未来教育的模式探究

参考文献

1化学工业中的流体力学录像带.北京：高等教育出版社，ISRCCN-M02-94-0025-0/V.01995

2王振东，姜楠.力学与工程技术的进步.北京：高等教育出版社，2016

3王振东.诗情画意谈力学.北京：高等教育出版社，20084王振东.趣话流体力学.北京：高等教育出版社，2016

5姜楠.网易爱课程网站中国大学视频公开课《身边的力学》第五讲，诗情画意谈力学,野渡无人舟自横——漫谈流体中运动物体的稳定性.http://open.163.com/movie/2013/7/5/G/M93N9SN6QM9624SO5G.html6姜楠.网易爱课程网站中国大学视频公开课《身边的力学》第六讲，诗情画意谈力学,但见流沫生千涡——漫谈流体中的涡旋运动，http://open.163.com/movie/2013/7/T/E/M93N9SN6QM96RUGQTE.html7姜楠.

网易爱课程网站中国大学视频公开课《力学诗

趣》第二讲，飞湍瀑流争喧豗——漫谈湍流的功与过.http://open.163.com/movie/2015/1/M/3/MAEBT86NDMAEEK98M3.html

8姜楠.网易爱课程网站中国大学视频公开课《力学诗趣》第三讲，春蚕到死丝方尽——漫谈奇妙的非牛顿流体.http://open.163.com/movie/2015/1/R/G/MAEBT86NDMAEEKOGRG.html

(责任编辑:胡漫)

未来教育的模式探究

高云峰

1)

(清华大学航天航空学院，北京100084)

1未来教育的可能模式现场解决问题的环节。另外部分地区高考中加入了技术方面的课程，3+X，X里面包含信息技术、通用型技术。当然高考模式可能还需要探索，但这是一个趋势，未来教育会大大增加实践和体验的环节。

1.1关于创客

随着知识爆炸和人工智能快速发展，知识的重要性正在迅速下降。

300年前培根提出“知识就是力量”，因为那时

候知识总量很少，且掌握在少数人手里。现在处于知识爆炸年代，只要你愿意学，很容易找到大量资料并学会它，所以在这个背景下知识的重要性在下降，但是如何运用知识解决问题的重要性在上升。

打个比喻，用积木比喻知识，知道积木的形状和颜色远远不够，能把零散的积木拼出有创意的建筑更重要！这意味着学习知识只是一方面，利用知识解决问题，解决新的问题更为重要。

近年教育部提出在有条件的学校开展创客教育，开展“STEAM”教育。目前很多高校自主招生中已经引入考试之外的实践环节，比如清华的钱学森班，学生如果想申请钱班，除了传统的考试，还有

创客是有自己的想法，并且利用数字化手段和平台，把想法和创意变为实现的人。

创客的特点是可以快速制作。有次看到书上介绍玩具袋鼠，它拼装起来后可以走动。我很感兴趣，在半小时内就把它做了出来：先拍照导入计算机里面去(约2分钟)；利用软件(AdobeIllustrator)把点阵图变成矢量图(这个过程约2分钟)；然后再用

AutoCAD软件进行复制、修改、略为改动一下(时

间约为20分钟)；切割需要1分钟，几分钟拼好；做完后一测试就可以走了(动画略)(图1)。

本文于2018–10–07收到。

1)E-mail:gaoyunfeng@mail.tsinghua.edu.cn

引用格式：高云峰.未来教育的模式探究.力学与实践,2018,40(5):592-597,610

GaoYunfeng.Explorationofeducationalmodeinthefuture.MechanicsinEngineering,2018,40(5):592-597,610

第5期高云峰：未来教育的模式探究593

图1

有了创客实验室后，我可以快速验证很多创意想法。比如袋鼠如果不能走，马上就可以修改，但是碰巧这次做完了马上就可以走。

我自己的经验：开始有一个方案，从这个方案到做出作品来，过程中一定会有多次修改，所以我说理论方案在验证之前基本上属于“纸上谈兵”，有很多问题，但是你发现不了，在过程中你才有可能会发现

它。目前我们的教育缺乏这个过程，通常是你把题解出来就算结束，但是真正的问题有很多细节需要你去发现并改进。我现在有了创客平台后，就有条件对复杂的装置进行反复修改直到成功。

