腦科學與課程教學

白月橋

中央教育科學研究所

[摘要]腦的結構與功能是極為複雜的，腦幹、邊緣系統和新皮層是腦的主要結構。細胞是腦組織的最小單位，可分為神經細胞和膠質細胞兩種。可塑性、關鍵期、髓鞘化、神經元修剪，是腦的根本特性，現代腦成像技術揭示，不同教學科目反映在不同的腦區。課程教學可以進行腦區定位。我們要把腦科學的研究成果作為課程教學偏訂和實施的主要理論根據。

[關鍵詞]腦的結構，腦的功能，腦細胞可塑性，關鍵期，腦功能定位，教學科目腦區定位。

2006年2月我國國務院頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006——2020年）》指出：腦科學與認知科學是8大科學前沿問題之一。腦發育、可塑性與人類智力的關係，學習記憶和思維等腦高級認知功能的過程及其神經基礎，腦信息表達與腦式信息處理系統等，是腦與認知科學的主要研究方向。《規劃綱要》頒布意義重大，社會各有關方面要行動起來，為實現綱要確定的宏偉目標不懈努力奮鬥。

上世紀90年代以來，隨著各種無創性腦成像技術的運用，腦科學已成為當今世界科研領域最前沿、最重要、最活躍和科研成果最豐碩的學科之一。世界發達國家都將腦科學研究納入國家發展的戰略科技規劃。繼頗有影響的美國「腦的十年」和歐共體「歐洲腦十年」計劃之後，日本推出了名為「腦科學時代」為期20年的腦科學計劃綱要，並於2003年又啟動了「腦科學與教育」科研項目。人腦這個奧妙的「黑匣子」已被現代高科技逐步打開。把腦科學和教育結合起來，根據腦發育規律和認識規律編製課程，設計教學，是當前教育科研領域最前沿的科研課題，該科研課題正在世界範圍內日益廣泛興起。本文先介紹腦的結構和功能，揭示人腦的秘密，在這個基礎上，再就腦科學取得的科研成果，和課程教學相結合的問題作些探討。

一、腦的基本結構及其功能

人腦的結構及其功能是極其奧妙和複雜的，古今中外的哲學家和學科專家曾對人腦這個奧妙的「黑匣子」作過各種不同的巧妙比喻或隱喻。如人腦是「世界上最大的處女地」「宇宙問最複雜的機械零件」「生物學上的超級電腦」「沉睡的巨人」「尚未開採的金礦」等。人腦的結構雖如此奧妙，但卻不是人體最大的器官，其重量約1350克，大小如柚子，形狀如胡桃，只有身體的2%，不過耗熱量卻是人體的20%，腦遺傳基因佔全身的1/3。

科學家考察了地球的歷史，揭示了一切生物和人類進化的連續性，揭示了人腦的演化進程。約38億年前，地球上誕生了最初的生命，這種生命是原生的單細胞生物。後來便有了軟體動物、兩棲動物和爬行動物。人類起源於動物界，森林古猿是人類和現在大猩猩及黑猩猩的共同祖先。大約550萬年，由猿類開始轉化為人類。把人類和黑猩猩進行比較發現，其DNA的排列差別很小，大約相差僅1%左右。不過人腦的重量卻比今天的猩猩大得多，大猩猩腦重約1磅（450克），而成人的腦重約3磅（1350克），這是因為人腦的前額葉腦區極大的進化了，因此有了語言能力、思維能力、高級性感能力和創新能力。

人腦是地球上生命誕生後，通過億萬年的歷史演化，經過爬蟲類動物的腦和哺乳類動物的腦，發展到今天人類特有的創新性腦。因此，人腦是由爬蟲類腦，哺乳類腦和創新性腦構成的「三合一腦」，腦科學著作往往又分別稱其為「古皮層」、「舊皮層」和「新皮層」。不過腦科學家根據解剖生理學和腦部功能的不同，大都把腦分為腦幹、邊緣系統和新皮層三大結構。

1、腦幹（或稱爬蟲類腦部）

腦幹由脊椎延伸而出，位於頭盧的底部，是腦內最古老和最深層的區域，該部分進行了約五億年。因為它和爬行動物的整個腦非常相似，人們經常稱其為爬蟲腦，如鱷魚、晰蜴、鳥類的腦都如此。腦幹又細分為延髓、腦橋和中腦三個構成部分。在進入腦的12對神經中就有11對止於腦幹，只有嗅覺神經直接進入邊緣系統，這是進化的原因。腦幹是「生命中樞」，它控制著心跳、血壓、呼吸、消化、體溫等。腦幹是大腦半球與脊髓之間的聯絡通路，腦幹中的網狀結構還負責司管大腦皮質的覺醒和睡眠等功能。

2、邊緣系統（哺乳動物腦部）

邊緣系統介於大腦皮層和腦幹之間，人和其他哺乳類動物的腦都有類似的部位，因此又被稱為「狗貓腦」。在兩個腦半球內，邊緣系統的生理結構是對稱的和一致的。就腦演化的過程來看，邊緣系統的發展應在人類具有邏輯思維之前，該系統控制著荷爾蒙的分泌、口渴、飢餓、快感以及新陳代謝功能、免疫功能和長期記憶功能等，在學習和記憶中具有重要作用。它包括丘腦、海馬和杏仁核三個部分。

