科學高階思維緣何成為科技創新后備人才培養的靈魂?
——基于“做題家”與“實干家”腦電實驗的個案敘事研究

王晶瑩,周丹華 ,張栩凡,王文靜,朱艷梅,尹 迪,張靜波

(1.北京師范大學,北京 100875;2.長江大學,湖北 荊州 434023;3.南京曉莊學院,江蘇 南京 211171;4.北京第八十中學管莊分校,北京 100024)

當今世界大國之間綜合國力的競爭日趨激烈,科技創新與人才培養成為強國戰略的重要支撐。黨的二十大報告中將教育、科技、人才“三位一體”統籌安排、一體部署,明確了以科教興國和人才強國戰略為根本的時代使命?？萍紕撔氯瞬艅t被認為是推動國家未來科技創新與社會進步的核心力量[1],因此科技創新人才培養的內涵、政策和實施的討論熱情日益高漲。2010年5月,國務院常務會議審議并通過《國家長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020)》,聚焦拔尖創新人才的頂層布局?！爸榉逵媱潯焙汀皬娀媱潯备乔袑嵒貞板X學森之問”,探索科技創新人才自主培養的關鍵之舉。此外,2018年9月,教育部等六部門在《關于實施基礎學科拔尖學生培養計劃2.0的意見》中指出將基礎學科拔尖人才作為高等教育強國建設的重大戰略任務[2]。高等教育階段人才培養的前端布局對中小學科技創新后備人才培養提出更高要求,中小學是科技創新人才成長的關鍵階段,更是科技創新后備人才涌現的源泉所在[3]。隨著智能時代對人才需求的升級與變革,亟需探討“決定科技創新后備人才培養的關鍵要素和必要條件”等問題。與此同時,科技創新后備人才培養的理性認識和教育規律挖掘也急需循證研究支撐,諸如實踐中“重選輕育”(重視對少數學生的選拔,忽視對全體學生的培育)的現象也亟待消除[4]?；诖?本研究運用基于個案的敘事研究方法,結合課堂教學的行為學研究與腦電(EEG)的生理學證據,管窺課堂教學情境和學生個體局部成長的典型場景,深入探討學生學業成績與科學高階思維發展的可能影響和內在動因,并深刻反思課堂教學的有效培養路徑,以期為我國科技創新后備人才培養的理論與實踐提供啟示。

一、新時代科技創新后備人才培養的價值追求與特質轉向

科技創新后備人才是我國對“天才”“英才”“科技創新人力資源”等術語的本土化概念,意指在科技領域或其他方面具有極大天賦和特殊才能,并可能對國家科技創新和社會發展作出突出貢獻的群體?；A教育階段科技創新后備人才主要指具有學科特長與創新潛質的青少年群體。隨著教育觀念與社會需求的不斷發展,科技創新后備人才選育的價值標準和核心特質也持續演進,主要表現為從“精英化”到“素養式”的培養目標價值轉向、從“唯分數”到“多元性”的人才評價標準轉向、從“智商論”到“品質說”的人才核心特質轉向。

(一)從“精英化”到“素養式”的培養目標價值轉向

科技創新人才培養具有學段差異性,與高等教育階段科研創新培養目標所不同的是,基礎教育階段更聚焦于培養學生的創新素養和高階思維能力,為科技創新人才成長筑牢基礎[5]。廣義上的科技創新后備人才是在有價值的科技領域活動中表現突出的群體,由于其準入“門檻高”,一直以來都是小規模群體行為,由此也常被冠以“精英化”教育的標簽。但當前科技創新后備人才的早期鑒別和培養更為強調“普育化”的素養教育,綜合素養已經成為科技創新后備培養目標的主流價值趨勢,認知技能、學習能力、創新思維、溝通能力、自我管理等“軟硬”素養指標成為人才培養的主要內容。如美國和加拿大在科技創新后備人才的培養中重視以創造力為導向,新加坡和芬蘭則將有責任感的合格公民作為人才培養的價值標準[6]。我國新高考改革和出臺“雙減”政策也體現出重視培育人才的綜合素養,如中學“強基計劃”招生的選拔主要依據學生的中考成績并結合面試成績,同時兼顧考查學生的學科素養、健全的人格品質和家國情懷[7]。2023年5月,教育部等十八部門聯合印發《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》,著重指出科學教育應該凸顯全體學生的核心素養培育,同時養成學生深度思維的學習品質和勇于獻身科學的科學家潛質。

