科展奪牌祕笈

魔術般吸睛的滅火方式~生活與應用科學科第一名

文/特約採訪編輯 陳素雲;圖/臺南市五甲國小 謝文山老師提供

隔空滅火,有可能嗎?對著玻璃瓶吹氣,可以讓另一個罩有杯子的玻璃瓶中燭火熄滅,是魔術?還是科學?位於臺南市關廟區的五甲國小,有一群六年級(現為國中一年級)的學生就以這樣的疑問為起點,展開了一連串的實驗,還成為了他們科展研究的題材,在指導教師謝文山老師的帶領下,以「別開聲面──隔空滅火探究分析」為題,探討各種可能的變因,不但確認隔空滅火的可行性,還找出了喇叭也能用來滅火的特定頻率。這件作品當中探究的有趣原理和現象,讓他們從眾多作品中脫穎而出,一舉拿下第55屆全國科展生活與應用科學科冠軍的殊榮。

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看似魔術的背後蘊藏科學的原理

謝老師回憶,這件作品是學生看到陳坤龍老師臉書社團「動手玩實驗室」上有一段「隔空滅火」的影片,對著牛奶瓶吹氣,可以讓另一個罩有杯子的牛奶瓶中燭火熄滅,學生感到非常神奇,但幾次實作後卻失敗,原本以為是騙人的魔術,但在向陳坤龍老師請益,得知其中所含的科學原理後,他們決定找出造成燭火熄滅的原因,也思考換成其他杯子的效果等等,越想越覺得有趣,迫不及待想動手實驗看看,因此他們決定以此作為科展研究的主題,展開他們的科展研究之路。

實驗一開始,因為用嘴吹氣無法控制吹氣的速度大小,所以團隊利用電腦風扇,加上底座和軌道組裝了鼓式風扇,並設計可以讓蠟燭懸空的支撐架,作為實驗器材。再來, 團隊使用飲料杯作為共振杯,兩個相同玻璃杯分別作為吹氣端與接收端。實驗之後,他們發現吹氣時,如果沒有正對燭火或是燭火和吹氣端之間有所阻礙,就無法滅火,這表示一定要有風(氣流)的影響。還有,共振杯的高度太高或太低都不行。高度太高,氣流進不去共振杯中;高度太低,則風會直接吹滅燭火。因此,必須要有「共振」才能增加玻璃瓶口的氣流振動,以達到滅火效果。

研究到後來, 團隊想到了不使用玻璃杯,改用喇叭播放,這樣的方式是否能讓燭火熄滅呢?於是,他們開始在浩瀚的20∼20000赫茲(Hz)中,尋找喇叭滅火的特定頻率,沒想到一找就是2至3個月的時間,值得慶幸的是,最後終於找到以170Hz以及與它相關倍數的頻率可以順利滅火。

完整探討可能變因 作品創意引人注目

「隔空滅火」雖然指的是熄滅蠟燭之類的小型火,但一點也無損其作品的優異,這件作品當初參加臺南市科展時,除了贏得第一名外,還獲得最佳創意的獎項。謝老師表示,這件作品的創意點就在於一般人都以為「有物品遮住火源就滅不了火」,但團隊的研究成果卻告訴我們並不是這麼一回事,這件作品的精髓是「隔空滅火」的現象必須在「共振」這個條件下才能顯現出來,不僅探究所有可能滅火的變因,最後還發現可以利用聲波來滅火,並找出喇叭滅火的特定頻率。

謝老師強調, 這畢竟是件小學生的科展作品,重點應著重在完整研究過程的學習,而作品中不但針對所有可能變因做了完整分析,也提供了一種滅火方式的思維,讓人知道除了常見的滅火方式可以滅火外, 還有聲波滅火這樣的方式。至於撲滅較大的火勢這一點,謝老師認為根據團隊的研究結果,有理由相信使用更大口徑、更大功率的喇叭可以應用在撲滅較大的火勢上,不過這部分需要更多的器材支援,可以留待後人繼續發展研究。

研究主題重特殊性 成員歷經測試挑選

在主題的挑選上,謝老師的方式是,師生一起討論後決定。謝老師說:「學生挑選的主題一定要和實驗室現有的器材與儀器相配合,而指導教師的經驗也必須能夠配合主題的研究,才能成為學生無後顧之憂的後盾。」

師生一起討論主題,可以避免學生天馬行空式的發想,較能幫助學生找到適切且具發展性的研究主題。謝老師通常會建議學生選擇較具特殊性,即歷屆少見的主題,「因為評審少見的主題,才有機會突破重圍,脫穎而出。」謝老師舉例說,例如今年爆發了食安的問題,可以預想與此相關的研究主題一定很多,他們就會避開這類的主題。而歷屆少見的主題往往也意味著有點難度、新奇且特別的。

挑選團隊成員時,謝老師也有自己的一套。首先,由級任老師根據學生課堂上的學習情形,推薦對自然科感興趣的學生,再由謝老師進行電腦軟體(含科學軟體)、實驗儀器組裝與科學文章閱讀的學習測試,從中篩選熱愛科學、穩定性高、不怕失敗、不會對反覆實驗感到無聊的學生,通過之後才能成為科展團隊的一員。

