倪闽景 | 做好科学教育“加法”，让教育转向为创新而学

什么是科学？人们认为科学就代表正确，但科学哲学家波普尔曾说过，“所谓的科学就是能够被证明是错误的理论”，凡是无法被证明是错误的，一定不是科学。正因如此，科学才不断向前进步。科学和技术是两回事，现在我们眼睛能看到的生活工作场景充满了技术，如话筒、衣服、椅子。“所有的技术，无论多么简单或者多么复杂，实际上都是在应用了一种或几种现象之后乔装打扮出来的”，布莱恩·阿瑟以此阐释技术的本质，其中最核心的是“现象”。

大英博物馆藏的奥杜威石制砍砸器，距今约200万年，那时人类祖先发现石头很硬的现象，并对石头进行加工，制成工具。人类将工具拿在手上，砍砸骨头，就是砍砸技术。从现象到工具，就是技术生成的过程。再如120万～140万年前的奥杜威手斧，是人类祖先发现尖锐的东西会割破皮肤这一现象，从而制成的切割食物的工具，这是切割技术的生成。

某种程度上看，技术可能和人没有关系，如蝙蝠的超声波导航技术完全由生命进化而来。只不过有了科学后，由自然界的偶然拼搭转变为快速发展的现代科技。

明末清初，宋应星写了《天工开物》这本综合性科技著作；同时代的李时珍集古代医学大成；1562年出生的徐光启则推开了世界科学之门，他还创作了《农政全书》，彼时中国古代技术在全球领先。而在1564年，被誉为现代科学奠基人的伽利略出生。他创生了科学实验方法，用这种方式研究自然世界，打开现代科学的大门。中国两千年的发展历程中，有机遇、有辉煌，也有遗憾。

宇宙演化就像一层层套娃，人类在某一个套娃上突然拥有了智慧，努力向内溯源宇宙的形成过程，这个发现新现象、发现现象背后规律的过程就是科学。从人类睁开眼睛看周边世界，凭借感官去理解世界，再到利用望远镜、显微镜去观察超越人类感官的世界，如2023年诺贝尔物理学奖获得者们在阿秒光脉冲方面做研究，阿秒为计时单位，1阿秒为10的负18次方秒，相当于百亿亿分之一秒，在这样的时间间隙里，可以清晰看到电子的“舞蹈”；韦伯望远镜曾发现比邻星b上有疑似人造光的亮光，科技的发展早已超越人类感官极限。

2024年，诺贝尔化学奖表彰获得者在蛋白质结构的解析和创造方面的贡献，大卫·贝克（David Baker）利用激光电镜技术创造了一种生命从未有过的蛋白质，戴密斯·哈萨比斯（Demis Hassabis）和约翰·江珀（John M. Jumper）则发明了全新的人工智能解析蛋白质大模型的平台“AlphaFold”。过去人类花了50年时间，用X光和冷冻电镜技术破译22万个生命蛋白质结构，而AlphaFold3仅用一个月时间，便预测了全人类所有已知生命的蛋白质结构，代替了科学家两亿年的工作量。将石头作为工具，可以做到用拳头做不到的事；深度利用最新的科学工具，每个人都可能有重大发现。实际上，有限的资源并非人人能拥有，教育起到的作用是筛选哪些人可以使用这些资源，而科学研究正在越来越工具化，每个人都可以像科学家一样工作，未来每个行业都像科技行业，这将给教育功能带来颠覆性的变化。

国家科学实力的评估指标之一是高引用论文的数量，2003年美国CNS（Cell、Nature、Science）等顶尖刊物上发表的论文，高被引论文数量美国是中国的二十倍，2013年美国是中国的十倍，2022年中国超过美国。但中国大量论文集中于材料科学、化学、工程学等方面，几乎没有原始创新。

徐光启时代是一次历史转折，西方科技突飞猛进，中国在科学技术方面的落后差距越来越大。改革开放大门一打开，中国开始追赶。2012年，李政道先生就表示，中国科学已经到了可能或可以引领世界科技发展的阶段，建议建立一个世界顶级研究所——李政道研究所应运而生。研究所对标世界顶尖实验室，研究极端状况下的重大科学问题，如“海铃计划”计划在中国南海海底3500米处，以1000多根千米高的线缆，两两相隔约百米，竖排成覆盖约8立方千米海域的巨型矩阵，捕捉着中微子带来的宇宙信号，这已然具备孕育多项原创科学发现的重大潜力。

追赶模仿就是学习别人已有的东西，因此教育的任务是找出最会学习的人。中国每届学生多则两千万，少则九百万，学习同样的课程、考同样的试，把考得最好的人挑出来送到最好的大学继续学，这是过去教育的逻辑，这个逻辑在过去几十年大获成功。但我们国家到了“创新驱动”阶段，不再是模仿追赶的逻辑，这便成为教育要面临的最大挑战。因为考100分的人可能并非创新者，考50分的人可能更会创新，因为“犯错”是创新的根本特点。我曾和2013年诺贝尔化学奖得主迈克尔·莱维特（Michael Levitt）对话，他说优秀的科学家90%的时间在犯错，顶尖科学家99%的时间在犯错，因为犯错而走上一条别人从未走过的路，进而有新的发现。教育也必须朝着为创新而学转向，不应再追求满分，而要追求多样，这是教育底层逻辑的改变。

