創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)的邏輯闡釋與路徑

在人工智能加速知識生產(chǎn)與技術(shù)迭代的背景下，科學(xué)教育面臨的關(guān)鍵問題已不再只是知識傳授，而是如何培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)并生成解釋的能力。然而，當(dāng)前不少科學(xué)教育實(shí)踐仍以標(biāo)準(zhǔn)化解題與結(jié)論性知識的掌握為中心：學(xué)生擅長在既定框架內(nèi)求解，卻不善于識別框架的邊界，更缺乏將現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可檢驗(yàn)問題并通過證偽不斷修正解釋的探究能力。由此帶來的問題是：答案越來越容易獲得，真正推動科學(xué)進(jìn)步的“問題發(fā)現(xiàn)”能力卻容易被忽視。科學(xué)史表明，重大創(chuàng)新往往不是始于對既有知識的熟練運(yùn)用，而是起于對異常現(xiàn)象、解釋裂縫和理論邊界的敏銳識別。因此，科學(xué)教育的關(guān)鍵不只是讓學(xué)生認(rèn)識和運(yùn)用規(guī)律，更要培養(yǎng)其像科學(xué)家一樣敏銳識別“烏云”并勇于突破既有認(rèn)知框架的思維品質(zhì)。

從科學(xué)史中的“奇點(diǎn)”事件看科技創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)

“兩朵烏云”事件是世界科學(xué)發(fā)展史中的重要節(jié)點(diǎn)。1900年4月27日，開爾文男爵（Lord Kelvin ，本名 William Thomson ）一場名為《在熱和光動力理論上空的19世紀(jì)烏云》的演講一石激起千層浪—他提出“動力理論肯定了熱和光是運(yùn)動的兩種方式，現(xiàn)在它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了……第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上……第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上”。[1] 正是這兩朵烏云引發(fā)了兩場科學(xué)革命：相對論革命與量子論革命。這兩朵烏云在科學(xué)史上可被看作一個奇點(diǎn)—一個現(xiàn)有符號體系無法解讀的部分。當(dāng)按照已有的認(rèn)知框架無法解讀的奇點(diǎn)出現(xiàn)時，人們則會開始反思分析框架的合理性。

波普爾在《猜想與反駁》一書中說：“科學(xué)進(jìn)步的真正危險不在于科學(xué)會趨于終結(jié)，而在于諸如缺乏想象力（有時是缺乏真實(shí)興趣的結(jié)果）、誤信形式化和精確性或者以某種形式出現(xiàn)的獨(dú)裁主義。”[2] 如果說“兩朵烏云”說明科學(xué)突破常常始于異常，那么進(jìn)一步的問題便是這種發(fā)現(xiàn)異常的能力為何在今天更值得被強(qiáng)調(diào)。其中，尤為值得注意的是，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，碎片化信息的轟炸與數(shù)字化信息繭房的束縛使發(fā)現(xiàn)“烏云”與“奇點(diǎn)”變得更難。

“烏云”在科學(xué)探究過程中具有重要作用。科學(xué)教育要培養(yǎng)學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)“烏云”的意愿與能力，敢于反思現(xiàn)有的規(guī)律，勇于探索能夠解釋“烏云”的理論框架。而在生成式人工智能廣泛介入學(xué)習(xí)過程的背景下，學(xué)生發(fā)現(xiàn)“烏云”的條件有可能被進(jìn)一步削弱。生成式人工智能是在結(jié)果導(dǎo)向下對工作者進(jìn)行“思維”層面的替代，呈現(xiàn)出由“人的決策→技術(shù)的加速→技術(shù)的符號輸出”到“人的符號輸入→技術(shù)分析→技術(shù)的符號輸出”的轉(zhuǎn)變，思考與決策的主體由人變成了生成式人工智能。[3] 在這樣的技術(shù)環(huán)境下出現(xiàn)了一種隱性的危機(jī)—即路途性與景深性的危機(jī)。[4] 景深原本是攝影領(lǐng)域的名詞，是指在照片中顯現(xiàn)出的深度與立體感。由于數(shù)字化技術(shù)環(huán)境對于過程性的遮蔽，周圍表象、符號性的內(nèi)容無法與我們的認(rèn)知與經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，進(jìn)而失去了生成性的過程，導(dǎo)致我們在看待問題時缺乏一種景深。當(dāng)學(xué)生在看到周遭世界時缺失了整體性以及與經(jīng)驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性，則發(fā)現(xiàn)“烏云”與“奇點(diǎn)”的前提便消失了。最終，在表象性符號的代替下，學(xué)生的深度學(xué)習(xí)受到阻礙，自我主體性的建構(gòu)也不再依賴于真實(shí)的客觀環(huán)境，“烏云”很難再被看到，不可解讀的“奇點(diǎn)”也在其中隱去。

