高質量中小學科學教育體系如何構建？圍繞“三維度”，把握“三動力”

在世界百年未有之大變局加速演進、國際競爭日趨激烈、世界格局深刻變革、新一輪科技革命與產業(yè)革命蓬勃發(fā)展的時代大背景下，世界各國都在加強科學教育，將培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才、突破關鍵技術作為搶占國家未來發(fā)展制高點的核心戰(zhàn)略。我們也清晰地認識到，基礎教育階段是青少年好奇心、想象力和探求欲發(fā)展的關鍵時期。面對新一輪科技革命加速發(fā)展和推進科技自立自強戰(zhàn)略需求，我國中小學科學教育還面臨許多挑戰(zhàn)，需求（指對科技創(chuàng)新人才的需求）與供給的矛盾突出、校內與校外的整合不足、教師與專業(yè)的支撐缺乏、課程與教學的質量不高、科研對教學的促進不夠等問題依然存在。有效解決科學教育問題、全面提升科學教育質量是一個系統(tǒng)工程，需要全面落實黨的路線方針政策和《教育強國建設規(guī)劃綱要（2024—2035年）》的基本要求，聚焦科技創(chuàng)新人才的有效培養(yǎng)，體現(xiàn)科學技術發(fā)展的最新成果，建構要素協(xié)調高質、主體協(xié)同育人、學段進階貫通的高質量科學教育體系。

聚焦創(chuàng)新人才的有效培養(yǎng)

科學教育是提高全民科學素質、培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才、提升國家科技競爭力的重要基礎，更是建設科技強國的重要根基，關系到我國的核心競爭力和中華民族偉大復興中國夢的實現(xiàn)，是一項具有戰(zhàn)略性和緊迫性的事業(yè)。面對新形勢下科學教育面臨的挑戰(zhàn)，黨和國家高度重視科學教育工作，強調創(chuàng)新人才培養(yǎng)。黨的二十大報告首次將教育、科技、人才“三位一體”統(tǒng)籌部署，并對“著力造就拔尖創(chuàng)新人才”提出要求。習近平總書記在主持中共中央政治局第三次集體學習時強調：“要在教育‘雙減’中做好科學教育加法，激發(fā)青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學家潛質、愿意獻身科學研究事業(yè)的青少年群體?！?/span>2023年5月，習近平總書記在中共中央政治局第五次集體學習時強調：“進一步加強科學教育、工程教育，加強拔尖創(chuàng)新人才自主培養(yǎng)，為解決我國關鍵核心技術攻關提供人才支撐?！?/span>2025年1月，中共中央、國務院印發(fā)《教育強國建設規(guī)劃綱要（2024-2035年）》，要求全面把握教育的“政治屬性、人民屬性、戰(zhàn)略屬性”，將具有強大的思政引領力、人才競爭力、科技支撐力、民生保障力、社會協(xié)同力、國際影響力作為中國特色社會主義教育強國的重要特質，突出教育科技人才一體統(tǒng)籌部署，推出一系列創(chuàng)新舉措，提出“完善拔尖創(chuàng)新人才發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)機制”。面向中小學生實施科學素養(yǎng)培育“沃土計劃”；面向具有創(chuàng)新潛質的高中學生實施“脫穎計劃”等。在戰(zhàn)略急需和新興領域，探索國家拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)新模式。由此可見，中小學科學教育有助于提高全民科學素質、促進經(jīng)濟社會發(fā)展和科技強國建設，[1] 而在當前國際形勢和教育強國建設背景下，加強改進科學教育的重要目標是培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才。

近年來，我國推動基于核心素養(yǎng)的課程改革，把促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展作為科學課程的目標，落實立德樹人根本任務。同時，科技創(chuàng)新后備人才所具備的主要特征稱為創(chuàng)新素質。核心素養(yǎng)與創(chuàng)新素質的有機整合，構成了具有家國情懷的科技創(chuàng)新后備人才的必備素養(yǎng)?？茖W課程要培養(yǎng)的學生核心素養(yǎng)，主要是指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展所需的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，是科學課程育人價值的集中體現(xiàn)，包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等方面。[2] 創(chuàng)新素質反映了科技創(chuàng)新后備人才所具有的必備特征，在系統(tǒng)分析科技創(chuàng)新后備人才特征的相關理論、實證研究的基礎上，我們提出“四維度十要素”的科技創(chuàng)新后備人才必備特征模型。[3] 其中，思維維度包括基本思維和高階思維，知識維度包括知識的廣博和精深，動機維度包括內在動機和成就動機（強調遠大志向），人格維度主要指創(chuàng)新人格等。高質量的中小學科學教育體系要著力培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新素質，將中小學生核心素養(yǎng)和創(chuàng)新素質的發(fā)展作為衡量科學教育質量的重要標準和關鍵內容。

