實例剖析：中美科學啟蒙教育到底有啥不一樣

文_滿威寧

從一個小學生科研比賽的結果談起

2019年，我參觀了一個美國的科學競賽，小學生們做了很多原創研究。這個五年級小孩的研究得了整個學區的第一名：《WIFI輻射對植物有害嗎？》

簡單地說，他想研究無線wifi信號對植物的影響。經過12天的實驗，他發現靠近wifi路由器那盆“快死了”，遠離的那盆長得很好。結論：wifi如他想象的一樣，嚴重危害了植物，大家要小心家里的輻射。還有一個數據圖表，是他稱的“植物的重量”，從第1天到第12天，單位是克。

我在網上開了一個物理啟蒙課《無處不在的物理學，百萬個為什么》，我把這些發到群里請同學們仔細看看。我說 : “首先，肯定一下這個孩子的創造性想法和努力。想問大家是否有所疑問甚至質疑? 能想到哪些問題，哪些跟我們最近學的熱與光有關? 當然wifi與我們要學的電與磁也密切相關。”

群內的學生各抒己見：

A:wifi真的會影響植物的生長嗎？對人體也有影響嗎？

B:在wifi環境下和不在wifi環境下的光照、濕度都是一樣的嗎？

C:兩盆植物環境是不是不一樣？一個放室內，一個放通風口？還有，這兩盆植物離窗戶的遠近都相同嗎？如果不相同，那么對實驗的結果也是有很大的影響的。

D:靠近機器有光源和熱的話，會不會蟲子比較多，適宜病蟲害的溫度。

我覺得很好，大家沒有白上我的課。我曾經強調過，跟指導的研究生也在強調：設計比較型實驗的時候，一定要保證其余條件都盡可能一致（不變），才能把要研究的那個條件的對應后果單獨體現出來，才有可能得出有效的結論。

大家都對實驗條件的一致性提出了合理的懷疑，我于是提醒大家再仔細看看原作者本人的數據圖表，還能發現哪些問題。

也有同學提出來，植物重量不好稱，說：

E:這個實驗中是不是可以用整體植株高度的變化來當測量數據？

F:我認為還可以觀察植株的色澤。

G:用植物葉片的數量與葉片的大小及葉片的顏色來做數據，可能會比植物的重量做數據更合適。

H:還是量高度或根莖粗細好點。

我說這些都是很好的想法，不過，12天以后確實有一盆長得不好，有一盆還好好的。用葉片的多少、植株的高低的差別，可以得到結論說wifi讓這株植物受害了嗎？

假設、實驗、數據、結論之間的邏輯關系到底應該是怎樣的？這是一個絕佳的例子，用來真正培養孩子們的科學思維方式。

很快，同學們注意到原數據圖表的重大問題：

I:植物的重量是如何稱出來的呢？從第1天到第12天植物總重量呈下降趨勢，這與植物生長規律是違背的。

J:前3天重量都一樣，第4第5天重量都有增加，估計可能澆了水，稱重是什么時候稱的呢？如果澆了水馬上稱是不是表示澆的水重量不一樣。

K:如果土壤重量、澆水量,都在室內、只是離wifi的距離遠近不同的話，我認為測量數據有問題，AB的數據是反了：植物吸收水分養分生長，應該越來越重，可是B的重量卻比A少。

是啊，大家都發現了，首先“植物的重量”怎么減少了？還有數據與結論似乎矛盾，包括八歲多的BuBu小朋友，也獨立提出質疑：“為什么說遠離wifi的那盆長得好，但在圖表里它的重量卻低呢？”

然后我提醒大家數量級的概念，那么一撮指甲蓋大的小葉子大約多重？300多克大概有多重？原作者到底稱的是什么？

大家紛紛反應過來：

N:老師，他實驗中植物的重量是如何測量的，是包含土壤的重量嗎？

O:不會是稱的土加上植物吧，整個過程12天不澆水？

I:小朋友應該是第1天澆水之后就沒有再澆過水了，然后稱了整盆的總重，但這就沒有考慮到盆間土壤水分蒸發的差異。

我們要努力擁有批判性思維（critical thinking), 不是被動接受信息。即使老師說這是學區得了第一名的項目，即使他的圖表標示這是“植物的重量”，你也要多想想他測量的到底是什么。

至于會不會是離wifi設備近，溫度更高蒸發更快，我沒有直接回答而是反問，你去wifi路由器附近感受測量一下溫度有沒有更高？想想家里還有什么可能引起溫度的不均勻？蒸發的速度除了跟溫度有關之外還與什么有關？

