培养孩子的科学素质，毫无疑问是个拼爹拼妈的活儿。当然我们这里所拼的，主要不是财富、学区房这些，而是教育思想，学习方法和亲子行动。
（图源：pngtree.com）
撰文 | 吴进远
编辑 | 小赛
大家可能会疑惑自己的孩子是不是学科学的料，有没有学科学的“细胞”。对此，我更愿意相信圣人们的话：人人皆可成为圣贤，六亿神州尽舜尧。要学好科学，首先要帮助孩子树立自信心。有了自信心，才能主动用心有效地去学，才能学好学透科学知识。正如每个孩子都可以成为一个对社会有用，被人们尊敬的人一样，每个孩子都有潜能学好科学。
当然这也并不意味着每个孩子都要去挤科学家教师工程师这些独木桥。从根本上来说，科学不是一种职业技能，而是人类文明的结晶，如同文学美术音乐舞蹈一样。
一个人可以不从事科研工作，但仍然可以具备充足的科学知识，理解世间万物的性质。这就像一个人可以不是文学家，但却可以有足够的知识读懂郭鲁茅巴老曹，狄更斯、雨果、海明威。
一个人甚至可以不以理科为职业，但仍然可以有足够的科学素养，能够欣赏科学之美。这就像一个人可以不从事音乐工作，但却可以不光去追天王天后小鲜肉之类，还能欣赏莫扎特、贝多芬、刘天华、冼星海。
要学好科学，先要树立自信心。但反过来，树立自信心却不仅仅是为了学好科学。孩子有了自信，才会快乐健康地成长，才会成为一个阳光灿烂的人，而不是一个猥猥琐琐的“废柴”。教育从来都是一个完整的工程，在中国教育理念中叫做教书育人，在欧洲文明中叫做cura personalis，也就是说关心完整的人。从这个角度讲，培养孩子科学素质是这个完整工程的一部分。有时候，对孩子的人文关怀，比起传递知识更加迫切。
当然，理论说教固然不可少，但一个实际行动往往更有效。炎炎夏日，带着娃来到荷塘边，不仅能纳凉赏景，还是一个绝好的学习机会。
（图片由作者提供）
曲曲折折的荷塘上面，弥望的是田田的叶子。叶子出水很高，像亭亭的舞女的裙。层层的叶子中间，零星地点缀着些白花，有袅娜地开着的，有羞涩地打着朵儿的；正如一粒粒的明珠，又如碧天里的星星，又如刚出浴的美人……朱自清《荷塘月色》
你可以和孩子一块品味“无边的荷香月色”这种意境。你也可以教孩子背背“莲叶何田田”的诗句。学问再大点的家长，不妨和孩子聊聊：“留得残荷听雨声”和“留得枯荷听雨声”这两句诗中一字之差的得失。当然，更不要忘了让孩子知道“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”这种真正的高贵精神。除此之外，荷塘里也有不少科学知识哦。
晶莹水珠中的观察与发现
你看：荷叶上晶莹的水珠像是底下镀了银一样，只能看到反射的光亮，看不到水珠下荷叶的颜色。这是为什么呢？
这种现象源于全反射，全反射也称全内反射，是光从光密媒介（如水或玻璃）射向光疏媒介（如空气）时，全部反射回来的现象。
（图片由作者朋友拍摄）
你可以和孩子一起注意到，荷叶上只有中等大小的水珠呈现出晶莹的全反射，而很多水形成的“水饼”底部则看不到。另一方面，在直径很小的水珠底部我们也看不到全反射。为了便于大家观察，我还拍了下面这张照片。
（图片由作者提供）
这张照片中的水珠直径大约 0.5 毫米左右，落在一个不沾水的化纤桌布上，呈现出一个良好的球形。从图中我们可以看出，在水和空气的界面上，我们能够看到一些普通的反射，但却看不见银光闪亮的全反射。
科学研究与学习中，最重要的一件事是观察。通过观察，发现自己以前不知道的事物与现象。不论是对孩子还是对科研人员来说，能够向自己提出问题，就算是成功了一半。
为什么这种全反射只在中等大小的水珠上能看到，而在很大的“水饼”或很小的水珠上看不到呢？这个问题说来话长，我们稍后再作解释。
沼气泡与实践动手习惯
人类积累的科学知识，说到底是通过观察现象学习的。在我们所观察的现象当中，有一部分是自然界自发产生的自然现象，而相当大的一部分则是通过实验产生的实验现象。因此，科学素质中非常重要的一个要素，就是实践动手习惯。学习实验性的学科，比如物理学，化学，生物学，毫无疑问是要动手做实验的。而即使是学习纯粹观测性的学科，比如天文学，也经常需要动手调整观测设备，有时甚至需要制造改进观测设备。
在荷塘，我们也不妨鼓励孩子动手实践，当然最好的鼓励，是我们为孩子做出榜样，亲自动手实践。比如我们可以找一根树上落下的枯枝，或者划船的船桨，插到池塘底部的淤泥里。于是就看到从池塘底浮起一串气泡，这是沼气的气泡，我们这里实际上做了一个简单的科学实验。
