國民中學「自然與生活科技」磁浮列車教學教案

項目(活動方式)

器材或資源

活動內容

認識磁鐵(實作、收集資料、上台報告)

1. 實驗不同器材則不同。

2. 探討式活動紀錄單(附錄1-1；附件四)

3. 認識磁鐵學習單(附錄1-2；附件三)

1. 學生選擇自己想了解的問題進行實驗設計或資料收集。

2. 實際操作並完成實驗報告。

3. 分組報告，全部學生完成認識磁鐵學習單。

磁力是如何作用的?( 閱讀、實作)

1. 磁鐵與鐵粉。

2. 閱讀資料(附錄2)。

3. 討論題綱(附件六)。

1. 閱讀資料。

2. 指導式活動進行磁力線觀測。

3. 學生完成討論題綱。

電線周圍有磁場嗎？(閱讀、實作)

1.電池、導線、指針、鐵粉。

2.活動紀錄單(附錄3-1a；3-1b)。

3.電流磁效應學習單(附錄3-2)。

1. 學生挑選一個變因進行活動設計。

2. 實際操作後完成實驗報告。

3. 分組報告，全部學生完成電流磁效應學習單。

電磁鐵比賽(實作)

1. 電池、漆包線、不同材質的鐵心。

2.電磁鐵比賽學習單(附錄4；附件七)。

1. 學生自己設計、動手嘗試作出最好的電磁鐵，從班級各組所提供的資料找出影響電磁鐵磁性的變因。

2. 各組學生完成電磁鐵比賽學習單。

電磁鐵可以做什麼？

1. 資料收集

2. 附錄5

繳交報告。

磁鐵玩具(資料收集或實作)

1. 附件八

2. 影片1、影片2

介紹一個利用磁性原理的玩具或做一個磁鐵玩具。

磁浮列車可行嗎?

(收集資料、設計及實作)

1. 附錄7

2. 設計圖(附件九)。

3. 影片3

1. 完成磁浮列車設計圖。

2. 收集有關磁浮列車的資料。

3. 選最合適可行的設計圖進行實做。

4. 修正改進磁浮列車。

「磁浮列車」教學活動流程

說明

【觀察情境察覺問題】

由磁浮列車著手，讓學生提問，學生可以從字面上提出一些問題；若學生對『磁浮列車』沒什麼概念，可以提供一篇上海磁浮列車通車新聞報導(附件一)，讓學生閱讀後提出問題。

例：

台灣要蓋高鐵了，高鐵是不是最快的火車？上海開了一條號稱世界上最快的火車—磁浮列車，你覺得為什麼這輛火車會是最快的？ 你對磁浮列車有什麼疑問?

磁浮列車真的會浮起來？若是磁性讓它浮起來那要怎麼停下來？可能這種磁鐵有開關可以控制它的磁性？因為它用的是電磁鐵，那什麼是電磁鐵？你對電磁鐵有些什麼疑問或是想了解的部份?

電磁鐵也是一種磁鐵，那你知道磁性（磁鐵）有些什麼性質？你想了解磁鐵的其他什麼性質?例如:磁鐵放在水中有沒有磁性?若有磁力會變大變小嗎?還有呢?

⊙老師先從磁浮列車讓學生提出問題，接著要引導到磁浮列車上的磁鐵是可以控制的（電磁鐵），才能引到電與磁的關係這部分的子問題。利用電磁鐵也是一種磁鐵將問題引到磁鐵後，繼續讓學生對磁鐵本身的特性提出問題，如：磁鐵在外太空有磁性嗎？

學生雖然可能在別處學過一些概念，但對這些問題如:在水中有磁力嗎？外太空有磁性嗎？卻不敢有肯定答案，因此引起了想了解這些問題的動機。

⊙應該鼓勵學生提問，筆者使用的方法是提一個問題提問者本身加分，小組也加分。學生可以提出相當多的問題，可參考附件二(此附件不宜在學生提問前提供給學生)。

【引導討論確定問題】

從字面可以看出磁浮列車是運用磁力的特性，而且這種磁鐵是可以控制的(電磁鐵)，因此可以將學生提出的問題發展成三個子問題：認識磁性、電流與磁的關係、磁性的應用。

1. 認識磁性：

   1. 認識磁鐵(磁鐵有哪些特性?磁鐵可以吸哪些物質？磁鐵同性相吸異性相斥？磁鐵斷了還有磁力嗎？)

   2. 磁力是如何作用?(什麼是磁場?指南針為什麼會指向北邊?怎麼測磁場?)

