3D 列印教具導入科學教育應用之探討

國立臺東大學綠色科技產業碩士專班 碩士論文

指導教授：林自奮 博士 傅昭銘 博士

3D 列印教具導入科學教育應用之探討

─以奈米科教為例

Study on the 3D printing for science education─ A case study of nano-

science educational moduli

研 究 生：莊永傑 撰

中 華 民 國 一 ○ 三 年 七 月

國立臺東大學綠色科技產業碩士專班 碩士論文

3D 列印教具導入科學教育應用之探討

─以奈米科教為例

Study on the 3D printing for science education─ A case study of nano-

science educational moduli

研 究 生：莊永傑 撰

指導教授：林自奮博士、傅昭銘博士

中 華 民 國 一 ○ 三 年 七 月

誌謝

回顧完成研究論文的這兩年來，首先要感謝的就是能高休閒育樂股份有限公 司 王文清董事長，大力支持我修業期間的所有學習。感謝指導教授 林自奮博士 與 傅昭銘博士，兩位老師用心的教導使我得以一窺奈米世界的奧妙，更使我能 夠有機會踏入 3D 列印應用的領域。在論文的修訂上，特別要感謝國立臺東大學 劉炯錫院長以及 廖國良導師寶貴與專業的意見與指正，使論文的內容能更加完 整與充實。老師們花費許多精力及時間指點我走正確的方向，從老師們身上學習 到在做學問上的嚴謹，以及將問題系統化處理的重要性，在此真摯的感謝老師們 的教誨與包容。

此外，我還要感謝綠色科技產業碩士班的所有同學們，除了陪伴兩年的研究 所生涯，一起經歷過的風風雨雨，也協助我解決在研究所上碰到的種種問題，不 論在學習課業上遇到困惑，或是生活上感到不安、煩惱時，給予我溫暖的支持與 建議，尤其同學春桂協助我完成了許多行政程序。感謝實驗室的思祈、璋佑、書 霆學長姐們，也提供了我許多寶貴意見，讓我能更加順利的完成我的研究。

最後要感謝的就是無時無刻一直關心、包容、支持我的家人與朋友們，感謝 您們一直以來的的關心和照顧。有家人幫忙我佈置口試會場，讓我能順利地完成 口試，以及在北上研究的時候，受到台北阿姨一家人的接納與照顧，同時也要感 謝多年的好友郅承、浩淇、子軒、珮媛、 上恩、詩敏，謝謝平時能與你們聚餐 談天，讓我暫時忘卻寫作的煩悶，在我研究生涯得到了許多的鼓勵與扶持，一起 陪我走過低潮的時刻，使我能夠重新振作於課業與研究。我要將這份喜悅與您們 分享，在此致上我最大的感激!

莊永傑 謹誌 2014 年 7 月

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3D 列印教具導入科學教育應用之探討

─以奈米科教為例

作者:莊永傑

國立臺東大學綠色科技產業碩士專班

摘要

本研究旨在探討 3D 列印技術於教具模組的教學應用；研究進行 乃以 3D 列印製作奈米科技教具模組為例，探討其融入教學施用對學 習的成效的影響。

由於奈米科技對產業發展影響深遠，我國及先進國家將奈米科技 融入教學列為科學教育實施重點．而奈米物質的微觀尺度結構，無法 用肉眼或放大鏡以觀察，教學上為能使學生容易理解奈米結構及解說 原理，運用輔助教具或模型以提升概念學習乃有必要．本研究利用 3D 列印技術製作奈米教具模組:比表面積效應模組及彩蝶效應模組，

並編制引用教具演示教學的奈米科技教案及教材內容．將此教具模組 平移給教師進行融入教學施用。

為探討 3D 列印教具模組對教師在教學上的施用，以及學生對奈 米科技概念的理解，本研究以半結構式問卷與訪談法作為探討工具，

於教學活動後發放問卷及晤談，再將資料進行統計分析．分析結果得 到，教師對 3D 教具模組施用於教學活動的接受度、使用態度、使用 狀況等皆有正向的回饋，且學生接受教師使用 3D 列印模組的教學活 動後，對奈米科技的概念認知與原理理解皆有提升。

關鍵詞:3D 列印、教具模組、奈米科技

。

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Study on the 3D printing for science education ─ A case study of nano-science educational moduli

YUNG CHIEH CHUANG

Abstract

This study aims to discuss the 3D printing technology in the teaching aids modules of the teaching application. The study is based on the 3D printing of nanotechnology producing teaching aids modules, researching the impact on teaching application in leaning effectiveness.

As nanotechnology has effect the industry development profoundly, our country and the advanced countries combine nanotechnology with teaching and regard it as the key of science education in practice.

However, we cannot observe the microscopic structure of nano-scale materials with the naked eye or a magnifying glass. It’s necessary for us to use the auxiliary aids or models to enhance the students in easily understanding the principles and concepts of nanostructures.In this study, we adopt the 3D printing technology manufacturing nano-aids modules:

specificsurface area effect and butterfly effect modules. We also demonstrate the preparation of teaching aids for nanotechnology lesson plans and teaching materials, which is applied into teaching by teachers.

To explore the 3D printing module aids for teachers in teaching administration, and the students’ understanding of the concept of nanotechnology, I took semi-structured questionnaires and interviews as tools to analyze them. First, I gave the testers questionnaires and did interviews after the teaching activities. Then I performed statistical analysis. The results turn out whatever the teachers’ acceptance, attitude and usage toward the 3D teaching aids have positive feedbacks. Besides, after students seeing teachers using those 3D printing modules, their awareness and the understanding of the theorem of nanotechnology have both increased.

Keywords:3D Printing, Aids module, Nanotechnology.

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目錄

中文摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧i 英文摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ii 目錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧iii 表目錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧iv 圖目錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧v

第一章 緒論

第一節 研究背景與重要性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1 第二節 3D 列印 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2 第三節 奈米科技 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧9 第四節 教具模組‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11 第五節 研究目的與待答問卷‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12

第二章 研究方法

第一節 研究設計與流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14 第二節 研究工具‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18 第三節 奈米科教 3D 列印模組設計‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 第四節 研究對象與限制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧28 第五節 名詞釋義‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29

第三章 結果與討論

第一節 教師對奈米科技融入教具應用的態度‧‧‧‧‧‧‧‧32 第二節 教師對 3D 列印教具的接受度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧35 第三節 教師施用 3D 列印教具於課堂上的狀況‧‧‧‧‧‧‧38 第四節 教師對 3D 列印教具的教學應用上有何需求‧‧‧‧‧41 第五節 學生對 3D 列印教具導入奈米科教的學習成效‧‧‧‧44

第四章 結論與建議

第一節 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47 第二節 建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

參考文獻

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表目錄

表 1-2-1 Rapid Prototyping types‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5 表 1-4-1 3D 列印教具、教師自製教具與坊間套裝教具的比較‧‧‧‧‧‧‧12 表 2-2-1 UP Plus2 3D Printer 的規格‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19 表 2-2-2 UP Plus2 3D Printer 的物理特性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20 表 2-2-3 UP Plus2 3D Printer 的環境要求‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20 表 2-2-4 奈米教具模組與 3D 印製之教學應用問卷類型表‧‧‧‧‧‧‧‧‧23 表 2-2-5 窺視奈米新世界問卷類型表 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23 表 2-3-1 表面原子比例對照圖表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 表 3-1-1 中南部教師問卷樣本人數統計 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧32 表 3-3-1 東部教師問卷樣本人數統計 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38 表 4-5-1 北部學生問卷樣本人數統計 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41

