用纸杯做留声机?玻璃珠做显微镜?这位博士后极客爸爸说：科学并不神秘

　　以下文章来源于成长的可能 ，作者张蔚斐

　　受访人：常鹏 清华大学精密仪器与机械学系博士，中国科学院自动化研究所博士后，也是两个孩子的父亲。2013年，常鹏走上“自主研发物理教具”的创业道路，创办“动展”品牌，2021年推出“鹏博士科学探索”夏冬令营。

　　常鹏曾参与多项国家自然科学基金及国家高技术研究发展计划(863)项目，参与过仿人形及高仿真机器人、机器鱼、工业机械臂等多个项目的研发。拥有多项国家专利，自研实验道具百余种，擅长声、光、电磁、热、流体等科学实验道具的开发与研制。

　　科学是什么?是天文望远镜中浩瀚无垠的宇宙太空?还是显微镜下的微生物?高端的仪器、精密的数据，似乎很神秘，离我们遥不可及。

　　但是，在常鹏博士的实验室里，“科学”，触手可及。

　　过去7年，常鹏一直潜心于物理教具研发。他有一个基本原则：用看似最“普通”的物件，来作为物理教具的材料。纸杯、玻璃珠、水滴、薄膜、大头针……这些都是常鹏实验室里最常见的材料，却能完成一个个“神奇”的科学实验。而这些几块钱、十几块钱，最贵不超过40块钱的物理教具，吸引了很多物理老师自掏腰包购买。

 　　(乒乓球机关枪)

　　在本次对话中，常鹏博士常常提及：“科学其实并不神秘”。“调用你所能调用的资源，每个人都可以是发明家，科学就在你身边。”

　　国家对培养孩子“科学素养”的重视度日益提高。2021年6月，国务院印发全民科学素质行动规划纲要通知，强调要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置，促进全民科学素养提高。家长们对STEAM教育也不再陌生，市场上的产品更是五花八门。那么，科学素养究竟是什么？该如何培养孩子最底层的科学素养？家长避免走入哪些误区？希望本篇文章能为大家带来启发。

　　#1

　　纸杯、大头针做出“留声机”，小蜡烛

　　做出“蒸汽机”……“科学不是高高在上的”

　　“留声机，看起来很高级、很复杂。我反复琢磨，最后用常见的材料，比如纸杯、大头针，当然也用到一些不常见的材料，比如PVC薄膜，做出了一款简易版留声机。虽然无法达到几千块钱专业留声机的效果，但却能展示留声机背后的原理。”一开场，常鹏便讲了一个他的“小发明”。

　　背后是什么原理呢?

　　通过一次性杯子、PVC薄膜和刻针(大头针)，就可以把声音刻录到薄膜上。把刻针固定在一次性杯子的杯底，针尖伸出杯底，人对着杯子说话，杯底就会振动。杯底带动针尾振动，针尾带动针尖振动，针尖抵着旋转的薄膜转盘，声音的“痕迹”就通过振动的针尖留在了薄膜上。这就相当于机械录音机，当薄膜转盘再次转回来时，声音的“痕迹”带动刻针振动，我们的声音就被复原传播回来了。

　　这一项实验，用到的就是声音振动原理。

　　“有些孩子在成长的过程中，会养成轻言放弃的习惯。比如他会认为自己离科学很远，是因为他无法调动那些研究资源。其实，即使没有高大上的材料，没有很多资源，我们也可以用身边简易的材料去模拟相似的实验，虽然效果肯定不及精密的实验，但是背后的原理是共通的。我希望教会他们一个做事的道理：只要你拥有好奇心，勇于探索，调动身边能调动的资源，也可以成为‘小小发明家’。”

　　类似的小实验还有很多。

　　常鹏在研究光学实验时，曾被一则有趣的新闻吸引。圆柱形的游泳池产生了视觉错觉，一名男子的头在水面上，身体在水里，从透明泳池侧面看，他的头和身体完全分离了。这个有趣的现象让他开始思考，可以利用“光的折射”原理做哪些有趣的小实验呢?

　　(头、身分离现象 图片来源：中国青年网)

　　“圆柱体对光的折射是有规律可循的，红酒高脚杯的杯腿也是圆柱体，一束激光打过去，通过透明的圆柱体杯腿，我们会发现，激光发散了，其真实过程是激光先会聚然后再发散出去，但因为圆柱体杯腿焦距很短，肉眼很难看出来激光会聚的过程，所以看到的是对激光的发散现象。于是，这束光就被放大了。圆柱体对光的发散是二维的，如果此时高脚杯快速旋转起来，就形成了球体，对光的发散就成了三维的。”

