“趣味力學(xué)試驗(yàn)及制作”：“趣味”課堂上的教育“實(shí)驗(yàn)”
●實(shí)習(xí)記者 王力可
清華大學(xué)航天航空學(xué)院副教授高云峰的 “趣味力學(xué)試驗(yàn)及制作”課堂上，正上演著一場(chǎng)“鋼針穿玻璃”的對(duì)決：60名來自不同專業(yè)的學(xué)生被分成10組，力爭(zhēng)在5節(jié)課的期限內(nèi)，根據(jù)已學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)制作一個(gè)器械，實(shí)現(xiàn)發(fā)射鋼針穿透玻璃的目標(biāo)。結(jié)課時(shí)，10個(gè)小組都要展示各自的成果，進(jìn)行比賽。
第一節(jié)課，高云峰請(qǐng)來一位長(zhǎng)期習(xí)武的“高人”，徒手打穿了玻璃。正當(dāng)同學(xué)們震撼于武功的力量時(shí)，高云峰不失時(shí)機(jī)“預(yù)言”了科學(xué)才是真正的不可思議：“你們雖然沒有練過武功，但是只要充分運(yùn)用現(xiàn)有的知識(shí)和能力，幾天之內(nèi)就能超過他。”
圖為高云峰和師生自制的平衡裝置。
同學(xué)們將信將疑，但5節(jié)課后的事實(shí)令他們興奮———經(jīng)過努力，有兩組同學(xué)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)看似不可能完成的任務(wù)，成功運(yùn)用自己設(shè)計(jì)制作的工具穿透了玻璃。挑戰(zhàn)成功！
“創(chuàng)新來自實(shí)踐，而不能只是空想。有趣的實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造力，我希望他們能在興趣的引領(lǐng)下，通過實(shí)際研究和鍛煉掌握自主分析問題、解決問題的能力。”高云峰說。
用有趣的任務(wù)化解原理的枯燥，用動(dòng)手解決問題代替紙上談兵，這也正是挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程的題中之義。
公式也可以如此有趣
高云峰從2011年春季學(xué)期開始面向全校本科生開設(shè)“趣味力學(xué)實(shí)驗(yàn)”選修課。這門課程后來更名為 “趣味力學(xué)試驗(yàn)及制作”，并在2012年成為全校首批4門挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)示范課程之一。
與許多常規(guī)課程不同，這門課沒有滿堂的知識(shí)點(diǎn)，沒有艱深的理論，也沒有一板一眼的實(shí)驗(yàn)室操作，而是代之以豐富有趣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。每學(xué)期約18個(gè)課時(shí)的課程，每節(jié)課都會(huì)安排學(xué)生做一些小實(shí)驗(yàn)，每5節(jié)課再把這些小實(shí)驗(yàn)整合起來，完成一個(gè)較大且較有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
“這些實(shí)驗(yàn)本身是有趣味的。理論知識(shí)本身略顯枯燥，但是如果我們能在玩具、游戲、比賽等形式中融入知識(shí)和挑戰(zhàn)，讓學(xué)生在不知不覺中迎難而上，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的學(xué)習(xí)和運(yùn)用，也許就能產(chǎn)生更好的效果，留下更深刻的印象。”高云峰這樣解釋課程名稱的由來。
圖為學(xué)生制作的“月球車”。
