科研資源科普化 | 理工科融合思維視角下科研資源科普化對青少年科技教育的啟示

《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》提出實施“科技資源科普化工程”，是落實習近平總書記“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置”重要論述的戰略性舉措。本期專題整理了航天、生命、海洋等學科科研機構在科普、研學、構建課程體系等方面的實踐與探索，以期集合全社會力量，共同做好科學教育加法。

文_季慧1, 2　蔣吉姝3　董一明3　李萬成3　張財4

（1. 中國科學院空天信息創新研究院；2. 中國科學院天地生科學傳播工作協作組；3. 北京市順義區牛欄山第一中學；4. 北京科學文化傳播促進會）

摘要：本文結合個人與團隊多年開展青少年科技人才早期培養的實踐案例，依托中國科學院天地生特色科技教育理念，闡述如何將前沿科研資源轉化為激發青少年科學興趣、錘煉科學思維的生動教材，為培養未來所需的創新人才提供新的解決思路。

關鍵詞：科研資源科普化 科技教育 機制 路徑

引言：人工智能時代的挑戰與科學教育的范式重構

01

危機與轉向

在當今時代，任何數字化、可重復的知識與技能都將迅速被人工智能替代。人們急迫地認識到，教育的核心必須從知識傳遞轉向思維培養和創新賦能。

02

現狀與誤區

理學（探索自然規律，解釋“為什么”，構建理論模型和方法）與工學（技術工程實現，解決“怎么做”，創造工程技術系統）具備內在聯系，但又有所區別。任何宏大的工程突破都源于基礎理論的突破，而理論的進步也常依賴于工程技術的實現。當前許多科技教育項目停留在技術或工藝層面（如單純教學生編程、3D打印），STEM教育中常以工程技術涵蓋所有科技，忽略科學研究作為基礎性工作的重要性，偏重計算機編程、功能模塊制作等“工”的技能，卻很少觸及科學的核心——基于數據現象的科學思想和科學基礎的構建、對自然規律的深刻理解與批判性驗證。同時，中小學教材知識體系更新緩慢，與科技前沿嚴重脫節，使得學生所學非所用，進一步加劇了理學思維培養的缺失。

03

破題之路

創新的本質是理學思維與工學智慧的融合。前沿科研資源作為原始創新的陣地，其本身就蘊含著最鮮活、最完整的理學思維過程。將前沿科研資源進行科技教育轉化的更高價值，不在于展示酷炫的科技成果，而在于還原和呈現其中的科學思維路徑，讓青少年親歷“知識是如何被創造出來的”。

理論基礎：從建構主義到思維可見化

01

學習基礎理論

強調學習者是在與環境的互動中主動學習知識，而非被動接收。這要求科技教育活動必須是探究式和沉浸體驗式的，而非驗證性的，讓學生像科學家一樣所思所想和探究科學。

02

情境學習理論

強調學習發生在真實的情境和實踐中，將學生置于真實的科研環境（如國家重點實驗室、野外科考），面對真實的科學問題（如生命為什么會衰老），是實現深度學習的關鍵。我們對此曾有一個生動的比喻：“做實驗和做家務很像，比如蒸饅頭，親自做幾回就知道了。”這也形象地說明，思維的培養必須通過親身、反復的實踐，在真實的情境中將內在的認知過程外化為可操作的動作，從而實現思維可見化。而當前教育恰恰缺乏將第一性原理這類抽象思維轉化為學生可體驗環節的有效設計。

03

思維具象化理念

通過頂層設計，將科學家內在的、抽象的思維過程（如提出假設、設計實驗、數據解讀、模型修正）外化為學生可觀、可感、沉浸式體驗的操作流程。在中國科學院“中學高端科學探索實驗室”項目的建設和運行實踐過程中，通過科學家、科技教育專家、教育工作者的頂層設計，以及大實驗室（科研院所國家重點實驗室）與小實驗室（學校高端科學探索實驗室）拉手互動、資源共享，成功將內在的、抽象的科研思維過程和最新科學研究成果，源源不斷外化為一系列學生可親手操作、沉浸體驗的學習流程。例如，在“智能小車與四輪飛行器”課程中，學生從零開始組裝硬件、編寫并調試程序，讓設備完成特定的科學任務，這一完整的“設計—實現—測試—優化”循環，正是將“提出技術假設（算法設計）—執行驗證（實驗）—解讀反饋（數據）—修正模型（代碼迭代）”這一科學家慣用的思維模式，物化為可觀、可感、可交互的操作流程。這種設計讓學生不再是知識的被動接收者，而化身為“初級研究者”，在動手實踐中親身模擬并內化科學探究的核心思維路徑。