丘腦。丘腦是腦的中轉站，所有來自外界的感覺信息，除了味覺外，都首先要通過丘腦進行初級加工和整合，然後再由此轉送到其他腦區進行處理。

海馬。海馬一詞來自於希臘語，因其外形像海馬而得名。在鞏固學習和記憶儲存方面，海馬具有重要作用。電刺激海馬能喚起人原有的某種記憶，兩側性切除海馬的人會產生嚴重的識記障礙。可見海馬u001F同記憶關係極為密切。研究表明，海馬在由短時記憶向長時記憶的轉變中扮演著重要角色，它可把外界接受的信息不僅能作為短時記憶暫時保存，而且能發送到大腦皮層相關腦區被全部偏碼永久儲存，變為長期記憶。海馬嚴重受損的人不僅喪失了長時記憶，而且不能回憶剛剛發生的事情。海馬的腦波型和新皮質層的有著明顯不同，覺醒時顯示出高振幅的幔波，昏迷時出現快波，熟睡時則常發生峰型波，無創性腦成像技術證實了海馬在學習和記憶中的作用。

杏仁核。杏仁核附著在海馬的末端，在情緒行為中扮演著重要角色，與恐懼反應的關係尤為密切。電刺激杏仁核可以引起憤怒，或者產生恐懼感或快樂感，狂怒的精神病人在手術摘除杏仁核後，性格變得比較溫順。由於杏仁核靠近具有記憶功能的海馬區，所以研究者認為，杏仁核能產生情緒把信息進行編碼轉入長時記憶中。同時，杏仁核還司管為維繫機體生存而需要作的一些行為，比如面對威脅是選擇作戰還是逃避，因飢餓四處覓食，為延續後代進行交配等，這些行為都有杏仁核決擇。如果杏仁核認為環境形勢有潛在危險，它就會刺激下丘腦向機體發出信號，當即逃跑。因此杏仁核被稱作腦的警衛哨兵。大家知道，在教學實踐中，通常採用的角色扮演、合作互動、娛樂遊戲的教學策略，這種教學策略之所以能夠取得好的教學效果，達到了長時記憶的目的，就是由於杏仁核的參與，因為杏仁核通過其控制的情緒能把接受的信息變為長期記憶，這是杏仁核功能的特點。

3、新皮層（或稱思維腦部）

三位一體的腦是神經科學家PaulMaclea從進化論的角度提出的。為了更形象的說明腦的結構，有人作了這樣一個比喻：把手握成拳，再用另一隻手握住這一個拳頭，如果第一隻手的腕部代表「爬蟲類腦部」，那麼拳頭則代表「哺乳類腦部」，而第二隻手握住拳頭的部分則代表思維性腦部，即新皮層。新皮層負責所有高級思維功能，人的視覺、聽覺、思想、語言、計劃、分析、決定、創意等活動都在這個腦區進行。新皮層的出現使人類和所有其他哺乳動物最終區別開來。

腦葉。從腦外側部分結構來看，新皮層可分為額葉、顳葉、枕葉、頂葉和運動皮層等。這些不同的腦區各有特殊的功能：額葉位於大腦最前部，為執行控制中樞，約佔大腦半球容積的50%，具有規劃、思維、解決問題和調控情緒的功能；顳葉位於耳朵內上方，負責處理聲音和語言；枕葉在腦後部，進行視覺加工；頂葉位於腦的頂部，主要負責定位、計算和識別等功能。在頂葉和額葉之間，從左耳到右耳的頂部有一條帶狀區，這就是運動皮層，主要控制軀體運動，它與小腦協同，完成動作技巧的學習。

腦半球。新皮層又以胼胝體為準，把大腦分為左右兩個半球。上個世紀60年代，美國神經學家斯佩瑞和他的助手通過「裂腦人」的研究，對大腦左右半球的功能區別有極大影響。斯佩瑞研究的結論認為，每個半球擁有各自獨立的分割的感覺和知覺，各自保持不同的和不可相互轉換的功能，並且各自接受不同的刺激。今天的研究結果證明，左右腦半球的功能是有區別的，但又是相互協作的並有可塑性。總體來看，來自身體左側的神經交叉到右半球，來自軀體右側的神經交叉到左半球；左半球負責言語、分析、邏輯、推理、數學、順序等方面的言語類信息加工；右半球負責韻律、節奏、繪畫、視覺、空間等非言語類信息的加工。顯意識思維在左腦，潛意識思維在右腦。雖然這個科研結論是正確的，但是如果把腦半球功能的區分絕對化則是不對的。

胼胝體。兩個大腦半球是腦的最大組成部分，約佔整個腦重的85%。從結構和功能上看，左右半球雖有不同，但胼胝體把二者聯繫起來，形成一個整體。胼胝體是聯繫大腦左右兩半球皮層的巨大纖維束，是架在兩半球間的超高速公路，約有兩億五千萬條神經纖維組成。通過這條超高速公路，左右半球可自由地瞬間反覆往來交換信息，協調命令。比較神經學家的研究表明，胼胝體的演化與大腦皮層的演化是一致的，現代人的胼胝體遠比古代人的胼胝體更發達。裂腦人的實驗證明，如果切斷胼胝體則左右腦的信息不能交流。這也說明，課程教學的設計和實施應是全腦教育，前些年一度興起的片面強調開發右腦作法是不實際的。

4、腦細胞

前面講了腦幹、邊緣系統和新皮層及其功能。如果說這是腦的宏觀結構，那麼腦細胞則是腦的微觀結構。腦是細胞的王國。腦細胞的結構和功能是相當複雜的。和人體其他部位的細胞不同，腦細胞有自己的特點。腦細胞的類型主要有兩種：膠質細胞和神經細胞。神經細胞通常稱神經元。人腦內兩種細胞共計約1萬億，其中膠質細胞9000萬億，神經細胞1000萬億，二種細胞的比例為10：1。

