科学教育促进创新人才培养：逻辑、问题与路径

摘要：持续有效地培养创新人才是提升国家整体创新水平的重要支撑。基于中小学科学教育的本质功能与创新人才的内在特质分析发现，科学教育有助于发展创新必备的知识基础，能够促进创新思维和创新精神的培养，从而促进创新人才的培养。反观现实，我国中小学科学教育在培养创新人才方面仍存在系列问题，包括科学教育受应试惯性的影响强烈，科学教师的创新教育素养不足，科学教育的运行机制不完善等。为了发挥科学教育培养创新人才的有效功能，一是要优化科学课程体系，在科学教育全过程中落实创新人才的培养；二是要发展科学教师队伍，在创新型教师的引领下实现创新人才的培养；三是要优化科学教育生态，在多方协同的教育环境中促进创新人才的培养。

关键词：科学教育；创新人才；创新能力；创新精神

中图分类号：G434 文献标识码：A

* 本文系全国社会科学基金教育学一般项目“教育数字化促进民族地区科学教师‘在地’专业发展的机制创新研究”（项目编号：BMA230241）、2024年度全国教育科学规划教育部重点课题“省域大中小学拔尖创新人才一体化培养机制研究”（课题编号：DHA240371）研究成果。

① 杨颖为本文通讯作者。

习近平总书记在党的二十大报告中指出：“我们要坚持教育优先发展、科技自立自强、人才引领驱动，加快建设教育强国、科技强国、人才强国，坚持为党育人、为国育才，全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才，聚天下英才而用之”[1]。在中共中央政治局第三次集体学习时，习近平总书记发表讲话并要求，“要在教育‘双减’中做好科学教育加法，激发青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体”。总书记的论述不但表明中小学科学教育在培养创新人才中具有关键作用，也赋予了科学教育新的使命任务和战略地位，为科学教育的改革发展提出了新要求。

中小学科学教育在创新人才培养中的重要作用得到越来越多的研究支持。从人才发展阶段来看，创新型人才的发展需要经过多个持续发展阶段，第一个阶段是自主探究期，第二个阶段是集中训练期，第三个阶段是能力展示和领域定向期，第四个阶段是创新期[2]，中小学学生处在自主探究期和集中训练期，并逐渐趋向成熟[3]。根据认知发展理论和心理社会学发展理论研究，中小学阶段的学生兴趣旺盛、乐于探究，认知层次的推理、抽象、分析等思维能力逐渐增强，心智层次的行为自主、认知技巧、情感价值、个人身份认同等需要逐步增多，这个阶段的学生科学创造力发展迅速[4]，是培育创新型人才的第一阶段[5]。在此阶段，科学教师借助学生的兴趣、自我实现的主观能动性，在科学学习和科学实践中，能够激发青少年的学习兴趣、探究热情和科学思维等心智成长特性[6]，发展学生的科学高阶思维[7]，促进创新人才自主培养[8]。分析已有研究发现，针对中小学科学教育促进创新人才培养的研究还不多，为此，我们在已有研究的基础之上，进一步梳理科学教育促进创新人才培养的理论逻辑，分析当前科学教育在培养创新人才方面存在的问题，探索科学教育促进创新人才培养的实践路径。

一、科学教育促进创新人才培养的理论逻辑

科学教育是世界各国中小学教育的主要部分，中国现行中小学科学教育采取了先综合后分科的形式，即在小学阶段采取单科综合教学的形式，一至六年级开设科学课程；在初中和高中均采用分科教育的方式，分成了物理、化学、生物、科技活动等学科课程。科学教育促进创新人才培养由创新人才的内在特质和科学教育的功能所决定。郑琳琳等认为创新人才的显著特质包括三个方面，一是尝新，二是自律，三是乐群[9]。王广民等认为创新人才包含四个方面的特质，一是具备创新意识与创造力，二是具备坚实的知识基础，三是具备敏锐的观察力，四是有较强的科学思考能力[10]。向小薇、周建中则认为创新人才在知识基础、能力素养和思想精神三个方面具有共性特质[11]。当前的科学教育将科学知识、科学思维、科学方式和科学精神作为整体性体系进行教学[12]，培养学生的科学观念、科学思维、探究实践和态度责任。科学教育可以培养创新人才所必备的知识基础、创新思维和创新精神等方面的创新品格。

