生物體內的化學反應－沉浮的葉子小艇
文
吳沛穎 /桃園市私立新興國際中小學教師
以往學生面對光合與呼吸作用時僅以片段的方式記憶，忽略了這些化學反應在細胞中扮演的角色與關係，因此在具體操作中引導學生整合科學概念，將零散的陳述記憶轉化成知識架構，從寫作中洞見學生看待世界的視野，從回饋中發掘教學的價值。
學生生活經驗與知識結構的阻礙
光合作用與呼吸作用為國中生物重要之概念，卻是生物科學中常造成學習困難的主題之一，主要原因在於學生對於「植物行光合作用的原料」、「消耗及產生的氣體」和「植物與能量之間的關係」等概念不清楚。以兩概念為例，依國中生物課文文本第二章說明動植物細胞胞器的功能，學生得知葉綠體可行光合作用，而粒線體可利用呼吸作用將養分轉換成能量，並了解細胞是生物體構造和功能的基本單位，不過到了第三章的養分獲取時卻缺乏將概念整合成知識系統的能力，學生須由文本隱含的邏輯關係推演出概念之間的關聯，對部分學生會造成理解上的困擾。再加上學生可能從日常經驗、錯誤的類比或與生俱來的理解方式學習，這些經驗建構出的概念若與學校正式課程知識發生衝突時，將會影響學生學習新知，造成學習困難。
圖1.學生概念衝突成因示意圖。(以邱美虹教授文字修改製作，2000。)
筆者發現國中階段的學生常見的光合、呼吸作用另有概念有：
(1)綠色植物的光合作用只發生在白天；
(2)呼吸作用不會發生在有光照射的時候；
(3)當綠色植物沒有光能，停止進行光合作用時，它們還是持續呼吸和散發氧氣。
這部分的結論與Treagust在1995年發表的結論部分雷同，因此可知，學生要改變自己原有的科學概念，其過程中是相當困難的，因為科學概念常是抽象、複雜，且與生活經驗不同。
十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要中提到國中階段課程需由具體操作切入後，引進抽象思考連結具體操作。筆者以呼吸作用作為起始進行跨概念整合，引導學生了解生物呼吸作用產生的氣體可作為光合作用原料，初步建構碳循環概念。藉由科學文本提供學生對於光合作用的初步概念，從中歸納出影響光合作用速率的變因並著手進行實驗，最後根據實驗結果與問題討論反思整個實驗流程，撰寫成科學報告。期盼透過此課程促進國中學生學習興趣，以提升科學素養與學習成效。
教學目標與流程
為求切合學生學習需求，教案設計必須針對學生先備知識著手規劃。在國中七年級的課程中，教學目標著重於使學生了解光合作用及呼吸作用進行時所需的反應物與產物。實驗的安排企圖讓學生從觀察中初步形成科學概念，並能利用產物推測反應是否進行。藉由實作的活動，培養學生科學探究與問題解決的方法與能力。最後引導學生認識科學寫作方式，並嘗試撰寫實驗報告。
筆者針對國中生物概念進行整合，設計出光合作用與呼吸作用之探究型課程模組實驗，搭配分組合作之教學策略，並以各組任務提供學習情境，茲將模組設計步驟進一步說明如下：
一、 呼吸作用-使用石灰水證明人吐出之氣體具有二氧化碳
以七年級生物第六章章節實驗活動觀察人體呼出之氣體是否內含二氧化碳，教師先行說明石灰水混濁之化學反應，接著請學生操作實驗並點明實驗觀察要領。
二、 光合作用科學閱讀-討論影響光合作用之因素並設計實驗組/對照組
課程設計之初期望培養學生科學閱讀能力，故分組策略上採 JigsawⅡ拼圖法二代合作學習模式分派學習任務，分成合作小組及專家小組。拼圖法二代是由原始拼圖法結合其他小組學習方法所發展出來的（黃政傑、林佩璇，1996），其主要差別在於拼圖法中每位專家部分都是一個獨立而完整的單元，而拼圖法二代則整合這些獨立單元，並增加在合作小組與專家小組中的閱讀時間。詳細實施步驟如下：
（一）、 合作小組：
小組人數建議4~6員，依序分配組員職務，如組長、紀錄員、資料員、風紀員等，並請資料員上台拿取任務袋。任務袋中有4~6項子任務（依小組人數而定），待組員分配完子任務後，先留在合作小組閱讀教材，教師需提醒學生留意關於自己子任務的資訊。
（二）、 專家小組：
閱讀完資料後，將相同子任務之組員分派至專家小組中，各專家任務即為深入探究自己負責的主題，此時教師巡視各組並適時介入，筆者建議教師可入坐於學生組內聆聽。本次課程使用之閱讀文本（子任務） 包含：葉片結構基本介紹、水生及陸生植物、英吉曼水綿實驗、不同生長環境 C3 植物、不同生長環境 C4 植物、不同生長環境 CAM 植物。每一子任務皆有學習單須完成。
（三）、 原合作小組分享：
教師給予學習單，學生將於專家小組中討論出的內容與原小組分享，使原合作組別內夥伴都能獲得討論重點，並回答學習單問題。在此學習單的問題設計需呼應下一教學流程，以便學生能夠整合出影響光合作用的變因。
（四）、 發表光合實驗影響變因：
教師引導學生根據討論內容羅列影響光合作用實驗之變因，並上台發表。在此課程中學生討論出的變因如下：二氧化碳對光合作用的影響（加入二氧化碳與否、吐氣之量）、不同物種葉片（植物種類、厚薄、重量）。
三、 沉浮小艇-根據實驗設計進行操作，分析實驗數據撰寫實驗報告
（一）、 全班授課提問：
以「如何證明植物曾發生光合作用」問句，引導學生歸納出驗證方法可視產物是否產生作為依據。在課文中已使學生得知植物產生之養分除直接供給植物使用之外，亦會經由酵素轉化為澱粉形式儲存，並可利用碘液測試。
（二）、 操作實驗：
實驗器材如圖2，包含：燈源、葉片、培養皿、50ml針筒、打洞器及吸管，可根據學生選擇之變因調整實驗材料，此實驗操作步驟引用自阿簡生物筆記之實驗流程，如圖三所示。
圖2.沉浮小艇實驗器材
圖3-1沉浮小艇實驗步驟1：使用打孔器打出葉錠，投入20ml 水中。拿著吸管對水裡吹氣，將含二氧化碳的水倒入針筒內。
圖3-2沉浮小艇實驗步驟2：把葉錠裝在針筒裡抽真空。
圖3-3沉浮小艇實驗步驟3：用手指頭壓住針筒出口，活塞往後拉數秒，重複數次，直到葉錠都沉入水底。
圖3-4沉浮小艇實驗步驟4：把兩組裝置都放在光源下照光，計算半數葉錠浮起時間。
（三）、 分析實驗數據並討論：
教師提供兩份實驗報告作為對比，請學生找出相異處，如圖4，從差異處帶領全班整理實驗報告架構，並將此架構作為評分依據。
圖4.分析實驗報告示意圖
（四）、 各組發表：
教師根據各組實驗討論進行評析。
四、 科學寫作
學生實驗報告課程結束後，學生根據實驗撰寫架構整理出組別報告，並各自回答問題討論，方式不拘，如圖5所示。
圖5.學生科學報告寫作範例
求新求變－活動過程中遇到的問題
本課程經筆者實際於校內生物實施探究課程，利用4堂課約180分鐘的時間，初步引導學生建構碳循環概念，並藉由科學文本歸納出影響光合作用速率的變因並著手進行實驗，反思流程後撰寫科學報告。在授課過程中發現學生提出之議題與課程遭遇之困難，以下提供筆者的觀察：
1. 即使呼吸作用產物檢測較偏向食譜式實驗，學生仍會糾結於石灰水量、導管方向或呼氣次數，建議以反問方式讓學生思考實驗的可能性，並比較不同的變因下與他組的應變變因是否不同。
2. 在進行合作教學分組時，筆者建議實施分組必須加強任務連結，以學習任務為導向設計合作學習單，避免學生未能確實針對主題討論，或討論內容脫離學習概念。
3. 學生進行討論時為避免偏離主題，或無法及時切入核心概念，教師可入桌觀察與討論，適時調整討論節奏與方向。
4. 操作沈浮小艇實驗時僅少數小組的葉錠成功浮起，建議即使實驗失敗，亦可引導學生在實驗結束後討論出幾個可能因子，例如：葉片種類、打洞時間與面積大小、溶液比例、光源種類（本實驗使用鹵素燈，亮度高且光源集中，唯易發熱）、自身操作手法不熟練等，可進一步根據因子設計實驗，增加學生與學習概念的互動，延伸實驗廣度及深度。
5. 雖然學生在傳統講述及紙筆測驗中能正確回答科學概念，但從實驗報告的論述裡仍會發現迷思。例如在科學方法單元學生曾學到設計實驗時需將組別分為實驗組與對照組，兩組之間只能存在一操作變因，但從實驗報告中依舊能發現，若請學生針對一假設設計實驗時會出現一個以上的操作變因；抑或是針對問題提出之討論未全盤設想，如圖6所示。筆者以實驗結果進行反問，企圖使學生產生認知衝突，引發內在動力思索並解決問題。
圖6.科學論述迷思概念範例
結語
進行完探究教學後，筆者嘗試探討課程實施前後的學習成效，以不同班級之段考成績作為指標發現班級間無明顯差異，但若將其科學寫作的敘述進行比較可發現不但內容豐富多元，且能以科學性的字眼描述。這也更加證實實行探究教學必須搭配適宜的評量工具，藉由多元、實作評量來檢視學習成效。寫作內容不僅可用以檢視學生科學概念的準確度，也可以分析其論證推理的品質（Champagne & Kuoba, 2005）。因此本課程以科學寫作進行概念統合，梳理探究實驗中的脈絡，並從學生文章中修正教學，體現「從寫作中洞見學生看待世界的視野，從回饋中發掘教學的價值」之真正意涵。
參考文獻
1. Champagne, A. B., & Kouba, V. L. (2005). Writing to inquire: Written products as performance measures. In J. J. Mintzes, J. H. Wandersee, & J. D. Novak (Eds.), Assessing science understanding: A human constructivist view. Burlington, MA: Elsevier Academic Press.
