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吳祖仁:腦科學教育係列報告之一(WORD版本)


2019年10月13日 11:38  點擊:[1]

吳祖仁:腦科學教育係列報告之一(WORD版本)

第一節自然界最複雜的係統

說明:這部分內容隻需一般性了解。但請大家明白,因為腦很複雜,所以有無限可開發潛力;具有可變性,不要把“差生”看扁;具有突變性,要關注學生的突然變化;基礎教育的重要性,決定人的一生發展。

一、     複雜性係統的基本特性

複雜性係統特征(從科學方法論的角度體現一下)

   ()非線性

非線性線性是一對數學概念,用於區分數學中不同變量之間兩種性質不同的關係。可以從本體論和方法論兩個層麵來認識和區分線性思維和非線性思維。

從函數表達說,線性是一次函數  z=ax+by

非線性是       z=axn  n不等於1

從圖像說,線性是直線,後者是曲線

從本體論角度來看,線性思維認為,現實世界本質上是線性的,非線性不過是對線性的偏離或幹擾。非線性思維認為,現實世界本質上是非線性的,但非線性程度和表現形式千差萬別,線性係統不過是在簡單情況下對非線性係統的一種可以接受的近似描述。

從方法論角度來看,線性思維認為,非線性一般都可以簡化為線性來認識和處理。非線性思維認為,一般情況下都要把非線性當成非線性來處理,隻有在某些簡單情況下才允許把非線性簡化為線性來處理。

非線性作用是複雜性的主是要根源.是係統無限多樣性、不可預測性和差異性的根本原因。非線性思維是一種直麵事物本身的複雜性以及事物之間相互關係的複雜性、運用超越直線式的思維去力爭更清晰的理解和把握認識對象的思維方式。不可否認,在認識簡單的事物時,直線式的思維方式有利於提高認識的效率。如經典物理的一係列模型,如質點、勻速直線運動;彈性形變、彈性碰撞、單擺、簡諧運動等都是簡單的線性模型,都是理想模型,是忽略很多因素後的抽象。物理學曆史表明,正是伽利略、牛頓提出理想模型思想才開創了輝煌的經典力學時代。但是經典力學隻是真實世界的近似。應用力學,如航空、航天領域都是非線性的,都不能用簡單模型計算。

長期來,我們的基礎教育,包括高等教育,基本上是線性理論,回避複雜性思維,但是真實世界是複雜的,應該用複雜性思維去考慮。所以有人說“物理學一個實際問題也解決不了!”,這一說法雖然有些極端,但是在解決實際問題時,往往都不能完全搬用書本中的物理模型。如果用線性思維去處理複雜性係統,如在技術、經濟領域就會出大問題。回想中國的“人口問題”、五八年的大躍進的問題,當代一些工程問題,本質上都是由於缺乏複雜性思維,給國家和民族帶了災難性的後果。

  ()不確定性

不確定性是針對確定性而言的,是對確定性的否定。“不確定性“是複雜性係統的一個基本特性。

人造衛星發射過程為什麼要不斷調整運動姿態,要控製,因為運動過程存在不確定因素;為了使大量的零部件能夠裝成一台符合設計標準的機器,工程上首先要規定技術標準,規定機器零件生產過程的“公差”精度,這個公差就是不確定性。可見,所謂“不確定性“不是絕對不能確定,而是不能確定在一個確定的軌道上,但是可以控製在一個”管道“內,即可以控製在一定的空間範圍。像雜技表演控製在一定範圍——動平衡。

在近代科學發展史上,以牛頓力學為代表的經典自然科學向人們描繪了一幅確定性的世界願景,然而現代科學的發展完全打破了他們的美妙理想。20世紀初的量子力學首先打破了“確定性”圖像,提出“海森堡測不準原理”,但是,習慣於確定性思維的人對“海森堡測不準原理”始終格格不入。二十世紀60年代以來,現代係統科學中關於混沌現象的研究,卻打破了傳統科學中把確定性不確定性截然分割的思想禁錮,並用大量客觀事實和實驗表明,正是由於確定性和不確定性的相互聯係和相互轉化,才構成了豐富多彩的現實世界。著名科學家普裏高津曾說:我堅信,我們正處在科學史中一個重要的轉折點上。我們走到了伽利略和牛頓所開辟的道路的盡頭,他們給我們描繪了一個時間可逆的確定性宇宙的圖景。我們現在卻看到了確定性的腐朽和物理學定義新表述的誕生。

美國密歇根大學地質科學家亨利·N.波拉克(H.N.Pollack,1936)說:科學會因為不確定性而衰弱嗎?恰恰相反,許多科學的成功正是由於科學家在追求知識的過程中學會了利用不確定性。不確定性非但不是阻礙科學前行的障礙,而且是推動科學進步的動力。科學是靠不確定性繁榮的。

  ()自組織性

  組織是指係統內的有序結構或這種有序結構的形成過程。德國理論物理學家哈肯依據組織的進化形式把組織分為他組織和自組織兩類。自組織是相對於他組織而言的,我們一般把不能自行組織、自行創生、自行演化,不能夠自主地從無序走向有序的組織稱為他組織相反,自組織是指無需外界特定指。他組織隻能依靠外界的特定指令來推動組織向有序演化,從而被動地從無序走向有序。令就能自行組織、自行創生、自行演化,能夠自主地從無序走向有序,形成有結構的係統。

