以 經 驗 學 習 為 基 礎 的 生 活 科 技 教 學 活 動
----節 能 無 碳 之 太 陽 能 機 械 獸 創 意 設 計
張 玉 山
國 立 臺 灣 師 範 大 學 科 技 應 用 與 人 力 資 源 發 展 學 系 副 教 授壹 、 前 言
近 年 國 際 能 源 價 格 及 大 宗 物 資 大 幅 上 漲 ， 形 成 全 球 性 輸 入 型 通 貨 膨 脹 壓 力 。 我 國 能 源 資 源 匱 乏 ， 受 國 際 能 源 價 格 波 動 的 衝 擊 尤 為 顯 著 。 此 外 ， 全 球 溫 室 氣 體 排 放 問 題 日 趨 嚴 峻 ， 亦 直 接 影 響 化 石 能 源 的 利 用 與 能 源 使 用 的 結 構 。 此 一 新 能 源 情 勢 的 發 展 ， 勢 將 增 加 民 眾 的 生 活 負 擔 ， 並 提 高 產 業 生 產 成 本 ； 若 不 能 有 效 調 整 因 應 ， 將 直 接 衝 擊 經 濟 發 展 ， 乃 至 減 損 國 家 競 爭 力 （ 台 灣 企 業 社 會 責 任 資 訊 中 心 ，2008； 行 政 院 經 濟 建 設 委 員 會 經 濟 研 究 處 ，2008）。 面 對 此 一 新 能 源 課 題 的 挑 戰 ， 行 政 院 院 會 於 2008 年 6 月 5 日 通 過 「 永 續 能 源 政 策 綱 領 」(台 灣 企 業 社 會 責 任 資 訊 中 心 ， 2008)， 以 政 策 導 引 的 方 式 ， 逐 步 引 領 國 人 調 整 國 民 生 活 習 慣 與 整 體 產 業 結 構 ， 推 動 社 會 消 費 與 生 產 型 態 的 寧 靜 革 命（ 行 政 院 經 濟 建 設 委 員 會 經 濟 研 究 處，2008）。 另 一 方 面 ， 科 技 的 發 展 歷 程 與 科 技 知 識 的 學 習 ， 常 以 實 作 與 實 驗 為 基 礎 ， 並 以 創 新 發 展 為 目 標 ， 誠 如 國 際 科 技 教 育 學 會 所 指 出 「 科 技 是 人 類 行 動 面 的 創 新 」（ITEA, 2000； Jarvinen, Karsikas, & Hintikka, 2007； Kolb & Kolb, 2008）。在 基 本 學 理 探 討 中，也 常 以 實 驗 主 義（ 經 驗 主 義 或 實 用 主 義 ） 為 出 發 點 （ITEA, 2000）。 況 且 在 科 學 教 育 領 域 中 ， 學 者 也 十 分 同 意 Dale 的「 學 習 經 驗 塔 」理 論，強 調 多 重 感 官 的 直 接 經 驗 學 習（ 問 題 解 決 及 實 作 ）， 將 更 具 學 習 成 效 （ 陳 正 治 ，2006）， 因 此 ， 本 活 動 以 Kolb 所 提 出 的 經 驗 學 習 歷 程 （ 具 體 經 驗 、 省 思 觀 察 、 抽 象 概 念 、 主 動 實 驗 ） 為 基 礎 （Eickmann, Kolb, & Kolb, 2004； Kolb & Kolb, 2005； Jarvinen, Karsikas, & Hintikka, 2007； Kamis & Topi, 2007； Kolb & Kolb, 2008）， 讓 學 生 從 深 刻 的 實 作 活 動，對 潔 淨 能 源 概 念 得 以 深 入 體 驗、觀 察、 反 思、概 念 化、甚 至 創 意 衍 生 ，培 養 學 生 深 入 的 認 識 、 創 意 應 用 的 能 力 、 以 及 積 極 開 發 的 態 度 ， 以 期 學 生 能 「 以 行 動 落 實 節 能 減 碳 之 行 動 意 向 」。 本 活 動 除 具 有 理 論 基 礎 ， 在 齒 輪 定 位 與 組 裝 上 面 ， 亦 有 獨 創 、 簡 明 的 技 術 描 述 。 此 外 ， 本 活 動 設 計 並 曾 在 台 北 市 大 安 國 中 所 舉 辦 的 節 能 減 碳 研 習 營 中 ， 付 諸 實 施 ， 效 果 十 分 理 想 ， 希 望 能 提 供 生 活 科 技 教 師 教 學 上 的 參 考 。
貳 、 活 動 目 標
