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MorSensor積木好好玩-- 新興科技在自然領域探究實作之創意應用

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文/楊玉蘭、蘇萬生
圖/楊玉蘭


每週四下午，總有一群臺北市校園數位氣象網的種子教師聚集在一起，一同研發、一同探討，一同為臺北市的氣象教育而努力。2019年4～5月的週四下午，為了暑假要在臺北市新興國中舉辦的「氣象探究研習營～數位科技愛地球」，這群老師與國立臺灣科學教育館(簡稱科教館)科普傳播中心蘇萬生博士共同合作，舉辦了一系列的「臺北市校園數位氣象網種子教師增能研習」活動，透過增能研習，種子教師們期待學習到更多新知以及科學結合數位運用的能力，以便設計暑期營隊課程，帶給臺北市的小朋友，更多元的氣象感測體驗與探究活動。特別值得一提的是，此增能研習聘請國家實驗研究院(簡稱國研院)台灣半導體研究中心的技術員擔任講師，進行無線感測積木--Morsensor的剖析與示範，讓種子老師們瞭解感測系統的奧妙。

國研院台灣半導體研究中心賴維霖技術員首先揭開一系列課程的序幕，介紹MorSensor無線感測積木開發環境、原理及應用(圖1)。無線感測積木為「國家晶片系統與設計中心」研發團隊所自主研發，是一使用模組化的概念所完成的無線感測系統，每個積木代表感測器系統中的不同功能，除了感測積木外，還需要資料運算積木以及電源積木，若要將感測資料傳輸到另一個裝置，則需要添加一個通訊積木。MorSensor已內建韌體，可搭配手機APP直接讀取資料。
賴維霖
感測積木與人體感官類比關係
圖1. 國研院台灣半導體研究中心賴維霖技術員(上)；感測積木與人體感官類比關係(下；取自講師課堂簡報)。

無線感測積木
無線感測積木2
圖2. 各式MorSensor無線感測積木說明(取自講師課堂簡報)。

表1 各項MorSensor無線感測積木組件。
表1

講師初步介紹之後，便拿出幾套MorSensor供現場老師們體驗(圖2和表1)，感測積木分為很多不同種的顏色，運用APP連接可接收不同數值。老師們在體驗的過程中，不停腦力激盪，看看這些有趣的小方塊，可以有什麼不同的應用？例如：色彩感測積木，可以於室內裝潢時比對色碼，讓客戶與設計師有更準確地溝通；酒精感測積木可以測試酒測值，作為酒精濃度的感測器。讓老師們最感興趣的就是溫溼度與大氣壓力的感測積木，老師們邊玩邊想著：有那些即時的數據體驗，能開發出不同以往的天氣體驗活動？麥克風感測積木、紅外線影像感測積木、超音波距離感測積木等等，也都藉由此次機會，實實在在地體驗了一次(圖3、4)。
MorSensor無線感測積木組件 種子教師們試著組裝測試
圖3. MorSensor無線感測積木組件(左)；種子教師們試著組裝測試(右)。

種子教師與講師共同研討 顏色感測系統
圖4. 種子教師與講師共同研討(左)；顏色感測系統(右)。

接下來的兩堂課，講師請種子教師們帶NB筆電開始寫程式了喔！講師請大家先安裝Android的開發環境，並表示只要有興趣，有想要開發的APP，都可以運用此軟體試著開發看看(圖5)，若能激發出甚麼MorSensor的應用火花，也可以試著跟台灣半導體研究中心聯繫，有很多高手可以幫忙呢!
Android Studio軟體 程式開發環境畫面
圖5. Android Studio軟體(左)；程式開發環境畫面(右)。

講師先請大家安裝軟體過後，運用已經寫好的程式，試著指導大家改上幾行。因為要讓大家從零開始，對於非資通訊本科專長的老師們來說，實在太困難了，故講師希望透過這樣的練習，讓老師們瞭解開發概念，屆時需要開發修正程式，製作適合的APP。相信再進一步深度學習，撰寫心目中的APP也絕非不可能。

試寫過後，講師請大家試試開發出的「計步器應用」與「出拳力道應用」，運用穿戴裝置9 軸運動感測器感測，可以測計步次數與幫出拳力道打分數，老師們在現場體驗，都玩得不亦樂乎。「計步器」只要行走或跑步，便會顯示次數，可應用於運動跑步的訓練上；「出拳力道」感測器，是將設備安裝在手腕上，APP開發原理則是套用相關公式，透過加速度Ｙ判斷出拳評分，將拳擊力度和速度轉化成分數，這套系統可以運用在出拳、拳擊等運動的訓練，公式轉化如圖6，感測器應用和分數顯示如圖7。
拳擊力度和速度轉化成分數
圖6. 利用公式將拳擊力度和速度轉化成分數(取自講師課堂簡報)。

