吴苡婷 | 浅议如何构筑中国自主知识体系的科学教育新模式：从借鉴“他山之石”到实现“自成一格”

1 引言

科学教育是提升国民科学素养的基础性工程。19世纪初，随着科学技术的发展，大量的科学知识开始进入西方的大学课堂，19世纪中期起，科学知识又开始进入中学课堂。而我国科学教育的历史可追溯到清末，1866年京师同文馆开办算学馆，开始教授科学知识。^[1]中国的科学教育起步于民国时期，1928年5月，在南京召开的第一次全国教育会议上，大学院（原民国时期教育部）院长蔡元培在开会致辞中表示，要提倡：一方面从事科学上高深的研究，一方面推广民众的科学训练，使科学方法得为国内一般社会所运用。^[2]

改革开放后，国内开始注重科学教育工作，1981年5月，由上海市科学技术协会主办、中国科协青少年科技中心指导的面向全国发行的青少年科技类报刊《动手做》创刊，成为国内最早一批进行科学教育的实践平台。2001年，中国又开始了旨在培养学生科技创新素养，通过解决实际问题，锻炼综合设计能力的STEM计划。2003年中国科协会同中组部、中宣部等14个部委和团体，启动了全民科学素质行动计划（2049计划）的制定和试点工作，该计划旨在从整体上促进我国公民科学素质的提高，到2049年，也就是新中国成立100周年的时候，使我国国民素质达到与中等发达国家经济社会发展程度相适应的水平。

今天，历史的车轮来到了中国科技创新高速迅猛发展的时代，中国已经迈入创新型国家行列，科学教育的质量高低决定着中国年轻一代科学潜能的高低，也间接决定着中国未来的发展高度。作者多年来从事教育领域的科技新闻报道工作，本文旨在探讨中国科学教育工作的现状，面向未来做一些探讨。

2 国外优秀科学教育经验的引入

2.1 各国的特点

2.1.1 美国：从精英选拔到培养全民科学素养

虽然美国全国人口在全球总人口中的占比不到5%，但是拥有世界著名的哈佛、耶鲁、斯坦福、麻省理工等名牌大学。统计数据显示：美国获得诺贝尔奖的人数占全部得奖人数的40%以上，美国的科技创新之所以能取得如此大的成就，与美国的科学教育改革密不可分。

1957年，苏联发射了第一颗人造卫星，为和苏联对抗，美国提高了对科学教育的重视程度。在1959年美国伍兹霍尔教改会议上，该国科学家和教育界联手发起了科学教育改革，这就是著名的2061计划。1986年，美国国家科学委员会提出了STEM的概念，重点是加强对学生四个方面的教育，分别是科学素养、技术素养、工程素养、数学素养，主要应用于高等教育阶段。

美国的科学教育走过弯路，即一开始注重实用主义，灌输系统性的知识，缺点很快显露出来，在实践中过于急功近利，提倡天才教育，希望培养出一流科学家，盲目追求高难度和现代化，忽视兴趣爱好和身心特点,重视自然科学而忽视社会科学，只把关注点放在尖子生上。之后开始改正错误，倡导全员化的科学教育模式。近年来美国正推进第二个STEM（科学、技术、工程和数学）教育发展规划—北极星计划。

2.1.2 法国：重视“做中学”，关注终极价值

法国的科技创新在全球位于前列，其在数学、物理、化学等多个基础学科以及航空航天、军工制造、汽车火车、生物医药等多个产业领域均处于世界领先水平。这些成果的背后就是其强大的科学教育实力。

2005年，法国通过《知识与能力的共同基础》法案，该法案主要针对法语、数学基本元素、公民生活所需的人文科学文化、信息通信技术基础等四个领域。在法国基础教育阶段，学校教授学生基本的数学知识和科学知识，激发求知欲和探究欲，培养学生的思考能力、动手能力和批判能力。值得一提的是，法国有名为“做中学”（直译为“一起动手和面团”）的基金会教育项目，让孩子们在简单的科学实验中，体验科学的乐趣。法国的科学教育工作很有特色，采取的是“大叙事”模式的教学，小学阶段采用的是整合学科的全科教学模式，中学阶段尝试以“问题”为导向进行教学。

