生活科技

淺談遙控模型車

文／郭昭霖 高雄海洋大學助理教授 小時候，每一個小女生都想 擁有一個洋娃娃，而小男生的夢 想是無線玩具，最常看到的是遙 控車、船、飛機或是機器人。而 無線控制中最重要的就是無線裝 置的通訊，其實無線裝置只是有 線遙控器的一個延伸，將“線＂ 的部分以無線電波方式傳遞訊 號，就好比童軍中的旗號用來傳 遞訊息，一面打出旗號，另一面 接受旗號。 遙控車的方塊圖如圖一所 示，主要可以區分為遙控器和車 體兩個部分，無線控制器就好比 打旗號的童軍在下達命令，而遙 控車子就好比接受旗號的童軍， 接受到旗號命令後控制車依其指令動作。 遙控器部分：主要包含編碼電 路和無線發射器；編碼電路是將左右控 制的信號和進退控制的信號結合在一 起，並且將這兩者的信號編排成一個串 列信號傳送給無線發射器。當無線發射 器接受到控制訊號時，會以一個位元 （0或1）一個位元的方式由發射端傳送 給遙控車的無線接收裝置。遙控車的部 分：包括前輪轉向的伺服馬達、後輪驅 動的直流馬達（或引擎）、無線接收電 路及馬達驅動電路（或引擎驅動機構） 和機械框架。 圖一 遙控車方塊圖。 遙控車的機械框架是用以托載 整台車的機電元件，無線接收電路 則是接收由遙控器傳送過來的控制 命令，經過解碼器解碼後將控制命 令轉變成數位的控制信號，這些信 號分別依控制命令經由驅動電路控 制前輪和後輪的動作。 一般型的遙控汽車， 前輪只 有向左或向右轉動，進階遙控汽車 則可以經由脈衝調變（pulse width modulation, PWM）方式控制前輪角 度轉動，目前有些學術單位是利用 機器人的關節伺服馬達來調整轉動 角度，而這種伺服馬達是以通訊傳 輸方式下達控制命令，並且可以自 動補償使馬達角度達到精確，而不 像傳統方式直接給予驅動電路控制 信號。 一般型遙控汽車，前進和後退 只有一種速度，就是給予通電或反向通 電，停止的話就沒有電流供給馬達， 由於電流的大小決定直流馬達轉速的 快慢，故當遙控車剛充電完成，跑的速 度是最快，而電力快用完時因電壓下降 而導致電流減少，此時通過馬達的電流 變小所以轉動的速度就會變慢；進階型 的遙控汽車則給予脈衝調變信號調整轉 速，或是控制引擎油門大小來控制轉 速，使達到速度控制的效果。 圖二 一般遙控汽車。 圖三 進階遙控汽車。 圖二為一 般常見的遙控汽車，操作簡單易於控 制，轉彎角度和速度方面無法細膩掌 控；圖三為進階型的遙控汽車在操控方 面可以細膩的控制轉彎角度和速度，並 且有較大的馬力輸出，可以控制的距離 也較遠；圖四為燃油的遙控汽車，其動 力為引擎具有較大的動力，一般進階的 玩家會花較多的時間做性能改裝， 玩這種遙控汽車的玩家也需要有較 多的專業知識和瞭解其機電結構。 以輪子為驅動之輪型機器人是 遙控車的延伸，近年來，從小學生 到大專生，甚至研究所的學生投入 在該方面的研究和競技。積木是許 多人從小到大的共同記憶，經由積 木的組裝可以形成不同的樣式，如 車子、機器人等等，圖五是由樂高 積木所組成的輪型機器人。控制器 是一個微電腦，可以撰寫程式控制 動作，也可以經由遙控裝置控制其 功能，如：「以智慧手機、電腦等 等發射無線信號，命令樂高機器人 動作，讓許多有創意的想法可以經 由積木和控制器簡單的實現」，其 過程除了創意外還有機構的組成， 微電腦數位的控制和程序流程的安 排。未來是創意和資訊的時代，以 遙控車為出發點，讓創意無限的延 伸，生活會更精彩。 圖四 燃油遙控汽車。 圖五 樂高機器人。

還給學生學習探究的權利！

文/任宗浩 國家教育研究院測驗及評量研究中心副研究員兼代主任 近年來，培養學生科學探究能力儼然已成為國內科學教育改革的一項重點，12年國民教育新課綱自然科學領域也將科學探究列為學習表現的核心能力。2016年6月，筆者接受教育部國民及學前教育署的委託，帶隊參加由法國動手做（La main à la pâte, 以下簡稱LAMAP）基金會辦理的第7屆「動手做科學」國際研討會。同行的隊員包括了國家教育研究院課程與教學研究中心洪詠善主任、臺北市金華國中黃振祐主任以及花蓮市中正國小的陳世文主任，由於這一次的參與，我親身體會到Pierre Léna和Yves Quéré兩位法蘭西科學院院士對科學教育與探究式教學的努力（圖1），深受感動的我在回國後遂開始推動中小學自然科學探究教學與評量相關的教師專業成長課程。 圖1(左)：二位法蘭西科學院院士(圖左)帶領我們到巴黎天文臺二樓子午線室(Meridian Room)參觀17世紀所繪製的巴黎子午線(圖中)，並到頂樓的觀景臺，法國著名天文學家卡西尼在此利用望遠鏡觀測土星A環與B環間距離，提出卡西尼環學說（圖右） 我記得訪法行程之初，同行的隊員問筆者為何要來學習法國的科學教育？根據各項國際教育調查評比的結果，法國不論是小學階段（如TIMSS 2015）或是中學階段（如PISA 2015）的科學成就表現似乎遠遠落後於我國。但是當一行人參觀法蘭西科學院時，看到院內陳列的雕像，以及看到巴黎鐵塔上所刻72位著名科學家和工程師的名字，才驚訝地發現：原來我們從小到大在教科書中讀到的許多著名科學家或數學家都是法國人！大家不禁想問到底是甚麼原因讓小時看似未必了了的法國人成就如此多偉大的科學和數學家呢？ 探究是人類的天性 在赴法參加研討會之前，所有同行的隊員（包括筆者在內）都認為在國內中小學的教室內，要落實探究學習是不可能的事。因為國內的老師總是擔心所教的學生在重要考試中表現不夠好而影響了他們的升學，於是將大部分的時間拿來教課本裡所提到和沒有提到的概念，以及不斷地練習考試，期待重要的考試能有最好的表現。五天的研討會期間，基金會安排各國的學員參觀幾所巴黎的小學和中學，當大家進到課室裡面觀察法國的科學教師進行探究教學時，學生在解決問題和參與討論過程中發亮的眼神，以及找到答案時開心的表情，都讓一行參加的隊員感動不已。我記得參訪行程結束後，在回國的旅程中，振祐主任對我說：「回國推動探究教學是一件極為艱辛的任務，但是……非做不可。」因為不進行探究的科學教學違反了學生想要滿足好奇心的天性，直接告訴學生答案的講述式教學剝奪了學生學習科學探究的權利。 強調過程甚於結果 法國LAMAP基金會所推廣的探究教學與筆者近年來在國內所看到大多數的科學探究實作課程有著本質上的差異：法國的探究教學著重於透過探究的歷程培養學生的探究能力，而國內許多探究實作的課程則是利用讓學生動手操作來理解抽象概念。例如我們常看到國內的中小學會在校內進行水火箭的競賽，目的是為了要讓學生透過實作的方式體會作用力與反與作用力的關係；在法國則會利用這個活動讓學生自己定義所要探討的問題（例如影響水火箭射程的因素），接著引導學生系統性地探討想要回答的問題（例如測試影響水火箭射程的變因），藉以訓練學生的探究與解決問題能力。筆者認為能夠透過具體的操作過程讓學生了解複雜難懂的科學概念是件好事，但如果在過程中能夠適時引導，讓學生多放點心力在問題的釐清、探究的設計以及討論溝通，應更能發揮加乘的效果，不僅可以教導學生科學概念，也培養學生的科學探究能力。 動手做不等於科學探究 國內許多探究實作的課程強調動手操作，透過實作（如科技產品的操作）來教導科學概念或是知識，但動手做也可能只是強調動作技巧的訓練或是複製操作的過程，不一定能夠訓練到探究能力。科學中的探究思考包括了歸納、演繹、辯證和多元思考等不同的取向，這些不同的思考取向應用在問題解決的過程（如發現問題、理解問題、提出假設、實驗設計、數據分析、提出解釋、發現新問題等），交織成了複雜的科學探究行為。近代的科技產品或許改變了數據測量和分析的技術，甚至於也改變了人類的思考方式，但是要培養科學探究的核心能力並非單靠動手操作可以達到，教師提供適當的引導是關鍵，就如我們常對種子教師講的：要問對問題！教師應透過問學生「是什麼（what）？」、「為什麼（why）？」和「怎麼做（how）？」等不同的問題，去訓練學生不同的能力。 避免用講述式教學法來教科學探究 為了讓種子教師們體會探究式教學的精神，筆者和團隊的核心講師們堅持訓練的課程本身一定要採取探究式的教學。讓參與的教師親身經歷科學探究的活動，透過引導學員們提問、討論、辯論與演示來釐清教師在探究教學過程中該扮演的角色以及該具備的專業，而不是單向的傳授他們一些教學模式或是理論（圖2）。因為筆者相信唯有透過實踐科學探究的過程，才能讓參與訓練的種子教師直接體會探究教學的效果，而這些效果是無法用講述式的教學來取代的。訓練課程也不應要求種子教師採用單一固定的探究教學模式，透過讓種子教師討論各種不同探究教學模式的相似或相異之處（例如LAMAP的IBSE以及STEM教學模式的比較），引導他們看到每個不同教學模式的優點和限制，強調依據不同的目標與教師的特質來選擇不同的教學模式，以發揮更好的教學效果。 圖2. 讓種子教師親身經歷探究學習的歷程 秉持著上述的理念，筆者協助國立臺灣科學教育館，執行由教育部師資培育及藝術教育司委託辦理的「106-108年中等學校教師探究與實作專業發展提升計畫」，透過為期兩年補助超過100所中學，落實科學探究課程與教學在正式或社團課程（圖3）。該計畫並透過定期的教師專業培訓課程訓練補助種子學校的教師，期透過地區種子學校內科展教師指導專題的能力實踐落實12年國民教育新課綱培養學生探究能力的目標。 圖3. 「中等學校教師探究與實作專業發展提升計畫」期中培訓工作坊

