玩出創意5:50個魔法科學實作

資料來源
科學研習月刊57-08

文/白榮銓
臺中市居仁國中退休教師

依據「十二年國教自然科學領域課程綱要草案」,學習重點除了涵蓋「科學核心概念」之學習內容之外,更重視各學習階段學習者,面對科學相關議題時,展現的「科學探究能力」與「科學的態度與本質」之學習表現。即自然科學課程應引導學習者,經由探究、實作等多元方式,習得科學探究能力、養成科學態度,以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。到底要如何在科學實作中玩出創意?科學探究要如何融入科學實作?
     
本書作者許良榮是國立台中教育大學科學教育與應用學系教授,致力於科學遊戲、科學魔術、科學概念診斷與學習、科學史與科學本質等研究領域。本書是「玩出創意」系列第五集,內容涵蓋七大類(共50項)的實作科學實驗。各單元包含:操作過程、原理說明、叮嚀的話以及參考資料。實驗主題涵蓋:力、水、電磁、光、空氣、化學及其他等,每一單元皆包含:可供讀者下載觀賞實驗影片的QRC、所需器材、操作過程與現象、製作方法、原理、叮嚀的話以及參考資料等。到底這些科學實作,能帶給學生那些體驗、驚喜和領悟?

 培養科學探究的興趣


本書「袋鼠下坡」單元,是「步行下坡」(ramp walker)系列玩具之一,袋鼠玩具的前後腳掌皆為圓弧形,當袋鼠玩具置於斜坡頂點時,隨著下坡的運動過程,前後腳會交替接觸斜坡(即輪流做為支點),呈現前後搖擺的趣味姿態(影片連結)。製作時,以飛機木為材料,裁切出袋鼠的身體和雙腳,最後以竹籤和鐵絲組裝起來(圖1)。


圖1.袋鼠下坡玩具(圖片來源:許良榮教授)

「袋鼠下坡」身體前後搖擺的原理,以分解動作(圖2)說明如下:
(1)一開始以後腳為支點,此時重心在支點的右側,故袋鼠頭部朝下運動,前腳會向前著地;
(2)前腳為支點,重心在支點的左側,故後腳由於本身的重量往下掉,往前腳靠近;
(3)由於重心在支點的左側,故袋鼠會尾巴朝下、頭部朝上,以及前腳往前跨出一步;
(4)此時支點轉移到後腳,重心在支點的右側,故袋鼠會發生尾巴朝上、頭部朝下的運動。反覆上述步驟,就形成袋鼠前後搖擺的步行下坡現象。

圖2.袋鼠下坡原理(圖片來源:許良榮教授)

本書的「紙杯下坡」單元,可視為「袋鼠下坡」單元透過創造力的「轉換」(transfer)原則,即「將某領域的做事原理,應用到另一個領域」,設計出來的動手做活動(影片連結)。
製作步驟(圖3)如下:以竹籤插入瓦楞板的頂端,再貫穿紙杯中央,瓦楞板必須可以在紙杯內自由轉動;在紙杯內側分別黏貼兩塊保麗龍,以限制瓦楞板的左右擺動幅度;左邊的保麗龍不要超出杯底,插入長腳圖釘,以調整杯子的重心偏向左側;右邊的保麗龍要凸出杯底約0.2公分,而且要以美工刀將底部修成圓弧狀。


圖3. 紙杯下坡裝置示意圖(圖片來源:許良榮教授)

將製作完成的裝置,放在斜坡上,紙杯中央能夠自由轉動的瓦楞板,如同袋鼠的後腳;紙杯底前端的保麗龍,則如同袋鼠的前腳;故紙杯口能反覆一開一合地步行下坡。如果紙杯內的瓦楞板、保麗龍的底部傾斜不平整,則紙杯下坡時就會歪歪斜斜。可以指導學生探究「重心位置」對於「下坡的速度」有何影響。

「Toys from Trash」網站透過創造力的「減少」(reduce)原則,即「變少或減小原有事物的大小、長度、重量、數量、比例等」,設計出更簡單的「走斜坡」(walking the ramp,網址)動手做活動。
製作步驟(圖4)如下:以厚度0.25公釐的透明塑膠片為材料,依網站提供的圖型輪廓剪下來,再摺疊出四條腿、頸部、頭部和尾巴等部位;然後以彩色膠帶美化外觀,或者以油性簽字筆畫上自己喜歡的圖案;最後取一支兩端添加少許黏土的竹籤,以膠帶黏貼在「身體」的中央。


