設計DIY光學“魔箱” 開展STEAM項目活動

尤愛惠 陳顯盈

（1.浙江省溫州市南浦實驗中學，浙江 溫州 325000；2.浙江省溫州中學，浙江 溫州 325000）

1 教學背景

魔術是深受學生們喜愛的節目，包含著許多科學原理.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？如何應用光學知識DIY自制一款具有“消失”等效果的“魔箱”.

2 教學理念與目標

STEAM教育是集科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）及數學（Mathematics）等多學科融合的綜合教育.美國國際技術與工程教育學會于2014年提出的“6E設計型學習模式”是近年來備受推崇的課程設計模式，包含引入（Engage）、探究（Explore）、解釋（Explain）、工程（Engineer）、深入（Enrich）和評價（Evaluate）6個環節.如表1所示，本項目基于“6E模式”設計并開展以科學（物理）學科為本位的STEAM活動：光學“魔箱”的設計與制作.該項目不只是物理實驗，也不是純粹的手工制作活動，更不是單純的魔術表演，而是承載了STEAM意義的綜合教育活動.

表1 光學“魔箱”的設計與制作項目

3 教學內容與過程

3.1 引入——引入課題、明確任務

如圖1所示，教師用白紙板自制的“魔箱”進行魔術表演：從“魔箱”上方入口放進一個硬幣，硬幣“消失”了.硬幣去哪了呢？如何設計自制具有“消失”效果的“魔箱”？引入課題：光學“魔箱”的設計與制作.

圖1 “硬幣消失”魔術

設計意圖：該環節演示魔術、激發興趣、引入課題、明確任務.

3.2 探究——設計方案、實驗驗證

（1）設計方案.如何讓“魔箱”內部看起來是空的？部分學生設計的方案如圖2所示，這些設計方案可行嗎？經過理論分析，這些方案鏡面與底面的夾角并非是45°，均不可行，可以通過實驗進行驗證.

圖2 設計方案（側視圖）

（2）實驗驗證.如圖3所示，各小組進行實驗驗證，將3張黑白方格紙分別貼在一空箱內部的左、右側面和底面，改變平面鏡與底面的夾角θ，觀察實驗效果.實驗結果表明.當夾角θ為45°時，各面看起來是相互垂直的，“空箱”的效果最真實，符合要求.

圖3 實驗效果（正面）

設計意圖：該環節理論研究和實踐探索相結合進行方案設計，通過科學實驗驗證成像規律和演示成像效果，從而培養學生的分析、設計和實驗研究能力.

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（或側面為正方形的長方體結構），平面鏡卡在側面對角線位置，與底面的夾角剛好為45°.此時，底面上的黑白方格通過平面鏡成像后與底面剛好成90°，因此箱子內部不僅看起來是空的，而且還是各面相互垂直的立體結構.另外，黑白方格不僅能增強“魔箱”內部空間的視覺效果，而且能干擾觀察者的注意力，更具藝術性和魔幻性.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

設計意圖：明確設計方案，解釋“魔箱”的科學原理，通過定量分析鞏固對科學知識和原理的理解.

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、數學、技術、工程及藝術等因素.

（1）科學因素.該“魔箱”的設計與制作涉及光的反射定理、光的45°角反射應用、平面鏡成像原理等科學因素.

圖5 “魔箱”尺寸要求

（3）技術因素.如何利用計算機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，設置單元格合適長度和寬度，間隔填充每個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結構為樣例，設計的平面圖如圖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，學生根據不同材料制作了各種作品：箱體有利用現成正方體紙盒的，也有用各種長方體紙盒或紙箱改造的，也有用硬紙、泡沫板、木板或有機玻璃板自制的.

表2 可拼成立方體的平面圖

圖6 平面設計圖（單位：cm）

圖7 作品展示

（5）藝術角度.藝術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、舞臺的魔術效果等.

設計意圖：該環節根據工程制作程序開展制作活動，在制作實踐過程中注重科學、技術、工程、藝術及數學等學科知識的綜合應用.

3.5 深入——拓展案例、深入研究

設計任務：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”，并解釋其科學原理.設計方案：某小組學生設計的方案見圖8，保留頂面用來放入物體的入口P，只需再在側面增加一個入口Q即可.根據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；換從側面Q處放入，箱中卻見兩個“物體”（物體AB和虛像A′B′）.作品演示：以固定膠棒為例，其實物作品演示的實際效果見圖9.

圖8 “魔箱”設計方案

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”，如若先將人或動物事先躲藏在較大的“魔箱”內，就可以實現“無中生有”或“大變活物”等更具視覺沖擊的魔術效果.由于篇幅有限，本文不再拓展分析.

設計意圖：該環節通過拓展案例深入思考“一變二”魔箱的科學原理，提出新問題和新任務進行深度探索，注重學生分析、評價及創造等高階思維的培養.

4 教學評價——魔術表演、評價交流

學生完成作品并進行魔術表演.如表3所示，師生、生生之間根據項目評價量規開展自評、生評及師評，從多個評價維度對活動過程和結果進行評價，確認是否達成學習目標.

表3 項目評價量表

設計意圖：評價應重參與、重過程，強調評價主體的多元化，教學內容的綜合性和全面性，評價標準的合理性和科學性.

總之，該光學“魔箱”項目以物理情境或問題激發學生的好奇心，圍繞“光學”核心科學知識，基于STEAM的6E設計型學習模式，緊扣引入、探究、解釋、工程、深入和評價等6個環節，結合了“科學探究”思維和“工程設計”實踐，注重學生分析、評價及創造等高階思維的培養，運用跨學科的知識應對和解決挑戰性任務.該項目成果在學校進行作品展示和魔術表演，效果極佳，深受全校師生歡迎.