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七年“做中学”科学教育实验给我们的启示

教育部儿童发展与学习科学重点实验室

中国工程院院士  韦钰

20071119日全国政协论坛

     

中国政府一向十分重视教育的发展。最近,在中国共产党第十七次代表大会通过的决议中,再次强调提出优先发展教育,建设人力资源强国的任务;在各级各类教育发展中,指出要重视早期教育;在医疗卫生方面,提出要发展妇幼卫生事业。
 

中国在各级各类教育发展中取得了令人瞩目的进步,九年义务教育已经普及到98% 以上的人口地区,高中阶段普及率59.8%,大学入学率达到适龄人口的22%,青壮年的文盲率降到了3.8%以下。如何提高教育质量,让我们的孩子健康、愉快地成长为既有道德,又有创新能力的新一代,是政府和社会各界共同的愿望,其中早期教育起着十分重要的和关键性的作用。
 

2001年开始,由中国教育部和中国科协共同发起,在中国实施了一项名为“做中学”的科学教育实验项目,即在5-12岁儿童中进行基于动手的探究式科学教育,至今已经七年多了。从一开始,我们就为这个项目的执行明确了九条原则,强调不是为了培养科学家,而是希望能平等地面向每一个儿童,把他们培养成21世纪合格的公民。项目从最初四个城市中的几十所幼儿园和小学开始,经过七年的艰苦探索,依靠大家的努力,目前已经扩大到17个省市及农村近两千所小学和幼儿园,覆盖了20多万学生。
 

      在进行这项教育改革的实验中,我们需要依靠实践经验,需要国际合作,但是我们最重要的体会是需要依靠教育的科学研究。我们尝试运用心智、脑与教育研究中的一些有用的知识,使对儿童的教育尽可能在实证科学的指导下进行。通过七年多来的研究和实践,取得了明显的成效。同时也凸显了需要在实证性科学研究支持下,建立国家层面的政策支持,以开展早期儿童发展与学习国家行动的急迫性。

 (上图编译自  R. D. Fields Making Memories Stick Scientific American Feb. 2005)

       神经元是我们脑中的基本工作单元,它们有各种形状,在我们的脑中有数千亿个神经元。 

       我们可以用我们的手来比喻一个神经元:手掌就像神经元的胞体,我们称它为神经元的核。和其他的细胞相似,在神经元的核中包含着可以制造蛋白质的基因。手指像接受送入这个神经元信号的天线,而传出神经元的信号则经过粗壮的手臂送出。一个神经元可以有上百条,上千条接受信号的“手指”,我们称它为树突。但是,送出信号的通路,一个神经元只有一条,我们称它为轴突。一个神经元的树突和其他神经元的轴突之间会形成接触点,我们称它为突触。一个神经元可以具有数千个突触。真实地讲,突触处形成的不是直接的连接,而是一个个十分微小的间隙,间隙之中充满着不同的化学分子,我们称它们为神经递质,这类化学物质在脑中有数百种之多。它们就像不同的控制开关,各自起着不同的控制突触处信号传递的作用。所以,依靠进化,我们脑中神经元形成的是一个最复杂的、不连续的、具有高度可塑性的生化网络。

      当我们人的感官,如视觉和听觉,重复地受到外部的刺激,或是受到强的刺激时,突触会产生一个信号,激活含在神经元胞体中CERB蛋白。CERB蛋白是一种转录因子,它被激活,就会启动基因开始表达,以产生新的蛋白。这些新产生的加固突触的蛋白,会从包围神经元细胞核的细胞膜中溢出,弥散在神经元内,自动寻找到应该加固的突触。由于突触处的蛋白结构变化了,就形成了长期记忆,形成了我们学习的基础。  

 

