生活科技

再生材料融入科學創客活動之教學經驗分享

文/許兆芳 中華大眾科學推廣協會講師 近幾年來科學教育的推動逐漸重視探究實作，加上創客運動（即自造者運動）的推行，有越來越多學校投入，發展特色教學活動。筆者曾擔任再生藝術工坊活動講師與策展人，該單位收集各產業製造的剩餘品、瑕疵品、樣品或邊角廢料等成為再生材料，讓民眾自行運用創作。再生材料極具多樣性，多次利用它帶領科學實作活動，觀察發現有助於學生思考並解決問題，同時提升作品的豐富度。本文透過教學實務案例，分享如何選取再生材料與活動引導歷程，讓學生從實作中累積經驗，應用科學知識來解決問題。 再生材料融入科學創客教育 再生藝術工坊長期向企業募集再生材料，這些材料多半是剩餘品、瑕疪品、樣品或是施工過程產生的角料。這些下腳料隔一陣子沒有再使用就進了焚化爐、掩埋場等等，它們有各種有趣的形狀、美麗的顏色、特殊的質感，甚至每塊形狀或特徵都不太相同，提供民眾創作、決定怎麼樣使用，透過組合、改變而有新的意義。 筆者曾投入再生藝術工坊的教學活動，運用再生資源進行科普實作，因為材料具多樣性，發現只要透過適當引導，學生能從使用各種素材過程中，思考並解決問題，將理論與實務結合。創客教育的推動除了挹注硬體資源，教師投入與教學活動的持續發展更為重要。這一兩年常見到教學現場有許多熱情的教師，不受硬體束縛，利用回收資源進行專題課程，帶領學生在創作過程中發展自我興趣。有鑑於此，筆者期待透過分享再生材料融入科學創客教育的經驗，期吸引更多教師投入，進而發展學校特色。 大人小孩都喜歡的連鎖機關挑戰 不論網路社群分享的連鎖反應影片或實體機關裝置，很容易受到各年齡層的關注，跟隨著不同關卡間的巧妙連動，或是出乎意料的觸發特效等等，牽引著每位觀眾的好奇心。這樣的裝置設計具變化與彈性，利用豐富的再生材料加以創作，更能夠呈現每位設計者的創意巧思。各個動態關卡設計不乏科學概念的應用，關卡銜接的可靠度測試，考驗著設計者解決問題與實作技巧。筆者認為很適合發展成為科學實作與探究活動，故由此發想，設計出「再生動力連鎖機關工作坊」。 該活動運用再生材料創造連鎖機關，各機關使用重心與平衡、滾動、摩擦力、導電性與電路等科學概念。活動對象為國小三到六年級混齡分組，讓孩子從實作、修正過程將科學知識融會貫通，再透過團討、共創的方式，設計劇情來串聯各機關，發揮創意。營隊為期三天，每天兩個小時，讓孩子利用課餘時間沉澱發想。 再生材料的選材與募集 要孩子從大量的素材中判斷與選取使用或許有些困難，因此筆者確認專題方向後，就先尋找並列出具有功能的材料清單。例如：夠堅固可以做為結構的紙捲，容易削剪成為造型、且具有顏色的泡棉塊，適合作為平衡裝置力臂的髮箍等等（圖1、2）。這類型材料不需要繁複改造就可以使用，協助孩子有效率的執行。活動初期花太多時間解決結構問題，往往會讓孩子失去挑戰動機，因此有效率地啟動專題，挑選具有改造與延伸創作的材料特性甚為重要。另一類則屬於裝飾性材料，做為造型用途，幫助孩子讓故事更豐富。 綜整過去使用再生材料經驗，分享篩選與募集策略。當我們決定創作主題後，可先構思該主題有那些材料可以幫助孩子快速搭建，例如製作滾球軌道，有那些是容易取得且可以做為軌道或支撐結構的材料；或該創作需要圓形輪子，有那些材料可以使用；以這些目的性較強的材料當作功能性材料，優先尋找與蒐集。其它裝飾性材料則視便利性隨機蒐集或添購，如此程序會讓再生材料募集更有效率，且容易分類使用。 圖1. 利用髮箍作為平衡力臂，泡棉塊當配重，搭配各種再生材製作平衡蜻蜓 圖2. 各種不同形狀顏色的泡棉塊邊角料是孩子創作時的最愛 再生動力連鎖機關 營隊前兩天先製做三種機關，讓每名孩子獨立製作，熟悉各種再生材料的種類與特性、加工方式與涉及之科學概念，做為最後串連各機關引發連鎖反應的基礎。關卡介紹如下： 機關1：平衡滑降纜車 將髮箍作為平衡玩具的力臂，泡棉塊為配重，利用串珠製做可架在釣魚線上滑動的支點。孩子們設計自己的纜車外型與滑動支點位置，再結合平衡配重用的髮箍與泡棉塊；有人採用天平的設計，將重物掛在髮箍左右兩側，有的則採用單側懸臂，將重物配置在支點下方，並創作各種不同造型（圖3、4）。 圖3. 利用泡棉塊與彈性髮帶製作平衡大嘴昆蟲 圖4. 製作成天平的結構，搭配火箭造型，讓作品看起來更協調 機關2：翻滾車 利用衛生紙捲製做翻滾偶的外結構，引導孩子從遊戲中發現彈珠重量、斜面角度、接觸面摩擦力與翻滾運動間的關係，然後進行調整，挑選適合的材質包覆，滿足外型與功能上的需求。可見到孩子很大膽地嘗試緞帶、髮圈、泡棉墊等材質來製做外觀。各種材質與斜面的摩擦係數不同，會影響翻滾效果，每名孩子都不斷嘗試在造型與功能上達到平衡（圖5、6）。 圖5. 利用衛生紙捲壓塑成膠囊形狀，內部放入彈珠，就是個有趣的翻滾玩具 圖6. 製紙捲表面的摩擦力較小，孩子選擇可以增加摩擦力與喜歡的顏色布料進行剪貼 機關3：智慧光明燈 燈泡與電池盒串接的電路不導通，正負極電線分別接上鋁箔紙增加接觸面積，讓孩子尋找可以導電的材料或是自行製做道具作為導通的「橋樑」形成通路。大家對這項自行設計開關的活動很感興趣，設計成夾子開關，揉出一顆鋁箔紙球當開關，還有直接把積木包上鋁箔紙作為壓接開關，各種創意紛紛出籠（圖7、8）。 圖7. 電線與鋁箔相接，並貼在紙板上，就成為可以開闔的開關 圖8. 骨牌木塊的一面貼上鋁箔紙，當骨牌倒下後，串接電線兩極形成通路，燈泡就發亮囉 營隊最後一天為分組共同創作，讓每名孩子在過程可以互相學習彼此經驗，所有機關串接起來，形成連鎖反應，為它設計一段故事，同時培養想像力與表達能力。開始設計前，先請孩子看筆者預先做好的連鎖機關範例，以理解該活動任務，再開放討論與分工製做，把每一個關卡銜接起來。過程中可以見到孩子們分工、溝通協調、發揮創意、實作能力等特質慢慢展現。然而過程絕非如此順利，常會遇到結構體不夠堅固，設計意見相左而產生衝突，或是混齡共創產生分工製作進度的落差。