戈德堡機(jī)械在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用探索

潘碧云

摘? ?要：基于戈德堡機(jī)械的趣味性、創(chuàng)新性等教育特點(diǎn)，結(jié)合其應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)的理論基礎(chǔ)，闡述它在初中物理課堂中作為演示實(shí)驗和項目式學(xué)習(xí)設(shè)計模式應(yīng)用的兩個典型案例，并立足于應(yīng)用實(shí)踐從四個環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理，總結(jié)出戈德堡機(jī)械應(yīng)用于初中物理教學(xué)的注意事項。

關(guān)鍵詞：戈德堡機(jī)械;創(chuàng)新;steam教育;項目式學(xué)習(xí)

教育是育人的長期性活動，應(yīng)著眼于人的未來與發(fā)展。我國近年在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”理念下發(fā)展起來的steam教育因其跨學(xué)科性與創(chuàng)新性特點(diǎn)漸漸走進(jìn)人們的視野。然而當(dāng)前應(yīng)試教育的急功近利，造成中學(xué)生參與學(xué)習(xí)實(shí)踐機(jī)會少，實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新探索實(shí)踐更是少之又少。如何基于當(dāng)前創(chuàng)新教育的短板，從初中物理教學(xué)上做一些的可行性的改變呢？下面對戈德堡機(jī)械在物理教學(xué)中應(yīng)用進(jìn)行了探索。

1? 戈德堡機(jī)械的特點(diǎn)

戈德堡機(jī)械（Rube Goldberg machine）是一種被設(shè)計得過度復(fù)雜的機(jī)械組合，以迂回曲折的方法完成一些非常簡單的工作，例如倒一杯水，或打一顆蛋等等[ 1 ] 。從教育者的角度觀察，發(fā)現(xiàn)戈德堡機(jī)械擁有以下幾個顯著的教育特點(diǎn)。

1.1? 趣味性強(qiáng)

由于戈德堡機(jī)械用繁復(fù)的運(yùn)作去完成極簡單的任務(wù)，這種強(qiáng)烈的對比使得它的運(yùn)行過程容易讓人產(chǎn)生一種荒謬、滑稽的喜劇感;機(jī)關(guān)一觸即發(fā)，聯(lián)動的系列反應(yīng)增加了戈德堡機(jī)械的趣味性，這些對初中生都有著強(qiáng)烈的吸引力。

1.2? 便捷性強(qiáng)

戈德堡機(jī)應(yīng)用的便捷性主要體現(xiàn)它的零件取材方便，可變廢為寶。它的機(jī)械零件常常是簡陋非常規(guī)的，如一個喝湯用的勺子，在戈德堡機(jī)械組合中可能被當(dāng)做杠桿使用;一把雨傘也可能被設(shè)計成一個觸發(fā)開關(guān);一個胡蘿卜的滾動可能打開一扇門等等。

1.3? 應(yīng)用過程性強(qiáng)

戈德堡機(jī)注重應(yīng)用性。所有的設(shè)計都要經(jīng)得起實(shí)驗的檢驗，任何一個環(huán)節(jié)出錯，都極有可能令原定的任務(wù)不能達(dá)成。學(xué)生參與設(shè)計和組裝是需要一定的生活經(jīng)驗和系列基礎(chǔ)物理知識的支撐。

1.4? 創(chuàng)新性強(qiáng)

戈德堡機(jī)的取材范圍廣，組合方式自由，創(chuàng)新性強(qiáng)。個人的團(tuán)隊的特色容易通過機(jī)械設(shè)計直觀表現(xiàn)出來。學(xué)生在設(shè)計時可進(jìn)行天馬行空的頭腦風(fēng)暴，從中整合出創(chuàng)意性、可行性、觀賞性強(qiáng)的機(jī)械組合，是學(xué)生將創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的通道，促進(jìn)思維的發(fā)散與創(chuàng)造力的培養(yǎng)。

2? 戈德堡機(jī)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用探索

2.1? 立足的教育理論基礎(chǔ)

《物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗稿）》在“基本理念”中指出：物理教學(xué)活動必須建立在學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平和已有的知識經(jīng)驗基礎(chǔ)之上[ 2 ]。新課程的課程資源觀：教師應(yīng)跳出封閉的教材和教室，創(chuàng)造性地使用教材，積極利用和開發(fā)身邊的課程資源，使教學(xué)內(nèi)容貼近學(xué)生，貼近社會[ 3 ]。戈德堡機(jī)械在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用契合現(xiàn)代教育理念和課程資源觀;它的設(shè)計應(yīng)用立足于“逆向教學(xué)設(shè)計”思想，以終為始[ 4 ];它在設(shè)計和組裝過程中的頭腦風(fēng)暴、團(tuán)隊協(xié)作、集思廣益等特征是steam教育精神的集中體現(xiàn)。

