挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)示范課有多趣味

陳晶晶

清晨七點(diǎn)半，清華園里的自行車流開始涌動(dòng)。八點(diǎn)，第一節(jié)課的鈴聲在各大教學(xué)樓準(zhǔn)時(shí)響起。

航天航空學(xué)院N402的教室里，一堂清華大學(xué)里別開生面的課正在進(jìn)行。這堂課沒有公式和筆記，沒有課本和講義，連坐著聽課的機(jī)會(huì)都很少。這門名曰“趣味力學(xué)實(shí)驗(yàn)與制作”的選修課在2012年成為清華首批4門挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)示范課程之一，任課老師高云峰是航天航空學(xué)院副教授。黑邊框眼鏡、淡藍(lán)色襯衫和西裝褲，高云峰看起來與清華多數(shù)老師并沒有區(qū)別。但他還有著多個(gè)身份，中國力學(xué)學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)秘書長、神舟十號“太空授課”的幕后策劃者……

第一節(jié)課，高云峰請來了一位長期習(xí)武的“高人”，為同學(xué)們表演“徒手穿玻璃”的絕技。正當(dāng)同學(xué)們目瞪口呆時(shí)，高云峰宣布了這門課的第一個(gè)任務(wù)：30名來自不同專業(yè)的學(xué)生被分成幾個(gè)小組，根據(jù)學(xué)過的知識(shí)設(shè)計(jì)制作一個(gè)器械，完成發(fā)射鋼針穿越玻璃的目標(biāo)，最終的對決將在五周后進(jìn)行。高云峰接著預(yù)告了課程安排：“沒有考試和論文，自己動(dòng)手做三個(gè)小玩意。每五周做一個(gè)。”

“用一個(gè)詞形容這門課，我覺得是‘好玩，玩游戲嘛?！备咴品逦⑽⒁恍?。而同學(xué)們的評價(jià)是：“高老師的課很酷！”

教室變作坊

我來到航天航空學(xué)院N402教室，看見這宛如一個(gè)工作坊，巨大的玻璃柜里擺放著各種設(shè)備，地面鋪著一層薄薄的木渣，激光切割機(jī)工作的時(shí)候，所有人都默契地將聲音放大一倍。同學(xué)們?nèi)齼蓛傻貒谧雷优赃叄瑢χ郎仙⒙涞哪景蹇嗫嗨妓鳌@可是他們制作器械的原材料。偶爾有人拿起游標(biāo)卡尺仔細(xì)測量尺寸，并匯報(bào)給負(fù)責(zé)制圖的同學(xué)。

工作坊里不見高云峰老師的身影。同學(xué)們抬起頭，樂呵呵地說：“高老師負(fù)責(zé)給我們切木板呀！”并用手指屋子一角，只見高云峰笑瞇瞇地站在轟轟鳴響的激光切割機(jī)旁，接過同學(xué)們的U盤，再按照同學(xué)們設(shè)計(jì)好的圖紙切割木板。

來自航天航空學(xué)院2013級的安同學(xué)承受著巨大的壓力，因?yàn)樗沁@次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)師。他們組的任務(wù)是做出一輛能自動(dòng)行駛的小車。目前，他們遇到的最大挑戰(zhàn)在于齒輪的制作。

“書本上的公式解決不了實(shí)際中的很多問題?！卑餐瑢W(xué)說。他們組第一次切割出來的模型就因?yàn)槌叽绱笮〔缓线m而無法拼裝。

“傳送軸的大小是多少？”安同學(xué)再次向“繪圖師”確認(rèn)尺寸。

“報(bào)告總設(shè)計(jì)師，是2.55毫米！”

安同學(xué)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)手中的傳動(dòng)軸，比劃著齒輪的尺寸。大一的他在兩周之前就帶領(lǐng)組員完成了“諸葛連弩”的制作，他是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師。

組員們都在等待安同學(xué)做出決定。

“再擴(kuò)大0.05毫米試試?！卑餐瑢W(xué)深吸一口氣。負(fù)責(zé)繪圖的同學(xué)仔細(xì)修改了圖紙，拿著U盤朝高老師走去。最后切割出的木板不負(fù)眾望，成功拼接在了一起。但這只是整輛小車制作的很小部分。他們還將面臨更多的考驗(yàn)。

