中小学该如何开展科学教育？

关于创新与创新型人才培养，习近平总书记曾多次发表重要讲话。可以说，培养中小学生的创新素质，是全面贯彻习近平总书记对于创新型人才培养的要求，是落实党和国家人才战略的重大举措与坚实基础。新修订的义务教育科学课程标准也强调培养学生的四大核心素养，即科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。这些核心素养都是创新型人才所必备的素养。怎样抓住关键要素，使中小学的科学教育有助于创新型人才的培养，进而选拔并培养出具有创新素养的人才，是当前中国教育面临的一大挑战。

一、科学教育面临的困境与挑战

基础教育阶段是培养学生创新能力的启蒙阶段，是激发学生的好奇心、培养科学精神和科学创新素质的重要时期。

但通过国际比较可以发现，中国学生在创新能力方面有一些困境：一是质疑精神缺乏。我们的学生非常注重知识的接受，但是不敢挑战权威，提不出问题。二是综合应用不够。学生学习过程中知识学习条块化、碎片化情况非常严重，学到的知识不会交叉融合与综合应用。三是动手能力较差。只注重书本理论知识的学习，缺乏实践和动手能力的训练。四是策划意识不强。总是被动地接受安排，缺乏策划意识、主动领导的能力和领袖气质等。

这四个问题都和我们的科学教育密切相关，如何在科学教育中使学生摆脱这些困境，是每一位做科学教育的人都要认真思考的问题。

二、创新素质的内涵与国际比较

那么，究竟什么是创新素质？创新素质是指人在先天遗传素质的基础上，后天通过环境影响和教育所获得的稳定的、在创新活动中必备的基本心理品质与特征。它包含两方面的内容，一是创新思维，二是创新能力。

创新思维，是指以新颖独创的方法解决问题的思维过程，能够突破常规思维的界限，以超常规甚至是反常规的方法、视角去思考问题，提出与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、有社会意义的思维成果。创新思维又可分为四类：否定型创新思维、差异性创新思维、优化式创新思维和探索式创新思维。对中国学生来说，可能最缺乏的是第一类，即否定型创新思维。与之相联系的就是批判式思维，即能够质疑和提出批判的意识。

创新能力，是指在学习活动和各种科学技术实践活动中不断提供具有社会价值、经济价值、科学价值等的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。在学习活动中，它表现为基于专业知识学习的一种深化性、探究性及勇于质疑并提出问题的学习能力。在科研实践中，创新能力主要体现在信息加工处理及分析思辨的能力，组织、判断和决策的能力，综合应用知识及实践动手的能力，归纳总结并撰写研究性文章的能力。

那么，创新型人才是什么呢？就是能够孕育出新观念，做出新发现和新发明，并能将其付诸实施、取得新成果的人。创新型人才的特点是灵活、开放、好奇、精力充沛、坚持不懈、注意力集中、想象力丰富、不墨守成规、敢于怀疑、善于思考、勇于探索、富于冒险的精神。创新型人才表现为追求创新的意识，发现问题并积极探究的心理取向，善于把握机会的敏锐性，积极改变自己并改变环境的应变能力。这些就是培养创新型人才需要的创新素质。

创新能力是可持续发展的需要，也是强国崛起的必经之路。我们要知彼知己，才能够百战百胜。以美国为例，美国的科学教育标准，在人才培养上强调的是创造性、批判性、合作精神。在教学内容上，强调的是实践性的课程、课程的综合化、跨学科课程，以及课程的特色化、个性化。在教学方式上则强调独立思考、大胆实验、不断进取、有所创新，强调学生的主动参与以及学生的研究探索，强调基础知识的全面掌握，特别强调要保护学生的好奇心和想象力，允许质疑和批评，进而挖掘潜力，努力创新。

对照美国的科学教育，我们的科学教育到底该怎么做？笔者认为，要提升中国学生的创新素质，尤其是一些关键性的创新素质。其一，质疑精神。不盲从附和，敢于提出问题，能独立和理性地思考，能基于事物的表象和本质判断事物的真伪。其二，综合应用能力。能够在透彻理解大量专业知识的基础上进行交叉融合、提炼升华。其三，动手能力。能够将理论知识应用于实践，学会分析观测，并且能通过实验检验理论。其四，策划意识。具备组织能力或者说领袖气质，能够自己策划一些科研项目，从小培养具有战略科学家的潜质。

