「這裡發生了什麼事？」我們的校長眉毛揚起地問道，一個放在手推車上的泡沫嬰兒坐椅子正沿著斜坡直衝向磚牆。

「哦，你知道的，Watkins老師把一個加速度感應器裝在嬰兒的頭上。這是物理實驗。」

在一個30名學生的班級中只有一個加速度感應器的情況下，你有時需要在課程計畫上發揮一些創意。不過，如果你的預算有限，即使只加入幾個不同的數據收集感應器，也能對教學帶來巨大的好處。在這篇文章中，我將分享我建立的三個實驗，以便使用下面的感應器(GoDirect線性運動感應器、GoDirect力和加速度感應器、GoDirect加速度計、GoDirect三軸磁場感應器)來吸引我的班級。

使用Vernier感應器支持三維物理學習

當我開始使用下一代科學標準（NGSS）進行教學時，我重新組織了課程以反映三維學習，並將每個單元結構化為基於現象的挑戰。例如，在我的「力與動量」單元中，學生調查了前向座椅與後向座椅哪一種對兒童更安全（詳情見下方活動）。雖然牛頓定律和動量實驗提供了概念基礎，但收集即時的定量之數據可以將這些概念與現實世界情境連接起來。這正是Vernier Go Direct感應器真正發揮光彩的地方。

在2021年，我們學校有幸獲得了一筆小額的科學部門補助金。在滿足基本設備需求後，我們有剩餘的資金，我將其預留用於新的Vernier Go Direct感應器。我們討論了是否購買一整套的教室感應器，但我主張選擇多樣性且單一的上述感應器(GoDirect線性運動感應器、GoDirect力和加速度感應器、GoDirect加速度計、GoDirect三軸磁場感應器)，這包含了適用於所有物理學和自然科學課程的各種感應器。

由於大多數實驗通常需要多個感應器以進行獨立的集體數據收集，僅使用一個感應器需要一定的思維轉變。但通過跳出框架，你可以以創新的方式在課堂上使用這一個感應器。以下是我班級如何使用這些感應器測試現象的幾個範例。

使用單一感應器的三個基於現象的物理實驗

1. 調查汽車座椅安全性

汽車座椅安全性調查工作單

課程：自然科學（10年級）[台灣課綱/高中二年級下學期/物理:動量與衝量]

單元：力與動量

現象：隨著汽車座椅科技在過去半世紀的巨大進步，兒童汽車座椅是否正確安裝成為了決定兒童車禍致死率的主要因素之一。在這個單元中，學生將利用牛頓定律和動量守恆定律，根據數據提出關於嬰兒座椅是前向還是後向更安全的主張。

這項實驗中的3D元素
學科核心概念	HS-PS2-1	牛頓第二運動定律
	HS-PS2-2	動量守恆
	HS-PS2-3	減少碰撞中的力
科學與工程實踐	提問與定義問題
	發展與使用模型
	規劃與進行調查
	分析與詮釋數據
	數學與計算
	從證據中參與辯論
跨領域概念	模式系統與系統模型

在這項調查中，我的班級通過將Vernier Go Direct加速度計插入自製的「嬰兒」模型中來收集數據，以測試在汽車座椅中的表現。以下是我們製作模型的方法：

製作模型

• 使用泡棉球作為頭部，泡棉立方體作為身體，並使用花藝固定泡棉作為四肢，用木製竹籤或木桿連接。
• 在身體和頭部泡沫中切割4英吋深的孔，然後插入一根鍍鋅擴展彈簧，留出3-4英吋作為「脖子」。
• 將模型固定在一個舊的汽車座椅上（我是在路邊找到的），並用滾輪固定在膠合板底座上。
• 我使用了手拉器來固定它。 將加速度感應器插入模型頭部的後方。確保插入時感應器會與地面保持水平和平行。

測試模型

每組測試模型四種不同的“車禍”變化：

1. 車座前向時的追尾碰撞
2. 車座後向時的追尾碰撞
3. 車座前向時的正面碰撞
4. 車座後向時的正面碰撞

為了模擬追尾碰撞，我們在桌子上放置了一個斜坡，將汽車座椅模型放在底部，然後放下一顆保齡球，同時收集加速度感應器數據。我們這樣做了兩次（如果時間允許，可以進行多次試驗），模型面朝前方和後方各測試一次。

為了模擬正面碰撞，我們將模型放在斜坡的頂端，並在底部附近設置了一面混凝土牆，然後讓模型滾下斜坡撞擊牆壁。或者，你可以將手拉器固定在模型上，讓模型沿斜坡滾動，直到帶子上的張力將其停止。

物理實驗過程

將這個模型作為力與動量的總結課程，可以讓學生將牛頓定律和動量與衝量的概念應用於現實世界中。學生們會在Vernier Graphical Analysis^®中分析定性和定量數據，以提出基於數據的主張。

