物理

紙電池

文/吳浚銘 中央大學物理系博士後研究 你看過像紙一樣薄，可以捲曲甚至折疊的電池嗎？有了這種紙電池，任何產品上的標籤都能變成互動式的。在不久的將來，商家便可利用這項新技術推出更加新穎的廣告，如在產品包裝上加LED裝飾、播放廣告主題曲等。 薄薄的一片紙電池也可與IC卡結合，豐富其應用功能。加人電池的IC門禁卡或門票，可具備防偽功能，甚至可發出聲音，指引持有者在電影院中對號人座。或者IC卡可增設顯示面板，甚至可以完全改裝成電子記事本等產品。 目前時下的電子書主要元件為液晶顯示面板，有了紙電池，廠商將可以結合薄膜可撓式OLED面板，製造出可捲曲的電子書或電子報，即使每頁都加上紙電池，重量和厚度也不會增加很多。消費性電子產品製造商也可將紙電池和晶片整合在一起，製造更加輕便的電子產品，如超薄手機和穿戴型電腦等。（圖一） 圖一 打氣機由兩個零件組成,左邊是打氣機的主體(電磁鐵),右邊是打氣的橡皮 在上述未來需求的趨勢推動下，以色列一家名為Power Paper的公司就開發了一種“名副其實”的，像紙片一樣的電池。這種紙電池只有0 . 5毫米厚，由於紙電池是片狀的，因此它的容量也就不是依體積來計算，而是要看它有多大而積。紙電池電壓可達1 . 5伏特，使用壽命為2年半，要提供等同AA鹼性電池的電力，紙電池的面積須達到 1 平方英尺。 實際上，這種超薄電池的供電方式和一般電池類似，也是利用電解質和電極來存儲和輸出電流。但Power Paper的工程師將電解質、含鋅成份的陽電極與含氧化錳成份的陰電極製成一種特製的墨水，因此，這種電池也就可直接印刷在紙張上，不像一般電池那樣須要用容器來裝載電解液和電極（圖二）。這種不需要容器的電池製造方式，其成品形狀、大小和延展性極強。由於這種電池僅需在普通加工環境中製造，因此，製造成本很低，每平方英尺只需台幣約1.6- 2.5元。 另一種可供重覆充電的紙電池是由美國壬色列理工學院（Rensselaer Poly — technic Institute , RPI ）的實驗室團隊經歷了一年半所開發而成的，科學家利用奈米管技術，先在薄平板上長出一根根垂直的奈米管，使其成為一張奈米管毯子，接著讓含有離子電解質的纖維素液體灌注在由奈米碳管組成的「森林」中，然後就可以得到一張能夠儲存電能的紙張。科學家在上述紙張的背而放置二次奈米碳管電極，就造就出了超級電容器，最後研究人員在紙張的頂端放置了六氟磷酸鉀電極，於是就產生了號稱像紙一樣薄的可充電電池。 圖二:電子墨汁紙電池的基本結構 「這種紙電池在運作時，奈米碳管電極和鉀電極分別代表電池的正負二極，一開始離子液體會分解纖維素，將其變成膠狀。而這種流質就是電池的電解質，負責將離子從紙的一端輸送至另一端，因此可以產生電子產品所需的電力。在這裹纖維素也當作是電池內正負二極的隔離膜（圖三）。 圖三:可重複充電式奈米碳管技術紙電池的基本結構。 「每張電池紙可以產生約2.4伏特的電壓，能量密度約每平方公分0.6毫安培，若是要獲得更高的電能，則可以如同一般電池串接一樣，將紙電池堆疊起來，甚至要獲得更大的電流也可以從加大紙電池的面積來滿足需求。 誠如壬色列理工學院的教授Roberl Linhardt表示：「這種嵌入了奈米碳管的紙張浸透了電解質，所以在外觀與重量上就和一般的紙張沒什麼二樣，而且90%是纖維素，因此價格上也會很便宜。」 根據壬色列理工學院的科學家表示，這種紙電池可壓可碾可翻轉，操作溫度在攝氏-70至180度之間，若有需要也可以裁切成任何形狀。到目前為止，研究人員僅測式重複放電 100 次，但據他們指稱，紙電池的性能在充電過後並無明顯退化的現象，因此下一步，科學家打算繼續對紙電池進行最高重複充電壽命的測試，並為其能量密度提升進行最佳化的工作。 另外，紙電池具有生物相容性，所以很適合應用在醫療領域之中，如應用在植入型設備的電力供應上，還可以利用生物體的血液或汗液作為液體電解質的來源。此外，研究人員也試著開發其生產的製程，如傳統的滾壓式印刷製程即是一個很好的生產方式。 一家出售血液的公司已開始利用紙電池來保證血液品質。由於一袋袋的血液在運輸過程中必須保持一定溫度範圍內，紙電池就可驅動一個溫度控制器晶片，定時檢查並調整溫度。 由於紙電池的材料主要是纖維素，因此對環境無害，加入紙片電池的產品也可設計成用完即丟的使用方式，因此紙電池的前景將十分可觀。

