基于STEAM的综合实践活动设计与实施——以伪全息“金字塔”设计为例

陈虹尹，李贵安*，李鸿彬，余 洋，刘江艺

1.陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安 710119

2.南京外国语学校，南京 210008

《义务教育物理课程标准（2022年版）》提出：要有效实施跨学科实践活动，为学生提供创新实践的机会。综合实践活动能践行“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，培养学生的综合能力与素质［1］。

在《中小学综合实践活动课程指导纲要》的指引下，综合实践活动在培养学生创新精神和实践能力方面取得了一定的成效。然而，在实践中依然出现表层化实践和忽视育人的不足［2］。

为充分发挥综合实践活动的育人价值，以STEAM教育理念为指导，结合新课标关于跨学科实践的教学提示，以设计伪全息“金字塔”课题为例，将该课题分为三个阶段，每阶段包含两个环节。在教学中，以综合性问题推动学生实施课题，强调活动的开放性，给予学生拓展研究的自主权；重视评价主体的多元性；此外，教师还需启发学生积极思考，将创新思想贯穿始终［3］。以期促进学生核心素养的发展，为综合实践活动的深层实践提供典型案例。

1 教学背景

通过分析“苏科版”物理八年级上册教材，学生已掌握光的反射以及平面镜成像的原理和规律。但学生对这些知识在生活中的应用了解较少，除了书上提及的潜望镜、汽车后视镜等，难以列举出其他具体的实例。以制作伪全息“金字塔”为例，基于STEAM教育理念设计并开展以物理学科为本位的综合实践活动。

2 教学理念与目标

“科学、技术、工程、艺术、数学”（Science、Technology、Engineering、Arts、Mathematics，简称STEAM）教育是美国格雷特·亚克门（Georgette Yakman）教授及其团队在STEM教育的基础上提出的。STEAM教育以数学为基础，从工程和艺术的角度解读科学和技术，以跨学科的理念整合不同科目，为现代社会的发展提供优秀的人力资源支持［4］，与综合实践活动的理念不谋而合。因此，可以借鉴STEAM教育理念做好综合实践活动［5］，如表1所示。

表1 活动模式和STEAM学科目标

3 教学内容与过程

3.1 课题动员与准备阶段

3.1.1 引入——提出问题、激发兴趣

（1）展示相关情境：播放2013年周杰伦与邓丽君“穿越时空”的对唱视频。30年前的邓丽君为何能在舞台上再现并与周杰伦合唱？播放2015年春晚的节目《蜀绣》。李宇春如何做到与多个自己共舞？展示舞台魔术表演“佩珀尔幻象”（Pepper’s Ghost）（图1）：右上角的“幽灵”从何而来？

图1 舞台上的“幽灵”［6］

（2）分小组讨论：①图1涉及哪些光学原理？②图1的光路图如何绘制？③透明玻璃与水平面的夹角为多少？

设计意图：激发学生兴趣，引起学生思考。

3.1.2 设计——理论分析、设计方案

（1）理论分析：如图2所示，右下角视野外的演员被一束强光照射，而后光线经平面镜反射到透明玻璃，将会有约10%的光线被透明玻璃反射，从而射向观众。在透明玻璃与水平面的夹角为45°的情况下，观众能够观察到舞台上竖直站立的“幽灵”。又由于环境相对昏暗，观众便以为自己观察到的“幽灵”是真实存在的，再加上反射光线微弱，便实现了“幽灵”影像的朦胧感。

图2 “佩珀尔幻象”（Pepper’s Ghost）详解

（2）思考设计：若要各个方向都能观察到“竖直”的像，如何设计方案？

（3）设计方案：为了便于操作，利用视频文件替代实物。如果有四个不同方向且与水平面成45°夹角的透明玻璃同时成“像”，则各个方向均能观察到立体“像”。因此，可把四个完全相同的等腰三角形组合在一起，形成图3的“金字塔”状。同时，视频文件播放图4的画面，用以增强“像”的立体感。

图3 侧边为等腰三角形的几何体

图4 视频文件示例

（4）分小组讨论：几何体侧面等腰三角形底与边的比值关系。初中生学过勾股定理，但尚未接触立体几何，需要教师引导发现几何体中的特殊三角形，以便求解。经分析可得，几何体侧面等腰三角形底与边的比值关系为

