面向全体青少年的科技创新人才培养

倪闽景

党的二十大报告指出,教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。习近平总书记在二十届中央政治局第三次集体学习时指出,要在教育“双减”中做好科学教育加法,激发青少年好奇心、想象力、探求欲,培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。[1]科学教育高质量改革与发展,已经成为实现我国高水平科技自立自强的基础性工作,而新时代高质量的科学教育有两个最基本的特征：一是面向全体学生的高质量,而不是少部分资优学生的高质量;二是多样化实践的高质量,而不是单一化的学科竞赛。

一、 科学教育面临的三大挑战

挑战一：科学技术发展速度远超传统学校教育变革的节奏,科学教育滞后效应越来越突出。科技转化为生产力的周期从30—60年降低到目前的2—3年,科技成果能够迅速从实验室转变为大众耳熟能详的日常生产生活用品,使大众对相关科技的认知需求节奏加快。而传统学校教育的课程教材改革,需要有一个规范的程序,从一次新课程改革酝酿到全新教材呈现到学生面前,基本上需要5—10年左右的时间。我国的现代教育体系和学科体系,基本上都是从西方发达国家引进而来的,教育的跟随性反映的是人才的跟随性,也反映了科技领域的跟随性。

挑战二：随着需要学习的知识越来越多,每个人的学校教育时间也在不断延长。2022年考研的人数达到457万,本科毕业后选择考研已经成为刚需。但是新的科技知识每两年就会翻一倍,每个人的学习速度已经远远落后于世界科技知识的发展速度,不论怎样努力学习也会变得越来越无知。这一方面导致教育“内卷”不断加深,另一方面使得学习时间普遍延长,直接后果是更容易错失自主科技创新的最佳年龄。

挑战三：校内的科学教育与科学界的学科发展偏差越来越远,教科书的内容已经不再代表科学界的观点。国家新课程改革和“双减”政策,旨在提高学生的综合素质和创新能力,激发青少年好奇心、想象力、探究欲,培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体,但是日常的科学课堂教学偏重解题的问题积重难返,必须通过疯狂刷题形成条件反射才能考出高分的情况短时间内很难改变。经过中小学阶段高强度的重复解题训练,孩子们的大脑像被格式化过一样,对于科学学习的兴趣已经差不多被抹光了。传统思维中普遍把考试得高分、最会做题的孩子当成最聪明的孩子,而事实证明这些孩子最终很难成为拔尖创新人才,不当的科学教育确实会导致教育的平庸。

这三项挑战都涉及每一名青少年科学教育的学习内容、学习方式和学习质量。2023年5月,教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》,着力在教育“双减”中做好科学教育加法,一体化推进教育、科技、人才高质量发展,推进基于探究实践的科学教育,提升科学教育实施效能。[2]这个文件要求明确,方向正确,但在实践层面需要突破瓶颈,需要通过在全社会进行一次科学教育的启蒙,了解科学技术的本质,树立科学教育的新思想新观念,健全家、校、社协同的育人机制,构建面向全体青少年的校内外高质量科学教育,形成有效的拔尖创新人才培养的理论与实践。

二、 科学与技术的发展是全人类的成就与福祉

我们的宇宙源于137亿年以前的一个奇点大爆炸。整个宇宙从无到有,产生时间、空间、光、基本粒子,然后逐渐演变为现在的宇宙。宇宙演进的过程,就是不断产生新现象和新规律的过程,有点像俄罗斯套娃,宇宙是一层层生长出来的。人类恰巧在某一个“套娃”上有了智慧,刚开始是用感观来观察和研究自己周边的世界,后来技术发展了,可以“敲碎”里边的一个个“套娃”,发现更深的现象。

科学工具和科学方法很重要,但真正代表科学发展的,是人类的思想解放过程。而思想解放需要一个良好的环境,需要大众对于科学创新有足够的包容和理解,需要全社会不断提升公民的科学素养。世界科学中心的形成,不仅仅需要科学家、工程师,也需要科技规划、科技金融、科技创业、科技文化、科学传播等方方面面的人才。

