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(jīng)生理學、神經(jīng)心理學、腦神經(jīng)科學的角度研究人類教育現(xiàn)象及其一般規(guī)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(fā)育階段的兒童和青少年個體及群體。借助生物醫(yī)學手段，如神經(jīng)心理測試、神經(jīng)生物學的動物實驗、神經(jīng)生理學的檢查，以及神經(jīng)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(jié)構(gòu)及其發(fā)生發(fā)展以及人體和人腦的功能，包括學習、記憶、注意、認知、情感、創(chuàng)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(yī)學客觀指標變化為依據(jù)的檢驗來呈現(xiàn)，從而摒除既往評價標準的主觀性。

教育生物學的研究內(nèi)容有四個方面：① 教育的生物學基礎，包括人腦的結(jié)構(gòu)、人腦各部位的功能、人腦的發(fā)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(jīng)系統(tǒng)各部分的基因表達和分子遺傳學、人體各器官組織結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)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(zhuǎn)化為創(chuàng)新性的教育理念和方法，用于教育實踐，并接受生物醫(yī)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(chuàng)造力等大腦高級功能及其發(fā)展變化的神經(jīng)機制，并與教育學相結(jié)合，從中發(fā)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(jié)構(gòu)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(fā)展其能力，使其達到最好的生存狀態(tài)。

教育生物學的研究任務是從生物醫(yī)學角度研究人體和人腦的結(jié)構(gòu)和功能、發(fā)生和發(fā)展變化及其影響因素，從中探索教育和教學規(guī)律，尋求最佳的教育方法和手段，并促進多學科合作，實現(xiàn)教育理念的更新及教育模式的轉(zhuǎn)變，建立人才高效培養(yǎng)機制。

教育生物學的特點在于將生物醫(yī)學科學的研究方法導入人類的教育實踐，從本質(zhì)的角度觀察和闡釋人類的教育現(xiàn)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(jié)構(gòu)和腦神經(jīng)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(tài)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(jīng)組織的大小、結(jié)構(gòu)及形態(tài)等。② 生理學方法，具體包括神經(jīng)遞質(zhì)釋放量的測定、神經(jīng)遞質(zhì)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(jīng)元細胞是否處于激發(fā)狀態(tài)以及激發(fā)的強度等信息；細胞內(nèi)記錄，研究神經(jīng)元的基本生物物理特征，腦內(nèi)電刺激，刺激核團、腦區(qū)，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(jīng)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(jīng)元的軸突主干或末梢，在同一神經(jīng)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(nèi)的一根微電極向細胞內(nèi)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(fā)生改變時，也能使膜電位數(shù)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(jīng)細胞和遞質(zhì)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(gòu)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(zhàn)后，科學技術的發(fā)展呈高度分化和高度整體化趨勢。生物醫(yī)學的快速發(fā)展使人們對自身的發(fā)展過程有了全新認識，20世紀后期現(xiàn)代醫(yī)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(chuàng)造條件，對腦結(jié)構(gòu)和腦神經(jīng)活動的研究取得新進展，腦科學得以產(chǎn)生和發(fā)展。腦科學研究涉及神經(jīng)生物學、分子生物學、細胞生物學、解剖學、組織學、發(fā)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(jīng)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(fā)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(tǒng)教育領域提出巨大挑戰(zhàn)，教育的科學化迫切需要教育學與生物醫(yī)學的聯(lián)合，即以生物醫(yī)學為研究手段，以教育實踐為研究目的和結(jié)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(jīng)突觸生長呈∩型的模型假說。腦科學的研究發(fā)現(xiàn)，早期大腦神經(jīng)突觸聯(lián)系的形成最迅速。人在出生后的20年里，神經(jīng)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(fā)展最充分的時期。這項研究發(fā)現(xiàn)為開展早期教育提供了科學依據(jù)，值得進一步探討。② 大腦發(fā)育的關鍵期假說。“大腦發(fā)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(xiàn)視覺功能發(fā)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(jié)論：腦的不同功能的發(fā)展有不同的關鍵期，某些能力在大腦發(fā)展的某一時期最易獲得，如人的視覺功能發(fā)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(nèi)神經(jīng)元的聯(lián)結(jié)程度取決于環(huán)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(jié)構(gòu)是多元化的。美國哈佛大學心理學教授加德納通過數(shù)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(tǒng)的智商測試提出挑戰(zhàn)，并為教學策略研究提供了腦科學依據(jù)。⑤ 突出杏仁核在情緒反應乃至大腦整體結(jié)構(gòu)中的關鍵作用，并強調(diào)大腦神經(jīng)系統(tǒng)與行為系統(tǒng)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(lián)系在一起，對機體具有不同的意義和價值，是腦神經(jīng)功能的體現(xiàn)。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(jīng)典的智力概念提出挑戰(zhàn)。2000—2004年，香港中文大學醫(yī)學院杜祖貽主持“腦神經(jīng)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(fā)展。