不要小看池塘底下浮出的这些有点臭哄哄的沼气泡，这里面学问大了。沼气是什么呢？我们可以上网查到，沼气是细菌分解有机物产生的，沼气里的主要成分是甲烷。甲烷本身是不臭的，但由于沼气里还含有硫化氢，所以池塘底浮上来的沼气泡经常是有臭味的。
（给各位读者留一个可以上网查找的开卷考题：甲烷，乙烷，丙烷里面的“烷”是什么意思？“甲乙丙”又是什么意思？乙烯、丙烯里的“烯”是什么意思？为什么没有“甲烯”这种东西？有机化学专业的同学可以直接在本文后面留言。）
甲烷在常温常压下是气体，可是如果处在低温与高压的环境中，甲烷会和水相结合，形成固态的甲烷水合物，这就是可燃冰。全世界海底可燃冰储量丰富，是一种相对清洁的能源。
可是，甲烷要在低温与高压环境下才能与水结合成为可燃冰，那么，在自然界中哪里有高压的环境呢？答案是在地下岩层或者在海洋底部，海里水的深度每增加10米，压强就会增加大约1个大气压。即使是在300-400米的浅海海底，水中的压强也已经达到30-40个大气压，而且温度比较低，完全可以维持可燃冰的稳定存在。
细心的你们还可以观察到，沼气的气泡是晶莹反光，如同镀了银一样，我们前面说过这是一种全反射现象。不过，与前面提到荷叶上的水珠不同，水中的气泡，不论大小，我们都能看到全反射带来的晶莹银亮。这是为什么呢？我们下 面就来解释。
谈谈光的折射与全反射
光在真空中的速度，是宇宙中物质、能量或者信息传输的最大速度，这个速度大约每秒30万公里，相当于每秒绕着地球赤道跑七圈半。光进入透明的物质，像水，玻璃，硬塑料等等，速度就会变慢。
当光来到两种媒介之间的界面时，一般情况下，一部分光会反射回原来的介质，就像是水面上的倒影，而另一部分光会进入另一种媒介，照亮水中的鱼虾水草。如下图所示。
（图片由作者提供）
从我们上面图中可以看出，进入到另一媒介的光的方向，与原来入射光的方向不一样了，光线像是被“折”了一下，所以这种现象叫折射。当光从速度比较快的媒介进入速度比较慢的媒介，比如从空气进入水或玻璃，折射角a3一定小于入射角a1，而反射角a2始终等于入射角a1。这里，入射角，折射角或者反射角都是以一条垂直于媒介界面的直线为基准测量的，这条基准直线叫法线。有了折射现象，我们才能造出放大镜，望远镜，近视或老花眼镜，照相机镜头等等光学仪器。
如果我们让光从速度慢的媒介进入速度快的媒介，比如从水进入空气，情况会是怎么样呢？请看下图。
（图片由作者提供）
这种情况下，折射角一定大于入射角。如果我们让入射角逐渐增加，到了一定的状态，折射角近似达到90度，折射的光线近似沿着水面掠过，如上图绿线显示的那样。这种情况下，光线的入射角称作临界角。对于水和空气的界面，临界角为48.8度。
如果我们继续增加入射角，这时，水中的光线就不再进入空气了。这种情况下，光线的所有能量进入到反射光里，水面就变得像镀了银的镜子一样（实际上，全反射的反射率通常比镀银镜子的反射率还高），银光闪亮。这种现象叫做全反射现象。全反射现象只会在光从速度比较慢的媒介，超过临界角射向光速比较快的媒介时发生。
对于荷叶上的水珠，只要光在其内部的入射角大于48.8度，在水内部与空气的界面处都会发生全反射，只不过有时我们可以在外边的空气中看到这种全反射，而有时看不到，我们通过下图讨论。
（图片由作者提供）
当水珠非常细小的时候，水的表面张力使之缩成一个接近于完美的小球，如上图左上所示。水里的光线以大于48.8度的角度照射到球和空气的界面，就会全部反射回球里。反射回球内的光线再次照射到球面的另一个位置上，由于球是对称的，入射角仍然维持原来的角度，仍然大于48.8度，于是光线再次被反射回球内。这样，我们从外面就无法看到银光闪亮的全反射现象。
如果水珠非常大，则在重力作用下，水就会摊成了一个饼，如上图下部所示。这个水饼有上下两个互相平行的平面，就像窗户上用的平板玻璃一样。当光线以超过48.8度的入射角来到水的底面时，全部被反射回去。反射回来的光来到水的上表面，入射角同样维持大于48.8度，于是又被反射回去。这样角度的光线往返发生全反射，始终无法射出到外面，因而我们也无法看到全反射。
而当水珠大小适中时，重力的作用使之变成一个扁球形，如上图右上所示。这种情况下，水珠内的光线以比较大的角度照射到底面上，发生全反射。反射回来的光线照到扁球的边上，这时候，光线在这个位置上的入射角就不一定会大于48.8度了。这样，经过底面全反射的光线就可以进入空气，使得我们可以在外面看到全反射现象了。