布莱恩·阿瑟(Brian Arthur)写的《技术的本质：技术是什么,它是如何进化的》中指出,现象是技术赖以产生必不可少的源泉。所有的技术,无论多么的简单或者多么的复杂,实际上都是应用了一种或者几种现象之后乔装打扮出来的。[3]什么叫现象?比如石块很硬,这是一个现象,古人拿来砸开动物的骨头吸吮骨髓。后来他们发现锋利的石块可以切开东西,慢慢加工出来锋利的石斧。技术的进步,实际上是深入认识现象的基础上,新现象与旧技术的组合应用。我们现在习以为常的许多技术发明,就是由普通人创造出来的,每个人都有可能基于旧技术和新现象,发明出新的工具和技术。

科学和技术的发展过程中存在这样的逻辑链条：事物—结构—现象—功能—应用。现象是整个科学和技术的核心,发现一个全新的现象是新科学发现和新技术发明的开始。人们观察到了新现象,必然会产生新问题。如果我们问“产生这个现象的结构是什么?为什么会这样?”,在了解结构之后再往前追问“这东西到底是什么?”就会形成概念,这是科学研究的路径。如果往技术发明的方向走,那么发现新现象之后会问：“它究竟是怎样工作的?有怎么样的功能?这个功能可以有什么应用?”这就是技术的思维。

整个世界在不断演变,这个过程在人类尚未出现的时候就开始了,与人发现不发现没有关系。人类用科学来追寻世界演变过程中形成的现象和规律,而不是创造现象和规律。所以科学家像矿工,把原本就存在的隐藏的“地下宝藏”找出来,但由于这个“宝藏”并非科学家创造的,所以叫“发现”,有着很大的偶然性。技术是进化的,每项新技术都一定包含着原有旧技术的元素,一层层地组合进化,越来越复杂,我们称为“发明”。技术往往有非常强的必然性,经常有人说,我们看过的科幻作品最后都变成了真的。比如,古人想象“嫦娥奔月”,现在真的“嫦娥号”飞往了月球;古人想象天上有天宫,现在我们真的造了天宫空间站。任何现象都是未来潜在的技术来源,你只要想到了,哪怕我们现在看它不符合逻辑,未来都大概率会变成现实。只要你想得到,它就会以某种形式呈现出来,这就是技术的必然性。可见,科学技术的发展是全人类共同想象与创造的结果,科技成就也为全人类带来共同的福祉与力量。

三、 人人都能创新

创新是人天生的能力,源于不同的大脑。当我们通过感知系统形成对世界的各种认识后,实际上在大脑中形成了十分复杂的脑神经回路,每个脑神经回路代表的是某个已知的概念或旧知识。脑神经元之间的树突与轴突在我们思考的时候或者在潜意识之中会发生新连接,从而在原来的脑神经回路之间突然形成新的回路,这个时候就会出现新的概念和知识,这种大脑神经回路的自组织现象是人类创新能力的生理基础。也就是说,从脑神经元层面看,每个人都能创新。当我们找到一条新的上班线路,或者炒了一道前所未有的菜肴,甚至说了一个十分有趣的原创笑话,都属于创新范畴。人类之所以不断创造新的文化和科技,就是来源于大脑这个脑神经回路自我拼搭的能力。

这里有一个真实的故事：香草是一种兰花,最初是墨西哥的印第安人发现并种植应用的。西班牙殖民者征服了印第安人,将香草引进到欧洲。然而整整300年,在墨西哥以外的香草兰长得很茂盛,但就是只开花不结果,全球的香草产量只有2吨。因为香草兰的雄蕊和雌柱中间是有一个膜隔开的,它的授粉必须通过特殊的蜜蜂,而且蜜蜂要先飞到雄蕊上,带着花粉再飞到雌柱上才有可能授粉成功,这种通过蜜蜂的自然授粉成功率只有3%。直到1841年,在法国海外一个现在叫“留尼旺”的小岛上,12岁的奴隶爱德蒙将一朵香草花的唇瓣往回拉,然后用一个牙签大小的竹片抬起阻碍自花授粉的部分,再轻轻地将含有花粉的花药和接收花粉的柱头捏在一起,这个动作现在被称为“爱德蒙的手势”。从此香草的结果率达到94%,因为这个手势,现在全球每年的香草产量有近千万吨。[4]