認識磁浮列車

蔡學偉 圖一 日本實驗中的磁浮列車 人類日常生活中所使用到的交通工具，有自行車、公車、電車、汽車、火車、船、飛機等，相當的繁多。但是，在空氣污染口益嚴重的環境下，我們是不是也要想辦法製作出一個更快速、價格便宜、安全又不會製造污染的交通工具呢？ 磁浮列車－這個最近相當熱門的交通工具，正是符合以上我們所要求的最佳科技產品。（圖一） 磁浮列車的基本原理 磁浮列車利用磁極的同極相斥的原理，讓車子浮在軌道上行駛（圖二），它的磁極位於軌道的下方與軌道相對，電磁鐵通電時，鐵軌與電磁鐵相吸，把電磁鐵往上拉，保持一定的間隙，因而使車身浮了起來（圖三）。若行駛期間車身與鐵軌問的距離不能一直保持一樣的話，可能妨礙行車品質。因此，裝有空隙感應器，不斷檢查車身及車軌間的空隙，並轉換成電訊傳送至控制中心，藉以調整電磁鐵的力量，也就是說，當車身太靠近電磁鐵時，就會加強吸引力以拉高車身；相反的，當車身抬得太高時，就減弱吸引力以降低車身。如此不斷的控制其間的距離，便能使車身和鐵軌間保持一定的距離（圖四）最大的好處是沒有摩擦力，所以可以用很高的速度行駛，不會震動也沒有噪音。也不會因為和軌道摩擦產生熱而損耗車體。不過因為得用電力來產生磁力，所以發電還是會消耗能源。由於速度很快，坐車的旅客都必須像搭飛機一樣繫上安全帶，才能確保安全。 圖二 磁浮列車架構 圖三 磁浮列車車身和軌道極性圖示 圖四 磁浮列前進導引圖示 磁浮列車的優點 許多人知道磁浮車可以用來發展高速火車，因為輪軌車輛在高速的情形之下會有許許多多的技術性問題產生，而磁浮車不會。然而，磁浮車不只可以用來發展高速火車，它用來做低速的捷運系統一樣可以有許多好處。例如噪音的問題，相信居住在都市的小朋友們都有非常深刻的體認，每當捷運通過住家或學校附近時，所帶來的噪音真的很令人難以忍受。所以台北木柵線的捷運系統才會採用較低噪音的橡膠輪胎，在聲音上比傳統的鐵軌輪胎低上許多。而磁浮車輛可以說是噪音問題的良好解決方法，因為磁浮列車在行駛時並無鐵軌或輪胎和軌道摩擦的噪音出現。 在維修方面，磁浮車輛沒有任何轉動或摩擦的零件，於是就沒有了這方面的零件維修或定期更換費用。磁浮車輛由於使用線型馬達，不需要一個大大的車輪在車輛底下，因此可以使車身降低，在製造費用的成本上也能降低。此外線型馬達所提供的煞車作用乃完全來自於電磁力，因此其煞車性能不受路況影響。不管路面是否溼滑仍然可以保持原來的煞車距離。因此，磁浮列車在設計每班車的相差時間時，可以藉此縮短時間已增加開車的班數，如此一來可以大輻提高系統在尖峰時間的運量。 磁浮太空船（Magnetically levitated spacecraft） 美國太空總署（NASA）現正研究利用磁力浮動（magnetic levitation）的科技，製造下一代到太空的交通工具，可以大大減低飛行太空的成木，也許到那時，很多人都可負擔得起，到太空的平價觀光團。（圖五、六） 科學家認為，推動太空船到太空，環繞地球運行，最昂貴的部份是將太空船推動到高空，離開地球的地心吸力。科學家計劃建造類似太空高速公路，利用磁力浮動技術，像磁力浮動火車一般，將太空船推動至六百英里，直飛高空。上圖所見是科學家構思中的磁力浮動系統。 由於不需要很多零件，磁力浮動火箭維修方便，操作成本比較低，科學家預算，每九十分鐘便可發射一輛磁力推動太空船，因此旅行太空的費用，便會大為減低。 圖五 磁力浮動太空船 圖六 磁力浮動太空船模型 磁浮玩具 古人的智慧：早期的磁浮玩具 磁浮玩具原理：利用磁石同性相斥的原理特性，當軸承放入座台上方中央時，軸承會因為本身的極性和座台的極性不同而產生相斥的作用而懸浮於空中，如此當我們旋轉軸承時，因為軸承在半空中並未接觸座台或任何物體，所以可減少許多不必要的接觸摩擦而快速且持續的旋轉。（圖七、八） 圖七、八 以正反兩極造成磁浮的原理製成的科學玩具，可以讓小朋友邊玩邊學習喔 安培右手定理 在瞭解了磁浮列車運作的原理後，我們也來試試看利用這樣的原理做一個小型的電磁車！在製作之前，告訴大家製作電磁鐵的重要定理－安培右手定理。 在螺旋形的導線上通電，就會在螺旋形導線的中間產生感應磁場，而此感應磁場的大小和導線圈數及電流成正比，當電流斷路時感應磁場也會同時消失。磁場方向可由安培右手定理決定：右手四指的方向依照導線電流方向握起，則姆指方向則為感應磁場的N極。（圖九） 而利用這樣的原理，我們就可以來製作電磁車的重要元件－電磁鐵。 準備材料 電池、電池槽、電線漆、包線、砂紙、螺釘、細吸管（或透明膠帶）、迴紋針、長條磁鐵、空肥皂盒。 圖九 安培右手定理－電流影響磁場方向 圖片來源：http://www.ishm.idv.tw/transport/MegTrain.html 活動過程 製作電磁鐵 1.在螺釘上先套上吸管（也可用膠帶纏繞） 2.用漆包線在螺釘鈍端打結，並順著打結方向繞50圈漆包線。 3.如果繞的圈數增加，需迴繞第二層時，可先用膠帶固定，再繼續繞即可，但方向須一致。 4.把漆包線兩頭的漆用刀刮去，分別接電池的兩極，則電磁鐵即成。（圖十） 測試電磁鐵 1.將製作好的電磁鐵通電，看看會不會吸迴紋針。 2.中斷電流，看看會不會吸迴紋針。 3.製作線圈圈數不同，粗細不同，或電流強弱不同的電磁鐵，看看吸力會不會有所不同。 磁浮砲彈 測試完電磁鐵之後，現在就利用它來製作我們的磁浮砲彈！（圖十一） 製作步驟： 1、將肥皂盒沿對角線切半成兩個V型的溝槽形狀軌道。 2、將電磁鐵置於溝槽軌道的一端，並儘量靠近溝槽軌道。 3、將長條磁鐵放置在溝槽軌道內，並儘量接觸到電磁鐵端。 4、調整砲彈所要發射的角度，調整完後打開電磁鐵開關電磁鐵就會產生與吊車同極的磁場而將砲彈推出去。 5、設計一個表格記錄你的試驗結果。 想想看： 1、發射的角度不同會有什麼影響？ 2、增加電磁鐵上漆包線的圈數會增加砲彈發射的距離嗎？ 圖十、十一 利用電磁鐵吸迴紋針 磁浮砲彈簡圖

