指向拔尖创新人才早期培养的“金字塔”科学课程构想

【编者按】

党的二十大报告强调，要“全面提高人才自主培养质量，着力造就拔尖创新人才”。青少年时期是学生形成创新素养和科学精神的敏感期和关键期。习近平总书记在二十届中共中央政治局第三次集体学习时作出“要在教育‘双减中做好科学教育加法”的明确指示。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》，系统部署在教育“雙减”中做好科学教育加法。科学教育加什么、怎么加，是我们需要思考的关键点。为此，《本期聚焦》邀请南京师范大学郝京华教授、南京市科学教研员杨健及扬州市维扬实验小学，分别从科学课程构建、科技活动创新、学校科技创新人才培养三个维度撰文，为解答科学教育加法题、建立拔尖创新人才早期培养机制提供借鉴与参考。

摘要：全面提高人才自主培养质量，必须重视拔尖创新人才的早期培养。指向拔尖创新人才早期培养的小学科学课程应该呈金字塔型。底层是面向全体学生的国家科学课程，主要培养学生的创新意识、创造性思维。中间是面向部分学生的校本科技课程，在满足学生个性发展的同时让学生全方位地了解各科技领域的概貌，为未来的专业和职业选择做好铺垫。塔尖是面向少数学生的企业课程，发掘具有创新潜力的、对某一领域具有极大兴趣的学生。

关键词：拔尖创新人才早期培养；科学教育；课程建设

中图分类号：G623.6 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2023）12-0003-05

通俗地讲，拔尖人才可以是各行各业的出类拔萃者，而拔尖创新人才则专指拔尖人才中原创能力卓越者。正是这些原创能力卓越者，书写着人类的文明，影响着社会的发展。对这类人才的渴求，是当今企业、地区乃至国家共同的心愿，中国也不例外。如何建立一个科学、规范的人才选拔与培养体系，是我们需要探讨的问题。

研究表明，拔尖创新人才的培养不应始于高校，而应更早。只有这样，才能使拔尖创新人才的培养根深叶茂，源远流长。拔尖创新人才的早期培养是个大课题，涉及政策制度、培育方案、评价指标等多个方面，本文仅从小学科学课程的角度提出若干建议，拟为上述宏大主题的求解贡献一滴水、一粒沙。

笔者构想的小学科学课程应该呈金字塔型。金字塔的底层是面向全体学生的国家科学课程，金字塔的中间是面向部分学生的校本科技课程，金字塔的塔尖是面向少数学生的企业课程。同样指向拔尖创新人才的培养，但不同层级的课程目标、课程内容各不相同。

一、面向全体学生的科学课程的构想

面向全体学生的科学课程指向的不应是拔尖，而是创新。因为创新意识、创造性思维、创造能力不应该是拔尖人才的“专利”，而应该是每一位生活在现代社会的人的基本素养。其理由之一是科技的快速发展逼着普通百姓也得跟上时代变化的节奏，也得不停地思考：新科技于我有何意义，应该如何分享新科技可能带给我的红利。对科技发展敏感的人不会抱怨新科技可能让自己丢掉饭碗，而是尽可能让自己搭上科技发展的便车。那些生活在边远贫困地区，通过互联网销售自家土特产，过上好日子的农民足以证明这一点。其理由之二是随着人的发展需求层次上升，人们渴望实现自己的能力或者潜能，并使之完善化。马斯洛的需求层次理论指出，最高层次的精神需求是自我实现——个人潜力得到充分发展，释放创意，且创意能被认可是获得自我实现的有效途径。那些曾经有过大喊“啊哈，我有办法了！”经历的人一定有过自我实现时那种无比美妙的高峰体验。

正因为如此，《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“2022版课标”）强化了科学思维，尤其是创新思维，具体体现是把科学思维列为科学素养的一个重要维度。2022版课标指出，科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。创新思维体现在：从不同的角度分析、思考问题，提出新颖有价值的观点和解决问题的方法[1]4-5。科学素养的另一维度——探究实践对创新思维也有所提及。探究实践包括科学探究以及技术与工程实践。2022版课标指出，技术与工程实践能力体现在了解技术与工程的一般过程和方法，针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选[1]5。这些表述为小学科学课程的实施指明了方向。

