实例剖析：中美科学启蒙教育到底有啥不一样？
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做成功的科学启蒙，既要教“科学知识”，也要教“怎样做科学”，为何两者缺一不可，如何让两者相辅相成，希望本文能给你一些启发。
撰文 | 满威宁
多年来一直想写一篇文章，比较一下中美的科学启蒙教育，谈谈怎样取长补短。这次借这个美国小学的科学比赛为引子，终于把一些思考和心得写出来分享，或许对教育工作者和家长都能有一些启发。
2019年，我参观了一个美国的科学竞赛，小学生们做了很多原创的研究。这个五年级小孩的研究得了整个学区的第一名：《WIFI辐射对植物有害吗？》 国内也有很多教育类公众号报道了这条消息，并引发了很多讨论。
简单地说，这个小学生想研究无线WIFI信号对植物的影响，经过12天的实验，他声称靠近WIFI路由器的那盆“快死了”，远离的那盆则“长得很好”。
他得出的结论是：WIFI如他想象的一样，严重危害了植物，大家要小心家里的辐射。还配有一个数据图表，是他称的“植物的重量”，从第1天到第12天，单位是克。(蓝色代表的A盆，距离WIFI近；橙色代表的B盆，距离WIFI远。)
我在网上开了一个物理启蒙课《无处不在的物理学，百万个为什么》，于是我把这些发到开课的群里请同学们仔细看看。我说 : “首先，肯定一下这个孩子的创造性想法和努力。大家对这个结论有没有什么疑问，甚至质疑？能想到哪些问题？哪些跟我们最近学的热与光有关? 当然WIFI与我们将学的电与磁也密切相关。”
群内的中小学生各抒己见：
我觉得很好，大家没有白上我的课。我对他们和我指导的研究生都经常强调：设计比较型实验的时候，一定要保证其余条件都尽可能一致（不变），才能把要研究的那个条件的对应后果单独体现出来，才有可能得出有效的结论。
大家都对实验条件的一致性提出了合理的怀疑，我于是提醒大家再仔细看看原作者本人的数据图表，还能发现哪些问题？
也有同学提出来，植物重量不好称，说：
D: 这个实验中是不是可以用整体植株高度的变化来当测量数据？
E: 我认为还可以观察植株的色泽。
G: 用植物叶片的数量与叶片的大小及叶片的颜色来做数据，可能会比植物的重量做数据更合适。
H: 还是量高度或根茎粗细好点。
假设、实验、数据、结论之间的逻辑关系到底应该是怎样的？ 这是一个绝佳的例子，用来真正培养孩子们的科学思维方式。什么是科学的思维方式，怎么培养，请往下仔细看。
（根据照片中的原图再制，点击可放大）
很快，同学们注意到原数据图表的重大问题：
I: 植物的重量是如何称出来的呢？从第1天到第12天植物总重量呈下降趋势，这与植物生长规律是违背的。
J: 前3天重量都一样，第4第5天重量都有增加，估计可能浇了水，称重是什么时候称的呢？如果浇了水马上称是不是表示她浇的水重量不一样。K: 如果土壤重量、浇水量都一样, 都在室内，只是离Wi-Fi的距离远近不同的话，我认为他测量数据有问题。AB的数据是反了：植物吸收水分养分生长，应该越来越重，可是B的重量却比A少。是啊，大家都发现了，首先“植物的重量”怎么减少了？还有数据与结论似乎有矛盾，包括八岁多的BuBu小朋友，也独立提出质疑：“为什么说远离WIFI的那盆长得好，但在图表里它的重量却低呢？”
然后我提醒大家数量级的概念，那么一撮指甲盖大的小叶子大约多重？300多克大概是多少？原作者到底称的是什么？
大家纷纷反应过来：
N: 老师，他实验中植物的重量是如何测量的？是包含土壤的重量吗？
L: 称重问题怎样解决？虽然可以用总重量减去泥土和水分的重量，但水的蒸发是无法计算的。O: 不会是称的土加上植物吧咣当！我们要锻炼批判性思维（critical thinking)，而不是被动接受信息！即使老师说这是得了第一名的项目，即使他的图表标示这是“植物的重量”，你也要能够质疑他测量的到底是什么？
姑且不论他混淆了质量和重量的概念，重要的是，想到大半瓶矿泉水才能有300多克， 你就会意识到原来他称的是整个塑料皿加上那层土。
此外我们还能分析出什么呢？
