江苏省中小学生实验能力大赛自2022年启动，由江苏省教育厅主办，旨在落实国家关于加强实验教学的部署要求，解决部分学校实验课程开设不足、器材配置不完善等问题，推动基础教育育人方式改革。活动覆盖小、初、高全学段及科学、物理、化学、生物学全学科的竞赛设计（如笔试、实验操作、团队合作等环节），通过结合生活化命题和AI智能考评技术，激发学生科学探究兴趣，培养逻辑思维、实践能力和团队合作精神。笔者着重剖析近三年的小学科学实验操作题，通过参赛学生的回忆，勾勒出操作技能总决赛试题的大致轮廓：实验技能决赛卷共由五道赛题组成，其中两题是根据教材中的科学概念及其相关活动组织的基础实验题，其他三题是指向课程内容要求和学生实践技能发展的进阶题，基础题与进阶题的分数配比约为3∶7。赛题的选编和设计整体体现出“知识应用的创造性转化”“借助仪器的探究创新”“跨学科的综合实践”“科学概念的深度建构”等价值追求和测评导向，呼应了“双减”背景下聚焦核心素养发展的教改诉求
［1-2］。五道题均通过真实任务的设计，将认知发展规律与科学学习目标深度融合，展现了从“知识导向”向“素养导向”转型的科学教育实践路径
［3］。
1 试题解析
以“声音发报机”一题为例，此题需要学生利用提供的器材，应用简单电路的知识实现“声音发报机”原型的设计和制作，并借助摩斯电码表完成发送“参赛号”的任务。要解决“信息加密传输”这一真实任务，学生不仅需要调动有关电的学科概念，将电路知识迁移到实际问题的解决中，驱动知识的创造性转化，还需要通过阅读摩斯电码表，理解电码符号的声学转换，并结合电码规则设计编码，最终实现物理现象向技术工具的跃迁。“声音发报机”这题将“闭合电路工作”“声音信号化”等抽象原理转化为解决“信息传输”问题的技术工具，打破知识与应用间的割裂，融合科学的简单电路、信息技术的编码逻辑、语文的文本理解等多学科知识与能力，让学生在真实任务中体会学科间的内在关联。从“建立电路模型”到“编码规则设计”，再到“加密传输实现”，形成“原理理解→工具建构→功能创新”的高阶思维链。
而“测定饮料色素与含糖量”一题，则凸显了科学仪器作为认知中介的独特价值。试题要求学生通过“文本资料”的阅读，了解手持折光仪和色母片的使用方法、原理及其反馈数据的意义。学生需使用从阅读中获取的信息和方法，借助探测“饮料色素与含糖量”的实践，完成对物质相关性质的探究。其中，饮料的色素含量通过色母片被染色的程度定性描述，而饮料的含糖量则根据折光仪反馈的折射率数据定量描述。对于“测定饮料色素与含糖量”这一题，学生通过阅读资料、操作陌生仪器、结合探究实践完成认知任务，其价值在于构建了一个从“信息理解”到“技术迁移”再到“认知生成”的学习闭环。此外，探究过程还考查了学生从非连续文本——说明书提供的大量碎片化信息中提取关键内容，并转化成实验方法、条件、变量进行实验设计和探究的能力。此题有利于学生建构“物质特性—光学现象—量化检测”的认知模型，这种使用“陌生科学仪器”进行探究的设计策略，既避免了传统实验教学对工具属性的片面强调，又通过探究设计过程中的新工具、新仪器激活了学生的高阶思维。
更具突破性的是“弹簧秤设计与制作”这一项目式跨学科合作实践题，在双人合作完成此题时，第一步需要设计实验，从冗余的弹簧材料组中筛选出合适的弹簧。在这个过程中，学生要调用弹簧伸长量与拉力之间的线性关系（胡克定律），应用控制变量法，设计通过改变悬挂重物来观察弹簧伸长量变化的实验，并依据实验数据选择弹性性能和目标量程都适合的弹簧。第二步是制作弹簧秤和称量给定重物。