基于“教具设计”的物理实验项目教学

摘要

项目化学习注重以真实情境为背景，引导学生解决实际问题。为了探究“隐身屋”背后的科学原理，以设计并自制简易光学“隐身”魔箱教具为任务，通过学科教学、设计方案、实物制作及展示交流等环节组织学生开展物理实验项目教学，一方面提升学生的物理学科核心素养，另一方面该项目作品可以应用于物理实验教学或魔术表演，效果颇佳。

Graphical abstract

关键词

物理实验 / 教具设计 / 光学 / “隐身”效果 / 项目化学习 / 制作

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见（教基〔2019〕16号）》提出，要积极推动学生开展研究型、任务型、项目化、问题式和合作式学习。与此同时，新课程提倡要利用日常生活用品改进实验或开发新实验，鼓励师生开发和自制实验教具。基于此，笔者以设计并自制简易光学“隐身”魔箱教具项目为例，向同仁介绍如何开展物理实验项目教学。

1 项目要求

魔术是深受学生喜爱的节目，包含着许多科学原理。某科技馆里有一间能让人的身体“消失”的“隐身屋”。“隐身屋”到底包含着哪些科学原理呢？为了探究“隐身”效果背后的科学原理，笔者请学生展开无限的想象，设计并自制一款具有“隐身”效果的简易教具——光学“隐身”魔箱。说明：人的身体并非真的“隐身”，而是有着看似“隐身”的视觉效果，适合用于常规光学课堂导入环节。其具体要求：①设计合理巧妙，体现科学原理；②材料常见易得，契合环保理念；③作品简易轻便，便于课堂演示；④“隐身”效果明显，易于激发学习兴趣。

2 项目目标

笔者曾开展了主题为“设计DIY光学‘魔箱’开展STEAM项目活动”的项目教学^［1］，从STEAM角度介绍“消失”效果的魔箱。项目化学习注重项目迭代或拓展，而该项目作为拓展项目，着重于如何设计并自制简易光学“隐身”魔箱教具，从而增强学生的参与感和获得感，其基于物理学科核心素养培养的学习目标如表1所示。

3 项目内容与过程

该项目以小组合作方式展开，具体包括分组入项篇、学科教学篇、设计制作篇和展示交流篇等4个方面。

3.1 分组入项篇

当教师提供项目情境和驱动性问题后，需要结合项目小组记录单（表2）将全班分成多个小组，每小组4～8人；小组成员以协商或自荐形式产生组长，组长负责组织、协调各项活动；确定每个组员的角色定位（科学家、设计师、工程师、魔术师和记录员等）；给小组取一个有特色或响亮的名称；各小组明确项目任务和具体要求。

3.2 学科教学篇

根据项目任务，学生通过知识卡片、新课教学、实验探究等多种教学方式学习相关的科学知识。该项目涉及的物理学科概念有光的反射定律、平面镜的成像规律；同时，通过核心概念和核心问题将学科内容与项目目标形成关联，促进学生在学科学习时达成理解、迁移、综合和创造等学习目标。

物理学科项目活动涉及相应的物理实验。如表3所示，在实施该项目过程中，涉及的物理实验有三类：①学科常规实验；②方案验证实验；③作品演示实验。

3.3 设计制作篇

项目活动围绕学科核心素养和项目任务，开展相应的方案设计、实物制作、展示交流及总结评价等活动。各小组先根据科学原理进行方案设计，再选用合适的工具（剪刀、刻刀、钢尺等）和常见易取的材料（如轻质泡沫板、废纸箱、塑料平面镜和黑白方格贴纸等）进行制作。为了解决课时不足的矛盾，可以采取课内外相结合的方式，即：课内以学科教学、方案设计、成果交流为主，课外向学生开放实验室，提供实验仪器、工具及材料，学生可利用课余时间在实验室内开展实验探究和作品制作等活动。

