國立臺中教育大學科學應用與推廣學系
科學教育碩士學位碩士論文
指導教授：許良榮 博士
磁生電科學玩具之設計與教學
The Design and Teaching for Scientific Toys
of Electromagnetic Induction
研究生：曾秋雲 撰
謝 誌
兩年半的進修歷程，所獲得的學習經驗是深刻的、成長的、可 分享的。這些寶貴的成長經驗與成果，歸功於我的師長、我的同學、 我的朋友、我的同事及我的家人們，在不同階段的熱心協助與適時 鼓勵。 曾秋雲 謹誌 中華民國 101 年 1 月摘要
本研究主要目的為設計磁生電科學玩具，及開發教案以介紹發電的基 本原理，並紀錄整理歷程中遇到的問題與解決方法。首先，研究者以生活 化的綠能概念，自行發展並設計六種磁生電科學玩具，每一種發電裝置都 是組合式的，零件可以互通，其特色為：材料易取得、低消耗、可重複利 用、製作過程簡單，而且最重要的是：便宜。研究者期望以簡單的材料組 合與「科學動手做」的理念，啟發學生科學探究之學習動機。其次，研究 者將磁生電科學玩具融入教學活動設計，先初步設計一教學模組之雛型， 歷經數次教學活動的考驗，並不斷進行反思與修正，促使模組內容更為精 緻化。 結果經由反覆修改，共完成了「搖搖生電」、「晃晃生電」、「敲敲 生電」、「刷刷生電」、「轉轉生電」與「吹吹生電」六組發電機科學玩 具的設計。而配合之教案結合上述科學玩具之製作之外，還包含「磁生電 的原理」解說、「臺灣地區的發電方式」解說以及「創意發電」活動。此 外，研究者將科學玩具及教案進行推廣，範圍包括全省各學術機構(國小、 國中、大學等)以及各層次(一般民眾、國小至大學學生、國小至大學教 師)。由學員的問卷回饋顯示；本研究發展的科學玩具與教學，受歡迎的 程度相當高；超過 90％以上的學員認為「實用」、「好玩」、「願意繼續 參加研習」以及「對於相關知識有所提升」。 最後，根據研究結果，本研究提出對於科學玩具的製作與材料設計、 教學方法及評量及未來研究方向等等的具體建議。 關鍵字：磁生電、教案、科學玩具Abstract
The main purpose of this study was to design electromagnetic induction of science toys, develop a teaching to improve students’ concept of the basic principles of electricity, and to explore the difficulty encountered and the resolved methods. First, the researcher utilized a green life concept to design and develop six kinds of electromagnetic induction science toys. Each generating device was modularization that’s the components are changeable. The features of those toys includes: the material are easy available, low consumption, reusable, and simple producing process and most important of all, the devices are cheap. This study expects the science toys could inspire students’ motivation for science inquiry, and provide teachers to implement hand-on activities. Second, the researcher integrated the electromagnetic induction science toys to teaching, design a teaching modular. After implement the teaching modular, researcher revise and modify the teaching modular according the students’ response and teacher reflection.
The result of this study was completed the design of six generators science toys, named: the "raw power shakes", "nodding raw power," "knock raw power," "brush raw power," "around raw power" and "blow raw power." And the teaching plans in the modular include the procedure of making the science toys, the explanations of "the principle of electromagnetic induction," the descriptions of "power generation in Taiwan," and the activities of "creative power generation". The researcher implements the teaching plans at various school levels (elementary, junior, college, etc.) and different peoples (public peoples, the students of elementary to university and the teachers of elementary to university). The feedbacks of the questionnaire that’s response by participants, shows a high degree of popularity, and over 90% of the participants thought the teaching modular were useful, fun, willing to participate again and improved of the relevant knowledge.
Finally, according to the finding of this study, researcher proposed some recommendations on the production of relevant science toys, material design, teaching methods, assessment and future research directions.
目次
第一章 緒論
第一節 研究背景 --- 1 第二節 研究動機 --- 3 第三節 研究目的與問題 --- 5 第四節 名詞解釋 --- 5 第五節 研究限制 --- 5第二章 文獻探討
第一節 玩具之意涵與功能 --- 7 第二節 科學玩具之意涵與功能 --- 8 第三節 電學之發展與理論 --- 9 第四節 國內發展的磁生電科學玩具與教具 --- 10第三章 研究方法與設計
第一節 研究方法與研究流程 --- 15 第二節 研究工具 --- 17 第三節 資料收集與整理 --- 19第四章 研究方法與設計
第一節 電與磁科學玩具發展歷程 --- 21 第二節 電與磁科學玩具教案發展歷程 --- 42 第三節 回饋與檢討 --- 47第五章 結論與建議
第一節 結論 --- 53 第二節 建議 --- 55參考文獻 ---
57附錄次
附錄一 磁生電系列教學回饋單 --- 59 附錄二 磁生電科學玩具操作手冊 --- 61 附錄三 磁生電教案 --- 66 附錄四 教具分享與教案試敎場次 --- 89 附錄五 磁生電教案獲頒獎狀 --- 96圖目次
圖 2-4-1 科博館的磁鐵點燈教具 --- 11
