生活科技

社群媒體、傳統新聞在食安議題扮演的角色

文/黃佰璋 前言 民以食為天，農業社會時代，老一輩的人見面問候的話語：「吃飽沒？」以前的人關心的是有沒有的吃？肚子填的飽嗎？現在的人關心的是…等一下午餐吃什麼？晚餐吃什麼？假日到哪裡聚餐？要吃什麼？衣食不虞匱乏的年代，眾人關心的是，吃的健不健康？食品安全議題躍升為全民關心的大事。然而，民眾透過媒體報導來了解食品安全議題，媒體能否稱職扮演資訊提供者的角色？從網路2.0發展以來，社群媒體傳遞訊息之速度，遠遠勝出傳統媒體，遑論其深度及廣度。 傳統媒體vs.社群媒體 傳統媒體泛指電視、廣播電台、報紙等，或稱平面媒體。拜網路2.0之賜，新興媒體崛起，每個人都可隨性地發表個人意見，無遠弗屆，地球這端發生的大事，幾乎可即時性的在地球另一端報導，從個人的電子郵件、部落格、網頁，到Facebook(臉書)、Twitter(推特)、Instagram、Line等應用程式，也造就了許多網紅。 傳統平面媒體的新聞報導文章，透過專業的媒體報導者(記者)採訪、撰稿，再由主編審稿、潤飾，之後將新聞發佈，優點是新聞稿的內容有經過專業審核、查證，缺點是常常無法反應新聞事件的即時性。而新興媒體流行的當下，人人都可以是記者，都可以是主編，訊息可以得到即時性的傳遞，但是訊息內容的品質及真實性，則是本篇文章要關注的重點。 手機從1980年代發展至此，人手一機甚至多機，手機的功能從簡單的通話功能，傳送文字簡訊功能，進化到能傳送圖片，錄影直播，任何時間、任何地點，只要能連上網路，人人都可以扮演新聞台主播的角色，也因此便利性，在彈指之間，年輕人顛覆了專制政權。2010年12月17日，一名26 歲青年穆罕默德•布瓦吉吉被警察索賄，因為沒有錢可以給警察，被以沒有擺攤執照的理由，沒收了這名青年的蔬果和推車，之後穆罕默德•布瓦吉吉以自焚抗議，突尼西亞的記者哈尼在採訪這個事件後，以標題為「茉莉花革命」的事件發表於部落格上，隨後，臉書和推特用戶之間不斷轉貼這則貼文，引爆更多的衝突與血腥鎮壓之後，即便政府當局控制了平面媒體，真實事件仍透過網路媒體傳遞到全世界，在聯合國的關注及各國領袖譴責之下，執政23年的總統流亡海外。 「茉莉花革命」在阿拉伯世界掀起骨牌效應般，規模空前的反政府運動，接續的「阿拉伯之春」，波及利比亞、埃及、葉門、敘利亞、阿爾及利亞、蘇丹、巴林、沙烏地阿拉伯、阿曼、伊拉克、茅利塔尼亞、約旦、摩洛哥、科威特、黎巴嫩等國。 新興媒體的影響力之大，已非傳統平面媒體所能及，但是當新興媒體被不當的使用，惡意訊息被大肆傳播，網路鄉民無法辨別消息真偽，甚至還盲目轉傳於社群媒體之上，所造成的災難，將會非常慘重。表1列出各社群軟體的熱門程度，以全球的註冊人數來看，臉書(Facebook)的使用人數最多，在2004年就有23億人之多，推特(Twitter)次之。 表1. 各社群軟體熱門程度 下圖顯示2021年各社群媒體應用程式的使用者數量，臉書跟YouTube高居前兩位，可以想像透過社群媒體訊息傳遞，其影響之廣，受眾群遠勝於傳統媒體。 圖1. 各社群媒體平台使用者數量 (https://datareportal.com/social-media-users) 臺灣的主流社群媒體與全球的不太一樣，前三名依序為Line, Facebook, YouTube,臺灣民眾接收新聞訊息有近五成的來源是從這前三名媒體平台(圖2)。 圖2. 臺灣的主流社群媒體 (reference 2) 而傳統的平面媒體，影響力則是逐年遞減(圖3)，2017-2020主流媒體的變化趨勢，印刷紙本(報紙類)呈現顯著的下降，這點從近幾年的幾家媒體停止發行紙本刊物可見一斑。同樣的，透過電視獲取新聞訊息的閱聽大眾，也從2017年的77%，下降到2020年的62%，使用社群媒體及透過網路閱讀的大眾，則呈顯著上升趨勢。 圖3. 2017-2020主流媒體的變化趨勢 (reference 2) 從NCC的業務量報告(圖4)，臺灣有線電視訂戶戶數，從2017年第二季的527萬戶，到2021年第一季的483萬戶，觀看有線電視的民眾，少了8.3%，而且用戶數呈現逐年遞減的趨勢，顯然電視媒體的影響受眾，逐漸被其他媒體所取代。 圖4. 臺灣的有線電視訂戶逐年變化趨勢 食品安全與媒體報導 前述談及傳統媒體及新興社群媒體的消長變化，很顯然地，傳統媒體對閱聽大眾的影響力正逐漸式微，而觸及率廣泛的社群媒體，在傳遞訊息的速度上，與傳統媒體，有多大的差別？2008年12月，媒體揭露一家愛爾蘭的飼料供應商受到戴奧辛及多氯聯苯的污染，導致該地豬肉被驗出的戴奧辛濃度，比歐盟訂出的食用安全標準，高出80至200倍之譜，愛爾蘭食品安全局追溯下架9/1至12/6這段期間生產的豬肉，愛爾蘭的豬肉出口到23個國家，亞洲國家包括中國、南韓、日本，以及新加坡。而在愛爾蘭下架豬肉的新聞發布開始，接下來的36小時，全球超過1700家報紙報導此一污染事件。 有學者針對此戴奧辛污染豬肉危機事件，進行英國及愛爾蘭的媒體報導分析，在搜尋英國及愛爾蘭當地的傳統媒體及社群媒體的報導標題及內容之後，由下圖可看出，在官方於12/6發布新聞稿之後，社群媒體（實線）及傳統媒體(虛線)，迅速反應這個事件，從放大圖可以看到，社群媒體比傳統媒體報導的速度更快，而且訊息量在傳統媒體達到高峰之後，社群媒體的訊息量隨後達到更高峰，很顯然，在傳遞訊息的速度及觸及率上，社群媒體是佔上風的。媒體報導的熱度來的快，也去得快，這個豬肉危機事件的報導，在12/10達到高峰之後，熱度很快就退燒了。 圖5. 愛爾蘭豬肉受戴奧辛污染事件的媒體報導時間序列 媒體報導與群眾的風險認知 當群眾面對新的事件，例如塑化劑、戴奧辛、毒奶粉等食品安全事件，最直接的資訊來源便是傳統媒體，透過電視、報紙、廣播節目，閱聽大眾可以獲得資訊及事件發展，但是媒體的報導品質，若未能據實呈現，做到平衡報導，將會影響閱聽大眾對事件的風險認知，媒體報導本身就須擔負教育的責任。 有關媒體報導如何影響社會大眾的風險認知，筆者在2018年的一篇著作，就指出媒體報導的品質及報導數量，與群眾對電磁波的風險認知有一致的變化趨勢。該篇研究以電磁波敏感症的盛行率為風險認知指標，電磁波敏感症是一種病因不明的症狀，有此症狀者在接近或看見基地台、高壓電塔、電纜線、手機、筆記型電腦、電視等會逸散電磁波的電器時，會產生頭痛、耳鳴、心悸、焦慮、失眠等症狀不一，且嚴重程度因人而異的電磁波敏感症。在以電磁波為關鍵字，收集並解析2005年到2012年臺灣各大報紙，有關電磁波的新聞報導後，比對臺灣兩次電磁波敏感症盛行率的調查結果，發現很有趣的現象。 圖6的Y軸是媒體報導的數量，X軸是年代，綠色虛線箭頭顯示臺灣的電磁波敏感症盛行率，從2007年的13.3%(全球最高)下降到2012年的4.6%(接近全球平均值)，而在2007年的前一年，媒體報導電磁波新聞的數量達到最高峰，之後逐年急遽下降，顯示電磁波新聞報導的數量多寡，會影響群眾的風險認知，造成電磁波敏感症盛行率的變化。 而圖7顯示，佔所有電磁波新聞報導比例最高的(將近五成)，是衝突事件的報導，例如基地台抗爭、包圍雷達站等等，環保團體有關的新聞次之，而環保團體對電磁波的態度，也是持質疑態度居多。分析新聞報導的標題及內容所傳達的電磁波與健康的關係，由圖八可以得見，衝突事件與環保團體的意見，一面倒的呈現電磁波有害身體健康，回應到圖6的趨勢，在2006年大量新聞報導的隔年所做的電磁波敏感症盛行率調查，達到13.3%的世界紀錄，但是隨著媒體不再關注，新聞報導數量急遽遞減到每年100件以下，盛行率也就跟著下降了。 圖6. 臺灣媒體報導數量與電磁波盛行率的關係 圖7. 電磁波相關新聞報導的分類比例 圖8. 電磁波新聞報導內容對電磁波影響健康的正負面態度 臺灣的食品安全事件 回顧2000年以來，在臺灣發生的幾件重大食品安全事件，見底下事件簡表。 表2. 臺灣食品安全事件簡表 這些食品安全事件，在國人心中，想必是歷歷在目，特別是攙偽造假的毒奶粉事件，以及塑化劑。而食品安全事件，往前追溯，1979年發生在臺灣的米糠油污染(多氯聯苯)事件，2013年的食用油事件等，一直到去年政府開放含瘦肉精的美豬進口，引起社會輿論熱烈討論，但是也隨著武漢肺炎疫情的升溫，焦點又轉移到疫情上面。在臺灣，這些與民生息息相關的食品安全事件，沒有類似愛爾蘭豬肉污染事件的研究來探討媒體的報導。 以文字探勘分析食品相關事件的大數據 從網路的搜尋量，可以了解群眾(網路鄉民)對事件的關注程度，使用社群媒體的網路鄉民遠比傳統媒體來的廣，但是社群媒體多數屬於封閉性社團，像是Facebook的粉絲團，或者是Line的群組，需要取得權限才能進行分析，這是另外一層技術上的挑戰，礙於篇幅，先不在此討論。 若以Google網路搜尋介面針對特定食品相關事件搜尋，比如「美豬」進口事件，在2020年8月28日，政府宣布自2021年1月1日，將開放含有萊克多巴胺 (Ractopamine) 的美國豬肉與30月齡以上的美國牛肉進口，在臺灣社會引起熱烈的討論，由圖九可以看到，當政策宣布之後，接下來一週的新聞搜尋量暴增，反應了鄉民關注的熱度。 圖9. Google網路搜尋趨勢 若是要進一步看新聞標題及新聞內容，各大新聞網站有提供關鍵字搜尋功能，但是逐家去找，曠日費時，且恐有遺珠之憾，若以文字探勘(text mining)方式，從Google News去搜尋，是不錯的方法。下圖就是以「美豬」為關鍵字，搜尋2020/01/01至這篇文章截稿時間，以Python及R這兩套軟體，下載374則相關的新聞，以文字雲呈現標題關鍵字，字體越大的代表出現頻率越高(圖十)。圖十一顯示，美豬開放政策一宣布，媒體報導此新聞的數量延續將近十天的熱度，從圖十二可觀察到各家媒體對美豬新聞的關心程度也不同，至於新聞標題及內容是否帶給閱聽大眾正向或負向的觀感，暫不在本文討論。 圖10. 美豬新聞標題的文字雲 圖11. 美豬新聞報導數量變化 圖12. 媒體報導美豬新聞數量 面對資訊量爆炸的時代，該如何面對 哈佛大學前校長Jeremy Knowles在2017年的開學典禮，對新鮮人的演說中，談到高等教育的目標之一：The most important goal of higher education: it was to ensure that graduates can recognize when “someone is talking rot.”意思就是，高等教育最重要的目標是讓畢業生能分辨誰在胡說八道。 面對資訊量爆炸的時代，真假新聞泛濫，在未能判斷消息真偽時，不亂傳遞訊息，是基本的態度，謠言止於智者，教育的目的之一就在於培育具有獨立思考能力的個體。 參考文獻 Priyanka Meel, Dinesh Kumar Vishwakarma, Fake news, rumor, information pollution in social media and web: A contemporary survey of state-of-the-arts, challenges and opportunities, Expert Systems with Applications, Volume 153, 2020. Shan L, Regan Á, De Brún A, et al. (2014). Food crisis coverage by social and traditional media: A case study of the 2008 Irish dioxin crisis. Public Understanding of Science. ;23(8):911-928. Po-Chang Huang, Kun-Hua Li, How-Ran Guo. (2018). Association between media coverage and prevalence of idiopathic environmental intolerance attributed to electromagnetic field in Taiwan, Environmental Research, Volume 161, Pages 329-335 http://pub.cjps.ntpc.edu.tw/~cjie/image/Primary%20school%20students%20look%20at%20the%20world/The%20World/茉莉花革命.pdf https://www.digitalnewsreport.org/survey/2020/ Hootsuite, Social WA. Digital 2019 Global Digital Overview. 2019. https://www.ncc.gov.tw/chinese/files/21050/5326_46024_210506_1.pdf 黃佰璋 國立成功大學食品安全衛生暨風險管理研究所 助理教授

