從「這裡有風」到一個可以驗證的問題
3D 風扇風場探究
拿到電風扇和風速計後，實驗要從哪裡開始？從一個生活問題出發，練習設計、試做、量測與分析，用證據回答自己的問題。
一、問題與學習目標
離風扇越遠，量到的風速一定越小嗎？
站在電風扇正前方，往後退一段，風速一定會變小嗎？如果只記下幾個數字，卻沒有固定風速計的高度和朝向，就很難判斷差異究竟來自距離，還是操作條件。
把這個生活疑問變成實驗，要先說清楚用哪一台風扇、固定什麼檔位、在哪些位置量、每個位置量多久。先寫下預測，再決定變因與測點，資料才有比較的依據。
以下先在 3D 模擬器預演，檢查自己的計畫，再用電風扇與風速計試做、修正和量測。模型能提供線索；真正支持器材結論的證據，仍須由你和同學實際取得。
學習目標
- 提出一個能用電風扇與風速計回答的研究問題，並寫下有理由的預測。
- 辨認操縱、應變與控制變因，規劃測點、量測時間與重複次數。
- 透過試做找出操作問題，修正方法後執行並保留完整紀錄。
- 比較資料與預測，說明結論的適用條件、限制及下一步改進。
二、核心概念與原理
先決定要比較什麼，再決定怎麼量
問題先於數字
先決定想比較什麼，再決定怎麼量。「研究風扇」太大，可以縮小成「固定檔位與量測方向時，距離如何影響平均風速？」
讓比較有依據
自己改變的條件是操縱變因；量到的結果是應變變因；其餘需要保持一致的條件是控制變因。這次練習先一次改一項條件。
用資料修正想法
先寫下預測，再保留所有量測結果。結果不符合預測時，檢查方法與條件，再決定要修正假設或補做實驗。
把「距離會影響風速嗎？」變成實驗
- 操縱變因：風速計距離出風面的距離。
- 應變變因：相同量測內的風速。
- 控制變因：同一台風扇與檔位、風速計的左右位置、高度、朝向，以及量測與讀值方式。
這只是其中一個設計範例。你也可以改問「固定距離時，上下位置會影響風速嗎？」此時高度成為操縱變因，距離就要固定。
先認識座標與風速計方向
「距離出風面」沿風扇主軸計算；左右偏移 0 、相對中心 0 m 的位置在中軸線上。高度正值表示向上，負值表示向下。控制設為 0° 表示正對風扇，±90° 表示側向；目前偏轉只在水平面內進行。
三、操作與實驗
固定條件，預演一份可重做的實驗
先帶著一個問題操作：哪些條件要固定、哪些位置值得量？在「看風」觀察分布，「測風」設定條件，「紀錄」檢查資料是否足以回答問題。模擬結果可以幫你修正計畫，不能取代實測。
比較下方兩張畫布時，先固定中檔、左右偏移與高度 0 m、角度 0°，並在「看風」關閉風速波動。這是穩態模型的距離比較；完成後再開啟波動，練習各測點重複量測。量測期間位置與檔位鎖定，暫停也會暫停取樣；按「量測 5 秒」會開始或恢復播放。
拖空白處旋轉視角；拖風速計在目前高度水平移動，上下升降使用高度滑桿。手機可點面板標題展開操作區。
操作任務與實驗步驟
以下用「距離如何影響平均風速？」示範完整流程。你可以採用這個問題，也可以選擇高度、左右位置或檔位作為研究主題；先完成一個清楚的問題，再擴充實驗。
提出問題，寫下預測與理由
把生活觀察改寫成可比較的問題，例如「固定中檔，在風扇中心高度、正前方量測時，距離改變會讓平均風速如何變化？」先寫下你的預測與理由，暫時不查答案，也不把預測當成結論。
決定變因與量測方法
畫出風扇與風速計的位置，標示距離從出風面開始量。列出操縱、應變與控制變因，決定每次量多久、如何讀值、每個條件。可先規劃 0.50、1.00、1.50 m 三個距離，每次 5 、每個距離三次；這些是起始方案，需依場地與器材調整。
用模擬器預演，再用器材試做
先固定中檔、左右偏移與高度 0 m、角度 0°，練習只改變距離並按「量測 5 秒」。在「紀錄」確認每筆都有條件與結果；可比較開啟與關閉「風速波動」時的差別。接著用實體器材試量一個位置，檢查風速計能否固定、讀值是否來得及記錄、距離標記是否清楚。
