快乐学习与教学——搞笑诺贝尔奖和菠萝科学奖的启迪

熊永红，李莉君，杨　明，李传国，丁　浩，力昌英，陶　薇，肖育英

(1．华中科技大学 物理学院，湖北 武汉 430074；2.文华学院 基础学部，湖北 武汉 430074)

快乐学习与教学——搞笑诺贝尔奖和菠萝科学奖的启迪

熊永红1，2，李莉君1，杨明1，李传国2，丁浩2，力昌英2，陶薇2，肖育英2

(1．华中科技大学 物理学院，湖北 武汉 430074；2.文华学院 基础学部，湖北 武汉 430074)

摘要：介绍了搞笑诺贝尔奖和菠萝科学奖的设立、涉及的领域、奖项的设置等内容，并详述了因“磁悬浮青蛙”而获得搞笑诺贝尔奖的安德烈·海姆的科研历程和获得菠萝科学奖的胡立德的“蚊子为什么不会被雨滴砸死”的研究内容，由此得到启迪，建议在物理实验教学中引入一些严谨且有趣的教学内容，以激发学生的好奇心和探知欲，寓教于乐,寓学于乐.

关键词：搞笑诺贝尔奖；菠萝科学奖；物理实验

1搞笑诺贝尔奖和菠萝科学奖简介

搞笑诺贝尔奖(Ig Nobel Prize)[1]，又译为幽默诺贝尔奖，是对诺贝尔奖有趣的模仿，主办方为《科学幽默》杂志，地点为哈佛大学的桑德斯剧场,于每年10月上旬颁发，大约与诺贝尔奖得主名单宣布时间相近. 搞笑诺贝尔奖授予“乍一看好笑，后又引人深思”的成就.

搞笑诺贝尔奖始于1991年，至今已有24届，当时是颁给那些“不能也不应被重复”的研究，首届搞笑诺贝尔奖曾颁发过3个“虚拟成就奖”， 此后，所有的奖项都颁给了基于现实世界的研究.

每年有10个领域的研究获奖，包括传统诺贝尔奖的5个领域——物理学、化学、医学、文学与和平. 另外还有：公共卫生、工程、生物、经济和其他各学科间的研究.

菠萝科学奖[2]是果壳网和浙江省科技馆合作的科学奖项，取名 “菠萝”，寓意科学研究像这种水果一样酸酸甜甜，改变着人们生活的滋味. “向好奇心致敬”是菠萝科学奖的口号，菠萝科学奖是中国版的“搞笑诺贝尔奖”，奖励那些有想象力、有趣的科学研究成果，旨在唤起人们对科学的好奇心和热情. 其特点在于既有学术研究的严谨性，又不乏趣味性. 其研究的对象和方法，往往能令普通人会心一笑.

2012年4月，首届菠萝科学奖在杭州举行颁奖典礼，至2015年已举办4届. 菠萝科学奖共设9个奖项，常规奖5项：物理学、化学、生物医学、数学、心理学；专项奖2项：发明奖、幻想奖；特殊奖2项：菠萝U奖、菠萝Me奖.

2搞笑诺贝尔奖和菠萝科学奖的启示

《科学幽默》杂志主编马克·亚伯拉罕评论2006年搞笑诺贝尔奖奖项时说：“该奖项意欲表扬不寻常、推崇想象，并激起人们对科学、医学与科技的兴趣，评委中不乏真正的诺贝尔奖得主.

在历届搞笑诺贝尔奖得主中安德烈·海姆无疑是位杰出的代表. “童心未泯”的安德烈·海姆以兴趣驱使的天马行空式的想象力和探究心，妙趣横生的科学研究和发明，引发了我们对教育模式和方法的反思.

1997年安德烈·海姆与迈克尔·贝利在Eur. J. Phys.发表了“Of flying frogs and levitron ”的论文[3](插图如图1所示)，时隔3年获得了2000年的“搞笑诺贝尔奖”， 安德烈·海姆亲临现场接受颁奖. 该发明被美国《大众机械》评为18年来“搞笑诺贝尔奖”最受欢迎的十大成果之一.

图1　“Of flying frogs and levitron”插图

2001年安德烈·海姆带康斯坦丁·诺沃肖洛夫来到英国的曼彻斯特. 他们的实验对象有“磁水”、介观超导性、模仿壁虎脚绒毛，并探索以石墨为原料制造金属场效应晶体管等许多有趣的实验.