科學探究怎麼做？借鏡法國IBSE的經驗

文/陳世文 科學探究是相當重要的科學素養。我國12年國民基本教育自然科學領域中特別強調學生發現、思考和解決問題的探究能力；法國更將科學探究列為中小學科學教育的核心主軸，致力推動科學探究長達20年之久。本文簡要介紹法國實施中小學科學探究的做法，以幫助讀者了解法國如何推動科學探究及值得我們借鏡之處。 前言 我國12年國教課綱預定從2019學年度開始實施，在科學領域上相較以往更加強調思考智能及問題解決之「探究能力」的培養，以促進學生想像推理、論證思辨的能力，以及觀察計劃、分析執行、統整表達的素養。作者於2016年與現任國教院課程與教學研究中心洪詠善主任、測驗與評量研究中心任宗浩主任、臺北市金華國中黃振祐主任共四位臺灣代表到法國巴黎國際語言研究中心(Centre international d'études pédagogiques, CIEP)參加由La main à la pâte（LAMAP）基金會辦理為期1週的2016年第7屆「動手做科學」國際研討會，該次研討會共有來自22個國家44個研究者及教學者參加（見圖1），從研討會當中了解法國探究導向科學教育(Inquiry-Based Science Education, IBSE)的推展模式，並透過法方另外安排1週之參訪活動，參觀法國小學科學探究教學及相關設施環境等，對於法國推動IBSE留下深刻印象，因此本文介紹法國IBSE的實施方式，以期借鏡法國經驗，提供未來我國科學探究課程設計及教學活動上更多參考，幫助教師對於科學探究課程的實施有更多了解與省思。 圖1. 來自22個國家44位參與者共同參加法國2016年第7屆「動手做科學」國際研討會 法國的IBSE是什麼？ 法國所推行的IBSE，法文稱為「La main à la pâte」（簡稱LAMAP），譯成中文是「動手和麵團吧！」之意，這個名稱傳達三層涵義： 一、 聯結「生活化」的科學：科學應該是與真實生活情境結合的學科，而不是灌輸艱澀難懂知識的學科，用揉麵團的方式來聯結科學與生活情境，引發學生學習的興趣，以培養應用科學所學知識來解決生活中所遭遇問題的能力。 二、 重視「做中學」的科學：從字面上來看，「動手和麵團」意指科學學習應該透過實際動手做的過程，從實務操作中去培養實驗技能、建立科學知識、體驗試誤學習（圖2），而不是記憶書本知識，通過考試測驗，就表示學會了。 三、 強調「在地化」的科學：法國麵包舉世聞名，用「動手和麵團」作為科學探究的代表名稱，一方面能結合國家的食物特色，一方面亦具教育意義，讓人印象深刻。 圖2. 在「動手做」科學探究培訓課程中，學員透過實務操作，解決科學問題 西元1995年，當時法國僅約3%教師在幼兒園及國中小學落實科學教學，也很少針對科學教師辦理培訓課程，在學校沒有提供科學實驗的參考教材，同時也沒有教師社群組織的聯結。為了改善法國科學教育的現況，法國諾貝爾物理獎得主Georges Charpak將探究導向學習模式引入法國，在法國法蘭西科學院的支持下，與Pierre Léna和Yves Quéré二位院士共同推動法國的科學探究，目的是藉由對法國國中小學進行長期研究與調查，發展一套科學的教育模式，以提升國中小科學及科技的教育品質。在1995〜1996年期間，進行全國344個班級小規模的教學實驗，到了2000年，拓展到全國有5,000個班級參與，同時法國教育部頒布正式科學教學的官方計畫，並成立「La main à la pâte」籌備中心。2002年教育部頒布了新正式課程，列入國小課程綱要，2003〜2010年，國家陸續出版教學參考手冊、DVD光碟影片，提供給教師進行科學探究的教學資源。2006年進一步頒布了中學階段（lower secondary school）科學與科技(science and technology)實驗課程，至2011年通過國家正式法令，由法國法蘭西科學院、巴黎高等師範學院和里昂高等師範學院於2012年正式共同成立「La main à la pâte」基金會，持續在法國以及對全世界推廣動手做的科學教育模式。以陪伴及發展科學教師的專業能力，幫助教師實施教學現況調查及教學問題的解決，以激發學生的科學探究的精神，增進對世界的了解、表達和參與的能力。 在逾20年的推動歷程中，除了法蘭西科學院院士、LAMAP基金會的努力之外，包括歐盟委員會、法國教育部、法國高等教育和研究部、法國外交和歐洲事務部等國家以及國際組織的共同支持與參與，全力推動IBSE，試圖研究探究導向的科學課程、製作科學教學資源、重視教師科學探究培訓、致力提供平等學習機會以及讓科學家和企業參與科學教育的發展等目標，並明列表1所示之十項原則，作為推動探究導向科學教育之實施依據。 表1.法國IBSE的實施原則 項次 原則 1.學生在真實、具體的世界中觀察物體或現象，並進行實驗。 2.在探究過程中，學生使用論證和推理，蒐集和討論他們的想法及結果，並且建立他/她們的知識，以補充活動本身學習上的不足。 3.按照教學模組所進行的教學活動是有次序性的組織，這些教學活動與官方課程聯結，並為學生提供獨立學習的機會。 4.相同主題每周至少教學兩個小時，並持續數周。在整個學校課程計畫中確保活動和教學能夠持續進行。 5.每名學生都要有一本實驗紀錄本，用他/她自己的語言來紀錄和修正。 6.主要目標是學生能夠逐步應用科學概念和技術，同時加強口語和書面表達的能力。 7.家庭和社區能夠參與課堂上完成的工作。 8.一般大學和科技工程學校等在地科學合作夥伴，能提供技能支持教學活動。 9.當地的教育學院能夠向教師提供他們的教育上和教學上的經驗。 10.教師可以從網站（www.fondation-lamap.org）下載教學模組、活動構想以及各種教學問題的答案，以及跟同事、培訓教師和科學家交流意見。 資料來源：法國LAMAP網站(https://www.fondation-lamap.org/en/international) 從法國動手做的十大原則中，可以看出其具有下列「有效學習」、「持續教學」、「注重歷程」、「協同合作」和「提供支持」五項特色： 一、 有效學習：強調真實情境的學習以及動手做過程中論證及推理的必要性。 二、 持續教學：教學活動應該有系統性、序列性以及持續性的進行。 三、 注重歷程：活動不是只有動手完成實驗，還需要記錄、書寫和口語表達。 四、 協同合作：大學、教育學院、工程學院、家長社區都是合作夥伴。 五、 提供支持：官方資源提供、教師社群分享、專長學者諮詢支持教師教學。 法國的IBSE怎麼推？ 自2015年開始，法國LAMAP基金會更在全國設立9個科學之家（House of Science），科學之家設置於大學，由國家提供50％經費，整合大學教學設施及人力資源，協助科學教師將創新帶入他們的科學教學實踐當中。每個地區的科學之家為當地幼兒園到中學的科學教師提供專業發展的課程，同時也提供在職培訓課程及實務教學的機會，讓教師能夠增進科學教學知能，並且與其他學校教師進行教學交流與經驗分享（如圖3），同時也提供教師IBSE課程教學的資源和教材教具的借用，讓教師進行IBSE教學上獲得更多資源的支持（如圖4）。其以教師專業發展為目標，發揮下列九大功能：1.生活科學入門；2.連結跨領域；3.探究新主題，例如科技；4.建立教師學習社群；5.搭建教育人員、科學家、實驗室和產業之間的橋梁；6.提供教師認證專業發展課程；7.了解教師科學教學需求，8.持續教師專業發展；9.評鑑影響力。 在法國期間，我們參訪位於法國南錫(Nancy)洛林大學的科學之家，其提供當地教師豐富的課程教材和教學資源。在課程方面，洛林大學的科學之家為幼兒園、國小和國中三個階段共設計了21套課程主題，每個主題設計8節課，一共168節課的科學探究課程，包括教案、教材、學習手冊等資料，做為推動IBSE的課程教材，這些主題如表2所示，詳細的教案內容可參見下列網址http://lamap-espe.univ-lorraine.fr/page/les-parcours-scientifiques。 表2. 洛林大學科學之家的IBSE課程主題 階段 適用階段 主題 1 幼兒園 顏色；浮與沉；蝸牛；幼兒園代碼 2 國小 生活的特性；廢物和回收；健康教育；四季變化 3 國中 天空和地球；消化和呼吸；電力；物件技術；水和交通；水資源；陰影和光；從種子到植物；洛林風景；螢幕、大腦和嬰兒；氣候和能源；1，2，3代碼！；火山和地震 圖3. 科學之家亦提供教室讓師培中的教師可以進行教學演示 圖4. 科學之家提供動物及人類頭蓋骨之教材供學生認識不同物種特徵 在教材方面，洛林大學的科學之家為這些課程主題提供了教具及實驗器材，供學校科學教師借用進行科學探究教學，教具室內鐵架上整齊陳列每個探究主題的教具箱（如圖5），每個教具箱中包括教師手冊、課程教案、學習單等資料，可供教師借閱參考（如圖6）。科學之家還設有生物實驗室，內有昆蟲飼養室，由生物專家負責飼養培育，例如館內有飼養不同種類的竹節蟲，學生若要了解竹節蟲的生長環境、身體構造等，教師不用大費周章到野外尋找竹節蟲，可以直接安排學生到科學之家實驗室來觀察，由專家進行導覽解說，實際進行科學探究課程的教學（如圖7）。從科學之家的規畫和目標可以看出法國在IBSE課程設計與教材研發上是有系統性地循序漸進及長期發展的，這些教學資源提供教師相當完整且實用的教學支持，讓教師清楚國家推動IBSE的發展方向，也讓教師感受到國家對於推動IBSE的重視程度。 此外，除了前述的科學之家外，在法國各地再設置22個前導中心(Pilot Centre)，在科學之家的指導下，負責研發在地特色課程主題及教材內容，並串聯科學教師社群網絡，做為教學問題交流及省思反饋的角色。由此可見，法國在推動IBSE所規劃的組織架構和網絡相當綿密完整。相較於法國，臺灣科學教育的推動組織，教育部設有中央輔導團，由大學教授擔任召集人，央團成員包括各學科有經驗且優秀的教師，地方政府亦有縣市國教輔導團，許多校長及教師協助辦理科學教育政策業務的推動，推動組織架構亦相當完整，再加上臺灣科學教師培訓制度紮實，學科知識及教學經驗都具有相當水準，教學環境和設備都優於法國。作者深信在推動IBSE上，臺灣均較法國更具潛力及發展優勢。 圖5. 教具室的架上整齊陳列各種主題的教具箱 圖6. 教具箱中附有課程手冊、學習單、簡易教具、實驗器材等 圖7. 科學之家的生物實驗室養殖竹節蟲，做為IBSE課程教材 法國的IBSE怎麼教？ 在參與LAMAP辦理之動手做科學的研討會培訓課程中，作者認識到法國在推動IBSE上具有一套科學探究教學模式，此教學模式可以大致包括「聯結情境」、「形成假說」、「多元探究」、「記錄比較」、「確認假說」、「形成結論」和「發表分享」7個步驟(如圖8所示)，每個步驟循序漸進且緊密相扣，可以做為教師未來實施IBSE的教學參考。 一、 聯結情境：IBSE的實施需要與學生的生活情境聯結。科學探究的起點是提供對於生活中現象和問題的思考，它可能是讓學生觀察一個會產生驚訝反應的現象，也可能是讓學生產生好奇心，引發更多思考的問題情境，如果IBSE的實施與學生的生活經驗脫節，科學探究的效果就會受到影響。 二、 形成假說：形成假說是IBSE相當重要的一環，科學探究絕對不是聽完教師的指令，就開始做實驗，必須從觀察的現象中去思考問題形成假說，因為假說能夠引導探究和解決問題的方向，教師需引導學生對於現象觀察形成假說，重要的是，這個假說是探究過程中能透過實驗設計、運用既有實驗器材被驗證的，而不是天馬行空的假說。教師可以鼓勵學生利用先備知識進行預測，形成假說，切勿直接告訴學生：「今天的探究活動，我們要探討的假說是XXX。」這就變成「教師」指定的科學探究，而不是學生自己的科學探究了。 三、 多元探究：科學探究的方式應該是多元的，不是只限於動手做實驗這件事，也不該只是重複「觀察現象－實驗測量－變因控制－記錄結果」的線性探究模式，在探究過程中，教師應該允許學生試誤學習的機會，鼓勵他們嘗試利用不同的測試方法去檢驗結果，它可以利用模型類比取代動手操作實驗，或是閱讀文獻資料，比較歸納不同資料得到新的發現。 四、 記錄比較：在科學探究過程中，利用科學筆記本記錄對於現象的觀察、問題的思考、想法的修正、研究的發現都是相當重要的，科學筆記本的歷程紀錄可以幫助學生對於問題脈絡的思考、記錄探究數據、進行差異的比較和推理，亦可協助後續探究結果的討論和發表，這也是為什麼科學探究中需要一直強調科學筆記重要性的原因。 五、 確認假說：探究過程中，所有實驗設計和變項的操縱都應該要呼應前述的假說，什麼是探究過程中的操縱變項和控制變項，都要加以釐清，並且從科學筆記本的紀錄內容去檢視和確認實驗設計是否和一開始的探究假說符合，如果有所不同，雖然實驗設計可能正確，但是卻不是在驗證原有假說，此時便需要修正或調整。 六、 形成結論：根據探究過程中所發現的結果和所記錄的數據形成研究結論，不同組別對於相同的科學探究主題可以形成不同研究假說，得到不同的結論，但是每組所形成的結論應該要能夠回應一開始的探究假說。 七、 發表分享：探究實作不是只有「動手做」，還應該要「動口說」，小組成員在實作之後，組內成員需要進行討論並形成共識，接著教師可以請各組分別發表與分享整個探究歷程，包括形成什麼假說？用什麼方法驗證假說？如何操控實驗變項？過程中有什麼修正？獲得什麼結論？對於現象的科學解釋是什麼？教師和學生可以從發表分享過程中，比較不同組別的研究發現或想法，也能從中檢視是否學到應該學到的科學知識。 圖8. 法國IBSE的教學模式 法國IBSE告訴我們什麼？ 一、為什麼要IBSE？ 在學校科學課程中有科學實驗，也有科展競賽。我們已經在學校實施科學探究了，為什麼需要再特別強調IBSE呢？不可否認，科學課程中的科學實驗和科學展覽都是科學探究的形式，但是這種科學探究與學生的生活經驗和真實情境沒有產生聯結。學校科學課程中的科學實驗，通常是安排在教科書的中後段，在教完科學知識之後，再來做實驗，而且教科書裡直接告訴學生實驗目的是什麼？實驗問題是什麼？實驗需要那些器材？實驗步驟怎麼做？實驗探討那些問題？都已經全部寫出來，這種「食譜式的科學探究」沒有提供學生自我思考的空間，只是要學生照本宣科重做一次，就算學生有新的探究發現，教師也會認為是實驗誤差。科展雖然需要探究現象背後的科學問題，但是它主要仍以學科為中心去探究問題，就像物理課中解決物理問題、數學課解決數學問題一樣。但是，學生在真實生活中，不會像是圖9左的模式，只遇到物理科問題或只遇到數學問題，而是像圖9右的模式一樣，他們所遭遇的問題，可能需要同時運用數學、物理、化學等不同學科知識去解決。因此，真實情境中的問題不會區分這是屬於那個學科，而是需要統整不同學科知識共同解決，真實的科學探究應該要像問題導向的科學探究，才能培養學生解決生活問題的能力。 圖9. 學科導向的科學探究(左)和問題導向的科學探究(右)之差異 二、時間不夠怎麼辦？ 臺灣科學教師要實施科學探究教學時，會發現IBSE的立意很好，但是學校每週科學課只有3-4節課，光是要上完進度、複習考試、應付學校行事的時間都不夠了，怎麼進行IBSE？這個問題是科學教師實施IBSE最可能遇到的問題，這也是法國教師最困擾的問題。科學探究需要許多時間讓學生思考、操作和討論，以學校擁擠的作息表，要有充裕的時間進行探究確實不易。因此教師需要「找時間」，例如在一學期中利用正式上課或是社團活動時間安排2節課進行1次簡單的科學探究活動，讓學生能夠感受探究樂趣，等學生熟悉科學探究的教學模式之後再逐漸增加次數。如果真的沒有額外時間，也可以調整教科書中進行實驗的時機，在講述科學知識前先進行科學實驗，並避免依照教科書上的食譜內容進行探究，而是教師能夠參考IBSE的教學模式設計探究課程並進行教學，來克服沒有時間進行IBSE的問題。 三、IBSE教學怎麼提問？ 在科學探究過程中，教師應該避免直接告訴學生答案，而是用問題去引導學生進行思考。因此，如何提問就顯得相當重要。教師在提問時，應該了解不同問題類型和使用時機。在科學探究過程中，常見的問題有五類： （一）二分性問題：「Yes/No」問句，要學生回答「是」/「否」的封閉答案。 （二）選擇性問題：「Or」問句，學生選擇A、B或C的答案。 （三）確認性問題：「Wh-」問句，學生回答什麼、多少、那裡、何時等答案。 （四）說明性問題：「How」問句，學生說明過程的答案。 （五）解釋性問題：「Why」問句，學生解釋現象背後的原因。 從二分性問題到解釋性問題，是封閉到開放的軸線，教師可依教學情況或學生程度使用不同類型的問題進行提問。對於程度不佳或是不熟悉探究的學生，教師剛開始可以問二分性的問題，再逐漸朝另一軸端的問題來提問；對於程度較佳或是表達能力較好的學生，教師可以多使用解釋性問題讓學生回答；如果遇到學生如果不易回答時，教師可以嘗試轉化問題類型，例如：「為什麼會造成這個現象？」可以轉化成「你如何說明這個現象？」來引導學生回答，提高學生表達的意願。 四、IBSE要怎麼評量？ 這是許多科學教師在實施IBSE上疑惑的問題。IBSE不像紙筆測驗能夠得到明確的評量分數，要從IBSE的歷程中有效地評量學生的探究能力確實不是易事。不過我們可以從知識、技能和態度三個向度來評量。 （一）參與程度（態度）：學生發言的次數、學生參與探究的時間長短、學生的科學筆記內容多寡等，都可以做為學生參與科學探究程度的評量指標，參與程度愈高，學生探究的態度表現愈積極。 （二）操控程度（技能）：科學探究過程中，變因設計是重要的評量向度。教師可觀察學生是否留意到實驗中操縱變因和控制變因的設計，以及他們能否嚴謹地且精確地控制實驗變因，有效測量到自變項對依變項的影響，操控程度愈佳，表示學生探究能力愈佳。 （三）概念理解（知識）：在探究過程中，教師可從學生的表達上診斷其是否有科學知識上的迷思概念，雖然學生可能尚未學到正確的科學知識，但是他們能夠運用先備知識進行推理或歸納，或是在經過科學探究之後能夠建立正確的科學知識，表示他們有較佳的概念理解。 我們可以怎麼做IBSE？ 從前述的內容可知法國在推展科學探究上有四項值得借鏡之處： 一、 國家長期重視且持續推動，自1995年至今，法國IBSE已經推動近四分之一世紀，可見法國在科學教育上將IBSE視為正確且值得長期推動的方向。除了法蘭西科學院之外、法國教育部、法國高等教育和研究部、法國外交部等國家部門也共同參與。甚至自2010年開始舉辦第一屆動手做科學探究研討會，將法國IBSE的實施模式和成效向世界各國推廣，這些做法均顯示法國教育對於IBSE的重視及持續推展的決心。 二、 推動科學探究的組織架構相當完整，由法蘭西科學院結合二所師範學院共同成立LAMAP，做為IBSE的推動中心，並結合各地大學師資、設施和資源，成立9所科學之家和22所前導中心，串聯大學、中小學的人力和硬體共同推動、參與和研發。 三、 提供完整之課程教材及教學資源，各科學之家發展具有地方特色的科學探究課程，並且提供完整的教材教具，讓教師進行持續專業發展(continuing professional development, CPD)的培訓。 四、 發展科學探究的教學模式，並提供參考手冊及DVD，也成立教師社群網站供教師討論教學心得和省思，這些資源可以提供教師進行IBSE上的教學支持以及共同推展的夥伴，讓教師可以解決IBSE教學問題及提升專業成長。 基於於法國推行IBSE的經驗，有下列三項可供我們未來借鑑： 一、以探究導向的科學教育作為長期重視與推行之方向 從動手做基金會研究與推動 IBSE 的經驗可以看出，由國家科學院院士主動關注中小學科學教育，並主動引領國家相關單位、各方專家與實務教師長期規劃與投注資源，超越短期績效取向，而更加重視長期的成效影響力，其重視基礎研究且長期規劃與投入資源研發支持資源。我國12年國教將科學探究列為自然科學課程發展的核心素養，值得做為長期持續推展的方向，探究導向的科學教育推動可以擴大更多單位組織的參與和合作，如由教育部、科技部、中研院等機構之各方專家學者共同合作推動，做為國家長期推展科學教育的方向。 二、探究導向的科學教育需要多元條件的配合 要推動探究導向的科學教育，需要課程、教學、評量等條件的配合。在課程上，12年國教高中階段已明定科學探究與實作課程，目前雖無官方出版之教科書，但如此也可讓教師在課程設計上有更多的彈性空間，因學校特色和學生需求制宜，而不受固定教材限制，國中階段可在五分之一節數的跨領域統整課程中實施，結合科學、科技、數學、藝術等領域進行探究實作。國小階段可透過大概念(big idea)課程設計實施科學探究活動，克服探究時間不足的問題。教學上教師多以提問引導的方式促進學生思考，取代直接給答案、背公式的教學方式。考試評量上增加探究導向的試題，減少教師面對升學主義和家長期望的干擾。 三、持續辦理IBSE工作坊提升科學教師專業成長 在推行IBSE上，科學教師扮演相當重要的鷹架角色，因此科學教師專業成長能力的提升便顯得極為重要。因此，未來應該持續辦理IBSE工作坊，提升教師專業素養，辦理工作坊之主要目的不是為了培訓科學教師的IBSE教學能力，而是協助教師熟悉IBSE的教學模式，並且凝聚教師社群的力量，激發更多科學探究的課程主題和教學創意，同時也借重科學教師豐富的教學經驗進行思考和反饋，試圖克服推動IBSE的問題和困難，共同提升臺灣IBSE的教學成效。 陳世文 花蓮縣國小候用校長