筆者遇到該狀況並不會主動介入解決，而是透過提問協助發現問題，對話引導孩子提出解決策略，而非直接提供修正方法，往往孩子們解決問題的途徑比我們想像更寬廣（圖9、10）。 圖9. 每名孩子針對自己擅長能力分工協作 圖10. 遇上製作瓶頸，無法將纜繩固定，最後各自嘗試實驗 沒有製作步驟的引導 從上述介紹中不難發現，各作品呈現的樣貌差異很大，因為使用再生材料進行創作時，材料堆中可能沒有重複的材料，例如廢棄木角料很難有相同尺寸，切邊泡棉塊可能沒有固定的形狀或顏色。所以進行教學引導時，著重理解每個製作環節的目的，透過參考影片或教師簡易示範作品等方式，讓孩子思考實作過程中可能遇到的問題，並各自提出解決方案然後記錄下來。其中包含現場的工具是否能夠處理所選取的再生材料，再透過實作驗證或修正最初的想法。過程中，每名孩子會有自己的進度與步驟，發展出解決問題的途徑，老師則從旁觀察每名孩子的創作動機，審慎評估何時需介入給予提示，幫助孩子跨越瓶頸。 例如「翻滾車」機關，透過教師演示讓孩子思考影響其運動情況的變因，並記錄下來，再討論各變因所對應的設計方式，然後才進行製做與測試改造；最後呈現出內部彈珠數量、外觀裝飾材質或斜面角度等不同樣貌，使翻滾運動效果也不盡相同。過程中學習到科學知識的應用，增進實作技能，也展現豐富創意。 如何引發動手做─低門檻、具變化、高成就 使用再生材料進行實作，由於材料種類多元、變化性高，過程更需反覆測試與修正，考驗著孩子耐心，如何讓他們保持學習動機與創作熱情更為重要。活動之初，筆者預先創作一組連鎖機關裝置做展示，但不使其運轉，供孩子觀察、預測可能的起點、終點與過程可能發生的動態效果，以引發好奇心，提升學習動機。孩子們果然在課餘時間駐足討論，分享彼此的預測，同時對於「連鎖反應」充滿期待。 活動設計與引導則是掌握「低門檻、具變化、高成就」三項原則，初期引導孩子製作單項機關裝置，透過觀察、思考和仿作，有效率地掌握運動模式，從中獲得成就感，再透過豐富的再生材料種類鼓勵嘗試與變化。這個階段的難度與挑戰開始出現，成就感與好奇心促使不斷挑戰創意極限，更能反覆自我檢視對科學概念的理解，也提升實作技巧。 結語 再生材料的多樣與變化性，提供進行科學實作探究時更多發揮與想像空間，這樣的學習過程，就如同生活所需解決的問題往往沒有標準程序，而是應用知識與經驗判斷，反覆修正解決問題；教師的角色從講授轉變為引導，藉由提問、提供實作技術支援來輔導孩子創作。當遇到瓶頸時，協助釐清問題，鼓勵大膽嘗試。透過圖文可發現孩子們的創作各具特色，有別於科學材料包的作品，正代表著孩子能從實作中累積經驗，應用知識解決問題。

從童玩談自造科技

圖、文/王德麟 臺南市立大橋國民中學理化教師 「自造者」或是「創客」為時下最夯的議題之一，12年國教課綱也將生活科技從「自然與生活科技領域」中獨立出來和資訊科技結合成「科技領域」。國中、小的學生們生活中早就充斥著許多科技新玩意兒，也接觸過不少玩具，但他們知道其中所牽涉到的科學原理嗎？又或者隱藏著那些科技與工藝概念呢？筆者藉由兩種迥然不同但大家一定非常熟悉的童玩，一窺裡面的自造科技。 軌道組裡的設計與原理 不管是百貨公司玩具專賣店、大賣場玩具區或是夜市玩具的攤位中，都會有類似概念的軌道組（圖1），有賽車競速與爬坡的模式，也有排著隊一階一階往上爬的關卡，另外更有利用磁鐵吸引力讓企鵝跳水圈的設計。不論是那一種樣式，都牽涉到能量與機械的整合。 圖1中的車偶扮演著這組玩具的吸睛角色，不論它的造型是可愛的或浮誇的，底座都是由金屬輪軸所構成。使用金屬材質的原因有二：其一，車工光滑的表面可有效降低輪軸與軌道面之間的摩擦；其二，金屬密度大、質量也大，慣性也因而增加，當輪軸滾動時，能讓車偶在軌道上一氣呵成地走完全程。 圖1. 基本款附有3個車偶，車偶下方除了有金屬輪軸，兩側延伸出的橫桿，有其特定的功能 車偶於直線軌道上行進時並無太大問題，但是在進入彎道時，慣性的作用會使車偶偏向外側，滾輪亦有傾斜的可能（一側高、一側低）。車偶速度不宜過快，這個問題的解決方式是延長斜面長度（同時降低坡度），使金屬輪軸不致脫軌，車偶才能順利過彎。 軌道面並非平面，而是有著讓金屬滾輪在淺凹處運動的設計。另外，在組裝軌道後，原本呈現水平的軌道會因為卡榫與固定槽的位置，而讓軌道形成內外側與高低的落差。軌道由高處逐漸降低，滾輪的轉動帶動車偶前進，這是讓重力位能轉換成動能的設計（圖2）。 圖2. 軌道並非一體成型，而是透過不同形狀的搭配，將軌道組裝完成。完成之後的軌道產生高低落差，讓能量得以轉換 淺談科學概念 當高度逐漸下降，重力位能逐漸轉換成動能，車偶才能持續運動，而且不能忽略摩擦阻力所造成的負功，能量難以避免地因摩擦而損耗，造成車偶速率逐漸減緩。一不小心，就真的會「顧路」，因此車道偶爾用酒精清潔，將灰塵、微粒移除是有必要的。 斜坡式的設計到處可見，從傳統的水泥大象長鼻子溜滑梯、水上遊樂園裡的滑水道、滑雪場地的滑雪道、觀光農場裡的滑草斜坡、物流公司的包裹移送軌道到公園裡的塑膠遊具等等，處處可見斜面原理的生活科技應用。 不過，原本在高處的車偶抵達低處並停止時，已不具動能，此時運動停止，難道這種樂趣就只有一次的機會嗎？難道要自己動手將車偶移動到軌道高處再釋放嗎？當然不行，也不應該這麼設計！因此要加入能往復運動的電動機械裝置，讓循環自動呈現，而非手動。 簡單機械的運用對人類而言是一種助力，馬達與齒輪的組合讓操弄物體變得方便許多，只要能源不虞匱乏，就不用過於擔心運轉的問題。 生活科技的應用 曲軸的設計是轉化轉動動能與直線往復運動的動能，然而稍做變形後，凸輪（具有曲線輪廓或凹槽的構件）便應運而生，進而發揮「控制」的功能（圖3）。 圖3. 圓盤上加上短桿，變成了凸輪（曲軸的變形）。當圓盤轉動時，短桿隨之作圓周運動，帶動套於其上的平板運動 當凸輪連續且等速率轉動時，不同的徑長可使得與凸輪相依的活動部件做出固定的、規律的運動（圖4）。 有沒有發現透明平板上兩個鏤空的滑軌互相垂直？這樣設計的原因是什麼？