法国的科学教育工作闪烁着“科学哲学”的思辨光辉，整个体系关注人们看待世界的方式、思维的科学逻辑以及价值等问题。^[3]法国《知识与能力的共同基础》法案中专门指出：要引导学生认识人类面临的重大挑战，理解个人和集体的责任。在教学中，法国的科学教育注重培养学生的批判和怀疑精神，强调科学与人文关怀相结合。

2.1.3 德国：注重实验激发兴趣，学习效率高

德国曾涌现出了一批世界顶尖的科学家，代表人物有高斯、莱布尼茨、伦琴、爱因斯坦等。德国的科学家们曾经提出了细胞学说、相对论和量子理论等颠覆性的科学理论，开创了全新的科学领域。

德国非常注重开展早期科学启蒙教育。2006年开始进行儿童早期教育项目“小小研究员之家”的探索，该项目旨在通过自然科学及科学方面的简单实验，激发学龄前儿童对科学知识的兴趣，及早训练和开发其想象力和思维能力，该项目之后在全国推广。

德国每五名高中毕业生中就有四名学习STEM课程。德国教育研究者非常重视实验教学，相信科学课程内容的实质是：学生在实验中经历踌躇、深思、再操作后获得的科学事物原始面貌和本质，而非提前预设的客观结论。前者经情景化的知识是学生将来在做抉择时易于调取的。^[4]

在2009年PISA测试中的“科学素养”单项得分上，德、法、英、澳四个发达国家中，德国学生以最少的学时投入获得了排位第二的“科学素养”得分。

2.1.4 日本：倡导早期培养，注重贯通式教育

日本是全球公认的科技强国。截至2022年，日本一共诞生了28名诺贝尔奖得主，是除了欧美国家外诺贝尔奖得主最多的亚洲国家。日本还掌握了一系列世界先进科学技术，在工业机器人、数控技术、新材料技术等领域处于世界领先水平。

“从小学到大学”的贯通性连续培养是日本下一代科技创新人才培养体系的突出特点。日本文部科学省专项支持全国中小学校和大学等高等教育机构，充分利用大学的教育环境设施、研究专长和教师资源开展面向高中生的学术讲座、科学实验，并开设先修课程以满足那些学习愿望强烈、科技兴趣浓厚、能力优秀学生的特殊需求。在各个地区广泛挖掘有志向、有意愿、有能力的高中生由各学科领域专家教授提供专业指导、开设先修课程。^[5]

日本文部科学省在2015年制定了理工科人才培养战略，提出以基于问题解决的学习、强化数理教育为目标，推进新一轮学习指导要领改革，强化下一代科技创新人才和全球竞争人才的早期培养。针对人工智能的发展趋势，日本将计算机编程列入小学必修课程内容，初中强化STEM教育探究科学规律，并推出了“超级科学高中（SSH）”计划，旨在通过“先进的科学技术、理科和数学教育”培养学生的科学能力和技能，培育未来能在国际上发挥积极作用的科技领军人才。

2.2 对国外科学教育经验的引入和吸收：以上海为例

我国于2000年开始新一轮的基础教育改革，开始倡导探究性学习模式，在改革过程中，不仅注重学生的科学知识习得，更注重培养创新能力。2001年，教育部正式批准重庆师范大学设置科学教育本科专业。21世纪初，中国开始与发达国家进行交流，广泛吸收全球各国的科学教育经验。

以上海为例，按照“大联合、大协作”的工作思路，从2003年起，上海市科协就与上海市教委联合，先后开展“上海市初高中推广项目”（初高中）、“上海市‘做中学’推广项目”（幼儿园、小学）等。2008年，上海市科协、市教委又联合颁发《上海市未成年人科学素质行动——推广项目（2008—2012）实施方案》。2004年，上海师范大学设立了科学教育本科专业，2016年，又在科学教育专业的课程方案中新增了“科学教学技能训练”和“探究性学习研究”项目。

