如何让青少年尽快熟悉科学研究的工作方式，全世界的教育工作者正在尝试新的教育方式。
德国一所幼儿园的小孩，刚刚弄明白如何玩转“瓶子里的龙卷风”游戏
五岁的小朋友相信：是因为树枝摇摆，造成了风。他们的老师没有纠正他们，却问道：有没有人看到在有风的地方，没有树呢。一个男孩回忆了在海滩的一次旅游，他说在那里风把浪和沙卷起来，视线里没有树。另外有一个男孩说，行进中的车辆让落叶旋转飘扬。可能，他们觉得，树不是风的源头。
这是德国小科学家房屋（Haus der kleinen Forscher）项目参与者有代表性的一天，这一项目，在不到10年的时间内，培养了该国年龄在3岁到6岁之间的普通孩子。该项目由一群德国商业领导人于2006年启动，这些领导人对国际交流中该国学生的沉闷表现感到沮丧，小科学家房屋项目于2008年得到了联邦政府的支持赞助。今天，该项目也在澳大利亚、奥地利、荷兰、巴西与泰国运行――包括在泰国就有14000个中心。
小科学家房屋项目是全世界很多类似项目中的一个，这些项目试图让年轻人积极参与到周围环境，激励他们内心的科学家梦想。这一方法的效果已经经过很多实证研究证实。“该项目的意图是，学习内容不是你去记住或背诵，而是将其当做原材料知识，去做出联系，举一反三，建立新的信息――去学习如何学习”，美国国家科学院的一位高级教育顾问杰伊·拉波夫（Jay Labov）如是说。美国国家科学院是认可此种学习模式的很多机构之一。《自然》对这些从学前教育到大学的创新案例进行了备案。如果某个人想将一个姗姗学步的儿童培养成21世纪的科学家，通过此课程是可能实现的。
学前教育实验者
小科学家房屋项目标志着与教育者的传统角色的背离，克里斯蒂娜·哲特（Christina Jeuthe）说，她是参与到这个项目中的一名幼儿园老师。“你要愿意去做一些小孩子可能做不出什么成绩的东西”，她说，“他们不能将什么东西都带回家展示给父母看。”相反，经过这一方法训练的老师们试着让学生回答关于自然现象与日常物品的问题。当有些学生提供一些很天真的答案（比如，摇曳的树叶产生风），老师们帮助他们组织活动来测试这些问题的答案――从效果看，就是仿效成年研究人员做科学。如科学发现所示，最终结果是不大肯定的，哲特说。“我自己要足够强大，不把我的期待放在针对小孩子的一个特定科学问题上――而是让他们自己决定、询问、发现。”
例如，在某个有关水的单元中，比如，一个五岁大的孩子争论说，相对于比一个更大一点儿的50分欧元硬币来说，一个一欧元的硬币能集聚更多的水，因为后者可以购买更多。他和他的同学计算他们有多少水滴可以滴到硬币表面。最后，孩子们可能得不出一个确定的答案，但是还是OK的，哲特说。要点就是，要激发问题，他们有可以理性探索的信念。
这些活动都是以小孩们所熟悉的物体或体验开始的――孩子们在适应不同地点和文化的项目过程中需要大量的创造力。澳大利亚教育版本借鉴学生在寒冬天气下的体验；取而代之，他们的焦点在冰块上。在泰国，有一种依赖于花灯的活动――是在节假日快乐庆典中常见的一种微型热气球。然而，活动确实完成了，学生们说，他们在进行即兴试验活动时很有趣――在这一活动过程中他们读了项目的宣传词，小朋友们在学习如何规划与解决问题过程中学习到非常宝贵的经验，更不必说获得自信了。
不幸的是，将项目对学生的影响降低会比较困难，米利亚姆·斯蒂芬斯基（Mirjam Steffensky）警示说，她是德国基尔的尼兹科学与数学教育研究院的化学教育家。如果没有其他的办法，她说，各种比较是困难的，因为每个地点的教育家有以各种方式执行小科学家房屋课程的自由。但是，德国科学与工程学院以及其他教育基金会也任命了斯蒂芬斯基以及其他研究人员来执行项目的独立评估。三年的学习，将会容纳来自各中心成千上万的学生，让他们去看看项目是否会促进学生的语言与科学技能。
这些评估不会在下一年执行，但是一份由3000多个教育人士参与的一项2013年调查问卷发现，他们感受到更多科学教学方面的信心与兴趣。“给孩子们空间、时间与可能性”，哲特说。“相信能做到，他们就能做到。”
