天灯的制作

作者:台东师范学院–施能木 老师


壹、前言

贰、科技的部份-天灯的制作与注意事项

参、科学的部份-天灯升空的原理

肆、社会的部份-天灯的演进与其社会的影响

伍、参考书目

壹、前言

科技应是人们运用既得的知识,妥善的评估所使用的材料、机具、资源及创意,决定出最佳的方案以解决所面临的实务问题。本文将以「天灯的制作」为教学活动的主体,并以科技为教学的主轴,配合科学、社会学的探究活动,引介STS课程的合科式教学,以让教师熟悉及具备统整、合科教学的能力,同时也让学童学得整合性的知识与技能。李隆盛(民82)认为科技的定义应为:「人们利用知识、资源和创意,以有效解决实际问题,调适人和环境关系的意图和努力」。综合上述对科技定义的看法,笔者认为科技是「善用各种材料、机具、资源、知识和创意等,以有效解决人类实务问题,改善人与环境间的关系」的学门。

贰、科技的部份-天灯的制作与注意事项

一、天灯造形选定的评估

因热空气而升空的天灯,其上升时除受风力因素之影响外,天灯本身的造形亦是能否平稳升空的重要条件。因此,我们可进行灯体造形的评估测试,以决定天灯升空的最佳造形为何?其实施的步骤如后:

1.将学生区分为五组或六组,并且分给四张半的全开单光纸(或薄宣纸)为材料;

2.要求各组制作出不同造纸的天灯灯体(例如:正方体、梯形体等);

3.于无风的状况下,将瓦斯喷灯置于灯体的正下方,然后点燃喷灯以产生热空气;

3.当灯体内热空气达饱和状况时,即松手并且观察灯体是否平稳且垂直的升空?还是左右摇晃且倾斜而无法升空?;

4.请解释灯体无法平衡升空的原因,并重复找出解决方案及作测试,一直到解决问题为止;

5.请将解决问题的历程纪录成书面数据,同时针对所得结果作分析。

经由上述灯体造形的测试过程,我们可发现:灯体是上宽下窄的造形且下端置有均衡重物者,其较容易升空。其结果的分析可藉由观察天灯、热气球的造形而得知,通常它们的最宽部份皆在其顶端且呈现球体形状,这是为使其上端能够有较多体积,来容纳热空气以增加浮力;而其下端均放置具有重量的人或物(例如:加热工具),加热工具置于最下端的作用,除了使灯体内的空气完全加热之外,还有一个很重要的因素,就是借着加热工具的重量来保持天灯垂直上升时的平衡度,让它不致于像放松的气球一样在空中翻滚。为何要使天灯保持平稳呢?主要有以下两个考虑因素:

1.使天灯内的热空气不致散失。

2.安全因素的考虑。

二、天灯材料选用的评估
1.纸质材料选用的评估

我们都知道天灯的灯体其主要材料是「纸」,然而用何种纸质可使天灯顺利升空?这必须作纸质材料的评估试测工作,其实施的步骤如后:

A.将学生区分为五组或六组,并指定各组选用绵纸、薄宣纸、麻将纸、牛皮纸、单光纸或其他纸质等材质中的一种为材料,以四张半的全开纸张来制作类似钻石形的灯体(如图二所示);

clip_image001

B.经全体同学充分讨论以决定所要评估的项目,并作为选用何种纸质优先级的参考; C.再将瓦斯喷灯置于灯体正下方,然后点燃喷灯以产生热空气; D.请观察该灯体是否有升空的现象?何种纸质的灯体其升空情形较明显? E.经过上述A.、B.、C.、D.的步骤后,请将所得结果以表列法(如下表)分析之,并说明其优缺处,以作为选择纸质的参考依据。

评 估 标 准

评 估 结 果

1.



2.



3.



1.



2.

3.

4.



5.


