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进入21世纪后，我国的科学教育尤其是基础教育阶段的科学教育越发得到重视，科学教育理论得到了较大的发展。当前对科学教育有重要影响的理论研究主要有关注科学素养、关注科学实践、关注概念转变、关注学习进阶、关注脑科学研究等多个方面。
关注科学素养
在知识社会里，每一位公民都需要具有一定的科学素养，提高公民科学素养最有效的渠道是科学教育。学校的科学教育不是为了培养某些精英和科学家，而是要面向全体学生。为了提高公民的科学素养，各国相继推出了本国的科学教育课程方案。我国2001年的科学课程标准指出，小学科学课程是以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程，首次将培养学生的科学素养作为课程总目标。
在科学教育中培养科学素养的措施一般包括课程体系、教学方法等方面。例如，改革传统的以系统科学知识为中心的科学课程体系，增加与人类生活密切相关的现实问题，打破学科界限，朝着综合化方向发展;改革传统的以传授科学知识为中心的教学模式，确立以学习者为中心的教育理念，引导学生亲自观察、亲身体验，不断培养学生的科学兴趣和科学探索能力;引导学生就感兴趣的现实问题开展广泛的课堂讨论，培养学生解决问题的能力和关心人类社会的品质;开展丰富的课外科技活动，引导学生设计实验、走进大自然、进行科学调查、开展科普阅读、参观科技展馆等，培养他们的科学實践能力。
随着对科学素养理解的深入，研究者开始关注对科学本质的理解。在科学教育领域，研究者普遍认为，学生对科学本质的认识反映了学生的科学观，是科学素养的重要组成部分。教师要理解科学本质，提高自身科学素养，这样才能引导学生理解科学本质，提高科学素养。
关注科学实践
在21世纪初的我国理科各科课程标准中，科学探究受到普遍重视。科学探究不仅被作为重要的理念强调，还被列入课程目标和内容标准之中，作为必须实施的内容要求。
由于学生的探究式学习本质上与科学家的科学探究有相似之处，因此，在提到科学探究的含义时，研究者们常引用美国《国家科学教育标准》中的表述，即科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式，科学探究也指学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动。
探究式学习是学生从问题或任务出发，通过形式多样的探究活动，以获得知识和技能、发展能力、培养情感体验为目的的学习方式。对于科学探究的环节，研究者有多种概括方法，如提出问题、收集证据、分析与解释、交流与质疑、结论与拓展。这种将科学探究过程分解成固定的、按部就班的、可供个体效仿的步骤，使得课堂教学具有了固定模型，让许多课堂教学变成了传授和套用步骤，失去了“自主探究”。
2011年提出了科学实践的概念，与科学探究不同的是，科学实践选定了八项能够促进学生理解学科核心概念的核心要素，分别为：提出问题，建立和使用模型，设计和实施调查研究，分析和解释数据，利用数学和计算思维，建构解释，基于证据进行论证，获取、评估和交流信息。这些科学实践活动要求课堂教学不再以固定的方式进行，改变了之前的教学模式。科学实践强调学生自主探究，从问题的提出到结论的得出往往要求学生自己进行。
关注概念转变
国际上，概念转变的研究始于20世纪70年代，随着研究的深入，研究成果开始涌现。1982年，康奈尔大学的四位教授提出了“概念转变模型”，对科学教学产生了重要影响。为了适应21世纪科学教育改革的需要，我国学者开始关注概念转变理论。有研究者指出，按照英文原意，用“观念转变”一词更为贴切。因此在相关文章中，有的用概念转变，有的用观念转变。
建构主义学习理论认为，学生原有的知识经验对学习新知识有重要的作用。学生带着已有的概念走进课堂，这些概念有时与公认的科学概念相悖，并具有顽固性，不易通过传统的教学方式消除，这些概念又被称为科学前概念。研究者将影响概念转变的因素形象地比喻为概念生态圈。概念转变研究旨在揭示儿童错误的概念，发现影响其转变的因素和转变的规律，运用有效的方法将科学前概念转变为正确的科学概念。
