快樂學習與教學——搞笑諾貝爾獎和菠蘿科學獎的啟迪

熊永紅，李莉君，楊　明，李傳國，丁　浩，力昌英，陶　薇，肖育英

(1．華中科技大學 物理學院，湖北 武漢 430074；2.文華學院 基礎學部，湖北 武漢 430074)

快樂學習與教學——搞笑諾貝爾獎和菠蘿科學獎的啟迪

熊永紅1，2，李莉君1，楊明1，李傳國2，丁浩2，力昌英2，陶薇2，肖育英2

(1．華中科技大學 物理學院，湖北 武漢 430074；2.文華學院 基礎學部，湖北 武漢 430074)

摘要：介紹了搞笑諾貝爾獎和菠蘿科學獎的設立、涉及的領域、獎項的設置等內容，并詳述了因“磁懸浮青蛙”而獲得搞笑諾貝爾獎的安德烈·海姆的科研歷程和獲得菠蘿科學獎的胡立德的“蚊子為什么不會被雨滴砸死”的研究內容，由此得到啟迪，建議在物理實驗教學中引入一些嚴謹且有趣的教學內容，以激發學生的好奇心和探知欲，寓教于樂,寓學于樂.

關鍵詞：搞笑諾貝爾獎；菠蘿科學獎；物理實驗

1搞笑諾貝爾獎和菠蘿科學獎簡介

搞笑諾貝爾獎(Ig Nobel Prize)[1]，又譯為幽默諾貝爾獎，是對諾貝爾獎有趣的模仿，主辦方為《科學幽默》雜志，地點為哈佛大學的桑德斯劇場,于每年10月上旬頒發，大約與諾貝爾獎得主名單宣布時間相近. 搞笑諾貝爾獎授予“乍一看好笑，后又引人深思”的成就.

搞笑諾貝爾獎始于1991年，至今已有24屆，當時是頒給那些“不能也不應被重復”的研究，首屆搞笑諾貝爾獎曾頒發過3個“虛擬成就獎”， 此后，所有的獎項都頒給了基于現實世界的研究.

每年有10個領域的研究獲獎，包括傳統諾貝爾獎的5個領域——物理學、化學、醫學、文學與和平. 另外還有：公共衛生、工程、生物、經濟和其他各學科間的研究.

菠蘿科學獎[2]是果殼網和浙江省科技館合作的科學獎項，取名 “菠蘿”，寓意科學研究像這種水果一樣酸酸甜甜，改變著人們生活的滋味. “向好奇心致敬”是菠蘿科學獎的口號，菠蘿科學獎是中國版的“搞笑諾貝爾獎”，獎勵那些有想象力、有趣的科學研究成果，旨在喚起人們對科學的好奇心和熱情. 其特點在于既有學術研究的嚴謹性，又不乏趣味性. 其研究的對象和方法，往往能令普通人會心一笑.

2012年4月，首屆菠蘿科學獎在杭州舉行頒獎典禮，至2015年已舉辦4屆. 菠蘿科學獎共設9個獎項，常規獎5項：物理學、化學、生物醫學、數學、心理學；專項獎2項：發明獎、幻想獎；特殊獎2項：菠蘿U獎、菠蘿Me獎.

2搞笑諾貝爾獎和菠蘿科學獎的啟示

《科學幽默》雜志主編馬克·亞伯拉罕評論2006年搞笑諾貝爾獎獎項時說：“該獎項意欲表揚不尋常、推崇想象，并激起人們對科學、醫學與科技的興趣，評委中不乏真正的諾貝爾獎得主.

在歷屆搞笑諾貝爾獎得主中安德烈·海姆無疑是位杰出的代表. “童心未泯”的安德烈·海姆以興趣驅使的天馬行空式的想象力和探究心，妙趣橫生的科學研究和發明，引發了我們對教育模式和方法的反思.

