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COVER STORY
風力發電科學營 p.2
專案特搜 1
第 期 25 25
專案特搜 2
前言
在本學期開始實施108 課綱，各校開設的校 本課程、探究與實作與選修課程就要上路。其中 課程開設前，老師投入相當長的準備階段來開發 課程、教案、試教與召開大量會議。但是對於我 個人而言，遠不如直接舉辦短期營隊（註1）來 的更有成效。營隊可以立即修正課程執行的缺 失，不用等到整學期結束，而且營隊的內容與時 間更具彈性，更何況學生（學員）不限於本校的 學生或老師，可以拓展講師以及學生（學員）的 視野。
我擔任過許多科學營隊與研習講師。例如：
航空科學、科學專題製作、帆船機器人、物理量 測實驗、科學影片甚至科普閱讀等。在這些營 隊與研習之中，風力發電是與學校科學課程聯 繫程度最好的，也是極佳的跨學科主題統整議 題。以美國國內最大的STEM 比賽，也就是科 學奧林匹克競賽Science Olympiad，就有包含風 力發電項目（註2）。此外臺灣高中物理課程，
在電磁學方面可能要到高三才能深入，而且多偏 向理論計算。反觀中國大陸，電磁學不但列入高 二課程，內容還具備臺灣沒教授的電子與傳感器 等內容（註3）。這現狀令人十分憂心，當學生 不了解物理學理的應用面，要如何選填工程相關 科系？更何況學測對高三生學習物理有相當大負 面影響（註4），所以更有必要透過營隊，以及 108 課綱深具彈性的選修課程等予以補強。
未來學生在臺灣的工程相關需求分析，電機 相關科系仍然搶手，但是重點已略有改變。半導 體等微電子依然維持熱門，但電力傳輸與轉換、
馬達發電機控制與感測器等領域，隨著風力發電 再生能源、電動車、機器人產業發展有了新增的 需求。而太陽能與風力等再生能源靠天吃飯極不 穩定，需要大規模儲能設備，目前除了昂貴的鋰 電池儲能外，傳統的水力抽蓄以及創新的壓縮空 氣等機械儲能也需要機械、土木人才的投入。而 離岸風電需要特殊船舶才能施工，這方面屬於造
風力發電科學營
船的領域。水下基樁的探勘與風場測量，地質與 大氣等專業也不可忽視。所以經由風力發電科學 營隊，透過主題營隊讓同學明瞭未來的職場需求 動向。才能規劃自己的人生方向。
葉片設計與製作
對於一般物理老師而言，風力發電的渦輪葉 片(turbine vane) 要如何設計？用什麼材料製作？
會是個大問題。本來以為我自己擁有將近四十年 的模型飛機製作經驗，不知道削過多少支螺旋槳 的老航模玩家（註5），應該沒有什麼問題才對！
後來事實證明自己會製作與指導同學及老師能夠 製作完全是兩回事。
1. 民生國中風力發電營
在民生國中的風力發電營（註6），考慮到 國中生不會使用美工刀削巴沙木(balsa wood) 葉 片(blade)。所以我採取先將巴沙木葉片浸水，
如圖1 所示，再綁在模具上固定出葉片各段的螺 距角(pitch angle)，接著再用烤箱烘烤定型，最 後以砂紙簡單磨出流線型翼剖面(airfoil)。這個 葉片製作方式最大的關鍵是決定於烤箱的數量，
每位同學要製作3 枚葉片，每個烤箱最多可同時 放置5 個葉片模具，烤一次需要 5 ∼ 10 分鐘，
所以30 位同學算下來，即使有 3 個烤箱同時烤 至少也要花費一個小時以上。
麗山高中/ 教師 吳明德 圖 1(a) 旋翼模具與三枚葉片。
圖 1(b) 以繃帶固定浸溼葉片於模具。
圖 1(c) 葉片烤乾定型與槳轂。
圖 1(d) 葉片固定在槳轂上。
1
對於風能或物理教學而言，功率是極為重要 的物理量。如果假設重物是等速被拉升，平均功 率等於單位時間的重力位能變化。若是重物為加 速拉起，瞬時功率是拉力乘上瞬時速度，考慮到 加速度後，拉力就會大於重物的重量。實驗時為 了量測加速度，還必須使用錄影分析。大力士風 車在機構來看可以教授簡單機械，渦輪屬於螺旋 一種，還有拉起重物的輪軸，還有採用滾珠與自 潤軸承減少轉軸的摩擦，風車的這些零件都能讓 中小學生感受到科技與科學結合的實例。
