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导言 人脑中最伟大的才能：学习能力 #
学习的重点不再仅仅是加强内省，而是理解产生思想的微妙的神经元机制，使之能最佳地服务于我们的需求、目标和欲望。
宽容很关键
第1章 学习的7个定义 #
◆ 通过“针孔”窥视外面的世界
◆ 模拟退火
◆ 元认知这个认识自我、评估自我、在心理上模拟如果我们这样做或那样做会发生什么的能力，元认知在人类学习中发挥着根本作用。
先验假设越多，学习速度就越快（当然，前提是这些假设是正确的），这是普遍真理。如果你认为AlphaGo程序是从零开始训练自己跟自己下围棋的，那就大错特错了。它最初的表征包括棋盘的形貌和对称性，将搜索空间缩小到了原有的 1/8。
我们的脑也是由各种各样的假设塑造的。婴儿出生时，脑已经井然有序，而且储备了渊博的知识。他们隐约地知道，物体只有在被推动时才会移动、固体之间不会相互穿透，他们还知道世界上有许多陌生的实体，如会说话和移动的人。这些知识不需要学习，因为它们在人类生活的任何地方都是如此，我们的基因组将它们作为固定回路置入脑，从而规范和加快了学习。婴儿不必学习世界的一切，因为他们的脑中充满了先天的规范，只有无法预测的具体参数（如脸型、虹膜颜色、语调和个人品位）才有待后天习得。
再说一次，先天和后天不必对立起来。婴儿的脑之所以知道人和无生命物体的区别，那是因为它已经学会了这一点。不是在出生的最初几天学会的，而是在数百万年的进化过程中学会的。自然选择实际上是一种学习算法，一个令人难以置信的强大程序，它已经运行了数亿年，置入了数十亿台学习机器（即曾经存在过的每一种生物）。[插图]我们是这个深不可测的智慧的继承者。通过进化的试验和失败，我们的基因组已经将我们之前几代人的知识内化。
第3章 看不见的婴儿知识 #
◆ 我们都默认世界是由实体物件构成的，事实上，世界是由原子构成的。但从我们生活的角度看，这些原子堆积在一起形成了一个整体移动的连贯实体，即使碰撞也不会失去其内聚力……这些聚合在一起的原子就是我们所说的“物体”。物体的存在是我们环境的基本属性。那么这是我们需要学习才能知道的吗？并不是。数百万年的进化似乎已经将这项知识铭刻进我们的脑中了。早在几个月大时，婴儿就已经知道世界是由移动的连贯物体组成的，物体占据着空间，不会无缘无故地消失，也不会同时出现在两个不同的地方[插图]。某种意义上，婴儿的脑已经知道了这个物理定律：物体的移动轨迹在空间上和时间上都是连续的，不会突然跳跃或消失。
◆ 这些实验显示，计算是进化赋予人类以及其他许多物种的天生技能之一。研究者已经在猴子甚至乌鸦的脑中发现了数量的脑回路，它们的脑回路中包含“数量神经元”，并以非常相近的方式活动：它们对物体的特定数量敏感。一些神经元更喜欢1个物体，另一些则喜欢2个、3个、4个，甚至30个物体。重点是，这些神经元在没有受到过任何特殊训练的动物身上就存在。[插图]我的实验室曾通过神经影像技术发现，在人脑的相同位置，也有对一个具体的集合数敏感的神经回路。随着单细胞记录技术的进步，最近，研究者在人脑海马中看到了被记录的这类神经元。[插图]这些发现还顺带地推翻了瑞士心理学家让·皮亚杰(Jean Piaget)提出的儿童发展理论的核心原理。皮亚杰认为，婴儿只有长到一岁时才能理解“物体恒常性”(object permanence)，即物体即使看不到了也依然存在。他还认为，儿童在生命的前几年无法掌握数量的抽象概念，他们从更具体的大小、长度和密度的测量中逐渐掌握数量的抽象概念。而事实恰恰相反。理解物体和数量的抽象概念是人类思想的根本，是我们生而就有的、带到这个世界的“核心知识”的一部分，正是这两种概念的组合促使我们形成了更加复杂的思想。[插图]
◆ 语言学家诺姆·乔姆斯基(Noam Chomsky)也许是对的，他推测，人类天生就具有一种“语言习得装置”，这种特殊装置在出生后的第一年被自动激活。正如达尔文在《人类起源》(The Descent of Man)中写的，语言“当然不是真正的本能，因为每种语言都必须被习得”，但是“获取语言的倾向是一种本能”。我们的天赋是学习任何一种语言的本能，这是一种不可抑制的本能，即使是被剥夺了说话能力的人，也会在几代人之后自发发展出其他形式的语言。在聋人群体中，高度结构化的、具有普遍语言特征的手语从第二代就开始出现了。[插图]
第4章 脑的诞生 #
◆ 这些“脑通路”是在第三孕期发育出来的。在大脑皮层的构建过程中，每个兴奋性神经元都会发出轴突以探索周围区域，这些轴突最长会延伸几厘米远，我们的脑中仿佛存在哥伦布一样。这个探索是由化学信息所引导的，这些化学信息分子的浓度在不同区域有所不同，并充当空间标记。轴突的头部“嗅”出了基因所建立的化学路径，推测出它必须走的方向。因此，无须任何来自外界的干预，脑就会自动形成纵横交错的网络联结，其中有几种是人类特有的。稍后我们会看到，学习可以进一步完善这个网络，但它的最初结构框架是先天的，在子宫内就已形成。
◆ 胎儿的大脑皮层的褶皱是由于生化自组织过程而自发形成的，这个过程依赖于基因和细胞的化学环境，只需要极少的遗传信息，且完全不需要学习。
第5章 养育的作用 #
◆ 图5-1 神经元突触以及它们所形成的微型回路神经元、突触以及它们所形成的微型回路是脑可塑性的材料硬件。每次我们学习时，它们都会进行调整。每个神经元都是一个独特细胞，带有它的“树”，被称为“树突”（左图上），用于从其他神经元处收集信息；每个神经元还有一个轴突（左图下），用于将信息发送到其他神经元。显微镜可以轻易分辨出树突棘，它呈蘑菇形，承载着突触，即两个神经元相连之处。当我们学习时，所有这些组成都会改变，包括突触的形状、数量和强度，树突棘的大小，树突和轴突分支的数量，甚至是包裹轴突并决定其传递速度的髓磷脂的层数。
◆ 早在1949年，心理学家唐纳德·赫布(Donald Hebb)就提出了赫布定律：共放电神经元相连，即当两个神经元同时或在短暂时间差后被激活，它们的联结会被加强。更准确地说，如果突触前神经元放电，且突触后神经元在几毫秒后也放电，突触就会被增强，这两个神经元之间的传递后续会更加有效。相反，如果突触没有被激活，突触神经元无法放电，那么这个突触就会被削弱。
◆ 突触根据其前神经元和后神经元活动进行自我改变的能力一开始是在人工环境下发现的。研究者不得不折磨神经元一番，他们用高速电流刺激神经元。在这之后的几小时，突触都保持着被修改前的状态，这个现象被称为“长时程增强作用”，这是保持长期记忆的理想状态。
◆ 一旦一个突触记忆形成，神经元就可以休息了。当它们停止放电时，记忆会维持休眠状态，无意识但印刻在我的神经回路的结构当中。在未来，由于这些联结，一个外部提示（比如一张上司办公室的照片）就足以在原来的回路中产生一系列神经活动。这些活动会储存与记忆产生时相似的神经放电规律，最终使我能够识别上司的脸。根据这个理论，每一点记忆的存储就是一场重建，记得就是尝试去回放过去经验发生时在同一个脑回路里产生的相同神经放电路线。
◆ 虽然关于记忆的专业名词仍然模糊并一直在发展，研究者已经区分出了至少4种记忆。
◆ 工作记忆：包含一次活跃的思维呈现，它会维持几秒的时间。它主要依赖顶叶皮层区及前额叶皮层区里许多神经元的辛勤放电，从而支持其他周围神经区域的神经元。[插图]工作记忆就是一般情况下让我们记得电话号码的记忆，在此期间，某些神经元会相互支持从而使相关信息保持活跃，指导着我们在手机里输入号码。它主要基于对一个持续性活动规律进行维系，但是最近的研究发现，这类记忆可能也与短期突触改变相关，让神经元能够进入简短的休眠再快速回到活动状态。[插图]无论如何，工作记忆从不会超过几秒钟，一旦我们被什么东西分散了注意，活动神经元的汇集就会被打散。它是大脑的短期缓冲，只会将最热门、最新的信息记录下来。
