教育神经科学视域下的音乐教育学科研究方法创新

教育神经科学视域下的音乐教育学科研究方法创新摘要教育神经科学采用先进的技术手段对教育中的诸多问题进行探讨,为解决音乐教育理论和实践问题提供来自心理、生理等微观层面的佐证。通过分析教育神经科学研究方法应用于音乐教育的实证案例可以发现,脑电、脑成像技术能够精准探测音乐训练对脑可塑性的影响,超扫描技术可以揭示音乐教学活动中的人际互动过程,以及综合运用各类技术能够有效检验音乐教育的现有成果。未来应加强教育神经科学与音乐教育的互动,深化教育神经科学研究方法在音乐教育研究中的实践应用,从而进一步促进音乐教育研究方法的创新以实现音乐教育改革。关键词教育神经科学;音乐教育;研究方法研究方法是任何研究想要获得实质性进展的必要前提,决定着研究成果的可信性和有效性。音乐教育是一门兼具理论性与实践性的学科,学者们在从事相关研究时本应将思辨研究方法与实证研究方法结合使用,然而早期的音乐教育却呈现出“重思辨、轻实证”的特点。近些年来,实证研究受到了教育领域研究者的广泛推崇,并成了推动教育学研究范式转型的重要力量。在整个教育学科学化、规范化发展使命的驱动下,音乐教育研究者对实证研究的认可度也显著提高,使得音乐教育实证研究与思辨研究在数量上的差距逐步缩小。随着教育研究的持续深入和不同学科的交叉重组,研究者除了运用实证研究中常见的问卷调查和访谈法等方法外,还开始尝试融合新的研究方法以更好地解决日益复杂的教育问题。其中,脑科学和认知神经科学的研究方法正被逐渐引入到教育学的研究当中,并促成了“教育神经科学”的诞生。目前,将教育神经科学应用于各个教育领域得到了教育学界的普遍认可,但还未引起音乐教育研究者的广泛关注。基于此,本文通过考察教育神经科学研究方法在音乐教育中的现有应用,剖析运用教育神经科学研究方法所获得的新的研究发现，并揭示该研究方法的独特价值,以期促进音乐教育学科研究方法的创新和音乐教育进一步的深化改革。1.教育神经科学的概念界定及其研究方法教育神经科学(educationalneuroscience)是将教育学、心理学与认知神经科学等学科的知识技能进行高度整合,提出科学的教学理论,为教育决策、课程与教学改革提供实证依据,践行科学教育实践的一门新兴交叉学科。教育神经科学具有自己独特的研究范式和理路,即借鉴认知神经科学中的各类影像技术手段,采用包括脑电图(electroencephalogram,EEG)、事件相关电位(eventrelatedpotential,ERP)、功能性磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)、正电子发射断层扫描(positronemissiontomography,PET)等无创性脑部探测仪器,从生理、心理、行为等多种角度针对教育中关于学习与教学的诸多问题进行探讨,以寻找学生或教师的认知活动实质、发展特性及相应的教学干预规律。需要强调的是,虽然教育神经科学是在认知神经科学研究方法的指导下进行的研究,但二者在本质上仍存在差异:前者主要关注认知功能的神经机制,而后者则更偏向于思考认知神经科学研究对教育教学的意义和价值,重视将相关前沿成果与教育理论、政策与实践相结合,强调认知神经科学对教育领域的启示和指导作用。教育神经科学研究方法融入教育领域的意义主要表现在两个方面。一方面,将教育研究范畴从宏观层面拓展到微观层面,从而扩大教育研究的论域。具体而言,教育神经科学将学习者在学习行为中所产生的心理现象和生理反应过程纳入到了研究的视野当中,将实验室中所发现的心理和神经机制与教育生态环境中的教学设计与评价等研究置于同等重要的地位,使得教育研究者认识到在教与学过程中,教育者和学习者的身体内部会在生物化学成分、脑功能联结以及脑功能区等多个层面发生微观变化。另一方面,将教育研究的关注重心从外显层面深入到了内隐层面,从而拓展教育研究的深度。以往的教育研究几乎皆围绕教与学过程中外显的学习行为和师生互动过程展开探讨,忽视了教师对学生实施教育时同样能够对学生的心理和生理等内隐层面产生重要影响。