此外我們還能分析出什么呢？

P：wifi影響植物的問題，植物A（暴露在wifi環境）的重量大，表明水分蒸發少……

R：前4天重量基本一樣，第5天兩盆植物的重量都增加，應該在這一天有澆水，需要把兩盆植物澆水的量標示出來，后面幾天兩盆植物的重量出現迅速下降趨勢，可能與花盆是否挪動位置有關，與陽光的照射有關，會影響水分的蒸發。我覺得從兩盆植物重量下降的那天開始，各自的變化曲線基本一致，但兩者間的絕對值的差異應該是有一個變量對兩者的影響不同，陽光照射的位置是不同的，其中有一盆可能為了滿足受到輻射的條件而離室內更近，而另一盆更接近室外。

S:一次實驗不足以得到結論，偶然性太大，需要多次驗證。

得獎項目《WIFI輻射對植物有害嗎？》

原數據圖表

植物A（暴露在wifi環境）

T:有養花經驗的人知道，即使是一樣的植物在一樣的環境下，也可能有差別，太多偶然因素可以導致差別。

越來越清晰了，再仔細：你看在第4天第5天的時候，靠近wifi那盆增加了15克，另一盆只增加了1克多，那15克是有意識地還是不小心加了什么？不論那是什么，從那一天開始這組實驗就失去比較的意義了。

此后兩盆都一直在減少重量，包括土壤在內的重量大幅度減少近一半。重量減少唯一比較合理的解釋是水分蒸發。而為何初始的四五天總重量沒有一絲一毫的變化？如此薄的一層土壤平鋪在大面積敞開的盤子里會連續四五天不蒸發掉一克水？難道是在水蒸氣飽和的桑拿房里？難道作者看到還沒發芽，覺得“植物的重量”應該不變，所以那些天就懶得測了，畫圖的時候為那些天人為地規定了一個不變的數字？那真是想當然把自己都騙到了。

此后兩盆內重量減少的快慢有明顯區別，恰恰顯示蒸發速度不一致，無法區分土壤直接蒸發的水分和通過植物蒸騰作用損失的水分。如此奇怪的實驗過程和如此不同的實驗環境怎么能夠說明長得不好的原因是wifi？

明顯的果：一盆長得好些，另一盆差很多與表面的因：差的那盆是離wifi路由器近之間是不是真的有因果關系？

什么樣的實驗設計、實驗條件和實驗結果，才能排除其他的因，來支持這層因果關系？認真參與的孩子都會對這些問題有清晰和客觀得多的認識，可是作者本人如果沒有嚴謹的科學精神卻可能會因為強烈的主觀愿望選擇性地指向心儀的結論，把自己都騙到了。

真正成功的科學啟蒙不是提前學了多少書本知識，也不是被告知一些解題技巧和實驗成功的套路，而是經歷嚴密的邏輯思考訓練，被給予機會去反復觀察、實驗、思考、提問、驗證，從而全方位地培養這些能力。

可是，為什么這樣的項目能在美國學區得獎？從中我們能得到什么啟發或者反思？下面我們就來聊聊中美的科學啟蒙有什么不同。

記憶中的中國科學啟蒙

記得小學自然課講天氣記錄，講種子發芽，大部分時候，和思想品德課一樣是全程背誦的，需要思考的很少。我記得小學時深夜抄寫、背誦塑料的定義，背了名詞左右心房、心室后，一度誤以為心臟在這四個地方輪流住，嚷嚷兩年同性相斥、異性相吸后，仍然完全不理解正負電荷是什么。

成年后回頭去看，你會發現我們那時的科學課，一味地只講事實、講現象、講結論，就像詳盡精準的說明文。基本沒有涉及過討論事實與觀點之間的區別、怎樣去尋找科學問題的答案的過程、批判性的思維方式、科學的思維方式，等等。

到了中學，所幸遇到幾位很好的老師，從各科自然科學課里，我學到很多知識，打下很堅實的基礎。但那時候實驗課唯一的目的是去驗證書本原理的正確性，如果實驗結果不吻合，要想辦法湊出“理想的結果”，有很詳盡的經驗讓我們嚴格照做去盡可能地得到理想的結果，而不是讓我們在結果的分歧中去探索和發現背后的原因。習慣了結論先行，再去湊理想實驗結果的思維，是沒法在科學上做出任何新發現，解決任何新問題的。

重點是：我們一直被告知，書上說的是科學本身，沒有人教過“怎么做科學”。

以至于我后來第一次聽說“所有不可能被證偽的命題都不能稱為是科學命題”的時候，想了好半天才理解：只有信仰是無論如何不能被證偽的，而科學命題都是可以通過設計實驗去檢驗的，符合實驗結果的被證實，不符合的被證偽，如果設計不出實驗去驗證，如果無論實驗結果如何，都不能被證偽推翻的，那只是信仰，不是科學。

