人脑的可塑性与教育

2.阅读能力对大脑的巨大影响及其对教育的重要性 斯坦尼斯拉斯??迪昂（Stanislas Dehaene） 引言 脑研究和教育之间的距离曾被描述为 “天堑鸿沟”（Bruer， 1997）。然而在过去的十年里，在有关学习和教育的实验范式中，利用先进的成人与儿童脑成像技术，我们取得了能够弥合这条鸿沟的重大进展。实际上，我认为，很多认知神经科学知识早已和教育紧密相连。我们对学习方法（包括已知的主动预测、预测误差和睡眠巩固的重要性）的理解与学校或教学游戏中高效学习环境的设计直接相关。我们对集中注意和奖赏（以及相对应的注意分散和惩罚的负面影响）的理解，对从外显到内隐学习之间转换的理解，也早已引发了教育领域的诸多思考。 *重要的是，人类认知神经科学在理解主导某方面教育（比如数学、阅读、第二语言习得）的专门的神经回路方面发挥了巨大的作用。我们可以将人脑看作是一些进化过的装置的集合，这些装置传承了人类的进化史，并能解决各种具体问题，比如空间定位、位置记忆、时间表征、从具体事物中抽取数的概念、辨认物体和人脸、表征声音（尤其是人类言语）等。我认为通过教育，我们能利用这些已有的表征方式并将它们再应用于新的用途，因为只有我们人类才能够将任意的符号联接到这些有意义的表征上，并将它们融合成为一种精密的符号系统（Dehaene， 1997/2011，2005，2009； Dehaene和Cohen， 2007）。这些专门的亚系统的运行缺陷，或者联接符号的能力不足，可以解释一些发展缺陷，例如计算障碍、阅读障碍和运动障碍。 本章，我将概述再利用理论如何解释阅读习得。我关注的近期研究主要探讨阅读学习如何改变大脑，以及这些改变如何消除儿童学习阅读时面临的特定障碍。我确信，一名教师如果对人类神经可塑性理论和学习理论有一定的了解，那么他的课堂教学效果一定会更好。确实，如果一个老师对学生大脑运作的了解还不及对汽车运作的了解，那真是太丢人了！因此，本章的目标就是用简单易懂的方式总结阅读中的神经影像成果，并思考这些成果对教育的重要性。同时我确信，神经—教育研究不应该局限于脑成像实验室。要想证实和推广我们眼中的关于*佳教学实践的假设，扎根校园的实验不可或缺。因此，本章的另一目标是激发认知神经科学家和教育工作者之间的交流，希望他们能积极合作，为教育技术、教学手段的发展创新作出贡献。 成人阅读的脑机制 什么是阅读？阅读是一项美妙的文化发明，它使我们能“与先贤对话”，是一种“用眼睛倾听逝者”的方法［佛朗西斯科??狄??格微度（Francisco de Quevedo）］。学习阅读，其实是学习以一种新的方式运用口语知识。这种方式在之前的进化中还从未出现过，那就是： 视觉。书写是一种非常巧妙的编码手段，我们将口语转化成石头、陶器或纸上的印记，创造出丰富的视觉质感。而阅读就像是解码。在阅读习得过程中，我们会改变大脑视觉结构，将其转化为视觉和语言的特异接口。阅读在进化意义上实在是件新鲜事，从古至今只有很少一部分人会阅读，因此我们认为人类基因组不可能指挥大脑生成阅读特异的神经回路。我们只有对已有的大脑系统进行再利用才能支持阅读这种新活动。 对有阅读能力的成年人的认知神经成像研究清晰地显示了阅读是如何在皮层水平上运作的。当我们读到一句话和听到一句话时，脑的左半球被激活的很多区域是完全相同的（Devauchelle， Oppenheim， Rizzi， Dehaene和Pallier， 2009）。这个语言网络包含颞叶，主要是左侧颞上沟，包括从颞极到颞顶联合区后侧绝大部分区域；以及左侧额下回的部分区域。这些区域并不专门负责阅读，准确地说，这些是口语区域，只不过阅读时视觉会通达它们。