不断涌现的创新型人才是国家拥有持久竞争力的保障，建设科技强国、实现创新发展最终还是要落实到教育，特别是拔尖创新人才教育上。党的二十大报告提出的“深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略”“着力造就拔尖创新人才”“加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设”等国家战略，对我国的教育质量和人才培养质量提出了更高要求。数理化基础学科是科学技术发展的基础，也是我国攻克“卡脖子”技术的关键^[1]；数理化基础学科的发展和创新人才的培养都离不开数理化基础学科教育。数理化基础学科教育可以分成两个阶段：在中小学阶段，数理化基础学科教育主要是为了培养学生基本科学素养、逻辑思维能力和解决实际问题能力而开展的基础性数理化课程；在高等教育阶段，数理化基础学科教育既包括数理化相关专业的教学，也包括其他理工类专业中数理化基础课程的教学。

当前，国内外相关研究主要聚焦于某一学科教育、拔尖人才培养或者STEM（Science，Technology，Engineering and Mathematics）教育等方面。而在我国教育体系中，数理化作为理工科专业共同的基础学科，具有相当多的共同特点，也面临许多共性问题。因此，本文突破以往的研究范式，将数理化教育作为一个整体进行研究，围绕教育改革带来的新变化、数理化基础学科教育存在的问题和不足进行研究，发现目前我国数理化基础学科教育还存在基础教育与高等教育衔接不畅、人才选拔通道不畅、基础学科教育质量不高等问题，严重制约了我国数理化基础学科教育水平的提高，阻碍了我国创新型人才的培养。通过揭示其背后的成因，针对创新型国家建设和创新人才的培育，本研究从建立基础教育与高等教育有效衔接机制、丰富人才选拔途径、提升基础教育阶段数理化学科教育水平与高等教育阶段基础学科教育质量等角度提出了相关对策和建议。

一、教育改革带来的新变化

党的十八大以来，党中央对深化教育领域综合改革作出一系列战略部署。基础教育领域改革围绕“促进公平、提高质量”两大战略主题，推进基础教育发生格局性变化，取得了历史性成就。教育改革给基础教育和创新人才培养带来了新气象。

1. 通过一系列国家政策，优化基础教育资源配置

国务院分别于2012年、2016年印发了《国务院关于深入推进义务教育均衡发展的意见》和《国务院关于统筹推进县域内城乡义务教育一体化改革发展的若干意见》，为以乡村教育为重点全面提高教育质量，提出了目标任务和明确要求。截止2021年，31个省（区、市）和新疆生产建设兵团的2895个县级行政单位全部实现县域义务教育基本均衡发展^[2]。城市与乡村、优质学校与薄弱学校在硬件上的差距越来越小。2023年6月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于构建优质均衡的基本公共教育服务体系的意见》，意见中明确提出，到2027年，优质均衡的基本公共教育服务体系初步建立；到2035年，义务教育学校办学条件、师资队伍、经费投入、治理体系适应教育强国需要，市（地、州、盟）域义务教育均衡发展水平显著提升，绝大多数县（市、区、旗）域义务教育实现优质均衡，适龄学生享有公平优质的基本公共教育服务，总体水平步入世界前列。

2. 通过一系列重大举措，提升基础教育质量

深化教育综合改革在于形成“组合拳”，促进教学质量与教育水平全面提升。包括：优化教育课程体系设置，坚持德智体美劳“五育”并举，全面发展素质教育。建立学校家庭社会协同育人机制，形成全员、全过程、全方位育人工作格局。落实“双减政策”，严控作业总量、禁止校外学科培训资本化、推广课后服务等模式。深化教育评价改革，破除“唯分数、唯升学、唯文凭、唯论文、唯帽子”的共识广泛形成。有序推进高考改革，到2025年全国有29个省份将采用新高考模式，其中23个省份采用“3+1+2”模式^[3]；建设分类考试、综合评价、多元录取的招生考试模式，如北京、成都等地探索中学“直升”模式，畅通多样化录取路径和多元化升学途径，缓解中学阶段升学应试压力。探索连续培养、协同培养模式，更加注重学生综合素质的培养，着力发展核心素养，使学生具有理想信念和社会责任感，具有科学文化素养和终身学习能力，具有自主发展能力和沟通合作能力。

