腦科學(xué)與教育創(chuàng)新

關(guān)于腦科學(xué)與教育創(chuàng)新序——研究背景和問題提出現(xiàn)代社會(huì)對(duì)教育發(fā)展影響最大的兩個(gè)領(lǐng)域數(shù)字技術(shù)腦科學(xué)第2頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月個(gè)人專業(yè)背景和興趣趨向●身在高校情系基礎(chǔ)教育，投身中學(xué)物理課程改革28年●為謀求教改深入研究，申請(qǐng)全國(guó)教育科學(xué)研究課題，年逾花甲步入腦科學(xué)領(lǐng)域，●結(jié)識(shí)著名腦科學(xué)家唐孝威院士，快步躋身腦科學(xué)與教育的研究前沿●創(chuàng)建中國(guó)創(chuàng)造學(xué)會(huì)大腦開發(fā)研究會(huì)，致力我國(guó)教育界的腦科學(xué)與教育的普及與研究活動(dòng)。第3頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月主要內(nèi)容一、腦科學(xué)簡(jiǎn)介二、認(rèn)識(shí)自己的腦——腦是一個(gè)怎樣的器官？三、基于腦的教育基本理論四、從腦科學(xué)看當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程五、從腦科學(xué)看物理課程特殊教育功能與初步實(shí)踐

第4頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月一。腦科學(xué)簡(jiǎn)介

1.基本研究領(lǐng)域2.多學(xué)科交匯3.基本研究方法第5頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月腦科學(xué)簡(jiǎn)介之一——基本研究領(lǐng)域認(rèn)識(shí)腦保護(hù)腦開發(fā)腦仿造腦第6頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月腦科學(xué)簡(jiǎn)介之二——多學(xué)科交匯，對(duì)多個(gè)領(lǐng)域重大影響神經(jīng)科學(xué)認(rèn)知科學(xué)人工智能心理學(xué)信息科學(xué)精神科學(xué)教育學(xué)醫(yī)學(xué)第7頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月腦科學(xué)簡(jiǎn)介之三——多種研究方法的應(yīng)用觀察探測(cè)仿真成像解剖內(nèi)省第8頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月二、認(rèn)識(shí)自己的腦——腦是一個(gè)怎樣的器官？1、自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)2、自然界最神奇的系統(tǒng)3、腦——專司信息的器官人與動(dòng)物區(qū)別的主要器官第9頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1、自然界最復(fù)雜的系統(tǒng)

是一個(gè)巨大的復(fù)雜系統(tǒng)

1011個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞和10倍的膠質(zhì)兩種結(jié)構(gòu)、兩種屬性：

生理結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)自然屬性和社會(huì)屬性細(xì)胞

第10頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月

第11頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦是地球上生命物質(zhì)億萬年演化的結(jié)果

從魚腦到腦的演化第12頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦是人類祖先幾百萬年勞動(dòng)的創(chuàng)造

種類腦重量神經(jīng)元總數(shù)（單位：億個(gè)）類人猿黑猩猩394ml43猩猩411ml

大猩猩506ml53非洲猿人南方古猿非洲種(300萬年前)422ml46-52南方古猿粗壯種(200萬年前)518ml鮑氏東非人(200萬年前)656ml人ER1470(能人)(200萬年前)775ml

直立人(60萬年前)1043ml

北京猿人(40萬年前)1043ml60-94智人1330ml

94-100現(xiàn)代人1450ml1000第13頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人類與黑猩猩的腦對(duì)比黑猩猩人類第14頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦的特殊性——與哺乳動(dòng)物腦的基本數(shù)據(jù)比較幾種動(dòng)物腦/體重之比種類鯨象大猩猩豚人腦重9000g6000g540g1600g1450g

腦/體比1/100001/10000.0020.01171/50第15頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦的基本數(shù)據(jù)之一●人腦平均重1400克，●包含有約1011次方個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞●10倍于神經(jīng)元的膠質(zhì)細(xì)胞?！衩總€(gè)神經(jīng)元又有大約104突觸，即大約有1015個(gè)突觸。第16頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦的基本數(shù)據(jù)之二腦的幾項(xiàng)指標(biāo)與人體所占例：

腦重量/人體比2%

血流量/人體比20%

耗氧量/人體比25%第17頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦的基本數(shù)據(jù)之三人腦的生長(zhǎng)過程年齡新生兒9個(gè)月3歲7歲成人重量（g）390660101112801400第18頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月人腦的基本數(shù)據(jù)之四

