几千年来，中华民族一直领先于世界，但是数百年来，由于“重文轻理”和其他的一些原因，中国在世界上落后了，落后的根源就在于科学。世界范围内的经济竞争、综合国力的竞争，实际上是科学技术的竞争和民族素质的竞争。科技是一个国家核心竞争力，是社会进步的原动力，这个在全世界已成为共识，科技的落后直接造成整个国家的竞争力下降。一个国家的科技发展水平取决于民众对科学的认知，在认知水平高的基础上形成一种民众热爱科学和尊重科学的氛围，以及都来参与科学研究和讨论的氛围，在这种氛围中不断地推动科学的发展。目前阻碍中国科学发现的主要问题是民众对科学的认知，有这样一个问题：世界上最聪明的人是谁？如果问一个西方人，多半会说是爱因斯坦；如果问一个中国人，多半会说是诸葛亮。我们都知道爱因斯坦是搞科学的，诸葛亮是搞谋略的，对科学的认知水平低已经沉淀于民族的意识中，这种意识不改变很难从根本上改变中国科技落后美日欧的现状，如何改变呢？办法就是提高国民的科学素养，增强全体公民对科学知识认知水平，让大众切实认识到推动社会进步的是科技，提高人民生活水平的也是科技。公众的科学素养可以反映出国民对于科学的认知水平，瑞典公民2005年具有科学素质的比例已经达到28%，美国公众的科学素养在2000年比重已达到了17%，到2019年达到31%，而2020年我国具备科学素养的公民比例刚过10%，这个数字意味着，每100人中，仅有10人具备基本公民科学素质，与欧美差了二十多年。2014年我国每万名就业人员的R&D研究人员的数量在R&D人员总量超过10万人的国家排名中倒数第2，仅为19.7人，发达国家这一指标值普遍是中国的4倍以上，其中韩国134.9人，日本104.7人，美国87.4人。目前中国的科研人员总数位于世界第一，但是和美日欧相比显得大而不强，也就是国际顶尖的科学家少，这一点可以从我国至今没有获得过自然科学领域的诺贝尔奖看出来。
公众的科学素养低是“钱学森之问”产生的一个重要原因，因为国际顶尖的科学家少和公民科学素养低这两者之间存在因果关系，如果把科学巨匠比做参天大树的话，那么公众的科学素养就是土壤，公众的科学素养低造成培育科学家的土壤贫瘠，只有公众科学素养之土壤肥沃了，才能培养出世界级的科学家。原理很简单，在人群中不乏具有科学家天赋或具有科学研究潜质的人，但低的公众科学素养造成这些人接触科学的几率降低，也许有些天赋或潜质极好的人一生也接触不到自己擅长的科学领域，发挥不了自己的专长，也就不能用自己的专长为这个社会做出贡献。如何提高全体国民的科学素养呢？靠的是中小学时期的科学教育，也就是科学课。2008年，美国14岁少年威尔逊建造了核聚变反应堆，成为世界上完成核聚变装置最年轻的人。14岁，一个初二的学生，在中国还在教室里背英语，而在美国已经接触到了最前沿的科学只知识。2015年，美国华盛顿州西雅图市的两名小学生将自制的飞行器送到了23774米的太空边缘，并为此受邀访问白宫……其实在中国也从不缺乏科学方面的天才，但由于小时候得不到科学启蒙教育而失去发展机会，在北京市通州区漷县镇马务村，有一个名字叫吴玉禄的农民，这个人可以说是个世界上少有的机器人天才，在只上过小学的情况下，独自制作了许多令世人惊叹的机器人，甚至受邀到大学讲演。假如他在小时候就接触到有关机器人和自动化的原理，很早以前就接触到自己擅长的领域，并且沿着这条脉络发展下去，那么他现在绝对不会呆在自己简陋的实验室，制作着那些在专业人士看来很粗糙的机器人，而是会成为中国机器人制作领域赶超日美的中坚力量。在人群中像吴玉禄一样的各方面的天才有很多，只是他们从小就没有被发现，从小就没有机会接触自己擅长的领域，更没有机会接受系统的训练，也就没有机会为国家的科技作出贡献，这对于像中国这个的的人力资源最多的国家来说无疑是一种巨大的浪费，因为人口多意味着拥有各种天赋的人也多。