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圖目錄

圖 2-1-1 教學活動流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17 圖 2-2-1 UP!3D 印表機正面圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧18 圖 2-2-2 UP!3D 印表機背面圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧19 圖 2-2-3 彩蝶翅膀 3D 模型擺放示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21 圖 2-2-4 3D 列印基底層圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21 圖 2-3-1 Blender 表面原子比例設計介面 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 圖 2-3-2 UP 軟體列印設定介面 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 圖 2-3-3 3D Printer 列印圖(修改前的獨立式原子方塊模組) ‧‧‧‧‧‧‧25 圖 2-3-4 原子比例方塊成品(修改後組合式模組) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 圖 2-3-5 顯微鏡下的翅膀結構 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26 圖 2-3-6 Blender 蝶翼結構設計介面 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26 圖 2-3-7 列印中的翅膀結構 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26 圖 2-3-8 翅膀結構教具模組‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26 圖 2-3-9 (左)建設性干涉、(右)破壞性干涉 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 圖 2-3-10 建設性干涉搭配光束圖板示意圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 圖 2-3-11 破壞性干涉搭配光束圖板示意圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 圖 2-5-1 黃金熔點對粒徑的關係圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29 圖 2-5-2 大美藍蝶翅膀結構示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30 圖 2-5-3 光波的疊加(干涉作用) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31 圖 3-1-1 奈米科技融入課程施教之必要性‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33 圖 3-1-2 教師對各種教學資源的需求度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34 圖 3-2-1 運用 3D 列印教具模組施教對奈米科學課程學習助益統計 ‧‧‧‧‧ 35 圖 3-2-2 有興趣與有意嘗試使用 3D 列印教具模組於教學應用統計 ‧‧‧‧‧ 36 圖 3-2-3 指導學生學習 3D 列印對科技學習提升有無助益‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 37 圖 3-3-1 使用 3D 列印教具模組，學生對比表面積效應有無深刻的理解 ‧‧‧39

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圖 3-3-2 使用 3D 列印教具模組，學生對大美藍蝶的光學原理有無深刻理解‧40 圖 4-4-1 教師們認為使用 3D 列印教具模組教學的應用特色‧‧‧‧‧‧‧‧42 圖 4-4-2 教師們認為使用 3D 列印教具模組教學的應用特色‧‧‧‧‧‧‧‧43 圖 4-4-3 教師們認為使用 3D 列印教具模組教學的應用特色‧‧‧‧‧‧‧‧44 圖 4-5-1 學生認為 3D 列印教具模組對比表面積效應的理解有助益 ‧‧‧‧‧ 45 圖 4-5-2 學生認為 3D 列印教具模組對彩蝶絢彩顏色的物理光學原理的理解 ‧ 45 圖 4-5-3 學生認為對概念理解的助益程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46

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第一章 緒論

本論文探討利用 3D 列印技術列印教具模組導入奈米科技教學中，特別以 3D 列印教具模組作為輔助教材，探討 3D 列印教具在奈米教學上的應用，以及對於 學生學習成效之影響。

本章內容共分為四節，第一節為研究背景與動機，第二節為 3D 列印，第三 節為奈米科技，第四節為教具模組，第五節為研究目的與待答問題。 。

第一節 研究背景與重要性

3D 列印是 21 世紀的新興科技，被視為「第三次工業革命」的生產技術(Jeremy Rifkin, 2011)，此技術又稱做「增材製造(Additive Manufacturing，AM)」技術，

是透過層層疊加的方式來製造出實體，3D 列印的設計過程是透過電腦輔助設計 (Cad、Blender、3D Max 等 3D 繪製軟體)建立出三維的虛擬模型，透過電腦計算 並分割逐層的截面，再以 3D 列印機逐層列印出實體，運用快速成型(Rapid prototyping，RP)的技術，可有效率的製作出實體模型，使用的材料廣泛，包括 塑膠和金屬，現金已被用來製造原型或是直接製造最終成品 (經濟學人，2011)，

3D 列印能提高建造模型的效率，減少產生對環境的污染物，並可以大幅降低模 型產出的能源消耗及成本，是未來的重要綠色科技產業之一。

以 3D 列印技術從事教具模組製作，有教學應用的便利性，其融入教學施用 的探討，也有其必要．本研究以 3D 列印製作奈米科技教具模組為例，乃係由於 奈米物質的微觀尺度結構，無法用肉眼或放大鏡以觀察，教學上為能使學生容易 理解奈米結構及解說原理，應可運用 3D 列印製作輔助教具或模型以提升概念學 習．而奈米科技對產業發展影響深遠，我國及先進國家將奈米科技融入教學列為 科學教育實施重點．我國的國家型奈米科技計畫從 2002 年開始推行，至今已經

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進入到第二期，奈米科技 K-12 人才培育為其重點領域，主要內容有，開發奈米 課程的教案教具、種籽教師的培訓、教材及課程的設計、舉辦奈米科學營等．研 究者本身也親自與參與 103 年奈米科技 K-12 教育計畫的成果報告會議，並與執 行本計畫的教師團隊進行討論，協助開發奈米科技的教案教具，除了要將這個新 興科技帶入學校的學習活動外，並研究如何利用教具讓學生更容易了解奈米世界 的奧妙現象。在巨觀的尺度世界中，有許多現象人們可藉由觀察、學習並有深刻 的理解和認識，在過程中因為知識經驗的多寡與整合能力的差異，使每個人達到 理解的程度不一致。但奈米科技往往被視為一種高科技產業，與日常生活並無太 大關聯性，導致一般民眾對奈米科技保持著距離感，卻不知道奈米科技其實跟生 活是息息相關的。在接觸奈米微觀尺度的學習時，常常只能著重在書本的描述與 解說，而奈米的新穎現象得靠著想像或是媒體動畫來呈現，教師及學生能學習奈 米科技的機會通常得透過奈米相關的科學營或是演講活動，學校物理課程的內容 也較少論及到奈米科技，雖然其新穎的現象可以讓學生感到驚奇，但是也因為奈 米尺度的關係，在教學上不容易讓學生深刻理解產生其現象的物理原理，教師往 往需要透過輔助教材或教具讓學生透過實體的示意模型教具等作概念的傳達，讓 學生對奈米科技深奧抽象的觀念可視具體化後，更容易理解與吸收，進而對奈米 應用層面作發想，達到有成效的學習與教學。

第二節 3D 列印

一、3D 列印沿革

於 1984 年由 Hull Charles W.是現今 3D 市場領軍者之一，他創立第一家 3D 列印公司-3D Systems，Hull Charles W.也發表 12 項 3D 列印的專利，有「快速 成型之父」的稱號，在 1986 由 3D Systems 公司發佈了第一款商用 3D 列印機，

並且於 2012 年併購了 Corp Z 和 VidarSystems。在 1988 年，Scott Crump 發明

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了 FDM（熱熔擠制成型）技術，並成立了現在的 Stratasys 公司，且收購了以色 列的 Objet 公司，成為全球最大的 3D 印表機製造商。在 1989 年，美國麻省理工 學院的 Emanuel M. Sachs 和 John S. Haggerty 等在美國申請了三維印刷技術的 專利，之後 Emanuel M. Sachs 和 John S. Haggerty 又多次對該技術進行改良，

形成了現在的三維列印工藝。於 1993 年，麻省理工學院獲得 3D 印刷技術專利。

另外在 1995 年，美國 Corp Z 公司從麻省理工學院獲得唯一授權並開始開發 3D 印表機。在 2005 年，市場上首台高清晰彩色 3D 印表機 Spectrum Z510 是由 Corp Z 公司研製成功。在 2008 年，Objet 公司推出 Connex 500 多材料 3D 印表機。2010 年 11 月，世界上第一輛由 3D 印表機打印而成的汽車 Urbee 問世。在 2011 年 6 月，發佈了全球第一款 3D 列印的比基尼。同年 7 月，英國研究人員開發出世界 上第一台 3D 巧克力印表機。同年 8 月，南安普敦大學的工程師們開發出世界上 第一架 3D 列印的飛機。在 2012 年 11 月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次列印 出人造肝臟組織。由於 3D 列印的快速發展，至今 3D Printer 的價位不斷下降，

目前在市面上一台 3D 打印機的價格，依照各廠牌的售價及功能性差異有所不同，，

比起早期一台需要上萬美元的印表機，現在一台家用型的只需約 500 至 2000 美 元就可以買得到，企業型機種約 2000 美元以下就可以購得。

二、3D 列印的應用

3D 列印的應用非常廣泛，從家具用品、服飾配件、人工關節、醫療器材、

學術教育、軍工航太、工業設計、建築設計到交通工具等等，隨著各個 3D 列印 公司持續開發更精準且更種類的 3D 列印機，3D 列印能被應用的領域也隨之增多，

目前在國外已經有許多應用案例:如寶馬集團(BMW)利用 3D 列印打造符合人體工 學的輪椅，比同行的傳統輪椅更輕盈且更有個性化;香奈兒(Chanel)和怪獸 (Monster)合作的耳機，利用 3D 列印快速成型的技術完成了不可能的任務，在 8 天內打造出時裝秀所用的 6 款耳機機身;美國紐約的達芙妮(Daphne)公司，利用 了 3D 列印技術打造 (ready-to-wear)完美耐磨的女性鞋款;國外還有許多人體

