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頴堯(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况，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。情况如推鉛球一樣，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]
