幾千年來，中華民族一直領先於世界，但是數百年來，由於「重文輕理」和其他的一些原因，中國在世界上落後了，落後的根源就在於科學。世界範圍內的經濟競爭、綜合國力的競爭，實際上是科學技術的競爭和民族素質的競爭。科技是一個國家核心競爭力，是社會進步的原動力，這個在全世界已成為共識，科技的落後直接造成整個國家的競爭力下降。一個國家的科技發展水平取決於民眾對科學的認知，在認知水平高的基礎上形成一種民眾熱愛科學和尊重科學的氛圍，以及都來參與科學研究和討論的氛圍，在這種氛圍中不斷地推動科學的發展。目前阻礙中國科學發現的主要問題是民眾對科學的認知，有這樣一個問題：世界上最聰明的人是誰？如果問一個西方人，多半會說是愛因斯坦；如果問一個中國人，多半會說是諸葛亮。我們都知道愛因斯坦是搞科學的，諸葛亮是搞謀略的，對科學的認知水平低已經沉澱於民族的意識中，這種意識不改變很難從根本上改變中國科技落後美日歐的現狀，如何改變呢？辦法就是提高國民的科學素養，增強全體公民對科學知識認知水平，讓大眾切實認識到推動社會進步的是科技，提高人民生活水平的也是科技。公眾的科學素養可以反映出國民對於科學的認知水平，瑞典公民2005年具有科學素質的比例已經達到28%，美國公眾的科學素養在2000年比重已達到了17%，到2019年達到31%，而2020年我國具備科學素養的公民比例剛過10%，這個數字意味著，每100人中，僅有10人具備基本公民科學素質，與歐美差了二十多年。2014年我國每萬名就業人員的R&D研究人員的數量在R&D人員總量超過10萬人的國家排名中倒數第2，僅為19.7人，發達國家這一指標值普遍是中國的4倍以上，其中韓國134.9人，日本104.7人，美國87.4人。目前中國的科研人員總數位於世界第一，但是和美日歐相比顯得大而不強，也就是國際頂尖的科學家少，這一點可以從我國至今沒有獲得過自然科學領域的諾貝爾獎看出來。
公眾的科學素養低是「錢學森之問」產生的一個重要原因，因為國際頂尖的科學家少和公民科學素養低這兩者之間存在因果關係，如果把科學巨匠比做參天大樹的話，那麼公眾的科學素養就是土壤，公眾的科學素養低造成培育科學家的土壤貧瘠，只有公眾科學素養之土壤肥沃了，才能培養出世界級的科學家。原理很簡單，在人群中不乏具有科學家天賦或具有科學研究潛質的人，但低的公眾科學素養造成這些人接觸科學的幾率降低，也許有些天賦或潛質極好的人一生也接觸不到自己擅長的科學領域，發揮不了自己的專長，也就不能用自己的專長為這個社會做出貢獻。如何提高全體國民的科學素養呢？靠的是中小學時期的科學教育，也就是科學課。2008年，美國14歲少年威爾遜建造了核聚變反應堆，成為世界上完成核聚變裝置最年輕的人。14歲，一個初二的學生，在中國還在教室里背英語，而在美國已經接觸到了最前沿的科學只知識。2015年，美國華盛頓州西雅圖市的兩名小學生將自製的飛行器送到了23774米的太空邊緣，並為此受邀訪問白宮……其實在中國也從不缺乏科學方面的天才，但由於小時候得不到科學啟蒙教育而失去發展機會，在北京市通州區漷縣鎮馬務村，有一個名字叫吳玉祿的農民，這個人可以說是個世界上少有的機器人天才，在只上過小學的情況下，獨自製作了許多令世人驚嘆的機器人，甚至受邀到大學講演。假如他在小時候就接觸到有關機器人和自動化的原理，很早以前就接觸到自己擅長的領域，並且沿著這條脈絡發展下去，那麼他現在絕對不會呆在自己簡陋的實驗室，製作著那些在專業人士看來很粗糙的機器人，而是會成為中國機器人製作領域趕超日美的中堅力量。在人群中像吳玉祿一樣的各方面的天才有很多，只是他們從小就沒有被發現，從小就沒有機會接觸自己擅長的領域，更沒有機會接受系統的訓練，也就沒有機會為國家的科技作出貢獻，這對於像中國這個的的人力資源最多的國家來說無疑是一種巨大的浪費，因為人口多意味著擁有各種天賦的人也多。