人腦的衰老過程年齡70歲80歲90歲重量（g）133012601120比例（%）959080人腦神經(jīng)元平均每日死亡數(shù)約50萬個(gè)。(出生時(shí)約1萬億）第19頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月2、腦是自然界最神奇的系統(tǒng)

1）腦存在特殊的耗散結(jié)構(gòu)特性——超耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

2）腦的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——1015的突觸連接的排列組合（超天文數(shù)字）3）腦內(nèi)存在五種基本心理相互作用及一體性第20頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1）腦具有特殊的耗散結(jié)構(gòu)——超耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，與周圍環(huán)境保持能量與物質(zhì)的持續(xù)交流，是一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非平衡態(tài)、非線性、有序的自組織系統(tǒng)超耗散結(jié)構(gòu)，大腦是具有“信息、能量、物質(zhì)”三個(gè)維度的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。所以我們稱其為超耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)第21頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月超耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性1.信息維度占有主導(dǎo)的地位，對(duì)腦的物質(zhì)能量耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)起著控制的作用2、存在發(fā)展的階段性和時(shí)間性上的敏感性。3.能自主獲取信息，學(xué)習(xí)和創(chuàng)造是大腦的本能4．腦的超耗散結(jié)構(gòu)使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)始終處于動(dòng)態(tài)建構(gòu)之中，人腦具有終身可塑性。5.創(chuàng)造了“物質(zhì)與精神”“存在與意識(shí)”統(tǒng)一的特殊空間。第22頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1.信息維度占有主導(dǎo)的地位，對(duì)腦的物質(zhì)能量耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)起著控制的作用1）反例——狼孩2）許多實(shí)例可以說明信息維度對(duì)于發(fā)展和維持人腦正常耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)有著決定性作用。如處于深度昏迷，醫(yī)學(xué)上稱為腦死亡的人停止信息交流，因此缺乏正常的“信息、能量、物質(zhì)”的三個(gè)維度耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明，這種病人大腦的能耗量比正常人低得多；“實(shí)驗(yàn)表明，藥物麻醉可導(dǎo)致大腦能量消耗顯著下降，”；“植物人的腦能量代謝比控制組低30—40%”【1】。第23頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月2)腦的復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)神經(jīng)元——神經(jīng)元簇（約1毫米尺度）——神經(jīng)元簇回路——腦功能子系統(tǒng)——腦整體網(wǎng)絡(luò)。第24頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月大腦功能的定性估計(jì)●“整個(gè)大腦網(wǎng)絡(luò)可以有多少條通路呢·據(jù)專家的保守估計(jì)，這是一個(gè)大到令人無法相信的數(shù)字，如果用標(biāo)準(zhǔn)打字機(jī)打出來，會(huì)有15萬千米總長(zhǎng)度的“0”!這個(gè)數(shù)字比全宇宙原子的總數(shù)目還要大上許多倍?！袢魧⑷虻碾娫捑W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和大腦電路網(wǎng)絡(luò)相比，它的復(fù)雜程度也僅僅占大腦網(wǎng)絡(luò)的一小部分。而且大腦的運(yùn)行速度也是任何電腦所無法比擬的。假如電腦每秒鐘運(yùn)行4億次，那么它要工作l00年，才能完成人腦1分鐘之內(nèi)做的事情”《腦科學(xué)導(dǎo)論》第25頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月3）五種基本心理相互作用

心——心相互有用心，心智是腦的功能心——腦相互作用腦是腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)心——身相互作用心——物相互作用心——社相互作用第26頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月3、腦——專司信息的器官

，（人區(qū)別動(dòng)物的主要器官）

腦的工作特性信息交流——學(xué)習(xí)是大腦的本能五種心理相互作用——?jiǎng)?chuàng)造是大腦的功能多元智能是腦的自然特性信息處理——定期適當(dāng)休息是腦的必須能量需要——腦需要新鮮空氣，所以需要活動(dòng)物質(zhì)需要——適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)，滿足記憶需要個(gè)性特性——人腦網(wǎng)絡(luò)的唯一性決定第27頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月三、基于腦的教育基本理論1、人腦有無限的潛在功能，每個(gè)人都有可能成為天才2、兒童敏感期期是腦復(fù)雜性系統(tǒng)特性——必須抓早期大腦開發(fā)3、學(xué)習(xí)是大腦的本能——教育必須以人為本，人人都需要學(xué)習(xí)，4、學(xué)習(xí)和記憶是大腦網(wǎng)絡(luò)功能——具有微觀和宏觀機(jī)制5、多元智能是腦的功能結(jié)構(gòu)特性——智能結(jié)構(gòu)6、人腦具有唯一性——必須尊重人的個(gè)性需求7、提高教學(xué)效率的腦科學(xué)原理——腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制超耗散結(jié)構(gòu)五種基本心理相互作用及一體化8、人應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持終身學(xué)習(xí)——腦具有終身可塑性，人腦健康的需要第28頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1、人腦有無限的潛在功能，每個(gè)人都有可能成為天才

