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[摘 要]戈德堡机械是指一种设计过度复杂的机械组合，通过迂回曲折的方式完成一个简单的操作。它能从创新和实践的角度，辅助学生理解及运用各种科学原理。在科学教学中，教师可通过戈德堡机械引导学生思考，让学生小题大做，以小见大，综合运用所学知识，提升科学素养。
[关键词]戈德堡机械;科学教学;科学素养;小题大做;以小见大
[中图分类号] G623.6 [文献标识码] A [文章编号] 1007-9068（2019）09-0074-02
如果你要打开一把伞，你会怎么做？当然是用手一步完成啦。然而，有几个中国孩子用了22步才完成这一过程，却获得了美国戈德堡机械创意大赛的银奖。肯定有人会说这太无聊了，明明如此简单的事情却用那么多装置复杂化，简直小题大做。这些繁杂的装置统称为鲁布·戈德堡机械。它指一种设计过度复杂的机械组合，用迂回曲折的方式完成一个简单的操作。可别小瞧它，设计一个复杂而成功的戈德堡机械往往要有庞大的科学知识库，综合运用各种科学原理才能完成。由此可见，将戈德堡机械融入科学课，不仅可以激发学生的学习兴趣，还能使学生在做中学，理解并运用知识，培养创新能力和实践能力。下面，笔者就以两个具体案例浅析戈德堡机械如何助力科学教学。
一、纸质材料的小题大做
纸无处不在，是易得且价格较廉的材料，也是科学实验的主要材料。从三年级《材料》单元的《纸》到五年级《结构》单元的《折形状》《造房子》，学生对纸的认识不断深入。人们制造了各种各样的纸以满足不同的需求，如铜版纸、卡纸、素描纸、宣纸等。通过科学课上的对比实验，学生发现并归纳出各种纸的性质：一些纸很厚实但不防水，一些纸轻薄却有韧性……而不同的加工折叠方法，又会赋予纸质材料新的功能。
但是，对纸的认识不能停留在此，教师还要引导学生学会应用。用纸质材料制作戈德堡机械是一个很好的应用契机，即在立起来的纸板上运送一个玻璃珠（如下图），看似简单，实则需要耗费大量的时间和精力。学生在设计、制作、实践环节中面临各种问题，如如何选择纸质材料、运用哪种纸质结构等，在失败中不断摸索成功的方法。当然，学生不能脑中一片空白就开始着手制作，教师应呈现一个简单的戈德堡机械结构让学生观察、分析：拉动绳子，玻璃弹珠下滑，经过两个硬卡纸制作的滑道，弹珠掉落到有弹性的折叠纸上，再弹进塑料瓶中，最终掉入瓶盖，通过杠杆原理抬起旗子。学生对这样的装置相当感兴趣，提问：“可以用其他纸质材料，让它变得更复杂、更有意思吗？”
于是学生分成小组，应用所学知识来制作戈德堡机械。在设计环节，他们要考虑除了卡纸外，还可以用哪些纸质材料来设计滑道。有的学生提出可以用A4纸卷成筒状做立体滑道;有的学生脑洞大开，用不同硬度的纸设计迷宫式滑道;在实践环节，学生遇到了很多问题：纸质滑道的折叠形状不合理，使玻璃珠直接滚飞，无法抬起旗子;纸质滑道的角度设计有误，导致玻璃珠卡在滑道上，无法落下;对玻璃珠的冲击力和重量计算错误，导致纸质滑道的承重出现问题……学生在反复实践中熟练运用不同的纸质材料，经过确定目标、头脑风暴、设计思路、实践验证几个阶段，从挫败中找出问题并解决问题。学生对戈德堡机械小题大做，充分地挖掘和应用有关纸质材料的科学知识，在获得成就感的同时内化了所学的科学知识，经历了有意义的精彩的主动学习过程。
二、能量学习的以小见大
例如，六年级《能量》单元中每一课的内容有着递进的关系，但都是浅尝辄止，没有深入的探究，更多的是对学生进行科学概念的灌输。阅读量广泛的学生在学习该单元之前就对一些科学名词烂熟于心，但他们真的懂这些名词的含义吗？他们会应用这些科学名词解释实际生活中的问题吗？我们不妨用戈德堡机械来引导学生学习《能量》单元。
