楊穎

[摘 要]戈德堡機(jī)械是指一種設(shè)計(jì)過(guò)度復(fù)雜的機(jī)械組合，通過(guò)迂回曲折的方式完成一個(gè)簡(jiǎn)單的操作。它能從創(chuàng)新和實(shí)踐的角度，輔助學(xué)生理解及運(yùn)用各種科學(xué)原理。在科學(xué)教學(xué)中，教師可通過(guò)戈德堡機(jī)械引導(dǎo)學(xué)生思考，讓學(xué)生小題大做，以小見(jiàn)大，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，提升科學(xué)素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]戈德堡機(jī)械;科學(xué)教學(xué);科學(xué)素養(yǎng);小題大做;以小見(jiàn)大

[中圖分類號(hào)] G623.6[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1007-9068（2019）09-0074-02

如果你要打開(kāi)一把傘，你會(huì)怎么做？當(dāng)然是用手一步完成啦。然而，有幾個(gè)中國(guó)孩子用了22步才完成這一過(guò)程，卻獲得了美國(guó)戈德堡機(jī)械創(chuàng)意大賽的銀獎(jiǎng)。肯定有人會(huì)說(shuō)這太無(wú)聊了，明明如此簡(jiǎn)單的事情卻用那么多裝置復(fù)雜化，簡(jiǎn)直小題大做。這些繁雜的裝置統(tǒng)稱為魯布·戈德堡機(jī)械。它指一種設(shè)計(jì)過(guò)度復(fù)雜的機(jī)械組合，用迂回曲折的方式完成一個(gè)簡(jiǎn)單的操作?？蓜e小瞧它，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜而成功的戈德堡機(jī)械往往要有龐大的科學(xué)知識(shí)庫(kù)，綜合運(yùn)用各種科學(xué)原理才能完成。由此可見(jiàn)，將戈德堡機(jī)械融入科學(xué)課，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能使學(xué)生在做中學(xué)，理解并運(yùn)用知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。下面，筆者就以兩個(gè)具體案例淺析戈德堡機(jī)械如何助力科學(xué)教學(xué)。

一、紙質(zhì)材料的小題大做

紙無(wú)處不在，是易得且價(jià)格較廉的材料，也是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的主要材料。從三年級(jí)《材料》單元的《紙》到五年級(jí)《結(jié)構(gòu)》單元的《折形狀》《造房子》，學(xué)生對(duì)紙的認(rèn)識(shí)不斷深入。人們制造了各種各樣的紙以滿足不同的需求，如銅版紙、卡紙、素描紙、宣紙等。通過(guò)科學(xué)課上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)并歸納出各種紙的性質(zhì)：一些紙很厚實(shí)但不防水，一些紙輕薄卻有韌性……而不同的加工折疊方法，又會(huì)賦予紙質(zhì)材料新的功能。

但是，對(duì)紙的認(rèn)識(shí)不能停留在此，教師還要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用。用紙質(zhì)材料制作戈德堡機(jī)械是一個(gè)很好的應(yīng)用契機(jī)，即在立起來(lái)的紙板上運(yùn)送一個(gè)玻璃珠（如下圖），看似簡(jiǎn)單，實(shí)則需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。學(xué)生在設(shè)計(jì)、制作、實(shí)踐環(huán)節(jié)中面臨各種問(wèn)題，如如何選擇紙質(zhì)材料、運(yùn)用哪種紙質(zhì)結(jié)構(gòu)等，在失敗中不斷摸索成功的方法。當(dāng)然，學(xué)生不能腦中一片空白就開(kāi)始著手制作，教師應(yīng)呈現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的戈德堡機(jī)械結(jié)構(gòu)讓學(xué)生觀察、分析：拉動(dòng)繩子，玻璃彈珠下滑，經(jīng)過(guò)兩個(gè)硬卡紙制作的滑道，彈珠掉落到有彈性的折疊紙上，再?gòu)椷M(jìn)塑料瓶中，最終掉入瓶蓋，通過(guò)杠桿原理抬起旗子。學(xué)生對(duì)這樣的裝置相當(dāng)感興趣，提問(wèn)：“可以用其他紙質(zhì)材料，讓它變得更復(fù)雜、更有意思嗎？”

于是學(xué)生分成小組，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)制作戈德堡機(jī)械。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，他們要考慮除了卡紙外，還可以用哪些紙質(zhì)材料來(lái)設(shè)計(jì)滑道。有的學(xué)生提出可以用A4紙卷成筒狀做立體滑道;有的學(xué)生腦洞大開(kāi)，用不同硬度的紙?jiān)O(shè)計(jì)迷宮式滑道;在實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生遇到了很多問(wèn)題：紙質(zhì)滑道的折疊形狀不合理，使玻璃珠直接滾飛，無(wú)法抬起旗子;紙質(zhì)滑道的角度設(shè)計(jì)有誤，導(dǎo)致玻璃珠卡在滑道上，無(wú)法落下;對(duì)玻璃珠的沖擊力和重量計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致紙質(zhì)滑道的承重出現(xiàn)問(wèn)題……學(xué)生在反復(fù)實(shí)踐中熟練運(yùn)用不同的紙質(zhì)材料，經(jīng)過(guò)確定目標(biāo)、頭腦風(fēng)暴、設(shè)計(jì)思路、實(shí)踐驗(yàn)證幾個(gè)階段，從挫敗中找出問(wèn)題并解決問(wèn)題。學(xué)生對(duì)戈德堡機(jī)械小題大做，充分地挖掘和應(yīng)用有關(guān)紙質(zhì)材料的科學(xué)知識(shí)，在獲得成就感的同時(shí)內(nèi)化了所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，經(jīng)歷了有意義的精彩的主動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程。

