基于腦科學的思維能力培養(yǎng)

劉楚麒 | 北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室博士研究生

薛 貴 | 北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室教授

教育不僅是知識的傳授，更是思維能力的培養(yǎng)。教育情境中經(jīng)常提及“邏輯思維”“批判思維”“創(chuàng)新思維”，以及“科學思維”“空間思維”“系統(tǒng)思維”“工程思維”等概念，培養(yǎng)這些思維被確立為教育的目標。由于思維的抽象性和復雜性，教育者在思維能力培養(yǎng)上容易陷入誤區(qū)，影響學生思維能力的發(fā)展，從而導致了當前對教育的很多詬病。為了避開這些誤區(qū)，教育者不僅需要深刻了解思維的定義、內(nèi)涵和外延，還需要了解思維的運行規(guī)律，包括其心理和大腦機制，更需要掌握符合大腦活動規(guī)律并經(jīng)過科學驗證的思維能力培養(yǎng)方法。本文將從心理學與腦科學的研究出發(fā)，介紹思維的概念和評價標準，思維活動和發(fā)展的大腦機制，并提出基于腦科學的思維能力培養(yǎng)的建議。

思維的概念和評價標準

從廣義的角度來說，我們對客觀事物概括和間接的認識都屬于思維，它參與人類所有的認知或者智力活動。通俗而言，思維涵蓋了對事物的根本特征和事物間關系的認識。例如，對地理中的大陸性氣候這個概念的認識，不僅需要了解其特征以及和其他類型的氣候的差異，還需要了解形成該類氣候所需要的條件以及影響因素等。同樣，對數(shù)學、物理、化學的很多概念和知識，不僅需要準確界定其特征，還需要明確它們和其他概念的關系，從而達到對客觀事物全面、系統(tǒng)和準確認識的目的。

對思維的劃分和描述可以有很多不同的方式和維度，其中比較常見的有兩類：一是對不同思維模式的描述，二是對思維的品質(zhì)進行刻畫和評價。所謂的思維模式，就是一種思考問題的方式，比如具象思維、抽象思維、歸納思維、演繹思維、求同思維、求異思維、正向思維、逆向思維等。這些類似于計算機的不同算法，對事物的特征進行不同的加工和處理，從而得到不同的結果。不同的人由于過去知識經(jīng)驗和人格特點的差異，可能形成不同的思維模式；而經(jīng)過長期的訓練，可以形成一些穩(wěn)定的思維習慣。針對不同的問題，可能需要采用不同的思維模式更加適合；如果能掌握更多的思維模式，并能夠靈活應用，對于思維能力的培養(yǎng)是非常好的。

從思維的品質(zhì)出發(fā)，心理學家林崇德教授進行了近60年的思維心理學研究，在其著作《我的心理學觀：聚焦思維結構的智力理論》中，仔細剖析了思維的特性、分類和結構，總結出五項思維品質(zhì)：深刻性、靈活性、敏捷性、批判性和創(chuàng)造性。具體而言，深刻性反映思維活動的深度和難度，表現(xiàn)為利用事物的特征，正確把握事物之間的關系；靈活性反映思維活動的靈活程度，表現(xiàn)為舉一反三；敏捷性反映思維活動的速度，表現(xiàn)為準確而快速地產(chǎn)生正確答案；批判性反映思維活動的獨立思考和評論，表現(xiàn)為對知識產(chǎn)生背后的過程、理論、方法等是否能正確分析；創(chuàng)造性反映思維活動的創(chuàng)新程度，表現(xiàn)為盡可能多地從嶄新的角度產(chǎn)生正確答案。林崇德教授指出，提升思維的品質(zhì)是培養(yǎng)思維能力的關鍵突破口。

