前言

探究與實作是108課綱的重頭戲，也是大學端用以評量學生的一大重點。筆者以發電機教具模組作為教材，在麗山高中探究與實作課程實際操作，期望藉此培養學生探究問題、動手實作、規劃實驗、控制變因等能力。並透過教具實作的過程，培養學生解決問題的能力。

電機、資工系是自然組熱門科系，再生能源、電動車也是重要科技領域。然而電學課程卻一直要到高三才會提到。學生在不了解電機、自動控制學習等內容，就憑感覺選擇了熱門科系，這是師生所不樂見的。因此期望藉由發電機模組教具，引領學生入門。

 發電機教具模組的發展沿革

傳統發電機教具裝設手搖曲柄，當轉快一些時附上的電燈泡就會明亮一點。這類教具僅能教授力學能轉換成電能，這種粗淺定性概念(圖1)。相信有許多物理老師期待，擁有能定量演示法拉第電磁感應定律的發電機教具。

2017年在東海大學舉行的物理教學與示範研討會中，發表「電鑽發電機教具演示」，此報告內容是整理我在台北酷課雲電磁感應影片中，所開發的電鑽發電機教具。

在圖2可以看出該教具裝置，利用自耦變壓器調控桌上型電鑽轉速，而其夾頭帶動磁鐵轉軸旋轉，並在磁鐵旁放置線圈，感應的交流訊號以數位電錶計數角頻率 ω，並接上示波器顯示波形，測量最大感應電動勢 ε。

並比較理論計算所得到的感應電動勢，以及示波器所測量得到的波形之電壓振幅。當然，還需在前置實驗中測量線圈匝數N、面積A。以及在亥姆霍茲線圈驗證， iPad平板磁力計是十分準確的，可以使用平板磁力計測量磁鐵的磁場強度B。(圖3)


圖1.IKEA 手搖手電筒可作為發電機教具


圖2.電磁感應發電機影片中「電鑽發電機教具」


圖3.利用iPad 磁感應器測量磁鐵磁場強度

 法拉第電磁感應定律

εmax = NBAω 其中，εmax為電壓振幅、N為匝數、B為磁場、A為線圈面積、ω為角頻率。學生可以透過手機示波器測量電壓週期，並將之倒數乘上2π得到ω。(ω=2πf，頻率f)

圖4.發電機教具模組裝置圖

雖然「電鑽發電機教具」能夠定量演示法拉第電磁感應定律的各項變因，但是自偶變壓器、桌上型電鑽以及示波器等儀器，並不是十分便宜或是幾乎每個人都擁有。所以必須要重新設計開發，價格大約在200元上下的「發電機教具模組」，讓每位同學都能夠擁有。

可以將「發電機教具模組」依功能不同可以區分為四個單元：

1.電源及調控電壓：USB電源、麵包板、LM317電晶體、可變電阻等。
2.驅動及磁鐵部分：包含馬達、磁鐵及轉軸如塑膠管、竹籤等。
3.感測與訊號傳送：線圈(纏繞漆包線線軸)、3.5mm音源接頭、1K Ω電阻。
4.示波器顯示部份：包含手機、平板以及安裝示波器軟體。

經過尋找後，最便宜的驅動源應該是直流3V玩具馬達。並考慮長期耗材成本，最便宜的直流電源不是2顆1.5V AA電池，而是使用Micro USB 5V 電源，可以連接行動電源方便外出實驗，或是使用交流電源經USB變壓器轉換成5V直流電。調控馬達轉速，最初是利用可變電阻，但是很快發現因為馬達電阻極小，通過電流會過大，可變電阻十分容易燒毀。若是更換大功率的線繞可變電阻，不但成本過高之外，還需訂製不易推廣。所以改用LM317 電晶體調控即可控制輸出電壓。

在「電鑽發電機教具」是使用止水膠帶的線軸，纏繞著漆包線。但是「發電機教具模組」需要更小的線軸，因此本教具改採用縫紉機內的塑膠梭子線軸。線圈感應的電動勢過去是連結示波器，現在改連結手機的音源輸入(麥克風輸入)，透過手機的示波器App呈現波型。但實際上手機的Mic in 為了驅動電容式麥克風，會提供固定的直流電壓；若貿然連結電阻極小的線圈就等於是短路，所以還需要串聯 1 k 歐姆電阻。

 發電機模組在探究與實作課程

麗山高中探究與實作課程實施方式，採用物理與化學協同、物理與地科協同以及化學與生物協同等三組，同時對高二同學扣除數理資優班外，將其餘九個班進行教學。總共分為三個班群，以輪轉方式各組分別對各班群授課六週。而物理與化學組，在上學期所選定的主題為「電」，化學是以電池為主軸，探究不同的電極金屬與電解質溶液變因。

在探究與實作課程中，多數自然科老師會以保守策略，選擇對學生熟悉的單元，而且是設備簡單容易執行的單元。我們選擇「發電機教具模組」作為探究議題，反而是因為高二同學對原理並不熟悉，在好奇心的驅使下這樣的內容或許才更加適合探究。

