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線上方式推動科技教育

線上方式推動科技教育

文/薛雅云 前言 因應國內新冠肺炎疫情警戒升級,我國教育部於110年5月宣布全臺各級學校停止到校上課,基於「停課不停學」之理念,大規模實施遠距教學,本文針對七年級國中生發展一個同步線上教學的課程活動──校園角落再造。 十二年國教科技領域之課程旨在培養學生的科技素養,強調科技認知、技能與態度的表現,強調學有所用。因此,本課程將以學生為中心,透過「小組討論教學法」結合小組學習及討論學習的特質,藉由分組討論,補足因停課同儕間無法面對面互動的機會,在傾聽與溝通的過程,讓學生能夠快速進入情境,探索更多的解決方法與可能性,培養問題解決思考、批判思考與創意思考的能力,激盪出當前校園角落優化的解決方案。 壹、教學活動 一、活動簡介 本課程透過線上教學來解決生活科技課程無法實作的困境,探究線上教學對學生在線上合作以及線上討論是否能順利運行。課程一開始教師須引導學生探索校園環境中的人事與景物,發現當前校園的問題與需求,透過小組線上討論與互動進行創意思考,繪製設計構想圖,目標建構出兼顧師生需求、諧和文明與人文素養之校園角落模型。 二、本活動強調「以學生為中心」之教學模式 十二年國民基本教育本於全人教育的精神,基於「自發」、「互動」、「共好」的理念,強調以學生為學習的主體,重視人際包容、團隊合作、社會互動,以適應社會生活。因此本文透過「以學生為中心」之教學模式能夠讓學生有更多主動參與學習的機會,發展出主動學習及問題解決的能力。以下就本教學活動「以學生為中心」之課程設計進行說明: 表1.以學生為中心之課程設計 三、本活動應用之「小組討論教學法」 討論教學法強調在集體中相互討論、探究與學習的教學方法,藉由意見與觀點的交流,有助於新舊概念的融合與創新,促進學生積極參與課程活動。本活動藉由小組討論,針對校園問題分享個人經驗,創造主動學習的情境,也能讓學生掌握小組問題討論的深度與方向,創造良好的互動合作學習氣氛,以下就本教學活動「小組討論教學法」之實施要點進行說明: 表2.小組討論教學法實施要點 四、教學對象 本教學活動於某新北市立國中七年級,共102名學生。 五、教學時間 本教學活動時間為三節課,每週1堂課,共3週;每節課45分鐘,共135分鐘。 六、教學活動 表3. 教學活動 七、實作工具 Cospaces EDU為一跨載具、跨平台之線上軟體,解決了學生硬體設備不相容的問題,手機、平板(Android/iOS)、電腦(Windows/ Mac)皆可使用,惟手機螢幕較小,操作上會比較困難。 貳、實作成果 本教學活動於某新北市立國中七年級,共102名學生,以「校園角落再造」為主題,以學生為中心透過「小組討論教學法」進行生活科技課程之線上教學,除了建立虛擬的校園模型外,藉由辨認與反思校園環境問題,分析自身經驗,有利於學生對校園的認同與情感抒發;透過小組的討論與交流進行創意思考,提出並將這些省思與理念注入於作品之中,進而激發學習動機。經過三節線上課程的實施,其主要成果及發現如下: 表4. 實施成果與發現 圖8. 學生成果 (左)構想圖(一);(右)3D建模圖(一) 左圖為針對閱讀區所提出之構想圖,可發現此組學生討論的主軸多以視覺及感受為主,例如安靜、放鬆及簡約等,因此在右圖3D建模圖中,可發現整個空間的顏色是以灰色及米色為主,呈現出平靜的效果,而沙發及寬敞的室內空間則展現出舒適放鬆的感受,最後的亮點則是鮮豔的紅花,在寧靜氛圍裡也不忘添加活潑的生機。 圖9. 學生成果 (左)構想圖(二);(右)3D建模圖(二) 圖8左圖為針對校園環境所提出之構想圖,可發現此組學生討論的主軸多以休閒與自然為主,例如池塘、動植物等,此外也注重校園的整潔以及師生之需求習慣,因此在右圖3D建模圖中,可看出在環境方面,整個空間設計跳脫校園既有框架,有寬廣的綠色草地及池塘,打造一個舒適及充滿生機的感受,期望師生在教學之餘亦能接近大自然,在教學區方面,雖未完整3D建模出來,但在構想圖中,可看出學生希望在校園多建置垃圾桶,共同維護校園整潔,以及多建置廁所,讓師生更注重生理健康,因此可看出此組學生考量的校園需求及問題較廣,且能提出具體的解決方式。 圖10. 學生成果 (左)構想圖(三);(右)3D建模圖(三) 左圖為針對閱讀區所提出之構想圖,此組學生針對室內及室外空間有不同的設計考量,而討論的主軸多以舒適與自然為主,在室內設計方面,希望打造溫暖舒適的感受,例如整體色調及燈光主要為暖色系,牆面由透明玻璃製成,打造光線充足、心曠神怡的感受,而書桌旁種植小植物,清新悅目;在室外設計方面,除了有草地與樹林外,學生還希望有小動物相伴,顯示出在升學壓力下,學生希望有一個舒適的閱讀區,在讀書之餘有小動物的陪伴,更可以療癒身心。 參、教學省思 本文「校園角落再造」的線上學習活動,實施後發現教學成果能達到預期的目標,然而,因線上學習時間過於緊湊,無法讓學生清楚分析解決方法的可行性並實際需求產生連結,學生對於校園問題或需求有眾多不同的意見,甚至脫離現實,導致偏題;反之,討論內容也可能過於侷限,例如需安裝冷氣,這些已存在的設備。除了討論內容外,學生對於校園角落的定義不同,大至整個校園,小至一間教室,例如有人認為走廊上需增設垃圾桶;有人提出需設立池塘或飼養小動物。由於教師在線上課程進行分組,需花較多的時間巡視討論狀況,因此各組組長是影響討論結果成效的關鍵角色,需不斷將內容聚焦,掌握時間,引導組員間有效分工與分享並統整出重點與結論。 在總結活動,透過小組的發表,發現學生對於創意思考繪製設計構想圖的階段感到較為困難,多是由於組員觀點不一,因此要達到共識並想出解決方法需花較多的時間,且有些組員無麥克風,導致討論上無法即時參與分享與交流。除此之外,也有小組認為建模結果與Jamboard討論出的結果預期不符,或是花太多時間在改善環境的細節,例如物件的配色或空間的擺設。由討論過程,也可以察覺某些組長的主導能力較強,正面是能夠將小組成員發散的想法聚焦,讓主題擁有一致性;反面則是讓其他意見不同的組員無法參與;另外,也有組別因沒有人主導規劃,導致組員間各做各的部分,作品呈現的風格較為混亂。因此,對於七年級的學生來說對於線上小組討論尚未熟稔,需要更多教師的指引與提醒才容易達成共識,也是本教學活動有待改進的地方。 肆、教學建議 根據本課程所實施的教學活動,可提出以下建議: 1. 聚焦校園問題: 建議教師可以在說明教學目標後,放一些校園照片或影片,讓學生能夠透過這些影像結合自身經驗反思校園問題並提出改善方法。 2. 提供思考方向: 學生多是由校園環境「需求」的角度出發,例如新建美術館,以增進校園文藝氣息。因此建議教師可以多融入一些日常生活中實際的環境問題,讓學生從舊有的經驗做討論,幫助學生思考。 3. 討論時間需調整: 創意思考階段,討論時間緊湊,因此可多留時間讓學生討論問題與分析結果可行性,藉由彼此想法與意見上的溝通交流,產生更多元的點子。 4. 預錄教學影片: 在Cospaces EDU平台操作的過程中,因學生電腦操作能力或使用的設備不一,有些同學使用上不是很順利,有些地方會跟不上,因此建議教師在操作階段可預錄教學影片,供同學複習。 薛雅云 國立臺灣師範大學 科技應用與人力資源發展學系碩士班研究生

搭建國小機器人課程的任意門

搭建國小機器人課程的任意門

文/楊秀全 前言 十二年國民基本教育課程綱要(以下簡稱十二年國教新課綱),以「素養導向」為核心,培育學生能適應「現在」與面對「未來」挑戰。國內目前機器人課程,通常是以課後社團、或區域資優方案,乃至於補習班的模式進行教學,許多國小階段的學校,為因應新課綱,重新檢視學校歷年所發展之課程規劃與設計,希望重新整合與培養學生的多元能力,本文將從課程分析、教學規劃與評量進行探討,期望能給學校推動機器人課程參考的建議。 壹、課程發展參考指引填補國小機器人課程的缺口 新課綱的實施已經邁入第三年,從早期的前導學校示範,逐漸累積出百花齊放的能量,許多學校順應著這股潮流,規畫出有前瞻性的機器人課程,希望學生能從小就接觸並瞭解科技,培養一個與科技和諧相處的正向態度,並用這樣的態度妥善運用科技改善生活(蔡孟蓉,2020)。然而,十二年國教新課綱在國中階段增設科技領域課程,國民小學教育階段卻是採用議題融入各領域學習課程,或於彈性學習課程中實施,這樣的課程結構,讓許多國小在發展科技課程上十分困擾,而各校在進行課程教案研討的時候,更因十二年國教新課綱沒有國小科技課程而產生了窒礙難行的窘境,學校的彈性和模糊空間很大。因為不是部定課程,所以沒有審定教材,更沒有訂出各年級相關指標,因此,從課程校準(curriculum alignment)的角度來看,十二年國教新課綱在國小階段缺乏科技課程的規劃,會讓學校在課程規劃、課程教學與學習評量三者間少了能依據的準則。所幸,在2020年,教育部公布了國民小學科技教育及資訊教育課程發展參考說明(教育部,2020),自此成為國小階段的科技教育的重要指引,讓學校在發展科技課程時,能夠有更明確的參考依據。 貳、重理解的機器人課程設計與發展 機器人課程設計要與學生的生活經驗產生關聯,激發學習的興趣。在以學生為中心的趨勢下,機器人課程設計應著重於學生理解,課程設計可採用重理解的課程設計(Understanding by Design),強調學生實作結果的教學設計,是為了模擬或複製真實世界中的重要挑戰。因此,課程設計時,可以針對希望學生學習的結果先進行分析,教師要決定教學目標,從蒐集學生的各種學習評量作為學習成果的證據,來驗證學生是否精熟與理解。最後是有效的教學策略,透過動手實作或問題解決的教學,以不同學齡循序漸進設計,導入跨學科的知識,應用到真實世界。 一、主題可行性分析 在課程發展初期,學校可以透過社團來導入,在較沒有課程壓力的情況下讓學生能多元的接觸到新興議題,老師也可以從中汲取學校所需求的內容,慢慢對應到學生的學習情況,逐步移植到校訂課程的發展軸線,使得機器人課程能適性而踏實地逐步引導學生探究思考與創作。 在課程推動的層面,須要建立教學團隊或社群,讓教師在實踐創新教學理念時,獲得支持與肯定。除了透過素養導向的社群研究外,也可以藉由校內的課程發展委員會,從「可行性」、「價值性」、「前瞻性」等方面來評估機器人課程的導入。「可行性」包括了是否符合新課綱素養導向的精神、校內老師的教學能力是否足夠、是否符合學校SWOT分析;「價值性」包括了是否能符合教育的實踐、所涵蓋知識的廣泛性、是否能有拔尖扶弱的差異學習;「前瞻性」包括了是否能於一至六年級連貫推行、是否能與國中相關課程銜接、是否能培養學生的未來關鍵能力等。藉由上述層面的評估,讓機器人課程設計能在國小階段紮根。 二、機器人課程教具分析 國小階段學習機器人,可從運算思維與動手實作兩個層面出發,運算思維的培養,可以透過不插電的遊戲或教具來培養,不需要使用到電腦。從簡單有趣的活動、紙牌、桌遊、繪畫、口語指令等方式來學習程式邏輯,培養學生團隊競合以及解決問題的能力。此外,也可以透過Scratch等圖形化程式設計的軟體或網站,以程式積木取代文字指令,透過滑鼠拖曳積木來堆疊組合,進行遊戲設計或故事創作,讓天馬行空的想像力實現出來。而動手實作的部分,則是以電控機板為主,包括耳熟能詳的Arduino、Micro:bit、Web:Bit等,體積輕巧且成本低,能夠進行的專題類型更是多元。 表1. 機器人課程與教材內容的關聯 三、國小機器人課程設計 國小階段機器人的課程,首要讓學生感到有趣,從最受歡迎的積木組裝或體驗活動開始,打好問題解決流程的基礎,然後利用生活化任務的程式設計,讓學生透過實作來理解運算思維以及程式設計的概念,提高理解及激發創造力。最後則透過互動控制程式的機器人課程,培養學生的批判性思考、問題解決、溝通、合作與創造力等能力,各年段的教學建議如下: (一)國小低年級的創意奠基 低年級的學生運用小肌肉與空間概念,透過在底板上建構積木,將作品搭建出來,或是拆解重組已經完成的積木,這是更簡單且容易獲得樂趣的方式。學生可以在合作與討論的過程中,去思考在有限制的資源的情況下,如何分成不同的部件來完成,也藉此學習到問題拆解能力;積木的造型與顏色搭配,可以訓練模式識別的思維。積木拆解及組裝步驟,依照步驟圖,或操作有序的指令,完成建構的任務,則是建立演算法的重要思維,這些一點一滴都培養著學生的素養,也為高年級學習電子積木預先準備。 圖1. 國小低年級機器人課程的創意奠基 (左)在積木創作的發表中,要能學習其他人的創意。 (右)要完成生活化的任務,每個學生都有自己專屬的流程。 此外,透過像是程式車或KIBO積木的教具,從排列積木或指令卡開始,學習設計自己的程式編碼,這種不插電的程式思考模式,利用紙牌排好程式順序,激發興趣,加上挑戰的任務,每一個人或每一組進行時,會產生不同解法的創意,學生就會進一步的想要自我挑戰。若是加上故事或生活情境引導,把生活中會遇到的問題(例如:走到便利商店的路徑規畫)放入,不知不覺就能學習到程式語言的邏輯力,為將來中、高年級學習Scratch等程式語言奠基。 (二)國小中年級的思維鍛鍊 中年級可以學習MakeCode、Blockly、Kodu或Code.org這類簡單的程式設計,透過學生感興趣的主題,如:冰雪奇緣、Angry Birds、Flappy Bird,讓學生認識程式設計的概念。這些平台的共同特色都是「少教多學」,讓學生自己透過體驗來學習,主要傳達給學生在機器人程式設計上會用到的「程序」、「重覆」、「判斷」的概念,讓學生在反覆嘗試中進行思考訓練,培養邏輯思維,也間接的培養學生自主學習、自主鍛鍊的精神,對於高年級時遇到艱深的問題解決時,會有明顯的奠基效果。此外,也可以導入像是Dash機器人的教具,不但可以遙控機器人來互動,或以競速、循線來進行比賽,透過圖形化APP程式來讓機器人進行任務,一樣也可以從玩樂中培養運算思維能力。 圖2. 國小中年級機器人課程的思維鍛鍊 (左)App遊戲型的機器人,在遊戲中學習感測器的互動。 (右)以簡單的Makecode程式來設計Micro:bit的雙人猜拳遊戲。 (三)國小高年級的整合實作 高年級開始可以進行程式與硬體的機器人組合,將Scratch程式設計與開放硬體機器人結合,寓教於樂中學到電腦程式運算概念。由於進入到複雜的問題解決與既有知識概念整合,教師需要透過提出問題,讓學生學習流程設計,將大問題拆解成小問題,分辨哪些小問題可以利用之前所學之概念來處理,枝末的小問題又可以利用何種方法,以分開解題,建立基礎程式設計的邏輯概念和語法來應用。此外,高年級學生要能掌握硬體功能,熟悉機器人的結構、控制、動力、互動(如光敏感應器、紅外線感應器、聲音感應器等)和基本科學原理(如紅外線反射、光線感應等),才能夠繪製出整個設計圖,標示出要解決的問題、所需要的材料、程式的流程以及成品的草圖,才能開始製作或組裝機器人。最終,學生在思考與動手做的過程中,發展解決問題與蒐集資訊的能力,藉由共同探究問題、提出假設、嘗試錯誤、反覆修正的歷程,培養學童的設計思考能力,更建立自主探索、合作參與、動手實作的素養表現。 圖3. 國小高年級機器人課程的整合實作 (左)結合程式設計來控制機器人互動。 (右)透過廢材與微型控制板的重新組合,發想新的生活小伙伴。 四、實作導向的標準本位評量 素養導向的課程、教學與學習評量三者關係密不可分,學者認為透過實作及學習歷程檔案的評量來呼應核心素養或學習重點(吳俊憲,2020),換言之,機器人課程的評量不會只是一個分數,也不能僅採用是非選擇的封閉式題型,應盡量採多元評量方式,並隨時即時反饋幫助學生瞭解自我學習狀況。以標準為本位的評量方式為近年來教育評量的主流,標準包含主題與表現描述,即期望學生學到或做到的內容程度。 機器人課程的評量針對教學內容所提供的任務進行標準本位評量,可以為學生作品進行功能、創意、程式、外型等評分,據此了解學生的精熟程度或學習成效,使得學生在過程中無需和其他同學比較,只關注於自己的表現程度。教師在評量前可以讓學生知道機器人課程所對應的任務表現標準,評量標準也可作為學生自評、互評時的參照依據,而最終,學生可以瞭解需要再努力的部分,促進再學習的發生(宋宗樺,2021)。 表2. 機器人課程實作標準本位的評量範例 結語 雖然機器人可以說是未來世界不可或缺的角色,同時也因為資訊更新的速度越來越快,在規畫機器人課程時,關鍵重點應在於教師如何設計課程和引導學生,本文藉由導入創新的課程設計,讓學校能夠盤點資源,發展動手實作的課程,除了陪伴學生啟發創意思考,更應該著重於培養問題解決、批判思考等能力,提供學校規畫的參考。 參考文獻 吳俊憲(2020)。素養導向學習評量理念與標準本位評量設計示例。臺灣教育評論月刊,9(9),P143-148。 宋宗樺(2021)。素養看得見,孩子學習動起來~以標準本位評量設計課程與教學常見之問題與建議。臺灣教育評論月刊,10(3),P43-47。 蔡孟蓉(2020)。從STEAM教育到科技防疫,臺師大蔡孟蓉用機器人打造孩子熱愛的課堂。取自https://humanityisland.nccu.edu.tw/meng-jung-tsai/。 楊秀全 桃園市同德國民小學學務主任