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義肢及機械手臂開發的案例，使截肢者與殘疾者重獲新生活;另外在飾品、玩具 模型、手錶、眼鏡、手機外殼等等都是常見的 3D 列印應用。

因為本研究著重在教具模組於科學教育的應用上，故探討了國外對於 3D 列 印技術於教育上的研究發展與應用，發現了美國肯塔基州的柏里亞學院(Berea)，

已經有工藝美術系的 BradChristensen 教授將 3D 列印技術融入教學之中，他採 用熔融沉積成型（FDM）的技術教導學生如何從設計到印製蒸汽機的零件、火箭 模型及船槳螺旋等，並要他們了解 3D 列印涵蓋了工業以及教育領域，Christensen 認為要讓學生在 Berea 時就明白甚麼是快速成型(Rapid Prototyping)，他的教學目 標是讓學生在整個工程設計過程裡，包括集思廣益的過程、確認問題、定量與優 化組件等，而這個教學計劃也使學生獲得良好的學習經驗，在 44 名學生裡頭超 過 20 個人說這個活動影響了他們決定去參與涉及工程技術的主修。在華盛頓大 學聖路易斯分校（WUSTL）的生物醫學工程系，有一位 13 歲的女孩就用了 3D 列 印機印製了機器義肢，成本只花了 200 美元，市面上一個便宜的義肢也要 6000 美元(Justine Alford，2014)，由此看來 3D 列印在學習上及研發的花費也是相對便 宜的。若是生理學的教師可以打造人類的心臟，頭部的 3D 模型等，以教導學生 有關人體器官的知識。外國許多研究人員或教師們也認為 3D 列印提供 3 維視覺 輔助工具，使他們可以在專業領域上或是課堂上說明一些較難理解的概念。美國 日本、德國、英國等國的學校已經不斷在研究 3D 列印 RP 技術，不過使用 3D 列 印機不會立即就改變教學、課程或課程計劃，教師們需要時間和培訓，學校也需 要一段時間整合這項技術融入課程。

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三、3D 列印快速成型類型

3D 列印有多種不同工藝技術，但基本原理都大致相同，即將一定厚度的材 料反覆列印在平台上，直到生成整個成型件。按照不同的實作工藝，材料可以是 紙張、塑料、金屬、陶瓷等各種材料 (王文宏，2013)，有別於早期傳統的三維 雕刻技術(削減製造)，以削減的方式產生一個三維的物體。現今比較成熟的快速 成型(Rapid Prototyping；RP)技術可分為下述五種類型，整理如表 1-2-1。

表 1-2-1 Rapid Prototyping types

技術名稱 簡稱 材料 原理

光固化立體造型 （SLA） 光敏樹脂

光固化技術，主要使用紫外光敏樹脂為材 料，通過紫外光或者其他光源照射凝固成 型，逐層固化，最終得到完整的產品。

熔融沉積造型 （FDM） 熱熔性材料

熔融沉積是將絲狀熱熔性材料加熱融化，

通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。

熱熔材料擠出後層層沉積、固化最終成品。

選擇性鐳射燒結 （SLS） 粉末材料 SLS 利用粉末材料在鐳射照射下燒結的原 理，由電腦控制層層堆結成型。

三維粉末粘接 （3DP）

粉末材料 (如陶瓷、金 屬、塑膠等)

3DP 技術工作原理是，先鋪一層粉末，然後 使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，

讓材料粉末粘接，不斷重複鋪粉、噴塗、

粘接的過程，層層疊加，最終列印成品。

層片疊加製造 （LOM） 紙、陶瓷 箔、金屬箔

層片疊加製造工藝是將單面塗有熱溶膠的 箔材通過熱輥加熱粘接在一起，位於上方 的激光器按照數據，用激光束將箔材切割 成所制零件的內外輪廓，通過熱壓裝置和 下面已切割好的一層粘合在一起。

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(一)光固化立體造型（SLA）

光固化立體造型（Stereolithography，SLA)技術是最早發展起來的快速 成型(Rapid prototyping，RP)技術，也是目前研究最深入、技術最成熟、應 用最廣泛的快速成型技術。1984 年的第一台快速成形設備採用的也是光固 化立體造型工藝，現在的快速成型設備中，以 SLA 的研究最為深入，運用也 最為廣泛。該工藝的基礎是能在紫外光照射下產生聚合反應的紫外光敏樹脂。

與其它 3D 打印工藝一樣，SLA 光固化設備也會在開始打印物體前，將物體 的三維數字模型切片。然後電腦控制下，紫外激光會沿著零件各分層截面輪 廓，對液態樹脂表層進行逐點掃描。被掃描到的樹脂層會產生聚合反應形成 固態，最終形成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來 的液態，每層掃描完成後，工作檯就會下降一層凝固層的厚度並開始掃描下 一層，新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重覆此過程，直到整個零 件原型製造完畢。如果實體模型有懸空的結構部分，處理軟體會預先判斷並 生成必要的支撐工藝結構。為了防止成型後的實體沾粘在工作臺上，處理軟 體還必須先在實體模型底部生成一個網格狀的框架，以減少成品與工作臺的 接觸面積。

其優點有:尺寸精度很高，可達到：±0.1mm。可製作結構相當複雜的模 型；其缺點有：成形過程容易因為化學和物理變化，導致成品易產生彎曲變 形現象，液態樹脂有毒性有氣味，需要避光保存，以防提前發生聚合反應。

(二)熔融沉積造型（FDM）

熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling，FDM）技術的關鍵是保持熔 融的成型材料剛好在凝固點之上約 1∘C，最常用的熔絲線材主要是 ABS、人 造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料等，材料被加熱熔化後擠出，再受空氣冷卻 而凝固。由計算機三維輔助工具(CAD)建造數位模型，再透過電腦計算各層 截面的形狀至 3D 列印機，讓預熱完成的銅頭擠出細絲狀熔融材料於升降工

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作面板上，完成擠出一層的熱熔材料後，工作升降檯面會下降一層擠出材料 的厚度，經過反覆進行此過程，層層疊加最終完成模型。本研究所製作的教 具模組就是應用 FDM 造型技術打造。

其優點有:成本低，多種材料可以使用，如工程塑料 ABS、聚碳酸酯 PC、

工程塑料 PPSF 以及 ABS 與 PC 的混合料等。顏色可選擇多樣式，如黑、白、

紅、黃、藍、綠等。FDM 材料更換速度快，成形過程無化學反應，且去除支 撐材料容易，製造模型時也不易扭曲變形；其缺點有：精度較 SLA 工藝低，

約略可以看出紋路，最高精度約 0.15mm，相對於 SLA 成型時間較長。

(三)選擇性鐳射燒結（SLS）

選擇性鐳射燒結（Selected Laser Sintering，SLS），粉末材料選擇 性燒結採用 CO²激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結劑的混合粉、金屬 與粘結劑的混合粉等）進行選擇性燒結，依照離散堆積原理完成實體模型，

離散堆積的實質就是降維化處理，分層製造(SFF)技術即將三維的立體模型，

離散為容易加工製造的二維圖形，然後對二維圖形加以堆積，而實現三維實 體的製造。在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，並保持在粉末的 熔點以下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平台上鋪一層粉 末材料，用高強度的 CO²激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末 在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件截面，並與下面已成形的部 分連接，重複循環此過程，形成三維的原型零件。最後經過 5-10 小時冷卻，

即可從粉末缸中取出零件。粉末材料選擇性燒結快速原型工藝適合於產品設 計的可視化表現和製作功能測試零件。由於它可採用各種不同成分的金屬粉 末進行燒結處理，因 SLS 而製成的產品可具有與金屬零件相近的機械性能。

