第二章 文獻探討
第二節 機構與機構玩具
兩個或以上的機械構件聯結而做拘束相對運動的系統稱為運動鏈 (kinematic chain)(許正和，2006a)。當運動鏈內的一根桿件被固定來做為 基座時，我們稱之為機構(mechanism)(許正和譯，2003)。在一機構中，
能推動其他機件運動之機件，稱為原動件(driver)；被動件運動之影響而 產生運動者，稱為從動件(follower)(詹鎮榮，2007)。多數應用於生活的 機構原理為「力的傳遞」，常見的種類與應用則有：滑輪系統、鍊條與 鍊輪系統、齒輪系統、凸輪機構、槓桿與連桿等(徐萬椿譯，1988；張允 昭譯，1977)，以下對於運動傳遞機構與機構玩具做探討。研究者認為機 構之相關知識具有邏輯推理性，操作時亦能培養學生操作技能、思考與 即時修正的能力，因此設計機構玩具之實作活動，以培養學生機械性向 方面之知能，使其辨清自我性向。研究者教學機構知識，並製作教學範 例講解製作過程，學生學習機構運作的知識與操作後，進行設計與製作 一個多機件組合且能運作的機構玩具。
一、 運動傳遞機構
運動傳遞機構並非單只有動力的傳遞而已，而且也在運動狀態上有 各種變化傳動之機構，也就是說，運動傳遞機構是以運動的變化為主的 傳遞機構。約可分為下列五大類(李榮華，2010；徐萬椿譯，1988；許正 和，2006b；張允昭譯，1977；詹鎮榮，2007)：
(一) 連桿機構(Link mechanism)
連桿機構是由三個以上的連桿用可轉動的銷互相連結，或使用 幾塊滑塊將各個連桿互相連結，限制連桿在平行平面上運動之機構。
連桿機構的特徵就是用可轉動塊或可滑動塊，與連桿相連結而成，
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可傳遞拉力及壓縮力。其中，以樞軸為中心而擺動之連桿稱為槓桿 (Lever)；以樞軸為中心轉動之連桿稱為曲柄(Crank)；將槓桿與曲柄 相連結之連結桿稱為連桿(Connecting rod)。
平面四連桿機構(planar linkage)為一種最簡單而最有用的機構。
平面四連桿機構可分為曲柄搖桿連桿組、雙搖桿連桿組、雙曲柄連 桿組。曲柄意指桿件可連續旋轉360°，搖桿則是只能搖動或擺動的 桿件。三種四連桿機構示意圖如下：
圖1 曲柄搖桿連桿
圖2 雙搖桿連桿
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圖3 雙曲柄連桿
資料來源：研究者使用geogebra自行繪製。取自https://www.geogebra.org/graphing
(二) 凸輪機構(Cam mechanism)
凸輪機構是由有曲線邊緣或溝之旋轉體或擺動體或者往復運 動體之原動件，與直接接觸之從動件所組成，原動件與從動件之接 觸為點或線，因此不適合大動力的傳遞。螺旋機構(Screw mechanism) 是一種由螺旋狀凸條及凹溝所配合而成的一種凸輪機構，當螺桿作 旋轉使螺帽前進一道螺牙時，也就是兩螺牙尖之間的距離，稱為一 螺距(Pitch)，兩道螺牙時則為二螺距，以此類推。螺旋機構與其他 多數凸輪機構的差異是原動件之螺桿(Screw)與從動件之螺帽(Nut) 為面的接觸，並且原動件在作連續旋轉時，可使從動件做週期性之
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運動。凸輪機構示意圖如圖4：
圖4 凸輪機構示意圖
資料來源：研究者使用sketchup 2014自行繪製。
(三) 摩擦傳動機構(Friction gearing)
摩擦傳動機構是原動件與從動件使用摩擦接觸來傳動的機構，
(四) 齒輪傳動機構(Toothed gearing)
在滾輪傳動中之滾輪圓周觸面上配置適當的齒形，使主動輪與 從動輪的齒形直接接觸嚙合，主動輪轉動時帶動從動輪轉動，即為 齒輪傳動。由齒輪所組成用來使輸出件與輸入件之轉速比維持一定 的裝置，則稱為齒輪機構(Gear mechanism)。齒輪傳動機構中，齒的
從
