科學教育促進創新人才培養：邏輯、問題與路徑

摘要：持續有效地培養創新人才是提升國家整體創新水平的重要支撐。基于中小學科學教育的本質功能與創新人才的內在特質分析發現，科學教育有助于發展創新必備的知識基礎，能夠促進創新思維和創新精神的培養，從而促進創新人才的培養。反觀現實，我國中小學科學教育在培養創新人才方面仍存在系列問題，包括科學教育受應試慣性的影響強烈，科學教師的創新教育素養不足，科學教育的運行機制不完善等。為了發揮科學教育培養創新人才的有效功能，一是要優化科學課程體系，在科學教育全過程中落實創新人才的培養；二是要發展科學教師隊伍，在創新型教師的引領下實現創新人才的培養；三是要優化科學教育生態，在多方協同的教育環境中促進創新人才的培養。

關鍵詞：科學教育；創新人才；創新能力；創新精神

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

* 本文系全國社會科學基金教育學一般項目“教育數字化促進民族地區科學教師‘在地’專業發展的機制創新研究”（項目編號：BMA230241）、2024年度全國教育科學規劃教育部重點課題“省域大中小學拔尖創新人才一體化培養機制研究”（課題編號：DHA240371）研究成果。

① 楊穎為本文通訊作者。

習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“我們要堅持教育優先發展、科技自立自強、人才引領驅動，加快建設教育強國、科技強國、人才強國，堅持為黨育人、為國育才，全面提高人才自主培養質量，著力造就拔尖創新人才，聚天下英才而用之”[1]。在中共中央政治局第三次集體學習時，習近平總書記發表講話并要求，“要在教育‘雙減’中做好科學教育加法，激發青少年好奇心、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的青少年群體”。總書記的論述不但表明中小學科學教育在培養創新人才中具有關鍵作用，也賦予了科學教育新的使命任務和戰略地位，為科學教育的改革發展提出了新要求。

中小學科學教育在創新人才培養中的重要作用得到越來越多的研究支持。從人才發展階段來看，創新型人才的發展需要經過多個持續發展階段，第一個階段是自主探究期，第二個階段是集中訓練期，第三個階段是能力展示和領域定向期，第四個階段是創新期[2]，中小學學生處在自主探究期和集中訓練期，并逐漸趨向成熟[3]。根據認知發展理論和心理社會學發展理論研究，中小學階段的學生興趣旺盛、樂于探究，認知層次的推理、抽象、分析等思維能力逐漸增強，心智層次的行為自主、認知技巧、情感價值、個人身份認同等需要逐步增多，這個階段的學生科學創造力發展迅速[4]，是培育創新型人才的第一階段[5]。在此階段，科學教師借助學生的興趣、自我實現的主觀能動性，在科學學習和科學實踐中，能夠激發青少年的學習興趣、探究熱情和科學思維等心智成長特性[6]，發展學生的科學高階思維[7]，促進創新人才自主培養[8]。分析已有研究發現，針對中小學科學教育促進創新人才培養的研究還不多，為此，我們在已有研究的基礎之上，進一步梳理科學教育促進創新人才培養的理論邏輯，分析當前科學教育在培養創新人才方面存在的問題，探索科學教育促進創新人才培養的實踐路徑。

一、科學教育促進創新人才培養的理論邏輯

科學教育是世界各國中小學教育的主要部分，中國現行中小學科學教育采取了先綜合后分科的形式，即在小學階段采取單科綜合教學的形式，一至六年級開設科學課程；在初中和高中均采用分科教育的方式，分成了物理、化學、生物、科技活動等學科課程。科學教育促進創新人才培養由創新人才的內在特質和科學教育的功能所決定。鄭琳琳等認為創新人才的顯著特質包括三個方面，一是嘗新，二是自律，三是樂群[9]。王廣民等認為創新人才包含四個方面的特質，一是具備創新意識與創造力，二是具備堅實的知識基礎，三是具備敏銳的觀察力，四是有較強的科學思考能力[10]。向小薇、周建中則認為創新人才在知識基礎、能力素養和思想精神三個方面具有共性特質[11]。當前的科學教育將科學知識、科學思維、科學方式和科學精神作為整體性體系進行教學[12]，培養學生的科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任。科學教育可以培養創新人才所必備的知識基礎、創新思維和創新精神等方面的創新品格。