發電機教學
在自製發電機方面，我也嘗試好幾種不同形 式。最早是用線圈纏繞在瓦楞紙管上，管內還裝 有強力磁鐵旋轉發電，雖然利用示波器可以觀測 到所產生的交流電訊號，但是僅僅一、兩百匝線 圈數目，還是很難超過足以點亮LED 燈所需的 0.7 伏特電壓。接著，在地遊學趣的風力發電營，
我改採盤式發電機(disc generator)，在壓克力板 上鎖上交替N、S 極排列的四顆圓形磁鐵作為轉 子(rotor)，如圖 7(a) 所示，而四組線圈串聯作為 靜子(stator) 原本以為可以藉由多顆磁鐵與多極 線圈，如圖7(b) 所示，可以倍增應電動勢，結 果事與願違。
2. 在地遊學趣與新生營
在臺大與麗山舉辦的在地遊學趣與新生營 中，如圖2 所示，我改採用硬殼構造葉片，藉 由中緣串聯葉根與葉尖的肋片，再用西卡紙作 為葉片蒙皮，使用這個的好處是容易調整風機 葉片外形和葉尖與葉根螺距角，但缺點是葉片 高速旋轉不夠堅固，而且葉片的尺寸必須製作 較大一些才能容納肋片、中緣等構造。也就是 說渦輪葉片的轉速會因此而降低，除非發電機 還要加上齒輪組增速，依據法拉第電磁感應定 律，發電機產生的應電動勢會因轉速降低而變 小。
3. 仁愛國中與和平國中自然科教師研習 在仁愛國中與和平高中自然科教師研習，如 圖3 所示，我又改回以巴沙木製作渦輪葉片，方 法改為以多層木片重疊，並展開成扇形後黏著，
再將葉片簡單削磨成翼剖面。這方法製作出的渦 輪葉片外觀是兩枚葉片，十分適合製作小直徑渦 輪，也很適合作為解說螺旋與螺距等原理教具，
缺點則為製作耗時外還會產生大量木屑與粉塵等 問題。
4. 孫運璿基金會
由孫運璿基金會與台電公司舉辦的營隊中，
如圖4 所示，對象是高達 60 位的小學生，為了 方便製作渦輪，事先用寶特瓶身裁出葉片。葉片 並非沿瓶身軸線裁剪，而是夾15 ∼ 25 度，葉尖 與葉根片才能產生扭轉角度。但是寶特瓶葉片採 用熱融膠黏著導致災難發生，不但有小朋友被熱 融膠槍燙到，還發生因熱融膠溫度過高導致寶特 瓶葉片扭曲變形。接著在泰國小學教師到麗山 的STEM 參訪研習中，我修正寶特瓶材質的缺 點，改採用紙杯製作葉片如圖5 所示，。紙杯具 有便宜而且容易剪裁與易於黏著特性，將紙杯葉 片黏上竹籤，插入以多層塑膠瓦楞板作成的槳轂 (bub)，就可以調整葉片的螺距角。此外為了容 易推廣與教學，渦輪葉片不帶動發電機，反而是 以輪軸拉起重物，可以限定時間內（例如一分鐘 內），風車所能舉起的重量總共有多少？（註7）
這作為競賽活動還可以增加營隊活動的樂趣。我 還特別取名為大力士風車(powerful windmill) 如 圖6 所示。
圖 2 在地遊學趣測試桁架葉片風力發電機 （右側為徐志成老師）。
圖 3 在仁愛國中教授以多層飛機木扇形葉片風力 發電機。
圖 4 在孫運璿基金會教授小學生以寶特瓶葉片風 力發電機。
圖 5 剪裁紙杯製作風車葉片。
圖 7(a) 上圖為轉子含 4 顆磁鐵；(b) 圖為靜子線圈串聯。
後來追根究底才覺得自己十分可笑，如果磁 鐵的N 極相鄰另一顆磁鐵的 S 磁極，磁力線就 不會通過線圈，而是朝向鄰近磁鐵，旋轉此種設 計不良的盤式發電機，可想而知僅能產生微小電 壓。上述盤式發電機的問題，解決之道就是將轉 子磁鐵的相同磁極皆朝向相同軸向，而且磁鐵不 能緊密排列，需留有相當大的空隙。當轉子旋轉 時，靜子上的線圈，才會有時通過磁力線，有時 未通過磁力線，磁通量的快速變化才能產生出應 電動勢如圖8 所示，。
