大自然雖然沒有賦予人與生俱來的生存本能，但是它使人擁有一種區別於動物的獨特器官，這就是人的大腦。大腦的存在，使人天生地具備潛在的學習能力，這種能力使人能夠不斷地完善自己並使自己發展的種種可能性逐步成為現實。正如進化認識論專家福爾邁所說，“事實上，人的大部分特征，是建立在人腦不同凡響的工作能力之上的。這種能力，是人身上真正屬於人的東西。”[1]作為當代科學研究的前沿，腦與認知神經科學、生物科學研究的進展日新月異，人腦的特點以及腦與學習的複雜交互作用的研究，揭示了人類學習的能力是大腦潛伏著的一種本質上區別於其他任何動物的能力，有巨大的發展潛能[2]，告訴我們人可以終身持續不斷地學習，同時要想使學習富有成效，人也需要學會學習。這些研究為兒童與成人的發展和學習提供了科學的依據，也為我們研究引導學生學會學習的教學策略研究奠定了理論基礎。
一、大腦的複雜性及可塑性
研究表明，大腦巨大的發展潛力來自於大腦的複雜性及可塑性。大腦的複雜性不完全取決於基因數目及其複雜性而是取決於神經細胞及其聯係方式的複雜性。DNA雙螺旋結構的發現者克裏克曾說，人的一切心理和行為，歸根結底是由於神經細胞。成人腦大約由一萬億個細胞組成。其中約有一千億個神經細胞即神經元，是執行腦和全部神經係統功能的核心，它們被神經膠質細胞網織在一起。後者具有調節神經性信號速率的作用。每個神經元通過自身發散出的上萬個樹突和一條軸突通過突觸和成千上萬個其他神經元聯係。軸突周圍由一層被稱為髓鞘的物質包裹，它起到絕緣作用，將軸突與其他細胞隔開，提高了神經衝動傳導的速度。神經元每秒可傳導250～2500個脈衝信號。每個人的大腦中可能有突觸數量大約為10億億個。如此龐大數量的突觸可以使人腦加工源源不斷的感覺輸入；存儲大量的記憶信息；學習語言；以這個星球上的其他個體從未想到過的方式將信息進行組合，等等。1973年冬天，莫斯科大學的柯米洛夫斯基教授，在長達60年腦細胞本質研究之後，在《自然及人工腦能的形成》一文中公布了他的最後結果：我們可以顯示，人的一萬億腦細胞當中的每一個腦細胞所可能產生的連接數為1後麵加上28個零！如果一個單神經細胞具有這種潛力，我們就無法想象整個大腦能夠做什麽了。它的含義在於，人腦細胞可能的排列組合總數，如果寫下來的話，其長度將為1後麵加上1050萬公裏長的零！類似的觀點也可見於英國作家、心理學家、教育家托尼·布讚。他說：大腦是由萬億個腦細胞構成的，每個腦細胞就其形狀而言就像最複雜的小章魚。它有中心，有許多分支，每一分支有許多連接點。幾十億腦細胞中的每一個腦細胞都比今天地球上大多數的電腦強大和複雜許多倍。每個腦細胞與幾萬至幾十萬個腦細胞連接。它們來回不斷地傳送著信息。這被稱為迷人的織造術，其複雜和美麗程度在世間萬物中無與倫比[3]。有人曾大膽猜測，每多出10億個神經元，就可能含有一次中等程度的進步，而人類比黑猩猩多出30億。即使每天按1000～1200個速率死亡，在80歲時也隻失去了1000（1200）×365×80＝2920萬（3504萬），以總數100億計也不過是百分之五。然而遺憾的是人腦細胞隻使用了10%，尚有90%處於休眠狀態。
同時，在外界信息的作用刺激之下，特定的神經元會出現敏感化，神經元的長度會增長，樹突會增加，突觸之間的聯係會增強和變化。神經元的突觸被激活得越多這個神經元就會變得更加有效，同時可以產生結構的變化。這些變化過程是不可逆的。大量研究揭示了這種人腦基於輸入不斷進行自我重構的非凡方式，該過程被稱為神經可塑性。知識在大腦中的保留，記憶的形成歸根到底是神經元的溝通、聯係以及突觸的可塑性參與了這一過程。過去的研究認定兒童的大腦具有這種創造新信號通道，改變或適應缺陷的非凡能力。但成年大腦是否同樣具有這種能力一直備受爭議。在線版《神經科學雜誌》（Journal of Neuroscience）2007年9月5日發表的美國麻省理工學院麥戈文大腦研究所博士後丹尼爾·迪爾克斯和同事們的最新研究成果顯示，和兒童一樣，成人大腦神經係統可能也有這種能自行重組的可塑性，具有創造新神經通路的能力。大腦的神經元基本上是“用進廢退”，經常運用大腦的人神經比較不易退化，因此大腦是愈用愈靈。