第一，科學教育可以為學生奠定必要的知識基礎。已有知識是創新的基礎條件，正像牛頓所說，他的成功是站在巨人的肩膀上獲得的。科學對應的英文詞匯是Science，來自拉丁文Scientia，其本意就是“知識”和“學問”。科學已經發展成為系統化、理論化的知識，成為用精確的概念、定律、假說等理論形式表現出來的邏輯系統[13]。物理、化學、生物等學科知識為人類認識提供了符號體系和邏輯體系，成為認識世界的基本方式。科學領域的創新離不開扎實的科學知識，非科學領域的創新也需要遵循基本科學原理。學生在中小學階段掌握基本的科學知識是成為創新人才的重要途徑。

第二，科學教育可以有效促進學生創新思維的發展。發展科學思維是科學教育的主要目標。什么是科學思維呢？庫恩認為科學思維是“有意識地尋求知識”。包雷等人認為科學思維是提出假設、開展探究和做出決策的過程[14]。鄧巴在對科學思維深入研究的基礎上分析了科學思維的具體內容，包含了概括、演繹、對比、問題處理和因果推論等。由上述看法可發現，科學思維實質上是創新思維。在科學教育中發展科學思維，實質就是培養孩子的創造性思維。

第三，科學教育可以提高學生的創新精神。關于創新精神內涵的研究很豐富，其中霍涌泉等認為創新精神是指能夠綜合運用已有信息、知識、方法和技術，來進一步探索出新方法、新觀點的思維能力和智慧[15]。創新精神是實現創新的內在驅動。科學教育通過發展學生的科學態度，使學生保持好奇心和探究熱情，樂于探究和實踐；不迷信權威，敢于大膽質疑，追求創新，科學教育的主要目標之一正是培養學生的創新精神。

二、科學教育促進創新人才培養的問題分析

從以上分析可以看出，中小學科學教育可以有效促進創新人才培養。而從培養高質量的創新人才要求來看，我國的科學教育還存在一些亟待改進和發展的內容，比如我國中小學科學教育受應試的影響仍非常嚴重，導致教師的教學和學生的學習方式偏離了創新人才的成長軌跡。中小學科學教師在創新教育素養方面還存在不足，不利于發揮科學教師的榜樣作用和教育功能。科學教育運行機制不完善，難以聚集創新人才培養合力。

（一）科學教學受到應試慣性影響，難以發揮創新人才培養實效

教育評價是科學教育的指揮棒，決定了科學教學方式。在我國教育評價中，高考占據了至關重要的地位。雖經歷了多次高等學校招生改革，而為了兼顧公平的需要，我國高等學校的入學考核仍然以高考分數為主要依據，2023年全國普通本科招生478.16萬人[16]，其中大部分新生的錄取依據高考總分。高考為典型的終結性評價，且采取紙筆測試，由此導致中小學教育出現以考出高分為目的的應試化傾向。我國當前的中小學科學教育受到應試化影響明顯，在教學方式上偏離了科學教育的應有方式，影響了創新人才的培養。為了追求考試中取得高分，很多科學教師采取短平快的講授法、習題練習法，試圖以大量的重復練習獲得高分。科學教育應有的實驗探究被忽視，有研究報告顯示，小學和初中的科學教師在教學中很少開展科學探究教學，基本不上實驗課[17]。這是因為很多教師認為開展探究性教學和實驗教學不但浪費了教學時間，還會導致學生得到的結論與標準答案不一致，反而影響做題效率和考試成績。

