脑科学与课程教学

feifei37 2011-01-21

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脑科学与课程教学（上）

白月桥

中央教育科学研究所

[摘要]脑的结构与功能是极为复杂的，脑干、边缘系统和新皮层是脑的主要结构。细胞是脑组织的最小单位，可分为神经细胞和胶质细胞两种。可塑性、关键期、髓鞘化、神经元修剪，是脑的根本特性，现代脑成像技术揭示，不同教学科目反映在不同的脑区。课程教学可以进行脑区定位。我们要把脑科学的研究成果作为课程教学偏订和实施的主要理论根据。

[关键词]脑的结构，脑的功能，脑细胞可塑性，关键期，脑功能定位，教学科目脑区定位。

2006年2月我国国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006——2020年）》指出：脑科学与认知科学是8大科学前沿问题之一。脑发育、可塑性与人类智力的关系，学习记忆和思维等脑高级认知功能的过程及其神经基础，脑信息表达与脑式信息处理系统等，是脑与认知科学的主要研究方向。《规划纲要》颁布意义重大，社会各有关方面要行动起来，为实现纲要确定的宏伟目标不懈努力奋斗。

上世纪90年代以来，随着各种无创性脑成像技术的运用，脑科学已成为当今世界科研领域最前沿、最重要、最活跃和科研成果最丰硕的学科之一。世界发达国家都将脑科学研究纳入国家发展的战略科技规划。继颇有影响的美国“脑的十年”和欧共体“欧洲脑十年”计划之后，日本推出了名为“脑科学时代”为期20年的脑科学计划纲要，并于2003年又启动了“脑科学与教育”科研项目。人脑这个奥妙的“黑匣子”已被现代高科技逐步打开。把脑科学和教育结合起来，根据脑发育规律和认识规律编制课程，设计教学，是当前教育科研领域最前沿的科研课题，该科研课题正在世界范围内日益广泛兴起。本文先介绍脑的结构和功能，揭示人脑的秘密，在这个基础上，再就脑科学取得的科研成果，和课程教学相结合的问题作些探讨。

一、脑的基本结构及其功能

人脑的结构及其功能是极其奥妙和复杂的，古今中外的哲学家和学科专家曾对人脑这个奥妙的“黑匣子”作过各种不同的巧妙比喻或隐喻。如人脑是“世界上最大的处女地”“宇宙问最复杂的机械零件”“生物学上的超级电脑”“沉睡的巨人”“尚未开采的金矿”等。人脑的结构虽如此奥妙，但却不是人体最大的器官，其重量约1350克，大小如柚子，形状如胡桃，只有身体的2%，不过耗热量却是人体的20%，脑遗传基因占全身的1/3。

科学家考察了地球的历史，揭示了一切生物和人类进化的连续性，揭示了人脑的演化进程。约38亿年前，地球上诞生了最初的生命，这种生命是原生的单细胞生物。后来便有了软体动物、两栖动物和爬行动物。人类起源于动物界，森林古猿是人类和现在大猩猩及黑猩猩的共同祖先。大约550万年，由猿类开始转化为人类。把人类和黑猩猩进行比较发现，其DNA的排列差别很小，大约相差仅1%左右。不过人脑的重量却比今天的猩猩大得多，大猩猩脑重约1磅（450克），而成人的脑重约3磅（1350克），这是因为人脑的前额叶脑区极大的进化了，因此有了语言能力、思维能力、高级性感能力和创新能力。

人脑是地球上生命诞生后，通过亿万年的历史演化，经过爬虫类动物的脑和哺乳类动物的脑，发展到今天人类特有的创新性脑。因此，人脑是由爬虫类脑，哺乳类脑和创新性脑构成的“三合一脑”，脑科学著作往往又分别称其为“古皮层”、“旧皮层”和“新皮层”。不过脑科学家根据解剖生理学和脑部功能的不同，大都把脑分为脑干、边缘系统和新皮层三大结构。

1、脑干（或称爬虫类脑部）

脑干由脊椎延伸而出，位于头卢的底部，是脑内最古老和最深层的区域，该部分进行了约五亿年。因为它和爬行动物的整个脑非常相似，人们经常称其为爬虫脑，如鳄鱼、晰蜴、鸟类的脑都如此。脑干又细分为延髓、脑桥和中脑三个构成部分。在进入脑的12对神经中就有11对止于脑干，只有嗅觉神经直接进入边缘系统，这是进化的原因。脑干是“生命中枢”，它控制着心跳、血压、呼吸、消化、体温等。脑干是大脑半球与脊髓之间的联络通路，脑干中的网状结构还负责司管大脑皮质的觉醒和睡眠等功能。

2、边缘系统（哺乳动物脑部）

边缘系统介于大脑皮层和脑干之间，人和其他哺乳类动物的脑都有类似的部位，因此又被称为“狗猫脑”。在两个脑半球内，边缘系统的生理结构是对称的和一致的。就脑演化的过程来看，边缘系统的发展应在人类具有逻辑思维之前，该系统控制着荷尔蒙的分泌、口渴、饥饿、快感以及新陈代谢功能、免疫功能和长期记忆功能等，在学习和记忆中具有重要作用。它包括丘脑、海马和杏仁核三个部分。