3. 提升中学阶段分值权重，强化数理化基础学科地位

数理化基础学科在攻克“卡脖子”技术中发挥关键作用，而当前我国面临的很多“卡脖子”技术问题，根源仍在于基础理论研究和运用能力不足。近年来，随着《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》等政策文件发布以及高考、中考考试形式和内容的改革，中小学教育更加注重学生科学素质的提升与综合素质的全面发展。考虑到物理、化学等基础学科的学习难度和对未来科学技术发展的重要意义，已有部分省份在招生考试中采取设置必选科目、提高分值权重等方式，提升数理化等基础学科的地位。例如，广州市计划于2027年将数学科目分数提高30分，物理分值保持不变，降低历史、道德与法治科目的分数等，通过分数设置提升数理化等基础学科的地位^[4]。新高考中，广东、江苏等23个省份采用“3+1+2”模式，物理与历史之间二选一，强化物理学科的重要性，以适应高等教育阶段的人才需求^[3]。

4. 优化高等教育布局，完善拔尖创新人才发现和培养机制

优化高等教育布局，完善高校学科设置调整机制和人才培养模式，加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设和拔尖人才培养，是解决关键领域“卡脖子”问题，抢占新一轮科技革命先机和主动权，实现高水平科技自立自强的关键抓手。近年来，教育部等部门出台《关于实施基础学科拔尖学生培养计划2.0的意见》《关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》等政策，持续开展“基础学科拔尖计划2.0”“强基计划”等，聚焦数学、物理、化学、生物等基础学科人才选拔与培养。2023年教育部启动数理化生国家高层次人才培养中心建设，衔接“强基计划”、基础学科拔尖学生培养计划，构建高水平博士生培养体系，形成本硕博一体化的基础学科人才培养体系。《教育强国建设规划纲要（2024－2035年）》中强调，要“着力加强创新能力培养，面向中小学生实施科学素养培育‘沃土计划’；面向具有创新潜质的高中学生实施‘脱颖计划’等”，逐步形成贯通中小学到本硕博完整的拔尖创新人才培养机制。

二、数理化基础学科教育中存在的问题

教育改革促进了城乡、区域教育资源的均衡协调，提升了教育质量、注重学生综合素质的培养，但在关乎国家科技创新能力发展的数理化基础学科教育过程中又暴露出了许多新的问题，主要有以下三个方面：

1. 基础教育与高等教育衔接不畅，课程体系化设计不足

小学、初中、高中、大学各教育阶段的课程缺乏合理衔接，各自为战的问题较为严重，学科整体性把握和课程体系化设计不足。尤其是中学阶段与大学阶段，数学内容衔接不畅——高中与大学教学内容之间重复的内容增多，同时又有脱节现象。高等院校与中学之间没有建立起常态化联系机制，基础教育阶段一些关键知识点的缺失给高校理工科专业的教学带来困难。新课标改革后，部分省份不再进行文理分科，使得一些重要的数学知识点不再进入考试范围，数理化基础知识的削弱，不利于学生基础创新能力的培养。上海、浙江新课标及其修订的实施情况进行调研后发现，推行新课标之后，物理必修中包含两个模块，选修被划分为三个模块系列，这样的模块划分使得高中物理学科体系碎片化，造成学生的知识出现结构性欠缺。“我国数理化基础学科教育若干重大问题研究”院士咨询项目课题组针对中国科学院院士进行的问卷调查结果显示，有50%以上的院士认为，大学课程体系设计不合理、大学中学理科教育衔接不畅等是目前较为突出的大学数理化基础学科教育问题 ^①。

