科学高阶思维缘何成为科技创新后备人才培养的灵魂?——基于“做题家”与“实干家”脑电实验的个案叙事研究

王晶莹,周丹华 ,张栩凡,王文静,朱艳梅,尹 迪,张静波

(1.北京师范大学,北京 100875;2.长江大学,湖北 荆州 434023;3.南京晓庄学院,江苏 南京 211171;4.北京第八十中学管庄分校,北京 100024)

当今世界大国之间综合国力的竞争日趋激烈,科技创新与人才培养成为强国战略的重要支撑。党的二十大报告中将教育、科技、人才“三位一体”统筹安排、一体部署,明确了以科教兴国和人才强国战略为根本的时代使命。科技创新人才则被认为是推动国家未来科技创新与社会进步的核心力量[1],因此科技创新人才培养的内涵、政策和实施的讨论热情日益高涨。2010年5月,国务院常务会议审议并通过《国家长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020)》,聚焦拔尖创新人才的顶层布局。“珠峰计划”和“强基计划”更是切实回应“钱学森之问”,探索科技创新人才自主培养的关键之举。此外,2018年9月,教育部等六部门在《关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》中指出将基础学科拔尖人才作为高等教育强国建设的重大战略任务[2]。高等教育阶段人才培养的前端布局对中小学科技创新后备人才培养提出更高要求,中小学是科技创新人才成长的关键阶段,更是科技创新后备人才涌现的源泉所在[3]。随着智能时代对人才需求的升级与变革,亟需探讨“决定科技创新后备人才培养的关键要素和必要条件”等问题。与此同时,科技创新后备人才培养的理性认识和教育规律挖掘也急需循证研究支撑,诸如实践中“重选轻育”(重视对少数学生的选拔,忽视对全体学生的培育)的现象也亟待消除[4]。基于此,本研究运用基于个案的叙事研究方法,结合课堂教学的行为学研究与脑电(EEG)的生理学证据,管窥课堂教学情境和学生个体局部成长的典型场景,深入探讨学生学业成绩与科学高阶思维发展的可能影响和内在动因,并深刻反思课堂教学的有效培养路径,以期为我国科技创新后备人才培养的理论与实践提供启示。

一、新时代科技创新后备人才培养的价值追求与特质转向

科技创新后备人才是我国对“天才”“英才”“科技创新人力资源”等术语的本土化概念,意指在科技领域或其他方面具有极大天赋和特殊才能,并可能对国家科技创新和社会发展作出突出贡献的群体。基础教育阶段科技创新后备人才主要指具有学科特长与创新潜质的青少年群体。随着教育观念与社会需求的不断发展,科技创新后备人才选育的价值标准和核心特质也持续演进,主要表现为从“精英化”到“素养式”的培养目标价值转向、从“唯分数”到“多元性”的人才评价标准转向、从“智商论”到“品质说”的人才核心特质转向。

(一)从“精英化”到“素养式”的培养目标价值转向

科技创新人才培养具有学段差异性,与高等教育阶段科研创新培养目标所不同的是,基础教育阶段更聚焦于培养学生的创新素养和高阶思维能力,为科技创新人才成长筑牢基础[5]。广义上的科技创新后备人才是在有价值的科技领域活动中表现突出的群体,由于其准入“门槛高”,一直以来都是小规模群体行为,由此也常被冠以“精英化”教育的标签。但当前科技创新后备人才的早期鉴别和培养更为强调“普育化”的素养教育,综合素养已经成为科技创新后备培养目标的主流价值趋势,认知技能、学习能力、创新思维、沟通能力、自我管理等“软硬”素养指标成为人才培养的主要内容。如美国和加拿大在科技创新后备人才的培养中重视以创造力为导向,新加坡和芬兰则将有责任感的合格公民作为人才培养的价值标准[6]。我国新高考改革和出台“双减”政策也体现出重视培育人才的综合素养,如中学“强基计划”招生的选拔主要依据学生的中考成绩并结合面试成绩,同时兼顾考查学生的学科素养、健全的人格品质和家国情怀[7]。2023年5月,教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》,着重指出科学教育应该凸显全体学生的核心素养培育,同时养成学生深度思维的学习品质和勇于献身科学的科学家潜质。

