創(chuàng)新能力發(fā)展的腦機(jī)制及其對(duì)STEM教育的啟示

楊元魁

創(chuàng)新能力是一個(gè)國(guó)家的核心競(jìng)爭(zhēng)力，是國(guó)家軟實(shí)力的核心體現(xiàn)。世界各國(guó)都把創(chuàng)新人才的培養(yǎng)問題提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，并出臺(tái)一系列鼓勵(lì)性政策和措施，以期在日新月異的全球競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。當(dāng)前，如何高效地培養(yǎng)創(chuàng)新人才尤其是科技創(chuàng)新人才，已經(jīng)成為了我國(guó)教育改革的重要內(nèi)容和方向。然而，對(duì)教育政策進(jìn)行重大調(diào)整和變革必須基于實(shí)證研究，在教育領(lǐng)域培養(yǎng)創(chuàng)新人才應(yīng)當(dāng)建立在對(duì)創(chuàng)新能力的科學(xué)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上。

近年來，我國(guó)對(duì)于腦科學(xué)發(fā)展的重視程度越來越高。在2018年的兩院院士大會(huì)上，習(xí)近平總書記提出了“全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍的時(shí)期”的重要論斷，并且指出“以合成生物學(xué)、基因編輯、腦科學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等為代表的生命科學(xué)領(lǐng)域孕育新的變革”。當(dāng)前，我國(guó)的腦科學(xué)計(jì)劃正在醞釀且臨近發(fā)布，其中很大一部分研究?jī)?nèi)容與人腦的發(fā)育和學(xué)習(xí)有關(guān)。本文將根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)創(chuàng)新的研究成果，重點(diǎn)介紹創(chuàng)新能力發(fā)展的腦認(rèn)知機(jī)制及其對(duì)STEM教育的啟示。

創(chuàng)新的定義和類型

創(chuàng)新有不同的定義，目前研究者們傾向于認(rèn)為創(chuàng)新是一個(gè)多層次、多角度的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，它包括創(chuàng)造、發(fā)明、革新、制造、導(dǎo)致、促使產(chǎn)生過去存在的知識(shí)、物質(zhì)、物品或運(yùn)用，而且這些新的、過去不存在的或是沒有發(fā)現(xiàn)的新知識(shí)和新事物是對(duì)社會(huì)發(fā)展有積極作用的。

關(guān)于創(chuàng)新的類型，一般可分為迷你創(chuàng)新（ Mini-C）、日常創(chuàng)新（Little-C）、專業(yè)創(chuàng)新（Pro-C）和杰出創(chuàng)新（Big-C）4類，其中迷你創(chuàng)新是指?jìng)€(gè)體主觀的、內(nèi)部的解釋，聚焦于對(duì)經(jīng)驗(yàn)、行動(dòng)和事件給出新穎且有個(gè)人意義的解釋;日常創(chuàng)新是指日常生活中提出的新穎、有效的問題解決方法;專業(yè)創(chuàng)新是指超越了日常創(chuàng)新但尚未達(dá)到杰出創(chuàng)新的狀態(tài);杰出創(chuàng)新是指在一個(gè)領(lǐng)域作出重大貢獻(xiàn)或者發(fā)明創(chuàng)造。研究者認(rèn)為，所有個(gè)體的創(chuàng)新能力都是從Mini- C這一層級(jí)開始發(fā)展的，很少有個(gè)體可以達(dá)到Pro- C和Big-C。對(duì)于絕大多數(shù)人來說，隨著層級(jí)的提高，創(chuàng)新活動(dòng)的領(lǐng)域?qū)I(yè)性越來越強(qiáng)，因此個(gè)體在多個(gè)領(lǐng)域富有創(chuàng)新能力的可能性越來越小。

