脑科学研究对青少年创新素质培养的启示

陈群林

创新思维是人类特有的高级认知能力，是人类文明进步的动力源泉。回顾人类文明发展历程，从智人钻木取火，到如今人工智能变革时代，无论是工具创新还是科技突破都离不开人的创新思维。从国家层面，创新是引领国家经济和科技发展的第一动力，其中创新人才和创新教育是关键一环。习近平总书记多次就创新的重要性做了论述，例如在2020年9月科学家座谈会上强调“原始创新能力是从0到1的突破，要通过科技创新活动引导和培养孩子的好奇心”。2021年国务院印发的《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》中也明确指出“激发青少年好奇心和想象力，增强科学兴趣、创新意识和创新能力，培育一大批具备科学家潜质的青少年群体，为加快建设科技强国夯实人才基础”。可以看出，在创新驱动战略发展的背景下，培养具有创新素质的各类人才是提高国家核心竞争力的有力保障。

创新能力的核心应聚焦于创新素质

创新能力是一个复合的概念，现有的评价内容更多停留在个体的外化行为指标上，如参加科技创新比赛获奖。然而，创新能力的核心应聚焦于创新素质。创新素质是一个由创造性思维、创造性人格、创造性动机、创造性相关的认知能力、以及创造性行为构成以解决问题适应环境的心理品质系统。创造性思维是创新素质的核心成分，而创造性思维行为离不开基本的认知能力（如执行功能）的支持;动机和人格可为创造性思维和行为起到激发、调控和维持等作用;创造性行为不仅是思维、人格和动机的外化表现，也是动态学习的过程。青少年创新素质的培养不仅对国家经济和科技发展至关重要，其对个体的职业发展、成就、心理健康以及社会适应能力都有积极作用。然而，中国青少年的创新能力现状如何呢？研究发现从一到八年级学生的课业负担逐级递增，而他们的创造性人格及动机逐年减弱。2015年的国际学生评估项目（PISA）测试结果发现，中国青少年想从事创新科学相关行业的比例为16.8%，远低于美国和经合组织国家的均值，而这一比例在2018年PISA测试中更降至13%。中国青少年在未来职业规划中对创新意愿的逐年降低现状给予我们警示：培养青少年的创新素质刻不容缓，又任重道远。

青少年时期是创新素质发展与培养的关键期

从脑发育的角度来看，与高级认知相关的特定大脑功能连接主要是在青少年早期到中期形成，这与青春期学习新知识、思维方式和动机等的快速变化有关。近年来，随着教育神经科学的兴起，科研和教育工作者期望将基础科学中发现的知识与规律综合应用于解决教育问题。其中，脑科学能够解释儿童青少年脑发育规律以及与认知发展规律的关系，这为“因材施教、因脑施教”带来新的思考和活力。基于此，关于青少年创新素质的培养，我们从创造性脑科学的研究中梳理和总结几点建议。

包容孩子是一名梦想家：大脑默认网络主要负责自由联想、未来想象、自發思维以及自我相关信息加工等内部思维活动。大量研究发现在创新想法产生前的酝酿阶段、生成和评价阶段都与大脑默认网络激活密切关联。有趣的是，人在做白日梦或者思维漫游（俗称走神）时大脑激活模式与创新思考时非常相似，行为学的研究也支持适当走神有助于创新想法孵化，或者说创造性灵感更容易在走神时发生。孩子在学习中无限制的走神固然不好，但他们时而发呆、突然问一些新奇问题、学习时偶尔把玩喜爱的玩具等，家长们大可不必打扰。

适当的松懈与沉浸式体验：人类的创新行为，无论是科学发明、艺术创作还是创造性问题解决，都与默认网络的活动和结构形态密切相关。有研究发现高创造性群体（如卓越的艺术家）休息时默认网络比普通人更活跃。但在强调注意资源灵活支配的高负荷任务下（如学业繁多），他们的默认网络活动会受到抑制。近期研究发现与美国纽约地区青少年大脑发育相比较，我国重庆地区青少年默认网络体积偏小且发展缓慢。高负荷的学业和压力并不利于孩子大脑发育，学习之余适当的“松懈”，如更充足的睡眠、运动和亲近大自然等，则十分必要。结合当前的“双减”政策，我们认为义务教育阶段减轻校内校外学习负担，长远来看有助于保护青少年的创造力。

