腦科學與教育創(chuàng)新

關于腦科學與教育創(chuàng)新序——研究背景和問題提出現代社會對教育發(fā)展影響最大的兩個領域數字技術腦科學第2頁,共59頁，星期六，2024年，5月個人專業(yè)背景和興趣趨向●身在高校情系基礎教育，投身中學物理課程改革28年●為謀求教改深入研究，申請全國教育科學研究課題，年逾花甲步入腦科學領域，●結識著名腦科學家唐孝威院士，快步躋身腦科學與教育的研究前沿●創(chuàng)建中國創(chuàng)造學會大腦開發(fā)研究會，致力我國教育界的腦科學與教育的普及與研究活動。第3頁,共59頁，星期六，2024年，5月主要內容一、腦科學簡介二、認識自己的腦——腦是一個怎樣的器官？三、基于腦的教育基本理論四、從腦科學看當前基礎教育課程五、從腦科學看物理課程特殊教育功能與初步實踐

第4頁,共59頁，星期六，2024年，5月一。腦科學簡介

1.基本研究領域2.多學科交匯3.基本研究方法第5頁,共59頁，星期六，2024年，5月腦科學簡介之一——基本研究領域認識腦保護腦開發(fā)腦仿造腦第6頁,共59頁，星期六，2024年，5月腦科學簡介之二——多學科交匯，對多個領域重大影響神經科學認知科學人工智能心理學信息科學精神科學教育學醫(yī)學第7頁,共59頁，星期六，2024年，5月腦科學簡介之三——多種研究方法的應用觀察探測仿真成像解剖內省第8頁,共59頁，星期六，2024年，5月二、認識自己的腦——腦是一個怎樣的器官？1、自然界最復雜的系統(tǒng)2、自然界最神奇的系統(tǒng)3、腦——專司信息的器官人與動物區(qū)別的主要器官第9頁,共59頁，星期六，2024年，5月1、自然界最復雜的系統(tǒng)

是一個巨大的復雜系統(tǒng)

1011個神經元細胞和10倍的膠質兩種結構、兩種屬性：

生理結構與功能結構自然屬性和社會屬性細胞

第10頁,共59頁，星期六，2024年，5月

第11頁,共59頁，星期六，2024年，5月人腦是地球上生命物質億萬年演化的結果

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

種類腦重量神經元總數（單位：億個）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現代人1450ml1000第13頁,共59頁，星期六，2024年，5月人類與黑猩猩的腦對比黑猩猩人類第14頁,共59頁，星期六，2024年，5月人腦的特殊性——與哺乳動物腦的基本數據比較幾種動物腦/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,共59頁，星期六，2024年，5月人腦的基本數據之一●人腦平均重1400克，●包含有約1011次方個神經元細胞●10倍于神經元的膠質細胞。●每個神經元又有大約104突觸，即大約有1015個突觸。第16頁,共59頁，星期六，2024年，5月人腦的基本數據之二腦的幾項指標與人體所占例：

腦重量/人體比2%

血流量/人體比20%

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

人腦的衰老過程年齡70歲80歲90歲重量（g）133012601120比例（%）959080人腦神經元平均每日死亡數約50萬個。(出生時約1萬億）第19頁,共59頁，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構特性——超耗散結構系統(tǒng)

2）腦的復雜神經網絡結構——1015的突觸連接的排列組合（超天文數字）3）腦內存在五種基本心理相互作用及一體性第20頁,共59頁，星期六，2024年，5月1）腦具有特殊的耗散結構——超耗散結構系統(tǒng)

