科學、環保與創意教學之結合與實施
—超動桿風車
孫國勛
開南大學 空運管理學系暨研究所壹、前言
由 於 地 球 自 轉 及 熱 輻 射 不 均 ， 將 引 起 空 氣 之 循 環 流 動 ， 風 就 是 空 氣 流 動 的 現 象 ， 一 直 是 我 們 身 邊 最 常 見 的 自 然 現 象 之 ㄧ 。 自 古 以 來 ， 人 類 很 早 就 積 極 的 發 展 有 關 風 力 能 源 的 利 用 形 式 ， 中 國 於 三 千 多 年 前 的 夏 禹 時 代 即 有 使 用 風 帆 進 行 航 運 之 紀 錄 ， 西 元 前200 年 波斯 人 也有 設 計 磨 碎穀 物 的 風 車 ， 中 國 明 朝 的 天 工 開 物 一 書 對 於 風 車 的 利 用 已 有 詳 細 的 圖 解 ， 丹 麥 人 保 羅 拉 庫 爾(Paul La Cour)則 於 十 九 世 紀 末 設 計 並 製 造 出 世 界 上 第 一 台 風 力 發 電 機 ， 被 稱 為 風 力 發 電 機 之 父 。 風 車 亦 可 來 執 行 取 水 、 灌 溉 、 木 材 加 工 、 推 動 滑 翔 機 等 各 種 費 力 的 工 作 。 近 年 來 由 於 全 球 性 能 源 短 缺 之 危 機 及 環 保 意 識 之 興 起 ， 在 減 低 污 染 的 效 益 上 ， 風 力 發 電 不 會 製 造 SOX 與 NOX 及 懸 浮 微 粒 等 污 染 ， 能 保 護 地 區 性 空 氣 、 水 及 土 壤 的 品 質 。 風 能 也 不 會 產 生 引 起 溫 室 效 應 的 CO2，CH4，CO 與 N2O 等 氣 體 ， 可 幫 助 減 緩 全 球 性 的 氣 候 暖 化 。 因 此 風 力 被 認 為 是 目 前 最 乾 淨 、 並 且 能 夠 源 源 不 絕 的 持 續 提 供 之 綠 色 能 源 形 式 之 ㄧ。1941 年 美 國 的 Vermont 電力 公 司 建立 第 一 個 大型 風 力 發 電 機 （1.25MW），丹 麥 已 擁 有 風力 機 三 千 餘 座 ， 年 發 電 量 一 百 億 度 。 因 此 在 教 學 課 程 中 如 何 有 趣 而 有 效 的 引 起 學 生 對 於 風 力 使 用 及 相 關 科 學 原 理 的 認 識 ， 成 為 本 文 之 研 究 緣 起 。貳、目的
本 文 以 風 車 造 型 為 基 本 架 構 ， 配 合 簡 單 之 連 桿 機 構 ， 介 紹 運 動 型 式 轉 換 之 原 理 ， 並 使 用 隨 手 可 得 之 環 保 回 收 材 質 ， 由 學 生 親 手 製 作(DIY，Do It Yourself)，藉 以 啟 發 學 生 體 會 身 邊 事 物 與 科 學 應 用 之 聯 繫 。 本 活 動 讓 學 生 經 由 親 自 動 手 製 作 與 觀 察 之 過 程 ， 了 解 風 車 之 運 動 及 運 動 型 式 轉 換 的 方 法 ， 引 發 學 生 對 於 科 學 之 興 趣 及 創 意 思 考 。參、製作過程
一、使用工具及材料
z 免 洗 筷 6 支 z 細 鐵 絲 12 公 分 z 橡 皮筋 z 吸 管 1 支(3 公 分 2 段、 0.5 公 分 1 段) z 回 收厚 廣 告 紙 或海 報 紙(A4 尺 寸) z 尖 嘴鉗 z 剪 刀A、 圓 形 葉片 B、 心 形 葉 片
C、 橢 圓 形 葉 片 D、 菱 形 葉片
A. 設 計 葉 片模 形 B. 在 回 收 紙 上 畫 模 形 線