膠質細胞。膠質細胞因其質地類似膠水而得名，其形狀是多種多樣的。這種細胞沒有細胞體。在胚胎腦發育的過程中，神經細胞處於游漓狀態，不能到達應到的腦區定位。膠質細胞則幫助神經細胞遷移到位並加以固定。神經細胞每天耗費大量養料併產生廢棄物或死亡。膠質細胞擔任著繁重的運輸任務，它不僅運送養料，清理廢棄物，還具有調節免疫系統的功能。這一點，科學家解剖愛因斯坦的大腦得到有力的證據。很久以來，人們都猜測大科學家愛因斯坦的大腦整個結構可能和常人不一樣。但通過解剖發現，愛因斯坦的大腦構造沒有特殊的地方，不過在一個特定腦區膠質細胞的數量大大超過常人。有的解釋說，這是因為愛因斯坦由於繁重的腦力勞動，神經細胞需要大量營養併產生更多的廢棄物，這就加大了膠質細胞的運輸任務，因而也使膠質細胞更加發達。一般認為，神經細胞是不能再生的，但膠質細胞可以再生。此外，據邁阿密第29屆神經科學年會1999年的報導，在形狀各異的膠質細胞中，有一種「星形膠質細胞」，還具有加速神經信號傳遞速度的作用。

神經細胞。是控制腦和全部神經系統的最小單位。人腦神經元為1000億，猴子有100億，老鼠為500萬。1個神經元有多大，有的比喻說30000個神經元僅相當於針頭那麼大。神經元是由胞體、樹突、軸實構成的。如果把神經元比作人的手和前臂，那麼胞體好比人的手掌，樹突好比人的手指，手腕和手臂好比軸突。不過細胞體所生出的樹突遠比手指數多，一個胞體能長出成千上萬的大小樹突。軸突僅有一個。短軸突約一厘，最長的可達一米。軸突外面包裹以特殊的物質即髓磷脂。髓磷脂具有絕緣作用，能保障電信號的傳遞暢通，避免干擾，這種現象稱作「髓鞘化」。

大腦內的每個神經元都是獨立的，神經元間的信息傳遞要通過突觸。所謂突觸就是一個神經元的樹突和另一個神經元的軸突終端，二者之間的極其微小的聯絡處。當一個神經元通過樹突接受到外界刺激的信息之後，它就通過髓鞘化的軸突電信號傳遞到軸突未端的突觸小泡，突觸小泡就釋放出神經遞質，並穿過微小的突觸間隙，到達另一個神經元受體。神經遞質是一種化學物質，其分子結構上和藥物的類似。不過在腦內合成的化學物質稱神經遞質，而在實驗室合成的則叫作藥品。現在科學家已發現100多種神經遞質，如多巴胺、內啡肽、谷氨酸等。各種不同的神經遞質對人的思想情緒、學習記憶、動作行為等有著不同的刺激作用，有的使人興奮，有的使人抑鬱或抑制。同時，神經遞質產生的類型還和一定的教學活動方式密切相關，例如使人產生快樂體驗感的多巴胺就是在扮演角色的教學方式中產生的。

神經元還能產生生物電。每個神經元都是一台小小的發電機，如果把腦細胞產生的生物電收集起來可以點亮一盞25瓦的燈泡。當人們處於高度專註思考、閑暇放鬆自由、朦朧似睡非睡或沉睡無夢各狀態時，腦電產生的頻率是不同的。科學家把腦電分為α腦波、β腦波、θ腦波與δ腦波四種。當我們專註邏輯思維時大腦就放出β腦波，當放鬆遐思時就放出入α腦波，腦波和人工作學習和休閑睡眠等各種狀態有關。

由此我們就可聯想到這樣一個問題：什麼是課程教學，它如何在腦中發生的？了解了神經元和神經遞質之後，我們就可以這樣說，課程教學就是無數神經元在腦電的幫助下通過神經遞質建立神經網路聯繫的過程。這種網路聯繫涉及不同的腦區，穿過各種的神經通道，反覆多次，掃除了障礙，達到暢通的地步，從而也就熟練地掌握了知識和技能，培養了能力，形成了情感態度和價值觀。這樣神經網路聯繫鞏固後，就達到了課程教學的預期目標，完成了課程教學任務。

二、課程教學的腦理根據

人腦是地球上出現生命後經過億萬年演化來的，其結構、機能和發展程度，受基因、環境和教育因素的制約和影響。在胚胎期的腦有發育的規律性，在出生後的腦有成長的規律性。腦是自然界特殊的客觀對象，它和自然界一切客觀對象一樣，有一定發展變化的客觀規律。我國唯物主義哲學把各種客體變化的規律性統稱為「理」。因此本文這裡所說的「腦理」，就是人出生前後腦在遺傳·環境和教育刺激下發展變化的規律性。常期來大家都說要把心理學作為課程教學改革的理論基礎。今天面對腦的時代，課程教學改革要把「腦理」作為堅實的理論根據。在此我們僅論述幾種和課程教學密切相關的腦理。這就是腦的可塑性、關鍵期、髓鞘化和突觸剪修的規律性問題。

