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薛 貴 劉德建|腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能驅(qū)動的未來教育變革
近日,北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授薛貴與北京師范大學(xué)智慧學(xué)習(xí)研究院聯(lián)席院長劉德建博士,在《學(xué)術(shù)前沿》發(fā)表署名文章《腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能驅(qū)動的未來教育變革》,文章介紹腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢,分析智能時代對人類生存和發(fā)展的新要求,重點(diǎn)闡述智能時代創(chuàng)新教育的設(shè)計(jì)原則和體系,最后就智能時代創(chuàng)新教育實(shí)踐的實(shí)施路徑給出建議。
據(jù)悉,《學(xué)術(shù)前沿》是人民日報社以國際權(quán)威大刊標(biāo)準(zhǔn)精心打造的中國頂級學(xué)術(shù)期刊,也是中文社會科學(xué)引文索引(CSSCI)來源期刊、全國中文核心期刊、中國人文社會科學(xué)期刊AMI綜合評價A刊核心期刊,連續(xù)三年榮獲國家哲學(xué)社會科學(xué)文獻(xiàn)中心“政治學(xué)最受歡迎期刊”,連續(xù)多年入選“復(fù)印報刊資料重要轉(zhuǎn)載來源期刊”,2023年被《新華文摘》全文轉(zhuǎn)載篇數(shù)在CSSCI來源期刊(含擴(kuò)展版)中排名第四。
以下為文章原文——
摘要——
腦認(rèn)知科學(xué)與人工智能快速發(fā)展,推動人類社會加速向智能時代演進(jìn),對人類生存發(fā)展能力提出了全新要求,也推動教育目標(biāo)和方式發(fā)生根本性變革。未來教育體系的設(shè)計(jì)需要突破知識傳遞的限制,以推動人類持續(xù)繁衍與進(jìn)化為目標(biāo)、以學(xué)習(xí)力培養(yǎng)為核心、以個性化按需學(xué)習(xí)為導(dǎo)向、以人腦學(xué)習(xí)規(guī)律為指導(dǎo)、以技術(shù)創(chuàng)新為依托,幫助個體培養(yǎng)有機(jī)的知識體系、強(qiáng)大的認(rèn)知能力和持久的學(xué)習(xí)動力。實(shí)現(xiàn)未來教育目標(biāo),需要社會各界從教育政策、科學(xué)研究、教師教育、考試評價、課程設(shè)置和技術(shù)創(chuàng)新等方面協(xié)同行動,推動未來教育變革從理論走向?qū)嵺`。
教育通過傳授知識、培養(yǎng)技能和塑造價值觀來促進(jìn)個體的全面發(fā)展,并進(jìn)一步推動社會進(jìn)步和人類文明發(fā)展。隨著腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展,世界正在加快進(jìn)入智能時代。在歷史上,每一次科技革命都對教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,推動了教育目標(biāo)、內(nèi)容、評價和技術(shù)的變革。如果說以蒸汽機(jī)發(fā)明和機(jī)械制造技術(shù)進(jìn)步為代表的第一次工業(yè)革命促進(jìn)了教育的普及和職業(yè)教育的興起,以電氣化和大規(guī)模生產(chǎn)為代表的第二次工業(yè)革命推動了學(xué)科的專業(yè)化,以信息化和自動化為代表的第三次工業(yè)革命推動了教育的信息化和個性化,那么腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能推動的以智能化為代表的第四次工業(yè)革命則將從根本上改變教育的目標(biāo)、內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方式,從而帶來史無前例的教育底層變革。這是因?yàn),不同于之前任何一次工業(yè)革命,智能化不僅將以更快的速度和在更大范圍內(nèi)推動技術(shù)變革和生產(chǎn)關(guān)系的改變,同時將第一次對人類最引以為傲的核心能力(即智力)和尊嚴(yán)構(gòu)成挑戰(zhàn)。未來已來,教育也必須迅速行動,以幫助兒童為未來做好準(zhǔn)備。在這樣的背景下,深入探討腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能背景下的未來教育變革就顯得尤為重要與緊迫。本文將首先介紹腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢,分析智能時代對人類生存和發(fā)展的新要求;繼而,重點(diǎn)闡述智能時代創(chuàng)新教育的設(shè)計(jì)原則和體系;最后,就智能時代創(chuàng)新教育實(shí)踐的實(shí)施路徑給出建議。
腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢
腦認(rèn)知科學(xué)范式變革和前沿進(jìn)展。隨著神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)和方法不斷進(jìn)步,研究者能夠在前所未有的規(guī)模和分辨率上記錄和分析神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、連接方式、基因表達(dá)和活動模式,這推動了人們對大腦結(jié)構(gòu)和功能的理解。在2020年被Nature Methods評為年度技術(shù)的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù),可以清晰描述大腦的細(xì)胞類型,啟發(fā)其功能。結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù),研究者構(gòu)建了小鼠和靈長類動物的大腦細(xì)胞類型圖譜、初步刻畫了人類大腦圖譜以及海馬單神經(jīng)元的全腦空間組織投射。還有研究者結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和顱內(nèi)腦電技術(shù),將基因表達(dá)與腦振蕩聯(lián)系起來,確定了與記憶形成振蕩特征相關(guān)的基因。
在腦認(rèn)知領(lǐng)域,2017年Neuropixels的出現(xiàn)使得大規(guī)模記錄單個神經(jīng)元活動成為現(xiàn)實(shí),幫助人們更好地理解大腦的復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。采用這種方法,研究者揭示了人腦在細(xì)胞層面如何編碼、理解和產(chǎn)生語言,甚至發(fā)現(xiàn)單個細(xì)胞就可以“聽懂”詞義。另外,采用先進(jìn)的分析思路,研究者也可以解析大腦復(fù)雜認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制,包括獼猴在空間序列記憶時的環(huán)狀結(jié)構(gòu)表征,前額葉通過增強(qiáng)和轉(zhuǎn)換記憶表征來減少干擾等,以及人類認(rèn)知地圖形成的機(jī)制。
腦認(rèn)知科學(xué)的進(jìn)展還帶來臨床應(yīng)用的突破。比如,腦機(jī)接口技術(shù)構(gòu)建了人腦和外部設(shè)備之間的直接信息橋梁,在動作、語言、精神疾病診斷、盲人重獲視力(如借助Neuralink的新產(chǎn)品Blindsight)、動作想象和思維等領(lǐng)域取得了廣泛進(jìn)展,從而被Nature提名為2024年七大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)之一。使用全新的雙向腦機(jī)接口技術(shù),研究者可以通過對體感皮層的微刺激讓患者產(chǎn)生觸覺,使抓握物體所花費(fèi)的時間從20.9秒減少到10.2秒,更接近健全人類能力。最新的語音腦機(jī)接口可以通過將嘗試講話引起的神經(jīng)活動解碼為文本或聲音,幫助癱瘓患者實(shí)現(xiàn)快速交流,解碼速度能達(dá)到每分鐘62個單詞;甚至還可以生成語音和虛擬形象,交流準(zhǔn)確率可以達(dá)到85%以上。