  自組織理論是20世紀60年代末期開始建立並發展起來的一種係統理論。它的研究對象主要是複雜自組織係統(生命係統、社會係統)的形成和發展機製問題,即在一定條件下,係統是如何自發地由無序走向有序、由低級有序走向高級有序的。一般認為自組織理論由耗散結構理論、協同學、突變論、超循環理論、分形理論和混沌理論組成。其中,耗散結構理論是解決自組織出現的條件環境問題的,協同學基本上是解決自組織的動力學問題的,突變論從數學抽象的角度研究了自組織的途徑問題,超循環論解決了自組織的結合形式問題,分形理論和混沌理論則從時序和空間序的角度研究了自組織的複雜性和圖景問題。一般認為,係統開放、遠離平衡、非線性相互作用、漲落是自組織形成的基本條件。

自組織現象無論在自然界還是在人類社會中都普遍存在。一個係統自組織功能愈強,其保持和產生新功能的能力也就愈強。我們把這種無需外界控製和幹擾、通過係統自身的調節和演化達到有序的特性稱為自組織性,如達爾文提出的物競天擇,適者生存,就可以看成是自然界中的生物通過生態係統的自身調節而達到的不同物種之間進化發展的自組織過程。

地球上生態的演化發展是一個複雜的自組織過程。幾十一年的演化形成大約3000萬種動物;2000萬種植物。我們常說抗菌素失效,菌種變異。就是微生物的自主演化。

神經係統和腦的演化和發展是最神奇的自組織過程。腦是最複雜的自組織係統。

  ()湧現性

  複雜性科學把係統整體具有而部分或者部分和所不具有的屬性、特征、行為、功能等特性稱為湧現性。也就是說,當我們把整體還原為各個部分時,整體所具有的這些屬性、特征、行為、功能等便不可能體現在單個的部分上。複雜性是隨著事物的演化從簡單性中湧現出來的。雖然湧現性是整體的一種現象和特性,但是整體的現象和特性不一定都是湧現。當構成整體的各部分形成有機的整合,即集成為一個新的複雜體係時,就會出現湧現性。

突發性是一種特殊的湧現性。自然界惡劣的氣象現象是湧現性;當前生活中某些地區突發性事件就屬於複雜社會的湧現性;大腦功能的形成屬於湧現性。開發大腦,將無序的神經元係統形成有序的結構就是建構腦的“湧現性”

(五)、初值的敏感性

“蝴蝶效應”是最典型的複雜係統初值敏感性。“蝴蝶效應”的形象的比喻:亞馬孫河上一隻蝴蝶的翅膀抖動一下就可以在美國的德克薩斯州引起一場風暴。

物種的多樣性問題  回顧生命演化的曆史,生命從單細胞開始,為什麼幾十億年後會演化出形形色色的動物和植物。用處置敏感性就比較容易理解。假設億萬年前,生物之間存在的某些很小的差異,逐漸形成明顯差異,以致成為不同物種。

幼兒教育的敏感期  嬰兒早期的環境和教育的差異會導致人的智能重大差異。

三、腦是自然界最複雜的係統

至所以說腦是自然界最複雜的係統,我們可以從以下三方麵去理解:複雜的生理結構;複雜的功能結構;腦功能發育發展的複雜過程和初值敏感性。

1、複雜的生理結構

一百多年前,從解剖生理學研究發現人的大腦存在左右兩個半球

狀結構(腦的半球)

1  腦的左右半球

廣大百姓中幾近普及的左右腦概念就是由此而來。進一步研究發現大腦功能存在分區結構,最先發現腦具有十一個分區(   2  ),

   2  腦的十一個分區結構

後來發現52個腦區,進一步發現腦有更複雜的分區結構,現代腦科學研究表明,人的大腦存在很精細的空間分區結構,每一個功能都定位於解剖學上一個專一性腦區。而一個專一性腦區包含幾百到幾千個神經元細胞,其空間尺寸大約才幾十——幾百微米。這就是說,腦科學已經從實驗發現,一個專一性腦區的空間尺度不足 一毫米 。由此可以想象,人的大腦該有多麼複雜的功能區結構!

從神經生物學的角度說,腦區的功能結構的物質基礎是神經元網絡。神經元細胞是最基本的信息結構單元。人的中樞神經係統大約有10 ——10 個神經元細胞(3)。

        3,神經元結構圖

每個神經元細胞又有數以千計的突觸。大腦神經網絡就是通過不同神經元突觸之間的相互作用而形成的某種信息功能關聯建立起來的。我們後麵將會知道人腦具有十分複雜的功能區域結構,也即蘊藏著十分巨大的信息功能。大腦功能各個區域既有功能分工,又相互協作,形成網絡式功能結構。

   4  電子顯微鏡下的神經元網絡

人腦的中樞神經生理結構可以看成是人的大腦信息功能的硬件係統。這個係統是人類祖先在幾百萬年的勞動與創造,與自然界的不斷鬥爭中及其在頻繁的社會交往中,在社會環境中逐漸演化發展起來的。幾百萬年前,類人猿與今天的大猩猩的大腦結構基本差不多,腦重量約 400 ,沒有什麼複雜精細的大腦皮層結構。人腦和高級動物大腦的生理區別主要是人類有數倍於大腦本身質量的大腦皮層結構()。

