大腦科學破除了我們對學習的直覺
若說教育研究沒有也無法從教育界本身的資源和科學思考中，提出最好的方法來解決教育上的議題，這樣的暗示可能有點危險。若是問到神經科學能夠提供教育什麼訊息時，時常被提到的就是，思考大腦科學如何挑戰在學習與教學上一些習以為常的看法。
大腦會「背著你」運作
馬上想到的第一個主題，也就是沒有意識的學習，這個主題會在本書後頭提到。
你知道嗎？即便在你沒有集中注意力，或根本沒有留意到某個訊息的情況下，大腦仍舊可以獲取該訊息。大腦這種「背著人」做事的天分是非常普遍的現象，而且已經對教學理論造成影響。我們將會在第10章探討大腦這種內隱的（implicitly）訊息處理的能力。
老化的腦還是能學
不久之前，認為成年人的大腦是無法改變的看法仍很普遍。腦科學家過去有著一個強烈的假設，認為在出生後的幾年間，大腦便具備了一生所需的腦細胞，成年之後就開始快速喪失大腦細胞，並且在學習、記憶和表現上逐漸退化。然而，開始有研究結果告訴我們這種看法太悲觀；成年人的大腦是很有彈性的，最起碼在某些區域內，例如海馬迴（hippocampus），會長出新細胞和新連結。儘管處理新訊息的效率會隨年齡的增長而越來越差，但是學習是不受年齡限制的。
大腦的可塑性（plasticity）─持續適應環境變化的能力─完全看大腦的使用多寡。可塑性的相關研究告訴我們，大腦設定好因應人生全程的學習和適應環境；成年之後重新再接受教育是可行的，而且非常值得一試。另一方面，研究上也告訴我們，從生理的角度來看，開始接受正式教育的時間並沒有越早越好的必要性；相反的，可以將起步晚，重新思考為剛好及時配合大腦和認知的發展。當然，老化的大腦會變得比較缺乏適應的能力；且隨著人們的舊經驗越來越多，就更需要費時學習新事物了。
認知心理學怎麼說？
跨學科領域之間的交流，需要一個中介者以防某種學科領域佔有特別的優勢。當大腦科學與教育展開交流時，認知心理學理所當然的扮演了這個角色。我們相信大腦科學能夠透過認知心理學更快速的對教學與學習的相關研究產生影響。
雖然心理學是大腦科學一個重要的中介者，同時心理學本身也能對教育有所啟發；我們強烈感受到，現在是探索大腦科學對教育意涵的大好時機。布魯爾（John Bruer）是最常直言不諱批評大腦研究在教育上的應用尚未成熟的人，他曾經說過，神經科學與教育之間的鴻溝得要由認知心理學來填補。因此，在這本書中我們必然會再三提到認知心理學的相關實驗結果。
儘管如此，本書的目標是探索大腦的世界。所以我們會試著把焦點放在大腦研究的結果上，並且將這些研究結果與認知心理學的研究作連結。
我們非常瞭解此書無法將所有與學習相關的大腦科學做詳盡的回顧─因為我們無法將所有的東西都納入書中。因此，在每一章的內容裡，我們專挑一些該領域最具潛力、有發展性的研究。你會發現某些實驗要用好幾頁的篇幅描述，而其他同樣重要的研究卻只有簡短的提到，或根本沒有提起。這只是因為我們必須做選擇，而且我們認為讀者會對那些還沒有被廣泛報導的新近實驗較感興趣。當然，我們也會常常提到自己實驗室或周遭同事所做的研究成果。
改造大腦景觀
大腦，就像身軀一樣，每個人不盡相同，但也幾乎沒有什麼是不能改善或改變的。在我們的周遭世界中，有許多的例子讓我們看到後天的培養如何促使先天的本質得以發揮或增進。馬上可以聯想到的幾個例子，像是配戴眼鏡來改善視力、添加營養以促進生長，還有牙齒矯正醫師可以矯正不整齊的牙齒。大腦也同樣可以透過後天的培養而獲得增進；只要牙齒矯正醫師能夠改善你的牙齒，教師就能夠改善你的大腦。
教育可以被視為一種大腦「造景」的工作，就某種意義來說教師就像園丁。當然，園丁無法在缺乏適當土壤的情況下培育玫瑰；然而，一個好的園丁要能讓現有的植物得到更好的培育。如同園藝工作般，園丁對於什麼是最令人喜愛的植物總有著不同的想法，並且還會隨著文化的差異和流行而改變。總而言之，園丁的工作還包括將已具備的條件發揮到最佳的狀態，以及可能創造出令人驚嘆的、有影響力的新設計。在本書中我們會不斷的看到用這個比喻來描述透過教學與學習塑造大腦是什麼意思。