酒精的創意科學活動

圖文／謝迺岳 酒精學名乙醇，是老祖宗在醱酵果實中發現的物質；吃了含有酒精的食物會讓人暈淘淘的，於是老祖宗們（傳說是酒聖杜康）就開始釀造各種酒來賣。酒會使人興奮並成癮，比大麻和搖頭丸毒性還強，卻沒有遭禁，真是奇怪。 除了飲用，酒精有許多用途，如殺菌、防腐、降溫、溶劑、脫水、燃料、做香水等，可見物體本身沒有善惡，它的價值要由人們來決定。酒精有一些醇類的朋友很常見，例如甲醇（木精）、異丙醇與丙三醇（甘油），其中甲醇的毒性很強，卻被不肖業者用於假酒，飲用後會讓人失明或喪命，使用時一定要小心。 酒精為易燃易揮發液體，容易發生燃燒跟氣爆，實驗操作時具有危險性，建議教師於教學示範時，請戴上護目鏡、手套等護具，並準備大量的水、濕抹布、滅火器等用品以防意外發生，並確切告知學生或小朋友，不可單獨自行實驗，務必要有師長、家長陪同，嚴禁個人自行操作！ 活動一：酒精槍 酒精的閃燃點是13℃，它和木精都很容易揮發且易燃，所以在酒精的附近要注意，絕不可在充滿酒精蒸汽的廠房內點火，甚至在吃火鍋時加酒精都必須很謹慎。 在一個寶特瓶蓋上鑽一個孔，並插入點火槍；把蓋子蓋住一支多多罐，點火就能把多多罐發射出去，這是點火槍內的丁烷和氧氣的反應。在多多罐內吹一口氣補充氧氣，然後滴入酒精或木精，再次發射就能射到更遠的地方（圖1）。 活動二：酒精燈 酒精常被作為燃料，因為它容易取得、無毒且燃燒完全。如果找不到酒精燈，可以用一個鐡罐來代替，點了火後會呈現淡紫色的光芒，這是酒精的特性焰色。在酒精內加入一些食鹽或硫酸銅，火焰會呈現亮黃色與藍綠色的光，非常美麗，而且讓我們看得到火焰，操作就會更安全（圖2）。 要熄滅酒精的火焰可以用水，這一點大大的衝擊許多人的知識；因為酒精的密度比水小，但是酒精可以溶於水（所以有各種濃度的酒），會被水稀釋且降溫，這和油類著火的情況完全不同，因為油水不互溶！ 圖1. 在多多罐內滴入酒精再搖一搖，就可以發射酒精槍了。 圖2. 加了廣用指示劑後，自來水變為藍色（弱鹼），而酒精與木精則呈現黃色（弱酸）。 活動三：酒精魔術 把酒精和水以1:1的比例混合，並加入一些食鹽使火焰能明顯。把一張紙鈔的下半部浸入稀釋酒精後，橫向拿著紙鈔（避免火焰燒到手），點火後會發現火焰很快就熄滅了。 被稀釋為50%的酒精可以燃燒，但是產生的熱量剛好把水蒸發，因此火焰熄滅後可見鈔票沒有受損，而且紙面是乾的，是個非常吸引人的魔術。這個活動雖然不困難，操作時也很安全，仍然要小心不要讓燃燒中的酒精滴落地面，使別的東西燒起來。 圖3. 用50%酒精水溶液沾濕假鈔，點火後紙不會燒著。 活動四：殺菌劑 酒精溶於水，而且很親水，因為它的結構式是，包含一個羥基OH。有羥基的有機分子能溶於水，是因為水也有羥基，互有好感（氫鍵），就能互溶了。 把蛋白液倒進兩個透明杯中，在其中一個杯裡倒入95%酒精（99.5%酒精更好，但是價格貴了三倍），在另一個杯裡倒入75%酒精，會發現濃酒精使蛋白液上層變白了，而較稀的酒精使蛋白液變白的量更多。原來蛋白質分子的內層也有羥基，遇到酒精時會翻轉，而且再也翻不回來，這個過程像是把蛋煮熟，稱為蛋白的變性（圖4）！ 對細胞而言，酒精不只會使蛋白質變性；酒精被氧化時會變成乙酫，再氧化則變為乙酸。用廣用指示劑去測試，酒精往往呈現黃色，就是酒精在空氣中氧化的結果。好處是，我們可以酒精氧化去釀醋；壞處是，喝酒使人有醉意。濃酒精無法滅絕細菌，因為它會使細胞壁立刻變性；而75%酒精能鑽進細菌體內，不只變性，還可以用氧化後的乙醛和乙酸毒殺牠們，從而保護人體的安全。 活動五：熔岩燈 酒精的密度為，水的密度為，而蠟是混合物，密度介於水和酒精之間；因此把蠟塊投入酒精中會沈，而在水中會浮。 找一支羊奶瓶（啤酒瓶也可以，但須確定耐熱且防爆），把酒精和水混合至比蠟的密度小一點點，使蠟沈入瓶底。接著在瓶底加熱，由於蠟的膨脹率比水和酒精的膨脹率大，於是熔融的蠟就會從瓶底浮升。 加熱這種熔岩燈的方式可以選用蠟燭，但是火力不容易控制；用燈泡也可以，但是支架較難製作。在控制良好的情況下，蠟塊在瓶底被加熱20分鐘後就會融化成一顆透明的大球，緩緩從瓶底浮升；到達瓶口處被外界空氣冷卻，又緩緩下降。夜間點亮蠟燭或燈泡，看著熔岩燈內的液體蠟浮浮沈沈，並讓光影投射在四周的牆上，非常療癒（圖5）。 活動六：天氣瓶 酒精兼具有羥基與碳鏈，因此是很好的溶劑，黑白通吃。例如食鹽能溶於酒精，成為加鹽的米酒，是做菜的好幫手，就是羥基的功勞。油類不溶於水，卻能溶於酒精，就是小碳鏈的幫忙。一些完全不溶於水的有機化合物，如樟腦與松香，也能溶於酒精而成為環境消毒的利器（圖6）。 樟腦可以防蟲，天然樟腦對人無害，但是假樟腦（萘）會使蠶豆症患者產生溶血現象，應避免接觸。松香不只能防蟲，還可以作為竹蟬童玩與琴弦的止滑粉。把樟腦或松香溶解在酒精裡，裝在噴霧罐中，噴在屋內牆角，蟑螂螞蟻就再也不敢靠近了。 把氯化銨和硝酸鉀溶解在水裡，再把樟腦溶解在酒精中，兩瓶液體一混合，就會有白濁的樟腦被析出。原來酒精遇到水就和水結合，樟腦在酒精中達到過飽和，就成為細小的結晶。把這瓶混合物加熱至樟腦結晶消失，然後使這瓶液體緩慢變涼，樟腦會重新結晶（藉著氯化銨和硝酸鉀的幫助），形成較為大顆且漂亮的羽毛。這個活動稱為天氣瓶，在氣溫緩慢或快速變冷時，結晶的大小與形狀不同，但都很美麗。 圖4. 把75%（左）和95%酒精倒在蛋白上，發現75%酒精更能深入蛋白內。 圖5. 用羊奶瓶做熔岩燈。調配水與酒精的比例，使蠟塊受熱時能升升降降，看了很療癒。 圖6. 樟腦可溶於酒精，卻不溶於水，因此可以製作天氣瓶。 活動七：酒精膏 把醋酸鈣（可用蛋殼泡在醋中製成）溶解在水中形成飽和溶液，接著倒在酒精或木精內，醋酸鈣就會結塊。原來酒精或木精很親水，遇到飽和醋酸鈣水溶液就把醋酸鈣給沈澱出來了；然而鬆散的醋酸鈣晶體之間吸附了許多酒精，就像仙草或愛玉凍一樣，不同之處是酒精膏可以燃燒。甲醇和乙醇都可以製成酒精膏，保障了使用的安全，也使得燃料不致於消耗太快（圖7）。 在地面或鐡罐上，把酒精膏捏成愛心或英文字母，再灑一些食鹽或硫酸銅，點火後就形成火舞。也可以在一支透明杯或管中，把染色的酒精膏依次填入，看著很美麗，點火後更詩意。 活動八：焰色 把酒精或甲醇作為燃料很方便，但是淡紫色的火焰常讓人看不清楚，因此必須在其中摻一些鹽類，利用焰色反應來保障操作時的安全。 用鐡線沾一些金屬鹽類放在火焰上燒，就可以看到各種焰色（圖8）。常用的金屬離子有明顯焰色的為鈉（黃）、銅（綠）、鈣（紅）、鉀（紫）等。非金屬物質也會呈現焰色，例如硼（綠）、磷（青綠）等；不過含硼的硼砂或硼酸必須溶在甲醇中燃燒才有焰色，是因為硼酸和甲醇形成硼酸三甲酯（酯類是由酸和醇縮合而成），而且聞起來有一點香味喔（圖6）！ 焰色實驗對於物質的檢驗雖然很粗略，但是使用的質量甚微，對於環境的傷害較小；而且配合光譜分析，就能推測出岩石樣本中的某種物質含量，甚至可以用來觀察遙遠星球的物質成分喔！ 圖7. 醋酸鈣溶於水，卻不溶於酒精；因此可以用來製作酒精膏。 圖8. 硼砂可溶於木精，燃燒有綠光；製成硼砂珠也很漂亮。 活動九：香水 酒精和木精是醇類，它們和酸結合成香香的酯類。我們可以使用各種醇與酸結合，嘗試製成香水。但是真正的香水仍然須使用植物的花與果，溶解在酒精或油脂之中。 在酒精中滴入濃硫酸，然後和等量的冰醋酸混合，靜置一天後就成為乙酸乙酯，有香味出現。若是用甘油（丙三醇）與醋1：2混合，再加入四份水，則成為沒有香味的爽膚水，靜置一天後就可以擦在皮膚上了，養顏、美容又保濕（圖9）。 酒精的沸點是78.3℃；而汽化熱為210cal/g，在常見物質中僅次於水與氨．所以人們在發燒時，可以用30%的酒精退燒。同理，在香水中摻酒精，擦在皮膚上使人覺得涼爽，同時使香水揮發更快，能夠立即達到迷人的效果喔！ 圖9. 酸加醇變成香香的酯類，所以木精和酒精都能製香水喔。 謝迺岳 國立新竹高級中學退休物理教師

麗山火箭飛

文/鄒語騏、吳明德 前言 108課綱以學習者為中心，培養核心素養落實課程的理念與目標。在十二年國民基本教育課程綱要總綱裡有提到，「『核心素養』是指一個人為了適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。核心素養強調學習不局限於學科知識及技能，而應關注學習與生活的結合。」，因此在進行課程設計時，更應與生活議題做結合。 109學年度麗山高中探究與實作課程，校內教師共備群組開始進行課程的規劃與討論，跨科領域以「物質與能量」、「系統與尺度」的方向進行設計。其中「物理＆化學」合科，是由物理吳明德與化學鄒語騏老師合作開課。上學期主題以「電」為知識議題，物理是發電機與電磁感應，而化學則是探究電池的電極與電解質。但實際執行免不了分頭教學的弊病，並未達到真正統整，僅有萬用電表成為雙方所使用的共同工具。所以下學期不採以知識單元作合科教學議題。 下學期主題原以「氣體」為議題，後改為「火箭」作為目標導向。源於鄒語騏老師看Space X火箭的回收紀錄影片，認為以前只能做到將火箭送上外太空，現在卻能連火箭回收的都可以做到如此精確。從那時，鄒老師變成一位火箭迷，便與一同合作的吳明德老師談到這個想法，他一口答應地說：「那我們就做吧！」。於是這門火箭課程就此有了開端。 壹、課程規劃 麗山火箭飛的課程設計採目標導向，主題圍繞在氣體，此章節在物理與化學課程內著重的方向不同，而內容的整合還須仰賴跨科合作與討論。 課程規劃最需考量的部分為（1）課程目標、（2）課程內容、（3）評量規準與方式。明確的課程目標能夠幫助學生瞭解該門課程的核心價值，而課程內容的訂定可檢視是否對應到學習目標，至於評分規準可幫助學生在學習過程中能隨時檢視自我，離目標還差多少、應該如何做才能達成目標，且給予老師一個較為公正、客觀的評分方式，避免流於主觀意識。 本課程係透過化學及物理科教師協同教學，以引導式探究方式結合物理摩擦力、做功及化學氣體燃燒、化學計量、理想氣體方程式等概念，並以目標導向的課程設計方式，讓學生在實作中體驗探究歷程。 一、物理部分 將塞了管套的注射筒，活塞向外拉出，讓筒內形成真空，緊接放開活塞，受外界大氣壓力作用，依據功能定理活塞獲得動能，撞擊筒形成合體，再由動量守恆計算合體速度，最後注射筒垂直升空。由運動學公式以及藉錄影分析運動軌跡得到飛行高度。至於筒身與活塞摩擦力實驗、用iPad內PhyPhox App測量大氣壓力實驗等，皆讓此研究能更加完整，方便學生分析各變因，而不是沒有根據隨意猜測。 物理注射筒火箭實驗步驟如下： 1.首先利用手機或平板的PhyPhox App測量大氣壓力。大氣壓力會隨環境、高度等狀態而變動，其數值大約在1000百帕（1000hPa）的數值上下附近。 2.其次測量注射筒與活塞之間摩擦力。將注射筒針口處蓋上塞子，並且擠壓活塞使筒內氣體體積減小，但因摩擦力活塞未恢復原來位置，由波以耳定律，計算得到壓縮後的氣體壓力，並由靜力平衡，最終計算得到注射筒與活塞之間的摩擦力數值。 3.以注射筒進行馬德堡半球實驗。假設當注射筒內為真空，活塞受向下砝碼重力mg，以及向上的大氣壓力及摩擦力f，藉由實驗結果比較先前測量的摩擦力與大氣壓力。 4.塞著注射筒針口，活塞與注射筒間並無空氣。先將活塞下拉並隨即釋放，因注射筒內為真空，活塞同時受向上大氣壓力作用上升，以及向下的摩擦力與注射筒重力，由功能定理合力作功等於動能變化，求出注射筒末速，並當上升至最後撞擊了注射筒，由非彈性碰撞計算得到合體的速率。最後由鉛直上拋計算得到理論的上升高度，並與實際的上升高度加以比較。 圖1. 使用PhyPhox App的壓力應用程式，測得大氣壓力為1005.446百帕 圖2. 注射筒蓋上塞子擠壓活塞，因摩擦力活塞未恢復原來位置，藉此計算摩擦力值 圖3. 注射筒內真空，活塞受向下砝碼重力mg，以及向上的大氣壓力P0A及摩擦力f 圖4. 將活塞下拉隨即釋放，活塞受大氣壓力作用上升，撞擊注射筒形成合體並鉛直上拋 二、化學部分 1.實驗原理 化學注射筒火箭，是參考常見的酒精炮彈的原理再加以改良，其原理為酒精液體混合空氣填充在塑膠瓶（通常為養樂多瓶）內，套在點火槍前端，再將養樂多瓶置於熱水中使酒精液體完全汽化後進行點火，塑膠瓶伴隨爆炸聲噴射出去。 乙醇燃燒反應式如下： 雖趣味性十足，但考量到液體未完全汽化時則點火，會造成液體噴濺與起火，危險程度較高，以及不同溫度下飽和蒸氣壓不同，液體汽化的量也有所差異，在探究討論上會較為困難，因此改以製備氫氣取代酒精作為本課程的火箭燃料。雖然氫氣燃燒較為危險，但給予一個安全使用範圍進行操作，相較酒精炮來說較為安全。氫氣燃燒反應式如下： 圖5. 發射火箭時，應做好防護措施 2.火箭主體 主體部分從塑膠瓶及點火槍，改為20mL（或30mL）塑膠注射筒和自製點火裝置，優點在於注射筒上方有刻度，可以觀察到氣體使用量，並在此筒活塞安裝兩針尖，連接導線與壓電材料，按壓產生電弧為火箭點火。以鐵架台搭配三叉鐵夾作為火箭發射台，可將火箭固定於上方進行發射，可以輕易飛行超過 6米以上高度，如同真實火箭一般，具視覺、聽覺的刺激，安全且有趣。 圖6. 火箭置於發射台 圖7. 火箭主體 圖8. 點火裝置 3.氣體置備與收集 取兩個大注射筒（60mL），一個用於收集氫氣，另一個收集氧氣，首先在注射筒尖端套上三向閥，將閥門關緊，接著放置1M氫氧化鈉10mL與4cm x 4cm鋁箔紙，並將內部的空氣經由閥門排出，此時會生成氫氣與偏鋁酸鈉，另一大注射筒步驟皆與收集氫氣相同，放置4mL 35%雙氧水與5mg二氧化錳，產生氧氣與水，最後氫、氧氣體分別藉由三向閥，導入另一作為火箭主體中。 置備氫氣反應如下： 置備氧氣反應如下： 圖9. 氫氣置備 圖10. 將氣體導入火箭筒中 三、探究學習內容 表1. 探究學習課程內容 四、評分規準 表2. 評分規準 貳、課程實施 一、實體課程 1.第一週發現問題：火箭如何起飛？ 首先示範發射物理及化學注射筒火箭，讓學生體驗後，引導發想發射原理、火箭裝置如何做、可能的問題及變因。問題如：火箭如何發射？、火箭裝置涵蓋哪些部分？、要能使火箭飛得愈高需要考量哪些問題？培養學生熟悉科學的探究方法及歷程，以科學探究方式解決未知問題，以及體認科技發展及未來趨勢。 圖11. 示範物理火箭發射 圖12. 示範化學火箭發射 圖13. 小組討論 2.第二～三週規畫與研究：如何自製火箭？ 課程開始時，再檢查一次第一週製作的火箭，查看是否有需要改良的地方，以確保該火箭能成功點火發射。接著開始設計各種變因，如討論氣體的比例，瞭解基本化學反應與化學計量的概念，再實際進行氣體製備與收集，進而探討摩擦力與做功與高度的關係，及其對生活中的意義與重要性。實驗過程中可使用軟體輔助解決問題，並隨時在實驗紀錄簿記錄現象及數據。也會強調實驗危險性做好安全防護措施，在安全條件下進行操作也能享受其燃燒爆炸帶來的刺激。 圖14. 實驗操作 圖15. 軟體輔助測量 圖16. 實驗紀錄 3.第四～五週論證與建模：火箭飛高高 利用理論與實際飛行高度差異，計算摩擦力所造成之影響。以及建立化學反應及物理模型，論證可能的飛行結果並提出改進方案。 該週目標：利用推、拉活塞觀察注射筒內氣體的變化，計算摩擦力大小，接著再用砝碼拉動活塞計算摩擦力大小，觀察兩方法之間的差異，接著計算火箭理論飛行高度，進而探討理論值與實際值的差異，給出一個結論。 圖17、圖18. 數據分析與討論，進行建模 4.第五週歷程檔案：火箭飛行科學大揭密 引導學生收集每週課程資料與照片，依據科學論文模式編輯歷程檔案。內容要求包含封面、目的、原理、器材、步驟、數據呈現與分析及結論。而評分的方式採用Rubric的評分規準，將每項內容的標準訂為優良、普通、差，以此進行評分。 圖19. 歷程檔案製作 5.第六週表達與分享：火箭發表會 各組上台報告6分鐘，並回答聽眾問題。此時教師進行教學回饋，給予改進建議。 圖20、21. 成果發表 二、線上課程 由於今年5月中爆發疫情的關係，因此最後6週同學並無法實際到校參與實作課程，與明德老師討論之下，決定以軟體模擬的方式進行探究。 物理部分利用Algodoo軟體，請同學自己設計一個火箭裝置，並自己設計變因，如阻尼、摩擦力、活塞質量等等，並錄成50秒的影片，於下週上課時進行發表，而此軟體的優勢在於，它跟真實條件是極為相似的，且非常容易獲得數據，像是火箭在發射過程中，可以將其高度與時間的關係以座標軸方式呈現。 圖22. Algodoo軟體模擬物理火箭發射 化學方面則使用NB化學實驗室的軟體進行模擬，學生必須自己設計氫氣、氧氣的製備及收集方式，並利用軟體操作出來，還要進一步檢驗氣體。 化學火箭並非像物理火箭那般容易製作，也因此無法模擬該實驗進行，於是給予好幾筆數據，請同學進行數據判讀以獲得結論。 同學們雖無法實際進行操作，我與明德老師進行線上課程過程中也曾擔心過是否無法訓練到探究的能力，所幸我們擔心是多餘的，我們看見了學生的潛力是無限的，最後呈現的書面報告品質與含量一點也不亞於實體探究的學生，這也是我們感到很欣慰的地方，同時也為線上進行探究課程增加了一點可行性。 圖23. NB化學實驗室模擬氣體置備與收集 圖24. 氣體檢驗 圖25、26. 利用試算表進行數據分析與處理 參、同學成果分享與課後心得 一、成果分享 二、課後心得 1.主動發現問題 (1)「燃料用量要剛剛好，才能達到理想高度」 (2)「如何安全配置藥品」 2.成功引起動機 3.文組學生能積極參與探究課程！ 「我是文組，但並不代表我學不來」 4.享受過程、獲得學習成就感 (1)「深深的參與其中，我感到很開心」 (2)「理解所有過程和原理讓我很有成就感」 (3)「自然科學就在我們生活周遭」 5.自我反思、延伸學習 「學生自行針對延伸討論問題，提出可能解釋」 肆、感想與結語 器材部分尚需克服的困難點在於火箭筒材質發射次數越多，筒壁與活塞間的摩擦力越大，會影響實驗結果，造成誤差，且發射或降落時，針筒突起處易斷，火箭筒壽命約發射5~10次左右。 學生在實驗操作上尚無太大困難，小組合作互相討論，教學相長，惟製作氣體過程中，需老師多注意，安全上無太大疑慮。 如探究與實作課程週數更長，可更深入探討如何解決火箭筒與活塞間摩擦力、針筒突起處易斷等問題。亦可討論加裝降落傘探討降阻力、降落效果及改良。 如遇不可抗力之因素需進行線上探究課程，可思考學生亦取材的主題進行課程設計，也可使用軟體模擬方式進行探究，亦可達到學習目標。 本課程在操作後的學生回饋，即使對理科較不擅長的學生也反應發射火箭課程十分好玩，而數理認知高層次的學生更能領悟理論與技術統整的價值。藉由分享此注射筒火箭課程，期望能對同樣在教授探究課程的老師們有所幫助並進行推廣。 伍、附錄 下列有兩部影片是因為COVID-19，探究與實作課程必須採取線上教學模式，給高二修課同學的課前教學影片範例，其中影片（一）為使用NB化學實驗室進行實驗模擬。而影片（二）利用Algodoo軟體進行操作，要求每一個同學能自己完成一個50秒以內的彈力火箭模擬影片。 一、鄒語騏（2021），氧氣製備實驗模擬，YouTube/騏騏化學教室/https://youtu.be/88w3TlqYLro 二、吳明德（2021），注射筒彈力火箭，YouTube/搞飛機學物理/https://youtu.be/5Fu4yxZkYmI 鄒語騏 桃園市立桃園高中化學科教師 （107~109學年度任教於臺北市立麗山高中） 吳明德 臺北市立麗山高中物理科教師