   3. 磁力是如何來的?(磁鐵是怎麼做的?為什麼會有磁鐵?)

2. 電流與磁的關係

因為電流磁效應我們才能製造出可以控制磁性的電磁鐵(什麼是電磁鐵？通電就會有磁性嗎？為什麼平常的電線通電後沒有磁性?電流周圍的磁場是什麼樣子?)

3. 磁性的應用

除了磁浮列車，我們日常生活還有哪些東西也是利用磁性的原理?磁浮列車安全嗎?磁浮列車可行嗎?我們能做出磁浮列車嗎?

⊙和學生一同歸類，將所有的問題歸成這三類。第一類認識磁鐵的問題會相當多，讓學生認領數個問題來解決，重複沒有關係，但全班的問題必須涵蓋磁鐵重要的幾個性質。

【分工合作進行探究】

每個活動可以是某一組完成後報告或全班同時進行，依照各個活動的特性提供下列安排及時間分配的建議:

活動一:認識磁鐵(3節)

提供一個機會讓學生玩磁鐵，看他們想瞭解磁鐵的什麼特性，例如：磁鐵的哪一個部分磁力最強、磁鐵在不同的物質中磁力是否相同？讓每組學生挑一個或多個活動進行討論、實驗設計、實際操作、撰寫報告及課堂上發表成果，老師將同學所有的報告歸納出磁鐵的特性。但全班的活動應該至少下列這幾部份，才能對磁鐵的特性有較完整的認識：

• 磁鐵不同位置的磁力大小

• 磁鐵在不同物質中吸力的情形

• 磁鐵可以吸哪些物質？

• 磁鐵同性相吸異性相斥？

• 磁鐵斷了磁性有改變嗎？

活動二:磁力的作用(1~2節)

全班同學閱讀磁場的資料(附錄2)，並利用討論題綱讓學生對磁場、磁力的作用及磁力的來源等概念有較清楚的認識。全班進行磁鐵與磁針(或磁力線)的實驗，各組上台畫出磁鐵周圍的磁場並由大家所畫出的圖歸納出磁鐵周圍磁力線的特性。

活動三:電線周圍有磁場嗎?(2節)

列出可能影響電流周圍磁場有關的變因，並由每一組挑一個變因進行實驗設計、負責收集資料歸納出該變因對電流磁效應的影響。每組報告自己實驗結果，老師將各組實驗總結。每組學生於同學報告後也要回答學習單(附錄3-2)；也可以選用指導式活動(附錄3-1b)。

活動四:電磁鐵比賽(1-2節)

電磁鐵比賽可以從其粗細、長短、有無鐵釘結論什麼情況才能有較強的磁力。

活動四、五、六:磁的應用( 2-5節)

• 磁的應用:進行資料收集或實做，期間給於學生協助，一段時間後安排時間讓每一組上台報告

• 磁鐵玩具:每組學生找到一個磁性玩具進行報告或設計一個玩具(附件八、影片1)。

• 磁浮列車:若全班學生對磁浮列車的實作有興趣，可以全班針對此問題進行較長時間的研究。學生可從網路上收集到資料，也可以利用自己所學的觀念設計後評估可行進而將磁浮列車完成(附件九、影片2)。

⊙學生分工合作進行活動

教師分別指導各組同學，如何分工合作、如何規劃實驗(例如用什麼來表示磁力的大小？只量兩極還是磁鐵的中間也要測量？）、如何進行資料蒐集(有沒有什麼數據要紀錄下來？）、協助解決探究活動中遭遇的困難，指導學生如何整理資料及提出研究報告。

⊙安排進行的方式

有些問題需要的時間較短或設計較簡單，此時可以鼓勵學生多做幾個活動。筆者的經驗是一組學生可以完成3-5問題。

⊙磁場對學生而言似乎有一些不同於科學定義的磁場觀念(如身體或住宅的磁場)。因此從定義出發，提供一篇概念文章及一個實驗活動。

⊙電流的磁效應可能是學生生活經驗中比較不易察覺的，所以提供一篇文章或引入科學史（如厄司特發現電流磁效應的故事），再接著討論那些因素可能會影響電流所產生的磁場？而產生的磁場又是什麼樣子？討論中可以訓練找出可能較相關的變因，如：從磁鐵的性質中可以猜測位置的變因可能有很大關係。