疫情下的物理探究實作競賽

疫情下的物理探究實作競賽

文/張智淳、余進忠、蘇萬生 圖/余進忠 2021第四屆全國高中物理探究實作競賽宣傳海報 新冠肺炎疫情世界延燒 新冠肺炎自2019年12月初自中國武漢迅速延燒全球,臺灣於12月23日即起強化邊境管制措施,初期國內疫情多為境外移入,隨著時間遞延終究不敵病毒於本地的散佈,於2021年5月萬華地區迅速爆發疫情,為防範避免社區感染與傳播風險,中央疫情指揮中心於5月11日公告提升疫情警戒至第二級。無奈疫情急轉直下,5月15日中央疫情指揮中心評估社區傳播有擴大趨勢,正式提升雙北地區疫情警戒及相關限制措施,關閉休閒娛樂場所等易發生群聚之場所,其中包含各類展演場場所(音樂廳、表演廳、博物館、美術館、陳列館、史蹟資料館、紀念館),而全國亦於5月19日跟進疫情三級警戒,宣告國內COVID-19疫情進入社區流行階段。 在全國進入疫情三級警戒後,國教、高教端各級學校亦宣布全面停止到校,改為全面遠距線上教學,各校行政人員實施異地分流辦公等防疫措施,此重重打擊科普、社教、會議及競賽活動的進行,此時國內各項實體會議及競賽皆陸續宣布延期或停止辦理。 四月原校施測下的紙筆測驗 由中華民國物理教育學會主辦「2021第四屆全國高中物理探究實作競賽」,4月11日上午在全國27個試場進行「初賽-自然科素養測驗」為此次序列式競賽揭開序幕。此次素養題型係由台南一中「探究與實作推動中心」何興中老師與20位教師共同命題完成,內容涵蓋物理、化學、生物、地科等,總計10個題組30小題。共開設50個試場,計1462位考生參與競賽,測驗後給予成績組距以為多元入學參採依據。 此時國內尚無疫情,然高中各校已限制校外人士進入校園,因此相較第三屆競賽,參賽學生僅能於該校應試,針對應試人數低於20人的高中學校學生則安排至鄰近大學應試,此時多數大學仍未禁止校外人士入校,因此尚得以辦理施測。高中及大學配置之監試及防疫人員僅能該校師生擔任,各校為疏散考生除配置多名防疫測溫人員外,成功大學甚至搬出熱影像測溫系統進行快速測溫(如圖1),各試場也以大距離間隔座位讓考生應試(如圖2);此次彰化精誠高中超過200位學生參與,高雄道明中學、臺中衛道中學、屏東美和高中、高雄中學分別有近百位同學參與。此次競賽中,台東高中、花蓮高中、枋寮高中、蘭陽女中等校雖位處偏遠地區,但各校學子仍不減對科學熱情積極參與本次競賽,其中台東高中、花蓮高中報考人數超過30人以上實令人敬佩。各地區大學試場作為零散考生試場,分別有輔仁大學、中央大學、東海大學、嘉義大學、成功大學、高雄大學、屏東大學等。大學試場以中央大學96人居首,考生主要來自新竹地區高中。上午試前,所有考生皆進行防疫措施並繳交防疫切結書,此次僅18位學生缺席未到場應試,到考率達99%,顯見參與學生非常認真看待此次競賽。 圖1. 成功大學試場配置熱影像測溫及聲音提示系統 圖2. 所有試場皆加大應試學生距離,此為成功大學試場 宅配到家做實驗 原訂5月27日進行的「初賽-實作測驗」,競賽實驗題目主要參考自「2021國際物理辯論競賽」賽題共計10題,由嘉義協同中學何世明老師、國立東華大學物理學系曾賢德教授共同設計與制訂材料內容;題目涵蓋範圍很廣,除常見的聲、光、熱、電現象外,也有非常生活化的題目,如海綿吸水的效率研究、「浮沉子」沉降行為研究等。 此時全國已進入第三級警戒,已無法於各校辦理實驗競賽,此時學會理事長余進忠教授與競賽委員會委員即時開會討論實驗競賽是否延期或取消?以及後續各項接續競賽的因應對策。學會基於與應試學生間的承諾,及學生後續學習歷程的取得,在抱持停課不停賽的精神下,決議調整競賽方式,首創「宅配到家做實驗」競賽模式,除了符合政府三級防疫規範也避免疫情群聚及中斷比賽,將實驗材料包郵寄至參賽隊伍學生家中(如圖3, 4),各隊隊員透過網路視訊隔空進行實驗,參賽學生依照不同項目「科學原理」、「實驗操作」、「數據分析」、「誤差分析與結論」等進行分工,隊員各司其職,最終再以視訊線上討論、上傳數據分析結果至本次實作測驗疫情備案專用之實驗記錄上傳系統以供作後續評分。 為此學會及國立高雄大學工作團隊迅速依委員會決議及政府防疫規範重新擬定競賽流程及評測方案,並藉由競賽官網、電子郵件、Line社群等管道進行競賽相關程序變更及消息發佈。此次實作測驗計335隊參與(1400人),62位學生棄賽。在疫情下,學生透過網路及視訊合作模式進行實驗報告綜整,仍有相當優質的成果表現。 圖3. 工作人員於國立高雄大學分包裝300多箱實作測驗材料 圖4. 國立高雄大學陳月端校長前往科學教育中心向分包裝實驗材料同學致意 60場線上視訊決賽 參賽隊伍經由初賽素養測驗及實作測驗加總後,各賽題擇四隊參與決賽,計40隊伍(約200位學生)參與,如同前屆決賽仍以物理辯論方式辦理。直至7月24日與25日決賽時全國仍維持三級警戒,室內仍不得超過5人,因此決賽律定所有隊員不得群聚,須分散於各處以遠端方式以視訊辦理,學生須全程開啟攝影鏡頭以維持競賽公正,期間僅能以手機傳訊等方式進行聯繫,且不得發出聲響。 雖此時工作團隊已有線上辦理相關經驗,但每一賽題各隊伍交替捉對競賽,一賽題需進行6場線上視訊競賽,10個賽題總計60場線上決賽,在在考驗評審、工作人員、網路視訊及後端計分平台的穩定性。此次學會投入14位工作人員,並開設三間實驗室作為線上決賽視訊開立及即時聯繫用途(如圖5)。決賽前學生必須線上簽到,隨後公告競賽場次學生分工情形與賽前猜拳狀況(已事先針對各場次競賽隊伍做猜拳調查),作為隊伍報告順序依據(如圖6)。競賽開始後,工作人員隨即啟動競賽流程「倒數計時器」,該倒數計時係針對Google Meet線上視訊平台開發,讓決賽學生能於視訊畫面中隨時看到剩餘時間(如圖7);接著評審們透過手機操作google表單進行該場次評分並能於後台系統即時核對查閱所有評審的評分狀況(如圖8),再由該場次評審主席確認各評審評分無誤後,由工作人員於google meet訊息列發佈該場次兩隊成績,隨即後台系統立即將該成績鎖定不容再次修改成績。 決賽前一週學會特舉辦4次學生及評審賽前演練,宣導線上決賽流程規範及注意事項,並於決賽前一小時辦理評審會議(如圖9),除進行賽題及規則講解外,也提示相關決賽時學生需遵守的樣態,供評審與各場次主席能即時提點參賽學生。當天競賽結束後,評審團隨即召開線上評審會議,針對各場次學生違規樣態進行討論,並確認各隊獎項,以為後續公告依據。雖綿密進行事前籌劃,然亦有學生因線上競賽遲到而被剔除決賽得獎名單殊為可惜。 圖5. 工作人員於國立高雄大學進行線上決賽視訊開立與即時聯繫 圖6. 決賽賽前針對猜拳勝負及學生角色分工做調查 圖7. 線上決賽中「屏東參加貳」隊的報告實況與倒數計時器的呈現 圖8. 評審評分後台系統 圖9. 決賽賽前的評審會議 線上實作報告評選 針對沒有進入決賽的隊伍,此次因疫情額外安排了「線上實作報告評選」,各隊伍得上傳至多24頁橫式pdf簡報檔,並製作線上報告mp4影片10分鐘,後續由評審觀看簡報檔及報告影片評分給獎。整隊學生都必須出現在報告影片畫面中,並同時由報告者(學生可輪替擔任報告者)進行簡報檔的說明(如圖10)。評分表單中除了賽題研析、科學原理(建議應含物理模型)、實驗設計與規劃(應含實驗設計與變因控制等細節)、實驗結果與分析(應含數據蒐集與圖表呈現)、誤差分析、結論等內容外,刻意規劃「簡報檔內容」及「影片內容」兩項佔比30%的評分指標。 圖10. 賽題「同步蠟燭」獲獎隊伍精誠中學「DA」隊的線上實作報告評選影片 雲端檔案紀錄與後台評測系統 在國內疫情突如其來的急轉直下,距離五月實作測驗僅剩不到半個月的準備時間下,學會及國立高雄大學工作團隊除了嚴謹規劃線上競賽進行流程外,團隊成員們更結合自身所學,同時善用Google各項線上服務(Google Form、Google Sheet、Google App Script)搭配,開發出一整套線上實作競賽系統,包含實驗數據檔、影片、簡報上傳平台,建置檔案瀏覽及評分系統供評審們線上遠距進行評分,並同時以無紙化線上競賽模式朝愛護環境之方向邁進(如圖11)。 為講求評分公正,「初賽-實作測驗」、「線上實作報告評選」等兩項競賽,於評分前透過Python程式將所有實驗報告檔案消除參加學生姓名及校名隊名等資訊,並由系統自動隨機給予隊伍編號,同時於評審評分完成後自動計算組別分數,期間評審無法透過隊伍編號及任何資訊得知隊伍各項參賽基本資料,以維護競賽公正性。上述相關疫情下的競賽作為,實實在在地運用雲端科技與程式批量作為,讓線上競賽得以進行,可作為其他國內競賽的參考借鏡。 圖11. 「初賽-實作測驗」及「線上實作報告評選」所使用的雲端檔案紀錄與後台評測系統 物理教育聯合會議及壁報競賽 系列性的「全國高中物理探究實作競賽」尾聲即為8月中下旬的壁報競賽,如同以往併同8月19日至21日的「中華民國物理教育聯合會議」辦理,此次聯合會議亦因疫情改線上辦理,為疫情期間全國最大的線上會議,國教及大學端與會者多達600人,會議期間「科普樂」、「實作工作坊」等皆仿照本競賽的「初賽-實作競賽」將實作材料宅配到家,並以線上視訊方式完成線上教學。 壁報競賽於專屬會議分組內進行,報告者3分鐘線上報告,後續由評審提問2分鐘,除本競賽壁報高中參賽者外,聯合會議亦安排教師研究生組及大專生組的區分壁報競賽,後續於會議第三天公告獎項並進行線上頒獎。 圖12. 賽題「海綿」獲獎隊伍-「桃園市自主學習3.0實驗室」的線上壁報報告實況 獎項下載、貴賓合影與線上頒獎 為響應環保作為,本次競賽的組距證明、一等獎、二等獎、優勝獎項及合影照片檔皆提供線上pdf檔下載,讓學生能如期上傳至該學期的學習歷程檔案資料庫中。由於此次決賽無法與評審等貴賓合影,因此學會特地邀請宏碁集團創辦人暨智榮基金會董事長施振榮伉儷及國立高雄大學陳月端校長、所有評審委員,及決賽隊伍學生提供個人照片,供科教中心人員製作頒獎合影照(如圖13);除此之外,也安排於聯合會議第三天由學會余進忠理事長依各賽題各校表現狀況給予講評,頒獎期間施振榮董事長伉儷也特別蒞會線上致詞給予參賽隊伍勉勵(如圖14),後續於線上會議播放參賽各校於「決賽」、「線上實作報告評選」及「壁報競賽」的成果,及各隊學生獲獎照片。 圖13. 宏碁創辦人暨智榮基金會施振榮董事長伉儷與各賽題金獎隊伍合影照片 圖14. 宏碁創辦人暨智榮基金會施振榮董事長伉儷於線上會議給予獲獎隊伍勉勵 後記 筆者提供文稿前,北部疫情仍未停歇,且有新冠Delta病毒於北部現蹤,顯見疫情仍起伏不定,於今年後期許多競賽改採線上辦理,此次「全國高中物理探究實作競賽」率先於國內實施「宅配到家做實驗」及線上頒獎模式,後續引起各種科普及競賽活動仿效,除建立疫情下典範作為外,也確實讓參賽學生看到不屈不撓的精神。由「實作報告評選」及「壁報競賽」評分指標,可以看出本競賽除傳統實驗要項外,更強調學生口說能力、簡報與圖表呈現、時間掌控、臨場表現等細節,此為本競賽與其他國內各競賽最大差異所在。 今年競賽進入第四屆除感謝教育部國教署持續給予經費補助外,宏碁創辦人施振榮董事長伉儷除捐贈相關競賽及科普活動經費促成偏鄉及弱勢學生參與競賽外,也錄製頒獎致詞及得獎合影照予決賽獲獎隊伍,在此筆者由衷感謝所有人士於此次疫情下的無私協助。 張智淳 國立高雄大學應用物理學系學生 余進忠 國立高雄大學應用物理學系副教授 國立高雄大學科學教育中心主任 中華民國物理教育學會理事長 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯

COVID-19創疫課程: 因應線上課程的STEAM課程設計與實踐

COVID-19創疫課程: 因應線上課程的STEAM課程設計與實踐

文/周靜儀 前言 科技是為了達成人類的生活需求而創造出來的。在創造過程中,會面臨到各種問題及挑戰,而生活科技的課程目的在於提昇學生對問題解決的能力及主動學習的意願。美國在1986年提出的STEAM教育,將科學,科技、工程、藝術及數學這五大核心結合,在跨領域的刺激學習下,讓孩子能動手解決問題,並在生活中應用。透過教學引導的方式,帶領他們學習在遇見困難時能靠找出問題、思考辨別、釐清分析及進一步利用身邊的資源去處理及解決。 在生活科技的課程中,學生的學習內容關係著實作的學習表現。2019年COVID-19在全球爆發,一直到2021年的四月,臺灣開始出現群聚案例,學校也一直在為遠距教學的課程一步步準備著。108新課綱的素養導向在生活刻記的課程中強調實作與應用,面對線上教學的來臨,必須在「看不見」學生實作的情況下,給予實作的課程內容。 本課程以國中生為主,因應疫情帶來的線上教學停課不停學的中旨,改變了原本面對面教學的教學方式。希冀學生能適應將線上課程的學習內容,將整學期的所學與生活時事做連結,協助學生提昇獨立思考及解決問題的能力,並能將知識統整,發揮「做、用、想」的學習表現。 從教育的角度出發,在教學方法上,生活科技是各種便利於人類需求的發明或娛樂,藝術則是在生活周遭有溫度的情感,這是機器無法取代的,在生活科技的課程中,不是只有動手做而已。人都喜歡看美的事物,藝術能將科技產物包裝得更貼近人心,所以在課堂上都會分享不同的科技產品以及經過包裝後的科技產物,而STEAM教育也從此處出發,希望能將科技與藝術做連結。 暖身三階段 在十二年國教素養導向教學的理念中也強調溝通表達能力,期許能在課堂中讓學生發表他們的意見,說出自己的感受。因應十二年課綱的三大主軸「自我與生涯發展」、「生活經營與創新」及「社會與環境關係」,筆者以「COVID-19創疫課程」為主軸,開發因應線上課程的「STEAM課程設計與實踐」;為了完成上述課程,筆者先將前半學年的課程區分成三個暖身小課程,分別為「暖身課程一:迷你探究實作」、「暖身課程二:對環境現況的觀察與思維表達」、「暖身課程三:我有話要說」,以下針對上述暖身課程進行詳細敘述。 一、暖身課程一:迷你探究實作 本階段的暖身課程主要是讓學生花費較短的時間進行簡單的小實驗,以練習觀察與探究實作能力,本課程內容是要求學生在一樣的環境條件下觀察自己折的紙飛機有什麼特色,並在丟擲紙飛機的過程中,觀察別組的紙飛機及丟擲動作有什麼是值得學起來並嘗試的。此外,本課程也引導學生將過程記錄下來,最後可以文字表達也可以用繪畫的方式呈現(圖1、圖2)。 圖1. 紙飛機學習單1 圖2. 紙飛機學習單2 二、暖身課程二:對環境現況的觀察與思維表達 現今的能源永續不是只有做好回收環保和隨手關燈而已,不管是吃得、用的還是人本身,都是需要被經營的。本階段的暖身課程,除了課本上的能源內容外,也讓孩子分欣賞不同國家人民對此議題有什麼實際的行動,而這些行動的分本還是在人,所以也分享了芬蘭的教育方式,與孩子分共同討論。最後也請他們思考後,將自己對於能源資源的永續經營有什麼看法,以及對於教育的看法,最後寫在學習單上(圖3、圖4)。當然,這份學習單是學生與老師之間的溝通,所以他們可以盡情地表達。 圖3. 永續發展學習單1 圖4. 永續發展學習單2 這項永續經營的議題,看到孩子們在教育方面的分享會有許多啟發,國二學生對於經營自己這件事情是很有想法的,從他們想得到的去做課程上的調整,也會成為課程學習的動力之一。 三、暖身課程三:我有話要說 在此階段的暖身課程中,筆者採用動力機械的單元,請學生自行選一輛夢想中的汽車,再針對課程內容的幾項要點進行彙整報告,包括外型、動力特色,以及為什麼會選這台車。報告能力的部分,筆者先教導學生該如何運用PPT軟體排版編輯,將報告變得吸睛,之後再從製作報告的過程中提升資料統整、分類及重點標題的能力,最後要掌控報告的時間長度(圖5)。另外,在學生上台發表的同時,也讓學生練習解決問題的過程。這些訓練都會提升學生以後的社會表達能力,在思考中發展並保有信心。 圖5. 學生報告頁面 有了以上的三項訓練,不僅能提升學生對知識與社會環境的連結統整能力,也協助學生提升解決問題的思考能力,增加發表己見的信心。 COVID-19創疫課程線上教學 在本學期的後半段課程中,因應疫情而使教學模式轉換成線上教學,正巧可以搭配筆者以「COVID-19創疫課程」為主軸而開發的線上STEAM課程設計與實踐。因應線上教學,本課程分成兩個階段,第一階段是創造「疫想天開,設計我來」的作品概念圖;第二階段是「線上作品成果展」。以下是上述兩階段之詳細說明: 第一階段:創造「疫想天開,設計我來」的作品 透過欣賞「疫想天開,設計我來」的作品,請學生利用創意思考的奔馳法,透過替代、合併、調適、修改、其他用途、消除及重排等這七個面向,作為因應現今疫情環境之作品創新構想的切入點。本活動課程的核心觀念如下表: 表1. 本課程核心與STEAM教學之連結 由於線上課程在實作活動不好做分組討論,對學生來說有一定的困難度,所以學生作品只需要有其中兩項即可。 第二階段:「線上作品成果展」 在本階段中,教師透過學生作品,檢視學生所學及應用,並引導學生完成線上作品發表。從下列學生的作品(圖6-8)可以知道整學年的活動課程對學生能力之提升有極佳的正向幫助,本課程也透過校內線上投票來肯定學生作品應用的可能性和創造力。下圖為票選出前三名之作品概念圖。 圖6. 票選第一名,高雄左營國中208班 陳脩霖同學作品 圖7. 票選第二名,高雄左營國中207班 曾玟僑同學作品 圖8. 票選第三名,高雄左營國中207班王宇晴同學作品 隨著科技演變,多方資訊量爆炸的時代裡,學生在生活中能接收到各種多元跨領域的創意思維。因應這次COVID-19疫情所帶來的影響,讓教育方式也做了全新的改變。本次的課程活動設計是由STEAM教育理念作為核心,配合創意思考及翻轉教育激發的學生思考能力,來達成有效能的學習模式。在整體課程活動的實施下,雖然線上課程不如實體課程一般的鮮活,但在實體課程的訓練中,學生仍能從中提升學習興趣並增強自我的思考及表達能力。亦能增加線上教學的變化性及豐富度 致謝 國立高雄師範大學環境科學研究所-黃琴扉教授。 高雄市立左營國中全體師生。 參考資料 翁崇文(2015)。翻轉教育在翻轉什麼,4(2),99-100。 黃琴扉 (2019)。帶得走的STEAM課程設計:古機械鐘創意課程。科學研習月刊,58(1)。https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6844&a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=15521。 唐偉成 (2020)。STEAM課程的發展架構及教學活動設計。臺灣網路科教館,生活科學補給站。https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=16157 周靜儀 國立高雄師範大學表演藝術研究所碩士