「出拳力道」感測器應用 「出拳力道」感測器分數顯示
圖7. 「出拳力道」感測器應用(左)；「出拳力道」感測器分數顯示(右)。

這樣多元的體驗，讓老師們看到了MorSensor不同的應用，原來只要加上穿戴裝置，開發適合的程式，即可實際運用在運動感測上，在進行相關運動訓練的時候，使用者可以監測自己的練習狀況，調整更好的訓練模式。

接下來的課程，邀請到國研院台灣半導體研究中心陳思穎佐理研究員，介紹MorSensor Scratch、音樂水果接接樂、玩音樂等相關功能與應用(圖8)。MorSensor Scratch為MorSensor程式設計軟體，可以視為是一種軟體積木--視覺化的程式設計，基本上在電腦上只要把每一個積木元件拼接好了，就可以組成一個功能，讓寫程式像玩積木一樣簡單。
MorSensor Scratch介紹 MorSensor Scratch體驗
圖8. MorSensor Scratch介紹(左)；MorSensor Scratch體驗(右)。

簡單的MorSensor Scratch體驗過後，講師讓大家試玩看看曾在資訊展展示的「蔬果接接樂」和「玩音樂」兩種應用(圖9)。可以用顏色MorSensor感測器，像是玩電玩般，在螢幕上玩起小遊戲來；也可以用色塊產生音階，種子教師們設定過後，利用顏色感測的方式，有趣地簡易彈奏出可愛的兒歌，像是小星星、小蜜蜂等等，老師們都覺得新奇有趣。真想不到運用MorSensor感測器也可以設計出簡易的小遊戲。講師也表示，中小學生也可以設計出令人驚豔的程式，有時候只是需要有創意的idea，經過有系統的教學，人人都是程式設計師。
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圖9. 蔬果接接樂(左)；玩音樂(右)。

最後的課程，邀請到國立臺灣師範大學附屬高級中學李柏翰老師與其學生陳柏翰同學，介紹2018年MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽得獎銅牌作品「光舞密碼機」。學員們首先自製針孔氣壓盒，再使用理想氣體公式PV=nRT的科學原理，並對照「摩斯密碼表」打摩斯密碼讓氣壓盒內氣壓產生變化，而放置盒裡的MorSensor氣壓感測晶片感測到氣壓變化後，進一步利用自行撰寫的手機 APP 程式將此氣壓變化訊號轉為摩斯電碼，並且發出音頻，再經 NPN (8050)電晶體放大電路以雷射光訊號發射，最後在接收端還原回音訊並以喇叭播出，完成神奇的摩斯密碼物聯網與光傳輸之旅(詳見科教GO好玩FB；巴斯無敵影片第八集：光舞密碼機)( 圖10、11)。想不到摩斯密碼也可以用氣壓來發送，想不到僅僅是高中生，就能想出這麼特別的應用，種子教師們真是大開眼界、也十分佩服。
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圖10.摩斯密碼表(左上) 取自維基百科、自製針孔氣壓盒(右上)、光舞密碼機組裝實作體驗(左下)及光舞密碼機作品(右下)

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圖11. 講師與種子教師大合照。

經過這幾週精實的MorSensor研習，以及授課講師豐富的分享，推動小組老師們也動腦想著在國中小自然領域的課程設計上，有那些可以與資訊科技跨域發展的可能性？希望透過這樣的增能研習，增加老師們在數位運用能力上、科學感測系統上面的視野，相信這些能量都如同種子般會逐步深耕與茁壯。而這次規劃的新興科技培訓課程，讓氣象推動小組種子教師對感測系統-Morsensor有了初步的新奇體驗，同時了解到科教館不僅是孩子校外教學增廣見聞的好去處，而其各式各樣的特展，也有助於開啟孩子多元的科學視野。再者，藉由科教館的協助引入國研院的研究能量與教學資源，讓中小學老師們一窺究竟科學與科技領域的最新進展，以串接起基礎科學知能與應用之間的關連，進而鼓勵學生運用新科技結合科學探究。

推動小組老師們一致認為氣象數據或教學只是一種媒介，在12年國教課綱要上路的現今，希望藉由辦理各式營隊活動，提升學生對環境與氣象科學的探究興趣，但最重要的仍舊是期許培養學生自主進行科學探究的習慣，強化學生科學與數位運用的能力，盡可能運用校內外資源，進行觀察、探究、實作等教學活動，著重培養學生在生活情境中，有真實運用知識的學習表現。





臺北市立新生國民小學氣象專案教師
楊玉蘭

國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯
蘇萬生