教育生物學介紹

沈曉明，金星明，黃 紅，杜祖貽

教育生物學（bio-education），是從生物學、神經生理學、神經心理學、腦神經科學的角度研究人類教育現象及其一般規律的學科，為生物科學與教育科學相融合形成的一門交叉學科。其研究對象是人，著重研究處于接受教育和生長發育階段的兒童和青少年個體及群體。借助生物醫學手段，如神經心理測試、神經生物學的動物實驗、神經生理學的檢查，以及神經影像學的研究，包括腦計算機斷層掃描術（CT）、腦電圖（EEG）、腦磁共振（MRI）、功能性磁共振（fMRI）、正電子掃描（PET）等，研究人體和人腦的本體結構及其發生發展以及人體和人腦的功能，包括學習、記憶、注意、認知、情感、創造、社會性等大腦活動的奧秘，并將科學研究成果廣泛地應用于人類的教育實踐。這些方法和技術在教育教學中的應用效果可以通過以生物醫學客觀指標變化為依據的檢驗來呈現，從而摒除既往評價標準的主觀性。

教育生物學的研究內容有四個方面：① 教育的生物學基礎，包括人腦的結構、人腦各部位的功能、人腦的發育過程及其影響因素，不同教育方式下人腦的生理生化過程、功能變化、神經系統各部分的基因表達和分子遺傳學、人體各器官組織結構和功能的發育及其影響因素等。② 將生物科學對人腦高級功能的最新研究成果轉化為創新性的教育理念和方法，用于教育實踐，并接受生物醫學客觀科學標準的檢驗。③ 研究正常兒童個體學習、記憶、注意、認知、思維、運動控制、語言、情感、社會性、創造力等大腦高級功能及其發展變化的神經機制，并與教育學相結合，從中發展最佳教育方法，讓每個兒童都得到適合其個體特點的教育。④ 研究異常兒童如學習障礙(包括閱讀、計算和書寫困難)、注意缺陷多動障礙、情緒障礙、智能低下、孤獨癥等的大腦結構與功能的異常改變，探索對此類兒童的特殊教育途徑，最大限度地發展其能力，使其達到最好的生存狀態。

教育生物學的研究任務是從生物醫學角度研究人體和人腦的結構和功能、發生和發展變化及其影響因素，從中探索教育和教學規律，尋求最佳的教育方法和手段，并促進多學科合作，實現教育理念的更新及教育模式的轉變，建立人才高效培養機制。

教育生物學的特點在于將生物醫學科學的研究方法導入人類的教育實踐，從本質的角度觀察和闡釋人類的教育現象，建立符合人類生理本性的科學教育方法。與教育相關的腦科學領域擁有諸多研究手段，特別是PET、fMRI和EEG等對腦的結構和腦神經活動的研究方法。教育生物學的研究方法主要有六種：① 形態學，主要通過顯微鏡或熒光標記等方法觀察腦組織及其他神經組織的大小、結構及形態等。② 生理學方法，具體包括神經遞質釋放量的測定、神經遞質的功能測定和行為學方法。③ 電生理學，具體包括細胞外記錄，用以獲取神經元細胞是否處于激發狀態以及激發的強度等信息；細胞內記錄，研究神經元的基本生物物理特征，腦內電刺激，刺激核團、腦區，進行中樞功能定位研究；順行沖動記錄法，電刺激某一突觸前的細胞體、樹突或軸突，在突觸后神經細胞體上記錄此刺激的電活動變化；逆行沖動記錄法，電刺激神經元的軸突主干或末梢，在同一神經元細胞體上記錄反相傳導的動作電位；電壓鉗，通過插入細胞內的一根微電極向細胞內充電流，補充的電流量正好等于跨膜流出的反相離子流，這樣即使膜通透性發生改變時，也能使膜電位數值不變，因此可以測定細胞興奮時的離子電流；斑片鉗；腦電波。④ 生物化學和分子生物學方法，在基因和分子層面上，通過基因模型或用離心、高壓液相層析、放射免疫等方法研究與學習有關神經細胞和遞質的活動情況。這對了解疾病的根源或是尋找基因治療的靶目標有重大意義。⑤ 腦成像（brain imaging），具體包括顱骨X線成像、同位素腦掃描、腦超聲波、腦血管造影術、CT、MRI、fMRI和PET。⑥ 教育實驗法，構成教育實驗的最基本要素包括實驗假設、自變量的操作、因變量測定及無關變量控制。

