美国科普活动讲究动手

撰文 | 吴建永 （美国乔治城大学医学院神经科学系教授）

责编 | 陈晓雪

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三月三日的华府（Washington DC，USA）充满春天气息，玉兰和大花山茱萸在街道两边盛开。我受邀参加了大学附近高中的一个科普活动。活动虽然只有一天，但是主题演讲、讨论班（workshops）、电影和动手挑战赛安排得满满的，附近约500名高中生参加了活动，场面十分热烈。 

置身于这种高人气的科普活动，我开始还有些惊讶。之前很多报道说美国的中学不重视教育，对学生放任自流，完全比不上中国、日本、南韩、新加坡、香港、台湾等地的高中教育。实际上，这些报道只描述了一个侧面。在高度自由的教育系统中，课余的科学活动也是高度自觉的，完全由自己的兴趣来驱动。我这次发现，参加的学生就像“发烧友”一样，在科学活动中投入大量时间并达到很高的水平，有时连专家都赞叹不已。

活动的内容

这个活动的名字叫“2017 GDS STEAM Conference”[1]。大家可能注意过“STEM”这个英文缩略语，是科学、技术、工程和数学四个字的缩写。“Stem”同时又是一个英语单词，意为骨干、根本的意思。的确，科技工程和数学是支撑一个文明持续发展的动力，美国也把这作为中小学教育的一个极其重要的成分。

图一：活动就在这所普通的高中进行。这学校叫乔治城日间学校（Georgetown Day School，GDS）的高中部，有大约200名9-12年级的学生。

而我参加的这个会叫“STEAM”，多了一个字母A。A是“艺术”的缩写。多了个字母A有画龙点睛之效，因为科技工程和数学本身就是利用知识的一种艺术，加上艺术，科学技术就活了起来。Steam也是一个英语单词，按词义译成“蒸汽”。蒸汽机是第一次工业革命的重要动力，因此蒸汽潜含的意思是“充满活力、令人敬畏的力量”。这次科普活动由乔治城日间学校主办，每年一次，今年是第六次（图二）。 

图二：乔治城日间学校走廊里悬挂的会议招贴。 

整个活动由六个单元组成。一个主题报告，一个讨论班，一个动手挑战，一个电影，一个电影后讨论和一个职业座谈会。其结构正好符合高中一天六堂课，每堂50分钟的安排。我参与的是主持一个讨论班。

整个会议共有30个讨论班，并且同时进行, 学生可以按自己的兴趣来挑选其中一个参与。 

每个讨论班都由一位行业专家主持。列出几个我感兴趣的主题（完整的讨论班主题见文末）：博弈论；利用大数据提高社会节能；技术与真实世界的融合；实现突破的三要素；融合传统艺术与计算机编程；创造人工智能；破解密码；电子电路基础....... 

构建一个大脑 

我主持的讨论班主题为“设计一个大脑”。设计的场景是一二百年之后，人类要殖民一些重力为地球十倍的行星。因为在十倍重力下，像豆腐一样软的脑组织会被其自身重力压垮（生物组织会变得比钢铁还要重），因此讨论班的任务是利用遗传工程改建大脑的结构。

美国的科普讲究亲身体验，学生完全不是坐在那儿听你灌输知识，而是亲自动手，用橡皮泥、纸片、别针和汽水吸管来建造他们的大脑模型。其优点是，学生可能在动手的过程中发现许多你根本没有讲过的问题。同时小组讨论，解决这些问题的过程是一个主导学习的过程，收益远比被动听讲高。

因此，在这个50分钟的讨论班上，我只用十分钟时间介绍必要的信息，然后学生分成三个工作小组，用30分钟来讨论和设计他们的大脑。最后的十分钟，每个小组介绍他们的模型。我特别强调每个人有30秒钟的机会，把最想分享的信息用一两句话说清楚。由于有了在众人面前介绍的机会，每个学生都会仔细考虑怎样利用这三十秒讲话的时间。 

我的十分钟主要讲大脑的结构是不断随环境而变化的。在地球过去的十几亿年中，大脑的结构不断变化以适应不同动物的具体情况，从鱼类、爬行动物进化到人类大脑的历程（图三）。

