STEM教育在中國

本刊記者_張藝芳 上海報道

STEM教育在中國

本刊記者_張藝芳 上海報道

2015年9月20日，張逸中在“上海市未成年人科學教育推廣日”上

STEM教育正在從上海風靡全國。正如萬歷年間，徐光啟與傳教士利瑪竇將《幾何原本》翻譯到中國，經(jīng)由上海傳到全國。STEM，是科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engi n eeri ng）、數(shù)學（Mathematics）四個詞的縮寫，STEM教育，就是培養(yǎng)學生科學、技術(shù)、工程和數(shù)學綜合素養(yǎng)的教育。

21世紀，在國家科技競爭力的比較中，獲得STEM學位的人數(shù)已成為一個重要指標。在去年11月，美國奧巴馬政府還明確表示，將特別放開獲得STEM學位的留學生留美工作的限制，并將在未來10年內(nèi)，再培養(yǎng)10萬名STEM教師。

“沒做STEM教育時，我天天做科研，有女孩子問我，‘你天天做那個有啥意思？’STEM云中心，讓我的社會價值大大提高?！痹谌A東師范大學一間學者和老師經(jīng)常聚會的茶館，上海STEM云中心的張逸中主任對記者說道。

兩年前，上海STEM云中心成立，STEM教育由此進入中國，這位創(chuàng)客博士也完成了從技術(shù)宅到STEM課程設(shè)計者的轉(zhuǎn)身。

“新車間”：從創(chuàng)客文化到STEM

上海的地鐵，座位上方的移動電視里，播放著乘地鐵到“靜安區(qū)長樂路站”就有一個創(chuàng)客空間的廣告。第二天，我與一枚創(chuàng)客聊天。是這樣開始的：

“你稱得上是一位創(chuàng)客嗎？”

“這個……不是！談創(chuàng)客，還得說到它的淵源?！?/p>

1976年，喬布斯和沃茲尼亞克在他們的車庫里，和他們的第一臺蘋果機

李大維在自己的新車間里

之前就有Hacker（黑客）和Geek（極客），這些和計算機幾乎同時誕生起來的名詞。黑客和極客們熱衷計算機，愛車庫。美國傳統(tǒng)，家家有車庫，車庫里有幾十甚至上百種修理工具。1976年，21歲的喬布斯就在自家車庫里成立了后來風靡世界的蘋果公司。正是在這種車庫文化的基礎(chǔ)上，創(chuàng)客文化在美國火起來。

創(chuàng)客（Maker） 是指將自己的創(chuàng)新想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實的人。2001年，麻省理工學院比特和原子研究中心發(fā)起的Fab Lab成為最早的創(chuàng)客空間。創(chuàng)客們聲明，“發(fā)明創(chuàng)造將不再只發(fā)生在擁有昂貴實驗設(shè)備的大學或研究機構(gòu)，也將不僅僅屬于少數(shù)專業(yè)科研人員，而有機會在任何地方由任何人完成?！盕ab Lab的理念，帶動了此后個人設(shè)計、個人制造的浪潮。

2010年，李大維先生從美國回來，在上海開辦了中國第一家創(chuàng)客空間——“新車間”。不到50平米的空間里，有著各種電路、電腦零配件和微芯片，所有零件都可以用來DIY。這是一個完全向公眾開放的空間，每月200元，孩子和成年人都可以在這里擁有一個大小不超過50×50×50cm的儲物箱。新車間里，有硬件高手、電子藝術(shù)家、設(shè)計師、工程師、DIY愛好者，跟你一起拆裝電子和物理產(chǎn)品?！皠?chuàng)客空間將虛擬世界和現(xiàn)實世界聯(lián)系起來。”李大維說。

在新車間的啟發(fā)下，2011年，北京創(chuàng)客空間在中關(guān)村成立。一年后，“3D打印機”“創(chuàng)客音響”“數(shù)音堂”“防盜保險箱”等6個團隊，在開放實驗室中成長起來，在創(chuàng)客空間的助力下，發(fā)展為具備商業(yè)運作能力的創(chuàng)業(yè)公司。2013年年初，北京創(chuàng)客空間尋找到自身的盈利模式——“產(chǎn)品2.0管理公司”。所謂“產(chǎn)品2.0”，就是指小批量生產(chǎn)定制化產(chǎn)品的團隊。

