編者的話

主編　　　：蘇詠梅、梁致輝

編輯委員會：彭翠虹、蕭杜峯、梁見德、黎永隆、殷慧兒、翁慧愔 資料整理　：殷慧兒、翁慧愔、黃碧瑩

主辦機構　：香港教育大學可持續發展教育中心、香港教育大學科學與環境學系、

　　　　　　教育局、香港科學館、香港教育城、香港數理教育學會、

　　　　　　香港行政長官卓越教學獎教師協會、中國教育科學研究院STEM教育研究中心

贊助　　　：千里眼始創人慈善基金

出版　　　：教育局課程發展處資優教育組 日期　　　：2019年10月

印刷　　　：政府物流服務署印

編者的話

「智」得其樂：在玩具中探究STEM 遊戲與探究的學習引導

科學探究與STEM教育的融合 當群育學生邂逅「科學推展」

玩具、科學、科技 我的科學探究失敗史

世界龍岡學校劉德容紀念小學 英華小學

保良局馮晴紀念小學

香海正覺蓮社佛教正覺蓮社學校 香港浸信會聯會小學

柴灣角天主教小學 港澳信義會明道小學

基督教宣道會徐澤林紀念小學 筲箕灣崇真學校

九龍婦女福利會李炳紀念學校 九龍城浸信會禧年（恩平）小學 元朗公立中學校友會英業小學 仁德天主教小學

仁德天主教小學 佛教陳榮根紀念學校

柏立基教育學院校友會李一諤紀念學校 荔枝角天主教小學

香港教育大學賽馬會小學 香港普通話研習社科技創意小學 宣道會葉紹蔭紀念小學

高主教書院小學部 粉嶺公立學校

順德聯誼總會李金小學 聖士提反女子中學附屬小學 聖公會主恩小學

聖伯多祿天主教小學 聖保羅男女中學附屬小學 聖保羅書院小學

劉煒堅博士 陳文豪博士

關偉強老師、曾曉暉老師 湯兆昇博士

麥嘉慧博士

2 4 7 9 11 13 18

20 24 32 37 42 49 59 67 74

80 84 88 91 96 99 107 114 116 119 124 127 133 136 139 144 148 154 158 第二十二屆「常識百搭」小學STEM探究籌委會

香港明愛教育委員會

香港教育大學科學與環境學系 香港扶幼會則仁中心學校（小學部）

香港中文大學 香港大學

目錄

評判大獎

傑出獎

豬豬

靈機一捉 Hyclawlic Blitz 陀螺方程式——轉中有電 魔幻迷宮大冒險

智在救廢——一馬當先 小小NBA

「智」得其樂之「123紅綠燈」

玩轉腦友記 啱bit智能琴

智能跳繩發電機 可食用的鬼口水 智能兒童單車

多功能氣墊球枱（氣墊球×乒乓球×釣魚）

神奇磁力機 非一般泡泡

「智得其樂」——智玩籃球機 LEGO愛回家

遙控清潔車

飲水鳥變奏曲——綠能幸福摩天輪 改造足球機，以磁力控制足球員 智醒憤怒鳥

粉公彈．跳．撞

「足智多謀」

探索雪條棒大爆炸的威力 腦「玩」童神奇畫板 玩具串串串

滾珠大激鬥

風「磁」電掣 Roll and Go

編者的話

俗語說，玩樂是孩子的天性！隨著科技進步 日新月異，STEM在日常生活各個範疇上的應 用 愈 趨 普 遍 。 而 在STEM教育的大趨勢下，

不難發展市面上的玩具亦紛紛加入了科學、

科技、工程及數學元素，以從小培養孩子的 STEM精神。玩樂除了為學生減輕學業上的壓 力，也能作為學習的配套，加深學生對課題 的理解及提升學習興趣。

為了讓學生在玩樂過程中發掘學習STEM的機會，

第二十二屆「常識百搭」小學STEM探究展覽的主 題為「『智』得其樂」，旨在通過玩具及遊樂，啟 發學生靈感，引導他們反思問題，發掘可行方案，

再進行縝密設計，如探究如何配合智慧工具去開發 全新的玩樂體驗；如何以STEM方法提高現有玩具的 性能，豐富玩家的體驗；或探究如何把玩具包含的 STEM元素應用於玩具以外的範疇。以玩樂心及好奇 心進行STEM探究，希望學生能將STEM知識融入於 玩具創造與改造中，寓學習於娛樂。

承蒙各界別的關注與支持，本屆「常識百搭」展覽 順利舉辦，並吸引了超過1,000名來自本地、中山、

廣州、深圳及澳門小學師生參與，展出了近200份 展品。展覽當日，中央圖書館熱鬧非常，學生們自 豪地向評審、其他隊伍以及公眾人士展示他們的探 究成果，熱烈地互相交流STEM知識與心路歷程。大 會亦邀請了不同界別的STEM專業人士及資深科學教

育工作者擔任評審，向隊伍提出建議以促進學生們的思 考與進步。舉辦「常識百搭」的其中一個重要目的，正 是提供一個平台讓來自各個界別的評審、參展師生及公 眾作STEM學術交流，因此籌委會特意於《小學STEM探 究「智」得其樂》一書中輯錄28份傑出的探究作品，

與大眾分享學生們的探究歷程和成果。

最後，「常識百搭」展覽得以順利舉行離不開各界人士 的鼎力支持與熱心參與，在此衷心感謝各主辦及贊助單 位、來自不同界別的評判、參展師生及熱心的家長。希 望來年繼續得到大家的支持，使更多學生得到學術交流 機會。

第二十二屆「常識百搭」小學STEM探究籌委會 二零一九年八月

「智」得其樂：在玩具中探究STEM

第二十二屆「常識百搭」小學STEM探究籌委會

引言

探究主題

是次常識百搭小學STEM探究，鼓勵同學們通過玩具及 遊樂，利用科學原理及STEM方法進行探究，嘗試找出 玩具背後的原理並加以解釋，針對主題提出新的玩樂構 思、玩具改造方案或建議如何將玩具的STEM原理應用 於日常生活上。在活動中同學們自主加入STEM元素，

為玩具「大改造」，甚至轉化為智能玩具。本文透過分 析在「常識百搭」小學STEM探究活動中獲得傑出獎的 書面報告，了解學生的STEM探究主題種類及創新元素。

隊伍的探究主題新奇及多元化，種類包括趣味運動、空間圖形、彈射裝置、變廢為寶、互動競 賽、物質探究、多元功能、玩樂配套及替代用電。學生除了動腦筋優化舊物外，亦發揮創意研發 新的玩樂元素。

趣味運動

最多隊伍專注於探索體育運動類的玩具，如學生在《小小NBA》

中以籃球為原型，將投籃運動融入創作過程，設計出有自動計分 功能的創新桌上投籃遊戲；而《改造足球機，以磁力控制足球 員》則利用磁石等物料減少摩擦力，使足球機在玩樂時更加流暢 便利，優化足球運動，增加玩家互動性和趣味性；在《「智」得 其樂之「123紅綠燈」》中，學生將科技融入傳統的「123紅綠 燈」遊戲，進而改進成一個更少限制、更公平、更有趣味和更多 元化的運動遊戲；而學生在《足智多謀》中，除了加入Micro:bit 於自製的足球機內，亦改良了足球機的玩法，用各項小陷阱及機 關增加入球難度。

空間圖形

有不少隊伍以空間圖形作為探究靈感，製作有關迷宮或過關任務 的玩樂工具，如《魔幻迷宮大冒險》，學生充分發揮空間想象 力，設計了立體變換的迷宮，使探險遊戲融合互動性和競爭性；

而在《玩具串串串》中，利用引力原理及電路空間，創造了結合 過電關及波子迷宮的可隨身攜帶玩具盒；學生希望透過《玩轉腦 友記——認知訓練玩具套的設計與探究》為老人設計認知訓練玩 具，設計了包含認知訓練元素的棋類遊戲以及兩個在挑戰任務中 使用的科技套件；學生在《腦「玩」童神奇畫板》中透過進行試 驗及測試設計出適合長者的玩具，設計了圖形畫板用作訓練長者

彈射裝置

彈射玩具是另一個有不少隊伍探究的主題，如《智醒 憤怒鳥》中，基於胡克定律，參考不同形式和材料的 投射裝置，研製出集趣味性與娛樂性於一身的憤怒鳥 彈射玩具；《風「磁」電掣Roll and Go！》利用了高斯 磁力炮和動量守恆定律，在玩樂中探索磁石數量與發 射速度的關係；學生在《探索雪條棒大爆炸的威力》

