我的第一堂AI課
文/呂聖泰、蔡孟辰、翁子涵
前言
AI這個話題，近幾年來一直很熱門，相信未來幾年也是，大家也都時不時地討論著，若您是一位K12（泛指小學到高中）的老師或是家長，想在課堂上或是親子互動中來說說這主題，那麼您可以參考這個「我的第一堂AI課」。
在這近五年的教師研習當中，從創客教育，STEM，STEAM，一直到STREAM（Science, Technology, Reading, Engineering, Art, and Mathematics）、AI、AIoT……，在這些研習上，我常舉例，假如我明天就要上台教這堂（AI）課程，那麼我要怎麼教？我該準備什麼？我該教什麼？因此第一個轉念就很重要，如果你只是在思考要不要教，那就會有放棄的念頭與不想教的理由。正因為萬事起頭難（在物理課中，我們知道要推動一個物體使他能運動，需先克服最大靜摩擦力），因此，只要你願意先克服內心的最大靜摩擦力，願意明天上台教課，那麼接下來的一切，都將迎刃而解了。我們這就來看看，這第一堂AI課可以怎麼講。
課堂上的第一句話
我一直認為興趣是最好的學習導師，因此我會希望第一堂課的主要目的是讓學生覺得有趣，好玩以及深刻的印象，並且會期待下一堂的課程，因此我會準備一些跟AI相關的素材（包含影片，科技文章剪報，時勢話題…等）各領域都有，然後來跟同學們互動及討論，藉由這些不同領域的素材來看看學生的反應，也可了解到學生們對於哪一些類別及領域會更有興趣。當然老師可以找跟自己專業領域接近的AI應用案例（Google與Youtube還是很方便能搜到的），再來分析這些素材裡面，會用到的技術或是簡單的原理，並且將它跟目前的學科知識做一些關聯性的說明與分析。在這階段我想讓學生知道一件事，平時課堂的知識學習不止是應用在考試，而是無所不在的與生活相結合在一起，只是大家沒有去想到與關聯思考而已。
以下便例舉一些關鍵字，可以在Youtube上搜尋到的一些相關短片。
例如：「波士頓動力ATLAS」，「人工智慧（十三分鐘略懂AI）」，「KUKA（Timo Boll vs. KUKA Robot）」，「微軟小冰」，「Amazon Aliexa」。
綜合上述的這些素材影片，有一個共通點，那便是在AI的範籌內，機器學習與程式設計都是含概的元素之一，因此在接下要討論到的，就是Coding了。
開始教Coding
很多老師看到這，似乎又卡關了，不多說，下面有兩個網站連接，可以直接來試試看。
http://blockly.games
http://code.org
圖形化的編程，已經跟早期的代碼程式設計不一樣了，如今的編程學習好玩又有趣，如同闖關遊戲，是不是對於明天也能教程式設計的目標，又更進一步了呢。
其實在這兩個程式設計的闖關遊戲裡面，大部份的學生都可以順利的進行，但是真正的教學重點是那些過不了關的孩子怎麼辦？如何協助他們，在這個部份，老師可以先觀察孩子們的學習狀況，給予從旁協助與提示即可，千萬別直接告訴答案。例如：
圖1. Blockly Games 迷宮第5關
一般這種狀況，學生大多是對於積木程式塊還不大理解，因此可用下列方式引導，我會用補充說明來提示學生。
重複執行（綠色）的積木塊的功能，放在裡面，將表示要一直做，重複做；放在外面的程式塊，則是只做一次。
第二種方法（適用各種狀況）：我請學生試著敍述他的程式命令。
我也會告訴學生，如果我是電腦，看到他給我的指令，我會去做：往前直走一步，往前直走一步，向左轉，然後一直重複向左轉（根據圖1的程式語言命令）。然後再來跟學生討論這如果不是他的意思，那麼他要如何表述呢？其實在這一段，可以不單是邏輯思維的訓練，還包含了思緒表達。寫程式不用急，慢慢去思考與表達更為重要，而在每一次的過關上，都能找到成就感與學習自信。過關可以很快，但有時慢下來，好好感受當下的思緒，將他記錄寫下，不但能提升寫作能力，更會發現到不一樣的教與學的微妙互動。
在AI的領域當中，程式設計與數學，是不可或缺的基礎知識，因此在這部分老師可以依照學生的程度給予適當的鼓勵，並支持他們往有興趣的領域去多研究與了解，同時讓學生們知道，語文（作文）跟數學是跟AI有關的。想學好AI，平時的課也要好好的學習的。
希望這一段的介紹能夠讓所有的老師，激起你的興趣，強化你的信心，願意來帶領AI的教學課程。
教AI的好工具
在創客教育或STEAM教育的普及與推廣下，Arduino這類的硬體設備與很多的Sensor（傳感器），因應而生，軟硬結合的控制與應用開始慢慢的走進課堂，也讓這類的課程，更加有趣。並且也有很多相對應的比賽或活動，為師生們提供一個交流與互動的平台。然而如何在這近三至五年之間，把原來的STEAM教育（或是創客教育）往上升級到與AI課程相結合，我們接下來介紹一下這個AI影像視覺感測鏡頭，「Pixetto」。
Pixetto的教學平台擁有適用於各種程度的教學案例並簡化AI及機器學習課程中最難的部分，適用於各學齡段的教學場景。
http://Pixetto.ai 入門官網（基礎）
http://learn.pixetto.ai 開發者指南（進階）
圖2. Pixetto 圖片
表1. Pixetto Specifications
圖3. Pixetto 各部說明圖
表2. Pixetto視覺感測器內建應用模型
AI顏色識別
一、可先至官網的《軟體＆文件》下載《Pixetto軟體套件》並安裝軟體。
二、將Pixetto鏡頭與電腦連接。（目前僅支持Windows 10 以上作業系統）
三、安裝好軟體後，執行『Pixetto Startup』/『Pixetto Utility』。
四、軟體啟動後，可在右邊的功能選項，找到下拉選單，選取『顏色偵測』。
再往下的顏色區域，會有六個顏色可供選擇，可任意勾選顏色，完成後選擇『套用』，此時Pixetto若偵測到畫面中有你所選的顏色，就會出現綠色框，表示鏡頭已能識別你所設定的顏色了。（如下圖）