绵纸

薄萱纸

单光纸

牛皮纸

(评定优缺可以◎、○、△、╳等表示之)

经由上述灯体材料的测试过程,我们可发现:要使天灯符合「升空之机能要求」,天灯的重量是一个重要的考虑因素,制作时必须使其天灯重量(即其所受重力)小于其所受的浮力,因此材料的选择必须以「质量轻」为考虑因素,因此棉纸、薄宣纸、单光纸皆是合适的材料来源;但再考虑空气的散失情形,棉纸、薄萱纸因纸质较粗糙且薄,在制作的过程中易产破洞而使空气散失严重,因此,单光纸便成为最佳的材料来源。当然,除了纸质的材料之外,我们仍可思索其他不同的材料,然而其评估的方法亦可与上述的方法相同。

2.其他材料选用的评估

为使天灯能够平稳的升空,其底端开口的设计便是相当重要,因此在选择材料时必须同时考虑到「质轻」、「易施工」的特性。然而,竹材在削薄之后,仍具有相当的韧性与弹性,且在其加热及施力加压后,易使其弯曲为半圆形而具备有「易施工」的特性,同时其也符合「质重轻」的要求。当竹材与其他材料作比较,更易突显其较优的特性,因此天灯开口的设计便以竹材为主。为固定该竹篾成为圆形,便以铁丝来当支架进行支撑工作,但铁丝有质量较重的特性,因此选用时必须考其适当的线径数(18号较为适当),以免造成天灯总重量过重而无法升高的现象。当天灯材料选定之后,黏贴材料的选定便是相当重要,我们可用脑力激荡的方法列出可用的黏贴材料,然后类似上述1.中的评估方法选出最佳的黏贴材料,通常我们会评选出「浆糊」做为天灯的黏贴材料。

三、天灯的材料与工具

经过上述材料选用的评估过程,我们将在制作天灯时所需的材料与工具栏出如后所叙:

1.材料部份:

单光纸(或棉纸、薄宣纸)(120公分×100公分,5张)。
竹条(约100公分,2条)。
铁丝(18号,100公分)。
浆糊(1包)。
胶带。
燃料用金纸(10公分×15公分,12张)。
煤油。
2.工具部份:
铅笔。
长尺(50公分以上)。
美工刀。
斜嘴钳或钢丝钳。
打火机。
腊烛。

四、天灯制作的实施步骤

我们可将天灯制作视为一种物品的制造程序。换句话说,「制造程序」除了考虑工具、资源的选用评估外,亦需妥善规划整个物品生产的流程,以节省所需的人力、物力与时间。笔者曾经尝试让师院学生自由的黏贴天灯的灯体,并且与经由教导学生黏贴程序作对照比较,结果发现前者所花费的时间却是后者的二至四倍之久。虽然,尝试错误亦学习过程的一种方法,然而教师却必须懂得正确的天灯制作过程,以便在学生尝试各种制作方法与步骤后,可给与学生经由共同讨论、归纳的过程,以整理出较佳的天灯制作步骤,使他们有着较清楚的概念与技能。为提供教师于教学时的参考,笔者将经多次尝试与修正的天灯制作步骤叙述如后(施能木,民87):

1.先将四张矩形单光纸(或棉纸、薄宣纸)按照图三所示的尺寸(或按原比例缩小尺寸)来画线,并用美工刀切裁成图三的形状。

clip_image002

2.将两张切裁好的单光纸1、2以不摊开且平行错开的形式,预留1.5-2.0公分的间隔(如图四所示),并于单光纸1的间隔上均匀涂上浆糊,并顺势黏合于单光纸2上。

clip_image003

3.把单光纸2未黏合的另一边向右对折,并将单光纸3置于单光纸2之上,并且以步骤2的相同方式来黏合单光纸2与单光纸3。

4.重复步骤3的操作,将单光纸3与单光纸4黏合起来。

5.然后,将整个未完成黏贴的灯体上下翻面,再将单光纸1与单光纸4未黏合的两边,以步骤2的相同方式黏合起来。

6.将47公分×47公分的单光纸依对角对折、对边对折的方式折出「米」字形的折线,再将此张纸对折置于灯体顶端的上下两边,涂上浆糊以黏贴此两边,更换黏贴面以黏贴另两边。

7.于天灯外表四面绘制图案,或书写文字,但须注意水份不要太多以免造成天灯破裂。

8.将竹条削薄、加热弯曲以作成与天灯底端开口大小的圆形(其圆周长为45×4=180,即天灯四个底边长的总和),并且以胶带固定之。然后,将图周三等分,以铁丝固定于竹篾内(如图五所示)。

clip_image004

9.让天灯底端开朝下并将竹篾置于天灯内部,在底端4公分部份涂上浆糊反折包住竹篾,如此完成天灯的制作工作。

五、天灯制作的注意事项

天灯的制作看似相当容易,实际上于制作时将会产生若干细节上的技术问题,分别叙述如后:

