原文：http://neuroscience.ntu.edu.tw/ep/06.htm 神經科學與教育 謝豐舟 　　在神經科學研究風起雲湧之際，教育界也熱切地希神經科學的成果能用在學生的學習 上。事實上，在神經科學實驗室裡，學者已經在教育的基本技能，如對數字的認知（ numeracy）與對文字的認知（literacy）相關的神經認知發育過有了相當可觀的進展。不 過，這些都還是停留在理論階段。 　　目前，銜接「神經科學」與「教育實務」的，是市面上一些宣稱基於腦科學開發出來 的教學軟體或課程（programmes or package）。在劍橋大學的Center for Neuroscience in Education的成立研討會上，參與的教師們指出：每年接到70件以上的 信函，鼓勵他們參與所謂“brain-base learning”課程。這種現象在其他國家亦非罕見 。這些課程常強調兒童應該先鑑別是屬於左腦型（left-brained）或是右腦型（ right-brained）的學習者。他們主張每一個人的學習有其偏好─左腦主掌語言、邏輯、 數學公式、數目、序列、線性關係、分析以及不相關連的事宜（language, logic, mathematical formulae, number, sequence, linearity, analysis and unrelated factual information）；至於右腦則主掌形狀及式樣、空間操作、韻律、影像、白日夢 以及學習的關係（forms and patterns, spatial manipulation, rhythm, images and pictures, daydreaming and relationships in learning）。老師們的教學必須注意“ 左腦與右腦的平衡”以避免受教者的左、右腦偏好與教學不符。此一神經迷思（ neuromyth）可能是源於對大腦半球專門化（hemispheric specialization）過於直接的 詮釋。 　　還有一些課程建議老師們應該鑑別小朋友是視覺型（visual），聽覺型（auditory） 或是動作型（kinesthetic）。小朋友們據此別上V,A,或K的標幟，使老師們能據以施教。 有一種課程名為“Brain Gym”，此課程聲稱可以獲得真正的教育。“Brain Gym”讓學生 做一系列簡單的身體活動，藉此整合腦部的所有區域，進而促進學習。此種全腦學習法可 以引出鎖在身體的潛力，使學生能進入以前無法使用的腦部區域，而且學習的進步是立竿 見影。此課程甚至宣稱：小孩子只要按按肋骨下面的某些brain buttons就可以使自己的 視覺系統專注於閱讀與書寫。 　　另外，還有關於“學習與突觸形成關鍵時期”的神經迷思（critical periods for learning and to synaptogenesis）。這一派人士主張：若未在正確的時間接受到正確量 的刺激，小孩子的腦子就不能好好運作。必須在某些關鍵時刻教導小孩子某些技巧，否則 將錯失良機。“突觸生成”派則主張：如果學習能配合突觸形成的時間，則小孩子可以學 得更多，如果老師的教學措施能配合此一時間則效果更佳。另有人主張假若教學措施能促 進腦子的神經塑性（neuroplasticity）則教學就事半功倍。他們主張可以經由所謂“ neuroplasticity training programmes”改變神經網絡。事實上，也許有所謂“某種學 習活動的敏感期”存在，不過任何行為訓練的效果會都被反應在神經網絡的重新定位（ remapping of neural networks）。 課堂裡的神經科學 　　前述這些迷思模糊了認知神經科學“學習”研究方面的真正進展。目前，我們對3R（ reading, writing and arithmetic）的神經學基礎之瞭解有快速的進步。我們對如何使 腦子能夠從學習中獲益也更清楚，良好的教學措施會因為一些腦部因素，如學習焦慮（ learning anxiety），注意力不足（attention deficit）以及對社會訊息的認知不良（ poor recognition of social cues）而效果不佳。這些因素都會影響個人，甚至同一班 級其他學生的學習能力。 閱讀與dyslexia 　　成人的研究顯示左半球的frontal, temporoparietal及occipitotemporal等區域構成 的網絡是成熟閱讀能力的根本。不過跨語言的研究顯示：此一輞絡似乎視該語言的書寫方 法如何呈現其發音（How the orthography of a language represents phonology？ orthography = the writing system, phonology = the sounds of the language）。 　　