三張 A4 的紙

三張 A4 的紙能做什麼呢？

今天科學研究社我們來研究結構，當然，大部分的同學都沒有什麼經驗，所以也算是一場暖身，我們可以利用這個操作過程，熟悉一些操作與設計的概念。

操作的要求如下圖：

這是一個平台的概念，利用這三張 A4 的紙，同學需要做出一個高於10公分的平台，平台上面應該有至少直徑10公分的面積，方便之後放置重物，最後看誰可以支撐重物時間超過10秒鐘，那個重量就是成績，看那一組可以支撐最重的重量。

活動開始，各組都在自己過去的經驗中尋找各種可能性，有的做成波浪狀的結構、有的設計成特殊的桌子的形狀、有的設計成雙子星大樓的模式、也有一組根本就不知道要做什麼。

其中琇卉組則一開始就用圓形結構的模式，他們還很認真的先用一個圓來測試可以承受的重量，接著又用幾個圓組成的結構來測試，每次測試都讓他們對這樣的結構充滿信心，最後全組成員信心滿滿的開始著手進行製作與組裝，小組成員間的分工與進度非常良好，也很快的就完成平台的製作。

琇卉組開心的進行測試

終於比賽開始，我們將已經個別秤好重量的木片放在旁邊，由參賽組別按照自己的需求選取適當的重量加在自己的平台上面，等到自己覺得重量差不多了，就請老師幫忙計時，時間超過10秒的話，這個重量就是有效重量，這時候還可以選擇性的繼續增加重量，確定好之後繼續計時10秒，依此類推，所有支撐10秒以上的重量，都是有效重量。

想不到最後勝出的竟然是原先想要放棄的一組，他們三張 A4 的影印紙，竟然可以支撐11公斤，領先第二名將近4公斤的重量，真是不簡單！

其實最後除了花比較多時間設計造型的雙子星大樓組以外，其餘的組別幾乎都跟琇卉組學習，大部份都是圓形結構，只是有些分散、有些集中的差別。

叫我第一名

經過今天的體驗之後，下次我們要挑戰「咖啡攪拌棒的木橋製作」了！

液體比重計

在陪孩子學習密度的過程，孩子們逐漸理解密度是由質量與體積組合而成的意義，但是測量密度有沒有簡單一些的方法？可以不要每次都側體積、重量的嗎？

當然有，對於液體的密度來說，我們可以將比重計（密度計）丟入帶測液體之中，然後讀取露出水面的數值，我們就可以知道液體的密度喔！

真的這神奇？

其實你只要想，一個物體浮在游泳池所露出來的高度，一定小於泡在海水所露出液面的高度，如果是放到死海的話，那麼浮出水面的高度一定更高，所以透過同一個物體來比較浮在液面上的體積，我們就可以知道液體的密度。

但是實際上的問題是液面上的體積不容易測量，所以我們將體積的變化轉換成為線性的長度就可以了，也就是將浮在液面的部份，讓他變成一個圓柱型的，那麼露在液面上體積的大小就會正比於高低的關係了。

接著我們調製兩個不同密度的液體，來作為比重計的兩個參考點（與溫度計的概念類似），然後我們就可以標出其他不同的比重位置了。

磊哥很專注哩！

成品

後記：
在進行比重計的過程中，我喜歡透過問問題來確認孩子的學習狀況，但是有時會發現孩子會用猜答案的方式來面對我的問題，所以當孩子回答之後，我通常會接著問他們：「為什麼？」

其實獲得答案的過程比答案的本身有價值，這個過程就是思維的過程，我們希望孩子的學習是經過思考而得到的結果，而不只是背誦下來的，這樣的推論訓練之後，孩子的邏輯思維能力才可以提昇，也才能有所謂的「思辨能力」。

從吳沙一號-環保綠舟看工程師教育

開學後一週，鈐鈴老師告訴我，同學想要參加宜蘭縣政府主辦的「環境教育水上載具-綠舟創作競賽」活動，並問我的看法。

我覺得這是一個不錯的活動，可以讓大家思考那些廢棄的物品到底還有什麼功能，同時也可以利用機會訓練大家思考解決問題的方法，但是最擔心的是製作過程添加了一些其他的材料，反而造成更多的資源浪費，如果能夠避免這一點，那麼這個活動其實很有意義。

