大科学时代的中小学科技教育

当代科学研究的版图正在经历前所未有的扩张。知识生产的边界不断向外延伸，其背后的科学研究范式、组织方式和价值取向亦随之发生深刻转型。科学研究进入高度复杂化阶段：引力波探测需要全球上千名科学家协同工作，人类基因组计划耗费30亿美元并汇集6个国家的科研力量，大型强子对撞机横跨法国与瑞士边境、绵延27公里，人工智能大模型一次成规模训练要耗费大量电力……当下的科研活动日益呈现出大规模、高投入、强协作的系统性特征。

这一转变对基础教育提出了新的挑战：当科技已成为需要复杂协作与长期投入的社会事业，应当如何促进中小学科技教育与其接轨？应当如何培养能够应对不确定性、作出负责任选择的合格公民和新时代科技工作者？要回应这些问题，需要在大科学时代背景下重新审视中小学科技教育的目标定位与实现路径。

“大科学”概念源于“二战”后由原子弹计划、太空竞赛等国家主导的科研项目所催生的科研组织模式，是一个相对于由少数精英个人志趣驱动的传统科学（即“小科学”）的概念，其本质在于科研活动从个体化、小规模向大规模、高投入、多学科协同的组织模式转型。在初始阶段，大科学项目的实施与不同国家、联盟之间在实力和意识形态上的斗争紧密相关。冷战结束后，在国际关系与意识形态冲突有所缓解的大背景下，大科学项目从竞争走向合作，一些装置开始向全球科学共同体开放，围绕重大科学议题、难题共同建设装置或开展研究成为趋势，显现了大科学的开放与合作取向。[1]

（一）大科学时代科技工作者的角色转型

一是从个体探索到协同共创。2023年2月21日，习近平总书记在主持中共中央政治局第三次集体学习时指出：“世界已经进入大科学时代，基础研究组织化程度越来越高。”现代科学突破越来越依赖团队协作，传统“孤独天才”式科研正在被全球性科研协作网络取代。以事件视界望远镜（EHT）项目为例，全球8台射电望远镜同步观测，200多名科学家共同工作，最终呈现了人类历史上首张黑洞照片。这种协作不仅跨越了地理边界，更打破了学科壁垒，形成了物理学、天文学、计算机科学、工程学等领域深度融合的科学共同体。科技工作者不仅需要具有解决问题的能力和刻苦钻研的精神，更需要培养与组织内外的利益相关者有效沟通的能力，以取得资源、解决分歧、推广成果，进而确保科研项目的顺利推进。

二是从理论驱动到数据驱动。科学研究正经历范式转变。2007年，图灵奖得主吉姆·格雷阐释了“第四范式”—数据密集型的科学发现，并将其置于经验科学、理论科学、计算科学之后的科学演进脉络中。这一范式并非简单否定前三种范式，而是强调当数据量达到特定水平时，科学发现逻辑将从先有假设再收集数据验证转向从数据中直接涌现规律。同时，大科学项目往往意味着巨大的数据量，科学家需要开发全新的数据处理和分析方法，科研工作也越来越多地纳入数据挖掘、模式识别和计算建模等环节。

三是从线性创新到复杂系统思维。大科学项目面对的往往是高度复杂的系统问题—气候变化、脑科学、生态系统等。这些问题需要运用系统思维、非线性思维和跨尺度分析能力，科学家不仅要理解系统各组成部分，更要把握它们之间的相互作用和涌现特性。统计显示，20世纪50年代之前诺贝尔奖成果中单一学科研究占主导，之后交叉研究成果比例持续上升，2001—2008年间占比已达到66.7%。[2] 当代科技工作者更需要具备跨越多个知识领域的能力，能够在不同概念体系间建立联系并创造新知识。

四是从纯粹求知到伦理自觉。当前，人工智能、基因编辑、合成生物学等科技突破带来了前所未有的伦理挑战。大科学时代的科技工作常常在社会和国家力量的支持下开展、以价值创造为目标，最终广泛介入政治、经济、军事、文化等领域。在这种背景下，科技工作者不仅仅是科学共同体成员，更是社会公共事务的重要参与者，能通过决策咨询、科学传播等渠道介入各种重大问题的决策。[3] 这要求科技工作者充分意识到科技工作的道德责任，提升伦理自觉，成为“科技向善”的践行者。

