科学教育在培养学生科学素养、创新能力和实践能力方面具有不可替代的重要性。在全球科技竞争日益激烈的背景下，科学教育不仅是实现科技创新人才自主培养的主阵地，也是培养学生适应未来社会变化的关键。近年来，我国对科学教育的开展高度重视，教育部等部门2023年发布的《关于全面加强和改进新时代学校科学教育的若干意见》，明确提出了一系列加强和改进中小学科学教育的具体措施，强调科学教育应贯穿于大中小学的学生学习过程，逐步培养学生的科学素质和创新精神；科学教育课程要凸显核心素养培育，强化年级学段有机衔接，体现实践性、综合性，形成更加完善的科学教育体系。然而，传统的科学教育目标分类体系存在诸多局限性。例如，布鲁姆将教育目标划分为认知、情感和动作技能三大领域，这样的分类体系往往过于独立，缺乏系统性和整合性，难以全面覆盖科学教育的核心目标，难以体现科学探究过程中各要素的动态关联，难以有效指导科学教育的课程设计和教学实践。2025年初教育部发布的《中小学科学教育工作指南》则提出要围绕课程体系构建、育人方式变革、评价范式改革等关键环节精准发力。
为了克服传统科学教育目标分类的局限，聚力科学教育课程体系建设，本研究引入“目标结构归一化”框架和“课程架构动态化”理念。目标结构归一化框架将科学教育目标整合为科学精神、科学知识、科学思维和科学能力四个相互关联的维度，如此使不同学段的维度一致，具体目标有机衔接。课程架构动态化则强调根据学生的学习进度、兴趣和需求，灵活调整课程内容和教学方法，以实现个性化学习和动态优化。本研究借鉴STEM教育两次超越发展的经验，提出切实可行的课程实施建议，并给出不同学段的课程设计示例，为深化科学教育课程设计改革提供方法论参考和实践借鉴。
一、科学教育目标结构归一化
目标结构归一化是将教育目标的各个组成部分按照归一化的规则建成相对统一、稳定的联系和结构，使其系统化、层次化，以做到纲举目张。在中小学科学教育中，目标结构归一化框架的构建至关重要，它将科学教育目标整合为四个核心维度：科学精神、科学知识、科学思维和科学能力，从理论根源到实践应用都有着深刻的内涵与价值。
（一）理论基础：兼容性与超越性
1. 与布鲁姆目标分类的兼容性
归一化科学教育目标的四个维度可以与布鲁姆教育目标分类的情感、认知、动作技能三个领域紧密对应（见表1），体现出全面性和系统性，成为中小学科学教育的核心素养。
2. 与其他教育理论的关联性
“目标结构归一化”框架与建构主义、STEM教育和核心素养教育高度契合。建构主义强调学生主动建构知识，通过探究式学习促进科学思维和实践能力的发展。STEM教育通过跨学科项目式学习，助力学生理解和运用科学知识，培养综合素养。核心素养教育聚焦于知识、能力和态度的全面发展，与科学教育目标高度一致。这些理论在实际教学中相互配合，能够有效整合多种教育理念，协同促进教学。
3. 对于传统课程教学目标设计的超越性
“目标结构归一化”框架打破了传统分类体系中目标相互割裂的问题，将科学精神、知识、思维和能力有机融合为一个整体，构建了系统化的科学教育目标体系。该框架通过明确、细致的指标，为教师的教学和评估工作提供了清晰、具体的方向，增强了在课程设计和教学实践中的可操作性。同时，它更加重视科学思维和科学能力的培养，与未来社会对创新型人才的需求高度契合。
（二）实践意义：科学性与优越性
目标结构归一化将科学教育目标的四个维度进一步细化为具体的要素，形成一个系统化的框架，具有全面性、层次性和适应性，主要体现在以下几个方面。
科学性与系统性：归一化的目标结构全面覆盖科学教育的核心素养，将科学精神、知识、思维、能力目标有机融合，强调各目标之间的相互依存和协同发展，与科学探究的实际过程更为贴近，保障了科学教育目标的系统性。例如，在探究“声音的传播”实验中，学生运用科学知识设计实验，通过逻辑推理分析现象，同时培养科学精神。
