親歷美國高中生科普 教授會不會拖後腿？

美國科普活動講究動手

撰文 | 吳建永 （美國喬治城大學醫學院神經科學系教授）

責編 | 陳曉雪

三月三日的華府（Washington DC，USA）充滿春天氣息，玉蘭和大花山茱萸在街道兩邊盛開。我受邀參加了大學附近高中的一個科普活動。活動雖然只有一天，但是主題演講、討論班（workshops）、電影和動手挑戰賽安排得滿滿的，附近約500名高中生參加了活動，場面十分熱烈。

置身於這種高人氣的科普活動，我開始還有些驚訝。之前很多報道說美國的中學不重視教育，對學生放任自流，完全比不上中國、日本、南韓、新加坡、香港、台灣等地的高中教育。實際上，這些報道只描述了一個側面。在高度自由的教育系統中，課餘的科學活動也是高度自覺的，完全由自己的興趣來驅動。我這次發現，參加的學生就像「發燒友」一樣，在科學活動中投入大量時間並達到很高的水平，有時連專家都讚嘆不已。

活動的內容

這個活動的名字叫「2017 GDS STEAM Conference」[1]。大家可能注意過「STEM」這個英文縮略語，是科學、技術、工程和數學四個字的縮寫。「Stem」同時又是一個英語單詞，意為骨幹、根本的意思。的確，科技工程和數學是支撐一個文明持續發展的動力，美國也把這作為中小學教育的一個極其重要的成分。

圖一：活動就在這所普通的高中進行。這學校叫喬治城日間學校（Georgetown Day School，GDS）的高中部，有大約200名9-12年級的學生。

而我參加的這個會叫「STEAM」，多了一個字母A。A是「藝術」的縮寫。多了個字母A有畫龍點睛之效，因為科技工程和數學本身就是利用知識的一種藝術，加上藝術，科學技術就活了起來。Steam也是一個英語單詞，按詞義譯成「蒸汽」。蒸汽機是第一次工業革命的重要動力，因此蒸汽潛含的意思是「充滿活力、令人敬畏的力量」。這次科普活動由喬治城日間學校主辦，每年一次，今年是第六次（圖二）。

圖二：喬治城日間學校走廊里懸掛的會議招貼。

整個活動由六個單元組成。一個主題報告，一個討論班，一個動手挑戰，一個電影，一個電影后討論和一個職業座談會。其結構正好符合高中一天六堂課，每堂50分鐘的安排。我參與的是主持一個討論班。

整個會議共有30個討論班，並且同時進行, 學生可以按自己的興趣來挑選其中一個參與。

每個討論班都由一位行業專家主持。列出幾個我感興趣的主題（完整的討論班主題見文末）：博弈論；利用大數據提高社會節能；技術與真實世界的融合；實現突破的三要素；融合傳統藝術與計算機編程；創造人工智慧；破解密碼；電子電路基礎.......

構建一個大腦

我主持的討論班主題為「設計一個大腦」。設計的場景是一二百年之後，人類要殖民一些重力為地球十倍的行星。因為在十倍重力下，像豆腐一樣軟的腦組織會被其自身重力壓垮（生物組織會變得比鋼鐵還要重），因此討論班的任務是利用遺傳工程改建大腦的結構。

美國的科普講究親身體驗，學生完全不是坐在那兒聽你灌輸知識，而是親自動手，用橡皮泥、紙片、別針和汽水吸管來建造他們的大腦模型。其優點是，學生可能在動手的過程中發現許多你根本沒有講過的問題。同時小組討論，解決這些問題的過程是一個主導學習的過程，收益遠比被動聽講高。

因此，在這個50分鐘的討論班上，我只用十分鐘時間介紹必要的信息，然後學生分成三個工作小組，用30分鐘來討論和設計他們的大腦。最後的十分鐘，每個小組介紹他們的模型。我特彆強調每個人有30秒鐘的機會，把最想分享的信息用一兩句話說清楚。由於有了在眾人面前介紹的機會，每個學生都會仔細考慮怎樣利用這三十秒講話的時間。

我的十分鐘主要講大腦的結構是不斷隨環境而變化的。在地球過去的十幾億年中，大腦的結構不斷變化以適應不同動物的具體情況，從魚類、爬行動物進化到人類大腦的歷程（圖三）。