圖4. Pixetto Utility 軟體操做界面
上述的一連串動作，代表什麼意思呢？其實我們剛剛在做一件事，就是訓練這個AI鏡頭能夠看得懂你所指定的顏色（紅，藍，黃，紫，綠），且最多可以同時辨別畫面中的5種顏色（畫面中沒有紫色物品，所以只呈現4個認識的顏色物品）。那麼訓練Pixetto能看得懂顏色後能做什麼呢？接下來我們可以來做個簡易的變色龍應用，也就是在自然界中，變色龍會因環境不同，把自己身體也變成環境的顏色，達到自我保護。因此在這個課程範例中，簡單的邏輯就是：當鏡頭看到某顏色的物體，就會把螢幕上的變色龍圖案，變成相對應的顏色了。
關於變色龍的詳細教程，可參考下列連結：（第一次入門的初學者）
https://pixetto.ai/tw/2020/07/learn-how-to-create-a-color-changing-chameleon-tw/
下列這個連結是結合Arduino硬體的變色龍應用教學範例（適合已懂Arduino的人）http://www.circuspi.com/index.php/2021/06/10/pixetto-led-arduino/
延伸思考一：自動控制，能依照明確指令描述及設定好的條件，完成預期結果。例如車子的定速行駛功能（設定好時速後，車子能在定速下自動行駛），但是當要減速時需要我們去踩剎車才行。因為要判斷剎車（減速）的條件太多，太複雜，難以一個個用明確指令來描述，即使描述完成（也會有大量的條件敍述），此時要達到預期結果，這中間的程式運行時間也相當耗時，並不能短時反應，達到實際的場景應用要求。而AI可以做到更快速、更複雜的判斷，使用演算法加上機器訓練，就可以推論出預期結果，以達到自動減速或偏向閃避等自動控制。
延伸思考二：現在的無人自駕車愈來愈先進與普及，其中自駕車在路上行走，若能辨別紅，綠顏色，那麼也就能看得懂紅綠燈了。因此我們在做AI鏡頭訓練時，把顏色訓練模型，只訓練看得懂紅色跟綠色就好，就可以讓自駕車，自動的分辨在什麼樣的條件下，車子能前進及停止。簡易說：如果看到紅燈時，執行車子停止；如果看到綠燈時，執行車子前進。
圖5. 表2神經網路模型檢測應用
在教學的過程中，老師不需急著把功能（表2）的部份一個一個的跟學生做解釋與說明，而是在使用一個訓練模型後，做較深入的探討與延伸思考，讓學生們多去關注生活周圍，看看有那些地方與今天教的顏色識別模型有關。
課堂分析
如果您是有創客（或STEAM）教學經驗，S4A（Scratch for Arduino）軟硬體都熟悉的老師，Pixetto鏡頭可以協助您，將AI的模型訓練跟深度學習的概念與應用，融入原本的課堂，讓AI的元素與之前的課程相結合，做更高階的延伸應用。我們把剛剛的課程做個回顧與整理，在Pixetto Utility訓練模型中，當你按下「套用」的時候，意思就是把你訓練好的模型，儲存（上傳）在Pixetto鏡頭上。接下來就可以將鏡頭與其它的硬體設備相連結（例如：Arduino, Micro:bit, Raspberry Pi）。當然除了目前提供的十六種AI模型之外，老師也可以教學生，自行拍攝影片或者提供照片，做自己想要的AI訓練。
圖6. 表2車道偵測應用，筆電畫面的路旁兩邊，有綠色偵測線
如果您是第一次嘗試了解AI課程的老師（但還不會Codeing），Pixetto一樣適合您做課堂應用與教學的，如同在Utility軟體中，我們己把AI應用的演算法都寫好了，使用者只需勾選需要的功能與條件，就可以把鏡頭訓練好。接下來就可以用此範例，去講解很多的AI應用場景與原理了。
今年，新北市三民高中蔡孟辰老師，在新北市福和國中，將AI影像識別技術，融入教學設計，帶領學生創作AI新住民文化課堂，讓學生應用AI演算法，將東南亞國家的不同特徵與特色，上傳至雲端做機器學習，之後將訓練好的模型，套用在自動控制的條件判斷中，判斷輸送帶上的物品特徵，達到自動分類的結果。
圖7. 學生將訓練好的AI模型程式積木塊，套入程式中。
台師大研究生－翁子涵老師，在宜蘭三星國中指導學生，創作AI原住民創新課堂透過Machine Lerning，讓AI鏡頭識別不同部落的圖騰後，可將貨物送到對應的部落電梯樓層。
圖8. 翁子涵老師教學現場與學生及作品
結語
有的老師會問我，如果學生提的問題連我們自己都不會回答，那怎麼辦？
像這類的專題與項目學習為導向的課程，已經跟以往的專科領域課程有所不同了，如同STEAM課堂，一開始很多老師誤以為要學會與具備這五項專業，才有辦法開始教學，其實我們細想，這五個專項領域，學生本來就會依照不同年齡的階段，一直學習，老師扮演的主要角色，是引導學生。因此當學生問出我也不懂的問題時，我會帶著學生去尋找這個問題的答案（又或者說，我會告訴學生，我將如何去尋找這個答案）。例如，我們可以先利用網路搜尋的方式，去查找相關的說明，再不然我會跟學生說，下一堂課老師再來回答你這個問題。在這樣的綜合型課程中，其實都是跨領域的，也因為這樣讓很多的老師會卻步，但我覺得現在的科技進步，知識的取得也更為方便與多管道，已經不同以往。所以教學的方式，我覺得也在快速的改變當中，當下教育已不像以往的知識灌輸，而是帶領學生，引導他們去找到自己的興趣與目標，而在這過程中，遇到問題與挫折時，該怎麼去面對並且去解決它，這才是我的教學目的。
最後引用《小王子》作者，聖修伯里的這本書的一段話，做為結尾：
If you want to build a ship, don't drum up people to collect wood and don't assign them tasks and work, but rather long for the endless immensity of sea.
