科学发明中原型启发的创造性思维成分及其脑机制*

杨文静 靳玉乐 陈群林 孙江洲 童丹丹李亚丹 邱 江 张庆林

(1西南大学心理学部,认知与人格教育部重点实验室;2西南大学教育学部,重庆 400715)

创造性一直是研究者们感兴趣的研究课题。对于创造性的研究不仅可以帮助人们理解人类创造性的本质,同时可以为创造性人才的培养提供科学依据。

1 国内外创造性研究现状

1.1 创造性思维及其测试

Guilford(1967)提出,创造性思维主要包含发散思维(Divergent Thinking)和聚合思维(Convergent Thinking)。现有研究也从这两个方面对创造性的认知和神经机制进行探讨。随着Guilford提出发散思维是创造性思维的基础和主要成分,各种有影响的发散思维测验相继问世,例如,吉尔福特的“智者的结构”发散思维测验(The Structure of Intelligence,SOI)(Guilford,1967),托兰斯的创造性思维测验(Torrance Tests of Creative Thinking,TTCT)(Torrance,1966),威廉姆斯创造性测验包(Creativity Assessment Packet,CAP)中的发散思维分量表(Williams,1980),一物多用任务(Alternative Uses Test,AUT)等。这些发散思维测验大部分至今仍在广泛使用,主要用于测量思维的流畅性、灵活性和独特性。随着研究的深入,仅利用发散思维来测量个体的创造性思维能力受到众多的质疑(Dietrich&Kanso,2010)。第一,发散思维测验不仅费时费力,而且其信度一般要比智力测验低。第二,发散思维测验的评分也存在一定问题,最大困难是对独特性的看法往往见仁见智,不够统一。第三,发散思维测验的效度是更重要的广为关注的问题,研究表明发散思维的预测效度较低。目前国内外流行的发散思维测验大多缺乏足够的效度资料,这些测验所得到的流畅性、灵活性和独特性的分数是否与实际生活中发明创造和解决问题的能力有高相关,还未得到完全证实(Baer,2011;Benedek,Könen,&Neubauer,2012;Bowden,Jung-Beeman,Fleck,&Kounios,2005,Abraham et al.,2012;Kim,2006;张庆林,Sternberg,2002)。

聚合思维是指利用已有知识经验或传统方法来分析已知信息,并从中获得一个答案的思维形式(Lee&Therriault,2013;沈汪兵,刘昌,施春华,袁媛,2015)。研究者们主要采用顿悟问题解决(Insight Problem Solving)和远距离联想测验(Remote Association Test,RAT)等任务来考察聚合思维。早期的顿悟问题如双绳问题、蜡烛问题、九点问题等。由于这些问题很难界定顿悟发生的瞬间,因此很难研究顿悟发生一瞬间前后的认知活动。随着神经影像技术的发展,需要对顿悟的机制进行脑成像研究,就要求顿悟任务能够引起足够多的顿悟试次来进行叠加以及准确界定顿悟发生的瞬间(Luo&Knoblich,2007),这就引起了顿悟测试范式的更新,产生出一系列新的顿悟测试方式：比如遥远联想测试(Bowden,Jung-Beeman,Fleck,&Kounios,2005),谜语任务(Luo&Knoblich,2007),具有深层和浅层含义的中国字谜任务(Qiu et al.,2010;Tian et al.,2011;Zhao et al.,2011)等。但对于远距离联想测试及顿悟测试也存在一些质疑,例如有研究指出远距离联想测验可能测的是类似于分析思维的内容,还有研究发现解决顿悟问题的能力与真实创造力行为水平相关较低(Beaty,Nusbaum,&Silvia,2014;Lee,Huggins,&Therriault,2014)。