创新的本质是人的大脑的多样化。不同的学习过程、学习内容、学习程度、学习经历、学习方法会在大脑中形成不同的神经回路,不同的神经回路意味着每个人不同的知识结构和思维方法,而不同的知识结构和思维方法,会让人对同样的事物产生不一样的看法,对同样的问题产生不同的解决思路,这是创新的基础。培育青少年的创新素养,从群体角度看,不是要让学生去掌握十分深奥的创新技能,而是让学生经历不同的学习经历,塑造不一样的大脑。一个人的创新,并不是预设的,而是不同大脑在处理自然或技术现象时出现的自然又存在一定偶然性的结果。有没有培养创新人才天然的、独一无二的育人方式?回答是没有,因为如果有,大家都用这种方法去培养,我们的大脑就又一样了,一样的大脑就意味着创新空间的缩小。[5]

四、 创造力的源泉

在蒙昧时期,人类认为只有神才拥有至高无上的创造力。创造力是赋予人类生存与发展的意义,如果创造力干涸了,人类毫无疑问将无法生存,无论是现在还是未来。现在很多人不再相信神了,但我们依然将富有创造力的人当成神一样来看待,因为虽然每个人都拥有创新的可能性,但极富创造力的人却是十分稀缺的,我们把这些人称为“拔尖创新人才”。神经科学家南希·安德森(Nancy C. Andreasen)对创造力进行了长达几十年的研究,她认为极富创造力的人更善于识别出各种关系,把各种事物进行关联和联系,以一种独特的方式看到别人看不到的东西,并因此能够创造一套全新的理论体系,创造一种全新的生产方式,或者创造一个全新的领域。[6]

创造力一方面来自拔尖创新人才独特的性格与行为,另一方面也来自环境的支持。从环境方面看,米哈里·希斯赞特米哈伊(Mihaly Csikszentmihalyi)指出,“创造力不是发生在某个人头脑中的思想活动,而是发生在人们的思想与社会文化背景的互动中。它是一种系统性的现象,而非个人现象。”[7]富有创造力的人往往扎堆生长,身处人才集聚高地的创新者,更容易站得比别人高。1962年,日本神户大学的科学史学者汤浅光朝,利用《科学技术编年表》等文献资料,采用科学计量学的方法,提出了一个“科学中心转移论”,其大意是：16世纪世界科学的中心在意大利,即文艺复兴后伽利略(Galileo)的祖国;17世纪科学中心转到了英国,也就是早期工业革命、皇家学会与牛顿(Newton)等人登场的舞台;之后是启蒙运动直到大革命时代的法国;从1810年至1920年德国开始成为世界科学的中心;一战之后直到今天,是美国科学执世界之牛耳。[8]从世界科学中心的五次转移来看,同时代都会涌现许多大哲学家、大艺术家,并伴随着剧烈的思想解放和社会革命。环境思想解放最重要的好处是：有人愿意听你的胡说八道,而不是漠视你。当然科学中心往往拥有其他地方没有的先进科学仪器和与之相配套的学术机构、学术机会、获取资金支持的机会。如果你拥有最先进的一手科学仪器,当然更容易能看到别人看不到的东西;如果你现在在硅谷,当然也最容易找到IT行业各链条上的人才。

创造力来自拔尖创新人才独特的性格与行为,同样的地方、同样的条件,为什么有人平庸,而有的人却创造力喷涌而出?这个是我们最需要研究的。米哈里·希斯赞特米哈伊在1990—1995年对91名卓越的富有创造力人进行了深入研究分析,撰写了专著《创造力,心流与创新心理学》,指出富有创造力的个体有10对明显对立的性格：一是富有创造力的人通常精力充沛,但也会经常沉默不语、静如处子;二是富有创造力的人很聪明,但有时又很天真,爱因斯坦(Einstein)就是这样的人;三是富有创造力的人有时喜欢秩序,有时又破坏规矩;四是富有创造力的人可以在想象、幻想与牢固的现实感之间切换;五是富有创造力的人似乎兼容了内向与外向这两种相反的性格倾向,生活中的狄拉克(P. Dirac)腼腆内向,但是在科学研究时的狄拉克却是热情似火还有点话痨;六是富有创造力的人非常谦逊,同时又非常骄傲;七是富有创造力的女性比其他女性更坚强,富有创造力的男性比其他男性更敏感、更少侵略性,因此,富有创造力的个体不仅拥有自身性别的优势,还具有另一种性别的优势;八是富有创造力的人既传统、保守,又反叛、反传统;九是富有创造力的人对自己的工作充满了热情,同时又非常客观地看待自己的工作,保持了很强的开放性;十是富有创造力的人在研究时既能感到痛苦煎熬,又能享受巨大的喜悦。[9]性格的丰富性意味着拥有更丰富的思维方式来与世界发生互动,能使创新的过程在两个极端之间交替转换,就如三棱镜可以展现出更多颜色一般,使他们拥有比一般人更多的创造性体验。