這是人類祖先在漫長曆史的勞動和創造中逐漸進化而來的。現在看來,馬克思說“勞動創造了人類本身”的含義主要應該是指創造了神奇的大腦。所以,我們每一個人的大腦的生理結構都是繼承了人類祖先幾百萬年的勞動和創造的偉大成果,而且對於每一個健康人都是平權的,都得到祖先賜給的這份珍貴遺產。

人腦的複雜生理結構是人腦具有神奇功能的物質基礎。人腦的生理結構是自然屬性,可以從遺傳和自然生活形成。但是人腦的信息功能,行為習慣意誌品質、知識和能力是社會屬性,不能從遺傳直接得到,都必須通過後天的環境和教育,都必須靠每一人自身的參與、努力才能形成。所以,不同的家庭文化背景,不同的群族、不同的教育經曆,不同的社會條件,會造就千差萬別的人。

2、人腦具有非常巨大的複雜的潛在功能結構

人腦的複雜生理結構是大腦功能的物質基礎,人腦的複雜生理結構決定它具有神奇的潛在功能。大腦功能結構的物質基礎是神經元網絡。神經元細胞是構成神經網絡的最基本的信息結構單元。人的中樞神經係統大約有10 ——10 個神經元細胞。每個神經元細胞又有數以千計的突觸。大腦神經網絡是通過不同神經元突觸之間的相互作用而形成神經通道聯建立起來的。一個神經元可以與周圍的幾十個,幾百個,甚至上千個神經元的突觸建立聯係。所以人的大腦可以建立非常複雜的神經網絡係統。因而人腦可以具有非常強大的功能。有學者估算,若將全球的電話網絡係統和大腦網絡相比,電話網絡的複雜程度也僅僅能占大腦網絡的一小部分。假如某個電腦每秒鍾運行4億次,那麼人腦1分鍾之內做的事情,這台電腦則需要工作100年才能完成。

但是科學界公認,目前人腦功能利用率不足5%,這就是說,95%以上的腦細胞的潛能並沒有被我們所利用。許多人感歎,這也許是當今社會最大的一個資源浪費。但是,從另一方麵也告訴我們,開發人類大腦功能有著極其廣闊的前景和巨大的意義。設想,如果我們大腦的功能開發擴展幾倍,如達到20——30%,那將不得了,人的智慧、能力將提高數倍,如閱讀速度提高幾倍、記憶力提高幾倍、思維能力和動手能力提高幾倍,那將會使大批普通人提高到現在偉大人物的水平,成為“天才”。所以,從這個意義上講,我們把幼兒大腦功能全麵開發的教育稱之為把普通人開發成“天才”、“奇才”的教育!這將從根本上回答“錢學森之問”,將大批地培養出傑出的科學技術創新人才。  

很多人都在說,“現在的孩子真聰明!”這是因為現在的孩子從小享受立體化的教育,從小生活在電視、網絡、豐富的媒體教育之中,現在的家長也具有一定的早期教育意識和能力。所以,現代孩子的大腦受到比較良好的開發。

當今世界,由於人口不斷增長,人類在能源和物質消費方麵的欲望的不斷提高,導致對地球上有限資源的無度開采,帶來越來越嚴重的全球性資源、環境和生態危機。要從根本上解決這些問題,隻能靠智慧,靠神奇的大腦所能發揮的神奇智慧和創造。如,高效率的太陽能發電,葉綠體發電的開發與普及,完全有望通過利用太陽能解決能源問題。果真如此,就可以大幅度減少甚至停止使用礦物燃料,就能有效恢複環境,改善生態係統。

開發大腦功能的目的就是要普遍地大大提高人的綜合素質、成倍地、數倍地提高人的智商、情商和行商,普遍地提高民族的創造力,把當今人們看來還是科學幻想變成現實,從而創造出神話般的世界。事實上,看看現在的世界,對比一個世紀以前的社會,就已經發生神話般變化。假設有一個人從十九世紀末開始長眠,現在突然醒來,這個人一定以為自己進入一個十足的魔幻世界。科學和技術有著無限廣闊的發展空間。人類在20世紀科學技術的基礎上已經創造出當今如此發達的文明,通過全麵開發大腦功能,造就更高水平智慧的人類,就會攻克一個個科技難題,做出神奇的發現和創造,創造出當今人們難以想象的魔幻般的未來文明。

1、腦功能發育發展複雜過程(從結構形成過程認識腦的複雜性)。

——自然演化與社會演化的結合

人腦的大腦功能是慢慢建立起來的,我們知道,嬰兒一般到10個月,才會叫“媽”到三歲才學會簡單的生活用語。中國人學漢語要中小學12年,加上幼兒園共計15.中小學,加上大學,在走上工作崗位之前要接受近20年的教育和學習。從腦科學的角度看,這二十年就是進行大腦功能開發,不但要在認知,而且還要在情感、意誌和行為等方麵進行開發,就是通過各種課程的學習,完成基本神經網絡的建構。