如何互相搭配？ 圖4中，當圓盤轉動時，透過短桿的帶動，能讓透明平板做出橫向與縱向的移動。但是讓車偶移至高處只需要讓平板縱向移動，並不需要橫向移動，因此加入縱向滑軌的設計，目的在讓透明平板定向，亦即提供上下往返的空間。佐以橫向滑軌的設計，目的在於短桿動作時，皆在滑軌中自由移動，不致使透明平板隨之平移。雙向且分離的滑軌搭配缺一不可，再者，滑軌長度必須大於圓盤直徑，短桿在滑軌中方能自由移動，如果軌道不夠長，圓盤也無法順暢地轉動，這些都是設計時必須融入的科技與思維。 圖4. 平板上有另一個限動的滑軌設計，讓其僅止於上下移動，協助車偶垂直向上，而不是在階梯上平移 再回到一開始的提問，由車偶兩側延伸出來的橫桿的作用是什麼？原來是讓紅色階梯內側的透明平板頂住並向上抬的小創意。在沒有電梯踏板的情形下，車偶被透明平板頂向上並滑向紅色階梯，透明平板下降時，車偶則在紅色階梯上暫待，等到下一次透明平板再往上頂著時，車偶又被頂上去，每一次循環僅能提升一階，因此在單一軌道的設計中，車偶只有先來後到，乖乖地按次序排隊，沒有超前的可能（圖5）。 圖5. 抬升的過程中，使用可升降的透明平板與固定階梯的搭配，透明平板每次的升降可讓車偶一次一階地上升 如何自造？ 將車偶換成彈珠，透過凸輪讓階梯依序起伏，彈珠同樣可以逐漸往上爬到頂端再滑下來。這樣的機構透過手作，以木製工藝的面貌呈現出來，增加的是自造者的成就感。有興趣的讀者可以參考《超圖解機構木工玩具製作全書》一書內容，相信你絕對會被吸引住。 滾動中的音符 另外一個要介紹的就是能自動演奏的音樂盒，但是自動之前卻得要手動將發條旋緊，透過能量的轉換，讓關鍵部件動起來，才能釋放音符。轉幾圈音樂盒的發條，開始演奏清脆音樂的關鍵部件稱為機芯（圖6）。它是經過百年來的工藝技術演變與不斷地改良，才變身為可捧在手心裡的小巧物品。 圖6. 機芯總成與結構 發聲部件的設計 在音筒（drum）表面的突出點稱為撞針（pins），當撞針撥動排列得像梳子的音梳（comb），就會撥動出事先已編輯好的旋律。而底座的材質與重量、音梳的鋼質與熱處理硬度會影響音質，是其核心技術所在。 以圖7為例，鋼製的音梳有18齒，每1齒代表1個音調，長齒發出的聲音較低，短齒發出的聲音較高。快速的振動會發出聲音，而在相同時間內，短齒振動次數比長齒多。音梳的振動原理和放在桌邊鋼尺一樣，鋼尺突出桌面的部分越長，撥彈時所發出的音調越低；當突出的部分越短，撥彈時所發出的音調越高。 從圖7右下方看看音梳的另外一面，可以發現音梳每齒的厚度都不盡相同。較長的齒為了能發出更低的音調，可以透過末端配重的方式讓聲音更低沉，呈現出差異更為明顯的音階。如果不加配重處理，就得讓齒的長度變得更長，才能達到一樣的低音效果，這對漸趨「小巧」的機芯而言，並非好的設計選擇。 圖7. 隱藏在音疏另一面的配重 驅動部件的巧思 機芯殼內藏有捲曲的細長鋼片，也就是發條裝置。一端是將鋼片固定在正確位置的T型槽，另一端則是能套在旋轉桿凸點的長條型開孔。 附有六角棘輪的旋轉桿連結到發條旋鈕，透過六角棘型輪和大型齒輪內的活動爪子相扣，可在旋緊發條時，同時旋轉六角棘型輪並撥動活動爪子，這便是「上發條」時的聲音來源。這樣的旋轉動作，將彈力位能暫時儲存在具有彈性的鋼片上，爾後鬆開發條旋鈕（儲存的彈力位能釋放）時，旋轉桿開始反方向旋轉，也讓活動爪子帶動大型齒輪共同旋轉，帶動了音樂盒的演奏。 可是如果設計僅僅是這樣的單純，當大型齒輪和音筒共轉時，鬆得太快的發條是會讓音樂變成快板，甚至是聽不清楚的超快板，所以要加入減速筏（governor；圖8）來解決轉速過快的問題。 減速筏是藉由空氣阻力以達到減速目的的裝置（空氣阻力和物體速度平方呈正比）。減速筏剛開始運轉時，空氣阻力小，轉速急遽增加，但轉速增加到一定程度後，同樣隨之加大的空氣阻力，讓減速筏的轉速不再變化，也控制了音筒的轉速。另外，再與倍力齒輪組相結合，讓轉速能在短時間內提高，以維持正常的演奏速度。 圖8. 減速筏的結構與外觀 聽見幸福 音樂盒是療癒系的小物，結合了生活科技與智慧結晶，把機芯放在手中，只有自己可以獨樂，但是把它放在中空的共振箱裡，音梳的振動將透過機芯底座傳導到共振箱，透過共振讓旋律更為響亮，讓聽到的人可以一起同樂。 結語 軌道組和音樂鈴可以同時存在嗎？相信保留傳統與結合創新並不困難，當發條帶動的音樂鈴在撥弄的同時，軌道上的車偶也同時在賣力奔馳著，不啻饒富動態科學的趣味，也散發傳統設計與現代自造的餘韻。

紙愛科學DIY

圖、文/謝迺岳 新竹市科學城社區大學專任講師 中華民國物理教育學會監事 唐朝詩人李嶠在詠「紙」時寫道：「妙跡蔡候施，芳名左伯馳。雲飛錦綺落，花發縹紅披。舒捲隨幽顯，廉方合軌儀。莫驚反掌字，當取葛洪規。」感謝了東漢的蔡倫與左伯改良了紙質，也歌頌紙的屈伸合度像個正直與認真的人。紙的發明使人類文化易於傳承，更是文明發展的重要里程碑。 早期的紙用碎布製成，後來使用草木纖維使紙張更為細緻；現代工業在紙上添加一些物質，使紙耐久不黃、柔軟耐撕、易於印刷、甚至更加防水，而能做為精裝書籍、鈔票、面紙、免洗衣褲呢！ 紙的本質 紙的原料是植物纖維，構樹的纖維素特別長（9mm）適合做鈔票，竹子的纖維素很短（3mm）只能做衛生紙或拜拜用的紙錢。造紙時，先把植物用鹼泡軟並除去木質素，磨成紙漿後再用紗網撈起來壓實、烘乾就成了。 1.摺紙趣 一張紙最多能摺幾次？許多人認為可以無限次，實際上只能摺七次，除非使用特別薄、特別大張、並在摺痕處用力壓緊，才有可能多摺一兩次（圖1）。原來為了人們使用的方便，紙的厚薄都在0.1mm左右，摺七次以後變得很厚實而讓人摺不動。摺過的紙體積變小，用橡皮圈發射的紙子彈可以彈射很遠，因為紙子彈受到的空氣阻力也變小囉（圖2）！ 圖1. 把紙摺成一小團，可以用來射紙彈 圖2. 把紙摺成一小團，可以用來射紙彈 2. 撕紙趣 想把一張報紙或衛生紙撕成長條狀，會發現從某些方向撕會歪掉，無法變成均勻的條狀。