大学教授自己体验美国高中生的科普活动,最好自己叹息!

活动内容

我参加的这个会叫做“STEAM”。增加了一个字母。A是“艺术”的缩略语。多了的字母A有画龙点睛的效果,因为科技工程和数学本身是利用知识的一种艺术,加上艺术,科学技术活了下来。STEAM也是英语单词,根据意思的不同也会翻译成“蒸汽”。因为蒸汽机是第一次工业革命的重要动力,所以蒸汽潜藏的意思是“充满活力、敬畏的力量”。这次的科学普及活动由乔治敦的白天学校主办。每年一次,今年是第六次。

▲图二:乔治敦日悬挂在中学走廊上的会议海报。

活动整体由6个部门构成。主题报告、讨论班、挑战、电影、电影、讨论会、职业座谈会。这种构造很适合高中一天六小时上课,一堂50分钟的安排。参加的是研讨会。

构筑大脑

高中生我主持的研讨会的主题是“设计头脑”。设计场景在200年后,人类将一些重力殖民在地球的10倍行星上。因为在十倍的重力下,像豆腐一样柔软的脑组织被重力压坏了,所以班上的课题是利用遗传工学来改造脑的构造。

我的10分钟主要说大脑的构造会随着环境而变化。在地球过去十几亿年里,大脑结构不断变化适应不同动物的具体情况,从鱼类、爬行动物进化成人类大脑的过程。

▲图三:这是典型的高中生物实验室。桌子上是做模型用的橡皮擦、纸片、磁带等材料。PPT表示地球上的动物的大脑构造和进化树。我在几分钟内就大脑皮层的功能分区和大脑皮层的基本构造进行了说明。

特别是利用遗传工程学技术改造大脑的设计,进化速度比自然选择快。例如,我们未来可以使生物在组织中合成微管碳纤维,成为比骨骼更强、轻便的支撑系统,提高软组织适应高重力能力。另外,动物脑内的神经细胞和各功能构造之间的信息传输是由脆弱且低传导效率的神经纤维进行的,这种纤维的聚类也被称为大脑的“白质”,占据着大脑中的大体积。利用今天的技术,可以用一根光纤信息的传导量替代数千万根神经纤维。不仅提高了效率减少了体积,对高重力环境的适应性也增加了。因此,200年后由电子线和生物组织设计的复合生命具有远叹息远压倒一切自然进化生物的优势。

大脑各种各样,不重复。但是,所有设计的共通性都是脑中碳纤维内骨骼所支撑的。

另一组人提到使用硅芯片作为内骨骼来强化大脑皮层,它不仅可以强化大脑结构,还可以无线传输信息——将无数的小大脑连接成一个网络。优点是它的复杂性可以远远超过人脑,但它可以像互联网一样永远存在。网络中的大脑不会离线丢失信息或功能。

参加挑战赛

午饭后,我和主持其他讨论课的老师一起观看了挑战赛体验。比赛也是三人一组,用简单的材料制造一台功能性机器。此次共有100多个团体参加,分为两批,每批60个团体,分布在学校室内体育场厅。

比赛的任务是创建一台机器,在30分钟内以多米诺骨牌的功率升起一面小旗。比赛前,每组收到一个纸袋,上面有一面小旗、几个多米诺骨牌、几个纸杯、几个硬币、几个弹球、一个高尔夫球、一个文件夹、一些冰激凌棒和橡皮筋。

a多米诺骨牌下落的力非常小,远远不足以升起一面小旗。比赛时间只有30分钟。在这么短的时间内完成任务确实是一个挑战,但在这么短的时间内完成看似不可能完成的任务是非常重要的。

▲ 图6:比赛中的一个三人小组和他们收到的材料。

我本来应该观看比赛的,但因为我以前从未参加过这样的活动,我说服组织老师加入其中一个小组。老师神秘地笑着说,你的参与可能对小组没有帮助。

然而,我对老师的表情并不满意,所以我毅然跳进了只有两个人的小组,认为我必须赢,并向他展示。

仔细研究这个项目仍然很困难。竖立旗子需要一个稳定的结构来固定旗杆的底部,这样旗子才能直立。此外,旗帜在垂直状态下也需要稳定,竖起后不能向下拉到对面。最重要的是拉起旗帜需要力量,而落下的一块多米诺牌的力量绝对不够,需要“放大”。

我们接着发现,当一个高尔夫球被用作重物时,落下的力确实足以拉起旗帜。剩下十分钟,我们陷入了最困难的部分:如何将坠落多米诺骨牌的小力量放大到可以将高尔夫球推离桌面的更大力量教授?我想的是杠杆作用。我们用胶带把冰激凌棒组合成一个杠杆,然后用桌子的边缘作为支点。桌子外面有一个高尔夫球,里面有一块多米诺牌。仔细调整支点的位置可以平衡球和卡的重量。这样,当一根绳子多米诺牌落下时,卡片会落下杠杆并失去平衡,球会从桌子上落下并拉起旗子。我们做到了!100多组中只有两组成功。我的“老盘子”并没有阻止孩子们。

找出我的缺点

第三,好的题目容易看是好的,但实际上很难。竖起旗子看起来很简单,但实际上用有限的材料和时间制作是很难的。例如,要建立让小旗躺下就能稳定站立的结构,就要建立用巨大的力量举起旗子的装置等,这是工程上的问题。更重要的是,如何用打倒卡片的小力量举起旗子来控制巨大的力量。这需要加上非线性过程的线性放大,例如正反馈和触发。非线性过程在纸上设计很难,但是根据实验会变得容易。与之相比,我的研究班没有这个容易看的特征。相反,难的是在理解背景知识上,在理解背景知识后,只靠内在骨骼来强化这个想法。

参考文献:

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生成海报

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