武向平：面向现代化的青少年科学素质养成

9月19日,2023世界公众科学素质促进大会在北京首钢园开幕。本届大会将持续2天,安排17个大会报告和8个专题论坛。在会议开幕式上,中国科学院院士武向平作了题为《面向现代化的青少年科学素质养成》的主旨演讲,以下为演讲内容:

一个简单的算术加法,把现在中小学和高中同学年龄加27,我们就知道2025年世界的建设者是谁了。你会看到小学到大学的学生,那时候他们已经30多岁,接近50岁了未来,他们将是世界建设者。科技将主导未来世界发展,现在实施科学教育就希望青少年具备科学知识、掌握科学方法,养成科学思维,理解科学精神。

我们现在面对的是公平教育,特别是在中国,我们是以考试为基础的公平教育。这是第一个层次。下一个层次的教育应该是素质教育。只有提升青少年的科学素质,在这个基础上我们未来才能产生科技精英。

什么是科技精英?他要能提出颠覆性的理论,发明颠覆性的技术,能够引领世界科技大潮。从公平教育到素质教育这一步是要靠集体——我们全社会共同努力实施,通过科学普及和科学教育等等方式,从科学教育到科技精英这一步我们要通过群体来培养。在我们国家从国家到地方都有一系列的青少年科学人才培养计划。比如针对中学生的英才计划,中国科协举办的青少年科学计划等等,都是为了提升青少年科学素质的。这样的平台上我们青少年可以跟大师在一起,跟科学家在一起,走进实验室,这样他们成长的非常快。

比如英才计划实施时,我们有很多经验看到这些青少年茁壮成长,保留了他们的科学兴趣。这些计划让孩子们开阔了视野。但是这些是非系统性的,培养时间比较短。

英才计划基本就是1年时间,受益面很小,不是每一个学生都能受益。真正要提高全体青少年科学素质我们现在实施科学教育。希望把科学、数学、人文、艺术等全部融合起来的教育模式。在科学教育里我们强调四个要点:传播科学知识,教授科学方法、培养科学思维、理解科学精神。

科学教育和传统学科教育是不一样的,学科教育是传授基础科学知识,科学教育主要强调科学思维和方法。所以,科学教育有人说它是一种综合性的课程,其实不是,在我们小学课程里它是一个单科课程。

科学教育和传统教育另一个区分,传统课程都是数学、物理、化学都是长期知识积累基础上形成的,是每一个青少年不能选择、必须学习的课程。基本就是知识灌输,给群体实施的。而科学教育不是这样。它是希望把科学、数学、技术、工程、艺术等学科融合在一起,给孩子们实施教育,使得每一个在校学生能够在其中找到自己的一个兴趣点,然后保留下来。所以科学教育不仅仅局限在科学,也包括了人文和艺术和工程。所以科学教育是因材施教,培养个人兴趣。我们传统课程是群体教育,是给大家灌输知识。

科学教育理论上是养成性教育。我们在学校里给孩子们教数学课,不是为了把他培养成数学家。我们在学校里实施一系列的课程,都是希望孩子们养成这样的思维方式。所以现在目前在学校里推行科学教育,并不是让将来每一个小孩子都成科学,而是他们能有像科学家一样的思维。这才是培养主要的目的。

科学教育除了科学思维以外,还有两大辅助功能。第一是科学知识的扩展功能,第二是科学知识的融合功能。我们想在科学教育里学到基础学科里学不到的东西,比如人工智能、深空深海探测、导航等等,我们希望在科学课里给孩子们扩展前沿知识。

第二我们希望学生能把所有知识融合起来,起到一个融合的作用。分享两个例子,什么是知识的扩展和融合。古人常说,一尺之棰,日取其半,万世不竭。这就是说,物质是无限可分的。但是,写成数学公式,一尺是三分之一米,除二就是每天分一半。数学公式能写出来。但是物理学家会告诉你,分到一个月的时候,这个时候就分到原子核的尺度了,到普朗克尺度了,还能再分吗?分到这个时候就不能再分了。

所以我们能看到这个例子,我们有人文、有哲学,也有数学、物理,把它结合起来。孩子们留下什么感觉?他知道物质不是无限可分的。他会信吗?不一定。他还会问无限小不行,那能不能无限大。所以问一个问题就是宇宙是否无限大。结果,天文学家告诉你说,尺度也不可以无限大,我们观测宇宙要靠光去观测,每秒只有30万公里。你观测的宇宙只有453亿光年,永远不能超过这个尺度去。

自然界里有很多这样的例子,比如说自然界不存在摄氏零下300度。自然界光速不可超越。我们生活在四维时空,我们相信五维是不存在的。自然界的熵只能增加不能减小。等等等等。这反应了我们认知水平,并不表示真的不能突破。