这些内隐性变化显然不能完全通过外在的行为表现得以凸显,需要借助教育神经科学对学习所涉及的记忆、思维和情绪等高级认知活动进行深入探索,从而揭示其中的本质、特点及活动规律。2.教育神经科学研究方法在音乐教育研究中的应用相较于音乐教育中的传统研究方法,教育神经科学实现了技术上的突破和创新。其中,脑电图和事件相关电位以及脑磁图等具有较高的时间分辨率,而功能性磁共振成像技术和正电子发射断层扫描等则具有较高的空间分辨率,拥有精准定位脑区的优势。在实际研究当中,研究者们会根据研究问题的不同选择相对应的设备和工具,以更高效地解决问题。(一)脑电、脑成像技术探测音乐训练对脑可塑性的影响现有音乐教育研究成果多基于宏观立场对音乐教育的功能进行抽象、空泛的概括和论述,强调音乐教育提高学生审美感知力以及辅助加强德育的价值。教育神经科学的最新发现让我们了解到音乐教育实际上还对人类大脑具有促进和塑造作用,即不仅能够通过促进神经信息的传递和大脑可塑性的建立，使个体的认知系统获得加强,而且有助于个体的听觉皮层、前庭系统、边缘系统和脑干网状结构等的充分发育。音乐学习改变脑区结构的原因在于其能增强脑区间神经树突、轴突的相互连结以形成突触联系而建立起神经网络,提高不同功能区域的协同配合能力。一些使用EEG技术的研究表明,音乐家与非音乐家相比,大脑前额叶皮层的神经激活水平更高。崔恒武等利用fMRI技术揭示了音乐家与非音乐家的脑功能差异,结果发现音乐家绝大多数表现为左侧颞区激活优势,而非音乐家则更多表现出右侧优势,且音乐家相较于非音乐家在聆听音乐时伴有其他脑区较广泛和较强的激活,尤其是在楔前叶、额内侧回、左枕中回等区域。迈耶(Meyer)等选取了37位7.5至12岁的儿童被试,其中18位就读于铃木音乐学校,平均接受了5年的音乐教育,另外19位则是对照组。他们让被试观看一段无声卡通片,并要求被试专注于影片本身,忽略听觉刺激的呈现。实验给出的听觉刺激分别是正弦波纯音和小提琴演奏,并使用ERP技术采集了由这两种刺激诱发的失匹配负波(mismatchnegativity,MMN)。结果发现,铃木音乐学校的学生由小提琴声诱发的MMN潜伏期明显短于由纯音诱发的MMN潜伏期;而在对照组中,两种听觉刺激诱发的MMN潜伏期无显著差异。由于MMN反映了在被动听觉感知过程中对听觉刺激的前注意处理,因此该研究说明,长期形成的音乐经验在多个层面上促进了人类听觉功能的成熟,加快了听觉辨别处理的速度。同时,还有一些研究通过对患有神经功能缺陷的被试进行音乐训练干预,探讨音乐训练对个体大脑结构的重塑作用。例如先天性甲状腺功能减退症(congenitalhypothyroidism,CH)患者脑内的海马体积与正常人相比较少,有研究围绕参加音乐课程是否可以改善CH儿童海马体积减少问题进行了探讨。他们在研究中采用结构磁共振成像(sMRI)技术测量了四组儿童的左右脑海马体积,这些儿童分别是参与音乐课程和没有参与音乐课程的两组CH儿童和两组健康儿童对照组。结果发现,上过音乐课的CH儿童和健康对照组的右侧海马体积相差不大;而与其他三组相比,没有上过音乐课的CH儿童脑内海马体积则较少。大多数研究选取的音乐家被试都被默认为接受过正规音乐训练,有研究者关注到还有一些音乐家是自学成才的,与接受过正式音乐训练的音乐家相比可能表现出不同的听觉优势。曾德尔(Zendel)等招募了三组被试,分别是受过正式训练的音乐家(曾经在音乐学院或私人课程中接受过正式的音乐训练)、自学成才的音乐家(通过书籍和视频等非正式的方法学习音乐)和非音乐家(音乐经验很少或没有音乐经验)。该研究先让被试完成噪声言语识别任务,接着采用ERP技术记录了被试执行被动oddball任务,以及主动和被动执行旋律加工任务时大脑内部的神经活动情况。结果发现,虽然两组音乐家被试相比于非音乐家被试都更善于检测不协调的音调,但是受过正式训练的音乐家比自学成才的音乐家更胜一筹。与非音乐家相比,受过正式训练的音乐家因音调违反规则诱发的P600增强。