科学研究与实践的结合有助于我们发现研究的问题，并产生可用的知识（usable knowledge）。以医学为例，临床医务工作者，如外科医生和护士等，与教学医院及其他实践部门的生物学研究者合作，将研究工作与临床疾病与健康问题结合起来，在当代医学领域的研究和实践中，如干预和治疗方面取得了重大进展。研究与实践的结合在许多领域都已经常规化了(Hinton &Fischer, 2008)。在气象学领域，科学与实践相结合，分析气候，预测天气（如美国国家大气研究中心,http://www.ncar.ucar.edu/research/meteorology/)。雅芳和露华浓这类化妆品公司斥数亿资金研究皮肤护理、化妆和保健等问题，他们根据研究证据，并结合实践知识，生产了数以千计的产品。汽车制造业、食品加工业、农业、化学、建筑业等主要现代行业都建立在坚实的研究基础之上，而这些研究都是以实践问题为导向的，比如研究成果如何发挥作用，以及如何适用于不同情境。芝麻街将研究与实践联结起来，提出了新的研究模型，从一开始就不断地检测项目的有效性（Lesser，1974）。
但是教育领域却没有多少实践性的研究。没有研究的支撑，教育在某种程度上来说已经落后了。早在1896年，教育哲学家杜威就提出建立实验学校的构想，为教学研究提供坚实的基础。但是他的远见卓识并没有受到大家的重视。教育中没有常规的基层组织来研究与评估学习和教学的有效性。露华浓和丰田公司都可以花费数亿资金研究如何提高化妆品和汽车的质量，学校怎么就能够简单地采用所谓的“最佳教育实践”而不搜集证据，弄清楚究竟什么样的教育是真正有效的呢？
由于缺乏研究基础，世界上许多政府正在建立像PISA（国际学生评估项目；经合组织，2007a）这样的标准化测试来评估学校的学习。这些评估在确定学与教的有效性方面存在着严重的问题，一部分原因在于它们将教师和学生的意见排除在外，另一部分原因在于它们只评估了狭窄领域的技能。本田汽车公司能用竞赛的成绩来评估汽车的性能，而不管日常驾驶的速度吗？化妆品公司能每年只对大厅里的人进行测试吗？在学校和其他学习环境中，教育必须对学生在学校的真实表现作出评估。而这些评估应由教师、研究者和学生共同设计，用以测试哪些内容得到了有效地学习，哪些内容学生还没有掌握。Daniel和Poole（2009）把这类研究称为 教育生态学（pedagogical ecology）。
一、 心智、脑与教育
20世纪90年代后期，心智、脑与教育运动同时在世界上的许多地方兴起。巴黎、东京、布宜诺斯艾利斯、马萨诸塞州的剑桥市以及世界上的其他许多地方同时开展这类运动。这场运动旨在将生物学、认知科学与教育联结起来，进而加深我们对教与学的理解。经济合作与发展组织的Bruno della Chiesa等人在巴黎发起了“学习科学与脑科学研究”项目，联合科学家与教育者开展教育研究。他们出版了2本关于学习科学与脑科学的书(OECD, 2002, 2007b)：《理解脑：走向新的学习科学》、《理解脑：新的学习科学的诞生》。Hideaki Koizumi及其同事在东京开启了系列性的纵向研究，把生物学和教育联系起来，最终创办了儿童学协会，并开始对日本儿童的发展和学习进行纵向研究(Koizumi, 2004)。阿根廷的Antonio Battro在布宜诺斯艾利斯出版了《半个脑足矣》一书，叙述了只有半个脑但发育大体正常的男孩Nico的案例。同时Battro和他的同事还在学校与医疗机构之间开展合作研究。美国哈佛大学的Kurt Fischer，Howard Gardner等人启动了国际上第一个“心智、脑与教育”研究生培养专业，将生物学尤其是认知神经科学纳入教育。这个专业项目是在哈佛大学“心智—脑—行为”项目的基础上设立的，但是研究侧重于学校的教与学活动(Blake &Gardner, 2007Fischer, 2004, 2007)。与之同时，美国的Kenneth Kosik, Anne Rosenfeld和Kelly Williams主办了学习与脑的全国性会议，该会议旨在帮助教师了解神经科学和遗传学中与教育有关的知识(http://www.edupr.com/)。仿佛就在瞬间，将生物学与教育结合起来的活动如雨后春笋般在世界的许多地方涌现出来！