1、腦的可塑性

自然界一切生物體的結構、形態和功能都是在外界環境的刺激下形成的，並且在環境影響下都會產生變化。這種變化是生物體的自然屬性。腦是大自然的產物。在外界環境和教育的刺激下，腦的結構和功能也會發生改變，這種改變就是腦的可塑性。腦的可塑性是由樹突、軸突、細胞體和神經遞質的變化以及整個神經系統的變化決定的。在上個世紀60年代，神經解剖學家就發現，加大並豐富外界的環境刺激，可使大腦皮層加厚，細胞體增大，樹突增多。近十年來的腦科學證明，樹突和突觸的變化與人使用腦的活動方式和次數密切相關。以前人們認為，腦的可塑性主要體現在兒童的腦，成年人的腦則不然。但實際則不然，裂腦人的訓練證明了這一點。大家知道，左腦負責右半身的運動和感覺，側重語言和邏輯思維；右腦負責左半身的運動和感覺，側重於形象認知。但臨床手術後的一些腦半球切除的患者，經過訓練仍然有相當程度的正常人的認知或活動能力，其根本原因在於腦的可塑性。當然青少年腦的可塑性最大，因此這要成為我們設計和實施課程教學的最重要的腦理根據之一。平常我們所說的「人的可教育性」、「腦的巨大潛能」、「腦的記憶容量無限」、「腦如同肌肉決定於鍛煉」等，這些都是基於腦的可塑性本質。

2、腦的關鍵期

關鍵期和可塑性是腦的兩個密切相關的屬性。如果說腦的可塑性是指，人腦先天的結構和功能在後天環境和教育刺激下具有一定的可變性，那麼關鍵期則是指大腦某種結構和功能的迅速發展大都屬於一定的年齡段，而處於關鍵期的大腦其結構和功能的可塑性最大。否則，如果錯過關鍵期超前或錯後，腦的某種結構和功能就根本不能形成或者很難順利形成。例如事實證明，即使兒童的腦是正常的，如果在兩歲之前沒有接受視覺刺激，那就會永久性失明；如果在10歲之前沒有聽到字詞語句，那就將很難學習語言。腦科研成里已取得了很多不同類別的關鍵期。例如2~3歲的兒童是學習口頭語的關鍵期；4~5歲是開始學習書面語的關鍵期；某些音樂和運動技巧在6歲前後是掌握的關鍵期。同時，根據我國心理學家的研究成果，小學中年級學生的認知結構正處於從具體思維向軸象思維過度的關鍵期，初三的學生正處於由形式思維向辯證邏輯思維過度的關鍵期。

其實腦發育的關鍵期不僅表現於人類，而禽獸的腦也有這種現象，但使用的名詞不同。人腦的關鍵期又稱為「最佳期」、「敏感期」、「轉變期」或「臨界期」，禽獸腦的類似現象稱為「印刻現象」。例如，剛剛孵化出的小鴨很容易跟隨第一次見到的運動物走，它誤認為是自己的母親；白冠雀的雄雛鳥如果在孵出後40~50天內聽不到成年雄雀的叫聲，此後再聽也不能學會。在人腦發育的不同關鍵期，一方面必須保障充分的營養，同時要有特定類型的信息刺激，以便形成或鞏固神經元間的聯繫。腦的關鍵期理論，是我們選擇教育內容、設計課程、制訂教學策略、發展學生個性、培養特定創新人才的再一個重要的腦理根據。

3、神經元軸突的髓鞘化

神經系統是由大量神經元和膠質細胞構成的結構系統。每個神經元都有一個用以傳導處部刺激的電信號通路，即軸突。最長的軸突可達一米。為防止漏電，細胞本身產生一種脂狀的物質—髓磷脂，其包裹在軸突的表面，保障通路的暢通，這就是軸突的髓鞘化。髓鞘化形成後，由於絕綳體的作用可使信息傳導速度提高100倍。

神經軸突的髓鞘化是有規律和有順序的。由於髓磷脂釋放的多少和時間於個體發育的年齡段和環境教育的刺激有關，所以各腦區神經軸突的髓鞘化是有先後順序的和逐步發展的。關於髓鞘化的先後順序早在100年前（1898年）就被發現，到上世紀60年代腦科學家又進一步繪製出人腦傳導系統的髓鞘化「年齡坐標體系表」。在嬰幼兒年齡段，其脊髓、腦幹、小腦諸區域的神經元軸突已經或開始髓鞘化，並日益成熟，但大腦前額區的神經元軸突還遠沒有髓靴化。而到青少年年齡階，大腦高智能腦區如顳葉、頂葉和額葉的神經元軸突開始髓鞘化並日益成熟。髓鞘化不是整個神經系統同步起始和終結的，而是有一定的年齡牲和個性特點。一般來說，到20歲以後，額葉神經元軸突的髓鞘化成熟。大家知道，皮亞傑曾把兒童心理發展分為「感知運算、前運算、具體運算和形式運算」四個階段，今天的腦科學工作者認為，皮亞述的這一理論和髓磷脂的釋放及軸突的髓鞘化是一致的。

髓磷脂的釋放量和軸突髓鞘的腦區範圍，與人的各種心理問題如情感態度、思維、興趣愛好、性格特點等緊密相聯。心理現象和髓磷脂釋放的多少以及神經元軸突髓鞘化先後順序有關，髓鞘現象是解釋心理現象的根據。課程教學脫離學生的實際，其本質就是課程教學的內容和方法大大超前或值後強加於尚未出現髓鞘化或早已結束髓鞘化的腦區。當然，髓鞘化和課程教學的關係是辯證統一的，一方面在尚未出現髓鞘化的腦區提前實施課程教學肯定效果不良，但另一方面課程教學的開展又能加速髓鞘化的出現和早熟，關於髓鞘化的腦理，今天的腦科學工作者已用無創性腦成象技所驗證。我們不但要用髓鞘化的理論解釋課程教學問題，同時還應當象日本的腦科學家小泉英明說的那樣：「應該按照這方面的研究成果徹底修改現在的教學計劃」。