本 活 動 旨 在 提 供 學 生 實 作 為 基 礎 的 太 陽 能 機 械 獸 製 作 活 動 ， 再 引 導 學 生 體 驗 、 觀 察 、 反 思 、 概 念 化 及 創 意 激 發 ， 形 成 一 個 完 整 的 學 習 機 經 驗 。 因 此 ， 本 活 動 的 教 學 目 標 如 下 ： 一 、 能 完 成 太 陽 能 機 械 獸 的 基 本 製 作 。 二 、 能 指 出 與 本 活 動 相 關 的 舊 經 驗 與 知 識 。 三 、 能 嘗 試 改 善 作 品 的 機 能 。 四 、 能 利 用 創 意 方 法 設 計 作 品 造 形 。 五 、 能 指 出 進 一 步 改 善 作 品 的 方 向 。參 、 活 動 程 序
一 、 基 本 製 作 （ 一 ） 製 備 馬 達 基 座 ： 以 市 面 上 現 成 的 L 形 塑 膠 或 金 屬 條 ， 切 成 小 塊 ， 並 將 馬 達 以 保 麗 龍 膠 固 定 其 上 ， 如 圖 1 及 圖 2 所 示 。 小 技 巧 ： 將 基 座 傾 斜 ， 以 避 免 馬 達 滑 動 易 位 。圖 1 L 形 塑 膠 鋸 成 小 片 圖 2 將 馬 達 固 定 起 來 （ 二 ） 製 作 後 軸 ： 將 小 木 條 鑽 φ3mm 小 孔 （ 配 合 竹 籤 ）， 用 白 膠 固 定 底 盤 上 ， 如 圖 3。 小 技 巧 ： 鑽 孔 時 ， 可 將 兩 個 小 木 條 疊 在 一 起 ， 使 兩 孔 位 置 一 致 ； 膠 合 時 ， 可 用 竹 籤 穿 過 兩 個 木 條 ， 固 定 木 條 在 底 盤 的 位 置 ， 以 免 固 定 後 兩 孔 錯 位 ， 導 致 竹 籤 無 法 穿 過 。 圖 3 後 軸 的 固 定 （ 三 ） 固 定 第 一 個 齒 輪 ： 利 用 鐵 釘 （ φ1.9mm， 直 徑 略 小 於 2mm） 將 第 一 個 齒 輪 固 定 在 木 條 上 ， 如 圖 4。 小 技 巧 ： 可 將 馬 達 置 於 木 條 上 ， 確 認 馬 達 主 動 齒 輪 可 以 帶 到 第 一 齒 輪 。
圖 4 固 定 第 一 個 齒 輪 （ 四 ） 固 定 第 二 齒 輪 ： 加 墊 個 臨 時 齒 輪 ， 讓 第 二 齒 輪 可 以 穩 定 壓 在 第 一 齒 輪 及 臨 時 齒 輪 上 ， 並 以 鐵 釘 固 定 第 二 齒 輪 ， 如 圖 5。 小 技 巧 ： 在 第 一 齒 輪 與 第 二 齒 輪 間 ， 隔 一 片 塑 膠 袋 ， 適 度 壓 緊 兩 片 齒 輪 ， 並 以 鐵 釘 固 定 第 二 齒 輪 ， 再 轉 動 齒 輪 ， 取 出 塑 膠 袋 片 。 圖 5 固 定 第 二 個 齒 輪 （ 五 ）訂 出 第 三 齒 輪 的 軸 心 位 置：在 第 二 齒 輪 左 側，加 墊 適 量 的 臨 時 齒 輪 ， 並 加 墊 塑 膠 袋 片 ， 以 鐵 釘 釘 出 第 三 齒 輪 的 軸 心 位 置 ， 並 以 鑽 床 鑽 出 φ2.1mm（ 直 徑 略 大 於 2mm） 的 通 孔 ， 如 圖 6。
圖 6 訂 出 第 三 齒 輪 的 軸 心 位 置 （ 六 ） 組 裝 齒 輪 組 及 底 盤 ： 車 軸 兩 端 裝 上 齒 輪 ， 如 圖 7。 小 技 巧 ： 在 車 軸 右 側 纏 繞 膠 布 ， 避 免 車 軸 向 左 滑 動 。 提 醒 ： 應 先 將 兩 側 的 齒 輪 ， 在 齒 輪 面 上 鑽 出 φ3mm 的 孔 ， 以 便 穿 過 雙 腳 釘 。 圖 7 組 裝 齒 輪 組 及 底 盤 （ 七 ） 組 裝 太 陽 能 板 及 車 體 各 部 零 件 ： 冰 棒 棍 上 鑽 出 φ3mm 的 孔 ， 並 以 雙 腳 釘 铆 接 ， 如 圖 8。 小 技 巧 ： 前 腳 齒 輪 的 孔 位 ， 應 相 距 約 180 度 ； 後 腳 可 用 膠 帶 纏 繞 竹 籤 ， 以 固 定 冰 棒 棍 的 橫 向 位 置 。 如 果 以 螺 絲 螺 帽 取 代 雙 腳 釘 ， 應 在 整 體 完 工 後 ， 在 螺 絲 螺 帽 接 合 處 點 入 微 量 快 乾 膠 ， 以 免 機 械 獸 在 不 斷 走 動 後 ， 造 成 螺 絲 螺 帽 越 旋 越 緊 。
圖 8 組 裝 太 陽 能 板 及 車 體 各 部 零 件