丘脑。丘脑是脑的中转站，所有来自外界的感觉信息，除了味觉外，都首先要通过丘脑进行初级加工和整合，然后再由此转送到其他脑区进行处理。

海马。海马一词来自于希腊语，因其外形像海马而得名。在巩固学习和记忆储存方面，海马具有重要作用。电刺激海马能唤起人原有的某种记忆，两侧性切除海马的人会产生严重的识记障碍。可见海马\u001F同记忆关系极为密切。研究表明，海马在由短时记忆向长时记忆的转变中扮演着重要角色，它可把外界接受的信息不仅能作为短时记忆暂时保存，而且能发送到大脑皮层相关脑区被全部偏码永久储存，变为长期记忆。海马严重受损的人不仅丧失了长时记忆，而且不能回忆刚刚发生的事情。海马的脑波型和新皮质层的有着明显不同，觉醒时显示出高振幅的幔波，昏迷时出现快波，熟睡时则常发生峰型波，无创性脑成像技术证实了海马在学习和记忆中的作用。

杏仁核。杏仁核附着在海马的末端，在情绪行为中扮演着重要角色，与恐惧反应的关系尤为密切。电刺激杏仁核可以引起愤怒，或者产生恐惧感或快乐感，狂怒的精神病人在手术摘除杏仁核后，性格变得比较温顺。由于杏仁核靠近具有记忆功能的海马区，所以研究者认为，杏仁核能产生情绪把信息进行编码转入长时记忆中。同时，杏仁核还司管为维系机体生存而需要作的一些行为，比如面对威胁是选择作战还是逃避，因饥饿四处觅食，为延续后代进行交配等，这些行为都有杏仁核决择。如果杏仁核认为环境形势有潜在危险，它就会刺激下丘脑向机体发出信号，当即逃跑。因此杏仁核被称作脑的警卫哨兵。大家知道，在教学实践中，通常采用的角色扮演、合作互动、娱乐游戏的教学策略，这种教学策略之所以能够取得好的教学效果，达到了长时记忆的目的，就是由于杏仁核的参与，因为杏仁核通过其控制的情绪能把接受的信息变为长期记忆，这是杏仁核功能的特点。

3、新皮层（或称思维脑部）

三位一体的脑是神经科学家PaulMaclea从进化论的角度提出的。为了更形象的说明脑的结构，有人作了这样一个比喻：把手握成拳，再用另一只手握住这一个拳头，如果第一只手的腕部代表“爬虫类脑部”，那么拳头则代表“哺乳类脑部”，而第二只手握住拳头的部分则代表思维性脑部，即新皮层。新皮层负责所有高级思维功能，人的视觉、听觉、思想、语言、计划、分析、决定、创意等活动都在这个脑区进行。新皮层的出现使人类和所有其他哺乳动物最终区别开来。

脑叶。从脑外侧部分结构来看，新皮层可分为额叶、颞叶、枕叶、顶叶和运动皮层等。这些不同的脑区各有特殊的功能：额叶位于大脑最前部，为执行控制中枢，约占大脑半球容积的50%，具有规划、思维、解决问题和调控情绪的功能；颞叶位于耳朵内上方，负责处理声音和语言；枕叶在脑后部，进行视觉加工；顶叶位于脑的顶部，主要负责定位、计算和识别等功能。在顶叶和额叶之间，从左耳到右耳的顶部有一条带状区，这就是运动皮层，主要控制躯体运动，它与小脑协同，完成动作技巧的学习。

脑半球。新皮层又以胼胝体为准，把大脑分为左右两个半球。上个世纪60年代，美国神经学家斯佩瑞和他的助手通过“裂脑人”的研究，对大脑左右半球的功能区别有极大影响。斯佩瑞研究的结论认为，每个半球拥有各自独立的分割的感觉和知觉，各自保持不同的和不可相互转换的功能，并且各自接受不同的刺激。今天的研究结果证明，左右脑半球的功能是有区别的，但又是相互协作的并有可塑性。总体来看，来自身体左侧的神经交叉到右半球，来自躯体右侧的神经交叉到左半球；左半球负责言语、分析、逻辑、推理、数学、顺序等方面的言语类信息加工；右半球负责韵律、节奏、绘画、视觉、空间等非言语类信息的加工。显意识思维在左脑，潜意识思维在右脑。虽然这个科研结论是正确的，但是如果把脑半球功能的区分绝对化则是不对的。

胼胝体。两个大脑半球是脑的最大组成部分，约占整个脑重的85%。从结构和功能上看，左右半球虽有不同，但胼胝体把二者联系起来，形成一个整体。胼胝体是联系大脑左右两半球皮层的巨大纤维束，是架在两半球间的超高速公路，约有两亿五千万条神经纤维组成。通过这条超高速公路，左右半球可自由地瞬间反复往来交换信息，协调命令。比较神经学家的研究表明，胼胝体的演化与大脑皮层的演化是一致的，现代人的胼胝体远比古代人的胼胝体更发达。裂脑人的实验证明，如果切断胼胝体则左右脑的信息不能交流。这也说明，课程教学的设计和实施应是全脑教育，前些年一度兴起的片面强调开发右脑作法是不实际的。