那么，沼气泡为什么无论大小都是银光闪亮的呢？我们用下面这个图来解释。
（图片由作者提供）
我们前面谈到，全反射只会发生在光从水射向空气的情况下。当池塘里水中的光线从某一方向照射到一个气泡时，总会有合适的位置，使得光线的入射角大于48.8度，因而发生全反射。与水珠的情况不同，光线是在球形以外发生全反射的，全反射的光线不会被困在球体内，而是可能射到外面的空气里。这样，我们看到水中的气泡时，就不论气泡的大小，总能看到它的一部分球面上的全反射现象。
你和孩子都明白了吗？
经验分享
孩子们最初学习知识的动力源于好奇心与求知欲，而不是应试压力与仕途经济，这种好奇心与求知欲无疑是青少年最宝贵的心理财富。
遗憾的是有的人长大后“成熟”了，开始鄙薄好奇心这样的“儿童心理”，变得老气横秋，关闭了向外界学习的通道。有这样问题的人做了父母，难免通过只言片语在潜意识中影响孩子。有的孩子受这种影响严重的，也关闭了学习的通道，看上去“少年老成”，其实知识与技能皆缺，前途堪忧。
我们在很多家庭看到这样的画面，孩子在屋里皱着眉头赶作业，父母在客厅无所事事，看电视，刷手机。这个画面向我们生动地展示了损毁孩子求知欲的两大杀手：不恰当的题海战术（当然合理安排的题海战术还是有益的）以及家长对知识的冷漠。
所以孩子的问题要从大人这里预防，孩子的潜能要从大人这里开发。
自己不懂怎么办？
很多家长说，我只在中学学过很少一点物理和化学，现在全还给老师了。不像你们这些搞科研工作的，这些科学知识我自己也不懂，孩子提问题我答不上来怎么办？
其实，即使是做科研工作的家长，也同样会遇到很多孩子问的问题答不上来。答不上来，就实实在在地告诉孩子，不可以胡乱糊弄。科学的问题，来不得半点的虚伪与骄傲，相反，需要的是诚实与谦逊的态度。
诚实，就是要如实告诉孩子自己也不知道，而谦逊，则是不仅仅说个不知道就完了，既然不知道，就应该和孩子一起去寻求答案。信息技术发展到今天，获取知识的门槛已经非常底了，很多知识上网输入一个关键词就可以搜索到。和孩子在荷塘边，不知道什么是全反射，不知道什么是沼气，拿出手机搜一搜就全知道了。比如，荷叶为什么不会被水浸润，这个我以前也不知道，但只要查一下，就能发现前一段有一篇科普文章，介绍了用扫描电镜研究荷叶表面的工作（详见 荷花是如何做到出淤泥而不染的？）。
当然有些知识需要比较深入的学习，这就需要到图书馆阅读纸质的书刊资料。
我们做父母的遇到不懂的问题，通过努力寻找答案，就可以为孩子做出榜样，使孩子学会求知若渴。也可以帮助孩子懂得，只要勤于学习，很多知识都可以通过自己的主动努力得到。
安全教育要重视
培养实践动手习惯的一项必不可少的内容是安全教育，必须让孩子形成对人身伤害事故的防范意识。做实验要全程戴好护目眼镜，做任何可能带来人身伤害事故的实验要有成年人在旁监护，电学实验尽量使用低电压的电池作为电源等等。
比如沼气，遇到火种会燃烧爆炸，造出人身伤害，这是有血的教训的。城市的下水道里面可能会有树叶泥土等淤积物，在细菌作用下会产生沼气，积累在下水道里面。近些年来，网上经常能看到这样的新闻，有些糊涂透顶的人，把鞭炮丢到下水井中，于是引起强烈的爆炸。这样做的人经常是被炸成重伤，有的还会丢了性命。为此，我们应该告诉孩子，这样的事情绝不可以做，就像绝不能把鞭炮丢到人身上，或者绝不能在房间里玩火一样。
安全教育的目的不是吓唬孩子，使得孩子什么都不敢做。相反，是教会孩子形成遇事做危害分析的习惯，从而让让孩子既能够做好实验，学到知识，又能够确保人身与财产的安全。
（图源：pixabay.com）
说了这么多，作为一个普通家长，应该从何入手呢？其实很简单：亲子，亲子，亲子，重要的话说三遍。和孩子亲，就要鼓励孩子树立自信，就会带着孩子漫步荷塘，鼓励孩子的好奇心与求知欲。和孩子亲，就会身体力行地与孩子一起观察自然，发现未知，就会与孩子一起动手实践，寻求答案。作为家长，一定要改掉吼娃的难看样，少一点老气横秋的“成熟”，多一点被世俗所偏见的“孩子气”。这样，你的孩子才能学好科学。更重要的，你的孩子才能快乐健康地成长。请相信我，你的孩子会因为你的亲子受益匪浅。因为，我自己，就是一位这样的家长。
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