学会约束和批判性思维：创新想法的产生并非一蹴而就，它依赖于知识经验和一系列认知努力。例如对已有知识的提取需要腹外侧前额叶进行控制性的语义记忆检索，此区域连同后顶叶皮质组成执行控制网络来维持问题解决过程中的内外目标定向、负责创造性想法的产生、选择以及持续的评估。尽管前边强调自发思维活动在创造性中的重要性，执行控制网络所负责执行控制加工同样重要。现实情景中，我们也发现有这样一种现象：在具备相同知识经验和背景的情况，有的孩子更有创新想法或创造性成就。我们认为个体的坚持性、灵活性、恰当的选择或放弃、以及批判性的思维是关键因素之一，而这些认知能力本身在创造性活动中就可以被培养和训练。

多种认知能力的协调发展：我们近期的一项研究发现，高创造性人群的大脑功能模块分别由负责不同认知功能的脑区所主导，包括感觉运动、执行控制和记忆加工等;低创造性群体的大脑功能模块主要由负责运动和视觉处理的脑区所驱动，表明个体的基本认知能力是创新能力发展的基础。此外，我们发现感知运动皮层区域的发展对于艺术创造性尤其重要，例如文学、绘画和文学创作等。因为运动皮质系统参与创造性活动不仅仅与动作技能本身有关，长期训练可以强化动作模拟、计划等更高层次的认知活动，这是产生创新行为如即兴创作、表演等的关键能力。因此在教育过程中，我们应注重青少年多方位认知能力的发展，诸如注意、运动感知、抑制控制、认知灵活性、记忆等。

保护好奇心和培养开放心态：创造性动机是创新行为的驱动力。创造性动机可以分为内部和外部动机，其中内部动机更有利于创新能力的发展。内部动机指个体因活动本身所体验到的快乐和满足而从事某种活动。内部动机是由具有新颖性、复杂性、挑战性或模棱两可的刺激引发，进而推动个体产生试图获取新颖信息或知识的探索行为。此外，开放性人格是创新能力最重要的预测因素之一。高开放性个体表现为活跃的想象力、审美感受性、对内心感受的专注性，接受新颖事物的经验等。我们近期的一项跨文化调查发现，无论中国还是美国的大学生，学习科学或艺术的大学生的开放性人格得分高于普通大学生。同样，脑科学研究发现开放性与默认系统和认知控制系统之间的功能连接有关。在教育中，家长和教育工作者要注重保护和塑造青少年的好奇心，每当孩子对某个事物表现出好奇时，要多给予赞许和回应。

做创造性的行动者：创造性领域著名的4C理论指出，人人都具有创造性潜能，且Little-C （“微C”）和Mini-C （“小C”）是可以教的，更重要的是这两种创造性在日常生活中可以培养和训练。科伊尔的《一万小时天才理论》提到“一万小时定律”，核心思想是不管做什么事情，只要坚持一万小时，基本上都可以成为该领域的专家。瑞典神经学家皮里奥用功能磁共振扫描39名钢琴家即兴演奏（一种创造性的音乐表现方式）时的大脑，发现钢琴家的训练时间越长（他们的平均训练时长为14000多个小时），在即兴创作中前额叶和顶叶联合皮层的整体活动越低，而这些区域负责注意维持、记忆保持等创造性必要的基本认知，但是经过长期训练，这些基本能力已经完全自动化，同时这些抑制的区域与运动皮层的功能连接增强。这表明，大脑不同脑区通过功能分化去负责创造性的更高级加工活动，比如运动计划和视觉想象等。这说明了两件事情：一是长期训练可以改变大脑，大脑是可塑的。二是这种可塑是让大脑的功能更加优化，例如哪些简单的认知自动化，去负责更加重要的认知加工。在教育过程中要注意引导和刻意训练青少年的创造性思维，可以通过手工活动、游戏、艺术表演等校园活动进行培养。

总之，如何培养创新人才是一个宏大的问题，需要从国家政策、学校教育、社区、家庭及个体多个层面着力。从科学育人，尤其是教育神经科学的视角，以科学研究揭示儿童青少年大脑发育规律、创新素质发展的关键期，并以此引领和指导教学实践和家庭教育，才能将基于脑科学的创新人才培养有效落地。