1.2 创造性的脑机制

随着神经影像技术的发展,研究者们利用任务态fMRI探讨个体在执行创造性任务时的神经机制。已有神经影像学研究采用各种形式的创造性任务,包括AUT任务(Guilford,1967,Mayseless,Eran,&Shamay-Tsoory,2015),故事和句子创作任务(Howard-Jones,Blakemore,Samuel,Summers,&Claxton,2005;Shah et al.,2013,Liu et al.,2015),创造性的隐喻任务(Benedek et al.,2014;Mashal,Faust,Hendler,&Jung-Beeman,2007),RAT任务(Dietrich&Kanso,2010),TTCT任务(Beaty,Benedek,Kaufman,&Silvia,2015;Dietrich&Kanso,2010)等。例如,有研究采用改编的AUT任务,要求被试在任务中对常规物体产生新颖用途。研究发现产生新颖用途的能力受到默认网络的调节,包括内侧前额叶(Medial Prefrontal Cortex)及后扣带(Posterior Cingulate Cortex)(Mayseless et al.,2015)。Beaty 等(2015)采用发散思维任务,发现默认网络和执行控制网络中的很多脑区在发散思维任务中被激活。Liu等(2015)采用诗歌创作任务发现创造性观点的产生和修订过程激活了不同脑区,内侧前额叶在这两个过程中都被激活了,而与控制系统相关的背外侧前额叶(Dorsolateral prefrontal cortex)及顶叶(Parietal Cortex)只在创造性观点产生的过程中被激活。

近年来,研究者们开始尝试从个体差异的角度探讨创造性的大脑结构和功能连接特点(Gansler et al.,2011;Jung et al.,2010;Takeuchi et al.,2012)。已有研究大多采用发散思维任务来探讨这一问题(Benedek et al.,2014;Fink et al.,2014;Wei et al.,2014)。大量的研究发现大脑的白质和灰质可以有效的预测发散思维中的个体差异(Fink et al.,2014;Jung et al.,2010;Kühn et al.,2014;Takeuchi et al.,2012)。大脑结构的研究发现大脑后部的很多区域与发散思维相关,如右侧的楔叶(Jung et al.,2010;Fink et al.,2014)和顶下小叶(Jung et al.,2010)。Fink等(2014)探索了大脑灰质密度与言语创造性的关系,结果发现德国智力结构测得的流畅性、灵活性得分与右侧楔叶和楔前叶的灰质密度正相关,一物多用任务得分与右侧楔叶和枕上区域的灰质密度正相关。静息态功能连接的研究表明,个体的托兰斯创造性测验得分与内侧前额叶和内侧颞叶的功能连接强度正相关,发散思维训练之后,内侧前额叶和内侧颞叶的功能连接显著增强(Wei et al.,2014)。Benedek等(2014)比较了一物多用任务中新旧想法的产生,发现与旧想法的产生相比,创造性思维的产生与左侧前额叶和右内侧颞叶的活动增强有关,和颞顶联合区的失活有关。左侧顶下小叶通过对以往知识的灵活整合来作用于新颖想法的实体化,而左侧额下回可能参与了非创造性想法的抑制过程。此外,Wu等(2015)采用元分析的方法对发散思维的结构和任务态研究进行定量分析。结果发现创造性观点的产生与背外侧前额叶、后部的顶叶区域(如顶下小叶和楔前叶)、前部的扣带以及颞叶的一些区域激活有关。背外侧前额叶的主要作用是将遥远的概念组织形成创造性观点,扣带回与发现和形成语义联系有关,而顶叶主要是提取和缓存形成的创造性想法。对于发散思维的大脑结构影像学研究的元分析则发现个体的发散思维能力主要与多巴胺系统,例如左侧的尾状核和屏状核有关。