（一）科学探究中的创新思维问题

科学教师早已经熟悉了科学探究的要素（流程）：提出问题，作出假设，制订计划，收集信息，处理信息，得出结论，表达交流，反思评价。但对要素涉及的科学思维还比较陌生，且重视不够。受传统教学目标观念的影响，科学教师一般会将教学的重心放在科学概念的讲授上，因为其掌握与否易于检测，而对那些不能立竿见影的目标，如推理论证、模型建构、创新思维等缺乏滴水穿石、聚沙成塔的耐心与能力。当然这一现象的产生是因为教学受时空的局限，试想40分钟的时间怎么可能完成真正的科学探究？一节课内完成的科学探究，只能是良构的探究——探究的路径是清晰的，探究的结果是可预期的，如电磁铁磁力的大小或溶解的快慢与什么因素有关等问题。良构的探究是带引号的探究，是作为教学法的探究，与探究路径不清晰、探究结果不可预期的非良构探究有很大区别。良构探究的主要学习对象是科学概念，创新思维只能是附加学习效果。非良构的探究对创新思维贡献更大，但现行科学课程欠缺这种探究。

无论是良构的还是非良构的科学探究，若想培养学生的创新思维，都不能只走探究的流程，忽视探究中的思维，应在探究流程的各个环节为学生提供激发创新思维的机会。我们以“养蚕”为例。“养蚕”有各种课程设计的思路：可以单纯从养蚕的技术角度进行设计；可以从培养观察能力的角度进行设计，如撰写观察日记；可以从探究的角度进行设计，如提供现成的问题：能否用莴笋叶喂蚕？剪开的蚕茧能变成蛾子吗？若想培养学生的创新思维能力，则应该尽可能多地让学生提出他们想研究、能研究的问题，且最好是别人从未提出过的问题：蚕宝宝都是蜕四次皮吗？每次蜕皮间隔的时间都一样吗？蚕宝宝为什么要蜕皮？湿桑叶能否喂蚕宝宝？其他昆虫也会蜕皮吗？……这些都是小学生自己提出的问题。探究的问题越多，建立假设、设计实验的机会就越多，锻炼创新思维的机会也就越多。科学课程需要为学生提供更多非良构的探究，让学生真实体验探究过程中可能遇到的失望、沮丧、期盼、喜悦等感受。

（二）技术与工程实践中的创新思维问题

坦率地说，技术与工程实践为学生提供创新思维的机会更多。因为技术与工程实践的本质就是要创造性地解决问题，即便是若干成熟技术的合成，也包含着创新的因素。前者如要满足客户“朝北的房间冬天也能晒到太阳”的要求，工程师团队除了要绞尽脑汁想各种点子，还要考虑工期、经费等问题；后者如联合收割机，可能没有新技术的发明，但能将割、扬、装等工作整合在一起，也是一种创新。

迄今为止，我国义务教育阶段的工程技术还没有像有些国家一样从科学课程中独立出来，而是包含在科学课程中，故其分量是有限的。但分量越是有限，越应该精心设计。纵观现行的有关设计，大多还是局限在科技小制作方面，如做一个投石器、喂鸟器、净水器等。这些器物因有现成的样式，故无论是教师还是学生，都会不自觉地倾向于依葫芦画瓢地制作，这对创新思维的锻炼是有限的，学生得到锻炼的仅是动手能力。为小学生提供他们力所能及的工程技术项目并不是件容易的事。

项目化学习是一个设计思路。项目化学习要求学生在一段时间内通过研究应对一个真实的、有吸引力的复杂问题、课题或挑战。“项目”有三个典型特征：临时性（有确定的开始和结束时间）、独特性（也叫一次性，是项目的挑战所在）、渐进性（逐步细化、逐步清晰、逐步完善）。

我们以南京市教研室策划的一个STEM项目为例。学生利用自主制作的中国古代乐器和智能演奏机器人，完成机器人自己寻找乐器，演奏20个以上音符的任务。作品要求：中国古代乐器的长宽高都为1000mm；乐器制作必须利用可回收的材料，不得使用商业成品；乐器不得自主发声，必须由乐手通过物理方式振动发声；乐手从指定地点出发，自主寻找中国古代乐器，自主演奏乐器。该项目具有工程技术项目的本质属性：有检测标准。

真正的STEM项目学习是需要时间和空间的，如何解决时空局限是一个待解决的问题。这时，我们可以采取另一个思路——用逆向工程解决小学生知识不足、创新困难、时空有限的问题。逆向工程是指通过拆装现成的产品探究其中的结构、机理，进而仿制或超越。小学生可以通过拆装玩具探究其中的科学原理并释放改进的创意，这样，难度会大大降低。

