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核心素养 | 玩乐高不仅能培养空间思维,还能发论文?

核心素养,

  教育之本。

玩乐高的学者们

对于科学家来说,推动科技进步的过程充满了艰辛,很多研究项目过于枯燥,需要他们连续几天甚至几周时间在实验室里重复进行同一项操作;而且其中有些实验的开销还非常高。所以,有没有什么方案能够解决这些问题?

对此,一些喜欢思(mō)考 (yú)的科学家们还真就找了一个有趣的解决办法:为什么不在做实验的时候,玩一会儿乐高呢?

爱荷华大学的乐高爱好者们开发了一种利用乐高做实验的方法,他们的用法比较接地气——用乐高来种菜

对于植物学家和农学家来说,了解土壤对植物根系的影响,能有助于提高作物的产量。

但是植物的生长是一个变化跨度很大的过程,科学家们也许需要建立100个不同受控环境下的样本,每个样本还要给植物留下足够的生长空间,因此实验工具是最大的问题所在。

为了解决这个问题,爱荷华大学选择了一款透明的乐高组件来作为实验工具。这款透明的乐高由聚碳酸酯制成,可以进行消毒处理,具有一定的化学惰性,因此不易与周围的材料发生反应,所以非常适合用于生物工作。

它们可以被组装不同尺寸的植物容器,用于满足不同的实验需要,然后往里面放入凝胶或其他的土壤替代品,就成了一个可以用于观测的实验仪器了。

这种模块化的结构可以帮助研究人员构筑不同的环境变量,当实验结束的时候,科学家还可以将它们进行拆分消毒,然后用到下一次的实验中去。研究团队表示,该种方法大大减少了实验的成本,他们的乐高成本为每个3.1美元,已经使用两年了。

除了这种专业正规的团队实验,还有一些独立的个人实验也用到了乐高。

Donald Pettit曾担任洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家,现在是一名NASA宇航员,他在2012年的时候完成了一项史无前例的壮举——在国际空间站上摸鱼玩乐高,然后用乐高做了一个实验,最后还写了一篇论文发表在学术期刊上。

这就是班上跟我一样喜欢玩,还能考试拿第一的同学吗?

Pettit在空间站上每天要工作14个小时,在其他的时间里,他喜欢做自己的事情,比如说自己设计一些小实验。他这么做并没有什么特别的原因,就是因为他有时间,而且刚好在太空里

这一次,他拿出了官方的NASA空间站版乐高积木。然后把官方的使用指南扔到了一边,自己做了一个范德格拉夫起电机

这是一种用来产生静电高压的装置,由美国物理学家罗伯特·范德格拉夫发明,Pettit的这个乐高版范德格拉夫起电机能够产生80毫米的火花,他决定用这个玩具来做一个电荷对水滴的影响实验。

这个实验通过将去离子化的水放在起电机的电荷收集装置上,然后观察水滴变成锥形。这一现象最早被英国物理学家杰弗里·泰勒爵士在理论上描述,所以也被称为「泰勒锥」

水滴的形状一开始由表面张力所影响,当电压增加后,液体中的同性电荷会在表面聚集,这种电场施加的影响会让半圆形的液体变成锥形。当电压增加到一个阈值的时候,锥体的尖端还会射出一道细流,这种原理也被用于喷墨打印机

不过由于重力的关系,Pettit用乐高起电机制作的泰勒锥比地球上大了100倍。

泰勒锥的大小(a)地球环境(b)国际空间站(c)微重力环境

本来这个摸鱼的实验应该就这么结束了,但是新泽西大学的化学工程教授Boris Khusid对他的这个实验很感兴趣。因为他也一直在从事类似的工作,但是Boris Khusid没有条件到太空去做实验,而Pettit也没有时间在地球上做实验。所以他俩一拍即合,将两个人的实验数据结合在一起发表了一篇论文。

就这样NASA宇航员摸鱼玩乐高,居然还写文章发了期刊。

乐高与空间思维

乐高积木是一种塑胶积木:一头有凸粒,另一头有可嵌入凸粒的孔,形状有1300多种,每一种形状都有12种不同的颜色,以红、黄、蓝、白、黑为主。它靠小朋友自己动脑动手,可以拼插出变化无穷的造型,令人爱不释手,被称为“魔术塑料积木”。乐高积木,可以极大开发儿童动手能力、拓展想象力,将孩子从电脑电视等电子产品制造的虚拟世界中带到一个充满趣味性与挑战性的全新世界。

空间思维是指在“脑海”中想象出形状。建筑师和工程师在设计建筑的时候会使用这种大脑能力,它同样能帮助化学家想象分子的三维结构,让外科医生能定位人体器官,让米开朗基罗可以想象出一块石头雕刻后的模样。

空间思维在许多任务中至关重要,但是在传统教育中,往往更强调语言和数理逻辑的训练,其他方面则常常被忽略。我们能提高孩子的空间思维能力么?这也是我们在想象不同视觉特征时所使用的思维模式。

研究表明,空间思维是预测在STEM(科学、技术、工程、数学)方面的重要指标,“数感”和空间思维的发展紧密联系在一起,早期的空间思维能力可以预测孩子长大后在数学方面的表现,年幼时候常常能把空间关系可视化的儿童在幼儿园时期将发展出更好的算数能力,擅长心理旋转(mental rotation,在脑海中旋转图形)的中学生在科学课程方面表现更出色,甚至有证据表明,早期空间思维能力可以作为年幼孩子阅读技能的预测指标。

人们常假设空间智力是从生物层面上确定的认知特质,一种与生俱来的天赋技能。

但是,无论心理旋转能力中的性别差异是否基于激素,有确凿的证据表明,人们可以通过锻炼来提高空间能力。并且,训练学习后的成效非常显著。经过短时间的训练(时间范围从数小时到几周),所有人的空间能力都得到了提升,没有性别差异。

家长们平时若想培养孩子的空间思维能力,也可从乐高的搭建入手,结合一些机械结构的知识普及,来训练孩子的空间想象力与动手能力。

橙旭学院也为孩子们准备了“造物梦想家”课堂,将乐高积木的搭建结合电脑编程,既可以培养孩子的空间思维能力,也可以同时提升孩子的逻辑思维和编程能力。老师们富有耐心,导入课堂的案例翔实生动,能够带领孩子一起去探索搭建背后的物理结构及其含义。

还在等什么呢?提升空间思维能力,刻不容缓!

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