(二)从“唯分数”到“多元性”的人才评价标准转向

受传统教育评价模式的限制和影响,终结性考试长期以来被作为人才选鉴的主要标准。分数作为学生的“命根子”,在众多人才选拔环节都被认定为学业表现中最主要甚至是唯一的评价准则,但“唯分数”和“成绩论”所造成的绝对分界和差异忽视也被社会各界所诟病。获得90分和获得120分的学生之间或许能够以“聪明”与否来判别,但获得130分和150分的学生之间或许就要关注更加多元化差异的存在[8]。以传统成绩排名的选拔思路为戒,科技创新后备人才的选育过程需要采取更加精准和灵活的方式。诸多教育家表示,对于科技创新后备人才而言,选好苗子非常重要,志趣要远远重于成绩[9];与此同时,人才评价标准也需要因学科领域而异。学生是否达到人才评价标准甚至也不一定完全和论文发表以及课程学业表现挂钩,同时还需要衡量学生对科学学习与研究的思悟能力、科学研究过程中的坚持性和献身精神等[10]。综合而言,当前科技创新后备人才评价倡导摆脱“唯分数”的单一标准,更加重视对学生创造力、批判性思维、设计思维等高阶思维能力以及学习兴趣、动机、态度、意志和人际交往等[8]社会情感技能的全方位审视。

(三)从“智商论”到“品质说”的人才核心特质转向

高智商一直被认为是科技创新后备人才最鲜明的标签性特质。如仁祖利(Renzulli)的旋转门鉴别理论创建的人才库是指普通人群中智商前15%～20%的群体[11]。特曼(Terman)则认为智商阈值在135以上的群体为天才[12]。但仅以智力水平考察和鉴别人才已不再符合时代需求,有研究指出,在科技创新人才培养的早期阶段存在诸多促使教育资源发挥成效的因素,核心要素“聪明”虽然很重要,但发展最好的一定是将“聪明”与“聪明+”都发挥最好的学生[8]。因此,在智力基础上所衍化的高阶思维能力与科学家具备的特有精神和品质逐渐成为科技创新后备人才的核心特质。正如竺可桢院士所言,真正的科技创新人才既不是利己主义者,亦不能止步于学会专业知识,要有对人类文明的把握、广博的人文和科学知识、高尚的道德情怀以及批判精神和独立思考的能力。胡卫平指出,科技创新人才的早期培养应重视深度思维、注重探究实践、奠定精深与广博的知识基础、训练思维品质并发展基本思维和高阶思维能力,同时也应整合认知与非认知因素,培养创造性的人格特质[13]。

综上,科技创新后备人才培养呈现出明显的“普育化”趋势,单向度的成绩分数与智商水平已经难以支撑科技创新人才的长足发展,多元化综合素养、人格品质和心理倾向等的兼备培育成为关键。其中,素养本位的科学高阶思维是科技创新后备人才培养的灵魂,它体现了科学教育最深层、最内核与最本质的功能,集中彰显人才培养早期阶段“选-育-评”的价值底色。有鉴于此,科技创新后备人才的不断涌现需要教育者创新传统教学与评价模式的同时转变固有的人才选育思维模式,更新人才评价标准,加强人才培养目标价值和核心特质的深度理解,以精准培育科学教育中具备“特殊”潜能的青少年群体。

二、研究设计

(一)基于个案的叙事研究

教育领域的叙事研究致力于对精准化和程式化研究过程与结果的“软化”和“弥补”,以加强与人类经验的“联系”。作为探索人类经验与现象的重要途径,教育叙事研究有着悠久的历史。康奈利(Connelly)和克莱丁宁(Clandinin)将历史和故事叙事方法科学化,提出了叙事研究法[14]。广义而言,叙事研究指从研究参与者那里取得资料(故事),之后叙事资料被分析成共同的主题、隐喻、情节等,以便识别出一般的主题或概念。具体而言,叙事既是过程(叙事者讲述的过程)又是产物(所讲述的故事)。前者关注所讲述的故事或其产生的解释与意义,其中故事材料可通过访谈、会话和自传等方式取得。后者也涉及讲述,但经历过程的本身成为重点,即研究者与参与者共同经历当下的行动或情境,从而获得并加深体悟[15]。本研究通过亲历学生课堂学习场景并结合事后多轮深度访谈发掘与提炼学习主体间的差异化学习特征,以此探索与反思学生在科学学习中的成绩表现与认知能力的可能机制。