来自世界各地的研究团队表现出浓厚的合作兴趣。2004年“国际心智、脑与教育学会”（International Mind, Brain, and Education，IMBES）成立，2007年学会的官方学术期刊《心智、脑与教育》（Mind, Brain, and Education）创刊。在历史上拥有40多位诺贝尔奖获得者的罗马梵蒂冈科学院也积极推动这一新兴领域的发展。2003年，梵蒂冈科学院在其诞辰400周年的庆典活动中，邀请哈佛大学主持“心智、脑与教育”专业项目的负责人Kurt Fischer教授、阿根廷的Antonio Battro等国际学者，召开了有关心智、脑与教育的研讨会。此次会议还出版了一本专辑《受教育的脑：神经教育学的诞生》。国际大型研究项目、面向脑科学研究者和教育者的会议、专业书籍以及各种各样的新兴活动，使得这个全新的研究领域充满了勃勃生机。目前世界上开设了许多专业培养项目，例如，美国达特茅斯大学(Coch, Michlovitz, Ansari, &Baird, 2009)、南加州大学(Immordino-Yang, 2007)、德克萨斯大学阿灵顿分校(Schwartz &Gerlach, 2011)、英国剑桥大学 (Goswami, 2006)、中国上海华东师范大学（2010）、美国哈佛大学(Hinton &Fischer, 2008)等国际知名大学率先启动了“心智、脑与教育”专业培养项目，这些专业培养项目的培训者、研究者和教育者将生物学和教育学联系起来。此外，法国的巴黎和日本的东京也正在酝酿进一步的行动计划。
把实践、研究和政策联系起来的努力已经成为有关脑科学、遗传学和教育学学术期刊的热点问题。但是，必须指出的是，由于脑科学的应用可以增加产品的销售量，一些以营利为目的的人打着脑科学的旗号，向学校教育者和家长推销所谓的“基于脑”的商业产品，这是不负责任的行为(McCabe &Castel, 2008)。这种局面不仅令人感到遗憾，而且还造成了与脑科学和遗传机制有关的神经神话大行其道(Fischer, Immordino-Yang, &Waber, 2007Goswami, 2006Hinton, Miyamoto, &dellaChiesa, 2008Katzir &Paré-Blagoev, 2006)。目前，大多数有关脑和身体的知识往往是错误的(OECD, 2007b)，市场上已经出版的有关“基于脑的教育”的许多书籍都建立在不正确的神经神话的基础之上。一些所谓的“基于脑的教育”的基础是，学生有脑。他们提供的所谓脑功能的“知识”是不科学的，他们并没有把真正科学的脑功能知识作为基础。例如，人们并不是运用半个脑（左半脑或者右半脑），而是左右脑全用。同样，男孩和女孩的脑之间也不存在巨大的性别差异。基于脑的教育所产生的“神经神话”与生物科学领域有关DNA等的研究以及脑科学的研究进展产生了鲜明的对照(Goldhaber, 2012)。研究揭示，过去所形成的有关遗传如何塑造身体和脑的观点存在着根本性的错误，当前，科学家才刚刚开始破解DNA和RNA塑造人的身体和脑的奥秘。科学家对人类遗传的理解又返回到小学一年级的水平。
由于教育神经科学和心智、脑与教育中存在的这一情况，教育神经科学的培训必须让接受培训的人形成批判性思维，能够质疑基于脑的教育主张是否具有科学性。教育者和研究者首先要问的问题是：“证据说明了什么？”总之，研究者和教育者必须合作，把生物学和认知科学的知识运用到教育中，为教育奠定科学的基础。研究者和教育者之间建立起这种合作，才能够充分地运用神经影像技术与工具来分析学习，从而打开学习的黑匣子，阐明教与学是如何发挥作用的(Hinton &Fischer, 2008Rodriguez, 2012)。
二、 认知模型与改善教育的可能性
在语言与交往的过程中，人们常常运用模型来理解和分析周围所发生的一切。这些模型便构成了我们思维和感知模式的基础。几十年来，人类学家和认知科学家已经就我们如何运用这些模型的问题进行了分析(Benedict, 1934Levi-Strauss, 1966)。最近，认知科学的研究说明了这些模型如何影响人类的思维，如何形成脑与学习的神经神话。其中最直接的分析来自Lakoff和Johnson（1980）的一个框架，该框架说明人们是如何使用无意识范畴的模型来理解我们自己和他人的，其中包括20世纪形成的所有脑模型（Vidal，2007）。
（一） 脑格和知识传递
目前，人类的心智模型把脑看作学习和意识的核心，Vidal称之为脑格的塑造。脑是自我和人格的核心。从最极端的角度来讲，人等同于自己的脑，就像小说里所描述的，人就像是桶里装的脑，一个人最核心的部分似乎就是他/她的脑。根据这个观点，人的身体、人际关系甚至人类文化都只是脑格这个核心的背景。我们所有人都被囊括在这个模型中，就好像是说，学习仅仅发生在脑中，而忽视了身体对学习的影响以及个人所处环境对他/她是谁以及做什么的影响。在这个模型里，学习包括在脑中存储知识的过程，知识存储在脑中，等候我们去使用，脑就好像是一个类似于图书馆或者计算机存储器的存储空间。一幅漫画或许能够更清晰地解释这个模型：我在早晨醒来时去下载今天要用到的所有信息，然后根据我的工作要求去加工这一信息。难道我们每个人仅仅只是一台完成工作的信息处理器吗？