1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性決定認(rèn)得智能水平“整個(gè)大腦網(wǎng)絡(luò)可以有多少條通路呢·據(jù)專家的保守估計(jì)，這是一個(gè)大到令人無法相信的數(shù)字，如果用標(biāo)準(zhǔn)打字機(jī)打出來，會(huì)有15萬千米總長(zhǎng)度的“0”!這個(gè)數(shù)字比全宇宙原子的總數(shù)目還要大上許多倍。第29頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月2）腦功能決定于后天的環(huán)境和教育任何一個(gè)大腦健康的人與一個(gè)偉大科學(xué)家之間并沒有不可跨越的鴻溝，他們的差別只是用腦的程度和方式不同，而這個(gè)鴻溝可以不斷填平，甚至可以超越，因?yàn)閺睦碚撋现v，人腦的潛能幾乎是無窮無盡的……《美國(guó)心理學(xué)會(huì)年度報(bào)告》反例：狼孩第30頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月初值敏感性是復(fù)雜性系統(tǒng)的基本特性●蝴蝶效應(yīng)●狼孩現(xiàn)象●猶太人效應(yīng)2、兒童敏感期期是腦復(fù)雜性系統(tǒng)特性——必須抓早期大腦開發(fā)

第31頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月3、學(xué)習(xí)是大腦的本能——教育必須以人為本，人人都需要學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)的本質(zhì)是獲取信息從腦的耗散結(jié)構(gòu)特性看，信息與物質(zhì)、能量撥那個(gè)列是大腦發(fā)育發(fā)展的基本需要，而且信息維度在腦的耗散活動(dòng)中起著主導(dǎo)作用，獲取信息是大腦的本能。結(jié)論：人人都需要學(xué)習(xí)，重要的是學(xué)什么，怎么學(xué)？第32頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月4、學(xué)習(xí)和記憶是大腦網(wǎng)絡(luò)功能——具有微觀和宏觀機(jī)制微觀機(jī)制——神經(jīng)元之間的功能連接——信息、能量、物質(zhì)過程。宏觀機(jī)制——網(wǎng)絡(luò)整體功能的建立（理論假設(shè)）第33頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月從微觀看：神經(jīng)元之間的關(guān)聯(lián)——學(xué)習(xí)過程是信息、能量、物質(zhì)過程

第34頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月宏觀機(jī)制——學(xué)習(xí)是發(fā)展網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)功能

神經(jīng)元——神經(jīng)元簇（約1毫米尺度）——神經(jīng)元簇回路——腦功能子系統(tǒng)——腦整體網(wǎng)絡(luò)?！皩W(xué)習(xí)是目標(biāo)導(dǎo)向的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。對(duì)于記憶，單個(gè)神經(jīng)元并不出色，但一起激活的整組神經(jīng)元的作用卻非常出色，這樣和諧地結(jié)合起來的神經(jīng)元交響樂正是學(xué)習(xí)的全部?！保ㄒ浴痘谀X的學(xué)習(xí)》P28）

第35頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月5、多元智能是腦的功能結(jié)構(gòu)特性多元智能是腦的結(jié)構(gòu)特性創(chuàng)造能力是腦功能的動(dòng)力學(xué)特性第36頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月腦科學(xué)的智能理論框架

智能心智能力行為能力覺醒能力認(rèn)知能力情感能力意志能力記憶能力思維能力語言能力其它能力運(yùn)動(dòng)能力適應(yīng)能力操作能力社會(huì)能力管理能力人際能力表達(dá)能力改變能力其它能力創(chuàng)造能力第37頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月6、人腦具有唯一性——必須尊重人的個(gè)性需求

復(fù)雜系統(tǒng)的初值敏感性決定人腦的千差萬別世界上沒有兩個(gè)相同的腦第38頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月7、腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制——提高教學(xué)效率的腦科學(xué)原理

五種基本心理相互作用的有效性和強(qiáng)弱決定教學(xué)的水平和效率第39頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月8、人應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持終身學(xué)習(xí)——腦具有終身可塑性，人腦健康的需要

腦的超耗散系統(tǒng)特性決定腦是一個(gè)動(dòng)態(tài)、不斷建構(gòu)的系統(tǒng)同一個(gè)人不同時(shí)間對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的大腦第40頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月四、從腦科學(xué)看當(dāng)前基礎(chǔ)教育課程改革1、腦科學(xué)看課程基本理念2、腦科學(xué)看“三維教學(xué)目標(biāo)”3、從腦科學(xué)看現(xiàn)行我國(guó)基礎(chǔ)教育課標(biāo)教材第41頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1、腦科學(xué)看課程基本理念