总之，我国人口基数大，通过科学课程培育小学生创新思维能力还有很大的提升空间。无论他们将来是否能成为拔尖创新人才，都可以从重视创新思维的科学课程中获益。具有创新思维能力的人越多，拔尖创新人才水平也会越高。

二、面向部分学生的科学课程构想

在小学，与科学教育有关的另一类课程是学校的科技选修课程及科技社团课程。这部分课程是为满足学生个性发展而开设的，基本上都是校本课程——或由学校组织教师自行设计，或选用他人设计的现成课程，自由度比较高，模式也多样。但是，纵观各类校本科技课程，仍存在一些问题。

一是有较强的功利性。学校开设的科技类课程大多与有相应比赛的项目挂钩，如航模、车模、机器人、头脑奥林匹克等。这部分课程仅为少数学生服务，且以赛点为训练重点，较少关注科技原理的系統学习。修习的学生未必都对这些课程感兴趣，很可能是为学校争取荣誉或升学加分而学习。二是课程设计缺少顶层规划。学校开设的科技课程类型十分庞杂，课程分散，系统性不强。如，机器人、趣味编程、电子百拼、科学实验、无线电测向、中草药栽培等，基本上是由有某方面特长的教师开设。三是课程内容结构不成体系。学校开设的科技类课程水平在入门级与初级之间徘徊（参赛队另当别论），缺少进阶课程。四是学生选课缺少指导，常常是望文生义，盲目选课。学生既不知道所选的课程要学哪些内容，也不知道是否为自己的兴趣所在。这样的科技课程对拔尖创新人才的培养益处不大。

选修、社团课程既然是为满足学生个性发展服务的，那么就应该尽可能多地向学生展现工程技术领域的概貌（因有学科竞赛保障着科学拔尖创新人才的培养，故此文不赘述）。传统的工程技术领域包括机械工程、建筑工程、电气（电子）工程、化学工程，当然还有更多新兴的交叉领域，如航空航天工程、医学工程、环境工程、信息工程、能源工程等。这些领域恐怕连高中生也不一定十分清楚，导致他们在报考专业时也比较盲目。大学念到一半想转专业的或毕业以后想转行的学生不在少数，浪费自己的青春不说，还浪费了人才资源。反观那些心甘情愿坐冷板凳的科技工作者，其对专业的了解与热爱是他们能够潜心研究的重要因素。

选修或社团的校本科技课程能否在工程技术领域为学生多开一扇窗呢？笔者在一所小学做了尝试。我们设计了一个少儿工程院，下设四个中心：机械中心、建筑中心、能源中心和交通中心。每个中心都有系统的课程。以交通中心的课程为例。课程分为陆运、空运和水运三个板块，每个板块又分为若干次级主题。为了让全体学生都能对工程技术有一个概略的了解，我们设计了一部分通识课，好让所有小学生大体了解各工程领域的概貌及课内所学在各领域的活化和运用。进阶课带有一部分浅显的专业色彩，如农业机械、建筑机械、医疗机械的基本结构等，还有系列性的“小小工程师”带工具箱的课程，如“小小机械工程师”“小小道桥工程师”“小小船舶工程师”“小小电气工程师”等。

修习进阶工程技术课程采用双向选择的方式。学生可以根据在通识课上获得的对工程技术领域的了解及自己的兴趣做出选择，教师则可以根据平时对学生的观察并借助一些评价量表对学生进行选拔。多元智能的首创者、哈佛大学的加德纳教授为选拔学生提供了有用的思想和工具。加德纳认为，问题不在于一个人有多聪明，而是这个人怎样聪明，在哪个方面聪明。这一思想突破了用IQ一把尺子测量学生智力的传统，让一些智商不一定高，但其他方面能力卓越的学生可以成为拔尖创新人才。例如，可以从这些表现中判断学生具有视觉/空间智能：能轻松地拆东西，能精确地描绘图画，喜欢用图解或用其他可视的材料来表述观点，喜欢以看或观察的方式学习，喜欢谜语、迷宫或其他具有挑战性的视觉作品，喜欢模型和三维图像。具有视觉/空间智能的学生更适合从事工程技术领域的职业。

总之，在满足学生个性发展的科技选修及社团课程中应尽可能地让学生全方位地了解各科技领域的概貌，进而发现自己的兴趣所在，为未来的专业和职业选择做好铺垫，拔尖创新人才应该与兴趣和能力倾向匹配。