R：前4天重量一样，第5天两盆植物的重量都增加，应该在这一天有浇水，需要把两盆植物的浇水的量标示出来，后面几天两盆植物的重量出现迅速下降趋势，可能与他花盆是否挪动位置有关，与阳光的照射有关，（后者）会影响水分的蒸发。我觉得从两盆植物重量下降的那天开始，各自的变化曲线基本一致，但两者间的绝对值的差异应该是有一个变量对两者的影响不同，阳光照射的位置是不同的，其中有一盆可能为了满足受到辐射的条件而离室内更近，而另一盆更接近室外。
S: 一次实验不足以得到结论，偶然性太大，需要多次验证。T: 有养花经验的人知道，即使是一样的植物在一样的环境下，也可能有差别，太多偶然因素可以导致差别。越来越清晰了。仔细，仔细，再仔细：你看在第4到第5天的时候，靠近WIFI 那盆增加了15克，另一盆只增加了１克多，那15克是有意识地还是不小心加了什么？不论那是什么，从那一天开始这组实验就失去比较WIFI远近对植物影响的意义了。
此后两盆都一直在减少重量，包括土壤在内的质量大幅度减少近一半。重量减少唯一比较合理的解释是水分蒸发。而为何初始的四五天总重量没有一丝一毫的变化？如此薄的一层土壤平铺在大面积敞开的盘子里会连续四五天不蒸发掉一克水？难道是在水蒸汽饱和的桑拿房里
难道作者看到还没发芽，觉得“植物的重量”应该不变，所以那些天就没有测，画图的时候人为地把发芽前那几天的数据都填入了相同的数字？那就真是想当然，结果把自己都骗到了。（否则土壤在两处环境蒸发水分的快慢就能比较出来了）
此后两盆内重量减少的快慢有明显区别，恰恰显示蒸发速度不一致，不过已经无法区分土壤直接蒸发的水分和植物蒸腾作用损失的水分。
总之，如此不严谨的实验过程和不一致的实验环境，怎么能够说明植物长得不好的原因是WIFI影响？
明显的果（一盆长得好些，另一盆长得差一些）与表面的因（差的那盆是离WIFI路由器近）之间是不是真的有因果关系？
什么样的实验设计，实验条件和实验结果，才能排除其他的因，来支持这层因果关系？认真参与前面讨论的孩子都对这些问题形成了比较清晰的认识，可是原作者本人如果没有严谨的科学精神，就可能会因为强烈的主观愿望选择性地指向心仪的结论，把自己都骗到了。
真正成功的科学启蒙不是提前学了多少书本知识，也不是被告知一些解题技巧和实验成功的套路，而是去经历严密的逻辑思考训练，被给予机会去反复观察，实验，思考，提问，验证，从而全方位地培养这些能力。
可是，为什么这样的项目能在美国得奖？从中我们能得到什么启发或者反思？下面我们就来聊聊中美的科学启蒙的有什么不同。
记得国内小学自然课讲天气记录，讲种子发芽，不过大部分的时候和思想品德课一样是全程背诵的，需要思考的很少。我记得小学时候深夜抄写和背诵塑料的定义，我记得背了名词左右心房心室后我一度误以为心脏在这四个地方轮流居住，我记得嚷嚷了一年“同性相斥异性相吸”后仍然完全不理解正负电荷是什么。
成年之后回头去看，你会发现我们的历史课，并不光是在教史实本身，更多地是要求我们背诵对历史事件的评价，考来考去重点是书本为我们定性的每个事件的历史意义，就像写规定好论据论点的议论文。
而我们那时的科学课，却一味地只讲“事实” （facts），讲现象，讲结论，就像详尽精准的说明文。基本没有涉及过：讨论事实与观点之间的区别，讨论怎样去寻找答案的过程，培养批判性的思维方式，训练科学的思维方式……等等。
到了中学，我有幸遇到几位很好的老师，在物理化学生物方面让我学到了范围又深又广的丰富的知识，这一点很重要，是我以后在自然科学领域能深入学习和做研究的基础。
但那时候绝大多数的时间是用来“纸上谈兵”——练考题的。实验课唯一的目的是去验证书本原理的正确性，如果实验结果不吻合，要想办法凑出“理想的结果”，有很详尽的经验细节让我们严格遵循，以得到理想的结果，而不是让我们在结果的分歧中去探索和发现背后的原因。习惯了结论先行，再去凑理想实验结果的思维，是没法在科学上做出任何新发现，解决任何新问题的。
重点是：我们一直被告知，书上说的是科学本身，没有人教过“怎么做科学”。