      科学家发现了长期记忆形成的分子机理,用实证告诉我们,在我们脑中记忆的知识是建构的和重构的。这个建构过程和外界的刺激,即我们的经验有关,也和我们的基因有关,因此学习过程是应人而异的。儿童生而具有强大的学习能力和好奇心,特别是对他们周围的人、事和环境。家庭、学校、同伴、社区和文化都是儿童学习环境的组成部分。儿童有效地进行学习应该在教师的指导下,在有利的环境和学习共同体中主动地进行。儿童是学习活动的中心。 

 

      这个建构过程又是连续的,我们学习新的知识,是在原有的记忆基础上进行的,这就是我们常常在儿童科学教育中,强调学习过程要从儿童原有的、初始概念出发的原因。人在出生以前,神经元突触之间的联系就开始建构了,而在出生以后的最初几年里,脑的发育很快,对突触连接的建构过程十分重要。儿童早期的建构过程是从低级功能到高级功能的连续过程,在这个过程中,对不同的功能会呈现一些不同的建构敏感期,即在这个特定的时期里,儿童某种功能的建构比较有效。所以,早期这种神经元突触的建构是我们一生认知、情感、健康和社会适应能力发展的基础。 

     

    依靠对脑长期记忆形成分子机理的了解,可以帮助我们了解和计划如何能让儿童更有效地学习。

      脑是高度特定化的器官。人的学习不是只有一种形式。认知科学家对正常人的认知过程进行研究,把学习分成两类:明晰性学习和不明晰的内隐学习。神经科学家通过对部分脑区被切除病人的研究;对动物活体脑的研究;以及运用先进的脑功能成像技术对正常人认知过程的研究,进一步确认了脑中存在着两类不同的记忆系统。

一类对应于明晰性学习的记忆,称为陈述性记忆(或明晰性记忆)。在这一类里又可以分成情景记忆和语义记忆。情景记忆指我们记忆中保存的亲身经历的事件,如难忘的分离、喜庆的过程;而语义记忆是指我们获得的有关个人和周围世界的知识,它并不一定是我们亲身经历的,如我们日常习惯强调的认字、学计算规则、学外语生字等都属于这一类。进行明晰性学习时,我们是在有意识的情况下获得知识,获得的知识是可以用语言表达的、可陈述的;再提取的时候,也是有意识进行的。

      认知心理科学家经过研究还确认了另一种学习方式,即不明晰的内隐学习。这种学习往往是在不知不觉,潜移默化中无意识地进行的,像我们学习骑自行车、学习母语的文法、习得的讲话的自然姿势、感觉、触发、情绪反应等都属于这一类。神经科学家确认和扩展了认知心理学家对内隐学习方式的研究,认为内隐学习的内容会在脑中形成非陈述性记忆,包括情感记忆和动作记忆(认知心理学家往往注重研究认知,而往往忽略了情感记忆)。陈述性记忆重现时是有意识的提取;而非陈述性记忆的提取往往是无意识进行的,例如我们说母语时,并不需要去刻意考虑按文法来组织语句,就是属于提取非陈述性记忆。

      神经科学家的研究不仅证实了不同记忆系统的存在,并给出了它们在脑中的大致部位,图中给出示意框图。 

      陈述性的长时记忆在海马处生成,而逐渐储存在新皮层区域。动作方面的记忆在基底节中的纹状体以及位于脑后部的小脑部位。基底节对运动控制是很重要的,基底节的体积随年龄增大而减少,特别是右脑的尾核。正常儿童尾核的体积和年龄的增长呈显负相关,而患多动症的儿童不存在这种关系。小脑对时间上需要精确控制的动作记忆是关键部位。情绪记忆主要的部位是位于颞叶内侧靠近海马的杏仁体处。这些结构的部位如下图所示:

 

 

 

      依据长期记忆具有两种不同类型:陈述性记忆和非陈述性记忆的科学研究发现,我们强调了需要保护儿童学习的好奇心和主动性,强调儿童社会情绪能力、语言、表达能力培养的重要性。也让我们理解为什么缺乏睡眠、饥饿、恐惧和长期的精神压力会通过HPA轴,导致海马萎缩,减低儿童学习的效率。 

