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1 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 - 物 理 教 學 與 示 範 研 討 會 物 理 教 育 學 術 研 討 會 物 理 教 育 年 會 論 文 集 主 辦 單 位 : 陸 軍 軍 官 學 校 合 辦 單 位 : 中 華 民 國 物 理 教 育 學 會 中 央 大 學 科 學 教 育 中 心 協 辦 單 位 : 中 央 大 學 物 理 系 高 雄 師 範 大 學 物 理 系 高 雄 師 範 大 學 科 學 教 育 研 究 所 高 雄 大 學 應 用 物 理 系 屏 東 教 育 大 學 應 用 物 理 系 輔 仁 大 學 應 用 物 理 系 中 國 文 化 大 學 物 理 系 中 山 大 學 物 理 系 指 導 單 位 ; 國 科 會 自 然 處 物 理 推 動 中 心 教 育 部 高 教 司 國 防 部 陸 軍 司 令 部

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3 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 序 物 理 教 學 及 示 範 研 討 會 近 年 來 吸 引 三 四 百 位 大 中 小 學 對 物 理 教 學 及 示 範 有 興 趣 的 學 者 專 家 教 師 學 生 與 同 好 參 與, 堪 為 物 理 教 育 界 的 盛 事 之 一 本 校 承 蒙 多 位 物 理 教 學 先 進 及 物 理 教 育 學 會 推 薦 引 領 下, 由 陸 軍 軍 官 學 校 物 理 系 首 次 以 聯 合 會 議 方 式, 同 時 接 辦 第 十 五 屆 2012 中 華 民 國 年 物 理 教 學 與 示 範 研 討 會 及 2012 中 華 民 國 年 物 理 教 育 學 術 研 討 會 及 年 會 三 個 會 議 本 校 期 望 能 為 國 內 科 學 探 究 教 學 教 育 改 革 盡 一 份 心 力, 使 科 學 學 習 回 歸 生 活, 推 動 注 重 具 體 實 作 的 理 念 以 活 化 教 學, 並 藉 此 提 供 科 學 教 育 之 學 術 與 實 務 交 流 的 機 會, 以 達 開 闊 教 師 視 野 活 化 科 學 教 育 之 目 的 本 次 會 議 主 題 規 劃 乃 以 創 新 物 理 教 育 為 主 軸, 從 生 活 中 學 物 理 出 發, 藉 由 創 意 教 具 的 設 計, 並 透 過 適 當 的 指 導 與 經 營, 將 科 學 教 育 推 廣 至 大 眾, 以 提 升 國 人 科 學 素 養, 最 後 達 到 創 新 教 學 之 目 的, 並 依 此 精 神 設 計 以 下 之 研 討 主 題 :1. 創 新 物 理 教 育 激 發 獨 立 考 與 創 新 精 神 ( 創 新 物 理 教 育 );2. 體 驗 生 活 物 理 發 展 演 示 實 驗 設 計 與 製 作 ( 生 的 活 物 理 );3. 創 新 物 理 教 材 教 法 培 養 主 動 探 索 與 問 題 解 決 ( 創 意 教 具 );4. 落 實 專 題 研 究 指 導 經 營 優 質 研 究 團 隊 ( 指 導 與 經 營 );5. 活 化 自 然 科 學 教 育 全 面 提 昇 大 眾 科 學 素 養 ( 物 理 與 科 普 );6. 實 踐 學 習 訓 練 和 評 價 多 元 化, 增 強 學 生 自 主 學 習 ( 創 新 教 學 ) 本 次 研 討 會 之 籌 備 委 員, 計 有 28 個 學 術 單 位, 共 計 42 位 委 員 組 成, 所 邀 請 之 委 員 均 為 國 內 各 大 學 中 學 長 期 投 入 物 理 或 科 學 教 育 的 教 師 與 主 管 組 成, 所 邀 請 之 講 者 皆 由 籌 備 委 員 推 薦 後, 由 本 校 物 理 系 邀 請 擔 任 之 完 成 之 活 動 規 劃, 包 括 大 會 演 講 1 場 專 題 演 講 9 場 口 頭 論 文 發 表 27 篇 教 育 論 壇 2 場 創 意 教 學 工 作 坊 4 場 動 態 演 示 觀 摩 4 場 壁 報 論 文 展 示 44 篇 與 競 賽 科 學 儀 器 圖 書 展 校 園 特 色 導 覽 音 樂 饗 宴 - 歐 式 自 助 晚 宴 等 十 項, 內 容 精 彩 多 元, 不 但 融 入 三 種 會 議 之 精 神 與 特 色, 同 時 也 建 立 辦 理 聯 合 研 討 會 之 規 模 與 範 例 本 次 會 議 所 邀 請 之 講 者 均 為 物 理 界 演 示 教 學 或 科 學 教 育 之 翹 楚, 內 容 生 動 活 潑 且 能 有 效 激 發 科 學 教 育 的 創 新 與 實 用, 報 名 人 數 已 超 過 400 餘 人, 以 達 往 年 之 水 準, 本 校 期 能 為 國 內 科 學 教 育 的 創 新 與 改 善 盡 一 份 心 力 以 回 饋 社 會 陸 軍 軍 官 學 校 物 理 系 系 主 任 洪 偉 清 謹 誌 中 華 民 國 101 年 8 月 1 日

4 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集

5 目錄 大會演講... 1 大會演講探索實戰學物理... 2 專題講演... 3 主題一 A1 場 那一年 我們一起愛上的物理課... 4 主題一 B1 場 綠色能源教具之研發... 5 主題一 B3 場 演示實驗融入國中自然科教學的示例... 6 主題二場 生活 DIY 創意學物理... 7 主題三場 月亮下的新鮮事... 8 主題一 C1 場 用實測教導模型歸納與分析-訊號之反射實驗為例... 8 主題一 D1 場 光碟玩科學... 9 主題五場 社區街頭物理需求的開發與經營... 9 主題六場 你的想法是什麼呢 - 打破課堂的單行道 教育論壇 E 場落實專題研究指導 經營優質研究團隊 引言 1 - 大學生 有練過的 就很好用了 引言 2 - 好奇與興趣是實驗室動力的來源 引言 3 - 大學教師是伯樂還是千里馬 創意教學工作坊 A 場 蚱蜢式史特林引擎製作工作坊 B 場 電磁學創意教具實作 C 場 生活物理-光柵教具實作 D 場 多款發電機的製作 動態演示教學觀摩 A 場 "聲聲"不息的創意教學演示 D 場 一張紙的飛行世界 口頭發表論文摘要 創新物理教育 A2 場 A2-1 牛頓馬戲團-演示教學開放課程 A2-2 主動學熱忱的培養與創意之具體化 A2-3 自然科學測驗中表現標準與決斷分數的設定方法與應用 A2-4 中國文化大學物理系專題研究課程介紹與檢討 A2-5 一個新的也是舊的方法 學生自編筆記學習法 創新物理教育 B2 場 B2-1 落實實作評量於中學的物理教學活動 I

6 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 B2-2 一 些 日 常 生 活 所 見 到 的 生 活 物 理 B2-3 台 東 地 區 偏 遠 國 小 能 源 科 學 動 手 做 教 學 設 計 與 實 施 B2-4 能 源 推 廣 教 育 : 愛 迪 生 出 發 創 新 物 理 教 育 C2 場 C2-1 投 影 日 晷 之 電 腦 模 擬 C2-2 利 用 微 電 腦 為 本 實 驗 室 (MBL) 探 究 大 學 生 對 速 度 與 時 間 關 係 圖 之 認 知 研 究 C2-3 教 科 書 中 發 現 熵 的 推 論 值 得 商 榷 C2-4 高 中 物 理 與 大 學 普 物 之 間 的 學 習 鴻 溝 C2-5 利 用 創 新 物 理 實 驗 課 程 協 助 開 發 普 通 物 理 實 驗 項 目 C2-6 振 盪 與 傅 立 葉 分 析 創 新 物 理 教 育 C3 場 C3-1 物 理 系 學 生 於 一 維 無 限 位 能 井 解 題 表 現 之 探 究 C3-2 看 見 大 氣 壓 力 - 點 膠 針 筒 千 斤 掛 C3-3 計 算 機 在 數 值 模 擬 與 儀 器 控 制 之 教 學 應 用 成 效 C3-4 雲 霄 飛 車 能 量 轉 換 之 研 究 C3-5 黎 開 管 之 熱 致 發 聲 的 震 撼 演 示 與 其 對 航 太 及 能 源 工 業 探 討 的 重 要 影 響 C3-6 概 念 構 圖 法 輔 助 大 學 普 通 物 理 教 學 心 得 創 新 物 理 教 育 D2 場 D2-1 博 物 館 展 品 微 小 化 D2-2 因 應 12 年 國 教 高 一 基 礎 物 理 教 學 的 建 議 D2-3 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 增 進 科 學 解 釋 能 力 之 課 程 設 計 D2-4 單 眼 相 機 微 距 器 材 融 入 國 中 自 然 光 學 教 學 的 設 計 D2-5 溝 通 能 力 融 入 5E 探 究 式 教 學 對 九 年 級 學 生 學 習 成 效 影 響 - 以 電 路 單 元 為 例 D2-6 運 用 論 證 教 學 策 略 發 展 國 小 科 學 展 覽 社 團 之 研 究 壁 報 論 文 摘 要 中 國 文 化 大 學 物 理 系 專 題 研 究 課 程 介 紹 與 檢 討 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 以 奈 米 碳 管 為 基 材 之 生 物 感 測 器 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 生 長 一 維 氮 化 鎵 奈 米 線 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 研 究 磁 性 材 料 特 性 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 靜 電 紡 絲 製 程 一 維 氮 化 鋁 奈 米 線 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 探 討 氮 化 鋁 奈 米 陶 瓷 的 介 電 性 質 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 探 討 ALN 奈 米 線 的 製 程 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 用 EASY JAVA SIMULATIONS 模 擬 蛋 白 質 立 體 模 型 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 利 用 細 胞 自 動 機 模 型 研 究 開 放 道 路 中 的 路 隊 長 現 象 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 全 像 光 學 元 件 - 同 軸 及 離 軸 式 波 帶 板 的 製 作 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 為 什 麼 又 斷 線 了?! 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 都 市 街 道 標 度 性 質 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 改 善 全 像 光 柵 繞 射 效 率 的 定 性 測 試 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 重 複 曝 光 產 生 多 重 影 像 的 穿 透 式 全 像 片 II

7 中國文化大學物理專題教育成果 激子-極子的玻色-愛因斯坦凝聚 PVM 及 MPI 影像平行處理 十二年一貫自然與生活科技領域實驗課程之設計與實施 利用 X 光繞射探討人蔘皂苷在脂膜中的狀態 薑黃素在脂膜中對抗菌小蛋白狀態之作用 太陽能爐具 風帆物理與六分儀 用低價 DVM 精確測量低溫 利用溶膠-凝膠法合成摻雜三價鉺離子之鋯酸鍶螢光體(SRZRO3:ER3+)及其光放射行為研究 利用溶膠-凝膠法合成摻雜三價鈧離子之鋯酸鋇螢光體(BAZRO3:SC3+)及其光放射行為研究 利用溶膠-凝膠法合成摻雜三價鉕離子之鋯酸鈣螢光體(CAZRO3:PM3+)及其光放射行為研究 利用溶膠-凝膠法合成摻雜三價釔離子之 Γ 相鋁酸鋰螢光體(Γ-LIALO2:Y3+)及其光放射行為研究 研究流體在十字型生醫晶片微管道中流動的濃度分佈情況 研究流體在雙 T 型生醫晶片微管道中流動的濃度分佈情況 天外飛來的輻射 簡便型太陽爐 因應 12 年國教高一基礎物理教學的建議 吸管排笛製作與國小聲音與空氣柱關係概念的探究 與民間基金會合作之國小蝴蝶生態教材園經營管理個案研究 國高中力學實驗之新設計 史萊姆與彈力球 之製作與教學 電吉他科學營活動 導電麵糰的設計與教學 雙平面鏡成像現象融入國中幾何正多邊形課程設計 大學部光學實驗之設計與發展 以協同教學理念發展高中物理流體力學主題式課程 以分立式電子元件設計的鎖相環教學實驗 我的子彈會轉彎 PACINKO 泰雅陀螺王 KONGMAH 遠端遙控掃描式電子顯微鏡對於學生奈米科技學習動機與興趣之影響初探 附 錄 附錄一 會議內容規劃 附錄二 研討會議程表 附錄三 與會人員名冊 附錄四 研討會議紀實 III

8 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 IV

9 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 大 會 演 講 ~~MEMO~~ 1

10 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 大 會 演 講 探 索 實 戰 學 物 理 探 索 實 戰 學 物 理 伊 林 中 央 大 學 物 理 系 摘 要 如 何 使 學 生 有 效 學 習 物 理, 日 後 投 身 物 理 專 業, 或 其 他 相 關 應 用, 長 久 以 來 為 困 擾 學 生 與 教 師 的 問 題 受 到 千 年 專 制 與 科 舉 文 化 的 影 響, 我 國 的 傳 統 物 理 教 育, 多 以 強 化 教 師 課 堂 口 述 數 學 推 演, 學 生 課 後 讀 書 解 題 為 努 力 方 向, 事 倍 功 半, 成 效 不 佳 難 有 效 培 養 物 理 專 業 人 才 與 自 由 公 民 本 報 告 中 將 分 享 本 人 近 年 來 所 研 發 之 物 理 教 學 方 式, 由 教 師 利 用 議 題 設 定, 誘 導 學 生 以 教 室 或 實 驗 室 為 探 索 實 戰 的 道 場, 進 行 科 研 基 礎 方 法 學 訓 練, 如 自 我 或 團 隊 自 主 學 習 系 統 思 考 與 辯 證 研 究 工 具 掌 控 團 隊 經 營 與 計 畫 執 行 口 頭 與 文 字 論 述 等 基 礎 能 力 ; 對 身 心 道 術, 進 行 全 方 位 鍛 鍊, 開 啟 物 理 自 我 學 習 自 我 成 長 超 越 之 門 關 鍵 詞 : 探 索 式 物 理 學 習 2

11 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 專 題 講 演 ~~MEMO~~ 3

12 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 主 題 一 A1 場 那 一 年, 我 們 一 起 愛 上 的 物 理 課 那 一 年, 我 們 一 起 愛 上 的 物 理 課 朱 慶 琪 中 央 大 學 物 理 學 系 聯 絡 人 摘 要 無 論 是 要 學 生 愛 上 物 理 課 或 是 要 學 生 愛 上 物 理 課, 幾 乎 都 是 不 可 能 的 任 務 但 是 仔 細 想 想, 我 們 每 個 人 小 時 候 總 是 對 生 活 周 遭 事 物 具 備 源 源 不 絕 的 好 奇 心, 急 切 地 想 探 究 這 個 世 界, 卻 隨 著 書 愈 念 愈 多, 對 科 學 的 態 度 反 而 落 得 調 查 結 果 所 呈 現 的 : 高 成 就 低 興 趣 低 信 心 [1] 打 個 比 方, 頂 級 冰 淇 淋 好 吃 的 程 度 總 是 令 人 幸 福 感 動 ( 發 現 事 物 運 作 的 道 理 時 總 是 令 人 興 奮 不 已 ), 但 如 果 要 你 在 幾 年 內 每 天 吞 下 一 桶 冰 淇 淋 不 能 選 擇 何 時 吃? 吃 多 少? 什 麼 口 味? 怎 麼 吃?( 固 定 的 教 材 內 容 及 進 度 每 天 必 須 練 習 不 同 題 型 的 考 試 題 目 ) 而 且 必 須 訓 練 出 迅 速 辨 識 品 牌 口 味 成 分 配 方 等 的 能 力 ( 要 在 很 短 的 時 間 內 解 題 完 畢 ), 相 信 很 多 人 一 定 會 說 我 再 也 不 想 吃 冰 淇 淋 了!( 我 再 也 不 想 學 物 理 了!) 本 來 是 一 件 愉 悅 的 事, 卻 因 為 胃 口 壞 了 變 得 再 也 不 想 碰 我 常 常 開 玩 笑 說, 要 讓 學 生 討 厭 哪 個 科 目, 最 簡 單 的 方 法 就 是 把 它 變 成 必 修 課 人 們 對 於 不 能 選 擇 的 東 西, 總 是 抗 拒 的 多 面 臨 胃 口 被 養 壞 的 這 群 學 生, 我 應 該 怎 麼 教 大 一 物 理? 面 對 這 輩 子 再 也 不 想 碰 物 理 的 文 科 學 生, 有 機 會 重 啟 他 們 的 興 趣 嗎? 回 到 人 們 的 初 衷 : 對 這 個 世 界 的 好 奇 是 不 是 可 以 藉 由 激 發 學 生 原 始 的 好 奇 心, 慢 慢 帶 領 他 們 找 回 對 知 識 的 感 動? 在 這 些 想 法 下 中 央 大 學 開 始 一 步 步 推 動 演 示 教 學 的 發 展 演 講 中 我 將 介 紹 這 段 歷 程, 以 及 如 何 利 用 物 理 演 示 為 核 心 推 動 各 式 各 樣 的 科 普 活 動, 同 時 也 會 分 享 將 此 方 法 應 用 於 開 發 針 對 文 科 學 生 的 通 識 課 程 經 驗 最 終 的 目 的, 當 然 希 望 學 生 們 多 年 後 對 這 些 物 理 課 的 印 象 是 : 那 一 年, 我 們 一 起 愛 上 的 物 理 課 註 年 11 月, 天 下 雜 誌 教 育 特 刊 科 學 教 育 4

13 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 主 題 一 B1 場 綠 色 能 源 教 具 之 研 發 綠 色 能 源 教 具 之 研 發 周 鑑 恒 萬 能 科 技 大 學 光 電 系 聯 絡 人 摘 要 為 了 開 發 綠 色 能 源, 科 學 家 研 發 了 許 多 能 量 轉 換 器, 例 如 各 種 熱 機 ( 即 各 種 引 擎 ) 太 陽 能 煙 囪 核 能 反 應 器 等, 其 中 涉 及 許 多 簡 單 卻 十 分 有 趣 的 物 理, 略 加 巧 思, 很 容 易 成 為 課 堂 上 令 學 生 驚 奇 與 震 憾 的 教 具 本 次 演 講 在 熱 機 方 面 ; 將 演 示 : 太 白 粉 噴 火 大 型 通 體 透 明 蒸 汽 機 1200cc 透 明 保 特 瓶 爆 燃 火 箭 輕 鬆 組 裝 的 透 明 史 特 林 引 擎 透 明 熱 聲 效 應 史 特 林 引 擎 此 外 還 有 演 示 太 陽 能 煙 囪 原 理 的 火 樹 銀 花, 演 示 連 鎖 反 應 原 理 的 彈 跳 骨 牌 希 望 能 為 臺 灣 各 級 學 校 物 理 教 學 帶 來 歡 樂 與 驚 奇 關 鍵 詞 : 教 具 綠 色 能 源 5

14 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 主 題 一 B3 場 演 示 實 驗 融 入 國 中 自 然 科 教 學 的 示 例 演 示 實 驗 融 入 國 中 自 然 科 教 學 的 示 例 1 林 宣 安 台 中 市 立 長 億 高 中 2 台 中 市 自 然 與 生 活 科 技 輔 導 團 聯 絡 人 l @yahoo.com.tw 摘 要 近 幾 年 來 國 內 外 教 育 學 者 普 遍 性 重 視 科 學 實 驗 的 重 要 性 ( 張 惠 博,1993), 九 年 一 貫 課 程 綱 要 中 更 進 一 步 強 調 主 動 探 索 與 研 究, 希 望 可 以 激 發 學 生 好 奇 心 及 觀 察 力, 主 動 探 索 和 發 現 問 題, 並 積 極 運 用 所 學 的 知 能 於 生 活 中, 若 可 以 讓 實 驗 教 學 生 活 化, 藉 由 這 些 實 驗 與 活 動, 培 養 學 生 的 科 學 興 趣 熟 練 實 驗 方 法 因 此 國 內 外 諸 多 教 育 工 作 者 積 極 研 發 許 多 演 示 實 驗 教 具, 其 中 美 國 麻 省 理 工 學 院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 的 Walter H. G. Lewin 教 授 的 演 示 實 驗 課 程, 以 及 國 內 由 林 泰 生 與 周 建 和 等 人 發 起 的 物 理 教 學 與 示 範 研 討 會 (1997~) 中 央 大 學 的 物 理 演 示 實 驗 與 中 正 大 學 由 MIT 引 進 的 TEAL(Technology-Enabled Active Learning) 教 室 等, 都 強 調 了 演 示 實 驗 在 中 學 甚 至 大 學 教 育 可 以 實 際 應 用 的 例 子 有 鑑 於 此, 筆 者 與 台 中 市 自 然 科 輔 導 團 的 夥 伴 們 多 年 來 研 發 超 過 200 種 適 合 中 學 老 師 在 課 堂 上 方 便 使 用 的 演 示 教 具 與 實 驗, 希 望 在 有 限 的 時 間 與 空 間 裡 提 供 老 師 另 一 種 不 同 的 教 學 選 擇, 不 但 可 以 活 化 學 生 的 探 究 精 神 也 更 增 進 了 課 堂 的 師 生 互 動, 相 關 資 料 可 參 閱 林 宣 安 現 場 演 示 的 項 目 有 : 一 電 學 1. 簡 易 直 交 流 電 供 應 器 自 製 教 具 利 用 可 變 電 壓 的 整 流 變 壓 器 改 良 可 方 便 產 生 不 同 電 壓 的 直 交 流 電 2. 筆 心 燈 炮 示 範 實 驗 利 用 6V 的 鉛 電 池 在 筆 心 通 電 使 其 因 熱 效 應 發 光, 如 同 燈 泡 發 光 的 原 理, 產 生 的 高 溫 足 以 點 燃 紙 張 3. 搧 風 點 燈 自 製 教 具 將 110V100W 的 燈 泡 和 2.5V 小 燈 泡 串 聯, 當 100W 燈 泡 的 燈 絲 溫 度 升 降 時, 可 觀 察 到 小 燈 泡 的 亮 度 亦 跟 著 改 變, 證 明 溫 度 和 電 阻 的 關 係 4. 燈 泡 的 串 聯 與 並 聯 自 製 教 具 將 不 同 電 壓 的 小 燈 泡 串 聯 或 並 聯, 觀 察 燈 泡 何 者 較 亮 5. 鉛 筆 可 變 電 阻 自 製 教 具 利 用 筆 心 當 作 電 阻, 串 聯 小 燈 泡 可 觀 察 長 度 和 電 阻 大 小 關 係 6. 粗 電 線 與 細 電 線 自 製 教 具 觀 察 電 線 租 線 和 電 阻 大 小 的 關 係 7. 開 燈 關 燈 誰 危 險 ( 千 人 震 ) 示 範 實 驗 關 燈 時 因 電 流 急 速 下 降, 造 成 極 大 電 感 產 生 火 花, 不 但 可 感 覺 到 觸 電, 還 可 點 燃 打 火 機 8. 電 的 傳 輸 自 製 教 具 利 用 變 壓 器 模 擬 高 壓 傳 輸 與 低 壓 傳 輸 所 消 耗 的 電 能 二 電 磁 學 1. 長 直 導 線 的 磁 場 形 狀 自 製 教 具 可 方 便 展 示 長 直 導 線 的 磁 場 形 狀 2. 螺 旋 線 圈 的 磁 場 形 狀 自 製 教 具 可 方 便 展 示 螺 旋 線 圈 的 磁 場 形 狀 3. 長 直 導 線 的 磁 場 分 布 自 製 教 具 可 方 便 展 示 長 直 導 線 的 磁 場 方 向 4. 安 培 定 律 實 驗 板 自 製 教 具 可 展 示 安 培 定 律 電 流 大 小 距 離 線 圈 數 對 磁 針 6

15 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 偏 轉 角 度 的 影 響 5. 鋁 圈 的 吸 引 與 排 斥 自 製 教 具 利 用 鋁 圈 及 強 力 磁 鐵 的 交 互 作 用 觀 察 鋁 圈 的 吸 引 及 排 斥 現 象 6. 各 式 發 電 機 自 製 教 具 物 理 發 電 的 原 理 7. 喇 叭 對 講 機 自 製 教 具 連 接 兩 個 喇 叭 即 可 變 成 免 插 電 對 講 機 8. 簡 易 喇 叭 自 製 教 具 利 用 線 圈 磁 鐵 紙 杯 做 成 簡 易 喇 叭 9. 右 手 開 掌 定 則 自 製 教 具 方 便 展 示 載 流 導 線 在 磁 場 中 的 作 用 力 10. 電 磁 感 應 無 線 接 收 發 射 器 自 製 教 具 利 用 電 磁 感 應 無 線 傳 輸 11. 自 製 電 磁 鐵 打 氣 機 自 製 教 具 利 用 交 流 電 產 生 交 換 磁 場 與 場 磁 鐵 產 生 震 動 來 打 氣 12. 交 流 馬 達 自 製 教 具 將 線 圈 通 以 交 流 電, 不 斷 交 換 的 磁 場 會 和 上 方 的 磁 鐵 產 生 交 互 作 用, 使 磁 鐵 旋 轉 13. 電 子 流 轉 彎 自 製 教 具 利 用 高 壓 在 閃 光 燈 中 產 生 電 子 流, 再 以 強 力 磁 鐵 接 近, 可 發 現 電 子 流 轉 彎 了 主 題 二 場 生 活 DIY 創 意 學 物 理 生 活 DIY 創 意 學 物 理 1 陳 秋 民 東 吳 大 學 物 理 系 聯 絡 人 摘 要 物 理 是 各 類 自 然 科 學 中, 和 生 活 最 緊 密 結 合 的 科 學 物 理 的 教 學 和 學 習 有 許 多 的 方 式, 從 傳 統 嚴 謹 的 板 書, 到 絢 麗 的 多 媒 體, 生 動 的 演 示 等, 各 有 其 教 學 效 益 物 理 教 學 的 目 的, 除 了 期 望 學 生 都 具 備 物 理 的 基 本 素 養 之 外, 更 希 望 達 到 利 用 物 理 的 原 理, 普 及 應 用 於 生 活 當 中 反 之, 利 用 生 活 的 經 驗, 詮 釋 物 理 的 原 理, 必 能 引 起 學 生 極 大 的 興 趣 本 講 題 大 要 即 以 講 者 的 物 理 知 識 背 景, 分 享 其 創 意 應 用 於 生 活 的 經 驗 講 演 除 了 口 述 外, 並 佐 實 物 演 示, 期 以 經 驗 交 流, 提 升 教 學 成 效 7

16 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 主 題 三 場 月 亮 下 的 新 鮮 事 1 月 亮 下 的 新 鮮 事 汪 治 平 中 央 研 究 院 原 子 與 分 子 科 學 研 究 所 中 央 大 學 物 理 系 3 台 灣 大 學 物 理 系 聯 絡 人 jwang@LTL.iams.sinica.edu.tw 摘 要 傳 統 普 通 物 理 實 驗 課 程 大 多 使 用 套 裝 的 教 具, 學 生 只 能 按 照 講 義 的 指 示 操 作, 實 驗 的 結 果 也 已 經 有 標 準 答 案, 缺 乏 自 行 探 索 甚 至 創 作 的 空 間 物 理 實 驗 課 程 一 方 面 應 該 啟 發 學 生 探 索 的 精 神, 另 一 方 面 也 要 訓 練 學 生 探 索 的 技 術, 也 就 是 設 計 實 驗 和 建 造 儀 器 的 技 術 少 了 後 者, 前 者 就 變 成 空 談 為 了 矯 治 目 前 普 通 物 理 實 驗 課 程 缺 乏 技 術 訓 練 這 個 問 題, 我 在 中 央 大 學 物 理 系 試 驗 一 種 新 的 教 學 方 式, 帶 領 學 生 以 實 作 來 學 習 現 代 實 驗 所 需 的 知 識 和 技 術 透 過 經 常 性 的 考 查 演 講 質 疑 解 說 答 辯 設 計 製 作 來 培 養 學 生 無 師 自 通, 同 儕 教 學 的 能 力 和 執 行 計 畫 的 自 信 關 鍵 詞 : 普 通 物 理 實 驗 月 球 潮 汐 腳 踏 車 蒸 汽 機 指 南 車 主 題 一 C1 場 用 實 測 教 導 模 型 歸 納 與 分 析 - 訊 號 之 反 射 實 驗 為 例 用 實 測 教 導 模 型 歸 納 與 分 析 -- 以 訊 號 之 反 射 實 驗 為 例 1 林 志 民 1,2,3 中 央 研 究 院 原 子 與 分 子 科 學 研 究 所 2 國 立 臺 灣 大 學 化 學 系 3 國 立 交 通 大 學 應 用 化 學 系 聯 絡 人 jimlin@gate.sinica.edu.tw 摘 要 相 當 多 的 研 究 是 無 法 預 知 結 果 的, 而 是 從 現 有 的 實 驗 結 果, 做 分 析 與 歸 納, 找 出 規 律, 進 而 建 立 物 理 模 型, 再 而 能 預 測 類 似 實 驗 的 結 果 或 做 出 新 穎 的 設 計 個 人 發 現, 學 生 普 遍 欠 缺 此 類 經 驗 學 生 的 物 理 模 型, 多 由 書 本 或 教 師 告 知 而 來 ; 學 生 研 究 工 作 中 的 預 測 或 設 計, 常 由 老 師 代 勞 畢 竟, 此 類 工 作 極 依 賴 經 驗, 大 部 分 的 學 生 無 法 立 即 進 行 上 述 完 整 的 研 究 流 程 為 此, 本 人 設 計 了 一 套 題 目, 要 求 學 生 在 一 週 內, 由 自 己 的 實 驗 結 果 建 立 模 型, 並 互 相 驗 證, 優 者 可 試 著 做 出 新 設 計 有 趣 的 是, 在 此 練 習 中, 愈 年 輕 的 學 生 反 應 愈 好 關 鍵 詞 : 實 測 分 析 歸 納 模 型 預 測 設 計 實 驗

17 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 主 題 一 D1 場 光 碟 玩 科 學 光 碟 玩 科 學 謝 迺 岳 台 東 大 學 聯 絡 人 摘 要 台 灣 每 年 生 產 光 碟 片 數 以 億 計, 佔 世 界 市 場 80% 以 上 光 碟 片 具 有 國 際 統 一 規 格, 回 收 率 高, 取 得 成 本 低, 因 此 可 以 作 為 物 理 教 學 與 科 學 玩 具 的 良 好 材 料 作 者 以 行 動 研 究 的 方 式, 用 光 碟 配 合 測 量 學 光 學 熱 學 與 力 學 等 主 題, 設 計 系 列 實 驗 與 DIY 活 動, 在 中 小 學 實 際 教 學 成 效 良 好 在 測 量 學 上, 對 於 日 常 習 見 的 光 碟, 很 多 人 並 知 覺 它 的 直 徑 孔 徑 厚 度 與 質 量 ; 因 此 可 以 用 光 碟 幫 助 學 生 熟 練 基 本 測 量 方 法 在 光 學 上, 光 碟 片 的 奈 米 級 小 孔 與 柵 距, 配 合 紅 與 綠 色 雷 射 光 束, 可 以 成 為 繞 射 與 干 涉 實 驗 的 工 具 若 使 用 平 面 光 源 ( 如 陽 光 ) 線 型 光 源 ( 如 日 光 燈 ) 與 點 光 源 ( 如 小 燈 泡 或 LED), 可 產 生 輻 射 狀 水 滴 狀 與 同 心 圓 等 圖 樣, 可 作 為 科 研 的 主 題 在 生 活 應 用 方 面, 用 光 碟 驅 趕 蒼 蠅 或 單 車 反 光 板 已 很 普 遍, 並 已 在 桃 園 國 際 機 場 大 廳 作 為 裝 置 藝 術 在 熱 學 方 面, 可 對 光 碟 加 熱 並 彎 曲 延 展 成 各 種 形 狀 ( 如 不 倒 翁 ), 以 討 論 熱 塑 性 又 可 用 細 繩 將 光 碟 鋸 斷, 以 討 論 散 熱 技 術 等 等 主 題 五 場 社 區 街 頭 物 理 需 求 的 開 發 與 經 營 社 區 街 頭 物 理 需 求 的 開 發 與 經 營 周 建 和 高 雄 師 範 大 學 服 務 單 位 聯 絡 人 t1620@nknucc. nknu.edu.tw 摘 要 科 學 普 及 是 醞 釀 科 學 重 大 發 現 過 程 中 不 可 缺 少 的 奠 基 工 作, 科 學 普 及 工 作 不 僅 是 針 對 一 般 的 民 眾 或 學 生, 即 使 是 尖 端 科 學 不 同 研 究 領 域 之 間 也 需 要 藉 著 科 學 的 普 及 轉 化 來 達 成 相 互 的 溝 通 與 交 流, 因 此 使 科 學 普 及 工 作 展 現 許 多 不 同 的 形 式 與 面 貌 社 區 街 頭 物 理 是 一 個 以 簡 單 器 材 設 計 動 手 做 實 驗 為 主 軸 的 科 學 普 及 推 廣 活 動, 十 四 年 來 長 期 的 開 發 與 經 營, 在 非 制 式 科 學 學 習 上, 成 功 地 紮 根 社 區, 產 生 進 一 步 的 衍 生 推 廣 成 果, 本 文 以 幾 個 案 例 作 探 討, 分 析 出 一 些 經 驗, 期 望 能 作 為 社 區 科 學 普 及 工 作 的 參 考 關 鍵 詞 : 科 學 普 及 科 學 動 手 做 非 制 式 科 學 學 習 9

18 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 主 題 六 場 你 的 想 法 是 什 麼 呢? - 打 破 課 堂 的 單 行 道 你 的 想 法 是 什 麼 呢? 打 破 課 堂 的 單 行 道 林 秀 豪 國 立 清 華 大 學 物 理 系 聯 絡 人 hsiuhau@phys.nthu.edu.tw 摘 要 授 課 的 重 要 任 務 之 一 乃 在 於 知 識 的 傳 遞 由 於 專 業 素 養 的 不 對 等, 往 往 造 成 老 師 在 黑 板 上 拚 命 寫, 學 生 在 下 面 死 命 抄, 知 識 傳 遞 的 管 道 幾 乎 是 單 行 道 然 而 近 年 來 的 研 究 顯 示, 單 向 溝 通 無 法 持 續, 往 往 造 成 課 堂 學 習 效 率 低 落 若 能 適 度 鼓 勵 學 生 發 言 或 是 提 問, 甚 至 藉 由 小 組 的 討 論, 除 了 可 以 激 發 學 生 的 興 趣 和 參 與 感, 也 可 以 強 化 知 識 傳 遞 的 效 率 在 此 藉 由 過 去 幾 年 的 教 學 經 驗, 我 希 望 可 以 推 廣 雙 向 交 流 的 教 學 方 式, 也 分 享 其 局 限 性 與 可 能 面 對 的 困 境 10

19 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 教 育 論 壇 ~~MEMO~~ 11

20 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 E 場 落 實 專 題 研 究 指 導 經 營 優 質 研 究 團 隊 引 言 1 - 大 學 生 ( 有 練 過 的 ) 就 很 好 用 了! 溫 偉 源 中 央 大 學 物 理 學 系 聯 絡 人 摘 要 目 前 許 多 物 理 科 系 學 生 選 擇 在 畢 業 後 繼 續 升 學, 進 入 研 究 所 攻 讀 碩 士 班 乃 是 基 於 將 來 工 作 機 會 的 考 量 姑 且 不 論 其 動 機 與 目 的, 這 些 研 究 生 確 實 提 供 了 龐 大 及 廉 價 的 研 究 人 力 市 場 予 各 從 事 前 沿 研 究 的 教 師 及 研 究 人 員 們 然 而 很 不 幸 的, 由 於 大 部 分 的 碩 士 生 在 大 學 時 期 未 曾 參 與 真 正 的 物 理 研 究, 因 此 不 在 少 數 的 學 生 在 面 對 研 究 上 的 困 難 與 挫 折 時 往 往 退 縮 及 感 到 挫 敗 以 上 負 面 經 驗 往 往 造 成 他 們 在 碩 士 班 修 業 期 間 未 必 能 夠 進 入 狀 況 並 對 所 參 與 的 研 究 產 生 實 質 貢 獻 如 果 這 些 學 生 在 大 學 時 期 曾 經 投 入 專 題 研 究, 瞭 解 研 究 方 法 並 建 立 專 業 自 信, 對 於 上 述 情 形 是 不 是 可 以 有 幫 助? 一 般 而 言, 對 物 理 的 濃 厚 興 趣 專 注 力 穩 定 性 與 抗 壓 性 被 視 為 是 作 物 理 研 究 必 需 的 條 件 然 而 現 在 的 大 學 生 常 常 被 形 容 為 如 同 草 莓 一 般 不 耐 壓 力 及 缺 乏 穩 定 性 的 族 類 同 時 由 於 當 下 可 以 吸 引 年 輕 人 的 有 趣 事 物 太 多, 學 術 研 究 因 此 變 得 很 難 成 為 一 種 大 學 生 視 為 熱 血 或 值 得 投 注 其 青 春 及 犧 牲 其 他 有 趣 事 物 的 選 項 因 此 除 了 少 數 對 物 理 還 抱 有 某 種 浪 漫 忡 憬 的 學 生, 大 部 分 的 大 學 生 寧 可 選 擇 把 時 間 和 精 力 放 在 其 他 更 能 吸 引 他 們 的 事 物 上, 導 致 到 了 大 學 畢 業 時, 對 時 下 物 理 研 究 的 進 展 與 研 究 方 法 所 知 甚 少 且 懷 有 恐 懼 這 是 必 然 的 現 象 嗎? 當 我 們 在 嘆 息 學 生 好 逸 惡 勞 貪 玩 對 物 理 研 究 興 趣 缺 缺 的 時 候, 有 甚 麼 是 我 們 還 能 做 的? 在 本 座 談, 我 將 試 著 用 本 人 在 這 幾 年 來 帶 領 大 學 生 投 入 前 沿 物 理 研 究 工 作 的 實 際 事 例, 針 對 上 述 議 題 做 一 些 分 享 與 討 論 我 的 結 論 是 : 透 過 適 當 的 引 導 與 陪 伴, 有 練 過 的 大 學 生 比 沒 練 過 的 碩 博 士 生 更 能 夠 進 入 狀 況 並 對 所 參 與 的 研 究 產 生 實 質 貢 獻 12

21 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 引 言 2 - 好 奇 與 興 趣 是 實 驗 室 動 力 的 來 源 羅 光 耀 成 功 大 學 物 理 學 系 聯 絡 人 kuanglo@mail.ncku.edu.tw 摘 要 會 進 入 物 理 系 的 學 生, 除 了 喜 歡 物 理, 更 比 一 般 的 大 學 生 更 好 奇 物 理 系 的 課 業 是 相 當 重 的, 尤 其 到 了 大 二 有 電 磁, 理 力, 物 數 等 份 量 相 當 大 的 科 目, 還 加 上 實 驗 物 理 等 實 驗 課, 雖 然 辛 苦, 物 理 的 基 礎 也 建 立 了 結 束 大 二 課 程 是 進 入 研 究 實 驗 是 最 佳 時 機, 兩 個 多 月 的 暑 假, 是 最 適 合 物 理 系 的 學 生 培 育 興 趣 及 實 踐 好 奇 心 的 最 佳 時 間 剛 進 入 我 實 驗 室 的 大 學 部 專 題 生, 會 先 見 習 兩 個 月 並 參 與 討 論 了 解 實 驗 室 的 運 作, 儀 器 的 操 作 與 原 理, 還 有 所 進 行 的 題 目 之 後 我 會 一 一 與 他 們 晤 談, 詢 問 他 們 感 興 趣 的 題 目 及 個 人 生 涯 規 劃, 我 也 在 這 段 時 間 觀 察 他 的 態 度 與 能 力, 才 分 派 他 研 究 方 向 為 提 升 他 們 的 好 奇 心, 用 引 導 式 的 方 式 讓 他 們 思 索 ; 為 讓 他 們 體 驗 失 敗, 明 知 他 們 會 做 錯 也 不 要 是 先 制 止 他 們, 當 然 是 在 儀 器 及 耗 材 損 耗 能 容 忍 的 範 圍 ; 為 了 他 們 能 夠 有 興 趣 的 發 揮, 不 會 以 發 表 文 章 為 目 的 的 情 況 下 來 引 導 他 們 方 向 不 約 束 他 們 的 時 間 及 過 多 的 限 制, 在 好 奇 心 及 強 烈 的 興 趣 驅 使 下, 大 學 部 學 生 的 表 現 會 出 乎 你 所 想 像 的 好, 因 為 他 們 喜 歡 來 實 驗 室 揮 灑 他 們 的 青 春 引 言 3 - 大 學 教 師 是 伯 樂 還 是 千 里 馬 吳 仲 卿 彰 化 師 範 大 學 物 理 系 教 授 摘 要 唐 朝 韓 愈 師 說 : 師 者, 所 以 傳 道 受 業 解 惑 也 為 教 師 的 行 業 立 下 傳 道 受 業 解 惑 的 職 責 基 於 此, 一 般 的 教 師 儘 可 能 扮 演 伯 樂 的 角 色, 期 望 培 育 更 多 的 千 里 馬, 殊 不 知, 在 現 實 面 上, 千 里 馬 可 以 區 分 為 即 時 的 千 里 馬 及 未 來 真 正 的 千 里 馬, 伯 樂 不 可 不 察 然 而, 在 大 學 任 教 的 教 師 同 仁, 不 可 避 免 的 也 要 同 時 扮 演 千 里 馬 的 角 色, 因 為 教 育 英 才 及 發 掘 千 里 馬, 固 然 是 為 人 師 者 的 人 生 一 大 樂 事, 但 是 對 於 職 級 升 等 的 幫 助 不 大 ; 這 與 職 業 球 隊 教 練 角 色 不 同, 只 要 訓 練 好 千 里 馬, 他 們 的 投 資 報 酬 率 就 大 大 的 提 升 影 響 所 及, 伯 樂 與 千 里 馬 兩 種 角 色 之 間 的 拉 距, 必 然 造 成 大 學 教 師 的 困 擾 畢 竟, 伯 樂 需 要 時 間 去 發 掘 與 養 成 千 里 馬, 但 是 千 里 馬 也 需 要 時 間 去 成 就 功 業 本 文 作 者 將 分 享 二 十 年 來, 在 彰 化 師 大 物 理 系 教 學 培 育 學 生 與 從 事 研 究 的 一 點 經 驗 與 心 得, 提 供 不 同 屬 性 大 專 院 校 的 教 師 同 仁, 扮 演 伯 樂 與 千 里 馬 之 間, 宜 有 不 同 的 自 我 訂 位 之 思 維 13

22 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 創 意 教 學 工 作 坊 ~~MEMO~~ 14

23 A 場 蚱蜢式史特林引擎製作工作坊 蚱蜢式史特林引擎製作工作坊 蔡振明 1 1 台東縣國中小能源科技教育推動中心 1 t401201@yahoo.com.tw 摘要 愛因斯坦 知識始於驚奇 蚱蜢式史特林引擎 Stirling Engine 是十分令人 驚奇的教具 由於其運動方式十分特殊 好笑 一見難忘 令人印象深刻 容易 造成學生的 高峰經驗 進而提高學習成效 尤其在國小與國中階段 本工作坊內容包括 原理講解 引擎實作 趣味競賽 參加本工作坊 將可獲得 一項吸睛的教具 蚱蜢式史特林引擎 它將永遠陪伴您的教學生涯 除帶給學生不 斷的歡笑聲以外 還能引發學生無窮的探究動機 史特林引擎是 後石油時代 的重要 多能源 外燃機之一 它以空氣為工作流 體 利用空氣的熱脹冷縮進行作工 又名溫差引擎 由於化石能源逐漸耗竭 內燃機 燃料 石油 天然氣 不但來源不繼 而且是排放溫室氣體的元兇之一 故而使用廢 熱 太陽熱能 木材 垃圾等皆能運轉的史特林引擎 逐漸受到世人的重視 美澳等 國已實際使用於太陽熱能發電 日本每年都舉辦全國史特林引擎大賽 由此可見一斑 史特林引擎是 1816 年由蘇格蘭史特林 Robert Stirling 牧師發明 其原始動機 在於取代蒸汽機 因為當年蒸汽機設計不良 常導致操作人員嚴重燙傷 史特林引擎 自發明迄今 已有 100 餘種式樣 但其基本工作原理皆源自史特林牧師 本工作坊製作之 蚱蜢式史特林引擎 主要特點是使用胡椒罐 氣缸 鋼絲 絨 移氣器 氣球 膨脹體 此設計源自日本高工理科教師小林義行於 2002 年 研發之 擊板跳躍式 史特林引擎 此類型引擎 照片下 左 除於日本全國史特林 引擎大賽獲獎外 並廣受日本各級學校重視與採用 後經大同大學賴光哲教授引進 並舉辦各種競賽加以推廣 逐漸在國內受到重視 後於 2011 年廖錫坤 鍾易道 蔡 正立 葉博仁等研發 新式樣 之引擎驅動結構及懸掛系統 照片下 中 逐成為 今天工作坊製作之 蚱蜢式史特林引擎 對學生 它是十分吸睛的教具 必定帶給 學生無限的歡樂與 高峰經驗 照片下 右 關鍵詞 史特林引擎 Stirling Engine 趣味科學教具 高峰經驗 15

24 B 場 電磁學創意教具實作 電磁學創意教具實作 陳坤龍 1 台南縣立佳興國中 聯絡人 摘要 體感科學 Line 1 可見光通信 綠能通信未來式 Line 2 人體收音機 2.0 免電池攜式便 可調可轉可運動 是您在極度艱難環境下的好幫手 教學娛樂兩相宜 關鍵詞 C 場 生活物理-光柵教具實作 生活物理~光柵教具實作 謝甫宜 1 1 高雄市陽明國中教師 聯絡人 摘要 生活物理~光柵教具實作工作坊 之教學旨趣 在於提供物理教師發現生活中常見 的光柵現象 並以 絹網 為主要的素材進行 光柵科學探究活動 並進一步設計與 光柵相關的科學魔術 期以寓教於樂與簡化材料的方式讓光柵教學變得生動有趣與生活 化 關鍵詞 光柵科學探究活動 光柵科學魔術 絹網 16

25 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 D 場 多 款 發 電 機 的 製 作 多 款 發 電 機 的 製 作 曾 秋 雲 1 彰 化 縣 南 鎮 國 小 教 學 組 聯 絡 人 1 tel @gmail.com 摘 要 本 課 程 以 實 作 為 主, 製 作 搖 搖 發 電 轉 轉 發 電 風 力 發 電 等 數 款 發 電 機, 本 課 程 所 製 作 發 電 機, 有 費 用 節 省 用 料 環 保 以 及 製 作 簡 單 等 優 點 藉 由 發 電 機 的 製 作, 讓 學 員 很 有 成 就 感 的 同 時, 也 讓 學 員 思 考 : 還 可 以 用 什 麼 辦 法 讓 發 電 機 動 起 來 發 電 呢? 在 能 源 危 機 迫 在 眉 睫 時 刻, 我 們 需 要 新 的 乾 淨 的 省 錢 的 發 電 方 式, 這 不 光 是 科 學 家 的 責 任, 也 是 全 民 必 須 了 解 的 課 題! 以 下 是 本 課 程 所 製 作 發 電 機 簡 介 : 多 多 版 風 力 水 力 兩 電 機 : 利 用 多 多 罐 繞 線 圈, 簡 單 的 氧 化 磁 鐵 與 寶 特 瓶 風 車 與 水 車 製 成 1 關 鍵 詞 : 紙 飛 機 飛 行 原 理 科 學 教 具 17

26 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 動 態 演 示 教 學 觀 摩 ~~MEMO~~ 18

27 A 場 "聲聲"不息的創意教學演示 "聲聲"不息的創意教學演示 謝甫宜 1 1 高雄市陽明國中教師 聯絡人 摘要 聲聲不息動態演示教學觀摩 旨在以研製有趣的聲音教具為本位 包括肯特管 回 聲筒 駐波觀測器以及運用多媒體與網路資源 期能提供物理教師更廣泛使用教具與 多媒體豐富其聲音單元的教學 因而協助學生建構適切的聲波之科學模型與概念理解 關鍵詞 肯特管 回聲筒 駐波觀測器 19

28 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 D 場 一 張 紙 的 飛 行 世 界 一 張 紙 的 飛 行 世 界 - 紙 飛 機 The world of flight for a piece of paper-paper wings 蘇 正 男 1 飛 行 科 學 教 育 研 究 中 心 聯 絡 人 1 cl.su2001@gmail.com 摘 要 1 一 張 紙 幻 化 成 一 隻 飛 翔 於 藍 天 旋 舞 於 林 間 的 白 鳥, 是 夢 幻 驚 奇 也 是 科 學 一 張 紙 的 取 材 最 容 易 經 濟, 且 兼 具 飛 行 安 全 與 教 育 功 能, 在 短 短 的 3 公 尺 內 完 整 演 繹 翼 型 變 動 飛 行 路 徑 與 飛 行 原 理 之 間 的 關 聯, 本 動 態 演 示 教 學 以 系 統 化 的 理 論 與 技 術 ( 最 新 紙 飛 機 飛 行 原 理 多 種 創 新 紙 飛 機 研 究 經 驗 及 飛 行 技 術 ), 讓 每 位 學 員 親 手 摺 出 滯 空 時 間 10 秒 以 上, 且 具 備 可 控 制 迴 旋 半 徑 之 紙 飛 機, 打 破 擲 出 既 墜 的 傳 統 印 象, 體 驗 驚 喜 的 飛 行 快 感 及 體 會 飛 行 原 理 的 成 就 感 經 本 演 示 教 學 後, 盼 飛 行 科 學 教 育 之 推 廣, 可 快 速 帶 動 國 內 紙 飛 機 育 樂 之 發 展, 並 進 一 步 與 國 際 接 軌 關 鍵 詞 : 紙 飛 機 飛 行 原 理 科 學 教 具 壹 前 言 由 於 紙 材 料 容 易 取 得, 台 灣 數 十 年 來 紙 摺 飛 機 被 定 位 為 童 玩 及 兒 時 童 趣 的 回 味, 至 於 如 何 讓 紙 飛 機 飛 得 更 久 更 遠 更 完 美 有 趣 及 附 有 科 學 教 育 性, 很 少 人 認 真 的 去 看 待 這 個 問 題 紙 飛 機 飛 行 的 原 理 和 動 力 飛 機 相 同, 台 灣 開 辦 學 校 教 育 以 來 均 以 伯 努 力 運 動 定 律 (Bernoulli Law) 說 明 飛 機 升 力, 但 它 是 否 可 完 整 的 解 釋 飛 行 的 升 力? 事 實 上 並 不 然, 如 加 以 引 用 康 達 效 應 (Coanda Effect)(Raskin, 1994) 解 釋 翼 形 及 攻 角 的 設 計, 更 能 完 整 說 明 飛 機 升 力 的 原 理 印 象 中 的 紙 摺 飛 機 飛 不 出 五 步 就 墜 地, 這 樣 的 飛 行 很 難 點 燃 對 飛 行 的 熱 情, 當 中 的 問 題 出 於 紙 飛 機 的 設 計 結 構 30 餘 年 的 研 究 成 果, 將 以 紙 摺 飛 機 呈 現 傳 統 之 懷 舊 紙 飛 機 以 卡 紙 飛 機 呈 現 擬 真 之 現 代 飛 機 以 反 傳 統 飛 行 呈 現 進 化 之 紙 飛 機, 期 具 良 好 滯 空 飛 行 能 力 的 紙 飛 機, 可 以 打 破 人 們 的 印 象, 並 在 神 奇 美 妙 的 飛 行 體 驗 中, 喚 起 人 人 對 於 飛 行 科 學 的 興 趣 貳 經 驗 與 成 果 一 紙 飛 機 飛 行 研 究 經 驗 ( 一 ) 曲 解 機 翼 翼 形 升 力 曲 線 經 由 電 腦 模 擬 運 算 或 風 洞 實 驗 的 結 果 皆 顯 示, 氣 流 經 翼 形 前 沿 分 流 後, 頂 部 氣 流 到 達 機 翼 後 沿 比 底 部 氣 流 快 很 多, 而 不 是 同 時 到 達 (Waltham, 1998;Eastlake, 20

29 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 2002) 單 靠 伯 努 利 定 律 尚 不 足 以 解 釋 如 何 產 生 足 夠 令 飛 機 升 空 之 升 力 的 原 理 (Raskin, 1994;Anderson 和 Eberhardt, 2001) 紙 摺 飛 機 之 機 翼 是 平 面 的, 並 沒 有 一 般 飛 機 翼 形 的 曲 線 設 計, 沒 有 上 下 流 速 差, 更 沒 有 伯 努 力 定 律 的 升 力 效 應, 那 紙 摺 飛 機 的 飛 行 原 理 依 據 又 是 什 麼? 的 作 用 力, 因 而 空 氣 對 舵 翼 產 生 反 作 用 力, 把 舵 翼 推 向 下, 故 最 佳 的 舵 翼 角, 造 就 了 最 理 想 的 下 壓 力, 經 重 心 為 支 點 的 作 用, 紙 飛 機 頭 部 適 當 揚 起, 機 翼 得 以 最 大 面 積 駕 馭 空 氣 浮 力, 減 少 降 速 比 以 減 緩 下 降 及 俯 衝 的 現 象, 這 就 是 紙 飛 機 無 動 力 飛 行 的 現 象 ( 請 參 考 圖 3) ( 二 ) 康 達 效 應 (Coanda Effect) 流 動 中 的 物 質 有 黏 附 接 觸 面 的 傾 向, 把 蛋 殼 的 曲 面 接 觸 水 龍 頭 流 出 的 水 柱, 觀 察 水 流 過 曲 面 後 的 情 況, 發 現 水 流 的 方 向 改 變 了 ( 如 圖 1 所 示 ), 同 時 發 現 蛋 殼 被 拉 進 水 柱 依 牛 頓 第 三 定 律 : 因 蛋 殼 改 變 水 流 的 方 向 ( 作 用 力 action), 蛋 殼 亦 同 時 被 拉 向 水 柱 ( 反 作 用 力 reaction), 這 種 現 象 被 稱 為 康 達 效 應 (Raskin, 1994) 圖 2 翼 型 攻 角 及 升 力 示 意 圖 ( 資 料 來 源 : 蘇 老 師 紙 飛 機 飛 行 研 究 中 心 ) 圖 3 紙 飛 機 飛 行 原 理 ( 資 料 來 源 : 蘇 老 師 紙 飛 機 飛 行 研 究 中 心 ) 圖 1 康 達 效 應 ( 資 料 來 源 : 蘇 老 師 紙 飛 機 飛 行 研 究 中 心 ) ( 三 ) 紙 摺 飛 機 飛 行 原 理 無 動 力 的 紙 摺 飛 機 其 翼 面 上 下 都 是 平 面 ( 請 參 考 圖 3), 無 一 般 飛 機 翼 形 曲 線 (A) 之 升 力 現 象 ( 請 參 考 圖 2), 在 滯 空 飛 行 時, 因 無 外 在 的 推 進 動 力, 故 翼 弦 線 與 水 平 線 所 構 成 的 衝 角 通 常 是 零 度 或 負 角, 因 其 不 具 升 力, 那 紙 飛 機 如 何 產 生 滯 空 的 飛 行 能 力 呢? 當 紙 飛 機 被 投 擲 於 空 中 且 平 衡 滑 翔 時, 依 康 達 效 應 水 平 運 動 的 氣 流 因 黏 度 而 依 附 機 翼 的 表 面, 則 流 經 紙 飛 機 機 翼 尾 部 的 舵 翼 時, 氣 流 流 動 的 方 向 被 舵 翼 生 一 推 向 上 方 ( 四 ) 兩 階 段 科 學 動 手 做 飛 行 科 學 動 手 做 不 似 靜 態 及 兩 軸 性 動 態 物 件 之 工 藝 動 手 做, 分 為 兩 階 段 執 行 會 優 於 單 一 階 段 第 一 階 段 須 先 有 完 美 設 計 之 飛 行 體, 引 導 學 習 者 製 作 後, 可 易 於 觀 察 紙 飛 機 飛 行 現 象 與 操 作 變 因 改 變 的 關 聯 性, 獲 取 動 手 做 飛 行 調 整 的 科 教 效 果 有 了 調 整 技 巧 與 飛 行 能 力 後, 可 進 行 第 二 階 段 學 習 動 手 做 飛 機 與 設 計, 則 創 造 新 飛 行 體 的 能 力 與 機 會 隨 之 而 來 故 兩 階 段 動 手 做 可 完 整 呈 現 飛 行 科 學 動 手 做 的 教 育 功 效 二 紙 飛 機 飛 行 研 究 成 果 ( 參 閱 ) 1. 傳 統 紙 飛 機, 以 紙 摺 飛 機 呈 現 21