(二)叙事背景与个案选取

本次叙事研究的场景选自初中物理课堂教学情境的科学高阶思维认知神经机制研究。该实验旨在探究不同教学模式的干预对学生物理成绩与科学高阶思维的影响,并以认知神经科学的生理证据佐以解释。研究者设计了视频讲解与视频实验演示两种教学模式,在教学过程中通过课堂观察和实况录像记录学生的行为表现,利用高效度的评价工具测查学生的科学高阶思维,同时全程采集学生在课堂学习中的脑电信号数据以获取神经成像证据。通过综合分析参与学生的科学高阶思维、物理成绩、心流表现以及脑电信号,研究者注意到一个矛盾的现象:几位老师和同学普遍公认的“好”学生,其物理成绩也名列前茅,但是科学高阶思维测评结果却明显低于平均水平。脑电分析结果显示,这些学生在课堂学习和解决物理问题时,与注意、抑制控制、工作记忆等基础认知相关的前额叶脑区高度激活。与之相反,另有几位平时物理成绩中等和中等偏上的学生,其科学高阶思维评测结果却表现突出。脑电分析结果亦显示,这些学生在学习与解决物理问题时,与空间信息整合与数理推理加工相关的顶叶、中央脑区激活最为明显。对此,研究者选取其中两位同学作为典型案例继续展开叙事分析,以深入探索此现象背后的深层问题。

为方便表述并更加鲜明地反映典型案例的核心特征,研究者结合两位同学课堂内外行为学和认知生理表现,将其命名为“做题家”和“实干家”。两位学生来自初三年级的不同班级,其中“做题家”代表典型的学习认真、物理考试成绩优秀,但科学高阶思维不足的学生;“实干家”则代表物理成绩中等偏上,但科学高阶思维相对优秀的学生。这两位同学是上述两类学生群体的代表性“画像”。值得注意的是,两位同学所在班级实施了不同的教学模式干预,“做题家”所在班级为视频讲解,而“实干家”所在班级为视频实验演示。因此,教学模式差异也可能会对学生的认知表现与脑活动模式产生影响。脑电地形图的结果反映出两位同学在学习中使用了不同的认知方式(如图1所示),“做题家”的前额叶Theta波功率显著高于“实干家”。前额叶的Theta波强度通常反映学习者在认知任务中付出的努力程度,随着任务强度的提高,学习者需要调用更多的工作记忆、抑制控制等认知资源,此时,前额叶的Theta波功率将显著增强。可见,“做题家”听课时注意力高度集中在视频讲解的教学内容上,努力地提取信息、存储到工作记忆中进行加工与分析,实现对课堂知识的深入理解。“实干家”在课堂上的工作记忆与抑制控制方面的认知努力则相对轻松一些,但是“实干家”的额叶、顶叶、中央脑区的Alpha波功率显著低于“做题家”。与Theta波相反,Alpha波强度降低表明个体加强了相关认知资源的调用来执行当前的学习任务。通常,中央、顶叶脑区Alpha波与视觉空间信息整合、数学推理能力相关,该脑区的Alpha波功率显著减弱表明个体正在进行高强度的空间信息的视觉表征与整合。研究还发现,在执行数学相关任务时,该脑区的Alpha波功率降低表明个体采用程序化操作的策略来解决当前问题,而非从长时记忆中直接提取早已记住的答案。额叶Alpha波强度降低意味着前部脑区加强了对负责信息编码、记忆提取、视觉空间信息处理等认知加工的后部脑区的执行控制。可见,“实干家”在视频实验演示教学中更集中精力于进行视觉空间信息与数理逻辑推理的加工与整合,更注重通过对当前信息的加工来形成想法,而非努力地回忆已有知识点。脑电地形图显示,“做题家”与“实干家”顶叶、中央脑区的Beta波功率无差异。通常,Beta波反映个体与具体任务相关的心理操作与学习。该结果表明,无论采用哪种类型的认知方式,“做题家”和“实干家”均付出了认知努力来完成科学任务的学习。