於是鈐鈴老師毛遂自薦擔任「吳沙一號」的指揮官，並著手隊員遴選的工作。

報名的同學很踴躍很快的就額滿，來自八年級的四位女生巾幗不讓鬚眉，紛紛捲起袖子要加入這個為校爭光的行列。

但是算算不過是三週的時間，該做的事情有哪些？期程如何？再再都是燒腦袋的細節，於是先由總工程師，敝人在下我，擬定需要蒐集的器材，然後透過學校系統、網路系統放送，廣為募集各式各樣要丟掉的資源或是垃圾，因為討論中，同學們一致認同指揮官鈐鈴老師的想法，我們要做出一艘完全不加入「新」材質的環保船，因為這是資源再利用的重要概念。

鈐鈴老師帶著孩子擬定的工作進度表

由於完全要用回收材料，所以初期的目標就是蒐集寶特瓶與舊衣服，寶特瓶就是作為船的福利來源，舊衣服要做什麼呢？協助蒐集廢品的老師不解的問。

原來所有固定船上結構的固定都需要繩索，但是如果不採購新的繩子，廢棄的繩子並不容易蒐集，為了解決繩子的問題，我們決定將舊衣裁成條狀，再繫成布繩，這件工作第二天就展開，同學們分帶來家中廢棄的舊衣，然後用平結繫成布繩。

生活科技教室在放學後就變成加工廠，這是布繩製作中的景象

寶特瓶也陸續蒐集到了，該怎麼固定寶特瓶呢？我們想到的是用網子裝起來，可是哪裡有這麼大的廢棄的網子？幸運的是辦公室裡有待過漁村附近國中的老師，幫我們募集到廢棄的漁網。而鈐鈴老師21年前的學生，也為老師送來破損報廢的卡車後斗遮布，這些都是可以讓我們將寶特瓶做成浮筒。

幫老師送「報廢的卡車後斗遮布」的文勝

在討論兩個浮筒的製作方式後，我們決定先用漁網做成「網袋」，再用它來盛裝寶特瓶。

學生利用假日來學校用布繩製作網袋

好不容易寶特瓶裝成袋子，但是兩個浮筒卻明顯重量不同，該怎麼處理？這個問題考驗著同學，有人說不管他，有的很在乎，並且提出重量不同可能導致浮力不相同的困擾，最終可能會造成船的不穩定，所以問題必須被解決。但是如何解決呢？

同學討論出來的結論是：

1. 先分別秤出兩個浮筒的重量。
2. 在製作一個小的網袋，將重量的差異做成一個小浮筒。
3. 將小浮筒包覆在輕的浮筒上面。

到保健室測量浮筒重量

兩個浮筒總算做好了，我們再用卡車後斗的遮布將浮筒包覆起來，因為這樣可以增加浮筒表面承受撞擊的強度。

浮筒製作

浮筒好了，那支架呢？如何撐起這艘船呢？

剛好學校後方有位婆婆，她家後面有一小叢雜生的竹子，之前颱風吹倒了幾隻竹子，但是婆婆也沒有能力去處理，所以就一直放著。當我們問婆婆可否鋸下來用的時候，婆婆還因為我們解決她的困擾而開心不已。

感覺上支架、浮筒都有了，我們的船應該就這樣確定了，但是動力呢？動力該如何解決呢？

「我們用撐篙的方式」有人說，但是河會不會太深？到時候碰不到底怎麼辦？

「用槳划」有人說，但是槳呢？
用輕艇隊的槳？
不行啦！那樣不符合環保，我們應該自己做，我們可以竹子，然後用寶特瓶剪開，然後如此這般....。

「我覺得可以用腳踏車」有人說。
可是輪子可以嗎？那又不是馬路。
而且要如何固定到船上去？
可是如果可以用腳踏車，應該是很有創意而且速度應該很好。
那裡有廢棄的腳踏車呢？
我們鄰居家有很多腳踏車，好像很久沒有用了。

