培養孩子的科學素質，毫無疑問是個拼爹拼媽的活兒。當然我們這裡所拼的，主要不是財富、學區房這些，而是教育思想，學習方法和親子行動。
（圖源：pngtree.com）
撰文 | 吳進遠
大家可能會疑惑自己的孩子是不是學科學的料，有沒有學科學的“細胞”。對此，我更願意相信聖人們的話：人人皆可成為聖賢，六億神州盡舜堯。要學好科學，首先要幫助孩子樹立自信心。有了自信心，才能主動用心有效地去學，才能學好學透科學知識。正如每個孩子都可以成為一個對社會有用，被人們尊敬的人一樣，每個孩子都有潛能學好科學。
當然這也並不意味著每個孩子都要去擠科學家教師工程師這些獨木橋。從根本上來說，科學不是一種職業技能，而是人類文明的結晶，如同文學美術音樂舞蹈一樣。
一個人可以不從事科研工作，但仍然可以具備充足的科學知識，理解世間萬物的性質。這就像一個人可以不是文學家，但卻可以有足夠的知識讀懂郭魯茅巴老曹，狄更斯、雨果、海明威。
一個人甚至可以不以理科為職業，但仍然可以有足夠的科學素養，能夠欣賞科學之美。這就像一個人可以不從事音樂工作，但卻可以不光去追天王天后小鮮肉之類，還能欣賞莫扎特、貝多芬、劉天華、冼星海。
要學好科學，先要樹立自信心。但反過來，樹立自信心卻不僅僅是為了學好科學。孩子有了自信，才會快樂健康地成長，才會成為一個陽光燦爛的人，而不是一個猥猥瑣瑣的“廢柴”。教育從來都是一個完整的工程，在中國教育理念中叫做教書育人，在歐洲文明中叫做cura personalis，也就是說關心完整的人。從這個角度講，培養孩子科學素質是這個完整工程的一部分。有時候，對孩子的人文關懷，比起傳遞知識更加迫切。
當然，理論說教固然不可少，但一個實際行動往往更有效。炎炎夏日，帶著娃來到荷塘邊，不僅能納涼賞景，還是一個絕好的學習機會。
（圖片由作者提供）
曲曲折折的荷塘上面，彌望的是田田的葉子。葉子出水很高，像亭亭的舞女的裙。層層的葉子中間，零星地點綴著些白花，有嫋娜地開著的，有羞澀地打著朵兒的；正如一粒粒的明珠，又如碧天裡的星星，又如剛出浴的美人……朱自清《荷塘月色》你可以和孩子一塊品味“無邊的荷香月色”這種意境。你也可以教孩子背背“蓮葉何田田”的詩句。學問再大點的家長，不妨和孩子聊聊：“留得殘荷聽雨聲”和“留得枯荷聽雨聲”這兩句詩中一字之差的得失。當然，更不要忘了讓孩子知道“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”這種真正的高貴精神。除此之外，荷塘裡也有不少科學知識哦。
晶瑩水珠中的觀察與發現
你看：荷葉上晶瑩的水珠像是底下鍍了銀一樣，只能看到反射的光亮，看不到水珠下荷葉的顏色。這是為什麼呢？
這種現象源於全反射，全反射也稱全內反射，是光從光密媒介（如水或玻璃）射向光疏媒介（如空氣）時，全部反射回來的現象。
（圖片由作者朋友拍攝）
你可以和孩子一起注意到，荷葉上只有中等大小的水珠呈現出晶瑩的全反射，而很多水形成的“水餅”底部則看不到。另一方面，在直徑很小的水珠底部我們也看不到全反射。為了便於大家觀察，我還拍了下面這張照片。
（圖片由作者提供）
這張照片中的水珠直徑大約 0.5 毫米左右，落在一個不沾水的化纖桌布上，呈現出一個良好的球形。從圖中我們可以看出，在水和空氣的界面上，我們能夠看到一些普通的反射，但卻看不見銀光閃亮的全反射。