中採取不同結構和角度對雪糕棒進行拼接，去探索如 何讓雪糕棒彈起至最高；《粉公彈．跳．撞》則創作 了由磁力球作為彈珠，加入不同障礙物作為得分點，

再配合科技計分和計時的立體彈珠台。

變廢為寶

也有隊伍著重於利用回收物料製作玩樂工具，如《啱 bit智能琴》中琴鍵和琴身均使用環保紙皮製作，配合 銅片膠紙、Micro:bit及其他配件研製出環保智能琴；

《智在救廢——一馬當先》基於環保理念，將科技裝 置融入即將要丟棄的紙皮，再利用廢棄竹棍以入榫原 理加以固定，製造了煥然一新的智能木馬；而《「智 得其樂」——智玩籃球機》使用了雪條棒、紙、水樽 蓋、竹籤等環保物料，研製了彈力球及彈射台。

互動競賽

有些探究強調玩家互動性，別出心裁地加入競賽元 素，如《靈機一捉 Hyclawlic Blitz》製作了二人對玩 的「夾公仔」機，增加遊戲趣味性和可玩度，豐富玩 家體驗；學生在《滾珠大激鬥》中，利用機械組件來 控制閘門開關並控制其它變量，兩組玩家需要同時進 行公平比拼，增加遊戲刺激性。

物質探究

在 《 可 食 用 的 鬼 口 水 》 中 ， 分 別 把 木 薯 粉 、 蕃 薯 粉、糯米粉及鷹栗粉與水混合，應用發粉膨發原理 及微波膨發原理製作出安全又可食用的兒童玩具；

學生在《非一般泡泡》利用肥皂分子結構一端為親 水端，另一端為疏水端的原理，透過不同的測試，

找出清潔劑濃度的最佳比例和加入哪種添加劑，可 讓吹出來的泡泡變得更多和更持久。

多元功能

學 生 亦 有 在 玩 具 中 加 入 其 他 功 能 ， 使 之 更 具 多 元 性 和 用 途 。

《智能跳繩發電機》巧妙的設計了跳繩裝置，可供玩樂的同時 還具備發電功能；《陀螺方程式——轉中有電》也透過測試不同 磁石、銅線圈、拉動陀螺發射器的影響，進而改良成帶有發電 功能的玩具；《遙控清潔車》的概念建基於吸塵機與遙控車，

學生在mBot機械車加上一個自製的環保吸塵機，改裝成一個具 清潔功能的遙控吸塵車；而在《智能兒童單車》，基於對兒童 安全的考慮，學生在單車中加入了感應剎車系統以及具GPS功 能的求救程式，增強了單車的安全性；學生在《豬豬》亦改良 了玩具豬成為保安工具，善用玩具豬本身發出的叫聲，透過測 距器和編程控制玩具豬發出不同分具的聲音，作保安及警告用 途；《多功能氣墊球枱（氣墊球×乒乓球×釣魚）》則是一個結 集了氣墊球、乒乓球及釣魚遊戲於一身的「易拆式」玩具。

玩樂配套

亦有隊伍留意到玩樂後收拾的不便而探究了配套工具，從而增 加玩樂時間。例如《LEGO 愛回家》中，考慮到玩家的課餘時間 都要用於補習，興趣班和做功課，玩樂的時間較少，所以特地 製作了LEGO積木篩選器，利用色彩感應科技及馬達自動將不同 大小及顏色的LEGO積木分類，減省收拾積木的工作。

替代用電

玩具的原有用電模式也可被改良，有隊伍探究不同的科學原理 以取代用電，如《神奇磁力機》在扭蛋機的運作中加入磁鐵元 素 ， 以 磁 力 代 替 電 力 ， 配 合 滑 輪 把 扭 蛋 吸 起 ； 《 飲 水 鳥 變 奏 曲——綠能幸福摩天輪》結合了摩天輪及毛細管原理，製作了會 自動「吸水」以及「抬頭」的「飲水鳥」，成為一個不需要用 電，透過水循環而運行不息的摩天輪。

結論

以上分析學生在STEM探究時選取的玩樂主題及其加入的創新和優化元素。學生的探究主題多元新 奇，貼近生活，同時亦加入不同功能以致探究成果更富人文關懷，可見同學們在日常生活及學習 中都有認真觀察及分析。除了探究如何以STEM方法改造優化舊玩具，使舊物可再次充份發揮功 用，甚至加添新功能之外，隊伍亦有運用創新思維及靈感去設計新的玩樂工具。本年度「常識百 搭」以玩樂為題，鼓勵學生把STEM學習應用在遊戲當中，以好奇心及玩樂心進行探究。在未來活 動中，「常識百搭」會繼續引導學生應用STEM知識及技能於不同層面，培養學生對創科探究的興 趣與動力。

玩具中的STEM元素──遊戲與探究的學習引導

香港明愛教育委員會 劉煒堅博士

引言

學習是人對客觀世界建構知識的過程──玩具的重要性

經歷是學習的關鍵──從玩耍中發現並建構理論

我想從高琨教授（註一）的偉大發明「光纖」作為這講題的引子。光纖的發明起源於一個簡單 的「小玩意」的實驗觀察：在水柱裡照射一條光線時發現光線在水柱內被折射變得彎彎曲曲

（註二）。明白了這個光的折射現象後，會發現光線亦以此模式在玻璃棒中傳導。牙醫便是運用 這個原理使用彎曲的玻璃棒來把燈光導入病人的口腔內為牙齒的手術作照明。後期人們發現把玻 璃做出幼細的纖維絲的方法。高錕教授利用了這些方法和原理發明了現代的「光纖」。

今年「常識百搭」的主題是如何運用「玩具」去引導學生，使學生從玩具的遊玩及探究中學習 STEM的元素。是次講題的重點是如何有效引導小學生們利用「玩具／小玩意」進行探究學習，從 中培養小學生們的「心」：擁有一顆「玩心」以及建構他們「好奇心」，並在探究過程中得到

「開心」。我認為STEM元素包括有：1. 觀察與記錄(Observing & Recording)；2. 運算及推算(Calculating

& Extrapolating)；3. 實驗(Experimenting)；4. 推理(Inferring)及 5. 設計與解難(Designing and Problem Solving)。STEM元素中的科學探究學習，應有這三個重點(OIE)，包括：觀察(Observation)、推理 (Inference)及做實驗(Experiment)。我們如何在使用「玩具」，在探究的過程中提升學生觀察、推 理、以及做實驗的能力？

教師們要掌握適切的引導技巧（註三），好把探究學習變得容易，使學生在學習的過程中學得開 心，因而更易取得STEM元素的學習成果。

玩具有不同的功能，有些能培養孩子的生活動作技能、有些能增進孩子的思考及表達能力、有些 能提升孩子人際互動。總括來說，玩具在孩子成長過程中的重要性在於，第一：它是協助小朋友 進入現實生活世界的工具，例子有小時候的「煮飯仔」玩具；第二：能使小朋友掌握一些規則的 遵守，以及處理勝出或落敗的態度；第三：學會合作、處理人際關係。在分類上，玩具又可有分 為商業玩具及自製玩具兩種。在與學生進行用「玩具」作探究學習的時候，選用玩具要注意學生 所扮演的角色：他們是玩具的「操作者」抑或是玩具的「設計者」？教師需要思考，學生在使用

「玩具」作探究時所擔當的是那一個角色。因為不同的角色會對學生的學習效能會有不同影響。

也要思考玩耍的方式與理論建構的關係。

下面是一些例子，用來說明如何使用「玩具」作出上述STEM元素的學習。第一個例子是「肥皂泡 玩具」。教師可以與學生討論「肥皂泡玩具」的一些問題：「市面上有些玩具（手套），戴上了 之後接觸肥皂泡，泡泡並不會破掉，這是為什麼呢？」；「怎樣可以做出很大的肥皂泡，甚至比 一個人還大？」；「怎樣做出不易破的肥皂泡的皂液呢？」。這些問題的相關解答，都是可以做

為「遊戲式探究學習」的課堂題目。甚至可以提出「肥皂泡的表面為什麼是彩色的？」；「為什 麼肥皂泡聚集在一起時會形成六角形的形狀呢？」。

第二個例子是「紙蜻蜓」與「竹蜻蜓」玩具，也同樣可以引入作STEM元素的學習。學生們可以 對紙蜻蜓或竹蜻蜓作觀察及記錄，例如：「紙蜻蜓從三米高處放下，要多長時間才會著地？」；

「需要多次測量結果嗎？用什麼工具去測量時間？」；「紙蜻蜓的旋轉方向是順或逆時針？可以 改變旋轉方向嗎？如何改變」。解答這些問題的過程便是讓學生學習做實驗，再進一步可讓學生 進行推理。例如改變紙蜻蜓的翼的長度或寬度，推斷對飛行的持久力有何影響；再進行實驗作驗 證。