其優點有:材料利用率很高，未燒結的粉末可重複使用。與其它工藝相 比能產生較硬的模型，模型製造時無須產生支撐結構。；其缺點有：加上工 作室需要升溫和冷卻時間，成型時間也較長。由於受到粉末顆粒大小及激光

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點的限制，零件的表面一般呈多孔性，成型過程會有毒氣及粉塵產生。

(四)三維粉末粘接（3DP）

在 1990 年代初，三維粉末粘接（Three-Dimensional Printing，3DP）技 術由美國麻省理工學院(MIT)研發成功，截至 2011 年 2 月，麻省理工學院 已經發給六家公司牌照在其產品中使用和推廣 3DP 工藝技術。3DP 工藝與 SLS 工藝所使用的材料類似，皆是採用粉末材料，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不 同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如矽膠) 將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還 須後處理。大致上的工藝過程如下：上一層粘結完畢後，成型缸下降一個層 厚距離（0.013～0.1mm）,供粉缸上升一層高度，推出粉末，並被鋪粉輥推 到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在計算機控制下，按造下一層建造截面的數 據有選擇性地噴射粘結劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被集粉裝置收 集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個三維粉體的粘 結。未被噴射粘結劑的地方為乾粉，在成型過程中起了支撐的作用。

其優點有:成型速度快，成型材料價格低，成型不需要支撐結構，印製 完畢多餘得粉末去除容易，很適合製作內腔等複雜的模型；其缺點有：因為 強度低，只能做概念模型，無法拿來做功能性模具使用。

(五)層片疊加製造（LOM）

層片疊加製造（Laminated Object Manufacturing，LOM）快速原型技術 是根據三維 CAD 模型每個截面的輪廓線，在計算機控制下，發出控制激光 切割系統的指令，使切割頭作 X 和 Y 方向的移動。供料裝置將單面塗有熱 溶膠的箔材（如塗覆紙、塗覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材）一段段的送至工 作台的上方。激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓用 CO²激光束對箔 材沿輪廓線將工作台上的紙割出輪廓線，並將紙的無輪廓區切割成小碎片。

然後，由熱壓裝置將一層層紙壓緊並粘合在一起。若是紙材製造，並在每層

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成型之後，降低一個紙厚，以便送進紙材、粘合和切割新的一層紙。最後形 成由許多小廢料塊包圍的三維原型零件。然後取出，將多餘的廢料小塊剔除，

最終獲得三維產品。於製成的零件具有木質屬性，特別適合於產品設計的概 念建模和功能性測試零件。

其優點有:成型速度快，成型材料價格低，成型不需要支撐結構，印製 完畢可再進行切削加工，精密度高，製造時不易變形；其缺點有：不能製作 塑膠原料原型，模型表面有台階紋理，不適合製作太精細或是多曲面的模型，

製作完畢可能需要進行後續打磨。

第三節 奈米科技

一、奈米科技簡介

在 1959 年 12 月，理查．費曼（Richard Feynman）物理學家，他是最早提 出奈米理論的科學家，被稱為「奈米之父」，在美國物理年會的一場演講中《There is Plenty of Room at the Bottom》，提出未來有一天，人類可能隨心所欲地利 用小尺寸（奈米）材料並呈現出嶄新的應用，雖然當時奈米科技尚未存在，直到 了現在，許多當時費曼所提出的奈米概念都一一被實現了。

奈米(nanometer)是一個尺度單位，為十億分之一米的長度，一奈米約為 10 個氫原子的長度，根據美國的國家奈米科技啟動計畫(National Nanotechnology Initiative)將奈米科技定義為「在 1 至 100 奈米尺寸間，物體出現不同巨觀尺 度的新穎現象，現存科技應用此特性於奈米規模的延伸」。隨著尺寸縮小至奈米 級，原本就具有的微觀量子現象特徵會被凸顯出來，介於宏觀和微觀之間的「介 觀」物理現象便會顯現，許多物理性質會改變，在奈米尺度下，由於電子、光子、

聲子自身與彼此之交互作用，材料、元件及系統會展現出顯著改善或全然不同的 物理、化學及生物特性和現象(奈米國家型科技計畫辦公室)。

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如上述所說，在奈米尺度下就會有許多重要的現象產生，例如，比表面積效 應、蓮葉效應、光子晶體效應、壁虎效應、奈米磁及奈米金等等，這些奈米現象 已經被應用在許多高科技產業及生活用品上。如今奈米科技被視為一門新興的應 用科學，亦是近代重要的研究議題。

二、奈米科技之應用

奈米科技的效應可以被應用在食、衣、住、行、育、樂、醫學及國防上。

在食品上可以利用奈米技術，將營養成分細小分子化，增加吸收的效果。也 可以用在包裝上，添加入奈米顆粒，增加分子間的緻密程度，使氧氣不易進 出。市面上也有用奈米化纖維所做成的衣物可以達到防水、防塵、透氣、除 臭、殺菌等功能，或是在衣料上再加二氧化鈦的奈米光觸媒，能達到除臭、

消毒、殺菌的效果。奈米油漆，將奈米級的材料塗到玻璃、牆壁上，它就可 以有自潔的功能，這樣一來清掃起來會更輕鬆，其他家用設備，例如:奈米 抗菌馬桶、奈米冰箱、奈米冷氣、奈米光觸媒燈管等。在行的方面有使用奈 米級的玻璃顆粒混上塑膠，使玻璃不沾雨絲，不易附著污垢。育樂部分有「蓮 花效應」的特性應用，只要在紙上面塗覆奈米顆粒染料，達到防水的功效，

就可製成紙迷宮等遊戲。費曼先生曾說過：「如果可以把一套百科全書的資 料全部存在一根針尖大小的空間，眼睛看不到的微小世界裡，還有很大的發 展空間」，這個理論在未來也許不是不可能的事情。醫學上我們可以看到奈 米磁的特性的運用，奈米標靶藥物結合分子及磁性，用磁場吸引標靶藥物，

就能更精準、更直接地找到醫事人員要看的病菌。奈米材料在軍事上的應用，

最有名的就是九○年代的奈米隱形材料，在經歷 42 天的波灣戰爭中，F-117A 匿蹤戰鬥機執行任務達 1,270 餘架次，摧毀了伊拉克 95%的重要軍事目標，

卻無一架飛機受損。由此看來奈米隱形材料在現代戰爭中的重要性將是不可 言喻的。

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第四節 教具模組

教具的定義是指在教學過程中，教師或學習者所使用的一切有助於達成教學 目標的工具。國立教育資料館(2006)指出教學時為增進教學效果，促進學習者認 知與瞭解，所使用的教學器材稱為「教具」，郭春在、卓素慧(2008)認為教具係 指教師教學時為了達成教學目標，增進學生理解，記憶與教學效果，配合教材內 容與學生能力，設計製作或選擇運用各種器材或媒介物。

「教具模組」係根據教案設計、教學目標、教學內容，設計出一套模型教具，

每套教具模組皆配合不同的主題去做研發設計，教具模組須兼顧輔助教學及展示 等功能。本研究的教具模組是指利用 3D 列印技術打印出具有演示跟教學用途的 模型教具(傅昭銘，2006)。

一、 教具的功能

研究者歸納了學者的見解，將教具整理出以下幾種功能：

(1)引發學習動機；(2)吸引注意力；(3)改變學習態度；(4)促進學習互動(5)加 強理解內容概念；(6)增添視覺效果；(7)打破語言限制；(8)增進學習效果；(9) 啟發學生思考能力；(10)提高教師教學效能；(11)表現教師專業能力；(12)能幫 助達成教學目標。

二、3D 列印教具、教師自製教具及坊間套裝教具的比較

3D 列印教具幾乎整合了教師自製教具與坊間套裝教具的優點，如表 1-3-1 所示，不但美觀、耐用且容易修改教具元件，最重要的還是 3D 列印是一個環保 科技，除了減少不必要的能源消耗，還可以將 3D 列印這門新興科技帶入教學裡 頭，學校還可配合開設 3D 列印應用相關課程。其缺點是教師可能需要接受關於 3D 列印的培訓課程，學校得購入 3D 印表機或教師有意願自己購買使用。

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表 1-4-1 3D 列印教具、教師自製教具與坊間套裝教具的比較

