◎ 编者按：荟同一直在探索基础教育的新可能。我们相信，学生应当接触到当今世界最前沿的科技，了解各学术领域最顶尖的思想，进而对学习产生浓厚的兴趣，形成自驱力。

怀揣着这样的信念，李正博士在学校的全力支持下，发起并创建了“火星实验室”，指导学生开展科研活动。如今，参加这一项目的学生已经取得了多项显著成绩：两名同学在丘成桐中学科学奖比赛中获得计算机组全国一等奖（排名全球前14）；初中部学生跨级别参加美国高中数学建模竞赛并获得特等奖提名（Finalist）及美国数学教师联合会特别奖（NCTM Winner）；八年级生物小组以史上年龄最小团队的身份参加2021基因合成大赛（iGEM），获得铜奖。另有多篇学生合作撰写的学术论文得到发表，相关学生受邀参加学术会议。

近些年来，科学发展体现出两个特点：知识爆炸和开源共享。近四十年来，论文发表数量呈指数型增长（图1）。知识的急剧增加给社会带来了快速的发展，同时，这也意味着个体越来越难以按照传统的方式，凭借累积学习时长来走到人类知识范畴的边缘，进而探索未知。这让我有些担心，按照现在的教育模式，以后会不会花费20年也无法到达某个细分领域的边界？科学的发展会不会在某一天受到到人类寿命的限制？好消息是，随着互联网的发展，我们学会了通过开源合作来进行探索。

近年来，开源社区在科学研究中声量越来越大，社区的海量资料将前沿科学从象牙塔中解放出来，任何人只要有兴趣、有方法，就可以通过自学来走到前沿。

▲ 图1 近四十年论文发表数量

随着知识爆炸和开源共享这两个趋势的合流，基础教育要更加注重方法和思路的训练，才能培养出适合于未来的创新人才。我们认为，需要在创新实践中培养学生的创新能力。中学生参加科创项目能够培养创新能力，包括自学能力和探索能力；也能够提高开创精神，包括坚韧和勇气。   

在中学阶段投入科创项目，对学生个人发展也具有现实和长远双重意义。从升学的角度来看，科创型竞赛越来越受到关注。我们最近有同学在丘成桐中学科学竞赛和 iGEM 竞赛中脱颖而出，获得国家级、世界级奖项。这些比赛能够很好地证明学生对科技怀有热情，并且愿意为目标长期坚持，这都是顶尖大学筛选录取学生时最看重的品质。但比申请结果更重要的是，尽早接触学术前沿，能够增进学生对各个基础学科的理解，帮助他们在大学里找到自己的热爱，并在相应的领域内出类拔萃。

▲我校获奖学生与丘成桐院士合影

近年来，社会、学校、家长等各个方面都鼓励中学生进行学术探索，但是让中学生真正参与到研究，不是一件容易的事。实际上研究条件倒还是容易满足的，在国家提倡科普教育的号召下，目前很多一线城市的大学实验室和科研机构愿意对中学生敞开大门。然而由于中学生年龄尚小，学术积累较少，进到实验室后更多的是体验学术气氛，而无法真正参与科研。

我们希望在荟同学校内成立一个专门给中学生的科研实验室，让有科学热情的同学能够在课余时间尽可能多地参与其中，逐步培养学生的科研学术能力，包括实验能力、数据分析能力、文献总结能力和学术品位，为今后的发展打好基础。

2021年，在学校和社会各界热爱科学人士的鼎力支持下，我们成立了“火星实验室”，实验室初步具备大学实验室的实验环境，同时，得益于精英云集的荟同教师团队，我们很多老师都有研究经验，愿意带领孩子进行真正的科研探索。实验室在成立初期带学生参加了一些科创类的竞赛，取得了很好的结果，这让我们更有信心向科创教育的纵深继续探索。

前面提到了中学生科创的一大难点是，学生的知识积累尚少，如何真正让他们能够参与前沿的、创新的研究呢？我们认为，实验室课程和课题的选择是非常关键。选题方面我们有三个标准：一是题目要真正面向未知进行探索，而不能是让学生去重复老师已经实现的研究，不做“有答案的科研”，要做有学术意义的项目。二是选题所需的入门知识不超过中学阶段的数学水平（包括AP数学水平）。很多科学能力，如实验能力、论文能力，是可以在实验室探究中获得快速提升的，而数学能力的提升需要时间的积累。中学阶段的数学能力保证了学生能够真正参与其中，同时也能找到符合要求的前沿领域。三是题目的初期结果最好比较炫酷，引发学生兴趣的同时容易上手。综合上述三个标准，实验室首先建立的学术方向是人工智能、光学传感测量和分子生物学。这三个方向在实际操作层面偏向工程科学和实验科学，入门较为容易，能让有兴趣的同学参与整个研究过程。   

