地域资源向科学教育课程转化的逻辑机理与实践范式——基于脑科学与教育生态学的县域探索
作者：赵睿 甘肃省酒泉市肃州区教育科学研究中心
摘要：在新时代科学教育“全域提质”与拔尖创新人才早期培育的双重诉求下，县域科学教育普遍面临“资源沉睡与课程匮乏、抽象知识与具象经验、学科壁垒与真实问题、城乡差距与教育公平”等方面的断裂性困境。本研究以甘肃酒泉县域为样本，融合脑科学“熟悉—联结—迁移”机制、认知负荷理论与教育生态系统理论，构建了“地域资源图谱化—教育元素提取—课程双螺旋设计—五维联动实施—生态化评价”五步闭环转化范式，并基于该范式形成“做中学、行中学、劳中学、数中学、跨中学”五位一体的科学育人路径。
关键词：地域资源；科学教育课程转化；脑科学；教育生态学；县域探索
新时代科学教育的核心使命已发生根本性转变。2023年，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，明确提出“强化区域特色资源开发”“推动科学教育与五育深度融合”，标志着我国科学教育正式进入以“全域育人、跨科育人、实践育人”为标志的高质量发展阶段。2025年，教育部等七部门进一步发布《关于加强中小学科技教育的意见》，首次在国家层面明确“中小学科技教育”的概念内涵，强调以学科融合重塑课程教学生态，围绕真实情境问题解决，采用项目学习、问题探究、任务驱动等方式，引导学生综合运用多学科知识解决问题。
一、县域科学教育的现实困境与破局
当前，科学教育理论政策与现实教育现象之间普遍存在“四重断裂”，严重制约着科学育人目标的实现。其一，资源沉睡与课程匮乏的断裂。广大县域地区拥有极为丰富的自然生态、重大科技工程以及独特的文化遗产。这些资源蕴含着巨大的科学教育价值，但由于缺乏标准化、系统化的课程转化路径，绝大多数优质资源长期游离于国家课程体系之外，成为“沉睡资本”。其二，抽象知识与具象经验的断裂。当前县域科学教育仍高度依赖课本讲授与黑板演示的教学模式，学生在学习“电磁感应”“光合作用”“牛顿第二定律”等核心科学概念时，因缺乏来自生活场景的具象经验支撑，其认知过程长期停留在符号记忆层面，导致知识内化困难、迁移能力薄弱。据酒泉市肃州区的调研显示，目前小学科学教师多为兼任教师，非理科背景教师占比较大，教学能力和科学素养亟待提升。其三，学科壁垒与真实问题的断裂。真实世界中的科学问题，如甘肃酒泉戈壁农业的节水技术优化、敦煌壁画颜料的化学保护，本质上是跨学科的，但县域学校的科学教育往往被固化为物理、化学、生物等孤立学科的知识拼盘，所谓“跨学科融合”多停留在形式化的主题活动层面，学生难以形成解决复杂问题的综合素养。其四，城乡差距与教育公平的断裂。
县域内的农村学校在科学教育资源、专业师资力量、实践探究载体等方面与城市学校存在巨大鸿沟，农村学校科学教育在实验教学和项目式教学方面存在明显短板。此外，实验资源和实验场地的匮乏也限制了实验课的开设。县域拥有丰富的科学教育资源，却无法转化为课程；拥有广阔的科学教育场景，却无法转化为经验；拥有现实生活中的生动问题，却无法转化为项目；拥有现实教育中的需求，却无法实现均衡发展。本研究系统构建一个从“资源”到“课程”再到“素养”的科学转化范式，通过脑科学的学习机制设计，激活地域资源的教育潜能，构建一个能够破解“四重断裂”的县域科学教育新生态。
二、脑科学、认知负荷与教育生态学的耦合机制