首先，教师可以通过一个问题引入该单元的教学，这个问题就是“怎样用一颗弹珠点亮灯泡”，并基于这一问题设计一个与众不同的戈德堡机械，让学生在此过程中逐步认识能量、能量的转换与守恒以及能量的应用。教师预先展示较为简单的弹珠戈德堡机械（如下图）：（1）将一颗弹珠放置于坡道頂端，弹珠滚落后击中底部的一个小橡皮球;（2）橡皮球撞击一张多米诺骨牌;（3）多米诺骨牌接连倒下;（4）最后一张多米诺骨牌推倒铝箔条;（5）铝箔条击中桌上的电线;（6）电路被连通，灯泡被点亮。
学生要想了解弹珠戈德堡机械是如何工作的，需要了解各种不同类型的能量，包括重力势能、动能、弹性势能、热能、化学能、电能和光能等。在之后的学习中，教师要帮助学生理解不同类型的能量，以及能量如何从一种形式转化为另一种形式。学生回顾弹珠戈德堡机械结构图，用已学知识来辨别能量的类型、能量转换的路径，以及不同主体能量的增减。学生进行更高层次的思考，通过弹珠戈德堡机械明白：能量是守恒的，不会无故产生，也不会凭空消失;能量可以由一个系统逐步影响消散至周围环境，但能量的总量是恒定的。
在此基础上，学生开始分组设计并制造自己的弹珠戈德堡机械。在活动前，各组准备好所需的各种材料，并各准备一张纸，绘制弹珠戈德堡机械结构图，在结构图中标明各种能量以及能量的转换示意图。教师应告知学生不需制造非常精密的机械装置，但每个组设计的机械应至少包括四个步骤和多种能量的转换形式。教师以此激发学生的主观能动性，培养学生的创新意识，使他们设计的机械和能量的概念建立联系。
学生在探究过程中会遇到问题、提出疑问，教师可以利用这个机会向学生介绍一些生活中会用到的材料和应用形式。一些小组在实践时会对设计进行修改，这需要再绘制一幅弹珠戈德堡机械结构图。修改完毕的图要包括每个机械部件，按序排列，在能量转换处做好标注。同时，每个小组的成员都要能简单描述该机械的运行方式以及能量转换间的关系。当然，各个小组也要向全班展示机械的运行，让台下的同学观看演示，提出反馈意见，用更加科学的词汇、能量的概念解释生活中相似的工作原理。这种用以小见大的形式来学习《能量》单元的方法，实际上是一种引导学生在玩中学、在做中用的教学方法。
总之，戈德堡机械的小题大做也可以很精彩，永远不要小看学生的创造力和实践能力，他们带来的惊喜会令教师叹为观止。给科学探究项目做“加法”，使学习的过程不仅有趣还具有挑战性，相信越来越多的学生会喜欢科学，在生活中运用科学，达到学习科学的目的。
（特约编辑 木 清）
[关键词]戈德堡机械;科学教学;科学素养;小题大做;以小见大
[中图分类号] G623.6 [文献标识码] A [文章编号] 1007-9068（2019）09-0074-02
如果你要打开一把伞，你会怎么做？当然是用手一步完成啦。然而，有几个中国孩子用了22步才完成这一过程，却获得了美国戈德堡机械创意大赛的银奖。肯定有人会说这太无聊了，明明如此简单的事情却用那么多装置复杂化，简直小题大做。这些繁杂的装置统称为鲁布·戈德堡机械。它指一种设计过度复杂的机械组合，用迂回曲折的方式完成一个简单的操作。可别小瞧它，设计一个复杂而成功的戈德堡机械往往要有庞大的科学知识库，综合运用各种科学原理才能完成。由此可见，将戈德堡机械融入科学课，不仅可以激发学生的学习兴趣，还能使学生在做中学，理解并运用知识，培养创新能力和实践能力。下面，笔者就以两个具体案例浅析戈德堡机械如何助力科学教学。
一、纸质材料的小题大做
纸无处不在，是易得且价格较廉的材料，也是科学实验的主要材料。从三年级《材料》单元的《纸》到五年级《结构》单元的《折形状》《造房子》，学生对纸的认识不断深入。人们制造了各种各样的纸以满足不同的需求，如铜版纸、卡纸、素描纸、宣纸等。通过科学课上的对比实验，学生发现并归纳出各种纸的性质：一些纸很厚实但不防水，一些纸轻薄却有韧性……而不同的加工折叠方法，又会赋予纸质材料新的功能。
但是，对纸的认识不能停留在此，教师还要引导学生学会应用。用纸质材料制作戈德堡机械是一个很好的应用契机，即在立起来的纸板上运送一个玻璃珠（如下图），看似简单，实则需要耗费大量的时间和精力。学生在设计、制作、实践环节中面临各种问题，如如何选择纸质材料、运用哪种纸质结构等，在失败中不断摸索成功的方法。当然，学生不能脑中一片空白就开始着手制作，教师应呈现一个简单的戈德堡机械结构让学生观察、分析：拉动绳子，玻璃弹珠下滑，经过两个硬卡纸制作的滑道，弹珠掉落到有弹性的折叠纸上，再弹进塑料瓶中，最终掉入瓶盖，通过杠杆原理抬起旗子。学生对这样的装置相当感兴趣，提问：“可以用其他纸质材料，让它变得更复杂、更有意思吗？”
