“對(duì)我來說，最大的獎(jiǎng)勵(lì)在于我的學(xué)生們從始至終真正地參與到了激動(dòng)人心的科學(xué)研究過程中，并且對(duì)于科學(xué)知識(shí)是如何發(fā)展的有了更深入的理解。這種經(jīng)歷和聽一個(gè)講座、觀察一個(gè)科技工作者是如何工作的，甚至是實(shí)際操作由別人設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，都是截然不同的?！?/p>

——（《ST-EM項(xiàng)目學(xué)生研究手冊(cè)》，序言

@了解STEM項(xiàng)目研究過程

“科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）研究，是指在能夠使用科學(xué)研究方法驗(yàn)證的領(lǐng)域內(nèi)通過實(shí)驗(yàn)手段解決問題。而科學(xué)研究方法指的是一種探究過程，用這種過程對(duì)在自然界中觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究、調(diào)查，并提供解釋?！?/p>

——《STEM項(xiàng)目學(xué)生研究手冊(cè)》，第1頁

《STEM項(xiàng)目學(xué)生研究手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《研究手冊(cè)》）開篇介紹了什么是一個(gè)STEM研究項(xiàng)目。在這一對(duì)STEM研究的描述中強(qiáng)調(diào)了STEM研究項(xiàng)目所涉及的是能夠使用科學(xué)研究方法驗(yàn)證、通過實(shí)驗(yàn)手段解決問題的領(lǐng)域。而科學(xué)研究方法則是指研究的過程，在這個(gè)過程中，研究者充分運(yùn)用自己已有的知識(shí)、技能、技術(shù)和資源來盡力解決問題。雖然我們常常會(huì)討論進(jìn)行科學(xué)研究的步驟，但本書作者卻使用“階段”一詞替代“步驟”，因?yàn)樗Ｍ袑W(xué)生們可以意識(shí)到，科學(xué)研究過程并不一定是線性的，也不一定會(huì)按照某個(gè)秩序或方向逐步經(jīng)歷研究過程的各個(gè)階段，它往往是一個(gè)循環(huán)的過程，很可能要不斷回頭去重復(fù)某些階段的工作，以便獲得更好的發(fā)現(xiàn)。

《研究手冊(cè)》將STEM研究分為圖1中的8個(gè)階段，并在共12章的內(nèi)容中對(duì)每一個(gè)階段中應(yīng)進(jìn)行的工作、需注意的問題和完成這些工作所要用到的方法、技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和論述。研究的過程會(huì)大致按照這些階段來推進(jìn)，但也常常會(huì)出現(xiàn)需要回到之前階段的情況，因?yàn)橥趯?duì)所研究主題有了更深入了解的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生更多的問題，而有些問題會(huì)讓研究者重返之前的階段，有時(shí)候甚至?xí)匦麻_始一個(gè)對(duì)完全不同的問題的研究。這種情況對(duì)于科技工作者來說，非常正常，也是件好事。但學(xué)生研究者需要注意的是，由于能夠用于項(xiàng)目研究的時(shí)間往往非常有限，因此開始階段要盡可能確定一個(gè)可行的研究主題，并將其按時(shí)完成，在研究過程中出現(xiàn)的新的問題和感興趣的其他研究主題，可以作為未來的研究?jī)?nèi)容。

本篇文章將簡(jiǎn)要介紹生成研究主題、制定研究計(jì)劃以及開展背景研究3個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)階段的內(nèi)容，對(duì)于其他研究階段的介紹，將在本期專題的后3篇文章中展開。

生成初步的研究主題

選擇自己感興趣的研究主題

學(xué)生在開始一個(gè)研究課題時(shí)，對(duì)于究竟要研究什么，有時(shí)要么是毫無概念，要么就是對(duì)研究主題有了非常具體的想法。《研究手冊(cè)》的作者提醒學(xué)生們，要盡可能避免這兩種極端情況。最好是讓好奇心引導(dǎo)自己的研究興趣，然后對(duì)自己感興趣的主題形成一個(gè)大致的想法，但并不要限制住自己的思路，而是要通過開展廣泛的背景研究來了解與主題有關(guān)的各種信息，從中再確定一個(gè)可行的研究主題。這個(gè)研究主題可以是學(xué)生在日常生活中遇到的問題，在電視上或是讀書的時(shí)候產(chǎn)生的疑問，如果學(xué)生參與了一些進(jìn)入大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室工作的項(xiàng)目，也可以是導(dǎo)師研究領(lǐng)域中的某一個(gè)問題，但無論研究主題產(chǎn)生于哪里，都一定要是自己真正感興趣的領(lǐng)域，因?yàn)檠芯宽?xiàng)目的開展將會(huì)經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，學(xué)生將會(huì)在選定的研究主題上花費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)歷，興趣和好奇心將會(huì)支撐學(xué)生完成這個(gè)長(zhǎng)期的研究過程。