鐘秉林先生曾指出，在中小學教育中如果將高考成績作為了考試評價的唯一依據，就會加劇應試傾向，妨礙創新人才的培養[18]。現實的情況正如鐘秉林先生所言，我國當前基礎教育的應試化慣性仍然強烈，科學教育同樣受應試教育模式的影響，在培養學生的創新能力方面不但沒有積極的正向作用，還帶來了顯著的阻礙作用。調研結果顯示，我國中學生的科學興趣不但沒有隨著年齡的增大而升高，反而明顯低于小學生，出現了隨著年齡增大而倒退的現象[19]。2021年OECD對十個國家的十個城市（中國被研究的城市為蘇州）的10歲和15歲兒童的創造力與學習興趣做出了評估，評估結果顯示中國學生的學習興趣在10歲到15歲期間呈現顯著的下降趨勢[20]。科學興趣和好奇心等是反映創新特質的重要指標，接受科學教育更多的中學生不但沒有發展，反而出現下降趨勢，其中重要的原因在于中學階段的應試化教育更加明顯，中考、高考成為學校教育的重要導向，習題練習成為學生學習的主要方式，嚴重偏離了科學教育的初衷，影響了創新人才培養。

（二）科學教師創新教育素養不足，難以引領創新人才有效發展

科學教師是學生掌握科學知識、科學思想的啟蒙者，科學教師在培育創新型人才方面起了舉足輕重的作用。研究表明中小學階段的科學教師對包括諾貝爾獎得主在內的科學家產生了重要影響[21]，通過專門的創新教育素養培養的教師，能夠有效地識別具有創新特質的學生，并采取適宜創新人才發展的教學策略，支持創新人才成長[22]。為了更有效地培養創新人才，應該以創新教育素養為核心，進一步發展科學教師專業能力，既要保證科學教師具有良好的科學學科知識和能力，還應該發展科學教師的跨學科能力和創新教育素養。

而從我國科學教師隊伍的現實情況來看，中小學科學教師隊伍還存在著絕對數量不夠、專業能力不足、地區分配不均、跨學科素養和創新教育素養培養體系不完善等亟待解決的問題。而這些問題中，直接影響到創新人才培養實效的跨學科能力和創新教育素養顯得尤為突出。在跨學科能力方面，當前中小學科學教師多為來自物理、化學、生物等學科的專任教師，學科背景較單一，影響了教師的跨學科能力發展。在創新教育素養方面，目前各大師范院校的學科設置和課程體系中，指向創新人才培育素養的教師教育教材或教學內容非常缺乏[23]，也就是說，我國科學教師基本沒有接受創新教育的培養。即使是承擔創新人才培養的教師，他們的培養過程仍以接受常規培訓為主[24]。缺少創新教育素養的教師，不但不能有效發展榜樣示范作用，也難以識別具有創新潛力的學生并進行針對性的培養，難以影響和引領創新人才的發展。

（三）科學教育運行機制不完善，難以聚集創新人才培養合力

科學教育的質量對創新人才培養質量具有直接影響，事關科教興國戰略是否能夠順利實現。要發揮科學教育促進創新人才培養效果，應該建立良好的運行機制。這些運行機制包括科學教育工作機制、保障機制、投入機制、評價機制、激勵機制、協同機制以及校內校外資源的整合機制、高等學校和科研院所支持中小學科學教育的機制。而從目前的情況看，我國科學教育運行機制還不夠完善，在諸多方面需要發展和創新。

比如我國科學教育的校內外資源整合機制亟待完善。要有效落實中小學科學教育，實現創新人才的培養，應該從科教融合的視角出發[25]，整合不同主體、不同領域的科學教育資源，為學生拓寬科學視野、參與科學探究實踐提供條件。反觀現實，學校和社會普遍對整合校內外科學教育資源的意識不強、效果不佳，不能有效發揮科學教育資源合作共享、協同育人的合力。首先是科學家作為科學教育的重要專家資源，較少深度參與科學教育。科學家在科學教育專家委員會中占比較高，但很少有科學家長期深入中小學科學教育一線，從而限制科學家長期性和制度性地參與科學教育研究和實踐。二是科研機構與中小學協作不夠，科研機構與學校科學教育的聯動、合作和發展的制度不夠健全。大中小學校合作、校館合作、企校合作的實踐形式較單一、內容較匱乏，多以實地參觀和淺層次體驗為主。一項基于中國東中西部21省的調查顯示，46.48%的受訪學生表示本學期從未參加過科研機構或科普館院組織的科普類活動，20%的受訪學生表示本學期只參加過1次科普類活動，66.03%的受訪教師表示科學資源未充分利用[26]。