科學研究與學習中，最重要的一件事是觀察。通過觀察，發現自己以前不知道的事物與現象。不論是對孩子還是對科研人員來說，能夠向自己提出問題，就算是成功了一半。
為什麼這種全反射只在中等大小的水珠上能看到，而在很大的“水餅”或很小的水珠上看不到呢？這個問題說來話長，我們稍後再作解釋。
沼氣泡與實踐動手習慣
人類積累的科學知識，說到底是通過觀察現象學習的。在我們所觀察的現象當中，有一部分是自然界自發產生的自然現象，而相當大的一部分則是通過實驗產生的實驗現象。因此，科學素質中非常重要的一個要素，就是實踐動手習慣。學習實驗性的學科，比如物理學，化學，生物學，毫無疑問是要動手做實驗的。而即使是學習純粹觀測性的學科，比如天文學，也經常需要動手調整觀測設備，有時甚至需要製造改進觀測設備。
在荷塘，我們也不妨鼓勵孩子動手實踐，當然最好的鼓勵，是我們為孩子做出榜樣，親自動手實踐。比如我們可以找一根樹上落下的枯枝，或者划船的船槳，插到池塘底部的淤泥裡。於是就看到從池塘底浮起一串氣泡，這是沼氣的氣泡，我們這裡實際上做了一個簡單的科學實驗。
不要小看池塘底下浮出的這些有點臭哄哄的沼氣泡，這裡面學問大了。沼氣是什麼呢？我們可以上網查到，沼氣是細菌分解有機物產生的，沼氣裡的主要成分是甲烷。甲烷本身是不臭的，但由於沼氣裡還含有硫化氫，所以池塘底浮上來的沼氣泡經常是有臭味的。
（給各位讀者留一個可以上網查找的開卷考題：甲烷，乙烷，丙烷裡面的“烷”是什麼意思？“甲乙丙”又是什麼意思？乙烯、丙烯裡的“烯”是什麼意思？為什麼沒有“甲烯”這種東西？有機化學專業的同學可以直接在本文後面留言。）
甲烷在常溫常壓下是氣體，可是如果處在低溫與高壓的環境中，甲烷會和水相結合，形成固態的甲烷水合物，這就是可燃冰。全世界海底可燃冰儲量豐富，是一種相對清潔的能源。
可是，甲烷要在低溫與高壓環境下才能與水結合成為可燃冰，那麼，在自然界中哪裡有高壓的環境呢？答案是在地下岩層或者在海洋底部，海里水的深度每增加10米，壓強就會增加大約1個大氣壓。即使是在300-400米的淺海海底，水中的壓強也已經達到30-40個大氣壓，而且溫度比較低，完全可以維持可燃冰的穩定存在。
細心的你們還可以觀察到，沼氣的氣泡是晶瑩反光，如同鍍了銀一樣，我們前面說過這是一種全反射現象。不過，與前面提到荷葉上的水珠不同，水中的氣泡，不論大小，我們都能看到全反射帶來的晶瑩銀亮。這是為什麼呢？我們下 面就來解釋。
談談光的折射與全反射
光在真空中的速度，是宇宙中物質、能量或者信息傳輸的最大速度，這個速度大約每秒30萬公里，相當於每秒繞著地球赤道跑七圈半。光進入透明的物質，像水，玻璃，硬塑料等等，速度就會變慢。
當光來到兩種媒介之間的界面時，一般情況下，一部分光會反射回原來的介質，就像是水面上的倒影，而另一部分光會進入另一種媒介，照亮水中的魚蝦水草。如下圖所示。
（圖片由作者提供）
從我們上面圖中可以看出，進入到另一媒介的光的方向，與原來入射光的方向不一樣了，光線像是被“折”了一下，所以這種現象叫折射。當光從速度比較快的媒介進入速度比較慢的媒介，比如從空氣進入水或玻璃，折射角a3一定小於入射角a1，而反射角a2始終等於入射角a1。這裡，入射角，折射角或者反射角都是以一條垂直於媒介界面的直線為基準測量的，這條基準直線叫法線。有了折射現象，我們才能造出放大鏡，望遠鏡，近視或老花眼鏡，照相機鏡頭等等光學儀器。