第一，科学教育可以为学生奠定必要的知识基础。已有知识是创新的基础条件，正像牛顿所说，他的成功是站在巨人的肩膀上获得的。科学对应的英文词汇是Science，来自拉丁文Scientia，其本意就是“知识”和“学问”。科学已经发展成为系统化、理论化的知识，成为用精确的概念、定律、假说等理论形式表现出来的逻辑系统[13]。物理、化学、生物等学科知识为人类认识提供了符号体系和逻辑体系，成为认识世界的基本方式。科学领域的创新离不开扎实的科学知识，非科学领域的创新也需要遵循基本科学原理。学生在中小学阶段掌握基本的科学知识是成为创新人才的重要途径。

第二，科学教育可以有效促进学生创新思维的发展。发展科学思维是科学教育的主要目标。什么是科学思维呢？库恩认为科学思维是“有意识地寻求知识”。包雷等人认为科学思维是提出假设、开展探究和做出决策的过程[14]。邓巴在对科学思维深入研究的基础上分析了科学思维的具体内容，包含了概括、演绎、对比、问题处理和因果推论等。由上述看法可发现，科学思维实质上是创新思维。在科学教育中发展科学思维，实质就是培养孩子的创造性思维。

第三，科学教育可以提高学生的创新精神。关于创新精神内涵的研究很丰富，其中霍涌泉等认为创新精神是指能够综合运用已有信息、知识、方法和技术，来进一步探索出新方法、新观点的思维能力和智慧[15]。创新精神是实现创新的内在驱动。科学教育通过发展学生的科学态度，使学生保持好奇心和探究热情，乐于探究和实践；不迷信权威，敢于大胆质疑，追求创新，科学教育的主要目标之一正是培养学生的创新精神。

二、科学教育促进创新人才培养的问题分析

从以上分析可以看出，中小学科学教育可以有效促进创新人才培养。而从培养高质量的创新人才要求来看，我国的科学教育还存在一些亟待改进和发展的内容，比如我国中小学科学教育受应试的影响仍非常严重，导致教师的教学和学生的学习方式偏离了创新人才的成长轨迹。中小学科学教师在创新教育素养方面还存在不足，不利于发挥科学教师的榜样作用和教育功能。科学教育运行机制不完善，难以聚集创新人才培养合力。

（一）科学教学受到应试惯性影响，难以发挥创新人才培养实效

教育评价是科学教育的指挥棒，决定了科学教学方式。在我国教育评价中，高考占据了至关重要的地位。虽经历了多次高等学校招生改革，而为了兼顾公平的需要，我国高等学校的入学考核仍然以高考分数为主要依据，2023年全国普通本科招生478.16万人[16]，其中大部分新生的录取依据高考总分。高考为典型的终结性评价，且采取纸笔测试，由此导致中小学教育出现以考出高分为目的的应试化倾向。我国当前的中小学科学教育受到应试化影响明显，在教学方式上偏离了科学教育的应有方式，影响了创新人才的培养。为了追求考试中取得高分，很多科学教师采取短平快的讲授法、习题练习法，试图以大量的重复练习获得高分。科学教育应有的实验探究被忽视，有研究报告显示，小学和初中的科学教师在教学中很少开展科学探究教学，基本不上实验课[17]。这是因为很多教师认为开展探究性教学和实验教学不但浪费了教学时间，还会导致学生得到的结论与标准答案不一致，反而影响做题效率和考试成绩。

钟秉林先生曾指出，在中小学教育中如果将高考成绩作为了考试评价的唯一依据，就会加剧应试倾向，妨碍创新人才的培养[18]。现实的情况正如钟秉林先生所言，我国当前基础教育的应试化惯性仍然强烈，科学教育同样受应试教育模式的影响，在培养学生的创新能力方面不但没有积极的正向作用，还带来了显著的阻碍作用。调研结果显示，我国中学生的科学兴趣不但没有随着年龄的增大而升高，反而明显低于小学生，出现了随着年龄增大而倒退的现象[19]。2021年OECD对十个国家的十个城市（中国被研究的城市为苏州）的10岁和15岁儿童的创造力与学习兴趣做出了评估，评估结果显示中国学生的学习兴趣在10岁到15岁期间呈现显著的下降趋势[20]。科学兴趣和好奇心等是反映创新特质的重要指标，接受科学教育更多的中学生不但没有发展，反而出现下降趋势，其中重要的原因在于中学阶段的应试化教育更加明显，中考、高考成为学校教育的重要导向，习题练习成为学生学习的主要方式，严重偏离了科学教育的初衷，影响了创新人才培养。

