教案教具

摘要

　　我將兩個不同功率十二伏特四極直流馬達改裝成為四極交流發電機，首先量測發電機的基礎物理量，包括：漆包線的直徑、電阻、線圈圍繞的截面積、並估算線圈圈數；其次，線圈端點反向接上紅光及藍光LED，並將兩端點拉出端線，以三用電表測量端點的電壓；最後，將發電機分別裝上扇葉及水渦輪，以兩種不同的動力作為電能的來源，在家用風扇不同風速與水龍頭不同水流速的變動下，觀察紅光及藍光LED的亮度及電壓的測量，並經由鐵芯磁導率與磁鐵強度的假設，估算發電機磁鐵的轉速。經由四極交流發電機的實作與探究過程，也可讓我們進一步具體理解發電機的相關科學原理與技術，包括，發電過程能量的損失及各個型態的不同發電機。

摘要

STEM教育能夠增加學生串聯各學科間的學習所得，使學生不僅加強在學科內以及學科間的學習，也透過連結藝術及設計的機會促進學習動機與效能。學者對資優學生的研究中也發現：透過使用開放式和真實世界的問題能幫助學生連結到STEM學習內容。本教案設計本於驗證STEAM超學科的教學能促進學生非線性問題解決和開放式創造性思維，能培養學生發展他們的想像力，刺激學生的創新。機器人造型削鉛筆機課程，讓學生在經過計算的雷切木片疊加，整合方形機器人頭、雙耳造型文創等實作活動中，透過超學科的主題式學習，認識輪軸的科學原理及生活中的應用。

本課程的實施對象為國小高年級到國中一年級的學生，屬於防疫期間的遠距線上課程。課程進行前先將簡易材料包配送到選課的學生家中，而遠距同步的兩小時線上課程，教學活動包括教師提問引出學生槓桿原理相關的先備知識為始、接著由輪軸作動的動態簡報解說、學生實作組裝雷切小型機器人頭模型削鉛筆機、測試、除錯，疊加厚度計算，再測試等等。教師講解及學生動手做依序進行，並在課程進行前後進行學生輪軸相關基礎知識前後測，線上課程51位，前後測成績平均進步6分。

在遠距教學課程中，採用小模型的實作與測試，能有助學生科學應用的理解。模型中的藝術趣味提升學生選課學習動機，課程深度由淺而深，學生在課後的學習回饋提供相當的正向肯定。

摘要

現階段電腦硬體已經發展到相當好用的程度，即使一台中階手機或是小樹莓派都可以勝任大學普通物理程度的數值模擬！同時，軟體的發展也到了非常容易將計算結果以 3D 繪圖以及圖表呈現出來的地步，使用電腦做數值模擬的門檻已經降到很低了，現代理工科學生，甚至是理工傾向的高中生，都應該增加數值計算能力的培養，讓自己未來有更好的發展機會。

基於上述理念，作者從2016年暑期班嘗試將數值模擬引入暑修課程中，看到將近七成的重修生主動認真地學習物理。同年的秋季班亦在電機、資工系的普通物理課程中採用同樣的作法，並根據學生的反應與回饋修改教案。於2017年受到一位大一資工系學生的啟發，開始將教案加入物理概念的動畫演示；後續的課程中又因為學生的建議陸續加入模擬結果的即時計算演示，逐漸演變成目前的版本。

此教案的設計理念，主要是以【學生自主學習】為主，所有教案盡可能設計成學生能夠自己學習的方式；學習目標訂為【能夠以數值模擬算出結果】，因此沒有代數推導過程，而是讓學生學習【如何將公式轉化為程式】；步驟上則採取【複製範例、修改情境、自行製作】的流程，讓學生在多個作業的練習中逐步體會到如何以數值模擬的方式將物理情境呈現出來。