◆ 情景记忆：位于皮层下脑半球内的海马，会记录下我们生活中的情景。海马中的神经元似乎会记忆每个事件的背景，它们会编码事件在哪儿、什么时间、如何发生，以及当时与谁在一起。它们通过突触改变储存每个情景，这样我们就能在将来记起这个事件。著名患者H. M.的两个脑半球中的海马在手术中都被割掉了，他从此无法记起任何事。他生活在永恒的现在，无法在头脑的传记中加入任何新记忆。最近的数据显示，海马与所有形式的快速学习相关。只要学到的信息是独特的，无论是一个具体的事件还是值得关注的新发现，海马中的神经元都会对其分配一个特定的放电顺序。[插图]
◆ 语义记忆：记忆不会一直待在海马中。到了晚上，大脑会回放记忆并将之转移到皮层内的一个新位置。在那里，它们会被转变成为永恒的知识，我们的大脑会从我们的经历中提取相关信息，将其总结，然后整合进我们关于世界的知识图书馆中。几日后，我们仍然能够在没有任何关于第一次听到上司名字的时间地点信息记忆的情况下，记得名字本身。记忆从情景的变成了语义的。语义记忆一开始只是一个片段，然后被转变成了长久的知识，其神经编码也从海马移动到了相关的皮层回路。[插图]
◆ · 程序记忆：当我们一次又一次重复同一个活动（系鞋带、引用一首诗、计算、玩抛接球、拉小提琴、骑单车等）时，皮层中的神经元和其他皮层下回路最终会调节自身，使信息在将来的使用更加流畅。神经放电会变得更有效、更能被复制，修剪掉依附性活动，像时钟一样不出差错、精确地开展工作。这就是程序记忆，即对日常活动的紧凑的、无意识的记录。在这里，海马不参与工作。通过练习，记忆被存储在一个隐性空间里，主要使用的是皮层下的一组神经回路，它们被称为“基底神经节”(basal ganglia)。这就是患者H. M.在没有任何意识、情景和海马相关的记忆的情况下，还能学习新程序的原因。研究者甚至教他如何边看着自己在镜子里的手，边倒着写字。在没有任何关于自己多次练习这个动作的记忆的情况下，他对自己能够如此顺畅地完成一项“新特技”而大吃一惊。
◆ 可以确定的是，我们学习时会发生大规模的生物变化：不仅神经元在引导树突和轴突时会改变，周围的胶质细胞也会变化。所有这些转变都需要时间。每一次学习的经历都需要花上几天时间来引发一系列生物变化。许多可塑性的专有基因必须得以表达，才能让细胞制造出必要的蛋白质和细胞膜来铺设新的突触、树突、轴突。这个过程会吸收许多能量。一个小孩的脑最多会消耗50%的身体能量。葡萄糖、氧气、维生素、铁、碘、脂肪酸……大量多样的营养对脑的健康发育是必需的。脑不只靠心智的刺激来供给，在每秒内制造和消除几百万个突触，需要平衡的饮食、氧气以及身体的运动。
◆ 下面这个案例阐释了发育中的脑对营养有多敏感。2003年11月，以色列的幼儿群体突然被一种未知疾病侵害。[插图]一夜之间，几十个幼儿涌入全国各个医院。他们表现出严重的神经病学症状，包括嗜睡、呕吐、视力受损和警惕性障碍，有些已经昏迷，甚至有两个幼儿死亡。一场与时间的赛跑开始了，未知疾病是什么，什么引发了这场紧急事件？调查发现，问题在于营养。所有生病的幼儿都被喂食了同一种以大豆为原材料的奶粉。在分析这种奶粉的配方时，研究人员发现了一个令所有人都恐惧的情况，食品标签上标注的385毫克硫胺素，即维生素B1并不存在。在与生产商联系后，他们承认自己在2003年初为了降低成本改变了奶粉配方，未添加硫胺素。然而，这种维生素是脑的必需营养素。更糟糕的是，人体本身不会储存硫胺素，所以如果人们的饮食中缺少硫胺素，就会产生严重的发育缺陷问题。神经病理学家已经证实，成人缺乏硫胺素会导致严重的神经障碍，以及在酗酒者中常出现的韦尼克-科尔萨科夫综合征，这种疾病严重时会致命。患者会出现头脑混乱、眼动障碍、无法协调动作，以及警觉性缺乏，甚至昏迷、死亡。这些症状都与以色列幼儿群体的症状相对应。最后一个例证来源于治疗干预。当必需的维生素B1被重新加到患病幼儿的饮食当中后，他们的情况在几天内就得到改善，最终他们得以出院回家。据推算，有600～1000名以色列幼儿在他们生命的前几个月中的2～3个星期没有摄入硫胺素。恢复营养均衡的饮食拯救了他们。然而，多年后，这批被治愈的幼儿均出现了严重的语言障碍。以色列心理学家纳马·弗里德曼(Naama Friedmann)对他们当中的60个年龄为六七岁的孩子进行了测试。他们中的大部分都在语言理解和创造力上出现了巨大缺陷。他们的语法混乱，在阅读或听到一个句子后，他们很难理解谁对谁做了什么。就连说出图片上物体的名字这样简单的任务，比如一只绵羊，对他们来说都很困难。但是，他们对概念的处理似乎没有受到影响，比如，他们知道如何将一个羊毛球的图像与绵羊而非狮子相关联。其他方面，他们的智商（使用著名的IQ测试后）也正常。
◆ 学习一门语言明显基于婴儿脑的巨大可塑性。任何婴儿都能够学习世界上任何一种语言，从中文里的音调到南非班图语中的咂音(clicks)[插图]，因为脑会充分改变以应对自身所处的环境。然而，可塑性既非无限也非魔法，它需要专门的营养和能量供应，仅仅几个星期的营养缺失就会造成永久的缺陷。而且，由于脑的组成结构非常模块化，这些缺陷也许局限于具体的认知领域，比如语法或词汇。医学文献中有各种相似的例子，比如胎儿酒精综合征，它是由于母亲在怀孕期间喝酒使胎儿暴露在酒精中导致的。对发展中的神经系统来说，酒精是致畸物，是真正的毒药，应该在整个孕期避免摄入。要想树突“茁壮生长”，脑中的土壤就必须为之提供所有必需的营养。
◆ 对一个营养充足的脑来说，可塑性可以发展到什么程度？它能彻底改变脑吗？脑的结构会根据经验发生翻天覆地的变化吗？答案是：不会。可塑性是一个适应性变量，是学习的基础，但受到各种定义我们的基因的制约。它是固定基因组与独特经验的结合。
◆ 有一个需要了解的重点是，当突触改变时，即便是在神经活动的影响下，环境也不一定会对人脑有影响。相反，人脑会使用突触可塑性来进行自组织。首先，在没有任何环境信息输入的情况下，它会完全由内而外制造出活动规律，然后结合突触的可塑性来制造回路。在子宫中，脑、肌肉，甚至是视网膜在收到任何感觉输入以前，就已经展现出了自然活动（这也是胎儿会在子宫里动的原因）。神经元是可以被激发的，它们可以自然放电，其动作电位会自行形成巨大电流穿过脑组织。即使是在子宫里，神经元的随机动作电位形成的电流也会穿梭于胎儿的视网膜。虽然严格意义上来说，它们不携带任何视觉信息，但在即将到达皮层时，这些电流会协助形成皮层地图。[插图]因此，突触可塑性一开始在不需要与外界有任何互动的情况下便是活跃的。只有在第三个妊娠期，先天与后天的分界线才随着发展完善的脑开始适应内外环境，并逐渐变得模糊。即使在出生以后，与感觉输入无关的随机神经元放电形成的电流会继续穿梭于皮层中。慢慢地，这个内源性活动在感觉器官的影响下发展起来。这个过程可以在贝叶斯理论框架中得到准确诠释。[插图]原始内源性活动代表了统计学家所称的先验假设：脑的期待，即在其与外界互动前就有的进化假设。之后，这些假设逐渐适应环境信号，在出生几个月之后，自然神经活动便趋同于统计学家所说的后验假设：脑的概率分布变得越发与真实世界的统计数据相符。在脑的发展过程中，随着神经回路从感觉输入中积累数据，它所携带的内部模型会被改善。最终的结果是妥协，即从原始脑结构提供的所有先验假设中选取最佳模型。
◆ 我们已经看到，脑的可塑性既是强大的，又有其局限性。所有联结组织可以也必须随着我们的生活、成长、学习而改变。然而，主要的联结在人出生时便已经就位，并发挥核心作用。我们学习到的东西都会引起微小的调整，调整主要发生在微观回路水平，通常不会超过几毫米的距离。随着神经元的成熟以及它们的终端分支长出新的突触终扣到其他神经元上，它们构成的回路会紧紧扎根于有限的基因组范畴中。在与环境互动时，神经回路可以改变本地的联结、强度，以及外围的髓鞘，从而加速信息从一个区域传递到另一个区域。但是，它们无法自行改变方向。对长距离联结性的空间限制会与颞叶的限制相结合。在许多脑区，可塑性只有在有限的时间内才会发挥最强性能，这段时间被称为“敏感期”。它在童年早期被激活并达到峰值，然后随着我们年龄的增长而逐渐减弱。整个过程长达几年，并根据脑区不同而表现不同。感觉区域的可塑性在一岁或两岁左右达到顶峰，而像前额皮层一类的高级区域，会在童年末期或青少年早期到达顶峰。可以确定的是，随着我们逐渐长大，神经可塑性会慢慢减弱，学习虽然不会完全停止，但会变得日渐困难。[插图]