這些都是透過「玩具」，引導學生的做實驗能力、設計、思考及解難能力的提升的一些例子。

根據教育局制訂的「T標準＋」（註四），教師須成為「關愛學生的育才者」、「啟發學生的共建 者」以及「敬業樂群的典範」。

要使用有效的引導技巧去與學生進行「遊戲式的探究學習」，教師能成為「啟發學生的共建者」

至關重要。當然三者缺一不可，需有關愛學生的心以及身為教師的專業精神才能更好地履行引導 學生的責任。

希望教師都能透過「專業學習(Teacher Professional Learning TPL)」（註五），掌握如何設計教學 環境、運用時間、與同儕協作、選取探究活動的軟件及硬件，好能確保學生在探究活動中學習到 STEM的元素。重要的是，如何在教學設計中為學生提供開放式的體驗，並平衡使用「學生主導的 活動」與「教師指引的活動」；如何平衡學生作為「操作者」及「設計者」的角色。教師在教學 設計與教學的過程中，亦應是一位持續反思的實踐工作者，時刻探討改進及研發可行的教與學方 式及活動，為學生作有效的學習評估。

透過「常識百搭」活動及教師的STEM學習引導，我們希望日後香港會有更多的「高錕」。

註一：對於高錕教授的貢獻，科技大學前校長陳繁昌曾撰文盛讚：「他（高錕）那充滿想像力的頭腦不但作了如此大膽的設想，更提 　　　供了路線圖，描繪出明日世界的新貌。」。高教授有一個「未完的夢想」，就是讓網絡可普及到一個程度，未來的用戶都能夠 　　　免費上網。

註二：1841年，兩位科學家Daniel Colladon和Jacques Babinet演示了一個實驗，他們在裝滿水的木桶上鑽了個孔，然後用燈置於桶上把 　　　水照亮。他們觀察到，放光的水從水桶的小孔里流出來的情況，水流彎曲，光線也跟着彎曲。

註三：一些與「引導」技巧相關的參考資料

1. 《引導技巧的9堂課》(2009) 作者：SIMON PRIEST; MIKE GASS; LEE GILLIS 譯者：張德忻;徐國峰;江真，

出版社：台灣外展教育基金會。

2. Roger Greenaway 4F (fact/feeling/findings/future) Your Guide to Active Reviewing http://reviewing.co.uk/

3. 《6頂思考帽：增進思考成效的6種魔法》(2010) 作者： 愛德華．狄波諾 Edward de Bono 譯者：劉慧玉，出版社：臉譜。

4. 《學習就像終身幼兒園：打造X人才，培養創意思考者的4P新教育》(2018) 作者：米契爾．瑞斯克 Mitchel Resnick 譯者：江坤山，出版社：親子天下。

註四：T標準＋ https://www.cotap.hk/images/T-standard/Teacher/香港教師專業標準參照.pdf

註五：教師專業學習是一持續的循環。起點是教師認定學生應有（有價值）的教育成果。教師透過學習找出有助學生達致相關成果的知識

學習是群體性的──一同成為啟發學生的共建者

科學探究與STEM教育的融合

香港教育大學科學與環境學系 陳文豪博士

STEM教育是什麼？

STEM活動的類型

STEM顧名思義就是科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)。

這些字看似全部都認識，但如何把這些元素融入我們的課程中，如何在探究中應用到相關的知識 和技能，有時也並非易事。STEM教育是全球教育的趨勢，西方社會在更早的時候便開始了對於 STEM的教育探討。時至資訊發達的二十一世紀，開始越來越多國家注意到STEM教育對於學生學習 的重要性，並開始將之推廣至中小學、大學，並鼓勵學生以之裝備自己，以應對社會及全球因急 速的經濟、科學及科技發展所帶來的轉變和挑戰。

STEM教育的目的，是希望嘗試把不同的知識或領域整合，運用數種範疇的知識去解決實際生活上 的問題、或進行一些探究。相信在學習一些抽象的數理知識時（例如的數學方面的cos，tan），

老師們都會聽過學生的疑問：「我學這些究竟有什麼用呢？」，那麼身為老師的大家又會如何回 答呢？其實STEM就是一個機會，讓學生把這些抽象知識發揮出來，應用到實際方案及創意設計上 去解決真實問題，讓學生知道，原來所學是真的有所用！透過STEM活動，能讓學生了解不同學科 其實在實際生活的用途，了解到不同學科知識的整合、互相配搭的重要性和功能性，從而給予學 生更多的思考空間。希望藉STEM教育，發展他們綜合運用不同知識的能力、創造力、協作及解決 問題能力。

STEM活動大致有兩個類型：科學探究式及手作式。前者是以科學探究為主導的形式，並在其中加 入其他知識的元素，例如工程、數學、科技應用的知識去豐富、深化整個科學探究的內容層面。

後者是手作式，是要創造一些東西，而不僅侷限於得到知識的層面，這種模式需要更多工程設計 的元素，亦同樣包含各科的知識（科學、數學、科技等）。這兩種活動形式是可以結合同時進行 的，而是次的分享將更集中於前者。

科學探究式的STEM學習活動最常見的形式是透過專題研習方法進行。專題研習屬於較大型的學習 模式，需要多節課堂才能完成綜合各學習領域的學習。以探究保溫杯的保溫效能作為科學探究式 STEM學習活動的例子，學生需要去探究哪一類型的保溫杯具有最好的保溫效能。這個探究的內容 可分拆為S、T、E、M四項。其中S指的便是科學探究本身，亦即探究保溫杯的保溫效能；T則是利 用一些科技去協助探究和數據收集；E則是去設計、優化與改良探究活動，例如學生去思考如何優 化實驗過程從而減少誤差、怎樣在最短的時間內完成實驗、如何選擇最好的測量方法等；M則是 一些預測、數據收集和分析。

很多時候我們在說STEM時都會有一些疑問，尤其是回想最開初做STEM活動的時候，教師們也許會 覺得無從下手。時至今日，隨著教育局提供不少講座，各大學提供不少有關STEM培訓的支援，以 及各學校之間的交流，相信教師們都對進行STEM教育有更多的認識及接觸。是次分享希望能與大 家探討一些與STEM有關的科學探究題目，並討論如何透過探究活動使學生對科學以及對STEM有更 多的認識。

STEM等於科學教育嗎？

STEM固然是一個教育模式的趨勢，也能大大增加學習趣味性。然而STEM並不等同於科學教育，亦 不能取代之。STEM較強調科目知識的綜合運用，以解決問題為主要出發點，是其中一種協助同學 發揮不同的長處及豐富學生學習經歷的教學方法。而科學教育的其中一些重點是能讓學生了解到 大自然的規律、欣賞大自然的定律以及欣賞科學的美，都是科學教育希望做到培養學生的特質。

故此在推行STEM教育的同時，也不能忘卻傳統科學教育的重要性。

現代的大型實驗也有不少STEM的運用。例如LIGO實驗：一個關於重力波的探測，是過去二十年裡 其中一個最大型的STEM實驗；或是CERN實驗：一個橫跨兩個國家的大型粒子撞擊實驗。上述的世 界級頂尖實驗例子都是一些STEM的探究式實驗，可見運用STEM模式的科學探究技巧並非只是小兒 科，擁有了相關的技巧和理念，學生日後也許能從中發揮大智慧！

那麼回歸到校園中的科學探究式STEM學習活動，其實絕大部分的科學探究都可以利用STEM模式，

例如摩擦力、熱傳導以及環境科學的探究等等，而科學探究並不一定需要涉及手作或製作。其中 要注意的地方是讓學生進行一個流程概念的學習，即如何在實驗前界定問題，然後去構想實驗的 設計，實驗後進行分析及檢討，繼而改良或優化設計，再進行新一輪實驗，學會在反覆思考和反 思的過程中改良出最佳的實驗。而手機、平板電腦、Excel也能用作協助實驗的工具，去量度數 據、拍照錄影、甚至可以利用手機應用程式中的感應器（可測量磁場、光度、聲音等）做分析，

這些工具的應用也能大大提升實驗的準確度以及學生學習的興趣。配合數學的概念學習，例如對 於線性關係及趨勢與升跌的描述、百分率及平均數的計算，學生便能靈活運用實驗所得數據並將 之描述。數學甚至可作為預測與評估的工具。再以保溫杯的實驗為例，學生可先預測什麼形狀的 容器較易保溫。例如圓柱體的保溫杯和立方體的保溫杯，哪個會比較保溫？這便是與數學科學到 的表面面積計算有所關係了，預測過後學生可把實驗所得結果做比較，從而對於數學概念在課外 和日常生活運用有更深的領悟。