於是我們決定先找腳踏車看看，但是槳的部份還是同步進行。


終於，鄰居的腳踏車變速器、煞車都壞了，準備報廢，樂於我們幫他清走，所以腳踏車動力變成我們的重點設計，首先遇到的問題就是腳踏車的固定，由於高度的差異，原本我建議利用直接這學期生活科技課程的木板來釘做一個支架，但是學生堅持不能利用新的物資，於是他們展開地毯式的搜索，最後學務處老師告訴他們，有兩個戶外塑膠椅裂開準備丟掉，看看可不可以用。

學生們開心的拿回來，我們對著浮筒與腳踏車擺來比去，終於找到可以固定的角度，也可以支撐腳踏車高度的位置，當所有東西都固定好之後，同學們建議進行第一次下水試驗，看看有沒有什麼需要修改的。

還好，吳沙國中有訓練輕艇用的漂亮水生池，剛好可以讓我們測試，一群人浩浩蕩蕩扛著船到池邊，剛好輕艇隊的同學在練習，因此我們吳沙一號環保綠舟的首發就成行了。

吳沙一號的首發

試航之後，我們發現後輪與水的阻力不足，不足以產生足夠的推力，而前輪的結構也不足以構成方向舵的功能，但是時間已經到了三月17日（週六）中午，能夠修改的時間有限，於是大家商定週日繼續努力。

經過兩日之間兩次巨大的修改，方向舵的設計、後輪葉片的設計也依序完成，大家越發覺得有信心了。

後輪改裝成有葉片的推進輪

回顧整個吳沙一號的誕生過程，同學們遇到問題、解決問題的動力，老師適時給予經驗、知識的補充與協助，充分思考所有蒐集的物資，例如結合巧拼與電線，做成推進輪的葉片；善心人士捐了窗簾，原本不知道可以做什麼，最後拿來做成控制方向舵的控制繩，整艘船百分之百利用回收的資源與垃圾來製作的目標達成。

同學輪流試騎

昨天在辦公室，幾個老師一起聊天，我們覺得這樣訓練孩子可以思考解決問題的方法、親自動手解決問題的教育，就是我們教育未來的希望，我們希望孩子是有人文素養的工程師，可以勇敢的面對問題，認真的解決問題。

無重力實驗

無重力的環境中，許多我們覺得習以為常的現象都變得不一樣。

2011年1月在人文與孩子討論「跟太空人對話」的議題時，我們也思考過類似的問題，也羅列出許多可能在太空中可能會產生不同結果的現象來問太空人，其中一項就是在太空中的火焰會有不一樣的狀態嗎？我們想到這個問題，是因為火在地球上的形狀，受到重力的影響很大，例如蠟燭燃燒的時候所產生的火焰，是因為蠟燭蒸氣是比較熱、密度比較低的，所以在重力的作用下，它會向上飄起，也使得蠟燭的火焰成為向上延伸的形狀。我們想像在無重力狀態下，因為沒有重力的影響，所以無論燭蕊中心的蒸氣不會有向上飄的問題，而是會影向四周擴散，所以我們想像他會成為球狀的。但是這個問題在詢問太空人時後，他們告訴我們，在太空中火是很難被控制的，所以他們基本上不會用火，而這個問題他們也沒有正式的回答。

今年九月，看到鄭永銘老師的部落格文章，提到無重力下的火焰狀態，提到無重力下的火焰狀態，其中引述了國外所做的無重力實驗，執行的方法很簡單，其實就是將實驗的內容，先預放在一個箱子裡，再將箱子從樓上丟下去，這個自由落體的過程，箱子裡面所呈現的就是一種微重力狀態，在國外的影片中蠟燭的火焰果然成為一種類似蕈狀火的現象，也符合我們在2011年所做的推論。