以制作“木制投石器”為例。許多學(xué)生在中學(xué)時(shí)就已經(jīng)把彈性變形公式背得滾瓜爛熟，但是除了在考試中用到這一公式外，基本不會(huì)在其他場(chǎng)合用到它，也談不上有什么興趣。而在制作木制投石器這項(xiàng)課程任務(wù)中，學(xué)生不得使用彈簧、橡皮筋等一切能產(chǎn)生彈性變形的材料，只能利用木材本身的變形達(dá)到反彈的目的，這就要求他們必須努力去嘗試如何使木材發(fā)生形變、怎樣才能盡量使形變的彈力最大，耳熟能詳?shù)墓皆谶@樣的實(shí)踐中，一下子就“活”了起來。
2013年選修該課程的錢學(xué)森力學(xué)班學(xué)生楊柳至今難忘這種活生生的創(chuàng)造的樂趣：“當(dāng)真正的機(jī)器在我們手上誕生，那種喜悅和自豪感絕對(duì)超越了推演公式———公式是前人演算發(fā)明的，今天的推演不過是復(fù)制前人的足跡。而這些機(jī)器，是我們利用公式產(chǎn)生的實(shí)實(shí)在在的創(chuàng)造物！”
有趣的不只是體驗(yàn)更是產(chǎn)出
作為中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)秘書長(zhǎng)、青少年科普教育專家和神舟十號(hào)“太空授課”的幕后策劃者之一，高云峰在深入淺出展示科學(xué)應(yīng)用的趣味性方面，可謂經(jīng)驗(yàn)豐富。但在設(shè)計(jì)“趣味力學(xué)試驗(yàn)及制作”這門課程時(shí)，高云峰卻更多地“盯”住了趣味性背后真正的學(xué)業(yè)產(chǎn)出。
“最初之所以開設(shè)這門課程，就是因?yàn)榭吹讲簧俅髮W(xué)生 ‘眼高手低’，談起理論知識(shí)來滔滔不絕，但等到運(yùn)用這些知識(shí)處理實(shí)際問題時(shí)就都傻了眼。他們太缺乏知識(shí)轉(zhuǎn)化的能力！”高云峰說。
這當(dāng)然不僅僅是學(xué)生的問題。這些學(xué)生有著同齡人中最優(yōu)秀的大腦，以及相對(duì)扎實(shí)的知識(shí)儲(chǔ)備，他們需要的只是 “真刀真槍”迎接挑戰(zhàn)的機(jī)會(huì)。
在這門課上，學(xué)生接受了實(shí)實(shí)在在的任務(wù)挑戰(zhàn)。與現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)的任務(wù)設(shè)置激發(fā)了他們的好奇心和探索精神，適當(dāng)?shù)碾y度控制使他們?cè)谧罱K完成任務(wù)時(shí)獲得非同一般的成就感；課時(shí)限制和小組競(jìng)爭(zhēng)的形式促使他們充分調(diào)動(dòng)起自己直面挑戰(zhàn)的勇氣、創(chuàng)新實(shí)踐的能力；團(tuán)隊(duì)“攻關(guān)”的過程則鍛煉了他們的溝通能力、合作能力———所有這一切，都為他們不斷發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力打下了良好基礎(chǔ)。
2013級(jí)錢學(xué)森力學(xué)班學(xué)生何長(zhǎng)耕雖然才大二，卻已是國(guó)際空中機(jī)器人大賽冠軍團(tuán)隊(duì)成員。對(duì)于自己動(dòng)手解決實(shí)際問題的重要性，他在這門課上有了深切的體會(huì)。從中學(xué)時(shí)代的“書生”走進(jìn)大學(xué)課堂，他面臨的挑戰(zhàn)性任務(wù)是要組織小組同學(xué)制作電動(dòng)爬升器，一開始“簡(jiǎn)直不知道從何下手”。經(jīng)過一番“奮戰(zhàn)”，他和同學(xué)們絞盡腦汁完成設(shè)計(jì)，卻因?yàn)楹雎粤爽F(xiàn)實(shí)摩擦力和相互干擾的因素而“擱淺”。這時(shí)，高云峰的一句鼓勵(lì)———“每一種設(shè)計(jì)都會(huì)遇到很多問題”給了他們修正錯(cuò)誤、繼續(xù)前行的勇氣。最后，在組員的通力合作下，電動(dòng)爬升器終于從他們手中誕生了！