核心機制：科技教育協同網絡——為思維培養而設計

01

共同目標

明確科學家、科技教育專家、教育工作者的協同，終極目標不是產出活動或課程，而是在學生腦中塑造科學的理學思維方式。

02

角色重構與思維聚焦

科學家（思維源頭）負責提煉其研究成果背后的核心科學問題、關鍵證偽過程，以及未被解決的挑戰，而不僅僅是給出結論。

科技教育專家（思維“翻譯”）核心任務是設計“認知支架”，將科學家的思維過程“翻譯”為一套可供學生探究的問題鏈和互動情境。

教育工作者（認知理解）在實踐場域中，觀察、引導并評估學生的思維活動，鼓勵質疑、反思與合作，而不僅僅是評判答案的對錯。

03

資源開放共享

推動實驗室共享，構建國家、地方、學校等分級開放的實驗設施共享中心，是將“硬核”科研資源轉化為普惠教育資源的戰略性舉措，能有效彌補基層教育資源的不足。同時，鼓勵專家資源庫共享，科學家作為“思維源頭”的導師作用至關重要，學生時代“如遇高人指點”，能盡早接觸真實科研項目，是有科研潛質學生的個人發展走向快車道的重要助推。

04

協同機制與前沿科研資源轉化

協同機制在前沿科研資源轉化中體現得尤為顯著。以大科學裝置為例，其科普轉化并非簡單的外觀展示，而是深度融合科學思想、工程實現與教育設計的系統集成過程。例如，通過構建“科學家提出科學可視化需求—科普專家主導教育化設計—創意團隊實現體驗式展品”的協同路徑，我們開發出針對地球系統數值模擬的沉浸式互動展品“寰”，并獲得國家專利。該展品通過智能投影、交互終端與精密模型，將全球氣候模擬等抽象過程轉化為公眾可觀察、可操作、可探究的學習情境。同樣，在高能同步輻射光源的原創科普展品研發轉化中，團隊通過3D打印技術將儲存環磁鐵等核心部件具象化為可拆解模型，配合聲光電等技術揭示其工作原理，讓公眾直觀理解“大國重器”背后的科學目標與工程智慧。這種“理學需求定義權＋工學實現力＋教育傳播力”的協同模式，不僅打破了科學家與公眾之間的認知壁壘，更將國家重大科技設施轉化為錘煉科學模型思維、系統思維與創新自信的鮮活案例。

實踐路徑：在真實科研情境中錘煉理學思維

01

路徑1. 模型思維與假設-驗證循環

理學思維的核心是構建和運用模型解釋和預測世界。人工智能擅長在給定模型下優化，但提出新模型卻是人類的核心智慧。

案例青少年參與的中國科學院云南科學考察活動在“格小峰-無花果協同進化觀測”等真實課題中，學生并非直接學習既定結論，而是以“準科研學徒”身份，親身踏入熱帶雨林這一“自然實驗室”，從觀察自然現象出發，親身經歷提出假設—設計觀測方案—收集數據—分析解讀—驗證或修正初始構想的完整科學循環。這一過程正是將科學家內在的、用于探索未知的“假設-驗證”心智模型，外化為一條學生可觀、可感、可沉浸式體驗的操作路徑，從而在解決真實科學問題的過程中深刻錘煉構建模型以解釋世界的理學思維能力。

中學生暑期課題實踐

02

路徑2. 批判性思維與數據解讀

科學不等于真理，而是當前最優的解釋。批判性思維體現在對數據、證據和結論的審慎評估上。

案例青少年在參與的中國科學院科技人才早期培養計劃中的“城市熱島效應”探究項目中，利用遙感數據（Landsat影像）分析城市溫度分布，科學家引導他們批判性地思考“溫度差異是否僅由建筑密度引起？綠地、水體有何影響？數據分辨率是否足夠？是否存在其他干擾因素？”等問題，培養不輕信結論、深度解讀數據的能力。