教具運用科學、技術、工程、數學(STEM)課程精神，期望學生會用螺絲起子組裝、使用電烙鐵，操作電錶量測(圖5)、看懂電晶體接腳及電路圖(圖6)等工程技術之後，依據法拉第電磁感應定律，再改變變因。如轉速、磁場強度、匝數、線圈投影面積等，分析對波型電壓振幅的影響，藉此培養科學素養。


圖5.測量Micro USB 輸出約5V電壓


圖6.LM317電壓調整電路與接腳

 發電機教具模組精進

歷經過半學期的觀摩與協助發電機探究課程之後，志傑實習教師提出提升教學效率之三點建議。

1.發電機教具模組最初使用的磁鐵轉軸，是利用塑膠管、竹籤、磁鐵與泡棉膠黏製而成。但學生無法精準組裝，因此量測結果常出現交流感應電動勢波形不對稱(圖7)。因此志傑老師改為 3D 列印磁鐵轉軸(圖8)。可解決製作費時、磁鐵不對稱問題。

圖7.交流應電動勢上下波形不對稱


圖8.利用shapr3D 建模並列印磁鐵轉軸

2.線圈原是以泡棉膠固定。修改為線圈下面黏著磁鐵，並在桐木座貼上軟磁片(圖9)。如此一來，將十分便於調整線圈至磁鐵之距離，以及改變線圈角度，控制磁通量大小。學生可能會詢問，在線圈底部貼上磁鐵，不是會影響磁通量嗎？這配置反倒成為很棒的釋例，講解僅當磁通量變化時才會產生感應電動勢，固定不動的磁鐵並不會產生感感應電動勢。

圖9.貼軟磁片方便調整線圈位置與角度

3.探究感應電動勢與匝數關係，必須更換不同匝數之線圈改變變因。當更換線圈後，很難將另一組線圈放置在相同位置，此兩個不同線圈位置，就產生磁通量差異。為避免這樣的問題產生，將線圈改為抽線設計(圖10)。量測A與B間匝數為N1匝，B與C間為N2匝；在A點與C時匝數增為N1+N2匝。

圖10.線圈改為抽線設計三種匝數輸出

 發電機教具模組用在課程教學演示

現行自然科學領綱，電與磁的詳細介紹要到選修物理IV與V，也欠缺課程電磁感應定量相關教具。因此2020年志傑教師在麗山高中教學實習演示當中，選擇此單元進行教學。不但可結合課程理論的推導，還可運用此發電機教具，驗證感應電動勢與變因關係。

由於教學演示課僅有50分鐘，志傑老師在課前的準備，需組裝並確認各組學生發電機教具正常運作。其中最困難的部分是：固定最大磁通量與磁鐵旋轉角速度，就為了簡化實驗變因，僅探究匝數與電動勢關係(圖11)。


圖11.志傑老師準備教學演示學生發電機教具

從圖12中可以看到，教學空間架設了三面環繞的白板，並使用Apple TV直播教師操作畫面(圖13)，並中將33位學生分為11組。這11組又會被區分兩群，第一群量測50匝線圈感應電動勢；另一群則量100匝。


圖12.合作學習結合發電機教學模組進行實作探究


圖13.Apple TV 結合iPad 直播實作、手寫、資料

分群是依照白板與座位的鄰近程度區分並以兩組互相合作，共同算出發電機線圈在50匝、100匝間的電壓放大倍率。量測結束後同學們將自己的量測數據寫到白板上與合作小組分享(圖14)。


圖14.學生上白板發表實作成果並與同儕分享

透過完善的教學空間，加上發電機教具模組，以妥善規劃的流程執行教學步驟，不是僅僅讓學生坐著聽課寫學習單，還能自己操作實驗，並且上台發表理論與數據。經過此教學演示之後，相信實驗不是僅限於實驗室進行，還可以融入課堂內，引導學生進行「深度且全方面的學習」。

 發電機教具模組推廣活動

「發電機教具模組」參與2019第二屆全國科學教具創意設計競賽，在高中大學組榮獲銅牌獎項(圖15)。除了作為本校麗山高中探究與實作課程之外。還作為麗山國中、民生國中、科學教育館等國中資優班學生營隊；以及科學教育館、桃園陽明高中(圖16)、板橋高中等教師研習，推廣使用電晶體控制電壓，以手機示波器App觀測分析訊號。


圖15.在2019全國科學教具競賽榮獲銅牌


圖16.桃園陽明高中探究與實作教師研習

除了課程、營隊與教師研習以外，在2020年臺灣科學節以「搞飛機學物理」為攤位名稱，展示風力發電、橡筋動力直升機、電動飛機以及發電機教具模組。透過好玩的教具使人親近科學，喚起人們對於科學的熱情與興趣。本教具放在專業探索未知的好奇心面向當中，啟發人們對科學的好奇心。我們也招募麗山高三學生，透過攤位向民眾講解教學的過程得到成長(圖17)。


圖17.麗山吳紹裘同學對大學生解釋教具

本次科學市集的觀眾年齡分佈極廣，在介紹的過程當中，需針對不同講解對象，改變講解方法。對於學齡較小的孩子，嘗試以有趣的現象喚起孩子對科學的好奇心(圖18)。


圖18.志傑老師對孩童演示發電機