人工智能技術(shù)路線和最新進(jìn)展。近年來人工智能無論在AI芯片、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和算法,還是在基礎(chǔ)和科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域都取得了較大進(jìn)展。在大家耳熟能詳?shù)膱D像識別、自然語言理解和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等三大基礎(chǔ)領(lǐng)域,人工智能更是取得了令世人矚目的進(jìn)步。隨著2013年Word2Vec等詞嵌入技術(shù)的出現(xiàn),以及后來的長短時記憶網(wǎng)絡(luò)和注意力機(jī)制的廣泛應(yīng)用,機(jī)器對自然語言的理解程度得到極大加深。Transformer模型通過自注意力機(jī)制(Self-Attention Mechanism)能夠捕捉序列數(shù)據(jù)中長距離依賴的關(guān)系。隨后幾年里,基于Transformer的大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練語言模型迅速崛起,極大提高了自然語言理解和生成能力。在大模型基礎(chǔ)上,通過微調(diào)(Fine-Tuning)的方式適應(yīng)各種下游任務(wù),極大地拓展了大語言模型的應(yīng)用范圍。另外,將圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多模態(tài)學(xué)習(xí)結(jié)合,AI能更好地理解和生成復(fù)雜的人類語言和視覺場景,推動了Midjourney V5、ChatGPT-4o和Sora等多模態(tài)理解和場景生成的應(yīng)用。在強(qiáng)化學(xué)習(xí)領(lǐng)域,繼2016年DeepMind公司開發(fā)的AlphaGo戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石之后, 2019年AlphaStar又在《星際爭霸2》中戰(zhàn)勝了人類頂級選手, 2020年DeepMind開發(fā)的MuZero,不僅在圍棋,還在國際象棋和日本將棋等項(xiàng)目上展現(xiàn)出超越人類的游戲策略。
除了這些通用領(lǐng)域的應(yīng)用,AI for Science是另一片人工智能大展身手的領(lǐng)域。AI在生物、化學(xué)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)乃至考古等領(lǐng)域取得了重大的進(jìn)展。比如,DeepMind團(tuán)隊(duì)開發(fā)的幾代AlphaFold破解了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)這一困擾學(xué)界數(shù)十年的難題。2024年6月,Evolutionary Scale AI發(fā)布蛋白質(zhì)語言模型ESM3,支持蛋白質(zhì)序列、結(jié)構(gòu)和功能這三種模態(tài)的任意組合轉(zhuǎn)換。團(tuán)隊(duì)用其設(shè)計(jì)出新型綠色熒光蛋白,而自然界可能需要5億年進(jìn)化才能產(chǎn)生這樣的結(jié)果。2023年12月,DeepMind用AI研究數(shù)學(xué)中的帽子集問題,發(fā)現(xiàn)了新的大型帽子集構(gòu)造。2024年1月,AlphaGeometry可以解答國際數(shù)學(xué)奧林匹克30道題目中的25道,達(dá)到競賽金牌得主的水平;2024年5月,MIT科學(xué)家用AI發(fā)現(xiàn)了3個新的可積偏微分方程。
腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能的協(xié)同發(fā)展。腦認(rèn)知科學(xué)與人工智能在各自取得迅猛發(fā)展的同時,近年來也逐步融合并相互促進(jìn)。一方面,人工智能可以為腦認(rèn)知科學(xué)提供強(qiáng)大的分析和解釋工具。比如,通過深度學(xué)習(xí)算法模擬人腦的神經(jīng)活動,可以實(shí)現(xiàn)對人腦如何進(jìn)行圖像識別、自然語言處理、語音識別以及視頻觀看等的解釋和預(yù)測。從人工智能算法中獲取啟發(fā),科學(xué)家還能解析大腦的計(jì)算過程,發(fā)現(xiàn)人腦中遞歸的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有助于快速識別物體、嬰兒可以通過無監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像識別以及額頂皮層在語言加工中存在高層次、長時程的預(yù)測性編碼等現(xiàn)象。
另一方面,腦認(rèn)知科學(xué)可以深入評估人工智能的能力特征,理解其作用機(jī)制,啟發(fā)新的人工智能算法。認(rèn)知科學(xué)建立了完善的評估方法論用以準(zhǔn)確評估模型的能力,提供了多維度的基準(zhǔn)測試。比如,研究發(fā)現(xiàn)以ChatGPT為代表的大語言模型在瑞文矩陣推理、情感識別、文本注釋等多項(xiàng)能力上接近甚至超越人類表現(xiàn),以及表現(xiàn)出與人類非常相似的心智理論模式。然而,模型在復(fù)雜類比推理、因果推理以及言語推理和計(jì)劃等方面仍有待提高。更為重要的是,認(rèn)知科學(xué)通過研究心智、大腦和行為,為人工智能提供了重要的理論基礎(chǔ)和靈感。早期的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)借鑒了神經(jīng)元和視覺系統(tǒng)的工作原理,主流的Transformer則模仿了人類選擇性注意的方式,最新的GPT模型結(jié)合了基于人類反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)機(jī)制(Reinforcement Learning from Human Feedback, RLHF)。還有研究發(fā)現(xiàn),在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中引入人類的元學(xué)習(xí)方法可以讓模型表現(xiàn)出與人類相似的系統(tǒng)性和靈活性;模擬海馬和內(nèi)嗅皮層的工作機(jī)制,可以成功實(shí)現(xiàn)認(rèn)知地圖的形成。最后,通過人類思維鏈(chain-of-thought)的方式給予GPT提示,可以顯著提高模型在任務(wù)中的表現(xiàn)。
可以看到,腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能作為兩個前沿領(lǐng)域,近年來取得了飛速進(jìn)步。一方面,腦認(rèn)知科學(xué)通過刻畫神經(jīng)元集群和環(huán)路層面的大腦結(jié)構(gòu)和功能,正在深入揭示人腦智能的機(jī)制,推動大腦解碼(讀腦)和調(diào)控(寫腦)的相關(guān)研究及快速落地;另一方面,人工智能在硬件和算法架構(gòu)、基礎(chǔ)大模型和行業(yè)應(yīng)用,以及專業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域也取得了很大進(jìn)展,正在日益推動各個行業(yè)的深度變革。隨著腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能的深度融合,人類社會將很快進(jìn)入全面智能時代。
智能時代對人類生存和發(fā)展的新要求
時代演變帶來的是不斷變化的挑戰(zhàn)和機(jī)遇,也對個體能力提出了全新的要求。理解不同時代的特征和對能力的需求,能夠讓人們更好地應(yīng)對變化并保持競爭力。農(nóng)耕時代大約從公元前9000年至17世紀(jì)(在不同地區(qū)開始和結(jié)束的時間有所不同),是以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)活動的時期。社會結(jié)構(gòu)以家庭和部落為單位,生產(chǎn)活動依賴自然環(huán)境和勞動力。這個時代要求人擁有強(qiáng)壯的體力和長時間的耐力,掌握種植、養(yǎng)殖、灌溉等農(nóng)業(yè)技能,強(qiáng)調(diào)家庭和社區(qū)合作,互助勞作是常態(tài)。特別是水稻的種植所需要的灌溉系統(tǒng)的建立,需要廣泛的人際合作,中國南方人民合作精神的建立即是典型例子。
工業(yè)時代開始于18世紀(jì)的第一次工業(yè)革命(1760年~1840年),其主要特征是機(jī)械化生產(chǎn)、大規(guī)模工廠和城市化。工業(yè)時代要求人具有操作和維護(hù)機(jī)器的技能,機(jī)械工程和技術(shù)知識變得重要。特別是從機(jī)械化到電氣化的發(fā)展,對體能的要求逐步降低,但對專業(yè)分工和效率的要求越來越高。這就要求勞動者具有較高的基礎(chǔ)素質(zhì),閱讀和書寫能力成為必需;同時也強(qiáng)調(diào)人的紀(jì)律性和守時性,按時上下班、嚴(yán)格遵守規(guī)章制度。亞當(dāng)·斯密(Adam Smith)在《國富論》中強(qiáng)調(diào)了勞動分工的重要性,認(rèn)為產(chǎn)業(yè)工人需要高度的專業(yè)化技能以提高生產(chǎn)效率。工業(yè)時代對基礎(chǔ)教育、專業(yè)技能、分工合作和紀(jì)律性的強(qiáng)調(diào),成為現(xiàn)代教育體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量,其影響一直持續(xù)至今。