當群育學生邂逅「科學推展」

香港扶幼會則仁中心學校（小學部） 關偉強老師、曾曉暉老師

讓「風帆」順風而行

回應上述專注重點，我們將按學生能力選取合適的內容及設定題目的深度。根據經驗，學生的投 稿大概可以分成三大類：改良設計類、重新組合類及發明類，這三種設計的難度由淺入深，設計 及操作的變數由少至多，身為教師應嘗試與學生討論及定義學校的目標，再因應學生能力和經驗 去決定題目。

接下來分享一下在進行選取合適資料及材料的心得。大家有聽過「風帆原理」嗎？當人乘在風帆 上，有順風的時候，帆船便能走得很遠，但沒有風的時候，若人強行去划船划槳，是很辛苦的事 情。就正如教師在面對學生有困難時，教師可怎樣利用「風帆原理」，「順風」地進行課堂呢？

第一，教師在此時可將步驟分拆得更仔細，向學生說明課堂目的及流程，再慢慢讓學生一步一步 完成課堂。第二，教師可讓學生在校內到處走動，例：圖書館、電腦室或校園的各處取得所需的 資料，並大膽放手讓他們去嘗試。因為我們的學生大多較好動，若要他們乖乖坐下做實驗等於與 風帆鬥力，倒不如「順風而去」，讓風帆按自己的路線走。另外，面對文書技巧較弱的學生，可 用電子工具協助，例如利用語音輸入或手寫板幫助學生更容易紀錄專題內容；並利用思維工具協 助學生組織內容，如魚骨圖、溫氏圖等。

在過程中，教師要平衡學生的創作和實驗技巧。首先，教師的能力是必須考慮的，教師亦需要透 過不斷學習、請教同事或專家。若老師能力最後未能應付學生的創作，則需要轉換方案，以貼合 教師及學生的能力去完成合理的創作。接著，要考量學生的能力，協助他們取得適當的材料、向 學生解釋實驗背後的道理及鼓勵他們用耐性進行實驗、反覆測試，培養學生的科學精神。這個過 香港扶幼會則仁中心學校是一間位於九龍塘的特殊 學校，課程以校本特殊教育為主，唯獨常識科以主 流課程教學，與主流學校相同。我校常識科主要圍 繞六個學習範疇（了解世界與認識資訊年代、國民 身份認同與中華文化、社會與公民、日常生活中的 科學與科技、人與環境、健康與生活），而科本活 動以「自然環境」、「科學推展」及「時事推廣」

出發。本文主要針對「科學推展」的部分。整個

「科學推展」有三層架構，包括全校參與的科技 日；興趣小組的科技工學；以尖子形式邀請有興趣 或有能力的學生參與「常識百搭」。

我校參與「常識百搭」專題研習的專注重點有四：第一，按學生能力選取內容及設定題目深度；第 二，選取合適的資料及材料；第三，平衡學生創作和實驗技巧；第四，賽前與學生的準備。我們會 以學生主導的形式去讓學生自由創作專題研習的內容，並以全校徵稿的模式收集，以此增加學生的 投入感、擴闊學生的思維。過往收到投稿的例子有：智能馬路感應器、智能耳機、智能窗等。

程亦需要配合學校資源，例如黑房、實驗室、操場等去進行實驗。除校園硬件外，課程設計也可 以配合，例如加入編寫程式的課程，讓學生可透過編寫程式去解決實驗上的困難。

在與學生共同創作「智能窗」時，學生希望把窗框拼砌成比例如真實窗框一樣大，最後才發現摩 打的電力不足以推動整個窗框的運作。在發現問題後，學生只好拆掉窗框，再重新組合。這些意 料之外的事都使學生學會在試驗中反覆測試和實驗精神。在拼砌電路板連接超聲波距離提示器 時，都是由學生嘗試接駁線路，其後他們亦可以自行找出實驗的不足之處，例如為什麼測量的結 果不夠準確呢？所有過程都由學生主導，由構思、選取材料、決定題目、做實驗與所有問題的探 究，使學生更有投入感與成就感，在過程中亦他們培養成為更有耐性、實驗精神與責任感的人。

最後，賽前準備可先預計現場不確定的因素和做好清 晰的分工。例如上年度我們以「智能窗」去進行比賽 時，由於現場的桌子不平的關係，導致「智能窗」中 的摩打未能如常運作，幸好我們有事前有準備到成功 的實驗片段，即使現場所做的實驗未如理想，亦能以 成功的實驗片段向評判進行講解。其次，老師和學生 可以將作品展示於易拉架上，讓學生按照易拉架上的 內容進行演說。此外，清晰、仔細的分工可以讓學生 知道自己應做的事情，從而減少爭執，學生也能發揮 所長。老師也應儘量給予足夠機會讓學生練習，例如 老師可提供更多的機會給負責演說實驗過程的學生向 老師和同學進行解說，訓練學生於人群面前說話的膽 量及自信心，確保學生在比賽時亦能順利發揮。

玩具、科學、科技

香港中文大學 湯兆昇博士

你看過萬花筒嗎？

大家小時候都可能玩過萬花筒(kaleidoscope)。從小孔看進去，會看見花紋的多重影像，隨著萬 花筒轉動時，不斷旋轉。萬花筒利用了多面鏡子，產生多重反射，使圖案呈現很高的對稱性。

這原理亦應用於很多大型的裝飾設計，例如香港科學館的鏡子世界，2018年聖誕節海港城的大型 萬花筒展覽，亦是利用了鏡子多重反射原理。

當物體發出的光被鏡子反射時，在我們看 來，反射的光線就好像是從鏡子後面的影 像發射出來，所以我們習慣把平面鏡產生 的影像，當成好像是有另一個物體，位於 鏡子的後面。如果使用兩塊鏡平行對立，

一 塊 鏡 產 生 的 影 像 ， 會 被 另 一 塊 鏡 再 反 射，產生另一個影像，如此類推，便產生 了無窮多個影像。如果兩塊鏡子不是平行 的，而它們之間的角度小於90度，便會產 生數個影像，分佈在不同的方向，形成美 麗的圖案。這就是鏡子迷宮、萬花筒的科 學原理（圖一）。

萬花筒的製作方法很簡單，可利用三塊一 模一樣的長身鏡子，鏡面向內並接合成為 三角柱體。在柱體開口的一端貼上一塊畫 有花紋（或貼上圖案）的牛油紙，三塊鏡 便會不斷反射紙上的花紋，形成萬花筒的 圖案（圖二）。

別以為多重反射的原理只能應用於玩具和 裝飾，下一節我們將談一談它的一些更重 要的應用。

圖一：多塊鏡子放在一起能產生多重影像，形成鏡子謎宮。

Author: Przemek P. Distributed under GFDL, CC-BY-3.0 license

圖二：萬花筒中看見的影像，三角形標示三塊平面鏡的位置，

三角形中間的是真實的花紋，外面的是鏡子裡反射後的 多重影像。

Author of original image: Hide-sp.Remixed and distributed under CC-BY-SA-2.5 license

玩具背後有很多有趣的科學原理，若能像科學家和工程師一樣，細心觀察箇中奧妙，得到啟發，

便能設計出對社會有莫大裨益的應用。以下將介紹幾個例子，說明小玩具背後的大道理。

圖 三 ：利 用 湯 力 水 、 藍 激 光 和 平 面 鏡 顯 示 光的反射。入射角標示為

i

r

圖四：利用湯力水、藍激光和兩塊互相垂直的 平面鏡顯示光的回反射現象。

圖五：回反射膜可以在任何角度把光線沿入射 方向反射，所以在光源附近觀看，回 反射膜顯得十分明亮。

儀器鳴謝：3M Hong Kong Ltd.

圖六：回反射膜的放大照片，可見每個單元都 是由數塊鏡子組成。

照片鳴謝：3M Hong Kong Ltd.