图1 两位同学听课期间的脑电功率谱比较

(三)文本分析与研究伦理

除研究者在真实课堂中观察与记录学生的学习表现外,也同步将课堂中学生的“故事”片段客观记录于研究日志。此外,课堂教学实验干预后,通过半结构化访谈收集学生“当时”与“当下”的真实经历与体会。访谈共分两次进行,第一次访谈涉及两位同学听课和做题的直接感受、困惑与原因,平时的解题思路、方法与技巧以及兴趣爱好等。第二次访谈针对学校学习、教师教学、家长参与和家庭教养方式等主题。研究者与两位学生分别进行一对一的互动式访谈,以了解与分析影响学生物理学习的动因机制。此过程共获得文本资料20245字,全部用于叙事分析。本次研究设计申请并通过了所在单位的伦理审查,严格遵循研究伦理标准实施。同时,在研究开展之前征得了教师、家长以及学生本人的知情同意并且签署了知情同意书。此外,为方便访谈内容的记录与整理,在征得参与者以及教师同意后对访谈内容进行了录音。研究结束后,对所有实验资料进行匿名处理,参与者的身份信息以“日期+姓名首字母”的形式进行标识,并且承诺所获得的研究资料只用于学术研究使用,研究文本资料整理后也经参与者及教师与监护人检查确认。

三、科学高阶思维差异表现的典型场景提制

从“做题家”和“实干家”典型案例的事实场景出发,深度刻画其在课堂教学实验与访谈中的详细特征,并从科技创新后备人才培养视角反思科学高阶思维差异化的内源机制。

(一)识记技巧VS科学思维:“套公式”不如“育思维”

对于理科学习而言,“记公式练技巧”不如“育思维”的话题已是老生常谈。指向核心素养的理科课程标准确立了科学思维教学的具体目标,但课堂教学实践中“讲思维”而非“教思考”的现象极为普遍,这也在两位同学及其教师的访谈中得到证实。“做题家”表示他在物理学习中习惯记忆知识点和背诵公式,若遇到新的知识点也会上网查阅相关内容并与之前已学的知识点关联。而“实干家”则表示他学习物理时不喜欢记忆背诵,但不认为自己有成熟的做题技巧,更像是“凭感觉”做题。从教师的反馈中也发现:“做题家”学习习惯更好,“实干家”则很有自己的想法,喜欢探索有挑战性的科学题目。

虽然“实干家”并没有解释清楚“凭感觉”是怎样的认知体验,但或许是与他曾经的深度思考和实验探索有关。根据布鲁姆对认知与思维层次的划分,记忆、理解、应用属于低阶思维的范畴,而分析、评价、创造则归属于高阶思维领域。学习科学研究结果也不断表明,高阶思维是一种进阶式的养成性认知能力,如若学习者一直进行低阶的认知实践则在短时间内很难实现高阶创造性的表现[16]。我国科学教育长久以来一直没有走出“以知识为中心”的教学模式,这是整个科技创新人才培养体系中的凹地,致使大学阶段很多学生的创造性科研能力后劲不足[3]。仅靠高等教育“拔苗助长”促使科技创新人才涌现已不符合现实,STEM管道理论的泄漏点早已深埋于基础教育阶段,中小学是科学高阶思维培养的关键期,及早地开发思维养成与提升的精准化课程和开展专业化学习对科技创新后备人才培养能起到强基铸魂的作用。

(二)题海战术VS类比迁移:“重复刷题”不如“科学推演”

虽然“题海战术”一直被各界所诟病,但当下中小学校的学生刷题现象还是普遍存在的。在问及刷题问题时,“做题家”表示相较于其他科目,物理学科是做题量最多的,因此他对考试中的题型和内容大多比较熟悉。而“实干家”则表示,他平常物理学科的刷题量并不大,一般遇到简单的题目会套公式,如果有困难的话则会尝试从头推导。进而问及“实干家”学习心得时,他提到:习惯联系之前相似题目的答题逻辑展开推导和演绎,进行类比推理发现共同规律,十分享受这一过程且会加深解决物理问题的成就感。

两位同学的回答也是对他们理科学习习惯的直观反馈,但仅凭对话内容和行为学的课堂观察还不足以作出价值判断。“题海战术”背后是“应试主义”的深刻反映,而这正是教育改革需要猛攻的“火力点”,新高考改革越来越倾向于考察学生解决真实情境中“新”问题的能力,这里的“新”指将书本上的科学原理性知识融入到解决人们的生活实践问题中,因此,更加需要学生从静态的科学知识概念和动态的生产生活应用中构建科学学习的能动性认知模式并养成自身的科学思维结构。但“刷题”所带来的效率和效益是不可否认的,颠覆题海式、填鸭式传统教育模式可能牵涉教育生态的调整与重构,而当前最重要的和可以做的模式是除了“刷题”外,在保证学业成绩的同时,是否还有更有效的促进思维发展的教与学的模式?“刷题”方式可以存在,但更重要的是科学学习过程和解题过程中学生元认知能力的生成与科学思维的升级,即利用适量的促进思维发展和科学方法养成的典型题目帮助学生查缺补漏、反馈评价,以此精准定位自身薄弱环节,并通过精析错因并归纳推理以实现科学思维能力的提升。因此,当前学生的理科学习中,推理、论证和建模等科学高阶思维能力的培养是必要且必须的。