2.2? 應(yīng)用實(shí)踐案例

2.2.1? 迅速激趣的演示實(shí)驗

在八下物理“滑輪”這節(jié)課中，筆者自制了一個戈德堡機(jī)械演示器具，用它作為引課的演示實(shí)驗。自制器具材料：木板、裝修廢木料、螺絲釘、細(xì)繩、滑輪紙盒、滑輪、蜘蛛俠模型、鋼球。俗話說“良好的開端是成功的一半”，筆者在課堂上先演示了自制戈德堡機(jī)械的運(yùn)行過程：讓一鋼球從木料搭建的幾個斜面頂端交替滾下，達(dá)到斜面底端后小球沖出軌道，掉進(jìn)早已準(zhǔn)備好的紙杯中造成紙杯下落，觸發(fā)杠桿失去平衡造成放置在杠桿平面上的鉤碼滾落，鉤碼通過細(xì)繩繞過定滑輪與另一端的蜘蛛俠模型相連，鉤碼下落造成蜘蛛俠攀升而上的景象。該組戈德堡機(jī)械的演示應(yīng)用在“滑輪”課引課環(huán)節(jié)，起到了承上啟下的作用，不僅引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)了動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化、杠桿的知識，同時設(shè)疑引發(fā)學(xué)生思考：鉤碼下落后是通過什么機(jī)械把蜘蛛俠拉起呢？由于戈德堡機(jī)的一觸即發(fā)和聯(lián)動的系列反應(yīng)有很強(qiáng)的觀賞激趣的效果，迅速激發(fā)學(xué)生的好奇心，為本課的學(xué)習(xí)打下了良好的心理驅(qū)動基礎(chǔ)。在課后，很多學(xué)生對我的自制戈德堡機(jī)械進(jìn)行了圍觀和評價，眼神里有好奇的火花在閃動，學(xué)生想嘗試動手制作的欲望很強(qiáng)烈。

2.2.2? 項目式學(xué)習(xí)的魅力

基于“滑輪”的成功引課案例，在“簡單機(jī)械”單元臨近結(jié)束時，筆者再次將戈德堡機(jī)械應(yīng)用于物理課堂教學(xué)。這次，筆者設(shè)計成了steam教育中常用的項目式學(xué)習(xí)模式進(jìn)行。在課前布置任務(wù)時，對小組項目設(shè)計提出簡明的要求：“設(shè)計一套系列聯(lián)動機(jī)械推倒一本豎立的新華字典，機(jī)械制作材料不限”。學(xué)生們對這樣寬松自由的實(shí)驗要求即意外又興奮。在課堂現(xiàn)場機(jī)械測試研究中，有幾個小組的設(shè)計模仿了“滑輪”該課的自制器具，讓小球從斜面滾輪推書，在不斷試錯中他們總結(jié)出：“推動字典的過程就是對球做功的過程”“小球質(zhì)量越大，放得越高，越容易推倒書本”“球?qū)淖饔命c(diǎn)越高時也越容易推倒書本”等。另有一小組則設(shè)計了通過觸動杠桿引發(fā)單擺小球擊打字典從而推倒字典。由于小球質(zhì)量小效果不好，更有學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)意，將小球換成一個大蘋果，字典在他們的嘗試中應(yīng)聲而倒，現(xiàn)場掌聲雷動。在各小組對這次的活動做總結(jié)時，學(xué)生間互相分享了自己的設(shè)計作品應(yīng)用的物理知識，如：機(jī)械能的互相轉(zhuǎn)化、功的相關(guān)知識、慣性、力的作用效果等，促進(jìn)了對知識的深度理解。在這個steam項目式學(xué)習(xí)案例里，戈德堡機(jī)的自由創(chuàng)意和應(yīng)用檢驗得到了充分發(fā)揮，學(xué)生設(shè)計制作的過程中體會到了知識學(xué)習(xí)的實(shí)用性和應(yīng)用的趣味性。自主學(xué)習(xí)，主動探究，促進(jìn)創(chuàng)造力的培養(yǎng)是該課的一個顯著特征。

