STEM在中国

 

STEM教育正在从上海风靡全国。正如万历年间,徐光启与传教士利玛窦将《几何原本》翻译到中国,经由上海传到全国。STEM,是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四个词的缩写,STEM教育,就是培养学生科学、技术、工程和数学综合素养的教育。

 

21世纪,在国家科技竞争力的比较中,获得STEM学位的人数已成为一个重要指标。在去年11月,美国奥巴马政府还明确表示,将特别放开获得STEM学位的留学生留美工作的限制,并将在未来10年内,再培养10万名STEM教师。

 

“没做STEM教育时,我天天做科研,有女孩子问我,‘你天天做那个有啥意思?’STEM云中心,让我的社会价值大大提高。”在华东师范大学一间学者和老师经常聚会的茶馆,上海STEM云中心的张逸中主任对记者说道。

 

两年前,上海STEM云中心成立,STEM教育由此进入中国,这位创客博士也完成了从技术宅到STEM课程设计者的转身。

 

“新车间”:从创客文化到STEM

 

上海的地铁,座位上方的移动电视里,播放着乘地铁到“静安区长乐路站”就有一个创客空间的广告。第二天,我与一枚创客聊天。是这样开始的:

 

“你称得上是一位创客吗?”

 

“这个……不是!谈创客,还得说到它的渊源。”

 

之前就有Hacker(黑客)和Geek(极客),这些和计算机几乎同时诞生起来的名词。黑客和极客们热衷计算机,爱车库。美国传统,家家有车库,车库里有几十甚至上百种修理工具。1976年,21岁的乔布斯就在自家车库里成立了后来风靡世界的苹果公司。正是在这种车库文化的基础上,创客文化在美国火起来。

 

创客(Maker) 是指将自己的创新想法转变为现实的人。2001年,麻省理工学院比特和原子研究中心发起的Fab Lab成为最早的创客空间。创客们声明,“发明创造将不再只发生在拥有昂贵实验设备的大学或研究机构,也将不仅仅属于少数专业科研人员,而有机会在任何地方由任何人完成。”Fab Lab的理念,带动了此后个人设计、个人制造的浪潮。

 

2010年,李大维先生从美国回来,在上海开办了中国第一家创客空间——“新车间”。不到50平米的空间里,有着各种电路、电脑零配件和微芯片,所有零件都可以用来DIY。这是一个完全向公众开放的空间,每月200元,孩子和成年人都可以在这里拥有一个大小不超过50x50x50cm的储物箱。新车间里,有硬件高手、电子艺术家、设计师、工程师、DIY爱好者,跟你一起拆装电子和物理产品。“创客空间将虚拟世界和现实世界联系起来。”李大维说。

 

在新车间的启发下,2011年,北京创客空间在中关村成立。一年后,“3D打印机”“创客音响”“数音堂”“防盗保险箱”等6个团队,在开放实验室中成长起来,在创客空间的助力下,发展为具备商业运作能力的创业公司。2013年年初,北京创客空间寻找到自身的盈利模式——“产品2.0管理公司”。所谓“产品2.0”,就是指小批量生产定制化产品的团队。

 

但对这样繁荣的创客文化,张逸中还是有所保留。在与一些中学一线教师聊天中,他试图极力扭转大家对“创客”一词的滥用:“国内的大背景是,传统的从事科技创新的老师,都叫创客了,但干的活儿还是以前那一套。创客精神,其实是有分享、有创意,需要制作与实现,需要运用信息化等等。”

 

2014年11月,李克强总理在杭州参加互联网大会,与大咖们的座谈中,这样评价创客,“创客充分展示了大众创业、万众创新的活力。这种活力和创造,将会成为中国经济未来增长的不熄引擎。”2015年3月,全国两会上,发展“创客教育”被写入了政府工作报告。

 

从一位计算机爱好者,到华东师范大学计算机科学博士,再到成立STEM云中心,指导学生参加科技创新大赛,学生、评委、老师、课程设计者几重身份来回切换,张逸中拥有对教育的敏锐嗅觉。“其实,李克强总理关心的不仅仅创客的教育,还有创客的创业。他关心的不仅仅是0到1,而是1到1万的事情。”

