魔术背后的科学原理 视觉错觉+力学 变出STEAM思维｜星岛教室
发布时间：16:30 2025-06-26 HKT
早前在香港科学馆的青少年创科节上，一场特别的魔术表演吸引了百多名学生围观。一名物理教师在「读心术」表演中，精准猜出学生随机选择扑克牌的数字，并用数学公式解构魔术背后的余数定理。这场表演，正是「STEAM魔术教育」的缩影。究竟魔术如何成为STEAM教育的秘密武器？让我们一探究竟。
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魔术中的科学原理
笔者也认为这种将魔术表演与科学、技术、工程、艺术及数学（STEAM）相结合的教学模式，正在全球掀起热潮。英国魔术师Leon Thomson通过「科学魔术秀」活跃于STEAM教育领域，而香港魔术学院与教育机构亦逐步开发融合魔术元素的课程。究竟魔术如何协助STEAM教育？那就要先了解魔术中的科学原理。
- 视觉错觉︰「消失的硬币」是经典的近景魔术，其核心原理在于光的反射与视角控制。魔术师通过手指的遮挡和快速移动，利用观众视野盲区制造硬币「消失」的假象。这与物理学中的「盲点实验」异曲同工——人眼视网膜的视神经出口处无感光细胞，导致特定角度下的物体无法被感知。在香港教育局的STEAM示例中，「磁浮小摆饰」专案便结合磁场原理与视觉设计，学生可通过制作悬浮装置理解磁力平衡，同时模拟魔术中的悬浮效果。
- 力学魔术︰魔术师常以「飞牌术」展现精准的扑克牌投掷技巧。这背后涉及空气动力学与抛物线运动的计算：牌的旋转速度决定稳定性，出手角度则须符合抛物线方程以命中目标。香港的大学曾开设「运动物理学」工作坊，让学生通过程式设计模拟扑克牌轨迹，优化魔术表演动作。
程式设计或AI魔术
在2021年马丁加德纳数学魔术聚会上，数学家魔术师（Mathemagician）演示了基于余数定理的纸牌魔术：通过预设的数学规则，无论观众如何分配筹码牌，最终总能匹配成对。这种「确定性随机」实为演算法设计，可延伸至电脑科学中的逻辑判断模组。在香港教育城网内「MATHero数学冒险游戏」便采用类似机制，学生须解决数学问题才能推进剧情，系统则根据答题表现动态调整难度，实现个性化学习。
而近年兴起的「AI读心术」魔术，实为大数据分析与模式识别的应用。例如魔术师通过收集观众的微表情资料，训练人工智能（AI）模型预测其选择的扑克牌。
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系统思维与跨科协作
中国传统戏法「罗圈献彩」须在长袍内隐藏大量道具，其结构设计堪比精密工程。天津魔术师徐子正改良此戏法时，引入模组化机关与轻量化材料，使表演更流畅。这启示学生：工程优化须兼顾功能性与用户体验。例如在香港小学生的「橡皮筋动力车」竞赛中，参赛者须像设计魔术道具一样，综合考虑材料强度、能量转换效率与外观吸引力。
另外，大型幻术如「自由女神像消失」须整合灯光、机械、投影等多领域技术。美国魔术师David Copperfield的团队为此筹备3年，其复杂度不亚于建造一座微型主题公园。这种系统思维正是STEAM教育的核心——笔者建议，可让学生以小组形式设计「魔术剧场」，分工负责剧本、道具、技术调试，培养团队协作能力。
啤牌魔术藏数学原理
有些魔术是应用了数学原理，例如「预言数位」魔术便常利用模运算（modular arithmetic）与「斐波那契数列」（Fibonacci Sequence），可让观众任选一个数字，经过加减乘除后总能得到预设结果。香港曾有学会推出「魔术数学教材」，将此类问题转化为数论探究课题，帮助学生摆脱公式记忆，体验数学的创造性。
统计学方面，例如大多数扑克牌魔术实为概率策略的应用。通过统计剩余牌堆中高点数牌的比例，玩家便能调整下注策略。中学可办「魔术概率工作坊」，让学生通过模拟实验，理解大数定律与决策优化。
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推广STEAM魔术教育
其实在本港推行STEAM魔术教育，可从3方面着手。首先，在课程开发方面，于小学阶段可开设「魔术科学课」，例如学生用偏振片制作「隐形墨水」，用电路板设计发光魔术杖等等；而中学阶段则可将魔术融入程式设计特色课，学生须编写程式类比「读心术」，并分析演算法的时间复杂度。
在师资培训方面，香港魔术学院经常举办比赛及培训教师掌握基础魔术技巧与跨学科教学设计。参与计划的教师回馈，学生通过魔术破解任务，主动查阅科学文献的比例提升了不少。此外，可举办魔术赛事与科普展览。笔者建议香港科学馆可举办「魔法实验室」特展，展出古今中外的科学化魔术装置，并设置「魔术解谜挑战区」。同期举办「全港青少年STEAM魔术大赛」，要求参赛作品须整合至少2项STEAM原理，优胜者获邀到英国Big Bang Fair交流。
魔术与STEAM教育的结合，本质是一场关于「好奇心」的双向奔赴——它既用神秘感激发学习动机，又以科学原理消解虚幻，最终指向真实的认知突破。正如美国STEAM教育协会所述：「未来的课堂不应只有黑板与公式，更要有让思维飞翔的魔法时刻！」对于香港师生而言，这场探险才刚刚开始。下次当你看到魔术师挥动魔杖时，不妨自问：「这背后的科学密码，我能否亲手解开？」
小思考，大智慧
- 最早期的魔术师起源于哪里？
- 魔术表演和科学研究有甚么相似之处？
参考答案
- 历史上最早的魔术记录出现在古埃及，大约在西元前2600年。1823年发现的威斯卡手稿记载了一位名叫德狄（Dedi of Dedsnefu）的魔术师，奉召为法老王表演，他能将鹅的头砍下，而断了头的鹅依然能走动，最后再把头接回去恢复为原本的鹅。此外，埃及的壁画中亦有记录「杯与球戏法」。
- 魔术表演和科学研究都始于好奇心，探索未知领域。科学研究通过实验和观察揭示自然规律，而魔术表演则利用这些规律创造出令人惊叹的视觉效果。
本栏逢周四刊登，由教育评议会邀请资深中小学老师、校长及大学讲师撰稿，旨在为学生提供多元化的STEAM学习材料，引发学生探求知识的兴趣，将学习融入生活，培养学生的世界观、敏锐的触觉、积极学习的态度。
文：香港大学博士后研究员（人工智能）教育评议会执委冯颖匡博士
