思源科學創意大賽Plus： 興國中學的翻轉學習（上） 楊仁文*、吳囿瑩、蔡秦瑛 財團法人臺南市興國高級中學 *hkhsyounger@gmail.com n  緣起 我（通訊作者）從事教育工作的第一年便開始了與科學競賽的緣份，並從此不曾間斷。期間指導學生參加過許許多多的比賽，大部分的時間都沉浸在科學展覽、遠哲科學趣味競賽、化學闖關及化學能力競賽等等的領域中，直到2004年的夏天，才與「思源科學創意大賽」有了一面之緣，但僅是淡淡的一面之緣，多年後，2012年的春天，六位充滿自信的高一學生，突然出現在我眼前，滿臉笑容的班長開口說：『老師我們想參加「思源科學創意大賽」，請您指導我們..』，就這樣重新開啟與「思源科學創意大賽」的緣分，但這次不再是短暫的邂逅，而是與學生們共同創造了一個汗水、淚水及情感交織的暑假，也是一個重建學習架構及態度的暑假。 「思源科學創意大賽」的特別之處，在其比賽內容和賽程的設計，其中競賽內容包括用企畫書呈現的初賽、以主題情境和關卡原理實作呈現的複賽、以及涵蓋原理解說、多媒體製作和精緻關卡實作呈現的全國決賽，這樣的比賽內容設計，給予參賽團隊多元能力的考驗。因此參賽者除了須展現個人能力外，團隊的分工合作及解決問題的能力也變成影響成敗的重要因素，除此之外，競賽時程的設計，恰好給了參賽團隊緊湊但卻足夠的時間來訓練及調整，這段不算長的時間，卻足以翻轉學生對學習的刻板印象，不但能使學以致用的能力得以萌芽，也增長了面對挫折和解決問題的能力。 n  挫折與茁壯 回顧2012、2013及2014這三年的比賽，對每一屆的參賽學生都是一個充滿新鮮、期待、挑戰和成長的暑假。事情似乎都是這樣開始的，學生天馬行空的將科學原理應用到自以為可以運作的機關上，然後，一次又一次的被指導老師退件，而後修正，再退件，再修正，最後，可以呈現主題的高可行性關卡終於誕生。接著，學生開始拿起鋸子和木頭，卻發現雙手做的和腦袋想的總是有落差，才領悟到理論和應用間的距離，然後問題和打擊會像海浪般的接踵而至，每個參賽者開始懷疑，自己的能力是否足以完成如此複雜和高精密度的作品，也動搖了自己當初天真的雄心壯志……，似乎一切的不如意都在此時降臨。這時候就是指導老師的好機會，要當學生的燈塔、大樹及中流砥柱，這也正是翻轉學習的好時機，趁機教導面對問題和解決問題的態度與方法，同時強調分工及合作的重要性，並且有計畫的提升團隊效率和工作標準，一段時間後，能力、自信和正向情緒會漸漸提升，工作室原本的愁雲慘霧也隨之散去，取而代之的是，自信、歡笑聲以及更高的自我要求和工作效率，這正是我們教育孩子時渴望看見的成長。 主辦單位考驗參賽隊伍的創造力，在競賽規則中有一個特別的規定：「至少有一個關卡與關卡之間的連結不得使用骨牌，而且從完成上一關卡至啟動下一關卡，此一連結設計需至少歷時5秒以上才算成功」。這項規定是一大挑戰，由於5秒以上的規定更升高設計的困難度。本校「曼哈頓橡樹林」由兩位學生負責設計這個連結。兩位負責的同學決定以槓桿原理與換球概念完成這個設計。圖1是現場拍的一張相片，說明學生不使用骨牌關卡連結的的製作過。 圖1：不使用骨牌的關卡連結 圖1的右方骨牌掉進塑膠燒杯，木製槓桿右方變重而失去平衡，以順時針方向旋轉，槓桿左方向上升並利用綁住的線拉起下方軌道，軌道中的鋼珠滾動掉入下一個紙製容器。再進行一連串的槓桿轉動與換珠。最後，鋼珠帶入彈珠台進入下一關。為配合節能減碳，以在工藝教室找到的廢木料進行裁切。測試過程，必須考量槓桿旋轉時是否能拉起左方軌道，因此材料與配重是重要的考慮因素。經過一週的努力，終於完成這項頗具挑戰性的「無骨牌之關卡連結」。