挑战性学习示范课有多趣味

陈晶晶

清晨七点半，清华园里的自行车流开始涌动。八点，第一节课的铃声在各大教学楼准时响起。

航天航空学院N402的教室里，一堂清华大学里别开生面的课正在进行。这堂课没有公式和笔记，没有课本和讲义，连坐着听课的机会都很少。这门名曰“趣味力学实验与制作”的选修课在2012年成为清华首批4门挑战性学习示范课程之一，任课老师高云峰是航天航空学院副教授。黑边框眼镜、淡蓝色衬衫和西装裤，高云峰看起来与清华多数老师并没有区别。但他还有着多个身份，中国力学学会科普工作委员会秘书长、神舟十号“太空授课”的幕后策划者……

第一节课，高云峰请来了一位长期习武的“高人”，为同学们表演“徒手穿玻璃”的绝技。正当同学们目瞪口呆时，高云峰宣布了这门课的第一个任务：30名来自不同专业的学生被分成几个小组，根据学过的知识设计制作一个器械，完成发射钢针穿越玻璃的目标，最终的对决将在五周后进行。高云峰接着预告了课程安排：“没有考试和论文，自己动手做三个小玩意。每五周做一个。”

“用一个词形容这门课，我觉得是‘好玩，玩游戏嘛。”高云峰微微一笑。而同学们的评价是：“高老师的课很酷！”

教室变作坊

我来到航天航空学院N402教室，看见这宛如一个工作坊，巨大的玻璃柜里摆放着各种设备，地面铺着一层薄薄的木渣，激光切割机工作的时候，所有人都默契地将声音放大一倍。同学们三三两两地围在桌子旁边，对着桌上散落的木板苦苦思索——这可是他们制作器械的原材料。偶尔有人拿起游标卡尺仔细测量尺寸，并汇报给负责制图的同学。

工作坊里不见高云峰老师的身影。同学们抬起头，乐呵呵地说：“高老师负责给我们切木板呀！”并用手指屋子一角，只见高云峰笑眯眯地站在轰轰鸣响的激光切割机旁，接过同学们的U盘，再按照同学们设计好的图纸切割木板。

来自航天航空学院2013级的安同学承受着巨大的压力，因为他是这次实验项目的总设计师。他们组的任务是做出一辆能自动行驶的小车。目前，他们遇到的最大挑战在于齿轮的制作。

“书本上的公式解决不了实际中的很多问题。”安同学说。他们组第一次切割出来的模型就因为尺寸大小不合适而无法拼装。

“传送轴的大小是多少？”安同学再次向“绘图师”确认尺寸。

“报告总设计师，是2.55毫米！”

安同学不停地转动手中的传动轴，比划着齿轮的尺寸。大一的他在两周之前就带领组员完成了“诸葛连弩”的制作，他是一个有经验的设计师。

组员们都在等待安同学做出决定。

“再扩大0.05毫米试试。”安同学深吸一口气。负责绘图的同学仔细修改了图纸，拿着U盘朝高老师走去。最后切割出的木板不负众望，成功拼接在了一起。但这只是整辆小车制作的很小部分。他们还将面临更多的考验。

2010年，高云峰首次向清华申请开设“趣味力学试验与制作”课程。在课程目的简述一栏中，他写道：“I hear，I forget. I see，I remember. I do，I understand. （我听，我忘记了。我看，我记住了。我做，我明白了）”课程内容也与众不同，这门课没有艰深的理论，也没有一板一眼的实验室操作，而是代之以丰富有趣的实验任务。每学期约18个课时的课程，每节课都会安排学生做小实验，每5节课再把这些小实验整合，完成一个较大且有挑战性的任务。

“眼高手低是众多同学最大的问题。实践是检验真理的唯一标准。创新来自实践而不是纸上谈兵。”高云峰将目光锁定知识的最终产出，他反复地强调：“要能让同学们运用知识解决问题。”制作“木制投石器”时，许多同学在中学时就把弹性变形公式背得滚瓜烂熟，但是除了考试，基本不会用到它，也谈不上兴趣。而在高云峰的课上，学生不能使用弹簧、橡皮筋等弹性变形材料，只能利用木材本身的变形，达到反弹目的。耳熟能详的公式就这样“活”了起来。

创意转换工厂

来自航天与航空学院的李成林，站在激光切割机边上静静地等待着，他设计的小台灯将在三分钟后完成切割。他的灵感来源于高云峰的一个设计，在此基础上他做了许多改进。李成林从小对飞机抱有热忱，不久前他自主设计了一款飞机模型。

“以前从没想过自己能动手做飞机模型。”李成林兴奋地说。

而高云峰最想达到的，就是把同学们的“想”变成“现实”。N402教室也就是他和同学们的“创意转换工厂”。

李成林的小台灯完成了切割。在外壳的木板上刻着一行小字“made by log”，表明设计师的身份。这个添加字符的软件是高云峰研发的。此前，他并没有接触过AutoCAD等计算机设计软件，也不会操作激光切割机。但当高云峰第一次接触到它们时，他就被深深地吸引了。

