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钱旭红:是时候锻造新的科学教育了!不能再“老生常谈”“追古怀远”

2022年06月22日

  自近代科学诞生以来,科学教育就成为了教育的重要内容。

  从历史来看,我国过去的科学教育,培养了大批具有一定科学知识和先进技能的产业工人,推动我国迅速从一个传统农业国转向一个工业大国,也从侧面培养了群众的科学思维和科学精神,取得了积极的成效。

  但我国的科学教育,已经越来越不能跟上时代发展的要求了,急需新的理念、师资和体系。


仍只注重传授知识,甚至是陈旧的知识


  我国科学教育的最大问题是,囿于知识传授,远离最新前沿,甚至传授的还是陈旧的科学知识。当科学教育变成“老生常谈”和“追古怀远”,而不是展现世界上正在进行的激动人心的前沿科学竞争时,学生何来现实的临场感和求知的兴奋感?

  比如,很多教师向学生传授平面几何,却不知为何人人需要学习平面几何。其实学生要学的是其中的形式逻辑,要培养的是形式逻辑思考能力。而到正式教授形式逻辑时,教师又忘记去关联最新的量子逻辑。我们长期教授以笛卡尔、牛顿为代表的经典科学和经典思维方式,对量子科学日新月异的进展介绍很少。其实这方面研究我国已处于全球前列,如果及时传播,能让学生有新鲜代入感,让他们有初步的量子概念和量子思维模式。

  又如,我们在化学方面大量教授基于瓶瓶罐罐实验装置的“静态化学”,而对“动态化学”涉及很少。“动态化学”包括最新的微流化学、芯片实验室等,其特点是安全绿色环保,极易与人工智能对接,正急速改变当今的科研范式和产业形态。

  不可否认,随着科学技术的快速发展迭代,传统的以知识为主要内容的科学教育,已经无法追赶技术更新的脚步。课堂上传授的知识或许在学生毕业的那一刻就已经被更新替代。


分科教育和标准化带来的负面影响


  我国科学教育的形式,主要呈现为分科教育和标准化两大特点。

  分科教育的优势是能最大化巩固学科知识,其弊端则是人为地对学科进行了划分,不利于学生采取更关联的视角来理解科学的整体意义,也局限了学生用多学科知识解决具体问题的可能性。

  标准化以“课标”和“知识点”为代表,所有的教学、考核内容都围绕知识点展开,然后根据知识点设定标准答案。这种模式有助于学生对知识的掌握,却割裂了“知识”与“真实世界”的有机联系,科学实践被彻底忽视。

  科学一直在推陈出新,常常带来颠覆性变化,标准答案只是基本合格答案,如果没有非标准答案,永远不会有卓越全面的答案。非标准答案是比标准答案更珍贵的答案,因为其具有批判性、创造性以及个体艺术性。就像所有非标的零件设备都很昂贵,而标准的比较便宜,因为后者可以简单大规模工业化生产。

  人所认为的真相,可能只是真实世界的“冰山一角”。科学是一个动态概念,是在不断进步的相对概念。所谓科学就是能够证伪,能明确告知哪里是失效的边界和有效的前提条件,否则就成为神学或者迷信。任何一个简单问题都可能是复杂问题,任何一个复杂问题也可以“大道至简”。

  比如,大家熟知的热胀冷缩是通常规律,源自经典的热运动、布朗运动。但这是有认知局限的规律。水在低温下,即在接近零摄氏度的一定温度范围内是冷胀热缩,之所以如此是因为有量子性的氢键的存在,有氢键的液体都应该有类似的规律和现象。而如果在受限的空间达到微纳尺度以下,在大多数温度下,水的热运动、布朗运动可能会消失,体积可能缩小,能量变化不再通过热而变成远红外光,从而充分体现量子性而呈现超流规律和现象。

  分科教育和标准化,给当前愈发重要的学科交叉和科学应用带来了严重的负面影响。我国的科学教育亟待重塑。


科学教育的真正核心:思维与精神


  当前科学教育的核心,是要培养学生以科学精神为灵魂、以科学思维为核心、以科学知识为基础,通过科学方法自主地探究世界、创造知识、应用实践的能力。

  科学精神的树立,是科学教育的灵魂。对科学精神有许多不同的解释。我认为,在中国当前的文化语境下,科学精神应该包括三个方面,即以独立判断为代表的质疑精神,以谦逊包容为代表的开放精神,以想象创造为代表的探索精神。