4、脑细胞

前面讲了脑干、边缘系统和新皮层及其功能。如果说这是脑的宏观结构，那么脑细胞则是脑的微观结构。脑是细胞的王国。脑细胞的结构和功能是相当复杂的。和人体其他部位的细胞不同，脑细胞有自己的特点。脑细胞的类型主要有两种：胶质细胞和神经细胞。神经细胞通常称神经元。人脑内两种细胞共计约1万亿，其中胶质细胞9000万亿，神经细胞1000万亿，二种细胞的比例为10：1。

胶质细胞。胶质细胞因其质地类似胶水而得名，其形状是多种多样的。这种细胞没有细胞体。在胚胎脑发育的过程中，神经细胞处于游漓状态，不能到达应到的脑区定位。胶质细胞则帮助神经细胞迁移到位并加以固定。神经细胞每天耗费大量养料并产生废弃物或死亡。胶质细胞担任着繁重的运输任务，它不仅运送养料，清理废弃物，还具有调节免疫系统的功能。这一点，科学家解剖爱因斯坦的大脑得到有力的证据。很久以来，人们都猜测大科学家爱因斯坦的大脑整个结构可能和常人不一样。但通过解剖发现，爱因斯坦的大脑构造没有特殊的地方，不过在一个特定脑区胶质细胞的数量大大超过常人。有的解释说，这是因为爱因斯坦由于繁重的脑力劳动，神经细胞需要大量营养并产生更多的废弃物，这就加大了胶质细胞的运输任务，因而也使胶质细胞更加发达。一般认为，神经细胞是不能再生的，但胶质细胞可以再生。此外，据迈阿密第29届神经科学年会1999年的报导，在形状各异的胶质细胞中，有一种“星形胶质细胞”，还具有加速神经信号传递速度的作用。

神经细胞。是控制脑和全部神经系统的最小单位。人脑神经元为1000亿，猴子有100亿，老鼠为500万。1个神经元有多大，有的比喻说30000个神经元仅相当于针头那么大。神经元是由胞体、树突、轴实构成的。如果把神经元比作人的手和前臂，那么胞体好比人的手掌，树突好比人的手指，手腕和手臂好比轴突。不过细胞体所生出的树突远比手指数多，一个胞体能长出成千上万的大小树突。轴突仅有一个。短轴突约一厘，最长的可达一米。轴突外面包裹以特殊的物质即髓磷脂。髓磷脂具有绝缘作用，能保障电信号的传递畅通，避免干扰，这种现象称作“髓鞘化”。

大脑内的每个神经元都是独立的，神经元间的信息传递要通过突触。所谓突触就是一个神经元的树突和另一个神经元的轴突终端，二者之间的极其微小的联络处。当一个神经元通过树突接受到外界刺激的信息之后，它就通过髓鞘化的轴突电信号传递到轴突未端的突触小泡，突触小泡就释放出神经递质，并穿过微小的突触间隙，到达另一个神经元受体。神经递质是一种化学物质，其分子结构上和药物的类似。不过在脑内合成的化学物质称神经递质，而在实验室合成的则叫作药品。现在科学家已发现100多种神经递质，如多巴胺、内啡肽、谷氨酸等。各种不同的神经递质对人的思想情绪、学习记忆、动作行为等有着不同的刺激作用，有的使人兴奋，有的使人抑郁或抑制。同时，神经递质产生的类型还和一定的教学活动方式密切相关，例如使人产生快乐体验感的多巴胺就是在扮演角色的教学方式中产生的。

神经元还能产生生物电。每个神经元都是一台小小的发电机，如果把脑细胞产生的生物电收集起来可以点亮一盏25瓦的灯泡。当人们处于高度专注思考、闲暇放松自由、朦胧似睡非睡或沉睡无梦各状态时，脑电产生的频率是不同的。科学家把脑电分为α脑波、β脑波、θ脑波与δ脑波四种。当我们专注逻辑思维时大脑就放出β脑波，当放松遐思时就放出入α脑波，脑波和人工作学习和休闲睡眠等各种状态有关。

由此我们就可联想到这样一个问题：什么是课程教学，它如何在脑中发生的？了解了神经元和神经递质之后，我们就可以这样说，课程教学就是无数神经元在脑电的帮助下通过神经递质建立神经网络联系的过程。这种网络联系涉及不同的脑区，穿过各种的神经通道，反复多次，扫除了障碍，达到畅通的地步，从而也就熟练地掌握了知识和技能，培养了能力，形成了情感态度和价值观。这样神经网络联系巩固后，就达到了课程教学的预期目标，完成了课程教学任务。

二、课程教学的脑理根据

人脑是地球上出现生命后经过亿万年演化来的，其结构、机能和发展程度，受基因、环境和教育因素的制约和影响。在胚胎期的脑有发育的规律性，在出生后的脑有成长的规律性。脑是自然界特殊的客观对象，它和自然界一切客观对象一样，有一定发展变化的客观规律。我国唯物主义哲学把各种客体变化的规律性统称为“理”。因此本文这里所说的“脑理”，就是人出生前后脑在遗传·环境和教育刺激下发展变化的规律性。常期来大家都说要把心理学作为课程教学改革的理论基础。今天面对脑的时代，课程教学改革要把“脑理”作为坚实的理论根据。在此我们仅论述几种和课程教学密切相关的脑理。这就是脑的可塑性、关键期、髓鞘化和突触剪修的规律性问题。

