親歷美國高中生科普：教授會不會拖后腿？
美國科普活動講究動手
撰文 | 吳建永 （美國喬治城大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)系教授）
責(zé)編 | 陳曉雪
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三月三日的華府（Washington DC，USA）充滿春天氣息，玉蘭和大花山茱萸在街道兩邊盛開。我受邀參加了大學(xué)附近高中的一個(gè)科普活動?；顒与m然只有一天，但是主題演講、討論班（workshops）、電影和動手挑戰(zhàn)賽安排得滿滿的，附近約500名高中生參加了活動，場面十分熱烈。
置身于這種高人氣的科普活動，我開始還有些驚訝。之前很多報(bào)道說美國的中學(xué)不重視教育，對學(xué)生放任自流，完全比不上中國、日本、南韓、新加坡、香港、臺灣等地的高中教育。實(shí)際上，這些報(bào)道只描述了一個(gè)側(cè)面。在高度自由的教育系統(tǒng)中，課余的科學(xué)活動也是高度自覺的，完全由自己的興趣來驅(qū)動。我這次發(fā)現(xiàn)，參加的學(xué)生就像“發(fā)燒友”一樣，在科學(xué)活動中投入大量時(shí)間并達(dá)到很高的水平，有時(shí)連專家都贊嘆不已。
活動的內(nèi)容
這個(gè)活動的名字叫“2017 GDS STEAM Conference”[1]。大家可能注意過“STEM”這個(gè)英文縮略語，是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四個(gè)字的縮寫?！癝tem”同時(shí)又是一個(gè)英語單詞，意為骨干、根本的意思。的確，科技工程和數(shù)學(xué)是支撐一個(gè)文明持續(xù)發(fā)展的動力，美國也把這作為中小學(xué)教育的一個(gè)極其重要的成分。
圖一：活動就在這所普通的高中進(jìn)行。這學(xué)校叫喬治城日間學(xué)校（Georgetown Day School，GDS）的高中部，有大約200名9-12年級的學(xué)生。
而我參加的這個(gè)會叫“STEAM”，多了一個(gè)字母A。A是“藝術(shù)”的縮寫。多了個(gè)字母A有畫龍點(diǎn)睛之效，因?yàn)榭萍脊こ毯蛿?shù)學(xué)本身就是利用知識的一種藝術(shù)，加上藝術(shù)，科學(xué)技術(shù)就活了起來。Steam也是一個(gè)英語單詞，按詞義譯成“蒸汽”。蒸汽機(jī)是第一次工業(yè)革命的重要動力，因此蒸汽潛含的意思是“充滿活力、令人敬畏的力量”。這次科普活動由喬治城日間學(xué)校主辦，每年一次，今年是第六次（圖二）。
圖二：喬治城日間學(xué)校走廊里懸掛的會議招貼。
整個(gè)活動由六個(gè)單元組成。一個(gè)主題報(bào)告，一個(gè)討論班，一個(gè)動手挑戰(zhàn)，一個(gè)電影，一個(gè)電影后討論和一個(gè)職業(yè)座談會。其結(jié)構(gòu)正好符合高中一天六堂課，每堂50分鐘的安排。我參與的是主持一個(gè)討論班。
整個(gè)會議共有30個(gè)討論班，并且同時(shí)進(jìn)行, 學(xué)生可以按自己的興趣來挑選其中一個(gè)參與。
每個(gè)討論班都由一位行業(yè)專家主持。列出幾個(gè)我感興趣的主題（完整的討論班主題見文末）：博弈論；利用大數(shù)據(jù)提高社會節(jié)能；技術(shù)與真實(shí)世界的融合；實(shí)現(xiàn)突破的三要素；融合傳統(tǒng)藝術(shù)與計(jì)算機(jī)編程；創(chuàng)造人工智能；破解密碼；電子電路基礎(chǔ).......