2. Tregust, D. F. (1995). Diagnostic Assessment of Students’ Science Knowledge. Mahwah: New Jersey.
3. 邱美虹(2000)。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊，8(1)，1-34。
4. 黃政傑、林佩璇(1996)。合作學習。台北：五南。
5. 簡志祥(2011)。用浮沈葉錠測量光合作用和呼吸作用。阿簡的生物筆記。2018 年 4 月 7 日，取自 http://a-chien.blogspot.tw/2011/10/blog-post_6314.html。
6. 國家教育研究院(2014)。十二年國民基本教育課程綱要。取自 http://www.fssh.khc.edu.tw/UpLoadFiles/E2AEA34.pdf。
智慧型科技與行動學習：以手機APP為例
文/賈至達
2007年蘋果公司製造了iPhone手機，人們從創辦人賈伯斯(Steve Jobs)的手中，看到了一個電話嶄新的應用，這十年多來基於人類的需求，漸漸的讓智慧型科技產品更加的成熟了，並與人類生活更加貼近，例如iPhone、iPad、安卓手機和平板！從日常生活的便利性、訊息的快速傳遞、工作的有效管理等等的需要，手機和平板相關科技發展與人類需求結合愈加緊密，在逐漸演化的過程中，智慧型手機和平板功能隨著科技演變而迅速增強，使得許多生活應用、訊息傳播和工作需求的APP如雨後春筍般的成長，進一步促使智慧型手機、平板功能越來越「好用」、越來越「聰明」、越來越有「智慧」，最終變成手邊不可或缺的裝置；不僅人手一支，而且還逐漸拓展到人類學習的綜合應用，如食、衣、住、行、育樂，幾乎從個人生活起居到金錢管理等事物都有智慧型科技的影子。
不容否認，近年來智慧型科技對於人類社會行為模式造成極巨大的改變，並且漸漸地影響到學校教育，促使許多人對於老師教學和學生學習方面開始有了新的發想，因此「行動學習」一詞應運而生！如何利用智慧型科技進行「行動學習」成為一個創新學習的新興領域，尤其是近年來更廣泛地應用在科學的研究、教學與學生學習上。在Google Play和Apple Store所提供教學應用的APPs可以用「成長快速、發展多元」來形容。許多老師對於Moodle的開放課程網路系統並不陌生，他們也發展出一系列Moodle相關的APPs，讓老師和學生可以隨時進行學習。另外還有一個Moodle相似的課堂管理系統，稱為Teachers App (Attendance App)，最近才在Google Play上推出，可以免費使用一個月，也是推廣行動學習幫手之一。2017年新加坡舉辦了強調「行動學習」的21世紀物理教學研討會，並整理成冊，如參考資料1。在參考資料1中，討論蠻多教學和學習相關的APPs，還有製作的想法、作法和目的。教學創新概念促使這一類型的APPs數目成長快速，但是也因為教學和學習使用APPs的主觀與客觀環境還在演化，確實在教學實施上還有很多需要討論和改進的地方。主觀環境如學校、教室設施；客觀環境如老師、學生、社會大眾、家長和教育行政體系的認知，都有很多地方需要好好思考。
本文是以智慧型手機的APP為主軸，討論智慧型科技在「行動學習」應用，以及在科學學習的幾個面向。目前行動學習還在快速的發展中，並不容易做出適當歸類，但是本文仍嘗試著分類以利於說明，而在舉例時，盡量以Android和iOS兩系統都有的APPs為準。內文概略分為幾個段落討論：首先是APP簡易的分類，以及如何應用於教學、實作和應用於「行動學習」方面的介紹；接著以手機中的壓力計作為一個例子，討論APP可以進行的實驗，討論實地進行大氣壓力測量的實例，提供讀者一些想法，讓讀者可以構思智慧型裝置可能的教學設計，和即時且實用的進行觀察和測量數據，進而讓讀者有多面向的思考；希望在無限寬廣的想像中，可以有許多教學與自我學習、以及生活中應用的APPs產生，同時讓科學教學與學習相關的團體或是個人，可以更方便使用。本文最後討論使用APPs教學與學習過程中可能的優缺點；如討論應用APP於課堂的教學時，可能有的一些正面與負面的影響等；作為本文的一個總結。
本書作者沃克（Robert Wolke, 1928-）是美國匹茲堡大學（University of Pittsburgh）榮譽化學教授，曾為《華盛頓郵報》（The Washington Post）撰寫「美食101」專欄（Food 101），長達10年，而且是多本暢銷科普書籍的作者。沃克曾獲得詹姆斯比爾德基金會（James Beard Foundation）最佳報紙專欄獎，以及國際烹飪專業人員協會博特葛林獎（International Association of Culinary Professionals ' Bert Greene Award）的最佳報紙飲食寫作獎。本書彙整了沃克回答餐廳大廚和《華盛頓郵報》專欄裡讀者詢問的一百多個問題，每一個問答單元都是獨立的，不需具備深奧的科學概念就能閱讀，有些主題是相互關連，有助於增進讀者的理解。
手機APP應用於科學教學的面向討論
目前的手機體積小，因此隨身攜帶很方便，又有一定記憶能量，可以儲存不少資料，例如照片或3D圖片相關APP、書籍相關APP(eBook)、數值計算APP、文書處理相關APP等，這許多功能和一般電腦文書和資料處理功能相似，並不能說是很具創新力的部分，但是它的方便性的確是一般電腦或筆記型電腦可及。另一方面普通手機最基本配置有光學鏡頭、微型麥克風和喇叭，因此可以錄音、錄影和播放，故有測量光強度相關的APP、影音播放相關APP、頻率產生器APP等，尤其是手機的這些裝置，經由手持可以進行相當多元的應用，相較傳統的電腦或是筆記型電腦好用許多。最近因為網路的發達，智慧型裝置也開啟搭配雲端系統的應用，利用雲端數據和人工智慧進行比對與辨識、利用雲端計算較複雜的數學問題等功能，讓其效能更加升級，例如植物辨識、食材的辨識、解方程式和微分方程式與方程式繪圖等APP，相當方便於教學時使用，如形色APP、PlantSnap、SCIO、Photomath、Desmos Graphing Calculator、Differential equations Steps在教學上十分好用。目前智慧型手機和較高階智慧型產品，也配置加速計(Accelerometer)、陀螺儀(Gyroscope)、衛星定位(GPS)、環境光偵測計(Ambient Light Sensor)、磁場強度計(Magnetometer)、近距偵測器(Proximity Sensor)、氣壓計(Barometer)等等(見參考資料2)，甚至有外接測量裝置等，更是讓智慧型裝置可以用於許多物理量的測量，讓「行動學習」變成一個人、一群人隨時隨地可以進行測量、即時比對和學習的裝置，更刺激了「行動學習」在各方面的成長。以下僅就目前可以應用於科學教學與學習的APP進行簡易分類，並舉實例作說明：
一、以科學知識資料庫方式呈現的教學和學習APP
科學資料庫的形式多半是以科學書籍和研究期刊論文等方式呈現。以書籍(eBook)形式出現的APP相當多，只要在Google Play和Apple Store的搜尋中鍵入Physics、Chemistry、Biology、Geo-Science等中英文相關字詞，就可以查詢到，中英文相關資料都相當的多。以下舉出兩個例子，提供參考。
1. 首先是以全球三大出版商之一的Elsevier為例
他們有一項針對化學研究教學的付費服務稱之為”Reaxys”，其設立宗旨是為了協助研究人員、教授和學生找尋化學文獻和數據的一種快速服務，以及相關問題的諮詢，同時也兼顧工業界與學術界的融合。Reaxys號稱可以用於化學相關學系的大學部和研究所課程教學，也可以用於研究生的研究課題，另一方面相關資料也可以幫助學生為自己的職業生涯做好準備。不過這些部分因為與本文APP主題無關，所以不多贅述。但為何提到Reaxys？因為他們發展了一款手機Android 和 iOS都可以使用的免費APP，稱之為ReactionFlash(見參考資料3)；此APP類似一個資料庫，其中有超過800種化學反應，包括名稱、反應示意圖和機制等說明，來幫助學生化學的研究學習；資料相當完整，並與Elsevier期刊文獻作結合，可以知道最先進的發展，是一個增進化學研究與學習的一個示例。
2. 第二個例子是一個很酷的化學教學的整合資料
這是國立新加坡大學(NUS)化學系發展和整理的智慧型手機APP用於化學教學與學習的一個計劃；網站的名稱為 APPsolutely Chemistry；見參考資料4 (網址)。不得不佩服他們對於新科技的引入教學和加強學生學習上的投入，某種程度讓大學生在化學課堂外的學習更方便，這也難怪他們大學的排名很高；該網頁寫著：The Chemical Mobile Apps team has created this webpage to helpNUS Chemistry Majors in their learning in the 21st century.