3.4 展示交流篇

该项目能积极调动学生的学科知识、能力，创造提供资源、条件和团队合作的机会，推动学生有效实践，让学生像科学家、工程师一样进行思考并解决相关问题，同时通过各种作品或表现形式来呈现已经达成的预期目标或学习结果。例如，各小组巧妙利用45^o角或90^o角平面镜成像原理，形成了斜单镜面、竖直单镜面及双镜面等各种设计方案。

（1） 斜单镜面设计方案。如图1所示，该方案巧妙利用了45^o角平面镜成像原理。因为平面镜与底面成45^o角、底面的像与底面成90^o角，所以产生箱子内部看起来是空空的错觉。在演示作品时，将光学“隐身”魔箱平放在一定高度的平台上，人从其背面钻入并从顶面圆孔处露出头部，可看到身体部分好像“隐身”了。另外，可将光学“隐身”魔箱倒扣在头上，即可看到头部“隐身”的效果。其中，黑白方格贴纸不仅能增强光学“隐身”魔箱内部空的视觉效果，而且能干扰观察者的注意力，颇具艺术性和魔幻性。

（2） 竖直单镜面设计方案。如图2所示，该方案利用90^o角平面镜成像原理。该作品在长方形箱体内部位置安装一面竖直平面镜a，其他相应各面贴上黑白方格贴纸。由于各竖直面、底面、镜面都互相垂直，b₁、b₂和b₃等各面通过平面镜a产生的像c₁、c₂和c₃刚好在暗箱位置，从而产生了光学“隐身”魔箱内部空空的视觉效果。

（3） 竖直双镜面常规方案。如图3所示，该方案利用多次90^o角平面镜成像的原理，安装有两面相互垂直的平面镜a₁和a₂，四面的竖直面、底面、镜面都互相垂直，b₁和b₂面在平面镜a₁中反射成像到c₁和c₂位置，同理b₃和b₄在平面镜a₂中反射成像到c₂和c₁位置，产生了空空的视觉效果。

（4） 竖直双镜面创新方案。如图4所示，该方案与双镜面常规方案有所不同，而是多次巧妙地利用45^o角平面镜成像原理。露头位置是一个等腰直角三角形，两平面镜在两直角边位置，与侧面各成45^o角，两侧面的像刚好在背面位置，产生了空空的视觉效果。

总括而言，各小组采用泡沫板、纸板等轻质材料进行制作，其所制作作品的总质量只有几千克，简易轻便，“隐身”效果逼真。

4 项目评价与作业

各小组完成作品后，用设计图、实物作品、作品说明书和视频（魔术表演或科学原理讲解）等各种成果进行展示交流。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，以及评价标准的合理性和科学性。师生、生生之间根据评价量规标准对学习过程和结果进行评价，确认是否达成学习目标^［1］。

项目教学注重以迁移性应用反思学习^［2］。因此，该项目可增设一项开放性的拓展作业：请结合学校实验楼（笔者所在校）直道或拐角处等不同实际场地改进或组合现有方案，设计出一款适合开放展示的光学“隐身”魔箱教具作品。例如，可根据竖直单镜面设计方案，设计一个适合摆放在长直走廊上的圆形组合方案，如图5所示。

该光学“隐身”魔箱教具项目围绕光学知识，结合“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，运用跨学科知识应对和解决挑战性任务。该项目作品可用于学校物理实验教学或魔术表演，效果极佳，同时是打卡拍照的绝佳道具，深受全校师生的欢迎，具有推广价值。

参考文献

[1] 尤爱惠，陈显盈.设计DIY光学“魔箱”开展STEAM项目活动［J］.物理教师，2022，43（04）：27-31.

[2] 孟湘莲.基于STEM教育开展项目化家庭实验：以“玩转电动机”为例［J］.实验教学与仪器，2023，40（03）：9-11.

基金资助

2023年度浙江省教师教育规划立项课题“在物理校本拓展课程中开展项目化学习的实践研究”(SMZX2023069)

2025年浙江省教学研究立项课题“指向创造性思维发展的初中科学实践性作业研究”(J2025-03455┫。获奖情况：该项目成果荣获第36届浙江省青少年科技创新大赛“科技辅导员科技教育创新成果”二等奖)