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第二章 文獻探討

第三節 國小自然『簡單機械』槓桿相關概念

具備省力或省力特性的人造工具稱之為「機械」。人們使用機械以達到省力、

或省時(減少耗時)、抑或 方便操作(施加的力轉變為最有用的形式)的目的。由簡 單工具所形成的機械稱之為簡單機械。生活中常見的簡單機械為槓桿、輪軸、滑 輪、螺旋以及斜面等。

日常生活中許多器具即運用了槓桿、輪軸和滑輪加以設計,使生活更便利、

更省力。在設計課程教案時,本單元以日常生活中相關器具為例,讓學生經由操 作與探討方式來學習簡單機械槓桿原理

二、最簡單的機械—槓桿

在日常生活中,隨時都能發現許多應用槓桿的事物。比如剪刀、開罐器、鉗 子、指甲刀、螺絲起子等,這些槓桿有些省力的,也有部分是省時的。以下是針 對槓桿相關名詞所做的整理與說明

表2-3-1 槓桿相關名詞整理表

名 稱 說 明

槓桿 凡是可繞一固定點而轉動的硬棒,皆可視為「槓桿」。 支點 槓桿轉動時所繞的固定點。

施力與施力臂 作用於槓桿上的力,稱為「施力」。而施力的作用線到支點的 垂直距離,稱之為「施力臂」。

抗力與抗力臂 槓桿所受阻力,稱為「抗力」。抗力的作用線到支點的垂直距 離,則是「抗力臂」。

槓桿原理的定義為當槓桿保持靜止平衡狀態時,其所受順時鐘方向的力矩與 逆時鐘方向的力矩大小相等。此關係稱為槓桿原理,公式如下

公式:d 施×F=d 抗×W (d 力臂距離、F 施力、W 抗力)

槓桿亦可以根據支點、施力點、抗力點的相關位置區分成下表中三類,如表 2-3 -2 所示

表2-3-2 槓桿的種類與特徵 種類 特徵

第一類槓桿 1.支點位於施力點與抗力點之間。

2.需考量施力臂與抗力臂的距離來決定其為省力或是費力槓桿 3.蹺蹺板、剪刀、船槳和板手…等即屬此類槓桿。

第二類槓桿 1.抗力點位於支點及施力點之間。

2.施力臂長度較抗力臂長,所以皆屬於省力槓桿。可以用較小力 量舉起或移動較重的物體

3.手推車、胡桃鉗、榨汁器…等即屬此類槓桿。

第三類槓桿 1.施力點位於支點及抗力點之間。

2. 施力臂長度較抗力臂短,故皆屬費力槓桿。需用比重物大的 力量來舉起或移動的物體。但能增加施力所推動物體的速度,所 移動物體的距離較第二類槓桿所移動的距離遠。

3. 鑷子、筷子、掃帚…等即屬此類槓桿。

三、國小教科書之『簡單機械』概念分析

研究者依照 99 年度現行國民小學自然課程有關簡單機械槓桿概念之教材內 容進行分析,將教科書各版本有關簡單機械槓桿概念之單元內容加以分析整理。

再從各版本課程中綜合整理簡單機械槓桿相關之教材與課程內容項目,作為 5E 系統化教學設計編製之參考。

為了解本單元在各版本的編排情形,首先比較國內各版本國小課程教科書中

「簡單機械」相關概念編排所在的年級與冊別,以及從九年一貫「自然與生活科 技」領域的課程綱要(教育部,2003)中整理出與槓桿概念有關之教材內容,如表 2-3-3、2-3-4 所示:

表2-3-3現行國民小學各版本教科書相關於簡單機械槓桿概念單元一覽表 版本 年級 冊別 單元 單元名稱

南一 三上 一 二 力的作用

六下 八 一 巧妙的施力工具

康軒 四上 三 四 運輸工具與能源

五上 五 一 力與運動 六下 八 一 簡單機械

翰林 四下 四 一 有趣的力

六下 八 一 生活中的力

生活科技

六下 第一單元

生活中的 力

而得知。

2.認識彈力、浮力、磁力的作用及生活中的應用。

3.認識力在生活中的應用及人類的貢獻。

五下 第四單元 力的世界

1.透過觀察實驗,察覺力的大小可由形變或運動 狀態改變的程度來度量

2.透過實作察覺摩擦力會影響運動,摩擦力的大 小與接觸面的性質有關

六下 第二單元 簡單機械

1.透過操作認識槓桿原理。

2.透過操作、討論,認識輪、輪軸和滑輪等簡單 機械。

3.透過實驗,察覺動力可以經由齒輪、鍊條等傳 送。

4.透過觀察、操作,察覺許多巧妙的工具常是簡 單機械原理的應用,並能把學習到的簡單機械原 理應用於生活中。

表2-3-5 各版本教科書有關簡單機械概念單元名稱及摘要目標一覽表

有關各版本教科書之比較結果,簡要說明如下:

1、單元順序編排方式 : 各版本差異不大,單元順序皆由易至難、活動設 計類型大都相近但各自有其特色。值得一提的是單元在年級方面的配置差異頗 大,若改採用不同版本時如轉學生,將會有銜接方面問題。

2、能力指標數目差異度高 : 各版本編寫教材時因不同考量而造成在能力 指標次數上差異,雖不影響到課程安排與學生學習情形。但過多或不明確(無法 切重單元主要目標)的能力指標,將使教學者在運用及參考上造成紛亂無法組織 化的情形(任慶儀,2007)。大幅減低能力指標的功能與美意。

3、學科知識內容的深度、廣度及教學策略有所差異 : 版本間教材編排模 式與教學策略的差異對於教學者在實施教學有一定的挑戰,教學者必須深入理解 教材採用的教學策略,才能充分發揮教材內容(許雅婷,2008)。但教材內容編 排及策略的差異,則可能產生教學者調適與版本間的銜接問題。

表 2-3-5(續)

四、小結

依據上述文獻資料得知,「簡單機械」的教學需要由槓桿原理為基礎,循序 漸進轉化為輪軸與滑輪等簡單機械;學童需經過階段性的實作與推理形成概念,

並由生活中現成用具延伸支持新的想法(賴燕慶,2007)。而 5E 學習環以學生為 中心的五階段教學策略能夠符合搭配「簡單機械」的學習類型。

本研究將採用翰林版「簡單機械」單元作為研究的課程內容參考,並搭配 5E 學習環教學策略以及 ADDIE 系統化教學設計模式,進行教學內容與格式的設 計。