STEM X 校園:4D Frame挑戰槓桿與幾何
【明報專訊】香港青年協會於2012年從韓國引入4D Frame,該會創意教育組創意科藝工程計劃發展幹事朱鶶(Jasper姐姐)表示:「4D Frame易學難精,隨意剪裁、組合的話,未必可製成具結構的模型,學生要先理解當中的角度、長度等數理。」
什麼是4D Frame?
4D Frame是一套源自韓國的STEAM(科學、科技、工程、藝術、數學)教育工具。D即dimension(空間),在三維立體(3D)之外,第四個D指時間,即學生運用時間以4D Frame建構3D模型時,可發揮無限創意及可能性。
4D Frame包含什麼組件?
組件有不同長度的膠管,以及五角星形、六角星形、Y字形、立體十字形等各類連接器。除了標準的套件,學生也可任意把組件裁剪或屈曲成所需的長度及角度。(圖一)
三角形結構
因投射時投石器或會移動,方形的結構很易變形,加入三角形於投石器底部,有助穩定結構。另一組作品則以六角形作為底部(圖二),六角形由6個等邊三角形組成,結構很穩固。
Edmond哥哥解釋,在眾多基本幾何圖形中,等邊三角形受壓而變形的風險較低,故結構較穩固。由三角形組合而成的六角形底部,亦有良好支撐效果;但若以六角形砌成立體結構,或會變成球狀,有其局限,三角形的可塑性較高,故需承受壓力的立體結構,經常會運用三角形,例如地盤的起重臂。
■模型作品學數理
嘉諾撒聖心學校4名小五及小六的學生赴賽前,透過青協舉辦的工作坊先了解投石器的原理,改良後設計出獨一無二的作品。由青協創意科藝工程計劃青年工作幹事許劍平(Edmond哥哥)講解,齊來看看她們從中學會的數理知識!(圖三)
45 投球最佳(圖四)
以大約45°的角度投射,乒乓球可投擲較遠,故模型上設置了1支膠管,在45°位置截停投石部分。把投石器前方加高(圖五),令它向後傾斜,也可把球投得更遠。
Edmond哥哥指出,利用投球的速度及力度抵銷地心吸力,球才投得遠,若身處環境沒有風阻,45°是最佳的投球角度。這是學生重要的參考,因應環境的空氣阻力情G,在30多至45°之間調節。加高投石器前方,可令乒乓球有較長的滯空時間,即可延遲落地,投射距離便可增加。
增加搖擺角度
除了在投石器水平上移45°時投球,學生發現在水平下增加45°搖擺空間,可令球投得更遠。(圖六)
Edmond哥哥解釋,在水平以下增加移動角度,即令投石器搖擺的起點較低,乒乓球受力加速的時間較長,故可增加投射距離。情G如推鉛球一樣,運動員會不斷旋轉才投球,延長向球施力的時間。
■比賽評分內容
去年韓國的4D Frame比賽,評審內容包括創作歷程(creative record)、4D Frame模型設計、任務挑戰等等。
Jasper姐姐解釋,學生需於創作歷程寫上設計作品時運用的原理或數據、設計元素等。
去年嘉諾撒聖心學校參賽的組別,題目是投石器,任務挑戰是利用投石器投擲乒乓球至2米外的標靶,成績以10次投擲中分數最高的兩次計算。
■知多點
4D Frame於韓國非常普及,從幼稚園起已有相關課程及教材,2017年將舉辦第10屆4D Frame比賽。瑞典、內地、菲律賓、美國等地也用它作為教學工具。
■其他作品
橋樑承重
Edmond哥哥指出,學生砌出橋樑後,放上樽裝水,會發現三角形的結構不易變形之餘,可承重更多。若整座橋樑以三角錐體組成,會比中間是四邊形、只有外圍是三角形的更結實。現實中,很多橋樑底部也是三角形結構。(圖七)
路軌斜度與速度
路軌愈斜,球加速愈快。轉彎時因有離心力,球或會滑出軌道外,可把入彎前的斜度降低,低速入彎;或把路軌向內斜,抵消離心力,賽車道、過山車路軌如碗狀,便可避免車子衝出軌道。(圖八)
首屆「香港4D Frame數理科學創意比賽」
主辦:香港青年協會
組別:
1) 9歲或以下;
2) 12歲或以下;
3) 16歲或以下
查詢及報名(青協創新科學中心):2561 6149;4d_frame@hkfyg.org.hk
■想一想
1. 你知道投石器運用了哪一類槓桿原理嗎?
2. 你想利用4D Frame製成什麼模型?當中有何數理概念?
■關鍵詞
連接器 connector
投石器 catapult
地心吸力 gravity
文:曾嘉敏
圖:曾嘉敏、香港青年協會提供
[常識學堂 083期]