大腦如何精準學習

推薦文
前言
 
第一部分  學習是什麼？（What Is Learning?）
第一章    學習的七個定義
第二章    為什麼我們的大腦比目前的機器學得更好
 
第二部分  我們的大腦如何學習（How Our Brain Learns）
第三章    嬰兒看不見的知識
第四章    大腦的誕生
第五章    後天的部分
第六章    重複使用你的大腦
 
第三部分  學習的四根支柱（The Four Pillars of Learning）
第七章    注意力  Attention
第八章    積極參與  Active Engagement
第九章    錯誤的回饋  Error Feedback
第十章    固化  Consolidation
 
結 語   教育與神經科學的重修舊好
NOTES
 

 

前言

　　二OO九年九月，一個非常特殊的孩子驅使我澈底的修改了我對學習的看法。我那時在訪問巴西的莎拉醫院（Sarah Hospital），這是一個神經復健中心，是奧斯卡．尼邁耶（Oscar Niemeyer）所設計的白色建築物（譯註：巴西有名的建築家，聯合國總部大樓就是他設計的），我的實驗室和這個復健中心合作有十年了。中心主任，露西亞．布拉加（Lucia Braga）要我看一下她的病人，一個七歲的小男孩菲力普（Felipe），這個孩子有一半的歲月是花在這個醫院的病床上的，她告訴我，菲力普四歲時，在街上被流彈所傷─很不幸，這種事在巴西很常發生，子彈穿過了他的脊椎，使他幾乎完全癱瘓，只剩微弱的四肢感覺，子彈也摧毀了他的大腦視覺皮質區，他完全看不見，為了幫助他呼吸，醫生在他頸部氣管上開了個口，所以有三年的時光，他都住在醫院裡，一個鎖在殘障身體內的小靈魂。

　　在通往他病房的走廊上，我記得告訴我自己有心理準備去面對一個破碎的孩子，但是當我見到菲力普時…，一個跟其他七歲孩子一樣活潑可愛，對所有事情充滿了好奇心，問個不停，有十足生命力的孩子時，我太驚訝了，他的語言有著豐富的辭彙，文法完全正確，問我法文的髒話怎麼講（譯註：作者為法國的認知神經科學家，而巴西是講葡萄牙文），我發現他對語言狂熱，從未錯過任何可以豐富他詞彙的機會，他可以說英文、西班牙文和葡萄牙文，雖然他看不見，又生活在床上，他靠寫他自己的小說的方式逃避到他的想像世界中，醫院的人員也鼓勵他這樣做，他在幾個月之內便學會口述他的故事給一位助理幫他打出來，後來他學會用一個連到電腦跟音效卡的特殊鍵盤去寫故事，不再靠別人。醫院的小兒科醫生和語言治療師輪流到他的床邊，幫他把故事轉譯成盲人的點字書，還有著浮雕的插畫，他用殘留的一些觸覺，很驕傲地用手指輕拂過頁面。他的故事裡有英雄，以及他永遠沒有辦法看到的高山和湖泊，但是他像所有的小男孩一樣，有著他的夢想。

　　跟菲力普的會面深深地感動了我，也驅使我去仔細檢視我們大腦最大的才能：學習的能力。這個孩子的存在就是神經科學的一個挑戰，我們大腦的認知器官如何去應付這麼巨大的環境動盪？我跟菲力普有著這麼巨大的感官經驗，為什麼他和我可以有這麼相同的思想？不論人們是怎麼學的、什麼時候學的，這些不同的人是如何得出這麼相同的觀念？

　　許多神經科學家都是實證主義者（empiricists）：他們跟英國哲學家洛克（John Locke, 一六三二~一七O四）一樣，認為大腦是從環境中獲得知識，大腦皮質迴路的特性就是可塑性（plasticity），能夠適應環境的輸入。的確，神經細胞有著極大的能力，根據接收到的訊號不停地調整他們的突觸。然而，假如這是大腦的主要驅力，我的小菲力普，沒有視覺和動感的輸入，應該是個嚴重殘障的孩子，是什麼樣的奇蹟使他發展出完全正常的認知能力出來？