30 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 飛 行 條 件 與 功 能 : 合 於 國 際 競 賽 規 則 (Paper Aircraft Association, 2012) 製 作 與 擲 法 a. 滯 空 飛 行 : 滯 空 12 秒 以 上 b. 高 空 迴 旋 : 最 大 迴 旋 直 徑 10 公 尺 以 上, 滯 空 7 秒 以 上 c. 水 平 迴 旋 : 迴 旋 直 徑 3~8 公 尺 d. S 曲 線 障 礙 飛 行 2. 現 代 紙 飛 機, 以 卡 紙 及 珍 珠 板 複 合 材 料 呈 現 擬 真 飛 機 飛 行 條 件 與 功 能 : 彈 射 或 手 擲, 戶 外 三 級 風 以 下 a. 雲 端 飛 行 紙 飛 機 : 滯 空 30 秒 以 上 b. 迴 旋 飛 機 : 迴 旋 直 徑 6~12 公 尺 3. 進 化 紙 飛 機, 以 反 傳 統 飛 行 技 法 呈 現 飛 行 功 能 : a. 微 氣 流 飛 行 紙 飛 機 : 永 不 墜 落 b. 滾 動 飛 行 紙 飛 機 : 永 不 墜 落 c. 滿 天 飛 行 紙 飛 機 :20 架 以 上 的 紙 飛 機 同 時 放 飛 參 分 析 探 討 與 建 言 1. 只 要 談 到 飛 行 都 會 說 明 翼 型 導 致 機 翼 上 下 氣 流 速 率 的 差 別, 因 機 翼 上 面 的 長 度 比 下 面 的 要 長, 上 下 氣 流 為 了 要 同 時 在 機 翼 後 沿 會 合, 上 面 氣 流 的 速 率 較 快 壓 力 較 小, 下 面 氣 流 的 速 率 較 慢 壓 力 較 大, 故 產 生 由 下 往 上 推 的 升 力 伯 努 力 定 律 升 力 說 可 以 理 解, 但 上 下 氣 流 同 時 會 合 說 及 伯 努 力 升 力 讓 飛 機 升 空 說 是 您 我 說 的, 伯 努 力 沒 說 上 下 氣 流 同 時 在 翼 形 後 面 會 合 及 伯 努 利 定 律 是 否 為 飛 機 升 空 的 所 有 升 力, 建 請 相 關 教 育 單 位, 應 速 為 學 子 正 解 2. 沒 有 完 美 設 計 之 飛 行 體, 多 次 的 動 手 做 飛 機 就 會 有 多 次 飛 行 的 失 敗, 科 學 動 手 做 須 有 更 精 細 的 階 段 區 分 與 設 計, 方 收 科 學 動 手 做 之 教 育 功 效 3. 紙 摺 飛 機 機 翼 是 平 的, 無 一 般 飛 機 之 翼 形 曲 線, 與 氣 流 相 對 運 動 時, 不 會 有 上 下 流 速 差 所 產 生 的 升 力, 故 紙 摺 飛 機 的 飛 行 與 伯 努 利 升 力 說 無 關 4. 紙 飛 機 只 要 重 心 理 想 與 結 構 完 整, 就 能 掌 控 三 軸 線 的 平 衡, 創 造 各 種 紙 飛 機, 讓 機 體 與 您 心 靈 合 一, 任 意 飛 翔 5. 以 飛 行 現 象 導 入 教 學, 把 艱 澀 的 飛 行 原 理 變 得 有 趣, 基 礎 飛 行 科 學 唯 一 能 在 1~3 公 尺 內, 完 整 呈 現 飛 行 現 象 與 機 翼 等 變 因 的 關 聯 性, 目 前 只 有 紙 飛 機 6. 徵 求 科 教 界 前 輩 指 導 與 合 作, 提 交 2012 國 科 會 科 普 計 畫, 以 利 推 廣 及 培 育 2015 第 四 屆 及 2018 年 第 五 界 紙 飛 機 世 界 錦 標 賽 選 手 紙 飛 機 為 具 高 童 趣 之 科 教 玩 具, 是 兒 童 的 最 愛 是 長 青 長 輩 最 滿 足 的 兒 時 回 憶 及 家 庭 最 理 想 的 親 子 運 動 休 閒 活 動, 適 宜 科 學 教 具 ( 玩 具 ) 設 計 案 及 科 普 教 育 案 肆 參 考 文 獻 Anderson, D. F. & Eberhardt, S. (2001). Understanding Flight. New York: cgraw-hill. Eastlake, C. N. (2002). An Aerodynamicist s View of Lift, Bernoulli and Newton. The Physics Teacher, 40, Waltham, C. (1998). Flight without Bernoulli. The Physics Teacher, 36, Raskin, J. (1994). Foiled by the Coanda Effect. Quantum, 5(1), Paper Aircraft Association (2012). Red Bull Paper Wings International Qualiflyer Rules. Retrieved February 12, 2012, form mation/infopoint 22

31 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 口 頭 發 表 論 文 摘 要 ~~MEMO~~ 23

32 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 創 新 物 理 教 育 A2 場 A2-1 牛 頓 馬 戲 團 - 演 示 教 學 開 放 課 程 牛 頓 馬 戲 團 - 演 示 教 學 開 放 課 程 周 祥 順 1 國 立 台 灣 海 洋 大 學 光 電 科 學 研 究 所 聯 絡 人 hschou@mail.ntou.edu.tw 摘 要 我 們 在 國 立 台 灣 海 洋 大 學 學 習 e-go 網 及 國 科 會 科 技 大 觀 園 網 站 建 立 了 演 示 教 學 開 放 課 程 我 們 製 作 了 36 部 影 片, 每 部 影 片 都 附 加 文 字 檔 詳 細 說 明 演 示 的 物 理 原 理 觀 眾 進 入 海 洋 大 學 首 頁 ( 依 序 點 選 學 習 e-go 網 播 客 行 動 學 習 系 統 ( 或 非 同 步 遠 距 教 學 平 台 ) 牛 頓 馬 戲 團 即 可 觀 賞 觀 眾 也 可 進 入 國 科 會 首 頁 ( 依 序 點 選 科 技 大 觀 園 科 普 影 視 牛 頓 馬 戲 團 未 來 我 們 將 繼 續 製 作 影 片 與 大 眾 分 享 關 鍵 詞 : 1 24

33 A2-2 主動學熱忱的培養與創意之具體化 主動學習熱忱的培養與創意之具體化 侯宗昆 1 洪在明 2 1 清大物理系博士生 2 清大物理系教授 聯絡人 d947311@oz.nthu.edu.tw 摘要 100 學年上學期普物實驗 課程中 安排讓學生 運用游標尺的精神與推廣 設計 出 一個 精密偵測器 由 引導學生 從 游標尺的主尺 副尺單位刻度差 如何來了 解 體會出 其間的 放大精神 進而 推廣運用到 設計 各種 普遍性 精密偵測器 一 般性的 過程 設計一個精密偵測器過程中 學習 將 創意具體化 例如 引導學生 了解 偵 測器 的 靈敏度 與 精密度 要如何 具體來 實現 讓學生了解 設計一個精密偵測器 時 其靈敏度 與 精密度 的一般性需求與如何具體實現 藉由 尊重與耐心鼓勵 的引導 學生 從嚐試中 慢慢 建構出 自己的 創意過 程與信心 從這些過程中 我們 普物實驗的學生 主動學習 探討的熱忱 不 斷提 升 甚至 學生會要求 講師 不要講答案 而讓他們先嚐試說看看! 普物實驗 學習的過程的引導 很重要 其間培養的 普遍化推廣的訓練與用心態 度 對 大一新生 是很珍貴的 學習體驗 關鍵詞 學習熱忱 創意 普遍化 動出 新的發現與發明! 從 游標尺的原理的用心學習過程與啟 發 說起: 壹 前言 在物理觀念的 吸收過程中 按部就班 用自己的思路 建立自己的圖象語言 較 能紮實地 將所面對問題的 物理觀念了解 清楚 同時亦較能 推演出其背後 更 一般 性的共通特性 而能有更 寬廣的 應用推 廣 (創意靈敏度的培養) 如此 我們在 普物實驗的學習上 在各題材上 則有更 寬廣的空間 圖 1 游標尺量測圖 例如 游標尺 主尺 40 格 = 40mm 副尺 40 格 = 39mm, ( 亦即 副尺一 格 比主尺 少 1/40 mm, 來聯結推廣發揮 創意靈敏度因之能具體 培養奠基 感受創意的成效 影響與衝擊 震撼 自信與歡喜時時充滿 主動學習的 熱忱隨之自我帶動出來 累積 40 格 後,累積總差=1mm) 若待測物 X = 整數倍 的 y mm + 微 量 z 長度 若 z 長度 = 1/40 mm 則 副尺 第一格 與 主尺 1st 格 對齊 若 z 長度 = 2/40 mm 則 副尺 第二格 與 主尺 2nd 格 對齊 若 z 長度 = 3/40 mm 則 副尺 貳 例子 一 解析度 的衝擊與震撼 量測解析度的改進與突破 往往 會帶 25

34 第三格 與 主尺 3rd 格 對齊 (亦即 待測物 的微量 z 長度 若 剛好 補足 副尺 少於主尺 的部份 則 副尺 第 r 格 與 主尺第 r 格 對 齊) (亦即 待測物 的 微量 z 長度 的 量測,可以 用 巨觀觀 察 副尺 /主尺 的對齊動作 來 取代) (善用此 放大觀念 可 推廣製作 精密 Sensor) 精密 Sensor: 將所研究的問題 透過 力學 光 學 電磁學 等方法 將之轉變成 線 性位移或角度的 放大 變化 從游標尺的原理與放大精神 推廣出精密 Sensor 的設計實例 (100 學年上學期 普物實驗補充作 業): 圖 2 普物實驗班級同學利用理想氣體方 程式 不同體積大小之放大觀念 設計的精密溫度計 善用此觀念 可發展其他各式各樣 精密 Sensor: 例如 線性位移精密量測_水位 水 氣蒸發速率精密量測儀 (一)精密 Sensor 的靈敏度 : _ 致動 Source 端 : 藉由 optical arm,op amplifier, "變壓器原理", 不同 partitions' vol./pressure 的 大小之不同的 放大效 應... (二)精密 Sensor 的精密度 : _讀取移動端: 21 藉由線性/角度位移 主副尺的安 排 圖 3 水位精密量測儀 圖 4 水位精密量測儀_主副尺卡標製作 26

35 圖 10 陀螺儀(Free Top) 與 Euler Disk (Confined 6 圖 5 水位精密量測儀_水位精密量測數據 to hard surface)的相異處 _引用 高中學過之 轉 動頻率與觀測參考頻率之差(類似電影影片中馬車 車輪會倒轉) 來直接觀測 參 結論 在物理觀念的 吸收消化過程中 按 部就班用自己的思路 建立自己的圖象語 圖 6 水位精密量測儀_水氣蒸發速率 言 將所面對的問題的來龍去脈了解清 楚 則能 推演出其背後 更 一般性的共通 特性 而能有更 寬廣的 應用推廣 如 此 施教者 在 學生能了解的基礎體裁上 引導學生 從基本的觀念出發 考慮目標 與功能的特性需求 嘗試來聯結 同圖像 功能 屬性的觀念與原理 例如上文中: 精密 Sensor 的靈敏度 : _ 致動 Source 端 同屬 可以 達到 放大功能 的機 精密量測數據 又如 角度改變精密量測_精密量角器 圖 7 精密角度量測儀 圖 8 精密角度量測儀_主副尺卡標製作 構 將之具體分類引導出來: 藉由 optical arm,op amplifier, 變壓器原理, 不同 partitions' vol./pressure 的 大小之不同的 放大效 應 反覆練習 同 圖像 功能 機構與 屬性 的觀念與原理 自然同步聯結出來 創意靈敏度 能 經常 培養奠基 常 感受 到創意的成效 影響與衝擊震撼 自信與 歡喜自然時時充滿 主動學習的熱忱 自 然自我培養出來 1 (精密角度量測儀需搭配有精密的同心軸承技術) 二 陀螺儀 與 Euler Disk 的異同 圖 9 陀螺儀 2-5 藉由 尊重與耐心鼓勵 的引導 學生 從 嚐試中 慢慢 建構出 自己的 創意過程 與信心 從這些過程中 學生 主動學習 探討的熱忱 不斷提升 與 Euler Disk 的相似處 普物實驗 學習的過程的引導 很重要 其 間培養的 普遍化推廣的訓練與用心態度 對 大一新生 是很珍貴的 學習體驗 需 27

36 要我們把握大一新生可塑性高的機會 以 身教用心付出與耕耘啟發 3.Theoretical Mechanical, E. Neal Moore,University of Nevada. U.S.A. 4.Gyroscopic Theory, Design, and Instrumentation, 參考文獻 Walter Wrigley, Walter M. Hollister, The MIT Press (1969) 1.普物實驗 輔助教學網站 (主副尺卡標製作) 5.Spinning Tops and Gyroscopic motion, Hardold Crabtree, Chelsea Publishing Company, NY(1967) 6.普物實驗 輔助教學網站 (Euler Disk Motion ) 2.Classical Mechanical, Martin W. McCall, John Wiley(2001) 28

37 A2-3 自然科學測驗中表現標準與決斷分數的設定方法與應用 自然科學測驗中表現標準與決斷分數的設定方法與應用 蕭儒棠 1 1 國家教育研究院測驗及評量研究中心 聯絡人 jthsiao@mail.naer.edu.tw 摘要 測驗反映考生的知識程度或技能表現 一般測驗將及格分數定為 60 分或 70 分 然 而 這個 決斷分數 是否合理有據 卻常被忽視 因此 研發者依據測驗的特性與目 的 以 表現水準描述 為依據 運用 標準設定 技術訂定適合的 決斷分數 以 區分學生的學習表現 本文簡介近年來標準設定方法與議題的演進 期望能提供參與測 驗的大眾相關概念 並於對研究者有不同的啟發與思考 關鍵詞 標準設定 精熟標準 決斷分數 Yes/No Angoff 法 優劣程度 而 標準參照 則著重於瞭解 個別考生的學習表現是否達到某些預設的 標準(Linn & Miller, 2005) 常模參照適用於篩選或評定等第的 測驗 為擴大測驗分數的分布範圍 以有 效區分考生的學習表現 常模參照測驗通 壹 簡介 一 測驗及評量 評量 (assessment)是評斷學生 學 習進展 學習成效 和 學習需求 的 方法 它提供教師調整課程與教學的必要 資訊 評量 可以獲得學生的學習表現訊 息 它包含傳統的紙筆測驗 論文 實驗 及教室觀察等 而 測驗 (test)則是 評 量 的一種形式 它通常是一組試題 根 據學生對這組試題的反應狀況推論學生的 學習表現 是校園中最常見的評量方式 (Linn & Miller, 2005) 評量不僅可查驗學 生是否具備相關的能力 教師也可進一步 分析學生的解題過程 根據解題的錯誤類 型 採取可行的教學策略 以導正學生的 常選擇難度中等的試題 捨棄所有考生都 可能答對的試題 標準參照的目的是描述 學生對特定知識或技能的學習程度 標準 參照測驗則應包含與預計測量的學習結果 直接相關的試題 不需考慮試題的難度 也不需刪除簡單的試題 錯誤或迷思概念 二 測驗的種類 無論測驗的特性與目的為何 每份測 驗最終將得到 分數 依據測驗對 分數 的解釋方式 測驗可分為 常模參照 (norm-referenced) 與 標準參照 (criterion-referenced) 二種 常模參照 注重個別考生與其他考生的比較 藉由與 其他考生比較 瞭解個別考生學習表現的 考生的分數 測驗結果採用 量尺分數 以百分等級(PR 值)呈現每位考生的在全 體考生中的相對位置 國中基本學力測驗 注重考生與考生之間的比較 以 相對比 較 的觀點呈現考生的測驗結果 多年來 始終是高中 職及五專的入學依據 2007 年國中基本學力測驗首度加考 的 國文作文 是標準參照引入升學考試 的嘗試 依照預先設定的 寫作測驗評分 (一) 常模參照 國中基本學力測驗 將於 2013 年舉辦最後一次的 國中 基本學力測驗 屬於常模參照測驗 國中 基本學力測驗比較個別考生的分數和全體 29

38 規準 將學生寫作能力由 劣 至 優 區分為 1 級至 6 級分 閱卷時依據考生的 在各 表現水準 的比例瞭解學生的學習 程度 學生則可透過 表現水準描述 瞭 整體寫作能力表現 直接給予整體評 分 不單獨分項給分及加總 離題 只抄 題目或缺考的考生 因無法判斷其寫作能 力 給予 0 級分 此外 為使閱卷教師更 能掌握各級分之間的差異 增加評分者信 度 評分教師閱卷前必須完成 寫作測驗 評分規準 與 樣卷 對照的專業訓練 解 自身 的學習程度 貳 標準設定與決斷分數 (二) 標準參照 國中教育會考 若測驗結果根據測驗的特性與目 的 針對學生在某個學科中某些重要能力 一 標準設定的意義 參考 表現水準描述 將 表現標準 轉化為 決斷分數 的方法或程序則稱為 標準設定 (standard setting) 而進行轉 化之前 必須於 政策性定義 (policy definition)中清楚描述考生的 能力 政 策性定義 是決策者跳脫年級與學科的侷 表現的程度 以 通過 未通過 或 待 加強 基礎 精熟 進階 進階 以上 等 標籤 表示時 這種測驗分數 的解釋方式稱為 標準參照 標準參照 以 絕對比較 的觀點看待個別學生的測 驗結果 常見的標準參照測驗有醫師 會 計師 建築師 律師等證照考試 不需排 名或與其他考生比較分數 只與某個預設 的特定標準比較 若考生的分數高於此特 限 根據測驗的特性與目的 針對不同的 表現水準 所陳述的一段概括性的描 述 用以說明不同學習成就的考生應具備 的表現內涵 它說明決策者對各 表現水 準 的期望 政策性定義完成之後 決策 者可進一步擬定各科 各層次的 表現水 準描述 依據學科的內容標準 用幾段(概 括性或具體特定)文字 描述各 表現水準 中 考生應具備的知識 技巧或能力等 定標準 即可獲得證書 預計於 2014 年首次舉辦的 國中教 育會考 屬於標準參照測驗 國中教育會 考 的目的是評估與監控國中生離校前的 學習程度 因此 必須對 能力 有更清 楚的描述 國中教育會考 除寫作測驗 外 每一科目分為 待加強 基礎 和 精熟 三個 表現水準 等級 並透過 嚴謹的程序擬定完成各科 各等級的 表 現水準描述 (Performance level description, 根據測驗的特性與目的所定義的 表 現標準 (performance standard)是某個 表 現水準 的 最低能力 表現標準 是 考生通過測驗的 門檻 表現標準 轉 換為 分數量尺 上的數 則稱為 通過 分數 (passing score)或 決斷分數 (cutting score) (Cizek & Bunch, 2007) 若僅區分 通過 未通過 則該測驗必須設定一 個 表現標準 若考生的 表現水準 將 區分為 待加強 基礎 精熟 則應 PLD) 其中自然科的 表現水準描述 描 述如下 精熟 能融會貫通學習內容 並能運用所 培養的能力來解決需要多層次思考 的問題 基礎 能知道及理解學習內容 並能運用 所培養的能力來解決基本的問題 待加強 能部分知道及理解學習內容 透 過 國中教育會考 教育決策者可由學生 有二個 表現標準 分數量尺 上的二 個 決斷分數 各自對應二個 表現標準 將考生區分為 待加強 基礎 精熟 三大 表現水準 美國 國家教育進展評量 (National Assessment of Educational Progress, NAEP) 定期對各個學科領域進行評量 以監控全 美教育品質 NAEP 設定三個 表現標準 與對應的 決斷分數 將學生的 表現水 30

39 準 分為 基礎以下 (below basic) 基 礎 (basic) 精熟 (proficient)和 進階 法 (modified multiple choice Angoff method) (Berk, 1986)及 Yes/No Angoff 法 (advanced)四類 若學生的分數低於第一個 決斷分數 則該名學生的 表現水準 屬於 基礎以下 若學生的分數介於第一 個和第二個 決斷分數 之間 則該名學 生的 表現水準 屬於 基礎 依此類推 二 標準設定的方法 表現水準描述 是執行標準設定的 重要依據 它反映決策者對各層次能力表 現的期望 標準設定 小組的成員包含學 科專家 測驗專業人士以及相關決策者 (Angoff, 1971; Impara & Plake, 1997)等 改良式選擇型 Angoff 法 直接提 供 5% 20% 40% 60% 75% 90% 95%等七個答對率選項 要求參與成員選 擇最接近自我主觀判斷的標準 若參與成 員認為上述七個答對率選項仍不具代表 性 則選擇 不知道 (Do not know) 同 樣地 每位參與成員對每一道試題判定的 答對率的平均值 即為測驗的 表現標 準 此一方法提供參與成員答對率的選 依循預先規定的規則及程序 設定一個或 一組數字以區分二種或二種以上的 表現 水準 (Cizek, 2006) 標準設定的方法眾多 有 Angoff 法 Nedelsky 法 Bookmark 法 Ebel 法等 其中 NAEP 所採用的 Angoff 法是最普遍的 標準設定方法 Angoff 法(Angoff, 1971)自 提出之後 至今已衍生許多相關的方法 通常將這類衍生的方法稱為 Angoff 家族 項 減輕判定的負擔 也能有效凝聚參與 成員的判定結果 Yes/No Angoff 法 雖 然仍須逐題判定 但不要求參與成員估計 最低能力考生答對該題的比率 只須根據 各層級的 表現水準描述 判斷各層級最 低能力學生 能 否 答對該題 若能 答對則寫 Yes 不能答對則寫 No Yes/No Angoff 法 同樣以參與成員判定 結果的平均值作為測驗的決斷分數 這個 (Cizek, 2006) 標準設定中 最低能力考生 是重要的參照對象 Angoff 法要求每位成 員審視測驗中的每一道試題 判定最低能 力考生對每一道試題的 答對率 以每位 成員對於每一道試題判定的答對率的平均 值作為 表現標準 判定 答對率 時 參與成員必須確實審視每一道試題 經過 二輪甚至更多輪的反覆判定 而新的一輪 開始前 參與成員將檢視前一輪判定的數 值資料 反覆判定是為了讓參與成員參考 方法的判斷較為直觀 降低了原始 Angoff 法執行上的困難 前一輪得到的數值資料 相互討論 交換 意見 以降低判定結果的團體變異(Cizek, 2006 謝進昌 2006) 由於 Angoff 法中每位參與成員必須 逐題判定 最低能力 考生對每一道試題 的 答對率 若試題數量較多 或需判定 的 表現標準 增加時 將大幅增加參與 成員的負擔 因此 學界開始思考相關的 衍生方法 例如 改良式選擇型 Angoff 外 成員資格 成員挑選 成員數量 訓 練內容 設定程序 回饋訊息以及成員間 的互動與影響等 都是攸關標準設定結果 的重要的因素 詳細的內容可參考 教育 與心理測驗標準 (Standards for 參 討論 標準設定最終得到 表現標準 的 決斷 分數 是由參與設定成員共同討論得到 的 屬於過程與經驗導向 因此 標準設 定程序必須嚴格進行品質控管 每一個程 序的執行過程都必須有完整的紀錄 作為 標準設定在信度與效度方面的證據 此 Educational and Psychological Testing) (AERA, APA, NCME, 1999) 此外 標準設定過程中 參與成員以 各學科領域的 表現水準描述 為依據 31

40 逐題判定最低能力考生對每一道試題的 答對率 或能否正確作答 這個過程通 3. equivalent scores. In R. L. Thorndike (Ed.), 常假設 試題 的 信度 與 效度 符 合要求 同時 表現水準描述 也針對測 驗的需求完成 因此 除了測驗專業 設 定程序同時必須與學科內容緊密結合 它 與 評量目的 評量架構 試題編製 甚至 試題評分 等 每個步驟均息息相 關 這也是評量由早期的 計畫 開始 接著 命題 與 施測 直到後期的 評 分 每個階段都必須有學科與測驗相關領 域專業人士的共同參與 因此 無論是 常 模參照 或 標準參照 評量不只是出題 施測 閱卷 統計和分析 必須結合不同 領域的專業才能真正達到評量的預期效 果 Educational Measurement (pp ). Washington, DC: American Council on Education. 4. Berk, R. A. (1996). Standard setting: The next generation (where few psychometricians have gone before!). Applied Measurement in Education, 9(3), Cizek, G. J. (2006). Standard setting. In S. M. Downing, & T. M. Haladyna (Eds.), Handbook of test development (pp ). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. 6. Cizek, G. J., & Bunch, M.B. (2007). Standard Setting: A guide to establishing and evaluating performance standards on tests. Thousand Oaks, CA: Sage. 參考文獻 1. Angoff, W. H. (1971). Scales, norms, and 7. Impara, J.C., & Plake, B.S. (1997). 謝進昌(2006) 精熟標準設定方法的歷史演進 Standard-setting: An alternative approach. 與詮釋的新概念 嘉義大學國民教育研究學 Journal of Educational Measurement, 34, 報 American Educational Research Association, 8. Linn, R. L., & Miller, M. D. (2005). American Psychological Association, & National Measurement and assessment in teaching (9th Council on Measurement in Education. (1999). ed.). New Jersey: Pearson Education. Standards for Educational and Psychological Testing. Washington, DC: American Educational Research Association. 32

41 A2-4 中國文化大學物理系專題研究課程介紹與檢討 中國文化大學物理系專題研究課程介紹與檢討 王建亞 江文中 江丕智 吳慧敏 周玉蟇 黃信健 程思誠 鄒忠毅* 蔣幼齡 中國文化大學物理系 聯絡人 摘要 為了因應不同時代學生的特質 本系自 2004 年開始對專題研究課程進行了一系列 的改革並取得了一定的成果 本系的專題系列課程有幾個特色 長時間實施 所有同 學參與 所有老師參與 師徒制的教育方式 多樣的選擇性 多元評量方式 本課程 幾年的實施結果顯示 的確可以提高同學的學習意願 態度與專業能力 我們想藉本 次物理教學會議 介紹這套課程的理念與實施方式給與會同行參考 關鍵詞 大學物理教育 專題研究課程 師徒制 做為未來深造或就業的基礎 2006 年大學 評鑑之後 我們依評鑑委員建議 提前於 二年級上學期開 書報討論 二年級下學 期開 專題討論(一) 並於三年級上學 期及三年級下學期加開 專題討論(二) 及 專題討論(三) 最後在四年級上學 壹 動機 傳統物理系教育採用的是 大班的課 堂理論學習與實驗習作方式進行教學 並 以刪除法逐漸篩選出適合從事進階物理研 究工作的人員 但是近十年來 在廣設大學政策與少 子化趨勢下我們觀察到 除了頂尖的大學 外 傳統物理教育方式並不能符合一般大 學物理系學生的需要 除了提高同學的程 度外 我們必須使用一套方法幫助同學尋 找他們的興趣 激發他們的熱情 協助他 們完成大學階段的代表作品 讓他們在畢 業時有信心與有能力邁向下一個階段 基 於以上考慮 我們逐漸發展出了一套專題 課程 期開設 專題研究 課程 我們希望為學 生打造一個師徒制 學長制 分組學習 客制化學習的跨領域學習環境[1] 文化大學物理系於 2004 年即在三年 級下學期及四年級上學期開設書報討論及 專題討論課程 前者每週邀請凝態物理 計算物理 天文物理及應用光學等領域的 教授和研究者作專題演講 為同學介紹各 領域之概況及展望 後者則進一步依系上 老師之專長 指導同學分組進行專題討論 研究 使學生對特定問題能更深入探討 展 作為選擇方向的參考 大二下至大四 開設 專題討論一 二 三 及 專題研 究 課程 同學在此進行他所選定主題的 研究 由於時間長 同學可以選擇對一個 主題 進行持續數年的較深入研究 或者 他也可以選擇數個不同主題 分別進行體 驗 值得一提的是 由於組內同時有新修 貳 實施方式與特色 這個課程的實施方式有幾個特色 一 長時間實施 本系在大二上開設 書報討論 課 程 同學在此觀摩與欣賞物理學的新進 33

42 習課程的學生與已經修過數個專題課程的 學長姐 我們從他們的報告中 可以很明 入業界的同學 可以挑選實作練習 對於 想要準備研究所考試或出國的同學 他可 顯看出經過一年訓練的成果差異 以針對一個主題研讀相關文獻並報告 二 所有同學參與 本系所有同學必須修一個 書報討 論 及至少兩個 專題 課程 這有兩個 好處 一是對於較不主動學習的同學 這 種方式可以導引他們思考他們的興趣與方 向 進而開發他們的潛力 第二個好處是 使高年級的專題課程一定開得成 理由是 同學有時可能因為某些原因必須離開原來 六 多元評量方式 同學在 專題 課程的學期中 必須 進行期中開題報告 (圖 1) 與期末成果報 告 這些報告以發表會(圖 2 [2] )方式進 行 評審包含本系老師及校友(圖 3 ) 同 學在這些發表會上不僅可以練習口頭報告 技巧(圖 4 ) 也可以聽到不同師長的意 見 最後同學必須在學期末繳交一份統一 的專題組 這些原因包含 對原來題目沒 興趣 想學的都學到了 想嘗試別的題目 達不到指導教師要求所以不能進行進階研 究等等 這些同學在這個規定下仍必須轉 換專題組完成課程要求 格式 包含題目 中英文摘要 內文 參 考資料與工作日誌 的書面報告 並進而 練習寫作技巧(圖 5) 三 本系所有老師參與 本系共有九位專任老師 就是本文的 九位作者 全部投入專題課程的指導工 作 這非常重要 可以產生接下來的兩個 好處與特色 四 師徒制的教育方式 由於每個老師的學生不會太多 約五 到十人 可以進行師徒制的教育方式 學 生學習到的不只是科學方法與知識 也受 到老師的身教 再加上同一個專題組中可 能有不同年級的學生 有些專題組中也形 成了學長姐協助老師指導學弟妹的學長 圖1 99 學年第 2 學期專題討論二期中報告 B 組 圖2 本系黃信健主任主持(99 學年第 2 學期)專題 討論期末報告發表會開幕式 制 有趣的是 各專題組也培養出了各自 的風格與小組的榮譽感 五 多樣的選擇性 由於所有老師參與 同學可選擇以不 同主題與方式進行專題 在主題方面 他 可以選擇理論 實驗與計算等方面 在進 行方式上 對於想投身物理研究的同學 可以參加老師目前的研究工作 對於想進 圖 3 本系老師及受邀校友參加專題討論期末報 告發表會預備會議 分配各分組評審人選及討論評 分標準 34

43 圖 4 同學在各分組教室進行期末報告 圖 6 本系舉辦的瑞澄杯壁報論文比賽 參 成果 肆 感想 經過幾年的實施之後 可以歸納出幾 個成效 首先是 提高了同學的學習意願 我們常看到一些原本不怎麼用功的同學 願意用很多的時間來完成他有興趣的專 題 並且也較願意花時間在其他課上 其 次 提高了同學的自信心 當同學的專題 完成後 他不僅經歷過校內的幾次測試 有些成果好的同學還將成果發表在校內壁 報論文比賽(圖 6)或校外學術研討會(圖 7,8) 在執行這些年的專題系列課程之後 我們有一些感想 近年來很多系的學生退 學率都提高 但向來穩居三大當鋪前一 二位的物理系卻不升反降 退出三大當鋪 之外 究其原因 實不能不歸功於專題研 究拉近了師生的距離 更讓學生體認到學 習是無可逃避的責任 老師並沒有放寬要 求 而是學生的潛力逐步被激發出來 當 上 最重要的是 同學也在各老師的身教 之下 逐漸學到了一個科學工作者的態度 圖 5 然老師們投入的心力相當可觀 因此我們 也盡力透過教育部跨領域人才培育計畫及 學校的教學卓越計畫來推動配套措施 包 括進行跨校系合作與觀摩 舉辦期中期末 成果發表會 出版專書 舉辦暑期環島旅 遊學習之旅等 以提振師生參與 各年的同學於學期末繳交的書面報告 不同顏色代表不同年度與學期 圖 7 本系師生參加全球華人物理大會 35

44 呂松霖 多重影像彩虹式全像片的製作 范姜建名 表面電漿的銀元子厚度 張晉瑋 Graphene 在導體方面的發展與應用 郭力云 模擬城市道路的演化 周冠任 利用波長 671 nm 的雷射光製作全像光柵---溫 度的影響 簡嘉億 由實例分析認識電子自旋共振 黃郁桂 Visual Fortran 影像處理系統的應用及擴充 陳宜慶 探討 XPS 的原理與應用 李季霖 螺旋軌道模型 段文逸 由實例分析認識 X 光電子能譜 蘇莊恆 氮化鎵奈米線的製程 藍建智 有機溶液的極性對單壁奈米碳管的影響 陳俊杰 溫度對全像底片(PFG-01)在顯影過程的影響 古家豪 對數螺旋軌道模型 林志勇 退火效應對氮化鋁的影響 石育豪 利用跳耀式光鉗探討氧化壓力對人類紅血球 之彈性與黏滯性之影響 劉韋廷 麥克斯威爾速率分佈 楊志勇 生長一維氮化鋁奈米線 邱顯勝 利用量子力學的超對稱理論討論一維諧振子 吳宗翰 ALN 燒結添加 MgO 和 Y2O3 的影響 楊任凱 MPI Windows 分散式平行運算系統的建立與 測試 林傑敏 利用波長 671 nm 的雷射光製作全像光柵---曝 光時間的選擇 吳睿洋 利用波長 671 nm 的雷射光製作全像光柵一曝 光方式的影響 許元睿 同軸及離軸式波帶板(Zone Plate)的製作 陳經瑞 探討奈米氮化鋁陶瓷的特性 蕭弘倫 利用波長 671 nm 的雷射光製作全像光柵---定 影時間的選擇 藍永智 針對乳癌標誌物的奈米碳管生物感測器 彭冠翔 由實例分析認識 X 光繞射 詹雯玲 探討 XRD 的原理與應用 林思瑩 激子-極子的愛因斯坦波色凝聚 范仕遠 探討 ESR 的原理與應用 劉詠仁 利用一維無限方位井範例學習量子力學的超 對稱理論 陳稚存 利用表面電漿子提升半導體之發光與吸收效 率 劉冠男 Temperature-controlled growth and photoluminescence of AlN nanowires 圖 8 本系同學在全球華人物理大會上發表的部 分論文 參考資料 1. 請參考中國文化大學物理系網頁 在這裡有詳 細的課程說明與活動資料 2. 我們以 101 年 5 月 26 日(六)舉辦的 100 學年度 第 2 學期專題討論(一) (三)期末發表會為例 共有 46 位同學依照抽籤分為八組報告 下表 是同學們的報告題目 姓名 題目 郭泰男 重複曝光產生多重影像彩虹式全像片 梁原肇 檢測乳癌生物感測器之電性變化 洪聖傑 利用細胞自動機模型研究道路上的路隊長現 象 許郁婕 用 Easy Java Simulations 模擬立體蛋白質結構 李孟霖 表面電漿子的激發模型 林家賢 非線性彈簧 陳潮輝 傅立葉轉換在組合振動系統上的應用 謝宗庭 將希爾伯特-黃轉換應用於自選的時間序列 陳柏勳 藉由氨化氧化鎵薄膜合成氮化鎵奈米線 詹自在 非線性阻尼單擺分析 王柏欽 台灣都市街道網路的標度性質 36

45 A2-5 一個新的也是舊的方法 學生自編筆記學習法 一個新的也是舊的方法 學生自編筆記學習法 金自強 1 蔡桂芳 2 陳振明 3* 蔡源福 屏東教育大學應用物理系 屏東教育大學特殊教育學系 3 嘉義大學特殊教育學系 *為通訊作者 聯絡人 tomson2@ms18.hinet.net 摘要 物理系課程艱澀難懂 學生讀了多少 懂了什麼 自己不清楚 別人無法知曉 老師也無從幫忙 作者基於自身經驗歸納出 吸收新知的本質 再據此提出 學生自 編筆記學習法 此法要求學生將所學自行編寫成筆記 學生若能寫出 顯示其對學習 內容有正確了解 若無法做到 就他們已撰寫的部份可了解其程度與遭受的困難 給 予適時的協助 寫出來的筆記亦是學生知識的一部份 只要復習自編的筆記 很快就 能鞏固所學 非常熟悉 而且再次閱讀自編筆記 程度將會更加精進 因此作者認為 學生若能善用自編筆記之策略 將能更有效率的吸收新知 精進學習 關鍵詞 大學物理 物理課程 筆記 學習法 勁與鬥志 是個挑戰 經營實驗室團隊是 壹 源起 或許是因為每年底碩士班推甄入學 幾乎都要求申請者要有專題 作者所任教 的物理系逐漸形成一種風氣 想參與推甄 的學生在二 三年級時都會加入老師的實 驗室 雖然專題課程是開在大四 但因為 推甄是在四上 實際上進行專題的時間約 在三下 這種老師帶領 由不同年級學生 組成的緊密團隊 對本系的教育有著深遠 影響 學生在實驗室團隊中學到的不只是 件複雜的工作 本文將只關注其中的一個 項目 這些學生是如何吸收知識 怎樣的 學習策略能夠幫助他們真正理解學習內 容 並終身受用 物理系的核心目標是傳授學生物理 專業知識 學生們除修課時按部就班的學 習外 實驗室裡也有很多專業知識要學 習 還有日常生活中遇到的各類知識 對 物理系學生而言 課堂外知識吸收的重要 性不亞於課堂內的學習 如果吸收新知的 專業知識 實驗技巧 還有做事的態度與 方法 此外 學生都是主動加入的 其學 習動機強 聽話 再加上有學長姊在 學 習效果都比較好 作者之一也有實驗室團 隊 學生們普遍成績較好 士氣也高 如 何讓這些有為青年有更好的未來 怎樣妥 適安排學習教材與活動去滿足他們 怎樣 讓他們有成就感與適度面對小挫折維持衝 策略不佳 不僅影響課堂上的學習 更妨 礙課堂外的學習 要想改善物理系學生吸 收新知的能力 首先要釐清吸收新知的本 質 再據以發展出適當的教學策略與方 法 本文中作者先根據本身讀書教學多年 的經驗 歸納出吸收新知的本質 然後推 薦 自編筆記學習法 希望能改善學生學 習的成效 37

46 的 例如牛頓力學就分別在國高中 大 一普物 大二牛頓力學 大四分析力學 貳 吸收新知的本質 等階段以不同程度學習 每當進入更高 階段學習時 知識架構都會被大幅擴充 重整 除了注入新的觀念外 舊有的觀 念也會被更深化了解 如果學生在最初 或某一階段沒學好 沒能建立起該階段 應有的知識架構 不具備下一階段學習 該有的起點行為 下一階段學習通常得 到只是挫折 另外學生自學 復習 準 備考試 教導他人 在心中反思或隨時 聽聞到相關訊息時 這個知識架構都會 知識吸收是以個人已具備的知識基 礎為根本 興趣 習慣 自我期許 環境 等四個因素為擴大知識基礎的原動力 簡 化為圖 1 分述如下 圖 1 吸收新知的本質 一 知識基礎 1. 個人心中的知識基礎是個複雜又持續變 化的整體 此整體可被分成幾個領域(自 然科學 社會科學 文學等) 每個領域 又可再分為一些學門(自然科學領域可再 分為物理 化學 生物等) 每個學門又 可再分為科目(例如物理學門可分為牛頓 力學 電磁學 熱力學等科目) 每個科 目又可再分為單元 各領域 學門 科 目 單元之間或多或少都會有一些關 聯 無法明確區分 2. 過去我們曾經嘗試用一個簡單的模型進 行闡釋(金自強 蔡桂芳 2009) 每單元 的知識可視為一些觀念及觀念間的關聯 所建構出的一個架構 學生對於一個單 元的學習均可視為在心中建構這樣的架 構 初學者剛開始先模糊的將一個接一 個的物理觀念放入心中 然後建立一個 初步架構 接著用這個尚未完善的初步 整體架構去加深對個別物理觀念的了 解 再建立一個更正確的整體架構 如 此反覆幾次後 學生應該對個別物理觀 念及物理學科的整體架構都能有更正確 深入的了解 3. 知識架構的建構過程是一輩子持續進行 被加強 更新 修補與改善 這些行動 幫助學生成為主動的參與者 不但可以 反省所學 而且認知得以成長(王雅玄 1997) 4. 每個人心中的知識架構通常有錯漏 有 問題且不完整 嚴重程度因人而異 在 心中的知識也不可能長久保留 若不反 思 溫習 它會衰減 了解較透徹的知 識可保留較久 若最初就沒學清楚 沒 能自圓其說的將觀念組合成知識架構 很快就會遺忘 因而對於心中的知識基 礎 除了要擴充增加新知外 還需要重 視維護既有的舊知識 5. 建構論的重要內涵強調知識的成長是透 過同化 調適及反思性抽取等歷程逐漸 發展而成(詹志禹 1996) 後續知識必須 植基於先備知識且受限於先備知識 因 此心中的知識基礎會影響其吸收新知的 能力 若遇到的新知層次太高 學習者 不具起點行為 就無法吸收 若遇到的 新知剛好可以擴充 改善 澄清或復習 學生心中的知識架構 學生就可輕易吸 收進來 6. 語文與數學是用來表達知識的工具 若 學生語文與數學程度不足 致使無法看 清知識本身 當然就會妨礙知識的吸收 二 吸收新知的四個因素 影響每個人擴充 改善 澄清與復習 38

47 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 其 心 中 知 識 基 礎 的 因 素 除 了 心 中 知 識 基 礎 之 外 還 有 以 下 四 點 1. 興 趣 : 遇 到 新 知 產 生 好 奇 就 是 興 趣, 就 會 有 衝 動 去 尋 找 有 關 的 事 物 興 趣 通 常 有 偏 好, 衝 動 常 常 針 對 某 些 特 定 領 域 2. 習 慣 : 學 生 若 能 有 下 列 習 慣 一 定 不 同 凡 響 : 對 遇 到 的 知 識 會 多 看 一 眼 多 想 一 下 ; 能 反 覆 思 索 心 中 的 知 識 發 現 疑 問 ; 對 疑 惑 一 定 要 弄 明 白 才 罷 休 ; 能 將 知 識 自 圓 其 說 整 理 出 框 架 來 ; 能 將 知 識 寫 成 心 得 筆 記 等 3. 自 我 期 許 : 對 未 來 有 夢 想, 有 不 服 輸 的 心, 習 慣 於 高 成 就 都 是 很 多 學 生 上 進 的 動 機 4. 環 境 : 學 校 是 獲 取 知 識 的 主 要 環 境 平 時 與 同 學 討 論 也 是 獲 得 新 知 的 環 境 書 報 網 路 電 視 等 也 都 是 獲 取 新 知 的 管 道 家 庭 背 景 生 活 習 慣 對 每 個 人 的 知 識 程 度 有 絕 對 的 影 響 檢 視 每 週 的 生 活 作 息, 就 可 窺 知 其 吸 收 新 知 ( 課 內 課 外 ) 的 真 實 狀 況 洪 寶 蓮 (2001) 曾 對 大 學 生 進 行 影 響 學 習 因 素 的 調 查, 發 現 大 學 生 學 習 三 大 問 題, 一 是 對 所 學 不 感 興 趣 ; 二 是 學 習 方 法 僵 化 ; 三 是 時 間 規 劃 不 當 此 說 法 與 作 者 對 吸 收 知 識 的 四 個 因 素 也 能 相 互 呼 應 因 此 幫 助 學 生 找 出 合 宜 的 學 習 策 略, 從 上 述 幾 方 面 著 手 改 善, 乃 解 決 學 習 成 效 低 落 的 當 務 之 急 參 自 編 筆 記 學 習 法 隨 著 心 理 學 的 發 展, 許 多 學 者 嘗 試 由 訊 息 處 理 學 習 論 與 建 構 論 等 觀 點, 來 強 化 對 學 習 行 為 與 歷 程 的 了 解, 強 調 學 習 者 依 據 自 我 經 驗 文 化 背 景 與 目 標 等 個 別 因 素, 對 感 官 所 接 收 的 訊 息, 進 行 選 擇 複 誦 組 織 與 精 緻 化, 以 便 將 知 識 用 不 同 表 徵 方 式 儲 存 於 長 期 記 憶, 內 化 成 統 整 知 識 結 構 的 歷 程 ( 于 富 雲 陳 玉 欣,2006), 此 種 論 述 的 發 展, 運 用 在 物 理 系 課 程 上 亦 有 其 深 刻 意 義 物 理 系 課 程 內 容 前 後 連 貫 性 極 強, 每 個 單 元 都 是 一 個 嚴 謹 複 雜 的 推 導 過 程, 學 生 學 習 時 就 像 爬 樓 梯, 完 成 一 階 才 能 進 行 下 一 階 另 外, 物 理 系 課 程 內 容 艱 澀 難 懂, 學 生 在 推 導 過 程 中 會 遇 到 很 多 問 題, 推 導 完 後 還 得 反 覆 思 索 才 可 能 逐 漸 了 解 學 生 在 學 習 中, 讀 到 多 少 懂 了 什 麼 自 己 都 不 清 楚, 別 人 更 無 從 知 曉 學 生 覺 得 自 己 不 懂, 常 說 不 出 那 裡 不 懂, 老 師 也 不 知 如 何 幫 忙 即 使 自 認 為 懂, 也 是 漏 東 漏 西, 而 且 自 己 看 不 見 一 般 教 師 除 測 驗 之 外, 常 沒 有 客 觀 的 方 法 可 檢 視 學 生 的 程 度 基 於 吸 收 新 知 的 本 質 及 作 者 所 任 教 物 理 系 學 生 ( 包 括 教 室 裡 的 授 課 學 生 與 實 驗 室 專 題 生 ) 的 特 性, 我 們 推 薦 一 種 自 編 筆 記 學 習 法, 以 幫 助 學 生 學 習 此 方 法 非 常 簡 單, 就 是 要 求 學 生 自 行 將 所 學 編 寫 成 讀 書 筆 記 學 生 若 能 寫 得 出 來, 表 示 他 們 對 於 從 前 提 到 結 果 的 每 個 環 節 以 及 知 識 框 架 已 有 相 當 的 了 解 ; 若 寫 不 出 來, 可 就 已 寫 出 的 部 份 了 解 他 們 的 程 度 與 所 遭 受 到 的 困 難, 給 予 所 需 要 的 幫 助 這 個 做 筆 記 的 過 程 與 學 習 策 略 中 的 摘 要 非 常 類 似, 強 調 學 習 者 將 學 習 內 容 中 的 重 要 觀 念, 重 新 組 織 整 合 與 再 建 構, 使 它 成 為 更 精 鍊 的 概 念, 這 樣 可 以 讓 學 習 者 對 學 習 主 題 產 生 全 盤 與 巨 觀 的 結 構 ( 張 雅 萍, 2000), 由 於 作 筆 記 的 過 程, 學 習 者 必 需 從 教 材 中 粹 取 出 重 要 觀 念, 並 利 用 刪 除 概 括 改 寫 等 寫 作 技 巧, 用 自 己 的 話 將 學 習 教 材 中 較 瑣 碎 繁 雜 的 概 念 單 位 概 括 成 一 個 較 大 的 概 念 單 位 為 了 達 成 此 目 的, 學 生 也 會 重 覆 瀏 覽 教 材 內 容, 以 抽 離 重 要 觀 念, 組 織 教 材 單 元 的 學 習 行 為 頻 率 也 會 增 加 ( 于 富 雲 陳 玉 欣,2006) 39

48 自編筆記是值得推薦的學習策略 學 生可據以向前步步推進 也可回顧舊成品 增加了解 在詢問老師學長姊時還可幫助 討論 完成的講義也可算是成功的知識表 徵 教師可就學生編寫講義的內容即時了 解學生學習的情況 總之 學習者只要運 用正確的策略 將能更有效率的吸收新 知 精進學習 圖 2 自編筆記法加強後的吸收新知本質 張新仁(2006)認為 學業成績好的學 生較知道有哪些有效的學習策略 也較知 道如何有效使用學習策略 成績差者則相 反 所幸西方一些研究者(Gagne, 1985 參考文獻 1. 于富雲 陳玉欣(2006) 不同知識表徵 建構的學習策略對自然科學習成效之 Levin, 1986)認為學生經由學習策略訓練 後 是可以有效提高學業成績 甚至彌補 認知能力不足所造成的影響 研究者在本文中提出來的自編筆記 影響 科學教育學刊 15(1) 王雅玄(1997) 教室對話在知識建構中 的角色 國教月刊 金自強 蔡桂芳(2009) 以物理專家的 學習經驗協助物理資優生學習 資優教 嘗試著將物理知識結構運用精緻化 (elaboration) 和自我解釋(self- explanation) 兩部分來著手 此法若用在第一次學習的 內容上 會感到徬徨失措 舉步維艱 常 需要重寫兩三次 不過這確實會是非常好 的自我訓練 若用在整理曾經學過的知識 育季刊 洪寶蓮(2001) 影響大學生學業學習之 因素探討 通識教育年刊 張新仁(2006) 學習策略的知識管理 時 感覺就會更精熟 學生最初的自編筆 記常有一些缺點 贅述太多 沒注意到重 點 邏輯性不夠 數學錯誤 有些奇怪的 想法 或觀念繆誤 所以都需要與老師討 論與訂正 另外 這些自編筆記確也是非 常好的教材 學長姊使用自己的筆記去教 導學弟妹 若能形成風氣 對整個物理教 學成效會有莫大的助益 完成的自編筆記也可視為已具備知 識的擴充 如圖 2 所示 只要再次閱讀自 教育研究與發展 2(2) 張雅萍(2000) 摘要策略對網路化學習 成效之研究 台北市 國立台灣師範大 學碩士論文 未出版 7. 詹志禹( 1996) 認識與知識 建構論 編講義 不但可以鞏固所學 甚至可以發 現之前的疏漏與不足 程度自會更加精 進 多年之後即使已經淡忘 只要復習自 編的講義 很快就能非常熟悉 作者本身 及認識的很多學者也都有自編讀書筆記的 習慣 instruction. Educational Psychologist, 21, VS.接受觀 教育研究 Gagne, E. D. (1985). The cognitive psychology of school learning. Boston: Little, Brown and Company Levin, J. R. (1986). Four cognitive principles of learning-strategy

49 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 創 新 物 理 教 育 B2 場 B2-1 落 實 實 作 評 量 於 中 學 的 物 理 教 學 活 動 落 實 實 作 評 量 於 中 學 的 物 理 教 學 活 動 1 傅 祖 怡 1 台 師 大 物 理 系 聯 絡 人 phtifu@phy.ntnu.edu.tw 摘 要 在 近 幾 年 協 助 台 北 市 及 新 北 市 的 資 優 鑑 定 實 作 評 量 的 工 作 經 驗 中, 促 使 筆 者 思 考 如 何 融 合 評 量 與 教 學 活 動, 使 更 多 學 生 的 科 學 潛 能 得 以 開 發, 並 營 造 更 好 的 教 學 氣 氛 及 培 養 正 確 的 科 學 態 度 由 於 特 殊 教 育 中 學 術 性 向 資 賦 優 異 學 生 鑑 定 的 需 求, 目 前 各 縣 市 展 開 實 作 評 量 編 製 實 務 工 作 坊 供 教 師 研 習, 筆 者 認 為 老 師 們 的 努 力 不 應 僅 限 於 資 優 生 鑑 定, 其 編 製 的 實 作 評 量 亦 為 供 一 般 生 教 學 活 動 的 良 好 教 案 實 作 評 量 一 向 為 重 要 之 評 量 方 式, 然 而 在 升 學 主 義 國 中 基 測 僅 為 紙 筆 測 驗 的 壓 縮 下, 甚 少 具 體 落 實 於 教 學 活 動 中, 當 物 理 只 剩 下 讀 書 背 公 式 與 算 題 目, 孩 子 們 失 去 的 不 只 是 解 決 問 題 的 實 作 能 力, 還 有 對 自 然 與 生 活 的 好 奇 與 熱 情 在 此 12 年 國 教 即 將 施 行 的 當 下, 筆 者 樂 觀 的 認 為 是 落 實 實 作 評 量 於 教 學 活 動 的 大 好 機 會 在 此 報 告 中, 筆 者 除 了 闡 述 不 同 教 學 評 量 方 式 對 發 掘 培 養 不 同 才 能 學 生 的 重 要 性, 也 將 舉 幾 個 物 理 上 實 作 評 量 的 範 例, 討 論 其 應 用 於 教 學 上 可 能 造 成 之 效 益 關 鍵 詞 : 實 作 評 量 中 學 物 理 教 學 活 動 41

50 B2-2 一些日常生活所見到的生活物理 一些日常生活所見到的生活物理 陳義勳 1*吳鴻欣 1,2 劉美惠 1,3 戴香梅 1,4 張耿福 1,5 1 台北市立教育大學應用物理暨化學系 2 新北市板橋區板橋國小 3 新北市永和區育才國小 4 台北市萬華區福星國小 5 台北市內湖區新湖國小 聯絡人 shin@tmue.edu.tw 摘要 生活處處均是科學 從廚房煮開水到國際航線飛機之飛行均是物理科學 有力 學 表面張力 光學 熱學 摩擦力外力矩造成倒立陀螺等等 本論文將介紹一些日 常生活中接觸到的物理科學 一一介紹給物理教育的先進及國中小學自然與生活科技 教師上課之參考 擬以一 力學的大氣壓力;二 柏努利公式之應用氣球直昇機 三 相親相愛的乒 乓球 四 表面張力的紙片船競航 五 光學的肥皂泡泡為何會有七彩 六 熱學的 尿尿小童 七 摩擦力外力矩造成的倒立陀螺 關鍵詞 物理科學 表面張力 柏努利公式 便 正 確 計 時 工 具 如 果 沒 有 Redi 文獻探討 Fransciso 的仔細觀察腐肉生蛆之現象 (Wolfinger,1984) 進而以實徵性研究 生活當中到處都是科學 科學可以啟 以紗布 羊皮紙 不蓋蓋子來驗證腐敗之 迪人類的智慧 事實上許多科學的孕育也 肉之所以生蛆之原因 就不會推翻亞里斯 是受到生活的啟發 每天的日升日落 一 多德腐肉生蛆的自然發生說 為人類科學 年四季的變化 花開花謝 煮開水為何白 往前邁進了一大步 故生活週遭的小現象 色水氣往上升 等等均是科學 就是科學大發現的好機會 生活物理其實 聯合國教科文組織(UNESCO; United 就是科學之發端 Nations Educational,Scientific,and 在 2011 年 11 月份天下雜誌 呂錦 Cultural Organization )在 2005 年在泰 珍 2010 提到科學教育決定一切中 科 國 Pattaya 開 會 提 出 了 動 手 操 作 活 動 學教育學者如何以人的生活中探索科學 (Hands-on activities)及以日常生活周 發掘科學 這種紮根於日常生活中的科學 遭來做科學 學習科學 諸如 透過生活 最容易引起興趣 也與學習者最貼切 符 中的玩具等等 研討會有一學者提出貼近 合科學教育學者 Piaget 提出心智發展第 生活的廚房科學 可見聯合國教科文組織 三 階 段 Concrete operational stage 也注意到科學的學習由生活下手的觀點 period 的具體操作 符合生活科學揭櫫的 牛頓若非留意成熟的蘋果為何會往 目標 郭重吉(2012)在科學研習的刊物提 下掉就不會發明萬有引力定律 從蘋果受 到裝熱咖啡的杯子會在玻璃板上不自主的 地心引力的拉力 推展到宇宙星體間的引 滑動 又拿起海螺靠近耳邊會聽到遠處海 力 引發出探測宇宙奧妙的太空科學 造 潮的聲音 在在都強調生活物理 也就是 就人類太空時代的來臨 如無伽利略留意 生 活 處 處 是 科 學 Holstermann 等 人 到教堂吊燈來回一次具等時性的周遭小現 (Holstermann 2010)提到日常生活中所遭 象就沒有鐘的發明 也就無法讓吾人有方 遇的科學 以 141 個 11 年級的學生在日常 42

51 生活中的經驗品質發現會使科學概念建 立 科學興趣大大的提升 故生活科學是 莘莘學子要留意也是要研究的 是生活物 理的精髓 的本生燈上 加熱二分鐘 並以大鐵夾 將加熱後的空罐倒蓋到小水槽中 5.並一半騰空 一半沒入水槽中 啪!一 聲 空罐便會凹陷 如下圖 研究方法 說明 本研究採用質性研究之定性方式詮 釋也兼具量的研究方式來詮釋 其中在原 理 器 材 步 驟 與 說 明 以 Hands-on activities 來敘述 荀子儒效篇中提到 不聞不若聞之 聞之不若見之 見之不 若知之 知之不若行之 (Chen, 2005, 2008) 在西方科學教育學者也提到 I hear and I forget, I see and I remember, I do and I understand. (Gregorio, 2005) 人類生活在充滿大氣的地球上 時時 刻刻置身於大氣中 人們已習以為常 不 覺得周遭的大氣是具有壓力存在 若人們 以簡單的器材和過程便可以證明大氣壓力 的存在 因為水被加熱變成水蒸氣 水蒸氣一 碰到冷水 水蒸氣又凝結成水滴 空罐內 形成接近真空狀態 而罐外是充滿具有平 均一大氣壓的大氣 故大氣壓力會將空罐 壓扁了(盛承堯與陳義勳 2005) 大氣壓力 原理 大氣存在於我們地球的外圍 具有壓 力 正常的大氣為 1 大氣壓 本活動將使 黑松汽水罐內的水加熱 形成水蒸氣 又 罐子浸入水中驟然降溫 形成罐內接近真 空 而罐外為一大氣壓 造成罐外壓力大 於罐內壓力 故黑松汽水的罐子會受擠壓 而變形 柏努利公式之應用 氣球直昇機 原理 1 利用氣球噴出 的空氣沿著羽翼往 尾端噴嘴噴出 在 尾翼邊緣的 A B C 三氣孔噴出後產生 反作用力 器材 實驗器材為黑松汽水罐子一個 本生 燈 小水槽 可以讓黑松汽水罐倒蓋 大 鐵夾 步驟 1.將黑松汽水的空罐從小口倒入約 15c.c 的水 2.置小水槽於一旁 3.點燃本生燈 4.以大鐵夾將黑松汽水的空罐置放於點燃 由上往下看的逆時針方向旋轉 43

52 到地面 2 由於 AO 線段 BO 線段與 CO 線段的 葉片並非水平 而是有一個θ=10 度的傾 斜角度 相親相愛的乒乓球 兩個乒乓球垂吊在一橫桿上 有一小距 離但不遠 只要對他們吹口氣 他們便會 互相靠近 這個動手操作活動主要目的: 原理 乒乓球會相互靠近是因為空氣流經兩 顆球中間 中間流速快 乒乓球外緣流速 慢(接近 0) 故造成中間的壓力較小 而 受乒乓球外緣較大壓力擠壓而互相靠近 這就是柏努利定律 由於旋轉時 反方向相對有個氣流 通 過葉片上緣的流體是受較少阻力 依流體 力學公式 流速快 壓力小 故平行於葉 片之流速相對較快 而葉片下緣的流體受 葉片阻力較多 平行葉片之流速相對較 慢 壓力也較大 器材 乒乓球 2 個 棉線 2 小段 膠帶 1 捲 吹 風機 1 支 3 力的簡圖 步驟 1.將棉線的一端黏在乒乓球上 另一端黏 在橫桿懸掛起來 另一顆依相同方式懸 掛於另一顆的旁邊相距一些距離 2.在適當距離處以吹風機對兩顆乒乓球中 間吹氣 兩顆乒乓球即會相互靠近 說明: 葉片 讓學生瞭解氣流速度與壓力的 關係 進而認識柏努利定律 探究 可能影響氣流速度及乒乓球相互 靠近效果的因素 這些生活上的科學 例 如 飛機的起飛及棒球投手投出的變化球 即是此原理 可以讓學生親身體驗科學 進而瞭解科學 4 依 Bernoulli s equation 故葉片上緣壓力小 下緣壓力大 上下壓 力差 挺升力 F= A 為葉面投影到水平面之 有效面積 故氣球一面旋轉一面上升 直至氣球內氣噴完為止 重力又使其掉落 44