反映科學技術的最新成果

知識是創(chuàng)新的基石。主體對知識經(jīng)驗和思維材料進行深度理解與高度概括后，實施集中而系統(tǒng)的遷移，進行新穎的組合分析，找出新異的層次和交接點，提出新穎而有價值的觀點，就實現(xiàn)了創(chuàng)新。廣泛、大量的知識儲備是創(chuàng)新的基礎，靈活、聯(lián)結緊密的知識結構是創(chuàng)新產生的加速器，有利于提高創(chuàng)新的效率。科技創(chuàng)新后備人才的知識特征具有綜合性，已被行為科學和腦科學研究證實。[4][5][6][7] 因此，高質量的科學教育體系要統(tǒng)籌科學教育、技術與工程教育，加強物理、化學、生物學、地理等學科之間的聯(lián)系，融合科學教育與人文教育，關注環(huán)境教育與可持續(xù)發(fā)展教育，聚焦處于學科中心、展示學科圖景、反映學科思想、體現(xiàn)學科本質的結構化的概念、規(guī)律和原理組織教學內容，開展跨學科綜合實踐活動，探索綜合化實施分科課程的路徑，引導學生建立知識之間的聯(lián)系，形成合理的認知結構，用多學科的知識和方法解決真實問題。

隨著科學技術的快速發(fā)展，科學知識量呈指數(shù)增長趨勢。怎樣在有限的時間內能夠讓學生學習前沿科學知識、掌握科學思想方法、形成科學思維方式、領悟科學精神（包括科學家精神）是當前面臨的一大課題。近年來，我國已經(jīng)有一些初步探索，建立了“正式教育體系與非正式科普活動”雙軌并行的前沿科學知識融入機制，開展了科普講座、科普研學、參觀大學與研究機構實驗室等富有成效的活動，促進了學生對前沿科學知識的了解。但前沿科學知識融入科學教育內容的系統(tǒng)性還很缺乏，融入路徑還不夠明確，碎片化特征還比較明顯，更新機制尚未形成。

我們認為，前沿科學知識融入中小學科學教育內容需要滿足如下要求：一是體現(xiàn)規(guī)律，做到“三適合”（適合學生知識經(jīng)驗、思維水平、興趣特點）和“兩遵循”（遵循學習規(guī)律和學科規(guī)律）；二是建立關聯(lián)，要與中小學科學課程標準中的學科核心概念和跨學科概念建立聯(lián)系；三是突出素養(yǎng)，要通過類比等方法將前沿科學知識轉化為學生可以理解的內容，突出科學思想方法、科學思維方式、科學精神（包括科學家精神）的學習與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

做到體系要素的協(xié)調高質

中小學科學教育體系的構成要素包括政策、課程、師資、資源、評價、科研等，提升這些要素的質量并建立要素之間的協(xié)調機制是中小學科學教育體系高質量發(fā)展的重要標志。從世界主要發(fā)達國家科學教育體系建構來看，可以建立多種類型的要素協(xié)調機制。如法國在以科學家引領試點改革基礎上凝練經(jīng)驗并大面積推廣，建立了研究反饋的聯(lián)動機制；[8]英國政府通過國家STEM教育追蹤指導改革政策，[9] 澳大利亞通過科學素養(yǎng)評估調整教師培養(yǎng)方案和課程資源配置，[10] 均建立了評價引領的調整機制；美國《國防教育法》、德國《MINT行動計劃2.0》和法國《教育指導法》都是通過立法確保課程開發(fā)、教師培訓、資金支持等，建立了基于政策法規(guī)的協(xié)同網(wǎng)絡。當前，我國建構了多要素推進的格局，但各要素的發(fā)展水平尚需提高，要素之間的協(xié)調機制尚待建立完善，各項政策的落實需要取得實效。

要理解體系各要素內涵、功能、關系及其優(yōu)化方案，在此基礎上推動各要素的高質量協(xié)調發(fā)展。

政策體系（如目標規(guī)劃、財政撥款、標準發(fā)布、學校布局、關系協(xié)調等）是科學教育持續(xù)良好發(fā)展的前提條件，對科學教育目的、結構、經(jīng)費、設施、環(huán)境、條件、資源、教師等起著基礎指導和宏觀調控作用。需要加強頂層設計，建構能夠促進科學教育高質量發(fā)展、全面協(xié)調的政策體系，引導學校、家庭、社會形成科學的教育質量觀、政績觀。