從20世紀(jì)末開始,人類進(jìn)入了信息化時代。信息和通信技術(shù)(ICT)快速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)顯著改變了人們的生活和工作方式。這個時代要求人具備數(shù)字素養(yǎng),掌握使用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)以及應(yīng)對信息冗余的能力。比爾·蓋茨就一直強(qiáng)調(diào)編程、數(shù)據(jù)分析等技能的重要性,他指出,創(chuàng)新和快速適應(yīng)變化能力是適應(yīng)信息化時代的關(guān)鍵。同時,面對信息化時代的復(fù)雜問題(如全球化、網(wǎng)絡(luò)安全等),需要人們具備系統(tǒng)思維和解決復(fù)雜問題的能力。世界經(jīng)濟(jì)論壇(WEF)在《未來就業(yè)報告》中提到,信息時代的勞動力需要具備“復(fù)合技能”,如復(fù)雜問題解決、批判性思維和情緒智能。然而,雖然教育信息化在技術(shù)層面逐步普及,但當(dāng)下的教育內(nèi)容和目標(biāo)卻還遠(yuǎn)沒有滿足信息時代對人的要求。
更具有挑戰(zhàn)的是,隨著科技的不斷發(fā)展,世界正在加快進(jìn)入智能時代,從而對人提出更為不同的要求。
第一,智能時代更加突出人腦智能的價值。前文提到,腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能在理解大腦運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上,還在模仿大腦的工作方式,在大數(shù)據(jù)和強(qiáng)計(jì)算支持的弱人工智能基礎(chǔ)上,將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)通用的強(qiáng)人工智能。正如工業(yè)革命后機(jī)器替代了大量的體力勞動,智能時代來臨人工智能會替代大量的技能勞動,包括生產(chǎn)線工人、汽車司機(jī)、外語翻譯、職業(yè)棋手、初級會計(jì)、律師、程序員、外科醫(yī)生等。以前人們認(rèn)知中的創(chuàng)新勞動,比如原畫師,甚至某些專業(yè)的科學(xué)領(lǐng)域,包括數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物、考古等,其中部分有明確定義的邊界和目標(biāo)、可以依據(jù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測的領(lǐng)域勞動也逐步被人工智能所取代。這些新的變化迫使人們更加深入地思考人腦智能的本質(zhì),并不斷提高智能的水平。如何突出人腦智能的優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)人腦智能和人工智能協(xié)作共生,教育必將在其中承擔(dān)更大責(zé)任,也必須作出重要變革。
第二,智能時代更加強(qiáng)調(diào)個體的學(xué)習(xí)能力。在人工智能時代,知識的爆炸式增長將成為常態(tài),職業(yè)和工作的更迭也將更加頻繁,從而更加強(qiáng)調(diào)新知識技能的學(xué)習(xí)。依托互聯(lián)網(wǎng)以及生成式人工智能,知識獲取更加便捷高效;基于人工智能的知識圖譜構(gòu)建,知識分析和整合也更加精確;穿戴式甚至微創(chuàng)侵入式腦機(jī)接口將使得人機(jī)協(xié)作更加自然順暢。在這個背景下,生僻的知識、碎片化的知識、僵化的知識將失去在大腦中存儲的意義,而系統(tǒng)的知識、廣泛聯(lián)系的知識、能靈活應(yīng)用的知識才是能支撐創(chuàng)新問題解決的知識,才是人腦最值得識記的知識,也才是教育需要重點(diǎn)傳授的知識。同時,知識獲取的場所也從教室擴(kuò)展到全空間,獲取的媒介從書本拓展到混合現(xiàn)實(shí),獲取的途徑從被動接受拓展到主動構(gòu)建。因此,傳統(tǒng)的知識教育模式必將進(jìn)行重大變革,旨在培養(yǎng)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力以及“學(xué)會學(xué)習(xí)”的學(xué)科也將變成像語文、數(shù)學(xué)等一樣的、人人必修的基礎(chǔ)學(xué)科。
第三,智能時代更加青睞綜合和專項(xiàng)知識技能兼具的T型人才。隨著知識獲取容易程度的提高,以及共用智能工具平臺的涌現(xiàn),一個人能掌握的知識和使用的工具將越來越多。因此,掌握多學(xué)科領(lǐng)域知識,熟練使用多種工具的個體會越來越多,他們將展現(xiàn)出更大的競爭優(yōu)勢。未來,一個人將承擔(dān)多個人的角色,從而降低人際溝通和團(tuán)隊(duì)管理的成本;少數(shù)人甚至一個人的企業(yè)在市場中將擁有更大的靈活性、更高的效率以及更強(qiáng)的競爭力。除了掌握多種知識和技能外,如果個體在某些特定領(lǐng)域擁有超過AI的專業(yè)技能,成為某個領(lǐng)域的頂尖專業(yè)人才,能夠創(chuàng)新知識產(chǎn)品,將具有更強(qiáng)大的競爭優(yōu)勢。從這個意義上講,智能時代更加青睞擁有綜合和專項(xiàng)能力的T型人才。
第四,智能時代將對個人成長動力提出更高要求。生命長度的增加和知識演變的加速讓一勞永逸式的學(xué)習(xí)成為過去。終身學(xué)習(xí)不僅是高品質(zhì)生活的必然要求,更是個體在未來生存和發(fā)展的前提。一方面,雖然腦認(rèn)知科學(xué)與人工智能的發(fā)展在客觀上能提高個體學(xué)習(xí)效率,但也極大地加劇了競爭的激烈程度,提高了取得競爭優(yōu)勢的門檻,從而對人的學(xué)習(xí)動力和耐力提出了更高的要求;另一方面,基于人工智能技術(shù)的消費(fèi)品正在精準(zhǔn)地“劫持”個體的獎賞系統(tǒng),通過高脂高糖食品、高情緒價值商品、沉浸式虛擬游戲、個性化短視頻推送、便捷的購物體驗(yàn)、針對性廣告,乃至定向推送的消費(fèi)貸,助推消費(fèi)主義和享樂主義,分散精力并消磨意志,還可能導(dǎo)致抑郁焦慮等精神心理問題。因此,未來影響個人終身發(fā)展的最大挑戰(zhàn)不是資源的多少,而是個體是否擁有抵制誘惑的強(qiáng)大意志力和渴望成長的強(qiáng)大動力。
可以看到,智能時代將帶來全新的社會和經(jīng)濟(jì)形態(tài),也對人的能力構(gòu)成提出了全新要求。同農(nóng)耕時代、工業(yè)時代和信息時代不同,智能時代要求人擁有更強(qiáng)大的智能、學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)動力,才能掌握多領(lǐng)域的知識和技能,在某些專業(yè)領(lǐng)域開拓創(chuàng)新并出類拔萃,抵擋誘惑并努力實(shí)現(xiàn)個人成長目標(biāo)。從這個意義上講,教育的目標(biāo)應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的知識講授,并回歸到支撐人類生存和發(fā)展的最底層能力,也就是人類適應(yīng)快速變化的不確定環(huán)境的能力,這也是未來教育要遵循的第一性原理。
智能時代的創(chuàng)新教育體系設(shè)計(jì)
教育是為未來培養(yǎng)人才。處在迅猛發(fā)展變化的時代,教育必須未雨綢繆、提前行動,這已經(jīng)成為了社會的廣泛共識。歷史上,應(yīng)對科技和社會的變革,教育也作出了積極的應(yīng)對。因應(yīng)工業(yè)革命而產(chǎn)生的教育1.0,是傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)型教育。其主要特征是以教師為中心,教師是知識的主要傳授者,學(xué)生主要是被動接受者。同時采用固定的教材和標(biāo)準(zhǔn)化的考試。在教育2.0階段,教育所指向的學(xué)習(xí)則是以學(xué)生為中心的主動學(xué)習(xí)。其主要特征是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動性和參與感,鼓勵自主學(xué)習(xí),倡導(dǎo)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動,同時采用更加豐富的學(xué)習(xí)資源,以及項(xiàng)目、論文、實(shí)踐等更加多元的評估形式。信息技術(shù)的引入推動了教育3.0的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、多媒體等廣泛應(yīng)用于教育,在線學(xué)習(xí),個性化學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動成為其主要特征。那在智能時代,我們需要什么樣的教育呢?