2 问题提出

首先,当前对创造性的测量和神经机制的研究主要采用发散思维任务、远距离联想测验、顿悟问题解决等任务。但这些测量工具大多停留在对非科学问题解决的研究上,因此生态效度和预测效度不高。未来创造性的研究需要探索具有更高生态效度的实验材料和范式来揭示现实生活中的科学发明创造的神经基础,开发具有更高预测效度的创造性测试工具。第二,以往有关顿悟的研究没有深入的揭示已有知识对顿悟的启发作用,而现实生活中的很多顿悟都需要从表面上无关的知识中获取思路的启发。原型启发理论能很好地解释现实生活中如何从无关知识中获得启发而产生顿悟(张庆林,田燕,邱江,2012;Tong et al.,2015;Luo et al.,2013;Hao et al.,2013;Ming,Tong,Yang,Qiu,&Zhang,2014),本研究基于原型启发理论延伸了不同难易程度的测试范式,采用这些范式探讨原型启发过程中的创造性成分及其神经机制,为开发具有更高生态效度和预测效度的创造性测试工具打下基础。第三,已有关于创造性的多数研究大多单一采用发散思维测试或主要包含聚合思维的顿悟任务,然而把两种思维方式结合起来研究才能更好的探索创造性思维的机制。原型启发促发顿悟的过程既包括了发散思维,又包括了聚合思维(张庆林等,2012;Ming et al.,2014)。第四,已有的顿悟问题是由实验者清晰提出的,而现实中的科学发明创造的顿悟问题是模糊不清、结构不良的,未来研究需要探索发明创造中结构不良问题解决所包含的能力结构、测试方式及认知神经基础。

本项目将利用现实生活中结构不良的科学发明材料(即要解决的问题和原型材料都不是以最简洁明了的方式呈现给被试)深入探讨科学发明中原型启发的创造性思维成分及机制;运用大样本的行为和磁共振数据,从行为和脑机制上进一步验证创造性思维成分的结构效度;通过任务态核磁实验探索原型启发范式所涵盖的创造性思维成分的脑机制;并试图在高校和企业研发机构中进行跟踪研究,检验创造性思维成分测试的预测效度;最终,通过本项目的开展,希望能开发具有更好预测效度和生态学效度的用于发明创造领域的创造性测量工具。

3 研究构想

本项目将探讨科学发明中原型启发思维过程的创造性成分及其相应的脑机制,为将来开发一套用于发明创造领域的创造性测量工具奠定基础。具体包括4方面的内容：研究一,通过两个行为实验探索更符合现实科学发明创造的结构不良问题解决中原型启发能力的创造性成分测试的结构效度;研究二,运用静息态和结构态的大样本数据,从脑机制上进一步验证科学发明中原型启发能力的创造性成分测试的结构效度;研究三,通过3个任务态核磁实验分别探索科学发明中原型启发能力的创造性成分的脑机制;研究四,在高校和企业研发机构进行跟踪研究,检验科学发明中原型启发能力的创造性成分测试的预测效度。

研究一,科学发明中原型启发能力的创造性成分探析

根据以往研究和对原型启发认知过程的分析,我们总结出原型启发的过程应该包括如下的认知成分：功能语义的连结力,关键信息的洞察力,原型捕获的直觉判断力,相似语义的连结力。针对这些认知成分,我们分别编制了一系列测试这些认知成分的任务,并对大学生被试进行测试。对收集到的行为数据进行探索性因素分析,找到原型启发过程所包含的创造性思维成分。通过因素分析在行为上考察各个认知成分得分间的关系及各成分与总分的关系。实验假设,每个认知成分的得分之间有较低的相关,而与总分有较高的相关。具体包括两个实验：

实验1：科学发明中原型启发能力的创造性成分的探索性因素分析

招募200名大学生被试,让其完成4个原型启发能力的创造性成分测试(包括,功能语义的连结力,关键信息的洞察力,原型捕获的直觉判断力,相似语义的连结力),每个实验都采用“问题思考”和“原型启发”的两阶段实验范式,但每个实验中的自变量不同。所谓“问题思考”和“原型启发”的两阶段实验范式是指,先让被试在无原型的条件下思考选自《科学发明实验问题材料库》中的多个问题,在得不到答案的情况下随机提供多个原型,让被试在原型启发的条件下思考当前原型能帮助其解决先前学过的哪一个问题,并且要求被试写出想到的问题及解决此问题的方法。随后对收集到的行为数据进行探索性因素分析,找到原型启发过程中所包含的创造性结构成分。

