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吴祖仁:脑科学教育系列报告之一(WORD版本)


2016年03月29日 11:38  点击:[1]

吴祖仁:脑科学教育系列报告之一(WORD版本)

第一节自然界最复杂的系统

说明:这部分内容只需一般性了解。但请大家明白,因为脑很复杂,所以有无限可开发潜力;具有可变性,不要把“差生”看扁;具有突变性,要关注学生的突然变化;基础教育的重要性,决定人的一生发展。

一、     复杂性系统的基本特性

复杂性系统特征(从科学方法论的角度体现一下)

   ()非线性

非线性线性是一对数学概念,用于区分数学中不同变量之间两种性质不同的关系。可以从本体论和方法论两个层面来认识和区分线性思维和非线性思维。

从函数表达说,线性是一次函数  z=ax+by

非线性是       z=axn  n不等于1

从图像说,线性是直线,后者是曲线

从本体论角度来看,线性思维认为,现实世界本质上是线性的,非线性不过是对线性的偏离或干扰。非线性思维认为,现实世界本质上是非线性的,但非线性程度和表现形式千差万别,线性系统不过是在简单情况下对非线性系统的一种可以接受的近似描述。

从方法论角度来看,线性思维认为,非线性一般都可以简化为线性来认识和处理。非线性思维认为,一般情况下都要把非线性当成非线性来处理,只有在某些简单情况下才允许把非线性简化为线性来处理。

非线性作用是复杂性的主是要根源.是系统无限多样性、不可预测性和差异性的根本原因。非线性思维是一种直面事物本身的复杂性以及事物之间相互关系的复杂性、运用超越直线式的思维去力争更清晰的理解和把握认识对象的思维方式。不可否认,在认识简单的事物时,直线式的思维方式有利于提高认识的效率。如经典物理的一系列模型,如质点、匀速直线运动;弹性形变、弹性碰撞、单摆、简谐运动等都是简单的线性模型,都是理想模型,是忽略很多因素后的抽象。物理学历史表明,正是伽利略、牛顿提出理想模型思想才开创了辉煌的经典力学时代。但是经典力学只是真实世界的近似。应用力学,如航空、航天领域都是非线性的,都不能用简单模型计算。

长期来,我们的基础教育,包括高等教育,基本上是线性理论,回避复杂性思维,但是真实世界是复杂的,应该用复杂性思维去考虑。所以有人说“物理学一个实际问题也解决不了!”,这一说法虽然有些极端,但是在解决实际问题时,往往都不能完全搬用书本中的物理模型。如果用线性思维去处理复杂性系统,如在技术、经济领域就会出大问题。回想中国的“人口问题”、五八年的大跃进的问题,当代一些工程问题,本质上都是由于缺乏复杂性思维,给国家和民族带了灾难性的后果。

  ()不确定性

不确定性是针对确定性而言的,是对确定性的否定。“不确定性“是复杂性系统的一个基本特性。

人造卫星发射过程为什么要不断调整运动姿态,要控制,因为运动过程存在不确定因素;为了使大量的零部件能够装成一台符合设计标准的机器,工程上首先要规定技术标准,规定机器零件生产过程的“公差”精度,这个公差就是不确定性。可见,所谓“不确定性“不是绝对不能确定,而是不能确定在一个确定的轨道上,但是可以控制在一个”管道“内,即可以控制在一定的空间范围。像杂技表演控制在一定范围——动平衡。

在近代科学发展史上,以牛顿力学为代表的经典自然科学向人们描绘了一幅确定性的世界愿景,然而现代科学的发展完全打破了他们的美妙理想。20世纪初的量子力学首先打破了“确定性”图像,提出“海森堡测不准原理”,但是,习惯于确定性思维的人对“海森堡测不准原理”始终格格不入。二十世纪60年代以来,现代系统科学中manbetx体育注册混沌现象的研究,却打破了传统科学中把确定性不确定性截然分割的思想禁锢,并用大量客观事实和实验表明,正是由于确定性和不确定性的相互联系和相互转化,才构成了丰富多彩的现实世界。著名科学家普里高津曾说:我坚信,我们正处在科学史中一个重要的转折点上。我们走到了伽利略和牛顿所开辟的道路的尽头,他们给我们描绘了一个时间可逆的确定性宇宙的图景。我们现在却看到了确定性的腐朽和物理学定义新表述的诞生。

美国密歇根大学地质科学家亨利·N.波拉克(H.N.Pollack1936)说:科学会因为不确定性而衰弱吗?恰恰相反,许多科学的成功正是由于科学家在追求知识的过程中学会了利用不确定性。不确定性非但不是阻碍科学前行的障碍,而且是推动科学进步的动力。科学是靠不确定性繁荣的。

  ()自组织性

  组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。德国理论物理学家哈肯依据组织的进化形式把组织分为他组织和自组织两类。自组织是相对于他组织而言的,我们一般把不能自行组织、自行创生、自行演化,不能够自主地从无序走向有序的组织称为他组织相反,自组织是指无需外界特定指。他组织只能依靠外界的特定指令来推动组织向有序演化,从而被动地从无序走向有序。令就能自行组织、自行创生、自行演化,能够自主地从无序走向有序,形成有结构的系统。