(二)從“唯分數”到“多元性”的人才評價標準轉向

受傳統教育評價模式的限制和影響,終結性考試長期以來被作為人才選鑒的主要標準。分數作為學生的“命根子”,在眾多人才選拔環節都被認定為學業表現中最主要甚至是唯一的評價準則,但“唯分數”和“成績論”所造成的絕對分界和差異忽視也被社會各界所詬病。獲得90分和獲得120分的學生之間或許能夠以“聰明”與否來判別,但獲得130分和150分的學生之間或許就要關注更加多元化差異的存在[8]。以傳統成績排名的選拔思路為戒,科技創新后備人才的選育過程需要采取更加精準和靈活的方式。諸多教育家表示,對于科技創新后備人才而言,選好苗子非常重要,志趣要遠遠重于成績[9];與此同時,人才評價標準也需要因學科領域而異。學生是否達到人才評價標準甚至也不一定完全和論文發表以及課程學業表現掛鉤,同時還需要衡量學生對科學學習與研究的思悟能力、科學研究過程中的堅持性和獻身精神等[10]。綜合而言,當前科技創新后備人才評價倡導擺脫“唯分數”的單一標準,更加重視對學生創造力、批判性思維、設計思維等高階思維能力以及學習興趣、動機、態度、意志和人際交往等[8]社會情感技能的全方位審視。

(三)從“智商論”到“品質說”的人才核心特質轉向

高智商一直被認為是科技創新后備人才最鮮明的標簽性特質。如仁祖利(Renzulli)的旋轉門鑒別理論創建的人才庫是指普通人群中智商前15%～20%的群體[11]。特曼(Terman)則認為智商閾值在135以上的群體為天才[12]。但僅以智力水平考察和鑒別人才已不再符合時代需求,有研究指出,在科技創新人才培養的早期階段存在諸多促使教育資源發揮成效的因素,核心要素“聰明”雖然很重要,但發展最好的一定是將“聰明”與“聰明+”都發揮最好的學生[8]。因此,在智力基礎上所衍化的高階思維能力與科學家具備的特有精神和品質逐漸成為科技創新后備人才的核心特質。正如竺可楨院士所言,真正的科技創新人才既不是利己主義者,亦不能止步于學會專業知識,要有對人類文明的把握、廣博的人文和科學知識、高尚的道德情懷以及批判精神和獨立思考的能力。胡衛平指出,科技創新人才的早期培養應重視深度思維、注重探究實踐、奠定精深與廣博的知識基礎、訓練思維品質并發展基本思維和高階思維能力,同時也應整合認知與非認知因素,培養創造性的人格特質[13]。

綜上,科技創新后備人才培養呈現出明顯的“普育化”趨勢,單向度的成績分數與智商水平已經難以支撐科技創新人才的長足發展,多元化綜合素養、人格品質和心理傾向等的兼備培育成為關鍵。其中,素養本位的科學高階思維是科技創新后備人才培養的靈魂,它體現了科學教育最深層、最內核與最本質的功能,集中彰顯人才培養早期階段“選-育-評”的價值底色。有鑒于此,科技創新后備人才的不斷涌現需要教育者創新傳統教學與評價模式的同時轉變固有的人才選育思維模式,更新人才評價標準,加強人才培養目標價值和核心特質的深度理解,以精準培育科學教育中具備“特殊”潛能的青少年群體。

二、研究設計

(一)基于個案的敘事研究

教育領域的敘事研究致力于對精準化和程式化研究過程與結果的“軟化”和“彌補”,以加強與人類經驗的“聯系”。作為探索人類經驗與現象的重要途徑,教育敘事研究有著悠久的歷史?？的卫?Connelly)和克萊丁寧(Clandinin)將歷史和故事敘事方法科學化,提出了敘事研究法[14]。廣義而言,敘事研究指從研究參與者那里取得資料(故事),之后敘事資料被分析成共同的主題、隱喻、情節等,以便識別出一般的主題或概念。具體而言,敘事既是過程(敘事者講述的過程)又是產物(所講述的故事)。前者關注所講述的故事或其產生的解釋與意義,其中故事材料可通過訪談、會話和自傳等方式取得。后者也涉及講述,但經歷過程的本身成為重點,即研究者與參與者共同經歷當下的行動或情境,從而獲得并加深體悟[15]。本研究通過親歷學生課堂學習場景并結合事后多輪深度訪談發掘與提煉學習主體間的差異化學習特征,以此探索與反思學生在科學學習中的成績表現與認知能力的可能機制。