二 、 機 能 改 善
（ 一 ） 在 測 試 板 上 面 進 行 機 能 測 試 ， 看 看 機 械 獸 可 以 越 過 第 幾 級 的 障 礙 ， 如 圖 9。
（ 二 ）引 導 學 生 注 意 觀 察 機 械 獸 走 動 的 情 形，並 從 各 部 零 件 思 索 其 相 關 性， 及 改 善 的 方 法 。(學 生 常 遇 到 的 問 題 包 括 ： 後 腳 可 抬 起 ， 但 前 腳 抬 不 起 來 ； 希 望 腳 要 抬 得 更 高 ； 腳 下 打 滑 ， 無 法 前 進) 三 、 造 形 設 計 （ 一 ）引 導 學 生 發 想 機 械 獸 的 設 計 主 題。（ 引 導 重 點 在 於 該 動 物 的 造 形 是 特 殊 的 、 有 代 表 性 的 ） （ 二 ）引 導 學 生 蒐 集 可 用 材 料，包 括 家 中 可 用 資 源，以 及 校 內 乾 枯 的 樹 葉 、 樹 枝 、 及 草 。 （ 三 ）示 範 造 形 設 計 的 原 理（ 協 調、對 比、及 律 動 動 感 等 ），以 及 組 裝 技 術 。 小 技 巧 ： 可 利 用 卡 紙 為 主 結 構 ， 再 利 用 樹 葉 等 其 他 材 料 作 為 裝 飾 ； 組 裝 時，應 先 塗 上 白 膠 或 保 麗 龍 膠，再 利 用 透 明 膠 帶 作 暫 時 性 固 定 。 四 、 發 表 與 總 結 （ 一 ） 教 師 挑 選 較 佳 作 品 ， 讓 學 生 發 表 ， 並 進 行 優 點 解 說 。 （ 二 ） 學 生 填 寫 學 習 單 （ 如 附 錄 ）。 （ 三 ） 教 師 引 導 討 論 ， 並 進 行 總 結 。
肆 、 評 量 方 式
基 於 教 學 目 標 的 回 應 及 評 量 效 率 的 考 量 ， 本 活 動 的 教 學 評 量 以 作 品 及 學 習 單 作 為 評 量 的 標 的 。 各 項 配 分 如 下 ： 一 、 作 品 （60%）： 機 能 表 現 、 精 緻 度 、 創 意 造 形 。 二 、 學 習 單 （40%）： 內 容 充 實 、 見 解 獨 到 。伍 、 材 料 機 具
一 、 材 料 表 編 號 品 名 規 格 數 量(每 人 ) 合 計 購 買 量 備 註 1 太 陽 能 電 池 板 2 片 2 專 用 馬 達 1 個 3 木 條 1.5*1.5 cm 15cm 180cm* 4 支 4 細 木 條 0.8*0.5 cm 10cm 180cm* 4 支 5 三 夾 板 厚 0.4 cm(2 分 ) 5*15cm 6 鋼 軸 φ 2mm 7.5cm 40 支 7 大 齒 輪 φ 3 0mm，(4 0,10)雙 層 平 齒 輪 5 個 200 個 8 竹 簽 φ 3mm， 10 cm 1 支 40 支 9 雙 腳 釘 2c m 以 上 4 個 160 個 10 鐵 釘 φ 1. 8 - 1 . 9mm／ 長 約 3cm 3 支 120 支 (半 斤 重 ) 11 包 裝 膠 帶 可 撕 1 捲 12 保 麗 龍 膠 6 瓶 13 強 力 白 膠 6 瓶 二 、 機 具 表 名 稱 規 格 數 量 單 位 備 註 手 線 鋸 1 2 把 線 鋸 機 桌 上 型 4 - 6 台 鑽 床 桌 上 型 2 - 3 台 鑽 頭 φ 2 及 φ 3m m 4 支 鐵 鎚 1 2 支 平 口 鉗 6 支 探 照 燈 4 0 0 瓦 以 上 2 台 剪 刀 1 把 美 工 刀 1 把陸 、 結 語
本 教 學 活 動 2009 年 七 月 在 台 北 市 大 安 國 中 所 舉 辦 的 節 能 減 碳 研 習 營 中 ， 進 行 實 地 教 學 ， 從 學 生 的 製 作 過 程 及 作 品 結 果 （ 如 圖 10、 圖 11、 圖 12 之 作 品 示 例 ） 發 現 ， 學 生 的 作 品 完 成 率 高 達 100%， 每 位 學 生 的 太 陽 能 機 械 獸 都 能 踏 步 前 進 。 再 加 上 闖 關 的 問 題 解 決 活 動 設 計 ， 學 生 為 了 闖 越 更 難 度 更 高 的 關 卡 ， 會 不 斷 思 索 可 能 的 影 響 因 素 及 改 進 策 略 ， 因 此 ， 在 活 動 過 程 中 ， 都 相 當 地 投 入 。 