圖4.「走斜坡」玩具(圖片來源

實驗時,斜坡以保麗龍板較佳,因為摩擦力較大,成品才能振動下坡(影片連結)。
注意調整竹籤上的黏土重量,若黏土太多,則可能壓垮成品;若黏土太少,則振動幅度太小。
指導學生探究:
(1)改變不同光滑程度的斜坡材料,觀察對於振動下坡的影響為何?
(2)若作品無法在一直線上直走下坡,則可能有那些影響因素?要如何調整?
(3)採分組競賽,看看誰的作品可以走最快(或最慢)?在相同的距離,誰的作品走了最多步?

2017年,遠哲趣味科學競賽有一項「下坡玩具大車拼」(影片連結),參賽者以規定的材料(竹籤、黏土、吸管、塑膠板、西卡紙)設計並製作步行下坡、振動下坡玩具,並經由調整重心位置、質量分布、轉動角度等變因,使下坡玩具分別於「步行下坡慢慢走」及「步行下坡快快走」活動中,能以最慢及最快速度,一步一步的往下走。此項「創意競賽」不限定材料,參賽者可以發揮創意,自行設計下坡玩具及斜坡,使下坡玩具能沿著斜坡往下走,也可以將外型予以美化、趣味化,或可發想將本活動之概念,設計成具有實用性之用品。

英國「Grand Illusion」玩具網站,曾推出一款壓克力材質製成的透明盒子,表面有規則排列的半圓凸狀,呈「45度傾斜」排列,稱為「拷貝編碼器」(copycoder)。表面半圓凸狀的結構,目的是「利用圓柱體的折射原理,能將文字進行編碼和解碼」。編碼時,使用者只要將拷貝編碼器置於文字訊息上方,即可呈現出一大堆亂碼的影像;或者到「Copycoder Message Creation Page」網站(網址),輸入想要傳遞的英文文字訊息(中文無法正常編碼),就能得到編碼後的影像(圖5),然後寄給對方。解碼時,只要將拷貝編碼器置於亂碼圖像上,就能辨認出原來的文字訊息(圖6)。


圖5. THANK YOU經過編碼後的圖像


圖6. 經過拷貝編碼器解碼後的圖像(圖片來源:許良榮教授)

「拷貝編碼器」須至國外網站網購,耗時又耗費,其實只要了解拷貝編碼器的原理,就能使用「壓克力圓棒」為材料自行製作。值得注意的是:國外拷貝編碼器表面的半圓凸狀,呈現「45度傾斜」平行排列,文字編碼則沒有傾斜。自行製作時,若同樣將壓克力圓棒傾斜排列,則每根圓柱體的長短不一,剪裁相當麻煩又可能不整齊。本書自製的「密碼編碼器」單元,透過創造力的「轉向」(change direction)原則,即「對一件事物轉個角度來看,藉由角度的轉變而產生新的觀念或物品」的動手做活動,將文字改以「45度傾斜」編碼(圖7),而壓克力圓棒則改為「垂直排列」,這樣產生的編碼和解碼(圖8)效果,相當於國外購買的拷貝編碼器(影片連結)。

 
圖7.編碼的「天天開心」(圖片來源:許良榮教授)


圖8.解碼後的「天天開心」(圖片來源:白榮銓老師)

至於詳細的製作方法及原理,請參考本書作者在本刊第56卷第4期發表的《教學現場:密碼解碼器》(網址)。中文的文字除了能透過編碼器編碼之外,還能夠透過影像處理軟體(例如PhotoImpact X3)製作,但是為了節省教學準備時間,本書提供現成的「密碼紙圖檔」(共12頁)網址,只要下載列印出來,即可供「密碼解碼器」解碼之用。

由上述可知,透過創造力的「轉換、減少、轉向」等原則,能夠激發創意,將國外的玩具轉化為適合國小、國中程度的動手做活動。活動的目的是讓不同學習階段的學生,能透過科學探索瞭解現象發生的原因或機制,並滿足好奇心;同時能透過成功的科學探索經驗,感受自然科學學習的樂趣。即學生能透過動手實作,感受以成品表現自己構想的樂趣,並透過解決問題或驗證自己想法,獲得成就感及增強自信心。