從“發(fā)現(xiàn)烏云”到“像科學(xué)家一樣思考”

什么是像科學(xué)家一樣思考？科學(xué)家是如何思考的？

如果說“發(fā)現(xiàn)烏云”揭示了科學(xué)創(chuàng)新的起點(diǎn)，那么“像科學(xué)家一樣思考”所要說明的就是學(xué)生應(yīng)具備何種能力去識別異常、提出問題并形成解釋。近年來，世界范圍內(nèi)的科學(xué)教育改革正呈現(xiàn)出兩條相互支撐的趨勢：一是從“掌握知識與操作技能”的結(jié)果導(dǎo)向，轉(zhuǎn)向以核心素養(yǎng)為目標(biāo)的對“科學(xué)思維與探究實(shí)踐”的培養(yǎng)；二是從追求“唯一正確答案”的確定性，轉(zhuǎn)向在證據(jù)不完備、情境更真實(shí)的學(xué)習(xí)任務(wù)中理解并表達(dá)不確定性。美國《K-12科學(xué)教育框架》及NGSS強(qiáng)調(diào)通過建模、解釋、論證和探究活動培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐能力；[5] 英國國家課程以“科學(xué)探究”（working scientifically）為主線，要求學(xué)生在觀察、比較、實(shí)驗(yàn)和證據(jù)使用中理解科學(xué)；[6] OECD《PISA 2025科學(xué)框架》則強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用科學(xué)知識、評估信息并作出基于證據(jù)的判斷。[7] 我國《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將科學(xué)課程核心素養(yǎng)明確為“科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任”，強(qiáng)調(diào)以思維與探究統(tǒng)領(lǐng)學(xué)習(xí)過程；[8] 教育部等十八部門印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，進(jìn)一步提出素養(yǎng)導(dǎo)向、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐、減少機(jī)械刷題，推動科學(xué)教育從“會做題”走向“會探究”。[9] 因此，“像科學(xué)家一樣思考”不應(yīng)被理解為記住更多結(jié)論，而應(yīng)理解為一種可遷移的認(rèn)知方式，是面對復(fù)雜現(xiàn)象能夠?qū)⒔?jīng)驗(yàn)中的疑點(diǎn)與異常轉(zhuǎn)化為可研究的問題，生成解釋并接受證據(jù)約束，在論證、反駁與修正中迭代推進(jìn)理解。更關(guān)鍵的是，這種面向不確定性的生成性解釋能力離不開三種相互銜接的思維機(jī)制，這三種思維邏輯揭示了“科學(xué)家是如何思考的”真相。

一是假設(shè)。以假設(shè)把不確定性轉(zhuǎn)化為可檢驗(yàn)命題。假設(shè)使學(xué)習(xí)者能夠把模糊的不確定性感受轉(zhuǎn)化為可檢驗(yàn)的問題形式。英國劍橋大學(xué)動物病理學(xué)教授、科學(xué)哲學(xué)家貝弗里奇（William Ian Beardmore Beveridge）非常重視研究中假說、想象力、直覺以及觀察的重要作用，假說在貝弗里奇看來是導(dǎo)致新發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新的重要途徑，錯誤的假說同樣具有重要的意義。在某些事例中，錯誤的假說比正確的假說甚至更容易收到成效。假說的價值在于“以該假說為基點(diǎn)，將研究工作的新方向朝四面八方鋪展，而且盡可能多地將假說應(yīng)用于各種具體情況。如果假說適用于各種情況，則可上升到理論范疇；如果深度夠，甚至可上升為‘定律’”。[10] 這種向四面八方鋪展的分析方式，顯然與以往的應(yīng)試教育所主張的單一性、絕對性答案是不一樣的。它們是由科研人員通過自主探究而進(jìn)行的從不確定性到確定性的過程，而非外界的確定性束縛。

