Як перетворити звичайний шкільний кабінет на творчу лабораторію? Як цікаво пояснити складні наукові принципи школярам та захопити їхню увагу протягом уроку? Над цими питаннями неодноразово замислювався кожен учитель. Допомогти в цьому зможе освітній підхід STEM, зокрема, окремий його напрямок STEАM. «Освіторія» пропонує покрокову інструкцію для створення шкільних STEM-проектів з оптики — віртуальної 3D-реальності, кольорових тіней і калейдоскопа.
Довідка
STEM — освітній підхід, в який інтегровані чотири галузі (наука, технології, проектування і математика). Його головна мета — показати практичне використання теоретичних знань з точних наук та буквально на пальцях пояснити складні наукові принципи.
STEAM (STEM + Art — мистецтво) — напрямок STEM, в який нарівні з іншими інтегроване мистецтво. Його мета — показати, як взаємопов’язані наука, технології та мистецтво.
Запропонуйте учням реалізувати захопливі STEАM-проекти, під час роботи над якими вони зможуть застосувати знання з точних наук на практиці, проявити творчість і кмітливість, а також осягнути закони оптики, безпосередньо побачивши, як вони працюють.
Голографічне 3D-зображення
Запропонуйте школярам створити дивовижну віртуальну 3D-реальність під час уроку! Для цього необхідно буде змайструвати голографічну піраміду — STEM-іграшку, для створення якої потрібні будуть елементарні знання з математики. Щоб за допомогою такої іграшки зробити 3D-зображення, знадобиться смартфон і голографічне відео.
Що це
Голограма — це ілюзійне тривимірне зображення, яке створюють за допомогою спеціальної технології фотографування (голографіки). Цей метод винайшов ще в 1947 році угорський фізик Денніс Габор. Згодом за це його відзначили Нобелівською премією з фізики.
Сенс голограми полягає в тому, що у спостерігача, який дивиться на неї, створюється враження реальності об’єкта. Адже це об’ємне зображення можна розглянути з усіх боків.
Створити таку віртуальну реальність можна за допомогою смартфона, спеціального відео і нескладної установки — голографічної піраміди.
Чому таке відбувається
За допомогою голографічної піраміди з плаского зображення можна отримати 3D-проекцію. Як це відбувається? Цей ефект можливий завдяки двом властивостям світлових хвиль — дифракції (переломлення) та інтерференції (перерозподіл інтенсивності світла при накладанні кількох хвиль).
Щоб створити 3D-проекцію, потрібне не звичайне електронне зображення, а спеціально закодоване: у двомірному просторі (наприклад, на екрані мобільного телефону) об’єкт відображено одночасно з чотирьох різних боків. Ці зображення, у свою чергу, розташовані на екрані під кутом 90°одне до одного.
Голографічна піраміда являє собою фокусувальну призму. Світлові хвилі зображень, потрапляючи на її грані, відбиваються і накладаються одна на одну. Завдяки тому, що грані піраміди розташовані під певним кутом, відбиті промені з чотирьох пласких зображень потрапляють в одну точку. У цей момент людське око сприймає їх як одне об’ємне зображення. Так створюється ілюзія тривимірності.
Як змайструвати проектор для голографічних 3D-зображень
Модель 3D-проектора легко зробити власноруч. Для цього знадобляться паперовий шаблон трапеції, суперклей чи скотч, прозорий пластик (наприклад, з компакт-диска або можна використати прозору пластикову коробку), канцелярський ніж і ножиці.
Етапи створення досить прості:
1
Накреслити паперовий шаблон трапеції (висота — 3,5 см, довжина основ — 6 і 1 см).
2
Обвести трафарет на пластику.
3
Склеїти деталі в піраміду.
4
Вирізати за шаблоном чотири деталі.
Піраміда готова! Де ж узяти спеціальне відео? Його можна переглянути на YouTube або скачати програму з відповідними відеодобірками на свій смартфон, наприклад, Holapex Hologram Pyramid Videos. Її можна безкоштовно завантажити на Apps і Google Play.
Різнобарвна тінь
Запитайте учнів, якого кольору тінь. Імовірно, їхні відповіді будуть одностайні — темно-сіра або чорна. Запропонуйте разом зробити яскравий експеримент, у ході якого дослідити властивості світла й тіні.
З точки зору фізики, тінь — це частина простору, що є закритою від прямого джерела світла певним непрозорим об’єктом, або ж проекція непрозорого об’єкта на освітлену площину (саме тому тінь може бути різної довжини!). За розсіяного світла тіні не утворюються.