4、神經元的修剪。

無損傷測定方法證明，在腦胚胎髮生和發育過程中神經細胞數量的變化是由客觀規律的。胎兒的腦細胞發展極快，受遺傳基因的影響，胎兒在出生前腦細胞總量超過成年人的一倍。不過這時的腦細胞體積小，樹突分枝少，軸突裸露，除運動腦區的神經元軸突外，其餘腦區軸突均未出現髓鞘化。所以人從出生到青春期前，受外界環境和教育的刺激，不僅髓鞘化加速，而且胞體增大，樹突繁衍，突觸大量生長。4——6歲兒童的突觸總量達到成人的150%。這種超量的繁衍為神經網路建構的提供了選擇餘地，為開展豐富多樣的課程學創造了前提條件。隨著外界刺激類型的確定和刺激二次數的多少，一些細胞和突觸被選用固定，而沒有被選用多餘的則凋亡並被清除。這就是神經元的修剪。斯普倫格在《腦的學習與記憶》一書中說：「在腦發育的過程中，如果神經元沒有在適當的時候得到利用，它們產生聯結的能力就會消失。神經科學家們把這個過程稱為『神經修剪』。因此，我們都在不斷丟失智慧」。為了使我們的青少年不丟失智慧，我們應當如何編訂課程和實施教學，這是擺在我們廣大課程教學工作者面前的一個重大科研課題。

白月橋

中央教育科學研究所

[摘要]腦的結構與功能是極為複雜的，腦幹、邊緣系統和新皮層是腦的主要結構。細胞是腦組織的最小單位，可分為神經細胞和膠質細胞兩種。可塑性、關鍵期、髓鞘化、神經元修剪，是腦的根本特性，現代腦成像技術揭示，不同教學科目反映在不同的腦區。課程教學可以進行腦區定位。我們要把腦科學的研究成果作為課程教學偏訂和實施的主要理論根據。

[關鍵詞]腦的結構，腦的功能，腦細胞可塑性，關鍵期，腦功能定位，教學科目腦區定位。

三、課程教學的腦區定位

課程教學的腦區定是個複雜問題，它即與腦的結構和功能密切相關，又與學科內容和教學方式緊密相連，並涉及及心學理學和腦科學的不同學派。課程教學的腦區定位，是指不同的教學科目，在奧妙複雜的腦海中各處哪一個區域。要對教學科目進行腦區定位，首先要用辯證唯物主義科學發展觀研究腦結構與功能的歷史演化，其次要用辯證的觀點分析腦科學和認知科學的各種學派。

統觀中外認知科學和腦科學的研究理論可知，大腦功能定位說和大腦功能統一說，是兩個相互對立的學派。「功能定位說」學派認為，腦的結構具極為複雜，從腦的表層宏觀來看可分為若干腦葉和小腦等，從其縱向解剖來看可分為新皮層、舊皮層、腦幹和脊髓等，腦的這些不同結構都有各自特定的獨立機能。功能定位學派的主要代表人物有法國的布洛卡、德國的威爾尼克和我國清代劉知等。美國斯佩理大腦左右半球的理論，以及和斯佩理合作的學者以後所提出的腦功能「模塊」的理論，原則上都屬於大腦功能定位說。與大腦功能定位說相反，「能功統一說」學派認為，從解剖學上看大腦雖有生理結構上的不同，但整個大腦在機能上沒有部位差異，而是作為一個整體發揮統一的功能。這一派代表人物有法國生理學家弗盧龍和美國心理學家拉什里等人。

我們認為，大腦功能有定位說和大腦功能統一說都有科學全理的一面，同時又都有片面性絕對化的一面。辯證唯物主義的科學發展觀是我們研究腦科學並分析各學派的基本哲學觀點。客觀的講，人腦的各不同結構和功能即有相對的獨立性，同時又是相互協作和相互制約的。例如大腦左右兩半球，隨著人類的發展和腦的演化，腦的左半球側重於語言、言語、計算和邏輯等機能，而右腦側重於人面、物體、圖象及環境、空間等機能，但是左右腦又是相互協作的和不可分割的，擁有巨大纖維束的胼胝體，在其間架起了交流信息的超高速公路。

課程教學科目的腦區定位，和腦結構與功能的區域定位，是兩種不同性質的定位。兩種定位雖有性質的不同，但又密不可分。辯證唯物主義的腦結構及其功能的定位，為課程教學科目的腦區定位提供了理論基礎；而課程教學科目的腦區定位，是腦結構及其功能定位的具體表徵。最新的研究腦結構與功能成像技術的運用，能使我們直接觀察到基礎教育的不同科目在學生頭腦中不同區域的反映，觀察到運用不同教學方式時在學生腦神經系統所引起的變化。下面著重研究幾個主要學科的腦區定位，不過需要說明的是，我們所說的腦區定位是以辯證唯物主義哲學為基礎的。

1、語文科的腦區定位。

語文學科和語文、語言和言語都是些密切相關而又不盡相同的概念。語文科即語文學科，是培養理解和運用本族。本國和外國語言文學能力的學科，以聽、說、讀、寫能力的培養為主要目標。語言是隨著人類社會的發展而產生的人們交際和思維的工具，可分為外部語言和內部語言，言語是指語言在交際過程中的實際運用。這些基本概念雖有嚴格區別，但總體來看大都屬語文科的研究範圍，它涉及的腦區是有共性的。語言是隨著人腦新皮質層的出現而產生的，人類的聲音可以發出200個母音和600個輔音。當今世界除方言外大約有6500種語言。人類之所以具有高超的語言能力，並藉助言語進行交流，這是因為人腦的結構與功能具有其他哺乳類動物腦所沒有的特定腦區及其神經系統。