⊙活動四與活動三的順序可以掉換。此活動可訓練學生製作表格的能力。

⊙學生所設計的設計圖可能有相當多種，設計後發表一次，學生再評估要用自己的設計圖或別人的。建議學生先進行設計再收集資料；即使沒有參考相關資料學生也能設計出和專家很類似的圖，反而是收集過資料的學生思考會受到影響及限制。

【分享經驗整合成果】

以其中兩個活動為例:

• 認識磁鐵:

1. 每組學生所解決的問題不同，藉由別人找出的答案可以對磁鐵的特性有全盤性的了解。

2. 相同的問題可能有不同的實驗設計，經由分享可以知道改進之處。

• 電磁鐵比賽:

1. 學生自己設計表格紀錄自己的實驗數據，找出最好的電磁鐵。

2. 各組的最佳電磁鐵列於黑板後可以整理出影響電磁鐵磁性的因素。進而改進自己的電磁鐵。

3. 若是結果與預期不同，可以討論其原因如何?

【評鑑與展望】

學生在學習的過程(設計實驗、操作、實驗紀錄、上台報告)，完成學習單的過程已經包含了部份的評量。教師可以從中評定其各項科學素養。學習單的設計都包括了自評部份及改進的空間。

因為時間不夠，有些活動無法進行，如進行磁浮列車設計而無法設計磁性玩具，可留給學生做為未來探討空間。

⊙評量工作可依需要穿插在學習活動中或結束之時。

「認識磁鐵」教學活動流程

說明

【協助學生確定問題】

我們想要了解有關磁鐵特性的幾個問題?

1. 磁鐵的兩極磁力一樣嗎?哪裡的磁力最強?

2. 磁鐵可以吸哪些東西?

3. 磁鐵在外太空會有磁力嗎?

4. 磁鐵斷了還有磁力嗎?會相吸還是相斥呢?

5. 磁力會消失或改變嗎?

6.溫度對磁力有影響嗎?

⊙每組學生想解決的問題不同，教師要注意讓全班的問題能涵蓋磁鐵主要的特性。

⊙老師應該引領學生對題目有較深一層的探討，如:學生原先只是提出兩極磁力一樣嗎?老師可以問學生那其他地方的磁力呢?要不要也做做看?

⊙若題目無法實作，如:沒有重力時有磁力嗎?可以幫助學生用其他可替代的方案。如:在電梯裏或是在水裏做實改變嗎?

⊙問題可能直接一個步驟就找到答案，如磁鐵斷了之後還有磁性嗎?只需將磁鐵弄斷，證明還有磁性；可是題目改成磁鐵斷了會有何變化，則可探討橫切及縱切的相斥相吸情形也可用迴紋針數來看看磁鐵斷了後磁力有沒有改變。

【協助學生獲取資料】

1. 實驗設計:我們想利用吸起的迴紋針有多少來代表磁力的大小，測量磁鐵不同位置的磁力，並在電梯內及水中做實驗。

2. 資料記錄:為了解決這些問題，我們設計了下列的表格

1. 磁鐵的磁力大小

   位置	左端	左1/4	中間	右1/4	右端
   迴紋針數

2. 磁鐵可以吸哪些物質

(3)磁力和重力的關係

3. 磁力會改變嗎?

3. 工作分配:

有人負責帶材料來，有人帶磁鐵回家去試試鍋子的實驗，有人到電梯內去做實驗。

⊙學生也許想要利用鐵粉的重量來代表磁力大小，讓學生試試也可以，利用小塑膠袋包住磁鐵再去吸鐵粉，鐵粉才不會拿不下來。

⊙老師要注意學生是否找到了該紀錄的項目。

⊙協助學生合適的實驗方法。提示學生如何設計。如:你要怎麼找到真空的環境(學生可能想到聲音的實驗中有一個抽空氣的機器，證明聲音需要空氣當介質)，市面上也有一種可以抽真空的罐子(將空氣抽出使東西保久)也可以提供給學生。