再 從 學 習 單 的 填 寫 結 果 來 看（ 如 圖 13、 圖 14 之 學 習 單 實 例 ）， 學 生 對 實 作 體 驗 （ 具 體 經 驗 ） 的 活 動 ， 都 有 很 高 的 評 價 ， 認 為 本 活 動 很 有 趣 、 很 新 奇 ， 對 於 自 己 能 完 成 難 度 甚 高 的 作 品 ， 都 有 很 高 的 成 就 感 。 而 在 實 作 發 現 （ 省 思 觀 察 ） 方 面 ， 每 位 學 生 的 體 驗 發 現 不 盡 相 同 ， 可 能 與 既 有 經 驗 及 所 遭 遇 的 問 題 狀 況 有 關 ， 但 整 體 來 看 ， 學 生 都 有 很 豐 富 的 學 習 發 現 。 在 科 學 原 理 關 聯 （ 抽 象 概 念 ） 方 面 ， 學 生 可 以 提 出 一 到 五 項 （ 大 多 集 中 在 三 至 四 項 ） 相 關 的 科 學 原 理 ， 包 括 電 化 學 、 電 路 、 齒 輪 變 速 、 扭 力 、 槓 桿 、 太 陽 能 、 半 導 體 、 馬 達 （ 電 動 機 ）、 發 電 機 等 。 在 實 驗 改 進 （ 主 動 實 驗 ） 方 面 的 表 現 ， 則 在 整 個 活 動 過 程 中 ， 學 生 能 不 斷 測 試 與 改 進 ， 在 學 習 單 最 後 一 題 也 可 以 看 出 ， 學 生 還 是 能 針 對 齒 輪 、 曲 軸 、 前 腳 、 後 腳 等 項 目 ， 提 出 再 改 進 的 構 想 ， 成 效 令 人 相 當 滿 意 。 此 外，從 實 驗 主 義（ 經 驗 主 義 或 實 用 主 義 ）的 觀 點 來 看，透 過 實 作（ 實 際 體 驗 、 操 作 與 創 作 ） 所 獲 得 的 生 活 科 技 學 習 經 驗 ， 是 其 他 教 學 策 略 所 無 法 達 成 的 。 經 由 本 活 動 的 規 劃 與 實 施 ， 發 現 在 規 劃 實 作 教 學 時 ， 應 該 注 意 到 的 重 點 包 括 ： 一 、 可 達 成 ： 應 該 讓 每 個 學 生 都 能 做 出 來 ， 不 宜 過 難 。 所 以 教 師 對 實 作 技 術 ， 應 該 相 當 熟 悉 ， 並 且 能 協 助 學 生 或 引 導 學 生 解 決 實 作 問 題 。 二 、 具 個 別 創 意 空 間 ： 應 該 讓 學 生 可 以 發 揮 個 人 的 專 長 或 特 性 ， 做 創 意 設 計 。 三 、 具 學 習 價 值 ： 實 作 活 動 所 教 導 的 工 具 、 材 料 、 技 術 、 製 程 等 ， 應 該感 覺 。 四 、 具 挑 戰 性 ： 由 於 學 生 具 有 個 別 差 異 ， 在 高 度 可 達 成 性 的 活 動 中 ， 會 讓 程 度 好 的 學 生 提 早 完 成 工 作 ， 之 後 甚 至 會 感 到 沒 事 做 及 無 聊 。 在 本 活 動 中 加 上 一 個 越 野 挑 戰 的 關 卡 ， 讓 程 度 好 的 學 生 可 以 不 斷 挑 戰 自 己 。 在 大 安 國 中 的 研 習 營 當 中 ， 挑 戰 及 過 關 ， 反 而 成 了 活 動 的 另 一 個 高 潮 。 當 然 ， 本 活 動 也 面 臨 若 干 困 難 ， 有 待 解 決 。 例 如 太 陽 能 電 池 板 及 專 用 馬 達 太 貴，齒 輪 也 不 便 宜；再 者，目 前 一 般 小 齒 輪 的 齒 寬 及 齒 厚 均 嫌 過 小 ， 造 成 精 準 度 要 求 較 高 、 組 裝 困 難 、 容 易 磨 損 導 致 空 轉 等 問 題 ， 如 果 能 由 教 育 主 管 機 關 或 專 業 學 會 來 接 洽 廠 商 ， 進 行 相 關 材 料 、 組 件 與 教 具 的 開 發 、 設 計 與 生 產 ， 應 該 可 以 解 決 許 多 教 師 的 備 料 困 難 ， 有 效 提 升 國 內 科 學 與 科 技 教 育 的 成 效 。 圖 10 以 樹 葉 及 乾 草 為 主 的 作 品 圖 11 以 卡 紙 為 主 的 作 品 圖 12 其 它 材 料 的 作 品
參 考 文 獻
