腦科學研究對青少年創新素質培養的啟示

陳群林

創新思維是人類特有的高級認知能力，是人類文明進步的動力源泉。回顧人類文明發展歷程，從智人鉆木取火，到如今人工智能變革時代，無論是工具創新還是科技突破都離不開人的創新思維。從國家層面，創新是引領國家經濟和科技發展的第一動力，其中創新人才和創新教育是關鍵一環。習近平總書記多次就創新的重要性做了論述，例如在2020年9月科學家座談會上強調“原始創新能力是從0到1的突破，要通過科技創新活動引導和培養孩子的好奇心”。2021年國務院印發的《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》中也明確指出“激發青少年好奇心和想象力，增強科學興趣、創新意識和創新能力，培育一大批具備科學家潛質的青少年群體，為加快建設科技強國夯實人才基礎”。可以看出，在創新驅動戰略發展的背景下，培養具有創新素質的各類人才是提高國家核心競爭力的有力保障。

創新能力的核心應聚焦于創新素質

創新能力是一個復合的概念，現有的評價內容更多停留在個體的外化行為指標上，如參加科技創新比賽獲獎。然而，創新能力的核心應聚焦于創新素質。創新素質是一個由創造性思維、創造性人格、創造性動機、創造性相關的認知能力、以及創造性行為構成以解決問題適應環境的心理品質系統。創造性思維是創新素質的核心成分，而創造性思維行為離不開基本的認知能力（如執行功能）的支持;動機和人格可為創造性思維和行為起到激發、調控和維持等作用;創造性行為不僅是思維、人格和動機的外化表現，也是動態學習的過程。青少年創新素質的培養不僅對國家經濟和科技發展至關重要，其對個體的職業發展、成就、心理健康以及社會適應能力都有積極作用。然而，中國青少年的創新能力現狀如何呢？研究發現從一到八年級學生的課業負擔逐級遞增，而他們的創造性人格及動機逐年減弱。2015年的國際學生評估項目（PISA）測試結果發現，中國青少年想從事創新科學相關行業的比例為16.8%，遠低于美國和經合組織國家的均值，而這一比例在2018年PISA測試中更降至13%。中國青少年在未來職業規劃中對創新意愿的逐年降低現狀給予我們警示：培養青少年的創新素質刻不容緩，又任重道遠。

青少年時期是創新素質發展與培養的關鍵期

從腦發育的角度來看，與高級認知相關的特定大腦功能連接主要是在青少年早期到中期形成，這與青春期學習新知識、思維方式和動機等的快速變化有關。近年來，隨著教育神經科學的興起，科研和教育工作者期望將基礎科學中發現的知識與規律綜合應用于解決教育問題。其中，腦科學能夠解釋兒童青少年腦發育規律以及與認知發展規律的關系，這為“因材施教、因腦施教”帶來新的思考和活力。基于此，關于青少年創新素質的培養，我們從創造性腦科學的研究中梳理和總結幾點建議。

包容孩子是一名夢想家：大腦默認網絡主要負責自由聯想、未來想象、自發思維以及自我相關信息加工等內部思維活動。大量研究發現在創新想法產生前的醞釀階段、生成和評價階段都與大腦默認網絡激活密切關聯。有趣的是，人在做白日夢或者思維漫游（俗稱走神）時大腦激活模式與創新思考時非常相似，行為學的研究也支持適當走神有助于創新想法孵化，或者說創造性靈感更容易在走神時發生。孩子在學習中無限制的走神固然不好，但他們時而發呆、突然問一些新奇問題、學習時偶爾把玩喜愛的玩具等，家長們大可不必打擾。

適當的松懈與沉浸式體驗：人類的創新行為，無論是科學發明、藝術創作還是創造性問題解決，都與默認網絡的活動和結構形態密切相關。有研究發現高創造性群體（如卓越的藝術家）休息時默認網絡比普通人更活躍。但在強調注意資源靈活支配的高負荷任務下（如學業繁多），他們的默認網絡活動會受到抑制。近期研究發現與美國紐約地區青少年大腦發育相比較，我國重慶地區青少年默認網絡體積偏小且發展緩慢。高負荷的學業和壓力并不利于孩子大腦發育，學習之余適當的“松懈”，如更充足的睡眠、運動和親近大自然等，則十分必要。結合當前的“雙減”政策，我們認為義務教育階段減輕校內校外學習負擔，長遠來看有助于保護青少年的創造力。