从神经教育学视角看，科学学习的本质并非信息的被动接收，而是大脑神经元网络通过经验进行的联结与重组。脑科学研究表明，学习动机的产生与维持深度依赖大脑的奖赏系统。当学习者接触到与其已有生活经验相关联的“熟悉”事物时，其大脑的腹侧被盖区会释放多巴胺，这不仅能给接收信息者带来愉悦感，更能显著降低因面对抽象、陌生知识而产生的认知焦虑，从而激发强烈的内在探究欲望。基于此，本研究提出“熟悉—联结—迁移”的动机激发路径。以甘肃酒泉为例，对于县域学生而言，酒泉卫星发射中心的航天科技、戈壁农业的滴灌系统、风光电等新能源的能量转换，都是高度“熟悉”的锚点。将这些具象的地域资源作为学习起点，去联结“反冲力”“生态系统”“流体力学”等抽象的科学概念，实质上是构建了一种高效应答的“认知脚手架”。这一过程能将外在的教学要求转化为内在的求知冲动，从根源上解决县域学生科学学习动力不足的问题，实现从“要我学”到“我要学”的根本转变。
认知负荷理论为评估教学有效性提供了一个精密的框架。该理论认为，学习效率取决于三种认知负荷的动态平衡：由信息呈现方式不当造成的外在负荷、由知识本身复杂度决定的内在负荷，以及促进图式建构与自动化的相关负荷。有效的教学旨在降低外在负荷、优化内在负荷、提升相关负荷。县域科学教育的一大痛点，在于抽象知识带来的高内在负荷与不当讲授方式带来的高外在负荷叠加，使学生认知超载。而地域资源的介入，提供了一条“降负增效”的优化路径。通过“实景、实物、实践”的三维呈现，抽象的科学原理变得直观可感，从而大幅降低外在负荷。更重要的是，学生在解决真实问题时，需要整合物理、地理、数学等多学科知识，这一过程正是在构建一个关于“能源系统”的复杂图式，极大地促进了相关负荷的生成。最终实现“抽象知识具象化、专业内容通俗化、课本知识本土化”，显著提升学习效率与远迁移能力。
教育生态系统理论强调，个体的学习与发展是其与周围环境——包括学校、家庭、社区、自然场域乃至数字空间持续互动的结果。将这一理论应用于县域科学教育，意味着必须超越单一的课堂视角，构建一个“资源—课程—实践—师资—评价”五位一体的协同育人系统。2025年发布的《关于加强中小学科技教育的意见》明确提出，到2035年“科技教育生态系统全面构建，社会资源支持机制不断健全，以实用场景为对象的项目式、探究式、跨学科教学方式普遍应用”。这为县域科学教育生态的系统构建提供了明确的国家政策导向。
在这个生态系统中，地域资源不再是孤立的素材，而是构成整个系统的能量来源（资源生态）；国家课程、地方课程与校本课程形成有机衔接的层级结构（课程生态）；课堂教学、校园活动、基地研学、家庭实践、社会参与构成贯通的行动链条（实践生态）；学校教师、科研专家、本土工匠、大学生志愿者构成多元协同的育人共同体（师资生态）。只有打通各子系统之间的壁垒，形成动态、开放、互惠的生态关系，才能从根本上破解城乡分割、学科孤立、学用脱节等痼疾，实现科学教育的系统性重塑。
三、地域资源课程化的“五步闭环”模型构建
基于上述理论耦合机制，本研究构建了从地域资源到科学课程转化的“五步闭环”操作模型。
转化的第一步，资源图谱化，对县域内沉睡的各类资源进行系统普查与教育学意义上“编码”。采用“实地调研—文献梳理—专家论证”三维筛选方法，对资源进行科学分类与价值评估。以甘肃酒泉为例，可构建如下资源图谱：科技资源包括酒泉卫星发射中心（对应物理“力与运动”、工程“系统设计”）和千万千瓦级风电基地（对应“能源与可持续发展”）；生态资源包括祁连山冰川与河流水系（对应地理“水循环”、气候“变化与影响”）和戈壁生态农业园区（对应生物“生物与环境”、化学“土壤成分分析”）；文化资源包括敦煌壁画中的颜料与绘制工艺（对应化学“物质变化”、材料科学）和长城与边塞军事工程（对应物理“简单机械”、历史“技术与工程”）。筛选标准包括：严格对标国家课程标准、具备教育实践的可操作性、体现鲜明的地域独特性、蕴含培养高阶思维的潜能。