层次性与递进性：目标结构按照小学、初中、高中不同阶段的特点，在四个维度上设计了递进式的教育目标（见表2），体现出学习进阶的贯穿，符合学生的认知发展规律。
操作性与可评估性：归一化目标结构的每个维度和要素都有明确的定义和目标要求，便于教师在教学中具体实施，也便于评估学生的学习成果。例如，“问题解决”能力可通过实际项目和竞赛评估，“科学表达”能力可通过科学报告和展示评估。
跨学科整合：目标结构归一化强调跨学科思维和综合实践，聚力于学科融通，培养学生解决复杂问题的能力。特别是在STEM教育中，通过整合科学、技术、工程和数学，学生能够在实际项目中综合运用多学科知识。
适应未来需求：归一化的目标结构不仅注重知识的传授，更注重能力的培养，符合未来社会对创新人才的需求。高中阶段通过科研项目和创新竞赛，培养学生的创新能力和社会责任感，以适应快速变化的社会和科技环境。
二、课程架构的动态化
课程架构动态化标志着课程设计从静态逻辑向动态适应的转变。通过厘定课程要素中的变量与不变量，灵活调整内容、方法和评价方式，课程架构动态化可作为科学教育课程设计的重要方法论基础。与课程结构强调课程内容的静态组织与逻辑关系不同，动态课程架构关注课程目标、内容、方法、评价与环境的动态生成，强调系统设计与多要素协同，聚焦课程设计的系统性、适应性、生成性、技术赋能、跨学科整合和价值性，以促进学生个性化发展。
（一）系统性
系统性是指课程设计需要涵盖目标、内容、方法、评价和环境五个构件，形成一个完整的教育生态系统。目标构件是动态课程架构的核心，需要明确科学教育的多维度目标，体现出系统性、层次性、递进性特征。内容构件应涵盖基础知识、实验操作、跨学科内容和现实世界应用，支持学生的全面发展；方法构件采用多样化的教学方法，如讲授法、项目学习、探究学习和合作学习，激发学生的学习兴趣；评价构件采用多元评价，如定量和定性评价、过程性评价和终结性评价相结合，全面评估学生的学习成果；环境构件要整合学校、家庭和社会资源，协同为学生提供丰富的学习环境。
（二）适应性
适应性是指课程能够根据学生的学习进度、兴趣、能力以及不同学校和家庭环境的特点进行动态调整。灵活性和适应性的课程设计理念对学科教育尤为重要，可以帮助教师更好地满足学生的个性化需求，提升学习效果。适应性科学课程需要考虑学生的个性化学习路径、校情适应和家庭支持三个关键要素。
个性化学习路径：教师应根据学生的需求、兴趣和风格，提供个性化的学习内容、方法和进度。例如，在科学课程中，教师可以通过前期的兴趣调查和学习评估，了解学生对不同科学主题的需求和兴趣程度。根据这些信息，教师可以为不同兴趣的学生设计不同的学习项目，如对植物生长感兴趣的学生可以选择进行植物观察和实验，而对物理现象感兴趣的学生则可以选择进行简单的物理实验。
校情适应：不同学校的资源、文化和环境各不相同，课程设计应考虑这些因素，以确保课程的可实施性和有效性。例如，在资源丰富的学校，教师可以引入更多的实验和实践活动，而在资源有限的学校，教师则可以利用现有的材料和设备进行创新的教学设计。此外，教师还应根据学校的教育目标和学生的实际情况，灵活调整课程内容和教学方法，以适应不同的校情。
家庭支持：学生的学习离不开家庭的参与和支持。教师可以积极与家长沟通，了解家庭的文化背景和价值观念，从而更好地设计课程。例如，教师可以鼓励家长参与孩子的学习过程，通过家庭作业、项目展示等方式增强家庭与学校的联系。此外，教师还可以为家长提供指导，帮助他们理解如何在家庭环境中支持孩子的学习。
（三）生成性
生成性是指在教学过程中，教师和学生共同参与，通过互动、对话、探究等方式，不断生成新的知识、理解意义的过程。它强调教学不是简单的知识传递，而是师生共同构建知识的过程，具有动态性、开放性和创造性。生成性课程由知识建构、实时反馈、动态生成三个要素组成。