使用透明書寫系統（如意大利文）者與使用非透明書寫系統（如英文）或文字書寫系 統（如中文）者在閱讀時，所激發的腦部區域非常相似。不過使用透明書寫系統者左半球 的planum temporale激發較強。此區主司字母與聲音之轉換（letter sound conversion ）。至於使用英語者（屬非透明書寫系統）位於left occipital temporal區域的視覺單 字形成區（visual word form area VMFA）呈現較強的激發。VMFA原本被認為主司視覺辨 字（visual word recognition），但此區亦被認為與發聲明關。而此功能係經由書寫與 發聲連絡之運算（computations of orthographic-phonological connections），此區 在說英語者較強的激發，反映出好幾個層次的拼字語聲音配對（spelling-sound correspondence）。此一功能在解讀（decoding）英語極為重要（例如以letter-sound唸 BOMIC，或經由類比COMIC）。至於中文的閱讀則比較利用視覺空間區（visuospatial area）。這可能與需要辨識複雜的文字（character）有關。 　　依發育過程而言，行為研究顯示尚未識字的幼兒，假若能辨識發音的不同（例如CAT 與HAT, CUP與CAT），則將來的閱讀能力較佳。影像研究顯示：幼兒閱讀主要有賴於left posterior superior temporal cortex，此區在成人研究已知是主司解讀發音（ phonological decoding）。當幼兒開始識字之後，則前述VWFA區域逐漸主導，而本來極 為活躍的右半球逐漸淡出。 發育性閱讀困難（developmental dyslexia）的兒童（指具有平均水準之智力以及教育機 會，卻不能學會正常閱讀者）在閱讀時，右側之temporoparietal cortex持續激發。他們 在一般人閱讀時會激發的左腦區域神經活動也偏低。假若藉由密集的發音技巧（ phonological skills）與字母聲音轉換（letter-sound conversion）訓練等補教措施， 左腦的temporal及parietal區域之激發會趨於正常。迄今，對閱讀困難（dyslexia）的腦 部影像研究均屬短期研究，且多針對英語，跨語言以及長期的研究有其必要。 　　腦部影像研究已使我們能夠標定負責「閱讀技巧之學習」的神經體系，而且可以補救 這些體系的不足。不過，迄今為止，這些研究還未能讓教師們知道，“在課堂上，什麼才 有效（What works in the bassoon）”。目前為止，大部分的閱讀訓練使用的，仍是過 去從教育研究已經證明有效的方法。研究也顯示：訓練引起行為改變的同時，在特定的腦 部區域確實可以看到神經變化。雖然，迄今神經影像研究告訴我們的仍極有限，不過，它 的潛力是可預期的，例如，神經影像可能將可以用來辨識將來會發生閱讀障礙的兒童。我 們可以經由檢視「對發音之敏感度」的神經標記（例如brain responses to auditory cues for rhythm）來辨識閱讀困難之高危險群。當然我們也可以找尋「閱讀困難」的一 般語言標記。以上的措施可以讓我們辨識可能會發生閱讀障礙的兒童，並在學前早早給予 語言訓練，以防止將來的閱讀困難。 　　我們也可以設計某些研究，來檢視神經學的假說（neural hypothesis）。例如，有 一假說認為：小腦的缺陷導致閱讀障礙。市面上的DDAT（Dyslexia Dyspraxia Attention Deficit Treatment）訓練課程就聲稱是針對小腦的缺陷來改善閱讀障礙。此 一訓練課程鼓動兒裡練習一些運動技巧，例如單足站立並以手去捕捉小沙袋。影像研究可 以讓我們檢視這種補救措施在腦部何處引起神經變化，或是與閱讀有關的區域是否有永久 性的變化。 數字與計算障礙（Number and dyscalculia） 　　自從學者開始倡議人類的腦子對辨識數字有特殊的網絡存在之後，對於「算術的神經 基礎」之研究已有長足的進展。此一數字感覺（number sense）的能力有賴於parietal、 prefrontal以及cingulated等區域。其中的HIPS（horizontal segment of the bilateral intraparietal sulcus）在“數量”的呈現與處理扮演著中心角色。在很單純 的情況，例如3是否大於5，HIPS可能是惟一牽涉的特定區域。HIPS的活動會因數字的語言 距離(semantic distance)，以及數字的大小而變化。其他的算術運算比較依賴以語言為 基礎的再擷取（language- based fact retrieval），例如單純的乘法會激發angular gyms。 　　