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2014年，巴西世界盃。希臘隊在小組賽中狀態很差，先是慘敗給哥倫比亞，又被日本隊逼平。遇到科特迪瓦，又開局不利，中場大將和門將先後受傷下場。比賽在沉悶中打了42分鐘，突然希臘隊在前場斷球，迅速組織起反擊，並由前鋒薩馬里斯單刀面對門將輕鬆推射破門！在這之後，希臘隊仿佛被注入了新的生命，完全不像之前那樣死氣沉沉，每個隊員都跑得更快，拼搶更兇狠，配合更默契，甚至能夠完成之前很少做出的動作，而且每個人都信心滿滿，確信自己能夠拿下比賽，而他們最後也的確做到了。我們都知道情緒會傳染，但似乎這個時候球員們不僅僅是情緒高漲，他們同時也變得更冷靜、思路更清晰，體現在對於對方防守的閱讀、巧妙的傳球和靈活的跑位上，也就是作為一個整體，希臘隊對於球場上瞬息萬變的形勢能夠更快、更準確地做出分析。我們能夠看見的是球員之間的交流變得更多，他們互相提醒，告訴隊友要打什麼戰術，語言上的溝通只是一個方面。
古人很早就在戰爭中認識到「氣勢」這種說不清、摸不著，但又確實存在的東西，所以才有了一鼓作氣、再而衰、三而竭的說法。氣勢在英文中叫作Momentum，氣勢的消長可以讓同一支球隊、同樣一批人看上去完全不同，似乎信心和情緒會互相感染，讓團隊中每個人的能力都大幅提升。其實不只是戰爭或比賽，只要是團隊合作的事情，成員之間就存在這種神秘的影響力，彼此之間就像是通過藍牙來「同步化」一樣。這是人類作為社會動物，在幾百萬年的集體生活中進化出來的特殊能力。
這個能力能用在學習上嗎？表面上看，學習是一件冷靜甚至有些沉悶的事情，跟戰爭和體育比賽的血脈僨張有點格格不入。
一個來自荷蘭和美國的神經科學家團隊走進中學教室，想看看這種人與人之間的「藍牙」連接現象是不是也出現在人們學習的時候。教室里有9名學生正在一起做生物實驗。科學家們用腦電圖來觀察這些學生的腦波，看看他們在互相配合著做實驗時，大腦里都發生了什麼。如果兩個人的腦電波頻率和強度在他們互相合作的過程中慢慢地變得一致，在同一時間出現了非常相似的波形，那就說明發生了大腦之間的同步化（Brain-to-brain Synchrony）。隨著課堂教學的進行，學生們開始分組合作，完成課堂作業。在這個過程中，科學家們發現了三種不同的同步化（如下圖）：第一種是學生們似乎結成了對子，和坐在自己旁邊的同學發生了同步化；第二種是所有的9名學生彼此之間都產生了同步化；第三種更有意思，是8名學生的腦波頻率慢慢地都變得和第9名學生的腦波一致，似乎後者是他們的領袖。同步化的現象在學生們一起觀看視頻和進行小組討論的時候最明顯。
大腦是一個電器官，它能夠釋放出多達10瓦的電能。如果我們在頭頂插上足夠多的電極，收集到的電量就足以點亮一個手電筒的燈泡。這些電都來自神經元發出的電信號，神經元之間不停地發出這些信號來交流，而人腦中有大約1000億個神經元。
雖然電量比不上電鰻的放電器官，我們的大腦卻有著自己獨特的放電方式，這體現在四種不同頻率的腦電波：當我們精神高度集中的時候，會產生β波，這種波的強度比較低，但頻率卻很快；當我們坐著放鬆的時候，會出現α波，這種波的頻率比β波要慢，但是強度要高一些；如果徹底放鬆了，甚至有點迷糊了，那就進入了θ波的階段，這種波頻率比α波還慢，但是震蕩的強度卻更高，從它無拘無束的波形上就可以看出是在放飛自我；而當δ波出現時，頻率是最慢的，意味著你已經睡著了。
人在做不同的事情時，腦電波的頻率經常會處在這幾個典型的波段之間。比如在學習語法或者數學運算這樣的複雜規則時，我們會做練習，知道自己做對了的時候，腦電波會出現α-β波，也就是說腦電波的頻率處於α波和β波之間；而如果知道自己做錯了，腦電波會出現δ-θ波，也就是腦電波頻率在這兩者之間。知道自己做對和做錯時會出現不同的腦電波，說明我們的大腦正在把這些都記下來，而且記憶成功的經驗和失敗的教訓是不一樣的方式。在學習開始時，大腦中會頻繁地出現α-β波，這說明大腦正在不停地總結經驗，並逐漸找到規律。隨著學習的深入，大腦一旦掌握了規律，α-β波就會慢慢變少。
而人在學騎自行車時，又是完全不一樣的情況。剛開始學習時，δ-θ波會經常出現，說明這時候我們主要是記住錯誤是怎麼發生的，也就是說記住在騎車的時候怎樣不斷地倒向左邊或者右邊，然後再調整身體來避免左右搖擺。隨後慢慢地掌握了騎自行車的方法之後，這種波形就很少出現了。
學習運算法則這樣的學習方式被叫作外顯學習，而像學騎自行車這樣的學習叫作內隱學習。對於外顯學習，我們可以詳細地說出學到了什麼，比如數學運算是怎麼做的。但對於內隱學習卻不能一步一步地描述出來。除了騎自行車，還有學習樂器和球類運動也是這樣。科學家們很早就觀察到這兩種學習很不一樣。之前我們說過裂腦人H. M.，在1953年的時候他的大腦被切除了一部分，這造成了失憶。但奇怪的是，他會忘記自己幾分鐘之前剛吃過早飯，卻可以在失憶之後學會並記住複雜的運動技能。比如醫生讓他用筆描出畫在紙上的五角星邊緣，過程中不能看著自己的手和紙，只能看著鏡子里自己的鏡像。H. M. 能把這個做得很好。除了H. M. 之外，許多其他的失憶症患者也是這樣，他們會忘了自己學過某些技能，同時又掌握了這些技能。這說明內隱學習和外顯學習是在大腦中不同的部位進行的。
為了研究大腦的同步化對於學習的幫助，一個由法國和義大利的科學家組成的研究團隊對兩人學習小組進行了研究。他們招募了26名大學生，把他們分成兩人一組，每個小組共用一台電腦。他們的任務是用最短的時間在電腦螢幕上的各種圖形中找出一個特定的圖形，比如綠色的三角形或者是藍色的圓形。研究人員鼓勵小組成員之間展開配合，他們可以通過說話來提醒隊友要找的圖形是什麼，並且在這個圖形出現的時候提醒隊友一起按下按鈕。每找到一個圖形，學生們都會得到成績反饋，告訴他們這次找對了沒有、用了多少時間，並鼓勵他們繼續合作。在整個實驗過程中，這些大學生們都戴著一種特殊的頭盔（運用了功能性近紅外光滑技術，fNIRS）來檢測大腦皮層各部分的活動。結果發現隨著實驗的深入，學生們之間的配合越來越好，體現在準確率提高了、所用的時間也縮短了。而且隨著成績反饋，學生們大腦前額葉皮層的同步化也越來越明顯，下圖表示的是兩個人大腦皮層中活躍部分的對比，左圖是在接收到成績反饋之前，右圖是在接收到成績反饋之後。右圖中紅色弧線表示是兩人大腦中同步化明顯增強的部位。
這種同步化的現象來自人們之間的共情。共情比我們通常說的同情要更進一步。如果說我們的朋友遇到了挫折，很沮喪，我們為他感到難過和惋惜，這是同情；而如果我們不僅是感到難過，還感同身受，似乎自己也遇到了挫折而情緒低落，這是共情。能產生共情的當然也可以是正面情緒，就像之前提到的在球賽中運動員們的情緒和競技狀態互相感染，甚至觀眾的情緒也被帶動起來了。共情不但會讓情緒傳染，也會讓我們下意識地模仿別人的動作，比如看到身邊的人打哈欠，我們也會不由自主地打哈欠。
共情對於提升認知能力的影響有多個方面。它是社會的黏合劑，不但能夠促進人們相互之間的理解，還能夠緩解人的精神壓力。精神壓力會讓我們的記性變差、注意力不能集中、反應遲鈍，從而讓學習效率降低。而與同伴或老師之間的共情則會緩解精神壓力，這也是在一個學習小組中共同學習的好處。除了能夠減輕壓力，共情還可以讓人從不同的角度思考問題，保持開放和活躍的思路，避免思維僵化和視野狹窄。這些都可以提高我們的認知能力，幫助提高學習效率。
我們共情的能力來源於高度社會化的大腦。其實不只是人類，其他靈長類動物也具有類似能力。20世紀90年代，義大利帕爾馬大學的神經科學家加萊西在猴子的大腦中植入電極來記錄它們的大腦活動。有一天，加萊西坐在猴子旁邊，一邊看著電腦螢幕，一邊下意識地伸手拿起桌子上的午餐。這時候，他發現猴子的運動皮層也活躍起來。本來只有在猴子自己伸手拿食物的時候才會這樣，而猴子這時候只是一動不動地看著他，這馬上引起了加萊西的注意。他反復試了幾次，發現只要自己一伸手，猴子的運動皮層就仿佛也在發出做同樣動作的指令，雖然猴子始終只是安靜地坐在那里。加萊西覺得這就像是在照鏡子，只要自己一動，鏡子里的人也會跟著動，只不過這個「鏡子」在猴子的腦子里。於是，猴子腦子里的這些能夠跟著別人的動作而產生興奮的神經元就被叫作鏡像神經元（Mirror Neurons）。
後來在人腦中也發現了這樣的鏡像神經元。美國加州大學洛杉磯分校的科學家發現，當人被針紮時，大腦的前扣帶回皮層會有反應；而當人看到別人被針紮時，前扣帶回皮層也會有同樣的反應。後來科學家們陸續在大腦的運動和感覺皮層發現了鏡像神經元，這些神經元在我們自己做動作和看到別人做動作的時候都會發生興奮。這些發現不但可以解釋共情是怎麼來的，而且也說明，我們通過在大腦中默默地模仿別人來感知和理解別人的行為。當我們試圖去理解別人的時候，並不是通過推理去猜想別人在想什麼，而是試著在腦子里做一遍別人正在做的事。這樣可以設身處地，通過體驗的方式來領悟別人的意圖。