概念转变理论对科学教学具有重要的指导意义。根据概念转变理论，在科学教学中要珍视学生的科学前概念，从学生的已有认知出发，通过顺应的过程，实现概念转变和知识的建构。由于学生科学前概念主要是建立在直接经验基础上，因此需要为学生创造亲历探究的机会和条件，让他们发现已有经验与事实之间的矛盾之处，引发认知冲突，促使其审视、反思并修正自己的经验和认识，从而建构更为科学的新解释、新概念。
概念转变理论为科学课程开发提供了依据。根据概念转变理论，学生的学习不再是被动接受知识的传递，课程不再是一些待学习的东西，而是促使学生重新建构概念的一系列学习活动、材料和资源。因此，在我国21世纪的科学课程教材设计中，试图发现和理解学生对所面临问题的看法，了解和分析每个学生都知道了什么、关心什么、能做什么、想做什么，并在此基础上，创设一定的情境，引发认知冲突，促使学生思考，重新调整和不断完善他们的想法。
关注学习进阶
2005年，学习进阶这个概念首次被提出，但直到现在学界对于学习进阶的定义尚不明确，有研究者这样概括：学习进阶是学生关于某一核心知识及相关技能、能力、实践活动在一段时间内进步、发展的历程，表现为特定知识、技能和能力的潜在发展序列。学习进阶的思想认为学习是一种不断积累、发展的过程，学生对核心概念的理解不是一蹴而就的，而是需要经过许多个不同的中间水平，在一定的时间范围内，依靠恰当的教学策略，学生对这一核心概念的理解和运用便会逐渐发展、不断成熟，而这种发展变化也绝非简单的线性、单维度的，而是多种因素相互联系、相互作用的结果。
学习进阶的起点是指学生已有的经验和知识，终点则多为社会对学生的期望，在两者之间存在的多个中间水平是在大量实证研究基础上归纳而成的，主要用于描述学生对核心概念的理解是如何不断发展的。学习进阶具有以学科融合为背景、以核心概念为中心、以实证研究为基础、强调进阶途径多样性等特点。 关注脑科学研究
2002年，东南大学学习科学研究中心在我国最先开展神经教育学研究，这也使我国成为最早研究神经教育学的国家之一。2003年，国际脑、心智、教育学会正式成立，成为神经教育学诞生的标志。之后，神经教育学迅速发展，已经成为公认的21世纪教育发展的重要方向。神经教育学是基于实证的、以解决问题为宗旨的实践性很强的应用科学，它的研究以清晰的、基于实证的论据提出了一些鲜明的观点，对于科学教育具有重要的指导意义。
我们已经知道，脑是学习的基础。脑科学研究发现：大脑是一个动态器官，具有可塑性，很大程度上是由经验塑造的。从出生到青春期结束以前，特别是儿童发育早期，人脑的可塑性最好。在脑的发育过程中还存在儿童形成某种能力比较容易甚至是关键的时期，这就是现代科学家和教育家们十分关注的最佳发展期。从这个意义上讲，人的发展基础主要在儿童时期就奠定了。例如，良好的社会情绪能力需要在儿童时期就打好基础。社会情绪能力包括正确地评价自己、调节自己的情绪、激励自己、能了解别人的情感、善于处理人际关系等方面。人过得快乐不快乐，都取决于这些方面。“做中学”科学项目将社会情绪能力作为培养目标，并在课堂教学中加以实施，收到了明显效果。
婴儿和儿童的学习是演算式的，他们的大脑具有很强的演算能力，能够将他们的经验自动通过统计式的演算形成有结构的认识模型。因此，所有年幼的儿童都具有学习语言、数学和科学的智力。在他们进入学校以前，已经有了对自然界的丰富认知，具有因果推理能力，并且可以在真实和不真实的知识之间进行分辨。换句话说，儿童进入学校时，已经具有以认真的态度学习科学的认知能力。因此，儿童很早就可以接受科学教育。
学习是社会性的。儿童的学习具有共同关注、移情理解等特点，他们能够关注和模仿他人做的事情。观察和模仿专家是一个有效的社会化学习方式。社会化的情境能够刺激儿童的学习，同时对人的终生学习也是非常重要的。科学教师作为教学的组织者、引导者，对学生的学习具有重要的影响。除此之外，同伴之间的共同合作、相互学习也非常重要。
脑的学习与感知区域和行为区域都有联系，大脑皮质的活化与情绪记忆有很大的关系。因此，激发并培养学生对科学的兴趣，有利于他们产生深刻的印象，从而增强记忆力。
以上是当前我国科学教育领域的一些主要理论，在这些理论的指导下，当前的科学教育更加关注学生的科学素养的综合发展，强调知识的综合和跨领域的合作，一些教學模式，如项目式学习（PBL）、STEM教育或STEAM教育等在课堂教学得到了推广运用。践行这些教育理论对科学教师也提出了更高的要求，科学教师不仅要关注科学学科知识和能力的提升，还要关注其他学科的学习，更加注重科学学科的综合性和知识的迁移应用。