光線的回反射及其應用

大家都知道光是以直線傳播的，但我們並不能直接看見 光的路徑。用來調雞尾酒的湯力水(tonic water)中有一種 螢光物質，稱為奎寧(quinine)。如果把藍激光¹（用低功 率藍色激光指示筆）照進湯力水中，便能夠激發奎寧放 出螢光，使光線的路徑清晰可見。我們可以利用這個方 法顯示很多有趣的光學現象，包括光線被平面鏡反射（圖 三）。在反射處作垂直於鏡面的直線，稱為法線（圖中 虛線）。入射光線和反射光線與法線之間的角度，分別 稱為入射角 i 和反射角 r 。從圖中可見，反射角等於入 射角，這就是反射定律(law of reflection)。

如使兩塊平面鏡互相垂直，則從任何方向入射的光線經 過兩次反射之後，便會沿入射的方向被反射回去，入射 光線和反射光線互相平行，但方向相反，這稱為回反射 (retroreflection)現象。利用反射定律可以證明兩條光線平 行。圖四是以螢光顯示回反射的情況，A點和B點是光線 在兩塊鏡子反射的位置，OA和OB是兩次反射的法線，兩 次反射的入射角（亦等於反射角）分別記為a及b。因為 鏡子是互相垂直的，OAB是直角三角形，所以a+b=90° ，即 2a+2b=180 °，亦由於AB與入射光線和反射光線相交，

而同側內角之和是180°，因此兩條光線互相平行。

回反射現象也可以發生於立體空間中。同學可以在家中 找三塊鏡子，打開一個箱子，把鏡子貼在箱內的一個角 落上，使三塊鏡互相垂直。這時無論用任何方向射進光 線，經反射三次後，光線同樣會沿入射的方向離開，與 入射光線平行。

回反射的科學原理可應用在日常生活中。例如在晚上，路 牌會反射車頭燈的光，使路牌看起來十分明亮（圖五）。

其實路牌是利用了回反射膜(retroreflective sheet)，上面有 一個像蜂巢般的結構。粗略地說，結構中的每個單元都是 由三塊互相垂直的鏡子組成的（圖六），按照上述的原 理，光線從任何方向射進來，都會沿相同方向被反射回 去，車頭燈的光線被路牌反射回來，讓司機看見。實際 上，司機的位置與車頭燈的位置略有差異，所以設計上 會刻意令光線在反射時散開一點，讓反射光線能到達司 機的眼裡。

1　利用光子能量較高的藍光，才能激發奎寧分子的電子躍遷至高能階狀態，當電子從高能階回到基態時，會經歷數次躍 遷，其中一次釋出的能量較大，發出螢光。

根據統計數字，2020年之前美國約有五千萬位年齡大於65歲的長者仍在駕駛。長者的眼睛對於光 線較為不敏感，在晚上駕駛時未能清晰看見路牌，容易構成危險。現代的路牌利用了先進的回反 射膜，顯得更明亮，使長者駕駛更安全。

另一種技術是利用細小的玻璃珠產生回反射。入射光線會在玻璃珠內產生內反射，然後從另一邊 離開玻璃珠，達到回反射的效果。有些回反射膜就是利用了極細小的透明珠造成塗層，使路牌變 得明亮。

回反射現象除了用於改善交通安全，亦用於天文 研究。天文學家利用激光的回反射，量度月球的 距離。太空人在探測月面時留下了一個回反射裝 置（圖七）。把激光從地球線射到月面，準確地 量度光線反射回地球的時間，將這時間乘以光速 除二，便可得出月球和地球之間的距離。光線從 地球到月球約需1.3秒，反射回地球的時間亦相 同。我們知道地球和月球的平均距離是38萬多公 里，而激光測量顯示，這距離正以每年平均 3.8 cm 的速度增加，變化非常緩慢。激光測距可以令我 們深入了解地球和月球之間的複雜力學。

圖七：阿波羅11號太空船與月面上的回反射裝置。

圖八：利用湯力水和藍激光顯示光線在水面的全內反射。

圖九：激光在膠管內發生多次全內反射，光線便可沿膠 管傳播。光纖也是利用了類似的原理。

全內反射與光纖

我 們 可 以 利 用 很 簡 單 的 方 法 ， 展 示 一 些 偉 大 科 技 背 後 的 基 礎 科 學 原 理 。 把 藍 激 光 射 進 湯 力 水 ， 當 光 線 從 湯 力 水 走 到 空 氣 時 ， 如 果 入 射 角 太大，便會出現全內反射(total internal reflection) 現象，即光線到達水面時，被完全反射回水裡去

（圖八）。

全內反射是光纖的基本原理。光線在光纖裡產生 多次全內反射（圖九），光便會沿著光纖傳播，

讓信號傳送至遠方。高錕教授發現，光在玻璃管 中傳播時，玻璃裡的微量雜質會吸收光線，使信 號衰減得很快，但若能以純度極高的玻璃製造又 幼又長的光纖，便可以大大減少吸收，讓光的信 號傳播至很遠。這項發現開展了光纖的科技，使 今天互聯網數據能高速傳播。除了互聯網通訊以

外，光纖亦可用於醫學診斷，例如內窺鏡檢查，便是用了光纖深入身體，拍攝體內的影像。

商用的光纖未必可容易找到。但同學也可以將魚絲剪開，再扎成一束，利用電筒照亮魚絲的一 邊，光線便能通過魚絲傳遞至另一邊，大致模擬光纖的效果。

圖十二：利用膠樽自製的小型空 氣炮。

圖十三：利用垃圾筒製造的大型空氣 炮，釋放出煙圈。

Author: Chocolateoak

Distributed under CC-BY-SA-3.0 license

利用魔術貼釣起重物

從空氣炮到飛機

有些日用品只是利用簡單的科學原理，但用得巧妙，也可產生了神奇的效果。我們常用魔術貼掛 東西，它的好處是方便、黏貼力強及容易移除。魔術貼的英文為Hook and Loop Fastener，顧名思 義，就是兩塊表面，一塊佈滿膠鉤，一塊佈滿軟毛形成的細圈，當它們被壓在一起的時候，鉤便 會隨機勾著圈，兩塊表面因而黏緊。但由於這些毛很軟而且零亂，所產生的拉力不強。工業用的 魔術貼就強得多了，例如有一種魔術貼利用很多蘑菇狀的小扣互相鉤緊²（圖十），能產生很大的 拉力。這種魔術貼每一平方厘米能夠產生的極限拉力約為 6.4 kg ，一塊 22 cm x 22 cm = 484 cm2 的魔術貼能產生的極限拉力便約為三公噸，即使實際上可產生的拉力比極限值為小，也足可以釣 起一輛一公噸多的汽車（圖十一）！

同 一 科 學 原 理 ， 可 以 出 現 在 一 些 看 似 毫 不 相 干 的 情 況 中 ， 這 是 科 學 最 有 趣 而 又 最 神 奇 的 地 方 。 空 氣 炮 是 一 個 有 趣 的 玩 意 ， 它 的 製 作 方 法 簡 單 ， 只 需 要 用 一 個 大 膠 樽 （ 可 用 垃 圾 筒 製 造 大 型 的 空 氣 炮 ） ， 從 中 間 位 置 切 開 ， 取 有 樽 口 的 一 邊 ， 把 氣 球 套 進 切 開 處 ， 並 以 膠 紙 縛 緊 ， 拉 扯 氣 球 再 釋 放 ， 一 道 頗 強 烈 的 氣 流 便 從 樽 口 沖 出 ， 吹 到 很 遠

（圖十二）。這是因為氣球回彈，把樽內的空氣推出來，當氣流經過狹窄的樽頸，速度便會增 加。如果在樽內放一些煙霧，便會發現氣流形成一個煙圈（圖十三）。這是因為不同速度的空氣 層之間有磨擦力（正確來說是粘滯力，viscosity），帶動了空氣旋轉，產生小型的旋渦。

圖十：(a) 傳統的魔術貼的結構。

(b) 「蘑菇扣」魔術貼的結構。

圖片鳴謝：3M Hong Kong Ltd.

圖 十 一 ：利 用 一 塊 細 小 的 「 蘑 菇扣」魔術貼就可釣起 一輛1.2公噸的汽車。

儀器鳴謝：3M Hong Kong Ltd.

我們知道，飛機之所以能夠飛起，是因為機翼上下氣流的速度不同，導致氣壓的差異，機翼下面 氣壓較高，上面氣壓較低，造成一鼓升力，承托起飛機的重量。然而，氣流在經過機翼之後，不 同流速的空氣在粘滯力的帶動下，亦會形成湍流，簡單來說，即空氣中的旋渦。湍流的研究對於 改善飛行的安全和效率相當重要，是流體力學的重要課題。

創科需從學習科學原理開始

在進行創科或是STEM活動時，大家都會把著眼點放在「創意」之上。但即使有了很好的想法，

也必需利用適當的方法，才可付諸實行。無可否認，實驗是一個好方法，透過公平測試，我們能 找出有效的方法達成目標。但問題是，不是每一樣事物我們都有機會去嘗試、去做實驗，我們亦 沒有那麼多資源和時間這樣做。假設一個問題有十個變數，研究每個變數的影響需要測試十次，

加起來便總共需要測試一百次了，這樣無的放矢地亂試，恐怕永遠得不出成果，即使偶然嘗試成 功，但之後一旦出了問題，也不知道如何修正。所以，單單做實驗是不夠的，最重要的，還是學 習科學原理。明白了基本的原理，便能作出推論，大致可推測實驗的可能結果，大大縮窄了嘗試 的範圍，增加成功的機會，遇到問題時，也知道原因，能迅速修正。讀書、學習科學，就是為了 掌握這些重要的基本原理。