1.2创客的案例

创客在理论上可以“创造万物”，例如图2就是我完成的一些创客作品。

图2创客作品

594力学与创客可以做比较简单的艺术类的作品，也可以做很复杂的装置。例如左上角是月球车，齿轮是自己加工的，一个齿轮做出来只要几秒钟时间，整个车子切割也只要几分钟时间。它可以爬越障碍物，但是有很多有趣的现象：它如果爬不过去会自动反转，学生看到演示都特别惊讶。右上角是指南车，我把理论力学习题改造一下，就做成了一个指南车[1]。不管走直线还是转圈，车上人的手一直指南，但是里面的齿轮却不停地转动，可以让学生理解差动齿轮的运动。

图2左下图是一个与静力学、运动学、动力学有关的趣味例子，装置中的小熊会往上爬。我跟学生们说：你在清华学了这么多知识，回家之后跟你的父母解释一下这个现象，一定不要用公式来解释，你写一堆公式父母也不知道啥意思，要学会用通俗易懂的原理解释复杂的现象。右下图这个气球很有意思，很多人来参观我的实验室时，我在气球下挂着欢迎的条幅，气球会在空中旋转，很有意思。气球里面是普通的空气，下面是一个吹风机，我做了一个装置让它旋转，导致气球跟着气流也在空中旋转。

1.3关于“STEAM”教育

STEAM教育强调整合科学(science)、技术(technology)、工程(engineering)、人文艺术(arts)和

数学(mathematics)领域的内容，将知识的获取、方法与工具的利用进行有机的统一，对培养学生的问题解决和综合能力具有重要价值。1986年美国国家科学委员会针对美国大学生不重视技术工程的课程，提出了“STEM”的概念，后面推广到全美大中小学。经过实践后从人才培养的角度，后来又加入

Arts(人文艺术)从而演变为“STEAM”。

“STEAM”教育不仅综合了多种学科的知识，

更是融合了不同学科所蕴涵的实践活动、精神内涵和价值观，可以认为是一种多元学科文化的融合创新。这种跨学科的教育思路强调打破学科边界，使学生运用多门学科知识解决真实生活情境中的问题，在此过程中培养学生的综合素养。

“STEAM”不是专门教某些知识，而是把知识融

合在一起解决问题。它最重要的三个特点是：第一以学生为中心；第二解决真实的问题；第三是跨学科融合。“STEAM”教育主张技术作为认知工具，无缝融入教学各个环节，培养学生善于运用技术解决问题的能力，增强个人驾驭复杂信息、进行复杂建模与计算的能力，从而支持深度学习的发生。

实践2018年第40卷

图3“STEAM”树

用树来做比喻：一棵树的成长首先需要土壤，土壤就是科学；然后数学就是根基(图3)。我们的教育在这方面很强，所以我们的学生考试都没有问题。但是大家知道中国学生到美国一进实验室，马上明显落后：不会处理真实的问题。大家知道考试跟真实问题完全不一样：考试是老师把问题简化之后，已知什么求什么很明确，学生不需要考虑已知之外的东西；真实问题中什么是已知？什么是未知？不清楚，需要学生自己去处理。未来我们要增加技术方面和工程方面的教育，让学生多接触实际的真实的问题。所以未来我们的教育模式要慢慢改变，不能只是考试得高分，还要学会解决真实问题。

当然这棵树要长得好，除了“STEM”这几个因素之外还需要养分，比如可以增加阅读(reading)，可以增加写作(writing)，增加计算机(computer)等等。我们在教育部讨论时，说把“Arts”加进去，

“A”不仅是艺术，还包括人文方面。从“STEM”变

为“STEAM”。也就是说我们不仅要培养未来的工程师和数学家，而且让他们有人文精神和情怀。

2“STEAM”与创客的融合

未来还要把创客与“STEAM”融合在一起，创客和“STEAM”有交集。“STEAM”强调以学生为中心，跨学科融合，鼓励学生解决真实问题。创客是利用数字化平台做出真实的东西出来。

