中华教育网8月12日下午,由广州市科技局主办,广州物联网研究院承办,广州市海珠区科学技术协会协办的格致论道·湾区第24期在广州市海珠区人民政府举办。本期讲坛作为格致论道·湾区讲坛暑期科学大放送最后一弹,特别邀请来自超常儿童教育、大脑决策、恐龙化石、脆蜜龙眼、长臂猿保护领域的5位科学家,为公众讲述他们用心耕耘,在历史长河中上下求索的故事。
张兴利:超常儿童——从发现到培养
超常儿童指那些与同龄儿童相比,一般智力、创造力明显超常出众,并(或)有某方面特殊才能的儿童。基于2020年人口普查结果,如果按照智力排在同龄人群中的前1%～3%计算,我国有253万-760万3-17岁超常儿童。“我们不否认遗传的作用,又尤其关注后天的教育;儿童是在发展变化的,超常智能具有一定的稳定性还存在很大的变化性。作为研究人员来说,我们有自己的’尺子’测量儿童是否’超常’。”中国科学院心理研究所副研究员张兴利介绍道。
超常儿童的“超常”之处主要表现在基本认知能力、智力、创造力和一些非认知因素,研究者可以通过测评儿童的行为和生理特征等核心特质,算出综合分数以进行判断。张兴利通过现场游戏形式,让观众朋友理解如何通过行为反应来测量抽象的智力,其中包括类似“内存条”的语音、视觉空间记忆、报纸的多种用途测验等。
那超常儿童的认知优势到底如何反映在认知过程中呢?瞳孔直径是一种能够敏感反映认知资源分配的生理指标,张兴利及其团队通过观察高智力儿童在完成不同任务时的眼动轨迹,发现他们在遇到好奇的事情时瞳孔直径会变大,并启动注意力集中模式;而当无任务的时候,他们会调整为“节能”模式。她们还发现高智力个体会基于不同类型的任务去分配认知资源,面对不同类型的任务,高智力个体更倾向于在难的探索性任务投入更多努力,这可能反映出高智力个体能够更加专注、灵活地根据不同任务需要,高效调配有限的注意资源完成任务。这对超常儿童教育具有重要启发意义,在现实生活中,需要给超常儿童提供更多有挑战性的任务,让他们自己去发现、探索从而解决问题。这既激发他们的兴趣,又能提升能力和自我效能。
提到超常儿童家庭教育中的实用方法,张兴利强调,要认识到智力是可变的,用进非退,既需要刻意练习,还得适时“留白”,要关注身体、心理、社会和道德四大健康。“每个孩子都有自己的节奏,有早慧也有大器晚成;人类多样性,不是说谁更聪明一些,而是说谁在哪一方面更聪明些,愿每位父母都能找到孩子的’超常点’。”
范朋飞:20年猿迹寻踪
长臂猿是我国Ⅰ级重点保护野生动物。全世界有20种长臂猿,在我国分布的仅有7种,总数不足1800只,仅存于云南、广西和海南,濒危程度远超大熊猫。“两岸猿声啼不住”已成绝响。
要想保护长臂猿,首先得了解它们的习性。然而长臂猿非常警觉,此前中国并没有长臂猿习惯化的经验,无法习惯化,便无法靠近。从2003年起,中山大学生命科学学院教授范朋飞便开始在云南的无量山区观察西黑冠长臂猿,他花了整整18个月,终于成功习惯化世界上第一群长臂猿。在固有认知里,特别是在东南亚地区,长臂猿是一夫一妻制,但范朋飞发现西黑冠长臂猿却是一夫二妻制。他通过详细的调查发现,一般情况下,长臂猿主要以果实为食物,而无量山地区每年12月到次年2月的果实非常匮乏,西黑冠长臂猿为了生存就大量取食树叶,这大大降低了种群内的食物竞争,为一夫二妻制提供了可能性。同时范朋飞团队还采集西黑冠长臂猿种群粪便样品,通过DNA来分析它们的亲缘关系,发现群内的“二妻”是母女关系,这种亲缘关系可以缓解雌性之间的竞争,而且雌性可以通过群外交配来回避近亲繁殖,这再次佐证了西黑冠长臂猿的一夫二妻婚配制度。