  自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。它的研究对象主要是复杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题,即在一定条件下,系统是如何自发地由无序走向有序、由低级有序走向高级有序的。一般认为自组织理论由耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、分形理论和混沌理论组成。其中,耗散结构理论是解决自组织出现的条件环境问题的,协同学基本上是解决自组织的动力学问题的,突变论从数学抽象的角度研究了自组织的途径问题,超循环论解决了自组织的结合形式问题,分形理论和混沌理论则从时序和空间序的角度研究了自组织的复杂性和图景问题。一般认为,系统开放、远离平衡、非线性相互作用、涨落是自组织形成的基本条件。

自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强,其保持和产生新功能的能力也就愈强。我们把这种无需外界控制和干扰、通过系统自身的调节和演化达到有序的特性称为自组织性,如达尔文提出的物竞天择,适者生存,就可以看成是自然界中的生物通过生态系统的自身调节而达到的不同物种之间进化发展的自组织过程。

地球上生态的演化发展是一个复杂的自组织过程。几十一年的演化形成大约3000万种动物;2000万种植物。我们常说抗菌素失效,菌种变异。就是微生物的自主演化。

神经系统和脑的演化和发展是最神奇的自组织过程。脑是最复杂的自组织系统。

  ()涌现性

  复杂性科学把系统整体具有而部分或者部分和所不具有的属性、特征、行为、功能等特性称为涌现性。也就是说,当我们把整体还原为各个部分时,整体所具有的这些属性、特征、行为、功能等便不可能体现在单个的部分上。复杂性是随着事物的演化从简单性中涌现出来的。虽然涌现性是整体的一种现象和特性,但是整体的现象和特性不一定都是涌现。当构成整体的各部分形成有机的整合,即集成为一个新的复杂体系时,就会出现涌现性。

突发性是一种特殊的涌现性。自然界恶劣的气象现象是涌现性;当前生活中某些地区突发性事件就属于复杂社会的涌现性;大脑功能的形成属于涌现性。开发大脑,将无序的神经元系统形成有序的结构就是建构脑的“涌现性”

(五)、初值的敏感性

“蝴蝶效应”是最典型的复杂系统初值敏感性。“蝴蝶效应”的形象的比喻:亚马孙河上一只蝴蝶的翅膀抖动一下就可以在美国的德克萨斯州引起一场风暴。

物种的多样性问题  回顾生命演化的历史,生命从单细胞开始,为什么几十亿年后会演化出形形色色的动物和植物。用处置敏感性就比较容易理解。假设亿万年前,生物之间存在的某些很小的差异,逐渐形成明显差异,以致成为不同物种。

幼儿教育的敏感期  婴儿早期的环境和教育的差异会导致人的智能重大差异。

三、脑是自然界最复杂的系统

至所以说脑是自然界最复杂的系统,我们可以从以下三方面去理解:复杂的生理结构;复杂的功能结构;脑功能发育发展的复杂过程和初值敏感性。

1、复杂的生理结构

一百多年前,从解剖生理学研究发现人的大脑存在左右两个半球

状结构(脑的半球)

1  脑的左右半球

广大百姓中几近普及的左右脑概念就是由此而来。进一步研究发现大脑功能存在分区结构,最先发现脑具有十一个分区(   2  )

   2  脑的十一个分区结构

后来发现52个脑区,进一步发现脑有更复杂的分区结构,现代脑科学研究表明,人的大脑存在很精细的空间分区结构,每一个功能都定位于解剖学上一个专一性脑区。而一个专一性脑区包含几百到几千个神经元细胞,其空间尺寸大约才几十——几百微米。这就是说,脑科学已经从实验发现,一个专一性脑区的空间尺度不足 一毫米 。由此可以想象,人的大脑该有多么复杂的功能区结构!

从神经生物学的角度说,脑区的功能结构的物质基础是神经元网络。神经元细胞是最基本的信息结构单元。人的中枢神经系统大约有10 ——10 个神经元细胞(3)

        3,神经元结构图

每个神经元细胞又有数以千计的突触。大脑神经网络就是通过不同神经元突触之间的相互作用而形成的某种信息功能关联建立起来的。我们后面将会知道人脑具有十分复杂的功能区域结构,也即蕴藏着十分巨大的信息功能。大脑功能各个区域既有功能分工,又相互协作,形成网络式功能结构。

   4  电子显微镜下的神经元网络

人脑的中枢神经生理结构可以看成是人的大脑信息功能的硬件系统。这个系统是人类祖先在几百万年的劳动与创造,与自然界的不断斗争中及其在频繁的社会交往中,在社会环境中逐渐演化发展起来的。几百万年前,类人猿与今天的大猩猩的大脑结构基本差不多,脑重量约 400 ,没有什么复杂精细的大脑皮层结构。人脑和高级动物大脑的生理区别主要是人类有数倍于大脑本身质量的大脑皮层结构()