最近实验室搭建的原子力显微镜（AFM）就是一个结合前沿科学和中学阶段知识的例子（图2）。AFM是在表面物理学、微纳电子学、生命科学等领域都会用到的科学仪器，借助原子力探针与样品接触，AFM能观察到亚微米的表面结构。虽然听上去高大上，但是AFM的基本原理非常简单，就是八年级物理的知识点——“光的反射”。如图2(a)所示，简单来说，激光照射到原子力探针的针尖上，当针尖与样品相互作用时，针尖的角度会发生微小的变化；通过探测反射激光的光斑位置，我们可以复原出样品表面的形态，实现亚微米级的分辨率，让我们能够直接看到分子。如此说来，AFM相关的学习和探究符合原理简单、效果炫酷的条件。

在入门以后，学生们还能够探究更深入的问题。例如，激光如何聚焦和准直？纳米级的位移如何控制？为什么AFM反应那么快，能够控制针尖始终不会撞到样品上？每个问题背后都是人类科学和工程学进步的结晶，值得探索下去。实际上，光路的调节也是很需要耐心的，这种锻炼对他们今后的学术发展也有裨益。

▲图2 原子力显微镜(AFM) 左. 原理图 右. 实物图

实际上，原子力显微镜只是实验室众多科研设备中的一台，从属于火星实验室光学传感和测量这个子方向。这台设备是个很好的例子，说明中学生有机会、有能力参与到前沿研究，而这类科创教育能够为他们打开前沿科学的大门。

除了光学方向，实验室还有分子生物学和人工智能方向，每个子方向都能做出超级炫酷的科学，而且配备了能够给学生引路的学术能力很强的导师。例如生物方向的杜静老师在干细胞分子生物学和生物医学工程有很多年的研究经验，她在全球多个知名大学从事过研究，回国后主持过国家级、省部级科研项目。而孟鑫老师则专精于最前沿的人工智能研究，他跟清华大学多个实验室保持研究合作，能够给学生带来最新的学术思想。火星实验室也非常愿意与志同道合的教育伙伴进行合作，去年实验室八年级的孩子们在盖春晓老师的带领下，与灵蛛实验室进行合作，以史上最小队伍的身份参与了全球基因工程大赛（IGEM）。在赛场上，有评委惊叹：在中国，竟然这么小的孩子就能接触到了基因工程这样的学科。

除了这三个方向上肉眼可见的“炫酷”，实验室也给学生非常跨学科的学术环境，而三个学科的融合会让我感到非常兴奋。在日常的交流中，不同方向的老师、同学会思想碰撞，产生大量的火花。尽管目前实验室还处在起步阶段，做出成果还需要更多时间。但是这些跨学科的火花，已经为实验室的学术发展照亮了前路。

最后，火星实验室在我眼里不仅仅是一份教学工作，它也激发了我的研究热情。不同于大学和科研院所具有非常细分的专业方向，火星实验室是一个从根本架构上践行跨学科思想的实验室。由于中学生本身没有选择专业，他们会学习实验室各个方向的知识，并很自然地试图用不同学科的知识解决问题。不同学科的碰撞能产生很多有趣的火花，让老师们都深受启发。同时，火星实验室是一个能够天马行空的实验室。在这里我们可以暂时放下课题经费、科技战略、产学研结合等琐事或者宏大叙事，仅仅从兴趣出发来开辟课题，把好玩当做一个重要的生产力。例如，火星实验室这个名字实际上来源于我们试图探索“如何将火星改造成地球”，听起来这个课题短期内难以应用，但是它确实让学生和老师们兴奋雀跃，进行一场探索之旅。

这就是我们想要实现的目标，让学生在创新实践中提高创新能力。荟同学校的建校愿景是探索基础教育的新可能，荟同的理想毕业生要严谨治学、无所畏惧，创新进取。“每个毕业生都会找到自己的爱好，并在这些领域中出类拔萃，继而树立自信，并为之受益终生。”我相信，“火星实验室”的建立，正是对荟同愿景的一种诠释。我们希望通过在基础教育中融入前沿科学，鼓励学生去做有趣、有学术意义研究，而不是仅仅是浅尝辄止或是盲目追求热门，做别人做过的东西；我们希望帮助学生把爱好和社会需求结合起来，让他们有勇气和能力去探索未知，迸发灵感，推动社会的进步。

注：本文转载自《荟同教育短评》

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