如果你想要打造一艘船，不是先請大家去收集木材，或是分配工作與發號施令。相反地，你應該先激起所有人對浩瀚海洋的一片渴望。
呂聖泰
威盛電子股份有限公司／教育事業部／經理
蔡孟辰
新北市三民高中老師
翁子涵
臺灣師範大學科技應用與人力資源發展系研究生
「輪」番上陣比比看──橡皮筋彈力車
文／黃昀孟、陳宥瑋、黃粲閎、陳怡君
高嘉鄖、詹志凡、戴明鳳
前言
會動、會跑的物件比靜止不動的物件對小朋友來說更吸睛也更有興趣，會動的物件除了各種動物以外，有輪子的各式玩具車是最常見的玩具。而居住在臺灣的學生，日常生活最常見到交通工具以機動性強著稱的兩輪摩托車最多。加上近年來各縣市廣設自行車道，因此兩個輪子的腳踏車數量大增。在小學自然科學領域的教材中，常見使用光碟片和橡皮筋製作彈力驅動車作為闡釋力與運動的教材，但是光碟片含有金、銀等貴重金屬，可以透過回收再利用，而且現在因為儲存設備朝向雲端化，繼續使用光碟片並不是一項好的材料，是否可以使用可循環再生的資源達到實驗的目的，促使我們設計紙輪版的彈力車。
我們同樣以橡皮筋的彈力作為驅動車輪的動力來源，並使用紙板做為車輪的材料，製作彈力二輪車。我們的設計是以趣味性及製作簡單為出發點，務求能設計一款從日常生活隨手取得的材料、製作過程簡單又容易上手，加上車子的組裝具豐富的變化性，能吸引小朋友既能探究科學過程，又可生活化學習科學原理的教具，設計能大量製作的教具版本，並以教具能商品化的方向進行。
壹、教具設計的理念
為了讓教具設計符合目前國家教育的方針，本作品所設計製作的實驗器材以科技部「科教實作計劃」徵求書中對創意教具的設計規範為參考標準，盡可能符合下列各項規範：
一、選用本土性的題材。
二、盡量使用簡易、生活中易於取得且價格親民(成本約五十至一百元台幣之間)的材料。
三、所使用的材料、零件、組件及製作的成品符合國家相關的安全標準與規定。
四、材料包方便寄送。
五、教具設計力求結構精簡、質量輕巧，易於操作，且不易破損。
六、設計的科學實驗器材除須具有教育與學習意涵及功能外，也希望在教學時，具有互動性及趣味性，以期能充分提高教師教學的效率與強化學生學習的成效。
七、教具設計符合人體工學。
八、適合線上教學使用。
此外，也希望教具成品未來能有機會進行實徵性評估，且未來期望能商品化，具有市場銷售的價值。
貳、橡皮筋彈力車之星──二輪車
一、彈力二輪車組裝材料的選用
在尋找製作彈力二輪車材料時，我們以資源環保再利用為出發點，於是在學校教室的資源回收籃中發現不少可用的材料。我們選用的各項材料如圖1(a)和表1所示，並說明如下。
(1)車輪材料：選用塑膠瓶瓶蓋，如優格杯蓋，可簡易加工鑽孔即可作車輪。
(2)兩車輪間的支撐物：選用四根適當長度、較堅硬且不易彎折的吸管作為兩車輪的支撐架。
(3)車輪側邊的著地支撐軸：亦是使用一根長度較長、較堅硬且不易彎折的吸管。
(4)車子行進的動力源：使用具彈性的橡皮筋，以扭旋橡皮筋多圈的方式，使橡皮筋產生足夠強的彈力作用，進而使橡皮筋內部儲存足夠多的彈性位能。實驗中，我們也嘗試使用不同尺寸與不同粗細的橡皮筋做實驗。同時將多條橡皮筋以並聯或串聯方式作為變因帶入實驗中。
在老師的協助下，收集好實驗所有需要的材料後，我們很順利地完成了第一台環保彈力二輪車，如圖1(b)所示。
圖1. (a)二輪車材料一覽圖 (b)橡皮筋彈力驅動二輪車成品照片
材料僅使用到兩個瓶蓋(如優格杯蓋)、五根吸管、一或兩條橡皮筋。
表1. 製作橡皮筋彈力驅動二輪車的材料清單
二、彈力二輪車組裝流程與操作
二輪車組裝流程請參見表2所示的詳細說明和注意事項。
表2. 橡皮筋彈力驅動二輪車組裝步驟、操作說明及成果影片
三、實作二輪車成品
圖2和圖3則呈列出我們以不同材質和物品做為車輪和不同輪徑大小成功地實作了多個很會跑的二輪車。
除了使用上述所提及的材料外，也可以選用其他生活中的廢棄物。我們組員們在參加過老師安排的淨灘活動後，突發奇想利用生活廢棄物，製作出一台咖啡杯環保二輪車。這靈感來自夥伴開玩笑時，冒出的一句話：「整個城市都是我的咖啡館，CITY CAFE」的廣告台詞，因此有了利用咖啡杯蓋、杯套及吸管來製作一台咖啡杯二輪車的想法，利用已用過的咖啡紙杯，以杯蓋做車輪及杯套做兩車輪間的連接支撐架，製作一台咖啡紙杯環保二輪車。該成品和運動影片的QR code (影片網址：https://youtu.be/nCqPG6JbAoE)如圖3所示。當橡皮筋旋轉25圈後，釋放車子，車子走過了約13.7格30公分寬的地磚距離，車子行徑距離長達約410公分之長。
圖2. 輪距相同，但使用不同材質製作車輪的各式二輪車
(a)硬式塑膠瓶蓋車輪 (b)不同輪徑的硬紙板車輪 (c)硬紙板、珍珠板與塑膠瓶蓋製車輪
圖3. 咖啡紙杯環保二輪車：以兩個杯蓋做車輪及杯套的紙質圓柱筒做兩車輪間的連接支撐架。
實作結果：當橡皮筋旋轉25圈後，釋放車子，車子行徑距離可長達410公分之長。
(a) 使用的材料項目與數量 (b)成品實體照片 (c)車子運動紀錄影片的QR code
(網址：https://youtu.be/nCqPG6JbAoE)。
四、影響彈力車行進距離與速度的變因探討