用合適的問題來聚焦初步的研究課題

一個(gè)STEM研究項(xiàng)目，是要回答或解決一個(gè)問題。但并不是所有的問題都適合成為一個(gè)STEM研究問題。例如，“為什么水藻在緩慢的水流中生成得過快？”就不是一個(gè)可行的研究課題，因?yàn)檫@個(gè)問題太寬泛，也不是能夠通過測(cè)量得出答案的。但是，可以將這個(gè)問題分解成為更小的、能夠被科學(xué)測(cè)量的問題。例如，“哪種水流能導(dǎo)致水藻生長(zhǎng)得更快？”這樣的問題就是可以被測(cè)量的，也是可以通過實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果的。

在確定了初步的研究主題后，要通過問自己一系列問題使研究課題更加聚焦、更加具體。圖2展示了這些問題以及問題之間的聯(lián)系。《研究手冊(cè)》強(qiáng)調(diào)，在確定研究課題的階段，要對(duì)研究研究課題設(shè)想出盡可能多的方案組合。也就是說，在確定了研究對(duì)象之后，要對(duì)實(shí)驗(yàn)中的自變量（需要控制或改變什么）和因變量（需要測(cè)量什么效果），以及可能使用的實(shí)驗(yàn)方法（需要什么樣的技能、知識(shí)和工具）給出盡可能多的想法，以便之后從這些想法中形成真正可行的研究課題。

安全和倫理問題

由于是由學(xué)生開展的研究項(xiàng)目，安全和倫理問題是需要在開始階段就要認(rèn)真考慮的?？茖W(xué)研究的倫理問題，不僅是科研人員在從事科研實(shí)踐的過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守的，也是青少年在學(xué)習(xí)科學(xué)的過程中需要了解和掌握的。很遺憾，在我國(guó)大陸，有關(guān)學(xué)生開展科研項(xiàng)目的安全和倫理問題并沒有得到足夠的重視，沒有特別明確的對(duì)于學(xué)生科研項(xiàng)目安全和倫理問題的指導(dǎo)文件或是規(guī)定。例如，在全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽的《中學(xué)生科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽規(guī)則》部分，只是簡(jiǎn)單提出“違反國(guó)家法律、法規(guī)和社會(huì)公德或者妨害公共利益的項(xiàng)目”以及“涉及食品技術(shù)、藥品類的項(xiàng)目”是不接受申報(bào)的。對(duì)于有關(guān)高等脊椎動(dòng)物或是以人為研究對(duì)象的項(xiàng)目也沒有特別的要求或是規(guī)定。然而，對(duì)于這些方面，國(guó)際上已經(jīng)有了非常明確的規(guī)定。如果學(xué)生的研究項(xiàng)目要參加國(guó)際科學(xué)競(jìng)賽或是交流活動(dòng)，以及當(dāng)他們進(jìn)入到大學(xué)開展相關(guān)研究和學(xué)習(xí)時(shí)，都會(huì)遇到關(guān)于科研中的安全和倫理問題。因此，即使大陸并沒有明確的規(guī)定，指導(dǎo)老師和學(xué)生在選擇研究課題時(shí)，也要充分考慮，并謹(jǐn)慎選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象和方法。

對(duì)于安全和倫理問題的規(guī)定，英特爾國(guó)際科學(xué)與工程大獎(jiǎng)賽（Intel ISEF）的規(guī)則給出了很好的參考。例如，在科學(xué)倫理方面，競(jìng)賽規(guī)則中規(guī)定，對(duì)于以人為研究對(duì)象的項(xiàng)目，需要有非常嚴(yán)格的生理和心理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、審查以及受試人員知情同意程序，并要求在專業(yè)人士指導(dǎo)和管理下進(jìn)行，從而保護(hù)接受實(shí)驗(yàn)研究人的權(quán)益。對(duì)于以高等脊椎動(dòng)物為研究對(duì)象的項(xiàng)目，規(guī)則強(qiáng)調(diào)“3R”原則，即“替代（Replace）”——用無脊椎低等動(dòng)物替代；“減少（Reduce）”——減少動(dòng)物使用量；以及“優(yōu)化（Refine）”——優(yōu)化方案減少痛苦，來避免和減少科學(xué)研究中對(duì)脊椎的動(dòng)物的使用和傷害，并禁止研究造成實(shí)驗(yàn)動(dòng)物顯著的生長(zhǎng)抑制（15%）和高死亡率（30%）出現(xiàn)。在2012年，規(guī)則中增加了一個(gè)“尊重（Respect）”原則，強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究要保證實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的福利、合理飼養(yǎng)和最終妥善處置實(shí)驗(yàn)動(dòng)物（安樂死）等。

