应对挑战

一年前，我们在 PopSci 上发起了“大众科学/InnoCentive”挑战，要求针对未来至关重要的五个科学领域，制定中学阶段的课程计划。材料成本不得超过 50 美元，课程时间不得超过三节 50 分钟的课。​​在这里，我们自豪地宣布了获胜者和亚军。

仿生学

首位
姓名： Lisa Schmidt，澳大利亚
课程：研究动物骨骼模型，了解如何设计更坚固的建筑材料

点击[此处](https://www.popsci.com/files/SchmidtLessonPlanBM/ (1).pdf)查看课程计划。

Lisa Schmidt 的职业生涯始于癌症研究。但在她发现向大学生教授生物学更有回报后，她离开了实验室研究，到澳大利亚弗林德斯大学高等教育系指导教师。“我将我的科学分析原理运用到教学中，”Schmidt 说。“我想测试我所做的事情是否有效，并阅读文献，看看其他人在做什么。”

仿生学对于施密特来说是一个全新的话题，她不得不查一下这个术语。为了让课程简单有趣，施密特选择了一种自然界中所有学生都熟悉的设计，无论他们是否知道：骨头。课程以讨论骨头是什么、它们有什么作用以及如何折断它们开始，最后以小组建造自己的模型骨骼结束，以了解骨骼结构如何帮助它支撑我们的体重。

亚军
姓名：瑞安·福克斯、凯伦·福克斯、丹·盖内特、芭芭拉·安·海森、加拿大
课程：将翅膀等生物结构与机器结构进行比较，然后设计一种可以帮助拯救濒危物种免于灭绝的装置

当瑞恩·福克斯 (Ryan Fox) 意识到自己在社区里做志愿者辅导比日常工作更能让他感到满意时，他放弃了工程师的职业，转而成为一名教师。“教授科学是两全其美的事情，”福克斯说——既是一种乐趣，也是一种谋生手段。福克斯组建了我们获奖者圈子中最大的团队，包括他的妻子凯伦 (Karen) 和加拿大艾伯塔省圣母大学预科学校的同事：戏剧老师丹·盖内特 (Dan Guenette) 和同为科学老师的芭芭拉·安·赫西翁 (Barbara Ann Hession)。四人一起制定了一个由三部分组成的课程计划，旨在用生物学、进化论和工程学的思想吸引学生，同时向他们传授关键的仿生学概念。

第三名
姓名： Christopher Gaw 和 Anupama Joseph，美国
课程：用纸制作蜂巢，了解六边形结构元素的强度

克里斯托弗·高和阿纳普马·约瑟夫都是俄亥俄州立大学的生物化学专业学生，他们合作制定了一项仿生学课程计划，其中利用了不起眼的蜜蜂的家园。高说：“孩子们知道蜂巢的形状，但他们不明白它为什么重要。”通过用纸搭建一个可支撑数倍于人体重量的蜂巢六边形结构，学生们可以清楚地了解这些形状为何如此坚固。约瑟夫说，亲自动手的方法很重要，因为它可以激励那些可能对仅仅说和死记硬背没有反应的小孩。约瑟夫说：“我是一个喜欢眼前有东西可以触摸的学习者。我坚信，如果你引导学生对这种东西产生兴趣，你就能让任何人感兴趣。”

燃料电池

首位
姓名： Alan 和 Matt Chalker，美国
课程：使用便士、镍币和盐水制作燃料电池

点击[此处](https://www.popsci.com/files/Popsci/ Lesson Plan – Fuel Cells.pdf)查看课程计划。

在参加我们的挑战之前，艾伦·乔克和马特·乔克兄弟多年来一直为高中科学奥林匹克赛事设计课程计划。难怪他们在燃料电池和大数据两个类别中都获得了第一名，并在聚合物类别中获得了第三名。马特学习材料科学和工程学，并为芝加哥科学与工业博物馆设计教育资源。艾伦是俄亥俄州超级计算机中心的项目主管。鉴于大多数学区的预算紧张，我们挑战的支出限制引起了他们的注意。“便宜的课程对更多人来说更有用，”马特说。