　　菲力普的個案絕對不是單一的個案，每個人都知道海倫．凱勒（Helen Keller, 一八八O~一九六八）和瑪莉．厄丹（Marie Heurtin, 一八八五~一九二一）的故事，她們都是生下來就失聰、失明，然而在多年的社會隔離（social isolation）後，學會了手語，最後變成聰慧的思想家和作家1。在這本書中，你會見到許多像這樣的人，我希望他們會大大改變你對學習的看法，其中一個人就是伊曼紐爾．吉魯科斯（Emmanuel Giroux），他在十一歲時眼睛失明了，卻成為世界頂級的數學家，套用聖．修伯里（Saint–Exupéry）在《小王子》（The little prince, 一九四三）這本書中狐狸的話，吉魯科斯說：「在幾何，它的重點是眼睛看不見的，只有用心，你才看得清楚。」一個盲人如何在抽象的代數幾何空間中，快速的操弄平面、球形和立體而沒有親眼看見它們？我們會發現他動用的神經迴路跟其他數學家所用的迴路一樣，但是他的視覺皮質不但沒有靜止不動，反而重新設定用來做數學了。

　　我也會介紹你認識尼可（Nico），一位年輕的畫家，當他去巴黎的瑪摩丹美術館（Marmottan Museum）時，複製了一幅莫內（Monet）的名畫「日出印象」（Impression, Sunrise）（彩圖一），這有什麼了不起呢？沒什麼，只是這是一個只有半個腦的年輕人，他的右腦在他三歲時便完全切除了，他只有左半球而已，尼可的大腦學會把他所有能力都擠到左腦中：他的左腦要說話、寫作、閱讀，還要繪畫，而後者一般認為那是右腦的專長，不但如此，他還會電腦、輪椅西洋劍（wheelchair fencing），他在這一項拿到西班牙的冠軍。請忘記你過去所學的左、右腦的功能，因為尼可就證明給你看了每個人都可以成為有創造力、有天份的藝術家，即使沒有右腦也行！大腦皮質的可塑性看起來真是奇蹟的創造者。

　　我們也會去看一下惡名昭彰的羅馬尼亞首都布加勒斯特（Bucharest）孤兒院的孤兒，這些可憐的孩子一出生就被送到孤兒院去[譯註：這是羅馬尼亞獨裁者希奧塞古（Ceausescu）一個很可怕的錯誤政策，因為當時羅馬尼亞缺乏人力（二次世界大戰在巴爾幹半島打的很激烈，青壯男士都戰死了，全國缺乏勞工，希奧塞古便下令凡是在四十五歲以下生育期的婦女必須為國家生育孩子，由國家成立教養院來養活他們，但是因為人手不夠，這些孩子是在幾乎沒有人照顧的情況下孤獨長大，造成後來很多的人格問題），這個經驗讓西方的學者（主要是哈佛的教授Charles Nelson）發現童年的受虐，如疏忽、冷漠、沒有關愛對孩子一生的影響]，但是那些在一歲或二歲以前被領養的孤兒卻有著幾乎正常的學校經驗（譯註：也就是說在學業和人際關係上沒有問題）。

　　這些例子說明了大腦超凡的反彈能力，即使在受到巨大的創傷，如眼盲、失去半個腦或社會孤立後，還是發展出學習的能力，這個學習的火花並沒有被這些不幸的遭遇所熄滅，語言、閱讀、數學、藝術創造：這些人類所特有的能力，也是其他靈長類所沒有的，都能抵抗這些大的創傷，如切去半個腦、失去視力和動作的能力。學習是個生命力（vital principle），而人類的大腦有著巨大的可塑性—去改變它自己，去適應環境。

