前言

會動、會跑的物件比靜止不動的物件對小朋友來說更吸睛也更有興趣，會動的物件除了各種動物以外，有輪子的各式玩具車是最常見的玩具。而居住在臺灣的學生，日常生活最常見到交通工具以機動性強著稱的兩輪摩托車最多。加上近年來各縣市廣設自行車道，因此兩個輪子的腳踏車數量大增。在小學自然科學領域的教材中，常見使用光碟片和橡皮筋製作彈力驅動車作為闡釋力與運動的教材，但是光碟片含有金、銀等貴重金屬，可以透過回收再利用，而且現在因為儲存設備朝向雲端化，繼續使用光碟片並不是一項好的材料，是否可以使用可循環再生的資源達到實驗的目的，促使我們設計紙輪版的彈力車。

我們同樣以橡皮筋的彈力作為驅動車輪的動力來源，並使用紙板做為車輪的材料，製作彈力二輪車。我們的設計是以趣味性及製作簡單為出發點，務求能設計一款從日常生活隨手取得的材料、製作過程簡單又容易上手，加上車子的組裝具豐富的變化性，能吸引小朋友既能探究科學過程，又可生活化學習科學原理的教具，設計能大量製作的教具版本，並以教具能商品化的方向進行。

 壹、教具設計的理念

為了讓教具設計符合目前國家教育的方針，本作品所設計製作的實驗器材以科技部「科教實作計劃」徵求書中對創意教具的設計規範為參考標準，盡可能符合下列各項規範：

一、選用本土性的題材。

二、盡量使用簡易、生活中易於取得且價格親民(成本約五十至一百元台幣之間)的材料。

三、所使用的材料、零件、組件及製作的成品符合國家相關的安全標準與規定。

四、材料包方便寄送。

五、教具設計力求結構精簡、質量輕巧，易於操作，且不易破損。

六、設計的科學實驗器材除須具有教育與學習意涵及功能外，也希望在教學時，具有互動性及趣味性，以期能充分提高教師教學的效率與強化學生學習的成效。

七、教具設計符合人體工學。

八、適合線上教學使用。

此外，也希望教具成品未來能有機會進行實徵性評估，且未來期望能商品化，具有市場銷售的價值。

 貳、橡皮筋彈力車之星──二輪車

一、彈力二輪車組裝材料的選用

在尋找製作彈力二輪車材料時，我們以資源環保再利用為出發點，於是在學校教室的資源回收籃中發現不少可用的材料。我們選用的各項材料如圖1(a)和表1所示，並說明如下。

(1)車輪材料：選用塑膠瓶瓶蓋，如優格杯蓋，可簡易加工鑽孔即可作車輪。

(2)兩車輪間的支撐物：選用四根適當長度、較堅硬且不易彎折的吸管作為兩車輪的支撐架。

(3)車輪側邊的著地支撐軸：亦是使用一根長度較長、較堅硬且不易彎折的吸管。

(4)車子行進的動力源：使用具彈性的橡皮筋，以扭旋橡皮筋多圈的方式，使橡皮筋產生足夠強的彈力作用，進而使橡皮筋內部儲存足夠多的彈性位能。實驗中，我們也嘗試使用不同尺寸與不同粗細的橡皮筋做實驗。同時將多條橡皮筋以並聯或串聯方式作為變因帶入實驗中。

在老師的協助下，收集好實驗所有需要的材料後，我們很順利地完成了第一台環保彈力二輪車，如圖1(b)所示。


圖1. (a)二輪車材料一覽圖 (b)橡皮筋彈力驅動二輪車成品照片
材料僅使用到兩個瓶蓋(如優格杯蓋)、五根吸管、一或兩條橡皮筋。

表1. 製作橡皮筋彈力驅動二輪車的材料清單

二、彈力二輪車組裝流程與操作

二輪車組裝流程請參見表2所示的詳細說明和注意事項。

表2. 橡皮筋彈力驅動二輪車組裝步驟、操作說明及成果影片

三、實作二輪車成品

圖2和圖3則呈列出我們以不同材質和物品做為車輪和不同輪徑大小成功地實作了多個很會跑的二輪車。

除了使用上述所提及的材料外，也可以選用其他生活中的廢棄物。我們組員們在參加過老師安排的淨灘活動後，突發奇想利用生活廢棄物，製作出一台咖啡杯環保二輪車。這靈感來自夥伴開玩笑時，冒出的一句話：「整個城市都是我的咖啡館，CITY CAFE」的廣告台詞，因此有了利用咖啡杯蓋、杯套及吸管來製作一台咖啡杯二輪車的想法，利用已用過的咖啡紙杯，以杯蓋做車輪及杯套做兩車輪間的連接支撐架，製作一台咖啡紙杯環保二輪車。該成品和運動影片的QR code (影片網址：https://youtu.be/nCqPG6JbAoE)如圖3所示。當橡皮筋旋轉25圈後，釋放車子，車子走過了約13.7格30公分寬的地磚距離，車子行徑距離長達約410公分之長。