53 肥皂泡為何會有七彩 當小朋友在太陽光底下吹肥皂泡 而肥 皂泡總會顯出繽紛的七彩 為什麼會如此 呢 原理 紙片船競航 利用表面張力之 破壞而航行 當球型的肥皂泡 因為厚度非常的薄 只有光波長的 1/4 1/2 倍 但其又受地心 引力之影響 球狀肥皂泡的上緣較下緣來 得薄 在陽光照耀下 由於光在肥皂泡外 緣(即肥皂泡外壁)反射的光與經折射到內 緣(即肥皂泡內壁)又反射再由外壁折射出 兩束光產生了干涉 有建設性干涉 (constructive interference) 與破壞 性 干涉(desconstructive interference)形 成光的明暗條紋 原理 將甘油或肥皂塗到船型的後舷之紙片 上 放在純水中 因為甘油或肥皂會破壞 水之表面張力 故使水面無表面張力拉住 船之後舷 而船之前緣並沒有這樣塗上甘 油或肥皂 故水的表面張力將船往前拉 故形成往前行的前進力量 + 器材 - 1.甘油或肥皂 2.瓦楞紙 3.剪刀 4.水槽 + + 步驟 d 如 2d=λ/2,3λ/2 d=λ/4,3λ/4 就 會造成建設性干涉 若 2d=λ,2λ d=λ/2,λ 就會造成 破壞性干涉 因球型肥皂泡愈靠近泡泡的下緣就 愈厚 故欲達到建設性干涉的條件 也就 是愈往波長長的色光才能產生建設性干 涉 亦即由泡泡的上緣到下緣愈是由較短 波長紫光到較長波長的紅光變化 故會有 紫 靛 藍 綠 黃 橙 紅的繽紛七彩 先以剪刀將瓦楞紙剪成船型的形狀 在 船之後側之船舷兩側 均勻塗以甘油或肥 皂 然後將此船型紙片放入水中 則船之 後舷因塗有甘油或肥皂 甘油或肥皂破壞 了水之表面張力 而船之前側船舷並無塗 甘油或肥皂 未被破壞 故可拉此紙片船 故可以以此來進行各類型紙片船之競航 說明 此動手操作的生活科學可以訓練學生 對於表面張力現象的瞭解 進而設計有力 快速向前航行的幾何造型的紙片船 更符 合生活科學的旨趣 器材 1.肥皂泡沫或洗髮精 2.吸管 步驟 1. 將肥皂泡沫或洗髮精調製到適當的濃 度 45

54 2. 以吸管沾肥皂泡沫或洗髮精 3. 以嘴均勻地往外吹出肥皂泡 4. 即會在太陽光底下發出紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫七彩的色光 1. 將 中 空 的 尿 尿小 童 內的 空 氣 擠 壓 出 來 並捏著不放 浸入 40 左右的溫 水中 2. 然後將緊捏的手放鬆 尿尿小童因而會 吸入溫水 3. 將吸足溫水的尿尿小童直立置於常溫 中 4. 以冷水澆在尿尿小童身上 尿尿小童就 會由進水孔處噴出水來 煞是有趣 5. 此利用冷水澆著尿尿小童身上 由於冷 縮現象 尿尿小童收縮 體積因而縮 小 內部的水就被擠出 由下方的小洞 噴出 說明 利用肥皂泡在陽光底下造成建設性干涉的 原理 又肥皂泡泡厚薄不一 愈往下肥皂 泡下緣厚度愈厚 要形成建設性干涉的條 件 就必須長波長 往紅光方面 形成建 設性干涉 說明 尿尿小童雕像是比利時的觀光景 點 以尿尿小童引入熱漲冷縮 可以引起 生活科學的各項活動均來自週遭 也強調 動手操作的身臨其境的寶貴經驗 就也是 包括皮亞傑在內的科教所強調 concrete operation stage 尿尿小童 倒立陀螺 Upside down Top 原理 原理 因為尿尿小童吸足了溫水(約 40 左 右)橡膠受熱膨脹 但突然間尿尿小童被冷 水澆淋 溫度迅速下降 尿尿小童外表橡 皮快速收縮 體積變小 多餘的水便由孔 洞噴出 形成尿尿小童的有趣畫面 1.滿足角動量守恆 陀螺旋轉 材料 2.滿足能量守恆 1. 橡膠製的尿尿小童娃娃一個(下半身有 個進水的孔) 2. 冷水 溫水(約 不可太熱 溫度高會燙到學生的手) 步驟 46

55 又尖端頂立的陀螺會較單純 當然尖端頂 立的陀螺若旋轉軸並非垂直地面 則必須 考慮到外力矩的效應問題(陳義勳 2008) O 與地面接觸點 向相同之旋轉 但以當初旋轉的陀螺相比 較 陀螺旋轉是倒立了 外力矩 ( 為陀螺角速度) 為 與 構成平面垂直方向 進動 假設倒立陀螺原先是以垂直於地面且朝上 假設 的速度 旋轉 亦即原先以由上往下看逆 時針方向旋轉陀螺的原先角動量 也是朝上 I 為轉動慣量 I= 但由於此陀螺並非有尖端抵住地面的旋 轉軸 取而代之的是半球面的圓弧狀 此 種陀螺經一段期間 由於弧面與地面有一 T 週期為陀螺進動週期 摩擦力 接觸點 Q 其相對於重心 O 倒立陀螺並沒有尖端頂立之軸 取而代之 的是半球面狀 當底面為半球面狀之陀 螺旋轉時 由於半球面上與地面接觸點 Q 假若陀螺是逆時針方向 又 已非垂直 地面 故就會產生進動(procession)與章 動(notation) 但由於半球面與地面接觸 點受順時針方面 由上面往下看是順時針 方向 有一摩擦力 是切線方向 與其 運動方向相反 有一位置向量 由於受摩擦力 故會產生一摩擦力矩 方向朝向 與 所構成平面之垂直 方 垂直於 向 又 與 構成平面 由於陀螺軸受有向外之力 矩 旋轉軸一直向外偏 直至倒立陀螺之 一端頂住地面 站立起來 只要能量仍足 夠 必然陀螺會以由上往下看為當初旋轉 亦即在 角速度並非原 先的方向了 也就是說陀螺之稍後旋轉軸 有稍微傾斜 又陀螺在重心處受地心引力 47

56 造成外力矩 亦即在 矩產生之 器材 並非受磨擦力 而是 此種陀螺會以當初假設之 逆時針方向旋轉時 其旋轉軸會愈來愈向 地面傾斜 其旋轉軸有類似進動的型態 由如下圖中 Type I 演化到 Type Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 最後直到此種陀螺之另外一端碰到地 面 頂住地面 由於頂住地面之軸與地面 倒立陀螺一個 步驟 1.以軸柄朝上 球面與桌面接觸順時針 由 上朝下看 大力旋轉 2.陀螺會快速旋轉而無法維持軸柄朝上 3.漸漸地軸柄會頂住桌面 由上往下看仍 維持順時針的旋轉 摩擦力減少 且 已接近原先之角速度 旋轉 由於 雖與 不太一樣 但為滿足 又 終究 說明 垂直於地面而形成陀螺會以原先顛倒的方 式旋轉 形式看起來是倒立的現象 此倒立陀螺從造型來看就是與傳統 陀螺相異 首先倒立陀螺下方是球面狀 剛開始旋轉時軸柄朝上 在未達到軸柄朝 下時 需快速旋轉 必須符合角動量守恆 與角動能守恆 造成軸柄朝下 在人的視 覺好像是倒立現象 但實際上仍是滿足角 動量與角動能守恆 結論 終究垂直於地面而形成 生活物理存在於我們的生活周遭 本 文列舉了大氣壓力會讓鋁罐壓扁的現象 氣球直升機挺升現象 透過流經兩垂吊乒 乓球間氣團流動(或對其間吹氣)或以吹風 機使兩乒乓球相互靠近情形 甘油破壞水 的表面張力造成紙片船的航行之現象 光 的干涉現象 會使肥皂泡產生絢麗七彩現 象 熱漲冷縮使吸足 40 左右的水之尿尿 小童 會因冷水澆淋使其急遽收縮 而由 孔洞處噴水出來的現象 另外最後一個活 動是因外力摩擦陀螺半球面而遵守角動量 守 恆 (Conservation of Angular Momentum) 機械能守恆(Conservation of (即滿足角動量守恆 機械能守恆) 但對於陀螺而言 原先朝上之軸柄 目前是頂住地面之支軸了 對於觀察者而 言 陀螺的旋轉原先球面接觸地面軸桿朝 上 最終是軸柄接觸地面 而球面朝上看 似乎倒立了 實際上由上往下看 旋轉方 面並未改變 48

57 Mechanics Energy) 產生視覺上的陀螺倒 立現象 這些生活上的力學 表面張力 光學 熱學 摩擦力外力矩造成視覺上陀 螺倒立現象 煞是有趣 也因此引起人們 的好奇 進而引入科學原理 生活物理是 人們唾手可得 只要稍稍留意周遭發生的 現象 生活週遭處處都是科學 其他只要 學生是對週遭現象隨時保持好奇 並且要 追根究底 沒有無法解釋的現象 只要持 之以恆 科學就產生了 寄望本人能拋磚 引玉 拋出日常生活的小現象 引發出科 學的大原理 小則培養學生對科學的興趣 與熱忱 大則冀望培養出建立科學理論的 諾貝爾獎的科學家 這些動手操作的活動 符合 Piaget 具體操作期(Concrete operation stage period) 心 智 發 展 階 段 及 Gange 科 學 英文部分 Chen, I-Shin. (2005). Science Toys in Taiwan Elementary Schools. The ICASE International Workshop on Promoting Scientific and Technological Literacy Through Science Toys and Out-of-School Science Activities. April 4-7,2005, Pattaya, Thailand. Chen, I-Shin. (2008). The study of integrating hands-on activities into science courses for fifth graders. School Science and Mathematics Association Annual Convention. Nov. SAPA(Science-A Process Approach)科學 過程技能的理念 2010 年 Holstermann 等 及 Sabine 等也有量化研究證明生活物理 活動對科學概念建立有正面效應 又可引 起 學 生 興 趣 及 科 學 概 念 的 建 立 (Holstermann, et.al, 2010, Sabine, 13-19,2008 Raleigh-Durham, North Carolina. Gregorio, L. C. (2005). Bringing science to everyone: Achieving scientific and technological literacy for all. The ICASE International Workshop on Promoting Scientific and Technological Literacy Through Science Toys and Out-of-School Science Activities.April 4-7,2005, Pattaya, Thailand. Holstermann, N., Grube, D., & Bogeholz,S. (2010). Hands-on et.al, 2010) 此文可提供科學教育學者 參考並加深生活物理在科學教育之正面效 應 參考文獻 中文部分 呂錦珍 (2010) 歐巴馬要用科學教育就 經濟 天下雜誌 460 郭重吉 (2011) 幾個有趣的物理現象 activities and their influence on students interest. Research Science Education, Sabine, G., & Franz, X. B. (2010). Cognitive achievement and motivation in hands-on and teacher-centered science classes: Does an additional hands-on consolidation phase (concept 科學研習 50(11) 2-6 盛承堯與陳義勳 (2005) 趣味科學 五南 圖書出版股份有限公司 臺北市 陳義勳 2008 探討國小五年級自然與 生活科技以 Hands-on 教學之研究 中華 民國第二十四屆科學教育學術研討會 12 月 日 國立彰化師範大學 49

58 mapping) learning optimize at work Wolfinger, D. M. (1984). Teaching cognitive stations? science in elementary school content, process, and attitude. Little, Brown International Journal of Science Education. 32(7), and Company, Boston, U.S.A. 50

59 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 B2-3 台 東 地 區 偏 遠 國 小 能 源 科 學 動 手 做 教 學 設 計 與 實 施 台 東 地 區 偏 遠 國 小 能 源 科 學 動 手 做 教 學 設 計 與 實 施 1 李 偉 俊 國 立 台 東 大 學 教 育 學 系 聯 絡 人 leew@nttu.edu.tw 摘 要 本 研 究 課 程 實 施 採 取 美 塔 學 之 三 明 治 教 學 活 動 設 計, 整 體 課 程 設 計 以 本 人 新 創 理 論 - 美 塔 學 (Metalogy) 為 基 礎, 並 採 取 三 階 段 的 教 學 活 動 實 施 第 一 階 段 以 生 活 中 節 能 減 碳 的 基 本 概 念 與 再 生 能 源 介 紹, 以 教 師 直 接 教 導 和 再 生 能 源 影 片 解 說 為 主 ; 第 二 階 段 為 能 源 科 學 動 手 做 活 動, 以 學 生 親 自 動 手 做 能 源 科 學 玩 具 ; 第 三 階 段 為 能 源 科 學 的 美 塔 思 考 (meta-thinking) 教 學, 從 酒 精 槍 競 賽 中 引 導 導 學 生 思 考 生 質 能 源 ( 如 酒 精 ) 的 未 來 性 與 創 新 發 展 可 能, 並 總 結 節 能 減 碳 生 活 對 人 類 未 來 的 影 響 與 趨 勢 藉 以 深 化 學 生 對 節 能 減 碳 的 認 知 與 態 度 本 研 究 教 學 活 動 實 施 的 學 校 計 有 台 東 縣 離 島 偏 遠 地 區 ( 綠 島 蘭 嶼 ) 的 國 小 以 及 相 對 偏 遠 地 區 ( 長 濱 鄉 大 武 鄉 和 海 端 鄉 池 上 鄉 等 ) 國 小, 實 施 的 學 生 人 數 達 389 人 次, 實 施 的 學 校 數 為 12 所, 每 次 教 學 結 束 後 便 實 施 能 源 科 學 動 手 做 活 動 問 卷, 以 五 點 評 定 量 表 方 式, 蒐 集 學 生 學 習 後 對 再 生 能 源 的 感 受 與 態 度, 以 做 為 未 來 賡 續 能 源 教 育 的 科 普 教 學 活 動 改 進 之 依 據 研 究 結 果 發 現 不 論 學 生 的 性 別 和 年 級, 對 再 生 能 源 知 識 的 瞭 解 與 接 受 態 度 有 正 面 感 受, 對 再 生 能 源 的 教 學 設 計 感 到 有 興 趣 和 有 趣 好 玩 居 多 數, 對 教 師 的 課 程 教 學 方 式 也 給 予 正 面 的 肯 定 與 評 價 因 此, 未 來 能 源 教 育 的 科 普 教 學 活 動 設 計 可 思 考 採 行 此 教 學 法 進 行 1 關 鍵 詞 : 科 普 教 育 能 源 科 學 動 手 做 美 塔 學 偏 遠 地 區 51

60 B2-4 能源推廣教育 愛迪生出發 能源推廣教育 愛迪生出發 張祐維 1 黃明輝 1 薛康琳 1 楊希文 國立聯合大學能源工程系 國立聯合大學理工學院暨材料科學系 聯絡人 mahuang@nuu.edu.tw 摘要 聯合大學理工學院及能源工程系參與台灣科學教育館的 愛 迪生出發 到校服務 學習公益活動 藉這活動推廣綠色能源教育到偏鄉地區國民小學 並且培養大學生科 學推廣能力 提升服務與社區關懷之情操 每個學校的活動分成兩梯次進行 每次活動 分為教學示範 操作體驗 機智問答等三部份 每梯次時間約為 6 小時 第一梯次教學 課程為水力發電及分組教學 第二梯次教學課程為太陽爐 腳踏車發電 以及分組教學 分組教學為六站的闖關活動分成兩梯次舉辦 共有燃料電池 手搖發電機 風力發電 橡皮筋動力車 太陽能動力車 電動車 本年度共服務苗栗縣三灣國小 城中國小 同 光國小 與建功國小四所小學 合計 186 位學童參與活動 關鍵詞 科學推廣教育 科學教育館 水力發電 腳踏車發電 太陽爐 燃料電池 表 1 愛迪生出發 到校服務學習公益活動 學校 日期 學生人數 通霄鎮城中國小 4/3, 5/24 40 三灣鄉三灣國小 4/28, 4/29 42 後龍鎮同光國小 6/25, 6/26 40 苗栗市建功國小* 5/29 64 * : 不在本計畫申請學校名單 受邀增加的場次 圖 2 張祐維老師與建功國小學童一講解水力發電 系統原理 同時讓學童體驗發電過程與如何提供電 力設備使用 圖 1 張祐維老師與建功國小學童一講解三人腳踏 車發電系統原理 同時讓學童體驗發電過程與如何 提供影音設備使用 52

61 創新物理教育 C2 場 C2-1 投影日晷之電腦模擬 投影日晷之電腦模擬 蘇偉昭 屏東教育大學應用物理學系 聯絡人 摘要 投影日晷是起源於赤道日晷 由不同投影方向將赤道日晷上的晷針與平均分佈在 圓周的 24 個小時點投影到不同傾斜角的平面所構成的日晷 投影日晷的晷針可以任意 形狀 但其周圍需要有一直線 稱為投影線晷針 表投影方向 並以此直線所產生的影 子當作晷針影用來指示日晷時 相對於赤道日晷的晷針固定不動 投影線晷針需隨著 日期在晷面上的赤緯尺做南北移動 其移動速率和太陽赤經 晷面傾角 投影方向與 緯度有關 也因為投影線晷針需要隨日期移動 所以投影日晷晷面上沒有固定的小時 線 讀取日晷時是以固定的小時點為參考來判斷 由於投影日晷起源於赤道日晷 因 此也會有時差問題 即不同日期其日晷時與平均太陽時並不一樣 在做投影日晷觀測時 需要做時差校正 本研究主要目的是設計模擬投影日晷 讓使用者可以改變緯度 晷面傾角與投影方 向等參數 並從不同視角觀看投影日晷 觀察不同日期時間與經度其晷針影在晷面變化 情形 期盼使用者能透過此一模擬軟體學習不同投影日晷 建構與深化空間與時間概念 關鍵詞 日晷模擬 投影日晷 時間 的投影日晷樣態 同時模擬不同經度與時 間日期 晷針移動的情形與如何利用晷針 影讀取日晷時 讓使用者透過模擬學習 瞭解投影日晷概念及其變化情形 壹 研究動機 到台中科博館可以在其周圍地面上看 到一個沒有固定晷針的橢圓日晷 當要讀 取日晷時 自己需要依照日期站在指定的 位置 利用自己的身影為晷針影來讀取時 間 所以有稱此日晷為人影日晷或變心日 貳 投影日晷原理 所謂投影日晷是指將一個假想赤道日晷依 某個方向投影到某一平面上所構成的日 晷 因為投影方向與平面 即晷面法線 方向可以任意選擇 所以一般以這兩方向 配對來對投影日晷做分類 晷 英文稱為 analemmatic sundial 因為此 日晷起源於赤道日晷 也就是將赤道日晷 依某一方向投影到某一平面而得的日晷 所以又稱為投影日晷 邱紀良 2008 此類日晷多為橢圓形 有別於常見的圓形 赤道日晷 且晷針需隨日期移動 讓人懷 疑此日晷是否準確可靠 或者怎樣才能正 確地使用此類型日晷 本研究目的就是利 用程式模擬不同緯度 投影方向與投影面 其中方向多以當地水平面做參考 分 成垂直水平方向 平行水平方向與斜交水 平方向 傾斜 所以投影日晷分成垂直 投影水平日晷 傾斜投影垂直日晷 垂直 53

62 投影傾斜日晷 傾斜投影傾斜日晷 水平 投影傾斜日晷 傾斜投影垂直日晷 水平 原點 圖 2 圖 1 中 en 為赤道日晷側面 圖 中心點為 m 軸線晷針為 dj 與地軸 投影垂直日晷共七種 而水平投影水平日 晷與垂直投影垂直日晷並不存在 因為無 法將假想赤道日晷投影在晷面上 平行 為天赤道 與黃道夾角 n 為中午 12 時小時點 e 為 深夜 0 時小時點 如果選 mj mn tan 則在夏至正午時 點 j 的影子會落在 n 點 同樣的如果選 md mn tan 則在冬至正 午時 點 d 影子也會落在 n 點 如果將赤 道日晷各點(e m n j d)垂直投影到地 平面(E M N J D) 則成為投影日晷 其中 DJ 為投影日晷的赤緯尺 AB 為投影 線晷針位置則需隨著日期在赤緯尺上移 動 如在夏至 冬至時 點 B 需分別移至 J 點與 D 點 在春分與秋分時 點 B 需移 一般為了說明投影日晷原理 其說明 圖都將假想赤道日晷與投影面分開 再以 投影方向連接線聯繫兩者的關係 圖 1 不過為了電腦模擬上的方便 我們將假想 赤道日晷晷心與投影面上的投影日晷晷心 放置在一起 並重疊到所設定儀螢幕座標 至 M 點 AB 長度並沒有限定 不過不能 太短 否則其晷針影無法到達小時點 不 易閱讀日晷時 圖 2 為所模擬北緯 22 的 3D 投影日 晷 由於投影方向的關係 小時點呈現橢 圓形的分佈 其中晷針為三角片 AB 為 54

63 其一邊 並符合平行投影方向的要求 AB 所產生的晷針影就是用來讀取日晷時 容易區別 相同傾角投影日晷 較佳的晷 的 圖中點 B 至各小時點的線為當時小時 線 因為點 B 會隨日期在赤緯尺移動 造 成小時線並不固定 因此在實體的投影日 晷並不會畫出小時線 以免重疊不易分辨 期晷針影至某些相鄰兩小時點的夾角也較 參 投影日晷模擬 分佈投影日晷方式 OW 為 eoe 的角平 一 時差 時差是來自於地球繞太陽並不是等速 圓周運動 且太陽在天空的軌跡是黃道而 不是天赤道 造成不同日期太陽每天在某 分線 如果選擇投影方向垂直 OW 則 面為小時點圓形平均分佈 此時 不同日 為均勻 容易區分 當晷面傾角固定時 只要選擇適當的投影方向 即可得圓形小 時點分佈投影日晷 如圖 3 為圓形小時點 EN en 晷面南北方向長度與赤道日晷 直徑一樣 不像圖 1 中的 EN 被縮小 因 此投影日晷為圓形 值得注意的是投影晷 地中天的時間並不一樣 再者 我們每天 用的時間是地方標準時 15 經度範圍共用 一時區 也就是同一時區太陽到達不同經 度的中天也會不一樣 因此 赤道日晷所 標示的日晷時每天需要做不同的時差校正 才能獲得地方標準時 而投影日晷起源於 赤道日晷 因此觀測時也必須做時差修 正 例如圖 2 中 模擬的日晷時為 16 點 而觀測者參數時分秒為 15:39:00 針線 AB 仍與投影方向平行 且 DJ 長度也 和圖 1 不一樣 此類投影可藉由本模擬程 式做進一步確認 二 地球日晷小圖示 圖 2 中地球日晷小圖示主要是標示從 地球外看日晷與地球的相對位置 以更宏 觀的角度來理解投影日晷基本原理 小圖 示中假設日晷固定在某一條經線上 此經 線正好落在投影面 螢幕 上 也就是從 側面觀看投影日晷面 如圖 1 投影日晷 位置會隨著緯度調整而改變 模擬程式中 的晷面傾角調整捲軸可以讓晷面做南北各 90 傾斜 當晷面傾角為 0 時 晷面平行 四 不同緯度人影日晷 人影日晷是一種以人為晷針的投影日 晷 因為人垂直站立在水平面上較為容易 且自然 所以要用垂直投影在水平面上的 投影日晷 當緯度漸小時 橢圓形的投影 日晷其短半徑與長半徑比也逐漸變小 在 赤道上短半徑將為 0 而晷針影至某些相 於水平面 如圖 2 而投影角度調整紐的 角度表示投影方向與晷面法線的夾角 當 投影方向垂直於晷面時 投影角度為 0 鄰兩小時點的夾角也會太小或為 0 以致 不能區別 也就是說在緯度較低的地方或 赤道上是不能使用人影日晷 相反地 人 影日晷較適合在中高緯度 因為垂直投影 在地平面的橢圓其短半徑與長半徑比較 大 容易閱讀日晷時 到了北極 人影日 晷中的小時點將成圓形分佈 不同緯度投 影日晷形狀變化也可藉由本模擬程式做進 三 圓形小時點分佈投影日晷 投影日晷一般為橢圓 不過當其短軸 半徑與長軸變徑比變小時 晷針影至某些 相鄰兩小時點的夾角也會跟著變小以致不 55

64 一步瞭解 的 透過程式不但可以立即模擬不同緯 度 不同南北傾斜晷面和不同投影方向的 肆 結論 投影日晷 也可以模擬如何利用投影線晷 針影讀取日晷時 即日晷時與地方標準時 的關係 國人從小學就知道可以用日晷來測 量時間 但從國中至大學 因為教科書多 不再談及日晷 所以絕大多數人對日晷的 概念也僅只於小學階段 不但不瞭解日晷 觀測原理 也不瞭解古人如何測量 定義 時間的演進過程 相當可惜 在國內 公 共場域多設置水平日晷和赤道日晷 造成 一般民眾誤認為日晷僅有這兩種 台中自 然科學博物館是國內少數設置人影日晷的 參考文獻 1. Mayall, R.N., & Mayall,M.W.(2000). Sundials: Their Construction and Use. New York, Dover Publications. 2. Rohr, R.J.(1996). Sundials: History, Theory, and Practice. New York, Dover Publications(1965 地方 不過相信多數去看過的人都不知道 它是投影日晷的一種 當然更不會知道其 原理 再者 使用人影當作晷針影看起來 相當粗糙 很難令人相信其可以準確測量 時間 直接用幾何數學去瞭解投影日晷原 理 對多數人有其難處 其次 投影日晷 形狀和緯度 晷面傾角與投影方向有關 觀測時 晷針除了需平行投影方向外 也 1st ED). 3. 邱紀良(2008) 日晷百變 新竹市 國立清華 大學出版社 4. 蘇偉昭(2008) 平面日晷之電腦模擬 台灣教 育學術研討會 台北市 5. 蘇偉昭(2010) 平面日晷模擬 製作與觀測 數位內容與虛擬學習研討會 屏東市 6. 蘇偉昭(2011) 球面日晷之電腦模擬 第 27 屆科學教育研討會 高雄市 需要隨日期在赤緯尺上移動到正確位置 再加上需要考慮時差問題才能正確量測日 晷時 對一般民眾來說有一定的難度 本投影日晷模擬軟體是針對對此類日晷 有興趣但不瞭解投影日晷原理的人設計 56

65 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C2-2 利 用 微 電 腦 為 本 實 驗 室 (MBL) 探 究 大 學 生 對 速 度 與 時 間 關 係 圖 之 認 知 研 究 利 用 微 電 腦 為 本 實 驗 室 (MBL) 探 究 大 學 生 對 速 度 與 時 間 關 係 圖 之 認 知 研 究 1 全 中 平 國 立 臺 北 教 育 大 學 自 然 科 學 教 育 系 聯 絡 人 michael@tea.ntue.edu.tw 摘 要 在 普 通 物 理 學 中, 有 關 位 置 速 度 與 加 速 度 對 時 間 的 關 係 圖 表, 常 常 困 擾 大 學 生 對 這 半 抽 象 關 係 的 學 習, 尤 其 對 解 釋 這 樣 的 圖 表 需 要 什 麼 樣 的 技 能, 以 及 什 麼 方 法 可 以 幫 助 學 生 對 解 釋 圖 表 技 能 的 提 升, 這 都 是 格 外 重 要 的 探 究 議 題 針 對 實 驗 車 經 過 施 與 定 力 後 爬 上 斜 坡 再 倒 退 回 來, 有 許 多 的 大 學 生 會 將 該 車 的 速 度 對 時 間 的 關 係 呈 現 直 線 上 坡 與 下 坡 的 三 角 形 圖 表, 亦 即 所 謂 圖 表 如 照 片 (graph-as-picture) 的 呈 現 方 式 由 於 圖 表 在 科 學 社 群 中 是 一 個 很 重 要 的 符 號 系 統, 因 而 利 用 微 電 腦 為 本 實 驗 室 (Microcomputer-Based Labs, MBL) 很 可 能 幫 助 學 生 對 圖 表 解 釋 會 有 很 大 的 助 益 因 此, 本 研 究 有 51 名 修 習 普 通 物 理 學 的 學 生, 進 行 加 速 度 實 驗 之 前, 對 於 速 度 與 時 間 的 系 列 問 題 中, 有 近 一 半 學 生 (N=23) 以 圖 表 如 照 片 方 式 表 現 速 度 對 時 間 的 關 係 ; 接 著 利 用 MBL 特 性 進 行 細 緻 的 物 理 實 驗 之 後, 大 多 數 學 生 能 正 確 表 達 速 度 對 時 間 的 關 係 圖 表, 經 由 重 複 量 數 χ 2 考 驗 (χ 2 =4.26) 達 顯 著 差 異 仔 細 分 析 學 生 對 圖 表 的 解 釋, 發 現 學 生 能 根 據 實 驗 弧 形 圖 形 的 結 果, 進 行 觀 察 與 思 考 或 計 算, 並 確 定 速 度 對 時 間 的 關 係 因 此, MBL 能 呈 現 物 理 現 象 變 化 的 圖 表, 並 將 速 度 變 化 的 即 時 真 實 事 件 與 其 圖 表 表 徵 相 結 合, 使 得 學 生 能 夠 確 實 學 習 物 理 概 念 的 真 實 意 義 關 鍵 詞 : 微 電 腦 為 本 實 驗 室 MBL 速 度 對 時 間 關 係 圖 圖 表 表 徵 1 研 究 背 景 與 研 究 目 的 所 有 的 學 習 可 以 分 為 記 憶 與 有 意 義 的 面 向 (rote-meaningful dimension) 及 接 受 與 發 現 的 面 向 (reception-discovery dimension), 如 果 學 生 能 處 於 一 個 有 意 義 的 學 習 狀 態, 而 且 學 習 教 材 本 身 也 是 潛 在 的 有 意 義, 那 麼 接 受 式 與 發 現 式 的 學 習 皆 可 稱 為 有 意 義 的 學 習 (meaningful learning) 甚 麼 是 有 意 義 的 學 習 呢? Ausubel, Novak, & Hanesian (1978) 說 明 當 新 的 所 要 學 習 的 資 訊 與 學 習 者 認 知 架 構 中 已 經 存 在 的 相 關 概 念 做 一 結 合, 這 就 是 有 意 義 的 學 習 行 為, 也 就 是 有 意 義 的 學 習 是 將 新 的 知 識 與 我 們 認 知 架 構 做 非 任 意 且 穩 定 的 結 合 在 進 行 大 學 物 理 學 教 學 前, 許 多 大 學 生 都 有 自 己 解 釋 真 實 世 界 有 關 運 動 的 初 始 概 念 (protoconcepts) McCloskey (1983) 就 表 示 這 種 對 運 動 學 的 初 始 概 念 是 在 學 生 認 知 架 構 中 深 耕 不 變 且 直 覺 地 存 在 著, 而 且 這 些 運 動 概 念 與 牛 頓 力 學 是 不 一 致 的 ; 同 時 Halloun 與 Hestenes (1985) 也 說 明 這 種 有 關 錯 誤 迷 思 的 信 念 與 直 覺, 普 遍 存 在 每 一 所 大 學 中 學 習 普 通 物 理 學 的 學 生 身 上, 這 種 迷 思 概 念 還 被 大 學 生 學 習 物 理 課 程 中 做 為 物 理 現 象 的 解 釋 與 應 用 針 對 在 普 通 物 理 學 中, 有 關 位 置 速 度 與 加 速 度 對 時 間 的 關 係 圖 表, 常 常 困 擾 57

66 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 大 學 生 對 這 半 抽 象 關 係 的 學 習, 尤 其 對 解 計 量 統 計 處 理 等 等, 數 位 資 料 傳 達 則 有 釋 這 樣 的 圖 表 需 要 什 麼 樣 的 科 學 過 程 技 數 字 顯 示 圖 形 顯 示 曲 線 顯 示 類 比 顯 能, 以 及 什 麼 方 法 可 以 幫 助 學 生 對 解 釋 圖 示 表 格 顯 示 聲 音 表 現 色 彩 顯 示 等 等 表 技 能 的 提 升, 這 都 是 格 外 重 要 的 探 究 議 不 僅 如 此, 動 手 做 的 實 驗 活 動 往 往 都 是 科 題 針 對 如 表 一 的 問 題 敘 述, 學 家 及 教 育 學 者 視 為 重 要 且 成 功 的 科 學 教 學 核 心, 但 是 實 驗 過 程 中 收 集 分 析 及 處 表 一 實 驗 車 經 過 施 與 定 力 後 爬 上 斜 坡 再 理 資 料 是 冗 長 且 繁 瑣 的 歷 程,MBL 則 可 以 倒 退 回 來 的 問 題 敘 述 解 決 許 多 教 學 上 的 困 擾 1. 有 一 滑 車 被 用 力 一 推 之 後, 它 自 己 沿 無 進 一 步 來 看,MBL 還 有 許 多 學 習 物 理 摩 擦 斜 面 直 線 軌 道 往 上 爬 升, 到 了 差 不 的 優 點 首 先 MBL 是 真 實 世 界 的 實 驗 過 多 距 離 後, 停 止, 它 自 己 又 自 動 後 退 折 程 經 驗, 學 生 所 用 的 科 學 感 應 器 等 可 說 是 回, 沿 無 摩 擦 斜 面 直 線 軌 道 下 滑 ; 請 你 科 學 家 所 用 的 利 器, 也 是 重 要 的 科 學 探 索 說 明 並 比 較 該 滑 車 沿 軌 道 爬 升 與 下 滑 的 與 學 習 的 工 具 其 次,MBL 可 以 協 助 學 生 加 速 度 為 何 ( 自 訂 加 速 度 值 )? 收 集 大 量 的 資 料, 同 時 可 協 助 學 生 依 照 探 究 的 目 的, 進 行 快 速 的 資 料 探 測 及 收 集, 或 是 慢 則 以 秒 分 時 日 等 來 進 行 長 時 間 的 資 料 收 集, 同 時 資 料 能 夠 迅 速 的 轉 換 成 曲 線 長 條 類 比 等 圖 形 表 徵,Brasell (1987) 發 現 如 果 收 集 數 據 到 分 析 圖 形 顯 示 2. 請 將 第 1. 題 的 滑 車 運 動 情 形, 畫 在 下 面 結 果 延 遲 二 十 秒 以 上, 就 會 減 低 學 生 對 科 位 置 速 度 加 速 度 對 時 間 的 關 係 圖 之 中 學 學 習 的 興 趣 第 三,MBL 可 以 協 助 學 生 對 科 學 做 更 深 入 的 理 解, 尤 其 收 集 的 數 據 即 一 輛 實 驗 車 經 過 施 與 定 力 後 爬 上 斜 坡 再 轉 換 成 圖 聲 光 等 有 意 義 的 傳 達 形 式, 倒 退 回 來, 有 許 多 的 大 學 生 會 將 該 車 的 速 學 生 可 以 利 用 來 建 構 更 正 確 的 自 然 科 學 概 度 對 時 間 的 關 係 呈 現 直 線 上 坡 與 下 坡 的 三 念, 因 為 MBL 正 好 能 配 合 人 類 對 學 習 上 角 形 圖 表, 亦 即 所 謂 圖 表 如 照 片 短 期 記 憶 的 本 質, 增 進 短 期 記 憶 的 訊 息, (graph-as-picture) 的 呈 現 方 式 (Mokros & 使 其 更 容 易 與 人 的 認 知 架 構 做 及 時 有 意 義 Tinker, 1987) 的 統 整 調 和 因 此,MBL 可 以 協 助 學 生 將 利 用 以 微 電 腦 為 基 礎 的 實 驗 室 或 稱 自 然 真 實 世 界 轉 成 量 化 抽 象 具 有 價 值 以 微 電 腦 為 本 的 實 驗 室 及 可 供 學 習 的 科 學 家 世 界, 使 得 能 協 助 學 (Microcomputer-Based Labo- ratory, 簡 稱 生 解 決 學 習 上 的 問 題, 並 且 扭 轉 自 己 的 迷 MBL) 可 以 做 為 學 習 並 理 解 物 理 的 有 力 工 思 概 念 具 MBL 是 結 合 各 種 感 應 器 (sensor) 與 微 因 此, 本 研 究 的 目 的 為 利 用 MBL 的 處 理 器 微 處 理 系 統 微 電 腦 等 資 訊 設 備, 實 驗 學 習, 探 討 能 否 改 進 大 學 生 解 決 有 關 對 特 定 目 標 或 環 境 等 進 行 溫 度 測 量 酸 檢 速 度 與 時 間 關 係 圖 的 迷 思 概 念 測 量 力 的 測 量 光 度 的 測 量 等 等, 使 得 微 電 腦 等 能 進 行 數 位 資 料 收 集 分 析 及 研 究 方 法 與 步 驟 傳 達 (MacKenzie, 1988) 其 中 數 位 資 料 收 集 包 括 溫 度 酸 鹼 力 大 小 速 度 風 量 本 研 究 有 51 名 修 習 普 通 物 理 學 的 學 等 等, 數 位 資 料 分 析 可 有 資 料 處 理 程 式 生, 在 物 理 實 驗 室 進 行 速 度 實 驗 而 其 研 58

67 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 究 過 程 如 下 : 一 進 行 運 動 學 的 實 驗 前, 先 給 予 學 生 如 表 一 的 前 測 題 目, 同 時 寫 下 自 己 根 據 什 麼 原 因 ( 例 如 : 看 法 思 考 計 算 直 覺 舊 經 驗 或 其 它 原 因 等 等 ), 而 能 畫 出 速 度 與 時 間 的 關 係 圖 形 二 指 導 並 進 行 MBL 實 驗, 讓 學 生 以 實 作 的 方 式 進 行 學 習 運 動 學 的 實 驗 活 動 三 再 次 給 予 學 生 同 樣 的 施 測 題 目, 同 時 寫 下 自 己 根 據 什 麼 原 因 而 能 畫 出 速 度 與 時 間 的 關 係 圖 形 研 究 結 果 與 討 論 進 行 MBL 實 驗 之 前, 對 於 速 度 與 時 間 的 系 列 問 題 中, 有 近 一 半 學 生 (N=23) 以 圖 表 如 照 片 方 式 表 現 速 度 對 時 間 的 關 係 ; 接 著 利 用 MBL 特 性 進 行 細 緻 的 物 理 實 驗 之 後, 大 多 數 學 生 能 正 確 表 達 速 度 對 時 間 的 關 係 圖 表, 其 前 測 與 後 測 的 交 叉 表 如 表 二 所 式 表 二 利 用 MBL 進 行 物 理 實 驗 之 前 測 與 後 測 的 交 叉 表 後 測 前 測 正 確 錯 誤 正 確 27 1 錯 誤 18 5 經 由 重 複 量 數 χ 2 考 驗 (χ 2 =4.26) 達 顯 著 差 異 ; 仔 細 分 析 學 生 對 圖 表 的 解 釋, 發 現 大 部 分 的 學 生 能 根 據 MBL 實 驗 弧 形 圖 形 呈 現 的 結 果, 進 行 觀 察 與 思 考 或 計 算, 並 確 定 速 度 對 時 間 的 關 係, 不 再 是 呈 現 直 線 上 坡 與 下 坡 的 三 角 形 圖 表 因 此,MBL 能 呈 現 物 理 現 象 變 化 的 圖 表, 並 將 速 度 變 化 的 即 時 真 實 事 件 與 其 圖 表 表 徵 相 結 合, 使 得 學 生 能 夠 確 實 改 進 有 關 速 度 與 時 間 關 係 圖 的 迷 思 概 念, 並 能 確 實 學 習 物 理 概 念 的 真 實 意 義 參 考 文 獻 : Ausubel, David P., Joseph D. Novak, and Helen Hanesian. (1978). Educational psychology: A cognitive view. 2nd edition. New York: Holt, Rinehart, and Winston. Brasell, H. (1987). The effect of real-time laboratory graphing on learning graphic representations of distance and velocity. Journal of Research in Science Teaching, v(24), no. 4, pp Halloun, I. and Hestenes, D. (1985). Common Sense Concepts about Motion, Am. J. Phys. 53, MacKenzie, S. (1988). Issue and methods in the microcomputer-based lab. Journal of Computers in Mathematids and Science Teaching, v(5), McCloskey, M. (1983). Intuitive physics. Scientific american. Mokros, J. & Tinker, R. (1987). The impact of microcomputer-based labs on children s ability to interpret graphs. Journal of Research in Science Teaching. V(24), no.(4). pp

68 C2-3 教科書中發現熵的推論值得商榷 教科書中發現熵的推論值得商榷 周鉴恒 1 1 台湾万能科技大学光电系 聯絡人 chou0717@gmail.com 摘要 理想氣體經任何可以時時刻刻清楚定義狀態的循環過程 此循環過程中每一微 小變化時理想氣體獲得的熱 除以當時理想氣體得溫度 再全部加總起來 根據卡 諾循環的結論 其總和為零 所有教科書為了定義熵 都會提到這個推論過程 但 大部分教科書的推論都太粗糙 甚至禁不起推敲 讓真正認真的學生反而難以理 解 本文針對國內外大部分教科書都沒說清楚的推推論過程 提出改進 關鍵詞 熵 熱力學 銷 因此這些小循環的總效果相當於圖中 壹 引言 2 鋸齒形的閉合曲綫 對於一個任 意的可逆循環 我們總可以將其畫分為若 3 干微小的可逆卡諾循環 對於任意 一個可逆循環 可用 PV 圖中的光滑閉合曲 線表示 現用一系列微小的卡諾循環代 理想氣體經過任何可以時時刻刻清 楚定義狀態的循環過程 將此循環過程中 每一微小變化時理想氣體獲得的熱 除以 替 由於曲線內的絕熱綫為相鄰兩個可逆 卡諾循環所共有 過程在正反方自各進行 一次 根據可逆過程的定義 效果應該相 消 那麼 這些小循環的總效果 相當於 當時理想氣體的溫度 再全部加總起來 其總和為零 亦即 4 dq 0 T 鋸齒形的閉合曲線 1 但是 一系列某種過程與此任意一個 循環過程等效的論述 在大一熱力學中此 處首度突兀提出 事實上並無根據 以致 於各教科書的說法不一 使學生誤以為 任一循環過程與一系列卡諾循環等效 是 基於此重要結果 繼續推論出 dq T ds S 即為熵 為狀態的變數 並再以熵的變化情形 陳述熱力學第二定 律 任一循環過程中 dq T 0 成立的前提 國內 外許多教科書 在展開這部分 的推論時或多或少都有諸如 一可逆循 環均可由許多無限多個小卡諾循環來近 即便著名的美國普物教科書也有同樣 的問題 例如 H.Beson 所著 University Physics 中的相關敘述為 Consider an 1 似 設想用一系列微小的可逆卡諾循 環代替該任意可逆循環過程 兩個相鄰的 卡諾循環共用一條絕熱線 對不同的卡諾 循環 絕熱過程進行的方向相反 效果抵 arbitrary reversible cycle, depicted as a closed curve in figure. We may 60

69 作者至此仍然不主張 循環過程中 此一小段 過程 可以用一條等溫過程 approximate it by a series of Carnot 5 cycles. D. Halliday, 等人所著的 6 加上兩絕熱過程替代 而只推論出 此循 環過程中此一小段 過程的 dq / T 與這 Fundamentals of physics 在第四版之 前也採取同樣的說法 發現問題重重之 後 第八版和最新的第九版就揚棄了 疊 加一系列卡諾循環逼近真實的任意循環 的說法 但卻無更好的說法 樣決定的一等溫過程(和二絕熱過程)的 dq / T 相同 甲 此原本的一小段過程兩端點為, 而一段等溫線與二段絕熱線構成的 變化之兩端點也為, 因為內能只與狀 貳 一個直接了當的計算策略 其實 發現 dq T ds 的推論最好 也最有說服力的說法是 不要提出用什麼 態有關 所以一段等溫線與二段絕熱線的 變化過程中的 deint 與原本的這一小段的 過程代替此任一循環過程 直接計算出此 任一循環過程 dq T 總和等於零 deint 一樣 即 首先 利用一系列絕熱線 將圖 一 所示的任一循環過程分成無數的微小過 程 其中任一微小段過程 兩端點以, deint 兩絕熱一等溫 = deint 原始詢環的 段 標示 注意 此時絕熱線只是用來將此循 環過程畫分成無數的微小過程 完全不存 在那些過程與此任意一個循環過程等效的 問題 2 乙 圖 二 為一小段 過程的放 大圖 從圖中可看出 二條絕熱線和一條 等溫線的過程中理想氣體所作的功為 a b c d c a b c d b dw P d V P d V P d V P d V P d V P d V P d V 3 而原始真實循環過程中這一小段 變化 中理想氣體所作的功為 dw PdV 圖一 先用一系列緊密的絕熱線 分割任意一個循 環過程成無數微小變化 4 從圖 二 中斜線面積可看出 求出以, 標示兩端點的微小變化 時氣體的平均溫度 T 以此溫度 T 的等溫 過程連接兩相鄰的絕熱線 此等溫線與原 本 這一小段必相當重合 但不完全相 c dw兩絕熱一等溫 PdV b 同 仍須經兩相鄰絕熱線的一小部份才能 連接 PdV dw原始循環的 段 61 5

70 亦即 原始 這一小段過程之 dq / T 等於相對應的小段等溫過程的 dq T 戊 以 i 編號每一個微小過程 這一小段過程之 dqi / Ti 等於相對應 的小段等溫過程的 dqi T i 因此 dqi dqi 小段 Ti i,對應小段的等溫過程 Ti 根據微積分的基本概念 這一小段與 abcd 這段的 dw 相等 的體積變化為 dv i, 圖二 8 參見圖 一 圖 三 因為循環過程 丙 根據第一定 是封閉曲線 相對應的小段等溫過程必成 雙出現 求總和時將成雙出現的 d Qi Ti 先 律: dq deint dw 再根據 2 式與 5 安排在一組 即分別為圖 一 中某兩條 式 這兩條絕熱線和一條等溫線的過程中 所吸收的熱 dq (因絕熱過程沒有熱交 換 所以就是該條對應的等溫過程中所吸 收的熱 dq ) 等於原始循環過程中 這 小段所吸收的熱 dq 即 絕熱線之間的高溫等溫時的 dqhj TH j 及 低溫等溫時的 dqcj TC j,恰好是某卡諾循 環的高溫等溫時的 dqhj TH j 及低溫等溫 時的 dqcj TC j 利用卡諾循環的計算結果 dq兩絕熱一等溫 = dq對應的等溫線 = dq原始詢環的 段 6 dqhj THj 丁 在原始過程 這一小段中 理 想氣體的平均溫度是 T 實際溫度 T 因 為 原始循環過程中 這段所吸收的熱 dq 已證明等於該一條等溫線過程中所 吸收的熱 dq 原始循環過程中 這段的 平均溫度 T 等於該等溫過程中選定的溫 度 T 所以 根據微積分原理 dqcj TCj 0 9 即可得 dq T ( T dq dq 7 T 原始循環的 段 T 該等溫過程 62 dqi dqi 小段 Ti i,對應小段的等溫過程 Ti i, dqhj jcomot dq dq dv dp 1 T dt 原始循環的 段 T V P Hj dqcj TCj ) 0 10

71 計算出任一循環過程 dq T 總和等於零 而避免了 疊加一系列卡諾循環如何逼近 任意循環 之類經不起推敲的說法 參考文獻 1. 陳錫桓 林菲 物理 209 頁 臺灣滄 海書局 民國 100 年 4 月 2. 天律大學物理編寫組 大與物理 上柵 132 頁 天津大學出版社 2010 年 2 月 3. 陸培民等 大學物理學 下冊 53 頁 清 華大學出版社 2011 年 8 月 4. 王紀龍等 大學物理學 第四版 上冊 181 頁 科學出版社 2010 年 12 月 5. H.Beson, University Physics rev. ed., page 428, John Willey &Sons, Inc 圖三 計算 dqi Ti 上 數值上 就等於 i, 小段 計算 dqi Ti 下 而後者根據卡諾循環計 i, 對應小段的等溫過程 算的結果等於零 6. D. Halliday, R. Resnick and J. Walker, Fundamentals of physics 4th ed., page 618, John Willey &Sons, Inc 參 結論 本文修改了一般教科書的說法 利用 學生熟知常見的第一定律習題解法 直接 63

72 C2-4 高中物理與大學普物之間的學習鴻溝 高中物理與大學普物之間的學習鴻溝 邱韻如 1 1 長庚大學通識中心物理科 聯絡人 yjchiu@mail.cgu.edu.tw 摘要 作者長期任教大一理工科系的普物與普物實驗課程 常戲稱自己教的是高中物理 教學補救班 近年來更加發現大一新生在學習普物與進行普物實驗時 相關的背景知 識與各種學習能力越來越低落 不僅學生學習的挫折感越來越大 大學普物教師對普 物教學也越來越使不上力 本文從大一學生的學習問題與困難出發 一方面探究與瞭 解高中物理與大一普物之間的學習鴻溝為何會越來越大 一方面期能促進高中物理教 師與大學普物教師對此問題的瞭解 重視與探究 關鍵詞 物理 教學 學習 教材教法 在這個幾乎人人可以考上大學的時代 壹 前言 我們不能以 菁英 思維來思考評斷這 作者任教大一理工科系的普物已進入 些學生 更不能只怪學生一代不如一代 第十五年 一直以來研究的關注重點在於 或只是當掉他們罵他們不努力不用功 而 學生的迷思概念與學習困難 本文從大一 是 要瞭解這些問題的根源是什麼 以及 新生學習及各種概念表現來檢視高中物理 檢討相關的教材與教法 教學的種種問題 近年來 在教學上陸陸續續發現許多 問題 從數學方面來說 大一上的期中考 前 講到積分時 看到學生一臉茫然 從 某年起 發現學生不認識 e 最近更驚覺 很多學生聽不懂 徑向 及 徑度 數學 推導的能力更是越來越低落 就物理概念 來說 問題更是一籮筐 舉例來說 講到 簡諧振盪 學生們唯一的反應就是 那 個我不會 對於高中沒聽過或學過的概念 貳 學習鴻溝其來有自 鴻溝是中國的古運河名 戰國時代(約 西元前 360 年)連結黃河與淮河的運河 楚 漢相爭時(西元前 202 年秋) 項羽 劉邦 雙方進入相持階段 商定劃鴻溝為界 即 所謂的 楚河漢界 高中物理與大學普物之間 是有一道 鴻溝 要跨越 必須要知己知彼 要運用 戰術 並且創造雙贏的局面 作者認為 接受度越來越差 還有 學生們問出來 的問題及問問題的方式越來越 笨 甚至 只問答案而不思題目 劉源俊教授指出 我國的科學教育只 注重知識層面 應用層面及功利層面 甚 這道鴻溝的存在在於(1)升學主義對教學 的嚴重影響 (2)高中端與大學端彼此互不 瞭解 (3)教師未能真正體察學生的學習困 難 一 升學主義嚴重影響教學 至在升學考試導引下 科學教育已淪為 兩出三不 的畸型發展 教師出選擇題 出難題的 兩出 以及學生不讀書 不做 實驗及不思考的 三不 (一) 四十年來高中物理課程的變革 隨著歷屆課綱的修改 學生在高中時 所學的物理課本名稱 教材內容 上課時 數與教學的安排迭有變更(邱韻如,2010) 64

73 不變的是 升學考試的桎梏依然牽制著教 學 歷屆考古題仍陰魂不散 課後補習的 勢不看好 但這些提早達到 升學 目標 卻荒廢高三物理導致物理背景知識嚴重缺 學生不減反增 學生的學習被動態度已成 陳痾 (二) 學測指考對教學的影響 學測與指考的準備方向相當不同 對 學生來說是雙重的負擔 為了迎戰考試 各高中都安排許多次的模擬考 模擬考次 數頻繁 對高中教學的影響不可小覻 在 考完學測 推甄申請入學放榜之後 許多 學生常常無心上課 這些經由推甄入學管 道進入大學卻沒有完整讀完高三課程的學 乏的學生 在讀大一普物時所面臨的辛苦 與挫折可想而知 高中階段絕非只為升 學 應該想辦法引導鼓勵這些通過推甄入 學的準大學生 好好運用高三這一段不必 為考試讀書的時光 認真為學習而讀書 (三) 技職體系的物理教學 近二年 我任教的電子系收到幾位以 推甄入學的高職生 這些原本在高職很優 秀的學生的表現 讓我開始關心起技職體 系的教學問題 一位高職電子科的學生 生 物理及數學程度和指考進來的學生有 很大落差 以作者 100 學年度任教的大一 學生為例 94 位學生 不包含重修生 的 普物下學期的成績與其入學方式的關係如 表 1 由此表可以看到 高分群(85 分以上 )的學生幾乎都是以指考分發入學的 (92%,11/12) 而以學測成績入學的(包括申 請 推甄 繁星等管道)學生中 普物成績 屬於低分群(65 分以下)的佔了 56% (15/27) 英文數學不好 物理連 F=ma 都搞不清 楚 另一位從高職資訊科來的學生 英數 還可以 但他說他高職時幾乎可以說沒上 過物理 這二位學生都還算是高職裡很不 錯的學生 他們的物理程度讓我深切懷 疑 各科技大學的普物課究竟該怎麼上 是不是要將程度降到國中程度來教學 (四)選擇題對教學的殘害 學測與指考的題型以選擇題為主 在 遠高於以指考分發入學的 30%(20/67) 升學領導教學的桎梏下 學校的各種小 考 段考也隨著以選擇題為主 學生從大 量選擇題裡所學到的 只是破碎的片段知 識及考完就忘的解題技巧 對於只出選擇題或者從題庫找題而不 出題的教師 要他們從學生填選的選項得 分來看出學生是否瞭解或者有什麼物理概 念上的問題 根本是緣木求魚 學生以背 誦大量公式不求甚解的策略在題海中求生 存 在繁重的課業壓力下 需要時間的思 表 1 普物成績與入學方式關係 (n=94,大一理工科系新生) 大一下學期 入學方式 普物成績 指考分發 申請推甄等 小計 85 以上 ~ 以下 小計 學測有國 英 數 社會 自然等五 考與探索成為極端奢侈的動作 在選擇題 的題海浸潤下 學生的表達能力更是付諸 闕如 雖然大考有少數的非選題 但學生 的推導運算能力 在高中階段缺乏訓練 下 越來越差 科 只考高一和高二的內容 自然科是五 科之一 其中物理只佔自然科的四分之 一 因此光看學測成績 其實很難看出學 生的物理程度如何 不少以學測成績入學 的學生 是為了逃避指考 他們忽視高三 的物理數學等課程 甚至無心讀高三下學 期的功課 讓許多高三教師在教學上有很 深的無力感 大一普物成績不佳的學生 不見得後 二 高中端與大學端彼此互不瞭解 (一) 高中教科書與大學原文書 大學物理和高中物理最大的不同是 65

74 課本 絕大多數大學採用原文書 這些大 學新鮮人卻對又厚又重又都是英文的課本 好的大學或者是高中能畢業 許多學生都 很怕物理 他們覺得物理是很難的科目 無所適從 我通常會在上課的第一天就讓 學生拿到課本 教他們怎麼讀原文書 許 多學生並不知道也從沒想過或問過 為何 速度是 v 加速度是 a 力是 F 最近還遇 到一位英文程度超級差的學生 他說他高 中三年的英文從來沒有及格過 他的程度 差到不認識 force mass motion 等等字 除了英文障礙之外 讀原文書更重要 且需要的是足夠的物理背景知識 我常跟 學生說 就算請英文老師來讀原文書 也 除了解題還是解題 他們認為物理有許多 公式 是用 背 的方式來學物理 將思 考與理解棄如敝屣 (三) 反覆演練考古題型與修練基本功 物理重在思考與理解 除了動腦之外 動手用紙筆推演作圖等基本訓練 也應 該在中學時候就要紮根 我的大一學生 在作力學題目時 基本的力圖都畫不好 不認為力的長短畫正確是很重要的 作實 驗時 發現有不少學生從來沒有用方格紙 不會比他們強 在一綱多本開放之後 幾 乎每一版本的高中物理課本的文字都還算 流暢 都可作為大一普物的參考書 我總 在新生訓練前就通知學生把他們的高中物 理課本找出來 哪一年的哪一版本都行 問題是 不少學生的物理課本早已送進廢 紙回收廠 而且 絕大多數的新鮮人不曾 讀過高中物理課本(邱韻如,2010) 他們在 高中物理課使用的多半都是所謂的講義 作過圖 校內的考試不應只配合大考的題 型不斷演練而忽視基本能力的訓練 但是 現在許多老師基於趕課等理由 很少會 在課堂上要求學生正確畫圖 推導 所出 的考卷也很少會有作圖 推導等等開放式 題目 (四) 修大學課 要能自主管理 國高中的 考什麼讀什麼 的教學模 式 塑造了學生不考試就不讀書的學習態 (二) 輕鬆與放鬆 我的學生絕大多數都非常訝異 理工 科系的大一 課業竟如此繁重 他們都誤 以為在經過辛苦的中學 K 書生涯之後 可 以輕鬆快樂唸大學 每年我在大一新生的 第一堂課 都會讓學生填寫資料 其中有 一題是問 你期待大一普物的上課方式是 什麼 絕大多數的學生的答案是輕鬆 活 潑 快樂 我曾很懷疑的問學生 難道你 們高中物理課不輕鬆不活潑嗎 度 理想的大學讀書態度 至少應該是每 上一小時的課之後 學生至少要花 3 小時 來複習 但是有鑑於大一理工科系修習的 科目眾多 以及中學時養成的被動學習習 慣 很少有學生能做到此 三 教師未能真正體察學生的學習困難 (一) 診斷學生的迷思概念 不論是高中或大學的物理教師 都應 該要有診斷學生迷思概念的能力 就像醫 生看診一樣 要能診斷出問題 才能對症 台灣的高中生不僅上課時數太多 許 多學生課後還補習 學生花費絕大多數時 間重複在做題目 聽老師解題 從這種學 習中 是否能體會到追求學問的樂趣 有 多少學生能從這樣的學習中體會到學習之 樂 在如此升學的陰影下 他們想要 放 鬆 他們覺得不要學習就是 快樂 讀高中物理 所為何來 對許多學生 來說 讀高中物理的目的只是為了能考進 下藥 教師可以透過學生課後問問題 課 堂上的互動 評量考試等等方式來診斷學 生的迷思概念 前提當然是必須問對問題 且靠經驗累積 如果上課只是單向傳授 考試只是考選擇題 在學生問問題時只是 給詳解及答案 這樣永遠無從知道學生的 問題在哪兒 (二) 因材而施教 大家都知道 光聽不練是沒有用的 66