跟女同學談科學是什麼

陳育霖/ 臺灣師大物理系助理教授 女性參與科學是一個全世界都關注的重要議題，這次非常榮幸能夠參與課程一部分與女性科學沙龍。因為在女少男多的理工領域任教，扮演教師角色更需要對於女性學習科學在課堂當中的表現有更深刻的體認，感謝臺師大物理系陳鴻宜教授團隊的邀請，特別在此分享這次課程與活動過程。 科學是什麼，實在是一個大哉問，從科學存在的目的切入，是我認為比較容易在課堂當中具體進行的角度，學生相對比較容易掌握。所以從柏拉圖想像科學家的工作及對於理型世界的探求出發，科學存在的目的可以想像到的其中一個可能性是人類的好奇心，人類對於周遭世界的一切都可能充滿好奇。 美國的攝影師Wilson Bentley (1865-1931) 將風箱相機連接到複式顯微鏡上，成功拍出超過5,000幅冰晶的照片，每年年底到了特定節日，人們終於可以在窗上貼雪花形狀的窗花都是由他的照片提供想像和靈感。Bentley的雪花冰晶照片遍布知名科學期刊雜誌《國家地理》(National Geographic)、《自然》(Nature)、《大眾科學》(Popular Science)和《科學美國人》(Scientific American)及《大英百科全書》(Encyclopædia Britannica)都刊出過Bentley的雪花照片。Bentley就當中整理超過2,400多種不重複的雪花冰晶樣式的照片出版名為《雪花結晶》(Snow Crystal)的照片集，影響力及普及程度可見一斑。 在Bentley如此鉅細靡遺的工作之後，還是有人接著進行更多雪花相關研究。日本北海道大學物理學家中谷宇吉郎教授，1940年代開始在北海道進行雪花相關研究，成功研製出人造雪，同時澄清了天氣條件與雪花晶體形成過程之間的關係。1990年代之後，美國加州理工學院(California Institute of Technology)物理系教授Kenneth Libbrecht研究晶體生長的分子動力學，包括冰晶如何從水蒸氣中成長以及雪花的物理特性。Libbrecht撰寫了超過7本關於雪花主題的書。顯然人類的好奇心對於科學發展有相當程度的影響。 另外，回到現實的生活中，人類從茹毛飲血的日子開始，天天想著如何能夠順利捕獲獵物、種下穀物期望豐收，這需要許許多多科學與技術知識累積，農耕更需要充足的天文學知識來進行曆法推算，知道河流氾濫週期、雨季的持續時間、穀物的播種時刻。於是我們能看出，科學存在的另外一個目的來自於人類的生存需求(圖1)。 圖1. 科學存在的另外一個目的 科學存在的目的，出現了兩大主軸，分別是生存必要加上好奇心，成就了人類的科學發展。從科學的特性看來，我們發現傳統上科學需要提供足夠的證據來驗證理論，透過取證與論證的過程可以看出科學的特性。科學定律具有對稱性，科學理論或歸納結果需要經過同儕反覆驗證與挑戰，所以觀察找到規則之後，科學家需要說服科學社群當中的同儕，自己的論點才有可能讓更多人接受。 我們利用這個科學的本質鼓勵現場學生分組(圖2)，並參與討論。是以學生為中心的出發點設計，讓學生為了體驗科學家的生涯歷程與每日日常進行討論與學習，自然而然進入預先設計的情境與課程，同時又以扮演科學家的方法進行科學探究。 圖2. 學生分組上課中 科學家試圖取得科學證據的科學論證過程，就是一個向同儕說明「為什麼我們能夠知道?」的過程，正是探究未知的過程。我們提起幾個量化方法特殊的科學研究與學生討論究竟什麼樣的研究結果與研究結論容易取信於他人?是不是每一個科學家在研究之後的論點都那麼適切?歸納數據的方法能不能夠再討論?依照數據的結果來歸納，有沒有可能找出相反觀點的詮釋或討論?論文當中的數據量測方法能不能夠禁得起考驗?論文結果所預測的內容是不是過度推論或者根本不合邏輯? 我們以日常生活的實際物理實驗演示要求學生現場進行科學探究，立即與同組同學討論如何設計一套實驗方法來向他人證明自己的論點(圖3)。 圖3. 日常生活的實際物理實驗演示 學生對於科學演示的實例都能夠全心投入，並且想盡辦法設計各種可能立即進行的實驗來向同學驗證自己建構的模型或理論(圖4)。 圖4. 設計各種可能立即進行的實驗 這個過程幫助學生能夠理解科學理論成為定律的特性，且鼓勵學生參與課程實驗設計與討論(圖5)，為後面的系列課程鋪路。 圖5. 引導學生分組討論 為了取得科學證據，必須要有效量化我們的研究目標，測量就是過程當中自然而然必須運用的科學過程技能。許多科學研究未能取信於他人，在於量化或實驗方式不適切。我們提供案例來引導學生思考並且進行實作，實際體驗一定要做量測，否則無法取信於他人的實例。學生透過自身實作量測，都能夠快速理解為什麼必須進行量測，並且要如何以科學方式描述量測結果。 除了實驗設計與自行建立模型的過程，可用科學文獻上的實際案例來挑戰學生，幫助學生以科學家當年面對問題與實驗的立場來思索、探究問題的脈絡，找出問題，同時歸納發現當中的規則。提出論點的過程當中，最先需跟同組同學討論、分享，將自己的想法說給同學聽，試圖說服同學的過程，除了達成合作之外，更重要的是呼應科學定律的存在特性(圖6)。 圖6. 示範實驗 科學的理論幫助我們建構看待世界的觀點與模型，但是我們必須在面對既有的理論知識時，尊重眼前的實驗結果，客觀看待未知。1977年諾貝爾物理學獎得主Philip Anderson撰寫論文告訴我們，不同的系統尺度需要新的概念架構，動手實驗幫助我們更清處看出不同的系統架構當中所蘊含的科學概念與規則。避免被我們從課本當中認真習得的定理知識典範(paradigm)給制約了。我們提了實際案例，讓學生猜測科學家習以為常的理論計算結果在接近的物理條件下結果是否可能一致(圖7)。依此更可以看出實驗的重要性。 圖7. 鼓勵學生發表想法 接著是以二氧化碳誘發全球增溫的研究來幫助學生思考推論因果與科學事實的關係，有沒有更多可能性來看待數據或者已經既定的許多科學看法與角度。看到事實結果之後，應該如何解讀數據也是重要的科學態度與科學本質的理解。 在課程最後，除了提醒科學的發展歷程與科學探究的方法來幫助我們理解科學的本質，同時也跟現場的女學生談起成事的態度。希望我們能夠期許自己努力並且保持思維靈活與客觀，永遠都能夠有多個解決方案與觀點(圖8)，在山重水複疑無路的時候，總有柳暗花明又一村出現。 圖8. 示範如何有多個解決方案與觀點