此外,2007年起,范朋飞团队便在海拔1600米以上的云南省高黎贡山开展长臂猿的研究,在这里他们发现了一个长臂猿新种,并把它命名为“天行长臂猿”,这也是首个被中国科学家命名的猿类物种。范朋飞团队对两群习惯化的天行长臂猿,进行了长达6年的野外观察并发现,天行长臂猿取食果实时会比取食树叶会更早离开过夜树,且移动速度会随着早餐树与过夜树之间距离的增加而增加,这证明天行长臂猿具有规划能力,这也是人类首次在除黑猩猩外的野生灵长类动物身上发现规划能力。
目前长臂猿栖息地退化严重,还面临非法捕猎等行为。为了呼吁更多人关注和保护长臂猿,范朋飞团队成立了国内唯一专注于长臂猿保护的公益机构——云山保护,拍摄了长臂猿纪录片《天行情歌》。他希望在未来能见到“千山长青,猿声常鸣”的场景。
刘成明:脆蜜龙眼诞生记
我国荔枝产量占世界产量的70%以上,“世界荔枝看中国,中国荔枝看广东”。荔枝是广东重要的经济果树,也是华南农业大学园艺学院刘成明教授从博士期间就开始进行深入研究的对象,他首次构建了荔枝的分子遗传图谱,并成功培育出四个杂交荔枝新品种。
荔枝虽然品种不少,但坐果率都不高,刘成明想到了通过远缘杂交途径来提高其坐果率。刘成明选用了和荔枝同属于无患子科且坐果率非常高的龙眼来改良荔枝,成功培育了杂交品系“紫石6号”,坐果率明显提高。另一方面,龙眼在种业上也存在突出的瓶颈问题:主栽品种非常单一,仅石硖和储良两个品种的占比就超过了90%,导致鲜果供应期特别短。而荔枝不但品种多,而且鲜果供应期也要长很多。那能否利用荔枝来改良龙眼呢?2007年,刘成明开始了尝试,他用早熟优质但果实偏小的石硖龙眼当“妈妈”,让与龙眼杂交亲和性最好的紫娘喜荔枝做“爸爸”。紫娘喜荔枝既晚熟又大果,稳产性非常好,正好可以弥补石硖龙眼的缺点。
人工杂交最大的难题是属间杂交的不亲和性,其授粉受精过程中有很强的生殖隔离屏障,就像猫跟豹不能交配产生后代一样。刘成明团队花了近3年时间研究出蒙导授粉的技术,通过麻醉雌蕊柱头,趁其放松警惕,达到授粉受精的目标。他们给超过10万朵雌花进行了授粉,最终的成功率只有千分之三左右。在授粉过程中,还可能被风中的传播的其它花粉“捷足先登”而产生假杂种,他们利用分子标记技术,也就是俗称的“亲子鉴定”技术,从100多株杂交后代中鉴定出69个真杂种,进而评选出品质和口感最佳而且成熟期晚的SZ52优株,于2022年通过了品种审定并命名为“脆蜜”。脆蜜龙眼不仅生长速度快、挂果率高和抗寒性强,而且熟期也比石硖晚了15到20天。今年已在部分晚熟产区进行了初步的繁育和推广应用,预计2025年可以少量投产和上市。不久后,人们有望在每年的中秋佳节品尝到嫩脆香甜的脆蜜鲜果。
脆蜜龙眼虽然成功了,但其种核较大的问题还未解决。刘成明团队接下来的目标,是要育成小核甚至是完全无核的新品种,目前已经初见成效。
杨天明:透过游戏探索大脑复杂决策机制
“大脑是如何解决复杂问题的?这是个复杂的问题。”在中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员杨天明及其团队最新的研究中,他们选择了通过游戏来研究大脑决策。因为玩游戏的过程中,大脑需要综合运用各种认知的功能来解决复杂的问题,而且游戏人为可控,方便控制实验的变量。
要了解大脑如何解决问题,就得观察大脑的神经元活动。目前的技术还做不到观察人脑,于是杨天明团队选择了学术界最常见的实验动物之一——猕猴作为实验对象。聪明的猕猴的大脑在结构和功能上与人脑有较高的相似度,研究结果往往可以类推到人类。如何教会猕猴玩游戏?杨天明团队挑选了一款经典的《吃豆人》游戏,游戏者通过吃掉迷宫里的豆子,躲避红鬼和黄鬼来获得分数。吃豆、躲鬼的概念和猕猴在自然环境中的觅食和躲避天敌是相似的,所以猕猴也更容易理解游戏的基本概念。但教猕猴玩游戏并不容易,杨天明团队花了一年多的时间,从易到难引导猕猴学会玩游戏。通过将猕猴面对不同复杂程度游戏所使用的决策进行定量分析,他们发现,猕猴不仅掌握了简单的游戏规则,当游戏中出行豆子和鬼同时存在的复杂情形时,猕猴会在大脑中进行策略衡量,选取一个简化的策略据此来控制游戏手柄。在某些情况下,猕猴还会把一系列策略串联在一起,规划出组合策略来进行游戏。可以看出,猕猴具有层级化决策方式,通过组合策略到选择简单策略再到具体的运动抉择来进行游戏。他们还征集了一些志愿者参与同样的游戏实验,发现人的层级化决策结构普遍比猕猴层次更多更复杂,并且玩得越好,层级化结构也越复杂。此外,他们在猕猴进行游戏的时候记录了大脑神经元的活性,发现猕猴在进行抉择的时候,大脑前额叶会被激活,处理越高级、越复杂的决策层级的神经元,位于越靠前的前额叶子区。