2007年开始，为了配合《全民科学素质行动计划纲要》在上海的全面开展，由上海市科协和上海市教委联合成立的上海市“做中学”试点项目办公室与原中国青少年科学素质行动——上海试点项目办公室合并，成为上海市未成年人科学素质行动——推广项目办公室，将中国青少年科学素质行动——上海试点项目转型为上海初高中推广项目，办公室设在上海市科协，承担上海幼儿园、小学“做中学”推广项目与上海初高中推广项目的组织、实施及协调工作。上海制定的工作方案增加了以老年人为重点对象的社区居民科学素质行动，同时还提出要建设30家科普示范社区、30家专题性科技场馆、100所科学教育特色示范学校、10个大学生科普志愿者服务社、10条科普场馆旅游示范线、1000项职工技术创新优秀成果、60部优秀科普作品等。

2007年，在上海国际未成年人科学素质发展论坛上，美国科学促进会“2061”项目副主任乔治·E·迪波尔和法国科学院院士皮埃尔分别作了题为“推广基于评估和指导的标准化体系”“法国‘做中学’项目的实践与前景探索”的主旨报告。之后，作为每年9月“全国科普日”上海地区重点活动之一，上海市未成年人发展论坛举办了15届，在建立科技界和教育界的联合机制、开拓中小学创新模式等方面取得了较大成功，与英、美、法、德、芬等各国机构建立了密切合作关系。

3 中国科学教育工作的优势和短板

改革开放以来，中国的科学教育工作呈现出大繁荣的景象。中国教育统计年鉴显示，2012年全国小学科学教师共计176931人，2020年增至230201人，增幅达30.11%。^[6]

以上海为例，早在2017年年底，上海中小学已经建立起1473个创新实验室，覆盖82.9%的高中、82.7%的初中、72.9%的小学，主题涵盖人工智能、生命科学、航空航天等领域，在全国范围内率先形成中小学创新实验室基本全覆盖的良好局面，目前上海已基本完成全覆盖。

3.1 发展优势

3.1.1 高科技发展对于科技教育提升带来助力效应

近年来，我国大力推进建设创新型国家的步伐，投入巨额科研经费，每年有大量的高科技成果涌现。中国载人航天工程获得了举世瞩目的成绩，探月工程稳步前行，成为全球唯一掌握特高压技术的国家；中国发射了世界首颗量子通信卫星—墨子号，2017年就建成了全球首条长达2000公里的商用量子保密通信线路“京沪干线”；中国已成为全球人工智能专利成果最多的国家，人工智能开发应用数量，包括应用范围、领域和场景等都超过了美国；中国自行研制的北斗导航系统（BDS）是继美国全球定位系统（GPS）和俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后全球第三个成熟的卫星导航系统……

大量高科技成果的诞生与科技新闻的密集报道，使得公众对前沿技术的关注度急剧上升。家长和孩子都会自觉或者不自觉地在日常生活中去关注中国高科技的进展。2022年的两会期间，媒体曾通过大数据发布社会的关注热点，人工智能、区块链、航空航天等上榜。这为科学教育全面推广和实施奠定了扎实的社会基础。

3.1.2 科幻小说的成功为科学教育工作带来眼球效应

21世纪初，《星球大战》《黑客帝国》《阿凡达》《盗梦空间》等美国的科幻大片在中国的票房收入可观。中国人对于科幻作品的兴趣不断上升，各种讨论的帖子在各大网站上层出不穷。

近年来，中国本土科幻小说的成功也达到前所未有的高度，刘慈欣创作的科幻小说《三体》是中国科幻小说的里程碑之作。2015年，刘慈欣凭借《三体》获第73届世界科幻大会颁发的雨果奖最佳长篇小说奖。刘慈欣创作的短篇小说《流浪地球》也获得广泛好评。2019年，中国科幻大片《流浪地球》横空出世，2023年《流浪地球2》在春节上映，获得了票房第一的骄人成绩。2022年，《三体》电视剧也成功上线。中国科幻在科学启蒙、引导公众思考和定位未来等方面进行了开拓性的探索，开始引领世界。