У природі ми можемо спостерігати, зазвичай, сіро-чорні тіні. А за яких умов тіні можуть бути інших кольорів? Світло ж також не лише біле!
Чому таке відбувається
Світло — електромагнітна хвиля видимого спектра, а колір залежить від частоти її коливання.
Якщо ми направляємо джерело світла будь-якого кольору на кульку, у певній частині вона повністю його закриває. Тому утворюється темно-сіра тінь. Якщо ж направити одночасно два чи три різнобарвних джерела світла, то кулька не зможе повністю закрити направлене на неї світло, лише певну частину.
Коли ми поєднуємо світло від кількох різнокольорових ламп, то отримуємо електромагнітні хвилі різної довжини. Там, де кулька повністю закриває світло, утворюється темно-сіра тінь, а там, де світло частково потрапляє при накладанні хвиль різної довжини одна на одну, утворюються барвисті тіні.
Як змайструвати проектор для різнокольорових тіней
Для створення такої «установки» знадобляться: темна кімната, білий фон, певний предмет, який утворюватиме тінь, та ліхтарики трьох кольорів — зеленого, синього і червоного (ці кольори є головними, при поєднанні променів світла цих кольорів утворюється білий, а з нього — всі інші кольори видимого спектра).
Кольорові ліхтарики можна змайструвати власноруч. Для цього можна використати ліхтарики смартфонів та скло відповідного кольору, яке буде своєрідним фільтром.
Калейдоскоп
Мабуть кожен у свій час захоплювався калейдоскопом — майже казковою забавкою, перевертаючи яку можна розглядати безліч дивовижних візерунків. Як вони утворюються? Запропонуйте школярам разом змайструвати таку STEM-іграшку і водночас опанувати основи оптики і геометрії.
Що це
Калейдоскоп — це оптичний прилад-іграшка у формі трубки, яка містить усередині світловідбивальні пластини і різнокольорові напівпрозорі намистини. Перевертаючи трубку навколо поздовжньої осі можна спостерігати, як утворюються симетричні візерунки.
Як це працює
Калейдоскоп влаштований досить просто — всередині трубки містяться три світловідбивальні пластини, закрита прозора ємність з намистинами з одного боку і окуляром з протилежного.
У процесі перевертання трубки навколо поздовжньої осі намистини в закритій місткості пересипаються. Поглянувши в окуляр, можна побачити яскраві симетричні візерунки. Як вони утворюються?
Річ у тім, що через окуляр у поле зору спостерігача потрапляє не вся місткість з намистинами, а лише трикутна основа, обмежена світловідбивальними елементами. Завдяки тому, що ці елементи розташовані під однаковим кутом і утворюють трикутну призму, візерунок з «основи» потрапляє на світловідбивальні грані та багаторазово віддзеркалюється під однаковим кутом. Через це спостерігач в окуляр завжди бачить симетричний візерунок, незалежно від того, як саме він повертає цей оптичний прилад.
Як змайструвати калейдоскоп
Основа калейдоскопа — паперова трубка. Для цього можна використати упаковку для чіпсів, трубку з паперових рушників, туалетного паперу тощо. Також знадобиться фольга, картон, лінійка, ножиці, олівець, напівпрозорі намистини, клей, чорна тканина, пластикова упаковка, скотч і папір для оздоблення.
Зробити калейдоскоп можна в кілька кроків:
1
Обводимо окружність трубки на аркуші та креслимо всередині кола рівносторонній трикутник.
2
Вимірюємо довжину трубки.
3
Креслимо на картоні прямокутник довжиною на 1 см меншою за довжину трубки та шириною, рівною сумі сторін вписаного в коло трикутника. Вирізаємо прямокутник та згинаємо у форму трикутної призми утворюються симетричні візерунки.
4
Обгортаємо прямокутник фольгою та вставляємо всередину трубки.
5
Вирізаємо три кола, що рівні окружності трубки: два з пластика, одне з паперу. Всередині останнього робимо невеличку дірочку — окуляр.
6
Трошки підрізавши краї одного пластикового кола, вставляємо його всередину трубки. Далі засипаємо туди намистини, закриваємо іншим пластиковим колом і заклеюємо щільно скотчем чи клеєм.
7
Інший край трубки заклеюємо колом з окуляром.
8
Оздоблюємо калейдоскоп на власний смак кольоровим папером і візерунками.
Навчання за принципами STEАM-освіти дає змогу експериментально продемонструвати, що завдяки знанням з точних наук можна створювати справжні витвори мистецтва.
