趣味科學實作課程的溫柔體驗


文/葛士瑋
台北市內湖高工教師

科學領域中,女性的溫柔力量一直不可或缺。因此,提升女性學習科學所需的實作能力,將有助於提升女性科學學習與理解,透過有趣的DIY課程設計、安全且簡單的工程技術訓練,讓女性具備完成電路組裝的基本能力,並在學習過程中能獲得達成目標的自信。發揮女性細心的特質,運用工程技術完成組裝,並透過科技方法來探究科學原理,以具象化的學習方式理解物理知識,達成實作課程的溫柔體驗。

光學的物理知識相當豐富且多元,許多現象更貼近我們的日常生活,尤其以光所形成的色彩變化,讓人們看見了美麗的世界。這是因為「可見光」是人類肉眼唯一可見的電磁波,所以物理領域當中,光的色彩現象往往可以吸引眾人的目光,不論是幼童、小孩、青年、長者們,都會因視覺的感受而覺得好奇。基於對光學物理知識的好奇心,更可以吸引學生的投入參與,進而透過有效的學習理解其中的物理原理。因此,如何透過有趣、可動手參與及親身探究的學習過程,讓學生運用自己的能力尋找問題的答案,並理解其中物理知識,尤其是如何讓細心的女性在學習物理的過程中,能跳脫傳統學習框架,展現出女性精巧的動手作能力、運用科技工具完成電路組裝(圖1),並親自感受與探究,透過DIY的科學與實作體驗來驗證物理知識,進而體會物理之美與世界的連結。


圖1. 透過DIY課程完成色光混和探究活動所需的電路

 突破傳統課程的溫柔體驗

在傳統物理學習過程中,講述式教學讓學生難以想像許多物理現象,使得學生在學習上難以體會老師所要傳達的物理知識、核心概念,這也引起許多學生在學習物理知識過程的產生迷思概念,認真的學生更是辛苦地背誦物理知識原理,以應付各種測驗與考試。這樣的學習方式,不僅無法讓學生有效地學習物理知識真正的意涵,甚至抹煞了學生學習物理的興趣與熱誠。因此,許多教師都在思考如何能透過有趣的教學活動,引發學生學習動機,並能理解物理的知識內涵。然而,這樣的目標需要的是一群老師們的投入與努力,其中更包含了跨領域的知識交流與合作,而且為了要讓不同學習對象對課程感到有趣,在沒有學習壓力下,愉快地投入學習活動,更需要課程設計老師們的豐富教學經驗。

關於「不同的學習對象」,曾經在女校服務過的物理老師們,總會提到一個話題就是「如何引起女性學習科學的興趣」是一件重要的事,因為唯有先引起學生的興趣,才能進一步引導學生學習。物理科學的學習過程可藉由科學探究活動,讓學習者獲得更多正確的物理知識的體現,其中實作課程更是讓學生由作中學,發現科學的原理是經過許多努力才能達成現在的成果。然而多數女性在學習科學過程,因缺乏機會或信心參與實作課程或實驗,而對科學原理未能全面的理解,其實相當的可惜。有鑑於此,設計有趣的科學動手做課程(圖2),以符合女性科學實作能力進行科學探究(圖3),將可大幅提升女性學習科學的信心與成就,增加女性投入科學學習的機會,培育出更多優秀女性科學研究人才,讓更多「溫柔力量」投入於科學領域,豐富科學研究領域的人才。




圖3. 以模組電路探究色光混和的色彩感受

 物理科學動手做—實作基礎技術教學

實作課程初體驗

為了引起女性科學學習的興趣,提升科學實作能力,DIY課程設計需考量女性學習者的工具使用技巧,因此在課程進行之前,基礎工具運用的教學相當重要,首先教導學生正確運用電路組裝工具:電烙鐵、電烙鐵支架與清潔木漿海綿(圖4),以及正確的電烙鐵清潔(圖5,youtube影片連結可掃描QR code 1)、電烙鐵焊接的技巧(圖6,youtube影片連結可掃描QR code 2)。由於電烙鐵溫度約250℃,必須提醒參與課程活動的女性學員在安全的規範下操作,讓女性學員克服對路高溫烙鐵的恐懼,嘗試動手使用電烙鐵練習焊接技巧,是實作課程中要的第一步。


