神经科学与教育(转)

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神经科学与教育
谢丰舟
　　在神经科学研究风起云涌之际，教育界也热切地希神经科学的成果能用在学生的学习上。事实上，在神经科学实验室里，学者已经在教育的基本技能，如对数字的认知（numeracy）与对文字的认知（literacy）相关的神经认知发育过有了相当可观的进展。不过，这些都还是停留在理论阶段。
　　目前，衔接「神经科学」与「教育实务」的，是市面上一些宣称基于脑科学开发出来的教学软件或课程（programmes or package）。在剑桥大学的Center for Neuroscience in Education的成立研讨会上，参与的教师们指出：每年接到70件以上的信函，鼓励他们参与所谓“brain-base learning”课程。这种现象在其他国家亦非罕见。这些课程常强调儿童应该先鉴别是属于左脑型（left-brained）或是右脑型（right-brained）的学习者。他们主张每一个人的学习有其偏好─左脑主掌语言、逻辑、数学公式、数目、序列、线性关系、分析以及不相关连的事宜（language, logic, mathematical formulae, number, sequence, linearity, analysis and unrelated factual information）；至于右脑则主掌形状及式样、空间操作、韵律、影像、白日梦以及学习的关系（forms and patterns, spatial manipulation, rhythm, images and pictures, daydreaming and relationships in learning）。老师们的教学必须注意“左脑与右脑的平衡”以避免受教者的左、右脑偏好与教学不符。此一神经迷思（neuromyth）可能是源于对大脑半球专门化（hemispheric specialization）过于直接的诠释。
　　还有一些课程建议老师们应该鉴别小朋友是视觉型（visual），听觉型（auditory）或是动作型（kinesthetic）。小朋友们据此别上V,A,或K的标帜，使老师们能据以施教。有一种课程名为“Brain Gym”，此课程声称可以获得真正的教育。“Brain Gym”让学生做一系列简单的身体活动，藉此整合脑部的所有区域，进而促进学习。此种全脑学习法可以引出锁在身体的潜力，使学生能进入以前无法使用的脑部区域，而且学习的进步是立竿见影。此课程甚至宣称：小孩子只要按按肋骨下面的某些brain buttons就可以使自己的视觉系统专注于阅读与书写。
　　另外，还有关于“学习与突触形成关键时期”的神经迷思（critical periods for learning and to synaptogenesis）。这一派人士主张：若未在正确的时间接受到正确量的刺激，小孩子的脑子就不能好好运作。必须在某些关键时刻教导小孩子某些技巧，否则将错失良机。“突触生成”派则主张：如果学习能配合突触形成的时间，则小孩子可以学得更多，如果老师的教学措施能配合此一时间则效果更佳。另有人主张假若教学措施能促进脑子的神经塑性（neuroplasticity）则教学就事半功倍。他们主张可以经由所谓“neuroplasticity training programmes”改变神经网络。事实上，也许有所谓“某种学习活动的敏感期”存在，不过任何行为训练的效果会都被反应在神经网络的重新定位（remapping of neural networks）。

课堂里的神经科学
　　前述这些迷思模糊了认知神经科学“学习”研究方面的真正进展。目前，我们对3R（reading, writing and arithmetic）的神经学基础之了解有快速的进步。我们对如何使脑子能够从学习中获益也更清楚，良好的教学措施会因为一些脑部因素，如学习焦虑（learning anxiety），注意力不足（attention deficit）以及对社会讯息的认知不良（poor recognition of social cues）而效果不佳。这些因素都会影响个人，甚至同一班级其他学生的学习能力。