原來在造紙的時候，濾網總是左右搖晃，使紙的纖維在同一方向排列整齊；沿著這個方向撕紙就能輕鬆變成一長條了。同理，攤開一張報紙，用雙手抓緊紙的兩側後用力往兩邊拉，如果容易拉破且斷口整齊，那麼斷口方向就是報紙的纖維排列方向（圖3）。 圖3. 報紙或衛生紙撕開，會發現紙纖維有特定的排列方向 3. 驗紙趣 用優碘藥水在報紙和紙鈔上作畫，會發現優碘在報紙上變成藍黑色的圖案。原來碘遇到普通紙上的澱粉會變色。普通紙為了印刷方便與增加質感，在紙上使用澱粉作為填充與粘著劑。鈔票為了防偽不使用普通紙，而用特殊的油墨來印刷，所以優碘在鈔票上不會變色。 用優碘在衛生紙上寫字，發現圖案也不會變色。因為衛生紙必須軟軟的，也不須要印刷，所以不加澱粉。這個實驗同時告訴我們，用優碘可以檢驗有無澱粉存在，也能用澱粉檢驗有沒有碘的殘留（圖4）。 圖4. 用優碘寫字畫圖在某些紙上會變色，可以用來驗鈔 4. 滴紙趣 用水彩筆沾廣告顏料滴在衛生紙上，墨漬會擴散成一大片；顏料滴在影印紙上，則墨漬的範圍小得多，但也會顯出漸層色彩。墨漬的最外圍是清水，愈往內則墨色愈濃；這是水分子在紙張纖維中由於毛細作用而滲透的現象，而墨的分子較大，不容易移動。藉著毛細作用，畫家可以營造渲染的效果，科學家則用來探討物質的成分（圖5）。 圖5. 用優碘寫字畫圖在某些紙上會變色，可以用來驗鈔 用墨水滴在各種紙上，能作畫也可以檢驗墨水的成分 紙的表面塗蠟，就能防水。在一張蒸饅頭用的烘焙紙上用彩色筆畫迷宮，然後滴一滴墨水在迷宮入口，水珠就能在紙上滾來滾去。比比看誰的迷宮最難，又誰能夠打通關（圖6）！ 圖6. 有蠟的紙不會吸水，在烘焙紙上玩闖迷宮遊戲吧 5. 開紙趣 在一張方形紙片的四角上寫字，然後把四個角往內摺。把這張紙放在水上，它就會像蓮花一樣慢慢張開，不但好看而且能傳達情意。這個活動說明紙張由纖維構成，藉由毛細作用吸水而使紙張膨脹。 進階的遊戲是讓紙的四個角依照順序張開，方法是角上的紙必須彼此壓住。另一個遊戲方法是把紙條捲成螺旋狀，它在水面上會一面旋轉一面張開，很有趣（圖7）。 圖7. 把紙摺起來放在水面上，摺角會慢慢張開，顯現滲透作用 紙的應用 一般的紙張彎曲後可以彈回原形，所以紙的彈性不錯；紙也很容易摺定型，所以有很好的塑性。紙很容易被剪開與粘合、易於書寫、成本低廉，所以是我們生活中的好幫手。把紙張組合起來，可以做成美麗的花朵；使用厚紙板或瓦楞紙可以疊合成輕量化的家具與房屋。 6. 剪紙趣 用彩色紙來做一張卡片吧，不論誰收到這張卡片都會很開心。把一張彩色紙剪成兩半，在每半張紙的一端剪成半圓，另一端剪成數條寬度相同的紙帶；然後用編織的方法把兩張紙片編在一起，就完成一張愛心卡片囉（圖8）。 圖8. 紙容易被剪開與彎曲，可以編成各種造型 過年要送紅包，用兩個鈴鐺來增添喜氣吧！在一張彩色紙的一端剪一個愛心形狀的洞（洞口比鈴鐺小），並在洞的後方剪兩刀形成一條紙條（寬度比洞小，且不能剪到洞口）。接著，把一條細繩穿過紙條兩側，並從洞口穿出；最後在線的兩端掛上兩個鈴鐺。 把這個過年小物送給朋友，並請他把細繩與鈴鐺從紙上解出來，但是過程中不能破壞紙張。這個遊戲運用了紙的彈性，所以是個物理遊戲；這也運用了拓樸學（空間變換），所以是個數學遊戲。這個活動彎曲了紙張，就像是蟲洞能拉近星系間的距離，所以這也是個天文學的好遊戲（圖9）。 圖9. 利用紙的彈性，可以體驗蟲洞 7. 鎚紙趣 把一支竹筷放在桌子邊緣，用一張報紙壓住竹筷，然後用鎚子去敲擊竹筷的一端。慣性能使竹筷折斷，但是報紙的纖維排列方向和大氣壓力也有影響（圖10）。任何活動安全第一，所以負責敲擊的人和觀眾都應站在筷子側邊，而且要戴護目鏡，免得筷子跳起來打到人的眼睛。 圖10. 應用紙的張力與慣性，輕鬆鎚斷一支竹筷子 8. 射紙趣 紙是由植物纖維疊加而成，泡水後就會分解變回纖維素的形態，所以用水能把紙變成紙漿，再用來塑成浮雕或捏成紙球。 找一支硬質細吸管（或原子筆筆桿）做為槍桿；在槍桿兩端各塞一團泡軟的衛生紙做為子彈。另用長竹籤刺穿一段粗吸管（並用橡皮圈固定）作為推桿。把推桿輕輕推入槍管中，然後再用力一推，槍管前端的子彈就會射到很遠的地方，而且發出「啵」的一聲，很好玩（圖11）。 濕紙團可以被壓縮，並緊緊塞住槍管；擠出來的水具有附著力，能使槍管的密閉性更好。快速推動推桿時會壓縮管內的空氣，當推力大於摩擦力時，紙團就會被射出；快速膨脹的空氣造成爆破效果，還會看到由於「絕熱膨脹」形成的凝結霧喔！ 圖11. 簡易空氣槍，充分發揮了紙的威力 9. 疊紙趣 紙張的力量比想像中還大。把兩支高度相同的寶特瓶用橡皮圈綁在一起，並直立在桌上當作橋墩；在橋墩上放30張疊在一起的便條紙當作橋，然後倒立一瓶水在橋面上，這瓶水能夠平衡不倒。如果僅用兩張紙做同樣的實驗，能不能使這一瓶水維持不倒呢（圖12）？ 製作紙橋的方法有很多種，原理是把紙張增厚；較厚的紙張可以分攤張力，例如把紙張摺成波浪形，或把紙張兩側往下摺。有時橋梁本身的重量會把自己壓垮，所以現代的橋梁都是空心的架子。用紙張做橋梁可以欣賞古人的智慧，也可以體驗科技之美。 圖12. 兩張紙幣就能撐起一瓶水，原來錢還可以這樣用！ 10. 燒紙趣 不只能吸水，紙的長纖維和油分子結構類似，所以也能吸油。巿面上買得到美容用的吸油面紙，半透明的薄薄一張，當「針孔成像」實驗的屏幕很好用，還可以玩許願的遊戲喔。 把吸油面紙捲成一圈，直立在紙杯的杯底上。點火燒紙捲的上端，它就會「咻」地飛起來！吸油面紙能起飛的原因是紙灰很輕，而且熱對流旺盛（圖13）。在廟裡的金爐燒紙錢的時候，常看到紙錢一張張自動飛入金爐中，是因為爐火很旺使熱空氣上昇，讓爐外的冷空氣形成強風而把金紙吹進爐內。吸油面紙很薄，所以燃燒的火很強，上昇的熱空氣就把紙灰帶到天空去，同時把我們的心意帶給上蒼囉！ 圖13. 用吸油面紙來許願祈福，吸過油後效果更好喔！ 古人燒紙錢給神鬼與祖先以表崇敬，客家庄的惜字亭更有敬天愛物的美德。唐朝詩人岑參在《逢入京使》中寫道：「馬上相逢無紙筆，憑君傳語報平安。」可見紙在古代還有通訊的重任。 從前，過期的報紙與課本常用來包裹食品，或作為煮飯燒水的火種，絕不丟棄或浪費。古時在紙上塗桐油可製傘，能擋雨又很輕便；現代在紙內摻入碳粉或金屬，能導電甚至作為可曲折的螢幕。把紙摺成紙鶴或星星，具有許願的神力。把紙摺成紙飛機，更能承載我們的夢想起飛。在一切電子化的今天，雖然許多紙的用途已被取代，但是仍然有許多紙的可能，等著你去發明、去發現。