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咬合確實，較滾動傳動不易產生滑動，速度比固定，是旋轉運動中 做確實地傳遞時最恰當之機構，應用範圍極為廣泛。齒輪機構是用 來連動兩軸之間的運動關係，因此齒輪的分類可依其軸線間的相對 位置區分為兩軸平行(Parallel axes)、兩軸垂直(Intersecting axes)、兩 軸交錯(Nonparallel nonintersecting axes)三類(張定昌，2003；顏鴻森，
1997，1999)。兩齒輪之軸承為平行軸時最普遍使用的是正齒輪(Spur gear)，另有針齒輪、齒條與齒輪及人字齒輪，如圖5、圖6、圖7與 圖8。兩軸為垂直軸時，其齒輪稱為斜齒輪(Bevel gear)，如圖9，其 外型如傘打開之形狀，又可稱為傘齒輪，而當兩軸呈現垂直交叉且 兩齒輪直徑相等時，稱之為等徑正角斜齒輪(Mitre gear)(圖10)。兩 軸為平行不相交時，齒輪稱為歪齒輪(Skew gear)，有歪斜齒輪(圖11)、
蝸桿與蝸輪(圖12)及戟齒輪(圖13、圖14)，其齒形與軸平行對軸心呈 傾斜狀。
圖 5 正齒輪 圖 6 針齒輪
圖 5、圖 6 資料來源：黃詰勛(2007)。齒輪機構。2016 年 8 月 6 日，取自 http://sparc.nfu.edu.tw/~cml/meeting(20070323)/12.htm
圖7 齒條與齒輪
圖8 人字齒輪
圖7資料來源：黃詰勛(2007)。齒輪機構。2016年8月6日，取自 http://sparc.nfu.edu.tw/~cml/meeting(20070323)/12.htm
圖 8 資料來源：北京歐豪汽車貿易公司(2015)。［傳動原理］一輛車是如何將動力通過發動機傳遞給 輪胎的？取自 http://www.weichai88.cn/contents/5/1257.html
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圖9 斜齒輪
圖10 等徑正角斜齒輪
圖9資料來源：張國彬、林育宏。齒輪的用途與種類。取自 http://mail.scvs.ntpc.edu.tw/~gupeen/top1/html/chap10-all.htm
圖10資料來源：麥剎(2015)。齒輪應用一(傘齒輪)。取自http://blog.xuite.net/sector/twblog/305539213-齒輪應用－(傘齒輪)
圖11 歪斜齒輪
圖12 蝸桿與蝸輪
圖11資料來源：勝寶興機械有限公司(無日期)。取自 http://sbx.com.tw/exec/product.php?mod=list&cid=12&lg=T 圖12資料來源：黃詰勛(2007)。齒輪機構。2016年8月6日，取自
http://sparc.nfu.edu.tw/~cml/meeting(20070323)/12.htm
圖13 戟齒輪(傘齒輪)
圖14 戟齒輪(螺桿)
圖13資料來源：張國彬、林育宏。齒輪的用途與種類。取自 http://mail.scvs.ntpc.edu.tw/~gupeen/top1/html/chap10-all.htm
圖14資料來源：Gears and Types of Gears。取自http://www.mechgrid.com/gears-and-types-of-gears.html
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(五) 帶條傳動機構(Belt, rope or chain driving mechanism)
帶條傳動機構又稱掛塔傳動機構，在兩軸上固定有帶輪、繩輪 或鏈輪，兩輪之間用閉合傳導體掛塔在其上做傳動之用，此機構多 用在兩軸之間距離甚大者。帶條與繩等不適用於正確旋轉之傳動，
但不會有齒輪機構之噪音，而當傳動部份發生故障時可防止機構損 壞，帶條傳動機構示意如圖15：
圖15 帶條傳動機構
資料來源：TyM predictivo. (n.d.). Alineamiento láser. Retrieved from http://www.tympredictivo.com/proalineamiento.html
二、 機構玩具
機構玩具是利用連桿機構、凸輪機構、齒輪傳動等多種單一或組合 多種機構，將機構運作時帶動的動作加以設計成為機構玩具。機構玩具 應用在生活科技課程的教學行之有年，有許多不同的運作形式及樣貌呈 現，例如：紙機械卡片、液壓機械手臂、機械獸、凸輪玩偶及機構盒等。