这是人类祖先在漫长历史的劳动和创造中逐渐进化而来的。现在看来,马克思说“劳动创造了人类本身”的含义主要应该是指创造了神奇的大脑。所以,我们每一个人的大脑的生理结构都是继承了人类祖先几百万年的劳动和创造的伟大成果,而且对于每一个健康人都是平权的,都得到祖先赐给的这份珍贵遗产。

人脑的复杂生理结构是人脑具有神奇功能的物质基础。人脑的生理结构是自然属性,可以从遗传和自然生活形成。但是人脑的信息功能,行为习惯意志品质、知识和能力是社会属性,不能从遗传直接得到,都必须通过后天的环境和教育,都必须靠每一人自身的参与、努力才能形成。所以,不同的家庭文化背景,不同的群族、不同的教育经历,不同的社会条件,会造就千差万别的人。

2、人脑具有非常巨大的复杂的潜在功能结构

人脑的复杂生理结构是大脑功能的物质基础,人脑的复杂生理结构决定它具有神奇的潜在功能。大脑功能结构的物质基础是神经元网络。神经元细胞是构成神经网络的最基本的信息结构单元。人的中枢神经系统大约有10 ——10 个神经元细胞。每个神经元细胞又有数以千计的突触。大脑神经网络是通过不同神经元突触之间的相互作用而形成神经通道联建立起来的。一个神经元可以与周围的几十个,几百个,甚至上千个神经元的突触建立联系。所以人的大脑可以建立非常复杂的神经网络系统。因而人脑可以具有非常强大的功能。有学者估算,若将全球的电话网络系统和大脑网络相比,电话网络的复杂程度也仅仅能占大脑网络的一小部分。假如某个电脑每秒钟运行4亿次,那么人脑1分钟之内做的事情,这台电脑则需要工作100年才能完成。

但是科学界公认,目前人脑功能利用率不足5%,这就是说,95%以上的脑细胞的潜能并没有被我们所利用。许多人感叹,这也许是当今社会最大的一个资源浪费。但是,从另一方面也告诉我们,开发人类大脑功能有着极其广阔的前景和巨大的意义。设想,如果我们大脑的功能开发扩展几倍,如达到20——30%,那将不得了,人的智慧、能力将提高数倍,如阅读速度提高几倍、记忆力提高几倍、思维能力和动手能力提高几倍,那将会使大批普通人提高到现在伟大人物的水平,成为“天才”。所以,从这个意义上讲,我们把幼儿大脑功能全面开发的教育称之为把普通人开发成“天才”、“奇才”的教育!这将从根本上回答“钱学森之问”,将大批地培养出杰出的科学技术创新人才。  

很多人都在说,“现在的孩子真聪明!”这是因为现在的孩子从小享受立体化的教育,从小生活在电视、网络、丰富的媒体教育之中,现在的家长也具有一定的早期教育意识和能力。所以,现代孩子的大脑受到比较良好的开发。

当今世界,由于人口不断增长,人类在能源和物质消费方面的欲望的不断提高,导致对地球上有限资源的无度开采,带来越来越严重的全球性资源、环境和生态危机。要从根本上解决这些问题,只能靠智慧,靠神奇的大脑所能发挥的神奇智慧和创造。如,高效率的太阳能发电,叶绿体发电的开发与普及,完全有望通过利用太阳能解决能源问题。果真如此,就可以大幅度减少甚至停止使用矿物燃料,就能有效恢复环境,改善生态系统。

开发大脑功能的目的就是要普遍地大大提高人的综合素质、成倍地、数倍地提高人的智商、情商和行商,普遍地提高民族的创造力,把当今人们看来还是科学幻想变成现实,从而创造出神话般的世界。事实上,看看现在的世界,对比一个世纪以前的社会,就已经发生神话般变化。假设有一个人从十九世纪末开始长眠,现在突然醒来,这个人一定以为自己进入一个十足的魔幻世界。科学和技术有着无限广阔的发展空间。人类在20世纪科学技术的基础上已经创造出当今如此发达的文明,通过全面开发大脑功能,造就更高水平智慧的人类,就会攻克一个个科技难题,做出神奇的发现和创造,创造出当今人们难以想象的魔幻般的未来文明。

1、脑功能发育发展复杂过程(从结构形成过程认识脑的复杂性)

——自然演化与社会演化的结合

人脑的大脑功能是慢慢建立起来的,我们知道,婴儿一般到10个月,才会叫“妈”到三岁才学会简单的生活用语。中国人学汉语要中小学12年,加上幼儿园共计15.中小学,加上大学,在走上工作岗位之前要接受近20年的教育和学习。从脑科学的角度看,这二十年就是进行大脑功能开发,不但要在认知,而且还要在情感、意志和行为等方面进行开发,就是通过各种课程的学习,完成基本神经网络的建构。

那么,从神经科学看,人的神经网络是怎么构建起来的呢?神经网络的结构的层次包括:生物大分子、神经元、神经元簇,神经元簇回路、脑功能子系统和脑整体网络。一个神经元族由一群功能及定位都比较接近或相关的神经元构成,一个神经元族回路由一群功能类似或相关的神经元族及其连接构成。一个功能子系统由完成同一种功能的,包括大量神经元族回路的有关脑区及其连接组成。脑整体网络由许多具有不同功能的、相对独立而又相互连接和相互作用的功能子系统组成。”(《心智的无意识活动》P9——10  