在这个过程中，学生先基于题干给出的弹簧秤图片，设计和绘制弹簧秤结构图，并标注弹簧、指针、挂钩、刻度盘等关键部件；再按图制作，精准装配各部件，并利用提供的质量标准件（钩码）综合弹簧的变化量进行刻度的标注；最后称量给定重物后，还需要通过题目中给出的“误差公式”将弹簧秤测量到的数据与用标准仪器“电子秤”测得的数据进行误差计算与分析，评估自己的产品。第三步，通过题干明确要求学生反思整个事件中的团队协作，回溯“弹簧选择→制作→标定→误差分析”的完整系统，理解各环节的关联性。此题综合应用胡克定律、结构设计与误差分析等多学科知识，经历“原型设计—数据校准—功能优化”的工程实践流程，在真实问题和任务的解决中实现知识的整合、能力的贯通和素养的内化。
三例“进阶题”整体勾勒出“真实问题驱动—工具认知升级—跨学科整合—概念深度建构”的试题测试框架，展现了教育测评反向助力“素养生长”的可能性——测试评价不再是教学的终点，而成为认知方式转变的起点。这种试题设计范式既能为破解“减负提质”提供可复制可借鉴的实践样本，也能让“创中学”的素养育人目标真正照进科学教育的现实
［4］。作为此项赛事的辅导员和活动管理者、组织者，既深深折服于出题专家通过赛题所展现出的对科学及科学教育的深刻理解，也感怀于赛题传导出的创新科学教育的路径参考价值。结合新一轮课改，联系教育教学及管理中的思考，可获得诸多启发。
2 操作能力是人类智能核心组成的基础
受儒家思想及东方文化长期浸润，我国社会普遍存在“君子不器”“劳心者治人，劳力者治于人”的观念。传统智力理论也将语言、逻辑能力视为智力的核心，而将动手操作能力归为“低阶技能”。加德纳的多元智能理论认为，动手操作属于肢体动觉智能（Bodily-Kinesthetic Intelligence）的范畴，是组成智能的核心维度
［5］，也是人类认知发展、知识建构与创新实践的基础性智能形态。
人类通过身体动作感知世界并表达思想。任何有意识的动作和技能都是大脑运动皮层、小脑与认知系统协同作用的产物。神经科学研究表明，手指精细动作训练可激活顶叶皮层与前额叶，显著提升空间推理与问题解决能力。认知心理学的发展也指出：思维并非纯粹的大脑活动，而是通过身体与环境的互动产生的
［6］，身体经验是思维形成的基础，抽象概念往往通过身体经验形成“隐喻”才能被真正理解
［7］。天平称重时的“平衡感”和“方程”左右两边的等价关系，就是借助实物操作形成的动作图式转化为形式运算的具体实例。因此，身体动作是抽象概念建构的生理锚点。
小学阶段是肢体动觉智能发展的黄金窗口期，此阶段儿童小脑突触密度是成人水平的150%，动作学习效率也到达一生峰值。此阶段学生通过感觉建立物理世界的因果关系，实验操作可以将符号化知识转化为可感知的现象。如通过组装电路理解“闭合回路”中的电流。又如“蒸发吸热”规律可转化为用湿布擦拭黑板后的温度下降现象。在非认知层面，实验操作中的小组分工协作能促进合作与沟通，而实验失败除了可以促使学生调整方案、迭代优化之外，还能锻炼学生直面失败的勇气。
将学生的实验操作能力视为智能的核心组成部分，是教育从“知识本位”向“素养本位”转型的关键因素。学生，特别是小学生的学习，不应人为将“动手”与“动脑”进行二元割裂。科学实验作为肢体动觉智能培养的天然载体，实践操作既可以成为儿童认知世界的“探针”，也是科学思维生长的“土壤”。只有真正承认并形成“动手操作能力是人类智力核心组成”的教育共识，将肢体动觉智能纳入核心素养的培养框架，才能破除“纸上做科学”的窠臼，在减负增效中真正培育符合未来社会需求的具有科学素养的人。当小学生在显微镜调焦中感受指尖震颤与成像清晰的因果关系时，他们不仅在学习科学知识，更在重塑大脑的智能结构。这种通过科学实验培养的肢体动觉智能，将孕育出新一代“手脑共生型”创新者——他们既能在测序仪的支持下完成基因图谱的绘制，也能在量子计算中实现思维跃迁。这不仅是教育目标的升级，更是对人类认知本质的回归：智能从来不是脱离身体的抽象存在，而是身体与世界对话的艺术。