水扁氣扁與不扁

林麗華 台南市立後甲國中教師 壹、前言 大氣中到處悠遊的空氣，受地心引力，具有重量，造成大氣壓力。 密閉容器內體壓力是因氣體分子碰撞器壁造成的壓力。 以下實驗分別藉著物理變化及化學變化，讓學生感受到「大氣壓力」和「密閉容器內的氣體壓力」兩者之問的「鬥法」，也讓學生感受到大氣壓力的威力。 貳、本文 一：水扁 1 操作步驟 （l）取一個空保特瓶，打開蓋子，倒入少量熱水（約80℃），搖一搖保特瓶，讓水蒸氣充滿保特瓶，然後將蓋子緊緊蓋住。 （2）從瓶外淋冷水，會有什麼現象發生？觀察並解釋之。 2 結果與原理說明 （l）保特瓶扁了，如圖一。 （2）空保特瓶內的空氣（因氣體分子碰撞瓶壁）造成的壓力與瓶外的大氣壓力互相抗衡，故平常的空保特瓶不會被大氣壓力壓扁。 （3）空保特瓶，倒入少量熱水（約80℃），水蒸氣趕走瓶內大部分的空氣，於是保特版內大部分是水蒸氣。 （4）蓋子緊緊蓋上後，從瓶外淋冷水，使瓶內的水蒸氣凝結成水，瓶內空氣稀薄壓力減小，於是保特瓶被外面的大氣壓力壓扁了。 二：氣扁 1 操作步驟 （1）利用灰石、大理石、貝殼或小蘇打與酸作用，產生CO2，以保特瓶當集氣瓶，用「排水集氣法」收集一瓶CO2。 （2）保特瓶拿出水面後，以刮勺取兩顆固體氫氣化鈉放入保特瓶內，迅速蓋緊瓶蓋，會有什麼現象發生？觀察並解釋之。（最好使用「有氣泡礦泉水」的瓶蓋，可蓋得較緊） 2 結果與原理說明 （1）經過一段時問後，保特瓶扁了，如圖二。 （2）氫氧化鈉把CO2反應掉，保特瓶內氣體的分子數減少，使保特瓶內的氣體壓力小於瓶外的大氣壓力，於是保特瓶被壓扁了。 三：不扁 1 操作步驟 （1）保特瓶底面或側面近底面處，挖一個小洞。 （2）瓶子傾斜，倒入少量熱水（約 40℃－50℃即可），搖一搖保特瓶，讓水蒸氣充滿保特瓶，然後將蓋子緊緊蓋住。 （3）手拿瓶蓋處（不要擠壓版身），直立提高保特瓶，會有什麼現象發生？觀察並解釋之。 （4）從瓶外淋冷水，會有什麼現象發生？觀察並解釋之。 2 結果與原理說明 （1）熱水不但不會從小洞流出，且將看到氣泡從小洞上升（如圖三）。 （2）因水蒸氣趕走瓶內大部分的空氣後，水蒸氣逐漸冷凝成水，瓶內空氣稀薄壓力逐漸減小，小於外面的大氣壓力，於是外面的空氣慢慢「攻入」瓶內，會看到氣泡從小洞慢慢上升。 （3）若從瓶外淋冷水，因瓶內水蒸氣快速冷凝成水，瓶內空氣壓力迅速減小，將看到氣泡從小洞快速上升。 （4）因外面的空氣能進入瓶內，所以無論有沒有淋冷水，保特瓶都不會被外面的大氣壓力壓扁，能「帥帥的」保持「不扁」。 （5）每當氣泡不再上升，打開瓶蓋，讓水蒸氣趕走已進入瓶內的空氣後，蓋緊瓶蓋，將看到氣泡再度從小洞上升。在瓶內熱水冷掉之前，可多次重複操作，甚至可重複實驗十多次。 （6）本實驗的好處是，不需要很熱的水，即可作實驗，對學童而言，安全性較高。 許多人知道磁浮車可以用來發展高速火車，因為輪軌車輛在高速的情形之下會有許許多多的技術性問題產生，而磁浮車不會。然而，磁浮車不只可以用來發展高速火車，它用來做低速的捷運系統一樣可以有許多好處。例如噪音的問題，相信居住在都市的小朋友們都有非常深刻的體認，每當捷運通過住家或學校附近時，所帶來的噪音真的很令人難以忍受。所以台北木柵線的捷運系統才會採用較低噪音的橡膠輪胎，在聲音上比傳統的鐵軌輪胎低上許多。而磁浮車輛可以說是噪音問題的良好解決方法，因為磁浮列車在行駛時並無鐵軌或輪胎和軌道摩擦的噪音出現。 在維修方面，磁浮車輛沒有任何轉動或摩擦的零件，於是就沒有了這方面的零件維修或定期更換費用。磁浮車輛由於使用線型馬達，不需要一個大大的車輪在車輛底下，因此可以使車身降低，在製造費用的成本上也能降低。此外線型馬達所提供的煞車作用乃完全來自於電磁力，因此其煞車性能不受路況影響。不管路面是否溼滑仍然可以保持原來的煞車距離。因此，磁浮列車在設計每班車的相差時間時，可以藉此縮短時間已增加開車的班數，如此一來可以大輻提高系統在尖峰時間的運量。 參、結論 從上述的三個實驗中，學生可以藉此體會出大氣壓力的威力，也可以了解保特瓶「會扁」或「不扁」？其實和瓶內氣體分子所產生的壓力，是否和大氣壓力相等有關。 保特瓶「會扁」有二種不同的情形，其中「水扁」是藉著物理變化（水蒸氣凝結成水），使瓶內的氣體分子減少，因此瓶內的氣體壓力小於瓶外，於是大氣壓力便將保特瓶壓扁了。而「氣扁」則是藉著化學變化（氫氧化鈉與氣體的 CO2作用產生固體的碳酸鈉或碳酸氫鈉），使保特瓶內的氣體分子減少，造成瓶外的壓力大於瓶內，因此保特瓶便被壓扁。有關氫氣化鈉與CO2作用產生碳酸鈉或碳酸氫鈉的反應式可表示如下： 亦可合併寫成： 致於保特瓶「不扁」的情形，雖然和「水扁」的情況類似，藉著澆冷水使水蒸氣凝結成水，造成保特瓶內的氣體壓力小於瓶外的氣體壓力，但是由於保特瓶底面或側面近底面處有一個小洞，讓外面的空氣能不斷湧入，使瓶內的壓力漸漸回升，因此保特版瓶便能保持「不扁」了！ 註：上述的反應式裡，(g)表示氣體，(l)表示液體，(s)表示固體。 肆、參考資料 林麗華，趣味科學攜遊記第一、二冊，建宏書局出版。

魔法杯子

吳燈山 「你們喜歡哈利波特嗎？」我問台下的同學們。 「喜歡！」 答聲整齊響亮，天花板差一點被震垮下來。 「喜歡哈利波特的什麼？」我又問。 「魔法！」 聲音又宏亮了些，我看見門窗被震得微微抖動。 「想當哈利波特嗎？」 「想――音拉得好長好長。」 「想學魔法嗎？」 「太―想―了」 哇！聲音直沖九霄，我的耳膜被震得嗡嗡作響。 「想當哈利波特，想學魔法，跟老師就對了。」 一定是我的話，沒帶給他們多大信心，同學們的臉都「刷」地一聲，同時垮了下來。 白一飛忸怩不安，鼓起勇氣問道：「老師，您會魔法嗎？」他怕引我的生氣。 「你說呢？」我露出神秘的一笑。 「不會！」白一飛真不給面子，答得又快又響。 「你大看扁老師了，不是有句話說『魔法人人會變』嗎？」我故作生氣的樣子。 「老師，是『戲法人人會變』才對。您不要生氣嘛，我們相信您就是了，今天要教我們什麼魔法呢？」崔菁菁的話，讓人覺得窩心多了。 我笑而不答，拿出一張「大字報」貼在黑板上。 裡頭寫了一首詩，內容是這樣的： 魔法杯子 裝了水的杯子 倒立後不漏水 是鐵漢子 不願流下嘩啦啦的淚水 還是 誰封住了它的淚腺 讓它不會流淚 怎麼倒 也倒不滿的酒杯 是勸人喝酒 不要滿杯 裝滿水的兩個杯子 杯口相對 上下疊成一堆 竟然不會漏水 啊 魔法杯子 你沒有讓我心碎 我玩了一回又一回 朗誦完後，開心果郭俊麟興勿匆地問：「老師，您帶來魔法杯子了嗎？」 「當然嘍！」我從「實驗百寶箱」中拿出一個普通的玻璃杯，注入滿滿的水，再隨手拿來一張紙，將它撕成比杯口略大的尺寸，「注意看哦！我是偉大的魔法師，我的魔法會讓倒立的杯子不漏水！」 說完，我一邊用手輕輕壓著紙張，一邊慢慢將杯子倒立過來。 全班寂靜無聲，每個人都睜大著眼晴，聚焦在杯口上。 我放開壓著紙的手，紙沒有掉下來，杯裡的水一滴也沒有流下來！ 掌聲四起。郭俊麟拍得最起勁，把手掌都拍紅了。 「老師是大魔法師，你們是小魔法師。」我發下實驗器材，要各組也動手試試看。每個同學都玩得笑咪咪的。 班長蘇育政舉手問道：「滿滿的水倒立過來，卻被一張薄薄的紙給擋住了，真讓人驚訝呀！老師，為什麼呢？」 「這是因為大氣壓力從下面托住紙的緣故。」我突然想到另一種替代品，「表演的時候，如果怕失敗，可用杯墊代替，效果會比紙張好哦！」 「好神奇的大氣壓力喲！」白一飛咕噥了一句。 「老師，『倒立的杯子不會漏』表演完了，接下來是什麼節目呢？」郭俊麟意猶未盡，還想「玩」下去。 「第二個嘛，老師要表演的是倒不滿的啤酒杯。」 當我真的從實驗百寶箱裡拿出一瓶啤酒時，全班發出「嘩！」的一聲驚叫。 我把剛才實驗的杯子拿過來，輕輕在桌上放好，用手示意，要同學注意杯中的變化。 然後，我打開啤酒瓶蓋，將啤酒瓶整個垂直往空杯子裡倒（注意！啤酒瓶的瓶口必須停留在杯子中間的位置。） 嘩啦嘩啦，啤酒拚命往下流，泡沬不斷往上冒。 「老師，快滿出來了！」白一飛大叫了一聲。 我仍不為所動，繼續倒酒的動作。怪事發生了，就在這時，啤酒在一瞬間停住了。 同學看得目瞪口呆，無不嘖嘖稱奇。 「老師，快發給我們啤酒瓶，我們也想試試。」郭俊麟興致勃勃地說。 「不！你們改用寶特瓶裝水來實驗，不然，整問教室充滿了酒味，我看有人會受不了。」 接下來可熱鬧了，他們一個個扮演魔法師的角色，在喊了一聲「停」時，啤酒停住不再往上冒。一時之間，喊停之聲不絕於耳。 「為什麼啤酒往杯裡倒，怎麼倒都不會滿出來呢？」蘇育政又問道。 「這是利用大氣壓力所玩的魔術。」我笑著解說道：「杯中水面的上頭，有股大氣壓力往下壓著，當這股力量和瓶內啤酒和空氣的重量相等，也就是達到平衡時，瓶內的酒就不再流出停住了。」 「又是神奇的大氣壓力！」白一飛再度咕噥了一聲。 「接下來呢？」問話的依然是郭俊麟，他是愈玩愈起勁呢。 「裝滿水的兩個杯子／杯口相對／上下疊成一堆／竟然不會漏水……」崔菁菁一邊唸著詩句，一邊歪著頭思考，聲調突然昂揚了起來：「我知道了！老師再來要表演的是：水杯疊羅漢。」 「答對了！」這時我再拿出一個同樣大小的杯子，在兩個杯子裡面都注滿了水。 接著端起其中一杯，在杯口蓋上一張紙（做法跟第一個實驗「倒立的杯子不漏水」一樣），再倒扣在另一個杯子上。 當調整到兩個杯子上下對齊時，我輕輕抽走中間那張紙。怪事發生了，上面那個杯子裡面的水，竟然一滴也不會漏出來。 「好奇怪喲！兩個杯子中間不可能沒有空隙呀，為什麼水不會漏出來呢？」蘇育政的眼睛睜得像銅鈴那樣大，一直在注意看有沒有水漏出來。 「空隙原本是有的，可是水的表面張力作用，把它填滿了。」頓了一下我繼續說：「又來了外頭的大氣壓力，托住瓶口想要流出去的水，水就完全被鎖住了。」 看他們躍躍欲試，我趕緊每組再加發一個杯子。 同學們的眼睛閃閃發亮，輪流做這個實驗。 當下課的鈴聲響起時，我提醒他們：別忘了回家後做個魔法師，表演給家人看！ 白一飛突然冒出一句：「高級魔術表演都沒有免費的，我要向家人收觀賞費。」他的話惹來全班一陣譁笑。 在同學們的歡笑聲中，結束了這堂「魔法科學」課。