還有一個有趣現象是，當我們看到那些自己很熟悉的動作時，鏡像神經元會更加活躍。一項發表在《自然》雜誌上的研究指出，職業籃球運動員在觀看別人投籃的視頻時，他們的鏡像神經元比普通球迷和籃球評論員看同樣的視頻時要更加活躍。由於職業運動員每天都要進行許多次的投籃訓練，這些動作早就在他們腦子里根深蒂固了。而這種來自身體的記憶又反過來影響鏡像神經元，讓它們更加敏感，這也是一種具身認知的體現。
不過在日常與人接觸的時候，肯定不只是在默默觀察他們動作，我們還要說話，通過語言來增加了解，讓配合更默契。那麼問題就來了，怎樣說話才會讓我們的大腦更快地同步化呢？這跟我們說話的方式有關係。
也許你首先想到的是我們說話的內容很重要，因為畢竟說話的目的是傳遞信息，要簡潔明了地讓對方聽懂我們要說的。這當然沒錯，語言表達很重要，但還不夠。
交流的時候，我們會希望跟別人產生共鳴。產生共鳴需要什麼？如果你去翻物理書，它會告訴你共鳴需要振動的頻率跟物體的固有頻率吻合。那我們大腦接收語言信號的「固有頻率」是什麼？科學家們發現這個頻率是3～8赫茲，也就是每秒鐘說3～8個音節，這樣說話不快不慢。
鏡像神經元的電活動能夠讓我們在大腦中模仿自己看到的動作，這種「默默」的模仿幫助我們更好地理解別人，讓我們形成一套理論來解釋別人的意圖和行為，這個理論叫心智理論（Theory of mind）。心智理論讓我們可以猜到別人是怎麼想的，於是做出相應的回應，這對我們的社交很重要。
所以要是鏡像神經元出問題了會怎麼樣？神經科學家們發現自閉症患者的鏡像神經元就存在異常，不能夠像正常人那樣對看到的行為進行模仿，於是自閉症患者就不能形成心智理論來解釋別人的行為和背後的意圖，這讓他們喪失了交往能力。不能夠理解別人的動作，也影響到自閉症患者學習這些日常的動作，讓他們自己的行動顯得很不自然。這里說的動作既包括肢體的動作，也包含臉部肌肉的動作——表情。自閉症患者不能很好地讀懂別人的表情，這也妨礙了他們跟別人的交往。
之前我們說到鏡像神經元還可以讓兩個人的大腦發生同步化，這種同步化在父母和孩子之間很普遍，而如果親子之間缺乏同步化，則說明孩子可能患有自閉症。
除了自閉症，鏡像神經元的異常還會增加患精神分裂症和抑鬱症的風險。
同時，在說話的兩個人還必須面對面，這樣可以看到對方的嘴在以3～8赫茲的頻率一張一合。有人計算出：看著說話人的嘴，起到的交流效果相當於對方把聲音提高了15分貝。如果在說話的時候配上動作和手勢，效果就更好了。因為這個時候我們不只是在用大腦的聽覺系統，還用到了視覺系統，這樣就把接收到的信號增強了很多倍，就像第二章說的，我們不愧是視覺動物啊！
其實不只是人類，鳥類也是如此。20世紀80年代，有生物學家觀察鳥類是怎麼學會複雜叫聲的，他們發現，小鳥如果只是通過聽錄音來學習叫聲，要花很長的時間，而且學得也不像。要是讓小鳥跟著成年的鳥面對面地來學，效果就好多了。
鏡像神經元能夠促進人與人之間的相互理解，進而產生共情。不過科學家們發現，共情的背後還不只是鏡像神經元在起作用。神經科學家保羅·紮克在一次旅途中，因為在飛機上覺得無聊，就開始看電影。他看的是著名導演伊斯特伍德的《百萬美元寶貝》。影片中描述的父女情和曲折的情節讓紮克為之動容，竟然在飛機上看得哭了起來，讓周圍的人覺得驚訝。紮克自己也覺得不可思議，作為成年人竟然在公共場合哭泣。尷尬之餘，紮克開始思考自己為什麼會被電影打動，畢竟電影說的都是別人的事啊，自己在看電影的時候卻十分投入，仿佛電影里就是自己的女兒。
作為神經科學家，紮克常年來一直在研究一種神奇的化合物——催產素。這種化合物由人的下丘腦產生，而後通過腦垂體分泌到血液里，是一種重要的荷爾蒙。催產素有許多功能，最早科學家們發現催產素時，知道它可以讓孕婦在分娩時促進子宮收縮，還能刺激乳腺分泌乳汁，所以才叫這個名字。但後來科學家發現催產素的功能遠不只這些。紮克在研究中就發現，當一個人感受到來自別人的信任時，他的下丘腦就會產生催產素，對別人的信任做出回應，於是讓人與人之間產生相互的信任感和安全感。讓人意外的是這種由催產素導致的信任感還可以存在於陌生人之間，即使是這些陌生人只在網路上遇到、並沒有見面。
除了這些，催產素還具有緩解疼痛的作用。當人感到疼痛的時候，下丘腦也會產生催產素，並通過腦垂體分泌到血液中來鎮痛。於是紮克很快就想到，是不是看電影也能夠刺激下丘腦產生催產素，他打算通過實驗來驗證自己的假設。首先他挑選了情節曲折的電影，這個電影有兩個版本。一個版本是一位父親對著鏡頭在跟觀眾描述自己的困境：他的兒子得了腦癌，只能活幾個月了，他看著此刻還在無憂無慮地玩耍的兒子，不禁悲從中來，不知道該怎麼面對。最後，這位父親終於鼓起勇氣，跟兒子一起盡情享受這生命中最後的美好時光，並陪兒子走到了最後一刻。
在另一個版本的電影里，同樣是這位父親和兒子，他們一起在動物園里度過了難忘的一天。電影沒有直接提到兒子得了癌症，只是兒子的頭是禿的。這個版本的故事比較平淡，是用來作為對照的。
然後紮克讓志願者們看這兩個版本的電影，並且在看電影之前和看完之後分別抽一次血來檢測其中的催產素含量。實驗結果不出所料，看完第一個版本的電影之後志願者們血液中的催產素水平明顯提高，而且催產素提高得越多，志願者對影片中人物的共情程度就越高。在看完電影之後，紮克還號召志願者們給慈善機構捐款，發現共情程度越高的人越可能捐款。這充分證明了催產素、共情以及人們的利他行為之間的關係。利他行為是團隊合作的黏合劑，優秀的團隊需要成員的自我犧牲。紮克後續的實驗也發現，催產素水平升高之後人們變得更願意合作。紮克隨後把研究結果用在企業的團隊建設中，這在學習中也一樣適用。
由鏡像神經元和催產素帶來的共情，能夠減輕學習時的焦慮等負面情緒，這是協作式學習的優點之一。協作式學習。就是以小組的形式學習，小組成員之間互相協作，做到共同的學習目標。在一個協作式學習小組里，小組成員之間緊密交流，每個組員同時扮演「教」和「學」兩種角色，正所謂教學相長，在分享、傾聽和討論中提高自己和整個小組的學習效果。
教育學家們總結出了協作式學習的各種好處，可以總結為3個方面：
d. 好的學習方法、解決問題的方法可以在小組里共享。
a. 協作式學習為學習者提供了社會支持，讓學習者不孤單；
小組成員之間在學習上的緊密合作，之所以會帶來這麼多好處，是因為隨著成員之間的共情而來的同步化：首先是大腦的同步化，而後在行動上也變得步調一致，最後進入了一種所謂的浮現狀態。浮現狀態最開始是由組織管理學研究人員發現的，他們觀察到企業高效的工作團隊之間會出現一種狀態——成員之間相互信任、對工作全情投入的一種忘我狀態。他們稱之為「浮現狀態」。浮現狀態出現之後，小組成員似乎變得更「聰明」了，也就是認知能力大幅提升、工作效率也大幅提升。認知能力包括邏輯思維能力、想像力和注意力等。
每個出色的團隊都需要有出色的領袖，學習團隊也是不例外。在研究團隊合作時人們發現，在一個小組中一開始大家都不知道應該聽誰的，隨著成員之間交流的深入，很快就會出現一個小組成員，他/她通過有效地溝通，讓每個小組成員的大腦都跟自己發生同步化，自然而然就成了小組的領袖。小組其他成員之間也互相有交流，但他們之間的同步化程度遠不如他們各自和領袖之間那麼強烈。這個現象造成了小組的向心力，是小組整體表現出色的原因。要出現這樣的小組領袖，首先需要組員們有強烈的意願，想要合作，就像你首先必須打開手機上的藍牙，不然它就不能跟別的手機配對。這種強烈的意願會調度大腦中許多不同的區域，有的能促進人們之間相互理解，有的區域掌控著認同感，讓我們對其他團隊成員產生認同。
領袖對於小組的成功很重要，然而領袖的角色可以不固定。每個人都可能在某個時間、某件事情上成為領袖，對於學習來說更是這樣。成立學習小組本身就是一個互相取長補短的過程，小組某個成員對於一些問題有更獨到的見解，從而獲得更多成員的讚同，這讓他們成為某些學習項目的領袖。領袖角色的輪換也更能夠增加團隊的凝聚力，讓每個成員都體現自己的價值，都感覺到自己的重要性，讓參與感和歸屬感更強，並形成一種良性文化。
最近幾年興起的項目式學習（Project-Based Learning, PBL）正是基於這種團隊合作的學習方式，它要求團隊成員齊心協力來共同完成一個項目，在實踐中學習。我們之前提到的STEAM教育也同樣採用PBL，目前在歐美各國的基礎教育和高等教育中都被廣泛應用。這種教育方式縮小了理論學習和實踐之間的差距，因為要解決現實中的問題，都需要通過團隊合作、發揮不同團隊成員的特長來做到。
和具身認知一樣，通過大腦同步化來提升學習效果的協作式學習也是更符合人類自身天性的學習方式，能夠釋放人們自身的學習潛力。在技術突飛猛進的時代，學習是最重要的能力，我們需要更了解自己，才能更好地學習。