（二）科技教育面临的时代挑战

科技教育要充分适应大科学时代对未来科技工作者的要求。当前我国中小学科技教育已取得长足进步，同时仍面临以下深层次挑战。

一是知识传授与思维培养的失衡。《中国义务教育质量监测报告》显示，我国学生在科学理解能力上表现较好，但科学探究能力和科学思维能力较科学理解能力存在一定差距。[4] 部分中小学科技教育实践仍停留在知识点传授与实验技能训练层面，缺乏对科学思维、科学方法和科学精神的系统性培养。学生可以熟练操作实验步骤，却不理解实验背后的科学技术原理；可能会记忆大量的科学事实，却不具备提出科学问题的能力。

二是学科分割与系统思维的缺失。真实世界的科学问题往往是多学科交叉、复杂的系统问题。在教学实践中，科技类课程则被划分为独立学科，相对缺乏跨学科整合和系统思维训练。分科形态的科技类课程虽能保证系统全面的学习、提高传授效率，却在一定程度上割裂了科学知识的整体性与关联性，弱化了各学科之间的联系，很大程度上导致了学生对科学本质的片面理解。[5] 尽管跨学科学习已成为被高度认可的教育理念，但其真正落地仍然面临着重重阻碍，如教师群体尚未为跨学科教学做好充分准备。[6]

三是标准答案与探索精神的对立。应试教育以高标准化为突出特点，对不确定性的包容度很低，很难兼容质疑、冒险等人格特征，但这些特质往往被认为是激发创造力的关键所在。[7] 如果中小学科技教育聚焦提升教学效率、确保学生在考试中的正确率，教师往往会依赖传统教学方法与评估模式，侧重讲授概念、考查事实知识以及用标准答案解决标准问题的能力；科学探究就容易被简化为验证已知结论的过程，学生也容易缺少面对不确定性问题、经历失败并从中学习的体验，这很大程度上背离了科学探索的本质。

四是工具理性与价值教育的脱节。当前，部分科技教育实践过度强调工具性和实用性，缺乏对科技与社会、科技与伦理关系的深入探讨，存在窄化社会责任甚至去社会责任的倾向，[8] 认为只需要对产出的科学知识本身负责，忽视对科学共同体外部的责任。[9]

这种情况在中小学科技教育实践中同样存在。在面临较大升学压力的情况下，中小学师生在教授与学习科学技术时主要强调知识和技能的工具性目的，较少思考这些知识可能带来的社会影响和伦理挑战。[10]

大科学时代正在重塑科学知识的生产逻辑与存在形态，这要求中小学科技教育进行范式转变，从“知识拼图”转向构建相互关联、动态生成的科学思维体系，从而培养负责任的公民和面向未来需求的下一代科技工作者。

（一）从知识传授到思维培养的转变

科技教育不是特定知识体系和技能的灌输，而是一个持续建构科学思维的过程。中小学科技教育应从注重讲授科学知识转向注重培养科学思维。比如，着眼于创设开放性情境，使学生敢于对权威观点提出批判性质疑，即引导学生摆脱对直觉与传统惯例的路径依赖，强调基于证据的审慎判断，培养其理性思考的精神和能力。又如，面对现实世界中的复杂现象，中小学科技教育需要注重培育建模思维，引导学生通过简化与抽象把握本质，同时客观理解模型作为认知工具的局限性。再如，中小学科技教育应注重培养系统思维，引导学生从整体视角认识科学技术发展这一复杂系统，加深学生对科学知识复杂性、动态性与关联性的认识。

（二）从学科分割到跨学科整合的转变

目前，人类社会面临的重大现实问题均内在地要求综合运用自然科学、社会科学与人文科学的概念工具、方法论甚至价值立场。这需要科技教育超越单一学科边界，围绕现实问题对多元视角进行整合。以现实问题为中心的理念意味着中小学科技教育需要超越多学科知识的简单拼贴，实现认知框架的深层重构。例如，对于公共卫生问题，结合生物学、统计学、社会学、伦理学等视角，以理解健康议题的复合性；对于人工智能问题，贯通计算机科学、数学等科技领域与心理学、哲学等人文社会科学领域，以审视智能技术的深层影响。

（三）从验证实验到探究学习的转变

有研究发现，很多科学探究活动几乎未能体现真实科学研究具有的认知推理过程，其所秉持的认识论也与真正的科学大相径庭，不仅没有实现让学生体验科学探索过程的初衷，甚至可能传递一种失真的科学观。[11] 比如有些实验教学将科学简化为验证已知的程序化操作，学生作为旁观者见证教科书的结论或进行模式化的探索学习。中小学科技教育应引领学生回到开放式的探究情境中，让学生体验科学实践的真实形态。先是引入具有不确定性的真实问题，鼓励学生自主界定探究焦点，设计并优化研究方案；然后引导学生自主收集和分析数据，在真实复杂的环境中提炼信息，提升学生直面失败与意外结果的能力；最终整合证据链，形成基于证据的解释与结论。通过上述环节的协同作用，将学习者从标准答案的验证者转化为不确定情境中的探究者，实现中小学科技教育从知识再现向实践参与的转变。