圖三：這是典型的高中生物實驗室。桌上是做模型用的橡皮泥、紙片、膠布等材料。PPT顯示的是地球上不同動物腦的結構和進化樹。我利用另外幾分鐘講了大腦皮層的功能分區（視覺聽覺、體感運動），以及大腦皮層的基本結構（灰質白質）。

我特別提到，利用遺傳工程技術來改造大腦的設計遠遠比自然選擇演化快。比如，我們未來可以讓生物在組織里合成微管碳纖維，成為遠比骨骼強大而輕巧的支撐系統, 提高軟組織適應高重力的能力。又如，動物腦中神經細胞和各功能結構之間的信息傳遞，靠的是是脆弱而低傳導效率的神經纖維（神經軸突），這種纖維的集群也叫大腦的「白質」，佔了大腦中很大體積。而利用今天的技術，用一根光纖的信息傳導量就可代替幾千萬根神經纖維。不但提高效率減少體積，對高重力環境的適應性也增加了。因此，100-200年後用電子線路與生物組織設計的複合生命，優勢將遠遠壓倒一切自然進化出的生物。

我講完後，三個小組開始討論和構造。他們用各種顏色的橡皮泥搭建自己的模型, 由於是造三維模型，學生髮揮的空間很大，我班上共有六個小組(相同內容做兩次，以保證更多學生可以參加)。

大腦各色各樣，沒一個重複的。但是所有設計的共性是在腦中用了碳纖維內骨骼來支撐（圖四、圖五）。

圖四 一種學生的設計，藍色的橡皮泥構成摺疊的大腦皮層。黑色的汽水吸管用來做支撐大腦的碳纖維內骨骼。

圖五，另一組學生的設計。紙上畫的是腦中碳纖維內骨骼的蜂窩狀結構。手機屏幕上是在網上搜索到的關於腦結構的信息。

還有的小組提到利用硅晶元作為內骨骼來加固大腦皮層，這樣不但加強了結構，而且可以通過無線傳輸信息——把無數小型的大腦連成網路，優點是其複雜性可以遠遠超過人腦，卻可以像互聯網那樣永生，網中任何一個腦離線也不會有信息或功能損失。

參加挑戰對抗賽

午飯後，我和主持其他討論班的老師一起觀摩挑戰對抗賽。對抗賽也是三人一組，用簡單的材料建造一個有功能的機器。此次共有一百多個小組參加，分成了兩批，每批60個組，分布在學校室內球場大廳里。對抗賽的任務是在30分鐘內製造一個利用多米諾骨牌倒下的力量升起一面小旗的機器。每組在賽前領到一個紙袋，裡面有一面小旗、幾個多米諾骨牌、幾個紙杯、幾個錢幣、幾個彈球、一個高爾夫球、一個文件夾、一些雪糕棍和橡皮筋（圖六）。

一個多米諾骨牌倒下的力量非常小，遠遠不足以升起一面小旗。而比賽的時間只有30分鐘，在這麼短的時間內完成任務確實是個挑戰，但訓練在短時間內完成看似不可能的任務是非常重要的。1970年，在阿波羅13號在前往月球軌道的路上，一個氧氣罐爆炸，破壞了飛船上的電源，三位宇航員不得不使用航天器的登月艙返回地球。由於登月艙原本設計的是供兩名宇航員使用兩天，而現在是三名宇航員，艙內過濾二氧化碳的過濾器性能不夠。當時，二氧化碳的濃度越來越高，幾小時內就能讓宇航員失去知覺。所幸的是，地面指揮的NASA收集了所有帶上天的雜物，襯衫、膠布、紙袋等，在很短時間內做了一個空氣循環系統，並通過無線電指導宇航員，最終做成了過濾裝置，成功地把二氧化碳的水平降到安全水平。

圖六，對抗賽的一個三人小組和他們領到的材料。

我本來是去觀摩這個比賽的，但因為之前從來沒參加過這種活動，就說服了組織老師, 加入其中一個小組。老師帶著神秘的微笑說，你的參加並不見得能幫到那個小組。

話說，老師所說的是有道理的。為什麼？人的知識和創造性是兩種不同的能力，利用知識進行推理叫「晶體智能」, 而創造性需要思想「跳出藩籬」(thinking outside the box)，是「流體智能」。有說法認為，人隨著晶體智能的不斷積累，思想會固守成規，跳出藩籬的能力越來越弱 （所謂知識越多越反動）。

