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101-117 (1998)
4. Technology Enabled Active Learning, TEAL http://web.mit.edu/8.02t/www/802TEAL3D/te al_tour.htm
從非制式情境到制式情境:
高中職及大學應用史特林
引擎模型製作進行熱學
教學之模式
葉蓉樺
國立自然科學博物館 科學教育組 摘要:史特林引擎模型製作活動自民國 93 年起，在 國立自然科學博物館以教師研習的方式進行推廣。 本研究追蹤教師研習後應用於教學的現況，發現除 了中部地區幾所高中職的自然與生活科技教師將研 習成果應用於教學之外，亦有多所大學將模型組裝 活動用於普通物理學實驗或專題製作。研究中將介 紹高中職在自然與生活科技課程中應用史特林引擎 模型製作，以及大學機械系、物理系如何應用模型 製作活動於教學的模式。由個案施行的優缺點，探 討將非制式情境學習活動整合到制式教學課程的幾 項要點。壹、研究背景
國立自然科學博物館自民國93 年起，開 發史特林引擎模型製作活動並以教師研習及 學會教案演示的方式進行推廣。參與研習及 學會演示的老師至民國 96 年為止，有 177 人次。由民國94 年開始陸續有大學及高中教 師與本館索取資料，接洽將這項活動用於正 式課程。本文的研究問題是探討這些不同層 級的學校及系所，如何利用史特林引擎模型 製作的活動進行物理相關的概念教學，以及 各項成效與優缺點評估。 本館以高中學生規劃科學動手作營隊活 動當中，亦同時訓練觀察及輔導員，在活動 當中進行記錄，瞭解高中學生在實作活動當 中，面對問題時的解決模式[1]。貳、研究方法
研究以個案歷程檔案的方式進行。每校 為一個個案，每案的歷程檔案對授課教師進 行半結構式晤談、蒐集課程架構與進度之規 劃記錄、學生作業或成品等資料。一、史特林引擎模型製作的教學意義
史特林引擎是一種 17 世紀問世的古董 引擎，屬於外燃機的一種。利用熱源加熱基 部的金屬板，使密閉的氣室內部氣體膨脹， 推入內含活塞的汽缸當中，把連桿向上舉。 QH QL Qin Qout Wnet TH TL Va Vb P V 等溫膨 脹 1 2 3 4 圖一159 氣體作功後，能量消耗、體積收縮，氣室內 的移氣胴體落下，牽動金屬絲使飛輪轉動。 藉由引擎模型運作過程的觀察，可配合 圖一，對學生進行簡單的熱力學概念介紹。 其中1→2 的過程中，工作流體等體積升溫， 2→3 的過程中，工作流體等溫膨脹，3→4 的過程中，工作流體等體積降溫，4→1 的過 程中，工作流體等溫壓縮，1→2 的過程中， 工作流體等體積升溫。 與卡諾循環(Carnot Cycle)比較，卡諾循 環由兩條絕熱線和兩條等溫線搆成。在史特 林引擎中工作流體的壓力－體積圖(pv 圖)是 由兩條等溫線和兩條等體積升/降溫度線構 成。換言之，史特林引擎循環以兩條等體積 升降溫度線，取代卡諾循環的兩條絕熱線。 值得注意的是，事實上，史特林引擎工 作流體的溫度並非完全均勻的﹔體積和壓力 的變化也非如圖上所示那樣逕謂分明，真正 的體積和壓力變化的曲線並非如圖1 有稜有 角。圖 1 是理想化和簡化的史特林引擎循 環。也就是說：假設史特林引擎轉速慢到可 以在工作流體溫度升降時，將體積視為不 變，但工作流體膨脹並壓縮時，溫度可維持 與溫差氣室的冷熱區一致，也就是工作流體 作等溫膨脹與壓縮[2]。 製作模型的活動對於一般學生，可藉著 透明的氣室及活塞，讓學生配合著模型運作 的觀察，簡單說明內燃機和外燃機構造的差 異，以及在熱功轉換過程中，體積變化的情 況；能力較高的學生，亦可從能量守恆的觀 點，介紹史特林引擎的熱功轉換效能計算。