◆ “神经元树”的日益复杂化意味着环境对脑留下了印迹，促使脑边储存更多数据边成长。而实际情况更复杂，在一个发育未成熟的脑中，突触的增加并非与学习量成正比，它们会被过度“制造”出来，等待环境根据突触对机体的作用对其进行保留或修剪。在童年早期，突触的密度会达到成人的两倍，然后缓慢减少。在脑皮层的每一个区域，连续不断的过度制造伴随着对无用突触的选择性清除，抑或相反，伴随着有用的突触、树突、轴突分支的倍增。下次你碰到一个孩子时思考一下这个问题，每秒钟的时间流逝都伴随着他脑中几百万突触的形成与消除（见图5-2）。这一类似泡沫生成又破灭的效应大致解释了敏感期存在的缘由。
◆ 与连续的突触过度产生和髓鞘化同步的是，学习的敏感期会根据涉及的脑区在不同时间点打开和关闭。早期感觉区域是最早失去学习能力的区域之一。在人类和其他动物中进行的最多的研究是双目视觉。[插图]为了计算深度，视觉系统会从我们的两只眼睛中合并信息。但是，这样的“双目融合”只有视皮层正值敏感期时，从双眼接收高质量输入信息时才会发生。对猫来说，这个过程只需几个月，对人来说则需要几年。如果孩子在这段时间里因严重的斜视而有一只眼闭合、模糊或有重影，那么负责视力融合的皮层回路就无法形成，最终导致永久的缺陷。这种情况被称为“弱视”或“懒眼”，必须在生命早期被纠正，最好是在三岁前被纠正，否则视皮层的连接将永远受损。
◆ 2024/09/18发表想法
现在才知道自己曾经有过超能力。
原文：敏感期的另一个例子是关于我们对母语的声音的掌握。婴儿是学习语言的冠军，出生时，他们就能区分任何语言的所有音素。无论他们在哪里出生，有什么基因背景，他们只需要沉浸在语言环境里几个月（可以是单语种、双语种，甚至是三语种），他们的听力就会与周遭语言的音系相适应。成人则失去了这项卓越的能力，正如我们所见，说日语的人在英语国家生活一辈子，也无法区分R和L的发音，永远会把right与light、red与led，以及election与erection混淆。英国人和美国人也绝对无法区分任何印度语者都能轻松掌握的辅音T的齿音和卷舌音，或者芬兰语和日语的短、长元音，亦或中文里的四个音调。研究显示，我们在一岁左右便失去了这项能力。[插图]婴儿会无意识地把听到的东西进行数据汇编，并且脑会根据周遭人所用的音位的分布进行适应性调整。在12个月大时，这个过程汇聚起来，脑中有些东西就被冻结了，我们失去了这项学习能力。除非是在极其特殊的情况下，否则我们绝不可能被别人误以为母语是日语、芬兰语或印度语。我们的音系基本上完全固定。一个成年人将需要付出巨大努力来恢复区分外语发音的能力。一个日本成人只有通过高强度和专注的恢复训练，首先将R和L的发音差异放大，然后逐渐减小放大的幅度，才能成功地恢复区分这两个辅音的部分能力。
◆ 敏感期的另一个例子是关于我们对母语的声音的掌握。婴儿是学习语言的冠军，出生时，他们就能区分任何语言的所有音素。无论他们在哪里出生，有什么基因背景，他们只需要沉浸在语言环境里几个月（可以是单语种、双语种，甚至是三语种），他们的听力就会与周遭语言的音系相适应。成人则失去了这项卓越的能力，正如我们所见，说日语的人在英语国家生活一辈子，也无法区分R和L的发音，永远会把right与light、red与led，以及election与erection混淆。英国人和美国人也绝对无法区分任何印度语者都能轻松掌握的辅音T的齿音和卷舌音，或者芬兰语和日语的短、长元音，亦或中文里的四个音调。研究显示，我们在一岁左右便失去了这项能力。[插图]婴儿会无意识地把听到的东西进行数据汇编，并且脑会根据周遭人所用的音位的分布进行适应性调整。在12个月大时，这个过程汇聚起来，脑中有些东西就被冻结了，我们失去了这项学习能力。除非是在极其特殊的情况下，否则我们绝不可能被别人误以为母语是日语、芬兰语或印度语。我们的音系基本上完全固定。一个成年人将需要付出巨大努力来恢复区分外语发音的能力。一个日本成人只有通过高强度和专注的恢复训练，首先将R和L的发音差异放大，然后逐渐减小放大的幅度，才能成功地恢复区分这两个辅音的部分能力。
◆ 童年早期似乎是学习句法移位的核心时期。在婴儿第一年的最后阶段，如果脑被剥夺了所有语言互动，句法方面的脑可塑性就会被关闭。想想2003年那些病重的以色列幼儿，短短几周缺乏硫胺素就足以让他们永远丧失对句法的感知能力。这些结果与关于被家庭抛弃的弃儿的研究结果一致。比如著名的法国阿韦龙的狼孩维克多(Victor of Aveyron)，还有美国的受虐儿童精灵，她被关在衣柜里超过13年没有跟人说过话（最讽刺的是，她的名字叫精灵）。当维克多和精灵在多年后被带回文明世界后，他们的确能开始说话并学会了一些单词，但他们的语法始终都有缺陷。
◆ 人类语音和语法的缺失为语言学习敏感期提供了非常好的例子。这也是脑的模块化的清晰阐释。在语言的语法和语音停止发展后，其他功能，比如学习新单词及其意义的能力却终身存在。正是这样的剩余可塑性让我们在任何年龄都能够学习新词，比如传真、iPad、表情包、书呆子等，包括那些幽默的新兴词汇，比如爱问鬼(askhole)[插图]（不断询问愚蠢、无意义问题的人）或者椅橱(chairdrobe)[插图]（放在椅子上而非衣柜里的一堆衣服）。幸运的是，就词汇习得来说，成年人的脑在一生中都在一定程度上展现出与儿童的脑相似的可塑性，只是学习词汇的脑回路为何没有因为敏感期的消失而关闭的生物学原理尚不可知。
第6章 脑的再利用 #
◆ 请注意，猴子习得的这种行为可能本身就是全新的——谁能预见灵长类动物有一天会控制电脑屏幕上的光标呢？然而，使这种行为成为可能的神经元状态必须符合可用的大脑皮层活动模式的空间。这一结果直接验证了神经元再利用假说的一个关键假设——获得一项新技能并不需要把大脑皮层回路当成一块白板彻底重写，而只需要改变已有的组织的用途就够了。
◆ 我们招募了15名专业数学家，对他们的脑进行了磁共振成像扫描，并同时向他们展示了只有他们才能理解的深奥数学表达。这包括像∫s∇×F·dS之类的公式，以及像“任何平方矩阵都等同于置换矩阵”之类的陈述。正如我们所预测的那样，这些高难度的数学对象激活的脑网络，与婴儿看到一个、两个或三个物体时[插图]，或孩子学习计算时激活的脑网络（见彩图12）[插图]完全相同。我们研究发现所有的数学对象，无论是格罗滕迪克的拓扑学还是复杂流形或函数空间，都在儿童时期出现的基本神经回路的重新组合中找到了它们的最终根源。我们所有人，从小学生到数学界最高奖菲尔兹奖的得主，在我们的文化对数学进行建构的任何阶段，都在不断地完善特定回路的神经编码。
◆ 当三位盲人数学家想到他们最喜爱的领域时，另一个额外的脑区也被激活了：位于枕极（枕叶的后端）的早期视皮层，在任何视力正常人的脑中它负责处理视网膜传来的图像信息！事实上，这是另一位杰出的数学家、菲尔兹奖得主塞德里克·维拉尼(Cédric Villani)用直觉预测到的结果。在我们开始实验之前，他开玩笑似的对我说：“你知道吗，伊曼纽尔·吉鲁是一位真正伟大的数学家，但他也非常幸运，因为他是盲人，所以他可以把更多的大脑皮层用于数学！”维拉尼是对的。对视力正常的人来说，枕叶忙于处理早期视觉信息，无法执行任何其他功能，比如数学计算。然而，在盲人的脑中，枕叶不再需要继续执行视觉任务，但它没有变成静息的脑区，而是去执行更抽象的任务，比如心算和数学思考。[插图]对天生失明的人来说，这种重组似乎更极端：视皮层不仅对数字和数学，而且对口语的语法也出人意料地表现出了类似于布罗卡区的激活反应。[插图]
◆ 综上所述，我们的结论很简单：要想深度地再利用我们的视皮层，成为优秀的阅读者，我们必须充分利用童年早期拥有最大神经可塑性的时期。