運用能源議題融入國小低年級生活領域之實踐

運用能源議題融入國小低年級生活領域之實踐

文/黃真瑱、蘇萬生 圖/黃真瑱 風的玩具--龍捲風 108年開始,十二年國教正式上路,學校對於素養導向的課程教學越發重視,各項議題也融入於各領域之中。因此筆者從生活課本出發,從「風」的單元延伸融入能源議題,啟發學生對於能源的重視。和風一起玩的教學活動包含科學影片、科普文章、體驗操作和學生創作。從科學影片及科普文章讓學生了解基本知識;從圖文作品,瞭解學生是否有吸收到基本知識;從行為觀察,檢視學生的學習狀況。 前言 教育部於2014年發布「十二年國民基本教育課程綱要總綱」,並且歷經四年的研修後於2018年正式發布各科領綱。十二年國教強調學生是自發主動的學習者,因此教師在設計課程時,應讓學生透過實際體驗操作,藉由實作的過程中自我發現問題的答案。 而生活課程領綱中提到,生活課程以兒童為學習主體,兒童的學習是從生活展開,透過觀察與體驗,認識生活中的知識。生活課程並不只有單一學科知識,它還涵蓋了「自然科學」、「社會」、「藝術」與「綜合活動」,是超越學科的統整課程(教育部,2018)。 在低年級的生活課程中,「自然科學」的部分主要以闡述日常生活中所發現的現象為主,並未深入將現象所涵蓋的概念和相關的議題涵蓋,因此我們從能源議題融入生活課程中,從簡易的科普文章與手作讓學生從做中學,不僅能促進學生自發學習,也能啟迪學生對於自然科學的興趣。 壹、教學設計 一、教學設計理念 (一)落實十二年國教:本著全人教育的精神,以「自發」、「互動」、「共好」為理念,強調學生是自發主動的學習者,因此教師應引導學生培養基本知能,在生活中能融合各領域所學,統整應用、並解決問題。 (二)融入議題:學校教育需與時俱進,對議題具備高度敏覺性,因應環境之變化,活化議題內涵,並依學生的身心發展與適齡設計活動。 1.能源教育:培養學生能源素養,包括學習能源的基本概念、正確的能源價值觀念,加強節約能源。 2.科技教育:從生活中的需求去設計與製作適用之物品,從實作過程中學習嘗試錯誤與系統思考。 3.閱讀素養:學生使用文本傳播媒介蒐集訊息,解決生活上的問題。培養其識字及閱讀能力,並且增加其對於自然科學的興趣。 二、教學活動架構圖 以「和風一起玩」為主題,分成五個教學活動。 圖1. 教學活動架構圖 三、教學活動融入十二年國教生活領域學習重點對應 表1. 教學活動融入十二年國教生活領域學習重點 四、課程活動融入十二年國教議題之對應 表2. 教學活動融入十二年國教議題 貳、教學實施 一、和風一起玩 (一)教學目標:運用五官探索風的存在。觀察生活環境,覺察風在生活中的用處,並分類應用;製作風的玩具,探究玩法並察覺其特性;認識風力發電,並能了解能源議題。 (二)教學資源:康軒一上生活課本、科普文章、影片、PPT、課本附件3和4、旋轉蠟筆、膠水、竹筷、棉繩、彩色筆。 (三)評量方式:實作評量(學習單/學生作品)、口頭評量。 (四)教學歷程 1.活動一:閱讀科普 閱讀《什麼是風?》的學習單,上課時播放影片複習教學內容。 圖2.「什麼是風」學習單 教學影片參考: 文/黃真瑱、蘇萬生 圖/黃真瑱 風的玩具--龍捲風 108年開始,十二年國教正式上路,學校對於素養導向的課程教學越發重視,各項議題也融入於各領域之中。因此筆者從生活課本出發,從「風」的單元延伸融入能源議題,啟發學生對於能源的重視。和風一起玩的教學活動包含科學影片、科普文章、體驗操作和學生創作。從科學影片及科普文章讓學生了解基本知識;從圖文作品,瞭解學生是否有吸收到基本知識;從行為觀察,檢視學生的學習狀況。  前言 教育部於2014年發布「十二年國民基本教育課程綱要總綱」,並且歷經四年的研修後於2018年正式發布各科領綱。十二年國教強調學生是自發主動的學習者,因此教師在設計課程時,應讓學生透過實際體驗操作,藉由實作的過程中自我發現問題的答案。 而生活課程領綱中提到,生活課程以兒童為學習主體,兒童的學習是從生活展開,透過觀察與體驗,認識生活中的知識。生活課程並不只有單一學科知識,它還涵蓋了「自然科學」、「社會」、「藝術」與「綜合活動」,是超越學科的統整課程(教育部,2018)。 在低年級的生活課程中,「自然科學」的部分主要以闡述日常生活中所發現的現象為主,並未深入將現象所涵蓋的概念和相關的議題涵蓋,因此我們從能源議題融入生活課程中,從簡易的科普文章與手作讓學生從做中學,不僅能促進學生自發學習,也能啟迪學生對於自然科學的興趣。  壹、教學設計 一、教學設計理念 (一)落實十二年國教:本著全人教育的精神,以「自發」、「互動」、「共好」為理念,強調學生是自發主動的學習者,因此教師應引導學生培養基本知能,在生活中能融合各領域所學,統整應用、並解決問題。 (二)融入議題:學校教育需與時俱進,對議題具備高度敏覺性,因應環境之變化,活化議題內涵,並依學生的身心發展與適齡設計活動。 1.能源教育:培養學生能源素養,包括學習能源的基本概念、正確的能源價值觀念,加強節約能源。 2.科技教育:從生活中的需求去設計與製作適用之物品,從實作過程中學習嘗試錯誤與系統思考。 3.閱讀素養:學生使用文本傳播媒介蒐集訊息,解決生活上的問題。培養其識字及閱讀能力,並且增加其對於自然科學的興趣。 二、教學活動架構圖 以「和風一起玩」為主題,分成五個教學活動。 圖1. 教學活動架構圖 三、教學活動融入十二年國教生活領域學習重點對應 表1. 教學活動融入十二年國教生活領域學習重點 四、課程活動融入十二年國教議題之對應 表2. 教學活動融入十二年國教議題  貳、教學實施 一、和風一起玩 (一)教學目標:運用五官探索風的存在。觀察生活環境,覺察風在生活中的用處,並分類應用;製作風的玩具,探究玩法並察覺其特性;認識風力發電,並能了解能源議題。 (二)教學資源:康軒一上生活課本、科普文章、影片、PPT、課本附件3和4、旋轉蠟筆、膠水、竹筷、棉繩、彩色筆。 (三)評量方式:實作評量(學習單/學生作品)、口頭評量。 (四)教學歷程 1.活動一:閱讀科普 閱讀《什麼是風?》的學習單,上課時播放影片複習教學內容。 圖2.「什麼是風」學習單 教學影片參考:https://youtu.be/Ps_m7hZQMVo 2.活動二:風的蹤跡。 (1)在校園裡發現風的經驗 在校園中,我們是怎麼發現風的存在?引導學生可以透過感官眼睛看到、鼻子聞到、耳朵聽到、身體感受到來感受風。 (2)在生活中發現風的經驗 除了校園和教室外,還有哪裡可以觀察到風?例如風鈴響起,天空的雲會移動,風車會因為風的大小,轉動的速度而有所不,國旗會因為風的吹拂而向一邊抖動著等。 教師請學生把回答記錄在黑板上,選幾個示範可以怎麼畫。請學生將自己發現風的場景畫在圖畫紙上,老師記錄學生所畫的內容。 圖3. 學生畫下風的蹤跡-頭髮飄起來 圖4. 學生畫下風的蹤跡-風車吹動 3.活動三:變化多端的風 (1)生活裡的麻煩風 教室內若有風會帶來什麼樣的麻煩?請問有什麼解決方法?除了教室以外,其他地方的風會帶來什麼樣的麻煩?可以怎麼解決? (2)風是好幫手 風可以幫我們做什麼事情呢?將好幫手的風分成「會讓東西變乾」、「好玩」、「涼涼的」、「發電的」。 圖5. 討論變化多端的風 4.活動四:風神來幫忙 (1)臺灣的風力發電 再生能源風力發電的認識,透過簡短的影片認識台灣的風力發電,可以省下每年25萬公噸的碳排放。 教學影片參考:https://www.youtube.com/watch?v=Kyernn86sRM (2)能源種類介紹 能源分成傳統能源及再生能源,透過短片學生認識能源的種類,學生知道風力發電屬於再生能源。 教學影片參考:https://www.youtube.com/watch?v=HYqYNxZ_sBY (3)風力發電潛力無限 風力發電的優缺點探討,風力發電的發電原理介紹。 教學影片參考:https://www.youtube.com/watch?v=HjOmbRaZOgU 5.活動五:風的玩具 (1)介紹風的玩具及遊戲 (2)製作風陀螺,完成後實際操作。 學生觀察要吹哪個方向,風陀螺才會旋轉?學生要思考,如果外圍沒有摺起來,可以轉動嗎? (3)製作龍捲風,完成後實際操作。 圖6.學生製作風陀螺 圖7.學生製作龍捲風 (4)製作十字球,完成後實際操作。 製作完成的十字球若用墊板搧得慢,十字球轉動速度如何?若用墊板搧得快,十字球轉動速度如何? (5)製作小風車,完成後實際操作。 圖8. 學生實驗十字球的轉動 圖9. 學生製作風車  參、結論 一、科普閱讀可增加學生的基本自然科學知識。 科普閱讀放在課程開頭可以引起動機,並且讓學生初步了解此主題的基本知識,也可以放在課程後面進行複習或是延伸知識。 二、學生透過實際操作,探索科學的樂趣。 學生透過實際實驗或是製作並操作玩具,不僅能夠從玩中學習到自然科學知識,還可以從中得到樂趣。 三、生硬的能源議題,透過融入生活課程潛移默化。 原本不易理解的能源問題,透過與現有的課程結合,帶入簡單的概念,有助於學生將來接觸能源相關知識不陌生,提起學習興趣。  參考文獻 教育部(2018)。十二年基本國民教育課程綱要國民小學-生活課程。 黃真瑱 臺北市立金華國民小學教師 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯 " target="_blank">https://youtu.be/Ps_m7hZQMVo 2.活動二:風的蹤跡。 (1)在校園裡發現風的經驗 在校園中,我們是怎麼發現風的存在?引導學生可以透過感官眼睛看到、鼻子聞到、耳朵聽到、身體感受到來感受風。 (2)在生活中發現風的經驗 除了校園和教室外,還有哪裡可以觀察到風?例如風鈴響起,天空的雲會移動,風車會因為風的大小,轉動的速度而有所不,國旗會因為風的吹拂而向一邊抖動著等。 教師請學生把回答記錄在黑板上,選幾個示範可以怎麼畫。請學生將自己發現風的場景畫在圖畫紙上,老師記錄學生所畫的內容。 圖3. 學生畫下風的蹤跡-頭髮飄起來 圖4. 學生畫下風的蹤跡-風車吹動 3.活動三:變化多端的風 (1)生活裡的麻煩風 教室內若有風會帶來什麼樣的麻煩?請問有什麼解決方法?除了教室以外,其他地方的風會帶來什麼樣的麻煩?可以怎麼解決? (2)風是好幫手 風可以幫我們做什麼事情呢?將好幫手的風分成「會讓東西變乾」、「好玩」、「涼涼的」、「發電的」。 圖5. 討論變化多端的風 4.活動四:風神來幫忙 (1)臺灣的風力發電 再生能源風力發電的認識,透過簡短的影片認識台灣的風力發電,可以省下每年25萬公噸的碳排放。 教學影片參考:https://www.youtube.com/watch?v=Kyernn86sRM (2)能源種類介紹 能源分成傳統能源及再生能源,透過短片學生認識能源的種類,學生知道風力發電屬於再生能源。 教學影片參考:https://www.youtube.com/watch?v=HYqYNxZ_sBY (3)風力發電潛力無限 風力發電的優缺點探討,風力發電的發電原理介紹。 教學影片參考:https://www.youtube.com/watch?v=HjOmbRaZOgU 5.活動五:風的玩具 (1)介紹風的玩具及遊戲 (2)製作風陀螺,完成後實際操作。 學生觀察要吹哪個方向,風陀螺才會旋轉?學生要思考,如果外圍沒有摺起來,可以轉動嗎? (3)製作龍捲風,完成後實際操作。 圖6.學生製作風陀螺 圖7.學生製作龍捲風 (4)製作十字球,完成後實際操作。 製作完成的十字球若用墊板搧得慢,十字球轉動速度如何?若用墊板搧得快,十字球轉動速度如何? (5)製作小風車,完成後實際操作。 圖8. 學生實驗十字球的轉動 圖9. 學生製作風車 參、結論 一、科普閱讀可增加學生的基本自然科學知識。 科普閱讀放在課程開頭可以引起動機,並且讓學生初步了解此主題的基本知識,也可以放在課程後面進行複習或是延伸知識。 二、學生透過實際操作,探索科學的樂趣。 學生透過實際實驗或是製作並操作玩具,不僅能夠從玩中學習到自然科學知識,還可以從中得到樂趣。 三、生硬的能源議題,透過融入生活課程潛移默化。 原本不易理解的能源問題,透過與現有的課程結合,帶入簡單的概念,有助於學生將來接觸能源相關知識不陌生,提起學習興趣。 參考文獻 教育部(2018)。十二年基本國民教育課程綱要國民小學-生活課程。 黃真瑱 臺北市立金華國民小學教師 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯

閱讀有趣的科學繪本培養探索世界的好奇心

閱讀有趣的科學繪本培養探索世界的好奇心

文/劉淑雯、黃譯平 圖文並茂、內容活潑和貼近生活經驗的科學繪本,能領引小朋友探索和瞭解身邊的事物,理解眾多科學現象。日本在兒童科學繪本的出版品源源不絕,從單冊繪本到小朋友的科學月刊,皆有歷史性和代表性的作品,其中有經典的著作、也有因應新時代和科技世代發展的作品,但無論何種創作,皆有其不變而且引人注目的關鍵,即此類繪本以容易理解的簡易內容,採用趣味的方式呈現,從「為什麼?」、「真不可思議!」的主題點切入,這無疑是促進對科學的好奇和引起興趣的最佳起點。 1963年,一家自稱日本最平庸名字的出版商「株式会社平凡社」首次出版《太陽》月刊,十年後,為了回應讀者,採用特刊的型態出版了《別冊太陽》,以精美的視覺效果深入介紹每一期豐富的題材。繼2003年出版《かがくする心の絵本100》(科學之心繪本100,暫譯),《別冊太陽》再次彙集了一百本好書,2021年推出《科学絵本の世界100:学びをもっと楽しくする》(科學繪本的世界100:讓學習更有趣,暫譯),以五個章節、專欄和討論文章,登載和介紹了100冊科學繪本:起始篇章「你知道嗎?」採用21冊繪本導入話題,廣泛地觸及科學各領域的繪本;第二部分彙整了23本關於「自己」的繪本,從了解「自己」開始;第三部分有19本關於對事物好奇的繪本;第四部分19本聚焦在認識「動物」;最後則是18本孩子們感到好奇但有實際距離的主題繪本。 百冊繪本大多數是日本國內作者的作品,少部分是翻譯其他國家的著作,繪本畫風包含了手繪插畫以及攝影寫實照片,內容難度深淺適合中小學生閱讀,也非常推薦給成人賞析。筆者深入研讀並精選其中特色繪本,依相關的主題、題材和難度重新編排介紹和分享讀後淺見。 圖1.《科學繪本的世界100》與《科學之心繪本100》封面 你知道嗎?我知道!(知ってる? 知ってるよ) 科學的範疇廣泛且深奧,從生命體、星空、圖形、數理甚至到歷史文化都能見到科學的樣貌。有些領域我們已經有一定程度的研究和瞭解,然而,仍有許多我們未知、不了解的事物,從生活中的時間、看事物的視角、日常遇到的數量問題、一個玻璃杯到一張紙的物理現象,以及現今熱門的電腦程式…等,更囊括歷史中的科學、藝術領域中的科學、社會民主投票的科學以及情緒在內,在第一個章節中使用21冊繪本描繪了科學存在各領域的圖像——這些繪本都用平易近人的文字和畫面,訴說這些耐人尋味的科學主題,為100本科學繪本的介紹打開序幕。 《100》 作者:名久井 直子 作 攝影:井上 佐由紀 以數字「100」為書名,這是一本用影像說故事的繪本。「100」是什麼?對於學齡前小朋友而言,1到10的數數是一個階段,再來形容更多的量級很有可能會得到100個、100歲、100公斤諸如此類的答案,在孩子的意像感覺中,「100」就是很多的意思,但那到底有多少呢?透過作者和攝影師用實物相片給予「數大便是美」的視覺震撼,在這本書中有100個方塊、100條金魚、100顆氣球、100顆彈力球等,當他們都呈現在畫面中時,一定會忍不住開始數——真的有100個嗎?繪本內容的文字非常少,但對於小朋友來說,畫面的呈現加上圍繞兒童的物品選擇,每一頁都會是驚奇的趣味點。而作者也表示,在一個個「100」的世界中,即便是大人,他們也是在拍攝過程中充滿笑容和感到興奮。 《算數的詛咒》(算数の呪い) 作者: ジョン・シェスカ 繪者: レイン・スミス 翻譯: 青山 南 運用一種較為迷幻的角度來形容日常中的算術是這本書的特色。例如:早上幾點起床?加上換衣服10分鐘、吃早餐15分鐘後還來得及搭公車嗎?刷牙的時候牙齒有多少顆?在教室裡有多少根舌頭?如果每個人都有兩根舌頭會是多少?閱讀這些問題的過程中很容易就帶入了運算的思考,大概是這般的設計所以取名為詛咒吧!但也是這麼日常的話題,讓小朋友在不會抗拒數學,因為這些計算實用又有趣,故事進行的過程中,一連串的問題將一切都變成了數學。 《美麗的圖畫》(うつくしい絵)+《精彩的雕刻》(すばらしい彫刻) 作者: かこ さとし 什麼是「美」?這兩本出自同一位作者的繪本,藉由名作的角度、作者的故事帶領我們入門藝術。從平面的繪畫,例如李奧納多 · 達文西的蒙娜麗莎、梵谷的向日葵,到立體的雕刻,例如米開朗基羅的大衛雕像、埃及神廟、日本佛像,在閱讀的過程中可以看到不同時代、不同生活背景的人,對於美的闡述有所不同,而最後作者說:「一幅圖畫最美麗的時刻,是觀畫者感受畫的美麗心靈之時。」(うつくしい絵は、みるひとが絵をかいたひとのうつくしい心をかんじとるとき、いちばんつよくうつくしくひびくのです。)相對於其他繪本,這兩本作品是內容比較有難度的選書,不過經過作者的介紹,不論是大人小孩,都讓我們成為一位能感受各種美的人吧! 《魯比的冒險 網路探險隊》(ルビィのぼうけん インターネットたんけん隊) 作者: リンダ・リウカス 翻譯: 鳥井 雪 網際網路或互聯網已經是現在這個時代與我們緊密相連的科技,更在疫情時代的「上網課」變得更加普及與年齡層的向下發展,那麼要怎麼跟孩子介紹或是解釋這件事呢?網路除了使生活便利還有什麼需要注意的地方嗎?這本繪本有20多個國家的翻譯版,作者本身是工程師,用故事的方式闡述網絡運作的結構,在書的後面還有「練習問題」提供給孩子思考。 《搬運》(はこぶ) 作者繪者: 鎌田歩 從古至今,關於如何搬運東西這件事經歷了許多的變化,從開始使用雙手;物品多了必須用容器;容器裝不下了用扁擔可以挑兩個容器;距離遠了用獸力;走路到不了了有馬車、腳踏車;工業革命後有機車汽車,現在更有船、飛機、火箭。整本繪本相貫「搬運」的方法,不同的時代用不同的方式、不同的目的有不同的造型,耐人尋味。如果孩子喜歡車子,可以讀讀這本與歷史結合介紹車輛前身的書。 《小朋友的投票 大人的選舉》(こどものとうひょう おとなのせんきょ) 作者:加古里子 2016年日本的公民選舉權由原本的20歲下修至18歲,這本關於民主意識的繪本也在同年重新再版,而這本書在30年前出版時,就引起了很大的轟動和討論。故事中透過學校廣場的使用問題,大家「投票」決定的過程和討論,正是縮小版的民主意識建立。內容中也討論到少數和多數的問題,大家都可以表達自己的想法和意見,最後則要互相尊重,這是很重要的概念,即便是在成人的選舉或是各種投票中,大家偶爾還是會忽略了民主的本質,而這本書正用貼近孩子的問題,來闡述這個世界重要的社會科學議題。 關於你自己(自分のこと) 關於「自己」的科學主題,從最直接關聯的身體開始,小朋友最感興趣的大便、身體的血液、牙齒、鼻孔,皆是最容易連結的議題。除此之外,另一個層次的討論,是從個體溯源生命的孕育和誕生、物種隨時間的演進、時間與空間的想像、到最後責任心的議題。「關於你自己」不再只是停留在人體和生命,更加入社會、加入時間線,具象主題到抽象的概念過程,用繪本書談這些與自己相關,且有思考深度上不同的話題。 《小寶寶的故事》(赤ちゃんのはなし) 作者:マリー・ホール・エッツ 翻譯: 坪井 郁美 「我從哪裡來?」這應該是經常從小朋友口中提出的問題,父母除了回答「撿來的」、「像桃太郎那樣從西瓜裡跑出來的」之外,如何和孩子討論這個議題呢?科學繪本世界100推薦這本溫暖的故事繪本。書中以鉛筆素描的圖像呈現胚胎發展的過程,文字敘述偏多,但透過下方的序列式胚胎發育階段圖,從一個卵到胎兒成型,可以看到隨著時間慢慢發育的變化,讓孩子了解自己從何而來。除了人類,書中也畫了動物的胚胎發展圖,可以相互比較,靜靜感受生命誕生的奇妙。 《生命的擴展》(いのちのひろがり) 作者:中村惠子 繪者:松岡達秀 延續上一本書「你從何而來」的生命議題,延伸從最早的生命起源談起。世界上這麼多生命都是從一顆細胞長大而來,這本繪本提及了演化的概念,從38億年前那顆最初的細胞開始,經過環境的變化,時間的推移造就了現在花花綠綠的萬千世界,然而我們的細胞都帶著這樣重要的訊息,而且將會繼續傳遞下去。從這個過程中可以感受到,就算我跟參天的大樹長得極其不同,就算恐龍已經滅絕,但我們似乎又那麼一些連結。生命的歷史和壯麗的風景,透過美麗的插圖描繪,充滿了對任何生命的聯繫的尊重,38億年前的風景沒人看過,但透過科學我們可以對他抱有美好的想像。 《時間》(とき) 作者:谷川俊太郎 繪者:太田大八 一本關於「時間流動」的體驗。這本書首發行於昭和48年(西元1973)兒童科學月刊(かがくのとも)第51號,作者谷川俊太郎是當代著名的詩人,全書用23頁描述時間的變化:從地球誕生開始、很久很久很久以前、很久以前、爺爺小的時候、我剛出生的時候、6小時前、剛剛、現在。在時間面前人人平等,在文字描述不多的繪本中,靜靜地透過畫面,像縮時電影一般帶領讀者瀏覽歷史的光景。 《這裡》(ここは) 作者: 最果 タヒ 繪者: 及川 賢治 空間亦是一個令人沈醉的概念,「這裡」究竟是哪裡?經常在電影情節中會有時空轉換的手法,那這本書可能是最入門的空間想像。書中第一句話「這是在我媽媽的腿上」,故事畫面從一個近的鏡頭逐漸拉遠,「我」現在也在家裡、在房子裡,從「我」的角度重新考慮「這裡」是哪裡?有點哲學亦有點科學的邏輯思考,最後畫面更到了宇宙的空間中,看似討論地點的問題,卻傳達了世界的廣大,以及對空間的想像和理解。 《世界上的打招呼》(世界のあいさつ) 作者:長新太 「打招呼」是言語溝通外最直接且簡單的禮節,然而在不同的國家並不都是使用揮揮手、點點頭的方式打招呼,這本書用漫畫風格的插畫描述了不同國家、地區、民族特別的打招呼法,有的是摸摸頭、有的是親臉頰、有的是握著對方的手腕、還有的是吐舌頭,我想這些趣味的小知識可以讓孩子更知道如何接納世界的多樣。 《這不是我的錯》(わたしのせいじゃない) 作者:レイフ・クリスチャンソン 繪者:ディック・ステンベリ 翻譯:二文字 理明 一本很特殊介紹與「自己」相關的繪本,主題是「責任」。故事描述在校園中經常發生同學被欺負的問題,當一個男孩在哭時,小朋友通常會說「我不知道」「這不是我的錯」,他們似乎是在用藉口間接推卸責任,而這麼做意味著是其他人的錯。緊接著在書的後半部分,呈現了原子彈爆炸的蘑菇雲(蕈狀雲)、貧困兒童和鳥類沾滿油污的圖片,這些似乎與我們的日常沒有直接的相關,但真的都不是我們的錯嗎?許多的社會和環境議題其實與每個人多有相關,透過這本書前半部分的隱喻,到後面社會真實的事件,雖然話題稍顯沈重,但讓孩子或讀者們都能重新考慮關於自身責任的問題。 啊,真有點怪啊!(はてな? の心) 好奇心是探索科學的出發點,「咦!這是什麼?」「真奇怪?」等等的問號在生活中不斷的出現,尤其在兒童的日常生活中更是有千奇百怪的一百萬個為什麼!有些問題在現今網絡發達的時代其實手機google查詢馬上就能得出答案,然而,但在這之前如果我們多一些觀察、比較和思考,就會有不一樣的發現和趣味之處。有關於水、雨、雜草、種子等再平常不過的主題,貼近生活所及,在讀完這些科學繪本後,下次有機會看到這些東西時一會定有不同的感受吧! 《野菜的肚子》(やさいの おなか) 作者:きうち かつ 經常,我們對物品的樣貌只有一種印象:畫一副眼鏡就是兩個圈的那個視角、畫一條魚就是有頭有尾的側面圖、畫一顆蘋果就是圓形上面加上一支梗和葉子的模樣…,在這本書中我們就一起來看看蔬菜的剖面是什麼樣子吧!文字不多,適合年齡較小的孩子閱讀,題材是吃飯時就會看到的蔬果,但是用不一樣的角度觀察。相同的提問模式,猜猜這是什麼呢?橫切和縱切的畫面、黑白到色彩,啊!原來是南瓜、是青蔥!一樣的觀察模式可以舉一反三在不同主題中,可以是交通工具、也可以是日常用品,很好的引導孩子練習觀察東西的細節。 《我家草的名字》(ぼくの草のなまえ) 作者:長尾 玲子 故事中小男孩跟爺爺的對話中,用3到4個問題猜出這株植物的名字是什麼。爺爺問:葉子是什麼形狀呢?莖長什麼樣子呢?葉子和莖是怎麼連接的呢?葉子上有毛嗎?透過一問一答,爺爺給出了名字。那麼可想而知,之後遇到不一樣的植物,就可以用這些問題來觀察、發現它的特色了。除此之外,知道名稱後更可以繼續研究更多的資訊,這一連串活動,其實是始於小男孩對於植物的喜愛和好奇心,自然而然的就會想要有更多的了解。在我們的日常中何嘗不是,最新的iphone和上一代有什麼不一樣?鏡頭有幾顆?顏色有幾種?都是同樣的概念,因為喜歡所以比較研究,最終得到結果的過程,何嘗不是科學的精神。 《這裡也有蘚苔》(ここにも、こけが) 作者: 越智 典子 攝影: 伊沢 正名 這本書首發於兒童科學月刊たくさんのふしぎ195號(2001年6月),在2010年時才發刊繪本單行版,畫面呈現了非常多的近距離蘚苔寫真照,蘚苔生存在地球上的時間比恐龍還要早,而億萬年來它的外觀並沒有太大變化。小小的身軀遍佈在各個地方,樹幹上、石頭底下、甚至是人行道磚與磚之間的縫隙中,乍看之下就是一片綠綠的,大部分人並不是很喜歡他,甚至也不曉得它們分成非常多種類而且樣態也大有不同。書中文字出現了一些生物學的專有名詞,例如「無性生殖」和「孢子」,透過這本書可以向孩子介紹這片像愛麗絲夢遊仙境一般地小小綠森林。 《地面之上 地面之下》(じめんのうえとじめんのした) 作者: アーマE・ウエバー 翻譯: 藤枝 澪子 這1943年於美國發行的繪本即便超過半個世紀,仍是一本暢銷的好書。畫面簡單、清晰,用白和黃兩大色塊,劃分出地面上和地面下的樣貌,其中有植物也有動物,植物的部分也呈現了根的造型,很容易就可以從畫面中看出不同之處,內容最後總結提到,無論是生活在地面上或地面下的生物,都其實都歸功於地面的道理。對於小朋友來說,地面下的生物是少見且不易見的,因此在這本繪本中最吸睛的應該就是橘色部分的地下世界了。 《蘋果漸漸地》(りんご だんだん) 作者・拍攝: 小川 忠博 物品的腐敗通常是一個長時間的變化:一片麵包腐敗會長出霉菌,一顆高麗菜可能會變色變皺;那如果是一顆蘋果放了365天會有什麼變化呢?這期間又會經歷什麼事情呢?作者長時間拍攝、紀錄蘋果腐敗的過程,描述它的變化——變得皺皺的、會流出汁液、會長出白白的東西、會發出一些氣味…等等。在家裡做這種腐敗實驗可能會被爸爸媽媽禁止吧!那就透過這本繪本一探究竟吧! 大家好(こんにちは、みんな) 無論是校外教學或者假日出遊,動物園經常是帶小朋友去玩的地點,許多大小動物可以近距離的觀察,有不同的外型、面部表情、聲音、和人類一樣會大便也有眼睛、嘴巴…,比起植物和物理現象或者自己的身體,兒童可能更感到有趣。然而閱讀關於動物的繪本,則可以透過引人入勝的實拍或是繪圖版本、圖鑑類專門介紹的書冊,從不同的角度仔細地探索動物、進行比較、研究,不限時空地、靜態地觀察。 《大家的臉》(みんなのかお) 作者: とだ きょうこ 写真: さとう あきら 《魚的臉》(さかなのかお) 作者: なかの ひろみ、 まつざわ せいじ 繪者: 友永 たろ 這兩本書都是在介紹動物的面部。《大家的臉》第一次在書架上看到它時就被深深的吸引,內容搜集了日本各地動物園同種動物的面部表情,例如黑猩猩、羊、熊、長頸鹿等等,排列在一起各有各的性格和特色,如同人類一樣,同樣的五官但又各有不同的氣質和表情,看著每一頁都不自覺令人上揚了嘴角。而另外一本《魚的臉》是圖畫的版本,通常我們都只是看到魚類的側面線條和花紋,很少關注魚的正面,而本書描繪不同魚類的正面圖、眼睛的介紹,有如圖鑑繪本。這兩本書雖然性質略有不同,但是只要是喜歡動物的大小朋友千萬不能錯過。 《哪一種是最棒的鳥嘴呢?》(くちばし どれが一番りっぱ?) 作者: ビターリー・V・ビアンキ 繪者: 藪内 正幸 翻譯: 田中友子 如果想想不同的鳥嘴,你能數出幾種呢?你會如何描述有哪些地方不一樣呢?這本書以「鳥」自身的角度,對自己的鳥嘴都感到很自豪,有的鳥嘴大、有的長、有的細、有的彎,互相介紹著自己獨一無二之處,有不一樣的特色和不一樣的功能。在書中除了可以欣賞不同兩類精細的插圖,透過文字敘述的搭配,更能理解為什麼他的鳥嘴是長這個樣子,透過這本書的思考邏輯,也可以應用到其他動物的身體部位的觀察喔! 《誰的骨頭?》(だれのほね?) 作者:たけうち ちひろ 我們對於動物的外觀、顏色、特徵都能有些印象,但是動物身體裡的骨頭是什麼樣子呢?大象的牙齒、犀牛的角、變色龍的舌頭…等等這些骨骼的樣貌你都觀察過嗎?有一頁骨頭,猜猜看「好大的嘴巴、好長的身體,這是誰的骨頭呢?」在「我是蛇」的解謎閱讀過程中增添樂趣,學習這樣的觀察,下次吃雞翅剩下骨頭時就多一些科學趣味了。作者用剪紙的作品呈現這些用X光才能看清楚的骨頭結構,在閱讀後只要身邊有紙和剪刀,就可以容易地再現繪本中的動物作品喔! 《動物眼中的世界》(仕掛絵本図鑑 動物の見ている世界) 作者: ギヨーム・デュプラ 翻譯: 渡辺 滋人 我們人類眼睛所看到花花綠綠的世界,和動物所看到的景象其實是不一樣的。這本書將動物眼睛部位做成翻翻書的效果,揭秘動物眼中的世界,翻開後是模擬動物看到的景色,會變得模糊嗎?還是色彩不一樣?其實他是個大近視呢!翻開頁面後有針對視角、顏色、遠近的詳細說明文字。繪本裡大約有20種生物,包含鳥類、哺乳類、爬蟲類等等,閱讀後會真正了解到都是動物的眼睛,但看到的世界竟然是大大的不同。 《變成鳥類的恐龍》(とりになった きょうりゅうのはなし) 作者:大島 英太郎 許多小朋友對恐龍都非常有興趣!那麼,你可知道嗎:其實恐龍沒有消失,牠只是演化成另外一種生物喔!透過這本書,結合最新的恐龍演化研究,讓讀者了解即使恐龍滅絕了,現在還有「有翅膀的恐龍」的後代倖存下來——那就是鳥類。這本書於2005年1月在兒童科學月刊かがくのとも430號發行,2019年重新改訂出版,一本結合演化和歷史的科學繪本,除了讓小朋友了解物種變化的過程,也保留了在現今可以看到恐龍後代的興奮。 圖2.《變成鳥類的恐龍》繪本封面 我想要去看看(行ってみたい、見てみたい) 眾多的科學主題中,總有一些是不容易親眼看到、難以觸及的領域,標題中「見てみたい」也特別指出了就算是沒有過經驗,但也想要親眼看看的意思。可能是距離很遠、或許是很高、又或許是很冷的地方,但依然不減我們對這些事物的好奇,因此在「我想要去看看」這個章節中,宇宙、星空、極地主題的繪本不在話下,另外也有關於不同職業的圖鑑類繪本、關於世界上不一樣的實景拍攝繪本,日本富士山冒險旅行類的繪本也收括其中,不只滿足了大小朋友好奇但沒有機會一探究竟的渴望,更將令人大開眼界。 《宇宙─一起探索宇宙之廣》(宇宙─そのひろがりをしろう) 《地球─一起探索地球內部》(地球─その中をさぐろう) 作者:加古里子 人稱日本科學繪本之父的加古里子,其出身背景是一位工程師,但創作了許多膾炙人口的繪本,著名的《烏鴉麵包店》就是其中一本暢銷作品,而《宇宙》和《地球》這兩本,是天文領域相關的繪本。談論宇宙這麼遠、又摸不著的主題該怎麼下手呢?這本書一開始用「小跳蚤」來作為比喻和模擬,如果跳蚤有人類那麼大,可以跳上幾十米,那麼等比例的疊加現有建築物的圖片,再加上物理的概念,是否大概就可以推算出我們要如何去到遙遠的宇宙!透過一步一步的解說,向孩子解釋人類一直以來的宇宙夢。而《地球》這本書亦是相同的道理,由身邊的例子慢慢挖掘,從地面上和地面下的區域各有什麼東西,到大樓工地的地面下有什麼東西,繼續延伸到整個地球的內部又有什麼,有層次地帶領孩子理解地球內部。兩本繪本主題和專有名詞用字都比較深奧,內容有趣,建議大一點的孩子閱讀。 《看看世界上不一樣的房子》(世界あちこちゆかいな家めぐり) 作者、攝影:小松義夫 繪者:西山晶 如果一直都住在同一國家、同一地區生活,那麼就很難看到景色的多變和趣味,對於房子的想像可能是小屋子、獨棟、或豪宅,其實世界上還有許多獨特的房子。這本以「房子」為主題的書,作者透過攝影和插圖配合,展示了非常多奇特的房子,不只介紹屋子外觀的不同,也解釋了房子的特殊結構以及房子裡的人如何生活著。世界之廣,讓孩子透過繪本知道形形色色的生活,是一本令人驚呼連連的之作。 《丘陵上的屋子》(やとのいえ) 作者:八尾慶次 同樣是「房子」的主題,這本繪本增添了歷史的韻味。丘陵上的房子從畫面中看到1868年,人們合力用茅草搭建的房子,景色呈現了農耕社會的田地和一座座接連的小坵,隨著時間推移、歷史變化和生活的進步,景色也出現了變化,天空一樣的藍,但地面上是方正的平房、大樓,是現代的地鐵、汽車,雖然大有不同,但從畫面中還能看到150年前相同的小巧思!看完這本書,不免感嘆物景遷移,但透過照片和歷史資料,我們依舊不會忘記從前的風景,大家不妨也找找自己居住的地方以前是什麼樣子吧! 《金字塔 歷史和科學》(ピラミッド その歴史と科学) 作者:加古里子 埃及的金字塔是眾所週知的世界文化遺產,神秘和未知性使人們對其好奇和探索也不曾停止。4000年前的時代背景下如何有這麼驚人的產物,這本書用豐富的圖文講述著從前的故事,包括金字塔的結構、建造時所使用的工具、埃及各種神的關係以及當時人們的生活情況等,透過作者的巧思在閱讀之後希望讀者能夠對這個大概是什麼時候出現、是誰、做什麼、有什麼目的的金字塔有入門了解。 《晴空塔上的工作》(しごとば 東京スカイツリー) 作者: 鈴木 のりたけ 工作和科學有什麼關係呢?世界著名的晴空塔上有哪些工作呢?這本繪本介紹讀者窺探晴空塔的內部秘密。高塔裡面有哪些結構、有多少工人和不同分工一起完成這項工程,而不同工作的項目裡又負責了什麼、用了什麼樣的工具?縝密的大圖搭配插圖文字的介紹,讓讀者可以了解原來有這麼多的原理和細節在這其中,下次看到晴空塔甚至是其他世界高塔時,除了「好高啊!」感嘆之外,更多了深層的敬佩。 結語 看完上述科學繪本的介紹,是不是對其他繪本的內容更感興趣了?這些繪本最令筆者驚艷且感佩的是對於「主題」的選擇,在閱讀這些繪本之前,狐疑這也是科學繪本嗎?這算是科學繪本嗎?怎麼好像和印象中的科學繪本不太一樣?!怎麼會和藝術、歷史、文化混合在一起?!參考書店或網路常見分類,科學繪本會與百科相同分項,科普讀物主題離不開物理化學生物,小範圍話題諸如花草動物和交通工具,接著是琳瑯滿目的百科或十萬個、百萬個為什麼這類的圖書,而深入參研本文介紹的科學繪本,發現同為「科學」領域,但使用單一標題加入了水平的比較,或者是單一話題更深入的理解,有故事性延展也有思考方式的訓練。 值得一提的是「歷史與科學」主題,科學進步的日新月異和歷史經驗的積累是密不可分的。科學講求原有基礎上的突破,對過往不解的事物中找到新的證據,亦如牛頓名言:「如果說我看得比別人遠,那是因為我站在巨人的肩上。」加入了歷史的時間線,讓我們看待事物甚至科學的主題多了一些層次,相同的房屋主題,加了時間線我們可以看到時代變化的歷程、景物的改變(丘陵上的屋子);加入了時間線,我們看觀察到一顆蘋果腐敗樣貌的變化(蘋果漸漸地),加入了時間線,我們看到了物種的變化(變成鳥類的恐龍)、生命的孕育(生命的擴張和小寶寶的故事)。時間一直在流動,我們習以為常而經常忽略,《別冊太陽》彙集和推出《科學繪本的世界100:讓學習更有趣(暫譯)》在選書題材的討論令人感觸深刻。 人類的好奇心與眼見為憑,是亙古的道理和驅動科學前進的原動力,「To See is To Believe」是親近科學第一步也是最直接的一步,成人孩童皆是如此。在網路資源豐富的時代,可以輕易地有找到各式各樣的科學主題影片,屏除誇大的綜藝效果,好奇心使然吸引人們喜歡收視觀賞。神農氏嚐百草和現在人們吃遍飽美食、麥哲倫環球夢和現今人們出國增長見聞有著相同意涵,那麼科學繪本則是給小朋友最好的旅行,透過繪本可以看到很小的東西、可以看到很遠的世界、可以看到以前的風景,再加上作者的文字敘述,更讓知識變得有趣有韻味。 與其說科學是門知識,筆者更認為科學是一種思考習慣;科學不是專門要考倒你的試卷題(在考試制度的教育下很容易落入這樣的思維),而是在日常生活就存在的事物。沒有人不應該學習科學,學習科學也不應該有年齡或是性別的分歧,在了解和學習科學的過程中,滿足對事物的好奇,習得了有邏輯的思考方式,有對萬物的敬佩和尊重,對多樣化人事物的了解與包容,這些是現代公民都應該具備的素養。本文簡介《別冊太陽》《科學繪本的世界100:讓學習更有趣(暫譯)》除了推薦繪本好書給讀者朋友們,也希望帶給讀者「科學主題」繪本的啟發和認識,幫助自己或學生、孩童進入有趣的科學世界。因文長所限,讀者可由參考資料網址檢索,獲得更多資訊和內容。 參考資料 絵本ナビ https://www.ehonnavi.net/ 株式会社平凡社 https://www.heibonsha.co.jp/ 劉淑雯 Southern California Teachers College 南加州師範學院課程總監 臺北市立大學課程與教學研究所兼任助理教授 黃譯平 啟圓科技教育公司科學教育組專案負責人

