基于STEAM的綜合實踐活動設計與實施
——以偽全息“金字塔”設計為例

陳虹尹，李貴安*，李鴻彬，余 洋，劉江藝

1.陜西師范大學物理學與信息技術學院，西安 710119

2.南京外國語學校，南京 210008

《義務教育物理課程標準（2022年版）》提出：要有效實施跨學科實踐活動，為學生提供創新實踐的機會。綜合實踐活動能踐行“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念，培養學生的綜合能力與素質［1］。

在《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》的指引下，綜合實踐活動在培養學生創新精神和實踐能力方面取得了一定的成效。然而，在實踐中依然出現表層化實踐和忽視育人的不足［2］。

為充分發揮綜合實踐活動的育人價值，以STEAM教育理念為指導，結合新課標關于跨學科實踐的教學提示，以設計偽全息“金字塔”課題為例，將該課題分為三個階段，每階段包含兩個環節。在教學中，以綜合性問題推動學生實施課題，強調活動的開放性，給予學生拓展研究的自主權；重視評價主體的多元性；此外，教師還需啟發學生積極思考，將創新思想貫穿始終［3］。以期促進學生核心素養的發展，為綜合實踐活動的深層實踐提供典型案例。

1 教學背景

通過分析“蘇科版”物理八年級上冊教材，學生已掌握光的反射以及平面鏡成像的原理和規律。但學生對這些知識在生活中的應用了解較少，除了書上提及的潛望鏡、汽車后視鏡等，難以列舉出其他具體的實例。以制作偽全息“金字塔”為例，基于STEAM教育理念設計并開展以物理學科為本位的綜合實踐活動。

2 教學理念與目標

“科學、技術、工程、藝術、數學”（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathematics，簡稱STEAM）教育是美國格雷特·亞克門（Georgette Yakman）教授及其團隊在STEM教育的基礎上提出的。STEAM教育以數學為基礎，從工程和藝術的角度解讀科學和技術，以跨學科的理念整合不同科目，為現代社會的發展提供優秀的人力資源支持［4］，與綜合實踐活動的理念不謀而合。因此，可以借鑒STEAM教育理念做好綜合實踐活動［5］，如表1所示。

表1 活動模式和STEAM學科目標

3 教學內容與過程

3.1 課題動員與準備階段

3.1.1 引入——提出問題、激發興趣

（1）展示相關情境：播放2013年周杰倫與鄧麗君“穿越時空”的對唱視頻。30年前的鄧麗君為何能在舞臺上再現并與周杰倫合唱？播放2015年春晚的節目《蜀繡》。李宇春如何做到與多個自己共舞？展示舞臺魔術表演“佩珀爾幻象”（Pepper’s Ghost）（圖1）：右上角的“幽靈”從何而來？

圖1 舞臺上的“幽靈”［6］

（2）分小組討論：①圖1涉及哪些光學原理？②圖1的光路圖如何繪制？③透明玻璃與水平面的夾角為多少？

設計意圖：激發學生興趣，引起學生思考。

3.1.2 設計——理論分析、設計方案

（1）理論分析：如圖2所示，右下角視野外的演員被一束強光照射，而后光線經平面鏡反射到透明玻璃，將會有約10%的光線被透明玻璃反射，從而射向觀眾。在透明玻璃與水平面的夾角為45°的情況下，觀眾能夠觀察到舞臺上豎直站立的“幽靈”。又由于環境相對昏暗，觀眾便以為自己觀察到的“幽靈”是真實存在的，再加上反射光線微弱，便實現了“幽靈”影像的朦朧感。

圖2 “佩珀爾幻象”（Pepper’s Ghost）詳解

（2）思考設計：若要各個方向都能觀察到“豎直”的像，如何設計方案？

（3）設計方案：為了便于操作，利用視頻文件替代實物。如果有四個不同方向且與水平面成45°夾角的透明玻璃同時成“像”，則各個方向均能觀察到立體“像”。因此，可把四個完全相同的等腰三角形組合在一起，形成圖3的“金字塔”狀。同時，視頻文件播放圖4的畫面，用以增強“像”的立體感。

圖3 側邊為等腰三角形的幾何體

圖4 視頻文件示例

（4）分小組討論：幾何體側面等腰三角形底與邊的比值關系。初中生學過勾股定理，但尚未接觸立體幾何，需要教師引導發現幾何體中的特殊三角形，以便求解。經分析可得，幾何體側面等腰三角形底與邊的比值關系為