構(gòu)建一個(gè)大腦
我主持的討論班主題為“設(shè)計(jì)一個(gè)大腦”。設(shè)計(jì)的場景是一二百年之后，人類要殖民一些重力為地球十倍的行星。因?yàn)樵谑吨亓ο?，像豆腐一樣軟的腦組織會被其自身重力壓垮（生物組織會變得比鋼鐵還要重），因此討論班的任務(wù)是利用遺傳工程改建大腦的結(jié)構(gòu)。
美國的科普講究親身體驗(yàn)，學(xué)生完全不是坐在那兒聽你灌輸知識，而是親自動手，用橡皮泥、紙片、別針和汽水吸管來建造他們的大腦模型。其優(yōu)點(diǎn)是，學(xué)生可能在動手的過程中發(fā)現(xiàn)許多你根本沒有講過的問題。同時(shí)小組討論，解決這些問題的過程是一個(gè)主導(dǎo)學(xué)習(xí)的過程，收益遠(yuǎn)比被動聽講高。
因此，在這個(gè)50分鐘的討論班上，我只用十分鐘時(shí)間介紹必要的信息，然后學(xué)生分成三個(gè)工作小組，用30分鐘來討論和設(shè)計(jì)他們的大腦。最后的十分鐘，每個(gè)小組介紹他們的模型。我特別強(qiáng)調(diào)每個(gè)人有30秒鐘的機(jī)會，把最想分享的信息用一兩句話說清楚。由于有了在眾人面前介紹的機(jī)會，每個(gè)學(xué)生都會仔細(xì)考慮怎樣利用這三十秒講話的時(shí)間。
我的十分鐘主要講大腦的結(jié)構(gòu)是不斷隨環(huán)境而變化的。在地球過去的十幾億年中，大腦的結(jié)構(gòu)不斷變化以適應(yīng)不同動物的具體情況，從魚類、爬行動物進(jìn)化到人類大腦的歷程（圖三）。
圖三：這是典型的高中生物實(shí)驗(yàn)室。桌上是做模型用的橡皮泥、紙片、膠布等材料。PPT顯示的是地球上不同動物腦的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化樹。我利用另外幾分鐘講了大腦皮層的功能分區(qū)（視覺聽覺、體感運(yùn)動），以及大腦皮層的基本結(jié)構(gòu)（灰質(zhì)白質(zhì)）。
我特別提到，利用遺傳工程技術(shù)來改造大腦的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比自然選擇演化快。比如，我們未來可以讓生物在組織里合成微管碳纖維，成為遠(yuǎn)比骨骼強(qiáng)大而輕巧的支撐系統(tǒng), 提高軟組織適應(yīng)高重力的能力。又如，動物腦中神經(jīng)細(xì)胞和各功能結(jié)構(gòu)之間的信息傳遞，靠的是是脆弱而低傳導(dǎo)效率的神經(jīng)纖維（神經(jīng)軸突），這種纖維的集群也叫大腦的“白質(zhì)”，占了大腦中很大體積。而利用今天的技術(shù)，用一根光纖的信息傳導(dǎo)量就可代替幾千萬根神經(jīng)纖維。不但提高效率減少體積，對高重力環(huán)境的適應(yīng)性也增加了。因此，100-200年后用電子線路與生物組織設(shè)計(jì)的復(fù)合生命，優(yōu)勢將遠(yuǎn)遠(yuǎn)壓倒一切自然進(jìn)化出的生物。
我講完后，三個(gè)小組開始討論和構(gòu)造。他們用各種顏色的橡皮泥搭建自己的模型, 由于是造三維模型，學(xué)生發(fā)揮的空間很大，我班上共有六個(gè)小組(相同內(nèi)容做兩次，以保證更多學(xué)生可以參加)。
大腦各色各樣，沒一個(gè)重復(fù)的。但是所有設(shè)計(jì)的共性是在腦中用了碳纖維內(nèi)骨骼來支撐（圖四、圖五）。
圖四 一種學(xué)生的設(shè)計(jì)，藍(lán)色的橡皮泥構(gòu)成折疊的大腦皮層。黑色的汽水吸管用來做支撐大腦的碳纖維內(nèi)骨骼。
圖五，另一組學(xué)生的設(shè)計(jì)。紙上畫的是腦中碳纖維內(nèi)骨骼的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。手機(jī)屏幕上是在網(wǎng)上搜索到的關(guān)于腦結(jié)構(gòu)的信息。
還有的小組提到利用硅芯片作為內(nèi)骨骼來加固大腦皮層，這樣不但加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)，而且可以通過無線傳輸信息——把無數(shù)小型的大腦連成網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點(diǎn)是其復(fù)雜性可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人腦，卻可以像互聯(lián)網(wǎng)那樣永生，網(wǎng)中任何一個(gè)腦離線也不會有信息或功能損失。