滑輪組教具研製與創課活動設計

滑輪組教具研製與創課活動設計

文/謝甫宜 本文旨在以國中九年級理化上冊滑輪組單元,採用自製簡易滑輪組教具,增進學生理解定滑輪與動滑輪之概念。本活動設計亦兼顧環保概念進行實作活動,蒐集學校所廢棄的大量光碟片並採用吸盤製作滑輪,除了可吸附在黑板或白板上,方便師生具體操作之外,進一步培養學生藉由實作活動探索省力或費力、省時或費時、施力作功與重力位能等重要核心概念。此外,本文亦配合該自製滑輪組之教材教法設計形成性評量,賦予學生實作體驗或教師教學演示之後,提供教師檢視學生學習情形與澄清迷思概念。 圖1. 滑輪組公開授課 (攝於高雄市立陽明國中2021/12/10) 註1:提供各組不同的砝碼重量,檢視學生自製滑輪組、再比較「物重與施力」、並且探索「施力拉下的繩長與物體上升高度」之關係,如圖1所示。 圖2. 滑輪組演示(夢N三民家商場次2021/12/10) 圖3. 滑輪組概念講述 註2:根據註1中「施力所拉下的繩長與物體上升之變化量」,除了呈現「單位時間內」施力端與抗力端之繩長變化,推論「施力下拉速度」與「物體上升速度」進一步提供學生理解「省時或費時」的概念之外,可延伸推論「施力作功=施力大小F×拉下的繩長S」與「物體重力位能增加=mgh」之間的功能定理,如圖3所示。 自製滑輪教具 一、準備教材 大光碟4片、小光碟2片、吸盤3個、2m棉線、雙面膠帶、氣球棒。 二、實作步驟 步驟1. 沿著小光碟片兩面圓周皆緊密地貼上雙面膠帶,如圖4所示。 步驟2. 將步驟1兩面貼膠帶的小光碟緊貼大光碟,如圖5與圖6所示。 圖4. 小光碟兩面貼膠帶 圖5. 緊貼大光碟 圖6. 小光碟兩面貼大光碟 步驟3. 以吸盤穿過步驟2之光碟組圓心,如圖7所示。 步驟4. 剪裁5cm短氣球棒穿過吸盤橫向兩孔,以固定步驟3的光碟組合,光碟滑輪組件之正面與側邊圖示,分別如圖8與圖9所示。 步驟5. 將棉線穿過另一吸盤兩孔,以氣球棒穿過固定,如圖10所示。 圖7.吸盤穿過光碟組 圖8.固定光碟組 圖9.側面圖 圖10.固定棉線與吸盤 步驟6. 以棉線繞光碟輪軸演示定滑輪與動滑輪,如圖11與圖12所示。 步驟7. 可在吸盤底部沾少許水,緊密吸附在粗糙的黑板,如圖13所示 。 註3:若因黑板過於粗糙而難以將吸盤緊密吸附時,可採用較為光滑、平整的白板代替。如此,吸盤不僅能牢固地吸附於白板上,亦可藉此呈現自製滑輪較具在教學演示時的穩定性與方便性。 步驟8. 自製滑輪組運用於教學演示具體情境,如圖14所示。 圖11. 定滑輪 圖12. 動滑輪 圖13. 滑輪組 圖14. 滑輪組教學演示 註4:若想取下滑輪組時,可將固定在吸盤上的橫桿「氣球棒」橫向拔出,接著就能取下「光碟組」,再輕輕從吸盤側端突起物向上拉,便能輕易地下架滑輪組了,無須用力拔取因吸盤緊貼黑板所產生的大氣壓力! 教學前準備與形成性評量 筆者習慣將「定滑輪、動滑輪與滑輪組」視為三種功能各異的機械,根據其屬性配合教科書中所陳述的「改變施力方向、省力或費力、省時或費時、施力作功、物體的重力位能、物體的運動狀態」共六項核心概念,並以槓桿原理進行類比與推論,製作成雙項細目表,如下表1所示。 表1.各式滑輪的相關核心概念 根據本單元滑輪組探究教學活動後,筆者進一步設計本單元活動評量試題「滑輪單元形成性評量」,以提供教師重新檢視學生學習情況,如附件1所示;「滑輪單元形成性評量解答」如附件2所示。 自製滑輪教具運用於教學演示與課室討論 筆者建議,可製作4套滑輪教具方便運用於教學與討論。參考以下教學步驟: 步驟1. 首先將自製「定滑輪」教具之吸盤牢固地壓在白板上。 步驟2. 兩端各吊掛「等重」裝水的寶特瓶,兩端是否呈現靜力平衡狀態,如圖15所示。 步驟3. 取下右端的寶特瓶,改用彈簧秤勾住右端繩索,以彈簧秤等速拉動繩索,待寶特瓶以及彈簧秤皆與地面維持水平時,觀察彈簧秤讀數。可藉此向學生提示應觀察的現象: 1.彈簧秤向下拉,寶特瓶會向上運動或向下運動? 2.彈簧秤向下拉10公分,寶特瓶會移動多少公分? 步驟4. 改採自製「動滑輪」教具之作為支點的吸盤牢固地壓在白板上。 步驟5. 左端吊掛裝有適量水的寶特瓶,右端施力向上拉繩子,直到呈現靜力平衡狀態。提示學生應觀察的現象: 1.彈簧秤向上拉,寶特瓶會向上運動或向下運動? 2.彈簧秤向上拉10公分,寶特瓶會移動多少公分? 步驟6. 右端可改用彈簧秤勾住右端繩索,以彈簧秤等速拉動繩索,觀察彈簧秤讀數。 步驟7. 根據上述步驟1與步驟4,試著將定滑輪與動滑輪組合成「滑輪組」,兩端各吊掛等重的裝有半滿水的寶特瓶,檢視兩端是否呈現靜力平衡狀態,如圖16與圖17所示。 步驟8. 上述步驟7若無法達成靜力平衡,可藉此向學生提問:「應如何操作,方能使滑輪組兩端再度達到靜力平衡?」 圖15. 定滑輪測試 圖16. 滑輪組掛重測試 圖17.滑輪拉力測試 步驟9. 右端可改用彈簧秤勾住右端繩索,以彈簧秤等速拉動繩索,觀察彈簧秤讀數。提示學生應觀察的現象: 1.彈簧秤向上拉,寶特瓶會向上運動或向下運動? 2.彈簧秤向上拉10公分,寶特瓶會移動多少公分? 步驟10. 可結合功能定理,介紹施力作功與物體(寶特瓶裝水)增加的重力位能,如圖18與圖19所示。提示學生應留意量化的數據: 1.彈簧秤等速向下拉10公分時,根據彈簧秤讀數,施力作功多少? 2.彈簧秤等速向下拉10公分時,物體增加重力位能多少? 3.施力作功大小,是否等於物體所增加的重力位能? 步驟11. 將三種滑輪「定滑輪、動滑輪、滑輪組」同時呈列出來,提供學生重新檢視、比較與彙整各類滑輪的相異處。 圖18. 施力與物體的高度變化 圖19. 施力作功與重力位能的變化 從上述一連串的各項滑輪教學演示中,教師藉由一邊操作自製滑輪,一邊透過適當的提示與提問,引導學生留意物體的運動狀態與力學能的變化,便能具體地呈現滑輪的運作機制、以及精熟蘊含於其中的核心概念。 結語 108新課綱強調培養學生具備「科學素養」以及「探究實作活動」的能力。但是,九年級學生仍面臨隔年影響未來就讀高中或高職的國中教育會考,除了緊迫的學習進度之外,尚需複習七年級與八年級等眾多科目,身為自然科學領域的教師們如何在有限的課堂時間內,培養學生探究實作能力又兼顧學生重要的升學挑戰呢?我們是否能妥切地為學生設計合適的教材教法,促進學生理解即將應考的重要核心概念呢? 筆者任教於升學為主的大型學校,致力於發展既能體現教科書中重要又抽象、或較難理解的核心概念之相關的教材教法,希冀能兼顧科學原理的理解以及促進有效學習。藉由本文自製滑輪教具的教學實現拋磚引玉,期能提供科學同好們教學現場之參考。 謝甫宜 高雄市教育局國教輔導團 自然科學領域專任輔導員

氣球吉他

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文/曾瑞蓮、許馨月、曾靖雯 前言 國立科學工藝博物館多年來接受教育部國民及學前教育署委託辦理科學教育資源推廣計畫,持續結合博物館資源進行科學教育推廣。今年度推廣主題聚焦於「聲學」,開發和推廣符合課程需求的有趣動手實驗教材,培養教師運用教具和動手實驗來引發學生科學興趣的習慣,並講求探究精神的融入,發展系列教材如彈簧波動實驗、音波跳舞-水晶杯的膜法、雷射聲波杯、氣球吉他等,總計辦理13場次教師研習,並擇選廣受歡迎的氣球吉他作為教學包,提供所需材料與教學媒體給參與研習的教師領用,便利返校推廣教學,後續也獲得廣大迴響,遂著手整理此教材內容與推廣回饋意見,以期提供更多教師教學參考。 圖1. 學生展示氣球吉他成品和習得的知識 壹、開發歷程 教材開發初期透過網路收集大量的相關資料,希望能找到符合中小學聲學課程內容需求,同時又新奇有趣、材料便利且具備探究實作特質的動手活動。在「跟著鄭大師玩科學」網站上瀏覽到氣球吉他彈奏影片,教材開發團隊深感興趣,但影片中並未介紹製作方法。而後進一步搜尋,在YouTube上Sandi Masori Presents頻道找到一段以氣球製作樂器的相關影片,參考後進行改編優化並擴增延伸,歷經團隊多次改良並於現場活動實驗,才完成教材的開發,進而拍攝教學影片進行推廣。 貳、製作程序 氣球吉他所使用到的基本材料包括:10吋圓形氣球、135長條氣球、小橡皮筋、打氣筒,另外也可以準備長條橡皮筋、彈力繩或釣魚線等其他材料取代長條氣球作為吉他弦進行製作和進一步的探究。製作步驟如下: 一、將長條氣球末端打上兩個結(需重疊在一起,見圖2),其重點在於加大打結處的體積。 二、將打結處從圓形氣球吹嘴端塞入內側至底部,再同時抓住圓形氣球底部的氣球皮和長條氣球打結處,用小橡皮筋將兩者綁在一起(必須綁緊,不然容易鬆脫,見圖3)。 三、將圓形氣球從吹嘴端由內往外翻,使氣球整個翻面(圖4、圖5)。 四、以打氣筒將圓形氣球充氣至八分滿,並打結綁緊,完成氣球吉他製作(圖6)。 長條氣球可替換為前述其他材料進行製作,惟彈力繩或釣魚線的線徑較細,前端需綁上串珠以增大體積(圖7),便於固定於圓形氣球內部不致脫落。利用不同的線材來進行實驗,可以觀察其音量及音色的改變。 圖2. 長條氣球前端打結 圖3. 長條氣球塞入圓形氣球,再以小橡皮筋綁緊固定 圖4. 將圓形氣球由內往外翻面 圖5. 翻面後的圓形氣球 圖6. 將圓形氣球充氣,完成氣球吉他製作 圖7. 使用其他線徑較細的線材取代長條氣球時,前端需綁上串珠以增大體積,方便固定 參、活動進行方式 氣球吉他對應的課程主題為國中理化第三冊「波動與聲音」,國小則適用於高年級的「聲音與樂器」,活動目標如下: 一、透過長條氣球的操作,學生能感受不同介質傳遞聲音的差異。 二、經由操作學生能發現圓形氣球具備音箱的功能,同時可以放大聲音。 三、透過氣球吉他的操作,學生能發現弦的長短和鬆緊會影響聲音的高低。 四、透過實驗探究,學生能聽出不同材質的弦,其音色會有所差異。 教師可以先從生活中常見的樂器談起,也可以拿一把吉他或烏克麗麗簡單示範彈奏,引起學生的學習動機,接續進行以下建議的教學方式: 一、傳聲介質的體驗-固體與氣體傳聲:將長條氣球一端纏繞在手指頭上靠近但不接觸耳朵,另一手拉長氣球並以手指撥動氣球,仔細聆聽聲音。接著維持氣球拉伸長度,將纏繞在手指頭上的氣球直接壓在耳骨上,再次撥動氣球,聽聽看聲音是否有差異(比較音量大小和音色,見圖8)。 圖8. 學生比較藉由固體(顱骨)和氣體(空氣)傳聲的差異 二、音箱的功用:取單一長條氣球拉長約30公分(可調整)後撥動,聽聽看所產生的聲音,再拿取製作完成的氣球吉他,用手臂輕夾住圓形氣球於身體一側後,另一手將長條氣球拉長至30公分(與先前大約相同),再使用夾住圓形氣球端的手來撥動長條氣球(以下統一簡稱撥弦,見圖9),聽聽看與僅使用長條氣球來撥動時,產生的音量大小是否有差異。此外,為避免長條氣球或其他材料纏繞於手指造成不適,也可將一端纏繞於硬質物品(筆或冰棒棍等)上,再用手抓握進行實驗(圖10)。 圖9. 氣球吉他的彈奏姿勢 圖10. 將彈力繩或釣魚線纏繞於硬質物品上 三、調整弦的鬆緊度,觀察音調的差異:建議由兩人合作進行,一人藉由拉長或縮短長條氣球來調整弦的鬆緊度,主要操作者每次皆需要用一手壓住與圓形氣球距離固定的位置(維持弦的長度),另一手進行撥弦(圖11),聽聽看聲音會有什麼變化。 圖11. 兩人合作進行氣球吉他實驗 四、調整弦的長度,觀察音調的差異:建議由兩人合作進行,一人將長條氣球拉伸至特定長度後維持不動,主要操作者以一手按壓住長條氣球的不同位置(改變按壓點與圓形氣球的距離,即改變弦的長度),另一手進行撥弦,聽聽看聲音會有什麼變化。 五、歌曲演奏:固定弦的拉伸長度後,找出特定音階(例如Do到So)的按壓位置,進行簡單歌曲(如蜜蜂做工)的練習和演奏,也可在弦上標註按壓位置方便操作。 六、音色的比較:可分組分別以不同線材(如長條橡皮筋、彈力繩、釣魚線等)為弦,進行氣球吉他的製作,觀察比較撥動不同材質的弦所發出的聲音,其音調、音色與音量是否有所差異(需盡量固定弦長以及圓形氣球充氣後的大小)。 七、資訊科技的運用與量測:進階的操作,可利用手機下載調音器App進行量測(建議可使用phyphox),取得客觀的數據資料進行紀錄,重複教學方式三、四,量測當弦的鬆緊度或長度改變時,撥弦所產生聲音的頻率數值與聽到的音調高低進行對照(量測時,手機需盡量靠近圓形氣球)。 肆、原理說明 本活動相關科學原理,簡單條列說明如下: 一、聲音的產生是因為物體振動擾動了介質粒子,將能量以波動的方式往外傳播。而固體、液體、氣體介質皆可傳播聲音。 二、當我們拉緊一條長條氣球、橡皮筋或彈力繩,撥動時就能來回振動產生聲音。產生聲音的頻率(音調)和長度、質量、繃緊的張力大小等因素有關,吉他就是根據這些因素來改變發出聲音的頻率。 三、產生聲音的音量和被撥動後振動體的振幅有關,我們聽到的聲音響度也和與聲源的距離有關。 四、音箱的作用:長條氣球(或彈性繩、橡皮筋等其他材質)的振動傳到圓形氣球,使圓形氣球產生與弦的振動「頻率相同」的強迫性振動,圓形氣球的振動能增大發聲體(弦)與空氣分子碰撞的接觸面積,進而增強空氣分子的振動,使音量變大。 五、音箱(氣球)形狀的不同也會讓聲音散布的方式不同。 伍、推廣回饋意見 一、教師研習推廣回饋 聲學系列教師研習在2021年7月至10月期間辦理,13場次研習活動中,由於新冠肺炎的影響,有12場次採用Google Meet視訊會議方式進行,總計446名教師參與,參與研習教師可即時於會議聊天室和會後提供的Google表單問卷留下相關意見,共回收383份有效問卷。其中在「請選出您認為適合並有意願在學校進行教學的教材」問項的填答結果,有超過85%的參與研習教師(詳表1),都將氣球吉他列為選項,顯示大家對氣球吉他的喜好程度。 表1. 認為氣球吉他為適合並有意願在學校進行教學的教材之人數統計 在課程相關建議開放式問項中,參與研習教師熱情地針對氣球吉他的使用、環保性和適用年齡提出看法,部分摘錄如下(無記名問卷,以研習日期顯示來源,詳表2): 表2. 教師研習意見回饋 二、教學包推廣回饋 教師研習結束後,參與研習教師可於現場提出教學包申請意願,本館以郵寄方式提供氣球吉他學生使用材料和教學媒體,供教師返校推廣應用。參與教師需配合於限定時間內,完成教材推廣,並填寫教學包推廣意見回復表,併同推廣班級活動現場相片回傳(如圖12)。本年度教學包推廣達400班,申請學校遍布宜蘭、基隆、桃園、新竹、臺中、彰化、嘉義、高雄等縣市,依據在12月10日前收到的159份回饋問卷進行資料統計,可發現本教材的使用滿意度極高(詳表3)。 圖12. 學生合作進行氣球吉他彈奏 表3. 教學包推廣效益 在教材使用相關意見開放式問項中,許多教師都提出了正向的觀點,酌例舉如表4,更有意義的是有些老師能提出進一步的操作建議(詳表5)以及教學現場遇到的問題(詳表6),非常值得作為教材修正的參考依據。 表4. 教材使用意見回饋-正向例舉 表5. 教材使用意見回饋-操作建議例舉 表6. 教材使用意見回饋-教學現場問題例舉 陸、總結 氣球吉他教材經歷多場教師研習和大量的教學包推廣應用,收到豐富的回饋意見,除了大部分的正向回饋之外,也有幾位教師反應利用氣球當材料雖然有容易取得的優點,但會產生廢棄物汙染環境,建議研發能夠重複使用或利用回收的材料來進行;另外對於學生動手做能力低落的回饋意見值得特別注意,國中的班級幾乎每班都會有幾位同學無法順利用橡皮筋固定弦與氣球,充完氣的氣球也需要老師或同儕協助綁定;而國小高年級學生更是多數不會綁橡皮筋,這種狀況讓教學現場的老師們都覺得驚訝,顯見學生動手做能力的訓練,應是當前推廣探究實作教學的重要工作事項之一。而囿於教學時間,跨領域和延伸探究的教材內容也常無法完整執行,這是現實與理想間的一種拉鋸,需要教學現場的老師們自行權衡。此外,團隊也依據回饋意見,嘗試利用紙箱製成同時具備三種不同材質弦的紙箱吉他(圖13),製作方法、原理差異不大,效果也非常良好,可以完成上述的各項教學實驗,又兼具環保和重複使用的特性,也非常推薦大家能試試,抱著紙箱吉他走唱校園,應該會成為別具特色的風景。教材的詳細文案與製作、操作影片均已上網公告,歡迎有興趣的教師或學生可於國立科學工藝博物館科學學習中心專網查詢使用。 圖13. 利用紙箱和不同材質弦製成的紙箱吉他 參考文獻 國立科學工藝博物館科學學習中心(2021)。氣球吉他。取自https://slc.nstm.gov.tw/Teaching/Details.aspx?Parser=99,4,26,,,,269 教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中學暨普通型高級中等學校-科技領域。取自https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/attach/52/pta_18529_8438379_60115.pdf 跟著鄭大師玩科學(2017)。原來氣球還能這樣玩。取自https://www.masters.tw/159471/balloon-trick Phyphox App. https://phyphox.org Sandi Masori Presents (2017). Balloon Musical Instrument - DIY Tutorial. Retrieved from https://youtu.be/7PIPVHEZ1oQ 曾瑞蓮 國立科學工藝博物館科技教育組助理研究員 許馨月、曾靖雯 國立科學工藝博物館科技教育組專任助理