課程體系涉及課程目標、課程內容、課程實施、教學改革、課程評價等，是決定科學教育質量的關鍵要素，整體應突出綜合性、實踐性、思維性和進階性。要做到：基于核心素養(yǎng)確定課程目標，圍繞核心概念組織教學內容，基于學習進階確定學段分布，統(tǒng)籌科學教育、技術教育與工程教育，設計與高等教育貫通的中小學課程體系，整合啟發(fā)式、探究式、互動式、項目式等教學方式，實施能夠促進學生深度學習的思維型探究與實踐，實現(xiàn)學生對核心知識的深度理解、有效建構和靈活應用。

科學教師水平直接影響政策落實、課程實施、教學改革，涉及教師配備、職前培養(yǎng)和職后培訓等方面，是科學教育有效實施的重要保障。要做到：強化科學教師培養(yǎng)培訓的頂層設計，確定目標、重點和政策措施；依據(jù)教師專業(yè)能力的層級結構，設計從新任教師、骨干教師到專家型教師的全程培養(yǎng)體系；構建“理論指導、案例分析、情境模擬、自主反思、行為反饋”的“思行合一”實訓模式，實現(xiàn)教師對學生、學習和學科的深度理解和育人能力的顯著提升。

資源體現(xiàn)在學校布局、實驗條件、課程資源等方面，是科學教育有效實施的物質基礎。要做到：依據(jù)學齡兒童數(shù)量變化趨勢調整學校布局，建設能夠高水平實施國家課程的實驗條件和支撐區(qū)域科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)的科學教育中心，推動與國家科學類課程標準銜接的社會資源、實踐資源和研究資源建設。

科學教育評價主要體現(xiàn)在診斷、監(jiān)督、改進功能，既要關注學生素養(yǎng)發(fā)展情況和動態(tài)趨勢，也要關注影響素養(yǎng)發(fā)展的相關因素。評價標準要體現(xiàn)科技創(chuàng)新后備人才的必備素養(yǎng)，包括核心素養(yǎng)和創(chuàng)新素質，強化過程評價，重視教學評一體化，引領科學教育體系的整體優(yōu)化。

強化多元主體的協(xié)同育人

中小學科學教育體系由多個要素和多個主體構成，從系統(tǒng)論的觀點來看，這些要素和主體之間相互關聯(lián)，共同構成一個不可分割的有機整體，系統(tǒng)在外界因素的影響下，通過反饋機制實現(xiàn)動態(tài)平衡?？茖W教育體系具有動態(tài)性和開放性，各要素都會對該體系產生影響，促進或者抑制其健康發(fā)展。在科學教育推進過程中，涉及各級政府、中小學校、高等學校、科研院所、科協(xié)組織、科技場館、科技企業(yè)、社會團體等實施主體。高質量的科學教育體系需要整合這些力量，加強科教融合，建立健全協(xié)同推進科學教育工作的機制體制。

2023年，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，初步形成了多主體積極參與的格局。然而在實踐層面，目前各主體多以各自的定位和資源自主推動科學教育，仍需建立完善國家層面的科學教育統(tǒng)籌協(xié)調機制。推動科學教育高質量發(fā)展，需要建立良好的機制與生態(tài)。一是建立協(xié)調機制。明確政府各職能部門的職責任務，建立協(xié)同推進工作的機制體制，加強定期交流，推進具體項目，統(tǒng)籌相關資源，深化戰(zhàn)略合作，以高水平合作加快建設高質量科學教育體系；建立科研院所、高等學校與中小學聯(lián)合發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才以及推進科學教育改革發(fā)展的機制，探索學習、科研、實踐相結合的人才培養(yǎng)模式。二是建立激勵機制。制定激勵政策，有效調動科學家、教育家等參與科學教育的積極性，讓他們深度研究科學教育規(guī)律，積極參與科學教育實踐。三是建立整合機制。充分發(fā)揮高等學校、科研院所、科協(xié)組織、科技場館、科技企業(yè)、社會團體等機構的作用，把校外學習與校內學習結合起來，因地制宜設立科學教育中心（或者基地），建立校內外科學教育資源整合的機制。四是營造良好氛圍。充分發(fā)揮各級各類媒體的宣傳引導作用，加大宣傳力度，弘揚科學精神（包括科學家精神），樹立崇尚科學、崇尚創(chuàng)新的輿論導向，激勵青少年樹立投身建設世界科技強國和科研報國的遠大志向，形成良好的社會生態(tài)。