二是想象。以想象力擴(kuò)展解釋空間并生成多路徑可能。除了假設(shè)之外，想象也是很多科學(xué)家非常關(guān)注的重要科學(xué)創(chuàng)新屬性。想象力使學(xué)習(xí)者能夠在既有解釋之外打開新的可能空間。愛因斯坦曾言：“我相信直覺靈感和想象力比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識進(jìn)化的源泉。”[11] 愛因斯坦對想象進(jìn)行了充分的肯定，并且認(rèn)為想象力比知識更重要。作為人類史上最偉大的科學(xué)家之一，愛因斯坦的這個觀點(diǎn)對科學(xué)教育亦是重要的指引。科學(xué)教育最重要的不是培養(yǎng)做題的工具，不是讓學(xué)生死記硬背知識，而是要保護(hù)學(xué)生的想象力。反觀在科學(xué)教育實(shí)踐中常常過度強(qiáng)調(diào)應(yīng)試教育、強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)答案，其實(shí)是對學(xué)生想象力的一種磨滅。

四川省眉山市?彭山區(qū)第二中學(xué)學(xué)生在“西南低空科教文旅基地”體驗(yàn)操作機(jī)器人。（翁光建 攝）

三是超邏輯。以“超邏輯”在關(guān)鍵處突破既有框架，隨后再回到邏輯論證與經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)之中。超邏輯所指向的并非反邏輯，而是在既有邏輯路徑尚未打通時，借助直覺、類比與整體把握實(shí)現(xiàn)思維躍遷。在重視想象力的基礎(chǔ)上，愛因斯坦強(qiáng)調(diào)：“物理學(xué)家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律，由此世界體系就能用單純的演繹法建立起來。要通向這些定律，并沒有邏輯的道路；只有通過那種以對經(jīng)驗(yàn)的共鳴的理解為依據(jù)直覺，才能得到這些定律。”[12] 這種“非邏輯”的道路，就是“超邏輯”。超邏輯的概念指出了思維同感官之間的聯(lián)系問題，以及直覺在這一聯(lián)系中的重要作用。在科學(xué)史中還有許多著名發(fā)現(xiàn)都有超邏輯的影子—如對苯環(huán)原子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)與大陸板塊漂移學(xué)說的提出，都不符合萊布尼茨所說的充足理由律，但是這些觀點(diǎn)在科學(xué)史中都有非常重要的價值。[13] 超邏輯思維在人類科學(xué)史與各種科技創(chuàng)新活動中都扮演著重要角色，而當(dāng)下的科學(xué)教育實(shí)踐卻往往忽略了學(xué)生“非邏輯”思維的培養(yǎng)與保護(hù)。

將“像科學(xué)家一樣思考”作為科學(xué)教育的重要引導(dǎo)方向

既然“像科學(xué)家一樣思考”的核心在于面對異常現(xiàn)象時生成假設(shè)、展開想象并實(shí)現(xiàn)必要的思維躍遷，那么科學(xué)教育的關(guān)鍵便不只是傳授結(jié)論，而是為這三種思維機(jī)制的形成提供條件。

第一，借助開放探究與問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)“烏云”并形成假設(shè)。在數(shù)字化背景下，學(xué)生學(xué)習(xí)的真實(shí)、過程性經(jīng)驗(yàn)更容易缺失。數(shù)字化環(huán)境進(jìn)一步催化了學(xué)生以結(jié)果為導(dǎo)向的、浮躁的、聚焦表象性符號為特征的思考模式的生成。在學(xué)生深度學(xué)習(xí)受阻、主體性構(gòu)建也受到影響的情況下，科學(xué)教學(xué)與創(chuàng)新人才的培養(yǎng)更需要注重過程性與生成性。在頂層設(shè)計層面要注重幾個核心原則：首先，科學(xué)操作要以科學(xué)思維先行，明確生成式人工智能的工具性定位，保留學(xué)生獨(dú)立思考的能力。要在學(xué)生充分思考的基礎(chǔ)上再進(jìn)行操作，讓科學(xué)實(shí)驗(yàn)課真正具備實(shí)驗(yàn)性，而不是成為照本宣科的手工課。其次，為學(xué)生的猜想與假設(shè)創(chuàng)設(shè)空間，既要通過課程的設(shè)計讓學(xué)生對科學(xué)產(chǎn)生興趣，又要在已有的學(xué)科體系基礎(chǔ)上由教育者進(jìn)行甄別歸納，總結(jié)出適合學(xué)生學(xué)習(xí)特征的操作活動。情境與體驗(yàn)、具象與操作對于兒童來說是必不可少的，也是兒童認(rèn)識世界的主要方式，所以要將抽象的學(xué)習(xí)過程具象化，如利用學(xué)習(xí)卡片等形式幫助兒童在具體的操作中發(fā)現(xiàn)問題。[14] 最后，給學(xué)生獨(dú)立思考的空間與時間，建議采用小組合作的方式，教師不過多干預(yù)學(xué)生的獨(dú)立思考與討論，引導(dǎo)學(xué)生自主完成思維層面的探索。