在人類科技發展史早期，中國的科技世界領先，明朝以前幾千年的時間都是這樣，四大發明就屬於那個時間段，那時世界各國都沒有意識到科技的重要性，科學研究一般屬於民間；而當科學研究變成政府行為和國家意志時，中國就落後了，到今天四大發明的記錄已沒有一項屬於中國，這不能不說是一種悲哀。是四大發明後代們的智商降低了嗎？不，是科學教育跟不上所造成，因為國民的科學素養以及對科學的興趣主要是在基礎教育階段形成的，而在中國的基礎教育中科學教育落後於世界。可以做一下比較，在對於國家來說，科學和英語哪個重要？答案肯定是科學。但現實是在基礎教育中的科學課還處於「副科」地位，外語課被從上到下「不適當的強調和加強」，科學課受到冷落，課時也無法保證。與之形成鮮明對比的是，上世紀80年代以來，美國、加拿大、法國等數十個國家強化了這門課的主幹地位，因為這是關乎一個國家未來的競爭力。科學課從幼兒園開始就是美國教育的主課之一，跟數學、英文一起佔用同等課時。早在20年前科學課便成為英國的小學3門核心課程之一，日本和英國小學就有工業設計課。2014年開始，英國就將編程列入每所學校的必修課程。2018年，芬蘭將編程作為其課程的核心，讓全國的小學生更早地接觸到這種新的共同語言。
中小學特別是小學科學課應該教授哪些內容呢？是讓學生從小就背會很多科學的理論知識嗎？背的再多，如果學生不感興趣，那就是負擔，就會起相反的作用。科學課應該把學生的「興趣」放在最核心的位置，而實際中卻是以學習「知識」為核心，更有甚者，一些地方還要對科學課進行考試，學生還要背一些自然現象背後的科學道理。本來小孩兒對於物理、化學、生物等科學是很感興趣的，但是在長時間學習和不停地考試這兩者共同的作用下「興趣」消失殆盡，甚至厭煩，這也正是改革開放以來中國學習了西方很多東西，但是最核心的「熱愛科學的品質」沒有學到的原因。科學歸根到底是一種探究活動，為什麼一個美國的小學生可以寫出上萬字的科學論文，其興趣起著核心作用，正是在興趣的驅使下他才會主動去通過書籍網路等各方面的途徑去查找資料進而完成論文。對科學的興趣對於孩子來說很重要，一旦學生失去了對科學的興趣，那麼在中小學學習再多的知識也沒用。一個小孩兒天生對科學感興趣，即便是一個學習成績很差的小孩兒或老師眼中的「雙差生」，他對於各種自然現象和科學依然保持著興趣；即便是一個初中輟學的孩子，依然對大爆炸和原子彈抱有興趣。對科學的興趣與人的年齡負相關，年齡越小對科學的興趣越高，當一個人年齡大了，家庭事業的事兒也多了，再讓他去關注科學原理就難了，也就是說一個人如果小時候對科學喪失了興趣，那麼長大後再對科學感興趣的可能是很小的，而我們知道興趣是最好的老師，那些偉大的科學家對科學的興趣無不是從小就開始的。所以科學課首要任務是激發學生對科學的興趣，應該以「興趣」為導向，也就是前面說的：學生的頭腦「不是一個等待填充的容器，而是一個需被點燃的火把。」六年級科學上冊第二單元是《生物與環境》，在這一單元學生「通過實驗比較仙人掌和龜背竹的耐旱能力」，像這樣的通過實驗讓學生掌握理論的教學內容對小孩子的吸引力並不強。學習數學等知識應該按照由易到難由簡單到複雜的次序，但科學是個例外，不能按照這個次序，因為越是深奧的科學越能激起學生的興趣。小學生特別是五六年級的學生感興趣的並不是仙人掌和龜背竹誰最耐旱，也不是綠色社區調查、養好小金魚和雨具的改進等，而是黑洞是什麼？宇宙是怎樣形成的？原子彈是怎樣造出來的？相對論是什麼？……這些才是學生感興趣的。在美國，初中生就開始接觸愛因斯坦的相對論和DNA、RNA等分子生物學等前沿科技；物質是由基本粒子組成、核電站的工作過程等小學生感興趣；原子彈是怎樣爆炸的、什麼是人工智慧他們也感興趣。在基礎研究、應用研究和開發研究這科學研究的三種類型中，最重要的是基礎研究，中國在科技上與美國差距最大的也正是基礎研究，基礎研究沒有功利性，而小孩子對於科學的興趣也沒有功利性，這一點是相同的。如果是一個成年人進行科學研究的話，功利性的比重就會增加很多，所以在中小學時期是進行基礎科學啟蒙教育最重要的階段。 
中小學科學教育除了以「興趣」為核心之外還要「全面」，要儘可能多的涉及科學的各個方面，因為每個學生的興趣點有所不同，應儘可能使有天賦的學生都能接觸到其擅長的領域，盡量使每一個「吳玉祿」都能接觸到自己的興趣點。當然，這種「全面」是建立在了解的基礎上，而不是去學習或死記硬背其中的定理和規律等。有人說小學生學什麼高深的科學知識，那些是大學生學的，他們能懂嗎？答案是他們能懂！德國數學家原哥廷根大學教授希爾伯頓說，哥廷根大街上任何一個學童都可以弄懂狹義相對論；《時間簡史》初中生也可以看懂，很多高深的科學知識他們是能理解也有興趣去理解的：黑洞的形成過程，也就是大的恆星爆炸後內部受壓形成的，他們能理解吧；錢德拉塞卡極限，也就是並不是所有的恆星都能形成黑洞，只有體積超過太陽1.44倍的恆星才會形成黑洞，他們能理解吧；再如一堆沙子變成硅錠，製成晶圓進行感光，然後刻蝕、沉積、互連，最後製成科技含量最高的產品——晶元的生產過程學生完全能看懂；再如開普勒三大定律（屬於高中知識）中的第二條：對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內掃過的面積相等，這個定律如果要讓學生證明的話需要高深的知識，但小學生是完全可以看懂的……總之，成百上千的科學定理中小學生大多都可以理解。