异想天开的科学游戏

前言 教育理念及卡魅实验室

我经常参加中央电视台的《异想天开》《走进科学》《我爱发明》《加油！向未来》等科普节目的策划和拍摄，导演们除了与我讨论节目方案、咨询科学原理，还经常希望我设计制作一些道具，在拍摄时利用实物道具来讲解，所以我前前后后做了很多道具。

开始我使用电钻、电锯等传统工具，需要花费很长时间做道具；后来我自己成立卡魅实验室，利用数字化的设备和工具，可以快速设计和制作道具，甚至可以在现场设计制作道具，导演们都十分震惊。我也在不知不觉中成了一名“创客”。
另一方面，除了在清华大学开设一些课程，包括挑战型课程（书中“手机吊冰箱”就是其中的挑战项目），我也有机会在中学、小学开设短期的创新课程，在这些课程中让学生以团队合作的形式，经过讨论，设计、制作一些装置来挑战某些有难度的问题。这些教学模式和教育理念，回过头看，就是目前*所提倡的“STEAM”教育及综合实践。

1.创客教育与STEAM教育的融合
近年*发文鼓励探索 STEAM教育、创客教育等新的教育模式，我曾经在大学、中学、小学开展过这两方面的教学尝试，并成立了创客工作室。基于自己的教学及创客经验，

提倡把创客教育和 STEAM教育进行融合。
（1）创客教育与 STEAM教育的特点

创客源自于英文“Maker”，意思是有自己的想法并能动手实现的人。从传统意义上说：设计师有自己的想法但让别人去做，工匠能做出产品但不是自己的想法。

如果既能自己设计，又能自己加工，那就是创客。设计师与工匠的统一带来了明显的优势：有了想法可以立刻实现，过程中发现问题也能立刻反馈修改。我自己就经历过从设计师到创客的转变过程，对其中的差异深有体会：前几年设计一个简单作品，要从北京寄到广东去加工；工厂加工完寄回北京；拼装起来后发现问题，修改后又寄给工厂……通常完成一个作品需要反复修改几次，耗时至少一个月。后来我成立创客实验室可以自己加工，再完成一个作品（也要修改几次）只需要几个小时甚至
更短的时间。从这个例子中就可以看出：创客蕴含着巨大的力量。
创客是自下而上发展起来的，但是对教育产生了巨大影响。2014年的国际高等教育权威报告《地平线报告》指出，创客将在 3~5年之内形成影响教育发展的关键趋势，并取得实际效果。目前创客教育的实践正在国内悄然兴起。
创客教育让学生利用数字化工具将创意作品化，为开发学生的创新素养提供了新的有效途径。创客教育可以让学生实现完整的工程训练过程，学生不再只是知识的消费者而同时也是设计者和生产者，学校也从传统的以教师为中心、以知识传播为中心，转变为以学生为中心、以实践体验和创造为中心。创客教育将为未来社会提供大量善于发明创造、善于解决实际问题的创造性人才。
STEAM教育强调整合科学（Science，反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系）、技术（Technology，解决问题的工具、方法和经验的总称）、工程（Engineering，运用科学原理和技术手段创造人工物体的过程）、人文艺术（Arts，人文是以人为本的文化，重在内容与精神的内在表达，艺术是其外在形式）和数学（Mathematics，研究空间形式和数量关系的一门科学）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，对培养学生解决问题和综合能力具有重要价值。美国国家科学委员会初提出了 STEM的概念，经过多年实践后从人才培养的角度，又加入了 Arts（人文艺术）从而演变为STEAM。
我经常以“树”来说明 STEAM的整体性，同时强调人文艺术对人培养的重要性。

STEAM不仅综合了多种学科的知识，更是融合了不同学科所蕴含的实践活动、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。
（2）STEAM与创客融合的必要性

STEAM教育与创客教育在概念起源、教育目标、教育内容、教育过程以及师生关系等方面存在一定的差异，但二者又存在着诸多共通之处，在教育实践过程中可以相互补充，取长补短。
创客教育是 STEAM教育实施的有效手段。STEAM教育改变了传统的教育模式，但STEAM教育在强调跨学科整合的同时对原创性和创新性重视不足。而创客利用数字化设备极大提升了动手实践的效率，造物的乐趣还可以激发学生的探索热情。所以融合了创客教育的STEAM教育更容易解决真实情景中的问题。
STEAM教育是创客教育的必要补充。单纯的创客凭着兴趣和热情可以做出一些作品，但是从知识体系的完整性、持续发展的角度来说存在缺陷；另外，好的创客作品背后也离不开跨学科的支撑。以跨学科、趣味性、情境性、体验性及协作性等为特征的 STEAM理念是创客扎根教育的保证。从这一意义上来说，STEAM教育是创客教育的重要基础。 
在具体实施中，采用“STEAM为本，创客为用”的教育思路，以人才培养为根本的教育目标。

我设计制作的被动行走的小鸭作品，尺寸只有 20厘米大小，在满足一定的重心位置、腿的长度、斜面角度、摩擦等关系后，可以在斜面上自动行走（后文中有专门的篇幅介绍，可以自己拼装体验）；后来把它放大为 3米的大鸭道具，让节目嘉宾坐在里面当配重，于是就成了《加油！向未来》中的一期节目。