1、脑的可塑性

自然界一切生物体的结构、形态和功能都是在外界环境的刺激下形成的，并且在环境影响下都会产生变化。这种变化是生物体的自然属性。脑是大自然的产物。在外界环境和教育的刺激下，脑的结构和功能也会发生改变，这种改变就是脑的可塑性。脑的可塑性是由树突、轴突、细胞体和神经递质的变化以及整个神经系统的变化决定的。在上个世纪60年代，神经解剖学家就发现，加大并丰富外界的环境刺激，可使大脑皮层加厚，细胞体增大，树突增多。近十年来的脑科学证明，树突和突触的变化与人使用脑的活动方式和次数密切相关。以前人们认为，脑的可塑性主要体现在儿童的脑，成年人的脑则不然。但实际则不然，裂脑人的训练证明了这一点。大家知道，左脑负责右半身的运动和感觉，侧重语言和逻辑思维；右脑负责左半身的运动和感觉，侧重于形象认知。但临床手术后的一些脑半球切除的患者，经过训练仍然有相当程度的正常人的认知或活动能力，其根本原因在于脑的可塑性。当然青少年脑的可塑性最大，因此这要成为我们设计和实施课程教学的最重要的脑理根据之一。平常我们所说的“人的可教育性”、“脑的巨大潜能”、“脑的记忆容量无限”、“脑如同肌肉决定于锻炼”等，这些都是基于脑的可塑性本质。

2、脑的关键期

关键期和可塑性是脑的两个密切相关的属性。如果说脑的可塑性是指，人脑先天的结构和功能在后天环境和教育刺激下具有一定的可变性，那么关键期则是指大脑某种结构和功能的迅速发展大都属于一定的年龄段，而处于关键期的大脑其结构和功能的可塑性最大。否则，如果错过关键期超前或错后，脑的某种结构和功能就根本不能形成或者很难顺利形成。例如事实证明，即使儿童的脑是正常的，如果在两岁之前没有接受视觉刺激，那就会永久性失明；如果在10岁之前没有听到字词语句，那就将很难学习语言。脑科研成里已取得了很多不同类别的关键期。例如2~3岁的儿童是学习口头语的关键期；4~5岁是开始学习书面语的关键期；某些音乐和运动技巧在6岁前后是掌握的关键期。同时，根据我国心理学家的研究成果，小学中年级学生的认知结构正处于从具体思维向轴象思维过度的关键期，初三的学生正处于由形式思维向辩证逻辑思维过度的关键期。

其实脑发育的关键期不仅表现于人类，而禽兽的脑也有这种现象，但使用的名词不同。人脑的关键期又称为“最佳期”、“敏感期”、“转变期”或“临界期”，禽兽脑的类似现象称为“印刻现象”。例如，刚刚孵化出的小鸭很容易跟随第一次见到的运动物走，它误认为是自己的母亲；白冠雀的雄雏鸟如果在孵出后40~50天内听不到成年雄雀的叫声，此后再听也不能学会。在人脑发育的不同关键期，一方面必须保障充分的营养，同时要有特定类型的信息刺激，以便形成或巩固神经元间的联系。脑的关键期理论，是我们选择教育内容、设计课程、制订教学策略、发展学生个性、培养特定创新人才的再一个重要的脑理根据。

3、神经元轴突的髓鞘化

神经系统是由大量神经元和胶质细胞构成的结构系统。每个神经元都有一个用以传导处部刺激的电信号通路，即轴突。最长的轴突可达一米。为防止漏电，细胞本身产生一种脂状的物质—髓磷脂，其包裹在轴突的表面，保障通路的畅通，这就是轴突的髓鞘化。髓鞘化形成后，由于绝绷体的作用可使信息传导速度提高100倍。

神经轴突的髓鞘化是有规律和有顺序的。由于髓磷脂释放的多少和时间于个体发育的年龄段和环境教育的刺激有关，所以各脑区神经轴突的髓鞘化是有先后顺序的和逐步发展的。关于髓鞘化的先后顺序早在100年前（1898年）就被发现，到上世纪60年代脑科学家又进一步绘制出人脑传导系统的髓鞘化“年龄坐标体系表”。在婴幼儿年龄段，其脊髓、脑干、小脑诸区域的神经元轴突已经或开始髓鞘化，并日益成熟，但大脑前额区的神经元轴突还远没有髓靴化。而到青少年年龄阶，大脑高智能脑区如颞叶、顶叶和额叶的神经元轴突开始髓鞘化并日益成熟。髓鞘化不是整个神经系统同步起始和终结的，而是有一定的年龄牲和个性特点。一般来说，到20岁以后，额叶神经元轴突的髓鞘化成熟。大家知道，皮亚杰曾把儿童心理发展分为“感知运算、前运算、具体运算和形式运算”四个阶段，今天的脑科学工作者认为，皮亚述的这一理论和髓磷脂的释放及轴突的髓鞘化是一致的。