操作彈力二輪車時，即可容易得發現下列幾項實驗結果與簡單的推論：
（一）當橡皮筋旋轉的圈數不夠多圈時：
→車子動不了。
→推估應該是因車輪邊緣的胎面與地面間的「靜態摩擦力」阻止了車子的啟動與運行。
→因此，我們可以透過這個實驗現象粗略地估計不同輪胎面與不同行進地面間所產生的摩擦力大小有何不同。
（二）當橡皮筋旋轉圈數夠多時：
→使得車子得以啟動運行。
→可進一步觀察，橡皮筋旋轉越多圈，車子行進的速度會越快，且可以跑得越遠。
（三）當橡皮筋旋轉圈數過多時：
→橡皮筋會斷裂，車子當然也就動不了喔！
故可得知橡皮筋旋轉的圈數與車子運行的速度與前進的距離有很密切的正向影響關係。除此之外，是否還有其他影響車子運行的變因。因此，利用這個環保又可簡單自製的二輪車，我們可以進一步探討各種能使彈力二輪車跑得更快或更遠的影響變因有哪些。
在討論過程中，我們每人分別提出了下列多項可能會影響車子行進速度和距離的變因。
1.改變橡皮筋的粗細、橡皮筋的直徑大小和使用的數量：這些改變將會使橡皮筋旋轉後，內部儲存的彈性位能的能量不同，導致提供給車輪的動力源也不同，故而影響車子的運動速度和能夠行進的總長度。
2.改變車體的質心位置或增加車輪的質量。
3.改變車輪的直徑大小。
4.改變車輪胎面的寬度(寬窄)與胎面的紋路。
5.地面的平滑度或粗糙度。
6.其他變因：車輪的形狀可否是圓形以外的其他形狀？兩個車輪的尺寸大小是否一定要相同，能否可一邊大一邊小？ 上述各種變因的改變，都可能是影響彈力二輪車運動的速度與方向、前進的總有效距離的重要因素。
為求能找出主要的變因和影響結果，應先針對二輪車各部位的功能與特性進行資料蒐集與彙整，以期對車子能有更深入的了解。表3即呈列出車子各部分單元的功能與最佳運行時建議具備的條件。
表3. 二輪車各項結構單元的功能說明表
五、變因探究系列實驗設計
在大家充分了解二輪車各結構單元的功能與必備條件後，我們再進行第二階段的聚焦討論，如何設計各項變因分別改變時的實驗測量步驟。在實驗過程中，將所發現的問題與國小的自然課程中「物體受力的變化」、「力的方向和大小」等所學習到的科學知識融會貫通，並且和老師共同討論後，依大家所提出的問題著手設計以下實驗：
．實 驗 一：探討輪胎面的材質與粗糙度，對車子行進速度與最終行進距離的影響。
．實驗方法：在二輪車的其他結構單元與條件都不變，橡皮筋也以相同的旋轉圈數提供相同的動力源的狀況下，改變車輪胎面的材質或其粗糙度，如使用不同材質製作車輪(如圖3(a)和3(b)所示，採用不同材料做車輪)，在瓶蓋側邊黏上不同光滑度的膠帶，及在瓶蓋套上橡皮筋…等等方式，分別觀察這些改變是否會影響車子的運動結果。參考表4進行實驗與記錄。
．結果簡述：二輪車是利用車輪與地面之間的摩擦力，而獲得向前推進的作用力，不同的輪胎面材質有不同的最大靜摩擦力；相同的旋轉圈數，不同輪胎面材質所行進的距離也會有所不同。詳細的實驗結果建議各位自行親自實驗與分析為宜。
表4. 使用不同輪胎面車子行進距離紀錄表
．實 驗 二：改變輪徑大小，觀察車子行走距離的變化。
．實驗方法：在此實驗中，我們分別取直徑7.5 cm、7.0 cm、6.0 cm、5.0 cm及4.0 cm等不同輪徑大小的車輪，做比較。如圖2(c)所示，以相同材質和磅數的硬紙板製作不同輪徑的輪子。
．結果簡述：但輪徑愈大，車子的質量也跟著變大，以致車子與地面間的最大靜摩擦力也隨之增大，故需要的啟動動能也就愈大，亦即橡皮筋的旋轉圈數也需要更多圈，不然會無法驅動。而在獲得足夠的動能下，輪徑愈大的車子，可以跑得越快、越遠，也可以越久些。
除上述兩項變因探討的實驗外，還可以觀察以下操縱變因，如改變(1)車軸的長度、(2)旋轉軸的重量、(3)旋轉軸吸管的長度、(4)橡皮筋旋轉圈數、(5)車輪質量、(6)車體總量質、(7)車輪的形狀、(8)增加橡皮筋的數量、(9)輪子的運動面…等等因素，對車子的運動速度與移動距離的影響等。表5是在不同變因的控制下，彈力二車子行走距離之紀錄表。
最後，綜合我們的實驗結果發現上述因素都會影響車子運動狀況與行進距離，如車輪的大小、車輪的形狀、軸承的重量、固定軸的重量、固定軸的材質、轉動的圈數、桌面的材質及桌面的平整。
表5. 在不同變因的控制下，彈力二車子行走距離之紀錄表
六、問題探究與結果討論
我們針對二輪車提出可探究的問題，嘗試理解，尋找問題的答案，並整理成問題探究與結果彙整表，如表6中所列，與有興趣者交流討論。
表6. 問題探究與結果彙整表
表7. 影響速度變因探討
參、量化教具的規劃與設計
上述實驗與材料多為回收或選用日常生活中容易取得的物品進行製作。製作過程中需要使用工具鑽孔或用熱熔膠固定軸承，故如要推廣到各級學校單位廣被使用的話，因需要額外的工具，將不利於老師們的備材，故多少會影響此實驗推廣的效率。因此，清華大學跨領域科學教育中心團隊特別採用A4尺寸的厚紙，以刀模版方式切出車輪直徑6公分和8公分的圓形車輪片各四張。如圖4所見的A4大小的車輪設計圖，設計出一套可以組裝出兩台輪徑分別為6公分和8公分之彈力二輪車所需的材料包，材料項目與數量一覽表請參見表8。
