Reference Materials

活動目的探究元素設計原則測試模型評估方法建議活動流程

Motor Boat Model-making

電動模型船設計

活動目的
運用科學過程技能,思考和比較能量轉換的過程和效率。

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探究元素
涵蓋的科學概念
不同形式的能量、能量轉換、影響船隻移動的因素

模型設計的考慮因素

電動模型船移動的速度和距離都受著不同因素影響,包括能量的來源和能量轉換的效率等。此活動是探討影響能量轉換效率的各種因素,主要有以下三項:

  • 與螺旋槳有關的變因,如螺旋槳的大小、槳葉的數目、螺旋槳的形狀
  • 要選取最有效產生推動力的方法,常見的方法包括:
    i. 讓電動機在水中轉動,推動模型船
    ii. 讓電動機在空氣中轉動,推動模型船
    iii. 讓電動機在空氣中轉動以產生風,配合帆船的設計,推動模型船
  • 產生推動力的方法(例如:螺旋槳在水中轉動、螺旋槳在空氣中轉動)
  • 船身的設計,如流線型設計

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設計原則
進行探究時須運用科學過程技能和實驗技巧,因此學生要在此活動前學習相關的技巧(可參考活動一至八)。本活動主要分為兩部分,第一部分是設計及測試,讓學生運用科學過程技能和實驗技巧;第二部分是比賽,讓他們展示研習的成果,目的是增加他們的投入感。因此,活動的第二部分是附加環節,教師可因應實際需要,決定是否進行比賽。

教師可因應學生的能力,訂下設計要求,簡化問題。例如:

§         教師可限定學生只可選用一個3V電動機,為模型船提供穩定的推動力,其他材料不設限制

§         測試準則:以在指定時間內(如10秒)前進最遠的設計為勝

§         提交最少三個設計,各設計須涉及不同的能量轉化過程,以比較各設計的效能

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測試模型
確保所有測試在相同的實驗條件下進行,例如:同一日進行、同一條水道上測試等等。

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評估
科學探究技能的評估(對應LOFKS3一欄)

Common Competencies
評估準則例子
Predict
  • make further predictions based on available experimental evidence.

  • 如果最終設計的模型的測試結果仍不理想,學生會否探討當中的原因?能力稍遜的學生不會發現這個問題;能力一般的學生會解釋原因,根據已有的實驗結果,提出論證支持,而能力較高的學生還會進行實驗,驗證自己的解釋。
Plan
  • propose hypotheses for investigation;
  • plan and carry out scientific investigations consistent with scientific processes; e.g. the concept of a "fair" test;
  • select appropriate apparatus and justify choice;
  • suggest experimental procedures and methods that are appropriate to the questions being explored;
  • understand what empirical evidence will support or refute claims.

  • 提出假說,並清楚指出操縱和應變變因。
  • 除確保不變變因不變外,還要確保所有測試在相同的實驗條件下進行,例如:同一日進行、同一地點測試等等。
  • 選用容易找到的材料和儀器,並要考慮實驗安全的問題。
  • 清楚列出各實驗步驟,並建議提高實驗準確性的方法。
Define variable
  • devise experiments with control variables where appropriate;
  • define operationally physical quantities and qualities.

  • 能力較強的學生懂得控制不變變因及解釋保持其不變的原因。
  • 清楚界定和控制變因。
Information gathering - Observe
  • observe objects and/or events systematically;
  • understand factors that might influence the quality of their observations.

  • 細心觀察測試時的情況,注意影響實驗結果的環境因素,建議改善的方法。
Information gathering - Measure
  • make measurements accurately using a variety of instruments;

  • 運用合適的儀器,並懂得進行重複測試,增加數據的準確性。
Classify
  • classify according to external features and observed chemical and physical properties

  • 動力來源是受著槳葉的大小、槳葉的數目、電源三方面影響,而船的重量和船身的設計是直接影響移動的因素。不論是哪一種能量轉換過程,上述兩個問題都是存在的。因此,首先清楚界定兩個問題,才能比較不同的能量轉換過程。
Record data
  • make systematic and accurate notes and drawings of observations;
  • compile and display data in a variety of formats; e.g. tables and bar graphs.

  • 記錄測試時的情況,可用文字和圖畫描述。
  • 能力高的學生會運用圖表,找出變因的影響,以及變因之間的關係。
Interpret
  • identify similarities, differences, patterns or relationships in a variety of forms of data;
  • suggest explanations for observations that are consistent with the evidence.

  • 根據測試結果,清楚指出各變因的變化。
  • 懂得作出預測,找出最理想的參考值。
  • 例如改變帆布的面積,會改變船的重量。能力較強的學生不單解釋問題的因果關係,還會找出最好的配對。
Conclude
  • combine findings of different investigations in drawing conclusions.

  • 能力較高的學生除歸納各實驗結果外,還會指出變因之間的關係。

為了清楚了解學生的測試過程,教師可要求學生提交所有有關實驗的資料,例如:測試項目及實驗結果、設計修改的部分及原因等,以便全面評估學生的學習過程和成果。提交的模式可選用書面報告及學習日誌。書面報告詳細記錄從實驗所得資料,以及當中所考慮的因素;而學習日誌則記錄進行的過程,每階段工作的情況,例如:遇到的困難及解決辦法。教師可根據這些工具評核科學探究的過程。有關詳細的建議評分項目,請參考科學模型設計活動評分準則示例

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建議活動流程
流程圖一為科學探究活動的一般程序,列出在各階段常用的科學技能。設計電動模型船活動流程圖則以一流程圖為範本,詳細介紹此活動各個階段的程序。在設計階段,學生須提交三個設計,各設計須涉及不同的能量轉換過程。另一方面,還須考慮模型各部分的設計對能量轉換過程的影響。這兩個範疇須分別獨立考慮。

進行設計期間,要界定當中的所有變因及提出假說,然後擬定實驗步驟及選用合適的材料,並驗證假說。實驗設計一定要符合公平測試的原則。

在測試時,要注意一些影響觀察的因素,例如:風向。此外,須將觀察結果有系統地記錄下來,如須量度數據,要選用適當的儀器準確地量度,並把有關數據展示在數據記錄表或圖表中。

在分析實驗結果階段,找出各變因的相互影響和變因之間的關係,並根據各項數據變化形式的異同,解釋觀察結果。

綜合各實驗的結果,作出總結。根據實驗總結,評估及修訂實驗設計並有關的假說,如有需要,應再作進一步的驗證。在製作最後版本的電動模型船之前,再細仔考慮設計的各部分對能量轉換過程的影響,找出最合適的設計。

教師可參考以下的教學程序:

引入階段:

  • 介紹不同種類的能量
  • 討論能量轉換的例子
  • 討論工作紙一,分析不同設計的船的能量轉換過程;並運用相同能量轉換過程的船,都可有不同的設計取向
  • 討論工作紙二,分析影響船移動的因素

設計及製作階段:

  • 引入電動模型船設計比賽,介紹設計要求,派發活動詳情,作出詳細的解釋
  • 討論學生指引一,讓學生知道繪畫設計圖的要求
  • 在班上討論測試模型設計所需經歷的過程,如有需要,可透過活動一至八幫助學生了解測試時所需的技能和要求
  • 介紹實驗探究的過程;此外,透過學生指引二,要求學生訂定工作進度表,以便有系統地安排工作和自我檢核
  • 進行測試

評估階段:

  • 進行比賽
  • 提交書面報告、學習日誌和模型

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