耗散結構系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，與周圍環(huán)境保持能量與物質的持續(xù)交流，是一個遠離平衡態(tài)的非平衡態(tài)、非線性、有序的自組織系統(tǒng)超耗散結構，大腦是具有“信息、能量、物質”三個維度的耗散結構系統(tǒng)。所以我們稱其為超耗散結構系統(tǒng)第21頁,共59頁，星期六，2024年，5月超耗散結構系統(tǒng)特性1.信息維度占有主導的地位，對腦的物質能量耗散結構活動起著控制的作用2、存在發(fā)展的階段性和時間性上的敏感性。3.能自主獲取信息，學習和創(chuàng)造是大腦的本能4．腦的超耗散結構使神經網絡始終處于動態(tài)建構之中，人腦具有終身可塑性。5.創(chuàng)造了“物質與精神”“存在與意識”統(tǒng)一的特殊空間。第22頁,共59頁，星期六，2024年，5月1.信息維度占有主導的地位，對腦的物質能量耗散結構活動起著控制的作用1）反例——狼孩2）許多實例可以說明信息維度對于發(fā)展和維持人腦正常耗散結構活動有著決定性作用。如處于深度昏迷，醫(yī)學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”的三個維度耗散結構活動，實驗表明，這種病人大腦的能耗量比正常人低得多；“實驗表明，藥物麻醉可導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,共59頁，星期六，2024年，5月2)腦的復雜神經網絡結構神經元——神經元簇（約1毫米尺度）——神經元簇回路——腦功能子系統(tǒng)——腦整體網絡。第24頁,共59頁，星期六，2024年，5月大腦功能的定性估計●“整個大腦網絡可以有多少條通路呢·據專家的保守估計，這是一個大到令人無法相信的數字，如果用標準打字機打出來，會有15萬千米總長度的“0”!這個數字比全宇宙原子的總數目還要大上許多倍?！袢魧⑷虻碾娫捑W絡系統(tǒng)和大腦電路網絡相比，它的復雜程度也僅僅占大腦網絡的一小部分。而且大腦的運行速度也是任何電腦所無法比擬的。假如電腦每秒鐘運行4億次，那么它要工作l00年，才能完成人腦1分鐘之內做的事情”《腦科學導論》第25頁,共59頁，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網絡心——身相互作用心——物相互作用心——社相互作用第26頁,共59頁，星期六，2024年，5月3、腦——專司信息的器官

，（人區(qū)別動物的主要器官）

腦的工作特性信息交流——學習是大腦的本能五種心理相互作用——創(chuàng)造是大腦的功能多元智能是腦的自然特性信息處理——定期適當休息是腦的必須能量需要——腦需要新鮮空氣，所以需要活動物質需要——適當的蛋白質，滿足記憶需要個性特性——人腦網絡的唯一性決定第27頁,共59頁，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，每個人都有可能成為天才2、兒童敏感期期是腦復雜性系統(tǒng)特性——必須抓早期大腦開發(fā)3、學習是大腦的本能——教育必須以人為本，人人都需要學習，4、學習和記憶是大腦網絡功能——具有微觀和宏觀機制5、多元智能是腦的功能結構特性——智能結構6、人腦具有唯一性——必須尊重人的個性需求7、提高教學效率的腦科學原理——腦功能發(fā)育發(fā)展的動力學機制超耗散結構五種基本心理相互作用及一體化8、人應當堅持終身學習——腦具有終身可塑性，人腦健康的需要第28頁,共59頁，星期六，2024年，5月1、人腦有無限的潛在功能，每個人都有可能成為天才

1）神經網絡的復雜性決定認得智能水平“整個大腦網絡可以有多少條通路呢·據專家的保守估計，這是一個大到令人無法相信的數字，如果用標準打字機打出來，會有15萬千米總長度的“0”!這個數字比全宇宙原子的總數目還要大上許多倍。第29頁,共59頁，星期六，2024年，5月2）腦功能決定于后天的環(huán)境和教育任何一個大腦健康的人與一個偉大科學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，而這個鴻溝可以不斷填平，甚至可以超越，因為從理論上講，人腦的潛能幾乎是無窮無盡的……《美國心理學會年度報告》反例：狼孩第30頁,共59頁，星期六，2024年，5月初值敏感性是復雜性系統(tǒng)的基本特性●蝴蝶效應●狼孩現象●猶太人效應2、兒童敏感期期是腦復雜性系統(tǒng)特性——必須抓早期大腦開發(fā)

第31頁,共59頁，星期六，2024年，5月3、學習是大腦的本能——教育必須以人為本，人人都需要學習學習的本質是獲取信息從腦的耗散結構特性看，信息與物質、能量撥那個列是大腦發(fā)育發(fā)展的基本需要，而且信息維度在腦的耗散活動中起著主導作用，獲取信息是大腦的本能。結論：人人都需要學習，重要的是學什么，怎么學？第32頁,共59頁，星期六，2024年，5月4、學習和記憶是大腦網絡功能——具有微觀和宏觀機制微觀機制——神經元之間的功能連接——信息、能量、物質過程。宏觀機制——網絡整體功能的建立（理論假設）第33頁,共59頁，星期六，2024年，5月從微觀看：神經元之間的關聯——學習過程是信息、能量、物質過程

第34頁,共59頁，星期六，2024年，5月宏觀機制——學習是發(fā)展網絡整體結構功能

神經元——神經元簇（約1毫米尺度）——神經元簇回路——腦功能子系統(tǒng)——腦整體網絡?！皩W習是目標導向的神經網絡的發(fā)展。對于記憶，單個神經元并不出色，但一起激活的整組神經元的作用卻非常出色，這樣和諧地結合起來的神經元交響樂正是學習的全部?！保ㄒ浴痘谀X的學習》P28）

