文/白榮銓

作 者:王德麟

出版社:書泉出版社

出版日期:2014年10月25日

 

玩玩具,學科學:玩具背後的科學原理

有人可能認為:玩玩具是貪圖逸樂、蹉跎光陰、消磨志氣。但玩玩具有時也能玩出屬於自己的一片天空,例如優良的益智玩具,可以讓數學變得生動有趣,協助孩子學習數學概念,並提昇數學邏輯能力。近年來,有關玩具應用在科學教學領域的書籍、論文和研討會,愈來愈多,顯示與玩具相關的教育議題,已逐漸受到重視,這是因為優良的科學玩具,不但可以提昇學習動機,更可以促進師生互動關係。至於市面上有那些適合輔助學習科學的玩具?這些科學玩具背後有那些科學原理?要如何將「玩玩具」融入科學教學?

本書作者為中學教師,平時即醉心於科學玩具的蒐集與研究,並將心得發表在「科學玩具柑仔店」部落格,藉此滿足對於追求知識的渴望,並能幫助學習者暢遊於科學之中;除此之外,作者在本書中以和讀者討論、對話的方式,描述科學玩具的特質與功能,摒除拗口的艱深名詞與數學公式,從事件發生中的現象找出立論證據,冀望讀者可以從本書內容中,從不同的角度切入,找出適合自己閱讀的方向。

創造發明的練習素材

學者研究指出: 創造力的能力包含1. 敏覺力(sensitivity): 特性為「明察秋毫、洞燭機先、獨具慧眼」,2. 流暢力(fluency):特性為「思路通暢、花樣百出」,3. 變通力(flexibility): 特性為「舉一反三、隨機應變、觸類旁通」,4. 獨創力(originality): 特性為「不同凡響、匠心獨運、與眾不同」,5. 精進力(elaboration): 特性為「深具巧思、慎思熟慮、精益求精」。至於創造力的執行及運用,則可利用:轉換(transfer)、逆向(reverse)、轉向(change direction)、延伸(extend)、合併(combine)及減少(reduce)等技巧。

「玩玩具,學科學」應屬於趣味科學課程,學校教學要應如何寓教於樂,激發學生的創意,以便從練習創造力的各項技巧中,達到提昇創造力的目標?

智慧平衡檯1:智慧平衡檯。(圖片來源:本書作者王德麟老師提供)

以「平衡檯-球往哪裡滾?」(圖1)為例,因為rolling 讀音,類似「瑞利」,故滾動的球rolling ball,又被稱為「瑞利球」,國外又稱為shoot the moon。其構造是兩邊高低不同的ㄩ型木製平檯,板子底部有數個洞(洞旁標示得分數),兩根不平行的金屬棒橫跨板子兩端,金屬棒距離較窄的一端,位置較低。操作時,將金屬球靜置於兩根金屬棒的較低端,雙手分別握著二根金屬棒的另一端,逐漸增加兩根金屬棒之間的寬度,從上方觀察,可以看到金屬球沿著兩根金屬棒的軌道,從木板的較低端,滾向木板較高的一端。

當彈珠開始滾動後,必須在適當距離靠攏兩根金屬棒,萬一太慢靠攏金屬棒,彈珠會掉落至木板底部;但是如果太早靠攏兩根金屬棒,彈珠會停止前進,甚至滾回低處。遊戲規則是金屬球滾得愈遠,進洞所得的分數就愈高。讓人好奇的是:為什麼兩根金屬棒上的金屬球似乎違反重力原則,由低處滾向高處?

為了幫助學習者探究答案,我們可以利用創造力的「轉換」技巧,即「將某領域的做事原理,應用到另一個領域」,也就是將「平衡檯遊戲」,應用到「動手做科學」的活動。為了方便製作及節省材料成本,因此以瓦楞紙板替代木板,玻璃珠替代金屬球,吸管替代金屬棒,再加上美工刀、簽字筆和雙面膠等工具,就可以完成自製的平衡檯。若以直尺測量吸管兩端的高度,可以發現:彈珠仍然是往低處滾動,並沒有違背自然法則,這是因為彈珠滾到吸管較寬的位置時,彈珠會往下沉,所以彈珠本身還是由高處往低處滾動。

再以「平衡鳥-命懸一線間」(圖2)為例,其構造是由一組上下疊合而成的鳥型塑膠殼,再加上夾藏在翅膀前端的鐵塊組成。操作時,將鳥嘴的尖端置於支架上,一開始,鳥身會左右搖晃,一段時間後,搖晃程度逐漸變小,最後穩如泰山地維持平衡狀態。讓人好奇的是:為什麼平衡鳥能在小小的支點上維持平衡?