第二次世界大戰后，科學技術的發展呈高度分化和高度整體化趨勢。生物醫學的快速發展使人們對自身的發展過程有了全新認識，20世紀后期現代醫學影像學和腦電生理學的進一步應用，為深入了解人腦的功能創造條件，對腦結構和腦神經活動的研究取得新進展，腦科學得以產生和發展。腦科學研究涉及神經生物學、分子生物學、細胞生物學、解剖學、組織學、發育生物學、生理學、生物化學、生物物理學、遺傳學、藥理學、免疫學、病理學、神經病學、精神病學、影像學、控制學、心理學、認知科學等多門學科。20世紀90年代中期之后的兒童發展與教育研究均不同程度地關注腦科學。生物科學、腦科學的研究進展對傳統教育領域提出巨大挑戰，教育的科學化迫切需要教育學與生物醫學的聯合，即以生物醫學為研究手段，以教育實踐為研究目的和結果，在生物和教育兩大領域證實科學化教育的成果，從而奠定人類教育的生物和生理學基礎。在這一背景下，教育生物學應運而生。

促進教育研究與實踐的腦科學有以下五個概念：① 大腦神經突觸生長呈∩型的模型假說。腦科學的研究發現，早期大腦神經突觸聯系的形成最迅速。人在出生后的20年里，神經突觸密度的變化呈∩型，幼年期隨年齡增長而增加，童年期達到高峰，成年后又開始降低。突觸生長高峰期的童年是學習收獲最多和智力發展最充分的時期。這項研究發現為開展早期教育提供了科學依據，值得進一步探討。② 大腦發育的關鍵期假說?！按竽X發展的關鍵期”概念由英國學者休伯爾等人在20世紀60年代提出，并由此出現視覺功能發展的關鍵期概念。20世紀后半葉，腦科學家對關鍵期進行大量研究并得出結論：腦的不同功能的發展有不同的關鍵期，某些能力在大腦發展的某一時期最易獲得，如人的視覺功能發展的關鍵期大約在幼年期，音韻學習的關鍵期在幼年(約8歲前)，語法學習的關鍵期約在16歲以前?？傮w上，識字、閱讀的關鍵期在8歲前，最佳期在12歲前，良好期在16歲前，這個時期左右腦同時參與語言認知，而16歲以后的語言認知主要是左腦。③ 大腦的變化、學習和記憶及腦內神經元的聯結程度取決于環境對大腦的刺激。④ 腦的高級功能和生理基礎部分是后天形成的，心智結構是多元化的。美國哈佛大學心理學教授加德納通過數年對大腦和大腦對教育的影響的研究，提出多元智能理論，拓寬對智力的認識，向傳統的智商測試提出挑戰，并為教學策略研究提供了腦科學依據。⑤ 突出杏仁核在情緒反應乃至大腦整體結構中的關鍵作用，并強調大腦神經系統與行為系統的整合機能，進而提出“情感智力”概念。腦科學越來越多的研究表明，情感在人類學習中的作用不可低估，情感與認知是兩個并行的過程，以特殊的方式聯系在一起，對機體具有不同的意義和價值，是腦神經功能的體現。哈佛大學行為與腦科學專家戈爾曼的《情感智力》和《情緒腦》，對經典的智力概念提出挑戰。2000—2004年，香港中文大學醫學院杜祖貽主持“腦神經認知科學與教學過程”研究，獲得可直接應用于教育實踐的研究資料，推動了教育生物學在中國的發展。