「輪」番上陣比比看──橡皮筋彈力車

「輪」番上陣比比看──橡皮筋彈力車

文/黃昀孟、陳宥瑋、黃粲閎、陳怡君 高嘉鄖、詹志凡、戴明鳳 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。 ——黃昀孟 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。 ——黃粲閎 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。 ——陳宥瑋 參考文獻 清華大學跨領域科教中心(2021)自轉車課堂講義,新竹。 洪連輝(2020)主編,國民小學自然科學課本第五冊,臺南市:南一書局。 陳冠瑋, 黃冠翔, 陳冠蓁, 王瓊慧, 黃怡茜, 牛櫻蓁, 黃瓊儀, 程瀞慧(2015), 作品名稱:「扭」轉奇蹟—探究旋轉水上扭力車前進的奧秘, 嘉義縣第53屆(篇號A109)國小科展作品說明書,灣內國小。來源網址:https://science.cyc.edu.tw/upfile/science102/work_files/12544718300387.pdf。 阿賢老師的理化教學網站。取自:https://reurl.cc/DZLbjN。 何品萱、邱愉平、李昕瑤、蔡懿筠、邵羽堂(2008)。看誰走得遠,中華民國第46屆科學展覽會國小組自然科,取自:https://reurl.cc/2DgOj4。 黃昀孟、陳宥瑋、黃粲閎 新北市立埔墘國民小學五年級學生 陳怡君 新北市立埔墘國民小學教師 高嘉鄖、詹志凡、戴明鳳 清華大學物理系與跨領域科學教育中心

張拉整體結構的發展史與其應用

張拉整體結構的發展史與其應用

文/戴明鳳 前言 何謂張拉整體結構? 「張拉整體」是"Tensegrity"英文一詞的中文翻譯,"Tensegrity"英文則是由張力(由拉力產生的張力)的英文 "Tension"與具有共構或整體意含的英文"Integrity"兩個英文字組合而成的新名詞。故中文也有譯為「張拉共構體」。[1-3] 如圖1所示,是清華大學跨領域科學教育中心自製的典型張拉整體結構實體圖。兩個原為獨立不連續的固體結構單元,在原彼此不直接接觸的狀態下,經由數條繩線的連接,並透過繩線間的「張力」所形成的「拉力」,使兩個獨立的物體結合形成一個「共構體」或稱「整體結構」。並使其中一個獨立的子結構部分看起來似乎是被懸掛在半空中,不會因受重力作用而垂掉下來的穩定平衡結構。圖中的張拉整體結構體上方的三角型平板不僅看似懸浮在半空中,還可以承受高達1 kg 以上的重物。很有趣吧!圖2呈現了不少由網路搜尋所得的相關設計成品。 圖1. 清大跨領域科學教育中心自製之張拉整體結構系列的典型結構之一的實體圖。 以上、下兩個不連續的獨立木質板作為立體單元,再透過數條被緊拉而形成有張力的繩線作用,使線與木質板的整體交互作用而得以獲得一個穩定的平衡狀態。圖中的張拉整體結構體的上方平台可以承重到高達1 kg 以上的質量。 圖2. 以張拉整體結構為基礎設計的生活家俱產品 圖片來源:google搜尋所得之網路作品 「張拉整體」是20世紀中期,由美國理查·巴克敏斯特·富勒(Richard Buckminster Fuller,1895-1983年)提出的一個特殊的力學結構概念,並創造出的新術語。當時是用來描述「由剛性結構和纜索組成的自張緊結構,即在結構內透過同時產生『纜索的牽引力』和『剛性結構的壓縮力』形成一個穩定平衡的整體結構。」意即張拉整體是一個結構系統所表現出來的特性,系統內運用了能夠在固有的應力下(如牽引力和壓縮力),能共同且同時作用於其他固體元件(通常是鋼體或木杆)的電纜(牽引力)和結構系統的剛度,從而使系統產生更大的阻力和穩定性。 根據富勒的說法,此系統是通過對抗力量形成,「以自然的機構為基礎,能運用最少的元素,形成堅固的結構」。 如在繩線的張力和物體的重力組合系統中,可將原為各自獨立且具有質量的個體零件 (即彼此之間不是利用黏結劑或任何固定的夾具),透過看似柔軟的繩線經張拉效應所產生的張拉力,而將這些獨立的個體零件組拉成一個完整且穩定的立體結構,這種空間組織構成了一個持續平衡的拉伸和壓縮的連續狀態,此即稱為「張拉共構體」或「張拉整體」結構。因是透過看似柔軟的繩線或繩索的牽拉而形成的整體結構,故某些獨立的個體讓人看來有如飄浮在空中的錯覺感和飄零的意境。 此種型態的力學作用形成了一個彼此相互連結與支撐的結構,就像生物體內的肌肉和骨骼一樣,可透過其中的一個元素(如肌肉組織連結)來強化另一個元素(強化骨骼功能)。此結構型態有時也會被生物學家運用來根據生物的幾何特徵,解釋組成生物的元素與方式。 近年來,全球各地玩家也開始以Tensegrity結構為發想,進行各種形態創意設計。讓我們也一起來腦力激盪,設計自己的張拉整體作品,並體驗這神奇的「平衡」現象! 壹、張拉整體結構概念的起源 首先提出張拉整體結構概念者,最早的具體紀錄應可追溯到1921年,俄羅斯雕刻藝術家卡爾·約根森(Karl Ioganson)的發明。他展示了一個由3根杆和8條索組成的張拉整體模型,如圖3所示。但這個模型不具有足夠強的剛度,任一根索的收縮都會使模型產生機構性位移,以致結構不穩而垮塌。不過,它與後來被視為經典代表作的「Simplex單元」設計已經非常接近,後者作品是由3杆9索所組成的「自平衡結構體」,如圖3所示。 圖3. 張拉整體模型草圖與設計圖 左圖:1921年,卡爾·約根森提出的3杆8索之張拉整體模型草圖。 右圖:經典的「Simplex單元」張拉整體模型設計圖,由3杆9索組成張拉整體模型。紅色較細的線代表「索」提供了系統中所需的自承力,綠色較粗的線表「杆」為結構系統中的受壓單元。 3杆9索的Simplex單元可說是最簡單的張拉整體結構,看上去很像一根三角柱被擰了一個角度,每根杆件的兩端點都分別連接了3條索。在此系統中索為受壓的杆提供了軸向壓力,並且「固定」了杆件端點的位置。但很可惜此作品當時沒有得到太多注意與認可,但Simplex單元卻可說是後來開發許多張拉整體結構作品的基本組件。此處所指的「杆」是指長度長到人手不方便操控,且質量也不輕的棍狀物體,故很不容易以獨自傾斜,或是垂直安放的方式擺置。 1948年,一位不僅是哲學家、更是傑出建築師及發明家的美國理查·巴克敏斯特·富勒,在黑山學院演講中提到了一個有趣的概念,「Small islands of compression in a sea of tension」。他比喻宇宙中的天體如同是漂浮在萬有引力的拉力海洋之中,受萬有引力拉、壓的孤島,在大自然中有「間斷壓(不連續壓)」與「連續拉」的現象同時存在,並互相作用。後來也是著名雕塑家肯尼斯·斯內爾森(Kenneth Snelson)當時正在富勒的團隊內學習,受到富勒此比喻的啟發,對此概念產生很大的興趣,故而在1948年,以此概念為基礎設計了一件名為「Snelson's X」的裝置藝術作品,並獲得專利,如圖4所示。之後,他陸續使用此張拉整體的理念創作出許多很經典的作品。有興趣者可參閱免費的電子書"Kenneth Snelson: Art and Ideas" 下載網址:http://kennethsnelson.net/KennethSnelson_Art_And_Ideas.pdf 圖4. 1948年,雕塑家肯尼斯·斯內爾森,以「Snelson's X」為名的藝術作品和他的其他張拉整體結構設計。 富勒看到Snelson's X後,突然意識到,這個結構正是他當時苦苦尋找的答案。因此富勒用「tensional」(張拉) 和「integrity」(整體) 合成創設了一個「Tensegrity」(張拉整體)新名詞。自此,此類張拉整體結構才引起大眾比較廣泛的注意,因此現今一般多公認富勒和內爾森是張拉整體結構的發明者。但數年後,對於提起或開發張拉整體結構,富勒在諸多場合中不再提斯內爾森的名字,而斯內爾森也改以「浮動壓縮(Floating Compression)」一詞闡述他的作品理念。 「浮動壓縮」用以描述一種三角結構,由杆狀支柱(作為壓縮元件)組成,由纜索(張力元件)約束,其中支柱互不接觸。該單元由電纜部分預加應力,並在整個三角結構中保持安全平衡。簡而言之浮動壓縮構件是由「懸掛在緊密網中的木棍組成,其中木棍彼此不接觸」。 預應力結構將來自纜索的張力均勻地分佈在整體結構自身各處,以使壓縮單元被懸掛在張力網中,從而使施加在一個點上的應力均勻且即時地分佈在整個結構中。結構中並沒有杠杆臂或支點。 此幾何結構設計只需使用質量輕巧的電纜或繩線作為受拉的部件(或連接用的繫帶),這些受拉的繩線若足夠緊繃的話,就能支撐起其他質量重許多之材質所製成的受壓部件(支柱或平面)。構成結構形式的支柱被固定在受拉構件的連接網絡中。富勒將張拉整體形容為「張力海洋中的被壓縮的小島」。 「張拉整體結構」一詞由富勒首次提出,主要用於描述「具有張力與拉力的繩索或電纜等,將不連續的剛性構件組合而成的結構系統」。整體結構系統通過具有拉力的繩索和具有剛性的構件,在多個拉應力間彼此互相平衡的作用下,在不同的方位上形成一系列強而有力的支撐力,以提供立體結構足夠強的穩定性。結構體內每個構件都是完整不可分割或缺少的一部分,如同人體肌肉與骨骼相互作用,兩者是相輔相成。 身兼哲學家與傑出建築師及發明家的富勒一生發表了超過30本書籍,有許多創意的發明,更創造了多項現今仍廣為流用的英文詞彙。這些創作主要是建築結構設計,最著名之一即是球型屋頂結構的創作。富勒烯(Fullerene)就因其形狀類似富勒的球型屋頂(見圖5)而得名。 圖5. 巴克敏斯特·富勒及其作品 左圖:巴克敏斯特·富勒年輕時的肖像 中圖:1967年,富勒的圓頂建築作品 (The Montreal Biosphère by Buckminster Fuller,照片來源Montreal Biosphere - Wikipedia) 右圖:Fuller's home in Carbondale. (圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Buckminster_Fuller) 1985年,英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理察·斯莫利在萊斯大學成功地製備出了第一個富勒烯,即「C60分子」或「碳60富勒烯」,如圖6所示。富勒烯是一種由碳組成的中空分子,形狀可呈球型、橢球型、柱型或管狀。在結構上與石墨很相似,石墨是由六元環組成的石墨烯層堆積而成,而富勒烯不僅含有六元環還有五元環,偶爾還有七元環。C60分子的結構因與富勒的圓頂建築作品很相似,科學家為了表達對他的敬意,因而將之命名為「巴克明斯特·富勒烯」也稱巴克球、巴基球(Buckyball)。自然界也存在富勒烯分子,2010年透過太空望遠鏡觀測,科學家們發現在外太空中也有富勒烯的存在,故有科學家推測也許就是外太空的富勒烯為地球提供了生命的種子。 圖6. C60的分子結構與現代足球的結構非常類似 圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Fullerene 貳、張拉整體結構的特點 此結構是由「不連續的受壓構件(對杆-索組成的系統而言,即指支杆的部分)」與「連續的受拉單元(即指繩索的部分)」所組成的自支承與自應力的空間結構。而受壓構件之間不直接接觸,是透過受拉單元的繩索支撐著。 故張拉整體可說是「具有不連續壓縮的連續張力」。張拉整體結構堅固、靈活、輕便、在多方向都穩定,並且不受重力影響等諸多特性。它的穩定性不依賴於單個元素的強度;而是通過纜索將應力均勻分佈在整個結構中,以獲得高強度,即使是在相對的兩側[12, 19]。這個系統可說通過對抗力量形成,以「合併對立的力作用」,故根據富勒的說法,這是「自然的結構基礎;能夠運用最少的元素,形成一個強大堅固的結構」。 Levin [18-20] 將張拉整體原理應用於人體並將其命名為生物張拉整體。他表示,骨骼可說是漂浮在軟組織綜合張力網路中的壓縮元件,包括韌帶、肌肉、軟骨和結締組織。 1951年,在英國展出的摩天塔(Skylon tower),如圖7所示,其中3根又長又重的塔柱,使用了6條索將之豎立在地面上。塔柱的兩端各有3條索,下方的3條索固定了整體結構的位置,而上部的3條索則用於讓塔柱結構保持豎直。 圖7. 1951年,在英國展出的摩天塔(Skylon tower)中,3根又長又重的柱子,使用了6條索組成一個張拉整體結構系統 張拉整體結構的剛性是由預應力提供,但在施加預應力之前,結構體系通常相當不穩定,故此結構屬於「臨界受力體系」。初始提供的預應力大小對整體結構的形態形成及結構的剛性都具有決定性的影響與作用,通常必需充分運用「幾何非線性結構力學」,才能進行完整詳細的分析。 對有結構力學分析經驗的人來說,當在討論一般傳統結構的受力關係時,可以很容易地理解力平衡所形成的靜態平衡狀態,且不難做得到平衡。但張拉整體結構卻是牽一髮而動全身,因此使得這種共構結構的穩定平衡增添了一份微妙有趣的神秘感。 斯內爾森根據創作靈感所設計的藝術裝置普遍被認為是張拉整體概念最早實作成功的作品。之後,有富勒、艾莫瑞奇(P. G. Emmerich)、瓦爾耐(O. Vilnay)、莫特羅(R. Motro)、漢納(A. Hanaor)等多位藝術家透過數學與圖形理論,研究出更多種不同型式、不同單元組合所形成的張拉整體結構體系。如圖8所示,富勒利用短棒與細繩線所設計的中空球型張拉整體結構,組成了一個20面體穹頂構造的張拉結構,以及其他更多面的球狀體結構。 圖8. 富勒展示其設計的中空球型的張拉整體結構 富勒利用短棒與細繩線組成一個穹頂構造的20面體張拉結構,以及其他更多面的球狀體結構。 參、雕塑家斯內爾森的經典創作—杆與索美麗神奇的交連 斯內爾森(Kenneth Snelson)是21世紀美國相當著名的雕塑家,斯內爾森受此結構概念啟發,因此特別積極於此結構系統的研發設計。自1948年開始,他對於張拉整體裝置的創作靈感似乎從未停止過,他主要的工作與貢獻是致力於將剛性的鋁合金或金屬鋼管和柔性的不鏽鋼索件組成張拉整體結構,創作了許多令人覺得不可思議,且極具視覺衝擊力的大型藝術作品。並在此結構的發展史上成了很重要的推手,也成就了很多經典且重要的作品。本段落內所呈列的圖片都是節錄自 “Kenneth Snelson: Art and Ideas”一書,書中記載了不少斯內爾森歷年著名的經典作品,及設計時的理念和心路歷程。此為免費版的電子書,共174頁,由Eleanor Heartney撰文斯內爾森本人親自補充。 文章網址:http://kennethsnelson.net/KennethSnelson_Art_And_Ideas.pdf 圖9呈現了他年輕時的作品之一Tensegrity tower,是由多個3杆9索的張拉整體(即前述提及的Simplex單元結構)疊加成的,每層的下部三個壓杆支點落在下一層頂部拉杆三角形的邊上。 圖9. 斯內爾森照片 左圖:年輕時的斯內爾森與在他創作的Tensegrity Tower作品。 右圖:年長時照片。 1968年,斯內爾森將多個Simplex單元疊高起來,受壓單元體的壓杆是以鋁合金管材質製作,拉索則使用不鏽鋼索;製作了一座高18公尺,寬6.18公尺,長5.42公尺尖塔造型的建築體,命名為Needle Tower,見圖10所示。此作品現陳列在美國華盛頓特區的Hirshhorn Museum and Sculpture公園。這可說是斯內爾森最經典的代表作品之一,此塔的後續延伸版竟能懸挑到高達30公尺之高!這即是根據富勒的理論所沿伸發展出的作品,富勒設計的測地圓頂在1948年就已暗示了拉伸結構的概念[5]。圖11-13呈列斯內爾森多項其他著名的作品。 圖10. 斯內爾森設計的針塔 (a)1968, K. Snelson設計的針塔(Needle tower I)結構 (b) 1969, Needle tower II塔高達30公尺 (c) Needle tower中心的側拍照片 (d)中心的仰視照片 (e)現場安裝過程 (f)跨河結構。 圖片來源:Needle Tower © Clayton Shonkwiler via Flickr 和 Easy K_Kenneth Snelson © Robin Capper via Flickr Licença CC BY-NC 2.0。 圖11. 斯內爾森其他張拉整體的作品 圖片來源:"Kenneth Snelson: Art and Ideas"免費版電子書 http://kennethsnelson.net/KennethSnelson_Art_And_Ideas.pdf 圖12. 斯內爾森的Vortex III作品, 2002 左上圖:頂視照片 / 左下圖:設計稿 中間圖:模型作品的實體照片 右圖:1968, V-X實體照, 不鏽鋼材質, 182.9 x 304.8 x 304.8 cm3。 圖片來源:"Kenneth Snelson: Art and Ideas"免費版電子書 http://kennethsnelson.net/KennethSnelson_Art_And_Ideas.pdf 圖13. 斯內爾森其他張拉整體的作品 圖片來源:"Kenneth Snelson: Art and Ideas"免費版電子書 http://kennethsnelson.net/KennethSnelson_Art_And_Ideas.pdf 肆、非直線型杆狀的之受壓單元組成的張拉整體結構 早期大部分張拉整體結構的受壓構件多是以直線形的杆狀為主,且只承受軸向力。但其實不須如此。早期經典之作「Snelson's X」的「壓杆」就不是直線型,而是X型。壓杆也可以是多杆,或曲線形狀,或二維平面狀,或三維立體塊狀等等,如圖14所示的幾款張拉整體結構體。 圖14. 非直線型壓杆式的受壓單元之張拉整體結構體 伍、近代張拉整體結構在各領域的應用 一、張拉整體在生物力學的探究應用 張拉整體被認為是生命形式結構的生物力學基礎之一,可用以描述從碳分子的基本單元到細胞,再到全身組織系統的運作[12-14]。甚至可藉以探討如何通過改變細胞的形狀,來介導機械應力移轉到化學反應的轉導機制。許多關於細胞張拉整體性的領先研究多是由哈佛大學 Wyss 生物啟發工程研究所的創始成員 Donald Ingber 完成的[12-15]。 生物學家認為要瞭解「韌帶懸吊」的運作機制,就須要瞭解軟組織(如韌帶和肌肉)與身體結構元素(骨骼)之間的相互作用關係。而這種關係即可透過張拉整體性(Tensional Integrity)的原則來理解。生物學家Flemons [17]即致力於研究軀幹、膝蓋、腳、脊柱、椎間盤、骨盆和骨骼的張拉整體結構在生物力學上關連性。另一位Stephen Levin 博士將張拉整體原理應用於人體,並將其命名為生物張拉整體。發表了許多描述肌肉骨骼系統內生物的張拉整體性的研究成果[18-20]。他認為「骨骼是漂浮在軟組織綜合張力網路中的壓縮元件,包括韌帶、肌肉、軟骨和結締組織」。 二、生活中的科學藝術傢俱或藝術展示品: 不少人將雕刻藝術家原設計的龐大藝術作品的尺寸小型化後,設計成可居家使用的生活美學用品。K. Snelson1也不少有小型化的桌上型作品,如圖15所示。或透過張拉整體概念設計並製作出的大、小茶几,椅子,桌子、展示架或置物架等等各式物品不勝枚舉,且極具創意與美學意涵,亦有商品化產品。如圖16中呈現可實際使用的飄浮椅,以及圖2呈現的多款小型實用的生活用品。 圖15. 斯內爾森的小型化桌上型作品 圖片來源:"Kenneth Snelson: Art and Ideas"免費版電子書 http://kennethsnelson.net/KennethSnelson_Art_And_Ideas.pdf 圖16. 實現科學理論於生活中的飄浮椅 (圖片來源:網路) 左圖:https://www.cool3c.com/article/157640、https://youtu.be/4nkdl1iqKQA 右圖:https://www.youtube.com/watch?v=IZTKL4f3azA&t=48s 三、張拉整體機器人 2013年,NASA Ames Research Center研發以張拉整體結構體為基礎的機器人系統,規劃用於探索行星表面。典型代表之一是如圖17所示,NASA研發的Super Ball。此系統就不是採用simplex的單元,而是20面體(icosahedron),一共使用了6個壓杆。每支壓杆上裝有致動器,可以操控壓杆伸長或縮短,以改變壓杆的長度。NASA透過遺傳算法與機器學習,找出最佳的控制方法和策略;透過控制系統,調節拉索和壓杆的長度,可以使整個結構產生變形,如此便可以驅動結構體行進。 圖17. NASA開發的Super Ball張拉整體機器人(2003年) 可操控壓杆長度,使整體結構產生變形,進而可帶動結構體行進,以達到機械人的工作功能。規劃用於探索行星表面。 四、張拉整體與索穹頂的結合 1964年,富勒再次以張拉整體結構為基礎發想,利用短程線形成環向和徑向的拉索,將立柱層層向上拉抬起排列,以撐出穹頂的立體型態,如圖18所示。根據此向上升的懸吊式穹頂概念設計了一款全新的結構形式,稱為Aspension Dome結構。Aspension一詞即是富勒根據此穹頂型態創造出來的另一新名詞。 圖18. 1964年,富勒設計的懸吊式穹頂Aspension Dome 之後,蓋格爾(D. H. Geiger)也根據富勒的張拉整體結構的基礎,發明了支承於周邊受壓環樑上的一種索杆預應力的張拉整體穹頂結構體,稱為索穹頂。1986年,蓋格爾將索穹頂結構體系成功地應用於漢城奧運會的體操館(穹頂直徑為119.8 公尺)和擊劍館的屋頂設計上(穹頂直徑為89.9 公尺)。 另有M.萊維(Levy) 於1992年,設計了一款穩定性更強的三角形網格穹頂,並將之運用在亞特蘭大奧運會的主體育館的屋頂結構上。如圖19所示,此喬治亞體育館穹頂(Georgia Dome)平面呈橢圓形,此雙曲拋物面型之張拉整體索穹頂需要用到的鋼量僅3 kg/m2,就能撐起面積高達193 公尺 × 240 公尺的穹頂。相當令人嗔奇。但後因維護和使用原因,該館於2017年被拆除。 圖19. M.萊維(Levy)設計的喬治亞體育館空拍圖及該館的穹頂設計圖(1992年) 索穹頂雖是Aspension Dome張拉整體結構的進化版結構體,但因沒有嚴格地遵循結構自支承與自應力的原則,所以當偏離下部受壓環樑時,結構體就無法保持穩定平衡。 五、白色犀牛 2001年,日本川口建一教授設計了一座索膜結構,取名為"White Rhino"(請見圖20),採用了2個張拉整體單元作為索膜的主要支撐構件,可能是張拉整體結構在建築類結構中的首次應用。 圖20. 名為"White Rhino"的作品 展示於日本千葉,2001年。 參考文獻 [1] 蘇薇晨。基於張拉整體結構探討動態性結構」國立交通大學建築研究所碩士論文,2003年7月,https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/72882/1/951001.pdf [2] Francesewright, “STRUCTURAL INSPIRATION : TENSEGRITY” (結構靈感:張拉整體結構), 2012年0月27日, https://fewrightstannergate.wordpress.com/2012/10/27/structural-inspiration-tensegrity/ [3] Robbin, T., Engineering a new architecture, 1996, New Haven and London: Yale University Press. 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張拉整體結構實作套件設計與操作—— 在科學教育推廣上的應用設計