大腦如何運作？
大腦是全世界最複雜的系統之一，儘管我們對大腦有越來越多的認識，但要完全瞭解它的運作卻還有很長的一段距離。這還是一個謎團，有待全世界幾千個科學家解開。不過，我們確實知道大腦的部分真相（請見圖1.5）。
成人的腦大約三磅重（1.4公斤），約有一千億（1011）個腦細胞（或稱神經元〔neuron〕─請見圖1.6），這是個龐大的數目。神經元以或短或長的纖維與其他神經元聯繫，大腦內的細胞間則有將近1015個連結。一千億個細胞如此龐大的數量，是很難想像的。一百萬是一千的一千倍，舉例來說，就像是一個非常大的城市所擁有的人口數。而十億則是一千的一百萬倍。因此，人類大腦內神經連結的數量比起將近六十億的全球人口總數還要多上許多。
在探討一些相關功能，像是「恐懼經驗」、「字詞學習」、「加法的運算」或「心像運動」，我們從來沒有提到個體的神經細胞。然而，這些都是大腦組織區塊內百萬神經元所負責的認知功能。
神經元是如何做這些事情的呢？如同體內其他的細胞，神經元的運作像是個小小的電池般。細胞內和細胞外具有不同的電壓（將近0.1伏特的差異），細胞內呈現微弱的負壓。一旦神經元激發便會產生脈衝，稱之為動作電位（action potential）。此時，鈉離子會穿過細胞膜的細孔而湧入，快速的將細胞膜的電壓改變。這使得化學物質（又稱為神經傳導物〔neurotransmitters〕）從一個神經元的軸突終端釋放出來。這些化學物質會穿透突觸間隙（synaptic gap）並且由另一個神經元樹突上的受器（receptors）所接收。如圖1.8所示。這就是大腦溝通所使用的「語言」，而動作電位使得大腦產生「活動」。
幾乎所有的感官訊息都會從一側的身體傳送到對側的大腦。所以當你的左手臂被觸碰時，這個訊息會傳到右腦做處理；當你看到右手邊的物體時，這個訊息會被送到左側的視覺皮質區（visual cortex）進行處理。除了嗅覺以外，其他所有的感官皆是以如此的方式處理訊息，就連動作也是如此─右腦的運動皮質區掌控著左手臂的動作。然而並非腦中所有的結構都以這樣的方式處理訊息，例如小腦就是控制同一側身體的動作，而到目前為止我們尚未完全瞭解其中的原因。
我們如何研究大腦？
我們在此介紹一下幾種用來研究大腦的技術，倘若你想知道更多細節，你可以參考本書的〈附錄一：研究大腦使用的工具〉，我們針對目前用來研究大腦的不同技術有更詳細的描述。
現今已經有許多工具可以用來研究大腦。電生理（electrophysiology）的研究是用來記錄動物腦中單一神經元在進行某項作業時的活動。這項技術可以直接測量到神經活動。但在人類身上測量神經活動是困難的，而且紀錄人腦神經元活動（例如進行頭顱切開手術時）的研究也非常少。然而，這些研究只透過「接觸」微小且特定的大腦表層，便能夠將記憶和動作相關的細節表露無遺，實在令人讚嘆。
幸運的是，有許多非侵入性的方式可以用來觀測在人類特定腦區中，成千上萬個與某項行為有關且連結在一起的神經元，在大腦內所產生的電活動。腦電波儀（electroencephalography, EEG）和腦磁波儀（magnetoencephalography, MEG）是測量腦中電和磁性的活動，只要將電極放在頭顱上便可測量到。
血流量也是大腦活動的一個指標，被應用在大腦造影技術上。血液會流向神經活動頻繁的大腦區域，以補充氧氣和葡萄糖。正子斷層掃描（positron emission tomography, PET）和功能性核磁共振造影（functional magnetic resonance imaging, fMRI）則是透過特殊的大腦掃描機器偵測血流的變化。
神經心理學是研究大腦損傷之後在行為上所造成的後果，因此可以找出特定腦區正常的功能是什麼。現在又有一種暫時阻斷大腦功能的技術，稱為穿顱磁刺激術（transcranial magnetic stimulation, TMS）。
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