    然而我們同時也看到相反的例子，學習被僵住，沒有力量掙脫，例如失讀症（alexia）患者無法閱讀字，我曾經研究過好幾個成人，他們原來都是閱讀很強的人，但是在中風以後，他們連最簡單的狗（dog）或地墊（mat）都不認得了。我記得有一個精通三種語言的女士，原來每天讀法文報紙世界報（#Le Monde#）的，在中風以後，她無法讀報了，報紙上的每一個字讀起來都像希伯來文（Hebrew），她下決心要重新學會閱讀法文報紙，但是經過二年的努力，她的閱讀能力仍然沒有超過幼兒園孩子的程度：她要花好幾秒才能讀出一個字來，而且是一個字母、一個字母的辨識才行，即便如此，她還是無法讀出每一個字來。為什麼她不能學？為什麼先天性失讀症閱讀障礙（dyslexia）的孩子、沒有計算能力（dyscalculia）的計算障礙孩子或是運用障礙（dyspraxia），他們在學習閱讀、計算或書寫上都有相同的困難，而其他的孩子則毫無困難的學會這些技能。

　　大腦的可塑性像個喜怒無常的人：有的時候它可以克服巨大的困難，有的時候它又讓那些能力有障礙但有著很強動機想學，也很聰明的孩子和大人失望。這是因為某些神經迴路的關係嗎？是這些神經迴路在這些年間失去了它的可塑性嗎？這個可塑性可以再被打開嗎？控制打開／關閉可塑性的規則是什麼？大腦的可塑性為什麼從孩子一出生到幼年期能這麼的有效？大腦迴路如何形成外面世界的表徵？它的規則是什麼？了解這些規則會使我們學習的更快、更有效率嗎？這些規則可以幫助我們建構出更有效率的機器、人工智慧，使它們有一天能模仿我們或甚至超越我們嗎？這些問題是本書想要回答的問題之一，我會從認知科學和神經科學的最新發現，從跨領域的角度來回答它們，但是我也會從人工智慧和教育的角度來做整合。

推薦文

蓋好格子的白紙
白明奇 成大醫學院神經學教授、老年學研究所所長

　　2004年，我從美國亞歷桑納大學訪問研究歸來，洪蘭教授打電話來台南請我關照一位因中風住院的病人，說是她好友的父親。不久，洪教授寄來一大箱書，打開一看，十分驚訝，都是科普類的翻譯作品。這些年來，洪教授不斷翻譯科學書籍，將國外認知神經科學、心理學等重要的發現與理論引入國內，對當代的年輕學子產生很大的影響。這批書中，還包含腦科學教育的指引，更令人敬佩。三年前，我開始主持科技部前沿科轉計畫，目的是要將重大的科學發現轉化成一般人可以理解的形式、並推廣，以提升國人的科學素養，這是一流國民應該有的能力，更深刻體悟到洪教授過去數十年的努力，很不容易。

　　這次洪教授翻譯《大腦如何精準學習》(How We Learn)，作者是Stanislas Dehaene，是另一本了解大腦功能的好書。書中Dehaene引用許多有名的學說與實驗，對我來說十分熟悉，因為在心理學研究所攻讀博士學位的那幾年，上課內容與專題討論幾乎都是在探究學習的機制與原理，這與認知神經科學關係密切。

　　夏末某天，朝北的辦公室窗外，鴿子銜來一條條枯枝築起了巢，過了不久，下了兩個蛋，幾天之後，孵出了幼鴿，經過反哺餵食，歷經風吹雨打，幼鴿羽長翅硬，很快地，已經可以展翅拍打、做出欲飛之姿態。看這鴿子的成長，不禁想到此書描述的學習機器，剛破卵而出的乳鴿大腦是一張白紙嗎？