第五節 研究目的與待答問卷

依據上述的研究背景與 3D 列印介紹，本研究目的為將 3 D 列印教具導入奈 米科技課程當中，探討教師在奈米教學上對使用 3D 列印教具模組的接受度，使 用狀況及使用上的需求，最後去分析 3D 教具在科學教育的推行可行性，並探討 學生對於 3D 教具模組使用的心得與學習成效，以作為將來相關研究或實務教師 自行設計輔助教具上的參考依據。

一、 研究目的

根據上述研究背景與重要性，本研究之研究目的如下：

(一)了解教師在奈米科技教育中，教師對導入 3D 列印教具的應用態度。

(二)了解在奈米科技教育中，教師對 3D 列印教具的接受度。

(三)教師施用 3D 列印教具於奈米科技教育課堂上的狀況 (四)教師對 3D 列印教具的教學應用上有何需求

(五)分析學生對 3D 列印教具導入奈米科教的學習成效

優點 缺點

坊間套裝教具

(1)美觀(2)方便(3)使用率高 (4)多元材質(5)不需耗時製作

(1)不耐用(2)價格昂貴(3) 不完全符合教學目標(4)若 單一零件壞掉修復困難 教師自製教具

(1)符合教學需求(2)成就感使 用意願高(3)功能性高(4)環保 (5)取代昂貴教具

(1)耗費教師時間(2)不美 觀(3)不耐用

3D 列印教具模組

(1) 符合教學需求 (2)功能性 高(3)隨時可以修改重新印製 (4)環保(5) 創新性 (6)耗材便 宜(7)美觀 (8) 耐用 (9)輕盈 好攜帶

(1)需要有 3D 列印機及輔 助軟體(2)教師要受過 3D 設計訓練

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二、 待答問題

(一)3D 列印教具模組導入奈米科技教學對教師教學的成效及影響？

(二)實施 3D 列印教具模組導入奈米科教後，學生對奈米科技認知概念的理解?

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第二章 研究方法

本研究依據研究目的設計出一套奈米科技教學模組，並透過 3D 列印機設計 印製了此教學活動的兩大主題教具模組，包含了奈米最重要的比表面積效應，以 及光子晶體的彩蝶效應。本章共分為五節：第一節為研究設計與流程，第二節是 研究工具，第三節介紹奈米科教 3D 列印模組設計，第四節為研究對象與限制，

最後第五節為名詞釋義。

第一節 研究設計與流程

一、研究設計

為了解 3D 列印教具模組導入奈米科技教學的可行性及成效之影響，研究者 本身實際參與教學活動過程及觀察研究對象，研究對象分為兩個部份，第一部分 是對於教師的施教，於教學活動後發放開放式問卷「奈米教具模組與 3D 印製之 教學應用問卷」，第二部分是對學生的施教，於教學活動後發放問卷「窺視奈米 新世界講座問卷」。問卷內容包含有質性問答部分，根據問卷內容蒐集研究對象 當下情境的答案，再將質性問答與量化問卷搭配與研究對象晤談探討質性內涵。

由於研究者本身並非是教學者本身，招募了一位資深的奈米專家並擁有 10 年以上的奈米研究經驗，共研究設計奈米教案、協助進行教學活動，以及編訂問 卷內容，與此奈米專家討論發展出一套 50 分鐘的「窺視奈米新世界」的教學活 動，並設計了搭配此活動的兩大主題教具模組:比表面積效應的原子比例教具模 組與光子晶體中的彩蝶翅膀結構教具模組，在教學活動中經過設計的教學時間點 帶入教具模組，待教學活動結束後發放問卷，活動設計分別如下：

(一)以中南部 29 位教師為研究對象(教師 A)

於 29 位中南部教師(教師 A)教學活動後，發放「奈米教具模組與 3D 印 製之教學應用問卷」，依據問卷量化統計與質性問答分析，並於教學後找研 究對象教師做晤談探究 3D 列印教具模組導入奈米教學之成效，了解在職教 師對於應用 3D 列印教具教學奈米科技的教學態度及對其的接受度等。

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(二)以東部 5 位教師為研究對象(教師 B)

因為本研究在台東進行，研究者認為應該要協助東部地區的教學資源，

故另外找尋了五位有意願及時間上允許配合的花東地區國中自然科教師(教 師 B)，透過平移教案教材的方式，讓這五位研究對象成為教學者本身，實 施 3D 列印教具應用的臨床教學，並於施教後填寫「奈米教具模組與 3D 印製 之教學應用問卷」，了解教師使用 3D 教具於教學上的使用現況。

(三)以北部 100 名高中數理資優生為研究對象

最後也針對 100 名高中生進行奈米教學活動，此 100 名學生皆來自各校 數理資優班，物理程度中上水準，但是對奈米科技的認識有 66.67%的學生 稍微涉獵且多不理解，透過本研究開放性的「窺視奈米新世界問卷」從學生 的角度得知，3D 列印教具模組在奈米教學應用上之成效與影響。

二、研究流程

本研究教學活動設計流程主要分為課程準備階段、課程發展階段、3D 列印 教具設計階段、正式教學階段及資料分析五個階段，其中正式教學階段又分為中 南部教師(教師 A)、東部教師(教師 B)及學生三種流程設計，說明如下：

(一)課程準備階段

1.蒐集資料、確定教學主題：閱讀國內外 3D 列印的相關文獻，以及奈米科 技教育相關文獻，並與奈米專家、資深物理教師討論後，訂定研究目的與待 答問題，從中逐步找出研究主題與方向。

2.確定 3D 教具模組印製方向：根據教學主題，選定能將奈米教學活動中，

可透過模型教具教導及具有可視具體化意義的模型來製作。

(二)課程發展階段

1.設計教學活動：確定教學對象後，根據研究目的與相關文獻擬定教學目標，

並進行初步教學活動及問卷設計，並開始設計 3D 教具的三維數位模型。

2.專家、資深教師進行審查：由專家進行審查，並修編「奈米教具模組與 3D 印製之教學應用問卷」及「窺視奈米新世界問卷」內容，根據問卷修編

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結果，修改教學活動設計，加強確定 3D 教具帶入課程的時機。

3.與數位高中資優生進行施教：透過奈米專家至新北市某高中的數理資優班 進行「窺視奈米新世界」的教學活動，並套入初版的 3D 列印教具模型施教。

4.修改問卷內容：進一步與教學者討論教師問卷，並將問卷修改成奈米教具 模組與 3D 印製之教學應用問卷。

(三) 3D 列印教具設計階段

1.確認設計主題：與專家學者挑選出適當的奈米課程，決定選用比表面積及 彩蝶效應為主要教學內容，並討論即開始設計粗略的教具模型。

2.3D 數位模型設計：在電腦上建製 3D 模型，確認實際印製的大小及樣式。

3.修改教具模組：透過奈米專家至新北市某高中的數理資優班進行「窺視奈 米新世界」教學活動後，依據專家的實際教學經驗來修正教具模組的設計。

(四)正式教學階段 1.進行教學

(1)對中南部教師進行教學活動（約五十分鐘），教學中全程拍攝錄影。

(2)對東部教師進行教案教材平移，並於其課堂上進行本研究之教學活 動（約五十分鐘），教學中全程拍攝錄影。

(3)對北部數理資優高中生進行教學活動（約五十分鐘），教學中全程拍 攝錄影。

2.發放問卷

(1)教學結束後給予研究對象(教師 A、教師 B)填寫研究者編製之奈米教 具模組與 3D 印製之教學應用問卷(約十分鐘）。

(2) 教學結束後給予研究對象(學生)填寫研究者編製之窺視奈米新世 界問卷(約十分鐘）。

3.進行晤談：教學後，研究者根據問卷質性問答的內容，進行個別晤談，並 進一步了解教具模組施用的狀況及教學成效。

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(五)資料分析

回收發放的問卷，分析問卷量化題及輔以質化的半結構式晤談兩部分。

整理教師們的晤談內容，探討研究對象對於此教具的使用心得及回饋，以了 解教師對於 3D 教具模組導入奈米課程的接受度及有無興趣學習及應用於教 學；也探討學生對於 3D 列印教具模組導入奈米課程有無學習助益，是否對 奈米概念更加理解。整理流程圖如 2-1-1。