实验2：科学发明中原型启发能力的创造性成分的验证性因素分析

利用和实验一相同的“问题思考”和“原型启发”两阶段实验范式。招募另一组200名大学生被试完成上述相同的实验测试,收集到被试的行为数据,进行验证性因素分析。验证通过实验一所萃取出的原型启发能力的创造性成分的有效性。

研究二,科学发明中原型启发能力的创造性成分的结构效度检验

实验3：运用多模态数据解构原型启发创造性成分的结构和功能基础

通过收集200名大学生被试的大脑结构(3DT1,DTI)和Rest-fMRI数据,以及个体在原型启发创造性结构成分测试、智力(威克斯勒智力量表;瑞文推理测试等)、记忆(N-back任务)和人格倾向上的分数。采用多变量模式分析技术,探讨原型启发能力的创造性成分的结构和功能基础,并与以往创造性的研究进行比较,讨论各成分脑机制的异同,从脑机制的角度证实基于原型启发的创造性测量工具与传统的创造性测试工具相似(但不完全相同)的创造性脑机制。同时,各个测量针对创造性思维的不同成分,因此,各个测量必须有不同成分(机制)。最后,从理论上进行归纳和创新。

研究三,科学发明中原型启发能力的创造性成分的脑机制研究

研究三通过3个任务态研究探索科学发明中原型启发能力的创造性成分的脑机制。

实验4：原型启发的创造性成分之一——关键信息的洞察力

发现与问题的“需求性功能”在语义上具有相似性的原型的“特征性功能”是原型启发能力的关键特征之一。然而,原型的功能是多种多样的,以虾子为例,它具有营养的功能、水产养殖的功能、商品的功能、绘画素材的功能等等,人们怎样在表征原型的时候成功地排除许多与要解决的问题无关的功能信息或表面特征信息(本研究称之为冗余信息),而突出表征对问题的解决具有启发价值的特征性功能信息(例如,虾壳“既坚硬又可以弯曲”),这或许是原型启发的关键。我们假设,高创造性的人在解决科学发明问题的时候似乎总能“独具慧眼”,能够在清晰表征问题的“需求性功能”的基础上成功地洞察事物的“特征性功能”,具有很强的排除冗余信息干扰的能力。因此,本实验通过操作冗余信息的多少来考察个体排除干扰信息的能力。

具体的实验操作为：对原型文字中“特征性功能”词语加以标识,因变量是问题激活率和问题解决正确率以及fMRI实验中的大脑激活。实验采用“问题思考”和“原型启发”两阶段实验范式,即：先让被试在无原型的条件下思考选自《科学发明实验问题材料库》中的多个问题,由于这些科学问题难度很高,多数被试都不能解决这些问题,然后在得不到答案的情况下随机提供多个原型,让被试在原型启发的条件下思考当前原型能帮助其解决先前学过的什么问题,并且要求被试写出想到的问题及解决此问题的方法。我们的实验假设是： 1,冗余信息对问题表征和原型表征之间功能语义的自动联接具有明显的干扰作用;2,突出原型中的特征性功能(对其加以标识),就能够有效降低冗余信息的干扰效应。

实验5：原型启发的创造性成分之二——相似语义的连结力

原型启发的关键在于发现原型和问题之间“功能语义”上的相似性。我们假设,这种基于语义相似性的大脑自动联接机制是创造性的“原始能力”,因此有必要运用简单的语义相似性(形容词的语义相似性)来检验大脑自动联接能力上的个体差异及其脑机制。

具体的实验操作为：采用语义相似的不同形容词词对(事先评定好其相似性程度)作为实验材料,将词对中的两个词分开,随机分为两组(形成配对回忆的“记忆词表”和“线索词表”)。让被试在磁共振中先学习“记忆词表”,之后再随机呈现没有学习过的“线索词表”(其中包含一半与记忆词表无关的词语),要求被试针对每一个线索词配对回忆之前学习过的“记忆词表”中的相应形容词。通过比较与学习词配对的词语和无关词语的大脑激活区域,来验证语义相似性激活的脑区与原型启发中自动响应的脑区的异同。