根据《科幻世界》联合四川大学中国科幻研究院发布的《中国科幻网络文学白皮书（2022）》数据，2022年科幻品类阅读用户数量相较去年同比增长39.73%，近70%的科幻品类阅读用户年龄在30岁以下，40%左右为本科及以上学历，30%左右分布在广东、江苏、浙江等沿海经济发达地区。

3.1.3 经济迅猛发展和社会教育水平提升带来科学教育发展的机遇

科学教育并不是基础性教育工作，而是教育工作的升级版，需要投入大量的资金，也需要全民热爱科学的社会氛围去支撑，欧美等发达国家长期以来是该工作的领头雁。

今天的中国在经济实力和社会教育水平上已经达到了这一高度，2021年，我国国内生产总值比上年增长8.1%，经济增速在全球主要经济体中名列前茅；经济总量达114.4万亿元稳居世界第二。根据2021年5月国家统计局发布的《第七次全国人口普查公报》，2020年我国人均受教育年限由2010年的9.08年上升到9.91年，16~59岁劳动年龄人口平均受教育年限从2010年9.67年提高至10.75年，文盲率从2010年的4.08%下降到2.67%。2022年5月6日，教育部党组书记、部长怀进鹏在《学习时报》发表的《胸怀国之大者建设教育强国推动教育事业发生格局性变化》一文中提到：十年来，教育与党和国家事业发展同频共振，支撑引领作用愈益凸显。大中专院校向经济社会主战场输送上亿名毕业生，继续教育每年为各行各业培训上亿人次。当前，我国新增劳动力的53.3%接受过高等教育。这些都是中国科学教育蓬勃发展的重要推动力，“高科技发展—经济不断提升—科学教育高投入—高科技发展”这样一个良性闭环通道成为可能。

3.2 发展短板

3.2.1 科学教育与应试教育之间的矛盾问题难以突破

中国目前的科学教育发展还处于不平衡状态，发达地区的经济水平高，家长对于孩子教育的投入比较大，每年城市中的各类科普活动比较多，有很好的社会土壤。但是，对于我国大多数欠发达地区而言，加大科学教育投入可能还有很长的路要走，孩子们所接受的科学知识熏陶远不如经济发达地区。“小镇做题家”这一群体也许依然只能依靠优异的高考成绩去改变自己的命运，家长和孩子们都不希望科学素质的培养等去占据过多时间和精力，影响孩子高考发挥。

对于教育工作者来说，这一不平衡情况的存在，造成了一种两难的情况。如果按照提高素质教育标准比重的思路去进行中考高考的命题，对于不发达地区的学生来说，势必是不公平的，如果按照应试教育思路去进行中考高考的命题，科学教育的时间在日常学习中得不到保障，起不到预想的提升学生科学素养的作用。

而一些以科学竞赛为标准的选拔模式，因为与升学有千丝万缕的关系，在评审规则与程序设定不严密的情况下会导致一些不公平现象的发生。比如媒体曾经披露，2018年获第33届全国青少年科技创新大赛一等奖作品的图片与陆军军医大学某硕士的一篇论文有着一模一样的数据图片；2020年全国青少年科技创新大赛的一个项目也被批弄虚作假；昆明市一名六年级小学生陈某某的第34届全国青少年科技创新大赛三等奖的作品居然是父母实验室里的一部分成果。

在无法量化的情况下，应试教育可能在长期情况下依然是选拔人才的主要手段，矛盾现象还将长期存在，依靠科学素养和创新能力选拔人才的模式目前看来依然过于理想化。

3.2.2 优秀人才缺乏

目前，一些发达地区的中小学教师资源分为两大类：第一大类是校内的科学教师，大部分是学科教师做兼职，专职的科学教师比较少；第二大类是校外的科学教师，包括高校和科研院所的科研人员和科技场馆的专业人员。