思維能力培養(yǎng)和教育目標實現(xiàn)緊密相關

思維能力培養(yǎng)在教育目標中占據(jù)著重要作用，這一點在教育目標的分類理論中得到了充分體現(xiàn)。該理論最早由美國教育心理學家本杰明·布盧姆提出，后被洛林·安德森等人進行修訂。他們將認知過程（思維）由淺到深分為了六個層次：記憶、理解、應用、分析、評價和創(chuàng)造。這六個層次是環(huán)環(huán)相扣的，其中記憶是對知識的認識和記憶；理解是把握知識的含義；應用是把學到的知識應用于新的情境或者能夠解決實際問題；分析是把復雜的知識分解開來，并理解各部分之間的聯(lián)系；評價是對事物本質(zhì)的價值做出理性、深刻的判斷；創(chuàng)造是以分析為基礎，對原知識進行改造、擴充、完善并形成新的知識和理論。

可以看到，思維能力和教育目標具有非常緊密的關系。一方面，教育目標的實現(xiàn)需要以思維能力的發(fā)展為基礎，這需要符合個體思維發(fā)展的年齡特征和個體差異。記憶和理解需要思維的敏捷性和深刻性，應用和分析則需要思維的深刻性和靈活性，評價和創(chuàng)造需要思維的批判性和創(chuàng)造性。另一方面，教育目標實現(xiàn)的過程也是思維能力培養(yǎng)和思維品質(zhì)提升的過程。為了實現(xiàn)教育的目標，他們?yōu)槊恳粚幽繕嗽O定了大量的教學活動。在日常的教學活動中常規(guī)化設置這些教學活動，非常有助于培養(yǎng)學生的思維品質(zhì)。

人腦思維活動的腦機制

腦科學的研究為我們揭示思維的本質(zhì)和大腦的運行規(guī)律提供了全新的視角。我們選擇幾個和思維教育密切相關的研究發(fā)現(xiàn)進行一個概述。

大腦信息表征的層級性是思維從具體到抽象的神經(jīng)基礎。人腦中知識存儲的主要區(qū)域在感知運動皮層、顳葉皮層和頂下小葉。這些區(qū)域從初級皮層到高級皮層，所加工的信息越來越復雜和抽象。例如，初級視覺皮層（V1）處理簡單線條朝向等信息，到了更高級的視覺皮層（V2）處理線條組合成的形狀，到枕葉前部和顳葉下部的腦區(qū)處理整個物體（比如視覺呈現(xiàn)的漢字和動物圖片等），然后到顳頂聯(lián)合皮層同時負責視覺（漢字書寫）和聽覺（漢字發(fā)音）等多感覺通道的信息，到了顳極負責抽象的語義。在這個層次的最頂層，海馬則負責把全腦各個模態(tài)，各個腦區(qū)的抽象信息進行整合和關聯(lián)，幫助我們建立知識之間非常豐富的聯(lián)系。大腦這種層級性的信息存儲模式，是實現(xiàn)我們進行具體到抽象的思維活動的神經(jīng)基礎。

有效的學習活動能夠促進知識網(wǎng)絡的形成。大腦這種層次性的存儲模式，也意味著知識的存儲是分布式的，不同的區(qū)域負責不同的信息，不同層級的腦區(qū)也負責不同抽象層度的信息。為了實現(xiàn)從具體到抽象的深刻性，實現(xiàn)舉一反三的靈活性，需要我們形成橫向和縱向緊密聯(lián)系的知識網(wǎng)絡。所以，培養(yǎng)思維能力，需要有效促進知識網(wǎng)絡形成的方法。

心理學和腦科學的研究發(fā)現(xiàn)，一些有效的學習方式，包括分散學習的方式和以測代練的學習方式，不僅能夠促進知識的長期保存，還能夠促進知識的靈活應用。比如：與重復閱讀文章相比，在閱讀后回答問題能更好地記憶文章中的內(nèi)容，同時在間隔一段時間后回答延伸性問題時表現(xiàn)更好。另外，大量的研究表明，睡眠不僅僅是大腦精力的恢復，也是形成知識網(wǎng)絡的重要過程。在睡眠過程中，新學的知識和頭腦中已有的知識都會被重新激活，并進行重新組織，從而形成一個有機的知識網(wǎng)絡，這在心理學中被稱為圖式。圖式實際是一個結構化的知識，是我們實現(xiàn)新信息的快速學習和靈活應用的基礎。最后，體育鍛煉不僅能促進新陳代謝，為大腦組織提供充足的氧氣和營養(yǎng)，還能促進記憶的鞏固和知識體系的建立。