設計意圖：該環節明確了活動課題為制作偽全息“金字塔”。通過將實際情境與光學知識相聯系，可以培養學生分析和解釋綜合性問題的能力。除此之外，注重技術（T）的使用，運用幾何畫板繪制幾何體；以舞臺藝術（A）為背景分析情境；等腰三角形底邊關系的求解則運用了立體問題平面化、勾股定理等數學（M）知識。在設計過程中充分整合了科學、技術、藝術和數學。

3.2 課題實施階段

3.2.1 工程——STEAM分析、成品制作

（1）科學（S）：偽全息“金字塔”的設計與制作涉及光的反射、平面鏡成像原理等物理知識。教師還可以引導學生自主設計實驗，探究影響成像效果的因素。

（2）數學（M）：①偽全息“金字塔”側面等腰三角形底與邊的比值關系為；②如何在坐標紙上準確地畫出該類等腰三角形？

（3）技術（T）：學生可利用幾何畫板繪制等腰三角形模型。

（4）工程（E）：①如何選擇合適的材料？為確保操作的便捷和較佳的成像，透明物體可選取21 cm×30 cm的透明PVC薄片；②偽全息“金字塔”側面等腰三角形尺寸為多少合適（教師啟發學生結合屏幕寬度確定尺寸）；③制作成品：將4個裁剪好的等大等腰三角形用膠帶粘貼在一起（圖5）；④學生在使用上述成品觀察偽全息影像時，發現偽全息“金字塔”倒放不穩定，如何改進？通過教師引導，學生可制作一個簡易支架，同時將視頻文件中的物體由圖 6（a）改動為圖 6（b），其成品如圖6（c），穩固和易觀察二者兼顧。

圖5 學生制作成品圖

（5）藝術（A）：成品制作完成后，呈現的偽全息影像似真似幻，如圖6（d）所示。學生還需填寫STEAM教育過程卡，展現本組活動思路與成果。

圖6 視頻文件的改動和簡易支架成品

設計意圖：該環節以小組合作為主，教師指導為輔。學生自主進行成品制作并不斷改進。體現了對學生自主性和教師啟發性的注重。并且充分展現了“設計—實施—改進—再實施—再改進”的工程思維。同時，在成品制作過程中包含科學、技術、工程、藝術及數學的綜合應用，體現了問題解決的綜合性。

3.2.2 深入——思維拓展、深入研究

拓展任務：①為何稱之為“偽全息”？②是否有其他方法增強成像效果？③目前的全息投影技術有哪些？分別是如何實現的？④關于“佩珀爾幻象”（Pepper’s Ghost）生活中是否還有其他應用？

設計意圖：該環節通過設置4個任務點進行拓展，將本次課題與學生生活緊密聯系起來，注重問題的綜合性和活動的開放性。學生可以自由選擇問題，強調小組合作與分工，體現對學生自主性的重視。

3.3 課堂小結與評價階段

3.3.1 評價——匯報交流、學習評價

學生成品制作完成后，在匯報交流課上從不同方面展示小組成果，相互學習；由各小組評分員對本組和其他小組的匯報展開自評、他評；由三位教師進行評價，評價維度如表2所示。根據評分結果，遴選出優秀小組，組內選出優秀小組長和最佳貢獻成員。

表2 綜合實踐活動評價表

設計意圖：匯報內容和形式契合STEAM教育理念的跨學科性。

3.3.2 小結——教師總結、啟發思考

學生匯報交流后，由教師對整個綜合實踐活動進行回顧與總結。在活動形式上，以小組合作為主，教師簡要梳理各組活動出現的問題并給出建議，強調組內相互學習、組間合作競爭。

設計意圖：該環節注重教師對學生科學態度與責任的啟發引導，將人文藝術（A）與實踐活動充分整合，推動學生的再拓展。

4 總結

本綜合實踐活動以偽全息“金字塔”為主題，以STEAM教育理念為指導，分為課題動員與準備階段、課題實施階段和課堂小結與評價階段。整個活動過程注重問題的綜合性、活動的開放性、學生的自主性、評價的多元性、教師的啟發性。在核心素養發展方面，注重學生聯系、分析、解釋等知識運用與思維能力的培養。鼓勵學生創新創造、大膽質疑，運用計算機軟件、查詢資料等各類技術解決實際問題。注重匯報交流時語言表達能力的培養。