Earth Science
從現行課程培養素養－
水透鏡與望遠鏡
掃描QR code 下載教材電子檔 教師 邱惠玲
國立鳳新高中
前言
課程不斷變革，每隔十年就有一次大規模調 整。有時候調整的是授課內容，有時候則是希望 調整老師的授課方式，更多的時候是兩者都有。
比方說，探究與實作不再獨立成科目，卻必須有 一定比例融入在課綱訂定的自然科學課程中，而 且希望老師們跨科進行。所有的改變都需要循序 漸進，因為教學的躁進，影響的是學生一輩子的 學習。
到底要怎麼漸進調整呢？當然可以開發新課 程，每次試一點點，但筆者認為從既有的課程 中，加入探究的概念，一步一步慢慢調整課程，
會比較好上手。待老師操作到熟稔後，可以把基 本架構延伸，再放到更大型的課程裡。這篇文章 的經驗分享，是將原本2週的水透鏡課程（註1）拆 出來，與現行的望遠鏡課程組合為探究課程。因 為時間及進度的關係，課程組合後，水透鏡著重 於探究，操作儀器的時間則留給望遠鏡。
圖一：活動流程
Q&A活動 概念釐清 望遠鏡課程
先備知識Q&A
每個人的基礎不同，即使在上高中之前，學 生已經有很基本的透鏡概念。然而光學的部分，
按照以往上課的經驗來看，有很高比例的學生已 經完全沒印象了。老師們遇到的第一個問題就 是：要不要前情提要？要幫他們回憶多少？
過去我都是直接把這些內容上一次，可是講 完光學和望遠鏡以後，學生幾乎沒有什麼時間操 作了。後來，嘗試進行一個小活動，可以引起動 機，也可以是學生背景知識的測驗。方法很簡 單，就是想一些跟這堂課有關的事情，讓學生回 答對或錯而已。許多學校有「按按按」的系統，
也有一些APP可以用，但我比較喜歡直接一點、
氣氛有趣一點的活動，所以是這樣進行的（圖 二）：
註1：教案刊載於龍騰出版社《探索實作DIY》主題一「透鏡與望遠鏡」。
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從現行課程培養素養－
水透鏡與望遠鏡
學生的答案僅能參考，有太多因素會影響他 們的作答，比如害怕跟別人不一樣之類。問題 念完，我會觀察他們的反應、作答時間和最終答 案，藉此蒐集讓學生頭痛的問題。這項活動中，
學生普遍感到困擾的問題如下：
1 使用透鏡可以讓光會聚。
2 彩虹是因為水扮演透鏡的角色。
3 光從空氣經過水就會會聚。
4 所有物質都可以製作成讓光會聚的透鏡。
我認為這是因為學生知道凸透鏡可以讓光會 聚，也知道光有折射和反射的現象，卻沒有辦法 聯想出光在不同介質間的路徑變化。也就是說，
上這堂課的學生缺乏的不是光學背景知識，而是 知識之間的連結（當然不同班會有不一樣的狀 況）。
透鏡概念回顧與釐清
老師問：「水可以讓影像放大嗎？」
學生答：「不行」。（多數學生皆是如此）
一位學生分享生活經驗：「我打翻水在課本 上，課本的字不會變大。」
我們來用一個網路上隨便就能找到的實驗，
播放或簡單示範就好（註2）。步驟是在螢幕上畫 上兩個箭頭（圖三），然後用裝滿水的水杯在前 面晃（圖四），讓學生感受一下影像的變化。但 我電腦的影像是經由單槍而投影出來的，水杯引 起的影像變化並不明顯，於是我讓學生拿出自己 的水壺和杯子試試看。
圖二：建議的活動方式 設定答題方式 １
‧ 告 訴 學 生 接 下 來 的 是 非 題 ， 答 題 方 式：正確用手比圈、錯誤則比叉。
‧ 活潑版：正確就擺一個害羞的表情、
錯誤就表示不屑。
光與影Q&A ３
‧ 光永遠都走直線。
‧ 光經過不同介質會有折射或反射的現象。
‧ 使用透鏡可以讓光會聚。
‧ 凹面鏡也可以讓光會聚。
‧ 彩虹是因為水扮演透鏡的角色。
‧ 光從空氣經過水就會會聚。