三、面向少数学生的科技课程

面向少数学生的科技课程是为那些对某一科技领域不仅感兴趣，且呈现“痴迷”“衣带渐宽终不悔”个性特征的学生而设置的课程。所谓的“军迷”“车迷”“飞机迷”大多具有这种性格。这些发烧友不仅能如数家珍地向你展示他们的各种模型杰作，掌握的专业知识也很丰富。这些人是偏才、怪才，但也极有可能成为某领域拔尖创新的人才。

现行的高考制度盡管有高校点招、特招的相关政策，但许多这样的学生还是被大学拒之门外，高考成绩仍然是他们难以跨越的拦路虎。《中国青年报》曾经报道过一个真实案例：福建省的胡铃心被美国某出版社誉为“航空航天天才少年”，高考分数离省控线却有8分之差。高中时，他曾经设想将客机的空间与飞船的速度相结合制成“高超音速客机”，并为此撰写了1万多字的创新设计方案，获得福建省科技创新竞赛一等奖。正是这份设计方案使南京航空航天大学破格录取胡铃心[2]。但许多像胡铃心一样的人却没那么幸运。

为了发掘这些偏才、怪才的创新潜力，许多国家设置了面向少数学生的科技课程，也称为“企业课程”，如德国著名企业西门子、博世、宝马、奔驰都有自己的企业课程，体系化的课程从小学一直进阶到高中。这些课程并不是专门为科技发烧友设置的，但发烧友会从修完全部课程的人群中浮现出来。修完全部该企业课程的学生，企业会颁发相关证书，许多名牌大学认可这些证书，并将其作为录取的重要参考，有的企业还会为这些学生提供奖学金。

企业课程的好处一是可以为中小学生提供较为系统的前专业课程，让那些有志向的学生对该专业有充分的了解；二是可以为企业储备专业的拔尖创新人才，使企业能不断获得新鲜血液，这样做的结果是企业的长盛不衰。

企业课程虽然是有关某工程领域的课程，但在小学起始阶段的课程具有一举两得的性质——既照顾到基础教育的教育目标，又照顾到企业的教育目标。我们以宝马公司设计的儿童汽车课程中的一课为例。

1.你理想中的汽车是什么样子的？它是大车还是小车？高高的还是扁扁的？它是什么颜色的？深色的还是浅色的？它会使用什么动力？汽油？电能？水能还是其他？

2.你理想中的汽车需要具有什么功能呢？它可以带着我翻山越岭，它可以带着我飞速狂奔，它可以带着全家去旅游，它可以……

3.你希望你的汽车可以：走在坑坑洼洼的石头路上也如履平地，在市中心能方便地找到停车位，无论我逛街买了多少东西都能塞得进去……

4.你希望你的汽车有：几扇门？几个座位？还有什么是一辆车必不可少的？GPS？音乐播放器？雨刮器？

为你理想中的汽车画张画吧，在汽车工业里，没有什么是不可能的！你可以以电视上见过的汽车为蓝本，也可以放任自己天马行空地创造自己梦想中的汽车……

谁能说这样的汽车课程过于专业，于基础教育无益！这里既有巧妙的知识传授，又为学生留有释放创意和思考的空间，扶放有度。整个课程非常注意与学校课程的衔接，如车胎与摩擦力的衔接、方向盘与轮轴的衔接等。在这里，汽车成为某些科学知识学习的载体。

需要指出的是，企业课程的设计必须是跨专业的，因为企业不懂中小学生的教育，中小学校又不懂企业，故只有这两个不同领域的人联手，互通有无，相互取长补短方能设计出理想的企业课程。上述德国企业课程的设计就是教育界课程专家与企业专家合作研发的成果，有的已经有上百年的历史。真希望中国的大企业也能为中国的孩子设计出企业课程，也能发放相关证书，也能作为高校录取的参考，因为真正热爱这个行当的学生才最有可能成为拔尖创新人才。

多年前我曾经与一位新加坡的同行有过一次谈话，至今记忆犹新。他说他很羡慕中国，我问他羡慕什么，他说羡慕人多，我问他为什么，他说：“人多，脑袋多；脑袋多，创造力就强。”这个逻辑成立吗？有可能！前提是让每一个中国人都有一颗充满创新意识和创新能力的脑袋！科学教育可以为此做贡献。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]王烨捷.胡铃心：“科创之星”这样炼成[N].中国青年报，2012-04-24（3）.

责任编辑：殷伟