第四章 設計開發
第一節 聽話的螺旋槳套件設計開發
本套件的設計開發分成「套件材料」與「說明書」兩個部分。套件材料是根據 市售套件與國內外科學玩具資料，加以改良設計，維持其令人感到驚奇的特性與 科學原理，但用更簡便、取材方便、低成本且成功率高的材料與製作方式。說明 書以參考坊間科學魔術書籍的編寫方式，說明如何進行魔術表演、道具的製作、
科學原理與延伸應用，協助使用者了解套件的製作、操作與原理。完成初步設計 後，由國中生實作測試並修正，最後請專家審核與修正。故本節分成套件設計開 發、學生實作測試與修正、專家審核三個部分加以說明。
壹、套件設計開發
本科學魔術根據市售套件與文獻資料來發想，發展套件材料設計構想，重新分 析機構，找出最有效控制方向的方法，並請學生實作來測試其安全性，現象的呈 現及趣味性。以下分為材料與機構構想發展、機構方向控制分析、說明書編寫三 個部分詳述。
一、材料與機構構想發展
本研究參考 Banister-Marx（1999）在網路上提供的一系列自然科學迷你課程，
亦將套件分成凹槽主軸、小圓棒、螺旋槳、釘四個零件進行設計與開發，如圖 4-1-1。
圖 4-1-1 套件零件分成凹槽主軸、小圓棒、螺旋槳、釘四個部分
資料來源：Banister-Marx, J. (1999). The magic hooey stick. Retrieved January 25 2011, from THE NATURE OF SCIENCE website: http://www.indiana. edu/~ensiweb/
lessons/mhs.html
小圓棒 凹槽主軸
螺旋 槳
釘
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（一）凹槽主軸的材料
凹槽主軸無論用 Banister-Marx（1999）使用刻磨機來磨出凹槽，或是朱慶琪 (2010)教授使用剉刀都費時費力，故思考在木棍上增加突起物，同樣能達到小圓
Aubrecht (1982) 認為就算每個間距不規則，螺旋槳仍可轉動。實際測試發現，
主軸棍上突起的間距太大，主軸振動頻率降低，轉速較慢；突起間距若遠小於小 圓棍直徑，導致小圓棍刮動時振動幅度太小時，螺旋槳將無法轉動。Banister-Marx
（1999）與朱慶琪（2010）認為，凹槽主軸上的每個凹槽間距固定約取 0.5~1 公分 效果較佳，實際測試亦如此，故突起間距採取中間值 0.8 公分。
（三）螺旋槳材料
Caughey(1960)分析，若軸以週期性水平外力推動呼拉圈，則外力的初始偏向 角θ和外力的推動最大振幅 與呼拉圈半徑 的比值 若小於 0.5，則呼拉圈無
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法轉動，比值 太大則轉速慢。因此在設計螺旋槳中央圓孔大小時，須評估針 尖振動的幅度。實驗發現，螺旋槳孔徑以 3mm 效果較佳。Aubrecht (1982) 提到，
螺旋槳的只要重量不要太重，其尺寸不影響轉動，故螺旋槳選擇以重量輕、易取 得、易加工製作的材料為目標，故以銅版紙、飛機木、珍珠板為材，並分析其優 劣，如表 4-1-2。其中珍珠板雖價格略高，然而其材質輕，不需特殊工具，只要用 筆尖，就能鑽出孔徑 3mm，且易容易剪裁，使用者可以發揮創意剪成不同的形狀，
增加其趣味性，故選擇珍珠板為材。
表 4-1-2
螺旋槳材料優劣比較
材料 銅版紙 飛機木 珍珠板
優 價格便宜 輕 輕
中央易鑽孔，易剪裁 劣 硬，中央鑽孔不易 硬，中央鑽孔不易
不易裁剪 價格高