髓磷脂的释放量和轴突髓鞘的脑区范围，与人的各种心理问题如情感态度、思维、兴趣爱好、性格特点等紧密相联。心理现象和髓磷脂释放的多少以及神经元轴突髓鞘化先后顺序有关，髓鞘现象是解释心理现象的根据。课程教学脱离学生的实际，其本质就是课程教学的内容和方法大大超前或值后强加于尚未出现髓鞘化或早已结束髓鞘化的脑区。当然，髓鞘化和课程教学的关系是辩证统一的，一方面在尚未出现髓鞘化的脑区提前实施课程教学肯定效果不良，但另一方面课程教学的开展又能加速髓鞘化的出现和早熟，关于髓鞘化的脑理，今天的脑科学工作者已用无创性脑成象技所验证。我们不但要用髓鞘化的理论解释课程教学问题，同时还应当象日本的脑科学家小泉英明说的那样：“应该按照这方面的研究成果彻底修改现在的教学计划”。

4、神经元的修剪。

无损伤测定方法证明，在脑胚胎发生和发育过程中神经细胞数量的变化是由客观规律的。胎儿的脑细胞发展极快，受遗传基因的影响，胎儿在出生前脑细胞总量超过成年人的一倍。不过这时的脑细胞体积小，树突分枝少，轴突裸露，除运动脑区的神经元轴突外，其余脑区轴突均未出现髓鞘化。所以人从出生到青春期前，受外界环境和教育的刺激，不仅髓鞘化加速，而且胞体增大，树突繁衍，突触大量生长。4——6岁儿童的突触总量达到成人的150%。这种超量的繁衍为神经网络建构的提供了选择余地，为开展丰富多样的课程学创造了前提条件。随着外界刺激类型的确定和刺激二次数的多少，一些细胞和突触被选用固定，而没有被选用多余的则凋亡并被清除。这就是神经元的修剪。斯普伦格在《脑的学习与记忆》一书中说：“在脑发育的过程中，如果神经元没有在适当的时候得到利用，它们产生联结的能力就会消失。神经科学家们把这个过程称为‘神经修剪’。因此，我们都在不断丢失智慧”。为了使我们的青少年不丢失智慧，我们应当如何编订课程和实施教学，这是摆在我们广大课程教学工作者面前的一个重大科研课题。

脑科学与课程教学（下）

白月桥

中央教育科学研究所

[关键词]脑的结构，脑的功能，脑细胞可塑性，关键期，脑功能定位，教学科目脑区定位。

三、课程教学的脑区定位

课程教学的脑区定是个复杂问题，它即与脑的结构和功能密切相关，又与学科内容和教学方式紧密相连，并涉及及心学理学和脑科学的不同学派。课程教学的脑区定位，是指不同的教学科目，在奥妙复杂的脑海中各处哪一个区域。要对教学科目进行脑区定位，首先要用辩证唯物主义科学发展观研究脑结构与功能的历史演化，其次要用辩证的观点分析脑科学和认知科学的各种学派。

统观中外认知科学和脑科学的研究理论可知，大脑功能定位说和大脑功能统一说，是两个相互对立的学派。“功能定位说”学派认为，脑的结构具极为复杂，从脑的表层宏观来看可分为若干脑叶和小脑等，从其纵向解剖来看可分为新皮层、旧皮层、脑干和脊髓等，脑的这些不同结构都有各自特定的独立机能。功能定位学派的主要代表人物有法国的布洛卡、德国的威尔尼克和我国清代刘知等。美国斯佩理大脑左右半球的理论，以及和斯佩理合作的学者以后所提出的脑功能“模块”的理论，原则上都属于大脑功能定位说。与大脑功能定位说相反，“能功统一说”学派认为，从解剖学上看大脑虽有生理结构上的不同，但整个大脑在机能上没有部位差异，而是作为一个整体发挥统一的功能。这一派代表人物有法国生理学家弗卢龙和美国心理学家拉什里等人。

我们认为，大脑功能有定位说和大脑功能统一说都有科学全理的一面，同时又都有片面性绝对化的一面。辩证唯物主义的科学发展观是我们研究脑科学并分析各学派的基本哲学观点。客观的讲，人脑的各不同结构和功能即有相对的独立性，同时又是相互协作和相互制约的。例如大脑左右两半球，随着人类的发展和脑的演化，脑的左半球侧重于语言、言语、计算和逻辑等机能，而右脑侧重于人面、物体、图象及环境、空间等机能，但是左右脑又是相互协作的和不可分割的，拥有巨大纤维束的胼胝体，在其间架起了交流信息的超高速公路。

课程教学科目的脑区定位，和脑结构与功能的区域定位，是两种不同性质的定位。两种定位虽有性质的不同，但又密不可分。辩证唯物主义的脑结构及其功能的定位，为课程教学科目的脑区定位提供了理论基础；而课程教学科目的脑区定位，是脑结构及其功能定位的具体表征。最新的研究脑结构与功能成像技术的运用，能使我们直接观察到基础教育的不同科目在学生头脑中不同区域的反映，观察到运用不同教学方式时在学生脑神经系统所引起的变化。下面着重研究几个主要学科的脑区定位，不过需要说明的是，我们所说的脑区定位是以辩证唯物主义哲学为基础的。