NASA的圖片，摘自「跟著鄭大師玩科學」

跟科學實驗社的同學討論之後，我們決定做這個實驗，同學們也很給力，一下子就將相關材料、器材準備好，所以我們也第一次感受短暫失重狀態的實驗。

第一次的實驗當然就是先重複國外影片中的實驗只是我們將木箱換成了紙箱，GoPro的攝影機換成另一台富士的防水相機，然後用鋁絲將相機、蠟燭固定之後我們就開始實驗。

紙箱內的固定方式，左側綁著相機，右側平台放置蠟燭。

測試的紀錄影片如下：

做完火焰形狀的實驗後，我們檢討的幾個問題首先因我們的蠋火不夠大縮小的程度比較看不清楚，其次，數位相機的解析度似乎差了一點。

接下來我們思考利用無重力的環境，我們還可以做什麼樣的實驗？

首先想到的是當我們不小心墜落的時候，我們會有嚇了一跳的感覺，這種反應甚至被用在電影的劇情裡面，我們想，是不是所有的生物，對於無重力的狀態都會有相同的反應，所以我們想用魚來試試看，再無重力的狀態下，會不會有驚慌失措的現象。

其次是我們都知道，在無重力狀態下，水滴會形成類似球狀的，假設我們現在有一個水流，突然之間這個系統進入一個無重力狀態，推測水應該不會再流動，然後原本在空間中流動的水柱，應該會慢慢的聚成水球。

實驗的結果是，小魚似乎沒有因為突然間進入無重力的狀態而有任何的驚慌失措，這個實驗我們重複了幾次，都得到相同的結果。但是這也有可能是魚的驚慌失措現象太過細微，而我們說使用的相機沒有辦法如此清晰地抓到畫面。

關於水柱變成球形的實驗，由於實驗的空間有限，在第一次實驗的進行中，水流沒有辦法如預期的在釋放的同時仍然保持原來的流向，導致相機沒有辦法拍到水柱，而這次實驗之後，器材就溼掉了所以我們也就暫時沒有辦法繼續做第二次的實驗。

總的來說我們找到了一個在地表可以有效地模擬微重力的實驗方式但是能夠維持的時間很短大約只有1秒所以實驗的內容不能太複雜，後續如果我們在想到其他的實驗內容我們也可以繼續再試試看。

空氣溫度計

知道溫度計的原理嗎？

基本上來說，就是利用物質的熱脹冷縮的原理。水銀溫度計，中間有一根細細的管子，管子下面是個比較大的球形空間，這個球形的空間裡填充了水銀，當溫度升高時，水銀與玻璃的體積都會膨脹，但是玻璃的膨脹比水銀的膨脹來的小，所以多出來的水銀體積就會擠到細管當中，升高的多寡，就代表了膨脹的多寡，也就相當於當時的溫度高低。

一般而言，測量體溫的水銀溫度計，溫度上限通常控制在 45度左右，因為體溫應該都在這個溫度範圍以內，小時候看過有同學開玩笑的把水銀溫度計插到開水當中，瞬間溫度計就爆開來，為什麼呢？因為細管的上方，是有一些空氣的，當水銀因為膨脹的關係向上推升時，空氣的體積變小，於是空氣的壓力就會大大的升高，當壓力超過 玻璃所能負荷的界限時，玻璃就會爆掉了。這其實是相當危險，一方面是因為玻璃碎片的關係，另一方面水銀其實是有毒的。

目前在實驗室當中，常用的溫度計是酒精溫度計，也就是用酒精取代了水銀的位置。而我所今天要介紹的溫度計，叫做「空氣溫度計」，主要的原理是利用空氣膨脹的關係，來推起水柱升高，設計圖可以參考下面這個設計圖。

製作上要特別注意，管柱跟上蓋的氣密，還有上蓋跟瓶身本身的氣密，因為只有有漏氣的現象，最後水柱就會完全降到指示劑的水平面。另外，瓶子當中所裝填的指示劑（就是加了 染料的水），盡量不要超過瓶身的一半，如此可以保留比較多的空氣，當瓶子的空氣越多時，當瓶子受熱使內部的空氣膨脹時，空氣就會向下壓迫指示劑，讓指示劑進入管柱當中，這時我們從外面就可以看到管柱當中的指示劑在升高。

經過一番校正之後，我們就可以確認當時的水柱所代表的溫度。

這個溫度計的製作，其實沒有什麼難度，最重要的就是氣密，也因此我們有一個測試方法，就是在瓶子當中先裝入冷水，在充分潤絲瓶子使瓶身降溫之後，將水倒出來。這時候瓶子當中的空氣會被降溫，然後趕快將蓋子蓋起來 壓著管住的上方，使得空氣無法再自由進出瓶子 ，然後將瓶子浸入熱水當中，這時候瓶子裡面的空氣會開始變熱，空氣壓力也會變大，此時如果瓶子有裂縫，氣壓就會從那個裂縫洩漏，我們就可以觀察有沒有連續式的氣泡產生。這就是瓶子的氣密性測試。