 

张逸中拥有极快的思维速度,转念想到,“创客教育的说法始终不妥,就像我们平时不说政治家教育,而是说培养政治素养的教育。”

 

STEM教育在上海落地也不过两年,进入部分中小学的课表仅一年,而原来的科学教育弊病百出,尚需扭转。

1976年,乔布斯和沃兹尼亚克在他们的车库里,和他们的第一台苹果机

 

云中心:寻回失落的热情

 

张逸中曾与“小诺贝尔奖”擦肩。

 

十年后,当年的中学生张逸中已是华东师范大学计算机科学博士,他辅导上海交通大学附属中学的学生姚悦参加英特尔ISEF大赛,“十年后,问鼎了最高的国际大奖。所以我是蛮开心的,弥补了之前的遗憾。”

 

在中国政府和中国科协的多方努力下,2000年,中国开始拥有英特尔ISEF(国际科学与工程)大赛的参赛资格。2004年,那时还是上海外国语大学附属外国语学校的朱元晨(现为哈佛大学在读博士)凭借一项可提高计算机图形能力的研究项目,问鼎英特尔ISEF(国际科学与工程)大赛最高奖项,并成为诺贝尔奖百年颁奖史上第一位被正式邀请参加的中国学生。

 

说起这桩十年前的往事,张逸中眼神里还充满静谧的热情。他个子蛮高,穿着平昝的白衬衣,姜黄色裤子,完全不是你对理工男格子衬衫、满脸木然的印象。

 

计算机科学给他带来过长久的兴致。2005年,中学时代的张逸中带到美国的参赛项目是关于提高计算机CPU性能的。“简单讲,在现有CPU上有大量性能都是被浪费掉的。那么,我就想,浪费掉的这部分,是不是能全都要回来。后来做了数学论证,我尝试加了一个小部件,重新设计了CPU的结构,即使开500个程序都不会卡。这个跟日本车的道理是一样的,同样一升油,可以多跑一段距离。原来CPU的利用率在20%到90%左右之间摇摆,现在可以稳定在90%以上。这个技术目前在英特尔里面是用到的。”

 

2014年,张逸中博士负责指导姚悦项目的冲刺阶段。姚悦凭借一台光学计算机项目获奖。创意来源于一次美术课,“调颜色的时候,两种颜色叠加,会产生第三种颜色,姚悦提出质疑,光是不是也可以叠加颜色?如果可以,这个反应就是瞬间的。如果把这些光的颜色表示成数字,参与运算,这样一台计算机完成计算也是瞬间的。”

 

道理很简单,做起来并不容易。

 

无论是自己参加比赛,还是辅导姚悦参赛,整个过程,给张逸中的冲击很大。“我当年在美国,看到的很多项目在中国都是无法想象的。其实,我们的想象力是被压抑的。我们可能认为这些是高大上的,但我们都学过核聚变和裂变的原理,实验是有步骤的,不是瞎倒腾。”

 

2014年,在上海比赛阶段,姚悦的参赛项目一度遭到评委质疑:在中国老师眼里,科学教育就应该是你搞个小发明、小创造,做个生活用品。张逸中印象最深的是,评委给姚悦说,“你是为了研究而研究。”这让张逸中看到基础教育阶段,中国科学教育观念的陈旧。

 

“姚悦项目完全是一个大学生的思维。我认为这样一种方式,才是真正有价值的研究:从提出问题,到怎样解决问题,怎样建模,一步一步,给你呈现的是一个过程。评委反而不适应。”随后,张逸中便跑去游说上海科协,希望专家能够重新审阅姚悦项目。送去参加英特尔ISEF大赛,果然拿了大奖回来。

 

2014年8月,在上海科协和华东师大的支持下,STEM云中心正式上线。这是一个集合了线上课程、线下活动、STEM能力测评、往期优秀科学创新论文检索的平台。真正做到了创客精神的核心:尊重原创基础上的开放。

 