以至于我后来第一次听说”所有不可能被证伪的命题都不能称为是科学命题”的时候，很震惊，想了好半天才理解：只有信仰是无论如何不能被证伪的，而科学命题都是可以通过设计实验去检验的，符合实验结果的被证实，不符合的被证伪。如果设计不出实验去验证，如果无论实验结果如何都不能被推翻的，那只是信仰，不是科学。
那时有很多很难的习题，逻辑性也很强，却只局限在书本和计算上，与生活中的实际问题相隔十万八千里，硬生生地把物理这么神奇有趣、无处不在的学科变成了深奥晦涩遥远的、少数天才同学才能理解的天书，令人遗憾。
我一直非常肯定国内基础教育在数学方面非常成功，在物理化学生物方面也有很多可取之处：基本功功底扎实，比国外很多地方都强，真的。但却仅限于提供了很多科学“事实”（知识点），没有怎么提供机会让学生自己去探索、发掘和思考。学生容易习惯被动接受信息，不会主动提问，容易有行为上的勤奋和思考上的懒惰，在兴趣培养和解决实际问题的能力培养上都有很长的路要走。离开国内十几年了，我不知道这方面有了多大的变化和改进， 我说的是我小时候经历的教育。
首先不要迷信美国。来美近二十年，我了解到，美国的文科教育（语言，阅读，演讲，写作，哲学等等）很棒， 可美国的数学教育在全球排名非常靠后，科学则一言难尽。
一个现实是：在美国，直到高中毕业，物理、化学、生物都可以不是必修课。当然，想上好大学的学生常在中学选修这些功课。另一现实是：小学初中通常是一个老师教全班所有的功课。一个大学文科毕业做老师的人，或许一辈子只上过大学里必修的两三个学期基础自然科学扫盲课，就可能担任语法阅读写作历史数学逻辑自然科学等所有学科的老师，效果可想而知。而且美国完全没有正式的教材和课本，老师自由选书，自由发挥，学生自求多福。（当然，好的私立学校或顶尖公立学校请到水平很高的老师，在中学开设大学课程，也是司空见惯的。）
即使如此，我还是要强调一下美国科学启蒙教育的一个非常好的思路：在小学初中没有太多具体的知识点要求，科学课的教学大纲和考试大纲都更多地强调怎样做科学。
以这次的小学生科研展览比赛为例，你必须亲自研究一个属于你自己的问题。
历时几个月的流程是这样的：
1、提出你想回答的问题，尽量精准明确。比如：
在水泥地上拍篮球是不是比在木板地上拍更费劲？
磁铁的磁性会不会随温度变化而变化？
冰里面加了不同数量的盐或者醋熔点会怎么变化？
这些比“我家的垃圾能不能生产出沼气发电？”，“WIFI 是不是对我们有害？” 要更精准明确。
2、 提出你对答案的假设。比如：
假设“篮球与水泥地相撞比与木板地相撞会损失更多能量”；
假设“温度升高以后磁铁磁性会变弱”；
假设“冰里面加越多的盐熔点会越低”。
3、做背景研究和调查，了解基本的名词，相关的变量，了解常识。
4、设计实验，去验证你的假设： 比如：
用同一个篮球，从相同高度自由落在不同质地的地板上，测量反弹高度，来比较反弹时损失的能量。
用同一个磁铁，在冷却或加热到不同温度后, 看分别能够吸引一串多长的回形针？
在同样的冰里面加入不同数量的盐，分别测量熔点温度。
5、分析数据，根据数据来判断假设是不是成立，再得到结论。比如：
温度低于多少的时候磁性测不到明显的变化，温度大于多少的时候，能够吸住的回形针数目减少了多少，表明磁性减弱了。
加多少盐，冰的熔点会降低多少？而加更多的盐，熔点会否一直降低，还是会回升？等等。
6、写科研摘要，讲清楚几大问题：这个课题是什么，为什么重要，为什么需要研究它，我具体怎么研究的，得到的结果或结论是什么（what, why, how, what）。
简单地说：取长补短，中西合璧。
要慧眼识珠吸取精华：
不要光想着国内教育太死板，要真心珍惜那些训练基本功和积累各科知识点的机会，楼阁不是能建立在空中的。
也不要光想着美国的教育太肤浅，瞧不起他们需要计算器算简单算术，记不得几种化学元素；而是要虚心学习那些培养思维方式和研究习惯的理念和方法，把探索未知的过程还给学生们。
比如说这次讨论中有学生提出假设:
“离WIFI机器越近，温度会越高，水分蒸发越多。”
这个假设是否成立? 我没有直接回答，而是提出更多问题：