5000多年前，西亞的蘇美爾人發明了楔形文字，這是人類歷史上最早的文字。這些楔形文字就像我們現在習慣在手機上使用的表情符號一樣，每一個符號表示的都是一個獨立概念，不是對應著一個詞，沒有特定的讀音。所以一開始，沒有人知道這些文字該怎麼讀，就像接收別人發的笑臉表情符號，我們不會把它讀出來。用符號的好處是不論你的母語是什麼，你都看得懂這樣的符號。可是慢慢地，蘇美爾人發現這種文字用起來並不方便，不但不能讀出來，而且每個人對同一個符號都可以有不同的解讀，就像同樣是笑臉符號，可以是冷笑也可以是禮貌的微笑。
那個時候蘇美爾人早就有了自己的口頭語言了，大家都能通過口語交流，但書寫卻是極少數人的專利。書面文字是為了紀念重大事件而創造出來的，它獨立於口語。為了讓文字被讀出來，蘇美爾人就把楔形文字跟他們日常的口語讀音對應了起來，比如表示嘴巴的符號（見下圖），對應的讀音是「ka」。這樣把文字和讀音對應起來的好處是，在其他含有「ka」這個讀音的詞當中，都可以用「嘴」的這個符號來表示，也就是說圖形符號在這里變成了拼音字母。
就像後來其他的民族一樣，蘇美爾人這種先有語言後有文字的情況，和幼兒先開口說話而後才開始認字很相似。雖然古人是在創造語言，人類語言能力的發展卻跟語言產生的過程有著相通之處。
很長一段時間，學者們都在爭論一個問題：我們剛出生的時候究竟是白紙一張什麼都不知道，還是已經有一些先天的能力、只需要後天的學習去促進這些能力的發展。語言能力是這個爭論的焦點。兒童學習語言跟古人創造和學習語言的過程很像，要從我們大腦的進化說起。在人類幾百萬年的進化過程中，語言的出現不過幾千年，大腦中還沒進化出專門屬於語言處理的部位。那大腦是用什麼部位來處理語言信息呢？我們通常把語言分成聽、說、讀、寫4個方面，其實負責這4個方面的大腦區域各不相同。
剛才說的楔形文字、中國的甲骨文以及早期的歐洲文字都是象形文字。也就是說在一開始，閱讀和看圖片是一回事，用到的都是大腦視覺皮層里用來識別圖形的區域。一旦人們習慣了閱讀文字，這些識別圖形的區域又多了一些功能——能夠辨認出不同的字體、手寫筆跡和西文的大小寫。
人類的聽說能力比閱讀能力更早出現。我們的祖先一開始就懂得通過聽覺來分辨複雜的信息，比如野獸的叫聲、遠處的水聲等，這些都和生存密切相關。但要聽懂一種語言要比分辨這些大自然中的聲音更複雜。我們日常說話會產生一連串變化不斷的聲音，要聽懂它首先要分辨每句話里用到的詞語，而要聽懂這些詞語，就要更進一步把它們拆分成單個的音節，甚至更小的單元——音素。我們漢語是一個字一個音節，但每個音節卻常常不止一個音素，比如「語言」，是yuyan兩個音節，但其中卻包含了y、u、a、n這4個音素。在剛開始掌握一門語言的時候，只有分辨出聽到的一句話里所有的音素，才能聽懂。這種分辨能力在兒童發育的早期就出現了，它能夠讓人迅速掌握母語。奇怪的是這種看似與生俱來的能力卻不能用來學習外語。
從人類閱讀文字的方式來看，大腦其實是調用了本來執行其他功能的部位來處理語言，比如在閱讀中我們用到了識別圖形的腦區，這被法國認知神經科學家迪昂叫作神經元再利用。這麼看來語言似乎是我們天生就具備的一種能力，在後天的學習過程中又有了一些改變來適應使用語言的需要，這是先天和後天同時起作用的結果。只不過直到最近，人們才弄清楚了這種先天的能力和後天的學習怎樣同時起作用。
人和動物先天具備的能力歸根到底來自基因，基因就像是一本身體的說明書，告訴身體要怎麼生長和工作。但就像我們自己平時看電器設備說明書，不會每一頁每一行都看完，身體在閱讀基因這個說明書時也會根據不同情況的需要，跳過或者忽略一些基因編碼。這就造成一個後果，我們身體的機能不僅取決於基因本身，還取決於這些基因是怎樣被「閱讀」的。特殊的「閱讀」方式受到後天的經歷和環境影響，特別是在大腦發育的關鍵時期，這種影響尤其明顯。這種因為外界因素而改變基因被「閱讀」方式的現象叫作表觀遺傳性（Epigenetics）。
外界因素有很多，影響最大的是像饑荒和戰爭這樣關係到生死存亡的重大事件。而表觀遺傳性甚至在人的胚胎時期就開始起作用了。1944年納粹對他們占領下的荷蘭實施了封鎖，導致糧食嚴重短缺，造成了西方現代史上著名的「荷蘭冬季大饑荒」（Dutch Hunger Winter）。饑餓的荷蘭人甚至開始吃鬱金香種子。研究發現，在這個時期懷孕的婦女，生下來的孩子後來患精神分裂症和肥胖症的概率遠高於常人，並且他們的染色體里出現了表觀遺傳的改變。研究人員同時也檢查了這些孩子的兄弟姐妹們，發現如果他們沒有在胚胎時期經歷饑荒，就沒有這樣的改變。在1932—1933年的烏克蘭大饑荒中，研究人員也發現了類似的現象。而且這種表觀遺傳上的改變是可以遺傳給他們的下一代的。除了這些重大歷史事件，個人在成長過程中的遭遇也會留下表觀遺傳上的痕跡，比如在幼年時失去父母、被虐待和忽視等，都會造成表觀遺傳上的改變，增加患抑鬱症、焦慮症和精神分裂症的風險。
正常情況下，當人們遇到饑荒或者是其他的威脅時，大腦和身體會釋放出一種激素——糖皮質激素，這種激素能夠幫助身體更好地應對壓力，比如可以緩解炎症，許多神經系統疾病都和大腦中的炎症有關。糖皮質激素還能直接作用於海馬體和杏仁核。海馬體我們之前說過，是大腦中形成記憶的部位，而杏仁核則是大腦中產生恐懼、焦慮等負面情緒的部位。因此糖皮質激素能夠刺激這兩個部位形成帶有強烈情緒的記憶，比如一段痛苦的回憶。糖皮質激素是通過與身體各器官中的糖皮質激素受體相結合來起作用的，這種激素的分子就像鑰匙，受體就像是分布在各個器官細胞表面的鎖，鑰匙插進鎖里，引發了細胞里一系列的反應。但是表觀遺傳會影響受體細胞里的基因（見右圖），讓它們被忽略掉，受體的數量減少，糖皮質激素沒有了可以結合的受體，就不能發揮它緩解炎症的作用了。
表觀遺傳性也同樣會影響語言能力的形成。在人剛出生的時候，大腦中的神經元就已經基本都發育完成。但大部分神經元之間都還沒有形成連接，神經元之間的連接是在出生後漫長的發育過程中逐漸形成的，直到青春期結束才基本完成。我們通過感官接收到的信息會刺激神經元之間形成連接，並進一步形成複雜的回路。在出生之後的幾周之內，大腦中負責處理簡單感官信息的區域就開始形成回路，這個過程持續大約兩年，在兩歲之後人腦中處理感官信息的回路就基本都成熟固定下來。用來處理語言的神經回路要更晚一些才開始形成，而整個過程也漫長得多。在發育階段產生的神經回路一旦形成，在接下來的一生中就很難改變，這也是為什麼小時候養成的習慣往往根深蒂固，童年的記憶也難以磨滅，因此這個階段也是學習的關鍵時期。
形成語言回路的漫長過程讓表觀遺傳性可以逐漸起作用。幼年時生活的語言環境對大腦中處理語言的部位有不可逆的影響，這讓大腦對母語特有的韻律和音素形成專門的處理模式，產生母語特有的語感，讓人在聽到連續的一段話時，可以迅速而自然地辨認出其中的詞句。而人們對於外語卻做不到這樣。一項日本的研究還發現，由於大腦在發育中對母語形成特殊的處理模式，導致日本人不能分
我們知道遺傳信息是在細胞的染色體里，而染色體本身是由螺旋狀的DNA組成，這些長長的DNA分子平時纏繞在組蛋白上，被「收納」起來，要使用時再解開纏繞。DNA上攜帶著基因編碼，表觀遺傳可以在DNA的特定基因上形成甲基化的基團，阻止這些基因發揮作用。表觀遺傳影響基因的另一種方式是在DNA纏繞著的組蛋白上加上尾巴，這樣DNA就沒有辦法解開，因此也沒有辦法起作用。這些改變會在DNA復制的時候被保留下來，並遺傳給下一代。表觀遺傳也是為什麼孿生的兄弟姐妹在成長過程中會逐漸變得不一樣的原因，盡管他們的基因是一樣的，但如果成長環境和遭遇不同，表觀遺傳會讓他/她們變得越來越不一樣。辨出「r」和「l」這兩個輔音。
語言能力的發展受到表觀遺傳的影響，而不僅僅取決於基因本身，這可以讓母語的語言環境對大腦進行不斷地微調。因為不同語言之間的差異很大，而人的基因和大腦的基本構造卻相對固定，所以表觀遺傳帶來了關鍵的靈活性，適應不同語言的需要。
之前我們說到在語言的產生過程中，人類是借用了本來執行其他功能的腦區來處理語言信息。但在很長一段時間里，人們一直認為大腦中有一塊專門用來理解和使用語言的區域，並把它叫作布洛卡區。許多證據也表明這個區域確實在處理語言信息時很重要。
這聽上去似乎和神經元再利用的觀點很矛盾，但事實究竟是怎樣的呢？
布洛卡區的名字來自19世紀的法國醫生布洛卡。他遇到了兩位奇怪的病人，他們智力正常，卻都患上了失語症。第一位病人從9歲開始逐漸失去語言能力，到了30歲，他就只會說一個詞——tan，所以布洛卡把這個病人叫作Tan。Tan死後布洛卡馬上對他的屍體做了解剖，發現病人左腦額葉有損傷，是梅毒病菌感染造成的。
第二位病人稍微好一些，能夠說5個詞：是、不是、3、總是、勒托。勒托是他自己的名字。布洛卡同樣在這位病人左腦額葉發現了損傷。於是布洛卡確信，是左腦額葉區域讓我們能夠說話，並以自己的名字來命名這個區域。但後來的醫學觀察發現，在布洛卡區患腦腫瘤的病人，語言能力沒有受到太大影響，於是人們開始懷疑布洛卡的結論是否準確。