由於一般的瓶子需要在瓶蓋上鑽孔，使吸管通過，之後要將吸管與上蓋周圍上膠氣密，時常有失敗的情形，因此我們採用3D設計的方式，直接將一個與吸管尺寸契合的瓶子印出來，這樣在製作上可以節省相當多的時間。

轉動慣量教具

在物理學上，有許多的實驗要做，但是買起來每一樣都要價不匪，幸好我們有3D設計的技術，再加上家長借用的3D列印機，我們可以自己產出適當的教具，讓我們的學習更有感覺。

在轉動慣量中，我們可以知道力矩等於轉動慣量與角加速度的乘積，也就是說，當力矩固定的時候，轉動慣量與角加速度就會成反比。

在實驗中，我們利用重鎚當成固定的施力，作用於轉盤的線軸上，那麼這個重力與線軸的半徑就形成一個力矩。

轉盤上方設計有不同半徑的孔位，每個孔都可以插入一顆螺絲，在最外圈的孔內，四個方位各插入一個螺絲，則此時因為每個螺絲與旋轉軸的距離較遠，由於轉動慣量為每個質點質量乘以質心與轉軸距離的平方，因此相較于將螺絲插入半徑較小的四的孔來說，此時的轉動罐量是大的，於是角加速度也會比較小。

設計圖如下：

手繪草圖

轉盤的設計，下方即為輪軸

頂心，用來支撐轉盤與連接頂柱

組合示意圖，轉盤與頂心中間有軸承

這個實驗器材除了測出「感覺」之外，可以精算嗎？

我相信可以的，我們可以利用連續拍攝的相機或是攝影機，觀察重鎚落下的每個時間片段的重鎚位置，我們就可以托算每個紀錄點的轉盤位置，也就是旋轉的角度，如此就可以算出角加速度了。

空氣砲-第二版

幾年前我利用1000 cc手搖飲料罐的空罐設計了一款空氣砲，如以下影片，但是製作過程確實有些繁複。

現在有了3D列印機，所以我可以重新設計其中的關鍵零件，拉柄，於是有了這篇新的空氣砲製程。

首先，我們需要的零件如下：
一個1000 cc 重量杯的手搖飲料杯
一個半斤的塑膠袋
兩條橡皮圈
一個3D設計的拉柄
兩根長約4-5公分的鋁絲（或鐵絲）
一吋寬的膠帶

首先將手搖飲料杯的底部切下一個直徑大約是6-7公分的圓孔，在杯側靠近圓孔的兩側，各鑽一個小圓孔，孔徑需大於鋁絲的直徑。

將塑膠袋的底邊與其中一邊割開，另一邊的中間，剪一個缺口。

攤開塑膠袋就成了下圖的樣子，中間有個洞的長方形。

接下來我們可以開始進行各個零件的組合了。

首先關於新的拉柄設計，兩方各有一個孔，這是用來繫上橡皮圈用的，請先綁上橡皮圈，如下圖。

接著，將拉柄穿過塑膠袋的中央小孔，如下圖，同時讓橢圓形的長短邊與塑膠袋的長短邊方向相符。

接下來，我們用膠帶（紅色）將拉柄（黑色）與塑膠袋（藍色）貼勞固定，請注意，透明膠帶盡可能貼到一半左右的拉柄，最後再用一條燒常的膠帶垂直貼勞，這樣使用的時候拉柄比較不會鬆脫故障。

要做的貼合的好，我的作法是利用桌緣，首先右手透過塑膠袋抓住拉柄，然後以拉柄朝下的方式，將拉柄上緣靠在桌上，接著左手將橡皮圈與拉柄的下緣抓好，如下圖。然後右手取膠帶按照上圖模式，貼好膠帶。請注意，膠帶要緊貼拉柄，可以用大拇指腹稍微壓一下。
然後反過來貼另外一邊。