2. 拔尖创新型人才选拔通道变窄，选拔机制与发展需求不匹配

现阶段中考、高考对学生的区分度不大，升学考试命题难以有效发现、选拔在基础学科方面具有天赋的学生；在新高考实行后，区分度低的问题进一步加剧。例如，文科、理科数学实行统一试卷后，削弱了高考数学科目在拔尖人才选拔方面的功能。此外，物理、化学学科成为了选考科目，学业合格考试和等级赋分制改革也展开了。等级赋分是依据考试成绩所处排名的相对位置区间进行赋值，这种模式缩小了高水平考生与一般考生之间的分数差距，使学生成绩的区分度进一步下降，削弱了学科拔尖学生的相对优势。

另一方面，特殊潜质的“偏才”“怪才”等特殊人才的上升通道逐步缩窄。目前的教育体系逐步在考试和学习内容上消除优秀学生的优势，高考对优秀拔尖人才的选拔功能在逐步弱化。自主招生停止后，一些数理化单科优秀的学生出路变窄，在完全依赖高考的情况下，有科学潜质的青少年无法得到有效甄别。面向院士的问卷调查结果显示，约60%的院士认为当前高考选拔制度对创造性较强的学生不利，扼杀了部分“天才”式学生的成长发展。

3. 基础教育阶段数理化教育亟待改进，高校数理化学科教育质量亟待提升

一方面，在基础教育阶段的学生为了在升学中获得高分，普遍存在“刷题”现象，物理、化学等实验学科教育缺乏实践活动与实验训练，不利于学生独立思考和创新能力的培养。数学方面，应试导向下中小学数学教学的典型弊端是灌输式授课、刷题式消化。物理、化学这些以实验为基础发展起来的学科，因教学任务重、学时短、实验条件保障不足等原因仅以讲解替代实践，无法提升学生的动手能力和科学素养。院士问卷调研发现，约80%的院士认为基础教育阶段的过度“刷题”磨灭了学生的好奇心与科学兴趣。根据国际学生评估项目（Programme for International Student Assessment, PISA）测试的数据，我国15岁学生对理工科相关职业的期望在2015年和2018年均低于经济合作组织（OECD）国家平均水平，更远远低于美国^[5]。此外，教材内容存在滞后性，小学、初中、高中、大学各自的教材和课程设计缺乏合理衔接等问题，导致学生对学科整体性把握不足、对学科知识框架的构建有一定困难。

另一方面，高等教育阶段理工科人才培养规模占比下降过快，高校数理化基础学科的教学质量需要提升。在过去的20年中，我国的高等教育规模迅速扩大。但是，文科类专业的扩招速度远远超过理工农医类专业，从1997年到2021年，文科毕业生占比从31.2%上升到51.9%，而理科毕业生占比从68.8%下降到48.1%^[6]。学生对于数理化相关课程存在畏难情绪，新高考启动后实行“3+3”的省份，其物理选考人数相较于原来理科人数下降，实行“3+1+2”的省份在将物理设置为必选科目后，化学选考人数又出现下降。同时，在高校理工科专业教育过程中，学习难度较大的“硬课”，出现了课时数减少、教学要求下降的现象，尤其是数理化等基础课程的教学时数下降过快。课题组调研发现，目前我国理工科专业的数理化基础学科的学时远低于三分之一，例如：清华大学的航空航天工程专业数理化基础课程占总学分比例约为18.6%；中国科学技术大学的电子信息工程专业数理化基础课程占总学分比例约为19.7%；北京航空航天大学的机械工程专业数理化基础课程占总学分比例约为19.0%；华中科技大学的能源与动力工程专业数理化基础课程占总学分比例约为15.5%。高校理工科教育仍受应试教学模式影响，教学内容陈旧，课堂教学创新性、探索性不足等问题都对我国创新人才培养产生不利影响。