在科學定理的理解、背誦、證明這三方面中，最難的是「證明」，最需要的是「理解」，最不需要的是「背誦」，而在基礎教育中由於考試的原因最重要的就是背誦，牛頓力學定律要求背誦，元素周期表需要背誦……但是當一個科學家進行科學研究時，沒人限制他去翻書。現代的自然科學包括物理學、化學、天文學、地球科學、生命科學、心理學六大類，其中每一大類有包括很多的分類，例如物理學又分為力學、光學、熱學、聲學、電磁學、相對論、粒子物理學、原子核物理學、原子與分子物理學、固體物理學、凝聚態物理學、激光物理學、等離子體物理學、地球物理學、生物物理學、天體物理學等等，這其中的力學又分為靜力學、動力學、流體力學、分析力學、運動學、固體力學、材料力學、複合材料力學、流變學、結構力學、彈性力學、塑性力學、爆炸力學 、磁流體力學、空氣動力學、理性力學、天體力學……還有化學的、天文學的、地球科學的、生命科學的等所有的這些學科加起來有數千種，這其中大多數中小學生都可以去了解，而現行的小學科學教材以及初中的物理、化學、生物等課程僅僅抓住了其中極小的一部分進行深入學習，並且還是以背「知識」為主，就像一口井，面小且深，這樣的結果是科學教育嚴重落後於發達國家，不會出現一個14歲的孩子建成核聚變反應堆的事情，知識面窄嚴重抑制了學生對科學的興趣，進而影響整個國家科技科技的發展。河南教育報刊社編寫的六年級科學教材下冊分四個單元，分別是《人類祖先的足跡》、《綠色社區調查》、《養好小金魚》和《雨具的改進》，這就是一個六年級學生用半年時間所學科學課的全部內容，且不說這些淺的科學知識學生是否感興趣，單單說一個13歲的學生用一學期的時間僅僅學了這麼一點點關於科學的知識，這對於小學生對未知世界的好奇心和渴求形成巨大的反差，按照這樣的速率整個小學甚至初中九年時間又能了解多少科學知識？對學生科學素養的形成又會有多少幫助？對科學進行「全面」了解也符合小孩兒身心發展的規律，因為小孩喜歡新奇的東西，即使他感興趣的東西看的時間長了也會失去興趣的，不斷出現新的事物才可以滿足他們的好奇心。當這些科學知識以圖文並茂或者動態的形式不斷出現在學生面前時，會極大地激發學生對科學的興趣——當學生看到哈勃深場，他們會震撼於宇宙的絢爛多彩；當他們看到高檔數控機床加工巨型螺旋槳的過程，他們才會感受到於現代的工業之美；當他們看到AK47連續擊發子彈和噴氣發動機等各種機械的動態過程後，他們才會知道科技原來是如此巧妙；當他們看到指甲大小的晶元內部竟有高樓大廈般複雜的結構時，他們會驚嘆於現代科技的無所不能；當他們看到第三拉格朗日點時，會強烈的激發起他們的好奇心；當他們了解了質能方程和薛定諤貓後，他們才會知道科學的表現方式是如此的簡潔……
科學課的第三個要素是與時俱進，當今世界的科學種類不僅數量多，而且發展日新月異，新的學科不斷地出現，而小學科學教材卻跟不上時代的發展，有些教材甚至十年不變。一個小學生即便學習當時最前沿的科學知識，到了其大學畢業後那些知識也已過時，何況還接觸不到？石墨烯、人工智慧、生物工程、量子技術等，中小學生對這些最前沿的科學技術不僅感興趣，而且開闊了視野，為他們以後的科學素養打下了堅實的基礎。
科學課第四個要素是親近大自然中和實踐，因為人類最初的科學來源於大自然，來源於生產勞動中的社會實踐，然後才一步步的走入實驗室，最後從實驗室再進入社會，小學生的科學教育也應該遵循這樣一個過程。舉個簡單的例子，人類最初的科學知識來源於對天空的觀察，小孩兒對科學的興趣也大多數始於星空，但中國的中小學生有幾個用天文望遠鏡觀測過星空？讓學生不停地在教室里學習科學知識，既不符合兒童的身心發展規律，有不利於培養學生的興趣，坐在教室里學習十節天文學課，不如讓學生用天文望遠鏡觀測一次木星光環。美國和日本等發達國家的小學生經常去野外活動，去親近大自然。在大自然中，學生們可以觀察昆蟲，觀察岩石……可以去體會大自然中所蘊含的科學知識。在學校，所有的學生都要參加大量的科學小製作，而不是個別學生的「專利」；他們應該進入社會去觀察各種各樣的機械設備，探究其中的原理，也可以去設計一些東西解決社會中的實際問題，激發他們的科學興趣。