農漁村地方創生環境永續綠色化學應用實例

文/施君翰、曾宗德、呂友銘、高偉傑 前言 由於全球資源逐漸短缺，人類生產和消費活動對環境造成的影響日益明顯。 為了追求人類和環境的可持續發展，除了加強傳統的環保措施外，綠色生產和綠色消費的重要性也越來越高，由此產生的綠色貿易商機也成為不容忽視的新機遇。綠色貿易的廣義定義是「有利於環境和生態可持續發展的商品、服務、資源、權利等的跨國交易」，狹義的定義是綠色商品和服務的貿易。無論是一般民眾、企業或政府單位，綠色消費與綠色化學產品採購的進行大多仰賴綠色採購制度與標章系統的協助（行政院環境保護署毒物及化學物質局，2021）。 傳統上，農漁村地區是主要生產糧食和飼料的地區。如今農漁民也在將生物資源，如生物質和生物廢物轉化為生物能源，這創造了額外的收入。新型紡織材料，來自魚鱗的升級回收，已經製造出來。該材料由從魚鱗中提取的膠原蛋白肽氨基酸成分構成，用於通過超分子方法製造膠原蛋白改性聚酯(Hou et al., 2021)。新型改性聚酯的過程包括兩個步驟：從魚鱗中提取膠原蛋白肽和改性形成膠原蛋白聚酯。從養魚場回收的虱目魚魚鱗經過清洗、乾燥、冷凍乾燥、粉碎，然後使用從細菌菌株中獲得的酶（蛋白酶 7307-1）分解成短氨基酸 (Pan et al., 2010; Hou et al., 2021)。最後，過濾後獲得膠原蛋白肽(Hou et al., 2021)。 農漁村地區的農業產生了大量的各種生物物質，包括廢物和殘留物，在以下段落中將其概括為生物資源。已經有相當多實務研究成果可以從生物資源中生產的各種材料和化學品，它們有助於農漁村地區的價值創生價值創造（Koutinas et al., 2014; Go et al., 2019）。經濟的生物化不僅依賴於糧食、飼料或生物能源的生產，而且還依賴於生物資源潛力的整體利用。然而，有待證明的是，農漁村地區是否也運用在當地在物質上利用生物資源，這需要在預處理、轉化和下游獲得選擇的產品方面的知識經濟。2014 年大約13%的世界貿易源於農業、林業、食品、生物能源、生物技術和綠色化學產品等生物來源，僅歐洲生物經濟每年就產生數千億歐元的產值。就資源效率而言，建立生物經濟被認為是有益的，但這是否是對農漁村地區具有產業價值？過去幾十年開展的研究活動促進了生物資源的有效利用和經濟的綠色化學。 由於缺乏知識或技術，生物廢棄物經常未被充分利用。 壹、大學走進農漁村產學研合作 近年來教育部積極補助大學善盡社會責任USR計畫、農委會食農教育與校園共創計畫及環保署綠色化學計畫，大學及研究機構可積極作為中介者為產業和農民創造合作機會，可根據不同農漁村的特性發展出各種不同特色的綠色化學產品創生研發。這些過程可以使用簡單的技術進行，例如農村昆蟲栽培，將各種生物資源直接轉化為生化定義的生物質，並有可能獲得經濟效益（Pleissner & Smetana, 2020）。特別是對於農村與漁村各自發展具特色的綠色化學產品研發，從生物資源到創生生物質的研發專利，創造未來產值。 貳、農漁村地方創生農遊十項主張 農漁村與業界形成的思考與產品順應消費者需求，臺灣的農漁村及民間業者其實長期以來都有不少農漁村地方創生體驗式旅遊之行程。不過基於提供「綠色服務」的思潮與環境直至近年才漸漸形成，故目前具有前瞻性之業者、學界，組成環境永續綠色產業及綠色標章等等認證商品及體驗遊程，根據美國加州大學全球綠色旅遊研究中心對綠色旅遊定義為:業者透過綠色化學原則研發相關商品，而旅客以對環境衝擊最小的旅遊型態，秉持「節能減碳」的精神，享受「生態人文」的遊程體驗。本研究提出農漁村地方創生農遊下述十項主張: 一、食：有機友善當季-用餐以環保有機與當季農漁村在地食材為原則，餐具盡量避免使用塑膠製品，降低土地污染及減少運輸的耗費。 二、衣：輕便舒適-穿符合綠色標章輕便環保功能服裝，舒適透氣，以便行李減量，降低運送清洗，減少農漁村水資源過度使用清潔劑耗能。 三、住：使用綠色環保建材，綠色建築節能在地-住有環保節能概念，且優先使用在地建材及在地員工的符合綠色標章認證的農漁村民宿或旅館。 四、行：農漁村公共交通減碳-旅遊期間農漁村業者提供自行車或農遊客優先選擇大眾運輸、單車健行、低碳節能的交通工具。 五、育：推廣食農教育及食魚文化尊重自然友善種植教育-不去違反自然的旅遊地，以環保3R（Reduce、Reuse、Recycle）的精神。 六、樂：農漁村體驗點或遊程申請綠色旅遊標章-目前國際上主流的國際組織或大學機構開辦申請的相關標章讓農遊客走入山海城鄉、社區聚落、農場森林、田野濕地去關心環境生態及人文風情。 七、購：農漁村當地特產減少過度不適當的包裝-購買旅遊當地農特產及工藝紀念品，以增加當地業者收益，又可以減少運輸耗能。 八、回饋：農遊客到農漁村體驗後可以善盡社會責任，網路上填寫回饋單或公眾平台分享最環保的旅遊心得。 九、正義 : 於旅遊進行當中做到社會公義。旅遊無論類型與程度，總是耗費能資源的活動。藉由旅遊消費過程中進行碳補償例如植樹，或購買碳匯卷等，以做到補償性質之社會公義。 十、防疫農漁村生活 : 全球各種產業遭受新冠肺炎（COVID-19）衝擊，防疫觀念成為新主流。 依上述綠色旅遊十項主張原則，在綠色化學的觀念下發展農漁村旅遊。 參、農漁村地方創生綠色化學應用 政府提出「地方創生」（振興地方經濟）口號，開始籌劃制定旨在啟動地方經濟活力和解決人口減少問題的綜合戰略計劃，推進吸引年輕人的魅力城鎮建設、提升人口、創造就業機會。政府未來輔導臺灣休閒農漁業走向產業六級化之概念，納入二級、三級產業，提高初級產業的主體性，形成1×2×3=6之效益，活用地方資源，展現農漁業新方向（施君翰等，2017）。農漁村地方創生綠色化學應用最主要符合四個步驟階段，萃取、轉譯、成果、反饋。本研究提出農村使用綠色化學產品，「防蚊蠟燭」萃取程序包括萃取剪枝廢棄的植物葉片製作精油的綠色化學程序；轉譯包括廢棄物再利用轉化成為防蚊利器的農創商品，最後運用層面為2級至4級（加工－農創產業）。另外漁村「虱目魚鱗膠原蛋白胜肽」萃取程序包括萃取要加工的魚鱗，處理程序相當繁瑣，必須先洗淨、乾燥、打碎，再加入酵素作分解；再經過純化，成為小分子胺基酸，淘汰不要的，取其要用，進行重組，成為胜肽。再將胜肽分別與不同原料進行「仿生高分子聚合反應」，這一套難以仿效的專利技術的綠色化學程序。轉譯包括廢棄物再利用轉化成為虱目魚鱗，以生物技術萃取出「膠原蛋白胜肽」，做成仿生纖維，再經由設計，製成時尚服飾的農創商品。目前臺灣最主流的紗線纖維的研發者，侯二仁站在紡織產業的最上游，憑著Umorfil品牌，創造出與整個產業鏈千絲萬縷的龐大商機。運用層面包括服飾包包及寢具。 圖1. 防蚊蠟燭 圖2. 以「虱目魚鱗膠原蛋白胜肽」萃取程序製成之圍巾 綠色化學在臺灣農漁村及產業界之推廣已行之有年，許多農企業也在各個場域發表相關綠色化學的相關知識與相關研究成果，本研究針對臺灣農漁村綠色環保經驗進行彙整陳述，了解「農漁村地方創生環境永續綠色化學應用」可以帶動臺灣農漁村產業優質化的目標。 致謝 本文感謝環保署毒物及化學物質局補助計畫「110年度補（捐）助民間團體及學校綠色化學計畫-社區防疫新觀念-綠色化學好生活」給予的支持。 參考文獻 行政院環境保護署毒物及化學物質局（2021）。何謂綠色化學。20210707檢索自https://www.tcsb.gov.tw/cp-305-2972-75e5e-1.html。 施君翰（2017）。離島休閒漁業地方創生景點遊程熱點規劃與旅遊策略之研究。休憩管理研究。4（2）：31-54。 Hou, EJ., Huang, CS., Lee, YC., Chu, HT. Upcycled aquaculture waste as textile ingredient for promoting circular economy (2021). SM&T. e00336. Koutinas, AA., Vlysidis, A., Pleissner, D., Kopsahelis, N., Lopez Garcia, I., Kookos, IK., Papanikolaou, S., Kwan, TH., Lin, CS. (2014). Valorization of industrial waste and by-product streams via fermentation for the production of chemicals and biopolymers. Chem Soc Rev. 21;43(8):2587-627. Go, LC., Fortela, D.L., Revellame, E., Zappi, M., Chirdon, W.M., Holmes, W., & Hernandez, R. (2019). Biobased chemical and energy recovered from waste microbial matrices. Current opinion in chemical engineering, 26, 65-71. Pan, MH., Tsai, ML., Chen, WM., Hwang, A., Sun, PanB., Hwang, YR., Kuo, JM. (2010). Purification and characterization of a fish scale-degrading enzyme from a newly identified Vogesella sp. J Agric Food Chem. 8;58(23):12541-6. Pleissner, D., Smetana, S. (2020). Estimation of the economy of heterotrophic microalgae- and insect-based food waste utilization processes. Waste Manag. 1;102:198-203. 施君翰 樹德科技大學休閒與觀光管理系 副教授 曾宗德 樹德科技大學通識教育學院暨餐旅與烘焙管理系 教授兼院長 呂友銘 臺南市七股區溪南休閒農業區 總幹事 高偉傑 社團法人臺灣休憩管理學會 祕書長兼設計師