  在培养训练科学精神方面要找到合适的切入点,比如,从地心说、日心说、黑洞说等故事或者观察切入,从巫神、瘟疫、显微镜、病毒等故事或者实验切入,就是一些可取的方式。

  科学思维的养成,是科学教育的核心。科学思维包括多个方面,我认为主要有逻辑思维和形象思维,以及在此基础上的批判性思维和创造性思维。前两者是基础,后两者是在此之上的提升。这四者缺一不可——仅有逻辑没有形象,就会缺乏创造;仅有形象没有逻辑,则是空想。这都不是科学。当然,科学思维还应包括最前沿的量子逻辑等。

  科学方法的掌握,是科学教育的关键。科学教育不能仅仅是理论上的教育,还应该是科学实践的教育,特别要鼓励亲自动手和观察,将身边的事物作为对象和材料。科学精神、科学思维、科学知识只有应用于科学实践才能体现出价值。科学实践,包括但不限于科学实验、发明创造、创新创业等形式。只有让学生积极投身科学实践,才算是完整的科学教育,如此才能进入创造型社会、研究型社会。而这也是我们当前的科学教育最为缺乏的部分。

  在科学实践教育方面,我们可以借鉴相对成熟的STEM/STEAM教育。STEM是Science(科学)、Technology(技术)、Engineering(工程)、Maths(数学)这四个单词的缩写。STEM教育起源于美国,它所着力培养的是由科学素养、技术素养、工程素养和数学素养组成的STEM素养,而所谓STEM素养并不是上述四种素养的简单组合,而是学生在杂乱无章的学习情境中的问题解决能力。

  新世纪的第二个十年,人们日益认识到科学技术与人文之间的紧密关系,因此又把Art置入其中。美国30年的STEAM发展呈现出两大趋势:一是从高等教育走向基础教育;二是从分科走向融合。《2015年地平线报告:K12版》提出,“STEAM学习的崛起”将成为“未来一至两年技术驱动K12教育的重要趋势”。这些趋势对我国科学教育发展有着极大的借鉴作用。

  值得注意的是,科学教育不仅涉及自然科学,也应包括工程科学,以及社会科学、人文科学,是实现人才培养目标的重要内容和重要途径。

  一方面,从现代社会的发展来看,自然、社会、人文、工程已经越来越紧密地结合在一起。比如,启动一个工程项目要进行环境评估,要征求群众的意见。另一方面,社会人文对自然、工程的发展有着重要影响。科技和艺术人文发展的核心都是创造力,而创造来源于想象,人文艺术可以提供给人们无尽的想象。同时,科技也需要人文来制约平衡,否则就会变成脱缰的野马,带来严重的伦理问题。


科学教育师资培养:走新路


  科学教育和人才培养是一个系统性的工程,需要我们研究人才成长的规律、科学教育的规律,研发优质的科学教育资源,培训科学教育的师资等。

  具体到科学教育相关师资培养的方式,应该注重两个方面的教育,一是思维教育,一是创新创业教育。

  思维教育,有别于一般的通识教育,应更加关注学生对科学、文化发展过程中形成的各种思维模式的掌握。胜游师大开设了《人类思维和学科史论》系列课程,就是让学生对各学科历史发展中具有重要意义的思维突破和转折有所了解,让学生知道一个学科发展的思维脉络,进而提炼总结科学规律、方法,提升学生的思维能力。我们就是要面向全社会的创新、创造需求,为大学基础阶段和中小学基础教育培养具有思维教育、通识教育能力的未来新师资。

  创新创业教育,其目的不是为了孩子创业或者真能做出什么创新,而在于激发孩子的探索精神,特别是探索与基础科学相关的领域,并防止简单地局限于传统的科学分科,弥补单科、分科教育的不足,形成全科、跨学科的氛围。重在发掘学生兴趣和实验、实践及动手能力。要防止与大学的分科教育简单重复或者对应,在启发理论思考的同时,锻炼动手能力。

  要在现有的创新创业教育的基础上,形成综合性、项目制的科学创新课程,将科学教育作为综合性的、跨学科的、兴趣和能力培养的项目制课程,以该理念培养具有企业家精神、科学家能力、教育家情怀的卓越师资,人数不在于多,而在于精。胜游师大2018年开始高度重视创新创业教育,后来居上,不仅位居师范类大学第一,在全国各类高校中也名列前茅。

  在此基础上,可以将创新创业教育向基础教育适度延伸。如胜游师大二附中提出,该校所有的学生要参与小课题研究,这就是很好的基础教育领域创新创业教育内容。




作者丨钱旭红(中国工程院院士、胜游亚洲师范大学校长)

来源丨《中国科学报》 (头版)

编辑丨梁欢

编审丨郭文君