但對這樣繁榮的創(chuàng)客文化，張逸中還是有所保留。在與一些中學一線教師聊天中，他試圖極力扭轉(zhuǎn)大家對“創(chuàng)客”一詞的濫用：“國內(nèi)的大背景是，傳統(tǒng)的從事科技創(chuàng)新的老師，都叫創(chuàng)客了，但干的活兒還是以前那一套。創(chuàng)客精神，其實是有分享、有創(chuàng)意，需要制作與實現(xiàn)，需要運用信息化等等?！?/p>

2014年11月，李克強總理在杭州參加互聯(lián)網(wǎng)大會，與大咖們的座談中，這樣評價創(chuàng)客，“創(chuàng)客充分展示了大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新的活力。這種活力和創(chuàng)造，將會成為中國經(jīng)濟未來增長的不熄引擎?！?015年3月，全國兩會上，發(fā)展“創(chuàng)客教育”被寫入了政府工作報告。

從一位計算機愛好者，到華東師范大學計算機科學博士，再到成立STEM云中心，指導學生參加科技創(chuàng)新大賽，學生、評委、老師、課程設(shè)計者幾重身份來回切換，張逸中擁有對教育的敏銳嗅覺?！捌鋵?，李克強總理關(guān)心的不僅僅是創(chuàng)客的教育，還有創(chuàng)客的創(chuàng)業(yè)。他關(guān)心的不僅僅是0到1，而是1到1萬的事情。”

張逸中擁有極快的思維速度，轉(zhuǎn)念想到，“創(chuàng)客教育的說法始終不妥，就像我們平時不說政治家教育，而是說培養(yǎng)政治素養(yǎng)的教育?！?/p>

2004年，19歲的朱元晨（右一）獲得了ISEF最高榮譽“青少年科學精英獎”

STEM教育在上海落地也不過兩年，進入部分中小學的課表僅一年，而原來的科學教育弊病百出，尚需扭轉(zhuǎn)。

云中心：尋回失落的熱情

張逸中曾與“小諾貝爾獎”擦肩。

十年后，當年的中學生張逸中已是華東師范大學計算機科學博士，他輔導上海交通大學附屬中學的學生姚悅參加英特爾ISEF大賽，“十年后，問鼎最高的國際大獎。所以我是蠻開心的，彌補了之前的遺憾?！?/p>

在中國政府和中國科協(xié)的多方努力下，2000年，中國開始擁有英特爾ISEF（國際科學與工程）大賽的參賽資格。2004年，那時還是上海外國語大學附屬外國語學校的朱元晨（現(xiàn)為哈佛大學在讀博士）憑借一項可提高計算機圖形能力的研究項目，問鼎英特爾ISEF（國際科學與工程）大賽最高獎項，并成為諾貝爾獎百年頒獎史上第一位被正式邀請參加的中國學生。

說起這樁十年前的往事，張逸中眼神里還充滿靜謐的熱情。他個子蠻高，穿著平整的白襯衣，姜黃色褲子，完全不是你對理工男格子襯衫、滿臉木然的印象。

計算機科學給他帶來過長久的興致。2005年，中學時代的張逸中帶到美國的參賽項目是關(guān)于提高計算機CPU性能的?！昂唵沃v，在現(xiàn)有CPU上有大量性能都是被浪費掉的。那么，我就想，浪費掉的這部分，是不是能全都要回來。后來做了數(shù)學論證，我嘗試加了一個小部件，重新設(shè)計了CPU的結(jié)構(gòu)，即使開500個程序都不會卡。這個跟日本車的道理是一樣的，同樣一升油，可以多跑一段距離。原來CPU的利用率在20%到90%之間搖擺，現(xiàn)在可以穩(wěn)定在90%以上。這個技術(shù)目前在英特爾里面是用到的?！?/p>

2014年，張逸中博士負責指導姚悅項目的沖刺階段。姚悅憑借一臺光學計算機項目獲獎。創(chuàng)意來源于一次美術(shù)課，“調(diào)顏色的時候，兩種顏色疊加，會產(chǎn)生第三種顏色，姚悅提出質(zhì)疑，光是不是也可以疊加顏色？如果可以，這個反應就是瞬間的。如果把這些光的顏色表示成數(shù)字，參與運算，這樣一臺計算機完成計算也是瞬間的。”