1997年安德烈·海姆與邁克爾·貝利在Eur. J. Phys.發表了“Of flying frogs and levitron ”的論文[3](插圖如圖1所示)，時隔3年獲得了2000年的“搞笑諾貝爾獎”， 安德烈·海姆親臨現場接受頒獎. 該發明被美國《大眾機械》評為18年來“搞笑諾貝爾獎”最受歡迎的十大成果之一.

圖1　“Of flying frogs and levitron”插圖

2001年安德烈·海姆帶康斯坦丁·諾沃肖洛夫來到英國的曼徹斯特. 他們的實驗對象有“磁水”、介觀超導性、模仿壁虎腳絨毛，并探索以石墨為原料制造金屬場效應晶體管等許多有趣的實驗.

壁虎能夠在1塊垂直豎立的拋光玻璃表面以1 m/s的速度向上高速攀爬，而且“只靠1個指頭”就能夠把整個身體穩當地懸掛在墻上. 除了能在墻上豎直上下爬行外，壁虎還能夠倒掛在天花板上爬行，這一絕技引起了安德烈·海姆探究之心. 2003年他和同事宣稱在壁虎仿生學方面的研究取得了重大進展，他們模仿壁虎腳趾(如圖2所示)的微結構研制了柔韌的壁虎膠帶[4]，上面覆以上百萬根人工合成的絨毛，每根毛的長度不足2 μm. 他們僅造出了1 cm2大的壁虎膠帶，把這條膠帶固定在玩偶蜘蛛人的手上，玩偶蜘蛛人(約1 kg)穩穩地懸掛在了玻璃板上，根據他們的推算，1塊巴掌大的這種膠帶就能將1個成年人懸吊起來. 在進行這些有趣的實驗之后， 2004年他們又研制出了第1個石墨烯器件，令人驚訝的是他們居然是用膠帶來剝離出很薄的石墨片：用膠帶粘住薄片的兩側，撕開膠帶，不斷重復該過程，最后得到單原子層的石墨烯. 時隔6年他們因在石墨烯的開創性實驗問鼎了2010年的諾貝爾物理學獎.

圖2　壁虎腳

瑞典皇家科學院給予的評價是：“作為一種頗具實用性的透明導體，石墨烯可以廣泛應用于生產可觸摸的透明屏幕、光板以及太陽能電池等領域，對它的研究還可以引領我們找到革新性的電子材料，甚至是革新整個微電子學. ”

安德烈·海姆的雙料諾貝爾獎：“一正一諧”反映科研的2個方面：一方面，科學與現實結合得越來越緊密，從發現到應用的周期越來越短；另一方面，以興趣驅使的天馬行空式的想象力和探究心仍是科學家的最重要的品質之一！

評審委員會介紹，把研究工作視為“游戲”是安德烈和康斯坦丁團隊的特點之一，“在過程中學習，誰知道，或許有一天會中大獎”. 這種寓科研于娛樂開啟不同尋常的石墨烯發現之旅的人非安德烈·海姆團隊莫屬. 這種寓科研于娛樂的模式對物理實驗教學有很大的啟示，我們為何不能寓教于樂“游戲”物理實驗呢？

下面再來一起分享4屆中國菠蘿科學獎(數理化獲獎項目) ：

第1屆數學獎： 哈爾濱工業大學“機器人舞蹈”； 物理學獎： 浙江大學 “猴腦控制機械手”； 化學獎：華中農業大學 “瓦罐雞湯為什么那么鮮”.

第2屆數學獎：國防科技大學“男生追女生的數學模型”； 物理獎：西安工程大學“假發順滑度分級標準”；化學獎：中國科學院動物研究所“公鸚鵡腚尖上的求偶利器”.

第3屆數學獎：俄亥俄州立大學“數學焦慮只有四成天生”； 物理獎：浙江大學“隱身衣” ； 化學獎：同濟大學“果蠅的擇偶偏好” .

第4屆數學獎：紐約大學“一根棒棒糖能舔多少次”；物理獎：佐治亞理工學院 “蚊子為什么不會被雨滴砸死”；化學獎：浙江大學“章魚胺決定饑餓”.