(三)既得收益VS长效价值:“分数至上”不如“自我体现”

“什么知识最有价值”的议题始终警醒着教育改革目标与课堂教学取向。分数不再是判断学生学习表现的绝对标准,但分数仍然是衡量学生行为的直观化表现方式。“做题家”与“实干家”典型的行为学对比分析归根结底也是对学习终极价值的深刻追问。从教师反馈中得知:“做题家”是家庭与学校中典型的“好学生”,学习刻苦且自主性强;而“实干家”并不能称之为传统意义上的“好学生”,平时课堂纪律不佳、上课“溜号儿”现象时有出现。但他在学习中极具探索与挑战精神,更倾向于动手实践,偶有突破性的想法和行动,且不十分在意考试分数得失,对于老师在模考复习时提及的那些常考题型和内容也并不在意。研究者对两位同学中考前后的学习表现进行了持续地跟踪和回访,结果反映,“实干家”同学在此阶段的成绩呈现稳步增长,最终的中考表现优于“做题家”同学,后劲也更足。

当然,这一现象或许是特定情况下的个例,但并非教育情境中的个例。尤其是学校学习中,高效率最大化学习收益与“不计得失”地探求知识本身相比可能更加“合算”。或许这正是斯宾塞知识价值标准的当代反思:在身体上,人们对装饰的追捧甚于衣着;在心智上,受人称赞的知识先于增进个人福利的知识被教育[17]。现代社会的进步与发展到底需要什么样的人才?有学者指出,清华大学现在培养的学生“太乖”,缺乏试错的意识,在科技创新人才培养过程中一定要有试错精神和能力,培养拔尖创新人才的环境一定也要有容错和帮助他们调整自己的制度。如麻省理工学院的“恶作剧文化”更有可能孕育创新的种子[10]。“A型人才和X型人才”的著名论断也证实了这一点:清华大学校园中普遍存在着从小到大学习成绩优秀的“A型学生”,他们做事循规蹈矩,但进入社会之后并不擅长将知识转化为生产力,相比之下,社会更需要敢于冒险、勇于创新的“X型学生”,他们的成绩或许不高,但更能适应未来社会的需要。对此,我们需要思考:面向不确定性的未来,“70分的人才”可能比“100分的天才”更加可贵。科学教育中,具备科学高阶思维和实践探索精神的“实干家”可能比追求单纯学业成绩的“做题家”更具科技创新潜力。

四、“做题家”缺乏科学高阶思维的深层原因求索

为进一步分析“做题家”和“实干家”科学高阶思维与学业成绩表现的深层动因,继而对学生的学校学习、家庭状况和父母教养方式等方面展开深度访谈,本研究以立体式刻画与解析两个典型学生案例的科学学习特征,探索出现矛盾现象的深层原因,深刻反思科技创新后备人才培养的现实问题。

(一)“外在约束”与“内在规训”:科学学习需要持之以恒的主动性

家庭和学校在学生成长过程中扮演着关键角色,人的成才到底是由“天生天养”的自身决定,还是“人为干预”的外界塑造?两位同学的成长经历正是莘莘学子的典型缩影与真实写照。在问及父母对自己学习的参与情况时,“做题家”表示父母比较关注自己的理科学习情况,经常给自己找家教,也会辅导作业和监督提醒,并在音乐方面提供了比较多的资本支持。与之相比,“实干家”的经历则更具现实主义色彩:由于父母工作均为夜班,他的作业都是自己完成,生活也需要全部自理,平时喜欢玩游戏但会自行管理学习和生活。