新加坡华中初级学院（The Hwa Chong Institute）是新加坡的一家精英高级中学，只录取表现最好的学生，他们有机会接触最高级的设备，包括原子力显微镜与细胞培养孵化器。这些工具可能是很多大学艳羡的，而对于研究领导者华慧鹏（Har Hui Peng）而言，这还不够。他总是想给他的那些愿意在一个相互关联的世界里做科学研究的人一次额外机会。由于她有幸在十年前就得到一次与美国教育家乔治·乌尔夫（George Wolfe）见面的机会，乌尔夫告诉她，他在建立科学研究院（AoS）：一家位于弗吉尼亚州斯特林的有选择性的公立赞助学校，学生在那里设计开展研究。他们都意识到这对于教育学生从事二十一世纪科学研究的一项重要技能――合作――来说，是绝无仅有的一次机会。
自2006年的每年十月或十一月，十几个十四五岁的新加坡华中初级学院学生跋涉长途来到科学研究院，开始了持续整学年制的研究项目。他们组成四人一组――其中每两个学生来自同一个国家――致力于诸如过滤蛆虫上的抗菌化合物等项目。九个月后，科学研究院的学生们与新加坡华中初级学院的同组同学回到新加坡完成最后的分析，准备结果展示。
艾希莉·费格森（Ashley Ferguson）说，尤其是在一开始，还是有些文化偏见存在的，费格森是作为一名科学研究院的学生参与到项目中的。美国学生们“就更有创造性更自由流动了”，她说，而他们的新加坡华中初级学院同组学生更专注：他们思考的是，可以用到什么仪器，用这些仪器可以设计什么实验。“有些结构性更强的思维对于我们的学习很有益”，他说，目前费格森是位于夏洛兹维尔的弗吉尼亚大学的一名高年级学生。
欧内斯特·陈（Ernest Chen）是一名新加坡华中初级学院的毕业生，现在正在英国剑桥大学学习，他说这个项目教会了他沟通的重要性。当他在项目中遇到困难――用化学方法改造一种聚合物，将其溶解于金属离子中――他与其他同组的新加坡华中初级学院学生想要改变这些方法，这激怒了与他们同组的想维持原约定方法科学研究院的小伙伴。最终通过邮件交流，每个人都得到了坚持与说服的技能。“他们不会发第一封邮件就说‘我要对此作出改变’，而是说‘我会尝试这种方法，方法不起作用，所以我们想改变它’。”多年以后，这个团队的人还是通过社交媒体保持联系。
最重要的是，要学会作为一个团队成员有效地工作，这是哈尔（Har）与乌尔夫（Wolfe）一致同意的。最好的情况是，学生们“开始体谅彼此”，哈尔说。例如，一所学校的学生确保他们的项目内容要在另一所学校的考试到来之前得以良好地完成，让他们的同事有时间学习，她说。
这种想法非常正确，现任科学研究院的领导说。“我们的任务是，教会孩子们如何从事科学工作。如果你看看科学家们如何在真实的环境里工作，你会发现他们不是独立于环境工作的。”
青少年研究人员们
里士满大学综合科学课程正在上课的学生所用的夏季实验研究室
卡尔·翰威特（Cal Hewitt）是通过访问由欧洲核子研究委员会（CERN）在英国建立的一系列分布式计算机进行他的物理计算的，欧洲颗粒物理实验室离瑞士的日内瓦很近。深入探测到将近40,000台同等型号的个人电脑中，翰威特与他的同事们在计算由试验探测到的颗粒的型号、能量与轨迹，这项试验是在他的机构中研发的，去年在太空中启动了。这个团队的发现提供了防止造成卫星破坏的方法，这可能会对有关银河星系外的宇宙射线来源方面的各种理论有强化作用。如果幸运的话，在翰威特满18岁前是可以实现的。
翰威特是英国坎特伯雷市的西蒙·兰顿（Simon Langton）学校的一个学生，学生们在那里经常设计、开展各种真实伟大的试验。有些学生――包括翰威特在内――展示了他们在各种科学会议上的工作；有少部分甚至出版了经同行评议过的原始研究。
负责学校的各研究项目的兰顿行星中心主任贝基·帕克（Becky Parker）说，学校的理念简单，“让学生们有机会从事真正的科学工作，体会一下发现的刺激。”
西蒙·兰顿（Simon Langton）是一家国家资助的精英机构：学生们在11岁就接受一项基础性的能力测试。但是学校走针对青少年研究的路线还只是在十多年前才开始，那时候帕克正决定签署一个项目，该项目为澳大利亚与夏威夷的中学生提供远程观看望远镜的机会。帕克没有选择标准的教师领导型授课方式，他把主动权交给学生们――他们有自由去确认6个已知有轨道将它们带离地球更近的小行星的状态，让他们继续去发现两个新行星。
与此同时，兰顿学生进入了一项由英国国家航天中心（UK National Space Centre）启动的竞争中，设计一项可以在太空中进行的试验，该试验的计划需以他们曾经在欧洲核子研究委员会的实地考察过程中看到的宇宙射线探测技术为基础。竞赛组织者提出，如果学生们找到资助基金，就启动该项目。他们确实这样做到了。之后高质量的研究项目就成为了学生们的课外活动。