創科和STEM活動不但需重視創意，更重要的是在落手嘗試之後，明白箇中的科學原理。學習科學 原理並不困難，以上的舉例，是為了讓大家明白，學習科技並非一開始便要從高深的、小學生無 法明白的學問開始。相反，大家可以從日常生活例子出發，學習基本、簡單的原理，並應用在不 同的情況，享受學習的樂趣。

我的科學探究失敗史

香港大學理學院　麥嘉慧博士

大三時同學們都有機會到系內教授的研究實驗室做「FYP」，即 final year project畢業研究習作。而我的研究題目是要從海洋中搜 集細菌樣本，然後測試各個菌種對一種海洋管蟲幼蟲蛻變成長的 影響。實驗步驟是先將細菌培養液加在直徑只有5厘米的培養碟 中，過了一天後細菌在培養碟內便形成一層生物膜(biofilm)，這 時將預先孵化了的管蟲幼蟲放進培養碟並蓋上培養碟蓋，然後放 在培養箱再等多一天看結果。

華美盤管蟲（學名：Hydroides elegans，圖2）是本港海域常見的 小型管蟲，它的幼蟲是游泳健將，用顯微鏡觀察它們在細小的培 養碟內游來游去也挺有趣的。幼蟲的天性是要找個適合長期「定 居」的地方，然後蛻變成蟲，成年管蟲會長出如石頭般堅硬，長 約2.5厘米、直徑0.1厘米的管狀外殼，管蟲本身的管就是自己永 久的家了。要判斷哪處是適合「建屋」定居的地方，幼蟲需要在 環境中接收化學訊號。而在培養碟中這短短24小時內，各種細菌 會因為各有不同的「生化作用」，將不同的化學訊號釋放到海水 中，而可能使幼蟲作出不同的反應，如：加快或減慢蛻變、發育 成管蟲，或者是不蛻變等等。

要做好FYP必需要夠勤力和分秒必爭。所以我安排每次實驗都要處理很多隻培養碟和幼蟲：每個菌 種會有五隻培養碟，每隻培養碟中要加入十隻幼蟲。試想像一下如何從水中，用定量吸管(pipette) 捕捉小於1毫米而又會游動的幼蟲？每組實驗至少會測試五至六個菌種，還有必不可少的對照組。

簡單一算，每次實驗就要在一、兩小時內把總共四十隻培養碟和四百隻管蟲幼蟲處理好。第二天 便要做更費精神的工作：用顯微鏡逐隻培養碟觀察，數一數開始蛻變發育的幼蟲數量。而開始蛻 變的幼蟲會在培養碟底部「建屋」，比較容易觀察。

位於清水灣的香港科技大學（圖1）依山面海，我的讀書 生涯與海洋也有很大關連。有句話叫「從失敗中學習」，

而在我八年的科大學習歷程中就當然充滿了失敗。每當實 驗失敗，我都會鼓起勇氣再接再厲，重複實驗多兩次，因 為這樣我的失敗才算「統計上可信」啊（說笑）！

充滿挑戰的研究習作

圖一：科大校園面向西貢牛尾海，筆者的畢 業研究習作就需要出海採集細菌樣本。

圖二：華美盤管蟲

(a) 游動中的幼蟲、

(b) 幼蟲開始蛻變、

(c) 成蟲。

（來源：網上圖片）

一天，我如常回實驗室去「數蟲蟲」，但是很奇怪地，其中一組樣本的五隻培養碟內，全部的幼 蟲都不見了！莫非我昨天不小心，忘記把幼蟲加進培養碟內？我花了幾分鐘自責，再整理好其他 樣本的幼蟲數據之後，便把握時間預備下一次實驗。要知道，由種菌、孵化幼蟲，把它們加進培 養碟培養，到最後觀察和處理數據，整個過程如果順利的話就是連續五、六天的功夫。當時我真 的希望不會再犯錯，浪費心機和時間……

不幸地，接下來的兩個星期，培養碟內幼蟲不翼而飛的挫折再三重現！與此同時，在實驗室負責 細菌化學分析的博士後開始催促我「交功課」，追問怎麼忽然間少了其中一個細菌樣本的實驗數 據。這時我只好把暗自鬱悶了三個星期，做不好又想不通的實驗結果向博士後和盤托出。身經百 戰的博士後聽了我的剖白並沒有責備我，反而理性分析幼蟲「不見了」的可能原因，或許是有神 秘物質殺滅了幼蟲？

於是，為了確定我之前是「失魂」做錯，還是真的有「滅蟲新發現」，我拜託了實驗室一位師兄 來監督我每個實驗步驟。並花了幾天時間討論幼蟲不見了的可能性。終於，來到要看結果的時 候，我心情很緊張地坐在顯微鏡前觀察培養碟，昨天在師兄監督下我放進在培養碟內的十隻幼蟲 不見了，那我真的發現了滅蟲細菌嗎？這時，師兄不慌不忙地過來顯微鏡前坐下，比平常花了起 碼雙倍的時間，將培養碟翻來翻去，又不斷調教對焦。他冷冷地哼了一聲，似乎他真的找到幼蟲 不見了原因，說如果幼蟲真的是死了，我應該會看到培養碟內的幼蟲屍體呀，怎麼會全部不見 了？他把培養碟用了一個特別的角度放置在顯微鏡下，然後着我慢慢扭動對焦小心觀察。

謎底終於解開了，原來所有幼蟲都「爬」到培養碟邊緣被碟蓋遮擋着的位置，加上培養碟本身的 厚度，如果我只用慣常的角度來觀察培養碟底一面，而完全忽略整個培養碟內其他角落，我便什 麼都看不見了！因為不夠細心而浪費了差不多一個月的時間和心機，在博士後和師兄面前，我只 有傻笑來掩飾我的失敗。

我的畢業研究習作到最後總算如期完成了，現在回想起，發覺原來做FYP好比做人：凡事要多角度 觀察和思考，遇到困難不要獨自發愁，應該多與人溝通和盡快找幫助，做事要細心，不要遺漏每 個微少的步驟，還有時間管理都很重要啊！

從FYP學曉做人道理

豬豬

探究背景

STEM原理

測試器材與材料

看見一些舊玩具，想把它們結合來玩耍，看看 會否更加有趣。同時亦想引起別人的興趣，和 我一起分享我喜愛的玩具。還可在玩玩具的同 時學習編程，又不需要浪費金錢買新玩具。

有一隻豬豬玩具，我們在它身上按一下，它就 會發出豬叫的聲音，相當似真的叫聲。如果把 它改造成當有人行過便自動發出叫聲，這是可 以作為守護工具。人們常用豬作為祭品，如果 在廟宇門前擺放個玩具豬豬，嘗試把豬發出的 叫聲在夜晚作為守護廟宇的聲音，這樣玩具豬 豬便可以成為有用的保安了。

我們利用Arduino接駁超聲波測距器，來測出 距離豬豬一米、兩米、三米、四米、五米的範 圍內有沒有人經過。在這些範圍內，當有人經 過，他會發出不同分貝(dB)大小的聲音，來提 示人們不要再接近廟宇的門口，因為廟宇關門 了。豬豬還會發出預先錄製的人聲提示「關門 了，明天請早」和「不要再行前，我會報警」

等等的訊號來提醒人們。同時它身上LED燈也 會亮著作警告信號的。

我們經過編程，結合以上的電子零件使豬豬運 作起來。玩具豬豬是利用空氣流動使哨子產生 有趣的叫聲。透過感應裝置與人們的距離，我 們做出不同大小分貝（dB）的聲音。

玩具豬豬一隻、Arduino UNO 一塊、超聲波測 距器一個，麫包板一塊、伺服馬達一個、LED 燈三個、發聲底板一塊、電腦編程、拉尺一 把、分貝機、電線數條，sim card喇叭一隻及 電池一片。

學校：世界龍岡學校劉德容紀念小學

組員：黃奕瑜同學、黃子軒同學、張皓程同學、謝俊寶同學 教師：趙福誠老師、黃佩恩老師、林婷婷老師

以上測試，目的是利用編程來設計出超聲波距 離人們愈近，亮着的LED數目愈多，最多為三 盞，來提示人們不要接近。我們發現了超聲波 發出的訊號大於400cm時，這款超聲波測距器 未能接收到它的反射訊號，所以這是超聲波的 極限。

豬豬能發出叫聲，全因它有一個哨子，這個哨 子在不同速度的氣流經過而產生不同的聲音。

最後我們把按壓豬豬發出來的聲音錄製成音效 檔放在發聲電路板內，利用電腦編程開啟，就 可以控制產生不同分貝(dB)的聲音了。

接下來我們把以上兩個測試結合為一，即是在 不同的距離產生不同的分貝大小和燈號提示人 們不要接近豬豬。因廟宇已關門，這樣我們便 可把一個玩具豬豬變為一個守護豬豬。距離與 分貝大小和燈號數目的關係如下：