機器學習與學習機器學習

文/蘇文鈺 在研究所唸書的時候偶遇類神經網路（Neural Network）這個技術，看到一些書籍[1,2]與論文都宣稱這個新技術的有效性，與指導教授討論後，我讀了論文後自己實做了兩個版本的類神經網路，一個是Hopfield神經網路[3]，一個是四層架構，每層有30~50個神經元的類神經網路，1990年的工作站跑起這樣的網路訓練是要花不少時間的。試過幾個論文上的範例以及一些比較小的分類型（Clustering）問題，確實可以得到很不錯的結果，當用在衛星影像重建的題目時，並沒辦法得到比傳統方法更好的結果，不久後我改為進入多通道Spectra（光譜，頻譜）預估[4]與適應性濾波器[5]的世界，以我當時的見識，還沒想到類神經網路與這些技術之間的緊密關聯。傳統方法是需要數位訊號處理、影像處理與上述幾個技術等等的良好基礎才有辦法實作。 幾年後，我到史丹佛大學的音樂與音響研究中心（CCRMA）博士後研究，CCRMA是聲音合成的重鎮，不管是人聲合成（人工合成的兒歌在電影「Space Odysey」中被用來訓練HAL-9000這部AI電腦 [6]），還是音樂合成（FM Synthesis[7])。當時Julius Smith提出以物理模型（Physical Modeling）為基礎，稱之為 Digital Waveguide Filter - DWF [8]，後來成為另一個主流技術。DWF在對付管樂器與撥弦樂器都有突破性的進展，而擦弦樂器還差強人意。感到DWF跟類神經網路都可以被稱為連接者模型（Connectionist Model），我提議也許可以用神經網路來訓練取得 DWF參數。 Julius告訴我去跟Bernard Widrow教授談談。幾週後我順利約到Widrow教授[9,10]，他對我說，非線性加上高度的回授，這樣的類神經網路訓練還有困難，但不是不可行，年輕人，加油！！那時，我第一次清楚知道很多傳統的技術與類神經網路之間的互換關係，只不過傳統的方法需要嚴謹的數學證明，而類神經網路往往在達到目的時卻無法清楚說明為何這個「黑盒子」是如何在物理意義上對應到問題本身。 我回臺灣後一直在思考這個問題，畢竟小提琴是我所喜愛的樂器。即使我在之後出版了若干使用DWF混合類神經網路解決某些合成上的問題[11]，應用類神經網路在擦弦樂器的分析與合成上得到初步滿意的成果卻是2020年的事了[12]。 從1962年，Widrow把梯度法（Gradient）引入神經元構成的網路，到1995年Lecun正式把Convolution Neural Network [13]介紹到世人面前，這之間，專家系統、類神經網路、機器學習、人工智慧等等在學術界載浮載沉，一直無法證明其解決真實世界問題的能力，同時也因為其黑盒子（Black Box）[14]的特性，當時（現在也是）很難解釋這些所謂的人工智慧，或是機器模型到底跟他們所宣稱要解決的問題其確切物理關聯，在投稿學術論文方面，不受當時主流學者的喜愛之下，積極發展這些技術的學者轉而創立相關期刊。一直到電腦的計算能力一路上升、多核心處理器普及，這類模型相對容易被平行化計算。當2007年CUDA（Compute Unified Device Architecture）[14]被引進的數年後，隱藏層（hidden layer）數目被大幅提升，所謂的深度學習（deep learning）[16]終於爆發，在這個名詞被創造很多年後這些技術終於被證明確實可以解決非常多實際問題。從所謂的機器學習（ML），AI或是深度學習一開始被質疑是個黑盒子，是瞎貓碰上死耗子，到現在越來越少人會真正在乎這些黑盒子裡到底做了什麼，以至於到處都在喊著AI，對於從1989年開始浸淫其中的我來說，實在有太多說不出的滋味與複雜的感想。 簡短講完一些歷史，來談一下教學。千禧年初我在國立成功大學開設「類神經網路」課程，因為我是舊時代從公式推導開始學起的，在我的觀念中不能從最基礎推導上來一直到寫完程式驗證就不算是真的懂，於是課堂的學生越來越少，即使來上課也是打瞌睡的居多，幾年後類神經網路似乎越來越沒人重視就停開了。一開始我認為是學生的微積分與線性代數基礎太差的原因，多年以後回顧這一段課程，我才警覺，雖然我是自己學會這些神經網路的理論，但那時我已經是博士班一年級的學生了，如果我回到大三的時候來聽這麼「硬」的課，應該好不到哪裡去！！ 過了十幾年因為創辦Program The World計劃（後來成立中華民國愛自造者學習協會[17]，以下簡稱PTWA）在臺灣的偏鄉教小孩子寫程式才慢慢理解教學是多麼不容易的事，PTWA的業務弄上軌道，課程也開始多樣化[18]之後，開始回頭看看國外是怎麼教AI的。我從MIT的Scratch創辦人的書[19]Duckietown [20] ，自駕車課程 [21]與機械系課程[22]，開始認知許多頂尖大學是以遊戲與實作來引導學習的（Game Based Learning [23]）。我捨棄講解大量基礎數學理論，開始在成功大學的大學部開設類似的動手課程，如自走車以及遊戲式機器學習入門，由於經費短缺與助教的限制，難度下降與設備簡單。自走車課程幾年後遇到瓶頸，因為學生在大學以前非常少自己動手做機電整合的專案，以至把Arduino為基礎的車子組得夠牢靠反而成為最難的部分，我把這個課程再簡化，並開始在偏鄉教中小學生，因為沒有那麼大的課業壓力，孩子們反而玩得更開心，於是PTWA從2018年起在東部偏鄉舉辦全國自走車大賽，每年吸引來自全國大約250位學生來參賽。 接著我思考AI/ML的教學，並終於打通MIT課程的內在精神可以用Game AI來概括，如同AlphaGo(圍棋AI)，差別在於研究所階段的AI難度太高，如果要一般學生（包含中小學生）要能理解AI是什麼，那麼我必須捨棄學生需要先理解其理論的前提，讓他們先試著運用現成的AI套件來解決問題，因為對多數人來說，理解問題的本身就夠了，而AI不過就是個「黑盒子」，如同切木板可以用手工鋸子（傳統的程式與演算法）也可以用CNC（如AI），即便使用者不知道CNC是怎麼被造出來的。這個年代，已經沒有過去那種非要從基礎原理開始學起的執著，能把問題解決就好。 於是PAIA(Playful AI Arena)[24]就這麼誕生了。PAIA是架設在雲端的AI競技場，上面有各式各樣的遊戲，學生只要上傳程式（Python或是積木程式都可以）， PAIA的遊戲引擎會執行上傳的程式來試著過關，遊戲過程中產生的資料會回傳給使用者以用之為下一階段的訓練資料。由於現在的深度學習模型需要很大量的訓練資料，這套系統讓收集資料是在遊戲執行中自動完成，有效率協助使用者執行資料收集、模型訓練以及實務驗證這三個在所有AI工作中都需要反覆被執行多次直到成功的步驟。 圖1. PAIA 遊戲式機器學習線上平台 有人會問，只靠AI就可以解決問題嗎？當然不是，只用一個AI/ML模型就要過一個遊戲關卡必須要遊戲簡單到不必做問題拆解，此階段的重點在於學生於過程中熟悉用AI解決問題的基礎步驟，中小學生多玩幾次就可以學會。關卡（問題）越難，如果對問題的物理意義與領域知識（如怎麼下圍棋與機械手的動作原理）沒有充分理解，AI也幫不上忙。但有了AI/ML的幫忙，學生再也不需要從微分方程，線性代數，機率，實變，複變等等開始學起才能解決過去被認為很難的問題，我在這裡並不是說這些基礎理論不重要，如同怎麼做一把好鋸子或是一部好CNC這些事可以留給少數想要追根究底的人。對多數人來說，會用鋸子或是CNC就可以了。 圖2. 簡單的用機器學習打磚塊遊戲 圖3. 稍微進階的用機器學習過迷宮的遊戲 圖4. 多人賽車遊戲 過去幾年我的研究生有來自電子系、心理系、教育系，甚至是高中生，不僅程式設計很生疏，更不可能修過上述那些對他們來說很艱深的理論課程，經過一年不到的Game AI（現在是用更方便的PAIA）訓練（順便訓練學寫程式），就可以把AI運用在他們的研究主題上，兩年內就可以做出很不錯的應用並且可以發表國際會議論文。 圖5. 即將在2022年2月公開的3D環島賽車遊戲 總結來說，在教育研究上已經證明使用遊戲與實作可以讓學生更快進入學習情境並充分使用人類的工作記憶與儲存記憶[25]。AI的到來，讓數學計算不好的人也可以充分利用這個「黑盒子」來幫自己解決各式各樣不同領域的問題，因為AI從不要求每一個使用它的人都需要知道它是怎麼被建構出來的。 讓我們來PAIA上試試自己對使用AI的程度有多好吧！ 蘇文鈺 國立成功大學資訊工程系教授

AI機器人發展與教育推動

文/社團法人臺灣玉山機器人協會 前言 近年來AI人工智慧已成為社會大眾廣泛討論的流行詞彙之一，AI已經跨出實驗室的圍籬，走進各行各業以及每個人的生活。現在的AI有如1990年代的網際網路，剛剛萌芽，處處是藍海。根據市場資料顯示：2030年人工智慧在亞洲可創造經濟價值最高達3兆美元，受影響最大的將是金融、健康醫療、製造、零售與運輸業。AI對各行各業的影響可分為兩個層次 : 第一是產品與服務本身的轉變；第二是運用AI在製程、管理或商業流程上，可以大幅促成產業升級。 壹、何謂AI機器人 目前應用AI最多的當屬智慧機器人，AI機器人指的是能根據所收集的資訊進行數據分析並調整思維，可以自主模仿人類的智慧執行任務的機器。市面上充斥著各式各樣的相關科普產品，大多仍處於AI體驗階段，如自走車、Arduino機器人等，皆以「辨識」為主，機器人展現的行為是快速教導的成果，提供愈多資料，機器學習演算愈快，處理應變性能愈強，機器人也就愈顯聰慧；僅有少數產品確實涵蓋發展「行為」的AI元素，其中所需學習的技術門檻也相對過高，如Raspberry Pi 4、Jetson Nano等。 傳統機器人是遵照人類編程，「自動操作」預設好的指令，完成任務。而人工智慧是一門學科，目標是使機器人「自主學習」，當外在環境因素有所變動時，AI機器人能透過龐大資料庫自主歸納演算，深度學習和強化學習後自主分辨篩選，取代原本需要人類智慧再次介入才能勝任的工作。 貳、STEAM教育新素養 STEAM教育分別代表科學（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art），以及數學（Mathematics），旨在引導學生將學科知識學以致用，強調自我探索與自主學習。2015年之後，國內正式發布了相關政策來支持 STEAM 教育發展，包含跨領域、動手做、生活應用、解決問題、五感學習等各個層面，而AI知識學習與STEAM教育理念不謀而合，理當成為其重要新素養之一。 一、產業界的AI機器人應用 AI帶來的產業變革，並不是一夕之間汰換掉，而是用逐步演進的方式，慢慢地調整整個生態，如取代處理文件的助理工作、工廠自動化、自動採購、財務分析等，各種職責都可能逐步滲透，為促進產業的創新、轉型與升級，經濟部也致力於推動各項產業AI化。製造業設備透過導入AI，大幅降低判斷偵錯時間與人力成本，提升生產效能與產出良率；AI科技商務媒合平台，整合線上展示暨媒合功能，協助臺灣企業在疫情之下持續接軌國際；大家日常熟知的平台如Netflix、YouTube、Facebook等，根據檢視用戶先前的操作和選擇記錄，進一步分析用戶喜好，即可善用AI大數據資料庫來運行市場行銷。除了大多產業較為熟知的AI系統應用，也有實質偏屬AI機器人的應用，如特斯拉的自駕車，AI技術實現了電腦視覺、圖像檢測和深度學習，能夠讓汽車在自動檢測物體並在無人干預的情況下行駛。 二、教育界的AI機器人教學 隨著對人工智慧相關人才的日趨重視，促進了AI教育的興起，2019年教育部提出人工智慧與新興科技教育總體實施策略，讓國中小到大學各教育階段得以投入AI學習，高教端對準5+2產業，結合產學研培育AI及數位創新跨域人才。中小學則和108課綱同步，以12年國教科技領域課綱為基礎，培養中小學生AI及新興科技素養與能力，希望落實「AI教育化、教育AI化」，教學目標主要在於創造思考學習模式，期望利用基本的AI認知，讓學生自己動手實踐創意、運用程式操控機器人，引發自我學習的興趣。 參、AI技術人才培育 「2020未來工作報告」指出，資料科學家、人工智慧和機器學習工程師、大數據分析師、數位轉型顧問等，將如雨後春筍般湧現，這些熱門職缺需求反映出AI對未來科技產業發展的重要性。過去科技產業能蓬勃發展，是因臺灣教育體系環境打下的基礎，如何讓下一個AI世代能讓臺灣站上世界舞台，完整的人才培育及教育方案是機器人產業能否長期穩定發展的關鍵指標。 圖1. 完整教育方案所包含的元素 一、AI機器人相關研習課程 教育部政策已宣布「人工智慧」跟「機器學習」列為師資培育職前教育課程必選課，學校不只須預備相關AI教師與課程，相應的教材及教具也須符合政策與學生所需。 目前市面上的教具大多為電路板或僅有簡易結構套件的學習套組，有些產品缺乏課程與賽事等應用面的學習方案，且各家品牌均無法相容。漸漸已有教具開發商朝系統整合設計，計畫產出入門版與進階版AI機器人套組，內含控制器、感應器、馬達以及金屬製的結構用零件，入門版AI機器人套組如再加上自行建置的AI機器人系統，加入市場主流的AI學習核心Raspberry Pi與Python，結合雲端後即可成為進階版AI機器人套組，如此就有望完善整套從國小至大專，有教具、教材及對應賽事的機器人學習方案。 圖2. 2021年1月於高雄女中辦理FLL機器人研習課程 二、AI機器人相關競賽活動 學習是一種目標導向，漫無目標的學習容易使學生失去學習動力，良好的教育方案，不僅是單純地指導學生了解圖控程式的操作邏輯，或是學習如何寫程式而已，而競賽活動或是能力認證，便是一種很好自我評估的模式，才能鼓勵學生持續自我精進。國外最具代表性的AI機器人競賽為「Duckietown小鴨城自走車競賽」，國內與AI機器人相關之競賽活動也與日俱增。 成立於2006年的社團法人臺灣玉山機器人協會就率先引進兩大國際機器人賽事(WRO & FIRST)。兩大賽事目標是透過機器人競賽與國際人才進行交流，進而激勵學生在科技領域方面的途徑不斷拓展，發展團隊合作與競賽並存的理念。 （一）WRO賽事 -Future Engineers未來工程師 國際奧林匹亞機器人大賽（World Robot Olympiad，簡稱WRO）是一項國際性的科技及教育活動，為機器人選手之搖籃，依據參賽年齡可分為國小、國中及高中組，選手根據自身的個性與特質選擇參加競賽（Regular）、創意賽（Open）、運動（Football）或是未來工程師（Future Engineers）等比賽項目，競賽類比賽各組別必須建構機器人和編寫程式來解決任務，創意賽則是針對特定主題自由設計機器人模型進行展示與簡報。臺灣玉山機器人協會每年五月至九月會辦理多場校際盃及區域賽，九月全國總決賽選出該年度臺灣代表隊參與WRO世界賽。2022年預計將在德國多特蒙德舉行世界賽。 未來工程師（Future Engineers）為WRO賽事中全新的項目。「自動駕駛」是當今及未來的趨勢，常被運用在競賽類及足球運動的機器人比賽中，許多學者和專家認為自動駕駛之技術如運用在汽車及公共交通工具上將有很大的潛力。根據國外研究調查，從無自動化到完全自動化分為六個層級，要運用在日常生活所有情境下，是相當具有挑戰的。WRO希望這個未來工程師的挑戰能引發學生對工程的興趣，創意發想提供解決方案，並從中體驗工程師所需的技能。 圖3. Future Engineers競賽場地及物件示意圖 （圖片來源：World Robot Olympiad Association，2021） （二）FIRST賽事 -FTC、FRC FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) 是1989年起源於美國的非營利青少年組織，其所創辦的國際性機器人比賽有FLL (FIRST LEGO League)、FTC (FIRST Tech Challenge)，與FRC (FIRST Robotics Competition)。透過精心設計的比賽激發孩子們對STEAM領域的興趣，並培養自信心、知識與自主學習等技能。FIRST的宗旨為藉由工程師與專業人士的參與，讓孩子們能與專家們「玩在一起」，進而解決許多具有挑戰性的問題，激發青少年對於科學與科技的興趣。 FTC和FRC競賽是以12-18歲學生為中心的競賽活動，在老師和顧問的指導下，學生除了學習STEAM技能，使用各種基於Java、LabVIEW等語言撰寫程式、設計並建構機器人，在競賽中以聯盟形式完成每年度新的任務挑戰，還要探索並發揮各自的特質與專長，共同營銷團隊品牌，實現團隊合作的價值。兩種賽制的原則相同，前面15秒皆為機器人自主階段，後面2分15秒才是操控手以搖桿控制機器人，總共兩分半的時間需與聯盟隊伍完成如將球投進目標、將碟片飛入目標、欄杆懸掛、在平衡木上保持平衡等任務。 FIRST在每年9月會公布一個關注現實世界科學問題的年度挑戰主題，根據這個主題延伸出各競賽項目的題目，並於隔年4月舉行美國世界賽。臺灣玉山機器人協會除了曾於2010年在高雄巨蛋辦理過FLL世界賽，每年固定於2~3月辦理FLL及FTC全國選拔賽，更於2020年首度和科技部中科管理局合作辦理臺灣首場FRC正規競賽，讓臺灣學子有機會體驗全世界高中職機器人大賽中最高等級的比賽。 圖4. 2020年FRC機器人執行任務畫面 肆、過往教學回饋及未來教育推動 一、教師教學反思 詹老師：「在大學環境我們非常強調知識的深化而不再是知識的記憶與複製，實踐過的知識不但具有更長遠的影響力，也永遠不會忘記。參與機器人競賽可以學到團隊經營與進度管控，更可經由沒有既定的答案，沒有現成的模組的挑戰，建立想法實踐的能力，在失敗中找到之後成功的重要元素。」 蘇老師：「藉由 FRC比賽連結新興科技 AI 人工智慧與國際大廠，並與美澳先進國家的 STEAM 課程做實質連結，而不是補助學校 3DP、雷切機只是在課程中列印玩具公仔與雷切做吊飾。我們需要激勵年輕人嚮往工業製造領域，臺灣再製造，從FRC出發! 」 圖5. 2019年FRC季後賽參賽隊伍 二、學生學習回饋 張同學：「在團隊裡，往往只有一兩位老師負責帶領，為了增進能力，我們必須發展自主學習──為了團隊的募款及行銷，我不但學會了規劃企業的募款企劃書、募款平台架設，更為了提升團隊品牌價值而自學網頁設計和紀念品等文宣設計。不論是在大學端抑或在未來工作時，自主學習的能力將是決定能否站穩未來快速變化社會的關鍵。」 劉同學：「FRC給予了我們一個開放式的教育環境，讓我們可以天馬行空地創造，訓練我們成為下一代的領導者。FRC不只是一個比賽，它是一種思考模式，也是一個可以讓你發展人際關係的管道，它遠遠超過一個比賽。」 圖6. 2019年FRC季後賽專業志工團隊 結語 享有AI教父之稱的教授李開復指出，即使當代教育已趕不上AI所帶來的變革，教育工作者及家長們，目前最重要的即是培養新觀念，以此協助孩子培養興趣及熱情。當遠望未來科技的蓬勃發展，在少子化、無人化的世代，AI機器人的應用層面將更深更廣，先站穩腳步，為臺灣培育科技工程與AI領域人才，才是機器人產業發展最重要的基石。 早期課程認為只有資訊科與AI有關聯，但在新的世代當中，AI是我們生活的一部份，更是未來孩子接觸新知時不可或缺的能力與素養，因此，建議各學校在發展課程與學校特色時，從早期注重各領域專業知識，到今日新課綱強調橫向、跨領域的連結以外，在未來學校課程更應嘗試以STEAM與AI結合，將AI融入於課程設計、教學中，在各領域皆可舉辦AI或機器人競賽，或是將STEAM的設計思考融入到競賽當中，讓下一代熟悉與應用AI，也更加貼近素養導向的學習。 藉由完善的政策與學制，結合良好的教材教具，搭配適性的競賽活動，提供孩子們多方交流的平台並增進學習的動力，如同機器人的每一個零件都是如此不可或缺，我們每一個人在機器人教育的推廣上也都扮演著關鍵角色，讓我們一起享受機器人帶給我們的改變！ 參考文獻 臺灣玉山機器人協會（2021）。比賽介紹及歷年資料。 聯合新聞網、北美智權報（2021）。AI人工智慧在現實世界中之具體應用。 世界經濟論壇（2020）。2020未來工作報告。 詹老師（2020）。FRC賽後心得分享。 蘇老師（2020）。FRC賽後心得分享。 張同學（2020）。FRC賽後心得分享。 劉同學（2020）。FRC賽後心得分享。 FIRST (2021). FIRST Robotics Competition. World Robot Olympiad Association (2021). 社團法人臺灣玉山機器人協會