他們特別強調是21世紀的未來學習模式。該網站中整理了國立新加坡大學化學系四個年級的相關課程共有19門課程，羅列出對於這些課程內容可以用到的APPs總共有38個，用以協助不同課程的教學以及課後的學習，且部分課程重複使用某些APPs。APPsolutely Chemistry網頁中對於每個APP作簡介說明並給予評分，方便使用的建議(PROs)和不方便使用的地方(CONs)都寫得很簡明，這樣得做法讓想要學習化學的同學(尤其是針對化學系的學生)，都有很好用、且方便的APP資源可隨時使用和查詢，讓學習遇到不理解的時候，身邊手機就可以很容易進行查詢。筆者個人認為這些參考的資料對於中學和大學師生們，可以是很方便的、很好用的隨身「行動學習」資源。
在Appsolutely Chemistry 首頁介紹了的五款自行研發的APP，可惜僅有兩款可以在台灣安裝，不過都很有趣。一個是”ARMolVis”的APP，可以找到雲端分享的圖片，用手機照像後會將分子的形狀顯示出來，相當有意思，就是一般所稱的AR。ARMolVis有一組圖，可以下載，利用ARMolVis就可以看到3D分子的立體結構。另一個也是新加坡大學發展的APP，稱之為”3D SYM OP”，可以顯示2D和3D的分子結構、對稱性等資訊，3D的圖用手滑一滑，可以很清楚地理解分子的結構，而且有一個Image Recognition功能，是用照相機拍照後，就可以顯示分子結構。
另外還有一些資料庫形式的APPs，也可應用於教學，如果經過適當的安排與整理，對於促進學生的學習是很有幫助的，而且手機可以隨身攜帶，相當便利於討論和交流使用。不過由於APP發展過於快速，且推廣方式不同，某些功能好的APPs普及率還不足，加上有些APPs需要付費，除非授課或學習的必要，不然使用的人也不多。另外其部分功能與現今網路上的資料查詢功能重疊，所以也不是每一位學習者願意花費時間和金錢來使用這樣的APPs，再加上APPs的使用和目前學生學習模式還是有一段差距，因此還在推廣的階段。
二、利用雲端科技融入科學教學的APPs
APPs搭配雲端科技的應用越來越普遍，尤其是搭配網路所發展的應用，十分多元，當然缺點就是只能在有網路連結時才能使用。最常見的就是語音的辨識，例如Google 語音辨識系統Google Cloud Speech API，蘋果公司(iOS)的Siri，等都相當的令人驚豔！而最近有一款台灣AILabs發展的「雅婷逐字稿」APP (參考資料5)，更是讓人喜歡！引進「人工智慧」並針對台灣人的語音進行繁體中文逐字稿的轉譯，此APP一推出來就得到好評，各大入口網站都可以看到此新聞，稱此APP是記者的救星；的確，同時具備錄音和逐字稿功能，對文字工作者而言，真是十分方便的一款APP。此APP可以錄音並即時將語音轉換成逐字稿，速度相當快；因此可以記錄課堂教學內容、會議內容、訪談紀錄，甚至是生活中的重要事項，都可以同時有錄音和逐字稿，且準確率足夠高，是十分推薦的一個語音辨識的APP。
將影像中的文字轉換成文字的APPs也常被使用，不過通常是將英文轉換。中文轉換比較好用的APP有Microsoft Office Lens-PDF Scanner(見參考資料6)，受到許多人的推薦，對於泛稱為「文字工作者」的老師或是學生，有實質的幫助，例如從白板上的書寫文字，轉換成PDF檔案，或者是Word檔案。雲端科技、人工智慧結合手機或平板的教學相關APPs也是相當的多，以下僅就依筆者認為與科學教學相關具代表性的APPs做一些簡單的說明。
1. 算式計算、解方程式、函數與數據繪圖
談起計算機，相信大家都不陌生，在Google Play和Apple Store中鍵入「計算機」、或是”Calculator”，就會出先一些與傳統計算機相似介面的APPs利用手機內建的程式進行計算；然而每次要計算時候，需要輸入一些數字、次方、函數等等，還要擔心會不會輸入時發生錯誤！尤其是較為複雜數字、或複雜的算式，常常要輸入好幾次，才能確認答案是否正確。但是你可曾思考過利用相機取得影像後，再透過雲端的計算得到答案！另外對於學科學的人而言，常常需要一些數學工具，用以作數值計算、解方程式、解微積分和繪製數據圖表，的確有幾款APPs具有這樣的功能，確實可以符合需要；只要再有網路的地方，這些數學、繪圖問題很容易用APPs處理，例如GeoGebar一系列的APPs (https://www.geogebra.org/ )應該是目前功能最強的一個數學學習免費軟體，相信很多人都使用過，因為有超過1億的學生和老師註冊使用，且有各種不同形式GeoGebar的2D和3D繪圖和運算APPs，有免費Web版本、Android和iOS免費版本。除了GeoGebra系列的產品外，筆者在以下介紹兩個相較簡易的數學應用的APPs，但也有其特色，筆者也是十分推薦。
首先介紹Photomath APP，相關資料可以見參考資料7。這是2015年獲得4YFN Award獎APP，相當簡單好用外，在Android和iOS都有此免費的APP，外加官方網頁(https://photomath.net/en)有詳細的功能說明。以下舉一個計算式作為練習，此算式可以用電腦打字、或者是用手寫的算式，利用Photomath求計算的結果；各位讀者可以試著計算看看：
上式的答案是27151⁄10080，如用紙筆需要一點時間去計算，且計算結果不一定正確。如果開啟Photomath並將APP中的掃描的長方格對準上式(或是手動輸入)，幾乎在轉眼間就得到答案；這就是利用相機取得算式，再經過雲端辨識後計算得到的結果。如果你此時正在使用Photomath，可以按一下答案右邊的箭頭，就會一步一步顯示出合理的計算過程，十分有利於學生學習和老師教學；此APP用於有根號、次方、指數和對數的數值計算也很快。另一方面，可以參考官方網頁上的資訊；例如可以解各式方程式、微積分也沒有問題，同樣也有一步一步的教學說明。Photomath也可對於某些方程式或是方程式組繪製函數圖，此功能相當的容易使用。如圖1所示，將方程式輸入，可以得到的繪圖，下方有x的屬性、y最小值和y軸截距；點選圖(a)中間的函數圖，可以得到放大的圖形，如(b)所示。
圖1. ：由手機螢幕擷取之方程式y=x^2+4x+5輸入Photomath APP後所繪製的函數圖。
另一個可以繪製函數圖的APP為Desmos Graphing Calculator，如參考資料8所示。筆者也十分推薦；不僅有Web版本、還有Android和iOS版本，全部都免費，相關的教學影片也不少，還有我想推薦的原因是介面清楚，很方便使用。在實作或實驗的過程中，常常要記錄數據。，Desmosd可以在輸入數據的同時，就將數據圖繪製出來，可以即時看到實驗的數據，判斷數據是否正確。學習科學過程中，也有許多地方需要用到繪圖或是動畫去理解其中的物理意涵；這個APPs就是一些很好用的工具。例如拋體運動是一個拋物線，圓周運動顧名思義是圓的方程式，而重力、天體的運動是一個橢圓的現象；波的干涉現象的為雙曲線。以波動干涉的現象為例，學生們會觀測水波槽中的兩個點波源的干涉實驗時，所得的明暗條文的結果可以用雙曲線去模擬，Desmos上很容易就會出相關的圖形，可以和明暗條文相比較；不過當討論到用雷射進行雙狹縫實際觀察時，一般書籍或是教學時常用的示意圖，不是很容易讓學生理解，因為狹縫間距以及狹縫和屏幕距離的比值約為，在示意圖上不是很容易顯示這樣的差距；但是用Desmos上的圖形的縮放，可以讓同學生比較清楚理解原因和公式的意義。雙狹縫干涉是可以利用Desmos Graphing Calculator或者是GeoGebra作為一個探究的教學主題，或者是利用相關的數學繪圖APPs設計成一個學習雙狹縫干涉過程的教案，可以得到如何建立理論模型的一個學習歷程。
2. 植物辨識的APPs