理化教師的演示實驗

蕭次融 大學入學考試中心 研究發展處 理化教師在國中所擔任的課程包括物理與化學，而物理與化學均屬於物質科學的一門探究物質的實驗科學。理化實驗常使用具體的實物，在適當控制的條件下可以實際操作，以產生可測量或觀察的現象，利用實際的感官以形成知識概念，因此實驗在中等教育顯得格外重要。不過日前實驗在中等學校實施的情形很不理想。實驗的器材雖然是一個問題，但是課程的繁重以及升學考試的壓力，實在是實驗實施不良的主要原因。要紓解教學的時間壓力以及學生的課業負擔，比較節省時間而又能讓學生親眼目睹物理現象以及化學變化，以助學生了解物理或化學原理，並提高學生學習理化的興趣，最好的方法就是教師在課堂上配合教學內容的演示實驗。 近年來，在國外的化學教育刊物上，出現Demistry與Chemdems等新名詞，前者是「化學」Chemistry的前四個字母Chem用「演示」Demonstration的前三個字母Dem所取代者，意即Demonstration for Chemistry Experiments。至於Chemdems是由化學與演示的兩個英文字的前幾個字母複合而成，可以解釋為 Demonstration that bring Chemistry to life.由此可見演示實驗在化學的重要性了。因為在課常上演示化學實驗，可使學生貫注精神，以觀察化學現象（變化）。配合課程的理化教師的演示實驗便於教師講解，易於學生了解物理與化學的原理，更可使學生留下深刻的印象，從而提高其學習理化的興趣。 許多教師認為教學是藝術與技術。藝術重視創新，技術講究方法。因此教學方法的創新與改進是理化教育的一個重要課題。優良的教學方法可使學生的學習事半功倍。教育心理學常說學童對於喜歡的事，容易做得好，因此喜歡與興趣可說是學生學好理化的原動力。簡單而有趣的實驗，有助於學生的學習。本刊這一期以「趣味科學實驗」為名，介紹一些PAC（Plain and Attractive Chemistry）簡而有趣的化學實驗，與PAP（Plain and Attractive Physics）簡而有趣的物理實驗，與理化教師共勉，敬請參酌指正。 可燃的鐵 一、目的 加熱分解草酸鐵，以製備微細的鐵粉。比較鐵釘、鋼絲絨、與鐵粉的可燃性，進而探討微細鐵粉的自燃。 二、器材 草酸鐵 2克 蠟燭 1支 酒精燈 1個 打火機 1個 試管與橡皮塞 1組 鐵釘 1支 試管夾（鐵製） 1支 鑷子 1支 試管架 1個 鋼絲絨 1塊 磁鐵 1個 鋁箔（約30X40cm2） 1張 玻棒 1支 面紙 1張 三、實驗步驟 （一）微細鐵粉的製備 1.用試管取黃色的草酸鐵（FeC2O4‧2H2O）約 2 克。 2.用試管夾（鐵製）夾住試管，用酒精燈的火焰加熱。注意要先加熱試管的上端，然後加熱試管底部的草酸鐵，並用玻棒攪拌草酸鐵（如圖一），使其受熱均勻。 圖一 用玻棒攪拌加熱中的草酸鐵 3.黃色的草酸鐵受熱分解 • 逐漸變成灰色粉末而浮動。繼續加熱並攪拌至粉末不再浮動，而且變成黑色。 4.試管移開火焰後，放置於試管架上，立即蓋上橡皮擦（先輕輕地蓋） 5.稍冷（用手可以觸摸的程度）後蓋緊橡皮塞。然後點燃一支蠟燭，用其蠟汕密封試管口（如圖二）。 圖二 用蠟油密封試管口 【問1】寫出步驟3黃色草酸鐵受熱分解的反應式。 【問2】在步驟2，為什麼要先加熱試管的上端，然後才可加熱草酸鐵？ （二）鐵釘、鋼絲絨、與微細鐵粉的可燃性比較 1.先用磁鐵分別吸住鐵釘與鋼絲絨，然後用磁鐵從試管外而吸住微細的鐵粉末，上下移動磁鐵，可見鐵粉隨磁鐵上下移動。 2.鐵釘用鑷子夾住後移至酒精燈的火焰上，鐵釘並不會著火燃燒。 3.取鋼絲絨一小塊，先用手指將其鬆開後，用鑷子夾住，放在酒精燈的火焰上，即見鋼絲絨著火，發出火花（如圖三）。 圖三 鋼絲絨著火 4.在地面上先舖一張鋁箔，並在鋁箔的中央部位放置一張面紙後，打開試管口的橡皮塞，略為傾斜地持試管（管口朝下，如圖四），用食指輕彈試管，使鐵粉紛紛落下，即見鐵粉離開試管，落地途中閃出小小火花（在暗處更明顯）。最後將較多的鐵粉，一起倒在面紙上，即見鐵粉點燃了面紙，使其燃燒起來（要注意火煙偵器）。 【問3】寫出鐵粉自燃發火的反應式。 圖四 微細的鐵粉掉落途中發出火花 四、教師手冊 （一）問題的參考答案 【問1】寫出步驟3黃色草酸鐵受熱分解的反應式： 【問2】在步驟2，為什麼要先加熱試管的上端，然後才可加熱草酸鐵？ 避免草酸鐵受熱分解，由其所含的結晶水所產生的水蒸氣，如反應式（1）所示，在試管的上端凝結成水，倒流至試管受熱部分，導致試管破裂。 【問3】寫出鐵粉自燃發火的反應式。 （二）補充說明 1.微細的鐵粉為什麼易燃？ （1）微細的粉木，表面積增大，與空氣接觸面增大，所以容易氧化而燃燒。但是若用機械的方式，任憑再怎麼磨細，也得不到本實驗所得那麼細微（幾近奈米級）的粉末，所以不會自燃。 （2）草酸鐵受熱分解產生微細的鐵粉末時，所加的能量也活化了粉末的表面。微細的鐵粉末如此活化了，而其表面積又增大，所以容易自燃。 2.為什麼當微細的鐵粉離開試管口，落地的途中會自燃？ 鐵粉掉落時，與空氣摩擦所產生的一點熱，加上活化了的鐵粉與空氣一接觸，即被氧化時所產生的熱，導致鐵粉自燃。 3.在實驗步驟5，已密封了試管口的試管內微細鐵粉，必須用鋁箔包裹數層，以免萬一試管破裂，鐵粉一觸空氣即自燃，發生危險。經如此包裹保存的鐵粉，即使放置數月，也不會失去其自燃發火的性質。 4.本實驗的要訣在於步驟3，必須加熱至粉末不再浮動，而且變成黑色為止。這個加熱操作要小心，就不會有危險。 5.若在實驗步驟2，加熱一段時間，粉末有點變成灰色時，移開玻璃棒，並將試管口移近火焰，即見試管口會呈現淡藍色火焰，這是一氧化碳正在燃燒的現象。 6.約在1990年，筆者帶領學生做「鍊金師的夢」實驗，回收的鋅粉經沖洗數次後過濾，鋅粉放置於一個塑膠盤晾乾。盤上的鋅粉偶爾翻動，至乾後數日未經攪動，卻自行起火，塑膠盤著火冒煙燃燒。幸好筆者在場，發覺後立即處理，未成災，而得到難忘的教訓，說出親身的經驗與讀者分享。 7.本寶驗留下的鐵粉，必須妥善處理，且不可丟棄於字紙簍，以免發生災害。 （三、參考資料） 1.日本化學會編，「對教師與學生有用的化學實驗」，東京化學同人p.61（1987）。 2.W.E.Kuhn, “Ultrafine Particles＂p.225, Electrochemical Society, Inc., New York （1963）