前額葉是提高思維品質(zhì)的核心中樞。前額葉不僅是人類與猿猴大腦的最大差異所在，還是個體最后達到成熟的大腦區(qū)域之一。腦科學家們認為前額葉就像計算機中的CPU一樣，負責起大腦的高級認知能力，如短暫存儲信息、選擇性注意、對比分析、整合和概括化信息等，這些能力在思維靈活性、深刻性、敏捷性、批判性和創(chuàng)造性中都具有非常關鍵的作用。以類比推理為例，它是教育者在教學中經(jīng)常運用的一種方法，讓學生根據(jù)已經(jīng)掌握的知識去學習新的知識，或者解決新的問題，例如在學習電子和原子核關系時，可以用環(huán)繞太陽旋轉的地球來比喻環(huán)繞原子核旋轉的電子。準確使用和理解類比體現(xiàn)了思維的靈活性和深刻性。腦科學家們發(fā)現(xiàn)，左側前額葉皮層是負責關系表征和類比推理的關鍵腦區(qū)，其各個子區(qū)參與類比推理的不同過程中，如抑制無關信息、識別事物間關系以及根據(jù)已知關系進行推測等。在創(chuàng)造性思維的測試，研究者要求人們在有限的時間內(nèi)盡可能多地提出一些物品的用途，包含日常不會用到的用途。例如，提起襪子我們想到的是穿在腳上保暖，但有的人能想出來襪子也可以用來濾水。這個任務是對思維靈活性、敏捷性和創(chuàng)造性的評估。結果發(fā)現(xiàn)，高創(chuàng)造力得分的人更多地利用大腦的前額葉，不斷提出創(chuàng)新的答案。

個體的思維能力和模式具有重要的差異。正如每個人都有獨特的指紋，腦科學家發(fā)現(xiàn)大腦也存在這種特異性的神經(jīng)“指紋”，即大腦連接圖譜。人類大腦的各個腦區(qū)之間是相互連接的，每個人特定的連接模式分布在整個大腦中，在額頂網(wǎng)絡中具有特異性。通過識別這種個性化的大腦連接圖譜，腦科學家們可以判斷被試是否在認真完成任務，以及對其思維能力進行描述，例如擅長什么或者哪方面的能力有待提高，甚至是用來預測個人的流體智力水平。這些研究發(fā)現(xiàn)，個體的知識基礎、思維能力和思維模式均存在顯著的差異，這體現(xiàn)在大腦的連接模式中，思維能力的培養(yǎng)一定要注重這些個體差異。

基于腦科學的思維能力培養(yǎng)建議

通過對思維概念、評價標準和大腦機制的介紹，我們發(fā)現(xiàn)思維的教育和培養(yǎng)具有重要的幾個特征。首先，思維的培養(yǎng)需要針對具體的教學內(nèi)容，并和日常教學活動緊密結合；其次，思維培養(yǎng)的目的一方面是要形成一個具體抽象結合、緊密聯(lián)系和能靈活應用的知識體系，另一方面也要培養(yǎng)能遷移到新知識學習和新場景應用的能力；第三，思維能力的培養(yǎng)是在個體思維發(fā)展水平和思維特點的基礎上逐步建構的過程，也是對大腦已有連接模式的一個再塑造的過程。結合已有的研究成果，我們對教育者提出如下幾個建議：

以布盧姆教育目標分類為指導，把思維能力培養(yǎng)貫穿于日常教學的每一個環(huán)節(jié)。思維能力的培養(yǎng)落實于具體的教學課程，必然與相應的學科知識相關。教師需要轉變教學的觀點，把思維的培養(yǎng)放在比知識的傳授更為重要的位置。同時，教師需要根據(jù)知識的特點、知識獲取的順序、學生認知能力的特點以及學生的個體特性，精心設置教育的目標，并安排與之相對應的教育活動。與此相對應，我們也建議僅僅把某些課程，比如STEM課程、創(chuàng)客課程作為思維培養(yǎng)的課程，或者開設專門的思維課程；也不建議把思維的培養(yǎng)簡單地異化為發(fā)散思維、腦筋急轉彎，或者一些固化的思維模式、答題模式的培養(yǎng)。