如果我們讓光從速度慢的媒介進入速度快的媒介，比如從水進入空氣，情況會是怎麼樣呢？請看下圖。
（圖片由作者提供）
這種情況下，折射角一定大於入射角。如果我們讓入射角逐漸增加，到了一定的狀態，折射角近似達到90度，折射的光線近似沿著水面掠過，如上圖綠線顯示的那樣。這種情況下，光線的入射角稱作臨界角。對於水和空氣的界面，臨界角為48.8度。
如果我們繼續增加入射角，這時，水中的光線就不再進入空氣了。這種情況下，光線的所有能量進入到反射光裡，水面就變得像鍍了銀的鏡子一樣（實際上，全反射的反射率通常比鍍銀鏡子的反射率還高），銀光閃亮。這種現象叫做全反射現象。全反射現象只會在光從速度比較慢的媒介，超過臨界角射向光速比較快的媒介時發生。
對於荷葉上的水珠，只要光在其內部的入射角大於48.8度，在水內部與空氣的界面處都會發生全反射，只不過有時我們可以在外邊的空氣中看到這種全反射，而有時看不到，我們通過下圖討論。
（圖片由作者提供）
當水珠非常細小的時候，水的表面張力使之縮成一個接近於完美的小球，如上圖左上所示。水裡的光線以大於48.8度的角度照射到球和空氣的界面，就會全部反射回球裡。反射回球內的光線再次照射到球面的另一個位置上，由於球是對稱的，入射角仍然維持原來的角度，仍然大於48.8度，於是光線再次被反射回球內。這樣，我們從外面就無法看到銀光閃亮的全反射現象。
如果水珠非常大，則在重力作用下，水就會攤成了一個餅，如上圖下部所示。這個水餅有上下兩個互相平行的平面，就像窗戶上用的平板玻璃一樣。當光線以超過48.8度的入射角來到水的底面時，全部被反射回去。反射回來的光來到水的上表面，入射角同樣維持大於48.8度，於是又被反射回去。這樣角度的光線往返發生全反射，始終無法射出到外面，因而我們也無法看到全反射。
而當水珠大小適中時，重力的作用使之變成一個扁球形，如上圖右上所示。這種情況下，水珠內的光線以比較大的角度照射到底面上，發生全反射。反射回來的光線照到扁球的邊上，這時候，光線在這個位置上的入射角就不一定會大於48.8度了。這樣，經過底面全反射的光線就可以進入空氣，使得我們可以在外面看到全反射現象了。
那麼，沼氣泡為什麼無論大小都是銀光閃亮的呢？我們用下面這個圖來解釋。
（圖片由作者提供）
我們前面談到，全反射只會發生在光從水射向空氣的情況下。當池塘裡水中的光線從某一方向照射到一個氣泡時，總會有合適的位置，使得光線的入射角大於48.8度，因而發生全反射。與水珠的情況不同，光線是在球形以外發生全反射的，全反射的光線不會被困在球體內，而是可能射到外面的空氣裡。這樣，我們看到水中的氣泡時，就不論氣泡的大小，總能看到它的一部分球面上的全反射現象。
你和孩子都明白了嗎？
經驗分享
孩子們最初學習知識的動力源於好奇心與求知慾，而不是應試壓力與仕途經濟，這種好奇心與求知慾無疑是青少年最寶貴的心理財富。
遺憾的是有的人長大後“成熟”了，開始鄙薄好奇心這樣的“兒童心理”，變得老氣橫秋，關閉了向外界學習的通道。有這樣問題的人做了父母，難免通過隻言片語在潛意識中影響孩子。有的孩子受這種影響嚴重的，也關閉了學習的通道，看上去“少年老成”，其實知識與技能皆缺，前途堪憂。
