臺灣博碩士論文加值系統

「萬花圖」以齒輪運動繪製多變化圖形的玩具，具有科學教育的價值，本研究目的為發展萬花圖科學玩具套件，套件內容包含萬花圖玩具以及說明書，並設計二種玩法。研究過程分為設計、評鑑、修訂三個階段，「設計」階段包含玩具的設計以及說明書的撰寫；「評鑑」階段為邀請使用者實作，再由晤談蒐集使用者意見；「修訂」階段則歸納使用者意見後進行改良。此三個階段的循環共二回合，以精進萬花圖科學玩具套件的設計。本研究採用質性研究的晤談法以及觀察法進行資料蒐集，研究對象為教學經驗五年以上的國小教師十位以及國小中、高年級的學童合計二十位。資料蒐集包含觀察使用者實作的錄影資料，以及晤談資料。本研究以三角校正建立信度與效度，資料的三角校正包含使用者實作資料以及晤談資料，藉由不同來源的資料蒐集，強化本研究的效度與信度，研究結果如下：（1）完成了以生活中的齒輪--腳踏車變速齒輪設計萬花圖科學玩具；（2）完成以智高齒輪設計萬花圖科學玩具套件的二種玩法設計；（3）二個回合的套件修訂包含：調整說明書版面配置、放大說明書字體、零件包配置與編號、易操作錯誤部分以文字及符號標示，以及更換說明不夠清楚之圖片；（4）參與實作的國小教師以及國小學童，總計30位研究對象，有28位認為本套件好玩，並且願意介紹他人玩本套件；（5）教師方面則認為萬花圖科學玩具套件對國小學童有吸引力，且願意將萬花圖科學玩具套件融入課堂。最後，根據研究結果提出教學活動實施與未來研究方向之建議。

Spirograph is an educational value-laden toy that produces a variety of drawings using gear motions. This study was conducted to develop a Spirograph science toy kit that was composed of a Spirograph and an instruction manual, and featured two playing methods. The research process was divided into the design, evaluation, and revision phases. In the design phase, the toy was designed and the instruction manual was edited. In the evaluation phase, users were invited to test the toy, and then their opinions were collected through interviews. In the revision phase, the toy was adjusted and improved according to the collected user opinions. The three phases were repeated twice to enhance the design of the proposed toy kit. The research participants involved 10 elementary school teachers with at least 5 years of teaching experience, and 20 elementary school students from the third to sixth grades. Qualitative methods were conducted to collect data through observing video records of the participants playing with the proposed kit, in addition to interview data transcribed verbatim. Triangulation was performed to ensure reliability and validity. Specifically, the data triangulation process entailed collecting data from different sources (such as records of trial activities and user interviews) to strengthen the reliability and validity of this study. The results are presented as follows. First, this study accomplished designing a Spirograph science toy based on the mechanism of speed change gears on bicycles, which is a type of gear commonly seen in daily life. Second, this study used Gigo gears to design two methods of playing with the proposed toy kit. Third, the two rounds of kit revision involved adjusting the layout of the instruction manual, enlarging the font on the manual, arranging and numbering component packs, using texts and symbols to mark steps prone to operational errors, and replacing unclear instructional illustrations. Fourth, 28 out of the 30 participants considered the kit interesting and expressed the intention to recommend the kit to others. Fifth, the participating teachers regarded the proposed toy kit as appealing to elementary school students, and were willing to integrate the kit into their teaching materials. Finally, this study proposed suggestions for the implementation of the kit in teaching activities and future research orientations for relevant studies.

