认知科学、聚合科技与教育创新，本文主要内容关键词为：认知科学论文,科技论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
如果现在去参观美国的教育机构或科技中心，我们可能会看见5岁的儿童正在学习使用地理信息系统方面计算机软件来了解美国及其他国家的地理知识；6岁的儿童正在一边摆弄智能教具，一边听老师用先进的科学知识讲解“飓风”形成过程及飓风来临时的自救方法；6年级的孩子正在通过做实验来了解混凝土的制作方法并尝试制作符合特定目的的混凝土模块。一些新的学习工具如神经科学感受器（如基于皮肤电流反应的“情绪手镯”）、学习状态下生物反馈仪或实现教学同步录播的设备都正在进入中小学的课堂，为教师的教学提供及时反馈。在2013年的TED教育周上，比尔·盖茨承诺投入50亿美元用于增加美国学校教室中的教师教学录播设备。当前，基于最新的纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学的智能教具正大踏步地为美国基础教育发展新的、更有效的教学方法提供支持。从2000年到2015年，美国使一半的学校所教的科学知识都基于纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学相聚合的原则。在此原则指引下，美国从基础教育到高等教育的课程内容和教学方式都发生了根本性的变革。美国基础教育领域新变革的基础是认知科学和聚合科技这两大新科技方向的建立。 20世纪50年代以来，西方心理学、语言学、语言哲学、信息科学和脑与神经科学几乎同时发生了革命性的变革。[1]到20世纪70年代中叶，这种革命性的学科变化使得认知科学横空出世。2000年，一个更大的综合科学研究计划于美国诞生，它就是聚合科技（converging technologies），包括纳米技术（nanotechnology）、生物技术（biotechnology）、信息技术（information technology）和认知科学（cognitive science）[2]。认知科学和聚合科技的诞生，是人类科学技术发展史上的重大事件，对世界各国尤其是欧美发达国家的基础教育产生了一系列革命性影响。反观我国，对认知科学的深入研究时间尚短，而对聚合科技的关注还主要处在引介和科普的初步阶段，如何正确认识这两大综合学科的发展及其对世界主要国家基础教育创新发展战略的影响，是一个关于我国未来基础教育发展方向的重大问题。 一、认知科学和聚合科技在国内外的发展 （一）认知科学在国际和国内的发展 1975年，由于美国著名的斯隆基金投入，美国学者将哲学、心理学、语言学、人类学、计算机科学和神经科学整合在一起，研究“在认识过程中，信息是如何传递的”，这个研究计划的结果产生了一个新兴学科——认知科学[3]。当前国际公认的认知科学学科结构如图1所示。
认知科学的发展首先在原来6个支撑学科内部产生了6个新的发展方向，这就是心智哲学、认知心理学、认知语言学（或称语言与认知）、认知人类学（或称文化、进化与认知）、人工智能和认知神经科学。这6个新兴学科是认知科学的6大学科分支。这6个支撑学科之间互相交叉，又产生出11个新兴交叉学科，分别是控制论、神经语言学、神经心理学、认知过程仿真、计算语言学、心理语言学、心理哲学、语言哲学、人类学语言学、认知人类学和脑进化。 认知科学要揭开人类心智发展的奥秘，同时会促进一大批相关学科的发展。认知是脑和神经系统产生心智的过程和活动。一般而言，有脑和神经系统的动物都具备某种程度的心智。认知科学就是以认知过程及其规律为研究对象的科学。认知涉及学习、记忆、思维、理解以及在认知过程中发生的其他行为。因此，语言和心理、脑和神经是认知科学的重要研究内容。就人类心智而言，由于人是社会性动物，语言和哲学、文化和进化以及人所特有的工具——计算机及其科学理论也成为认知科学研究的对象。40多年来，认知科学的重要进展得益于脑科学的发展，而脑科学的发展又得益于脑成像技术的长足进步。 在我国，认知科学近年来也得到高度重视，但主要处于引介、消化欧美认知科学成果和初步的深化研究阶段。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，“脑科学与认知科学”被列为我国科技中长期发展规划的八大前沿科学领域之一。