第二，通過多重解釋、類比聯(lián)想與方案比較，為學(xué)生的想象力提供適恰的課堂空間。貝弗里奇在強(qiáng)調(diào)假設(shè)的同時站在方法論角度提出：“高明的研究工作指導(dǎo)者試圖引導(dǎo)工作人員自己提出研究計劃，這樣使他感到這是他自己的設(shè)想。”[15] 無疑，當(dāng)學(xué)生成為科學(xué)教育的主體，教師所充當(dāng)?shù)慕巧鸵l(fā)生轉(zhuǎn)變—由施教者轉(zhuǎn)向引導(dǎo)者。在科學(xué)教學(xué)中，教師可以充分利用科學(xué)的學(xué)科融合性，始終秉持培養(yǎng)學(xué)生“像科學(xué)家一樣思考”的目標(biāo)，讓學(xué)生成為課堂與學(xué)習(xí)的主人。在知識講授環(huán)節(jié)，提倡學(xué)生對已有的知識進(jìn)行思維導(dǎo)圖式的呈現(xiàn)；在猜想計劃環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生提出自主假設(shè)的同時展示自己的猜想與計劃；在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)和操作步驟進(jìn)行記錄；實(shí)驗(yàn)過后，讓學(xué)生將猜想計劃環(huán)節(jié)的記錄與實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的記錄進(jìn)行對比，思考為什么在實(shí)驗(yàn)中猜想與結(jié)果并不一致？改變猜想的原因是什么？原本的猜想在什么條件下才能夠?qū)崿F(xiàn)？通過最終的對比與反思環(huán)節(jié)，促使學(xué)生以假設(shè)為基點(diǎn)預(yù)留足夠的空間發(fā)揮想象力，進(jìn)而在一次次主動思考中賦予學(xué)生分析“烏云”的能力。

第三，通過模型建構(gòu)、直覺表達(dá)與證據(jù)反思，支持學(xué)生形成“超邏輯”的思維躍遷能力。同愛因斯坦一樣，貝弗里奇也認(rèn)為想象是創(chuàng)造性的重要條件，他說：“獨(dú)創(chuàng)性常常在于發(fā)現(xiàn)兩個或兩個以上研究對象或設(shè)想之間的聯(lián)系或相似之點(diǎn)，而原來以為這些對象或設(shè)想彼此沒有關(guān)系。”[16] 基于此，作為課程的設(shè)計者與執(zhí)教者，更作為學(xué)生最直接接觸的評價主體，教師應(yīng)當(dāng)首先關(guān)注學(xué)生的多元發(fā)展，以多維評價代替單一、固定的評價。關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的過程性與生成性，以過程評價為主導(dǎo)，更加注重學(xué)生創(chuàng)新思維、思辨能力、反思能力、溝通能力的培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生大膽表達(dá)看似天馬行空的假設(shè)與猜想，并積極投入實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)反思。課程中應(yīng)多設(shè)置開放性或?qū)嵺`性探究項目，盡量減少單一答案，從評價上給予學(xué)生提出假設(shè)與發(fā)揮想象的機(jī)會與可能性，賦予學(xué)生打破“烏云”的條件。

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本文系吉林省社會科學(xué)基金項目“‘雙減’政策背景下學(xué)生學(xué)業(yè)評價研究”（項目編號：2023B85）、吉林省教育廳人文社會科學(xué)重點(diǎn)項目“小學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造性思維發(fā)展的非邏輯要素作用機(jī)制研究”（項目編號：JJKH20231268SK）研究成果

（作者李鑄衡系吉林省教育學(xué)院教材研究中心主任、教授、博士，中國教育學(xué)會科學(xué)教育分會副秘書長；張敬威系東北師范大學(xué)教育學(xué)部副教授、博士生導(dǎo)師，教育學(xué)部元暉書院副院長；濮丹陽系東北師范大學(xué)教育學(xué)部博士研究生）

《人民教育》2026年第12期

作者：李鑄衡 張敬威 濮丹陽