知识建构：学生通过与环境的互动主动建构知识，而不是被动接受。生成性课程鼓励学生在探索中发现问题，并通过实验和讨论寻找解决方案。例如，在一个关于生态系统的课程中，学生可以通过观察校园内的植物和动物，提出关于生态平衡的问题，并设计实验来验证他们的假设。这种探索过程不仅增强了他们的科学理解，也培养了他们的批判性思维能力。
实时反馈：教师根据学生的学习表现，提供即时反馈，帮助学生及时调整学习策略。在生成性课程中，教师可以利用技术工具，如在线学习平台，实时监测学生的学习进度和理解情况。例如，教师可以通过在线测验或互动讨论，快速了解学生对某一概念的掌握程度，并根据反馈调整后续的教学内容和方法。这种灵活的反馈机制使得课程能够更好地适应学生的需求。
动态生成：课程内容和活动可以根据学生的探索过程、反馈和需求进行动态调整，确保内容的时效性、相关性和难度。例如，在科学实验课程中，教师可以根据学生的兴趣和反馈，调整实验的主题和难度。如果某个实验主题引起了学生的浓厚兴趣，教师可以扩展该主题，增加更深入的探究内容，鼓励学生进行自主研究和创新。
（四）技术赋能
技术赋能是科学教育课程设计的重要组成部分，通过整合和利用数字技术（如人工智能、大数据、虚拟现实等），可以显著提升科学教育的教学效果和评价的精准度，有效促进个性化学习模式的实施。其核心构成要素可以归纳为以下方面。
智慧教育平台构建：智慧教育平台为教师和学生提供了丰富的科学教育资源，支持个性化学习。智慧教育平台把文字、
、音频、视频等多种形式的学习资源整合在一起，形成一个有机的资源体系，满足不同学习者的需求。
虚拟实验室技术：虚拟实验室技术打破了传统实验教学的时空限制。通过创建高精度的仿真模型，学生可以在虚拟环境中进行危险实验操作的安全训练，从而提升实践能力而不必担心安全隐患。
学习分析技术：学习分析技术为科学教育提供了数据支持，帮助教师更好地了解学生的学习进度和需求。通过采集学习行为的多维度数据（如注意力时长、知识内化曲线等），运用机器学习算法构建学习者的数字画像，这些技术为教学策略的动态优化提供了实证依据。
AI辅助教学系统：AI辅助教学系统通过生成式人工智能技术，为学生提供个性化的学习资源和实时反馈。系统能够分析学生的学习风格、知识水平和错误模式，动态生成适合每个学生的学习路径和内容。
（五）跨学科整合
跨学科整合作为21世纪核心素养培育的重要范式，通过多学科知识体系的有机融合，促使学习者建立系统化的认知框架，以解决真实情境中的复杂问题。它突破传统学科壁垒，其核心价值在于培养学习者的综合思维能力与复杂问题解决能力，包含三大结构性要素。
跨学科项目：跨学科项目就像“知识拼图”，需要结合多个学科的知识和方法，设计综合性的学习项目。例如“智能花盆”项目，可以结合科学课研究植物生长所需的自然条件，如光照、温度和湿度等，结合数学课记录每天的数据画成折线图，可以在劳动课上用废旧材料制作花盆，还可以结合信息科技课通过编程控制自动浇水系统等。通过学习运用多门学科的知识和技能，可以“拼接”出一个智能花盆的完整知识链。
综合思维能力：动态课程要求学习者具备跨领域知识迁移能力，而综合思维能力通过神经可塑性机制强化认知系统的适应性，培养学生从整体上把握问题、多角度分析问题的能力，从而支持跨学科应用。仍以“智能花盆”项目为例，除上述跨学科的知识应用外，还需综合考虑花盆的美观性、浇水装置的电路安全、花盆制作的成本控制等。
