「趣味力學試驗及製作」:「趣味」課堂上的教育「實驗」

「趣味力學試驗及製作」：「趣味」課堂上的教育「實驗」

●實習記者 王力可

　　清華大學航天航空學院副教授高雲峰的 「趣味力學試驗及製作」課堂上，正上演著一場「鋼針穿玻璃」的對決：60名來自不同專業的學生被分成10組，力爭在5節課的期限內，根據已學知識設計製作一個器械，實現發射鋼針穿透玻璃的目標。結課時，10個小組都要展示各自的成果，進行比賽。

　　第一節課，高雲峰請來一位長期習武的「高人」，徒手打穿了玻璃。正當同學們震撼於武功的力量時，高雲峰不失時機「預言」了科學才是真正的不可思議：「你們雖然沒有練過武功，但是只要充分運用現有的知識和能力，幾天之內就能超過他。」

圖為高雲峰和師生自製的平衡裝置。

　　同學們將信將疑，但5節課後的事實令他們興奮———經過努力，有兩組同學實現了這個看似不可能完成的任務，成功運用自己設計製作的工具穿透了玻璃。挑戰成功！

　　「創新來自實踐，而不能只是空想。有趣的實驗可以激發學生的求知慾和創造力，我希望他們能在興趣的引領下，通過實際研究和鍛鍊掌握自主分析問題、解決問題的能力。」高雲峰說。

　　用有趣的任務化解原理的枯燥，用動手解決問題代替紙上談兵，這也正是挑戰性學習課程的題中之義。

公式也可以如此有趣

　　高雲峰從2011年春季學期開始面向全校本科生開設「趣味力學實驗」選修課。這門課程後來更名為 「趣味力學試驗及製作」，並在2012年成為全校首批4門挑戰性學習示範課程之一。

　　與許多常規課程不同，這門課沒有滿堂的知識點，沒有艱深的理論，也沒有一板一眼的實驗室操作，而是代之以豐富有趣的實驗任務。每學期約18個課時的課程，每節課都會安排學生做一些小實驗，每5節課再把這些小實驗整合起來，完成一個較大且較有挑戰性的任務。

　　「這些實驗本身是有趣味的。理論知識本身略顯枯燥，但是如果我們能在玩具、遊戲、比賽等形式中融入知識和挑戰，讓學生在不知不覺中迎難而上，實現知識的學習和運用，也許就能產生更好的效果，留下更深刻的印象。」高雲峰這樣解釋課程名稱的由來。

圖為學生製作的「月球車」。

　　以製作「木製投石器」為例。許多學生在中學時就已經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，基本不會在其他場合用到它，也談不上有什麼興趣。而在製作木製投石器這項課程任務中，學生不得使用彈簧、橡皮筋等一切能產生彈性變形的材料，只能利用木材本身的變形達到反彈的目的，這就要求他們必須努力去嘗試如何使木材發生形變、怎樣才能儘量使形變的彈力最大，耳熟能詳的公式在這樣的實踐中，一下子就「活」了起來。

　　2013年選修該課程的錢學森力學班學生楊柳至今難忘這種活生生的創造的樂趣：「當真正的機器在我們手上誕生，那種喜悅和自豪感絕對超越了推演公式———公式是前人演算發明的，今天的推演不過是複製前人的足跡。而這些機器，是我們利用公式產生的實實在在的創造物！」

有趣的不只是體驗更是產出

　　作為中國力學學會科普工作委員會秘書長、青少年科普教育專家和神舟十號「太空授課」的幕後策劃者之一，高雲峰在深入淺出展示科學應用的趣味性方面，可謂經驗豐富。但在設計「趣味力學試驗及製作」這門課程時，高雲峰卻更多地「盯」住了趣味性背後真正的學業產出。

　　「最初之所以開設這門課程，就是因為看到不少大學生 『眼高手低』，談起理論知識來滔滔不絕，但等到運用這些知識處理實際問題時就都傻了眼。他們太缺乏知識轉化的能力！」高雲峰說。

