歡迎來到「材料與物質：物盡其用，配對材料與用途！」
你有沒有想過，為什麼雨傘是用防水布料而不是用紙做的？又為什麼煮食鍋是用金屬製成，但鍋柄卻往往是木或塑膠做的？在這個單元中，我們將會探索人們如何選擇和改變不同的材料，來製造出實用的物品和工具。如果一開始覺得有點難，千萬不要擔心——只要運用你的感官、提出好問題，並像科學家一樣思考，你很快就會明白周圍的每一樣東西都有其明確的設計用途！
備註：本單元專為 7 至 9 歲的學習者設計，重點探討如何配合用途來選擇和處理材料。如欲了解材料的基本特性，請參閱「日常材料的特性（3-7 歲）」。如欲了解材料如何變化，請參閱「材料的變化：可逆與不可逆（5-9 歲）」。
---1. 什麼是材料與它們的用途？
在科學上，材料（material）就是製造一件物品所用的物質。而物品的用途（purpose），就是它被設計用來完成的工作或功能。
每天，發明家、建築工人同設計師在面對一項需要完成的工作時，都會問：「哪種材料具有最合適的特性，能夠把這項工作做得最好？」
天然材料與人造材料
科學家將材料大致分為兩大類：
• 天然材料：直接來自大自然——來自植物、動物或大地（例如：來自樹木的木材、來自綿羊的羊毛、來自地球的岩石和沙粒）。
• 人造材料：由人類利用科學和技術製造或改變而成（例如：塑膠、玻璃和加工布料）。
處理材料
有時候，天然材料單憑原貌並不完全符合需要。科學家和工匠會處理（manipulate，即改變、塑形、加工或混合）材料，讓它們能符合特定的用途。例如，木材可以被切割和刨平為平整的木板來建造結實的桌子；沙粒可以在極高溫下加熱，製成透明的玻璃窗。
重點歸納：物品的用途決定了我們選擇的材料。材料可以是天然的或人造的，我們亦可以透過加工處理材料，讓它們更好地發揮作用。
---2. 特性與用途的配對
特性（property）是材料的外觀、觸感或反應等特徵。
當我們為某個用途挑選材料時，會仔細觀察它的特性：
• 強度與硬度：它能否承受重物而不折斷？（非常適合用於橋樑支撐、椅子腳和工具！）
• 柔韌度（彈性）：它能否彎曲而不折斷？（非常適合用於橡筋、衣服和花園水喉！）
• 抗水性（防水）：它能否阻擋水分滲入或防止水分穿過？（非常適合用於雨衣、雨靴和屋頂瓦片！）
• 透明度：光線能否穿透它，讓我們能看透過去？（非常適合用於窗戶玻璃、眼鏡和護目鏡！）
• 熱表現：它會讓熱力迅速傳遞，還是會阻隔熱力？（金屬能讓平底鍋中的食物快速煮熟，而木或耐熱塑膠手柄則確保我們觸碰時安全不燙手！）
產品與工具如何隨時代演變
工具和日常用品並不是一成不變的！隨著科學知識的增長，人們發明了處理材料的新方法，讓工具變得更安全、更輕巧、更有效率。例如，早期的食物容器是用厚重的石頭或黏土製成的，但隨著時間過去，人們學會了利用現代材料製作更輕巧、更堅固的容器。
你知道嗎？許多日常用品都是結合兩種或以上的不同材料製成的！單單是一把剪刀，刀刃使用堅硬、鋒利的金屬來剪紙，而握柄則使用光滑、模塑成型的塑膠，讓手指握起來更舒適。
重點歸納：我們透過檢視材料的特性是否符合用途來配對材料。結合不同的材料往往能創造出最合適的工具。
---3. 像科學家一樣思考：公平測試與科學探究
科學家怎麼知道哪種材料效果最好？他們絕非單憑猜測——而是會計劃並進行系統性探究！
逐步指引：測試材料
1. 提出問題：從一個明確的問題開始，例如：「哪種布料最防水，適合做雨帽？」