这个过程是非常缓慢、复杂的。。需要一个神经通道,一个神经通道地连接,一个专一性脑区一个专一性脑区地建立。其一般过程如下:由神经元与神经元之间的突触的关联建立神经元通路,这样的过程继续发生,在周围同类神经元之间形成神经元簇,进一步形成神经元簇回路,再进一步发展成功能子系统,形成整体神经网络。我们前面说的一个“妈“字,就需要有几百个神经元组成的专一性脑区才能支持这一功能。而文字与语言又不是同一个脑区。脑科学实验已经证明,听读、说、写同一个字,都对应不同的脑区。所以,单就语言和文字能力的学习就需要形成非常复杂的脑区结构。况且,我们还要学习自然科学、社会科学、人文学科,多种技能、技术;学习各种行为、习惯、意识、道德、品质等,这一切都对应完全不同的神经网络或脑区结构。可以想象,大脑功能的脑区结构会多么复杂。

人脑的功能是不断发展的,大脑具有终生可塑性,是一个生态系统。

由上,可以看出人脑不但有复杂的生理结构、神奇的功能结构,而且是一个不断变化的生态系统。所以,是自然界最复杂的系统。

2、          脑的早期发育敏感性

复杂系统的一个重要特点是初值敏感性。人出生后的家庭和社会环境千差万别。“差之毫厘失之千里”,世界上没有两个完全相同的脑。孩子在早期生活的种种微小差别。

第二节 两种基本结构

提示:教育的作用就是是大脑从生理结构向功能结构转变。转变的早晚、好坏,直接决定一个人的能力。

 脑有两种基本结构。一是生理结构,二是功能结构。manbetx体育注册功能结构,要先做点说明。我们指的功能结构,不包括反映人的生理活动,如呼吸、心跳、血压、血糖等各种生理指标信息的控制功能。这类生理信息也是脑控制的,但属于内脑部分,如脑干系统,这是生理遗传带来的,是脑的自然特性。这里指的信息功能是后天形成的功能,信息功能结构也是人在后天学习过程中逐渐形成的。

大脑的生理结构主要由大约有1011的神经元细胞和10倍于神经元细胞的胶质细胞构成。人出生时,就具有1011个神经元细胞,但相互之间是没有直接联系的,整体处于无序状态。新生婴儿基本没有信息功能,除了对冷热,饥饿等信息有感知外,对周围世界缺乏基本感知能力。视觉、听觉等感知能力也都需要在出生后的环境和教育中逐渐形成。科学家曾做过猫眼实验,将新生猫一只眼睛挡住两周后,这一只眼睛永远失去视力,而另一只眼睛视力正常。人与哺乳动物的视力系统是非常接近的,由此推断,如果孩子出生后一段时间内缺乏适度光照环境,这个孩子的视力就会出现严重问题。

人脑的信息功能是在生理结构的基础上,通过感觉器官从外界获取信息,输入大脑,形成记忆,形成网络结构,随着神经网络结构的发展,脑的信息功能也逐渐发育、发展起来的。

大脑功能的发展过程大体是这样的,首先是通过眼、耳等感官,将周围的信息传入大脑,在某些位置的神经元的突触之间发生耦合,有蛋白质生成,形成记忆,并形成神经元通路。类似的现象不断发生,逐渐将这种学习和记忆的过程在同类神经元中传递,形成神经元簇,进一步扩大形成专一性脑区。这时孩子就具有某种大脑功能。比如,认识妈妈,学会叫“妈妈;认识苹果,认识喝水的杯子,等;”;学会拿东西、会摇铃等动作。这样的过程大约需要一周岁,或者更多的时间。在这个过程中,我们看到的是孩子一点一点地学会了本领,看不见的是发生在孩子脑内的神经结构的形成和发展,一个个专一性脑区的形成。

第二,在形成一个个专一性脑区基础上,相关脑区形成连接。形成具有复杂功能的神经网络结构。这样,就在生理结构的基础上形成了脑的功能结构。

联想一个人的成长过程,从小到大,一点点学习,一天天成长,可以看到知识一点点地增长,能力逐渐地断提高,人格不断地养成和发展。但是,从脑科学我们知道,一个隐藏在大脑内部,人们直接看不到的现象一直在大脑内进行着,那就是大脑内神经网络结构在一点点建构,脑区在一个个形成。这个过程就是脑从生理结构的基础上逐渐形成功能结构的过程,即神经元系统从无序逐渐变成有序的神经网络结构的过程。

 脑的生理结构是先天的,靠遗传获得的。人脑的生理结构是生命系统亿万年演化,尤其是人类祖先在百万年历史中通过劳动和创造演化、发展形成的。人的生理结构是每个人通过自己的父母遗传得到的,这是每个人从生命世界获得的一笔珍贵的丰厚的历史遗产,对每一个健康孩子是平权的;脑的功能结构是不能靠遗传直接获得的,是在先天生理结构的基础上,通过后天的环境、学习和教育逐渐形成的,或者说必须是在后天的环境和教育作用下,通过每个人自身的努力才能逐渐形成的。从这个意义上说,脑的功能结构具有社会属性。