趣味科學實作課程的溫柔體驗

文/葛士瑋 台北市內湖高工教師 科學領域中，女性的溫柔力量一直不可或缺。因此，提升女性學習科學所需的實作能力，將有助於提升女性科學學習與理解，透過有趣的DIY課程設計、安全且簡單的工程技術訓練，讓女性具備完成電路組裝的基本能力，並在學習過程中能獲得達成目標的自信。發揮女性細心的特質，運用工程技術完成組裝，並透過科技方法來探究科學原理，以具象化的學習方式理解物理知識，達成實作課程的溫柔體驗。 光學的物理知識相當豐富且多元，許多現象更貼近我們的日常生活，尤其以光所形成的色彩變化，讓人們看見了美麗的世界。這是因為「可見光」是人類肉眼唯一可見的電磁波，所以物理領域當中，光的色彩現象往往可以吸引眾人的目光，不論是幼童、小孩、青年、長者們，都會因視覺的感受而覺得好奇。基於對光學物理知識的好奇心，更可以吸引學生的投入參與，進而透過有效的學習理解其中的物理原理。因此，如何透過有趣、可動手參與及親身探究的學習過程，讓學生運用自己的能力尋找問題的答案，並理解其中物理知識，尤其是如何讓細心的女性在學習物理的過程中，能跳脫傳統學習框架，展現出女性精巧的動手作能力、運用科技工具完成電路組裝(圖1)，並親自感受與探究，透過DIY的科學與實作體驗來驗證物理知識，進而體會物理之美與世界的連結。 圖1. 透過DIY課程完成色光混和探究活動所需的電路 突破傳統課程的溫柔體驗 在傳統物理學習過程中，講述式教學讓學生難以想像許多物理現象，使得學生在學習上難以體會老師所要傳達的物理知識、核心概念，這也引起許多學生在學習物理知識過程的產生迷思概念，認真的學生更是辛苦地背誦物理知識原理，以應付各種測驗與考試。這樣的學習方式，不僅無法讓學生有效地學習物理知識真正的意涵，甚至抹煞了學生學習物理的興趣與熱誠。因此，許多教師都在思考如何能透過有趣的教學活動，引發學生學習動機，並能理解物理的知識內涵。然而，這樣的目標需要的是一群老師們的投入與努力，其中更包含了跨領域的知識交流與合作，而且為了要讓不同學習對象對課程感到有趣，在沒有學習壓力下，愉快地投入學習活動，更需要課程設計老師們的豐富教學經驗。 關於「不同的學習對象」，曾經在女校服務過的物理老師們，總會提到一個話題就是「如何引起女性學習科學的興趣」是一件重要的事，因為唯有先引起學生的興趣，才能進一步引導學生學習。物理科學的學習過程可藉由科學探究活動，讓學習者獲得更多正確的物理知識的體現，其中實作課程更是讓學生由作中學，發現科學的原理是經過許多努力才能達成現在的成果。然而多數女性在學習科學過程，因缺乏機會或信心參與實作課程或實驗，而對科學原理未能全面的理解，其實相當的可惜。有鑑於此，設計有趣的科學動手做課程(圖2)，以符合女性科學實作能力進行科學探究(圖3)，將可大幅提升女性學習科學的信心與成就，增加女性投入科學學習的機會，培育出更多優秀女性科學研究人才，讓更多「溫柔力量」投入於科學領域，豐富科學研究領域的人才。 圖3. 以模組電路探究色光混和的色彩感受 物理科學動手做—實作基礎技術教學 實作課程初體驗 為了引起女性科學學習的興趣，提升科學實作能力，DIY課程設計需考量女性學習者的工具使用技巧，因此在課程進行之前，基礎工具運用的教學相當重要，首先教導學生正確運用電路組裝工具：電烙鐵、電烙鐵支架與清潔木漿海綿(圖4)，以及正確的電烙鐵清潔(圖5，youtube影片連結可掃描QR code 1)、電烙鐵焊接的技巧(圖6，youtube影片連結可掃描QR code 2)。由於電烙鐵溫度約250℃，必須提醒參與課程活動的女性學員在安全的規範下操作，讓女性學員克服對路高溫烙鐵的恐懼，嘗試動手使用電烙鐵練習焊接技巧，是實作課程中要的第一步。 圖4. 基礎焊接技術所需的工具：電烙鐵、電烙鐵支架與清潔木漿海綿 圖5. 焊接過程中需透過清潔電烙鐵來維持焊接點的品質(youtube影片連結可掃描QR code 1) 圖6. 使用電烙鐵進行電子元件針腳與印刷電路板的焊接練習(youtube影片連結可掃描QR code 2) 學員在練習焊接過程中，於每一個焊點上熔化適量的焊錫，因焊錫是透過高溫的電烙鐵將固態的合金熔化，並在凝固後能與印刷電路版(PCB)上的銅箔、電子元件的針腳(pin)結合的重要媒介，若焊錫的用量太多或不足都會導致焊接的失敗。所以，在練習電烙鐵熔化焊錫的技巧時，教師首先提供多孔的印刷電路板，讓學員依序在電路板上的銅箔焊上焊錫，並檢視焊接點外觀與焊錫用量，藉此評估學員是否能正確運用電烙鐵與控制每一個焊接點焊錫的使用量(圖7)。 圖7. 學員使用適量的焊錫完成多孔印刷電路板銅箔上的焊接點 在反覆的焊接過程中，電烙鐵的尖端會殘留許多熔化的焊錫，因此學員是否能正確的清潔電烙鐵尖端也會引響焊接組裝的成功與否，所以教師在授課過程中亦觀察學員是否能有效的運用烙鐵架上的木漿海綿進行電烙鐵清潔，並能掌握技巧在木漿海綿上移動高溫的電烙鐵，並同時些微轉動電烙鐵尖端，確實將熔化的焊錫清除。女性學員在剛開始接觸高溫電烙鐵時，會因害怕燙傷而使得動作不流暢，但是在多次的焊接點練習後，逐漸掌握焊接工具的操作要訣後，皆能流暢地清潔電烙鐵，完成外觀完整且適量的焊接點，並融入女性學員細心的一面，仔細觀察不同焊接點的好壞是基於操作方式的差異，耐心地完成漂亮的焊接練習，接著更能焊接電子元件的針腳與印刷電路版，透過熔化適量的焊錫達到固定與電路通路的作用(圖8)。 圖8. 女性學員練習將各式電子元件確實焊接於電路板上 教師亦需提醒學員電烙鐵接觸電子元件的時間不宜過長，否則可能導致電子元件因過熱損壞，所以焊接動作的流暢相當重要，否則常因為電烙鐵停留在電子元件或印刷電烙版的時間過長，造成元件損壞或焊錫過量進而導致電路組裝問題。課程中觀察到女性學員皆能依據焊接技術的練習，先將色碼電阻的針腳放入電路板後，於電路板背面銅箔處進行焊接，確實地將電子元件的針腳與電路板上銅箔結合。觀察女性學員第一次使用電烙鐵焊接過程，發現經過練習後女性學員對於焊接技術愈來愈有自信，雖然焊接過程中偶有缺失，但學員們都能透過不斷的反覆練習，逐漸地完成完美的焊接練習作品，也讓老師們看到女性學員對於學習新技術的認真與努力之外，更多了一份希望作品美觀的細心。因為即使是焊接練習作品，許多女性學員仍然仔細地讓每一個焊接點都能完美呈現(圖9)。 圖9. 學員仔細的完成每一個焊接點，展現出力求完美的精神 物理科學動手做--DIY 迷你LED調色裝置組裝 完成基礎焊接技術的訓練後，參與DIY課程的女性學員對於自己的焊接技術都具有相當的信心。因此，在後續的迷你LED調色裝置電路組裝課程中，皆能依循授課老師的教學步驟，逐步完成各式電子元件的焊接。課程實施中觀察到女性學員第一次接觸各式電子元件的好奇心，對於能夠一窺這些隱藏在日常生活各式科技產品中的電子元件都感到相當有趣，因此在焊接每一個電子元件之前，老師都會介紹電子元件的功能、特性，以及相關物理原理，讓女性學員認識各類電子元件。這樣的授課方式不僅能確保每一焊接步驟的成功，也能學習到這些電子元件的科技內涵，例如：(1)焊接色碼電阻的步驟，會先介紹10種色彩條碼(黑、棕、紅、橙、黃、綠、藍、子、灰、白)分別代表數字0~9，而金、銀分別代表電阻誤差值5%與10%，將金色條紋一端置於右側，從左端看來前兩條色彩條紋代表一組二位數值，第三條色彩條紋則為10的次方倍率，將二位數與倍率相乘後，即為色碼電阻所代表的理論電阻值(圖10)；(2)焊接三色LED的步驟，須先了解三色LED是由三個紅、綠、藍三色LED共同封裝，在設計上為了簡化接腳而將正極部分共用(市面上也有負極共用的款式)，可由外觀造型判斷出共同正極，並焊接於電路板上正確位置(圖11)。透過組裝活動有助於女性學員更了解物理科學是如何廣泛的應用於現代科技中，並能培養未來學習所需的基礎科技素養。 圖10. 教導學員透過色碼表來計算色碼電阻的理論電阻值 圖11. 三色LED的共同正極針腳外觀與焊接 在DIY課程進行過程中，女性學員隨著成功焊接每一個電子元件而逐漸完成的電路裝置，臉上除了專注的神情，更洋溢著學習的快樂。當然組裝過程也不乏遭遇許多困難，例如：不小心添加過多焊錫，導致電子元件針腳焊接點相連；細小的積體電路(IC)針腳組裝困難；發光二極體(LED)的針腳間距與焊接點空間。這些組裝過程的問題，在老師的協助下逐一排除。女性學員也透過觀察問題解決過程更進一步了解工程技術的細節，這些實作過程中才能發現的小問題讓女性學員體會，看似簡單的焊接背後其實潛藏著許多細節需要注意，而且這些細節更會影響著後續裝置電路的功能是否能正常運作。 經過正確的電路組裝後，學員均能在課程時間內完成迷你LED調色裝置，並透過裝置進行LED色彩控制與色光混和測試(圖12)，探究有關光與顏色的變化。不同於傳統的色光教學模式，僅是透過三原色的色輪圖背誦色光的混和，學員能透過調整LED混光裝置中紅、綠、藍三原色的亮度，以探究活動來理解色光三原色的混和與眼睛感受的色彩變化。女性學員在進行光與色彩的科學探究活動時(圖13)，除了測試讓兩種色光混和所形成的混色結果-洋紅(紅+藍)、青(藍+綠)、黃(紅+綠)之外，也仔細觀察到色光的亮度對眼睛所感受的色彩有所影響，並討論可能是由於眼睛對於亮度感受的影響造成，這樣的討論與對話是傳統教學過程中學生難以由教師的知識講述中獲得的結果。其實色彩的亮度會影響眼睛中視網膜對於色彩的視覺感受，原因是視網膜上除了感覺三原色的錐狀感光細胞之外，還有感受亮度的柱狀細胞，當處於亮度不足的環境下，錐狀細胞沒有足夠的光來感受色彩，僅能靠柱狀細胞感作用，所以對於色彩的感覺會受到影響。 圖12. 測試組裝完成的電路模組，並調整三原色的光強度變化 圖13. 利用迷你LED調色裝置探究色彩變化的光學現象 結語 透過有趣的DIY組裝實作課程，不僅提供女性科學學習的新體驗與應用科技技術進行工程組裝，也能思考更多探究活動中所發現的科學問題，並嘗試尋找可能的答案。女性細心的科學學習特質在DIY實課程中，不僅仔細的學習焊接技術，於練習過程中掌握各類工具的使用技巧，更將技術用於電路組裝上，展現了穩定與耐心的一面，克服焊接過程中遭遇的困難，將迷你LED調色裝置電路組裝完成，並透過裝置來探究科學現象背後所蘊含的物理原理。重要是的在這樣有趣的DIY實作課程中，女性有機會學習到新的知識與技術，並將所學融入於科學活動中，展現女性的溫柔力量在學習新興科技與科學知識上具有相當優異的表現。

自造你的科學實驗

賴雲立/ 新北市江翠國中自然科教師 想像中的科學課程是什麼樣貌呢? 如果可以自己決定要怎麼量測數據，再做出所需的實驗儀器，並且測量後還可以改良修正它，這樣的活動會不會很有趣呢? 以上的想法在數位加工工具的普及，以及微控制器、感測器的利用門檻大幅降低後，已經能夠很方便地實現。這次藉由女性科學計畫的機會，分享一些實施的想法與設計，其中所需器材都是容易取得或是易於製作而平價的，因此實施時每名女學生都能有自己的儀器可使用，測量出自己操作得來的數據。這樣的器材也方便在日常生活中就能使用，隨時隨地都能科學一下。 光譜儀與顏色觀察 在物理課程中，光學總能引起大家的興趣。多彩的色光透過光譜儀可以解構出潛藏其中的奧秘。課程開始先複習色光與波長的關係，光柵的原理以及如何利用光柵，例如光碟片如何當成光柵，利用光柵片將色光分開(圖1)。 圖1. 製作三原色燈，調整色光比例後觀察光譜 接著請學生自己動手做出簡易的光譜儀(圖2)，零件是利用雷射雕刻機，按照事先畫好的設計圖，製作出來。 圖2. 分組實作光譜儀 分組後的女學生能夠合作及互相協助，使得每一名女學生都能將零件順利地組裝好，之後再利用轉接的夾具夾上智慧型手機的鏡頭(圖3)。 圖3. 自製透射式光譜儀與手機轉接拍攝夾具 利用手機下載應用程式，開啟應用程式後，就著日光燈光源的光譜做波長校正。校正之後的光譜儀就可以拿來觀測各種光源，得出波長(顏色)與強度的關係(圖4)。 圖4. 利用日光燈進行波長校正後結果 自製光譜儀雖然簡單，但也能達到一定的準確度，可以使用紅、綠光雷射筆或氣體光譜管來觀察測量(圖5)。不同顏色的光、不同顏料的顏色，在手上的光譜儀會呈現什麼樣的差異呢? 圖5. 測量不同色光的波長 另外，自製的光譜儀還有個有趣的部分，前端入光的狹縫寬度是可以自行更換的，狹縫的寬窄會影響入光量及光譜儀的解析能力。 在科學實作上，女性的特質有著更好的發揮，溫柔、仔細、體諒及合作，都能夠讓實驗更佳的完善。 數位溫度計製作與冷卻定律的觀察 溫度與熱跟我們的生活息息相關，設想一個生活中的情境：如果泡好的熱咖啡要混合冰涼的牛奶，應該怎麼樣混合，才能在一段時間後，喝到溫度最低的咖啡牛奶? 是要立即加在一起? 還是分別放著，要喝前再行混合呢? 這個問題可以研究思考一下牛頓冷卻、物質比熱等種種因素來解決，或是我們可以利用自製的數位溫度計直接把結果做出來(圖6)。 圖6. 溫度計測量並利用手機即時呈現熱水與溫水的降溫曲線 數位溫度計是結合溫度感測器與可程式控制的微控制器製作的(圖7)。 圖7. 數位溫度計實做 比起常用的溫度計，最大的好處是數據可以無線傳輸至手機，並且即時在螢幕上秀出溫度變化的圖形，之後也可以下載數據利用軟體進行後續的分析處理。省去大量的紙筆紀錄工作，並且視需要增加感測器數量，還可以同時量測到多種液體的溫度變化(圖8)。所以，準備好您的咖啡與牛奶，來場探索與美味之旅吧。 圖8. 數位溫度計完成圖 以上介紹的實驗器材，因為是自行設計組裝的，所以當發現那裡可以改善時，隨時可以再調整精進。這樣的器材會隨著操作者成長，而操作者技術提升了，儀器也會量測得更好。對於此次參與科學實作工作坊的女同學，能夠動手做出自己的儀器，好好利用它，真是這個時代最幸福也最有趣的事。