75 但是 絕大多數的教學還是停留在老師說 學生聽的單向傳輸模式 與學生互動 教 尤其在十二年國教鬆綁升學考試的趨勢下 教學方式要多元 教學環境要開放及支 學生會問問題 傾聽學生的問題 才能有 效掌握學生問題 如此 才能採取適切的 教材及教法 帶領學生從學答到學問 化 被動為主動 持互動教學等等 才能培養年輕人面對新 世代的挑戰 三 協助學生跨越鴻溝 熟練快速解題技巧 知其答案而不知 其所以然 或許可以讓學生得分升學 但 卻是短視近利揠苗助長的作法 面對學習 鴻溝 教師不見得要築一條快速便利的大 橋讓學生輕鬆通過 而是應該配合學生的 程度 一個一個給墊腳石 甚至帶著學生 找墊腳石 協助他們能以自己的方式憑自 參 結論與建議 一 培養紮實的基本能力 以作者個人所見 大一理工科系的學 生普遍的問題有 不會閱讀 不會讀英文 版教科書 不會問問題 不會做筆記 不 會推導 不願動腦 不會表達 不會做實 驗 不會課後複習 以及不考試就不讀等 等 面對這些越來越嚴重的學習問題 在 中學階段就要積極培養正確的學習方法與 態度 到了大學更要積極加強訓練 才能 讓學生有足夠的能力及競爭力 二 不考試也願讀書 大家都唾棄 考試領導教學 卻又 試圖以考試想要改變教學 導致總是適得 己的能力跨越鴻溝 參考文獻 1. 邱韻如(2010) 高中物理課程 教科書 與教學 以 靜力平衡 為例 物理 教育學刊 第 11 卷第 1 期 頁 2010 年春季刊 2. 邱韻如(2008) 從座中學到做中學 談 簡單實驗對教學的啟發 華東理工大 學學報 第 34 卷增刊 152~157 頁 其反 身為教師的我們 如何引導學生能 從認真學習中得到學習的樂趣 能因熱愛 而真正投入學習 才是教學的根本目的 對物理這一個學科來說 不單單只有 升學 這一個目標 學生的基本能力如 閱讀 推導 作圖 問問題及課後自學複 習等等基本能力都應該好好紮根 培養學 生在不需考試的脅迫下也會讀書的態度 3. 邱韻如(2006) 大一普物教學的迷思之 我見我思 物理雙月刊 28 卷 3 期 554~562 頁 劉源俊(2012) 十二年國教中的科學教 育 科學月刊 43 卷第 9 期 67

76 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C2-5 利 用 創 新 物 理 實 驗 課 程 協 助 開 發 普 通 物 理 實 驗 項 目 利 用 創 新 物 理 實 驗 課 程 協 助 開 發 普 通 物 理 實 驗 項 目 1 齊 祖 康 交 通 大 學 電 子 物 理 學 系 交 通 大 學 普 通 物 理 教 學 小 組 聯 絡 人 tkchyi@mail.nctu.edu.tw 摘 要 傳 統 上 普 通 物 理 實 驗 課 程 要 引 入 新 的 實 驗 項 目 僅 能 依 靠 廠 商 提 供 測 試 儀 器, 並 由 普 物 實 驗 開 發 人 員 短 期 測 試 評 估 後 決 定, 因 整 體 評 估 時 程 短 且 儀 器 需 要 量 大, 在 相 關 經 費 有 限 的 情 況 下 採 購 與 否 常 是 一 個 難 以 抉 擇 的 決 定 交 通 大 學 於 95 學 年 度 開 始 開 設 了 創 新 物 理 實 驗 課 程, 原 意 是 引 入 一 些 與 傳 統 普 物 實 驗 不 同 的 項 目 讓 同 學 們 提 早 接 觸 並 了 解 自 己 的 興 趣 所 在, 但 後 來 我 們 利 用 這 個 課 程 完 成 了 掃 描 式 穿 隧 顯 微 鏡 實 驗 課 程 的 開 發, 並 已 於 99 學 年 度 正 式 將 掃 描 式 穿 隧 顯 微 鏡 列 入 普 通 物 理 實 驗 課 程, 近 期 我 們 也 利 用 這 個 課 程 完 成 磁 學 實 驗 儀 器 的 測 試 以 及 實 驗 講 義 之 編 寫, 準 備 於 近 期 陸 續 購 買 相 關 設 備, 等 到 設 備 採 購 足 以 應 付 普 通 物 理 實 驗 課 程 所 需 後 將 正 式 納 入 普 通 物 理 實 驗 課 程 1 68

77 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C2-6 振 盪 與 傅 立 葉 分 析 振 盪 與 傅 立 葉 分 析 1 徐 建 興 1 陸 軍 軍 官 學 校 聯 絡 人 shyu_david@yahoo.com.tw 摘 要 我 們 設 計 一 合 併 式 的 單 元 課 程, 在 大 二 或 大 三 的 力 學 課 程 中, 同 時 講 授 力 學 的 振 盪 和 數 學 的 傅 立 葉 分 析, 用 以 提 升 學 習 成 效 課 程 內 容 除 了 正 規 的 力 學 振 盪 與 簡 單 的 傅 立 葉 分 析 課 程 講 授 之 外, 著 重 於 幾 個 振 盪 實 驗, 用 以 測 量 簡 諧 振 盪 不 含 阻 尼 的 驅 策 振 盪 含 阻 尼 的 驅 策 振 盪 以 及 LRC 的 電 路 振 盪 學 生 藉 實 驗 的 過 程, 熟 悉 各 種 不 同 的 振 盪 系 統, 同 時 配 合 課 程 講 授 小 組 討 論 和 數 據 分 析, 學 習 複 數 傅 立 葉 分 析 的 數 學 工 具 和 振 盪 力 學 之 間 的 連 結 關 鍵 詞 : 振 盪 傅 立 葉 分 析 Oscillations and Fourier Analysis The oscillations and Fourier analysis course unit explores the dynamics of oscillation and the methodology of Fourier analysis. We begin by studying the simple dynamic oscillation to learn the principles of periodic motion, both harmonic and anharmonic. We then introduce driven oscillator and Fourier series which give insight into the frequency response and resonance. Damping is introduced to model real systems, and Fourier integrals are introduced near the end of the course as a limiting case of Fourier series. The course is centered on three laboratory activities (a physical pendulum, a driven LRC circuit, and a pulsed LRC circuit), supported by lecture/discussion and guided data analysis activities. We use complex numbers throughout the analysis so that students learn this important tool. Key Words: oscillation and Fourier analysis. 69

78 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 創 新 物 理 教 育 C3 場 C3-1 物 理 系 學 生 於 一 維 無 限 位 能 井 解 題 表 現 之 探 究 物 理 系 學 生 於 一 維 無 限 位 能 井 解 題 表 現 之 探 究 金 自 強 1 2 蔡 桂 芳 陳 振 明 1 屏 東 教 育 大 學 應 用 物 理 系 2 屏 東 教 育 大 學 特 殊 教 育 學 系 3 嘉 義 大 學 特 殊 教 育 學 系 聯 絡 人 tomson2@ms18.hinet.net 摘 要 一 維 無 限 位 能 井 是 大 學 生 修 習 量 子 物 理 課 程 入 門 的 第 一 個 例 題, 此 例 題 包 含 了 量 子 力 學 大 部 份 的 觀 念 本 研 究 運 用 S-P 表 (Student-problem chart analysis theory, S-P chart) 進 行 學 生 的 學 習 表 現 與 試 題 分 析, 透 過 此 分 析 診 斷, 可 瞭 解 學 生 學 習 狀 況, 以 供 教 師 調 整 教 學 方 式 提 高 學 習 成 效 關 鍵 詞 : 量 子 物 理 SP 表 3 壹 緒 論 在 台 灣, 近 代 物 理 課 程 是 大 學 物 理 系 三 年 級 學 生 最 主 要 的 課 程 之 一, 其 他 很 多 理 工 科 系 也 都 有 此 課 程 它 的 內 容 通 常 包 括 量 子 力 學 的 發 展 初 等 的 量 子 力 學 狹 義 相 對 論 分 子 物 理 基 本 固 態 物 理 原 子 核 基 本 粒 子 量 子 統 計 等 等 內 容 近 代 物 理 不 同 於 古 典 物 理, 它 描 述 的 是 微 觀 世 界 裡 的 現 象, 其 觀 念 抽 象 難 懂, 加 上 常 用 到 很 複 雜 的 數 學, 因 此 很 多 學 生 在 修 習 此 科 目 時 倍 感 艱 困 大 多 數 學 生 在 修 習 近 代 物 理 課 程 時, 探 討 的 第 一 個 量 子 力 學 問 題 就 是 一 顆 粒 子 在 一 維 無 限 位 能 井 中 的 情 況, 此 例 題 是 個 很 好 的 教 材, 包 含 了 量 子 力 學 大 部 份 的 觀 念, 它 的 數 學 又 相 對 簡 單, 學 生 們 應 能 輕 易 解 出, 學 生 們 若 能 充 份 了 解 此 問 題 各 環 節 的 意 含, 對 量 子 力 學 的 整 體 概 念 將 會 有 透 徹 的 了 解 可 惜 大 多 數 的 授 課 教 師 並 未 特 別 重 視 此 例 題 的 重 要 性, 講 授 一 遍 就 立 刻 進 行 後 續 的 課 程 內 容 就 作 者 教 授 近 代 物 理 多 年 的 經 驗, 認 為 有 必 要 引 導 學 生 以 不 同 的 視 角 去 思 考 此 例 題 背 後 所 蘊 含 的 豐 富 物 理 意 義 學 生 若 能 對 此 例 題 有 更 深 入 的 了 解, 建 立 概 念 與 概 念 間 的 正 確 連 結, 其 後 續 的 學 習 只 是 反 覆 驗 證 此 一 概 念 架 構, 對 學 生 後 續 學 習 會 有 所 助 益 基 於 上 述 研 究 背 景 與 動 機, 本 研 究 目 的 與 問 題 為 : 一. 進 行 試 題 分 析, 以 瞭 解 解 題 歷 程 步 驟 分 類 之 合 宜 性 二. 探 討 物 理 系 學 生 於 一 維 無 限 位 能 井 之 解 題 表 現 以 期 深 入 瞭 解 學 生 在 此 題 的 學 習 狀 況 與 困 難 貳 研 究 方 法 本 研 究 以 學 生 在 一 維 無 限 位 能 井 解 題 表 現 為 分 析 資 料, 原 始 資 料 為 紙 筆 測 驗, 研 究 者 將 解 題 歷 程 進 行 分 析, 轉 換 成 評 分 準 則, 依 據 準 則 將 學 生 解 題 的 資 料 轉 化 成 數 據, 以 進 行 後 續 之 分 析 以 下 針 對 研 究 對 象 研 究 工 具 資 料 分 析 逐 一 敘 述 70

79 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 ( 一 ) 研 究 對 象 與 場 域 本 研 究 以 研 究 者 任 教 之 某 學 年 度 物 理 系 三 年 級 修 習 近 代 物 理 課 程 學 生 為 研 究 對 象, 有 效 樣 本 為 79 人, 該 系 近 幾 年 學 生 入 學 成 績 約 為 PR 50, 學 習 意 願 普 遍 不 高, 研 究 者 調 查 學 生 每 日 學 習 時 數, 分 配 在 課 業 上 時 間 平 均 不 超 過 一 小 時 ( 二 ) 研 究 工 具 本 研 究 工 具 有 二, 一 為 研 究 者 依 據 解 題 內 容 所 建 構 之 無 限 位 能 井 解 題 概 念 表 將 單 一 粒 子 在 無 限 位 能 井 例 題 中 所 應 具 備 之 概 念 進 行 分 析, 表 左 橫 列 由 上 而 下 顯 示 例 題 中 解 題 的 五 個 階 段, 每 個 階 段 由 左 而 右 又 各 細 分 為 一 到 三 個 項 目, 每 項 目 都 建 有 操 作 型 定 義 以 作 為 評 分 依 據, 符 合 者 就 計 為 1 分, 未 符 合 者 計 為 0 分, 本 表 完 成 初 稿 後 邀 請 兩 位 此 領 域 專 家 教 授 進 行 審 查 討 論 修 正, 定 稿 後 內 容 如 表 1, 利 用 此 工 具 將 學 生 評 量 反 應 內 容 轉 換 成 得 分, 以 進 行 後 續 分 析 研 究 工 具 二 為 依 據 工 具 一 所 編 製 之 評 量 試 題, 題 型 為 問 答 與 計 算, 施 測 時 間 為 兩 小 時 ( 三 ) 資 料 分 析 本 研 究 資 料 以 學 生 與 試 題 表 (student-problem score table, 簡 稱 S-P 表 ) (Sato,1980) 為 分 析 方 法, 此 法 提 供 試 題 注 意 係 數 (item caution index) 及 學 生 注 意 係 數 (student caution index), 能 同 時 分 析 試 題 與 個 別 學 生 之 答 題 得 分 組 型, 有 效 地 診 斷 學 生 學 習 困 難 次 要 概 念 主 要 概 念 A: 瞭 解 系 統 的 物 理 原 理 B: 解 微 分 方 程 數 學 技 巧 C: 邊 界 條 件 D: 歸 一 化 條 件 E: 量 子 力 學 趨 向 古 典 力 學 表 1 無 限 位 能 井 解 題 概 念 表 A1 對 於 各 區 域 能 正 確 寫 出 粒 子 的 不 隨 時 變 的 Schrodinger eqs B1 正 確 將 各 區 域 Schrodinger eqs. 轉 換 成 二 階 微 分 方 程 C1 正 確 寫 出 邊 界 條 件 D1 正 確 寫 出 歸 一 化 條 件 E1 能 用 Heisenberg Uncertainty Principle 解 釋 量 子 數 極 大 時, 量 子 力 學 分 析 結 果 會 符 合 古 典 力 學 分 析 結 果, 機 率 密 度 均 勻 分 布 參 結 果 與 討 論 C2 引 用 邊 界 條 件 算 出 能 階 並 計 算 各 微 分 方 程 解 的 係 數 D2 能 算 出 各 能 態 機 率 分 布, 算 出 各 位 置 上 各 能 態 的 機 率 值 E2 能 用 Heisenberg Uncertainty Principle 解 釋 系 統 尺 寸 極 大 時, 能 階 不 可 區 分 機 率 密 度 均 勻 C3 知 道 邊 界 條 件 的 來 S-P 表 除 了 可 分 析 全 測 驗 的 差 異 係 數 之 外, 也 可 針 對 每 個 試 題 及 每 個 學 生 分 別 計 算 其 注 意 係 數 (caution index) 試 題 注 意 係 數 簡 稱 為 CP, 學 生 注 意 係 數 簡 稱 為 CS 此 種 係 數 可 用 來 判 斷 學 生 與 試 題 之 得 分 組 型 是 否 有 異 常 現 象, 需 加 以 注 意 這 些 數 據 都 可 用 來 協 助 教 師 診 斷 學 生 表 現 測 驗 品 質, 即 教 學 成 果 的 有 效 工 具, 以 作 為 改 進 教 學 命 題 與 輔 導 學 生 之 參 考 ( 游 森 期 余 民 寧,2006) 以 下 針 對 試 題 品 質 學 生 解 題 表 現 與 類 型 以 及 學 生 解 題 表 現 與 學 習 成 績 之 相 關 分 析 逐 一 說 明 ( 一 ) 試 題 品 質 之 分 析 本 研 究 試 題 品 質 分 析 指 標 試 採 用 答 對 率 與 注 意 係 數, 所 謂 的 注 意 係 數 是 指 S-P 源 71

80 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 表 資 料 中 的 實 際 反 應 組 型 與 完 美 反 應 組 型 間 的 差 異, 占 完 美 反 應 組 型 之 最 大 差 異 的 比 值 Sato(1980) 建 議 以 試 題 注 意 係 數 為 橫 軸 ( 截 斷 點 為.5), 以 答 對 試 題 的 學 生 人 數 百 分 比 為 縱 軸 ( 截 斷 點 為.5), 製 成 試 題 診 斷 分 析 圖, 整 個 試 題 診 斷 分 析 圖 將 試 題 的 屬 性 分 成 四 類 分 析 結 果 如 圖 1, 本 研 究 九 個 評 量 項 目, 可 分 成 兩 大 類, 第 一 類 屬 於 試 題 相 當 適 當, 可 以 用 來 區 別 低 成 就 者 與 其 他 學 生 的 不 同, 屬 於 各 解 題 階 段 較 基 本 的 項 目, 第 二 類 屬 於 試 題 困 難 度 高, 適 合 用 來 區 別 高 成 就 者 的 好 試 題, 試 題 編 製 品 質 良 好, 顯 示 此 評 量 分 類 方 式 具 有 良 好 的 建 構 效 度 圖 1 試 題 品 質 分 析 圖 圖 一 顯 示 前 三 階 段 (A, B, C) 中, 除 了 C3 外, 答 對 率 都 高 ; 後 二 階 段 (D, E), 除 了 D1 外, 答 對 率 都 低 此 結 果 非 常 合 理, 因 為 學 生 們 在 準 備 考 試 時 大 都 會 考 慮 先 行 強 記, 是 否 了 解 常 是 次 要 考 量 至 於 C1, D1 兩 項 純 粹 靠 記 憶, 答 對 率 自 然 高 C2 雖 是 推 導, 過 程 可 以 背 下, 因 此 答 對 率 也 不 低 C3 詢 問 的 是 計 算 的 理 由, 思 考 的 層 次 已 經 提 升 到 理 解, 學 生 們 若 不 透 徹 原 因, 答 對 率 相 形 就 低 D2 是 將 最 後 結 果 的 數 值 算 出, 這 部 分 涉 及 學 生 們 的 計 算 能 力, 因 為 計 算 能 力 普 遍 不 高, 答 對 率 也 就 拉 下 此 外, 由 於 B1 是 簡 單 的 數 學 推 導, 答 對 率 高 很 合 理 A1 是 把 物 理 定 率 寫 出, 這 應 該 最 簡 單, 然 而 學 生 們 初 學 加 粗 心, 答 對 率 沒 想 像 中 理 想 照 理 說 A1 的 答 對 率 應 該 最 高, 圖 一 中 卻 顯 示 好 幾 項 的 答 對 率 比 A1 高, 可 能 的 原 因 是, 學 生 們 答 題 時 多 依 賴 背 誦, 並 不 是 一 步 一 步 推 導, 因 此 A1 中 的 小 錯 會 在 B1 中 更 正 回 來 其 他 項 目 的 答 對 率 分 布 都 很 合 理,B1 高 於 C, D, E 所 有 項 目,C, D, E 各 項 目 答 對 率 照 層 次 排 序,E 是 進 一 步 討 論 量 子 力 學 趨 於 古 典 的 現 象, 思 考 的 統 整 性 比 較 高, 因 此 答 對 率 自 然 最 低 ( 二 ) 學 生 解 題 表 現 與 類 型 表 二 是 學 生 答 對 率 與 注 意 係 數 常 用 之 雙 向 分 類 ( 余 民 寧,1996), 答 對 率 以.75 及.50 為 準 分 成 3 級, 注 意 係 數 以.50 為 準 分 成 2 級, 交 叉 作 用 結 果 可 以 分 成 : 學 習 良 好 穩 定 性 高 ; 學 習 尚 稱 穩 定 需 要 再 用 功 一 點 ; 學 力 不 足, 學 習 不 夠 充 份, 需 要 更 加 努 力 用 功 ; 粗 心 大 意, 不 細 心 所 造 成 的 錯 誤 ; 偶 爾 粗 心, 準 備 不 充 份, 需 要 再 努 力 ; 學 習 極 不 穩 定, 具 有 隨 興 的 讀 書 習 慣, 對 考 試 內 容 沒 有 充 份 準 備 等 6 類 本 研 究 學 生 的 表 現 六 類 皆 有, 以 學 力 不 足, 學 習 不 夠 充 份, 需 要 更 加 努 力 用 功 最 多, 其 次 是 學 習 尚 稱 穩 定, 需 要 再 用 功 一 點 72

81 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 表 2 學 生 表 現 結 果 評 估 摘 要 表 學 生 表 現 學 力 不 足, 學 習 不 夠 充 份, 需 要 更 加 努 力 用 功 學 習 尚 稱 穩 定, 需 要 再 用 功 一 點 學 習 良 好, 穩 定 性 高 學 習 極 不 穩 定, 具 有 隨 興 的 讀 書 習 慣, 對 考 試 內 容 沒 有 充 份 準 備 偶 爾 粗 心, 準 備 不 充 份, 需 要 再 努 力 粗 心 大 意, 不 細 心 所 造 成 的 錯 誤 答 對 率 範 圍 學 生 注 意 係 數 範 圍 人 數 百 分 比 總 和 四 結 論 與 建 議 本 研 究 目 的 有 二 : 一. 進 行 試 題 分 析, 以 瞭 解 解 題 歷 程 步 驟 分 類 之 合 宜 性 二. 探 討 物 理 系 學 生 於 一 維 無 限 位 能 井 之 解 題 表 現, 深 入 瞭 解 學 生 在 此 題 的 學 習 狀 況 與 困 難, 結 論 與 建 議 分 述 於 下 : ( 一 ) 結 論 1. 題 目 SP 表 分 析 顯 示, 試 題 品 質 良 好, 沒 有 不 良 試 題 概 念 層 次 基 本 者, 分 析 結 果 品 質 屬 於 試 題 相 當 適 當, 可 以 用 來 區 別 低 成 就 者 與 其 他 學 生 的 不 同 ; 而 概 念 屬 性 層 次 較 高 的 項 目 屬 於 困 難 度 高, 適 合 用 來 區 別 高 成 就 者 的 好 試 題 2. 透 過 SP 表 分 析, 學 生 在 此 題 表 現 大 多 屬 於 學 力 不 足, 學 習 不 夠 充 份, 需 要 更 加 努 力 用 功, 其 次 學 習 尚 稱 穩 定, 需 要 再 用 功 一 點 ( 二 ) 建 議 部 份 1. 在 研 究 限 制 方 面, 由 於 樣 本 來 源 只 有 一 校, 學 生 入 學 成 績 PR 值 約 50, 學 習 動 機 不 高, 推 論 範 圍 需 謹 慎 為 之 2. 研 究 方 法 部 分, 可 採 質 性 晤 談 方 式 針 對 不 同 表 現 類 型 學 生 繼 續 深 入 瞭 解 影 響 其 表 現 之 可 能 原 因 3. 就 樣 本 素 質 或 範 圍 而 言, 可 擴 大 研 究 對 象 數 量, 至 各 大 專 院 校 物 理 系, 以 探 究 各 校 學 生 於 此 題 表 現 之 異 同, 可 作 為 教 學 與 評 量 改 進 之 依 據 參 考 文 獻 Sato,T.(1980). The S-P chart and the caution index. NCE Educational Information Bulletin, 余 民 寧 (1996) 成 就 測 驗 的 編 製 原 理 台 北 : 心 理 出 版 社 游 森 旗 余 民 寧 (2006) 知 識 結 構 診 斷 評 量 與 S-P 表 之 關 連 性 研 究 教 育 與 心 理 研 究,29(1),

82 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C3-2 看 見 大 氣 壓 力 - 點 膠 針 筒 千 斤 掛 看 見 大 氣 壓 力 - 點 膠 針 筒 千 斤 掛 楊 美 姍 1 唐 健 文 林 宗 正 蘇 育 彰 周 建 和 1 高 雄 師 大 1 聯 絡 人 maysun5433@gmail.com 摘 要 本 文 旨 在 提 供 以 工 業 點 膠 針 筒, 應 用 大 氣 壓 力 原 理, 製 作 大 口 徑 含 推 柄 的 千 斤 掛, 做 為 吊 掛 的 主 要 裝 置, 進 行 吊 掛 時, 最 大 可 以 產 生 20 公 斤 重 的 拉 力 教 學 上 使 用 點 膠 針 筒 千 斤 掛 較 醫 療 針 筒 更 具 演 示 效 果, 利 用 大 氣 壓 力 來 達 成 提 升 或 支 撐 重 物, 可 吊 掛 真 人, 讓 學 生 印 象 深 刻 讓 學 生 體 會 到 大 氣 壓 力 是 很 大, 並 估 算 大 氣 壓 力 的 量 值 前 言 周 建 和 (2003) 使 用 醫 療 針 筒 設 計 示 範 實 驗, 學 生 有 此 可 以 看 見 大 氣 壓 力 的 量 值 是 非 常 大 的 但 是 市 售 醫 療 塑 膠 針 筒 常 見 的 最 大 規 格 是 50ml( 玻 璃 規 格 的 醫 療 針 筒 不 列 入 考 慮, 避 免 操 做 過 程 中 不 慎 破 裂 產 生 危 險 ), 其 筒 身 截 面 積 約 為 6cm 2 忽 略 活 塞 的 摩 擦 力 下, 將 針 筒 的 出 液 孔 封 閉, 需 要 6 公 斤 重 的 外 力 方 使 將 活 塞 拉 離 針 筒 換 句 話 說, 若 針 筒 筒 身 的 面 積 愈 大, 則 需 更 大 的 力 量 方 能 對 抗 大 氣 壓 力 將 活 塞 大 氣 壓 力 量 值 非 常 大 器 材 1. 工 業 用 點 膠 針 筒 (300c.c.) 2 隻 2. 三 通 開 關 3 個 3. 自 製 木 板 架 1 個 4. 塑 膠 管 (PU 內 徑 4mm 長 20cm) 1 條 5. 板 凳 1 個 6. 童 軍 繩 1 條 7. 木 梯 或 鋁 梯 (5 尺 或 6 尺 高 ) 1 座 8. 螺 絲 ( 直 徑 8 mm, 長 12cm) 1 支 9. 螺 帽 ( 配 合 螺 絲 ) 1 個 10.S 勾 ( 直 徑 3cm 耐 重 60Kg) 1 個 11. 組 合 扣 ( 孔 徑 3cm 耐 重 60Kg) 2 個 12. 水 桶 1 個 拉 離 針 筒, 更 具 演 示 效 果 研 究 小 組 找 到 工 業 用 300c.c. 點 膠 針 筒, 其 筒 身 截 面 積 約 為 20cm 2, 製 做 成 千 斤 掛, 期 待 能 成 為 中 小 學 教 師 進 行 大 氣 壓 力 單 元 教 學 的 法 寶 圖 1: 工 業 用 點 膠 針 筒 74

83 大靜摩擦力約為 10 公斤重 因此 一隻 千斤掛 可以支撐約 30 公斤重的重物 你猜對了嗎 兩隻 千斤掛 並聯後的最大靜摩擦 圖 2 自製木板架 力約為 20 公斤重 每隻 千斤掛 理論上 可支撐 19 公斤重的重物 實際實驗發現兩 自製教具 千斤掛 隻並聯的 千斤掛 可以支撐 57 1 公斤 重的重物 你猜對了嗎 步驟 將工業用點膠針筒的活塞裝上推柄 1. 並將推柄末端鑽孔 即為 千斤掛 用推柄將點膠針筒的活塞推至出液 2. 孔 用三通開關將點膠針筒的出液孔封 3. 閉 使點膠針筒內部幾乎沒有空氣 外界空氣無法進入點膠針筒內部 4. 推柄末端裝上組合扣 S 勾 5. S 勾勾住水桶 6. 放置重物到水桶內 可先請學生猜猜 一隻 千斤掛 可以支撐多少公斤重 的重物 裝置參見圖 3 將兩隻 千斤掛 放入自製木板架中 7. 圖 3 掛上水桶 承裝重物 將它們並聯 用童軍繩從並聯後的兩隻 千斤掛 8. 下端穿出後 綁住板凳 請學生猜猜 兩隻 千斤掛 可以支撐多少公斤重 的人 裝置如圖 4 原理 假設點膠針筒內部完全沒有空氣 外 界為一大氣壓 已知點膠針筒筒身截面積 約為 20cm2 則可支撐 20 公斤重的重物 然而 點膠針筒的活塞和其筒身之間的最 圖 4 雙筒千斤掛能承重 52 公斤重 75

84 壓力帶動活塞往上運動 直到內外壓力平 千斤掛 向上提升重物 衡 因此 實際實驗發現 一隻 千斤掛 步驟 用推柄將點膠針筒的活塞從出液孔拉 最多可將 9 1 公斤重的重物往上提升 兩 開 不脫離筒身 隻並聯的 千斤掛 最多可將 19 1 公斤 用三通開關將出液孔封閉 使外界空 重的重物往上提升 如圖 3 圖 氣和點膠針筒內部空氣無法相互流 通 推柄末端裝上組合扣 S 勾 S 勾勾 3. 住水桶 用抽氣裝置將 千斤掛 內部空氣抽 4. 出 觀察現象 放置重物到水桶內 請學生猜猜一隻 5. 千斤掛 可以將多少公斤重的重物 圖 5 兩隻並聯的 千斤掛 將 21 公斤重 往上提升 若將兩隻 千斤掛 並聯 的書本往上提升 又會是多少 裝置如圖 3 圖 5 誌謝 原理 本研究承蒙國家科學委員會之研究計 假設原先點膠針筒內部和外界均為一 劃經費補助 本研究小組的投入與付出 大氣壓 已知點膠針筒筒身截面積約為 特此致謝 20cm2 一隻點膠針筒的活塞和其筒身之 間的最大靜摩擦力約為 10 公斤重 當抽氣 參考文獻 裝置將 千斤掛 內部空氣抽出 則 千 周建和 2003 動手.做.科學大師 幫伽 利略設計真空力實驗 2003 物理教學及示 範研討會論文集 海軍官校 斤掛 內部的氣壓變小 外界仍為一大氣 壓 活塞內外的壓力不一致 外界的大氣 76

85 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C3-3 計 算 機 在 數 值 模 擬 與 儀 器 控 制 之 教 學 應 用 成 效 計 算 機 在 數 值 模 擬 與 儀 器 控 制 之 教 學 應 用 成 效 1 蘇 炯 武 國 立 嘉 義 大 學 電 子 物 理 系 聯 絡 人 cwsu@mail.ncyu.edu.tw 摘 要 儀 器 之 控 制 與 數 據 擷 取 方 法 為 各 大 學 近 年 來 實 驗 教 學 極 力 發 展 之 首 要, 大 學 物 理 實 驗 教 學 中 之 結 果 經 常 必 須 以 計 算 機 來 進 行 數 據 分 析 與 理 論 模 擬 吻 合 性, 本 文 基 於 近 期 講 授 計 算 機 在 物 理 之 應 用 課 程, 提 出 部 份 個 人 之 教 學 經 驗 及 分 享 本 文 分 作 兩 個 部 份, 第 一 部 份 著 重 在 自 由 軟 體 之 執 行 成 效, 使 用 Maxima 作 為 程 式 學 習 之 基 礎 第 二 部 份 著 重 在 教 導 儀 器 控 制 程 式 之 邏 輯 基 礎, 由 於 學 習 時 牽 涉 商 業 軟 體 之 版 權, 執 行 方 法 為 利 用 每 本 教 科 書 所 附 贈 光 碟 片 上 之 試 用 版 軟 體 搭 配 資 訊 教 室 還 原 電 腦 之 設 置, 讓 每 一 位 學 生 可 於 每 節 上 課 前 以 個 人 單 機 自 由 安 裝 使 用, 在 教 學 上 十 分 便 利 1 C3-4 雲 霄 飛 車 能 量 轉 換 之 研 究 雲 霄 飛 車 能 量 轉 換 之 研 究 蔡 政 男 1 1 謝 政 廷 何 尉 仲 正 修 科 技 大 學 電 子 系 1 聯 絡 人 chenan@csu.edu.tw 摘 要 運 動 學 是 物 理 力 學 的 基 礎 而 拋 體 是 運 動 學 的 平 面 運 動 我 們 藉 由 研 究 雲 霄 飛 車 運 動, 探 討 機 械 能 守 恆 與 能 量 守 恆 之 關 係 我 們 成 功 分 析 雲 霄 飛 車 運 動 過 程 中, 有 摩 擦 能 之 消 耗, 由 研 究 可 知 摩 擦 力 消 耗 之 能 量 達 到 0.3% 至 21% 左 右 由 實 驗 結 果 可 知 要 達 到 完 全 無 摩 擦 力 之 機 械 能 是 不 可 能 的 因 儀 器 精 準 度 之 限 制, 無 法 成 功 求 出 拋 體 初 速, 我 們 成 功 利 用 球 體 軌 跡 與 運 動 影 片 合 成, 進 而 求 出 拋 體 運 動 初 速 與 角 度, 並 進 而 驗 證 拋 體 之 軌 跡 方 程 式 克 服 儀 器 的 限 制 關 鍵 詞 : 雲 霄 飛 車 拋 體 機 械 能 守 恆 能 量 守 恆 摩 擦 能 77

86 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C3-5 黎 開 管 之 熱 致 發 聲 的 震 撼 演 示 與 其 對 航 太 及 能 源 工 業 探 討 的 重 要 影 響 黎 開 管 之 熱 致 發 聲 的 震 撼 演 示 與 其 對 航 太 及 能 源 工 業 探 討 的 重 要 影 響 邱 昶 幃 李 芳 瑜 王 國 至 戴 明 鳳 1 國 立 清 華 大 學 物 理 系 聯 絡 人 kevinkid.tw@gmail.com 摘 要 具 震 撼 且 有 趣 的 熱 致 發 聲 (Thermoacoustics) 與 黎 開 管 (Rijke tube) 物 理 現 象 早 在 18 世 紀 就 由 玻 璃 工 人 發 現,19 世 紀 也 有 Lord Rayleigh 根 據 駐 波 共 振 模 型 提 出 了 扼 要 的 定 性 解 釋, 但 之 後 近 兩 百 年 此 議 題 並 沒 有 引 起 科 學 家 的 興 趣, 及 做 更 深 入 的 探 討, 也 因 此 使 得 科 教 或 科 普 界 鮮 少 探 討 和 演 示 此 具 震 撼 之 熱 與 聲 結 合 的 物 理 演 示 20 世 紀 航 太 和 能 源 工 業 的 高 度 發 展, 使 得 煙 囪 內 燃 燒 腔 體 航 太 噴 射 系 統 中 的 燃 燒 管 或 排 氣 管 中, 因 溫 度 高 度 不 均 勻 的 分 佈 導 致 腔 體 內 的 壓 力 差, 造 成 氣 流 快 速 流 動, 進 而 在 管 內 / 腔 體 中 發 生 顯 著 的 共 振 駐 波, 甚 而 使 腔 體 產 生 明 顯 的 震 動 但 工 業 界 常 需 要 燃 燒 氣 體 和 排 放 廢 氣, 或 航 運 界 大 型 輪 船 與 飛 機 需 燃 燒 化 石 燃 料 以 產 生 動 力 推 動 引 擎, 其 排 放 廢 氣 之 腔 / 管 體 的 共 振 駐 波 及 腔 體 晃 動, 將 導 致 腔 體 的 使 用 壽 命 大 幅 衰 減, 甚 至 造 成 嚴 重 損 傷 因 此, 熱 致 發 聲 的 研 究 近 年 來 在 學 術 界 和 工 業 界 上 受 到 廣 泛 的 重 視 如 圖 1 所 示, 我 們 實 驗 室 簡 單 地 以 氣 體 噴 槍 加 熱 置 於 足 夠 長 之 鋁 管 或 Pyrex 管 內 的 鐵 網 數 秒 鐘 後, 移 去 噴 槍 加 熱 器, 並 使 管 子 垂 立 於 半 空 中, 經 短 暫 時 間 後 即 產 生 可 持 續 十 多 秒 以 上 的 巨 大 聲 響, 此 即 所 謂 的 黎 開 管 熱 致 發 聲 演 示 實 驗 在 科 普 教 學 上, 此 實 驗 所 需 器 材 取 得 容 易 成 本 低 廉 操 作 簡 易 又 與 工 業 及 科 技 應 用 有 密 切 關 連 性, 但 卻 具 相 當 震 撼 效 果 的 演 示 實 驗, 總 能 受 到 觀 眾 極 大 的 迴 響 和 共 鳴 在 親 眼 見 識 耳 聞 及 感 受 到 此 效 應 後, 必 可 使 學 習 者 對 熱 致 發 聲 及 其 所 衍 伸 的 熱 致 共 振 的 物 理 原 理 與 在 工 業 上 的 應 用 能 有 深 刻 的 體 驗 和 理 解 本 報 告 將 詳 細 介 紹 本 實 驗 原 理 操 作 方 式 各 種 實 驗 變 因 與 其 在 科 學 與 工 業 上 的 應 用 價 值 與 展 望 圖 1 黎 開 管 之 熱 致 發 聲 演 示 實 驗 器 材 和 操 作 情 形 78

87 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 C3-6 概 念 構 圖 法 輔 助 大 學 普 通 物 理 教 學 心 得 概 念 構 圖 法 輔 助 大 學 普 通 物 理 教 學 心 得 12 呂 維 理 1 楊 天 行 海 軍 軍 官 學 校 應 用 科 學 系 聯 絡 人 摘 要 概 念 構 圖 (Concept Mapping) 被 認 為 是 有 意 義 的 學 習 方 法 之 一 學 習 者 利 用 概 念 構 圖 法, 透 過 學 科 裡 重 要 概 念 的 掌 握 以 及 概 念 與 概 念 間 的 關 連 性, 以 有 系 統 有 組 織 的 方 式 掌 握 該 學 科 的 知 識 架 構, 並 進 一 步 能 夠 促 成 學 科 知 識 的 應 用 概 念 構 圖 法 除 了 可 以 將 學 科 的 內 容 與 以 層 級 及 關 聯 架 構 化 外, 也 可 以 作 為 該 學 科 學 習 的 評 量 工 具, 甚 至 可 以 作 為 腦 力 激 盪 與 創 新 發 現 之 用 本 教 學 研 究 目 的, 擬 以 概 念 構 圖 法 作 為 大 一 學 生 學 習 普 通 物 理 知 輔 助 教 學 工 具, 希 望 使 學 生 自 行 製 作 概 念 圖 以 及 參 考 老 師 製 作 的 概 念 圖, 進 一 步 能 夠 有 效 掌 握 重 要 物 理 概 念 的 定 義 以 及 各 物 理 定 律 方 程 式 之 間 的 階 層 性 與 關 連 性, 從 而 達 成 以 更 有 效 更 有 意 義 的 方 式 學 習 物 理 知 識 教 學 活 動 實 施 方 式, 先 請 同 學 進 行 課 前 預 習 報 告, 內 容 包 括 章 節 的 重 要 名 詞 定 義 概 念 定 律 方 程 式 的 文 字 及 方 程 式 整 理, 並 先 畫 出 一 張 學 生 版 本 的 概 念 圖 課 堂 教 學 時, 老 師 會 先 畫 出 一 張 教 師 版 本 的 概 念 圖, 並 詳 細 說 明 概 念 與 概 念 的 關 連 性, 然 後 再 以 投 影 片 方 式, 實 施 該 章 節 的 細 部 教 學 活 動 經 過 一 年 的 教 學 活 動 後, 以 自 行 設 計 的 封 閉 式 以 及 開 放 式 問 卷, 了 解 學 生 對 於 此 項 教 學 實 施 的 回 應 初 步 發 現 此 項 教 學 活 動, 有 助 於 學 生 對 於 物 理 知 識 的 結 構 性 整 體 性 以 及 關 聯 性 掌 握, 也 可 以 幫 助 學 生 對 於 物 理 知 識 的 記 憶 與 運 用 2 79

88 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 創 新 物 理 教 育 D2 場 D2-1 博 物 館 展 品 微 小 化 博 物 館 展 品 微 小 化 林 宣 安 1 1 台 中 市 立 長 億 高 中 聯 絡 人 l @yahoo.com.tw 摘 要 台 灣 目 前 位 於 北 中 南 三 間 自 然 科 學 相 關 的 博 物 館 ( 台 北 科 教 館 台 中 科 博 館 高 雄 科 工 館 ), 幾 乎 是 每 個 自 然 科 老 師 必 定 去 朝 聖 的 重 要 場 域, 除 了 充 實 本 質 學 能 之 外, 更 重 要 的 就 是 搜 集 教 學 資 源, 但 博 物 館 的 展 品 主 要 以 現 場 操 作 為 主, 因 此 體 積 與 造 價 都 頗 具 規 模, 除 非 直 接 帶 學 生 到 現 場 進 行 教 學, 否 則 老 師 要 能 夠 將 這 些 展 品 應 用 在 課 堂 教 學, 還 是 需 要 許 多 轉 化 因 此 筆 者 開 始 有 將 博 物 館 的 展 品 微 小 化 的 計 畫, 希 望 可 以 透 過 一 些 改 良 與 材 料 的 精 簡, 期 望 可 以 讓 這 些 展 品 進 入 到 一 般 教 室, 甚 至 讓 學 生 可 以 人 手 一 套 目 前 已 微 小 化 的 展 品 有 : 1. 龍 捲 風 模 型 ( 台 中 科 博 館 ) 2. 吉 他 弦 波 動 現 形 ( 台 中 科 博 館 ) 3. 白 努 利 吸 盤 ( 台 中 科 博 館 ) 4. 角 動 量 守 恆 ( 台 中 科 博 館 ) 5. 克 拉 尼 圖 形 ( 台 北 科 教 館 ) 6. 機 翼 的 形 狀 ( 台 北 科 教 館 ) 7. 光 的 三 原 色 ( 台 北 科 教 館 ) 1. 龍 捲 風 模 型 2. 吉 他 弦 波 動 現 形 3. 白 努 利 吸 盤 4. 角 動 量 守 恆 5. 克 拉 尼 圖 形 6. 機 翼 的 形 狀 7. 光 的 三 原 色 關 鍵 詞 : 博 物 館 微 型 實 驗 自 製 教 具 80

89 D2-2 因應 12 年國教高一基礎物理教學的建議 因應 12 年國教高一基礎物理教學的建議 張仁壽 1 1 國立基隆女子高級中學 聯絡人 manbeast@klgsh.kl.edu.tw 摘要 近年來 本校因入學方式的改變 班內學生的學習能力落差漸大 教師在課程進 度壓力下無法顧及學習落後的學生 導致其學習成就低落 在教師社群的討論下 利 用學習單引導教學 成為可以解決現狀的教學方式 12 年國教實施在即 因應就近入 學等理念 可預見將使班內學生的學習能力落差更為加大 在此提出以本校學生為對 象 入學 PR 值範圍 修正後的學習單引導教學模式 尚未經具體實証 供 大家參考 來因應未來新生高一基礎物理的教學 關鍵詞 教師社群 學習單 12 年國教 教學模式 前言 的引導 安置性評量以國中基測高通過率試題 為主 可檢驗學生學習起點的準備度 形 成性(或診斷性)評量以高中學測高通過率 試題為主 可監督學生教學進展 偵測學 12 年國教實施在即 因應就近入學等 理念 可預見班內學生的學習能力落差更 為加大 如何實施原班級學習輔導的有效 教學 及時在每一作單元內(困難概念)作 診斷與補救 將成為未來教學的重點 近幾年來 本校因入學方式的改變 班內學生的學習能力落差大 入學 PR 值 範圍 教師在課程進度壓力下無 法顧及學習落後的學生 導致其學習成就 低落 在教師社群的討論下 利用學習單 引導教學 成為可以解決現狀的教學方式 因應 12 年國教 在此提出以本校學 生為對象 修正後的學習單引導教學模式 供大家參考 以因應未來新生高一基礎物 習錯誤 以 PISA 評量閱讀素養的特徵 文 本 歷程和情境 來提升對科學的認識 理的教學 學習單設計 本文以基礎物理第一章序論與基本 測量 第二節物理量的單位為內容 依據 上述模式與流程來設計本節課程的學習 單 供大家教學參考 圖 1 學習單引導教學模式設計流程示意圖 學習單引導教學模式 配合教學目標 每一堂課的設計流程 如圖 1 所示 前十分鐘施以安置性評量 作為學習的起點 三十分鐘引導式閱讀講 解文本內容 再施以形成性(或診斷性)評 量 課後輔助增加深度的延伸閱讀 讓班 級內的高成就高意願學習群 能得到適度 學習單 基隆女中 100 學年度第二學期 高一基礎物理學習單 81

90 第一章 序論與基本測量 第二節 物理量的單位 可能造假摻了 銀 在裡面 但是又不能 把王冠毀壞來鑑定 要怎樣才能檢驗王冠 是不是純金的呢 阿基米德想了好久 一 直沒有好方法 有一天 他在洗澡的時候 發現 當他坐在浴盆裡時水位上升了 這 使得他想到了 只要拿與王冠等重量的金 子 放到水裡 測出它的體積 看看它的 體積是否與王冠的體積相同 如果王冠體 積更大 這就表示其中造了假 摻了銀 安置性評量 小真將某液體分次倒入量筒中 再利用 天平依次測量液體和量筒的總質量 並分 別記錄量筒中液體的體積 其實驗數據圖 所示 下列關於此液體密度的敘述何者正 確 94-1 基測 (A)液體的體積愈大 密度愈低 (B)液體的體積愈大 密度愈高 (C)體積 20 cm3 時計算密度為 1.0 g cm3 如圖所示 一懸吊之金屬球緩慢 浸 沒 於 大 燒 杯 的 水 中 沉 到 底 部 則 (D)體積 50 cm3 時計算密度為 1.2 g cm3 溢出後流入小燒杯中的水和此金屬球的關 係為何 (細 繩 之 效 果 不 計 ) (A)兩者體積不相等 重 量 也 不 相 等 (B)兩者體積相等 但 小 燒 杯 中 的 水 較 重 (C)兩 者 體 積 相 等 但 小 燒 杯 中 的 水 較輕 (D)兩 者 重 量 相 等 但 小 燒 杯 中 的 水 體積較大 (E)兩 者 重 量 相 等 但 小 燒 杯 中 的 水 體積較小 90 學測 已知 1 光年為以光速行進 1 年的距離 且光速為 公里 秒 若阿信觀察 到一顆距離地球 10 光年的恆星 則下列何 者為最合理的推論 99-1 基測 (A)此恆星可能是天王星 (B)此恆星的半徑約為 10 光年 (C)阿信觀察到的是此恆星 10 年前發出的 光 (D)此恆星距離地球 公里 由 重 量 百 分 比 90%的 金 與 10%的 銀打造而成的皇冠 重 量 為 500 公 克 將它全部浸入水中時 可排開水的 體積為多少立方公分 引導式閱讀講解文本內容 (A)17.6 (B)22.6 (C )28.1 (D)30.0 阿基米德的故事 混合密度 國王請金匠用純金打造了一頂純金王 冠 做好了以後 國王懷疑金匠不老實 96 學測 82

91 光年 天體距離的單位 天狼星距離我們是 8.7 光年 光年 科學家定義 地球到太陽的平均 距離 為 1 天文單位 並用此單位 到底是什麼呢 光年是天文上用來表示 距離 的單位 天文上不用公里來表示 距離 主要是因為在宇宙中 天體和天體 之間的距離都太遙遠了 從地球到月球 就大約有三十八萬公里 地球到太陽 那 就多達一億四千九百六十萬公里 所以 我們必須有更大的單位來計算天文上的距 離 為什麼用 光年 呢 在宇宙間 光 的速度最快的 每秒鐘差不多可以跑三十 來表示太陽系中各天體之間的距離 例如 木星與太陽的平均距離約為 5 天文單位 土星與太陽的平均距離約 為 9.5 天文單位 當彗星運行到太陽 附近 尤其與太陽的距離小於 1.5 天 文單位時 有些彗星會發展出很明顯 的掃帚狀長尾巴 稱為 彗尾 判斷下列各行星與太陽的平均距離 何者 最合理 99-1 基測 (A)水星約 0.4 天文單位 (B)火星約 0.7 天文單位 (C)金星約 1.5 天文單位 (D)海王星約 8 天文單位 萬公里 光年就是光連續跑一年的距離 計算如下 1 光年 公里 秒 60 秒 分 60 分 小時 24 小時 天 365 天 年 光一年可以跑大約[九兆四千六百億] 公里 延伸閱讀 1 土壤液化 重物可能伴隨地震而沉陷地裡 如果 搖動造成地面液化 即土壤顆粒之間在彼 此滑動經過時 會受到小量的摩擦力 此 時地面實質上會變成流沙 砂土 光走一年的距離為 公里 天 狼星距地球約 8.7 光年 由此可知光從天 狼星到地球需時多少年 91-2 基測 地面液化的潛在可能性可用地表樣本的孔 隙比 e 加以預測 其中 e =顆粒之間(孔 隙)的總體積/樣本內砂土顆粒的總體 積 如果 e 超過臨界值 0.80 則液化將隨 著地震發生 試問此時相對應的砂土密度 為何?二氧化矽(砂的主要成份)固體的密 度為 x 103 kg/m3 (A) 8.7 (B) (C) (D) 形成性(或診斷性)評量 在熔製玻璃的過程中 其內部有時會混 入一些小氣泡 今測得某種玻璃成品的密 延伸閱讀 2 秒差距 秒差距是一種最古老的 同時也是最 度為 2.3 公克/公分 3 已知該種玻璃不含 氣泡時的密度為 2.5 公克/公分 3 試計算 該玻璃成品內所含的氣泡體積 佔全部體 積的百分比值為多少 (A)4.0 (B)5.0 (C)6.0 (E) 學測 標準的測量恆星距離的方法 它是建立在 三角視差的基礎上的 從地球公轉軌道的 平均半徑 一個天文單位 為底邊所對應 的三角形內角稱為視差 當這個角的大小 為 1 角秒時 這個三角形 由於 1 角秒所 對應的兩條邊的長度差異完全可以忽 略 因此 這個三角形可以想像成直角三 角形 也可以想像成等腰三角形 的一條 (D)7.0 請閱讀下列敘述後 回答問題 83

92 邊的長度即地球到這個恆星的距離 就稱 為 1 秒差距 致謝 本文承國立基隆女中 100 物理教學社群 討論 經廖淑芬 黃小芬 賴美娟 鄒軒 辰等老師大力斧正在此一並致謝 參考文獻 1. 楊宗哲主編 普通高中基礎物理(一) 全華出 版 pp David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker 物理(上)第八版 全華出版 pp 學測試題來自大學入學考試中心 [網址 aper.htm] 試問 1pc = AU = 光年 以上改寫 99 課綱第一次教學的學習 單 希望能更貼進教學現場的差異 經由 差異化教學引導能夠讓學生更有效學習 基測試題來自基本學力測驗推動工作 委員會 [網址 84

93 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 D2-3 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 增 進 科 學 解 釋 能 力 之 課 程 設 計 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 增 進 科 學 解 釋 能 力 之 課 程 設 計 謝 甫 宜 1 1 宋 欣 蓉 高 雄 市 立 陽 明 國 中 2 國 立 高 雄 師 範 大 學 科 學 教 育 研 究 所 碩 士 班 1 聯 絡 人 lkksfe@ms47.hinet.net 2 2 聯 絡 人 good650416@yahoo.com.tw 摘 要 本 研 究 旨 在 發 展 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 藉 以 增 進 學 生 科 學 解 釋 能 力, 以 教 科 書 中 熱 與 溫 度 單 元 設 計 科 學 探 究 課 程 研 究 樣 本 為 兩 班 各 28 位 八 年 級 學 生 作 為 實 驗 組 與 對 照 組, 分 別 以 科 學 模 型 本 位 的 探 究 教 學 與 教 科 書 本 位 的 教 學 本 研 究 自 行 編 製 科 學 解 釋 測 驗 題 本 對 於 兩 組 學 生 進 行 前 後 測, 並 採 用 共 變 數 分 析 (ANOVA) 研 究 結 果 發 現, 實 驗 組 在 指 出 因 果 關 係 科 學 推 理 能 力 使 用 證 據 能 力 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 等 四 項 科 學 解 釋 能 力 的 成 份, 皆 優 於 對 照 組 並 具 有 高 度 實 驗 效 果 量, 顯 示 科 學 模 型 為 本 位 的 探 究 教 學 增 進 學 生 科 學 解 釋 能 力, 優 於 以 教 科 書 本 位 的 教 學 方 式 本 研 究 根 據 研 究 結 果 主 張, 發 展 適 切 的 科 學 模 型 探 究 教 學, 有 助 於 學 生 學 習 與 運 用 概 念, 並 以 概 念 的 理 解 進 行 科 學 解 釋, 亦 對 於 未 來 探 討 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 如 何 增 進 學 生 科 學 解 釋 能 力 之 機 制 的 研 究 提 出 建 議 關 鍵 詞 : 科 學 模 型 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 科 學 解 釋 能 力 建 模 壹 緒 論 一 研 究 動 機 科 學 解 釋 之 核 心 能 力 包 括 指 出 因 果 關 係 推 理 能 力 與 使 用 證 據 能 力 ( 謝 州 恩 與 吳 心 楷,1995) 而 過 去 的 文 獻 中, 較 多 以 指 導 學 生 如 何 理 解 與 建 立 模 型, 反 而 較 缺 乏 如 何 應 用 建 模 的 歷 程 進 行 解 題 的 研 究 但 是, 模 型 的 主 要 功 能 除 了 對 自 然 現 象 提 出 解 釋 與 預 測, 科 學 模 型 需 為 一 種 應 用 於 問 題 解 決 之 工 具 (Schwarz, Reiser, Davis, Kenyon, Acher, Fortus, Swartz, Hug & Krajcik, 2009), 研 究 者 認 為 讓 學 生 學 習 如 何 建 模 之 外, 更 應 提 供 他 們 應 用 他 們 所 建 立 的 科 學 模 型 進 行 解 釋 預 測 與 應 用 此 外, 建 模 的 歷 程 必 須 藉 由 科 學 探 究 尋 得 自 然 現 象 中 主 要 的 變 因 以 及 變 因 之 間 的 關 係, 因 此, 培 養 探 究 能 力 對 於 學 生 的 建 模 有 著 重 要 的 影 響 ; 而 學 生 所 建 構 的 模 型 也 必 須 以 科 學 概 念 或 科 學 原 理 為 基 礎, 從 科 學 史 中 了 解 到 科 學 家 也 透 過 科 學 建 模 的 歷 程 理 解 科 學 概 念 所 以, 研 究 者 也 認 為 建 模 的 教 學 應 包 括 指 導 學 生 進 行 科 學 探 85 究 與 概 念 引 介 等 成 分 Schwarz 等 人 (2009) 提 供 的 建 模 教 學 順 序 課 程 涉 及 以 下 教 學 歷 程, 包 括 : 定 錨 於 自 然 現 象 建 構 初 始 模 型 實 際 地 測 試 模 型 評 估 模 型 測 試 模 型 反 駁 其 他 想 法 修 正 模 型 使 用 模 型 進 行 預 測 或 解 釋, 這 些 建 模 的 教 學 歷 程 除 了 較 其 他 文 獻 所 述 的 教 學 歷 程 完 整 外, 也 較 為 符 合 本 研 究 想 要 讓 學 生 達 成 的 學 習 目 標 綜 合 上 述 觀 點, 建 模 為 本 的 探 究 教 學 能 培 養 學 生 透 過 建 模 的 學 習 途 徑, 產 生 概 念 改 變 建 構 與 理 解 概 念 和 理 論 瞭 解 與 賞 識 知 識 的 產 出 和 應 用 判 斷 知 識 的 合 理 性 以 及 能 運 用 知 識 培 養 學 生 的 探 究 能 力 等 優 點 故 本 文 旨 在 探 討 建 模 為 本 的 探 究 教 學, 促 進 學 生 對 於 科 學 模 型 的 改 變 之 學 習 途 徑, 有 助 於 研 究 者 日 後 運 用 建 模 為 本 的 探 究 教 學 培 養 學 生 建 模 的 能 力, 並 促 進 學 生 對 模 型 之 功 能 的 理 解, 以 及 運 用 建 模 歷 程 做 為 一 種 解 釋 預 測 與 問 題 解 決 的 思 考 工 具 研 究 者 曾 以 喝 水 鳥 科 學 教 具 進 行 教 學, 探 討 學 童 對 喝 水 鳥 建 模 歷 程 保 留 的