(二)敘事背景與個案選取

本次敘事研究的場景選自初中物理課堂教學情境的科學高階思維認知神經機制研究。該實驗旨在探究不同教學模式的干預對學生物理成績與科學高階思維的影響,并以認知神經科學的生理證據佐以解釋。研究者設計了視頻講解與視頻實驗演示兩種教學模式,在教學過程中通過課堂觀察和實況錄像記錄學生的行為表現,利用高效度的評價工具測查學生的科學高階思維,同時全程采集學生在課堂學習中的腦電信號數據以獲取神經成像證據。通過綜合分析參與學生的科學高階思維、物理成績、心流表現以及腦電信號,研究者注意到一個矛盾的現象:幾位老師和同學普遍公認的“好”學生,其物理成績也名列前茅,但是科學高階思維測評結果卻明顯低于平均水平。腦電分析結果顯示,這些學生在課堂學習和解決物理問題時,與注意、抑制控制、工作記憶等基礎認知相關的前額葉腦區高度激活。與之相反,另有幾位平時物理成績中等和中等偏上的學生,其科學高階思維評測結果卻表現突出。腦電分析結果亦顯示,這些學生在學習與解決物理問題時,與空間信息整合與數理推理加工相關的頂葉、中央腦區激活最為明顯。對此,研究者選取其中兩位同學作為典型案例繼續展開敘事分析,以深入探索此現象背后的深層問題。

為方便表述并更加鮮明地反映典型案例的核心特征,研究者結合兩位同學課堂內外行為學和認知生理表現,將其命名為“做題家”和“實干家”。兩位學生來自初三年級的不同班級,其中“做題家”代表典型的學習認真、物理考試成績優秀,但科學高階思維不足的學生;“實干家”則代表物理成績中等偏上,但科學高階思維相對優秀的學生。這兩位同學是上述兩類學生群體的代表性“畫像”。值得注意的是,兩位同學所在班級實施了不同的教學模式干預,“做題家”所在班級為視頻講解,而“實干家”所在班級為視頻實驗演示。因此,教學模式差異也可能會對學生的認知表現與腦活動模式產生影響。腦電地形圖的結果反映出兩位同學在學習中使用了不同的認知方式(如圖1所示),“做題家”的前額葉Theta波功率顯著高于“實干家”。前額葉的Theta波強度通常反映學習者在認知任務中付出的努力程度,隨著任務強度的提高,學習者需要調用更多的工作記憶、抑制控制等認知資源,此時,前額葉的Theta波功率將顯著增強?？梢?“做題家”聽課時注意力高度集中在視頻講解的教學內容上,努力地提取信息、存儲到工作記憶中進行加工與分析,實現對課堂知識的深入理解?！皩嵏杉摇痹谡n堂上的工作記憶與抑制控制方面的認知努力則相對輕松一些,但是“實干家”的額葉、頂葉、中央腦區的Alpha波功率顯著低于“做題家”。與Theta波相反,Alpha波強度降低表明個體加強了相關認知資源的調用來執行當前的學習任務。通常,中央、頂葉腦區Alpha波與視覺空間信息整合、數學推理能力相關,該腦區的Alpha波功率顯著減弱表明個體正在進行高強度的空間信息的視覺表征與整合。研究還發現,在執行數學相關任務時,該腦區的Alpha波功率降低表明個體采用程序化操作的策略來解決當前問題,而非從長時記憶中直接提取早已記住的答案。額葉Alpha波強度降低意味著前部腦區加強了對負責信息編碼、記憶提取、視覺空間信息處理等認知加工的后部腦區的執行控制?？梢?“實干家”在視頻實驗演示教學中更集中精力于進行視覺空間信息與數理邏輯推理的加工與整合,更注重通過對當前信息的加工來形成想法,而非努力地回憶已有知識點。腦電地形圖顯示,“做題家”與“實干家”頂葉、中央腦區的Beta波功率無差異。通常,Beta波反映個體與具體任務相關的心理操作與學習。該結果表明,無論采用哪種類型的認知方式,“做題家”和“實干家”均付出了認知努力來完成科學任務的學習。