“十年磨一剑，我们现在却是几分钟磨一剑。”高云峰坚信，快速看到自己的创意转变为成果能维持同学们动手实践的热情。高云峰告诉同学们：“只要你们想得到，在这里就能做出来。工科生也能做艺术品！”

李成林的这盏小台灯将作为礼物送出去，他把好友的名字刻在了木板上。此前，凭借一台电脑和一台切割机，班上的一个女生在母亲节前夕，给母亲定制了一个相框；一个男生做了一个玩具盒子。这个被称为“useless box（无用盒）”的盒子在淘宝上售价100多元，而清华男生耗费的实际成本不到10元。当然，这些成本都是由高云峰掏腰包的，他自己也要偶尔“加班”，帮女儿切割她设计好的小礼物。

创意，是高云峰最常提到的一个词。他常常鼓励同学们动手做礼物——送父母，送女朋友。同学们总跟高云峰打趣地说：“老师，重点是没有女朋友呀！”经过半个多学期的尝试，“趣味力学实验与制作”课的男同学们秉持着信念——“学好AutoCAD，就能找到女朋友！”

高云峰给每一个课程任务都取了朗朗上口的名字，“诸葛连弩”“投石车”“水漂机”……两年来，“趣味力学实验与制作课”上有趣的实验成果数不胜数。高云峰像“孩子王”，带领同学们去完成儿时天马行空的幻想。有一次，高云峰将最后一堂课安排在了紫荆操场。因为同学们要用自制的“投石车”进行投水球大战，都披上雨衣，较量着谁的投石车做得更加精准，大家在欢声笑语中结束了一学期的课程。

有同学在期末的课程反馈中写道：“学期结束竟然有失落感，不管结果如何，至少大家体会到了自己动手和团队协作的乐趣。”

埃及石画是真的

早在10年前，高云峰就带领清华学生完成了看似不可能的实验——纸桥过车。

这个设想来源于央视“异想天开”栏目提出的不可能完成的任务。高云峰和学生们仔细计算后，只用2吨报纸就做出了6米长的纸桥，并成功地承载了一辆吉普车。2010年，一段名为《中国大学生用手机吊起冰箱》的视频在网上引发轰动。两名清华研究生通过变速装置，将一部普通手机马达所产生的牵引力放大10万倍，用一个半小时吊起一台冰箱。实验主设计师就是高云峰。

十多年来，高云峰一直致力于带领同学们亲自动手，解决身边的问题。“研究学术很枯燥，动手做实验很有趣。”如今，高云峰依托网络、电视等媒体推广自己的教学理念。他与央视《异想天开》《走进科学》等栏目合作，走进中小学的课堂，推广寓科学知识于手工小发明、小游戏。

“我希望通过游戏让学生学会怎么用学到的知识处理和解决问题，这也是我能为素质教育所作的贡献。”高云峰说。

目前，高云峰正精心设计他的MOOC课程。在一堂讲解摩擦力的课中，高云峰把自己设定成“侦探”，要用摩擦力原理判两个古代公案。其中的一个是判断一幅埃及石画的真伪。石画的内容是100多个奴隶拉动一尊巨大的法老像。高云峰通过法老像和人像的比例，估算出法老像的重量，再运用简单的除法，计算出每个奴隶需要承担的力以及地面的摩擦系数。高云峰得出结论：石画所刻画的内容基本符合力学原理。

在高云峰的字典里，似乎没有“枯燥”，他总是知道如何把一件事变得有趣，牢牢地吸引学生的眼球。

高云峰在“趣味力学实验与制作”课上极少用PPT，他更喜欢和同学们直接交流。但在同学们做完“飞针穿玻璃”实验后，高云峰做了一个总结的PPT。在这份PPT中，有丰富的视频素材，有“李广射虎”的故事，唯独不见密密麻麻的公式。高云峰像在讲一个精彩的故事，不断地抛出包袱，再逐一揭开谜底。实验中的每一个挑战在高云峰的口中都变得充满玄机，而这些故事都有着相似的结局：实验获得了成功。

“兴趣是最好的老师。”高云峰不动声色地说。而这句话，包含着他教学思想的精髓。

采访手记：

用一个词形容高老师，“童心未泯”恐怕再合适不过。

初次见到高云峰老师是在他的办公室。高老师的办公室极易辨别，因为门上有他亲手设计的木质浮雕。高老师的办公室里摆放着形形色色的小玩意。之后，两次去高老师的实验室采访，总会意外收到小礼物。比如，高老师为我“私人定制”的生日卡片，以及同学们做的小灯台。高老师颇有“工科男的浪漫情怀”。作为创新教育的开拓者，他总是面临艰难，而他却从中探寻到无穷无尽的乐趣。