最初的興奮漸漸沉淀，何長(zhǎng)耕深有體會(huì)地說：“這個(gè)過程為我們將來面對(duì)工程問題提供了不少經(jīng)驗(yàn)智慧的積累。在高老師的課堂上，我們真正開始學(xué)習(xí)如何分解問題、明確分工、預(yù)先考慮失敗補(bǔ)償措施等一系列非常有用的方法和能力。”
而在高云峰看來，這門課程的“趣味”絕對(duì)不僅僅來自于實(shí)驗(yàn)題目的靈活新穎，更在于學(xué)生利用現(xiàn)有知識(shí)巧妙攻堅(jiān)、創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)自己想法的過程。從方法到結(jié)果，師生都無法預(yù)設(shè)，卻往往有意外驚喜。
教學(xué)探索永遠(yuǎn)“未完成”
自制諸葛連弩、能連續(xù)打出20多個(gè)水漂的“水漂機(jī)”、手機(jī)吊冰箱、自己爬坡的“小鴨子”……短短兩年來，“趣味力學(xué)試驗(yàn)及制作”課堂開展的有趣實(shí)驗(yàn)已經(jīng)數(shù)不勝數(shù)。它們一頭連著童年時(shí)代天馬行空的幻想，另一頭卻鋪設(shè)著帶領(lǐng)學(xué)生充滿自信走向未來的橋梁。每次開放選課時(shí)，這門課期期爆滿，可謂“一課難求”。
木材與有機(jī)玻璃制“馬踏飛燕”不倒翁。
良好的教學(xué)效果，離不開授課教師的全情投入和精心設(shè)計(jì)。每次課上，高云峰會(huì)首先講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，然后拿出很多相關(guān)實(shí)物，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用之前學(xué)到的知識(shí)解釋原理，由此再提出新的問題，要求學(xué)生自己解決完成。例如在“逆行風(fēng)車”這節(jié)課上，高云峰先講解了風(fēng)車的原理，再讓學(xué)生思考逆行的原理，并拿出一些相同或相似原理的器物拓展思維，最后提出新的問題：“如何讓逆行風(fēng)車拐彎？”學(xué)生們帶著這個(gè)問題，分組討論制作，幾周之后現(xiàn)場(chǎng)比賽，從拐彎速度、拐彎半徑等方面一決高下。整個(gè)教學(xué)過程環(huán)環(huán)相扣，循序漸進(jìn)，啟迪思維。
學(xué)生在課堂中永遠(yuǎn)是主角。高云峰從不“喧賓奪主”，熱情鼓勵(lì)學(xué)生在課堂上獨(dú)立自由地創(chuàng)造。“一開始我都會(huì)讓學(xué)生自己來做，只有當(dāng)他們遇到繞不開的問題時(shí)，我才會(huì)給他們少許提示。”學(xué)生們感到在他的課堂上可以“放膽嘗試”、“自由實(shí)現(xiàn)自己的想法”。高云峰還鼓勵(lì)學(xué)生們不要害怕失敗，“但是一定要努力向成功靠近。結(jié)果實(shí)現(xiàn)了，說明你每個(gè)環(huán)節(jié)都做得很好；一旦失敗，則說明有些地方考慮得欠周到，可以再改進(jìn)。這也算是走上實(shí)際工作崗位前的一次小演練。”
高云峰并不滿足于目前的教學(xué)效果：“對(duì)我來說，最難的仍然是如何充分調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的積極性，充分挖掘每個(gè)人的潛力。”他一直把這門課設(shè)定在“未完成”的發(fā)展?fàn)顟B(tài)———每學(xué)期的課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，要根據(jù)學(xué)生的學(xué)情不斷變化；實(shí)驗(yàn)的難易程度，也需要根據(jù)每次任務(wù)學(xué)生的完成度進(jìn)行評(píng)估調(diào)整；這學(xué)期，高云峰還把60人的課堂規(guī)模精減為30人，以利于更深入的指導(dǎo)。
站在培養(yǎng)創(chuàng)新人才與學(xué)生實(shí)踐能力的高度，“趣味”課堂中這場(chǎng)教育的“實(shí)驗(yàn)”還將不斷深入前行。
來源：新清華 2014-5-16
