磁鐵雲霄飛車教學分享


文/廖進德

 前言

磁鐵很好玩,一向是學生的最愛。記得自己的童年也愛不釋手,不論是吸鐵釘還是當輪子滾動玩,或拿它到沙坑蒐集鐵屑來觀察磁力線的分布。對於孩童來說,學習像遊戲,遊戲中也伴隨著學習與應用。特別是同伴們一起做這類的遊戲,過程中多半充滿樂趣、學會彼此溝通、建立與人互動的人際關係。這些好玩又有意義的學習歷程,逐漸讓我小時候建構起學習的態度,並將學習視為快樂的事。
磁鐵的學習活動在多年來都列為學校正式課程中,這表示認識磁鐵的磁性與應用,仍是科學學習的基礎課程之一。在我退休後這幾年來,對於磁鐵遊戲與磁性相吸和相斥現象的生活應用,仍然意猶未盡地開發一些教材,無非是希望我們的孩子可以多一些快樂的學習體驗,日後同我一樣,留下些許美麗的回憶。

 教學概述

首先介紹「磁鐵雲霄飛車」。這是一個小組合作學習的活動,利用磁性和重力概念,探究轉動與離心力。操作過程是透過製作一座雲霄飛車,長條磁鐵當軌道,圓形磁鐵當車子,最終目的是讓圓形磁鐵可以由上而下在軌道上順利轉動、翻轉、轉彎與落到預設的終點。本活動教學對象適合國小高年級到國中。教學活動詳如附件一。
接著會介紹「迷你雲霄飛車」。這是個別學習的科學玩具,應用的原理同上,材料較簡單,但是對於變因操作,如圓形磁鐵落下的高度、長條磁鐵軌道的轉彎、上下翻轉等的挑戰依然與前一個活動相似,好處是學生可以自我實現,具有挑戰的是在問題解決上,需獨力完成。當然學生在問題處理上,老師或同組學生,都可以是請教的對象。本活動適合國小中、高年級,國中七年級生也可以。教學活動詳如附件二。分述如下:

一、 磁鐵雲霄飛車

(一) 從遊戲熱身,引起學習動機
我找來長條磁鐵當軌道,圓形磁鐵替代車子,問孩子說,我想做什麼?他們不假思索的要我把磁鐵放到軌道上,教我可以改變兩邊軌道高低位置,於是看見圓磁鐵在軌道上滾動。我再問,怎樣可以變成雲霄飛車?於是同學們七手八腳的動了起來。有的將軌道舉得很高,讓圓形磁鐵一落下便衝很快,結果掉到地上磁鐵摔破了;有的組別學生先討論怎麼做,開始彼此協調起來,放在桌面上做成波浪狀,玩得津津有味(圖2)。讓孩子在沒有老師的規定上進行活動,老師得以在一旁看各組孩子的學習表現並觀察不同孩子的學習態度。 (二)關鍵提問,引導觀察細節
當大家興高采烈玩了一陣子後,我提一個問題,磁鐵條的那一邊適合做軌道?學生這才停下來思考老師說這些話的意思,定睛觀察磁鐵條的磁性。一般來說,學生的學習,常是隨機的選一面做軌道,經過老師的提醒,關注焦點轉移到磁鐵條的形狀和特性,真沒有幾個學生事先就瞭解。這顯示學生的學習是需要老師在一旁適切地提醒與引導,他們才發現原來上下兩面磁力不同而且真的相差很多。所以說,觀察力是要經過接觸觀察與操作來培養,因此教學上不建議直接告知磁鐵兩面吸力不同,寧願讓學生發生錯誤或不適合再修正。我常對學生說,操作錯誤可能學得更多。
有一次我甚至問學生說:你們認為這是磁鐵條,請問我要怎樣證實?學生立刻教我用它吸黑板,我故意將磁力弱小的一面,往黑板上一丟,嘿!掉下來了!頓時學生們的臉上表情甚為茫然、疑惑,停住幾秒後,有一人立刻舉手要我換另一面一定可以,這名學生就是有經驗並注意到細節的孩子。所以不是人人眼睛一看就懂得磁鐵的吸力每一邊可能不一樣,而是必須擁有操弄的經驗,又能注意細節的人,才是好的學習觀察,透過製造這樣的機會,老師要教的是讓學生明白觀察細節是很重要的。

(三)使用材料,讓孩子找方法
我找來家中常見的材料(如圖1),有洞茶盤和大小不同、長短不一的筷子、圓棍子、橡皮筋、膠帶、鉛筆和長尾夾等,讓學生分組一起做雲霄飛車的底座和支撐架。先不教怎麼做,而是讓學生自己找方法完成。老師行間巡視但不做介入性的指導,所以各組必須善用舊經驗,集思廣益使用筷子(或圓棍)等當柱子,並在柱子四周做支撐搭起高架,然後再安排軌道如何轉彎,還有怎樣將它們分別固定。是要用夾子夾住、或是用膠帶黏住、或是用橡皮筋綁住等。看見孩子七嘴八舌和手忙腳亂,在意見紛歧之下,如何溝通協調,尋求解決問題。分組教學操作的結果,老師可能看到有人會霸著主導實驗,有人會彼此爭辯,有人會叫不平說他沒機會做實驗等。老師除了回答各組疑惑外,還要忙著指導、調解、並提點實驗進度等(圖3)。最後學生們終於找出組合與架設的雲霄飛車的方法,而各組的方法可能很不同(圖4和圖5)。