道理很簡單，做起來并不容易。

無論是自己參加比賽，還是輔導姚悅參賽，整個過程，給張逸中的沖擊很大?！拔耶斈暝诿绹?，看到的很多項目在中國都是無法想象的。其實，我們的想象力是被壓抑的。我們可能認為這些是高大上的，但實驗是有步驟的，不是瞎倒騰?！?/p>

2014年，在上海比賽階段，姚悅的參賽項目一度遭到評委質(zhì)疑：在中國老師眼里，科學教育就應該是你搞個小發(fā)明、小創(chuàng)造，做個生活用品。張逸中印象最深的是，評委給姚悅說，“你是為了研究而研究?！边@讓張逸中看到基礎(chǔ)教育階段，中國科學教育觀念的陳舊。

“姚悅項目完全是一個大學生的思維。我認為這樣一種方式，才是真正有價值的研究：從提出問題，到怎樣解決問題，怎樣建模，一步一步，給你呈現(xiàn)的是一個過程。評委反而不適應?！彪S后，張逸中便跑去游說上?？茀f(xié)，希望專家能夠重新審閱姚悅項目。送去參加英特爾ISEF大賽，果然拿了大獎回來。

2014年8月，在上?？茀f(xié)和華東師大的支持下，STEM云中心正式上線。這是一個集合了線上課程、線下活動、STEM能力測評、往期優(yōu)秀科學創(chuàng)新論文檢索的平臺。真正做到了創(chuàng)客精神的核心：尊重原創(chuàng)基礎(chǔ)上的開放。

一年時間，STEM云中心線上線下有了30多個課程，諸如《暴風瓶中的氣象》《發(fā)光的單車安全衫》《簡易污水過濾系統(tǒng)》《神奇的力學導電墨水》《低溫環(huán)境下新型建筑材料的探究》《能量怪獸》等。這些課程不同于以往在物理、化學、生物的分科教學模式，而是將科學、數(shù)學、工程、技術(shù)的思維溶于整個課程。

設(shè)計者的擔憂：科學方法的缺失

借助現(xiàn)有的上海云中心平臺，聯(lián)合上海市科協(xié)、上海市教委以及上?？萍拣^的力量，每年9月份，“上海市未成年人科學教育推廣日”活動都會出現(xiàn)在大眾視野。活動分為“科技園丁節(jié)”的STEM教育研討會，“STEM嘉年華”的展示、挑戰(zhàn)和咨詢活動，以及“科學種子科普行”環(huán)節(jié)的參觀重點實驗室活動。

展示區(qū)，有一節(jié)“制作屬于你的DNA手鏈”課程，學生們最終會做成一個手鏈，把提取的DNA放在里面。用到的材料和工具很簡單——鹽、洋蔥、酒精、研缽。上這樣一節(jié)課，需要老師一步步引導：“首先，老師會問孩子，DNA在哪里？小朋友可能會說，在身上。DNA是干嗎的？是可以遺傳信息、記錄性狀的。小朋友知道了，我長得高、長得矮，是它決定的。然后，DNA在哪里呢？每個細胞里都有。我們怎么樣才能找到DNA呢？細胞里面有細胞壁、細胞核，細胞核里面有染色體，染色體里面住著DNA。”

STEM云中心的課程開發(fā)團隊里不乏生物學博士，讓看似高大上的DNA提取實驗變得簡單易行?！熬捅热?，我們說在房子里找一個人怎么找？先進大門吧，然后找到那個房間，再找到那個人。那么，我們怎么找到DNA呢？我們得先把細胞壁弄破，然后再把細胞核打開，把染色體和蛋白質(zhì)分開，我們找到了線索。怎么把細胞壁和細胞核弄破呢，我們用研磨的方式。之后，放上氯化鈉溶液，就可以把里面的蛋白質(zhì)和DNA分開，DNA是不溶于酒精的。最后，DNA撈出來，放在瓶子里?！?/p>

《三體》的故事情節(jié)雖然比較扯，但它是我見過的科幻文學里科學邏輯相對嚴密的一本書。中國為什么不出好的科幻文學作品？與作者本身的科學素養(yǎng)有關(guān)，其次還跟想象力有關(guān)。

英特爾ISEF盛會

STEM嘉年華

STEM云中心有二三十個老師，兼職或全職，來設(shè)計這樣一門門課，也有一線教師參與課程反饋階段，參照學生反應來完善課程?！澳壳埃胀ǖ闹行W科技教師很難開發(fā)出這樣的課程，因為科學方法的欠缺?！?/p>