從大腦切片可以看到，愈常動腦的人，神經組織之間的聯結愈濃密，觸類旁通的機會也愈高。傳統觀念認為，神經元是唯一不能再生的機體細胞。然而近年來研究者發現，成人腦中至少有一個部位——海馬，可以再生神經元。這個發現對於人們進一步認識和開發大腦的學習潛能具有重要意義。加州大學伯克利分校的代蒙（Marian Diamond）等神經心理學家提出：學習和經驗能夠導致大腦結構和功能的改變——使之變得更好或更糟。在生活中，置身於積極、富有營養、充滿刺激和交互作用的環境裏，有助於持續地促進人的心智能力的發展。蘇聯學者葉夫裏莫夫所斷言：“一旦科學發展到能夠深入地了解腦的構造和功能，人類將會為儲存在腦內的巨大潛力而震驚。”
大腦的複雜性及可塑性以及神經元的可再生性決定了人天生是一種學習的動物，而且人的學習能力、人的智商在一生中都是可以改善和提高的。從腦科學的角度看，學習就是在神經元之間建立聯係。教育是對自然人的大腦神經的定向化塑造和初始化定向發育訓化。一方麵人類依靠大腦進行學習；另一方麵學習活動又會反作用於大腦，使大腦的功能和結構產生相應的改變，從而更有利於人的學習。
二、網狀結構、左右腦半球協同活動與創造
網狀結構是指位於腦幹中線附近背側，除界限清楚、機能明確的神經細胞核團和神經纖維束外，存在的許多大小不同、形態各異的神經細胞核團和縱橫交錯的神經纖維網絡。其纖維與大腦、小腦、脊髓等均有密切聯係。它是由兩個子係統構成的：一個是從網狀結構發出上行到大腦皮層的纖維，人們將其稱為上行係統；一個是網狀結構發出到脊髓前角的纖維，人們將其稱為下行係統。腦幹網狀結構的主要機能是調節內髒，包括呼吸和心率、血壓和血管收縮等心血管機能調節；維持大腦的興奮水平，使之保持覺醒狀態或睡眠狀態，調節整個中樞神經係統的活動狀態，也參與感覺意識活動，與選擇性注意機製有關；調節肌肉牽張反射和其他脊髓反射。
蘇聯著名心理學家、神經心理學主要奠基者魯利亞對網狀結構的神經心理學作過許多研究。她認為腦結構是一個多層次的垂直結構。網狀結構作為保證調節皮質緊張度和覺醒狀態的器官，是大腦的“第一機能聯合區”。它是一個垂直的機能係統，是按“反射環”原則建立起來的“統一的自我調節器官”，一方麵保證大腦皮層緊張度的變化，同時“本身又處於大腦皮質中所出現的變化的調節作用之下”。網狀結構的激活作用有三個來源：一是有機體本身的新陳代謝過程，這個過程是有機體內部平衡和本能過程的基礎。這就是呼吸、消化、內分泌過程以及食物、性行為等先天的行為係統。二是外部刺激而引起定向反射的激活作用。魯利亞認為：人生在信息的世界中，他對信息的需要，有時並不亞於對機體的物質代謝的需要。當一個人失去了通常的信息來源後，就會陷入睡眠，隻有某種信息的輸入才能夠把他從睡眠中喚醒。所以神經係統總處於一定的活動狀態中，某種緊張度的存在對任何生命活動的表現來說都是必需的。對於周圍變化著的環境的覺醒狀態的緊張化，就是巴甫洛夫所說的定向反射，“它是認識活動的基礎”。三是腦機能聯合體的直接參與。魯利亞認為“人的積極性的相當大的部分是受在人的意識的生活過程中形成的意圖和計劃、遠景和程序製約的，它們就其要求來說是社會的，並且起初是在外部言語，然後是在內部言語的密切參與下實現出來的”。這就是說，人的目的，也在製約著網狀激活係統的程序。如果目的沒有達到，一種積極性總保持著；如果目的達到了，積極性就停止了。這是人的意識對網狀激活係統的一種控製。
人們認為第一個來源姑且不論，僅就第二、三個來源看，完全可以用來解釋科學創造中的直覺及頓悟現象。我們完全有理由設想，腦幹網狀激活係統正是科學直覺及其頓悟產生的重要生理基礎。在科學創造的某一時刻，思考者的網狀係統的興奮性提高了，積聚在網狀結構的各種信息被調動起來了，迅速地躍入大腦皮層，將皮層的細胞激活，與大腦中原有思考的內容相結合，從而在高度激奮中產生新思想。在這種覺醒的過程中，人們的“邊緣意識”“深層意識”，包括某些無意識、下意識被喚醒，從而在經過睡眠或注意力轉移而獲得某種休息的大腦“蘇醒”的狀態中被重新組合。即外界新材料進入到大腦中來，經過腦的選擇，確認是一個新的信號，於是導致“定向反射”，意識被激活。任何導致直覺成果出現的“原型”，都是推動網狀激活係統工作的動因。同時，大腦高級部位的影響和控製保證了人類科學創造過程活動。這可以說明，為什麽科學的機遇總是光臨那些有準備的頭腦，為什麽落地的蘋果隻對牛頓有意義，為什麽馬爾薩斯的“人口論”同時觸發了達爾文與華萊士的靈感。也可以由此說明，為什麽所謂“無意識”的東西，總能在意識中找到某種實在的根據。[4]
