通過人工智能算法和神經(jīng)網(wǎng)絡訓練,輸入一張礦石的圖片就能分辨出它是哪類礦石。這不是某家高科技公司開發(fā)的新產品,而是首都師范大學附屬中學幾位高中生設計的“火星基地礦物采集自動化識別及分揀系統(tǒng)”。“可能在專家眼中這不算什么,但在這個過程中我們對算法模型產生了濃厚的興趣,今后想繼續(xù)鉆研下去。”高二學生王韜智說。

這是我國加強青少年科技創(chuàng)新教育的一個縮影。如何激發(fā)青少年的科學好奇心?怎樣培養(yǎng)一批青少年科技創(chuàng)新人才?青少年科技創(chuàng)新教育還面臨哪些難題?記者日前就這些問題進行了采訪。

培養(yǎng)“創(chuàng)客”,為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供平臺

走進首都師范大學附屬中學的青牛創(chuàng)客空間,不由眼前一亮:600平方米的空間分成了“機器人廣場”“智控坊”“創(chuàng)想?yún)R”等子空間,3D打印機、電路板雕刻機、數(shù)控雕刻機、新型噴繪機等先進設備應有盡有。每天下午4點以后,創(chuàng)客空間就是孩子們最愛來的地方。

王韜智和同學們的很多想法,就在這里從“異想天開”變成了觸手可及的作品。

上初二時,學校組織了科技主題活動——“尋找和解決生活中的不方便”,旨在培養(yǎng)學生提出問題、研究問題、解決問題的能力。王韜智和小伙伴們開始琢磨:平常放學回家自己都得拿鑰匙開門,有時忘帶鑰匙就開不了門,還得等爸爸媽媽下班才行。能不能把機械鎖改造成智能鎖,用手機去開鎖呢?

作為學校智控社團的成員,王韜智的想法得到了社團輔導老師李玲的支持。在她的指導下,學生們用3D打印機制作了智能鎖,安裝了步進電機來控制鎖具的門栓轉動,還編寫了適用于手機APP的解鎖程序。最終,智能鎖的項目獲得了2018年青少年創(chuàng)客奧斯卡答辯展示一等獎。

在李玲看來,最欣慰的不是得獎,而是孩子們在這個過程中理解了智能控制的內涵,產生了濃厚的科學興趣,其探索精神、創(chuàng)新能力和合作意識得到不同程度的提升。

創(chuàng)客空間內擺滿了學生們的各種科創(chuàng)作品。大到模擬北斗導航原理的“北斗小衛(wèi)星”裝置,能投籃、可對抗的機器人,小到能夠監(jiān)測瓦斯?jié)舛鹊淖詣宇A警安全頭盔,學生們自己建模設計的智控八音盒……令人嘆為觀止。

首都師大附中校長沈杰介紹,學校將創(chuàng)新人才培養(yǎng)融入教育實踐,率先在中學開展創(chuàng)客教育。2016年建成的青牛創(chuàng)客空間配備了先進實用的硬件設備,為激發(fā)和提升學生的創(chuàng)新力搭建了更廣闊的平臺。

豐富課程設計,激發(fā)孩子的好奇心

培養(yǎng)和激發(fā)青少年的好奇心,不僅需要空間和平臺,還需要通過一系列豐富有趣的課程設計、科技活動等來引導創(chuàng)新。

在北京市育才學校,科技老師陳宏程把日常教學、科創(chuàng)活動有機結合起來。“根據(jù)我們在學生中進行的‘好奇心’問卷調查,孩子們最感興趣的是宇宙天體,其次是生命體。”陳宏程說,每周的科技創(chuàng)新選修課上,除了講授基本的科學知識,他還根據(jù)孩子們的興趣愛好將其分成不同的研究小組,鼓勵他們提出問題、研究問題。

“有個孩子在野外捉到知了,發(fā)現(xiàn)蟲子牢牢掛在衣服上,就對知了的‘足’產生了興趣。”陳宏程介紹,在好奇心的驅使下,當時才上五年級的學生王清石開始觀察各種昆蟲的腳,發(fā)現(xiàn)蜻蜓、蒼蠅、蝴蝶等昆蟲的足部各不相同。他還對傳統(tǒng)昆蟲足部的分類方法做了改進,寫了一篇童趣盎然的“小論文”——《昆蟲“腳”的那些事兒》。上完生物課,陳宏程還帶著孩子們走進陶然亭公園、北京自然博物館等場館,讓孩子們近距離實地觀察,親自動手做試驗,在實踐中體會科學的魅力。