價格高
（四）小圓棍材料
仿效朱慶琪（2010）的教學製作，採用價格便宜且易取得的竹筷為材。
（五）釘材料
比較市面上易取得的珠針、圖釘、鐵釘。因螺旋槳採用珍珠板較厚，圖釘插入 鉛筆前端的橡皮後，剩餘的空間不足；鐵釘較粗，螺旋槳須鑽更大的孔徑，增加 製作難度，故選擇珠針為材。
綜合以上，設計結果如圖 4-1-2，以珍珠板為螺旋槳，中央孔徑 3mm，珠針為 釘，鉛筆為主軸，纏繞鋁線製造突起，突起間距約 0.8 公分，竹筷為小圓木棍，轉 動效果良好，方向操控性亦佳。
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圖 4-1-2 聽話的螺旋槳初步設計結果
經過一群暑期進修的中小學老師測試後，發現珍珠板旋轉時間長了之後，孔徑 會越來越大，甚至大過珠針的圓珠，而轉著轉著就飛出去了，十分不便。故將珍 珠板改為磅數低的銅版紙，原為配合珍珠板厚度而採用的珠針，改為成本更低且 面積大的 T 形圖釘，鉛筆也可改為適合 T 形圖釘崁入且更便宜的竹筷，如圖 4-1-3。
圖 4-1-3 聽話的螺旋槳修訂設計結果 最終套件材料如下表 4-1-3：
表 4-1-3
聽話的螺旋槳最終套件材料
材料 規格 數量 成本（元）
圓棒－竹筷 徑 6mm 一支 0.15 鋁線主軸－竹筷 徑 6mm 一支 0.15 鋁線主軸－鋁線 徑 1.5mm，長 20cm 一段 2 鋁線主軸－pvc 絕緣膠帶 5cm 兩段 0.16
圖釘 T 字型 一個 0.4
螺旋槳－紙片 500 磅白銅卡紙 1.5cm*4.5cm
（中央鑽孔，孔徑 3mm）
一張 0.03
總價 2.92
螺旋槳
鋁線主軸
圓棒 圖釘
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使振動軌跡沿著施力方向展開，以增加對轉動方向的辨識度。順時針轉動的最佳 施力 A、反時針轉動的最佳施力 B 與無法轉動的施力 C 三種狀況下，比較畫在紙上 軌跡，結果如表 4-1-5。
圖 4-1-4 振動軌跡裝置
圖 4-1-5 主軸振動軌跡疊加
紙 筆尖 鋁線(竹筷刮
動位置) 彈簧(增加筆
尖彈性)
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三、說明書初步編寫與設計
根據市售科學魔術書籍的編排方式，來設計說明書。標題下，簡述操作玩具的 方式，並描述其令人驚奇處。內容分成材料、製作方法、操控與原理四大項。材 料列出所有螺旋槳的零件和數量；製作方法以照片下方加以文字說明的方式，照 片上標註須注意的長度和位置；操控主要以文字敘述為主，圖示用以說明竹筷刮 動方向和控制轉動方向的技巧；原理說明螺旋槳轉動與改變方向的成因，以呼拉 圈的轉動來類比，更容易使讀者了解。內容詳見附錄五。
貳、學生實作與修正
請十二位國中生，分五次來實作。實作時，研究者在旁記錄學生的表情與行為 動作，製作過程中若發生製作錯誤或摸索一段時間仍無法繼續時，研究者將從旁 協助使其能完成整個實作，並在之後與學生討論當時的想法和反應，與說明書內 容敘述的差異。每完成一次實作，與指導教授討論學生反應，進而改進套件材料 與設計及說明書內容。以下分成套件材料與設計及說明書內容兩部分加以說明。
一、套件材料與設計
（一）套件材料與安全性 1. 套件中圖釘的使用與安全
原本擔心材料中的圖釘可能會因沒注意而不小心被刺傷，十二位學生進行實作 過程，都能順利完成，沒有發生被刺傷意外。詢問學生拿圖釘時是否有被圖釘刺 到，學生表示按照說明書的方式製作較安全，故安全性無疑慮。