阅读与dyslexia
　　成人的研究显示左半球的frontal, temporoparietal及occipitotemporal等区域构成的网络是成熟阅读能力的根本。不过跨语言的研究显示：此一辋络似乎视该语言的书写方法如何呈现其发音（How the orthography of a language represents phonology？ orthography = the writing system, phonology = the sounds of the language）。
　　使用透明书写系统（如意大利文）者与使用非透明书写系统（如英文）或文字书写系统（如中文）者在阅读时，所激发的脑部区域非常相似。不过使用透明书写系统者左半球的planum temporale激发较强。此区主司字母与声音之转换（letter sound conversion）。至于使用英语者（属非透明书写系统）位于left occipital temporal区域的视觉单字形成区（visual word form area VMFA）呈现较强的激发。VMFA原本被认为主司视觉辨字（visual word recognition），但此区亦被认为与发声明关。而此功能系经由书写与发声连络之运算（computations of orthographic-phonological connections），此区在说英语者较强的激发，反映出好几个层次的拼字语声音配对（spelling-sound correspondence）。此一功能在解读（decoding）英语极为重要（例如以letter-sound念BOMIC，或经由模拟COMIC）。至于中文的阅读则比较利用视觉空间区（visuospatial area）。这可能与需要辨识复杂的文字（character）有关。
　　依发育过程而言，行为研究显示尚未识字的幼儿，假若能辨识发音的不同（例如CAT与HAT, CUP与CAT），则将来的阅读能力较佳。影像研究显示：幼儿阅读主要有赖于left posterior superior temporal cortex，此区在成人研究已知是主司解读发音（phonological decoding）。当幼儿开始识字之后，则前述VWFA区域逐渐主导，而本来极为活跃的右半球逐渐淡出。
发育性阅读困难（developmental dyslexia）的儿童（指具有平均水平之智力以及教育机会，却不能学会正常阅读者）在阅读时，右侧之temporoparietal cortex持续激发。他们在一般人阅读时会激发的左脑区域神经活动也偏低。假若藉由密集的发音技巧（phonological skills）与字母声音转换（letter-sound conversion）训练等补教措施，左脑的temporal及parietal区域之激发会趋于正常。迄今，对阅读困难（dyslexia）的脑部影像研究均属短期研究，且多针对英语，跨语言以及长期的研究有其必要。
　　脑部影像研究已使我们能够标定负责「阅读技巧之学习」的神经体系，而且可以补救这些体系的不足。不过，迄今为止，这些研究还未能让教师们知道，“在课堂上，什么才有效（What works in the bassoon）”。目前为止，大部分的阅读训练使用的，仍是过去从教育研究已经证明有效的方法。研究也显示：训练引起行为改变的同时，在特定的脑部区域确实可以看到神经变化。虽然，迄今神经影像研究告诉我们的仍极有限，不过，它的潜力是可预期的，例如，神经影像可能将可以用来辨识将来会发生阅读障碍的儿童。我们可以经由检视「对发音之敏感度」的神经标记（例如brain responses to auditory cues for rhythm）来辨识阅读困难之高危险群。当然我们也可以找寻「阅读困难」的一般语言标记。以上的措施可以让我们辨识可能会发生阅读障碍的儿童，并在学前早早给予语言训练，以防止将来的阅读困难。
　　我们也可以设计某些研究，来检视神经学的假说（neural hypothesis）。例如，有一假说认为：小脑的缺陷导致阅读障碍。市面上的DDAT（Dyslexia Dyspraxia Attention Deficit Treatment）训练课程就声称是针对小脑的缺陷来改善阅读障碍。此一训练课程鼓动儿里练习一些运动技巧，例如单足站立并以手去捕捉小沙袋。影像研究可以让我们检视这种补救措施在脑部何处引起神经变化，或是与阅读有关的区域是否有永久性的变化。