我们再思考一下学校中所发生的教与学活动。这种神话或者模型与人类文化中普遍流行的模型相结合，即知识是信息的传递(Lakoff &Johnson, 1980Reddy, 1979)。人们的学习就是获得某个对象，如一个想法、一个概念、一种思维或是一个事实，然后拥有这个对象，并对它进行控制。如果要把这个对象教给另外一个人，则通过简单地传递即可，就好像通过一根导管来传递一样：他们以这种方式把信息灌输给某人，然后这个人就拥有了这些信息。人们也可以将知识置于其他地方，例如，书本、网站或者他人。
人们常常会运用灌输这个比喻来谈论学与教的活动，因为在这些常见的例子中，人们常常无意识地运用这个比喻，有时则是为了幽默。“Jon和Howard互相讲故事。”“Laura把这个想法告诉了Herman，但是他弄混了。”“Laura在网上发现了一种解释。”“Bennett窃取了Megan的假设。” “我告诉你答案了，你为什么还不明白？你是笨蛋吗？”人们可以 *** 纵概念、观点以及想法，也可以在心智中运作。“Herkimer无法摆脱这种想法，他沉迷于其中。” “你心里在想什么？”
根据这种知识传递的模型，教师通过与学生分享知识对象来教学，然后学生就拥有了这些对象。至少学生应该拥有这些知识对象。如果学生不能熟练地运用这些工具，人们就认为他很愚笨或是懒惰。有时人们也将这归罪于教师，因为教师没有有效地传递信息。从广义上说，人们把知识看成是学生必须接受和运用的信息。当然，许多老师和学生也意识到教与学并不是按照这个模型进行的，然而灌输的比喻充斥在人类的语言和文化中，很难摆脱。
（二） 知识通过活动来建构
学习真是这么简单吗？如果这样的话，要掌握某项技能或主题只需要学习一些事实，例如，在明尼苏达州的哪个地方可以找到一片好的土地，种植某种庄稼的时间，种子要埋多深，需要雨水还是灌溉，诸如此类的事情。能把这些事实集中起来的农民就能学会如何在明尼苏达州种庄稼吗？但是学习并不是这样的！把地种好远比知道一些事实复杂得多。农民首先要运用知识把几个月内的一系列活动协调整合起来：计划、播种、生长和收获，同时还要继续学习如何改善生长条件，防止害虫等等更多内容。
认知科学的研究有力地说明，知识是基于活动的(Piaget, 1952)。为了能够在我们所生存的世界做得更好，就必须根据这个世界的要求来塑造我们的行为。脑科学告诉我们，要学会在明尼苏达州种庄稼，必须实实在在地改变我们脑（和身体）的生理结构和机能：改变神经元、突触，改变脑的激活模式，所有这些都有助于在明尼苏达州的耕作工作(Hubel &Wiesel, 1970Singer, 1995)。仅仅接触信息和事件，而不去作用于这些对象，则不能塑造我们的脑和身体，也无法为耕种或者环境中的其他任何活动做好准备。
学校学习也同样从活动开始。如果学习简单到只是获得一些知识，那么学生们就不需要接受那么多年的教育，就可以成为21世纪的劳动者。熟练阅读的能力需要多年的学习，与之类似，解释战争的起因，写一则花香的故事或分析从一座塔上抛下一个小球的落地运动也是如此。知识的代际传递需要每一代人来重新建立，它并不是简单地给予或者传递(Vygotsky, 1978)。在这个知识和技术发展日新月异的历史时期，仅仅记住事实远远不够！
令人高兴的是，认知科学研究者和脑科学研究者已经进行了一个多世纪的研究，分析人类如何创造和使用知识。学生要有效地学习，就必须通过自身积极的活动来塑造他们的脑(Baldwin, 1894Bartlett, 1932Piaget, 1952Singer,1995)。如果是学习片段性知识，灌输比喻可以描述学习发生的特征，但如果是要运用知识而不仅仅是复述信息片段，那么，认知科学研究者和神经科学研究者都证明，需要用积极的建构模型来取代灌输比喻。人类通过运用知识实现目标而创造出知识。皮亚杰（1952）关于学习的基本模型是用心智把握概念，并在心理和物理上 *** 纵这些概念。他非常喜欢的一个例子就是数学，数学里的基本运算包括运用加减乘除运算，对物体进行组合与分类，以产生数字。我们人类把隐喻作为模型来解释我们的思维和活动，由此创造了思维的工具。
三、架起创建学习通路的桥梁