圖2. 輪距相同，但使用不同材質製作車輪的各式二輪車
(a)硬式塑膠瓶蓋車輪 (b)不同輪徑的硬紙板車輪 (c)硬紙板、珍珠板與塑膠瓶蓋製車輪


圖3. 咖啡紙杯環保二輪車：以兩個杯蓋做車輪及杯套的紙質圓柱筒做兩車輪間的連接支撐架。
實作結果：當橡皮筋旋轉25圈後，釋放車子，車子行徑距離可長達410公分之長。
(a) 使用的材料項目與數量 (b)成品實體照片 (c)車子運動紀錄影片的QR code
(網址：https://youtu.be/nCqPG6JbAoE)。

四、影響彈力車行進距離與速度的變因探討

操作彈力二輪車時，即可容易得發現下列幾項實驗結果與簡單的推論：

（一）當橡皮筋旋轉的圈數不夠多圈時：
→車子動不了。
→推估應該是因車輪邊緣的胎面與地面間的「靜態摩擦力」阻止了車子的啟動與運行。
→因此，我們可以透過這個實驗現象粗略地估計不同輪胎面與不同行進地面間所產生的摩擦力大小有何不同。

（二）當橡皮筋旋轉圈數夠多時：
→使得車子得以啟動運行。
→可進一步觀察，橡皮筋旋轉越多圈，車子行進的速度會越快，且可以跑得越遠。

（三）當橡皮筋旋轉圈數過多時：
→橡皮筋會斷裂，車子當然也就動不了喔！

故可得知橡皮筋旋轉的圈數與車子運行的速度與前進的距離有很密切的正向影響關係。除此之外，是否還有其他影響車子運行的變因。因此，利用這個環保又可簡單自製的二輪車，我們可以進一步探討各種能使彈力二輪車跑得更快或更遠的影響變因有哪些。

在討論過程中，我們每人分別提出了下列多項可能會影響車子行進速度和距離的變因。

1.改變橡皮筋的粗細、橡皮筋的直徑大小和使用的數量：這些改變將會使橡皮筋旋轉後，內部儲存的彈性位能的能量不同，導致提供給車輪的動力源也不同，故而影響車子的運動速度和能夠行進的總長度。

2.改變車體的質心位置或增加車輪的質量。

3.改變車輪的直徑大小。

4.改變車輪胎面的寬度(寬窄)與胎面的紋路。

5.地面的平滑度或粗糙度。

6.其他變因：車輪的形狀可否是圓形以外的其他形狀？兩個車輪的尺寸大小是否一定要相同，能否可一邊大一邊小？

上述各種變因的改變，都可能是影響彈力二輪車運動的速度與方向、前進的總有效距離的重要因素。

為求能找出主要的變因和影響結果，應先針對二輪車各部位的功能與特性進行資料蒐集與彙整，以期對車子能有更深入的了解。表3即呈列出車子各部分單元的功能與最佳運行時建議具備的條件。

表3. 二輪車各項結構單元的功能說明表

五、變因探究系列實驗設計

在大家充分了解二輪車各結構單元的功能與必備條件後，我們再進行第二階段的聚焦討論，如何設計各項變因分別改變時的實驗測量步驟。在實驗過程中，將所發現的問題與國小的自然課程中「物體受力的變化」、「力的方向和大小」等所學習到的科學知識融會貫通，並且和老師共同討論後，依大家所提出的問題著手設計以下實驗：

．實 驗 一：探討輪胎面的材質與粗糙度，對車子行進速度與最終行進距離的影響。
．實驗方法：在二輪車的其他結構單元與條件都不變，橡皮筋也以相同的旋轉圈數提供相同的動力源的狀況下，改變車輪胎面的材質或其粗糙度，如使用不同材質製作車輪(如圖3(a)和3(b)所示，採用不同材料做車輪)，在瓶蓋側邊黏上不同光滑度的膠帶，及在瓶蓋套上橡皮筋…等等方式，分別觀察這些改變是否會影響車子的運動結果。參考表4進行實驗與記錄。
．結果簡述：二輪車是利用車輪與地面之間的摩擦力，而獲得向前推進的作用力，不同的輪胎面材質有不同的最大靜摩擦力；相同的旋轉圈數，不同輪胎面材質所行進的距離也會有所不同。詳細的實驗結果建議各位自行親自實驗與分析為宜。

表4. 使用不同輪胎面車子行進距離紀錄表


．實 驗 二：改變輪徑大小，觀察車子行走距離的變化。
．實驗方法：在此實驗中，我們分別取直徑7.5 cm、7.0 cm、6.0 cm、5.0 cm及4.0 cm等不同輪徑大小的車輪，做比較。如圖2(c)所示，以相同材質和磅數的硬紙板製作不同輪徑的輪子。
．結果簡述：但輪徑愈大，車子的質量也跟著變大，以致車子與地面間的最大靜摩擦力也隨之增大，故需要的啟動動能也就愈大，亦即橡皮筋的旋轉圈數也需要更多圈，不然會無法驅動。而在獲得足夠的動能下，輪徑愈大的車子，可以跑得越快、越遠，也可以越久些。

