前言

國立科學工藝博物館多年來接受教育部國民及學前教育署委託辦理科學教育資源推廣計畫，持續結合博物館資源進行科學教育推廣。今年度推廣主題聚焦於「聲學」，開發和推廣符合課程需求的有趣動手實驗教材，培養教師運用教具和動手實驗來引發學生科學興趣的習慣，並講求探究精神的融入，發展系列教材如彈簧波動實驗、音波跳舞－水晶杯的膜法、雷射聲波杯、氣球吉他等，總計辦理13場次教師研習，並擇選廣受歡迎的氣球吉他作為教學包，提供所需材料與教學媒體給參與研習的教師領用，便利返校推廣教學，後續也獲得廣大迴響，遂著手整理此教材內容與推廣回饋意見，以期提供更多教師教學參考。


圖1. 學生展示氣球吉他成品和習得的知識

 壹、開發歷程

教材開發初期透過網路收集大量的相關資料，希望能找到符合中小學聲學課程內容需求，同時又新奇有趣、材料便利且具備探究實作特質的動手活動。在「跟著鄭大師玩科學」網站上瀏覽到氣球吉他彈奏影片，教材開發團隊深感興趣，但影片中並未介紹製作方法。而後進一步搜尋，在YouTube上Sandi Masori Presents頻道找到一段以氣球製作樂器的相關影片，參考後進行改編優化並擴增延伸，歷經團隊多次改良並於現場活動實驗，才完成教材的開發，進而拍攝教學影片進行推廣。

 貳、製作程序

氣球吉他所使用到的基本材料包括：10吋圓形氣球、135長條氣球、小橡皮筋、打氣筒，另外也可以準備長條橡皮筋、彈力繩或釣魚線等其他材料取代長條氣球作為吉他弦進行製作和進一步的探究。製作步驟如下：

一、將長條氣球末端打上兩個結（需重疊在一起，見圖2），其重點在於加大打結處的體積。

二、將打結處從圓形氣球吹嘴端塞入內側至底部，再同時抓住圓形氣球底部的氣球皮和長條氣球打結處，用小橡皮筋將兩者綁在一起（必須綁緊，不然容易鬆脫，見圖3）。

三、將圓形氣球從吹嘴端由內往外翻，使氣球整個翻面（圖4、圖5）。

四、以打氣筒將圓形氣球充氣至八分滿，並打結綁緊，完成氣球吉他製作（圖6）。

長條氣球可替換為前述其他材料進行製作，惟彈力繩或釣魚線的線徑較細，前端需綁上串珠以增大體積（圖7），便於固定於圓形氣球內部不致脫落。利用不同的線材來進行實驗，可以觀察其音量及音色的改變。


圖2. 長條氣球前端打結


圖3. 長條氣球塞入圓形氣球，再以小橡皮筋綁緊固定


圖4. 將圓形氣球由內往外翻面


圖5. 翻面後的圓形氣球


圖6. 將圓形氣球充氣，完成氣球吉他製作


圖7. 使用其他線徑較細的線材取代長條氣球時，前端需綁上串珠以增大體積，方便固定

 參、活動進行方式

氣球吉他對應的課程主題為國中理化第三冊「波動與聲音」，國小則適用於高年級的「聲音與樂器」，活動目標如下：

一、透過長條氣球的操作，學生能感受不同介質傳遞聲音的差異。

二、經由操作學生能發現圓形氣球具備音箱的功能，同時可以放大聲音。

三、透過氣球吉他的操作，學生能發現弦的長短和鬆緊會影響聲音的高低。

四、透過實驗探究，學生能聽出不同材質的弦，其音色會有所差異。

教師可以先從生活中常見的樂器談起，也可以拿一把吉他或烏克麗麗簡單示範彈奏，引起學生的學習動機，接續進行以下建議的教學方式：

一、傳聲介質的體驗－固體與氣體傳聲：將長條氣球一端纏繞在手指頭上靠近但不接觸耳朵，另一手拉長氣球並以手指撥動氣球，仔細聆聽聲音。接著維持氣球拉伸長度，將纏繞在手指頭上的氣球直接壓在耳骨上，再次撥動氣球，聽聽看聲音是否有差異（比較音量大小和音色，見圖8）。


圖8. 學生比較藉由固體（顱骨）和氣體（空氣）傳聲的差異

二、音箱的功用：取單一長條氣球拉長約30公分（可調整）後撥動，聽聽看所產生的聲音，再拿取製作完成的氣球吉他，用手臂輕夾住圓形氣球於身體一側後，另一手將長條氣球拉長至30公分（與先前大約相同），再使用夾住圓形氣球端的手來撥動長條氣球（以下統一簡稱撥弦，見圖9），聽聽看與僅使用長條氣球來撥動時，產生的音量大小是否有差異。此外，為避免長條氣球或其他材料纏繞於手指造成不適，也可將一端纏繞於硬質物品（筆或冰棒棍等）上，再用手抓握進行實驗（圖10）。


圖9. 氣球吉他的彈奏姿勢


圖10. 將彈力繩或釣魚線纏繞於硬質物品上

三、調整弦的鬆緊度，觀察音調的差異：建議由兩人合作進行，一人藉由拉長或縮短長條氣球來調整弦的鬆緊度，主要操作者每次皆需要用一手壓住與圓形氣球距離固定的位置（維持弦的長度），另一手進行撥弦（圖11），聽聽看聲音會有什麼變化。


圖11. 兩人合作進行氣球吉他實驗

四、調整弦的長度，觀察音調的差異：建議由兩人合作進行，一人將長條氣球拉伸至特定長度後維持不動，主要操作者以一手按壓住長條氣球的不同位置（改變按壓點與圓形氣球的距離，即改變弦的長度），另一手進行撥弦，聽聽看聲音會有什麼變化。