製作過程，兩位學生不斷討論、測試，在合作無間的態度下完成任務。 從事教育工作至今二十年，我的專業是國中理化和高中化學的教學，雖然在授課的課堂上，我常常將實驗、科玩和多媒體教學融入課程中，讓同學能近距離且更具體的瞭解課程所要傳達的內容，然而，課堂上畢竟講述多於實作，紙筆測驗多於實作演練，這樣的方式對於學生在科學領域的學習上似乎仍不夠具體，那怎樣才是具體的科學教育呢？「思源科學創意大賽」給了最好的答案。一個故事主題、兩個科學領域、四道關卡，組成一個講究完美的人文和科學作品，從平面的理論設計到立體的實作應用，過程還包括了團隊分工、合作解決問題的訓練，以及解說關卡原理和多媒體製作的挑戰，換言之，就是訓練一個團隊將所學的知識具體的應用至實作，然後透過清楚的表達，讓他人了解這個作品想呈現的內涵和特色，這不就是我們想要教給孩子的能力嗎？因此，參賽者和指導老師雖然都投入了額外的時間和精神，但有這樣的成長，一切都非常值得。由衷的感謝舉辦「思源科學創意大賽」的所有推手，謝謝你們為落實基礎科學教育所做的一切，也期待有更多的教育工作夥伴，一起加入這個行列，體驗、散播基礎科學教育的種子，讓孩子們所學的科學知識動起來。 n  得獎作品 在學生的努力下，2014年是豐收的一年，我和張乃文老師指導的兩隊伍榮獲「思源科學創意大賽Plus」佳績，（一）隊名為「LFC大型水果對撞機」，參賽學生吳囿瑩等六位同學，榮獲2014全國決賽金牌獎；（二）隊名為「曼哈頓橡樹林」，參賽學生蔡秦瑛等六位同學，榮獲2014全國決賽銀牌獎。 以下描述「LFC大型水果對撞機」和「曼哈頓橡樹林」的各關卡並詳細說明其化學原理和概念，以及描述參與學生的心路歷程和心得。   〔續〈興國中學的翻轉學習（中）〉〕

思源科學創意大賽Plus： 興國中學的翻轉學習（中） 楊仁文*、吳囿瑩、蔡秦瑛 財團法人臺南市興國高級中學 *hkhsyounger@gmail.com 〔承〈興國中學的翻轉學習（上）〉〕 n  榮獲金牌的關卡 榮獲金牌的「LFC大型水果對撞機」關卡設計（主題：Surprise）有四個關卡，第一關：誤入桃花仙人境（化學），第二關：村人見吾乃大驚（化學），第三關：設酒殺雞喜相迎（物理），第四關：至此乏人來問津（物理），如圖2所示，關卡設計圖見圖3。 圖2：四關關卡名稱 圖3：四關關卡設計圖 A.    主題說明 (1)   誤入桃花仙人境（化學） 嚴峰遭公司開除（保力龍球射出）後，失意之下，他打算歸隱，於是他就乘著小舟，溯其源流，途中天色劇變、驚濤駭浪，墜入漩渦（化學噴泉），失去意識。彷彿過了許久，四周不絕於耳的蟲聲將他叫醒。朦朧中，抬頭一望，只見石中（驚喜球）蹦出一塊匾額（卷軸），上方書寫著四個標楷大字—「桃花仙境」。 (2)   村人見吾乃大驚（化學） 尋其前方光源前進，道路四周棲息著大量稀奇古怪的動植物，好奇之下，它觸碰一顆球型植物，出乎意料的事—警報燈亮起（雙縮脲反應），一道光束（廷得耳效應）擊中他的臉，眼前一位講著滿口方言的土著，拿著光數槍朝他威嚇，彷彿膽卻又怕生，經嚴峰耐心的解釋下，土著敞開心房（偏光片顏色轉化），轉而邀請它乘著從天而下的怪鳥，飛入土著的部落。 (3)   設酒殺雞喜相迎（物理） 進入部落後，嚴峯發現村人正忙碌準備（三角車裝置）酋長的一百二十大壽，和慶祝豐年的宴席，席間村人把它當作老友看待，替它倒酒（L型鐵杆）、夾菜，一旁樂手譜出的生日快樂歌不絕於耳，村人們隨著音樂起舞（螺紋裝置），這樣快樂的氣氛使嚴峰原本失意的生日也變得燦爛無比，最後慶典就在大家的歌聲下完美落幕（音樂盒）。 (4)   至此乏人來問津（物理） 待到離別之時，嚴峰便打下要與世人分享此仙境的念頭，當他打著這個念頭前進時，仙境之路彷彿為了阻止自身存在被發現而使道路崎嶇起來，警告嚴峰打消念頭，船身遭到擊毀（纜車撞擊使小車滑出），他只好乘著救生船繼續前進，途中卻又遭到更嚴苛的環境挑戰，彎曲的山路（山形軌道）、翻滾的亂石（槌子）、跌入山谷。就在他不知倒地時，他開始反省自己的自私，彷彿了解了他的心意，先竟轉而平和，並將他從谷底救起（雙錐體上升），天色已晚，星空也特別璀璨（螢光蛇擺）。這時仙境突然颳起了一陣怪風（空氣砲），將他吹離仙境，再一次從昏迷中甦醒，日光對著他，雖然忘了仙境的種種，卻得到了一股說不出的勇氣。 這或許只是一次驚喜的冒險，但是醒來後真正存在的是從中所學到的一切！ B.     化學關卡說明 (1)   誤入桃花仙人境 圖4：「誤入桃花仙人境」關卡設計圖 手動擠壓內含氫氧化鈉之針筒，使之進入內含二氧化碳之密閉箱，使其產生負壓，將碳酸氫鈉溶液通過自製逆止閥吸入密閉箱內與二氧化碳和電石反應生成碳酸鈣沉澱與乙炔氣體。因自製逆止閥的封閉，乙炔氣體將保麗龍球推出，推倒黃骨牌，第一關開始。黃骨牌推倒鐵球，使之滾下斜面，壓動簧片，形成通路，使馬達收線，啟動槓桿，鐵球下落至內含針筒之管子中，使小油滴和水擠出至內含氨氣之燒瓶內，氨氣大量溶於水，產生負壓，使水和酚酞被吸進燒瓶中，進而使酚酞變為粉紅色。同時，因水和酚酞指示劑減少，啟動槓桿。槓桿啟動，使球落下至啟動驚喜球之容器中，驚喜球開啟，使其內含之捲軸拉開，同時，裝有澱粉的小包落下，掉入充滿碘液的水槽，使之呈現藍黑色。驚喜球開啟的同時撞擊一旁鐵球，使之落下斜面，球滾入容器，撞擊支撐裝有砝碼的蓋子的支撐桿，而支撐桿內裝有碘化鉀，被撞擊後，碘化鉀落入雙氧水和清潔劑中，產生大量泡沫，推出自備之骨牌，撞擊鐵球滑下斜坡，撞擊紅骨牌和其後100張骨牌，第一關結束。 本關卡涉及的原理和概念有：NaOH吸收CO2、自製逆止閥、簡單電路、化學噴泉、指示劑變色、電磁鐵、電解質導電、大象牙膏；涉及的反應如式[1]和[2]所示： 2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)             [1] CaC2(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + C2H2(g)        2NaHCO3(aq) + Ca(OH)2(aq) […]

思源科學創意大賽Plus： 興國中學的翻轉學習（下） 楊仁文*、吳囿瑩、蔡秦瑛 財團法人臺南市興國高級中學 *hkhsyounger@gmail.com 〔承〈興國中學的翻轉學習（中）〉〕 n  榮獲銀牌的關卡 榮獲銀牌的「曼哈頓橡樹林」關卡設計（主題：Surprise）有四個關卡，第一關：聖誕跨年驚喜樂（物理），第二關：五彩繽紛驚奇趣（化學），第三關：出乎意料驚采奧運（物理），第四關：世界–Surprise（化學），如圖6所示，關卡設計圖見圖7。 圖6：四關關卡名稱 圖7：四關關卡設計圖 A.    主題說明 漫漫人生，若平靜恬淡不免過於無趣了些，總需要些驚喜來點綴，而最能使人感到驚喜的，莫過於節慶和活動了。 譬如冬天的聖誕，總有許多難忘的事情，不管是家人團圓、朋友相聚，還是送收禮，都是不可抹滅的回憶。最令人開心的，當然是收到禮物時的驚喜！說到禮物，不免聯想到聖誕老人，乘著雪橇，駕著麋鹿，在風雪中帶著禮物從遙遠的北國來到乖孩子身旁，放下禮物離去，為聖誕添下一筆傳奇色彩。聖誕過後，不到一星期便是跨年夜了，攜伴倒數，５、４、３、２、１，下一刻，令人永生難忘的煙火在空中璀璨，歡慶新的一年！