2.1“STEAM”教育是创客教育的必要补充

创客教育本身没有系统，很零散。“STEAM”教育从顶层设计考虑如何教和学，为学生提供整体认识世界的机会。

创客教育需要综合运用多学科的知识，好的创客作品背后离不开多学科的支撑。因此“STEAM”的多学科对开展创客教育来说是必要的前提与保障。

第5期高云峰：未来教育的模式探究595

用学游泳来比喻“STEAM”和创客的区别：

“STEAM”教你游泳的方法，研究速度与姿势、阻

力、浮力的关系等，也做一些简单试验来验证；但较少真的下水去游。创客让你直接下水去练习，但是不太讲解原理。

所以，融合了“STEAM”的创客教育才可能长久。

2.2创客教育是“STEAM”教育实施的有效手段

“STEAM”的融合式教育改变了传统的教育模

式，但对原创性和创新性重视不足。由于缺乏经验，学生讨论的方案在实际验证之前基本上都是“纸上谈兵”，学生不容易理解理论和实际的差距。

创客教育利用数字化设备极大提升了动手实践的效率，使学生有时间进行多种尝试，包括试错。让学生更容易解决真实环境的问题，反过来也促进学生对原理的理解。

“STEAM”要处理真实的问题，但是由于理论与

实践之间存在很大的鸿沟，学生们提出的绝大部分解决方案，其实都存在各种问题，但不经过实践又难以发现这些问题。

例如很早以前我和中央电视台合作的节目，给学生200kg报纸做纸船，这个船要进行速度比赛和载人比赛。由于条件限制学生没有机会去反复修改，基本上要一次做好。纸船做好之后，有的船最多可以坐15个人(图4)。

这里面和“STEAM”有关系，学生们在做之前也是考虑很多因素的(结构、强度、渗水、平衡、稳定)，但是也有想不到的地方。比如说天津某中学的学生做成龙舟的形状，想获得比赛速度的胜利。他们做成一个瘦长形，但是他们没有想到龙舟的平衡稳定是要经过专门训练过的，是需要配合的。这些学生没有经过训练，上去摇摇晃晃的，最终船翻落水。

所以说方案在实际验证之前是“纸上谈兵”，是有很多经验教训的。因此，融合了创客的“STEAM”教育更有真实性。

借助于创客教育，在培养学生“STEAM”素养时更容易在实践环节激发学生兴趣，更好解决真实情景中的问题。借助“STEAM”教育能够让创客教育持续发展，同时从教育的角度看更能培养全面发展的创新人才。

所以我提出：“‘STEAM’为本，创客为用”。

图4纸船载人比赛

2.3“STEAM”的教学模式

前几年国内还没有提及STEAM概念之前，我已经无意中开始做创客和“STEAM”的尝试了，并努力把创客和STEAM进行融合。我提倡一种新的学习模式，就是learningbydesign，因为通常大家提倡美国教育家杜威的理论learningbydoing(做中学)，我觉得“doing”还不够，在设计中学习，是一种综合能力的体现。

我经常有机会给中学生和小学生设计不同的教学模式，提倡在工程环节整合科学、技术和数学，增加动手实践能力和团队合作能力。强调用实践来检验理论及方案。提倡学生像科学家一样思考问题，像工程师一样解决问题。

2.3.1小学生的案例

下面是我给小学生设计的课程，这节课介绍一杯水为什么会从热水变成凉水，这是科学问题。这个环节以老师为中心，后面其他环节以学生为中心，学生开始研究如何利用所学的知识以及身边的工具材料来设计实验获得相关参数。学生获得很多数据后，这些数据怎么进行加工和整理？未来的教育不是直接告诉学生答案，而是要让学生自己探索并获得结论，比如水温变化曲线满足什么关系等(图5)。

596力学与实践2018年第40卷

图5小学生案例

最后还有一个工程环节。科学、技术、数学都可以通过考试来体现出来，但是学生学了之后可能过一段时间就忘记。怎么让它们变成不容易忘记的知识？我认为要在工程环节增加分量，让学生有动手实践的机会，提供一些材料做一个装置，比如设计制作简化版的太阳能热水器，看谁保温的时间最长？学生想要做得好需要创意设计，需要对科学的理解，还需要测量计算等。经过这样的实践过程，整个这节课的东西学生可能会终生难忘。