3? 戈德堡機(jī)在初中物理教學(xué)中應(yīng)用的注意事項

3.1? 目標(biāo)的制定

3.1.1? 明確簡潔

戈德堡機(jī)械設(shè)定的最終目標(biāo)是動機(jī)的驅(qū)動，不是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，但它是檢驗學(xué)習(xí)成效的重要依據(jù)。簡潔明確的目標(biāo)使得學(xué)生的自主學(xué)習(xí)有了明確的方向性，使得課堂自由卻不混亂，在民主的學(xué)習(xí)氛圍里，學(xué)習(xí)圍繞知識本身為主體而展開，學(xué)習(xí)由知識原發(fā)性吸引而驅(qū)動，學(xué)生感受到知識的魅力。

3.1.2? ?最近發(fā)展區(qū)原則

設(shè)計過程分解出來的每個小目標(biāo)應(yīng)在學(xué)情基礎(chǔ)上，根據(jù)建構(gòu)主義的“最近發(fā)展區(qū)”原則設(shè)定。這樣不僅利于知識框架的連續(xù)搭建，還能在戈德堡機(jī)為載體應(yīng)用的過程中促進(jìn)知識的逐步完善與深化。學(xué)生通過實(shí)際的努力能體會到自主學(xué)習(xí)的成就感，從而驅(qū)動深層次學(xué)習(xí)的進(jìn)行，而脫離基礎(chǔ)的跳躍性目標(biāo)容易因?qū)W生的畏難情緒從而對項目放棄。

3.2? 設(shè)計環(huán)節(jié)

教師提綱挈領(lǐng)地引導(dǎo)學(xué)生明確需幾個設(shè)計環(huán)節(jié)來達(dá)成目標(biāo)，以任務(wù)為驅(qū)動翻轉(zhuǎn)課堂。學(xué)生通過自學(xué)、查資料、設(shè)計機(jī)械步驟并附加說明依據(jù);教師組織討論設(shè)計方案的合理性。該過程幫助學(xué)生逐步領(lǐng)會方法的使用，體驗知識的生成過程，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

3.3? 制造環(huán)節(jié)

學(xué)生進(jìn)行制造操作、試錯、糾錯過程不斷完善對機(jī)械知識的認(rèn)識，同時完成指定的目標(biāo)。該過程教師應(yīng)以積極的心態(tài)看待學(xué)生的錯誤，甚至有疑問時鼓勵試錯，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的體驗性。失敗的實(shí)驗操作的最大價值就在于讓人吸取經(jīng)驗后進(jìn)行改進(jìn)，即“吃一塹、長一智”，這樣既能檢驗戈德堡機(jī)械設(shè)計的成效，又能促進(jìn)學(xué)生個人品格的完善。

3.4? 展示解說與評價

教師要創(chuàng)造機(jī)會讓學(xué)生展示所制的戈德堡機(jī)械作品，同時讓小組成員配以現(xiàn)場解說。展示環(huán)節(jié)不僅讓學(xué)生體會成就感，還能養(yǎng)成分享和表現(xiàn)的積極人格。現(xiàn)場解說是在學(xué)生在對知識進(jìn)行深度研究與不斷總結(jié)升華的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行的一種學(xué)習(xí)分享活動。解說活動能極大程度激發(fā)學(xué)生進(jìn)行自主的有深度學(xué)習(xí)的積極性。

只有學(xué)生激發(fā)出了對學(xué)習(xí)原發(fā)性的熱愛，創(chuàng)造力才有可培育的土壤，學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高才成為可能。戈德堡機(jī)械靈活開放的特點(diǎn)能為創(chuàng)造力培養(yǎng)提供重要的養(yǎng)分，在初中物理教學(xué)中，它可作為一個物理知識的綜合載體實(shí)施應(yīng)用，以steam教育常用的項目化學(xué)習(xí)模式開展教學(xué)活動，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的4C能力，促進(jìn)核心素養(yǎng)的達(dá)成。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊穎.小題大做也精彩——淺析戈德堡機(jī)械如何助力科學(xué)教學(xué)[J].小學(xué)教學(xué)參考，2019（9）：74-75.

[2] 張磊. 科學(xué)課程設(shè)計的認(rèn)識論考察[D].山東：山東師范大學(xué)，2013.

[3] 彬彬. 教師開發(fā)利用課程資源研究[D].吉林：東北師范大學(xué)，2015.

[4]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學(xué)設(shè)計[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2017：28-69.