圖4. 基礎焊接技術所需的工具:電烙鐵、電烙鐵支架與清潔木漿海綿


圖5. 焊接過程中需透過清潔電烙鐵來維持焊接點的品質(youtube影片連結可掃描QR code 1)


圖6. 使用電烙鐵進行電子元件針腳與印刷電路板的焊接練習(youtube影片連結可掃描QR code 2)

學員在練習焊接過程中,於每一個焊點上熔化適量的焊錫,因焊錫是透過高溫的電烙鐵將固態的合金熔化,並在凝固後能與印刷電路版(PCB)上的銅箔、電子元件的針腳(pin)結合的重要媒介,若焊錫的用量太多或不足都會導致焊接的失敗。所以,在練習電烙鐵熔化焊錫的技巧時,教師首先提供多孔的印刷電路板,讓學員依序在電路板上的銅箔焊上焊錫,並檢視焊接點外觀與焊錫用量,藉此評估學員是否能正確運用電烙鐵與控制每一個焊接點焊錫的使用量(圖7)。


圖7. 學員使用適量的焊錫完成多孔印刷電路板銅箔上的焊接點

在反覆的焊接過程中,電烙鐵的尖端會殘留許多熔化的焊錫,因此學員是否能正確的清潔電烙鐵尖端也會引響焊接組裝的成功與否,所以教師在授課過程中亦觀察學員是否能有效的運用烙鐵架上的木漿海綿進行電烙鐵清潔,並能掌握技巧在木漿海綿上移動高溫的電烙鐵,並同時些微轉動電烙鐵尖端,確實將熔化的焊錫清除。女性學員在剛開始接觸高溫電烙鐵時,會因害怕燙傷而使得動作不流暢,但是在多次的焊接點練習後,逐漸掌握焊接工具的操作要訣後,皆能流暢地清潔電烙鐵,完成外觀完整且適量的焊接點,並融入女性學員細心的一面,仔細觀察不同焊接點的好壞是基於操作方式的差異,耐心地完成漂亮的焊接練習,接著更能焊接電子元件的針腳與印刷電路版,透過熔化適量的焊錫達到固定與電路通路的作用(圖8)。


圖8. 女性學員練習將各式電子元件確實焊接於電路板上

教師亦需提醒學員電烙鐵接觸電子元件的時間不宜過長,否則可能導致電子元件因過熱損壞,所以焊接動作的流暢相當重要,否則常因為電烙鐵停留在電子元件或印刷電烙版的時間過長,造成元件損壞或焊錫過量進而導致電路組裝問題。課程中觀察到女性學員皆能依據焊接技術的練習,先將色碼電阻的針腳放入電路板後,於電路板背面銅箔處進行焊接,確實地將電子元件的針腳與電路板上銅箔結合。觀察女性學員第一次使用電烙鐵焊接過程,發現經過練習後女性學員對於焊接技術愈來愈有自信,雖然焊接過程中偶有缺失,但學員們都能透過不斷的反覆練習,逐漸地完成完美的焊接練習作品,也讓老師們看到女性學員對於學習新技術的認真與努力之外,更多了一份希望作品美觀的細心。因為即使是焊接練習作品,許多女性學員仍然仔細地讓每一個焊接點都能完美呈現(圖9)。