‧ 所有物質都可以製作成讓光會聚的透鏡。
‧ 船長用的小望遠鏡是利用透鏡製作而成。
測試題 ２
‧ 隨便問幾個時事、常識，先讓學生作 答 ， 並 視 狀 況 調 整 答 題 時 間 、 方 法 等。
註2： 網路素材很多，可以直接播放影片，
如水杯透鏡：https://www.youtube.com/watch?v=41lXkcTvLhU
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這個示範讓學生喃喃自語：「對喔！放在杯 子就好了嘛！」、「老師你很奸詐，又沒說可 以用杯子。」學生已經可以發現自己的答案有問 題，但是這還不夠，因為只是發現自己錯了，最 後還是只記得這個錯誤經驗。我比較希望他們知 道錯在哪，甚至還要讓他們知道，什麼情況下自 己的答案可以是對的。
針對這堂課同學的發言，提到水潑灑在課本 上的生活經驗，因此，我們接下來就拿不要的 紙，讓同學將水灑在上面，觀察紙面上各處文字 的影像變化。可能是剛看完示範的關係，大家可 以明顯地描述出，大面積潑灑的地方影像變形或 模糊的影響不明顯，但小水滴好像會放大影像。
到此，學生已經可以發現「形狀」對透鏡的 影響，並連結到過去學到的：凸透鏡和凹透鏡 的形狀不同，因此，一個放大影像、一個縮小影 像。不過，如果趁這個時候問「把水換成冰，或 者空氣，結果會一樣嗎？」他們根本想都不想就 說一樣。解決方法過於簡單，其實把杯子給他 們，叫他們自己處理，馬上會知道空氣直接出 局，而冰跟水一樣受形狀影響。
圓形、長方形或冰塊這些規則的形狀，學生 很容易觀察，也可以很快得到結論（其實對他 們來說已經是驗證想法了）。既然有結論，就可 以來個小考試∼直接拿出布丁的空杯，請學生想 像一下布丁的杯子裝水結凍後的實驗結果（表 一）。
圖三：螢幕上的兩個箭頭（未放水杯）
圖四：螢幕上的兩個箭頭（前方放水杯）
表一 學生針對「布丁杯子裝水結凍」實驗的預期現象
直接看影像 拿手機的燈光照射
學生預期 的現象
• 看不到
• 如果冰很透明就看得到
• 可以看到影像變形
• 負負得正，凹凹凸凸加起來剛 好等於零
• 其他：xx（同學）會變胖
• 看不到
• 直線進行、穿過去
• 會全反射
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接下來發給各組一個布丁形狀的冰，讓同學 觀察後記錄（圖五）。歸納的結論是：1光通過 冰一樣受形狀影響。2光通過混濁的部位，也會 產生會聚、發散，可是不能拿來看影像。
圖五：光通過布丁形冰塊的狀態
水透鏡活動的小技巧
進行冰塊實驗前，必須先將水裝在容器 裡面，然後讓它結凍。老師的煩惱是：自己 製作冰塊真的很難整塊冰都透明，超商的小 冰塊雖然透明，卻不是我們要的形狀。
如果很想讓學生透過冰塊看影像，建議 使用純水，比較容易製作出透明冰塊。事實 上，除非完全不透明，否則就算冰塊中含有 很多氣泡，也同樣能進行活動。如果各組的 冰塊透明狀態都不同，也可以針對透明狀態 差異，獨立出一個題目喔！
水透鏡銜接望遠鏡課程
藉由前面活絡筋骨的活動，學生遺落的學習 內容已經撿回來，也想起除了凸透鏡以外，凹 面鏡也可以放大。接下來跟著課本介紹望遠鏡主 鏡、其他結構，並且讓學生直接使用望遠鏡看一 下街景。老師問：「如果我想利用兩個杯子或兩
塊冰塊製作望遠鏡，你覺得成功率多高？」學生 的回答：「我覺得不行（猛搖頭）」。
如果水跟冰都可以變成凸透鏡，那為什麼他 們不能變成望遠鏡？因為冰會融化、因為用杯子 裝水，好像不夠透明等，這引導了學生製作望遠 鏡要考慮的不是只有「放大」，然後可以帶入望 遠鏡的三個主要能力。