数字与计算障碍（Number and dyscalculia）
　　自从学者开始倡议人类的脑子对辨识数字有特殊的网络存在之后，对于「算术的神经基础」之研究已有长足的进展。此一数字感觉（number sense）的能力有赖于parietal、 prefrontal以及cingulated等区域。其中的HIPS（horizontal segment of the bilateral intraparietal sulcus）在“数量”的呈现与处理扮演着中心角色。在很单纯的情况，例如3是否大于5，HIPS可能是惟一牵涉的特定区域。HIPS的活动会因数字的语言距离(semantic distance)，以及数字的大小而变化。其他的算术运算比较依赖以语言为基础的再撷取（language- based fact retrieval），例如单纯的乘法会激发angular gyms。
　　有些算术运作则是依赖「心的数字线」（mental number line）。此一现象是指「数字在心中的空间呈现」（mental spatial representation of number）：在此一心的空间（mental space），较小的数目通常被呈现在左边，而较大的数目则呈现在右边。Parietal cortex内数字与空间的互动相当有趣：若反应是在空间的右侧时，对较大数字的手部反应较快，至于较小的数目则相反。由“line bisection task”测验可以观察到更进一步的发现。此一测验系让受试者决定一条水平线的中点，若此水平线由2组成（22222222……），则中点的估计例行地偏向左边。若是99999999……时，则偏向右边。由此，我们可以看出“数目会自动地影响注意力（The numbers automatically bias attention）。罹患视觉忽略（visual neglect）的病人会例行性地忽略空间的左边。视觉障碍是指右侧parietal region受损之后，所致的空间知觉障碍（a disorder of spatial attention following right parietal damage）。这些病人在line bisection task中常偏向右边。此一偏右的倾向在口头呈现数字时也会发生，例如，当被要求决定2与6的中间数字为何者时，他们常会说是5。因此，我们可以说数字的操作有赖于完整的空间呈现（Numerical manipulation seem to depend crucially on intact spatial representation）。眼盲成人能够正常处理数字，显示他们具有正常的parietal distance effect。
　　迄今，我们仍运用许多来自成人的神经影像及神经心理学的发现，来了解儿童算术能力的发育。EEG研究显示：5岁儿童进行数目比较（4比5小，或4比5大）时，他们在parietal cortex所激发的电极分布与大人相似，连latency亦然。不过儿童的压键反应（key press response）则费时为大人的三倍。此研究显示神经学上，儿童撷取数量信息的速度与成人同样快速，但儿童在了解算术意义及决定价值方面有所困难，因此key press response较慢。不过儿童是可以了解数字与量的关系。神经影像有助于我们对前述现象的了解。
前述spatial mental number line的研究可能有助于实际的教学。目前在课堂上有许多不同的模式来教导儿童数字的大小顺序。既然脑子对数字的呈现有其固定的模式，教师可以运用此number line的概念，例如empty number line的教具来教导儿童认知数字的小大、顺序（teaching ordinarily and place value）。
　　如同dyslexia，发育性计算障碍（developmental dyscalculia）是指儿童之智力及学校教育正常，但在算术学习遭遇困难。一种可能的解释是HIPS中的核心计量体系发育不正常。学者以fMRI研究“Turner syndrome的女童，她们常有视觉空间（visuospatial）以及数字处理上的缺损。新的脑回型态测量（sulcal morphometry）显示：Turner syndrome儿童多数有脑回不正常分歧（aberrant branching）、不正常中断（abnormal interruption）以及不正常走向（unusual orientation）。研究者认为此一解剖学的紊乱可以解释行为上所见的视觉空间及算术能力的不足。出生体重极低（＜1000gm）且有算术障碍的儿童，其left intraparietal sulcus的灰质量减少。如果能以不具算术障碍的其他发育症候群儿童为对照，也许可以厘清parietal cortex之异常是否就是运算障碍的原因所在。如果属实，对课堂里运算障碍的儿童，我们就必须去看看他们的parietal cortex是否异常。