脑的功能与先天的遗传是否有关系呢?这是一个很多人都关心,又难以完全说清楚的问题。实际上,既然生理结构是功能结构的基础,就表明两者有着重要关系。

首先,一切基于生理结构的现象都必然会在一定程度上与遗传有关系。因为人的生命系统是从一个细胞不断分裂发育起来的,每次分裂都携带原始的基因信息,大脑也不例外,也必定携带原始的基因信息。

但是,脑科学界有一个流传很广的论点,“一个大脑健康的人与一个伟大的科学家之间并没有根本的区别,,,,,,,”,如何理解呢?这句话并不否认遗传对脑功能的作用,而是强调脑的可开发潜在功能非常大,以至于先天因素与它相比几乎可以忽略。以此突出,脑功能好坏,聪明与否关键在于环境与教育,决定于脑功能的开发。

这里我们要提醒一点,家庭是不同的,社会是复杂的。人出生的家庭,所处的周围环境,享受的学校教育的差别可能会较大,这就会对不同的孩子大脑发育发展产生相应的差别。这个问题以后还要详细的讨论。

那么,manbetx体育注册遗传对脑功能的影响是否存在一些可观察的,显然的因素呢?笔者经过研究认为,实际上也是有的,而且是明显的,只是长期来没有被人们认真研究而已。大家知道,一台照相机的性能,关键是镜头。人的眼睛好比照相机镜头;一套扩音系统,话筒也很关键,它的质量对音响系统也有举足轻重的作用。人的耳朵是受话器,听觉对人的学习非常重要。汉语的聪字造得很好,左边是耳朵,右边上面两点表示眼睛,而后下面才是口和心。可以理解成为有了耳朵,眼睛,才能发挥嘴的作用,才能有心里活动。聪耳明目,一个人如果眼睛耳朵敏锐、接受的信息多而准确,一定比较聪明。所以眼睛和耳朵对一个人的智能发展十分重要。眼睛、耳朵就是生理特征,是遗传决定的。但人们的眼力,听觉确实存在差别,这是由遗传因素确定的。它们会直接影响信息的接受。人们说,人的信息百分之八十以上通过眼睛获取。实验物理学家的观察能力非常重要,同样一个现象,有人扑捉到了,其他人则没有发现。1931年,安德森发现了正电子,我国的赵忠尧先生首先做了这个实验,却错失机会。高明的医生可以凭X光片,准确地做出判断,经验差的医生却会做出很不一样的结论。这里有多方面的因素,但观察能力显然占重要地位。当然视力和听力也不完全由先天因素决定,感觉能力在一定程度上是可以通过学习、训练,通过习惯、意识的培养得到某种程度的改善和提高的。

这个问题我们还可以做进一步的分析,眼睛、耳朵敏锐,直接可以影响到大脑功能的发育和发展。

三、三个维度的代谢机制(耗散结构)

提示:信息能量物质的代谢是脑功发展的动力机制,使脑从生理结构想功能结构转变的动力。只有通过学习才能获得信息,才能实现大脑重塑。所以要坚信,学习是人的天然需要,人人都爱学习,关键是为学生创造适合学生的课程              

1、什么叫耗散结构?

四十多年前,比利时科学家普利高津提出了著名的耗散结构理论,1977年被授予诺贝尔化学奖。耗散结构理论描绘了自然界一类具有以下基本特点的系统.系统必须是开放的,与周围环境存在不断的能量、物质交换;必须处于远离平衡的非线性区;系统中必须有某些非线性动力学过程,系统内各要素之间具有协同动作和相干效应,从而使得系统能从杂乱无章变为井然有序的自组织系统。耗散结构理论对认识物质世界的演化,尤其是生命物质的演化和发展具有普遍的指导意义,是20世纪最伟大的科学发现之一。

2、脑的耗散结构有什么特殊性?

随着对脑科学的不断深入了解和研究,我们发现普利高津的耗散结构理论并不能反映大脑系统的根本特征。脑作为一个开放系统,与外界不仅需要进行物质能量的交换,而且必须进行信息的交流;脑功能的发育发展过程与一般生命组织不同,脑不是仅仅靠能量、物质的代谢就可以实现的,必须靠信息的不断输入才能实现;脑是一个在一般生命物质基础上形成的更高级的自组织系统,脑不仅具有十分精致的生理结构,还是一个能够具有高度的意识、复杂的情感、高级的智慧和创造力的最复杂最神奇的自组织系统,脑是比一般生命物质更高一级的物质,我们称其为智慧物质。