《研究手冊(cè)》中介紹了一些受限制的課題、參加科學(xué)競(jìng)賽時(shí)可能會(huì)有的要求，以及某些研究課題的替代方案。雖然這些受限制的課題在我國(guó)大陸的許多科學(xué)競(jìng)賽中可能并沒有受到嚴(yán)格的限制，但還是希望指導(dǎo)老師和學(xué)生們能夠給予充分的重視，盡可能地使用替代方案。

形成初步的研究設(shè)計(jì)

這一階段，學(xué)生要初步地構(gòu)建實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的過程或者實(shí)驗(yàn)設(shè)置過程就是研究設(shè)計(jì)?！皩?shí)驗(yàn)的研究設(shè)計(jì)不僅決定了實(shí)驗(yàn)是否可能成功，而且決定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可靠”（第15頁）。這一階段工作的重點(diǎn)在于確定STEM項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)中的各個(gè)組成部分，包括假設(shè)、變量、實(shí)驗(yàn)組和控制組，以及常量。《研究手冊(cè)》對(duì)于如何設(shè)定假設(shè)、確定變量、設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和控制組、如何將除了選定的自變量以外的所有潛在自變量變成常量的方法，以及如何使用定量數(shù)據(jù)和定性數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行了深入而全面的介紹，并給出了很多研究設(shè)計(jì)的樣例，這里不再一一贅述，只對(duì)設(shè)定假設(shè)的作用和假設(shè)中應(yīng)有的要素做一個(gè)簡(jiǎn)要的強(qiáng)調(diào)。

假設(shè)，是“對(duì)所觀察到的現(xiàn)象或者事件所給出的暫時(shí)的、但可檢測(cè)的建議性解釋”（第17頁）。設(shè)定假設(shè)的目的，是要將在實(shí)驗(yàn)中加以檢驗(yàn)的項(xiàng)目明確化，同時(shí)，假設(shè)也將限定實(shí)驗(yàn)的范圍。在假設(shè)中，描述的是你認(rèn)為自變量和因變量之間存在的聯(lián)系，并希望能夠通過實(shí)驗(yàn)加以檢驗(yàn)。因此，假設(shè)中必然要包含將在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的具體變量，同時(shí)，還需要包含測(cè)量的是什么指標(biāo)，以及對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)。需要注意的是，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究并不會(huì)最終“證明”或是“否定”假設(shè)中所建議的自變量與因變量之間的聯(lián)系，而只能得出這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果支持或否定了假設(shè)中提出的對(duì)于變量間聯(lián)系的預(yù)測(cè)。設(shè)定假設(shè)于整個(gè)研究設(shè)計(jì)乃至整個(gè)研究項(xiàng)目來說都是至關(guān)重要的，但也常常會(huì)被指導(dǎo)老師和學(xué)生所忽視。有些學(xué)生的研究項(xiàng)目論文提供了完整的實(shí)驗(yàn)過程，卻因?yàn)檎撐闹袥]有明確的假設(shè)而使得整個(gè)研究項(xiàng)目的研究目的以及要進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置的原因變得面目模糊，而且也影響到了對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果是要對(duì)照假設(shè)進(jìn)行分析的。如何用符合規(guī)范的方式來撰寫一個(gè)假設(shè)，在《研究手冊(cè)》的第4章中給予了詳細(xì)的介紹，在本期專題的《把科學(xué)研究的問題和想法變成一份規(guī)范專業(yè)的研究方案》一文中，也進(jìn)了簡(jiǎn)要的介紹。

開展背景研究

針對(duì)研究主題開展的背景研究，應(yīng)該貫穿于項(xiàng)目研究的整個(gè)過程。在《研究手冊(cè)》第3章中，介紹了如何通過做背景研究來徹底了解所要研究的課題。同時(shí)，也介紹了開展背景研究的過程中如何做筆記的方法，以便對(duì)于參考文獻(xiàn)進(jìn)行管理，并在論文撰寫的過程中避免剽竊和抄襲的現(xiàn)象。