一个有力地证明模型和隐喻在儿童发展中具有强大作用的例子是，儿童直观地建立起数轴模型的方法。Case and Griffin (1990,Griffin &Case, 1997)首先说明了这一点。他们通过教儿童运用数轴来帮助儿童理解数字，这是一种非常有效的教育干预措施，数轴模型为算术奠定了基础。明确地教儿童运用数轴，可以促进儿童将数量有效地类推到一系列数字任务中并产生有效的迁移。这一干预非常有效，它解释了数量问题中50%的变化。
图0.1 数轴的概念结构
在Case 和 Griffin工作的基础上， Susan Carey和她同事的研究揭示了儿童每次使用一个数字建立起心理数轴的过程(Carey,2009Dehaene, 1997LeCorre et al., 2006)。他们首先用1表示一个真实的数字，然后用更大的数字（2、3、4）表示“多”。儿童要学好几个月才开始用2表示真实的数。接着用3和4表示“多”。然后，他们把数字3放到数轴上作为一个真实的数。在儿童学到3或者4时，他们概括出规则，建立起心理数轴模型，在数轴的一端加一个数字便向前移动1的位置。这个例子很好地说明了儿童是如何运用活动来建立思维模型的。儿童在加工过程中，实实在在地构建出数轴的心理模型。
四、 为教育创建研究的基础
教育研究应该是日常教育活动的一部分，一个用来指导教育政策和实践的常规组成部分。心智、脑与教育运动的目标是通过将人类发展、生物学、认知科学与教育联系起来，为教育研究奠定坚实的基础，科学地提高学习与教学的质量。我们有很好的工具来创建这个基础，但是基层组织和传统积淀都很薄弱。John Dewey (1896)很久以前就呼吁进行教育研究和发展，来阐明学习和教学的基础，但是到目前为止，只有芝麻街 (Lesser, 1974)和几个研究团队响应了这个号召。
其他的许多行业都广泛地开展了实践研究来巩固他们的实践，例如，农业、化学、气象学、甚至化妆品行业。改善教育研究的基础需要创建一个更为稳固的基层组织用于教育研究。这种研究必须是坚实的、有用的、有科学证据支持的，它还必须与教学以及教育环境中的学习联系起来，这些教育环境包括学校、运动场、电视、互联网……我们提出以下三个建议来创建一个有用的、有意义的教育研究基础。
（一） 创设研究型学校
这些建议的背后是一个简单的事实：我们必须创建一个机构来支持教师和研究者的有益合作，促进研究的双方提出对学习和教学有用的问题。幸运的是，我们有一个模型可供借鉴：教学医院。在这些医院里，研究者和实践者一起参与设计、修改有用的程序和治疗方案，产生有实效的联结研究和实践的方法,培养医学研究者和实践者。同样，在农业中，研究者和农民共同努力,通过现场测试来改进农业产品和设备，并尝试不同的种植方法。但是，教育缺乏这种基层组织来创建科学的学习和教学的基础，尽管教育中已经做了如下探索：教师有目的地设计干预工具来促进学生的学习和教学。但目前我们应该做的是直接测试这些干预措施的效果，看看哪些是有效的,哪些是无效的。
实验研究首先创设一种条件或干预，然后评估其结果。在医学中，干预可以是一项治疗措施，如药物、手术、疫苗接种，或治疗方案,然后对功能或健康进行测试。在学校，教师努力教学(一个干预),接着要么通过直接测试，要么通过观察学生随后的活动来评估学生的理解或技能水平。
尽管这是大家共同的美好愿望，但是医学和教育在评估联结研究和实践的方式上存在很大差异。在世界各地,每个高质量医学院至少与一所教学医院建立密切的关系，这是研究和实践相结合地方。然而在教育领域，全世界几乎没有研究型学校，即专门从事学与教的研究学校，其目的是为教育实践提供科学基础。
教育需要一个像教学医院一样的机构，也就是我们所说的研究型学校，通过研究型学校来建立教育实践者和研究者之间的对话，并确立针对教育实践的研究问题和方法(Hinton and Fischer, 2008)。研究型学校应该是真实的学校(包括公立学校和私立学校),它们应该与大学（通常与教育学院）结盟。在研究型学校，教师和研究者应该协作创建联系实践的研究并培养未来的研究者和实践者。就像教学医院，研究型学校必须关注实际问题，关注教育机构中（包括中小学、幼儿园和高等教育机构）哪些做法是可行的，哪些是不可行的。
《心智、脑与教育》杂志已经发表了教育者的很多文章，他们强调在学校做研究时要注意的实际问题 ( 例如, Coch, Michlovitz, Ansari, &Baird, 2009della Chiesa, Christoph, &Hinton, 2009Kuriloff, Richert, Stoudt, &Ravitch, 2009Kuriloff, Andrus, &Ravitch, 2011)。研究型学校建立在杜威(1896)的观点之上，他在一个世纪以前就建议教育工作者创办实验学校,当时他是打算作为教育研究中心来运行的。杜威(1900) 在芝加哥大学建立了实验学校，其目的是为了检验基于认知科学和心理学的教育实践，以测试它们在现场实践中是如何运行的。
