文_滿威寧

從一個小學(xué)生科研比賽的結(jié)果談起

2019年，我參觀了一個美國的科學(xué)競賽，小學(xué)生們做了很多原創(chuàng)研究。這個五年級小孩的研究得了整個學(xué)區(qū)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(jīng)過12天的實驗，他發(fā)現(xiàn)靠近wifi路由器那盆“快死了”，遠(yuǎn)離的那盆長得很好。結(jié)論：wifi如他想象的一樣，嚴(yán)重危害了植物，大家要小心家里的輻射。還有一個數(shù)據(jù)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(wǎng)上開了一個物理啟蒙課《無處不在的物理學(xué)，百萬個為什么》，我把這些發(fā)到群里請同學(xué)們仔細(xì)看看。我說 : “首先，肯定一下這個孩子的創(chuàng)造性想法和努力。想問大家是否有所疑問甚至質(zhì)疑? 能想到哪些問題，哪些跟我們最近學(xué)的熱與光有關(guān)? 當(dāng)然wifi與我們要學(xué)的電與磁也密切相關(guān)?！?/p>

群內(nèi)的學(xué)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(huán)境下和不在wifi環(huán)境下的光照、濕度都是一樣的嗎？

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

D:靠近機(jī)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(jīng)強(qiáng)調(diào)過，跟指導(dǎo)的研究生也在強(qiáng)調(diào)：設(shè)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(yīng)后果單獨體現(xiàn)出來，才有可能得出有效的結(jié)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(xì)看看原作者本人的數(shù)據(jù)圖表，還能發(fā)現(xiàn)哪些問題。

也有同學(xué)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(dāng)測量數(shù)據(jù)？

F:我認(rèn)為還可以觀察植株的色澤。

G:用植物葉片的數(shù)量與葉片的大小及葉片的顏色來做數(shù)據(jù)，可能會比植物的重量做數(shù)據(jù)更合適。

H:還是量高度或根莖粗細(xì)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(jié)論說wifi讓這株植物受害了嗎？

假設(shè)、實驗、數(shù)據(jù)、結(jié)論之間的邏輯關(guān)系到底應(yīng)該是怎樣的？這是一個絕佳的例子，用來真正培養(yǎng)孩子們的科學(xué)思維方式。

很快，同學(xué)們注意到原數(shù)據(jù)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(guī)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(nèi)、只是離wifi的距離遠(yuǎn)近不同的話，我認(rèn)為測量數(shù)據(jù)有問題，AB的數(shù)據(jù)是反了：植物吸收水分養(yǎng)分生長，應(yīng)該越來越重，可是B的重量卻比A少。

是啊，大家都發(fā)現(xiàn)了，首先“植物的重量”怎么減少了？還有數(shù)據(jù)與結(jié)論似乎矛盾，包括八歲多的BuBu小朋友，也獨立提出質(zhì)疑：“為什么說遠(yuǎn)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(fā)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(xué)區(qū)得了第一名的項目，即使他的圖表標(biāo)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(shè)備近，溫度更高蒸發(fā)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(fā)的速度除了跟溫度有關(guān)之外還與什么有關(guān)？

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(huán)境）的重量大，表明水分蒸發(fā)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(yīng)該在這一天有澆水，需要把兩盆植物澆水的量標(biāo)示出來，后面幾天兩盆植物的重量出現(xiàn)迅速下降趨勢，可能與花盆是否挪動位置有關(guān)，與陽光的照射有關(guān)，會影響水分的蒸發(fā)。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(yīng)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(nèi)更近，而另一盆更接近室外。

S:一次實驗不足以得到結(jié)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(shù)據(jù)圖表

植物A（暴露在wifi環(huán)境）

T:有養(yǎng)花經(jīng)驗的人知道，即使是一樣的植物在一樣的環(huán)境下，也可能有差別，太多偶然因素可以導(dǎo)致差別。

越來越清晰了，再仔細(xì)：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(nèi)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(fā)。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(xù)四五天不蒸發(fā)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(fā)芽，覺得“植物的重量”應(yīng)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(guī)定了一個不變的數(shù)字？那真是想當(dāng)然把自己都騙到了。

此后兩盆內(nèi)重量減少的快慢有明顯區(qū)別，恰恰顯示蒸發(fā)速度不一致，無法區(qū)分土壤直接蒸發(fā)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(huán)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(guān)系？