張拉整體結構實作套件設計與操作—— 在科學教育推廣上的應用設計

文/邱彩瑄、余青諄 詹志凡、高嘉鄖、戴明鳳 前言 「張拉整體結構」由巴克敏斯特·富勒(Buckminster Fuller)首先提出的結構力學概念與新的名詞,用於描述「由連續繩索與不連續的獨立剛性構件所組合而成的結構系統,該系統具有張力與拉力」。 如同前一篇文章內所述張拉整體結構是由「不連續的受壓構件」與「連續的受拉單元」所組成的自支承與自應力的空間結構,如圖1所示。而受壓構件之間不直接接觸,是透過受拉單元的繩索支撐著。故張拉整體可說是「具有不連續壓縮的連續張力所組成的整體結構」。張拉整體結構可堅固、靈活、輕便、並可在多方向都呈現穩定,平衡重力的影響等諸多特性。此類結構的穩定性不依賴於單個元素的強度;而是可以通過「連續的受拉單元繩線或纜索」將應力均勻分佈在整個結構中,以獲得高強度,即使是在相對的兩側。這個系統可說通過對抗力量形成,以「合併對立的力作用」,故根據富勒的說法,這是「自然的結構基礎;能夠運用最少的元素,形成一個強大堅固的結構」。 圖1. 張拉整體結構示意圖 圖1內所示之結構體的上方標示「獨立的受壓構件-1」的木質組合構件怎麼能靠中間那一條看似柔弱無力的繩線將之很穩固地支撐起來?使得結構看起來好像是具有抵抗重力作用的飄浮物體。然而,關鍵卻就是在於中間那條看來好像柔弱無力的繩線。 通常繩線壓縮無法提供外界任何有用的作用,但卻可以透過張拉,使繩線產生強而有力的作用力,以作用在其他物體上。故在此結構內的中央繩線是作為能提供緊繃拉力的張拉作用,因此若是少了中間這條繩線,上方的平台就會傾倒下來。所以,只要拉緊中間那條繩線,就可以透過繩線內緊繃的張力進而產生拉力,而將上方的物體構件向上抬升,更進一步地得以拉緊四周的繩子;四周的繩線可以是2條、3條、4條或更多條。 對於上方的物體構件而言,四周的繩線施予它向下的拉力,中央的繩線則施予它向上的拉力。上方物體構件的重量加上這些向下的拉力總和等於向上的拉力。但是只有總合力為零,是無法撐起上方的物體,還必須符合「向下的合力作用點需恰好位於中央繩線的正上方」。 當以此「向下的合力作用點」作為力矩作用的支點時,重力與四周繩線的拉力對此支點的合力矩也必須為零,如此才能符合合力為零,以使物體不會移動;且合力矩為零,以使物體不會轉動的靜力平衡。因此,必須仔細地調整四周各繩線的張拉作用力,這也是整體結構能否成功的關鍵條件。 總之,系統的繩線必須具有緊實的拉力,繩線張力作為整體結構的支撐力,以及平衡地心重力的功能,以達到整體結構的靜力平衡。意即在此結構系統的「張拉整體性」是其主要特質,整個系統通過具有張拉力的繩索和具有剛性的不連續構件組成,在多個作用力與剛性構件的重力作用下,在一定應力的作用下,形成具有足夠的阻力與穩定性,並形成一定的穩定靜力平衡。該結構的每個構件都是完整不可分割的一部分,就如同人體肌肉與骨骼相互作用一般,二者是相輔相成的。 張拉整體概念的發展至今已有70年之久的歷史了。但很遺憾的是,不論是實際應用或只是用於雕塑裝置,多停留在模型層面或美學展示用,真正應用在永續型或大型建築空間的案例似乎甚少。但此猛一看似具反重力的偽懸浮結構體對於在力學與靜力平衡的科學教學上卻具有很強的魅力,在探究實作教學上可以提供很高的教學效率與學習成效。 一般市售的張拉整體結構模型或實驗套件眾多,模型作品多為裝置藝術製品或樂高系列玩具,故操作者僅能以拼裝套件或組裝特定積木的方式,將套件的各單元組件按一定的方式依原設計者的模式組裝起來。廠商木製的實驗套件,為求外觀精緻且易於操作,故在整體教具的設計上無法提供操作者深入探究影響整體結構的變因,例如改變繫線位置、繫線方式、繩線材質、繩線數量、上下板的相對位置…等諸多變因。 市售張拉整體結構雖提供了趣味性,但鮮少提供操作者可以自由思考和探究的空間與機會。進而失去觀察與探究各種現象的趨動力以及對事物摸索的好奇心,反倒降低了問「為什麼」的求知慾,甚為可惜。 壹、張拉整體結構套件設計與特點 本團隊特別設計了一款成本低廉,易於組裝操作,且可輕易調變多項實驗變因的張拉整體結構實作套件組,使操作者能經由親自進行實驗操作,而得以深入探究影響整體結構平衡與影響承重的變因。經過團隊幾番討論、測試與改良後,我們選擇以木質板作為組裝材質。為求精準再以雷射切割機切割出所需的各項零組件,搭配適當長度的棉線,即完成一套可進行多項變因探討的張拉整體結構套件組內的材料項目如表1所列,實體照片如圖2所示。 整體結構中的不連續受壓構件是由第1-3項的材料(三角形木質平板,L型木質支柱和凹型木質卡榫)組合而成的,棉線則是結構中的連續受拉單元,如圖1所示。 第1-3項材料是使用1片長45 cm x寬30 cm x厚0.27 cm的木質板以雷射切割機切割而得。故若不考慮雷切機的切割費用(因實驗室自有),此套件材料的總成本僅約30元左右。構件材料的材質也可以改用珍珠板、廢棄不用的厚紙箱板材、瓦楞板或厚紙板片亦可,那就可以以美工刀取代雷射切割機器。棉線可以改用其他線徑類似但不具彈性材質的繩線。 市售的商品化套件多是以打結的方式固定繩線或已裁剪好長度之繩線的兩端附上掛勾組固定,故通常無法調變繩線的長度,改變繩線的數目和改變繫掛繩線的位置。本文中所設計的構件材料特別在每片三角形平板的三個頂角處,三個邊的中點處,以及兩個L型支柱頂端都有特別切割出一道小縫隙和一個圓孔洞,如圖2中的木板片上所示。此兩個設計的功能如下說明。 一、縫隙的功能 每一縫隙的縫隙寬度(約1 mm)比所使用之繩線的線徑(我們選用線徑1.3 mm的棉線)略小一些,是用來繫掛繩線 (繩線可不需打結固定)。先將繩線扣到小細縫內,再利用繩線與縫隙板材間的摩擦力,使繩線在一定程度內被卡定在縫隙中。然後即可很簡單地直接利用「抽拉方式」適當調整繩線的長度,以使繩線能產生足夠的張力,並延伸出足夠的拉力作用在三角板與L型支柱之組合體的受壓構件上。 利用摩擦力的阻力,繩線僅需穿過細縫,讓操作者僅藉由拉動卡在縫隙中的繩線就可以很輕易地調整繩線的長度,進而調整繩線的拉力大小和繩線內張力的大小。如此設計與操作方式,不僅大幅縮短了組裝操作所需的時間外,也可更精準且多面性地調變與探究各種實驗變因,實在很方便。 二、圓孔洞的功能 待確定繩線的最佳長度後,可以將多餘的線頭和線尾穿過圓孔洞1-2次或直接穿過孔洞後打結,則可再更大幅度地提高繩線之張拉作用力的強度,並使繩線更牢固地連接著。如此可以使結構頂端的平面承受更高的負載量。此尺寸的結構體經由我們實驗操作後是可以承受約兩支Iphone-13手機的重量,即可承受重量高達1 kgw以上。 表1. 張拉整體結構實作套件的材料清單 圖2. 張拉整體結構實作套件組(清大跨領域科學教育中心設計) 參、套件的組裝步驟與操作 圖2的張拉整體結構套件的組裝流程如下所述,亦請同時參見圖3所示圖片: Step 1 先將凹型卡榫卡進L型支柱的底部的細縫內。 Step 2 將步驟1完成的L型支柱與凹型卡榫組合體插入三角形板上某一角鄰近的+型空隙內。為使L型支柱的L面能牢固地垂直在三角形板上,故此+型空隙的尺寸設計略小一些。所以,需要用一點力量才能將L型支柱插到底。(小朋友若力道不夠,需要大朋友、助教或老師協助,以免插件時,用力不當,材料受損。) 此處凹型卡榫可用以強化三角形木板與L型支柱基座間的連接。如此即完成一組不連續的受壓構件,如圖3(a)所示。 Step 3 重複步驟1和2,再組出一組受壓構件,如圖3(b)所示,現應有兩組不連續的受壓構件。 Step 4 取一組不連續的受壓構件,在其L型支柱的端點上繫上一條棉線。當以手握住棉線的另一端時,如圖3(c)所示,可見受壓構建因其質量受地球萬有引力的作用,很自然的被懸吊在棉線的底部。三角形平板不可能獨自處於棉線和L型支柱的上方。 Step 5 如圖3(d)所示,將前一步驟中(圖3(c))中所用之繩線的另一端,繫到另一組不連續受壓構件之L型支柱上的細縫中。調整兩個L型支柱間連接繩線的長度到適當值,請探討何謂適當的長度?有一定的長度值嗎?還是長度在某一範圍內皆可? Step 6 兩組不連續的受壓構件先置於桌面,並使兩片三角形平板左、右對峙安置,將步驟5以棉線連接兩個L型支柱的兩個端點的部分調整於結構體內位於兩個三角形平板的中間處。 Step 7 再取三條長約15 cm的棉線,如圖3(e)所示,分別用以連接兩不連續受壓構件中之三角形平板位於三個角處的細縫中。 Step 8 調整繩線的長度和緊度,使每條繩線都具有一定的張力,並使結構體呈現有一定程度的緊度。直至可以得到如圖3(e)所示的成品。 Step 9 在張拉整體結構體上方的三角形平台上慢慢增加砝碼的數量,看看平台上最多可以承受多重的砝碼,使平台仍不會倒塌。如圖3(f)所示。 圖3清大跨領域學教育中心自製之張拉整體結構的典型示意圖。上、下兩個不連續的獨立木質板立體單元,透過數條被緊拉而形成有張力的繩線作用,繩線與木板的整體交互作用而得以獲得一個穩定的平衡狀態。此圖中的張拉整體結構體的上方平台可以承重到高達800克以上的質量。 圖3. 張拉整體結構套件組裝流程與實作成品 (a) 取實作套件內的(1)正三角形木質板,L型木質支柱和凹型木質卡榫的先組合成一組受壓構件。 (b) 兩組不連續的受壓構件。 (c) 獨立的單一剛性構件上的L型木質支柱的尾端繫上一條繩線。 (d) 棉線的另一端繫到另一構件的L型木質支柱上。 (e) 兩組獨立受壓構件的外側以三條繩線繫在上、下兩片三角形木質板上,調整繩線長度與張力後,使得以獲得穩定的平衡,至此即完成張拉整體結構成品。 (f) 以砝碼測試張拉結構體的穩定度和可承受的最大荷重量。 肆、各項實驗變因對結構的穩定性與載重的影響 此型態的張拉整體結構有如下諸多議題和實驗變因可供探討: 1.探究上、下兩層支撐板是否必須為實心 2.探究上、下兩層支撐板形狀是否必須相同 3.探究上、下拉勾位置是否影響結構體的支撐力 4.探究材質重量是否影響結構體的支撐力 5.探究不同長度是否影響拉力數 6.認識張拉整體結構系統 7.探究張拉整體結構系統特性 8.如何設計張拉整體結構 9.張拉整體結構系統基本要素 10.探究不同種類之結構系統 11.認識何謂平衡系統 12.探究靜力平衡與張拉整體結構之關聯性 13.認識基礎靜力平衡 14.探討不同材質是否影響靜力平衡? 15.探討獨立的受壓構件的質量大小是否會影響靜力平衡? 16.學習基數實作技巧 17.培養探究實作精神 18.觀察實驗操作變因以及應變變因之間的關係 19.完成實驗記錄表 20.分析實驗結果 21.測試張拉整體結構可承受的重量 22.測試不同材質之張拉整體結構承重限度 23.觀察影響張拉整體結構承重係數的參數 24.探究繩子材質如何影響張拉整體結構承重 25.探究不同種類之張拉整體結構承重係數是否不同 此處,建議分別討論下列各項變因,對整體結構會有何影響?討論張拉整體結構的穩定度與可載重多少? 實驗一、外側三條繩線連接在上、下兩個三角形平板上的位置不同時,對整體結構的影響。分別考慮下列三種不同繫線位置時,觀察並記錄整體結構的穩定性,以及分別可承受的最大荷量為何?並討論中間線長度不同時的變化影響。請將結果填入表2中。 1.如圖4(a)所示,受壓構件的上、下兩個三角形平板平行對稱組裝。外側三條繩線繫掛在上、下兩個三角形平板上三個角的位置上,此時三條線互相平行且垂直地面。 2.如圖4(b)所示,外側三條繩線改繫於上、下兩個三角形的三邊中點處,此時三條線仍是互相平行且垂直地面 3.如圖4(c)所示,若在兩片三角形的三個角和三角形三邊的中點處都繫上繩線,意即外側總共繫上六條繩線。請問是否對結構的穩定性和承重會有幫助? 圖4. 上、下層兩個正三角形平板的角對角平行對稱放置,所有繩線互相平行且垂直於地面。 表2. 整體結構的穩定性與承重記錄表 ※外側繩線繫於三角形不同位置時,及中央繩線長度不同時。 實驗二:整體結構除中央繩線外,若外側繫繩線如圖5所示,僅繫兩條繩線是否還能維持張拉整體結構?若答案是肯定的話,請問兩繩線選擇繫在不同位置時,對整體結構的穩定性分別有何不同?並討論中間繩線長度不同時的變化影響。請將結果填入表3中。 圖5. 兩三角板平行對稱上、下組裝,取一條繩線繫在上下平板的其中一個角處,另一條繩線繫在三角形邊的中央點處,如圖中標示紅點的位置。 表3. 結構穩定性與承重記錄表 ※兩條繩線繫掛在不同位置時,不同長度的中央繩線時。 實驗三:整體結構除中央繩線外,若外側繫繩線如圖6所示,共繫四條繩線是否能強化張拉整體結構的剛性和穩定性?若答案是肯定的話,請問四條繩線選擇繫在不同位置時,對整體結構的穩定性分別有何不同?並討論中間繩線長度不同時的變化影響。請將結果填入表4中。 表4. 承重與穩定性記錄表 ※外側共繫4條繩線在不同位置,改變中央繩線長度時。 實驗四:若外側繫繩線如圖7所示,共繫五條繩線是否能更強化張拉整體結構的剛性和穩定性?若答案是肯定的話,請問五條繩線選擇繫在不同位置時,對整體結構的穩定性分別有何不同?並討論中間線長度不同時的變化影響。請將結果填入表5中。 圖7. 兩三角板平行對稱上、下組裝,取五條繩線以分別繫在上下底板的頂點或三邊中間位置,如圖中標示紅點的位置。 表5. 承重與穩定性記錄表 ※外側共繫5條繩線在不同位置,改變中央繩線長度時。 實驗五:受壓構件的上、下兩個三角形平板如圖8所示平行交錯組裝。除了兩個L型支柱端的中間所繫的繩線外,外側三條繩線繫掛在上、下兩個平板上三個角的位置與三角形邊長的中間處。此時三條線不再互相平行,且不再垂直地面,如此結構體是否還能穩定平衡?若可以的話,請再依表6所指示的位置,繫掛繩線兩端的位置。觀察中央繩線長度不同時,整體結構體是否穩固,以及可承受重量為何? 圖8. 兩個獨立受壓構件的兩個三角形平板上、下平行,但方位交錯組裝,即下方三角形的角對齊上方三角形一邊的中點。每一繩線的兩端分別繫到其中一個三角形板的頂角處和另一個三角形一邊的中央點處。此時三條線不是互相平行,且不再垂直地面,如此結構體是否還能穩定平衡?答案是肯定的喔! 表6. 受壓構件的上、下兩個三角形平板平行交錯組合時,當中央繩線長度不同時,整體結構的最高能承受的承重和穩定度 伍、實驗結果 經多方測試及統計分析上述諸多實驗結果,發現中央繩線長度的長短是影響結構體能否成功完成及是否穩定的關鍵因素。實驗結果亦發現連續受拉單元的繩線若是彼此互相平行,且都能鉛垂於三角形平板(即地平面)的話,則此款張拉整體結構的穩定度會較佳,可承受的荷重也較高。在上述的某些條件下,可承受至少1 kg重以上的荷重喔!此套件還可以將獨立構件組到三層之高!如圖9所示。是否可以搭接到高層的結構組合,則有待挑戰! 仔細觀察照片中上層受壓平板的承重逐漸加大時,外側原緊繃的繩線會受到壓縮,以致繩線的張力變小,進而導致結構的穩定度變差。終至負重過高,結構倒塌。 圖9. 此款張拉整體結構在某些條件下,至少可承重1 kg重以上的荷重喔! 陸、不同材質不同型式之張拉整體結構比較 另參考他人經驗,選用了鋁線,吸管和雲彩紙等三種生活中易於取得,且成本低廉的材料製作受壓構件,製作了四款不同型式的張拉整體結構體。以下就材質的優缺點作一個簡單說明和差異比較。 一、鋁線材質:此材質材料準備簡單,且價格低廉,只需使用一般書店內就能買得到的鋁線或是金屬線即可製作。建議使用硬度較高的金屬線製作,但需要使用尖嘴鉗彎曲金屬線。因此,適合國小高年級以上的學生製作。如欲製作大型的張拉整體結構,建議使用焊接方式,以黏合金屬線;小型的張拉整體結構則無需使用。因為大型張拉整體結構的質量比小型的整體結構重許多,故當張拉整體結構無法與桌面平行時,就必需進行焊接。硬度越大張拉整體結構越穩固。若使用線徑0.5 mm銅線製作的張拉整體結構,則可測量承重的量。 二、吸管材質:使用吸管製作張拉整體結構,主要特色不僅是材料容易取得,且可廢物利用。但製作所得之結構的堅固性與承重量比較差。相較於其他材質所製得的結構而言,比較不耐用。建議使用硬度較低,材質較軟的吸管,有利於材料的彎折。當有需打洞時,質軟的吸管較不易碎裂。選用之吸管及繩線的材質不同,堅固性也會不同。一般來說硬度越高、越粗的繩線較容易成功。通常無法探討結構的承重問題,適合國小學生製作。 三、紙質材質:製作較為困難,適合國中生使用,材質越硬的紙質,所製得的結構越堅固,但亦難以討論結構的承重議題。 四、吸管製之可回復張拉整體結構(也稱六芒星):僅需使用6根吸管和6條橡皮筋,材料成本極低。適合作為科學教育使用,製作簡易,方便攜帶,並且有助於學生認識立體空間結構。與其它張拉整體結構較為不同,為類球體的張拉整體結構。可藉由自製此實驗成品,以引導學生探討不同型態之張拉整體結構間的差異。 五、木質材質:使用此材質所得的結構成品較為堅固,很適合探討結構的承重與繩線的張拉力強度。並可探討繩線位置對張拉整體結構之整體穩定性的影響,接線位置為邊對邊、角對角、邊對角時的平衡穩定性與承重有何不同,平板的形狀,上下板面形狀與大小不同…等等差異比較。甚至若只有一個板子是否也可以製作張拉整體結構?當連接中繩線位置不同時會有何改變?連結中線的L型立柱基座在邊上、角上、一個在邊上一個在角上時,會如何呢?讓老師與學生一起透過實驗來找到答案。可以啟發學生的好奇心,深入淺出的探討各項變因所造成的結果,增加學生的實作技巧以及找到問題並解決問題的能力。 柒、四種張拉整體結構製作流程 張拉整體結構製作所需材料與工具清單表和實作成品分別呈列於表7和表8中。表9-11是分別以鋁線、吸管和雲彩紙製作張拉整體結構體的製作流程。 表7. 張拉整體結構製作所需材料與工具清單表 表8. 以不同材質自製不同型態之張拉整體結構的實作成品 表9. 鋁線製之張拉整體結構的組裝流程 表10. 吸管製之張拉整體結構的製作流程 表11. 雲彩紙製之張拉整體結構的製作流程 表12. 可回復之張拉整體結構體-六芒星製作流程 參考影片:https://youtu.be/Hu_GQRBAfsI 捌、實驗結果的綜合分析 表13. 各式張拉整體結構的優缺點分析 表14. 各繩線繫掛位置的比較 表15. 線長對張拉整體解構之影響 結語 經彙整諸多實驗結果,可發現中央繩線長度的長短是影響結構體能否成功完成及是否穩定的關鍵因素。繩線繫線的位置也會因受壓構件的材質、形狀的不同而有所改變,圓形時需要至少兩條長線一條短線,連結位置在同側時,最為堅固穩定。 實驗中建議先讓學員瞭解張拉整體結構的定義,以及先設定探究的目標,此主題可以作為一系列的實驗,也可以作為單一的課程使用。可考慮最初階一直到較為困難的張拉整體結構製作,並且由淺到深地引導學員探討其中有趣的議題。希望此實作可以活用於各項科普活動以及科學推廣課程中,增加學員學習的樂趣,以及學員對於科學知識的渴望。 參考文獻 [1] 蘇薇晨,「基於張拉整體結構探討動態性結構」國立交通大學建築研究所碩士論文,2003年7月,https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/72882/1/951001.pdf。 [2] Francesewright, “STRUCTURAL INSPIRATION : TENSEGRITY ” (結構靈感:張拉整體結構), 2012年0月27日, https://fewrightstannergate.wordpress.com/2012/10/27/structural-inspiration-tensegrity/ [3] Robbin, T., Engineering a new architecture, 1996, New Haven and London: Yale University Press. 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STEAM簡易科學實驗 —自製化石翻模