車子的組裝過程中，最多僅會用到剪刀裁剪吸管長度及使用膠帶黏貼固定軸，就能輕鬆地製作出屬於自己的二輪車。同學只需依圖5材料包內所附的說明書所示和表8的組裝流程(內含成果影片的下載網址https://ppt.cc/fvdTVx與QR code)，花5-10分鐘就可以輕鬆地完成自己的彈力驅動二輪車，以讓師生有比較充分的時間集中在各種實驗變因的觀察上，並從中發現探究的樂趣。歡迎有興趣者參考指正。
此材料包的成本台幣30元有找，且可以很簡單地自己組出兩台二輪車喔！此外，材料包容易準備的特性，也很適合量產且高份量數時方便攜帶。近來清大跨領域科教中心於110年度苗栗縣教育處科學市集活動、314巨城科學饗宴活動，以及各個科學體驗課程中，共計使用了近2000份的實驗材料包！
圖4
(a)以刀板模的紙張片做車輪的彈力驅動二輪車的材料內容
每份材料包可組出車輪直徑分別為6公分和8公分的二輪車各一個。
材料成本低於NT$30，且整個組裝過程中完全不需要使用到任何工具。
(b)以A4尺寸的厚紙板設計直徑六公分與八公分的車輪片之刀模板設計圖
每一個車輪是由兩片車輪紙板重疊在一起，以強化車輪的堅固度。
表8. 可組裝兩台輪徑不同之彈力二輪車所需的厚紙刀模板材料一覽表
圖5. 材料包內附組裝步驟說明書與學習單
表9. 量化教具製作流程說明
肆、組員心得與收穫
在實驗操作的過程中遇到了一些沒有設想到的困難，像是在裁剪輪子時，發現使用剪刀或是美工刀裁切出來的車輪會歪七扭八，也就是輪胎的圓緣是凹凸不整，既不好看也影響實驗的精確程度。後來在多方打聽搜尋資料才在文具店找到裁圓刀這個工具，非常開心，裁出完美的圓也很有成就感。我認為遭遇問題和思考解決困難的歷程，也是這次參加教具競賽此一課題頗富趣味之處。 ——黃昀孟
在這次教具競賽中我嘗試用優格杯蓋、泡菜罐蓋、旋轉軸吸管長度、車輪軸間距寬窄以及車輪重量幾個變因來操作，作為觀察車子行進距離之變化，在家中用工匠尺在地面來來回回測量距離，我體會到做任何實驗除了實驗本身富有趣味性令人想動手DIY自製之外，在拍攝組裝影片及剪輯影片過程中，深刻體會到耐心和細心的必要性和重要性。 ——黃粲閎
由於資源過度使用，造成環境汙染日趨嚴重，環保概念是我們發想的方向。在課餘時間繼續尋找各種素材。除實驗常用橡皮筋、熱熔膠條和彈簧外，我們繼續觀察生活用品還有哪些可以當作車子的動力材料，於是在賽前又完成一台新的環保四輪車。科學教具的創作，一直充滿挑戰，錯誤中學習會讓我印象更深刻。過程中需要反覆假設，仔細觀察變化，並且小心求證。經過這次競賽，我更能了解科學步驟，學會觀察生活、闡述科學。 ——陳宥瑋
參考文獻 清華大學跨領域科教中心(2021)自轉車課堂講義，新竹。
洪連輝(2020)主編，國民小學自然科學課本第五冊，臺南市：南一書局。
陳冠瑋, 黃冠翔, 陳冠蓁, 王瓊慧, 黃怡茜, 牛櫻蓁, 黃瓊儀, 程瀞慧(2015), 作品名稱：「扭」轉奇蹟—探究旋轉水上扭力車前進的奧秘, 嘉義縣第53屆(篇號A109)國小科展作品說明書，灣內國小。來源網址：https://science.cyc.edu.tw/upfile/science102/work_files/12544718300387.pdf。
阿賢老師的理化教學網站。取自：https://reurl.cc/DZLbjN。
何品萱、邱愉平、李昕瑤、蔡懿筠、邵羽堂(2008)。看誰走得遠，中華民國第46屆科學展覽會國小組自然科，取自：https://reurl.cc/2DgOj4。
黃昀孟、陳宥瑋、黃粲閎
新北市立埔墘國民小學五年級學生
陳怡君
新北市立埔墘國民小學教師
高嘉鄖、詹志凡、戴明鳳
清華大學物理系與跨領域科學教育中心
探索內太空——從郵票看深海潛航的百年演進
文/李孟陽
法國作家凡爾納（Jules Verne）於1870年完成《海底兩萬里》這部膾炙人口的科幻小說，引領我們登上尼莫船長的「鸚鵡螺號」潛艇，遨遊於深邃海洋的遼闊想像空間（圖1,2）。書中描述採用電力驅動的鸚鵡螺號，能夠潛入一萬六千公尺的大洋底部，使用照相機與水下照明拍攝海底地貌，不可思議的預見未來深潛科技的發展趨勢。1959年，率先潛航抵達北極點的美國核子潛艇「鸚鵡螺號」就是以本書為命名由，「現代科學不過是將凡爾納的預言付諸實現的過程而已」（圖3）。
圖1. 凡爾納逝世五十周年紀念 （摩洛哥，1955）
圖2. 凡爾納《海底兩萬里》原書插畫（法國，1982）
圖3. 世界第一艘服役的核子潛艇鸚鵡螺號（美國，1959）
深海是地球上最大的生態系，然而這個「內太空」的嚴酷環境令人望而卻步，迄今仍是充滿神秘、亟待探索的一處未知領域。從早年列強爭相競逐深潛紀錄，到近年深海熱泉調查、海底地形測繪，乃至水下工程及水下救援，各類型的深海載具不時成為郵票發行的主題。這一枚枚設計精美的郵票，展現歷來深海探險家的冒險事蹟、深海探勘的傑出成就、深海技術的創新突破以及海洋科學的重大發現，承載著人類探索這顆藍色星球的共同記憶，本文試圖以此勾勒出百年來深海潛航的發展脈絡。
潛入深邃恆暗的內太空