　　奇美實業創辦人許文龍先生曾說：人生如果被劃上格子，就只能寫字了。這是勉勵人們不要自我受限、或被他人束縛，而阻擋了原可揮灑的人生。然而，延續物種是個非常現實的任務，為達使命，生物體業已將千萬年來經過演化、物競天擇考驗的精髓及成功存活的祕笈印刻在染色體上。這樣說來，新生的大腦像是一張畫了格子的白紙，具備足夠與生俱來的能力，得以快速適應既有的環境；同時，大腦可塑性則是對付環境威脅的利器。2014年諾貝爾醫學與生理學桂冠The Mosers發現了網格細胞 (參考白明奇：腦內的導航系統。科學發展，2015年：八月號)，再次支持這種理論。

　　這其實正是本書所要強調的重點之一，但不會否定教育的角色，同時，Dehaene告訴我們，教育學子絕非任其發展，必須有篤實的學理根據。以往教育心理學家多半靠觀察、推論形成理論，沒有科學的根據有可能導致推論錯誤。現在應用功能性大腦磁振造影，可以支持、但也推翻了許多過去堅硬不敗、知名的學說或理論。

　　這本書創造許多名句，例如「記憶看的不是過去，而是未來」、「沒有驚嚇、沒有學習」、「學習就是排除、減少錯誤」，Dehaene更提點人類大腦的獨特性，弱化人工智慧的過度誇大，這對迷戀人工智慧的人來說，提供一個省思的機會。

　　古地圖用Terra Incognita來描述未知的疆域，剛剛來到人間的人類大腦就像Terra Incognita，值得對認知神經科學有興趣的你我來持續關注。

譯者序兼導讀

讀寫能力決定國家的競爭力

　　五十年前秋天的一個晚上，我在加州大學心理所當助教，有一個長的很英俊的男生走進來，他先確定辦公室只有我一個人，再確定門是關的，然後很小聲的問：「你是助教吧？你是外國學生，在這裡沒有朋友吧？」我點點頭。他看了似乎放下了心，便很嚴肅的告訴我：「我不能閱讀，我來請你幫助我，請不要讓別人知道」。我聽了嚇一跳，不能閱讀是什麼意思？我從小到大，沒有碰過不能閱讀的人，只碰過很會閱讀的人。他接著說：「你學英文是有意識的學的吧？因為它不是你的母語。請你想一下，你是如何學會閱讀英文的？」。我說：「先學字母，再學拼字」，他不耐煩的說「我是問你，你是怎麼學會字母的？你是動用了什麼機制，才學會這些陌生符號的？」我呆了一下，怎麼學會的？我不知道。我才第一次感到，原來把這些陌生的符號變成有意義的文字是件不容易的事，不是每個人都能做得到的。

　　後來才知道這叫「先天性失讀症」，全球有6%左右的孩子有閱讀上的困難。人類可以閱讀是上天的福賜，它真的不是一件容易的事，我們平常沒有去想自己是怎麼學會的，習慣把很多事情都看成「理所當然」不知道背後的原因。時間匆匆過了半世紀，現在終於有人回答「我們是怎麼學習的」這個問題了，揭曉在這本書內。

　　本書作者是法國著名的認知神經科學家，得過好幾個國際大獎。他跟我們的實驗室有合作，我們也曾送學生到他實驗室去做博士後研究。2010年，他寫了一本《Reading In The Brain》(中文本《大腦與閱讀》信誼出版社2012年出版)，寫得很好，我便把它翻成中文，把閱讀的神經機制介紹到台灣來。因此，當他又寫這本討論大腦如何學習的書時，他便請我繼續把它翻譯出來。其實翻譯也要投緣，喜歡的書可以翻的很快，不喜歡的，三年也翻不完。

