設(shè)計(jì)DIY光學(xué)“魔箱” 開展STEAM項(xiàng)目活動(dòng)

尤愛惠 陳顯盈

（1.浙江省溫州市南浦實(shí)驗(yàn)中學(xué)，浙江 溫州 325000；2.浙江省溫州中學(xué)，浙江 溫州 325000）

1 教學(xué)背景

魔術(shù)是深受學(xué)生們喜愛的節(jié)目，包含著許多科學(xué)原理.科技館里有一件能讓放入其中的物體“消失”的道具“魔箱”.物體為什么會“消失”了呢？如何應(yīng)用光學(xué)知識DIY自制一款具有“消失”等效果的“魔箱”.

2 教學(xué)理念與目標(biāo)

STEAM教育是集科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Arts）及數(shù)學(xué)（Mathematics）等多學(xué)科融合的綜合教育.美國國際技術(shù)與工程教育學(xué)會于2014年提出的“6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式”是近年來備受推崇的課程設(shè)計(jì)模式，包含引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、工程（Engineer）、深入（Enrich）和評價(jià)（Evaluate）6個(gè)環(huán)節(jié).如表1所示，本項(xiàng)目基于“6E模式”設(shè)計(jì)并開展以科學(xué)（物理）學(xué)科為本位的STEAM活動(dòng)：光學(xué)“魔箱”的設(shè)計(jì)與制作.該項(xiàng)目不只是物理實(shí)驗(yàn)，也不是純粹的手工制作活動(dòng)，更不是單純的魔術(shù)表演，而是承載了STEAM意義的綜合教育活動(dòng).

表1 光學(xué)“魔箱”的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目

3 教學(xué)內(nèi)容與過程

3.1 引入——引入課題、明確任務(wù)

如圖1所示，教師用白紙板自制的“魔箱”進(jìn)行魔術(shù)表演：從“魔箱”上方入口放進(jìn)一個(gè)硬幣，硬幣“消失”了.硬幣去哪了呢？如何設(shè)計(jì)自制具有“消失”效果的“魔箱”？引入課題：光學(xué)“魔箱”的設(shè)計(jì)與制作.

圖1 “硬幣消失”魔術(shù)

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)演示魔術(shù)、激發(fā)興趣、引入課題、明確任務(wù).

3.2 探究——設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）設(shè)計(jì)方案.如何讓“魔箱”內(nèi)部看起來是空的？部分學(xué)生設(shè)計(jì)的方案如圖2所示，這些設(shè)計(jì)方案可行嗎？經(jīng)過理論分析，這些方案鏡面與底面的夾角并非是45°，均不可行，可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

圖2 設(shè)計(jì)方案（側(cè)視圖）

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.如圖3所示，各小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將3張黑白方格紙分別貼在一空箱內(nèi)部的左、右側(cè)面和底面，改變平面鏡與底面的夾角θ，觀察實(shí)驗(yàn)效果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明.當(dāng)夾角θ為45°時(shí)，各面看起來是相互垂直的，“空箱”的效果最真實(shí)，符合要求.

圖3 實(shí)驗(yàn)效果（正面）

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)理論研究和實(shí)踐探索相結(jié)合進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成像規(guī)律和演示成像效果，從而培養(yǎng)學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究能力.

3.3 解釋——明確方案、原理解釋

如圖4所示，要想通過平面鏡看到的像黑白方格好像在豎直面上，不僅要平面鏡斜著，而且要保證斜平面鏡與底面的夾角θ為45°.因此，可采用正方體（或側(cè)面為正方形的長方體結(jié)構(gòu)），平面鏡卡在側(cè)面對角線位置，與底面的夾角剛好為45°.此時(shí)，底面上的黑白方格通過平面鏡成像后與底面剛好成90°，因此箱子內(nèi)部不僅看起來是空的，而且還是各面相互垂直的立體結(jié)構(gòu).另外，黑白方格不僅能增強(qiáng)“魔箱”內(nèi)部空間的視覺效果，而且能干擾觀察者的注意力，更具藝術(shù)性和魔幻性.可見，硬幣并沒有消失，只是藏在了平面鏡背面的暗箱里.

圖4 明確方案

設(shè)計(jì)意圖：明確設(shè)計(jì)方案，解釋“魔箱”的科學(xué)原理，通過定量分析鞏固對科學(xué)知識和原理的理解.

3.4 工程——STEAM分析、模型制作

自制DIY“魔箱”過程需要綜合考慮科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、工程及藝術(shù)等因素.

（1）科學(xué)因素.該“魔箱”的設(shè)計(jì)與制作涉及光的反射定理、光的45°角反射應(yīng)用、平面鏡成像原理等科學(xué)因素.