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第二節 研究工具

本研究的研究工具包含了印製教具模組之 3D 列印機(3D Printer)及奈米活 動問卷。關於 3D Printer 分別介紹本研究所使用的 3D Printer 結構與規格還有 3D Printer 教具模組印製的操作步驟，問卷的構面分析如表 2-2-4、表 2-2-5。

一、3D printer 結構與規格

本研究所使用的印表機是購至台灣總代理公司國航科技的 UP Plus2-3D Printer,機台的主要外型介紹如圖 2-2-1 及圖 2-2-2 所示。

(圖/取自國航科技 UP!Plus 中文用戶手冊)

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/ (圖/取自國航科技 UP!Plus 中文用戶手冊)

二、 UP Plus2 3D Printer 規格

聚乳酸(Poly Lactic Acid，PLA)是由像玉米或甘蔗等再生能源所製成的塑 料，通常比較容易列印，不太需要使用加熱板也較不會翹曲變型。在適當的環境 條件下 PLA 可以被生物分解。ABS 則是由化石能源提煉出來的，硬度高抗碰撞，

因此經常被用來製作機械件或零件，本研究是用 ABS 塑料印製教具模組。3D 列 印機 UP Plus2 的規格請參閱表 2-2-1、2-2-2、2-2-3。

表 2-2-1 UP Plus2 3D Printer 的規格

電源要求 100-240VAC,50-60Hz,200W

模型支撐 自動生成支撐

輸入格式 STL

操作系統 Window XP/Vista/Win7/Mac

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表 2-2-2 UP Plus2 3D Printer 的物理特性。

打印材料 ABS 或 PLA

材料顏色 白色/黑色/红色/黄色/蓝色/绿 色

層厚 0.2mm-0.4mm 打印速度 10-100 公分³/時 成型尺寸 140x140x135(毫米) 列印機重量 5 千克(11 磅) 列印機尺寸 245x260x350(毫米)

表 2-2-3 UP Plus2 3D Printer 的環境要求

室溫 15°C-30°C 相對濕度 20%-50%

三、 教具模組印製的操作步驟

(一)安裝：組裝好 UP Plus2 3D Printer 機台，並安裝好 UP Plus2 3D Printer 驅動程式。

(二)啟動：插入電源線並打開電源開關，長按開機鍵 3 秒直到出現警示聲，

亮綠燈後表示開機完成，並可啟動電腦上的 UP 操作軟體。

(三)調整：調整平台的水平及垂直高度，UP 操作軟體有個維護選項，開啟 維護介面後可進行水平及垂直高度的調整，並可以設定列印平台的預設 高度，調整平台至離噴嘴 2mm 為基準，打印平台的各個頂點的水平高度 一般不可以相差 5mm 以上，否則會影響教具模組成型的完整性。

(四)設定：在 up 軟體裏頭可以設定每一層的厚度、材料與材料間的緊密度、

印製方向及多少的傾斜角度需要使用支撐材料等。印製本研究之教具模 組每層設定為 0.2mm 的厚度，緊密度唯一般預設值，在印製比表面積原 子球體模型時，為了避免後續要清除支撐材料的工作，所以設定傾斜角 度小於 10 度才產生支撐材料，經過測試後不用支撐材料也能完整的印 製出來。在印製彩蝶效應的翅膀結構時，將翅膀結構方向改變，聖誕樹

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結構不以 Z 軸方向站立，而以 X、Y 軸的方向擺放印製，如圖 2-2-3 所 示，擺放的方位也會影響列印的品質、速度、耗材量及後續處理時間。

圖 2-2-3 彩蝶翅膀 3D 模型擺放示意圖

(五)列印：匯入設計好的 STL 模型檔案，並調整列印檔案大小及方向，從維 護選項中讓銅頭加溫預熱至 80°C 以上，即可按下列印，此時電腦會計 算每一層的圖形及時間傳送至 3D Printer，3D Printer 便開始自動列 印模型，途中都可以按下緊急停止。若是模型太大超出列印平台則可能 會造成機器損壞，模型也會印製失敗，所以在事前的調整需要很謹慎，

列印空間也要控制溫度，變化太大或是氣流都可能會影響列印品質。

(六)成品：列印完成後銅頭會歸位並開始降溫，等工作平台稍微降溫後便可 取下列印平台上的洞洞板，在列印模形前會在洞洞板上列印幾層不同紋 路的基底層，如圖 2-2-4，用途是在印製完畢後模型可比較容易鏟離洞 洞板，用特定的鏟刀將教具模組鏟離洞洞板後，就算完成 3D 教具印製

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了，列印完畢後長按 3 秒電源鍵，待警示聲響起並起亮紅燈表示關閉成 功，拔除電源線及 USB 接頭。

(七)維護：可以趁著銅頭微溫狀態的時候，使用鑷子夾著紙巾將銅頭周圍的 殘留塑脂擦拭乾淨，使用特定的鏟刀將洞洞板上殘留的模型基底層刮除 乾淨，以便下次使用。列印前要注意 ABS 塑材線圈的剩餘幾公克(g)，

以及要列印的教具模組要消耗幾公克的材料，若是模組重量大於剩餘 ABS 重量，則需要更換新的 ABS 線圈，以避免印製到一半時終止。

圖 2-2-4 3D 列印基底層圖

四、奈米課程問卷

本研究所編製的奈米課程問卷共分成二部分，第一部分是給教師的「奈米教 具模組與 3D 印製之教學應用問卷」；第二部分是給學生的「窺視奈米新世界問卷」。

教師問卷共分四個向度、12 個問題，包含「奈米科技融入教具應用的態度」2 題，「3D 列印教具的接受度」3 題，「施用 3D 列印教具模組的狀況」4 題，「對 3D 列印教具的教學應用上有何需求」3 題；學生 3D 教具應用只探討一個向度「3D 教具導入教學的學習成效」，內容類型表如下。

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表 2-2-4 奈米教具模組與 3D 印製之教學應用問卷類型表

向度 題號 內容

對奈米科技融 入教具應用的 態度

1 將奈米科技融入基礎科學課程教學,對學生學習基礎

物理概念有無幫助?

2 在進行奈米科技教學時,您希望能獲得哪些奈米科技

教學的輔助以協助進行?

對 3D 列印教具

的接受度 3 在奈米科技融入基礎科學課程教學上,運用 3D 列印教

具模組施教對學習有無幫助?

9 使用 3D 列印教具模組後,您對該教具於教學應用有更 多的興趣與有意嘗試教學應用?

12 指導學生課外學習 3D 列印科學模組,對科技學習提升

有無助益?

施用 3D 列印教

具模組的狀況 4 您在使用 3D 列印教具模組前,學生對於比表面積效應 (如熔點與粒徑關係)有深刻的理解?

5 您在使用 3D 列印教具模組後,學生對於比表面積效應 (如熔點與粒徑關係)有深刻的理解?

6 您在使用 3D 列印教具模組前,學生對於大藍彩蝶絢彩 顏色的物理光學原理有深刻的理解?

7 您在使用 3D 列印教具模組後,學生對於大藍彩蝶絢彩 顏色的物理光學原理有深刻的理解?

對 3D 列印教具 的教學應用上 有何需求

8 使用 3D 列印教具模組後,您認為該教具的的教學應用

特色有哪些?

10 您對嘗試使用 3D 列印教具模組於教學應用的方式?

11 您對使用 3D 列印教具於教學應用,需要有何協助以利

進行自己使用?

表 2-2-5 窺視奈米新世界問卷類型表

向度 題號 內容

3D 教具導入教

學的學習成效 14 你認為使用 3D 列印教具模組,對比表面積效應(如熔點

與粒徑關係)的理解有助益?

15 你認為使用 3D 列印教具模組,對彩蝶絢彩顏色的物理

光學原理的理解有助益?