一些專家強(qiáng)調(diào)科技進(jìn)步對教育的促進(jìn)作用,提出了教育4.0的概念。在教育4.0階段,智能化與全方位個性化教育成為主要特征。AI和大數(shù)據(jù)可以提供超個性化的學(xué)習(xí)路徑和資源,VR和AR則能夠提供沉浸式和實(shí)踐性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。正如世界經(jīng)濟(jì)論壇在2024年4月的報告中指出,AI如一把雙刃劍,給未來教育帶來了巨大挑戰(zhàn)的同時,也有助于應(yīng)對教育的問題。為應(yīng)對挑戰(zhàn),未來教育需要聚焦全球公民技能(global citizen skills)、創(chuàng)新和創(chuàng)造技能(innovation and creativity skills)、技術(shù)技能(technology skills)、人際交往技能(interpersonal skills)。而AI也能夠推動個性化的自適應(yīng)學(xué)習(xí)(personalized and self-paced learning)、可獲得與包容性的學(xué)習(xí)(accessible and inclusive learning)、問題導(dǎo)向的合作學(xué)習(xí)(problem-based and collaborative learning),以及學(xué)生驅(qū)動的終身學(xué)習(xí)(lifelong and student-driven learning)?梢姡逃4.0的核心在于實(shí)現(xiàn)個性化和自驅(qū)動的學(xué)習(xí),以使個體更好掌握未來所需的核心技能。
教育4.0是否能成為未來教育的答案呢?前文提到,腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能所推動的智能化革命,和之前的任何一次技術(shù)革命都有著顯著的不同。依據(jù)慣性和線性思維所設(shè)想的未來教育,可能無法真正全面反映時代變化的趨勢,以及對教育的全新需求。設(shè)計(jì)智能時代的教育體系,需要遵循全新的理念。這里,我們重點(diǎn)從五個方面進(jìn)行討論。
思維破界為前提。腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能的快速發(fā)展趨勢,以及對人的能力要求的根本變化,要求我們?nèi)嫱黄屏?xí)慣思維的模式,跳出傳統(tǒng)教育的框架,從第一性原理來重新認(rèn)識教育的作用,這是真正實(shí)現(xiàn)教育變革的前提。
第一,未來教育需要突破知識傳遞的界限,轉(zhuǎn)向推動人類傳承和進(jìn)化的根本任務(wù)。智能時代的加速到來,給人類帶來翻天覆地的變化。知識迭代的加快、知識范圍的擴(kuò)增、知識獲取的便利,都極大地降低了通過正規(guī)教育來獲得有限范圍、標(biāo)準(zhǔn)化知識的必要性,F(xiàn)有教育體系中所規(guī)定的全員必須掌握的基礎(chǔ)知識,不僅缺乏系統(tǒng)科學(xué)的論證,也無法適應(yīng)時代發(fā)展的需求。而人類面臨的成長動力缺失、心理健康危機(jī)等更加嚴(yán)峻的考驗(yàn),迫切需要通過教育的變革來積極應(yīng)對。從這個意義上來講,教育的目的應(yīng)該從傳遞知識和技能轉(zhuǎn)向推動人類繁衍和進(jìn)化。這是教育使命的一個巨大轉(zhuǎn)變,也指引著未來教育變革的方向。
第二,未來教育需要突破傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)的界限,實(shí)現(xiàn)多學(xué)科和跨學(xué)科的教育創(chuàng)新。教育的學(xué)科劃分是基于工業(yè)時代的勞動分工而建立起來的。無論從大腦知識存儲的原理、學(xué)科發(fā)展趨勢、社會需求變化,還是人類發(fā)展需求來看,這種學(xué)科劃分的必要性都在日益降低。從知識獲取上看,跨學(xué)科的主題式、項(xiàng)目制學(xué)習(xí)將能更好促進(jìn)知識體系的形成和靈活應(yīng)用;從學(xué)科發(fā)展上看,學(xué)科交叉融合將是創(chuàng)新的源泉;從社會需求上看,未來專業(yè)分工將更加模糊,多專業(yè)和跨專業(yè)將更加普遍;從人類發(fā)展上看,教育需要從對人的知識技能的培養(yǎng)轉(zhuǎn)向?qū)θ说木C合培養(yǎng),除了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)、語文、英語、物理、地理、生物、化學(xué)、計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)學(xué)科之外,如體育和健康科學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)、社會學(xué)以及其他更多與人相關(guān)的人文學(xué)科將更能促進(jìn)個人發(fā)展。
第三,未來教育需要突破教育方式的邊界,實(shí)現(xiàn)大腦塑造的全景教育。面臨智能時代的挑戰(zhàn),教育的根本任務(wù)是提升人的學(xué)習(xí)能力,其本質(zhì)是對大腦的科學(xué)塑造。除了傳統(tǒng)的教育教學(xué)活動,還有很多的方式可以實(shí)現(xiàn)對大腦的科學(xué)塑造。比如,除了知識的講授,通過動手實(shí)踐不僅有助于知識的掌握,還有助于技能的習(xí)得;體育鍛煉,特別是有氧運(yùn)動,是強(qiáng)身健體、調(diào)節(jié)情緒、鞏固記憶的有效方法;充足有效的睡眠是改善情緒、提升注意力和學(xué)習(xí)記憶的有效策略;基于大腦的學(xué)習(xí)原理的計(jì)算機(jī)游戲是提高學(xué)習(xí)動機(jī)和學(xué)習(xí)效率的科學(xué)方式;當(dāng)然,對大腦活動的直接調(diào)控,如采用藥物、神經(jīng)反饋和腦刺激等方式,雖然目前更多用于腦功能疾病治療、障礙康復(fù)以及學(xué)習(xí)困難矯正中,但未來在充分考慮安全和倫理的前提下,也將有可能應(yīng)用到正常人群的學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)中。
最后,未來教育需要突破教育技術(shù)的邊界,實(shí)現(xiàn)符合大腦規(guī)律的高效教育。雖然信息技術(shù)和人工智能正在快速地改變教育樣態(tài),但目前更多表現(xiàn)為技術(shù)能力,而更少考慮學(xué)習(xí)的規(guī)律和需求;更多注重?cái)?shù)據(jù)的采集,而缺少有效分析和規(guī)律提取,沒有完成從數(shù)據(jù)到證據(jù)的轉(zhuǎn)化。為真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)賦能的未來學(xué)習(xí),一方面,需要更加突出腦認(rèn)知科學(xué)的重要地位。腦認(rèn)知科學(xué)不僅能夠?yàn)槿斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)提供理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵指標(biāo),還能提供直接高效的技術(shù),包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、指標(biāo)分析技術(shù)、評估診斷技術(shù)、干預(yù)訓(xùn)練技術(shù)等。另一方面,需要打破技術(shù)壁壘,實(shí)現(xiàn)腦認(rèn)知科學(xué)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的深度有機(jī)融合,這將為未來教育提供強(qiáng)大技術(shù)支撐。
能力提升為核心。未來究竟需要什么樣的能力?傳統(tǒng)做法是基于對未來趨勢的洞察,定義一系列能夠符合未來社會形態(tài)的能力和素養(yǎng)體系,比如教育4.0所強(qiáng)調(diào)的技能素養(yǎng)、人際交往、全球意識,等等。雖然這樣的預(yù)測具有積極的意義,但也往往存在明顯的局限。這是因?yàn)槿祟愅吖蓝虝r間技術(shù)變革的影響,而低估長時間技術(shù)變革的力量。特別是基于腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,未來社會形態(tài)必然會加速演變。對科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、社會生產(chǎn)組織形態(tài)、人際交往模式乃至國際競爭形勢的預(yù)測,都會面臨極大的不確定性。
面對復(fù)雜多變,難以預(yù)測的未來世界,我們究竟需要什么樣的能力呢?對于這個問題,我們或許可以從人類漫長的進(jìn)化歷史中尋求啟示。人類經(jīng)過幾百萬年的進(jìn)化,大腦體積明顯增大,認(rèn)知能力顯著提高,知識技能獲取速度極大加快。盡管如此,個體在成長過程中所獲取的知識并不能通過基因遺傳給后代。嬰兒在出生的時候,除了本能行為,頭腦中并沒有外顯的知識和技能,包括語言、運(yùn)動和社會交往,等等。相反,嬰兒卻擁有異常強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力,確保其在世界任何地方都能學(xué)會當(dāng)?shù)氐恼Z言,適應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀缓蜕鐣h(huán)境,熟悉當(dāng)?shù)氐奈幕,掌握生存和發(fā)展的技能。這種強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力就是人類能夠以不變應(yīng)萬變,在數(shù)百萬年復(fù)雜的氣候環(huán)境變化中得以生存的根基,也應(yīng)該成為我們要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的在未來快速多變的時代所要具備的關(guān)鍵底層能力。