在人类科技发展史早期，中国的科技世界领先，明朝以前几千年的时间都是这样，四大发明就属于那个时间段，那时世界各国都没有意识到科技的重要性，科学研究一般属于民间；而当科学研究变成政府行为和国家意志时，中国就落后了，到今天四大发明的记录已没有一项属于中国，这不能不说是一种悲哀。是四大发明后代们的智商降低了吗？不，是科学教育跟不上所造成，因为国民的科学素养以及对科学的兴趣主要是在基础教育阶段形成的，而在中国的基础教育中科学教育落后于世界。可以做一下比较，在对于国家来说，科学和英语哪个重要？答案肯定是科学。但现实是在基础教育中的科学课还处于“副科”地位，外语课被从上到下“不适当的强调和加强”，科学课受到冷落，课时也无法保证。与之形成鲜明对比的是，上世纪80年代以来，美国、加拿大、法国等数十个国家强化了这门课的主干地位，因为这是关乎一个国家未来的竞争力。科学课从幼儿园开始就是美国教育的主课之一，跟数学、英文一起占用同等课时。早在20年前科学课便成为英国的小学3门核心课程之一，日本和英国小学就有工业设计课。2014年开始，英国就将编程列入每所学校的必修课程。2018年，芬兰将编程作为其课程的核心，让全国的小学生更早地接触到这种新的共同语言。
中小学特别是小学科学课应该教授哪些内容呢？是让学生从小就背会很多科学的理论知识吗？背的再多，如果学生不感兴趣，那就是负担，就会起相反的作用。科学课应该把学生的“兴趣”放在最核心的位置，而实际中却是以学习“知识”为核心，更有甚者，一些地方还要对科学课进行考试，学生还要背一些自然现象背后的科学道理。本来小孩儿对于物理、化学、生物等科学是很感兴趣的，但是在长时间学习和不停地考试这两者共同的作用下“兴趣”消失殆尽，甚至厌烦，这也正是改革开放以来中国学习了西方很多东西，但是最核心的“热爱科学的品质”没有学到的原因。科学归根到底是一种探究活动，为什么一个美国的小学生可以写出上万字的科学论文，其兴趣起着核心作用，正是在兴趣的驱使下他才会主动去通过书籍网络等各方面的途径去查找资料进而完成论文。对科学的兴趣对于孩子来说很重要，一旦学生失去了对科学的兴趣，那么在中小学学习再多的知识也没用。一个小孩儿天生对科学感兴趣，即便是一个学习成绩很差的小孩儿或老师眼中的“双差生”，他对于各种自然现象和科学依然保持着兴趣；即便是一个初中辍学的孩子，依然对大爆炸和原子弹抱有兴趣。对科学的兴趣与人的年龄负相关，年龄越小对科学的兴趣越高，当一个人年龄大了，家庭事业的事儿也多了，再让他去关注科学原理就难了，也就是说一个人如果小时候对科学丧失了兴趣，那么长大后再对科学感兴趣的可能是很小的，而我们知道兴趣是最好的老师，那些伟大的科学家对科学的兴趣无不是从小就开始的。所以科学课首要任务是激发学生对科学的兴趣，应该以“兴趣”为导向，也就是前面说的：学生的头脑“不是一个等待填充的容器，而是一个需被点燃的火把。”六年级科学上册第二单元是《生物与环境》，在这一单元学生“通过实验比较仙人掌和龟背竹的耐旱能力”，像这样的通过实验让学生掌握理论的教学内容对小孩子的吸引力并不强。学习数学等知识应该按照由易到难由简单到复杂的次序，但科学是个例外，不能按照这个次序，因为越是深奥的科学越能激起学生的兴趣。小学生特别是五六年级的学生感兴趣的并不是仙人掌和龟背竹谁最耐旱，也不是绿色社区调查、养好小金鱼和雨具的改进等，而是黑洞是什么？宇宙是怎样形成的？原子弹是怎样造出来的？相对论是什么？……这些才是学生感兴趣的。在美国，初中生就开始接触爱因斯坦的相对论和DNA、RNA等分子生物学等前沿科技；物质是由基本粒子组成、核电站的工作过程等小学生感兴趣；原子弹是怎样爆炸的、什么是人工智能他们也感兴趣。在基础研究、应用研究和开发研究这科学研究的三种类型中，最重要的是基础研究，中国在科技上与美国差距最大的也正是基础研究，基础研究没有功利性，而小孩子对于科学的兴趣也没有功利性，这一点是相同的。如果是一个成年人进行科学研究的话，功利性的比重就会增加很多，所以在中小学时期是进行基础科学启蒙教育最重要的阶段。
中小学科学教育除了以“兴趣”为核心之外还要“全面”，要尽可能多的涉及科学的各个方面，因为每个学生的兴趣点有所不同，应尽可能使有天赋的学生都能接触到其擅长的领域，尽量使每一个“吴玉禄”都能接触到自己的兴趣点。当然，这种“全面”是建立在了解的基础上，而不是去学习或死记硬背其中的定理和规律等。有人说小学生学什么高深的科学知识，那些是大学生学的，他们能懂吗？答案是他们能懂！德国数学家原哥廷根大学教授希尔伯顿说，哥廷根大街上任何一个学童都可以弄懂狭义相对论；《时间简史》初中生也可以看懂，很多高深的科学知识他们是能理解也有兴趣去理解的：黑洞的形成过程，也就是大的恒星爆炸后内部受压形成的，他们能理解吧；钱德拉塞卡极限，也就是并不是所有的恒星都能形成黑洞，只有体积超过太阳1.44倍的恒星才会形成黑洞，他们能理解吧；再如一堆沙子变成硅锭，制成晶圆进行感光，然后刻蚀、沉积、互连，最后制成科技含量最高的产品——芯片的生产过程学生完全能看懂；再如开普勒三大定律（属于高中知识）中的第二条：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等，这个定律如果要让学生证明的话需要高深的知识，但小学生是完全可以看懂的……总之，成百上千的科学定理中小学生大多都可以理解。