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[追踪]“科技馆活动进校园”项目案例:自制3D全息投影

吴 翔 张安琪/山西省科学技术馆

2018-12/总第273期

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全息投影技术也称虚拟成像技术,3D全息投影是将三维画面悬浮在实景的半空中成像,营造亦幻亦真的氛围,效果奇特。本教案以自制3D全息投影为主题,通过现代大型舞台剧及G20峰会使用的全息光影技术和“纳米王子——足球烯”展项为切入点,运用STEAM教育理念,通过科学知识探究、数学几何建模、工程统筹思维、艺术审美提升,并结合中小学课程标准针对不同年级受众群体进行分类教学,培养学生的科学探究精神,提升学生的综合实践能力,是加强馆校结合活动的一次有益尝试。

教学对象与学情分析

结合各年级课程标准,针对不同年级段学生,进行不同侧重点的知识普及与能力培养。小学低年级的课程任务主要在于认知,本教育项目通过材料的对比,使学生进行认知;小学高年级的课程已经有了“光沿直线传播”这一概念的引入,因此本项目会就此展开拓展;初中阶段主要针对光线的反射、透射,实像虚像及平面几何等知识点进行侧重练习;高中阶段引导学生运用建模思维,利用立体几何知识,通过展项实体的测量计算进行简单建模。

教学准备

手机或平板电脑、半透半反膜、尺子、铅笔、剪刀、量角器、胶带、计算器、激光笔、A4纸、烧杯、水、油、蜂蜜等。

实施过程

第一阶段:情境导入

教师带领学生观看六小龄童“金猴闹春”和李宇春舞台分身等视频,并带学生进入展厅了解“纳米王子——足球烯”展项,激发学生对3D全息投影技术的兴趣。然后,教师请学生思考这样的效果是如何形成的,并从形状、材质、结构、光源、角度等方面观察展项有何特点。

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自制3D全息投影仪

第二阶段:探究实验

教师设计不同材料、不同条件对光线传播影响的对比实验。在开始实验之前先让学生展开讨论,对制作全息投影的材料、形状等提出不同设想,并对实际效果进行预判。

针对小学1—3年级阶段课程标准对认知的要求,教师准备了玻璃、木板、镜子、纸张、半透半反膜等材料,并通过透光实验让学生了解它们的特点。①什么是反射?分别用激光笔照射纸张、木板、镜子,看看哪些材料可以反射激光束。②什么是透射?分别用激光笔照射纸张、镜子、玻璃,看看哪些材料可以让激光束透射过去。③什么是半透半反射材料?通过照射镜子、半透半反膜,让学生观察激光束的路径,并得出“既可以透过光线,又可以反射光线的材料叫半透半反射材料”的结论。

小学高年级的课程标准中已引入了“光线沿直线传播”这一概念,教师通过实验和讨论,带领学生将这一知识点进行回顾和拓展。①光在任何条件下都沿直线传播吗?教师在杯中倒入水、油和蜂蜜,三者密度不同形成分层现象,使用激光笔斜射入内,学生们发现光线有偏折,从而得出“光沿直线传播需要同种介质”的结论。②请学生思考为什么清晨日出时分,太阳还在地平线以下时,我们就能看见它。经过分析是因为不均匀的大气使光线变弯的缘故,从而得出“光沿直线传播需要均匀介质”的结论。

针对初中阶段学生,除上述实验之外,还要重点理解光的反射原理。教师提出2个问题:①为什么自制3D全息投影仪使用的金字塔形状各面与底面呈45°?②为什么看到的像在金字塔中央?小组讨论后,引导学生画出光路图,同时增加平面几何知识及三角函数的应用。

针对高中生,教师带领他们对展项进行测量、计算,对手机投射的屏幕比例进行分析,让学生自己从展项中寻找角度、比例等数据,找出关键数据变量进行带入,从而将展项的尺寸形状进行建模,通过函数比例和立体几何将模型完整地建立。

第三阶段:动手制作

应用STEAM教学理念,在制作过程中,将项目中所蕴含的科学技术知识,比如针对不同年级课程对光学知识的研究、数学几何及建模的应用、工程统筹思维中解决问题的能力、制作过程中技术的应用、成品的艺术加工等进行跨学科融合,培养学生的综合能力。

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制作3D全息投影仪

第1步:计算并裁剪出金字塔的4个面。小学低年级段,主要是如何利用等腰三角形模板在固定面积的半透半反膜上进行合理规划裁剪。小学高年级段,学会尺子、量角器的使用,在没有模板的情况下,画出顶角为72°、底边为手机屏幕宽的等腰三角形,并在固定面积的膜上进行合理规划裁剪。初中生需要运用函数知识,通过给出的已知条件进行计算。高中生要在数学建模思维的引导下,结合展项的测量和计算,在没有任何数据的情况下,自行设计、规划,以合适的比例制作出3D全息投影仪。

第2步:拼接组装。裁剪好后,用透明胶拼接,把4个面围起来形成金字塔状。

第3步:3D全息投影仪的调整、固定。将制作好的3D全息投影仪放在光源上进行投射,通过观察初步效果反思应该作出哪些改进,层层剖析,改进修正。

第四阶段:探究式学习

掌握控制变量这一重要的探究方法。

问题导入:我们做的这个3D全息投影仪是一个倒金字塔形的结构,还有哪些结构或者材料能够做出同样甚至更好的效果?

引导学生思考:①材料是否可变?试试不同透射率的材料效果。②形状是否可变?5个面甚至6个面的该怎么做?③角度是否可变?变换角度会有什么效果?④介质是否可变?比如不通过半透半反膜,而是通过水等介质。通过类似的问题思考与探究,或许学生能迸发出更好的创意,并通过之前所学到的技能和知识,将其实现。

第五阶段:拓展思维

辅以幻灯片、视频等,教师向学生讲解全息投影技术的进程和空白领域,引发学生对这一技术领域的重视和将来对相关知识的积累。现在的全息投影技术大都出现在舞台和展会上,并且需要依靠半透半反设备才能得以实现。那么将来的全息投影技术发展需要克服哪些技术瓶颈?可以应用在哪些领域?例如,未来的课堂通过全息投影展示,不再拘泥于黑板、书本,给学生立体、全方位的感受;运用全息投影技术的会议,将更加便捷。

实施情况

本项目在山西省科学技术馆机械师摇篮“博士的密室”系列课程活动中展开以来,共实施了40课时,每课时受众20人。在“科技馆活动进校园”项目中将其带入中小学科学课堂,已有受众1 500人左右。

本活动能较好地调动学生参与的积极性,学生愿意主动参与实验和互动环节,能围绕共同学习目标与小组成员展开充分交流,并通过分工协作完成3D全息投影仪的制作。活动结束后,通过对学生进行交流随访,我们发现学生通过此次活动不仅掌握了光学知识,而且对如何解决别的学科中的问题也有了思路。科学教育应该走探究之路,让学生在探究中体验和思考,只有这样,学生才能真正领会创新的科学精神。

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