确实，两个月大的婴儿在听到母语句子时，这种左半球偏侧化的激活就已经存在了（DehaeneLambertz， Dehaene和HertzPannier， 2002； DehaeneLambertz等，2006； DehaeneLambertz等，2009）。这明显表明，人脑内有一套古老且可能进化过的系统，专门负责口语习得。开始上小学的儿童，这套口语系统（包括词汇、词素、韵律、句法、语义等亚系统）就已经准备完毕。这名儿童需要学习的是如何将视觉系统与这套语言系统联结起来。 单个词语阅读的脑成像研究逐渐明确了这个视觉交互系统的定位和组织。向成人呈现视觉单词，左半球腹侧视觉皮层的特定区域会被系统地激活，我和我的同事将该区域命名为视觉词形区（Visual Word Form Area，简称VWFA；Cohen等，2000）。该区域仅对视觉刺激有反应，并且进行的完全是前词汇加工： 它对任意一串字母都有反应，无论这些字母组成的是单词还是毫无意义的假词，比如“flinter”（Dehaene， Le ClecH， Poline， Le Bihan和Cohen， 2002）。该区域的定位具有显著的个体甚至跨文化的一致性（Bolger， Perfetti和Schneider， 2005； Cohen等，2000； Dahaene等，2002； Jobard， Crivello和TzourioMazoyer， 2003），它总是在左外侧枕颞沟的同一坐标上，误差在几毫米以内。此外，对于有阅读能力的成年人，该区域的损伤会系统性地导致失读症，这是一种选择性阅读失能（Déjerine， 1891； Gaillard等，2006）。因此，可以说，VWFA在阅读中发挥了不可或缺的作用。 现在我们知道，对有阅读能力的人，VWFA会特异化出阅读特定文字的功能。相较于其他视觉信息，比如人脸（Puce， Allison， Asgari， Gore和McCarthy， 1996）或者物体线条（Szwed等，2011），它更易被文字激活。不仅如此，相较于不认识的文字，它更易被认识的文字激活（比如希伯来文读者阅读希伯来文字；Baker等，2007）。事实上，VWFA已经适应了特定文化的书写规则，比如西方拼音文字中大小写字母的关系： 只有该区域才能完成阅读习惯的内化，从而认识到“rage”和“RAGE”这两个词是相同的（Dehaene等，2004； Dehaene等，2001）。*近，我们发现VWFA对打印文字和手写文字的反应是相同的（Qiao等，2010）。因此，VWFA是使得我们能够不受字体、大小和位置的干扰，辨认出单词（比如radio、 RADIO、 ）的主要区域。值得注意的是，辨认单词的过程是自动化的，根本不需要意识的参与。 我和我的同事提出，VWFA会成为阅读学习的主要发生区，是它拥有灵长类动物进化传承下来的特征，因而非常适合阅读。**个特征是它对投射在中央凹（视网膜上的高分辨率中心）上的高分辨率图形的偏好（Hasson， Levy， Behrmann， Hendler和Malach， 2002）。这种高分辨率或许是阅读印刷的小字不可或缺的。第二个特征是它对线条结构的敏感性（Szwed等，2011）： 只要图像包含线条拼成的形状（比如T、 L、 Y、 F等），双侧皮层的梭状回都会有强烈的反应。这些形状可能是因为它们在物体识别时十分有用而被选择。比如，“T”的轮廓明显就是一条线联结在另一条线的上面。把这些信息拼凑起来就能提供一种三维形状的恒定视觉信息（Biederman， 1987）。我和我的同事假设，在文字文化的形成过程中，我们再利用了这种古老特征，特意选择了适应皮层结构的字母形状（Dehaene， 2009）。确实，全球的所有文字都用到了线条结构这种基本的“笔画”，这就是证据（Changizi， Zhang， Ye和Shimojo， 2006）。 *后，第三个特征： VWFA定位的精确性可能归功于其与颞叶外侧的口语处理区域的紧密关联。确实，VWFA的偏侧性和先前言语处理区的偏侧性有关，言语区通常但也并不绝对位于大脑左半球（Cai， Levidor， Brysbaert， Paulignan和Nazir， 2008； Cai， Paulignan， Brysbaert， Ibarrola和Nazir， 2010； Pinel和Dehaene， 2009）。有趣的是，如果VWFA在童年早期受到损伤，与之完全对称的右半球区域能够替代VWFA的功能（Cohen， Lehericy等，2004）。 有一种视觉单词认知的神经结构模型叫局部组合检测模型（Local Combination Detector， LCD；Dehaene， Cohen， Sigman和Vinckier， 2005），至今为止的大部分实验结果都符合该模型。这种模型假设，枕颞神经元适应了某种层级性的书写结构，也就是从线条结构到单字母、成对字母（双字母组合）、词素以及短单词的分级结构（Dehaene等，2005）。事实上，fMRI已经证明了VWFA在对字母（Dehaene等，2004）、双字母组合（Binder， Medler， Westbury， Liebenthal和Buchanan， 2006）和短单词（Glezer， Jiang和Riesenhuber， 2009）有适应性渐变的连续响应（Vinckier等，2007）。 当前的一种设想是，阅读一个单词时，数以百万计的神经元分别加工某一种书写结构（字母、双字母组合或词素），并有效地结合起来，共同进行视觉认知。这种大规模的平行结构，合理解释了视觉单词识别的快速和稳健。*重要的是，对教育家和老师而言，这构成了一种全字阅读的假象。阅读发生得如此迅速，读长单词和短单词的时间几乎相等，于是就有人假设，单词认知依靠的是整词形状，因而应该进行整词阅读教学而非教授字母与发音之间的关系。然而，这种说法是错误的。迄今为止的证据都表明，一定是先有对单词基本结构（笔画、字母、双字母组合、词素）的分析，再有对整词的组合和认知。只不过，这种分解发生得太快、相互独立且高效，所以看起来几乎是瞬间完成的（实际上这个过程要花费大约1/5秒）。对此说法，教育学的证据也给予了支持，教授形音对应关系是让儿童学习阅读的（无论是发音还是文字理解）*快、*有效的方法。 阅读能力如何改变大脑 我们对比了有阅读能力及无阅读能力的成人的大脑，以直接检测VWFA在阅读中扮演的角色（Dehaene， Pegado等，2010）。这项研究有几个目的。**，我们希望得到阅读能力习得引发的大脑变化的全脑影像，不仅包括VWFA，还包括颞叶的语言系统和早期的枕叶视觉皮层。第二，这是一个检验“神经元再利用”理论的好机会，我们需要探索什么刺激物能激活无阅读能力者的VWFA，以及阅读学习在赋予VWFA一些功能的同时是否也有所剥夺。第三，我们想知道这种大脑变化是否有必要在小时候（如学龄期）完成，还是说，成人大脑也有足够的可塑性来实现这种变化。出于这个目的，我们研究了无阅读能力者（10名巴西成人，从未接受学校教育并几乎不认识任何单词）、早期无阅读能力者（21名巴西和葡萄牙成人，未接受学校教育但参加了成人文化教育课程并拥有不同程度的阅读能力）和有阅读能力者（32名巴西和葡萄牙成人，来自不同的社会经济团体，其中部分与另外两组能够很好地匹配）。 结果首先明确了VWFA与阅读能力的重要关联。阅读句子或单个假词的主要相关反应就是VWFA的激活（见图1和图2，第215—216页）。在VWFA可以看到对字母串反应的显著加强，被试阅读速度的差异大约有一半可被预测。