脑是动物世界在数亿年的漫长的演化过程中逐渐形成的,脑是自然界物质演化进程中出现的比普通生命物质更高一级的物质形态,是超越普利高津耗散结构规范的一种新的物质结构形态。如果说普通生命物质是物质、能量两个维度的耗散结构系统,如果可以对耗散结构理论加以扩展,那么我们可以说大脑系统遵循的应该是包括“信息、能量、物质”三个维度的耗散结构,我们称其为“三维耗散结构”系统。

manbetx体育注册脑的耗散结构特性笔者进行了大量研究,一方面从数亿年生命系统,特别是神经系统和脑的演化历史进行探索,另一方面对近三十年来的一系列脑科学实验进行系统研究。正是基于这些研究,我们提出并开展了脑功能发育发展的动力学机制的研究,也正是在这一研究中我们发现,普利高津的耗散结构理论解释不了大脑功能的发育发展问题。发现脑功能是在信息主导下的“信息、能量、物质”的代谢过程,我们称之为“信息、能量、物质”的耗散结构过程中形成的

3、认识脑的特殊耗散结构有什么重要意义?(应补充学习论。课程论内容)

  首先,脑存在两个不同的发展阶段,生理阶段和心智发展阶段。而后者是在学习和教育中,使神经元系统逐渐从无序到有序的过程,逐渐建构起神经网络的过程。学习是大脑的本能,是脑健康发育发展的基本动力,是大脑正常生命的天然需要。所以,人人都需要学习,说“某某孩子不爱学习!”是一种偏见。

其次,脑从生理结构到网络功能结构是一个信息、能量、物质的缓慢过程。所以教育和课程需要遵循大脑功能发展规律。

第三,基础教育应该转移到以全面开发大脑功能为基本目标,教育和课程必须坚持“以人为本”原则,必须开创适合脑发展的教育和课程。

第四,脑的出现使物质世界演化呈现一种全新的形态,从生命的起源和演化飞跃到智慧的起源和创造。超耗散结构可以回答“智慧之谜”,智慧是脑的复杂神经网络支撑下的五种基本心理相互作用机制的创造。脑对外部信息有存储、记忆,就会有认知,对外界有记忆、认知,就会有感情。随着脑功能的发展出现复杂的记忆,复杂的感情和行为,这个过程就是脑的一个不断自主创造的过程。人类的演化史已经证明了这一点。

第五,脑的信息特征更多的反映是外部世界的特征——时代特征(所受的环境和教育积累)和历史文化特征——民族特征(人类历史文明积累),而不是个体特征。但是却通过个体的文化素养反映出来,因而才带有个体特征。

四、脑功能的四个系统(智能论P101

1luria的脑功能结构理论

1973年前苏联科学家 luria在《神经心理学原理》中阐明脑功能有三个系统;“第一个系统是保证、调节紧张度和觉醒状态的功能系统。这个功能系统的相关脑区是脑干网状结构和边缘系统;第二个系统是接受、加工和储存信息的功能系统,这个功能系统的相关脑区是枕叶、颞叶、顶叶等;第三个系统是制定程序、调节和控制心理活动与行为的功能系统,这个功能系统的相关脑区是大脑皮层的额叶等。人的行为和心理活动是这三个功能系统协同活动的结果。脑的三个功能系统的学说对了解脑的整体功能有重要意义。“

2、脑功能四个系统论

我国著名科学家唐孝威院士,通过对国际上脑科学研究的成果的综合分析研究,提出了脑功能的第四个系统——评估与情感系统。唐先生注意到,Edelman 等人提出,评估功能是在许多心理活动中普遍存在的(Edelman et al  2000)”,进一步注意到,脑内对外界信息进行评估的结果,还会引起个体的情绪体验:符合个体需要或愿望的信息,有肯定性的评估结果,并可能产生正的情绪体验;不符合个体需要或愿望的信息,有否定性的评估结果,并可能产生负的情绪体验(Arnold 1960  Larzarus 1993

唐先生还注意到评估和情绪心理活动的相关脑区的研究成果:“脑杏仁核对奖惩相关事件的记忆起重要作用,所以杏仁核是与评估功能相关的脑区。中脑侧背盖区、黑质等区的多巴胺神经元能对预测的奖励与实际奖励的误差做出反应(Warelti et al2001,这也可能是评估系统的部分。

边缘系统等与情绪功能有关的脑区(LeDoux 1996)也是评估—情绪功能系统的一部分。此外,前额叶的一部分可能是评估——情绪功能系统的高级部位。”(《智能轮》P112

综合上述研究,唐先生提出了脑功能的第四个系统——评估-情绪功能系统。这样组成了脑功能四个系统。

3、调整后的脑功能四个系统论

笔者认真研究脑功能四个系统论后,觉得排序上不太符合逻辑,应该是评估、形成主题情绪后才进入调节和控制。处于这样的理解,笔者与唐孝威先生打电话,说明理由,唐先生认为有道理。从此笔者,就将脑功能四个系统的排序改为;第一、保证和觉醒系统,第二、信息接受和处理系统,第三、评估和情绪系统,第四、调节与控制系统。

五、心智的五种心理相互作用

心智是大脑的功能,大脑功能是人出生后,通过环境和教育逐渐形成的。但是,大脑功能是隐藏在人脑内部,长期来不被认识的秘密。脑科学的发展逐渐揭开了大脑的神秘空间。“心则官则思”,历史上人们一直把心脏看作思维的器官,并把相应的活动称为心理活动。现在也常常用心理活动来描述大脑的功能。