人的智能的發展受先天遺傳和後天環境教育的制約，特別是後天的因素更具有決定性。其實語言也是如此。在語言中，音素是構成聲音的最小單位，不同音素合起來便構成音節，由音節構成單詞，最後再由單詞構成句子，從而進行言語交流。在上個世紀50年代，就有一位美國語言學家提出，小孩子之所以能模仿成人的語言學會說話的語法和句法，這是因為人類生來在頭腦中就有一個遺傳「模板」，這個模板就像小老虎天生就會追逐獵物一樣。嬰兒學習語言就是把他所聽到的語言添加到母語的模板上。雖然人們對於語言模板說有很大爭議，但語言學家對嬰幼兒的口語發展規律，對大腦掌握語言的區域和機制，的確有了更深刻的研究和了解。

嬰幼兒口語發展的一般規律是：6個月前後能辨別音素；12個月前後能將字詞與其意義聯繫起來；1歲半能區別名詞和動詞；2歲能了解語法功能；2歲半到3歲大部分語言和言語活動規律轉移到大腦左半球腦區定位。腦科學證明，嬰兒腦中的神經元可以對地球上6500種語言中任何一種語言的聲音均能作出反應這就是說嬰幼兒語言的潛力是無窮的，但是有一個關鍵期。一般來說，兒童學習第二語言的關鍵期是從3歲到10歲。在這期間能學到非常標準的外語，不受母語的干擾，否則將是困難的。現代腦成像技術找到了困難的根源。這是因為，如果在學習第二語言的關鍵期學習外語，負責語言的腦區對二種語言的語音同等對待，均有反應，而且母親和第二語言的表證部都在額葉的布洛卡區。如果錯過關鍵期到青春期過後再學外語，一是負責語言的腦區不再對其他語種的語言有所反應，二是司管第二語言的腦區和原先司管母親的腦區不同。腦科學告訴我們，嬰幼兒的腦神經元具有同時學習幾種語言的屬性。可見第二語言精通的程度不在於學習時間的長短，而取決於是否在語言發展的關鍵期學習。

負責語言的腦區存在於大腦左半球的皮質層。這一點在運用現代腦成像技術之前人們就有所了解。1861年，法國外科醫生布洛卡注意到，大腦左額葉受損可導致語言產生困難，甚至完全喪失語言表達能力，患者只能發啞音。後來人們把這一腦區命名為布洛卡區。布洛卡區位於左額葉後部，其大小如同一枚銀元。1871年，德國神經病學家威爾尼克發現，左額葉受傷的患者雖然能說話，但言語混亂，語無倫次，語義不清，後來人們把這一腦區命名為威爾尼克區。威爾尼克區位於左耳上方，其大小如同一枚銀元。布洛卡區和威爾尼克區是大腦左右球的兩個主要語言加工中心。如果說這兩個腦區有更細的語言功能分工的話，這就是布洛卡區負責儲存單字、辭彙、語法或母語句法，而威爾尼克區則負責語言感知和語言意義。不過現代腦成像技術研究證明，語言和言語的發展及運用遠比這個要複雜得多。例如，在產生一個口語句子的過程中，不僅要調動布洛卡和威爾尼英兩個腦區，而且還要有分布在左半球的其他腦腦和神經網路參與。名詞通過一種神經類來的加工處理；動詞則需要另一種神經類型加工處理；句子結構更複雜，甚至需要動用更多的腦區參與，語言的形象性還要由右半球完成。這就是我們以上說的，在腦區功能定位問題上，要用全面辯證的哲學理論為指導，不能孤立片面地看待腦區功能分工。

今天腦科學關於大腦的語言區域，有了更深的研究。據2005年日本《讀賣新聞》報導，日本東京大學語言腦科學家酒井邦嘉發現，大腦在邏輯思維、理解文章、掌握單詞、區分語調時，不同的腦區具有不同的功能，思考語法時前額葉下部活躍，區分語調時側額葉上部活躍，在處理語法、文章、單詞和語調各方面，各有不同的腦區擔任。據此，他繪製出一幅有關語言的腦功能「地圖」，稱為「大腦語言地圖」。語文學科是學校教育的重點學科，我們應當把腦科學研究的最新成果作為指導和解釋語文科建構和實施的理論基礎。

2、數學科的腦區定位

數學是學校教育的基礎學科。一提數學我們往往想到的是天才或天賦，即先天遺傳問題。因此我們研究數學腦區定位首先要回答一個問題，即數學才能到底有沒有先天因素在內。從理論上講，心理學家、腦科學家和哲學家都承認，智力主要是後天環境教育養成的，但有遺傳因素。對此腦科學工作者認為，從歷史演化的觀點看，原始人類為了躲避群獸，獵取食物，求生存，必須對獵物作數量估計和算數運算，這樣數感和計算智力因素就被偏碼在遺傳基因中，這就是數學天賦。同時從實際調查來看，數學遺傳因素也的確存在。例如，來自高數學才能家庭的孩子和來自數學能力差的家庭的孩子，他們的數學能力各自體現了家庭的特點；同時對雙胞胎的研究也顯示，他們的數學能力和成績也非常近似。這些例子說明，個人的數感作為先天遺傳被預置於每個人的頭腦中，因此不同人有不同的數學能力。這就是數學的遺傳基因。