现在我们要问，对无阅读能力者而言，这个区域没有被用来阅读，那么激活它的是什么？我们发现它对人脸、物体和棋盘形图案有强烈的反应，这表明在进行视觉单词认知之前，VWFA专门负责视觉对象辨认和面部辨认。与“神经元再利用”理论完全一致的是，我们发现随着阅读能力的增强，VWFA对非阅读刺激的反应减弱，尤其是面部刺激。这种减弱尽管幅度很小但统计上达到了显著。随着阅读行为的增加，受人脸刺激激活的区域渐渐转移到右脑的梭状回。相似的是，坎特隆等人（Cantlon， Pinel， Dehaene和Pelphrey， 2011）对4岁儿童的fMRI研究表明，辨别数字和字母的能力和左外侧梭状回对面部的反应减弱相关。这两项发现都表明大脑皮层空间是有竞争的，阅读习得必须和视觉皮层预先存在的能力竞争。我们靠改变大脑皮层上相邻区域的边界，“腾出空间”来阅读。 事实上，我们发现阅读引起的大脑变化并不局限于视觉皮层，其范围远超出VWFA。在我们的研究中，枕叶皮层后部对所有黑白对比图片的反应都有明显增强，暗示着阅读能力在较早阶段就改善了视觉编码。实际上，甚至连初级视觉皮层（V1区）都有改变，水平棋盘形图案在该区引发的激活得到增强，而垂直棋盘形图案则没有引起相应变化。我们把这项发现解释为对阅读的掌握改善了视觉编码精度，这一改变主要表现于在阅读中起作用的视网膜区域，比如说西方文化中的字母语言经常用到的视野水平区域。 第三种改变发生在颞叶上部的“颞平面”区域。在该区域，言语引发的激活随着阅读能力的变化而改变： 阅读能力强者的激活程度几乎是无阅读能力者的两倍。由于该区域与音位编码相关（例如Jacquemot， Pallier， Lebihan， Dehaene和Dupoux， 2003），我们相信它与音素意识的获得有关，而音素意识与阅读能力有着重要关联。我们很早就知道无阅读能力者不能有意识地识别或操控音素，如去掉某个单词的**个音素（比如Vatican→atican；Morais， Cary， Alegria和Bertelson， 1979）。我们能够有意识地将音素作为语言的*小单位是拼音化的结果。左颞平面或许是阅读习得的关键区域。在这里，腹侧视觉区域储存的字形知识首次被提取并和口语的音位表征建立联系，保证了形素—音素转换。的确，该皮层区域对声音和同步呈现的视觉单词的一致性很敏感（van Atteveldt， Formisano， Goebel和Blomert， 2004），而阅读障碍者的这种敏感性较弱或根本缺失（Blau等，2010）。 总的来说，有阅读能力者与无阅读能力者的大脑对比强调了阅读习得对大脑的改变程度，（这种改变）不局限于VWFA，还表现在早期的视觉系统以及后期的语音知觉系统。通过对早期无阅读能力者实验数据的研究，我们可以证明这些系统都极具可塑性： 在早期无阅读能力者成年后的阅读学习中，上述改变几乎都部分可见（Dehaene， Pegado等，2010；见图2，第216页）。因此，我们可以说，即使是少量的阅读练习也可以改变大脑。一项对幼儿园儿童的纵向研究支持了这一结论（Brem等，2010）： 8周的形音转换游戏项目训练（GraphoGame，一项计算机化的形素—音素转换训练项目）足以加强VWFA对字母串（相对于无意义字形）的反应。与之相似的是，训练成人辨识新的文字，经过一定阶段的训练，VWFA会产生大量变化（Hashimoto和Sakai， 2004； Song， Hu， Li， Li和Liu， 2010； Yoncheva， Blau， Maurer和McCandliss， 2010）。有趣的是，这些由阅读引起的改变并不是什么时候都会出现，它一定伴随着对字形和语音间关联的系统关注。