市面上販售的平衡鳥2:市面上販售的平衡鳥。(白榮銓老師提供)

同樣可以讓學習者練習創造力的「轉換」技巧,以紙板替代塑膠殼,以迴紋針替代翅膀前端的鐵塊,以竹筷尖端當作支點,再加上美工刀和透明膠帶等工具,就可以完成平衡蝴蝶(圖3)製作完成後,必須調整迴紋針的位置,並將兩邊翅膀稍微向下傾斜,讓兩翼的末端比身體低,目的是使蝴蝶的重心位置低於支點,這樣才容易維持平衡。

自製的平衡蝴蝶3:自製的平衡蝴蝶。(白榮銓老師提供)

由上述可知,運用創造力的六大技巧,將玩具轉化為動手做科學的活動,應有助於培養突破成規及觀察入微的「敏覺力」、能構想大量意念的「流暢力」、能突破成規的「變通力」、能產生新奇獨到的點子及解難方法的「獨創力」,以及能在原有構想上加入新元素,達到盡善盡美的「精進力」。

探究教學的趣味教材

探究教學強調要以學生為中心,使其透過類似科學家做研究的過程,體驗科學本質,培養正確的科學態度,學習科學技能與知識,因此玩具不僅是具有輔助講述和示範功能而已,背後的科學原理,應可做為探究教學的趣味教材,學校教學應如何引導學生進行實做與思考,以便在探究過程中習得解決問題的方法?

市面上的走馬燈4:市面上的走馬燈。(圖片來源:本書作者王德麟老師提供)

以「走馬燈-戲看人生」為例(圖4),其構造是由圓筒狀的燭臺,再加上蠟燭組成,當燭火燃燒一段時間後,火燄附近的空氣被加熱,會使得空氣體積變大、密度變小,而密度較小的空氣會向上升,於是附近的冷空氣經由下方補充進來,發生對流循環,故可以推動筒身上方的扇葉,筒身也隨之發生轉動,到底哪些因素會影響走馬燈的轉動速率及方向?

為了方便探究,學習者可以自製走馬燈(圖5),以倒置的紙杯當作燈罩,紙杯側面貼上卡通貼紙裝飾,或以彩色筆彩繪美化,紙杯底部以美工刀割出葉片,杯底中間釘上一組暗扣,當作轉動的支點;其次,以銼刀將鐵絲的一端磨尖,當作支持燈罩的燈架,向上頂在燈罩底部暗扣的凹槽內。燈泡通電當作熱源,一段時間後,燈罩會逐漸開始轉動。

自製的走馬燈圖5:自製的走馬燈。(白榮銓老師提供)

完成走馬燈製作後,讓學生指出影響燈罩轉動速率與方向的變因,並提出假設。其次,應用「控制變因」改變燈泡的功率、杯底葉片的數量及傾斜角度,觀察對於走馬燈轉動速率的影響;改變杯底葉片的傾斜方向,觀察走馬燈是朝著順時鐘或逆時鐘的方向轉動;在杯底、側面或兩者都割出葉片,然後改變杯底和側面葉片的傾斜方向,使其同方向或反方向,觀察葉片速率和方向的改變。最後,請學生依據實驗結果,思考並解釋原因。

由上述可知,學生在裁切走馬燈葉片的過程中,可以熟習圓心、弦、直徑等數學概念;在探究實驗的過程中,可以練習運用科學過程技能,操縱變因,並經由邏輯推論,獲得熱對流、摩擦力、反作用力、力矩及合力矩等科學概念,這些都是以學生為活動的主體。

科展研究的生活題材

推動科展研究的目的,是在激發學生對於科學研究的興趣,讓學生在研究探討的過程中,熟悉使用科學方法及主動建構科學概念,並培養獨立思考及解決問題的創新能力,因此科展研究可視為自然科學的延伸教學。

科展研究的第一步是決定研究主題,而新奇好玩的玩具原理,應是學生尋找題材的靈感來源之一,到底本書有哪些玩具,曾被選為科展研究的題材?