圖 2-4-2 市售 All Clean Energy Constrution KIT 發電全能套裝 --- 11
圖 2-4-3 市售之風力發電材料組完成圖(一) --- 11 圖 2-4-4 市售之兩款風力發電材料組完成圖(二) --- 12 圖 2-4-5 市售之風力發電機完成圖 --- 12 圖 2-4-6 市售之太陽能三叉車 --- 13 圖 3-1-1 研究流程圖 --- 16 圖 4-1-1 第一代「搖搖生電」不透明版 --- 21 圖 4-1-2 第一代「搖搖生電」透明版 --- 22 圖 4-1-3 第一代「搖搖生電」改版 --- 22 圖 4-1-4 第二代「搖搖生電」 --- 23 圖 4-1-5 第三代「搖搖生電」 --- 23 圖 4-1-6 第三代「搖搖生電」改版 --- 24 圖 4-1-7 「晃晃生電」與「搖搖生電」，差別只在於操作方法 --- 24 圖 4-1-8 第一代「刷刷生電 --- 25 圖 4-1-9 第二代「刷刷生電」改良 --- 26 圖 4-1-10 第三代「刷刷生電」 --- 26 圖 4-1-11 第三代「刷刷生電」改良 --- 27 圖 4-1-12 第一代「轉轉生電」 --- 27 圖 4-1-13 第一代「轉轉生電」改版 --- 28 圖 4-1-14 第二代「轉轉生電」 --- 28 圖 4-1-15 第二代「轉轉生電」改版 --- 29 圖 4-1-16 第三代「轉轉生電」 --- 29 圖 4-1-17 第三代「轉轉生電」改版 --- 30 圖 4-1-18 第三代「轉轉生電」再改版 --- 30 圖 4-1-19 第四代「轉轉生電」 --- 31 圖 4-1-20 市售馬達版風力發電 --- 31 圖 4-1-21 馬達版風力發電改良(一) --- 32 圖 4-1-22 馬達版風力發電改良(二) --- 32 圖 4-1-23 第一代「吹吹生電」 --- 33 圖 4-1-24 第二代「吹吹生電」 --- 33 圖 4-1-25 第二代「吹吹生電」水車版 --- 34 圖 4-1-26 第二代「吹吹生電」改良 --- 34
圖 4-1-27 第二代「吹吹生電」之透明盒 --- 35 圖 4-1-28 「吹吹生電」風扇之不同摺法 --- 35 圖 4-1-29 第二代「吹吹生電」續改良 --- 36 圖 4-1-30「吹吹生電」牙籤軸心版 --- 36 圖 4-1-31 「吹吹生電」髮夾軸心版 --- 37 圖 4-1-32 「吹吹生電」墊板支撐架版 --- 37 圖 4-1-33 「吹吹生電」線軸支撐架版 --- 38 圖 4-1-34 第三代「吹吹生電」 --- 38 圖 4-1-35 第四代「吹吹生電」 --- 39 圖 4-1-36 第五代「吹吹生電」 --- 39 圖 4-1-37 手工繞線圈 --- 40 圖 4-1-38 第一代訂做線圈 --- 40 圖 4-1-39 第二代訂做線圈改良 --- 41 圖 4-1-40 自捲線圈瓶蓋版 --- 42 圖 4-2-1 100 年遠哲科學宅急便，「轉轉生電」製作 --- 43 圖 4-2-2 99 年中央大學假日科學廣場，「吹吹生電」製作 --- 43 圖 5-1-1 「搖搖生電」與「晃晃生電」成品 --- 53 圖 5-1-2 「敲敲生電」成品 --- 54 圖 5-1-3 「刷刷生電」成品 --- 54 圖 5-1-4 「轉轉生電」操作方法 --- 54 圖 5-1-5 「轉轉生電」成品 --- 54 圖 5-1-6 「吹吹生電」成品 --- 55
表目次
表 3-2-1：研究者日誌舉例 --- 17 表 4-2-1：國小適用本研究教案之版本與單元 --- 46 表 4-3-1：「職業類別」統計 --- 48 表 4-3-2：「年齡類別」統計 --- 48 表 4-3-3：「性別」統計 --- 48 表 4-3-4：「每年參加科學遊戲或科學研習相關活動的場次」統計 --- 49 表 4-3-5：「學員對於各教學階段的理解程度」統計 --- 49 表 4-3-6：「關於對於各教學階段，覺得好玩程度」統計 --- 50 表 4-3-7：「學員覺得本課程實用性高低」統計 --- 50 表 4-3-8：學員再次參與此項研習意願調查 --- 50第一章 緒論
第一節 研究背景
壹、科學玩具的價值
“I hear and I forget. I see and I remember. I do and I understand.”這是一 個從事科學教育的教師，都不會忘記的箴言。唯有透過動手操作與實驗， 科學的理念才能紮根得深又密。而科學玩具與課堂使用的教具不同，在於 科學玩具能夠自行製作並做為學習的教材和遊玩的器具（楊忠樵，2001）。 依照Piaget的理論，6至12歲的兒童是屬於具體操作期（concrete operational stage），利用科學玩具來取代枯燥的實驗器材，能讓學習效果更加強。因 為利用科學玩具從事科學教學，能讓學童在快樂中學習科學原理，有事半 功倍的效果（王錦銘、賴慶三，2009；方金祥，2009；陳義勳，2005）。 一般玩具或科學玩具在兒童的成長學習的過程有莫大的影響力。自己動手 做科學玩具，使得玩具更有趣，製作過程也能獲得成就感。（蕭次融等， 1999；方金祥，2009）
貳、國小學童對於發電知識的需要
「電」對於學童來說，相當的抽象，又與生活息息相關，對形式運思 期尚未成熟發展的國小學生，電學的理解有相當的困難。學生在接受學校 電學教學前，容易將之與靈魂、神鬼等觀念結合。即使接受過學校電學教 育，這種想法依舊會少數存在。(Azaiza.等，2006；張宏嘉，2002） 國內出版之已審定教科書，各版本皆在中年級安排一單元之電路教 學，康軒、牛頓、翰林版各加一單元之簡單能源教育。而高年級各版本則 皆安排一單元之電磁概念與一單元之進階能源教育。顯示國小教科書中， 關於電與能源概念的篇幅極少。 能源教育的部份，各版本皆偏重介紹臺灣有哪些發電方式，如火力、 風力等等。但是，火怎麼會變成電呢？風怎麼變出電的呢？各版本都沒 提。因此，研究者在各個場次的能源相關演講中，經常試探性的問一問： 「你知道電是怎麼來的嗎？」通常學生會提到的有：電線、電線桿、電塔、 發電廠、風力發電、火力發電、水力發電、火力發電……進一步再問：「到 底這些發電廠怎樣把電『製造』出來的？」問答通常就此停了，學生總是一副「我怎麼會知道？」的表情。頂多是猜測：「就很多機器阿，在運轉 阿……」這情形，也出現在大多數的國小教師研習場次上。除非大學是物 理相關科系畢業的國小自然科教師，否則，難以回答。 而學子們認為無所不能的網路搜尋關鍵字「發電」，結果如何呢？2011 年4月30日搜尋百度百科，關鍵字「發電」，搜尋結果如下：「發電是指 利用發電動力裝置將水能、石化燃料（煤、油、天然氣）的熱能、核能以 及太陽能、風能、地熱能、海洋能等轉換為電能的生產過程稱為發電。用 以供應國民經濟各部門與人民生活之需。」 2011年4月30日搜尋維基百科，關鍵字「發電」，搜尋結果如下：「發 電（英語：Electricity generation），泛指從其它種類的能源轉換為電力的 過程。 現今主要使用的發電基本原理，於公元1820～1830年間，由英國 科學家麥可·法拉第所發現。法拉第電磁感應定律，藉由一組以上的線圈 在磁場中進行旋轉運動，藉以產生感應電流。」 以上網站告訴我們的資料，不是過於精簡無法探索到細節；就是過於 詳細充滿公式與專有名詞。所以才會造成一些人天天用電，可是還是不了 解發電的原理。終日用電的人類，節能省電口號已喊了這麼多年，難道不 應該對電到底怎麼來的了解一番嗎？畢竟，了解電的來源，才有助於節能 概念的推廣阿！研究者深深覺得國小教科書應該編列進去「發電機制」相 關概念，至少能讓每位同學實做一次迷你發電機，體會電是怎麼「製造」 出來的。
叁、國小學童對於電的來源的認知有待加強
根據(Papadouris, Constantinou,& Kyratsi，2008)之研究，11-14歲國中 小學童，對於風扇電器用品為什麼會動，通常會有的反應可以分為以下幾 類： 1. 學生的答案中，描述了能量傳遞的想法。例如：葉片旋轉，因為 他們從電池得到能量。 2. 學生的答案中，描述了能量轉換的想法。例如：電池中的化學能 轉換為動能 3. 學生的答案中，描述了能量傳遞和轉換的想法。例如：電池供給 化學能至葉片然後轉換為動能。 4. 學生的的答案中，是含糊的想法。例如：鑽頭旋轉因為動能。 由上述研究發現可知，學生對於「能」的理解還非常薄弱，還沒有能 力將電器的運轉聯想到「電磁學」。因此，如何設計一個教學活動，讓學 生了解電是如何產生的，十分重要。