紙杯喇叭

祁明輝老師 臺北市立龍山國民中學 春去春會來，花謝花會再開，只要你願意，只要你願意，我會划向你心海…… 悠揚的音樂聲從紙杯中傳出，聽起來別有一番滋味！ 不會吧？ 紙杯又不是喇叭，音樂聲怎麼會從紙杯中傳出？ 不要懷疑，因為那是「紙杯喇叭」。 現在就讓我們動手製作一個紙杯喇叭，以了解喇叭的運作原理。 首先準備以下器材： ●免洗紙杯1個 ●漆包線（#32、線徑約0.27mm）150cm ●圓盤形磁鐵2個（直徑約2.5cm） ●鱷魚夾2個 ●膠帶1段 ●圓柱形物體1個（直徑約3.0cm） ●大頭針1支 ●美工刀1把 ●快乾膠1小瓶 ●音源裝置（如CD隨身聽） ●音源輸出線（其中一端可連接音源裝置之耳機孔） 器材準備妥當後，就可以依照以下步驟製作紙杯喇叭了。 1.取一個免洗紙杯，將杯底朝上放置。在杯底端（外部）以大頭針在杯緣刺2小孔，孔間距離約3公分（圖1）。 注意：小心使用大頭針，以免割傷 2.將漆包線繞圓柱形物體（如照相底片塑膠盒）約20圈左右成一單層螺線形線圈。線圈間儘量密接靠緊，線圈兩端留下約15公分的引線。先在繞好的線圈表面黏貼一層膠帶，如此可將線圈固定而不散開，然後再將線圈慢慢滑出圓柱形物體（圖2、3）。 3.以美工刀（或細砂紙）小心地刮除線圈兩條引線外端的絕緣漆。 4.將線圈兩條引線分別穿過紙杯兩小孔，並將線圈以快乾膠固定在紙杯底部中央後，在兩條引線上各連接一個鱷魚夾，以方便連接線路（圖4）。 5.放置一個圓盤形磁鐵在線圈內，並用膠帶固定，然後在膠帶上再放一個圓盤形磁鐵，如此『紙杯喇叭』就完成了（圖5、6）。 6.音源接線的一端連接音源裝置的耳機孔，另一端連接紙杯喇叭的鱷魚夾，接法如圖7、8。打開音源裝置，播放音樂，將耳朵靠近紙杯，是否可聽到由紙杯傳來的音樂聲。 若無法由紙杯聽到音源裝置所播放的音樂聲，試檢查以下事項： （1）兩條引線外部的絕緣漆是否刮除乾淨？ （2）鱷魚夾連接音源接線的接法是否錯誤？ （3）磁鐵的磁力是否太弱？ 為什麼所做的紙杯喇叭可以聽到音源裝置所播放的音樂聲呢？簡單說明如下：通以電流的導線，會在導線周圍產生磁場，可以使磁針發生偏轉，這種現象稱為「電流的磁效應」。這是丹麥人厄斯特（Hans Christian Oersted,1777－1851）於西元1820年所發現的現象。將一長導線繞成螺線形線圈，當線圈通以電流時，此線圈就像磁鐵一樣，具有N極與S極，以及磁鐵所顯現的性質。 音源裝置（如 CD 隨身聽）藉音源線傳送聲音的「電流訊號」至漆包線圈，漆包線圈因電流磁效應產生磁場，線圈產生的磁場與圓盤形磁鐵的磁場互相作用，使線圈及紙杯底的紙盤來回振動，進而振動空氣而發出與音源裝置所播放相同的音樂聲。 【參考資料】 ●近角聰信等五名（1999），《物理II》，p.91，東京書籍，日本。 ●近角聰信等五名（1998），《物理的世界IA》，p.27，東京書籍，日本。 ●Bill Aldridge and National Geographic society，1988，《Science interactions course3》，p.67，Glencoe/McGraw-Hill，New York.