AI -STEAM教學實例

文/張玉山、翁子涵 壹、AI-STEAM的意涵 人工智慧(Artificial Intelligence, AI)是機器模仿人類智慧進行思考與動作，發展快速，也深深地影響人們的產業與生活(Schwendicke, Samek , & Krois, 2020; Haefner, Wincent, Parida, & Gassmann, 2021; Wamba, Bawack, Guthrie, Queiroz, & Carillo, 2021)。很多文獻及研究也指出，AI提升人們在設計、製造、決策管理、甚至醫療的技術與品質，也正在劇烈地改變人們的生活(Zhang, Raina, Cagan, & McComb, 2021; Klaus & Zaichkowsky, 2021)。因此，AI教育已經成為先進國家努力的重點(Hsu, Abelson, Lao, Tseng, & Lin, 2021)。 正因為AI發展迅速，面對嶄新的學習內容，傳統學習已經不夠(Albay & Eisma, 2021)，更需要跨領域的STEAM教學來促進學習力、跨域力、 實踐力、及創造力，或是關鍵5C（Communication, Collaboration, Complex problem solving, Critical thinking, and Creativity）的能力，如圖1。根據歐盟STEAM教師學院、澳洲Brocklesby Public School、美國康乃狄克大學、紐西蘭教育部數位學習社群(Te Kete Ipurangi, TKI)、加拿大Calgary大學(University of Calgary)等共同的定義，STEAM就是引導學生利用S.T.E.A.M.來進行探究、統整、及批判思考的教育方法(Te Kete Ipurangi, 2021; University of Calgary, 2021)。配合新課綱核心素養與素養導向的觀念，STEAM就是引導學生利用STEAM來進行的教育方法體驗探究、設計思考、及創意創新。STEAM的產出就是學習力、跨域力、實踐力、及創造力(張玉山，2020)。 在教與學的運作中，以生活情境為背景，進行AI體驗、AI探究、與AI設計創新之流程，達到知識探究與知識應用，也達到STEAM知識與AI的整合，如圖2及圖3。本文就根據「AI體驗、AI探究、與AI設計創新」的程序，進行AI-STEAM教學設計，進行教學，並針對教學成果提出省思與建議。 圖1. STEAM的金字塔 資料來源: STEAM Education. (2018) 圖2. 科學STEAM與科技STEAM的整合 圖3. STEAM 的設計與探究多重迴圈 貳、AI_STEAM的教學設計 一、教學簡介 本教學結合耳熟能詳的童話，以三隻小豬蓋房子抵抗大野狼的故事為主軸，融入了AI的元素後電梯可以透過鏡頭的辨識，將不同顏色的材料送給不同樓層的小豬，協助小豬們完成屬於自己的房子。透過實際操作體驗，引導學生思考電梯是如何在「無人操控」的情況下自行升降。而實作部分結合外觀組裝與積木化的程式控制，學生除了能了解人工智慧相關知識內容、AI鏡頭的使用方式外，也可學習到此裝置機構與結構上的設計，以及如何編程控制兩顆伺服馬達，並在課程最後讓學生以小組為單位發想人工智慧其他可行的創新設計進行發表。如此結合了新興科技與有趣的故事情節，使學生更願意去了解AI在生活中的應用。 二、教學活動設計 本文根據體驗、探究、設計創新之流程，將AI電梯三隻小豬的STEAM 教學活動編寫如下。教學對象為國小六年級學生，教學時間為7週，每週1節課，總計7節課。國小每節40分鐘，8節課共320分鐘。 ※教學活動內容及實施方式※ §第一節課——體驗、探究與解釋 【引起動機】10分鐘 1.讓學生體驗老師所做成品，並請學生試著分享電梯能根據不同顏色材料而自行上升至不同樓層的原因（圖4）。 圖4. 課程簡報引起動機 2.藉由成品向學生說明電梯自行升降的原理是透過AI鏡頭進行辨識，並結合程式控制伺服馬達（圖5）。 圖5. 課程簡報電梯原理介紹 【發展活動】20分鐘 1.工智慧冷知識大挑戰（圖6）。 題目1：第一個對外開放的無人商店是？ 題目2：第一個擁有公民身份的人工智慧叫什麼名字呢？ 圖6. 課程簡報人工智慧冷知識大挑戰 2.開放回答：你想要用AI做些什麼呢？ 3.探討人工智慧 (1)請學生發表一下對人工智慧的認知解釋。 (2)進一步介紹人工智慧（弱人工智慧？強人工智慧？） (3)人工智慧的發展與近況（圖7）。 圖7. 課程簡報人工智慧介紹 【總結活動】10分鐘 1.透過學習單統整本節上課內容（圖8）。 圖8.課程學習單——體驗。 2.收回學習單，整理教室，桌椅歸位。 §第二節課——AI模組基本操作 【準備活動】5分鐘 1.說明當天活動內容。 2.複習何謂人工智慧。 【發展活動】25分鐘 1.Pixetto AI鏡頭介紹。 2.Pixetto軟體介面介紹與基本模組操作：顏色辨識、形狀辨識（圖9）。 圖9.課程簡報軟體介面操作 3.示範Pixetto機器學習神經網路設定（圖10）。 圖10.課程簡報機器學習操作 【總結活動】10分鐘 1.收回Pixetto鏡頭。 2.整理教室，桌椅歸位。 §第三節課——外觀組裝1 【準備活動】5分鐘 1.發下學習單與小組材料。 2.介紹需要使用到的工具（圖11）。 圖11. 課程簡報材料工具使用 【發展活動】25分鐘 1.再次展示三隻小豬電梯成品並結合學習單並設定Pixetto（圖12）。 (1)運用到Pixetto什麼模組？ (2)運用到幾顆馬達？各用途為何？ 圖12. 課程學習單——探究 2.課程講述 (1)介紹UNO板與Sensor Shield感測器擴展板。 (2)介紹數位訊號與類比訊號。 3. 學生組裝大圓盤（圖13）。 圖13.課程簡報電梯圓盤組裝 【總結活動】10分鐘 1.抽問學生工具的使用技巧及注意事項。 2.收回學習單、半成品（貼上小組標籤）。 3.收拾用具，整理教室。 §第四節課——外觀組裝2 【準備活動】5分鐘 1.發下半成品。 2.說明工具的擺放位置、使用規定，並再次提醒注意事項。 【發展活動】30分鐘 1.Arduino板與電梯組裝以及底座組裝（圖14）。 圖14.課程簡報電梯箱體組裝 2.組裝電梯並結合本體（圖15）。 圖15.課程簡報電梯組裝結合本體。 3.注意學生的操作情形，從旁協助。 【總結活動】5分鐘 1.收回半成品（貼上小組標籤）。 2.收拾用具，整理教室。 §第五節課——外觀組裝3、接線與伺服馬達歸零 【準備活動】5分鐘 1.發下半成品與學習單。 2.說明工具的擺放位置、使用規定，並再次提醒注意事項。 【發展活動】25分鐘 1.組裝電梯頂部與擺臂（圖16）。 圖16.課程簡報電梯擺臂組裝 2.進行接線（圖17）。 圖17.課程簡報擴展版與鏡頭接線 3.arduiblocky使用介紹與模組程式邏輯。 4.學生編程控制馬達歸零。 【總結活動】10分鐘 1.收回學習單、半成品（貼上小組標籤）。 2.收拾用具，整理教室。 §第六節課——外觀組裝4與編程控制1 【準備活動】5分鐘 1.發下半成品。 2.說明工具的擺放位置、使用規定，並再次提醒注意事項。 【發展活動】30分鐘 1.組裝剩餘物件。 2.arduiblockly操作及引導程式撰寫（圖18）。 圖18. 課程簡報引導編程 【總結活動】5分鐘 1.半成品（貼上小組標籤）。 2.收拾用具，整理教室。 §第七節課——編程控制2、測試修正與彩繪設計 【準備活動】5分鐘 1.發下半成品與學習單。 2.說明本節將進行的測試修正與實驗。 【發展活動】30分鐘 1.arduiblockly 操作及引導程式撰寫、除錯。 2.配合學習單，透過回答問題進行編程重點內容複習（圖19）。 圖19. 課程學習單內容複習 3.配合學習單，思考可以結合AI鏡頭的創新設計（圖20）。 圖20. 課程學習單——設計創新 4.配合學習單，透過STEAM概念圖進行知識統整（圖21）。 圖21. 課程學習單——STEAM知識統整 【總結活動】5分鐘 1.收回完成品（貼上小組標籤）。 2.交代功課：完成學習單設計創新內的問題，並於下節上課時上台分享。 3.收拾用具，整理教室。 §第八節課——創新設計與發表 【準備活動】5分鐘 1.請學生完成學習單並準備上台發表。 2.複習前幾週的課程內容，協助學生回想所學相關內容。 【發展活動】30分鐘 1.引導學生上台分享自己的作品，並說明設計概念。 2.引導學生分享在本次教學活動中遇到的困難與解決方案。 【總結活動】5分鐘 1.收回學習單。 2.總結8週課程內容。 3.整理教室。 參、教學成果與省思 本文根據體驗、探究、設計創新之流程，設計AI電梯三隻小豬教學活動，並於110年1月在宜蘭縣三星國中結合原住民文化之人工智慧研習中對國小學生進行實地教學。成果及發現如下： 1.學員以小組為單位進行實作，並於連續的課程中保持高度專注：學員在7小時研習中緊跟教學進度，並為了確保做到最好而自行組內分工合作，各司其職。實作完成品如圖22。 圖22. 學員實作完成品 2.學員能自行發揮創意，蒐集資料進行彩繪：雖然研習時間緊湊，但學員仍透過教師對原住民的相關知識介紹與引導，依照不同原住民族群衣物上的特徵進行外觀上的設計，完成電梯各樓層之特色原住民（圖23）。 圖23. 學員蒐集資料彩繪原住民 3.學員能在課程結尾整合過程中所學跨領域知識：學員能透過概念圖，將自己曾學過的科學、科技、數學、藝術人文等知識整理出來，達到統整的效果（圖24）。 圖24. 學員繪製之STEAM概念圖 本文根據體驗、探究、設計創新之流程，設計AI電梯三隻小豬活動並實際教學，雖然因時間限制將8週的課程濃縮為7小時的內容，但仍可發現學員的學習成果有達成預設目標，倘若時間充分，應給予學員適當的時間進行討論與設計創新，激盪彼此想法，並請學員實際紀錄且加以分享討論，讓學員的學習過程更加完善，是本次教學活動有待改進的地方。 參考文獻 張玉山（2020）。「跨域力、創造力、實踐力、學習力」打造科技素養人才。 Albay, E. M., & Eisma, D. E. (2021). Performance Task Assessment Supported by the Design Thinking Process: Results from a True Experimental Research. Social Sciences & Humanities Open, 3(1), 110116. Haefner, N., Wincent, J. et.al (2021). Artificial intelligence and innovation management: A review, framework, and research agenda. Technological Forecasting and Social Change, 162, 120392. Hsu, T. C., Abelson, H., Lao, N. et.al (2021). Behavioral-pattern exploration and development of an instructional tool for young children to learn AI. Computers and Education: Artificial Intelligence, 2, 100012. Klaus, P., & Zaichkowsky, J. L. (2021). The convenience of shopping via voice AI: Introducing AIDM. Journal of Retailing and Consumer Services. 102490. Schwendicke, F., Samek , W., & Krois, J. (2020). Artificial intelligence in dentistry: Chances and challenges. Journal of Dental Research, 99(7), 769-774. Te Kete Ipurangi. (2021). STEM/STEAM. Retrieved June 22, 2021 University of Calgary. (2021). Education - STEM & STEAM Education. Retrieved June 22, 2021 Wamba, S. F., Bawack, R. E. et.al (2021). Are we preparing for a good AI society? A bibliometric review and research agenda. Technological Forecasting and Social Change, 164, 120482. Zhang, G., Raina, A. et.al (2021). A cautionary tale about the impact of AI on human design teams. Design Studies, 72. 張玉山 臺灣師範大學科技應用與人力資源發展系教授 翁子涵 臺灣師範大學科技應用與人力資源發展系研究生