可见,两位同学的家庭教养方式差异较大,“做题家”同学的父母给予他较多的教育干预,“实干家”同学的成长则是处于“自然”状态,但其学习特征是适应环境和协调自身后“进化”的结果。如果说家长管理是子女成才的关键因素之一,那么家长“管不管、管多少”则成为问题的症结所在,家庭的“母慈子孝”和“鸡飞狗跳”之间的转换或许就是因为一次作业辅导而出现。数学大师陈省身曾言:大师是“冒”出来的,并不是教出来的。但这并不是说天才就是天生的,适时且关键的干预与影响是十分重要的。钱学森晚年曾回忆,父母亲和中学教师是对他一生最有影响的人[18]。外在干预的目的不是学习主体的全权代言,而是恰当的情感参与和理解支持[19]。学习是为了自我提升和实现,“为谁而学”的回答向来是肯定且明确的。但由于多种因素的交织使得我国孩子的学习并不总是那么“纯粹”。更有直言,我国的教育背负着沉重的包袱。因此,科学教育的关键在于鼓励学生将外部行为和需求转化为内在的规训与动能,将科学学习的自主性归还给学生主体。

(二)“成绩焦虑”与“顺其自然”:科学学习重在思维过程而非外在结果

学生的学习往往承载着众多的期望与责任,同时也被戴上了沉重的心理枷锁。“做题家”表示平常考前心理压力较大,担心自己考不好而会让老师和父母失望。而“实干家”在这方面的心理负担则相对要小,不太在意周围人的眼光和评价。在问及现在中考复习阶段喜欢的科目以及考试目标时,“实干家”表示当前阶段的学习主要是复习以往的知识,且都处于平均水平,对升学也持顺其自然的态度,没有让自己陷于焦虑状态。

在考试排名的影响下,学生不论在哪一个学习阶段都是最累的,学习的焦虑从小学甚至幼儿园阶段就开始了。教育焦虑是全民性和整体性的,不论是中产、高收入还是普通百姓都在“鸡娃”[20]。但高竞争性的教育不利于科技创新人才的培养,积极协作与自我实现的能力才是当今社会发展所需要的必备品格。“双减”政策的出台也产生了诸多值得深省的观点。中国孩子不是输在起跑线上的,而是累倒在起跑线上的,经过幼儿园、小学、中学进入大学之后,中国孩子对科学的渴望已经所剩无几了。在传统的学习文化中,教育环境往往不允许学生犯错与重来,学生的心理长期处于高压和紧绷的状态,随之而来的是他们对学习的抵触与厌恶。但创新本就与不断尝试、试错相伴相随,既需要智慧,也需要勇气,在前进的方向上耗费足够的时间,敢于承受因可能失败而带来的痛苦[21]。总而言之,基础教育阶段学会学习、乐于学习、养成科学思维比应试的刷题和高分更有价值,科学教育“加法”正是“双减”政策下中国学生核心素养培育的必由之路。

(三)“资源匮乏”与“梦想缺失”:科学教育需要资源协同促进科学精神养成

教育资源配置与公平也是影响科技创新后备人才成长的现实议题,最明显的是校外教育资源获取的差异,尤其是家庭社会经济地位的影响如影随形,这些家庭资本决定了学生从家庭中获得经济、文化和社会等各类资源、环境的支持程度[22]。在谈及兴趣爱好方面的问题时,“做题家”表示虽然没有经常参与校外科技实践活动,但一直在课后学习乐器。相比之下,“实干家”的课外资源则稍显单调,他虽然在科学和文学方面都曾表现出强烈的兴趣,也非常喜欢做科学实验,最终因缺乏学习途径与科学教育资源而半途放弃,虽然他没有参与到课外新奇多样的科学实验活动中,但他经常玩各类充满科学竞技色彩的游戏,并且还将游戏设置为英文版。虽然他不像“做题家”经常参加校外的外教授课,但他的中考英语成绩是98分,高于“做题家”,这也反映出“做中学”产生的效果;同时他一直保持着读书的习惯,最喜欢的是一篇长篇哲思抒情散文。

“寒门难再出贵子”的现实在当代社会愈演愈烈。家庭阶层与背景对学生能够接触到的教育资源具有决定性作用,具体表现在学生的特长投资、课外补习和升学择校等各个方面。即使有着较高科技创新潜质的学生,如果没有外在资源的支持和挖掘也很难有所成就,甚至其“光芒”也会被埋没和消磨。家庭经济实力和社会阶层固然是难以改变的,但是普通家庭也可以培养出具备科技创新潜质的孩子。国外研究表明,良好的家庭读写环境能够在一定程度上弥补较低的家庭社会经济地位给孩子带来的消极影响[23]。因此,为科技创新人才的早期培养和发展创设和谐、尊重与平等的家庭环境,重视家庭的科技资本,潜移默化地营造“学科学、爱学科”的家庭氛围也十分必要。此外,科学教育资源建设不单是教育系统、学校和家庭的事情,科技界、工程界的积极参与将会对科学教育资源的家校社协同发展提供强有力的支持和保障。