一年时间,STEM云中心线上线下有了30多个课程,诸如《暴风瓶中的气象》《发光的单车安全衫》《简易污水过滤系统》《神奇的力学导电墨水》《低温环境下新型建筑材料的探究》《能量怪兽》等。这些课程不同于以往在物理、化学、生物的分科教学模式,而是将科学、数学、工程、技术的思维溶于整个课程。

英特尔ISEF盛会

设计者的担忧:科学方法的缺失

 

抽文:“《三体》的故事情节虽然比较扯,但它是我见过的科幻文学里科学逻辑相对严密的一本书。中国为什么不出好的科幻文学作品?与作者本身的科学素养有关,其次还跟想象力有关。”

 

借助现有的上海云中心平台,联合上海市科协、上海市教委以及上海科技馆的力量,每年9月份,“上海市未成年人科学教育推广日”活动都会出现在大众视野。活动分为“科技园丁节”的STEM教育研讨会,“STEM嘉年华”的展示、挑战和咨询活动,以及“科学种子科普行”环节的参观重点实验室活动。

 

展示区,有一节制作“属于你的DNA手链”课程,学生们最终会做成一个手链,把提取的DNA放在里面。用到的材料和工具很简单——盐、洋葱、酒精、研钵。上这样一节课,需要老师一步步引导:“首先,老师会问孩子,DNA在哪里?小朋友可能会说,在身上。DNA是干嘛的?是可以遗传信息、记录性状的。小朋友知道了,我长得高、长得矮,是它决定的。然后,DNA在哪里呢?每个细胞里都有。我们怎么样才能找到DNA呢?细胞里面有细胞壁、细胞核,细胞核里面有染色体,染色体里面住着DNA。”

 

STEM云中心的课程开发团队里不乏生物学博士,让看似高大上的DNA提取实验变得简单易行。“就比如,我们说在房子里找一个人怎么找?先进大门吧,然后找到那个房间,再找到那个人。那么,我们怎么找到DNA呢?我们得先把细胞壁弄破,然后再把细胞核打开,把染色体和蛋白质分开,我们找到了线索。怎么把细胞壁和细胞核弄破呢,我们用研磨的方式。之后,放上氯化钠溶液,就可以把里面的蛋白质和DNA分开,DNA是不溶于酒精的。最后,DNA捞出来,放在瓶子里。”

 

STEM云中心有二三十个老师,兼职或全职,来设计这样一门门课,也有一线教师参与课程反馈阶段,参照学生反应来完善课程。“目前,普通的中小学科技教师很难开发出这样的课程,因为科学方法的欠缺。”

 

这种科学方法的缺失,不仅在课程设计方面,在授课过程中也大量存在。初中的一次经历,给张逸中很深的印象。“我跟随老师参加橡皮筋飞机大赛,看到另一位学生制作的橡皮筋飞机在天上一直盘旋,足足飞了一个小时,但我的只能飞十分钟。”后来才知道,那位老师从美国进口了一根橡皮筋,能多绕一百倍的圈数。“我们的老师多是经验式授课,‘调一调就可以了’,往往那些经验是不可积累的。”

 

然而,在学习的过程中,学生非常需要科学方法的引导。比如那次,他的朋友——上海交大附中的彭禹老师,带学生去参加英特尔ISEF国际科学与工程大赛,一位外国老师问中国的学生,“我手里有是个不同种类的马达,要完成某一任务,你选哪个?”学生随便挑了一个顺眼的,或者自认为差不多的。外国教师很诧异,“你不该分析分析,这个是要完成什么任务,需要多大的马力?马达都是有参数的,你可以根据需要的马力,选择适合的马达。”

 

“这是一套方法,所以国外的机器人做得好,但是你不知道他为什么做得比你好。如果只是靠感觉来做,那是做不出来的。”他从包里拿出一本书,是一本国外的标准STEM教材。“国内的教材更注重知识习得,而这个教材更注重方法。”

 

