【潔能講堂】國中生活科技的機構、結構與能源動力教學分享/薛鈺藏老師

by learnenergy2

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國中機構結構與能源相關教學活動分享高雄市立明華國中薛鈺藏老師

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大綱 • 一、國中生活科技競賽活動 • 二、國中機構與結構在教什麼 • 三、國中能源與動力在教什麼 • 四、國中生活科技教學的困境 • 五、實作體驗-手搖發電仿生機構

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課程資料位置 • https://drive.google.com/drive/folders/1RzG72ZHGYPo051E9GAlAPN y5w03hz6KW?usp=sharing

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課綱中的生活科技學習內容 • 國民中學教育階段強調透過運用簡單機具及材料處理之製作程序，培養學生的創意與設計能力，並藉此協助其了解科技的形成及其與生活的關係。 • 高級中等學校教育階段則強調藉由工程設計的專題製作活動，提供學生跨學科知識整合的學習（如科學、科技、工程及數學），並藉此培養設計、創新、批判思考等高層次思考能力。

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國中學習重點 ●科技的應用七年級：機構與結構八年級：能源與動力九年級：電與控制 . ●科技的本質 ●設計與製作 ●科技與社會

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一、國中生活科技歷年重要競賽活動 • 九貫時期：太陽爐、氣墊船、風力起重機、紙箱結構家具…… • 生活科技競賽 ●太陽能車、自動分幣機、自動曬衣架 ●解決問題式競賽-搬運車(起重機、推土機)、發射台(九宮格) • 太陽能水陸兩用車 • 手擲機大賽 • 專題製作競賽(防蚊大作戰)

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太陽能水陸車照片來源：洪于清臉書

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自動分幣機 • Arduino、震盪裝置、分幣裝置、感電設計、結構體照片來源：洪于清臉書

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自動曬衣架 • 感電裝置、齒輪、極限開關、滑輪機構、衣架結構

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全國國中生活科技創作競賽照片來源：全國國中生活科技創作競賽臉書

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全國國中生活科技創作競賽照片來源：全國國中生活科技創作競賽、洪于清臉書

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二、國中機構與結構在教什麼 • 魯班鎖國中常用的工具-鋸盒 • 木工小用品 • 結構塔 • 結構橋 • 機構玩具 • 折疊書架、手機架 • 先蓋機構垃圾桶 • 仿生獸

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魯班鎖 • 工程製圖 • 手工具操作 • 材料加工 • 木器接合法

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課桌椅 • 工程製圖 • 手工具操作 • 材料加工 • 木器接合法 • 家具結構

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木製用品 • 工程製圖 • 手工具操作 • 材料加工 • 木器接合法 • 創意思考

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結構塔、結構橋 • 結構分析

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機構玩具 • 搖擺機構 • 凸輪機構 • 太陽輪機構 • 劇情與時機（木製加工難度高）

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紙機構玩具 • 方便製作 • 修改容易 • 不易保存

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家用品的機構設計（結合生活經驗與實用性）

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仿生機械馬達的使用、搭配熱門議題、仿生機械常用機構

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三、國中能源與動力在教什麼 (融入機構與結構) • 創意氣球動力車 • 小馬達動力車 • 手搖發電(手電筒、電刷競速車、仿生獸) • 太陽能車 • 風力汲水器 • 風力起重機 • 風力仿生獸 • 線控車 • 機械手臂

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氣球動力車（創意思考、作用力反作用力、直線前進）

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小馬達動力車減速機構車體設計機具使用

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太陽能 • 除了裝太陽能板取電，是否有其他的應用方式？照片來源：洪于清臉書

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手搖發電減速機構磁動生電仿生機構

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線控車與機械手臂開關（使用檔6P）銲接練習（LED燈板）螺桿使用

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廢材風力機械玩具 (教學活動發展與引導設計方法)

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廢材風力機械玩具 • 課程資料 • https://drive.google.com/....../1CacqAgh28QfIani4a6UQ9...... • 教學影片 • https://www.youtube.com/watch?v=Rk9q8mGHFv8 課程資料微課程影片

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（一）教學活動發展順序 2.檢視現有的教學活動 3.依教學現場做活動改造 ●教師、學生能力 ●設備經費 ●地域特色 2.發想新的教學活動 1.了解課綱的內容 4.檢視轉變後的教學活動是否符合課綱

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八年級：能源 • 再生 • 太陽能（光、熱） • 風力（起重機、汲水器） • 人力（手搖） • 水力、海洋、地熱、生質能、其他 • 非再生石油、煤、天然氣、化學能、核能、其他

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高雄市101學年度生活科技競賽~風力起重機 (圖片來源：高雄市101學年度國中生活科技競賽)

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教學活動發展課綱與課本之後再從個人經驗發想小時候學校有個風向儀……

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風向儀轉換為風力發電(充電？)