數學在腦區的定位，醫務工作者臨床病證診斷早就有發現。如果一個人的左腦頂葉受損，將會造成數學困難；視覺加工不良的人，難於學好幾何，這是因為做幾何題需要把直覺觀察轉化為可用語言表示的邏輯，這要求不同腦區的協同活動。近10年來，腦成像技術的運用進一步揭示了數學問題在大腦活動的規律。首先，簡單的算術問題例如加法和乘法的小數字運算，這要由左腦頂葉皮層區承擔，如果該腦區受損，就喪失了加法和乘法的簡單運算能力。如果不是簡單加法、乘法運算，而是較為複雜的數字加工問題，這要根據數字加工方式的特點，不僅會涉及左腦頂葉，還會涉及左腦語言區和右腦頂葉。當進行數字比較時，不需要語言參考與表達，因腦圖像顯示右腦頂葉皮層最為活躍；當進行數學乘法運算時，腦圖像顯示左頂葉最活躍，並且該頂葉還和左顳葉下的布洛卡以及威爾尼克兩個語言區相聯繫；當進行減法運算時，左右半球頂葉都活躍，這時胼胝體就發揮了橋樑作用；把兩個頂葉聯繫起來。同時，還有的科學工作者利用腦成像技術觀察發現，複雜的數學精算和估算所激活的腦區不同：精算過程使用的主要是大腦左額葉和左側角回；估算過程中使用了左右腦頂葉和部分右枕葉，因為精算與口語技能有關，而估算與視覺——空間技能相聯。總之，數學科的各種不同內容和活動方式，都在特定的腦區呈現。總體來看，不是左前腦就是右前腦。

3、體育科的腦區定位

由於體育科目涉及的內容廣泛不一，我們這裡所說的體育科是以運動技能教學為主要內容的體育，不包括藝術類內容如音樂和遊戲等。腦成像技術顯示，體育運動科目涉及多個腦區，但以小腦和大腦額葉以及運動皮層為主。小腦占整個腦體積的十分之一，但卻包含了大腦中幾乎一半的神經元，它有神經纖維約4000萬個。這些纖維把不同腦區聯繫起來，致使大腦額葉、運動皮層和小腦間信息的往返傳遞暢通無阻，以保持身體姿勢的平衡和運動技巧的學習。小腦和記憶、空間知覺、語言、情緒甚至決策等都有著密切聯繫。複雜的體育運動如擲球、翻滾、搖擺、爬行、倒立和翻跟斗等，除小腦外還要調動前額葉參與。體育運動加強了很多神經元的聯繫，加大了腦對營養物質的需求量，因而增強了毛細血管的運輸能力。神經科學家還發現，體育運動能使腦釋放一種特殊的神經遞質。這種激素分泌物不僅使人能儘快恢復體力，加快神經元間的相互聯繫，當進行數字比較時，而且使人思維敏捷，記憶力強。

運動技藝的學習掌握，這即與額葉和運動質層高知能腦區有關，更與小腦這一較底智能腦區密不可分。當開始學習新的活動技能時，這時是有意識的和注意力集中的，這種學習調動了大腦額葉區和運動皮層；一旦技藝熟練掌握，便轉入小腦編碼貯存，轉化為長期記憶。當以後再使用這一技藝時，就不需要再由高智能腦區下達命令，而是由小腦直接調控，這就是心理學所說的技巧的無意識和自動化的運用。例如，駕駛員一面駕駛汽車，一面和人談話，就是由於小腦在指揮駕駛。同時，運動技巧的學習和年齡密切相關，這也就是關鍵期問題。據說喬丹從8歲就開始了籃球生涯。

尤其令人高興的是，腦科學的最新成果，為我們重視並加強了體育課提供了腦理根據。長期以來，人們都認人腦不能再生新的神經細胞。但美國加利福尼亞的一個腦科研機構於1999年公布的研究成果說，跑步能使老鼠的腦再生新神經元。如果的確是這樣的話，那就是說開展體育鍛煉，提倡跑步運動，也能使人腦神經元再生，因此我們還有什麼理由輕視體育課。

4、音樂科的腦區定位

前面我們講到數學腦區，大道知道左腦頂葉是數學腦區的主要腦區。研究證明，音樂腦區和數學腦區是有某些重疊的。特別令人興奮的是，研究發現音樂竟然能改變腦的功能。小腦是與節拍和節奏有緊密關係的一個腦區。腦科學家發現，音樂家小腦的體積比非音樂家小腦的體積平均大5%，胼胝體更明鮮，平均大15%。這大概與音樂家長期從事各種樂器的演奏以及形象思維和邏輯思維高頻率地交替，有著直接關係。

關於課程教學的腦區定位在此僅舉四個科目為例，無需逐一闡述。總之，基礎教育的各不同學科在奧妙的腦海中，各居特定的位置，我們可以對教學科目實行辯證唯物主義的腦區定位。當然有些科目在某些腦區是重疊的。課程教學的腦區定位具有雙重涵義，其一是說不同教學科目在不同腦區各有所表徵，其二是說各教學科目都有開發腦潛能和培訓腦功能的積極作用。俗話說「數學是訓練思維的體操」就是這個道理。這一理論已被今天的腦成像技術所揭示，不容值疑。