未來人類所需具備的關(guān)鍵底層能力就是人類強(qiáng)大的學(xué)習(xí)力。學(xué)習(xí)力這個概念最早由美國麻省理工學(xué)院的佛睿斯特(Jay Forrester)于1965年在《一種新型的公司設(shè)計(jì)》一文中提出。20世紀(jì)90年代中期,學(xué)習(xí)力逐漸成為一項(xiàng)前沿的管理理論,被廣泛應(yīng)用在企業(yè)管理和企業(yè)文化領(lǐng)域。在教育學(xué)領(lǐng)域中,學(xué)習(xí)力是一個新的概念。國內(nèi)外的研究者對其內(nèi)涵的一般定義為:一個人的學(xué)習(xí)動力、學(xué)習(xí)毅力、學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)創(chuàng)新力的總和,是人們獲取知識、分享知識、運(yùn)用知識和創(chuàng)造知識的能力。聯(lián)合國教科文組織出版的《學(xué)會生存》一書中提出:“未來的文盲不是目不識丁的人,而是沒有學(xué)會怎樣學(xué)習(xí)的人。”
對學(xué)習(xí)力的要素,英國布里斯托爾大學(xué)Claxton教授于2002年首先提出了學(xué)習(xí)力構(gòu)成的四個要素“4R”:堅(jiān)韌力(resilience)、策應(yīng)力(resourcefulness)、反省力(reflection)、關(guān)系力(relationships)。在此基礎(chǔ)上,英國ELLI項(xiàng)目進(jìn)一步豐富了學(xué)習(xí)力的構(gòu)成要素,提出了七要素理論,分別是:變化和學(xué)習(xí)(changing and learning)、批判性好奇心(critical curiosity)、意義形成(meaning making)、創(chuàng)造性(creativity)、學(xué)習(xí)關(guān)系(learning relationships)、策略意識(strategic awareness)、堅(jiān)韌力(resilience)。美國哈佛大學(xué)Kirby教授在長期的教學(xué)實(shí)踐中豐富了學(xué)習(xí)力的內(nèi)涵,并于2005年出版了專著《學(xué)習(xí)力》。他認(rèn)為學(xué)習(xí)力應(yīng)該是一個包括學(xué)習(xí)動力、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)效率、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力的綜合體。
在總結(jié)學(xué)習(xí)力的既有研究,結(jié)合腦認(rèn)知科學(xué)的發(fā)現(xiàn)后,我們從腦科學(xué)的視角提出了面向未來的學(xué)習(xí)力的三大要素,包括有機(jī)的知識體系、強(qiáng)大的認(rèn)知能力和持久的學(xué)習(xí)動機(jī)。其中有機(jī)知識體系,是指能夠從具體到抽象之間形成多個層級,各層級內(nèi)部和層級之間緊密聯(lián)系,從而構(gòu)成復(fù)雜的、有結(jié)構(gòu)性的知識網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而加快新知識掌握的速度,促進(jìn)知識的遷移、靈活應(yīng)用和創(chuàng)新。人腦的感知運(yùn)動皮層、顳葉皮層和頂下小葉等區(qū)域構(gòu)成了人腦有機(jī)知識知識存儲的主要生理載體。強(qiáng)大的認(rèn)知能力是指人們獲取和加工信息并且創(chuàng)造知識的一系列認(rèn)知能力的組合,包含了信息的選擇(注意力)、短時存儲(短時記憶)、分析與加工(計(jì)劃與推理)、更新與抑制(執(zhí)行功能)、長時保存和轉(zhuǎn)化(長時記憶)以及元認(rèn)知監(jiān)控等成份。這些高級的認(rèn)知功能主要由大腦前額葉及其所在的執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)來完成。持久學(xué)習(xí)動機(jī)則包含了充滿激情、熱愛和好奇,渴望成長的動力系統(tǒng);善于調(diào)節(jié)情緒、控制沖動、延遲滿足,擁有強(qiáng)大復(fù)原力和堅(jiān)韌力的控制系統(tǒng);追求卓越,擁有明確的人生目標(biāo)和意義的方向系統(tǒng)。這個部分需要大腦古老的邊緣系統(tǒng)和最近進(jìn)化的內(nèi)側(cè)前額葉系統(tǒng)的共同作用。
大量的研究表明,學(xué)習(xí)力不僅是預(yù)測一個學(xué)生學(xué)習(xí)成績的重要指標(biāo),更是預(yù)測個體長遠(yuǎn)發(fā)展,包括職業(yè)、收入、生活滿意度,甚至身體健康和壽命的關(guān)鍵。因此,基于腦認(rèn)知科學(xué)的學(xué)習(xí)力體系,不僅可以幫助學(xué)生適應(yīng)未來,也能夠解決當(dāng)下的現(xiàn)實(shí)需求,從而實(shí)現(xiàn)教育中短期目標(biāo)和長遠(yuǎn)目標(biāo)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,以及應(yīng)試教育和素質(zhì)教育協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
按需學(xué)習(xí)為導(dǎo)向。每個人的大腦都是獨(dú)一無二的,這是個人獨(dú)特的基因和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果,也是人腦充分成熟的標(biāo)志。腦功能影像的研究發(fā)現(xiàn),成人個體的腦功能連接模式具有獨(dú)特的特征。就像指紋一樣,我們也可以通過個體的腦網(wǎng)絡(luò)連接模式來準(zhǔn)確識別個人。這種大腦結(jié)構(gòu)和功能的獨(dú)特性,是個性化的教育底層生物基礎(chǔ)。近年來,“內(nèi)卷”現(xiàn)象在教育領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為明顯,主要特征表現(xiàn)為社會、學(xué)校和家庭以單一和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo),在狹窄的賽道激烈競爭,從而導(dǎo)致學(xué)生壓力過大,身心健康遭受威脅。而個性化教育被認(rèn)為是破解教育內(nèi)卷的最有效方法。因人而異、因材施教,這不僅是教育的理想狀態(tài),更是教育的最終目標(biāo);這不僅是尊重個體差異、充分實(shí)現(xiàn)個人潛能的重要途徑,也是破除教育內(nèi)卷的必然要求。而學(xué)生數(shù)量減少和人工智能技術(shù)的應(yīng)用普及將大大提升個性化教育的可行性。未來,按需學(xué)習(xí)將成為一種必然的學(xué)習(xí)范式,學(xué)習(xí)者可以在自然情境中,根據(jù)多樣化的學(xué)習(xí)需求,滿足多層次學(xué)習(xí)目標(biāo)的進(jìn)階要求,通過智能技術(shù)有效連接學(xué)習(xí)資源、環(huán)境與服務(wù)。更重要的是,以按需學(xué)習(xí)為導(dǎo)向,將能更好地提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力。
首先,按需學(xué)習(xí)可以幫助個體更好構(gòu)建有機(jī)知識體系。根據(jù)加德納的“多元智能理論”,不同個體可能在語言、邏輯數(shù)學(xué)、空間、音樂、身體運(yùn)動、人際、內(nèi)省和自然觀察等方面具有不同的智能優(yōu)勢。在具體的知識領(lǐng)域,不同學(xué)生在知識背景、學(xué)習(xí)風(fēng)格、興趣愛好和能力水平上存在差異。通過按需學(xué)習(xí),可以依據(jù)學(xué)生自身的知識背景選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容,根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格調(diào)整學(xué)習(xí)方式,從而使得教育資源的投入更加高效和有針對性,避免教育資源和時間的浪費(fèi),從而提高教育效率。
其次,按需學(xué)習(xí)能更好照顧每個孩子的認(rèn)知能力,提供針對性的訓(xùn)練。教師可以根據(jù)每個學(xué)生的認(rèn)知能力水平,提供適當(dāng)支持和任務(wù)挑戰(zhàn)。對于學(xué)習(xí)困難的學(xué)生,按需學(xué)習(xí)可以提供額外的資源和幫助,讓其趕上進(jìn)度;對于學(xué)習(xí)優(yōu)秀的學(xué)生,按需學(xué)習(xí)可以提供更高難度任務(wù)和機(jī)會,激發(fā)其潛力。此外,按需學(xué)習(xí)可以在精準(zhǔn)評估學(xué)生學(xué)習(xí)能力的基礎(chǔ)上,有針對性地改善學(xué)生認(rèn)知能力短板,強(qiáng)化優(yōu)勢能力,從而實(shí)現(xiàn)“均衡+優(yōu)勢”的能力發(fā)展模式。
