《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》提出实施“科技资源科普化工程”，是落实习近平总书记“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”重要论述的战略性举措。本期专题整理了航天、生命、海洋等学科科研机构在科普、研学、构建课程体系等方面的实践与探索，以期集合全社会力量，共同做好科学教育加法。
文_季慧1, 2 蒋吉姝3 董一明3 李万成3 张财4
（1. 中国科学院空天信息创新研究院；2. 中国科学院天地生科学传播工作协作组；3. 北京市顺义区牛栏山第一中学；4. 北京科学文化传播促进会）
摘要：本文结合个人与团队多年开展青少年科技人才早期培养的实践案例，依托中国科学院天地生特色科技教育理念，阐述如何将前沿科研资源转化为激发青少年科学兴趣、锤炼科学思维的生动教材，为培养未来所需的创新人才提供新的解决思路。
关键词：科研资源科普化 科技教育 机制 路径
引言：人工智能时代的挑战与科学教育的范式重构
01
危机与转向
在当今时代，任何数字化、可重复的知识与技能都将迅速被人工智能替代。人们急迫地认识到，教育的核心必须从知识传递转向思维培养和创新赋能。
02
现状与误区
理学（探索自然规律，解释“为什么”，构建理论模型和方法）与工学（技术工程实现，解决“怎么做”，创造工程技术系统）具备内在联系，但又有所区别。任何宏大的工程突破都源于基础理论的突破，而理论的进步也常依赖于工程技术的实现。当前许多科技教育项目停留在技术或工艺层面（如单纯教学生编程、3D打印），STEM教育中常以工程技术涵盖所有科技，忽略科学研究作为基础性工作的重要性，偏重计算机编程、功能模块制作等“工”的技能，却很少触及科学的核心——基于数据现象的科学思想和科学基础的构建、对自然规律的深刻理解与批判性验证。同时，中小学教材知识体系更新缓慢，与科技前沿严重脱节，使得学生所学非所用，进一步加剧了理学思维培养的缺失。
03
破题之路
创新的本质是理学思维与工学智慧的融合。前沿科研资源作为原始创新的阵地，其本身就蕴含着最鲜活、最完整的理学思维过程。将前沿科研资源进行科技教育转化的更高价值，不在于展示酷炫的科技成果，而在于还原和呈现其中的科学思维路径，让青少年亲历“知识是如何被创造出来的”。
理论基础：从建构主义到思维可见化
01
学习基础理论
强调学习者是在与环境的互动中主动学习知识，而非被动接收。这要求科技教育活动必须是探究式和沉浸体验式的，而非验证性的，让学生像科学家一样所思所想和探究科学。
02
情境学习理论
强调学习发生在真实的情境和实践中，将学生置于真实的科研环境（如国家重点实验室、野外科考），面对真实的科学问题（如生命为什么会衰老），是实现深度学习的关键。我们对此曾有一个生动的比喻：“做实验和做家务很像，比如蒸馒头，亲自做几回就知道了。”这也形象地说明，思维的培养必须通过亲身、反复的实践，在真实的情境中将内在的认知过程外化为可操作的动作，从而实现思维可见化。而当前教育恰恰缺乏将第一性原理这类抽象思维转化为学生可体验环节的有效设计。
03
思维具象化理念
通过顶层设计，将科学家内在的、抽象的思维过程（如提出假设、设计实验、数据解读、模型修正）外化为学生可观、可感、沉浸式体验的操作流程。在中国科学院“中学高端科学探索实验室”项目的建设和运行实践过程中，通过科学家、科技教育专家、教育工作者的顶层设计，以及大实验室（科研院所国家重点实验室）与小实验室（学校高端科学探索实验室）拉手互动、资源共享，成功将内在的、抽象的科研思维过程和最新科学研究成果，源源不断外化为一系列学生可亲手操作、沉浸体验的学习流程。例如，在“智能小车与四轮飞行器”课程中，学生从零开始组装硬件、编写并调试程序，让设备完成特定的科学任务，这一完整的“设计—实现—测试—优化”循环，正是将“提出技术假设（算法设计）—执行验证（实验）—解读反馈（数据）—修正模型（代码迭代）”这一科学家惯用的思维模式，物化为可观、可感、可交互的操作流程。这种设计让学生不再是知识的被动接收者，而化身为“初级研究者”，在动手实践中亲身模拟并内化科学探究的核心思维路径。
核心机制：科技教育协同网络——为思维培养而设计
01
共同目标
明确科学家、科技教育专家、教育工作者的协同，终极目标不是产出活动或课程，而是在学生脑中塑造科学的理学思维方式。
02
角色重构与思维聚焦
科学家（思维源头）负责提炼其研究成果背后的核心科学问题、关键证伪过程，以及未被解决的挑战，而不仅仅是给出结论。
科技教育专家（思维“翻译”）核心任务是设计“认知支架”，将科学家的思维过程“翻译”为一套可供学生探究的问题链和互动情境。
教育工作者（认知理解）在实践场域中，观察、引导并评估学生的思维活动，鼓励质疑、反思与合作，而不仅仅是评判答案的对错。
