科學(xué)游戲的智慧與啟示

前言

由于各種機(jī)緣，我經(jīng)常參與中央電視臺(tái)“異想天開”欄目的策劃和論證，也經(jīng)常以專家的身份在節(jié)目中進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。2008年底，中央電視臺(tái)“異想天開”欄目推出了“大師挑戰(zhàn)賽”系列節(jié)目，我集中地為節(jié)目量身設(shè)計(jì)了大量游戲，這些游戲的共同特點(diǎn)是：利用盡可能簡(jiǎn)單的工具和材料，運(yùn)用相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，靈活巧妙地解決問題。節(jié)目拍攝時(shí)由于時(shí)間的限制，很多分析問題的思路和方法沒能在節(jié)目中充分展示出來。我希望有機(jī)會(huì)把自己設(shè)計(jì)的題目和參加過的活動(dòng)匯集成冊(cè)，以便充分地介紹游戲背后的原理和概念、處理問題的方法和技巧，以及引申出來的相關(guān)話題，希望讀者（特別是看過該節(jié)目的讀者）能從中獲得更多的啟發(fā)和收獲。這本書之所以獻(xiàn)給我的女兒，是因?yàn)樗凸?jié)目有特別的關(guān)系。中央電視臺(tái)“異想天開”欄目開播時(shí)，我女兒正好出生，她從小就跟隨我參加節(jié)目的拍攝：在北京拍攝紙橋過車時(shí)，3歲的她曾經(jīng)在紙橋上興奮地打滾；在昆明拍攝彈簧秤稱大象時(shí)，6歲的她曾經(jīng)被大象用鼻子卷起來而嚇得畦畦叫；在湖北省赤壁市拍攝節(jié)目時(shí)，9歲的她十分自信而成為當(dāng)?shù)貙W(xué)生們羨慕的對(duì)象。她偶爾也會(huì)在節(jié)目中作一些示范表演，如用鐵釘扎氣球，空手做泡泡，放飛紙蜻蜒，還有完成一些中學(xué)生未成功的游戲等?？傊?，她見證了很多游戲，并有自己的見解。因此我在寫作本書的時(shí)候，從開始就定下了一個(gè)目標(biāo)：希望我女兒（目前正在讀小學(xué)四年級(jí)）以及很多沒有學(xué)過物理知識(shí)的小讀者也能看懂絕大部分內(nèi)容。所以我在書中沒有用任何物理或力學(xué)公式，最多只需要利用“+一×÷”這類最基本的數(shù)學(xué)知識(shí)（當(dāng)然，某些內(nèi)容對(duì)具有高中知識(shí)的人來說更容易理解，特別是其背后引申的含義）。書中采用了大量日常生活中的現(xiàn)象來解釋游戲背后的原理和概念，我寫完后給她看并征求她的意見。初稿完成后，為了照顧像我女兒這樣的小讀者，在游戲之前專門增加了一個(gè)單元基本概念的介紹，把很多游戲中涉及的概念或原理匯集在一起進(jìn)行介紹。書中正文介紹采用宋體字，重要的概念和結(jié)論采用黑體字，而引申出來的相關(guān)話題一般用有灰色底紋的楷體字。書中有大量的插圖和照片，其中絕大部分照片由我拍攝，少量照片由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所工作人員拍攝，或是從視頻上截取下來的：書中的插圖配合文字說明，其內(nèi)容和人物均由我設(shè)計(jì)，希望通過人物簡(jiǎn)短幽默的對(duì)話，使讀者更容易理解書中的內(nèi)容。