一瞬間，但也是永恆。本關以掉落的禮物和指示劑的變化代表聖誕禮物和跨年。 新年新氣象，春的腳步也近了。說到春天，能不提印度的灑紅節嗎？灑吧！灑出手中的顏料，看著別人臉上充斥著各種色彩，臉上的笑容自然而然的浮現了。把顏料灑向別人，慶祝春天的到來，同時也將祝福的心意傳達給別人，不分貧富、地位高低，在這時刻忘卻所有一切煩惱，盡情的玩樂吧！人人互相祝福，同時接受不知會從哪方潑灑而來的顏料，此時此刻正是世界最五彩繽紛的一瞬間。本關以各種顏色變化象徵灑紅節的景象。 奧運，總辦在夏天。四年一次的活動，一個不可忽視的重點。奧運選手在運動場上揮汗奮鬥，即使沒到現場為他們加油，透過電視轉播，內心也是十分熱血澎湃。奧運競賽種類眾多，以游泳為例，誰不想像飛魚—菲爾普斯一樣，在水中來去自如呢？又或是效仿后羿，當個射箭神手，百步穿楊，好不得意！除此之外，還可以在籃球場上揮灑汗水，運球、轉身過人、切入禁區、來個灌籃，成為全場觀眾的焦點。奧運不僅是各國選手們各分高下，同時也是世界五大洲能夠團結一心的活動。本關以旋轉的小球代表籃球，保麗龍小船代表游泳，點燃弓箭上的棉繩，象徵點燃聖火，另外以機器人發射積木代表射擊競賽。 世界，每事每物皆緊密關聯，只要能處處留心，不管是生活中的微小事物，還是世界的要點大事，每每都有能使人為之一笑的驚喜。正如「地球村」的概念一般，不分國界、性別、種族，人與人之間不再有藩籬，在某地發生的某件事，可能同時影響別的地方的人們，福禍同享，驚喜也不例外。透過資訊科技的傳播，喜悅、祝福、歡笑，那是世界上的每個人共同擁有的，地球很大，也很小，大的是距離，小的是人情！讓這世界一起共享Surprise!吧！本關以各種化學傳遞裝置代表世界的緊密關聯，並用上升的氣球代表地球。最後以排成圓形，代表全世界的骨牌作為結尾！ B.     化學關卡說明 (1)   五彩繽紛驚奇趣（化學） 圖8：「五彩繽紛驚奇趣」關卡設計圖 磁力軌道砲射出鐵球將槓桿裝置上數個骨牌逐一撞倒(包括連接關卡結束數之紅骨牌及第二關開始的黃骨牌)，使末端重量增加而轉動，末端鋼珠帶動定滑輪，另一邊塑膠袋中之碳酸鈉因袋子提高，液體向下流動經過逆止閥繼續前進送入一管中，其內裝有鹽酸、廣用試劑和清潔劑，清潔劑和鹽酸起化學反應。氣體使活塞上升接通電子打火槍，將可燃氣體酒精引爆，將到管上之活塞射出尖針，使其脫離刺破一氣球，內部鹽酸流下有各種指示劑的多層斜面，過程中部分鹽酸流入分支，依序產生SO2、CO2、H2等氣體，變色反應完成後流入下一個天秤裝置，另有一連通管裝置，中間有一隔板因天平而上升，較高水位注入到另一管，內部硫酸亞錳和丙二酸加澱粉溶液流入雙氧水、硫酸、碘酸鉀產生振盪反應，啟動光敏電阻，另一端磁針轉動接通電路，使另一端電磁鐵啟動，讓擋住鋼球的鐵棒升起，鋼球滾下撞倒紅骨牌結束第二關（整體應用許多顏色變化代表印度灑紅節的五彩繽紛）。之後是創意骨牌。 本關卡涉及的原理和概念有：酸鹼、電弧、指示劑變色、製氣反應、連通管、震盪反應、光敏電阻、電流磁效應。涉及的反應如式[6]～[8]所示： Na2CO3(aq) + 2HCl(aq) → 2NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)    [6] Na2S2O3(aq) + 2HCl(aq) → SO2(g) + 2NaCl(aq) + S(s)    [7] 2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl3(aq) + 3H2(g)    [8] (2)   世界–Surprise（化學） […]