因此，我们可以说，VWFA的反应不仅包含对视觉输入的自下而上的统计，还受来自目标字音信息的自上而下的影响（Goswami和Ziegler， 2006）。阅读学习要求在大脑内进行视觉区域和听觉区域的双向对话，视觉区域负责编码字母串，听觉区域负责编码一段话的语音片段。这种双向对话所包含的自上而下部分，我们现在可以通过神经成像技术直接将其可视化： 即使在没有任何视觉输入的情况下，只要字形编码的激活对他们有用，出色的读者仅凭语音输入就能选择性地激活VWFA区（Cohen， Jobert， Le Bihan和Dehaene， 2004； Dehaene， Pegado等，2010； Desroches等，2010； Yoncheva， Zevin， Maurer和McCandliss， 2010）。 对教育的影响 在将这些脑科学的研究结果应用到教育领域的时候，我们应当十分谨慎。理解了大脑的变化并不一定就能找到*好的教育方法。然而我仍然坚信，更好地了解学生学习阅读时大脑的变化，对教育者有极大的好处。正如一个对引擎运作了如指掌的机械师能轻松判断引擎问题一样，一个了解儿童大脑运作的教育者自然能找到更好的教育方式。怀着这样的想法，我和我的同事没有去设计一个如何“教人阅读”的方法，而是试着总结一系列在阅读习得中起作用且任何教育方法都可以运用的认知原则。 脑成像实验使我们更清晰地看到阅读习得产生的皮层变化。阅读不是一项生来就能完成的任务。从进化上来说，儿童在生理上并没有准备好学习阅读（不像口语习得）。因此，老师们必须明白那些他们认为理所应当的阅读步骤对于儿童来说并不是那么理所应当。老师们作为专家级的阅读者拥有完全自动且无意识的阅读系统，儿童却没有。在儿童掌握阅读技能之前，在语音和视觉层面上会发生巨大的变化。没有阅读能力的人无法理解音素的概念，比如说“rat”的词首、“brat”的词中和“car”的词尾是一样的，这是拼音化的结果。与之相似，单词由基本字母构成，且每一个字母或一组字母（形素）都与一种语音或音素相关，这个概念的理解绝不是微不足道的。形—音转换规则必须系统地、逐条地教： 教得越多，儿童的阅读表现包括阅读理解能力就越好（Ehri等，2001）。简单地说，我们必须耐心地向儿童解释字母代码的所有规则： 单词是由字母或形素构成的；形素映射到音素；应该按从左到右的顺序解码字母；从空间上来说，字母从左到右的组合方式和它们发音的时间顺序是相关的；改变字母的空间顺序就可以得到新的音节和单词。 显然，我在此提倡的是自然拼读法，反对整字或全语言（WholeWord or WholeLanguage）教学法。许多相互关联的要素支持我的看法（欲知详情，可参见Dehaene， 2009）。首先，对大脑阅读机制的分析没有提供任何证据来支持“单词是凭整体形状或轮廓来认知的”这种说法。恰恰相反，字母和字母组合，比如双字母组合和语素，才是构成认知的单元。第二，让成人通过整词和形—音对应两种方式来学习阅读新的文字，实验结果有巨大差异（Yoncheva， Blau等，2010）： 只有运用形—音对应方式的那一组成人习得了新的语言文字并训练了左脑的VWFA。接受整字训练并关注单词整体形状的那组成人，右脑相同的区域发生了变化，这显然不是熟练阅读的常用脑区。第三，这些理论和实验室结论与学校研究相结合，证明了整字教学法不能快速地提升个体的阅读学习。当然，整字教学法也不会使人患上阅读障碍，后者是生理性的，甚至有一部分是由于基因的异常引起的。然而，整字教学法的确会导致本来可以避免的在阅读能力发展方面的延迟。 另一项对教育十分重要的发现是，由于不同语言的形—音转换规律不同，其阅读习得的速度也会有巨大的差异（Paulesu等，2000； Seymour， Aro和Erskine， 2003； Ziegler和Goswami， 2006）。