03
资源开放共享
推动实验室共享，构建国家、地方、学校等分级开放的实验设施共享中心，是将“硬核”科研资源转化为普惠教育资源的战略性举措，能有效弥补基层教育资源的不足。同时，鼓励专家资源库共享，科学家作为“思维源头”的导师作用至关重要，学生时代“如遇高人指点”，能尽早接触真实科研项目，是有科研潜质学生的个人发展走向快车道的重要助推。
04
协同机制与前沿科研资源转化
协同机制在前沿科研资源转化中体现得尤为显著。以大科学装置为例，其科普转化并非简单的外观展示，而是深度融合科学思想、工程实现与教育设计的系统集成过程。例如，通过构建“科学家提出科学可视化需求—科普专家主导教育化设计—创意团队实现体验式展品”的协同路径，我们开发出针对地球系统数值模拟的沉浸式互动展品“寰”，并获得国家专利。该展品通过智能投影、交互终端与精密模型，将全球气候模拟等抽象过程转化为公众可观察、可操作、可探究的学习情境。同样，在高能同步辐射光源的原创科普展品研发转化中，团队通过3D打印技术将储存环磁铁等核心部件具象化为可拆解模型，配合声光电等技术揭示其工作原理，让公众直观理解“大国重器”背后的科学目标与工程智慧。这种“理学需求定义权＋工学实现力＋教育传播力”的协同模式，不仅打破了科学家与公众之间的认知壁垒，更将国家重大科技设施转化为锤炼科学模型思维、系统思维与创新自信的鲜活案例。
实践路径：在真实科研情境中锤炼理学思维
01
路径1. 模型思维与假设-验证循环
理学思维的核心是构建和运用模型解释和预测世界。人工智能擅长在给定模型下优化，但提出新模型却是人类的核心智慧。
案例青少年参与的中国科学院云南科学考察活动在“格小峰-无花果协同进化观测”等真实课题中，学生并非直接学习既定结论，而是以“准科研学徒”身份，亲身踏入热带雨林这一“自然实验室”，从观察自然现象出发，亲身经历提出假设—设计观测方案—收集数据—分析解读—验证或修正初始构想的完整科学循环。这一过程正是将科学家内在的、用于探索未知的“假设-验证”心智模型，外化为一条学生可观、可感、可沉浸式体验的操作路径，从而在解决真实科学问题的过程中深刻锤炼构建模型以解释世界的理学思维能力。
中学生暑期课题实践
02
路径2. 批判性思维与数据解读
科学不等于真理，而是当前最优的解释。批判性思维体现在对数据、证据和结论的审慎评估上。
案例青少年在参与的中国科学院科技人才早期培养计划中的“城市热岛效应”探究项目中，利用遥感数据（Landsat影像）分析城市温度分布，科学家引导他们批判性地思考“温度差异是否仅由建筑密度引起？绿地、水体有何影响？数据分辨率是否足够？是否存在其他干扰因素？”等问题，培养不轻信结论、深度解读数据的能力。
03
路径3. 探究思维与问题提出
未来创新取决于提出新问题的能力，而非解答旧问题的能力。
案例在青少年参与的中国科学院科技人才早期培养计划中的“天空光偏振特性初探”项目中，科学家并不直接给出结论，而是设置开放性的探索环境。学生在观测中可能会自己提出新问题，例如“为什么不同时间的偏振角会变化？”“云层会对偏振有什么影响？”，这正是探究思维的真正开端。
当前青少年科技竞赛的演变趋势也印证了从“技术秀”到“思维锤炼”的转向。我们观察到，过去做个交通模型沙盘，汽车能动起来就可以获奖，而现在必须有个算法程序要解决背后的一个科学问题才会被评委青睐。这种以真实科学问题为导向的探究，是推动学生从被动答题走向主动提问的关键。
为将上述理念与机制常态化、体系化落地，我们自2012年起推动“中学高端科学探索实验室”项目，旨在把国家级科研院所的智力资源、课题资源与实验环境前置到高中校园，构建校内高端实验室与校外国家重点实验室双向贯通的科教融合生态。
“中学高端科学探索实验室”项目采取科学家、科普（科教）专家、中学教师三方协同模式，由中国科学院科研院所提供实验室设计建设方案、前沿课题与科学实验课程初版设计，学校提供场地与基础保障，科普平台团队负责资源协调整合、科普科教转化与过程评估。目前已在北京多所中学建成智能科学与技术、环境科学与技术、空天地一体化遥感、生命科学探究等9个主题的中学高端科学探索实验室。
相关课程设计强调趣味性、贴近性与自主性。例如，在“智能小车”课程中，学生从零组装硬件、编写算法，完成循迹、避障等任务，亲历“设计—实现—测试—优化”的完整工程思维循环；在“四轮飞行器”项目中，学生团队自主拓展为“无人机搜救机器人”课题，融合图像识别与定位技术，并在市级科技创新大赛中获奖。课程不仅授人以“技”，更引导学生体验“提出问题—建立模型—验证迭代”的科学思维全过程。“三方导师制”由科学家及其团队把握科学前沿，学校教师负责课程校本化与日常指导，科普（科教）专家负责思维引导与过程评价。评价方式多元，包括课题答辩、研究日志、成果展示等，重点评估学生思维方式的演进与科学探究能力的提升。