1930年6月11日，畢比（William Beebe）與巴頓（Otis Barton）於大西洋的百慕達海域進入深海潛水球（bathysphere），這個造型獨特的潛水載具是由美國富豪巴頓設計與出資建造，並由國家地理學會贊助這趟探險遠征。鋼製球體留有做為潛水人員進出的圓形孔洞，另一側從球體伸出的三個觀景窗，當厚重艙門以十枚巨大的螺帽拴緊固定後，由絞機吊置於船身外緣，將鋼纜緩緩下放至水深440公尺處，完成人類首度潛入海洋無光帶的創舉（圖4）。
圖4.深海潛水球的施放作業 (百慕達，1976)
圖5.畢比置身於海洋無光帶，觀察深海生物的習性 （百慕達，1976）
畢比是著名的海洋生態學家，在他出版的探險記述中，總是以饒富詩意的文字，與讀者分享身歷其境的新奇感受，強調置身海底的沉浸式體驗，絕無任何其他方法可以替代。在此之前，海洋生物調查依靠拖網採集深海魚類，打撈上來的都是失去生命力的標本，網中罕見體型大、活動敏捷的種類。畢比堅信，將深海觀察與採集結果相比，兩者存在根本性差異，海洋物種的多樣性遠非拖網所能一窺全貌。往後數年，畢比持續運用深海潛水球進行調查，一再刷新先前締造的潛深紀錄，於1934年潛至水深923公尺（圖5）。
繫纜式的潛水球，終究難以克服下潛深度增加所面臨的設計瓶頸。潛得越深，周遭的水壓更大，球壁必須增加厚度，延伸的鋼索又會增加額外的重量，絞機拖曳力必須更強，水面上的母船就得更大。此外，潛水球無法自主移動，不管是水平或垂直方向的移動，完全依賴水面船隻操作，無法進行複雜地形或大範圍的調查。依照海洋深度的劃分，巴頓的深海潛水球只來到中層帶，在此之下還有深層帶、深淵帶以及超深淵帶，若想潛入超過六千公尺的超深淵帶，深潛載具勢必出現設計觀念上的典範轉移。
航向挑戰者深淵
就在畢比展開深海探索之際，出生於瑞士的奧古斯特・皮卡爾（Auguste Piccard），乘坐自己設計的高空氦氣球FNRS-1穿越了對流層，打破熱氣球上升高度的紀錄，成為進入平流層的第一人（圖6）。這位曾經與愛因斯坦共同研究宇宙射線的物理奇才，構想出前往海洋最深處的可行方案。他靈活地應用浮力的原理，將汽油取代氦氣來充填氣囊，設計出毋須繫纜就能從深海返航的「水中熱氣球」，讓兒子賈克・皮卡爾（Jacques Piccard）成為首批抵達馬里亞納海溝的人類（圖7）。
圖6. 高空氦氣球FNRS-1於1931年進入平流層（比利時，1932）
圖7. 奧古斯特・皮卡爾設計上天下海的載具，挑戰人類夢想的極限 (瑞士，1994)
早在1940年代，皮卡爾向比利時國家科學研究基金會（FNRS）提出建造深海潛航器（bathyscaphe）的計畫，這個構想是將承受高壓的球形座艙安置於大型浮力槽之下，讓海水提供的浮力與整組潛航器的重量中和抵消。由於先前設計的熱氣球裝置取名為FNRS-1，因此將它命名為FNRS-2。浮力槽為橄欖球形狀的巨大結構體，內部注滿密度小於海水的汽油，下方留有開口讓海水自由進出，以調節內外壓力的均衡。若要下沉，駕駛員就讓海水灌入空氣槽；若要向上移動，電磁鐵將吸附成團的壓艙小鋼珠釋放，便能夠減輕重量，讓海水浮力成為深海潛航器返回海面的推動力。
1948年，船隻拖著FNRS-2駛離非洲進入大西洋，在沒有搭載人員的測試階段，這具無須繫纜的潛航器抵達1372公尺，成功超越當時的深潛紀錄。然而海況轉趨惡劣，滿載汽油的潛航器無法收回至母船，只能在滔天巨浪的撞擊下顛簸前行，返回港口後，浮力槽嚴重受損，資金用罄，載人潛水任務只能無限期延宕。法國見證新型潛水技術的雄厚潛力，便向比利時收購，然後將壓力球拆下，固定於自行設計的浮力槽，改名為FNRS-3。1953年8月，法國於地中海的測試締造2112公尺的佳績，隔年在大西洋再度寫下4053公尺的新紀錄。
與此同時，皮卡爾另起爐灶，打造出強度超過鑄鋼的合金球體。這個抗壓艙直徑約兩百公分，壁厚八公分，重十噸；觀景窗採用樹脂玻璃，以避免石英玻璃易碎的安全疑慮。巨大的鋼製浮力槽，有一座瞭望塔似的小室，潛艇漂浮於水面時，用來阻擋海浪沖擊人員進出抗壓艙入口的通道。1953年9月，全新打造的「第里亞斯特號（Trieste）」進行深潛，隨即創下3167公尺的新記錄，但礙於經費短缺而滯留於地中海，讓這場與法國的競賽，再度失去先機。
1956年，賈克・皮卡爾走訪美國各地的海洋研究機構，宣揚深海載具對於海洋探勘與研究的重要，獲得科學界的一致認同。隔年蘇聯成功發射首枚人造衛星，在太空競爭失去先機的美國，隨即表達購賣意願，希望在深海探險事業能夠拔得頭籌。深海潛航器於是來到加州聖地牙哥的海軍基地，與太平洋彼端的馬里亞納海溝遙遙相望。為了達成這個終極挑戰，皮卡爾監造新的壓力球，建造更大的浮力槽。1960年1月23日，賈克・皮卡爾與美國海軍軍官華許（Don Walsh）登上第里雅斯特號，五個多小時過後，抵達挑戰者深淵（Challenger Deep）的底部，深度計此刻的讀數是10916公尺（圖8,9）。
在當時，法國是美國開發深潛技術的主要競爭對象，緊隨著第里亞斯特號成功抵達挑戰者深淵的腳步，法籍「阿基米德號（Archimède）」於隔年建造完成（圖10）。1962年，阿基米德號在千島-勘察加海溝締造了9560公尺的紀錄，在日本海溝也深潛至9300公尺。此後，這兩個深海潛航器的紀錄維持近半個世紀之久。直到2012年，執導鐵達尼號而締造全球影史票房紀錄的卡麥隆（James Cameron），隻身搭乘「深海挑戰者號（Deepsea Challenger）」前往海洋最深處，成為造訪挑戰者深淵的第三人（圖8）。