STEAM教育：STEAM教育犹如“创意工厂”，通过科学、技术、工程、艺术和数学知识的整合进行学习，具有跨学科性、情境性的特点[5]，有助于培养学生的创新能力和实践能力。“智能花盆”项目的最终目标是每组同学都做出一个独一无二的智能花盆。在前面的跨学科项目和综合思维基础上，从STEAM的五个维度需要动手操作如下：科学维度让学生学会测试不同土壤的保水性以确保适当的温度，技术维度选择的废旧材料变废为宝，工程维度把废旧材料组装成可用的花盆，艺术维度设计花盆外观显示花卉名称和小组LOGO，数学维度学会用比例知识计算肥料的配比进行施肥。通过STEAM活动，学生理解了科学原理，掌握了动手技能，学会了艺术表达与创意。
（六）价值性
科学课程具有对合格公民和对科技拔尖创新人才培养的双重意义，因此，价值性是课程设计需要考虑的核心属性，其本质在于通过知识载体实现个体社会化与价值内化的双重目标，体现为培养学生的社会责任、核心价值观和促进可持续发展。社会责任要求科学教育建立“科学-社会”联结机制，引导学生关注科学对社会和环境的影响，培养他们的社会责任感。核心价值观则是通过课程内容和教学活动，培养学生的诚信、合作和创新等品质，如在科学实验中建立诚信、严谨意识，在科学实践中促进团队协作的意识和能力的养成，在跨学科项目学习中培养问题解决和创新的能力。可持续发展教育强调科学教育应支持可持续发展目标，培养学生的全球胜任力，如将联合国可持续发展目标中的能源、环境等目标转化为科学学习主题，以全球视野来观察、分析科学现象，寻求解决问题的方案。
三、科学教育的STEM模式：从经典到超越
在当今快速发展的科技背景下，STEM教育（科学、技术、工程和数学教育）作为一种堪称“经典”的科学教育范式，已经成为全球教育改革的重要组成部分。它不仅旨在培养学生的科学素养和实践能力，还强调跨学科的整合与创新思维的培养。
（一）STEM作为科学教育的经典范式
STEM教育的概念最早在20世纪90年代提出，旨在通过整合科学、技术、工程和数学的知识，培养学生的跨学科能力和解决实际问题的能力。这一理念在美国教育改革中发挥了重要作用，成为推动科学教育发展的核心。STEM教育强调实践与理论相结合，鼓励学生在真实情境中应用所学知识，培养他们的创新能力和批判性思维。
例如，在新加坡STEM教育得到了政府的高度重视，教育部推出了多项政策以推动STEM教育的实施。新加坡的教育体系通过课程改革，强调跨学科的学习和实践，鼓励学生参与项目式学习和探究式学习，以提升他们的科学素养和实践能力。此外，新加坡还注重教师的专业发展，提供系统的培训和支持，帮助教师掌握最新的STEM教育理念和教学方法。
（二）对经典STEM教育的二次超越
与人文结合的第一次超越：STEM教育的一个重要发展是向STEAM教育的转变，即在科学、技术、工程和数学的基础上加入艺术（Art）元素。这种结合不仅丰富了教育内容，还强调了创造力和人文素养的培养。初级版的STEAM是通过将艺术与科学相结合，学生能够在科学实验中融入设计思维，提升他们的创新能力和综合素养；升级版的STEAM是与其他人文学科（如历史、哲学、社会学等）整合，使学生能够更全面地理解科学技术在社会中的作用，培养他们的批判性思维和伦理意识。例如，学生可以探讨科学对社会变革的影响，分析科学发现与人类价值观之间的关系，从而培养他们的社会责任感。
与AI整合的第二次超越: 本研究认为， STEM教育与人工智能（AI）的结合催生了ISTEM（Intelligent STEM）理念，旨在利用AI技术提升学习效果和实践能力。ISTEM通过分析学生学习数据，提供个性化学习体验，帮助学生更有效地掌握知识。同时，结合虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术，使学习环境更具沉浸性，让学生在模拟情境中进行科学实验和工程设计。此外，AI的应用促进了ISTEM与人文学科的融合，帮助学生理解各学科之间的联系，培养综合思维能力。最终，ISTEM教育致力于培养学生解决复杂问题的能力、批判性思维和创新能力，为未来职业市场做好准备。尤其是，AI大模型的知识空间具有无边界的特点，大模型赋能的ISTEM更加有助于培养学生的 “破界思维”与创新能力。