連桿機構可以使用桿件連接，運用槓桿、曲柄及搖桿等做出動作，
紙機械卡片的動作、機械獸行走機構、機械手臂的前進後退與夾持之動 作等皆是應用連桿機構製作而成。凸輪機構是運用凸輪不規則的形狀使 從動件可作上下運動，或運用摩擦力使從動件旋轉，常見的另一種類似 機構為曲軸，和凸輪皆是週期性不規則運動。機構玩具多為連桿機構或 凸輪機構，可以結合成機構盒，也可結合齒輪，譬如：針齒輪或分度齒 輪，改變轉速及運動方向；蝸桿與蝸輪、齒輪與齒條，將圓週運動與直 線運動互相轉換，使機構玩具有更多運動方式呈現。機構玩具的形式眾 多，研究者參考現有的機構教學，將「應用的機構」、「教學主題」、
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「教學概述」與「樣貌形式」，以及其作品照片等內容於附錄一中呈現。
機構玩具運用各式機構於實作活動，使學生能瞭解機構知識，並經 由動手操作瞭解機構的運作方式，達到科技教育「做中學」的理念，亦 符合未來十二年國民基本教育「做、用、想」的理念。研究者整理現有 的機構玩具教學活動後，將其對應至十二年國民基本教育科技領域課程 綱要草案中之生活科技課程目標，及國中生應具備的核心素養，如下：
(一) 生活科技課程目標
1. 協助學生習得科技的基本知識與技能。
2. 協助學生培養正確的科技觀念、態度及工作習慣。
3. 協助學生善用科技知能以進行創造、批判、邏輯、運算等思 考。
4. 協助學生整合理論與實務以解決問題和滿足需求。
5. 協助學生理解科技產業與職業及其未來發展趨勢。
6. 協助學生起發科技研究與發展的興趣，進而從事相關生涯試 探與準備。
(二) 科技領域核心素養
1. 科-J-A1*──具備良好的科技使用態度，並能應用科技知能，
以發揮自我潛能及實踐自我價值。
2. 科-J-A2*──具備理解情境與獨立思考的能力。
3. 科-J-A3*──具備善用科技資源以擬定宇有效執行計畫的能 力，並具備主動學習與創新求變的科技素養。
4. 科-J-B1*──具備運用各種科技符號與運算思維表達與溝通 的素養，並理解日常生活中科技與運算的基本概念，應用於 日常生活。
(*：科代表科技領域；J代表國中階段、A代表總綱核心素養面向中的自主 行動、B代表總綱核心素養面向中的溝通互動。)
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研究者以此作為發展教學活動的基礎，並根據《十二年國教─科技 領域／生活科技課程規劃》之國中階段學習內容─「機構與結構的應用」，
設計出適合國中階段之生活科技課程教學活動。
三、 小結
研究者經由參考他校教師發展出的系統化教學，整理出生活科技課 程現有的機構教學活動。考量到學生對於應用機構的學習到製作機構玩 具的過程中，常以嘗試錯誤的方式完成，鮮少運用不同領域知識的思考 及實作技能的結合，因此，研究者研擬出STEM取向之機構玩具實作活 動，教學不同的機構原理後，望能使學生在實作過程中能運用不同領域 之相關知識，對未來學習與其性向發展有所幫助。
研究者設計與機構相關之STEM領域知識教材，教學多種機構之運 作原理、與數學相關的三角形邊長概念、重心、轉速比，以及與自然相 關的測量等，使學生瞭解各個機構與STEM相關領域之知識，能統整知 識與實作經驗於機構玩具的設計與製作之中。在教學之教具設計上，製 作作品前的機構活動有四連桿機構教具與凸輪機構教具，以及此機構玩 具之作品教具。其中，四連桿機構教具是由研究者與大同高中汪殿杰老 師、臺師大范斯淳博士在104學年度科技部專題研究計畫中討論改變機 構盒之樣式，因而設計出平面機構設計，以平面板狀，於上方加上許多
研究者設計與機構相關之STEM領域知識教材，教學多種機構之運 作原理、與數學相關的三角形邊長概念、重心、轉速比，以及與自然相 關的測量等，使學生瞭解各個機構與STEM相關領域之知識，能統整知 識與實作經驗於機構玩具的設計與製作之中。在教學之教具設計上，製 作作品前的機構活動有四連桿機構教具與凸輪機構教具，以及此機構玩 具之作品教具。其中，四連桿機構教具是由研究者與大同高中汪殿杰老 師、臺師大范斯淳博士在104學年度科技部專題研究計畫中討論改變機 構盒之樣式，因而設計出平面機構設計，以平面板狀，於上方加上許多