科学技术方面的创新有三个基本途径：

一是新思想。每个人刚出生时，大脑神经元外面的树突和轴突还没有包上髓鞘，只有当这些神经末梢外面包上髓鞘，才能产生有效的神经元连接。6岁前后，大脑神经元的树突和轴突、髓鞘最为丰富，人的学习能力最强；到14岁前后，树突和轴突数量不升反降，因为它们不被使用便会被修剪；而到我这个年龄（57岁），可能在某一个方面成为专家，但学习能力远不如孩子。

什么是学习？学习有其生理基础，学到某一个新知识，就代表神经元的轴突和另一些神经元的树突建立了若干新连接，这是学习的奥秘。我们能看懂一句话、一些文字，说明大脑里已经有这些连接，但如果把这些文字重新组合成一句话，大脑就要建立新的连接。从电子显微镜可以看到，大脑神经元总是在尝试和其他神经元连接，有时会出现“神经搭错”，这可能发生在睡觉、旅游、散步、苦思冥想的时候。当形成一个前所未有的回路，这就代表一个新的念头出现。这些念头大多数是错的，但也许是对的。比如门捷列夫随身携带一副写满已知化学元素的扑克牌，空下来就摆出来，以寻找化学元素的规律，结果有一天在梦里看到一个有意思的摆法，由此发明了元素周期表。

二是新发现。在探索自然世界的行动中，由于各种意外情况和实验干扰，会出现从未见过的新现象——行动会带来意外，从而实现新发现。如1669年，德国汉堡一名叫布朗特的商人有一个惊人的想法，他收集5000升人的尿液，希望从中提炼出黄金，但最终得到了新的元素——磷。再如盘尼西林（青霉素）、X射线，都是偶尔发现所得。

三是新组合。技术的进步是在对现象的深入认识的基础上，新现象与旧技术结合成新组合，如割一茬长一茬的水稻、一棵树结多果的多宝茄子树。但无论是新思想、新发现，还是新组合，都要依靠每一个人，而不是仅依靠那些考100分的人。有重大成就的科学家，我们总认为他们是人群中最聪明的人，但实际上，往往有重大发现的科学家并非最聪明的人，是因为他有重大发现才成为顶尖科学家，而非他是顶尖科学家才有重大发现。

伟大不可以被计划，所有拔尖创新人才都是涌现出来的。创新源于多样化的大脑和行动，创新不怕愚蠢，就怕相同。多样化的大脑和行动正是破解当下教育内卷的关键。当我们不追求标准答案，而追求不一样；不追求最好，而追求多样的时候，教育的空间就会打开，教育真正走向改变。多样化也让缺点与错误能成为资源与优势，在这个层面上，教育评价必须进行重大调整。

物理学家丁肇中说过：“我几乎认识每一位获得诺贝尔物理学奖的科学家，我可以负责任地说，这中间几乎没有一个考第一名的。”每个人都有可能成为拔尖创新人才，甚至考最后一名的人成为拔尖创新人才的并不比考第一名的少。当然最后真正成为拔尖创新人才，仍有一些共同特点可以探寻。

威廉·赫歇尔（William Herschel）出生于音乐世家，并成长为著名音乐家，但除此之外，赫歇尔业余时间喜欢自制天文望远镜（当时全球最大的望远镜），并发现天王星、观测双星体系、研究银河系结构，甚至在色散现象中发现红外线，因此被誉为“音乐界和天文学界的双星”。如1905年“爱因斯坦奇迹年”，爱因斯坦连续发布五篇论文，包括光电效应问题、狭义相对论等，但那时他并非科学家，只是一家专利局的技术员。再如2023年诺贝尔生理学和医学奖获得者之一卡塔琳·考里科（Katalin Kariko），出生于屠夫之家，于1990年进入美国宾夕法尼亚大学医学院，然而她为mRNA项目申请科研经费却屡次被拒。1995年，因为拿不到经费，没有项目或成果，考里科的教职被降至最低级别。2013年被迫退休。

这些科学家都有一些共同特点：自主、专注、坚韧，而这和考试成绩没有关系。不管考试成绩如何，都可以培养自主、专注、坚韧，这是教育真正的力量。

那么如何理解科学知识、能力和素养？用一个比喻来说，知道废旧电池对环境有害是知识，不乱扔废旧电池是能力，真的把废旧电池扔到专门回收处才是素养，因此科学素养是一种行为。学习科学知识，可以形成科学能力与科学素养，但知识不等于能力，也不等于素养。对某个知识不理解时，要保持相信科学、相信科学家；对某个知识通透理解的时候，却要保持怀疑，这正是科学素养。

夏天时大家都被蚊子咬过，这时会出现肿、痒的现象，多数情况下大家把蚊子拍死就结束了。但如果你提问：为什么会痒？为什么会肿起疙瘩？为什么他肿起的疙瘩大，我肿起的疙瘩小？并真的抓很多蚊子展开研究，那么你就是科学家。科学家不是一种职业，而是一种行为。善于发现现象、敢于提出问题、勇于付诸行动，保持这样的习惯，每个人都可以成为科学家。

学校是一个模拟世界，学校之外才是真实世界。校外的真实世界能够点燃人生梦想，让孩子们对学习产生意义和价值，让他们产生使命感。学校教育是慢的，而校外教育有最快的反应速度、最丰富的知识呈现、最多样的学习方式、最复杂的环境关系、最有想象力的评价，它上不封顶、左右不限。真实世界值得校长们去思考并积极实践。

教师每上一次课都在不可逆地改变孩子的大脑，因此每一位教师都是点燃孩子的梦想魔法师；尽管现在的评价制度还在变革中，不受教师自己控制，但教师仍可以通过自己的努力实现自己课堂的改变，把每一个课堂都变成教育创新的重点实验室。