這兩位病人的大腦被保存在巴黎大學。直到2007年，現代的研究人員又用磁共振成像技術來重新檢查大腦樣品上的損傷部位，結果發現這兩人患有腦損傷的部位其實和布洛卡所描述並且命名的區域有偏差，而且在其他部位也有腦損傷，這些廣泛的損傷一起造成了他們的失語症。後來的研究又發現，布洛卡區的功能不只是和語言有關，在我們觀察別人的動作和說話時的手勢的過程中，布洛卡區也非常活躍。把這些聯繫在一起，科學家們有了一個大膽的想法：布洛卡區能理解動作。
一個來自義大利的研究團隊設計了一項實驗，讓志願者們分別看不同的視頻，有的視頻里是一個人在做手影，模仿動物張開嘴；有的視頻里是人在做一系列毫無意義的手勢；還有的視頻里是真實的動物在張嘴。然後志願者還要看同樣內容的靜態圖片。在志願者看視頻和圖片的同時，研究人員在用fMRI觀察他們的大腦。觀察結果有些讓人意外，志願者們大腦中的布洛卡區只有在看手影的視頻時才被激活，在其他情況下，不論是看手影的靜態圖片，還是看關於動物和無意義手勢的視頻或者圖片，布洛卡區都顯得無動於衷。手影的各種手勢跟聾啞人使用的手語有些相似，都是用一些動作來表達意思，只是手影需要借助影子。這些代表動物的影子和手語的手勢都可以看作是特殊的符號，就像語言一樣，用來代指其他東西。語言中的音節要是拆開來看本身並沒有意義，一旦組合起來變成詞匯就有了意義。這些手勢也一樣，要是兩只手分開來做手勢，或者不借助影子，也許就看不出有什麼意義。這表明布洛卡區除了參與日常的語言交流，在手語和用手勢交流的過程中也同樣重要。但這個區域為什麼會具有這樣的能力呢？
在觀察野生黑猩猩之間的交流時，動物學家們發現黑猩猩們習慣用各種姿勢，配上簡單的叫聲來溝通，由於大多數靈長類的聲帶都沒有愈合，所以它們不能像人類一樣發出很複雜的聲音來產生口頭語言，所以叫聲只是對那些手勢的補充。這啟發了研究語言起源的語言學家們，他們認為在語言起源的早期，人類的祖先也同樣是以手勢來交流的，並且發出聲音作為輔助，而布洛卡區對於手勢動作的敏感度，說明這個區域在語言出現之前被用來辨別動作的意圖。所以這樣看來，布洛卡區的存在與神經元再利用學說並沒有矛盾，反而是支持這個學說的證據。
知道了語言的起源對於我們學習語言有什麼幫助呢？首先是我們知道了大腦中沒有完全只是用來處理語言的區域，所有參與語言處理的區域都曾經並且正在執行其他的功能，比如布洛卡區同時也用來理解人的動作，那我們學習語言的時候就可以充分利用這一點。
長期以來，憑借對於腦損傷病人的觀察，神經科學家們發現了不同的腦區都跟語言相關，比如我們用來聽語言的區域是在聽覺皮層的韋爾尼克區，用來看文字的是在視覺皮層和角形腦回，用來說話的區域是布洛卡區和運動皮層。不過隨著技術的進步，人們用PET成像技術發現，參與到語言處理過程中的腦區遠不止這幾個區域，而且實際情況更加複雜。比如在下一頁的圖中，上面兩個是慣用右手的人的大腦，下面兩個是慣用左手的人的大腦。圖中表示的是當人們在聽到一個名詞、並開始思考與這個名詞有關的動詞時，大腦的反應。慣用右手的人這時候更多用到了左腦的額葉、顳葉和頂葉皮層的部分區域，而慣用左手的人則相反，用到的是右腦的這些區域。而不論是慣用哪一只手，所用到的都不局限於人們一開始發現的那幾個區域。
德國馬克思·普蘭克研究所的神經科學家們就發現，當把詞匯跟一些特定的動作配合在一起時，不但會讓這些詞匯更好理解，也讓記憶更深刻。這里所說的動作不是隨便什麼動作，而是以這門語言為母語的人說這些詞匯時常做的動作。如果你在學外語，而身邊並沒有外國人可以直接觀察的話，那可以在看電影和追劇時仔細留意里面的人物說話時的動作。
那麼究竟應該多早開始學習外語呢？從我們對於表觀遺傳的認識可以知道，人在幼年的時候對於環境和學習是最敏感的。牛津大學的科學家們比較了從一出生就開始同時學兩門語言的孩子和只學一門語言的孩子，發現他們大腦發育過程是很相似的，也就是說讓嬰兒學兩門語言並沒有給他們造成負擔，關鍵是兩門語言都有同樣的語言環境。很多人認為只有身在國外才會有外語的語言環境，其實並不是這樣。在互聯網資訊發達的今天，你可以在網上找到足夠多的外文資訊，包括外語的新聞直播、電影等。這些資訊孩子一開始是聽不懂的，甚至他們也沒有在聽，但只要把純外文的節目開著作為背景音就可以起作用，嬰兒能夠辨別一門陌生的語言中細微的語音和語調變化。這會讓孩子們從小適應這門外語的節奏和語感，即使他們沒有認真在聽，他們的大腦還是會無意識地接收這些語言信息，直到某一天他們突然開口說一段外語，並問你這是什麼意思，這個時候你最好要能回答他們的問題並進行引導。所以說到底孩子們的學習是從家長開始的。不過聽和看畢竟都是被動的行為，語言學習的關鍵還是在於使用。使用語言，甚至只是在大腦中思考該用什麼詞匯，都會調動廣泛的腦區參與進來。
那麼如果不是一出生就開始學外語又會怎麼樣？如果孩子已經基本掌握了母語之後才開始學外語，他們的大腦就會需要進行很大的改變才能真正學好外語。這種改變體現在他們大腦的左下頂葉皮層會加厚，而右下頂葉皮層會變薄。研究發現這種改變就和人在學習同時拋接4個乒乓球的雜技時發生變化一樣，也就是說大腦認為這時候才學外語是有難度的，其複雜性相當於學習雜技，需要大腦的神經回路進行各種協調。而學外語的時間越晚，下頂葉皮層所需要做出的變化就越大，到了7歲之後就基本上錯過了學習外語的最好時間。康奈爾大學的研究人員觀察了學習外語的成人大腦，發現他們在說母語和外語的時候，使用的是布洛卡區里兩個不同的區域，但是卻用相同的韋爾尼克區來理解母語和外語。這可以解釋為什麼成人往往經過學習，可以聽懂外語，卻不能夠自然地用外語來回答。而從小就學習外語的人，無論是在聽還是說外語的時候，所用到的布洛卡區和韋爾尼克區都和說母語的時候一樣。
在學習外語，比如英語的時候，許多人會對記憶英文單詞感到頭大。英文的總體詞匯量在西方各語言中是最大的，這是因為英語里有大量的外來詞，比如從古羅馬人說的拉丁語里「借」來了很多詞匯，又從古代的諾曼人那里吸收了很多法語詞匯，結果是經常會出現好幾個來自不同語言的同義詞，但每個詞的用法又有差別，會讓學習的人感到很困惑。
要記住這些單詞，首先要把學習詞匯變成有趣的事——調動你的好奇心。語言是文化和歷史的積淀，每個詞背後都有它的故事。通過對文化、歷史的理解來促進詞匯的學習，不但能夠讓這個過程更有趣，也會記得更牢。就像我們說過，大腦是喜歡故事的。而記憶是以神經網路的形式存在的，如果這個網路里的神經元比較少，那麼這個網路就很弱小，只要其中幾個神經連接失效，網路就會中斷，進而逐漸消失。反過來，如果神經網路橫跨多個腦區，把許多神經元連接起來，那就會組成一個很強的神經網路，在這個網路里儲存的記憶就更加牢固。所以在學習過程中用到布洛卡區、韋爾尼克區之外其他的腦區，可以幫助詞匯的記憶。重要的是找到詞匯和其他知識（記憶）之間的關聯。有些關聯是自己刻意杜撰出來的，比如通過諧音來記詞匯，那可以幫助你記住少量的詞匯。而如果去挖掘詞匯背後的歷史，就會牽涉出大量的知識，同時還有其他的關聯詞匯，這樣就能真正組成一個龐大的神經網路。比如這幾個詞：colossal, arena, spectacles，現在有許多關於英語詞源的書，也可以在網上查到，其實這幾個詞之間有一個聯繫，就是它們都和古羅馬的鬥獸場有關。古羅馬人把競技場叫作Colosseum，因為競技場巨大而宏偉，所以才有了作為形容詞的colossal，同樣用來表示巨大。而arena其實是來自古希臘語的harena，意思是沙子，因為競技場的地面上都是沙子。古羅馬人說的拉丁語以及從拉丁語演變來的各種現代語言都不怎麼發h的音，所以最後harena變成了arena，也就是體育場。競技場里除了中間的場地，還有周圍的觀眾席，也就是spectacles，這個詞本來的意思是看，而現在又變成了表演的意思。如果把這些知識聯繫起來，並且想像出競技場的畫面，那麼就能夠形成一個覆蓋廣泛的神經回路，讓知識更加牢固。
對於記憶每個單詞，神經科學家們發現以英語為母語的人並不是記住了這些詞是怎麼拼寫的，而是利用視覺皮層里一個專門的區域——視覺詞形區域，來記住整個詞的樣子。也就是說在他們腦子里，想起arena這個詞的時候，首先並不是想起組成這個詞的a、r、e、n、a這些字母或者是這些字母的順序，而是一個圖像，這個圖像就是arena整個詞看起來的樣子。打個比方，這就好像把單詞在電腦里存成jpg格式的圖形文件，而不是doc格式的文本文件。這就可以解釋為什麼積累了一定詞匯量之後，你可以輕鬆看懂下面這段話：Aoccdrnig to a rscheearch at Cmabrigde Uinervtisy, it deosn’t mttaer in waht oredr the ltteers in a wrod are, the olny iprmoatnt tihng is taht the frist and lsat ltteers be at the rghit pclae.