創(chuàng)新能力與智力水平?jīng)]有必然聯(lián)系

人們一直都很關(guān)注創(chuàng)新能力與智力水平之間的關(guān)系，很容易想當(dāng)然地認(rèn)為智商（IQ）分值越高，創(chuàng)新能力越強(qiáng)。關(guān)于這個(gè)問題，早在1921年，Lewis Terman等人就開始對(duì)1910年以后出生在美國(guó)加州的一批兒童（757人），IQ在135～200之間，持續(xù)地進(jìn)行了跟蹤研究。這些人在成年以后的確要比其他人成功，但是屬于Big-C的只有3人。后續(xù)的眾多研究表明，Big-C人群的平均IQ在120左右，更高的IQ對(duì)創(chuàng)新能力沒有任何影響，這說明創(chuàng)新能力和高IQ之間并沒有必然聯(lián)系。

人腦中沒有“創(chuàng)新中樞”

人們?cè)谏钪锌赡軙?huì)經(jīng)常聽到這樣一些有關(guān)腦科學(xué)的“科學(xué)研究成果”，例如：我們只使用了10%的腦，人腦可以分為“左腦型”和“右腦型”， “左腦發(fā)達(dá)”的人數(shù)理邏輯能力比較強(qiáng)，“右腦發(fā)達(dá)”的人空間能力、藝術(shù)能力、想象力或創(chuàng)造性比較強(qiáng)，等等。然而，這些說法都是錯(cuò)誤的，沒有任何科學(xué)依據(jù)。這些有關(guān)腦科學(xué)的錯(cuò)誤理解和觀點(diǎn)往往被統(tǒng)稱為“神經(jīng)神話”。

最新的一系列研究表明，人腦中并不存在特定的腦結(jié)構(gòu)對(duì)創(chuàng)新能力起著決定性作用，個(gè)體創(chuàng)新能力的差異很可能是腦的功能網(wǎng)絡(luò)差異所導(dǎo)致的，也就是說人腦中并沒有所謂的“創(chuàng)新中樞”。

從腦網(wǎng)絡(luò)的角度看，人腦中的組織和結(jié)構(gòu)構(gòu)成了6大不同的功能網(wǎng)絡(luò)，分別是軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（Somatomotor Network）、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（Dorsal Attention Network）、視覺網(wǎng)絡(luò)（Visual Network）、凸顯網(wǎng)絡(luò)（Salience Network）、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（Default Mode Network） 和控制網(wǎng)絡(luò)（Control Network），其中控制網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)又被統(tǒng)稱為“執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（Executive Control Networks）”。腦的6大功能網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

研究表明，與創(chuàng)新相關(guān)的腦功能網(wǎng)絡(luò)主要包括執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和凸顯網(wǎng)絡(luò)，其中默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)創(chuàng)新思維的產(chǎn)生，執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)創(chuàng)新思維的評(píng)估。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)在創(chuàng)新思維的產(chǎn)生過程中共同協(xié)作，并且凸顯網(wǎng)絡(luò)在這其中起著非常重要的雙向調(diào)節(jié)作用。個(gè)體的創(chuàng)新能力取決于這些腦功能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作的能力，善于創(chuàng)新的人的全腦網(wǎng)絡(luò)更加優(yōu)化，連接更為廣泛，腦的整體工作效率比別人更加高效，在解決同樣的問題時(shí)所需要的時(shí)間更短、消耗的能量更小。

默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是創(chuàng)新的腦機(jī)制里很值得關(guān)注的部分。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是一組連接在一起的腦區(qū)（包括腹內(nèi)側(cè)前額皮層、背內(nèi)側(cè)前額皮層、前扣帶中回、楔前葉、后扣帶回皮層、頂下小葉和海馬），這一組腦區(qū)在認(rèn)知工作開始的狀態(tài)下，比如說做數(shù)學(xué)題或者思考事情的時(shí)候，反而比靜息狀態(tài)時(shí)還要更加安靜，所以往往又被稱為“靜默網(wǎng)絡(luò)”。需要強(qiáng)調(diào)的是，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的楔前葉被認(rèn)為與模型（如棋譜、樂譜、科學(xué)教育中的大概念）的記憶和理解有關(guān)。