五、歌曲演奏：固定弦的拉伸長度後，找出特定音階（例如Do到So）的按壓位置，進行簡單歌曲（如蜜蜂做工）的練習和演奏，也可在弦上標註按壓位置方便操作。

六、音色的比較：可分組分別以不同線材（如長條橡皮筋、彈力繩、釣魚線等）為弦，進行氣球吉他的製作，觀察比較撥動不同材質的弦所發出的聲音，其音調、音色與音量是否有所差異（需盡量固定弦長以及圓形氣球充氣後的大小）。

七、資訊科技的運用與量測：進階的操作，可利用手機下載調音器App進行量測（建議可使用phyphox），取得客觀的數據資料進行紀錄，重複教學方式三、四，量測當弦的鬆緊度或長度改變時，撥弦所產生聲音的頻率數值與聽到的音調高低進行對照（量測時，手機需盡量靠近圓形氣球）。

 肆、原理說明

本活動相關科學原理，簡單條列說明如下：

一、聲音的產生是因為物體振動擾動了介質粒子，將能量以波動的方式往外傳播。而固體、液體、氣體介質皆可傳播聲音。

二、當我們拉緊一條長條氣球、橡皮筋或彈力繩，撥動時就能來回振動產生聲音。產生聲音的頻率（音調）和長度、質量、繃緊的張力大小等因素有關，吉他就是根據這些因素來改變發出聲音的頻率。

三、產生聲音的音量和被撥動後振動體的振幅有關，我們聽到的聲音響度也和與聲源的距離有關。

四、音箱的作用：長條氣球（或彈性繩、橡皮筋等其他材質）的振動傳到圓形氣球，使圓形氣球產生與弦的振動「頻率相同」的強迫性振動，圓形氣球的振動能增大發聲體（弦）與空氣分子碰撞的接觸面積，進而增強空氣分子的振動，使音量變大。

五、音箱（氣球）形狀的不同也會讓聲音散布的方式不同。

 伍、推廣回饋意見

一、教師研習推廣回饋
聲學系列教師研習在2021年7月至10月期間辦理，13場次研習活動中，由於新冠肺炎的影響，有12場次採用Google Meet視訊會議方式進行，總計446名教師參與，參與研習教師可即時於會議聊天室和會後提供的Google表單問卷留下相關意見，共回收383份有效問卷。其中在「請選出您認為適合並有意願在學校進行教學的教材」問項的填答結果，有超過85%的參與研習教師（詳表1），都將氣球吉他列為選項，顯示大家對氣球吉他的喜好程度。

表1. 認為氣球吉他為適合並有意願在學校進行教學的教材之人數統計


在課程相關建議開放式問項中，參與研習教師熱情地針對氣球吉他的使用、環保性和適用年齡提出看法，部分摘錄如下（無記名問卷，以研習日期顯示來源，詳表2）：

表2. 教師研習意見回饋

二、教學包推廣回饋
教師研習結束後，參與研習教師可於現場提出教學包申請意願，本館以郵寄方式提供氣球吉他學生使用材料和教學媒體，供教師返校推廣應用。參與教師需配合於限定時間內，完成教材推廣，並填寫教學包推廣意見回復表，併同推廣班級活動現場相片回傳（如圖12）。本年度教學包推廣達400班，申請學校遍布宜蘭、基隆、桃園、新竹、臺中、彰化、嘉義、高雄等縣市，依據在12月10日前收到的159份回饋問卷進行資料統計，可發現本教材的使用滿意度極高（詳表3）。


圖12. 學生合作進行氣球吉他彈奏

表3. 教學包推廣效益


在教材使用相關意見開放式問項中，許多教師都提出了正向的觀點，酌例舉如表4，更有意義的是有些老師能提出進一步的操作建議（詳表5）以及教學現場遇到的問題（詳表6），非常值得作為教材修正的參考依據。

表4. 教材使用意見回饋－正向例舉


表5. 教材使用意見回饋－操作建議例舉


表6. 教材使用意見回饋－教學現場問題例舉

 陸、總結

氣球吉他教材經歷多場教師研習和大量的教學包推廣應用，收到豐富的回饋意見，除了大部分的正向回饋之外，也有幾位教師反應利用氣球當材料雖然有容易取得的優點，但會產生廢棄物汙染環境，建議研發能夠重複使用或利用回收的材料來進行；另外對於學生動手做能力低落的回饋意見值得特別注意，國中的班級幾乎每班都會有幾位同學無法順利用橡皮筋固定弦與氣球，充完氣的氣球也需要老師或同儕協助綁定；而國小高年級學生更是多數不會綁橡皮筋，這種狀況讓教學現場的老師們都覺得驚訝，顯見學生動手做能力的訓練，應是當前推廣探究實作教學的重要工作事項之一。而囿於教學時間，跨領域和延伸探究的教材內容也常無法完整執行，這是現實與理想間的一種拉鋸，需要教學現場的老師們自行權衡。此外，團隊也依據回饋意見，嘗試利用紙箱製成同時具備三種不同材質弦的紙箱吉他（圖13），製作方法、原理差異不大，效果也非常良好，可以完成上述的各項教學實驗，又兼具環保和重複使用的特性，也非常推薦大家能試試，抱著紙箱吉他走唱校園，應該會成為別具特色的風景。教材的詳細文案與製作、操作影片均已上網公告，歡迎有興趣的教師或學生可於國立科學工藝博物館科學學習中心專網查詢使用。


圖13. 利用紙箱和不同材質弦製成的紙箱吉他