這段話說的是劍橋大學做的一項研究發現，一個單詞里字母順序顛倒沒有關係，只要每個詞的第一個字母和最後一個字母是對的，你就能讀懂它。這句話里大部分單詞的字母都有顛倒，我們還是能夠不費力氣地讀懂它，是因為大腦的視覺詞形區域記住的是整個詞的樣子，而不是每個詞具體是怎麼拼寫的。這為我們記憶單詞帶來啟發，那就是記住每個詞整體的樣子是最重要的，在學習一個詞的時候，第一步是先關注整體，而不要先去死記硬背它的拼寫，這可以讓你下次遇到這個詞的時候一下就認出它。這並不是說拼寫不重要，第二步才是把它讀出來，用拼讀的方式來記住拼寫。記住了一個詞的詞形和拼讀，就可以由它們來相互印證，檢查自己有沒有拼錯。
最早出現的口頭語言是手勢加上聲音，這些語言一般都很形象，所以那時的人基本靠猜就能理解對方的意思。不過英國蘇塞克斯大學的科學家們發現，我們現代人學語言也仍然是靠猜的。當人們第一次聽到一個陌生詞匯時，會先去猜測它的意思，然後再通過各種方法來檢驗自己猜得對不對。
在實驗里，科學家們杜撰出了下一頁這些奇怪的詞匯和對應的物體，沒有人知道這些詞是什麼意思，也沒有人知道那些是什麼物體，見下一頁圖。他們讓志願者們學習這些詞匯分別對應的都是什麼物體。志願者們每次會看到3個物體，同時聽到3個詞匯，但並不知道哪個詞對應的是哪個物體。許多物體和詞匯會在學習中反復出現，因此每次出現的時候志願者都要去猜測聽到的哪個詞對應哪個。志願者學習了6組這樣的詞匯之後，就要進行一次小測驗。比如說聽到圖A中Lort這個詞，志願者就要猜測它究竟指的是3個物體中的哪一個，而後在開始測驗時，在圖B所顯示的各種物體中找出代表Lort的那個物體，一開始志願者經常出錯，但每次出錯志願者都把錯誤記下來，在連續猜錯幾次之後，他們終於找到了對應的物體。在這個過程中，研究人員發現志願者大腦中的海馬體非常活躍，這是在學習和記憶中非常重要的一個部位，因為志願者要記住正確的和錯誤的選擇。同時志願者們還用到了連接額葉皮層和頂葉皮層的神經網路，這個神經網路通常是用來聯想的，這里所用到的聯想就是把物體和對應的詞匯聯繫起來。像這樣先提出猜想再去驗證的方式是大腦學習語言的基本方法。
這對我們學習語言是一個重要的啟示，那就是遇到不認識的生詞，要敢猜，而後根據詞匯所在的上下文意思去驗證自己的猜想。另一個啟示是要大量地閱讀，這樣你才有足夠多的機會去驗證自己的猜想，並且找出其中的規律來。這是兒童和成年人在學習語言的時候都具備的能力。兒童在接受正式的學校教育之前，學習語言主要就是通過這個方法。我們都知道兒童一般能夠比成人更快掌握一門語言，除了大腦的可塑性更強之外，敢於去猜測，而且喜歡聽大人說話也是重要的原因。這也反過來告訴我們，對於學齡前的兒童我們要盡量多和他們說話，不能因為覺得他們什麼都不懂就說一些簡單或無意義的話。跟這個年齡段的孩子說話時還要盡量說完整的句子，並且保證用詞和語法準確，因為這都是孩子們用來學習的材料。有時我們在說話，孩子似懂非懂地在聽，這就是他們正在通過不斷地猜測——驗證的方法在學習語言。
Josa komi oku. 這句話是什麼意思？沒有人知道。因為這是德國馬克思·普朗克研究所的科學家們杜撰的一種語言，他們叫它外星語。在這個外星語里，josa的意思是女人，komi是男人，而oku是拍照的意思。但這句話的意思卻不是「女人男人拍照」，而是「男人給女人拍照」。這些德國科學家發現，如果讓人學習這種奇怪的語序，人們大腦中負責語法的那個部位就會消耗很多能量，因為這跟他們的母語的語序/語法相差太大。但是如果持續地學習這種語言，大腦就會慢慢地習慣了新的語法，消耗的能量就逐漸變少。而如果外星語是正常的語序，比如komi oku josa，那麼人們大腦中負責語法的那部分腦區一開始就不會那麼累。盡管外星語的詞匯還是很古怪，但人們會熟練地套用自己的語法來理解它。
這個發現表明，人們在學習一門外語的時候，大腦會首先判斷這門外語的語法和自己的母語是否相似，如果差別不大，就會使用大腦中原有的神經回路來學習外語。而如果外語語法和母語語法差別很大，那就需要建立新的回路，並把它整合到母語語法的神經回路中。
這對我們學習外語有重要的啟示。以學習英語為例，英語和漢語一樣都屬於分析性語言，也就是說需要通過語序來表示含義，如果語序變了，意思也會跟著改變。英語和漢語的語法還有很多相似之處，如果通過把兩種語言進行比較來學習語法，並且注意其中的差異性，就會讓大腦輕鬆許多。
在2016年，美國著名的《科學》雜誌發表了一篇看似不起眼的文章，來自德國洪堡大學的研究人員。這些研究人員似乎也沒做什麼正經事——他們在實驗室里逗弄老鼠，撓它們的背、肚子和尾巴，讓老鼠們笑得停不下來，還把老鼠的笑聲錄了下來。
要聽到老鼠的笑聲可不容易，因為聲調太高了，人耳幾乎聽不見，所以主持這個實驗的布萊希特博士把錄音處理了一下，讓人們第一次領略老鼠那奇特又歡樂的笑聲。「老鼠們高興壞了，跳來跳去，並且追著我跑，就像小孩子一樣玩鬧。」布萊希特說道，「對‘逗弄’的反應可能是大腦的一種機制，讓動物之間或者人類之間可以更有趣地互動。」
大家都知道動物們也會玩鬧，但是發現像老鼠這樣的動物居然會笑，多少讓人覺得有些意外。而老鼠的玩對它們自己來說意義重大。科學家們曾經做過實驗，一些老鼠從一生下來開始就禁止它們玩，久而久之，這些老鼠們也慢慢長大，外表上看似一切正常。但慢慢地科學家們發現這些從小就不會玩樂的老鼠跟正常老鼠比起來，不怎麼會跟人或者其他老鼠打交道，它們與其他老鼠的互動都很極端——要麼是直接躲開，要麼是開始打鬥。之前有一種看法是認為動物的玩鬧其實是在模擬練習打架，但實驗中那些從來沒有玩樂過的老鼠一樣能夠和其他老鼠打架，絲毫沒有受到影響，實際上老鼠們是在玩鬧的過程中培養社交能力。科學家們還觀察到那些前額葉皮層受損的老鼠也是這樣，說明這個腦區與老鼠的玩樂和社交能力相關。
玩鬧在動物界是很普遍的現象，甚至更低等的像烏龜和章魚這樣的動物也會玩球和積木，並樂在其中。當不同物種的生物都表現出某種行為的時候，往往說明這個行為很重要。動物和人的玩樂雖然是自發的，而且看似漫無目的，但玩可以幫助人和動物認識這個世界，並為一些重要的活動做預演，比如集體狩獵和戰爭，這些是複雜的社會行為，需要許多人默契地合作才能完成，是真正的「會玩」。
說到會玩，最著名的莫過於彼得大帝。彼得大帝幼年時，跟母親住在莫斯科郊外普列奧布拉任斯基村，在那里他天天和小夥伴們一起玩大戰的遊戲。起初只是和孩子們日常的玩鬧一樣，似乎沒有什麼章法，但慢慢地，彼得將他的小夥伴們整編成不同的「軍團」，甚至把仆人們也加入進來。戰爭遊戲逐漸變得有板有眼，為了在遊戲中取勝，彼得還向軍官們討教戰略戰術的知識。直到17歲那年，彼得率領著這只由兒時夥伴組成的、名叫Poteshnyi的青年軍平息了攝政王索菲亞策動的暴亂。後來青年軍被擴編成了真正的皇家禁衛軍。
幾乎每個人小時候都做過類似的戰爭遊戲，只是沒有玩得這麼專業，也沒有機會把這種遊戲搬到現實中。但玩遊戲其實代表著人和動物與生俱來的一種學習方式。幼兒把玩具扔到沙發背後，發現玩具不見了，有幾分懊惱，於是慢慢爬到沙發後面，發現他的玩具並沒有真的消失，略帶幾分驚訝，又有些興奮。像這樣日常生活中司空見慣的場景經常被人們忽略，但對於幼兒來說這個不到1分鐘的過程卻類似科學家們在做一次實驗，首先幼兒拿著玩具有點好奇，在自己心里提出問題：這個玩具能做什麼？而後進行初步嘗試，比如把玩具翻來覆去，扔到空中，兩三下之後決定再扔得遠一點，直到扔出自己視野之外。這時候他開始提出假設：看不見了的東西應該就是消失了。接著他開始驗證假設——爬到沙發後面看看究竟。在發現真相之後，有的孩子並不會就此滿足，他們會再重復幾次，仿佛科學家所強調的科研結果的可重復性一樣，即用相同的方法重復實驗步驟，得到非常接近或者是同樣的結果，以此來確定是不是因為偶然因素導致第一次的實驗結果。而我們這位穿著尿布的科學家也是這樣，接連幾次都發現玩具並沒有因為扔到看不見的地方就消失之後，他總結出規律，也就是有了物質守恒的概念。幾乎所有孩子都是用類似的方法來認識世界，他們仔細觀察，並且逐漸有了動因的概念，也就是知道自己的行為能夠對外界產生影響，能夠改變一些事情，知道自己行為的後果，這樣也就理解了因果關係。這些都是自發的探索，沒有人去教孩子要這樣做，更沒有向他們灌輸科學研究的方法論。