圖1 兩位同學聽課期間的腦電功率譜比較

(三)文本分析與研究倫理

除研究者在真實課堂中觀察與記錄學生的學習表現外,也同步將課堂中學生的“故事”片段客觀記錄于研究日志。此外,課堂教學實驗干預后,通過半結構化訪談收集學生“當時”與“當下”的真實經歷與體會。訪談共分兩次進行,第一次訪談涉及兩位同學聽課和做題的直接感受、困惑與原因,平時的解題思路、方法與技巧以及興趣愛好等。第二次訪談針對學校學習、教師教學、家長參與和家庭教養方式等主題。研究者與兩位學生分別進行一對一的互動式訪談,以了解與分析影響學生物理學習的動因機制。此過程共獲得文本資料20245字,全部用于敘事分析。本次研究設計申請并通過了所在單位的倫理審查,嚴格遵循研究倫理標準實施。同時,在研究開展之前征得了教師、家長以及學生本人的知情同意并且簽署了知情同意書。此外,為方便訪談內容的記錄與整理,在征得參與者以及教師同意后對訪談內容進行了錄音。研究結束后,對所有實驗資料進行匿名處理,參與者的身份信息以“日期+姓名首字母”的形式進行標識,并且承諾所獲得的研究資料只用于學術研究使用,研究文本資料整理后也經參與者及教師與監護人檢查確認。

三、科學高階思維差異表現的典型場景提制

從“做題家”和“實干家”典型案例的事實場景出發,深度刻畫其在課堂教學實驗與訪談中的詳細特征,并從科技創新后備人才培養視角反思科學高階思維差異化的內源機制。

(一)識記技巧VS科學思維:“套公式”不如“育思維”

對于理科學習而言,“記公式練技巧”不如“育思維”的話題已是老生常談。指向核心素養的理科課程標準確立了科學思維教學的具體目標,但課堂教學實踐中“講思維”而非“教思考”的現象極為普遍,這也在兩位同學及其教師的訪談中得到證實?！白鲱}家”表示他在物理學習中習慣記憶知識點和背誦公式,若遇到新的知識點也會上網查閱相關內容并與之前已學的知識點關聯。而“實干家”則表示他學習物理時不喜歡記憶背誦,但不認為自己有成熟的做題技巧,更像是“憑感覺”做題。從教師的反饋中也發現:“做題家”學習習慣更好,“實干家”則很有自己的想法,喜歡探索有挑戰性的科學題目。

雖然“實干家”并沒有解釋清楚“憑感覺”是怎樣的認知體驗,但或許是與他曾經的深度思考和實驗探索有關。根據布魯姆對認知與思維層次的劃分,記憶、理解、應用屬于低階思維的范疇,而分析、評價、創造則歸屬于高階思維領域。學習科學研究結果也不斷表明,高階思維是一種進階式的養成性認知能力,如若學習者一直進行低階的認知實踐則在短時間內很難實現高階創造性的表現[16]。我國科學教育長久以來一直沒有走出“以知識為中心”的教學模式,這是整個科技創新人才培養體系中的凹地,致使大學階段很多學生的創造性科研能力后勁不足[3]。僅靠高等教育“拔苗助長”促使科技創新人才涌現已不符合現實,STEM管道理論的泄漏點早已深埋于基礎教育階段,中小學是科學高階思維培養的關鍵期,及早地開發思維養成與提升的精準化課程和開展專業化學習對科技創新后備人才培養能起到強基鑄魂的作用。

(二)題海戰術VS類比遷移:“重復刷題”不如“科學推演”

雖然“題海戰術”一直被各界所詬病,但當下中小學校的學生刷題現象還是普遍存在的。在問及刷題問題時,“做題家”表示相較于其他科目,物理學科是做題量最多的,因此他對考試中的題型和內容大多比較熟悉。而“實干家”則表示,他平常物理學科的刷題量并不大,一般遇到簡單的題目會套公式,如果有困難的話則會嘗試從頭推導。進而問及“實干家”學習心得時,他提到:習慣聯系之前相似題目的答題邏輯展開推導和演繹,進行類比推理發現共同規律,十分享受這一過程且會加深解決物理問題的成就感。

兩位同學的回答也是對他們理科學習習慣的直觀反饋,但僅憑對話內容和行為學的課堂觀察還不足以作出價值判斷?！邦}海戰術”背后是“應試主義”的深刻反映,而這正是教育改革需要猛攻的“火力點”,新高考改革越來越傾向于考察學生解決真實情境中“新”問題的能力,這里的“新”指將書本上的科學原理性知識融入到解決人們的生活實踐問題中,因此,更加需要學生從靜態的科學知識概念和動態的生產生活應用中構建科學學習的能動性認知模式并養成自身的科學思維結構。但“刷題”所帶來的效率和效益是不可否認的,顛覆題海式、填鴨式傳統教育模式可能牽涉教育生態的調整與重構,而當前最重要的和可以做的模式是除了“刷題”外,在保證學業成績的同時,是否還有更有效的促進思維發展的教與學的模式?“刷題”方式可以存在,但更重要的是科學學習過程和解題過程中學生元認知能力的生成與科學思維的升級,即利用適量的促進思維發展和科學方法養成的典型題目幫助學生查缺補漏、反饋評價,以此精準定位自身薄弱環節,并通過精析錯因并歸納推理以實現科學思維能力的提升。因此,當前學生的理科學習中,推理、論證和建模等科學高階思維能力的培養是必要且必須的。