☞你可以去家里WIFI路由器附近测量一下温度是不是比远处更高？☞房间内温度分布还有可能受什么影响？☞我们在热与光部分学过，蒸发的快慢除了跟温度高低有关之外还与什么有关？☞还有没有别的因素会导致水分蒸发速度的不同？☞这些数据显示到底哪一盆更轻（如果浇水情况一致的话，说明哪盆蒸发更快）？
大胆假设，小心求证，正是我们要学习的。不同因素之间的逻辑关系是怎样的？怎样设计实验去孤立（分离）单项因素，去检验你的假设？什么样的数据才能支持或者削弱某个结论或假设？
做成功的科学启蒙，我们要教“科学知识”，也要教“怎样做科学”，两者缺一不可，相辅相成，相得益彰。 浓厚的兴趣和思考的习惯会让学生们成为自带动力的小马达，去主动掌握更多的科学知识，更好地“做科学”。
科学启蒙不是为了让大家提前学习更多书本内容，而是去引导一个观察，实验，思考，推理，验证的全过程，让学生们通过“自己去发现”的过程，真正理解科学原理，理解百万个为什么，养成勤于思考的习惯，随时提出问题，敢于尝试解决问题。
科学启蒙有很多误区：沦为记忆背诵知识点，知其然不知其所以然，满足于知道很多显渊博的名词不知道如何深入思考和提问，习惯被动接受信息, 没有批判式思维，甚至因为没有理解而根深蒂固地留下似是而非的错误印象……这些是家长和老师一定要避免的。
我们也不要迷信美国的STEM (科学、技术、工程、数学) 教育，很多理念和初衷是好的，但效果也还是要看具体老师的功力。如果动辄强调“创造力”“新发明”，强调颠覆已知认知，但只是浮于表面，就会变成典型的花架子素质教育。我带领的科普夏令营的学生告诉我，有一类美式科学夏令营就是如此，从国外来的团队，很炫酷的阵势，看着很新奇，但最终实质只是搭了一些积木，跟我们的夏令营从早到晚无论是做实验还是吃饭、坐车、看星星都在不停地比较、提问、讨论、反复思考的体验完全不能比。我很欣慰。剥开花架子的外衣，到底引导了多少真正深入的思考，是检验科普教育最重要的标准。
至于说，为什么在那么多优秀的作品当中，这个漏洞百出的项目得了第一呢？它没有优点吗？
首先，大家要看到它的优点：它关注了一个人人自危的问题，到底WIFI有害吗？把这个事情弄清楚是大家都感兴趣的。另外，它的版面设计视觉上做到了有吸引力。
不过，不得不说，在整个学区这个项目得了第一名，暴露了学区师资力量的局限（居然没有一个指导老师看出那些很明显的问题）。再好的理念和框架还是需要老师去执行。老师有没有功力做出培养思维方式的内容，埋下伏笔层层深入？能不能发现问题，有没有足够的知识面和流畅表达能力，去驾驭学生天马行空的提问，并一一给予启发性的回答？甚至，在看似极简单甚至逻辑不太成立的提问里找到亮点，去鼓励和启发学生更深入地实践和思考——这样的老师真的可遇不可求。在强调创新，鼓励颠覆的同时, 老师有足够的功力去引导和判断，是这类尝试成功的基础。
二来，这个结果反映了一种好大喜功，吸引眼球，“政治正确” 的主流流行口味。当小孩子出来宣传所谓“科学家还没发现或承认的危险”，宣传某种危机的时候，总是自带英雄主义的光环。人们热衷于以一己之力拯救世界的电影，也格外欣赏小孩或者个人做出“反对权威”或“保护世界”的“壮举”。
而且，危险论总是宁可信其有不可信其无，“微波炉食品有害”和“WIFI有害健康”的谣言在美国也有市场。非常遗憾的是，那天颁奖典礼上，组织者还特别对观众强调：“大家都应该去看看这个第一名的研究，它会警醒你对家中有害辐射的认识。” 用明显错误的实验设计得到的结论严重误导背景知识不强的公众，让这类谣言又有了更多忠实的拥护者。
而公众迷信产生的效力可能比你想象得要强大得多。比如说，一位在国内研究5G的教授朋友告诉我，他们小区反对建5G基站，大家签名抗议他也去了。虽然他计算过，那个基站的信号强度太小，一定是无害的。我问他：“你应该辟谣还来不及，为什么还去反对？”朋友回答：“没有办法，因为大家都相信有害，真建了的话，我们单元的房价就会跌了，我说什么没有用，公众信什么很重要。”