有些算術運作則是依賴「心的數字線」（mental number line）。此一現象是指「數 字在心中的空間呈現」（mental spatial representation of number）：在此一心的空 間（mental space），較小的數目通常被呈現在左邊，而較大的數目則呈現在右邊。 Parietal cortex內數字與空間的互動相當有趣：若反應是在空間的右側時，對較大數字 的手部反應較快，至於較小的數目則相反。由“line bisection task”測驗可以觀察到 更進一步的發現。此一測驗係讓受試者決定一條水平線的中點，若此水平線由2組成（ 22222222……），則中點的估計例行地偏向左邊。若是99999999……時，則偏向右邊。由 此，我們可以看出“數目會自動地影響注意力（The numbers automatically bias attention）。罹患視覺忽略（visual neglect）的病人會例行性地忽略空間的左邊。視 覺障礙是指右側parietal region受損之後，所致的空間知覺障礙（a disorder of spatial attention following right parietal damage）。這些病人在line bisection task中常偏向右邊。此一偏右的傾向在口頭呈現數字時也會發生，例如，當被要求決定2 與6的中間數字為何者時，他們常會說是5。因此，我們可以說數字的操作有賴於完整的空 間呈現（Numerical manipulation seem to depend crucially on intact spatial representation）。眼盲成人能夠正常處理數字，顯示他們具有正常的parietal distance effect。 　　迄今，我們仍運用許多來自成人的神經影像及神經心理學的發現，來了解兒童算術能 力的發育。EEG研究顯示：5歲兒童進行數目比較（4比5小，或4比5大）時，他們在 parietal cortex所激發的電極分布與大人相似，連latency亦然。不過兒童的壓鍵反應（ key press response）則費時為大人的三倍。此研究顯示神經學上，兒童擷取數量資訊的 速度與成人同樣快速，但兒童在了解算術意義及決定價值方面有所困難，因此key press response較慢。不過兒童是可以了解數字與量的關係。神經影像有助於我們對前述現象的 了解。 前述spatial mental number line的研究可能有助於實際的教學。目前在課堂上有許多不 同的模式來教導兒童數字的大小順序。既然腦子對數字的呈現有其固定的模式，教師可以 運用此number line的概念，例如empty number line的教具來教導兒童認知數字的小大、 順序（teaching ordinarily and place value）。 　　如同dyslexia，發育性計算障礙（developmental dyscalculia）是指兒童之智力及 學校教育正常，但在算術學習遭遇困難。一種可能的解釋是HIPS中的核心計量體系發育不 正常。學者以fMRI研究“Turner syndrome的女童，她們常有視覺空間（visuospatial） 以及數字處理上的缺損。新的腦迴型態測量（sulcal morphometry）顯示：Turner syndrome兒童多數有腦迴不正常分歧（aberrant branching）、不正常中斷（abnormal interruption）以及不正常走向（unusual orientation）。研究者認為此一解剖學的紊 亂可以解釋行為上所見的視覺空間及算術能力的不足。出生體重極低（＜1000gm）且有算 術障礙的兒童，其left intraparietal sulcus的灰質量減少。如果能以不具算術障礙的 其他發育症候群兒童為對照，也許可以釐清parietal cortex之異常是否就是運算障礙的 原因所在。如果屬實，對課堂裡運算障礙的兒童，我們就必須去看看他們的parietal cortex是否異常。 注意力、情緒及社會認知 　　有些兒童的注意力短暫，一直是老師頭痛的問題。患有AHDH（attention deficit/hyperactivity disorder）的兒童更是教學上的一大挑戰。事實上，所有幼兒在 「持續注意」與「抑制衝動」上都有其困難。或許注意力訓練對所有的學前幼兒的學習都 有助益。 　　近來的腦部影像研究聲稱：為期五天的注意力訓練明顯改善4歲及6歲兒童的智力測驗 。此項訓練旨在改善刺激分辨（stimulus discrimination），期望（anticipation）以 及衝突解決（conflict resolution）。