結晶樹

大考中心 蕭次融 目的 利用飽和溶液中的溶劑不斷蒸散，使溶質從溶液中結晶出來。 原理 飽和溶液中的溶劑，若不斷地蒸散出去，則過量的溶質就會從溶液中析出。有些溶質，例如醋酸鈣，容易以晶體的形式析出。不同物質所析出的晶體，其形狀不同，有的形似玉翠，有的狀似雪花。 說明 本實驗依據上述原理，在溶液中過量的溶質會從溶液中析出晶體而設計。先用紙板或較厚的濾紙剪出樹木的形狀，如圖一作為「紙板樹幹」置於醋酸鈣的飽和溶液中，使其所吸取的醋酸鈣溶液往上升，終達「樹梢」，而升到樹梢的溶液因溶劑的蒸散析出結晶。若事先在所剪出的樹幹染色，例如用番石紅、亞甲藍等染料或用水溶性的紅、藍、綠色的簽字筆塗色，則結晶會著色，就會呈現出紅、藍、綠色的「晶體」，相當美觀（如照片一）。晶體的生成過程好似花木的成長，這種生「葉」開「花」的現象，著實美觀。本實驗是為園遊會設計的，觀眾可以在現場DIY，半小時後再回來觀察作品，並帶回家。 圖一 紙板樹幹 圖二 結晶樹 左：三天後 右：兩小時後 藥品與器材 醋酸鈣[Ca (CH3COO)2gH2O)]、酸鹼指示劑或水性簽字筆（紅、藍、綠或黃色）、燒杯或透明杯、量杯、粗天平、廣頸漏斗、濾紙、剪刀、培養皿或透明矮杯、透明塑膠軟管、保特瓶。 實驗步驟 一、配製醋酸鈣溶液 1.用燒杯或透明杯取醋酸鈣粉末約100克，透過廣頸漏斗將粉末倒入保特瓶內後，加水約100毫升，蓋緊瓶蓋用力搖動保特瓶得混濁溶液。 2.用過濾法過濾混濁溶液，或靜置混濁溶液過夜後，利用虹吸原理以透明塑膠軟管吸取保特瓶內的澄清而飽和的醋酸鈣溶液。 二、製作樹形紙板 1.取約4X8公分的紙板（易吸水的）或濾紙，將其剪成樹形如圖一。在紙板A的中線，從底部往上剪一隙縫，而紙板B則由頂部往下剪成一隙縫。 2.要注意兩個隙縫的大小，要恰好能使兩片紙板垂直相互直角地嵌合。 3.用水性簽字筆或指示劑在樹梢上著色。 三、結晶樹的製作 1.在培養皿或杯內倒入澄清的醋酸鈣溶液約20毫升後，將組合好的樹形紙板置於其中。 2.觀察樹幹透過毛細管作用，吸醋酸鈣溶液，並將溶液往上傳送的情形。若紙板吸取溶液的能力較差時，剪數條面紙，弄濕後將其緊貼在樹幹。 3.將培養皿或矮杯移置於不太通風的地方，靜置數小時或過夜，將會看到醋酸鈣晶體在樹枝上析出。 註： 1.晶體是否能在樹枝的各個尖端美麗地析出，與室內的溫度、濕度以及水分的蒸散速度等有關，尤其水分的蒸散速度，影響最大，因此要適當調整室內的溫濕。 2.結晶樹可置於櫥內當做藝術品欣賞。倘若溶液快要乾了，可再加水於培養皿，如此可保護樹上的晶體不脫落。