女生愛科學

文/謝迺岳 新竹高中物理教師 男女大不同，在科學的學、用、教都有差異。女生對保養品科學有好感，男生對食品科學有興趣；女生對小動物有愛心，男生看到蟲與蛇都想打扁；女生可以安份地玩拚圖，男生只想做弓箭來相互攻擊。女生總是覺得體重計不準，對距離缺乏概念；男生則喜歡拚速度，約會卻經常誤了時間。 女生比男生感性，覺得什麼都美，但容易為課業、工作、家庭而陷入憂慮的心態中。科學是一種理性的思維與正向的態度，能讓我們天天過著快樂的生活。所以讓女生多接觸科學，不論小女孩還是年長婦女，對她們的健康以及家庭與社會的安定必然有幫助。 圖1：女孩的科學學習成就高，但是從事科技工作的女生少。（火柴玩科學） 兩性的基本差異：女生較為優雅 女生們上課較為專注，操作較為細緻；實驗桌面和地面總是維持整齊，下課後也會主動幫忙清潔。這些品德基於天性，也來自家教。在親子科學班有一位媽媽總是在課後帶著女兒們幫忙打掃教室，甚至兩歲女兒握的掃把比她的個兒還高；這位媽媽說她教女兒只有兩個字—優雅。 圖2：女生喜歡美好的事物，較為優雅。（光學） 優雅讓女孩變得端莊，也讓她們走在安全的道路上；在實驗課中，女生通常比男生不易受傷。男生常在沒聽完指示的情況下就操作，或者亂配化學藥品；雖然莾撞的後果是危險，但是男生較願意嘗試，也常有新的發現。 科學的第一步是「觀察」。在製作汽水的科學活動中，我一定要求大家先觀察小蘇打；即使我已經暗示這是食品級的原料，但是只有極少數人用手摸，更沒有人用口嚐。經過解說後，接著觀察檸檬酸時，絕大多數男生都會嚐一小口，然後酸得他們吐舌做鬼臉；而女生們仍然觀望。 男生對有興趣的事會很專注並具有耐心，所以往往「專家」都是男生；而一事無成的人大多數也是男生。女生對老師交代的事都很用心，所以學業成績很平均，頂尖的女生即使不多，學習成就低落的人卻很少。在把一張紙分成兩半的活動中，男生會用手撕開，女生則用剪刀，所以比較整齊而平均。當要求學生把一張紙牌剪成一個大環時，女生的紙環大多比男生的大；男生往往剪破紙牌而失敗，但是最大的環往往出自於男生。 圖3：女生的觀察方法較為保守，一旦懂得就敢放手去做。（糖玩科學） 圖4：女生的手很巧，因為她們觀察入微。（撲克牌玩科學） 性別差異在實驗操作上非常顯著。男生具有廣度，所以許多動手做的活動男生容易上手，需要出力氣時（如投擲與劈斷）男生也較佔優勢。女生具有深度，所以對單一命題的深入探索，女生就能專注地鑽研。 在竹筷的科學實驗中，女生不易折斷竹筷，但是利用兩手姆指指尖抵住竹筷的中央，輕輕一扳就應聲而斷；或是利用桌緣，藉體重往下壓也容易折斷竹筷。由此可見科學可以幫忙，使弱女子變強，從而拉近兩性的天生差異。 兩性的合作分工：女生較能合作 女生不必和男生爭強。用竹筷來玩兩性的遊戲：把一支竹筷和半支竹筷併攏直立在桌上。讓兩支竹筷同時傾斜5度，快速放手讓它們倒下，結果短的竹筷會先著地。長竹筷代表個子比較高的男人，所以這個實驗顯示女生比男人容易跌倒。 操作前，請學生猜猜誰會先倒下；然後實做而得知答案。接著問學生：就像短的竹筷先倒下，所以個子矮、重心低的女生容易倒；那麼男生是否應該要讓女生？大多數男生回答不要，而女生則說不必要。再問：為何女生重心低？總有男生回答：屁股大！最後再問：為何女生會有大屁股？答案浮現了：女人負責生小孩！那麼，男生當然要負責保護女生。 在生理上，男女是分工的。女人生育並哺育嬰兒，男人負責護衛與供養全家。所以在天性上，男人必須與其他動物競爭而演化出強大力量，並積極開拓疆土以獲得更多且穩定的資源。女人則必須謹慎保存並使用已有的資源，且照顧所有的家庭成員。 許多調查發現，女生的理科成績其實比男生好；但是在學術與工程界仍然以男性居多，原因是社會的期望與現實使女生更為關注家庭，較難埋首學術或從事工程的離群生活。 圖5：女生版的折竹筷方法，善用體重，省力又安全。（竹筷玩科學） 圖6：女孩天生重視家庭，樂於分享。（糖玩科學） 為什麼即使是一個小女生都比男生會帶小孩？原來女生的保守性格，在科學學習上會一試再試，當學會技能且覺得夠用後，就希望學習其他事物。在社區大學的女學員人數比男學員多，在各種研習時也有同樣現象。女生的顧家性格使她願意分享，也願意教別人；於是女性會有許多朋友，有事情時總會有人陪在身旁。相反的，男性常希望成為第一，他們怯於向別人請教，大多自學，因此男生學到的知能很實在。另一方向，別指望男生教別人，除非確定對方的程度比他低，不會變成競爭對手；但對方的程度也不能差太多，否則男生容易失去耐性。 圖7：女生有較多朋友，更擁有家人滿滿的愛。（鹽玩科學） 我們不應要求兩性平等，而應是平權！所以讓女生帶小孩與管理家產是公平的；而家事與經濟要合作，男女適性分工，而非平均分攤。在科學的學習上也是一樣，單性的分組與男女分校會造成較大的差異，除非特別要訓練女性的理性與技能，或者培養男生的專注與細心。所以混合性別與混齡分組，對每一個成員都會有極大的幫助。 兩性的相互欣賞：女生較有愛心 在混合性別的學習小組中，男生與女生可以分工合作與相互欣賞。例如在培養晶體或靜電實驗中，女生能捐獻長頭髮。在無字天書的活動中，男生較不會寫出不雅的文句。需要力氣的場合或天馬行空的創意時，可以讓男生表現。對於美化的活動如海底花園（水玻璃），女生就能有更為細緻與平衡的展現。 對於某些不能用手碰的物質（如硫酸銅），老師說它具有殺精作用，男生不要摸；這時總會有男生說是否女生可以摸，然後再來碰男生？實驗課時，老師都會提醒學生注意安全，但是對於新事物也要勇於接觸，至少要看看和聞聞。有女生在，男生受到鼓舞變得更為勇敢；有男生在，女生也可以獲得操作的參考與勇敢的榜樣。 圖8：女生注重清潔，更在意環境的保護與永續。（鹽玩科學） 男生大多敢做點火與放炮等刺激活動，而這些似乎危險的活動正是成長的必要歷程。有一種「轉大人」的活動，是讓學生用手指頭把燭火捏熄；且規定男生必修，女生選修；因為男生顯現勇氣，將來較能獨立；女生雖然不必挑戰男生，但是若能做到男生會做的事，就能更了解男性，未來更易與男性合作。 圖9：女生較不願做冒險的事，但是必要時女生會更勇敢。（紙玩科學） 女生較有愛心，在製作活性碳的活動後的畫圖活動中，或在鐡罐上刻出圖案再用硫酸銅置換時，很多女生會畫愛心。在玩折射實驗時，請學生刺破水晶寶寶，曾有幾位國中女生一面刺一面說：水晶寶寶對不起！對於有趣的玩具，女生大多願意帶回家分享給弟弟妹妹。女生較不會浪費實驗器材，環保的實踐更顯現她們對地球與眾生的大愛。 女生看到夕陽與彩霞會覺得美，男生大多想要去解釋那是光的散射現象；其實女生求美，男生求真，都是善！女生冷靜，男生衝動，對生存都有利。青春期以後，男生對很多事都會與性作聯想，也不是壞事；因為沒有性衝動，人類就會滅絕。只有要適度的約束與引導，讓兩性相互欣賞與尊重，並且設立共同的目標與願景，學習與生活都能有良好的進程。 圖10：女生有愛心、耐心與恆心。（鹽玩科學） 學科學趨利避害：女生較為謹慎 科學教育包括三個向度：知識、能力與態度。小時候學科學，因為能讓我們對世界有更多更有效的認識，也培養出應對變化的方法。長大成人以後繼續接觸科學，能讓我們有成就感、喜悅心、正向與定力。 每個人從出生到過世，每一天從起床到就寢，科學無所不在，更是指導人們四生（生存、生計、生活與生命）的重要準則。人們的七大基本生活需求（食、衣、住、行、育、樂、醫）有了科學的指導，就會更安全、更有效、也不易被廣告欺騙。 圖11：小女生怕火，長大後常常用火，但不玩火。（糖玩科學） 家門外，男人掌握了方向盤；在家裡，女人是最好的調理師。從生理以及原始社會模式來理解，男人必須有好勝心，才能養家活口；而社會期望男性出人頭地的壓力，終於使男人在各領域傑出。女生外觀柔弱、能隱藏、願退讓，實則內在堅強，能撐起家計並使家庭穩固，也使女生的平均餘命比較長。 在社區大學的親子科學班中，新的班員大多是父親開車載家人前來，而母親陪伴孩子們學習。偶而父親必須代替母親隨班上課後，發現了科學課程的探索樂趣，就逐漸變成父親陪同孩子，或全家人同時參加。父母對子女的教育方式不同，具有互補的作用；所以若是全家一起上課，讓「小手牽大手」，小孩有創意、大人有經驗；爸爸動手做、管秩序；媽媽顧安全、幫整潔，也是很好的團隊學習模式。 圖12：親子共學是讓女孩啟蒙科學的好方法。（童玩的科學） 學科學會讓人更快樂！在國立新竹高中曾做過一次「快樂指數」的問卷調查，對象是全校教師。結果發現理科教師的快樂指數最高，男教師比女教師的快樂指數高，而新進教師與即將退休的教師快樂指數也相對較高。深入訪談後發現，女教師會把家庭視為最優先，教學僅是工作；男教師常把教學放在首位，投入較多精力，甚至成為興趣。 像電腦的多工運作，女生可以同時關心許多事，所以常會陷入糾纒不清的思路亂局。科學的訓練，讓我們在遇到困擾時，立刻分析是否有解決的方法；若能解決就去做，若不能解決就讓它順性發展，也就不須再煩惱了。 所以，如果我們認同女孩學科學有益，就應讓女孩有更多學習科學的機會。可以鼓勵女孩多參與科學社團，或由父母陪伴參加社區大學的科學課程。世界主要由兩性構成，既然生而不同，教學的方法就可以不同；為女孩編寫獨立的教科書，或設計女性的科學競賽與活動，或許也是可以思考的方向。 圖13：小學階段，男女差異不大，容易相互合作。（鹽玩科學） 圖14：由於兩性互補，可以考慮在科學課程作部分分流。（鹽玩科學）