从考核的角度看，小学科学教师的工作空间更大。比如，在上海小学一、二年级已逐渐推行基于课程标准的教学和评价（俗称“零起点”和“等第制”），应试教育的压力已经慢慢缓解，随着民办中学摇号录用的启动，小学升学压力也在减退。但是短期中学科学教师的地位很难超过学科教师的地位，特别是在不发达地区，升学决定着绝大多数孩子未来的就业，十分无奈的现状是目前中学对科技创新的参与度和创新实验室使用效率似乎很难得到大幅度提升。

目前国内已经有了一个巨大的校外科学教师群体，校外科学教师的优点是具有一流的专业科学知识，但也存在一些先天的缺点，他们不是“师范专业”毕业的教师，缺乏和学生沟通的经验和能力，科学普及能力也有待提升。

对于科学教师的培训一直在进行，全国暑期学校“中小学教师培训”每年都会举行，但是提升科学教师的地位，设立专职科学教师，给他们良好的晋升空间，对他们进行常态化的培训，建立一支稳定的高水平的队伍可能更为有效。

4 基于国情面向未来的科学教育模式探讨

4.1 打造符合中国国情和文化历史的科学教育新模式

2022年4月，习近平总书记在中国人民大学考察时指出：“加快构建中国特色哲学社会科学，归根结底是建构中国自主的知识体系。”这也提醒我们需要构建一个符合中国国情和文化历史的新模式。

知识本质上是精神活动的产物，是人类在探索物质世界和精神世界中的理念、思维、行为、方式、方法集成产品，是经验的系统固化。知识体系是知识的、抽象的、体系化的有机存在，它是对特定领域、特定专业知识综合展开阐发的概括性术语，通常由学科、学术和话语三大基本系统组成，呈现为模块化、系统化和理性化。对于一种文明而言，知识的基本组成、思想内核和知识方法构成其知识体系的核心元素。中华文化主体性是中国自主知识体系的逻辑起点、动力源泉和价值根基。

中国也有一段光辉灿烂的科学史，中国是世界上天文学发展很早的国家之一。早在新石器时代，先民们就开始观察日、月等天象，留下了世界最早的日食、太阳黑子、哈雷彗星、超新星等天象记录。中国古代科学家们还制定了世界上现存最早的恒星表，编制先进的历法，制造先进的天文观测仪器。早在春秋战国时期，中国古代科学就产生了萌芽，出现了炼钢技术和铸铁柔化技术（中国古代的一项重要冶金技术）。以造纸术、火药、指南针、印刷术、制瓷技艺为代表的中国古代发明创造，推动了人类历史的发展进程。

在中华民国时期和新中国成立后也诞生了一系列重大科技成果。比如，民国时期李四光提出地质力学的原理和方法，竺可桢根据大量观测资料，找出中国四季气候变化的规律；又比如，1961年，上海江南造船厂造出了新中国第一台万吨水压机，结束了中国不能制造大型锻件的历史；1964年10月16日，中国成功爆炸第一颗原子弹，成为世界上第五个拥有核武器的国家等。

此外，中国古代的神话故事资源特别丰富，比如，女娲补天、嫦娥奔月、后羿射日等，以天文学的各种科学知识的切入比较合适，这些也是打造中国特色新模式的丰富素材。

这些中国内生的科学发展历程和产生的科学知识如何进入中国的自主知识体系，整建制地走进现代中国的课堂？如何从今天的前沿科学技术和科学原理的角度去解读它们？如何将这些内生知识与中国近代抗战史和中国当代发展史结合起来去阐述，在中小学的课堂上形成科学与文化、科学与历史的有机结合？这些都是我们未来需要探索和努力的方向。

4.2 解决前沿化和贴近化的平衡问题，确保“拔尖人才”涌现，防止过度内卷

美国教育家杜威曾从儿童心理学角度出发，反对传统学校在课程和教材上的形式主义。他觉得传统的课程充斥着呆板和枯燥的东西，它们远离儿童的经验，缺乏真正有吸引力的知识内容，所以他主张，教材的基本源泉是儿童的直接经验而又能构成知识内容的东西。在杜威主持的芝加哥实验学校里，课程是以各种不同形式的主动作业（纺纱、织布、烹饪、木工等）为核心。随着年级的提高，再在自然科学、数学、文学、历史、社会研究等学科中布置更系统的作业。

