戈德堡机械在初中物理教学中的应用探索
2021-07-11潘碧云
潘碧云
摘 要:基于戈德堡机械的趣味性、创新性等教育特点,结合其应用于实际教学的理论基础,阐述它在初中物理课堂中作为演示实验和项目式学习设计模式应用的两个典型案例,并立足于应用实践从四个环节进行梳理,总结出戈德堡机械应用于初中物理教学的注意事项。
关键词:戈德堡机械;创新;steam教育;项目式学习
教育是育人的长期性活动,应着眼于人的未来与发展。我国近年在“大众创业,万众创新”理念下发展起来的steam教育因其跨学科性与创新性特点渐渐走进人们的视野。然而当前应试教育的急功近利,造成中学生参与学习实践机会少,实质性创新探索实践更是少之又少。如何基于当前创新教育的短板,从初中物理教学上做一些的可行性的改变呢?下面对戈德堡机械在物理教学中应用进行了探索。
1 戈德堡机械的特点
戈德堡机械(Rube Goldberg machine)是一种被设计得过度复杂的机械组合,以迂回曲折的方法完成一些非常简单的工作,例如倒一杯水,或打一颗蛋等等[ 1 ] 。从教育者的角度观察,发现戈德堡机械拥有以下几个显著的教育特点。
1.1 趣味性强
由于戈德堡机械用繁复的运作去完成极简单的任务,这种强烈的对比使得它的运行过程容易让人产生一种荒谬、滑稽的喜剧感;机关一触即发,联动的系列反应增加了戈德堡机械的趣味性,这些对初中生都有着强烈的吸引力。
1.2 便捷性强
戈德堡机应用的便捷性主要体现它的零件取材方便,可变废为宝。它的机械零件常常是简陋非常规的,如一个喝汤用的勺子,在戈德堡机械组合中可能被当做杠杆使用;一把雨伞也可能被设计成一个触发开关;一个胡萝卜的滚动可能打开一扇门等等。
1.3 应用过程性强
戈德堡机注重应用性。所有的设计都要经得起实验的检验,任何一个环节出错,都极有可能令原定的任务不能达成。学生参与设计和组装是需要一定的生活经验和系列基础物理知识的支撑。
1.4 创新性强
戈德堡机的取材范围广,组合方式自由,创新性强。个人的团队的特色容易通过机械设计直观表现出来。学生在设计时可进行天马行空的头脑风暴,从中整合出创意性、可行性、观赏性强的机械组合,是学生将创意变为现实的通道,促进思维的发散与创造力的培养。
2 戈德堡机在初中物理教学中的应用探索
2.1 立足的教育理论基础
《物理课程标准(实验稿)》在“基本理念”中指出:物理教学活动必须建立在学生的认知发展水平和已有的知识经验基础之上[ 2 ]。新课程的课程资源观:教师应跳出封闭的教材和教室,创造性地使用教材,积极利用和开发身边的课程资源,使教学内容贴近学生,贴近社会[ 3 ]。戈德堡机械在初中物理教学中的应用契合现代教育理念和课程资源观;它的设计应用立足于“逆向教学设计”思想,以终为始[ 4 ];它在设计和组装过程中的头脑风暴、团队协作、集思广益等特征是steam教育精神的集中体现。
2.2 应用实践案例
2.2.1 迅速激趣的演示实验
在八下物理“滑轮”这节课中,笔者自制了一个戈德堡机械演示器具,用它作为引课的演示实验。自制器具材料:木板、装修废木料、螺丝钉、细绳、滑轮纸盒、滑轮、蜘蛛侠模型、钢球。俗话说“良好的开端是成功的一半”,笔者在课堂上先演示了自制戈德堡机械的运行过程:让一钢球从木料搭建的几个斜面顶端交替滚下,达到斜面底端后小球冲出轨道,掉进早已准备好的纸杯中造成纸杯下落,触发杠杆失去平衡造成放置在杠杆平面上的钩码滚落,钩码通过细绳绕过定滑轮与另一端的蜘蛛侠模型相连,钩码下落造成蜘蛛侠攀升而上的景象。该组戈德堡机械的演示应用在“滑轮”课引课环节,起到了承上启下的作用,不仅引导学生复习了动能与重力势能的转化、杠杆的知识,同时设疑引发学生思考:钩码下落后是通过什么机械把蜘蛛侠拉起呢?由于戈德堡机的一触即发和联动的系列反应有很强的观赏激趣的效果,迅速激发学生的好奇心,为本课的学习打下了良好的心理驱动基础。在课后,很多学生对我的自制戈德堡机械进行了围观和评价,眼神里有好奇的火花在闪动,学生想尝试动手制作的欲望很强烈。
2.2.2 项目式学习的魅力