目錄
摘要 ..................................................................................................................... I
目錄 ................................................................................................................... III
表目錄 .................................................................................................................... V
圖目錄 ................................................................................................................... VI
第一章 緒論 ............................................................................................................... 1
第一節 研究背景與動機 ...................................................................................................... 1
第二節 研究目的與問題 ...................................................................................................... 5
第三節 名詞解釋 ........................................................................................................... 6
第四節 研究範圍與限制 ...................................................................................................... 6
第二章 文獻探討 ........................................................................................................... 7
第一節 玩具的意涵與功能 .................................................................................................... 7
第二節 科學玩具的意涵與功能 ............................................................................................... 15
第三節 萬花圖之發展與教學應用 ............................................................................................. 22
第四節 市售的萬花圖玩具 ................................................................................................... 25
第五節 萬花圖原理與數學模擬 ............................................................................................... 35
第三章 研究方法 .......................................................................................................... 47
第一節 研究架構 .......................................................................................................... 47
第二節 研究工具 .......................................................................................................... 48
第三節 研究對象 .......................................................................................................... 49
第四節 研究流程 .......................................................................................................... 50
第五節 資料蒐集及分析 ..................................................................................................... 52
第四章 研究結果與討論 ..................................................................................................... 55
第一節 變速齒輪設計結果 ................................................................................................... 55
第二節 智高零件設計結果 ................................................................................................... 61
第三節 使用者操作問題與意見分析（第一回合） ................................................................................. 77
第四節 使用者操作問題與意見分析（第二回合） ................................................................................ 103
第五章 結論與建議 ........................................................................................................ 119
第一節 結論 ............................................................................................................. 119
第二節 建議 ............................................................................................................. 121
參考文獻 ................................................................................................................ 123
一、中文文獻 ............................................................................................................ 123
二、英文文獻 ............................................................................................................ 129
附錄 ................................................................................................................... 131
附錄一 腳踏車齒輪設計萬花圖科學玩具--萬花圖圖庫 ............................................................................ 131
附錄二 智高零件設計萬花圖科學玩具（玩法一）--萬花圖圖庫 ..................................................................... 139
附錄三 智高零件設計萬花圖科學玩具（玩法二）--萬花圖圖庫 ..................................................................... 185
附錄四 零件價格表 ....................................................................................................... 205
附錄五 萬花圖科學玩具說明書 .............................................................................................. 206
附錄六 晤談舉隅（國小教師） .............................................................................................. 212

表目錄
表2-1-1 教具與玩具之異同 .................................................................................................. 14
表2-2-1 科學玩具功能之相關文獻 ............................................................................................ 17
表2-3-1 各版本「齒輪」授課年級與單元 ....................................................................................... 23
表2-3-2 各版本「公因數」授課年級與單元 ..................................................................................... 24
表2-4-1 國內外各種萬花圖設計之比較 ......................................................................................... 34
表2-5-1 萬花圖手繪與數學模擬對照 .......................................................................................... 45
表3-5-1 資料編碼舉例及說明 ................................................................................................ 53
表4-2-1 萬花圖科學玩具套件設計一零件 ....................................................................................... 61
表4-2-2 萬花圖科學玩具套件設計二增加的零件 ................................................................................. 68
表4-2-3 萬花圖科學玩具套件推薦用筆 ......................................................................................... 73
表4-2-4 41齒至59齒齒輪與160齒齒輪中心垂直距離 .............................................................................. 75
表4-2-5 與孔洞差異較小的齒輪齒數以及與符合孔洞最小差異值 ..................................................................... 75
表4-3-1 使用者是否玩過類似玩具 ............................................................................................ 96
表4-3-2 使用者是否覺得本研究科學玩具好玩 ................................................................................... 97
表4-4-1 使用者是否玩過類似玩具 ........................................................................................... 113
表4-4-2 使用者是否覺得本研究科學玩具好玩 .................................................................................. 114

圖目錄
圖1-1-1 萬花尺 ............................................................................................................ 4
圖1-1-2 萬花尺繪製出的圖形 ................................................................................................. 4
圖2-3-1 萬花尺 ........................................................................................................... 22
圖2-4-1 萬花尺 ........................................................................................................... 25
圖2-4-2 萬花尺繪製出的圖形 ................................................................................................ 25