一貫以嚴謹、抽象、單調、枯燥著稱的“數理化”居然如此“好玩”、“有趣”. 以剛頒布的物理獎“蚊子為什么不會被雨滴砸死”為例[5]， “下雨的一天，我看到有只蚊子在盯一個人的臉. 就突然想，為什么下那么大的雨，蚊子還依然可以正常‘工作’？第二天我就開始做這個課題了. ”美國佐治亞理工學院胡立德教授說，為了破解這一謎題，他與美國疾病控制中心合作，對雨中飛舞的蚊子進行了高速攝像，以便仔細觀察蚊子被雨滴擊中瞬間的行為.

他們采用了“水槍打蚊群”的策略，將數以百計的蚊子裝入一細高的透明容器中，從容器頂端用高速噴頭向蚊群發射與自然界中雨滴速度相仿(大約9 m/s)的“模擬雨滴”，以增加蚊子被“雨滴”擊中的概率. 為了讓實驗設備自動而準確地捕捉這一時刻，他們在蚊子飛行高度的上方設置一道“激光封鎖線”，雨滴穿過激光線時，便觸發高速相機開始以4 000幀/s的速度拍攝，詳細記錄蚊子與雨滴相互作用中的每一個動作.

胡立德團隊分析高速視頻，發現蚊子被雨滴擊中時并不抵擋雨滴，而是與雨滴融為一體(如圖3所示)，順應雨滴的趨勢落下，當雨滴擊中蚊子翅膀或腿部時，蚊子會向擊中的那一側傾斜，并通過高達50°的高難度“側身翻滾動作”讓雨滴從身側滑落. 而當雨滴直接擊中蚊子身體時，蚊子先順應雨水強大的推力與之一同下落，隨之迅速側向微調與雨滴分離并恢復飛行. 他們歸納了雨滴擊中蚊子不同部位的各種情況，計算出了蚊子在遭遇雨滴的瞬間所受的作用力，以及其后隨雨滴向下移動的距離.

圖3　雨滴擊中蚊子

由于蚊子所受的重力微不可記，在與雨水碰撞的過程中，雨滴幾乎沒有減速，動能并未轉化為能量擊打在蚊子身上，而是讓蚊子瞬間加速，從而化解了高速下降的雨滴帶來的巨大沖擊. 小小蚊子“以柔克剛”, 達到了“四兩撥千斤”的效果，堪當動物界的“太極高手”.

胡立德教授對仿生技術情有獨鐘,他們的研究不只是跟蚊子有關. 在對于自然界的應對之道上，動物往往有著比人類更豐富的經驗，并在千萬年的進化過程中發展出了適合它們生存環境的結構和功能. 研究和模擬這些動物應對大自然的特殊本領，可以為科學家和工程師提供新的設計思想，解決機械技術上的很多難題——比如，如何更好地設計微型飛行器，讓它們能夠像蚊子一樣，在雨中輕盈地翱翔.

從菠蘿科學獎得到的感悟：大部分的科學發現，都啟蒙于好奇心，而好奇心被不斷放大激發探究心，通過絕妙的論證、精巧的實驗設計、嚴謹的科學分析，探求自然奧秘，就是科學的力量. 反思物理實驗教學的內容和形式是否可以變得“好玩”和“有趣”一些呢？是否可以用幽默的語言、活潑的形式、有趣的內容來激發學生天馬行空式的想象力、好奇心和探究心呢？

3快樂學習和快樂教學的一點思考

快樂是人類一種感受良好時的情緒反應，是一種能表現出愉悅心理狀態的情緒，笑臉是快樂的象征性符號.

人是具有快樂能力的，獲得快樂的方式不止一種，我們能從感官、情感、認知、奉獻等多種途徑獲得快樂.

人透過感官接觸和認知世界，有許多美好的事物都會給我們帶來快樂. 比如：當品嘗美味的佳肴，聽到悅耳的音樂，欣賞優美的舞蹈、藝術作品和名畫，聞到花兒的芳香，或處于溫暖和優雅的環境，或通過努力解決了問題、證實了推論、獲得了真相等，我們都會感到無比的愉悅.