雖然當時盤式發電機發生一些問題，但是在 地遊學趣風力發電機營，發展出目前持續使用測 試發電機的方法，就是發電機尚未安裝渦輪葉片 前，可以使用電鑽直接驅動，觀察線圈是否能產 生交流電訊號。在後來拍攝臺北酷課雲的高中物 理發電機影片時，我就以自耦變壓器或調光器控 制驅動磁鐵的電鑽轉速（註8），測量旁邊線圈 產生的電，之後的 2016 年第五屆數位化科學實 驗研討會在東吳大學舉辦發表，以及在東海大學 舉辦的2017 年物理教學與示範研討會，我展示
電鑽發電機作為電磁感應教具，其中觀測交流電 壓訊號的儀器由原本的示波器，改為經3.5mm 音源接頭傳入平板內，並以示波器或頻譜等App 分析，可以讓學生了解當發電機的轉速愈高或線 圈匝數愈多、以及線圈面積愈大時，所產生的交 流應電動勢振幅愈大。
結語
對於風力發電科學營這類沒有教科書，需要 自編教材、教具與設計實驗的主題統整短期營 隊，不像整學期的課程發生狀況可以下星期修 正，老師必須當場即時處理，否則只好結束後待 下次的營隊活動再改進。但是也因為是自己規劃 與設計的內容，會思慮教學活動的內容細節，如 果能持之以恆不斷教授，就會成為老師自身的專 長與特色。
我以為身為「教員」才需要擔心教的好不 好，成為「老師」則是制式的課程以外，要問自 己對學問的態度以及具有價值的資歷是什麼？再 過幾年後將要退休的我，不再關心學生能考上哪 一間學校。反而在乎在中學時期，學生能否尋找 到什麼才是足以燃燒生命，全心投入心力的那門 學問。自己十分憂心近期的素養導向的命題趨 勢，僅僅能訓練同學的閱讀與邏輯推理粗淺的一 般能力，對於現今學生最欠缺的從學理規劃、執 行實作與執著態度卻幫助不大。所以想藉由本文 分享自己在風力發電營隊教學上失敗或成功的經 驗，與諸位物理教育先進分享。
備註
註1：吳明德，假日營隊課程納入學分對高中科 學與實作課程的重要性，科技報導，2017 年1 月。
註2：吳明德，美國 Science Olympiad 的競賽項 目風力發電機與橡皮筋動力直升機動手實 作，物理學科中心2017 動手做物理教學 研討會。
註3：吳明德，深圳科學高中參訪與兩岸高中物 理之比較，物理教育學刊，2014 年 1 期。
註4：吳明德，申請推甄制度對高中生學習物理 的影響，物理雙月刊，2009 年 8 月。
註5：吳明德，橡筋動力機 Little Baby 的製作與 飛行（上）（下），遙控世界，1988 年 3、
4 月。
註6：吳明德，風力渦輪機葉片原理與實作，物 理教育學刊，2012 年 1 期。
註7：吳明德，紙杯風車舉重物，搞飛機學物理 頻道，YouTube 影片。
註8：吳明德，發電機，搞飛機學物理頻道，
YouTube 影片。
圖 8 轉子磁鐵與靜子線圈相對運動產生交流應電 動勢。
就真的有賴一群夥伴的集思廣益，才能共同撐起 的教學模式。
隨著社會的快速變遷，教學現場的許多概念 也推陳出新：「帶得走的能力」、「翻轉教育」、
「MOOCs」、「學習共同體」、「學思達」、「重 理解的課程設計」、「遊戲化」、「素養」等。
曾經，我也追著各式各樣的教育先鋒，期許自己 在創新教育的浪潮上不落人後。但我漸漸發現，
在突破框架之前我們應該要知道框架在哪裡，在 創新發展之餘我們更必須知道其效果與限制，知 其然要更知其所以然，才能有機會在快速變動的 浪潮中站穩腳步繼續前行。擁有更深厚的學理基 礎應該是自我成長的必經之路吧。
加入團隊
在加入臺科大MEG 團隊（註 1）後，如 1 圖所示，開始培養自己在教育現場「研究」的能 力。就如同這次發展高一基礎物理的素養活動－
「科學名偵探」，如2 圖所示，除了自己建構活 動、與教師夥伴共備調整，更加入了「實徵研究」
前言
現今年是我踏入學校職場屆滿的第5 年，若 將過去在大學擔任家教班老師、研究所擔任課程 助教、國、高中兼課、教育實習、海外教育替代 役等的時間算進去，進入教學現場也將近10 年 之久。這個數字對於許多教育先進來說只是剛起 步，但對我來說這些日子在教學領域中的探索、