不幸的是，现在几乎没有真正的实验学校了。今天，大多数被称为“实验学校”的学校不做研究，而是服务于大学教员的孩子。因此，杜威界定的问题依然存在：尽管芝麻街的极好例子证明了教育研究相当有效，但是全世界都忽视了科学的教育研究。现在是建立真正的研究型学校，为教育政策和实践提供研究基础的时候了。
（二） 建立学习和发展数据库
为教育研究奠定基础的另一种关键方式是建立关于学习和发展的大型数据库。有一个很好的例子可以说明这种数据库的重要作用。“死亡率分析报告系统“（Fatality Analysis Reporting System）是美国交通事故和安全数据库(Hemenway, 2001)。这个数据库创建于1966年，收集交通事故的系统数据，尤其是死亡率。该系统为高速公路工程、汽车设计等方面的分析提供了有效数据。从某种程度来说，这个数据库的建立，使得过去50年的交通事故、伤亡率大幅下降。
在美国教育方面,公共服务机构和联邦政府已经开始建立数据库,包括美国国家教育进展评估(http://nces.ed.gov/NationsReportCard/)，国际儿童语料库，主要集中在语言发展上(MacWhinney,1996), 美国儿童健康与人类发展研究所的儿童保健项目(NICHD Early Child Care Research Network,1994，2006) ，这些数据库都是根据《不让一个孩子掉队法案》建立的。但是，这些数据库并不关注课堂中的学习和教学方法，也不关注其他学习环境。理想的数据库应当是现实环境下的学习和教学数据库，类似芝麻街为儿童电视学习所做的先驱性工作。仅录入标准化测试还不够，因为这并不代表学校的正常学习。我们需要关注学校中的真实学习，包括对课堂实践的评估。我们需要超越意识形态和一般性评价或观点，实现真正的循证实践和政策。
（三） 培养教育工程师
此外,我们需要培养一种新型的教育者,专门负责创建实践和研究之间的有用联结。他们将会在短期内把教育变成一项基于研究的事业，这正是哈佛大学心智、脑与教育专业课程和国际心智、脑与教育学会的中心目标。这些教育工作者可以把神经科学、认知科学和课堂学习结合起来，创建教育活动,以提高多元化教育背景中的学习,包括学习软件或儿童电视的设计。在经典科学中，这种转化联结的作用非常重要,如化学、生物学和物理学的研究成果, 同样在处理实际问题时也很有效，这些知识可以用于建设桥梁,生产新型的肥皂,或阻止水道中物种的入侵。在物理专业中，这种专业人士称为工程师。政府和商业部门都需要工程师来将科学知识转化为实践。
这样的专家将对教育具有重要的作用，我们可以把他们称为神经教育学家或教育工程师(Gardner, 2008)。研究型学校可以为这种专家提供培训。在当前许多机构中，已经有专业人士在实践和研究之间建立联系。芝麻街使用实际的评估，包括形成性的评估,以决定其教育计划(Lesser, 1974)。许多非营利组织和公司在教育中专门雇佣具有这种实践技能的人。例如,美国特殊技术应用中心(www.cast.org)运用教育软件来促进学习朝着多种轨迹发展(Rose &Meyer, 2002)。
教育神经科学具有巨大的潜力,但我们不能仅仅停留于希望和潜力，而应该去创建机构，以创造连接实践与研究的有用知识。我们必须培养能够在新的世界中做研究的学生，这个新世界把心智和脑科学的研究直接与教育政策和实践联结起来，为教育奠定科学的基础。
在各国政府与国际组织的积极支持下，心智、脑与教育的整合研究以及新兴学科教育神经科学在全球范围内得到了蓬勃的发展，迄今为止，已有40多个专业研究机构、专业学术组织以及专业人才培养机构诞生（周加仙，2013）。心智、脑与教育的跨学科整合研究对于中国实现从人才大国迈向人才强国的国策具有重要的借鉴与参考意义。鉴于此，我们根据中国教育神经科学的发展以及教育政策与实践的需要，精心选择了这个领域中最权威、最重要的书籍，推荐给读者。入选本套丛书的书籍，有的是重要国际组织的前沿研讨成果，有的是国际教育神经科学的研究专家根据自己长期的科研成果撰写而成，有的系统而全面地勾勒了该领域的研究成果，这些书籍在不同的领域都具有重要的开拓意义。我们相信，这套丛书将对中国心智、脑与教育的整合研究以及新兴学科教育神经科学的发展发挥重要的推动作用。这套译丛的主编周加仙老师接受了教育神经科学的系统培训，具有教育学、认知神经科学与心理学的跨学科知识。她发表了60多篇论文，并撰写、翻译与合作出版了20多本有关教育神经科学的著作，主编四套丛书。这种知识背景非常适合本套丛书的翻译工作。我们期待这套丛书能够让中国致力于教育神经科学的研究者、教育政策制定者、教育实践者更好地把握国际教育神经科学的发展趋势与热点问题，为中国教育神经科学的发展作出积极的贡献。