人民教育出版社课程教材研究所（100081）
关注科学素养
在知识社会里，每一位公民都需要具有一定的科学素养，提高公民科学素养最有效的渠道是科学教育。学校的科学教育不是为了培养某些精英和科学家，而是要面向全体学生。为了提高公民的科学素养，各国相继推出了本国的科学教育课程方案。我国2001年的科学课程标准指出，小学科学课程是以培养科学素养为宗旨的科学启蒙课程，首次将培养学生的科学素养作为课程总目标。
在科学教育中培养科学素养的措施一般包括课程体系、教学方法等方面。例如，改革传统的以系统科学知识为中心的科学课程体系，增加与人类生活密切相关的现实问题，打破学科界限，朝着综合化方向发展;改革传统的以传授科学知识为中心的教学模式，确立以学习者为中心的教育理念，引导学生亲自观察、亲身体验，不断培养学生的科学兴趣和科学探索能力;引导学生就感兴趣的现实问题开展广泛的课堂讨论，培养学生解决问题的能力和关心人类社会的品质;开展丰富的课外科技活动，引导学生设计实验、走进大自然、进行科学调查、开展科普阅读、参观科技展馆等，培养他们的科学實践能力。
随着对科学素养理解的深入，研究者开始关注对科学本质的理解。在科学教育领域，研究者普遍认为，学生对科学本质的认识反映了学生的科学观，是科学素养的重要组成部分。教师要理解科学本质，提高自身科学素养，这样才能引导学生理解科学本质，提高科学素养。
关注科学实践
在21世纪初的我国理科各科课程标准中，科学探究受到普遍重视。科学探究不仅被作为重要的理念强调，还被列入课程目标和内容标准之中，作为必须实施的内容要求。
由于学生的探究式学习本质上与科学家的科学探究有相似之处，因此，在提到科学探究的含义时，研究者们常引用美国《国家科学教育标准》中的表述，即科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据做出解释的各种方式，科学探究也指学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动。
探究式学习是学生从问题或任务出发，通过形式多样的探究活动，以获得知识和技能、发展能力、培养情感体验为目的的学习方式。对于科学探究的环节，研究者有多种概括方法，如提出问题、收集证据、分析与解释、交流与质疑、结论与拓展。这种将科学探究过程分解成固定的、按部就班的、可供个体效仿的步骤，使得课堂教学具有了固定模型，让许多课堂教学变成了传授和套用步骤，失去了“自主探究”。
2011年提出了科学实践的概念，与科学探究不同的是，科学实践选定了八项能够促进学生理解学科核心概念的核心要素，分别为：提出问题，建立和使用模型，设计和实施调查研究，分析和解释数据，利用数学和计算思维，建构解释，基于证据进行论证，获取、评估和交流信息。这些科学实践活动要求课堂教学不再以固定的方式进行，改变了之前的教学模式。科学实践强调学生自主探究，从问题的提出到结论的得出往往要求学生自己进行。
关注概念转变
国际上，概念转变的研究始于20世纪70年代，随着研究的深入，研究成果开始涌现。1982年，康奈尔大学的四位教授提出了“概念转变模型”，对科学教学产生了重要影响。为了适应21世纪科学教育改革的需要，我国学者开始关注概念转变理论。有研究者指出，按照英文原意，用“观念转变”一词更为贴切。因此在相关文章中，有的用概念转变，有的用观念转变。
建构主义学习理论认为，学生原有的知识经验对学习新知识有重要的作用。学生带着已有的概念走进课堂，这些概念有时与公认的科学概念相悖，并具有顽固性，不易通过传统的教学方式消除，这些概念又被称为科学前概念。研究者将影响概念转变的因素形象地比喻为概念生态圈。概念转变研究旨在揭示儿童错误的概念，发现影响其转变的因素和转变的规律，运用有效的方法将科学前概念转变为正确的科学概念。
概念转变理论对科学教学具有重要的指导意义。根据概念转变理论，在科学教学中要珍视学生的科学前概念，从学生的已有认知出发，通过顺应的过程，实现概念转变和知识的建构。由于学生科学前概念主要是建立在直接经验基础上，因此需要为学生创造亲历探究的机会和条件，让他们发现已有经验与事实之间的矛盾之处，引发认知冲突，促使其审视、反思并修正自己的经验和认识，从而建构更为科学的新解释、新概念。