經過九個學期的實行與修改，幾乎都可以在學期過半之後仍有將近七成的學生積極主動地學習，可以看出這樣的教案在刺激學生學習意願上有明顯的效果。同時這些學期全部都是從【期初有超過一半的學生沒有寫程式經驗】的情況開始，正呼應作者一開始提到【電腦數值模擬的門檻已經降到很低】這個想法。

摘要

磁區顯示片係由鐵磁微奈米粉體溶液構成，粉體隨磁極聚集因此呈現明暗變化。透過環形磁鐵可演示地磁交互作用進而確定磁鐵N極，由此可發現轉動效應，進而引出磁力及力臂結構，透過方形及軟性橡膠磁鐵片，可相互模擬磁區型態，進而理解軟性磁鐵的磁區組態，由此可認識封閉磁場線的穩定性及Halbach array的磁區構造。

除此之外，針對軟性磁鐵於強磁場下的磁區變化行為，可得知原子磁矩間應具有一定的交互作用力，透過演示再搭配電子軌道運動、電子自旋產生磁矩等古典物理與量子力學說法，去解釋磁矩間交互作用行為，進而可演繹出鐵磁及反鐵磁性組態。

摘要

在量子力學中，量子系統的物理量可透過運算子作用於定義在複數希爾伯特空間的態向量取得，得到之機率為特徵向量所對應到的實數特徵根。進行測量時，上述的理論會導致波函數的崩塌(wavefunction collapse)，此種測量法稱為「強量測」。有別於強量測，在測量時對系統產生最低程度的干擾以得到最接近量子系統真實狀態的測量法稱為「弱量測」(weak measurement)。弱量測以不斷地重複進行實驗得到平均結果，此方法所對應到的特徵根則不局限於實數而允許其為複數。此複數特徵根的實際實驗量測結果，如光子、超導體的平均軌跡等，對應到數學上的複數希爾伯特空間具有實質的物理意義。本研究以量子複數軌跡研究法，針對氮原子在氨分子(NH₃)中的穿隧效應進行了複數平面的軌跡分析。氨分子為金字塔型，底部的正三角形是由三個氫原子所形成的平面，平面兩端的上、下塔頂則為氮原子所處位置之一。在複數平面上可以觀察到原本動能不足以穿越氫原子形成的高位勢能平面的氮原子，可透過量子位勢在複數平面上形成的穿隧通道，在正倒金字塔形狀的兩個頂點上反覆來回運動。從軌跡的兩個端點可以計算出金字塔的頂點離三角平面約(實驗值為)；從複數軌跡的週期性可以計算出氮原子的穿隧頻率約為(實驗值為)，本研究提供了未來實驗測量平均軌跡之參考依據。複數軌跡除了提供了較機率以外更多的物理資訊，亦提出了有別於量子力學抽象數學計算的古典直覺概念，未來或可提供學習量子力學的另一途徑。

摘要

複合材料是新興的材料，目前已廣泛用於航太、船舶與風車葉片，隨著複材技術突飛猛進，未來之應用更無可限量。

風力發電是過去幾十年成長最快也最成熟的綠能技術，風車基本上就是航太科技的應用，可以想見風力發電未來將持續成長，特別是在未來將倚重風力發電的台灣，風力發電之科教活動更顯得無比重要。

有關如何設計風車，風車為什麼能被風轉動等基本問題，其實可以理解，但國內外之一般科教活動中多位深入著墨，是可惜之處。作者多年以來，從事現代風車原理、設計之科學教育，在國內外多次舉辦師生研習活動，深入探討這些被遺漏的重要知識。

為了風力發電工作之順利推廣，作者曾嘗試用切割打磨木材、製模熱風軟化塑形PVC板、製模白膠或AB膠硬化塑形的方法，製作風車葉片，各有優劣，各擅勝場。

由於萬能科大航空系之複材設備精良，航太重要領域的專家雲集，近年作者直接使用專業複合材料科技製作專業風車，這使得此項科教活動一方面可以研究風車葉片之設計原理，另一方面又可以掌握複合材料科技，同時具有促進產業發展、提高就業競爭力、和研發風車的價值，值得進一步推廣。