设计DIY光学“魔箱” 开展STEAM项目活动

尤爱惠 陈显盈

（1.浙江省温州市南浦实验中学，浙江 温州 325000；2.浙江省温州中学，浙江 温州 325000）

1 教学背景

魔术是深受学生们喜爱的节目，包含着许多科学原理.科技馆里有一件能让放入其中的物体“消失”的道具“魔箱”.物体为什么会“消失”了呢？如何应用光学知识DIY自制一款具有“消失”等效果的“魔箱”.

2 教学理念与目标

STEAM教育是集科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）及数学（Mathematics）等多学科融合的综合教育.美国国际技术与工程教育学会于2014年提出的“6E设计型学习模式”是近年来备受推崇的课程设计模式，包含引入（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、工程（Engineer）、深入（Enrich）和评价（Evaluate）6个环节.如表1所示，本项目基于“6E模式”设计并开展以科学（物理）学科为本位的STEAM活动：光学“魔箱”的设计与制作.该项目不只是物理实验，也不是纯粹的手工制作活动，更不是单纯的魔术表演，而是承载了STEAM意义的综合教育活动.

表1 光学“魔箱”的设计与制作项目

3 教学内容与过程

3.1 引入——引入课题、明确任务

如图1所示，教师用白纸板自制的“魔箱”进行魔术表演：从“魔箱”上方入口放进一个硬币，硬币“消失”了.硬币去哪了呢？如何设计自制具有“消失”效果的“魔箱”？引入课题：光学“魔箱”的设计与制作.

图1 “硬币消失”魔术

设计意图：该环节演示魔术、激发兴趣、引入课题、明确任务.

3.2 探究——设计方案、实验验证

（1）设计方案.如何让“魔箱”内部看起来是空的？部分学生设计的方案如图2所示，这些设计方案可行吗？经过理论分析，这些方案镜面与底面的夹角并非是45°，均不可行，可以通过实验进行验证.

图2 设计方案（侧视图）

（2）实验验证.如图3所示，各小组进行实验验证，将3张黑白方格纸分别贴在一空箱内部的左、右侧面和底面，改变平面镜与底面的夹角θ，观察实验效果.实验结果表明.当夹角θ为45°时，各面看起来是相互垂直的，“空箱”的效果最真实，符合要求.

图3 实验效果（正面）

设计意图：该环节理论研究和实践探索相结合进行方案设计，通过科学实验验证成像规律和演示成像效果，从而培养学生的分析、设计和实验研究能力.

3.3 解释——明确方案、原理解释

如图4所示，要想通过平面镜看到的像黑白方格好像在竖直面上，不仅要平面镜斜着，而且要保证斜平面镜与底面的夹角θ为45°.因此，可采用正方体（或侧面为正方形的长方体结构），平面镜卡在侧面对角线位置，与底面的夹角刚好为45°.此时，底面上的黑白方格通过平面镜成像后与底面刚好成90°，因此箱子内部不仅看起来是空的，而且还是各面相互垂直的立体结构.另外，黑白方格不仅能增强“魔箱”内部空间的视觉效果，而且能干扰观察者的注意力，更具艺术性和魔幻性.可见，硬币并没有消失，只是藏在了平面镜背面的暗箱里.

图4 明确方案

设计意图：明确设计方案，解释“魔箱”的科学原理，通过定量分析巩固对科学知识和原理的理解.

3.4 工程——STEAM分析、模型制作

自制DIY“魔箱”过程需要综合考虑科学、数学、技术、工程及艺术等因素.

（1）科学因素.该“魔箱”的设计与制作涉及光的反射定理、光的45°角反射应用、平面镜成像原理等科学因素.

图5 “魔箱”尺寸要求

（3）技术因素.如何利用计算机软件绘制黑白方格纸模板？以WORD软件为例，打开软件，绘制出表格，设置单元格合适长度和宽度，间隔填充每个单元格为白色和黑色，最后在白纸上打印后即可.

（4）工程因素.以表2中的141结构为样例，设计的平面图如图6所示（尺寸为30 cm×20 cm×20 cm）.“魔箱”箱体可选用硬纸、泡沫板、木板、有机玻璃板等材料；为了方便裁剪，平面镜可选用一种可切割、可弯曲、可对折的塑料软镜子，可用普通剪刀直接进行裁剪；为了保证黑白方格纸平整，先用普通白纸打印后再粘贴在硬纸上.如图7所示，学生根据不同材料制作了各种作品：箱体有利用现成正方体纸盒的，也有用各种长方体纸盒或纸箱改造的，也有用硬纸、泡沫板、木板或有机玻璃板自制的.

表2 可拼成立方体的平面图

图6 平面设计图（单位：cm）

图7 作品展示

（5）艺术角度.艺术方面涉及箱体的外观装饰和色彩搭配、说明书的文字书写、黑白方格的视觉效果、演示过程的语言和肢体表现、舞台的魔术效果等.

设计意图：该环节根据工程制作程序开展制作活动，在制作实践过程中注重科学、技术、工程、艺术及数学等学科知识的综合应用.

3.5 深入——拓展案例、深入研究

设计任务：除了保留“消失”效果，请你将原“魔箱”改造成一款还兼具“一变二”效果的“魔箱”，并解释其科学原理.设计方案：某小组学生设计的方案见图8，保留顶面用来放入物体的入口P，只需再在侧面增加一个入口Q即可.根据平面镜成像原理可知，从上方P处放入一物体AB，箱中不见物体；换从侧面Q处放入，箱中却见两个“物体”（物体AB和虚像A′B′）.作品演示：以固定胶棒为例，其实物作品演示的实际效果见图9.

图8 “魔箱”设计方案

图9 作品展示

另外，该“魔箱”还可以改造成具有“消失”、“无中生有”、“变多”、“大变活物”或“隐身”效果的“魔箱”，如若先将人或动物事先躲藏在较大的“魔箱”内，就可以实现“无中生有”或“大变活物”等更具视觉冲击的魔术效果.由于篇幅有限，本文不再拓展分析.

设计意图：该环节通过拓展案例深入思考“一变二”魔箱的科学原理，提出新问题和新任务进行深度探索，注重学生分析、评价及创造等高阶思维的培养.

4 教学评价——魔术表演、评价交流

学生完成作品并进行魔术表演.如表3所示，师生、生生之间根据项目评价量规开展自评、生评及师评，从多个评价维度对活动过程和结果进行评价，确认是否达成学习目标.

表3 项目评价量表

设计意图：评价应重参与、重过程，强调评价主体的多元化，教学内容的综合性和全面性，评价标准的合理性和科学性.

总之，该光学“魔箱”项目以物理情境或问题激发学生的好奇心，围绕“光学”核心科学知识，基于STEAM的6E设计型学习模式，紧扣引入、探究、解释、工程、深入和评价等6个环节，结合了“科学探究”思维和“工程设计”实践，注重学生分析、评价及创造等高阶思维的培养，运用跨学科的知识应对和解决挑战性任务.该项目成果在学校进行作品展示和魔术表演，效果极佳，深受全校师生欢迎.