最典型的APPs有形色、PlantSnap等，可以進行花草樹木等進行辨識，這些APPs可以用在相關的教學課程，不過老師的指導仍是相當重要。
以上這兩個APPs的使用上，是必須要和網路和雲端結合，同時有「人工智慧」的融入，所以使用的次數越多，會越來越準確。很明顯引入「人工智慧」的APP會是未來的一個重要的趨勢；如同前面所提到的「雅婷逐字稿”」也是一個利用人工智慧的APP。然而「人工智慧」結合APP如何應用到「行動學習」的教學和學習，仍是有很大的想像空間，也是我們應該要密切注意的一個方向，這有可能會改變未來的學習方式。在很多的教學中，如果可以結合老師和「人工智慧」，因材施教的目標是有可能達成。
三、利用智慧型裝置進行實驗測量的APPs
如前所述，智慧型裝置中有不少的偵測器，可以測量聲音、光、磁、壓力、重力加速度、轉動速率、距離和移動位置等等，尤其是手機相當輕便，可以用於測量與實作，且可以用於很多科學的實驗課程中，尤其是物理課程。目前有不少利用感應器進行測量的APPs，例如Google Science Journal APP(參考資料9)、Sensor Kinetics APP(參考資料10)，這類的APP相當的多。還有一些APP設計中，可以同時利用好幾個感應器進行量測，phyphox APP就是其中一種(參考資料11)，例如可以同時測量加速度和磁場，更增加這類實驗測量的功能。而更多的是應用智慧型手機進行探究與實作的相關研究，由圖2可知用Google可以查到約有4千1百萬筆資料，可謂是相當豐富，而且很多都是近五年內的發表，同時也可以看到許多教育學者以文件(PDF、Word)方式分享，可以感受到這是一個十分蓬勃發展的領域，也是一個十分值得讓教師們投入的教學研究領域。
圖2. 利用關鍵字”smartphones”、“scientific instruments”和”laboratory”進行搜尋，約有41,000,000項結果(搜尋日期：2018/12/30)
圖2中所顯示的搜尋結果，多半是與實驗室的實驗為基準。「行動科技」的好處是可以到處進行實驗，使用手機APPs進行戶外教學是十分有效的利器。想必很多人都知道Pokemon Go ，雖然是一個遊戲，但是的確讓很多人走出戶外。另外有個比較不知名的遊戲Geocaching，找的是玩家所藏匿的「實體寶藏」。還有以城市或是景點旅遊的field trip APP ，一個旅遊時使用的APPs，讓旅遊者可以知道該地點的一些趣聞軼事和相關歷史，該網站聲稱是「探索周遭世界的最佳響導」。戶外的科學教學也跟這些APPs作法相似，而且可以更多元，只是目前在台灣相關的戶外教學和APPs的結合的不多，教材含教法還有待開發。
智慧科技裝置的優勢是不易受到空間和時間的限制，因此有些生活中比較不容易進行的測量，都可以試著利用手機偵測器APPs進行實驗。下一節會介紹利用手機內建偵測器的APPs進行「行動」測量的一些實例，尤其著重於生活行動場域、或是大型的運輸體實際測量得到的數據，這是在以往的實驗中不容易達成的測量，更別說讓學生們去嘗試了。例如電梯的上升和下降過程，是一些物理考試中常見的試題，然而手機測量可以讓學生們很容易得到數據，並進行分析。
手機APP應用於科學教學的面向討論
顯而易見，「行動科技」的優點在「行動」上，當學校經費不足以購買所有的實驗測量儀器，手機的中的偵測器使用於教學的APPs，就可以幫助教學順利的進行。以下舉幾個例子可以展現智慧型裝置可以進行通常難以達成的測量，測量主要使用的APP為phyphox 。Phyphox APP是一款免費的APP，由德國亞琛工亞大學所物理系Sebastian Staacks博士所發展的，是由Physical Phone eXperiment一詞縮寫而成為phyphox這個名稱。Sebastian Staacks博士也提供了不少相關的教學資料；除了官方網站外；臉書()和Youtube 上都可以查詢到相當豐富的教學資料。此phyphox APP有Android 和iOS的版本，安裝時會檢視該手機的感應器，較高階的手機會有比較多的感應器，在phyphox中會顯示出如下的偵測器：
a. Acceleration (without g)不顯示重力加速的偵測器，用於線性加速。
b. Acceleration with g (顯示重力加速度)
c. Gyroscope
d. Light (測光強度，偵測器的位置會隨機型而有不同，如果在phyphox中無法使用，可以下載Lux Meter APP進行光強度的測量)
e. Location (GPS，可以透過幾顆人造衛星定位，可以有經緯度、高度、和速度的測量)
f. Magnetometer (測量磁場)
g. Pressure (大氣壓力計，測量大氣壓力)
以上七種偵測器是開啟phyphox時面板上會顯示的偵測器，這些偵測器可以單獨使用，也可以同時並行使用多個偵測器，進行多個物理量的測量，數據也可以輸出，這些功能讓phyphox APP更吸引大家使用。台灣的「自然科學領域教學研究中心」也與Sebastian Staacks博士合作，筆者也擔任phyphox的台灣大使，進行推廣；同時他也同意讓自然科學領與教學研究中心將phyphox翻譯成繁體中文，以利於在台灣推廣。目前還正在修正中文文字中，希望可以儘快推出。以下介紹利用phyphox幾個「行動」測量的例子作為楔子，讓大家有更多想像空間，使得「行動科技」實際數據測量的功能，能更上層樓，更能發揮它的效益。
一、利用手機phyphox APP測量電梯的上升與下降
在phyphox中有一個可以測量”elevator”(電梯)上升下降的功能，是利用氣壓計和加速度計測量大氣壓力和加速度隨時間的變化，再由這些數據轉換成「"高度」”、「”鉛直速度」”和「”鉛直加速度」”的電梯運動的狀況，如圖3所示。圖3(a)和(b)圖是直接由手機截取的數據圖，包括手機原始測量的大氣壓力和加速度數據，氣壓和加速度。實驗進行的地點是在國立台灣師範大學公館校區的教學研究大樓，由七樓往下運動到一樓後，再由一樓上升到七樓。一樓地板到七樓地板的垂直高度約為20公尺，與APP所測量的結果符合。上升與下降的速率也相近，均為1.5 m/s，與12層樓電梯使用的規定相同。
實際的數值測量數據也可以由手機傳出，再用其他的繪圖軟體進行繪製數據圖，進行更仔細的分析。能夠有數據輸出的功能，對於APPs是有加分作用的。用偵測器測量後可以將數據輸出重新整理，如圖4所示，是利用開放軟體SciDAVis(見參考資料12)所繪製的電梯上升和下降的數據圖，整理的過程中，將停留的數據祛除，也較容易比較上升時和下降時的差異，對於電梯細部的動作可以更進一步分析，例如參考資料13所示，討論電梯上升下降時過程中隨時改變加速度運動的計算，或電梯運動停止時的振盪等，可以進一步的分析。
圖3. 直接由手機截取phyphox的數據圖，電梯先由七樓下降到一樓，再由一樓上升至七樓，(a) 顯示高度、速度和加速度的數據圖，(b)顯示原始的氣壓和加速度的數據圖
圖4. 將phyphox測得的電梯加速度數據輸出後，用SciDAVis開放軟體繪製電梯在上升和下向的加速度隨時間變化的數據圖
二、利用手機phyphox APP測量飛機飛行時的艙壓
智慧裝置如果有氣壓偵測器，則在phyphox有一個功能是利用此偵測器測量氣壓，因此我們可以在搭乘交通工具時測量大氣壓力，例如乘坐飛機、高鐵、火車和捷運時，都可以測量乘坐機艙內或車廂內的氣壓變化，這也是一般器材不容易測量的數據。人耳對於氣壓的變化相當敏感，是壓力的時變率、或是壓力差造成影響，尚不很清楚(也可能因人而異)，且運輸工具在行動時壓力快速變化是十分不舒適的！