重視認知功能訓練，實現(xiàn)大腦功能提升。前額葉是對知識進行分析、加工、綜合、分析和創(chuàng)新的重要區(qū)域。大量的研究發(fā)現(xiàn)，通過后天訓練和教育，可以有效改善和提高前額葉的功能。比如，一些工作記憶和執(zhí)行功能的訓練，可以有效改變前額葉的神經(jīng)元數(shù)量、白質(zhì)纖維連接和神經(jīng)遞質(zhì)的活性，以及在瑞文推理等高級思維活動中的表現(xiàn)。為促進學生前額葉功能的發(fā)展，教育者們需要充分認識到認知訓練在促進思維能力中的作用，腦科學家們需要進一步開發(fā)有效的認知訓練手段；同時，雙方要緊密合作，實現(xiàn)這些認知訓練手段與日常教學活動更加自然和充分的融合。

科學運用思維導圖等思維訓練工具。在思維能力的培養(yǎng)中，有很多思維訓練工具可以幫助我們形成有效的思維模式。比如，思維導圖就是一種重要的工具，幫助我們?nèi)ナ崂碇R的本質(zhì)特征和知識之間的關系。例如概念的屬性可以用氣泡圖和圓圈圖來表示，對比關系可以用雙重氣泡圖，類別關系可以用樹狀圖，因果關系可以用流程圖，整體和部分的關系可以用括號圖，類比關系可以用橋狀圖等等。全面、充分、合理地使用不同類型的思維導圖，可以幫助學生更好地理清知識之間的各類關系，形成有機的知識體系，并培養(yǎng)合理的思維模式和習慣。

轉變教育模式，從“教師教”轉變到“學生學”。每個人都具有獨特的思考方式，在大腦中存在特異性的神經(jīng)“指紋”。教師和學生在思維上很可能存在眾多不同，教師自身成熟和系統(tǒng)的知識體系投射到學生頭腦中可能會變得支離破碎。由學生主動進行輸出，更能促進學生對知識的掌握、理解和運用。從輸入到輸出的轉變，也是從知識灌輸?shù)街R生長的轉變，是幫助學生形成有機知識體系的重要方法。妥善設置教學安排，比如分組討論、翻轉課堂、活動展示和各種綜合的作業(yè)類型，都是鼓勵學生輸出的有效方式。

推動融合性課程和項目制學習。項目制學習的根本在于以問題為中心，打破知識之間的邊界，從而有助于形成有機聯(lián)系的知識體系。在這個過程中，老師需要站在更高的視角，主動打破知識在課時、學期、年級，乃至學科之間的壁壘，按照知識之間的內(nèi)在聯(lián)系來進行教學。另外，布置更加綜合性的作業(yè)，比如畫報、主題展示、讀書筆記、項目報告、實踐活動等等都是比簡單復習或者考試更好的方法，因為這些形式有助于形成綜合的知識體系。

使用科學高效的學習和記憶方式?？茖W的學習和記憶方法可以提高學習效率、實現(xiàn)知識長期保持和靈活應用。因此，在教學活動中科學使用這些學習方式，可以促進學生思維能力的發(fā)展。另外，科學降低學習負擔，給學生更多的體育鍛煉時間、午休時間，以及晚上更充足的睡眠時間，不僅可以促進學生的思維能力發(fā)展，還能讓學生身心得到健康發(fā)展。

總之，思維能力的培養(yǎng)是學校教學的重要目標。知識的傳授固然重要，但我們不能滿足于知識的死記硬背，而是要應用和創(chuàng)新。基于對思維的本質(zhì)特點、評價標準和大腦規(guī)律的介紹，我們相信廣大教育實踐工作者能夠在上述原則的基礎上，結合學生和學科的特點，進行創(chuàng)造性的應用和發(fā)展，從而形成更多更好的思維能力培養(yǎng)方法，為國家和未來培養(yǎng)更多的思維型人才。