第三部分
◆ 人类在进化过程中出现了四个主要功能，将我们从环境中提取信息的速度最大化。因为这四大功能对我们心智结构的稳定性起着至关重要的作用，所以我把它们称为学习的四大核心支柱。倘若这四大支柱中有任意一项缺失或薄弱，那么我们的整个心智结构便岌岌可危，反之，当我们需要快速地学习时，都可以依靠它们来优化我们付出的努力。这四大核心支柱是：· 注意，它可以放大我们所关注到的信息。· 主动参与，它也被称为好奇心的运算，鼓励着我们的脑去不断测试新的假设。· 错误反馈，它将我们的预测与现实进行比较，并修正我们塑造的关于外部世界的模型。· 巩固，它可以使我们将所学的东西彻底内化，反应自动化，睡眠是其中的一个关键因素。这四大功能远不是人类所独有的。然而，由于我们具有社会脑和语言技能，我们比其他任何物种都能更有效地利用它们——尤其是在我们的家庭和学校里。
第7章 注意 #
◆ 通过有意识地注意，对物体进行感觉和概念加工的相关神经元的放电过程会被极度放大和延长，然后将信息传递到前额叶皮层，在这里激发所有神经元长时间放电，这一过程的持续时间远远超出你的想象。[插图]如此强烈的神经冲动正是突触改变自身强度所必须的，这也被神经科学家称为“长时程增强作用”。当一个小学生有意识地注意老师刚刚讲解外语单词时，他会允许这个单词深入到自己的脑回路中，直到信息进入了前额叶皮层。因此，这个单词更有机会被记住。处于无意识状态或没被注意到的单词则主要被困在脑的感觉回路中，它们没有机会进入更深层次的词汇和概念表征加工阶段，因此无法实现理解和形成语义记忆。这就是为什么每个学生都应该学会把注意力集中到什么地方去，以及为什么老师应该对注意多加关注！如果学生不能关注正确的信息，他们就不太可能学到东西，因此作为一名老师最大的能耐就体现在能够不断引导和吸引孩子们的注意力，以便正确地指导他们。
◆ 美国心理学家迈克尔·波斯纳(Michael Posner)把注意区分成三个主要的系统：· 警觉，指何时需要集中注意，并调试警觉水平。· 定向，指应注意什么，并放大任何感兴趣的目标。· 执行控制，指决定如何处理所关注的信息，选择与给定任务相关的处理过程以及控制它的执行过程。
◆ 警觉的讯号会大幅调整学习，神经传导物质如血清素、乙酰胆碱、多巴胺的讯号可以传播到脑的各个区域，告诉我们什么时候应该警觉，并强迫人脑学习。在下面的实验中，当老鼠听到一个9000赫兹的音频时，这个音频跟基底核的电刺激联结在一起，大脑皮层就会分泌乙酰胆碱，几天以后，老鼠的听皮层就会被这个9000赫兹的声音及它周边频率的声音所侵占（蓝色区域）。
◆ 相关的动物研究实验表明，这一警觉系统的激活确实从根本上改变了大脑皮层地图（见彩图16）。美国神经生理学家迈克尔·梅尔泽尼奇(Michael Merzenich)开展了一系列实验，通过对小鼠大脑皮层下的多巴胺或乙酰胆碱回路进行电刺激，激活它们的警觉系统，结果发现小鼠的大脑皮层地图发生了巨大变化。所有在那一刻恰好被激活的神经元，即使它们本来并不重要，其活动强度也会被极度放大。例如，当一个高频音调刺激与多巴胺或乙酰胆碱系统性地联结在一起时，小鼠的脑就会对该刺激产生强烈的偏好。因此，整个听觉地图都会被这个随心所欲的音调侵占，小鼠区分类似音调的能力会越来越好，但它也会在一定程度上丧失对其他频率音调的辨识能力。
◆ 注意的指向功能在所有这些情况下效果都是一样的，它可以放大其聚光灯下的一切。对所关注的信息进行编码的神经元会增强自己的激活程度，而其他的神经元的活动则会被抑制。这会带来双重影响：注意会使参与其中的神经元对我们认为相关的信息更加敏感，而最重要的是，注意会增强这些信息对脑的其他部分的影响力。下游的神经回路会响应我们的眼睛、耳朵或头脑所关注的刺激。最终，大规模扩张的大脑皮层区域会定向地编码任何处于我们注意中心的信息。[插图]所以说，注意就像一个放大器和一个选择性过滤器。
◆ 看不见的大猩猩实验是认知科学中一个里程碑式的研究，也很容易被复制。因为在各种各样的环境中，只对目标对象集中注意就会使我们对不关注的刺激视而不见。例如，如果我让你判断一个音符是高音还是低音，你可能就会忽略另一个刺激，比如说忽略在接下来的若干毫秒内出现的单词。心理学家将之称为“注意瞬脱”(attentional blink)现象[插图]，即你的双眼也许一直是睁着的，但你的思维会“眨眼”，思维在一小会儿工夫里正全身心地投入自己的主要任务中，完全无暇处理其他任何事情，即使是辨识一个单词那样简单的事也无法做到。
◆ 以美国心理学家布鲁斯·麦克坎德利斯(Bruce McCandliss)最近做的一项实验为例，该实验探讨了注意在学习阅读过程中的作用。[插图]主要拟解决阅读时是只关注构成单词的每个字母学习效果好，还是注意整个单词学习效果会更好这一问题。为了寻找答案，麦克坎德利斯和他的同事们将一种由优美曲线组成的不常见的文学系统教给了成年受试者（见图7-2）。研究者首先用16个单词来训练受试者，然后记录他们在阅读这16个熟悉的单词以及同一文字系统中的16个新单词时脑的反应。而被试并不知道自己的注意力被操纵了。一组受试者被告知要把这些曲线看作一个整体来进行处理，每个字整体上对应一个词；另一组受试者则被告知，这些曲线实际上是由三个重叠的字母组成的，如果他们能够关注每个字母便会达到更好的学习效果。因此，第一组受试者关注的是整个单词，而第二组受试者关注的实际上是构成单词的单个字母。[插图]图7-2 选择性注意可以引导学习进入正确或错误的脑回路在本实验中，成人通过使用自然拼读法或整词法来学习一个新的文字系统。那些只注意单词整体形式的人，即使给他们看300次，他们也意识不到这些单词是由字母组成的。整词注意模式将学习定向到了右脑中一个与语言学习无关的神经回路，阻碍了被试将已习得的知识用于学习新词。但当注意力被放在单个字母上时，受试者就能通过调动位于左脑的腹侧视皮层的正常阅读回路来破译字母并学会阅读新词。那么实验的结果如何呢？两组受试者都成功记住了先前学习的16个单词，但新的注意模式的使用彻底改变了他们编码新单词的能力。将注意力集中在字母上的第二组被试，建立了字
◆ 母和发音之间的对应关系，能够读出79%的新单词。此外，对第二组受试者的脑活动检测发现，他们调动了位于左脑的腹侧视皮层的正常阅读回路。而第一组受试者把注意力集中在单词整体上时，妨碍了他们将已习得的知识迁移运用于学习新单词的能力。这些受试者无法阅读任何新单词，他们在识别新词的过程中激活了位于右脑视皮层的一个与语言学习无关的神经回路。这个实验为我们清楚地揭示了：注意可以从根本上改变脑的神经活动。注意单词的整体形式会阻碍对单个字母的解码，并将脑活动定向到相反的大脑半球中不适合的神经回路中去。而自然拼读法是学习阅读的必要手段，只有注意到字母和发音之间的对应关系之后，学生才能够激活与阅读相关的正确神经回路，从而有较好的学习效果。所有教阅读的一年级教师都应该熟悉这一实验结论，因为它揭示了合理引导孩子的注意的重要性。很多相关的实验也证明了自然拼读法的学习效果优于整词法的效果。[插图]当一个孩子注意到字母时，通过用手指从左往右每个字母阅读，学习就变得容易很多。但是如果没有给这个孩子提供任何线索告诉他需要关注什么，只是让他把单词当作一个整体来审视，而不注意单词的内部结构，那么学习便不会发生。正确的注意是学习成功的秘诀。
◆ 执行控制系统和认知科学家所说的工作记忆之间有着密切的联系。如果要控制心算的执行过程，我们必须时刻把正在进行的程序的所有要素记在心里，包括中间结果、已经执行的步骤、接下来要执行的操作……因此，执行注意控制着我所说的“全脑神经工作区”(global neural workspace)的输入和输出，即一种暂时性的有意识的记忆，它使我们能短暂地保存相关信息并将其传递给其他神经模块。[插图]这一全脑工作区就像是脑的路由器和信号员，负责决定如何并以何种顺序将信息传递给脑中许许多多的不同的处理器。在这个层级上，脑的思维活动是缓慢且连续的，因为执行控制系统一次只会对一条信息进行加工，因此无法同时处理两种思维活动，心理学家也将之称为“中枢瓶颈”现象。