第二節 研究動機
在非洲馬拉威，一個巫術盛行、沒電力、沒自來水，貧窮的小農村， 農夫的十四歲兒子威廉‧坎寬巴，因為大旱飢荒而輟學在家，無事可做之 餘在圖書館看書，物理相關書籍最能引起他的興趣，結果一本名 為＂Energy＂的書，打開他的眼界。書上說，風車可以抽水，還可以發電， 於是決心自己製作發電機。他在毫無財力支援、毫無指導者的情形下，從 廢棄物堆裡拖來一些破銅爛鐵，拼拼湊湊，居然成功的做成風車發電機， 讓他家躋身為全馬拉威百分之二的有電人口(Kamkwamba , Mealer， 2010)。除了引起鄉里的轟動，也引起國際注目，大家都想知道他是怎樣一 個天才兒童。 的確，在開發國家，資源充沛，接受高等教育的大多學子們無法完成 的任務，他是怎麼辦到的？當然，生活困境的激勵與天生的敏銳度，使他 能成功，但是一本科學知識的書，讓他得到啟發，更是功不可沒。 研究者致力於科學遊戲的推廣六年餘，承辦多項相關活動，如彰化縣 創意科學種子教師（2004年迄今）；臺北、彰化遠哲科學營講師（2006年 迄今）；普立爾文教基金會視障科學班（2009年迄今）；教育部95年度中 小學科學教育計畫專案：「南鎮國小推廣科學遊戲與科學創意競賽實施計 畫」計畫主持人；教育部96年度中小學科學教育計畫專案：「彰化縣推廣 畢業生主導科學園遊會實施計畫」計畫主持人；教育部99-100學年度中小 學科學教育計畫專案：「彰化縣臺中市推廣畢業生主導科學園遊會實施計 畫」計畫主持人；彰師大「大眾科學日」計畫活動設計與主講（2009年迄 今）；原住民臺「科學小原子」節目課程設計與主持；國立臺灣師範大學 輔導學校推動能源教育計畫小型教具研發及教學模組開發……等等 秉持對於兒童科學教育向下紮根的理念，研究者也不斷自行設計的科 學玩具，並應邀至各級機關學校演講推廣，演講迄今已逾三百場，對象遍 及國高中教師、一般民眾及各級學校學生。研究者設計的科學玩具與科學 遊戲媒體作品舉例如下：創意陀螺教具包（宜蘭國際童玩藝術節「2010年 創意童玩發明競賽」榮獲特優）；「大家來造車」教學媒體（康軒出版社 發行）；「霍格華茲科學魔法學校」教學媒體（獲94彰化縣教學媒體競賽 特優；同名教案亦獲創新課程設計特優）；「玩聲音」教學媒體（臺北市 九十六學年度中小學多媒體單元教材甄選活動特優）；「99學年度自然與 生活科技輔導群科學教育展覽會」評量類特優；全國中小學能源科技教育 推動中心種子教師教案設計作品第一名（此亦為本文所設計之科學玩具作品教案） 數年來推廣科學玩具與科學遊戲之歷程中，研究者秉持著一個簡單的 理想：也許，某一個未來的科學家，就在某一個簡單的科學遊戲或簡單的 科學玩具中得到啟發，讓他對科學心嚮往之！鑑於現實經費上的考量，研 究者所設計的科學玩具都有以下特色：一是便宜，以符合各國中小活動費 不足的現況。二是容易操作：學生高昂的興致往往會在冗長的操作歷程中 逐漸失去，所以，要把握在短短的一或二節課之內就能讓學生自行製作出 成品來。三是好玩，在電視好看、電腦好玩、市售玩具琳瑯滿目的情形下， 如何吸引孩子的目光是很重要的，一個演講者最大的哀傷莫過於發現學生 把作品扔進垃圾筒了！ 本研究中所發展的科學玩具，就是要讓學生只要接觸這一套科學玩 具，就能了解發電其實非常簡單，不用把「發電機」當做是科學家才會做 出來的實驗品，而是連幼童都能親手製作的簡單玩具。 研究者並非物理相關科系畢業，所以，對於發電原理的了解，原先是 一竅不通的。當有一天，經某一朋友告知，水管中放磁鐵，水管外繞線圈， 接上燈泡，動一動磁鐵，線圈上的燈泡就會亮了。研究者也跟那位馬拉威 的＂馭風少年＂坎寬巴一樣，感到如獲至寶，啊！這麼簡單？太棒了，我 也要做一個！從此，勇往直前屢敗屢戰，經歷無數的失敗，終於將這一套 磁生電玩具設計完成，並為它寫了教案，這教案與這一套科學玩具，在一 次次的展示、發表、試教過程中，修了又修，改了又改，才成為最終的版 本。 雖然許多前輩製作過教學用的發電機，研究者還是想開發屬於自己 的、獨特風格的發電裝置，這個風格就是：材料容易取得、製作過程簡單， 最重要的是：要便宜。惟有將這些條件合而為一，才能達到研究者的理想： 老幼能解。 研究者設計的發電玩具六款，特色在於使用極少的材料，而且線圈磁 鐵等都能重複使用。每一款發電裝置都是組合式的，零件可以互通。由於 線圈佔所有裝置的大部分成本，於是便設計讓它從頭到尾重複利用。而且 圈數夠多，磁鐵也就可以用量大減，這裡大部分使用的磁鐵都只用到價格 較為低廉的氧化磁鐵。而其他零件則盡量簡單生活化，諸如吸管、乒乓球、 髮夾、廢光碟、瓶蓋等，省錢又環保。 研究者試圖突破電磁教學既費錢又費時間的困境。此科學玩具以簡單 的材料組合，搖一搖、轉一轉，就能讓學生領悟：原來電就是這樣來的呀！ 這個研究歷程，是敘寫研究者從事創造發明的過程，期待能作為有志
從事類似發明者的參考，在研究歷程中能循前人步伐，順利成功。
第三節 研究目的與問題
本研究目的為設計出一組發電機科學玩具，藉由研究者受邀演講時與 學員分享，並投稿於國內期刊與學術發表會，推廣於全國，讓學童能以簡 單的方法製作出發電機；並以教案引導學生設計出創意發電方法。 主要研究問題如下： 壹、發展磁生電科學玩具製作的歷程，遇到的問題與解決路徑為何？ 研究者以研究日誌紀錄此套磁生電科學玩具從無到有的設計歷程，並 將研究歷程中出現的困境、解決的方法以及修改歷程的各個版本詳細紀 錄。 貳、推廣磁生電科學玩具教案的歷程，遇到的問題與解決路徑為何？ 研究者將此套科學玩具設計出第一版本後，便開始在各演講場次中推 廣。推廣過程中，將遇到的教學難題與學員建議一一深思後再改良。期望 形成一套有系統的教案，再於各場教學時逐步修改，試教再修改，試教再 修改，以期得到最佳教案。第四節 名詞解釋
本研究所謂「科學玩具」，以「製造素材」來說，必須利用科學原理 來製作或是操作。以「功能」而言，科學玩具具有讓學生主動操弄或探索 興趣之特徵。第五節 研究限制
本研究旨在紀錄研究者設計磁生電科學玩具與教案設計之歷程，研究 對象為研究者本身以及此教案試教與分享之學員，研究結果不宜推論至其 他情境。第二章 文獻探討
第一節 玩具之意涵與功能
壹、 玩具之意涵
依教育部國語辭典（2011）所給的定義，玩具是「可供遊戲玩樂的東 西。」而在遊戲中，兒童常藉著玩具來表達其想法與作法。（葉國紹，1978） 玩具並沒有特定形式或媒介，一條繩子、一堆土、一片青草，都可用於遊 玩、嬉戲（楊忠樵，2001；王美蘭，1994）因此，研究者認為，任何物體， 只要是能提供人娛樂或撫慰心靈者都可稱做玩具。貳、 玩具之功能
在民國97年所頒佈的最新九年一貫課程「自然與生活科技」綱要中， 提到關於關於「玩具」的能力指標如下（教育部，2008）： l「2-1-3-2製作各種不同的玩具，體會「力」有多種，力可使物體 動起來，或使物體振動發出聲音。」。 l「2-2-5-1利用折射、色散，電池、電線、燈泡、小馬達，空氣或 水的流動等來設計各種玩具。在想辦法改良玩具時，研討變化的原 因，獲得對物質性質的瞭解，再藉此瞭解來著手改進。」 l 附錄一：「自然與生活科技」學習領域之教材內容要項421-2d.： 「利用電線、電池接成通路驅動玩具馬達。」 由以上資料可知，玩具在國小低中高年級的學習中，具有舉足輕重的 角色。 玩具帶給孩子歡樂、陪伴及自主，能敏銳幼兒感覺、激發幼兒好奇心、 增進幼兒的記憶力、想像力、培養幼兒的審美能力和增進幼兒的注意力（賀 慧玲，1992），並且對其成長學習的過程有莫大的影響力，可以促進學童 在學習過程中快樂的學習。（李戊益，2002）此外，能使兒童預先適應熟 悉環境，以利於未來生存條件（王美蘭，1994） 以美學的觀點來看，色彩調和美麗的玩具、教具，可以培養幼兒的聲 色美感（黃天中，1984）而兒童的想像力與創造力則可以藉由玩具、教具 來激發。（賈馥香，1974；黃天中，1984）由上述得知，玩具能健全兒童的身心發展、培養創造力與審美觀，更 是兒童適應成人社會前的一項學習工具。
第二節 科學玩具之意涵與功能
壹、 科學玩具之意涵