(三)既得收益VS長效價值:“分數至上”不如“自我體現”

“什么知識最有價值”的議題始終警醒著教育改革目標與課堂教學取向。分數不再是判斷學生學習表現的絕對標準,但分數仍然是衡量學生行為的直觀化表現方式?！白鲱}家”與“實干家”典型的行為學對比分析歸根結底也是對學習終極價值的深刻追問。從教師反饋中得知:“做題家”是家庭與學校中典型的“好學生”,學習刻苦且自主性強;而“實干家”并不能稱之為傳統意義上的“好學生”,平時課堂紀律不佳、上課“溜號兒”現象時有出現。但他在學習中極具探索與挑戰精神,更傾向于動手實踐,偶有突破性的想法和行動,且不十分在意考試分數得失,對于老師在?？紡土晻r提及的那些?？碱}型和內容也并不在意。研究者對兩位同學中考前后的學習表現進行了持續地跟蹤和回訪,結果反映,“實干家”同學在此階段的成績呈現穩步增長,最終的中考表現優于“做題家”同學,后勁也更足。

當然,這一現象或許是特定情況下的個例,但并非教育情境中的個例。尤其是學校學習中,高效率最大化學習收益與“不計得失”地探求知識本身相比可能更加“合算”?；蛟S這正是斯賓塞知識價值標準的當代反思:在身體上,人們對裝飾的追捧甚于衣著;在心智上,受人稱贊的知識先于增進個人福利的知識被教育[17]?，F代社會的進步與發展到底需要什么樣的人才?有學者指出,清華大學現在培養的學生“太乖”,缺乏試錯的意識,在科技創新人才培養過程中一定要有試錯精神和能力,培養拔尖創新人才的環境一定也要有容錯和幫助他們調整自己的制度。如麻省理工學院的“惡作劇文化”更有可能孕育創新的種子[10]?！癆型人才和X型人才”的著名論斷也證實了這一點:清華大學校園中普遍存在著從小到大學習成績優秀的“A型學生”,他們做事循規蹈矩,但進入社會之后并不擅長將知識轉化為生產力,相比之下,社會更需要敢于冒險、勇于創新的“X型學生”,他們的成績或許不高,但更能適應未來社會的需要。對此,我們需要思考:面向不確定性的未來,“70分的人才”可能比“100分的天才”更加可貴?？茖W教育中,具備科學高階思維和實踐探索精神的“實干家”可能比追求單純學業成績的“做題家”更具科技創新潛力。

四、“做題家”缺乏科學高階思維的深層原因求索

為進一步分析“做題家”和“實干家”科學高階思維與學業成績表現的深層動因,繼而對學生的學校學習、家庭狀況和父母教養方式等方面展開深度訪談,本研究以立體式刻畫與解析兩個典型學生案例的科學學習特征,探索出現矛盾現象的深層原因,深刻反思科技創新后備人才培養的現實問題。

(一)“外在約束”與“內在規訓”:科學學習需要持之以恒的主動性

家庭和學校在學生成長過程中扮演著關鍵角色,人的成才到底是由“天生天養”的自身決定,還是“人為干預”的外界塑造?兩位同學的成長經歷正是莘莘學子的典型縮影與真實寫照。在問及父母對自己學習的參與情況時,“做題家”表示父母比較關注自己的理科學習情況,經常給自己找家教,也會輔導作業和監督提醒,并在音樂方面提供了比較多的資本支持。與之相比,“實干家”的經歷則更具現實主義色彩:由于父母工作均為夜班,他的作業都是自己完成,生活也需要全部自理,平時喜歡玩游戲但會自行管理學習和生活。