最后,按需學(xué)習(xí)能最大程度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣。按需學(xué)習(xí)根據(jù)每個學(xué)生的優(yōu)勢量身定制學(xué)習(xí)計(jì)劃,使他們能夠在自己的擅長領(lǐng)域得到認(rèn)可。按需學(xué)習(xí)注重學(xué)生的興趣和內(nèi)在動機(jī),通過關(guān)注和利用學(xué)生的興趣點(diǎn)來設(shè)計(jì)課程內(nèi)容和教學(xué)方法,能夠更好地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情和主動性。按需學(xué)習(xí)還注重學(xué)生的心理和情感需求,通過建立良好的人際關(guān)系和學(xué)習(xí)環(huán)境,更好地支持學(xué)生的心理健康和情感發(fā)展。內(nèi)卷現(xiàn)象往往源于外在動機(jī)(如排名和升學(xué)壓力)驅(qū)動下的同質(zhì)競爭,而按需學(xué)習(xí)通過關(guān)注和培養(yǎng)學(xué)生的內(nèi)在動機(jī),培養(yǎng)其發(fā)自內(nèi)心的熱愛,為自我發(fā)展注入持久的動力。
可以看到,通過按需學(xué)習(xí),可以更好匹配學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)難度和學(xué)習(xí)方式,從而實(shí)現(xiàn)高效的有機(jī)知識體系建構(gòu);也能夠通過認(rèn)知能力的精準(zhǔn)評估和個性化干預(yù)訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)認(rèn)知能力的科學(xué)提升;最后,還通過匹配個體目標(biāo)與價值來提高學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)在動機(jī),從而提升學(xué)習(xí)動力。因此,按需學(xué)習(xí)可以更加有效地培養(yǎng)學(xué)習(xí)力,從而成為未來教育的必然選擇。
大腦規(guī)律為指導(dǎo);趯W(xué)習(xí)力的培養(yǎng)目標(biāo),為實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效、切實(shí)可行的教育變革,我們還需要尊重大腦發(fā)育規(guī)律、大腦運(yùn)作規(guī)律、大腦學(xué)習(xí)規(guī)律,制定科學(xué)的課程大綱和培養(yǎng)體系,應(yīng)用有效的學(xué)習(xí)方法和策略,實(shí)施科學(xué)準(zhǔn)確的考核評估方式。
學(xué)習(xí)的一個主要目的就是要建立有機(jī)的知識體系。有機(jī)知識體系的重要特征是模塊化、層級性和結(jié)構(gòu)化。為了建立有機(jī)的知識體系,可以依據(jù)材料之間的相似性和聯(lián)系性來安排學(xué)習(xí)材料,開展大單元、跨主題和項(xiàng)目制學(xué)習(xí),通過運(yùn)用組塊或思維導(dǎo)圖等方式來更好組織知識。更重要的是,有機(jī)知識的形成需要從根本上轉(zhuǎn)變教育方式,要從“老師的教”轉(zhuǎn)向“學(xué)生的學(xué)”,實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的轉(zhuǎn)變,包括采用“費(fèi)曼學(xué)習(xí)法”以及布置完成綜合性作業(yè)等,從而更好地發(fā)現(xiàn)知識間關(guān)系、更有序組織知識,構(gòu)建符合自己已有知識背景的知識體系。另外,大量研究表明,分散學(xué)習(xí)和以測代練是非常有效的學(xué)習(xí)方法,當(dāng)前卻沒有被師生很好地使用。
我國現(xiàn)有的教育體系還沒有將認(rèn)知能力培養(yǎng)提高到其應(yīng)有的重要地位。除了少數(shù)學(xué)校在拔尖創(chuàng)新人才選拔中開展認(rèn)知能力測試,大多數(shù)學(xué)校還是更看重學(xué)習(xí)成績和學(xué)科競賽。這里面有多方面原因。首先,學(xué)校長期以來都是通過考試來進(jìn)行評價,而對認(rèn)知能力的影響認(rèn)識不足;其次,雖然有些教育工作者認(rèn)識到認(rèn)知能力的重要性,但錯誤地認(rèn)為其是先天決定的,后天無法改變;再次,部分教育工作者重視認(rèn)知能力評估和訓(xùn)練,但認(rèn)為常規(guī)教學(xué)就能很好地培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力,無需開展專門訓(xùn)練;最后,部分教育工作者認(rèn)識到系統(tǒng)性、針對性培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力的必要性,但尚未掌握認(rèn)知能力的科學(xué)定義、還不會使用科學(xué)的測評工具和訓(xùn)練手段;谀X科學(xué)的認(rèn)知能力培養(yǎng),需要認(rèn)識到認(rèn)知能力在學(xué)生學(xué)習(xí)和長遠(yuǎn)發(fā)展中的重要作用,認(rèn)清其發(fā)展規(guī)律和影響因素。同時要掌握科學(xué)的測評方法,更要掌握科學(xué)訓(xùn)練認(rèn)知能力的方法。比如,小學(xué)階段是大腦前額葉成熟的一個主要時期,也是大腦注意、工作記憶等認(rèn)知能力快速發(fā)展的時期,是通過教育促進(jìn)前額葉發(fā)展的重要機(jī)會窗口。對學(xué)生開展科學(xué)的學(xué)習(xí)能力評估和干預(yù)訓(xùn)練,是提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力的一個重要策略。大量研究表明,通過長期針對性的工作記憶訓(xùn)練,并注重訓(xùn)練的生態(tài)學(xué)效度和可遷移性,確實(shí)可以提高學(xué)生的認(rèn)知能力以及學(xué)業(yè)表現(xiàn)。
人的動力系統(tǒng)的培養(yǎng)也同樣需要遵循大腦的規(guī)律。人的情緒動機(jī)包含了多條復(fù)雜的通路,包括多條多巴胺通路,負(fù)責(zé)預(yù)期、學(xué)習(xí)、決策和愉悅體驗(yàn)等;五羥色胺通路則與人的情緒狀態(tài)密切相關(guān),其異?赡軐(dǎo)致抑郁、沖動、酗酒、自殺、攻擊及暴力行為等;下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)則與人的壓力水平和應(yīng)激反應(yīng)密切相關(guān),調(diào)節(jié)消化系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、情緒系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)以及性行為等。這些通路共同構(gòu)成了人的基本動力系統(tǒng),比如接近和規(guī)避。喜好和厭惡影響人是否增加或者減少某種行為;面對未知與不確定性,人會產(chǎn)生強(qiáng)大的好奇心,但也會規(guī)避風(fēng)險;自控力使人可以根據(jù)目標(biāo),對動機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié);而習(xí)慣是經(jīng)過長期行為所習(xí)得,不依賴外在獎勵和懲罰的持久穩(wěn)定動力。這些基本的情緒動機(jī)系統(tǒng)與各種學(xué)習(xí)生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行連接,就會產(chǎn)生個體獨(dú)特而復(fù)雜的動機(jī)模式。
從腦科學(xué)的角度認(rèn)識人的動力系統(tǒng),可以為動機(jī)塑造提供很多創(chuàng)新的思路。一是學(xué)校要特別關(guān)注動機(jī)情緒的培養(yǎng),將之放在與知識和能力同等甚至更高的位置,而不是僅僅為了減少心理健康問題或者進(jìn)行危機(jī)干預(yù);二是在教學(xué)的組織中,在注重知識技能傳授效率的同時,要更多培養(yǎng)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣,例如,通過建立起知識與真實(shí)生活的聯(lián)系,適宜的難度以及及時正面的反饋,鼓勵創(chuàng)新和包容失敗的氛圍,等等;三是在各個學(xué)習(xí)階段都要特別注重生涯規(guī)劃和價值觀的塑造,這不僅決定了人才成長的方向,也決定了成長的動力和個性化的發(fā)展路徑;四是鑒于現(xiàn)階段學(xué)生的物質(zhì)生活水平和發(fā)展需求,要用更高的目標(biāo)和價值觀,包括全球視野、家國情懷、探索未知、科技創(chuàng)新、社會平等、人際關(guān)懷等來激發(fā)其成長動力;五是要綜合利用各種動機(jī)系統(tǒng)的力量,包括獎勵、懲罰、習(xí)慣和自控力,等等,提升動機(jī)系統(tǒng)的持久性和靈活性;六是在傳遞學(xué)習(xí)動機(jī)相關(guān)知識的同時,更要注重社會情緒技能的培養(yǎng),將強(qiáng)大的學(xué)習(xí)動力變成一種自發(fā)的習(xí)慣。
在未來教育的設(shè)計(jì)中,我們還需要充分認(rèn)識到體育的重要作用。體育活動尤其是有氧體育運(yùn)動不僅有助于增強(qiáng)體質(zhì),還對學(xué)業(yè)成績和心理健康有顯著影響。大量有關(guān)青少年的研究發(fā)現(xiàn),體育運(yùn)動與學(xué)校表現(xiàn),如閱讀和數(shù)學(xué)成績甚至是平均績點(diǎn)和認(rèn)知之間存在正相關(guān)關(guān)系。有氧體育鍛煉可以促進(jìn)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)分泌,增加海馬體的體積——海馬體在記憶習(xí)得和鞏固中起著關(guān)鍵作用,從而增強(qiáng)記憶能力和提升學(xué)習(xí)成績。另外,有氧運(yùn)動對青少年情緒調(diào)節(jié)和心理壓力釋放具有顯著的積極作用。一方面,體育鍛煉通過改善內(nèi)分泌系統(tǒng),如促進(jìn)多巴胺、血清素等神經(jīng)遞質(zhì)的分泌,可減輕抑郁和焦慮等負(fù)面情緒。另一方面,體育鍛煉可以幫助青少年轉(zhuǎn)移負(fù)面情緒并增加積極情緒體驗(yàn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織最新的身體活動指南建議,5歲~17歲的兒童青少年每天應(yīng)至少進(jìn)行60分鐘以有氧運(yùn)動為主的中等到劇烈強(qiáng)度的身體活動,每周至少應(yīng)有3天進(jìn)行劇烈強(qiáng)度有氧運(yùn)動以及增強(qiáng)肌肉和骨骼的運(yùn)動。