圖5所顯示的是機艙壓力隨時間變化的紀錄，時間是2018年11月10日，飛機為ATR 72-600型飛機，來往台北、台東之間。當日上午的天候不佳，所以台北往台東(紅色數據線)飛機延誤，由圖可知台北飛台東的飛行時間較長、且因為要避開雲層，在1,080秒~1,980秒之間GPS顯示最高飛行高度約為4,200公尺，此時艙壓約維持在930hPa，雖然機艙內有加壓裝置，但卻是航行中氣壓最低的時段。由台東往台北的飛行(黑色數據線)，天候較佳，時間較短，飛行高度約為3,500公尺，艙壓維持在960hPa。雖然大氣壓力與高度相關，但是機艙是密閉的，且有加壓的裝置以維護人體的健康。目前的飛機機艙壓力，依照美國聯邦航空總署規定須維持在8,000英尺高度以下的氣壓。
飛機起飛和降落，艙壓變化並不相同，且不同款式飛機起飛時，艙壓變化也不相同。因為起飛時有加速度運動，需要引擎提供動力起飛，以ATR 72-600型國內線飛機而言，準備起飛時要引擎全開艙壓會先下降約20hPa，再開始加速時，艙壓上升，當飛機機頭離開地面向上攀升時，壓力會已接近線性的方式下降，直到維持一個穩定高時，壓力就會保持一定。在下降的過程中，飛機會先下降高度，在某高度時準備進場巡航而逐漸接近機場，此時壓力維持不變的；以圖5-1的數據得到1,030hPa(台北飛台東)和1,026hPa(台東飛台北)，然而在飛機落地後約15秒，壓力分別下降12hPa和6hPa。
圖5-1. 台北台東國內線飛機(ATR 72-600型)起飛到降落過程中艙壓的變化
當跨國飛行時間比較長，如國際線的飛行時，機艙內的壓力變化與國際線相似，如圖5-2所示；由台北飛福岡，機型Airbus A330-300，日期2018年7月11日，起飛與降落過程繪的壓力變化圖。圖形顯示出加速時間約為28秒，艙壓幾乎是線性增加，當機頭剛剛要離開地面時，艙壓增加約~7hPa，當機鼻頭抬起瞬間，壓力開始降低而飛機開始爬升的過程，艙壓約直線下降，每秒下降約0.15hPa，最後達到約12,000公尺後艙壓設定為~768hPa並開始巡航，相較地面的大氣壓力約減少四分之一弱。準備降落的階段壓力也是直線下降，每秒艙壓增加約為~0.2hPa，比爬升過程的變化率略為高些。下降巡航艙壓1022.3hPa，巡航約785秒後著陸，約20秒期間壓力減為1014.3hPa。
圖5-2. 由台北飛往福岡，機型Airbus A330-300，日期2018年7月11日，起飛與降落過程繪的壓力變化圖
三、利用手機phyphox APP測量普悠瑪自強號火車通過隧道的壓力變化
有部分智慧型行動裝置中設有氣壓的感測器，因此要測量台鐵火車和高鐵移動時車廂內的壓力變化，相較以往容易很多。加上台灣的隧道相當多，尤其是台鐵的宜蘭段(25個隧道)和花蓮段(24個隧道)；高鐵全線(有48個隧道)，都有許多的隧道。經過隧道時，因為車廂會先撞擊隧道內的空氣，造成壓力波在隧道中往返，這些壓力波會改變車內的氣壓，是一個相當有趣的問題。目前可以找到的文獻大都是對於高速在隧道內行駛時，衝擊對於車頭的影響，因為車頭的設計會影響速度，因此有關於車廂內氣壓變化的討論並不多見(參考資料)，許多相關的模型也還在建立中，這樣的探究也是相當有趣和挑戰性。
圖6所顯示的是由花蓮開往台北的普悠瑪自強號列車車廂內的氣壓變化，途中經過13個新隧道，其中8個長度都超過兩公里，長度最長的新觀音隧道超過10公里！這樣大型的實驗，的確有很多不易掌握的變因，除了高度影響大氣壓力外，還有車行速度、乘車的位置和隧道的結構等都是重要的變因。圖6中可以發現普悠瑪在每個隧道內行進時，車廂氣壓都會上下振盪，雖然在長的隧道中壓力差都接近10hPa，但是每個隧道內氣壓隨時間改變的情況都不相同。這些數據會受到是火車通過隧道時的速度、隧道架構和車廂位置的不同而有差異。不過在了解隧道的結構後(如長度、坡度、路徑彎曲程度、路徑高度變化、維修暫停區和通風口位置等)，所得的數據也是可以用數值模擬，就如同在風洞中所進行的模擬。依據目前GPS實測的速度，普悠瑪自強號在隧道內的速度介於25m/s 到最高約35m/s，可以由GPS或是其他定位的方式來推測，這些也都是可以經由手機測量取臨場的數據。
圖6. 普悠瑪自強號列車自花蓮新站到羅東站間，其車廂內壓力的變化
台灣高鐵在運行時車廂內氣壓，在通過隧道時也會有與圖6火車的情況相類似，只是高鐵的速度高(約85m/s)、隧道結構不同且多為雙向，因此結果不一樣，但是一樣可以進行測量。圖7是行駛台北、台中之間，高鐵車廂內的氣壓變化。壓力的差異可以有約20hPa的變化，但大多數都是因為高度的影響。由Google Earth利用GPS可以約略得到台中到台北的高度，與所測得的數據相比，的確，兩者成負相關。可以見到是高度的影響比較大。
對於火車和高鐵這麼大型的實驗器材，一般測量不是很容易實地進行測量，而多是模擬實驗，但是智慧型裝置提供的一個絕佳的工具，再配合上台灣的地形，測量車廂內壓力和相關物理量的測量，是一個很好的、且很有台灣特色的「”行動量測」”範例。因為有了智慧型的裝置，使得手機可以進行測量，且很容易就獲得很多真實的測量值進行比對，讓大家對於這樣的現象可以有比較實際的數據進行探究。
圖7. 台灣高鐵由(a)台中開往台北車廂內的氣壓紀錄，和(b)用Google Earth GPS測量台中到板橋高鐵軌道的高度
四、利用手機phyphox APP測量颱風對氣壓的影響
颱風中心氣壓是高是低？相信大家上網查就可以查到一些資料。颱風中心的氣壓越低，表示颱風的強度越強，而我們自己有真實的測量過嗎？除非你是氣象工作人員，不然多半都是透過新聞，或是氣象局等查詢到相關資料。例如，中央氣象局颱風資料庫，2018年7月瑪莉亞颱風資料：Digital Typhon 網站，
2018年7月瑪莉亞颱風資料：
今年(2018)颱風不多是好事；不過當有颱風來襲時，不妨測量一下相關的數據，或是上相關氣象局的網站進行查詢，並做資料整理，可以從中獲取不少真實的資訊，對於學習相當有幫助，畢竟在其他的國家不一定可以實際測到相關的數據。雖然颱風有破壞性，但也是台灣的得天獨厚的特色之一。
2018年7月10日，瑪莉亞颱風由台灣北部通過的時候，雖然距離台灣有點遠，但是北台灣縣市仍然可以測到颱風經過台灣北部海面時大氣壓力的變化。筆者在「 App與開放軟硬體教學討論區」的臉書粉絲頁中有貼文，當時邀請大家上傳氣壓和量測時間的資料（見圖8），利用颱風假的時間，讓大家(包含老師和學生們)可以在自家中測量大氣壓力隨時間的變化，同時也上傳到Google Sheet以利於整理。如此就可以將台灣各個地方受到瑪莉亞颱風的影響之下的氣壓變化。待整理好之後，就可以繪製出不同時間和地點的大氣壓力，是如何隨著瑪莉亞颱風的路徑而發生變化的。雖然中央氣象局有很多的測站，但是能夠自己在自宅進行測量還是一件很酷的事情，同時還可以和許多人共同合作和討論。
圖8. 在臉書「App與開放軟硬體教學討論區」登出的協作平台，記錄瑪莉亞颱風對於台灣各地的大氣壓力的影響
在7月10~12日期間，針對瑪莉亞颱風的測量，各地總共提供有262次的壓力紀錄，同時也有不少人是利用手機或平板記錄整個颱風的過程；正在討論要用那一種模式來呈現大家提供的數據，畢竟這是一群人合作的結果，需要審慎考量如何做為第一個群體合作的範例。圖9所顯示的是在台灣師大公館校區，使用兩種不同系統的手機和平板所測的數據，兩組數據所顯示的結果十分類似。紅色是用iOS平板測量，靛色是用Android手機測量，測量的時間是由10日開始記錄到11日上午停止。為了清楚顯示，圖中刻意將兩組數據的壓力刻度錯開2hPa，事實上兩者數據的差異極小，差異量常常是在小數點第2位。由數據圖的飄動現象可以看出在第10小時到第18小時(建圖中的藍色箭頭)，颱風影響較大，風勢也比較大，所以數據的飄移比較大。
圖9. 瑪莉亞颱風通過北部海面時，在公館校區所測得之氣壓。紅色是用iOS平板測量，靛色是用Android手機測量。為了清楚顯示，故意將兩組數據的壓力刻度錯開2hPa.