參加挑戰(zhàn)對抗賽
午飯后，我和主持其他討論班的老師一起觀摩挑戰(zhàn)對抗賽。對抗賽也是三人一組，用簡單的材料建造一個(gè)有功能的機(jī)器。此次共有一百多個(gè)小組參加，分成了兩批，每批60個(gè)組，分布在學(xué)校室內(nèi)球場大廳里。對抗賽的任務(wù)是在30分鐘內(nèi)制造一個(gè)利用多米諾骨牌倒下的力量升起一面小旗的機(jī)器。每組在賽前領(lǐng)到一個(gè)紙袋，里面有一面小旗、幾個(gè)多米諾骨牌、幾個(gè)紙杯、幾個(gè)錢幣、幾個(gè)彈球、一個(gè)高爾夫球、一個(gè)文件夾、一些雪糕棍和橡皮筋（圖六）。
一個(gè)多米諾骨牌倒下的力量非常小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以升起一面小旗。而比賽的時(shí)間只有30分鐘，在這么短的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)確實(shí)是個(gè)挑戰(zhàn)，但訓(xùn)練在短時(shí)間內(nèi)完成看似不可能的任務(wù)是非常重要的。1970年，在阿波羅13號在前往月球軌道的路上，一個(gè)氧氣罐爆炸，破壞了飛船上的電源，三位宇航員不得不使用航天器的登月艙返回地球。由于登月艙原本設(shè)計(jì)的是供兩名宇航員使用兩天，而現(xiàn)在是三名宇航員，艙內(nèi)過濾二氧化碳的過濾器性能不夠。當(dāng)時(shí)，二氧化碳的濃度越來越高，幾小時(shí)內(nèi)就能讓宇航員失去知覺。所幸的是，地面指揮的NASA收集了所有帶上天的雜物，襯衫、膠布、紙袋等，在很短時(shí)間內(nèi)做了一個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)，并通過無線電指導(dǎo)宇航員，最終做成了過濾裝置，成功地把二氧化碳的水平降到安全水平。
圖六，對抗賽的一個(gè)三人小組和他們領(lǐng)到的材料。
我本來是去觀摩這個(gè)比賽的，但因?yàn)橹皬膩頉]參加過這種活動，就說服了組織老師, 加入其中一個(gè)小組。老師帶著神秘的微笑說，你的參加并不見得能幫到那個(gè)小組。
話說，老師所說的是有道理的。為什么？人的知識和創(chuàng)造性是兩種不同的能力，利用知識進(jìn)行推理叫“晶體智能”, 而創(chuàng)造性需要思想“跳出藩籬”(thinking outside the box)，是“流體智能”。有說法認(rèn)為，人隨著晶體智能的不斷積累，思想會固守成規(guī)，跳出藩籬的能力越來越弱 （所謂知識越多越反動）。
但是，對于老師的表情，我 是看在眼里心里卻不服，就堅(jiān)決地跳進(jìn)一個(gè)只有兩個(gè)人的小組，心想一定要贏個(gè)樣給他看。
仔細(xì)研究一下這個(gè)項(xiàng)目還是挺難的。豎起旗子需要一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)固定住旗桿的底部，這樣才能讓旗站直。另外在旗子豎直的狀態(tài)也需要穩(wěn)定，不能樹起來后被拉倒向反面。最主要的是拉起旗子需要力量，而一塊多米諾牌倒下的力量絕對不夠的，需要“放大”（圖七）。
圖七 多米諾骨牌。一塊牌倒下的力量很小的。來源：https://sharedveracity.files.wordpress.com/2014/06/domino.jpg
當(dāng)我還在文縐縐地思考的時(shí)候，兩位學(xué)生卻在拿著旗子比來比去，并提議說可以用重物墜落的力量，通過繩子拉起旗子。這樣比用利用橡皮筋力量的設(shè)計(jì)簡單可靠。我們就順著這個(gè)思路走下去。這時(shí)已經(jīng)過了五分鐘，而總共時(shí)間只有30分鐘時(shí)間，不成功根本來不及換設(shè)計(jì)。