◆ 给同一个人布置两项非常简单的任务，比如听到高音时用左手按一个键，看到字母Y时用右手按另外一个键。当高音和字母Y同时出现或间隔很短时间相继出现时，人们通常会以正常速度完成第一个任务，但完成第二个任务的速度会大幅减慢，并与做第一个决定所花的时间成正比。[插图]换句话说，第一个任务延误了第二个任务的完成。当整个全脑工作区都在忙于第一个任务时，第二个任务不得不先等着，而这一等待往往长达几百毫秒。如果你太过专注于第一个任务，那么你甚至有可能完全错过第二个任务。然而，值得注意的是，几乎没人能察觉完成双任务所存在的延误现象，因为根据定义，我们不能在信息进入有意识的工作区之前意识到它。尽管第一个刺激被有意识地加工了，但是第二个刺激仍需在“门”外等待，直到全脑工作区得空为止。但是我们对等待时间并没有内省的机会，因为我们会以为自己在完成第一个任务后，第二个刺激瞬间就出现了，而且我们用正常的速度处理了它。[插图]
◆ 执行注意大致相当于我们所说的“集中注意”或“自我控制”。重要的是，该系统并不是人生来就有的，因为这一系统需要在大脑前额叶皮层完全发育成熟时才能达到最优的功能状态，而前额叶皮层的发育可能需要历经15～20年才完成。通过积累经验和接受教育，执行控制系统在整个童年和青少年时期缓慢发展，然后慢慢地学会了自我控制。脑的中央执行系统需要大量时间来系统性地选择合适的策略，抑制不恰当的策略，与此同时也要避免分心。
◆ 认知心理学中有很多这样的例子：儿童通过集中注意力和抑制不当策略来逐渐修正他们的错误。心理学家皮亚杰是第一个注意到这个现象的人，他发现有些幼儿会时不时地犯同样的错误。例如，如果你把一个玩具在A地藏了几次，然后把它转移到B地，那么一岁以下的幼儿会继续到A地寻找它（即使他们很清楚发生了什么）。这就是著名的“A非B错误”，这一现象使皮亚杰得出一个结论，即一岁以下的幼儿是没有物体恒常性的（物体恒常性指的是当物体被隐藏时个体仍然知道它是存在的）。然而，我们现在知道这种解释是不合理的。有关婴儿视线追踪的研究结果表明，婴儿实际上知道被隐藏的物体在哪里，但是他们在解决心理冲突方面存在困难，因为在A非B任务中，从先前的实验试次中习得的习惯性反应告诉他们应该去A地寻找，但最近生成的工作记忆却告诉他们，在当前的实验中，他们应该抑制这种习得性的反应并前往B地寻找。这种习得性行为在婴儿还不到10个月大时比较常见，在这个年龄阶段，婴儿缺乏的是执行控制能力而不是对物体的认知能力。事实上，“A非B错误”在婴儿大约12月龄时就消失了，这与大脑前额叶皮层的发育有直接联系。[插图]
◆ 执行控制指集中注意和控制自己的能力，它会随着年龄的增长和受教育经历而不断发展。从小学习演奏乐器是提高注意力和自控力的众多方法之一，音乐家的大脑皮层厚度，尤其是在执行控制中起重要作用的背外侧前额叶皮层的厚度会比与之年龄、性别等个体特征相仿的普通人要厚。
◆ 婴儿从很小的时候就开始注视人脸，尤其关注人的眼睛，因此，一旦听到了什么声音，他们的第一反应不是去探索这个场景，而是去捕捉与他们互动的人的目光。只有在建立了眼神接触之后，婴儿才会转向大人凝视的对象，这种非常了不起的社交注意共享能力也被称为“共同关注”，它决定了孩子学习到的东西。前文已经介绍过一个有关婴儿学习新词Wog的实验。在学习Wog这个词时，婴儿如果能跟随说话者的视线专注这个词，那么他们通过几次尝试就能学会这个词。但如果只是通过扬声器重复播放这个词，即使这一读音与该词直接相关，婴儿也学不会。婴儿学习语音类别时也是这样的情况，例如，一个9月龄的美国婴儿，只要和中国成人互动几周就能够学会一些汉语音素，但如果他是通过看一段高清的视频来学习，即使接触到的语言刺激数量相同，他也学不会汉语发音。[插图]
◆ 吉·盖尔盖伊认为，教导他人和向他人学习是人类物种进化出来的最基本的适应功能。[插图]人类是一种拥有“自然教学法”脑回路的社会性动物，一旦我们注意到别人试图教给我们的东西，这一大脑回路就会被触发。全人类的成功至少可以部分地归功于我们进化出的与他人共同关注的能力。我们学到的大部分知识都来自他人，而非我们自己的亲身经历，因此，人类社会的集体文化才能远超任何个体单独所能做到的上限。这就是心理学家迈克尔·托马塞洛(Michael Tomasello)所说的“文化棘轮”(cultural ratchet)效应，就像棘轮可以防止电梯下降一样，社交共享也可以防止人类文化的倒退。每当有人有新的发现，这一有用的发现就会迅速传遍整个群体。幸好存在这样的社交学习，人类文明才几乎不曾倒退，人类的重大发明也不曾被遗忘。
◆ 我们的注意系统已经适应了这种文化背景。盖尔盖伊和捷尔吉的研究表明，在很小的时候，儿童的注意力就与大人发出的言语或非言语的信号高度敏感。那些在做出特定指示之前都会先看看孩子的家长、保姆、老师，能够较大程度地影响孩子的学习效果。眼神交流不仅能吸引孩子的注意力，而且也表明老师正打算教给孩子一个重要的知识点。就连婴儿也对眼神交流很敏感，因为眼神交流让他们知道“现在要上课了”，马上要学的是很重要的而且可以广泛应用的知识。
◆ 举个例子，一个18个月大的婴儿看到一名年轻的女士面带微笑地转向物体A，然后对物体B一脸嫌弃时，他会得出什么结论呢？这完全取决于孩子和大人间的信号交换，如果没有建立眼神交流，那么婴儿只会记得一个特定的信息，那就是这个人喜欢物体A、不喜欢物体B（见图7-7）。但是，如果他们有眼神交流，孩子就能从中推断出更多信息，他会认为大人正试图教他一些重要的事情，因此他总结出了更具一般性的结论，即物体A是招人喜欢的，而物体B是令人厌恶的，不只是这个人喜欢A而不喜欢B，其他所有人也都是如此。孩子会特别注意任何愿意交流的信号，当某人表现出明显地试图与他们交流的迹象时，他们会推断出这个人想要教他们一些概括性的知识，而不仅仅是这个人自己的特殊偏好。[插图]图7-7 共同关注
◆ 父母和老师要时刻谨记这一重要事实，因为你们的态度和视线对孩子来说非常重要。通过视线和语言交流来吸引孩子的注意可以确保他和你共享同一个注意对象，同时还会增加他们记住你想要传达的信息的概率。
◆ 没有哪个物种能像我们一样传授知识。原因很简单，那就是我们可能是唯一可以理解他人想法的物种，我们可以注意到他人心里在想什么，以及以为别人是怎么想的。这种推演能力是脑的典型特征，它在教学中起着至关重要的作用。教育工作者必须不断地思考学生不知道什么，并基于此调整自己的表达和示例，以便快速地增加学生的学识。一旦学生知道老师清楚地了解他们不知道什么，他们就会把老师的每一个动作都理解为正在试图向他们传授新知识。这个良性循环会一直持续下去：大人明白，孩子知道大人清楚哪些东西是他们不知道的……这促使大人可以选择那些孩子可以听懂、可以类比的例子。
◆ 在学校里，真正的教学关系包括教师和学生之间很强的心理联结。一名好的老师会为他的学生建立一个心理模型，他知道学生有什么技能，会犯什么错误，他还会采取一切行动来丰富学生的思想。因此，这个理想的老师的形象把那些只是机械性地讲授老套的课程内容，且不根据学生已有的知识和期望因材施教的老师（无论是真人抑或是计算机）排除在外了，因为像这样不动脑子的、单向的教学是没有成效的。反过来说，只有当学生有充分的理由相信老师在尽其所能地传达知识时，教学才会有效。任何健康的教学关系都必须建立在双向的关注、倾听、尊重和信任的基础上。目前还没有证据表明，在人类外的任何动物中，存在这种学生和教师相互关注彼此心理状态的能力，这种能力被称为“心理理论”(theory of mind)。