線上方式推動科技教育

文/薛雅云 前言 因應國內新冠肺炎疫情警戒升級，我國教育部於110年5月宣布全臺各級學校停止到校上課，基於「停課不停學」之理念，大規模實施遠距教學，本文針對七年級國中生發展一個同步線上教學的課程活動──校園角落再造。 十二年國教科技領域之課程旨在培養學生的科技素養，強調科技認知、技能與態度的表現，強調學有所用。因此，本課程將以學生為中心，透過「小組討論教學法」結合小組學習及討論學習的特質，藉由分組討論，補足因停課同儕間無法面對面互動的機會，在傾聽與溝通的過程，讓學生能夠快速進入情境，探索更多的解決方法與可能性，培養問題解決思考、批判思考與創意思考的能力，激盪出當前校園角落優化的解決方案。 壹、教學活動 一、活動簡介 本課程透過線上教學來解決生活科技課程無法實作的困境，探究線上教學對學生在線上合作以及線上討論是否能順利運行。課程一開始教師須引導學生探索校園環境中的人事與景物，發現當前校園的問題與需求，透過小組線上討論與互動進行創意思考，繪製設計構想圖，目標建構出兼顧師生需求、諧和文明與人文素養之校園角落模型。 二、本活動強調「以學生為中心」之教學模式 十二年國民基本教育本於全人教育的精神，基於「自發」、「互動」、「共好」的理念，強調以學生為學習的主體，重視人際包容、團隊合作、社會互動，以適應社會生活。因此本文透過「以學生為中心」之教學模式能夠讓學生有更多主動參與學習的機會，發展出主動學習及問題解決的能力。以下就本教學活動「以學生為中心」之課程設計進行說明： 表1.以學生為中心之課程設計 三、本活動應用之「小組討論教學法」 討論教學法強調在集體中相互討論、探究與學習的教學方法，藉由意見與觀點的交流，有助於新舊概念的融合與創新，促進學生積極參與課程活動。本活動藉由小組討論，針對校園問題分享個人經驗，創造主動學習的情境，也能讓學生掌握小組問題討論的深度與方向，創造良好的互動合作學習氣氛，以下就本教學活動「小組討論教學法」之實施要點進行說明： 表2.小組討論教學法實施要點 四、教學對象 本教學活動於某新北市立國中七年級，共102名學生。 五、教學時間 本教學活動時間為三節課，每週1堂課，共3週；每節課45分鐘，共135分鐘。 六、教學活動 表3. 教學活動 七、實作工具 Cospaces EDU為一跨載具、跨平台之線上軟體，解決了學生硬體設備不相容的問題，手機、平板（Android/iOS）、電腦（Windows/ Mac）皆可使用，惟手機螢幕較小，操作上會比較困難。 貳、實作成果 本教學活動於某新北市立國中七年級，共102名學生，以「校園角落再造」為主題，以學生為中心透過「小組討論教學法」進行生活科技課程之線上教學，除了建立虛擬的校園模型外，藉由辨認與反思校園環境問題，分析自身經驗，有利於學生對校園的認同與情感抒發；透過小組的討論與交流進行創意思考，提出並將這些省思與理念注入於作品之中，進而激發學習動機。經過三節線上課程的實施，其主要成果及發現如下： 表4. 實施成果與發現 圖8. 學生成果 （左）構想圖（一）；（右）3D建模圖（一） 左圖為針對閱讀區所提出之構想圖，可發現此組學生討論的主軸多以視覺及感受為主，例如安靜、放鬆及簡約等，因此在右圖3D建模圖中，可發現整個空間的顏色是以灰色及米色為主，呈現出平靜的效果，而沙發及寬敞的室內空間則展現出舒適放鬆的感受，最後的亮點則是鮮豔的紅花，在寧靜氛圍裡也不忘添加活潑的生機。 圖9. 學生成果 （左）構想圖（二）；（右）3D建模圖（二） 圖8左圖為針對校園環境所提出之構想圖，可發現此組學生討論的主軸多以休閒與自然為主，例如池塘、動植物等，此外也注重校園的整潔以及師生之需求習慣，因此在右圖3D建模圖中，可看出在環境方面，整個空間設計跳脫校園既有框架，有寬廣的綠色草地及池塘，打造一個舒適及充滿生機的感受，期望師生在教學之餘亦能接近大自然，在教學區方面，雖未完整3D建模出來，但在構想圖中，可看出學生希望在校園多建置垃圾桶，共同維護校園整潔，以及多建置廁所，讓師生更注重生理健康，因此可看出此組學生考量的校園需求及問題較廣，且能提出具體的解決方式。 圖10. 學生成果 （左）構想圖（三）；（右）3D建模圖（三） 左圖為針對閱讀區所提出之構想圖，此組學生針對室內及室外空間有不同的設計考量，而討論的主軸多以舒適與自然為主，在室內設計方面，希望打造溫暖舒適的感受，例如整體色調及燈光主要為暖色系，牆面由透明玻璃製成，打造光線充足、心曠神怡的感受，而書桌旁種植小植物，清新悅目；在室外設計方面，除了有草地與樹林外，學生還希望有小動物相伴，顯示出在升學壓力下，學生希望有一個舒適的閱讀區，在讀書之餘有小動物的陪伴，更可以療癒身心。 參、教學省思 本文「校園角落再造」的線上學習活動，實施後發現教學成果能達到預期的目標，然而，因線上學習時間過於緊湊，無法讓學生清楚分析解決方法的可行性並實際需求產生連結，學生對於校園問題或需求有眾多不同的意見，甚至脫離現實，導致偏題；反之，討論內容也可能過於侷限，例如需安裝冷氣，這些已存在的設備。除了討論內容外，學生對於校園角落的定義不同，大至整個校園，小至一間教室，例如有人認為走廊上需增設垃圾桶；有人提出需設立池塘或飼養小動物。由於教師在線上課程進行分組，需花較多的時間巡視討論狀況，因此各組組長是影響討論結果成效的關鍵角色，需不斷將內容聚焦，掌握時間，引導組員間有效分工與分享並統整出重點與結論。 在總結活動，透過小組的發表，發現學生對於創意思考繪製設計構想圖的階段感到較為困難，多是由於組員觀點不一，因此要達到共識並想出解決方法需花較多的時間，且有些組員無麥克風，導致討論上無法即時參與分享與交流。除此之外，也有小組認為建模結果與Jamboard討論出的結果預期不符，或是花太多時間在改善環境的細節，例如物件的配色或空間的擺設。由討論過程，也可以察覺某些組長的主導能力較強，正面是能夠將小組成員發散的想法聚焦，讓主題擁有一致性；反面則是讓其他意見不同的組員無法參與；另外，也有組別因沒有人主導規劃，導致組員間各做各的部分，作品呈現的風格較為混亂。因此，對於七年級的學生來說對於線上小組討論尚未熟稔，需要更多教師的指引與提醒才容易達成共識，也是本教學活動有待改進的地方。 肆、教學建議 根據本課程所實施的教學活動，可提出以下建議： 1. 聚焦校園問題： 建議教師可以在說明教學目標後，放一些校園照片或影片，讓學生能夠透過這些影像結合自身經驗反思校園問題並提出改善方法。 2. 提供思考方向： 學生多是由校園環境「需求」的角度出發，例如新建美術館，以增進校園文藝氣息。因此建議教師可以多融入一些日常生活中實際的環境問題，讓學生從舊有的經驗做討論，幫助學生思考。 3. 討論時間需調整： 創意思考階段，討論時間緊湊，因此可多留時間讓學生討論問題與分析結果可行性，藉由彼此想法與意見上的溝通交流，產生更多元的點子。 4. 預錄教學影片： 在Cospaces EDU平台操作的過程中，因學生電腦操作能力或使用的設備不一，有些同學使用上不是很順利，有些地方會跟不上，因此建議教師在操作階段可預錄教學影片，供同學複習。 薛雅云 國立臺灣師範大學 科技應用與人力資源發展學系碩士班研究生

臺北市國中小學人工智慧(AI)教育的推動

文/曾振富 前言 人工智慧源自於英國「人工智慧之父」的艾倫‧圖靈(Alan Turing，1912-1954)，並於1956年美國達特茅斯會議中將會思考的電腦稱做「人工智慧(AI，Artifical Intelligence)」(三津村直貴，2018；坂本真樹，2018)，人工智慧的發展開始對人類生活產生許多重要的影響。無論是日常生活的用品(如冷氣、冰箱、洗衣機、掃地機等)，或是醫療、商業、駕駛等環境，幾乎到處都可以看見人工智慧所帶來的方便與效益。面對人工智慧革命性的發展，世界各國莫不透過教育的策略來回應這個時代的大轉變。筆者認為這樣的教育回應也反應在兩個層面上，也就是開始關注教育孩子人工智慧的相關知識，以及如何應用AI環境來輔助學習。從市面上五花八門的人工智慧書籍，可以發現相關知識與資源的普及；另外在市場上玲瑯滿目的學習機器人、教育部因材網適性學習平臺等個別化與適性化的學習陸續出現，也意識到學校教育正面臨智慧化的轉型。檢視目前國中小學習階段的內涵，教育孩子人工智慧相關知能部分仍相對貧乏。因此，推動臺北市國中小學人工智慧(AI)教育，需要從課程教材研發、創意教學設計等教育作為，提供學童體驗、了解人工智慧的經驗。進而能面對與應用，達到培養人工智慧素養，適應未來人工智慧生活的目的。 壹、人工智慧課程教材研發 縱使大專院校不乏多樣的人工智慧相關課程教材，但是大部分都是為大專生或是專業學習人工智慧的學生而設計。專門為國中小學教育而開發的科普級課程教材幾乎闕如。雖然在發展臺北市國中小學人工智慧教材前，國內已經有企業首先出版相關教材，如王建堯等（2019）的《人工智慧導論》，然而內容比較接近專業人工智慧內涵，不適用於國中小學的學童。因此，臺北市依照108新課綱的議題融入精神，研發一套屬於臺北市國中小學的人工智慧教育教材。這也是國內繼教育部出版的第一套教材後，所出現的首份適合臺北市國中小學的人工智慧教育書籍。這份教材的目的不是要培養人工智慧的技術人才，而是希望透過概念式的引導與體驗，讓孩子從接觸、認識、到瞭解人工智慧，奠基終身學習應用人工智慧的素養。教材內容以每個單元主題一至二節課為度，不以技術本位來編寫，而是安排在體驗活動中認識人工智慧的基本概念與應用為主要內容。同時採用螺旋性課程與議題融入的思維來編輯，讓每個單元活動都可以單獨抽出來上課，也可以合併數個活動來進行。我們根據不同的學習階段，編輯了國中及國小的教材。適合國中學習階段的《揭開人工智慧的面紗》共有十篇，以培養學生瞭解人工智慧「知道AI運行的理路」為主軸，透過閱讀、遊戲與模擬實作等方式，讓學生從中體會與瞭解人工智慧的運作概念，希望學生可以達到「共譜AI生活的戀曲」的人工智慧素養。適合國小學習階段的《生活中的人工智慧》共分為低年級四篇，以接觸人工智慧為主軸，讓小小朋友親自看見、聽見及溝通等方式實際體驗人工智慧；中年級共有六篇，以生活中的人工智慧為主軸，從食、衣、住等三個層面讓兒童從生活中體驗人工智慧；高年級的八篇則從行、育、樂，以及如何面對未來人工智慧生活為主要內容。 教材封面如圖1，整個規劃編輯的架構如表1及表2： 圖1. 臺北市國中小學人工智慧教材 (資料來源：臺北酷課雲 https://sites.google.com/csjh.tp.edu.tw/taipei-ai?school_type=%E5%9C%8B%E4%B8%AD&school_code=313302&role_type=teacher&uuid=) 表1.《生活中的人工智慧》教材架構 表2.《揭開人工智慧的面紗》教材架構 每個單元教材採用體驗與探究的精神編寫，內容符合各學習階段學生能力為考量。單元內容首先會以漫畫形式引起學生的學習動機，並提示單元探究的方向；接著是單元名稱及重點，點播出單元主題的內容；再來是教材的內容，提供學生體驗與探究的學習內容；後面還提供教學活動設計的示例，提供教師進行教學的參考。這套教材從架構規劃到付梓出版歷經一年多的時間，由臺北市國中小現職資訊領域及非資訊領域教師共同編輯，這樣比較能兼顧學生的資訊素養程度及一般科普學習的精神。筆者除擔任主編，負責整體架構的規劃與綜理相關的行政程序與出版事宜外，也主筆國中跟國小各一個單元的撰寫。整份教材在編寫階段，同時邀請周建興、張玉山、顏榮泉、蘇豐順等教授群撥冗審查與協助，讓教材保有一定程度的品質。最後教材也在教育部資科司司長、臺北市教育局局長，以及主編的序等眾人肯定與支持下出版。教材放置於臺北市酷課雲網站(https://cooc.tp.edu.tw/)提供所有教師及學生閱覽及應用。 貳、人工智慧創意教學設計 課程教材出版後陸續獲得許多教師與教授，以及他縣市的重視與鼓勵。在臺北市我們也持續辦理「探索生活智能AI教學工作坊」，其中一般類分為國中一梯次、國小二梯次，各兩場的增能研習，將這套人工智慧教材介紹給國中小學教師，鼓勵應用於自己的領域教學。同時也進行「探索生活智能AI教學甄件」活動，刺激教師對這套教材的使用動機。今年更積極進行教材出版後的推廣工作，請各位作者撰寫人工智慧創意教學設計「課程包」，提供單元教學示例給教師及學生進行人工智慧教學活動使用。 課程包的設計內容會以已經出版的第一套教材為核心，選取部分內容進行教學設計，未被選取部分則是未來繼續發展的素材。整個課程包的內容包含教學投影片及教學設計兩部分，教學投影影片依照教學進程而設計；教學設計則包含教學規劃、模組教學建議、教學活動設計、參考資料、閱讀資料、活動單、及素養評量等。以下將以筆者撰寫的《未來AI生活大預測》為例說明。 圖2. 教學投影片 一、教學理念與目標 首先，在教學規劃中提供教學設計的理念與目標如下： 面對人工智慧(AI)社會的發展，培養終身學習素養的未來公民，成為當今科技社會重要的目標。透過學生探索人工智慧的這項素養，才能在多元多變的環境中適應社會生活。本學習設計秉持探究學習與模組化課程規劃的策略與精神，設計孩子探索「未來AI生活大預測」活動，培育面對未來AI社會的生活素養。本活動屬於國小第四學習階段，具體的學習目標在於「能探索與準備未來人工智慧(AI) 的生活」，轉化成的五個子目標：(1) 能知道目前生活中的人工智慧(知識)，(2) 能了解人工智慧發展的等級(知識)，(3) 能預測未來人工智慧的生活(技能)，(4) 能準備並適應未來人工智慧的生活(情意)。教學設計的4個小段可以有不同的組合，端賴教學時間與內容考量的分配。透過不同活動與任務安排，讓孩子在探究的學習策略中，體現對「未來AI生活大預測」之學習成效。 二、教學模組 其次針對模組教學提供建議，讓教學設計可以拆解成不同的教學需求段落，教師可以隨意選擇跟組合到自己的教學之中。例如： 三、教學設計與評量 教學活動設計部份則以單元教學目標為指引，規劃模組化的學習經驗作為教學的內容，並採用符合新課綱的素養教學、各種探究教學，或自主學習等策略進行設計，同時列出相關的參考資源。其他的閱讀資料與活動單則是搭配教學目標與設計而發展。最後提供素養評量的建議，作為教學活動後的評量參考。例如： 結語 誠如教育部郭伯臣司長在臺北市第一套人工智慧教材序中所說，臺北市非常重視人工智慧教育，也出版適合國中小學生的人工智慧教材。教材內容著重人工智慧在生活上的實際應用，用淺顯易懂的方式對人工智慧的原理進行闡述。同時依照國中小有不同難度與實例的安排，可以滿足不同程度學生的學習需求，與教育部出版的《和AI做朋友》(石昭玲等，2019)有相輔相成的效果。除了教材的完成外，相關的教師增能與徵件活動，和後續創意教學課程包的設計，都將持續作為臺北市國中小學人工智慧(AI)教育推動的軌跡，讓人工智慧教育可以在國中小學扎根，達到培育學童的人工智慧素養，適應未來的人工智慧生活。 參考文獻 三津村直貴 (陳子安譯）（2018）。圖解AI人工智慧大未來：關於人工智慧一定要懂得96件事。臺北市：旗標。 王建堯、王家慶、吳信輝、李宏毅、高虹安、張智星、…蘇上育（2019）。人工智慧導論。新北市：全華圖書。 石昭玲、陳建宏、林俐儀、彭美玉（2019）。和AI做朋友-相逢篇：人工智慧有意思。臺北市：教育部。 坂本真樹 (陳朕疆譯）（2018）。AI必修課：日本情感研究權威的人工智慧秒懂攻略。新北市：世茂。 曾振富 臺北市大安區金華國民小學校長