壁虎能够在1块垂直竖立的抛光玻璃表面以1 m/s的速度向上高速攀爬，而且“只靠1个指头”就能够把整个身体稳当地悬挂在墙上. 除了能在墙上竖直上下爬行外，壁虎还能够倒挂在天花板上爬行，这一绝技引起了安德烈·海姆探究之心. 2003年他和同事宣称在壁虎仿生学方面的研究取得了重大进展，他们模仿壁虎脚趾(如图2所示)的微结构研制了柔韧的壁虎胶带[4]，上面覆以上百万根人工合成的绒毛，每根毛的长度不足2 μm. 他们仅造出了1 cm2大的壁虎胶带，把这条胶带固定在玩偶蜘蛛人的手上，玩偶蜘蛛人(约1 kg)稳稳地悬挂在了玻璃板上，根据他们的推算，1块巴掌大的这种胶带就能将1个成年人悬吊起来. 在进行这些有趣的实验之后， 2004年他们又研制出了第1个石墨烯器件，令人惊讶的是他们居然是用胶带来剥离出很薄的石墨片：用胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，不断重复该过程，最后得到单原子层的石墨烯. 时隔6年他们因在石墨烯的开创性实验问鼎了2010年的诺贝尔物理学奖.

图2　壁虎脚

瑞典皇家科学院给予的评价是：“作为一种颇具实用性的透明导体，石墨烯可以广泛应用于生产可触摸的透明屏幕、光板以及太阳能电池等领域，对它的研究还可以引领我们找到革新性的电子材料，甚至是革新整个微电子学. ”

安德烈·海姆的双料诺贝尔奖：“一正一谐”反映科研的2个方面：一方面，科学与现实结合得越来越紧密，从发现到应用的周期越来越短；另一方面，以兴趣驱使的天马行空式的想象力和探究心仍是科学家的最重要的品质之一！

评审委员会介绍，把研究工作视为“游戏”是安德烈和康斯坦丁团队的特点之一，“在过程中学习，谁知道，或许有一天会中大奖”. 这种寓科研于娱乐开启不同寻常的石墨烯发现之旅的人非安德烈·海姆团队莫属. 这种寓科研于娱乐的模式对物理实验教学有很大的启示，我们为何不能寓教于乐“游戏”物理实验呢？

下面再来一起分享4届中国菠萝科学奖(数理化获奖项目) ：

第1届数学奖： 哈尔滨工业大学“机器人舞蹈”； 物理学奖： 浙江大学 “猴脑控制机械手”； 化学奖：华中农业大学 “瓦罐鸡汤为什么那么鲜”.

第2届数学奖：国防科技大学“男生追女生的数学模型”； 物理奖：西安工程大学“假发顺滑度分级标准”；化学奖：中国科学院动物研究所“公鹦鹉腚尖上的求偶利器”.

第3届数学奖：俄亥俄州立大学“数学焦虑只有四成天生”； 物理奖：浙江大学“隐身衣” ； 化学奖：同济大学“果蝇的择偶偏好” .

第4届数学奖：纽约大学“一根棒棒糖能舔多少次”；物理奖：佐治亚理工学院 “蚊子为什么不会被雨滴砸死”；化学奖：浙江大学“章鱼胺决定饥饿”.

一贯以严谨、抽象、单调、枯燥著称的“数理化”居然如此“好玩”、“有趣”. 以刚颁布的物理奖“蚊子为什么不会被雨滴砸死”为例[5]， “下雨的一天，我看到有只蚊子在盯一个人的脸. 就突然想，为什么下那么大的雨，蚊子还依然可以正常‘工作’？第二天我就开始做这个课题了. ”美国佐治亚理工学院胡立德教授说，为了破解这一谜题，他与美国疾病控制中心合作，对雨中飞舞的蚊子进行了高速摄像，以便仔细观察蚊子被雨滴击中瞬间的行为.

他们采用了“水枪打蚊群”的策略，将数以百计的蚊子装入一细高的透明容器中，从容器顶端用高速喷头向蚊群发射与自然界中雨滴速度相仿(大约9 m/s)的“模拟雨滴”，以增加蚊子被“雨滴”击中的概率. 为了让实验设备自动而准确地捕捉这一时刻，他们在蚊子飞行高度的上方设置一道“激光封锁线”，雨滴穿过激光线时，便触发高速相机开始以4 000帧/s的速度拍摄，详细记录蚊子与雨滴相互作用中的每一个动作.