20世纪,心理学,尤其是应用领域得到很大发展,人们根据各自领域的心理研究的需要,相继发展起来形形色色的几十个心理学应用领域。于是在20世纪末,国际上出现了统一心理学理论的呼声和研究。如:staats(1999),SternbergGrigorenko(2001),DenmarkKrauss(2005),Sternberg (2005)等心理学家纷纷提出了从理论上统一心理学的想法。(参见唐孝威等著,《脑与心智》P171)。我国著名科学家唐孝威院士,根据国际上心理学界的研究趋向,从脑科学高度对心理学的研究历史和发展现状进行了综合的分析和研究,以物理学家的思维和胆略提出了“大统一心理学的理论框架”。唐先生在提出他的理论框架前,首先仿照物理学的四种基本力的思维,将形形色色的心理活动分析归纳为五种心理相互作用,然后按五种心理相互作用将形形色色的心理学分为四个类型的分支学科。这是中国科学家对现代心理学的重大贡献

反过来,唐先生有奖五种心理相互作用的学说用于研究脑与心智的关系,勾画出大脑功能的清晰动态结构。下面,我们先来介绍五种心理相互作用的基本概念:

“在心理活动的各种成分之间,心理活动的某一种成分对心理活动的另一种成分有作用,而心理活动的另一种成分对心理活动的这一种成分有反作用。 这些作用是相互的,因而它们是心理活动的各种成分之间的相互作用。”这种心理成分之间的相互作用称为心——心心相互作用。

“在心理活动和脑之间,脑对心理活动有作用,而心理活动对脑有反作用。这些作用是相互的,因而是心理活动和脑之间的相互作用。”这种心理成分与脑之间的相互作用称为心——脑心相互作用。

“考察脑内部的心理活动和各种外部因素的关系,可以看到在心理活动和各种外部因素之间与存在各种不同性质的心理相互作用,其中包括心理活动和多个层次的外部因素之间的各种相互作用。这此作用都具有相互性,即既有作用又有反作用。”这种心理成分与外部因素之间的相互作用称为心——物相互作用。

“在个体心理活动和身体之间,身体对心理活动有作用,而心理活动对身体有反作用。这些作用是相互的,因而是个体心理活动和身体之间的相互作用。”这种心理活动与身体之间的相互作用称为心——身相互作用。(上面引号内文字摘自《心智的无意识活动》P19

“在个体心理活动和人所处的外界自然环境中的物体之间,环境物体对心理活动有作用,而心理活动通过行为对环境物体有反作用。这些作用是相互的,因而是个体心理活动和环境物体间的相互作用。”这种心理成分与外部社会环境之间的相互作用称为心——社相互作用。

我们在实践中已经深刻滴体会,理解并学会应用五种心理相互作用及其统一性学说,对认识理解脑功能的发育和发展有重要意义,对研究心理学和教育学的许多问题犹如掌握了一种强大的理论武器,或者说仿佛登上一个全新的广阔的研究平台和创造平台。如,研究性理学,将会帮你理解无意识心理活动的本质;研究课程论你将会展开广阔视野,树立大课程观、指引自己进行多事业的课程资源设计和开发等。

六、基于脑科学的智能论

一个人有哪些能力呢?能力该如何培养?怎样使人聪明?这些都是大家关心、希望弄清的问题。在倡导注重能力培养的教育时代,弄清智能及其如何培养问题,对每一位教育工作者尤为迫切。

manbetx体育注册能力问题是心理学家长期关注研究的重要问题,但是至今在心理学界也没有就能力形成统一的认识。从原子弹到脑科学的唐孝威院士,20多年来从实验到理论对脑科学进行系统广泛地研究,在智能问题上做出了重要贡献,他广泛地研究了国际上各个学派manbetx体育注册智能的学说,同时系统地研究心智能力和行为能力的实验基础和脑功能机理,尤其他本人亲自主持脑功能方面的实验研究,获得一系列成果,唐先生通过综合研究写成了《脑与心智》《心智的定量研究》《心智的无意识活动》《智能论》等学术专著,笔者通过研究与实践认为,唐先生是将智能问题在脑科学的基础上系统化、理论化的研究典范,他的智能理论既具有理论性,也具有广泛的实践性,可操作性。现在让我们通过介绍《智能论》核心内容,力求就使大家就智能及其培养有一个清晰认识。

智能、智能结构

智能,在《智能论》中包括心智和行为两大部分。笔者从脑功能的机制出发,认为还应该增加创造能力,为此曾经与唐孝威院士交换过意见。唐先生说,我们也讨论过这问题,有些同志认为创造能力已经包含在心智能力和行为能力之中,不必单独提出,所以在我的《智能论》中没有单独提出创造能力。笔者向唐先生说明两点理由,主张把创造能力与心智能力和行为能力并列,作为一个独立能力领域纳入智能框架结构

1.既然心智能力和行为能力都可以包含创造能力,就说明谁也代表不了创造能力,创造能力应该有它的独立定位。其实行为活动是在心智支配下的,所以行为能力中也必然包含心智能力,但心智能力仍然有独立定位。