玩出創意5：50個魔法科學實作

文/白榮銓 臺中市居仁國中退休教師 依據「十二年國教自然科學領域課程綱要草案」，學習重點除了涵蓋「科學核心概念」之學習內容之外，更重視各學習階段學習者，面對科學相關議題時，展現的「科學探究能力」與「科學的態度與本質」之學習表現。即自然科學課程應引導學習者，經由探究、實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。到底要如何在科學實作中玩出創意？科學探究要如何融入科學實作？ 本書作者許良榮是國立台中教育大學科學教育與應用學系教授，致力於科學遊戲、科學魔術、科學概念診斷與學習、科學史與科學本質等研究領域。本書是「玩出創意」系列第五集，內容涵蓋七大類（共50項）的實作科學實驗。各單元包含：操作過程、原理說明、叮嚀的話以及參考資料。實驗主題涵蓋：力、水、電磁、光、空氣、化學及其他等，每一單元皆包含：可供讀者下載觀賞實驗影片的QRC、所需器材、操作過程與現象、製作方法、原理、叮嚀的話以及參考資料等。到底這些科學實作，能帶給學生那些體驗、驚喜和領悟？ 培養科學探究的興趣 本書「袋鼠下坡」單元，是「步行下坡」（ramp walker）系列玩具之一，袋鼠玩具的前後腳掌皆為圓弧形，當袋鼠玩具置於斜坡頂點時，隨著下坡的運動過程，前後腳會交替接觸斜坡（即輪流做為支點），呈現前後搖擺的趣味姿態（影片連結）。製作時，以飛機木為材料，裁切出袋鼠的身體和雙腳，最後以竹籤和鐵絲組裝起來（圖1）。 圖1.袋鼠下坡玩具（圖片來源：許良榮教授） 「袋鼠下坡」身體前後搖擺的原理，以分解動作（圖2）說明如下： （1）一開始以後腳為支點，此時重心在支點的右側，故袋鼠頭部朝下運動，前腳會向前著地； （2）前腳為支點，重心在支點的左側，故後腳由於本身的重量往下掉，往前腳靠近； （3）由於重心在支點的左側，故袋鼠會尾巴朝下、頭部朝上，以及前腳往前跨出一步； （4）此時支點轉移到後腳，重心在支點的右側，故袋鼠會發生尾巴朝上、頭部朝下的運動。反覆上述步驟，就形成袋鼠前後搖擺的步行下坡現象。 圖2.袋鼠下坡原理（圖片來源：許良榮教授） 本書的「紙杯下坡」單元，可視為「袋鼠下坡」單元透過創造力的「轉換」（transfer）原則，即「將某領域的做事原理，應用到另一個領域」，設計出來的動手做活動（影片連結）。 製作步驟（圖3）如下：以竹籤插入瓦楞板的頂端，再貫穿紙杯中央，瓦楞板必須可以在紙杯內自由轉動；在紙杯內側分別黏貼兩塊保麗龍，以限制瓦楞板的左右擺動幅度；左邊的保麗龍不要超出杯底，插入長腳圖釘，以調整杯子的重心偏向左側；右邊的保麗龍要凸出杯底約0.2公分，而且要以美工刀將底部修成圓弧狀。 圖3. 紙杯下坡裝置示意圖（圖片來源：許良榮教授） 將製作完成的裝置，放在斜坡上，紙杯中央能夠自由轉動的瓦楞板，如同袋鼠的後腳；紙杯底前端的保麗龍，則如同袋鼠的前腳；故紙杯口能反覆一開一合地步行下坡。如果紙杯內的瓦楞板、保麗龍的底部傾斜不平整，則紙杯下坡時就會歪歪斜斜。可以指導學生探究「重心位置」對於「下坡的速度」有何影響。 「Toys from Trash」網站透過創造力的「減少」（reduce）原則，即「變少或減小原有事物的大小、長度、重量、數量、比例等」，設計出更簡單的「走斜坡」（walking the ramp，網址）動手做活動。 製作步驟（圖4）如下：以厚度0.25公釐的透明塑膠片為材料，依網站提供的圖型輪廓剪下來，再摺疊出四條腿、頸部、頭部和尾巴等部位；然後以彩色膠帶美化外觀，或者以油性簽字筆畫上自己喜歡的圖案；最後取一支兩端添加少許黏土的竹籤，以膠帶黏貼在「身體」的中央。 圖4.「走斜坡」玩具（圖片來源） 實驗時，斜坡以保麗龍板較佳，因為摩擦力較大，成品才能振動下坡（影片連結）。 注意調整竹籤上的黏土重量，若黏土太多，則可能壓垮成品；若黏土太少，則振動幅度太小。 指導學生探究： （1）改變不同光滑程度的斜坡材料，觀察對於振動下坡的影響為何？ （2）若作品無法在一直線上直走下坡，則可能有那些影響因素？要如何調整？ （3）採分組競賽，看看誰的作品可以走最快（或最慢）？在相同的距離，誰的作品走了最多步？ 2017年，遠哲趣味科學競賽有一項「下坡玩具大車拼」（影片連結），參賽者以規定的材料（竹籤、黏土、吸管、塑膠板、西卡紙）設計並製作步行下坡、振動下坡玩具，並經由調整重心位置、質量分布、轉動角度等變因，使下坡玩具分別於「步行下坡慢慢走」及「步行下坡快快走」活動中，能以最慢及最快速度，一步一步的往下走。此項「創意競賽」不限定材料，參賽者可以發揮創意，自行設計下坡玩具及斜坡，使下坡玩具能沿著斜坡往下走，也可以將外型予以美化、趣味化，或可發想將本活動之概念，設計成具有實用性之用品。 英國「Grand Illusion」玩具網站，曾推出一款壓克力材質製成的透明盒子，表面有規則排列的半圓凸狀，呈「45度傾斜」排列，稱為「拷貝編碼器」（copycoder）。表面半圓凸狀的結構，目的是「利用圓柱體的折射原理，能將文字進行編碼和解碼」。編碼時，使用者只要將拷貝編碼器置於文字訊息上方，即可呈現出一大堆亂碼的影像；或者到「Copycoder Message Creation Page」網站（網址），輸入想要傳遞的英文文字訊息（中文無法正常編碼），就能得到編碼後的影像（圖5），然後寄給對方。解碼時，只要將拷貝編碼器置於亂碼圖像上，就能辨認出原來的文字訊息（圖6）。 圖5. THANK YOU經過編碼後的圖像 圖6. 經過拷貝編碼器解碼後的圖像（圖片來源：許良榮教授） 「拷貝編碼器」須至國外網站網購，耗時又耗費，其實只要了解拷貝編碼器的原理，就能使用「壓克力圓棒」為材料自行製作。值得注意的是：國外拷貝編碼器表面的半圓凸狀，呈現「45度傾斜」平行排列，文字編碼則沒有傾斜。自行製作時，若同樣將壓克力圓棒傾斜排列，則每根圓柱體的長短不一，剪裁相當麻煩又可能不整齊。本書自製的「密碼編碼器」單元，透過創造力的「轉向」（change direction）原則，即「對一件事物轉個角度來看，藉由角度的轉變而產生新的觀念或物品」的動手做活動，將文字改以「45度傾斜」編碼（圖7），而壓克力圓棒則改為「垂直排列」，這樣產生的編碼和解碼（圖8）效果，相當於國外購買的拷貝編碼器（影片連結）。 圖7.編碼的「天天開心」（圖片來源：許良榮教授） 圖8.解碼後的「天天開心」（圖片來源：白榮銓老師） 至於詳細的製作方法及原理，請參考本書作者在本刊第56卷第4期發表的《教學現場：密碼解碼器》（網址）。中文的文字除了能透過編碼器編碼之外，還能夠透過影像處理軟體（例如PhotoImpact X3）製作，但是為了節省教學準備時間，本書提供現成的「密碼紙圖檔」（共12頁）網址，只要下載列印出來，即可供「密碼解碼器」解碼之用。 由上述可知，透過創造力的「轉換、減少、轉向」等原則，能夠激發創意，將國外的玩具轉化為適合國小、國中程度的動手做活動。活動的目的是讓不同學習階段的學生，能透過科學探索瞭解現象發生的原因或機制，並滿足好奇心；同時能透過成功的科學探索經驗，感受自然科學學習的樂趣。即學生能透過動手實作，感受以成品表現自己構想的樂趣，並透過解決問題或驗證自己想法，獲得成就感及增強自信心。 提升科學探究的能力 普通的噴泉是應用連通管的原理，即利用管子將高處水源的水，引到低處，因為高處水源的水面，高於低處水源的水面，所以會發生噴泉的現象，由於能量的損失，普通噴泉噴出的水位高度，通常低於高處水源的水面。若高處水源的水面，與噴泉噴嘴處的高度差為h，則這段高度差水柱所產生的壓力差hd（d：水的密度），就能造成噴泉向上噴發。 但是水源一定要高於噴嘴，才能產生噴泉嗎？古希臘數學家、物理學家和工程師希羅（Heron of Alexandria, 約10-70 AD），發明了水源低於噴嘴的噴泉，稱為希羅噴泉（Heron's fountain）。這項偉大的發明符合了創造力的「逆向」（reverse）原則，即「將現存的事物或觀念以反轉的方式思考，或是力學機制的反轉使用，是一種不侷限於現有機械的反轉運作」。希羅噴泉（圖9）包含三個組件：噴水口A盆、水源B瓶以及氣壓源C瓶，各個瓶口和水管的連接處，必須確實密封，否則實驗無法成功，當B瓶入水約八分滿時，就能在噴水口A盆產生噴泉。 圖9. 希羅噴泉結構示意圖（圖片來源：許良榮教授） 實驗時，將水由上往下，緩緩倒入A盆，這些水會經由通往C瓶的管子流入C瓶（A、C瓶水面的壓力差h1d）；隨著C瓶內的水位上升，C瓶內的空氣受到擠壓，空氣經由通往B瓶的管子流入B瓶；B瓶內的水面受到來自C瓶空氣的擠壓，經由通往A盆的管子往上流往A盆（A、B瓶水面的壓力差h2d），由於h1d>h2d，所以水會由噴嘴口噴出，形成噴泉。若C瓶的位置愈低，則h1d-h2d愈大，噴泉就會噴得愈高。 本書的「希羅噴泉」單元，使用的材料，包含：寶特瓶、吸管、細透明水管、滴管（做為噴嘴），須以熱熔膠粘封透明水管、吸管和寶特瓶的接口處，使其沒有任何縫隙，否則實驗無法成功。 實驗步驟（圖10）如下： 圖10. 寶特瓶組裝的希羅噴泉（圖片來源：許良榮教授） （1）先將水倒入A盆，水會自動流入C瓶； （2）當C瓶內水位約八分滿，倒立整個裝置； （3）使C瓶的水，全部流入B瓶； （4）再將整套裝置轉為正立，然後緩緩倒水入A盆，注意水位不能高於噴嘴口，就能在A盆的噴嘴看見噴泉現象（影片連結），實驗原理如上段所述。 教學時可以採取分組競賽，看看那一組製作的成品，噴泉的高度最高，或是噴泉持續的時間最久。 2015年8月，英國「每日電訊報」（The Telegraph）網站，刊登一篇《如何將手機變成3D全像投影機》（How to turn your phone into a 3D hologram projector）的動手做活動，可視為利用創造力的「延伸」（extend）原則，即「將一個現存的事物，加以擴大，可以是有形的外在尺寸，也可以是將功能或效能的擴大」。此篇文章介紹以透明單片光碟盒為材料，裁切成四片梯型，再以膠帶固定成梯形立體錐，置於平放的手機螢幕上，然後到YouTube搜尋全像影片（hologram video）播放，在光線較暗的環境下，能夠在手機上方的立體錐內，看到浮空幻影（圖11）。 圖11. 手機螢幕上方的浮空幻影（圖片來源） 其實，早在19世紀60年代，英國科學家和發明家佩珀爾（John Pepper, 1821-1900），就展示了一種能在劇場和魔術表演中，產生幻覺的技術，他使用平面鏡和燈光設置，能讓舞臺上的物體消失或復現，這項技術稱為「佩珀爾幻象」（Pepper ' s ghost）。例如在地板上投影圖像（圖12），並將其反射到舞台上的玻璃片，就能讓現場演員（左）與投射的幽靈（右）互動演出。 圖12. 佩珀爾幻象（圖片來源：Wikimedia Commons） 本書的「浮空投影」單元，考量學生切割光碟片盒時的安全及方便，故配合手機或平板電腦的螢幕大小，影印適當大小的製作圖，以膠帶黏貼於厚度0.25mm的透明膠片背面，然後裁切、彎折，以膠帶黏貼成梯形立體錐。「浮空投影」裝置所投射的影像，並非3D立體影像，而是全像影片內「前、後、左、右」的四個影像，分別反射到梯形立體錐的四個面而已。 指導學生探究： （1）取一個平面鏡，擺放在手機螢幕上，觀察鏡子與螢幕在不同夾角時，所形成的影像位置，有何差異？ （2）製作不同角度的梯型立體錐，觀察所形成的影像位置，有何差異？ 本書的「靜電動力球」單元，利用靜電，能使小保麗龍球在塑膠管內快速的來回運動（影片連結），此動手做活動運用了「靜電感應、接觸起電、靜電接地」等科學原理，可視為利用創造力的「合併」（combine）原則，即「將多種的事物、構想、目的或功能，合併成一體，以解決問題或創造出新的事物」。 製作材料，包含：保麗龍球、鋁箔紙、透明塑膠管（直徑1.5公分）、靜電棒。製作步驟：以鋁箔紙包覆保麗龍球，並儘量使表面平滑，使其容易滾動；然後將包覆鋁箔紙的保麗龍球，放進透明塑膠管中；最後以鋁箔紙包住透明塑膠管的兩端開口。實驗步驟：一隻手拿著塑膠管包有鋁箔紙的一端，使塑膠管維持水平狀態；另一隻手拿著靜電棒，打開靜電棒的電源開關，將靜電棒接觸塑膠管包有鋁箔紙的另一端（圖13），觀察塑膠管內的保麗龍球運動情形。 圖13. 靜電動力球的裝置（圖片來源：白榮銓老師） 實驗原理如下： （1）當帶有電荷的靜電棒，接觸到塑膠管一端的鋁箔，由於靜電感應，使得保麗龍球的正負電荷發生分離，保麗龍球上的負電荷，受到排斥，集中在遠離靜電棒的另一端，而正電荷則集中在靠近靜電棒的這一端；由於正負電荷互相吸引，保麗龍球將朝向靜電棒運動。 （2）當保麗龍球接觸鋁箔之後，靜電棒持續產生的負電荷，會中和保麗龍球上的正電荷，使得保麗龍球剩下負電荷，由於同性電荷相排斥，使得保麗龍球遠離靜電棒，朝向手持的一端運動。 （3）當保麗龍球接觸塑膠管另一端的鋁箔紙，負電荷會經由人手，傳導至地面而流失，恢復電中性的保麗龍球，由於靜電感應，再度往靜電棒的方向運動，因而產生左右來回的運動。 指導學生探究： （1）改變不同的變因，例如保麗龍球的大小、塑膠管的長度、直徑和塑膠管兩側的包覆材料種類，然後觀察這些變因對於保麗龍球運動的影響； （2）改用摩擦毛髮後的氣球取代靜電棒，觀察實驗是否成功。 由上述可知，透過創造力的「逆向、延伸、合併」等原則，能夠激發創意，設計出適合不同學習階段的學習內容；學生能在實驗中，辨明多個自變項、應變項，並計劃適當次數的測試、預測活動的可能結果；並能將所學習的知識，正確連結到觀察的現象及實驗數據，並推論出其中的關聯；最後在教師的指導或說明下，瞭解探究的意義，進而根據問題特性，規劃出具有可信度的探究活動。 綜合上述，產生創意的方法有很多種，有時候創意只是改變了自己的想法，然後用不同的眼光，看待一件舊東西，就可能產生「動手做出新事物」的靈感。創意動手做活動，能激發學生的學習興趣與動機，教師可依據不同學習階段之學習內容，蒐集與發展符合學生程度的動手做科學課程，引導學生透過「實作與探究」，培養「思考智能」與「問題解決」等相關的探究能力，至於本書還有那些有趣又好玩的動手做活動？這些活動與那些學習內容及學習表現相關？這些都有待您進一步的閱讀與思考！

STEAM之小學科技教學活動設計與實施－以抖抖外星人為例

文/ 張玉山/臺灣師大科技系教授 李姿儀/臺灣師大科技系碩班研究生 近年來，世界各國積極推動科學-科技-工程-數學（簡稱STEM）教育，或融入藝術（Arts）的STEAM教育，以滿足其未來的人才需求，提升其國家的競爭力。從台灣升學制度來看，學生時常是獲得很多概念性知識，但是並不會應用於生活當中，如此面對未來新世紀的發展，將會面臨很大的危機。目前，我國國小教育中，並沒有STEAM教育教學時數，教師僅能以社團或課外時間來呈現，並無法呈現出課程精髓；但是綜觀其他國家，很多皆從小學開始實施跨域教學，主因就是看準未來社會並無法僅用單科知識來適應，因此期盼我國也能從國小實施STEAM教育。 本文以抖抖外星人為例，發展一個國小STEAM教學活動，希望在國小可透過這樣的簡單的實作活動，帶入這些知識結合的運用，亦培養學生動手實作之習慣，期盼未來學生能將相關知識及所學應用於生活當中。 教學活動 一、活動簡介 以故事情節鋪陳，讓學生有想像空間及引起他們學習動機，帶入抖抖外星人迷路了需要學生們的幫忙來尋找同伴。講解直流馬達、偏心原理、重心原理、對稱，再進入實作，讓學生發揮創意設計自己的抖抖外星人，並思考怎麼樣才能讓抖抖外星人直線前進。過程中學生能夠直接體會到科學、科技、工程、藝術、數學之結合。 二、本活動應用之STEAM概念 三、教學目標 四、教學對象:某台北市公立國小二年級學生 五、教學時間:五節課，每節40分鐘，共200分鐘。 六、教學活動 七、實作材料 (1)工具 (2)每人所需材料表 (3)作品製作流程 1.將電池裝於刀式電池盒上(因教學對象為中低年級，因此這個步驟教師不能忽略) 。 2.將正負引線固定於直流馬達鐵片上。 3.使用熱熔膠槍將偏心輪固定於直流馬達軸徑上。 4.使用熱熔膠槍將馬達固定於電池上。 5.使用尖嘴鉗將迴紋針折彎及剪成自己所想要腳的長度及造型。 6.使用熱熔膠槍將迴紋針固定於電池座下方。 7.使用電工膠布將電池盒正負引線固定於馬達上。 8. 利用教師所準備的卡典西德紙設計屬於自己抖抖外星人的外觀。 9. 繪製完成後，將身體及頭部剪下，並使用雙面膠黏貼於電池盒上。 10.將所準備要裝飾的物品(例如:以棉花棒做為尾巴)黏於作品上。 11.進行直線測試及修正作品。 教學成果與教學建議 本教學活動於台北市某公立小學二年級共30名學生，進行STEAM實作活動--抖抖外星人，經過5節課的實施，學生皆能完成自己獨一無二的作品，也十分期待下次課程的安排。這個抖抖外星人實作體驗活動，不只是學生做完一個作品就結束，而是在活動過程中，融入了STEAM知識、工具操作、學生設計、及強化學生自我效能。 透過實作活動，首先，學習到重心的科學原理、工程方面的偏心輪結構，教師是以生活中的實例，像是重心原理即請一位學生出列，站著跟蹲著的時候，若有一個力量推動，那一個會比較容易跌倒?全班學生異口同聲回答，站著會比較容易跌倒，教師進而解釋因為站著的時候，重心較高。接著，偏心輪結構則以生活中的實物，手機震動為例，並搭配影片，及本實作活動的馬達配上偏心輪，讓學生體驗一下馬達加上偏心輪是什麼樣的感覺，加深印象。另外學生運用自身所學過的藝術觀念，運用於抖抖外星人身上，各以不同的線條、圖案，及加法原理-裝飾品的黏貼，設計出屬於自己獨一無二的作品，展現創意(如圖1、2)。再來，工具操作方面，由於學生才小學二年級，因此在使用方法、步驟要講解十分清楚，並請學生注意安全，透過實作，可以具體實踐自己的想法。若可以的話，實施年級可以提高到中高年級，因為二年級在工具操作上，可能還是有一點困難。最後，學生實作過程中，遇到問題會想辦法解決，例如:熱熔膠不會使用，會詢問老師；另外完成後，經過直線比賽(如圖3)，發現自己的作品無法前進時，會發現問題，並想辦法解決，或許是詢問教師，但是對小二學生來說，這是一個很好的開始，甚至學生還會詢問同儕，一起討論如何修改會跑得比較快。 圖1. 學生運用線條設計之作品 圖2. 學生運用加法原理裝飾自己作品 圖3. 學生進行直線比賽 每個教學活動皆有其對應之教學目標，而更重要的是教學活動結束後，該如何評定教學成效--認知、情意、技能、能力？認知部分可用測驗卷的方式，得知學生獲得的概念性知識；技能和能力部分，可由學生實作活動過程中，工具的使用及最後成品的呈現，進行分數評比；但是對教師來說情意最為困擾，常不知該如何進行評量，本活動在學習單當中有這樣的問題「你最欣賞誰的作品?為什麼?」學生透過小組比賽中，觀賞到每個人的作品及作品功能，並講出欣賞誰的作品及原因(如圖4)，透過這樣的問題，對應到這個活動中的情意教學目標，經由學生的回答，發現學生能欣賞同學的作品，傾聽他人想法，並能提出己見或建議，在此教學活動中，情意目標可應用此方式來進行評量。 李o翊，因為他把棉花棒黏在偏心輪上，偏心輪黏在馬達上，所以馬達連著偏心輪讓棉花棒轉，就會有風會跑得很快。 我最欣賞張o恩，因為她的顏色很鮮豔，而且配色很美麗。 我覺得池o怡的作品很穩定，因為她的身體有的關節做很好也很可愛。 學生透過一個這樣動手實作的課程，不但讓他們發揮創意，也培養他們動手實作、嘗試解決問題的習慣，這會是我國未來人才扎根教育的基礎(朱耀明，2017)。國小目前雖然未有STEAM教育課程，但是可以透過社團、亦或彈性課程，培養學生動手實作的習慣、及實作體驗式學習。否則現階段的教育氛圍偏重於學科知識方面的學習，導致學生可能會缺乏實作與應用知識的能力(林坤誼，2014)，這對國家競爭力有很大影響。透過STEAM教育，學生不再局限於單一學科，而是跨域整合，這樣可以培養學生適應未來的能力，因為未來不再能用單一學科知識來適應。期盼STEAM抖抖外星人這個實作活動，能提供其他教師進行教學之參考，亦期盼學生由這個活動學來的知識，能應用在未來生活中。 參考文獻 朱耀明（2017)。【投書】別再幫孩子做作業了！自造教育培養軟實力。獨立評論＠天下。 林坤誼（2014）。STEM 科技整合教育培養整合理論與實務的科技人才。科技與 人力教育季刊，1(1)，1。 駐紐約辦事處教育組（2016）。紐約州推動STEM激勵計畫，培養及留住高科技人才。國家教育研究院國際教育訊息電子報，107。 附件