(四)素養學習,在情境中解決問題
小組成員學習如何彼此溝通和意見表達,並將所自己擁有的知識和技能在建構雲霄飛車的情境下,隨之應用解決困境和問題,這是108年新課綱所重視的素養導向的教學方式。然而在這樣的學習過程中,老師會發現孩子可能在知識、技能甚或情意面向上有所不足,並即時把握趕緊給予適當補救與指導。我對新課綱精神的體會,就是老師關注學生的學習上,操作過程裡也應該要聚焦在「素養展現」上。果真如此,老師在學習過程中就要留意學生在素養的表現,不只是在最後的素養評量,在過程中的目標也應格外重視。

(五)老師整理,點出變因與控制
老師歸納在各組巡視看到的重點或關鍵點,以及小組問題與解決方法。諸如:對柱子有不同的支撐方式(斜支撐、垂直支撐)、固定(黏貼、綁),軌道面總共轉彎多少度、3D轉向(觀察圓形磁鐵轉動落下,3D指軌道面有上下、前後和左右三維空間的應用(圖6),車子在軌道旋轉方式(內側或外側旋轉如圖4和圖5),最後看能否順利落下。並請學生自己小組創作,逐一記錄在學習單「表1 關鍵事項」、「表2 問題與解決方法」、「表3 影響圓形磁鐵順利下降與轉動變因」。

(六)作品說明、分享與觀摩學習
來到各組彼此觀摩與分享時間,小組輪流留守一人解說,其餘到各組觀摩學習。學生們指指點點彼此討論,說出製作困難處與最後解決的方法,不僅經驗交流,也說出他們最得意的地方。這樣讓孩子們可以有機會主張如何探究與學習,最後做出作品來,果然學生的學習熱度高,時有燦爛的笑容,學生對話多很多。最後,來一個投票選出最佳創意獎、人氣獎,每人發兩張貼紙,以自己最欣賞或認同為最棒的作品票選並頒獎或加分鼓勵。

二、 迷你雲霄飛車

我將作品縮小,讓每個人都可以製作一個雲霄飛車科學玩具。使用常見的木塊積木和冰棒棍來搭建基座和柱子,取用約45公分磁鐵軌道和一顆圓形磁鐵等,便可以讓孩子自由創作(圖7、圖8a、8b)。科學原理同上,給較小的孩子學習觀察變因與控制,培養有想法、愛動手做,即時觀察與問題解決,經修正完成作品,最後達到自我實現。如果時間允許,可選用乾電池、LED燈,加入電與光的應用,或增加超輕黏土捏塑來美化作品,多了跨科的創意學習表現。
本活動可單獨進行教學,也可以在上述的雲霄飛車小組教學後,做進一步個別學習,學生都有不錯的反應。沒想到加上燈光效果的「迷你雲霄飛車」科學玩具,竟成為學生口中的聖誕禮物(有燈的聖誕玩具)(圖9a、9b、圖10)。

 給老師們的建議


教學後,在此提出三點建議,供老師參考。

一、要求記錄探究變因,有利日後情境分析
這個活動是設定一個目標,給一些材料,開放給學生探究學習。學生不僅同時面臨許許多變因,在操作過程產生了問題,在待解決後卻可能影響另一個變因,例如:軌道轉彎角度小時,衝力太大,圓形磁鐵會因離心力大於磁鐵吸力而飛落,調整後又發現轉彎角度多一些時,又發現前進的動能減少,下一個彎道上不去等。學生在過程中要從交互影響的變因中,尋找一個合適的平衡點,取得較佳的結果。因此,我設計的學習表單中,希望學生把類似這樣多變因又會彼此影響,提出來討論並記錄下來,如此將有助於他們對情境分析的能力。

二、課中當老師講話沒有人理會時,勿生氣
這種課程活動過程時聲量一定不小,老師們想必也曾碰到學習氣氛熱絡時,老師講話都沒有人要理。此時,老師您莫要生氣,想一想為什麼會這樣、或這樣的情境表示什麼?當學生正浸淫於您營造的學習情境中,如果你立刻端出「訓練」的模式,要求學生馬上停止活動,便如同一盆冷水馬上澆熄好不容易經營起來的學習熱火。其實正因為你的教學太棒了,他們才會忘情的學習。您應該停頓一下欣賞,畢竟他們個個都是你的知音!

三、活動結束,僅是完成啟動學習的第一步
如果老師不是很熟稔物理,在進行這個活動前,一定要先仔細操作探討,在課中和學生一起共學,你將會發現學生很愛和老師共學的。但共學時千萬不要說:這個這麼簡單,你們不知道或沒發現……等。有時老師來個反向示弱時,反而可以讓孩子充滿信心奮發向上,日後真的「青出於藍」。我們知道探究活動的課程,常常是學生學習的第一步,日後還可以有許多的延伸學習。就以這個活動為例,可延伸為在家做一個很長、很大的雲霄飛車,或會跳躍的雲霄飛車,或雙軌兩輪的雲霄飛車等。希望老師們多點燃學生的熱血,啟發他的學習,讓學生歡喜踏出科普的第一步。


圖1. 雲霄飛車材料        


圖2. 三個波浪軌道車       


圖3. 有想法轉成作法,需要老師行間指導        


圖4. 修正為塔形雲霄飛車,磁鐵車子走軌道外側        


圖5. 高架式雲霄飛車,車子走在軌道的內側。        


圖6. 多變化3D 轉動軌道面,包含上下、左右和前後        


圖7. 學生專注創作雲霄飛車        


圖8a. 抱柱螺旋,車子走外側共轉動角度大於720度        


圖8-b. 上下翻轉,車子走軌道內側停在中間        


圖9a. 迷你雲霄飛車(聖誕版)間        


圖9b. 迷你雲霄飛車(聖誕版)        


圖 10. 斷點雲霄飛車        



 附件

附件一、「磁鐵雲霄飛車」教學活動 
 

廖進德
臺北市忠義國小退休教師
國立臺北教育大學兼任講師
遠哲科學教育基金會講師