可以看到,腦認(rèn)知科學(xué)的研究可以為學(xué)習(xí)力的培養(yǎng)提供全新的認(rèn)識,為科學(xué)和高效學(xué)習(xí)力提升提供重要的理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。未來教育的設(shè)計(jì),包括相關(guān)的政策制定、課程體系,教學(xué)方法以及評價體系,都需要充分依據(jù)大腦的規(guī)律。
技術(shù)創(chuàng)新為依托。在智能時代,科技進(jìn)步將有可能為未來教育的變革提供強(qiáng)有力的支撐,但前提條件是要符合未來的教育的目標(biāo)以及學(xué)習(xí)的規(guī)律。其中,腦認(rèn)知科學(xué)將為未來教育設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)、關(guān)鍵指標(biāo)和科學(xué)方法,而人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)則將一方面為教育提供強(qiáng)大的工具來變革傳統(tǒng)的教育手段和評價方式,另一方面通過對管理和教學(xué)工作的自動化和提質(zhì)增效來釋放教育管理者和教師的時間,讓他們有更多精力從事人工智能無法勝任的工作;最后,虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲引擎等技術(shù)將為教育提供更加真實(shí)的環(huán)境,提高學(xué)習(xí)動機(jī)和效率。
腦認(rèn)知科學(xué)除了能加深對人腦功能的本質(zhì)認(rèn)識,幫助重新定義未來教育的目標(biāo)外,還將從多個方面推動未來教育技術(shù)的進(jìn)步。首先,腦認(rèn)知科學(xué)揭示了人腦發(fā)育的規(guī)律以及人腦學(xué)習(xí)記憶的規(guī)律。這些規(guī)律不僅可以在認(rèn)知層面更新教育管理者、教師和學(xué)生的觀念,改善教育政策、教學(xué)行為和學(xué)習(xí)方式,更可以為人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等未來教育技術(shù)的應(yīng)用提供科學(xué)的指引,包括產(chǎn)品理念和功能設(shè)計(jì)、關(guān)鍵指標(biāo)的制定、針對性的數(shù)據(jù)收集,以及基于腦認(rèn)知科學(xué)原理的模型建構(gòu)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證等。
其次,腦認(rèn)知科學(xué)能提供很多用于學(xué)習(xí)能力評估和訓(xùn)練效果提升的技術(shù)。比如,認(rèn)知測評技術(shù)結(jié)合腦影像技術(shù)可以更加精準(zhǔn)測量個體的大腦功能和認(rèn)知能力。根據(jù)Anderson于1982年提出的認(rèn)知技能發(fā)展理論和Glaser等人于1985年對認(rèn)知技能維度的分類理論,一些認(rèn)知技能測量的技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn),包括知識獲取、組織和結(jié)構(gòu)的測量;問題表征深度的測量;心理表征模型的測量;元認(rèn)知技能的測量;任務(wù)完成自動化程度的測量;程序技能效率的測量。這些都大大超過了傳統(tǒng)的教育測評手段,能夠?qū)崿F(xiàn)對有機(jī)知識體系和認(rèn)知技能的深度評估。腦認(rèn)知科學(xué)還能夠更好地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)動力,相關(guān)技術(shù)包括:傳統(tǒng)的問卷測量、心理投射技術(shù)、內(nèi)隱聯(lián)系技術(shù)以及腦影像,等等。這些技術(shù)和人工智能、大數(shù)據(jù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合,未來將使評估和輔助具有更好的精度和干預(yù)效果。
最后,教育的本質(zhì)就是塑造大腦,腦認(rèn)知科學(xué)所提供的技術(shù)和方法,可以實(shí)現(xiàn)對大腦的精準(zhǔn)調(diào)控。一些相對無損的技術(shù),比如,神經(jīng)影像技術(shù)、無損腦刺激和腦機(jī)接口技術(shù),以及一些神經(jīng)類的藥物,已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,在治療大腦疾病和改善大腦認(rèn)知和情緒功能等方面起到了良好的作用,未來也有可能成為改善和治療學(xué)習(xí)障礙以及使正常人認(rèn)知增強(qiáng)的技術(shù)。還有一些微創(chuàng)技術(shù),如侵入式腦機(jī)接口、侵入式神經(jīng)刺激調(diào)控(包括光、電、聲、磁、光遺傳等),神經(jīng)遞質(zhì)、荷爾蒙和激素等藥物技術(shù)等,在解決了安全和倫理問題的前提下,未來都有可能成為有效的教育手段。
在人工智能領(lǐng)域,菲爾茲數(shù)學(xué)科學(xué)研究院院長庫馬爾·默蒂表示:“人工智能帶來的機(jī)遇,超越了技術(shù)層面,超越了特定學(xué)科,而是為全球范圍教育領(lǐng)域帶來革新。”世界經(jīng)濟(jì)論壇在2024年4月發(fā)布的報告中也指出,AI可以通過修改(augmentation)和自動化(automation)來支持教師的角色?梢宰詣踊墓ぷ靼ǎ壕幹铺囟ㄖ黝}的書籍、期刊、文章和視聽材料清單;使用標(biāo)準(zhǔn)參考資料核實(shí)事實(shí)、日期和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù);使用答題紙或電子標(biāo)記設(shè)備對家庭作業(yè)和考試進(jìn)行評分,計(jì)算和記錄結(jié)果?梢再x能的工作包括:分析績效數(shù)據(jù)以確定教學(xué)系統(tǒng)、課程或教學(xué)材料的有效性;設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)產(chǎn)品,包括基于網(wǎng)絡(luò)的輔助工具或電子績效支持系統(tǒng);開發(fā)教學(xué)或培訓(xùn)材料,如講義、學(xué)習(xí)材料或測驗(yàn);為教師助理或志愿者布置作業(yè)。這樣老師有更多的時間從事課程設(shè)計(jì),完善教學(xué)方法,提供社會情緒支持,提供個性化的教學(xué)指導(dǎo)和與家長交流等。
與此同時,我們也要警惕人工智能技術(shù)的誤用、濫用。比如,在傳統(tǒng)的應(yīng)試教育思想的指導(dǎo)下,人工智能可能被作為高效的刷題機(jī)器。通過知識點(diǎn)的精細(xì)拆分和習(xí)題匹配,人工智能指導(dǎo)下的習(xí)題推送可以幫助學(xué)生掌握碎片化的知識點(diǎn),但卻不利于有機(jī)知識體系的形成。這種基于有限知識邊界來促進(jìn)知識掌握的學(xué)習(xí)模式,只能培養(yǎng)更多千人一面的學(xué)生,而與因人而異、按需學(xué)習(xí)的個性化教育模式背道而馳。還有一些人工智能技術(shù)采集了大量數(shù)據(jù),但并沒有形成有效共享,從而成為信息孤島;更沒有通過科學(xué)系統(tǒng)的分析形成有價值的科學(xué)證據(jù),因而難以對教學(xué)實(shí)踐形成指導(dǎo),造成大量資源的浪費(fèi);更有一些人工智能技術(shù)被濫用為隨時監(jiān)視教師和學(xué)生的工具,加大師生壓力和不安全感,甚至阻礙學(xué)習(xí)。
除了腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲技術(shù)也可以為未來教育賦能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過模擬現(xiàn)實(shí)情景,在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)力方面具有眾多獨(dú)特價值。首先,它可以讓學(xué)生更加具身地體會文字所不能描述的信息,更好構(gòu)建具體與抽象知識相融合的有機(jī)知識體系。更重要的是,通過與生成式AI技術(shù)相融合,人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)可以形成有關(guān)數(shù)量、幾何、物理、化學(xué)、生物、政治,經(jīng)濟(jì)、歷史、社會和心理等的世界模型。學(xué)生通過與虛擬的世界模型的交互來獲得科學(xué)的知識。這將從根本上改變教師傳授的方式,真正實(shí)現(xiàn)知識的生長,促進(jìn)有機(jī)知識體系的形成。其次,虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲技術(shù)可以用于認(rèn)知能力的測評和提升。相較于傳統(tǒng)的認(rèn)知測評和訓(xùn)練,結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲化測評和訓(xùn)練技術(shù)將具有生態(tài)化的優(yōu)勢,從而大大提高測評的準(zhǔn)確性與訓(xùn)練的效果,特別是訓(xùn)練效果的遷移。最后,虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲技術(shù)有助于學(xué)習(xí)動機(jī)的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲技術(shù)所提供的良好的視聽效果、沉浸式體驗(yàn)和及時反饋,可以極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣,甚至可能上癮。此外,這兩類技術(shù)還可以用以提高學(xué)生的心理品質(zhì)和學(xué)習(xí)動力。比如,通過模擬物理和社會壓力環(huán)境,可以訓(xùn)練學(xué)生的抗壓能力和心理韌性;通過創(chuàng)設(shè)個性化的成功環(huán)境,可以增強(qiáng)學(xué)生的成功體驗(yàn),極大提高成長動力。
