基于腦科學的思維能力培養

劉楚麒 | 北京師范大學認知神經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。教育情境中經常提及“邏輯思維”“批判思維”“創新思維”，以及“科學思維”“空間思維”“系統思維”“工程思維”等概念，培養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上容易陷入誤區，影響學生思維能力的發展，從而導致了當前對教育的很多詬病。為了避開這些誤區，教育者不僅需要深刻了解思維的定義、內涵和外延，還需要了解思維的運行規律，包括其心理和大腦機制，更需要掌握符合大腦活動規律并經過科學驗證的思維能力培養方法。本文將從心理學與腦科學的研究出發，介紹思維的概念和評價標準，思維活動和發展的大腦機制，并提出基于腦科學的思維能力培養的建議。

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驗和人格特點的差異，可能形成不同的思維模式；而經過長期的訓練，可以形成一些穩定的思維習慣。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是非常好的。

從思維的品質出發，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：深刻性、靈活性、敏捷性、批判性和創造性。具體而言，深刻性反映思維活動的深度和難度，表現為利用事物的特征，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，表現為舉一反三；敏捷性反映思維活動的速度，表現為準確而快速地產生正確答案；批判性反映思維活動的獨立思考和評論，表現為對知識產生背后的過程、理論、方法等是否能正確分析；創造性反映思維活動的創新程度，表現為盡可能多地從嶄新的角度產生正確答案。林崇德教授指出，提升思維的品質是培養思維能力的關鍵突破口。

思維能力培養和教育目標實現緊密相關

思維能力培養在教育目標中占據著重要作用，這一點在教育目標的分類理論中得到了充分體現。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、評價和創造。這六個層次是環環相扣的，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系；評價是對事物本質的價值做出理性、深刻的判斷；創造是以分析為基礎，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，教育目標的實現需要以思維能力的發展為基礎，這需要符合個體思維發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，評價和創造需要思維的批判性和創造性。另一方面，教育目標實現的過程也是思維能力培養和思維品質提升的過程。為了實現教育的目標，他們為每一層目標設定了大量的教學活動。在日常的教學活動中常規化設置這些教學活動，非常有助于培養學生的思維品質。

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和大腦的運行規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現進行一個概述。

大腦信息表征的層級性是思維從具體到抽象的神經基礎。人腦中知識存儲的主要區域在感知運動皮層、顳葉皮層和頂下小葉。這些區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處理整個物體（比如視覺呈現的漢字和動物圖片等），然后到顳頂聯合皮層同時負責視覺（漢字書寫）和聽覺（漢字發音）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，各個腦區的抽象信息進行整合和關聯，幫助我們建立知識之間非常豐富的聯系。大腦這種層級性的信息存儲模式，是實現我們進行具體到抽象的思維活動的神經基礎。

有效的學習活動能夠促進知識網絡的形成。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，不同的區域負責不同的信息，不同層級的腦區也負責不同抽象層度的信息。為了實現從具體到抽象的深刻性，實現舉一反三的靈活性，需要我們形成橫向和縱向緊密聯系的知識網絡。所以，培養思維能力，需要有效促進知識網絡形成的方法。

心理學和腦科學的研究發現，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容，同時在間隔一段時間后回答延伸性問題時表現更好。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，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常運用的一種方法，讓學生根據已經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，可以用環繞太陽旋轉的地球來比喻環繞原子核旋轉的電子。準確使用和理解類比體現了思維的靈活性和深刻性。腦科學家們發現，左側前額葉皮層是負責關系表征和類比推理的關鍵腦區，其各個子區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已知關系進行推測等。在創造性思維的測試，研究者要求人們在有限的時間內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、敏捷性和創造性的評估。結果發現，高創造力得分的人更多地利用大腦的前額葉，不斷提出創新的答案。

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，腦科學家發現大腦也存在這種特異性的神經“指紋”，即大腦連接圖譜。人類大腦的各個腦區之間是相互連接的，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。這些研究發現，個體的知識基礎、思維能力和思維模式均存在顯著的差異，這體現在大腦的連接模式中，思維能力的培養一定要注重這些個體差異。

基于腦科學的思維能力培養建議

通過對思維概念、評價標準和大腦機制的介紹，我們發現思維的教育和培養具有重要的幾個特征。首先，思維的培養需要針對具體的教學內容，并和日常教學活動緊密結合；其次，思維培養的目的一方面是要形成一個具體抽象結合、緊密聯系和能靈活應用的知識體系，另一方面也要培養能遷移到新知識學習和新場景應用的能力；第三，思維能力的培養是在個體思維發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，把思維能力培養貫穿于日常教學的每一個環節。思維能力的培養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，把思維的培養放在比知識的傳授更為重要的位置。同時，教師需要根據知識的特點、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、創客課程作為思維培養的課程，或者開設專門的思維課程；也不建議把思維的培養簡單地異化為發散思維、腦筋急轉彎，或者一些固化的思維模式、答題模式的培養。

重視認知功能訓練，實現大腦功能提升。前額葉是對知識進行分析、加工、綜合、分析和創新的重要區域。大量的研究發現，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，一些工作記憶和執行功能的訓練，可以有效改變前額葉的神經元數量、白質纖維連接和神經遞質的活性，以及在瑞文推理等高級思維活動中的表現。為促進學生前額葉功能的發展，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有效的認知訓練手段；同時，雙方要緊密合作，實現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，幫助我們去梳理知識的本質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“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，也是從知識灌輸到知識生長的轉變，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，按照知識之間的內在聯系來進行教學。另外，布置更加綜合性的作業，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展，還能讓學生身心得到健康發展。

總之，思維能力的培養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，而是要應用和創新?；趯λ季S的本質特點、評價標準和大腦規律的介紹，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，進行創造性的應用和發展，從而形成更多更好的思維能力培養方法，為國家和未來培養更多的思維型人才。