被动行走的小鸭这个项目，完美地体现了创客与 STEAM的融合：首先在理论上进行分析计算，做出小模型，放大后还要考虑结构强度、安全性等，是一个真实的巨大工程问题。

2.卡魅实验室介绍
2010年前后由 Maker 翻译而来的创客概念进入中国，各种创客空间应运而生。2012年我提出并创建卡魅（CAME）创新实验室，2015年 1月 29日国务院确定支持发展“众创空间”新政策，中国教育网在当天的头条报道了此事，并介绍了我的工作。

CAM是英文缩写，即 Computer Aided Manufacturing——计算机辅助制造。这在工业界已经广泛运用，但是 CAM是面向工业的，其中机器的安全防护、噪声、粉尘等指标在学校环境中就不太合格；另外软件的操作和使用也不方便。因此我从自己的经验出发，软、硬件都做了一些改进后，称为 CAME，即 Computer Aided Manufacturing for Educa-tion——服务于教育的计算机辅助制造。翻译时音译加意译，就叫“卡魅”了，它隐含的意思是“卡片的魅力”，也与切割出的作品很贴切。启迪思维的案例。让学生先学习借鉴，再自主发展。

卡魅课程可以独立作为创意设计课，也可以与艺术、生物、物理、数学甚至语文课结合（见后文中的“加密解密”），开展内容丰富的活动。
下图是不同年级的学生利用卡魅平台在进行设计和创作。

卡魅可以快速地帮助学生实现自己的想法。以往学生做一个东西，使用锯、锉、钻、削等方法，要用很长时间，很多人的热情往往就在这个过程中消失了。而利用卡魅技术，利用激光切割机，在很短的时间内就可以把学生的创意付诸实施，做出很漂亮的东西，感觉完全不一样。
另外，学生在设计一个新作品的时候，开始时不可避免会出一些错误。以往学生花了很长时间做出来的东西，一旦有错就容易前功尽弃，积极性受到打击。而现在修改设计后，用几分钟就可以再做出一个，所以可以不断地边试验、边修改、边制作。
这种“所想即所得”的授课模式让学生充满成就感，建立自信心，能限度地激发学生的创造力。让我们看看利用卡魅技术，可以做出什么样的作品。
艺术图案及书法

每个人都可以设计并做出属于自己的独特小饰品。如果你能写出一手好字，不妨做些这样的艺术品送给好朋友。

创意玩具在木板上切出的一些小部件，可以精密地结合在一起，变成一个精巧的连弩！它与“诸葛连弩”完全不同，结构更简单，操作更简便。只需要前后滑动推杆，就可以发射子弹。所有玩过这种连弩的学生都渴望自己拥有一把。