在本套丛书出版之际，我们由衷地感谢中国国家教育部社会科学司、中国国家教育部留学基金委员会、中国博士后科学基金会、上海市教育委员会、上海市人力资源和社会保障局、北京市教育委员会对新兴学科的大力支持。感谢韦钰院士、沈晓明副市长、董奇校长、俞立中校长、任友群副校长、唐孝威院士、陈霖院士、钟启泉教授、李其维教授、周永迪教授、桑标教授、杜祖贻教授、黄红教授、金星明教授对中国教育神经科学的发展所作出的努力。感谢国际教育神经科学领域的专家为我们推荐了这些优秀书籍，他们是法国科学院、美国科学院、美国工程与艺术学院、梵蒂冈科学院院士Stanislas Dehaene 教授，美国哈佛大学Kurt Fischer教授，阿根廷教育科学院、梵蒂冈科学院院士Antonia Battro教授，日本工程院院士、中国工程院外籍院士小泉英明教授。 衷心感谢华东师范大学出版社教育心理分社的彭呈军社长对本套译丛的大力支持，感谢孙娟编辑对每一本译著的认真审读。感谢各位参与翻译工作的教师与研究生，他们认真负责，反复推敲每一个词句，尽自己最大的努力，力图再现原作者的思想精华。我们期待着中国有更多的研究者、实践者投身于教育神经科学领域，为实现人才强国的中国梦而共同努力。
一、背景20世纪80年代以来，交通运输部门采用现代技术改善工作效率和质量。同时，环境保护、经济可持续发展等影响人类生活质量和生存空间等重大问题日趋严重，而由交通所引起的环境污染、交通堵塞等问题也被人们逐渐认识，跨学科多层次的合作研究成为解决交通运输及其相关问题的基本途径。
随着社会的进步，社会经济水平不断提高，人民生活也越来越富裕，由道路、水运、铁路、航空和管道构成交通系统也越来越复杂。在交通的规划、设计和管理中遇到许多前所未有的难题。而交通地理信息系统（Geographic Information System for Transportation，GIS-T）的出现给新时期的交通提供了崭新的技术平台和手段。
GIS-T是以现代计算机科学、地理学、信息科学、管理科学和测绘科学为基础，并与传统的交通信息分析和处理技术紧密结合，采用数据库、计算机图形学、多媒体等最新技术，对交通地理信息进行数据处理，能够实时准确地采集、修改和更新地理空间数据和属性信息，为决策者提供可视化的支持。GIS-T为新时期的交通行业发展提供了新的思维模式。
国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006━2020年）》中指出，交通运输业发展思路之一是“以提供顺畅、便捷的人性化交通运输服务为核心，加强统筹规划，发展交通系统信息化和智能化技术，安全高速的交通运输技术，提高运网能力和运输效率，实现交通信息共享和各种交通方式的有效衔接，提升交通运营管理的技术水平，发展综合交通运输”。而智能化和信息化的基础之一就是GIS-T。
交通部颁布的《公路水路交通中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）》中给出公路水路交通科技发展目标之一“到2010年，数字交通技术实用化程度和行业管理信息化水平明显提升，集装箱多式联运和一体化运输技术明显突破，交通决策技术明显提高。到2020年，智能化数字交通管理技术、一体化运输技术、决策支持技术整体达到国际先进水平，交通运输管理技术能够适应交通现代化的要求，全面实现决策的数字化与科学化”。
国务院颁布的《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》指出，要“推进工业结构优化升级”，并“坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，提高经济社会信息化水平”。而GIS-T的研究、开发和应用正是促进交通行业信息化的必要手段和途径，进而改善交通行业的发展模式，保证交通行业的科学发展和可持续发展。
二、国外发展状况