圖5 “魔箱”尺寸要求

（3）技術(shù)因素.如何利用計(jì)算機(jī)軟件繪制黑白方格紙模板？以WORD軟件為例，打開軟件，繪制出表格，設(shè)置單元格合適長度和寬度，間隔填充每個(gè)單元格為白色和黑色，最后在白紙上打印后即可.

（4）工程因素.以表2中的141結(jié)構(gòu)為樣例，設(shè)計(jì)的平面圖如圖6所示（尺寸為30 cm×20 cm×20 cm）.“魔箱”箱體可選用硬紙、泡沫板、木板、有機(jī)玻璃板等材料；為了方便裁剪，平面鏡可選用一種可切割、可彎曲、可對折的塑料軟鏡子，可用普通剪刀直接進(jìn)行裁剪；為了保證黑白方格紙平整，先用普通白紙打印后再粘貼在硬紙上.如圖7所示，學(xué)生根據(jù)不同材料制作了各種作品：箱體有利用現(xiàn)成正方體紙盒的，也有用各種長方體紙盒或紙箱改造的，也有用硬紙、泡沫板、木板或有機(jī)玻璃板自制的.

表2 可拼成立方體的平面圖

圖6 平面設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

圖7 作品展示

（5）藝術(shù)角度.藝術(shù)方面涉及箱體的外觀裝飾和色彩搭配、說明書的文字書寫、黑白方格的視覺效果、演示過程的語言和肢體表現(xiàn)、舞臺的魔術(shù)效果等.

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)根據(jù)工程制作程序開展制作活動(dòng)，在制作實(shí)踐過程中注重科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)及數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的綜合應(yīng)用.

3.5 深入——拓展案例、深入研究

設(shè)計(jì)任務(wù)：除了保留“消失”效果，請你將原“魔箱”改造成一款還兼具“一變二”效果的“魔箱”，并解釋其科學(xué)原理.設(shè)計(jì)方案：某小組學(xué)生設(shè)計(jì)的方案見圖8，保留頂面用來放入物體的入口P，只需再在側(cè)面增加一個(gè)入口Q即可.根據(jù)平面鏡成像原理可知，從上方P處放入一物體AB，箱中不見物體；換從側(cè)面Q處放入，箱中卻見兩個(gè)“物體”（物體AB和虛像A′B′）.作品演示：以固定膠棒為例，其實(shí)物作品演示的實(shí)際效果見圖9.

圖8 “魔箱”設(shè)計(jì)方案

圖9 作品展示

另外，該“魔箱”還可以改造成具有“消失”、“無中生有”、“變多”、“大變活物”或“隱身”效果的“魔箱”，如若先將人或動(dòng)物事先躲藏在較大的“魔箱”內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)“無中生有”或“大變活物”等更具視覺沖擊的魔術(shù)效果.由于篇幅有限，本文不再拓展分析.

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)通過拓展案例深入思考“一變二”魔箱的科學(xué)原理，提出新問題和新任務(wù)進(jìn)行深度探索，注重學(xué)生分析、評價(jià)及創(chuàng)造等高階思維的培養(yǎng).

4 教學(xué)評價(jià)——魔術(shù)表演、評價(jià)交流

學(xué)生完成作品并進(jìn)行魔術(shù)表演.如表3所示，師生、生生之間根據(jù)項(xiàng)目評價(jià)量規(guī)開展自評、生評及師評，從多個(gè)評價(jià)維度對活動(dòng)過程和結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，確認(rèn)是否達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo).

表3 項(xiàng)目評價(jià)量表

設(shè)計(jì)意圖：評價(jià)應(yīng)重參與、重過程，強(qiáng)調(diào)評價(jià)主體的多元化，教學(xué)內(nèi)容的綜合性和全面性，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的合理性和科學(xué)性.

總之，該光學(xué)“魔箱”項(xiàng)目以物理情境或問題激發(fā)學(xué)生的好奇心，圍繞“光學(xué)”核心科學(xué)知識，基于STEAM的6E設(shè)計(jì)型學(xué)習(xí)模式，緊扣引入、探究、解釋、工程、深入和評價(jià)等6個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合了“科學(xué)探究”思維和“工程設(shè)計(jì)”實(shí)踐，注重學(xué)生分析、評價(jià)及創(chuàng)造等高階思維的培養(yǎng)，運(yùn)用跨學(xué)科的知識應(yīng)對和解決挑戰(zhàn)性任務(wù).該項(xiàng)目成果在學(xué)校進(jìn)行作品展示和魔術(shù)表演，效果極佳，深受全校師生歡迎.