项目运行以来，开发多套校本课程，受益学生超4万人次。学生在参与真实课题研究后，不仅在各类各级科技创新赛事中屡获佳绩，更显著表现出从被动答题到主动提问、从记忆结论到构建解释的思维蜕变。跟踪评估显示，超过半数参与学生的科学自我效能感、批判性思维与团队协作能力得到显著提升。
项目实践表明，通过制度化、系统化的科教融合设计，高端科研资源完全可以在中学阶段“接得住、用得好”，成为激发科学兴趣、锤炼理学思维、培育创新素养的重要平台。
第一驱动力：兴趣在人工智能时代的核心价值
01
兴趣是创新思维的“免疫系统”
在信息过载的人工智能时代，唯有发自内心的强烈兴趣，才能帮助个体聚焦于复杂且有价值的长期问题，抵御碎片化信息的干扰。在科技教育的广阔天地中，我们常常面临一个核心问题：“如何有效地激发青少年对科学的兴趣？”这远比单纯地灌输知识点更为复杂和重要。很多时候，一些科学教师或者专家热衷于给孩子们讲科学知识点或者名词解释，似乎台下听众不掌握那些拗口的名词，就无法听懂和欣赏一堂科学课。然而在科学领域，知识的更新速度极快，今天的结论或名词可能在明后天就被证伪或者过时。只有科学兴趣，才是持久学习的基石。如果青少年对科学抱有浓厚的兴趣，他们就会自发地寻求知识，就更有可能在未来的学习和职业生涯中持续探索，这种内在驱动力远比任何外在压力更能激发他们的学习热情。
02
如何用前沿科研资源激发深层兴趣
我们的实践表明，最强大的兴趣源自“思维的乐趣”，即当学生通过自己的思考，解决了一个谜题或理解了一个复杂原理时，所产生的巨大智力愉悦。
以中国科学院云南科学考察活动为例，其核心设计在于创设了一系列需要学生主动思考才能破解的“认知关卡”。例如，在禄丰恐龙化石挖掘中，学生面对的不是现成的答案，而是散落的化石碎片与地层信息，他们需要像古生物学家一样，通过观察、比对、推理，在脑海中重构远古生物的形象与生存环境。在“格小峰-无花果协同进化”研究中，学生需亲手设计并执行观测实验，亲眼见证昆虫与植物之间精妙的共生关系，亲身验证一个抽象的生态学理论如何成为可视、可触的现实。而当他们在科研院所的学术报告厅完成自己人生中第一次科研答辩时，所获得的巨大成就感，不止来自奖状本身，更源于其智力劳动成果——那个经由自己和团队提出假设、收集数据、严密论证而构建的科学模型——获得了科学共同体的认可。
这一过程，正是将前沿科研资源转化为激发深层兴趣的催化剂，让学习者从被动的观众转变为主动的知识创造者，从而体验到科学探究中最激动人心的部分：思维的乐趣。跟踪评估数据也显示，超过半数学生在此过程中的科学自我效能感得到显著提升，这正是内在智力动机被成功激发的有力证明。
成效、反思与展望
01
成效：思维的蜕变
在各类青少年科技教育活动中，除了展示学生产出的小论文、专利等，更应呈现他们思维方式的改变——如何从“等待答案”到“主动质疑”、从“记忆公式”到“构建解释”。呈现思维方式的改变，本质上是将学习过程中形成的“认知足迹”有意识地捕获并展示出来，比如呈现学生的研究日志、对比展示学生初版和终版PPT的某一页，还可以通过制作概念模型、绘制思维导图、创建原理示意图甚至拍摄科学解释短视频、撰写科普文章等方式，阐释其核心发现。
02
反思：从“活动导向”到“思维成长导向”
未来的评估体系，需要建立对学生批判性思维、探究能力、模型构建能力的有效评估指标。我们必须正视体系性的积弊，比如“学到的东西和社会使用的东西是脱节的”。同时，国内科研系统内正在鼓励“坐冷板凳”“啃硬骨头”的创新文化，也从侧面警示我们，若不能在教育中为年轻人探索和试错留出时间和空间，创新便无从谈起。
03
展望：培养人工智能无法替代的未来一代
在人工智能时代，能够洞察自然规律，并能将其转化为改造世界的力量的人，将是不可替代的。培养一代人工智能无法替代的理工科融合思维的创新者，不仅是教育目标，更是国家战略。借助前沿科研资源，推动从教材、教法到评价体系的全面革新，最终培养这样一代人：他们拥有永不满足的好奇心、严谨的批判性思维、敢于构建新模型的勇气，以及解决人类面临的重大复杂问题的使命感。
长期深耕
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主办单位：中国青少年科技教育工作者协会
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国内统一刊号：CN 11-4765/N
国际标准刊号：ISSN 1671-4350
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来源 | 《中国科技教育》2025-12
编辑 | 张雨晴
审校 | 孟想、若惜
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