教育与脑科学是“鱼和水”的关系

当代科学与技术正处在大发展、大交叉、大融合的时代，正在向深海、深地、深空、量子、超算、大数据、大模型、脑海深处进军。物质科学、信息科学、生命科学和智能科学正在相互照亮。教育和脑科学，是鱼和水、树与根的关系，是辩证统一的关系。脑科学研究，能够帮助我们发现人类学习行为的物理学和生物学规律，揭示认知、学习、记忆和教育过程的本质，启发我们不断创新思维、创造新思想，从而为解决教育问题提供新思路、新解法，构建更加科学、健康的教育生态。

脑认知功能具有整体性、复杂性和非线性的特性，根据这些特性，结合最新研究技术，我们可以破除一些过时的错误假设。例如，曾经有学者假设大脑有一个所谓专门识别祖母面孔的“祖母细胞”，但近些年来的研究表明，大脑并不是用一个特定的面孔细胞“一对一”地编码一个特定的面孔，而是由一个面孔细胞参与对许多面孔的一些特征编码，一个面孔特征也同时被多个面孔细胞编码，是“一对多，多对一”的关系。人类大脑如何记忆和回想，脑科学研究提供了更加客观、科学的解释，这也帮助我们更好地理解大脑在知识的学习过程中如何运转，从而为科学的教育理论提供依据。

学习从提问开始，爱因斯坦认为：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要。”我们能否在生活中发现问题，对于科学研究非常重要，例如，歌曲为什么不能倒着唱？这个问题的实质是：对于复杂认知功能来说，了解事物发生的先后顺序至关重要。研究者通过对猕猴进行实验，揭示了“时序工作记忆的群体编码”原理。大脑中前额叶皮层5325个神经元在进行时序记忆时，在时间延迟段的高维神经状态空间可分解为低维状态子空间之和，也即“降维原则”（系统的维数是指描述其所有状态所需的自变量的数量）。序列记忆依赖于一个组合神经代码，每个秩（Every rank）都有独立的低维秩子空间，每个秩子空间都广泛分布在神经集群中，时间序列中的信息各有独立空间，互不重叠干扰。这项研究反映在教育过程中则是：教师应该遵循什么样的教学顺序，才能使学生更高效地记忆知识、掌握能力、锻炼思维。

心智通过脑和行为的互动而演化。行为越丰富，大脑越发达；大脑越发达，行为越复杂。动物在内外环境变化的驱动下产生行为，每次行动的结果或是成功，或是失败，然而当失败重复发生时，动物常能及时停止无效行为。例如，有学者对斑马鱼“游泳”进行实验监测，在虚拟现实技术支持下，建立了可以与全脑成像匹配的“放弃”行为学范式，即动物尝试“游泳”却不能产生预期的反馈，失败持续发生后，斑马鱼会暂时“躺平”，放弃“游泳”。又如，有学者进行实验，发现小鼠在重复胜利行为时，会引起“中缝背侧丘脑—内侧前额叶皮层”突触连接增强，揭示了“胜利者效应”的脑机制和丘脑到皮层的输入有关。同理，这也说明人在反复获胜后，会增加之后比赛的获胜概率。在教育中，如果学生能够不断成功掌握知识和技能，会增加学习动力和信心，从而提高之后获得成功的概率。

宇宙浩瀚，地球人虽然渺小，但人类的科学探索精神是伟大的。有关人脑的“计算机隐喻”已经过时，人们更倾向将大脑心智比作交响乐章。“脑—智”科学正在描绘一幅关于精神活动如何从“基因—脑—行为—环境”精致协调互动中涌现的生动图景，并将对人工智能的演化产生深远的影响。教育与脑科学相结合，能够发挥“脑—智”创造力的强大作用，拓展教育的深度和广度，不断将教育转化为“新质生产力”。