胡立德团队分析高速视频，发现蚊子被雨滴击中时并不抵挡雨滴，而是与雨滴融为一体(如图3所示)，顺应雨滴的趋势落下，当雨滴击中蚊子翅膀或腿部时，蚊子会向击中的那一侧倾斜，并通过高达50°的高难度“侧身翻滚动作”让雨滴从身侧滑落. 而当雨滴直接击中蚊子身体时，蚊子先顺应雨水强大的推力与之一同下落，随之迅速侧向微调与雨滴分离并恢复飞行. 他们归纳了雨滴击中蚊子不同部位的各种情况，计算出了蚊子在遭遇雨滴的瞬间所受的作用力，以及其后随雨滴向下移动的距离.

图3　雨滴击中蚊子

由于蚊子所受的重力微不可记，在与雨水碰撞的过程中，雨滴几乎没有减速，动能并未转化为能量击打在蚊子身上，而是让蚊子瞬间加速，从而化解了高速下降的雨滴带来的巨大冲击. 小小蚊子“以柔克刚”, 达到了“四两拨千斤”的效果，堪当动物界的“太极高手”.

胡立德教授对仿生技术情有独钟,他们的研究不只是跟蚊子有关. 在对于自然界的应对之道上，动物往往有着比人类更丰富的经验，并在千万年的进化过程中发展出了适合它们生存环境的结构和功能. 研究和模拟这些动物应对大自然的特殊本领，可以为科学家和工程师提供新的设计思想，解决机械技术上的很多难题——比如，如何更好地设计微型飞行器，让它们能够像蚊子一样，在雨中轻盈地翱翔.

从菠萝科学奖得到的感悟：大部分的科学发现，都启蒙于好奇心，而好奇心被不断放大激发探究心，通过绝妙的论证、精巧的实验设计、严谨的科学分析，探求自然奥秘，就是科学的力量. 反思物理实验教学的内容和形式是否可以变得“好玩”和“有趣”一些呢？是否可以用幽默的语言、活泼的形式、有趣的内容来激发学生天马行空式的想象力、好奇心和探究心呢？

3快乐学习和快乐教学的一点思考

快乐是人类一种感受良好时的情绪反应，是一种能表现出愉悦心理状态的情绪，笑脸是快乐的象征性符号.

人是具有快乐能力的，获得快乐的方式不止一种，我们能从感官、情感、认知、奉献等多种途径获得快乐.

人透过感官接触和认知世界，有许多美好的事物都会给我们带来快乐. 比如：当品尝美味的佳肴，听到悦耳的音乐，欣赏优美的舞蹈、艺术作品和名画，闻到花儿的芳香，或处于温暖和优雅的环境，或通过努力解决了问题、证实了推论、获得了真相等，我们都会感到无比的愉悦.

关键是我们是否有意识地为自己找到快乐的源头，学习安德烈·海姆等物理大师们的科学精神和高尚品格，从学习、探究、教学或工作的过程中感知、体会和享受快乐. 要达到这种快乐学习、探究和教学的状态与境界，前提是对学习和研究的内容要有好奇心和探究欲望，对教学工作要有浓厚的兴趣.

快乐教学是高超的教学艺术，需要从与学生们的情感交流中、为尽心尽责培养学生传授科学知识的过程中奉献自己全部才智，在不断完善自己的过程中去体会快乐教学的含义！ 教师是快乐学习和教学的引导者，首先要热爱教学，把教书育人作为自己的志向和最大的乐趣. 当我们看到自己教过的学生在世界各地深造或工作，取得了骄人的成绩，就会感到无比的兴奋和骄傲；每当我们收到学生的来信汇报他们的学习和工作的情况，或学生们专程到学校来看我们时，就是我们教师最快乐的时光. 而这种快乐是无价的，是无法用金钱或物质来衡量的！