3 基于“课标”选编试题是撬动教育转向的核心杠杆
我国教育评价体系深受“知识本位”观念影响，试题设计多聚焦于知识点的记忆与复现，如回忆知识、公式，套用解题模板、过程等。这种“记忆竞赛”的命题主旨与“素养导向”的教育要求形成鲜明冲突——“核心素养”的发展，需要知识在真实情境中通过解决问题实现迁移、应用和创造性转化。显然，知识本位下的“记忆竞赛”已经不能适应素养本位下的“问题解决”。
3.1 教材依赖型试题带来负担熵增
基于教材内容选编试题进行纸笔测试是当前小学科学教学评价的主流模式。教材是知识的静态载体，其内容编排以学科逻辑为主导，基于教材内容选编和设计试题天然倾向于考查教材内容和知识点的覆盖率。叠加传统评价体系中强调知识的准确记忆和复现要求，教材依赖型试题折射出当前科学教学试题评测的多重困境：一是情境割裂——教材内容的滞后常常带来脱离真实问题的情境，这种割裂导致知识沦为孤立符号，学生难以建立知识与现实世界的关联；二是迁移抑制——强调知识准确复现的试题设计，天然排斥跨学科、跨情境的应用；三是效率悖论——为达到“记忆竞赛”形式下的“考点全覆盖”和“高分普遍化”，教师不得不布置大量由教材内容衍生的同质化习题，并进行低效重复机械训练。在短期考分提高的表象中，低质训练导致边际效益递减的事实往往被掩盖。神经科学研究表明，同类型重复训练会降低前额叶皮层（负责高阶思维的区域）的激活强度，使学习行为逐渐进入“自动化反应”状态
［8］。这意味着，看似高效的题海战术实则反而抑制了深度理解与创新思考。“知识覆盖导向”与“机械训练依赖”是造成学生高负担的显性成因，其隐性推手实为“知识本位”下以“记忆”为考查重点的命题导向。基于教材选编试题的命题模式选择，深层次地展现了工业时代教育思维中将学生视为知识容器、用训练强度代替认知深度的遗存，并最终形成“教材知识点→标准答案→考试分数”的闭路循环。
3.2 课标引领型试题重塑评教迭代
在“双减”政策全面推进的背景下，教育评价改革面临既要减轻学生过重学业负担、又要保障核心素养有效落地的双重使命。基于《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称课标）的试题选编，能为破解“减负提质”难题提供有效实现路径，即通过核心概念与素养目标和认知规律的整合，引领评价与教学的逻辑重构。以课标为锚点、以素养为内核的课标引领型试题，让学生不仅收获知识，也能获得探究精神与创新自信。课标引领型试题依托开放的任务，要求学生分析核心概念，自主建构知识网络，为透过现象发现本质规律提供契机，试题不但起到评测的作用，更为认知提供了“透镜”与“脚手架”。试题创设的真实问题情境能引领学生从知识的被动接收者，转变为问题的主动解决者和方案的创新设计者。在主动解决真实问题的过程中，学生收集与分析数据的时长显著增加，方案迭代的次数和跨学科知识调用的频次明显增加，学生的系统思维与创新意识悄然发展，知识内化为可迁移的素养。
课标引领型试题能带领教师走出教材“舒适区”，摒弃将学生视为知识容器的工业模式，并重塑教师的角色，实现从“知识传递者”到“认知支架搭建者”的转变。同时，该类试题能带动测试评价从“知识点的机械复现”向“核心素养的动态生成”转向，评价便不再是教学的终点，而是教育的起点。这种“以评定教”的实践，实质是通过评价试题的科学化设计，倒逼教育者重新审视“何谓真正有价值的学习”，它要求教师放下“追赶进度”的焦虑，转而关注学生面对复杂问题的思维跃迁。这或许正是“以评定教”最深刻的启示：好的评价不应让学生害怕犯错，而应让他们渴望探索。
