戈德堡機械在初中物理教學中的應用探索

潘碧云

摘? ?要：基于戈德堡機械的趣味性、創新性等教育特點，結合其應用于實際教學的理論基礎，闡述它在初中物理課堂中作為演示實驗和項目式學習設計模式應用的兩個典型案例，并立足于應用實踐從四個環節進行梳理，總結出戈德堡機械應用于初中物理教學的注意事項。

關鍵詞：戈德堡機械;創新;steam教育;項目式學習

教育是育人的長期性活動，應著眼于人的未來與發展。我國近年在“大眾創業，萬眾創新”理念下發展起來的steam教育因其跨學科性與創新性特點漸漸走進人們的視野。然而當前應試教育的急功近利，造成中學生參與學習實踐機會少，實質性創新探索實踐更是少之又少。如何基于當前創新教育的短板，從初中物理教學上做一些的可行性的改變呢？下面對戈德堡機械在物理教學中應用進行了探索。

1? 戈德堡機械的特點

戈德堡機械（Rube Goldberg machine）是一種被設計得過度復雜的機械組合，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，發現戈德堡機械擁有以下幾個顯著的教育特點。

1.1? 趣味性強

由于戈德堡機械用繁復的運作去完成極簡單的任務，這種強烈的對比使得它的運行過程容易讓人產生一種荒謬、滑稽的喜劇感;機關一觸即發，聯動的系列反應增加了戈德堡機械的趣味性，這些對初中生都有著強烈的吸引力。

1.2? 便捷性強

戈德堡機應用的便捷性主要體現它的零件取材方便，可變廢為寶。它的機械零件常常是簡陋非常規的，如一個喝湯用的勺子，在戈德堡機械組合中可能被當做杠桿使用;一把雨傘也可能被設計成一個觸發開關;一個胡蘿卜的滾動可能打開一扇門等等。

1.3? 應用過程性強

戈德堡機注重應用性。所有的設計都要經得起實驗的檢驗，任何一個環節出錯，都極有可能令原定的任務不能達成。學生參與設計和組裝是需要一定的生活經驗和系列基礎物理知識的支撐。

1.4? 創新性強

戈德堡機的取材范圍廣，組合方式自由，創新性強。個人的團隊的特色容易通過機械設計直觀表現出來。學生在設計時可進行天馬行空的頭腦風暴，從中整合出創意性、可行性、觀賞性強的機械組合，是學生將創意變為現實的通道，促進思維的發散與創造力的培養。

2? 戈德堡機在初中物理教學中的應用探索

2.1? 立足的教育理論基礎

《物理課程標準（實驗稿）》在“基本理念”中指出：物理教學活動必須建立在學生的認知發展水平和已有的知識經驗基礎之上[ 2 ]。新課程的課程資源觀：教師應跳出封閉的教材和教室，創造性地使用教材，積極利用和開發身邊的課程資源，使教學內容貼近學生，貼近社會[ 3 ]。戈德堡機械在初中物理教學中的應用契合現代教育理念和課程資源觀;它的設計應用立足于“逆向教學設計”思想，以終為始[ 4 ];它在設計和組裝過程中的頭腦風暴、團隊協作、集思廣益等特征是steam教育精神的集中體現。

2.2? 應用實踐案例

2.2.1? 迅速激趣的演示實驗

在八下物理“滑輪”這節課中，筆者自制了一個戈德堡機械演示器具，用它作為引課的演示實驗。自制器具材料：木板、裝修廢木料、螺絲釘、細繩、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械的運行過程：讓一鋼球從木料搭建的幾個斜面頂端交替滾下，達到斜面底端后小球沖出軌道，掉進早已準備好的紙杯中造成紙杯下落，觸發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。該組戈德堡機械的演示應用在“滑輪”課引課環節，起到了承上啟下的作用，不僅引導學生復習了動能與重力勢能的轉化、杠桿的知識，同時設疑引發學生思考：鉤碼下落后是通過什么機械把蜘蛛俠拉起呢？由于戈德堡機的一觸即發和聯動的系列反應有很強的觀賞激趣的效果，迅速激發學生的好奇心，為本課的學習打下了良好的心理驅動基礎。在課后，很多學生對我的自制戈德堡機械進行了圍觀和評價，眼神里有好奇的火花在閃動，學生想嘗試動手制作的欲望很強烈。