實現(xiàn)不同學段的進階貫通

科學教育需要以學生為主體，做到“三適合（適合學生的認知水平、適合學生的知識經(jīng)驗、適合學生的興趣特點）”和“兩遵循（遵循學習規(guī)律、遵循學科規(guī)律）”?；诖?，高質量的科學教育體系需要做到大中小一體化，貫通式培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才。

從學生思維能力的發(fā)展來講，1—2年級學生處于具體形象思維階段，因此要關注學生對具體現(xiàn)象與事物外部特征的觀察、描述、比較、分類、判斷等；3—4年級學生處于由具體形象思維向抽象邏輯思維過渡的關鍵時期，因此在關注具體現(xiàn)象和外部特征的基礎上，還要分析現(xiàn)象和事件發(fā)生的條件、過程、原因等，涉及歸納、推理、控制變量等；5—6年級學生具有一定的抽象思維能力，關注事物的結構、功能、變化與相互關系，涉及概括、系統(tǒng)化等；7—9年級學生處于由經(jīng)驗型抽象邏輯思維能力向理論型抽象邏輯思維能力發(fā)展的關鍵期，涉及微觀結構、抽象模型、科學原理等的理解，要求掌握基本的方法，具有初步的科學思維能力和探究與實踐能力。

從學生興趣的發(fā)展來講，簡單說可以按照直覺興趣—操作興趣—因果興趣—理論興趣的路徑發(fā)展。

從科技創(chuàng)新后備人才的發(fā)展規(guī)律來講，早期探索階段（學前與小學前期），會表現(xiàn)出對經(jīng)驗、行為和事件的創(chuàng)造性見解，基本思維處于快速發(fā)展階段，對事物有強烈的好奇心和興趣，這種興趣和好奇心具有隨機性、偶發(fā)性和不穩(wěn)定性；興趣顯露階段（小學后期與初中），開始在日常生活中表現(xiàn)出創(chuàng)造潛能，表露出對特定科技創(chuàng)新領域的興趣，喜歡實踐和挑戰(zhàn)，樂于鉆研，科技創(chuàng)新動機快速發(fā)展，批判性思維和創(chuàng)新思維初步形成；才干浮現(xiàn)階段（高中與大學本科），開始表現(xiàn)出對特定領域科技創(chuàng)新的才干，并刻意學習相關科技知識；專業(yè)創(chuàng)新階段（研究生與工作），開始在某一領域進行科研和實踐創(chuàng)新，突破現(xiàn)有科研邊界，發(fā)現(xiàn)全新研究領域。

根據(jù)各學段學生的認知特點、學習規(guī)律以及科技創(chuàng)新后備人才的成長規(guī)律，需要構建與高等教育銜接的中小幼科學教育多階段鑒別體系和進階式培養(yǎng)體系。統(tǒng)籌幼兒園、小學、初中和高中等學段，整體規(guī)劃科學教育與工程教育體系，進階設計中小學科學類課程標準，實現(xiàn)國家課程小初高一體化貫通式設計，保證課程理念、教學思想的一致性，課程目標、課程內容的進階性，以及科學教育與工程教育的融合性。同時，建構學思維、學探究、學創(chuàng)新和學研究的進階式活動課程體系，探索形成“啟蒙教育—興趣引導—探究實踐—創(chuàng)新研究”等進階式創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。落實面向中小學生的“沃土計劃”和面向有創(chuàng)新潛質的高中學生的“脫穎計劃”。

重視人工智能的精準賦能

近年來，人工智能技術與科學教育的深度融合正驅動科學教育生態(tài)的系統(tǒng)性變革，促進科學教育場景的三維重構：在科學教育工具創(chuàng)新方面，開發(fā)了智能導學系統(tǒng)、教育機器人、智能硬件和基于深度學習算法模型的個性化教學資源推薦系統(tǒng)等；在科學教育模式創(chuàng)新方面，探索了智能學習環(huán)境構建、教學決策智能引擎、人機協(xié)同教學模式創(chuàng)新等；在科學教育評價創(chuàng)新方面，設計了自適應評價與智能反饋系統(tǒng)、多模態(tài)預測與動態(tài)評估系統(tǒng)等。特別是隨著人工智能大語言模型的突破，人工智能正在快速應用于科學教師的日常教學。然而，目前大部分學校應用的都是通用人工智能，還沒有能夠反映科學課程標準要求的科學教育智能體。通用人工智能在科學教育教學中的應用會存在缺乏核心素養(yǎng)的導向、教學思想的引領、科學思想的理解、核心價值的管控等問題，對于中小學生的自主使用要特別慎重，必須有教師的指導。