圖8.賈克・皮卡爾和華許搭乘第里雅斯特號(右)，以及卡麥隆搭乘深海挑戰者號(左)，先後抵達英國挑戰者號(中)發現的挑戰者深淵 (馬利，2019)
圖9. 第里亞斯特號抵達挑戰者深淵五十周年紀念 (美國，2010)
圖10. 法國阿基米德號 (法國，1963)
中洋脊的聯合探勘
1960年代初期，板塊構造學說由地質學家狄亞茲（Robert Dietz）與海斯（Harry Hess）兩人分別提出，爾後引發一場影響深遠的地球科學革命。他們指出中洋脊是海洋地殼產生的地帶，岩漿持續自裂谷底部的隙縫冒出，冷卻凝固形成玄武岩質的海洋地殼，而分布於洋盆邊緣的海溝，則為海洋板塊隱沒的位置。儘管往後地磁、震測和地形觀測等地球物理探勘資料也都支持這個論點，海洋地質學家執意前往中洋脊實地考察，親眼目睹海洋地殼形成過程。
法美中洋海底研究計畫（Project FAMOUS）經多方奔走而具體成形，這個跨國合作最令人矚目之處，在於投入三艘深海潛航器參與探勘任務，規劃使用載人潛艇勘察中洋脊裂谷。1973年，法國地球物理學家皮雍（Xavier Le Pichon）搭乘「阿基米德號」下潛，近距離觀察甫形成不久的海洋地殼，年輕的枕狀熔岩尚無沉積物覆蓋，顯示玄武岩不久前才自地底岩漿庫流出。翌年，法籍「賽亞娜號（Cyana）」與美籍「亞爾文號（Alvin）」深海潛艇陸續加入調查行列，這兩艘新式潛艇具有靈敏的操控力，附有照明系統的影像拍攝裝置，運用機械手臂採集標本，能夠大幅提升水下作業的效率與品質（圖11,12）。這些性能上的顯著提升，宣告體積龐大、機動性差的阿基米德號將被取代。
新式深海潛航器能夠大幅縮減體積、減輕重量並增加機動性，關鍵技術在於複合微球泡棉（syntactic foam）的問世。這種塑膠泡棉內含無以數計的空心小玻璃球，外徑不大於300微米，微球直徑越小，耐壓能力越強；將這些微球混入熱塑性的環氧樹脂中固化，即使在超過一萬公尺的深度也不會被壓碎，為潛艇設計帶來關鍵性的突破。現代深海潛艇採用輕量化的浮性材料，產生的浮力足以中和抵銷抗壓艙及其他輔助系統的總重，從而將厚重的抗壓艙包覆在小型潛艇之內。新式潛航器的輕巧特質，得以讓母船回收安置於甲板之上，快速前往世界各地，執行下一趟探勘任務。
圖11.賽亞納號 (帛琉，1995)
圖12.亞爾文號 (剛果，1993)
深海生命綠洲
隸屬於美國伍茲霍爾（Woods Hole）研究所的亞爾文號，是全球使用次數最多、頻率最高的深海潛水器，啟用至今已執行超過五千次的潛水任務 （圖13）。第一代的亞爾文號於1964年建造完成，歷經幾次的性能提升，目前作業深度可達6500公尺。半個世紀以來，亞爾文號積極參與各種深海調查任務，研發並改進探勘技術，對於海洋地質學、海洋生物學的發展產生巨大的貢獻，尤以深海熱泉生物群的發現，被譽為20世紀深海生物學的最大發現。
圖13. 亞爾文號達成五千次潛水任務紀念 （美國，2018）
1977年，海洋地質學家前往東太平洋尋找海底熱泉存在的證據。此行規劃先由研究船實施深海拖曳系統的大範圍調查，從溫度資料判讀出異常的徵兆，再派遣深海潛艇予以確認。當亞爾文號潛入目標區域，科學家眼前浮現一幕奇異景象，因熱氣而晃動不已的熱水從黑煙囪往上噴出，夾帶著各種礦物質形成黑色煙幕，溫度高達三百五十度；熱水中的重金屬和硫化物遇冷沉澱堆成柱狀的煙囪，周遭佈滿著奇特多樣的熱泉生物群，包括巨型管蟲、貽貝、蛤蚌、蝦、蟹等，都是生物學家全然不知的深海新物種（圖14）。然而僅僅幾公尺之外，竟又回復一片冰冷單調、荒涼死寂的火山熔岩地形。
這些置身於永恆黑暗的深海居民，並非經由植物進行光合作用來獲得能量，而是利用細菌進行化學合成作用（chemosynthesis）。寄居在蛤蚌和管蟲體內的細菌，位於食物鏈的最底層，它們利用黑煙囪釋出的硫化氫產生能量，提供整個深海熱泉聚落使用 （圖15）。科學家認為這些細菌可能出自地球初期的早期生命，揭露地球生命起源的重要線索。而上方的厚層海水形成阻隔外界衝擊的緩衝帶，庇護脆弱生命免於遭受隕石撞擊或其他災變所影響，讓這處深海綠洲成為地球最古老的生態系。
圖14. 亞爾文號與深海管蟲 (圭亞那，1996)
圖15. 深海熱泉維繫周遭生命的能量源頭 (亞述群島，2006)
鐵達尼號的發現
1912年4月，「鐵達尼號（Titanic）」這艘建造之初宣稱不可能沉沒的豪華巨輪，在橫越北大西洋的首航途中撞擊冰山，船首多個隔水艙破損進水，短短不到三個小時，就已沉入冰冷海面之下，導致超過一千五百人罹難，為近代史上最大規模的船難事件。多年來，尋找這艘傳奇巨輪的最終安息處，並不隨著時間的流逝而為人淡忘，發現鐵達尼號的確切位置，成為各國深海探勘團隊垂涎卻又望而興嘆的誘惑。