设计意图：该环节明确了活动课题为制作伪全息“金字塔”。通过将实际情境与光学知识相联系，可以培养学生分析和解释综合性问题的能力。除此之外，注重技术（T）的使用，运用几何画板绘制几何体；以舞台艺术（A）为背景分析情境；等腰三角形底边关系的求解则运用了立体问题平面化、勾股定理等数学（M）知识。在设计过程中充分整合了科学、技术、艺术和数学。

3.2 课题实施阶段

3.2.1 工程——STEAM分析、成品制作

（1）科学（S）：伪全息“金字塔”的设计与制作涉及光的反射、平面镜成像原理等物理知识。教师还可以引导学生自主设计实验，探究影响成像效果的因素。

（2）数学（M）：①伪全息“金字塔”侧面等腰三角形底与边的比值关系为；②如何在坐标纸上准确地画出该类等腰三角形？

（3）技术（T）：学生可利用几何画板绘制等腰三角形模型。

（4）工程（E）：①如何选择合适的材料？为确保操作的便捷和较佳的成像，透明物体可选取21 cm×30 cm的透明PVC薄片；②伪全息“金字塔”侧面等腰三角形尺寸为多少合适（教师启发学生结合屏幕宽度确定尺寸）；③制作成品：将4个裁剪好的等大等腰三角形用胶带粘贴在一起（图5）；④学生在使用上述成品观察伪全息影像时，发现伪全息“金字塔”倒放不稳定，如何改进？通过教师引导，学生可制作一个简易支架，同时将视频文件中的物体由图 6（a）改动为图 6（b），其成品如图6（c），稳固和易观察二者兼顾。

图5 学生制作成品图

（5）艺术（A）：成品制作完成后，呈现的伪全息影像似真似幻，如图6（d）所示。学生还需填写STEAM教育过程卡，展现本组活动思路与成果。

图6 视频文件的改动和简易支架成品

设计意图：该环节以小组合作为主，教师指导为辅。学生自主进行成品制作并不断改进。体现了对学生自主性和教师启发性的注重。并且充分展现了“设计—实施—改进—再实施—再改进”的工程思维。同时，在成品制作过程中包含科学、技术、工程、艺术及数学的综合应用，体现了问题解决的综合性。

3.2.2 深入——思维拓展、深入研究

拓展任务：①为何称之为“伪全息”？②是否有其他方法增强成像效果？③目前的全息投影技术有哪些？分别是如何实现的？④关于“佩珀尔幻象”（Pepper’s Ghost）生活中是否还有其他应用？

设计意图：该环节通过设置4个任务点进行拓展，将本次课题与学生生活紧密联系起来，注重问题的综合性和活动的开放性。学生可以自由选择问题，强调小组合作与分工，体现对学生自主性的重视。

3.3 课堂小结与评价阶段

3.3.1 评价——汇报交流、学习评价

学生成品制作完成后，在汇报交流课上从不同方面展示小组成果，相互学习；由各小组评分员对本组和其他小组的汇报展开自评、他评；由三位教师进行评价，评价维度如表2所示。根据评分结果，遴选出优秀小组，组内选出优秀小组长和最佳贡献成员。

表2 综合实践活动评价表

设计意图：汇报内容和形式契合STEAM教育理念的跨学科性。

3.3.2 小结——教师总结、启发思考

学生汇报交流后，由教师对整个综合实践活动进行回顾与总结。在活动形式上，以小组合作为主，教师简要梳理各组活动出现的问题并给出建议，强调组内相互学习、组间合作竞争。

设计意图：该环节注重教师对学生科学态度与责任的启发引导，将人文艺术（A）与实践活动充分整合，推动学生的再拓展。

4 总结

本综合实践活动以伪全息“金字塔”为主题，以STEAM教育理念为指导，分为课题动员与准备阶段、课题实施阶段和课堂小结与评价阶段。整个活动过程注重问题的综合性、活动的开放性、学生的自主性、评价的多元性、教师的启发性。在核心素养发展方面，注重学生联系、分析、解释等知识运用与思维能力的培养。鼓励学生创新创造、大胆质疑，运用计算机软件、查询资料等各类技术解决实际问题。注重汇报交流时语言表达能力的培养。