那麼,從神經科學看,人的神經網絡是怎麼構建起來的呢?神經網絡的結構的層次包括:生物大分子、神經元、神經元簇,神經元簇回路、腦功能子係統和腦整體網絡。一個神經元族由一群功能及定位都比較接近或相關的神經元構成,一個神經元族回路由一群功能類似或相關的神經元族及其連接構成。一個功能子係統由完成同一種功能的,包括大量神經元族回路的有關腦區及其連接組成。腦整體網絡由許多具有不同功能的、相對獨立而又相互連接和相互作用的功能子係統組成。”(《心智的無意識活動》P9——10  

這個過程是非常緩慢、複雜的。。需要一個神經通道,一個神經通道地連接,一個專一性腦區一個專一性腦區地建立。其一般過程如下:由神經元與神經元之間的突觸的關聯建立神經元通路,這樣的過程繼續發生,在周圍同類神經元之間形成神經元簇,進一步形成神經元簇回路,再進一步發展成功能子係統,形成整體神經網絡。我們前麵說的一個“媽“字,就需要有幾百個神經元組成的專一性腦區才能支持這一功能。而文字與語言又不是同一個腦區。腦科學實驗已經證明,聽讀、說、寫同一個字,都對應不同的腦區。所以,單就語言和文字能力的學習就需要形成非常複雜的腦區結構。況且,我們還要學習自然科學、社會科學、人文學科,多種技能、技術;學習各種行為、習慣、意識、道德、品質等,這一切都對應完全不同的神經網絡或腦區結構。可以想象,大腦功能的腦區結構會多麼複雜。

人腦的功能是不斷發展的,大腦具有終生可塑性,是一個生態係統。

由上,可以看出人腦不但有複雜的生理結構、神奇的功能結構,而且是一個不斷變化的生態係統。所以,是自然界最複雜的係統。

2、          腦的早期發育敏感性

複雜係統的一個重要特點是初值敏感性。人出生後的家庭和社會環境千差萬別。“差之毫厘失之千裏”,世界上沒有兩個完全相同的腦。孩子在早期生活的種種微小差別。

第二節 兩種基本結構

提示:教育的作用就是是大腦從生理結構向功能結構轉變。轉變的早晚、好壞,直接決定一個人的能力。

 腦有兩種基本結構。一是生理結構,二是功能結構。關於功能結構,要先做點說明。我們指的功能結構,不包括反映人的生理活動,如呼吸、心跳、血壓、血糖等各種生理指標信息的控製功能。這類生理信息也是腦控製的,但屬於內腦部分,如腦幹係統,這是生理遺傳帶來的,是腦的自然特性。這裏指的信息功能是後天形成的功能,信息功能結構也是人在後天學習過程中逐漸形成的。

大腦的生理結構主要由大約有1011的神經元細胞和10倍於神經元細胞的膠質細胞構成。人出生時,就具有1011個神經元細胞,但相互之間是沒有直接聯係的,整體處於無序狀態。新生嬰兒基本沒有信息功能,除了對冷熱,饑餓等信息有感知外,對周圍世界缺乏基本感知能力。視覺、聽覺等感知能力也都需要在出生後的環境和教育中逐漸形成。科學家曾做過貓眼實驗,將新生貓一隻眼睛擋住兩周後,這一隻眼睛永遠失去視力,而另一隻眼睛視力正常。人與哺乳動物的視力係統是非常接近的,由此推斷,如果孩子出生後一段時間內缺乏適度光照環境,這個孩子的視力就會出現嚴重問題。

人腦的信息功能是在生理結構的基礎上,通過感覺器官從外界獲取信息,輸入大腦,形成記憶,形成網絡結構,隨著神經網絡結構的發展,腦的信息功能也逐漸發育、發展起來的。

大腦功能的發展過程大體是這樣的,首先是通過眼、耳等感官,將周圍的信息傳入大腦,在某些位置的神經元的突觸之間發生耦合,有蛋白質生成,形成記憶,並形成神經元通路。類似的現象不斷發生,逐漸將這種學習和記憶的過程在同類神經元中傳遞,形成神經元簇,進一步擴大形成專一性腦區。這時孩子就具有某種大腦功能。比如,認識媽媽,學會叫“媽媽;認識蘋果,認識喝水的杯子,等;”;學會拿東西、會搖鈴等動作。這樣的過程大約需要一周歲,或者英雄聯盟全球總決賽預測的時間。在這個過程中,我們看到的是孩子一點一點地學會了本領,看不見的是發生在孩子腦內的神經結構的形成和發展,一個個專一性腦區的形成。

第二,在形成一個個專一性腦區基礎上,相關腦區形成連接。形成具有複雜功能的神經網絡結構。這樣,就在生理結構的基礎上形成了腦的功能結構。

聯想一個人的成長過程,從小到大,一點點學習,一天天成長,可以看到知識一點點地增長,能力逐漸地斷提高,人格不斷地養成和發展。但是,從腦科學我們知道,一個隱藏在大腦內部,人們直接看不到的現象一直在大腦內進行著,那就是大腦內神經網絡結構在一點點建構,腦區在一個個形成。這個過程就是腦從生理結構的基礎上逐漸形成功能結構的過程,即神經元係統從無序逐漸變成有序的神經網絡結構的過程。