但激励他们制定其他课程计划的不仅仅是挑战。培养新一代科学家和工程师是他们心中的首要任务。“我们都对科学和教育充满热情，”艾伦说。“我们现在所做的事情确实受到我们在科学领域的背景的影响。我想我们都在努力回报这份热情。”

亚军
姓名： Tanner Bobak，美国
课程：用铝箔制作燃料电池

坦纳·博巴克 (Tanner Bobak) 的观点与 Innocentive Challenge 中的其他参赛者不同。只有 14 岁的博巴克对传统教学计划了解不多，但他知道哪些方法可以帮助他学习并吸引他在课堂上的注意力。在咨询了一位科学老师后，博巴克制定了一份教学计划，向学生展示如何利用氧气和铝箔之间的发电反应，以低成本制造自己的燃料电池。“它不会产生太多电力，”博巴克说。“但这是一种非常便宜的演示概念的方法。”

第三名
姓名： Ruby Grewal，美国
课程：研究污垢和细菌如何导电。

Ruby Grewal 在攻读研究生学位期间发现了自己对教育的热爱。“我非常喜欢探索的过程，这让我对科学产生了兴趣，”Ruby Grewal 说。在担任教科书编辑一段时间后，Grewal 回到母校阿尔伯塔大学任教。Grewal 的教学计划以最近对土壤中某些细菌的电导性的研究为灵感，展示了可以转化为燃料电池的各种物质，甚至是操场上常见的泥土。它还提醒学生，生命无处不在——即使在泥土中。

聚合物

首位
姓名： Nigel Jalsa，特立尼达和多巴哥
课程：比较 1 美元纸币和 5 澳元纸币，后者由坚固的聚丙烯制成

点击[此处](https://www.popsci.com/files/Jalsa/ Lesson Plan P.pdf)查看课程计划。

化学讲师奈杰尔·贾尔萨 (Nigel Jalsa) 在 12 岁时收到了父母赠送的第一套化学套装，他希望鼓励学生思考日常生活中的塑料，并意识到塑料无处不在，甚至在钱币中也如此。贾尔萨说，他想证明聚合物能够赋予常见物品不寻常的物理特性。

尽管贾尔萨预料到，教授比他以前教过的大学生年轻得多的学生会是一个挑战，但他发现自己能够轻松地将课程内容转化为实际内容。贾尔萨说，如果有什么不同的话，那就是让这些年轻的学生参与进来更为重要。“要培养出优秀的大学生和科学家，就必须培养出优秀的初中生和高中生，”贾尔萨说。

亚军
姓名： Kemal Ugur Tufekci，土耳其
课程：使用常见家用材料制作胶水

截至发稿时，无法直接联系到图费克奇，但他是多库兹艾鲁尔大学的神经科学研究生。

第三名
姓名： Alan 和 Matt Chalker，美国
课程：用木棍和夹子制作模型聚合物

气候变化

首位
姓名： Claude Hartman，美国
课程：探索温室效应等主题，了解气候变化的机制

点击[此处](https://www.popsci.com/files/HartmanLessonPlanCC/ (1).pdf)查看课程计划。

克劳德·哈特曼在加州各地的高中和社区大学教授物理科学已有数十年。现已退休的哈特曼在加州格罗弗海滩的探索站设计展品和互动课程，探索站是一座小型的实践科学博物馆，他最近为探索站建造了一个无线电遥控飞机的风洞和一个伯努利鼓风机，可以将物品悬浮在气垫上。

哈特曼一生都是木工，他说他在教学中一直强调演示；如果某样东西不容易演示，他就会自己动手做。“任何你可以亲手做、亲眼看到的东西，而不仅仅是说说而已，这就是我一直试图做的，”哈特曼说。