今天，倡导科学教育的重要目标之一是希望能够培养一流的科学家后备军。1959年全美伍兹霍尔教改会议上，科学家与教育界联合合作改革，并力图打破长久以来人们对于科学界与教育界不搭界的传统思想，之后就是科学家参与到基础教育阶段的改革，大量前沿科学进入中小学教育中。但是在实践中出现了偏差，过于急功近利，提倡天才教育，难度不断拔高，导致一批优秀的学生对于科学失去了兴趣，造成了心理问题。这样的问题在中国前些年的教育工作中也可以窥见，很多优秀的孩子被不断增加学业难度，导致其中的一些最终走向厌学，中断学业，非常可惜。1983年，美国推出了《国家在危机中：教育改革势在必行》的报告，纠正了自己的错误。该报告指出：内容务必要修改和现代化，以利于兼顾考大学和那些不打算进入大学的人，目的是让全体学生都有充分的机会，最大限度地去了解科学，具备科学素养。

在国内的实践中，同样需要探索建立一个先进的模式，厘清普及化和选拔性的区别，加强贯通化与差异化发展，在确保科学领域拔尖人才涌现的同时需要防止在学业阶段出现厌学现象，导致人才的早期“夭折”。

4.3 构建高科技融入教育的快速通道

每年，全球都会诞生很多颠覆性的基础研究科技成果和创造性的应用科技成果。如何建立一个“高科技成果”—“通俗故事”—“课堂话题”—“课本教材”的流程，第一时间让中小学生能够轻松地去理解科学知识，这需要我们去思考，需要科学家、科技传播工作者、科普作家、教育工作者的共同参与，如何去选题、打磨、符合儿童的阅读习惯，很多难题需要我们去破解。

目前，高校的思政课实时引入了大量前沿性的科学内容，获得了很好的效果。比如上海大学开展的“大国方略”思政课程中引入了大量前沿性的科学内容，受到了大学生们的广泛欢迎。

为防止学习内容过多，课业压力太大，在教育改革中，美国曾把教材内容集中在最核心、最基础的知识上，美国教育工作者把科学发展史总结成10个里程碑式的重大事件，分别是地球中心论的覆灭、万有引力说、相对论、时间的延伸、大陆漂移说、物质守恒、原子的分裂、生物进化论、疾病的细菌理论以及对于动力的利用。其中的每个史实都向学生渗透了宝贵的科学思想，经删减改编后的教材内容丰富^[7]。这种模式也值得我们借鉴。

4.4 科学教育如何与应试教育共存

关系到国计民生，应试教育会长期存在。因此，科学教育与应试教育如何有机地共存，并培养出一批优秀的后备人才，是需要进行探索的方面。

目前的探索方式有两种：第一种是将科学课单列，进入应试教育的体系中。海南省曾经对2017年秋季义务教育课程设置计划做了部分调整，科学课与语文、数学一样，从小学一年级就开设。其好处在于有单独的课本和学科，以及考试模式。科学教师有自己长期耕耘的空间，也有自己的发展体系，也可以进行多学科之间的关联。这个探索的缺点在于不适合初、高中阶段的学习，因为会产生与物理、化学、生物等其他学科内容重复的情况，增加课业负担；第二种是将科学内容、科学思想和科学精神分散到其他学科中去，比如已经开设的自然课、探究课，以及初、高中阶段的数理化和生物学科，其优点是可以在现有体系中进行内容的改变，缺点是很难系统地感受科学思想和科学精神，有可能被淹没在题海中。

统筹整个基础教育体系和高等教育体系，开展科学教育的顶层制度设计，打造培养科技人才、营造科学氛围的高效育人体系，将是考验中国科学界和教育界、行政官员治理能力的重大挑战。