宅配教材之探究實作視訊教學的課程設計與實踐

文/謝甫宜、謝明澄 本文旨在分享與說明如何突破線上課程之限制，以及宅配教材等問題，以實踐探究實作教學之歷程。除了可購置實物投影機及環狀探照燈協助教學之外，本文亦建議： 1.視訊教學面向：(1)先建置線上教室，以利公告事項、提供教材明細與照片、評量試題和作業、前次上課錄製或線上教學影片，以供預習與複習之檔案資料；(2)採用視訊新手師生易入門、能提供師生互動和問答、可錄製回顧教學歷程影片之視訊軟體；2.教材宅配面向：(1)精簡教材數量、微型化、取代複雜操作和避免具危險性之素材、降低宅配費用；(2)附上各項教材名稱、彙整拍照、公告於線上教室以供學生核對；3.備課與實作面向:熟悉視訊軟體操作並放慢演示教材操作，以便讓學生跟上教學進度。 圖1. 臺北科學教育館【宅配教材X視訊教學】現況 緣起 將資訊科技「融入學科教學」，臺灣早已行之有年也曾大力推廣並試著融入各科教學之中！近年來，從中小學、大專院校、各縣市國教輔導團、乃至民間許多機構，也不約而同拍攝大量的視訊教學影片，大致上以學科的「實體教學為主、資訊科技融入教學為客」，原則上不能「反客為主」。但是，自2021年5月15日起，因著臺灣疫情日益嚴峻，全面採用「停課不停學」視訊教學的授課模式，如圖1所示。今年可謂臺灣的「資訊科技教學元年」，極可能是視訊教學上的轉機與契機。 然而，包括筆者與許多老師已習慣「手寫黑板或白板」，面對「被迫」改為敲鍵盤打字、製作PPT、採用視訊軟體進行線上授課，不禁感到惶恐和充滿疑慮。自今年6月1日開始，在人人自危與日益嚴峻的疫情下，眼見短期內復課無望，所有第一線任課老師僅能亦步亦趨、與時俱進，試著學習如何視訊教學了！ 一如往常，到了每年四月中旬，除了任教學校例行性的暑假輔導課之外，陸續承接來自各公私立教育機構的邀約，包括教師研習、科學營隊與親子共學等實體教學與演講活動。然而，隨著疫情爆發後，上述所有邀約的活動皆因疫情升溫而陸續停擺、乃至最終全部取消了！更難預測的是七月中旬，標榜著「宅配教材X視訊教學」之活動邀約突然間蜂擁而至，更如雨後春筍般蓬勃發展，竟承接了比之前所取消的活動還要更多的線上遠距教學場次。為何出現這麼大的變化呢？反思其原因其實很簡單，嚴峻疫情的「催化」下，更能完全「體現與突顯遠距線上教學的優勢」，亦即泯除了師生之間的直接或面對面的接觸、透過視訊方式「隔空」教學，既能避免群聚又可實現「停課不停學」的政策，這是教學必然的趨勢，可能也是疫情下唯一的解方。 但是，身為強調動手操作的探究課程之講師，如何將教材提供給每一位學員以備實作呢？動手操作的活動要如何以視訊教學進行呢？應以哪種方便入門之視訊軟體進行遠距線上探究實作教學呢？ 綜上所述，「宅配教材X視訊教學」看似容易，實則對於師生都充滿了挑戰與困難。以下為筆者經多場次「宅配教材X視訊教學」後，彙整視訊教學、宅配教材、以及備課實作等面向等問題解決歷程，提供實施線上遠距教學之參考。 「宅配教材X探究實作視訊教學」可能遭遇之待解問題 本文先將「宅配教材X探究實作視訊教學」亟待解決的諸多問題，加以頗析、彙整與簡化成三個面向，羅列如以下問題所示： 一、線上遠距進行探究實作視訊教學之面向 1.視訊新手教師採用何種軟體較易迅速入門？ 2.如何在遠距教學的拍攝小範圍內進行實作？ 3.如何有效地班級經營讓視訊教學更加流暢？ 二、宅配教材進行探究實作教學之面向 1.如何將教材順利宅配給學員以備探究實作？ 2.如何協助學員處理實作與電腦操作之問題？ 三、如何同時進行實體與視訊教學之面向 探究實作視訊教學之面向與適配度 首先，教育部與學校端為因應疫情期間「停課不停學」的教學策略，全面採用Google Classroom建置與公告課程內容以及評量方式、並以Google Meet進行視訊教學。筆者也跟著任教學校所悉心舉辦3次視訊教學的教師研習活動，初步理解如何使用上述兩項簡易又能快速入門的教學軟體，大致上已熟稔許多重要按鍵與功能。 固然尚有許多免費且功能更多的視訊軟體可用於線上遠距教學，諸如Zoom與Teams等。但是，軟體的功能愈多元、也意味著按鍵愈多、不易孰悉操作與入門；況且仍應考量學員的資訊操作能力、以及每一位學員家中電腦設備良莠不齊等限制。採用遠距線上教學之視訊軟體，應儘量符合師生都能輕易學會、視訊時按鍵少而操作簡便、能即時互動而獲得學習回饋、如能提供「影片錄製以利事後回顧教學歷程」等條件。 因為透過視訊軟體全程錄製教學歷程後，即可提供未能及時上網參加視訊教學、抑或未能跟上教學進度之學員們觀看與回顧。畢竟探究實作歷程，常比純粹聽講的課程要花費較多時間讓學員親自動手操作教材，可能有部分的學員無法經由即時又短暫的視訊教學而跟上講師的講述或操作進度。因此，筆者多半使用Google Classroom建置課程與評量，如圖2所示；再以Google Meet進行探究實作視訊教學，如圖3與表一所示。 此外，Google Classroom可建置課程與公告評量或繳交作業方式之外，尚可上傳如與教學相關的網頁或影片、簡報檔(ppt)、教學講義、上一堂課所錄製的教學影片作為回顧等，增加整個探究實作課程的深度與廣度。 圖2. 以Google Classroom建置課程與評量 圖3. Google Meet視訊教學與錄製 表1. 建議使用Google meet配合Classroom教學與功能鍵 圖4. 分享螢幕畫面 分享螢幕畫面：每位參與者都可分享自己的電腦畫面提供他人觀察。但是，一次僅一位參與者分享畫面。 圖5. 全螢幕分享 圖6. 分頁分享螢幕畫面 圖7. 使用單一視窗分享螢幕畫面 圖8. 僅呈現主持人全螢幕鏡頭 宅配教材對於探究實作視訊教學之面向與適配度 平常在實體教學的課室內，探究實作課程皆於偌大的教室內進行，不僅能及時協助學生解決所遭遇的教材操作問題或各種疑難，也方便班級經營並可立即獲得教學回饋。而採用遠距的線上教學，便受限於電腦桌前的小範圍，不僅使用教材及操作上顯得左支右絀，又要顧及學員們是否也能穩當地跟上教學進度，也是進行線上遠距探究實作教學上的一大挑戰！ 因此，筆者建議以「簡化教材數量、教材微型化、取代複雜的教材操作」等原則進行備材，亦即「教材能省則省、能縮則縮、方便操作、也利於裝箱宅配為主。」此外，若學員住家離學校較近，也可在防疫的規範下，約定不同時段、分散人數自行到校取得實作教材。如此，不僅能省下為數可觀的宅配費用、避免教材因運送過程變形或損壞、也因著教材簡化數量與微型化，使得學員操作教材的整個實作歷程大致上都能在視訊攝影的「拍攝範圍內」，而學員觀察教師操作教材教具的問題亦能迎刃而解，且務必事先標示與拍攝這些教材之品項名稱及數量，如圖9光學探究實作教材組、圖10指尖陀螺探究實作教材組所示。 承上所述，宅配後至正式進行視訊教學的前5日左右，教師可將所拍攝完整教材教具之照片公告在事先已建置的Google Classroom中，提供學員逐一核對。如有不慎宅配漏寄或損壞，便有較寬裕的時間補寄。當視訊教學活動開始前，也提供學員按照教材編列順序逐一取出，有利於師生按部就班地取得正確的教材進行教學與學習，如圖11所示。 圖9. 光學探究實作教材組 圖10. 指尖陀螺探究實作教材組 圖11. 探究實作視訊教學之前先清點並取用正確的教材 此外，筆者於課前即事先在電腦桌前演練與操作教材，經反覆測試、修正鏡頭拍攝角度、以及簡化操作方式後，大致已能貼近實體探究實作教學的現況。為了更為妥善處理「協助學員解決可能的實作或電腦操作」等問題。筆者又取得能拍攝較精細動作與微物的「實物投影機」及「環狀探照燈」，以近拍且明亮的影像提供學員能更入微地觀察教材操作歷程。 同時進行實體與視訊教學之面向與適配度 以下為個人在國立科學工藝博物館，同時進行兩種上課模式之經驗分享與教學建議如下： 1.至少需要兩位教師幫忙授課，應採取事前共同備課與協調，第一位負責實體教學，第二位處理視訊教學，務必全面放慢教學進度。 2.當第一位老師進行實體教學時，電腦螢幕附上視訊鏡頭(含麥克風)讓參加遠距線上教學的學生共同觀看。此時，第二位教師處理遠距線上教學的學生登入、觀察以及解決線上視訊問題。 但是，儘量以Google Meet「訊息留言」之「不出聲」方式，避免干擾第一位實體教學之教師的授課。 3.第一位老師講述或示範教學告一段落，先暫停約10分鐘，因為實體授課時間之掌控尤其重要，視訊教學常難以跟上現場實體的教學進度，故應放慢整個教學進度或教學予以精緻化，儘量讓兩種教學模式相互契合。 4.承上述，暫停約10分鐘內，第一位實體課程授課教師負責處理現場參加實體教學的學生問題，等待第二位負責處理遠距線上教學的教師幫忙視訊教學的學員解決疑難。 5.待大致上已解決第一階段授課內容後，參加實體或線上遠距教學的學生已無問題之後，繼續下一階段實體教學授課。 6.若參加遠距線上教學的學生尚有未解之疑難，應等待實體課程全部結束後，再解決個別問題。 7.承第6項，另一種方式則是利用Google Classroom讓所有參與視訊教學的學員所遭遇的各項疑難傳到作業區或討論區，再來逐一回應與協助解決其待答之問題。 結語 目前各國都尚處於疫情緊繃、隨時可能因疫情升溫而停止實體授課，在這種不確定之情境下如何貫徹「停課不停學」呢？探究實作課程尤其著重動手操作活動，又如何進行視訊教學呢？筆者故而撰寫本文拋磚引玉提供第一線授課老師們參考。 曾受邀參加某次同儕教師共備團體之視訊會議，一位資深理化女教師分享她最近所購置的眾多視訊設備，並示範約20分鐘的「探究實作視訊教學」給教學後進們參考。然而，包括兩部高階實物投影機、一台精密且可隨著講者而移動的攝影機、搭配兩台桌上型電腦與一部筆記型電腦、收音極佳的定向麥克風，還有網紅專用環狀燈光等視訊設備，加上不熟悉視訊軟體的操作，卻使得她左支右絀、應接不暇之外，觀者更不知要觀看哪一個鏡頭呈現的影像，也未能呈現其探究實作課程設計的具體教學內容。 視訊設備與軟體的重要性固然不言可喻，但是，自然科學領域教師仍應把握探究實作課程之核心概念與授課目標，不應被那些視訊的「行頭」所桎梏而無法施展。探究實作課程即使採用線上遠距教學，也應含括自然現象中變因的探索、提出假設、實驗設計、實作與蒐集數據、形成圖表與論證等歷程之教學，此方為探究實作教學之真義。 謝甫宜 高雄市立陽明國中自然科學領域理化科 謝明澄 文藻外語大學數位內容應用與管理系三年級

疫情下生活科技課遠端教學的實施經驗分享

文/汪殿杰 前言 今年5月19 日是全國學校充滿挑戰的一天，因新冠肺炎疫情擴大並避免群聚，各級學校在「停課不停學」的情況下，這天起開始紛紛投入在遠端教學的實際應用。初期實施，老師和學生都需要建立遠端授課的默契，尤其生活科技的實作教學會遇到一些限制與困難，以下就是個人對於這些問題與困難所整理規劃的各項措施與方法，提供大家參考。 壹、建立長期經營的固定教學平台 許多老師都會使用「 Google Classroom 」或其他Google相關的協作資源，打造課堂的翻轉教室與線上同步教學。個人約莫在15年前，開始接觸了網站架設的協作平台和一系列Google網路資源，開啟了線上教學的輔助應用的教學模式。我最早是建立了教學分享的專屬頻道，錄製小段落的示範教學影片，方便在教學時輔助說明。之後因應學校專案與國教署及學科中心交付的教學推廣任務，開始製作許多示範性課程與新興科技應用的教學專案，並架設推廣網站。因為實施線上遠距的時空無限制關係，教學推廣的效果良好，迄今全國訂閱的老師與學生達4500人左右。這些都是因為善用Google在網路教學資源整合的關係。 圖1. 透過Google的協作平台，教師可以很容易製作課程網站，經營自己線上的教學資源平台 圖2. 筆者為國教署專案製作的線上加深加廣選修課「工程設計專題」所製作課程推廣網站 貳、使用G Suite的教育平台整合服務 近年Google Workspace for Education 開始讓教育單位免費使用G Suite，讓學校團隊聯絡溝通、創作內容及協同合作上，提高了工作的效率，並減少個別學校開發線上系統的成本。Google的穩定性與安全性更是其他系統平台所無法比擬，可以大大減少學校建置與運作數位教學資源成本。同時只要有 Google 帳號，無論是一般版的 Google 帳號，或是 G Suite 教育版的 Google 帳號，都可以開啟「 Google Classroom 雲端教室」服務，學生使用上也毫無困難，不會受限於帳號身分的差別。G Suite串聯Gmail、日曆、Meet、Chat、雲端硬碟、文件、試算表、簡報、表單和協作平台等多種協作工具，所以其實不論是否採行遠端授課模式，單純就教學輔助的工具來論，善用「 Google Classroom 」，都可以解決設計作業、繳交作業、測驗評分等等的「工作流程效率問題」，所以真的建議學校老師們在課堂初期都建立每個班級的Google Classroom帳戶，臨時轉換為遠端授課也更為方便快速。 圖3. 透過google classroom開課，可以快速整合google的服務資源 圖4. 學生缺交作業 google classroom可以透過email催繳與轉達評量成績 個人認為Google Classroom 課程的核心是設計課堂作業，可以方便讓學生實作，並提供老師評量，建立課堂的成績管理機制。老師進入［課堂作業］分頁，點擊藍色的［＋建立］按鈕，有很多選擇： 1.作業：最常用的一般作業，也可以用在論述式的線上考試。老師描述作業內容，或提供作業文件後，學生可以繳交各種作業檔案。 2.測驗作業：用 Google 表單設計線上考試、測驗。 3.問題：比較像是用來設計課程中的「主題式討論」。 4.設計一個核心問題，讓學生圍繞這個問題一起回答、互相討論。 5.資料：也是用來提供課程中的相關資料 6.重複使用訊息：複製其他課程中已經建立過的作業。 另外一種可以小組協作或建立可長期編輯的學習歷程檔案的方法，是幫學生建立Google 文件、簡報、試算表的作業文件檔案。接著在右方的檔案權限選單，並為每位學生建立副本，配合課程實作活動的進行，讓學生有備份檔案在雲端硬碟製作課程的學習歷程檔案。這樣的方法，每一位收到這份作業的學生，點開這個檔案時，會在學生自己的雲端硬碟複製一份作業文件，學生就可以在上面直接填寫作業內容，或者可以跟其他同學協同合作，完成小組共同報告。 圖5. 透過Google雲端硬碟的文件(學習單)出作業給每個課程的同學 圖6. 同學會有自己的文件檔存放在雲端硬碟，協助完成學習歷程檔案編輯 參、提供容易在家加工製作的簡便材料 生活科技教學在遠端授課的情境下，受限於同學居家的環境條件，應適當地調整專題活動設計製作使用的材料，讓學生可以方便在家取得簡易工具，實踐自行設計的構想原型。學生不論在設計或製作專題，善用工具與材料的加工，都是學習解決問題的重要學習內容，所以生活科技遠端教學的活動，仍然建議規劃相關主題的動手加工實作活動，讓學生能製作設計原型，實踐與驗證設計思考的創意，達到原本生活科技課程的目標。 圖7. 郵寄或發送材料包給學生在家裡可以完成簡易作品，並附上一根金工鋸條，學生可以加工較硬的材料 圖8. 提供容易加工製作的材料，方便同學在家製作設計原型 在結構部分的材料，建議可以使用瓦楞紙板或珍珠板這類型容易切割的材料，學生在家裡只需要美工刀，就可以切割材料，製作專題作品需要的外殼或結構零件。其他設計上需要強度的活動部位，可以搭配鐵絲或竹籤，也相當容易加工組合。這是在疫情之下遠端授課，生活科技實作活動，推薦可以使用這類型材料的變通做法。 圖9. 提供珍珠板(或風扣板)容易切割的材料給學生製作簡易模型作品 圖10. 使用珍珠板製作結構設計專題作品 肆、預錄教學影片建立輔助學習資源 即時群播的線上遠距教學，如果有網路延遲或音訊不穩，學生就容易分心，失去預期的教學成效。依據實際教學經驗，學生專注力大多只能維持20分鐘，長時間的教師講授，並無法達到有效的教學目標，教師課堂時間的調控就變得相當重要。遠距教學每堂課程實施，建議老師可設定時間讓同學複習、討論或是自行習作10～20分鐘。同時教師將實作示範預錄成影片，提供學生重複觀看也是一個重要的做法，能在學生練習的時間提供適時的輔助與補救教學。 圖11. 預錄教學示範與說明影片，提供學生複習與補救學習 圖12. 將教學示範影片切分成許多素材，每個影片不超過6分鐘，形成主題式循環效果才好 教學影片預錄的就是對著鏡頭講出要講的東西，可以搭配著投影片切換，一次錄一段大概幾分鐘的內容，錄完立刻剪輯與註記重點於影片內。預錄教學影片，比較困難的是面對鏡頭，要想像鏡頭對面真的有人存在，比較不會變成冷硬的念稿。錄製過程中要小心確保順暢，只要有口條卡住、忘詞、外面雜音干擾等就要重來，因此專注度得更提高、過程更緊繃，就算只是錄一兩個小時，疲憊程度可能相當於上了三四個小時的實體課。 生活科技遠距線上教學的硬體設備配置，除了一般習慣使用有攝影鏡頭的筆記型電腦，建議再多外接一台可以用學生帳號登錄的電腦，作為教學時查看學生端的畫面使用，即時了解直播的影像與聲音品質。另外生活科技教學常有動手示範與小範圍放大顯示的需求，建議可以外接攝影機或實務投影機，提供操作示範的放大畫面。 圖13. 個人習慣使用Camtasia預錄教學影片 圖14. 個人線上教學的硬體設備配置雙電腦與實務投影機 伍、適時增加互動，提高學習成效 疫情下遠端線上授課，很多老師會擔心課上不完，停課進度落後怎麼辦？於是馬不停蹄的趕課，想辦法塞入最多的內容。但是其實疫情時期，學生在學校課表密集的排課下，每天有將近8小時的線上課程，幾乎都沒辦法盯著教師在螢幕滔滔不絕50分鐘。所以建議線上講授教材的時間不用超過平時課堂的一半，應善用提問與練習，提供適時的休息與緩衝，反而較能提高學習成效。尤其需多注意一些未發言的同學以及同學吸收的進度與鼓勵學生多互動，方能提升班級經營效率與遠距教學成果。這裡提供一個透過Google帳號的「共用」互動討論功能，可以讓師生一起進入Jamboard電子白板討論增加互動。使用方法如下，例如：(一)教師寫題目，學生共同創作寫答案，也可以收集學生分組的各組答案。(二)可作為教授生活科技設計繪圖的畫板，貼上方格線或等角圖使用的三角格線，提供教師作為繪圖示範的遠端繪圖板。(三)使用Jamboard便利貼功能，註記講義或教材重點、寫題目和答案等等。(四)此外便利貼可以分開放，也可以重疊放，作為分類和歸納整理答案使用。 圖15. 使用Jamboard 電子白板的塗鴉功能，提供課堂上更多的互動與討論 圖16.使用Jamboard 電子白板作為遠距繪圖示範的繪圖板 陸、利用數據分析了解教學成效與課程推廣 使用Google Classroom的資料統計與分析功能，教師可以快速了解學生學習成效，自動建立表單檔案，登錄學生成績。包括整理、姓名排序，將成績依據百分比例占比管理，很快就可以處理好學期成績了。在Google Classroom 中批改作業時，除了可以給分數和／或留言提供意見，也可以不給成績直接發還作業，作為催繳作業未交同學的提醒通知。在教學影片的YouTube 工作平台中，YouTube 數據分析可以提供各項主要指標和報表，讓教師深入瞭解自己的影片和頻道成效。其中觸及率的分頁，可以概略瞭解觀眾如何發現你的頻道。主要指標資訊卡會顯示曝光次數、曝光點閱率、觀看次數和不重複觀眾人數。曝光次數和對觀看時間的影響、觀眾看見縮圖後點開影片收看的頻率 (點閱率)，以及最終產生了多少觀看時間。 圖17. 使用Google classroom安排練習作業，可以快速評量成績，並透過email發還給學生 圖18. 透過Youtube的平台後端統計資料，可以概略了解教學影片觀看的情況 柒、尋求更多的專業支持精進教學 尋求更多的專業支持精進教學，是在疫情時期重要的做法。這裡分享臉書的教學專業社群「臺灣線上同步教學社群」，在社群中有來自全國的國中小、高中職、 大學及補習班的老師，都在討論及分享線上課程的問題及解決的方法，透過彼此的經驗分享，可以精進自己線上遠距教學的應用能力。 今年的疫情，因為共同經歷突然轉換為線上遠距教學的過程，激發了全國老師們對於線上教學的研發跟適應能力，也儼然挑戰傳統跟創新的教學型態，希望能不斷投入時間跟心力讓彼此共好分享，這麼做相信在學生的眼裡，這就是最好的身教，也希望能透過個人的心得分享，能讓教學夥伴一起精進，在線上教學的路上能夠不孤單地一起大步邁進。 圖19. 臉書的教學專業社群「臺灣線上同步教學社群」 圖20. 個人教學的Youtube平台，已建立了上百個教學示範影片提供大家參考 汪殿杰 臺北市立大同高中教師