（二）科学教师创新教育素养不足，难以引领创新人才有效发展

科学教师是学生掌握科学知识、科学思想的启蒙者，科学教师在培育创新型人才方面起了举足轻重的作用。研究表明中小学阶段的科学教师对包括诺贝尔奖得主在内的科学家产生了重要影响[21]，通过专门的创新教育素养培养的教师，能够有效地识别具有创新特质的学生，并采取适宜创新人才发展的教学策略，支持创新人才成长[22]。为了更有效地培养创新人才，应该以创新教育素养为核心，进一步发展科学教师专业能力，既要保证科学教师具有良好的科学学科知识和能力，还应该发展科学教师的跨学科能力和创新教育素养。

而从我国科学教师队伍的现实情况来看，中小学科学教师队伍还存在着绝对数量不够、专业能力不足、地区分配不均、跨学科素养和创新教育素养培养体系不完善等亟待解决的问题。而这些问题中，直接影响到创新人才培养实效的跨学科能力和创新教育素养显得尤为突出。在跨学科能力方面，当前中小学科学教师多为来自物理、化学、生物等学科的专任教师，学科背景较单一，影响了教师的跨学科能力发展。在创新教育素养方面，目前各大师范院校的学科设置和课程体系中，指向创新人才培育素养的教师教育教材或教学内容非常缺乏[23]，也就是说，我国科学教师基本没有接受创新教育的培养。即使是承担创新人才培养的教师，他们的培养过程仍以接受常规培训为主[24]。缺少创新教育素养的教师，不但不能有效发展榜样示范作用，也难以识别具有创新潜力的学生并进行针对性的培养，难以影响和引领创新人才的发展。

（三）科学教育运行机制不完善，难以聚集创新人才培养合力

科学教育的质量对创新人才培养质量具有直接影响，事关科教兴国战略是否能够顺利实现。要发挥科学教育促进创新人才培养效果，应该建立良好的运行机制。这些运行机制包括科学教育工作机制、保障机制、投入机制、评价机制、激励机制、协同机制以及校内校外资源的整合机制、高等学校和科研院所支持中小学科学教育的机制。而从目前的情况看，我国科学教育运行机制还不够完善，在诸多方面需要发展和创新。

比如我国科学教育的校内外资源整合机制亟待完善。要有效落实中小学科学教育，实现创新人才的培养，应该从科教融合的视角出发[25]，整合不同主体、不同领域的科学教育资源，为学生拓宽科学视野、参与科学探究实践提供条件。反观现实，学校和社会普遍对整合校内外科学教育资源的意识不强、效果不佳，不能有效发挥科学教育资源合作共享、协同育人的合力。首先是科学家作为科学教育的重要专家资源，较少深度参与科学教育。科学家在科学教育专家委员会中占比较高，但很少有科学家长期深入中小学科学教育一线，从而限制科学家长期性和制度性地参与科学教育研究和实践。二是科研机构与中小学协作不够，科研机构与学校科学教育的联动、合作和发展的制度不够健全。大中小学校合作、校馆合作、企校合作的实践形式较单一、内容较匮乏，多以实地参观和浅层次体验为主。一项基于中国东中西部21省的调查显示，46.48%的受访学生表示本学期从未参加过科研机构或科普馆院组织的科普类活动，20%的受访学生表示本学期只参加过1次科普类活动，66.03%的受访教师表示科学资源未充分利用[26]。

在未来的发展中，应该完善科学教育工作、保障和激励等机制，发挥政府、社会和学校等主体的科学教育合力，实现大中小学创新人才贯通培养，充分发挥科学教育在促进创新人才培养方面的功能和优势。

三、科学教育促进创新人才培养的实践路径

根据以上分析可知，我国中小学科学教育在促进创新人才培养方面仍存在诸多不足。教育行政管理部门和科学教师，对科学教育培养创新人才的认识不够全面，特别是受考试制度影响，使得中小学科学教育过于重视科学知识的教学，缺少基于真实情境的科学探究实践，为了应对考试，科学教育往往围绕习题开展教学，连课程标准规定的教学实验也没有完全落实，更不可能开展深入的科学探究与实践。应试化的科学教育同样也影响了学生学习科学的兴趣，以及选择从事科学作为职业的志向。PISA2015调查结果显示，京沪苏粤仅有16.8%的学生希望从事科学类事业（包括科学、医院、计算机、工程等），在72个参测国家（地区）中排名靠后[27]。对科学没有兴趣，不愿意从事科学职业，未来也很难成长为科技创新人才。为了培养创新人才，应该积极探索有效路径，发挥科学教育培养创新人才的优势。