科技部在2005年批准成立两大认知科学国家重点实验室——北京师范大学“认知神经科学与学习国家重点实验室”和中国科学院“脑与认知科学国家重点实验室”，清华大学在2006年4月建成教育部“985工程”认知科学研究基地——清华大学心理学与认知科学研究中心。又过10年，直到2015年12月26日，我国首家包含“认知科学”名称的学院——民族文化与认知科学学院——终于在贵州民族大学成立。可以说，无论是从体量上还是从研究的纵深程度上，我国认知科学的发展水平同国际先进水平相比还有不小的差距。经过40多年的发展，认知科学已经从理论扩展深入到技术层次，形成认知科学、认知技术和认知产品的完整系列。如何将认知科学研究成果实质性地服务于中小学教育教学质量的提升、持续的基础教育创新，对我国认知科学和经济社会发展是一个非常重大的问题。 （二）聚合科技的发展 1.聚合科技在美国的发展简况 美国国家科学基金会和美国商务部于2000年共同资助一项旨在弄清哪些学科是新世纪的带头学科的研究。70多位美国一流的科学家参加了这项研究工作并形成一份460多页的研究报告——《聚合四大科技，提高人类能力：纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学》（Converging Technologies for Improving Human Performance:Nanotechnology,Biotechnology,Information Technology and Cognitive Science），人们又以这四大科技的首字母“NBIC”（NBIC，可音译为“恩贝克”，在本文中“聚合科技”与“恩贝克”为同义语，下同）来作为本研究报告的简称。 在这份“21世纪科学技术的纲领性文献”中，科学家预言：“在21世纪，或者在大约五代人的时期之内，一些突破会出现在纳米技术（消弭了自然的和人造的分子系统之间的界限）、信息科学（导向更加自主、智能的机器）、生物科学（通过基因学和蛋白学来延长人类生命）、认知和神经科学（创造出入工神经网络并破译人类认知）和社会科学（理解文化媒母，驾驭集体智商）领域。”[2]该报告称：“聚合科技以认知科学为先导，因为规划和设计技术需要从如何、为何、何处、何时四个层次来理解思维。这样，我们就可以用纳米科学和纳米技术来制造它，用生物技术和生物医学来实现它，最后用信息技术来操纵和控制它，使它工作。”[2]研究报告断言，这四大科学技术聚合所产生的能力，将会“加快技术进步的速度，并可能会再一次改变我们的物种，其深远意义可以媲美数十万代人以前人类首次学会口头语言”[2]。 2013年7月，恩贝克进入2.0版本时代，新报告《聚合知识、技术和社会：超越纳米—生物—信息—认知技术的聚合》（Convergence of Knowledge,Technology,and Society:Beyond Convergence of Nano-Bio-Info-Cognitive Technologies），吸取了来自巴西、欧盟、中国、比利时、韩国、日本和澳大利亚相关研究的最新进展。报告指出，在恩贝克的基础上，符合社会利益的知识与技术的聚合（convergence of knowledge and technology for the benefit of society,CKTS）代表了21世纪的核心发展方向，CKTS所要解决的问题不是传统分析时代所培养的能力所能解决的，它要求我们培养具有新的复合型素养的人才来解决新时代的问题。此外，聚合科技将成为未来知识社会的基石和新一轮工业革命的引擎，它主要面临三大挑战：一是累积在基础性的新兴技术领域的进步，并在经济、人类—尺度、地球—尺度和社会—尺度创造新的工业和工作机会；二是通过聚合来提升社会创造创新能力和经济繁荣，包括发展旨在促进信息交流和互动的统一平台；三是挖掘人类潜力，促进人类终身幸福，包括升级认知化的社会、取得个体化和整合性的高质量的健康保健与教育。 2.中国对聚合科技的引介和初步探索 研究报告《聚合四大科技，提高人类能力：纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学》在美国出版后引起了中国学者的高度重视，部分科研院所开始小范围地翻译和引介这一新的科技发展方向。后来，清华大学认知科学团队精心组织，历经三年时间，翻译出版了这份反映世界最新科技走向的研究报告。