（四）从工具理性到价值自觉的转变

在当前的中小学科技教育实践中，技术进步的叙事较为突出。相对于技术突破的重要价值，学生较少关注科技发展的潜在风险和社会代价，这使得他们在面对现实科技发展导致的价值冲突时，相对缺乏判断与反思能力。大科学时代的科技力量会更深入地影响社会，中小学科技教育亟须提升对科技伦理的重视程度。这要求教育工作者摒弃科学技术必然进步的简单化叙事，潜移默化引导学生理解科学技术的双面性，深刻认识科技工作者始终是在具体社会情境中行动的责任主体，引导“科技向善”，使中小学科技教育真正成为培养兼具学科知识、技能与责任意识的完整的“人”的教育。

促进上述范式转变，需要超越单点突破的局部改良思维，从课程、场景、评价、师资等维度协同创新与系统变革，构建中小学科技教育新生态。

（一）课程设计的立体化建构

在课程设计方面，构建多维度的科技素养发展课程体系。纵向上贯通学段，遵循学生认知发展规律，推动对科学概念理解从小学到高中的螺旋式深化；横向上打破学科壁垒，围绕真实情境中的真实问题开展跨学科主题整合与拓展，促进知识的融通与迁移；深度上超越表层知识传授，实现从事实记忆到思维培养再到价值形成的层次递进，达成科学精神与社会责任的内化。

（二）学习场景的多元化拓展

要超越教室和实验室的物理空间限制，用活社会资源，创建丰富的科学技术学习场景。在校内，可以建设跨学科探究实验室与科技博物馆式走廊，拓展支持跨学科学习与自主探索的场景，使学校空间具备一部分非正式学习的属性，利用虚拟实验室、科学模拟软件等提供突破时空限制的学习体验。在校外，可以与科研机构、科技企业、自然公园、科技场馆等建立深度合作，为中小学生提供进入真实科技实践场景的通道，通过社区环境监测、公共卫生宣传等将学习嵌入公共议题，推动社会责任培育。

（三）评价体系的过程性改革

为了充分回应大科学时代的人才需求，应建立与新时代科技教育目标相匹配的评价体系。在评价方式层面，从单一标准化测试转向多元化表现评价，从“对学习的评价”迈向“促进学习的评价”，重点捕捉学生在学习过程中的认知进展与能力提升，扭转结果导向思维，将科学思维、问题提出与方案迭代等过程性素养纳入评价视野；在评价对象层面，不仅关注个体还要关注共同体，强调在共同体实践中评估学生的沟通协商、责任承担与集体决策等能力；在评价内容层面，须将道德判断与价值选择能力纳入评估框架，回应技术伦理与“科技向善”的时代命题。

（四）教师角色的深刻转变

科技教师的角色转型是中小学科技教育范式转变的核心环节。在课堂教学层面，科技教师应从知识传授者逐步转变为“思维教练”，将教学重心从信息传递转向认知加工，促进学生科学技术思维与能力的发展；在课程设计层面，科技教师应成为“学习设计师”，基于真实情境创设问题驱动、项目引领的学习体验，实现课程内容的活化。进一步而言，科技教师须担当“跨界协作者”的责任，与科学家、工程师及其他学科教师紧密合作，探索将前沿科技资源与跨学科视角整合纳入教学实践；还应履行“伦理引导者”职责，引导学生审视科学技术的社会后果，培育其科技伦理意识与负责任创新的价值取向。

综上所述，未来的中小学科技教育将从学校走向社会，更加融入社会真实情境；从接受走向参与，引导学生成为真正的主动探究者；从“单学科深耕”走向“多学科交响”，推动开放情境下的跨学科学习；从技能训练走向全人培养，更加关注科学精神与整体素养；从“技术工具”走向“思维伙伴”，充分发挥人工智能、虚拟现实等新技术作为学习认知伙伴的作用；从本土视野走向全球责任，注重培养学生的人类命运共同体意识。上述趋势共同指向大科学时代中小学科技教育的深刻变化，不再将科学技术知识视为可以简单拼接的碎片，而是将其理解为相互关联、相互启发的思想体系，在这个体系中，每个学生都能找到自己的位置，发展自己的科学身份，为科技创新和社会发展贡献力量。中小学科技教育不仅仅是为少数未来从事科技工作的学生打下专业基础，而是不断培养能够理解科学技术本质、参与科学对话和科技实践、反思科技价值的完整的“人”的教育。

信源：人民教育