2010年，高云峰首次向清華申請開設(shè)“趣味力學(xué)試驗(yàn)與制作”課程。在課程目的簡述一欄中，他寫道：“I hear，I forget. I see，I remember. I do，I understand. （我聽，我忘記了。我看，我記住了。我做，我明白了）”課程內(nèi)容也與眾不同，這門課沒有艱深的理論，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)生做小實(shí)驗(yàn)，每5節(jié)課再把這些小實(shí)驗(yàn)整合，完成一個(gè)較大且有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

“眼高手低是眾多同學(xué)最大的問題。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。創(chuàng)新來自實(shí)踐而不是紙上談兵。”高云峰將目光鎖定知識(shí)的最終產(chǎn)出，他反復(fù)地強(qiáng)調(diào)：“要能讓同學(xué)們運(yùn)用知識(shí)解決問題?！敝谱鳌澳局仆妒鳌睍r(shí)，許多同學(xué)在中學(xué)時(shí)就把彈性變形公式背得滾瓜爛熟，但是除了考試，基本不會(huì)用到它，也談不上興趣。而在高云峰的課上，學(xué)生不能使用彈簧、橡皮筋等彈性變形材料，只能利用木材本身的變形，達(dá)到反彈目的。耳熟能詳?shù)墓骄瓦@樣“活”了起來。

創(chuàng)意轉(zhuǎn)換工廠

來自航天與航空學(xué)院的李成林，站在激光切割機(jī)邊上靜靜地等待著，他設(shè)計(jì)的小臺(tái)燈將在三分鐘后完成切割。他的靈感來源于高云峰的一個(gè)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上他做了許多改進(jìn)。李成林從小對飛機(jī)抱有熱忱，不久前他自主設(shè)計(jì)了一款飛機(jī)模型。

“以前從沒想過自己能動(dòng)手做飛機(jī)模型。”李成林興奮地說。

而高云峰最想達(dá)到的，就是把同學(xué)們的“想”變成“現(xiàn)實(shí)”。N402教室也就是他和同學(xué)們的“創(chuàng)意轉(zhuǎn)換工廠”。

李成林的小臺(tái)燈完成了切割。在外殼的木板上刻著一行小字“made by log”，表明設(shè)計(jì)師的身份。這個(gè)添加字符的軟件是高云峰研發(fā)的。此前，他并沒有接觸過AutoCAD等計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，也不會(huì)操作激光切割機(jī)。但當(dāng)高云峰第一次接觸到它們時(shí)，他就被深深地吸引了。

“十年磨一劍，我們現(xiàn)在卻是幾分鐘磨一劍。”高云峰堅(jiān)信，快速看到自己的創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)槌晒芫S持同學(xué)們動(dòng)手實(shí)踐的熱情。高云峰告訴同學(xué)們：“只要你們想得到，在這里就能做出來。工科生也能做藝術(shù)品！”

李成林的這盞小臺(tái)燈將作為禮物送出去，他把好友的名字刻在了木板上。此前，憑借一臺(tái)電腦和一臺(tái)切割機(jī)，班上的一個(gè)女生在母親節(jié)前夕，給母親定制了一個(gè)相框；一個(gè)男生做了一個(gè)玩具盒子。這個(gè)被稱為“useless box（無用盒）”的盒子在淘寶上售價(jià)100多元，而清華男生耗費(fèi)的實(shí)際成本不到10元。當(dāng)然，這些成本都是由高云峰掏腰包的，他自己也要偶爾“加班”，幫女兒切割她設(shè)計(jì)好的小禮物。

創(chuàng)意，是高云峰最常提到的一個(gè)詞。他常常鼓勵(lì)同學(xué)們動(dòng)手做禮物——送父母，送女朋友。同學(xué)們總跟高云峰打趣地說：“老師，重點(diǎn)是沒有女朋友呀！”經(jīng)過半個(gè)多學(xué)期的嘗試，“趣味力學(xué)實(shí)驗(yàn)與制作”課的男同學(xué)們秉持著信念——“學(xué)好AutoCAD，就能找到女朋友！”

高云峰給每一個(gè)課程任務(wù)都取了朗朗上口的名字，“諸葛連弩”“投石車”“水漂機(jī)”……兩年來，“趣味力學(xué)實(shí)驗(yàn)與制作課”上有趣的實(shí)驗(yàn)成果數(shù)不勝數(shù)。高云峰像“孩子王”，帶領(lǐng)同學(xué)們?nèi)ネ瓿蓛簳r(shí)天馬行空的幻想。有一次，高云峰將最后一堂課安排在了紫荊操場。因?yàn)橥瑢W(xué)們要用自制的“投石車”進(jìn)行投水球大戰(zhàn)，都披上雨衣，較量著誰的投石車做得更加精準(zhǔn)，大家在歡聲笑語中結(jié)束了一學(xué)期的課程。