思考的演算：跟著電腦學思考，你也可以成為計算思考大師

文/白榮銓 臺中市居仁國中退休教師 十二年國民基本教育課程綱要草案，新增「科技領域」，學習內涵包含「生活科技」與「資訊科技」。資訊科技課程是以 「運算思維」（computational thinking, CT）為主軸，學習重點強調「透過電腦科學相關知能的學習，以培養學生的運算思維能力；並藉由資訊科技之設計與實作，增進學生運算思維的應用能力與解決問題的能力」；教學實施則強調「以問題解決或專題製作之方式進行，鼓勵學生進行自主性、探索式的學習，以實踐運算思維的課程理念」。到底何謂運算思維（本書譯為「計算思考」）？包含那些技能？如何應用來解決問題？ 本書作者科松（Paul Curzon）與馬克歐文（Peter McOwan），都是倫敦瑪麗皇后大學（Queen Mary University of London）的電腦科學教授，共同創辦了「電腦科學好好玩」（Computer Science for Fun）網站，致力於提供教師專業發展課程。他們在青少年時代，熱愛閱讀美國數學科普大師加德納（Martin Gardner, 1914-2010）撰寫的娛樂性數學（recreational mathematics）讀物，深受加德納的啟發和影響。本書內容來自作者重新改寫他們在「電腦科學好好玩」網站、雜誌、以及在用來協助程式寫作與資訊融入教學的網站「Teaching London Computing」上所發表的文章，以讀者容易理解的方式，搭配遊戲（game）、謎題（puzzle）、魔術以及電腦科學家在研究的真實難題，解釋何謂計算思考，以及這種問題解決方法中的各種技巧，包括：演算法思考（algorithm thinking）、評估（evaluation）、模式比對（pattern matching）、通化（generalization）、抽象化（abstraction）以及拆解（decomposition）等，幫助讀者了解與學習電腦科學家的思考方式。 (封面圖片來源) 計算思考 1980年，美國數學家暨教育家派普特（Seymour Papert, 1928-2016）出書《心智衝擊：兒童、電腦與充滿活力的創意》（Mindstorms: Children, Computers, and Powerful Ideas），首次提出「計算思考」（computational thinking）一詞。計算思考是「人類解決複雜問題的多元技能之集合」，適用於電腦科學、人文科學、數學與所有科學領域，計算思考有助於學生了解學科與學科、以及課堂與生活之間的關係。 2007年，改編自真人實事的法國電影《潛水鐘與蝴蝶》（The Diving Bell and the Butterfly, 圖1）上映，劇情描述法國時尚雜誌《ELLE》總編輯鮑比（Jean-Dominique Bauby, 1952-1997），於1995年12月突然中風，陷入昏迷，雖然三星期後甦醒，卻被診斷患有閉鎖症候群（locked-in syndrome），全身癱瘓，完全喪失發音能力，全身僅剩左眼可以自由活動，在接下來的兩年時間內，神奇地完成他生命中唯一的一本書《潛水鐘與蝴蝶》。鮑比在書中記錄自己中風後的日常生活點滴。假設你是他的語言治療師杜蘭（Henriette Durand），請問要如何為他設計出一套與外界溝通，而且能完成寫作的方法。 圖1. 《潛水鐘與蝴蝶》電影海報（圖片來源） 此時，你需要和他達成共識，找出一套能將「眨眼動作轉為字母」的方法，你的第一想法可能是告訴他：「眨一次眼代表字母A，眨兩次眼代表字母B」，以此類推；接著，手上拿著紙筆的杜蘭，只要數他眨了幾次眼，記錄下相對應的字母，就像網路世界中，不同電腦之間用於資料編碼與解碼的「通訊協定」（protocol）。當我們設計出一系列可以遵循及解決問題的步驟，能正確地溝通病患所想的字母，我們就已在進行像電腦科學家一樣的思考，這就是計算思考的核心，稱為「演算法思考」。透過演算法思考，人們不只能想出單一答案，更能想出一套可以依照一定步驟，甚至更有效解決問題的方案。 鮑比在書中的確有更好的方法，他描述：杜蘭依序大聲地朗讀出字母Ａ、Ｂ、C……，當他腦中所想的那個字母被朗讀出來時，他就眨一次眼，接著，杜蘭就會寫出那個字母，然後再重新開始朗讀一個又一個的字母。問題是需要用來溝通的元件，不只是字母，還需要空格、數字、逗號及句號等；另一個問題是：萬一不小心眨了眼怎麼辦。像這樣，檢查一個演算法在理論及實際上，是否都行得通，是計算思考的重要部分之一，稱為「評估」。 為了與鮑比加速溝通流程，最好是拼一個字的一部分字母，就能正確地猜出這個字，例如杜蘭已經寫下a-n-t-e-l，就能猜出鮑比腦中想的是antelope（羚羊）。因此可以改變規則，讓杜蘭以這種方式猜猜看，這種演算法類似於手機與電腦在「聯想字詞」時所使用的運作方式。當人們在搜尋引擎輸入一個想要搜尋的關鍵詞時，它所做的事情和上面情況類似，這是計算思考的另一個重要部分，稱為「模式比對」。 能夠運用「聯想字詞」這種解決方法，是因為杜蘭和電腦所面臨的問題是類似的，即杜蘭必須一個字母接著一個字母，認出閉鎖症患者想要表達的單字；而電腦必須一個字母接一個字母，拼出使用者想輸入的單字」。更理想的情況是，我們已有一個適用於許多類似問題的解決方法，並從一開始就為該運算法創造一個描述（description），這樣只要類似情況一出現，就能使用這種演算法，這是計算思考的重要技巧之一，稱為「通化」。 