94 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 概 念, 包 括 仍 存 在 的 迷 思 概 念 與 正 確 科 學 概 念 遺 失 的 概 念, 以 及 他 們 是 否 產 生 新 的 迷 思 概 念 然 而, 喝 水 鳥 建 模 歷 程 涉 及 許 多 科 學 原 理, 包 括 學 童 在 國 小 階 段 即 學 習 過 的 科 學 概 念, 包 括 : 槓 桿 原 理 水 蒸 發 時 帶 走 熱 量 的 吸 熱 反 應 熱 量 是 從 溫 度 高 的 地 方 向 溫 度 底 的 地 方 傳 遞 與 熱 脹 冷 縮 原 理 等 較 為 簡 易 的 科 學 概 念 因 為 喝 水 鳥 模 型 總 是 輕 易 的 就 吸 引 了 學 童 的 注 意, 且 容 易 引 發 學 童 主 動 學 習 的 動 機 但 是, 研 究 者 從 演 示 喝 水 鳥 的 教 學 中 發 現, 喝 水 鳥 模 型 涉 及 的 科 學 概 念 對 中 小 的 學 生 甚 為 複 雜 與 難 懂, 所 以 其 建 模 歷 程 必 須 以 探 究 教 學 引 導 學 生 對 於 科 學 概 念 的 理 解, 以 及 增 進 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 二 研 究 目 的 與 研 究 問 題 本 研 究 旨 在 探 索 科 學 模 型 本 位 的 探 究 教 學, 對 於 增 進 學 生 科 學 解 釋 之 能 力 是 否 具 有 較 佳 的 學 習 成 效, 而 科 學 解 釋 能 力 包 括 指 出 因 果 關 係 能 力 科 學 推 理 能 力 與 使 用 證 據 能 力 以 及 評 價 科 學 解 釋 的 能 力 等 因 此, 本 研 究 採 取 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 與 教 科 書 為 本 位 的 教 學, 分 別 對 於 實 驗 組 與 對 照 組 進 行 教 學 處 理, 藉 以 了 解 兩 組 學 生 在 科 學 解 釋 能 力 是 否 達 顯 著 差 異 本 研 究 之 研 究 問 題 羅 列 如 下 : 1. 實 驗 處 理 後, 兩 組 學 生 指 出 因 果 關 係 能 力 之 差 異 是 否 達 顯 著 水 準? 2. 實 驗 處 理 後, 兩 組 學 生 科 學 推 理 能 力 之 差 異 是 否 達 顯 著 水 準? 3. 實 驗 處 理 後, 兩 組 學 生 使 用 證 據 能 力 之 差 異 是 否 達 顯 著 水 準? 4. 實 驗 處 理 後, 兩 組 學 生 評 價 科 學 解 釋 能 力 之 差 異 是 否 達 顯 著 水 準? 5. 綜 合 上 述 第 1 至 4 點 的 研 究 問 題, 科 學 模 型 的 探 究 教 學 對 於 實 驗 組 學 生 的 科 學 解 釋 能 力 之 主 要 影 響 為 何? 貳 文 獻 探 討 本 研 究 旨 在 探 討 學 生 建 模 與 應 用 建 模 之 能 力, 發 展 建 模 為 本 位 的 探 究 教 學 課 程 文 獻 探 討 包 括 科 學 模 型 與 建 模 的 本 質 和 教 學 功 能 探 究 教 學 對 於 學 生 建 模 的 影 86 響 以 及 建 模 為 本 的 探 究 教 學 對 於 學 生 科 學 概 念 之 影 響 與 相 關 研 究 等 三 部 份 一 科 學 模 型 與 建 模 的 本 質 和 教 學 功 能 ( 一 ) 科 學 模 型 與 建 模 的 意 涵 和 本 質 科 學 家 最 重 要 目 標 就 是 理 解 自 然 現 象 如 何 運 作 的 機 制? 而 這 個 理 解 通 常 是 透 過 把 種 種 自 然 現 象 轉 化 為 模 型 而 完 成, 但 是 自 然 現 象 通 常 是 複 雜 隱 晦 變 因 眾 多, 應 如 何 將 自 然 現 象 轉 換 成 簡 易 的 科 學 模 型 呢? 而 科 學 教 學 的 過 程 又 如 何 教 導 學 生 進 行 這 種 將 自 然 現 象 轉 換 成 科 學 模 型, 以 增 進 學 生 理 解 模 型 與 學 習 科 學 家 如 何 建 構 科 學 模 型 呢? Hacking (1983) 指 出, 科 學 家 以 理 論 表 徵 世 界, 以 實 驗 參 與 世 界 模 型 的 建 立 使 科 學 家 建 構 出 實 驗 技 術, 進 而 瞭 解 複 雜 抽 象 的 大 自 然 現 象 Lee (1999) 主 張, 大 自 然 的 現 象 通 常 是 多 變 因 複 雜 難 解 釋, 模 型 所 表 徵 的 自 然 現 象 都 是 較 為 簡 化 以 方 便 我 們 進 行 探 究 例 如, 伽 俐 略 建 立 擺 的 模 型, 並 未 計 算 擺 繩 的 質 量 擺 長 粗 細 擺 角 與 擺 幅, 他 將 擺 錘 視 為 質 點, 方 能 將 複 雜 的 單 擺 運 動 簡 化 處 理, 成 為 容 易 進 行 探 究 的 科 學 模 型 所 以, 模 型 具 有 簡 化 理 想 化 的 本 質, 只 用 了 其 所 要 表 徵 的 現 象 最 明 顯 的 特 點, 忽 略 其 他 次 要 的 變 因 封 中 興 與 洪 振 方 (2011) 研 究 指 出, 科 學 模 型 具 有 理 想 化 多 元 性 暫 時 性 的 本 質 科 學 家 研 究 自 然 現 象 如 何 運 作 而 提 出 模 型 可 從 科 學 史 中 找 到 許 多 例 證, 例 如, 洪 振 方 (2000) 曾 指 出, 物 理 運 動 學 領 域 中, 伽 俐 略 的 研 究 中 包 括 有 自 由 落 體 運 動 模 型 斜 面 運 動 模 型 單 擺 的 等 時 性 模 型 等 邱 美 虹 (2007) 指 出, 模 型 (model) 和 建 模 (modeling) 是 科 學 發 展 的 重 要 元 素, 也 是 科 學 學 習 中 不 可 缺 少 的 認 知 與 能 力 模 型 被 視 為 是 某 個 想 法 物 體 事 件 過 程 或 現 象 的 表 徵 (Gilbert & Boulter, 2000) 文 獻 指 出 模 型 是 一 種 對 真 實 世 界 的 抽 象 描 述, 模 型 亦 為 科 學 家 對 複 雜 自 然 現 象 所 提 出 合 理 而 簡 化 的 形 式 (Acher, Arca, & Sanmarti, 2007; Develaki, 2007; Magnani, 2004) 綜 合 上 述 學 者 們 的 觀 點, 將 模 型 視 為

95 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 一 種 為 理 解 自 然 現 象 所 形 成 的 表 徵 ( 二 ) 科 學 模 型 與 建 模 的 教 學 功 能 Gilbert (1991) 主 張, 科 學 就 是 建 模 的 歷 程, 而 科 學 學 習 則 為 學 習 建 模 的 歷 程, 建 模 的 教 學 歷 程 即 教 導 學 生 學 習 科 學 概 念 與 建 構 科 學 模 型 Clement (2008) 也 指 出, 科 學 即 建 模 的 事 業, 理 解 建 模 與 模 型 的 意 義 本 質 與 結 構 甚 為 重 要 Justi 與 Driel (2005) 指 出, 科 學 模 型 與 建 模 對 於 科 學 教 育 的 重 要 性 主 要 基 於 三 項 學 習 的 觀 點, 首 先 為 學 習 科 學, 學 生 應 瞭 解 主 要 的 科 學 與 歷 史 模 型, 以 及 這 些 模 型 的 範 圍 與 限 制 ; 第 二 點 為 學 習 動 手 做 科 學 (doing science), 應 提 供 學 生 機 會 進 行 建 構 表 達 和 測 試 他 們 的 模 型 ; 第 三 點 為 學 習 科 學 本 質, 學 生 應 學 習 和 認 識 模 型 的 本 質 與 角 色, 以 及 科 學 探 究 之 產 物 即 模 型 的 建 構 與 傳 播 根 據 上 述 觀 點, 科 學 模 型 與 建 模 具 有 學 習 科 學 概 念 學 習 動 手 做 科 學 學 習 科 學 本 質 等 教 學 功 能 雖 然,Kipnis (1998) 以 及 Justi 與 Gilbert (2003) 皆 提 出 科 學 發 展 的 歷 史 本 身 就 提 供 許 多 與 理 論 相 關 的 模 型, 透 過 科 學 史 中 科 學 家 所 建 構 的 模 型 教 導 科 學 理 論 是 達 成 科 學 學 習 的 有 效 策 略 但 是, 在 國 中 或 國 小 的 教 學 若 介 紹 科 學 史 中 所 建 立 的 科 學 模 型, 可 能 僅 讓 學 生 覺 知 到 科 學 模 型 的 意 義 演 進 歷 程 科 學 概 念 或 科 學 本 質 的 意 涵, 卻 無 法 提 供 學 生 透 過 探 究 的 歷 程 以 建 構 與 修 正 模 型 進 行 建 模 二 科 學 模 型 探 究 教 學 對 於 學 生 科 學 概 念 理 解 的 影 響 探 究 與 建 模 皆 為 科 學 的 基 本 面 向 (Jonassen, 2008; National Research Council NRC, 1996), 而 Gilbert (2004) 也 指 出, 探 究 扮 演 著 統 整 科 學 知 識 的 重 要 角 色, 建 模 則 以 模 型 作 為 基 本 工 具 進 行 科 學 推 理, 建 模 歷 程 包 括 模 型 的 建 構 評 斷 修 正 與 表 現, 而 這 些 歷 程 可 具 體 展 現 於 科 學 探 究 的 過 程 中 因 此, 建 模 過 程 中 必 須 透 過 探 究 活 動, 方 能 了 解 自 然 現 象 的 重 要 變 因 以 及 變 因 之 間 的 因 果 關 係, 科 學 概 念 的 學 習 與 建 構, 必 需 具 備 探 87 討 變 因 關 係 產 生 解 釋 與 提 出 證 據 支 持 主 張 等 科 學 推 理 能 力 (Kuhn, 2005; Lawson, 2003) Passmore(2002) 主 張, 設 計 科 學 課 程 提 供 學 生 有 機 會 參 與 使 用 修 正 評 估 與 課 程 內 容 相 關 的 多 種 模 型 的 建 模 歷 程, 將 有 助 於 學 生 對 科 學 概 念 的 理 解 Lehrer 和 Schauble(2005) 也 指 出, 兒 童 會 建 構 事 物 的 屬 性 與 描 述 變 化, 對 於 結 構 與 功 能 進 行 猜 測, 並 且 比 較 前 後 屬 性 改 變 的 發 展 階 段 Duschl 等 人 (2007) 也 主 張, 科 學 概 念 的 理 解 需 要 個 人 統 整 許 多 複 雜 形 式 的 知 識, 包 括 對 科 學 的 想 法 想 法 之 間 的 關 係 對 於 這 些 關 係 的 推 理 運 用 想 法 解 釋 與 預 測 其 他 自 然 現 象 的 方 法 以 及 應 用 概 念 到 許 多 事 物 上 Kuhn (2005) 主 張, 科 學 思 考 即 是 以 新 證 據 對 於 心 智 模 型 的 協 調 (Coordinating mental models with new evidence, p69.), 也 是 科 學 探 究 的 核 心 ; 她 明 確 指 出, 學 生 必 須 在 衝 突 的 主 張 之 間, 以 證 據 為 本 作 出 適 當 的 選 擇 Clement (2008) 主 張, 對 學 生 的 科 學 學 習 而 言, 學 生 的 心 智 模 型 會 不 斷 地 隨 著 新 證 據 的 出 現 而 演 化, 科 學 思 考 亦 可 視 為 以 證 據 為 本 的 心 智 模 型 演 化 歷 程 NRC (2000) 提 到 探 究 式 教 學 模 式 具 有 共 同 的 特 徵, 例 如 給 學 生 一 個 問 題, 然 後 用 動 手 做 實 驗 來 測 試 假 設 形 成 解 釋 再 分 析 詮 釋 其 收 集 資 料 以 建 立 模 式, 新 知 識 形 成, 最 終 是 回 顧 及 評 量 全 部 的 學 習 過 程 李 松 濤 林 煥 祥 洪 振 方 (2010) 提 出, 個 案 教 師 使 用 探 究 教 學 問 題 - 討 論 - 評 量 - 探 索 之 教 學 模 式, 對 於 學 生 進 行 深 度 思 考 是 有 幫 助 的, 而 楊 明 坤 李 建 璋 林 淑 惠 林 依 柔 (2010) 也 提 出 教 師 要 具 有 探 究 學 習 的 能 力 才 能 在 探 究 教 學 活 動 中 適 時 給 學 生 回 饋, 以 期 學 生 主 動 探 究 知 識 洪 振 方 (2010) 指 出 探 究 的 各 個 階 段 都 有 主 要 相 應 的 科 學 思 考 策 略 強 調 透 過 探 究 教 學, 期 望 引 導 學 生 理 解 科 學 概 念 及 達 到 更 高 層 次 的 科 學 思 考 表 1 思 考 導 向 的 探 究 式 學 習 中 與 探 究 有 關 的 科 學 思 考 策 略 ( 洪 振 方,2010) 探 究 的 各 個 階 段 提 出 科 學 問 題 主 要 相 應 的 科 學 思 考 策 略 科 學 探 究 通 常 以 問 題 開 始, 比 較 異 同 或 觀 察 不 一 致 的 結

96 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 形 成 研 究 假 設 設 計 實 驗 蒐 集 與 分 析 資 料 科 學 解 釋 得 出 結 論 交 流 果, 而 提 出 科 學 問 題 能 被 檢 驗 的 科 學 問 題 之 可 能 答 案, 說 明 操 縱 變 因 與 應 變 變 因 之 間 的 關 係 設 計 探 制 實 驗, 一 次 只 變 一 個 變 因, 其 餘 變 因 均 不 變, 以 確 定 假 說 是 否 正 確 記 錄 每 項 變 因 數 據 繪 成 座 標 圖, 橫 軸 是 操 縱 變 因 且 縱 軸 是 應 變 變 因, 藉 著 操 縱 變 因 與 應 變 變 因 的 變 化, 而 作 出 預 測 使 用 科 學 概 念 解 釋 研 究 結 果 中 的 關 聯 性 作 出 結 論 時, 是 否 資 料 分 析 結 果 能 支 持 先 前 的 假 說 交 流 時, 詳 細 說 明 研 究 程 序 和 實 驗 步 驟, 使 他 人 均 可 檢 驗 或 質 疑 三 科 學 模 型 的 探 究 教 學 對 於 學 生 科 學 解 釋 之 影 響 謝 州 恩 與 吳 心 楷 (1995) 指 出, 科 學 解 釋 之 核 心 能 力 包 括 指 出 因 果 關 係 科 學 推 理 能 力 與 使 用 證 據 能 力, 國 小 學 童 科 學 解 釋 能 力 不 佳, 而 探 究 教 學 可 以 增 進 國 小 學 童 科 學 解 釋 能 力 之 成 長 其 研 究 發 現, 學 生 科 學 解 釋 核 心 能 力 以 指 出 因 果 關 係 成 長 最 多, 其 次 是 運 用 推 理 能 力, 最 後 是 使 用 證 據 能 力, 而 且 以 學 生 解 釋 提 出 主 張 成 長 最 快 根 據 上 述 觀 點, 評 價 科 學 解 釋 的 能 力 涉 及 更 高 層 次 的 後 設 思 考 (Kuhn, 2009), 此 即 學 生 在 整 體 的 科 學 解 釋 過 程 中, 對 於 自 己 本 身 以 及 他 人 所 提 出 的 科 學 解 釋, 是 否 具 有 評 價 優 劣 的 能 力 呢? 本 研 究 主 張, 對 於 評 價 科 學 解 釋 的 能 力 可 提 供 教 師 理 解 學 生, 能 否 進 一 步 判 斷 本 身 以 及 他 人 所 提 出 的 科 學 解 釋 之 優 劣 的 能 力, 故 本 研 究 將 對 於 此 向 度 進 一 步 分 析 張 志 康 與 邱 美 虹 (2009) 的 研 究 結 果 亦 指 出, 學 生 的 建 模 能 力 偏 低, 並 與 在 校 理 科 分 數 建 模 能 力, 與 在 校 學 業 成 績 之 間 的 相 關 性 均 達 顯 著 水 準, 低 分 群 學 生 的 建 模 能 力 與 在 校 理 科 分 數 之 相 關 性 亦 達 顯 著 水 準 此 研 究 主 張, 學 生 的 建 模 能 力 與 科 學 學 習 有 關, 了 解 學 生 的 建 模 能 力, 將 可 設 計 有 效 的 教 學 活 動 以 促 進 學 生 的 科 學 學 習 Stewart, Cartier 與 Passmore (2005) 主 張, 建 模 為 本 的 探 究 教 學 (Model based Inquiries, 簡 稱 為 MBI) 可 發 展 學 生 對 於 科 學 之 理 解, 包 括 熟 悉 概 念 理 論 與 模 型, 以 及 能 賞 識 知 識 是 如 何 被 創 造 出 來 與 判 斷 知 識 的 合 理 性, 並 讓 學 生 具 有 使 用 這 些 知 識 進 行 探 究 之 能 力 Coll (2005) 指 出, 培 養 學 生 的 建 模 能 力 與 對 模 型 之 理 解 在 其 科 學 學 習 中 是 非 常 重 要 的 Schwarz, Reiser, Davis, Kenyon, Acher, Fortus, Swartz, Hug 與 Krajcik (2009) 即 指 出, 必 須 將 模 型 作 為 解 釋 與 預 測 之 具 有 生 產 力 的 工 具 (Models as generative tools for explaining and prediciting), 建 模 之 目 的 即 在 於 發 展 與 測 試 學 生 的 想 法 Stewart, Passmore, Cartier, Rudolph 與 Donovan (2005), 以 及 Windschitl, Thompson 與 Braaten (2007) 亦 主 張, 建 模 為 本 的 探 究 教 學 是 一 種 新 的 科 學 方 法 與 研 究 科 學 教 學 的 新 典 範 Khan (2007) 以 建 模 為 本 進 行 探 究 教 學 的 研 究 中 指 出, 透 過 師 生 之 間 的 互 動, 對 於 學 生 之 假 說 的 產 生 評 鑑 與 修 正 形 成 一 種 教 學 循 環 的 型 態 (cyclical pattern), 讓 學 生 能 夠 參 與 探 究 和 模 型 的 建 構 與 修 正, 學 生 也 因 此 獲 得 過 程 技 能 與 達 成 科 學 課 程 的 學 習 目 標 就 學 生 在 不 同 學 科 之 學 習 上 的 差 異 而 言,Clement (2008) 指 出, 生 物 常 常 從 觀 察 多 個 案 例 的 關 係 中, 運 用 推 理 能 力 而 非 進 行 實 驗 ; 但 是 物 理 與 化 學 則 多 由 實 驗 思 維 實 驗 或 心 智 模 擬 來 建 立 模 型 Stewart 等 人 (2005) 指 出, 建 模 為 本 的 探 究 教 學 中, 學 生 需 要 具 體 的 表 徵 工 具 (concrete representational tools) 以 便 討 論 抽 象 的 實 體 (abstract entities) 建 模 為 本 的 探 究 教 學 乃 藉 由 學 生 的 探 究 過 程 以 獲 得 證 據 為 主, 學 生 在 建 構 模 型 之 後 所 達 成 的 共 識 可 能 為 誤 或 不 符 合 科 學 模 型, 也 可 能 不 是 建 構 在 正 確 的 科 學 概 念 的 基 礎 上, 必 須 以 科 學 概 念 為 本 方 能 建 構 正 確 的 科 學 模 型 此 外, 通 常 學 生 無 法 從 探 究 自 然 現 象 的 經 驗 中, 即 自 行 提 出 正 確 無 誤 的 科 學 概 念, 必 須 藉 由 教 師 引 介 與 說 明 方 能 提 供 學 生 理 解 科 學 概 念 (Lawson, 1995), 缺 乏 教 88

97 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 師 的 概 念 引 介 這 項 重 要 的 教 學 成 分, 欠 缺 教 師 明 示 科 學 概 念 的 教 學 階 段 時, 即 使 學 生 從 探 究 中 獲 得 自 然 現 象 的 規 律 性 或 證 據 並 達 成 共 識, 也 無 法 以 科 學 概 念 為 本 而 建 構 出 科 學 模 型 因 此, 經 上 述 的 文 獻 探 討, 以 建 模 為 本 的 探 究 教 學 成 分 中, 除 了 應 包 括 探 究 教 學 的 重 要 階 段, 包 括 實 驗 設 計 進 行 實 驗 與 收 集 和 分 析 資 料 等 指 導 學 生, 也 必 須 適 切 地 加 入 概 念 引 介 的 成 分 方 屬 完 整 叁 研 究 方 法 根 據 研 究 目 的 研 究 問 題 與 上 述 的 文 獻 探 討, 本 研 究 旨 在 探 討 科 學 模 型 的 探 究 教 學 對 於 學 生 科 學 解 釋 能 力 的 影 響, 本 研 究 採 用 準 實 驗 研 究 法, 設 計 喝 水 鳥 科 學 模 型 提 供 實 驗 組 理 解 熱 與 溫 度 的 科 學 概 念 與 增 進 其 科 學 解 釋 能 力, 並 選 擇 一 組 採 用 教 科 書 教 學 為 主 的 對 照 組, 藉 以 比 較 兩 組 學 生 在 教 學 處 理 前 後, 其 科 學 解 釋 所 包 括 各 項 能 力 之 差 異 是 否 達 顯 著 水 準 本 研 究 以 國 小 自 然 科 學 課 本 的 內 容, 經 個 案 教 師 提 供 科 學 模 型 的 探 究 教 學 活 動 中 引 導 學 生 能 增 進 科 學 解 釋 能 力 研 究 者 經 蒐 集 量 化 與 質 性 資 料, 如 : 科 學 解 釋 前 後 測 教 室 錄 影 問 卷 訪 談 學 生 成 品 學 習 單 等, 分 為 量 化 前 後 測 資 料 與 質 性 的 方 法 分 析 一 研 究 對 象 與 情 境 本 研 究 之 研 究 對 象 為 高 雄 市 區 的 某 大 型 國 民 中 學, 全 校 班 級 數 81 班, 創 校 21 年, 活 動 空 間 較 大, 教 學 時 不 易 受 干 擾 研 究 者 即 個 案 教 師, 曾 任 國 中 各 年 級 自 然 科 教 師 十 年, 對 於 科 學 探 究 教 學 建 模 與 科 學 模 型 相 當 熟 稔, 長 期 實 作 而 研 製 許 多 實 體 的 科 學 模 型 作 為 科 學 教 學 之 教 具 採 用 方 便 取 樣, 本 研 究 以 自 然 科 學 習 成 就 相 近 的 兩 班 八 年 級 學 生 作 為 實 驗 組 與 對 照 組, 兩 班 各 有 28 位 學 生, 每 班 男 女 生 各 14 人, 皆 分 成 人 數 不 等 距 的 異 質 分 組 ( 各 5 組 ), 每 組 男 女 生 人 數 不 均 二 活 動 設 計 本 研 究 以 科 學 模 型 探 究 教 學 與 根 據 教 科 書 為 本 的 教 學 方 式, 分 別 對 實 驗 組 與 對 照 組 進 行 教 學, 科 學 模 型 探 究 教 學 主 要 採 用 引 導 式 探 究 方 式 (guided-inquiry) 進 行 教 學 模 組 課 程 設 計 改 編 八 年 級 上 學 期 某 版 本 之 自 然 科 教 科 書, 研 究 範 圍 為 4 個 子 科 學 模 型 探 究 教 學 活 動, 以 熱 與 溫 度 單 元 所 涉 及 的 科 學 概 念 為 主, 並 要 求 學 生 儘 量 以 科 學 證 據 為 本 進 行 科 學 解 釋 茲 將 本 研 究 之 課 程 設 計 詳 加 說 明 如 下 : ( 一 ) 喝 水 鳥 科 學 模 型 探 究 教 學 喝 水 鳥 科 學 模 型 (drinking bird scientific model) 涉 及 許 多 科 學 概 念, 例 如 水 的 蒸 發 蒸 發 造 成 溫 度 降 低 相 對 溫 度 熱 的 傳 導 等 概 念, 如 圖 1 所 示 : 吸 水 海 綿 包 覆 頭 部 導 流 管 裝 有 乙 醚 的 玻 璃 圖 1 喝 水 鳥 模 型 承 上 所 述, 因 喝 水 鳥 科 學 模 型 涉 及 許 多 科 學 概 念, 故 可 再 分 解 為 各 項 子 模 型 來 進 行 探 索 與 設 計 科 學 活 動, 如 圖 2 所 示 圖 2. 喝 水 鳥 科 學 模 型 涉 及 的 科 學 概 念 根 據 圖 2 喝 水 鳥 科 學 模 型 的 各 項 子 模 型 所 涉 及 的 科 學 概 念 與 其 相 關 的 探 究 教 學 活 動, 分 別 敘 述 如 下 : 1. 蒸 發 與 溫 度 變 化 - 溫 度 計 模 型 裝 水 高 腳 杯 89

98 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 如 圖 3 溫 度 計 模 型 所 示, 沾 有 水 的 濕 棉 花 置 於 密 閉 的 玻 璃 球 型 之 愛 情 溫 度 計 上 頭, 濕 棉 花 因 蒸 發 使 得 上 頭 溫 度 下 降, 使 得 內 部 液 體 上 升, 此 實 驗 效 果 類 似 在 愛 情 溫 度 計 或 溫 度 計 底 部 加 熱 此 科 學 模 型 探 究 教 學 活 動 可 提 供 學 生 類 比 為 喝 水 鳥 科 學 模 型, 因 喝 水 鳥 之 頭 部 吸 水 與 蒸 發, 使 得 溫 度 因 而 下 降 之 概 念 理 解 降 溫 升 溫 2. 溫 度 對 於 體 積 變 化 的 影 響 - 氣 球 縮 脹 模 型 ( 如 圖 4 所 示 ) 氣 球 縮 脹 模 型 除 了 提 供 學 生 理 解 氣 球 中 的 氣 體 受 熱 膨 脹, 而 遇 冷 則 收 縮, 本 研 究 更 進 一 步 讓 學 生 預 測 當 氣 球 灌 滿 水 時, 是 否 同 樣 會 受 熱 膨 脹, 而 遇 冷 收 縮 呢? 此 目 的 在 於 澄 清 喝 水 鳥 科 學 模 型 的 永 動 機 制, 主 要 是 密 閉 容 器 內 的 氣 體 比 液 體 更 易 受 溫 度 影 響 而 產 生 體 積 的 變 化 之 概 念, 以 期 學 生 統 整 愛 情 溫 度 計 與 溫 度 計 模 型 而 理 解 與 應 用 上 述 概 念 浸 泡 冷 水 ( 冰 塊 ) 圖 3 溫 度 計 模 型 圖 4 氣 球 縮 脹 模 型 濕 棉 花 溫 水 浸 泡 熱 水 濕 棉 花 溫 壓 定 律 - 液 氣 增 壓 模 型 ( 如 圖 5 所 示 ) 氣 體 受 熱 較 液 體 更 易 膨 脹 的 原 理, 雖 然 已 於 上 述 第 1 項 溫 度 計 模 型 與 第 2 項 氣 球 縮 脹 模 型 中 進 行 探 究 教 學 活 動, 提 供 學 生 有 初 步 的 概 念 理 解, 本 研 究 再 設 計 液 氣 增 壓 模 型 探 究 教 學, 進 一 步 澄 清 學 生 上 可 能 存 有 的 迷 思 概 念 如 圖 5 所 示, 以 兩 只 同 一 種 底 部 鑽 有 小 洞 的 寶 特 瓶, 分 別 裝 入 不 同 水 量 時, 將 高 溫 的 熱 水 淋 於 裝 水 較 少 空 氣 含 量 多 的 寶 特 瓶, 將 比 裝 水 較 多 空 氣 含 量 少 的 寶 特 瓶 噴 水 較 遠, 藉 此 科 學 模 型 的 探 究 教 學, 再 提 供 學 生 進 一 步 澄 清 與 應 用 第 1 項 和 第 2 項 所 習 得 的 科 學 概 念 圖 5 液 氣 增 壓 模 型 4. 槓 桿 原 理 - 力 矩 模 型 力 矩 模 型 則 旨 在 提 供 學 生 理 解 槓 桿 兩 端 等 長 時, 其 物 重 一 端 會 傾 斜, 物 輕 一 端 會 上 升 的 概 念 提 供 上 述 本 研 究 所 設 計 的 四 項 科 學 模 型, 提 供 學 生 進 行 科 學 探 究 以 理 解 其 所 屬 科 學 概 念, 應 有 助 於 學 生 進 一 步 理 解 喝 水 鳥 科 學 模 型 的 永 動 機 制, 並 且 學 習 這 些 熱 與 溫 度 的 相 關 概 念 ( 二 ) 運 用 模 型 對 於 其 他 現 象 進 行 預 測 與 解 釋 的 挑 戰 問 題 Schwarz 等 人 (2009) 主 張, 必 須 將 模 型 視 為 一 種 解 釋 與 預 測 現 象 之 具 有 生 產 力 的 工 具, 強 調 建 構 模 型 的 目 的 就 是 發 展 想 法 與 測 試 想 法 Stewart, Cartier, & Passmore(2005) 指 出, 在 建 模 的 課 室 中, 對 於 學 生 理 解 科 學 內 涵 就 是 他 們 能 作 出 合 理 的 主 張, 並 期 盼 學 生 能 設 身 處 地 思 考 他 們 自 己 的 思 考 反 思 的 實 務 則 涉 及 學 生 對

99 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 於 模 型 之 解 釋 且 能 運 用 此 模 型 引 導 其 探 究 能 力 以 及 理 解 與 參 與 評 價 科 學 模 型 的 能 力 因 此, 在 學 生 建 構 出 正 確 的 喝 水 鳥 模 型 後, 進 一 步 了 解 學 生 能 否 將 建 模 的 歷 程 與 習 得 的 科 學 概 念 應 用 於 解 決 新 的 問 題, 再 以 愛 情 溫 度 計 與 尿 尿 小 童 兩 項 和 熱 與 溫 度 相 關 的 科 學 教 具, 作 為 檢 視 學 生 運 用 喝 水 鳥 建 模 歷 程 對 於 新 問 題 情 境 之 科 學 解 釋 能 力 三 資 料 蒐 集 本 研 究 設 計 喝 水 鳥 科 學 模 型 為 本 位 的 探 究 教 學, 採 用 在 溫 度 與 熱 單 元 的 教 學 期 間, 故 本 研 究 所 自 行 編 製 之 測 驗 題 本, 以 熱 與 溫 度 單 元 涉 及 的 科 學 概 念 為 主, 並 包 括 能 評 量 學 生 指 出 因 果 關 係 能 力 科 學 推 理 能 力 使 用 證 據 能 力 以 及 評 價 科 學 解 釋 能 力 每 一 題 皆 包 括 能 測 驗 學 生 上 述 四 項 能 力 之 子 題, 全 對 給 5 分, 漏 答 或 部 分 錯 誤, 則 該 子 題 給 0 分 例 如, 題 目 1. 試 根 據 表 1, 回 答 下 列 各 問 題 表 1 水 的 加 熱 實 驗 變 因 實 驗 水 量 (CC) 加 入 的 色 素 加 熱 時 間 ( 分 鐘 ) 初 溫 ( ) 末 溫 ( ) 紅 色 紅 色 綠 色 綠 色 指 出 因 果 關 係 能 力 測 驗 請 你 從 上 述 各 實 驗 中, 判 斷 加 熱 時, 加 入 水 的 色 素 之 顏 色 是 否 影 響 水 溫 的 變 化? 答 : 並 請 你 寫 出 你 的 理 由 : 2. 科 學 推 理 能 力 測 驗 請 你 從 上 述 各 實 驗 中, 判 斷 加 熱 時, 影 響 水 溫 變 化 的 主 要 因 素 有 哪 些 呢? 答 : 3. 使 用 證 據 能 力 測 驗 請 你 從 上 述 各 實 驗 中, 你 根 據 哪 幾 個 實 驗 來 判 斷 加 熱 時 間 愈 長 時, 水 溫 變 化 愈 大 或 愈 小 呢? 答 : 91 並 請 你 寫 出 你 判 斷 的 理 由 : 4. 評 價 科 學 解 釋 之 能 力 測 驗 假 如 媽 媽 急 著 煮 開 水, 泡 150cc 的 牛 奶 餵 小 寶 寶 小 華 說 : 以 較 少 而 溫 度 較 低 的 水 來 煮 比 較 快! 因 為 水 量 愈 少 溫 度 愈 低, 水 溫 上 升 較 快 請 你 評 價 小 華 說 的 方 法 與 解 釋 是 否 合 理 呢? 答 : 你 認 為 合 理 或 不 合 理 的 理 由 是 什 麼? 答 : 四 資 料 分 析 根 據 各 項 資 料 的 性 質, 發 展 了 不 同 的 分 析 方 法 來 回 答 本 研 究 的 研 究 問 題 科 學 解 釋 能 力 前 後 測 的 題 目, 分 析 各 科 學 解 釋 能 力 的 成 長, 並 以 質 性 方 法 分 析, 分 成 提 出 主 張 使 用 證 據 運 用 推 理 能 力 三 項 作 分 析, 比 較 前 後 測 學 生 的 成 長 問 卷 的 問 題 使 用 相 同 的 質 性 方 法 分 析 教 室 錄 影 的 資 料 作 為 檢 核 與 解 釋 量 化 資 料 的 結 果 另 外, 就 本 研 究 的 設 計 有 關 信 效 度 的 部 分 : 前 後 測 問 卷 與 訪 談 經 其 他 非 研 究 班 級 學 生 試 測, 進 行 修 改, 並 委 請 一 位 資 深 的 自 然 科 教 師 作 為 本 研 究 科 學 解 釋 前 後 測 的 專 家 效 度 而 質 性 資 料 邀 請 4 位 研 究 者, 協 助 錄 影 資 料 編 碼 的 信 度 分 析 本 研 究 根 據 不 同 來 源 的 資 料 所 得 結 果, 再 進 行 信 度 的 三 角 校 正 肆 研 究 結 果 與 討 論 一 兩 組 學 生 指 出 因 果 關 係 能 力 之 差 異 實 驗 組 與 對 照 組 在 實 驗 處 理 前 後 之 指 出 因 果 關 係 測 驗 得 分, 經 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 考 驗 後,F= 3.5,p=.07, 大 於.05, 未 達 顯 著 水 準, 符 合 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 檢 定 兩 組 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差, 如 表 2 所 示 :

100 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 表 2 指 出 因 果 關 係 測 驗 之 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差 組 別 實 驗 組 對 照 組 學 生 數 調 整 前 的 平 均 數 調 整 前 的 標 準 差 調 整 後 的 平 均 數 調 整 後 的 標 準 差 由 表 2 得 知, 兩 組 在 指 出 因 果 關 係 測 驗 得 分 中, 調 整 後 平 均 數 為 實 驗 組 (M= 3.9) 優 於 對 照 組 (M= 2.9), 共 變 數 分 析 結 果 如 表 3 所 示 : 表 3 指 出 因 果 關 係 測 驗 之 共 變 數 分 析 摘 要 表 變 異 來 源 SS df MS F Sig. Partial Eta Squared 共 變 項 ( 前 測 分 數 ) 組 間 ( 教 學 模 式 ) 誤 差 *** p<.001 由 表 3 得 知,F= 35.5,p=.000 小 於.001), 達 顯 著 水 準, 效 果 量 為.4 大 於.14, 顯 示 在 教 學 處 理 後, 實 驗 組 在 指 出 因 果 關 係 測 驗 成 績 的 表 現, 優 於 對 照 組, 且 具 有 高 度 的 效 果 量 二 兩 組 學 生 科 學 推 理 能 力 之 差 異 兩 組 學 生 在 實 驗 處 理 前 後 之 科 學 推 理 能 力 測 驗 得 分, 經 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 考 驗 後,F=.88,p=.35 大 於.05, 未 達 顯 著 水 準, 符 合 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 檢 定 兩 組 在 科 學 推 理 能 力 測 驗 得 分 之 調 整 前 後 的 平 均 數 與 標 準 差, 如 表 4 所 示 : 表 4 科 學 推 理 能 力 之 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差 組 別 實 驗 組 對 照 組 學 生 數 調 整 前 的 平 均 數 調 整 前 的 標 準 差 調 整 後 的 平 均 數 調 整 後 的 標 準 差 表 4 顯 示, 兩 組 調 整 後 平 均 數, 實 驗 組 (M= 127.2) 優 於 對 照 組 (M= 117.1) 共 變 數 分 析 結 果, 如 表 5 所 示 : 表 5 科 學 推 理 能 力 測 驗 得 分 之 共 變 數 分 析 摘 要 表 變 異 來 源 SS df MS F Sig. Partial Eta Squared 共 變 項 ( 前 測 分 數 ) 組 間 ( 教 學 模 式 ) 誤 差 * * p<.01 由 表 5 得 知,F= 13.3,p=.001 大 於.01, 達 顯 著 水 準, 效 果 量 為.20 大 於.14, 表 示 實 驗 組 在 科 學 推 理 能 力 的 表 現 優 於 對 照 組, 具 有 高 度 的 效 果 量 三 兩 組 學 生 使 用 證 據 能 力 之 差 異 兩 組 學 生 在 實 驗 處 理 前 後 之 使 用 證 據 能 力 測 驗 得 分, 經 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 考 驗 後,F= 1.58,p=.21 大 於.05, 未 達 顯 著 水 準, 符 合 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 檢 定 兩 組 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差, 如 表 6 所 示 : 表 6 使 用 證 據 能 力 測 驗 之 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差 組 別 實 驗 組 對 照 組 學 生 數 調 整 前 的 平 均 數 調 整 前 的 標 準 差 調 整 後 的 平 均 數 調 整 後 的 標 準 差 表 6 顯 示, 調 整 後 平 均 數 為 實 驗 組 (M= 6.7) 大 於 對 照 組 (M= 5.1), 共 變 數 分 析 結 果 如 表 7 所 示 : 92

101 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 表 7 使 用 證 據 能 力 測 驗 之 共 變 數 分 析 摘 要 表 變 異 來 源 共 變 項 ( 前 測 分 數 ) 組 間 ( 教 學 模 式 ) SS df MS F Sig. Partial Eta Squared 誤 差 ***p<.001 由 表 7 得 知, 經 過 共 變 數 分 析 後,F= 24.9,p=.000 (<.05), 達 顯 著 水 準, 效 果 量 為.32 大 於.14, 顯 示 實 驗 組 在 使 用 證 據 能 力 的 表 現 優 於 對 照 組, 具 有 高 度 效 果 量 四 兩 組 學 生 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 之 差 異 兩 組 學 生 在 實 驗 處 理 前 後 之 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 測 驗 得 分, 經 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 考 驗,F= 2.1,p=.15 大 於.05, 未 達 顯 著 水 準, 符 合 組 內 回 歸 係 數 同 質 性 檢 定 兩 組 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 之 得 分, 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差 如 表 8 所 示 : 表 8 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 得 分 之 調 整 前 後 平 均 數 與 標 準 差 組 別 實 驗 組 D1 對 照 組 D2 學 生 數 調 整 前 的 平 均 數 調 整 前 的 標 準 差 調 整 後 的 平 均 數 調 整 後 的 標 準 差 由 表 8 顯 示, 調 整 後 平 均 數 為 實 驗 組 (M= 59.4) 大 於 對 照 組 (M= 52.7), 共 變 數 分 析 結 果 如 表 9 所 示 : 93 表 9 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 之 共 變 數 分 析 摘 要 表 變 異 來 源 共 變 項 ( 前 測 分 數 ) 組 間 ( 教 學 模 式 ) SS df MS F Sig. Partial Eta Squared 誤 差 **p<.01 由 表 9 得 知,F= 13.2,p=.001 小 於.01, 達 顯 著 水 準, 效 果 量 為.200 大 於.14, 表 示 實 驗 組 在 科 學 解 釋 的 評 價 之 表 現 優 於 對 照 組, 具 有 高 度 的 效 果 量 五 探 討 科 學 模 型 本 位 探 究 教 學 對 於 學 生 科 學 解 釋 能 力 之 影 響 綜 合 上 述 一 至 四 點, 實 驗 組 學 生 在 指 出 因 果 關 係 科 學 推 理 能 力 使 用 證 據 能 力 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 等 四 個 層 面, 皆 優 於 對 照 組 且 達 顯 著 水 準, 而 上 述 四 個 層 面 皆 為 科 學 解 釋 能 力 的 主 要 成 分, 因 此, 科 學 模 型 為 本 位 的 探 究 教 學 對 於 學 生 科 學 解 釋 能 力, 優 於 教 科 書 為 本 位 的 教 學 成 效 伍 結 論 與 建 議 根 據 本 研 究 結 果 與 討 論, 實 驗 組 學 生 在 科 學 解 釋 能 力 優 於 對 照 組, 且 達 顯 著 水 準, 並 具 有 高 度 實 驗 效 果 量 本 研 究 顯 示, 科 學 模 型 為 本 位 的 探 究 教 學 增 進 學 生 科 學 解 釋 能 力, 優 於 以 教 科 書 本 位 的 教 學 方 式 因 此, 本 研 究 根 據 研 究 結 果 提 出 以 下 科 學 教 學 與 研 究 上 的 建 議 : 1. 科 學 教 學 增 進 學 生 科 學 解 釋 能 力 : 提 供 學 生 適 當 的 科 學 模 型 進 行 探 究 教 學, 將 有 助 於 提 升 學 生 的 科 學 解 釋 能 力, 包 括 指 出 因 果 關 係 科 學 推 理 能 力 使 用 證 據 能 力 對 於 科 學 解 釋 的 評 價 等 四 個 層 面 本 研 究 以 教 科 書 熱 與 溫 度 單 元 為 例, 設 計 與 喝 水 鳥 科 學 模 型 相 關 的 各 個 子 模 型, 提 供 學 生 對 於 這 些 子 模 型 進 行 探 究 實 驗, 未 來 將 可 進 一 步 發 展 其 他 各 單 元 適 切 的 科 學 模 型, 有 助 於 學 生 建 構 與 這 些 單 元 相 關 的

102 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 科 學 概 念 並 提 升 其 科 學 解 釋 能 力 2. 探 討 科 學 模 型 為 本 位 的 探 究 教 學 增 進 學 生 科 學 解 釋 能 力 之 機 制 : 以 本 研 究 為 例, 可 進 一 步 探 討 喝 水 鳥 相 關 的 各 子 模 型, 對 於 學 生 學 習 科 學 概 念 以 及 學 生 對 於 探 究 科 學 模 型 的 歷 程, 學 生 何 時 產 生 認 知 衝 突 發 生 概 念 改 變 何 時 讓 學 生 重 新 建 構 或 澄 清 概 念 以 及 何 時 能 適 切 地 運 用 習 得 的 科 學 概 念 進 行 適 切 的 科 學 解 釋 了 解 此 機 制 將 有 助 於 教 師 與 研 究 者 進 一 步 理 解 與 發 展 適 切 的 科 學 模 型 參 考 文 獻 1. 李 松 濤 林 煥 祥 洪 振 方 (2010) : 探 究 式 教 學 對 學 童 科 學 論 證 能 力 影 響 之 探 究 科 學 教 育 學 刊,18(3), 邱 美 虹 (2007) : 模 型 與 建 模 能 力 之 理 論 架 構 中 華 民 國 第 二 十 三 屆 科 學 教 育 學 術 研 討 會 高 雄 : 國 立 高 雄 師 範 大 學 3. 封 中 興 洪 振 方 (2011) : 以 建 模 為 基 礎 的 論 證 教 學 模 式 之 初 探 研 究 物 理 教 育 學 刊,12(1), 張 志 康 與 邱 美 虹 (2009): 建 模 能 力 分 析 指 標 的 發 展 與 應 用 - 以 電 化 學 為 例, 17(4), 洪 振 方 (2000) : 近 代 科 學 的 發 展 台 北 : 台 灣 書 店 6. 洪 振 方 (2010) : 思 考 導 向 的 探 究 式 學 習 對 國 二 學 生 科 學 探 究 能 力 的 影 響 科 學 教 育 學 刊,18(5), 楊 明 坤 李 建 璋 林 淑 惠 林 依 柔 (2010) : 探 究 式 教 學 融 入 國 小 高 年 級 數 學 領 域 學 習 之 行 動 研 究 --- 以 體 積 單 元 為 例 屏 東 教 大 科 學 教 育,32, 謝 州 恩 吳 心 楷 (1995) 探 究 情 境 中 國 小 學 童 科 學 解 釋 能 力 成 長 之 研 究 師 大 學 報 : 科 學 教 育 類,50(2), Acher, A., Arca,M., & Sanmarti, N. ( 2007). Modeling as a teaching learning process for understanding materials: A case study in primary education. Science Education, 91(3), Clement, J. J. (2008). Creative Model Construction in Scientists and Students: The Role of Imagery, Analogy, and Mental Simulation. Dordrecht: Springer Coll, R. K. (2005). The role of models and analogies in science education: implications from research. International Journal of Science Education, 27(2), Develaki, M. (2007). The model-based view of scientific theories and the structuring of school science programmes. Science & Education, 16(7), Gilbert, S. W. (1991). Model building and definition of science. Journal of Research in Science Teaching, 28, Gilbert, J. K., & Boulter, C. J. (eds.) ( 2000). Developing Models in Science Education. Dordrecht: Kluwer. 15. Gilbert, J. K. (2004). Models and modeling: routes to more authentic science education. International Journal of Science & Math Education, 2, Hacking, I. (1983). Representing and Intervening. Cambridge, UK: Cambridge University Press. 17. Jonassen, D. (2008). Model Building for Conceptual Change. In S. Vosniadou (Ed.), International handbook of research on conceptual change (pp ). New York: Taylor & Francis - Routledge. 18. Justi, R., & Driel, J. (2005). A case study of the development of a beginning chemistry teacher's knowledge about models and modeling. Science Education, 35(2), Khan, S. (2007). Model-based inquiries in chemistry. Science Education, 91(6), Kipnis, N. (1998). The nature of science in international science education standards documents. In W. F. McComas (Ed.). 21. Kuhn, D. (2005). Education for thinking. Cambridge, MA: Harvard. University Press. 22. Lehrer, R., & Schauble, L. (2005). Developing modeling and argument in elementary grades. In Romberg, T. A., Carpenter, T. P., & Dremock, F. (Eds.) Understanding mathematics and science matters. (pp 29-53). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

103 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 23. Lawson, A. E. (2003). The neurological basis of learning, development and discovery. Boston: Kluwer Academic Publishers. 24. Lee, M. H. (1999). On models, modeling and the distinctive nature of model-basde reasoning. AI Communications, 12, Magnani, L. (2004). Model-based and manipulative abduction in science. Foundations of Science, 9(3), National Research Council. (1996).The national science education standards. Washington, DC : National Academy Press. 27. Schwarz, C., Reiser, B., Davis, E., Kenyon, L., Acher, A., Fortus, D., Swartz, Y., Hug, B., & Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners. Journal of Research in Science Teaching, 46, 6, Stewart, J., Cartier, J. L., & Passmore, C. M. (2005). Developing understanding through model-based inquiry. In National Research Council, How students learn: History, mathematics, and science in the classroom. Committee on How People Learn, A Targeted Report for Teachers, M. S. Donovan and J. D. Bransford, Editors. Division of Behavioral and Social Sciences and Education. Washington, DC: The National Academies Press, pp Stewart, J., Passmore, C., Cartier, J., Rudolph, J., & Donovan, S. (2005). Modeling for understanding in science education. In T. A. Romberg, T. P. Stewart, J., Passmore, C., Cartier, J., Rudolph, J., & Donovan, S. (2005). Modeling for understanding in science education. In T. A. Romberg, T. P. Carpenter, & F. Dremock (Eds.), Understanding mathematics and science matters (pp ). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. 30. Windschitl, M., Thompson, J., & Braaten, M. (2007). Beyond the scientific method: Model-based inquiry as a new paradigm of preference for school science investigations. Science Education, 92,

104 D2-4 單眼相機微距器材融入國中自然光學教學的設計 單眼相機微距器材融入國中自然光學教學的設計 林瑞文 高雄市立左營國中 聯絡人 摘要 數位單眼相機所用的微距鏡動輒萬元起跳 所以有些新手會使用 窮人的微距鏡 -近攝環與倒接鏡頭的方式達到近攝的目的 本文將此兩種近攝器材的原理以 5E 學習 環的模式設計成教案 作為國中理化光學的補充教材 讓學生以課本所學的透鏡成像 知識加以延伸思考 進而探究此兩種近攝器材的原理 教案設計藉由透鏡成像作圖引 導學生思考應如何改變物距與像距 才能使微小物體在感光元件上形成較大的清晰成 像 希望藉由本教材讓學生體會雖然相機鏡頭是複雜的鏡片組 但其成像原理仍能用 單一透鏡的成像加以理解 故學習貴在深耕基礎 關鍵詞 國中光學教學 近攝 微距鏡 義 發展相關的科學字彙 提供經驗 加 強學生對的知識的瞭解 4.精緻化階段(簡稱E4)的目的是讓學生將 他們所領悟到的概念應用或轉移到不同的 情境中 重點放在應用在學生的日常生活 與事件上 可以將類似的過程和概念與其 壹 5E 學習環教學模式 5E 學習環教學法(5E learning cycle teaching strategies)是富含建構主義精神的 教學法 共分為 投入(Engagement) 探索 (Exploration) 解釋(Explanation) 精緻化 (Elaboration) 評鑑(Evaluation) 等五階段 教學流程 分述如下(林曉雯 2001) 1.投入階段 簡稱 E1 的主要目的是引導 學生投入 以學習課程中的主要概念 激 發學習興趣與好奇心 並探知學生先存知 識的瞭解情形與能力 2.探索階段 簡稱 E2 的目的是提供機會 讓學生調查 探討某一觀念 建立一般的 經驗基礎 分享先存知識 然後學生能基 於先存知識與新的經驗 澄清並且提出解 他科目互相連結 5.評量階段(簡稱E5)的主要目的是鼓勵學 生評量他們學到的概念或能力 並提供教 師評鑑學生進步的情形的機會 使學生重 複學習環的不同階段 以促進其概念與技 能的成長與進步 釋 教師促成此一過程需要專注問題 評 量進展 仲裁差異意見 挑戰學生澄清他 們的解說 探討的過程要求手到 也要求 心到 3.解釋階段 簡稱 E3 是要鼓勵學生基於 先存知識與探討經驗做合理的解釋 協助 學生組織 並且澄清說明 使其接近科學 家的觀點 從探討實驗中使用操作型定 在相機感光元件上形成等大小甚至更大的 像 本教案以 5E 學習環模式 藉由對兩 種微距攝影方法--近攝環與倒接鏡頭的探 討 讓學生運用所學的透鏡成像知識 解 釋器材原理 本教案實施時機是在學生學過透鏡成 像作圖 並進行過透鏡成像實驗後 教學 活動共分為三部分 分別是相機成像探 貳 教學設計 單眼相機所用的微距鏡頭可使物體 96

105 討 如何形成微距鏡效果與近攝環研究及 倒接鏡頭形成微距鏡效果的研究 E4 階段 學生運用透鏡成像作圖 討論近 攝環長短不同對放大效果造成的影響 一 相機成像探討 E1 E2 E3 E4 E1 階段 教師提供一小段沖洗好的底片 請同學觀察底片上的像 並討論其成像性 質 E2 階段 進行燭火凸透鏡成像實驗 請同 學記錄當燭火透過凸透鏡形成高0.5cm實 像時的物距及像距 模擬相機底片成像的 形情 E3 階段 請各組討論當照相時的成像條 件 並以嘗試利用透鏡成像作圖法加以解 釋 E4 階段 請各組參考圖 1 以相似形原理 討論當形成實像時 像的放大倍率(像高/ 物高)與像距與物距的比值(像距/物距)有 何關係 圖 2 近攝還 表 1 近攝環的微距效果 圖 1 實像成像圖 二 如何形成微距鏡效果與近攝環研 究 E1 E2 E2 E3 E4 E1 階段 老師展示微距相片(表1右下角的 相片) 並解釋微距鏡的定義 E2 階段 再次進行凸透鏡成像實驗 使 用與上次相同的燭火 請同學記錄當像高 為1.0cm時的物距與像距 比較兩次實驗中 像距與物距比值的大小 E2 階段 學生歸納出相機要拍出微距效 果時 所應達到的條件 E3 階段 教師以實物介紹近攝環(圖2) 分別接上不同長短的近攝環 比較像距與 物距比值大小並討論所拍出相片的差別 (參考表1) 97

106 未使用近攝環 套接1號近攝環 套接(1+2)號近攝環 套接(1+2+3)號近攝環 表 2 倒接鏡頭的微距效果 定焦鏡頭正接 標準鏡頭正接 定焦鏡頭倒接 標準鏡頭倒接 三 倒接鏡頭形成微距鏡效果的研究 E1 E2 E3 E5 距離的意義 並展示兩顆鏡頭倒接鏡頭拍出微距 E1 階段 老師運用圖3解釋鏡頭上標示最短對焦 E2 階段 老師讓同學由相機螢幕觀看倒接鏡頭 效果的相片(表2) 98

107 的結果 陳裕方 李文德(2005) 5E 建構式學習環教學與 E3 階段 老師請同學利用圖4解釋倒接鏡頭的效 一般教學法探究 生鏽 概念改變成效之研究 台 果 北市立教育大學 科學教育研究與發展季刊39期 pp 巨眼之門網站 2006 年 2 月 7 日 基礎攝 影光學理論 取自 m 圖 3 最短對焦距離 圖 4 倒接鏡頭成像圖 E5 階段 教師請學生判斷一般鏡頭可伸縮的自 動數位相機 其中有如圖5的轉盤 如果要拍清 楚較遠的物體 需把轉盤向甲方向推 此時鏡頭 會如何移動 其原因為何 圖5 自動相機鏡頭伸縮轉盤 參考文獻 林曉雯 (2001) 國小自然科教師試行 學習環 之合作行動研究 屏東師院 屏東師院學報 14 期pp

108 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 D2-5 溝 通 能 力 融 入 5E 探 究 式 教 學 對 九 年 級 學 生 學 習 成 效 影 響 - 以 電 路 單 元 為 例 溝 通 能 力 融 入 5E 探 究 式 教 學 對 九 年 級 學 生 學 習 成 效 影 響 - 以 電 路 單 元 為 例 1 林 建 隆 1 黃 子 欣 國 立 彰 化 師 範 大 學 物 理 系 2 國 立 彰 化 師 範 大 學 科 學 教 育 研 究 所 聯 絡 人 phljl@cc.ncue.edu.tw 摘 要 本 研 究 將 溝 通 能 力 融 入 5E 探 究 式 教 學, 設 計 國 中 電 路 單 元 教 學 模 組 採 詮 釋 性 研 究, 探 討 教 學 模 組, 對 學 生 溝 通 能 力 與 探 究 能 力 的 影 響 本 研 究 對 象 為 中 部 一 所 大 型 國 中 常 態 班 的 九 年 級 一 個 班 學 生 32 人, 教 學 設 計 依 照 本 研 究 發 展 的 溝 通 能 力 融 入 5E 探 究 式 教 學 模 組, 研 究 工 具 包 含 電 路 單 元 成 就 測 驗 電 路 單 元 學 習 單 3C 素 養 量 表 資 料 蒐 集 包 括 : 成 就 測 驗 前 後 測, 學 習 單, 課 室 錄 影 錄 音 轉 錄, 師 生 晤 談 資 料 主 要 以 質 性 資 料 為 主, 量 化 資 料 為 輔 本 研 究 發 現 : 在 探 究 能 力 方 面, 研 究 班 級 在 學 習 成 就 有 顯 著 的 進 步 (t=-8.165), 科 學 探 究 能 力 教 學 後 有 顯 著 的 進 步 (t = ), 並 發 現 :1. 學 生 會 開 始 提 問 2. 回 答 由 簡 單 到 複 雜 3. 面 對 問 題 會 由 試 誤 法 轉 變 成 有 計 畫 的 嘗 試 4. 學 生 能 運 用 圖 表 工 具 整 理 出 實 驗 的 結 果 5. 學 生 能 藉 由 實 驗 的 成 果 得 到 結 論 在 溝 通 能 力 方 面 研 究 班 級 的 溝 通 能 力 也 有 顯 著 的 進 步 (t = ), 並 發 現 :1. 學 生 的 表 達 由 被 動 到 主 動 2. 學 生 能 利 用 口 語 或 文 字 圖 表 符 號 的 方 式 描 述 資 料 間 的 關 係 3. 學 生 能 分 辨 同 儕 訊 息, 提 出 不 同 看 法 4. 學 生 能 判 斷 同 儕 的 訊 息 提 出 自 己 的 看 法 5. 能 根 據 同 儕 意 見 修 正 自 己 的 意 見 關 鍵 詞 : 溝 通 能 力 探 究 式 教 學 電 路 單 元 2 100