科學玩具，研究者認為廣義的定義是可以教科學原理的玩具。簡單到 一顆石子，可以講解岩石與礦物，可以丟上丟下教重力，可以打水漂，那 就牽扯到質量、速度、空氣的影響、水的阻力等。大到一輛汽車，可講的 科學原理那就多得很了。但若是以如此的廣義說法做定義，天地萬物莫不 為科學玩具。因此，參考前人文獻，對科學玩具的解釋如下： 成映鴻（1998）認為，玩具具有科學教育意義，或利用其進行活動時 具有科學精神，都可稱之為科學玩具。賴慶三、王錦銘（2009）認為科學 玩具是可以讓兒童經由觀察現象，以及簡易的操作，激發兒童產生發現的 喜悅及對事物的尊重，並啟發其科學認知、推理、思考等能力的器具。黃 嬿樺（2009）認為：科學玩具結合了玩具與教具的功能。 由製造素材來說，科學玩具是必須利用科學原理來製作或是操作。（余 岳川，2001；紀肇聲，1987；黃嬿樺，2009；賴慶三、王錦銘，2009）認 為科學玩具是以兒童身邊容易取得的素材，利用聲、光、電、磁、彈性、 慣性……等科學原理，製作成的玩具。 而研究者對科學玩具定義如下：「科學玩具」是指蘊含科學原理概念 且學生具有主動操弄或探索之興趣的物件。研究者認為不應限制於「自行 製作」這個項目，畢竟市售玩具中，不乏深具科教意義者，例如市售陀螺， 雖然不是學童親手製作，仍能透過玩陀螺的過程學到角動量等科學原理， 可稱之為科學玩具。貳、 科學玩具之功能
而科學玩具既是以科學原理製作或用於學習科學原理，又具備玩具的 趣味性，因此其功能便結合玩具和教具的功用，能夠作為啟發兒童科學思 想，幫助兒童學習科學活動。（楊忠樵，2001；成映鴻，1998）透過實際 操作過程，增加科學探索的興趣並深入了解和學習（Haefner, 2004）教師 利用適當的科學玩具進行教學活動時，可以幫助學童建構概念，幫助學童 在科學技能社會觀念的整合（楊忠樵，2001）。科學玩具能滿足了兒童的好奇心，培養動手做的習慣，符合Piaget的 理論（楊錦花，2001；陳義勳，2009）。王錦銘（2005）認為科學玩具是 讓兒童可以透過觀察現象和簡易的操作，激發兒童產生發現的喜悅及對事 務的尊重，並啟發其認知、推理、思考等能力的器具。 綜合學者觀點，研究者認為，科學玩具應兼具有玩具般的趣味性，與 教具般的教育功能。
第三節 電學之發展與理論
「電」被發現的歷史，早在西元前585年，由古希臘哲學家泰勒斯 (Thales)發現，用絲綢或法蘭絨摩擦琥珀後，有類似於磁石能吸引輕小物體 的性質。泰勒斯成為有歷史記載的第一個靜電實驗者，所以，英文中的電 （Electricity）在古希臘文的意思就是「琥珀」(Amber)。而靜電的後續著 名發明與發現則有西元1660年，朱利克(Ott von Guerick)製造了摩擦起電 機；其後不斷有電學家(electrician)演示震驚時人的靜電把戲(例如轉動靜電 發電機轉盤使吊起來起的實驗者，頭像聖者光環一樣發光)，並提出各種靜 電的解說。西元1732年富蘭克林（Benjamin Franklin）就主張電是一種流 體，存在於所有物體中。1744年荷蘭人莫欣普克(Pieter von Musschenbroek) 發明來頓瓶。1753年約翰(John Canton)發現靜感應裝置。1779年庫侖提出 摩擦定律。 18世紀時大量的科學家開始探索奇妙的電。富蘭克林認為當物體得到 比正常份量多的電就稱為帶正電；少於正常份量，則稱為帶負電，所謂「放 電」就是正電流向負電的過程。雖然這個理論並不完全正確，但是正電、 負電兩種名詞則被保留下來。富蘭克林並做了個危險實驗，成為傳奇科學 故事流傳至今。他將繫上鑰匙的風箏用金屬線放到雲層中，被雨淋濕的金 屬線將空中的閃電引到手指與鑰匙之間，證明了空中的閃電與地面上的電 是同一回事。西元1786年一義大利人加凡尼做了一個又一個的青蛙腿與電 與金屬的各種實驗，並稱之為「動物電」。在此之前電被認為是一種「物 質」。 1800年，義大利的伏特（A.Voult）用銅片和錫片浸於食鹽水中，並接 上導線，製成了第一個電池，堪稱現代電池的始祖。到了1820年丹麥人奧 斯特 (H.C. Oersted)發表關於電流對磁針作用的實驗(電生磁)。安培(Andre Marrie Ampere)發現電流與所生磁場強度定律，並提出右手螺旋定則。蘇 維加(John Shuwaiga)發明檢流計。必歐、沙伐發表關於電磁作用的必歐-沙伐定律(Biot-Savart Law)。雖然伏特發明了電池，但是電池所能供應的電力 少，如何「製造」出大量的、實用的電，成為科學家當務之急。 西元1831年法拉第發現，原先沒有電流的線圈，會因線圈內的磁場發 生變化而產生電流，即電磁感應。1851年他又提出物理電力線的概念。這 是首次強調「電場」的概念，推翻之前所認為電是一種「物質」的觀念。 由此以往，科學家們開始投入磁生電裝置的一系列研究與發現： 一、 磁鐵與線圈互相接近或遠離時，線圈會產生感應電流。感應 電流的大小與方向，與磁鐵的NS極方向、兩者的遠離或靠近、相對運動的 快慢、線圈匝數與磁鐵磁性的強弱有關。 二、 當線圈的電流改變的瞬間，周圍的其他線圈也會產生感應電 流。 三、 感應電流的大小和線圈內磁場的變化速率成正比。 四、 磁鐵的磁性愈強，線圈的圈數愈多，每個線圈都會產生感應 電壓，因此產生的感應電流也愈大。 發電機即是利用外力，使線圈與磁鐵的相對位置不斷產生變化，通過 線圈的磁場也不斷改變，因而產生感應電流。 臺灣地區主要電力來源幾乎都以發電機製造，而這種電的製造原理其 實非常簡單，只要讓線圈與磁鐵相對位置改變，電就來了！不管是火力發 電、水力發電、核能發電、風力發電、潮汐發電……都是藉由各種能量， 直接或間接推動磁鐵或線圈，讓電源源不絕的產生即可。
第四節 國內發展的磁生電科學玩具與教具
自從法拉第將一根磁棒穿過一捆線圈，使得線圈旁的磁針動起來之 後。磁生電教學模型便不斷的被改良，甚至量產成玩具與教具。研究者為 改良磁生電科學玩具，搜羅全省的學界與業界出品的教具與玩具，認為尚 有以下缺點： 壹、售價偏高：以科博館的磁鐵點燈教具為例（圖 2-4-1），一組售價約 4000 元，非一般學生所能負擔。圖 2-4-1 科博館的磁鐵點燈教具
下圖是市售發電套組，每組定價港幣1696元，臺幣約6600元（運費稅 金未計），也是高價品。
圖 2-4-2 市售All Clean Energy Constrution KIT 風力.水力.太陽能... 發電全能套裝（德國/日本製造），圖片截自 2011 年 5 月 7 日網路
http://www.kelabhk.com/JAPANphoto/newArrivalJapanSept2007/frames/1~163~835.htm
貳、製作不易：以下二圖市售之風力發電材料包為例，操作過程需用到鐵 鎚、起子、膠槍等工具，組合時間成人約需 2-3 小時，對國小學 生而言，困難度太高，很難獨力完成。
圖 2-4-3.市售之風力發電材料組完成圖(一) 圖 2-4-4 市售之兩款風力發電材料組完成圖(二) 叁、主要零件不是裸露的，無法觀察發電的機制，以圖 2-4-5 市售之風力 發電為例，雖然組合簡單，但是主要發電機制---線圈與磁鐵都 是包在馬達裡面，電形成的過程學生無法體會。圖 2-4-6 太陽能 三叉車則主要發電之太陽能板為成品，使用者無法得知內部構 造。 圖 2-4-5 市售之風力發電機完成圖
圖 2-4-6 市售之太陽能三叉車，圖片截自 2011 年 5 月 7 日網路 http://www.solar-i.com/S&Y/new0416.html
第三章 研究方法與設計
第一節 研究方法與研究流程
蔡清田（2008）指出透過「行動」與「研究」結合為一，能縮短理論 與實務的差距。本研究旨在設計出一套實用的磁生電科學玩具及其相對應 之教案，為達成此研究目的，本研究採用行動研究法。由研究者不斷的改 良→操作→試教→收集評論→檢討改進。接著重複此一循環，直到本玩具 與本教案能符合各界師生期待。流程圖如圖 3-1-1。圖 3-1-1：研究流程圖 文獻探討 設計構思 設計製作 實驗測試 微調外觀 精簡組合步驟完成設計 檢討修改 撰寫教案 試教於國小學生與國小 教師 收集意見 檢討修改 完成教案
第二節 研究工具
壹、 研究日誌