1、语文科的脑区定位。

语文学科和语文、语言和言语都是些密切相关而又不尽相同的概念。语文科即语文学科，是培养理解和运用本族。本国和外国语言文学能力的学科，以听、说、读、写能力的培养为主要目标。语言是随着人类社会的发展而产生的人们交际和思维的工具，可分为外部语言和内部语言，言语是指语言在交际过程中的实际运用。这些基本概念虽有严格区别，但总体来看大都属语文科的研究范围，它涉及的脑区是有共性的。语言是随着人脑新皮质层的出现而产生的，人类的声音可以发出200个元音和600个辅音。当今世界除方言外大约有6500种语言。人类之所以具有高超的语言能力，并借助言语进行交流，这是因为人脑的结构与功能具有其他哺乳类动物脑所没有的特定脑区及其神经系统。

人的智能的发展受先天遗传和后天环境教育的制约，特别是后天的因素更具有决定性。其实语言也是如此。在语言中，音素是构成声音的最小单位，不同音素合起来便构成音节，由音节构成单词，最后再由单词构成句子，从而进行言语交流。在上个世纪50年代，就有一位美国语言学家提出，小孩子之所以能模仿成人的语言学会说话的语法和句法，这是因为人类生来在头脑中就有一个遗传“模板”，这个模板就像小老虎天生就会追逐猎物一样。婴儿学习语言就是把他所听到的语言添加到母语的模板上。虽然人们对于语言模板说有很大争议，但语言学家对婴幼儿的口语发展规律，对大脑掌握语言的区域和机制，的确有了更深刻的研究和了解。

婴幼儿口语发展的一般规律是：6个月前后能辨别音素；12个月前后能将字词与其意义联系起来；1岁半能区别名词和动词；2岁能了解语法功能；2岁半到3岁大部分语言和言语活动规律转移到大脑左半球脑区定位。脑科学证明，婴儿脑中的神经元可以对地球上6500种语言中任何一种语言的声音均能作出反应这就是说婴幼儿语言的潜力是无穷的，但是有一个关键期。一般来说，儿童学习第二语言的关键期是从3岁到10岁。在这期间能学到非常标准的外语，不受母语的干扰，否则将是困难的。现代脑成像技术找到了困难的根源。这是因为，如果在学习第二语言的关键期学习外语，负责语言的脑区对二种语言的语音同等对待，均有反应，而且母亲和第二语言的表证部都在额叶的布洛卡区。如果错过关键期到青春期过后再学外语，一是负责语言的脑区不再对其他语种的语言有所反应，二是司管第二语言的脑区和原先司管母亲的脑区不同。脑科学告诉我们，婴幼儿的脑神经元具有同时学习几种语言的属性。可见第二语言精通的程度不在于学习时间的长短，而取决于是否在语言发展的关键期学习。

负责语言的脑区存在于大脑左半球的皮质层。这一点在运用现代脑成像技术之前人们就有所了解。1861年，法国外科医生布洛卡注意到，大脑左额叶受损可导致语言产生困难，甚至完全丧失语言表达能力，患者只能发哑音。后来人们把这一脑区命名为布洛卡区。布洛卡区位于左额叶后部，其大小如同一枚银元。1871年，德国神经病学家威尔尼克发现，左额叶受伤的患者虽然能说话，但言语混乱，语无伦次，语义不清，后来人们把这一脑区命名为威尔尼克区。威尔尼克区位于左耳上方，其大小如同一枚银元。布洛卡区和威尔尼克区是大脑左右球的两个主要语言加工中心。如果说这两个脑区有更细的语言功能分工的话，这就是布洛卡区负责储存单字、词汇、语法或母语句法，而威尔尼克区则负责语言感知和语言意义。不过现代脑成像技术研究证明，语言和言语的发展及运用远比这个要复杂得多。例如，在产生一个口语句子的过程中，不仅要调动布洛卡和威尔尼英两个脑区，而且还要有分布在左半球的其他脑脑和神经网络参与。名词通过一种神经类来的加工处理；动词则需要另一种神经类型加工处理；句子结构更复杂，甚至需要动用更多的脑区参与，语言的形象性还要由右半球完成。这就是我们以上说的，在脑区功能定位问题上，要用全面辩证的哲学理论为指导，不能孤立片面地看待脑区功能分工。

今天脑科学关于大脑的语言区域，有了更深的研究。据2005年日本《读卖新闻》报导，日本东京大学语言脑科学家酒井邦嘉发现，大脑在逻辑思维、理解文章、掌握单词、区分语调时，不同的脑区具有不同的功能，思考语法时前额叶下部活跃，区分语调时侧额叶上部活跃，在处理语法、文章、单词和语调各方面，各有不同的脑区担任。据此，他绘制出一幅有关语言的脑功能“地图”，称为“大脑语言地图”。语文学科是学校教育的重点学科，我们应当把脑科学研究的最新成果作为指导和解释语文科建构和实施的理论基础。