 提升科學探究的能力

普通的噴泉是應用連通管的原理,即利用管子將高處水源的水,引到低處,因為高處水源的水面,高於低處水源的水面,所以會發生噴泉的現象,由於能量的損失,普通噴泉噴出的水位高度,通常低於高處水源的水面。若高處水源的水面,與噴泉噴嘴處的高度差為h,則這段高度差水柱所產生的壓力差hd(d:水的密度),就能造成噴泉向上噴發。

但是水源一定要高於噴嘴,才能產生噴泉嗎?古希臘數學家、物理學家和工程師希羅(Heron of Alexandria, 約10-70 AD),發明了水源低於噴嘴的噴泉,稱為希羅噴泉(Heron's fountain)。這項偉大的發明符合了創造力的「逆向」(reverse)原則,即「將現存的事物或觀念以反轉的方式思考,或是力學機制的反轉使用,是一種不侷限於現有機械的反轉運作」。希羅噴泉(圖9)包含三個組件:噴水口A盆、水源B瓶以及氣壓源C瓶,各個瓶口和水管的連接處,必須確實密封,否則實驗無法成功,當B瓶入水約八分滿時,就能在噴水口A盆產生噴泉。


圖9. 希羅噴泉結構示意圖(圖片來源:許良榮教授)
 
實驗時,將水由上往下,緩緩倒入A盆,這些水會經由通往C瓶的管子流入C瓶(A、C瓶水面的壓力差h1d);隨著C瓶內的水位上升,C瓶內的空氣受到擠壓,空氣經由通往B瓶的管子流入B瓶;B瓶內的水面受到來自C瓶空氣的擠壓,經由通往A盆的管子往上流往A盆(A、B瓶水面的壓力差h2d),由於h1d>h2d,所以水會由噴嘴口噴出,形成噴泉。若C瓶的位置愈低,則h1d-h2d愈大,噴泉就會噴得愈高。

本書的「希羅噴泉」單元,使用的材料,包含:寶特瓶、吸管、細透明水管、滴管(做為噴嘴),須以熱熔膠粘封透明水管、吸管和寶特瓶的接口處,使其沒有任何縫隙,否則實驗無法成功。
實驗步驟(圖10)如下:

圖10. 寶特瓶組裝的希羅噴泉(圖片來源:許良榮教授)

(1)先將水倒入A盆,水會自動流入C瓶;
(2)當C瓶內水位約八分滿,倒立整個裝置;
(3)使C瓶的水,全部流入B瓶;
(4)再將整套裝置轉為正立,然後緩緩倒水入A盆,注意水位不能高於噴嘴口,就能在A盆的噴嘴看見噴泉現象(影片連結),實驗原理如上段所述。
教學時可以採取分組競賽,看看那一組製作的成品,噴泉的高度最高,或是噴泉持續的時間最久。

2015年8月,英國「每日電訊報」(The Telegraph)網站,刊登一篇《如何將手機變成3D全像投影機》(How to turn your phone into a 3D hologram projector)的動手做活動,可視為利用創造力的「延伸」(extend)原則,即「將一個現存的事物,加以擴大,可以是有形的外在尺寸,也可以是將功能或效能的擴大」。此篇文章介紹以透明單片光碟盒為材料,裁切成四片梯型,再以膠帶固定成梯形立體錐,置於平放的手機螢幕上,然後到YouTube搜尋全像影片(hologram video)播放,在光線較暗的環境下,能夠在手機上方的立體錐內,看到浮空幻影(圖11)。

圖11. 手機螢幕上方的浮空幻影(圖片來源

其實,早在19世紀60年代,英國科學家和發明家佩珀爾(John Pepper, 1821-1900),就展示了一種能在劇場和魔術表演中,產生幻覺的技術,他使用平面鏡和燈光設置,能讓舞臺上的物體消失或復現,這項技術稱為「佩珀爾幻象」(Pepper ' s ghost)。例如在地板上投影圖像(圖12),並將其反射到舞台上的玻璃片,就能讓現場演員(左)與投射的幽靈(右)互動演出。