指尖陀螺玩科學－從科學遊戲到探究歷程

文/謝甫宜 國立高雄師範大學科學教育研究所物理組博士 教師不僅是知識的消費者與傳播者，也可以成為知識的生產者與創造者。本文分享以科學遊戲本位設計生動有趣的指尖陀螺的科學探究活動課程，秉持：「科學遊戲，提供動手玩科學的樂趣；探究歷程，為我們留下思考的痕跡」之理念活化教學，兼顧寓教於樂與增進概念理解。 現代資訊充裕又講求創課發想的年代，許多曾經風靡一時的玩具，風潮一過便常被束諸高閣或回收，倘若能善用這些玩具的運作機制仍有機會賦予其嶄新的教學應用。例如，最療癒的玩具聖品之ㄧ即「指尖陀螺」，在2015至2017年之間，從國小至高中校園裡幾乎人手一個。筆者根據多年科普教材研製與帶領學童實作活動之經驗，發展與歸納以下兩項科學探究活動提供讀者參考之外，也用以培養學生問題解決能力與科學探究能力。兩項科學探究活動及其相對應的核心概念為：(1)指尖陀螺費納奇鏡探究活動－視覺暫留現象，和(2)指尖陀螺電磁感應探究活動－楞次定律與法拉第定律。 圖1. 宜蘭「陀陀螺工場」的大型指尖陀螺 圖2. 台東新生國中之指尖陀螺設計科學探究活動 實作材料與實驗步驟 一、指尖陀螺費納奇鏡探究活動 1.實作材料： 鐵製配重的指尖陀螺2個、動畫圖卡、光碟片、強力磁鐵9顆、雙面膠帶。 2.實驗步驟： 步驟1. 繪製動畫圖卡，如圖3所示；剪下圖卡再緊密黏貼於光碟片上。 說明： (1)動畫圖卡因快速轉動可產生連續動畫； (2)相鄰的每一張圖卡之圖案的動作不宜相差太大。 步驟2. 指尖陀螺各葉片上各吸附3顆強力磁鐵，以下簡稱強磁，如圖4所示。說明： (1)採用強磁的目的為托高圖卡與指尖陀螺軸承之間的距離、減少摩擦力、也避免指尖陀螺快速旋轉而甩出。 (2)採用強磁而不用膠水或雙面膠帶黏貼圖卡，則是方便更換圖卡。 (3)強磁之間的吸附力甚強，應避免小朋友操作時夾傷。。 圖3. 連續動畫的圖卡 圖4. 指尖陀螺葉片各吸附3顆強磁 早期女性生涯發展理論將女性就業與否作為區分的指標，分為家庭導向與生涯導向，前者從事家管、傳統的女性職業，後者則選擇從事男性主導、較專業的工作，後期較不如此區別，而朝向如何兼顧家庭與工作，以及女性生涯發展歷程的探討為主。 步驟3. 以另外各一顆強磁夾住光碟片吸附在指尖陀螺各對應吸附有強磁之各葉片上，如圖5與圖6所示； 圖5. 強磁吸附夾住光碟片 圖6. 吸附強磁的指尖陀螺作為底座並夾住光碟 步驟4. 以「順時鐘方向」快速轉動黏貼圖卡與光碟片的指尖陀螺，再手持另一顆指尖陀螺使之「逆時鐘方向」旋轉，眼睛透過手持旋轉的指尖陀螺間距來觀察圖卡的圖樣變化，如圖7與圖8所示。 圖7. 以旋轉的指尖陀螺觀察圖卡變化 圖8. 向轉動觀察是否具有動漫成效 說明： (1)黏貼圖卡光碟片之指尖陀螺的轉動方向，與作為觀察之手持指尖陀螺的轉動方向，兩者採用反向轉動之目的是為產生「相對運動」，觀察者較容易觀察動漫圖片變化之成效。 (2)黏貼圖卡之指尖陀螺與手持指尖陀螺的轉動方向若同向，觀察是否也能看到動漫變化的成效。 (3)若仍不易觀察到圖卡產生連續動漫的效果，可以透過相機或是手機的照相或錄影方式來加以觀察或錄影，因相機或手機的照相功能是需要一段短時間抓取(catching)外界的圖像才會拍攝到照片，可視為讓眼睛所見到的物體運動「變慢了」！亦即相機等於是一張張去抓取拍攝的畫面，如此，在旋轉不算是非常快速的指尖陀螺而言，指尖陀螺所承載的光碟片上之圖卡便能一張張呈現出來，不像是眼睛所見「模糊而難以辨識」！ 二、指尖陀螺電磁感應探究活動 1.實作材料： 鐵製配重的指尖陀螺1個、強力磁鐵9顆、鋁箔或錫箔盒、乒乓球，如圖9所示。 圖9. 指尖陀螺電磁感應教材組 2.實驗步驟： 步驟1. 鋁箔盒(或錫箔盒)包裹住乒乓球並施壓讓鋁箔盒凹陷，以製作半球狀且底部光滑的鋁箔杯，如圖10所示。 說明： (1)試著讓鋁箔盒因受壓而凹陷成圓弧狀； (2)連同鋁箔盒與乒乓球以指尖陀螺葉片尖端來壓鋁箔外皮，使其原本褶皺的外皮光滑圓潤。 (3)鋁箔杯外皮愈光滑圓潤，則稍後在指尖陀螺軸承上轉動時，所受摩擦力愈小，產生渦流時之電阻也愈小，鋁箔杯之轉速也會愈快。 步驟2. 以強力磁鐵各3顆吸附指尖陀螺葉片上，並將步驟1中所製成的鋁箔杯置於指尖陀螺軸承上，如圖11所示。 圖10. 鋁箔盒包裹乒乓球並施壓 圖11. 將鋁箔杯置於指尖陀螺軸上 步驟3. 快速旋轉指尖陀螺，觀察底部為圓弧狀的鋁箔杯運動情形，如圖12、圖13與圖14所示 圖12. 原靜止的鋁箔杯 圖13. 鋁箔杯開始旋轉 圖14. 鋁箔杯轉速變慢 說明： (1)指尖陀螺旋轉時，先按住鋁箔杯再轉動指尖陀螺，可使鋁箔杯轉動穩定而不會左右搖擺或旋出，如圖15所示。 (2)指尖陀螺平順地轉動後，觀察鋁箔杯隨著指尖陀螺一起轉動的情形，如圖16所示。 圖15. 先按住鋁杯再轉動指尖陀螺 圖16. 觀察鋁箔杯與指尖陀螺一起轉動情形 步驟4. 以不同數量的強力磁鐵控制磁場強弱，觀察鋁箔盒轉速是否改變。 科學原理介紹 一、指尖陀螺費納奇鏡概念解釋： 「費納奇鏡」(Phenakistoscope)屬於一項演示「視覺暫留」的經典科普活動。教師或家長如作為探究實作活動，筆者提供以下兩項操縱變因的實驗處理方式，可增進學生覺知影響視覺暫留現象的主要成因並進一步量化與探索： 1.承載圖卡之指尖陀螺的轉速 (1)因為本活動以手指撥動指尖陀螺轉動以觀察圖卡的連續變化情形，此轉速雖然不至於太快，卻不易觀察圖卡的動畫效果。透過另外手持轉動中的指尖陀螺葉片之間的縫隙，如同播放卡通的「影格」使得一張張圖卡逐項出現，以產生動畫的視覺暫留成效。 (2)如上述實驗步驟6說明(3)，我們亦可藉由相機或手機照相與錄影觀察便能清楚看到動畫般的成效！因為相機或手機的照相功能需要短時間抓取外界的影像拍攝照片，提供眼睛所見物體之運動「變慢」，亦即一張張圖卡的畫面能逐次呈現出來。 2.用以觀察與轉動圖卡的兩個指尖陀螺之間的相對運動 轉動圖卡的指尖陀螺與手持用以觀察圖卡的指尖陀螺，兩者之間轉動的相對運動影響觀察視覺暫留的成效。因此，觀察者可以試著調整兩者各自的轉速，理解並探索在某一特定的轉速範圍中，能清晰地辨識圖卡產生的動漫效果。 二、指尖陀螺電磁感應概念解釋： 本活動以指尖陀螺帶動強力磁鐵之轉動，造成強磁之磁力線通過鋁箔杯磁通量的改變形成「電磁感應」並產生「渦流」，跟著帶動鋁箔杯也隨著吸附在指尖陀螺葉片上的強磁而轉動，如圖17所示。 圖17. 鋁箔杯的電磁感應 根據圖17鋁箔杯的電磁感應，以法拉第定律與楞次定律解釋如下： 1.圖中右下角磁鐵N極離開時，磁通量瞬間變小，靠近磁鐵N極的鋁箔杯則被感應成S極而產生順時鐘的渦流，視為被N極所吸引而順時鐘轉動。 2.圖中左下角磁鐵S極離開時，磁通量瞬間變小，靠近磁鐵S極的鋁箔杯則被感應成N極而產生逆時鐘渦流，視為被S極所吸引而順時鐘轉動。 3.指尖陀螺轉速愈快，強磁轉動愈快，對於鋁箔杯之磁通量變化也愈大。因此，鋁箔杯轉速也隨之愈快。 概念延伸與生活運用 除了指尖陀螺設計的費納奇鏡與電磁感應，筆者再提供其他素材進行此兩項概念為本位的教材創作，藉此增進讀者在生活上的運用。 首先，將指尖陀螺以快乾膠黏著在放置CD盒或布丁盒的支架上，再將可呈現連續動畫的圖卡以強力磁鐵吸附在圖卡的正面，如圖18與圖19所示。 圖18. 指尖陀螺連同圖卡黏著在支架上 圖19. 圖卡正面以強磁吸附指尖陀螺 將上述整組裝置面對一平面鏡，撥動指尖陀螺快速轉動後，眼睛靠近並從費納奇鏡每張圖卡之間的縫隙觀察平面鏡，如此便能清楚地觀察每一張圖卡產生動漫的成效，如圖20所示！ 圖20. 從圖卡之間的縫隙觀察平面鏡中轉動的圖卡變化 其次，我們可以剪裁飲料罐底部來代替鋁箔杯，如圖21所示。從上述「二、指尖陀螺電磁感應探究活動」重複實驗步驟1至3，我們透過觀察可發現鋁罐的底蓋不僅質量比鋁箔杯更大，旋轉時的慣性也較大而不容易被甩出，較厚的鋁蓋所產生的渦流也遠大於鋁箔杯，其旋轉速率大於同樣條件下的鋁箔杯旋轉速率。 圖21. 鋁罐底蓋的旋轉 再者，以鋁合金製的指尖陀螺放置於吸附強磁之鐵製紙尖陀螺的軸承上。當底下鐵製的指尖陀螺快速轉動時，亦可使鋁合金製的指尖陀螺旋轉；反之，先撥動鋁合金製指尖陀螺快速旋轉時，則因鐵製紙尖陀螺所吸附強磁的作用，快速地使鋁合金製指尖陀螺轉速變慢、直到停止！如圖22所示。 此實驗操作說明鋁合金製指尖陀螺的旋轉因有著底下強磁對其產生電磁感應(吸附作用與渦流)，即汽車或機車、電梯等日常生活中所運用的「磁剎車的原理」。 圖22. 磁剎車原理的說明 筆者主張科普實作活動可提供學生愉悅與成功的學習經驗，以及提升科學學習動機。這些科普實作活動經妥切地規劃與創意設計，便可成為培養學生高層次推理思考的科學探究課程。 本文從科普實作活動中所設計的探究課程，不僅藉由指尖陀螺的教材製作增進學生對於視覺暫留與電磁感應的概念理解，同時也從改變操縱變因的活動中培養問題解決能力與生活運用。