在受过正式训练的音乐家和自学成才的音乐家之间,由跑调(out-of-key)诱发的P600没有区别;而与受过正式训练的音乐家相比,自学成才的音乐家由离调(out-of-tune)诱发的P600更小。在其他任务中,两组之间没有观察到显著差异。这表明,音乐训练形式影响了音乐任务中的听觉处理能力,受过正式训练的音乐家的听觉处理能力明显更加精细。不过需要注意的是,这些差异也有可能是由于先天因素造成的。该研究表明,虽然音乐训练与人脑的可塑性密切相关,但是音乐训练的方式不同,对脑的结构和功能产生的影响也有所不同。许多研究采用上述横向比较的方式,验证了在学龄儿童和青少年中受过音乐训练的儿童的脑结构发生了有利改变,但几乎没有研究将学龄前儿童(8岁之前)的大脑发育与音乐训练结合探讨,尤其是对学龄前儿童接受音乐训练后的大脑发育情况进行纵向研究的成果少之又少。南(Nan)等采用ERP技术探讨了音乐学习向语言领域迁移的脑神经机制。该研究将74名4至5岁说普通话的儿童以伪随机方式分配到钢琴训练、阅读训练或无接触对照组中。结果发现,与对照组相比,经过6个月钢琴训练的学生在行为上提高了听觉辨别能力以及基于元音的单词辨别能力,在神经上也有独特反应,即钢琴训练增加了儿童对语言声调与音乐音高变化的失匹配正波神经反应(positivemismatchresponses,pMMR),而另外两组则未出现此效应。这项纵向追踪研究揭示了音乐训练对语音感知能力的促进作用,其中的根本原因是音乐训练导致了大脑结构改变和功能重组,进而对个体的各种认知能力产生影响。此外,大量研究证实,在3至12岁儿童的教育中使用音乐对他们的情绪发展有积极的影响。辛格(Singer)等的研究发现音乐学习有助于大脑镜像神经元系统的运行和加工。他们的实验结果显示,接受音乐教育和训练的时长超过5年的被试在聆听音乐时,其脑内包括镜像神经元系统在内的左侧额顶叶区域出现激活,而这种现象没有在对照组的神经影像数据中被发现。由于镜像神经元系统是人类理解他人行为以及与他人产生共情的核心脑区,这也使得音乐学习经验丰富的个体更容易理解音乐所传达的情绪。上述研究将受过音乐训练和未受过音乐训练的被试进行对比,通过分析两组被试的脑功能和结构差异揭示了音乐训练对人脑的塑造性。这些研究都采用先进的脑电、脑成像技术较为真实地展示了音乐训练与脑功能和结构间的相关性,为音乐教育者和研究者提供了音乐认知过程中脑活动的直观影像数据,进一步证实和强调了接受音乐教育和参与音乐学习对于个体的成长发展具有积极作用。(二)超扫描技术揭示音乐教学活动中的人际互动过程目前教育神经科学的研究大多只针对个体脑部活动情况进行单脑探测,忽视了音乐教学活动中存在着大量的教师与学生以及学生与学生的互动过程。随着认知神经科学领域研究方法的不断改进,超扫描(hyperscanning)技术的出现为揭示教学活动中的人际互动过程提供了可能,它能够对团队中两人或多人交互过程的脑间关系进行实时记录,同时采集多人大脑活动的数据,为捕捉真实教学情境中人际互动的脑间相关性和同步性指标给予了技术支持。国内外已有研究团队对将超扫描技术应用到音乐教育研究当中做出了积极探索。潘(Pan)等基于功能性近红外光谱(functionalnear-infraredspectroscopy,fNIRS)的超扫描技术,关注了音乐教学活动中最常见的师生互动,聚焦于探讨部分教学与整体教学对音乐学习效果的影响。他们选取了24名未受过音乐训练的大学生被试作为学习者和1名具有13年音乐训练经历的大学生被试作为教师,组成了24对师生组合,并安排教师按照一句一句领唱的高频教唱以及领唱完四句学生再跟唱的低频教唱两种方式展开教学。结果发现,在这种互动学习过程中,教师和学习者的大脑双侧额下回(IFC)区域呈现出脑间同步状态(inter-brainsynchronization,IBS),即双方大脑在这一区域观测到的信号在频率、相位、波幅等特征上表现出相对稳定的一致性关系。