研究者在科學玩具研發與教案設計過程中，隨時紀錄研究日誌，日誌 除記載日期與事件外，最重要的是有教學與設計反思，徹底檢討每次的修 改原因與成效。日誌格式如下表，由於全為電子檔，沒有手寫稿，所以可 以隨時照相將圖片補上以免日後疏忽忘記細節，重要改變事項用不同顏色 標註。 表 3-2-1：研究者日誌舉例 日期 事件 結果 980224 網站上看到此項產品： http://www.kelabhk.com//JAPANphoto/newArrivalJa panSept2007/frames/1~120~087.htm能量風火輪 想仿做看看，試過： 各種規格的銣磁鐵 轉盤使用過：紙盤、墊板、瓦愣板 線圈使用過各種圈數及各種粗細 …… 要找到使用長度最短，最便宜的規格。 「轉轉生電」靈感來 源。 嘗試各種材料製作 「轉轉生電」不成 功！ 980304 誤買高亮度的 LED 燈，做了無數白工，「轉轉 生電」停擺多月，一直試不成功。 終於發現 LED 燈不 能使用高亮度的規 格 9898040 8 第一代「轉轉生電」： 使用光碟片作轉盤 使用兩個銣磁鐵，規格 22*2mm(直徑*高度) 第一代「轉轉生電」 成功。成本約 90 元， 主要貴在銣磁鐵。三線圈則使用 0.2mm 漆包線繞約 600-700 圈(3 公分 內徑)；0.3mm 繞 1000 圈；0.17mm 繞 1200 圈等 三種。 種線圈都能亮燈，但 圈數多的比較容易 成功。 980510 驚覺這兩款教具花錢太兇，而且兩者不能混用 材料，於是開始尋找讓兩者能夠材料共用的方 法，分析： 線圈應可以共用，於是決定先找一組圈數多且 便宜的線圈。四處詢價發現漆包線市場價格很 混亂，差異以倍計。 決定改良「搖搖生 電」與「轉轉生電」 的線圈，以控制成 本。
貳、 回饋單（如附錄一）
本科學玩具發表與教案試教數十場，研究者在教學後選擇適合場次， 發回饋單請學員填寫。發放原則是教學時間比較充裕、能夠整套教具分享 完整的場地才使用。 回饋單內容分三大項，第一大項為基本資料，勾選年齡、職業、性別 以及每年參加科學遊戲或科學研習相關活動的次數；第二大項為感受與意 見勾選題，例如學員自評在這堂課上完之後，對發電常識增進多少，選項 為五點量表，提高很多、提高一些、無意見、下降一些、下降很多，以上 五選項。第三大項為感受與意見開放性答題，分別為「請寫出這一堂課您 的最大收穫是什麼？」與「對本次的上課內容、難易度、操作、時間掌控… 等等，您有何建議？」參、 演講之提問
為了解學員對此科學玩具與教案的評價，研究者會在演講後提問，了 解學員對此科學玩具與教學法的看法，如能提供修改意見者發與小禮物， 以期使此科學玩具與教案更臻完備。問題歸納為以下幾個： 「像我剛剛這樣示範的教案，換你來敎，意下如何？有沒有哪裡需要 更動？」「這套科學玩具你覺得值得推廣嗎？」「發表你對這個教案的看 法，有發言就有小禮物喔！」……回家之後，研究者會將今日收集的意見 整理歸納，讚美的言語就放一邊，不予處理，有建議的意見就鍵入研究日 誌中。本教案分享的場次，共達 28 場，地理位置遍及澎湖、臺東、彰化、 新竹、臺中等地，研習人員有國小國中高中教師、社會人士、國小學生、 親子班等等。
第三節 資料收集與整理
關於蒐集來的資料，實際上在蒐集的過程中，資料的整理與分析即已 同時進行。例如，研究日誌撰寫同時，研究者便已將各項回饋與反思做歸 類整理，做出判斷，各項建議可以修正者，立即思考處理方針；百思不得 其解者先擱置一旁，等待日後再想辦法。壹、 研究日誌
將日誌中自我檢討的意見標示出來，已提出修改方案者紀錄之，未能 達成者標示之，期待來日找到修改方法。 例如 98 年四月，經過無數次實驗的失敗，終於第一次試成功了「搖 搖生電」，在結果欄紀錄如下：「找到成功的要領了。發現：「搖搖生電」 成功的訣竅在於：1.燈泡要使用 LED 燈！2.線圈數要夠多！3.磁鐵磁力要 夠強！4.線圈與磁鐵距離越近越好。」這個發現在本科學玩具開發末期， 顯然是非常簡單的概念，但在研究者靠自己獨自實驗領悟出的瞬間，是非 常珍貴的經驗。 例如 98 年 6 月由於分享時有人轉風火輪怎樣都學不來，於是作各種 試驗，試圖改變這個困境。研究者嘗試改變磁鐵位置、改變磁鐵重量、改 變線的粗細、改變線的材質、改變洞的大小……最後，第一代「轉轉生電」 改良：風火輪的繩子改為有彈性的布繩，轉起來比較不容易失敗。由於高 速運轉下，銣磁鐵很可能脫離泡棉膠飛出去傷人，因此光碟外圍要多貼數 層膠帶。貳、 回饋單
回饋單第二大項「感受與意見」共八題勾選，研究者根據填答人次， 分析學員之意見。 回饋單另有二題開放式問題，詢問學員意見。研究者逐份檢視進行歸 納分類，正向意見者一類（很棒、很好玩、希望能再參加……）；負向意 見一類（太難、不太懂、材料不易買……），作為改善依據。盡量使學員 的每項負面意見都能找到修正方法。意見分類舉例如下： 感謝、辛苦了。 老師很用心、上課很開心、豐富的課程、希望再舉辦。 有遇到困難，但還是成功，很好玩。
叁、演講之提問
演講場次的提問意見，置於研究日誌的結果欄中，例如 99 年 2 月， 學員提到感應電流的概念講太快了，便紀錄於研究日誌。等待得空修改教 案以解決此問題。99 年 3 月，有學員提到：「妳這個「刷刷生電」點子很 棒ㄟ！如果我將磁鐵放在手肘；線圈放在腋下，那不就走路也可以發電了 嗎？」紀錄於研究日誌後不久，我變為這個建議增添了「創意發電」活動 於教案中。99 年 4 月試教後，教師學員抱怨漆包線刮漆是學生的惡夢，老 是把線給刮沒了，浪費好多時間。紀錄於研究日誌許久一直等待處理中， 直到兩個月後，才找到處理方法：請工廠將漆包線末端浸熱錫，從此不需 再刮漆了。肆、資料之三角校正
質性研究過去往往被批判過於主觀，意即同一筆資料，不同研究者詮 釋結果可能南轅北轍。因此，必須多方向的蒐集資料(多種方法、多種資 料來源與多個研究者等)來加強資料間的相互效度驗證，三角校正法因蘊 而生。三角校正法（triangulation）由學者 Norman Denzin 於 1978 首倡， 是指質性研究者採用不同的方法、資料、觀察者與理論，將初步分析結果 與其他研究者進行討論以獲得校正或啟發，或藉由資料和被研究的對象作 初步溝通以校正研究者的分析與解釋（高敬文，1996〉 三角校正法能降低研究者的偏見、主觀認定情形，有助於減少實驗過 程的勘誤率。Denzine 將其分為資料三角校正、研究者三角校正、理論三 角校正、及方法論三角校正等四種（吳芝儀、李奉儒譯，1995）資料三角 校正是由各種資料來源來蒐集證據。研究者三角校正是研究過程由二位以 上的研究者同時進行驗證。理論三角校正是對同一份資料進行不同觀點或 理論的探討。方法論三角校正是使用不同的研究方法來研究相同的現象。 本研究採用的是資料三角校正，由不同資料來源諸如回饋單、研究日 誌、演講提問等，使資料呈現更接近真實情形，以增加本研究效度，並作 為整理研究發現與結論的依據。
第四章 研究結果與討論
第一節 電與磁科學玩具發展歷程
本研究設計的科學玩具一套六組，全套共用一個線圈與 LED 燈，有「搖 搖生電」、「晃晃生電」、「敲敲生電」、「刷刷生電」、「轉轉生電」 與「吹吹生電」六組發電機小模型，設計歷時二年餘，不斷翻新與改良， 設計完成之後並撰寫操作手冊如附錄二，以供使用者參考。本研究科學玩 具及線圈設計歷程如下：壹、「搖搖生電」、「晃晃生電」設計歷程
一、第一代「搖搖生電」 日期：980501 設計項目：第一代「搖搖生電」，使用 0.3mm 漆包線 8m 長度，繞透明 壓克力管(內徑 20mm)，約 100 圈。管長取 20cm。內部銣磁鐵使用 15*4mm(直徑*高度)五顆 結果檢討：歷經數月失敗再設計、設計再失敗的歷程，終於第一代「搖 搖生電」產出。第一代的「搖搖生電」成本約 50 元，還是很高。 (銣磁鐵還是買工廠瑕疵品才能這麼便宜)，若管子使用透明的， 能觀察到磁鐵的運動，學生能容易體會到磁生電的機制。 圖 4-1-1 第一代「搖搖生電」不透明版圖 4-1-2 第一代「搖搖生電」透明版 二、第一代改版 日期：980506 設計項目：第一代「搖搖生電」改版，使用 0.3mm 漆包線 8m 長度，繞 透明吸管(內徑 10mm)，200 圈。管長取 20cm。內部銣磁鐵使用 10*10mm(直徑*高度)2 顆 結果檢討：此款能節省銣磁鐵費用一半，但是吸管管壁薄，容易在繞 線時太用力而變形，導致磁鐵卡住。 圖 4-1-3第一代「搖搖生電」改版 三、第一代續改版 日期：980625 設計項目：LED 燈改用紅色燈光。再因年紀小的同學搖不順燈就 亮不起來，於是在磁鐵兩端各加上一小段彈簧，會更容易成 功。 結果檢討：製作更費時間是增加的缺點。 四、第二代「搖搖生電」 日期：980601 設計項目：訂做線圈，規格：800 捲，0.03mm，內徑 18mm，圈數比第 一代的「搖搖生電」所需圈數大很多，因此可以考慮減少磁鐵量。 而且因為線圈內徑窄，所以原先使用的壓克力管也尺寸不符。找