　　激光束之旅，从一条线，到一个面，再到一个体，经历的过程都可以清晰地展现在孩子们的面前。

　　“想通了这个原理后，我们就可以直接拿一个球型的玻璃珠子，代替高速旋转的圆柱体。光透过玻璃珠子，就有放大效果，根据这个原理，我们可以做简易的显微镜。用玻璃珠，可以看到细胞，可以把一只小蚂蚁放大到手掌那么大。”

　　(蚂蚁放大实验)

　　实验室的另一项有趣的实验——水滴中的世界，运用的也是这一原理。有了玻璃珠作为铺垫，孩子们很容易联想到，自然界中最易获得、形状也最接近球体的透明物质，就是水滴。水滴可以当放大镜吗?能放大多少倍?从人眼到显微镜，再到天文望远镜，人类是怎样一步一步扩展自己的视野的?可以这样引导孩子们由浅及深地思考问题。

　　“运用这个原理，实验室还引导参与实验的孩子们给自己做了一次‘尿检’。尿液也是水滴，用激光放大水滴中的物质，观察尿液中的杂质，杂质少的孩子更健康。”孩子们对这样的小实验也很感兴趣，又有趣，又能引导他们思考背后的科学原理。

　　(水滴中的世界)

　　“把复杂的科学简单化”，是常博士的理念。

　　常鹏博士还介绍了用小蜡烛做“简易蒸气机”的实验。将空心管支架插到塑料浮子的两孔中，通过注射器给空心管注满水，将蜡烛放在塑料浮子上方、空心管支架下方，整套装置放在水面上，点燃蜡烛即可观察浮子的运动。

　　运用的原理也很简单，蜡烛火焰的热量将空心管支架内的水烧成蒸汽，蒸汽推着空心管内的水或蒸汽从空心管支架的两个出口喷出，两个出口的方向相反，于是，在喷涌的力矩作用下，浮子会发生旋转运动。

　　常鹏认为，科学离我们很近，就在我们的身边。日常的知识积淀能帮助我们解决很多问题。因此，他所设计的实验材料包，用到的都是简单的材料。

　　比如，4方磁铁石墨磁悬浮材料包只用到了四块方形磁体和一块热解石墨片，就可以观察到石墨片的磁悬浮现象，材料简单，但物理现象呈现明显。

　　#2

　　孩子底层的科学素养来自哪里？

　　“当孩子们自己动手完成一项科学小实验，成就感是巨大的。每个人都有很大的潜力，都是小小发明家。”

　　但他提醒家长，在培养孩子科学素养方面，一定要警惕“快餐思维”。

　　“系统的知识点还是应该在课堂上学习。不能做快餐科学课，比如超前学习，把初中的知识点拿到小学提前学，浅显囫囵地把科学知识塞进孩子们的脑海里。功利性太强的学习，透支的是他们对世界的好奇心。”

　　“当他们未来再在课堂上接触到这项实验，他认为自己已经看过了实验结果，对更严密的过程和原理就没有求知欲了，反而影响后面课堂上知识点的系统学习。”

　　常鹏认为，实验的过程应该首先引导孩子思考、让孩子自己探索，而不是把所有材料都给到孩子，给他们一份说明书，孩子像组装家具一样，这样很容易看到结果，但是孩子如果不去思考背后的底层逻辑，这样的实验没有意义。

　　了解声音的振动原理时，首先要知道什么是振动，谁在振动。声音是无形的，怎样让它“有形”?常鹏会给孩子们发纸杯和沙粒，对着纸杯说话，观察沙粒在振动。“我做科学活动时，用什么材料，先由学生自己想，绝大部分认同的情况下，再向下进展。

　　由于很多问题是开放性的，孩子们会给出一些不同的方案。这时候，孩子们可以根据自己选择的方案分组进行科学探索，看看哪种方案是最优的。科学实验器材也并不是简单组装就能完成的。一些动手能力强的孩子可能一次就能成功，有些孩子可能需要反复实践，或者靠同伴的帮助才能完成某个实验环节。每个环节的完成质量与最终的实验效果都是相关的。

　　常鹏发现，网上很多实验短视频都会刻意追求“高大上”的设备、精密的仪器。例如，材料很复杂，钛合金、“超精密加工”磁悬浮材料、“航天材料”、专业软件画图、3D打印机……他非常不理解这种现象，“难道为了做一个实验，还要先学会专业软件画图?还要买个3D打印机?”

　　在常鹏的实验室，很简单的道具就能完成相同的实验，朴素地展示实验背后的原理。把科学包装地非常高大上，却忽视了科学的本质，这样的做法他非常不支持。

　　常鹏说，他并不强调孩子们把原理、知识点死记下来，他更希望孩子们能有独立的思考能力，培养他们的动手能力和意识，当孩子们懂得了科学基础知识后，可以自如运用，做一些小制作，解决生活中的难题。通过科学探索，鼓励孩子们在未来的人生中，无论遇到什么困难，都摒除惯性思维、勇于批判、勇于尝试，调动一切身边的资源去解决问题。