台 灣 企 業 社 會 責 任 資 訊 中 心(2008)。 行 政 院 院 會 通 過 「 永 續 能 源 政 策 綱 領 」。2008/10/15 取 自 http://www.csrtaiwan.org/index.php?option=com_content&task=view&id= 96&Itemid=2 行 政 院 經 濟 建 設 委 員 會 經 濟 研 究 處(2008)。 落 實 「 永 續 能 源 政 策 綱 領 － 節 能 減 碳 行 動 方 案 」 型 塑 節 能 減 碳 的 社 會 。2008/10/15 取 自 http://www.cepd.gov.tw/m1.aspx?sNo=0010626&key=&ex=%20&ic=&cd= 陳 正 治(2006)。 工 博 館 科 普 推 廣 之 範 例 與 迴 響 — 馬 蓋 先 科 學 求 生 營 為 例 。 物 理 雙 月 刊 ， 28(3)， 597-603。Eickmann, P., Kolb, A., & Kolb, D. A. (2004). Designing Learning. In R. Boland, F. Calopy (eds), Managing as Designing: Creating a new
v o c a b u l a r y f o r m a n a g e m e n t e d u c a t i o n a n d re s e a rc h . St an ford Univ ersi ty Press.
International Technology Education Association (2000). Standards for t e c h n o l o g i c a l l i t e r a c y : C o n t e n t f o r t h e s t u d y o f t e c h n o l o g y . Autho r : Reston, VA
Jarvinen, E. M., Karsikas, A., & Hintikka, J. (2007). Children as innovators in action – A study of microcontrollers in Finnish comprehensive schools. J o u r n a l o f Te c h n o l o g y E d u c a t i o n , 1 8 (2), 37- 5 2.
Kamis, A. & Topi, H. (2007). Network subnetting: an instance of technical problem solving in Kolb’s experiential learning cycle. Paper presented in t h e 4 0 t h H a w a i i I n t e r n a t i o n a l C o n f e re n c e o n S y s t e m S c i e n c e s – 2 0 0 7 . Retrieved September 12, 2008 from
http://csdl2.computer.org/comp/proceedings/hicss/2007/2755/00/27550196 b.pdf
H o l i s t i c A p p ro a c h t o M a n a g e m e n t L e a r n i n g , E d u c a t i o n a n d D e v e l o p m e n t . Department of Organizational Behavior, Case Western Reserve University. Kolb, A., & Kolb, D. A. (2005). The Kolb learning style inventory 3.1.
t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s . Boston, MA: Ha y Res o urces D i rect.