第二步，教育元素提取，从图谱化的资源中系统提取可用于课程设计的核心教育元素，形成“五维”资源包：知识点（如卫星发射中的“反冲力”对应物理课标“力与运动”）、能力点（如设计戈壁农业灌溉实验，培养“变量控制与数据分析”的科学探究能力）、素养点（如探讨敦煌壁画修复中的伦理抉择，培养“科学伦理与社会责任”意识）、实践点（如制作简易风力发电模型）、劳动点（如参与戈壁作物的无土栽培劳动）。
第三步是课程化设计的核心，构建国家课程与地方资源深度融合的“双螺旋”结构，要通过三个层级实现：内容延伸——在国家课程固定章节中嵌入地域案例，如在教授物理“力的作用是相互的”时，引入“火箭在酒泉发射中心升空”的真实情境；活动拓展——开发与国家课程主题配套的实践手册，如结合生物“生物与环境”单元，编写《戈壁植物的生存智慧》校本实践手册；项目统整——设计超越单一学科的跨学科项目，如“基于敦煌壁画颜料来源与保护的化学分析”项目，融合化学分析、历史文献查阅、艺术鉴赏与保护伦理。
第四步，将设计好的课程通过五种渠道立体化落地：课堂渗透——将地域案例转化为课件、微课和探究性问题；校园实践——建立“航天模型社团”“戈壁农业无土栽培实验室”等实践平台；基地研学——与卫星发射中心、敦煌研究院等合作开发沉浸式课程；家庭劳动——设计“家庭节水方案设计”“阳台微型生态系统构建”等任务；数字云端——建设VR实景课堂和云端实验室，让偏远农村学校学生也能身临其境。
第五步，评价反馈，构建一个超越纸笔测试的生态化评价体系：过程性评价——通过学生撰写的实践记录、实验报告、研学日志，评估其探究过程的投入度与思维轨迹；表现性评价——通过“戈壁智慧灌溉系统模型”“卫星发射模拟装置”等项目成果，评估学生的工程设计、问题解决和协作创新能力；增值评价——通过前后测对比，追踪学生在科学兴趣、探究能力、城乡差距等维度上的“净增长”，验证范式的实效性。评价结果反过来指导资源图谱的更新与课程设计的优化，形成闭环。
四、“五位一体”科学育人体系构建
基于上述范式，依据脑科学原理和县域实践探索，系统构建“做中学、行中学、劳中学、数中学、跨中学”五位一体育人路径。
通过“做中学”，激活运动知觉脑区的实践活动设计。依据脑科学中“动作—认知”的联动原理，动手操作能强烈激活顶叶运动皮层与前额叶执行功能区的协同活动，促进程序性记忆的形成。以甘肃酒泉为例，通过系统设计五类“做中学”活动：观察（戈壁植物叶片超微结构）、实验（探究不同覆盖物对土壤保水性的影响）、制作（用废旧材料制作水火箭）、工程（设计抗风沙的桥梁模型）、劳动（组装简易滴灌套件），学生在动手操作中，科学概念不再是抽象的符号，而是可触摸、可操作的实体，知识的内化效率显著提升。
通过“行中学”，深化情境认知的研学感悟。“行中学”将课堂“搬”到真实的科学发生地，是基于情境认知理论的实践。在酒泉卫星发射中心，学生通过翔实的史料与实物，学习“两弹一星”精神，并将物理课本上的“牛顿定律”与火箭发射的震撼场景联系起来。在敦煌莫高窟，学生跟随保护专家，在洞窟中实地学习壁画褪色与盐害的化学机理。这种沉浸式的、充满情感共鸣的学习体验，能同时激活大脑的认知与情感网络，使知识建构与价值塑造同步完成。