在科学定理的理解、背诵、证明这三方面中，最难的是“证明”，最需要的是“理解”，最不需要的是“背诵”，而在基础教育中由于考试的原因最重要的就是背诵，牛顿力学定律要求背诵，元素周期表需要背诵……但是当一个科学家进行科学研究时，没人限制他去翻书。现代的自然科学包括物理学、化学、天文学、地球科学、生命科学、心理学六大类，其中每一大类有包括很多的分类，例如物理学又分为力学、光学、热学、声学、电磁学、相对论、粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学等等，这其中的力学又分为静力学、动力学、流体力学、分析力学、运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学 、磁流体力学、空气动力学、理性力学、天体力学……还有化学的、天文学的、地球科学的、生命科学的等所有的这些学科加起来有数千种，这其中大多数中小学生都可以去了解，而现行的小学科学教材以及初中的物理、化学、生物等课程仅仅抓住了其中极小的一部分进行深入学习，并且还是以背“知识”为主，就像一口井，面小且深，这样的结果是科学教育严重落后于发达国家，不会出现一个14岁的孩子建成核聚变反应堆的事情，知识面窄严重抑制了学生对科学的兴趣，进而影响整个国家科技科技的发展。河南教育报刊社编写的六年级科学教材下册分四个单元，分别是《人类祖先的足迹》、《绿色社区调查》、《养好小金鱼》和《雨具的改进》，这就是一个六年级学生用半年时间所学科学课的全部内容，且不说这些浅的科学知识学生是否感兴趣，单单说一个13岁的学生用一学期的时间仅仅学了这么一点点关于科学的知识，这对于小学生对未知世界的好奇心和渴求形成巨大的反差，按照这样的速率整个小学甚至初中九年时间又能了解多少科学知识？对学生科学素养的形成又会有多少帮助？对科学进行“全面”了解也符合小孩儿身心发展的规律，因为小孩喜欢新奇的东西，即使他感兴趣的东西看的时间长了也会失去兴趣的，不断出现新的事物才可以满足他们的好奇心。当这些科学知识以图文并茂或者动态的形式不断出现在学生面前时，会极大地激发学生对科学的兴趣——当学生看到哈勃深场，他们会震撼于宇宙的绚烂多彩；当他们看到高档数控机床加工巨型螺旋桨的过程，他们才会感受到于现代的工业之美；当他们看到AK47连续击发子弹和喷气发动机等各种机械的动态过程后，他们才会知道科技原来是如此巧妙；当他们看到指甲大小的芯片内部竟有高楼大厦般复杂的结构时，他们会惊叹于现代科技的无所不能；当他们看到第三拉格朗日点时，会强烈的激发起他们的好奇心；当他们了解了质能方程和薛定谔猫后，他们才会知道科学的表现方式是如此的简洁……
科学课的第三个要素是与时俱进，当今世界的科学种类不仅数量多，而且发展日新月异，新的学科不断地出现，而小学科学教材却跟不上时代的发展，有些教材甚至十年不变。一个小学生即便学习当时最前沿的科学知识，到了其大学毕业后那些知识也已过时，何况还接触不到？石墨烯、人工智能、生物工程、量子技术等，中小学生对这些最前沿的科学技术不仅感兴趣，而且开阔了视野，为他们以后的科学素养打下了坚实的基础。
科学课第四个要素是亲近大自然中和实践，因为人类最初的科学来源于大自然，来源于生产劳动中的社会实践，然后才一步步的走入实验室，最后从实验室再进入社会，小学生的科学教育也应该遵循这样一个过程。举个简单的例子，人类最初的科学知识来源于对天空的观察，小孩儿对科学的兴趣也大多数始于星空，但中国的中小学生有几个用天文望远镜观测过星空？让学生不停地在教室里学习科学知识，既不符合儿童的身心发展规律，有不利于培养学生的兴趣，坐在教室里学习十节天文学课，不如让学生用天文望远镜观测一次木星光环。美国和日本等发达国家的小学生经常去野外活动，去亲近大自然。在大自然中，学生们可以观察昆虫，观察岩石……可以去体会大自然中所蕴含的科学知识。在学校，所有的学生都要参加大量的科学小制作，而不是个别学生的“专利”；他们应该进入社会去观察各种各样的机械设备，探究其中的原理，也可以去设计一些东西解决社会中的实际问题，激发他们的科学兴趣。
