有「紙」萬事足─創意紙機械教學活動

文.圖/吳心昀
 

活動背景與理念

在我們的日常生活中,許多科技產品應用槓桿、滑輪、齒輪及連桿機構等簡單的機械原理(李光展,2012)。為使學生能瞭解機械的機構組成與運作原理,生活科技課程常會透過實作活動,讓學生體驗其運作狀況與原理,且通常會搭配木工、金工等加工課程,讓學生運用手工機具以製作凸輪玩具。然而,由於許多學校並未擁有生活科技專科教室,且亦無處理木材等真實材料的相關機具,在未能協助學生安全地進行材料加工的情況下,要實行機構實作課程變得較為困難。因此,近年來有些生活科技教師迫於環境與設備的考量,便退而求其次地改以紙張等材料,設計紙機械的活動來進行機構原理的教學。
紙機械為一由紙所製作而成包含機械構造的作品,透過紙材的易取得與方便加工性,學生能排除加工上的困難,發揮更多創意。而目前大多數的紙機械活動雖教授學生簡易機構原理與概念,但作品多為類似立體卡片等平面式拉動紙偶,大多僅包含連桿概念,而缺乏了輪軸、傳動的部分。故本教學活動有別於以前紙機械的作品,要求學生設計立體紙模型之紙機械,其作品類似木工實作的凸輪玩具,而機構及運作部分皆為學生小組之創意發揮空間,讓其能融入機構原理概念及數學幾何展開圖兩部分,進行創意紙機械設計與製作。為了詳盡地介紹本實作活動,以下分成「教學活動設計」以及「實際教學成果」兩部分進行解說。


教學活動設計
本教學活動主要以實作的方式,讓學生瞭解機械的機構及運作原理,透過小組合作的方式,並利用取材方便、易於加工的紙材作為材料,讓學生小組能發揮其構想與創意,設計一個至少包含兩個動作的紙機械。
一、教學目標
1. 能了解簡單機械的運作原理
2. 能了解簡單機械的構造
3. 能了解動力機械的連動關係
4. 能利用創意思考技法進行創意發想
5. 能與小組合作共同解決問題
二、教學對象
本教學活動之對象為高中一年級學生,授課時數為一週兩節。教學活動採4人一組的小組規劃,以幫助學生透過團隊合作經共同討論,激盪其對於紙機械玩具製作內容之創意。
三、教學材料
本活動之材料為簡單易取得之紙材,由於學生使用紙材的尺寸、用量及種類不一,故紙材部分由學生自行準備,但建議學生使用150 磅以上之卡紙,硬度較為足夠,也比較容易加工。工具使用的部分包含剪刀、美工刀等簡單剪裁工具及雙面膠、白膠、膠帶等黏貼工具,這些工具均為常見、易取得之工具,學生多半會自行攜帶,但建議教師仍需準備一些作為備用。另外,為保護工作環境及學生工作品質,教師需準備切割墊,供學生切割紙材時使用,並要求學生不要使用膠水等流體膠作為黏貼工具。
四、教學流程
本實作課程的安排為四週八堂課,主要之教學流程包含「教學範例製作」、「創意紙機械設計與製作」與「成果發表」三個部分(如圖1),讓學生可以完整地進行學習、設計及實作。

教學流程表圖1 教學流程表

五、教學範例
一般在進行紙機械教學時,通常會先講解其機械構造及運作原理後,便要求學生開始進行設計與製作,但往往學生尚未完全吸收,還弄不懂機械原理就必須進行設計與製作,造成難以發揮其創意的窘境。故本教學活動在講解紙機械的構造及原理之前,先讓每名學生透過教師所準備好的紙模製作出「點頭羊」(如圖2),讓學生在製作的過程中瞭解紙機械的基本構造,一方面累積其製作紙機械的先備經驗,另一方面也讓學生更能瞭解凸輪與其他機構的運作原理。

教學範例:點頭羊紙機械。

圖2 教學範例:點頭羊紙機械。
資料來源:http://flyingpigautomata.blogspot.tw/2010/02/agreeable-sheep.html


 為讓學生都能確實完成此一教學範例製作,建議教師可將紙模型範例印在白色卡紙上(點頭羊紙模範例可至flyingpig 網站填寫email 訂閱即可獲得),並要求學生將其做創意著色,可作為之後創意紙機械的前置發揮(如圖3)。

教學範例製作―創意點頭羊圖3 教學範例製作―創意點頭羊。

六、紙機械設計
在透過前述「點頭羊紙機械」的製作,累積學生對於紙機構的先備經驗後,則可開始引導學生小組進行紙機構設計的創意發想。在此一課程中,教師可更進一步介紹紙機械的運作原理及機構概念,例如連桿、槓桿、滑輪及輪軸結構等機構原理(如圖4)。在介紹過相關的原理與概念後,便可引導學生從紙機械的運轉動作及機構設計等兩方面設計創意紙機械。
凸輪機構的運作原理與概念圖4 凸輪機構的運作原理與概念。資料來源:http://tds.ic.polyu.edu.hk/td/wtheme2/book2_c.htm