如果日後不幸有颱風侵門踏戶，這樣的大型實驗實在是很值得推行，或者是相似的大型實驗，如天文的觀測等，都值得推廣。老師可鼓勵學生進行與台灣天然災害的相關測量，這應該也是重要國民素養的培養。也有一部分的人使用Arduino等簡單儀器進行測量，只是智慧型手機在颱風天時進行測量很是方便。另一個台灣有的天然災害是地震，地震對台灣的影響也很大，基本上也有很多簡單儀器可以進行量測，但是最近有很多討論和文獻提出用手機的GPS進行地震測量(參考資料14, Science News)和甚至是「預知」地震(參考資料15 )，用GPS預知地震理論上有可能，不過目前還在實驗的階段，尚且還沒有結果，想必會在很快的時間知道其結合大眾的手機GPS，是否有預知地震的功能？
結語
手機成為人類的隨身物品，並用於教學使用，是有一些方便之處。美國物理教師學會的期刊”The Physics Teacher”(參考資料16)，自2012年起每一期都有一個專欄稱之為”iPhysicsLab”。顧名思義是使用智慧型手機進行物理實驗，或是實作的論文，許多傳統的實驗，經由這樣的轉變，學生的學習也增加了助力。美國公共電視台針對孩童發展的Play and Learn Science APP，是讓幼童從玩遊戲的方式進行學習 (參考資料 17)。利用智慧型手機進行探究式教學的研究也很多，本文僅提出一些可以利用手機進行的相關測量，提供參考，但也顯示出手機在「行動學習」上的的確有其優越之處。
如圖2所示，在Google搜尋也會找到很多的資料，好像大家都鼓勵老師們使用！不過近年來，也有一些負面的評價；例如上課所使用手機會分心、對兒童的眼睛不太好造成眼疾等，看來都是會發生的問題。使用智慧型手機科技融入教學會讓學生分心嗎？是否可以提高學生學習的興趣？可否用於探究式教學？對於這些負面的問題，是智慧型裝置融入教學一直很需要注意的問題，也會常常被提出來討論，目前也有很多研究在進行中。
法國政府在2018年5月時宣布：2018年9月的秋季學期開始，9年級以下的學生全面禁止帶手機到校(參考資料18)，這不是手機集中收起來的意思，而是不能帶到學校去，整個校園內學生不可以擁有手機！不過教師還是可以利用智慧型裝置教學。然而禁止使用的原因是相當複雜，主要是與學生上課分心、網路霸凌、社群團體等事件相關，目標是希望讓小孩子可以多多專注於課堂上的學習，尤其是年紀較小的學生，專注力的培養是相當重要，畢竟在課堂上使用手機，老師不容易察知每一名學生正在進行的活動，也許分組實驗或實作可以比較容易掌握學生的活動。另一個問題是，許多提供教學使用之APPs的設計者，並沒有科學相關教學知識背景或是學習的專長，也使得APPs的設計上出現一些學習方法上的問題，導致APPs的使用沒有發揮出來，也是會造成負面的效果。
上述的負面問題都還在研究當中，但是對於自我控制能力較差的學生是需要管束，是學校教育很重要的一環，必須要靠老師的教導，和家長的提醒與督促。個人以為手機應該是沒有辦法完全禁止的，畢竟智慧科技對人類生活的涉入越來越深，要完全禁止幾乎是不可能，因為無法阻止智慧科技和人工智慧的持續發展！如何設計教材引導學生學習的確是現場老師們最大的功能；培養學生具備科學素養和終身學習的能力，這些都是教師們的天職。然而新的教學方法和智慧科技的發展，不只是老師們在教學上可以有更多元的發展，整個社會也必須與時俱進，才能發揮最大的效用。那「行動學習」如何應用智慧科技的優點？老師如何引導學生逐步運用資訊科技進行學習？如何引進跟以往不太相同的學習模式？如何活化學習環境？如何有效管控智慧型裝置的使用？如何降低負面現象效應而促進有效的教學？如何讓學習更有樂趣？智慧型科技融入教學所引發的問題，的確是學者、教師、學校和政府需要好好地思考思考。
如何讓人的學習可以更有效率並提升競爭力，是科技融入教學的重要目的。智慧型手機可讓課程的設計可以更加的多元，也可以和生活環境做結合，並去探索與理解生活周遭發生的問題，如前面所提出的幾個電梯、艙壓、隧道內的車廂壓力和颱風等實作的範例。在校園裡和生活周遭可以探究的問題更多，利用智慧型科技融入「行動學習」，可以是個人、是分組、或是群體的測量，分析數據後大家可以分享、討論，這都需要大家的創意與合作。另外生活環境結合的課題很多，如空氣污染、噪音、氣候，以及學生在學校內的相關活動等，也都有很多很有趣的主題等待開發。學生在學習過程中也可以加入家長參加活動，以逐漸培養終身學習的能力，提升科學素養。智慧型科技應用在科學上的「行動學習《才剛剛萌芽，還有許多面相可以讓我們一起去探索、一起去發展。本文希望可以提供各位一些想法，有助於各位創新課程的發展，讓教師職能可以和智慧型科技共同發展，共同增進人類社會的福祉。
參考資料
1. Murphy, Angela and Farely, Helen and Dyson, Laurel Evelyn and Jones, Hazel (2017) “Mobile learning in higher education in the Asia-Pacific region: harnessing trends and challenging orthodoxies”. Education in the Asia-Pacific Region: Issues, Concerns and Prospects, 40. Springer Nature, Singapore. ISBN 978-981-10-4943-9
2. 例如：(a) Which Sensors Do I Have In My Smartphone? How Do They Work? (b) Information of Smartphone sensors
3. ReactionFlash APP下載 安裝網址；
4. 新加坡大學化學系發展之APPsolutely Chemistry 首頁教學計畫
5. AILabs發展的”雅婷逐字稿”APP；新聞發布網址；下載 安裝網址
6. Microsoft Office Lens - PDF Scanner下載資訊：Microsoft Store； Google Play；Apple Store
7. Photomath APP的官方網站，Google Play和Apple Store可以下載APP。
8. Desmos Graphing Calculator。
9. Google Science Journal 官方網頁。
10. Sensor Kinetics APP說明網頁。
11. phyphox APP官方網頁 。
12. SciDAVis數據繪圖軟體使用說明，或是參閱筆者所發表的資料。
13. 如：Jason M. Kinser, “Relating Time-Dependent Acceleration and Height Using an Elevator”, The Physics Teacher 53, 220 (2015) ；或Jochen Kuhn, Patrik Vogt, and Andreas Müller, “Analyzing elevator oscillation with the smartphone acceleration sensors”, The Physics Teacher 52, 55 (2014) 。
14. Emily Conover, “Smart phones could be used to detect earthquakes” 。
15. Brendan W. Crowell, David A. Schmidt, Paul Bodin, John E. Vidale, Ben Baker, Sergio Barrientos and Jianghui Geng, “G‐FAST Earthquake Early Warning Potential for Great Earthquakes in Chile“, Seismological Research Letters (2018) 89 (2A): 542-556. ,
16. The Physics Teachers 雜誌每期都有iPhysicsLab專文，是使用智慧型手機進行測量的論文。
17. 美國公共電視台針對孩童發展的Play and Learn Science APP
18. 例如：France Bans Smartphones in Schools Through 9th Grade. Will It Help Students?