可見,兩位同學的家庭教養方式差異較大,“做題家”同學的父母給予他較多的教育干預,“實干家”同學的成長則是處于“自然”狀態,但其學習特征是適應環境和協調自身后“進化”的結果。如果說家長管理是子女成才的關鍵因素之一,那么家長“管不管、管多少”則成為問題的癥結所在,家庭的“母慈子孝”和“雞飛狗跳”之間的轉換或許就是因為一次作業輔導而出現。數學大師陳省身曾言:大師是“冒”出來的,并不是教出來的。但這并不是說天才就是天生的,適時且關鍵的干預與影響是十分重要的。錢學森晚年曾回憶,父母親和中學教師是對他一生最有影響的人[18]。外在干預的目的不是學習主體的全權代言,而是恰當的情感參與和理解支持[19]。學習是為了自我提升和實現,“為誰而學”的回答向來是肯定且明確的。但由于多種因素的交織使得我國孩子的學習并不總是那么“純粹”。更有直言,我國的教育背負著沉重的包袱。因此,科學教育的關鍵在于鼓勵學生將外部行為和需求轉化為內在的規訓與動能,將科學學習的自主性歸還給學生主體。

(二)“成績焦慮”與“順其自然”:科學學習重在思維過程而非外在結果

學生的學習往往承載著眾多的期望與責任,同時也被戴上了沉重的心理枷鎖?！白鲱}家”表示平?？记靶睦韷毫^大,擔心自己考不好而會讓老師和父母失望。而“實干家”在這方面的心理負擔則相對要小,不太在意周圍人的眼光和評價。在問及現在中考復習階段喜歡的科目以及考試目標時,“實干家”表示當前階段的學習主要是復習以往的知識,且都處于平均水平,對升學也持順其自然的態度,沒有讓自己陷于焦慮狀態。

在考試排名的影響下,學生不論在哪一個學習階段都是最累的,學習的焦慮從小學甚至幼兒園階段就開始了。教育焦慮是全民性和整體性的,不論是中產、高收入還是普通百姓都在“雞娃”[20]。但高競爭性的教育不利于科技創新人才的培養,積極協作與自我實現的能力才是當今社會發展所需要的必備品格?！半p減”政策的出臺也產生了諸多值得深省的觀點。中國孩子不是輸在起跑線上的,而是累倒在起跑線上的,經過幼兒園、小學、中學進入大學之后,中國孩子對科學的渴望已經所剩無幾了。在傳統的學習文化中,教育環境往往不允許學生犯錯與重來,學生的心理長期處于高壓和緊繃的狀態,隨之而來的是他們對學習的抵觸與厭惡。但創新本就與不斷嘗試、試錯相伴相隨,既需要智慧,也需要勇氣,在前進的方向上耗費足夠的時間,敢于承受因可能失敗而帶來的痛苦[21]?？偠灾?基礎教育階段學會學習、樂于學習、養成科學思維比應試的刷題和高分更有價值,科學教育“加法”正是“雙減”政策下中國學生核心素養培育的必由之路。

(三)“資源匱乏”與“夢想缺失”:科學教育需要資源協同促進科學精神養成

教育資源配置與公平也是影響科技創新后備人才成長的現實議題,最明顯的是校外教育資源獲取的差異,尤其是家庭社會經濟地位的影響如影隨形,這些家庭資本決定了學生從家庭中獲得經濟、文化和社會等各類資源、環境的支持程度[22]。在談及興趣愛好方面的問題時,“做題家”表示雖然沒有經常參與校外科技實踐活動,但一直在課后學習樂器。相比之下,“實干家”的課外資源則稍顯單調,他雖然在科學和文學方面都曾表現出強烈的興趣,也非常喜歡做科學實驗,最終因缺乏學習途徑與科學教育資源而半途放棄,雖然他沒有參與到課外新奇多樣的科學實驗活動中,但他經常玩各類充滿科學競技色彩的游戲,并且還將游戲設置為英文版。雖然他不像“做題家”經常參加校外的外教授課,但他的中考英語成績是98分,高于“做題家”,這也反映出“做中學”產生的效果;同時他一直保持著讀書的習慣,最喜歡的是一篇長篇哲思抒情散文。

“寒門難再出貴子”的現實在當代社會愈演愈烈。家庭階層與背景對學生能夠接觸到的教育資源具有決定性作用,具體表現在學生的特長投資、課外補習和升學擇校等各個方面。即使有著較高科技創新潛質的學生,如果沒有外在資源的支持和挖掘也很難有所成就,甚至其“光芒”也會被埋沒和消磨。家庭經濟實力和社會階層固然是難以改變的,但是普通家庭也可以培養出具備科技創新潛質的孩子。國外研究表明,良好的家庭讀寫環境能夠在一定程度上彌補較低的家庭社會經濟地位給孩子帶來的消極影響[23]。因此,為科技創新人才的早期培養和發展創設和諧、尊重與平等的家庭環境,重視家庭的科技資本,潛移默化地營造“學科學、愛學科”的家庭氛圍也十分必要。此外,科學教育資源建設不單是教育系統、學校和家庭的事情,科技界、工程界的積極參與將會對科學教育資源的家校社協同發展提供強有力的支持和保障。