2.3.2中学生的案例

差别，原因是有些细节我们平时不注意忽略掉了，但是可能这些细节很重要，如果没有实践环节我们就不会知道。

这是给中学生设计的探究课程。先讲解振动、摩擦的原理，然后让学生自己分析讨论，怎么让一个没有轮子的装置运动起来，要考虑哪些数学条件、物理条件，然后让学生进行工程设计，再利用数字化平台把作品做出来。北京市有许多中学生的研学计划，有学生到我实验室，我就快速教会他们方法。他们自己讨论、设计，快速把它做出来。在我这里做东西是最快的，学生设计一些零件后，一两分钟就可以做出来，这个过程是以学生为中心，学生去处理实际的真实问题，过程中还可以进行修改迭代，每个人的作品都不一样(图6)。图6这个装置可以走直线，还可以转圈。

这个问题实际上如果问大学生，大部分学生都回答不出来为什么它会这样运动。为什么呢？因为理论力学中有一个题目：一个偏心电动机转起来后会怎样运动？理论上是来回摆动，是有解析解的，但是真实的装置完全不一样。理论与实际有时候会有

3具有挑战和启发意义的案例

图6中学生案例作品

我很早就尝试把实践引入教学中，为此在清华大学开设了趣味力学实验及制作的课程。在课程中，引导学生用自己的知识去挑战一些高难度的任务，这些任务都需要理论分析(多学科知识)、实践体

第5期高云峰：未来教育的模式探究597

验，而且过程中都会遇到大量的困难，也有很多出乎意料的结果，对学生而言是一种全新的教育模式。

3.1飞针穿玻璃的案例

所以大家就想是不是角度问题，我们找很细的管子发射钢针，玻璃距离枪口只有20厘米，我们想这么短的距离钢针飞出去肯定是走直线。结果发现不是这样，用纸做实验时发现通常钢针是横着飞过去的。这么细的管子、距离这么近，钢针为什么横着飞过去？得找出原因才知道如何改进。

后来发现虽然管子很细，但是相对钢针还是粗，所以我们把针缠上胶带，让针和撞击杆、管子内径一样粗，这样保证飞针出去就走直线了。结果发现速度够了、角度比武术高手还正，但是还做不到飞针穿玻璃！

最后发现原来是针尖不能太尖。把针尖磨掉一点就可以打穿玻璃。我们做的装置可以打出不同的花样，比如雪花状、蝴蝶状，甚至还有很圆的情况(图

7)。通过这样的课程，学生们真正体会到：如果不是

有一次课的目标是要实现“飞针穿玻璃”。我请武术高手现场演示，他能把玻璃击穿，同学们在现场每个人都试，包括我自己也试，但是我们不能用钢针击穿玻璃。

我就告诉学生：体力不是我们的强项，如何把我们知识转化为能力，如何在短短几次课内设计一个装置完成飞针穿玻璃的挑战，就是我们的挑战任务。

在制作过程中，我们开始的想象和最后的结果相差甚远。首先绝大部分同学想到要提高钢针的速度，结果发现我们钢针的速度可以超过师傅但是打不穿玻璃。

自己经历，很多问题真是想像不到。

图7飞针穿玻璃的孔洞

3.2欹器的案例通过定性分析的方法让学生先了解它大致的特点，再进行尝试性的计算。也就是说如果没有经过理论分析和数学计算，学生根本无从动手操作。但是即使算出了理论的结果，制作过程中还会有问题，因为计算的参数和实际情况还有差距，所以在制作过程中还要多次微调。

这是学生当时做的情况，他们自己讨论、设计、调试(图8)，为了方便起见，欹器里面放的是钢珠而不是水。一开始它是斜着的，加了钢珠后慢慢会直立起来，加了一些钢珠后真正直立起来。然后往里面加

除了动手实践，我还会增加人文方面的因素，例如做欹器。

《孔子家语》中介绍，“孔子观于鲁桓公之庙有欹器焉······孔子曰：吾闻宥坐之器者，虚而欹，中而正，满而覆。······孔子喟然而叹曰：吁！恶有满而不覆者哉？”