三、数理化基础学科教育不当可能带来严重后果 1. 基础教育和高等教育内容衔接不畅不利于创新人才的培养

基础教育阶段和高等教育阶段的教学内容衔接不畅不利于创新人才的培养^[7]。基础教育阶段未能形成扎实完善的学科基础知识，学生进入大学后难以适应专业课程的深度和广度，导致大学阶段老师需花费大量时间给学生补充基础知识，挤占高阶内容的教学时间，降低课程深度，不利于人才创新能力和探索能力的提升。同时，基础教育阶段更倾向于理论知识的掌握，缺乏理论与实际相结合的教学，部分理工科学生因高中物理实验能力薄弱，大学实验课中操作困难，不利于深度的专业化研究探索，进一步导致高端科研人才储备不足，影响关键行业的突破发展。在高考制度方面，60.9%的院士指出在高考指挥棒下，学生在初中阶段进行了更早的分科选择，瞄准主选科目、应付其它科目，没有达到打通文理科界限实现素质教育的目的。反而削弱了物理、化学等学科的重要性，不利于理工科人才的培养，从长远看，势必会影响国家科技创新核心竞争力的提升。

2. 拔尖人才选拔不当造成人才浪费

现阶段我国高等教育进入普及化阶段，但拔尖创新型人才和天赋人才需要更高的区分度，而现阶段的选拔模式削弱了对拔尖人才的选拔功能。我国有数量庞大的青少年群体，其中具备特殊潜质的“偏才”“怪才”为数不少，在完全依赖高考的情况下，有特殊潜质的“偏才”“怪才”无法得到有效识别。如果这些学生得不到适当的教育培养，将是最大的人才浪费。2020年启动的“强基计划”作为取代自主招生的新计划，旨在选拔基础学科方面的杰出创新人才。虽然这一计划在一定限度内给予了高校自主选拔权，但高考仍占综合成绩的85%，杰出人才难以依靠高校自主考试的成绩弥补高考成绩的不足，仍旧缺乏足够的上升通道。加之程序设计不够完善等问题，部分高校强基专业录取的学生可能比普通考生成绩还要低，不能实现选拔杰出人才的初衷。

3. 数理化基础学科教育方式不当，难以实现创新型人才培养目标

基础教育阶段“刷题式”训练严重磨灭学生的探索欲、好奇心和学习兴趣。低水平的机械训练，不仅浪费大量优秀人才的宝贵时间，还容易导致部分学生的浓厚科学兴趣消磨殆尽，甚至产生厌学情绪，难以培养出有较高创新能力的学生。“量产式”的教学模式，不鼓励独立思考，不利于逻辑思维能力训练和创新能力的培养，学生习惯于“接收”和“接受”，缺乏刨根问底、精益求精的动力。物理、化学等以实验为基础的学科，实验课程与实践活动的不足，严重影响学生的探索精神和动手能力，阻碍了学生对于数理化基础学科的科学探索。基础教育阶段内容设计不足，导致高等教育阶段教学内容的挑战性与创新性偏弱。

创新型人才培养有着自身的规律，数理化基础学科教育如同大厦的基座。数理化等硬核课程课时数量降低，不利于学生筑牢科研创新的根基。美国斯坦福大学联合国内清华大学、北京大学等高校对中国、印度、俄罗斯、美国四个国家的计算机科学和电子工程专业学生在物理、数学和批判性思维能力等方面进行了跟踪研究，发现中国大学生在经过大学学习后，批判性思维能力和学术技能水平均出现了下降，而美国大学生却能在毕业时实现批判性思维能力的显著提升^[8]，这与我们大学科学、技术、工程、数学等学科基础课程设置有着重要关系。高等院校作为我国创新型人才培养的主阵地，教学内容应当具备足够的创新性和挑战性，尤其是涉及数理化，关乎“硬科技”的理工科专业。课堂教学缺乏设计性、探索性及挑战性环节，不利于激发学生的学习兴趣及自主学习的意识，不利于培养学生的创新能力及科学精神。课题组调查数据显示，有71%的大学教师和76%的研究生导师认为“大学教学的挑战性与高阶性不够”“教学内容创新性和挑战度不够，不利于培养学生的创新能力”。此外，不同学科之间的交叉融合不足，也难实现人才的跨学科综合培养目标。