于是学生分成小组，应用所学知识来制作戈德堡机械。在设计环节，他们要考虑除了卡纸外，还可以用哪些纸质材料来设计滑道。有的学生提出可以用A4纸卷成筒状做立体滑道;有的学生脑洞大开，用不同硬度的纸设计迷宫式滑道;在实践环节，学生遇到了很多问题：纸质滑道的折叠形状不合理，使玻璃珠直接滚飞，无法抬起旗子;纸质滑道的角度设计有误，导致玻璃珠卡在滑道上，无法落下;对玻璃珠的冲击力和重量计算错误，导致纸质滑道的承重出现问题……学生在反复实践中熟练运用不同的纸质材料，经过确定目标、头脑风暴、设计思路、实践验证几个阶段，从挫败中找出问题并解决问题。学生对戈德堡机械小题大做，充分地挖掘和应用有关纸质材料的科学知识，在获得成就感的同时内化了所学的科学知识，经历了有意义的精彩的主动学习过程。
二、能量学习的以小见大
例如，六年级《能量》单元中每一课的内容有着递进的关系，但都是浅尝辄止，没有深入的探究，更多的是对学生进行科学概念的灌输。阅读量广泛的学生在学习该单元之前就对一些科学名词烂熟于心，但他们真的懂这些名词的含义吗？他们会应用这些科学名词解释实际生活中的问题吗？我们不妨用戈德堡机械来引导学生学习《能量》单元。
首先，教师可以通过一个问题引入该单元的教学，这个问题就是“怎样用一颗弹珠点亮灯泡”，并基于这一问题设计一个与众不同的戈德堡机械，让学生在此过程中逐步认识能量、能量的转换与守恒以及能量的应用。教师预先展示较为简单的弹珠戈德堡机械（如下图）：（1）将一颗弹珠放置于坡道頂端，弹珠滚落后击中底部的一个小橡皮球;（2）橡皮球撞击一张多米诺骨牌;（3）多米诺骨牌接连倒下;（4）最后一张多米诺骨牌推倒铝箔条;（5）铝箔条击中桌上的电线;（6）电路被连通，灯泡被点亮。
学生要想了解弹珠戈德堡机械是如何工作的，需要了解各种不同类型的能量，包括重力势能、动能、弹性势能、热能、化学能、电能和光能等。在之后的学习中，教师要帮助学生理解不同类型的能量，以及能量如何从一种形式转化为另一种形式。学生回顾弹珠戈德堡机械结构图，用已学知识来辨别能量的类型、能量转换的路径，以及不同主体能量的增减。学生进行更高层次的思考，通过弹珠戈德堡机械明白：能量是守恒的，不会无故产生，也不会凭空消失;能量可以由一个系统逐步影响消散至周围环境，但能量的总量是恒定的。
在此基础上，学生开始分组设计并制造自己的弹珠戈德堡机械。在活动前，各组准备好所需的各种材料，并各准备一张纸，绘制弹珠戈德堡机械结构图，在结构图中标明各种能量以及能量的转换示意图。教师应告知学生不需制造非常精密的机械装置，但每个组设计的机械应至少包括四个步骤和多种能量的转换形式。教师以此激发学生的主观能动性，培养学生的创新意识，使他们设计的机械和能量的概念建立联系。
学生在探究过程中会遇到问题、提出疑问，教师可以利用这个机会向学生介绍一些生活中会用到的材料和应用形式。一些小组在实践时会对设计进行修改，这需要再绘制一幅弹珠戈德堡机械结构图。修改完毕的图要包括每个机械部件，按序排列，在能量转换处做好标注。同时，每个小组的成员都要能简单描述该机械的运行方式以及能量转换间的关系。当然，各个小组也要向全班展示机械的运行，让台下的同学观看演示，提出反馈意见，用更加科学的词汇、能量的概念解释生活中相似的工作原理。这种用以小见大的形式来学习《能量》单元的方法，实际上是一种引导学生在玩中学、在做中用的教学方法。
总之，戈德堡机械的小题大做也可以很精彩，永远不要小看学生的创造力和实践能力，他们带来的惊喜会令教师叹为观止。给科学探究项目做“加法”，使学习的过程不仅有趣还具有挑战性，相信越来越多的学生会喜欢科学，在生活中运用科学，达到学习科学的目的。
（特约编辑 木 清）