有趣的是,与低频教唱方式相比,这种脑间同步现象更显著的出现于高频教唱当中,这表明师生互动频率的增加能够在一定程度上强化音乐教学的效果。音乐课堂教学中除了常见的教师与学生的互动之外,还包含了大量学生与学生的互动过程,且这些互动中的脑间同步同样被证实了与行为同步相关。一项研究使用fNIRS超扫描同时记录了两个人在面对面以及非面对面(中间隔开)条件下合作唱歌或哼唱一首歌时的大脑活动,结果发现无论两位被试是否被隔开,与单独唱歌或哼唱相比,两人在合作唱歌或哼唱时脑中的额下回皮层(inferiorfrontalcortex)出现了显著的神经同步激活。万泽拉(Vanzella)等的研究得到了类似的结果,他们发现与单人独奏小提琴相比,双人合奏的条件下会诱发感觉运动区和颞顶叶区域更显著的激活。这些研究皆表明,音乐课堂中学生多与他人进行合作互动将取得比单独学习更好的学习效果。同时,在音乐表演合作中,音乐的节拍能够对人与人之间的脑—脑耦合程度产生重要影响。罗加尼(Rojiani)等使用fNIRS超扫描考察了击鼓和交谈两种情况下18组被试的行为和脑间激活情况,发现鼓点敲击频率和振幅的增加与脑部颞顶联合区(TPJ)的激活密切相关。胡(Hu)等的研究揭示了在有音乐节拍的情况下,人际协调过程中左—中额叶皮层的脑间同步效应会增强,且这种脑间同步程度是由音乐节拍的重音所调节的,即强拍情况下脑间同步程度高于弱拍情况下的脑间同步程度。需要注意的是,桑格(Sänger)等采用EEG超扫描技术记录了吉他手协奏时的脑间互动状态。他们选取了12对被试进行吉他二重奏,并指定其中一位被试为领导者(在作品的演奏过程中起引导作用的主要负责人),另一位被试为追随者(需要服从领导者的安排),观察到两位被试在体感—前额—顶叶等区域发生了耦合,且领导者对追随者的耦合往往比追随者对领导者的耦合更加明显,这种不对称耦合效应表明音乐表演活动中领导者能够对演奏者的联合行为产生重要影响。这提示在音乐课堂中安排学生开展合作表演活动前,要注意挑选合适的人选担任领导角色,将有助于增强学生与学生间的互动关系,提升他们的配合默契度。还有研究者用超扫描技术探讨了表演者与欣赏者之间的脑间同步情况。侯(Hou)等采用fNIRS超扫描观察到,小提琴表演者与听众(非音乐生)在左侧颞叶、右侧额下回和中央后回出现脑间同步效应,这种效应在观看表演的后期(观看时长大于50秒)强于观看表演的初期(观看时长小于50秒),且与所表演音乐的受欢迎程度成正相关。这不仅表明表演者和欣赏者之间通过脑间同步实现非言语互动,而且提示我们,在课堂教学中增加音乐鉴赏环节与让学生参与音乐表演实践活动,对提升学生的音乐感知力有同等效力。这是由于学生们在感知表演者演奏意图的同时,能够加深对所表演音乐作品的理解。此外,在音乐欣赏活动中,让人感受到较高愉悦度的音乐体验更易产生脑间同步,且听众们的群体情绪凝聚力可以增强脑间同步效应。有研究通过设置自然聆听环境,专门探讨了音乐欣赏中欣赏者之间的情绪传染效应,发现一起参加音乐会的人同时感受到情绪时,他们之间的联系愈发紧密,而当他们的身体更亲近时,这种相互影响会有所加强,且表现出更高的脑的一致性(cerebralcoherence)。进言之,教师们在挑选用于音乐欣赏的聆听素材时,应优先考虑能够诱发学生愉悦情绪的音乐作品,让学生们在情绪传递中达到审美共情,更好地把握音乐作品的内涵并提高审美能力。上述研究无疑为进一步推动教育科学研究的实证化,以及教育神经科学与音乐教育的深度融合做出了突出贡献,同时也实现了音乐教育实证研究从严格控制的实验室向真实自然的教室的转化,有助于探明教学活动中师生和生生互动的内在发生机理和影响因素,还原课堂上或课堂外教学活动中人际互动的全貌。(三)综合运用各类技术检验音乐教育现有成果在音乐教育研究当中,关键期(criticalperiod)作为非常重要的概念引起了研究者和教师群体的高度关注。然而传统成果对于关键期的概念理解多停留在外显的行为层面,较少涉及来自人类大脑神经系统发育的阐释,导致许多家长以为孩子错过关键期便会产生不可逆的消极影响,而现今教育神经科学综合运用各类技术澄清了对关键区的某些错误理解。