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鼓勵學生實作求解答 學長制傳授解說技巧

若要說到研究過程中的瓶頸,無疑是那段尋找喇叭滅火頻率的日子。長達2至3個月的期間,團隊成員就是一直重複做著測試頻率的工作,期間也換了不少聲音軟體,但大海撈針絕非易事。謝老師說,學生在這段期間,幾乎每天都很失望, 甚至質疑老師教導的方法, 也懷疑實驗是否能夠成功。但科學實驗無法一步登天,只有反覆不停的「做」,才可能獲得答案。此時,謝老師會鼓勵學生觀看一些影片,例如: 運動勵志電影《冰上奇蹟》、科學影片《上帝的傑作》等等,也會在課堂上講述科學家努力不懈的故事,勉勵學生科學研究唯有不斷的進行實驗,不畏懼失敗才有機會找到答案。

皇天不負苦心人,團隊終究熬過了這段低落的瓶頸期,他們嘗試著隨機、有系統、逐一改變頻率的方式,終於在廣大的頻率範圍中蒐尋到他們想要的答案,為自己的作品加分,也令謝老師感到意外又欣喜。

在帶領學生進行科展研究的過程中,除了補充相關知識,例如:共振、駐波、聲音振動等物理常識,讓學生可以合理解釋他們所觀察到的結論,以及有些實驗需要提示進行的方向或提供協助外,謝老師強調,從實驗器材的組裝到實驗過程都是學生自己動手完成,學生實作數據出爐後,謝老師再依據學生的實驗數據提供分析。

至於作品解說的部分,包括內容以及評審可能提問的問題,則由曾經參加過科展的學長姐帶領學弟妹進行討論與演練。謝老師主要指導學生的儀態、聲音(音量大小和流暢度),以及面對評審時應有的態度表現等等。謝老師表示,這群成員自我要求特別高,總是自動自發的利用下課回家時間自主練習,成員之間也培養出相當的默契。

謝老師的指導風格看似開放、大膽,但其實已經設想好很多實驗時需要注意的「眉角」,提供學生應有的解說,放手讓學生自己動手做,認真嚴謹又不會流於嚴肅的教學態度,擁有學生高度的信賴,才能支持學生走過長時間的瓶頸期。這件作品獲得如此優異的成績, 師生都可以很驕傲的說:「這件作品實實在在是學生(我們)自己的作品。」

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深耕於科展領域 成為學生的伯樂

謝老師多年來深耕於指導學生參加科展,擁有豐富的指導經驗,指導作品也屢獲佳績,使得五甲國小雖非都市型學校,卻在歷屆科展上占有一席之地,讓人不敢小覷。除了謝老師的努力外,也歸功於劉英國校長的大力支持,讓謝老師能夠盡情發揮所長。

謝老師說: 「帶領學生參加科展這麼多年,深刻體會指導教師對科展的影響很大,甚至可說是成敗的關鍵。如果學生是駿馬,那麼我認為『先有伯樂才有駿馬』,指導教師就是伯樂。」謝老師在13年前第一次帶領學生參加科展時,就打進全國科展的殿堂,雖然 當時只是錄取,但卻刺激謝老師思考自己的化學專業背景能為五甲國小貢獻些什麼,於是他投入帶領學生「玩」科展的領域中,「也許哪天可以看見我的學生因為受我的影響而喜歡自然科學相關領域,進而發現科學的有趣,在未來求學階段不會排斥科學,這樣就足夠了。」

謝老師在指導學生參加科展的前幾年,一直秉持著教師萬能的方式,認為教師應該凡事都先學會再教給學生,但是這幾年來,他改用相反的方式,轉變為以學生為主導,認為指導教師只要知道一個概略,讓學生自己學習,再回來教老師,老師再指導學生如何應用在科展上即可。對於學生的發問,也只提供一個方向鼓勵學生動手試試看。幾次下來,謝老師發現學生會依據自己實作的經驗慢慢修正為正確的方向,而且展現出來的成果比教師想像的還要好。此外,也不要小看學生的能力,利用3C產品查資料他們可厲害呢!

「指導學生雖然辛苦,但往往也能享受到滿滿的成就感,說不定此刻我正在栽培一位科學家!」謝老師說完,不由得開懷大笑起來。這樣互相學習的方式,讓科學研究變得好有趣,雖然常有失敗,但偶爾也有謝老師相當珍視的驚奇,正如謝老師說的:「指導教師不需要做太多,學生才會變得更厲害!」相信這也是因為師生之間有著彼此信任的關係,才能一同成就這趟完美的科展旅程。

採訪結束後, 謝老師突然拿出一本厚厚的書籍,冷不防的書本竟然起火了!原來這是謝老師自製的科學玩具。我不由得一聲驚呼:「老師的自然課真的太有趣了!」可以想像,新奇與創意就存在於謝老師的日常中。

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<本文摘自 康軒【國小自然通訊No.37】>