⊙盡量讓學生帶多一點東西。

⊙教師應該多鼓勵學生回家做實驗，如電梯中的實驗或是溫度的實驗。

⊙教師引導學生知道重力就是重量，不同地點若重量改變了表示此處的重力就不同。

⊙若擔心破壞實驗室的磁鐵，可以用文具行買的小磁鐵讓學生去折斷、加熱、摔；另外有一種長條形可吸附在黑板上的磁鐵，將外層的塑膠拔掉，裡面的磁鐵較軟可以用剪刀剪斷，讓學生去觀察磁鐵橫切、縱切之後相吸還是相斥的情形。

⊙一個問題的實驗方法可以很多種，鼓勵學生多提出來，例如:溫度對磁性的影響，有學生說直接在酒精燈上加熱，看加熱不同時間對磁力有無影響；有學生說可以放在烤箱中控制溫度，也可以放在冰箱中紀錄這些不同時間對磁力的影響。學生的想法有時比原先老師設想的優秀。

⊙讓學生自己決定她們要用什麼樣的方式來找到這個問題的答案。

【鼓勵學生提出想法】

1. 從自己做的結果，可以回答哪些問題，答案是什麼?是否有做了擴大的推論。例如:學生做了磁鐵兩極吸了迴紋針述的實驗但沒有做其他部位來比較，不應該推論是兩極最大。

2. 同樣的問題有不同的答案，我要選擇哪個答案才正確，為什麼會有不同結果?

⊙有的組別做出來溫度高磁力小，有的是溫度低磁力小；那要如何做結論?老師可以試著以科學概念來解釋；同時學生也能體會到科學的本質。

【激勵學生推廣應用】

1. 從自己所得的結果可以提出什麼建議?

2. 從別組的報告中，我們看到自己不足的地方是什麼?或是有什麼可以改進的地方?例如:進行水中實驗時，我們未將磁鐵放入水中，只是迴紋針在水中這樣的實驗設計是不正確的，下次我們應該將磁鐵和迴紋針都放入水中才正確。

⊙老師可以在實驗前與大家一起討論合適的實驗方法，或是各組自己設計待各組報告時才呈現出不同，後者的方式較能產生不同的實驗法，學生可以從同學身上學到下次改進的地方。

【適當時機進行評量】

本活動之評量採以下幾種方式進行：

1.小組報告：

小組將整個設計活動摘要記錄下來，其內容包括「我們的問題」、「實驗步驟」、「有關此問題所學過的相關知識」、「資料分析與研判」、「結論」。(附件四)

例如:我們想知道磁鐵哪個位置磁力最強?我們在兩極量出來可以吸起4個迴紋針，在中間吸不起任何迴紋針；1/4處可以吸起1個，所以我們認為磁鐵兩極磁力最大。

2. 經驗分享情形：

聽取別組的報告，提出問題，記載別組獲得的資料和結果，使自己對磁鐵有全面性的了解。

⊙小組報告時，全班同學經由報告的資料完成認識磁鐵學習單做為其中一次的評量。

⊙學習單的答案並沒有絕對的答案，而且答案也該是由實驗所找出的結論，而非參考書式的解答。(請參閱學習單所附之答案及附件三)

「磁力如何作用」教學示例

說明

這個活動主要是藉由資料閱讀及教師的講解使學生了解一些磁學概念。教師可以解釋學生不懂的概念或文字上不容易理解的概念，但學習的主體還是學生。以下將按著討論題綱提供一個教學示例供老師參考。

【何謂磁場】

從文章中可以找到，磁場方向是指磁針N極的指向、磁力線的方向、N極受力方向或其他相似的描述句子。

【動手觀察磁力線】

1. 實驗設計:從第一題討論中可以知道，磁場可以用磁針或鐵粉來找出其方向。

2. 資料記錄:完成討論題綱弟二題。

3. 各組上台畫出自己的磁力線圖(一組畫1〜2個圖)，由各組所畫出的圖做出結論。

【完成討論題綱】

3. 利用類似方式，讓學生找出其他問題的答案。可參閱附件六學生的作答情形。

⊙此處的活動示例是以討論題綱作為主軸，而非「協助學生確定問題」....

⊙讓學生自己從文章中找答案。

⊙學生想用磁針就提供磁針(一組可能需要6個)；想用鐵粉就提供合適的器材。

⊙老師帶領時要讓學生自己試著找答案，想辦法讓答案從學生口中，老師可以將學生答案轉成較完整的陳述。如何讓學生踴躍回答考驗著老師的功力。原則是鼓勵，不只是口頭上也許實質上如分數也會有幫助；無論回答如何都該鼓勵。