許多人說孩子是天生的藝術家，因為他們會用自己特有的方式來表達情感和想法。實際上孩子們也是天生的科學家，知道通過觀察和實踐來檢驗自己之前的認識。有的心理學家甚至給孩子的學習方式起了個名字——理性建構主義（Rational Constructivism）。之所以說是理性，因為他們發現嬰兒們具備概率觀念，並且還會「以小見大」：通過對少數樣本的認識來推測整體，或者反過來。心理學家們做過一個實驗，他們給6～8個月的嬰兒看一盒乒乓球，其中80%的乒乓球是紅色的，另外20%是白色。然後心理學家自己閉上眼睛伸手到盒子里抓乒乓球，隨機抓出了5個球，如果這5個球中有4個紅色的、1個白色的，那麼嬰兒沒有特別的反應；但如果抓出的5個球中有4個白色、1個紅色的，那麼嬰兒就會盯著這些球看很久，一副感到意外的樣子。這說明嬰兒會基於盒子里不同乒乓球的大致比例做出預測，如果符合預測，他們就習以為常；如果與預測不符，就倍感意外。
而理性建構主義中所說的建構主義，指的是之前提到的嬰兒懂得提出假設並檢驗假設，而且還會根據所收集到的證據來理解新的概念。對於這些，心理學家們還做了一個實驗。首先心理學家給16個月大的幼兒兩罐玩具，一罐是白色的小正方體，另一罐是彩色的螺旋彈簧玩具，讓幼兒來選擇。不出意料，幼兒更喜歡彩色的螺旋彈簧玩具。而後心理學家再拿出一個罐子，里面大多數是彩色螺旋彈簧玩具，只有少數一些白色立方體。這時候心理學家伸手進罐子里挑出幾個白色立方體，再把罐子給幼兒，讓他們挑出里面的玩具給心理學家。結果幼兒們也同樣在罐子里挑出白色立方體來交給心理學家。不過如果罐子里原來大多數是白色立方體的話，那麼他們就會挑出一些白色立方體和一些彩色螺旋彈簧來給心理學家。這意味著幼兒可以從觀察中推測心理學家的偏好：看到心理學家在一罐彩色的螺旋彈簧中挑出少數那些白色立方體，他們推測心理學家是有這樣的偏好；而如果罐子里原來就主要是白色立方體，那麼幼兒會認為心理學家只是碰巧抓到了這些，而並不是對這些立方體有特別的偏好。這說明幼兒具備根據概率來推測別人偏好的能力。嬰幼兒的這種先進的學習方式在讓人讚嘆的同時，也帶來了許多疑問。第一個疑問就是，他們是怎麼做到的？
每個孩子一開始都是「科學家」，玩就是他們的實驗，所以他們可以在玩中學習。對於6歲以下的孩子，讓他們按照自己的想法去玩就好了。大人能做的是創造一個安全的環境讓孩子們無憂無慮地去玩，並克制自己去干預孩子的衝動。許多人會覺得孩子的玩法很無聊，總是在重復一件事情，或者是喜歡把東西丟來丟去，像是在搗亂。就像上面的例子里說的，這些都是他們自發地探索世界的方式，大人要避免用自己的喜好來要求孩子。成人和孩子們最大的區別是，孩子們會根據觀察到的事情來修正自己原有的看法，他們對於外界的事物保持開放的心態；而大人常常只會看到自己想看到的事情，來印證自己原有的看法。讓孩子們去自由地探索，能夠保持他們對於新鮮事物的好奇心。
讓孩子保持好奇心，並鼓勵他們去滿足自己的好奇心是很重要的。美國加州大學戴維斯分校的研究人員發現，好奇心能夠顯著提高記憶力，而且一旦人的好奇心被調動起來，不僅能夠更好地學習自己關心的話題，連與這個話題無關的知識也能學得更好。在實驗中，研究人員給志願者列出了一系列問題，讓志願者選出哪些問題的答案是他們最感興趣的。隨後，在研究人員給出這些問題的答案之前，志願者們要先看幾張陌生人的照片，然後才能看剛才那些問題的答案。在看完答案之後志願者要接受一個小測驗，從許多照片里認出剛才看見過的陌生人。接下來又是另一個測驗，考查他們是不是記住了那些問題的答案。
實驗結果發現，當人們對於某些問題十分好奇的時候，他們對這些問題的答案記得更牢。而一旦好奇心被激發起來，人們對不相關的事情，比如陌生人的樣子，也記得更牢了。24小時之後再進行測試，這些記憶依然鮮活。主持這項研究的格魯伯博士把好奇心比作一個記憶的旋渦，它不但能夠吸收你想知道的東西，還能把旁邊不相關的東西都吸進去。不只是這樣，研究人員還發現一旦好奇心被激發起來，大腦中的多巴胺獎賞回路就被激活了，這為人們學習提供了動力。好奇心同時還提高了海馬體的活躍程度，讓海馬體可以更好地產生新的記憶，並加強了海馬體和獎賞回路的信息交流。這就可以解釋為什麼這時候人們對於不相關的知識也能夠記得更牢。
孩子們天生具備好奇心，能夠在好奇心的驅動下學習。家長要做的是利用這樣的好奇心來引導孩子逐步深入地學習。
鳥類的幼仔在出生後3周左右就學會了飛行，這是它們賴以生存的技能，長期的進化讓這個技能植根於它們的身體中。同樣，出色的學習能力是人類的生存之本，嬰兒似乎天生就知道應該怎樣學習，也就是所謂的元學習。元學習讓人掌握學習的普遍規律，而後可以應用到學習具體的知識中去。不但教育學家喜歡討論元學習，就連人工智能的研究者們也急切希望了解元學習的奧秘。因為目前的人工智能盡管可以在各種遊戲中擊敗人類玩家，但在這之前都需要幾千小時的訓練。而人類通常在接觸一款新遊戲時只要幾分鐘就能基本掌握規則。所以像DeepMind這樣的人工智能企業也開始研究人腦的元學習能力，他們讓人工智能來模擬大腦的元學習。
我們的大腦有一種化合物叫作多巴胺，許多人把它叫作快樂因子，因為它似乎能夠在我們做特定的一些事情時，給大腦帶來快感。比如上癮，不論是煙癮、酒癮還是網癮，當上癮的人在抽煙、喝酒或者打網遊時，所獲得的快感不只是來自煙、酒或者遊戲本身，更來自這時候大腦中產生的多巴胺，它作為一種化學信號，能夠告訴大腦去享受這一刻，並且渴望獲得更多這樣的享受。這讓大腦具有很強的欲望和動機來做這些事情，就好像是動物園里訓練猴子做遊戲，當猴子做對了，就獎勵香蕉。我們的大腦就是那只「猴子」，而多巴胺就是那個「香蕉」，它是對特定行為的獎勵。因此大腦中以多巴胺作為化學信號的神經回路被叫作「獎賞回路」，這條回路把大腦中主管情緒的邊緣系統和主管行為決策的前額葉皮層連接了起來。多巴胺能夠通過加強前額葉皮層中的神經元連接（突觸）——也就是利用神經可塑性，來強化某些特定的行為。
多巴胺獎賞回路的作用不僅局限在讓人上癮，它還有很多積極的作用。我們對高熱量的食物，像甜點、油炸食品有天然的熱愛，盡管知道這些不是健康食品，但薯條和巧克力蛋糕看上去就是比蔬菜沙拉誘人。這種偏好也同樣是拜多巴胺所賜。在工業化時代之前，食物相對短缺是一種常態，這時候高熱量食物是寶貴的資源，多巴胺會鼓勵人們去獲得這樣的食物，一旦找到了就放開肚子大吃一頓，來儲存足夠的能量，因為下一頓飽飯還不知道是什麼時候呢。不過隨著中國社會在過去30年間迅速的工業化，食品短缺已經不是問題了，但多巴胺讓人對於高熱量食物依然熱情不減，結果帶來了肥胖問題。
獎賞回路能夠鼓勵那些對人類生存至關重要的行為，除了尋找高熱量食物，還有學習生存必備的技能，這些技能中最重要的就是學習技能，即元學習。在20世紀40年代，有一個著名的哈洛實驗。在實驗中猴子會看到兩個不同的罐子，其中一個罐子里有食物，但罐子都蓋著，從外面看不到里面有沒有食物。實驗中猴子做了6次選擇，每次兩個罐子的左右放置都是隨機的，但只有那個特定的罐子里有吃的。在這之後，實驗人員換了兩個不同的罐子，還是只有一個罐子里有食物。一開始，猴子需要花一些時間才能找到那個有食物的罐子，不過在經過一番訓練之後，它們學到了一個策略：在第一次選擇的時候隨機打開一個罐子，不論有沒有發現食物，都把結果記住，下一次專門找那個有食物的罐子。這表明猴子能夠掌握規律，學習遊戲規則，也就是說它們知道怎樣學習。但元學習和多巴胺獎賞回路有什麼關係呢？上面提到的DeepMind團隊用人工智能來代替猴子，重復了哈洛實驗。只不過人工智能不需要去罐子里找食物，只是在虛擬的電腦螢幕上辨別圖片，它需要找到那張能夠帶來獎勵的圖片。
大腦中的「獎賞回路」，綠色的部分是前額葉皮層，紅色箭頭表示的是回路中神經信號的傳遞方向。
在實驗過程中，人工智能所使用的算法要模擬人腦的多巴胺獎賞回路，也就是說它要能夠記住自己在實驗中做過的每一次選擇，以及這個選擇的結果是否正確，並且獎勵正確的選擇。不出所料，人工智能用這個方法很快找到了圖片出現的規律，並且當把原來的圖片替換成完全陌生的圖片時，它也一樣能迅速找到能夠帶來獎勵的圖片。人工智能利用類似多巴胺獎賞回路的算法掌握了元學習。認識到多巴胺獎賞回路在元學習中的作用，對於人工智能技術本身的進步和我們認識自己的大腦都意義重大。
傳統上人們把學習當作是一件很艱苦的事情，所以才會有「寒窗苦讀」之類的說法。但孔子在《論語》中就曾經說過：「知之者不如好之者，好之者不如樂之者。」這里他明顯區分了三類人的學習效果。如果僅僅是知道怎麼學習，那肯定比不上喜歡學習，而以學習為樂則是更高一個層次。現代神經科學為孔子的這個觀察提供了佐證。在之前說到具身認知的時候，我們曾經說過認知和情緒其實是同一個過程的兩面，積極的情緒可以讓思維更加敏捷，讓我們能夠迅速、準確地做出判斷，也就是「好之者」所達到的境界。而「樂之者」更進一步，需要對學習產生近乎「上癮」的熱情，這就需要利用多巴胺獎賞回路。獎賞回路不只是讓人更有學習的動力，而且可以在學習的時候更專注、增強記憶力、激發創造力。