◆ 简而言之，人脑有两种学习模式：一种是主动模式，我们像优秀的科学家一样主动对外部世界形成假设并对其进行测试；另一种是接受模式，我们被动吸收他人传递给我们的信息，且不再去亲自验证。第二种模式通过文化的棘轮效应，使人类社会在过去的5万年中实现了非凡的扩张。但是，如果缺乏第一种模式的批判性思考，那么第二种模式会让我们很容易受到虚假信息的伤害。积极地验证知识、拒绝道听途说以及形成有意义的个人建构，这些做法都是保护我们免受传说和所谓的“大师”欺骗的基本过滤器。因此，我们必须在两种学习模式之间找到一个平衡，学生必须专心听讲并对老师讲授的知识有信心，但也必须成为学习的主人，可以自主地、批判性地思考。
第8章 主动参与 #
◆ 被动的有机体无法学习
◆ 要学习，我们的脑首先必须形成一个关于外部世界的假设性的心理模型，然后将之投射到周围环境里，并将这个假设所得出的预测与从感官接收的内容相比较，来检验假设。这一过程意味着我们必须是处于一种积极、投入和用心的状态。因此，动机非常重要：我们只有在有目标并且全身心投入其中的时候才能学得好。
◆ 加工的深度越深，学习的效果越好
◆ 美国心理学家亨利·罗迪格(Henry Roediger)曾说：“把学习条件弄得再困难些，迫使学生投入更多认知努力时，常常能加强记忆效果。”[插图]脑成像研究正开始试图弄清这个加工深度效应的源头。[插图]更深层次的加工会在记忆中留下更深的痕迹，因为它会激活前额叶皮层中与有意识的词汇处理相关的区域，而这些区域与海马间形成了强大的神经回路，从而使海马能以外显情景记忆的方式储存信息。
◆ 那么我们所说的发现教学法是什么意思呢？这一含义模糊的教学观点最早可以追溯到卢梭，再通过著名教育家杜威、德可乐利、弗雷内、蒙台梭利以及皮亚杰传递给我们。卢梭在《爱弥儿》中写道：“我可以在这里阐述一下教育过程中最重要、最有用的原则吗？那就是不要想着节省时间，而是去‘浪费’它。”对卢梭和他的后继者来说，即使这一探索过程需要浪费几小时的时间也是值得的，让孩子自行去发现并建立自己的知识结构是最好的学习方式。卢梭相信，这些时间从未被浪费，因为它们最终会带来自主的思想，学生不仅能自主思考，还能解决现实世界中真正的问题，而不是一味地被动接受知识并生搬硬套现成的解决方法。他说：“教你的学生如何去观察自然现象，然后你很快就能再次使用他的好奇心；但如果你希望学生的好奇心能不断发展，那就先别忙着很快满足他的好奇心。把问题放在他面前，让他自己去解决。”这个理论很吸引人，然而不幸的是，几十年来，许多研究都发现这种教学方式的效果几乎为零。它的无效性已经被多次重复验证，以至一位研究者将自己的文献综述文章命名为《需要一个‘三振出局’规则来反对纯粹的发现教学法吗？》(Should There Be a Three-Strikes Rule against Pure Discovery Learning)。当放手让孩子自己去发现时，他们其实很难发现某个知识领域的主要抽象规则，因此他们几乎学不到什么。我们该对此感到震惊吗？我们怎么能认为孩子能在没有外力引导的情况下，在短短几小时内就重新发现人类花了几个世纪才理解的规则？无论如何，发现教学法在所有领域都失败了
◆ 总而言之，虽然让学生变得有动力、主动学习以及积极参与很重要，但这不代表他们应该被放任自流。建构主义的失败显示了进行直接的教学指导的重要性。老师必须为学生提供一个能逐步指引他们尽快掌握所有框架的有组织学习环境。最有效的教学策略就是引导学生去主动参与学习进程，同时老师在这一过程中为他们提供精心的指导。心理学家理查德·迈耶(Richard Mayer)在回顾这个领域的研究时说：“最成功的教学方法是去激发学生的认知活动而不是行为动作，是去进行教学指导而不是纯粹放任学生自己去发现，并且在课程设计上会有所侧重而不是全部随意探索。”[插图]一个成功的老师会从基础内容开始教，其教学顺序清晰、严谨。他们会不断监测学生的掌握情况，让学生建立起一个意义的金字塔。
◆ 。最伟大的心理学家们，包括威廉·詹姆斯、皮亚杰、赫布都猜测过好奇心背后的思维活动。他们认为，好奇心是孩子试图理解世界并为之建造心理模型的动机的直接体现。[插图]每当我们的脑发现已经知道的与想知道的之间有一条鸿沟时，即存在一个潜在学习区域时，好奇心就会产生。任何时候，我们都可以从触及的各种行动中选择最有可能缩小这一差距并获得有用信息的那些行动。根据这个理论，好奇心与调控学习的神经控制系统相似，就像瓦特调速器那样控制蒸汽机上的节流阀的开关，从而调控蒸汽压力，维持固定速度一样。好奇心就像是脑的调速器，是一个致力维持某种特定的学习压力的调节装置。它会将我们导向我们认为的能够学习的东西。好奇心的对立面是无聊厌烦，厌烦则会让我们对已知的东西，或根据过去的经验判断出不太可能让我们学到新知识的地方失去兴趣，甚至避之不及。
◆ 这个理论解释了为什么好奇心与惊讶或新奇程度并不直接相关，而是形成一个钟形曲线。[插图]我们对那些我们见过千万次的无聊事物没有好奇心。但我们也对太新颖、太令人惊讶或其结构太令人迷惑的东西没有兴趣，因为它们过于复杂会将我们推开。因此在太简单的感到无聊与对太复杂的望而却步之间，人类的好奇心会自然地引导我们去往新的并且在我们理解能力范围之内的地方。但这种吸引力是不断变化的。当我们掌握了曾经对我们而言有吸引力的事物后，它们就失去了吸引力，我们又会将好奇心转向新的挑战。这解释了为什么婴儿一开始总是对最微不足道的小事，比如抓自己的脚趾、闭眼、玩躲猫猫等活动充满热情。对他们来说，一切都是新奇的，也都是潜在的学习对象。一旦他们从那些实验中将所有可以获得的知识榨取干净之后，便失去了兴趣。这与科学家不再重复伽利略的实验是一个道理，我们对已知的东西已经没有兴趣了。
◆ 机器人与婴幼儿的相似度是惊人的。甚至婴幼儿在几个月大时就会转向具有中等复杂程度的刺激源，它既不太简单也不太复杂，但其结构正好是能被快速学会的（婴儿的这种好奇心被称为“金发女孩效应”[插图]）。为了使他们的学习达到最好的效果，我们要用恰到好处的新刺激，不断地去丰富他们的成长环境。大人的责任在于为孩子提供一个设计合理的教学层级，不断激励他们去追求新知识和新事物，逐渐引导孩子到达顶峰。
◆ 这个与好奇心有关的观点引出了一个有趣的假设，即为了让孩子对事物感到好奇，他们必须先意识到什么是自己不知道的。换句话说，他们必须在小时候就具有元认知功能。“元认知”是对认知的认知，它是监控我们的思维过程的一系列高级认知系统。根据前文提到的好奇心的沟壑理论，元认知系统必须不断监督学习进度，评估哪些知识是我们已经知道的哪些是还不知道的、学习方法是对的还是错的、学习速度是比较快的还是比较慢的，等等。元认知囊括了我们所知道的关于自己的思维的一切内容。
第9章 错误反馈 #
◆ 早在20世纪70年代，支持这一假设的研究数据就开始涌现。两位美国研究者罗伯特·雷斯科拉(Robert Rescorla)和艾伦·瓦格纳(Allan Wagner)提出了下列假设：人脑只有在感知到它所预测的和实际所接收到的信息之间有差距时才会去学。没有感知到错误的话，学习是不可能发生的：“有机体只有在事件违反了他们的预期时才会去学习。”[插图]换句话说，惊讶是学习的基本驱动力之一。
◆ 雷斯科拉和瓦格纳的理论很好地解释了经典条件反射学习范式。我们可能都知道巴普洛夫的狗，在巴甫洛夫的经典条件反射实验中，铃声一开始只是低效的中性刺激，但当它与食物反复配对后，铃声最终会触发条件反射，即狗一听到铃声就会
◆ 流口水，因为它知道一出现铃声就会获得食物。那雷斯科拉和瓦格拉的理论是如何解释这些发现的呢？他们假定人脑会通过感觉输入（铃声引发的感觉）来预测后续刺激（食物）出现的可能性。其工作原理如下所示：· 大脑通过计算感觉输入的加权总和来作出预测；· 大脑算出它所预测的和它实际接收到的刺激之间的差异，即预测误差，这是该理论的一个基本概念，它测量的是与每个刺激相关的惊讶程度；· 大脑用这个惊讶信号来纠正内部表征，让内部模型根据刺激强度、预测误差进行调整。这个规则保证了下一次预测会更接近实际值。这个理论其实已经包含了我们学习的三大核心支柱：只有当大脑选择了适当的感觉输入（注意），利用它们来产生预测（主动参与），并且评估预测的准确性（错误反馈）时，学习才会发生。