通过“劳中学”，促进劳动与科学探究的深度融合。将劳动教育与科学探究深度融合，开发“科技劳动”课程模块。例如，在学校的戈壁农业实践基地，学生不仅进行种植、采摘等传统劳动，更要承担“科学家的角色”：设计对比实验，测试不同配比的营养液对番茄生长的影响；记录数据，分析光照时长与结果率的关系。这种“劳中学”，将“汗水”与“智慧”结合，培育了学生尊重科学、热爱劳动、勇于创新的综合素养。
通过“数中学”，突破数字场域的认知边界。为解决城乡资源不均的难题，可以通过VR技术大力构建数字教育场域。农村学校的学生可以“走进”卫星发射指挥中心，模拟火箭发射的完整流程；通过云端实验室，他们可以与城市学生同步操作“戈壁生态模拟”实验。数字技术打破了物理时空的壁垒，使优质科学教育资源得以低成本、高效率地覆盖全域，为教育公平提供了强有力的技术杠杆。
通过“跨中学”，生成真实问题驱动的项目式学习。“跨中学”是实现从知识到素养跃升的关键，以本地的真实挑战为核心，设计跨学科项目学习任务。例如，以“优化我校戈壁农业温室大棚的能源方案”为项目主题，学生需要融合物理（太阳能光电转换效率计算）、数学（数据统计与成本效益分析）、生物（作物生长光照需求曲线）、地理（本地光照资源评估）等多学科知识，最终形成一个包含数据、模型和可行性报告的综合性解决方案。这类项目直指高阶思维与复杂问题解决能力的培养，是拔尖创新人才早期培育的核心载体。
五、县域科学教育生态的系统重塑与成效
在资源供给层面，通过建立“县域科学教育资源转化中心”，负责资源的持续普查、评估、课程化开发与更新。同时，依托智慧教育云平台，将所有转化后的课程包、教案、VR资源、数字模型向学校免费开放，从机制上保障资源的均衡供给。
在课程生态层面，实现三级课程协同实施。国家课程层面，所有地域案例的嵌入都严格对标并服务于国家课程标准的达成；地方课程层面，开发系列地方教材，系统化呈现科技、生态、文化中的科学；校本课程层面，鼓励各校特别是农村小规模学校开发“校园周边一公里科学”“我的家乡物候观测”等“微课程”，实现个性化育人。可以探索构建“启蒙—探究—创新”三阶课程体系，每阶段贯彻“情境创设—问题驱动—实践验证—迁移应用”四步教学法，形成螺旋上升的育人阶梯。
在师资队伍层面，打破“教师即学校教师”的单一观念，组建多元协同的师资团队，包括接受专项培训的学校科学教师、来自高端科技企业的工程师、文物保护专家、本地非遗传承人以及高校的理工科大学生志愿者。通过“双导师制”和“联合教研”，极大丰富学生的“专家”榜样资源，激发学生的职业向往与科学志趣。
在拔尖创新人才早期培育层面，设计清晰的递进式路径，包括基础层（面向全体，通过“五维联动”激发兴趣）→拓展层（通过社团、兴趣小组开展“高真实度任务”）→挑战层（通过跨学科项目式学习开展“高阶思维项目”）→个性化层（为有特殊潜质的学生提供数字化培养与校外导师一对一指导）。
研究证实，县域科学教育的变革，不仅是教育资源的重新配置，更是育人方式的深层变革。地域资源向科学教育课程的转化，其本质以地域资源为起点，以课程转化为核心，以脑科学为机理，以教育生态学为框架，将认知科学原理与课程开发技术深度融合，推动脑科学机制在教育实践中系统落地。
（作者赵睿系甘肃省酒泉市肃州区教育科学研究中心党支部书记、主任，高级教师）
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