2. 作出預測：運用你已有的知識，對可能發生的情況作出有根據的預測。
3. 設計公平測試（控制變項）：變項（variable）是實驗中任何可以改變的因素。為了確保測試公平，你只能改變「一個」變項（布料的種類），並保持所有其他變項不變：
• 倒入的水量必須完全相同。
• 每塊布料的大小必須完全相同。
• 倒水的高度和速度必須完全相同。
如果你同時改變多於一項因素，這項實驗就不公平，你便無法確定是什麼原因導致該結果！
4. 仔細測量與觀察：使用標準工具（如量筒或計時器）準確測量數據，例如水滲透所需的時間或吸收水分的質量。
5. 系統性記錄數據：將你的數據和觀察結果記錄在清晰的表格或圖表中。
6. 解釋數據並得出結論：從結果中尋找規律。數據是否支持你的預測？這對你為特定用途配對材料有什麼啟示？
要避免的常見錯誤！
不公平測試的陷阱：忘記保持實驗條件完全相同。如果你用一小滴水測試布料 A，卻用一整杯水測試布料 B，你的測試就極不公平！請務必仔細檢查，除了受測試的材料之外，其他所有條件都必須完全一樣。
重點歸納：公平測試每次只改變一個變項，同時保持所有其他條件相同，這樣才能收集到可靠的證據。
---4. 系統、模型與因果關係
在 PYP 的 7 至 9 歲學習階段，你會探索事物如何像系統般運作，並利用因果關係來解釋你所觀察到的現象。
材料中的因果關係
「因」是事情發生的原因，而「果」是隨之而來的結果：
• 原因：我們選擇吸水材料來製造廚房紙。
• 結果：打翻在餐桌上的果汁能被迅速清理乾淨。
• 原因：我們選擇易碎的材料（如薄玻璃）來製造學校的運動球。
• 結果：球在受到撞擊時碎裂！（這證明了為什麼配對錯誤的材料會導致失敗！）
科學模型及其局限性
科學家經常在建造實物之前使用模型（圖紙、小型模型或圖表）來測試設計。例如，你可能會用紙板和膠紙建造一座微型橋樑來測試其形狀。然而，請記住每個模型都有其局限性（它尺寸較小、使用不同的材料製成，無法完全呈現真實尺寸的實物在現實世界中的所有表現）。
重點歸納：材料是系統的一部分。理解因果關係有助我們預測材料能否成功發揮其預期用途。
---5. 道德思維：關愛生物與環境
作為具備國際情懷的學習者，我們不僅要問：「我們能製造這個嗎？」，更要思考：「我們應該製造這個嗎？」
在選擇和處理材料時，科學家和設計師會考慮道德議題：
• 對環境的影響：原材料來自哪裡？採集原材料會否破壞動物棲息地或森林？
• 生物的福祉：這種材料對人類、寵物和野生動物來說是否安全且無毒？
• 深思熟慮的行動：作為 PYP 學習者，我們會運用科學知識來策劃切實可行的行動。這意味著要選擇可重複使用的材料、避免不必要的浪費，並以愛護和尊重的態度對待資源。
重點歸納：優秀的科學家關心地球。在選擇材料時，我們必須考慮生物的安全，並思考如何保護我們共享的環境。
---快速溫習小測驗
動動腦筋，回答以下問題來測試你的知識：
1. 為什麼羊毛不是製造雨傘的好材料？
答案：羊毛會吸水而且不防水，雨水會滲透進去而不是流走。
2. 「處理材料」是什麼意思？
答案：意思是指改變、塑形、加工或混合材料，使它符合特定的工作或用途。
3. 在尋找最結實線段的探究實驗中，為什麼所有測試的線段都必須具有相同的長度和粗幼？
答案：為了透過控制變項來進行公平測試，確保受測試的只有材料的種類。
4. 為什麼在為新產品選擇材料時，道德思維十分重要？
答案：因為我們需要保護生物、防止污染，並愛護我們共享的地球環境。