二、史特林引擎模型製作在高中之應
用：生活科技課程
國立臺中二中賴顯榮老師在其生活科技 課程當中，率先將史特林引擎模型製作活動 融入其中。其模式為：第一週介紹史特林引 擎的運作及製作元件，學生在第二週以製作 成品進行運轉及趣味的比賽。 在連續兩年的教學後，與該校物理科教 師合作，在物理課對熱學作較深入的原理介 紹，於生活科技課程當中則介紹較多史特林 引擎目前在發電及太空科學方面的應用。三、史特林引擎模型製作在大學機械系
的應用：大同大學機械系—造物課
課程分為大一及大二兩階段。大一階段 以兩週的進度進行，第一週說明簡易「自由 活塞」型的史特林引擎製作方法，開放工廠 的工具及材料讓學生自行製出可在軌道上行 走的機具；第二週則設置軌道進行距離比 賽，予以優勝學生獎勵。史特林引擎模型的 製作只是多項製作活動當中的一項。 任課教授賴光哲老師表示，他希望學生 透過一年級的製作活動，對熱流運作及熱機 控制元件有所瞭解，在二年級熱學課程時能 有較佳的學習表現。 二年級的課程則要求學生以金屬加工材 料製作彈珠移氣器型的史特林引擎模型(見 圖2)，並製成可運動的小車，進行測距的比 賽。 圖2 玻 璃 針 筒 (活 塞) 支架 燭火：熱源 彈珠：移氣器 軟管 吸管及橡膠塞 耐熱試管160
四、史特林引擎模型製作在大學機械系
的應用：國立中興大學機械系—機械設
計與製作專題
這門課由全系老師共同開設，每位老師 設置 3-5 個題目(或由學生自由提出題目)， 3-5 人一組製作出成品，由叁年級下學期到 四年級共三學期。目前為止已有三屆的學生 選擇以史特林引擎為題目。 指導史特林引擎模型製作的陳昭亮及盧 昭暉老師，希望選擇這個題目的學生能夠由 製作過程中，應用機械設計、金工技能及熱 流計算的能力完成作品。五、史特林引擎模型製作在大學機械系
的應用：正修科技大學機械系—技術創
作課程
正修科大的課程是以8 個小時的講授課 程介紹史特林引擎的運作原理、於再生能源 使用的優點、設計元件分析。4 小時的製作 說明及零件製作，2 小時的組裝與競賽。 任課的許昭明老師認為這樣的模型製作 活動有助於學生練習機械加工的技能，增進 工作技術與知能。六、史特林引擎模型製作在大學航空暨
太空科學系的應用：國立成功大學—熱
力學
這門課程開設於二年級。受限於校內規 定，學生需先取得金工操作執照才能使用學 校工廠作金屬加工，因此開課的鄭金祥教授 改以彈珠移氣器史特林引擎模型(如圖 2)作 為學生實作的練習。開課教師希望能結合基 礎理論及設計、加工和測試的練習經驗，使 學生能充分瞭解從機構分析、模擬、實作與 運轉的過程。理論部分除熱力學之外，還包 括結構設計、震動影響；設計部分則練習使 用CADCAME 及 ProE 等工程設計與模擬軟 體，瞭解各種參數及計算對實作尺寸的影響。 雖然製作並不如其他機械系般要求金屬 加工，但以簡單的紙板裁切支架，讓學生裝 配試管為氣缸的史特林引擎，亦能促進學生 氣室 移氣胴體 飛輪 平衡 連桿1 連桿2 活塞 汽缸 圖3161 對熱流運作的好奇與興趣，加強對後繼課題 學習的興趣。