那時有很多很難的習題，邏輯性也很強，卻只局限在書本和計算上，與生活中的實際問題相隔十萬八千里，硬生生地把物理這么神奇有趣、無處不在的學科變成了深奧晦澀遙遠的少數天才同學才能理解的天書，令人遺憾。

我一直非常肯定國內基礎教育在數學方面非常成功，在物理化學生物方面也有很多可取之處：基本功扎實，比國外很多地方都強。但卻僅限于提供了很多科學“事實”知識點，沒有怎么提供機會讓學生自己去探索、發掘和思考。學生容易習慣被動接受信息，不會主動提問，容易有行為上的勤奮和思考方面的懶惰，在興趣培養和解決實際問題的能力培養上都有很長的路要走。我不知道離開國內十幾年了，這方面有了多大的變化和改進，我說的是我小時候經歷的教育。

美國的科學啟蒙教育

首先不要迷信美國，美國的文科教育（語言、閱讀、演講、寫作、哲學等等）很棒， 可美國的數學教育在全球排名很靠后，科學一言難盡。

一個現實是直到高中，真正的物理化學生物都可以不是必修課，當然想上好大學的同學早就在中學選修了這些功課。另一現實是小學初中一般是一個老師教全班所有的功課。一個大學文科畢業做老師的人，或許一輩子只上過大學里面必修的兩三個學期基礎自然科學掃盲課，要擔任整個語文閱讀寫作數學邏輯科學等所有學科的老師，效果可想而知。而且美國完全沒有正式的教材和課本，老師自由選書、自由發揮，學生自求多福。當然好的私立學校或頂尖公立學校請到水平很高的老師在中學開設大學課程也是司空見慣的。

即使如此，我還是要強調一下美國科學啟蒙教育的一個非常好的思路：在小學初中沒有多少具體的知識點要求，這幾年科學課的教學大綱和考試大綱都更多強調怎樣做科學。

以這次的小學生科研展覽比賽為例，你必須親自研究一個屬于你自己的問題。

我們要教“科學知識”，也要教“怎樣做科學”

我們要教“科學知識”，也要教“怎樣做科學”

幾個月的流程是這樣的。

1.提出你想回答的問題，盡量精準明確。比如“在水泥地上拍籃球是不是比在木板地上拍更費勁？”“磁鐵的磁性會不會隨溫度變化而變化？”“冰里面加了不同數量的鹽或者醋熔點會怎么變化？”這些比“我家的垃圾能不能生產出沼氣發電”“wifi是不是對我們有害”要明確得多。

2.提出你對答案的假設。比如假設“籃球與水泥地相撞比與木板地相撞會損失更多能量”“溫度升高以后磁鐵磁性會變弱”“冰里面加越多的鹽熔點會越低”。

3.做背景研究和調查，了解基本的名詞、相關的變量，了解常識。

4.設計實驗去驗證你的假設：比如，用同一個籃球，從相同高度自由落在不同質地的地板上，測量反彈高度，來比較反彈時候損失的能量；用同一個磁鐵，在冷卻或加熱到不同溫度后，看分別能夠吸引一串多長的回形針；在同樣的冰里面加入不同數量的鹽，分別測量熔點溫度。

5.分析數據，根據數據判斷之前的假設是不是成立，在此之上得到結論。比如：溫度低于多少的時候磁性測不到明顯的變化，溫度大于多少的時候能夠吸住的回形針數目減少了多少，表明磁性減弱了。比如：加多少鹽，冰的熔點會降低多少？而加更多的鹽是不是能夠繼續降低熔點，還是會讓熔點又回升？等等。有時候還需要設計后續實驗繼續深入研究和驗證。（都是這次參加的小學生的例子）

6.寫科研摘要，講清楚幾大問題：這個課題是什么，為什么重要，為什么需要研究它，我怎么研究的，得到的結果是什么。

你看，這樣完全是正經科研經費申請，學位論文題目的流程。

這里面是一套完整的訓練，從提問、推理、假設、實驗、比較、驗證，到得出結論和準備后續計劃。這是我們來美國讀研究生以后才開始接觸的東西。你能意識到這些東西的重要性嗎？