到符合線圈內徑與磁鐵外徑的透明塑膠管：內徑 10mm。再找到符 合尺寸的銣磁鐵：8*8mm(直徑*高度)，使用二顆。 註 1：管與線圈距離有點太大，但是 20mm 以下直徑的銣磁鐵價格 差距頗高，便捨棄符合尺寸的銣磁鐵(很貴)而屈就比較便宜 的小號銣磁鐵(便宜多了)。 註 2：「搖搖生電」不再把線圈固定在管子上了，而是直接用手 握住就好，如此一來線圈就很容易移做它用。 結果檢討：第二代「搖搖生電」完成，成本 50 元，但因為燈與線圈組 可重複再使用，所以就整組玩具而言，成本省很多，再加「轉轉 生電」的風火輪材料，一共約 100 元成本。從此以往，這組磁生 電的線圈不再是固定式。 圖 4-1-4第二代「搖搖生電」 五、第三代「搖搖生電」 日期：980625 設計項目：「搖搖生電」用波霸吸管(12mm 內徑的吸管)取代透明塑膠 管。用 10*10 氧化磁鐵 (直徑*高度) 3 顆取代銣磁鐵。線圈尺寸 改為內徑 13mm、外徑 24mm、厚度 7mm、匝數 900、線徑 0.1mm。 結果檢討：這是研究者首次發現，磁生電系列能夠用氧化磁鐵來製作， 並不是非使用強力磁鐵不可。 圖 4-1-5第三代「搖搖生電」
六、第三代「搖搖生電」改版 日期：9906 設計項目：改良「搖搖生電」，因為剪個「圓的厚紙板」對某些學生 頗困難，往往剪著剪著，一張紙就成了碎屑了，於是改成泡棉塊 塞兩頭，一來泡棉有彈性，有彈簧的效果，「搖搖生電」更順暢， 二來剪不圓也沒關係，塞得進去就好。 結果檢討：「搖搖生電」更便於操作，泡棉也是研究者家中廢棄物再 利用，非常環保。 圖 4-1-6第三代「搖搖生電」改版 七、「晃晃生電」 日期：1000420 設計項目：在教學時發現學生會有迷思，以為一定要磁鐵移動，線圈 不動才能使燈亮起來，於是便設計同一組教具，不同的玩法，即 「晃晃生電」，將磁鐵晃到吸管正中央，再把線圈左右移動，LED 燈一樣可以亮起。 結果檢討：這個設計使得一組教具變出兩種玩法，不但節省成本，而 且可以讓學生體會到，不論是線圈或磁鐵移動，只要兩者的相對 位置產生變化，電就可能產生。 圖 4-1-7 「晃晃生電」與「搖搖生電」，差別只在於操作方法
貳、「敲敲生電」設計歷程
一、「敲敲生電」 日期：991030 設計項目：這組設計的點子出自於課堂上，讓學生發表「創意發電」 時，學生想出的點子，只要把一疊磁鐵，往線圈 LED 燈組敲擊， 燈就會亮。 結果檢討：這個設計，是目前為止最簡單的發電，不需任何技巧就能 發電成功。 二、「敲敲生電」改良 日期：991105 設計項目：本來用一疊約四顆的大氧化磁鐵去敲擊，但費用會增加頗 多，後來發現，只要敲擊速度夠快，二顆就能使燈亮起，於是「敲 敲生電」改為兩顆磁鐵。 結果檢討：本研究一系列的發電方式，只有這一種，磁鐵 NS 極放錯邊 了，燈就不會亮。叁、「刷刷生電」設計歷程
一、第一代「刷刷生電」 日期：980615 設計項目： 使用第一代的線圈 LED 燈組。拿第一代的「搖搖生電」銣 磁鐵五顆來刷。不用墊板，直接將線圈與磁鐵都立在桌面刷。 結果檢討：銣磁鐵五顆，花費頗多。直接在桌面刷也會造成桌面刮傷。 圖 4-1-8 第一代「刷刷生電」 二、第二代「刷刷生電」 日期：980620 設計項目：找透明墊子墊著，線圈在墊子下，磁鐵在上面刷。 結果檢討：如此一來，成本要增加透明片一片。 三、第二代「刷刷生電」改良日期：980628 設計項目：結合「轉轉生電」的支撐架，使用透明免洗杯，將線圈用 膠帶貼在側面，「轉轉生電」時，風火輪在杯子旁邊轉；改玩「刷 刷生電」時，杯子側躺，磁鐵在上面刷；而且這個大杯子還可以 裝下所有的材料，一舉多得。 結果檢討：首次使用杯子當教具容器兼線圈架子，節省成本又方便。 圖 4-1-9 第二代「刷刷生電」改良 四、第三代「刷刷生電」 日期：980805 設計項目：因為氧化磁鐵價格遠低於銣鐵硼強力磁鐵，因此將「刷刷 生電」改為使用 2 顆大的氧化磁鐵，規格 30*10mm(直徑*高度)， 節省磁鐵的支出。 結果檢討：因氧化磁鐵有易取得、價格低、尺寸多元等優點，研究者 陸續取代原先使用的銣鐵硼強力磁鐵，使得研究者更有充裕的經 費與材料供應。 圖 4-1-10 第三代「刷刷生電」 五、第三代「刷刷生電」改良 日期：9909 設計項目：「刷刷生電」用透明光碟片示範效果很好。 結果檢討：「刷刷生電」用透明光碟示範。如要學員也用，材料來源
尚待解決，曾試過將一般廢棄光碟用剪刀刮去塑膠膜，但太費時 間而放棄。 圖 4-1-11 第三代「刷刷生電」改良
肆、「轉轉生電」設計歷程
一、第一代「轉轉生電」 日期：980408 設計項目：使用光碟片作轉盤；夾住兩個銣磁鐵，規格 22*2mm(直徑* 高度)；線圈則使用 0.2mm 漆包線繞約 600-700 圈(3 公分內徑)； 0.3mm 繞 1000 圈；0.17mm 繞 1200 圈等三種。 結果檢討：成本約 90 元，主要貴在銣磁鐵。三種線圈都能亮燈，但圈 數多的比較亮。 圖 4-1-12 第一代「轉轉生電」 二、第一代「轉轉生電」改版 日期：980616 設計項目：由於在輔導團分享時有人轉風火輪怎樣都學不來，於是研 究者作各種試驗企圖改良：例如改變磁鐵位置、改變磁鐵重量、 改變線的粗細、改變線的材質、改變洞的大小……最後，風火輪的繩子改為有彈性的布繩，轉起來比較不容易失敗。 結果檢討：由於高速運轉下，銣磁鐵很可能脫離泡棉膠飛出去傷人， 因此光碟外圍要多貼數層膠帶。 圖 4-1-13第一代「轉轉生電」改版 三、第二代「轉轉生電」 日期：990106 設計項目：「轉轉生電」的銣磁鐵目前是最耗成本的部分了，改為大 的氧化磁鐵試試，規格與「刷刷生電」第二代同：30*10mm(直徑* 高度)。由於氧化磁鐵尺寸比起原先的銣磁鐵大很多也重很多，原 先以為會很難轉動，但是實際上是，啟動比較困難，轉起來後反 而容易維持。應是轉動慣量大之故。配合使用大磁鐵，要改變： 1.磁鐵黏貼方式由原先的鏤空泡棉膠，改為雙層泡棉膠包覆。2. 鑽孔再往外靠與更大孔。3.繩子改更粗，使用鞋帶繩是不錯的方 法。 結果檢討：第二代「轉轉生電」完成，改用氧化磁鐵取代銣磁鐵。另 增一項優點，就是大顆磁鐵比較不容易像強力磁鐵一般因為不慎 飛出而傷人，頂多脫落而摔碎。 圖 4-1-14 第二代「轉轉生電」 三、第二代「轉轉生電」改良 日期：9908 設計項目：光碟片鑽孔，對學員來說比較困難，容易鑽不對稱，也容
易鑽破掉。改良：幫學員用機器鑽孔。 結果檢討：光碟片幫學員用鑽檯鑽孔，可節省時間。 圖 4-1-15第二代「轉轉生電」改版 四、第三代「轉轉生電」 日期：9909 設計項目：研究者新購置一批泡棉圓盤，拿來嵌入磁鐵後，取代「轉 轉生電」的光碟片，效果非常好。 結果檢討：第三代「轉轉生電」成功。「轉轉生電」用泡棉圓盤取代 光碟片。優點：容易操作，也不用幫學員打孔了。缺點：成本增 加 10 元。 圖 4-1-16 第三代「轉轉生電」 五、第三代「轉轉生電」改版 日期：10001 設計項目：泡棉式「轉轉生電」發現在極高速運轉下，磁鐵還是會飛 出去。改良：嵌入磁鐵後再貼一片光碟。 結果檢討：第三代「轉轉生電」改良成功，只是光碟比圓盤大，比較 不美觀，功能則是安全多了。研究者試過迷你光碟片尺寸正好， 但是如何取得大量廢棄迷你光碟是一個待解決問題。
圖 4-1-17第三代「轉轉生電」改版 六、第三代「轉轉生電」續改版 日期：10001 設計項目：買特殊鑽頭，幫學員事先鑽好泡棉圓孔，如此就不會因為 要嵌入磁鐵而剪很久的泡棉了。 結果檢討：利用電動工具節省製作時間。 圖 4-1-18 第三代「轉轉生電」再改版 七、第四代「轉轉生電」 日期：1000503 設計項目：一樣用泡棉為轉盤，以 1 公分鑽尾鑽四個孔，各塞入一顆 1.5 公分直徑的磁鐵，做成風火輪，磁鐵會嵌得緊緊的。 結果檢討：製作快速，因為此批磁鐵尺寸恰當，塞入泡棉後，不需使 用熱熔膠，也不用加貼光碟片；轉動速度也比光碟片快得多。
圖 4-1-19 第四代「轉轉生電」
伍、「吹吹生電」設計歷程