能照著說明書製作完成，約花五分鐘。無安全上的意外發生。（K1-T0112-1）
詢問製作過程是否會擔心被圖釘刺到，學生表示還好，因為有照著說明 書上的步驟做。（K1-T07123-2）
2. 手持竹筷位置在說明書中以圖示說明
有些學生拿竹筷刮動鋁線時，因竹筷較長，當手持竹筷末端來刮動鋁線時，較
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難正確施力，導致鋁線的振動較小，影螺旋槳轉動。若竹筷改成市售小圓棒，手 持位置離鋁線主軸近，造成的振動較大，會有較佳的效果。但市售小圓棒的成本 高，若將竹筷用加工的方式剪短，也會增加人力成本，故用增加說明書圖示的方 式，提醒讀者。
因手持竹筷的長度過長，導致振動效果不佳。提醒學生持竹筷刮動的手 靠近鋁線位置來刮動，便得到更好的效果。（K1-T0112-2）
（二）套件組合的製作
1. 圖釘釘入竹筷深度在說明書中增加圖示說明
學生實作過程中，常出現圖釘若沒有釘緊，玩到一半圖釘掉落的情形或是釘太 緊導致釘完全沒入竹筷，而使得螺旋槳沒有可以轉動的空間。若改採用較尖銳的 圖釘雖然可以改善沒有釘緊的狀況，但會降低套件的安全性。故仍採取原製作方 式與圖釘形式，但在說明書中加入圖示與文字，說明圖釘釘入的深度，能釘緊又 不影響螺旋槳的轉動。
測試時圖釘因沒釘緊有掉落的狀況，受試者再將圖釘釘回時，特意用力 壓緊。（K1-T0112-2）
圖釘釘太緊且竹筷在鋁線部位滑動時緩慢，導致螺旋槳轉動不順，經提 醒後，可做出順轉效果……（K1-T06123-3）
2. 纏繞鋁線的間距在說明書中增加圖示說明
有時學生纏繞鋁線的間距過大，影響轉動，經晤談後學生都表示沒有注意到說 明書上的文字敘述。由於學生習慣看圖，不看文字，故在說明書中增加圖示。有 些學生表示間距 0.8 公分很難拿捏，故在說明書上加以標示實際長度。
因鋁線纏繞間距略大，一開始控制反轉不順利，但後來會嘗試不同角度 來控制反轉。（K1-T0413-2）
訪談時表示纏鋁線時，間距 0.8 公分不好抓。（K1-T06123-1）
（三）操作與現象的呈現
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1. 在說明書中的魔術表演圖示，增加文字解說來強調重點
學生在玩螺旋槳時，持竹筷刮動時超出纏鋁線部位，造成旋轉效果不佳。手持 鋁線主軸應水平，但有學生未注意看說明書，垂直拿著鋁線主軸，導致螺旋槳無 法轉動。故在說明書中的圖示特別強調。
持竹筷刮動時，將附螺旋槳竹筷從頭刮到尾，而非僅在纏鋁線部位刮動，
造成旋轉不順，經提醒，便可順利轉動。（K1-T0112-2）
一開始手持附螺旋槳竹筷傾斜而無法轉動，受試者仔細看過說明書調整 成水平，便可順利造成順轉……（K1-T0112-1）
2. 說明書中操控螺旋槳的部分，改以分解動作來解說
一開始學生較難控制螺旋槳轉動方向，需摸索一段時間，才能掌握訣竅，有些 較沒耐心的學生，便會放棄不玩。故在說明書上須增加分解動作的圖示，來引起 讀者的注意，並更清楚的講解控制方向的技巧。
提醒他是否可以反轉時，受試者再看一次說明書，嘗試後可以成功反轉，
但轉動時動時停，自己在嘗試調整不同角度一段時間後，能快速轉動。
（K1-T0112-1）
學生能照說明書，約花十分鐘摸索才能操控正反轉，要求做『讓觀眾驚 奇的秘訣』部份的練習，約花兩分鐘便可操控自如。（K1-T05123-1）
……另一學生能正轉但無法反轉，雖一再提示看說明書，但仍沒有耐心
……另一學生能正轉但無法反轉，雖一再提示看說明書，但仍沒有耐心