◆ 需要注意的是，我们所说的错误信号是在脑中传递的内部信号。我们不需要为了学习而去真的犯错——我们所需要的只是让我们预期的结果和我们实际得到的结果之间存在差异。比如，我们思考一个简单的选择题：巴勃罗·毕加索(Pablo Picasso)的姓氏是迭戈(Diego)还是罗德里戈(Rodrigo)呢？假设我在第一次尝试时就幸运地得到了正确的答案，那在这个过程中，我学到东西了吗？当然。但即使我第一次尝试时回答对了，我也没什么信心，毕竟仅凭运气，我只有50%的可能性答对。正是因为我不确定我的答案是否正确，我随后收到的反馈就给我提供了新的信息：它让我确信我随机选择的答案实际上是100%正确的。根据雷斯科拉和瓦格纳的理论，这个新信息会产生一个错误信号，测量我的预测（50%的概率是正确的）和我现在知道的（100%确定这是正确答案）之间的差距。在我的脑中，这个错误信号传播开来并更新了我的知识，从而提高了我下次被问到同样问题时回答“迭戈”的概率。因此，如果以为对学习而言最重要的是犯很多错误，那就错了，就像沙多克斯一家仓促地使前999 999次火箭发射实验失败一样。最重要的是得到明确的反馈，减少学习者的不确定性。
◆ 并不是重复就一定会导致适应，重要的是你能不能预测音符的出现规律。
◆ 老师是来教授知识的，而不是来评判学生的。
◆ 2024/09/22发表想法
引以为戒。
原文：当然了，理性的人可能会说：“严格来说，这不就是等价的吗？告诉学生他们应该做什么和告诉他们做错了不是一样吗？”这个说法不完全正确。当然从纯逻辑的角度看，这个说法是对的：如果一个问题只有两个可能的答案，A或B，而学生错误地选择了A，老师告诉他正确的答案是B，就等于告诉他“你错了”。同理，在一个正误是非题的判断选择中，当学生听到“你是对的”和“你是错的”时，学到的知识量应该完全相等。但是我们不要忘记，孩子并不是完美的逻辑学家。对他们来说，推断出“如果我选了A，被认为是错了，那么正确答案一定是B”的附加思维过程并不是那么简单直接。其实学生毫不费力地抓住了关键信息：我搞砸了。事实上，当进行这个实验时，成年人成功地从奖励和惩罚中提取了等量的信息，但是学生却没有：他们从成功中学到的东西远比从失败中学到的要多得多。[插图]因此，让我们为他们免去这种痛苦，尽可能给他们中性的和丰富的反馈信息。请不要把错误反馈与惩罚相混淆。
◆ 当然了，理性的人可能会说：“严格来说，这不就是等价的吗？告诉学生他们应该做什么和告诉他们做错了不是一样吗？”这个说法不完全正确。当然从纯逻辑的角度看，这个说法是对的：如果一个问题只有两个可能的答案，A或B，而学生错误地选择了A，老师告诉他正确的答案是B，就等于告诉他“你错了”。同理，在一个正误是非题的判断选择中，当学生听到“你是对的”和“你是错的”时，学到的知识量应该完全相等。但是我们不要忘记，孩子并不是完美的逻辑学家。对他们来说，推断出“如果我选了A，被认为是错了，那么正确答案一定是B”的附加思维过程并不是那么简单直接。其实学生毫不费力地抓住了关键信息：我搞砸了。事实上，当进行这个实验时，成年人成功地从奖励和惩罚中提取了等量的信息，但是学生却没有：他们从成功中学到的东西远比从失败中学到的要多得多。[插图]因此，让我们为他们免去这种痛苦，尽可能给他们中性的和丰富的反馈信息。请不要把错误反馈与惩罚相混淆。
◆ 分数同时也是非常不公平的，尤其是对那些跟不上进度的学生来说，因为考试的难度通常每周都在提高。让我们以电子游戏为例，当你发现一款新电子游戏时，最初你并不知道如何有效地推进，最重要的是，你并不愿意经常被人提醒你做得有多差！这就是为什么游戏设计师设计游戏会从非常简单的关卡开始，在这种关卡中你几乎每次都会赢。慢慢地，游戏难度增加，失败和挫折的风险也随之增加，但是游戏设计师知道如何通过将简单关卡和困难关卡组合起来，并让你可以自由选择多次通过相同难度的关卡来降低失败和受挫的风险。于是你看到你的分数稳步上升……最后，当你成功通过最后一关时，愉悦的感觉能伴随你一天。现在我们把这个过程和“差生”的成绩简单做个类比：差生的成绩一开始就很糟糕，老师并不是通过让他们再次参加同样的考试来激励他们，直到他们通过，而是每周给他们新的学习任务，且这些学习任务几乎都超出了他们的能力水平。几周过去了，他们的“分数”始终徘徊在零附近。在电子游戏市场上，这样的游戏就是一个彻头彻尾的失败品。
◆ 对人类和动物进行的大量研究证实，压力和焦虑会极大地阻碍学习能力。[插图]例如，在小鼠的海马上，恐惧的条件反射确实固化了神经元的可塑性：当小鼠受到随机的、不可预测的电击的伤害后，脑神经回路处于与发育的关键期结束时类似的状态，突触会被冻结，缠绕在僵硬的神经元周围。相反，当小鼠生活在一个没有恐惧的、有丰富刺激的环境中时，可以重新打开突触的可塑性，从而释放神经元，使突触间的联系恢复孩童般的活力——这是青春的源泉。
◆ 丹尼尔·佩纳克的话：“老师存在的意义不是为了吓唬学生，而是帮助他们克服对学习的恐惧。一旦克服了这种恐惧，学生们对知识的渴求就会永无止境。”
◆ 为什么间隔学习策略如此有效？脑成像研究[插图]表明，把问题集中地塞进一个时段中去解决会减少它们所引起的脑活动。也许是因为重复的信息逐渐失去了新奇性。一方面，重复似乎也会让人产生一种知识错觉，一种由于工作记忆中的信息尚存而产生的过度自信：它似乎可以随时提取出来，我们已经把它记在了脑海中，所以不知道再努力学习有什么意义。另一方面，间隔学习会增加脑活动：它似乎通过禁止工作记忆中的简单存储，迫使相关脑回路更努力地工作，从而产生了必要难度(desirable difficulty)[插图]的效果。
◆ 如果把同一节课重复学两次，那么最有效的时间间隔是多长？当间隔时长达到24小时后，我们会观察到学习效果明显改善——正如我们在后面将谈到的，这可能是因为睡眠在巩固我们所学到的知识方面起着关键作用。不过，美国心理学家哈尔·帕施勒(Hal Pashler)和他的同事已经证明，最佳的间隔时间取决于你想保持记忆多长时间。如果你只需要记住几天或几周内的信息，那么最好在一周内每天都进行复习。如果知识必须在记忆中存储数月或数年，那需要将时间间隔按比例拉长。
◆ 经验法则是以你所期望的总的记忆留存时间取20%作为间隔长度来进行复习。例如，如果你想让记忆保存10个月左右，那每2个月后就拿出来复习一次。效果是显著的：每隔几周就温习某节课所学的内容，几个月后能记住的内容就会增加3倍！为了尽可能长时间地记住这些信息，最好自己逐步增加时间间隔：从每天复习一遍，到一周，一个月，然后一年之后再复习……这种策略保证了在所有时间点上都达到最佳记忆存储效果。[插图]
第10章 巩固 #
◆ 当我们扫描一个初级阅读者的脑时，会看到什么？除了识别字母的视觉区域和处理音素、音节，文字的颞叶等这些常规的阅读回路被激活之外，顶叶和前额叶皮层也被大量激活。[插图]这种强烈的、消耗大量脑能量的活动反映了注意力和有意识的深度参与，这些现象会随着学习的巩固而逐渐消失（见彩图18）。对一个流利的阅读者来说，这些区域不再促进阅读。只有阅读被干扰时，这些区域才会被激活，例如把单词字母间隔呈现为letters，或者将单词旋转为[插图]，迫使脑回复到缓慢的初学者模式。[插图]
◆ 自动阅读意味着建立一个受限的、专门的回路来有效地加工我们每天遇到的字母串。当我们学习的时候，我们的脑形成了一种非常有效的回路来识别最常见的字符和它们的组合。[插图]我们的脑在整合数据：哪些字母最常见，在哪里出现的频率最高，以及它们通常与哪些字母一起出现。即使是初级视皮层也能识别最常见的字母的形状和位置。[插图]经过几年的过度学习之后，这个回路发展为常规模式，在没有任何意识干预的情况下也能正常工作。[插图]到了这个阶段，顶叶和前额叶皮层的活动消失了，我们就可以毫不费力地阅读了。