4 跨学科实践是实现学习方式变革的关键路径
从芬兰的现象教学到美国的STEAM课程，从新加坡的跨学科主题式学习到我国的“双减”课堂重构，全球课堂正经历一场从“解题能力”向“问题解决力”转向的学习变革。
4.1 碎片化学习制造的多重割裂
学科逻辑与生活逻辑的背离，使传统学习方式深陷“学科、知行、学评”的多重割裂。“学科”割裂让知识沦为碎片，上一节课学生说“电路的闭合与断开可以控制蜂鸣器发声与否”，下一节课却依然不会运用“闭合与断开”控制蜂鸣器声音的时长与间隔进行信息的传递；“知行”割裂让知识变为脱离现实行动的符号游戏，调查显示：一线教师承认探究活动的价值，却依然有绝大多数教师经常压缩探究活动的时间以追赶进度；“学评”割裂让考试分数异化为衡量教育质量的唯一标尺，教师不得不以标准答案追求认知的统一，而学生则在机械重复中渐渐失去创新的勇气。当分科教学将知识切割为碎片，机械训练将思维固化为线性的解题程序时，学生便沦为马尔库塞笔下的“单向度的人”。
4.2 跨学科实践引发的学习跃迁
（1） 跨学科学习的学理支撑。跨学科实践的力量，源于学习科学对认知和学习本质的进一步理解。认知科学揭示，人脑对孤立知识的遗忘曲线呈指数级下降，但对情境化问题的记忆留存却能长时间保持。社会建构主义证实：在跨学科项目的实施过程中，不仅学生的协作效率获得提升，还能重构教学关系的生态，形成“学习共同体”
［9］。
（2） 跨学科实践的整合路径。跨学科实践从理念落地为素养生长的土壤，还需规避成为学科“拼盘”的可能。跨学科实践止步于学科知识的简单叠加和拼接，会让学习项目沦为一盘看似琳琅满目，实则缺乏深度联结和融合的认知“拼盘”。破解之道在于用大概念锚定任务、用关键问题统整过程、用协同机制保障效能。大概念统领任务设计以核心概念为轴心，整合多学科知识，使各学科知识围绕核心概念形成有机整体；关键问题驱动深度整合，以关键问题牵引各学科的方法，激活不同的思维模式进行深度融合；由教师联盟、学生协作组、校际支持平台组成的三级架构协同保障项目的实施。当任务设计被大概念统摄、教学过程被关键问题驱动、师生协作被机制保障时，跨学科实践便能从“形式拼贴”升维为“认知交响”，破解学科割裂、实现素养共生。在“弹簧秤设计与制作”这个跨学科项目式实践中，“力如伸长”的胡克定律就是整个项目的核心概念（大概念），“设计实验甄选适合的弹簧”“设计弹簧秤的结构图”“使用制作的弹簧秤称量一个1号电池”“计算自己制作的量具的误差”等关键问题串联并驱动整个项目的实施。在具体实施中，从冗余的材料库中选择合适的材料需要经过同伴协商确定，复杂的制作过程依赖协作完成，而最终的分角色演示与答辩，则必须依托团队的精细分工。小学阶段的“温度计”“杆秤”，中学阶段的“压力计”“密度计”等都是非常适合进行跨学科实践的项目。
（3） 跨学科育人的价值重构。以真实问题为起点，通过跨学科的知识迁移、转化和整合，打破认知壁垒，重建被分科教育割裂的“人的完整性”，让学习回归“完整人的成长”本质。学生协同调用多学科知识、工具、方法、思想进行项目实践，本质上是将离散的学科内容转化为解决复杂问题的思维工具，这正是新课改所强调的“概念性理解”的要义
［4］。当学生同时使用多学科知识进行迁移应用并创造意义时，就能切身感受知识如何转化为改变现实的力量——这恰是认知完整性的觉醒。这种完整性重构还将在塑造学生的社会完整性中起更加深层次的作用，当教育场域从学校转换至社会情境时，学生的角色便会由知识建构者进化为社会价值创造者。教育由此从“离身”的知识传递复归“具身”的生命体验。
5 借助科学仪器开展实验教学是创新科学教育的重点突破