內(nèi)容概要

本書介紹了24個(gè)動(dòng)手游戲，以力學(xué)內(nèi)容為主。這些游戲均在全國(guó)不同的中學(xué)或大學(xué)中開展過比賽，并已在中央電視臺(tái)《異想天開》欄目中播出過。每個(gè)游戲包括三部分模塊：（1）游戲的內(nèi)容和要求、工具和材料、比賽規(guī)則，難易程度；（2）游戲涉及的原理和概念、分析和處理的方法，如何從身邊簡(jiǎn)單的現(xiàn)象中獲得啟發(fā)，并從中引伸出很多相的關(guān)話題；（3）學(xué)生們?cè)诒荣愔械谋憩F(xiàn)和小花絮、特別的技巧和成敗的關(guān)鍵等。    書中的重點(diǎn)是以游戲的原理和概念為線索，介紹處理問題的方法和思路。作者用生動(dòng)有趣的生活現(xiàn)象或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的圖片來說明道理，讀者可以從中領(lǐng)悟如何快速分析問題、如何把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化。例如，利用人們?cè)诤癖〔煌谋鶎由系男袨椋f明扎氣球破而不爆的道理；從平時(shí)走路鞋帶可能會(huì)自己松開的現(xiàn)象，說明慣性力和摩擦力在里面所起的作用。另外作者還從游戲所涉及的原理中引伸出很多有關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象或典故，例如，從用振動(dòng)法測(cè)大象的質(zhì)量，引出判別西瓜生熟的方法和古代自鳴罄的故事；從柔繩繞圈的摩擦，引出幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)和國(guó)際象棋的故事，等等。    本書內(nèi)容豐富，文筆流暢，相關(guān)的成語和典故信手拈來，是一本文理交融的科普讀物。本書可以作為中小學(xué)生的課外科普讀物和試驗(yàn)指南，也可以作為中小學(xué)科學(xué)課教師的補(bǔ)充教材和案例，還可以作為大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽和動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)的參考書。

作者簡(jiǎn)介

高云峰，清華大學(xué)航天航空學(xué)院副教授，主要的研究領(lǐng)域?yàn)椋汉教炱鲃?dòng)力學(xué)與控制。作者長(zhǎng)期以來一直提倡動(dòng)手實(shí)踐教育，理論聯(lián)系實(shí)際，是中央電視臺(tái)《異想天開》欄目的特別顧問，參與了眾多節(jié)目的策劃和論證，設(shè)計(jì)了大量的科學(xué)游戲。

書籍目錄

零 開卷有益游戲1 巧扎氣球游戲2 旋轉(zhuǎn)風(fēng)車游戲3 巧綁繩索游戲4 加密解密游戲5 無處藏身游戲6 巧找平衡游戲7 天降雞蛋游戲8 平移水杯游戲9 深不可測(cè)游戲10 雞蛋承重游戲11 巧測(cè)重心游戲12 前仰后翻游戲13 草船借箭游戲14 歪打正著游戲15 降雨滅火游戲16 隔三岔五游戲17 空中傳水游戲18 動(dòng)物爬繩游戲l9 以大測(cè)小游戲20 以輕搏重游戲21 百足爬蟲游戲22 架橋過河游戲23 紙橋過車游戲24 巧稱大象附錄A 游戲內(nèi)容索引附錄B 加密解密中的答案附錄C 無處藏身中的答案附錄D 紙橋過車比賽后記

章節(jié)摘錄

插圖：首先利用給定材料設(shè)計(jì)制作一個(gè)發(fā)射裝置用于射擊氣球。把氣球排成一排并依次編上號(hào)碼，但在這排氣球的延長(zhǎng)線上只能看到第1號(hào)氣球。要求擊破2、4、6號(hào)氣球，而保持1、3、5號(hào)氣球不破。發(fā)射裝置的出口高度與氣球高度接近，水平距離與氣球最近為1米，最遠(yuǎn)為2米。比賽規(guī)則：擊破2號(hào)氣球，得15分；擊破4號(hào)氣球，得25分；擊破6號(hào)氣球，得35分。但是如果擊破1、3、5號(hào)氣球，則每個(gè)扣10分。制作發(fā)射裝置時(shí)間為1小時(shí)，比賽時(shí)問為5分鐘。工具：鉗子1把，裁紙刀1把。材料：牙簽或大頭針1盒，粗鐵絲1米，木筷或竹筷10雙，繩子1束，橡皮筋10根，圓珠筆1支。如果是學(xué)校開展活動(dòng)，需要準(zhǔn)備好氣球和懸掛氣球的竹竿。公共工具為秒表。如果你在家自己做，不必受時(shí)間限制，可以考慮不同方案，爭(zhēng)取好的結(jié)果。本活動(dòng)適合小學(xué)和中學(xué)各年級(jí)學(xué)生參與。對(duì)于小學(xué)生，3人一組，難度系數(shù)為★★★。對(duì)于初中生，3人一組，難度系數(shù)為★★。對(duì)于高中生，3人一組，難度系數(shù)為★。如果1人一組，難度系數(shù)增加1顆★。本游戲?qū)?chǎng)地沒有要求，需要準(zhǔn)備好桌子和椅子，讓學(xué)生有地方做發(fā)射裝置和炮彈。要注意發(fā)射裝置不能對(duì)著人發(fā)射，另外在用裁紙刀時(shí)注意不要?jiǎng)澲帧?/pre>




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