三、培养创新素质的三个关键点

基于上述思考，我们应如何通过科学教育使学生的创新素质得到发展？

1. 拓展好奇之心

“好奇心是科学之母”。孩子的好奇心是与生俱来的，保持和拓展孩子的好奇心，是老师和家长的重要责任。在家庭里，面对孩子提出的问题，家长应尽可能给予解答。家长不懂的要去翻阅资料或从网络上查找。当老师同样如此，要鼓励学生提问题，并且尽量去解答。成功的教学需要的不是强制，而是激发学生强烈的好奇心。好奇心是学习者的第一美德。一个学生有强烈的好奇心，想把问题弄明白，才会慢慢养成创新素质。

据了解，科教版小学科学教育一到六年级的教材内容涵盖了物质科学、生命科学、地球与宇宙、能源与环境等。这些内容被分为四个板块——聚焦、探索、研讨、拓展。应该说，我们的《科学》教材内容丰富，编排得当。但为培养学生的创新素质，老师除了把知识讲清楚之外，一定要延伸开来，要鼓励学生去提问题。只有这样学生才能从小就有质疑的精神。另外，还要注重多学科知识的融合应用。老师在讲课过程中要强调学生亲自动手实践，引导学生策划组织课题。也就是我们经常说的，要在“玩中学、问中学、一起学”。这方面，我们可以借鉴美国的科学教育，即STEM教育。

在华南师范大学，我们成立了粤港澳大湾区科学教育研究中心，做了一些比较有意义的尝试。我们把中国大陆、中国香港、美国的小学科学课程标准做了一个对比，在此基础上引入STEM课程的设计原则，融入STEM的科学教育理念，对科学课程进行完善和补充，比如培养工程设计意识和技术，应用解决生活问题。另外，我们将科学教育的目标分为知识、探究、态度和能力四种，在知识内容上强调科学、技术、工程、数学的融合，学习方式则包括提问、假设、计划制定、信息收集处理以及总结交流，在学习过程中强调学生要提出问题、亲自动手、综合应用。

具体可以通过下面这个案例，来看看它是如何实施的。这是一个跨年级的主题教学案例，它的主题是小飞行员。主题下包含11个项目，涉及天气、风向、飞行原理、飞机模型设计等。这是一个很好地满足孩子好奇心的课程拓展。主题课程分为两个模块。第一个模块是“天气知多少”，第二个模块是STEM实践。在“天气知多少”里包括彩色雨滴瓶、雪花剪纸、遮风挡雨棚、雨量计、天气预报表盘、简易风向标等八个项目。在STEM实践里包含制作降落伞、模拟直升机、飞机模型三个项目。

这些项目又和科学课程的内容是相关的，比如说彩色雨滴瓶、雪花剪纸、遮风挡雨棚和一二年级强调的科学核心概念内容相关。雨量计、天气预报表盘、简易风向标是和三四年级的科学核心概念相关联。降落伞、模拟直升机、飞机模型设计又和五六年级的科学核心概念相关联。在这样的基础上，每个项目都是一次动手实践，体现出科学、技术、工程、数学等知识的综合运用。

这就是我们在粤港澳大湾区科学教育研究中心正在做的事，我们希望通过这样的研究和尝试，建立适合中国学生的科学教育模式。

2. 启蒙批判思维

教师一定要鼓励学生多问问题，可以培养学生从小问题开始，所谓“小疑则小进”，当他养成这样的思维方式和习惯，学会问问题，才可能在小问题的基础上产生有价值的大问题，甚至将来走上科学研究的道路。

我们的科学课程里也有许多敢于质疑、挑战权威的例子。比如小学六年级科学课程里“挑战‘地心说’”的故事。天文学家哥白尼做了大量的观察实验，根据数据分析觉得“地心说”是不对的，从而提出了“日心说”。这就是一种批判性思维。中学课程里也有这样的例子。比如，道尔顿提出，“物质由原子组成，原子不可再分也不可消灭”。卢瑟福提出了怀疑，他通过实验进行检验，用阿尔法粒子轰击一块金箔，观察到阿尔法粒子的大角度反射现象，因此提出原子的核式结构，并获得1908年诺贝尔奖。