图三：这是典型的高中生物实验室。桌上是做模型用的橡皮泥、纸片、胶布等材料。PPT显示的是地球上不同动物脑的结构和进化树。我利用另外几分钟讲了大脑皮层的功能分区（视觉听觉、体感运动），以及大脑皮层的基本结构（灰质白质）。 

我特别提到，利用遗传工程技术来改造大脑的设计远远比自然选择演化快。比如，我们未来可以让生物在组织里合成微管碳纤维，成为远比骨骼强大而轻巧的支撑系统, 提高软组织适应高重力的能力。又如，动物脑中神经细胞和各功能结构之间的信息传递，靠的是是脆弱而低传导效率的神经纤维（神经轴突），这种纤维的集群也叫大脑的“白质”，占了大脑中很大体积。而利用今天的技术，用一根光纤的信息传导量就可代替几千万根神经纤维。不但提高效率减少体积，对高重力环境的适应性也增加了。因此，100-200年后用电子线路与生物组织设计的复合生命，优势将远远压倒一切自然进化出的生物。 

我讲完后，三个小组开始讨论和构造。他们用各种颜色的橡皮泥搭建自己的模型, 由于是造三维模型，学生发挥的空间很大，我班上共有六个小组(相同内容做两次，以保证更多学生可以参加)。

大脑各色各样，没一个重复的。但是所有设计的共性是在脑中用了碳纤维内骨骼来支撑（图四、图五）。 

图四 一种学生的设计，蓝色的橡皮泥构成折叠的大脑皮层。黑色的汽水吸管用来做支撑大脑的碳纤维内骨骼。 

图五，另一组学生的设计。纸上画的是脑中碳纤维内骨骼的蜂窝状结构。手机屏幕上是在网上搜索到的关于脑结构的信息。

还有的小组提到利用硅芯片作为内骨骼来加固大脑皮层，这样不但加强了结构，而且可以通过无线传输信息——把无数小型的大脑连成网络，优点是其复杂性可以远远超过人脑，却可以像互联网那样永生，网中任何一个脑离线也不会有信息或功能损失。

参加挑战对抗赛 

午饭后，我和主持其他讨论班的老师一起观摩挑战对抗赛。对抗赛也是三人一组，用简单的材料建造一个有功能的机器。此次共有一百多个小组参加，分成了两批，每批60个组，分布在学校室内球场大厅里。对抗赛的任务是在30分钟内制造一个利用多米诺骨牌倒下的力量升起一面小旗的机器。每组在赛前领到一个纸袋，里面有一面小旗、几个多米诺骨牌、几个纸杯、几个钱币、几个弹球、一个高尔夫球、一个文件夹、一些雪糕棍和橡皮筋（图六）。 

一个多米诺骨牌倒下的力量非常小，远远不足以升起一面小旗。而比赛的时间只有30分钟，在这么短的时间内完成任务确实是个挑战，但训练在短时间内完成看似不可能的任务是非常重要的。1970年，在阿波罗13号在前往月球轨道的路上，一个氧气罐爆炸，破坏了飞船上的电源，三位宇航员不得不使用航天器的登月舱返回地球。由于登月舱原本设计的是供两名宇航员使用两天，而现在是三名宇航员，舱内过滤二氧化碳的过滤器性能不够。当时，二氧化碳的浓度越来越高，几小时内就能让宇航员失去知觉。所幸的是，地面指挥的NASA收集了所有带上天的杂物，衬衫、胶布、纸袋等，在很短时间内做了一个空气循环系统，并通过无线电指导宇航员，最终做成了过滤装置，成功地把二氧化碳的水平降到安全水平。 

图六，对抗赛的一个三人小组和他们领到的材料。 

我本来是去观摩这个比赛的，但因为之前从来没参加过这种活动，就说服了组织老师, 加入其中一个小组。老师带着神秘的微笑说，你的参加并不见得能帮到那个小组。

话说，老师所说的是有道理的。为什么？人的知识和创造性是两种不同的能力，利用知识进行推理叫“晶体智能”, 而创造性需要思想“跳出藩篱”(thinking outside the box)，是“流体智能”。有说法认为，人随着晶体智能的不断积累，思想会固守成规，跳出藩篱的能力越来越弱 （所谓知识越多越反动）。

