前言

因教材教具為教學時重要的輔助工具，有適合的教材教具，透過「做中學、學中做」的學習方式，才能營造學習情境，增進科學思考邏輯，以達到學習的效益。鐵磁流體，簡稱磁流體，在網路以關鍵詞「磁流體」搜尋，可獲得許多相關教具與產品之資訊。博物館為了辦理寓教於樂的「冬夏令營」活動，應用磁流體材料創作能顯現磁力的工具，以推廣相關磁力及電學相關科普教育，並將創作磁流體教具所用的材料、步驟及心得，著手整理此教材內容，以期提供更多教師教學參考。

 壹、鐵磁流體原理及應用

鐵磁流體的主要原料是10奈米四氧化三鐵。它是「對磁有反應的液體」，由美國航太總署（NASA）工程師Steve Papell在1960年代研發而成。磁流體的研發，原始目的在克服太空「無重力」所產生的許多困擾。例如，液體燃料產生飄浮狀態變得難以控制，造成機器在太空無法運作。其解決方法是添加磁流體，使液體受磁力控制，以克服飄浮現象。

磁流體有油性與水性二種，因為價格因素，目前使用較廣泛為油性。油性磁流體外觀為黑色油狀物（如圖1），在空氣中的磁力作用而有「皺褶」 （如圖2）。由於其製作技術門檻較高，所以目前僅有美、日、德三國有量產，中國亦有小規模製造。磁流體主原料為四氧化三鐵、氮化鐵等，主流製造技術是使用球研磨機加以研磨，再以離心機取得10奈米的粒子，由穩定的「分散媒介劑」包覆，放在基礎油裡（一般使用煤油） 。粒子在基礎油裡，不會凝結、沉澱，而是進行布朗運動，形成穩定的膠質溶液。


圖1. 油性磁流體外觀為黑色油狀物


圖2. 磁流體在磁力作用下的皺褶表現

在中小學教學方面，磁性奈米粒子可使用於生物羅盤，例如鴿子、蜜蜂、蝴蝶、海豚、鰻魚等，體內含有類似磁流體的微粒，便於定位與遷徙。也可用於超距力、磁力皺褶的觀察、超順磁性、遲滯現象、奈米、避震、太空科技、密封材料、顯影材料、醫事檢驗材料等教學。

在生醫上因為磁流體的特殊性也被廣泛的應用診斷、醫療等領域。例如磁共振造影搭配的顯影劑就有部分會使用奈米磁粒子達到提高影像對比之效果。在藥物上也有利用奈米磁粒子作為藥引子，使藥物可以準確的作用在患處進行標靶治療，以減少病人對藥物的攝入量及提高藥物的作用效果。

 貳、開發歷程

本教具之創作與研究過程，經歷10年有餘（約從2010至2021），而達到成熟階段，茲將心得略述如下：

一、第一階段：中國自製教具
008年8月在中國四川成都參加全國高校物理實驗教學研討會，大連大學李學慧在大會發表自製教具「趣味磁性液體」、「磁場三維立體展示」（如圖3）。


圖3. 大連大學李學慧贈送一組「磁場三維立體展示」

二、第二階段：美國市售教具
2010年3月在美國費城參加全美科學教師協會 （National Science Teaching Association簡稱NSTA） 舉辦之年會，這是萬人以上參與的國際科教盛會，也有500家以上全球科學教具（教材）廠商參展，有廠商展出磁流體皺褶觀察器（如圖4），價格約達40元美金，因國內少有見到，也因此興起磁流體觀察器教具開發之意念。


圖4. 購買20組磁流體皺褶觀察器

三、第三階段：國內張燕鐸自製
2013年，張燕鐸以高濃度葡萄糖水為載體，在國內第一次自製成功（如圖5），其製程如以下影片，此材料使用一段時間，就有磁流體沾黏瓶壁問題，造成教具外觀的瑕疵，並妨礙了磁流體皺褶的觀察。


圖5. 張燕鐸以高濃度葡萄糖水為載體，在國內自製成功的磁流體皺褶觀察器

四、第四階段：蔡振明牙膏輔助抗沾黏
2020年，作者蔡振明為改善磁流體沾黏瓶壁問題，因此思考利用牙膏的鈣、磷、氟等成份，在瓶壁形成保護膜，進而避免磁流體沾黏瓶壁問題，唯使用牙膏鍍膜後，仍用清水洗去牙膏泡沫，因此成效不明顯，只能達到70％的成功率（詳如影片）。

五、第五階段：蔡振明乾式鍍膜
2021年5月5日，作者蔡振明赴花蓮縣吉安鄉光華國小辦理教師研習（科技部計畫），有參與之教師建議：「何不採用乾式鍍膜，不要用水洗，一來可保留更多的牙膏有效成份，二來也可簡化製程。」因此改變製程，達到最佳實驗與觀察效果（詳如影片）。

 參、推廣活動

本教具曾於「教育部能源科技人才培育計畫」2016成果展期間，在科教館與科工館辦理民眾製作活動二週，有超過七千位民眾參與，年齡最小為5歲，最長為96歲（手會發抖，故須專人協助），可見本教具老幼咸宜，是一件「吸睛」且引起民眾「好奇心」的教具或玩具（如圖6）。本教具亦曾於2013中華民國物理教育聯合會議（地點：台北市陽明山文化大學）辦理製作工作坊，有全國物理教師近百位參與製作活動（含十餘位中國大學物理教師），雖然製作成功率約僅50％，但大家仍十分樂於參與。