圖2-4-3 神奇龜兔畫板 ..................................................................................................... 26
圖2-4-4 神奇龜兔畫板繪製出的圖形 .......................................................................................... 26
圖2-4-5 神奇萬花尺 ....................................................................................................... 27
圖2-4-6 神奇萬花尺繪製出的圖形 ............................................................................................ 27
圖2-4-7 萬花圖案創意玩具 .................................................................................................. 28
圖2-4-8 魔法萬花尺 ....................................................................................................... 28
圖2-4-9 魔法萬花尺繪製出的圖形 ............................................................................................ 28
圖2-4-10 Hoot-Nanny: The Magic Designer ................................................................................. 29
圖2-4-11 Hoot-Nanny: The Magic Designer繪製出的圖形 ...................................................................... 29
圖2-4-12 Super Spirograph ............................................................................................... 30
圖2-4-13 Super Spirograph繪製出的圖形 .................................................................................... 30
圖2-4-14 Super Spirograph繪製出的圖形 .................................................................................... 31
圖2-4-15 PrimoGraf Drawing Machine ...................................................................................... 31
圖2-4-16 PrimoGraf Drawing Machine繪製出的圖形 ........................................................................... 32
圖2-4-17 Joe Freedman's Amazing Cycloid Drawing Machine ................................................................. 32
圖2-4-18 Joe Freedman's Amazing Cycloid Drawing Machine繪製出的圖形 ...................................................... 33
圖2-4-19 Matador-Drawing Machine ........................................................................................ 33
圖2-4-20 Matador-Drawing Machine繪製出的圖形 ............................................................................. 33
圖2-5-1 擺線 ............................................................................................................. 35
圖2-5-2 萬花圖科學玩具結構 ................................................................................................ 36
圖2-5-3 萬花圖科學玩具繪製出的圖形 ......................................................................................... 36
圖2-5-4 以大圓圓心為原點時各點座標 ......................................................................................... 37
圖2-5-5 小齒輪把手位置為（12，3）鐘點時各點座標 ............................................................................. 38
圖2-5-6 小齒輪把手為任意位置時各點座標 ..................................................................................... 41
圖2-5-7 考慮大齒輪轉動時各點座標 .......................................................................................... 43
圖3-1-1 研究架構圖 ....................................................................................................... 47
圖3-4-1 研究流程圖 ....................................................................................................... 51
圖4-1-1 不同齒數的齒輪 ................................................................................................... 55
圖4-1-2 將兩同樣大小齒輪相黏 .............................................................................................. 56
圖4-1-3 木板中心及邊緣鑽洞 ................................................................................................ 56
圖4-1-4 將木板黏貼於齒輪上 ................................................................................................ 56
圖4-1-5 螺絲穿過邊緣的洞並以螺帽固定 ....................................................................................... 56
圖4-1-6 齒輪固定鈕製作 .................................................................................................... 57
圖4-1-7 齒輪下方以墊片調整 ................................................................................................ 57
圖4-1-8 西卡紙放入齒輪下方 ................................................................................................ 57
圖4-1-9 腳踏車齒輪零件組裝順序 ............................................................................................ 58
圖4-1-10 冰棒棍上鑽洞 .................................................................................................... 58
圖4-1-11 固定色筆 ........................................................................................................ 58
圖4-1-12 木板鑽洞 ........................................................................................................ 59
圖4-1-13 組裝齒輪 ........................................................................................................ 59
圖4-1-14 裁切西卡紙並黏貼於中央大齒輪上 .................................................................................... 59
圖4-1-15 將冰棒棍套入把手 ................................................................................................. 60
圖4-1-16 腳踏車齒輪繪製出的圖形 ........................................................................................... 60
圖4-2-1 設計一組裝完成圖 .................................................................................................. 62
圖4-2-2 底盤以底盤結合器相接 .............................................................................................. 62
圖4-2-3 每塊底盤插入三個長結合鍵 .......................................................................................... 62
圖4-2-4 壓入第二層底盤 ................................................................................................... 62
圖4-2-5 將完成後的底盤翻面 ................................................................................................ 62
圖4-2-6 160齒齒輪中央裝入齒輪中心套 ....................................................................................... 63
圖4-2-7 齒輪中央插入長自轉軸 .............................................................................................. 63
圖4-2-8 將兩根超長條以軸扣相接 ............................................................................................ 63
圖4-2-9 把手A ............................................................................................................ 64
圖4-2-10 把手B ........................................................................................................... 64
圖4-2-11 以橡皮筋固定色筆 ................................................................................................. 64
圖4-2-12 色筆可插入桿A或桿B上不同洞 ....................................................................................... 64
圖4-2-13 將齒輪插入底盤並插入把手 ......................................................................................... 65
圖4-2-14 固定透明片及西卡紙 ............................................................................................... 65
圖4-2-15 設計一完成圖 .................................................................................................... 66
圖4-2-16 桿A、桿B插入不同的洞位置 ......................................................................................... 66