此外，大量的腦與神經科學的研究與事例也表明，左右腦的協同活動對於人的創造性活動具有重要影響。人類從19世紀60年代開始，就認識到大腦可以劃分為左右兩半球，並對之進行研究。進入20世紀後對兩半球的功能和作用認識得越來越清楚：左半球主要有言語的、分析的、邏輯的、數字的、線性的、抽象思維的功能；右半球具有非言語的、綜合的、直覺的、音樂的、色彩的幾何圖形識別以及想象等形象思維的功能。前者是串行的、繼時的信息處理，是收斂性的因果式思考方式；後者是並行的、空間的信息處理，是發散性的非因果式思考方式。左右兩半球的功能具有不對稱性。這就是所謂大腦活動的單側化。近年來，日本學者將左腦又稱為“自身腦”，認為它不斷地儲存著出生以後獲得的信息，儲存信息的多少與人壽命的長短和健康狀況有著密切關係，它是人們經驗和知識的記憶寶庫。右腦則稱為“祖先腦”，它儲存著人類從祖先繼承下來的全部信息。因此，許多超常規的思維都可以用這一觀點來解釋。他們認為，左腦的功能是有限的，因為人的壽命有限。而右腦則不同，它被稱為“祖先腦”，它儲存著從古到今人類500萬年遺傳因子的全部信息。兩半球之間是靠胼胝體（corpus callosum）聯結並進行頻繁的信息交換。胼胝體是由2億根呈乳白色神經纖維束組成。胼胝體將兩半球聯結在一起而且促成兩半球的協同活動。如果胼胝體發育不全，就會造成個體智力能力的降低。胼胝體“缺失”，會阻礙人的右半球中專門化的非言語和空間定位的正常能力，同時左半球的言語和意誌活動能力也會受到極大影響。因為胼胝體具有使大腦左右兩半球的協同活動的功能，所以可使非語言思維有機會借助動作或圖像的思維進行。我們可以從左右半球的聯合以及胼胝體的機能上考察直覺思維的腦生理基礎。美國康奈爾大學教授卡爾·薩根認為，在日常生活中，大腦兩半球的相對獨立表現比較明顯。但我們對於左右半球的獨立性不應當估計過高，應當強調大腦左右兩半球的彼此協同合作。他指出，“像胼胝體這樣複雜的電纜係統的存在，必將意味著兩半球的交互作用是人維持生命所必需的。”如果兩半球的聯係被削弱甚至切斷後，會產生許多莫名其妙的現象。人類的許多創造性活動都有賴於這種兩半球功能的結合。例如，凱庫勒發現苯環結構式的創造過程就是一個典型的圖形識別練習，而不是分析活動。這是“通過做夢完成的最著名的創造行為的典範。這種創造行為是右半球而不是左半球的活動”“要有效地獲得知識，則需要兩個半球的協同工作”。他認為：“沒有經過左半球的詳盡研究，就無法斷言通過右半球推斷出來的模式是現實的還是虛構的。”所以，“在聚變的環境中要解決複雜問題就需要兩半球的共同活動。通過胼胝體溝通大腦兩個半球，是通向未來的唯一途徑”。隻有通過大腦左右半球的協同合作，隻有通過胼胝體的聯結才有可能實現人類的科學、藝術等方麵的創造活動。他甚至說，“因此，我們可以說，人類的文明就是胼胝體的功能。”[5]
還有，1976年美國生理學家M.S.加查尼加提出腦認知功能的“模塊說”也有助於我們進一步認識大腦及其功能和人的創造間的關係。他認為：在結構和功能上，腦是由在神經係統的各個水平進行活動的子係統以模塊的形式組織在一起的，腦功能模塊是一種動態變化的組裝[6]。模塊理論認為人腦這些高度專門化的、相對獨立的模塊之間複雜而巧妙的結合是實現複雜而精細的認知功能的基礎。人腦所形成的功能模塊是一種快速、特異的信息過程。腦由在神經係統的各個水平上進行活動的子係統以模塊形式組織在一起，複雜的心理能力是大腦中許多離散的特異區域功能的產物。近幾年，“模塊說”已被大量用無創傷腦功能成像技術所獲的科學事實所證明。