 腦的生理結構是先天的,靠遺傳獲得的。人腦的生理結構是生命係統億萬年演化,尤其是人類祖先在百萬年曆史中通過勞動和創造演化、發展形成的。人的生理結構是每個人通過自己的父母遺傳得到的,這是每個人從生命世界獲得的一筆珍貴的豐厚的曆史遺產,對每一個健康孩子是平權的;腦的功能結構是不能靠遺傳直接獲得的,是在先天生理結構的基礎上,通過後天的環境、學習和教育逐漸形成的,或者說必須是在後天的環境和教育作用下,通過每個人自身的努力才能逐漸形成的。從這個意義上說,腦的功能結構具有社會屬性。

腦的功能與先天的遺傳是否有關係呢?這是一個很多人都關心,又難以完全說清楚的問題。實際上,既然生理結構是功能結構的基礎,就表明兩者有著重要關係。

首先,一切基於生理結構的現象都必然會在一定程度上與遺傳有關係。因為人的生命係統是從一個細胞不斷分裂發育起來的,每次分裂都攜帶原始的基因信息,大腦也不例外,也必定攜帶原始的基因信息。

但是,腦科學界有一個流傳很廣的論點,“一個大腦健康的人與一個偉大的科學家之間並沒有根本的區別,,,,,,,”,如何理解呢?這句話並不否認遺傳對腦功能的作用,而是強調腦的可開發潛在功能非常大,以至於先天因素與它相比幾乎可以忽略。以此突出,腦功能好壞,聰明與否關鍵在於環境與教育,決定於腦功能的開發。

這裏我們要提醒一點,家庭是不同的,社會是複雜的。人出生的家庭,所處的周圍環境,享受的學校教育的差別可能會較大,這就會對不同的孩子大腦發育發展產生相應的差別。這個問題以後還要詳細的討論。

那麼,關於遺傳對腦功能的影響是否存在一些可觀察的,顯然的因素呢?筆者經過研究認為,實際上也是有的,而且是明顯的,隻是長期來沒有被人們認真研究而已。大家知道,一台照相機的性能,關鍵是鏡頭。人的眼睛好比照相機鏡頭;一套擴音係統,話筒也很關鍵,它的質量對音響係統也有舉足輕重的作用。人的耳朵是受話器,聽覺對人的學習非常重要。漢語的聰字造得很好,左邊是耳朵,右邊上麵兩點表示眼睛,而後下麵才是口和心。可以理解成為有了耳朵,眼睛,才能發揮嘴的作用,才能有心裏活動。聰耳明目,一個人如果眼睛耳朵敏銳、接受的信息多而準確,一定比較聰明。所以眼睛和耳朵對一個人的智能發展十分重要。眼睛、耳朵就是生理特征,是遺傳決定的。但人們的眼力,聽覺確實存在差別,這是由遺傳因素確定的。它們會直接影響信息的接受。人們說,人的信息百分之八十以上通過眼睛獲取。實驗物理學家的觀察能力非常重要,同樣一個現象,有人撲捉到了,其他人則沒有發現。1931年,安德森發現了正電子,我國的趙忠堯先生首先做了這個實驗,卻錯失機會。高明的醫生可以憑X光片,準確地做出判斷,經驗差的醫生卻會做出很不一樣的結論。這裏有多方麵的因素,但觀察能力顯然占重要地位。當然視力和聽力也不完全由先天因素決定,感覺能力在一定程度上是可以通過學習、訓練,通過習慣、意識的培養得到某種程度的改善和提高的。

這個問題我們還可以做進一步的分析,眼睛、耳朵敏銳,直接可以影響到大腦功能的發育和發展。

三、三個維度的代謝機製(耗散結構)

提示:信息能量物質的代謝是腦功發展的動力機製,使腦從生理結構想功能結構轉變的動力。隻有通過學習才能獲得信息,才能實現大腦重塑。所以要堅信,學習是人的天然需要,人人都愛學習,關鍵是為學生創造適合學生的課程              

1、什麼叫耗散結構?

四十多年前,比利時科學家普利高津提出了著名的耗散結構理論,1977年被授予諾貝爾化學獎。耗散結構理論描繪了自然界一類具有以下基本特點的係統.:係統必須是開放的,與周圍環境存在不斷的能量、物質交換;必須處於遠離平衡的非線性區;係統中必須有某些非線性動力學過程,係統內各要素之間具有協同動作和相幹效應,從而使得係統能從雜亂無章變為井然有序的自組織係統。耗散結構理論對認識物質世界的演化,尤其是生命物質的演化和發展具有普遍的指導意義,是20世紀最偉大的科學發現之一。

2、腦的耗散結構有什麼特殊性?

隨著對腦科學的不斷深入了解和研究,我們發現普利高津的耗散結構理論並不能反映大腦係統的根本特征。腦作為一個開放係統,與外界不僅需要進行物質能量的交換,而且必須進行信息的交流;腦功能的發育發展過程與一般生命組織不同,腦不是僅僅靠能量、物質的代謝就可以實現的,必須靠信息的不斷輸入才能實現;腦是一個在一般生命物質基礎上形成的更高級的自組織係統,腦不僅具有十分精致的生理結構,還是一個能夠具有高度的意識、複雜的情感、高級的智慧和創造力的最複雜最神奇的自組織係統,腦是比一般生命物質更高一級的物質,我們稱其為智慧物質。