快乐教学需要教师在教学过程中从爱学生的情感和学生所学学科特点出发，了解学生的认知水平和知识结构，充分利用教学中的愉快因素，遵循学生心理发展的规律，采用学生喜爱的灵活多样的教学方法. 例如：1)针对性或关联性的启发、或名人启示导入法、旁敲侧击引导法、引经据典激励法等；2)富有挑战性的提问、有趣讨论和辩论等，激发起学生的思维火花和创作灵感，激发学生的好奇心和求知欲，让一些有趣的问题像磁石一样把学生的心牢牢吸引住，让他们自主学习和独立思考，在愉快的求知和探索的过程中获得知识，提升能力，成为学习的主人. 让“学海无涯苦作舟”变成“风光无限喜作舟”，师生共同领略物理世界的绮丽风光. 例如：在霍尔效应实验的教学中，介绍青年霍尔发现霍尔效应的研究思路. 当年霍尔结合罗兰教授的讲课去研读麦克斯韦的《电磁学》一书[6]，他注意到该书第2卷第144页的一段话“必须仔细记住，带有电流的导体横贯磁力线的机械力，不是作用于电流上，而是作用于带着电流的导体上. ……如果电流本身可以自由选择其通过固定固态导体或导线网络的路程的话，那么，当我们使用恒定磁力作用于这系统时，通过导体的电流路程，并没有永久的改变，只是在某种称为感应电流的瞬变现象消失以后，电流的分布才与没有磁力作用时一样. 作用于电流的唯一动力是电动力，……”霍尔在读过麦克斯韦的《电磁学》不久又读到了爱德朗教授(Prof.Edlund)的《单极感应》的论文[6](该论文发表在《哲学杂志》1878.10)，爱德伦德的观点：磁体对于固定导体中电流的作用如同它对自由运动时的导体本身一样. 霍尔发现二位权威的观点相悖，就向导师罗兰请教，罗兰告知他，他也怀疑过麦克斯韦的说法，曾匆匆忙忙做过一次实验，结果没有成功. 霍尔在导师罗兰的支持和指导下，通过反复试验、分析、探索和研究，不断改进测试装置，将金箔代替金属圆盘，最终获得成功，研究结果发表在《美国数学学报》[6-7]. 该实验的教学重点和要求：不仅要了解霍尔效应的基本原理，掌握霍尔系数RH、载流子浓度n和移率μ等相关物理量的测量，更重要的是引导学生在重温霍尔的研究之路的过程中，注重实验规律的研究，学习青年霍尔敢于质疑勇于探索的科学精神，领悟霍尔效应实验的设计思想，学习科学实验方法(如：质疑学习法、控制变量法、综合比较法、对称消除法等). 鼓励优秀学生阅读青年霍尔的研究论文原著“On a new action of the magnet on electric currents”[7]，激励学生根据自己的兴趣，利用霍尔效应的原理和元器件自行设计位移传感器、速度和角速度传感器、数字风速仪、简易高斯计和磁场扫描仪等. 学生通过该实验不仅学会了物理实验的原理、知识、方法或技术，更欣赏到霍尔效应实验的精巧设计和研究思路，在探究的过程中收获了快乐[8].

快乐教学需要在教学的过程中注重与学生的互动，调动他们的积极性，学生不仅仅是知识的被传输者，也是教学过程的积极参与者，是主体. 培养学生的质疑精神，提倡批判性思维，培养学生发现问题、分析问题、解决问题和提出问题的能力. 物理实验教师不仅仅是知识和技能的传输者，更应该是一个好向导和优秀课程主持人，要善于根据课程进度提出问题，听学生发表意见和回答问题、不失时机地组织研讨论证，进行实验探究. 教师是教学过程的主导者，应在教学的实践中不断听取各方面的意见和建议、随着学科和教育技术的发展，补充新内容、引入新技术、改进教学方法，不断完善自己.

我们正尝试在物理实验教学中引入一些“好玩”和“有趣”的物理实验教学内容，开展以兴趣为导向的物理实验教学模式的探索，设计一些既有学术研究的严谨性，又不乏趣味性的物理“游戏”实验，激发学生们学习物理的兴趣和热情，主动“游戏”物理，我们将和学生们一起快乐学习，快乐教学，相互促进，共同成长.

参考文献：

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

[2]菠萝科学奖官方微博[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·马吉. 物理学原著选读[M]. 北京：商务印书馆,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]熊永红,张昆实,任忠明，等. 大学物理实验(第一册)[M]. 北京：科学出版社，2007.

[责任编辑：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

中图分类号：G642.423

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)05-0012-04

作者简介：熊永红(1954-)，女，江西南昌人，华中科技大学物理学院教授、文华学院基础学部教授，学士，从事物理实验教学、纳米功能研料研制、应用物理学和科教仪器研究工作.

收稿日期：2015-04-19