我們應該做什么

簡單地說：取長補短，東西合璧。要慧眼識珠吸取精華。

不要光想著國內教育太死板，要真心珍惜那些訓練基本功和積累各科知識點的機會，樓閣不是能建立在空中的。

不要光想著美國的教育太膚淺，瞧不起他們需要計算器算簡單算術，記不得幾種化學元素；而是要虛心學習那些培養思維方式和研究習慣的理念和方法，把探索未知的過程還給學生們。

做成功的科學啟蒙，我們要教“科學知識”，也要教“怎樣做科學”，兩者缺一不可，相輔相成，相得益彰。 濃厚的興趣和思考的習慣會讓學生們成為自帶動力的小馬達，去主動掌握更多的科學知識，更好地“做科學”。

科學啟蒙不是為了讓大家提前學習更多書本內容，而是去引導一個觀察、實驗、思考、推理、驗證的全過程，讓學生們通過“自己去發現”的過程，真正理解物理原理，理解百萬個為什么，養成勤于思考的習慣，隨時提出問題，敢于嘗試解決問題。

我們要避免做什么

科學啟蒙有很多誤區，淪為記憶背誦知識點，知其然不知其所以然，滿足知道很多顯淵博的名詞，不知道如何深入思考和提問，習慣被動接受信息沒有批判式思維，甚至因為沒有理解而根深蒂固留下似是而非的錯誤印象。這些是家長和老師一定要避免的。

也不要迷信美國的STEM教育，很多理念和初衷是好的，但效果也還是要看具體老師的功力。動則強調創造力、新發明，顛覆已知認知，如果只是浮于表面，就會變成典型的花架子素質教育。我去年夏令營帶的一個學生后來告訴我，有一類美式科學夏令營就是如此，從國外來的團隊，很炫酷的陣勢，看著很好玩，最終實質只是搭了一些積木，跟我們的夏令營從早到晚無論動手做實驗還是吃飯坐車看星星，都在不停地提問、討論、反復思考的體驗完全不能比。我很欣慰。剝開開花架子和殼子，到底引導了多少真正深入的思考，是檢驗科普教育最重要的標準。

至于說，為什么在那么多優秀的作品中，這個漏洞百出的項目得了第一呢？它沒有優點嗎？一方面大家也要看到它的優點：它關注了一個人人自危的問題，到底wifi有害嗎？把這個事情弄清楚是大家都感興趣的，而它的版面設計視覺上也還是有吸引力。

另一方面，不得不說，在整個學區這個項目得了第一名：一是反映了師資力量的局限（居然沒有一個指導老師看出那些很明顯的問題）。再好的理念和框架還是需要老師去執行。老師有沒有功力做出培養思維方式的內容，埋下伏筆層層深入，能不能發現問題，有沒有足夠知識面和流暢表達能力去駕馭學生天馬行空的提問，并一一給予啟發性的回答？甚至在看似極簡單甚至邏輯不太成立的提問里找到亮點，去鼓勵和啟發學生更深入的思考，在我看來真的可遇不可求。

二是反映了一種好大喜功，吸引眼球的主流流行口味，也就是說，當小孩子出來宣傳所謂“科學家還沒發現或承認的危險”，宣傳環境危機的時候，總是有很強的英雄主義光環。微波爐食品有害和wifi有害健康的謠言在美國一樣有市場。令人非常遺憾的是，那天小學頒獎典禮上，組織者還特別對到場的公眾強調，大家都應該去看看這個第一名的研究，它會警醒你對家中有害輻射的認識。用實驗明顯錯誤的結論嚴重誤導了背景知識不強的公眾，讓這類謠言又有了更多忠實的擁護者。

因為沒有足夠的知識儲備去判斷，再加上這種英雄主義光環影響，求是的科學精神就泯滅了。再比如一個被總統表彰頒獎的中學生科研項目：給非洲孩子造一種白天用來踢的足球，順便滾著滾著發了電，夜里就用足球里儲存的電點燈讀書。靠噱頭賺足了眼球和稱贊，浪費了很多錢。每個“援助非洲發電足球”造價一百多美元，效率很低，又容易壞，效果其實遠不如二十元的足球和手搖發電機。

而在浮躁的花架子教育里習慣了光環和掌聲的學生，離真正的科學和技術只會越來越遠。這樣的文化土壤催生那些把投資者坑得傾家蕩產的科技騙局是必然的。比如最近著名的80后斯坦福退學美女CEO，Elizabeth Holmes， 她的估值90億美元的血液檢測公司Theranos（硅谷獨角獸）主打的技術和產品，就是違背基本常識無法實現的噱頭和一文不值的騙局，最終逃不過實踐的檢驗，一敗涂地，令人唏噓。科學誠我不欺，無論有多少噱頭和光環， 沒有什么偽科學逃得過時間的檢驗。