腦是動物世界在數億年的漫長的演化過程中逐漸形成的,腦是自然界物質演化進程中出現的比普通生命物質更高一級的物質形態,是超越普利高津耗散結構規範的一種新的物質結構形態。如果說普通生命物質是物質、能量兩個維度的耗散結構係統,如果可以對耗散結構理論加以擴展,那麼我們可以說大腦係統遵循的應該是包括“信息、能量、物質”三個維度的耗散結構,我們稱其為“三維耗散結構”係統。

關於腦的耗散結構特性筆者進行了大量研究,一方麵從數億年生命係統,特別是神經係統和腦的演化曆史進行探索,另一方麵對近三十年來的一係列腦科學實驗進行係統研究。正是基於這些研究,我們提出並開展了腦功能發育發展的動力學機製的研究,也正是在這一研究中我們發現,普利高津的耗散結構理論解釋不了大腦功能的發育發展問題。發現腦功能是在信息主導下的“信息、能量、物質”的代謝過程,我們稱之為“信息、能量、物質”的耗散結構過程中形成的

3、認識腦的特殊耗散結構有什麼重要意義?(應補充學習論。課程論內容)

  首先,腦存在兩個不同的發展階段,生理階段和心智發展階段。而後者是在學習和教育中,使神經元係統逐漸從無序到有序的過程,逐漸建構起神經網絡的過程。學習是大腦的本能,是腦健康發育發展的基本動力,是大腦正常生命的天然需要。所以,人人都需要學習,說“某某孩子不愛學習!”是一種偏見。

其次,腦從生理結構到網絡功能結構是一個信息、能量、物質的緩慢過程。所以教育和課程需要遵循大腦功能發展規律。

第三,基礎教育應該轉移到以全麵開發大腦功能為基本目標,教育和課程必須堅持“以人為本”原則,必須開創適合腦發展的教育和課程。

第四,腦的出現使物質世界演化呈現一種全新的形態,從生命的起源和演化飛躍到智慧的起源和創造。超耗散結構可以回答“智慧之謎”,智慧是腦的複雜神經網絡支撐下的五種基本心理相互作用機製的創造。腦對外部信息有存儲、記憶,就會有認知,對外界有記憶、認知,就會有感情。隨著腦功能的發展出現複雜的記憶,複雜的感情和行為,這個過程就是腦的一個不斷自主創造的過程。人類的演化史已經證明了這一點。

第五,腦的信息特征英雄聯盟全球總決賽預測的反映是外部世界的特征——時代特征(所受的環境和教育積累)和曆史文化特征——民族特征(人類曆史文明積累),而不是個體特征。但是卻通過個體的文化素養反映出來,因而才帶有個體特征。

四、腦功能的四個係統(智能論P101

1、luria的腦功能結構理論

1973年前蘇聯科學家 luria在《神經心理學原理》中闡明腦功能有三個係統;“第一個係統是保證、調節緊張度和覺醒狀態的功能係統。這個功能係統的相關腦區是腦幹網狀結構和邊緣係統;第二個係統是接受、加工和儲存信息的功能係統,這個功能係統的相關腦區是枕葉、顳葉、頂葉等;第三個係統是製定程序、調節和控製心理活動與行為的功能係統,這個功能係統的相關腦區是大腦皮層的額葉等。人的行為和心理活動是這三個功能係統協同活動的結果。腦的三個功能係統的學說對了解腦的整體功能有重要意義。“

2、腦功能四個係統論

我國著名科學家唐孝威院士,通過對國際上腦科學研究的成果的綜合分析研究,提出了腦功能的第四個係統——評估與情感係統。唐先生注意到,Edelman 等人提出,評估功能是在許多心理活動中普遍存在的(Edelman et al  2000)”,進一步注意到,腦內對外界信息進行評估的結果,還會引起個體的情緒體驗:符合個體需要或願望的信息,有肯定性的評估結果,並可能產生正的情緒體驗;不符合個體需要或願望的信息,有否定性的評估結果,並可能產生負的情緒體驗(Arnold 1960  Larzarus 1993

唐先生還注意到評估和情緒心理活動的相關腦區的研究成果:“腦杏仁核對獎懲相關事件的記憶起重要作用,所以杏仁核是與評估功能相關的腦區。中腦側背蓋區、黑質等區的多巴胺神經元能對預測的獎勵與實際獎勵的誤差做出反應(Warelti et al2001,這也可能是評估係統的部分。

邊緣係統等與情緒功能有關的腦區(LeDoux 1996)也是評估—情緒功能係統的一部分。此外,前額葉的一部分可能是評估——情緒功能係統的高級部位。”(《智能輪》P112

綜合上述研究,唐先生提出了腦功能的第四個係統——評估-情緒功能係統。這樣組成了腦功能四個係統。

3、調整後的腦功能四個係統論

筆者認真研究腦功能四個係統論後,覺得排序上不太符合邏輯,應該是評估、形成主題情緒後才進入調節和控製。處於這樣的理解,筆者與唐孝威先生打電話,說明理由,唐先生認為有道理。從此筆者,就將腦功能四個係統的排序改為;第一、保證和覺醒係統,第二、信息接受和處理係統,第三、評估和情緒係統,第四、調節與控製係統。

五、心智的五種心理相互作用

心智是大腦的功能,大腦功能是人出生後,通過環境和教育逐漸形成的。但是,大腦功能是隱藏在人腦內部,長期來不被認識的秘密。腦科學的發展逐漸揭開了大腦的神秘空間。“心則官則思”,曆史上人們一直把心髒看作思維的器官,並把相應的活動稱為心理活動。現在也常常用心理活動來描述大腦的功能。