2. 法醫分析：堪薩斯城凱悅酒店天橋坍塌事件

法醫分析：凱悅酒店橋梁倒塌工作單

課程：物理學（11年級和12年級）[台灣課綱/高中二年級下學期/物理:力學]

單元：力

現象：1981年7月17日，位於密蘇里州堪薩斯市的凱悅酒店設計了一條獨特的雙層浮動步道。大開幕後不久，它便崩塌，造成超過100人遇難，還有許多人受傷。在法醫分析中，顯示負荷承載設計在工程師和製造商之間發生了變更。在這個三維評估中，學生設計並製作兩個浮動橋梁模型，以比較原始設計和更改後的設計。他們使用Vernier Go Direct力與加速度感應器來測量哪種設計能支撐更大的負荷。

這項實驗中的3D元素
學科核心概念	HS-PS2-1	牛頓第二運動定律
科學與工程實踐	提問與定義問題
	發展與使用模型
	規劃與進行調查
	分析與詮釋數據
	從證據中參與辯論
跨領域概念	系統與系統模型

建造天橋模型的材料（每組）

• 2 lb 或4 lb釣魚線
• 小墊片
• 一塊 2 ft x 1 inch x 1 inch 的木板
• 兩塊 2 ft x 2 inch x ¼ inch 的木板
• Vernier Go Direct 力感應器

測試模型

如果時間允許，學生可以建造並測試兩種設計；或者，他們可以與另一組合作，每組建造一種設計。 模型設置好後，將其掛在 Vernier Go Direct 力與加速度感應器上，可以用手持住或將其固定在環形支架或其他安裝的橫桿上。 使用各種重量分佈在兩個“步道”上，或用雙手逐漸加壓在兩個“步道”上。 使用 Vernier Graphical Analysis 測量增加的力量，並確定在斷裂之前的最大力量。

學生使用懸掛砝碼和Vernier力感應器測試不同的懸橋設計

3. 海底地形繪圖

海底地形繪圖工作單

這節課改編自UMBC – 戈達德地球科學與科技中心的Don Higdon的“地形-雷射雷達模擬”

課程：自然科學（10年級）[台灣課綱/國中/地球科學]

單元：地球內部與板塊構造

現象：我常認為在板塊構造主題中難以融入數據收集實驗，但我發現了一種方法，能將歷史課程、突顯科學界重要女性，並模擬科學家如何從海床收集數據結合起來！這節課重點介紹了瑪麗·薩普(Marie Tharp)的貢獻，科學家如何繪製海床地形，以及磁條紋。它利用了Vernier Go Direct線性運動感應器和Go Direct三軸磁場感應器。

這項實驗中的3D元素
學科核心概念	HS-ESS1-5	板塊構造的證據
	HS-ESS2-1	地形的形成
科學與工程實踐	分析與詮釋數據
跨領域概念	尺寸、比例和數量
	穩定性與變化

我的學生用來繪製“地形”的海床模型，懸掛著Go Direct線性運動感應器。

建造並繪製模型

為了模擬繪製海床的過程，我安裝了一根PVC管，並使用支架將其固定在平坦的區域上。我在一個較寬的PVC截面上安裝了線性運動感應器，並使其向下指向。學生可以用繩子將懸掛的線性運動感應器拉過地板。使用各種大小的箱子，學生將使用超聲波來收集數據，繪製“海床”的地形，就像科學家在現實世界中做的一樣！使用他們的Graphical Analysis數據，學生會建立一張地形圖。

另外，我取了24個條形磁鐵，將它們按半英寸間隔排列成一行，並交替它們的磁極。我在磁鐵上方放了一張大紙，使磁鐵不可見。然後學生使用三軸磁場感應器，並緩慢地在紙上方拖動，同時記錄數據。生成的圖表顯示出交替的模式，學生隨後討論以試圖確定其原因。然後我們將這些數據與我們自己的海床上發現的模式進行比較。

一個感應器，多種可能

在理想的世界裡，學校資金充足，每個科學教室都會配備多種類型的Vernier感應器。然而，對於像我這樣的學校來說，這並不是現實。為了幫助學生收集真實數據並探索將科學思維應用於現實世界中，提供他們數據收集工具至關重要。

這是一個鼓勵，不要陷入認為選擇要麼是50個感應器要麼是沒有感應器的困境。只需一個感應器就可以完成很多事情——這需要一些創意、一些DIY精神，以及你正為學生打開更多STEM機會的大門的認知。

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Nick 在華盛頓州塔科馬市的富蘭克林·皮爾斯高中教授物理、地球科學和自然科學，並且是Vernier Trendsetters Community的成員。擁有超過十年的K–12科學教育經驗，Nick 熱衷於激勵學生通過實際調查來探索物理世界。在課外，你可以在 @PNWPhysics 找到他。