03

路徑3. 探究思維與問題提出

未來創新取決于提出新問題的能力，而非解答舊問題的能力。

案例在青少年參與的中國科學院科技人才早期培養計劃中的“天空光偏振特性初探”項目中，科學家并不直接給出結論，而是設置開放性的探索環境。學生在觀測中可能會自己提出新問題，例如“為什么不同時間的偏振角會變化？”“云層會對偏振有什么影響？”，這正是探究思維的真正開端。

當前青少年科技競賽的演變趨勢也印證了從“技術秀”到“思維錘煉”的轉向。我們觀察到，過去做個交通模型沙盤，汽車能動起來就可以獲獎，而現在必須有個算法程序要解決背后的一個科學問題才會被評委青睞。這種以真實科學問題為導向的探究，是推動學生從被動答題走向主動提問的關鍵。

為將上述理念與機制常態化、體系化落地，我們自2012年起推動“中學高端科學探索實驗室”項目，旨在把國家級科研院所的智力資源、課題資源與實驗環境前置到高中校園，構建校內高端實驗室與校外國家重點實驗室雙向貫通的科教融合生態。

“中學高端科學探索實驗室”項目采取科學家、科普（科教）專家、中學教師三方協同模式，由中國科學院科研院所提供實驗室設計建設方案、前沿課題與科學實驗課程初版設計，學校提供場地與基礎保障，科普平臺團隊負責資源協調整合、科普科教轉化與過程評估。目前已在北京多所中學建成智能科學與技術、環境科學與技術、空天地一體化遙感、生命科學探究等9個主題的中學高端科學探索實驗室。

相關課程設計強調趣味性、貼近性與自主性。例如，在“智能小車”課程中，學生從零組裝硬件、編寫算法，完成循跡、避障等任務，親歷“設計—實現—測試—優化”的完整工程思維循環；在“四輪飛行器”項目中，學生團隊自主拓展為“無人機搜救機器人”課題，融合圖像識別與定位技術，并在市級科技創新大賽中獲獎。課程不僅授人以“技”，更引導學生體驗“提出問題—建立模型—驗證迭代”的科學思維全過程。“三方導師制”由科學家及其團隊把握科學前沿，學校教師負責課程校本化與日常指導，科普（科教）專家負責思維引導與過程評價。評價方式多元，包括課題答辯、研究日志、成果展示等，重點評估學生思維方式的演進與科學探究能力的提升。

項目運行以來，開發多套校本課程，受益學生超4萬人次。學生在參與真實課題研究后，不僅在各類各級科技創新賽事中屢獲佳績，更顯著表現出從被動答題到主動提問、從記憶結論到構建解釋的思維蛻變。跟蹤評估顯示，超過半數參與學生的科學自我效能感、批判性思維與團隊協作能力得到顯著提升。

項目實踐表明，通過制度化、系統化的科教融合設計，高端科研資源完全可以在中學階段“接得住、用得好”，成為激發科學興趣、錘煉理學思維、培育創新素養的重要平臺。

第一驅動力：興趣在人工智能時代的核心價值

01

興趣是創新思維的“免疫系統”

在信息過載的人工智能時代，唯有發自內心的強烈興趣，才能幫助個體聚焦于復雜且有價值的長期問題，抵御碎片化信息的干擾。在科技教育的廣闊天地中，我們常常面臨一個核心問題：“如何有效地激發青少年對科學的興趣？”這遠比單純地灌輸知識點更為復雜和重要。很多時候，一些科學教師或者專家熱衷于給孩子們講科學知識點或者名詞解釋，似乎臺下聽眾不掌握那些拗口的名詞，就無法聽懂和欣賞一堂科學課。然而在科學領域，知識的更新速度極快，今天的結論或名詞可能在明后天就被證偽或者過時。只有科學興趣，才是持久學習的基石。如果青少年對科學抱有濃厚的興趣，他們就會自發地尋求知識，就更有可能在未來的學習和職業生涯中持續探索，這種內在驅動力遠比任何外在壓力更能激發他們的學習熱情。