亚军
姓名： Norah Dunkerly-Richards，美国
教训：在冰箱里制作人造冰川，然后取出冰芯样本

诺拉·邓克利-理查兹 (Norah Dunkerly-Richards) 主修生物化学，原本打算成为一名儿科医生，但当她意识到自己更喜欢课外活动，即教小孩子科学知识，而不是课堂作业时，她便转向了教育。学生们使用最简单的材料——碎冰和少量食用色素——制作自己的微型冰川。在冰箱中放置一夜后，他们便会从其核心取样，就像研究人员对真正的冰川所做的那样。这堂课向学生们展示了科学家如何获取用于研究地球过去气候的数据。

第三名
姓名： Ulyana Nadia Horodyskyj，美国
课程：利用档案摄影追踪冰川随时间的变化

作为科罗拉多大学的博士生，Ulyana Horodyskyj 为研究气候变化的影响而来到喜马拉雅山。在那里，她专注于该地区最大的冰川 Nogzumpa。Horodyskyj 利用历史照片和最近的延时摄影，追踪了数十年来冰川的变化。

这些数千张图片构成了她课程计划的支柱，学生们分析这些图片并测量冰川随时间的变化。Horodyskyj 说，关注一座冰川随时间的变化有助于让这个主题看起来比图表和讲座更真实，她认为动手分析和实时学习是让孩子们对科学更感兴趣并了解科学如何影响他们生活的关键。“我们正在科学时代培养学生，”她说，“所以我们有机会让科学变得酷。”

大数据

首位
姓名： Alan 和 Matt Chalker，美国
课程：使用 Google Correlate 分析数据集，追踪全国范围内与新闻事件相关的互联网搜索历史

点击[此处](https://www.popsci.com/files/Alan/ Chalker Lesson Plan BD.pdf)查看课程计划。

Chalkers 的课程计划侧重于使用 Google 的数字处理工具 Correlate 向学生展示如何分析数据，在本例中是针对特定关键词集（如“蝙蝠侠：黑暗骑士崛起”或“巴尔的摩金莺队参加世界大赛”）的搜索次数。由于学生可以搜索他们最感兴趣的主题（体育、爱好或电视节目）的数据，因此他们与数据打交道的方式可能与传统课程不同。此外，由于 Google 的地理标记查询数据集在不断发展，学生可以了解它如何随时间和全国变化。然后，他们可以解析第二级数据，根据搜索历史得出影响搜索的事件的结论或建立地理区域之间的联系（例如，由于该州有大量纽约移民，因此佛罗里达州有很多洋基队球迷）。

亚军
姓名： Aaron Leanhardt，美国
课程：通过抛硬币来理解统计数据

密歇根大学物理学家 Aaron Leanhardt 通常研究一种名为 Bose-Einstein 凝聚态的奇异物质状态的行为，他致力于让学生更好地理解科学和公民道德。通过重复一个简单的实验——抛硬币——Leanhardt 让学生更好地理解随机性以及可靠实验所需的样本量。

莱恩哈特说，孩子们从中学到的知识可以应用于无数随机事件，从民意调查数据到学会批判性地思考调查结果，再到理解气体的扩散。“我认为，重要的是让初中生的孩子从小就明白，对于像民意调查这样的随机事件，如果你一次得到 100 分中的 57 分，你不可能每次都得到 100 分中的 57 分，”莱恩哈特说。

第三名
姓名： Gilbert Zalczer，法国
课程：使用弹球和硬币探索统计数据和大型数据集

和大多数父亲一样，吉尔伯特·扎尔泽尔会尽可能地帮助儿子做作业。扎尔泽尔的教学计划最初是为了帮助儿子学习统计学，但公众对这一主题的误解让他感到沮丧，于是他将这个项目变成了“无知挑战”的教学计划。扎尔泽尔是一位物理学家，自 1974 年以来一直在法国原子能和替代能源委员会工作。他说，让实验变得切实可行有助于吸引年轻学生。“当不确定性和随机性发生在他们面前时，他们比在电脑上更能理解它们。”