2、数学科的脑区定位

数学是学校教育的基础学科。一提数学我们往往想到的是天才或天赋，即先天遗传问题。因此我们研究数学脑区定位首先要回答一个问题，即数学才能到底有没有先天因素在内。从理论上讲，心理学家、脑科学家和哲学家都承认，智力主要是后天环境教育养成的，但有遗传因素。对此脑科学工作者认为，从历史演化的观点看，原始人类为了躲避群兽，猎取食物，求生存，必须对猎物作数量估计和算数运算，这样数感和计算智力因素就被偏码在遗传基因中，这就是数学天赋。同时从实际调查来看，数学遗传因素也的确存在。例如，来自高数学才能家庭的孩子和来自数学能力差的家庭的孩子，他们的数学能力各自体现了家庭的特点；同时对双胞胎的研究也显示，他们的数学能力和成绩也非常近似。这些例子说明，个人的数感作为先天遗传被预置于每个人的头脑中，因此不同人有不同的数学能力。这就是数学的遗传基因。

数学在脑区的定位，医务工作者临床病证诊断早就有发现。如果一个人的左脑顶叶受损，将会造成数学困难；视觉加工不良的人，难于学好几何，这是因为做几何题需要把直觉观察转化为可用语言表示的逻辑，这要求不同脑区的协同活动。近10年来，脑成像技术的运用进一步揭示了数学问题在大脑活动的规律。首先，简单的算术问题例如加法和乘法的小数字运算，这要由左脑顶叶皮层区承担，如果该脑区受损，就丧失了加法和乘法的简单运算能力。如果不是简单加法、乘法运算，而是较为复杂的数字加工问题，这要根据数字加工方式的特点，不仅会涉及左脑顶叶，还会涉及左脑语言区和右脑顶叶。当进行数字比较时，不需要语言参考与表达，因脑图像显示右脑顶叶皮层最为活跃；当进行数学乘法运算时，脑图像显示左顶叶最活跃，并且该顶叶还和左颞叶下的布洛卡以及威尔尼克两个语言区相联系；当进行减法运算时，左右半球顶叶都活跃，这时胼胝体就发挥了桥梁作用；把两个顶叶联系起来。同时，还有的科学工作者利用脑成像技术观察发现，复杂的数学精算和估算所激活的脑区不同：精算过程使用的主要是大脑左额叶和左侧角回；估算过程中使用了左右脑顶叶和部分右枕叶，因为精算与口语技能有关，而估算与视觉——空间技能相联。总之，数学科的各种不同内容和活动方式，都在特定的脑区呈现。总体来看，不是左前脑就是右前脑。

3、体育科的脑区定位

由于体育科目涉及的内容广泛不一，我们这里所说的体育科是以运动技能教学为主要内容的体育，不包括艺术类内容如音乐和游戏等。脑成像技术显示，体育运动科目涉及多个脑区，但以小脑和大脑额叶以及运动皮层为主。小脑占整个脑体积的十分之一，但却包含了大脑中几乎一半的神经元，它有神经纤维约4000万个。这些纤维把不同脑区联系起来，致使大脑额叶、运动皮层和小脑间信息的往返传递畅通无阻，以保持身体姿势的平衡和运动技巧的学习。小脑和记忆、空间知觉、语言、情绪甚至决策等都有着密切联系。复杂的体育运动如掷球、翻滚、摇摆、爬行、倒立和翻跟斗等，除小脑外还要调动前额叶参与。体育运动加强了很多神经元的联系，加大了脑对营养物质的需求量，因而增强了毛细血管的运输能力。神经科学家还发现，体育运动能使脑释放一种特殊的神经递质。这种激素分泌物不仅使人能尽快恢复体力，加快神经元间的相互联系，当进行数字比较时，而且使人思维敏捷，记忆力强。

运动技艺的学习掌握，这即与额叶和运动质层高知能脑区有关，更与小脑这一较底智能脑区密不可分。当开始学习新的活动技能时，这时是有意识的和注意力集中的，这种学习调动了大脑额叶区和运动皮层；一旦技艺熟练掌握，便转入小脑编码贮存，转化为长期记忆。当以后再使用这一技艺时，就不需要再由高智能脑区下达命令，而是由小脑直接调控，这就是心理学所说的技巧的无意识和自动化的运用。例如，驾驶员一面驾驶汽车，一面和人谈话，就是由于小脑在指挥驾驶。同时，运动技巧的学习和年龄密切相关，这也就是关键期问题。据说乔丹从8岁就开始了篮球生涯。

尤其令人高兴的是，脑科学的最新成果，为我们重视并加强了体育课提供了脑理根据。长期以来，人们都认人脑不能再生新的神经细胞。但美国加利福尼亚的一个脑科研机构于1999年公布的研究成果说，跑步能使老鼠的脑再生新神经元。如果的确是这样的话，那就是说开展体育锻炼，提倡跑步运动，也能使人脑神经元再生，因此我们还有什么理由轻视体育课。

4、音乐科的脑区定位

前面我们讲到数学脑区，大道知道左脑顶叶是数学脑区的主要脑区。研究证明，音乐脑区和数学脑区是有某些重叠的。特别令人兴奋的是，研究发现音乐竟然能改变脑的功能。小脑是与节拍和节奏有紧密关系的一个脑区。脑科学家发现，音乐家小脑的体积比非音乐家小脑的体积平均大5%，胼胝体更明鲜，平均大15%。这大概与音乐家长期从事各种乐器的演奏以及形象思维和逻辑思维高频率地交替，有着直接关系。