但是，对于老师的表情，我 是看在眼里心里却不服，就坚决地跳进一个只有两个人的小组，心想一定要赢个样给他看。

仔细研究一下这个项目还是挺难的。竖起旗子需要一个稳定的结构固定住旗杆的底部，这样才能让旗站直。另外在旗子竖直的状态也需要稳定，不能树起来后被拉倒向反面。最主要的是拉起旗子需要力量，而一块多米诺牌倒下的力量绝对不够的，需要“放大”（图七）。 

图七 多米诺骨牌。一块牌倒下的力量很小的。来源：https://sharedveracity.files.wordpress.com/2014/06/domino.jpg

当我还在文绉绉地思考的时候，两位学生却在拿着旗子比来比去，并提议说可以用重物坠落的力量，通过绳子拉起旗子。这样比用利用橡皮筋力量的设计简单可靠。我们就顺着这个思路走下去。这时已经过了五分钟，而总共时间只有30分钟时间，不成功根本来不及换设计。

我们继续做下去，发现用一个高尔夫球当重物，坠落的力量果然足以拉起旗子。还有十分钟的时候, 我们卡在最难的部分：怎样把一块倒下的多米诺骨牌的微小力量放大到能把高尔夫球推下桌边的较大力量？我想到的办法是杠杆。我们用胶布把雪糕棍组合起来成了一个杠杆，然后用桌边做支点，桌外放高尔夫球，里边是一块多米诺牌。仔细调整支点的位置就能让球和牌重量平衡。这样当一串多米诺牌倒下的时候，这块牌掉下杠杆, 使之失去平衡，球就从桌边掉下去，拉起小旗。我们成功了！一百多个组只有两个组成功，我这“老帮菜”没有拖孩子们的后腿。 

发现我的不足 

参加这个动手对抗赛，我发现自己讨论班的出题有很多不足。对抗赛和我的讨论班中学生工作时间都只有30分钟左右，在短时间竞争项目中，最好的出题应该是目的明确，一目了然，比如竖起一面小旗。而设计一个大脑则没有个明确目标，不同设计各有优缺点，没有一个衡量成功的量化标准。 

其次，一个好题目应该是尽量利用学生已有知识，而不是靠背景介绍时的灌输。对于没有学过神经科学的高中生，设计一个大脑需要很多专业知识，如现在大脑的结构和进化过程等。相比之下，竖起小旗则完全不用背景介绍。竞赛不拼短期记忆就能更好地发挥学生的创造性。

第三，一个好题目最好是看着容易而实际很难。竖起小旗看似简单，但实际上，用有限的材料和时间构建还是很难的。比如要构建让小旗从躺倒到能稳定站立的结构，要构建用不大的力量就能拉起旗子的结构等，都是工程问题。更重要的是，怎样做到让骨牌倒下的很小的力量控制拉起旗子这个很大的力量。这需要线性放大，加上一些非线性过程，比如正反馈和触发等。非线性过程在纸上设计很难，但通过试验却往往很容易。相比之下，我的讨论班并没有这个看着容易做着难的特点。反而难点在理解背景知识上，在理解了背景知识后，不过是用内骨骼加强这一点想法。

当然，我的题目也许更适合于一周或一学期的长期项目，学生可以有足够的时间学习神经科学，然后造出模型，最后在高重力环境下进行测试(比如从楼上扔下来)。 

美国有不少面向初高中生的科学精英选秀活动。我参加过一次面向初中的博得康姆大赛(Broadcom masters)的决赛，各项冠军奖金虽然不多，却能受总统接见，是进入好大学的一个敲门砖。一个学生如果从初中开始就有创造，得过大赛名次这个标签甚至胜过所有考试都得满分的学生，因此很多学生和家长都把参与科学当作重要的课外活动。 

最后有必要提及一下百年以来推动学生课外科技的民间机构：美国科学与公民学会(Society for Science and Public)。虽然政府机构如国家自然基金(NSF)等也说支持学生课外科技，但是美国科学与公民学会多年来做了很多实事，西屋大奖、英特尔大赛和博得康姆大赛等都是他们的作品。

参考文献: 

1.https://www.gds.org/page/school-life/beyond-the-classroom/stem-conference

2. .https://www.societyforscience.org/ 

美国乔治城日间学校STEAM讨论班主题完整版：

https://docs.google.com/document/d/1l315fc2q8o0qyCKp9t3p-RtaW6tvNli9AAPTZxxkkTo/edit#heading=h.3m1p1g9jeiez

制版编辑：李 赫 |