一、嘗試風力發電的設計 日期：980708 設計項目：使用現成的馬達作為風力發電教具。尋找各種風力發電用 的馬達：3V、6V、9V、12V……發現 3V 無法讓 LED 燈亮，6V 可以， 但燈光微弱，最好使用 9V 以上的馬達。找音響店，買他們舊音響 拆下來的馬達，便宜又效果好。 結果檢討：發現馬達使用約 9V 的規格，能夠在價格低以及效果上達到 最佳。此方法一方面是又便宜又簡單，另一方面也很適合作為電 能生磁、磁能生電以及電能動能轉換的教學模組。 圖 4-1-20 市售馬達版風力發電 二、改變風力發電的風扇 日期：980720 設計項目：馬達上裝風扇，用力吹就會讓 LED 燈亮起來，但是書局賣 的小塑膠風扇轉不太動，要很費勁的吹才行。後來發現用手指頭轉馬達軸心一樣會亮。可是轉軸心的動作在課堂上演示不夠清 楚，於是加裝一個光碟片加氣嘴轉軸。 結果檢討：風力發電的轉盤容易脫落損壞，攜帶不易。於是尋找直接 裝上去的風扇又容易吹動的，最後找到適合的風扇了。追蹤貨源 結果價格過高，無法接受。最後揚棄轉盤或風扇，直接用手指頭 轉軸心讓燈亮起。 圖 4-1-21 馬達版風力發電改良(一) 圖 4-1-22 馬達版風力發電改良(二) 三、第一代「吹吹生電」 日期：990605 設計項目：製作「吹吹生電」固定版，效果非常好。風扇用半個乒乓 球。作法：直接將乒乓球風扇裝在舊版與新版線圈上，使用 4*6mm(高*直徑)的銣磁鐵兩顆。 結果檢討：這代「吹吹生電」，剪乒乓球步驟頗複雜，有點難度，要
考慮如何教才能讓學生做得出來。 圖 4-1-23 第一代「吹吹生電」 四、第二代「吹吹生電」 日期：990610 設計項目：使用第二代線圈製作組合版「吹吹生電」，利用瓶蓋、吸 管製作支撐架，造型小巧可愛效果好。風扇摺法也改為如圖。 結果檢討：體積迷你是它的優點，但也因為迷你，製作上比較困難一 些。 圖 4-1-24 第二代「吹吹生電」 五、嘗試水力發電 日期：990625 設計項目：利用第二代「吹吹生電」架構，改變風車為水車，製作組 合版水力發電機。 結果檢討：但是沖刷力道要非常強才能亮燈。用吹的能亮，用一般水
龍頭沖刷則不會亮。等待改良。 圖 4-1-25 第二代「吹吹生電」水車版 六、第二代「吹吹生電」改良 日期：9908 設計項目：乒乓球風扇與迴紋針連接點很小，容易損壞。改良：連接 點兩側戳洞，滴熱熔膠讓內部與中心孔相連，外部讓它露出，三 角支撐比較牢固，是為「爪勾」設計。 結果檢討：改良後風扇掉落的機率幾乎為零了。 圖 4-1-26 第二代「吹吹生電」改良 七、第二代「吹吹生電」加購透明盒 日期：9908 設計項目：做好的乒乓球「吹吹生電」不易保存，放進包包會壓壞。 改善方法：找一個透明大小適當的盒子裝，上下墊衛生紙。 結果檢討：雖然增加成本，但包裝好的成品看起來精緻，也能妥善保 護，值得增加成本。
圖 4-1-27 第二代「吹吹生電」之透明盒 八、第二代「吹吹生電」扇葉測試 日期：9908 設計項目：測試乒乓球風扇六扇葉與八扇葉效果。 結果檢討：兩者皆能使 led 燈泡發亮，二且亮度差不多，但八扇葉因 為比較容易劃記，於是全面改為八扇葉。 圖 4-1-28 「吹吹生電」風扇之不同摺法 九、第二代「吹吹生電」續改良 日期：9909 設計項目：瓶蓋風扇組合頗佔時間，學員常將熱熔膠黏過多，導致線 圈與磁鐵無法靠近，改良：下方橫向氣球棒子改為直向。瓶蓋事 先幫學員打孔。 結果檢討：直向的吸管末端要燒熔封住，難度不小，不容易教。
圖 4-1-29 第二代「吹吹生電」續改良 十、軸心改良 日期：9909 設計項目：剪迴紋針時，學員常會將迴紋針弄彎掉，扳直不易： 考慮以牙籤替代，缺點：較不耐用，而且太粗，加上摩擦係 數大，現成採購的磁鐵與線圈內徑也會配不起來，容易卡死。 結果檢討：以牙籤取代迴紋針失敗，勉強要用得把它修細，太費工， 軸心問題暫時無解。 圖 4-1-30「吹吹生電」牙籤軸心版 十一、第二代「吹吹生電」軸心續改良 日期：9909 設計項目：找到適合的材料做軸心：半支髮夾。將髮夾用鉗子分為二 支，再剪掉彎折部位，就是很適合的軸心。 結果檢討：因為髮夾是扁的，所以夾起兩顆磁鐵剛剛好，不需再兩邊 墊高。
圖 4-1-31 「吹吹生電」髮夾軸心版 十二、第二代「吹吹生電」支撐架改良 日期：9909 設計項目：瓶蓋鑽孔頗費時，難度也高，以墊板剪環形取代，環形外 徑用大磁鐵畫，內徑用一元硬幣畫。 結果檢討：更輕巧更簡單。但是太軟，不好握住。 圖 4-1-32 「吹吹生電」墊板支撐架版 十三、第二代「吹吹生電」支撐架續改良 日期：991020 設計項目：使用瓶蓋墊板做支撐架都要加工，於是研究者拿空線軸當 支撐架，解決費事問題。 結果檢討：廠商一個空線圈要價 3.5 元，實在太貴。
圖 4-1-33 「吹吹生電」線軸支撐架版 十四、第三代「吹吹生電」 日期：991108 設計項目：將瓶蓋底面挖空一個 1.5 公分的圓，作為支撐架。 結果檢討：改過無數版本之後，支撐架最後就用瓶蓋底面挖孔定 型，一來容易取得材料，二來便宜。 圖 4-1-34 第三代「吹吹生電」 十五、第四代「吹吹生電」 日期：991205 設計項目：製作非組合式的「吹吹生電」，直接將吸管黏在線圈上。 結果檢討：這個版本，不需要瓶蓋，操作時也不需要兩手夾住對 準手忙腳亂，缺點是線圈黏死後就無法與其他磁生電教具共 享。
圖 4-1-35 第四代「吹吹生電」 十六、第五代「吹吹生電」 日期：1000928 設計項目：用市售馬達小風扇取代自製乒乓球風扇。 結果檢討：用市售風扇的優點是以風扇吹燈會亮，缺點是用嘴巴 吹不會亮；自製風扇的特點完全相反：用嘴巴吹會亮，用風 扇吹不會亮！ 圖 4-1-36 第五代「吹吹生電」
陸、線圈的改良過程
由於發電裝置中，線圈是關鍵性的零件，研究者在設計歷程中，對於 線圈的線徑、內徑、外徑、厚度、形狀等等，做過多次的修正，歷程如下 所述： 一、初始設計 日期：980420設計項目：手工繞線 500 匝。完成後再用膠帶捲貼。 結果檢討：一開始手工繞線圈，自行製作實驗都沒問題，在教學現場 便出狀況，多次失敗的經驗後，決定繞線圈的工作還是交給機器 好了。讓小朋友繞線圈，只要有一兩個學生讓漆包線打結，就會 嚴重影響教學進度。 圖 4-1-37 手工繞線圈 二、第一代線圈訂製 日期：980522 設計項目：在工廠訂做線圈，規格：800 捲，0.03mm，內徑 18mm，符 合二種磁生電系列的用途。 結果檢討：其實訂做比單買漆包線自己繞成本還要低，品質也較好， 因為自己繞線比較蓬鬆，線圈與磁鐵的距離就會拉大，而降低效 果。如果規格特殊，還要加製模費。每次製模要 16000 元，單次 定量至少 500 個。而且下一次訂貨製模費重新計算。訂做的缺點 是一次做的量要夠大。研究者只好找現成規格減少製模費，但是 缺點是這批線軸規格不太符合需求。 圖 4-1-38 第一代訂做線圈 三、第二代線圈訂製
日期：990503 設計項目：新的線圈尺寸規格：內徑 13mm 外徑 24mm 厚度 7mm 線 圈數 800.850.900.950.1000 匝各一 線徑 0.1mm 結果檢討：測試新的線圈，結果 800 圈以上至 1000 圈，讓 LED 亮燈的 效果差不多，於是選擇使用 900 匝的規格。測試於「搖搖生電」 與「轉轉生電」，同樣的速度，亮燈情形比第一代線圈佳。 四、第二代線圈改良 日期：990520 設計項目：由於漆包線很細，不管適用砂紙磨或使用打火機燒，容易 斷掉或者去漆不乾淨，於是要求工廠把線兩端都浸錫以導電。 結果檢討：線末端浸錫之後便不再有學生刮漆失敗了。 圖 4-1-39 第二代訂做線圈改良 五、嘗試串聯線圈 日期：9908 設計項目：嘗試改良水力發電機，研究者尋思，既然水力發電只要用 力沖，就能亮燈，那麼，如果增加線圈匝數，應該就能輕輕沖就 亮燈。於是做實驗：將兩個線圈串連併在一起，再接上燈。結果： 不管怎麼沖都不會亮了！顯然，線圈匝數並不是越多效果越好的。 結果檢討：串聯線圈改良水力發電失敗。應該是線圈過長導致電阻增 加之故。 六、再嘗試自捲線圈 日期：1000503 設計項目：嘗試用自己捲的線圈作風力發電機，發現用瓶蓋當線軸， 捲 800 匝至 1200 匝皆可作成大型風力發電機。將捲好的線圈取下 來卻很困難，一不小心就打結了。後來用 16mm 壓克力管包厚紙 板，繞線完後，取下比較容易。
結果檢討：此款不適合學生，因為製作時需要經驗豐富才能不打結。 圖 4-1-40 自捲線圈瓶蓋版
第二節 電與磁科學玩具教案發展歷程