实验6：原型启发的创造性成分之三——原型捕获的直觉判断力

实验4和5中所运用的《科学发明实验问题材料库》都是以文字方式呈现的实验材料,这些文字已经归纳出了原型的“特征性功能”,而现实中的原型往往不是以文字方式出现在人们面前,所以有必要采用生态学效度更高的原型呈现方式(视频)。这种测试方式更能考察个体在现实生活中如何受到原型的启发解决当前问题。本实验采用“视频材料”的呈现方式来替代《科学发明实验问题材料库》中以文字方式呈现的原型,用更加具有生态学效度的测验范式来探索问题表征和原型表征间的大脑自动联接机制。

研究四,检验原型启发的创造性成分测试的预测效度

实验7：在高校和企业研发机构进行跟踪研究,检验原型启发的创造性成分测试的预测效度

在学校和企业中采用纵向追踪的方式检验几种创造性成分测试的预测效度。对200名大学生进行原型启发的创造性成分测试,随后跟踪其创造性表现,比如创新设计,挑战杯,数学建模等,以及毕业论文或科研能力(学术论文)的创造性水平,对数据进行相关分析和回归分析;对企业技术研发人员进行原型启发的创造性成分测试,然后跟踪其创新成就(例如,专利和被公司采纳的新技改的数量),进行相关分析和回归分析。考察基于原型启发的创造性成分测试在学校和企业中的预测效度。

4 意义与展望

他山之石,可以攻玉。科学发明领域“原型启发”的事例十分普遍,从中国的“鲁班从带齿边的茅草中得到启发而发明锯子”的传说,到“瓦特从沸腾的开水壶上受到启发而发明蒸汽机”的经典故事,都说明“原型启发”是科学发明的一种重要思维方式。在科学发明创造中,高创造性者在面对难以解决的科学问题时,为什么会“独具慧眼”,能够从表面上不相关的现象中受到启发,而突然顿悟到科学问题解决的巧妙思路？其中涉及到哪些“创造性成分”？怎样才能够有效测量和评价到这些创造性成分？怎样在实际运用中检验这些创造性成分测试范式的预测效度？原型启发范式将有利于解决这些科学问题。先前原型启发的研究只是采用“结构良好问题的测试”(“问题”和“原型”都是以最简洁的文本方式呈现给被试),本项目将采用“结构不良问题”和更复杂、更困难的原型启发范式对现实生活中的原型启发现象进行研究,综合利用这些范式探讨原型启发过程的创造性成分。所采用的测试方式和所要测试的能力如下：采用“简洁文本测试”来探讨个体功能语义的连结力;采用“信息冗余测试”来探讨个体关键信息洞察力;采用“视频体验测试”来探讨原型捕获的直觉判断力;采用“词汇配对测试”来探讨相似语义连结力。之所以采用4种范式通过因素分析的方式探讨原型启发的创造性思维成分是有着逻辑关系的。最简洁的文本测试范式属于结构良好的问题,也就是原型的结构和功能用最简单的文本总结出来并且告知被试。但实际生活中,个体需要排除冗余干扰信息才能有效表征原型和问题,同时原型和问题信息也并不是以文字的形式呈现出来的。所以采用了“信息冗余测试”和“视频体验测试”来探讨更具有生态效度的现实生活中的原型启发效应。同时,我们试图将原型启发测试从科学发明领域拓展到一般领域,我们认为“词汇配对测试”中探讨的相似语义连结力和其它3种原型启发范式测量到的能力具有相同的效果,但“词汇配对测试”测量到的是更一般的能力,是原始动力的问题。现有的数据结果表明这种简单的词汇配对测试分数与个体在其它几个原型启发测试上的得分高相关,在神经机制上也有相似之处。这说明采用这种简单的词汇配对测试也许可以在一定程度上测量到个体的原型启发能力。