此外,本案例中两位同学都没有表现出对未来职业积极主动的规划与期望,他们均缺乏对理想目标的追求以及对科学学习的精神信念。不论是“实干家”还是“做题家”,他们都没有具备心怀热忱的“梦想家”热爱科学甚至献身科学的信念品质。但丁说过:“道德往往可以弥补智慧的不足,智慧常常不能填补道德的空白。”我国四省市15岁学生的科学职业期望在PISA2015测试中位居68位(共有72个国家和地区),科学教育需要兼顾德育与智育,在发展科学高阶思维的同时培植青少年的家国情怀与科学家精神,夯实科技创新后备人才成长的基础。

五、基于科学高阶思维的科技创新后备人才培养路径

随着科技创新人才早期特质的演化和转向,“普育化”的培养模式已成为趋势,即对于基础教育阶段而言,科技创新人才的培养不能只等着天才儿童的“出现”,而需要关注学生学习发展的真实过程,为他们提供“涌现”的环境与条件。“做题家”和“实干家”的科学高阶思维差异化表现和学业成就的矛盾映射出科技创新人才早期培养的现实困境,如何优化人才的培养路径、促进科技创新后备人才培养的德育和智育的有机融合成为教育强国建设的核心要义。

(一)构建科技创新后备人才培养的贯通机制,推进基础和拔尖培养模式融合创新

科技创新后备人才培养关涉全体学生的创新素养提升和创新潜质学生的个性化培养,因此需要在学校系统中构建科技创新人才早期培养的贯通机制,统筹从学前、小学、初中、高中到大学的一体化课程、教学和培养路径,协调基础性和拔尖性人才的协同培养模式。首先,在课程设置方面,面向不同学段、层次和特点的全体学生,需要系统构建分层分类的课程体系。如北京十一学校以“面向全体、适性扬长”为原则开展了科技创新人才早期培养的普适性探索。一方面,构建分层分类的基础课程,为每个学生铺设适合的跑道;另一方面,通过分层开设数学和科学课程,面向不同认知风格、志趣和思维类型的学生开展分类课程,同时设置多维立体课程以丰富拔尖创新人才的综合素养[24]。其次,强化配套师资团队,提升创新教学的理念意识与实践能力。教师需要亲历创新的过程,具备对创新创造的本质性认知以及激发学生创新意识的能力,这对于为何以及如何培养科技创新后备人才具有切实作用。最后,健全教学管理制度和平台资源建设。科技创新后备人才培养需要健全系统的管理制度“软件”以及平台资源“硬件”的支持。如四川成都石室中学结合自身实际情况,为人才培养搭建了“三院两馆两中心一空间”的育人平台群,即科学院、文学院、艺术院、科技体验馆等,涵盖了科学、技术、艺术、人文、社科等领域的育人平台建设[7],为科技创新人才的培养与发展持续赋能。

(二)改进人才评价标准与方式,丰富科技创新人才特质的多维表现

评价是人才选拔的风向标和指挥棒。面对科技创新后备人才的多元特质和培养需求,亟待优化多维度、多视角的人才评价标准,创新与改进多种评价方式方法,深化教育评价改革引领基础教育高质量发展。一方面,应破除传统人才评价的思想藩篱,注重人才的综合能力评价,摒弃以分数给学生“贴标签”的惯习,重视对学生思维、兴趣、好奇心、道德责任和家国情怀的培养。在教学中倡导增值性评价和形成性评价,关注学生科学学习起点、思维发展过程、情绪情感变化和行为表现结果,并从重视所有学科的均衡发展,到突出优势学科的个性化特质,以推进学生的学业进步和素养提升[25];另一方面,应充分利用多元化手段和多模态学习过程数据,提升人才选拔与评价的科学性,这也是科技创新后备人才培育的国际典型经验。如美国、英国、澳大利亚等发达国家在创新后备人才选拔中均采用家长提名、教师提名、同龄人提名、自我提名等方法[26]。同时,在学习数据的收集方面,除考试成绩这类阶段性数据外,还可以采集学生课堂表现、课后课外活动等实时产生的过程性数据,结合心理测量技术与大数据智能技术形成多模态指标[27]。