荷蘭萊頓大學的研究人員發現，青少年的大腦對於多巴胺所帶來的獎賞是最敏感的。因為對獎賞十分敏感，青少年容易對一些事情上癮，而且不計後果。這是因為青少年大腦中的紋狀體對收到的反饋特別敏感的緣故。如果把這種能力用在學習上，就大有好處。萊頓大學的研究人員對300多名青少年志願者的大腦進行了磁共振掃描。進行掃描時，志願者正在做記憶力測驗，而研究人員會馬上給出記憶測驗的結果反饋。實驗結果發現如果志願者得到的反饋很實用，可以指導他們怎樣改善測驗成績的話，那麼他們的紋狀體就非常活躍。而如果志願者已經知道測驗項目的答案，而得到的反饋也沒有提供另外的信息，那麼紋狀體就不會有這樣的反應。這說明提供及時而且有指導意義的反饋，對於激發獎賞系統來用於學習是很重要的。
除了紋狀體，海馬體也是多巴胺獎賞回路中非常重要的一環，它會讓人記住那些能夠帶來快感的事物，或者與這些事物相關的其他東西，讓人愛屋及烏。同時海馬體還會讓人記住哪些行為可以帶來這些讓人愉悅的事物。這些記憶有的是工作記憶，就像我們聽到一個電話號碼，把它記在心里，然後開始撥號，在打完電話之後就不記得剛才的號碼了。這種記憶只是為了我們能夠順利完成手邊臨時的事情，一旦事情做完就沒有必要再留在大腦中。多巴胺就像我們讀書時用來畫重點的紅筆，能把關鍵的任務信息標記出來，告訴大腦哪些是很重要的事情，需要優先集中精力來解決。這樣做的結果就是凡是跟完成這些任務有關的事情都得到了支持，比如與任務相關的工作記憶也增強了，於是同樣的信息我們看完之後會記得更牢，甚至把這些信息轉化成長久記憶，持久地保存在大腦中。
因為要完成特定任務需要進行詳細的規劃，所以大腦前額葉皮層中負責做計劃的區域在多巴胺的作用下也十分活躍，這讓我們可以更快地制定有效的策略，比如制定學習目標和每個階段要解決的問題，以及用什麼方式達成這個目標。
也正是因為這樣，多巴胺獎賞系統更容易在項目式學習的過程中被激活，因為項目式學習的目標更明確，且在短期可以做到。項目本身的設置如果能夠足夠吸引人那就再好不過了。制定項目式學習的規劃其實沒有聽上去那麼深奧。比如你打算學好一門外語，而你又很喜歡國外的流行音樂、電影之類的，那不妨給自己制定一個學習項目，找出國外媒體中關於特定主題或類型的音樂和電影的報導，將它們的關鍵信息提煉、編譯成一篇短文，或者更進一步，用外語來製作一個相關主題的PPT。在這個過程中你為了完成任務就需要大量的閱讀理解，並且在翻譯的過程中深入學習外文的遣詞造句方式。PBL的學習方式在理工科的學習中就更為常見了。制訂這樣的學習計劃，最關鍵的就是要給自己設定一個有趣而且難度適中的目標：太沒有挑戰性的目標，所需要學習的新知識和技能相對較少，達不到學習的目的，在達成目標之後也會影響所獲得的成就感；而難度太大、不切實際的目標則會讓人泄氣，備受打擊，自然不會享受學習的過程了。
學習初始階段，將學習的目標和個人愛好結合起來，可以更容易帶來快感和動力，激發獎賞回路。隨著自己逐步適應了PBL的學習方式，學習的快感會逐漸內化，也就是不再借助個人愛好，而是讓多巴胺對學習本身的進展進行獎勵。制定學習項目的時候還要考慮項目對於個人甚至社會的實際意義，最好是能夠解決現實生活中發現的問題，或者是對這些問題做出深入的思考。因為有實際意義的項目更能夠給人動力和成就感。
PBL和與之密切關聯的STEM/STEAM教育都強調解決現實生活中的問題，或者至少是設置一個基於現實的學習情境，並且讓學習者自己制定學習項目的目標，因材施教，避免忽略個體差異而制定統一的、過於理論化、抽象化的學習目標，後者是現行教育的主要缺陷之一。前面我們說到了人從嬰幼兒時期就具備出色的元學習能力。既然人們出色的學習能力是自發形成的，那麼教育究竟起到什麼樣的作用呢？與直接來自對身邊事物的觀察、並從中獲取知識相比，學校里的正式教育，主要偏重抽象思維。對於兒童來說，學習像語言和數學這樣的內容，都必須掌握一套抽象而陌生的符號體系，並懂得將它們熟練應用。而在學習方法上，也強調記憶為主，缺乏學生自主探究的空間，這會讓他們在一開始很難適應，或者更糟糕的是適應了之後卻喪失了原本自發的探究能力。
美國科羅拉多大學心理學家簡·巴克對6～7歲兒童的研究發現，如果只是為這個年齡段的孩子創造條件，比如提供樂器、書籍和球類等，讓他們自己決定該怎麼學習和怎麼玩，就能夠培養孩子的自我管控能力。自我管控能力包括管理和控制工作記憶、注意力、決策能力、抽象思維能力等認知過程，是一項核心能力。而相反，如果是讓孩子們參加相應的培訓班，最後雖然靠不斷地重復和強制性的學習，讓孩子初步地掌握了一些技能，但卻會影響自我管控的正常發育，因小失大。而且鼓勵自主探究也會讓孩子的適應能力更強，不會養成對教師或者家長的依賴。
更深入的研究發現，在教師的指導下學習時，兒童和成人所使用的腦區是不同的。成人在接受指導時利用的是大腦中由前額葉皮層和紋狀體構成的神經回路，這個回路在兒童和青春期少年的大腦中還沒有完全發育，所以他們沒有辦法很好地適應外在的驅動力，更習慣以自己內在的動力，按照自己的方式去學習。
而對於成人來說，長期的正式教育讓我們都成了「知之者」，我們知道怎樣學習，也知道學習的意義。但我們更應該找到學習的樂趣，像孩子們那樣對世界充滿好奇，並且重新像他們那樣去探索和理解世界。就像畢加索曾經說過的：我花了4年來學習怎樣像拉斐爾那樣畫畫，卻花了一輩子在學習怎樣像孩子那樣畫畫。這並不是說抽象思維和系統、全面的學習沒有用處。通過正式教育所掌握的抽象思維邏輯、語言能力和系統化的學科知識毫無疑問擴大了我們的視野，提高了學習效率，並構建了一個完整的知識體系。而STEAM的學習方式則是兩種學習方法的融合：它以趣味性的項目為起點，讓學習者能夠根據自己的興趣來制定研究性學習的方向，並根據要達成的目標所需要的知識和技能來安排自己的學習計劃，如果能夠把這些跟我們自身原有的元學習能力結合起來，進一步培養批判性思維，並充分發揮獎賞回路的作用，就可以達到「好之者」的境界。
能夠快樂地學習當然最好不過，但我們經常遇到的情況是快樂不起來，特別是要面臨考試的時候，壓力太大，這個時候就算是努力告訴自己去放鬆也不一定有用。而美國芝加哥大學的科學家發現，如果你在考前實在很焦慮，那就花上10分鐘把自己的焦慮寫下來，這樣可以把這種情緒「排放」出來，提高考試成績。
焦慮作為一種負面情緒會占用大腦很多「內存」，就像內存使用太多會讓電腦死機一樣，我們大腦中很多神經回路會被焦慮所占用，結果影響到工作記憶，讓人在考試時緊張得腦子里「一片空白」。在正常情況下，輕微的焦慮能夠讓我們把注意力集中在重要的事情上，同時讓血流都流向大腦和肌肉，便於解決將要面臨的問題。但如果長期處於這種狀態，那麼內臟就會供血不足，影響正常機能，比如讓消化系統出問題，腸胃不適。
芝加哥大學的研究人員招募了20名大學生，要他們參加一次數學測驗。在第一次測驗之前，研究人員告訴學生們要盡自己最大的努力，測驗成績好的學生會有獎金，而且考試過程會被全程錄像，所有學生的試卷都會由老師批改。這樣就人為地給學生創造出了心理壓力。然後其中一半的學生可以在考前用10分鐘時間，把自己擔心的事情和心里的感受寫在紙上。另一半學生則安靜地等待考試。測驗結果出來後，那些把焦慮寫出來的學生平均分是B+，而只是在考前安靜地坐著的學生平均分是B-。
戰勝焦慮的另一種辦法是讓大腦中自帶的「嗎啡」來安撫自己，同時還能帶來一些快感。這種大腦自帶的「嗎啡」叫作內啡肽，是大腦中的一種神經遞質，也就是能夠在神經元形成的突觸之間傳遞信號的化學物質。它的主要作用和嗎啡一樣，能夠鎮痛、緩解焦慮並且帶來快感。我們在遊樂場里坐雲霄飛車，過程起起伏伏，緊張刺激，坐完之後下來除了有點暈頭轉向之外，還會有刺激帶來的快感，這個快感就是來自內啡肽的作用。同樣，在吃辣的東西之後，也會刺激大腦分泌內啡肽。因為辣椒里所含有的辣椒素能夠刺激我們皮膚上的痛覺感受器，給人帶來熱辣的感覺，大腦作為回應，會釋放內啡肽來鎮痛，並且產生一種舒爽的感覺。平時我們只要通過鍛煉，比如跑步，就可以讓大腦產生內啡肽，從而進入一種「跑步high」的狀態。而在學習壓力大的時候，最簡便的方法是先憋氣，憋多長時間取決於每個人不同的肺活量，但一定要盡量憋得久一些，直到你的神經系統自動反射，讓你呼氣的那一刻。在你呼出那一口氣的時候，不但已經忘了焦慮的事，內啡肽也已經在腦中漂流，趕走焦慮，讓人放鬆。內啡肽和多巴胺是一個讓人上癮的強力組合。內啡肽可以讓你高興，而多巴胺可以讓你對能夠刺激產生內啡肽的事情念念不忘，還想要再來一些。於是它們兩個交替作用，讓人不能自拔。這就是為什麼有的人喜歡吃辣，有的人喜歡看恐怖片來嚇自己，還有的人喜歡做運動。如果能在學習的時候也激發出內啡肽，那就離對學習上癮不遠了。