帶著問題開展背景研究

在最初確定研究主題的階段，學(xué)生在開展背景研究時(shí)，并不需要有特別具體的問題，只是要盡可能多地了解有關(guān)研究對(duì)象的相關(guān)信息。而在初步確定了研究對(duì)象、自變量和因變量之后，則需要盡早開展有針對(duì)性的背景研究，即要準(zhǔn)備出具體的背景研究問題，以便將信息和文獻(xiàn)查找范圍盡可能限制在與要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相關(guān)的范圍之內(nèi)，從而能幫助學(xué)生找到真正需要了解的信息。背景研究的問題要覆蓋所有要開展實(shí)驗(yàn)所必須了解的信息，但問題本身不能是特別具體，用一兩句話就能回答的。《研究手冊(cè)》提出，要對(duì)以下4個(gè)方面中的每一個(gè)至少提出1個(gè)背景研究問題：研究對(duì)象，自變量，因變量，研究對(duì)象、自變量以及因變量之間的聯(lián)系。在開展背景研究的過程中，要注意分辨哪些是可靠的信息來源。

有條理地做研究筆記

在針對(duì)背景研究問題查找信息之前，需要計(jì)劃好如何做研究筆記。研究筆記上記錄下的內(nèi)容，涉及到學(xué)生獲取研究信息的來源，這些來源需要在最后的研究論文或是展板中與讀者進(jìn)行分享。對(duì)于信息來源的記錄，不僅要記下書目名稱、期刊或文章名稱或是網(wǎng)頁的網(wǎng)址，還要標(biāo)注出這些信息出現(xiàn)的頁碼或是網(wǎng)頁上的段落。

《研究手冊(cè)》中詳細(xì)介紹了如何使用記錄卡或是筆記本做研究筆記。無論使用哪種方法，都需要注意：①以背景研究問題組織研究筆記。即要為每個(gè)背景研究問題分配一個(gè)號(hào)碼，并為每個(gè)問題來設(shè)立一張或多張記錄卡，或是為每一個(gè)問題在筆記本上預(yù)留下足夠的空白頁。②按照將采用的文獻(xiàn)標(biāo)注方法收集和記錄信息。③不要簡(jiǎn)單地抄寫作者的原話，要用自己的話來復(fù)述作者的觀點(diǎn)，但最好不要使用完整的句子，以避免無意的抄襲。

在背景研究階段做詳細(xì)而富有條理的研究筆記是非常必要的。全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽的項(xiàng)目申報(bào)階段，常常有輔導(dǎo)老師或是學(xué)生對(duì)如何填寫申報(bào)材料中的“項(xiàng)目查新報(bào)告”感到一籌莫展。其實(shí)，如果在項(xiàng)目開展的前期就進(jìn)行了詳細(xì)的背景研究，并對(duì)查找的文獻(xiàn)信息做好研究筆記，那么填寫“項(xiàng)目查新報(bào)告”就會(huì)變成非常簡(jiǎn)單。

開展背景研究所能利用的技術(shù)工具

《研究手冊(cè)》中提供了很多能用于開展背景研究的技術(shù)工具，如在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行搜索，使用RSS訂閱和閱讀器隨時(shí)了解互聯(lián)網(wǎng)上的相關(guān)信息，以及如何撰寫一封電子郵件來向科技專家咨詢問題或是得到他們的建議。

《研究手冊(cè)》中還為學(xué)生提供了很多開展項(xiàng)目能夠利用的在線工具和在線應(yīng)用，如維基（Wiki）和Google文檔——一種在線創(chuàng)建和管理文檔的應(yīng)用程序，非常適合保存項(xiàng)目文件或是以小組開展項(xiàng)目研究。遺憾的是，這些工具大多只有英文界面，或者由于某些原因無法在大陸訪問使用。不過，輔導(dǎo)老師和學(xué)生可以自己在網(wǎng)上尋找到類似的中文應(yīng)用，比如有道云筆記就包含了一些Google文檔的功能，很適合小組用來保存或是共同創(chuàng)建項(xiàng)目文件。

“良好的開端是成功的一半?！痹赟TEM項(xiàng)目啟動(dòng)階段，確定了可行的研究主題，形成初步的研究設(shè)計(jì)，并且開展了具有針對(duì)性的背景研究，這些工作的完成將為整個(gè)項(xiàng)目研究的順利開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。