但是，對於老師的表情，我 是看在眼裡心裡卻不服，就堅決地跳進一個只有兩個人的小組，心想一定要贏個樣給他看。

仔細研究一下這個項目還是挺難的。豎起旗子需要一個穩定的結構固定住旗杆的底部，這樣才能讓旗站直。另外在旗子豎直的狀態也需要穩定，不能樹起來後被拉倒向反面。最主要的是拉起旗子需要力量，而一塊多米諾牌倒下的力量絕對不夠的，需要「放大」（圖七）。

圖七 多米諾骨牌。一塊牌倒下的力量很小的。來源：https://sharedveracity.files.wordpress.com/2014/06/domino.jpg

當我還在文縐縐地思考的時候，兩位學生卻在拿著旗子比來比去，並提議說可以用重物墜落的力量，通過繩子拉起旗子。這樣比用利用橡皮筋力量的設計簡單可靠。我們就順著這個思路走下去。這時已經過了五分鐘，而總共時間只有30分鐘時間，不成功根本來不及換設計。

我們繼續做下去，發現用一個高爾夫球當重物，墜落的力量果然足以拉起旗子。還有十分鐘的時候, 我們卡在最難的部分：怎樣把一塊倒下的多米諾骨牌的微小力量放大到能把高爾夫球推下桌邊的較大力量？我想到的辦法是槓桿。我們用膠布把雪糕棍組合起來成了一個槓桿，然後用桌邊做支點，桌外放高爾夫球，裡邊是一塊多米諾牌。仔細調整支點的位置就能讓球和牌重量平衡。這樣當一串多米諾牌倒下的時候，這塊牌掉下槓桿, 使之失去平衡，球就從桌邊掉下去，拉起小旗。我們成功了！一百多個組只有兩個組成功，我這「老幫菜」沒有拖孩子們的後腿。

發現我的不足

參加這個動手對抗賽，我發現自己討論班的出題有很多不足。對抗賽和我的討論班中學生工作時間都只有30分鐘左右，在短時間競爭項目中，最好的出題應該是目的明確，一目了然，比如豎起一面小旗。而設計一個大腦則沒有個明確目標，不同設計各有優缺點，沒有一個衡量成功的量化標準。

其次，一個好題目應該是盡量利用學生已有知識，而不是靠背景介紹時的灌輸。對於沒有學過神經科學的高中生，設計一個大腦需要很多專業知識，如現在大腦的結構和進化過程等。相比之下，豎起小旗則完全不用背景介紹。競賽不拼短期記憶就能更好地發揮學生的創造性。

第三，一個好題目最好是看著容易而實際很難。豎起小旗看似簡單，但實際上，用有限的材料和時間構建還是很難的。比如要構建讓小旗從躺倒到能穩定站立的結構，要構建用不大的力量就能拉起旗子的結構等，都是工程問題。更重要的是，怎樣做到讓骨牌倒下的很小的力量控制拉起旗子這個很大的力量。這需要線性放大，加上一些非線性過程，比如正反饋和觸發等。非線性過程在紙上設計很難，但通過試驗卻往往很容易。相比之下，我的討論班並沒有這個看著容易做著難的特點。反而難點在理解背景知識上，在理解了背景知識後，不過是用內骨骼加強這一點想法。

當然，我的題目也許更適合於一周或一學期的長期項目，學生可以有足夠的時間學習神經科學，然後造出模型，最後在高重力環境下進行測試(比如從樓上扔下來)。

美國有不少面向初高中生的科學精英選秀活動。我參加過一次面向初中的博得康姆大賽(Broadcom masters)的決賽，各項冠軍獎金雖然不多，卻能受總統接見，是進入好大學的一個敲門磚。一個學生如果從初中開始就有創造，得過大賽名次這個標籤甚至勝過所有考試都得滿分的學生，因此很多學生和家長都把參與科學當作重要的課外活動。

最後有必要提及一下百年以來推動學生課外科技的民間機構：美國科學與公民學會(Society for Science and Public)。雖然政府機構如國家自然基金(NSF)等也說支持學生課外科技，但是美國科學與公民學會多年來做了很多實事，西屋大獎、英特爾大賽和博得康姆大賽等都是他們的作品。

參考文獻:

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

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

美國喬治城日間學校STEAM討論班主題完整版：

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

製版編輯：李 赫 |

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