圖12. 佩珀爾幻象(圖片來源:Wikimedia Commons)

本書的「浮空投影」單元,考量學生切割光碟片盒時的安全及方便,故配合手機或平板電腦的螢幕大小,影印適當大小的製作圖,以膠帶黏貼於厚度0.25mm的透明膠片背面,然後裁切、彎折,以膠帶黏貼成梯形立體錐。「浮空投影」裝置所投射的影像,並非3D立體影像,而是全像影片內「前、後、左、右」的四個影像,分別反射到梯形立體錐的四個面而已。
指導學生探究:
(1)
取一個平面鏡,擺放在手機螢幕上,觀察鏡子與螢幕在不同夾角時,所形成的影像位置,有何差異?
(2)製作不同角度的梯型立體錐,觀察所形成的影像位置,有何差異?


本書的「靜電動力球」單元,利用靜電,能使小保麗龍球在塑膠管內快速的來回運動(影片連結),此動手做活動運用了「靜電感應、接觸起電、靜電接地」等科學原理,可視為利用創造力的「合併」(combine)原則,即「將多種的事物、構想、目的或功能,合併成一體,以解決問題或創造出新的事物」。

製作材料,包含:保麗龍球、鋁箔紙、透明塑膠管(直徑1.5公分)、靜電棒。製作步驟:以鋁箔紙包覆保麗龍球,並儘量使表面平滑,使其容易滾動;然後將包覆鋁箔紙的保麗龍球,放進透明塑膠管中;最後以鋁箔紙包住透明塑膠管的兩端開口。實驗步驟:一隻手拿著塑膠管包有鋁箔紙的一端,使塑膠管維持水平狀態;另一隻手拿著靜電棒,打開靜電棒的電源開關,將靜電棒接觸塑膠管包有鋁箔紙的另一端(圖13),觀察塑膠管內的保麗龍球運動情形。


圖13. 靜電動力球的裝置(圖片來源:白榮銓老師)

實驗原理如下:
(1)當帶有電荷的靜電棒,接觸到塑膠管一端的鋁箔,由於靜電感應,使得保麗龍球的正負電荷發生分離,保麗龍球上的負電荷,受到排斥,集中在遠離靜電棒的另一端,而正電荷則集中在靠近靜電棒的這一端;由於正負電荷互相吸引,保麗龍球將朝向靜電棒運動。
(2)當保麗龍球接觸鋁箔之後,靜電棒持續產生的負電荷,會中和保麗龍球上的正電荷,使得保麗龍球剩下負電荷,由於同性電荷相排斥,使得保麗龍球遠離靜電棒,朝向手持的一端運動。
(3)當保麗龍球接觸塑膠管另一端的鋁箔紙,負電荷會經由人手,傳導至地面而流失,恢復電中性的保麗龍球,由於靜電感應,再度往靜電棒的方向運動,因而產生左右來回的運動。

指導學生探究:
(1)改變不同的變因,例如保麗龍球的大小、塑膠管的長度、直徑和塑膠管兩側的包覆材料種類,然後觀察這些變因對於保麗龍球運動的影響;
(2)改用摩擦毛髮後的氣球取代靜電棒,觀察實驗是否成功。

由上述可知,透過創造力的「逆向、延伸、合併」等原則,能夠激發創意,設計出適合不同學習階段的學習內容;學生能在實驗中,辨明多個自變項、應變項,並計劃適當次數的測試、預測活動的可能結果;並能將所學習的知識,正確連結到觀察的現象及實驗數據,並推論出其中的關聯;最後在教師的指導或說明下,瞭解探究的意義,進而根據問題特性,規劃出具有可信度的探究活動。

綜合上述,產生創意的方法有很多種,有時候創意只是改變了自己的想法,然後用不同的眼光,看待一件舊東西,就可能產生「動手做出新事物」的靈感。創意動手做活動,能激發學生的學習興趣與動機,教師可依據不同學習階段之學習內容,蒐集與發展符合學生程度的動手做科學課程,引導學生透過「實作與探究」,培養「思考智能」與「問題解決」等相關的探究能力,至於本書還有那些有趣又好玩的動手做活動?這些活動與那些學習內容及學習表現相關?這些都有待您進一步的閱讀與思考!