接著將兩根鋁絲，在約四分之一的地方折彎，如下圖。

取一根折彎的鋁絲，穿過橡皮圈，再折成對折的形式，使鋁絲與橡皮圈緊合。然後做另一邊的橡皮圈，如下圖。

將貼合拉柄的塑膠袋置入飲料罐中，然後將其中一根鋁絲穿出飲料杯下方側邊的小孔，穿過後即可折彎，使其固定橡皮圈。之後再固定另一邊，如下圖。

將塑膠袋的長邊中央拉出飲料杯外，使其平整後，對齊對應邊鋁絲的小孔，折出杯口約 1公分，再用膠帶貼住塑膠袋，使其固定在飲料杯的一側。完成後再做另一邊。

將塑膠袋剩餘的兩個短邊取出飲料杯外，稍微整理，使其成對稱狀，再將短邊折出杯口，使其平貼在杯身側邊，再貼上膠帶，如下圖。

塑膠袋的長短邊都貼合到飲料杯外後，我們可以用膠帶沿著杯口，將塑膠袋貼牢一圈，這就是我們的空氣砲了！

測試看看，這個空氣砲的威力可以將大約五公尺外的蠟燭吹熄，如果你在裡面放入「煙」的話，射擊時你應該還可以看到煙圈。

活樹屋的3D模型

孩子在討論活樹屋建構的時候，突然問說是不是可以建成3D的模型？

當然可以囉！

這不就是一般建築設計師會做的事情嗎？先做出一些圖面的設計之後，再做出縮小版的模型，讓業主或是客戶理解這個建築的未來式，最後才是真正的成品。

現在活樹屋長得慢，怎樣描繪出內心中的那個樹屋的樣子，3D模型是一個好方法。

岩塊製作

期中活動中，宸尉帶領的「校園勞動攀岩組」決定帶一些與學習相關的活動，再結合與攀岩相關的主題之後，他設定的項目就是「自製岩塊」。

這是一個挺新鮮的項目，大家都沒有玩過，所以宸尉必須先尋找適當的教案與製作流程，甚至需要自己先試做看看，不然大家就只好摸瞎了。

他先從Youtube找找相關的製作影片，這部份由於國內並不流行，所以能找得到的都是國外的影片，為此，他還得先學學幾個基本的英文單字，例如：

抱石：Bouldering
岩塊：Rock Climbing Holds

以下是主要的參考影片：

但是相關材料我們還是不清楚規格，因此我們只好回來用傳統的試誤法，我們準備的材料分別有：

蠟模：石蠟

矽膠模：兩液型矽膠（罐裝液態）、中性矽膠（管裝膠狀）、酸性矽膠（管裝膠狀）

樹脂：不飽和聚酯樹脂（兩液型）

首先是先用石蠟刻出岩塊的形狀，這裡大家分別發揮創意，做出許多挺有趣的岩塊形狀。

接著在蠟模的外面塗上矽膠，等矽膠硬化成形之後，就可以輕易的將矽膠模與蠟模分開。

使用兩液型的矽膠，則需要有容器將蠟模置放其中，再將矽膠澆灌進去。

兩液型的矽膠，如果要直接塗在蠟模外面，則會有困難，因為他的流動性太好，所以矽膠都會留下來，而不能順利在蠟模外面成形。

脫模之後的矽膠模，真的可以完整呈現蠟模表面的形狀。

 

接著要進行灌注樹脂的工作，但是首先要先將螺桿的蠟模做好，因為這個蠟模等一下要在樹脂中間做出一個螺桿的孔。

混拌樹脂的時候，我們也測試了幾種不同的作法，有填充一般黑砂（較細）、填充色砂（較粗）、不填充砂子等作法。 

最終結果我們發現，有填充粗砂的，有時候可以做出表面粗糙的岩塊，有時卻會做出很光華的表面，根據偉忠教練的說法，表面粗糙的岩塊，會比較有質感，但是我們目前還沒有找到切確做出表面粗糙的岩塊的作法。

這部分我們還要再研究看看，而做完之後，聽見孩子說到想要在下學期組社團製作岩塊，這樣看來，這個岩塊製作的課程，還挺有繼續研究的價值！