此外，卡魅还可以做出精致的艺术作品、逆行风车、指南车等。也可以很容易把开源硬件嵌入卡魅作品中，设计制作出更丰富多彩的创意作品。

3.关于科学的知识、方法及精神
大家在谈到“科学”时，容易把它与科学知识对应。包括中小学的科学教育、很多科普书籍，主要是在传授科学知识，比较缺乏科学精神的培养和科学方法的训练。
但是实际上，科学包括科学知识、科学方法和科学精神，在科学知识的背后更重要的是探寻知识的过程和方法，在知识、方法之后重要的是科学的精神。科学精神重要的特征是创新、批判、求真。
科学融汇着科学精神和科学方法。科学不仅表现为科学知识，更重要的是超越于科学知识之上的科学方法，以及对科学方法时刻自觉运用的科学精神。
有一个例子，正好体现了科学精神、方法和知识统一的重要性。
有一次德国化学家李比希参观一个染料生产厂，发现工人们用铁铲在装染料的铁锅中用力搅拌，发出巨大的声音。工人们告诉李比希：他们发现声音越大生产出来的染料质量越好（情况确实如此）。但是李比希觉得这不科学，于是带了些样品回去后进行了研究，结果发现是工厂原料里铁离子含量不够，铁铲搅拌声音越大，从铁锅上刮下的铁锈越多，所以染料质量越好。知道了原因，只需要加一些富含铁离子的矿石，就可以得到好的产品。
在这个故事中，首先是科学精神使得李比希产生了疑问，而工人们凭经验多年来一直停留在现象的表面；其次要有科学的方法和手段去解决问题，那就是进行样品成分分析，没有这一手段，那还只能停留在猜疑阶段；后还要有科学知识，利用化学反应的关系式，可以找出理论上各种成分的比例，再与实际成分的比例进行对照，就能发现问题的根源。
再举一个例子，人类关于地球运动的认识，从这个例子中可以看出：人类的认识是在不断前进的。
古埃及的天文学家托勒密（90－168）根据人们长期观察的天文现象和日常经验，提出了地心说：认为地球为宇宙的中心，行星、恒星在各自的圆轮上绕地球运动。地心说基本上可以解释人们所看到的天文现象，更重要的是暗示了地球在宇宙中独一无二的地位，因此受到了宗教支持而统治了西方天文学近 1500年。
从 15世纪下半叶开始，商品经济的繁荣促进了航海业的发展，哥伦布、麦哲伦扬帆远航，在海上需要天文学的知识判定方向。在强大的社会需求推动下，天文观测的精确程度不断提高。在大量实际观测数据面前，处于天文学统治地位的“地心说”开始动摇了。哥白尼（波兰，1473－1543）在天文观测的基础上，冲破宗教统治和“地心说”的束缚，在《天体
运行论》中提出了“日心说”。
比较一下地心说和日心说对“行星逆行”的解释，自己体会其中的差异：地心说在解释行星运行的“逆行”现象时遇到了麻烦。例如，火星在以天空为背景的情况下，有时从西向东运动，有时又从东向西运动，令人迷惑，所以我国古代叫它“荧惑”，有“荧荧火光，离离乱惑”之意。地心说为了解释行星的逆行现象，就要在圆轮（均轮）上再套上一个圆轮（本轮），就能出现逆行现象。早期因为观测不准确，这样基本上就解释过去了。随着天文观察精度的提高，人们发现加一个圆轮精度还不够，于是加两个、三个圆轮……后甚至要多达80个小圆轮！人们对此开始产生了怀疑。
但是按照“日心说”，太阳为宇宙的中心，行星、恒星在各自的圆轮上绕太阳运动。这一学说自然解释了行星运行中的逆行现象，根本不需要多余的假设。
如果从微观的角度看，日心说模型与地心说模型的差别只是把地球和太阳换了个位置；但是从宏观的角度看，日心说模型打破了人们的思想禁锢，是现代科学的起点 —人们认识到，我们的世界不需要神的安排，自然界有其自身的规律，且这些规律是可以逐渐被人们认识的。
如果问“宇宙中心在哪里？”，一千多年前学生的答案是“地球”，三百年前学生的答案是“太阳”，现在的学生则不知道答案是什么—我们对宇宙的认识，实际上是人类对绝大部分未知世界认识的一个缩影。
所以，要意识到科学本身不是的，科学知识也不是真理，因此不能盲目地相信科学知识，要以批判、求真的科学精神，把科学向更真的方向推进。正是由于这个原因，本书后面的科学游戏不但讲解了科学原理，更增加了很多实践探索环节（特别是“小熊爬绳”“隔空取物”两个游戏），希望大家能从中体会到科学知识、科学方法和科学精神是一个整体。
高云峰

《异想天开的科学游戏》一书中的内容为作者多年从事创造力培养课程案例以及策划的大型科普电视节目的汇集，每个游戏都渗透了科学知识、科学方法及科学精神，旨在交流分享STEAM教育及综合素质培养方面的教学经验，并希望通过此书能激发孩子的求知欲，启发孩子的创造性思维，让他们学会如何定义问题、分析问题、解决问题。

《异想天开的科学游戏》一书中的内容为作者多年从事创造力培养课程案例以及策划的大型科普电视节目的汇集，每个游戏都渗透了科学知识、科学方法及科学精神，旨在交流分享STEAM教育及综合素质培养方面的教学经验，并希望通过此书能激发孩子的求知欲，启发孩子的创造性思维，让他们学会如何定义问题、分析问题、解决问题。

高云峰博士，清华大学教授，卡魅实验室创始人。曾获军队科技进步一等奖、北京市高等学校教学名师、“中国好设计”银奖，曾参与首次太空授课的多项筹备工作并接受《新闻1 1》专访，是全国青少年科技创新大赛、创意大赛的评委和出题人。

目录
序 高云峰：“至则万物生”者
前言 教育理念及卡魅实验室
章 太空中的神奇实验/1
单摆运动 /2
陀螺运动 /9
水膜变水球 /18

第二章 地面上的失重游戏 /23
地面上的飘浮 /24
失重下的火焰 /31
拧出失重的水 /35

第三章 不可思议的大型游戏 /39
纸桥过车 /40
纸船载人 /49
手机吊冰箱 /57
弹簧秤称大象 /63

第四章 一起玩创意游戏 /77
隔空取物 /78
加密解密 /87
一箭双雕 /97
小熊爬绳 /104
飞得更高 /114
不倒的松鼠 /121
小鸭慢走 /129
无轮小车 /137
注：第四章的游戏配件，另需单独购买，详见封底。

《异想天开的科学游戏》一书中的内容为作者多年从事创造力培养课程案例以及策划的大型科普电视节目的汇集，每个游戏都渗透了科学知识、科学方法及科学精神，旨在交流分享STEAM教育及综合素质培养方面的教学经验，并希望通过此书能激发孩子的求知欲，启发孩子的创造性思维，让他们学会如何定义问题、分析问题、解决问题。

高云峰博士，清华大学教授，卡魅实验室创始人。曾获军队科技进步一等奖、北京市高等学校教学名师、“中国好设计”银奖，曾参与首次太空授课的多项筹备工作并接受《新闻1 1》专访，是全国青少年科技创新大赛、创意大赛的评委和出题人。

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