魔術背後的科學原理 視覺錯覺+力學 變出STEAM思維｜星島教室

早前在香港科學館的青少年創科節上，一場特別的魔術表演吸引了百多名學生圍觀。一名物理教師在「讀心術」表演中，精準猜出學生隨機選擇撲克牌的數字，並用數學公式解構魔術背後的餘數定理。這場表演，正是「STEAM魔術教育」的縮影。究竟魔術如何成為STEAM教育的秘密武器？讓我們一探究竟。

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魔術中的科學原理

筆者也認為這種將魔術表演與科學、技術、工程、藝術及數學（STEAM）相結合的教學模式，正在全球掀起熱潮。英國魔術師Leon Thomson通過「科學魔術秀」活躍於STEAM教育領域，而香港魔術學院與教育機構亦逐步開發融合魔術元素的課程。究竟魔術如何協助STEAM教育？那就要先了解魔術中的科學原理。

1. 視覺錯覺︰「消失的硬幣」是經典的近景魔術，其核心原理在於光的反射與視角控制。魔術師通過手指的遮擋和快速移動，利用觀眾視野盲區製造硬幣「消失」的假象。這與物理學中的「盲點實驗」異曲同工——人眼視網膜的視神經出口處無感光細胞，導致特定角度下的物體無法被感知。在香港教育局的STEAM示例中，「磁浮小擺飾」專案便結合磁場原理與視覺設計，學生可通過製作懸浮裝置理解磁力平衡，同時模擬魔術中的懸浮效果。
2. 力學魔術︰魔術師常以「飛牌術」展現精準的撲克牌投擲技巧。這背後涉及空氣動力學與拋物線運動的計算：牌的旋轉速度決定穩定性，出手角度則須符合拋物線方程以命中目標。香港的大學曾開設「運動物理學」工作坊，讓學生通過程式設計模擬撲克牌軌跡，優化魔術表演動作。

程式設計或AI魔術

在2021年馬丁加德納數學魔術聚會上，數學家魔術師（Mathemagician）演示了基於餘數定理的紙牌魔術：通過預設的數學規則，無論觀眾如何分配籌碼牌，最終總能匹配成對。這種「確定性隨機」實為演算法設計，可延伸至電腦科學中的邏輯判斷模組。在香港教育城網內「MATHero數學冒險遊戲」便採用類似機制，學生須解決數學問題才能推進劇情，系統則根據答題表現動態調整難度，實現個性化學習。

而近年興起的「AI讀心術」魔術，實為大數據分析與模式識別的應用。例如魔術師通過收集觀眾的微表情資料，訓練人工智能（AI）模型預測其選擇的撲克牌。

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系統思維與跨科協作

中國傳統戲法「羅圈獻彩」須在長袍內隱藏大量道具，其結構設計堪比精密工程。天津魔術師徐子正改良此戲法時，引入模組化機關與輕量化材料，使表演更流暢。這啟示學生：工程優化須兼顧功能性與用戶體驗。例如在香港小學生的「橡皮筋動力車」競賽中，參賽者須像設計魔術道具一樣，綜合考慮材料強度、能量轉換效率與外觀吸引力。

另外，大型幻術如「自由女神像消失」須整合燈光、機械、投影等多領域技術。美國魔術師David Copperfield的團隊為此籌備3年，其複雜度不亞於建造一座微型主題公園。這種系統思維正是STEAM教育的核心——筆者建議，可讓學生以小組形式設計「魔術劇場」，分工負責劇本、道具、技術調試，培養團隊協作能力。

啤牌魔術藏數學原理

有些魔術是應用了數學原理，例如「預言數位」魔術便常利用模運算（modular arithmetic）與「斐波那契數列」（Fibonacci Sequence），可讓觀眾任選一個數字，經過加減乘除後總能得到預設結果。香港曾有學會推出「魔術數學教材」，將此類問題轉化為數論探究課題，幫助學生擺脫公式記憶，體驗數學的創造性。

統計學方面，例如大多數撲克牌魔術實為概率策略的應用。通過統計剩餘牌堆中高點數牌的比例，玩家便能調整下注策略。中學可辦「魔術概率工作坊」，讓學生通過模擬實驗，理解大數定律與決策優化。

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推廣STEAM魔術教育

其實在本港推行STEAM魔術教育，可從3方面着手。首先，在課程開發方面，於小學階段可開設「魔術科學課」，例如學生用偏振片製作「隱形墨水」，用電路板設計發光魔術杖等等；而中學階段則可將魔術融入程式設計特色課，學生須編寫程式類比「讀心術」，並分析演算法的時間複雜度。

在師資培訓方面，香港魔術學院經常舉辦比賽及培訓教師掌握基礎魔術技巧與跨學科教學設計。參與計畫的教師回饋，學生通過魔術破解任務，主動查閱科學文獻的比例提升了不少。此外，可舉辦魔術賽事與科普展覽。筆者建議香港科學館可舉辦「魔法實驗室」特展，展出古今中外的科學化魔術裝置，並設置「魔術解謎挑戰區」。同期舉辦「全港青少年STEAM魔術大賽」，要求參賽作品須整合至少2項STEAM原理，優勝者獲邀到英國Big Bang Fair交流。

魔術與STEAM教育的結合，本質是一場關於「好奇心」的雙向奔赴——它既用神秘感激發學習動機，又以科學原理消解虛幻，最終指向真實的認知突破。正如美國STEAM教育協會所述：「未來的課堂不應只有黑板與公式，更要有讓思維飛翔的魔法時刻！」對於香港師生而言，這場探險才剛剛開始。下次當你看到魔術師揮動魔杖時，不妨自問：「這背後的科學密碼，我能否親手解開？」

小思考，大智慧

1. 最早期的魔術師起源於哪裏？
2. 魔術表演和科學研究有甚麼相似之處？

參考答案

1. 歷史上最早的魔術記錄出現在古埃及，大約在西元前2600年。1823年發現的威斯卡手稿記載了一位名叫德狄（Dedi of Dedsnefu）的魔術師，奉召為法老王表演，他能將鵝的頭砍下，而斷了頭的鵝依然能走動，最後再把頭接回去恢復為原本的鵝。此外，埃及的壁畫中亦有記錄「杯與球戲法」。
2. 魔術表演和科學研究都始於好奇心，探索未知領域。科學研究通過實驗和觀察揭示自然規律，而魔術表演則利用這些規律創造出令人驚歎的視覺效果。

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

文：香港大學博士後研究員（人工智能）教育評議會執委馮穎匡博士