問題來了，如果望遠鏡只要有主鏡就能放大 影像，為什麼當初要設計目鏡？只是因為多一 個目鏡，多一次放大嗎？那麼可以不要裝目鏡 嗎？解釋這些問題，當然可以直接用望遠鏡結構 解釋（註3），但學生對這種太複雜的圖表，能有 耐性看完的，可能不到一半吧，除非又穿插活 動。因此，試作這個課程時，我選擇穿插活動。
作法如下：
1 直接使用望遠鏡主鏡加目鏡觀看遠方與近處 風景，並記錄影像是正向或倒立（圖六）。
2 讓同學使用尋星鏡觀看遠方與近處風景，並 記錄影像是正向或倒立、影像大小大概是主 鏡的幾倍。
圖六：望遠鏡觀察影像
註3：可參考龍騰出版社《探索實作DIY》，或可搜尋維基百科「光學望遠鏡」。
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3 拆下目鏡，讓同學直接使用主鏡觀看遠近不 同的風景，像上面敘述一樣記錄影像。
4 寫下自己的推測：望遠鏡的主鏡功能是什 麼？目鏡功能是什麼？如果缺乏目鏡，對望 遠鏡使用有什麼影響？
（注意：所有步驟都要小心，不要對著太陽 或太陽附近）
其實在這個時候，同學大概只能搞清楚「尋 星鏡是小倍率望遠鏡」，但尋星鏡有兩個鏡片，
感覺也是一個主鏡加目鏡的樣子。實驗進行到後 面，他們可以藉由觀察和討論知道，目鏡可以影 響影像正立或倒立、影響影像大小等，然後我 會看課程狀態，時間不趕就讓他們做完一個望遠 鏡；時間很趕，就讓他們利用透鏡體驗一下就好
（圖七）。
圖七：簡易望遠鏡製作
簡易望遠鏡的製作，目前有很多老師在研發 與推廣，本文中就不再敘述。但凸透鏡怎麼搭 配，我覺得很有趣。在施行課程時，我讓每個學 生都帶一對凸透鏡來，然後通通放在桌上，讓他 們像是菜市場挑蔬菜一樣，自行選擇兩片製作望 遠鏡。挑選好了以後，要記錄兩個透鏡的焦距，
也要計算出透鏡間距離多少的時候，影像最好。
有人兩隻手搞定；有人拜託別的同學幫她，把其
中一片鏡片拿到教室後面看影像。這個過程真的 很花時間，但可以很歡樂的進行活動，又能直接 了解透鏡焦距對望遠鏡的影響，我覺得很划算。
水透鏡活動二三事
最早想要設計這個教案，只是覺得夏天在實 驗室趁機玩水，應該很好玩，只想弄一個透鏡活 動就好。然後想起，很多學校可能只有一架望遠 鏡，甚至沒有望遠鏡，或因為太貴被行政單位好 好保管。我想，把透鏡延伸到望遠鏡製作，即使 不能真的取代望遠鏡，應該也能幫助學生了解望 遠鏡這個工具人的內心世界。
以前教望遠鏡的時候，都是組好望遠鏡就開 始講解，偶爾會拆幾個零件下來給學生玩玩。可 是望遠鏡有限，學生常常排隊也不見得看得到。
後來，我帶著他們製作簡單的望遠鏡。當時的心 態很老媽子，急著讓他們完成作品以獲得成就 感，讓我沒有太多時間讓他們探索，也沒時間跟 他們互動。
在這個活動中，水透鏡是望遠鏡的前置課 程。問學生比較喜歡哪一個部分，有人說水透鏡 不錯，可以做出望遠鏡也不錯，但印象最深刻的 是水透鏡，因為做到快崩潰。透鏡的部分，學生 是邊抱怨、邊玩、邊做實作。嘴巴碎念沒停過、
手也沒停過。拿到什麼材料就做什麼透鏡，覺得 水跟冰太普通。最誇張的是有人拿著保麗龍膠倒 進杯子，跟同組隊員倒數10秒找焦距，結果通通 黏住了。我們當然會擔心他們玩到忘記學東西，
但後來隨便問幾個問題，他們倒也都能回答得妥 妥的。我想，他們就算不是變成了學霸，好歹也 不是虛擲光陰。
最後提醒老師：所有課程都可以探究，但我 們不必所有課程都探究，因為探究是需要時間 的。這個課程中，我們可以拆出望遠鏡製作當探 究，也可以拆出透鏡進行探究。但如果兩個部分 都要探究或實作，兩三堂課是絕對不夠的喔！希 望這個教案能幫上你的忙，也歡迎與我討論∼