C.模 形 線 繪 製 完 成 D. 用 剪 刀 延 線 剪 下
E. 將 葉 片 下 緣 在 中 心 剪開 F.延線將內圓剪下，內圓須留兩個作為檔片
G. 用 小 鑽 子在 葉 片 下 緣兩 側 鑽 洞 H. 葉 片 下 緣 兩 側 鑽 洞 完 成 圖 二 、 風 車 葉 片 製 作 步 驟
3、 連 結 風 車 與 支 架 之 曲 軸 ： 將 鐵 絲 折 彎 變 成 曲 軸，套 入 支 架 之 吸 管 內 ， 如 圖 四 。 4、 連 結 風 車 與 支 架 ： 分 別 依 序 將 第 一 片 檔 片 中 心 孔、風 車 葉 片 鑽 孔 之 同 ㄧ 側、第 二 片 檔 片 中 心 孔 、 一 小 截 吸 管、第 三 片 檔 片 中 心 孔、風 車 葉 片 鑽 孔 之 另 ㄧ 側、第 四 片 檔 片 中 心 孔 將 一 小 段 吸 管 用 透 明 膠 帶 使 之 與 竹 籤 之 ㄧ 端 成 垂 直 之 連 結，再 將 該 一 小 段 吸 管 套 入 鐵 絲 曲 軸 內。再 將 另 一 小 段 吸 管 用 透 明 膠 帶 使 之 與 竹 籤 平 行 連 結，再 平 行 連 接 一 段 較 粗 之 吸 管，並 將 該 段 粗 吸 管 套 入 竹 筷 支 架 突 出 之 部 分，此 時 可 將 創 意 玩 偶 黏 貼 於 粗 吸 管 上。製 作 過 程 如 圖 六 所 示 。 圖 三 、 風 車 支 架 圖 示 將 折 好 之 鐵 絲 套 入 吸 管 內 圖 四 、 連 結 風 車 與 支 架 之 曲 軸
A、 將 第 一 片 檔 片 套 入 B、 套 入 風 車 葉 片 鑽 孔之 同 ㄧ 側
C、 將 第 二 片 檔 片 套 入 D、 套 入 一小 截 吸 管
E、 套 入 第三 片 檔 片 F、 套 入 葉片 的 另 一 端
I、 將 葉 片 平均 攤 開 J、 將 葉 片 用膠 帶 固 定 於第 一 及 第 四個 檔 片 上 圖 五 、 連 結 風 車 與 支 架 之 曲 軸 A、 將 一 小 段 吸 管 用 透 明 膠 帶 使 之 與 竹 籤 之 ㄧ 端 成 垂 直 之 連 結 B、 將 該 一 小 段 吸 管 套入 鐵 絲 曲 軸內 C、 一 小 段 吸 管 及 一 段 較 粗 之 吸 管 與 竹 籤 平 行 連 接 ， 並 將 該 段 粗 吸 管 套 入 竹 筷 支 架 突 出 部 分 D、 將 創 意玩 偶 黏 貼 於吸 管 圖 六 、 製 作 連 桿
此 時 超 動 感 風 車 即 已 完 成，如 圖 七(A) 所 示 。 將 此 風 車 至 於 電 風 扇 前 ， 風 車 旋 轉 時 將 帶 動 曲 軸 上 之 竹 籤 ， 使 得 創 意 玩 偶 呈 上 下 之 往 復 直 線 運 動 ， 讓 親 手 製 作 者 為 之 驚 艷。經 由 相 同 之 原 理，亦 可 再 創 新 製 作， 做 出 成 對 式 超 動 感 風 車 ， 風 車 旋 轉 時 將 帶 動 曲 軸 上 之 竹 籤 ， 使 得 兩 個 創 意 玩 偶 分 別 呈 現 反 向 之 上 下 往 復 直 線 運 動，如 圖 七(B) 所 示 。
肆、結論與建議
本 文 提 出 之 超 動 感 風 車 製 作 過 程 並 不 複 雜 ， 並 可 使 用 簡 單 工 具 及 環 保 材 料 經 由 學 員 自 行DIY 完 成，其 中引 進 了 風 車及 連 桿 之 相 關 運 動 原 理 ， 並 提 供 學 員 自 主 創 作 之 空 間 。 製 作 完 成 之 成 品 具 有 安 全 性 及 趣 味 性 ， 可 以 刺 激 學 生 之 創 意 思 考 及 學 習 興 趣 ， 進 而 有 效 提 升 相 關 內 容 之 教 學 品 質 與 成 效 。伍、致謝
