Как превратить обычный школьный кабинет в творческую лабораторию? Как интересно объяснить сложные научные принципы школьникам и захватить их внимание в течение урока? Над этими вопросами неоднократно задумывался каждый учитель. Помочь в этом сможет образовательный подход STEM, в частности, отдельное его направление STEАM. «Освитория» предлагает пошаговую инструкцию для создания школьных STEM-проектов по оптике — виртуальной 3D-реальности, цветных теней и калейдоскопа.
Справка
STEM — образовательный подход, в который интегрированы четыре сферы (наука, технологии, проектирование и математика). Его главная цель — показать практическое использование теоретических знаний по точным наукам и буквально на пальцах объяснить сложные научные принципы.
STEAM (STEM + Art — искусство) — направление STEM, в которое наряду с другими интегрировано искусство. Его цель — показать, как взаимосвязаны наука, технологии и искусство.
Предложите ученикам реализовать увлекательные STEАM-проекты, при работе над которыми они смогут применить знания по точным наукам на практике, проявить творчество и смекалку, а также постичь законы оптики, непосредственно увидев, как они работают.
Голографическое 3D-изображение
Предложите школьникам создать удивительную виртуальную 3D-реальность на уроке! Для этого необходимо будет смастерить голографическую пирамиду — STEM-игрушку, для создания которой потребуются элементарные знания по математике. Чтобы с помощью такой игрушки сделать 3D-изображение, понадобятся смартфон и голографическое видео.
Что это
Голограмма — это иллюзионное трехмерное изображение, которое создают с помощью специальной технологии фотографирования (голографики). Этот метод изобрел еще в 1947 году венгерский физик Деннис Габор. Впоследствии за это его наградили Нобелевской премией по физике.
Смысл голограммы в том, что у наблюдателя, который смотрит на нее, создается впечатление реальности объекта. Ведь это объемное изображение можно рассмотреть со всех сторон.
Создать такую виртуальную реальность можно с помощью смартфона, специального видео и несложной установки — голографической пирамиды.
Почему так происходит
С помощью голографической пирамиды из плоского изображения можно получить 3D-проекцию. Как это происходит? Данный эффект возможен благодаря двум свойствам световых волн — дифракции (преломление) и интерференции (перераспределение интенсивности света при наложении нескольких волн).
Чтобы создать 3D-проекцию, нужно не обычное электронное изображение, а специально закодированное: в двухмерном пространстве (например, на экране мобильного телефона) объект отражен одновременно с четырех разных сторон. Эти изображения, в свою очередь, расположены на экране под углом 90° друг к другу.
Голографическая пирамида представляет собой фокусировочную призму. Световые волны изображений, попадая на ее грани, отражаются и накладываются друг на друга. Благодаря тому, что грани пирамиды расположены под определенным углом, отраженные лучи из четырех плоских изображений попадают в одну точку. В этот момент человеческий глаз воспринимает их как одно объемное изображение. Так создается иллюзия трехмерности.
Как смастерить проектор для голографических 3D-изображений
Модель 3D-проектора легко сделать самостоятельно. Для этого понадобятся: бумажный шаблон трапеции, суперклей или скотч, прозрачный пластик (например, с компакт-диска или можно использовать прозрачную пластиковую коробку), канцелярский нож и ножницы.
Этапы создания довольно просты:
1
Начертить бумажный шаблон трапеции (высота — 3,5 см, длина основ — 6 и 1 см).
2
Обвести трафарет на пластике.
3
Склеить детали в пирамиду.
4
Вырезать по шаблону четыре детали.
Пирамида готова! Где же взять специальное видео? Его можно посмотреть на YouTube или скачать программу с соответствующими видеоподборками на свой смартфон, например, Holapex Hologram Pyramid Videos. Ее можно бесплатно скачать на Apps и Google Play.
Разноцветная тень
Спросите учеников, какого цвета тень. Вероятно, их ответы будут единодушны — темно-серая или черная. Предложите вместе сделать яркий эксперимент, в ходе которого исследовать свойства света и тени.
С точки зрения физики, тень — это часть пространства, закрытая от прямого источника света определенным непрозрачным объектом, либо же проекция непрозрачного объекта на освещенную плоскость (именно поэтому тень может быть разной длины!). При рассеянном свете тени не образуются.