2.2.2? 項目式學習的魅力

基于“滑輪”的成功引課案例，在“簡單機械”單元臨近結束時，筆者再次將戈德堡機械應用于物理課堂教學。這次，筆者設計成了steam教育中常用的項目式學習模式進行。在課前布置任務時，對小組項目設計提出簡明的要求：“設計一套系列聯動機械推倒一本豎立的新華字典，機械制作材料不限”。學生們對這樣寬松自由的實驗要求即意外又興奮。在課堂現場機械測試研究中，有幾個小組的設計模仿了“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出：“推動字典的過程就是對球做功的過程”“小球質量越大，放得越高，越容易推倒書本”“球對書的作用點越高時也越容易推倒書本”等。另有一小組則設計了通過觸動杠桿引發單擺小球擊打字典從而推倒字典。由于小球質量小效果不好，更有學生發揮創意，將小球換成一個大蘋果，字典在他們的嘗試中應聲而倒，現場掌聲雷動。在各小組對這次的活動做總結時，學生間互相分享了自己的設計作品應用的物理知識，如：機械能的互相轉化、功的相關知識、慣性、力的作用效果等，促進了對知識的深度理解。在這個steam項目式學習案例里，戈德堡機的自由創意和應用檢驗得到了充分發揮，學生設計制作的過程中體會到了知識學習的實用性和應用的趣味性。自主學習，主動探究，促進創造力的培養是該課的一個顯著特征。

3? 戈德堡機在初中物理教學中應用的注意事項

3.1? 目標的制定

3.1.1? 明確簡潔

戈德堡機械設定的最終目標是動機的驅動，不是學習的重點，但它是檢驗學習成效的重要依據。簡潔明確的目標使得學生的自主學習有了明確的方向性，使得課堂自由卻不混亂，在民主的學習氛圍里，學習圍繞知識本身為主體而展開，學習由知識原發性吸引而驅動，學生感受到知識的魅力。

3.1.2? ?最近發展區原則

設計過程分解出來的每個小目標應在學情基礎上，根據建構主義的“最近發展區”原則設定。這樣不僅利于知識框架的連續搭建，還能在戈德堡機為載體應用的過程中促進知識的逐步完善與深化。學生通過實際的努力能體會到自主學習的成就感，從而驅動深層次學習的進行，而脫離基礎的跳躍性目標容易因學生的畏難情緒從而對項目放棄。

3.2? 設計環節

教師提綱挈領地引導學生明確需幾個設計環節來達成目標，以任務為驅動翻轉課堂。學生通過自學、查資料、設計機械步驟并附加說明依據;教師組織討論設計方案的合理性。該過程幫助學生逐步領會方法的使用，體驗知識的生成過程，促進深度學習。

3.3? 制造環節

學生進行制造操作、試錯、糾錯過程不斷完善對機械知識的認識，同時完成指定的目標。該過程教師應以積極的心態看待學生的錯誤，甚至有疑問時鼓勵試錯，增強學習的體驗性。失敗的實驗操作的最大價值就在于讓人吸取經驗后進行改進，即“吃一塹、長一智”，這樣既能檢驗戈德堡機械設計的成效，又能促進學生個人品格的完善。

3.4? 展示解說與評價

教師要創造機會讓學生展示所制的戈德堡機械作品，同時讓小組成員配以現場解說。展示環節不僅讓學生體會成就感，還能養成分享和表現的積極人格。現場解說是在學生在對知識進行深度研究與不斷總結升華的基礎上才能進行的一種學習分享活動。解說活動能極大程度激發學生進行自主的有深度學習的積極性。

只有學生激發出了對學習原發性的熱愛，創造力才有可培育的土壤，學生的創新能力的培養與提高才成為可能。戈德堡機械靈活開放的特點能為創造力培養提供重要的養分，在初中物理教學中，它可作為一個物理知識的綜合載體實施應用，以steam教育常用的項目化學習模式開展教學活動，更有利于培養學生的4C能力，促進核心素養的達成。

參考文獻：

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

[2] 張磊. 科學課程設計的認識論考察[D].山東：山東師范大學，2013.

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

[4]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計[M].上海：華東師范大學出版社，2017：28-69.