除上述兩項變因探討的實驗外，還可以觀察以下操縱變因，如改變(1)車軸的長度、(2)旋轉軸的重量、(3)旋轉軸吸管的長度、(4)橡皮筋旋轉圈數、(5)車輪質量、(6)車體總量質、(7)車輪的形狀、(8)增加橡皮筋的數量、(9)輪子的運動面…等等因素，對車子的運動速度與移動距離的影響等。表5是在不同變因的控制下，彈力二車子行走距離之紀錄表。

最後，綜合我們的實驗結果發現上述因素都會影響車子運動狀況與行進距離，如車輪的大小、車輪的形狀、軸承的重量、固定軸的重量、固定軸的材質、轉動的圈數、桌面的材質及桌面的平整。

表5. 在不同變因的控制下，彈力二車子行走距離之紀錄表

六、問題探究與結果討論

我們針對二輪車提出可探究的問題，嘗試理解，尋找問題的答案，並整理成問題探究與結果彙整表，如表6中所列，與有興趣者交流討論。

表6. 問題探究與結果彙整表


表7. 影響速度變因探討

 參、量化教具的規劃與設計

上述實驗與材料多為回收或選用日常生活中容易取得的物品進行製作。製作過程中需要使用工具鑽孔或用熱熔膠固定軸承，故如要推廣到各級學校單位廣被使用的話，因需要額外的工具，將不利於老師們的備材，故多少會影響此實驗推廣的效率。因此，清華大學跨領域科學教育中心團隊特別採用A4尺寸的厚紙，以刀模版方式切出車輪直徑6公分和8公分的圓形車輪片各四張。如圖4所見的A4大小的車輪設計圖，設計出一套可以組裝出兩台輪徑分別為6公分和8公分之彈力二輪車所需的材料包，材料項目與數量一覽表請參見表8。

車子的組裝過程中，最多僅會用到剪刀裁剪吸管長度及使用膠帶黏貼固定軸，就能輕鬆地製作出屬於自己的二輪車。同學只需依圖5材料包內所附的說明書所示和表8的組裝流程(內含成果影片的下載網址https://ppt.cc/fvdTVx與QR code)，花5-10分鐘就可以輕鬆地完成自己的彈力驅動二輪車，以讓師生有比較充分的時間集中在各種實驗變因的觀察上，並從中發現探究的樂趣。歡迎有興趣者參考指正。

此材料包的成本台幣30元有找，且可以很簡單地自己組出兩台二輪車喔！此外，材料包容易準備的特性，也很適合量產且高份量數時方便攜帶。近來清大跨領域科教中心於110年度苗栗縣教育處科學市集活動、314巨城科學饗宴活動，以及各個科學體驗課程中，共計使用了近2000份的實驗材料包！


圖4

(a)以刀板模的紙張片做車輪的彈力驅動二輪車的材料內容
每份材料包可組出車輪直徑分別為6公分和8公分的二輪車各一個。
材料成本低於NT$30，且整個組裝過程中完全不需要使用到任何工具。
(b)以A4尺寸的厚紙板設計直徑六公分與八公分的車輪片之刀模板設計圖
每一個車輪是由兩片車輪紙板重疊在一起，以強化車輪的堅固度。

表8. 可組裝兩台輪徑不同之彈力二輪車所需的厚紙刀模板材料一覽表



圖5. 材料包內附組裝步驟說明書與學習單

表9. 量化教具製作流程說明

 

 肆、組員心得與收穫

在實驗操作的過程中遇到了一些沒有設想到的困難，像是在裁剪輪子時，發現使用剪刀或是美工刀裁切出來的車輪會歪七扭八，也就是輪胎的圓緣是凹凸不整，既不好看也影響實驗的精確程度。後來在多方打聽搜尋資料才在文具店找到裁圓刀這個工具，非常開心，裁出完美的圓也很有成就感。我認為遭遇問題和思考解決困難的歷程，也是這次參加教具競賽此一課題頗富趣味之處。
在這次教具競賽中我嘗試用優格杯蓋、泡菜罐蓋、旋轉軸吸管長度、車輪軸間距寬窄以及車輪重量幾個變因來操作，作為觀察車子行進距離之變化，在家中用工匠尺在地面來來回回測量距離，我體會到做任何實驗除了實驗本身富有趣味性令人想動手DIY自製之外，在拍攝組裝影片及剪輯影片過程中，深刻體會到耐心和細心的必要性和重要性。
由於資源過度使用，造成環境汙染日趨嚴重，環保概念是我們發想的方向。在課餘時間繼續尋找各種素材。除實驗常用橡皮筋、熱熔膠條和彈簧外，我們繼續觀察生活用品還有哪些可以當作車子的動力材料，於是在賽前又完成一台新的環保四輪車。科學教具的創作，一直充滿挑戰，錯誤中學習會讓我印象更深刻。過程中需要反覆假設，仔細觀察變化，並且小心求證。經過這次競賽，我更能了解科學步驟，學會觀察生活、闡述科學。