20世紀,心理學,尤其是應用領域得到很大發展,人們根據各自領域的心理研究的需要,相繼發展起來形形色色的幾十個心理學應用領域。於是在20世紀末,國際上出現了統一心理學理論的呼聲和研究。如:staats(1999),SternbergGrigorenko(2001),DenmarkKrauss(2005),Sternberg (2005)等心理學家紛紛提出了從理論上統一心理學的想法。(參見唐孝威等著,《腦與心智》P171)。我國著名科學家唐孝威院士,根據國際上心理學界的研究趨向,從腦科學高度對心理學的研究曆史和發展現狀進行了綜合的分析和研究,以物理學家的思維和膽略提出了“大統一心理學的理論框架”。唐先生在提出他的理論框架前,首先仿照物理學的四種基本力的思維,將形形色色的心理活動分析歸納為五種心理相互作用,然後按五種心理相互作用將形形色色的心理學分為四個類型的分支學科。這是中國科學家對現代心理學的重大貢獻

反過來,唐先生有獎五種心理相互作用的學說用於研究腦與心智的關係,勾畫出大腦功能的清晰動態結構。下麵,我們先來介紹五種心理相互作用的基本概念:

“在心理活動的各種成分之間,心理活動的某一種成分對心理活動的另一種成分有作用,而心理活動的另一種成分對心理活動的這一種成分有反作用。 這些作用是相互的,因而它們是心理活動的各種成分之間的相互作用。”這種心理成分之間的相互作用稱為心——心心相互作用。

“在心理活動和腦之間,腦對心理活動有作用,而心理活動對腦有反作用。這些作用是相互的,因而是心理活動和腦之間的相互作用。”這種心理成分與腦之間的相互作用稱為心——腦心相互作用。

“考察腦內部的心理活動和各種外部因素的關係,可以看到在心理活動和各種外部因素之間與存在各種不同性質的心理相互作用,其中包括心理活動和多個層次的外部因素之間的各種相互作用。這此作用都具有相互性,即既有作用又有反作用。”這種心理成分與外部因素之間的相互作用稱為心——物相互作用。

“在個體心理活動和身體之間,身體對心理活動有作用,而心理活動對身體有反作用。這些作用是相互的,因而是個體心理活動和身體之間的相互作用。”這種心理活動與身體之間的相互作用稱為心——身相互作用。(上麵引號內文字摘自《心智的無意識活動》P19

“在個體心理活動和人所處的外界自然環境中的物體之間,環境物體對心理活動有作用,而心理活動通過行為對環境物體有反作用。這些作用是相互的,因而是個體心理活動和環境物體間的相互作用。”這種心理成分與外部社會環境之間的相互作用稱為心——社相互作用。

我們在實踐中已經深刻滴體會,理解並學會應用五種心理相互作用及其統一性學說,對認識理解腦功能的發育和發展有重要意義,對研究心理學和教育學的許多問題猶如掌握了一種強大的理論武器,或者說仿佛登上一個全新的廣闊的研究平台和創造平台。如,研究性理學,將會幫你理解無意識心理活動的本質;研究課程論你將會展開廣闊視野,樹立大課程觀、指引自己進行多事業的課程資源設計和開發等。

六、基於腦科學的智能論

一個人有哪些能力呢?能力該如何培養?怎樣使人聰明?這些都是大家關心、希望弄清的問題。在倡導注重能力培養的教育時代,弄清智能及其如何培養問題,對每一位教育工作者尤為迫切。

關於能力問題是心理學家長期關注研究的重要問題,但是至今在心理學界也沒有就能力形成統一的認識。從原子彈到腦科學的唐孝威院士,20多年來從實驗到理論對腦科學進行係統廣泛地研究,在智能問題上做出了重要貢獻,他廣泛地研究了國際上各個學派關於智能的學說,同時係統地研究心智能力和行為能力的實驗基礎和腦功能機理,尤其他本人親自主持腦功能方麵的實驗研究,獲得一係列成果,唐先生通過綜合研究寫成了《腦與心智》《心智的定量研究》《心智的無意識活動》《智能論》等學術專著,筆者通過研究與實踐認為,唐先生是將智能問題在腦科學的基礎上係統化、理論化的研究典範,他的智能理論既具有理論性,也具有廣泛的實踐性,可操作性。現在讓我們通過介紹《智能論》核心內容,力求就使大家就智能及其培養有一個清晰認識。

智能、智能結構

智能,在《智能論》中包括心智和行為兩大部分。筆者從腦功能的機製出發,認為還應該增加創造能力,為此曾經與唐孝威院士交換過意見。唐先生說,我們也討論過這問題,有些同誌認為創造能力已經包含在心智能力和行為能力之中,不必單獨提出,所以在我的《智能論》中沒有單獨提出創造能力。筆者向唐先生說明兩點理由,主張把創造能力與心智能力和行為能力並列,作為一個獨立能力領域納入智能框架結構

1.既然心智能力和行為能力都可以包含創造能力,就說明誰也代表不了創造能力,創造能力應該有它的獨立定位。其實行為活動是在心智支配下的,所以行為能力中也必然包含心智能力,但心智能力仍然有獨立定位。