 

首先進行紙機械運轉時的動作發想,讓學生將自己在「點頭羊紙機構」中所學到的經驗進行創意發想,學生小組可使用創意思考中的「腦力激盪術」及「聯想法」的方式進行發想、共同討論以產生。接著進行紙機械的運轉機構設計,讓學生針對所發想的紙機械的運轉動作進行機構設計,教師可提供網路上的相關資料如flyingpig 創意機械紙模型(如圖5)、Canon的紙模型等(如圖6)讓學生做參考,並與學生進行討論,研究如何透過卡紙來製作出希望的設計與作品。此部分由於學生小組各組所發想之機構運轉狀況不同,教師除可透過網路上之紙模資料進行引導外,亦可舉生活中的例子,如腳踏車為齒輪帶動鏈條傳動、凸輪玩具為凸輪與連桿的搭配等,以引導學生設計不同軸向之運轉機構。

flyingpig 創意機械紙模型範例圖5 flyingpig 創意機械紙模型範例。資料來源:http://www.flying-pig.co.uk/store/robives

Canon 的紙機械模型圖6 Canon 的紙機械模型。資料來源:http://cp.c-ij.com/zh/contents/2023/list_15_1.html

教師只需要提供引導及協助,讓學生自由發揮創意,設計出專屬的紙機械,而紙機械模型設計、展開圖的部分,盡量要求學生們自行進行設計,若有小組對於發想有所困難,教師除了可從旁協助給予指導外,對於沒有想法的學生則可建議其直接參考網路上現有的紙模型進行機構部分的紙模型設計,而外型及動作紙偶部份則需要求學生進行發揮與設計。在成品製作的過程中,學生多半都能發揮其創意設計紙機械之動作,但紙模型的設計部分教師則需多提供引導或協助,尤其是機構相關部分的紙模型設計,學生常常會弄錯移動點與固定點之關係及紙模型展開圖的接合方式,因此教師需特別針對該部分進行教學與提醒。雖然此活動之製作部分較費工、費時,但是能讓學生有許多發揮空間,除了能加深其機構設計之經驗外,對自行設計的獨一無二紙機械也能產生極大成就感,並能對較難懂的機構運動原理感興趣。
七、發表與評量
由於本活動讓學生各組自由設計與發揮,故提供各組發表他們的紙機械設計的機會,除了可增加學生們的成就感外,也可讓各組同學之間互相觀摩與學習,讓他們都可清楚了解其他組別的創意設計。成果發表之內容則要求成果報告之簡報內容需包含其設計構想、作品外觀、內部構造、動作設計圖、紙模型設計圖、使用的材料及工具清單、各組工作分配及參考資料等部分,而非僅是以作品進行分享,讓各組之間也能了解其他組別的合作方式,以達到彼此精益求精的學習效果。教師的活動評量部分,可包含紙機械的機構設計、動作創意、成果報告、分工等,若想了解學生的學習狀況,也可多加心得部分,以利更加了解學生的參與情形及學習成效。

小組創意紙機械成果發表圖7 小組創意紙機械成果發表。

教學活動成果
本活動之教學成果包含引導學生進行設計的活動單、創意紙機械作品及各組的成果簡報等三部分。
一、活動單
活動單的主要目的為協助學生小組進行創意紙機械之發想與設計,透過解決問題模式的引導,讓學生能夠按部就班,以創意思考技法進行紙機械發想與討論、蒐集紙機械設計之相關資料,紙模型之設計及紙機械之製作及測試與評估(如圖8)。

學生所填寫之創意紙機械活動單圖8 學生所填寫之創意紙機械活動單。

本活動單之設計,主要按照解決問題之步驟進行引導,讓學生逐項進行討論、思考,並再回答問題的過程中完成其作品。此外,活動單亦可協助教師了解小組之實作狀況,以作為小組成果回饋之依據。
二、創意紙機械
從紙機械動作與紙模型之設計成品中可以觀察學生的創意表現及對機構的瞭解與發揮,教師在作品的要求上則為紙機械至少需包含兩個機構的互動,而動作的表現及運動方式則讓學生自由發揮。此部分學生一開始大多會依據所看過的卡通動作進行模擬與設計,有些組別會在製作時發現動作太難、或機構之紙模型太過複雜後放棄,改為較為基本款的凸輪機構進行設計,雖然如此,小組也能在凸輪機構的距離、時間差及動作紙偶上進行創意發揮(如圖9)。圖9 之作品皆為最簡單的凸輪玩具機構,學生依據不同喜好進行創意發揮,圖9 左圖以進擊的巨人為模型,透過凸輪機構,讓巨人的嘴巴進行開合動作,在不同時間差,巨人的手也會進行敲擊。而圖9 右圖則以學生啦啦隊之特色動作為模型,凸輪轉動時,依據不同的時間差,兩個紙偶進行一上一下的跳動。