该书的翻译出版对促进我国纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学的发展，促进四大科技领域的交叉合作研究，促进学科综合发展和人才培养，促进我国的国防建设和国家安全及促进我国教育体制的变革都具有十分重要的意义。 与此同时，于2011年完成建设并投入使用的陕西师范大学教师专业能力发展中心和2011年获准建设的现代教学技术教育部重点实验室（以下简称“实验室”），正是以认知科学尤其是以聚合科技的核心思想为指导的，教师专业能力发展中心和实验室力争在学习机制、教学规律、创新素质和教师发展四大领域的系统研究和实践探索方面取得突破性进展。教师专业能力发展中心和实验室是陕西师范大学代表教育部完成的国家“985”教师教育创新平台重点项目，包括各类实验室25个，这些实验室已经初步实现了将四大科技聚合起来，为教育创新尤其是基础教育领域创新提供研究支撑与服务的功能。实验室的研究人员来自生命科学、心理学与认知神经科学和计算机科学与技术三大学科背景，实验室将代表分子生物学、动物行为学、发展与教育心理学、认知神经科学和计算机科学与技术等不同研究范式的硬件相整合，服务于创新人才培养（见图2）。
2012年，实验室研究人员在《细胞》（Cell）杂志上发表有关星型胶质细胞与工作记忆的高水平论文，是该杂志2012年的最佳论文之一。此外，在创新教育研究方面，实验室研究人员在国际著名的《创造力研究杂志》（Creativity Research Journal）、《创造性行为杂志》（Journal of Creative Behavior）、《思维技能和创造力》（Thinking Skills and Creativity）发表了系列论文，产生了一定的影响。实验室研究人员还参与国务院教育体制改革项目“探索减轻学生过重课业负担的途径和方法”，创造性地将减负与培养学生的创新素质相结合，为我国深化教育改革做了有益探索。教师专业能力发展中心和实验室已经为来自北京、深圳、陕西、山西和甘肃等地的数千名在职教师提供了高质量的培训，大大提升了参训教师的教学创新能力。实验室还与美丽园丁教育基金会等机构合作，面向西北地区少数民族儿童实施培养创新思维的“学思维”活动课程，取得了很好的效果。目前，教师专业能力发展中心和实验室研究人员正在研发基于纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学相聚合的智能教具、虚拟实验室和教材。 二、认知科学、聚合科技及欧美的基础教育创新 恩贝克不仅将极大地促进科学和教育的发展，而且还将把这两个方面的发展结合起来。《聚合四大科技，提高人类能力：纳米技术、生物技术、信息技术和认知科学》一书的研究者认为，社会的未来依靠科技的持续进步，而持续的科技进步又依赖于先进的科技教育。恩贝克的提出者认为，以下四种因素会使未来美国的教育发生根本改变：一是在教育系统中存在许多关于社会因素的反科学理解，要运用恩贝克的取向来对抗这些反科学势力；二是认知、生物、信息和纳米科技的快速发展，将对个体如何学习提供新的洞察，这会有效地变革美国中小学的课程内容、教学方法、教育评估形式和组织建制方式；三是通过恩贝克，新的教育技术和智能教具将在中小学得以运用，美国将会投入巨资开展这些新技术和新的智能教具的研发；四是很少有某一领域的专业科学家能够有机会在其科研生涯中转行到专门的恩贝克聚合研究和教育传播领域，因此，恩贝克必须在美国基础教育阶段大规模地推进这方面的工作。 认知科学和聚合科技对美国基础教育和高等教育的促进作用，不仅体现在众多研究机构和实验室的研究计划和研究成果中，而且也反映在美国各州教育中长期发展战略和各级各类教育过程中。恩贝克为美国基础教育的发展提供内容、过程和工具方面的支持。内容方面，人类基因组计划的成果将全面改进现有基础教育生物课程内容，同时在基础教育阶段将体现跨学科教育方式。过程方面，目前在美国康涅狄格州已经开发出以认知物理和生物为基础的教学模式，绘制各种儿童的学习模式，并给教师提供相应的教育建议，同时运用测量大脑活动和评估认知功能的技术评估学生的学习能力；此外，基于计算机认知恢复基础的注意和记忆增强技术、脑波和自动神经系统生物反馈技术等已被用来提升学生的学习能力、注意力和压力管理能力。工具方面，远程呈现和智能代理使得学生通过在线的实验室和高可靠性的模拟来理解基本的科学问题，生理监测和虚拟现实技术被用于指导复杂认知和浸入式学习。同时，美国各州开发出一系列针对教师和学生的评估体系和测试体系。