此外,本案例中兩位同學都沒有表現出對未來職業積極主動的規劃與期望,他們均缺乏對理想目標的追求以及對科學學習的精神信念。不論是“實干家”還是“做題家”,他們都沒有具備心懷熱忱的“夢想家”熱愛科學甚至獻身科學的信念品質。但丁說過:“道德往往可以彌補智慧的不足,智慧常常不能填補道德的空白?！蔽覈氖∈?5歲學生的科學職業期望在PISA2015測試中位居68位(共有72個國家和地區),科學教育需要兼顧德育與智育,在發展科學高階思維的同時培植青少年的家國情懷與科學家精神,夯實科技創新后備人才成長的基礎。

五、基于科學高階思維的科技創新后備人才培養路徑

隨著科技創新人才早期特質的演化和轉向,“普育化”的培養模式已成為趨勢,即對于基礎教育階段而言,科技創新人才的培養不能只等著天才兒童的“出現”,而需要關注學生學習發展的真實過程,為他們提供“涌現”的環境與條件?！白鲱}家”和“實干家”的科學高階思維差異化表現和學業成就的矛盾映射出科技創新人才早期培養的現實困境,如何優化人才的培養路徑、促進科技創新后備人才培養的德育和智育的有機融合成為教育強國建設的核心要義。

(一)構建科技創新后備人才培養的貫通機制,推進基礎和拔尖培養模式融合創新

科技創新后備人才培養關涉全體學生的創新素養提升和創新潛質學生的個性化培養,因此需要在學校系統中構建科技創新人才早期培養的貫通機制,統籌從學前、小學、初中、高中到大學的一體化課程、教學和培養路徑,協調基礎性和拔尖性人才的協同培養模式。首先,在課程設置方面,面向不同學段、層次和特點的全體學生,需要系統構建分層分類的課程體系。如北京十一學校以“面向全體、適性揚長”為原則開展了科技創新人才早期培養的普適性探索。一方面,構建分層分類的基礎課程,為每個學生鋪設適合的跑道;另一方面,通過分層開設數學和科學課程,面向不同認知風格、志趣和思維類型的學生開展分類課程,同時設置多維立體課程以豐富拔尖創新人才的綜合素養[24]。其次,強化配套師資團隊,提升創新教學的理念意識與實踐能力。教師需要親歷創新的過程,具備對創新創造的本質性認知以及激發學生創新意識的能力,這對于為何以及如何培養科技創新后備人才具有切實作用。最后,健全教學管理制度和平臺資源建設?？萍紕撔潞髠淙瞬排囵B需要健全系統的管理制度“軟件”以及平臺資源“硬件”的支持。如四川成都石室中學結合自身實際情況,為人才培養搭建了“三院兩館兩中心一空間”的育人平臺群,即科學院、文學院、藝術院、科技體驗館等,涵蓋了科學、技術、藝術、人文、社科等領域的育人平臺建設[7],為科技創新人才的培養與發展持續賦能。

(二)改進人才評價標準與方式,豐富科技創新人才特質的多維表現

評價是人才選拔的風向標和指揮棒。面對科技創新后備人才的多元特質和培養需求,亟待優化多維度、多視角的人才評價標準,創新與改進多種評價方式方法,深化教育評價改革引領基礎教育高質量發展。一方面,應破除傳統人才評價的思想藩籬,注重人才的綜合能力評價,摒棄以分數給學生“貼標簽”的慣習,重視對學生思維、興趣、好奇心、道德責任和家國情懷的培養。在教學中倡導增值性評價和形成性評價,關注學生科學學習起點、思維發展過程、情緒情感變化和行為表現結果,并從重視所有學科的均衡發展,到突出優勢學科的個性化特質,以推進學生的學業進步和素養提升[25];另一方面,應充分利用多元化手段和多模態學習過程數據,提升人才選拔與評價的科學性,這也是科技創新后備人才培育的國際典型經驗。如美國、英國、澳大利亞等發達國家在創新后備人才選拔中均采用家長提名、教師提名、同齡人提名、自我提名等方法[26]。同時,在學習數據的收集方面,除考試成績這類階段性數據外,還可以采集學生課堂表現、課后課外活動等實時產生的過程性數據,結合心理測量技術與大數據智能技術形成多模態指標[27]。