圖6. 自製磁流體觀察器

一、活動規劃

通常來參加科工館寒暑假科學營的學員，以國小學童為大宗，因此針對國小3~6年級學童，科工館規劃小玩具大科學「趣味科學動手做」冬夏令營活動，藉由體驗、探索、操作及動手做教具的過程，來營造本活動的學習情境，及加深學童學習的興趣。活動內容包括：（1） 介紹「磁生電及電生磁」的觀念及製作「磁流體皺褶觀察器」探索磁生電現象。（2）介紹「發電機及電動機」的原理及製作「單極馬達」、「小型風力發電機」等動手做活動。（3）應用小馬達製作「光碟片陀螺儀」好玩又有趣的科學玩具，以探索「磁力」、「發電機」及「電動機」等電學原理。其中「磁流體皺褶觀察器」之探索及製作課程為2小時，其活動內容分述如下：

．活動程序

．材料準備（如圖7）
1. 玻璃瓶10ml一組。
2. 磁流體1ml。
3. 飽和葡萄糖水溶液8.5ml。
4. 牙膏（大小約二個飯粒）。
5. 口腔棉棒一支。
6. 磁鐵一片。
7. 保利龍膠少許。

圖7. 活動材料

．製作流程
Step 1 把牙膏（大小約二個飯粒），均勻塗抹於玻璃瓶內（含瓶底），並塗抹到幾乎看不到牙膏的狀況。
Step 2 加入飽和葡萄糖水溶液8.5ml。
Step 3 加入磁流體1ml。
Step 4 在玻璃瓶蓋塗抹保利龍膠少許，以防止磁流體漏出。
Step 5 用力鎖緊玻璃瓶蓋，不可再打開。

．原理說明

1.當磁鐵移動到磁流體觀察器旁時，受到磁力時外觀會呈現十分特殊的「皺褶」，此皺褶是因為磁流體具有「超順磁性」而產生之特殊外型，如果除去外部的磁力，磁流體的皺褶也會瞬間完全消失。若發生除去外部磁力時磁流體的皺褶不會完全消失，稱為遲滯現象，原因可能為磁流體老化、劣化或離子影響等。

2.磁鐵磁力越強，磁流體錐狀凸起現象則會越密。

3.由於牙膏含有鈣、磷、氟等成份，把牙膏均勻塗抹於玻璃瓶內，可阻隔磁流體沾黏瓶壁，降低失敗率。

4.飽和葡萄糖水溶液，重量百分濃度為51.3％（在室温下之理論值）。但受磁流體廠牌或製造批次影響，上述飽和葡萄糖水溶液，並無法確保磁流體懸浮在葡萄糖水溶液之上，為提高其濃度，目前是以熱水製作飽和葡萄糖水溶液。其製作步驟如下：在100g的100℃熱水中，溶入130g的100%葡萄糖粉，使重量百分濃度達56.5％。（實務上，若使用100ml塑膠滴瓶製作，每瓶須溶入85g葡萄糖粉）。

．注意事項

1.請勿使用磁鐵快速摩擦磁流體觀察器之瓶子或快速搖動、甩動瓶子，以避免磁流體加速劣化。

2.不使用或移動瓶子時，請保持黑色「磁流體」在「瓶蓋」端，以避免瓶底或瓶身沾黏磁流體。

3.瓶子勿與磁鐵存放在一起。

二、教學方式

最理想的教學就是能提供直接經驗的教學，也就是使用教具或實物教學（歐哲華等，2007）。發電機是利用各種動力使線圈在磁鐵的兩極間轉動，當線圈轉動時，線圈內的磁場改變，因此產生感應電流，是運用電磁感應原理，將動能轉換成電能的裝置。但我們如何讓看不到的磁力顯現呢？那就是讓學員製作操作「磁流體皺褶觀察器」，讓學員透過動手做的課程，讓他們發揮創意，也培養他們動手實作的能力及嘗試解決問題的習慣，並於實作中體驗窺見磁力及電力的奧秘。

多媒體影音教學，可以引發學習者學習動機的學習媒介，是一種有效的教學與學習方法（吳宏達等，2006）。因此除了讓學童「動手做」教具外，本活動也錄製及找尋多媒體影片輔助教學（https://youtu.be/C9_-F31tKqQ），讓學童皆能完成自己獨一無二的作品（如圖8）。


圖8. 110年科工館冬令營活動「磁流體皺褶觀察器」製作活動情況

 結語

目前全球大部份的電力，是依據法拉第「電磁感應」而產生，其他少部分是由光伏效應（太陽光電）及電化學（燃料電池）等產生。磁力是「電磁感應」發電技術的重要基石，本教具可提供「趣味化」磁力現象的觀察，以創造學習的「高峰經驗或心流經驗」，強化學習的「內在動機」，增加「主動探究」行為。

根據PISA（2015）之研究報告，我國科教的缺失為「探究教學及趣味性」有所不足（如圖9），因此如何改善我國科教科學教育的缺點，值得我們大家去省思及努力。


圖9. 2019「全國自然領域探究與實作研討會暨教學工坊」大會演講簡報片段（2019/7/18）
▍ PISA為OECD主辦之測驗，對象是年滿15歲的在學學生，2015年有72國家或地區參與。
▍ 講題：〈PISA 2015 科學素養表現之研究與省思：科學認識論知與探究信念〉
▍ 講者：佘曉清（交通大學教研所講座教授）
▍ 地點：國立彰化師範大學