賈至達
國立台灣師範大學物理系教授
2019年國際元素週期表年活動簡介
文/邱美虹
2017年由聯合國(UN)公佈2019為「國際元素週期表年」(International Year of Chemical Elements of Periodic Table, IYPT)，藉此表彰化學對人類文明發展的貢獻，並慶祝俄羅斯化學家門得列夫（Dmitri Mendeleev）所提出之元素週期表150週年。國際上為慶祝這重要的科學貢獻，世界各國化學會及各團體組織都積極的辦理各項與週期表相關的慶祝活動。臺灣為國際純化學與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)會員，為響應這次的國際化學界盛會，在許多單位的共同規劃下，將有一連串多元的年度性慶祝活動，藉由各層面的多元活動，讓全國民眾能瞭解化學與生活之間密不可分的關係，並促進社會大眾更加關注社會上的科學議題，以期提升全體國民之科學素養。
前言
俄國科學家門得列夫於1869年透過分析63張寫上元素名稱的紙牌上元素的性質，發現化學元素週期性，並透過其週期律預測當時尚未發現的元素，讓科學家瞭解眾多元素間有系統的規律性以及預測力，開創科學基礎研究的新里程碑。當年門得列夫預測三個未知元素的原子量和性質，他以類硼(eka- boron)、類鋁(eka-aluminum)和類矽(eka-silicon)來命名這三個元素。這些元素後來分別在1875年(gallium, Ga, 鎵)、1879年(Scandium, Sc, 鈧)、和1886年(germanium, Ge, 鍺)被證實是存在的，且性質和位置都準確無誤。門得列夫並不是第一位提出元素間具週期性概念的科學家，但是他的週期表與其他較為保守的科學家所建立的週期表最主要的不同是它更具解釋力與預測力，因而奠定他在科學史上的崇高地位。門得列夫曾說：「我因為懷著一個有確切目標的意識，不斷研究、不斷努力的結果才有了那個夢。」，這種鍥而不捨的研究態度與精神，足以作為後代科學家反覆提醒自己的典範。2019年是門得列夫提出元素週期表的第150週年，許多國家都以辦理不同形式的元素週期表活動來緬懷這位偉大的科學家，紀念他發現的元素週期律及其所展現的強大預測力，使當時的科學得以在一片混沌中找到曙光為科學發展開創嶄新的一頁，這位終身未獲得諾貝爾獎肯定的科學家，卻為科學界留下不可抹滅的功績(見圖1)。
圖1. 門得列夫及其元素週期表
國際IYPT活動
IYPT開幕式於2019年1月29日在法國巴黎聯合國教科文組織 (UNESCO) 總部舉辦，共有來自世界各地的科學家和學會代表700多人參加。IYPT的主要目的是希望透過引起世人重視元素週期表發現的歷史脈絡、科學發展與元素的密切關係、元素在生活上的價值以及稀缺元素(endangered elements)的影響等議題。同時也藉此指出2019年是IUPAC成立100年(IUPAC100)，IUPAC將進行各項活動，以彰顯化學家對全球環境議題的關懷與努力與對社會的責任。作者有幸擔任IYPT Management Committee委員，受UNESCO邀請出席開幕式，見證歷史的一刻(見圖2)。
圖2. 作者出席IYPT開幕式
IYPT活動主要是由IUPAC的成員組成，包括前理事長Natalia Tarasova教授和無機化學委員會前主任委員Jan Reedijk教授，和四位管理委員會委員(Chris Brett, Chris Ober, Lars Ohrstrom, 和作者)，分別曾任或現任IUPAC各委員會的主席。其他還有UNESCO代表和各科學委員會代表(如IUPAP、國際科學理事會/ISC、國際天文學會/IAU、歐洲化學會/EuChemS等)國際科學組織。臺灣的化學會也未缺席，是IYPT活動的贊助單位之一，以表共襄盛舉之意。
開幕式活動包括數場專題演講、現場動手做實驗活動、虛擬實境、擴增實境、以及來自於許多研究單位的展品，還有小朋友的1001夜的化學元素話劇和小小實驗活動，活動對象從小學生到科學從業人員，使參訪的人能有不同的收穫。專題演講中有2016年諾貝爾化學獎得主班．福林加(Ben Feringa，見圖3) 的Periodic Table for Society and the Future，演講內容從門得列夫的歷史道起，再以深入淺出的方式介紹元素在食衣住行醫學等方面的影響，並點出化學人必須對科學發現具有熱情(passion for discovery)才能做好研究。另外一位受邀講者是發現元素118的尤里．奧格奈西恩(Yuri Oganessian，見圖4)，以其化學研究與元素發現為主題(New comers in the Periodic Table)。還有Martyn Poliakoff 介紹歐洲化學會(EuChemS) 在今年年初(2019年1月25日)發布的稀缺元素（endangered elements）週期表(見圖5)，該週期表說明因人類過度使用化學元素而將於100年後瀕臨自然元素缺少的危機，希望藉此引起世人的重視。舉例來說，我們用的智慧型手機裡就有至少31種元素（圖5中有畫手機圖案者），根據調查EU每個月就有將近1,000萬手機在升級中，使得這些元素都將慢慢地在自然界中消失! 同理，也請別再用裝氦氣的派對氣球，氦氣最後會在空中散失，無法回收再利用。幾位國際重量級大師的演講分別點出化學對人類生活、醫藥、科技發展的重要貢獻外，也提醒世人要更珍惜有限的自然資源，幾場深度演講為當天的活動帶來高潮。
圖3. Ben Feringa，2016年諾貝爾化學獎得主
圖4. Yuri Oganessian發現元素118
圖5. 稀缺元素週期表 (上為英文版，下為中文版)
除此之外，大會還針對週期表118個元素向全世界徵求118位傑出年輕學者代表特定元素(臺灣大學化學系戴桓青教授榮獲代表元素原子序為15的磷，誠為臺灣之光!)(見圖6)，開幕式當天有來自五大洲獲獎的年輕化學家代表致詞，這種傳承的安排讓人可預見化學為人類帶來更長遠的未來與期待。
圖6. 年輕化學家週期表
大會還於現場展出一個現今最古老教學用的元素週期表掛圖(見圖7)，該週期表是維也納Lenior 和 Forster根據1885年當時已確認的元素所製作的，其中包括門得列夫在1869年所預測後又被證實的鎵(Ga，1875年發現)和鈧(Sc，1879年發現)都出現在此週期表上。圖7所示掛圖於1888年由St Andrews大學化學系Thomas Purdie教授從一本德國的目錄中採購而得。2014年由該校Dr. R. Alan Aitken 在清理上課教室時發現的，經與同仁Pilar Gil合作進行分析後確認屬門得列夫之週期表，此次有幸能看到真品，實在難得。
圖7. 最古老的元素週期表掛圖(1885年版)
除此之外，IUPAC還舉辦一項非常有挑戰性的「挑戰週期表」(Periodic Table Challenge)活動，希望全世界各地對元素具有好奇心或是想挑戰自己對化學元素認識多寡的人皆來參加挑戰，報名參加者可以自由選擇週期表上任何一個或多個元素作答，20個題目隨機由資料庫中抽取出來測試，第一階段答對12題 (即60%)者即可獲得IUPAC所提供的通過測驗證明書一紙，並取得進入第二階段製作影片或海報等作品參賽的資格，得獎者可以獲得諾貝爾獎得主簽名週期表一件。目前全世界參賽者上萬人，臺灣各地亦有多人參與，熱鬧滾滾。意者可上該網站試試身手，自我挑戰(見圖8)!
圖8. 元素挑戰活動參與人分布圖
最後，有一項相當有趣的學齡前孩童或小學低年級學童的實驗活動(1001 Inventions: Journeys from Alchemy to Chemistry，話劇表演等等，讓小朋友可以在輕鬆愉快的活動中認識化學、探索化學，這寓教於樂、向下扎根的做法令人佩服!
