STEM教育在中国

本刊记者_张艺芳 上海报道

STEM教育在中国

本刊记者_张艺芳 上海报道

2015年9月20日，张逸中在“上海市未成年人科学教育推广日”上

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（Engi n eeri ng）、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。”

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

李大维在自己的新车间里

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50×50×50cm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是创客的教育，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。”

2004年，19岁的朱元晨（右一）获得了ISEF最高荣誉“青少年科学精英奖”

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。

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，穿着平整的白衬衣，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%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。

设计者的担忧：科学方法的缺失

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是干吗的？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。”

《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。

英特尔ISEF盛会

STEM嘉年华

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，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。

制作DNA项链

STEM科技馆奇妙日，孩子们正在参与奇妙日探索任务

“STEM课程学习让我知道不仅是局限于已有的知识学习，而是学会了利用方法来进行自己的科学研究。把我真正地引入了科学的大门。”

——第65届英特尔国际科学与工程大奖赛（ISEF）计算机学科最佳奖（特等奖）、计算机学科一等奖获得者姚悦

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？”

大致可以猜到：他将接受体制内的大学教育，为了照顾班级里参差不齐的学业水平，被迫接受统一的教学，而后成为一个没有特色的人。

张逸中担忧：“我们国家一直在说需要‘拔尖’人才，但‘拔尖’二字从哪儿来？”

“要有多样化的出口。”他们给中学生开过一堂植物探究的课程，学校有一些信息化的要求，要用传感器。这节课讲完之后，学生可能会有两拨人分化：对植物感兴趣，就去学生物学的课程。也有人说，想要做这样一个传感器，就是工程学的东西。到最后，这些一定是分开的，出口也是不一样的。课程设计之初，要能为孩子不同的兴趣提供不同的出口。

“如今，大学取消了保送制度和加分制度，完成了我们多数人以为的公平。而实际上，我们也因此流失了大量的顶尖人才。”张逸中叹息。

“为什么要让美国为我们培养这些顶尖的人才？即使有多样化的招生，没有多样化的办学，不给这些拥有特长和爱好的学生以开放的空间和平台，他们仍旧无法在国内的教育体制中成长。”那样一堂植物探究课程，最起码的是为培养学生的科学素养。如果学生有更大的兴趣，STEM就链接有国外的实验室，比如，这个暑假，他们就去了德国哥廷根大学的XLAB实验室的夏令营。

英特尔ISEF国际科学与工程大赛的评审委员会，每位专家都是来自生物、化学、计算机科学、工程学、地球与空间科学、医学与健康等多个领域顶尖的教授，都是自费过去。

“在国外，会认为是一种荣耀，在国内是看不到的。最难以改变的，还是整个社会对于顶尖人才的看法，以及他们的研究是否能被当前的社会认可。”