二、能量學(xué)習(xí)的以小見(jiàn)大

例如，六年級(jí)《能量》單元中每一課的內(nèi)容有著遞進(jìn)的關(guān)系，但都是淺嘗輒止，沒(méi)有深入的探究，更多的是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)概念的灌輸。閱讀量廣泛的學(xué)生在學(xué)習(xí)該單元之前就對(duì)一些科學(xué)名詞爛熟于心，但他們真的懂這些名詞的含義嗎？他們會(huì)應(yīng)用這些科學(xué)名詞解釋實(shí)際生活中的問(wèn)題嗎？我們不妨用戈德堡機(jī)械來(lái)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)《能量》單元。

首先，教師可以通過(guò)一個(gè)問(wèn)題引入該單元的教學(xué)，這個(gè)問(wèn)題就是“怎樣用一顆彈珠點(diǎn)亮燈泡”，并基于這一問(wèn)題設(shè)計(jì)一個(gè)與眾不同的戈德堡機(jī)械，讓學(xué)生在此過(guò)程中逐步認(rèn)識(shí)能量、能量的轉(zhuǎn)換與守恒以及能量的應(yīng)用。教師預(yù)先展示較為簡(jiǎn)單的彈珠戈德堡機(jī)械（如下圖）：（1）將一顆彈珠放置于坡道頂端，彈珠滾落后擊中底部的一個(gè)小橡皮球;（2）橡皮球撞擊一張多米諾骨牌;（3）多米諾骨牌接連倒下;（4）最后一張多米諾骨牌推倒鋁箔條;（5）鋁箔條擊中桌上的電線;（6）電路被連通，燈泡被點(diǎn)亮。

學(xué)生要想了解彈珠戈德堡機(jī)械是如何工作的，需要了解各種不同類型的能量，包括重力勢(shì)能、動(dòng)能、彈性勢(shì)能、熱能、化學(xué)能、電能和光能等。在之后的學(xué)習(xí)中，教師要幫助學(xué)生理解不同類型的能量，以及能量如何從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。學(xué)生回顧彈珠戈德堡機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，用已學(xué)知識(shí)來(lái)辨別能量的類型、能量轉(zhuǎn)換的路徑，以及不同主體能量的增減。學(xué)生進(jìn)行更高層次的思考，通過(guò)彈珠戈德堡機(jī)械明白：能量是守恒的，不會(huì)無(wú)故產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失;能量可以由一個(gè)系統(tǒng)逐步影響消散至周圍環(huán)境，但能量的總量是恒定的。

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生開(kāi)始分組設(shè)計(jì)并制造自己的彈珠戈德堡機(jī)械。在活動(dòng)前，各組準(zhǔn)備好所需的各種材料，并各準(zhǔn)備一張紙，繪制彈珠戈德堡機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，在結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)明各種能量以及能量的轉(zhuǎn)換示意圖。教師應(yīng)告知學(xué)生不需制造非常精密的機(jī)械裝置，但每個(gè)組設(shè)計(jì)的機(jī)械應(yīng)至少包括四個(gè)步驟和多種能量的轉(zhuǎn)換形式。教師以此激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，使他們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械和能量的概念建立聯(lián)系。

學(xué)生在探究過(guò)程中會(huì)遇到問(wèn)題、提出疑問(wèn)，教師可以利用這個(gè)機(jī)會(huì)向?qū)W生介紹一些生活中會(huì)用到的材料和應(yīng)用形式。一些小組在實(shí)踐時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，這需要再繪制一幅彈珠戈德堡機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。修改完畢的圖要包括每個(gè)機(jī)械部件，按序排列，在能量轉(zhuǎn)換處做好標(biāo)注。同時(shí)，每個(gè)小組的成員都要能簡(jiǎn)單描述該機(jī)械的運(yùn)行方式以及能量轉(zhuǎn)換間的關(guān)系。當(dāng)然，各個(gè)小組也要向全班展示機(jī)械的運(yùn)行，讓臺(tái)下的同學(xué)觀看演示，提出反饋意見(jiàn)，用更加科學(xué)的詞匯、能量的概念解釋生活中相似的工作原理。這種用以小見(jiàn)大的形式來(lái)學(xué)習(xí)《能量》單元的方法，實(shí)際上是一種引導(dǎo)學(xué)生在玩中學(xué)、在做中用的教學(xué)方法。

總之，戈德堡機(jī)械的小題大做也可以很精彩，永遠(yuǎn)不要小看學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力，他們帶來(lái)的驚喜會(huì)令教師嘆為觀止。給科學(xué)探究項(xiàng)目做“加法”，使學(xué)習(xí)的過(guò)程不僅有趣還具有挑戰(zhàn)性，相信越來(lái)越多的學(xué)生會(huì)喜歡科學(xué)，在生活中運(yùn)用科學(xué)，達(dá)到學(xué)習(xí)科學(xué)的目的。

（特約編輯 木 清）