挑战“理所当然”，更不容易。在粒子物理学里有一个“θ-τ之谜”。面对这一谜题，科学家李政道、杨振宁分析了关于宇称守恒的各种实验资料，发现在弱相互作用领域，宇称守恒定律只是被人为地认为理所当然地成立，并没有任何实验的证据能证明。所以他们提出一个大胆的假设，在弱相互作用中宇称是不守恒的。他们提出这一观点后，另一位科学家吴健雄经过精巧的实验，验证了弱相互作用下的宇称不守恒。正因此，李政道、杨振宁在1957年获得了诺贝尔奖。

因为大胆质疑，李政道、杨振宁推翻了人们认为理所当然的结论，推动了物理学的发展。在我们的科学教育中，也要通过正确的启蒙，鼓励学生学会问问题，进而发展学生的批判思维。

3. 激发探究兴趣

兴趣是最好的老师。怎么激发一个学生探究的兴趣呢？在科学教育中，应该通过质疑、策划、综合、动手等实践活动，激发学生去探究新现象、新方法和新发明。

例如：小学六年级《科学》里有一个板块是微观世界，讲到光学显微镜，让学生用显微镜观察洋葱皮的结构，了解细胞、细胞核等。实际上除了讲这些内容，还可以激发学生去思考，比这更小的世界是什么样的？会有什么新现象？现在科学技术飞速发展，从光学显微镜发展到电子显微镜、加速器、对撞机。光学显微镜探测的尺度在100纳米左右，电子显微镜可以达到0.2纳米左右。如果用加速器，我们探测的尺度可达到0.1费米。一费米是多少呢？是十的六次方分之一纳米。再到对撞机，我们就可探测0.01到0.001费米的尺度，这就到了非常微观的世界。微观世界有什么特征呢？我们知道原子核里有质子和中子，质子和中子有没有更深层次的结构？这就需要高能量的粒子来轰击质子或中子，看它们里面有没有内部结构。丁肇中和Richter发现了由c（粲）夸克对构成的J/ψ介子，美国物理学家Leon Lederman发现b（底）夸克就是用这个方法。由此，还可以进一步激发学生更深层次的问题意识，追问夸克有没有结构？现在我们还不知道。因为要把夸克打开，需要更高的能量，目前的科学技术水平还达不到。

所以，老师们在科学课堂上，有很多可以挖掘的素材，用来激发学生探究的兴趣，引领他们去探索无穷无尽的未知世界。再比如，小学三年级《科学》里讲到水。常温下的水是液态，到零度时结成冰，变成固态。把水加热到100℃，它又变成了水蒸气，是气态。这就是我们常说的物质的三种形态。那么，温度进一步升高到一万摄氏度会是什么样？到那时候，水分子不存在了，原子中的电子也电离了，变成了什么呢？是一种由电子和原子核这样的离子所构成的状态，叫作等离子态，这是物质的第四态。假设还能够升温，又会怎样？首先该怎么升温？我们把两个原子核碰撞起来，原子核碰撞时会把巨大的动能变成热能，同时在碰撞的过程中会对原子核产生挤压。在升温的时候，真空中产生很多其他的离子，同时把原子核里的质子、中子口袋都挤压碎了，成为由夸克或胶子所构成的一种物质状态——夸克胶子等离子体。这个温度要到多少呢？相当于太阳中心温度的25万倍。这就是第五种物质形态，也是当前国际科学前沿正在探索和研究的物质新形态。因此，物质除了固态、气态、液态之外，还有等离子态和夸克胶子等离子态。

当我们这么来讲物质的形态变化，学生肯定会很有兴趣。我们就是要通过这些生动的、层层深入的问题去激发学生的探究兴趣，让学生明白，还有很多基本问题人类是不清楚的。宇宙中的奥秘，期待着通过科学教育培养出的青年一代去探索和发现。

归根到底，中国的科学教育应注重创新素质的培养，在中小学阶段拓展好奇之心、启蒙批判思维、激发探究兴趣是重要的培养举措。科学是人类文明进步的基石，要开创伟大的时代需要对科学的尊重、热爱和不懈的追求。由此说来，进入新时代，我国科学教育任重道远，我们要切实提升科学教育效果和注重创新素质培养，为建设世界重要人才中心和创新高地做出更大贡献。

（本文作者王恩科系华南师范大学党委副书记、校长，教育部“长江学者”特聘教授）