　　這當然不僅僅是學生的問題。這些學生有著同齡人中最優秀的大腦，以及相對紮實的知識儲備，他們需要的只是 「真刀真槍」迎接挑戰的機會。

　　在這門課上，學生接受了實實在在的任務挑戰。與現實生活密切相關的任務設置激發了他們的好奇心和探索精神，適當的難度控制使他們在最終完成任務時獲得非同一般的成就感；課時限制和小組競爭的形式促使他們充分調動起自己直面挑戰的勇氣、創新實踐的能力；團隊「攻關」的過程則鍛鍊了他們的溝通能力、合作能力———所有這一切，都為他們不斷發展終身學習的能力打下了良好基礎。

　　2013級錢學森力學班學生何長耕雖然才大二，卻已是國際空中機器人大賽冠軍團隊成員。對於自己動手解決實際問題的重要性，他在這門課上有了深切的體會。從中學時代的「書生」走進大學課堂，他面臨的挑戰性任務是要組織小組同學製作電動爬升器，一開始「簡直不知道從何下手」。經過一番「奮戰」，他和同學們絞盡腦汁完成設計，卻因為忽略了現實摩擦力和相互幹擾的因素而「擱淺」。這時，高雲峰的一句鼓勵———「每一種設計都會遇到很多問題」給了他們修正錯誤、繼續前行的勇氣。最後，在組員的通力合作下，電動爬升器終於從他們手中誕生了！

　　最初的興奮漸漸沉澱，何長耕深有體會地說：「這個過程為我們將來面對工程問題提供了不少經驗智慧的積累。在高老師的課堂上，我們真正開始學習如何分解問題、明確分工、預先考慮失敗補償措施等一系列非常有用的方法和能力。」

　　而在高雲峰看來，這門課程的「趣味」絕對不僅僅來自於實驗題目的靈活新穎，更在於學生利用現有知識巧妙攻堅、創造性地實現自己想法的過程。從方法到結果，師生都無法預設，卻往往有意外驚喜。

教學探索永遠「未完成」

　　自製諸葛連弩、能連續打出20多個水漂的「水漂機」、手機吊冰箱、自己爬坡的「小鴨子」……短短兩年來，「趣味力學試驗及製作」課堂開展的有趣實驗已經數不勝數。它們一頭連著童年時代天馬行空的幻想，另一頭卻鋪設著帶領學生充滿自信走向未來的橋梁。每次開放選課時，這門課期期爆滿，可謂「一課難求」。

木材與有機玻璃制「馬踏飛燕」不倒翁。

　　良好的教學效果，離不開授課教師的全情投入和精心設計。每次課上，高雲峰會首先講解相關知識點，然後拿出很多相關實物，啟發學生運用之前學到的知識解釋原理，由此再提出新的問題，要求學生自己解決完成。例如在「逆行風車」這節課上，高雲峰先講解了風車的原理，再讓學生思考逆行的原理，並拿出一些相同或相似原理的器物拓展思維，最後提出新的問題：「如何讓逆行風車拐彎？」學生們帶著這個問題，分組討論製作，幾周之後現場比賽，從拐彎速度、拐彎半徑等方面一決高下。整個教學過程環環相扣，循序漸進，啟迪思維。

　　學生在課堂中永遠是主角。高雲峰從不「喧賓奪主」，熱情鼓勵學生在課堂上獨立自由地創造。「一開始我都會讓學生自己來做，只有當他們遇到繞不開的問題時，我才會給他們少許提示。」學生們感到在他的課堂上可以「放膽嘗試」、「自由實現自己的想法」。高雲峰還鼓勵學生們不要害怕失敗，「但是一定要努力向成功靠近。結果實現了，說明你每個環節都做得很好；一旦失敗，則說明有些地方考慮得欠周到，可以再改進。這也算是走上實際工作崗位前的一次小演練。」

　　高雲峰並不滿足於目前的教學效果：「對我來說，最難的仍然是如何充分調動每個學生的積極性，充分挖掘每個人的潛力。」他一直把這門課設定在「未完成」的發展狀態———每學期的課堂實驗內容，要根據學生的學情不斷變化；實驗的難易程度，也需要根據每次任務學生的完成度進行評估調整；這學期，高雲峰還把60人的課堂規模精減為30人，以利於更深入的指導。

　　站在培養創新人才與學生實踐能力的高度，「趣味」課堂中這場教育的「實驗」還將不斷深入前行。

  來源：新清華 2014-5-16