自造紙板液壓機械手臂（校長公開授課）

Making Hydraulic Powered Robotic Arm from Cardboard
當注射針筒與軟管內充滿了自來水，孩子按壓控制盒裡的針筒活塞，「紙板液壓機械手臂」就跟著左、右旋轉，上、下與前、後地擺動起來，還能操控「手爪」夾起乒乓球！小女孩的嘴角揚起，顯露志得意滿的笑容說：「這真是太有成就感了！過去的失敗和辛苦都值得了！」

大山國小學童自造紙板液壓機械手臂

大山國小學童自造紙板液壓機械手臂

課程的前置階段，教師引導學童觀察生活中常見的挖土機、醫療用的達文西手臂，接著讓孩子們操作機械模型，同時探討這些機械所應用的槓桿原理、動力傳送方式，以及操作控制模式等。在大夥充分理解科學原理之後，開始進入設計思考的引導，為了減少偏鄉學童的經濟負擔，本專題學習採用回收的瓦楞紙板作為主要結構的材料，這樣也能兼顧《環境教育議題課程綱要》中所強調的資源再利用。

採用回收瓦楞紙板作為主要材料

採用回收瓦楞紙板作為主要材料

採用回收瓦楞紙板作為主要材料

第一階段製作的部件是機械手臂的「底盤」與「轉盤」，要利用三年級數學課學過的四邊形、直角等概念來繪製並切割許多正方形紙板；然而20×20公分的正方形是大家從沒嘗試過的大尺寸圖形，更何況許多孩子缺乏使用美工刀的經驗，即使操作過美工刀的孩子也未曾切割這麼厚（3~5mm）的瓦楞紙板。因此，孩子在這一階段花費許多時間練習繪圖、操作角尺，以及學習美工刀的安全操作方式。有個孩子發現，坐在椅子上繪製會因為眼睛視角太低而出現誤差，起身站立切割才能精準觀看美工刀與線條的對位，同時也能倚靠肩膀的力量輔助切割，使得工作更加省力！有些小組則善用合作學習，一位夥伴將角尺用力按壓在紙板上，另一位則操作美工刀切割，可以減少失誤。

學習美工刀的安全操作方式

小組則善用合作學習完成任務

黏合數張瓦楞紙板製作底盤

黏合數張瓦楞紙板製作轉盤

學童在「轉盤」上畫出對角線以求得中心點，然後使用電動起子機在中心點鑽孔；接著是在「底盤」的適當位置上鑽孔，插入一支木棒並將之黏著固定，再將「轉盤」的中心孔套在木棒上，這樣「轉盤」就能在「底盤」上旋轉活動了。

使用弓形鋸切鋸木棒

操作電動起子機在轉盤上鑽孔

操作電動起子機在轉盤上鑽孔

第二階段是製作2組梯形紙板，然後使用熱熔膠槍黏合與固定在「轉盤」上，以作為機械手臂的「肩膀」。再切割4片20×3公分的長方形紙板，並且在適當位置鑽孔，然後使用烤肉用的竹籤棒當作旋轉軸心，以注射針筒和活塞進行連接，分別將「肩膀」與「上臂」、「上臂」與「前臂」組合，這些方法都是應用自然課堂學到的「槓桿原理」。

指導學童將梯形紙板固定在轉盤上

使用熱熔膠槍將梯形紙板黏著固定在轉盤上

使用熱熔膠槍將梯形紙板黏著固定在轉盤上

指導學童切割上臂與前臂的紙板

操作電動起子機在上臂與前臂紙板上鑽孔

操作斜口鉗剪裁烤肉竹籤棒

使用竹籤棒當作上臂與前臂擺動的軸心

使用注射針筒與活塞將肩膀、上臂與前臂連接

指導學童探究機械手臂的槓桿原理

第三階段是製作最末端的機械「手爪」，其開張、閉合設計也是使用「槓桿原理」，並且以牙籤作為擺動軸心；但是零件較小而切割不易，因而花費許多時間，但也藉此學習歷程磨練了孩子們的耐心與細心。製作至此，基本的機械構造已經成型。

應用「槓桿原理」設計手爪的開張、閉合

使用牙籤作為手爪部件擺動的軸心

使用牙籤作為手爪部件擺動的軸心

使用牙籤作為手爪部件擺動的軸心

安裝注射針筒作為前臂與手爪的連動機構

最後階段是完成「傳送動力」裝置，將底盤與轉盤之間、肩膀與上臂之間、上臂與前臂之間，以及前臂與手爪之間的4支射針筒，分別連接一條塑膠軟管，軟管的另一端連接另一支注射針筒，將那4支針筒集合固定在「紙板控制盒」中。最後一個步驟，將所有針筒、軟管注入自來水，就大功告成了！

將4支針筒集合固定在「紙板控制盒」中

注入自來水測試注射針筒的連動狀況

將機械手臂的針筒、軟管注入自來水

將機械手臂的針筒、軟管注入自來水

小組合作完成 STEAM紙板液壓機械手臂

完成傳送動力裝置後，我們按壓「控制盒」的針筒活塞，機械手臂上的針筒就會充滿水而使得活塞桿向外推出，並藉此水壓力量而觸動槓桿原理中的「施力點」，於是「轉盤」就能夠被操控而左、右旋轉，上臂也能被操控而上、下擺動，前臂被操控能夠往前、往後擺動，而「手爪」也因為針筒內水的注入與注出而張開、閉合，因此能夠夾起乒乓球。

以注射針筒操控紙板機械手臂夾起乒乓球

孩子在設計的過程中必須應用「簡單機械」原理中的槓桿、傳送動力等科學概念，切割瓦楞紙板前必須精算數字、繪製正方形、長方形與梯形，切割這些環保材料與組裝機械手臂還需要手工具操作技術，並且應用工程學概念，而整體的機械手臂造型與比例也都是美感教育的過程，達成《自然科學領域綱要》強調的學習系統性知識及跨領域對話與思考，展現「探究與實作」的精神與方法，同時也帶給孩子們自信心與養成自學力，這便是以「STEAM跨領域學習」為理念的科學玩具專題─液壓機械手臂創作。

小組合作完成 STEAM紙板液壓機械手臂

指導學童探究機械手臂的槓桿原理

在 STEAM專題的小組任務中學習核心素養

自造紙板液壓機械手臂的學習歷程也讓孩子培養出適應現在生活及面對未來挑戰所需具備的知識、能力與態度，正是教育部《十二年國民基本教育課程綱要》裡所強調的「核心素養」。本項專題於藝術領域課堂實施計16節課，感恩羽茗老師的協同教學！（苗栗縣大山國小， 109-04-10）

自造紙板液壓機械手臂影片：https://youtu.be/SExfpK8HCF0