美国是较早利用计算机技术建立交通运输和规划数据库的国家之一。在20世纪80年代中期，美国联邦公路署开始公路综合数据库的开发研制，并在1988年建立了实用的GIS-T。该系统包含45，000条道路，总长595，456公里覆盖全美国的公路网，并且有与每条公路关联的属性信息，如公路等级、归属、编号、长度、路幅形式、中央分隔带、交叉口类型、车道数、路面类型、桥梁、州交通量、州界等。1995年第20届PLARC会议上，美国联邦公路署向与会的各国代表提供了一张综合公路数据库V2.0光盘，该数据库是适合于交通运输网络规划、分析建模的综合数据库，是当时世界上最大的公路数据库之一。
在美国公路署的倡导下，各州运输局相继展开一系列的GIS-T的研究，包括适合于GIS-T的交通运输建模问题、GIS-T的数据存储方式、数据格式转换、GIS-T应用范围、软件平台选择、GIS-T项目可行性研究等。其中Wisconsin 运输局是GIS-T的开发与数据集成的先驱，开发的基于地理信息系统的路面管理系统已投入运营之中，同时还开发了桥梁管理和维护地理信息系统、交通标志和道路设施管理系统、基于地理信息系统的交通事故分析等系统。为减少数据建库费用，实现资源共享，各州运输局与测绘部门紧密合作，采取分工负责数据采集，同时将GPS技术引入数据采集中并建立了进行空间信息采集和集成的参考框架和标准。美国运输组织成立了GIS-T工作组，从事GIS-T与ITS的数据模型、线性参考系设计、数据质量控制、线性参考系中的误差传播等研究。
随着GIS-T的广泛研究和展开，美国从1992年以来先后召开多次学术研讨会并出版了相应的论文集。美国开展GIS-T研究的特点是紧密结合交通运输发展的实际，解决在交通运输中急需解决的关键技术和策略问题。
德国是较早将GIS-T用于公路选线实际工作中的国家之一。在兴建勃兰登堡的Oranienburg市的绕城公路时，通过GIS-T技术进行了该项目的环境协调性研究及路线方案的规划。日本东京煤气公司研制了基于GIS-T的车载导航系统，该系统由CD-ROM数据库和实时通信系统组成，用于事故抢修、车辆调度和野外作业指挥。加拿大的艾伯塔省建立了全省的公路维护系统，实现了GIS-T对道路养护的决策支持。美国印第安纳州交通局采用GIS-T管理全州的公路、上千座桥梁以及铁路、航道、民航机场等交通信息。
在发达国家，GIS-T几乎已渗透于交通的各个领域。在交通规划中应用于：交通需求分析与预测、路网方案评估、项目选择及优化、交通工程设施规划、危险品运输路径规划、紧急情况下的疏散规划、公交线路规划、公共汽车站站址选择等；在道路设计中应用于：道路走廊选择、路权取得、道路线形仿真等；在交通管理与服务中的应用有：日程养护管理、路面管理系统、桥梁管理系统、辅助决策系统、交通控制、交通事故分析、交通动态模拟、汽车运输调度、交通灾害防治、超限卡车路径选择、车辆导航系统等；在港口应用于：港口基础设施管理、船舶自动识别技术、装卸管理等；在航道中应用于：航道疏浚、航标管理等。这些应用的技术手段是以GIS-T为中心，集成全球定位系统、遥感、网络和多媒体等技术。
三、国内发展与现状分析
我国是一个发展中国家，经济上还处于发展阶段。我国的现状使交通规划与管理就显得十分重要。为从根本上解决交通问题，吸取西方发达国家在交通管理规划方面的经验教训，增强规划决策和管理的科学性、合理性，逐步展开GIS-T技术在交通规划与管理中的推广和应用，进行GIS-T的理论和应用研究，具有重要的理论意义和现实价值。
从20世纪80年代起，我国公路管理部门采用各种数据库系统建立了一些公路路况数据库，交通部组织组织了一系列旨在提高公路规划和管理水平的应用系统开发研制，包括路面管理系统CPMS、桥梁管理系统CBMS，这些系统具有查询简单快速的特点，但只有公路属性数据，并未建立各级道路的空间数据库，无法满足空间分析的需要，难以胜任对公路信息的全方位动态管理和进行公路规划、建设和养护的分析和决策支持。为从总体上改善我国公路信息的管理水平，缩短与发达国家之间的差距，交通部决定建立我国自己的公路数据库系统，并于1991年将省市两级的公路数据库建设任务下达，开发完成了地市级公路数据库Trans-GIS的研制开发。1995年交通部科技司申报国家重点科技项目“GIS在公路信息系统中的应用研究与开发”中，着手研究将GIS-T技术用于公路建设和管理，建成基于公路交通地理信息系统。1998年中国城市规划研究院承担的863项目“GIS支持下的城市交通需求分析系统软件开发”，将城市地理信息系统和交通需求模型结合为一体进行研究开发，在交通需求分析中引入地理信息系统空间数据分析模型和空间技术分析，从交通数据采集、管理、交通分析过程以及结果的表现等方面对交通需求分析进行支持。GIS-T的研究在中国蓬勃发展起来。