1.天灯制作之单光纸必须切裁成一样大小,黏接的空隙亦要一致,以避免产出做出之天灯形状呈现不优美的多边形现象。

2.关于黏着剂的使用方面,建议使用传统式浆糊效果最佳,如用胶水易产生单光纸破裂情形,而用双面胶则因黏着性不强,应宜避免使用之。

3.彩绘天灯时最好避免使用水性之颜料,以免因水份过多而导致单光纸破裂之情形,建议使用蜡笔等颜料,因其色彩鲜艳、着色容易。

4.竹篾圆周的总长避免小于180公分,否则易产生天灯底端开口过小,以致加热充气时单光纸被烧到之情形。

六、天灯的施放与注意事项

刘得劭(民84)在「从传统天灯工艺延伸至美劳教学之例」一文中曾说明天灯的施放步骤及注意事项,其内容叙述如后:

1.天灯的施放

A.将燃烧用金纸浸泡于煤油至饱和状态。

B.两人将天灯灯体撑开,由另一人将12张金纸插置于竹篾中央的铁丝内,然后用火点燃金纸之四角。

C.燃料点燃后,将天灯底部移置地面,待天灯充气至饱满且有上升之感觉时即可松手以使天灯升空。

※PS:根据笔者实际天灯施放的经验,为避免金纸燃烧时火焰过大而将天灯烧掉,我们可将金纸浸泡煤油后可将其对折,然后再卷成「圆柱」(类似蛋卷的形状),最后用铁丝缠绕及绑住,点燃金纸以使火焰适中且燃烧均匀,如此天灯便可顺利升空。

2.注意事项

A.应在空旷且附近上空没有电缆线等物的地方。

B.风力太大以及下雨时请避免施放,以避免升高时会产生失败的现象。

C.应有教师或大人在场指导,勿使小孩单独操作,同时准备减火设备或装有水的水桶。

参、科学的部份-天灯升空的原理

天灯的制作其原理与热气球相同,都是利用空气受热膨胀上升,而将其灯体带动升空,为何会造成这种现象的产生呢?我们现在就探讨其升空的科学原理:

一、空气为何受热会膨胀?

「热」就是气体分子运动时所需具有的「能」,当分子运动要愈快时,其所需要的「能」就必须愈多。换句话说,当我们把一种气体加热时,它里面的分子会因吸收较多的能,而使得彼此间的运动愈快,因此分子间的距离就会愈来愈大,相对地气体的体积就会愈来愈大,而产生所谓「膨胀」的现象。

clip_image005

因此,同单位体积的空气在受热后,其密度会变小(如图六说明)。

二、热空气是如何将天灯升空呢?

天灯能够升空其所应用到的科学原理是利用「阿基米得原理」。它的原理说明如后:当某种物体浸在某液体中时,其密度大于液体密度时会下沈,而其密度小于液体密度会上浮。同时,物体的重量会比浸入前为轻,而它减轻的重量就等于该物体所排开的液体重,此便是其所受的「浮力」。

天灯内热空气的密度比外面冷空气的密度小,因此根据阿基米得原理的应用,它会获得一「浮力」作为其上升的动力,当此浮力大于天灯灯体的重力时,其便可顺利升空(如图七)。当天灯持续升空时,高空的温度较低,使得高空的空气密度会变大,假若

clip_image006

天灯仍有热源的支持,则天灯所受浮力会变大,而让天灯加快升空的速度。
图七 天灯内外空气分子数的比较
(冷空气较重,所以不会进入天灯内)

三、究竟需要多大的浮力,才能使天灯升空呢?

一般来说,一公升空气在摄氏27度时的重量为1.2077公克,但加热到摄氏80度时的重量却是1.05公克(洪惠荪,民70)。

我们以一个容积为1000公升的天灯为例,其内部全是每公升重1.2077公克的室温下空气,此时空气的总重量为:

1.2077×1000=1207.7公克 (A)式

当我们将天灯内的空气加热至摄氏80度时,则此时的空气总重量为:

1.05×1000=1050公克 (B)式

由(A)、(B)两式的差可知空气所产生的浮力为157.7公克,因此只要制作天灯的材料其总重量小于157.7公克,就可使天灯顺利升空。

换句话说,我们可以利用上述的「数学运算」程序,精准地计算出天灯的容积与其重量的大小,并比较出其浮力与重力的关系,以作为预估天灯能否升空的重要依据。当然,当天灯容积愈大时,其所产生的浮大就会愈大,如此天灯就会更容易升空。

四、天灯施放的时间与地点应为何?