四、未来数理化基础学科教育和创新人才培养的思考与建议 1. 建立基础教育与高等教育有效衔接的常态化机制

打通基础教育和高等教育衔接不畅的堵点，建立常态化联系机制。包括支持高校与中学建立常态化的人才联合培养机制，加强中学阶段和大学阶段教学内容之间的衔接和系统统筹；加强教材编写的体系性和完整性，增强学科知识的逻辑性，中学教材编写要吸收更多的学科专家，以反映学科发展规律，大学教材编写要尽量反映学科前沿领域，出版一批具有世界一流水平的经典教材。

加强物理和化学的实验教学，培养学生的动手实践能力。从基础教育阶段开始，帮助学生提高逻辑思维能力、动手实践能力和创新思维，为高等教育阶段的培养奠定基础。要充分认识到实验教学法对学习科学知识的重要意义，适当增加学生实验操作的时间，给予学生更多接触实验的机会，完善内容的学习并及时总结，让学生更加了解实验的内涵。

建立和完善科技与教育深度融合的统一协调机制，鼓励科技融合教育，服务创新人才培养。要明确高校在创新人才培养方面的责任，同时建立高校、科研机构和产业界深度融合的激励机制，提升高校教学质量和人才培养能力。进一步扩大国内顶尖科研机构的招生规模，让更多优秀科学家参与到人才发现与培养工作中。鼓励多样化发展模式，推动创业教育与专业教育的融合^[9]，通过创业挖掘大学生的创新潜力。

2. 丰富人才选拔途径

重视教育科学的基础理论研究，构建完善高考制度外的拔尖人才选拔补充通道。通过制度化体系化设计形成新的自主招生政策，在兼顾公平与效率的前提下优化高考制度，建立政府监管、社会监督和追责问责的机制。对于基础学科人才的招生选拔和评价，要敢于打破常规。可以在部分顶尖高校，适当扩大自主招生权^[10-11]，构建基于竞赛和推荐考核的杰出人才选拔直通通道。从高中阶段开始进行教育改革，遵照学生的兴趣、意愿和选择进行教学设计。

3. 提升基础教育阶段的数理化学科教育水平和高等教育阶段基础学科教育质量

提升基础教育阶段教师质量，增强教师对于现代科学技术与数理化学科前沿的了解，保障基础教育阶段数理化学科的教学课时与教学质量，夯实创新人才的基础知识，提升创新人才解决“卡脖子”关键核心问题的能力。要进一步明确数理化基础课程的性质，使学生掌握数理化基础知识与操作能力和为学生其它课程学习提供必备基础。改进教育方式，大幅度减少“刷题”式的教育教学方式，通过科学合理的数理化基础学科的教育和学习，持续激发青少年的好奇心和对科学的兴趣、信心与勇气，树立勇攀科学高峰的远大理想。在培养青少年严谨的逻辑思维、理性的质疑精神、灵巧的动手能力的同时，也要培养他们百折不挠的意志和攻坚克难的勇气。

提升高等教育阶段教学质量，一是要保证高等教育阶段基础学科的课时，为高等教育阶段的深度学习奠定基础，为创新型人才的培养提供保障；二是优化高等院校教师考评机制，提高教学在教师评价考核中的重要性，以提高教师在教学工作中的积极性，丰富课堂教学的创新性与探索性。三是优化大学数理化基础课程设置，要注重与人工智能、大数据等学科的交叉融合^[12]，在课程体系上实现差异化、个性化，建设适应社会发展的创新人才培养课程体系，尊重教育规律，实现“因材施教”，真正培养适应时代发展和国家战略需要的创新型人才。

① 本课题组通过电子邮件向744位中国科学院院士发送了调查问卷，最终收回了110份有效问卷。问卷设置了27个问题，主要包括三方面的内容：（1）院士背景特征、教育教学情况及其对自身学术成长经历的观点；（2）对基础教育至高等教育阶段我国数理化基础学科教育与人才选拔培养的现状和问题的看法；（3）未来我国数理化基础学科教育发展的需求、对策及建议等。文中针对院士的调查数据均来源于本项调查。