GIS-T蓬勃发展的主要原因分析如下：一是信息技术的发展，使得相关信息技术的性能价格比急剧提高，开发相关系统的经费门槛大幅度降低，系统开发费用从几百万降低到几十万人民币。二是目前在软件开发领域，组件技术以前所未有的方式提高了软件的生产效率，近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。为了适应组件式软件技术潮流，地理信息系统软件像其他软件一样，由过去厂家提供全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组件由用户自己再开发的方向上来，从而使开发相关系统的技术门槛大幅度降低。三是我国公路大建设，以及因特网和电子商务引发的对物流的关注，形成了对以GIS-T为核心的3S（卫星定位系统GPS、地理信息系统GIS和遥感系统RS）技术研究和应用的强大的需求。
在此条件下，GIS-T呈现如下特点：
（1）交通系统应用3S技术，体现出集成和综合的特点，交通部提出了“数字交通”的概念，加强以GIS-T为核心的信息技术在交通领域的综合研发和应用。
（2）以省、部级有关单位为示范，以地市级单位为推广，以大型的运输企业为综合应用，广泛推广实施GIS-T技术的应用，提高了交通行业发展的技术含量。
（3）不仅在基础设施管理单位开发相关系统，而且逐渐向物流和电子商务等交通服务领域转移，建立以GIS-T为平台的物流核心关键技术。
（4）随着我国智能运输系统应用逐步开展，一些成功的智能运输系统把GIS-T作为系统的信息平台，通过地理信息系统整合各种其他交通信息。
根据目前GIS-T在交通行业的很多领域都有比较好的应用和发展前景。
在宏观决策和规划中的应用。我国交通在今后相当长时期内将处于快速发展时期，交通管理和建设的投资规模大、项目多、战线长，是一个规模巨大、耦合度高、透明度低、动态而且开放的系统，需求预测、发展战略、政策策略、资金投入等方面将面临着大量的复杂决策问题，如建设项目的宏观决策、建设和养护项目的选择与优化排序、建设管理与工程的控制等。而目前这些决策，如规划（计划）、投资项目优化、公路建设和管理的宏观决策和管理工作仍多处于手工 *** 作阶段，计算机仅仅用作文字和表格处理的工具。大量建设信息仍以纸张为存放介质且较为零散，查询效率低，信息处理重复工作量大、耗时多，更无法实时、全面地为领导或上级部门提供综合信息报告。利用地理信息系统等信息技术，可以提供直观、明了的集点、线、面信息为一体的多媒体方式的各种公路专题图，实现交通决策和管理的科学化，提高决策的效率和质量。
在公路建设中的应用。在公路建设中，可以充分利用交通地理信息技术为公路勘测和设计服务。在道路选线过程中，利用GPS和RS和其他测量手段，获得外业的勘测数据，然后通过测量数据产生数字地面模型，作为内业数据处理的基础，以选择公路走向。在构建数字地面模型中，一般采用地形图数字化或扫描矢量化，随着数字地球概念和技术的广泛应用，现在则以卫星图像和航空照片为基础，通过地理信息系统软件可以快速精确地生成数字地面模型。在此基础上，输入有关的技术，环境及社会等数据，并且考虑各种限制条件，如曲率半径、最大纵坡、多层地质构造及边坡、已有线形物（公路，河流，铁路等）、特别区域（沼泽地，城镇，环境保护区等）等，优化道路的选择。利用卫星图像技术或航空摄影测量技术，可以准确获得地形高程及图像，大大减少繁琐、艰巨的实地测量等前期工作。地理信息系统软件等技术在计算机上的运算和虚拟，可以节省期资金及设计时间。通过确定路线最佳方案，可以大幅度减少并平衡工程的土石方量。通过在路线优化过程中处理、保存大量的数据，并计算各条优化路线的分项建设费用，为项目提供财务分析及运营费用控制。
在公路养护中的应用。路网的养护和建设业务范围比较大，养护管理业务非常复杂和繁多，但从业务流程上讲，有养护决策所需要信息的采集、养护方案决策、养护项目进度管理、竣工管理等环节。养护的不同职责也分散在不同的业务部门。我们可以通过GIS-T技术，进行整体的决策和调度，在路网级根据交通量、交通类型、路面状态等决定养护的规模和次序，根据交通分配决定养护的时间以避免交通堵塞等，并且直接进行养护项目的管理，合理配备养护的人力和物力，有效安排养护资金，跟踪、评价养护项目的完成情况，实现公路养护项目计划管理、进度管理、成本管理、质量管理的计算机化。
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