2. 从心智的相互作用特点考虑。有新要素的生成,不可逆是非线性系统的特点。心智的五种不同的心理相互作用都是非线性相互作用,所以创新是智能活动的基本特点,创造是智能过程的一种必然现象。

经我解释,唐先生认为“有道理!”所以笔者在唐先生的智能框架中添加了创造能力,即把创造能力和心智能力、行为能力并列作为智能的第一个层级。如下面所示:

                 

几点说明:

1、智能是多元的,有层级分布的,

2、智能结构是开放的,每一个层次都可以有相应的拓扑结构,读者可以进一步研究探索。

3、创造能力的下一级结构笔者还缺乏更成熟的方案,仅供参考,欢迎提出宝贵意见。

创造能力

创造力是大脑的功能,或者说是随着大脑功能发展逐渐发展的,是五种心理相互作用之间的非线性效应。

创造力可以分为认知领域的创造力、行为领域的创造力和综合创造力。认知创造力包括思维创造力、语言创造力、空间创造力等;行为创造力包括肢体活动创造能力(舞蹈、体操等),技术创造能力(工具与方法),组织创造能力、管理创造能力等;此外还有艺术方面的创造力,声乐、器乐、绘画、电影、电视、动画等创造能力。实际上,创造力往往是综合的,更多的是综合创造力。

脑科学揭开了创造力的神秘面纱,弄清创造力的脑功能本质,建立创造力的结构框架,为创造力培养进入基础教育课程提供了理论依据。脑科学促使教育工作者从教育理论和课程体系进行创新,对各个年龄段学生普遍地、系统地进行创造力的培养。请大家仔细观察,小孩在学习语言阶段就开始出现创造力,他会把学会的词语连接起来,表达自己的观点;在行为领域,任何一种模仿的变形从本质上就是创造。

创造能力

创造力是大脑的功能,或者说是随着大脑功能发展逐渐发展的,是五种心理相互作用之间的非线性效应。

创造力可以分为认知领域的创造力、行为领域的创造力和综合创造力。认知创造力包括思维创造力、语言创造力、空间创造力等;行为创造力包括肢体活动创造能力(舞蹈、体操等),技术创造能力(工具与方法),组织创造能力、管理创造能力等;此外还有艺术方面的创造力,声乐、器乐、绘画、电影、电视、动画等创造能力。实际上,创造力往往是综合的,更多的是综合创造力。

脑科学揭开了创造力的神秘面纱,弄清创造力的脑功能本质,建立创造力的结构框架,为创造力培养进入基础教育课程提供了理论依据。脑科学促使教育工作者从教育理论和课程体系进行创新,对各个年龄段学生普遍地、系统地进行创造力的培养。请大家仔细观察,小孩在学习语言阶段就开始出现创造力,他会把学会的词语连接起来,表达自己的观点;在行为领域,任何一种模仿的变形从本质上就是创造。

脑科学智能论与加德纳多元智能

多年来,加德纳多元智能理论在中国影响很大,对多种能力的发展起到很大的推动作用。但是从脑科学智能论我们可以知道,加德纳多元智能理论实际上是一个不系统的经验性的智能框架。但是目前,许多人包括教育专业的认识仍然还把加德纳多元智能理论奉若神明,甚至都不愿意接触脑科学智能论。所以笔者觉得,有必要做一些细致的说明。

1、            唐孝威院士的评价

“在智能的多元性方面,我们的观点和gardner的理论是一致的,但是两者有许多区别。

   我们用心理相互作用及其统一观点考察智能,认为智能是多元的,智能有内部机制和外部实现,心智能力和行为能力都有许多成分,实际上智能成分远多于七种;许多智能成分不是并列的,它们具有层次结构,而且有相互作用;智能成分的多元性和心理相互作用的多样性导致了智能结构的复杂性。“

gardner的理论是现象性描述。他罗列了一些不同种类的智力,并没有对这些智力从智能的内部机制和外部实现的角度来进行分类。”

2、            心理学家林崇德的看法。

林崇德教授在《质疑加登纳“多元智力”——兼论多元智力与思维结构》一文中说,在美国心理学界对智力的研究中,近几年最有影响的理论有五种,即斯腾伯格的成功智力、加登纳的多元智力、帕金斯的真智力、塞西的智力生物生态模型和梅与格尔曼的情绪智力。在我国教育界影响最大的要数加登纳的多元智力,可以这么说,我国教育界对其推崇远远胜于美国。

但是林崇德说,“加登纳的多元智力与我国的六艺智力观具有惊人的相似之处”其含义请读者自己去参阅林崇德教授的原文。

智能的开发

学习和教育的基本目的是发展人的智能。全面开发大脑功能的更全面理解应该是全面开发人的智能,全面提升人的综合素质。要全面实施科学素质教育,必须在全面理解脑科学智能理论的基础上,创建基于脑科学的素质教育理论,创建适应脑功能全面开发的课程体系。

智能开发的总原则是应该理解脑功能发育发展的机制,按照脑功能的原理去创建基于脑科学的教育理论和课程体系。这个问题我们后面要专门讨论,这里就先不讲了。

 

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