109 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 D2-6 運 用 論 證 教 學 策 略 發 展 國 小 科 學 展 覽 社 團 之 研 究 運 用 論 證 教 學 策 略 發 展 國 小 科 學 展 覽 社 團 之 研 究 陳 健 忠 1,3 林 煥 祥 2 王 志 賢 國 立 東 華 大 學 2 國 立 中 山 大 學 3 宜 蘭 縣 二 城 國 小 蔡 宜 珍 3 張 耀 坤 聯 絡 人 95p4001@ems.ndhu.edu.tw 摘 要 本 研 究 利 用 一 年 的 時 間, 透 由 參 與 觀 察 的 方 式, 來 探 討 運 用 論 證 教 學 策 略 發 展 國 小 科 學 展 覽 社 團 之 可 行 性, 進 而 建 立 國 小 科 學 展 覽 社 團 的 實 施 流 程 本 研 究 的 教 師 團 隊 皆 為 宜 蘭 縣 郊 區 某 國 小 教 師, 每 位 教 師 皆 具 有 豐 富 的 科 展 指 導 經 驗, 參 與 學 生 皆 為 國 小 四 年 級 以 上 學 童 十 二 位 在 此 培 訓 課 程 中, 研 究 者 發 現 :( 一 ) 以 論 證 教 學 為 基 礎 的 培 訓 課 程, 對 科 學 展 覽 作 品 的 完 整 性 似 乎 有 著 正 向 的 效 果 ;( 二 ) 科 學 展 覽 作 品 應 從 尋 找 合 適 且 新 穎 的 研 究 主 題 與 研 究 目 的 著 手 ;( 三 ) 科 學 展 覽 活 動 雖 然 著 重 學 生 的 主 動 學 習, 但 科 學 展 覽 作 品 仍 需 要 由 指 導 老 師 進 行 掌 控 整 體 架 構 關 鍵 詞 : 論 證 教 學 科 學 展 覽 非 制 式 學 習 壹 研 究 背 景 與 重 要 性 培 養 具 有 科 學 素 養 的 公 民 是 科 學 教 育 的 核 心, 目 的 在 於 讓 學 童 具 有 獨 立 思 考 及 合 理 判 斷 能 力 ( 教 育 部,2008;AAAS, 1990), 儘 管 科 學 探 究 能 力 是 學 童 需 具 備 的 基 本 能 力 (NRC, 1996; OECD, 2006), 但 礙 於 教 學 現 場 的 限 制, 教 學 者 無 法 逃 脫 教 師 主 導 的 教 學 情 境 (Duschl & Osborne, 2002), 因 此 若 能 在 課 餘 時 間 安 排 探 究 活 動, 學 童 將 有 更 多 自 我 探 究 的 空 間 (Abd-El-Khalick et al. 2004) 受 到 此 潮 流 影 響, 科 學 展 覽 比 賽 逐 漸 強 調 思 考 與 判 斷 能 力, 主 題 也 聚 焦 在 日 常 生 活 的 問 題, 期 待 提 昇 問 題 解 決 能 力 ( 國 立 台 灣 科 學 教 育 館,2011) 本 研 究 的 論 證 教 學 是 依 據 Newton 等 人 (1999) 論 證 模 式 (Toulmin, 1958) 為 基 礎 所 設 計 的 引 導 活 動, 論 證 模 式 包 含 資 料 (data) 主 張 (claim) 推 論 (warrant) 依 據 (backing) 及 反 證 (rebuttal) 等 五 個 要 項 ( 如 圖 1) 資 料 推 論 依 據 3 主 張 反 證 圖 1 Toulmin 的 論 證 模 式 (Toulmin, 1958) 完 整 的 科 學 展 覽 活 動 包 含 提 出 問 題 設 計 實 驗 收 集 數 據 提 出 討 論 及 形 成 結 論 等 五 個 階 段 ( 黃 嘉 郁,2003), 儘 管 這 五 個 階 段 和 論 證 模 式 不 盡 相 同, 然 而 Chen 等 人 (2009) 提 到 : 當 數 據 和 結 論 不 一 致 時, 牽 動 的 是 整 個 作 品, 甚 至 影 響 作 品 的 完 整 性 與 嚴 謹 性, 故 未 來 的 活 動 中, 若 能 把 論 證 活 動 當 作 基 礎 課 程, 將 有 助 於 學 童 建 立 整 體 性 與 邏 輯 性 因 此, 研 究 者 將 論 證 模 式 發 展 出 新 的 研 究 架 構, 如 圖 2 所 示 總 的 來 說, 本 研 究 將 以 論 證 教 學 策 略 為 主 軸, 來 發 展 一 套 科 學 展 覽 社 團 的 實 施 流

110 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 程, 進 而 提 昇 學 童 從 事 科 學 展 覽 所 需 的 學 展 覽 探 究 活 動 : 十 二 名 學 生 分 別 找 出 探 究 能 力 六 個 研 究 主 題, 學 生 根 據 實 驗 主 題, 提 資 料 實 驗 數 據 結 論 主 張 報 告 分 享 理 論 反 證 依 據 與 回 饋 原 理 論 證 模 式 要 素 討 論 論 證 教 學 活 動 科 展 作 品 內 容 推 論 貳 研 究 方 法 圖 2 研 究 架 構 參 與 本 研 究 的 教 師 團 隊 皆 為 自 然 與 生 活 科 技 領 域 教 師, 其 中, 二 位 具 有 科 學 教 育 研 究 所 碩 士 學 位, 其 餘 二 位 為 數 理 教 育 學 系 畢 業, 教 師 有 多 年 指 導 科 學 展 覽 的 經 驗 參 與 本 研 究 的 學 生 為 四 年 級 以 上 之 學 生, 十 二 位 學 生 皆 自 願 參 與 本 活 動 本 研 究 採 用 參 與 觀 察 的 方 式, 來 探 索 學 校 在 經 營 科 學 展 覽 社 團 中 可 行 之 實 施 策 略, 所 收 集 的 資 料 有 討 論 記 錄 錄 影 討 論 大 綱 與 開 放 式 問 卷 學 生 筆 記 教 師 省 思 札 記 錄 影 訪 談 上 課 教 材 與 科 展 成 果 等 內 容 參 結 果 與 討 論 一 科 學 展 覽 社 團 學 習 活 動 的 擬 訂 與 實 施 ( 一 ) 科 學 展 覽 社 團 的 學 習 活 動 1. 培 養 基 礎 能 力 : 閱 讀 書 籍 與 探 索 生 活 環 境 是 學 童 尋 找 科 學 展 覽 研 究 主 題 的 重 要 來 源, 像 會 過 濾 的 食 鹽 水 就 是 從 書 籍 中 所 聯 想 到 的 研 究 主 題 ; 建 築 物 上 的 植 物 則 是 從 生 活 環 境 中 所 形 成 的 研 究 主 題 本 研 究 以 科 學 實 驗 書 籍 為 題 材, 讓 學 童 親 身 體 驗 一 連 串 的 科 學 探 究 活 動, 進 而 培 養 基 本 的 科 學 過 程 技 能 本 研 究 於 暑 假 期 間 每 天 安 排 一 小 時 的 同 儕 互 動 時 間, 讓 學 童 能 介 紹 自 己 的 實 驗 活 出 了 實 驗 目 的, 訂 定 了 實 驗 流 程, 進 行 了 實 驗 ( 或 觀 察 ) 活 動, 記 錄 與 分 析 了 實 驗 結 果 然 而, 所 訂 定 實 驗 流 程 只 是 暫 時 性, 它 必 須 經 過 一 再 地 嘗 試 與 修 正, 學 生 才 能 慢 慢 找 出 合 適 的 實 驗 流 程 2. 師 生 互 動 : 當 學 生 參 與 探 究 活 動 後, 許 多 問 題 便 隨 之 而 來, 像 架 構 完 整 性 器 材 精 密 度 流 程 可 行 性 結 果 代 表 性 及 結 論 可 靠 性 等, 皆 超 出 學 生 能 力 可 以 處 理 的 範 圍, 為 了 解 決 這 一 連 串 的 問 題, 每 週 乙 次 的 師 生 互 動 可 適 時 地 協 助 學 生 所 面 臨 的 問 題 3. 作 品 的 報 告 及 回 饋 : 報 告 與 回 饋 是 學 生 修 正 科 學 展 覽 作 品 的 過 程, 當 學 生 報 告 自 己 的 作 品 時, 不 但 可 以 加 深 對 作 品 的 熟 悉 度, 還 可 以 培 養 上 台 的 穩 定 度 當 報 告 者 完 成 報 告 時, 聆 聽 者 則 必 須 提 出 回 饋, 如 此 的 歷 程, 不 但 有 助 於 報 告 者 反 思 自 己 的 作 品, 而 且 可 培 養 聆 聽 者 的 回 饋 能 力 4. 科 學 學 習 活 動 : 論 證 教 學 模 式 是 本 研 究 發 展 科 學 展 覽 社 團 課 程 的 核 心 概 念, 透 由 論 證 教 學 活 動 中 強 調 資 料 (data) 與 主 張 (claim) 的 關 聯 性, 來 引 導 學 生 思 考 數 據 與 結 論 間 的 緊 密 性, 進 而 擴 展 到 整 件 作 品 的 完 整 性, 即 帶 領 學 生 檢 視 作 品 內 容 的 嚴 謹 程 度 科 學 應 用 能 力 亦 成 為 本 研 究 所 重 視 的 教 學 目 標 之 一, 例 如 : 水 火 箭 活 動 及 投 石 車 製 作, 期 待 培 養 學 生 具 備 科 學 應 用 的 能 力 觀 察 是 所 有 實 驗 活 動 的 基 礎, 唯 有 建 立 學 生 敏 睿 的 觀 察 力, 學 生 才 容 易 產 生 新 奇 的 發 現, 本 研 究 安 排 了 觀 察 教 學 活 動, 期 待 學 生 能 從 細 心 的 觀 察 中, 發 掘 出 更 廣 更 深 入 的 觀 察 結 果 ( 二 ) 召 開 科 學 教 育 團 體 座 談 會 動, 同 時 針 對 別 人 的 報 告 提 供 回 饋 科 透 由 第 一 次 座 談 會 規 劃 出 從 欣 賞 102

111 大自然之美到體驗科學之美 的願景 其中不但涵蓋了科學教育的意涵 即科 教學法 其目的在於希望學生能有根據的 提出自己的想法 經過這一年來的嘗試 學教育為瞭解大自然現象的一個學 科 亦符合了科學展覽活動的目標 科 展作品應有其重複出現的一致性及預 測性 第二次聚焦在實施情況的檢 討 透由專家學者的指導 除了讓學生 瞭解科學展覽作品的問題 也讓指導老 師思考如何修正科學展覽活動的規 劃 讓課程內容更符合學生的需求 研究者發現到論證模式的要項可以來引導 學生建立科展作品的內容 像動機 問題 實驗 結果及結論等 問題有如研究主題 研究目的類似與主題有關的原因與條件 實驗過程則是針對每個原因或條件所設計 的實驗流程 結果則是實驗流程所產生的 數據 從數據中所試著去找出想法來回答 研究的主題 即當時所產生的原因 最後 要去看看想法與主題之間的關聯性 三 演講活動 在第一場中 講師先以歷年科展指 導作品為例 說明科學展覽活動的指導 歷程 從問題的尋找 流程的規劃 到 結果的整理 不但讓學生瞭解到科學展 覽作品的製作過程 而且也讓研究團隊 教師吸收到不同的帶領經驗 在第二場 中 講師先介紹青少年發明展活動 透 由小小的問題 來啟發學生思考問題的 解決策略 進而引導找出問題與設計解 四 科學展覽社團的實施流程 為了發展科學展覽社團 本校以黃嘉 郁 2003 所提出的五個科學展覽活動為 基礎 搭配科展作品成果的八個要項 國 立台灣科學教育館 2011 經過一年的實 施與檢討 初步規劃出科學展覽社團的實 施流程 如圖 3 形成 問題 決的方式 接著說明引導學生進行科學 展覽活動的歷程 利用學習單來引起學 生的思考 再透由討論來尋找可行的實 驗流程 進而收集到合適的實驗結果 提出精湛的實驗結論 設計 實驗 研究 主題 研究 動機 研究 目的 尋找 主題 想法 來源 條件 原因 比較 實驗 器材 修正 圖3 收集 數據 提出 討論 形成 結論 實驗 過程 實驗 數據 研究 討論 研究 結論 實驗 流程 實驗 數據 實驗 討論 實驗 結論 修正 反思 反思 科學展覽社團實施流程圖 肆 省思與建議 二 學生參與科學展覽活動的學習成果 經過一年的參與 學生從喜愛科學 實驗 慢慢轉變喜歡參與科學展覽活 在此培訓課程架構中 研究者發現學 生的科展作品架構似乎更為嚴謹 尤其是 動 甚至能一個沒有什麼概念的初學者 轉型為實事求是的實作者 學生不但對 科學展覽有著約略的認識 甚至對於科 學展覽活動的內涵也有深入的體會 更 重要的是學生不再害怕科學 而是慢慢 想要接觸科學 實驗流程 實驗數據 實驗討論與實驗結 論等之間的關聯性更為密切 因此 研究 者認為培訓課程對學生在完成科展作品的 完整性有著正向的效果 當學生接受了進行一年的培訓課程 後 參賽作品卻未得到評審的賞識 我們 開始反省 這樣的科展作品到底有什麼問 題呢 難道是我們忽略了什麼關鍵之處 呢 經過研究小組的討論後 我們推測 三 參與科學展覽社團的教師專業成長 論證教學法是最近科學教育中新與的 103

112 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 應 該 是 研 究 主 題 與 研 究 目 的 出 現 了 問 題, 儘 管 科 展 作 品 具 備 完 整 性, 若 沒 有 一 個 新 穎 的 主 題, 仍 舊 無 法 獲 得 他 人 的 青 睞 在 培 訓 課 程 中, 學 生 與 指 導 老 師 的 互 動 來 產 生 了 暫 時 性 結 論, 進 一 步 要 求 學 生 能 從 實 驗 數 據 找 出 證 據 來 支 持 結 論, 雖 然 可 建 立 學 生 結 論 需 要 有 實 驗 數 據 來 支 持 的 想 法, 但 是 從 實 驗 數 據 進 行 討 論, 甚 至 形 成 研 究 結 論, 需 要 未 來 更 多 的 努 力 才 行 在 科 學 教 育 專 家 學 者 的 互 動 中, 我 們 得 到 一 個 新 穎 的 想 法 : 雖 然 科 學 展 覽 活 動 著 重 學 生 的 主 動 學 習, 然 而 科 學 展 覽 作 品 的 整 體 架 構 仍 需 要 指 導 老 師 進 行 掌 控, 即 給 予 學 生 自 我 探 究 的 同 時, 教 師 需 掌 握 好 研 究 的 方 向, 讓 學 生 能 朝 向 更 合 適 的 目 標 進 行, 而 非 全 然 由 學 生 來 進 行 整 體 研 究 備 註 : 本 研 究 由 教 育 部 九 十 八 學 年 度 中 小 學 科 學 教 育 專 案 計 畫 提 供 經 費 補 助, 特 別 感 謝 教 育 部 宜 蘭 縣 政 府 教 育 處 及 國 立 台 灣 師 範 大 學 科 學 教 育 中 心 等 單 位 的 協 助, 讓 本 研 究 得 以 順 利 完 成 伍 參 考 文 獻 一 國 立 台 灣 科 學 教 育 館 (2011): 中 華 民 國 中 小 學 科 學 展 覽 會 實 施 要 點 台 北 市 ; 國 立 台 灣 科 學 教 育 館 二 黃 嘉 郁 (2003): 給 有 意 從 事 科 展 的 青 年 學 子 如 何 完 成 一 件 的 優 秀 作 品 科 學 教 育 月 刊,265,31-36 三 Abd-El-Khalick, F., BouJaoude, S., Duschl, R., Lederman, N. G., Mamlock, R., Hofstein, A., Niaz, M., Treagust, D., & Tuan, H. (2004). Inquiry in science education: international perspectives. Science Education, 88, 四 Chen, J. J., Lin, H. S., Hsu, Y. S., Lee, H. (2009). Data and claim: The refinement of science fair work through argumentation. Paper presented at the annual meeting of National Association of Research in Science Teaching (NARST 2009), Orange County, CA, April 17-21, 五 Duschl, R. & Osborne, J. (2002). Supporting and Promoting Argumentation Discourse in Science Education. Journal of Studies in Science Education, 38, 六 Newton, P., Driver, R., & Osborne, J. (1999). The place of argumentation in the pedagogy of school science. International Journal of Science Education, 21, 七 OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development). (2006). Assessing scientific, reading, and mathematical literacy: A framework for PISA Paris: OECD. 104

113 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 壁 報 論 文 摘 要 ~~MEMO~~ 105

114 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 系 專 題 研 究 課 程 介 紹 與 檢 討 * 王 建 亞 江 文 中 江 丕 智 吳 慧 敏 周 玉 蟇 黃 信 健 程 思 誠 鄒 忠 毅 蔣 幼 齡 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cichou@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 本 系 自 2004 年 開 始, 對 專 題 研 究 課 程 進 行 了 一 系 列 的 改 革 並 取 得 了 一 定 的 成 果 我 們 想 藉 本 次 物 理 教 學 會 議, 介 紹 這 套 課 程 的 理 念 與 實 施 方 式 給 與 會 同 行 參 考 傳 統 物 理 系 教 育 採 用 的 是, 大 班 的 課 堂 理 論 學 習 與 實 驗 習 作 方 式 進 行 教 學, 並 以 刪 除 法 逐 漸 篩 選 出 適 合 從 事 進 階 物 理 研 究 工 作 的 人 員 但 是 近 十 年 來, 在 廣 設 大 學 政 策 與 少 子 化 趨 勢 下 我 們 觀 察 到, 除 了 頂 尖 的 大 學 外, 傳 統 物 理 教 育 方 式 並 不 能 符 合 一 般 大 學 物 理 系 學 生 的 需 要 除 了 提 高 同 學 的 程 度 外, 我 們 必 須 使 用 一 套 方 法 幫 助 同 學 尋 找 他 們 的 興 趣, 激 發 他 們 的 熱 情, 協 助 他 們 完 成 大 學 階 段 的 代 表 作 品, 讓 他 們 在 畢 業 時 有 信 心 與 有 能 力 邁 向 下 一 個 階 段 基 於 以 上 考 慮, 我 們 逐 漸 發 展 出 了 一 套 專 題 課 程 這 個 課 程 的 實 施 方 式 有 幾 個 特 色 : 第 一 : 長 時 間 實 施 大 二 上 開 設 書 報 討 論 課 程, 同 學 在 此 觀 摩 與 欣 賞 物 理 學 的 新 進 展, 作 為 選 擇 方 向 的 參 考 大 二 下 至 大 四 開 設 專 題 討 論 一 二 三 及 專 題 研 究 課 程, 同 學 在 此 進 行 他 所 選 定 主 題 的 深 入 研 究 第 二 : 所 有 同 學 參 與 同 學 必 須 修 一 個 書 報 討 論, 至 少 兩 個 專 題 課 程 第 三 : 本 系 所 有 老 師 參 與 這 非 常 重 要, 可 以 產 生 接 下 來 的 兩 個 好 處 與 特 色 第 四 : 師 徒 制 的 教 育 方 式 由 於 每 個 老 師 的 學 生 不 會 太 多, 可 以 進 行 師 徒 制 的 教 育 方 式 學 生 學 習 到 的 不 只 是 科 學 方 法 與 知 識, 也 受 到 老 師 的 身 教 第 五 : 多 樣 的 選 擇 性 由 於 所 有 老 師 參 與, 同 學 可 選 擇 以 不 同 主 題 與 方 式 進 行 專 題 在 主 題 方 面, 他 可 以 選 擇 理 論 實 驗 與 計 算 等 方 面 在 進 行 方 式 上, 對 於 想 投 身 物 理 研 究 的 同 學, 可 以 參 加 老 師 目 前 的 研 究 工 作 對 於 想 進 入 業 界 的 同 學, 可 以 挑 選 實 作 練 習 對 於 想 要 準 備 研 究 所 考 試 或 出 國 的 同 學, 他 可 以 針 對 一 個 主 題 研 讀 相 關 文 獻 並 報 告 第 六 : 多 元 評 量 方 式 同 學 在 專 題 課 程 的 學 期 中, 必 須 進 行 期 中 開 題 報 告 與 期 末 成 果 報 告 這 些 報 告 以 發 表 會 方 式 進 行, 評 審 包 含 本 系 老 師 及 校 友 同 學 在 這 些 發 表 會 上 不 僅 可 以 練 習 口 頭 報 告 技 巧, 也 可 以 聽 到 不 同 師 長 的 意 見 最 後 同 學 必 須 在 學 期 末 繳 交 一 份 統 一 格 式 ( 包 含 題 目 中 英 文 摘 要 內 文 參 考 資 料 與 工 作 日 誌 ) 的 書 面 報 告, 並 進 而 練 習 寫 作 技 巧 經 過 幾 年 的 實 施 之 後, 可 以 歸 納 出 幾 個 成 效 首 先 是, 提 高 了 同 學 的 學 習 意 願 我 們 常 看 到 一 些 原 本 不 怎 麼 用 功 的 同 學, 願 意 用 很 多 的 時 間 來 完 成 他 有 興 趣 的 專 題, 並 且 也 較 願 意 花 時 間 在 其 他 課 上 其 次, 提 高 了 同 學 的 自 信 心 當 同 學 的 專 題 完 成 後, 他 不 僅 經 歷 過 校 內 的 幾 次 測 試, 有 些 成 果 好 的 同 學 還 將 成 果 發 表 在 校 內 壁 報 論 文 比 賽 或 校 外 學 術 研 討 會 上 最 後, 同 學 也 在 各 老 師 的 身 教 之 下, 逐 漸 學 到 了 一 個 科 學 工 作 者 的 態 度 106

115 中國文化大學物理專題教育成果 以奈米碳管為基材之 生物感測器 梁原肇藍建智藍永智吳慧敏 中國文化大學物理系 聯絡人 摘要 原肇的話 基於國 高中參與科展 藉由觀察 假設 實驗 等訓練培養出對科學的濃厚興趣 也屢屢得到不錯的成績 上了大學藉著這一股熱忱 積極尋找極為興趣的實驗室 最 後選擇了吳慧敏老師的實驗室 開始一連串實驗生活 剛開始都是著手於閱讀文獻 了解生物感測器相關領域的實驗原理及技術 不避諱的 是閱讀第一篇文獻真的困難重重!!幸好實驗室的學長 姐皆會在旁協助 引導 這種 傳習風氣相當好 如今閱讀文獻已是基本能力 有了基礎概念後 著手設計實驗 這 過程更加艱辛 架構一奈米碳管生物感測器還必須運用到其他領域之觀念 如 物理 化學 生物 材料 等領域 從中還必須與其他實驗室合作 在這一來一往慢慢累積 能量 培養解決問題及獨立思考之能力 當然紙上談兵不如實際操作 失敗根本是家 常便飯 著實的沮喪 但每每如此 都會浮出老師給予我們的一個觀念 失敗的實 驗不見得不好唷!在材料領域裡往往研究出缺陷就是得獎的契機 這一路走來也確實 如此 就是有了這些失敗的經驗 作為我專題研究的墊腳石 且往往為了解決問題還 會發現到另一個世外桃源呢 建智的話 奈米碳管被廣泛應用於生物傳感器的製作上 分散奈米碳管為製作上重要的一部 份 其中有機溶劑的選擇 決定了單壁奈米碳管的分散情形與精準度的好壞 有機溶 劑的極性是使單壁奈米碳管分散的主要因素 由於奈米碳管的糾結屬於靜電力糾結 故在有機溶劑的選用為極性溶液 在極性溶劑裡 選擇了不同分子量與偶極距的差 異 溶劑分散性的好壞也扮演的重要的角色 本實驗採用甲醇 乙醇 異丙醇三種不 同的有機溶劑 將單壁奈米碳管放入甲醇 乙醇 異丙醇三種不同溶劑中 溶劑溶質 之間利用 Dipole-induced dipole 互相作用機制 實驗中利用光學顯微鏡 離心機與 UV/Vis 光譜儀觀察奈米碳管的分散情形 結構性 吸光率的差異 如此一來 判斷此 三種溶液的分散情形 並比較時間與超音波震盪後是否影響分散情形 永智的話 在我剛入學時 首次接觸到固態物理這個領域 發現物理這門學術領域比想像 中的還要更為廣泛 於是並嘗試在本學期進入固態物理這門領域進行研究 我從中學習到了許多的實驗知識和技巧 其中包括了實驗儀器的操作 實驗時 需要注意的事項還有各種生物感測器的製備等等 我也透過閱讀一些物理文獻 學 習他人的想法和經驗 這些文獻裡往往也包含了一些自己所無法理解的地方 藉由 詢問學長和搜尋各種相關資料 來一一理解和解答各種問題的答案 慢慢的來填滿 這塊心中未知的物理領域 將來希望能夠藉由學習到的各種知識來突破各種進行實驗時所遇到的瓶頸 如果 不行就再在換其他的方法和想法試試 直到成功完成實驗 並得到理想的實驗結果為 止 107

116 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 生 長 一 維 氮 化 鎵 奈 米 線 蘇 莊 恆 陳 柏 勳 吳 慧 敏 老 師 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 摘 要 蘇 莊 恆 的 話 本 身 對 於 實 驗 還 蠻 有 興 趣 的, 而 在 大 一 的 時 候 聽 了 學 長 姐 們 的 專 題 報 告, 發 現 了 自 己 對 奈 米 材 料 相 關 的 報 告 印 象 比 較 深 刻, 因 為 能 夠 從 奈 米 等 級 的 材 料 再 經 過 許 多 不 同 的 加 工 製 作 成 發 光 元 件, 這 讓 我 產 生 了 不 少 的 興 趣 在 大 二 的 時 候 我 就 決 定 進 入 了 固 態 物 理 實 驗 室 來 做 專 題 研 究, 而 我 目 前 所 研 究 的 題 目 是 氮 化 鎵 奈 米 線 的 穩 定 製 成, 但 是 在 將 大 量 奈 米 線 製 成 發 光 元 件 的 過 程 中 還 有 許 多 是 我 不 懂 的 未 知 的, 於 是 我 就 先 以 能 夠 穩 定 大 量 的 製 成 氮 化 鎵 奈 米 線 還 有 閱 讀 文 獻 資 料, 為 了 是 能 夠 充 實 自 己 不 足 的 地 方, 在 更 深 入 的 去 了 解 製 成 發 光 元 件 的 過 程 陳 柏 勳 的 話 基 於 對 科 學 的 興 趣, 進 而 選 擇 了 理 工 組, 並 輾 轉 來 到 物 理 系 這 個 大 家 庭, 物 裡 就 像 是 座 連 接 科 學 的 橋 梁, 能 使 我 們 由 物 理 的 角 度, 有 趣 的 看 待 人 事 物 在 大 學 生 活 之 初, 幸 運 的 加 入 了 固 態 物 理 的 專 題 研 究, 也 因 此 對 於 奈 米 線 的 製 程 有 了 更 多 的 了 解, 起 初, 藉 由 閱 讀 相 關 文 獻, 了 解 儀 器 運 作 原 理, 熟 悉 儀 器 操 作, 使 實 驗 更 加 流 暢, 並 進 一 步 調 整 實 驗 參 數, 穩 定 樣 品 製 程, 由 此 觀 察 其 變 化 和 差 異, 相 信 藉 由 接 觸 這 些 訓 練 能 解 決 更 多 實 驗 中 所 遇 到 的 困 難, 也 能 使 大 學 生 活 更 充 實 108

117 中國文化大學物理專題教育成果 研究磁性材料特性 林志勇吳宗翰吳慧敏老師 中國文化大學物理系 聯絡人 摘要 吳宗翰的話 磁性材料在我們生活中非常常見,也給我們生活許多便利,因此我想對磁性材料有 更深入研究,而記憶磁帶給我們更多的便利 對磁記錄介質材料的磁特性要求主要是 (1)適當高的矯頑力 Hc (2)高的飽和磁化強度 Ms (3)高的剩磁比 (4)高的穩定性 目前應用的磁記錄介質材料主要有 (1)鐵氧體磁記錄材料 如 γ 型三氧化二鐵 (γ-fe2o3)等 (2)金屬磁膜磁記錄材料 如鐵-鈷(Fe-Co)合金膜等 (3)鋇鐵氧體 (BaFe12O19)係垂直磁記錄材料等 因此,我們以後希望能在低溫下找到有關記憶磁方 面的新材料,它具備著低矯頑力(Coercivity)高穩定,高頻 等特性 林志勇的話 磁性材料 magnetic materials 你我周遭俯拾即是的材料 較醒目的 如白板上的磁 鐵 磁性跳棋下面的磁石 指南針 錄音帶 磁頭 軟式磁碟片等等 另外有更大量 包裝在某些裝置裏面的磁性材料 如馬達 電視機 變壓器 汽車等等內部 不一而 足 可以說 磁性材料已與現代人的生活息息相關 磁性材料分為三種 硬磁材料----可做為永久磁鐵 軟磁材料----主要在馬達和發電機及變壓器方面 半硬磁材料 可用來儲存資料如 : 硬碟 因此我要測量多種材料的磁化率 矯頑力以期發現新材料對應不同的需求 近期目標及未來期許為下面兩點: 1. 使用現有容易取得的材料嘗試製作樣品進行測量如氧化鐵 過氧化鐵 氧化錳等 材料在不同的條件下的 χac (磁化率) 2. 找尋其它沒人做過的未知材料進行製作 檢測 以期能找到更好的材料 109

118 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 靜 電 紡 絲 製 程 一 維 氮 化 鋁 奈 米 線 楊 志 勇 吳 慧 敏 老 師 1 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 摘 要 當 初 會 接 觸 到 奈 米 材 料 領 域 是 因 為 在 高 中 有 參 加 許 多 物 理 領 域 的 報 告 會 議, 內 容 大 多 以 奈 米 為 主 題 去 延 伸 與 生 活 應 用, 而 我 發 現 傳 統 的 塊 材 材 料 轉 變 成 奈 米 材 料 時 會 產 生 許 多 不 同 的 材 料 特 性 因 此 對 奈 米 材 料 的 製 程 非 常 的 有 興 趣, 希 望 可 以 藉 由 實 驗 來 增 加 自 己 對 於 奈 米 領 域 的 認 識, 所 以 我 加 入 吳 慧 敏 老 師 的 實 驗 室 一 開 始 以 閱 讀 文 獻 為 主, 第 一 次 閱 讀 真 的 是 非 常 困 難, 在 實 驗 室 學 長 姐 的 幫 助 下 我 漸 漸 克 服 閱 讀 的 問 題, 開 始 朝 實 驗 著 手 藉 由 研 讀 奈 米 相 關 文 獻, 結 合 靜 電 紡 絲 技 術 可 以 使 針 頭 噴 出 的 聚 合 物 延 展 後 變 為 奈 米 級 纖 維, 可 讓 表 面 活 性 增 加, 有 助 於 提 高 反 應 良 率, 再 利 用 高 溫 反 應 製 備 出 一 維 氮 化 鋁 奈 米 線 然 而 在 實 驗 過 程 中 難 免 會 遇 到 一 些 較 難 解 決 的 問 題, 如 何 克 服 這 些 問 題 就 是 我 們 必 須 學 習 的 課 題, 在 學 習 克 服 問 題 的 過 程 中, 藉 由 匯 整 問 題 搜 尋 資 料 整 理 結 論 而 得 到 問 題 的 答 案, 在 這 樣 的 過 程 中 雖 然 很 辛 苦, 但 是 找 到 答 案 的 喜 悅 是 無 人 能 及, 藉 由 這 樣 一 點 一 滴 的 累 積 能 奠 定 自 己 解 決 問 題 能 力 的 基 礎 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 探 討 氮 化 鋁 奈 米 陶 瓷 的 介 電 性 質 陳 經 瑞 吳 慧 敏 老 師 1 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 摘 要 在 大 學 一 年 級 上 實 驗 課 時 頗 興 奮 地, 或 許 因 為 比 起 其 他 人, 我 在 高 中 的 實 驗 經 驗 特 別 少 當 我 知 道 在 大 二 有 專 題 的 時 候, 就 已 經 打 算 參 與 一 些 有 關 動 手 做 實 驗 的 專 題 在 固 態 物 理 實 驗 室, 看 到 奈 米 材 料, 不 敢 想 像 奈 米 材 料 在 大 學 可 以 經 由 自 己 手 可 以 做 出, 燃 起 了 對 奈 米 材 料 的 興 趣, 因 此 就 選 擇 了 固 態 物 理 實 驗 室 進 行 專 題 研 究 一 開 始 先 以 閱 讀 文 獻 了 解 奈 米 世 界 為 主, 國 際 期 刊 的 文 獻 閱 讀 起 來 真 是 困 難 重 重, 在 學 長 的 耐 心 指 導 下, 漸 漸 克 服 閱 讀 的 問 題 閱 讀 過 幾 篇 文 獻 後, 開 始 動 手 做 實 驗, 將 氮 化 鋁 奈 米 粉 末 研 磨 後 加 壓 成 錠, 去 進 行 量 測 在 進 行 實 驗 難 免 會 遇 到 一 些 問 題, 克 服 這 些 問 題 也 就 成 為 了 必 修 課 習, 從 彙 整 問 題 尋 找 資 料 整 理 出 問 題 的 答 案 110

119 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 探 討 AlN 奈 米 線 的 製 程 劉 冠 男 吳 慧 敏 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 摘 要 大 一 時 參 觀 固 態 物 理 實 驗 室, 對 製 程 AlN 奈 米 線 有 濃 厚 的 興 趣, 到 了 大 二 開 始 學 習 AlN 奈 米 線 的 製 程 ; 在 學 習 的 過 程 中, 一 邊 閱 讀 文 獻 來 充 實 自 己 對 AlN 奈 米 線 的 知 識, 在 過 程 中 遇 到 不 能 解 決 的 問 題 就 詢 問 學 長, 與 學 長 討 論 如 何 解 決, 一 邊 思 考 可 以 如 何 改 進 製 程 本 實 驗 室 是 使 用 高 溫 爐 燒 結 製 程 AlN 奈 米 線, 製 成 後 使 用 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 檢 測 ; 我 目 前 對 於 AlN 奈 米 線 的 製 程 還 不 夠 穩 定, 希 望 能 夠 製 成 大 量 AlN 奈 米 線 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 用 Easy Java Simulations 模 擬 蛋 白 質 立 體 模 型 許 郁 婕 鄒 忠 毅 * 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cichou@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 老 師 的 話 : 許 郁 婕 同 學 是 本 系 大 三 學 生, 這 篇 報 告 取 材 於 她 的 大 二 下 的 第 一 個 專 題 報 告 許 同 學 這 學 期 專 題 的 主 要 目 的, 是 挑 選 一 個 她 有 興 趣 的 生 物 物 理 題 目 來 練 習 程 式 寫 作, 所 以 我 們 討 論 出 了 這 個 題 目 由 於 Easy Java Simulations 是 一 個 自 由 的 適 用 於 動 畫 模 擬 的 軟 體 同 學 不 必 花 太 多 時 間 在 程 式 寫 作 的 細 節 上, 而 可 以 專 注 在 演 算 法 與 它 背 後 的 原 理 上 由 此, 就 算 是 非 資 訊 專 業 的 同 學 也 可 以 在 較 短 的 時 間 裡 完 成 較 複 雜 的 程 式 郁 婕 的 話 : 這 學 期 的 專 題 目 標 首 先 是 先 學 習 蛋 白 質 的 相 關 知 識, 希 望 了 解 蛋 白 質 的 組 成 和 成 分, 還 有 各 種 結 構 的 形 成 樣 式 再 來 就 是 學 習 如 何 使 用 EJS(Easy Java Simulations) 去 模 擬 出 各 種 蛋 白 質 結 構 的 模 型, 最 後 就 是 做 出 與 真 實 的 蛋 白 質 鏈 相 似 的 蛋 白 質 的 摺 疊 和 螺 旋 結 構 由 於 蛋 白 質 鏈 是 由 多 個 胺 基 酸 結 合 而 成 的, 而 且 蛋 白 質 鏈 裡 面 有 兩 個 被 稱 為 二 面 角 的 角 度 是 可 以 轉 動 的, 所 以 我 們 的 目 標 就 是 建 立 一 個 依 二 面 角 變 化 而 改 變 立 體 結 構 的 蛋 白 質 模 型 具 體 的 做 法 是 先 建 立 一 個 多 原 子 的 胺 基 酸 單 元, 然 後 利 用 EJS 的 矩 陣 與 自 訂 函 數 功 能 建 立 蛋 白 質 鏈 透 過 EJS 的 控 制 介 面, 我 們 可 以 在 程 式 執 行 時 改 變 蛋 白 質 結 構 也 可 以 藉 由 輸 入 真 實 的 蛋 白 質 二 面 角 數 據, 產 生 對 應 的 結 構 經 過 這 次 的 專 題 研 究, 讓 我 學 習 到 了 很 多 有 關 於 蛋 白 質 的 基 本 知 識 同 時 也 學 習 到 如 何 使 用 EJS 寫 程 式, 並 用 它 寫 出 蛋 白 質 的 結 構 模 型 的 模 擬 程 式 關 鍵 詞 :Easy Java Simulations; 蛋 白 質 結 構 111

120 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 利 用 細 胞 自 動 機 模 型 研 究 開 放 道 路 中 的 路 隊 長 現 象 洪 聖 傑 鄒 忠 毅 * 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cichou@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 老 師 的 話 : 洪 聖 傑 同 學 是 本 系 大 四 學 生, 這 篇 報 告 取 材 於 他 的 大 三 下 專 題 報 告 這 個 題 目 屬 於 社 會 物 理 學, 也 就 是 將 物 理 科 學 的 方 法 應 用 到 社 會 現 象 的 一 個 物 理 學 分 支 在 這 個 題 目 上, 研 究 者 將 道 路 上 的 車 輛 視 為 非 牛 頓 粒 子 單 元 透 過 研 究 單 元 間 的 交 互 作 用, 與 調 整 起 始 與 邊 界 條 件, 可 以 得 到 許 多 與 真 實 世 界 現 象 相 符 的 結 果 洪 同 學 在 這 個 題 目 上 已 完 成 了 三 個 專 題 課 程 除 了 專 題 一 二 的 基 本 訓 練 外, 我 們 在 最 近 的 工 作 裡, 看 到 了 文 獻 中 所 未 討 論 的 現 象, 也 即 將 整 理 發 表 我 覺 得, 透 過 這 些 專 題 課 程 的 訓 練, 的 確 可 以 使 我 們 的 學 生 找 到 興 趣 激 發 熱 情 增 強 專 業 能 力 並 完 成 好 的 研 究 成 果 聖 傑 的 話 : 在 這 兩 年 的 專 題 討 論 課 程 中, 我 學 習 了 細 胞 自 動 機 模 型, 並 將 模 型 運 用 在 模 擬 快 速 道 路 上 的 路 隊 長 現 象 路 隊 長 是 我 們 開 車 時 有 時 會 遇 到 前 方 有 特 別 慢 的 車 子, 這 些 車 子 往 往 會 造 成 後 方 車 輛 的 堵 塞 在 這 兩 學 期 的 模 擬 中 我 們 觀 察 到 了 在 封 閉 道 路 的 條 件 下, 單 線 道 時 所 有 的 車 子 會 堵 在 路 隊 長 後 面 ; 但 是 高 密 度 時, 會 出 現 壅 塞 現 象, 此 時 有 沒 有 路 隊 長 並 沒 有 明 顯 差 別 在 雙 線 道 下 低 密 度 時 所 有 的 車 子 會 順 利 的 超 車 ; 但 是 在 密 度 到 達 一 個 臨 界 值 時, 會 有 部 分 的 車 子 無 法 超 車 而 堵 在 路 隊 長 後 面 ; 但 是 在 高 密 度 時, 壅 塞 現 象 出 現, 並 造 成 此 時 有 無 路 隊 長 也 無 明 顯 的 差 別 而 在 開 放 道 路 中, 我 們 也 發 現 了 路 隊 長 所 帶 的 路 隊 長 度 呈 現 了 指 數 遞 減 的 分 佈 在 這 次 的 專 題 討 論 課 程 我 學 到 了 基 本 的 JAVA 程 式 語 言 及 細 胞 自 動 機 的 使 用, 也 學 習 到 如 何 將 細 胞 自 動 機 運 用 在 道 路 交 通 問 題 上, 在 課 程 中 我 們 也 參 加 了 很 多 的 研 討 會, 透 過 研 討 會 的 壁 報 論 文 也 提 昇 了 我 的 文 章 寫 作 能 力, 以 及 口 頭 表 達 的 能 力, 同 時 也 讓 我 對 物 理 程 式 寫 作 以 及 社 會 科 學 交 叉 問 題 更 有 興 趣 關 鍵 詞 : 細 胞 自 動 機 ; 車 輛 動 力 學 ; 壅 塞 現 象 112

121 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 全 像 光 學 元 件 - 同 軸 及 離 軸 式 波 帶 板 的 製 作 許 元 睿 1, 王 建 亞 1 中 國 文 化 大 學 物 理 系 三 年 級 2 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cywang@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 波 帶 板 (Zone Plate) 是 一 種 光 學 元 件, 製 作 基 本 原 理 與 全 像 光 柵 類 似, 利 用 點 光 源 球 面 波 ( 物 光 ) 與 平 面 波 ( 參 考 光 ) 的 干 涉, 產 生 同 心 環 圈 狀 的 建 設 性 和 破 壞 性 干 涉 結 構, 經 過 化 學 反 應 在 感 光 底 片 上 保 存 這 些 環 圈 條 紋 本 報 告 首 先 呈 現 同 軸 式 與 離 軸 式 的 製 作 方 式 與 效 果, 藉 助 光 學 顯 微 鏡 放 大 效 果, 可 以 清 楚 看 到 記 錄 在 底 片 上 的 環 圈 條 紋 結 構 此 外 也 練 習 經 由 旋 轉 底 片, 利 用 重 複 曝 光 方 法, 製 作 產 生 多 個 聚 焦 點 的 波 帶 板 元 件 關 鍵 詞 : 波 帶 板 全 像 光 柵 物 光 參 考 光 2 113

122 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 為 什 麼 又 斷 線 了?! 鄒 老 師 的 話 : 詹 智 傑 黃 聖 崴 蔡 宜 展 葉 靖 華 鄒 忠 毅 * 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cichou@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 這 篇 報 告 是 我 們 系 的 老 師 們, 想 把 專 題 研 究 系 列 課 程 延 伸 到 大 一 的 一 個 新 嘗 試 的 結 果 今 年 度 我 們 在 學 校 的 教 學 卓 越 計 畫 裡, 規 劃 了 一 個 理 學 院 創 新 智 能 科 學 人 文 跨 科 技 人 才 培 育 先 導 計 畫 的 子 計 畫 這 個 子 計 畫 配 合 原 有 的 大 一 物 理 系 與 化 學 系 的 基 礎 科 學 概 論 課 程 實 施, 希 望 由 此 提 高 同 學 的 熱 情 與 能 力 實 施 方 式 除 原 有 課 堂 講 授 科 學 方 法 科 學 內 容 與 科 學 發 展 史 外, 參 加 的 同 學 需 於 學 期 中 前 完 成 分 組 並 選 定 題 目, 然 後 老 師 在 學 期 後 半 依 同 學 題 目 方 向, 安 排 專 家 講 演 與 參 訪 活 動 由 於 同 學 今 年 選 定 的 題 目 多 與 能 源 議 題 有 關, 所 以 我 們 便 安 排 了 台 電 龍 門 電 廠 的 參 訪 與 相 關 的 產 學 界 專 家 演 講 最 後 在 學 期 末, 同 學 便 依 照 課 程 講 授 的 收 集 與 分 析 資 料 方 法, 完 成 期 末 報 告 並 在 期 末 發 表 會 上 以 壁 報 及 口 頭 方 式 報 告 值 得 一 提 的 是 在 期 末 發 表 會 上, 我 們 邀 請 了 本 校 理 學 院 院 長 及 物 理 化 學 系 十 幾 位 老 師 來 做 為 評 審 並 給 予 同 學 意 見 在 期 末 發 表 會 上 的 許 多 報 告 裡, 詹 智 傑 黃 聖 崴 蔡 宜 展 葉 靖 華 這 組 的 工 作 得 到 了 最 多 的 肯 定, 所 以 我 希 望 將 他 們 的 成 果 帶 來 本 次 會 議 與 大 家 交 流 四 位 同 學 的 話 : 我 們 運 用 觀 察 與 分 析 校 園 中 的 Wifi 訊 號 在 空 間 中 的 分 布 情 形, 來 學 習 與 驗 證 無 線 電 波 相 關 之 物 理 概 念, 例 如 : 電 磁 學 波 的 性 質 以 及 無 線 電 波 的 原 理 首 先 我 們 透 過 筆 記 型 電 腦 和 簡 單 的 測 量 軟 體 對 於 校 園 中 的 Wifi 的 分 佈 範 圍 和 強 弱 作 測 量 我 們 做 的 動 作 有 : 找 出 基 地 台 的 位 置 對 單 一 基 地 測 量 其 強 弱 與 距 離 之 關 係 以 及 測 出 校 園 中 基 地 台 wifi 訊 號 分 佈 含 蓋 的 面 積 大 小, 並 從 中 找 出 訊 號 較 差 的 死 角 與 有 良 好 訊 號 強 度 的 區 域 然 後 根 據 測 量 結 果 去 分 析 基 地 台 的 位 置 要 如 何 擺 設, 才 會 達 到 最 佳 效 率 的 應 用 從 上 述 的 結 果 我 們 可 以 進 一 步 去 嘗 試 探 討, 不 同 頻 率 間 的 基 地 台 是 否 有 互 相 影 響 的 問 題 存 在 同 時 也 可 以 延 伸 到 建 築 物 的 材 質 不 同, 對 於 訊 號 的 遮 蔽 或 吸 收 的 干 擾 程 度 的 大 小, 並 對 比 與 wifi 不 同 頻 率 的 無 線 網 路 訊 號 所 受 到 的 影 響 是 否 也 相 同, 也 可 以 在 wifi 的 傳 輸 方 面 與 物 理 的 波 的 性 質 上 做 些 探 討 與 教 學 的 研 究 透 過 完 成 這 個 報 告, 我 們 從 日 常 生 活 的 事 物 中, 學 習 到 了 它 的 物 理 概 念 關 鍵 詞 :Wifi; 訊 號 分 佈 114

123 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 都 市 街 道 標 度 性 質 王 柏 欽 郭 力 云 蔣 幼 齡 * 鄒 忠 毅 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 yuling@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 老 師 的 話 : 柏 欽 和 力 云 都 是 第 一 次 修 專 題 討 論 課 程 的 物 理 系 二 年 級 學 生 柏 欽 利 用 地 理 資 訊 系 統 GIS 討 論 台 灣 都 市 街 道 的 標 度 性 質, 而 力 云 則 利 用 Easy Java Simulation(EJS) 模 擬 都 市 的 形 成 社 會 現 象 的 形 成 複 雜 又 有 趣, 我 們 希 望 能 利 用 物 理 學 和 統 計 的 方 法 從 中 找 到 其 邏 輯 或 普 適 性, 這 樣 的 專 題 不 僅 學 生 很 容 易 入 手, 藉 此 體 會 早 年 學 派 大 師 們 從 混 亂 的 數 據 中 找 到 規 則 的 方 法 和 艱 辛, 更 可 學 習 各 種 科 學 工 具 的 使 用 我 期 望 他 們 在 這 次 專 題 中 能 學 會 找 資 料 閱 讀 論 文 學 習 使 用 科 學 工 具 完 成 簡 報, 以 下 便 是 他 們 學 習 的 成 果 柏 欽 的 話 : 本 學 期 是 我 第 一 次 接 觸 社 會 物 理 學, 這 是 一 門 需 要 大 量 資 料 收 集 與 分 析 的 學 問 老 師 讓 我 研 讀 了 相 關 書 籍, 我 覺 得 很 有 趣, 所 以 就 以 社 會 物 理 學 為 主 的 專 題 作 研 究 正 好 之 前 學 長 有 類 似 的 專 題 可 以 承 接, 讓 我 可 以 真 正 接 觸 社 會 物 理 學 的 領 域 並 延 續 學 長 的 工 作 藉 由 物 理 系 學 長 的 相 關 專 題, 我 先 了 解 台 灣 都 市 街 道 標 度 性 質 的 物 理 意 義 與 現 象 ; 接 著 請 本 校 地 研 所 學 長 教 導 GIS 的 使 用 和 整 理 分 析 街 道 數 據 ; 最 後 利 用 繪 圖 軟 體 Gnuplot 來 繪 製 累 計 分 佈 圖 以 了 解 街 道 的 標 度 性 質 力 云 的 話 : 系 上 有 鄒 忠 毅 和 蔣 幼 齡 老 師 研 究 社 會 物 理 學 的 議 題, 我 修 專 題 討 論 課 程 時 在 老 師 的 指 導 下, 開 始 使 用 EJS 來 模 擬 都 市 的 形 成 我 開 始 構 想 一 個 都 市 的 建 築 和 道 路 形 成 的 規 則, 並 學 習 如 何 將 自 訂 規 則 的 邏 輯 在 EJS 上 用 指 令 實 現 為 使 模 擬 都 市 接 近 真 實, 過 程 中 要 不 斷 修 改 自 訂 規 則 和 在 程 式 中 除 錯 最 後 我 學 習 如 何 完 成 簡 報 和 書 面 報 告 柏 欽 同 學 探 討 了 台 灣 都 市 街 道 的 標 度 性 質, 我 則 可 以 探 討 我 所 模 擬 的 都 市 之 街 道 標 度, 如 此 可 以 將 真 實 與 模 擬 的 都 市 來 做 比 較, 應 該 會 有 有 趣 的 結 論 關 鍵 詞 : 社 會 物 理 學 ;GIS;Gnuplot;EJS 115

124 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 改 善 全 像 光 柵 繞 射 效 率 的 定 性 測 試 陳 俊 杰 1 1 郭 泰 男 許 元 睿 1 周 冠 任 吳 睿 洋 蕭 弘 倫 林 傑 敏 王 建 亞 1 中 國 文 化 大 學 物 理 系 三 年 級 2 中 國 文 化 大 學 物 理 系 二 年 級 3 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cywang@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 本 實 驗 動 機 為 在 全 像 光 柵 的 製 作 經 驗 中, 利 用 氦 氖 雷 射 ( 波 長 632.8nm) 或 半 導 體 雷 射 ( 波 長 671nm), 所 拍 攝 的 光 柵 繞 射 效 果 一 直 不 佳 希 望 經 由 調 整 某 些 拍 攝 步 驟, 達 到 改 善 繞 射 效 率 的 問 題, 對 條 紋 密 度 的 估 算, 也 希 望 有 準 確 方 便 且 不 同 於 傳 統 的 方 法 對 相 同 的 感 光 底 片, 分 析 可 能 影 響 繞 射 效 率 的 原 因 很 多, 包 括 : 雷 射 光 能 量 的 穩 定 度 底 片 曝 光 時 間 顯 影 時 間 顯 影 劑 的 溫 度 定 影 時 間 等, 都 可 能 影 響 成 品 的 效 果 本 報 告 由 七 位 同 學 分 別 只 針 對 其 中 一 個 變 因 ( 固 定 其 他 條 件 ), 所 做 的 定 性 測 試 結 果 所 組 成 首 先 由 氦 氖 雷 射 的 測 試, 找 到 利 用 兩 次 曝 光 方 式 及 提 高 顯 影 劑 溫 度, 可 以 明 顯 增 進 拍 攝 光 柵 效 果 其 後 將 類 似 方 法, 應 用 到 波 長 671nm 的 半 導 體 雷 射 若 定 性 的 只 從 繞 射 頻 譜 圖 的 亮 點 數 目 比 較, 測 試 結 果 顯 示 對 於 半 導 體 雷 射, 若 分 別 採 用 :(1) 曝 光 方 式 為 兩 次,(2) 以 光 度 測 量 計 所 量 度 值 的 6~8 倍 曝 光,(3) 顯 影 劑 溫 度 40,(4) 定 影 3~4 分 鐘, 則 所 製 作 的 全 像 光 柵 會 有 較 好 的 繞 射 效 率 關 鍵 詞 : 全 像 光 柵 氦 氖 雷 射 半 導 體 雷 射 116

125 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 中 國 文 化 大 學 物 理 專 題 教 育 成 果 重 複 曝 光 產 生 多 重 影 像 的 穿 透 式 全 像 片 郭 泰 男 呂 松 霖 王 建 亞 1 中 國 文 化 大 學 物 理 系 三 年 級 2 中 國 文 化 大 學 物 理 系 聯 絡 人 cywang@faculty.pccu.edu.tw 摘 要 老 師 的 話 : 本 報 告 的 原 始 概 念 由 郭 泰 男 所 提 出, 經 測 試 後 與 呂 松 霖 共 同 完 成, 這 套 方 法 的 建 立 使 本 系 應 用 光 學 實 驗 室 製 作 全 像 技 術, 向 前 推 進 一 大 步 一 般 穿 透 式 全 像 片 都 只 有 重 建 參 考 光 方 向 的 立 體 影 像, 本 報 告 將 呈 現 在 一 張 底 片 上 經 由 重 複 曝 光, 記 錄 一 個 物 體 不 同 角 度 的 多 重 立 體 影 像 拍 攝 方 法 只 是 分 別 旋 轉 物 體 和 底 片, 由 於 物 體 與 底 片 旋 轉 後, 物 光 會 改 變, 底 片 處 在 不 同 方 位, 曝 光 時 散 射 在 底 片 上 面 的 物 光 和 參 考 光 進 行 干 涉, 記 錄 在 底 片 不 同 方 位 上 重 建 影 像 時 只 要 在 原 參 考 光 方 向, 旋 轉 底 片 就 能 呈 現 物 體 不 同 方 位 影 像 同 學 的 話 : 一 般 穿 透 式 全 像 片 由 於 固 定 的 參 考 光, 只 能 在 原 參 考 光 的 方 向 重 建 拍 攝 方 位 的 影 像, 無 法 看 到 物 體 其 他 方 位 角 度 影 像 ; 或 觀 看 者 無 法 移 動 觀 察 點, 在 同 一 底 片 看 見 物 體 其 他 方 位 角 度 影 像 本 報 告 首 先 做 以 下 兩 個 實 驗, 說 明 上 述 兩 點 可 經 由 重 複 曝 光 產 生,(1) 將 物 體 與 全 像 底 片 分 別 同 軸 旋 轉 相 同 角 度, 使 不 同 的 物 光 與 參 考 光 干 涉, 拍 攝 完 成 後, 旋 轉 底 片 重 建 不 同 方 位 角 度 的 物 體 影 像 (2) 轉 動 全 像 底 片 平 面, 使 參 考 光 角 度 改 變 和 不 同 的 物 光 做 干 涉, 重 建 影 像 時, 觀 察 者 移 動 看 見 不 同 的 影 像 本 報 告 也 將 這 種 方 法, 應 用 到 母 片 白 光 全 像 片 及 單 步 驟 彩 虹 全 像 片, 做 連 續 12 次 重 複 曝 光, 檢 視 重 建 影 像 並 不 會 有 重 疊 問 題 同 時 也 利 用 光 學 顯 微 鏡, 放 大 漂 白 後 的 底 片, 比 較 不 同 全 像 片 紀 錄 訊 息 的 光 柵 結 構 關 鍵 詞 : 穿 透 式 全 像 片 物 光 參 考 光 母 片 白 光 全 像 片 單 步 驟 彩 虹 全 像 片 117

126 中國文化大學物理專題教育成果 激子-極子的玻色-愛 因斯坦凝聚 林思瑩蔣幼齡* 程思誠 中國文化大學物理系 聯絡人 摘要 老師的話: 系上的專題討論課程是為引起學生學習興趣及驗證課堂理論所設計 在二年級下 學期即開始實施 量子物理課程是大學部高年級課程 當學生想要學習與量子物理相 關的專題時會有一些困難 往往只能靠老師幫忙講解理論和提早閱讀資料 我期望思瑩在這次專題中能學會找資料 閱讀論文 細心推導理論並學習看懂與 修改 Mathematica 程式的參數 以下便是她學習的成果 思瑩的話: 在上學期聆聽程思誠老師演講激子-極子的玻色-愛因斯坦凝聚時 對玻色-愛因斯 坦凝聚產生了興趣 所以我這次的專題研究就以此為題目 希望能深入理解玻色-愛因 斯坦凝聚 藉由研讀過去的相關論文 我先了解玻色-愛因斯坦凝聚 再理解激子和極子這些 玻色子如何被產生 接著學習推導穩態凝聚的極子的波函數和極子分布的函數 最後 我在解凝聚的激子-極子波函數的微分方程式內加入高斯分布的位能項 觀察凝聚的極 子分布產生何種變化 我利用 Mathematica 數學計算軟體求解凝聚態極子的波函數 並畫出穩態的凝聚 極子和非凝聚極子隨空間的分布 最後討論加入高斯分布的位能對極子分布的影響 關鍵詞 激子-極子 玻色-愛因斯坦凝聚 Mathematica 軟體 PVM 及 MPI 影像平行處理 黃郁桂黃信健 中國文化大學物理系 聯絡人 摘要 老師的話 本報告是關於一系列以 Visual Fortran 處理數位影像的研究 我們在上一階段已完 成各種影像的轉換與偵測 本研究繼續探討數位影像 包含碎形圖像的放大與縮小 以之模擬碎形樹的生長 茁壯與枯萎的過程 此外也以先前利用 PVM 與 MPI 解 Laplace equation 的經驗 進一步擴展到影像處理 希望能提升其效率 郁桂的話: 我在開始規畫專題學習時 就想探討生醫影像處理領域 於是就開始依照老師的 指導 學習各種影像擷取技術的原理與應用 及以 matlab 模擬 X 光影像重建 也了解 到影像處理都需要龐大的運算與資料存取 所以繼續學習以 Visual Fortran 達成傅立葉 轉換 Sobel Laplace 及 Hough 線偵測 並利用 PVM 及 MPI 進行數位影像之平行處 理 關鍵詞 Visual Fortran 影像處理 PVM MPI 碎形 118

127 十二年一貫自然與生活科技領域實驗課程之設計與實施 許庭嫚陳怡妏黃郁桂劉韋廷古家豪江丕智黃信健 中國文化大學物理系 聯絡人 摘要 老師的話 本文針對文化大學物理系近十年來所設計與實施的趣味科學實驗做一簡要的報 告 這些實驗是為了引發學生對物理的興趣 提升教學與學習效果而設計 其範圍涵 蓋流體力學 結構力學 光學 電磁學與生理學 適用對象由學前至大學 因此也符 合當前十二年一貫學制之需求 庭嫚的話: 今年暑假 系上辦理了好幾個暑期科學營隊 我幸運獲選 和同學及學長姐組成 輔導團 在老師的教導以及學姐的指導下 把整個活動的實驗都做過了幾遍 並互相 討論過各個實驗所用到的理論 藉由此次機會 讓我跳脫以往只從課本學習的模式 必須透過網路及其他書刊查資料 更廣泛地探討相關的理論 關鍵詞 十二年一貫 自然與生活科技領域 結構力學 光學 生理學 利用 X 光繞射探討人蔘皂苷在脂膜中的狀態 賴瑋婷王柏閔高笙耀黎晉瑞洪偉清 陸軍軍官學校物理系 聯絡人 hung.wc0602@msa.hinet.net 摘要 人參皂苷萃取自人蔘中且大多數的人認為他對健康是有益的 在臨床實驗發現部 分的帶糖的人蔘皂苷具有抗癌 抑制腫瘤轉移及提高人體免疫力的功能 但對於運作 的機制並未清楚地瞭解 本文將利用 X 光多片層繞射技術有系列地探討三種不同的人 蔘皂苷 Rg3 Rh2 及 M1 與脂膜的交互作用 同時也與膽固醇的作用作比較 藉以瞭 解這三種人蔘皂苷對脂膜結構之影響 實驗發現這三種人蔘皂苷均會導致脂膜變薄 這顯示人蔘皂苷僅會在脂膜的親水與厭水介面上而形成表面吸附狀態 而不同於膽固 醇插入脂膜的增厚作用 這結果顯示人蔘皂苷的糖基位置與數量為影響脂膜變薄程度 的控制主因 關鍵詞 X 光多片層繞射 人蔘皂苷 脂膜 119