有同學(xué)在期末的課程反饋中寫道：“學(xué)期結(jié)束竟然有失落感，不管結(jié)果如何，至少大家體會(huì)到了自己動(dòng)手和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的樂趣?！?/p>

埃及石畫是真的

早在10年前，高云峰就帶領(lǐng)清華學(xué)生完成了看似不可能的實(shí)驗(yàn)——紙橋過車。

這個(gè)設(shè)想來源于央視“異想天開”欄目提出的不可能完成的任務(wù)。高云峰和學(xué)生們仔細(xì)計(jì)算后，只用2噸報(bào)紙就做出了6米長的紙橋，并成功地承載了一輛吉普車。2010年，一段名為《中國大學(xué)生用手機(jī)吊起冰箱》的視頻在網(wǎng)上引發(fā)轟動(dòng)。兩名清華研究生通過變速裝置，將一部普通手機(jī)馬達(dá)所產(chǎn)生的牽引力放大10萬倍，用一個(gè)半小時(shí)吊起一臺(tái)冰箱。實(shí)驗(yàn)主設(shè)計(jì)師就是高云峰。

十多年來，高云峰一直致力于帶領(lǐng)同學(xué)們親自動(dòng)手，解決身邊的問題。“研究學(xué)術(shù)很枯燥，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)很有趣?！比缃?，高云峰依托網(wǎng)絡(luò)、電視等媒體推廣自己的教學(xué)理念。他與央視《異想天開》《走進(jìn)科學(xué)》等欄目合作，走進(jìn)中小學(xué)的課堂，推廣寓科學(xué)知識(shí)于手工小發(fā)明、小游戲。

“我希望通過游戲讓學(xué)生學(xué)會(huì)怎么用學(xué)到的知識(shí)處理和解決問題，這也是我能為素質(zhì)教育所作的貢獻(xiàn)?！备咴品逭f。

目前，高云峰正精心設(shè)計(jì)他的MOOC課程。在一堂講解摩擦力的課中，高云峰把自己設(shè)定成“偵探”，要用摩擦力原理判兩個(gè)古代公案。其中的一個(gè)是判斷一幅埃及石畫的真?zhèn)巍Ｊ嫷膬?nèi)容是100多個(gè)奴隸拉動(dòng)一尊巨大的法老像。高云峰通過法老像和人像的比例，估算出法老像的重量，再運(yùn)用簡單的除法，計(jì)算出每個(gè)奴隸需要承擔(dān)的力以及地面的摩擦系數(shù)。高云峰得出結(jié)論：石畫所刻畫的內(nèi)容基本符合力學(xué)原理。

在高云峰的字典里，似乎沒有“枯燥”，他總是知道如何把一件事變得有趣，牢牢地吸引學(xué)生的眼球。

高云峰在“趣味力學(xué)實(shí)驗(yàn)與制作”課上極少用PPT，他更喜歡和同學(xué)們直接交流。但在同學(xué)們做完“飛針穿玻璃”實(shí)驗(yàn)后，高云峰做了一個(gè)總結(jié)的PPT。在這份PPT中，有豐富的視頻素材，有“李廣射虎”的故事，唯獨(dú)不見密密麻麻的公式。高云峰像在講一個(gè)精彩的故事，不斷地拋出包袱，再逐一揭開謎底。實(shí)驗(yàn)中的每一個(gè)挑戰(zhàn)在高云峰的口中都變得充滿玄機(jī)，而這些故事都有著相似的結(jié)局：實(shí)驗(yàn)獲得了成功。

“興趣是最好的老師。”高云峰不動(dòng)聲色地說。而這句話，包含著他教學(xué)思想的精髓。

采訪手記：

用一個(gè)詞形容高老師，“童心未泯”恐怕再合適不過。

初次見到高云峰老師是在他的辦公室。高老師的辦公室極易辨別，因?yàn)殚T上有他親手設(shè)計(jì)的木質(zhì)浮雕。高老師的辦公室里擺放著形形色色的小玩意。之后，兩次去高老師的實(shí)驗(yàn)室采訪，總會(huì)意外收到小禮物。比如，高老師為我“私人定制”的生日卡片，以及同學(xué)們做的小燈臺(tái)。高老師頗有“工科男的浪漫情懷”。作為創(chuàng)新教育的開拓者，他總是面臨艱難，而他卻從中探尋到無窮無盡的樂趣。