 

學生的創意紙機械作品:進擊的巨人(左)和學生啦啦隊(右)圖9  學生的創意紙機械作品:進擊的巨人(左)和學生啦啦隊(右)。

三、成果簡報
成果發表給予學生向班上同學介紹自己作品的機會,從發想過程到紙機械的設計與製作,讓學生除了能夠檢視自己的作品外,也能從中學到其他同學所設計的不同紙機械機構作品。教師在學生進行成果簡報時,可針對學生的設計構想、蒐集資料、作品外觀、內部構造、動作設計圖、紙模設計圖、使用的材料及工具清單、各組工作分配等部分進行評量,了解學生是否在此活動中皆有參與,並可針對關鍵機構與設計進行提問,以確定學生在機構學習上的成效。圖10 是學生簡報其創意紙機械設計構想的示例。

 

學生的創意紙機械設計構想圖10 學生的創意紙機械設計構想。

結語
創意紙機械活動的內涵包含了紙張特性、機構原理的知識學習以及造型展開圖的設計,並提供學生以小組方式討論以完成其作品,藉此培養學生合作解決問題的能力。透過製作自己所設計之紙機械,讓學生能夠從實作中學習到深奧難懂的機構原理;並以取材容易、加工方便的紙作為材料,讓學生藉此了解不同紙張的性質,並能有所發揮;而最後的成果發表,則讓學生們有機會分享收獲,並且從其他組的合作過程中進行互助學習。
機構的應用非常廣泛,而其對應之工程學科也不勝枚舉,因此良好的機構課程對於學生在日常生活中對於產品與機械的了解或是個人的適性發展上都有極大的幫助,且透過紙機械教學活動,能讓學生在實作中學習,瞭解相關機構與運作原理。雖然在設計與製作上,有別於傳統木工或金工的加工方式,且需讓學生將立體的機構轉化為平面的展開圖,但在缺乏專科教室、實作機具的學校,紙材還是可以做為極佳的實作材料,讓學生能真實且有效的進行機構學習與創意發想。教師們不妨試試看,讓自己與學生都能製作出一具屬於自己的創意紙機械。
建議教師在進行本活動時,以機構之運轉原理做為教學重點,讓學生能做更多的動作發想與創意發揮。由於本活動以紙為材料,故加工上比起傳統金、木工加工方式較為簡單,然如何將立體的機構平面化則為學生的一大挑戰,在這一部分,教師可以flyingpig 及canon 相關紙模進行引導學生思考,讓他們自行測試與製作,切勿直接告訴學生答案,而讓他們少了解決問題的學習機會。由於生活科技課程十分強調培養學生使用手工機具的實作能力,紙機械活動雖然在加工、取材等方面較為便利,但卻少了讓學生學習真實材料的加工機會,若學校設備允許,教師仍應避免以紙作為實作材料,以讓學生具備動手操作手工機具以處理真實材料的重要實作能力。

參考文獻

  1.  Canon(2015)。紙模型。2015 年4月14 日, 取自http://cp.c-ij.com/zh/contents/2023/list_15_1.html
  2. 李光展(2012)。紙機械教學活動設計與成果分享。科學研習月刊,51(6),7-11。
  3. 英國flying-pig(2015)。創意紙機械模型。2015 年4 月14 日, 取自http://www.flying-pig.co.uk/store/robives
  4. 飛天豬創意機械紙模型(2012)。點頭羊免費機械紙模型。2015 年4 月14 日, 取自http://flyingpigautomata.blogspot.tw/2010/02/agreeable-sheep.html
  5. 香港理工大學(2015)。科技系統在日常生活中的運作。2015 年4 月14日, 取自http://tds.ic.polyu.edu.hk/td/wtheme2/book2_c.htm


吳心昀  國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系研究生
 

 

 

08/06/2015 15:03

當日人數:1  累積人數:3601

本篇文章引用網址 
  

««食品包裝的神奇冠冕:封口機的故事...  »»兒童益智探索館量身打造fun科學...

 轉寄

相關標籤


推薦連結



謝謝分享 教學內容有趣
 iherb - 12/15/2016 23:41


真得很棒
 花生湯 - 06/11/2017 22:09



留言者 : *
 

E-mail :
 

網址 :
 

文章內容 : *
 

圖形驗證碼 : *