美國伍茲霍爾研究所的巴拉德（Robert Ballard）深知小型載人潛艇擁有優異的水下操作能力（圖16），卻無法適用於廣大海域的搜尋任務。他的團隊致力研發遠端操作的繫纜式遙控水下載具（Remotely Operated Vehicle），為這次行動帶來成功的契機。這套拖曳式深海探勘系統包含用於大區域調查的「亞哥號（Argo） 」，以及目標物探索的「傑森號（Jason） 」。前者配有回聲測深儀，側掃聲納系統，高感光度的數位攝影機，可透過電子元件將捕捉光線的亮度放大，彌補人類視覺之不足；後者配備攝影機和機械臂，用以採集具有科學意義的樣本（圖17,18）。
圖16. 巴拉德與第三代亞爾文號 (密克羅尼西亞，1997)
圖17. 拖曳式深海調查系統 (密克羅尼西亞，1998)
圖18. 遙控水下載具「傑森號」 (圭亞那，1996)
1985年，巴拉德的工作團隊和法國海洋開發研究所展開合作，共同搜尋鐵達尼號的下落。雙方擬定使用高解析度的側掃聲納拖曳在海床上方，標定出可疑目標，再下放深海探勘系統擷取影像加以研判。幾天過後，巴拉德體認單獨使用聲納尋找殘骸的不足之處，便重新擬定策略。依據過往調查水下失事船艦的經驗，物品在沉落至海底的過程會受到海流影響而呈現帶狀分布，因此在海床發現人造物體就有很大機會找到船體，於是改由亞哥號執行海底即時影像回傳的任務。研究團隊輪班盯著攝影機，尋找任何殘骸碎片的跡象，就在搜索航次即將結束前，一些看似金屬碎片的人造物體出現在屏幕上，其中之一被辨認出是鍋爐，順著越來越多的碎片，鐵達尼號殘骸主體於隔天被發現。
隔年夏天，巴拉德指揮亞特蘭提斯號研究船重返失事地點，亞爾文號先後執行十多次的載人潛水任務，對於殘骸內外進行詳盡檢視。只見鐵達尼號船身斷裂成兩半，前半截平躺於海床之上，船首埋入深約二十公尺的灰泥中，船身中央部分已消失，船尾旋轉了一百八十度，掉落在與船首距離約600公尺的遠方。亞爾文號上的操作員引導「小傑森號（Jason Junior） 」進入船身，行動靈巧的穿行於各層甲板，透過彩色攝影機可見到船艙內部的木質裝潢依舊完好保存，只是增添歲月刻畫的痕跡（圖19）。
圖19. 亞爾文號利用「小傑森」進入鐵達尼號船艙檢視 (土克凱可群島，1996)
此後，長眠於大西洋底的鐵達尼號不得安寧，頻頻誘引不同動機的遠征隊前往探勘、研究、拍片與觀光，甚至從殘骸現場打撈失事物件。由於鐵達尼號的殘骸散佈於三千八百公尺的水深，能夠勝任這些任務的深海潛航器屈指可數，加拿大導演卡麥隆曾經多次搭乘俄羅斯「和平號」下潛，拍攝的畫面成為電影和紀錄片的重要素材（圖20）；法國「鸚鵡螺號」則參與備受爭議的商業打撈行動（圖21），數以百計的物品出現於拍賣市場，淪為收藏家緬懷鐵達尼號的另類選擇。
圖20. 卡麥隆多次潛入北大西洋拍攝鐵達尼號 (美國，2000)
圖21. 法國「鸚鵡螺號」深海潛艇與母船 (皮特肯群島，2010)
探索內太空的未來
深海探險先驅發明各種探索內太空的可行方法，將人類塞入中空的壓力艙，然後送入冰冷漆黑的幽冥深海之中。從巴頓的深海潛水球、皮卡爾的深海潛航器以及亞爾文號的新式潛艇，展現不同世代設計觀念上的典範轉移。然而載人潛艇往返於海面和海底之間的必要性逐漸受到質疑，隨著虛擬實境技術的進步與普及，許多危險的水下任務改由海下機器人執行，以減低人員執勤所面臨的風險。當深海無人載具成功地尋獲鐵達尼號藏身之處，也同時揭示新科技將再度改變內太空探索的方式。
多年來，國內外學術界與產業界已打造出種類繁多、性能互異的無人深海載具，包含較為人所熟知的繫纜式遙控水下載具，以及能在海中自動航行、無須繫纜的自主式無人載具（Autonomous Underwater Vehicle）。根據不同調查項目，水下載具可以配備多種感測器，量測水中各項物理、化學、地質與生物相關的水文參數。繫纜式的遙控水下載具，可以將深海載具所感測的海下環境，即時的方式呈現給海面上的科學家，透過虛擬實境技術，讓工作人員在水面操作，卻也擁有乘坐潛艇在海下觀測的臨場感（圖22,23）。自主式水下載具在海洋科學也有廣泛的應用，可幫助海洋化學與地球物理調查不同深度的大範圍水域及水下地形。透過定時浮出水面發送訊號，經由人造衛星的傳送，科學家不出門即可掌握千里之外的資訊（圖24）。
圖22. 遙控式水下載具 (法屬南極，2008)
圖23. 拖曳式深海攝影技術 (東加，1985)
圖24. 各國研發的遙控式與主動式水下載具 (帛琉，1998)
臺灣四面環海，專屬經濟海域面積是陸地面積的十五倍大，藍色國土蘊藏極具潛力的地質資源。近年在中央地質調查所的整體規劃下，國內海洋地質學家和地球物理學家積極投入能源與礦產資源探勘，在台灣西南部外海進行天然氣水合物的調查，在台灣東北部外海的沖繩海槽從事深海熱泉的探勘，接連不斷地傳出令人振奮的新發現。國研院海洋中心購有Triton XLX56 型工作級水下無人遙控載具，於2018年「勵進號」研究船啟用後進行系統整合，可以在三千公尺的深海進行作業。不久之前，這套系統成功地從數千公尺深的海床傳回清晰的影像，並利用機械臂採集樣本，顯示我國深海探勘的能力已步入新階段。未來若能提升國內水下技術自主研發的能量，必有助於海洋科學更深入地的研究、調查與開發。
李孟陽
臺北市立大學地球環境暨生物資源學系助理教授