 水鳥笛6:水鳥笛。(圖片來源:本書作者王德麟老師提供)

以「水鳥笛-給它水喝,讓它唱給你聽」為例(圖6),市面販售的水鳥笛,是以瓷器或塑膠材質製成,頭部和尾部各有一個洞孔,當水鳥笛的內部裝水後,在吹管的開口端吹氣,可以發出宛轉的鳥叫聲。2010 年,高雄市正興國小的4 位學生,以「笛音飛揚的環保童玩∼水鳥笛的探討與創新發現」做為科展研究題目,研究目的是要自製水鳥笛,藉此瞭解水鳥笛的構造、水鳥笛的吹奏原理,並探討下列問題:水鳥笛的空氣柱長短與發出聲音之間的關係、水鳥笛的開口設計與吹奏聲音的關係、水鳥笛的吹管角度與吹奏聲音的關係、水鳥笛的不同介質與發聲的關係。這件作品獲得高雄市99 年度國小學生獨立研究競賽「自然與生活科技類」第一名。

再以「竹蟬—別讓它成為寒蟬」為例,竹蟬是傳統的民俗童玩之一,轉動時會發出如夏蟬的鳴叫聲。1997 年,臺北縣(現新北市)實踐國小的4 位學生,以「竹蟬變聲術」做為科展研究題目,獲得第37 屆全國中小學科展,國小組物理科第二名。

2002 年,臺中市忠孝國小6 位學生,以「竹蟬是胡琴的老祖宗-探究弦樂器的構造、發聲方式及製作簡易絃樂器」做為科展研究題目,獲得第42 屆全國中小學科展,國小組物理科第三名。

再以「蝸牛球-超乎想像的慢動作」為例,本書作者在國外網站看到snail ball(蝸牛球)的趣味玩具,一顆直徑約2 公分的空心球,內部填充部份液體之後,在斜坡上不會快速滾下,而是異乎常情的緩慢往下滾(影片網址:https://www.youtube.com/watch?v=p-7n-Yb8f_Y)。2012年,本書作者指導學生自製蝸牛球(http://www.youtube.com/watch?v=DFyFQVl1I0o),以「蝸牛球的運動模式觀察與研究」做為科展研究題目,獲得臺南市第52 屆中小學科展,國中物理組第二名。

由上述可知,玩具可以增進國中小學生的課外經驗,進行科展研究時,學生可以針對主題,提出假設,擬定計畫,研究裝置可參考市面販售的玩具,創意改變玩具的各項變因(材質、規格、造型),及不同的操作玩具方式,進行實驗,設計表格記錄數據及觀察結果,最後分析結果,歸納得到結論。因此探究玩具的科學原理,不但具有趣味性與挑戰性,更可以提昇學生的科學學習成就。

綜合上述,動手做科學玩具可以培養創造力,在探究教學過程中,不管是鄉土或現代玩具,皆可以提供學習情境及練習科學過程技能的機會;新鮮創意的玩具則可當作科展研究的主題,讓學生像科學家一樣的進行研究,有助於對科學課程加深、加廣的學習。至於書中還有那些優良的科學玩具,如何探究隱藏在這些玩具背後的原理,如何應用於科學課程,這些都有待您進一步的閱讀與思考!

 

白榮銓 臺中市居仁國民中學退休教師

 

12/26/2014 14:54

當日人數:1  累積人數:3678

本篇文章引用網址 
  

««Maker 運動在臺灣...  »»一場顛覆聽覺的遊戲饗宴:「生物律...

 轉寄

相關標籤


推薦連結




留言者 : *
 

E-mail :
 

網址 :
 

文章內容 : *
 

圖形驗證碼 : *