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

智能心智能力行為能力覺醒能力認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動能力適應能力操作能力社會能力管理能力人際能力表達能力改變能力其它能力創(chuàng)造能力第37頁,共59頁，星期六，2024年，5月6、人腦具有唯一性——必須尊重人的個性需求

復雜系統(tǒng)的初值敏感性決定人腦的千差萬別世界上沒有兩個相同的腦第38頁,共59頁，星期六，2024年，5月7、腦功能發(fā)育發(fā)展的動力學機制——提高教學效率的腦科學原理

五種基本心理相互作用的有效性和強弱決定教學的水平和效率第39頁,共59頁，星期六，2024年，5月8、人應當堅持終身學習——腦具有終身可塑性，人腦健康的需要

腦的超耗散系統(tǒng)特性決定腦是一個動態(tài)、不斷建構的系統(tǒng)同一個人不同時間對應兩個不同結構的大腦第40頁,共59頁，星期六，2024年，5月四、從腦科學看當前基礎教育課程改革1、腦科學看課程基本理念2、腦科學看“三維教學目標”3、從腦科學看現行我國基礎教育課標教材第41頁,共59頁，星期六，2024年，5月1、腦科學看課程基本理念

●“以人為本”符合“基于腦的學習”的原則

●面向全體學生發(fā)展，關注個性特長 符合腦功能及開發(fā)基本理論

●注重科學探究、關注學習方法多樣化符合五種基本心里相互作用理論

第42頁,共59頁，星期六，2024年，5月2、腦科學看“三維教學目標”

1）注重過程與方法，就比單純知識有更豐富的信息，能促使更多的腦區(qū)參與，形成復雜性網絡結構。教學結果：不僅能加深對知識的理解，保證技能的掌握，而且能學到與過程相關的許多相關知識和技能。如概念形成注重過程與方法，規(guī)律學習注重探究性學習過程物理實驗倡導探究性實驗。都會有更多的腦區(qū)參與，提高學習的有效性。結論：多種信息、多個腦區(qū)參與、網絡式學習和記憶，理解得較深，記得較老第43頁,共59頁，星期六，2024年，5月2）、注重情感、態(tài)度和價值觀符合腦科學腦科學研究表明：情緒會影響學習過程神經遞質的分泌，直接影響學習效率。應試教育，枯草、超負荷必然是低效率。情緒能力是人的智能結構的重要部分，所以強調情感、態(tài)度和價值觀，也是大腦開發(fā)功能結論：既是提高學習效效率的需要，更是開發(fā)大腦功能本身的要求第44頁,共59頁，星期六，2024年，5月3、從腦科學看現行我國基礎教育課標教材

現行中小學教材普遍具有以下基本特點：1）以學生為本，貼近學生生活2）體現三維學習目標3）聯系實際，體現動手動腦。第45頁,共59頁，星期六，2024年，5月結論：基本符合腦科學，方向正確不足之處在于：缺乏智能結構理論指引，對能力培養(yǎng)進行系統(tǒng)規(guī)劃；缺乏五種基本心理相互作用理論指導，情景創(chuàng)設，問題提出，過程設計等存在一些不符合學生情況，要求不合理現象等第46頁,共59頁，星期六，2024年，5月五、從腦科學看物理課程特殊教育功能與初步實踐

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

第47頁,共59頁，星期六，2024年，5月1、從腦科學看物理學科特性

1)、潛在的多元教育功能2)、特殊的學科教育品質3）、獨特的文化教育特征第48頁,共59頁，星期六，2024年，5月1)從智能結構框架看物理學科潛在功能

智能心智能力行為能力覺醒能力認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動能力適應能力操作能力社會能力管理能力人際能力表達能力改變能力其它能力創(chuàng)造能力第49頁,共59頁，星期六，2024年，5月物理學的潛在多元教育功能——學科內容密切聯系生活，生產、文化——實驗動手能培養(yǎng)動手操作和實施能力——科學規(guī)律能培養(yǎng)嚴格的科學精神、科學態(tài)度——聯系實際，解決問題能培養(yǎng)創(chuàng)造能力第50頁,共59頁，星期六，2024年，5月2）物理學的特殊學科教育品質

——密切聯系生活，——能激發(fā)五種基本心理相互作用，

第51頁,共59頁，星期六，2024年，5月3）物理學的獨特文化教育特征多學科的創(chuàng)新基礎技