我們在很多家庭看到這樣的畫面，孩子在屋裡皺著眉頭趕作業，父母在客廳無所事事，看電視，刷手機。這個畫面向我們生動地展示了損毀孩子求知慾的兩大殺手：不恰當的題海戰術（當然合理安排的題海戰術還是有益的）以及家長對知識的冷漠。
所以孩子的問題要從大人這裡預防，孩子的潛能要從大人這裡開發。
自己不懂怎麼辦？
很多家長說，我只在中學學過很少一點物理和化學，現在全還給老師了。不像你們這些搞科研工作的，這些科學知識我自己也不懂，孩子提問題我答不上來怎麼辦？
其實，即使是做科研工作的家長，也同樣會遇到很多孩子問的問題答不上來。答不上來，就實實在在地告訴孩子，不可以胡亂糊弄。科學的問題，來不得半點的虛偽與驕傲，相反，需要的是誠實與謙遜的態度。
誠實，就是要如實告訴孩子自己也不知道，而謙遜，則是不僅僅說個不知道就完了，既然不知道，就應該和孩子一起去尋求答案。信息技術發展到今天，獲取知識的門檻已經非常底了，很多知識上網輸入一個關鍵詞就可以搜索到。和孩子在荷塘邊，不知道什麼是全反射，不知道什麼是沼氣，拿出手機搜一搜就全知道了。比如，荷葉為什麼不會被水浸潤，這個我以前也不知道，但只要查一下，就能發現前一段有一篇科普文章，介紹了用掃描電鏡研究荷葉表面的工作（詳見 荷花是如何做到出淤泥而不染的？）。
當然有些知識需要比較深入的學習，這就需要到圖書館閱讀紙質的書刊資料。
我們做父母的遇到不懂的問題，通過努力尋找答案，就可以為孩子做出榜樣，使孩子學會求知若渴。也可以幫助孩子懂得，只要勤於學習，很多知識都可以通過自己的主動努力得到。
安全教育要重視
培養實踐動手習慣的一項必不可少的內容是安全教育，必須讓孩子形成對人身傷害事故的防範意識。做實驗要全程戴好護目眼鏡，做任何可能帶來人身傷害事故的實驗要有成年人在旁監護，電學實驗儘量使用低電壓的電池作為電源等等。
比如沼氣，遇到火種會燃燒爆炸，造出人身傷害，這是有血的教訓的。城市的下水道里面可能會有樹葉泥土等淤積物，在細菌作用下會產生沼氣，積累在下水道里面。近些年來，網上經常能看到這樣的新聞，有些糊塗透頂的人，把鞭炮丟到下水井中，於是引起強烈的爆炸。這樣做的人經常是被炸成重傷，有的還會丟了性命。為此，我們應該告訴孩子，這樣的事情絕不可以做，就像絕不能把鞭炮丟到人身上，或者絕不能在房間裡玩火一樣。
安全教育的目的不是嚇唬孩子，使得孩子什麼都不敢做。相反，是教會孩子形成遇事做危害分析的習慣，從而讓讓孩子既能夠做好實驗，學到知識，又能夠確保人身與財產的安全。
（圖源：pixabay.com）
說了這麼多，作為一個普通家長，應該從何入手呢？其實很簡單：親子，親子，親子，重要的話說三遍。和孩子親，就要鼓勵孩子樹立自信，就會帶著孩子漫步荷塘，鼓勵孩子的好奇心與求知慾。和孩子親，就會身體力行地與孩子一起觀察自然，發現未知，就會與孩子一起動手實踐，尋求答案。作為家長，一定要改掉吼娃的難看樣，少一點老氣橫秋的“成熟”，多一點被世俗所偏見的“孩子氣”。這樣，你的孩子才能學好科學。更重要的，你的孩子才能快樂健康地成長。請相信我，你的孩子會因為你的親子受益匪淺。因為，我自己，就是一位這樣的家長。
閱讀更多 知識分子 的文章