利用Arduino UNO連結麵包版的LED燈，伺服 馬達，聲音底板。加上電腦編程，當有人們出 現的時候，LED燈會亮起。人們與豬豬的距離 愈近，亮起LED燈的數目愈多（由一個變成三 個），同時預先錄製的聲音，也會發出愈大的 聲響（由60dB到80dB分具），提醒人們不要 再走近，在非常近距離（50cm）的時候，它 就會發出人聲，提醒人們要離開了。

超聲波測距器 圖片來源：HK STEM Club

Arduino UNO

圖片來源：Trossen Robotic 超聲波測距器

測試過程及結果

測試一：

首先我們利用Arduino板連結麵包版上的LED 燈，利用簡單的編程測試燈號。然後再接上 超聲波測距器來控制亮起的LED燈數目，測試 如下：

測試二：

用人手按壓豬豬，使其發出叫聲，不同的力 度，產生不同的分貝(dB)大小，我們嘗試用分 貝機App去測試，發現有以下的結果：

測試 超聲波與人的距離

(cm) LED燈亮起的數目

1 50 - 100 3

2 100 - 300 2

3 300 - 400 1

測試 力度 分貝(dB) 威嚇程度

1 小力 50 

2 中力 70 

3 大力 90 

測試 超聲波與人 的距離(cm)

LED燈亮起

的數目 分貝(dB) 1 300 - 400 1 50 2 100 - 300 2 70

3 50 - 100 3 90

最遠距離 400cm

玩具豬豬

分貝機App

當超聲波測距器探測到有人在2m範圍內經過，裝置會供電給泡泡機噴泡6秒，同時開啟發聲晶片 播放預先錄好的豬叫聲。最初的3秒是大約60分貝，3秒過後如果還有人，分貝會達至80分貝。來 吸引人按壓一下小豬豬，發出有趣的聲音。我們也會作訪問，比較一下在合併玩具和沒有合併玩 具的趣味性，最後作數據分析。

探究過程

電路接駁及編程：

1米發聲：Arduino PIN 3, to 發聲板 PIN 3(50dB), Arduino PIN 4: 第一盞豬頭燈 0.6米發大聲：Arduino PIN 5, to 發聲板 PIN 5(70dB), Arduino PIN 6: 第一二盞豬頭燈

0.3米長發聲：Arduino PIN 7, to 發聲板 PIN 7(90dB), Arduino PIN 8: 第一二三盞豬頭燈及Arduino PIN 2: servo to (SHOW 999)

電腦編程：

電路接駁

揚聲器 發聲板

PIN 3,5,7 PIN 4,6,8

PIN 12,13 PIN 2

Arduino UNO LED 燈

Radio

伺服馬達 超聲波測距器

以上是利用mblock來編程：

當人物與豬豬的距離大於100 cm時，豬豬只會 亮著一盞LED燈和發50分貝的叫聲提示人們不 可接近。

在距離小於100 cm但大於60 cm時則亮著兩盞 LED燈和發70分貝的叫聲提示人們不可接近。

在距離小於30cm時則亮著三盞LED燈，發90分 貝的叫聲，發出打999文字及人聲提示人們要 離開。

感想

黃奕瑜同學：

黃子軒同學：

張皓程同學：

謝俊寶同學：

小 貼 士

學生運用了環保概念，探討如何處理 舊玩具到將其升級再造。在同儕中見 潛力，加油。

圖例 特點 功用 第

一 類

支 點 在 重 點 和 力 點 之間

改 變 施 力 的 大 小 和 方向

第 二 類

重 點 在 力 點 和 支 點 之間

移 動 較 大 的 負 荷，

亦 即 是 省 力。

第 三 類

力 點 在 重 點 和 支 點 之間

用 力 較 為 方便

靈機一捉 Hyclawlic Blitz

學校：英華小學

組員：駱志森同學、文柏天同學、霍祁志同學、應昊志同學、簡宇謙同學、趙汝穎同學 教師：徐凱盈老師、吳國銘老師

近年流行「夾公仔」這種玩意，大家可以看到 大小型商場內均有「夾公仔」機供人實體「夾 公仔」，而近期亦有熱烘全城的線上「夾公仔」

遊戲，這些「夾公仔」遊戲都需要用錢進行，

而線上「夾公仔」遊戲畫面及操控亦會有所延 遲，所以「夾公仔」最好是實體進行較為好玩。

我們開始構思如何滿足人實體「夾公仔」的意 慾，又能免費進行這個遊戲，再者若果能加入 二人對戰等遊戲元素又能否增加刺激感，令遊 戲更富挑戰性 於是我們就決定自製一部名為

「靈機一觸」的二人對玩的「夾公仔」機。

科學及工程原理部分：

帕斯卡原理 (Pascal’s principle)：

在密閉容器中靜止流體的某一部分發生的壓力 變化，會毫無損失地傳遞至流體的各個部分和容 器壁。

例如從圖一︰當施力到活塞A，會使膠針筒 B 內 受到壓力，而膠針筒 B 所受的壓力會傳到膠管C 內，再傳至膠針筒D 內，實際上 B、C 和 D 所受 的壓力是相同的。

槓桿原理 (levers)：

槓桿是一種簡單機械，它由一根不易折斷的直桿 和一個支點所組成的。槓桿的主要用來改變力 的大小和方向。根據各種槓桿上支點、力點（施 力位置）和重點（負荷位置）的不同位置，可分成 以下三大類。

圖一：帕斯卡原理中施力與受力的關係 根據計算壓力的公式

P=Pressure 壓力；F=Force 力；A=Area 面積 P = F

探究意念

科學原理

展品中所實踐的科學、科技、工程及數學 (STEM)概念：

液壓液的選擇：

液壓液是液壓系統的工作介質，主要作用是傳遞 或轉換液壓能量。在選擇液壓液時需要考慮以 下條件︰

機構 (mechanism)：

機構是機器內機件的組合，當其中的一個機件 受到外界所施加的運動，便能依次傳遞經過所 有組成的機件，到達最後一個機件，並能產生 預期且的運動。

連杆：

連桿機構是由一組直桿接合而成的，它主要用 來傳送運動和改變運動方向。連桿可以分為平 行運動、反向運動、直角運動和旋轉運動等四 大類。

直角運動連桿機構把輸入運動改變為垂直方向 的輸出運動

黏度(Viscosity)：

黏度是液體受力而產生抗拒流動或形變的一種 量度。黏度等於零的流體稱做理想流體、不黏滯 流體。

對於黏度大於零的液體在管中流動，接近軸心的 部分流動的速度最快，靠近管壁速度最慢。對於 黏度為零的液體，則沒有這種效應。

不同液體的黏度：

液體 黏度(mPa/s)

水 0.894

丙酮 0.306

橄欖油 81

糖漿 5,000-10,000

A . 液體黏度

選擇黏度較小液體，避免因液體通過針筒 時因受力而產生了阻力，影響速度。

B . 化學穩定性

選擇的液體不會與膠管或膠針筒產生化學 反應。

C . 最低的毒性

選擇的液體不會對身體造成的任何影響，

例如︰

D . 清潔度

避免使用難以清潔的液體，例如︰油、糖 漿等。

剪叉式臂架：

A . 四邊形不穩定性

四邊形即使各邊長固定，它的形狀和大 小仍有其他的可能性（例如︰正方形與菱 形），因此四邊形沒有穩定性這個特性。

在製作伸縮臂架時，在分開或併攏時，膠 條與膠條連接成的兩個平行四邊形正的形 狀會產生變化，這正是利用平行四邊形的 不穩定性原理，使整個機構通過收縮和伸 展，來控制臂架前後(或左右)移動。

有毒 (Toxicity)

有害 (Harmful)

腐蝕性 (Corrosion)

B . 直角運動連桿機構

施力是由縱向輸入垂直改變成橫向的輸出 運動方向。

輸入運動方向 輸出運動方向

張角式液壓夾爪：

張角式液壓夾爪是一種以徑向方式移動鉗口開 合的夾爪

編程︰計時和探色裝置

我們運用了mCore底板及編程，令靈機一捉變 成可以比賽鬥快的夾公仔機。

當玩家按下板載按鈕，板載LED就會隨機亮起 紅或綠燈，數字板亦會開始計時。當玩家把紅 或綠色毛球放到出口時，出口的顏色偵測器會 偵測到，數字板會停止計時。這時，如毛球的 顏色和板載LED的顏色相同，表情面板便會顯 示，如不便會顯示，這樣便可準確判斷哪 位玩家較快正確完成「任務」。