在未來的發展中，應該完善科學教育工作、保障和激勵等機制，發揮政府、社會和學校等主體的科學教育合力，實現大中小學創新人才貫通培養，充分發揮科學教育在促進創新人才培養方面的功能和優勢。

三、科學教育促進創新人才培養的實踐路徑

根據以上分析可知，我國中小學科學教育在促進創新人才培養方面仍存在諸多不足。教育行政管理部門和科學教師，對科學教育培養創新人才的認識不夠全面，特別是受考試制度影響，使得中小學科學教育過于重視科學知識的教學，缺少基于真實情境的科學探究實踐，為了應對考試，科學教育往往圍繞習題開展教學，連課程標準規定的教學實驗也沒有完全落實，更不可能開展深入的科學探究與實踐。應試化的科學教育同樣也影響了學生學習科學的興趣，以及選擇從事科學作為職業的志向。PISA2015調查結果顯示，京滬蘇粵僅有16.8%的學生希望從事科學類事業（包括科學、醫院、計算機、工程等），在72個參測國家（地區）中排名靠后[27]。對科學沒有興趣，不愿意從事科學職業，未來也很難成長為科技創新人才。為了培養創新人才，應該積極探索有效路徑，發揮科學教育培養創新人才的優勢。

（一）優化科學課程體系，在科學教育全過程中實現創新人才的培養

優化科學課程體系是發展科學教育的首要任務，在科學課程體系建設中，應該以創新人才的培養要求為基本出發點，從科學課程內容建設和實施過程等方面進行體系性重構。

首先在科學課程內容建設方面，根據學生發展的需要，建構多元化、可供選擇的科學課程。趙勇在分析美國創新人才的培養經驗中指出，美國在培養創新人才方面的成功經驗在于課程體系建設，美國的課程體系具有“寬廣縱深”的特點，這些課程包含不同學科、不同難度水平的課程，基礎教育與高等院校銜接的先修課程。學生可以根據自己的興趣和能力，選擇針對性的課程進行學習[28]。我們應該根據創新人才的發展需要，構建多元化的科學課程。同時還要積極探索中小學科學課程與高等教育科學課程之間的銜接，要通過先修課程等方式，實現大中小學科學課程體系的一體化建設。在具體的科學課程設計中，要根據創新人才的培養要求選擇課程內容。科學課程的內容選擇，應該以突出科學本質，適合學生學習興趣，具備探究實踐價值等為基本原則。為了突出科學本質，在進行科學課程內容選擇時，除了要呈現重要的科學知識，還應該引入科學史知識，讓學生在對科學發展過程的學習中形成創新性的知識觀念。對科學課程內容的選擇還要突出學生興趣，可以將與學生生活關系密切、反映科技前沿發展的內容作為科學教育素材。

其次是要進行科學課程實施方式的變革。在課程實施過程中，要改變單一的傳授式教學，要避免僅僅依賴于習題訓練的科學學習，而是要結合學習內容需要，構建合適的學習情境，讓學生在科學問題的解決中發展創新思維和創新能力。創新來自于實踐，實踐中的問題為創新提供源泉。在科學教育中要注重基于實際情景下的問題處理能力。從已知的科學創新分析發現，很多重大的科學創新是在實踐問題的解決中實現的。比如改變世界發展進程的蒸汽機的發明，并不是瓦特一人憑借自己的聰明才智，閉門造車的結果。在過去的教育中，我們錯誤地認為是因為瓦特從小就對蒸汽動力產生了興趣，并在媽媽鼓勵之下，創新性地發明了蒸汽機。追溯蒸汽機發明的真實過程，我們可以知道，瓦特并不是憑空發明出蒸汽機，實際上在瓦特接觸蒸汽機之前，已經存在具有抽水功能的蒸汽機。瓦特作為修理工人，在工作中發現當時蒸汽機能量利用率非常低，嚴重制約了蒸汽機的推廣使用。瓦特與同事一道改良蒸汽機，首先是通過增加氣缸提高能量利用率，然后又通過發明了行星齒輪改變了動力傳輸方式，現了蒸汽機的革命性變革。從瓦特的創造經歷可以看出，創新人才的創新過程不是紙上談兵，而是敏銳地發現實際問題并針對性地探索解決方案。在科學教育中，應該加強實驗教學，使學生體驗科學原理，感受創新過程；要針對實踐問題開展探究，發展學生的問題意識和創新性地解決問題的能力。