　　本書作者狄漢教授是J. Mehler的學生，在Michael Posner的實驗室做過博士後研究，是正宗實驗心理學派的弟子，我們有很多地方的看法相同，所以翻譯的工作輕鬆愉快。比如說，我們都認為教育是大腦的加速器，知識份子的短期記憶比文盲大了二倍，研究發現多念一年書，國家生產能力提昇3.6%。人類這個學習的能力可以因學校符合大腦發展的課程安排而變得更好。

　　他認為課程的設計很重要，因為沒有任何一個其他的動物有課程設計的能力，更不要說去教導他的下一代，把智慧傳承下去。學校這個系統化正式教育的機構，大大有效地增加了我們大腦處理訊息的能力。但是對教育，我們卻有很多的迷思，教育機構本身也有很多的缺點，現行的教育體系是工業革命時期建立起來的，但是我們已經進入了數位經濟的時代，如果不改變，還在用一百多年前的方式教育孩子，杜威說的「以過去的方法，教現在的孩子，會耽誤他明天的前途」，以後學生畢業出來會找不到工作。他在書中有詳細的討論，掌管教育的人士可以好好的看一下，因為他的論述背後都有實驗證據的支持。的確，每個人都有相同的基本大腦電路，相同的大腦學習法則，為什麼最後的成果有這麼大的不同？

　　本書最大的貢獻便是從實驗的證據上讓我們看到了大腦學習的歷程。他掃瞄出生才二個月的嬰兒(目前除了他的實驗室，還沒有任何一個實驗室做到這一點)讓我們看到孩子真的是小小科學家，眼睛一張開就像真正的科學家一樣，不停的形成假設，驗證假設，推翻假設，再形成更符合外面世界的新假設。他每二個月把幼兒園五、六歲的孩子帶到實驗室來掃瞄他們的大腦，看他們從不識字(法國的幼兒園沒有像我們台灣偷跑，幼兒園就在教認字、寫字，把一年級的功課給教完了)到識字，大腦皮質的改變。

　　他發現在第一次掃瞄時，孩子的大腦皮質對物體、面孔和房子都起反應，但對字母不反應，因為還不認得字。但開學二個月後，大腦對字母就開始反應了，而且反應的地方跟大人是同一個地方－左邊枕顳葉皮質。慢慢地，他們對臉的反應改換到右腦去了，改換的程度跟孩子閱讀的能力成正比。也就是說，字母的辨識佔據了本來面孔辨識的空間，乞丐趕廟公，把原來的面孔辨識趕到右半球相對應的位置去了。

　　作者也曾掃瞄兩個成年後才學習閱讀的人，一個是從小失學，沒機會念書，另一個是中風，左腦視覺字形區壞掉，所以不能閱讀。在二年的定期掃瞄中，失學者最後發展出字母區，但是他的字母區並沒有影響他的面孔區，因為左腦的面孔辨識迴路已經發展的很牢固，趕不動了，中風者則沒辦法再創造一個新的字母區出來，因為他已經成年，神經可塑性的彈性變小，無法把他的皮質區重新變成自動閱讀的機器，所以他可以讀，但讀得很慢、很辛苦，跟剛入學的小一學生一樣。

　　本書在課程教學的實用部分有很多精彩的論述，對站在教育第一線的老師有很大的啟發。父母若了解孩子大腦發展的過程就會了解為什麼蘇東坡的「待他自熟莫催他，火候足時他自美」這句話這麼的貼切了。的確，大腦成熟了，學習是水到渠成，大腦未成熟，趕鴨子上架，孩子會從此恐懼學習。

　　這是一本以實驗證據為本，告訴我們孩子如何學習的好書。它做到「有一分證據說一分話」，讓人從心裡信服，心悅誠服的去改變原有的舊觀念。教育是國家的根本，希望這本書能從大腦處理資訊的基礎上，讓所有的學生不再恐懼上學。

　　經濟合作發展組織(OECD) PISA總監A. Schleicher說：讀寫能力是二十一世紀知識社會的共同貨幣，它決定國家的競爭力！我們目前迫切需要這個競爭力。