圖4-2-17 更換齒輪B或齒輪C的齒輪大小 ....................................................................................... 67
圖4-2-18 齒輪之間再加入一個小齒輪 ......................................................................................... 67
圖4-2-19 色筆插入桿A、桿B上不同的洞 ....................................................................................... 67
圖4-2-20 改變把手A、把手B相對位置 ......................................................................................... 67
圖4-2-21 設計一繪製出的圖形 .............................................................................................. 67
圖4-2-22 設計二完成圖 .................................................................................................... 68
圖4-2-23 四根超長條以軸扣相接 ............................................................................................. 69
圖4-2-24 把手A ........................................................................................................... 69
圖4-2-25 把手B ........................................................................................................... 69
圖4-2-26 以橡皮筋固定色筆 ................................................................................................. 69
圖4-2-27 色筆可插入桿A或桿B上不同洞 ....................................................................................... 69
圖4-2-28 齒輪插入底盤並插入把手 ........................................................................................... 70
圖4-2-29 把手B上加上凸輪連接器 ............................................................................................ 70
圖4-2-30 齒輪C組不同的排列方式 ............................................................................................ 71
圖4-2-31 齒輪A、齒輪B之間加入小齒輪 ....................................................................................... 71
圖4-2-32 桿A、桿B交叉處不同位置 ........................................................................................... 71
圖4-2-33 改變色筆的位置 ................................................................................................... 72
圖4-2-34 設計二完成圖 .................................................................................................... 72
圖4-2-35 設計二繪製出的圖形 ............................................................................................... 72
圖4-2-36 A齒齒輪位置推算 .................................................................................................. 74
圖4-2-37 以畢氏定理求得兩齒輪垂直距離 ...................................................................................... 75
圖4-2-38 44齒齒輪3D列印圖檔 ............................................................................................... 76
圖4-2-39 3D列印齒輪成品 .................................................................................................. 76
圖4-2-40 以3D列印齒輪組裝為設計一 ......................................................................................... 76
圖4-2-41 3D列印齒輪在設計一繪製出的圖形 .................................................................................... 76
圖4-3-1 扳手 ............................................................................................................. 77
圖4-3-2 版本一--扳手使用方式 .............................................................................................. 77
圖4-3-3 扳手需卡進長結合鍵凹槽 ............................................................................................ 78
圖4-3-4 修改後說明書--扳手使用方式 ........................................................................................ 79
圖4-3-5 版本一--玩法一步驟一 .............................................................................................. 79
圖4-3-6 底盤四周凸起物 ................................................................................................... 80
圖4-3-7 修改後說明書--玩法一步驟一 ........................................................................................ 81
圖4-3-8 版本一--玩法一步驟二 .............................................................................................. 82
圖4-3-9 修改後說明書--玩法一步驟二 ........................................................................................ 83
圖4-3-10 版本一--玩法一步驟三 ............................................................................................. 83
圖4-3-11 修改後說明書--玩法一步驟三 ....................................................................................... 85
圖4-3-12 修改後說明書--玩法一步驟四 ....................................................................................... 86
圖4-3-13 版本一--玩法一步驟六 ............................................................................................. 86
圖4-3-14 修改後說明書--玩法一步驟六 ....................................................................................... 87
圖4-3-15 版本一--玩法一步驟七 ............................................................................................. 88
圖4-3-16 把手需插入齒輪上最小的洞 ......................................................................................... 89
圖4-3-17 把手與長自轉軸分別插在齒輪相反的兩面 .............................................................................. 90
圖4-3-18 修改後說明書--玩法一步驟七 ....................................................................................... 91
圖4-3-19 版本一--玩法一步驟八 ............................................................................................. 91
圖4-3-20 版本一--玩法一步驟九 ............................................................................................. 92
圖4-3-21 修改後說明書--玩法一步驟九 ....................................................................................... 93
圖4-3-22 色筆可以插入桿A、桿B上不同的孔洞 .................................................................................. 94
圖4-3-23 修改後說明書--玩法一的改變變因 .................................................................................... 95
圖4-4-1 版本二--扳手使用方式 ............................................................................................. 103
圖4-4-2 版本二--玩法一步驟六 ............................................................................................. 105
圖4-4-3 版本二--玩法一步驟七 ............................................................................................. 106
圖4-4-4 修改後說明書--玩法一步驟七 ....................................................................................... 107
圖4-4-5 版本二--玩法一步驟九 ............................................................................................ 107
圖4-4-6 修改後說明書--玩法一步驟九 ....................................................................................... 108
圖4-4-7 修改後說明書--玩法一變因一 ....................................................................................... 109
圖4-4-8 版本二--玩法二步驟一 ............................................................................................. 109
圖4-4-9 修改後說明書--玩法二步驟一 ....................................................................................... 110
圖4-4-10 版本二--玩法二步驟三 ............................................................................................ 111
圖4-4-11 修改後說明書--玩法二步驟二 ...................................................................................... 112
圖4-4-12 修改後說明書--玩法二步驟三 ...................................................................................... 113

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