（一）优化科学课程体系，在科学教育全过程中实现创新人才的培养

优化科学课程体系是发展科学教育的首要任务，在科学课程体系建设中，应该以创新人才的培养要求为基本出发点，从科学课程内容建设和实施过程等方面进行体系性重构。

首先在科学课程内容建设方面，根据学生发展的需要，建构多元化、可供选择的科学课程。赵勇在分析美国创新人才的培养经验中指出，美国在培养创新人才方面的成功经验在于课程体系建设，美国的课程体系具有“宽广纵深”的特点，这些课程包含不同学科、不同难度水平的课程，基础教育与高等院校衔接的先修课程。学生可以根据自己的兴趣和能力，选择针对性的课程进行学习[28]。我们应该根据创新人才的发展需要，构建多元化的科学课程。同时还要积极探索中小学科学课程与高等教育科学课程之间的衔接，要通过先修课程等方式，实现大中小学科学课程体系的一体化建设。在具体的科学课程设计中，要根据创新人才的培养要求选择课程内容。科学课程的内容选择，应该以突出科学本质，适合学生学习兴趣，具备探究实践价值等为基本原则。为了突出科学本质，在进行科学课程内容选择时，除了要呈现重要的科学知识，还应该引入科学史知识，让学生在对科学发展过程的学习中形成创新性的知识观念。对科学课程内容的选择还要突出学生兴趣，可以将与学生生活关系密切、反映科技前沿发展的内容作为科学教育素材。

其次是要进行科学课程实施方式的变革。在课程实施过程中，要改变单一的传授式教学，要避免仅仅依赖于习题训练的科学学习，而是要结合学习内容需要，构建合适的学习情境，让学生在科学问题的解决中发展创新思维和创新能力。创新来自于实践，实践中的问题为创新提供源泉。在科学教育中要注重基于实际情景下的问题处理能力。从已知的科学创新分析发现，很多重大的科学创新是在实践问题的解决中实现的。比如改变世界发展进程的蒸汽机的发明，并不是瓦特一人凭借自己的聪明才智，闭门造车的结果。在过去的教育中，我们错误地认为是因为瓦特从小就对蒸汽动力产生了兴趣，并在妈妈鼓励之下，创新性地发明了蒸汽机。追溯蒸汽机发明的真实过程，我们可以知道，瓦特并不是凭空发明出蒸汽机，实际上在瓦特接触蒸汽机之前，已经存在具有抽水功能的蒸汽机。瓦特作为修理工人，在工作中发现当时蒸汽机能量利用率非常低，严重制约了蒸汽机的推广使用。瓦特与同事一道改良蒸汽机，首先是通过增加气缸提高能量利用率，然后又通过发明了行星齿轮改变了动力传输方式，现了蒸汽机的革命性变革。从瓦特的创造经历可以看出，创新人才的创新过程不是纸上谈兵，而是敏锐地发现实际问题并针对性地探索解决方案。在科学教育中，应该加强实验教学，使学生体验科学原理，感受创新过程；要针对实践问题开展探究，发展学生的问题意识和创新性地解决问题的能力。

（二）发展科学教师队伍，在创新型教师的引领中实现创新人才的培养

要实现创新人才培养目标，必须遵循“强教必先强师”的基本路径，发展具有创新人才培养素养的科学教师队伍。培养高质量的科学教师需要与之匹配的教师教育体系，要从我国的国情出发，发展指向创新人才培育素养的科学教师教育体系，实现科学教师创新教育素养持续性发展。

首先要重视科学教师的职前培养，要通过课程设置和实践体验等方式，培养具有创新教育素养的高质量科学教师。一是在职前科学教师教育课程设置开设专门的创新教育课程，让未来科学教师理解和掌握创新的心理机制、学生创新能力的发展机制、创新教育的原理和方法等内容。二是在职前科学教师培养中开展科学研究实践，要保证未来科学教师参与科技前沿问题的研究，理解科技发展状况，亲身经历科技创新过程。三是重构科学教师的学科教育课程。要从中小学科学教育的实际需要出发，专门开发针对科学教师的学科课程。针对科学教师的学科课程应该区别于学术研究课程，不能一味追求学科知识的高大全，而应该注重学科知识的深度理解，有效纳入科学史知识。在注重职前教育的同时，要注重科学教师的职后专业发展，应该通过完善的支持体系促进科学教师创新教育素养的持续发展。在具体实施中，一是要开发专门的科学教师创新教育素养课程，根据国培、省培、校本培训等不同场景的培训需要，建立相互协同的课程体系，持续发展科学教师的创新教育素养。二是通过多元主体协同提升科学教师创新教育能力。要发动高校、科研院所、高新科技企业、科普基地等多方科学教育主体，根据自身特长设计科学教育教师课程，参与科学教师教育。科学教师可以通过参观学习、项目研究等方式更新科学知识，发展创新教育能力。综上所述，培育具备创造力和创新教育能力的教师不但能够提升创新教育质量，还可以发挥科学教师的榜样作用，从而促进创新人才的培养。

（三）优化科学教育生态，在多方协同的教育环境中促进创新人才的培养

创新的出现不但需要具有创新能力的个体，更需要促进创新的生态环境。正如米哈里·希斯赞特米哈伊所说，“创造力不是发生在某个人头脑中的思想活动，而是发生在人们的思想与社会文化背景的互动中，它是一种系统性的现象，而非个人现象”[29]。从世界科学中心发展历程来看，文艺复兴之后的科学中心从意大利开始，依次向英国、法国、德国转移，最后到美国。这些科学中心不但具有科学仪器、配套的学术机构、学术机会、资金支持，更是形成了科学创新的生态，从而有大量的科学创新成果不断涌现。科学教育要发挥创新人才培养目标，应该从系统性出发，建构良好的科学教育生态，在多方协同的环境中促进创新人才的培养。

从科学教育的特点来看，科学教育生态包含家庭、学校和社会三个层面的主体，应该完善大中小学及家校社协同育人机制，统筹社区、高校、科研机构、高新技术公司、公益场所等与中小学校协作，打通场馆、基地、产业、平台之间的壁垒，构建整体协同的科学教育生态。首先，应该加强学校科学教育生态建设，作为特殊环境的学校，其教育活动对学生的发展起主导作用[30]。在学校科学教育生态建设中，不但要从硬件条件上加强科学教育设施设备建设，如科学实验室、科学学习空间等，还要建构宽松的环境氛围，让学生愿意接纳科学，享受科学，喜欢上科学，积极开展科学创新活动。除了学校以外，家庭也是影响学生学习效果的重要场地，研究表明亲子之间关于科学的对话可以有效促进儿童科学学习[31]，具有较高科学素养的家庭对孩子的科学学习和科学职业意愿都有非常显著的促进作用[32]。为了提升科学教育效果，应该注重家庭科学教育生态建设，举行家长学校，发展适合家庭科学教育需要的资源。除此之外，科学教育更需要社会的广泛参与，社会是科学教育生态的重要组成部分。第一是要充分发挥博物馆、科学馆等场域的科学教育优势，应该结合科学教育发展创新人才的需要，开发和利用科技场馆的科学教育资源，实现与学校和家庭教育的联动。第二是发挥媒体、影视作品的作用，具有科学教育功能的影视节目不但可以普及科学知识，成为科学教育素材，还能够营造整体性的社会环境，对科学教育具有非常积极的作用。第三是加强科学产业中科学教育资源开发与利用。科教融合成为促进高等学校和中小学创新人才培养的重要方式，在科学教育中，要注重将科学教育和产业发展结合起来，结合生产实际开发科学教育课程，让学生能够体验科学技术发展的前沿研究，参与到科学实践中，从而培养他们的科学学习兴趣，发展创新思维和能力。

四、结语

科学教育肩负着培育创新人才以及普及全国公民科学素养的双重使命。在当前国际竞争环境中，科技创新能力成为影响国家整体实力的关键因素，培育创新人才已成为服务国家战略、增强我国自主创新能力和教育核心竞争力的必然需求。在科学教育宏观设计和具体实践过程中，要紧紧围绕科学教育的双重使命，在提升全民科学素养的同时，更要注重创新人才的培育。在开展科学教育的过程中，不但要通过教育手段积极干预学生的心智发展和创新人格发展，以促进创新的内生动力，还要根据学生的年龄发展阶段特征选择合适的教育方式，实现发展和培养的协同效应。要加强科学课程体系、科学教师队伍及科学教育生态建设，凸显科学教育的创新人才培养功能，打造具有中国特色的科学教育新常态。

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作者简介：

张军：副教授，博士，研究方向为科学教育、教师教育。

杨颖：在读博士，研究方向为科学教育、创新教育。

范卿泽：研究员，博士，研究方向为教育政策。

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

责任编辑：赵云建