上述内容对于大学研究内容的扩充和课程的开发，尤其是美国大学的师范专业发展带来了深远影响。 除此之外，世界知名大学都已经开展了认知科学和恩贝克相关学科的研究，并在研究如何将各相关学科的成果进一步研发，使之具有服务于基础教育的特点。例如，哈佛大学将心智与身体、社会、地球、太空、技术并列为六大研究分类。麻省理工学院将“神经与认知科学”作为重要研究领域，并强调“神经科学与认知科学已被广泛认为是未来几十年内最令人兴奋的研究领域，也是麻省理工学院未来10～20年内最重要的增长领域”。麻省理工学院设有“脑与认知科学系”“麻省脑科学研究所”等机构，并出版杂志《认知神经科学》（Journal of Cognitive Neuroscience）。加州大学圣地亚哥分校的认知科学系主要从事脑、行为和计算三个领域的研究。加州大学伯克利分校的认知研究所主要研究实际生活中的认知活动，并试图对这些现象给予理论上的说明。柏林自由大学是德国精英大学，近年来在认知心理学、物理教学论和计算机专家的联合攻关下，研制出虚拟实验室和虚拟教材系统。该系统遵循了基于物理理论教学、计算机模拟仿真和实验视频等内容的聚合原则。参加实验的人员轻轻点击屏幕就可以进入实验室，他们只需要在触摸屏上作出一定的手势便可完成实验，虚拟空间里的科学家还能点评学习者的“研究成果”。这种互动式屏幕实验和虚拟实验室已经用于德国中小学的真实课堂。该虚拟实验室还建立了学习者之间的联系平台，让他们可以共同实验并进行讨论。 在恩贝克促进教育创新方面，国际材料学会原任主席、美国西北大学张邦衡教授率领团队于1994年开始研发的材料世界模块（Materials World Modules，MWM）项目是个典范。该项目得到美国国家自然科学基金2000万美元的研发资助，项目所包括的中学创新教育课程以探究和设计为指导方针，引导学生在课堂中进行科学技术实验。该课程是专门为中学各科目，包括科学、技术、工程、数学以及其他科目的课内和课后学习而研发的。张邦衡教授所率领的来自美国西北大学的材料研究人员和来自美国中学的科学课教师依据人们日常的材料使用研发出16个课程模块，致力于应对各种全球挑战，如再生能源、环境保护、医药以及信息系统与安全等。 MWM所包括的16个模块分别是生物传感器、混凝土、瓷器制品、合成材料、聚合物、智能传感器、运动材料、食品包装、生物可降解材料、纳米概览、纳米技术、纳米世界中的光线处理、太阳能电池、环境催化、纳米模式和纳米级药物注射。所有模块的教学活动由三部分组成：首先，激发学生兴趣和好奇心；其次，探索活动要能够引出有关中心话题的背景知识；最后，设计项目通过利用现有的材料制作实用模型产品来激励学生能够学以致用。这16个模块代表了纳米技术最前沿的研究，同时与STEM课程以及科学标准紧密联系，而且其课程模块的设计贴近中学生实际，是全世界基于恩贝克设计创新教育课程的典范。 三、对我国基础教育创新发展的启示 综上所述，20世纪70年代以来，美国先后创立了认知科学和聚合科技两个跨学科的综合学科群体，他们试图利用多学科综合的优势来解决与21世纪人类生存和发展相关的一系列重大问题。这两大新的科技研究方向给我国基础教育发展战略带来启发和宝贵的发展机遇。 （一）应认真评估认知科学和聚合科技的发展及其对我国的影响 我国在认知科学方面只有10年左右的国家层面正式的、成建制研究的历史。对我国中小学产生实质影响的认知科学研究成果还非常少见。而在聚合科技方面，我国不应像在认知科学方面那样落后美国至少30年才建立专门的国家实验和研究机构。如果再等20年，到2036年的时候才开始研究聚合科技及其相关的教育问题，那将更加落后于美欧等国家。同时，应该指出，整体意义上的聚合科技的发展理念还远未进入我国最高决策层的视野，也未被写入我国的中长期教育和科技、人才等发展规划。发达国家和世界一流大学已倾注全力开展认知科学和聚合科技的研究，并将研究成果迅速应用到基础教育阶段，而认知科学至今并未被纳入我国的学科目录。因此，我国必须对认知科学和聚合科技的发展及其对未来发展的影响作出认真的评估。 （二）进一步更新中小学现有学科和课程设置 在课改过程中，我国中小学的学科和课程已经有较大完善，目前已经逐步进入围绕学生发展的核心素养开展新一轮课改的阶段。但要认识到，认知科学是六大学科的综合，聚合科技则是包含认知科学在内的更大的综合，这种综合的趋势为20世纪80年代以来科学技术的进步和人类认知的发展提供了广阔的科学基础、学科框架和发展前景。