身為法國女性雜誌《ELLE》的總編輯，鮑比對於語言有很深的造詣，他知道這種ABC演算法，還可以用不同方式來加以改善，有些字母比起其他字母出現的頻率更高，例如E是最常出現的字母（在英語和法語中皆然），因為鮑比使用的是法語，所以在電影中，他請杜蘭以法文常出現的頻率順序「E-S-A-R-……」（圖2）來朗讀字母，就可以使杜蘭加速念到單字內所含的字母。像這樣，使用頻率分析（frequency analysis）的方法，就是運用了計算思考中的「模式比對、通化」等技巧。 圖2. 劇中的法文字母出現頻率順序卡（圖片來源） 運用計算思考的技巧，能得到比最初「針對每一個字母，分別眨眼不同次數」更好的溝通方法，對於「寫完整本書要多久的時間、是否為最佳方式」，進行評估之後，我們是否能設計出更理想的演算法，幫助鮑比完成這本書。我們可以利用「分析式思考」（analytical thinking），用簡單的數學來計算，只要將字母的數量，乘上念一個字母所需的時間，如此不但能知道想要完成的工作量，更能知道這是否為最佳方式。像這樣，過濾或忽略不必要的特徵，集中在重要的特徵上（例如字母的數量、念一個字母的時間），是計算思考的重要技巧之一，稱為「抽象化」。 使用頻率分析能得到更佳的溝通方式，但最糟糕的情況依然要念完26個字母；於是我們還要思考：如何再減少杜蘭念的字母數量。19世紀時，美國各地風行「20個問題」（Twenty Questions）遊戲，遊戲規則：選擇一名玩家作為「回答者」（answerer），這個人選擇一個「主題」（subject）；其他的玩家都是「提問者」（questioner），每個人輪流問一個問題，回答者只能用簡單的「是、否」做答。遊戲中，回答者不允許說謊，提問者須在20個問題內，正確猜中「主題」，猜中者將成為下一輪遊戲的回答者，例如「想像我是一位名人，猜猜我是誰？」提問者與回答者的對答如下：「是女的嗎？不是」、「還活著嗎？不是」、「是電影明星嗎？不是」、「來自英國嗎？是的」、「是作家嗎？是的」、「20世紀的人物嗎？不是」、「19世紀的人物嗎？不是」、「是莎士比亞嗎？是的」。 玩「20個問題」的秘訣：無論答案是什麼，每次提問都要是「能排除一半人選」的問題，即每次都能提出「二分法」的問題。像這樣，將一個複雜的問題，分解成很多的小問題，使問題能更容易解決，是計算思考的重要技巧之一，稱為「拆解」。依照「模式比對與通化」的技巧，猜鮑比腦中的字母，與猜「回答者」腦中的主題，應屬於類似的問題。杜蘭一開始可以提問「這是一個A到M之間的字母嗎？」（圖3）如果答案為「是」，則可以再問「這是一個A到F之間的字母嗎？」如果答案為「否」，則改為問「這是一個N到S之間的字母嗎？」以此類推，這樣一定能在5個問題內，得到鮑比要的字母，我們還可以藉助運算法的聯想字詞，這樣將更能提升解決問題的效率 圖3. 決策樹上用來得出每一個字母的密碼 猜字母的決策樹（decision tree），能夠衍生出一個截然不同的解決方案。如果我們將圖3的「yes（是）、no（否）」以及「眨眼、不眨眼」，定義成「1、0」，這棵決策樹就能夠定義出字母的「二進位序列」（binary sequence，表1）。進行溝通時，只要使用此序列，就能找出對應的字母，例如密碼1100（眨眼、眨眼、不眨眼、不眨眼），代表F字母，亦即利用演算思考，我們最終能得到溝通的編碼（code）。 由上述可知，「演算法思考」是計算思考的核心，能幫助我們開發出解決問題的不同方法及規則；「評估」則能讓我們知道各種演算法是否可行，甚至發展出更佳的解決方法。「模式」讓問題簡化，「模式比對」則能找出類似問題的共同特徵；「通化」能讓我們使用相同的解決方法，去解決類似的問題。「抽象化」讓我們忽略不必要的特徵，將問題具體化。「拆解」幫助我們將一個複雜的問題，分解成許多小問題，使問題更容易被理解及解決。 導遊謎題與騎士之旅 底下以導遊謎題及騎士之旅，做為運用「計算思考」解決問題的實例。假設你是某旅館的導遊，住在該旅館的遊客，希望參加一個包含該城市所有景點的一日遊行程，你有一張標示市內所有景點，及不同景點之間的地鐵路線圖（圖4）。因為旅客只在這城市待一天，為了節省時間，他們不想經過同一景點兩次，所以你必須設計一條路線，帶著城市旅遊團，從飯店出發，在一天內，乘坐地鐵，遊遍地圖內的所有觀光景點，每一個景點只能經過一次，當天最後必須回到飯店，你能畫出符合旅客需求的導覽路線圖嗎？ 圖4. 導遊手上的城市導覽地圖（圖片來源） 為了探究導遊謎題的解決方法，每名學生各發一份：棋盤（圖5）、騎士（knight）棋子的移動規則（圖6）、解決方案空白紙。騎士棋子的移動規則：朝一個方向移動2格，然後轉90度，再走1格；或者朝一個方向移動1格，然後轉90度，再走2格，即走L形路線。因此，騎士自方格1出發，可以分別走至方格6、7、9。對學生提出問題：依照騎士的移動規則，在騎士之旅的解決方案空白紙上，填寫從方格1開始的移動順序，讓騎士經過各個方格一次，最後回到方格1。 圖5.騎士之旅的棋盤（圖片來源） 圖6. 騎士棋子的移動規則（圖片來源） 騎士之旅和導遊謎題非常類似，兩個問題在本質上有些相似點：(1)旅程都從一個指定地點開始，(2)旅程必須造訪每一地點，(3)旅程不可經過之前已造訪過的地點，(4)旅程必須要回到一開始的起點。我們以圖解對「騎士之旅」做進一步的分析，以圓點表示每一個方格，就像地鐵圖上以圓圈表示觀光景點一樣。當騎士依照移動規則，從任何一個圓點，走到另一個圓點時，我們就在兩個圓點之間畫上一條線，這些線就是圖解的邊。從方格1分別能夠移到方格6、9、7，我們就分別在兩者之間畫上一條線（圖7）；接著同樣依照移動規則，畫出所有從方格6延伸出去的所有線、從方格9延伸出去的所有線，以及從方格7延伸出去的所有線。