什么樣的實驗設(shè)計、實驗條件和實驗結(jié)果，才能排除其他的因，來支持這層因果關(guān)系？認(rèn)真參與的孩子都會對這些問題有清晰和客觀得多的認(rèn)識，可是作者本人如果沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神卻可能會因為強(qiáng)烈的主觀愿望選擇性地指向心儀的結(jié)論，把自己都騙到了。

真正成功的科學(xué)啟蒙不是提前學(xué)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(jīng)歷嚴(yán)密的邏輯思考訓(xùn)練，被給予機(jī)會去反復(fù)觀察、實驗、思考、提問、驗證，從而全方位地培養(yǎng)這些能力。

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

記憶中的中國科學(xué)啟蒙

記得小學(xué)自然課講天氣記錄，講種子發(fā)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(xué)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(fù)電荷是什么。

成年后回頭去看，你會發(fā)現(xiàn)我們那時的科學(xué)課，一味地只講事實、講現(xiàn)象、講結(jié)論，就像詳盡精準(zhǔn)的說明文?；緵]有涉及過討論事實與觀點之間的區(qū)別、怎樣去尋找科學(xué)問題的答案的過程、批判性的思維方式、科學(xué)的思維方式，等等。

到了中學(xué)，所幸遇到幾位很好的老師，從各科自然科學(xué)課里，我學(xué)到很多知識，打下很堅實的基礎(chǔ)。但那時候?qū)嶒炚n唯一的目的是去驗證書本原理的正確性，如果實驗結(jié)果不吻合，要想辦法湊出“理想的結(jié)果”，有很詳盡的經(jīng)驗讓我們嚴(yán)格照做去盡可能地得到理想的結(jié)果，而不是讓我們在結(jié)果的分歧中去探索和發(fā)現(xiàn)背后的原因。習(xí)慣了結(jié)論先行，再去湊理想實驗結(jié)果的思維，是沒法在科學(xué)上做出任何新發(fā)現(xiàn)，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(xué)本身，沒有人教過“怎么做科學(xué)”。

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(xué)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(xué)命題都是可以通過設(shè)計實驗去檢驗的，符合實驗結(jié)果的被證實，不符合的被證偽，如果設(shè)計不出實驗去驗證，如果無論實驗結(jié)果如何，都不能被證偽推翻的，那只是信仰，不是科學(xué)。

那時有很多很難的習(xí)題，邏輯性也很強(qiáng)，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(xué)科變成了深奧晦澀遙遠(yuǎn)的少數(shù)天才同學(xué)才能理解的天書，令人遺憾。

我一直非?？隙▏鴥?nèi)基礎(chǔ)教育在數(shù)學(xué)方面非常成功，在物理化學(xué)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(qiáng)。但卻僅限于提供了很多科學(xué)“事實”知識點，沒有怎么提供機(jī)會讓學(xué)生自己去探索、發(fā)掘和思考。學(xué)生容易習(xí)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(yǎng)和解決實際問題的能力培養(yǎng)上都有很長的路要走。我不知道離開國內(nèi)十幾年了，這方面有了多大的變化和改進(jìn)，我說的是我小時候經(jīng)歷的教育。

美國的科學(xué)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(xué)等等）很棒， 可美國的數(shù)學(xué)教育在全球排名很靠后，科學(xué)一言難盡。

一個現(xiàn)實是直到高中，真正的物理化學(xué)生物都可以不是必修課，當(dāng)然想上好大學(xué)的同學(xué)早就在中學(xué)選修了這些功課。另一現(xiàn)實是小學(xué)初中一般是一個老師教全班所有的功課。一個大學(xué)文科畢業(yè)做老師的人，或許一輩子只上過大學(xué)里面必修的兩三個學(xué)期基礎(chǔ)自然科學(xué)掃盲課，要擔(dān)任整個語文閱讀寫作數(shù)學(xué)邏輯科學(xué)等所有學(xué)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(fā)揮，學(xué)生自求多福。當(dāng)然好的私立學(xué)?；蝽敿夤W(xué)校請到水平很高的老師在中學(xué)開設(shè)大學(xué)課程也是司空見慣的。

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

以這次的小學(xué)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(xué)知識”，也要教“怎樣做科學(xué)”

我們要教“科學(xué)知識”，也要教“怎樣做科學(xué)”

幾個月的流程是這樣的。

1.提出你想回答的問題，盡量精準(zhǔn)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(shù)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(chǎn)出沼氣發(fā)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(shè)。比如假設(shè)“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?nèi)酢薄氨锩婕釉蕉嗟柠}熔點會越低”。