五、 从兴趣到志趣

笔者一直认为,只有产出了拔尖创新成果的人,才能被认同为拔尖创新人才。如果有人拥有拔尖创新能力,但他运气不好,一直没有拔尖创新的发现,或者有新发现但没有人理解和接受,那他就不是拔尖创新人才。华东师范大学柯政等学者也认为并不存在拔尖创新这样的能力。“我们认为并不存在拔尖创新能力这样一个客观实在,那么对拔尖创新人才培养的教育教学策略和技术进行重大调整就变得尤为关键。”[10]“从教育过程来看,拔尖创新人才的培养应面向所有学生。换言之,要对整个教育体系、理念、方法进行优化,而不是把宝压在一小部分人身上。”[11]

青少年对某个现象或事物发生兴趣是普遍且经常的,其基本特点是对现象或事物保持倾向性和某种程度的专注,并产生愉悦感,这就是所谓的兴趣。兴趣最重要的作用是可以让青少年在愉悦的激励下,积累更多的相关领域的知识,架构起较为丰富的知识结构与经验,但是在学习过程中,一旦碰到难以克服的困难或者不再有新鲜感,大脑可能不再让你体会到愉悦,这个时候就有可能产生兴趣中断。在大脑不再做出奖励时,能够继续保持艰苦的学习,就需要价值观和韧性的加持,这个时候对于学习的兴趣就转化为志趣。志趣最大的特点是专注与稳定性,在大脑中出现间歇性、波动性的不愉悦时,依然可以保持正常的学习状态,这样的学习者才可以走得很远,最后会成为某一领域的专家,甚至成为领军人才。因此,只有青少年形成了对科学的志趣甚至痴迷,我们的科学教育才算成功了。

在科学学习上让青少年形成志趣,有四个很重要的教育要求：一是需要对观察、概念、探究、实验有比较深刻的体验,掌握了基本的科学探究技能与方法,这是支点;二是对自然世界表征的结构与功能、系统与平衡、变化与恒定、多样与统一、规模与尺度、模块与控制等大概念有开阔的把握,这是对科学统一性的洞察;三是对抽象的范式、思维方法程序有一个基本认识,并对理论和模型、沟通与协作、科学态度与科学伦理产生深度反思,涌现出个性化的韧性和价值观;四是通过从现象到问题、从问题到课题、从兴趣到志趣,真正让更多青少年在繁重的学习压力下突破个人的功利心,而聚变为痴迷科学又灵魂有趣的人。

六、 结语

高质量的科学教育一定是面向全体青少年的教育,并以此奠定教育多样化的根基,努力避免把我们认为的资优青少年在早期就集中在一起搞超前拔尖培养。拔尖创新人才没有“天选之人”,拔尖人才也不是智商高,而是对某个领域有更强的专注度和志趣。拔尖创新人才具有的特别的人格特征,是可以培养和引导的。高质量的科学教育不是高科技教育,更不是买高精尖的实验设备,青少年只需要按一个按钮就可以得到实验结果。高质量的科学教育是能够充分展现科学现象,在现象观察中激发思考,增进和聚焦兴趣,形成有意义的学习。富有创造力的本质是对某个领域超越常人的知识富集,痴迷专注于外人看起来毫无趣味的现象,通过积极的行动和与众不同的方法找到新的落脚点。因此,要鼓励青少年充满自信地去探究实践与动手实验,行动会带来知识与真实世界的碰撞,会出现失控甚至犯错误,而这一切才是创新的源泉。就像著名物理学家泡利(W.E. Pauli)所言：“犯错并不是发生在科学家身上最坏的事,最糟的事可能是‘连犯错都不够格!’(It is not even wrong!)”[12]