以此類推，這種方法稱為圖解的「廣度優先搜尋」（breadth-first search, BFS）演算法，這種演算法，會先將同一層的所有節點，全都拜訪（visit）之後，再拜訪下一層的節點。 圖7. 「騎士之旅」在棋盤上的移動可能性 另一種選擇是探索從源頭，直到終點的一條路線，例如沿著1-9-3-11-5-7……，分別在兩者之間畫上一條線，直到終點1，如果失敗，則回頭嘗試不同路線，這種方法則稱為圖解的「深度優先搜尋」（depth-first search, DFS）演算法，這種演算法總是先拜訪最深的節點（deepest node）。廣度優先搜尋演算法和深度優先搜尋演算法，是兩種不同的「圖解遍歷演算法」（graph traversal algorithms）。 以圖解法繪製騎士的路線圖，圖上有許多交叉的線條，看起來有點混亂（圖8）。為了不讓任兩條線交叉，重新整理成比較整齊的圖形，繪製出相同對應關係，並以箭頭標示「騎士之旅」的正確路線圖（圖9），請注意正確路線不只一種。仔細觀察這個版本的圖形，發現它與導遊手上的城市旅遊地圖相同，不同的只是標記在圓圈上的標籤是數字，而不是景點名稱，只要你破解了其中一個問題，另一題也就解出來了（圖10）。 圖8. 騎士之旅的圖解 圖9. 比較整齊的騎士之旅圖解（圖片來源） 圖10.導遊謎題的解答（圖片來源） 著名的「柯尼斯堡七橋」（Seven Bridges of Königsberg，圖11）問題，是另一個可供思考的謎題。問題如下：「18世紀時，柯尼斯堡市區橫跨歐洲的普瑞格爾河（Pregel River）兩岸，河中心有座小島，島上有7座古橋，分別連接河流的兩岸，以及河流中的兩座小島，當時城鎮的居民開始思考：如何在只通過各座橋一次的前提下，走遍7座古橋？」，充滿趣味性的生活化題目，吸引無數市民踴躍嘗試，卻始終無法挑戰成功。 圖11.柯尼斯堡七橋問題（圖片來源） 1735年，瑞士數學家暨物理學家尤拉（Leonhard Euler, 1707-1783），對於「柯尼斯堡七橋」深感興趣，展開研究。尤拉利用圖解，將問題簡化為平面上的圓圈與線條之組合（圖12A），每一座橋以一條曲線或直線表示，7座橋所連接的地區，包含北岸（north bank）、南岸（south bank）、東島（east island）、西島（west island），各以圓圈表示，視為一個節點（node）。如果一個節點有偶數條線聚集，則這個節點能夠讓人從一邊進，另一邊出，符合「只經過各座橋一次」的規則；如果一個節點有奇數條線聚集，則不符合「只經過各座橋一次」的規則（圖12B）。因此，奇數條線聚集的節點必須是0或2個，若是2個，則其中一個節點作為起點，另一個作為終點。因為柯尼斯堡圖解上的4個節點，全都是奇數條線聚集，所以「柯尼斯堡七橋」無法讓人在只經過各座橋一次的前提下，走遍7座古橋。 圖12.(A)柯尼斯堡七橋問題的圖解說明（圖片來源） 圖12.(B)柯尼斯堡七橋問題的圖解說明（圖片來源） 由上述可知，導遊手上的城市導覽地圖，將所有景點以及地鐵路線無關的細節，其餘不相關的資訊全都隱藏起來，這就是整座城市的「抽象化」表現。導遊謎題與騎士之旅，都是由指定的起點前往指定的終點，途中經過其他的節點，而且只經過一次，透過「模式比對與通化」，我們能判定它們是同一類的問題，其實，電腦科學家將這種路線的圖解，稱為「漢密頓循環」（Hamiltonian cycle）。 綜合上述，計算思考不是電腦思考的方式，而是人類讓電腦完成任務時，所必須做的各種思考方法。計算思考是由許多不同的技巧所構成，電腦科學家常將這些豐富有用的技巧，以相互連結的方式，靈活地組合起來解決問題；最終，電腦科學家能以這些技巧為基礎，創造出以機器為基礎的解決方案。當演算法變為程式時，我們的生活、工作和遊戲方式都會發生改變，尤其是在發展「人工智慧」時，電腦科學家已逐漸能寫出讓機器進行計算思考的程式。至於如何運用計算思考，讓數學魔術萬無一失？人類的觀看能力來自於我們能在影像中找到邊界，那麼電腦要如何「觀看」到邊界呢？如何藉助演算法及電子設備，將科學以及數學，轉變為拯救生命的醫療科技？這些都有待您進一步的閱讀與思考！

悠遊卡

王嘉陵 圖一 揭開悠遊卡的神秘面紗~悠遊卡內含一個小晶片,感應天線 圍繞在卡片四周,圖左為一般市售悠遊卡,圖右為悠遊卡的透明圖。 圖二 悠遊卡發行量已超過500萬張, 發行速度為全球第二 圖三 台北縣市聯營公車都可使用悠遊卡, 圖為公車上裝設的悠遊卡驗票機 什麼是智慧卡 悠遊卡是一種智慧卡， 智慧卡 (Smart Card)也稱為IC 卡(Integrated Circuit Card)，是將專用的晶片鑲嵌於 塑膠卡片中，以進行資料儲存或運算處 理。隨著科技的發展，智慧卡技術也更 臻成熟，並在交通旅遊、身份辨識、出 勤管理、金融消費、醫療衛生等各方面 獲得廣泛的應用。 悠遊卡的誕生 台北市過去的交通票證是各自獨 立的，搭公車用公車儲值卡，搭捷運則 要用捷運儲值卡，停車時又用另外一種 繳費紙卡，彼此並不能互相通用，對民 眾非常不方便。台北市政府為了整合大 台北地區的交通票證，徵求民間機構共 同推動交通IC 票卡，民國91 年9 月30日，全國第一張大型交通IC 智慧卡， 於是在台北誕生。 截至今天為止，悠遊卡在短短的 時間內，發卡量已突破500萬張，發行 速度僅次鄰近的新加坡，是全球第二 名；而若以發行數量來看，悠遊卡在全 球各發行交通IC 票卡的城市中，位居 第六名，僅次於漢城、上海、香港、東 京、新加坡。 解構悠遊卡 悠遊卡屬於非接觸式IC 智慧卡， 內含一個電子晶片，大約只有一隻蒼蠅 的大小，這個晶片就如同是悠遊卡的心 臟，所有資料的管理與運算，都在這裡 進行與完成；感應線圈則圍繞在卡片四 周。持卡人以「非接觸」的感應方式， 於0.4 秒內完成資料的傳輸運算與交 易，因此無需將卡片從皮夾或口袋中拿 出，不分正反面，都能迅速完成感應， 通行無阻。 