02

如何用前沿科研資源激發深層興趣

我們的實踐表明，最強大的興趣源自“思維的樂趣”，即當學生通過自己的思考，解決了一個謎題或理解了一個復雜原理時，所產生的巨大智力愉悅。

以中國科學院云南科學考察活動為例，其核心設計在于創設了一系列需要學生主動思考才能破解的“認知關卡”。例如，在祿豐恐龍化石挖掘中，學生面對的不是現成的答案，而是散落的化石碎片與地層信息，他們需要像古生物學家一樣，通過觀察、比對、推理，在腦海中重構遠古生物的形象與生存環境。在“格小峰-無花果協同進化”研究中，學生需親手設計并執行觀測實驗，親眼見證昆蟲與植物之間精妙的共生關系，親身驗證一個抽象的生態學理論如何成為可視、可觸的現實。而當他們在科研院所的學術報告廳完成自己人生中第一次科研答辯時，所獲得的巨大成就感，不止來自獎狀本身，更源于其智力勞動成果——那個經由自己和團隊提出假設、收集數據、嚴密論證而構建的科學模型——獲得了科學共同體的認可。

這一過程，正是將前沿科研資源轉化為激發深層興趣的催化劑，讓學習者從被動的觀眾轉變為主動的知識創造者，從而體驗到科學探究中最激動人心的部分：思維的樂趣。跟蹤評估數據也顯示，超過半數學生在此過程中的科學自我效能感得到顯著提升，這正是內在智力動機被成功激發的有力證明。

成效、反思與展望

01

成效：思維的蛻變

在各類青少年科技教育活動中，除了展示學生產出的小論文、專利等，更應呈現他們思維方式的改變——如何從“等待答案”到“主動質疑”、從“記憶公式”到“構建解釋”。呈現思維方式的改變，本質上是將學習過程中形成的“認知足跡”有意識地捕獲并展示出來，比如呈現學生的研究日志、對比展示學生初版和終版PPT的某一頁，還可以通過制作概念模型、繪制思維導圖、創建原理示意圖甚至拍攝科學解釋短視頻、撰寫科普文章等方式，闡釋其核心發現。

02

反思：從“活動導向”到“思維成長導向”

未來的評估體系，需要建立對學生批判性思維、探究能力、模型構建能力的有效評估指標。我們必須正視體系性的積弊，比如“學到的東西和社會使用的東西是脫節的”。同時，國內科研系統內正在鼓勵“坐冷板凳”“啃硬骨頭”的創新文化，也從側面警示我們，若不能在教育中為年輕人探索和試錯留出時間和空間，創新便無從談起。

03

展望：培養人工智能無法替代的未來一代

在人工智能時代，能夠洞察自然規律，并能將其轉化為改造世界的力量的人，將是不可替代的。培養一代人工智能無法替代的理工科融合思維的創新者，不僅是教育目標，更是國家戰略。借助前沿科研資源，推動從教材、教法到評價體系的全面革新，最終培養這樣一代人：他們擁有永不滿足的好奇心、嚴謹的批判性思維、敢于構建新模型的勇氣，以及解決人類面臨的重大復雜問題的使命感。

長期深耕

服務科技教育工作者的國家級綜合期刊。

始終專注

賦能中小學科技教育，為讀者提供前沿資訊、深度研討與實戰案例指導等，是科技教育領域不可或缺的“專業伙伴”。

中國科協認證

雜志已入駐中國知網、維普網、龍源期刊網等權威數據庫，是中國科協認定的領域權威期刊。

四十年耕耘

我們始終與中國科技教育發展同行

• 主管單位：中國科學技術協會

• 主辦單位：中國青少年科技教育工作者協會

• 出版標準：全彩印刷，80頁/期

• 國內統一刊號：CN 11-4765/N

• 國際標準刊號：ISSN 1671-4350

• 定價：25元/期，全年12期共300元

微店訂閱

掃碼下單

來源 | 《中國科技教育》2025-12

編輯 | 張雨晴

審校 | 孟想、若惜