上述這些研究成果啟示我們，要想培養人的創新素質，就必須重視大腦活動的特性，注意在教學中為發揮腦幹網狀係統的激活功能創造條件，同時要重視促使左右腦在高水平上協同發揮作用，改變目前我國教育偏重左腦訓練，而對右腦的開發嚴重不足，左腦的負擔過重而右腦的負擔又太輕的局麵，還要以整體的、動態的觀點來看待大腦的活動，努力對學生實施全腦教育，以促進學生更好地發展。
三、腦波與學習
根據現代腦科學提供的依據，大腦兩半球的活動會體現於神經元組成的臨時網絡的不同的腦波組合中。人的腦電波有四種，β波比較急促，電壓較低，其頻率每秒13到30次，但振幅不大，是人在正常清醒狀態下的腦電波，此時人意識清晰、明確，能夠比較靈敏地思考和解決問題；α波的頻率為每秒8到13次，通常在休息、深度放鬆時產生，尤其在昏昏欲睡時加強活動，人的意識進入冥想狀態；θ波的頻率為每秒4到7次，狀如一連串凹形，常在半睡半醒的輕度睡眠，無意識狀態下產生；δ波是進入深度睡眠時出現，頻率每秒1到3次。格力（1970）等人發現，低頻率的α波與θ波常與幻想（reverie）以及冥幻（hypnagogic imagery）並生。冥幻是靜坐者入定時或常人發呆時所無意中出現的靈感。它常在冥冥中與α波並生。它具有清晰閃耀、在無意識中產生、變化無端三種特征。
當人集中某一問題思考時，往往經曆從以β波為主的左腦興奮、到以α波為主的右腦沉思、以θ波為主的恍然大悟（靈感）、再到以β波為主的檢驗驗證的過程；或者從以β波為主的左腦興奮、到以α波為主的右腦沉思、以δ波為主的睡眠做夢、到以θ波為主的恍然大悟、再到以β波為主的檢驗驗證的過程。另外，實驗表明，當實驗者給予受試者某種輕微的刺激以喚醒他，使他將冥幻的靈感意識化時，入定者的β波會大增。當入定者道出具體印象或外界事物時，其腦波便呈β波形狀。人在意識狀態下能夠進行學習活動，無意識狀態中思維活動並未停止，而且往往會有清晰狀態下意想不到靈感出現。
如果人們認識了這些大腦活動的過程，就可以積極訓練培養，學會科學用腦，提高自身腦能，從而具有發現與創造的能力。
這些研究成果表明，青少年的教育與學習質量、效率的提高既有賴於對他們大腦認知活動規律的了解，同時也有賴於他們及教師對大腦認知活動規律的認識程度。目前，建立“基於腦、適於腦、促進腦的教育”，根據腦發育與活動規律、根據腦認知活動的規律進行教育教學，在充分了解和認識腦的認知功能、情感功能和自我意識等高級功能的前提下建立適應兒童認知能力發展特點的教育教學方法和教學組織策略、教育評價方式方法等，以真正奠定教育的科學基礎，做到科學地教與學，努力提高教與學的質量和效率，已成為世界各發達國家教育科學研究和改革的重點之一。
事實上，教師每天都在試圖改變人腦。對腦的學習的機製理解得越多，教師就會有更多的教學選擇自由，就越能夠使學生的學習取得成功。如何根據腦科學研究揭示的腦學習的機製等研究成果，進行教學設計，選擇合適的教學策略和教學方法，使得教學過程更有效率，更利於學生學會學習，從而改善教學質量使教學效果更為顯著。這是我們在研究中關注的問題之一。
[1] ［德］福爾邁.進化認識論.舒遠招譯.武漢：武漢大學出版社，1994：119
[2] 聯合國教科文組織報告指出：“近幾年來我們在大腦的研究和生物化學科學方麵所取得的突破已經使我們更加清楚和更加客觀地理解了人類行為、心理機製和學習過程。這些新發現顯示了一個驚人的事實：人的大腦中還有很大一部分潛力未曾加以利用，而且根據某些權威多少帶點武斷的估計，這種未曾利用的大腦潛力竟高達百分之九十。”聯合國教科文組織國際教育發展委員會編著.學會生存——教育世界的今天和明天.北京：教育科學出版社，1996：140
[3] 腦與創新素質.中國腦網，http：//www.brainweb.cn/ProjectView.asp?id=616
[4] 腦與創新素質.中國腦網，http：//www.brainweb.cn/ProjectView.asp?id=616
[5] 腦與創新素質.中國腦網，http：//www.brainweb.cn/ProjectView.asp?id=616
[6] 朱法良.對全麵開發人腦的思考.教育研究，2001（7）