16 本次講演中使用的教學模組,對你概念理解的助益程

度

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第三節 3D 列印模組設計

透過本研究設計的教學活動內容，教學活動為比表面積效應及彩蝶效應兩個 主題，所以選擇用這兩主題製作本研究的 3D 列印教具模組。

一、比表面積效應教具模組

由比表面積選擇了製作原子比例方塊模型(2x2x2、3x3x3、4x4x4)，以奈米 教學 PPT 表面原子比例對照圖表為設計圖稿，如表 2-3-1;先經由電腦的 3D 輔助 工具(Blender)設計三維的模型圖，如圖 2-3-1；再轉成 STL 檔匯入 3D Printer 的 UP 軟體，調整列印的尺寸及數量等，如圖 2-3-2；啟動列印並等待完成，如 圖 2-3-3；列印完成，可以於教學上使用，如圖 2-3-4。

表 2-3-1 表面原子比例對照圖表

表面原子數 總原子數 表面原子百分比

26 27 96%

56 64 88%

98 125 78%

圖 2-3-1 Blender 表面原子比例設計介面

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圖 2-3-2 UP 軟體列印設定介面

圖 2-3-3 3D Printer 列印圖(修改前的獨立式原子方塊模組)

圖 2-3-4 原子比例方塊成品(修改後組合式模組) 三、 彩蝶效應教具模組

彩蝶效應則以彩蝶翅膀結構為主體，首先以翅膀結構放大圖為參考(圖 2-3-5)，再經過多次的討論及修改，才完成確定版本的彩蝶翅膀教具模組，同上 使用 Blender 設計軟體建製 3D-model(圖 2-3-6)，印製中的翅膀結構(圖 2-3-7)，

因為模型無法與真實的結構一致，只能算是立體化的概念模型，用以輔助教師課

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堂上的講解光的干涉作用及演示用，完成印製的版本(圖 2-3-8)長 8cm、寬 3cm、

高 4cm，將模型加以精緻化，讓教師容易在課堂上展示且攜帶方便。

圖 2-3-5 顯微鏡下的翅膀結構

圖 2-3-6 Blender 蝶翼結構設計介面

圖 2-3-7 列印中的翅膀結構 圖 2-3-8 翅膀結構教具模組

彩蝶效應的光波圖板製作如圖 2-3-9，講解光的干涉作用時搭配教具模組使 用示範圖，建設性干涉如圖 2-3-10，破壞性干涉如圖 2-3-11。

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圖 2-3-9 (左)建設性干涉、(右)破壞性干涉

圖 2-3-10 建設性干涉搭配光束圖板示意圖

圖 2-3-11 破壞性干涉搭配光束圖板示意圖

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第四節 研究對象與限制

一、 研究對象

本研究為了探討教師對於 3D 教具模組導入奈米科技教育課程的推行成效，

所以特別以教師為研究對象，以中南部的國高中在職教師與東部的國中教師為一 個研究對象群體。另外以北部的 100 名高中資優生為研究對象，探討此 3D 教具 模組應用於奈米科技課程的學習成效。

二、 研究限制

本研究因為教學時數的限制，僅以比表面積效應及光子晶體的彩蝶效應為主 題，其它奈米的相關課題及內容則不在本研究的範圍之內。因學校行政上及教師 們的課程安排，無法讓每一位教師施以平移教學，故研究者找尋到五位東部的國 中自然科教師，其時間上可以搭配且有意願協助施教本教學活動。礙於研究對象 教師都有原本的課程進度安排，僅進行一堂課的教學時間。本奈米課程牽涉到光 的干涉作用，雖然國、高中生課程裡只有提及較多的光反射與折射現象，但是比 起國小生更為適合做研究對象來探究學習成效。

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第五節 名詞釋義

一、比表面積效應

奈米科技中的比表面積效應其實是源自於表體比的概念，指表面積與體積之 比值或單位體積的表面積（表面積/體積），以邊長為2cm的正方體為例，其表面 積等於24cm²，其體積等於8cm³，表體比為3平方公分/立方公分，若是將此方塊平 均切成邊長為1cm的8個方體，其表面積變為48cm²,體積變為8cm³，表體比變為6 平方公分/立方公分。由以上例子可以得知，當物質顆粒越小，其表體比就越大，。

張彣鈺(2011)在奈米科學中的表體比是一個重要的概念。當材料尺度由巨觀 到微觀的過程，它所代表的意義不只是尺寸的縮小，隨著物體大小縮小到奈米級 的過程中，許多嶄新而豐富的物質特性會慢慢凸顯出來，如光學性質、導熱性、

磁性、電性等，因此也就衍生了許多新應用。

材料的性質變化與其表面上的原子數比例有關係，當黃金粒徑縮小為奈米等 級時，熔點會顯著下降(圖2-5-1)，這也是比表面積效應所導致，因為表面原子 的高活性不穩定特性與內部的原子不同，若是小至奈米等級時，表面原子比例會 明顯的增加，造成表面原子呈現不穩定的狀態，造成黃金熔點下降，因此可以說 明如表面活性、表面催化力、吸附力等皆會因為表體比變大而增強。

圖 2-5-1 黃金熔點對粒徑的關係圖

圖/取自 T. Castro, R. Reifenberger, E. Choi, and R. P. Andres, Phys. Rev. B, 42, 8548 (1990)

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二、彩蝶效應(B utterfly effect )

彩蝶效應一詞是我國在推動 k-12 奈米科技教育時，針對一些蝴蝶的翅膀，

在不同角度觀看時，看到不同的顏色而創出的一個名詞，綜觀國外對於這現象是 歸屬在光子晶體(photo crystal)的領域內（鍾志輝，2008）。

於 1704 年牛頓在 Opticks 一書中提到孔雀羽毛會呈現多彩的成因。孔雀羽 毛的外層主要由角質所組成，其折射率大約 1.53，而空氣的折射率 1，由於兩者 的差異，光在經過這兩個介質間，會有折射的現象發生，牛頓推測這就是造成孔 雀羽毛鮮豔色彩的原因，經牛頓在孔雀羽毛上滴入折射率與角質相近的油滴，發 現原本鮮豔的色彩變淡且模糊，油滴去除後又恢復原來本色。一般來說有兩個機 制能造成蝴蝶翅膀上絢麗的顏色，一個是化學色素來呈色，因為色素會吸收某些 波段的色光，因而能呈現不同的色彩，而這種色彩不會因為觀看角度、光線強弱 而改變。另一種為物理色，又稱結構色，因為翅膀本身的結構，造成光有反射、

折射等現象，導致顏色的改變。

大美藍蝶的翅膀會產生不同的絢彩，正是因為其翅膀上每一鱗片上佈滿了許 多狹長的條狀結構，形狀類似山脊構造，深度約在 700nm -1.5μm、間格寬度為 1μm，其底部是由類似聖誕樹枝狀的多層突出的角質層組成(Christmas

tree-like structures、multilayers)多層突出的角質層從上到下排列，上層突 出較少。愈往下層突出的就愈多，大約有 10 層突出的角質層構造。因此對光線 而言，是射入到的兩種不同折射率的物質上，一是角質層，一是空氣，就形成了 多層膜結構，如圖 2-5-2（鍾志輝，2008）。

圖 2-5-2 大美藍蝶翅膀結構示意圖

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光的本質是電磁波，具有波動性，當一束光線進入大藍彩蝶的翅膀多層膜結 構時，會造成反射光及部分折射光，經不同折射率到達下一層時候再反射，然後 又有一部分光折射，光在入射與反射時出現光程差不同，當這些反射的光波形成 波峰對波峰的時候會產生建設性干涉，就會呈現該色光。當波峰對波谷時，形成 破壞性干涉，該顏色就會消失(如圖 2-5-3)，這也是為什麼從不同角度觀看蝴蝶，

會觀察到不同的色彩呈現，此現象被稱為「彩蝶效應」。

圖 2-5-3 光波的疊加(干涉作用)

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第三章 結果與討論

本研究為了解 3D 列印教具導入奈米科技課程的推行及學習成效，研究者編訂問 卷並依據教學活動流程蒐集量化數據和質性資料，本章將分為四小節來進行分析 與討論。第一節為教師對奈米科技融入教具應用的態度，第二節為教師對 3D 列 印教具的接受度，第三節為教師施用 3D 列印教具於課堂上的狀況，第四節教師 對 3D 列印教具的教學應用上有何需求，第五節為學生對 3D 列印教具導入奈米 科教的學習成效，每節將質性與量化的資料彙整分析做得知研究結果，並將晤談 的質性內涵做綜合整理。

第一節 教師對奈米科技融入教具應用的態度

一、研究樣本

本節研究為了解教師對奈米科技教學之意願，以及教師對教學輔助工具導入 奈米科技教學的需求性，研究者透過與奈米專家門討論編訂問卷，對在職的國高 中(職)自然科教師進行研究調查。以中部、南部及東部的 25 位國高中在校教師 發放問卷，回收有效問卷一共 24 份，問卷回收率 96%，如表 3-1-1 所示。

表 3-1-1 中南部教師問卷樣本人數統計

任教年資

性別

小計

男 女

十年（含）以下 8 1 9 十年以上 13 2 15

總計 21 3 24

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二、問卷分析

(一) 將奈米科技融入基礎科學課程教學,對學生學習基礎物理概念有無幫 助?