嘩！磁浮列車

洪國勳 當一列時速500公里的列車，快速地掠過一處寧靜的公園邊，想像中，大家一定會摀起耳朵，等待列車的離去。但事實並非如此，小孩們仍各自玩耍，媽媽懷中的小嬰兒依然安靜的睡著，坐在長板凳的老先生依舊看著報紙，全然無視於列車的經過。咦？這是怎麼回事？原來，這部列車正是目前高科技發展國家努力開發的「磁浮列車」。 磁浮列車有著快速、安靜、無污染的優點，毫無疑問的，它必將成為未來鐵路運輸系統的發展趨勢。因此，大家必須對磁浮列車有基本的認識。 磁浮列車是什麼時候發明的？ 乍聽之下，磁俘列車似乎是一項相當高科技的交通產品，但其實早在19世紀末期就已經有使列車上浮的構想，其中包括了運用氣球原理將列車「漂浮」在鐵路上行駛，或是運用水流使列車運行，但這些都只是一些非常初步的構想，未能產生革命性的突破。1922年，德國工程師赫爾曼提出了利用「磁力」使列車懸浮的想法。直到1969年，德國製造出一列利用「磁力」懸浮的小型列車，三年後日本亦研發出磁浮列車。直到現在，德國和日本關於磁浮列車的技術及研究依然獨步全球，例如今年（2003年）年初於上海完成試車的全球首班載客用磁浮列車就是由德國建造的。 為什麼磁浮列車速度能夠這麼快？ 不知道大家有沒有搬運過重物的經驗呢？如果把一個很重的箱子放在地上拉，是 相當費力的，但如果能在箱子下加上輪子，則搬運起來一定能輕鬆許多，因為加了輪子之後箱子與地面接觸面積減小，摩擦力也因此減小了，相對的，我們就能以較快的速度搬運箱子。 雖然加輪子可使摩擦力減小，但畢竟輪子還是跟地面有接觸，所以在速度上還是有所限制，雖然法國TGV列車曾創下傳統軌道運輸系統時速515公里的世界紀錄，但因輪軌材料會因摩擦產生過熱現象，列車行進時發生意外的機率也相對的提高，故現今德、法、西、口等國之高鐵商業營運時速均不超過300公里。因此，若列車想要更進一步的提升速度，必須放棄傳統以車輪行駛之方式，而採用使列車「懸浮」的方式運行。而磁浮列車利用磁力將車身懸浮於軌道上，使列車本身不與地面接觸，因而完全減掉摩擦力的作用，也就是像飛機一樣漂浮在空中，只是距離地面較近而已，若再加上適當的推進動力，就能跑得相當快了。 磁浮列車這麼快速，會不會產生噪音污染呢？ 我們再來看看搬箱子的例子吧，如果把一個沒有輪子的箱子放在地上推，一定會產生「沙～沙～」難聽刺耳的聲音，若加上輪子則聲音會小一點，但是若箱子的大小與重量跟火車一樣大，速度跟火車一樣快，就算加上了輪子，一樣會產生噪音汙染的問題，而磁浮列車與地面是完全沒有摩擦的，因此不會產生噪音汙染的問題。 磁浮列車有哪些種類？ 磁浮列車可依照其懸浮方式，分為互斥式磁浮列車和吸引式磁浮列車兩種，我們可由下表中清楚的看出兩種列車的不同。 磁鐵間距離越小則引力越大，當距離很靠近時，兩塊磁鐵則會吸在一起，那為什麼吸引式磁浮列車軌道上的磁性不會把列車上的磁鐵吸住而黏在一起呢？因為磁浮列車上裝有「位置感測器」，位置感測器能夠偵測軌道與列車間的距離，並透過適當的裝置控制磁力的大小，如果位置感測器發現兩者間距離太靠近了，就把磁力減小，使吸引力減小，列車與軌道就不會撞上了；若發現距離太遠，則把磁力加大，把列車吸上來。透過這個方法，就能確保列車與軌道間有一定的間隔。 此外，互斥式磁浮列車雖然軌道上和列車上的極性是相同的，並不代表列車上和軌道上裝了同極的磁鐵。事實上，軌道上裝的是「線圈」，只有列車經過時才會變成與列車同極性，使列車上浮（如圖四所示），當列車通過了之後線圈的磁力很快就會消失，因此不會影響到平交道上的車輛及行人。 圖二 互斥式磁浮列車 互斥式磁浮列車車身下方的磁力極性與軌道上的極性相同，因此便會產生斥力， 軌道上的磁鐵會把車身「向上推」，使車身上浮。 圖三 吸引式磁浮列車 吸引式磁浮列車車身下方的磁力極性與軌道上極性相異， 軌道上的磁鐵會把列車車身「吸上來」，因此車身也會上浮。 磁浮列車是如何前進的？ 圖五 磁浮列車的行進 傳統的車輛，可以利用輪軸的轉動來使車輛前進，但是磁浮列車完全懸浮於空中，要怎樣才能使它前進呢？ 簡單的說，讓磁浮列車前進的原理也是靠磁力。圖五是由軌道上方向俯視正在行進的磁浮列車，並在同一個地方連續拍兩張照片。我們可由第一張照片中發現列車可以靠著異性相吸、同性相斥的原理而前進，然而在第二張照片中，軌道上線圈的極性與第一張照片中軌道上線圈的極性已經完全不同了，原本N極線圈全離轉換為S極，S極的線圈則全部轉換為N極，如此一來，軌道上的線圈就可以繼續吸引列車向前進，因此只要於適當時間反覆地交換軌道線圈的極性，列車就能不斷的運行。 此外，磁浮列車上裝有引導系統，能夠使列車車身保持在軌道正上方，因此，列車就不會左右「飄」離了。 為什麼磁浮列車要使用超導體？ 若要更進一步認識磁浮列車，就一定要對「超導體」有初步的了解。首先我們先來看看為什麼磁浮列車要使用超導體。 磁浮列車利用磁力使列車上浮，但由於列車的本身有相當的重量，若僅使用一般傳統的永久磁鐵，由於磁力太弱，無法達到使列車上浮的目的，這時候，就必須研發出一種相當特殊的磁鐵，才能使列車上浮。因此，有人就提出利用「電磁鐵」取代傳統的永久磁鐵，也就是利用電生磁的現象產生磁力，而這個方法可使列車距離軌道間產生大約一公分左右的間隙，但若要顧慮到列車行進的安全，一公分的距離是不夠的，例如遭遇到地震，使鐵軌產生搖晃，很容易就會碰觸到列車而產生危險；除此之外，在緯度比較高的地區，很可能會下雪，若列車距與鐵軌間的距離不夠，則無法避開軌道上的積雪或其他雜物，顯然電磁鐵的威力顯然還是不夠，因此總明的科學家們就採用了「超導體」作為磁浮列車上浮的工具，超導體可使列車上浮到距離軌道將近十公分左右的距離，因此在安全上就比使用電磁鐵的列車有保障許多，尤其是對於位處地震帶的台灣，若想要利用磁浮列車作為運輸工具，利用超導體的磁浮列車絕對是不二的選擇。 所謂的超導體，顧名思義，就是「超級導電的物體」，也就是說，我們傳統認為能夠導電的金屬，如鐵，鋁等，與超導體比起導電的能力，可以用「小巫見大巫」來形容。雖然這些金屬能夠導電，但電在經過這些金屬時，仍會消耗許多電力在這些金屬內。例如台北的甲先生要透過鐵線傳送10單位的電力給高雄的乙小姐當作生日禮物，高雄的乙小姐實際收到的電力可能只剩下2單位而已，相信甲先生知道後一定相當生氣；但若透過超導體來傳送這10單位的電力，則乙小姐一定可以收到甲先生從台北發送的10單位電力，電力一點都不會消失。相同的，若將超導體放置在磁浮列車上，只要一通電，電力永遠不會消失，相較於而電磁鐵只有在通電時候才具有磁性，電流一切斷磁性就會消失，顯然超導體還是略勝 一籌，並能節省許多電能。 既然超導體的威力如此強大，為什麼不廣泛的使用超導體作為導電媒介呢？原因在於超導體必須要在溫度相當低（約攝氏零下兩百七十度）的狀況才能發揮其超級導電的特性，也唯有在此時才能被稱為超導體，然而保持超級低溫就是一項高難度的技術了。就像將滾燙的熱水放在保溫瓶中並關上瓶蓋，隔了10天後再打開，水溫一定跟一般的水沒有兩樣，也就是說，傳統的保溫技術只能「減緩」冷卻的速度，並不能完完全全的將溫度維持住，同樣的，不論科學家如何設計，絕熱宮作總是無法完美。所以科學家們正在研究如何提高超導電磁鐵與冷卻系統的性能，這些技術都是非常尖端的科技。 結語 在看完這麼多與磁浮列車相關的知識後，相信大家一定對磁浮列車有更進一步的認識。磁浮列車有著快速、安靜、無污染、與節省能源等優點，正好彌補了現今鐵路運輸系統的不足，而現今科技一日千里，相信在不久的將來，你我都一定有機會能夠搭乘磁浮列車唷！