這種科學方法的缺失，不僅在課程設(shè)計方面，在授課過程中也大量存在。初中的一次經(jīng)歷，給張逸中很深的印象?！拔腋S老師參加橡皮筋飛機大賽，看到另一位學生制作的橡皮筋飛機在天上一直盤旋，足足飛了一個小時，但我的只能飛十分鐘?！焙髞聿胖?，那位老師從美國進口了一根橡皮筋，能多繞一百倍的圈數(shù)?！拔覀兊睦蠋煻嗍墙?jīng)驗式授課，‘調(diào)一調(diào)就可以了’，往往那些經(jīng)驗是不可積累的?！?/p>

然而，在學習的過程中，學生非常需要科學方法的引導。比如那次，他的朋友——上海交大附中的彭禹老師，帶學生去參加英特爾ISEF國際科學與工程大賽，一位外國老師問中國的學生，“我手里有不同種類的馬達，要完成某一任務，你選哪個？”學生隨便挑了一個順眼的，或者自認為差不多的。外國教師很詫異，“你不該分析，這個是要完成什么任務，需要多大的馬力。馬達都是有參數(shù)的，你可以根據(jù)需要的馬力，選擇適合的馬達。”

“這是一套方法，所以國外的機器人做得好，但是你不知道他為什么做得比你好。如果只是靠感覺來做，那是做不出來的?！彼麖陌锬贸鲆槐緯且槐緡獾臉藴蔛TEM教材?！皣鴥?nèi)的教材更注重知識習得，而這個教材更注重方法?！?/p>

如何分清楚STEM的每一環(huán)節(jié)——科學、技術(shù)、工程、數(shù)學？張逸中做了一個簡潔的比喻：就像做菜，我們知道在標準大氣壓下燒開水，一百度才能沸騰，這個是科學原理。我們寫一個菜譜，這個就叫技術(shù)。工程是什么？就是去炒嘛！就是有菜譜，每個人炒菜也炒得味道不盡相同。中國人做菜喜歡講少許，這個少許就是口味問題，但是你如果造房子呢？你放沙子說少許，完蛋了。所以我們需要用數(shù)學去定量分析，才能保證每個東西都是一樣的。

“由于這些原因，我們的科技課也好，始終停留在原地。為什么我們把STEM貫穿到整個課程當中？我們通過引入一個真實世界的問題，用科學的方法、選擇什么樣的技術(shù)、運用什么樣的工程方式，以及通過數(shù)學作為根據(jù)或支撐，來完成項目、解決問題。這個恰恰是我們目前很缺乏的?！?/p>

推廣日研討會上，針對目前的青少年科學教育，上海市教育學會尹后慶會長也有此擔憂：“學生雖然學了知識，但是沒有掌握科學道理；學科分隔導致了知識碎片化，探究性課程的探究方法程式化，我們的課更多是在教學生固定方法；再比如，掌握了知識，但不了解科學倫理、技術(shù)倫理；學習過程中，我們的研究方法、學習方法沒有得到充分的鞏固等一系列現(xiàn)狀?！边@些點，正切中目前科學教育的要害。

STEM教育中的人文思考

既然目前的科學教育有那么多要做的事，把大把的精力投向此處，也成了張逸中和朋友們津津樂道的事。

“沒做STEM教育時，我天天做科研，有女孩子問我，‘你天天做那個有啥意思？’STEM云中心，讓我的社會價值大大提高。我也受到啟發(fā)，開展STEM教育過程中，要有人文方面的思考?！?/p>

比如，制作“發(fā)光的安全衫”，就是出于對騎行者安全的考慮，才有此創(chuàng)意。安全衫裝有感應車輪轉(zhuǎn)速的傳感器，會在背后出現(xiàn)相應的數(shù)字，防止交通事故。

制作DNA項鏈

STEM科技館奇妙日，孩子們正在參與奇妙日探索任務

“STEM課程學習讓我知道不僅是局限于已有的知識學習，而是學會了利用方法來進行自己的科學研究。把我真正地引入了科學的大門?！?/p>

——第65屆英特爾國際科學與工程大獎賽（ISEF）計算機學科最佳獎（特等獎）、計算機學科一等獎獲得者姚悅

線下的活動，他們也開始注重結(jié)合中國文化?！拔覀冎白鲞^一個探究：中國建筑的榫卯結(jié)構(gòu)，為什么那么牢固？要用STEM的方法來解析。對它的解釋是要有科學道理的，現(xiàn)在還是說不清。”