“我自己要足够强大，不把我的期望建立在孩子们对待某个具体的科学问题上――而是让他们自己做出决定、提出问题、发现问题。”
现在学生们正在进行欧洲核子研究委员会大型强子对撞机上的单级特种探测器上的数据计算，目的是为寻找物理学最独特的现象，诸如显微镜下的黑洞。兰顿是唯一一家以正式身份参与重大粒子物理合作的二级中学，詹姆士·宾福德（James Pinfold）说，他是埃德蒙顿阿尔伯塔大学的一位粒子物理学家。“这项空间中的工作告诉学生们，他们可以做好这项工作，”他说。
在该校的另一地点，有个学生小组正在使用基因分析法来培养、评估小麦的耐药菌株。另外一个是对多发性硬化症分子机制的阐明――这个项目要求有酵母转基因证书，以便学生们可以调查髓鞘碱性蛋白人类基因。兰顿是获得此证书的第一所二级中学。
其他二级中学也推动了学生领导型研究。但在兰顿中心的项目大小、范围、资质更加出类拔萃。为支持这项工作，帕克与她的学生们从当地政府、国家科学机构等单位筹集了资金。这类奖金甚至可以支持一个量子物理学家全职在兰顿校园工作，鼓励学生们在其他二级学校建立研究站。
帕克绝大程度上的成功都是从学校的科学成功上体现的。（从某种程度看，团队项目仅限于那些可以融入的学生。）帕克说，一旦他们看到了可能性，老师们渴望花时间到业余研究上。
为帮助兰顿的理念传播，帕克的下一个项目是在各学校建立研究院，这会帮助那些想要启动真正的研究项目的学校科学老师。
这是教育应有的模样，凯特琳·库克（Caitlin Cooke）说，她是一位在MoEDAL小组工作的兰顿学生。“因为我们已经经历了前线的很多工作，这些前线工作向我们展示了从事物理学的真实模样。”她的同事，弗勒波·默罗伊（Fleur Pomeroy）一致同意。“为什么人们会质疑我们是在从事真正的科学工作？”
跨学科本科生
当泰勒·海斯特（Tyler Heist）在思考他大学的第一年计划时，他决定让自己沉浸在科学当中。绝大多数大学科学课程都是由各独立部门操作的，集中于单一的学科上。但是在弗吉尼亚州的里士满大学的综合定量科学课程同时提供了五门学科的简介：生物学、化学、物理学、数学与计算机科学。而更好的是，课程会围绕如抗生素抗性、细胞的热反应性等各种跨学科问题组织课程。2010年，海斯特申请了其中一门课程的20个可用试点，申请审核通过了。受这一经验启发，他今年会转移方向，攻读在新泽西州的普林斯顿大学计算生物学博士学位。
综合课程起源于十多年前发布的一项报告。美国国家研究委员会推断，生物学研究发生了很大的改变，融合了物理与计算机科学，但生物学教育却没有融合。艾普利·希尔（April Hill）是一名里士满大学的生物学教授，他认为解决问题的最好方式是改组入门课程，通过真正的科学问题透镜来审查很多学科的各种重要问题，而不是通过一门一门课程将学生拉到传统游行示威中。希尔与她的同事们2009年第一次启动他们的课程。
虽然各种学科课程几乎都不是新课程，希尔的方法却因以下原因而备受关注：首先，整合了五大学科；其次，以介绍性课程为目标而设立；最后，包括了后学课程中的一些已付费夏季实验室研究。埃伦·戈尔代（Ellen Goldey）担任南部卡罗莱纳州斯帕坦堡的沃福德学院的生物处领导，他说，里士满大学所做的努力给其他院校创立类似项目提供了灵感。“现在有一种现有模型，他们没有必要再发明整个方向盘。”
希尔说，整合各学科所需要的额外努力超过了其成本；课程促进了她自身工作的跨学科合作，建立在管理绝大多数基础细胞生物的基因网络基础之上。“现在我有了6年的跨学科教学经验，我不能想象不去做，”他说。
2012年，该大学中参与跨学科课程的学生数量增加了一倍，学校在招收来自少数民族背景的学生方面也做出了成倍的努力。有一个伴随出现的称之为“SMART”（智能）的项目，现在在其第二年执行期，为学生提供不怎么严格的高校准备工作。一项大学预科夏季项目，涉及到很多指导与数学工作，帮助促进学生为跨学科课程做好准备。参与了2009至2010年综合课程的超过30%的学生选择了继续攻读博士学位。这些参与了综合课程的人更倾向于毕业于理工科。他们参与了更多的课程。
例如，海斯特说该项目帮助他通过了更高层次的课程，课程要求他阅读整合了物理学、计算机科学的主要生物学文献，他因拓展了他的科学调查研究方法而让其课程知名度增加。“他让你重新思考你看待事物的各种界限，”他说。
资料来源Nature
责任编辑 粒 灰