可以看到,腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能技術(shù)可以在多個方面推動未來教育體系的設(shè)計(jì),包括對教育本質(zhì)的重新定義、重新設(shè)定以學(xué)習(xí)力為核心的教育目標(biāo)、提供尊重大腦規(guī)律的學(xué)習(xí)方法、千人千面的按需學(xué)習(xí)路徑,以及切實(shí)助力完成上述目標(biāo)的全新教育科技。這些將為未來教育變革的實(shí)現(xiàn)提供全面的支撐。
智能時代創(chuàng)新教育實(shí)踐的實(shí)施路徑
為推動智能時代的教育深度變革,社會各界,包括政府和教育管理者、科研工作者、教師、學(xué)生和家長,以及教育科技的從業(yè)者,等等,都必須統(tǒng)一認(rèn)識、協(xié)調(diào)步伐、積極行動,從而實(shí)現(xiàn)教育變革從理論走向?qū)嵺`。
在政府和政策層面,需加大和加快教育的科學(xué)化和智能化轉(zhuǎn)型,加快相關(guān)政策出臺和標(biāo)準(zhǔn)制定,加大在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究與實(shí)施中的經(jīng)費(fèi)投入、過程監(jiān)管和證據(jù)累計(jì),強(qiáng)調(diào)依據(jù)科學(xué)證據(jù)指導(dǎo)教學(xué)變革并客觀獨(dú)立評估實(shí)施效果,從而實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)、證據(jù)到實(shí)踐的正向循環(huán)。同時,要大力推進(jìn)優(yōu)質(zhì)均衡教育的全面落地,特別是要實(shí)現(xiàn)因材施教的公平而不是絕對的平均主義。要為拔尖創(chuàng)新人才、學(xué)習(xí)困難兒童提供充分的資源以促進(jìn)其發(fā)展,也要為具有不同能力特長和興趣愛好的學(xué)生提供充分的選擇和差異化發(fā)展路徑;積極推動小班化教學(xué),更好照顧到每個學(xué)生的需求;在學(xué)校辦學(xué)模式上,要鼓勵學(xué)校特色化辦學(xué),為不同孩子提供充分的選擇;在考核指標(biāo)和方式上,要發(fā)展多元綜合考核,避免單一標(biāo)準(zhǔn)。
在科學(xué)研究方面,我們對大腦的認(rèn)識還有待持續(xù)深入,對微觀大腦活動與教育實(shí)踐的關(guān)系也需要持續(xù)研究。人工智能底層技術(shù)和教育領(lǐng)域的應(yīng)用需要加快發(fā)展。國家應(yīng)在腦認(rèn)知科學(xué)、人工智能與教育融合領(lǐng)域進(jìn)行重大戰(zhàn)略布局和資源投入,加快相關(guān)的研究基地建設(shè)、項(xiàng)目立項(xiàng)、人才引進(jìn)和培養(yǎng);面對未來教育的重大問題,腦科學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、教育科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的工作者應(yīng)該開展跨學(xué)科交叉聯(lián)合攻關(guān)。
在教師教育方面,要加強(qiáng)對教師的腦認(rèn)知科學(xué)知識、研究方法和實(shí)踐應(yīng)用的教育。在師范院校開設(shè)腦科學(xué)通識課程;在心理學(xué)、教育學(xué)等相關(guān)專業(yè)開設(shè)腦與學(xué)習(xí)、腦科學(xué)與教育等專業(yè)課程;對現(xiàn)有教師加強(qiáng)腦認(rèn)知科學(xué)的繼續(xù)教育和實(shí)踐指導(dǎo);加強(qiáng)對教師人工智能和信息素養(yǎng)的培養(yǎng),使其熟練掌握教育相關(guān)人工智能工具,提高教學(xué)效率和質(zhì)量;引導(dǎo)教師轉(zhuǎn)變思想、提升技能,使其對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、心理品質(zhì)和知識體系狀況能夠進(jìn)行科學(xué)評估,充分了解學(xué)生興趣和需求,成為學(xué)生個性化發(fā)展的有力指導(dǎo)者。
在課程建設(shè)方面,學(xué)校需要改革現(xiàn)有的學(xué)科課程,加大主題式和項(xiàng)目制等深度學(xué)習(xí)課程,促進(jìn)有機(jī)知識體系形成;學(xué)校要積極推動學(xué)生學(xué)習(xí)能力課程的建設(shè),通過設(shè)置專門“腦育”課程,改造“心理健康”課程,發(fā)展腦科學(xué)與學(xué)科教學(xué)結(jié)合的“融合”課程,設(shè)置腦科學(xué)理論指導(dǎo)下的課后選修等“輔助”課程,組織多種特色活動或主題活動等“活動”課程,將腦科學(xué)融入學(xué)校教學(xué)的各個方面;加強(qiáng)信息和人工智能素養(yǎng)課程,提高學(xué)生的人工智能思維,促進(jìn)其對人工智能底層知識的掌握并培養(yǎng)其相關(guān)技能;同時,更加重視體育課程,特別是有氧運(yùn)動,改善學(xué)生身體素質(zhì)、心理品質(zhì)和學(xué)習(xí)能力;最后,加強(qiáng)人文學(xué)科課程,提升學(xué)生的人文素養(yǎng),為學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展提供正確方向和持續(xù)動力。
在考試評價方面,要突破傳統(tǒng)單一考試模式,拓展多種測查形式,更加強(qiáng)調(diào)對基礎(chǔ)素養(yǎng)、學(xué)習(xí)能力和優(yōu)勢特色的考察,形成“綜合性+個性化”的評估體系;突出對學(xué)生知識體系掌握、基礎(chǔ)認(rèn)知能力水平的測查,以及對知識靈活使用和創(chuàng)新能力的考察;采用多種手段對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和心理品質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)有效評價,將其作為教育質(zhì)量監(jiān)測以及升學(xué)和選拔的重要依據(jù);在考試評價實(shí)施上,要科學(xué)設(shè)置考察節(jié)點(diǎn)和反饋機(jī)制,形成報告和發(fā)展性評價以促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。
在技術(shù)研發(fā)方面,要圍繞基于腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能時代下的教育目標(biāo),創(chuàng)新融合人工智能技術(shù)、腦認(rèn)知測評和干預(yù)技術(shù),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù),神經(jīng)反饋和調(diào)控技術(shù),開發(fā)和推廣能真正推動學(xué)生有機(jī)知識體系的形成、強(qiáng)大學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和持久學(xué)習(xí)動機(jī)的塑造,且符合人腦學(xué)習(xí)和教育規(guī)律的產(chǎn)品和技術(shù)體系;在加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)的同時,也要注重實(shí)踐驗(yàn)證,特別是在嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)化驗(yàn)證、數(shù)學(xué)模型發(fā)展和一般性科學(xué)規(guī)律總結(jié),讓上述科學(xué)技術(shù)成為推動學(xué)習(xí)力提升、促進(jìn)未來教育變革的強(qiáng)大力量。
總之,腦認(rèn)知科學(xué)和人工智能正在以前所未有的廣度、深度和速度推動著科技進(jìn)步和社會轉(zhuǎn)型,給人類提出全新的要求并帶來前所未有的挑戰(zhàn)。在全新的時代,未來教育擔(dān)負(fù)著促進(jìn)人類發(fā)展和推動人類進(jìn)化的使命,需要迎接挑戰(zhàn)、主動變革并立即行動。腦認(rèn)知科學(xué)基于對人腦智能本質(zhì)、大腦發(fā)育規(guī)律、學(xué)習(xí)記憶規(guī)律、動機(jī)情緒規(guī)律等的深入認(rèn)識,以及創(chuàng)新的大腦評估和調(diào)控技術(shù),通過與人工智能技術(shù)等的有機(jī)融合,將為未來教育提供目標(biāo)定位、實(shí)施路徑和技術(shù)手段等方面的強(qiáng)大支持,推動未來教育變革的真正實(shí)現(xiàn)。
文章來源:《學(xué)術(shù)前沿》雜志2024年第17期(注釋從略)