施放天灯的活动通常是在山谷的冬天(农历正月十五日)举行,因为山谷的冬季常会出现逆温的现象,而逆温也代表大气非常稳定的状态,由于它是轻而暖的空气在冷而重的空气之上(即高空是轻而暖的空气;接近地面便是冷而重的空气),如此可助长天灯顺利升高的过程。

肆、社会的部份-天灯的演进与其社会的影响

一、天灯的演进

天灯又称「孔明灯」,传说为诸葛亮于争伐南蛮时所发现,供作军事通信目的使用,另一种说法则说他的外形像是孔明画像的帽子而得名。古时「天灯的结构」可分为主体与支架两部份,主体大都以竹篦编成形体,次用棉纸或由只糊成灯罩,底部的支架则以竹削成的篦组成,孔明灯可大可小,可圆形也可呈长方形。但现代的天灯在制作上更为简便,其制作的材料亦是简单。

平溪天灯的起源,被认为是昔日常有盗贼来境劫掠,为防土匪侵犯,居民以放天灯作为信号与传递消息。这追溯到道光初年,先民由大陆福建省惠安、安溪等地来到十分寮地区,当地位处山区,常闹土匪,村民向山中逃避,等待土匪离去,夜间以施放天灯作为信号,告知上山避难的村民可以下山回家,藉此方式向村民报平安,那年正是农历正月十五元宵,转变为现代的平安祈福,更加上一层含意,每年的元宵夜,男女老少亲手写下祝福的心愿,象征丰收成功,幸福年年。

亦有另一说法为:平溪、十分一带位处偏远的山区,开发甚迟,交通不便,原为平埔族人势力的范围,早期出入山地开拓的汉人,常遭杀害或土匪打劫,拓垦的人们在这通信不便的山区,乃以放天灯互报平安,后逐渐演变为当地元宵特有的风俗。

二、社会的影响
1.作为民俗与观光的资源

平溪放天灯的习俗流传至今已有百年历史,有「南蜂炮北天灯」之喻,每年元宵节,平溪乡的乡民都会放天灯,祈福消灾,一盏盏的明亮灯火,缓缓从溪谷升起,熠熠生辉,蔚为奇观,到平溪看天灯成了农历元宵夜里最特别的民俗活动。

由于人们祈求平安之天性及许愿之常情,与天灯施放之意义契合,使得原本偏僻的平溪一带在元宵节时挤满人群,以成为观光的胜景。不仅是平溪地区施放天灯,其他地区亦有类似的活动举行,甚至连渡假休闲农场也举行天灯施放活动,大批人潮聚集在一起,施放一个个的天灯,以带动相关的观光事业发展。

2.作为乡土教材的来源

台湾有着许多民俗活动与工艺作品,曾经一度遭受不被重视的待遇,不过近来乡土教育愈来愈重视,以致传统的民俗与工艺制作愈来愈有人愿意去传承。天灯在此文化的传承洪流中,扮演着一个重要的角色,亦可成为我们教导学生乡土知识的来源。

3.作为教师从事科际整合的范例

天灯的制作、升空原理与社会影响正是STS教学的最佳范例,国小教师可在美劳课里进行天灯的制作,在自然课里进行升空原理的探讨,在社会课里与学生讨论天灯的社会影响层面,这正是提供教师一个跨学科、以问题取向的教学活动内容,可作为教师培养「科际整合」教学能力,及可让学童学习整合性知识的范例。

伍、参考书目

李隆盛(民83):"Technology"的中文名字是「科技」。中学工艺教育月刊,27(1),1。

施能木(民87):以STS教学途径来教导美劳教学活动-以天灯制作为例。国教辅导,37(6),10-14。

刘得劭(民84):从传统天灯工艺延伸至美劳教学之例。国民教育,35(5/6),44-49。

About these ads

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

Connecting to %s


关注

每发布一篇新博文的同时向您的邮箱发送备份。

%d 博主赞过: