清华教授的思维训练课：创造力培养

高云峰，博士，清华大学航天航空学院教授，现任中国力学学会科学普及工作委员会主任。研究领域为卫星轨道与姿态控制。主持过多项国家自然科学基金、国防军工等项目。出版教材、专著及科普著作10余部，发表论文100余篇，获发明专利授权2项。

曾获军队科技进步一等奖、北京市高等学校教学名师奖、全国科学实验展演汇演比赛一等奖。其理论力学、创客培养2门课程入选教育部“国家精品在线开放课程”。著作的图书《异想天开的科学游戏》入选教育部全国中小学生阅读指导目录。

曾参与我国首次太空授课的方案论证、道具原型设计与制作、讲稿撰写等工作，并接受《新闻1+1》专访。

先后与中央电视台等电视台合作，在《加油！向未来》《异想天开》《异想天开之大师挑战赛》《走近科学》《我爱发明》《原来如此》等栏目中策划设计了数百个原创科普实验和游戏，累计观众人次过亿。

本书以作者为清华大学全校学生开设的“趣味力学实验及制作”“力学中的创意设计”等通识课程为基础，提炼其中通俗易懂的内容，通过有趣的知识讲解，用图文并茂的形式讲述生活中遇到的力学等科学知识。书中案例、实践活动全部由作者原创设计，部分内容曾在电视台节目中展示。

本书介绍知识内容的同时，更侧重思维训练和能力培养。分为四章，每章约十个生活中的趣味问题，利用观察、联想、直觉等方法，采用定性分析和定量计算相结合的形式，对每个问题进行了深入浅出的分析，以开阔视野，启迪思想。

第一章观察与思考：地球在运动吗——从地心说到日心说、苹果砸到牛顿了吗——万有引力定律发现的历史背景、自行车轮的运动——你观察仔细吗等。第二章建模与分析：为什么筷子容易折断——材料的性质、为什么矿泉水瓶凹凸不平——结构与形状等。第三章创意与发明：发明创造的方法——法无定则、寻找四叶草——自己创造幸福、神奇的圆周率——在意想不到的地方出现π、引力甩摆——航天中的异想天开等。第四章动手与实践：纸桥过车、弹簧秤称大象、飞针穿玻璃、神奇的平衡、小熊爬绳、无轮小车等内容。

理解科学的本质，建立底层的思考逻辑！让你脑海里构建科学图景！

这本书，传授的不仅是知识，更是方法！学会如何思考，并掌握思考的方法，去解决问题，提升学生的思维能力。通过多学科与跨学科融合，激发人类的创造力。这是一本内容丰富，培养学生创造力，帮助学生进行跨学科思维训练的书，你可以从中看到简明的科学发展史;看到不同学科重要的模型；看到很多有趣的挑战项目；看到快速分析并解释生活现象的原理；看到无处不在的思维方法和处理问题的技巧；看到你所学过的大部分课程但又截然不同。

卖点一：作者曾参与太空授课活动设计。曾在《加油！向未来》《异想天开》《异想天开之大师挑战赛》《走近科学》《我爱发明》《原来如此》等电视栏目中策划设计了数百个原创科普实验和游戏。

买点二：本书以实际案例出发，系统地、科学地科普创造力培养的过程。“授之于渔”注重观察思考后，培养学生自主解决问题的能力。

教育是为了培养具有良好人格品性、较强行动能力、较好思维品质和较深创造潜能的人才。教育要注重培养学生的思维能力和解决问题的能力。

这是一本内容丰富，培养学生创造力，帮助学生进行跨学科思维训练的书，你可以从中看到简明的科学发展史；看到不同学科重要的模型；看到很多有趣的挑战项目；看到快速分析并解释生活现象的原理；看到无处不在的思维方法和处理问题的技巧；看到你所学过的大部分课程但又截然不同。下面是本书涉及的课程：

● 语文（“复原欹器”中的《孔子家语》）；

● 数学（“重新发现开普勒定律”中对数据进行各种运算并找到规律）；

● 物理（“显微镜和望远镜”中的透镜成像）；

● 生物（“生命科学领域的重要模型”中的遗传与变异）；

● 地理（“从地心说到日心说”中的宇宙模型）；

● 音乐（“吉他品柱的距离”中的十二平均律）；

● 体育（“跳高的方式”中背越式的原理）；

● 美术（“地球的周长”中的透视原理）；

● 计算机（“帕斯卡计算机”中的补码思想）；

● 劳技（“小鸭下山”中的动手实践）；

● 逻辑（“批判性思维”中的逻辑判断）；

● 思政（“寻找四叶草”中自己创造幸福的快乐）；

…………

当然，更多内容涉及多学科与跨学科融合。

本书内容有三个来源：我在清华大学开设的课程，每次课前安排的短小讲座；在清华大学开设的创意挑战课程；在全国各地给大、中、小学生做的报告和开展的创意活动。

来源一：课前短小讲座。我在清华大学给本科生开设了理论力学、航天器动力学课程。除了常规的教学内容，我有意识地采用课前短小讲座的形式增加了很多关于思维、创意的内容。这些内容短小精练，既与课程内容密切相关，又富于启发。用所学知识分析案例背后的道理，一方面让学生了解理论如何应用于实践，另一方面案例中的结论具有启发作用，让学生感受到虽然是从物理学角度得到的结论但是又具有更普遍的意义，从而超越了知识本身。

来源二：创意挑战课程。我提倡一种“基于设计的学习”，把定性分析、定量计算、创意设计、动手实践融为一体，最后得出具有教育意义的结论并用实物进行演示，这是学生喜欢但目前教育中所缺乏的模式。为此我开设了趣味力学实验及制作、力学中的创意设计课程。其中趣味力学实验及制作是清华大学第一批创意实践课程，我带领学生做了很多创意挑战项目，包括本书第四章“动手与实践”中的大部分活动，“弹簧秤称大象”“飞针穿玻璃”“手机吊冰箱”等还被中央电视台做成了科普节目；“小鸭下山”则成为电视节目《加油！向未来》中的一期节目。

来源三：开展创意活动。除了在清华大学教学，我有机会在全国各地给大、中、小学生，甚至幼儿园小朋友做创意讲座，上示范课程，开展了很多趣味创意活动。面对年龄跨度很大的学生，就不适合讲太具体的知识，所以我更多讲解思维、创意的方法，结合案例进行启发引导。为此我自己设计了思考问题的角度和解决问题的方法并开发了很多创意活动的道具。

鉴于此，我整理并适当删减了一些复杂的内容，补充了一些简单的案例，构成本书的基本内容，小学高年级和初中学生都可以看懂。书中通过日常生活和学习中司空见惯的现象，以及科学和工程中有趣的历史或装置，分析其背后的道理、思考的方法及给我们的启示。

书中的案例有趣且具有启发意义。

第一章“观察与思考”，介绍了如何透过现象看本质。从身边自行车说起，从辐条是否模糊引发认知冲突，继而引出虽然有“眼见为实”的说法，但眼睛所看到的现象可能只是事物的表面现象，我们除了要仔细观察，同时还需要善于思考。

第二章“建模与分析”，介绍了如何解释我们所关心的问题。例如，竹筷子为什么不容易拉断而很容易折断，通过对竹纤维受力的形象分析，很自然地理解“团结一致”力量大，而“各自为战”容易被各个击破的道理。

第三章“创意与发明”，介绍了一些发明的案例，包括工具和方法。以跳高为例，不同的过杆方式会得到不同的成绩，引申出做事情方法的重要性。在能力一定的情况下，方法好就可以事半功倍，这一结论超越了学习具体的知识，方法比知识更重要，富有启发意义。

第四章“动手与实践”，介绍理论与实践相结合的案例。例如，复原孔子时代欹器的案例，把教育含义、创意设计、动手实践融合在一起。经过定性分析和计算，可以设计并做出一个在桌面上演示的模型，是很好的“座右铭”。

第一章 观察与思考……………………………………………………… 001

自行车车轮的运动——你注意到了什么…………………………………………… 003

从地心说到日心说——地球在运动吗……………………………………………… 007

重新发现开普勒定律——数据中隐藏着规律吗…………………………………… 016

现象与本质——苹果砸到牛顿了吗………………………………………………… 021

辛勤的蚂蚁——1+1= ？… ………………………………………………………… 026

时间与方向——知识如何转换为能力……………………………………………… 031

自然界的启示——自旋一定稳定吗………………………………………………… 037

批判性思维——太空中肉眼能看见长城吗………………………………………… 043

渡渡鸟与树的故事——万物有关联吗……………………………………………… 051

第二章 建模与分析……………………………………………………… 055

物质科学领域的重要模型——原子模型…………………………………………… 058

生命科学领域的重要模型——DNA 模型… ……………………………………… 065

地球科学领域的重要模型——板块模型…………………………………………… 070

比例分析——为什么大型鸟不容易飞起来………………………………………… 076

材料的性质——为什么筷子容易折断……………………………………………… 083

摩擦自锁——你能一只手抓起篮球吗……………………………………………… 089

从细节处进行定性分析——用力学如何“考古”………………………………… 094

吉他品柱的距离——疏密排列背后有什么道理…………………………………… 100

从投影说起——如何从具体问题上升到方法……………………………………… 105

第三章 创意与发明……………………………………………………… 111

与众不同——发明创造有哪些方法………………………………………………… 114

显微镜和望远镜——如何进行组合式发明………………………………………… 122

生命的来源——如何得出有说服力的证据………………………………………… 129

地球的周长——如何利用差异寻找答案…………………………………………… 136

帕斯卡计算机——如何让加法器做减法…………………………………………… 144

跳高的方式——如何做到事半功倍………………………………………………… 151

意想不到的圆周率——如何变换使问题简单……………………………………… 155

航天中的引力甩摆——如何借力飞行……………………………………………… 161

蒸汽机的发明与改进——如何稳定地工作………………………………………… 168

第四章 动手与实践……………………………………………………… 175

弹簧秤称大象——如何简单巧妙地解决问题……………………………………… 177

飞针穿玻璃——如何发现问题并解决问题………………………………………… 182

神奇的平衡——如何利用摩擦自动完成任务……………………………………… 189

无轮小车——如何验证猜测………………………………………………………… 194

寻找四叶草——如何自己创造幸福………………………………………………… 200

手机吊冰箱——如何把力放大10 万倍… ………………………………………… 205

复原欹器——孔子的中庸之道如何体现…………………………………………… 211

小鸭下山——如何让不倒翁行走起来……………………………………………… 216

记里鼓车——古代如何计算里程…………………………………………………… 221