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。

如何提升高中女學生的科學學習興趣

文/于曉平 國立臺灣師範大學特殊教育系副教授 科學議題中的性別差異 過去二、三十年來，探討性別、科學與科技的相關議題受到重視，學者發現女性在科學領域相對弱勢，探究其原因，從十七世紀以來的科學發展強調理性、客觀，這種思維成為當時科學論述的主流，而女性不斷被塑造成不夠理性、主觀的角色，漸漸與科學所強調的專業形象漸行漸遠。 以科學界舉足輕重的期刊Science發表著男女腦大不同的文章，強化著男女性在生物上的差異，國內學者蔡麗玲（2008）指出，這些言論使同性間的差異被忽略，異性間的差異被誇大，再加上男性腦部的「側化」現象被解讀成「專門化」，而女性左右腦的「並用」卻被解讀成「分化未完全」，即使科學研究對側化現象是否有性別差異尚無定論，但確為女性學不好科學找到了一個看似合理的理由。 而在教育環境中，女生也常被檢討在數理科學領域表現不佳，學校老師對無論表現再好的女生，往往只說她們會背書、認真聽話，而忽視女學生的真實能力，女性得面對充斥著性別刻板印象的環境與挑戰。Ceci和Williams（2011）指出，現實世界中的差異主要是由於選擇的資源差異所造成，這些選擇可以透過教育而改變。因此，除了如何提升女學生對科學學習的興趣與熱誠、如何培養女生正向的科學學習態度之外，亦應檢討科學學習環境對女性是否有公平的學習機會，塑造對兩性更為友善的學習環境。 女性科學生涯的困境 早期的生涯發展理論如眾多理論的發展一般，多以男性生涯為藍本，未思考女性特有的模式，然不同的性別角色期待、不同的父母教養態度、工作對女性的限制、婚姻或子女對女性生涯發展的影響，都呈現與男性生涯發展不同的面貌與多樣性，因此多位學者（Betz, 1994；Gutek & Larwood, 1987）主張女性生涯應特別從一般生涯發展獨立出來，形成女性特有的生涯發展理論。 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。在探討女性生涯發展的歷程以及其所面對的阻礙，其中可歸納包括性別角色、自我效能與角色楷模相關之探討，Mishler（1975）探討女性生涯發展受個人因素、社會因素與女性心理狀態影響，無法依照自己的興趣與能力選擇自己的生涯，因此必須妥協而調整自己的生涯目標。Betz與Fitzgerald（1987）提出的女性生涯選擇模式指出，工作經驗、學術成就、角色楷模、他人鼓勵影響女性的生涯選擇，Hackett與Betz（1981）將自我效能理論運用在女性生涯發展也提到，女性因為缺乏在全方位或非傳統職業的女性角色楷模，使其只著重傳統的女性角色。 國內探討女性科學學習與未來升學選擇等生涯議題方面之研究相形不多，蕭惠蘭（2004）針對高中女生性別意識、教育期望、科學成就對升大學選擇科系之影響進行研究，結果發現，高中女生的性別意識與科學成就無顯著相關，但與教育期望有顯著相關。蕭培以（2005）探討國三學生對學習科學及科學事業的性別認知及態度發現，國三男生對數學、自然與生活科技、健康與體育的喜愛程度顯著高於女生，且學生對各科目的興趣和學習成就感，有很大的關聯性。且國三男學生對科學的興趣與投入科學工作的意願顯著高於女生。因此有關女學生的科學學習興趣提升與生涯輔導工作的推動極為重要。 活動 國外針對數理領域女性進行有相關的生涯輔導或良師引導方案，包括美國、加拿大等都透過研討會、相關議題討論、良師網絡建立、自我信念與生涯興趣調查，生涯幻遊練習等，鼓勵女性往數理領域發展，給予想進入數理領域的女生一些正向的刺激與經驗，增加學生學習數理的興趣，對參與者的自尊與教育自我效能有明顯的進步，也對其澄清職業目標與認定未來在數理方面的發展有幫助 (Kerr & Robinson-Kurpius, 2004; Makosz, 1993)。 于曉平、林幸台（2010）曾針對高中數理資優女生規劃有角色楷模課程，根據角色理論，他人對其角色的期望與扮演該角色者實際行為表現之間，會形成一種動態的體系，欲做好自己所扮演的角色，一為覺知自身的角色，另一種是覺察他人對該角色的知覺與認識狀態，以及覺察與他人間的人際關係與情緒反應（Munson, 1970）。課程利用四個月的生涯輔導課程時段中進行，學生在課程後對於自我了解、性別角色覺知、生涯探索與個人生涯定位都有所幫助。 整體而言，有關角色楷模建立、參觀實習、工作坊、科學營隊活動、傳記閱讀、生涯探索等活動，對學生科學生涯的興趣提升與選擇都有相當的助益。以下針對有助於提升女學生科學學習興趣之方式與活動可包括以下幾項： 一、 科學營隊之辦理：利用寒暑假或假日，辦理男女生皆可參與或是專為女學生舉辦之科學營隊，透過新興議題與動手做等實驗活動，激發女學生的科學學習興趣，提供更多的科學學習機會。此外，營隊課程可安排更多的女性學者專家擔任主講者，分享專業領域的研究成果或個人的成長歷程，除了是一種角色典範，亦可鼓勵女學生往科學或科技領域發展(圖1、2)。 圖1. 以愛上星空的女科學家為題進行專題演講 圖2. 氣體壓力的女學生科學營隊 二、 獨立研究課程之實施與指導：邀請有實施專題研究或獨立研究課程之學校教師擔任班上女學生的指導老師，引導對研究有興趣的女學生進行科學研究，並針對研究成果進行發表，過程中女學生可更了解科學研究所須面對的狀況，亦可對科學研究的歷程與後續生涯發展有更直接的影響(圖3、4)。 圖3. 女學生分享自己進行獨立研究的發現與研究進度 圖4. 女學生的個別研究指導 三、生涯輔導之規劃與辦理：針對女學生進行相關的生涯輔導，結合自我認識、性向與興趣測驗施測、理工科系介紹、女科學家之傳記閱讀、學生想了解之職場參訪等生涯輔導課程或生涯探索活動，可協助學生對自己是否適合走科學，以及未來的科學研究環境有更深的認識。 四、角色楷模與良師引導：角色楷模是一種觀察學習，觀察他人而產生的模仿，會影響一個人的人格與行為。角色楷模課程係透過正式的課程規劃與安排設計，協助學生覺察社會對兩性不同的觀感，在價值分歧的社會觀下，協助建立正向的角色典範人物，藉由訪談觀察、認同，進而學習模仿之。角色楷模課程包括：性別議題討論、傳記閱讀、影片欣賞與討論、聆聽演講與進行典範人物專訪等，了解個人能力、興趣，並對女性從事科學領域工作的相關問題進一步釐清與了解。 五、教師社群與論壇之推動：除了為學生安排相關活動，教師信念的改變亦十分重要，可分別成立教師專業社群，透過專家學者或具實務經驗教師之討論分享與組織讀書會，討論如何引導學生提升性別意識，建立正向的性別平等觀念，進而引導教師進行自我反思並將正向的觀念融入課程與輔導中。 圖5. 教師參與科學研習 圖6. 教師與學生共同參與科學研習 結語 提升女生科學學習興趣之方法不少，然教師是影響學生對科學學習興趣的重要關鍵。如何讓教師覺察自身教學與言談對學生的影響力以及讓教師能在課堂中實際引導女學生對科學學習感到興趣甚至是持續維持興趣，相當重要。因此，除了規劃學生相關的科學營隊活動、研究指導以及生涯輔導等活動，提升女性性別意識和相關科學生涯的探索與體驗；亦應以教師社群組織與對話、辦理教師研習與講座，讓教師們藉由專題討論與分享，思考如何提升女生科學學習興趣，以及課堂教學與引導科學學習的有效方式，有效提升教師的覺知反思與經驗分享，持續強化教師對女學生科學學習的引導與反思能力。 參考文獻 于曉平、林幸台（2010）。角色楷模課程對高中數理資優女生性別角色、生涯自我效能與生涯發展影響之研究。教育科學研究期刊，55(1)，27-61。 蔡麗玲（2004）。性別中立？談科學裡的性別。婦研縱橫，70，23-27。 蕭培以（2006）。探討國三學生對學習科學及科學事業的性別認知及態度。國立彰化師範大學生物學研究所碩士論文，未出版，彰化市。 蕭惠蘭（2004）。高中女生性別意識、教育期望、科學成就對升大學選擇科系之影響研究。國立彰化師範大學教育研究所碩士論文，未出版，彰化市。 Betz, N. E., & Fitzgerald, L. F. (1987). The career psychology of women. San Diego, CA, US: Academic Press. Betz, N. E.（1994）. Basic issues and concepts in career counseling for women. In W. B. Walsh & S. H. Osipow (Eds.), Career counseling for women. (pp. 1- 41). Hillsdate, NJ: Prentice Hall. Ceci, S. J., & Williams, W. M. (2011). Understanding current causes of women's underrepresentation in science. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108, doi:10.1073/pnas.1103900108. (TWIP: This Week in PNAS; cover story article) Gutek, B. A., & Larwood, L. (1987). Women's career development. Beverly Hills, CA: Sage. Hackett, G., & Betz, N. E. (1981). A self-efficacy approach to the career development of women. Journal of Vocational Behavior, 18, 326-339. Kerr, B., & Robinson-Kurpius, S. E. (2004). Encouraging talented girls in math and science: Effects of a guidance intervention. High Ability Studies, 15(1), 85–102. Makosz, J. (1993, September). Operation minerva rocky view: Mentoring young girls in science. Proceedings of the Society for the Advancement of Gifted Educational Annual Conference, Calgary, Alberta, Canada. (EDIC Document Reproduction Service No. ED 371557) Mishler, S. A. (1975). Barriers to the career development of women. In S. H. Osipow (Ed.), Emerging women: Career analysis and outlooks (pp. 117-146). Columbus, OH: Charles E. Merrill. (ERIC Document Reproduction Service No. ED 117348) Munson, H. L. (1970). Elementary school guidance: Concepts, dimensions, and practice. Boston, MA: Allyn & Bacon.

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！