●“以人為本”符合“基于腦的學(xué)習(xí)”的原則

●面向全體學(xué)生發(fā)展，關(guān)注個(gè)性特長(zhǎng) 符合腦功能及開發(fā)基本理論

●注重科學(xué)探究、關(guān)注學(xué)習(xí)方法多樣化符合五種基本心里相互作用理論

第42頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月2、腦科學(xué)看“三維教學(xué)目標(biāo)”

1）注重過程與方法，就比單純知識(shí)有更豐富的信息，能促使更多的腦區(qū)參與，形成復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。教學(xué)結(jié)果：不僅能加深對(duì)知識(shí)的理解，保證技能的掌握，而且能學(xué)到與過程相關(guān)的許多相關(guān)知識(shí)和技能。如概念形成注重過程與方法，規(guī)律學(xué)習(xí)注重探究性學(xué)習(xí)過程物理實(shí)驗(yàn)倡導(dǎo)探究性實(shí)驗(yàn)。都會(huì)有更多的腦區(qū)參與，提高學(xué)習(xí)的有效性。結(jié)論：多種信息、多個(gè)腦區(qū)參與、網(wǎng)絡(luò)式學(xué)習(xí)和記憶，理解得較深，記得較老第43頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月2）、注重情感、態(tài)度和價(jià)值觀符合腦科學(xué)腦科學(xué)研究表明：情緒會(huì)影響學(xué)習(xí)過程神經(jīng)遞質(zhì)的分泌，直接影響學(xué)習(xí)效率。應(yīng)試教育，枯草、超負(fù)荷必然是低效率。情緒能力是人的智能結(jié)構(gòu)的重要部分，所以強(qiáng)調(diào)情感、態(tài)度和價(jià)值觀，也是大腦開發(fā)功能結(jié)論：既是提高學(xué)習(xí)效效率的需要，更是開發(fā)大腦功能本身的要求第44頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月3、從腦科學(xué)看現(xiàn)行我國(guó)基礎(chǔ)教育課標(biāo)教材

現(xiàn)行中小學(xué)教材普遍具有以下基本特點(diǎn)：1）以學(xué)生為本，貼近學(xué)生生活2）體現(xiàn)三維學(xué)習(xí)目標(biāo)3）聯(lián)系實(shí)際，體現(xiàn)動(dòng)手動(dòng)腦。第45頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月結(jié)論：基本符合腦科學(xué)，方向正確不足之處在于：缺乏智能結(jié)構(gòu)理論指引，對(duì)能力培養(yǎng)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃；缺乏五種基本心理相互作用理論指導(dǎo)，情景創(chuàng)設(shè)，問題提出，過程設(shè)計(jì)等存在一些不符合學(xué)生情況，要求不合理現(xiàn)象等第46頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月五、從腦科學(xué)看物理課程特殊教育功能與初步實(shí)踐

1、從腦科學(xué)看物理學(xué)科特性2、如何發(fā)揮物理學(xué)開發(fā)腦的教育功能

第47頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1、從腦科學(xué)看物理學(xué)科特性

1)、潛在的多元教育功能2)、特殊的學(xué)科教育品質(zhì)3）、獨(dú)特的文化教育特征第48頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月1)從智能結(jié)構(gòu)框架看物理學(xué)科潛在功能

智能心智能力行為能力覺醒能力認(rèn)知能力情感能力意志能力記憶能力思維能力語言能力其它能力運(yùn)動(dòng)能力適應(yīng)能力操作能力社會(huì)能力管理能力人際能力表達(dá)能力改變能力其它能力創(chuàng)造能力第49頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月物理學(xué)的潛在多元教育功能——學(xué)科內(nèi)容密切聯(lián)系生活，生產(chǎn)、文化——實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能培養(yǎng)動(dòng)手操作和實(shí)施能力——科學(xué)規(guī)律能培養(yǎng)嚴(yán)格的科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度——聯(lián)系實(shí)際，解決問題能培養(yǎng)創(chuàng)造能力第50頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月2）物理學(xué)的特殊學(xué)科教育品質(zhì)

——密切聯(lián)系生活，——能激發(fā)五種基本心理相互作用，

第51頁(yè),共59頁(yè)，星期六，2024年，5月3）物理學(xué)的獨(dú)特文化教育特征多學(xué)科的創(chuàng)新基礎(chǔ)技