概念转变理论为科学课程开发提供了依据。根据概念转变理论，学生的学习不再是被动接受知识的传递，课程不再是一些待学习的东西，而是促使学生重新建构概念的一系列学习活动、材料和资源。因此，在我国21世纪的科学课程教材设计中，试图发现和理解学生对所面临问题的看法，了解和分析每个学生都知道了什么、关心什么、能做什么、想做什么，并在此基础上，创设一定的情境，引发认知冲突，促使学生思考，重新调整和不断完善他们的想法。
关注学习进阶
2005年，学习进阶这个概念首次被提出，但直到现在学界对于学习进阶的定义尚不明确，有研究者这样概括：学习进阶是学生关于某一核心知识及相关技能、能力、实践活动在一段时间内进步、发展的历程，表现为特定知识、技能和能力的潜在发展序列。学习进阶的思想认为学习是一种不断积累、发展的过程，学生对核心概念的理解不是一蹴而就的，而是需要经过许多个不同的中间水平，在一定的时间范围内，依靠恰当的教学策略，学生对这一核心概念的理解和运用便会逐渐发展、不断成熟，而这种发展变化也绝非简单的线性、单维度的，而是多种因素相互联系、相互作用的结果。
学习进阶的起点是指学生已有的经验和知识，终点则多为社会对学生的期望，在两者之间存在的多个中间水平是在大量实证研究基础上归纳而成的，主要用于描述学生对核心概念的理解是如何不断发展的。学习进阶具有以学科融合为背景、以核心概念为中心、以实证研究为基础、强调进阶途径多样性等特点。 关注脑科学研究
2002年，东南大学学习科学研究中心在我国最先开展神经教育学研究，这也使我国成为最早研究神经教育学的国家之一。2003年，国际脑、心智、教育学会正式成立，成为神经教育学诞生的标志。之后，神经教育学迅速发展，已经成为公认的21世纪教育发展的重要方向。神经教育学是基于实证的、以解决问题为宗旨的实践性很强的应用科学，它的研究以清晰的、基于实证的论据提出了一些鲜明的观点，对于科学教育具有重要的指导意义。
我们已经知道，脑是学习的基础。脑科学研究发现：大脑是一个动态器官，具有可塑性，很大程度上是由经验塑造的。从出生到青春期结束以前，特别是儿童发育早期，人脑的可塑性最好。在脑的发育过程中还存在儿童形成某种能力比较容易甚至是关键的时期，这就是现代科学家和教育家们十分关注的最佳发展期。从这个意义上讲，人的发展基础主要在儿童时期就奠定了。例如，良好的社会情绪能力需要在儿童时期就打好基础。社会情绪能力包括正确地评价自己、调节自己的情绪、激励自己、能了解别人的情感、善于处理人际关系等方面。人过得快乐不快乐，都取决于这些方面。“做中学”科学项目将社会情绪能力作为培养目标，并在课堂教学中加以实施，收到了明显效果。
婴儿和儿童的学习是演算式的，他们的大脑具有很强的演算能力，能够将他们的经验自动通过统计式的演算形成有结构的认识模型。因此，所有年幼的儿童都具有学习语言、数学和科学的智力。在他们进入学校以前，已经有了对自然界的丰富认知，具有因果推理能力，并且可以在真实和不真实的知识之间进行分辨。换句话说，儿童进入学校时，已经具有以认真的态度学习科学的认知能力。因此，儿童很早就可以接受科学教育。
学习是社会性的。儿童的学习具有共同关注、移情理解等特点，他们能够关注和模仿他人做的事情。观察和模仿专家是一个有效的社会化学习方式。社会化的情境能够刺激儿童的学习，同时对人的终生学习也是非常重要的。科学教师作为教学的组织者、引导者，对学生的学习具有重要的影响。除此之外，同伴之间的共同合作、相互学习也非常重要。
脑的学习与感知区域和行为区域都有联系，大脑皮质的活化与情绪记忆有很大的关系。因此，激发并培养学生对科学的兴趣，有利于他们产生深刻的印象，从而增强记忆力。
以上是当前我国科学教育领域的一些主要理论，在这些理论的指导下，当前的科学教育更加关注学生的科学素养的综合发展，强调知识的综合和跨领域的合作，一些教學模式，如项目式学习（PBL）、STEM教育或STEAM教育等在课堂教学得到了推广运用。践行这些教育理论对科学教师也提出了更高的要求，科学教师不仅要关注科学学科知识和能力的提升，还要关注其他学科的学习，更加注重科学学科的综合性和知识的迁移应用。
人民教育出版社课程教材研究所（100081）