关于课程教学的脑区定位在此仅举四个科目为例，无需逐一阐述。总之，基础教育的各不同学科在奥妙的脑海中，各居特定的位置，我们可以对教学科目实行辩证唯物主义的脑区定位。当然有些科目在某些脑区是重叠的。课程教学的脑区定位具有双重涵义，其一是说不同教学科目在不同脑区各有所表征，其二是说各教学科目都有开发脑潜能和培训脑功能的积极作用。俗话说“数学是训练思维的体操”就是这个道理。这一理论已被今天的脑成像技术所揭示，不容值疑。

辩证物主义的哲学原理告诉我们，任何两个客体都可以从一定的角度找到它们的共性，任何一个客体都有多种不同的属性。人脑也是如此。一方面，从生物学的角度看，人脑和爬虫脑及其他哺乳动物的脑，都是大自然的产物，有着生物学的共性；另一方面人脑和其他动物的脑又有区别，它可以进行抽象逻辑思维。但是在脑科学衍生之前，人们无法了解脑活动的内幕，只有朦胧感知人脑的个性，不认识其生态性。因此对教育或教学概念的理解也是狭义的。今天，我们已观察到人脑的生物态的一面，从而可以对课程教学从生态脑的角度进行新的界定和解释。

那么什么是课程教学？什么是学习？什么是教育？从脑科学的角度如何界定？日本的脑科学家小泉英明解释说：“人类已经可以观察生物态人脑的功能，可以把学习、教育与脑科学紧紧联系起来，从而将学习、教育作为贯穿于从生到死的整个人生总括的进行生物学意义上的重新定义：学习是通过外部环境刺激而建构中枢神经网络的过程，教育是控制和完善外部束激的过程。”他还解释说，学习和教育的这一新的定义，也是以“髓鞘化”的理论为根据的。②不仅日本的小泉英明主张了对学习或教育重新界定，美国的斯普伦格也是如此。她说：“什么是学习，它在脑中如何发生的？神经科学家将学习定义为两个神经元彼此产生联系的过程。他们声称，当一个神经元向另一个神经元传递信息时，神经元就发生了‘学习’。让我们来了解一下这个过程。”

①[美]Eric Jensen著：《艺术教育与脑的开发》，译丛主编董奇，中国轻工业出版，第27页

②[日]小泉英明：《脑科学与教育——尖端研究与未来展望》，见《教育研究》2006.2.。

那么，对课程教学从脑科学的角度又如何进行解释界定呢？如果说中枢神经网络建构过程或神经元传递信息的过程就是学习，不过这种学习是一切哺乳动物都有的并由自然环境刺激产生的学习，它是没有计划的和没有预期目标的。然而在教育指导的课程教学则是有明确目的的，从脑科学的角度我们可以对课程教学这样界定：课程教学是有计划和有目的的加速神经元信息传递、促使轴突髓鞘化、构筑神经网络通道的过程。课程教学是教育的核心。教育刺激所建构的人的神经网络，和环境刺激所建构的哺乳动物的神经网络，二者是有区别的，其最根本区别在于是否有预期的目的或目标。

本文从几个方面论述了脑科学和课程教学的关系。脑科学和课科程教学的关系是个很大的问题，也可以说是我国现阶段的基础教育最前沿、最复杂、最重的科研课题之一，它不是一篇文章所能讲清楚的。特别是本人不是脑科学专家，只是个课程教学工作者，因此所引用了资料及其阐释也未必正确无误和全面。但是有一点却非常坚信，这就是：脑科学是当今世界最活跃和最有突破性成就的学科之一。人的生理现象和心理现象都是由脑理决定的。课程教学必须与脑科学相结合。我们要把脑科学研究取得的共识性的定论性的基础成果，用以指导或解释课程教学的设计和实施。脑科学工作者和教育工作者需要相互协作，联合互动，只有这样才能把脑科研成果用于教育，使我国基础教育课程教学的改革，取得突破性进展。希望脑科学研究成果，能走进教育阵线，走进教师队伍，走进课堂教学实践。让我们携起手来，为创建“基于脑、适于脑、培育脑、开发脑”的新一代课程教学而共同努力。这就是本人撰写的宗旨。欢迎批评指教。

参考论著

1、沈政：《脑科学与素质教育》，《教育研究》1999.8.；

2、张爱华：《全脑教育与创造性思维能力的培养》，《教育研究》1999.8.；

3、刘力：《脑科学与教育值得关注和拓展的研究领域》，《教育研究》1999.8.；

4、沈德立主编：《脑功能开发的理论与实践》教育科学出版社2001.6.；

5、蒋志峰、伊文刚、白月桥著：《脑功能开发综合实践活动理论指导》，南方出版社2001.5.；

6、蒋志峰、吴兰亭著：《脑与教育》，人民教育出版199.4.；

7、吴馥梅著：《脑活动的内幕》，江苏科学技术出版2000.12.；

8、白月桥蒋志峰著：《素质教育与脑功能开发》，河北教育出版社2000.3.；

9、林崇德主编：《发展心理学》，人民教育出版社1995.11.；

10、[日]春山茂雄：《脑内革命》，郑民饮译，中国对外翻译公司1997.5.；

11、[美]David A·sousa著：《脑与学习》，译丛主编董奇，中国轻工业出版社2005.2.