黃色桿是靜止固定的，當藍色桿運動時，

則其餘連桿（紅色及綠色即隨之而動，而 且各件之運動受到完全約束限制的）

A . 直角運動連桿機構

B . 連杆機構

爪的部分由連桿所聯結而成連桿組，可以 作出固定的相對運動，這種連桿組，便稱 為運動鏈。在一個運動鏈中，不是每一支 連桿至少與其他兩支連桿聯結，開口型鏈。

D . 爪的槓桿原理

輸入運動方向 輸出運動方向

鉗爪開合方向 液壓筒方向移動

C . 帕斯卡原理

利用液壓缸打開和關閉鉗爪

連桿連接著針筒型的液壓筒，利用推拉針 筒改變液壓，從而令到鉗爪開合。

探究過程

步 驟 八

用毛冷製作毛公仔

步 驟 九

利用Scratch或App Inventor製作隨機抽顏色app

步 驟 十

安裝探色裝置。

測試過程及結果

測試一：膠管粗度

我們選擇了兩種內徑為3mm 及 4mm 能接駁針 筒的膠喉管，在其他所有設定相同的情況下，

比較哪一種粗度的膠管能令液壓裝置較省力。

兩枝同是30mL 針筒、針筒內的液體是水，其 中一枝針筒及膠管內填滿水，然後用手提彈簧 秤量度拉動沒水的針筒所需的力量。

測試結果︰

內徑4mm( 較粗 ) 的膠管較省力，因此我們用 這種膠管製作展叉式臂架。

步 驟 一

利用鐳射立體切割裝置，製作所需要的木條或膠 條，並預留螺絲位。

步 驟 二

製作三組剪叉式臂架。

步 驟 三

製作機械夾

步 驟 四

用紙皮製作夾公仔機的機身

步 驟 五

將剪叉式臂架及機械夾適當地安裝至機身

步 驟 六

製作控制台

步 驟 七

利用膠管接駁控制台的針筒和臂架、機械夾的針筒

測試二：液體選用

選用哪種液體，能令我們的液壓裝置更省力 呢 ? 我們測試了密度、稠度（流動性）不一樣 的水、油和奶，放在兩枝同是30mL 針筒內，

其中一枝針筒及膠管內填滿測試液體，然後用 手提彈簧秤量度拉動沒水的針筒所需的力量。

水管 第一次 測試(N)

第二次 測試(N)

第三次 測試(N) 幼水管

（內徑3mm） 13 14 14

粗水管

（內徑4mm） 9 11 9

第一次 測試(N)

第二次 測試(N)

第三次 測試(N)

水 1.41 1.3 1.2

油 42 43 42

奶 （2茶匙奶粉+

100mL水）

41 46 45

Acetone

(100%) 1.415 1.8 1.72 Acetone & 水

（50ml Acetone

& 100ml水）

1.355 1.355 1.215 測試結果︰

測試三：剪叉式臂架物料

由於學校有鐳射立體切割裝置，我們可採用三種物料: 阿加力膠、圓孔塑料條、木條製作臂架。臂 架物料必須具備三種要素：不易折斷、輕、容易伸展和收縮。

堅固程度：

三種物料中，木最易折斷 ，阿加力膠和圓孔塑料條相當堅固。

輕重方面，阿加力膠 (加上螺絲、螺母及平介子）最重、最輕是厚木條。

測試結論︰

水及「Aceton & 水」比其他密度低或稠度高的 油和奶都更省力，基於液體的安全性，我們最 終選用水提供液壓動力。

木條／膠條 螺絲（短）

(6)

螺絲（長）

(1)

絲母 (7)

平介子

(7) 總重量

阿加力 1條2.641 5條13.205

1粒0.708

6粒4.248 1粒1.26 1粒0.396 1粒0.742 23.603

膠條 1條2.622 5條13.11

1粒0.232

6粒1.392 1粒0.305 1粒0.179 1粒0.017 3.355

木條 1條1.486 5條7.43

1粒0.186

6粒1.116 8.546

省力：

至於容易伸展和收縮方面，我們用了手提彈簧 秤測試用三種物料製作的剪叉式臂架（兩個半 交差），並測試拉出針筒所需要的力度。

綜合而言，各種物料的優劣如下:

雖然木條最輕和最容易伸展收縮，但在試玩期 間經常折斷。因此，我們認為最佳的物料應為 圓孔塑料條。

測試四：液壓剪叉式臂架縮短和伸長時 的長度差

長度差愈大，機械夾能移動的範圍較大，對玩 家而高應更有趣。可是，如剪叉式臂架伸長時 長度愈長，距離支點 ( 固定點 ) 愈遠，對負責 左右、前後向度的針筒構成的力矩較大，更容 易損毀。

為了在「趣味」和耐用方面取得平衡，我們嘗 試利用圓孔塑料條製作不同交差數量的剪叉式 臂架，並量度各臂架縮短和伸長時的長度差。

我們發現，交差數量愈多，長度差的增加逐 漸減少。如採用一個半交差作前後、左右向 度的臂架，只有11.6cm可移動實在太少；如 採用三個半交差，長度差比兩個半交差只多 了4.2cm， 但 伸 長 時 與 支 點的距離則增加了 8.5cm，令支點位置（即針筒）非常容易損毀。

因此，我們決定左右、前後向度採用兩個半交 差的剪叉式臂架，而上下向度使用一個半交差 的剪叉式臂架則已經足夠。

第一次 測試(N)

第二次 測試(N)

第三次 測試(N) 3mm厚阿加

力膠 16 19 18

3mm厚圓孔

塑料條 11 12 12

3mm厚木條 9.2 8.8 8.3

不易折斷 重量 容易伸展

收縮 3mm厚阿加

力膠 ★★★ ★ ★

3mm厚圓孔

塑料條 ★★★ ★★ ★★

3mm厚木條 ★ ★★★ ★★★

縮短時 長度 (cm)

伸長時 長度 (cm)

長度差

(cm) 備註 一 個 半

交差 4.6 16.2 11.6

兩 個 半

交差 6.5 28 21.5

比一個 半交差 增加 9.9cm

三 個 半

交差 11.2 36.5 25.3

比兩個 半交差 增加 4.2cm

臂長度

縮短時 長度

(cm)

伸長時 長度 (cm)

長度差 (cm) 一 個 半

交差

長14cm/

短7cm 17 20 3

兩 個 半 交差

長7.5cm/

短3cm 11 17 6

困難及改良 :

在這幾個月的探究中，我們遇到不少困難，亦 作出了相應的改良。

製作臂架的材料：

在開始時我們按照網上影片的指示用雪條棒製 作臂架，就發覺有幾個問題︰

⇒用電鑽時會容易鑽破雪條棒

⇒把雪條棒臂架加上針筒後，伸縮時會容易翹 起來及折斷。

⇒以牙簽固定臂架支點是不夠力去拉動臂架伸縮 就著這幾個問題，我們把雪條棒改為鋸木，但 過程十分費力，而且鋸出來的木條長度參差。

最後，由於學校增添了laser cutter，我們便可 以精準地切割及調校臂架的長度、寬度及鑽孔 的大小，與此同時，我們亦用普通有孔膠條作 測試，製作出來的臂架比以往穩固多了。

針筒選擇：

當我們進行了數次測試臂架的耐用度後，我們 發現當每次盡拉針筒時，都會令它翹起來，最 終令到針筒折斷。

後來我們調教了每次伸縮時，針筒展開的長 度，盡量避免把針筒長度拉盡。

固定臂架支點的位置：

臂架伸縮時並非以直線移動，即是伸展時的支 點與縮放時的支點位置不相同，如果勉強把支 點固定在其中一方，會令到臂架在伸縮時嚴重 翹起來，不但會影響伸縮的長度，亦會令臂架 物料折斷。故此，在伸展及縮放時的支點位置 之間取得平衡，並計算出最理想的伸縮長度。

夾爪製作：

在夾爪製作時，我們嘗試用不同爪部分的長度 與及開洞比例

如果把上圖兩開孔距離太窄，會令到夾爪打不 開；如果上圖兩開孔距離太闊，會令到夾爪不 能收起來

上圖的木棒長度若太長，就會令到夾爪打開時 沒有空間夾起物件；若長度太短，則會夾不起 物件，所以製作鉗時比例要計算得準確。

感想

應昊志同學：

簡宇謙同學：

我發現在一件事成功之前，是必須經歷許多的 困難。過程中有許多時候我們都必須絞盡腦汁 想出一些對策來解決問題。在這個過程中，我 學會了成功的背後都是經過很多次的失敗，並 非一時三刻便能達到目標。第二，我在參加常 識百搭的時候學會了許多科學知識，包括「帕 斯卡原理」和槓桿原理等等。因為在製作「夾 公仔機」的過程中，我能夠從中學習一些課本 上沒有的科學理論，令我能「邊做邊學」，對 科學有進一步了解。