 

      基于上述认识,我们在制定“做中学”科学教育实验项目的内容标准时,落实到标准的制定中,不仅包含了概念的知识部分,还包括了探究能力、语言表达能力和社会情绪能力的培养要求。我们认为在社会情绪能力培养方面,要更注意同感能力(Empathy)和自尊自强性格(Self-Esteem)的培养。我们还针对某些儿童由于学业压力过大、早期教养忽视和先天基因倾向等原因,造成的性格内向倾向,强调了在成长过程中,教师和家长应对这些儿童加强帮助和支持。 

 

      七年的时间给我们的最重要的启示是:教育正面对着严峻的挑战和可能的机遇,我们必须在科学发展观的指导下发展教育。要能在科学发展观的指导下科学发展,首先需要把教育看成是科学,开展与时俱进的科学研究,沿袭文字注释式的教育研究是很难面对挑战的。 

 

      我们在实践中还发现幼儿园实验班的儿童在5岁时,已经形成明显不同的认知和情感类型,不同的发展轨迹。儿童5岁时已经表现出很好的观察力,表达能力、创造能力和良好的综合素质,有良好的合作行为、好奇心和自信心。但是也存在一些值得重视的认知和情感倾向:如:不愿合作;不能有效的交流;较困难参与活动和接受帮助;缺乏自信;较困难完成活动任务等;特别是有的孩子有较明显的内向心理倾向。在地区之间、城乡之间、不同人群之间也存在明显差别和发展不平衡。经济社会发展的状况差异,造成的发展不平衡已经十分突出。中国有句老话:三岁看大;七岁看老,是有道理的。

 

      因而,我们认为应该十分关注5岁前儿童的早期发展和学习。儿童在0-6岁期间脑发展十分迅速,也是许多功能可塑性最好的时期。我们需要研究是什么因素造成了他们在5岁时的差别,我们在早期发展中可以给他们什么样的支持和帮助。

 

      近几十年来,有关早期儿童发展的研究获得了很大的进展,特别是来自神经科学、发育心理学、分子生物学、人类学、教育和经济学的研究成果,揭示了早期儿童认知技能、健康、愉快的情绪,社会能力、健壮的身体和精神健康的发展奠定了人一生成功的基础。它不仅影响儿童后继的学业,而且是他们一生事业上成功,成为负责的合格公民,具有良好行为习惯的先决条件。成年以后的发展、合作和守法行为都是建筑在儿童发展期形成的能力基础之上的。儿童早期发展能否得到重视和关注,能否实现公平、健康和有效地发展,直接关系到国家和民族未来的实力与安全。对儿童早期发展的忽视和措施不当,即使有的方面以后可能能够弥补,也会付出大得多的代价。这方面的研究进展十分迅速,如一些儿童发育学家和神经科学家提出的基因和气质的关系;镜像神经元和儿童模仿的学习机理;儿童早期对周围世界的学习能力;针对不同气质类型对24岁儿童主动控制能力的培养等等。对这些迅速出现的有关儿童发展和教育的新知识,我们都需要认真地研究,并结合中国的实际来进行发展和运用。

 

       参加我们“做中学”实验的幼儿园还是极少的一部分,即使是能够进入幼儿园学习的孩子还不到适龄儿童的一半。有些幼教机构并没有采用基于科学依据的教育方法。有些政府机构认为早期发展不是政府的职责,把教育投资的关注重点放在高学历段等等。因此全国政协教科文卫体委员会和有关部委,共同召开一次高层专家论坛,明确儿童早期发展的重要性,对国家的早期儿童发展战略和政策制定提出建议,是十分及时和重要的举措。总之,我们应该认识到:教育是个人、家庭、民族和国家对未来最重要的投资,教育在为明天国家的安全、繁荣和昌盛奠定着最重要的基础!