3.做背景研究和調(diào)查，了解基本的名詞、相關(guān)的變量，了解常識。

4.設(shè)計實驗去驗證你的假設(shè)：比如，用同一個籃球，從相同高度自由落在不同質(zhì)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(shù)量的鹽，分別測量熔點溫度。

5.分析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷之前的假設(shè)是不是成立，在此之上得到結(jié)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(shù)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(xù)降低熔點，還是會讓熔點又回升？等等。有時候還需要設(shè)計后續(xù)實驗繼續(xù)深入研究和驗證。（都是這次參加的小學(xué)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(jié)果是什么。

你看，這樣完全是正經(jīng)科研經(jīng)費申請，學(xué)位論文題目的流程。

這里面是一套完整的訓(xùn)練，從提問、推理、假設(shè)、實驗、比較、驗證，到得出結(jié)論和準(zhǔn)備后續(xù)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(yīng)該做什么

簡單地說：取長補(bǔ)短，東西合璧。要慧眼識珠吸取精華。

不要光想著國內(nèi)教育太死板，要真心珍惜那些訓(xùn)練基本功和積累各科知識點的機(jī)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(shù)，記不得幾種化學(xué)元素；而是要虛心學(xué)習(xí)那些培養(yǎng)思維方式和研究習(xí)慣的理念和方法，把探索未知的過程還給學(xué)生們。

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

科學(xué)啟蒙不是為了讓大家提前學(xué)習(xí)更多書本內(nèi)容，而是去引導(dǎo)一個觀察、實驗、思考、推理、驗證的全過程，讓學(xué)生們通過“自己去發(fā)現(xiàn)”的過程，真正理解物理原理，理解百萬個為什么，養(yǎng)成勤于思考的習(xí)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(xué)啟蒙有很多誤區(qū)，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(xí)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(qiáng)調(diào)創(chuàng)造力、新發(fā)明，顛覆已知認(rèn)知，如果只是浮于表面，就會變成典型的花架子素質(zhì)教育。我去年夏令營帶的一個學(xué)生后來告訴我，有一類美式科學(xué)夏令營就是如此，從國外來的團(tuán)隊，很炫酷的陣勢，看著很好玩，最終實質(zhì)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(fù)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(dǎo)了多少真正深入的思考，是檢驗科普教育最重要的標(biāo)準(zhǔn)。

至于說，為什么在那么多優(yōu)秀的作品中，這個漏洞百出的項目得了第一呢？它沒有優(yōu)點嗎？一方面大家也要看到它的優(yōu)點：它關(guān)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(shè)計視覺上也還是有吸引力。

另一方面，不得不說，在整個學(xué)區(qū)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(dǎo)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(zhí)行。老師有沒有功力做出培養(yǎng)思維方式的內(nèi)容，埋下伏筆層層深入，能不能發(fā)現(xiàn)問題，有沒有足夠知識面和流暢表達(dá)能力去駕馭學(xué)生天馬行空的提問，并一一給予啟發(fā)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(fā)學(xué)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(dāng)小孩子出來宣傳所謂“科學(xué)家還沒發(fā)現(xiàn)或承認(rèn)的危險”，宣傳環(huán)境危機(jī)的時候，總是有很強(qiáng)的英雄主義光環(huán)。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(xué)頒獎典禮上，組織者還特別對到場的公眾強(qiáng)調(diào)，大家都應(yīng)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(rèn)識。用實驗明顯錯誤的結(jié)論嚴(yán)重誤導(dǎo)了背景知識不強(qiáng)的公眾，讓這類謠言又有了更多忠實的擁護(hù)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(huán)影響，求是的科學(xué)精神就泯滅了。再比如一個被總統(tǒng)表彰頒獎的中學(xué)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(fā)了電，夜里就用足球里儲存的電點燈讀書?？苦孱^賺足了眼球和稱贊，浪費了很多錢。每個“援助非洲發(fā)電足球”造價一百多美元，效率很低，又容易壞，效果其實遠(yuǎn)不如二十元的足球和手搖發(fā)電機(jī)。

而在浮躁的花架子教育里習(xí)慣了光環(huán)和掌聲的學(xué)生，離真正的科學(xué)和技術(shù)只會越來越遠(yuǎn)。這樣的文化土壤催生那些把投資者坑得傾家蕩產(chǎn)的科技騙局是必然的。比如最近著名的80后斯坦福退學(xué)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(shù)和產(chǎn)品，就是違背基本常識無法實現(xiàn)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?？茖W(xué)誠我不欺，無論有多少噱頭和光環(huán)， 沒有什么偽科學(xué)逃得過時間的檢驗。