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文/黃國展、黃琴扉、洪振方 前言 108課綱以學生為學習的主體,希望能透過激發學生對於學習的渴望與創新的勇氣,使學生成為具有社會適應力與應變力的終身學習者。其中,108課綱課程發展的「核心素養」主軸,包含了「教」與「學」,期待藉由教學的學習過程(蘇子珺、黃琴扉,2019),使學生學習到具備問題理解、思辨分析、推理批判的系統思考與後設思考素養,並能行動與反思,進而有效處理及解決生活(108課綱資訊網,2022)。因此,開發適合小學的自然科學教材與教案,將是未來臺灣基礎科學教育領域的首要任務。 本活動的設計,是透過從「5E探究教學」、「STEAM教學策略」雙主軸進行自然探究課程之規劃,並以實際生活中問題解決為目標導向開發的簡易活動,期待能提供教師未來從事相關自然科教學課程時的多元素材,且在實務課程教學過程中,能活用5E 教學模式,分別為:投入(Engage, E1)、探索(Explore, E2)、解釋(Explain, E3)、精緻化(Elaborate, E4)、評鑑(Evaluate, E5)共五個階段進行探究式教學(Bybee & Trowbridge,1990)。 STEAM 最早是在 1986 年美國國家科學基金提出 STEM 教育計畫,為要培育科學、工程相關領域人才, 2011 年美國 Georgette Yakman 再提出在 STEM 中加入"Art",變成 STEAM。其中"A"轉化成為廣義的美與人文素養的養成。STEAM 是英文 Science(科學), Technology(科技), Engineering(機械/工程), Art(藝術), Mathematics(數學)的簡稱,STEAM為結合五項學門的跨領域教學架構,讓學生在數學及科學邏輯的基礎上,藉由科技、工程及藝術的應用,來學習科學與技術內涵(陳冠宏,2018)。 本教學活動設計,針對「自製化石」進行教學設計,在模擬化石的課程之前,講師會先針對化石的形成進行講解與說明,要形成化石須滿足以下的保存條件: 一、具有堅硬的部分。 生物死亡後,骨頭、牙齒、或幾丁質等堅硬的部分,比 較容易形成化石,但在特殊的情況下,柔軟的部分也會形成化石。 二、迅速的掩埋。 通常生物的死亡,是由自然死亡和災難死亡所造成,迅速的掩埋可以避開瞬間的破壞,而完整的保留下來。 三、時間因素。 生物腐爛與石化作用都需要時間,因此生物死亡後必須經過長時間的掩藏,才能與沉積物固結成岩,最後形成化石(臺南左鎮化石園區網站,2022)。 本活動符合5E學習理論與STEAM概念之教學模式,包含以下特色(如表1): 表1. 5E各階段教學特色重點模式(許國忠,2020) 本文進行的課程是期待以提升學生實際問題解決能力為目標而進行設計,透過生活中的情境改良一般食譜式的教學模式,使用簡單可取得的器材帶入教學及實作,課程之詳細內容於下面進行說明。 使用器材與步驟 一、器材: 燒石膏粉一包、彩色黏土一包、盛裝水之量杯、筷子、塑膠碗、電子秤、玩具化石模型(恐龍或菊石或貝殼等代表性生物模型均可,輪廓清楚明顯的最好,如下圖1、2、3、4、5)。 圖5. 菊石、恐龍玩具模型 二、使用1節課時間就可以完成的完整實驗教學過程與實驗步驟 (一)共同討論出所要探究的主題 老師先請學生想像化石可能的樣子,引導學生觀察與發現問題。在自製化石翻模前,老師先請學生發表化石是什麼?引導學生觀察、思考並提出問題(例如:化石是石頭變的嗎?化石的外觀通常是什麼樣子?要埋在哪種地方才容易變成化石?要怎麼做才比較容易形成化石?)。 (二)器材介紹與觀察 進行實驗前,待各組領完器材後,請他們觀察這次實驗使用的材料(燒石膏、水、彩色黏土),讓學生猜猜這些材料是什麼東西,再引導學生了解使用石膏硬化的條件與使用彩色黏土的理由。 (三)實驗進行與記錄 示範一次實驗給學生看,請各組開始動作,試試看怎麼樣才能成功做出化石翻模的模型,不管成功或失敗都要記錄每次加的燒石膏與水的量。 (四)問題解決思考 在操作過程中,許多學生的化石翻模的水與燒石膏混合會有很多不相同的比例(由此可見,水與燒石膏粉的比例為主要的操縱變因);此時,教師必須引導學生進行問題解決、變因控制討論,以及各種誤差存在的可能性,找出最適合化石翻模的燒石膏與水的混合比例。 (五)結果討論 操作完後,請各組派人上台分享自己化石翻模成功的配方與實驗過程所遇到的問題並寫在黑板上,來看看大家是如何配製這個化石翻模的。最後老師再根據學生提的問題進行討論與解答。 (六)本次實驗之步驟 1.取一小團彩色黏土揉成圓形塊狀,並用力壓至塑膠碗中,使黏土能夠平貼在碗底。 2.拿取化石玩具模型用力壓入黏土之後,再把化石玩具模型取出,使黏土呈現化石玩具模型的外觀,此為化石翻模的陰模(如下圖6)。 圖6. 為(1)與(2)示意圖 3.使用磅秤(或電子秤)量取80公克的燒石膏粉和60公克的水,其中(燒石膏:水=4:3),加入杯中混合在一起,若水量比較多則硬化時間會變長。 4.使用筷子在碗中快速且連續攪拌60秒至80秒。 5.將半凝固狀態的石膏與水混合液體倒入事先已經印好模型的碗中(如下圖7)。 圖7. 為(5)示意圖 6.等待約10~15分鐘,石膏可凝固。 7.把塑膠碗快速倒置,彩色黏土和石膏就會一起掉出來,撥開黏土即可完成化石翻模的模型(如下圖8、9),若還有時間還可以幫石膏塗上專屬色彩。 圖8. 為(7)示意圖 圖9. 為恐龍化石模型翻模成品 實驗原理和概念 一、本活動的主要概念 透過熟石膏(CaSO4· 0.5H2O)加水後又會轉化為生石膏(CaSO4· 2 H2O),加水後的熟石膏具有可塑性,轉化為生石膏後會硬化,利用這一原理,我們可以用來製作化石翻模。 二、符合化石形成的保存條件(臺南左鎮化石園區網站,2022) 具有堅硬的部分(塑膠製化石玩具模型)。 迅速的掩埋(使用加水後的熟石膏具有可塑性)。 時間因素(加水後的熟石膏,經過約10~15分鐘,可凝固轉化為生石膏後硬化)。 表2.5E教學模式與STEAM探究實作統整表 表3.STEAM概念參考實作教學內容(Maeda,2013) 從表2與表3得知,當5E科學探究原理融合應用於STEAM實作課程,可探索的問題延伸及對應的教學策略,下表4提供部分可探索的延伸問題,以教師們引導學生討論: 表4.化石翻模課程可探索的延伸問題: ※實驗注意事項※ 燒石灰粉為弱鹼,在與水的反應過程中均屬於較為安全的化學藥品,但實驗結束後,還是必須提醒學生洗手,並提醒學生勿將化學藥品放置口中食用。 結語 本教學活動的設計,是利用生活中容易取得的材料,進行一項簡單的化學反應了解化石形成的過程,並透過5E探究教學策略原理的引導,協助教師深化STEAM實作的教學意涵;透過化石翻模製作教學,讓學生學習觀察事物及學習提問,也能進一步協助教師了解不同類型的探究活動所需時間會有差異,若以結構型探究的時間最短,半結構探究時間居中,開放式探究所需時間最長。 本課程適合國小高年級學生操作,發現學生經由實際動手製作化石模型的過程可以真正了解化石形成過程所需要的STEAM實作學習元素本質,而在教師層面,教師使用可依教學內容概念的難度和教學授課時間長短選擇所要進行的探究類型。此外,可從考古學家的職業帶入及延伸,事先調製好石膏與水的混合液,用紙杯裝著,在硬化的過程中丟入恐龍或菊石玩具模型,等待石膏硬化後,撕開紙杯後就猶如一個一個的石頭般,就可以讓學生親自拿著小鏟子與小槌子挖掘出屬於自己的化石,既可了解考古學家的日常挖掘工作,也能了解化石產出的過程。 參考文獻 Bybee, R. W., & Trowbridge, J. H. (1990). Applying standards-based constructivism: A two-step guide for motivating students. New York: Cambridge University Press. Maeda, J. (2013) STEM + Art = STEAM. The STEAM Journal, 1(1), Article 34. doi:10.5642/steam.201301 108課綱資訊網。12年國教,課程綱要—108課綱重點。取自https://12basic.edu.tw/12about-3-1.php 許國忠(2020)。12年國教教學設計—以5E教學模式為例。快樂教師電子報,教學錦囊。取自https://www.945enet.com.tw/main/ha/teach_d.asp?pno=209&dt=A4 陳冠宏(2018)。下世代的教育-STEAM新素養。清華教育論壇電子報。取自http://cfte.site.nthu.edu.tw/var/file/275/1275/img/342630536.pdf 臺南左鎮化石園區(2019)。化學的形成。臺南左鎮化石園區數位典藏,化石知識區。取自https://fossil.tnc.gov.tw/form/index-1.php?m2=30&id=46 蘇子珺、黃琴扉 (2019)。5分鐘完成的STEM簡易科學實驗-自製炸彈包。臺灣網路科教館,生活科學廳。取自https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6844&a=0&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=15573 黃國展 高雄市鳳山區新甲國小 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所副教授 洪振方 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所特聘教授