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

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？

圖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？

圖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。

圖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？

圖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。

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？

 圖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