第三種能夠讓自己不那麼焦慮，甚至快樂起來的方法來自前額葉皮層，也就是我們的意識。學習中遇到測驗和考試的壓力在所難免，但怎麼看待壓力卻是自己可以控制的。同樣是心跳加速、手心出汗，既可以是因為緊張，也可以是因為興奮而躍躍欲試。針對身體出現的各種狀態，我們的大腦會給出不同的解釋，而這些解釋又反過來影響大腦做下一步的決定。也就是說如果我們出現了身體上類似於緊張、焦慮的狀況，不妨告訴自己這是因為我們很興奮，這樣能夠讓我們看到積極的一面，反而給自己帶來信心。這個方法的關鍵在於讓自己真的相信這個解讀。這並不難，因為大腦其實很容易被「忽悠」。如果你喝了一杯咖啡，而後拿起一本書來讀，你會覺得書上的每句話都很有啟發意義，讓你聯想到許多其他的事，這時候如果你忘了之前喝過咖啡或覺得咖啡因對你的作用不大，那你一定會覺得是因為這本書很不錯，才讓你有了各種靈感。這樣重復幾次，在看書之前喝咖啡，再慢慢地停止喝咖啡，你就會對一本原來很平庸的作品評價更高了。這一切都在於你把自己的反應歸因於書的內容還是咖啡因。
現在關注教育的家長們大概都聽過這幾個詞，有時候它們被混起來用，而它們之間也的確有許多共同點。STEM是科學、技術、工程學和數學這幾個詞的英文縮寫，也就是我們通常說的理工科。STEM的說法很早就存在，只是從美國前總統歐巴馬時期開始，被美國政府大力提倡，變成教育界的熱門詞匯，並影響到中國。歐巴馬政府之所以提倡STEM教育是出於提升國家的科技競爭力考慮的，主要是因為美國本土的學生在歷次OECD（經濟合作與發展組織，由36個市場經濟國家組成的政府間國際經濟組織）主持的國際測試中，數學和科學成績都落後於其他發達國家。而且報考大學理科專業的高中生逐年減少，學生們更喜歡讀商科和藝術類專業，這讓歐巴馬政府憂心忡忡。
盡管如此，美國和其他西方國家在STEM教育方面卻有著許多年的積累，學校和教育類的企業開發出了豐富的STEM學習項目，這些學習項目都有一些共同特點：強調學生小組合作，綜合利用各個學科的知識，鼓勵學生自己在試錯中學習，注重培養設計思維和解決問題的能力等。STEM教育的核心理念是興起於20世紀中期的建構主義（Constructivism），這種觀點認為知識是不能夠原封不動地從老師灌輸到學生腦子里，而需要學生通過自己的學習活動來「建構」自己的知識體系，這種理論與後來認知神經科學的發現不謀而合。正因為這樣，學習作為一種體驗，在每個人身上都是不一樣的，學習的過程也都是獨一無二的，它受到每個人過往的經歷和認識、理解這個世界的方式的影響。既然知識無法灌輸，那就只能把學習的主動權還給學生，進行探究式學習。但教師的角色並沒有被削弱，只是必須做出轉變，從傳統的講授知識，變成對話、啟發和引導，這對教師的溝通能力和知識儲備要求更高了，教師需要經過專門的訓練才能夠勝任。
在STEM的項目式學習中，整個項目通過現實中的問題（或者假想中會出現的問題）作為出發點，並傳達一種進步的價值觀。比如有學生了解到海洋漁業在捕撈時，經常會把沒有經濟價值的海洋生物也一起抓獲，可能會是海豚或者章魚之類，它們會被拖網傷害。於是STEM項目就重新設計一種捕撈工具，或者改進目前的拖網，讓大型海洋動物能夠免受侵害。在進行這個項目的過程中，學生需要學習海洋生物學、生態學、力學、工程學和統計學的知識，加以綜合運用。而有的學習項目則設計得更有想像力，比如設想小行星將要撞擊地球的情況，要求學生尋找應對策略等，激發學生興趣，進而促進各學科知識的學習。
從STEM過渡到STEAM則起源於美國設計類名校羅德島設計學院，他們倡導把藝術和設計融入STEM教育，於是就掀起了一股新的潮流。將藝術、設計與工程類學科結合來教學並不是羅德島設計學院首創。在將近一個世紀之前，現代設計的先驅德國包豪斯學院就開創性地在課程中涵蓋了自然科學，比如物理學和生物學以及社會科學，並把這些學科與藝術一起視為現代設計的支柱。包豪斯的教學實驗因為戰爭而中斷，但給後人深遠的啟發。STEAM教育中的Arts後來被拓展到藝術之外的其他人文學科，包括心理學、社會學、歷史學等，這樣就幾乎囊括了所有的學科，以培養具備創新思維的全才為目標。人文學科的加入無疑會讓科技更具有人文關懷，讓發明創造以人為本。
如果說STEM和STEAM教育是來自政府和教育界自上而下的一種改革，那麼創客教育則是自下而上的，體現的是科技行業「創客文化」對教育和學習方式的一種顛覆。創客教育起源於創客文化，是一種西部牛仔精神的延續，主張獨立自主和開拓。創客教育有著科技行業深刻的烙印，主要依托各種新技術：機器人、3D列印、編程、智能硬件等。這些新技術有時能夠帶來創造的靈感，有時也會給思維造成局限。因為不論是創客教育還是STEAM，都強調學會解決問題，而解決問題永遠是要從問題本身出發，而不是從自己熟悉的技術手段出發。不然就會像馬克·吐溫所說：「當一個人拿著錘子的時候，所有的問題都看起來像是釘子。」最終，這些創客技術也被STEAM教育所吸納，成為做到STEAM學習項目的工具之一，比如下面作為例子的機械臂學習項目，也可以通過3D列印或者機器人技術來做到。
對於6歲以上的孩子，僅僅是放任他們去自主探索已經不夠了。這時候孩子們基本進入小學階段，開始正式的教育。長期以來我們都有一種擔心，就是學校里的教育會磨滅孩子們對於外界的好奇心和創意。這種情況通常出現在正式教育與孩子自發的學習方式差異很大的時候。家長或者教師這時候應該讓孩子們明白，課本里傳授的知識不能替代自己親身的觀察和探索，對待這些知識要像對待自己做出的假設一樣，要依靠觀察和探索去檢驗，才能培養出批判性思維能力。
這個階段孩子的大腦變得更成熟，前額葉皮層變得更發達，所以自制力就明顯增強。做同樣的一件事情，0～6歲的幼兒需要用到比6歲以上的孩子更多的腦區，而且幼兒腦中的神經元數量和神經連接數量都比6歲以上的孩子要多。到了6歲之後，大腦中許多的神經元和神經連接開始消失，而剩下的那些神經元之間的連接變得更強，這就像園丁修剪掉多餘的葉子，讓剩下的葉子可以吸收更多的養分一樣。同時，神經元的軸突上開始出現由膠質細胞構成的髓鞘，髓鞘可以讓神經信號更快地傳遞，因此神經網路的信息處理能力也明顯提高，學習效率更高。這時候孩子們就能夠集中注意力，學習變得更有目的性，而不是像之前那樣很容易被周圍的事物分散注意力，根據周圍發生的事情進行隨機的學習。
STEAM學習項目的主題一般由學習者提出，但在一開始不熟悉這種學習方式的時候，特別是針對低年級孩子，可以參考一些設計得比較成熟的項目，比如下面這個項目在歐美K-12階段的STEAM課堂上較為流行，在設定了基本學習目標的前提下，鼓勵學習者自己來設計機械臂，而不指定用某個方法來製作，這是和常規的手工項目最大的不同。要自己設計一個能夠達到要求的機械臂，學習者需要去查找資料，參考前人的設計，進行改良之後自己畫出圖紙，當然也可以完全原創。這樣的學習項目讓學習者有很大的施展空間。
機械臂力大無窮，能夠把整輛汽車抬起來，它們是怎麼做到的？機械臂借助液壓系統，通過改變壓強增大作用力。在這個項目中，學生利用塑膠注射器和水管設計、製作機械臂來完成搬運任務。通過學習液壓和氣壓系統的特點，設計製作能夠移動物體的機械臂，並根據不同條件的要求改進自己的設計。
● 通過了解工程設計的基本步驟，培養設計思維、動手能力和解決問題的能力。
● 能夠將學到的知識運用在全新的環境里，培養創造力。
50cc或者60cc的塑膠針筒，能夠連接針筒的細塑膠管、木屑、螺栓、螺釘、螺母、墊圈、膠帶、20cm×20cm的木板、鋸子、空易拉罐。
製作一個20cm×45cm的測試區，用膠帶在測試區上做標記。在測試區中央豎起一塊20cm×20cm的紙板，將測試區隔成兩部分，每部分20cm×22cm。在每部分測試區中央畫一個圈，圈與隔板距離4cm，與區域邊緣距離6cm。
1. 學習關於液壓的知識，用塑膠管把兩個塑膠針筒連接起來，通過擠壓針筒里的空氣，了解液壓和氣壓的特性。
2. 設計液壓機械臂，可以把一個空的易拉罐從測試區圓圈內舉起，越過隔板，放到另一面的測試區圓圈里。學生通過學習教師提供的各種關於機械臂的案例，分析問題，並根據所提供的物料，通過小組討論，進行頭腦風暴，畫出設計草圖。
3. 小組討論時必須列出不同設計的優缺點，後在小組內達成一致，然後修改設計圖紙。圖紙中要詳細畫出所需要的全部零件。
4. 製作機械臂原型，並在製作過程中將遇到的問題、對原先的圖紙做出的修改、失敗的教訓和成功的經驗都詳細記錄下來，作為項目評估的依據。
5. 對製作出來的機械臂原型進行測試，盡量讓系統出故障，並找出導致故障的原因，思考怎樣通過優化設計來避免這些故障。
6. 針對測試結果進行重新設計，並重新製作機械臂。
7. 再次進行測試，直到系統不出現故障為止，並用視頻等方式記錄下測試結果。
>顛覆式學習（中）
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