（二）發展科學教師隊伍，在創新型教師的引領中實現創新人才的培養

要實現創新人才培養目標，必須遵循“強教必先強師”的基本路徑，發展具有創新人才培養素養的科學教師隊伍。培養高質量的科學教師需要與之匹配的教師教育體系，要從我國的國情出發，發展指向創新人才培育素養的科學教師教育體系，實現科學教師創新教育素養持續性發展。

首先要重視科學教師的職前培養，要通過課程設置和實踐體驗等方式，培養具有創新教育素養的高質量科學教師。一是在職前科學教師教育課程設置開設專門的創新教育課程，讓未來科學教師理解和掌握創新的心理機制、學生創新能力的發展機制、創新教育的原理和方法等內容。二是在職前科學教師培養中開展科學研究實踐，要保證未來科學教師參與科技前沿問題的研究，理解科技發展狀況，親身經歷科技創新過程。三是重構科學教師的學科教育課程。要從中小學科學教育的實際需要出發，專門開發針對科學教師的學科課程。針對科學教師的學科課程應該區別于學術研究課程，不能一味追求學科知識的高大全，而應該注重學科知識的深度理解，有效納入科學史知識。在注重職前教育的同時，要注重科學教師的職后專業發展，應該通過完善的支持體系促進科學教師創新教育素養的持續發展。在具體實施中，一是要開發專門的科學教師創新教育素養課程，根據國培、省培、校本培訓等不同場景的培訓需要，建立相互協同的課程體系，持續發展科學教師的創新教育素養。二是通過多元主體協同提升科學教師創新教育能力。要發動高校、科研院所、高新科技企業、科普基地等多方科學教育主體，根據自身特長設計科學教育教師課程，參與科學教師教育。科學教師可以通過參觀學習、項目研究等方式更新科學知識，發展創新教育能力。綜上所述，培育具備創造力和創新教育能力的教師不但能夠提升創新教育質量，還可以發揮科學教師的榜樣作用，從而促進創新人才的培養。

（三）優化科學教育生態，在多方協同的教育環境中促進創新人才的培養

創新的出現不但需要具有創新能力的個體，更需要促進創新的生態環境。正如米哈里·希斯贊特米哈伊所說，“創造力不是發生在某個人頭腦中的思想活動，而是發生在人們的思想與社會文化背景的互動中，它是一種系統性的現象，而非個人現象”[29]。從世界科學中心發展歷程來看，文藝復興之后的科學中心從意大利開始，依次向英國、法國、德國轉移，最后到美國。這些科學中心不但具有科學儀器、配套的學術機構、學術機會、資金支持，更是形成了科學創新的生態，從而有大量的科學創新成果不斷涌現。科學教育要發揮創新人才培養目標，應該從系統性出發，建構良好的科學教育生態，在多方協同的環境中促進創新人才的培養。