修正計畫，準備紀錄格式
依試做結果調整測點、量測時間或固定方式，寫下修改理由。預先準備紀錄欄位：資料來源、檔位、距離、左右位置、高度、風速計朝向、量測時間、第幾次、讀值與備註。模擬資料和實測資料分開保存；若實體風速計沒有平均功能，先約定等時間間隔讀值並保留原始讀值。
依同一套方法執行量測
固定風扇朝向、關閉擺頭，讓風速計的感測部位依器材說明面向來風並保持穩定。每個測點依計畫完成量測與重複，輪流負責定位、讀值與紀錄。記下器材型號、周圍環境及碰動器材等異常；風速計與手都留在護網外。若中途改了方法，標記清楚並重新安排可比較的量測。
整理資料，回到研究問題
保留各次結果，再整理每個距離的平均風速與分散情形。以距離為橫軸、平均風速為縱軸作圖，查看趨勢與重複量測是否一致。模擬器可在「紀錄」匯出 CSV；真實器材則依可用功能整理。不要只挑符合預測的數據，對異常值先查紀錄，必要時補測並說明原因。
用證據下結論，提出下一輪問題
用「在這台風扇、這個檔位與這些測點下，我們觀察到……，依據是……」回答原問題。說明結果是否支持預測，以及哪些位置還沒量、哪些條件可能影響結果。再提出具體改進，例如增加某一段距離的測點，或改善風速計的固定方式。
完成後，你應該留下什麼？
一份可以讓別組照著操作的實驗方法、附有條件的原始紀錄、一張能回答研究問題的圖，以及說明證據與限制的結論。試做後改了什麼、為什麼改，也都是探究過程的重要紀錄。
四、觀察與解釋
這裡沒有要求每組得到同一條曲線。觀察的重點是：你的資料是否足以回答問題，以及下一次要如何量得更清楚。
變化發生在哪裡？
固定中檔、正對探頭、左右偏移與高度 0 m，關閉波動時，本模型的中軸讀值在 0.50、1.00、1.50 m 先升後降。近處中央弱風區與下游恢復是模型設定的一部分，因此「距離越遠一定越小」不能先當成答案。下圖只改變距離，保留同一視角；它提供待實測的線索，沒有替家中的風扇作出結論。
同一條件是否一致？
同一位置的幾次結果是否接近，要和量測方法一起看。先確認高度、朝向、取樣時間與周圍條件一致，再比較平均值與散布。這個模擬每次五秒保留五十筆合成讀值，標準差描述該段時間的起伏，不能直接當成儀器精度或平均值的不確定度。
還有哪些解釋？
若實測與模型不同，先保留紀錄，列出可以區分的解釋，再安排下一輪測試。例如左右不對稱時，可檢查風扇朝向、探頭定位與周圍回流，而不是只寫「人為誤差」。模擬省略牆面與真實紊流，不能要求每組實測得到相同曲線。
常見錯誤與迷思
有數字，不代表已回答問題
一次改了距離又改了角度，就無法把差異單獨歸因於距離。先一次改一項條件，其他條件固定；需要同時研究多個變因時，另行設計可比較的方法。
中央附近不一定完全沒有風，也不一定處處風速最大；要同時指定距離與位置。本模型包含中央弱風區與下游恢復，實際分布仍須測量。
結果不支持預測，不代表實驗沒有價值。先檢查方法與原始紀錄，可靠的反例也能幫助修正想法；模擬標準差則只描述合成資料散布，沒有包含實體器材的全部誤差來源。
五、整理與應用
重點整理
- 先提出可量測的問題，再決定變因、測點與紀錄方法。
- 試做是用來發現問題、修正計畫；正式量測要維持一致的方法。
- 保留原始資料與異常紀錄，用圖表及重複量測支持結論。
- 預測可以被修正；結論要說明適用條件與下一步如何改進。
- 模擬可用來練習設計與形成假設，實測則提供真實器材的證據。
延伸思考與挑戰題
- 如果只有 20 分鐘，你會如何取捨測點數量與重複量測次數？說明你的安排如何回答研究問題。
- 若兩次量測的平均值很接近，但波動程度不同，你會如何呈現資料，避免只用單一數字下結論？
- 如果實測左右兩側的風速不對稱，你會先檢查哪些操作或環境條件？要如何區分量測問題與模型限制？