每一个小孩都有一个天性,永远不会被束缚。你告诉他有极限,即将被束缚,他会突破这些极限。这些知识点会留在他的心里,将来有一天任何一个被突破都是自然科学的巨大突破,会给人类带来巨大福利。

再举第二个例子,中国人常说做人要上善若水。当然你也可以冰清玉洁,你也可以叱咤风云,但是物理上来讲一个大气压下,你是水,你不努力你就会变成冰,零点以下就变成冰了。但是你要努力,可以升华到100多以上变成气,可以叱咤风云。

再问一个问题,地球上有多少水。把地球上的水放在一起做成一个水球,直径1384千米。地球上的水永远这么多吗?科学家告诉你,不会,会消失的。将来有一天你必须离开地球,要找到地球2.0才可以。通过这样的故事可以让孩子们做到知识融合,记住这些知识点,将来可以找到世界难题是什么。

我们在科学教育里特别强调成功不可复制的。我们不能让爱因斯坦复活给孩子们讲一次报告。所以我们不能让孩子们重复老路,不要太迷信榜样的力量。所以重要的一点就是要让孩子们做不一样的事情。每一个孩子都有自己的天性,他们天真浪漫。每个孩子不管生活在农村还是城市,他们在小时候科学兴趣非常浓,有非常好的好奇心。所以我们要提早介入,不管农村还是城市。现在农村地区和城市发展还有不平衡,希望更多科学家能关注农村青少年的成长。他们也有自己的好奇心。我们希望每一个孩子保持自己的个性、天性,将来能做最好的自己。

科学教育里强调,我们是多元化社会,要让孩子们学会包容,学会面对社会、自然科学、人文、艺术、宗教等等都要包容。

科学教育里还强调,让孩子们忍受失败。我们不能光让孩子们看到成功的力量,也要知道,很多的成功都是建立在失败的基础上的。我们经常被问到,一个科学家最后没有得诺贝尔奖,那他还能不能做科学?不是的。只要他们为人类做出了贡献,他们工作都应该被承认,都应该生活得幸福。任何一个成功是多次是积累的,让孩子们从小学会对失败的忍受程度。

我们要特别强调科学和永远正确不能划等号。科学的生命力在于它从不承认自己是绝对正确的东西。科学知识本身就是一个具有不同层次可信度的几何体,没有什么是完全确定的东西。我们科学还在发展。

科学教育里我们要给孩子们讲科学也是有边界的,它反应了我们今天的认知水平。牛顿发生万有引力定律。我们利用万有引力定律,解释了太阳系八大行星的运动。我们利用万有引力定律把卫星发上了天。但是一个学生问老师,牛顿的万有引力定律是距离平方反比呢,为什么距离平方成反比。我想,没有任何老师可以回答这个问题,因为这是目前我们的认知水平,我们科学还要发展。所以,科学是不断发展的开放体系。科学教育里最强调的就是科学精神,科学精神就是承认不存在终极的理论。

科学家也在不断发展,自我更新、追求卓越。特别是在中国,科学教育在蓬勃发展的时期。我们起步比较晚,但是政府非常重视,我们正在发展。但是,我们的环境现在还处在一个初级阶段,公民素质的比例非常低,去年仅仅达到12.93%。我们2035年的目标也仅仅是25%。这种情况下进行科学教育还比较困难。比如乡村科学老师比例比较低。这样的事实摆在面前。目前国家非常重视这方面的培养工作,我们要加强科学教育专业招生扩大规模,优化科学教师培养。特别是今年,我们国家18个部门联合发文,关于加强新时代中小学科学教育的工作。具体到要把科学课程开好,由校领导或者专家担任副校长,设立一名科技辅导员,结对一所具有科普能力的机构,甚至每个学校都要有一名有理工类硕士学位的人做科学老师,有非常多的举措提升我们的科学教育。

去年我们国家出台了科学教育新课标,把科学分成物质科学、生命科学、地球宇宙科学、技术工程四个方面。我们强调了跨学科概念。我们特别强调,要体现中国特色。教育部特别强调,科学家,特别是一线科学家一定要参与到小学的科学类课程的标准制订和实践中去。我希望这个举措有助于我们改善科学课的内容和教育方式。

特别是去年,我国教育部和科学院联合开展了我国科学教育改革战略的研究。我们期望建立全社会参与和全领域覆盖的科学教育体系,希望在校内、校外、政府、企业、家庭、场馆参与,覆盖从幼儿园一直到大学各个阶段科学教育的内容和实施目标。

科学教育虽然我们起步很晚,但是未来可期,我们已经通过20年的努力具备了一小批中小学生,具备了科学家的素质。我们的好处就是,每个孩子都有一个科学梦,群体非常巨大。只要全社会共同努力,通过制度保障和实施科学教育,通过15年的领域我们能够从公平教育基础跳到下一个层次,就是素质教育。再经过15年的努力,我们相信一定能够有很多孩子成长为科技精英,把世界变成美丽、幸福、温暖、祥和的家园。