默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)與心智游移（Mind Wondering）這種很有意思的心理現(xiàn)象有關(guān)，也就是我們常說的走神兒或開小差兒。心智游移現(xiàn)象非常普遍，在清醒的時(shí)候，人腦大約有15%～50%的時(shí)間處于游移狀態(tài)。值得注意的是，這種心智游移或走神兒現(xiàn)象并不完全是壞事。相反，適當(dāng)?shù)男闹怯我茷槿藗兲峁┝艘恍懊阅汜j釀”的時(shí)間，可以讓人們暫時(shí)脫離手頭的問題，并為頓悟的發(fā)生提供一個(gè)簡(jiǎn)短的機(jī)會(huì)，從而為創(chuàng)造性想法的產(chǎn)生提供幫助。研究表明，人出現(xiàn)最有價(jià)值創(chuàng)新的時(shí)候，往往不是在非常專注的情況下，而是在心智游移的過程當(dāng)中產(chǎn)生，正所謂“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”。

此外，很多教師經(jīng)常會(huì)有這種體會(huì)：有的學(xué)生看似在走神兒，但是叫他回答問題的時(shí)候他卻能對(duì)答如流。研究表明，這些人的腦網(wǎng)絡(luò)更為高效，以至于可以同時(shí)應(yīng)對(duì)幾件事情，這可能恰恰是創(chuàng)新能力發(fā)展的重要腦功能基礎(chǔ)。因此，我們應(yīng)當(dāng)更為客觀地看待孩子的走神兒現(xiàn)象。

基于大概念開展STEM教育

兒童生而具有強(qiáng)烈的好奇心和學(xué)習(xí)科學(xué)的巨大潛力。但是，兒童也會(huì)形成一些對(duì)科學(xué)和數(shù)學(xué)概念的錯(cuò)誤理解。認(rèn)知科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，人腦中一旦形成錯(cuò)誤的科學(xué)和數(shù)學(xué)概念，會(huì)對(duì)將來的學(xué)習(xí)造成非常嚴(yán)重的影響。腦科學(xué)研究成果表明，當(dāng)人形成長(zhǎng)期記憶時(shí)，神經(jīng)元連接處的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。因此，學(xué)生已經(jīng)建立的錯(cuò)誤前概念在腦中很難被抹去，只能通過后天不斷地學(xué)習(xí)才能抑制，即使在概念的改變發(fā)生時(shí)，學(xué)生仍然保留了他們?cè)瓉淼那案拍睿皇切碌闹R(shí)抑制了原來的概念，需要他們作出快速反應(yīng)，如考試時(shí)往往依然容易出錯(cuò)。研究表明，基于探究和基于證據(jù)的STEM教育有助于較好地抑制錯(cuò)誤概念（如圖2所示）。

大概念（Big ideas）是指重要科學(xué)領(lǐng)域中有結(jié)構(gòu)、有聯(lián)系的科學(xué)核心概念和模型。有關(guān)創(chuàng)新能力發(fā)展的神經(jīng)教育學(xué)研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：基于大概念理念的科學(xué)教育可以使學(xué)生高效地掌握概念和建立模型，進(jìn)而發(fā)展出優(yōu)秀的決策判斷能力和創(chuàng)新能力。

因此，STEM教育工作者應(yīng)當(dāng)使用良好的策略，圍繞大概念理念設(shè)計(jì)STEM課程，盡早地對(duì)兒童進(jìn)行基于探究和大概念的STEM教育，把STEM學(xué)習(xí)組織為趨向于大概念的、連續(xù)的、有聯(lián)系的學(xué)習(xí)進(jìn)程，在兒童鞏固錯(cuò)誤概念之前幫助他們建立正確的科學(xué)概念，或者通過基于探究和基于證據(jù)的STEM教學(xué)及時(shí)干預(yù)他們錯(cuò)誤的科學(xué)概念。