在首都師大附中,一項叫做“拆客”的活動也廣受歡迎。

“其實很多人都有這樣的經(jīng)歷,小時候對家里的收音機、鬧鐘等都很感興趣,特別想拆開看看里面有什么。”機器人社團輔導老師朱安琪說,“讓孩子們動手拆一拆那些廢舊電器,從了解原理開始,慢慢培養(yǎng)和激發(fā)興趣。一般把東西拆開來,學生都會感嘆‘原來這么簡單’,然后會參與更多的探索活動。”

朱安琪告訴記者,在一次社團活動中,一個外觀破損的吹風機成為大家拆解和學習的對象。孩子們一邊拆、一邊看,電熱絲的發(fā)熱原理、電機轉動的控制方法統(tǒng)統(tǒng)在玩中就學到手了。拿著拆下來的電熱絲和電機,學生們轉身就制作了一個棉花糖機。“孩子們圍在一起吃棉花糖,比吃火鍋還熱鬧。”

“我們設計‘拆客’活動,就是想通過項目式學習,讓學生在活動中學習設計理念、理論知識。”沈杰表示。據(jù)了解,首都師大附中“拆客”活動已經(jīng)實現(xiàn)了系列化,“我拆我快樂”“我拆我懂得”“懂后再創(chuàng)造”“物理輕松學”等主題,極大激發(fā)了學生的創(chuàng)造熱情。

培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備軍,還需社會各界形成合力

記者在采訪中發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)青少年科技創(chuàng)新人才,僅靠學校自身力量遠遠不夠,還需要校園內外共同推動,在硬件投入、課程設計、師資力量培養(yǎng)等方面形成合力。

據(jù)北京青少年科技中心有關項目負責人介紹,在眾多科學家的倡議和支持下,北京市科協(xié)充分利用高校資源,大力發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)有志于科學研究的優(yōu)秀青少年,建設科技人才后備梯隊。通過北京青少年科技后備人才早期培養(yǎng)計劃等平臺選拔一批中學生走進高校和科研院所的重點實驗室,促進中學與大學教育的有機銜接,建立起高校與中學聯(lián)合發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)青少年科技創(chuàng)新人才的有效模式。

首都師大附中入選拔尖計劃、進入清華大學醫(yī)學院的實驗室學習的高二學生袁正家在日志中寫道:“我跟著導師和學長們一起做科研,不僅學到了知識,更重要的是接觸了真正的科學,叩開了生命科學的大門。”在這個全國頂尖的實驗室里,她得到了饒子和院士、婁智勇教授等導師的細心指導。

但能在中學階段走進高校、科研院所的學生畢竟是少數(shù),如何讓更多的學生了解科學知識,掌握科學方法,成為具備科學家潛質的青少年群體?專家表示,這其中科技教師的作用十分關鍵。我國近年來下大力氣提高全民科學素質,從2017年秋季起,小學科學課程起始年級調整為一年級,科學教育納入我國基礎教育各階段。但在一些地方,科技教師的水平參差不齊、缺少培訓,教育內容難以滿足學生的學習需求。此外,一些專職的科技老師在職稱評定等方面相對困難,也在一定程度上影響了從事科技教育的積極性。

北京青少年科技中心、北京青少年科技教育協(xié)會曾在2018年面向全市100所中小學開展了“北京市科技教師職業(yè)發(fā)展需求與科技教育現(xiàn)狀”的調查。綜合調查結果和專家建議,北京市科協(xié)確定了支持科技教師隊伍建設的主方向,以“科學思想與科學方法”為核心,推進專業(yè)化科技教師隊伍、信息化科技教育手段、前瞻性科技教育研究等三項基本建設,并與有關單位成立了北京科技教育創(chuàng)新研究院,共同探索青少年科技創(chuàng)新人才的多種培養(yǎng)模式。

中國科學院院士、中國科普作家協(xié)會理事長周忠和表示:“雖然只有很少數(shù)學生最終會走上科學探索之路,但科學作為人類主要思考方式之一,對大多數(shù)從事其他職業(yè)的人們成長也大有幫助。”期待更多各界人士行動起來,為青少年科技創(chuàng)新教育添薪助力,為國家科技創(chuàng)新人才隊伍培養(yǎng)更多后備力量。(記者 馮 華)

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