中國化學會(臺灣)非常重視IYPT，並積極參與國際性組職的活動。化學會贊助IUPAC國際元素週期表年的Logo也名列在IYPT大會手冊和IUPAC官方網站贊助單位之中，受到與會者的矚目與肯定。
臺灣IYPT的慶祝活動
臺灣是IUPAC會員，長期參與IUPAC各項活動，此次更不能置身事外。作者除率領臺師大研究團隊積極參與規劃與執行相關活動外，還邀請中國化學會、中華民國科學教育學會、淡江大學科教中心、臺灣科學教育館、國立自然科學博物館、新北市課程發展中心、教育部化學學科中心、臺師大自然領域教學研究中心，共襄盛舉。活動內容除了民眾動手做科學實驗外，並增加元素海報展、元素方塊活動、光雕科學藝術投影，希望集合眾人之力將科學藝術與化學帶入科教館、科博館、和校園中。一方面慶祝這屬於國際性的科學活動，同時也藉此機會激起社會大眾對於科學的價值與其正負面影響的認識，並達到科普傳播的目標。此處先行介紹整體規劃，未來期待在年底時可再就完成的活動做一完整的報導。
整體活動對象
此次規畫活動的對象可分為三個層面：
1. 對於一般民眾
科教館與科博館將規劃與辦理相關展覽活動，讓民眾能對元素週期表有較深入的認識；淡江科教中心則辦理貼近大眾的打卡活動，讓化學融入每個人的日常生活中；而臺師大團隊將製作大型元素方塊週期表，從不同的角度來呈現週期表元素的性質與應用面，並結合光雕投影和動手做活動來認識化學元素的面面觀。
2. 對於教育工作者
科教學會、化學學科中心與新北課發中心將分別辦理工作坊、教材教具競賽與公開觀課活動，藉此提升教育工作者以更多元的角度來認識化學元素，以有助於教學增能。
3. 對於學生
科教館、化學學科中心與臺師大自然領域教學研究中心設計競賽與課程，由實際參與學習活動來提升對科學學習的興趣。
化學會則將建立網站彙整今年所辦理之各項慶祝活動與推廣工作項目，並提供有關元素週期表的資源供社會大眾與學校使用。同時化學會與臺灣維基媒體協會(WikiMedia Taiwan)合作，希望藉由這一年可以對維基百科中的化學元素進行中文條目的撰寫與編輯。
一、活動簡介
1.《臺灣化學教育》電子期刊發行專刊
《臺灣化學教育》電子期刊業已於2019年一月出刊《2019國際週期表年(IYPT)》專刊，共收集13篇文章，內容含：門得列夫週期表的發展史、化學學習與元素週期表、日文與中文元素命名、元素英文命名的由來、微量元素的介紹、鹵素的性質、元素與藝術等等，有興趣者可至官網查閱。
2. 元素方塊你我他
由臺灣師範大學邱美虹教授研究團隊負責「元素方塊」這項活動，根據「化學性質」、「相關實驗」、「生活中常見的狀態或應用」、「發現的國家或科學家」與「臺灣或其他國家文化常見的例子」做為設計的方向，廣邀學者與學生來參與元素方塊的設計(見圖9)，希望這些成品可以提供民眾認識元素與生活息息相關的機會。此項徵稿業已完成，將進行美化成品的工作。配合臺師大團隊設計的元素方塊，亦將使用光雕投影以不同的角度展現週期表發展的歷史與文化脈絡與元素的應用。這些展品將在科教館與科博館展出，並將推廣到校園中。
圖9. 元素方塊
二、 淡大科教中心--週遊臺灣
由淡江大學科教中心王伯昌主任與高憲章執行長主導，於選定與特定元素相關聯的地點設置｢元素週期表-臺灣週遊點｣，讓全臺民眾在旅遊時可進行打卡與實體印章收集的活動。該活動設計是希望能讓臺灣民眾不論年齡、職業都能透過這個活動正確的認識化學與生活的關聯性，正視臺灣天然資源缺乏的問題，並在活動的收集過程中，認識臺灣各地產業，以及特殊的地理、歷史與文化。
三、 科教館--化學元素週期表課程開發、演示及推廣
科教館(見圖10)在陳雪玉館長的領導下預計進行全年性的活動，藉由各項活動推展科普教育。活動包括以下幾類：
(1) 化學元素週期表課程開發
(2) 結合本館展區、實驗室、劇場、戶外生態場域的「化學元素尋寶趣」
(3) 配合科學巡迴車規劃全新化學演示活動，提供各地的巡迴教育服務
(4) 化學元素課程、演示活動及推廣活動轉化為科普影片製作
圖10. 科教館的元素週期表設備
四、 科博館--展出元素相關展品
科博館除展出臺師大團隊的元素方塊與光雕投影外，孫維新館長與張鈞翔主任擬展出館藏與元素相關的收藏品(如礦石等)，以共襄盛舉。
五、新北課發中心--教師工作坊
由新北課發中心鍾曉蘭執行秘書辦理，活動內容為介紹週期表年的活動意義與各項活動，活動分別有教材競賽、教案競賽與教案發表會等。對象主要為全國化學教師，活動以工作坊形式辦理活動；推廣活動以教材、教案競賽成果為主並辦理週期表同課異構公開觀課活動等。
六、科教學會-元素週期表教材教具媒材展示品設計比賽
由科教學會盧玉玲理事長主導，活動內容為利用元素週期表設計教材教具與媒材。活動對象為各級學校單位或個人報名參加；活動辦理方式為媒材徵選活動；時程預計於2019年5-6月。科教學會負責邀請評審進行媒材的初審與複審工作，並選出優良作品頒發獎金。
七、 化學學科中心與臺師大自然領域教學研究中心--元素週期表線上有獎徵答活動
由化學學科中心林威志執行秘書負責辦理線上有獎徵答活動。活動對象為全國高中以上學生，將採線上有獎徵答活動的方式進行。活動辦理的時程預計於2019年7-8月。化學學科中心負責相關試題設計，並尋找相關活動平台建置方式。歡迎大家一起來!
[化學學科中心與新北市課程發展中心-教案設計競賽]
由化學學科中心與新北課發中心共同辦理，活動內容為運用科教學會舉辦之元素週期表教材教具媒材競賽的得獎作品進行週期表教學活動之設計。活動對象為全國化學教師；活動辦理方式為教案徵選活動；時程預計於2019年7-9月辦理，活動將選出優良作品並頒發獎品。
8. 新北市課程發展中心--教案發表會與公開觀課
由新北課發中心主導，活動內容為教案競賽得獎作品之成果發表會。活動對象為全國化學教師，以工作坊形式辦理活動；時程預計於2019年10-11月辦理一場工作坊，場地預計在新北高中；至於推廣活動，則是以辦理週期表同課異構公開觀課的形式進行。
9. 科普環島列車
由科技部科普計畫召集人李旺龍教授負責的科普列車亦將於各地展開收集與該地文化與發展相關的元素之故事(如金瓜石曾經擁有的黃金、新北市的硫、新竹的矽)等，做為2019年環島列車的主題，以共襄盛舉。
10. 中國化學會--IYPT各項活動之共同網頁平臺建立
各項活動的推廣除各單位本身的資訊平臺與社群之外，中國化學會將設計IYPT各項活動之共同網頁平臺，此部分將由學會秘書長趙奕姼教授目前規劃與執行，此平臺成立的功能共有以下六點：
(1)介紹聯合國IYPT以及週期表與生活、永續發展的關係。
(2)在同一頁面呈現所有活動並提供該活動之連結。
(3)推播最新消息。
(4)提供參與元素週期表線上有獎徵答活動網頁連結。
(5)提供活動花絮報導。
(6)透過IUPAC連結至國際上其他IYPT活動網頁。同時化學會與臺灣維基媒體協會(WikiMedia Taiwan)合作，邀請學者與學生共同編輯元素條目，希望可以建立具可信度的維基資訊供大眾使用。
結語
IYPT是一項由聯合國發起的國際性的活動，此次臺灣積極辦理相關活動，希望這些活動可以觸及到臺灣每個角落、每個國民，且能在所觸及的地方與人在2019之後還能持續化學教育的生根與人才培育的永續經營志業，才不枉眾人的努力與付出。
致謝
感謝科技部和化學局提供經費補助，使本團隊得以執行慶祝IYPT之各項活動。同時，感謝中研院經費補助以及化學會的推薦，使本人得以出席IYPT開幕式，受益良多。更感謝所有參與單位、籌備委員和諮詢委員在各方面的支持，使元素週期表的科普活動有機會得以推廣到各個層面的人群中。
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所教授