(三)創設科學實踐的跨學科學習環境,循證采用科學高階思維教學

高階認知活動是科技創新人才核心能力的重要體現和必備特質?？茖W高階思維是一類有著科學思維加工特質和學科普適性指導意義的高層次認知思維能力,其本質體現在學生創造性地解決科學情境問題的思維過程之中[28]。因此,教師需要創設指向高階思維提升的課堂環境,踐行科學實踐的教學策略,為學生創設更加開放自由的科學學習空間,培養學生試誤、探索和求真的科學素養。第一,教師在課堂中應當注重營造創新的氛圍,設計創新的科學情境,提供創新的環境條件,激發與保持學生對科學的好奇心、挑戰性和想象力,鼓勵學生大膽提問、別出心裁、標新立異,激發學生的創新動機[29]。第二,精準使用高階思維的教學模式,如項目研究、角色扮演、問題解決學習、案例學習等,根據教學經驗和學生行為學表現,積極循證思考有效教學模式,引導學生投入到分析、比較、歸納、探索和創造的科學學習活動中,而非對科學知識和方法的機械記憶與理解。如在STEM課堂中開展基于糾錯方法的機器人教學,即在教學過程中由教師設計并提供帶有錯誤或故障的作品或樣例,要求學生識別、解釋并改正其中的錯誤以及復原作品功能,以此發展學生的推理能力和問題解決能力,提升學生課堂學習的享受度和情緒沉浸度[30]。與此同時,也應保證教學內容的有效性,將科學推理、科學論證和科學建模等高級思維能力作為科學課堂教學的有效模式和關鍵目標,基于課程標準和教材創造性地實施科學課程,規避落入“重形式、輕知識”的“精致形式主義”窠臼。

(四)協同多方主體聯合參與,打造系統連續的科學課程育人路徑

科技創新人才早期選拔與培養需要多元主體和多種資源的協同發力,打造人才培養鏈條的連續性和系統化,由此改善地理地區、家庭環境、科學資本、應試文化等對學生發展的不利影響,保障有科技創新天賦和學習潛力的學生能夠充分鍛煉與發揮自己的優勢與特長,在中小學的關鍵學段能夠夯實科技創新的綜合素養、思維品質和價值觀。一是聯合高校、科研院所、實驗室、國家企業等社會主體,融合與聚集科技創新教育資源,挖掘和促進具有創新潛能學生的科學素養發展和關鍵能力養成。如江蘇省南京市第一中學在科技創新人才早期培養實踐的探索中踐行“融合、貫通、融通”的行動原則,通過跨學科融合和多種學習方式聚合成立江蘇省中學物理實驗創新研發中心,聚焦現代技術的高中物理實驗創新研究。并且充分開展科教融匯、普職融通活動,參訪研究項目涉及科技園區、高新企業、農創園、高校實驗室、高職院校實訓基地、科技館等[31]。二是發揮家長與社區的基礎性作用,充分彰顯家庭在青少年創新潛質激發和培育中的適度參與、情感支持和榜樣示范作用。三是構建系統連貫的人才培養體系,基礎教育階段向上與高等教育形成有效銜接,向下與學前教育展開輻射貫通,彰顯科技創新人才培養的承接性、層次性和連續性。

綜上,“雙減”政策實施背景之下,做好科學教育的“加法”任重而道遠。隨著美國《新一代科學教育標準》的實施以及我國《義務教育科學課程標準》的實踐推進,指向科學實踐的高階思維教學目標成為國際科學課程改革的風向標?？茖W高階思維是科技創新的智力內核,是科技創新后備人才培養的靈魂,在當代復雜的國際關系中,關鍵的科學技術要不來、討不來,唯有孕育好科技創新后備人才才能浚通科技創新高質量發展的源頭活水,牢牢掌握科技強國的主動權和發展力。愛國是心之所系、情之所歸,科技創新后備人才培養是為黨育人、為國育才的根本體現,涵養青少年的拳拳愛國之心和勇于獻身的科學家精神乃是科技創新的德育內核。建功新時代,奮進新征程!德育與智育融合的科技創新后備人才培養事業揚帆起航,必將擘畫出一幅“培根鑄魂、振興中華”的奮斗新篇章!