回到这个科学竞赛，因为没有足够的知识储备去判断，再加上英雄主义光环影响，求是的科学精神就泯灭了。再比如一个被美国总统表彰颁奖的中学生科研项目：给非洲孩子造一种白天用来踢的足球，顺便滚着滚着发了电，夜里就用足球里储存的电点灯读书。这个项目靠噱头赚足了眼球和赞美，浪费了很多钱。每个“援助非洲发电足球”造价一百多美元，效率很低，又容易坏，效果其实远不如二十美元的足球和简单手摇发电机。
在这类选拔中，最受青睐的正是这些政治正确的噱头和便于推销的光环。可是，在浮躁的花架子教育里习惯了光环和掌声的学生，离真正的科学和技术只会越来越远。这样的文化土壤催生出那些把投资者坑得倾家荡产的科技骗局是必然的。比如最近著名的80后斯坦福退学美女CEO Elizabeth Holmes， 她的血液检测公司Theranos（硅谷独角兽）估值90亿美元，主打的技术和产品是“一滴血检验各种疾病“，其实是违背常识的噱头和一文不值的骗局，最终逃不过实践的检验，一败涂地，令人唏嘘。
科学诚我不欺，无论有多少噱头和光环， 没有什么伪科学逃得过时间的检验。
不要把科学教育局限为纸上谈兵的题海大战， 套公式可以解的考题无论多么难，都只是符合出题人意图的假想问题，与真实的现实情况相去甚远。不要仅仅教科学“知识”，忽略了培养如何做科学。
同样，也不能忽略基本功的培养，一味追求创新和“颠覆”，催生浮躁的花架子教育，盲目追求空中楼阁而不自知。
到底什么是最好的科学启蒙？希望本文对你有一点启发，欢迎留言发表自己的看法。
作为普林斯顿物理博士和从事微波十几年研究的学者，我负责任地告诉你，不用担心家里WIFI的危害。辐射这个词经常被误解，其实所谓的电磁辐射与放射性电离辐射不是一个概念。
理解电磁波有害与否, 要从两个角度来考虑：一个是不同波段单光子的频率和能量，一个是整体的强度（单位时间穿过单位面积的电磁波能量）。
首先，无线电波、微波、毫米波、红外线和可见光都属于普通电磁辐射，从单个光子的角度来说，它们频率够低，光子携带的能量远不足以破坏原子或分子的结构。而紫外线、X射线、伽玛射线等电磁波单个光子携带的能量足以让一些原子电离或破坏分子键，它们才是有害的电离辐射。这就是为什么在壁炉前烤火（暖暖的红外线）无论呆多久，都积累不了盛夏大太阳底下站几分钟就可能遭受的紫外线伤害。还有一位大家都熟悉的名人说过，5G或WIFI所用电磁波频率高达10的9次方（十亿）赫兹，这么高，听起来“莫须有”会有什么伤害。其实，十亿算什么？红外线和可见光的频率可比十亿赫兹高数十万倍以上，哪怕是暖暖的篝火光芒，或者烟头微弱的红光，频率都可以大于五百万亿次每秒。这只是因为这些电磁波波源（比如说某种原子或电偶极子）每秒钟完成百万亿次的的电磁振荡而已，电偶极子越小，频率越高，仅此而已。
其次，讨论有害无害永远不能脱离剂量来讨论。就算是纯净水，一次喝五千毫升也会加重心脏负担，甚至导致“水中毒”。所以对于普通电磁辐射，尽管它们不破坏分子键（远不是电离辐射），我们仍然要定量地考虑它们的穿透性和在不同材料（包括人体内）吸收的程度，推演可能效应包括积累效应（比如热效应）以及不同位置的敏感度（比如视网膜和皮肤受损条件不一样），来严格确定暴露于不同波段的电磁波时绝对安全的强度范围：单位时间通过单位面积的电磁波能量。否则，就算是烤火（红外线）太近也可以烫伤。（电磁波的强度与距点波源的距离平方成反比，距离从十厘米移到一米，电磁波强度就衰减了一百倍）。
关于强度，在这里引用普林斯顿大学对全校范围室内外覆盖WIFI 研究的结论：
满威宁教授，本科毕业于吉林大学少年班，博士毕业于普林斯顿大学物理系，在普林斯顿大学和纽约大学从事博士后工作。现任加州州立大学旧金山分校物理与天文系终身教授。她带领的科研团队从事软凝聚态物理、无序材料、准晶、光子能隙及非线性光学的研究。在《自然》《美国科学院院刊》《美国物理快报》《自然通讯》等顶级科研期刊发表多篇论文。多次获得美国自然科学基金委等机构颁发的的科研资金。擅长写作科普文章，给不具备专业知识的读者，精准科普前沿科技。对科学教育理念感兴趣的读者，可以关注作者微信公众号mv0 (mv数字零)。
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