嘗試與衝撞，讓我有機會回頭看見自己走過的痕 跡及調整的步伐。
回溯大學、研究所時期，無論是擔任家教班 老師、課程助教、或是在國、高中兼課，基本上 都是處在「獨立作業」的環境中，從備課、授課、
到回饋都是由自己所主控，想當然「工作速率」
自然就比較高，且教學的方法也能在幾次實戰後
的課程設計下，流暢的演繹課程至少能給自己及 臺下的學生一點交代。
教學的起點
自從教育實習後，開始有機會以教學者的身 分觀摩其他老師授課，也開始有實習夥伴能互相 討論與共學，甚至是成為正式教師後仍有一群同 科的夥伴能持續共同備課，在課程設計以「引導 建構」為主流的時代中，提供了一股強大支持的 力量。畢竟，引導的首要就是必須知道學習者的 起點在哪裡？再者就是自己必須具備多種思考路 徑的能力，以因應不同學習者的特性；最後，則 是要掌握各種思考路徑上的盲點與其解決之道，
中大壢中/ 教師 林欣達
從埋頭苦幹到共備 成長再邁向實徵研 究的教學之路
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圖 1 MEG 團隊研討。
圖 2 素養活動手冊、科學名偵探教具。
來確認教學活動的價值與意義。在研究中必須嚴 謹的規劃要量測的學習效果，同時也必須回顧過 往的教育研究做為往後發展的基礎，甚至在研究 結果出爐後能夠找到持續改進與發展的方向。透 過這次實徵研究回顧文獻的過程中，我才發現：
「原來這種教學法已經有人研究過了…，原來效 果是如此如此這般這般…，原來應該要注意這些 這些…」如果我以前有先讀過這些研究論文，是 不是在設計課程時能避免一些可能已知的錯誤？
是不是能夠建構在他人的研究之上再繼續向前發 展？是不是能更有所本、更能建立有所
根據的、更適合師生教與學的教學方法 (Evidence-based education) ？
研究成果
今 年 的 上 半 年 我 嘗 試 撰 寫 了 兩 篇 國際研討會論文，其中一篇就是針對
「科學名偵探」的實徵研究，發表在 第十屆全球華人探究學習創新應用大 會(2019GCCIL)，如 3 圖所示，最終很 榮幸的獲得本次大會論文發表的「一等 獎」（註2），如 4 圖所示。回顧這兩 次的經驗，撰寫論文相對於日常的教 學工作是一件孤獨且戰線甚長的工作，
每每必須在夜深人靜且極度專注的環境 下，從一系列量化的數據中整理出有意 義的結果，搭配過往研究的文獻資料作 為背景支撐，最終將這些研究成果訴諸 於 文 字， 有 系 統 化、 有 脈 絡 的 表 達 出 來。相較於以往教師的工作性質，這真 的需要一段時間適應。臺灣知名編劇暨 導演徐譽庭曾在《誰先愛上他的》電影 訪談（註3）中提到：「編劇就是一個 人跟一個人的戰爭，導演就是領軍帶隊 打仗。編劇最寂寞的部分，就是你只能
伏案，自己跟自己對話寫劇本。」「怎麼成為一 個好編劇？就是拿起筆跟紙，現在開始寫下第一 個字，我們必須在錯誤當中不斷的學習。」這段 訪談完全打中我心，我們常常扮演導演，站在前 線帶領學生在知識的領域翻山越嶺克服困難；但 鮮少扮演編劇，將教學現場的所見、所聞、所思 記載下來。這次發表論文除了感受到學術上被肯 定的喜悅，另一方面更開心能與大家分享教學現 場實務的研究成果，也體會扮演編劇的甘甜喜悅
──來的慢，但馥郁持久。
備註
註1：臺科大 MEG 團隊為國立臺灣科技大學應 用科技研究所/ 迷你教育遊戲研究團隊。
註2：論文連結 QR Code
註3：徐譽庭訪談連結：https://www.youtube.
com/watch?v=-zAGGdnC5UU
圖 3 第十屆全球華人探究學習創新應用大會發表。
圖 4 2019 GCCIL 論文發表「一等獎」。
(a)
(b)