根據統計結果，奈米科技融入基礎科學課程教學,對學生學習基礎物理 概念，有 41.67%的教師表示同意，更有 54.17%的教師表示非常同意，而有 4.17%的教師表示非常沒幫助，如圖 3-1-1 所示。

圖 3-1-1 奈米科技融入課程施教之必要性

實驗結果顯示如同奈米研究文獻顯示，較多的教師同意將奈米科技題材 融入科學課程施教，認為可以藉由奈米產生新穎的現象，讓學生對基礎物理 的概念更深入也學到更多。然而有部分教師非常不同意。

因為本奈米教學活動不是為了要融入課程裡面，一般課堂裡也不會教到 或是當作考試範圍，本研究的教學活動比較類似像一種講座活動，以深入淺 出的方式介紹奈米世界的現象和知識，推廣奈米科學的重要性，也使用 3D 列印教具模組做輔助教學工具，進一步了解教師們認為此教學輔助教具的實 用性及可推行性，訪談後發現：教師們覺得奈米科技對學生的物理概念有幫 助，不過因為奈米有些觀念太廣太深，不適合現在的國高中生，課堂時間也 不太足夠完整介紹，其次是因為奈米不列入考試範圍內，課本上也沒有。

奈米科技涵蓋的領域很廣泛，對於物理概念學習及應用都非常有幫助，

可惜有些內容對高中生來說又太深，似乎只能初步介紹到奈米的嶄新現象，

不能有太多的數學及太深的觀念在裏頭，而且要放入現在的課程裡有些困難，

因為考試也沒有考到這裡。………【T103041306】

非常沒幫助 沒幫助 有幫助 非常有幫助

人數比例 4.17% 0.00% 41.67% 54.16%

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

34

(二）在進行奈米科技融入教學時，您希望能獲得哪些奈米科技教學的輔助 以協助進行？

為了解教師對各種教學資源的需求性，將以 5 分代表非常需要、需要為 4 分、可有可無為 3 分、不需要為 2 分、完全不需要為 1 分。由 6 名教師分 別以其需求性來進行評分，最後以加總後的平均分數高低來分別評鑑各種 教學資源輔助的必要性，如圖 3-1-2 所示。

圖 3-1-2 教師對各種教學資源的需求度

由統計結果可知，教師們對教材（平均 4.47 分）、實物展示模組（平均 4.45 分）、PPT 投影片（平均 4.14 分）、動手小實驗（平均 4.24 分）及教學示範 影片（平均 4.05 分）的需求教高，其次則是動畫媒體（平均 3.95 分）、3D 列印教具模型（平均 3.86 分）、及教案（平均 3.85 分）。而對於觀念測驗題 組（平均 3.35 分）及學習單（平均 3.3 分）的需求度較低。

教師在教學上如果可以獲得教材、演示教具模組及動手實驗包，可以省去多 數的教學準備時間，可以提升教師教學意願，教學的趣味性及完整度，進而 提高教學成效。

3D 模型是很創新很棒的教具，可以讓奈米看不見的更具體化，不過教 案、教材及 PPT 也是很重要的，動手做實驗及真的彩蝶、九孔的標本可以 讓學生更記憶深刻，而多媒體影片在講解上也是很有幫助……【T103041323】

3.85

4.47

4.14 4.45

3.86 4.24 3.95 4.05

3.3 3.35

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.55

人數比例

35

此處 3D 列印教具模組並未得到高分，探討其可能原因是因為目前開發 出的 3D 教具模組在教學的演示及解說上是有用處的，可是在本教學模組的 PPT 投影片已經有表體比原子比例的二維圖形，而彩蝶翅膀的 3D 教具模組 主要在呈現蝴蝶翅膀結構，還需要搭配設計好的光波紙板教學，無法以 3D 教具模組一體呈現。

感覺比表面積效應的原子模型跟 PPT 上面的差不多………【T103060617】

第二節 教師對 3D 列印教具的接受度

一、研究樣本

本節欲了解教師是否接受 3D 列印教具模組導入奈米科技教學，並探討是否 有對奈米較學有幫助。研究對象比照上節所述，如表 3-1-1 所示。

二、問卷分析

(一)在奈米科技融入基礎科學課程教學上,運用 3D 列印教具模組施教對學 習有無幫助?

有 66.67%的教師認為 3D 列印教具模組施教對學習是有幫助的，也有 33.33%的教師表示非常有幫助，沒有老師認為沒幫助甚至非常沒幫助，如圖 3-2-1 所示。

圖 3-2-1 運用 3D 列印教具模組施教對奈米科學課程學習助益統計

非常沒幫助 沒幫助 有幫助 非常有幫助

人數比例 0.00% 0.00% 66.67% 33.33%

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

36

由數據統計可知，教師們皆同意透過 3D 列印教具模組施教對學習是有 幫助。也有教師認為 3D 列印是很新興的科技運用，可以帶入教學讓學生認 識 3D 列印。許多的教師則認為 3D 教具模組有具體化且幫助理解的功用。

此技術正夯，可以順便讓學生認識這項科技，奈米是肉眼看不見的，如 果放大的教具模型可幫助理解，形成學生的具體印象………【T103041318】

(二)您對使用 3D 列印科學模組於教學應用有興趣與有意嘗試教學應用?

有 62.5%的教師有意願嘗試學習 3D 列印及應用科學模組於教學應用上，

4.17%的教師不同意也不反對，也有 33.33%的教師表示非常同意，沒有教師 認為反對甚至非常反對，如圖 3-2-2 所示。

圖 3-2-2 有興趣與有意嘗試使用 3D 列印教具模組於教學應用統計 經過訪談後發現：有些知道 3D 列印的教師都很有興趣使用，也有許多 老師是認為使用 3D 教具模模組教學容易觀察且可從不同角度去學習，又可 以加強學生對觀念的印象，很樂意接受這種開放式的教學方式。

我知道此技術目前在許多領域都開始嘗試運用，如能普及化，有助於我 們想像所及的物件，直接製作出來，對於教學的說服力應該非常大………

【T103041318】

有東西加強印象，不用抽象思考………【T103060604】

(三)指導學生課外學習 3D 列印科學模組,對科技學習提升有無助益?

非常反對 反對 不同意也

不反對 同意 非常同意

人數比例 0.00% 0.00% 4.17% 62.50% 33.33%

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

37

有 69.57%的教師認為指導學生學習 3D 列印科學模組對科技學習提升是 有幫助的，也有 30.43%的教師表示非常有幫助，沒有老師認為沒幫助甚至非 常沒幫助，如圖 3-2-3 所示。

圖 3-2-3 指導學生學習 3D 列印對科技學習提升有無助益

經訪談後發現，幾乎每位老師都對 3D 列印相當有興趣，也認為學習 3D 列印是有益處的，不但可以讓學生發揮想像力，提升創造力，加強空間概念，

當製作出來 3D 模型又能帶來學習上的成就感，尤其對學生而言，動手做東 西會感到非常有興趣，經統計後全部的教師都是認為 3D 列印對科技學習是 有幫助的。

當學生能把想像、思考、設計的東西、立即以 3D 列印技術，使其成品 化製作出來，是非常大的成就感，當然有助其對科技學習的動力。…………

【T103041318】

直觀說明，同學理解會較容易………【T103060612】

動手做將會是最棒的學習………【T103060604】

非常沒幫助 沒幫助 有幫助 非常有幫助

人數比例 0.00% 0.00% 69.57% 30.43%

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%