悬挂式欹器比较简单，可以让小学生去做，大学生要做放桌面上可以当座右铭那种，涉及到形状、重心、平衡、稳定，关键它是什么形状还不知道。

图8欹器制作过程

(下转第610页)

第5期黄咏歆：“风车制作”中的力学问题简析611

度来获得：

(1)首先我们从理论上的高效叶尖速比出发进

5策略小结

综合之前的分析，考虑到有效输出功率的比例、风机叶片的效率、传动的比例搭配等因素，应当选择更大的杯子质量、更多的叶片数量、宽型的叶片形状、稍大于45◦的叶片安装角、更大比例系数的齿轮组合以降低杯子移动速度，这样来集成的装置更容易获得高的分数。

实际比赛的过程中，根据比赛纪要报道的结果“最成功的队伍能够拉动慢慢的三杯沙土完成运动”，也证实了本文的部分分析结论，大质量、慢速策略是取胜的关键。

行计算，阻力型叶片的这一参数大概在2左右，因此仍沿用上一段估算数据的话，叶尖的线速度vtip=

4m/s，叶片旋转角速度ωin=2vtip/d=160rad/s≈25.5r/s，但根据实际经验不难知道这一速度是很难

达到的。

(2)根据实际经验，估计嘴吹叶片可能达到的转

速。假设转速可达3转/s，为了计算简单，设对应角速度为ωin=20rad/s；另一方面，估计绳子的绕线轴直径为3mm，由估算数据得出ωout=2rad/s，即传动比例系数应达到K=10。

(3)根据图1给出的齿轮大小，齿轮③/②直径

比约为2，齿轮⑤/④直径比约为3，图中达到的传动比例系数仅为6左右。除了考虑效率之外，我们在输出部分策略中还提到，让杯子动起来首先需要克服最大静摩擦力，由于输出功率等于拉力乘以速度，即拉力F=Pin/vout必须通过减速来增加拉力使之大于最大静摩擦力，否则可能根本拉不动杯子。也就是说，从可靠性角度分析，比例系数K值越大，越容易保证杯子能够移动。因此综合叶尖速比和可靠性两方面的需求，均应该尽量选择比例系数更大的齿轮传动组合。

参考文献

1朱照宣.理论力学.北京：北京大学出版社，1982

2李道奎,肖万伸,任毅如等.一道力学竞赛题的多种解法及其相关问题讨论.力学与实践,2017,39(5):544-5473李俊峰,马曙光.40(3):337-338

4张红章,曾武华,王逢朝等.福建省第十届大学生结构设计竞赛结构优化分析.力学与实践,2018,40(3):351-356,3435赵振宙，王同光，郑源.风力机原理.北京：中国水利水电出版社，2016

6程兆雪,杨从新,李仁年.风力机风轮气动计算中的一种数值解法.力学与实践,2007,29(6):44-47

如何推动箱子更省力？力学与实践,2018,

(责任编辑:胡漫)

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(上接第598页)

钢珠它一直是直立的，加到最后一颗它倒下去，钢珠全部撒出来，欹器又恢复开始时的倾斜状态。它可以当座右铭，对学生们是很有启发意义的。

4总结

(1)“STEAM”教育是一种整合的教学和学习的

理论层面提出问题的解决方案指导实践，也能根据实践中的问题修改方案，加深对理论的理解；引导学生学会发现问题、分析问题，最后提供解决问题的能力。

(4)如果真正实行创客+“STEAM”这样的探究

途径和方法。核心是以学生为中心、跨学科、解决真实环境中的问题。目的是为了更好地培养学生。

(2)创客是可以把自己的想法变为现实的人，其

教育，未来的学生就不仅仅是消费者，他还是设计者和生产者。整个社会的发展就完全不一样了，因为大部分人都可以有想法并实现，发明创造将大量涌现，社会的发展将进入全新的境界和高度。

数字化设计及制作平台可以快速、高精度地实现自己的创意。创客平台是学生探究学习中的重要辅助手段。

(3)通过“STEAM”与创客融合，让学生既能从

参考文献

1高云峰.理论力学习题背后的故事(2)——记里鼓车和轮系传动.力学与实践，2018,40(4)：432-435

(责任编辑:胡漫)