在意大利和德国，儿童能在几个月内学会阅读，因为他们的文字十分规则，形—音转换的知识足以让他们读出几乎所有单词。英语和法语则完全相反，它们是极其没有规律的语言体系，充满了各种特例（比如“though”和“tough”），并只能通过词汇语境排除模糊词意。行为研究表明，英语学习者至少要经过两年的训练，才能达到意大利儿童的阅读水平（Seymour等，2003）。神经影像实验表明，为了达到这种阅读水平，英语学习者相对于意大利语读者增强了VWFA和中央前皮质的激活（Paulesu等，2000）。因此，老师们需要注意所教语言中出现的不规则拼写。他们应该注意循序渐进，从*基本、*普遍的形—音转换规则开始教起，*后再教授特例。他们应该注意音节的复杂性，从相对简单的辅音—元音结构开始教，然后再教相对复杂的多辅音字母串。不发音的字母、不规则的拼写和希腊词源、罗马词源（比如“ph”）应该在整个学年的教学中反复学习。一个好的阅读课程不能停留在*简单的形—音转换规则层面： 语素，对前缀、后缀、词根、词尾的理解，这些内容对熟练阅读而言同样重要（Devlin， Jamison， Matthews和Gonnerman， 2004）。 近年来，我们越来越了解大脑是如何被再利用来阅读的，这阐明了儿童时期的另一神秘现象： 镜像阅读和镜像书写。许多儿童会混淆镜像字母，比如“p”和“q”或者“b”和“d”。 除此以外，他们偶尔还会左右相反地书写出镜像字，写得十分顺手，并且似乎并没有发现自己的错误。我们可以通过腹侧视觉皮层的功能来解释这种特别的行为。腹侧视觉皮层在习得阅读前，对物体、脸孔和场景的认知有恒常性。在自然界，左右明显不一样的物体很少。大多数情况下，一个自然物体的左右视图是成镜像的，这有助于人们将它统一起来看作同一个物体。对猴子的单细胞记录表明，这个原理深深扎根于视觉系统： 对于许多枕颞视觉皮层的神经元来说，同一物体或人脸的左右视图对它们的激活完全相同（Freiwald和Tsao， 2010； Logothetis， Pauls和Poggio， 1995； Rollenhagen和Olson， 2000）。通过神经影像，我和我的同事发现，主导这种镜像恒常性的正是大脑的VWFA（Dehaene， Nakamura等，2010； Pegado， Nakamura， Cohen和Dehaene， 2011）。难怪儿童容易混淆“b”和“d”： 他们试着用来学习阅读的大脑区域正是分不清左右图像的区域！镜像混乱是视觉系统的正常属性，所有儿童及无阅读能力者都有这种情况。但在他们开始识字后，对字母和几何图形的镜像混淆会逐渐消失（Cornell， 1985； Kolinsky等，2010）。但若延续到童年后期，则是阅读障碍的征兆（Lachmann和van Leeuwen， 2007； Schneps， Rose和Fischer， 2007）。因此老师需要注意镜像字母带来的难题，并且花功夫解释“b”和“d”的不同以及与它们相对应的音素（十分不幸的是，这两个音素也十分相似且容易混淆）。有趣的是，教孩子书写笔画有助于阅读，可能是因为这有助于储存字母和它们对应音素的特定视觉记忆（Fredembach， de Boisferon和Gentaz， 2009； Gentaz， Colé和Bara， 2003）。 许多学校都已经运用了这些观点，并没有等到认知神经科学诞生之后才开始。我只希望，通过揭示大脑机制，着眼阅读的认知神经科学研究能够将这些观点广泛传播，从而设计出更系统的、更具有理性的阅读教育方案。一门关于阅读的真正科学正在形成。将来，科学家、教育家紧密协作的新实验将进一步揭示大脑采用的渐进的学习步骤，并将探寻如何运用它来提高课堂的学习效果。