簡易觀察太陽的方法

文/曹嘉修 國立臺灣師範大學地球科學所碩士 前言 太陽系中，幾乎一切的能量皆來自太陽光，所以太陽自古以來就是人們崇拜的對象，當然也就希望更進一步觀察並了解它。但耀眼的太陽卻不是我們能夠靠眼睛直視去親近的，這樣的動作不但無法好好觀察，還會造成眼睛永久性的傷害，因此再次提醒請勿直視太陽。一般非專業的天文愛好者通常沒有適當的設備直視太陽，所以得透過間接的方式來觀察，其中一種最簡單的方式，就是透過針孔成像原理，就能夠在不傷害眼睛的狀態下觀察太陽了。 活動步驟 1. 準備兩張白紙、一張鋁箔紙 2. 在其中一張紙挖孔後貼上鋁箔紙，之後在於鋁箔紙上用針挖一個約1-2mm的小孔。(這麼做的目的是為了方便挖出夠小的針孔) 3. 將另一張白紙置於地上，手持有小孔的白紙離開地面面對太陽 4. 調整陽光透過小孔所形成的像，使能清楚呈現在地上的白紙(如圖1)，即可觀察 圖1. 觀察太陽的基本方法 注意事項：基本方法雖是透過針孔成像原理觀察，仍需特別注意不能連續觀察太久的時間。 進階方法一 由於當兩張白紙皆放於陽光下時，紙面反射的陽光會增加觀察難度，因此可進一步簡單製作一個側面挖觀察洞且上方挖孔的紙箱，達到在箱子內相對較暗的環境，以利觀察針孔成向後的太陽影像(如圖2)。 圖2. 觀察太陽的進階方法一 進階方法二 進階方法一利用觀察盒的方式會受控於盒子的大小，影響成像後的影像大小，所以想得到較大的影響，就必須要找到很大的紙箱來製作(例如：冷氣或洗衣機的箱子)。如果大的箱子不容易取得時，利用反射的原理，可能會是比較好的辦法來讓影像變大(如圖3)。 距離與影像的比大約為100:1，所以可以稍微以此規劃整個設備大小。而放置用於反射的平面鏡，應避免使用有一層玻璃的鏡子，這會影響成像的清晰度。 圖3. 觀察太陽的進階方法二 可觀察的太陽特殊現象 由於簡易觀察無法看見較細微的特徵，也僅能看到肉眼所見的可見光波段，因此這樣的方法只適用於太陽的明顯外觀變化。對於太陽表面的日珥、日冕、米粒組織等皆無法觀察到，甚至是太陽黑子的變化，也非常不容易看到。儘管如此，還是有許多現象能夠觀察，只是這些現象發生在比較特殊的日子，如以下舉例： 1. 日食(Solar eclipse)： 日食是一種天文現象，只在月球運行至太陽與地球之間時發生，即以月相而言，出現於農曆初一，稱為朔(新月)的時期才可能發生。但因為地球繞太陽公轉的黃道，與月球繞地球的白道並非重合，而是大約差了5∘左右，所以日食不會出現在農曆每個月初一。因為並非每個月皆能出現此一現象，再加上太陽的光線受月球遮擋所出現的陰影區域，每次僅出現於地球上特定區域，如圖4所示(2017年8月21日發生於美洲)，導致能夠親眼看到此難得景觀非常不容易，因為這個特定區域很常發生於海面上或者是非常偏遠的地區。而2017年的日全食，因為橫跨美國而成為愛好者爭相前往的機會，也造就非常可觀的商機。 從圖4中可以看出日全食僅能在灰色軌跡中觀察到，其它區域則無法看到全食，故稱為日偏食。另有一個名詞稱為日環食，指當觀察者所見月球位置與太陽重合時，無法完全遮蔽太陽而形成一個光圈的現象。由此可知當月球的影子遮蔽到最大值時，可能會出現日全食或是日環食，但同地點同一次日食現象不會兩者同時出現，因為這取決於地球與月球的距離遠近。當月球位於近地點時，地球上的觀察者比較有機會觀察到較大的月亮去遮蔽太陽，故容易形成日全食；反之如果當月球位於遠地點時，則比較容易出現日環食，因為此時月球觀察起來較小，但整體而言日環食的現象更難能可貴(圖5)。 圖4. 2017年8月21日出現於美國的日全食天文景觀—黑點代表月球，黃點代表太陽，橘橫線上的圖示為能夠觀察到月球能遮蔽太陽的最大值，橘橫線本身則代表該景象出現區域以及從左上往右下隨時間演進的軌跡(圖片取自NASA)。 圖5.由左至右分別為日偏食、日全食及日環食的現象(圖片取自NASA) 2. 凌日(Transit) 為一種天文現象，指當有地內行星如金星或水星(地球為八大行星的第三顆行星)，運行至地球與太陽之間時，從地球上觀察會發現有一個黑點從太陽通過，劃出一段直線軌跡並持續一個多小時，稱為凌日(如圖6、7)。若以此類推，太陽系中的其他行星，除了水星之外，都同樣能夠觀測到其內側行星的凌日。 圖6. 圖中黑點表示金星的位置--因為此時觀察者所見為金星暗面(背對太陽側)，所以呈現黑色球狀。此為2004及2012年所發生的兩次金星凌日現象，白色間格及黃線分別代表觀察者的視角中，金星隨時間的相對位置並往右下角移動的軌跡。此現象難得一見，錯過2012年的機會，將得再等100多年才能再繼續在台灣觀察到(圖片取自NASA) 圖7. 水星凌日時的景象—其中黑點為水星位置，一樣的因為此時觀察者所見為水星的暗面，故呈現黑色球狀。黃線表示從地球上觀察，水星隨時間的移動方向。圖中水星相對於圖6中金星明顯較小，除了肇因於水星本身即為八大行星中最小一顆外，另外相對於金星，水星距離地球的距離更遠，因此看起來更小，所以更不容易觀察(圖片取自NASA) 表1. 未來各特殊天象時程(資料來源:取自Wiki) 此外，補充提及樹葉間的縫隙也能巧妙的形成針孔成像。所以在發生日食的時候，低頭看看樹蔭，不難發現會有如圖8的特殊畫面。 圖8. 發生日食時樹蔭下的特殊景象--圖中許多圓弧狀重複的影像，其實是當發生日偏食的時候，太陽光透過葉縫中的空隙，產生類似針孔成像的特殊景象(圖片取自NASA)

長壽牌衛生紙－反應速率的探究與實作

文/柯人彰 國立中興大學環境工程所碩士 為因應環保趨勢以及原物料價格不斷上漲等因素，假設在物資缺乏處，如何以燃燒一張衛生紙所發出的光來照亮去路，且小組只有有限材料，希冀藉此激起環保思維，並應用反應速率單元的各種操縱變因延長時間，驗證所學。期間由同組組員及師生間討論得出最佳做法，落實探究實作其中的表達與溝通；且建議觀摩他組作法，集思廣益，實踐探究實作中的合作與討論。 教學目標 1. 藉提供有限的日常生活材料，激發環保意識，避免浪費。 2. 利用尋常且容易控制的材料燃燒火勢控制，思考如何應用反應速率單元知識，由開放性思考轉入引導型探究。 3. 從分組競賽過程中完成探究與實作的表達與溝通、合作與討論。 4. 因使用越多材料，扣成績越多，明白材料成本與損益關聯性。 一、旨趣 世足賽期間泰國野豬隊少年足球的故事令人揪心。因此，意外受困時，物資缺乏下，如何以一張衛生紙產生穩定的光源及熱源，使我們成功逃生？聽起來是不可能的任務，卻在動腦與集思廣益後，討論出可能性。 通常衛生紙一張在傳統印象中，整張燒完很快，所以現在要顛覆傳統，動腦思考如何讓一張平凡衛生紙延燒超過一分鐘，甚至十分鐘，進而應用幾張衛生紙烤熟一支玉米或番薯，不但創意十足而且節能減碳，絕對是現代最酷最炫的超ㄅ一ㄤˋ燒烤。 二、原理 1. 碰撞學說：化學反應中，參與反應的原子重新排列而成新的化合物，反應過程中涉及化學鍵的破壞與形成，故參與反應的粒子必須相互碰撞才能進行，碰撞頻率增大，反應速率增快。 2.非勻相反應：在二種或以上不同之相中以及固相間進行的反應。反應速率除了與濃度有關外，也與接觸面積有關，本例為氣相與固相。 3.接觸面積：在非勻相反應中，反應物間的接觸總面積愈大，反應速率愈快。八仙塵爆就是可燃性粉塵懸浮於空氣中，所以反應速率非常快。 4.將一個正立方體的各邊切割為原來的倍，則固體的總表面積變為原來的n倍。假設原正立方體，每邊長為 (cm)，每邊等分成n等分 分成塊小正立方體，每邊長為 (cm)，原總表面積為6，分割後總表面積為固體的總表面積變為原來的n倍。 三、實驗器材：衛生紙一疊、打火機一個、濕抹布一條 四、步驟 1. 每組拿到器材後先思考並討論所要呈現形狀，並探討實驗變因有哪些，再進行實驗，以避免浪費。 2. 實驗過程每組仔細觀察角度(圖1〜3)與緻密程度(圖5、 8)對火勢影響，再討論並修正後才進行第二次實驗。 3. 依此類推，後續實驗亦如此，途中莫忘觀察他組成功案例，以為改進參考。 4. 若有成員實驗或討論方向有誤，教師可適時提醒觀察哪些組別的成功經驗。 5. 團隊合作絕對比個人更容易勝出，過程中多多學習溝通技巧。 圖1. 朝上火勢 圖2. 水平火勢 圖3. 朝下火勢 規則說明： 1. 每組先發一張衛生紙(若為兩張相疊者，請予分開，以示公平)。 2. 各組可要求多給材料(衛生紙)以進行實驗，但每發一張則扣成績一分等(教師可自行設定)，以因應日後工作勢必要求以最少資源完成。 3. 不得額外添加它物，除非身上能自行分泌者。 4. 不予限制利用夾子或筷子等夾住紙團或紙條。 5. 思考如何調整形狀、俯仰角度、改變緻密程度（扭轉乃至打結等等處理後的緊實程度-事關與空氣接觸面積），最後就能控制火勢大小。實驗過程不靠任何器材輔助，不添加任何藥劑，重點在動腦發揮創意。 注意事項： 1.比賽以延時最長為優勝，且材料僅能點火一次，途中若熄火則視為比賽結束，所以火勢若太小恐有熄火之虞，請參賽選手注意。 2.為避免爭議，計時只以出現明火為準，若只剩殘餘火星或冒煙者，一律不予計時。 3.為降低燃燒速率，偶有不完全燃燒以致冒煙，故事前務必打開窗戶，並注意通風。 4.實驗時風勢如果過大，可自行調整窗戶位置或風扇。 5.由於實驗室經完善消防規劃，滅火器、水槽等一應俱全，且有專業教師指導，因此能夠在此謹慎實驗；家中易燃物多，因此嚴禁在家中進行實驗，以免釀成火災，觸犯公共危險罪，且須賠償他人損失。 6.實驗後地板或桌上難免有灰燼飛散，請同學記得整理。 教學提醒1：有些學生會因索取材料被扣分而不敢嘗試此機會，建議教師可向學生分享：企業若只著眼於投資的花費，如何享受投資的收穫？ 教學提醒2：探究與實作精神在學習歷程的「自行修正」能力提升，教師不需給予過多提示。建議就規則與步驟說明即可，其餘視某組或全體學生進度才給予適當提示，以免剝奪學生思考成長機會，如此方符合《禮記學記篇》所說：「善待問者如扣鐘，扣之以小則小鳴，扣之以大則大鳴」。 實驗提醒1：規則中不禁用夾子或筷子等物，不代表這些物件就是必需品。細心學生應會發現上述物品只是初期實驗時怕燒傷的方便舉措。實則以手持握、調整最為靈活。畢竟，須借助它物避免火勢過大而燙傷，意指對火勢控制尚有進步空間；有些學生直接把作品放在地上燒，問題同上。 實驗提醒2：火勢控制實乃成敗關鍵，故再就火源與手持距離討論；首先就安全而言，火源離手距離自是越遠越好，但是衛生紙強度有限，離開太遠則下垂，點火後反而很快往上燒，結果火勢太大只好放手；因此欲增強紙條(紙捲)強度，學生會發展出常見兩種方法：平捲(圖4、5)或擰轉(圖6〜8)，何者效果為佳？前者難以捲至密實，所以[∆強度/單位質量(體積)]增強效果有限，後者明顯強度增加，即是慣性矩提升之效。 學生實驗後會發現，平捲者由於較為寬鬆，因此與空氣接觸面積大增，燃燒速率增快不少，且長度最多只能是衛生紙原來長度，與擰轉者至少有斜對角更長長度可用是初步不同，再加上撕成條狀者適用擰轉法，是故長度可增長數倍；平捲者延燒最多不超過一分鐘，擰轉者順利者可超過五分鐘。 學生由此可驗證原理中所提到的數個操縱變因，教師也可由此歸納出要最長的延燒時間就是要撕成條狀、接近水平角度(火勢過大過小需適時調整)、條狀相接並擰轉。 教學提醒3：學生不一定聽懂或接受教師指導，只要不妨礙實驗室操作安全。筆者建議不需強迫學生接受，待比賽一、二輪後，自然知道自己想法不一定對，就會對老師指導更加信服。 圖4.平捲法起手式 圖5. 平捲法完成圖 圖6. 擰轉法起手式 圖7. 擰轉法續接圖 圖8. 擰轉法完成圖(紅框為相接處，外觀已不易辨識) 實驗提醒3：在第一輪或第二輪競賽後，多半學生會發展出撕開成條狀的作品，許多學生第一次發現不同方向撕開，結果不同(圖9、圖10)，領略原來製紙有纖維方向，因此建議不用美工刀或剪刀。 圖9. 撕裂方向平行纖維排列 圖10. 撕裂方向垂直纖維排列 五、發展評量—探究與討論 1. 經過哪些處理後，使燃燒時間延長許多？ 2. 實驗過程還有需要注意的地方嗎？ 3. 不同季節或天候會影響實驗結果嗎？ 4. 還有其它方法可以延長燃燒時間以利用其光或熱嗎？ 5. 如果小組有提議加水，其效果好嗎？ 6. 有小組以打結方式以期減緩反應速率，請提出您的見解，可能遭遇哪些問題？ 7. 有些組怕燒傷而將作品放在地上燒，可能會有甚麼問題？ 8. 捏住衛生紙距離火源以多長為恰當？與如何捲衛生紙的方式有關嗎？ 9. 本組可將紙條捲成長度 公分，由實測本組燃燒速率為 公分/分鐘，因此最長可延燒 分鐘。 10. 無限制發給材料是否可以縮短實驗成功所需時間？衍生哪些問題？ 11. 線香點燃後放在金屬器皿上過一會兒會自動熄滅，原因為何？ 六、學習評量 1.請畫出本組燃燒時間最長的衛生紙形狀。 2.為何衛生紙朝上朝下燃燒速率不同？ 3.請分析成功降低反應速率所須應用原理。 4.請寫下本組最佳成績。 七、心得與新發現