未来教育的模式探究(3)
2 .3.1 小学生的案例
下面是我给小学生设计的课程,这节课介绍一杯水为什么会从热水变成凉水,这是科学问题。这个环节以老师为中心,后面其他环节以学生为中心,学生开始研究如何利用所学的知识以及身边的工具材料来设计实验获得相关参数。学生获得很多数据后,这些数据怎么进行加工和整理?未来的教育不是直接告诉学生答案,而是要让学生自己探索并获得结论,比如水温变化曲线满足什么关系等(图5)。
图5 小学生案例
最后还有一个工程环节。科学、技术、数学都可以通过考试来体现出来,但是学生学了之后可能过一段时间就忘记。怎么让它们变成不容易忘记的知识?我认为要在工程环节增加分量,让学生有动手实践的机会,提供一些材料做一个装置,比如设计制作简化版的太阳能热水器,看谁保温的时间最长?学生想要做得好需要创意设计,需要对科学的理解,还需要测量计算等。经过这样的实践过程,整个这节课的东西学生可能会终生难忘。
2 .3.2 中学生的案例
这是给中学生设计的探究课程。先讲解振动、摩擦的原理,然后让学生自己分析讨论,怎么让一个没有轮子的装置运动起来,要考虑哪些数学条件、物理条件,然后让学生进行工程设计,再利用数字化平台把作品做出来。北京市有许多中学生的研学计划,有学生到我实验室,我就快速教会他们方法。他们自己讨论、设计,快速把它做出来。在我这里做东西是最快的,学生设计一些零件后,一两分钟就可以做出来,这个过程是以学生为中心,学生去处理实际的真实问题,过程中还可以进行修改迭代,每个人的作品都不一样(图6)。图6这个装置可以走直线,还可以转圈。
这个问题实际上如果问大学生,大部分学生都回答不出来为什么它会这样运动。为什么呢?因为理论力学中有一个题目:一个偏心电动机转起来后会怎样运动?理论上是来回摆动,是有解析解的,但是真实的装置完全不一样。理论与实际有时候会有差别,原因是有些细节我们平时不注意忽略掉了,但是可能这些细节很重要,如果没有实践环节我们就不会知道。
图6 中学生案例作品
3 具有挑战和启发意义的案例
我很早就尝试把实践引入教学中,为此在清华大学开设了趣味力学实验及制作的课程。在课程中,引导学生用自己的知识去挑战一些高难度的任务,这些任务都需要理论分析(多学科知识)、实践体验,而且过程中都会遇到大量的困难,也有很多出乎意料的结果,对学生而言是一种全新的教育模式。
3.1 飞针穿玻璃的案例
有一次课的目标是要实现“飞针穿玻璃”。我请武术高手现场演示,他能把玻璃击穿,同学们在现场每个人都试,包括我自己也试,但是我们不能用钢针击穿玻璃。
我就告诉学生:体力不是我们的强项,如何把我们知识转化为能力,如何在短短几次课内设计一个装置完成飞针穿玻璃的挑战,就是我们的挑战任务。
在制作过程中,我们开始的想象和最后的结果相差甚远。首先绝大部分同学想到要提高钢针的速度,结果发现我们钢针的速度可以超过师傅但是打不穿玻璃。
图7 飞针穿玻璃的孔洞
所以大家就想是不是角度问题,我们找很细的管子发射钢针,玻璃距离枪口只有20厘米,我们想这么短的距离钢针飞出去肯定是走直线。结果发现不是这样,用纸做实验时发现通常钢针是横着飞过去的。这么细的管子、距离这么近,钢针为什么横着飞过去?得找出原因才知道如何改进。
后来发现虽然管子很细,但是相对钢针还是粗,所以我们把针缠上胶带,让针和撞击杆、管子内径一样粗,这样保证飞针出去就走直线了。结果发现速度够了、角度比武术高手还正,但是还做不到飞针穿玻璃!
最后发现原来是针尖不能太尖。把针尖磨掉一点就可以打穿玻璃。我们做的装置可以打出不同的花样,比如雪花状、蝴蝶状,甚至还有很圆的情况(图7)。通过这样的课程,学生们真正体会到:如果不是自己经历,很多问题真是想像不到。
3.2 欹器的案例
除了动手实践,我还会增加人文方面的因素,例如做欹器。
《孔子家语》中介绍,“孔子观于鲁桓公之庙有欹器焉 ······孔子曰:吾闻宥坐之器者,虚而欹,中而正,满而覆。······孔子喟然而叹曰:吁!恶有满而不覆者哉?”
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2020/1209/392.html
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