本研究設計之教案是以磁生電科學玩具為主軸，一邊修改教案內容， 一邊與各學術界師生分享，教學過程中，研究者透過內省以及參與研習學 員的建議，檢討後再修改、再分享與再試敎……等歷程，修正教學法或科 學玩具製作步驟或增減教學目標，使學員能將磁生電原理理解得更全面、 製作科學玩具更順手，最後修改至本研究教案最終版本，如附錄三，主架 構分為四階段： 一、電是怎麼來的：此階段藉由本研究設計的科學玩具製作，讓學生 了解電是怎麼來的。教案之時間設計有彈性，如果教師有充裕的課外補充 教材時間(三小時)，可以將本研究設計的六款迷你發電機全部完成，如果 時間受限，也可以只做其中的一個或兩個，並不影響後續教學。 二、磁生電的原理：以一個簡單的鋁罐、縫衣線與磁鐵的小道具，講 解感應電流的科學原理。 三、臺灣地區的發電方式：研究者繪製插畫輔以文字與照片，呈現國 內主要發電廠的發電機制(含風力、火力、水力等發電方式)，與開發中的 潮汐發電介紹。 四、創意發電活動：讓學生學完發電機的原理與做完發電機的科學玩 具後，自行設想一個發電的方法，並以文字插畫呈現。期望有朝一日，能 有學員成為解決能源危機的尖兵。 本研究科學玩具分享與教案試敎場次列表於附錄四，共 26 場次、1325 學員參與。分享單位由大學至國小；分享地域由彰化、臺中、臺東至澎湖 等地，教學照片如圖 4-2-1 與 4-2-2，每場教學分享時口頭提問，希望學員能給予研究者建議；研究者並撰寫研究日誌，盡量將學員建議事項於日 誌中，記下問題與解決方法，使教案更能符合國中小教師的期待。期間教 案修改歷程舉例如下，學員正向肯定的回饋諸如「非常棒」、「好有創意」 等的意見並不列入。 圖 4-2-1 100 年遠哲科學宅急便，「轉轉生電」製作 圖 4-2-2 99 年中央大學假日科學廣場，「吹吹生電」製作 以下說明本教案發展過程，在教學中遭遇的問題及解決策略。
壹、關於教學過程的修改
一、問題：在製作「吹吹生電」時需剪乒乓球，摺成風扇。早期分享場次 學員提出乒乓球風扇不容易摺好、又容易折斷扇葉 解決策略：教學過程增列一個「轉轉乒乓球」活動，每位學員一個乒 乓球，半個拿來摺扇葉後，放桌面上吹，如果摺得順，就會很 規律的在桌面轉圈圈。這樣練習之後，再把另半個乒乓球，裝 於髮夾上做「吹吹生電」的風扇。修正教學步驟後，學員不但 扇葉摺得更好，也能多玩一種科學遊戲。 二、問題：講解新興發電之潮汐發電時，僅以手繪圖示意，學員認為難以 理解，建議利用教具來模擬真實情境。解決策略：因應學員建議，便製作寶特瓶與炫風燈的模擬教具(寶特 瓶去底，瓶蓋鑽孔，往水桶的水下壓，產生的氣流可使炫風燈 亮起來)。在 99 年 4 月與能源教育計畫之夥伴分享，大家討論 時認為，寶特瓶上下動，水桶裡的水不動，與真實的潮汐發電 相反，於是便修改為 U 形水管版本(一頭製作活塞將水管裡的水 上下壓模擬海浪，另一頭裝寶特瓶讓炫風燈亮起來)如此便可模 擬海浪上下，啟動發電機。 三、問題：99 年 8 月臺中市篤行國小場次，學員曾抱怨：「做玩具的節奏 太快了，都做不完」、「講原理的時候速度太快了」。此場是 首次分享製作一系列六個發電玩具全部完成，首次上場不熟 練，拖延了五修時間。 解決策略：修改教學策略，教案之教學錦囊註明，針對學員素質，科 學玩具六種，教師可因應自己可支配時間，將一組六個發電遊 戲縮為一至三個，能空出較多時間講解原理。 四、問題：99 年 1 月於台中某場次，大磁鐵首次讓低年級學童使用在「刷 刷生電」，學童被磁鐵夾手，痛得哇哇叫。 解決策略：研究者針對此狀況，在日後教學時，磁鐵先發單一顆，黏 上之後再發另一顆，避免夾手，並於教案註明提醒。 五、問題：100 年 3 月能源教育教案決賽時，與會評審教授建議：「教案 規劃時間宜充裕，因為並不是每位教學者都像你一樣熟悉步 驟。」 解決策略：研究者針對此建議，另規劃設計簡易版教案，將操作步驟 與原理講解刪減一部分，教學時間會比較充裕。 六、問題：原本教案之教學目標僅為 1.能說明臺灣地區各種發電廠的發電 原理。2.能自行製作簡易的發電機。但 99 年 4 月初形成此教案 時，與輔導團夥伴討論優缺點，討論出應多教些磁生電的相關 知識。 解決策略：研究者將教學時間與教學策略調整修改，亦在多場試教過 程中，修正新的教學目標如下：1. 能說明臺灣地區各種發電 廠的發電原理。2. 能自行製作簡易的發電機。3.能舉出臺灣主 要發電廠的發電方式有火力、水力、核能等。4.能比較各種發 電方式的優缺點。5.能運用創意設計一種發電的方法。6.能培 養節能減碳愛地球的觀念。
貳、關於科學玩具製作方法的修改
一、問題：做第一代「轉轉生電」分享時，有學員沒有將膠帶貼密，結果 磁鐵高速運轉下磁鐵飛出，「匡」的一聲打到桌子，將夥伴嚇 壞了。 解決策略：研究者針對此裝況，往後分享時，一定再三交代，膠帶要 貼密要貼牢。但為求萬無一失，後期便將光碟版「轉轉生電」， 改為泡棉版，磁鐵嵌在泡棉中，離心力要使磁鐵往外飛，但是 外緣被泡棉擋住，不易飛出。 二、問題：「轉轉生電」改為泡棉版，仍有少數個案讓磁鐵飛出去，應該 是轉動時由側面翻飛出去。 解決策略：在泡棉上加貼一片光碟，如此磁鐵便完全被包裹在光碟與 泡棉之中，磁鐵再也不會飛出去了。 三、問題：第一版「刷刷生電」原本是將磁鐵與線圈二者皆豎在桌面，磁 鐵在線圈旁靠近並刷動，就能將燈亮起來。在彰化輔導團初次 與夥伴分享時，夥伴建議可用墊板隔開磁鐵與線圈，平放在桌 面刷動磁鐵，比較能掌控兩者間的距離，也容易成功。 解決策略：採用建議，後續並發展使用透明免洗杯版本，與透明光碟 片版本。 四、問題：篤行國小分享場次，時間不夠很大原因在於「吹吹生電」製作 困難，尤其是乒乓球風扇，容易黏不牢而脫落。 解決策略：研究者在製作風扇方法加入「爪勾」設計，即在接著點兩 側戳洞灌熱熔膠，使得接著點面積變大，更不易脫落。
叁、關於材料上的修改
一、問題：初期一組發電系列需用到三顆小磁鐵、四顆大磁鐵加上「吹吹 生電」的兩顆銣磁鐵，使用磁鐵材所需成本頗高，許多學校活 動經費不足，無法支應。 解決策略：研究者為了讓磁鐵能達到最高效益，先將「刷刷生電」磁 鐵用量減半，雖然 LED 燈亮度較小，仍可觀察。其後又增加「敲 敲生電」、「晃晃生電」兩科學玩具玩法，讓同樣數量的耗材， 能進行更多的教學活動。 二、問題：初期進行教案分享時，因為線圈接 LED 必須將接觸點的漆包線 以砂紙刮漆處理，小學生常因不熟悉而延宕多時刮不乾淨，非 常延誤教學時間。後來研究者將此步驟改為用蠟燭燒去漆包線 上的漆，又常出現學員將漆包線停留火上太久而燒斷。解決策略：研究者最後要求工廠將漆包線線頭浸錫處理，一來線徑變 粗，不容易斷了，二來不需刮漆了，解決了此問題。 三、問題：初期分享「轉轉生電」時，必須將帶有磁鐵的光碟風火輪轉起 來，玩法同於台灣古早童玩：「酒瓶蓋風火輪」，但有學員小 時候沒玩過，轉不起來，怎麼學都學不會。 解決策略：研究者將「轉轉生電」的棉線改為布繩，線較粗且彈性增 加，學習成功率大增。 本教案於 2011 年三月，獲頒全國中小學能源科技教育推動中心種子 教師教案設計作品第一名，獎狀副本列印於附錄五。又於同月，將本教案 修改成二小時，作為全國國民小學能源教育創意教案競賽範例，顯示本教 案的教學內容受到外界的肯定。建議作為國小能源教育之補充教材，適合 使用單元舉例如下表： 表 4-2-1：國小適用本研究教案之版本與單元 三年級 康軒 翰林 南一 自 然 與 生 活 科 技 上： 2-2 磁力的應用 3-3 空氣和風的應用 上： 2-2 磁鐵的應用 3-3 空氣的遊戲 下： 2-3 水的應用 上： 2-3 磁力的探討 3-3 空氣的壓縮和流 動 4-2 讓玩具車動起來 下： 3-4 風向和風力 健 康 與 體育 上： 4-1 動手做環保 四年級 康軒 翰林 南一 自 然 與 生 活 科 技 上： 4-2 認識運輸工具 4-3 認識能源 下： 4-1 燈泡亮了 4-2 電與生活 上： 3-1 認識能源(能源 來源) 3-2 運輸工具 3-3 珍惜能源 4-1 讓燈泡亮起來 4-2 會動的玩具 下： 1-1 力的作用 上： 4-1 電路的連接 社會 下： 上： 下：
5-2 近代的運輸發展 6-2 交通與距離 2-2 氣候與生活 2-3 水資源與生活 6-1 家鄉的交通 下： 6-2 家鄉的永續發展 4-2 珍惜家鄉資源 五年級 康軒 翰林 南一 自 然 與 生 活 科 技 上： 4-1 力的作用 3-3 好玩的水 六年級 康軒 翰林 南一 自 然 與 生 活 科 技 上： 4 電磁作用 下： 3-2 人類活動對環 境的影響 上： 3-2 電磁鐵 3-3 電磁鐵的應用 下： 3-3 自然與生活科技 資源 上： 4-2 電磁鐵的製作 下： 3-1 自然資源的開發 與利用 社會 下： 1-3 現代科技 3-3 環 境課題 下： 3-2 永續節能綠建築 4-2 全球問題大進擊 下： 3-1 全球性的環境問 題 3-2 永續發展的地球 村