在这种背景下，我国中小学现有的学科和课程设置可能还要继续作出更大范围和更大程度的修正和完善。试想：如果我们的孩子学习的内容和上课的方法以及教师的教育理念、教学内容和方法还停留在工业革命以前或工业革命的水准，那么我们的孩子长大后拿什么跟那些从小就浸润了认知科学、恩贝克等现代科技素养的人们竞争？ 我国如果想要在21世纪真正屹立于世界民族之林，现在就必须大踏步地赶上认知科学和聚合科技的发展浪潮。反观目前我国中小学的学科、课程和专业设置，还很少有从认知科学和聚合科技等角度作出因应时代的必要调整，若不改变这一状况，就很难打破原有的学科藩篱，很难实现有效的知识综合与创新。众所周知，新领域的开拓、新方法的应用、新观点的提出和新理论的建立是环环相扣和层层递进的，否则就很难培养出高素质、创新型人才。[5] （三）反思现有的创新人才培养模式 我国在国家层面已经制定了建设创新型国家的战略，并先后推出《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》。不少大学已经在创新人才培养方面开展了多年的探索，但还未见哪种培养模式真正“打造”出具有国际水平的“学术大师”来，这是值得深入反思的。 首先，在遴选原则方面，不少大学都以入学成绩或智力表现为第一衡量标准，集中优质师资、人力和物力资源，为这些少数稀有的“明日之星”量身“打造”课程内容、培养模式和发展计划，开设实验班。但不少学生在学习一段时间以后叫苦不迭，因为他们发现在看似光鲜的项目之下有大量不堪忍受的训练内容，从而纷纷想转到商学院、经管学院这些离“人间烟火”更近的学院或专业。 其次，在课程内容方面，许多大学推崇“宽基础”的培养模式，大学低年级不分专业、力图实现综合培养。但这个基础应该是什么样的基础，大学对此并没有实质的研究和考虑。阅读和熟记人文、社科或理科领域的经典名著，可以算作基础的一部分，但这些基础不会自然地引导学生往一个创新型研究方向去。究其实质，这些“打造”创新人才的计划是用生产机器零件的思维来做教育，没有从创新人才成长规律、评价模式，从认知科学的角度来研究和制订培养计划，也并未借鉴聚合科技提供的、新的知识综合创新的国际经验。 我们要看到一个严峻的现实，就在美国大踏步地将当代核心科技整合进中小学课程和课堂时，我国举国上下仍然在为孩子过重的课业负担殚精竭虑、奔走呼号。如果我们加强对恩贝克等相关学科在基础教育阶段如何实现有效教学的研究，开发出以儿童为本的教学模式和课程内容，“减负”可能就不再是教育难题。 （四）高等教育要加强对基础教育的关注 加强高等教育与基础教育的联系，与我国创新人才培养的战略息息相关。那些想要培养创新人才的高校，尤其是像已经进入“2011计划”或“985”“211”层次的高校，一定要对基础教育保持足够的关注。高等教育从业人员要认识到，人的创造性思维、导致高创造力的动机、问题发现能力和创造性人格等心理品质最关键的发展阶段其实并不在高等教育阶段。如果大学教师不关注基础教育，不关注基础教育阶段儿童青少年的创造力发展是越来越被阻碍和扼杀还是越来越被保护和促进，就很难在大学阶段培养出高素质、创新型人才，因为大学生不是空着脑袋来上大学的，他们上大学之前已经有了一系列比较成熟和固定的思维方式及人格特征。通过“宽基础”和“实验班”的方法，可能会使大学生从知识的存量上有所增加，但能否触及大学生内心深处、打破其可能存在的消极的思维定势，使其提出有价值的问题并实现有效的创新，就很难说了。同时，基础教育阶段的教育者不能一切向高考看齐，甚至为了激励学生，时时告诫学生“现在吃点苦，好好学，将来上大学就轻松了”，要知道大学并不轻松，最应该轻松的是中小学。 我国应认真借鉴美国和欧洲一流大学对于认知科学和恩贝克的做法，要将大学研究出的成熟的恩贝克等相关学科的知识，如人类基因组计划或纳米技术的成果，系统、有效地融入基础教育的课程内容。同时，大学应该为基础教育阶段的跨学科培育提供榜样和解决方案，并实现大学与周边社区基础教育学校的良好互动，如德国的大学经常向社会尤其是中小学生开放实验室，举办“科技长夜”“儿童大学”等活动。另外，大学应探索诸如测量大脑活动和评估认知功能的技术、注意和记忆增强技术、脑波和自动神经系统生物反馈技术等，用以提升中小学生的学习能力、注意力和压力管理能力；中小学要在实践中探索有效的高科技教育教学手段的应用之道，实现与大学研究人员的良性互动。
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