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風力仿生機械 1.磁動生電之外 2.能源展現的型態 3.活動目的 4.機構的運用 5.能量轉換設計

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教學環境的轉換(實體與線上)

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改變材料與加工方法後能做到的極限

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老師可以，同學是否也可以？

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（二）引導學生設計的方法給予一個基礎的鷹架，預留後續設計的空間

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有效能的風車製作一台性能好的風車可以讓風力轉換成較多的動能來驅動物體，影響風車效能的因素主要是 1. 扇葉面積 2. 扇葉角度 (加工精密度)

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扇葉面積 A、B、C哪一個風車可以輸出的扭力最大？ (理論上扇葉面積越？輸出扭力越？)(時間充足則增加探究驗證))

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扇葉角度(與風向夾角) 風向扇葉方向阻力作用力旋轉分力阻力夾角風阻

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扇葉角度(與風向夾角) ●扇葉與風向的夾角越大，風車一開始較難轉動，但扇葉旋轉風阻較小因此最後的轉速較快 ●扇葉與風向的夾角越小，風車一開始較易轉動，但扇葉旋轉風阻較大因此最後的轉速較慢 ●風力機構玩具所使用的扇葉角度最佳為60~70度之間夾角較大作用力風阻風向作用力風阻風向夾角較小作用力風阻風向

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引導學生設計的重點-1 捕風裝置設計 • 1.風車種類-垂直軸、平行軸…… • 2.扇葉形狀-扇形、長方形、梯形、弧度、符合柏努力定律的流體力學設計…… • 3.扇葉數量-面積相同則葉片多寡如何取捨？ • 4.扇葉角度-分組每個人都做不一樣角度 • 5.扇葉材質-木、紙、金屬、塑膠…… • 6.風車轉軸長度與機構位置、數量、型態相互關聯

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風力機構玩具如何運轉車架的中心有一個皮帶輪，皮帶輪上有一條皮帶，可以將風車轉軸上的動力放大並傳遞到腳上腳皮帶輪

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引導學生設計的重點-2 傳動機構設計 • 1.風車轉軸、皮帶輪直徑比例與輸出扭力放大的關係 • 2.皮帶輪與皮帶尺寸的搭配 • 3.皮帶輪與皮帶摩擦力的改善

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整體機構設計 • 單皮帶輪、曲柄機構 • 雙皮帶輪、曲柄連桿機構、槓桿、凸輪

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（三）其他材料的變化機構框架可改用其他材料替代

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（四）調整與校正 1. 轉軸與孔洞的裕度不佳，這可能是孔洞挖得太小導致竹籤卡在較小的孔洞中無法轉動，因此我們只要拿一支較粗的竹籤或棒狀物將孔洞稍微擴張至大於竹籤即可。 2. 若風車轉軸轉動而皮帶輪停止不動，造成的原因可能是皮帶輪上轉軸與車架上的缺口太緊，我們只要將車架上的缺口擴孔即可解決。 3. 另外，加工的精確度非常重要，例如繪圖、裁剪與組裝時，可能因為尺寸的誤差造成零件相互卡死，以至於無法運轉，因此我們必須仔細地查找卡住的位置，並把它改善才能排除故障。例如皮帶輪沒在運轉也可能是曲柄與車架摩擦力太大或是相互卡住，這時只要將車架寬度縮小即可排除故障。 4. 當電風扇的風速較大時，玩具會被吹走，我們可以利用電池或其他的重物，調整到適合的重量，並黏在車架底部就可以改善囉！

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四、國中生活科技教學的困境 • 空間不足-作品體積受限；活動多樣，設備位置要依照活動調配。 • 時間不夠-素養需要長時間投入練習、思考解決問題，對於作品完成後的反思機會較少，學生也多半抄襲，能有自己想法與獨立思考的學生相當難得。 • 資訊設備缺乏-數位製造課程無法執行。 • 材料費用限制-採購法限制10萬元以上需依照採購法規定。

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五、實作體驗-手搖發電仿生機械

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1.整體結構手搖發電+仿生機構

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2.個人材料工具：螺絲起子，用畢請協助歸還，謝謝

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3.手搖發電部件組裝裝凸出邊 ●螺釘1、2為銀M2.3,12，螺釘3為黑M2.3,10

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4.車架與曲柄組裝黑膠帶確認馬達轉向再黏

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5.仿生機構組裝  請參考第一項結構圖，用軸套將前後腳與冰棍連桿安裝在鐵軸上。 利用4組螺釘、螺帽將4支腳上方與冰棍組裝在一起。

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6.測試  轉軸處螺釘與軸套是否太緊？  如何前進與後退？  仿生獸是否平衡不倒？如何改善？  重心應該在何處？如何調整？  轉速與發電量的關係？

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感謝大家的參與 •請協助歸還螺絲起子，感謝您