128 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 薑 黃 素 在 脂 膜 中 對 抗 菌 小 蛋 白 狀 態 之 作 用 賴 亭 緯 蕭 至 洋 刁 仁 豪 吳 東 岳 洪 偉 清 陸 軍 軍 官 學 校 物 理 系 聯 絡 人 摘 要 薑 黃 素 萃 取 自 薑 黃, 長 久 以 來 薑 黃 素 常 用 於 香 料 與 食 物 上, 一 般 認 為 薑 黃 素 具 有 抗 發 炎 及 抗 癌 等 功 用, 在 以 往 的 研 究 中 發 現 薑 黃 素 與 脂 膜 有 很 強 的 作 用, 將 會 導 致 脂 膜 明 顯 的 變 薄 效 應, 而 抗 菌 小 蛋 白 在 脂 膜 中 也 產 生 變 薄 效 應, 但 對 於 薑 黃 素 在 脂 膜 中 將 如 何 影 響 抗 菌 小 蛋 白 的 狀 態 卻 沒 有 相 關 的 研 究 可 以 瞭 解 因 此 本 文 將 利 用 X 光 多 片 層 繞 射 技 術 及 指 向 性 雙 光 譜 儀 (OCD) 及 GUV 實 驗, 一 系 列 地 探 討 薑 黃 素 如 何 調 控 抗 菌 小 蛋 白 的 貫 穿 機 制 由 OCD 實 驗 發 現 薑 黃 素 會 導 致 抗 菌 小 蛋 白 更 容 易 形 成 貫 穿 脂 膜 的 狀 態, 由 LXD 實 驗 發 現 抗 菌 小 蛋 白 的 變 薄 效 應 明 顯 減 弱, 由 GUV 實 驗 也 證 明, 在 水 中 薑 黃 素 會 使 抗 菌 小 蛋 白 更 容 易 形 成 孔 洞 這 顯 示 薑 黃 素 會 先 吸 附 到 脂 膜 並 產 生 明 顯 的 變 薄 效 應 以 取 代 抗 菌 小 蛋 白 的 變 薄 效 應, 因 此 大 量 減 少 頭 部 區 的 空 間, 因 此 導 致 抗 菌 小 蛋 白 再 吸 附 到 脂 膜 時 產 生 更 大 的 形 變 能, 因 此 更 容 易 由 吸 附 表 面 的 狀 態 相 變 成 為 貫 穿 脂 膜 的 狀 態 關 鍵 詞 :X 光 多 片 層 繞 射 指 向 性 雙 光 譜 儀 脂 膜 GUV 120

129 太陽能爐具 洪俊中 吳紘丞 金培豪 許玉晶 吳雨衡 嚴祖強 國立中山大學物理系 聯絡人 摘要 本實驗目的在以促使太陽能熱在日常生活中更為普及與便於實踐 主要利用的原 理為反射定律 物質的熱傳導特性 光學性質與杜爾瓶等 本實驗討論的重點以箱型 爐具為主 除了改善器材的設計 我們亦從保存熱能著手 並選擇不同材料 另一方 面 實驗中亦對不同透光材料作選擇 比較在相同情形之下的加熱效果 希望找出最 合適的工作組合 一般而言細菌的生存溫度為 4~60 為食品危險溫度區間 而澳門民 政總署食品安全資訊網更指出食物內部溫度至少應達到攝氏 75 方為安全 大多數細 菌並無法在此溫度以上生存生長 將此器材運用在實際的烹調中具有重要意義 關鍵詞 太陽能熱 熱物理 太陽能爐具 綠能 箱型爐具 實驗主要針對箱型爐具在結構上的改良 與效率提升多所討論 在後面的篇章中比 較了不同導熱物質與不同光介質的效 果 最後以所採行的實驗方法提出結論 壹 簡介 生熟食是人類社會發展的重要指 標 今日食用熟食是我們所習以為常的 不但熱的來源卻有許多選擇 從最原始的 貳 工作原理 燒柴到後來有了石油和各式電磁加熱器 食物的取得也更加多元 除了要求吃飽更 要求品質與環保 在部分較為貧窮的地 區 環境衛生的提升是相當急迫的 飲用 水的安全更式重要 如何在盡力避免環境 破壞的前提之下 將有限的資源做有效的 運用是當前的課題 太陽能爐具便是在這 樣的背景中誕生的 過去太陽能的重要性之所以一直未 受到應有的重視 除了在於技術與知識上 一 太陽輻射 可見光位於太陽光譜中光強度最強的位 置 我們主要運用的光譜區間以波長小於 2500 奈米為主 紫外線依據波長不同又 分為近 UVA, 400 ~315 nm 中 (UVB, nm 遠 UVC, nm 紫外線 其 中 遠 紫外線對生物較為有 害 大多在臭氧層被吸收 而近紫外線則 可以穿透雲層及玻璃 是利用的重點 紅 的缺乏 還有對其的不可操縱性 受到天 氣與地點影響 相較於更廉價的能源取得 (如 石油)並沒有優勢 但在今天環保與 節能的主流意識下 太陽等永續能源日益 重要 在日照充足地區尤為如此 太陽能 爐具具有廉價與便利的特徵 利用的原理 也相當簡單 各式各樣的設計有不同的特 色與優缺點 但皆是利用 太陽能 本 外線也可分為 紅外線- A IR-A,730~ 3000 nm 紅外線- B ( IR-B, 3 103~ nm 紅外線- C IR-C, 5 104~ 106 nm 三種 由於我們希望利用光譜能量 較高的部分 所以近紅外線(紅外線-A)是 我們關注的焦點 能利用的光譜的範圍越 大 能量越強越多 加熱的的效果越好 121

130 圖 2 (A)反射定律 (B)拋物形爐具[４] 圖 1 太陽輻射光譜波長對幅射照度[3] 二 熱接收與保存 對於太陽輻射接收最為直接的方式 便是對陽光直接反射至待加熱物上 反射 定律更是大多太陽能爐具所運用的原 理 為加強陽光的強度 也可以使反光面 符合特定曲率(如 拋物面等)使陽光更加 集中 表 1[2] 透 可見光 光 紫外線 率 紅外線 (μm) 壓克力 玻璃 92% 86% 73% 0.6% λ<2.8 可通過 0.73<λ<3 可通過 熱 導 率 特 (Wm-1K-1) 性 比 熱 鍍銀的夾層 3.真空夾層 4.瓶蓋 5.外殼 圖３ 杜爾瓶[４] 在箱型爐具中 除了上方開口 外 其餘部分均為杜爾瓶型式的空氣 夾層 但上方接收太陽輻射的透明材 質則顯得相當重要 從下表可以發現 用壓克力製的蓋板可以涵蓋太陽大部 分的光譜 而且壓克力比起玻璃更能 阻止熱能的傳遞 (cal g k ) 密 度 (kg*m ) 1.待保溫之液體 2300 三 熱吸收 當我們在逛夜市時 會發現栗子 通常會跟 沙 一起炒 便是因為沙 土熱容小易升溫能使栗子更均勻的受 熱 另一方面由於沙堆中有許多空 隙 有更好的保溫效果 所以選擇良 好的熱介質相當重要的 杜爾瓶也就是常見的保溫瓶是非常 方便的日常用品 尤其在寒冷的冬天為你 保存了咖啡的溫存 之所以杜爾瓶可以保 存熱能 是由於其內部的真空鍍銀的夾層 將熱傳導降到了最低 同樣的我們也可運 用相同的方式 在爐具四周加上空氣夾層 來阻礙熱的傳導 122

131 必要的熱損失是相當重要的課題 熱容越 大升溫就越困難 降低熱容並增加熱導率 表 2 [1][2] 物 比熱 密度 熱導率 (cal/g/k) (kg/m ) (Wm-1K-1) 空 氣 ~ ~36.13 沙 土 ~ 質 3 紙 變成了我們討論的另一個重點 對此我們 分別比較了金屬容器 空氣 沙土 紙對 於溫度變化的影響 肆 實驗結果 一 蓋板物質對溫度的影響 四 有效溫度 澳門民政總署食品安全中心<處理食 物衞生守則>指出當食物處於 4~60 C 時 會讓細菌大量孳生造成食物中毒 而 60 C 以上則可抑制細菌孳生 而澳門民政總 署食品安全資訊網更直接建議食物中心溫 度至少應該保持在 75 C 上 不同的食材 有不同的溫度安全標準 澱粉類食物 比蛋肉類來得更加安全 參 實驗方法與步驟 圖４ 蓋板物質討論 一 實驗方法 本實驗使用的 直接曝曬法 將太 圖４中的大 中 小分別代表壓可力 保鮮膜 玻璃 從圖中可以很清楚的發現 壓克力在溫度上升過程中的貢獻 符合我 們對壓克力和玻璃對不同光波段透光率的 認識 (另一方面 玻璃雖然略遜於壓克力 的升溫效果但其保溫效果卻勝過保鮮膜與 壓克力 超出原本壓克力較玻璃有較小的 熱導率所以應該要有較好的保熱性的實驗 預期 ) 二 比較熱介質的影響 陽的光能直接的利用 使陽光直接照射爐 具待加熱處量測並記錄其溫度隨時刻的 變化 由於日照強度 角度和時刻息息相 關 故時刻的選擇比加熱時間的長短來的 重要許多 簡單 直接 實際是本法的優點而缺 點是天氣系統的不確定性無法控制以及 其他不可控制因素 為本實驗在量測上與 分析帶來相當程度的挑戰 二 實驗步驟 1. 比較蓋板物質 理想的蓋板物質要有較高的透光率 並對熱有良好的隔熱效果 為了解不同蓋 板物質對於箱型爐具的影響 先製做幾個 不同的箱型爐具 分別採用壓克力 玻 璃 保鮮膜所製成的蓋板 對相同熱容的 材料進行溫度測量 2. 熱效率 使用良好的導熱物質 降低實驗中不 圖５ 對沙與水的加熱比較 123

132 針對不同物質熱傳導與吸收的影 響 本實驗分別做了加熱沙與水的比較 水的加熱與水被沙包覆加熱兩個部分的 實驗 其進行日期如下 6 月 16 日 鐵杯 水 150cc 7 月 17 日 沙 600cc 7 月 19 日 沙 600cc 鐵杯 水 150cc 從圖５中可以發現沙對於熱的吸收 顯著 在短時間內可以有很高的溫度效 果 其乃是因為有比熱小的緣故 另一方 面沙中富含孔縫能夾藏空氣 使其有更佳 的保熱性 另外也能使待加熱物更均勻的 圖７ 烤番薯 針對烤番薯 本實驗做了實地烹煮兩 天 使用鋁箔紙包復並以沙覆蓋 從圖７ 加熱 中可以發現加溫效果出奇的好 約兩個小 時可以到達溫度峰值 另外 在高溫區間 能有效持續 符合先前提到的有效溫度的 要求 達安全食用與有效烹煮的目的 圖６ 不同物質對水的間接加熱比較 另一方面 如果我們將沙土拿來當作 是太陽與待加熱物之間的媒介 在圖６中 不難發現 沙土確實發揮其絕佳的保熱 性 也使先前陽光未直接照射到鐵杯的部 分 可以透過沙土的熱傳導增加熱效率 故得到熱容溫度其颺的結果 三 圖８ (a)烹調前 (b)烹調後 伍 參考資料 一 Journal of Engineering Geology 工程地质学报 粉土热导率与含水 量关系的实验研究 二 株 式 会 社 セ ン ス ビ ー Sensbey Co. 各種物質性質表 烤番薯 三 澳門民政總署食品安全資訊網食物安全中心 <處理食物衞生守則> 中山大學物理演示實驗太陽能熱專頁 124

133 風帆物理與六分儀 麥克 1 袁振凱 2 陳育鋒 3 Shaham Quadir 4 許玉晶 5 吳雨衡 6 嚴祖強 7 國立中山大學物理系 聯絡人 immichaelhaha@gmail.com superyama01@hotmail.com 摘要 此論文是探討風浪板以及帆船的航行原理與設計理念 關於白努力方程式和分力 的向量分析 以及海上定位的儀器製作原理及背景 測經緯度的六分儀和經線儀囊括 兩次反射原理 幾何 天體運行 古代的橫帆隨季風航行 無法逆風行駛 現今的縱 帆可調整受風面以逆風而行 海上大船不易見 所以我們利用模型 模擬行駛受風與 構造功能 六分儀也是遠洋漁船上的儀器 我們利用唾手可得的物件製作 並實際操 作了解其原理的應用 對經線儀有所知曉能更清楚航海的演變 當看到帆船逆風而行 時的情緒說是驚奇 更好的說法是一種物理貼近生活的親切感 關鍵詞 帆船 風浪板 六分儀 經線儀 流體力學 兩次反射 迎風帶 必須依照圖 2 所示的 之 字形 航行 才能到達目的地 壹 風帆靜力平衡 一 研究目的 帆船的動力主要來自於風力 然而風 可能來自四面八方 此時作用於帆上會有 多個分力 本實驗利用向量分析解釋風力 與帆之間的關係 並運用風力驅使帆船前 進 二 原理 帆船行進時一共分為迎風航行 側風 航行 側順風航行以及順風航行 分成這 四部分來做個別討論 圖 1 固定風向-各航段示意圖 一 迎風航行 在迎風帶左右各 45 度角 一共 90 度 的範圍是無法行駛的 如圖 1 表示 因帆 面未受到風力的作用所以無法前進 除了 迎風帶以外的帆面才會受到足夠的風力來 推動帆船前進 [2] 故欲迎風前進時 即圖 1 中的左右舷 圖 2 迎風之字形行 125

134 將風作用在帆面上的淨力 FTotal 分成 為使船往前的力 FR 以及往側邊的力 FH 在水面下的情況 如圖 6a 中 中央板能在 抵銷橫向的力上發揮最大效用 若是壓艙 如圖 3 所分析 而 FH 會使帆船在迎風段 航行時發生 側移 的現象 [1] 之力矩不足 將導致船身是以傾斜的方式 行進 此時中央板上的阻力變小 如圖 6b 圖 3 帆面上的力作用示意圖 圖 6 靜止時 b 傾斜時中央板示意圖 為抵銷往側邊的分力 FH 產生的側 移 需在船上加裝一塊名為 中央板 的 板子 如圖 4 所示 中央板的位置是架設 在船的中央 同時也是重心的位置 傾斜的船體與正常航行的船體 如圖 6 所示 中央板吃水的深度差了一截 這 樣二者抵銷的力就相差許多 傾斜的船隻 側移的力量較大 導致不容易準確向目標 前進 圖 7 中央板傾斜靜止比對圖 圖 4 中央板示意圖 當作用在帆面上的力大於中央板可抵 消的力時 船隻會開始傾斜 為保持船體 平衡 需運用身體的重量將船身壓回平衡 狀態 稱作 壓艙 如圖 5 [1] 二 側風航行 側風航行時 風向與行進方向夾 90 度 此時需要抵銷之分力較迎風航行時 小 所以通常會將中央板抽起一些 以減 少水所產生的阻力 如圖 8a 圖 5 壓艙時力作用示意圖(O 為支點) 中央板的功能是抵銷橫向的力以防止 側移 當船身與水面保持平行時 中央板 圖 8 中央板位置示意圖 126

135 三 側順風航行 側順風航行是風向與前進的方向夾約 為 135 度的方向 如圖 1 此範圍是所有 航段之中 速度最快的一段 此時風完整 的作用在帆面上 由於順風 因此需要的 抵銷的力很少 所以可將中央板大部分往 上抽起 如上圖 8b 中 圖 10 順風力延切線方向示意圖 四 順風航行 順風航行指的是風向與行進方向夾 180 度 即圖 1 所示 即風為從船尾吹到 船頭 與側順風航行一樣不需要運用中央 板來抵銷側移的力 帆面是完整的受風力 影響而前進 此時將船體視為支點 如圖 9 中 作用在帆上的風力產生順時針力 矩 造成船身傾前而減速 這就是順風航 行的條件雖與側順風航行一樣 但是速度 比較慢的原因 圖 11 傾斜船使力作用於中心示意圖 三 結論 風帆 是結合力與美的運動 我們從 上述的觀點中 以力方式來分析風帆是如 何前進 以及為何不同的風段 會有快慢 操作難度不同的差別 從此次的研究中 我們可以將得到的 結果 運用在實務上 使我們操作更順利 悠遊的徜徉在大海中 貳 六分儀 一 研究目的 在茫茫大海上的航行 海上定位是最 重要的課題 因此有個可以測量緯度的儀 器產生 稱之為六分儀 儘管現在擁有許 多高科技儀器 但六分儀依然不可或缺 的 六分儀的物理原理探討及太陽 地球 圖 9 順風時力將船下壓示意圖(O 為支點) 然而在順風航行時 以上方觀察帆面 所受之力 如圖 10 所示 將船體視為圓 心 風作用在帆面產生一沿切線的力 使 船身有順時針旋轉之力矩 將無法筆直的 向前前進 為解決這個難題 會將船從水 平的樣子刻意壓成傾斜的 如圖 11 使得 風力產生之力矩為零 這樣就可以解決轉 彎的問題 與觀察者之間的關係與幾何分析都是一門 有趣的學問 二 原理 一 兩次反射原理 在同一個平面上 經過兩次反射之光 線 其最初方向和最後方向之夾角為兩反 射面夾角的兩倍 127

136 L= ( ( D - 80 ) 365 ) 360 太陽赤緯 = sin-1(sinε sin L) ε= 為黃道面與赤道面的 夾角 此角度有周期變化 此值為近似值 [3] 3 關於太陽上中天時的高度 太陽中天角會是一天之中太陽的最高點 利用 98 年的數據觀察到中天範圍 得知太 陽最高角度出現在 11:40-12:15 之間 取這 段時間為觀察範圍 找到太陽最高點即為 太陽上中天時的水平高度 圖 12 兩次反射原理示意圖 二 緯度計算方式 1 計算方式 三 實驗結果 當地緯度 90 太陽赤緯 太陽上中天 時的水平高度 一 求 11 月 5 日的太陽赤緯 D = 309 (D 就 是 一 年 來 的 天 數 =309) L = (309-80) 太陽赤緯 = sin-1(sin sin 226 ) -17 二 11/5 的測量 測量所在地 國立中山大學海堤 太陽水平高度 51 理論緯度 (高雄市) 圖 13 緯度計算方法 S 為太陽 E 為地球 P 為觀測點 1 趨近於零度 2 為太陽赤緯 3 當地緯度 90 +(-17 )-51 =22 為緯度 4 為緯度與太陽赤緯差值 5 為六分 儀觀測之太陽中天角 四 結論 在擁有六分儀之後 人類在海上的定 位變得更加精準 六分儀測量緯度 經線 儀測量經度 擁有經緯度的準確測量使得 航海不再是冒險 進而更有效率的到達目 的地 繪製的世界地圖及航海圖也更加準 確 緯度 3 為待求角 利用太陽上中天時 的角度 5 求之 因為太陽位在無窮遠處 1 可視為零度(平行光) 根據三角形內角和 為一百八十度 太陽中天角 5 和 緯度與 太陽赤緯差值 4 相加為九十度 太陽中天角+ (緯度-太陽赤緯) = 九十度 移項得知 參考文獻 緯度=九十度+太陽赤緯-太陽中天角 2 關於太陽赤緯 關於太陽赤緯(太陽與天球赤道的夾 角)黃道是個圓 將它分成 360 等分來表示 太陽所處的位置 這個數值稱黃經 把黃 道座標轉換成赤道座標 就能得知太陽赤 緯 若 L < 0 則加上 360 太陽某一天的黃經 [1] Halliday,David. (2010),Fundamentals of Physics,(9 edition).ch [2] 中華民國帆船協會, [3] 香港太空館, hk.space.muse

137 用低價 DVM 精確測量低溫 劉祖嚴周雨吳徐玉許玉晶吳雨衡嚴祖強 國立中山大學物理系 聯絡人 摘要 本研究討論利用低價三用電表進行低溫測量及原理 市面上的三用電表在約攝氏 -40 度以下量測會有嚴重誤差 而 K 型熱電偶的溫度測量範圍卻可以達攝氏-200 度 本實驗改變境溫度並紀錄 K 型熱電偶之溫度變化 進而找出其變化公式的解讀方法 並使用各種規格的三用電表 測量低溫環境造成的溫度誤差值 對溫度電表內部公式 進行校正 實驗結果證明低價 DVM 可以精確測量攝氏-200 度的低溫 關鍵字: DVM K 型熱電偶 低溫 三用電表 壹 簡介 熱電偶能夠被用來測量溫度 主要是 利用兩種不同金屬接觸後 會產生的電熱 效應 就是說當兩種不同的金屬導體相互 接觸時 在接觸面上的電子就會以擴散的 溫度測量有各種方法 從一般的水銀 溫度計到專業用的熱敏電阻溫度計 一般 市售的三用電表多數有測量溫度的功能 通常使用K型熱電偶來測量溫度 方式來消除電子密度的差異 而此時電子 散逸的速度正好與溫度成正比如下圖 2-1 K型熱電偶本身測量溫度範圍可達到 攝氏-200度 但一般三用電表卻只能準確 測量到攝氏-40度 K型熱電偶測量溫度時 產生之端電壓 在低於攝氏-40度時其值為 非線姓的變化 本實驗將對三用電表內的 換算公式進行校正 使低於攝氏-40度的量 測可以藉由代入校正多項式 以求得正確 的溫度 圖 2-1:熱電偶示意圖 當兩不同金屬接觸時產生 的電壓正比於溫度差如 Vout f (TJUNC TCOLD ) [1] 大多數的熱電偶在做溫度對輸出電壓 做函數圖時 呈現的圖形卻不是很完美的 線性關係 而是彎曲的非線性關係 如下 圖 2-2 若是使用的電表或溫度計無法正 確的給予補償電壓 那得出的溫度自然會 有很大的偏差 本實驗所推導出的校正公式將可以讓 大眾使用一般的三用電表進行低溫測量 不需要額外購買低溫溫度計 貳 校正原理 一 熱電偶測量原理 129

138 時 溫差帶來的電壓差 我們要進行冷端 補償 將非零時溫度帶來的電壓差給消除 掉 這樣才能得到正確的熱端溫度值 而 測量出冷端溫度值要補償多少電壓給熱 端 可以藉由查表來得知 而要知道冷端 當時的溫度 普通的三用電表應該是用熱 敏電阻 或是矽溫度傳感器 IC 來得知 才 能有較好的性價比 一般來說 三用電表測量溫度時的步 驟就是 1.先確定冷端溫度 2.透過 K 型熱電偶查找表 將冷端溫度轉 圖 2-2:輸出電壓對溫度的函數圖 Y 軸為輸出電 壓 X 軸是溫度 由圖可見完全的非線性[2] 二 三用電表測量溫度原理 三用電表用熱電偶測量溫度時 讀取 的電動勢是跟熱端與冷端的溫度差成正 比 所以我們要先知道冷端的溫度 才能 知道兩者間的溫度差 用(圖 2-3)解釋 AB 分別是熱電偶的 兩種不同金屬 而兩金屬的接點 a 就是 換成對應的熱電電壓對熱端進行彌補 3.將步驟 2 得到的彌補電壓與熱電偶產生 的電動勢讀數相加得到一個值 4.在透過查找表將步驟 3 得到的電壓值轉 換回溫度 此溫度即是我們要求的溫度(熱 端溫度) 參 實驗方法與步驟 一 校正公式的推導 K 型熱電偶是利用端電壓的變化來測 量溫度 但在低於攝氏-40 度之後其端電 壓變化就不如同攝氏-40 度以上那麼準確 了 大多的三用電表用線性公式來轉換 K 型熱電偶的電壓差 所以使用一般電表測 量低溫時就會產生誤差 而此時我們就必 需校正電表所測量出來的溫度 利用統計 資料 T d 0 d1e d 2 E 2...d N E N (1)上 式 將電壓差用多項式整合起來就可以將 誤差溫度做修正 而我們用三用電表的溫 度測量範圍得知其測量溫度是由 熱端 也就是待測溫度所在的地方 而 bc 兩端則是三用電表與熱電偶的連接處 我 們把它叫做冷端 Tabs (E Ecj)/k (2)攝氏-40 度 ~1000 度的線性部分來將電壓差轉換為溫 度 所以我們將此段斜率 k 求出 圖 2-3:熱電偶測溫度示意圖[3] 在熱電偶應用的初期 訂定冰點(攝氏 零度)為標準點 但是冷端在測量時並不會 永遠都在零度 為了彌補冷端在非零度 及可利用電表測出來的溫度 T 和式(2)求 出原電壓差 在將原電壓差待入多項式(1) 130

139 及 d 係數表 及可求得正確的溫度 圖4-1:快速升溫的溫度數據 二 校正公式的驗證 為了驗證此校正公式 我們使用液 態氮並利用其沸點攝氏-196 度的特性 將待測的三用電表與 TES-1307 溫度計 接在支架上 放入杜爾瓶中 接著倒入 液態氮 因為在常溫下 液態氮的沸點 為攝氏-196 度 所以會直沸騰 而此時 瓶中溫度因液氣共存的現象 溫度會保 持在攝氏-196 度 紀錄此時各電表 溫 度計的溫度 待瓶中液態氮氣化完畢 圖4-2:緩慢取出的溫度數據 溫度會上升 此時將每個變化的溫度計 錄下來 直至溫度回升至室溫 紀錄完 畢後 將所得溫度數據輸入電腦 把待 測三用電表的數據用公式校正後與 TES-1307 溫度計的溫度數據做比較 做 圖 並計算誤差值 根據上述方法得到的結果 又推論或 許溫度變化較小 能得到更準確的實驗數 據 因此將支架置於沸騰的液態氮降溫 後 靜置於杜爾瓶內 蓋上蓋子自然升溫 過程雖然緩慢 但得到的誤差較小 結果 如圖4-3 肆 實驗結果 一 校正結果 將支架置於沸騰中的液態氮降溫後 再藉由快速抽起的動作 使溫度上升回室 溫 但此動作的升溫速度過快 紀錄的溫 度數據所校正後的誤差值較大 其原因是 TES-1307溫度變化的速度不及待測電表如 圖4-1 於是改為緩慢取出k型熱電偶 讓 TES-1307趕的上溫度變化 結果如圖4-2 圖4-3:自然升溫的結果 但比較結果卻發現 圖4-3的誤差值 可以發現這種方法的誤差值明顯降低 雖然比圖4-1的結果要小 卻是比圖4-2的 誤差值要大 所以只要環境溫度的變化不 要過渡劇烈 所記錄的數據誤差值都不大 依據不同的三用電表也會有不同誤差 值 利用圖 4-3 較穩定的結果來比較不同 規格三用電表的結果 131

140 圖 4-4:GDM-350A 升溫結果 圖 4-6:GDM350A GDM356 校正結果比較 圖 4-5:DT700C 升溫結果 由上圖 可知 不同規格的三 用電表在校正後 溫度誤差均較小 同時 驗證靜置升溫的結果誤差值較小 把圖形 圖 4-7:GDM350A DT700C 校正結果比較 放大比較後如下圖 較低價的 DT700C 在誤差值上較大 但整體校正後的 誤差值都降低許多 在升溫過程中 使用迅速升溫 但會 影響溫度的精準度 故在測量時需要使用 緩慢升溫的方法 以免造成誤差 伍 結論 本實驗使用最便宜的三用電表 DT700C 市售價一個 75 元 利用以上的方 法可以將誤差減少至±5 度以內 證明我們 的方法是成功的 因此校正公式運用在一 般的三用電表測量低溫是可行 參考文獻 1. [1] [2]台灣師大物理系物理教學示範實驗教室 2.[3] ex.mvp/id/

141 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 利 用 溶 膠 - 凝 膠 法 合 成 摻 雜 三 價 鉺 離 子 之 鋯 酸 鍶 螢 光 體 (SrZrO 3 :Er 3+ ) 及 其 光 放 射 行 為 研 究 王 柏 彬 1 1 李 燕 如 1 宋 怡 葶 1 楊 文 都 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 化 學 工 程 與 材 料 工 程 系 聯 絡 人 @cc.kuas.edu.tw 摘 要 本 研 究 成 功 地 使 用 溶 膠 - 凝 膠 法 合 成 了 鋯 酸 鍶 摻 雜 三 價 鉺 離 子 之 螢 光 體 材 料, 分 析 結 果 表 明 :( 一 ) 由 X 光 繞 射 儀 (XRD) 的 分 析 可 得 知 鋯 酸 鍶 摻 雜 三 價 鉺 離 子 之 螢 光 體 材 料 的 晶 體 結 構 屬 於 正 交 晶 系 鈣 鈦 礦 結 構, 具 有 空 間 群 Pnma{62}, 且 晶 格 參 數 分 別 為 a=5.818å,b=8.204å,c=5.797å,c/a=0.996,volume=276.7å 3 ( 二 ) 由 光 致 發 光 光 譜 儀 (PL) 的 分 析 中 可 以 發 現 鋯 酸 鍶 摻 雜 三 價 鉺 離 子 之 螢 光 體 材 料 的 放 射 光 譜 中 放 射 峰 值 波 長 位 於 540.6nm, 且 屬 於 綠 光 放 射 1 關 鍵 詞 : 鋯 酸 鍶 三 價 鉺 離 子 綠 光 放 射 利 用 溶 膠 - 凝 膠 法 合 成 摻 雜 三 價 鈧 離 子 之 鋯 酸 鋇 螢 光 體 (BaZrO 3 :Sc 3+ ) 及 其 光 放 射 行 為 研 究 王 柏 彬 1 1 李 燕 如 1 宋 怡 葶 1 楊 文 都 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 化 學 工 程 與 材 料 工 程 系 聯 絡 人 @cc.kuas.edu.tw 摘 要 本 研 究 成 功 地 使 用 溶 膠 - 凝 膠 法 合 成 了 鋯 酸 鋇 摻 雜 三 價 鈧 離 子 之 螢 光 體 材 料, 分 析 結 果 表 明 :( 一 ) 由 X 光 繞 射 儀 (XRD) 的 分 析 可 得 知 鋯 酸 鋇 摻 雜 三 價 鈧 離 子 之 螢 光 體 材 料 的 晶 體 結 構 屬 於 立 方 晶 系 鈣 鈦 礦 結 構, 具 有 空 間 群 Pm3m{221}, 且 晶 格 參 數 分 別 為 a=4.193å,b=4.193å,c=4.193å,c/a=1,volume=73.7å 3 ( 二 ) 由 光 致 發 光 光 譜 儀 (PL) 的 分 析 中 可 以 發 現 鋯 酸 鋇 摻 雜 三 價 鈧 離 子 之 螢 光 體 材 料 的 放 射 光 譜 中 放 射 峰 值 波 長 位 於 640.6nm, 且 屬 於 紅 光 放 射 關 鍵 詞 : 鋯 酸 鋇 三 價 鈧 離 子 紅 光 放 射 1 133

142 利用溶膠-凝膠法合成摻雜三價鉕離子之鋯酸鈣螢光體 (CaZrO3:Pm3+)及其光放射行為研究 王柏彬 1 李燕如 1 宋怡葶 1 楊文都 1 1 國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系 聯絡人 @cc.kuas.edu.tw 摘要 本研究成功地使用溶膠-凝膠法合成了鋯酸鈣摻雜三價鉕離子之螢光體材料 分析結 果表明 (一)由 X 光繞射儀(XRD)的分析可得知鋯酸鈣摻雜三價鉕離子之螢光體材料 的晶體結構屬於正交晶系鈣鈦礦結構 具有空間群 Pnma{62} 且晶格參數分別為 a=5.762å b=8.017å c=5.591å c/a=0.97 Volume=258.3Å 3 (二)由光致發光光譜儀 (PL)的分析中可以發現鋯酸鈣摻雜三價鉕離子之螢光體材料的放射光譜中放射峰值波 長位於 440.6nm 且屬於藍光放射 關鍵詞 鋯酸鈣 三價鉕離子 藍光放射 利用溶膠-凝膠法合成摻雜三價釔離子之 γ 相鋁酸鋰螢光 體(γ-LiAlO2:Y3+)及其光放射行為研究 王柏彬 1 李燕如 1 宋怡葶 1 楊文都 1 1 國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系 聯絡人 @cc.kuas.edu.tw 摘要 本研究成功地使用溶膠-凝膠法合成了 γ 相鋁酸鋰摻雜三價釔離子之螢光體材料 分 析結果表明 (一)由 X 光繞射儀(XRD)的分析可得知 γ 相鋁酸鋰摻雜三價釔離子之螢 光體材料的晶體結構屬於正方晶系結構 具有空間群 P42I2{90} 且晶格參數分別為 a=5.172å b=5.172å c=6.284å c/a=1.215 Volume=168.09Å 3 (二)由光致發光光譜 儀(PL)的分析中可以發現 γ 相鋁酸鋰摻雜三價釔離子之螢光體材料的放射光譜的放射 峰值波長位於 456.6nm 且屬於藍光放射 關鍵詞 γ 相鋁酸鋰 三價釔離子 藍光放射 134

143 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 研 究 流 體 在 十 字 型 生 醫 晶 片 微 管 道 中 流 動 的 濃 度 分 佈 情 況 1 王 柏 彬 1 傅 龍 明 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 化 學 工 程 與 材 料 工 程 系 2 國 立 屏 東 科 技 大 學 材 料 工 程 系 聯 絡 人 @cc.kuas.edu.tw 摘 要 本 研 究 是 利 用 數 值 模 擬 的 方 式 來 分 析 應 用 於 微 流 體 生 醫 晶 片 之 微 管 道, 設 計 不 同 幾 何 形 狀 的 十 字 型 微 管 道 進 行 模 擬 分 析, 研 究 流 體 在 微 管 道 中 濃 度 分 佈 的 情 況, 其 研 究 結 果 與 實 驗 結 果 進 行 對 照, 顯 示 就 不 同 管 徑 比 例 和 漸 擴 管 長 度 來 觀 察 其 流 體 濃 度 變 化, 發 現 隨 著 漸 擴 管 長 度 的 增 加, 可 以 很 明 顯 的 看 出, 在 出 口 端 流 體 濃 度 的 輪 廓 會 由 半 月 形 逐 漸 轉 為 越 來 越 平 坦 2 關 鍵 詞 : 十 字 型 微 管 道 數 值 模 擬 漸 擴 管 研 究 流 體 在 雙 T 型 生 醫 晶 片 微 管 道 中 流 動 的 濃 度 分 佈 情 況 1 王 柏 彬 1 傅 龍 明 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 化 學 工 程 與 材 料 工 程 系 2 國 立 屏 東 科 技 大 學 材 料 工 程 系 聯 絡 人 @cc.kuas.edu.tw 摘 要 本 研 究 中 利 用 數 值 模 擬 的 方 式 來 分 析 應 用 於 微 流 體 生 醫 晶 片 之 微 管 道, 設 計 不 同 幾 何 形 狀 的 雙 T 型 微 管 道 進 行 模 擬 分 析, 並 研 究 流 體 在 微 管 道 中 濃 度 分 佈 的 情 況, 由 雙 T 型 微 管 道 模 擬 結 果 與 實 驗 結 果 來 看, 針 對 不 同 管 徑 比 例 和 漸 擴 管 長 度 來 觀 察 其 流 體 濃 度 變 化, 皆 發 現 隨 著 漸 擴 管 長 度 的 增 加, 可 以 很 明 顯 的 看 出, 在 出 口 端 流 體 濃 度 的 輪 廓 會 由 半 月 形 逐 漸 轉 為 越 來 越 平 坦 關 鍵 詞 : 雙 T 型 微 管 道 數 值 模 擬 漸 擴 管 2 135

144 天外飛來的輻射 黃明輝 1 歐喜強 2 陳毓凱 3 許珀瑋 國立聯合大學能源工程系 2 國立聯合大學華語文學系 國立聯合大學資訊管理學系 聯絡人 mahuang@nuu.edu.tw 摘要 1912 年 海斯(Victor Hess)在幾次氣球飛行實驗後證實 在高空的游離輻射量比 地面更強 後來稱這種來自地球以外的輻射源為宇宙線 海斯並因此發現宇宙線獲得 1936 年諾貝爾獎 2012 年正是宇宙線發現 100 週年 本計畫以一系列活動慶祝這項 發現 包含 2011 年 6 月份(第 33 卷)的物理雙月刊為 宇宙線發現百年專輯 及辦理 八場巡迴演講 近年盛傳各種 2012 年世界末日的流言 其中許多牽涉天文 宇宙線 太陽風等 課題 這些科幻情節大量引用民眾不熟悉的科學術語 將科學內容移花接木到八卦謠 言 或者過度誇大效果 誤導大眾誤信駭人聽聞的情節 為此 在台北星空發表四篇 序列文章 介紹許多末日預言及其背後的真相 本科普活動透過此序列文章及演講 教導大眾認識自然輻射 太空天氣 天文 降低由 2012 末日謠言引起的誤解與憂慮 本計畫所有活動及刊印資料都刊登在網站 cosmicrays.tw 或宇宙線.tw 關鍵詞 科學推廣教育 宇宙線 太空天氣 自然輻射 末日預言 簡便型太陽爐 王儀生 1 黃欣毅 1 黃明輝 1 1 國立聯合大學能源工程系 聯絡人 mahuang@nuu.edu.tw 摘要 太陽熱能佔太陽光譜約 54%的能量 是最方便使用的能量 為推廣能源教育至國小 學童 本系參與台灣科學教育館的 愛 迪生出發 到校服務學習公益活動 前往苗 栗縣三所國小服務 本實驗室推出簡便型太陽爐 讓學生動手做出太陽爐 參與太陽 爐烤雞蛋 與最後享用烤雞蛋 此太陽爐由僅由五個零件組成 且都可在一般商店買 到 很容易製作 首先將廚房避免油煙沾黏的鋁箔貼紙 黏貼在西卡紙上 做成圓錐 體 接著以呼拉圈做外框 套住圓錐體開口處 集熱的食物是用墨汁塗黑雞蛋 吸熱 效率好 雞蛋再放入透明玻璃罐的溫室 以留住熱空氣與紅外線 最後將圓錐體放入 固定用的紙箱 調整適當方向讓陽光能射入錐體 再將裝雞蛋的罐子倒置在錐體尖 端 就可以開始烤雞蛋了 完成品的截面積約 0.8m2 在實地測試時 晴朗的天氣時 蛋殼的溫度可達 90 C 約 1.5 小時即可烤熟 6 顆雞蛋 即使在有雲無直射陽光時 也 能維持在 60 C 附近 實測結果證實本教具容易製做 且是有效的太陽爐 關鍵詞 太陽能 太陽熱能 太陽爐 科學推廣教育 科學教育館 136

145 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 因 應 12 年 國 教 高 一 基 礎 物 理 教 學 的 建 議 張 仁 壽 國 立 基 隆 女 子 高 級 中 學 聯 絡 人 摘 要 近 年 來, 本 校 因 入 學 方 式 的 改 變, 班 內 學 生 的 學 習 能 力 落 差 漸 大, 教 師 在 課 程 進 度 壓 力 下 無 法 顧 及 學 習 落 後 的 學 生, 導 致 其 學 習 成 就 低 落 在 教 師 社 群 的 討 論 下, 利 用 學 習 單 引 導 教 學, 成 為 可 以 解 決 現 狀 的 教 學 方 式 12 年 國 教 實 施 在 即, 因 應 就 近 入 學 等 理 念, 可 預 見 將 使 班 內 學 生 的 學 習 能 力 落 差 更 為 加 大 在 此 提 出 以 本 校 學 生 為 對 象, 修 正 後 的 學 習 單 引 導 教 學 模 式 ( 尚 未 經 具 體 實 証 ) 供 大 家 參 考, 來 因 應 未 來 新 生 高 一 基 礎 物 理 的 教 學 關 鍵 詞 : 教 師 社 群 學 習 單 12 年 國 教 教 學 模 式 137

146 吸管排笛製作與國小聲音與空氣柱關係概念的探究 葉麗如 1 葉聰文 2 1 彰化國聖國小 2 台中教育大學 聯絡人 osc099117@gmail.com 摘要 利用珍奶吸管製作吸管排笛 探究排笛發音音頻高低和空氣柱長短間的關聯 性 透過音頻分析器測定吸管排笛各音管音階高低以製作出具有十二音律音階的吸管 排笛 上述對吸管排笛所發出的音階高低與其音管長度間關係的分析結果與由聲波速 度公式及聲音共振原理所獲得的結論一致 根據吸管排笛的科學探究結果設計趣味性 教學活動 探究國小學生對聲音高低現象與空氣柱長度間關聯性的概念學習情形 關鍵詞 簡易樂器 聲波 共振原理 聲音是我們日常生活中接觸最多 體 驗最多的一種物理現象 人與人之間的對 現象且不易造成觀念混淆 科學玩具能引 起學生注意 提高學生學習興趣且科學玩 具易於觀察 有助於啟發其認知 推理 思 考 等能 力 讓學 生的概 念 更清 楚 ( 邱 郁 話 下雨聲 樂器演奏等都是聲音的傳遞 但聲音既看不到又摸不到 學生在學習聲 音單元時 常會有一些似是而非的觀念 依據張靜儀 余世裕(2002)的研究果發現學 童普遍對聲音有本質的迷思概念 傳播的 迷思概念 特性的迷思概念 根據邱郁雯 熊同鑫(2009)研究指出以樂器玩具進行 聲 音概念 探討教學 可減少學生的迷思概 念 我國教育(2003)部公佈的 國民中小學 雯 熊同鑫 2009) 依據賴慶三 王錦銘 (2010)的研究顯示科學玩具教學對國小學 生科學學習成效 科學過程技能 科學態 度 實驗組學生皆顯著優於對照組 因此本研究的目的依據九年一貫課程 基本能力指標針對 聲音與吸管樂器 教 學設計實驗 探索各音階頻率高低與空氣 柱長度間關聯性 並根據十二平均律設計 製作吸管排笛樂器玩具 依據所得結果對 照V= f λ做標準差分析 將此科學探究 九年一貫課程綱要 的基本理念中強調 自 然與生活科技之學習應以探究和實作的方 式來進行 強調手腦並用 活動導向 設 計與製作兼顧及知能與態度並重 依 Russell TYTLER(2002)指出具有科學原理 的玩具應用於課堂上會形成有趣的討論話 題 兒童透過科學玩具加強學習動力 Mikko Korhonen(2010)亦認為使用科學玩 具能激勵孩子的學習動機 容易闡明某些 結果設計趣味性教學活動 幫助國小學生 對聲音概念的學習 壹 緒論 貳 研究方法 一 研究對象 本研究採用行動研究法 針對國小 自 然與生活科技領域 六年級上學期 聲音 138

147 與樂器 單元 透過自編教材及設計教案 進行教學 使學習者經由自製 吸管排笛 的過程中探討各音階頻率與閉管吸管長度 的關係 研究對象為國小六年級的一個班 32 個學生(分為 6 組)及研究所 13 個同學 三 研究流程 研究流程如下圖 1 學習者分析 教學內容分析 二 研究工具 文獻探討 (一) 研究設備及器材 1 耗材 編寫教學目標及研發設計相關教材 珍珠奶茶吸管 13 支 竹筷子 棉花 熱融 膠 彩色 PP 板 標籤 2 使用工具 剪刀 頻率分析器(調音器) 尖嘴鉗 打 火機(或熱烘機) 實際課程教學活動 國小學生組 (二) C5~C6 音階-頻率對照表 受限於吸管的長度及吸管吹口直徑大 小 本實驗中的吸管笛音階採用 1939 年在 英國倫敦所舉行的國際會議 國際標準音 研究生組 蒐集教學活動資料並分析結果 圖 1 研究流程圖 調 C5 到 C6 的頻率 如下表 1 表 1 C5~C6 各音階-頻率對照表 叁 研究結果 音階(音名) 頻率(Hz) C C5# D D5# E F F5# G G5# A A5# B C 國小學生組實驗教學活動時間在2011 年6月初無冷氣的教室中 而研究生組則在 7月中有冷氣的實驗室中進行實驗教學活 動 一 6 組學生實作所得到吸管長度之平均 值與標準差摘要表 如表 2 資料來源 劉客養(2003) 梁鈺昕(2009) 139

148 表 2 學生組 C5~C6 各音階吸管笛長度之平均值與 表 3 13 位研究生 C5~C6 各音階吸管笛長度之平均 標準差摘要表 值與標準差摘要表 閉管吸管 6 組學生實作結果 分析 音階 實作平 均長度 標準差 閉管吸管 理想吸管 13 位研究生實作 推算音速 長度 結果分析 (cm/s) L1 = V/ 實作平 4 f(cm) 均長度 L1 (cm) C C5# D D5# E F F5# G G5# A A5# B C 平均音速 音階 推算音速 長度 (cm/s) L2 = V/ 4 f(cm) L2(cm) C C5# D D5# E F F5# G G5# A A5# B C 平均音速 依據聲音在閉管空氣柱產生 共振形成駐波 駐波的頻率為 f = nv /4L1 標準差 理想吸管 表 3 中之理想吸管長度 L2 推算方式 與表 2 一致,(3.1) 當 n=1 時的聲音稱為基頻 則波長為 4 倍吸管長 據此推算各音階音速 V= f 三 結論 4L1 再由平均音速算出各音階理想吸管 長度 L1 = V/ 4 f 如表 2 (一) 由國小學生組與研究生組所得的數 據顯示 各音階長度之標準差值均不大 代表平均而言 各組所得音階長度差異不 大 其值是可供參考的 二 13 位研究生實作所得到吸管長度之 平均值與標準差摘要表 如表 3 (二) 因實驗活動教學時的溫度不同會影 響各組音階長度 140

149 可 以免難度過高 扼殺了學童的 學習興趣 肆 討論與建議 (四) 可再進一步探討不同溫度對各音階 吸管長度的影響 一 討論 參考文獻 (一) 因溫度對聲速的影響 在不同季 所製得的吸管排笛長度會產生些微 差異 (二) 各人吹奏技巧的差異性會影響響度 及些微頻率差 (三) 由各組實作之音階平均長度以 V= f 4L 推算出平均音速皆小於攝氏 Mikko Korhonen(2010). Capstone Project Physics Toys. Distinguished Fulbright Awards in Teaching Program Russell TYTLER (2002). Using toys and surprise events to teach about air and flight in the primary school. Asia-Pacific Forum on Science Learning and Teaching, Volume 3, Issue2, Article 3, p.1 (Dec., 2002) 度時的音速(34000cm/s) 因此需做 管口修正 但不在此次研究範圍 (四) 從低音階開始製作 以 C5 音階為例 找到長度之後 下一個 C5#音階長 度比 C5 音階稍短 依此類推 能快 速找到各音階的大概長度 再以頻 率分析器調出準確音高 (五) 封管時因空氣柱變窄會產生頻率誤 差 因此需預留 0.2~0.5 公分的長 度 封管後再試吹一次 若音頻太 3. 邱郁雯 熊同鑫(2009) 玩樂器 學聲音 -樂器玩具在聲音教學的應 用 中華民國第 25 屆科學教育學術研 討會論文彙編-口頭發表-短篇論文 p 張靜儀 余世裕(2002) 國小學童對 迷失聲音概念之研究 屏東師院學報 第 16 期 頁 梁鈺昕(2009) 搖籃曲音樂特性分 析 國立成功大學工程科學學系碩士 論文 6. 教育部 2003 國民中小學九年一 貫課程綱要 台北 教育部 7. 劉客養(2003) 初探鋼琴十二平均律 調音 國立臺灣藝術教育館美育雙月 低將吸管長度做微調即可 二 建議 (一) pp 板長寬比以 6cm*28cm 為宜 每 間隔 1.5cm 置放一根吸管音階 左 右各預留 4~5cm 並可加上簡易握把 以方使吹奏 (二) 吸管音階置放於 pp 板時 建議吹口 刊第 131 期 頁 8. 賴慶三 王錦銘(2010) 科學玩具遊 戲教學對國小五年級學生學習成效之 研究 科學教育研究與發展季刊 第 五十六期 頁 端凸出 PP 板 1.5cm 以方便吹奏 (三) 吸管排笛製作應用在國小教學時 可給予各音階吸管長度對照表(如 表 2 或表 3 之理想吸管長度) 學童 只要能模仿並完成吸笛排笛且能說 明頻率高低與空氣柱長短的關係即 141

150 與民間基金會合作之國小蝴蝶生態教材園經營管理個案 研究 林素華 1 陳玲 2 楊正澤 3 12 國立臺中教育大學科學應用與推廣學系 3 國立中興大學昆蟲學系 聯絡人 w6605@yahoo.com.tw 摘要 本研究以台中市一所由民間基金會贊助興建蝴蝶教材園的國小為對象 調查研究 負責人員經營管理模式以及蝴蝶教材園環境資源 本研究以環境資源調查法蒐集教材 園內物種資料 以問卷及訪談法蒐集學校經營管理人員相關的想法與意見 最後進行 質性詮釋分析 此研究成果可作為其他國小校園經營蝴蝶生態教材園的參考 並提供未來校園整 體環境規劃設計時對生物棲地的保留與管理模式之借鏡 讓未來的校園能擁有豐富多 樣的生態環境 使校園真正成為自然與環境教育最佳的場域 關鍵詞 蝴蝶園 生態教材園 經營管理 在國小自然與生活科技領域課程 生飼養 因為蝴蝶生態教材園本為封閉 之網室空間 要發揮教材園的功能 使其 擁有蝴蝶生態資源 使園區永續發展 就 中 蝴蝶 常被視為極佳的教材之一 因 為其完全變態的生活史 體型大 色彩多 樣鮮豔 日常容易發現 因此在教材中應 用極為普遍 學校若能利用校園空間與資 源營造適合蝴蝶繁衍生長的棲息空間 除 了可提供一定種類的蝴蝶作為課程觀察或 是學生飼養小生命的教材外 另一方面更 可藉由棲地環境的營造 改善校園環境 讓學生深刻體會到蝴蝶與植物及棲息空間 等彼此賴以維生的生態關係 更能激發學 必須致力於營造類似蝴蝶生息的棲地環 境 改善人造環境的生態條件 因此校園 教材園的目標 必須配合適當的經營管理 策略 否則 最終可能會面臨昆蟲材料無 法利用或網室荒廢的局面 本研究為了解校園如何因應此一課 題 採立意取樣以台中一所國小為個案研 究對象 欲調查其校內設置蝴蝶教材園之 後 經營管理運作的真實情況 以及所面 臨的問題與該蝴蝶生態教材園環境品質的 生在校園與蝴蝶相遇後引起關注與探索的 興趣 變化 期望研究能探討學校體系在推廣蝴 蝶生態教育的同時 如何運用校內既有的 資源來確保蝴蝶生態教材園的永續發展 第一章 緒論 一 背景與動機 2009 年台中有十所國小獲得民間基 金會 校園蝴蝶生態教育 計畫贊助 計 畫內容包含 為學校興建蝴蝶生態教材 園 種植蜜源植物 培訓種子教 師 與 提供教材 食草和蝴蝶幼蟲給學 二 研究目的 (一)了解個案學校蝴蝶生態教材園環境資 源現況 (二)了解個案學校蝴蝶生態教材園經營 管理模式與特色 142

151 (三)探討個案學校蝴蝶生態教材園經營管 理人員之經營理念與態度 想的生態環境 在校園提供更佳的生物棲 息空間 第二章 文獻探討 一 校園生物棲地 動物的 棲息地 (habitat) 最簡單的 定義 就是此生物生存的地方 當一個地 區的資源和環境條件 可以提供動物生存 與繁殖的需求時 便可成為此物種的棲息 地 而棲息地所提供的要素就是遮蔽 食 物 和 水 (Morrison, Marcot,& Mannan.2006) 二 校園蝴蝶生態教材園管理 台灣因為多樣性的地形與複雜的氣候 因素 使台灣昆蟲中的蝴蝶種類數量繁多 (李俊延 王效岳 2002) 是台灣極重要 的生物資源 雖然限於學校所在的位置與 面積 一般人為管理的校園比野外自然環 境的物種單調 但校園內還是可透過適當 的管理設計來增加生物多樣性 校園的管 理除了考慮學生的使用方便與美觀 為了 因為不同的生物其生活習性與生理構 造的不同 其自然棲息繁衍的環境也差距 甚大 在人為環境中若要營造出適合生物 的棲所 就必須針對該生物的生活習性與 生理需求提供適切的環境條件 才能達成 棲地營造的可能 讓該生物自在生存其間 在林明瑞 劉惠元及巫麗雯 2006 年的 研究中也指出 有自然生物棲地的校園 可以提供生物多樣性之生態教材讓學生在 讓校園的生態更加豐富 低頻度與低強度 的管理措施有其必要 吳勝斌 劉惠元 林明瑞 2004) 在人為經營管理的蝴蝶生態教材園 中 必須將蝴蝶之生產達到永續利用之狀 態 以達經濟與保育兩大功能(黃龍椿 陳 建志 2006) 透過蝴蝶生態教材園的經營 可對基因庫的保留 蝴蝶物種保育 棲地 的營造增加許多助益 蝴蝶生態教材園的 自然環境中學習 可以使其養成愛護動植 物 尊重大自然的態度與習慣 因此校園 生物棲地對生物物種 對環境生態 對教 育學習都有正向助益 一個校園的生物豐富度除了受校園本 身的條件 校園大小 位置 學生人數 建築物密度 影響外 學校周邊環境與設 施的材質型式也有影響 而校園裡如果能 夠多種生物的食草 不要過度干預生物生 存 就能增加生物的棲地 經營方式 須以恢復當地原來蝶種及植栽 為主 因此校園蝴蝶生態教材園的經營需 以棲地營造的方式考量 並以校園當地原 生的蝶種與植栽為主 才能達成有效正確 的管理模式 植物多樣性不僅軟化人工化的工程 也能創造生物棲地 生物群落 生態歷程 等多樣性生態因子 使其維持生態環境的 平衡與資源永續利用 林信輝 簡伃貞 黃俊仁 2004) 校園中植物雖然不如大自 然種類的豐富多樣 但校園的綠地是城鄉 生態環境系統中重要的一環 具有綠化 透水及生物棲息的重要功能 (林憲德 2004) 透過植栽規劃與設計就可創造更理 勘 實施蝴蝶與植栽種類田野調查 針對 該蝴蝶生態教材園經營管理人員進行管理 策略之問卷與深度訪談蒐集資料 最後進 行綜合分析 第三章 研究方法 本研究採調查研究法 以台中市 2009 年接受民間基金會贊助設置之校園蝴蝶生 態教材園為研究對象 對基地進行現場踏 一 環境資源調查 蝴蝶生態教材園環境資源調查包含基 地大小 坐落方位 園內蝴蝶種類 植物 種類數量與配置 首先進行蝴蝶生態教材 143

152 園環境初勘 再據以設計為基地踏勘調查 表以記錄調查資料 構 蝴蝶生態教材園資源現況 以及 蝴 蝶生態教材園應用推廣 共五個面向 問 調查先以皮尺工具測量蝴蝶生態教材 園網室硬體設施長度 寬度 高度 以指 北針測定蝴蝶生態教材園入口與網室座落 方位 蝴蝶種類則是在網室內以定點目視 法與掃網捕捉法記錄 並參考蝴蝶圖鑑福爾摩沙彩蝶鑑賞 (李俊延 王效岳 2000) 作為辨識參考用書 蝴蝶生態教材 園內植栽種類與栽種配置位置均以拍照 攝影方式記錄影像 佐以手繪圖面及現場 筆記方式記錄 基地踏勘結果中植栽配置 卷設計過程經過環境教育專家與昆蟲分類 學專家共兩位審查並提供修正意見 問卷 修訂後進行預試 分析結果刪改不適的題 目字句 最後編成共 47 題之正式問卷 本研究針對個案學校實際參與蝴蝶生 態教材園經營管理人員 3-5 人發出問卷 並提供填答問卷之小禮物 最後回收問卷 進行質性詮釋分析 最後以電腦繪圖建檔 植栽種類則以 Excel 軟體將植栽名與功用建檔作為後續 分析基礎 調查後進行三角檢核法,透過蝴蝶生 態教材園環境調查資料 參與人員問卷 執行長訪談等不同調查方法所得個案學校 資料相互檢視,確認其結果之真實性與完 整性 以達資料信度與效度的功能 四 綜合分析 二 訪談調查法 個案學校配合合作之基金會之要求 設有執行長一職 其為蝴蝶生態教材園經 營管理主要執行與負責人 故本研究立意 取樣選擇執行長為訪談對象 期望獲得其 第四章 結果與討論 一 蝴蝶生態教材園硬體環境資源 民間基金會原始合作學校預定設置三 關於蝴蝶生態教材園經營管理之事實與想 法等質性開放性內容 研究首先經由文獻 回顧與整理 並配合研究目的列出訪談大 綱 訪談大綱經由環境教育專家與昆蟲分 類學兩位專家進行審查 最後修正為 27 題正式大綱 訪談工作前以電子郵件 電話接洽受 訪者訪談時間 並提供訪談大綱供其閱讀 了解 另準備受訪者小禮物 再進行訪談 工作 訪談時間約一小時 由研究者擔任 十坪左右的空間 經調查個案學校蝴蝶生 態教材園實際占地範圍長 14.5 公尺 寬 4.56 公尺 高 2.85 公尺 容積 立 方公尺 面積約為 20 坪大小空間 蝴蝶生 態教材園位於學校校舍東北側 緊鄰建築 物 方位座西南朝東北 訪談員 經徵得受訪者同意採全程錄音 訪談完成後根據語義整理為文字稿 再進 行資料分析 本 3 種 共計 25 種 其中具蜜源功能者有 13 種 佔全部種類的 52% 具有食草功能 者有 11 種 佔全部種類的 44% 其餘 1 種為低矮地被植物 二 蝴蝶生態教材園植物資源概況 依據調查記錄 個案學校蝴蝶教材園 中喬木有 4 種 灌木 11 種 草本 7 種 藤 三 問卷調查 依據研究目的並參考相關研究 研究 者自擬 國小蝴蝶生態教材園經營管理研 究調查問卷 問卷內容為 填答者資本資 料 學校背景環境 蝶園管理團隊結 三 蝴蝶生態教材園蝴蝶資源 調查蝴蝶生態教材園內有蝴蝶種類共 計 6 種 分別是鳳蝶科的無尾鳳蝶 玉帶 鳳蝶 紅紋鳳蝶與蛺蝶科的大白斑蝶 樺 144