我們繼續(xù)做下去，發(fā)現(xiàn)用一個(gè)高爾夫球當(dāng)重物，墜落的力量果然足以拉起旗子。還有十分鐘的時(shí)候, 我們卡在最難的部分：怎樣把一塊倒下的多米諾骨牌的微小力量放大到能把高爾夫球推下桌邊的較大力量？我想到的辦法是杠桿。我們用膠布把雪糕棍組合起來成了一個(gè)杠桿，然后用桌邊做支點(diǎn)，桌外放高爾夫球，里邊是一塊多米諾牌。仔細(xì)調(diào)整支點(diǎn)的位置就能讓球和牌重量平衡。這樣當(dāng)一串多米諾牌倒下的時(shí)候，這塊牌掉下杠桿, 使之失去平衡，球就從桌邊掉下去，拉起小旗。我們成功了！一百多個(gè)組只有兩個(gè)組成功，我這“老幫菜”沒有拖孩子們的后腿。
發(fā)現(xiàn)我的不足
參加這個(gè)動手對抗賽，我發(fā)現(xiàn)自己討論班的出題有很多不足。對抗賽和我的討論班中學(xué)生工作時(shí)間都只有30分鐘左右，在短時(shí)間競爭項(xiàng)目中，最好的出題應(yīng)該是目的明確，一目了然，比如豎起一面小旗。而設(shè)計(jì)一個(gè)大腦則沒有個(gè)明確目標(biāo)，不同設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一個(gè)衡量成功的量化標(biāo)準(zhǔn)。
其次，一個(gè)好題目應(yīng)該是盡量利用學(xué)生已有知識，而不是靠背景介紹時(shí)的灌輸。對于沒有學(xué)過神經(jīng)科學(xué)的高中生，設(shè)計(jì)一個(gè)大腦需要很多專業(yè)知識，如現(xiàn)在大腦的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過程等。相比之下，豎起小旗則完全不用背景介紹。競賽不拼短期記憶就能更好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。
第三，一個(gè)好題目最好是看著容易而實(shí)際很難。豎起小旗看似簡單，但實(shí)際上，用有限的材料和時(shí)間構(gòu)建還是很難的。比如要構(gòu)建讓小旗從躺倒到能穩(wěn)定站立的結(jié)構(gòu)，要構(gòu)建用不大的力量就能拉起旗子的結(jié)構(gòu)等，都是工程問題。更重要的是，怎樣做到讓骨牌倒下的很小的力量控制拉起旗子這個(gè)很大的力量。這需要線性放大，加上一些非線性過程，比如正反饋和觸發(fā)等。非線性過程在紙上設(shè)計(jì)很難，但通過試驗(yàn)卻往往很容易。相比之下，我的討論班并沒有這個(gè)看著容易做著難的特點(diǎn)。反而難點(diǎn)在理解背景知識上，在理解了背景知識后，不過是用內(nèi)骨骼加強(qiáng)這一點(diǎn)想法。
當(dāng)然，我的題目也許更適合于一周或一學(xué)期的長期項(xiàng)目，學(xué)生可以有足夠的時(shí)間學(xué)習(xí)神經(jīng)科學(xué)，然后造出模型，最后在高重力環(huán)境下進(jìn)行測試(比如從樓上扔下來)。
美國有不少面向初高中生的科學(xué)精英選秀活動。我參加過一次面向初中的博得康姆大賽(Broadcom masters)的決賽，各項(xiàng)冠軍獎金雖然不多，卻能受總統(tǒng)接見，是進(jìn)入好大學(xué)的一個(gè)敲門磚。一個(gè)學(xué)生如果從初中開始就有創(chuàng)造，得過大賽名次這個(gè)標(biāo)簽甚至勝過所有考試都得滿分的學(xué)生，因此很多學(xué)生和家長都把參與科學(xué)當(dāng)作重要的課外活動。
最后有必要提及一下百年以來推動學(xué)生課外科技的民間機(jī)構(gòu)：美國科學(xué)與公民學(xué)會(Society for Science and Public)。雖然政府機(jī)構(gòu)如國家自然基金(NSF)等也說支持學(xué)生課外科技，但是美國科學(xué)與公民學(xué)會多年來做了很多實(shí)事，西屋大獎、英特爾大賽和博得康姆大賽等都是他們的作品。
參考文獻(xiàn):
1.https://www.gds.org/page/school-life/beyond-the-classroom/stem-conference
2. .https://www.societyforscience.org/
美國喬治城日間學(xué)校STEAM討論班主題完整版：
https://docs.google.com/document/d/1l315fc2q8o0qyCKp9t3p-RtaW6tvNli9AAPTZxxkkTo/edit#heading=h.3m1p1g9jeiez
制版編輯：李 赫 |