这些研究工作能帮助理解大脑如何应对复杂的决策问题,有助于一些与决策缺陷相关的精神类疾病的诊疗,以及对开发高效、灵活、通用、智能的人工智能系统提供了重要的启发。
江山:我在亚洲第一座专业恐龙博物馆挖恐龙
四川自贡市是世界闻名的侏罗纪“恐龙之乡”,据统计,自贡4381平方公里范围内,已发现恐龙化石点170余个,并研究命名恐龙21属26种,约占中国已命名恐龙属种的十三分之一。其中大山铺恐龙化石群遗址化石埋藏集中、数量巨大、门类众多、保存完整,填补了中侏罗世恐龙化石稀少的短板,为世界恐龙早期演化研究提供了非常关键性的实证材料。
自贡恐龙博物馆是在大山铺恐龙化石群遗址上兴建的一座大型遗址类博物馆,是亚洲第一座专业恐龙博物馆,也是目前世界上收藏和展示中侏罗世恐龙化石最多的地方。2001年,自贡恐龙博物馆文博研究馆员江山加入博物馆并负责后山恐龙化石现场发掘工作。“我们当时的发掘面积为400平方米,发掘近两个月一直没有收获。但希望总在前方,幸运的是后来我们不仅发现了一具自贡地区特有的大型蜥脚类恐龙——焦氏峨眉龙,还发现了中国首例侏罗纪四足动物潜穴遗迹。”焦氏峨眉龙体长达23米,是目前自贡大山铺发现的个体最大的恐龙。为了更好地保护和展示焦氏峨眉龙遗址和地层剖面,博物馆在发掘现场修建了似破壳恐龙蛋造型的“探秘馆”。
除了挖掘已有的遗迹,江山及其团队还会从网上搜寻恐龙的“踪迹”。2017年,自贡富顺县的村民在网上发布了几张垫脚石照片,并询问照片上的“鸡爪”是不是恐龙足迹。江山及其团队得知消息后立即与村民取得联系,把8块垫脚石带回博物馆开展保护研究。为了精确勾勒足迹的轮廓,他们使用了三维图片重建、数据分析可视化等技术手段,发现有块仅约0.35平方米的岩板上面至少有44个三趾型足迹,其中有个长仅10.2毫米的足迹,这也是目前中国记录的最小的恐龙足迹。由于岩板上的足迹大小不一,形态相对一致,可能是不同发育阶段小型恐龙留下的足迹。因此,江山及其团队推测这是由刚出生不久的小恐龙留下的,这也表明了有些恐龙具有早成性或超早成性的发育策略,即刚出生的恐龙便能下地行走觅食的能力。
“其实我国是世界上发现和命名恐龙化石最多的国家,但还需要加大研究和宣传力度,让中国恐龙走向世界。”
为了让公众深入了解科学魅力,本期活动还特别策划了圆桌对话。本期活动主持人是中国科学院南海海洋研究所研究员孙珍,她与嘉宾们围绕着“科学家是否想让自己的孩子成为科学家”“如何引导孩子开展科学教育”等问题展开了热烈的讨论。孙珍提到,“不管是作为父母还是老师,我们永远在路上。与孩子相处,我们需要更多的爱、方法和耐心。如果孩子对科学有兴趣可以鼓励,如果不喜欢,那就让孩子成为他想成为的人,任何一条路都可以走向快乐。”同时现场开放互动问答,现场的孩子积极举手发问:恐龙的命名由来,如何发现自己的长处,有了ChatGPT后是否还需要学习编程……
据格致论道讲坛创始人肖云介绍,格致论道·湾区近两个月举办了两场暑期专场,很受家长和学生们的喜爱,9月开学季将会到广州市黄埔区开元学校举办一场科学讲坛,让更多学生近距离感受科学家精神。
(通讯员:雷锦萍 通讯单位:广州物联网研究院)
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