科学仪器是人类认知世界的感官延伸，也是助力科学思维生长的工具。从伽利略望远镜开启宇宙观测革命，到PCR仪解码生命密码，科学发展史的本质是一部由工具驱动的认知进化史
［10］。儿童操作科学仪器的过程，是具身认知与离身认知的协同进化——指尖旋钮的精密调节可激活运动皮层，数据波动的视觉反馈能重构前额叶推理模型，这种“手—眼—脑”的神经耦合，正是科学素养形成的生物基础。
5.1 工具理性异化实验教学
教育的应试导向、资源匮乏和教师自身实验能力的不足常常致使实验教学在科学学习活动中被边缘化。即便进行实验教学，在施行过程中也存在着重视科学仪器的“工具属性”而忽略其在认知建构中的价值。当三年级学生使用温度计测量水温时，教师往往强调“液柱静止后平视刻度”的操作规范，却忽视利用液柱的运动引导学生建构指向“热平衡”的动态模型，这种将仪器简化为数据采集工具的教学，割裂了温度计作为可视化“热运动中介”的价值。这暴露出在实验教学的目标定位中，确实存在着工具使用与认知建构的选择偏差。教学理念派生的目标定位偏差，造成实验教学中出现感知通道的压缩、认知层级的扁平和具身经验的碎片化等问题，从而衍生出一系列认知后遗症，如科学思维的固化、概念迁移能力的缺失和科学本质理解的狭窄等。
5.2 科学仪器助力身心耦合
科学仪器天然具备感知延伸性与思维外显性，在小学科学学习中既是具身经验的物质载体，又是抽象概念的形象映射，在探究实践中具有独特的认知中介价值
［11］。基于工具价值与认知建构的整合需求，借助科学仪器实现科学教育创新，应聚焦让科学仪器在科学教育中发挥认知转换的功能，通过重构仪器操作与概念生成的交互活动，实现从工具使用到思维建模的认知跃迁。“陌生仪器”——折光仪介入物质“含糖量”的探究就是在为“含糖量”的测量与描述提供工具，完成对物质特有属性的认识，并实现“含糖量也可以通过光学属性的改变进行标定”的认知；同时，科学仪器也是科学概念具象化的最佳载体，可以为抽象概念提供可视化认知的起点。当四年级学生使用弹簧测力计测量摩擦力时，手指对弹簧伸缩的触觉反馈与拉力数值形成双向连接，促进“力作用效果”概念的具象化存储。在实验教学中可以设计对比实验组，学生先后拉动木块在毛玻璃与抛光木板表面匀速运动。手指在通过测力计感知阻力差异的同时，观察指针在量程内的摆动幅度，形成“摩擦系数—阻力感知—形变量”的关联记忆。此外，科学仪器的发展还体现了认知发展的阶梯式建构，在学生学习“材料的导热性”这一内容时，“从观察凡士林的熔化与否，到用温度计测量温差，再到使用热传感器实时反馈升温曲线”的工具链升级，为学生提供了“现象判断—数据对比—模型建构”的认知演化路径
［12］。当学生观察传感器软件中曲线的斜率差异时，实则是将热传导定律的微分形式转化为可操作的认知阶梯，完成从经验直觉到数学建模的思维进化
［13］。
科学仪器的工具进化链升级并非单纯的技术升格，而是人类认知范式演进的物化表征。借助科学仪器实现科学教育创新就是要让科学仪器成为认知进化的时空胶囊，使每次实验都化作思维革新的微缩现场。当教育者重新解析仪器中物化的科学思维密码时，实验室便会成为培育创新型儿童的认知孵化场。在这里，对仪器指针的每一次调校，都在塑造批判性思维的神经回路；传感器曲线的每一处斜率变化，都在编织科学建模的认知经纬。这是实验教学对科学教育最本质的创新突破：不是培养熟练的技术操作者，而是锻造具有认知力的思想者。
江苏省教育科学规划重点课题“人工智能背景下儿童科学心智模型的创新建构”(Bb/2024/03/192)
江苏省教育科学规划一般课题“家校协同模式下小学科学实验教学的优化与拓展研究”(D/2021/02/680)
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