在英特爾ISEF國際科學與工程大賽時，同樣少不了人文方面的審查。比賽前，學生要先經(jīng)過兩個委員會的審查，一個是科學審查委員會，一個是倫理道德委員會。“我們以前有個學生項目，差點被臨時砍掉，就因為他是用了老鼠做實驗。當然可以用，但是他會問你，是不是必須要用老鼠?！?/p>

在ISEF大賽上，有一個“3R”原則：減少、替換和優(yōu)化。減少使用動物的數(shù)量，盡量將使用的高級動物替換成無脊椎類動物，優(yōu)化就是改善實驗流程，減少動物痛苦時間。

當我們剛弄清楚STEM教育時，也有老師不斷提出STEAM教育，A是artist的縮寫，代表藝術(shù)。張逸中也反問自己，“為什么不提STEAM？”

“我不想過早上升到這個階段?！痹趪鴥?nèi)普遍的現(xiàn)象是：遇到好的東西，就一哄而上，但是并沒有真正弄懂它。

很多學校來找STEM云中心，想要做STEM課程，“有的人只是餓了，需要一碗米飯，給他一碗紅燒肉，未必是好的?！庇捎赟TEM教育的出口始終是走向信息時代的創(chuàng)新，課程設(shè)計有信息化的內(nèi)在要求，學校一旦采用STEM課程，學生須具備起碼的科學素養(yǎng)，學校需要有一定的硬件環(huán)境，以及師資，學校領(lǐng)導也并沒有弄清楚自己學校做STEM 教育的目標，張逸中并不建議這樣的學校盲目參與。

教育出口的多樣化

“牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力時，不過23歲。像姚悅這么大的高中生，正是最有創(chuàng)造力的時候?！?/p>

說到這里，張逸中自己也覺得這話有點兒雞湯，但很多創(chuàng)造力就是被這么抹掉的。姚悅比賽回來，已經(jīng)是2015年5月，由于停課半年，即使參加自主招生，也要先通過高考。對那些試題越發(fā)陌生，而他對科學的興趣日漸濃厚。

張逸中和朋友偶爾小聚，曾給姚悅分析過，“如果他留在國內(nèi)，會是怎樣的情況？”

大致可以猜到：他將接受體制內(nèi)的大學教育，為了照顧班級里參差不齊的學業(yè)水平，被迫接受統(tǒng)一的教學，而后成為一個沒有特色的人。

張逸中擔憂：“我們國家一直在說需要‘拔尖’人才，但‘拔尖’二字從哪兒來？”

“要有多樣化的出口?！彼麄兘o中學生開過一堂植物探究的課程，學校有一些信息化的要求，要用傳感器。這節(jié)課講完之后，學生可能會有兩撥人分化：對植物感興趣，就去學生物學的課程。也有人說，想要做這樣一個傳感器，就是工程學的東西。到最后，這些一定是分開的，出口也是不一樣的。課程設(shè)計之初，要能為孩子不同的興趣提供不同的出口。

“如今，大學取消了保送制度和加分制度，完成了我們多數(shù)人以為的公平。而實際上，我們也因此流失了大量的頂尖人才?！睆堃葜袊@息。

“為什么要讓美國為我們培養(yǎng)這些頂尖的人才？即使有多樣化的招生，沒有多樣化的辦學，不給這些擁有特長和愛好的學生以開放的空間和平臺，他們?nèi)耘f無法在國內(nèi)的教育體制中成長。”那樣一堂植物探究課程，最起碼的是為培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。如果學生有更大的興趣，STEM就鏈接有國外的實驗室，比如，這個暑假，他們就去了德國哥廷根大學的XLAB實驗室的夏令營。

英特爾ISEF國際科學與工程大賽的評審委員會，每位專家都是來自生物、化學、計算機科學、工程學、地球與空間科學、醫(yī)學與健康等多個領(lǐng)域頂尖的教授，都是自費過去。

“在國外，會認為是一種榮耀，在國內(nèi)是看不到的。最難以改變的，還是整個社會對于頂尖人才的看法，以及他們的研究是否能被當前的社會認可?！?/p>