153 斑蝶 粉蝶科的水青粉蝶 一 結論 (一)個案蝴蝶教材園運作三年期間 能穩 四 蝴蝶生態教材園其他動物資源 根據問卷與現地調查結果得知 蝴蝶 生態教材園中除了蝴蝶之外 還會出現其 他動物 種類包含鳥類 蜘蛛 螳螂 螞 蟻 蝸牛 蚊子 蚯蚓 瓢蟲 芽蟲 蛾 類 其中除了鳥類會被人為移出之外 其 他類動物該校則維持原來狀態 未加以干 涉 定維持網室內蜜源與 食草植物共計 25 種 蝴蝶 6 種 校園生物資源種類確實有 所增加 (二)蝴蝶園雖設有名義上的管理組織團 隊 但介入環境實質管理者僅 1-2 人 管 理人力不足 對蝴蝶園的永續運作產生不 利因素 (三)經營管理團隊人員期望蝴蝶園能永續 運作並增加喜愛蝴蝶的人數 顯見其對蝴 蝶園的設置皆持正面肯定看法 五 蝴蝶生態教材園經營管理模式 根據訪談與問卷分析 個案學校主要 由教務處與教師共同負責基金會合作計 畫 團隊人數共 6 人 其中行政人員 2 人 教師有 4 人 此團隊以職務平行且獨立運 作模式為主 最主要投入蝴蝶園經營管理 者是執行長 而其環境管理原則以生態考 量為主 約一週維護一次 六 蝴蝶生態教材園經營管理困境 根據問卷 訪談資料整體分析 個案 學校管理工作面臨的困境包括人力 物 力 資金與時間不足 另外還有管理人員 欠缺專業能力與參與人員意願不高 七 管理者對蝴蝶教材園的期許 經問卷與訪談分析 管理人員期望獲 得更多人力資源投入蝴蝶園的管理 該校 也希望校園引來更多的蝶種 增加喜愛蝴 蝶的人數以及蝴蝶園永續經營 二 建議 (一)學校應善用綠美化的資源與機會 多 栽種有利於生物生長繁衍的原生植栽 如 蝴蝶的食草與蜜源 以生態的角度進行管 理 創造校園更豐富珍貴的環境資源 (二)學校應明確組織校園生態資源的管理 團隊 落實權責分工 引入學生與志工等 人力資源 整合校內具專長 興趣的人員 投入 共同探索經營校內的生態資源 (三)學校應推廣師生建立對校園環境品質 的共同遠景 營造關注環境的組織氣氛 讓校園環境成為更受重視的一環 使環境 教育的理念真正落實 參考文獻請逕洽作者 第五章結論與建議 145

154 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 國 高 中 力 學 實 驗 之 新 設 計 陳 翰 諄 1 1 溫 育 斌 2 國 立 彰 化 師 範 大 學 林 踐 聯 絡 人 chiohunpp@hotmail.com 摘 要 現 今 的 國 高 中 物 理 課 本 內, 力 學 的 部 分 一 直 是 學 生 學 習 路 程 上 的 一 到 高 牆, 因 此 讓 學 生 最 好 理 解 力 學 這 個 區 塊 的 方 法, 就 是 直 接 讓 學 生 進 行 力 學 實 驗, 給 學 生 自 己 觀 察 物 體 受 到 力 的 影 響 後, 是 怎 麼 樣 運 動 的, 本 設 計 將 讓 學 生 自 行 組 裝 實 驗 教 材, 並 以 攝 影 的 方 式, 配 合 公 眾 授 權 的 免 費 影 像 分 析 軟 體, 讓 學 生 或 校 方 不 需 花 費 大 量 的 經 費 與 心 力, 即 可 觀 察 到 清 楚 又 明 顯 的 力 學 運 動 過 程 關 鍵 詞 : 力 學 實 驗 Tracker 攝 影 3 146

155 史萊姆與彈力球 之製作與教學 孔繼緯 1 邱文弘 2 葉聰文 3 宋晏卿 國立台中教育大學科學應用與推廣學系 聯絡人 cone0629@yahoo.com.tw 摘要 現行國中自然與生活科技教材之聚合物單元 尚缺乏能夠讓學生實際體驗的 科學 動手做活動 本研究擬利用生活上容易取得的材料 藉由膠水(含聚乙烯醇)與硼砂(硼 酸鈉)反應而設計成的 史萊姆與彈力球 科學動手作活動 讓學生認識聚合物的性質 並體驗交聯反應 經過教學實施後 對學生實施 科學動手做活動問卷調查 統計結果顯示學生經過 本活動後 在對科學的 興趣 實驗 容易完成及操作 及對自然與生活科技領域學 習有 實際幫助 面向均持正向肯定的態度 關鍵詞 科學動手做活動 聚合物 交聯反應 彈力球 料 藉由膠水(含聚乙烯醇)與硼砂(硼酸鈉) 反應而設計成的 史萊姆與彈力球 科學 動手作活動 讓學生認識聚合物的性質並 體驗交聯反應 壹 緒論 教育學家盧梭(Rousseau)認為學童應 直接從體驗中學習 而非間接的書本 杜 威(John Dewey)也主張教育活動是 做中 學 近代科學教育已由教師為主的傳授式 貳 相關文獻探討 教學演變為以學生動手操作為主的活動式 教學 因此本研究擬透過學生有興趣的 科 學動手做活動 著手 以親自動手操作科 學活動的方式來提昇學生學習的興趣 引 發學生的好奇與學習 以生活經驗為素 材 動手操作簡便的科學活動 現行國中 自然與生活科技教材之聚合物單元 尚缺 乏能夠讓學生實際體驗的 科學動手做活 動 本研究擬利用生活上容易取得的材 一 聚合物 原子數大於 1000 的物質 稱為聚合 物或高分子化合物 是由許多小單元連接 而成的巨大分子 常見的聚合物如澱粉 纖維素 蛋白質 橡膠 塑膠和布料等物 質 二 聚乙烯醇 PVA 外觀一般為透明無色之膠狀物 是一 147

156 種鏈狀聚合物 具有黏性 緩慢的流動性 是一種水溶性的合成黏合劑 其構造式如 下 入的硼酸鈉(硼砂)越多 則聚乙烯醇 (PVA)膠水與硼砂結合力變大 會形成 具有彈性的物體 (三)聚乙烯醇與硼酸鈉水溶液的交聯反應 式如下 圖 1 聚乙烯醇構造式 (2.2) 一般市售膠水含12 的聚乙烯醇及88 的 水 能溶解於水 亦能溶解於含有羥基的 極性溶液 如甘油 乙二醇 醋酸 乙醛 苯酚 中 但易於凝膠 而不溶於一般非 極性有機溶劑 亦不溶解於無機酸中 如 硫酸 鹽酸等溶液 當將硫酸鈉 硫酸鉀 硫酸銨等無機鹽類加入後皆會產生凝膠 加入硼酸鈉(硼砂)則會形成 硼化聚乙烯 醇 過量的上述無機鹽類會導致聚乙烯 醇析出 三 硼酸鈉 硼砂 硼酸鈉(sodium borate) 俗稱硼砂 為無色半 2B(OH)4 2Na 2B(OH)3 (2.1) (borax) (borate) (borate) (2.3) (PVA) 其中 K1 K2 為平衡常數 而此 B(OH)4 離子於 PVA 溶液中則易與其相鄰兩個 碳原子上之- OH 基反應 結合而成帶 電荷之錯離子化合物如(2.2)式 因 PVA 為一多元醇之聚合體 故如其濃度高於 C 重疊濃度(overlap concentration) 約 透明的結晶或白色結晶性的粉末 無臭 味鹹 主要是在食品品質改良的應用 我 國自古就習慣使用硼砂(臺灣話叫做冰西) 於食品 舉凡年糕 油麵 燒餅 油條 魚丸等 多用硼砂做為增加彈性 韌性 脆度以及改善食品保水性 保存性的添加 物 硼酸鈉 Na2B4O7 (borax)於水溶液中 解離成硼酸根離子 B(OH)4 (borate) Na2B4O7 7H2O (PVA) 15g/L 則 PVA 與 B(OH)4 離子則可 能經由反應(2.2)式及(2.3)式 產生分子 間(inter-molecular)的交聯而形成一個網 狀結構 凝聚成大分子而沈澱 但如果 濃度低於重疊濃度 C 則 PVA 與 B(OH)4 反應可能多為單獨分子之分子 內(intra-molecular)交聯反應 參 教學活動設計 四 聚乙烯醇與硼酸鈉水溶液的交聯作 用 (一)交聯作用 是指具有一定聚合度的鏈 狀聚合物 在交聯劑的作用下形成新的 鍵結 使得聚合物相互連接形成具有一 定交聯密度的網狀結構 (二)硼酸鈉(硼砂)當作交聯劑 將聚乙烯醇 (PVA) 膠水的醇基反應脫去水分子 由 液體狀變成固體狀 而具有彈性 若加 一 鼻涕蟲史萊姆 (一) 實驗器材 每組準備含 12 聚乙烯醇(PVA)膠水 1 罐 硼酸鈉(硼砂)1 罐 25mL 量筒 1 個 150mL 燒杯 2 個 玻棒 2 支 滴管 1 支 刮勺 1 支 電子秤 1 台 秤量紙 2 張 夾 鏈袋數個 (二) 鼻涕蟲史萊姆製作方法 1.用電子秤量取12%聚乙烯醇(PVA)膠 148

157 水40g置於150mL燒杯中 記為燒杯甲 2.取另一個150mL燒杯內裝50g水 用 電子秤量取硼酸鈉(硼砂)0.5g加入其中 並 攪拌使硼酸鈉完全溶解 記為燒乙 3.用25mL量筒量取燒杯乙中的硼酸 鈉(硼砂)水溶液10mL 加入燒杯甲中 用 玻棒攪拌即可得到鼻涕蟲史萊姆 肆 問卷設計 在科學動手做活動設計完成後 對 學生實施教學 並針對科學動手做活動的 二 彈力球 (一) 實驗器材 每組準備含12 聚乙烯醇(PVA)膠水1 罐 硼酸鈉(硼砂)1罐 25mL量筒1個 150mL燒杯2個 玻棒2支 滴管1支 刮勺 1支 電子秤1台 秤量紙張 夾鏈袋數個 不同顏色食用色素各1瓶 (二) 彈力球製作方法 1.用電子秤量取12%聚乙烯醇(PVA)膠 水40g置於150mL燒杯中 並添加食用色素 內容作問卷調查 為符合研究的目的 設 計生活化 安全 有趣 操作簡單且有意 義的科學動手作活動 研究者發展了 鼻 涕蟲史萊姆與彈力球科學動手作活動問卷 調查表 以作為本研究活動設計的優缺 點與改進建議之參考 1滴 用玻棒攪拌均勻 記為燒杯甲 2.取另一個150mL燒杯內裝50g水 用 電子秤量取硼酸鈉(硼砂)0.5g加入其中 並 攪拌使硼酸鈉完全溶解 記為燒乙 3.用25mL量筒量取燒杯乙中的硼酸 鈉(硼砂)水溶液 每次加2mL硼酸鈉(硼砂) 水溶液到燒杯甲中 用玻棒攪拌後 將彈 力球拿出來用手搓圓並測試彈跳力 測試 到最佳彈跳力為止 (二)第二題 第三題及第四題 探討科 學動手做活動 是否具有實驗 安全 性 器材 容易取得 且實驗 容 易完成及操作 (三)第五題 探討科學動手做活動 能 讓參與者對自然與生活科技領域學 習有 實際幫助 149 一 問卷內容如下 (一)第一題 探討科學動手做活動 是 否 能引起參與者對科學的 興趣

158 二 問卷對象如下表1 圖1 表1 問卷調查對象背景資料 參與科學動手 做活動對象 男生 人數 女生 人數 全班 人數 國中二年級 甲班學生 17人 14人 31人 圖2 伍 研究結果與討論 經過教學實施後 對學生實施 科學 動手做活動問卷調查 統計結果顯示學 柒 結論與建議 學生做完 史萊姆與彈力球 科學動 生經過本活動後 在對科學的 興趣 實驗 容易完成及操作 及對自然與生活 科技領域學習有 實際幫助 面向均持正 向肯定的態度 手作活動後 除了可以玩之外 還可以認 識聚合物的性質並體驗交聯反應背後的科 學原理 並且還知道如何應用到日常生活 用品上 是個值得推廣的寓教於樂的科學 活動 陸 應用發展 鼻涕蟲史萊姆由於具有黏性及吸附 性 所以可以作為一種去除髒汙的清潔軟 膠 例如用在鍵盤 手機的清潔 和市面 參考文獻 1. 販賣的產品很類似 如下圖1 鼻涕蟲史萊 姆雖然是固態物質但又具有液態物質的流 動性 而且具有保溫效果 所以可以拿來 用做為熱敷或冰敷之用 和市面販賣的產 品很類似 如下圖2 Cheng, A. T. Y., Rodriguez, F.(1981). Mechanical properties of borate crosslinked poly(vinyl alcohol) gels, Journal of Applied Polymer Science, 劉遠鋒(2001) 聚乙烯醇-硼酸鈉錯離子稀釋及 半稀釋水溶液之動態光散射及黏彈性研究 私 立元智大學化學工程與材料科學學系碩士論 文 未出版 桃園縣 150

159 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 電 吉 他 科 學 營 活 動 吳 明 德 1 金 佳 龍 1 臺 北 市 立 麗 山 高 級 中 學 聯 絡 人 摘 要 電 吉 他 科 學 營 隊 課 程 包 含 物 理 學 與 生 活 科 技, 除 了 學 習 波 動, 還 有 電 磁 學 等 物 理 學 概 念, 還 能 動 手 學 會 木 工 和 電 子 電 路 製 作, 對 學 生 而 言 是 個 能 將 學 理 與 實 務 結 合 的 好 課 程 在 多 年 前, 我 曾 在 士 林 科 學 教 育 館 進 行 此 課 程, 今 年 (2012) 的 七 八 月 在 科 學 教 育 館 要 再 次 進 行 電 吉 他 營 隊, 特 別 將 此 活 動 分 享 給 物 理 先 進 們 吉 他 是 弦 樂 器, 撥 動 琴 弦 會 發 出 聲 響 你 可 以 隨 手 拿 一 個 直 尺 作 實 驗, 將 一 端 固 定 於 桌 緣 並 撥 動 尺 的 另 一 端, 可 以 聽 到 直 尺 振 動 發 聲, 如 果 逐 漸 縮 短 直 尺 振 動 的 長 度, 會 聽 到 直 尺 振 動 頻 率 會 增 加 如 果 在 此 直 尺 表 面 黏 上 物 體, 會 發 現 物 體 越 重, 振 動 的 頻 率 越 低 所 以 知 道 物 體 越 長 或 是 越 重, 振 動 的 頻 率 會 越 低, 除 此 外 材 質 間 緊 密 程 度 也 會 有 影 響 吉 他 一 般 有 六 條 粗 細 不 同 的 弦, 越 重 ( 越 粗 ) 的 弦 彈 奏 的 聲 音 越 低 沈, 越 輕 ( 越 細 ) 的 弦 彈 奏 的 聲 音 越 高 亢 吉 他 弦 如 果 用 手 指 按 著 部 分 長 度, 讓 振 動 的 弦 長 縮 短, 音 調 會 變 高 弦 的 此 外 一 端 是 可 以 調 整 弦 的 鬆 緊, 如 果 扭 的 越 緊, 弦 張 力 越 大 會 發 出 頻 率 較 高 的 聲 音 傳 統 吉 他 除 了 弦 以 外, 剩 下 的 是 個 空 箱 子, 空 箱 子 的 功 能 是 將 弦 振 動 的 聲 音 共 鳴 放 大, 但 是 電 吉 他 沒 有 共 鳴 箱, 如 何 將 弦 振 動 的 聲 音 變 得 更 大 聲? 這 個 答 案 很 複 雜, 首 先 電 吉 他 的 弦 必 須 是 由 鐵 磁 材 料 所 製, 而 弦 的 下 端 附 有 拾 音 器, 拾 音 器 包 含 強 力 磁 鐵 及 線 圈, 強 力 磁 鐵 能 將 鐵 磁 材 料 的 鋼 弦 磁 化, 振 動 磁 化 後 的 弦, 會 使 線 圈 發 生 電 磁 感 應 產 生 電 訊 號, 電 訊 號 經 由 擴 大 機 放 大 後, 其 電 流 就 足 以 推 動 喇 叭 發 出 聲 響 本 營 隊 有 四 個 目 標 : 第 一 目 標 : 是 能 使 用 線 鋸 電 鑽 砂 紙 與 噴 漆 完 成 電 吉 他 的 木 工 部 份 第 二 目 標 : 瞭 解 鐵 磁 材 料 的 磁 化, 和 以 強 力 磁 鐵 與 線 圈 相 對 運 動 感 應 生 電 第 三 目 標 : 在 電 路 板 上 鑽 孔 並 銲 上 電 子 元 件, 製 作 放 大 電 路 第 四 目 標 : 以 電 腦 音 效 卡 測 試 放 大 訊 號, 並 調 整 電 吉 他 音 頻 1 致 謝 : 感 謝 士 林 科 學 教 育 館 實 驗 組 同 仁 協 助 課 程 151

160 導電麵糰的設計與教學 邱文弘 1 孔繼緯 2 葉聰文 3 郭婉容 國立臺中教育大學科學應用與推廣學系 聯絡人 @cd.org.tw 摘要 科學教育特別強調生活化的科學動手做活動 活動設計的題材與生活密切結合並 融入相關的科學概念 黏土是一種深受兒童喜愛的手工藝術 一般市售的黏土有些含 有化學成份 操作把玩可能有安全上的顧慮 本研究利用生活中容易取得的麵粉為主 要材料 製作成麵粉黏土 可替代市售黏土 另外具有導電功能 可當作國小電學教 學的輔助材料 及發展科學動手做活動 實施教學後 對學生實施 科學動手做回饋單 結果顯示大部份學生對這次活 動在 新奇趣味性 對科學的興趣 動手操作 獲得科學知識 等方面 持正 向肯定的態度 關鍵詞 導電麵糰 科學動手做活動 特別驚奇了 一般市售的黏土有些含有化 學成份 操作把玩會擔心學童摸到含化學 成份的黏土 可能會對人體造成影嚮 研 究者希望利用生活中容易取得的麵粉為主 壹 背景與動機 愛因斯坦曾說過 興趣是最好的老 師 杜威在教育心理學上的主張之 一 學校課程必須符合學生的興趣和能 力 教學活動以學生為中心 而非以教師 為中心 張春興 2000 由上述可知 學習興趣 是一種學習驅力 目前我國中小學教育受到杜威教育思 想正面的啟發與影響 九年一貫的自然與 生活科技課程 考慮了學生的興趣 設計 以學生為本位的課程 強調學生主動探索 與操作參與的歷程 啟發學生的思考與創 造力 培養科技素養(林佩蔘 2001) 我 要材料 製作成麵粉黏土 此麵粉黏土具 有天然 安全 有趣 可操作把玩的特性 重要的是具有導電功能 所以 本研究的目的為探討導電麵糰 的製作方式 基本導電性質及其科學動手 做活動 們更深信 動手做活動對中小學的教育影 響特別大 科學教學特別著重課程內容與日常生 活密切結合 更強調以生活化的實驗與動 手操作活動來培養學生的科學興趣 並且 建立正確科學知識與概念 黏土是一種深受兒童喜愛的手工藝 術 用麵粉做黏土是一項新奇有趣的活 動 如果麵粉黏土還具有導電功能那就更 而來 Dewey 於 1938 年提出 做中學 learning by doing 的實用主義學習 理念 認為學生學習科學不只是學習知識 而已 同時應該也要學習過程與方法 所 以當時以學生活動為中心的實驗教學 探 究教學在美國即非常盛行(林琬縈 2009) 動手操作除了能幫助學生學習及體 驗科學知識的應用 也能夠引導學生建構 科學概念 研究結果顯示科學動手做活動 貳 文獻探討 一 科學動手做 科學動手做活動是由實驗教學發展 152

161 在幫助學生學習 增加學習意願 提升學 習興趣 提升學習態度 使活動趣味化 參 教學活動設計 培養科學創造力 提高專注力等方面均有 正向的幫助 二 電解質 一物質的熔融狀態或溶液 如能夠導 電時 這化合物叫做電解質 (electrolytes) 不能導電時 則叫做非電解 質(nonelectrolytes) 例如氯化鈉晶體在固 態時為電的不良導體 但將氯化鈉加熱到 熔點以上或溶解於水時 均可導電 酸 鹼 鹽等均為電解質(王澄霞 魏明通 一 導電麵糰的製作 (一) 實驗器材 加熱器 1 台 不鏽鋼鍋 1 個 不鏽鋼盤 1 個 不鏽鋼湯匙 1 支 100ml 塑膠燒杯 5 個 塑膠湯匙 3 支 塑膠滴管 2 支 電子 磅砰 1 台 (二) 第一代導電麵糰的製作方法 1 在不鏽鋼鍋加入 60 克水 2 量取食鹽 16 克 塔塔粉 6 克 沙拉 油 2 克分別加入不鏽鋼鍋內 並攪拌 1991) 電解質溶液的導電能力稱為電解質導 電性(electrolytic conductivity) 或簡稱電導 (conductance) 電解質溶液與金屬的導電 情形有所不同 金屬的導電主要是藉電子 的移動 在電解質水溶液中 主要的電流 擔體(carriers)為能移動的離子 金屬的 導電性隨溫度之增加而降低 然而在電解 質溶液的場合 由於溫度之增加使溶液的 之 務必使食鹽完全溶解 3 將 40 克麵粉加入不鏽鋼鍋內 以小火 加熱 並不斷攪拌避免燒焦 4 待麵糰水份減少並呈現稠狀 停止加 熱 讓麵糰冷卻 5 在不銹鋼盤撒一些麵粉 將麵糰放入 盤中與麵粉混合並揉捻之 6 如此即完成麵粉黏土 (三) 第二代導電麵糰的製作方法 黏度以及離子的水合(hydration)程度減 小 因而使離子較容易在溶液中移動 因 此 溫度愈高電解質溶液的導電性愈大(杜 逸虹 1983) 我們可以歸納下列兩項影響電解質導 電的結論 (一)電解水溶液的濃度越大 則導電度變大 但濃度增加到某一程度 時 濃度再增加時 解離度反而變小 因 此導電度的增加量卻減少了 (二)溫度升 高 解離度變大 離子數目增加 而且離 1 將食鹽 8 克倒入 28 克水中 攪拌之 此即是食鹽水 2 將食鹽水倒入 40 克麵粉中 攪拌之 若太乾 則緩慢加入少許水 若太溼 則緩慢加入少許麵粉 3 如此即完成麵粉黏土 (四) 第一 二代導電麵糰的比較 1 第一代可溶解較多的食鹽 製作完成的 導電麵糰 以 4.5V 的電壓即可使 2.5V 燈泡發亮 並可使 LED 燈發亮及小馬 子具有較多的動能 移動的速度變快 因 此電流變大 導電度增加 本研究是以麵粉為主要材料 加入食 鹽水等添加物做成麵糰 因為可以當作黏 土操作把玩及具有導電性 故稱為導電麵 糰 導電麵糰因含有食鹽水 食鹽水為電 解質 當施以某個電壓後即可導電 主要 是因為食鹽水中解離出自由離子(Na+ Cl-)來形成電流 因而有導電的特性 達旋轉 缺點是製作較費時 必須使用 加熱器 有添加物 2 第二代可溶解較少的食鹽 製作完成的 導電麵糰 以 6V 的電壓才可使 2.5V 燈泡發亮 並可使 LED 燈發亮及小馬 達旋轉 優點是製作較簡單 不須使用 加熱器 不加添加物 (五)導電麵糰成品 153

162 將電流值換算成電阻值 將電阻與時間之 關係做成圖 3 鹽16g,V=4~10,R-T圖 V= V= V=6 R 圖 1 導電麵糰 圖 1 左邊為原色 右邊加了食用色素 經 學生操作把玩測試 學生普遍較喜歡有顏 色的導電麵糰 60.0 V= V= V= min 20min 30min 40min 50min 60min 2hr 3hr V=10 T 二 導電麵糰的導電性質 (一) 實驗器材 電源供應器 安培計 伏特特 塑膠盒 三號四入電池盒 1 個 三號電池 4 顆 鱷 魚夾數條 燈泡座 2.5V 燈泡 燈泡座 LED 燈 小馬達 碳棒 (二)探討第一代導電麵糰 電流 與 電 壓 的關係 固定 導電麵糰的食鹽水濃度 時間 改變 電壓(保持伏特計讀取的數據) 圖 3 導電麵糰 R-T 由圖 3 可知 電壓於 6~10 伏特時 固定 電壓下 其電阻呈現穩定的狀態 測量 電流 分析 做成圖表 探討導電麵糰 電流 與 電壓 的關係 如圖 2 調查 問卷目的是想了解學生對導電麵糰 科學動手做活動的感想與看法 以作為改 進活動設計之參考 期使科學動手做活動 更符合學生的需求 研究問卷以意見勾選及感受的方式為 主 第 1~15 大題為意見勾選題 利用李克 特量表(Likert scale) 採用五等級的態 度類別量表 即 非常同意 同意 無 意見 不同意 非常不同意 主要探 討科學動手做活動是否能引起學生對科學 高筋麵粉40g,水60g,鹽16g,塔塔粉6g,沙拉油2g I-V圖 min I(mA) min min min min V(V) min 2hr 圖 2 導電麵糰 I-V 由圖 2 可知 電壓於 4~10 伏特時 電流 與 電壓 成正比的關係 符合歐姆定律 (三)探討第一代導電麵糰 電阻 與 時 間 的關係 154 肆 問卷設計 本研究在探討導電麵糰的製作方式及 導電性質後 設計科學動手做活動 並於 教學活動後 針對科學動手做活動做問卷 的學習興趣 新奇特別 情意上的感受 等等 第 16~17 題為開放性填答 沒有標 準答案 也採無記名方式作答 希望學童 可以把心裡真實的想法表達出來 包含其 他的感想 收穫 需改進之處 以利研究 者了解科學動手做活動的教學方式 對學 生的的心理感受與學習狀況 問卷設計成 適合研究目的的問卷 並徵詢過專家意見

163 加入麵糰的導電性質作研究 因此 可藉 由設計一系列的實驗 探討導電麵糰的基 伍 研究結果與討論 一 問卷分析與討論 實施教學後 對學生實施 科學動手做回 饋單 回饋單分成四大部份 第一部份為 學生對於活動的情意感受 第二部份為學 生對課程的想法感受 第三部份為動手操 作及小組合作 第四部份為開放性問答 結果顯示大部份學生對這次活動在 新奇 趣味性 對科學的興趣 動手操作 獲得科學知識 等方面 持正向肯定的 態度 本導電性質 驗證歐姆定律及電解質導電 性質 以提供相關單元活動設計及輔助教 學之參考 3 科學知識 學生認知只有金屬是導體能導電 打 破只有金屬能導電的迷思 參考文獻 1. 王澄霞 魏明通(1991) 普通化學 臺北市 三民 二 導電麵糰的應用 1 替代市售黏土 第二代導電麵糰經改良 後製作方式簡單 學生學過後可自行 DIY 操作把玩具趣味性 麵糰無化學 成份較安全 另外 製作成本也比市售 黏土便宜 2 電學教學輔助材料 國小部份 一般電學課程內容只把電 2. 杜逸虹( ) 物理化學 臺北市 三 民 3. 林佩蔘 2001 九年一貫課程自然與生活科 技領域教師創意微型教學實驗之設計研究-微 型木材乾餾有機化學實驗 國立高雄師範大學 化學研究所碩士論文 4. 林琬縈(2009) 以 5E 學習環教學模式融入高 職進修學校物理教學之行動研究-以摩擦力單 池 電線 燈泡接成電路裝置 測試是否 形成通路 若加入導電麵糰可增加不同電 路組合及操作趣味性 國中部份 由於目前的國中理化電解 質水溶液導電的性質之研究大都著重於電 解槽中的電解反應 而鮮少有針對電解質 元為例 國立高雄師範大學物理學系碩士論 文 5. 張春興 2000 教育心理學 台北 東華 155

164 雙平面鏡成像現象融入國中幾何正多邊形課程設計 陳嘉宏 1 葉聰文 2 1 台中市立大業國民中學 2 國立台中教育大學 聯絡人 fbi0913@hotmail.com 摘要 在國中數學幾何裡 正七邊形因內角度數不能整除精算 故目前尚無法利用尺規作 圖將其準確繪製出來 因此本研究利用光的直進與反射定律 搭配雙平面鏡多重反射 之現象 將雙平面鏡壓放在白紙邊緣上 以不同的開合角度觀察雙平面鏡所呈現之虛 像 發現於特定開合角度時會產生出相對應的正多邊形虛像 同時研究者以所呈現出 的正多邊形虛像為教材 並以數學幾何學中的線對稱圖形為基礎 利用對稱點 對稱 角 對稱邊 對稱軸的概念來解釋成像過程 進而討論雙平面鏡的開合角度與所呈現 之正多邊形邊數對應的關聯 並探討開合角度與正多邊形內角和外角之間的關係 關鍵詞 光的直進與反射定律 多重平面鏡 線對稱圖形 正多邊形 正多邊形的教材與玩具設計產生興趣 本研究之研究目的為探討如何利用 雙平面鏡成像原理融入國中幾何正多邊形 課程 並設計適當之教材與玩具 以符合 壹 研究動機與目的 從小到大我們的數學幾何學習過程 中 一些簡單的正多邊形 如正三角形 正方形 正五邊形等形狀 時常出現在課 程或生活中 然而某些正多邊形卻不常 見 如正七邊形 正十一邊形等等 當然 這些正多邊形是因其內角度數不能整除精 算 故無法用尺規作圖將其準確的繪製出 來 在目前強大的升學壓力下 國中數學 教師對於課程教學時常只能利用傳統講述 法來呈現 加上教科書內容為了顧及數學 結構上的嚴謹性 所以編排方式很少考量 國民中小學九年一貫數學學習領域課程綱 要 到學習者立場 其結果就是教材刻板生 硬 較不生動活潑 莊麗嬌 2002 Russell TYTLER(2002)指出具有科學原理的玩具 應用於課堂上會形成有趣的討論話題 孩 童藉此能加強學習動力 Mikko Korhonen(2010)亦認為使用科學玩具能激 勵孩童的學習 容易闡明某些現象且不易 造成觀念混淆 基於此促使了研究者對於 都具有對稱的特性 而對稱又包含了線對 稱及點對稱 所謂線對稱圖形 是以 一 條線 為基準 在線的兩側以 等距離延 展開 兩側所形成的圖形須形狀與顏色相 同 稱為 線對稱圖形 或 軸對稱圖形 此基準線可以是鉛直 水平或傾任一角度 傅銘傳 林品章 2002 換言之 將圖 形沿基準線對摺 基準線兩側圖形可以彼 貳 文獻探討 本研究之文獻探討主要分為兩部 份 第一部份為線對稱的幾何意義 第二 部份為平面鏡成像 一 線對稱的幾何意義 自然界中各種物體的形狀 絕大部分 156

165 此全等疊合 此種圖形稱為 線對稱圖 形 基準線則稱為 對稱軸 王世鑫 面垂直的距離 像距 與物到鏡 面的垂直距離 物距 相等 即 2007 而在九年一貫課程中 國中階段關於 線對稱的概念有 陳義隆 2000 一 分段能力指標 能利用形體的性質 解決幾何問題 二 分年細目 能理解平面圖形線對稱 的意義 三 分年細目詮釋 1. 以生活中的平面圖形為例 來理解單 一圖形透過格子點作出線對稱的鏡射 物距等於像距 ２ 平面鏡成像大小與物體的大小相 等 但左右相反 ３ 平面鏡成像為正立虛像 2. 原理 鏡前物體發出 或反射 的光線 經平面鏡反射後進入我們的眼睛 由於 我們認為光線是直線前進的 因此我們 會以為又有一個物體在鏡子後面 其實 那是物體的像 國立編譯館 2001 圖形 2. 認識對稱點 對稱邊 對稱角 對稱 軸 3. 兩對稱點連線被對稱軸垂直平分 因此從線對稱圖形的概念中 我們可 以發現一些的性質 一 對稱邊等長 對稱角相等 二 對於一組對稱點 其兩點到對稱軸 之垂直距離會相等 二 兩平面鏡夾θ角之成像 若按照一般高中物理對於平面鏡成 像的敘述 1. 只要 物 或 像 在平面鏡 之前 就會成像 所謂 之前 是包括鏡面 的延長線 面 之前 但不包括該 延長線 2. 上述規則是遞迴定義 一直畫到所成 的像落於在鏡後 則停止作圖 若以平面鏡成像的物理現象來說 就 如同將鏡子放置在對稱軸上 圖形上的每 一點都可在鏡子所呈現的鏡像中找到相對 應的點 因此我們可以用翻轉的動作及平 面鏡成像的物理加以說明並表示線對稱圖 形的關係 陳莉萍 如果是成像正好在平面鏡的延長線 上 視為在鏡後(成像在鏡後 停止作 圖) 因此 若將物體放在夾θ角的兩平面 鏡間觀察所成之像 物體放置在鏡面夾θ 角之分角線上 且夾角θ可整除360 時 則其成像數為 N n 1 其中 n 二 平面鏡成像 從眾多研究學生概念的文獻中可以 看到 雖然每個人幾乎每天都有看到平面 360 而成像數另一個意義是光線在兩平面鏡之 間會產生幾次反射 如圖1 成三個像 兩 鏡成像的經驗 但是對於平面鏡成像的原 理性質常常無法正確說明 即使是大學 生 甚至連中學自然科教師也存有不少迷 思概念 黃鴻達 2002 故以下將先針對 單一平面鏡成像 與 兩平面鏡夾θ角 成像 作說明 一 單一平面鏡成像 1. 性質 １ 成像在鏡後的對稱位置 像到鏡 個一次反射的像 一個二次反射的像 表 示光線最多只能有二次反射 因此計算出 成像數 也就可以回答光線在兩平面鏡之 間最多會有幾次反射 邱博文 2010 一次反射 二次反射 157 物體 一次反射

166 圖1 参 研究工具 一 器材 兩個平面鏡 量角器 二 操作方法 一 利用膠帶將兩個平面鏡接合 且可 任意開合(如圖 2) 形狀 正五邊形 形狀 正六邊形 鏡面夾角 72 鏡面夾角 60 成像數 4 成像數 5 膠 形狀 正七邊形 形狀 正八邊形 帶 鏡面夾角? 鏡面夾角 45 黏 成像數 6 成像數 7 貼 二 分析討論 一 研究者透過肉眼目前最多能清楚看 圖 2 接合方法 二 將兩平面鏡壓在紙張的邊緣上 且 可任意開合(如圖 3) 到正十八邊形 二 透過數字稠密性可在鏡面開合連續 過程中看到正 n 邊形 n 為質數 但鏡面夾角無法準確量取 三 若 為鏡面夾角 則 n 圖 3 平面鏡壓在紙張邊緣 360 所算 出的 n 值 即為正多邊形的邊數 四 研究者以鏡面夾 90 為例畫出成像 過程 如圖 5 三 將兩平面鏡任意開合 並從鏡面中觀 察有哪些正多邊形 同時用量角器 量取兩鏡面夾角度數(如圖 4) A B O 對稱軸 鏡面 圖 4 量取鏡面夾角度數 A B 對稱軸 鏡面 圖 5 正四邊形成像過程 以線對稱概念分析 肆 初步結果與討論 1. 一 初步觀察 經初步觀察 觀察結果記錄於表 1 １ AA' 與 BB ' 均為對稱軸 AA ２ AB BA 分別以 AA' BB ' 為對稱 表 1 觀察記錄表 軸之對應邊為 AB ' BA' 形狀 正三角形 形狀 正方形 鏡面夾角 120 鏡面夾角 90 成像數 2 成像數 3 ３ AB ' BA' 分別再以 BB ' AA' 為對 稱軸之對應邊均為 A' B ' 158

167 ４ A A' 為一組對稱點 B B ' 為另 一組對稱點 育測驗統計研究所教學碩士論文 以平面鏡反射分析 邱博文 2010 物體在任意夾角 θ 的兩平面 鏡之間會成幾個像 科學教育月刊 ' １ BO B'O AO AO 3. 陳義隆 2000 國小六年級學童線對稱概念 類型之研究 台北市立教育大學數學資訊教育 ２ AB BA 分別以 AA' BB ' 為鏡面 教學碩士學位班 4. 做第一次反射成像為 AB ' BA' 陳莉萍 2002 一位國小五年級兒童的平面 線對稱前置概念-實際與 GSP 情境中的意義 國立台北師範學院數理教育研究所碩士論 ３ ' ' 分別再以 ' ' 鏡 文 未出版 臺北 5. 面做第二次反射成像為 ' ' 莊麗嬌(2002) 應用問題中心教學與合作學習 理論於高職數學教室支行動研究 國立彰化師 範大學科學教育研究所在職進修專班碩士論 三 小結 在成像過程中 發現線對稱圖形與平 面鏡成像彼此間有關聯 且正多邊形內 角 外角和鏡面夾角亦有關係 一 對稱軸就是鏡面 二 線對稱的 垂直平分 就是平面鏡 物距等於像距 的性質 文 6. 研究 國立臺灣師範大學科學教育研究所在職 進修碩士班 7. 傅銘傳 林品章(2002) 幾何圖形對稱性之喜 好調查 設計學報 7(2) P47-60 三 將物體根據對稱軸以 180 翻轉做 出鏡射圖形 造成兩者左右相反 四 對於觀察到的正多邊形內角度數為 180 外角度數為 英文部分 1. Mikko,K. (2010). Capstone Project Physics Toys. Distinguished Fulbright Awards in Teaching Program 參考文獻 Russell, T. (2002). Using toys and surprise events to teach about air and flight in the primary 中文部分 1. 黃鴻達 2002 國中學生平面鏡成像概念之 school. Asia-Pacific Forum on Science Learning 王世鑫(2007) 線對稱概念結構分析研究 以 and Teaching, Volume 3, Issue2, Article 3, p.1 國小五年級學童為例 國立臺中教育大學教 (Dec., 2002) 159

168 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 大 學 部 光 學 實 驗 之 設 計 與 發 展 Development of University Optics Teaching Laboratory Hsin-Ta Lin( 林 欣 達 ) Jow-Tsong Shy( 施 宙 聰 ) 1 國 立 清 華 大 學 物 理 系 1 Department of Physics, National Tsing-Hua University, Hsinchu, Taiwan, 聯 絡 人 xup6vup286@gmail.com 摘 要 現 行 實 驗 課 的 課 程 主 體 一 般 以 流 水 式 的 實 驗 進 度 為 主, 實 驗 講 義 則 以 食 譜 式 按 部 就 班 的 形 式 呈 現, 這 種 設 計 的 好 處 是 教 學 者 對 於 課 程 掌 控 度 比 較 高 實 驗 室 管 理 員 對 於 器 材 管 理 比 較 方 便, 但 是 這 樣 的 實 驗 設 計 並 不 利 於 學 生 對 於 光 學 知 識 的 建 構 及 發 展, 同 時 也 比 較 無 法 透 過 實 驗 培 養 學 生 的 探 究 能 力 在 現 今 的 教 學 現 場 逐 漸 從 以 教 師 為 中 心 轉 換 成 以 學 生 為 中 心 的 潮 流 下, 我 們 嘗 試 以 探 究 式 教 學 理 念, 透 過 預 測 - 實 驗 - 修 正 (Predict-Test-Reconcile) 的 模 式 來 設 計 發 展 大 學 部 一 學 期 的 光 學 實 驗 課 程 我 們 實 驗 課 程 的 主 體 是 採 兩 階 段 主 題 式 實 驗 進 行, 每 一 主 題 包 含 1 週 的 基 礎 訓 練 4 週 的 一 般 實 驗 與 1 週 的 增 能 課 程, 並 且 在 每 一 主 題 之 前 搭 配 1 至 2 週 的 講 解 課 程 實 驗 講 義 則 以 P-T-R 的 模 式 設 計, 增 加 講 義 與 學 生 之 間 問 答 的 互 動, 同 時 教 學 者 也 視 不 同 學 生 的 個 別 差 異 給 予 補 充 的 問 答, 引 導 學 生 建 構 出 解 決 問 題 的 方 法 評 量 的 部 分 以 實 驗 記 錄 簿 及 實 驗 結 報 的 評 量 作 為 階 段 性 形 成 性 評 量, 給 予 學 生 及 時 回 饋, 提 供 修 正 與 改 進 的 機 會 ; 另 外 於 期 末 時 以 筆 試 操 作 考 與 海 報 製 做 作 為 學 生 學 習 成 效 的 總 結 性 評 量 對 於 實 驗 課 程 本 身 的 評 鑑 我 們 針 對 課 程 安 排 講 義 設 計 實 驗 器 材 與 報 告 撰 寫 為 主, 透 過 教 學 者 與 助 教 的 自 評 學 生 問 卷 調 查 的 回 饋 與 學 生 學 習 成 效 的 評 量 等 指 標, 做 為 實 驗 課 程 的 修 正 與 調 整 的 依 據 期 望 以 這 種 模 式 提 升 大 學 部 光 學 實 驗 課 程 的 品 質 並 且 能 夠 穩 定 且 永 續 的 發 展 160

169 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 以 協 同 教 學 理 念 發 展 高 中 物 理 流 體 力 學 主 題 式 課 程 Development of University Optics Teaching Laboratory 林 欣 達 1 * 黃 頌 喬 1 趙 振 良 2 劉 揚 安 2 王 建 揚 1 國 立 竹 北 高 中 實 習 老 師 2 新 竹 市 立 建 功 高 中 實 習 老 師 3 國 立 苑 裡 高 中 專 任 老 師 聯 絡 人 *xup6vup286@gmail.com 摘 要 這 個 主 題 式 課 程 是 開 設 於 學 校 寒 假 輔 導 期 間, 為 高 中 二 年 級 的 學 生 所 設 計 為 了 符 合 學 校 對 課 程 內 容 的 需 求 以 及 考 慮 學 生 的 先 備 知 識 與 學 習 需 求 後, 我 們 決 定 以 流 體 力 學 為 主 題 發 展 課 程 我 們 以 國 中 理 化 的 浮 力 壓 力 帕 斯 卡 原 理 為 基 礎, 加 入 高 中 物 理 95 課 綱 中 的 表 面 張 力 與 白 努 利 原 理 的 概 念 嘗 試 透 過 實 驗 討 論 講 述, 讓 學 生 建 立 流 體 力 學 概 念 的 輪 廓 我 們 以 協 同 教 學 的 理 念 出 發, 以 單 一 科 目 多 位 老 師 的 模 式, 發 展 高 中 流 體 力 學 課 程 ( 如 圖 1 所 示 ) 在 互 動 觀 摩 回 饋 成 長 的 循 環 中, 將 課 程 內 容 實 驗 操 作 建 立 得 更 加 完 整 透 過 這 次 協 同 教 學 的 經 驗, 我 們 發 現 發 展 協 同 教 學 確 實 會 面 臨 許 多 行 政 上 的 困 難 備 課 上 的 挑 戰, 但 是 我 們 著 實 從 過 程 中 體 會 到 夥 伴 合 作 的 優 點 與 重 要 性, 無 論 是 課 前 的 準 備 或 是 教 學 過 程 中 的 協 助 與 觀 摩 以 及 課 程 結 束 後 的 評 鑑, 都 是 有 達 到 相 當 程 度 的 自 我 提 升 我 們 也 期 待 透 過 協 同 教 學 的 歷 程, 夥 伴 教 師 們 能 將 課 程 不 斷 精 緻 化, 當 課 程 進 行 一 個 段 落 後, 所 有 的 夥 伴 教 師 都 能 夠 掌 握 課 程 中 每 個 主 題 的 所 有 教 學 活 動, 未 來 每 個 教 師 都 有 獨 立 教 授 這 個 課 程 的 能 力 3 圖 1 課 程 發 展 架 構 圖 161

170 2012 中 華 民 國 物 理 教 育 聯 合 會 議 論 文 集 以 分 立 式 電 子 元 件 設 計 的 鎖 相 環 教 學 實 驗 羅 道 正 逢 甲 大 學 光 電 學 系 暨 物 理 教 學 研 究 中 心 聯 絡 人 摘 要 本 文 介 紹 以 基 本 電 子 零 件 設 計 的 電 壓 控 制 振 盪 器 實 驗 電 路 相 位 偵 測 器 及 低 通 濾 波 器 的 實 驗 電 路, 可 以 用 函 數 訊 號 產 生 器 組 成 基 本 的 鎖 相 環 迴 路, 適 合 控 制 系 統 之 捕 取 及 鎖 定 的 演 示 教 學, 與 其 相 關 聯 的 基 礎 物 理 概 念 搭 配 亦 為 講 授 相 關 學 系 之 物 理 課 時 良 好 的 應 用 實 例 關 鍵 詞 : 電 壓 控 制 振 盪 器 (VCO) 相 位 偵 測 器 (PD) 相 位 頻 率 比 較 器 (PFD) 低 通 濾 波 器 (LPF) 鎖 相 環 迴 路 (PLL) 壹 緒 論 一 研 究 動 機 自 動 控 制 是 日 常 生 活 中 經 常 要 操 作 的 系 統, 而 鎖 相 環 迴 路 是 控 制 系 統 中 十 分 常 見 的 重 要 技 術, 可 視 為 是 藉 由 頻 率 變 化 的 負 回 授 以 達 成 穩 定 控 制 的 系 統, 該 迴 路 內 部 的 主 要 模 組 包 含 : 電 壓 控 制 振 盪 器 相 位 偵 測 器 低 通 濾 波 器 因 為 電 子 電 路 的 基 礎 教 學 實 驗 設 計 通 常 會 受 限 於 初 學 者 的 熟 練 程 度 不 足, 在 有 限 的 實 驗 時 數 內 只 能 針 對 最 重 要 的 一 些 單 一 模 組 做 實 驗 分 析, 所 以 有 需 要 設 計 一 些 包 含 多 重 模 組 的 小 專 題, 銜 接 基 礎 電 子 電 路 的 教 學 實 驗 課 程 和 大 學 部 終 端 課 程 學 生 的 專 題 研 究 研 究 的 動 機 是 希 望 藉 由 電 腦 的 電 路 模 擬 分 析 電 子 實 驗 室 的 實 作 測 量 及 演 示 教 具 的 實 務 觀 摩 提 升 學 生 的 學 習 效 果, 達 成 銜 接 基 礎 電 子 電 路 的 教 學 實 驗 課 程 和 大 學 部 終 端 課 程 學 生 專 題 研 究 的 效 果 二 研 究 目 的 162 鎖 相 環 迴 路 的 廣 泛 應 用 使 得 它 被 製 作 成 積 體 電 路 (IC) 大 量 銷 售, 例 如 最 常 見 到 的 CD4046B, IC 的 體 積 小 巧 且 性 能 較 人 工 組 裝 的 系 統 穩 定 可 靠, 是 商 品 的 必 然 趨 勢, 但 是 IC 應 用 時 只 能 在 已 經 限 定 的 範 圍 內 工 作, 對 實 驗 教 學 而 言 缺 乏 彈 性, 而 以 分 立 式 基 本 電 子 零 件 組 裝 的 電 子 電 路 可 以 保 有 應 用 時 的 修 改 彈 性, 比 較 適 合 電 子 電 路 的 教 學 實 驗 量 測 操 作 和 演 示 教 具 的 實 物 觀 摩 討 論 本 文 介 紹 以 分 立 式 電 子 零 件 設 計 的 鎖 相 環 迴 路 實 驗 模 組 教 具, 適 合 自 動 控 制 系 統 的 捕 取 範 圍 保 持 範 圍 及 鎖 定 範 圍 演 示 教 學, 可 以 作 為 應 用 電 子 學 和 線 性 控 制 系 統 的 專 題 實 驗 教 材 或 是 演 示 教 具 貳 相 關 文 獻 探 討 一 鎖 相 環 基 本 的 鎖 相 環 迴 路 介 紹 可 以 由 網 路 查 閱 參 考 文 獻 [1] 之 項 目 14, 以 及 參 考 文 獻 [2] [3] [4], 是 1930 年 代 就 已 經 確 立 的 重 要 工 程 技 術, 迴 路 的 訊 號 流 程 如 圖 一, 輸 入 參 考 訊 號 的 相 位 為 Φ 1, 相 位 偵 測 器 產

171 生誤差訊號 V1 迴路濾波器產生致動訊號 V2 電壓控制振盪器輸出訊號的相位為 率比較器可以調變電壓控制振盪器 使輸 出的頻率修正到與輸入參考訊號的頻率相 Φ2 如果鎖相環迴路處於鎖定的狀態 則 輸入參考訊號 x(t)和電壓控制振盪器輸出 同 進而控制 2 個訊號之相位差到達適當 的固定值 類比式的相位偵測器可以參考 Motorola 的 MC1496 [2] 數位式的相位頻 率比較器可以參考 MC4044 [5] 以上 2 款 IC 只要照著製造廠商提供之內部線路圖 即可用分立式元件在麵包板上實驗製作 是很適合教學使用的資料 MC4044 的數 位 邏 輯 電 路 如 圖 四 CD4046B 或 是 HEF4046B 之 PC2[6]的基本工作原理與其 訊號 y(t)如圖二 相同 圖一: 基本的鎖相環迴路 圖二:鎖相環迴路鎖定的狀態 圖四:MC4044 的寬頻帶相位頻率比較器 如果鎖相環迴路於 t=0 時受到擾動進 入非鎖定的狀態 則輸入參考訊號 x(t)和 電壓控制振盪器輸出訊號 y(t)如圖三 眾多資料內的數位式低雜訊相位偵 測器可以參考圖五 以互斥或邏輯閘產生 出脈波寬度依相位差調變的誤差訊號 V1 例如 HEF4046B 內的相位比較器 PC1 即為此一電路 在數位邏輯設計中[7] 互 斥或邏輯閘是布林代數內的奇函數 Φ1 和 Φ2 的電位相同時輸出邏輯低態 Φ1 和 Φ2 的電位不同時輸出邏輯高態 是設計相位 比較器的基本作法 以低通濾波器對 V1 積分即可產生致 動訊號 V2 對相位差 Φ=0~ 的 2 個訊 號輸入 可輸出連續掃瞄 0~VDD 的電壓範 圍 達到控制 VCO 的效果 圖三: 於 t=0 時受到擾動進入非鎖定的狀態 二 相位偵測器 函數訊號產生器輸入的參考訊號和電 壓控制振盪器輸出訊號的初始狀態可以是 頻率不同的 2 個獨立訊號 寬頻帶相位頻 163

172 圖五:互斥或邏輯閘的 0~ 低雜訊相位偵測 號的頻率做電壓及相位角變化的轉換控 制 即可產生適當的致動訊號 V2 達到使 可以選擇 74HC00 或是 4011 製作互斥 或邏輯閘 它們內部的 4 個萬用基礎邏輯 閘(NAND gate)剛好可以組成 1 個互斥或 邏輯閘[8] 4011 的工作電壓為 3V~18V 應用時的設計彈性大很多 其 Multisim 模 擬分析如圖六 電壓控制振盪器輸出特定頻率和特定相位 角變化量之訊號的目標 迴路濾波器可分為被動式和主動式 的 圖七為被動式落後-前進濾波器的 Multisim 電路模擬圖 落後-前進的意思是 低通濾波器會隨輸入訊號頻率的開始增加 而輸出相位開始落後的訊號 但是輸入訊 號的頻率增加到某一大小之後 輸出訊號 的相位會停止繼續增加落後量 然後反而 會隨輸入訊號的頻率增加而減少落後量 其 Bode 圖的衰減分析如圖八 a 相位分析 如圖八 b 圖六 a:4 個 NAND 閘組成 1 個互斥或邏輯閘 圖七: 被動式落後-前進濾波器電路圖 圖六 b:互斥或邏輯閘的相位比較波形模擬 使用互斥或邏輯閘工作的低雜訊相位 圖八 a: 圖七的 Bode 圖衰減分析 比較器會有無法分辨是否鎖住高次諧波的 問題 因此通常是先使用雜訊比較大但是 同時具備頻率比較功能的寬頻帶相位頻率 比較器 例如使用 HEF4046B 時 在 PC2 鎖住之後才視工作狀況考慮是否需要切換 到低雜訊相位比較器 PC1 圖八 b: 圖七的 Bode 圖相位分析 三 迴路濾波器 四 電壓控制振盪器 迴路濾波器為低通濾波器 依誤差訊 164

173 以分立式電子零件組裝的電壓控制振盪器 可以參考文獻[9] 實驗電路如圖九 其基 本架構為電晶體組成的無穩態多諧振盪 器 是電子學實驗的重要基本電路[10] 搭配以可變電阻器 R6 調整電流的電流鏡 恆流源即可控制振盪器的工作頻率 XSC1 示波器的模擬結果如圖十 其中準 位調整電晶體 Q6 是模擬輸出負載而加上 的 亦可將電晶體 Q6 改為運算放大器的 比較器 電壓控制振盪器的頻率可調變範 圍即為鎖相環的最大工作範圍 圖九: 電流模式射極結合型電壓控制振盪器 的實驗設備為本研究的工具(普通物理實 驗室通常就有這些基礎配備) 本文所使用 電路模擬軟體為 NI LabVIEW 之 Multisim 及 Altera 公司的 MaxPlusII 基礎電子教學 實驗設備為示波器 函數訊號產生器 限 流穩壓電源供應器 耗材部份只取用學生 基礎電子教學實驗室的常備電子零件 二 研究方法 圖十:上:電壓控制振盪器的輸出訊號 將複雜的系統分離為個別單一模組 用電路模擬軟體設計及模擬各部分模組 找出適當的理論值 然後研究如何組合各 部分模組 並以電路模擬軟體設計及模擬 完整系統的工作是否適當 確定開發此專 案的可行性 再以麵包板實作系統的各部分模組 驗證理論值和實驗值是否相同 然後組合 下:準位調整電晶體的輸出訊號 參 研究工具與方法 一 研究工具: 電路模擬軟體及基礎電子教學實驗室 165

174 各部分模組 並實際測試完整系統的工作 表現是否適當 反覆修正以達到最佳組合 波接到相位比較器的另外一個訊號輸入 端 以互斥或邏輯閘工作的數位式低雜訊 修正成功之後可以找適當困難程度的 其它控制系統做為練習 研究控制系統工 程實務的設計和物理理論模型的正確配 合 相位偵測器 其參考用控制脈波的正半週 期和負週期必須相同 因此模擬時函數訊 號產生器之設定如圖十一 再將數位式低雜訊相位比較器的輸出 訊號接到被動式落後-前進低通濾波器的 輸入 最後再將被動式落後-前進低通濾波 器的輸出接入電壓控制振盪器的電阻 R7 輸入端 形成完整的迴路(圖十二) 以 5V 的電壓操作時 74HC00 可以在 4kHz~400kHz 的範圍工作良好 以 5.5V 肆 教學實驗的設計 一 基本鎖相環的組合 以分立式電子零件設計的鎖相環實驗 電路即為圖六 圖七及圖九的組合 要搭 配的實驗設備為限流穩壓電源供應器 雙 軌示波器及函數訊號產生器(請參考附件 照片 1 和照片 2) 先移除電壓控制振盪器的可變電阻器 R6 及準位調整用電晶體 Q6 改用 Op-Amp LF356 組成的電壓比較器取代 將電壓控 制振盪器的 Q1 和 Q2 集極輸出端接到電壓 比較器的輸入端 電壓比較器的輸出端接 或 更 高 的 電 壓 操 作 時 4011 亦 可 以 在 4kHz~400kHz 的範圍工作 示波器之模擬 波形如圖十三 到相位比較器的受控制訊號輸入端 以達 成電壓控制振盪器模組到相位比較器模組 之間的訊號匹配 基本鎖相環實驗電路使用之低雜訊相 位偵測器可以是 74HC00 或是 4011 內部 4 個 NAND gate 組成的 1 個互斥或邏輯閘來 達成 如果實驗室 TTL 零件盒內還有早期 的 74LS00 其工 作 電壓及 腳 位可以和 74HC00 互通 也可以替換作比較 函數訊號產生器輸出的參考用控制脈 圖十一:函數訊號產生器之設定 166

175 圖十二:鎖相環電路圖 圖十三:波形由上向下 1.函數訊號產生器的輸出 2.LF356 電壓比較器的輸出 3.相位比較器的輸出 4.低通濾 波器的輸出 二 基本鎖相環的實驗 作的頻率上限及下限 此頻率上限及下限 之間的範圍即為鎖相環的保持範圍(hold 當系統處於鎖定的狀態時 以快速的 變化率改變函數訊號產生器的輸出訊號頻 率 觀察鎖相環能保持鎖定工作的最大頻 率偏差量 此一單位時間內頻率偏差量的 上 限 值 即 為 鎖 相 環 的 鎖 定 範 圍 (lock range) 若是系統已經處於鎖定的狀態 以緩 慢的速度改變函數訊號產生器的訊號頻 率 觀察 VCO 能以相同訊號頻率同步工 in range) 保持範圍與 VCO 的工作範圍有 關 若是系統已經進入脫離鎖定的狀態 亦可以緩慢改變函數訊號產生器的訊號頻 率 找出可以重新進入鎖定狀態的上限及 下限頻率範圍 此範圍即為鎖相環的訊號 捕取範圍(pull in range) 因為捕取範圍越 大時雜訊頻帶寬度就會越大 所以迴路濾 波器 LPF 的設計要兼顧捕取範圍和雜訊對 167