圖9. 學員仔細的完成每一個焊接點,展現出力求完美的精神

 物理科學動手做--DIY 迷你LED調色裝置組裝

完成基礎焊接技術的訓練後,參與DIY課程的女性學員對於自己的焊接技術都具有相當的信心。因此,在後續的迷你LED調色裝置電路組裝課程中,皆能依循授課老師的教學步驟,逐步完成各式電子元件的焊接。課程實施中觀察到女性學員第一次接觸各式電子元件的好奇心,對於能夠一窺這些隱藏在日常生活各式科技產品中的電子元件都感到相當有趣,因此在焊接每一個電子元件之前,老師都會介紹電子元件的功能、特性,以及相關物理原理,讓女性學員認識各類電子元件。這樣的授課方式不僅能確保每一焊接步驟的成功,也能學習到這些電子元件的科技內涵,例如:(1)焊接色碼電阻的步驟,會先介紹10種色彩條碼(黑、棕、紅、橙、黃、綠、藍、子、灰、白)分別代表數字0~9,而金、銀分別代表電阻誤差值5%與10%,將金色條紋一端置於右側,從左端看來前兩條色彩條紋代表一組二位數值,第三條色彩條紋則為10的次方倍率,將二位數與倍率相乘後,即為色碼電阻所代表的理論電阻值(圖10);(2)焊接三色LED的步驟,須先了解三色LED是由三個紅、綠、藍三色LED共同封裝,在設計上為了簡化接腳而將正極部分共用(市面上也有負極共用的款式),可由外觀造型判斷出共同正極,並焊接於電路板上正確位置(圖11)。透過組裝活動有助於女性學員更了解物理科學是如何廣泛的應用於現代科技中,並能培養未來學習所需的基礎科技素養。


圖10. 教導學員透過色碼表來計算色碼電阻的理論電阻值


圖11. 三色LED的共同正極針腳外觀與焊接

在DIY課程進行過程中,女性學員隨著成功焊接每一個電子元件而逐漸完成的電路裝置,臉上除了專注的神情,更洋溢著學習的快樂。當然組裝過程也不乏遭遇許多困難,例如:不小心添加過多焊錫,導致電子元件針腳焊接點相連;細小的積體電路(IC)針腳組裝困難;發光二極體(LED)的針腳間距與焊接點空間。這些組裝過程的問題,在老師的協助下逐一排除。女性學員也透過觀察問題解決過程更進一步了解工程技術的細節,這些實作過程中才能發現的小問題讓女性學員體會,看似簡單的焊接背後其實潛藏著許多細節需要注意,而且這些細節更會影響著後續裝置電路的功能是否能正常運作。

經過正確的電路組裝後,學員均能在課程時間內完成迷你LED調色裝置,並透過裝置進行LED色彩控制與色光混和測試(圖12),探究有關光與顏色的變化。不同於傳統的色光教學模式,僅是透過三原色的色輪圖背誦色光的混和,學員能透過調整LED混光裝置中紅、綠、藍三原色的亮度,以探究活動來理解色光三原色的混和與眼睛感受的色彩變化。女性學員在進行光與色彩的科學探究活動時(圖13),除了測試讓兩種色光混和所形成的混色結果-洋紅(紅+藍)、青(藍+綠)、黃(紅+綠)之外,也仔細觀察到色光的亮度對眼睛所感受的色彩有所影響,並討論可能是由於眼睛對於亮度感受的影響造成,這樣的討論與對話是傳統教學過程中學生難以由教師的知識講述中獲得的結果。其實色彩的亮度會影響眼睛中視網膜對於色彩的視覺感受,原因是視網膜上除了感覺三原色的錐狀感光細胞之外,還有感受亮度的柱狀細胞,當處於亮度不足的環境下,錐狀細胞沒有足夠的光來感受色彩,僅能靠柱狀細胞感作用,所以對於色彩的感覺會受到影響。



圖12. 測試組裝完成的電路模組,並調整三原色的光強度變化


圖13. 利用迷你LED調色裝置探究色彩變化的光學現象

 結語

透過有趣的DIY組裝實作課程,不僅提供女性科學學習的新體驗與應用科技技術進行工程組裝,也能思考更多探究活動中所發現的科學問題,並嘗試尋找可能的答案。女性細心的科學學習特質在DIY實課程中,不僅仔細的學習焊接技術,於練習過程中掌握各類工具的使用技巧,更將技術用於電路組裝上,展現了穩定與耐心的一面,克服焊接過程中遭遇的困難,將迷你LED調色裝置電路組裝完成,並透過裝置來探究科學現象背後所蘊含的物理原理。重要是的在這樣有趣的DIY實作課程中,女性有機會學習到新的知識與技術,並將所學融入於科學活動中,展現女性的溫柔力量在學習新興科技與科學知識上具有相當優異的表現。