本 研 究 之 部 分 成 果 承 蒙 行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 研 究 計 畫 ( 編 號 ： NSC 94-2515-S-424-001、名 稱：科 普 活 動-航空 科 學 科 普 教 育(ABC))給 予 經費 贊 助，並 由 桃 園 縣 北 勢 國 民 小 學 陳 仙 姿 教 師 、 桃 園 縣 教 育 志 工 協 會 理 事 長 官 賢 相 先 生 、 桃 園 縣 推 廣 教 育 協 會 理 事 長 羅 壽 全 先 生 、 陳 武 忠 先 生 及 賴 素 瑛 女 士 協 助 進 行 實 作 ， 特 此 致 謝 ！ A. 完 成 之 超動 感 風 車 B. 成 對 式 超 動 感 風 車 圖 七 、 製 作 完 成 之 超 動 感 風 車通 識 教 育 研 討 會 論 文 集 ( 自 然 科 學 組 )， 第 15-31 頁 ， 台 灣 ， 桃 園 。 經 濟 部 能 源 委 員 會 (2004)， 風 力 示 範 推 廣 計 劃 網 站 ， http://wind.erl.itri.org.tw /wind.html。 李 金 連 (2005)，「 科 學 與 人 生 」通 識 課 程 規 劃 與 教 材 發 展 之 研 究 ， 科 學 教 育 月 刊 ， 第 280 期 ， 第 2-11 頁 。 張 憲 屏 (1999)， 做 風 車 ， 資 訊 教 育 軟 體 與 教 材 資 源 中 心 網 站 ， http://content. edu.tw/primary/nature/ks_ck/tag.6.8.5 .html 及 http://content.edu.tw/primary /nature/ks_ck/tag.6.13.1.html。 (2000)， 風 車 風 向 儀 製 作 程 序 圖 解 ， 孩 子 王 的 保 特 瓶 世 界 網 站 ， http://www.sonking.com.tw/page19.ht m。 陳 文 樹 (2003) ， 風 力 發 電 的 應 用 與 發 展 ， 瓦 斯 季 刊 ， 第 64 期 ， 第 57-63 頁 ， http://www.rocga.org.tw/gas/2003-07/ 6 瓦 斯 季 刊 -科 技 新 知 -風 力 發 電 的 應 用 與 發 展 .pdf。 呂 威 賢 (2004) ，風 的 故 事 ─ 從 風 車 到 風 力 機 ， 科 學 簡 訊 ， 第 383 期 ， 第 6-13 頁 ， http://www.nsc.gov.tw/_newfiles /popular_science.asp?add_year=2004 &popsc_aid=121。 (2006) ， 風 力 作 為 替 代 能 源 的 前 景，大 紀 元 時 報 - 台 灣 版 - 電 子 報 ， http://www.epochtw.com/6/4/3/24942. htm。 葉 琮 裕 ， 來 自 風 車 之 國 的 環 保 經 驗 ， http://www.epa.gov.tw/b/b_print.asp? Ct_Code=06X0001509X0001512。
