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玩出創意5：50個魔法科學實作


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！