從科學教育的特點來看，科學教育生態包含家庭、學校和社會三個層面的主體，應該完善大中小學及家校社協同育人機制，統籌社區、高校、科研機構、高新技術公司、公益場所等與中小學校協作，打通場館、基地、產業、平臺之間的壁壘，構建整體協同的科學教育生態。首先，應該加強學校科學教育生態建設，作為特殊環境的學校，其教育活動對學生的發展起主導作用[30]。在學校科學教育生態建設中，不但要從硬件條件上加強科學教育設施設備建設，如科學實驗室、科學學習空間等，還要建構寬松的環境氛圍，讓學生愿意接納科學，享受科學，喜歡上科學，積極開展科學創新活動。除了學校以外，家庭也是影響學生學習效果的重要場地，研究表明親子之間關于科學的對話可以有效促進兒童科學學習[31]，具有較高科學素養的家庭對孩子的科學學習和科學職業意愿都有非常顯著的促進作用[32]。為了提升科學教育效果，應該注重家庭科學教育生態建設，舉行家長學校，發展適合家庭科學教育需要的資源。除此之外，科學教育更需要社會的廣泛參與，社會是科學教育生態的重要組成部分。第一是要充分發揮博物館、科學館等場域的科學教育優勢，應該結合科學教育發展創新人才的需要，開發和利用科技場館的科學教育資源，實現與學校和家庭教育的聯動。第二是發揮媒體、影視作品的作用，具有科學教育功能的影視節目不但可以普及科學知識，成為科學教育素材，還能夠營造整體性的社會環境，對科學教育具有非常積極的作用。第三是加強科學產業中科學教育資源開發與利用。科教融合成為促進高等學校和中小學創新人才培養的重要方式，在科學教育中，要注重將科學教育和產業發展結合起來，結合生產實際開發科學教育課程，讓學生能夠體驗科學技術發展的前沿研究，參與到科學實踐中，從而培養他們的科學學習興趣，發展創新思維和能力。

四、結語

科學教育肩負著培育創新人才以及普及全國公民科學素養的雙重使命。在當前國際競爭環境中，科技創新能力成為影響國家整體實力的關鍵因素，培育創新人才已成為服務國家戰略、增強我國自主創新能力和教育核心競爭力的必然需求。在科學教育宏觀設計和具體實踐過程中，要緊緊圍繞科學教育的雙重使命，在提升全民科學素養的同時，更要注重創新人才的培育。在開展科學教育的過程中，不但要通過教育手段積極干預學生的心智發展和創新人格發展，以促進創新的內生動力，還要根據學生的年齡發展階段特征選擇合適的教育方式，實現發展和培養的協同效應。要加強科學課程體系、科學教師隊伍及科學教育生態建設，凸顯科學教育的創新人才培養功能，打造具有中國特色的科學教育新常態。

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作者簡介：

張軍：副教授，博士，研究方向為科學教育、教師教育。

楊穎：在讀博士，研究方向為科學教育、創新教育。

范卿澤：研究員，博士，研究方向為教育政策。

Science Education for Fostering Innovative Talents： Logic， Challenges and Approaches

Zhang Jun1， Yang Ying2， Fan Qingze2

1.College of Techer education， Southwest Universality， Chongqing 400715 2.Chongqing Academy of Education Science， Chongqing 400015

Abstract： The sustained and effective cultivation of innovative talents is an important support for enhancing the overall level of national innovation. Based on the analysis of the essential functions of primary and secondary science education and the intrinsic qualities of innovative talents， it is found that science education can help develop the knowledge base necessary for innovation， cultivate students’ innovative thinking ability and innovative spirit， and thus promote the cultivation of innovative talents. On the contrary， there are still a series of problems in the cultivation of innovative talents in primary and secondary science education in China， including the inertia of test-taking in the science curriculum is still strong， the lack of effective integration of science education resources and the insufficient innovation education quality of science teachers. In order to give full play to the effective function of science education in cultivating innovative talents， first， we should optimize the science curriculum system and implement the cultivation of innovative talents in the whole process of science education； The second is to develop the team of science teachers and realize the cultivation of innovative talents under the guidance of innovative teachers； The third is to optimize the ecology of scientific education and promote the cultivation of innovative talents in a multi-collaborative educational environment.

Keywords： science education； creative talent； creative ability； creative spirit

收稿日期：2024年5月2日

責任編輯：趙云建