注意力、情绪及社会认知
　　有些儿童的注意力短暂，一直是老师头痛的问题。患有AHDH（attention deficit/hyperactivity disorder）的儿童更是教学上的一大挑战。事实上，所有幼儿在「持续注意」与「抑制冲动」上都有其困难。或许注意力训练对所有的学前幼儿的学习都有帮助。
　　近来的脑部影像研究声称：为期五天的注意力训练明显改善4岁及6岁儿童的智力测验。此项训练旨在改善刺激分辨（stimulus discrimination），期望（anticipation）以及冲突解决（conflict resolution）。例如儿童学习以joystick追踪计算机屏幕上的卡通猫、将猫移到池塘中游泳的鸭子预期会出现的位置、从两组数字中选择数字较多的一组，但是该组的数字字体却反而较小……。结果显示这些注意力训练并未改善注意力，反而在某一智力测验有正面效果。
　　情绪处理的神经基础已日渐明白，例如amygdala已知与情绪及社会讯号的处理有关，特别是来自脸部及眼睛者。在成人，amygdale激发程度与脸部恐惧表情的强弱成正比。儿童对恐惧的表情也有amygdala的激发。自闭症儿童（社会认知不良）的amygdale体积较大。最近针对3岁自闭症儿童的EEG研究显示：自闭症儿童处理恐惧的解剖学系统从小即有异常。Inferior frontal gyms之镜像神经元系统（minor neuron system）与了解别人的情绪有关。最近的fMRI研究显示：在模仿别人的表情时，自闭症儿童之此区没有正常儿童可见的激发。镜像神经元应该是经由模仿达到我们对情绪状态的了解，让我们对一个观察到的动作（如脸部表情），根据自身内在的情绪体系解读其意义。此一解读功能在自闭症似乎付之阙如。
　　这类研究让我们可以探讨主流学校儿童情绪处理过程的神经基础。遭受严格管教与身体家暴的儿童对情绪的处理与正常儿童有异。在童年末期，他们较可能有行为异常，以致管教困难。这类儿童很容易发生怒气归因偏差（anger attribution bias）。他们常会对别人的行动或言辞不当地生气。迄今，对这类儿童的神经影像研究仍待进行。如果我们能辨认这些儿童脑部的变化，并且能够设计有效的训练课程来改善其社会认知，将会有助于教育。我们已知可以教导自闭症儿童去解读某些情绪，因此假若脑部影像检查能辨认我们可以着力的脑部网络，应该也可以设计疗育方法针对之，来帮助其他病症的儿童。
　　同样的逻辑可以用于学习焦虑（learning anxiety）。对成人焦虑的脑部影像检查特别注意orbital frontal cortex（OFC）以及temporal lobe。Traumatic brain injury会增加焦虑障碍，对4～19岁遭受严重TBI儿童的脑部影像研究显示OFC受损愈厉害，焦虑状态发生的机率愈低。学者推测OFC-amygdala连结的不平衡会影响焦虑的表现。此外，在非人类的灵长类，这些连结在怀孕时就已开始发育。焦虑是可以治疗而且似乎治疗的标的是amygdala。成人的焦虑会影响注意力。相同地，儿童的焦虑也会影响其注意力系统，使儿童之注意力转移到具威胁性的刺激上。因此，我们也许可以藉由脑部影像以及早期介入来辨识并协助这些儿童。

如何拉近神经科学家与教育者的鸿沟？
　　英国的神经科学家经由“International Mind, Brain and Education Society”以及在英国举行的研讨会与教师直接对话。literacy, numeracy, IQ, learning, social cognition以及ADHD的顶尖神经科学家告诉教师们目前最新的进展。教师们对目前我们所知之有限，莫不深感惊异。他们对市面上各种训练课程的缺乏科学根据更大为吃惊。不过，他们的问题是：“这些市售的训练课程既然不管用，你们可以提供什么给我们在课堂上帮助学生呢？”答案当然是“目前没有”，这让教师们十分茫然，不知神经科学的发展能否有助于教育。
　　因此，目前我们也许可以在两方面来着力：
(1)教师及教育者对神经科学有极大的期许与关注
　　教师们认为神经科学具有揭晓人类如何学习的潜力，因此十分愿意去接受这方面的新知，并且贡献他们的想法与意见。因此神经科学家们必须对教师与教育者持续地提供相关的新知。
(2)神经科学家与教师的沟通可能须要一些中介者
　　神经科学家并不见得都长于与教师及教育者沟通，因为神经科学家比较专注于科学研究的严谨性，对教师们实务上的经验较没兴趣，也不甚了解。因此，我们可以找寻适当的中介者（沟通者），他们能够将高质量的神经科学知识以易于吸收的方式传递给教师们，并且将教师们的经验化成好的“研究课题”（research question）供神经科学家继续探讨。这种中介沟通的角色可能由大学或教育官署内对教育有兴趣的第二线科学家（ex-scientist）来担任最为合适。这些中介者应该是站在公共服务的立场，对新上市的学习训练课程寻求专家的意见，如此可以防止将宝贵的教育资源浪费在没有根据的brain-base learning program上。

取材文献
Goswamy U: Neuroscience and education—from research to practice
Nature Reviews Neuroscience 7:406, May 2006