В природе мы можем наблюдать, как правило, серо-черные тени. А при каких условиях тени могут быть других цветов? Свет ведь тоже не только белый!
Почему так происходит
Свет — электромагнитная волна видимого спектра, а цвет зависит от частоты ее колебания.
Если мы направляем источник света любого цвета на шарик, в определенной части он полностью его закрывает. Поэтому образуется темно-серая тень. Если же направить одновременно два или три разноцветных источника света, то шарик не сможет полностью закрыть направленный на него свет, только определенную часть.
Когда мы объединяем свет от нескольких разноцветных ламп, то получаем электромагнитные волны разной длины. Там, где шарик полностью закрывает свет, образуется темно-серая тень, а там, где свет частично попадает при наложении волн различной длины друг на друга, образуются красочные тени.
Как смастерить проектор для разноцветных теней
Для создания такой «установки» понадобятся: темная комната, белый фон, предмет, который создаст тень, и фонарики трех цветов — зеленого, синего и красного (эти цвета являются основными, при сочетании лучей света этих цветов образуется белый, а из него — все остальные цвета видимого спектра).
Цветные фонарики можно смастерить самостоятельно. Для этого можно использовать фонарики смартфонов и стекло соответствующего цвета, которое будет своеобразным фильтром.
Калейдоскоп
Наверное, каждый в свое время увлекался калейдоскопом — почти сказочной игрушкой, переворачивая которую можно рассматривать множество удивительных узоров. Как они образуются? Предложите школьникам вместе смастерить такую STEM-игрушку и одновременно овладеть основами оптики и геометрии.
Что это
Калейдоскоп — это оптический прибор-игрушка в форме трубки, которая содержит внутри светоотражающие пластины и разноцветные полупрозрачные бусины. Переворачивая трубку вокруг продольной оси можно наблюдать, как образуются симметричные узоры.
Как это работает
Калейдоскоп устроен довольно просто — внутри трубки находятся три светоотражающие пластины, закрытая прозрачная емкость с бусинами с одной стороны и окуляром с другой.
В процессе переворачивания трубки вокруг продольной оси бусины в закрытой емкости пересыпаются. Посмотрев в окуляр, можно увидеть яркие симметричные узоры. Как они образуются?
Дело в том, что через окуляр в поле зрения наблюдателя попадает не вся емкость с бусинами, а только треугольная основа, ограниченная светоотражающими элементами. Благодаря тому, что эти элементы расположены под одинаковым углом и образуют треугольную призму, узор с «основы» попадает на светоотражающие грани и многократно отражается под одинаковым углом. Поэтому наблюдатель в окуляр всегда видит симметричный узор, независимо от того, как он вращает этот оптический прибор.
Как смастерить калейдоскоп
Основа калейдоскопа — бумажная трубка. Для этого можно использовать упаковку для чипсов, трубку из бумажных полотенец, туалетной бумаги и т.п. Также понадобятся: фольга, картон, линейка, ножницы, карандаш, полупрозрачные бусины, клей, черная ткань, пластиковая упаковка, скотч и бумага для отделки.
Сделать калейдоскоп можно в несколько шагов:
1
Обводим окружность трубки на листе и чертим внутри круга равносторонний треугольник.
2
Измеряем длину трубки.
3
Чертим на картоне прямоугольник длиной на 1 см меньше длины трубки и шириной, равной сумме сторон вписанного в окружность треугольника. Вырезаем прямоугольник и сгибаем в форму треугольной призмы.
4
Оборачиваем прямоугольник фольгой и вставляем внутрь трубки
5
Вырезаем три круга, равных окружности трубки: два из пластика, один из бумаги. Внутри последнего делаем небольшую дырочку — окуляр.
6
Немного подрезав края одного пластикового круга, вставляем его внутрь трубки. Затем засыпаем туда бусины, закрываем другим пластиковым кругом и заклеиваем плотно скотчем или клеем.
7
Другой конец трубки заклеиваем кругом с окуляром.
8
Украшаем калейдоскоп на свой вкус цветной бумагой и узорами.
Обучение по принципам STEАM-образования позволяет экспериментально продемонстрировать, что благодаря знаниям точных наук можно создавать настоящие произведения искусства.