2. 從心智的相互作用特點考慮。有新要素的生成,不可逆是非線性係統的特點。心智的五種不同的心理相互作用都是非線性相互作用,所以創新是智能活動的基本特點,創造是智能過程的一種必然現象。

經我解釋,唐先生認為“有道理!”所以筆者在唐先生的智能框架中添加了創造能力,即把創造能力和心智能力、行為能力並列作為智能的第一個層級。如下麵所示:

                 

幾點說明:

1、智能是多元的,有層級分布的,

2、智能結構是開放的,每一個層次都可以有相應的拓撲結構,讀者可以進一步研究探索。

3、創造能力的下一級結構筆者還缺乏更成熟的方案,僅供參考,歡迎提出寶貴意見。

創造能力

創造力是大腦的功能,或者說是隨著大腦功能發展逐漸發展的,是五種心理相互作用之間的非線性效應。

創造力可以分為認知領域的創造力、行為領域的創造力和綜合創造力。認知創造力包括思維創造力、語言創造力、空間創造力等;行為創造力包括肢體活動創造能力(舞蹈、體操等),技術創造能力(工具與方法),組織創造能力、管理創造能力等;此外還有藝術方麵的創造力,聲樂、器樂、繪畫、電影、電視、動畫等創造能力。實際上,創造力往往是綜合的,英雄聯盟全球總決賽預測的是綜合創造力。

腦科學揭開了創造力的神秘麵紗,弄清創造力的腦功能本質,建立創造力的結構框架,為創造力培養進入基礎教育課程提供了理論依據。腦科學促使教育工作者從教育理論和課程體係進行創新,對各個年齡段學生普遍地、係統地進行創造力的培養。請大家仔細觀察,小孩在學習語言階段就開始出現創造力,他會把學會的詞語連接起來,表達自己的觀點;在行為領域,任何一種模仿的變形從本質上就是創造。

創造能力

創造力是大腦的功能,或者說是隨著大腦功能發展逐漸發展的,是五種心理相互作用之間的非線性效應。

創造力可以分為認知領域的創造力、行為領域的創造力和綜合創造力。認知創造力包括思維創造力、語言創造力、空間創造力等;行為創造力包括肢體活動創造能力(舞蹈、體操等),技術創造能力(工具與方法),組織創造能力、管理創造能力等;此外還有藝術方麵的創造力,聲樂、器樂、繪畫、電影、電視、動畫等創造能力。實際上,創造力往往是綜合的,英雄聯盟全球總決賽預測的是綜合創造力。

腦科學揭開了創造力的神秘麵紗,弄清創造力的腦功能本質,建立創造力的結構框架,為創造力培養進入基礎教育課程提供了理論依據。腦科學促使教育工作者從教育理論和課程體係進行創新,對各個年齡段學生普遍地、係統地進行創造力的培養。請大家仔細觀察,小孩在學習語言階段就開始出現創造力,他會把學會的詞語連接起來,表達自己的觀點;在行為領域,任何一種模仿的變形從本質上就是創造。

腦科學智能論與加德納多元智能

多年來,加德納多元智能理論在中國影響很大,對多種能力的發展起到很大的推動作用。但是從腦科學智能論我們可以知道,加德納多元智能理論實際上是一個不係統的經驗性的智能框架。但是目前,許多人包括教育專業的認識仍然還把加德納多元智能理論奉若神明,甚至都不願意接觸腦科學智能論。所以筆者覺得,有必要做一些細致的說明。

1、            唐孝威院士的評價

“在智能的多元性方麵,我們的觀點和gardner的理論是一致的,但是兩者有許多區別。

   我們用心理相互作用及其統一觀點考察智能,認為智能是多元的,智能有內部機製和外部實現,心智能力和行為能力都有許多成分,實際上智能成分遠多於七種;許多智能成分不是並列的,它們具有層次結構,而且有相互作用;智能成分的多元性和心理相互作用的多樣性導致了智能結構的複雜性。“

gardner的理論是現象性描述。他羅列了一些不同種類的智力,並沒有對這些智力從智能的內部機製和外部實現的角度來進行分類。”

2、            心理學家林崇德的看法。

林崇德教授在《質疑加登納“多元智力”——兼論多元智力與思維結構》一文中說,在美國心理學界對智力的研究中,近幾年最有影響的理論有五種,即斯騰伯格的成功智力、加登納的多元智力、帕金斯的真智力、塞西的智力生物生態模型和梅與格爾曼的情緒智力。在我國教育界影響最大的要數加登納的多元智力,可以這麼說,我國教育界對其推崇遠遠勝於美國。

但是林崇德說,“加登納的多元智力與我國的六藝智力觀具有驚人的相似之處”其含義請讀者自己去參閱林崇德教授的原文。

智能的開發

學習和教育的基本目的是發展人的智能。全麵開發大腦功能的更全麵理解應該是全麵開發人的智能,全麵提升人的綜合素質。要全麵實施科學素質教育,必須在全麵理解腦科學智能理論的基礎上,創建基於腦科學的素質教育理論,創建適應腦功能全麵開發的課程體係。

智能開發的總原則是應該理解腦功能發育發展的機製,按照腦功能的原理去創建基於腦科學的教育理論和課程體係。這個問題我們後麵要專門討論,這裏就先不講了。

 

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