關鍵是我們是否有意識地為自己找到快樂的源頭，學習安德烈·海姆等物理大師們的科學精神和高尚品格，從學習、探究、教學或工作的過程中感知、體會和享受快樂. 要達到這種快樂學習、探究和教學的狀態與境界，前提是對學習和研究的內容要有好奇心和探究欲望，對教學工作要有濃厚的興趣.

快樂教學是高超的教學藝術，需要從與學生們的情感交流中、為盡心盡責培養學生傳授科學知識的過程中奉獻自己全部才智，在不斷完善自己的過程中去體會快樂教學的含義！ 教師是快樂學習和教學的引導者，首先要熱愛教學，把教書育人作為自己的志向和最大的樂趣. 當我們看到自己教過的學生在世界各地深造或工作，取得了驕人的成績，就會感到無比的興奮和驕傲；每當我們收到學生的來信匯報他們的學習和工作的情況，或學生們專程到學校來看我們時，就是我們教師最快樂的時光. 而這種快樂是無價的，是無法用金錢或物質來衡量的！

快樂教學需要教師在教學過程中從愛學生的情感和學生所學學科特點出發，了解學生的認知水平和知識結構，充分利用教學中的愉快因素，遵循學生心理發展的規律，采用學生喜愛的靈活多樣的教學方法. 例如：1)針對性或關聯性的啟發、或名人啟示導入法、旁敲側擊引導法、引經據典激勵法等；2)富有挑戰性的提問、有趣討論和辯論等，激發起學生的思維火花和創作靈感，激發學生的好奇心和求知欲，讓一些有趣的問題像磁石一樣把學生的心牢牢吸引住，讓他們自主學習和獨立思考，在愉快的求知和探索的過程中獲得知識，提升能力，成為學習的主人. 讓“學海無涯苦作舟”變成“風光無限喜作舟”，師生共同領略物理世界的綺麗風光. 例如：在霍爾效應實驗的教學中，介紹青年霍爾發現霍爾效應的研究思路. 當年霍爾結合羅蘭教授的講課去研讀麥克斯韋的《電磁學》一書[6]，他注意到該書第2卷第144頁的一段話“必須仔細記住，帶有電流的導體橫貫磁力線的機械力，不是作用于電流上，而是作用于帶著電流的導體上. ……如果電流本身可以自由選擇其通過固定固態導體或導線網絡的路程的話，那么，當我們使用恒定磁力作用于這系統時，通過導體的電流路程，并沒有永久的改變，只是在某種稱為感應電流的瞬變現象消失以后，電流的分布才與沒有磁力作用時一樣. 作用于電流的唯一動力是電動力，……”霍爾在讀過麥克斯韋的《電磁學》不久又讀到了愛德朗教授(Prof.Edlund)的《單極感應》的論文[6](該論文發表在《哲學雜志》1878.10)，愛德倫德的觀點：磁體對于固定導體中電流的作用如同它對自由運動時的導體本身一樣. 霍爾發現二位權威的觀點相悖，就向導師羅蘭請教，羅蘭告知他，他也懷疑過麥克斯韋的說法，曾匆匆忙忙做過一次實驗，結果沒有成功. 霍爾在導師羅蘭的支持和指導下，通過反復試驗、分析、探索和研究，不斷改進測試裝置，將金箔代替金屬圓盤，最終獲得成功，研究結果發表在《美國數學學報》[6-7]. 該實驗的教學重點和要求：不僅要了解霍爾效應的基本原理，掌握霍爾系數RH、載流子濃度n和移率μ等相關物理量的測量，更重要的是引導學生在重溫霍爾的研究之路的過程中，注重實驗規律的研究，學習青年霍爾敢于質疑勇于探索的科學精神，領悟霍爾效應實驗的設計思想，學習科學實驗方法(如：質疑學習法、控制變量法、綜合比較法、對稱消除法等). 鼓勵優秀學生閱讀青年霍爾的研究論文原著“On a new action of the magnet on electric currents”[7]，激勵學生根據自己的興趣，利用霍爾效應的原理和元器件自行設計位移傳感器、速度和角速度傳感器、數字風速儀、簡易高斯計和磁場掃描儀等. 學生通過該實驗不僅學會了物理實驗的原理、知識、方法或技術，更欣賞到霍爾效應實驗的精巧設計和研究思路，在探究的過程中收獲了快樂[8].