四、课程实施与科学教育主题项目设计示例
在前面对科学课程归一化教育目标和动态化课程架构基础上，借鉴STEM的教育新范式，对科学课程实施提出如下建议，并给出科学教育课程设计示例。
（一）课程实施的步骤与方法
课程实施是将设计好的课程方案转化为实际教学活动的关键环节。在科学教育领域，课程实施需要特别关注实验操作、跨学科整合和项目式学习等特殊性，以下是具体的实施步骤。
教师培训与准备：教师需要掌握课程内容和教学方法，特别是实验操作和数据分析能力。培训应涵盖课程内容、教学方法和技术应用，确保教师能够熟练使用在线学习平台和虚拟实验室等工具。
课程设计与资源：制订详细的课程计划，明确课程目标、内容、方法、评价方式和时间安排。准备必要的教学资源，包括教材、实验材料和多媒体资源。整合外部资源，如与科研机构和高校合作，获取更多的实践机会和专业支持。
教学实施与调整：严格按照设计方案进行教学活动，特别关注实验操作和项目实践的实施。灵活运用多种教学方法，如讲授法、探究学习、项目学习，以及小组合作学习等，激发学生的学习兴趣和主动性。根据学生的反馈和学习进度，及时调整教学内容和方法。
学生参与与互动：鼓励学生积极参与课堂讨论、实验操作和项目实践。通过小组讨论和全班讨论，培养学生的批判性思维和沟通能力。提供丰富的实验机会，让学生通过实践操作加深对科学知识的理解。设计跨学科项目，培养学生的创新能力和团队合作精神。利用在线学习平台，提供丰富的学习资源和互动机会，增强学生之间的交流与合作。
有效开展上述步骤，可以确保科学教育课程设计的有效实施，提升教学质量，促进学生的全面发展。
（二）课程评估的指标与工具
课程评估是确保课程目标达成和教学质量提升的重要环节，不能只简单地满足于对学生学习状态的判断，更需要发挥对学生未来发展的价值指引[8]。
通过课堂观察和学习日志，教师可以深入了解学生对科学的兴趣和探索精神。项目展示和学习分析技术则有助于评估学生对科学知识的掌握程度。实验报告和AI辅助工具能够有效评估学生的科学思维能力，而论文评审、口头报告和项目成果展示则为评估学生的科学能力提供了全面的视角。这种多元化的评估体系确保了评估的全面性和科学性，能够为教师提供丰富的数据支持，以优化教学策略和提升学生的学习效果。
（三）持续改进与动态调整：国内科学教育主题项目设计示例
科学课程教学过程要依据实施与评估的情况进行动态调整，做到持续改进。为精炼起见，本研究仅以不同学段科学课程的主题项目设计为例（经过综合与提炼而成），展示如何围绕目标、内容、方法、评价、环境五个构件实施科学主题的学习（见表3）。
综上，本研究探讨了科学教育课程设计中的关键理念，包括目标结构归一化、课程架构动态化、以及STEM教育到STEAM、ISTEM的二次超越，这些理念和方法为科学教师进行科学教育改革创新提供了有效的教学框架，同时，适应性课程设计能够更好地满足学生的多样化需求，促进全面发展。特别是在人工智能时代，积极探索将AI技术与科学教育深度融合，具有广阔前景和现实意义。
为促进未来科学教育的高质量发展，建议从以下方面协同发力：一是加强教师培训，提升专业素养和教学能力；二是开发多样化课程资源，支持不同学段的STEAM教育；三是建立多元化评价体系，全面评估学生学习成果；四是鼓励家庭和社区参与，增强家校联系；五是利用大数据和AI技术，提供个性化学习路径和实时反馈，提升教学效果。这些措施将有助于进一步优化科学教育课程设计，提高教学质量，为中国教育强国建设贡献力量。
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