基于“滑轮”的成功引课案例,在“简单机械”单元临近结束时,笔者再次将戈德堡机械應用于物理课堂教学。这次,笔者设计成了steam教育中常用的项目式学习模式进行。在课前布置任务时,对小组项目设计提出简明的要求:“设计一套系列联动机械推倒一本竖立的新华字典,机械制作材料不限”。学生们对这样宽松自由的实验要求即意外又兴奋。在课堂现场机械测试研究中,有几个小组的设计模仿了“滑轮”该课的自制器具,让小球从斜面滚轮推书,在不断试错中他们总结出:“推动字典的过程就是对球做功的过程”“小球质量越大,放得越高,越容易推倒书本”“球对书的作用点越高时也越容易推倒书本”等。另有一小组则设计了通过触动杠杆引发单摆小球击打字典从而推倒字典。由于小球质量小效果不好,更有学生发挥创意,将小球换成一个大苹果,字典在他们的尝试中应声而倒,现场掌声雷动。在各小组对这次的活动做总结时,学生间互相分享了自己的设计作品应用的物理知识,如:机械能的互相转化、功的相关知识、惯性、力的作用效果等,促进了对知识的深度理解。在这个steam项目式学习案例里,戈德堡机的自由创意和应用检验得到了充分发挥,学生设计制作的过程中体会到了知识学习的实用性和应用的趣味性。自主学习,主动探究,促进创造力的培养是该课的一个显著特征。
3 戈德堡机在初中物理教学中应用的注意事项
3.1 目标的制定
3.1.1 明确简洁
戈德堡机械设定的最终目标是动机的驱动,不是学习的重点,但它是检验学习成效的重要依据。简洁明确的目标使得学生的自主学习有了明确的方向性,使得课堂自由却不混乱,在民主的学习氛围里,学习围绕知识本身为主体而展开,学习由知识原发性吸引而驱动,学生感受到知识的魅力。
3.1.2 最近发展区原则
设计过程分解出来的每个小目标应在学情基础上,根据建构主义的“最近发展区”原则设定。这样不仅利于知识框架的连续搭建,还能在戈德堡机为载体应用的过程中促进知识的逐步完善与深化。学生通过实际的努力能体会到自主学习的成就感,从而驱动深层次学习的进行,而脱离基础的跳跃性目标容易因学生的畏难情绪从而对项目放弃。
3.2 设计环节
教师提纲挈领地引导学生明确需几个设计环节来达成目标,以任务为驱动翻转课堂。学生通过自学、查资料、设计机械步骤并附加说明依据;教师组织讨论设计方案的合理性。该过程帮助学生逐步领会方法的使用,体验知识的生成过程,促进深度学习。
3.3 制造环节
学生进行制造操作、试错、纠错过程不断完善对机械知识的认识,同时完成指定的目标。该过程教师应以积极的心态看待学生的错误,甚至有疑问时鼓励试错,增强学习的体验性。失败的实验操作的最大价值就在于让人吸取经验后进行改进,即“吃一堑、长一智”,这样既能检验戈德堡机械设计的成效,又能促进学生个人品格的完善。
3.4 展示解说与评价
教师要创造机会让学生展示所制的戈德堡机械作品,同时让小组成员配以现场解说。展示环节不仅让学生体会成就感,还能养成分享和表现的积极人格。现场解说是在学生在对知识进行深度研究与不断总结升华的基础上才能进行的一种学习分享活动。解说活动能极大程度激发学生进行自主的有深度学习的积极性。
只有学生激发出了对学习原发性的热爱,创造力才有可培育的土壤,学生的创新能力的培养与提高才成为可能。戈德堡机械灵活开放的特点能为创造力培养提供重要的养分,在初中物理教学中,它可作为一个物理知识的综合载体实施应用,以steam教育常用的項目化学习模式开展教学活动,更有利于培养学生的4C能力,促进核心素养的达成。
参考文献:
[1] 杨颖.小题大做也精彩——浅析戈德堡机械如何助力科学教学[J].小学教学参考,2019(9):74-75.
[2] 张磊. 科学课程设计的认识论考察[D].山东:山东师范大学,2013.
[3] 彬彬. 教师开发利用课程资源研究[D].吉林:东北师范大学,2015.
[4]格兰特·威金斯,杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计[M].上海:华东师范大学出版社,2017:28-69.