例如兒童學習以joystick追蹤電腦螢幕上的卡通 貓、將貓移到池塘中游泳的鴨子預期會出現的位置、從兩組數字中選擇數字較多的一組， 但是該組的數字字體卻反而較小……。結果顯示這些注意力訓練並未改善注意力，反而在 某一智力測驗有正面效果。 　　情緒處理的神經基礎已日漸明白，例如amygdala已知與情緒及社會訊號的處理有關， 特別是來自臉部及眼睛者。在成人，amygdale激發程度與臉部恐懼表情的強弱成正比。兒 童對恐懼的表情也有amygdala的激發。自閉症兒童（社會認知不良）的amygdale體積較大 。最近針對3歲自閉症兒童的EEG研究顯示：自閉症兒童處理恐懼的解剖學系統從小即有異 常。Inferior frontal gyms之鏡像神經元系統（minor neuron system）與瞭解別人的情 緒有關。最近的fMRI研究顯示：在模仿別人的表情時，自閉症兒童之此區沒有正常兒童可 見的激發。鏡像神經元應該是經由模仿達到我們對情緒狀態的瞭解，讓我們對一個觀察到 的動作（如臉部表情），根據自身內在的情緒體系解讀其意義。此一解讀功能在自閉症似 乎付之闕如。 　　這類研究讓我們可以探討主流學校兒童情緒處理過程的神經基礎。遭受嚴格管教與身 體家暴的兒童對情緒的處理與正常兒童有異。在童年末期，他們較可能有行為異常，以致 管教困難。這類兒童很容易發生怒氣歸因偏差（anger attribution bias）。他們常會對 別人的行動或言辭不當地生氣。迄今，對這類兒童的神經影像研究仍待進行。如果我們能 辨認這些兒童腦部的變化，並且能夠設計有效的訓練課程來改善其社會認知，將會有助於 教育。我們已知可以教導自閉症兒童去解讀某些情緒，因此假若腦部影像檢查能辨認我們 可以著力的腦部網絡，應該也可以設計療育方法針對之，來幫助其他病症的兒童。 　　同樣的邏輯可以用於學習焦慮（learning anxiety）。對成人焦慮的腦部影像檢查特 別注意orbital frontal cortex（OFC）以及temporal lobe。Traumatic brain injury會 增加焦慮障礙，對4～19歲遭受嚴重TBI兒童的腦部影像研究顯示OFC受損愈厲害，焦慮狀 態發生的機率愈低。學者推測OFC-amygdala連結的不平衡會影響焦慮的表現。此外，在非 人類的靈長類，這些連結在懷孕時就已開始發育。焦慮是可以治療而且似乎治療的標的是 amygdala。成人的焦慮會影響注意力。相同地，兒童的焦慮也會影響其注意力系統，使兒 童之注意力轉移到具威脅性的刺激上。因此，我們也許可以藉由腦部影像以及早期介入來 辨識並協助這些兒童。 如何拉近神經科學家與教育者的鴻溝？ 　　英國的神經科學家經由“International Mind, Brain and Education Society”以 及在英國舉行的研討會與教師直接對話。literacy, numeracy, IQ, learning, social cognition以及ADHD的頂尖神經科學家告訴教師們目前最新的進展。教師們對目前我們所 知之有限，莫不深感驚異。他們對市面上各種訓練課程的缺乏科學根據更大為吃驚。不過 ，他們的問題是：“這些市售的訓練課程既然不管用，你們可以提供什麼給我們在課堂上 幫助學生呢？”答案當然是“目前沒有”，這讓教師們十分茫然，不知神經科學的發展能 否有助於教育。 　　因此，目前我們也許可以在兩方面來著力： (1)教師及教育者對神經科學有極大的期許與關注 　　教師們認為神經科學具有揭曉人類如何學習的潛力，因此十分願意去接受這方面的新 知，並且貢獻他們的想法與意見。因此神經科學家們必須對教師與教育者持續地提供相關 的新知。 (2)神經科學家與教師的溝通可能須要一些中介者 　　神經科學家並不見得都長於與教師及教育者溝通，因為神經科學家比較專注於科學研 究的嚴謹性，對教師們實務上的經驗較沒興趣，也不甚了解。因此，我們可以找尋適當的 中介者（溝通者），他們能夠將高品質的神經科學知識以易於吸收的方式傳遞給教師們， 並且將教師們的經驗化成好的“研究課題”（research question）供神經科學家繼續探 討。這種中介溝通的角色可能由大學或教育官署內對教育有興趣的第二線科學家（ ex-scientist）來擔任最為合適。這些中介者應該是站在公共服務的立場，對新上市的學 習訓練課程尋求專家的意見，如此可以防止將寶貴的教育資源浪費在沒有根據的 brain-base learning program上。 取材文獻 Goswamy U: Neuroscience and education—from research to practice Nature Reviews Neuroscience 7:406, May 2006 --

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