開發(fā)反映科學課程標準和教學思想的思維型科學探究實踐智能體，需要解決通用模型存在的問題，通過理論引領和技術創(chuàng)新，建構能夠理解學生、理解學習（或者教學）、理解學科的“理論驅動、技術賦能、評價反哺”三位一體的綜合框架，輔助教師開展教學設計、作業(yè)布置和試題命制，輔助監(jiān)管教師教學行為和學生學習行為，輔助評價課堂教學質量和學生素養(yǎng)發(fā)展。一是理解學生，即注重對學生知識經(jīng)驗、認知水平和興趣特點等的深度感知，建構動態(tài)調整機制，做到適應學生的現(xiàn)有水平并最大限度促進學生的發(fā)展；二是理解學習（或者教學），即以思維型科學探究實踐教學理論為指導，有效促進學生深度思維和認知建構，促進學生核心素養(yǎng)和創(chuàng)新素質的發(fā)展，重視正確價值觀的養(yǎng)成；三是理解學科，即實現(xiàn)對科學知識、科學思想方法和科學思維方式的深度理解，能夠輔助完成科學學科所需的復雜推理、實驗設計、模型建構等核心教學任務，開展對科學方法與學科特性的深度建模；四是技術賦能，即滿足科學教育中科學知識體系嚴謹性、精準性、跨學科性及內容安全性要求，融合模型微調、人類反饋強化學習、多智能體協(xié)同、模型上下文協(xié)議、知識圖譜檢索增強生成等人工智能前沿技術，建構“內容生成—安全校驗—認知糾偏”的三級技術防護體系，解決知識幻覺、認知邏輯錯位、數(shù)據(jù)安全、倫理風險等問題，以滿足“三適合”和“兩遵循”的教學內容生成需求；五是評價反哺，即形成覆蓋“教學行為—功能模塊—倫理規(guī)則—師生機協(xié)同”的四維動態(tài)評價體系，結合滯后序列分析與多模態(tài)數(shù)據(jù)融合技術，開發(fā)量化統(tǒng)計與質性分析耦合的評估工具，建立“評價—反饋—優(yōu)化”閉環(huán)機制，為人工智能科學教師的可信性驗證與效能提升提供可操作化路徑，最終形成理論驅動、技術賦能、評價反饋的人工智能科學教師開發(fā)范式，推動科學教育智能化轉型。

中小學科學教育體系圖

總之，我們需要建構與高等學校貫通的具有“三維度”和“三動力”的中小學科學教育體系（如上圖所示）。該體系以培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才為主要目標，以緊跟前沿科技發(fā)展趨勢為內容導向，以人工智能技術賦能科學教育為戰(zhàn)略引領，以“要素、主體、學段”為支撐維度，實現(xiàn)多要素協(xié)調高質、多主體協(xié)同育人、多學段進階貫通，以及隊伍專業(yè)化、資源優(yōu)質化和保障規(guī)范化，進而形成能夠促進中小學科學教育高質量發(fā)展的系統(tǒng)生態(tài)。

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本文系重慶市社會科學規(guī)劃項目“重慶青少年科技創(chuàng)新人才增值性評價體系和培養(yǎng)路徑研究”（2023NDYB140）、重慶市高等教育學會2023—2024年度高等教育科學研究課題“科學教育‘加法’背景下創(chuàng)新型科學教師創(chuàng)新素養(yǎng)的測評、發(fā)展及培養(yǎng)研究”（cqgj23040C）階段性研究成果

（作者胡衛(wèi)平系陜西師范大學現(xiàn)代教學技術教育部重點實驗室教授，博士生導師；郭習佩系陜西師范大學現(xiàn)代教學技術教育部重點實驗室講師；韓葵葵系重慶師范大學科技教育與傳播研究中心講師；張陽系陜西師范大學現(xiàn)代教學技術教育部重點實驗室副研究員）

文章作者|胡衛(wèi)平 郭習佩 韓葵葵 張陽

文章來源|《人民教育》13-14期，原標題為《高質量中小學科學教育體系建構的基本路徑》，有修改