快樂教學需要在教學的過程中注重與學生的互動，調動他們的積極性，學生不僅僅是知識的被傳輸者，也是教學過程的積極參與者，是主體. 培養學生的質疑精神，提倡批判性思維，培養學生發現問題、分析問題、解決問題和提出問題的能力. 物理實驗教師不僅僅是知識和技能的傳輸者，更應該是一個好向導和優秀課程主持人，要善于根據課程進度提出問題，聽學生發表意見和回答問題、不失時機地組織研討論證，進行實驗探究. 教師是教學過程的主導者，應在教學的實踐中不斷聽取各方面的意見和建議、隨著學科和教育技術的發展，補充新內容、引入新技術、改進教學方法，不斷完善自己.

我們正嘗試在物理實驗教學中引入一些“好玩”和“有趣”的物理實驗教學內容，開展以興趣為導向的物理實驗教學模式的探索，設計一些既有學術研究的嚴謹性，又不乏趣味性的物理“游戲”實驗，激發學生們學習物理的興趣和熱情，主動“游戲”物理，我們將和學生們一起快樂學習，快樂教學，相互促進，共同成長.

參考文獻：

[1]Ig Nobel Prize官網[EB/OL]. (2014-10-01)[2015-04-19]. http://www.improb.com.

[2]菠蘿科學獎官方微博[EB/OL]. (2015-04-11)[2015-04-19]. http://weibo.com/ignobel.

[3]Berry M V, Geim A K. Of flying frogs and levitrons [J]. European Journal of Physics, 1997,18(4):307.

[4]Geim A K, Dubonos S V, Grigorieva I V, et al. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair [J]. Nature Materials, 2003,2(7):461-463.

[5]Dickerson A K, Shankles P G,Madhavan N M, et al. Mosquitoes survive raindrop collisions by virtue of their low mass [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012,109(25):9822-9827.

[6]威·弗·馬吉. 物理學原著選讀[M]. 北京：商務印書館,1986:563-567.

[7]Edwin H H. On a new action of the magnet on electric currents [J].American Journal of Mathematics, 1879，2(3):287-292.

[8]熊永紅,張昆實,任忠明，等. 大學物理實驗(第一冊)[M]. 北京：科學出版社，2007.

[責任編輯：尹冬梅]

Happy learning and teaching——Inspired by Ig Nobel Prize and Pineapple Science Award

XIONG Yong-hong1,2, LI Li-jun1, YANG Ming1, LI Chuan-guo2,

DING Hao2, LI Chang-ying2, TAO Wei2, XIAO Yu-ying2

(1.School of Physics, Huazhong University of Science and Techolog, Wuhan 430074, China; 2.Basic Department, Wenhua College, Wuhan 430074, China)

Abstract:The establishment, fields, and setting of Ig Nobel Prize and Pineapple Science Award were introduced. The process that Andre Geim won Ig Nobel Prize by studing flying frogs by magnetic levitron was expatiated, the reasons why mosquito would not be killed by rain drops as investigated by lide hu who obtained the Pineapple Science Award was expounded. Some rigorous and interesting teaching contents were recommend in order to inspire the students’ curiosity and discovery ability, and achieve the goal of happy learning and teaching.

Key words:Ig Nobel Prize; Pineapple Science Award; physical experiment

中圖分類號：G642.423

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)05-0012-04

作者簡介：熊永紅(1954-)，女，江西南昌人，華中科技大學物理學院教授、文華學院基礎學部教授，學士，從事物理實驗教學、納米功能研料研制、應用物理學和科教儀器研究工作.

收稿日期：2015-04-19