(三)创设科学实践的跨学科学习环境,循证采用科学高阶思维教学

高阶认知活动是科技创新人才核心能力的重要体现和必备特质。科学高阶思维是一类有着科学思维加工特质和学科普适性指导意义的高层次认知思维能力,其本质体现在学生创造性地解决科学情境问题的思维过程之中[28]。因此,教师需要创设指向高阶思维提升的课堂环境,践行科学实践的教学策略,为学生创设更加开放自由的科学学习空间,培养学生试误、探索和求真的科学素养。第一,教师在课堂中应当注重营造创新的氛围,设计创新的科学情境,提供创新的环境条件,激发与保持学生对科学的好奇心、挑战性和想象力,鼓励学生大胆提问、别出心裁、标新立异,激发学生的创新动机[29]。第二,精准使用高阶思维的教学模式,如项目研究、角色扮演、问题解决学习、案例学习等,根据教学经验和学生行为学表现,积极循证思考有效教学模式,引导学生投入到分析、比较、归纳、探索和创造的科学学习活动中,而非对科学知识和方法的机械记忆与理解。如在STEM课堂中开展基于纠错方法的机器人教学,即在教学过程中由教师设计并提供带有错误或故障的作品或样例,要求学生识别、解释并改正其中的错误以及复原作品功能,以此发展学生的推理能力和问题解决能力,提升学生课堂学习的享受度和情绪沉浸度[30]。与此同时,也应保证教学内容的有效性,将科学推理、科学论证和科学建模等高级思维能力作为科学课堂教学的有效模式和关键目标,基于课程标准和教材创造性地实施科学课程,规避落入“重形式、轻知识”的“精致形式主义”窠臼。

(四)协同多方主体联合参与,打造系统连续的科学课程育人路径

科技创新人才早期选拔与培养需要多元主体和多种资源的协同发力,打造人才培养链条的连续性和系统化,由此改善地理地区、家庭环境、科学资本、应试文化等对学生发展的不利影响,保障有科技创新天赋和学习潜力的学生能够充分锻炼与发挥自己的优势与特长,在中小学的关键学段能够夯实科技创新的综合素养、思维品质和价值观。一是联合高校、科研院所、实验室、国家企业等社会主体,融合与聚集科技创新教育资源,挖掘和促进具有创新潜能学生的科学素养发展和关键能力养成。如江苏省南京市第一中学在科技创新人才早期培养实践的探索中践行“融合、贯通、融通”的行动原则,通过跨学科融合和多种学习方式聚合成立江苏省中学物理实验创新研发中心,聚焦现代技术的高中物理实验创新研究。并且充分开展科教融汇、普职融通活动,参访研究项目涉及科技园区、高新企业、农创园、高校实验室、高职院校实训基地、科技馆等[31]。二是发挥家长与社区的基础性作用,充分彰显家庭在青少年创新潜质激发和培育中的适度参与、情感支持和榜样示范作用。三是构建系统连贯的人才培养体系,基础教育阶段向上与高等教育形成有效衔接,向下与学前教育展开辐射贯通,彰显科技创新人才培养的承接性、层次性和连续性。

综上,“双减”政策实施背景之下,做好科学教育的“加法”任重而道远。随着美国《新一代科学教育标准》的实施以及我国《义务教育科学课程标准》的实践推进,指向科学实践的高阶思维教学目标成为国际科学课程改革的风向标。科学高阶思维是科技创新的智力内核,是科技创新后备人才培养的灵魂,在当代复杂的国际关系中,关键的科学技术要不来、讨不来,唯有孕育好科技创新后备人才才能浚通科技创新高质量发展的源头活水,牢牢掌握科技强国的主动权和发展力。爱国是心之所系、情之所归,科技创新后备人才培养是为党育人、为国育才的根本体现,涵养青少年的拳拳爱国之心和勇于献身的科学家精神乃是科技创新的德育内核。建功新时代,奋进新征程!德育与智育融合的科技创新后备人才培养事业扬帆起航,必将擘画出一幅“培根铸魂、振兴中华”的奋斗新篇章!