◆ 阅读的学习之道也适用于其他领域。无论我们是学习打字、演奏乐器，还是开车，我们的手势动作最初都是由前额叶皮层控制的，缓慢地、有意识地，一个接一个地做出这些手势。然而，熟能生巧，随着时间的推移，所有费力和笨拙都消失了，我们可以边谈论或思考其他事情边训练这些技能。反复练习之后就可以将控制权交给运动皮层，特别是基底神经节，它是一组皮层下回路，负责记录我们自动的和例行的行为。算术也会发生同样的变化，对初学的孩子来说，每一道计算题都是一座珠穆朗玛峰，需要调动全身的资源才能爬上去，尤其是前额叶皮层的神经回路。这个阶段的计算是有顺序的：为了解决6+3等于几，孩子们通常会一个一个去加——“6……7……8……9”。随着巩固过程的发展，孩子开始从记忆中直接提取结果，前额叶皮层的活动逐渐消失，取而代之的是顶叶和腹侧颞叶皮层的特殊回路。[插图]为什么自动化如此重要？因为它释放了大脑皮层的资源。记住，顶叶和前额叶皮层就像一个普通的执行控制网络，会造成认知瓶颈，它无法同时处理多项任务。当我们脑的中央执行系统专注于一项任务时，所有其他有意识的决策都会被延迟或撤销。因此，只要有一个心理操作没有通过过度学习实现自动化，仍需要付出努力，它就会占用宝贵的执行注意力资源，使我们无法专注于其他事情，所以巩固是必不可少的，因为它使我们宝贵的脑资源可用作其他用途。
◆ 根据艾宾浩斯的遗忘曲线，我们在早上学到的知识会随着时间流逝而消失，而在午夜学到的知识会随着时间的推移而保持稳定（前提是学生至少有2小时的睡眠）。换句话说，睡眠可以防止遗忘。
◆ 1994年被否定了，以色列研究者发现睡眠会引发额外学习。在没有任何额外训练的情况下，经过一段时间的睡眠，受试者的认知和运动水平均会有所改善。[插图]这个实验很简单：受试者白天检测视网膜上的某个特定点上的一条粗线。他们的检测进展缓慢，持续几小时后达到了极限。随后让他们去休息，第二天早上醒来后，他们的表现有了很大的改善，并且在接下来的几天里都保持了同样的状态。睡眠确实引发了额外学习，如果在他们每次要进入快速眼动睡眠时把他们叫醒，他们在第二天早上醒来时就不会表现出任何进步。
◆ 大量的研究证实和扩展了这些早期发现。[插图]睡眠质量不同，记忆改善程度也不同，睡眠的长度和深度都可以预测一个人醒来后的学习上的改善。这可以通过监测表征深度睡眠的慢波来评估。这种关系也可以朝着相反的方向运行：对睡觉的需求取决于前一天接收到的刺激量和学习量。在动物的大脑皮层中有一个与可塑性有关的基因zif-268[插图]，该基因会在快速眼动睡眠阶段增加其在海马和皮层区的表达。尤其如果个体白天处在一个相对丰富复杂的环境时会更明显。也就是说，白天刺激的增加会导致夜间脑的可塑性激增。[插图]
◆ 。1994年，神经生理学家马修斯·威尔逊(Matthews Wilson)和布鲁斯·麦克诺顿(Bruce McNaughton)惊喜地发现：在没有任何外部刺激的情况下，海马中的神经元在睡眠时会自发激活。[插图]而且这种活动会追溯动物白天的轨迹，并不是随机发生的。
结论 教育与神经科学的“联姻” #
◆ 我所展示的科学研究成果其实都很简单、易落实。我们一起来复习一下：· 不要低估孩子的能力。婴儿在出生时就拥有一套丰富的核心技能和知识。物体概念、数感、语言、对人及其意图的了解……这些基本技能将在他们以后的物理、数学、语言和哲学课程学习中再次被挖掘。我们要多利用孩子早期的这些直觉。他们学的每个单词和符号，无论多么抽象，都必须与他们的先验知识相联结。这种联结将赋予他们所学的内容意义。· 利用脑的敏感期。在生命的最初几年，每天都有数十亿个突触被创建和消除。这种令人兴奋的活动使孩子的脑特别容易接受知识，尤其是语言。我们应该让孩子尽早接触第二语言。我们还应该记住，脑的可塑性至少会延续到青春期，在这个时期，外语沉浸可以改变脑。· 丰富孩子的生活和学习环境。孩子的脑是最强大的超级计算机。我们应该尊重它，在孩子很小的时候就为脑提供正确的数据，单词、建筑游戏、故事、拼图……与孩子进行所有你认为深奥的话题的探讨，用专业准确的词汇回答他们的问题，向他们传达我们对世界的理解。给孩子提供一个丰富的环境，特别是语言环境，最大限度地促进他们的脑发育，延长他们的脑可塑性。· 打消“每个孩子都不一样”的观念。认为每个人都有不同的学习风格的想法是错误的。神经影像研究显示，我们都依赖于非常相似的脑回路和学习规则。阅读和数学的脑回路在我们每个人身上几乎都是一样的，仅几毫米的差距——即使是盲童也是如此。我们在学习中都面临着相似的障碍，可以用同样的教学方法克服它们。个体差异，如果存在的话，更多地是孩子现有知识水平、动机和他们学习的速度的差异。谨慎判断孩子当下的水平，以便选择最合适的问题。但最重要的是，确保所有孩子都学会每个人都需要的语言、文字和数学基础。· 培养孩子的专注力。专注力是学习的门户，如果信息没有先被注意力和觉知放大，那么我们几乎不会记住它。老师应该成为吸引学生注意力的大师，并将他们的注意力引导到重要的事情上。这意味着要小心地消除所有让孩子分心的因素：插图过多的课本和过度装饰的教室。· 保护孩子的活力、好奇心、参与意愿和自主性。被动的学生学不到东西。让他们更活跃，激发他们的聪明才智，让他们充满好奇心，不断产生新的假设。但不要指望他们能自己发现一切，要通过结构化的课程来引导他们。· 让每一个上学的日子都变得愉快。奖赏回路是脑可塑性的重要调节器。通过奖励他的每一次努力来激活它们，让每一个小时的课堂都变得生动有趣。没有孩子对物质奖励无动于衷，他们的社会脑区对微笑和鼓励的反应也是一样的。被赞美的感觉和对自己进步的意识本身就是奖励。要消除阻碍学习的焦虑和压力，尤其是在数学方面。· 鼓励努力。愉快的学校体验并不等同于“毫不费力”。相反，大部分有趣的学习，如阅读、数学或演奏乐器等，都需要多年的练习。认为一切都很容易的信念可能会让孩子以为，如果他们不成功，他们就是笨蛋。要向他们解释，所有的学生都必须努力，当他们努力的时候，每个人都会进步。要保持一种成长的心态，而非一成不变的心态。· 帮助学生深入思考。大脑处理信息的程度越深，我们的记忆力就越好。永远不要满足于肤浅的学习，要着眼于更深层次的理解。记住亨利·罗迪格的话：“让学习条件变得更困难，从而要求学生投入更多的努力，这往往会增强记忆力。”· 设定明确的学习目标。当学生清楚地知道学习的目标时，当他们看到他们可以支配的一切都朝着这个目标汇聚时，他们就会学得更好。清楚地告知你对他们的期望，并将重点放在实现目标上。· 接受并纠正错误。为了更新他们的心理模型，我们的脑区必须交换错误信息。因此，犯错是学习的必要条件。我们不要惩罚错误，而要通过给孩子详细的但无压力的反馈来迅速纠正它们。根据教育捐赠基金会(Education Endowment Foundation)的综合报告，教师提供给学生的反馈质量是推动学业进步的最有效杠杆。
◆ · 定期练习。一次性学习是不够的，孩子需要巩固他们所学的东西，使其成为自动的和潜意识的反射性知识。这样的自动化状态可以解放我们的前额叶和顶叶回路，让它们参与其他活动。最有效的策略是腾出空间学习，每天腾出一点点空间。间隔练习可以让信息永久地印在记忆中。· 让学生睡好觉。睡眠是我们学习算法的重要组成部分。我们的脑在每次睡觉时都会受益，甚至在我们打盹的时候也是。因此，让我们确保孩子睡得又长又深。为了最大限度地利用脑在夜间无意识的工作，在入睡前学习一节课或重读一道题可能是一个绝妙的诀窍。由于青少年的睡眠周期发生改变，所以我们不要太早叫醒他们！
◆ 只有更好地了解自己，我们才能最大限度地利用我们脑所配备的强大算法。所有的孩子都可能从了解学习的四大核心支柱中受益：注意、积极参与、错误反馈和巩固。“全神贯注”“参与课堂”“从错误中吸取教训”“每天练习，利用每一个夜晚”这四个口号有效地概括了它们。这些都是非常简单的信息，我们都应该注意。
– 来自微信读书
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《精准学习》 斯坦尼斯拉斯·迪昂