辯證物主義的哲學原理告訴我們，任何兩個客體都可以從一定的角度找到它們的共性，任何一個客體都有多種不同的屬性。人腦也是如此。一方面，從生物學的角度看，人腦和爬蟲腦及其他哺乳動物的腦，都是大自然的產物，有著生物學的共性；另一方面人腦和其他動物的腦又有區別，它可以進行抽象邏輯思維。但是在腦科學衍生之前，人們無法了解腦活動的內幕，只有朦朧感知人腦的個性，不認識其生態性。因此對教育或教學概念的理解也是狹義的。今天，我們已觀察到人腦的生物態的一面，從而可以對課程教學從生態腦的角度進行新的界定和解釋。

那麼什麼是課程教學？什麼是學習？什麼是教育？從腦科學的角度如何界定？日本的腦科學家小泉英明解釋說：「人類已經可以觀察生物態人腦的功能，可以把學習、教育與腦科學緊緊聯繫起來，從而將學習、教育作為貫穿於從生到死的整個人生總括的進行生物學意義上的重新定義：學習是通過外部環境刺激而建構中樞神經網路的過程，教育是控制和完善外部束激的過程。」他還解釋說，學習和教育的這一新的定義，也是以「髓鞘化」的理論為根據的。②不僅日本的小泉英明主張了對學習或教育重新界定，美國的斯普倫格也是如此。她說：「什麼是學習，它在腦中如何發生的？神經科學家將學習定義為兩個神經元彼此產生聯繫的過程。他們聲稱，當一個神經元向另一個神經元傳遞信息時，神經元就發生了『學習』。讓我們來了解一下這個過程。」

①[美]EricJensen著：《藝術教育與腦的開發》，譯叢主編董奇，中國輕工業出版，第27頁

②[日]小泉英明：《腦科學與教育——尖端研究與未來展望》，見《教育研究》2006.2.。

那麼，對課程教學從腦科學的角度又如何進行解釋界定呢？如果說中樞神經網路建構過程或神經元傳遞信息的過程就是學習，不過這種學習是一切哺乳動物都有的並由自然環境刺激產生的學習，它是沒有計劃的和沒有預期目標的。然而在教育指導的課程教學則是有明確目的的，從腦科學的角度我們可以對課程教學這樣界定：課程教學是有計劃和有目的的加速神經元信息傳遞、促使軸突髓鞘化、構築神經網路通道的過程。課程教學是教育的核心。教育刺激所建構的人的神經網路，和環境刺激所建構的哺乳動物的神經網路，二者是有區別的，其最根本區別在於是否有預期的目的或目標。

本文從幾個方面論述了腦科學和課程教學的關係。腦科學和課科程教學的關係是個很大的問題，也可以說是我國現階段的基礎教育最前沿、最複雜、最重的科研課題之一，它不是一篇文章所能講清楚的。特別是本人不是腦科學專家，只是個課程教學工作者，因此所引用了資料及其闡釋也未必正確無誤和全面。但是有一點卻非常堅信，這就是：腦科學是當今世界最活躍和最有突破性成就的學科之一。人的生理現象和心理現象都是由腦理決定的。課程教學必須與腦科學相結合。我們要把腦科學研究取得的共識性的定論性的基礎成果，用以指導或解釋課程教學的設計和實施。腦科學工作者和教育工作者需要相互協作，聯合互動，只有這樣才能把腦科研成果用於教育，使我國基礎教育課程教學的改革，取得突破性進展。希望腦科學研究成果，能走進教育陣線，走進教師隊伍，走進課堂教學實踐。讓我們攜起手來，為創建「基於腦、適於腦、培育腦、開發腦」的新一代課程教學而共同努力。這就是本人撰寫的宗旨。歡迎批評指教。

參考論著

1、沈政：《腦科學與素質教育》，《教育研究》1999.8.；

2、張愛華：《全腦教育與創造性思維能力的培養》，《教育研究》1999.8.；

3、劉力：《腦科學與教育值得關注和拓展的研究領域》，《教育研究》1999.8.；

4、沈德立主編：《腦功能開發的理論與實踐》教育科學出版社2001.6.；

5、蔣志峰、伊文剛、白月橋著：《腦功能開發綜合實踐活動理論指導》，南方出版社2001.5.；

6、蔣志峰、吳蘭亭著：《腦與教育》，人民教育出版199.4.；

7、吳馥梅著：《腦活動的內幕》，江蘇科學技術出版2000.12.；

8、白月橋蔣志峰著：《素質教育與腦功能開發》，河北教育出版社2000.3.；

9、林崇德主編：《發展心理學》，人民教育出版社1995.11.；

10、[日]春山茂雄：《腦內革命》，鄭民飲譯，中國對外翻譯公司1997.5.；

11、[美]DavidA·sousa著：《腦與學習》，譯叢主編董奇，中國輕工業出版社2005.2.

12、[美]MarileeSprenger著：《腦的學習與記憶》，譯叢主編董奇，中國輕工業出版社2005.6.；

13、[美]SherylFeinstein著：《探索青少年腦的奧秘》，譯從主編董奇，中國輕工業出版社2006.3.；

14、[美]DavidA·Sousq著：《適於腦的教學》，譯叢主編董奇，中國輕工業出版社2005.6.；

15、[美]DavidA·Sousq著：《天才腦與學習》，譯從主編董奇，中國輕工業出版社2005.2.；

16、[美]PqtriciaWoIFE著：《腦的功能——將研究結果應用於課堂實踐》譯叢主編董奇，中國工工業出版社2005.6.；

17、[美]柯林·羅斯/麥爾孔·尼可著：《學習地圖》，戴保羅譯，中國城市出版社1999.11.。