原型启发是顿悟产生的主要途径之一。例如,中国科学家在“神舟六号”航天飞机上天之前被设计“既坚硬(能够承受气压)又要能够弯曲”的宇航服难住了,最后他们在吃煮熟的虾子时,从虾子外壳的“既坚硬又可弯曲的环状结构”中获得启发而解决了这个顿悟问题。原型启发理论认为,原型启发的加工机制包含两个认知要素：第一是原型激活,第二是原型所隐含的启发信息的运用(Ming et al.,2014;Luo et al.,2013;Tong et al.,2015;Yang et al.,2016;张庆林,邱江,曹贵康,2004)。原型自动激活必须满足3个条件：第一,被试在原型学习阶段能够形成一个“构造-功能”的抽象原理的语义表征,而排除表面特征的干扰。例如,对虾子形成一个其外壳是“环状结构-既坚硬又可弯曲”的表征。第二,被试在解决科学发明问题的时候,首先必须明确问题关键之所在,即明确认识到“目标”是实现某种“功能”,并努力寻求实现“目标”的有效“手段”。形成一个“什么构造能够实现当前的这种功能”的语义表征(例如,宇航服问题表征为“什么构造-既坚硬又可弯曲”);第三,被试的原型表征中的“特征性功能”和问题表征中的“需求性功能”具有语义上的一致性或相似性。大脑“自动响应机制”就会依据“相似性原理”自动发生联接,并将原型表征中的“构造-功能”映射到问题表征的“什么构造-某种功能”之中(Ming et al.,2014;张庆林等,2012)。该理论中关键的是两点：第一,原型表征(“构造-功能”的抽象原理的语义表征)的难易程度,本研究采用的4种测试中的3种,即“简洁文本测试”、“信息冗余测试”、“视频体验测试”,这3个测试难度依次递增,也更符合现实生活中的原型启发现象,难的测试更适宜于高创造性人才的测试,如何有效的排除干扰信息,如何准确的表征原型中的结构和功能信息,这些或许属于策略型因素,与学习和训练关系更大;第二,依据“相似性原理”自动联接能力,对应于4种测试方式中的 “词汇配对测试”,在这一测试中,个体在掌握词汇的基础上,依据词语间的相似性自动激活配对的词语,我们推论这或许更多是能力型的因素,与遗传关系更大。

以上4种测试方式的难度不同(“简洁文本测试”是结构最良好问题测试),因此适用对象和研究目的也不同。已经完成的结构效度和验证性因素分析表明,这4种测试范式能很好测量到原型启发中的创造性成分,因此在未来编制量表的时候,它们可以同属一个量表。在此基础上,本项目正运用4种测试方式的大样本行为数据、磁共振多模态数据(VBM、DTI以及Rest-fMRI等)进行潜变量分析,找到4种测试的共同和不同脑机制,并检验“词汇配对测试”是否能测到原型启发能力,从大脑机制上进一步验证基于原型启发的创造性成分测试的结构效度。“原型启发”并不是科学发明领域唯一的创造性思维形式。后续的研究除了采用原型启发范式之外,我们还试图探索其它一些范式,例如问题新发现范式,发散运用范式,技术嫁接范式,信息整合范式,全面探讨科学发明领域中的创造性思维。

以往对创造性思维的研究大多采用知识贫乏领域的问题,具有特定领域知识的人在解决知识丰富领域问题时是如何获得顿悟的目前还研究较少,一个重要的原因是个体在特定领域已掌握的知识量作为额外变量很难控制。我们利用《科学发明实验问题材料库》和学习测试范式有利于把专业知识作为一个变量,探讨知识丰富领域的创造性思维的神经机制。让被试在学习了特定知识后进行科学发明创造任务更符合现实生活中的科学发明情景,使得实验室的研究更有效的反应现实生活情境。本研究证明原型启发过程中的创造性结构成分,并基于此探讨原型启发的创造性成分测试的结构和预测效度,这将为后续开发具有更高生态效度和预测效度的用于科学发明领域的创造性测量工具提供基础。

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