亞太科學教育論壇，第十五期，第二冊，文章十四(二零一四年十二月) 陳 正 治，劉 嘉 茹 非制式與制式科學教育之連結-以國立科學工藝博物館館校合作為例 上一頁 內容 下一頁

四. 研究方法

探究實驗教學可以提升學生的探究能力，學生在探究情境下的探究能力多數有提升，尤其是在形成問題、預測結果、控制變因、設計實驗、分享發表等部份(黃淑卿. 2004).。本研究以一枚汽球火箭為例，引導學生如何設計一枚飛得既準又遠的汽球火箭。當授課者第一次上課時，示範汽球火箭如何製作、發射後，就有學生表示曾在類似科學園遊會玩過或看過，但是，當授課者續問學生，誰知道如何讓汽球火箭能飛得既準又遠，頓時全班鴉雀無聲，人人面面相覷，顯見學生對汽球火箭的概念，僅停留在看過或做過，但卻無法進一步解析如何改善火箭飛行能力，且在相關的論文發表中，甚少以汽球火箭當作探究式科學實驗案例，因此，本研究以實驗方法探究影響汽球火箭飛得準與遠的可能變因，並冀能找到統整各式變因，讓學生能自製一枚既飛得準又飛得遠的汽球火箭。研究架構如圖一所示：

圖一 . 研究架構

說明：

1. 演示發射汽球火箭：原長約13公分的汽球，利用打氣筒灌滿球體，使其飽滿，長度約60公分，黏上尾翼斜貼約20度與前端電工膠布配重，左手持汽球後段(在尾翼後面)，右手食指頂入汽球底部，使其內凹(圖二)，當雙手同時放開汽球火箭，汽球火箭即會有旋轉運動(Spinning Motion)，且飛得準又遠。
2. 解釋汽球火箭飛行原理：灌滿氣的汽球本身具有彈性，當受食指外力往內推擠作功(Work)時，汽球球體就會產生彈性位能(Elastic Potential Energy)，且汽球內部空氣被擠壓，空間變小，壓力就變大(波義耳定律Boyle's law)。而當手釋放汽球後，汽球彈性位能轉換成汽球往前飛行所需的動能(Kinetic Energy)。斜貼尾翼，讓汽球飛行時會有旋轉運動，使其穩定度增加。另外佐以陀螺儀(Gyroscope)的動手做演示(如圖四)，解釋轉動體在旋轉運動(Spinning Motion)是如何達到平衡與穩定。基於國小版自然與生活科技領域的能力指標裡，對能量轉換與簡單機械的應用，尚無理論的推導，僅提供一些實例參考，並預告該領域的動力學知識，將在國、高中時期的物理學科中的力學領域中有較多的著墨與解析。



圖二. 手持汽球火箭發射示意圖



圖三. 利用陀螺儀動手做實驗演示轉動可體平衡站立在細繩

3. 學生自製汽球火箭：經由授課者教導如何做一枚汽球火箭，學生依樣畫葫自製一枚汽球火箭並練習發射。
4. 探究影響飛行各種變因：影響汽球火箭飛行穩定度的重要條件是汽球球體因斜貼尾翼，使其會旋轉，灌滿氣的汽球長度，尾翼斜貼角度、尾翼的配置、前端配重、尾翼的面積與形狀等等，均是影響汽球火箭飛行是否既準又遠的重要的變因。
5. 表列操縱變因(Input Variables)、控制變因(Controlled Variables)與反應變因(Output Variables)：為了要探究影響汽球火箭飛行的主要因素為何，因此每次實驗僅能選單一操縱變因進行測試實驗，其他保持不變的變因稱為控制變因，例如，要探究汽球長度(如長度40公分、50公分、60公分與80公分四款)對飛行的準度與距離關係，在測試時，其他的變因就要維持不變，如四款尾翼黏貼角度、尾翼配置位置、尾翼形狀等，均需維持固定的式樣，就連發射者也要同一個人，其間函數因果關係如圖三。本研究將20名學生平均分成4個小組(依高雄市路名分為一心、二聖、三多與四維等4小組)，每組5人，因時間之限制，各小組每次負責一個操縱變因，例如一心小組負責做長度40公分的汽球火箭、二聖小組做50公分，依此類推。



圖四 操縱變因、控制變因與反應變因之間函數因果關係圖

6. 比賽飛行準確度與距離：因是採比賽制，各組負責發射火箭參賽學生要同一人，每隊代表發射三次，汽球火箭得在預期的方向落地始稱有效發射，擇飛行距離最遠者作為比賽紀錄。
7. 歸納最佳發射參數：每進行一次單元競賽，登錄最佳成績，即可歸納出一個最佳應變變因，當進行下一個操縱變因實驗時，上一個操縱變因最佳參數值就轉成控制變因，依此類推，即可獲得各式操縱變因的最佳組合參數值。