物理学科特性•2、如何发挥物理学开发脑的教育功能•1、从脑科学看物理学科特性•1)、潜在的多元教育功能•2)、特殊的学科教育品质•3）、独特的文化教育特征1)从智能结构框架看物理学科潜在功能•智能心智能力行为能力觉醒能力认知能力情感能力意志能力记忆能力思维能力语言能力其它能力运动能力适应能力操作能力社会能力管理能力人际能力表达能力改变能力其它能力创造能力物理学的潜在多元教育功能•——学科内容密切联系生活，生产、文化•——实验动手能培养动手操作和实施能力•——科学规律能培养严格的科学精神、科学态度•——联系实际，解决问题能培养创造能力2）物理学的特殊学科教育品质•——密切联系生活，•——能激发五种基本心理相互作用，•3）物理学的独特文化教育特征•多学科的创新基础•技术创造学习平台•科学思想方法启蒙•结论：•能更好地激起五种基本心理相互作用•能发展多元智能结构(1)物理课程与数学、语文的五种心理相互作用的强度比较（2）物理课程与数学、语文的智能培养比较（3）从五种心理相互作用看不同物理实验教育功能2、如何发挥物理学开发脑的教育功能•●按智能集成论调整教育目标•●用智能发展的动力学理论指导教材编写•●以五种基本心里相互作用及一体化进行教学设计？结束语之一•●脑科学将使人类进入教育的新时代——以开发人类智能为基本目标，极大地提高教学效率的时代•●每个教育工作者都应当学习脑科学•●物理学科应当走在这场改革的最前列，物理老师应当做这场改革的带头人•“在过去二十多年里，跟上脑科学研究的爆炸式激