如何分清楚STEM的每一环节——科学、技术、工程、数学?张逸中做了一个简洁的比喻:就像做菜,我们知道在标准大气压下烧开水,一百度才能沸腾,这个是科学原理。我们写一个菜谱,这个就叫技术。工程是什么?就是去炒嘛!就是有菜谱,每个人炒菜也炒得味道不尽相同。中国人做菜喜欢讲少许,这个少许就是口味问题,但是你如果造房子呢?你放沙子说少许,完蛋了。所以我们需要用数学去定量分析,才能保证每个东西都是一样的。

 

“由于这些原因,我们的科技课也好,始终停留在原地。为什么我们把STEM贯穿到整个课程当中?我们通过引入一个真实世界的问题,用科学的方法、选择什么样的技术、运用什么样的工程方式,以及通过数学作为根据或支撑,来完成项目、解决问题。这个恰恰是我们目前很缺乏的。”

 

推广日研讨会上,针对目前的青少年科学教育,上海市教育学会尹后庆会长也有此担忧:“学生虽然学了知识,但是没有掌握科学道理;学科分隔导致了知识碎片化,探究性课程的探究方法程式化,我们的课更多是在教学生固定方法;再比如,掌握了知识,但不了解科学伦理、技术伦理;学习过程中,我们的研究方法、学习方法没有得到充分的巩固等一系列现状。”这些点,正切中目前科学教育的要害。

 

STEM教育中的人文思考

 

既然目前的科学教育有那么多要做的事,把大把的精力投向此处,也成了张逸中和朋友们津津乐道的事。

 

“没做STEM教育时,我天天做科研,有女孩子问我,‘你天天做那个有啥意思?’STEM云中心,让我的社会价值大大提高。我也受到启发,开展STEM教育过程中,要有人文方面的思考。”

 

比如,制作“发光的安全衫”,就是出于对骑行者安全的考虑,才有此创意。安全衫装有感应车轮转速的传感器,会在背后出现相应的数字,防止交通事故。

 

线下的活动,他们也开始注重结合中国文化。“我们之前做过一个探究:中国建筑的榫卯结构,为什么那么牢固?要用STEM的方法来解析。对它的解释是要有科学道理的,现在还是说不清。”

 

在英特尔ISEF国际科学与工程大赛时,同样少不了人文方面的审查。比赛前,学生要先经过过两个委员会的审查,一个是科学审查委员会,一个是伦理道德委员会。“我们以前有个学生项目,差点被临时砍掉,就因为他是用了老鼠做实验。当然可以用,但是他会问你,是不是必须要用老鼠。”

 

在ISEF大赛上,有一个“3R”原则:减少、替换和优化。减少使用动物的数量,尽量将使用的高级动物替换成无脊椎类动物,优化就是改善实验流程,减少动物痛苦时间。

 

当我们刚弄清楚STEM教育时,也有老师不断提出STEAM教育,A是artist的缩写,代表艺术。张逸中也反问自己,“为什么不提STEAM?”

 

“我还不想过早上升到这个阶段。”在国内普遍的现象是:遇到好的东西,就一哄而上,但是并没有真正弄懂它。

 

很多学校来找STEM云中心,想要做STEM课程,“有的人只是饿了,需要一碗米饭,给他一碗红烧肉,未必是好的。”由于STEM教育的出口始终是走向信息时代的创新,课程设计有信息化的内在要求,学校一旦采用STEM课程,学生须具备起码的科学素养,学校需要有一定的硬件环境,以及师资,学校领导也并没有弄清楚自己学校做STEM 教育的目标,张逸中并不建议这样的学校盲目参与。

 

教育出口的多样化

 

“牛顿发现万有引力时,不过23岁。像姚悦这么大的高中生,正是最有创造力的时候。”

 

说到这里,张逸中自己也觉得这话有点儿鸡汤,但很多创造力就是被这么抹掉的。姚悦比赛回来,已经是2015年5月,由于停课半年,即使参加自主招生,也要先通过高考。对那些试题越发陌生,而他对科学的兴趣日渐浓厚。

 

张逸中和朋友偶尔小聚,曾给姚悦分析过,“如果他留在国内,会是怎样的情况?”