关键期是指“大脑的结构或者功能需要特定的、适宜的经验才能得到持续的发展”,若该时期未接受特定的刺激并获取适宜的经验,将会使大脑的结构或功能受到永久的影响。教育神经科学的相关研究发现,关键期的某些影响并不是持续性的,而是可以通过后期的学习和训练逐渐得到恢复的。正因如此,研究者们改变了对关键期的原有看法,开始避免使用关键期这种绝对化术语,而以敏感期(sensitiveperiod)作为替代。音乐训练与其他行为技能的敏感期有所不同,心理认知能力和行为技能的发展敏感期一般界定为从出生到12岁或16岁,甚至成年早期,而学习或训练乐器演奏在内的音乐技能的最佳时期则主要集中于3至10岁。儿童在敏感期内的不同阶段表现出的音乐能力有所不同,教师应当遵循学生的身心发展规律。许多研究表明,儿童在9岁时便具备了听力加工能力,能够在头脑中构想并“倾听”一段音乐;而到了10岁时,儿童的大脑内加工音乐的区域已经有80%发育成熟,使他们基本拥有从事各项音乐活动的能力。例如,科尔奇(Koelsch)等的fMRI实验当中,选取接受不同程度音乐训练的10岁儿童、未接受正式音乐训练的成人和成年音乐家作为三组被试,让他们分别对音乐和弦结束的序列做出判断,以考察音乐训练的效果。该实验主要观测了被试大脑右半球的活动状态,结果发现除了没有观测到缘上回(SMG)的激活,10岁儿童大脑的整体激活模式与成人非常相似。这类研究结果的发现得益于教育神经科学中的新兴研究方法和前沿技术手段,不仅帮助我们认识到学生大脑的结构和功能的发育特征和不同时期适合学习的教学内容,提示音乐教师在课程设计上应加强学段衔接,而且还从微观层面出发，对音乐教育改革的政策和方针提出了新的时代要求并予以科学依据,使教育不再以普适性的标准为学生设计教学计划。可以看出,儿童处于敏感期的音乐训练与感知和认知技能的提高有关,然而已有研究证实,敏感期后的音乐训练仍然对个体大脑具有重塑作用。金姆(Kim)等采用fMRI和经颅磁刺激(transcranialmagneticstimulation,TMS)相结合的技术,观察成年人练习弦乐器后大脑的变化。研究结果显示,经过6个月的弦乐器训练,被试左手小指的活动主要激活了顶下小叶、运动前区(PMA)、左侧楔前叶、右前颞上回、后颞中回等多个脑区。同时,TMS结果还发现,被试左手小指活动时在运动前区或辅助运动区(SMA)有新的运动表征定位,而右手小指活动时展肌(abductordigitiminimi)所对应的运动皮质却明显缩小。这些数据说明弦乐器训练能够促进感觉运动皮层和颞叶联合皮层的有序重组。此外,近期有一项研究还揭示了老年人在音乐训练后发生的大脑结构变化。詹姆斯(James)等选取155名退休的健康老年人,为他们提供钢琴指导(实验组)和音乐听觉训练(对照组)。所有被试在超过一年的时间里每周接受1小时的课程训练结合每天30分钟的在家练习,并要求在4个时间点(0个月、6个月、12个月以及18个月)完成认知和知觉运动能力测试。通过fMRI观测和血液采样,发现两组被试大脑的颞叶、前额叶、顶叶和基底神经节的功能和结构得到优化,且在言语记忆、噪声中的听力和幸福感方面均有所提升。这表明脑结构与功能在整个生命过程中始终保持动态变化,任何时候接受音乐教育和训练都对人脑的塑造性具有重要意义。3总结与展望音乐教育研究所面对的各种教育现象是十分复杂的,仅仅采用思辨研究及传统的量化和质性研究方法已无法完全满足需求。通过上述研究和案例可以看出,将教育神经科学研究方法积极引入到音乐教育研究当中,能够解决音乐教育以往无法清晰回答的疑问和现有成果中存在的争议,并为音乐教学活动中的人际互动提供来自心理、生理等微观层面的佐证。当然,这并不意味着要摒弃其他常用的研究方法,而是强调在面对不同的问题时,研究者们应注重各种研究方法的优势互补,有效提升研究效果。侯福德(Hoeft)等使用行为和结构性神经成像测量来预测儿童的阅读技能,结果发现将行为和神经成像测量双重指标相结合对个体