學會約束和批判性思維：創新想法的產生并非一蹴而就，它依賴于知識經驗和一系列認知努力。例如對已有知識的提取需要腹外側前額葉進行控制性的語義記憶檢索，此區域連同后頂葉皮質組成執行控制網絡來維持問題解決過程中的內外目標定向、負責創造性想法的產生、選擇以及持續的評估。盡管前邊強調自發思維活動在創造性中的重要性，執行控制網絡所負責執行控制加工同樣重要。現實情景中，我們也發現有這樣一種現象：在具備相同知識經驗和背景的情況，有的孩子更有創新想法或創造性成就。我們認為個體的堅持性、靈活性、恰當的選擇或放棄、以及批判性的思維是關鍵因素之一，而這些認知能力本身在創造性活動中就可以被培養和訓練。

多種認知能力的協調發展：我們近期的一項研究發現，高創造性人群的大腦功能模塊分別由負責不同認知功能的腦區所主導，包括感覺運動、執行控制和記憶加工等;低創造性群體的大腦功能模塊主要由負責運動和視覺處理的腦區所驅動，表明個體的基本認知能力是創新能力發展的基礎。此外，我們發現感知運動皮層區域的發展對于藝術創造性尤其重要，例如文學、繪畫和文學創作等。因為運動皮質系統參與創造性活動不僅僅與動作技能本身有關，長期訓練可以強化動作模擬、計劃等更高層次的認知活動，這是產生創新行為如即興創作、表演等的關鍵能力。因此在教育過程中，我們應注重青少年多方位認知能力的發展，諸如注意、運動感知、抑制控制、認知靈活性、記憶等。

保護好奇心和培養開放心態：創造性動機是創新行為的驅動力。創造性動機可以分為內部和外部動機，其中內部動機更有利于創新能力的發展。內部動機指個體因活動本身所體驗到的快樂和滿足而從事某種活動。內部動機是由具有新穎性、復雜性、挑戰性或模棱兩可的刺激引發，進而推動個體產生試圖獲取新穎信息或知識的探索行為。此外，開放性人格是創新能力最重要的預測因素之一。高開放性個體表現為活躍的想象力、審美感受性、對內心感受的專注性，接受新穎事物的經驗等。我們近期的一項跨文化調查發現，無論中國還是美國的大學生，學習科學或藝術的大學生的開放性人格得分高于普通大學生。同樣，腦科學研究發現開放性與默認系統和認知控制系統之間的功能連接有關。在教育中，家長和教育工作者要注重保護和塑造青少年的好奇心，每當孩子對某個事物表現出好奇時，要多給予贊許和回應。

做創造性的行動者：創造性領域著名的4C理論指出，人人都具有創造性潛能，且Little-C （“微C”）和Mini-C （“小C”）是可以教的，更重要的是這兩種創造性在日常生活中可以培養和訓練。科伊爾的《一萬小時天才理論》提到“一萬小時定律”，核心思想是不管做什么事情，只要堅持一萬小時，基本上都可以成為該領域的專家。瑞典神經學家皮里奧用功能磁共振掃描39名鋼琴家即興演奏（一種創造性的音樂表現方式）時的大腦，發現鋼琴家的訓練時間越長（他們的平均訓練時長為14000多個小時），在即興創作中前額葉和頂葉聯合皮層的整體活動越低，而這些區域負責注意維持、記憶保持等創造性必要的基本認知，但是經過長期訓練，這些基本能力已經完全自動化，同時這些抑制的區域與運動皮層的功能連接增強。這表明，大腦不同腦區通過功能分化去負責創造性的更高級加工活動，比如運動計劃和視覺想象等。這說明了兩件事情：一是長期訓練可以改變大腦，大腦是可塑的。二是這種可塑是讓大腦的功能更加優化，例如哪些簡單的認知自動化，去負責更加重要的認知加工。在教育過程中要注意引導和刻意訓練青少年的創造性思維，可以通過手工活動、游戲、藝術表演等校園活動進行培養。

總之，如何培養創新人才是一個宏大的問題，需要從國家政策、學校教育、社區、家庭及個體多個層面著力。從科學育人，尤其是教育神經科學的視角，以科學研究揭示兒童青少年大腦發育規律、創新素質發展的關鍵期，并以此引領和指導教學實踐和家庭教育，才能將基于腦科學的創新人才培養有效落地。