在國小校園遇見AI人工智慧

文/林育沖 前言 一、發展趨勢 在1956年達特茅斯會議中，人們將能夠像人類一樣擁有行為與思考的機器，稱為人工智慧（Artificial Intelligence, AI），近年來AI人工智慧相關研究與應用快速的發展，許多產業都透過人工智慧來提昇生產效能與效率，且充斥在我們的日常生活中，舉凡交通、娛樂、醫療、教育等等，到處都可見到它的蹤影，AI人工智慧改變了社會的許多面向，也對學校教育與學生學習造成了不小的衝擊與改變。 二、AI人工智慧政策推動 科技部於2017年舉行「臺灣人工智慧實驗室」(Taiwan AI Labs)啟動記者會，正式宣佈「臺灣AI元年」的到來（鍾清章，2019）。2018年行政院以臺灣現有資訊與通信科技優勢，推動4年期的「臺灣AI行動計畫」，強化臺灣既有的優勢，以創新體驗為先和軟硬攜手發展的方式，激發產業最大動能；以鬆綁、開放及投資的精神，全力推動AI發展，促使產業AI化，期許臺灣邁向尖端智慧國家(行政院，2018)。 2019年教育部提出「AI教育ｘ教育AI－人工智慧及新興科技教育總體實施策略」，讓國小、國中、高中到大學各教育階段得以投入AI人工智慧學習；教育部也整合跨司處及科技部資源，正式發表人工智慧數位學習「因材網」，不只能快速且精細診斷學生學習弱點，提供個人化、適性化學習路徑與學習內容，節省學習時間，提升教學效率，真正落實「因材施教」的教育目標。 吳清基（2019）指出，從「工業4.0到教育4.0」是AI人工智慧從工業發展切入教育推動的開始，教育推進也從傳統邁入智慧校園、客製化、創新化教與學的時代。從教育科技面來說，AI人工智慧的導入就在於學生個人化學習大數據的即時、精細與精確的分析，並規劃適性化的學習路徑，透過AI的模擬互動立即掌握個人學習成果，藉此增加學習自信心（王智弘、卓冠維，2021）。另外，學校端可以透過建置AI人工智慧軟硬體設備，讓孩子可以進一步學習運用這個科技工具，掌握未來關鍵的契機。 壹、十二年國教課程綱要 校本課程規劃應用 范巽綠指出，我國的人工智慧教育整體佈局是以十二年國民教育資訊科技教育為基底，從強化中小學生運算思維、程式設計的基本能力，並透過體驗及認知活動，瞭解人工智慧的應用及對自己未來的影響，提供國高中階段學生程式設計、資料處理與演算法等進階實作，再銜接到大學人工智慧的技術及應用，結合各相關系所的專業，養成具專業技術及數位應用能力之跨領域人才。因此，教育AI化首在善用AI改善教育軟硬體，並運用中數據分析診斷學習，提昇教學效率。同時發展中小學AI科技教育教材普及，全方位培育具備應用AI人才（引自教育部，2019）。 新課綱的其中一個特色，就在於可以在彈性學習課程中發展學校辦學的願景及辦學特色，來呼應不同學校「學校本位課程」的發展。因此，學校可以建構AI人工智慧相關的校本課程，讓學生能有機會體驗、操作，思考AI人工智慧對自己生活的關係與影響。 貳、校園AI人工智慧教學規劃 一、國小AI人工智慧教育課程目標 有學者指出中小學學習人工智慧相關技術或概念是必要的，但其前提仍然應以運算思維教育為優先，賴阿福（2021）則指出「人工智慧體驗學習活動」、「人工智慧應用」是最適合小學生學習的內容與活動。 在國民小學以下基礎扎根階段著重AI人工智慧基礎認知融入課程，透過環境建置、體驗推廣、教材研發、師資培育、教案發展及社團競賽等引發學習興趣，在國高中階段則著重系統化知識彈性選修，發展AI人工智慧特色課程並結合資訊科技領域課程。 國小AI人工智慧教育課程重點應該是讓學生學會與AI共同成長，透過程式設計了解電腦的基本邏輯，啟發兒童對於電腦科學的學習興趣，發揮創意巧思，以體驗、動手做方式了解AI與人類生活的關係與影響。而Luckin、Holmes、Griffiths和Forcier（2016）認為現今AI人工智慧有三個教育應用面向： 1.提供智慧型個人教導者（個人智慧助教） 2.提供協作學習之智慧型支援（包含線上協作） 3.提供智慧型虛擬實境（AR、VR），以支援較真實情境學習（引自賴阿福，2021） 二、機器人在AI人工智慧教學扮演的角色 談到AI直接讓人會聯想到的就是機器人（Robot），因此在討論人工智慧教育議題時，機器人扮演的角色也相當顯著與重要，讓學生使用機器人來了解人工智慧，以參與、動手做來增強學習動機，透過人機的實際互動達成學習的目標。因此，Eguchi（2012）認為機器人在機器人教育中扮演下列三種角色： 1.以機器人做為學習目標 2.以機器人做為學習的輔助 3.以機器人做為學習的工具 因此，我們將機器人做為人工智慧聯結真實世界橋樑，將其運用在課堂中，做為學習目標（程式設計）與學習的輔助工具（學習助教）。（引自黃思華、張玟慧，2021） 圖1. 機器人運用在雙語教學—聖誔節慶活動 參、快樂AI-R校本課程規劃 桃園市快樂國民小學（以下簡稱快樂國小）課程圖像為「品格至上、國際視野、適性揚才、跨域創新、全人發展」，因此學校以「雙語、人文、智慧、創新及永續」等課程主軸，發展學校校本（特色）課程。 而學校校本課程之一，以「Happy AI-R」主題，將人工智慧(AI)以融入、體驗與設計操作等學習方式，跨領域結合雙語、智慧教學、創客及永續課程，運用Zenbo 、Kebbi及T-Robot等教學機器人，與學校自己的雙語學習AR App（Happy AR Go），將機器人、運算思維、語言辨識、AR擴增實境及AIoT物聯網(魚菜共生專題)等融入學校AI課程中，而「AI-R」則為「AI」人工智慧、「AR」擴增實鏡及「AI-Robot」人工智慧機器人的泛稱。 圖2. 學校校訂課程地圖 因此，我們參考Luckin等4人所提到人工智慧在教育應用的方向，及Eguchi（2012）認為機器人可在AI教學扮演的角色的看法，擘劃出學校AI教學及課程架構，從運算思維、AR擴增實境、自主學習與智慧教學四個面向，並適時將機器人角色融入課程中。 圖3. 學校規劃AI教學與課程應用架構 一、運算思維課程 AI時代重要的能力之一即是「運算思維」能力。「運算思維」是指「具備運用運算工具之思維能力，藉由分析問題、發展解題方法，並進行有效的決策」（張家榮，2016），而程式設計則是實踐運算思維教學的途徑之一，而物聯網的普及，可以蒐集更多的資料，而人工智慧活用這些資料讓許多機器變聰明。 在本校的運算思維課程中，一至三年級以融入生活或綜合雙語課程中，以生活問題為思考核心，運用積木、牌卡機器人為學習媒材，思索與解決問題；四年級則結合資訊科技的簡報設計課程，運用人型機器人，運用機器人的視覺、語音、觸碰等功能，設計可互動解說的機器人；五年級則以數位雷切結合AR設計課程，虛實整合完成作品的設計與產出；六年級則在資訊課程中，參考教育部出版的教材（和AI做朋友_人工智慧有意思），以有系統地講授與體驗AI課程方式，結合圖型化程式設計學習及開發版的實作，讓學生可以對人工智慧有較完整的認識與體驗，並完成AIoT的實作專案。 圖4.六年級校本資訊課程-AI教學單元 圖5.三年級學生雙語生活課程使用T-Robot學習運算思維 圖6.六年級學生運用圖型化程式設計操控Kebbi機器人進行AIOT專題製作 二、AR擴增實境課程 AR是將文字、圖片、聲音、影片等疊加在真實環境中，達成一種虛擬與真實世界並存的情境，AI技術加持AR後創造出更多元應用方式（娛樂、醫療、交通及教育等）。在教育的應用上，不僅打破了時間與空間的限制，並改變了原有以教師為中心的課堂模式，有助於提高學生的學習興趣與注意力。 快樂國小是桃園市雙語創新學校之一，也擁有許多情境學習教室（機場、捷運、銀行、旅館及醫院等），學校為激發學生學習雙語的動機，並落實情境自主學習，於是開發學校專屬的AR程式，讓學生可以隨時隨地在任何情境，完成雙語「聽說讀寫」的挑戰任務，同時將學習歷程完整紀錄下來；過程中學生除了能學習雙語外，也能體驗運用AR擴增實境，在各情境教室中和疊加的人物互動，及體驗與了解AI影像辨識、語音辨別與數據分析等原理。 圖7. 學生使用「Happy AR Go」APP 進行英語聽說讀寫練習 圖8. 學生使用教師自製VR進行學習 三、自主學習應用 過去老師一人要兼顧全班數十人的不同學習狀況常分身乏術，而有了人工智慧的協助，與運用數位科技輔助學生自主學習，利用AI與數位科技支援學生的學習策略，幫助師生了解每個學生的熟練程度，可以提供適合的學習內容。 快樂國小在低年級使用Kebbi機器人做為班級的英語小助教，除了講故事給小朋友聽外，也當起英文小老師，讓小朋友自主練習和機器人對話，機器人也會給小朋友立即的評分與回饋哦！而中高年級學生則使用「學習吧」的「AI語音辨識」功能，練習中英文文章的朗讀，另外，則使用因材網進行數位科技輔助自主學習，除了運用「AI數據分析」幫助老師適時掌握學生的學習需求，權宜的改變教學策略，有效擬定適當的教學方案，利用各種不同的教學方法，增益個別的學習效果，並持續追蹤且評估學生學習狀況，也讓學生可以自主進行學習，不受限於相同學習進度，達成個人化學習目標。 圖9. 低年級學生運用Kebbi語音辨識進行英語學習 圖10. 中年級學生運用行動載具進行「因材網」自主學習 四、智慧教學應用 智慧教學不但可以紀錄每位學生的思考方式和學習軌跡，並實現教師課前備課、學生預習，課中互動即時反饋評量、教師調整教學策略，課後測驗分析與進行補救教學，串連課堂教學歷程及個別差異化學習的目的。快樂國小教師與學生運用智慧互動教學系統、「學習吧」及因材網等網站、行動學習載具及App，讓教與學數據分析AI化，提升教與學成效。 圖11. 教師運用智慧教學系統進行互動教學 圖12. 「學習吧」平台英語語音辨識回饋 肆、結論 Covid-19疫情改變了這個世界的許多運行規則，教學與學習的時間、場域及方式也都和以往不同，實體與虛擬世界的界限被打破了，在疫情期間我們重度依賴虛擬數位世界，但又渴望實體世界的真實接觸，我們的學校課程透過物聯網、AI人工智慧、AR擴增實境與數位載具的整合運用，讓教師們擁有AI數位教學設計的專業，與培養孩子們具備面對現存環境挑戰，與未來應付「元宇宙」的虛實整合能力。 AI人工智慧將不斷地衝擊及改變我們的生活，教育是人才培育重要的一環。因此，如何建構一個AI-R的數位科技校園，讓孩子們從小認識、接觸與體驗學習AIoT、AR、Robot等科技的環境將極為重要。 參考文獻 王智弘、卓冠維（2021）。教育2030課綱轉化導向與人工智慧結合的前瞻教育。載於張芬芬、詹寶菁（主編）：AI時代的課程與教學：前瞻未來教育。臺北市：五南。 賴阿福（2021）。人工智慧對於國小資訊教育之影響及因應之道。載於張芬芬、詹寶菁（主編）：AI時代的課程與教學：前瞻未來教育。臺北市：五南。 黃思華、張玟慧（2021）。AI時代的機器人教育理論與實務。載於張芬芬、詹寶菁（主編）：AI時代的課程與教學：前瞻未來教育。臺北市：五南。 行政院（2018) 。臺灣AI行動計畫—掌握契機，全面啟動產業AI化。取自：https://www.ey.gov.tw/Page/5A8A0CB5B41DA11E/a8ec407c-6154-4c14-8f1e-d494ec2dbf23 教育部（2019) 。AI教育X教育AI－人工智慧教育及數位先進個人化、適性化學習時代來臨！。取自：https://www.edu.tw/News_Content.aspx?n=9E7AC85F1954DDA8&s=D4C4CD32CAE3FF5D 張家榮（2016）。當代潮流-運算思維in民富。取自：https://www4.hc.edu.tw/epaper/no87/vigor4.asp 吳清基（2019），吳理事長序。載於中國教育學會（主編），邁向教育4.0：智慧學校的想像與建構。臺北市：學富文化。 鍾清章（2019）。迎接人工智慧(AI)社會時代的來臨。品質月刊，頁11-17。 林育沖 桃園市桃園區快樂國民小學校長