悠遊卡的外觀看起來與一般塑膠卡 片無異，但其中大有學問，悠遊卡厚度 雖然只有0.76 公釐，但可細分為五層， 其中中間層含微晶片與感應天線，其外 兩層為印刷層，最外還有兩層護膜。 悠遊卡不但在使用上便捷外，還可不斷重覆加值使用，使用次數高達 100,000次以上。與用完就必須丟棄的 磁卡相比，更具有環保的價值，並具有 多領域整合及防偽的功能。 驚天動地的0.4 秒 別小看悠遊卡感應所需的「0 . 4 秒」，在這短短0.4 秒間，可發生不少 事情。首先當卡片接近讀卡設備的有效 距離（大約10 公分）時，讀卡設備的 天線會充滿了磁場，這種磁場是一種交 流磁場，卡片的天線感應到讀卡設備的 磁場後立刻充滿能量，此一能量足以應 付接下來卡片與讀卡機間進行的驗證與 資料傳遞。 在雙方資料互相傳遞前，必須先 經過一場科技的「對話」，來驗證彼此 的身份。首先卡片先向讀卡設備發出一 訊息，設備接獲訊息後，予以回覆並再 丟一個訊息給卡片，要卡片「回答」， 像這樣經過三次反覆來回的對話後，設 備與卡片才完成驗證。完成驗證後，讀 卡設備裡的程式則會將這趟交易所花費 的金額等資料，紀錄在卡片中，進行資 料交換與扣款。 小晶片，大智慧 悠遊卡內的晶片雖然只有蒼蠅般大小，記憶體卻有1KB 。目前悠遊卡 在台北的應用範圍僅止於交通領域中的 捷運、公車與停車場，但其實卡片中的 記憶區塊仍有相當大的空間，可以作多 方面的應用。在國外，非接觸式智慧卡 除了各種交通領域外，更使用於校園、 大樓保全、公共電話、門票、便利商 店、速食店、自動販賣機、訂票系統， 甚至與信用卡結合等等，超過100種的 使用範圍，將智慧卡的潛力作最大的發 揮，更帶給使用者無限的便利。 悠遊卡近年來也努力擴展使用範 圍，在交通方面，即將試辦計程車以悠 遊卡付費、路邊停車也可使用悠遊卡 等；此外，與企業員工證結合，使員工 證變「聰明」了，集合交通、差勤紀 錄、門禁管理功能於一身；甚至與信用 卡結合，發行悠遊卡聯名卡，使用範圍 甚至可擴大到小額消費，到便利商店、 速食店、加油站等，都可以用。 悠遊卡也計畫走入校園，最近正 在進行一項學生證結合悠遊卡的試辦計 畫，參與的學校包括私立復興中小學、 東門國小、育成高中、大同高中，就是 將學生證和悠遊卡結合在一起。卡面的 正面有各校的校徽、學生的照片，背面 則是悠遊卡。這張二合一的卡片功能相 當廣泛，學生從出家門搭車，用悠遊卡 付費，到了學校，在校門口的刷卡機感 應，就可紀錄出缺勤；若要到圖書館借書，這張卡片就是借書證；肚子餓了到福利社買麵包，也可用這張卡片內的電子錢包付費。一顆小小的晶片，可發揮極大的智慧。 悠遊卡的未來 悠遊卡的晶片除了放入現在所通 用的塑膠卡片中，更可放入其他與大家 生活息息相關的物品內。手錶、鑰匙 圈、手機等等，都將會是悠遊卡未來的 新面貌，大家可以將悠遊卡更方便地攜 帶在身上，輕鬆地到各個地方悠遊消 費。發行悠遊卡的台北智慧卡公司目前 正計畫發行一款手錶，即是將悠遊卡所 使用的晶片放置入手錶中，搭車時只要 以手錶在讀卡機前感應一下，即可扣款 付費。 此外，日本發行交通IC卡的Suica 交通卡（又稱為「西瓜卡」）已計畫在 今年下半年試辦以手機搭車付費， Sony 與DoCoMo 電話公司合資成立 FeliCa Network公司，計劃二年內發行 千萬支可小額消費手機。未來晶片卡是 不是還以卡片的型式呈現在民眾的面 前，恐怕要打上一個大大的問號，只要 你想的到的，手錶、手機、耳環、項 鍊、MP3等，都可能是「新一代」悠遊 卡所展現的不同面貌。 國外的專家預估未來五年，將是 世界各地開始蓬勃發展IC 智慧卡的時 期，我們的悠遊卡也在此時，準備向更 高更遠的天際遨翔。請您握緊手上的悠 遊卡，因為它將帶您上山下海，邁向更 快速便捷的生活。 圖四 以悠遊卡通過捷運閘門,不必分正反面,也不須插入票孔 ,甚至不必拿出卡片,在10 公分的感應距離內,0.4 秒即可完成扣款 圖五 停車時以悠遊卡付費,可省去排隊繳停車費的麻煩

智慧卡的科技

林政宏 圖一 各種智慧卡（依序為健保卡、自然人憑證卡 、悠遊卡、現金卡、金融卡與校園卡） 圖二 自然人憑證卡（右）與讀卡機（左） 在歐洲，「智慧卡」的使用已經超 過十年。在我國，近年來智慧卡 （圖一）已經悄悄地進入我們的日常生 活中，例如政府積極推動的「自然人憑 證」（或稱「電子身分證IC 卡」、「網 路上的身分證」），提倡國人只要透過 一張智慧卡（圖二右）、一台讀卡機 （圖二左）就可以透過個人電腦連結至 政府機關進行戶政網路申辦服務、個人 所得稅結算申報繳稅、中華電信帳單查 詢等多項的便民措施，達到「多用網 路，少用馬路」的目標。還有過去幾年 因為一般金融磁卡被盜製、盜用的情形 過於嚴重，促使銀行業者於去年全面換 發的晶片智慧卡，標榜除了提升卡片的 安全性以外，並將金融卡、現金卡、電 話卡等多種功能集合於一卡，你可以利 用它進行提款、轉帳、打電話及購物消 費等活動。 此外，校園智慧卡集合了學 生證、借書證、門禁卡與上述金融智慧 卡的功能；還有未來的台北捷運悠遊卡 將提供包括悠遊卡、信用卡及電子錢包 等三項功能。這些都說明了智慧卡的時 代來臨了。 智慧卡是怎麼來的呢？智慧卡的 前身就是「磁卡」（圖三），最早的磁 卡可追溯到1950 年代，美國大來信用卡公司(Diners Club International)發行 的第一張信用磁卡，當時發行磁卡的目 的是為了取代現金交易，因此又稱為 「塑膠貨幣」。之後包括V I S A 與 MasterCard 等公司皆相繼發行信用磁 卡，到目前為止，信用磁卡仍是最通用 的付帳方式。磁卡雖然普遍被使用，卻 有資料安全上的缺點；磁卡的背面有一 條磁條，用來記錄個人的數位資料，不 僅記憶容量有限，且任何人只要透過磁 卡的讀卡機，就可以讀取、竄改或刪除 磁卡資料，因此一般信用磁卡容易遭人 複製與盜用。 為了解決上述磁卡的缺 點，早在1968 年德國的兩位發明家Ju rgen Dethloff 與 Helmut Grotrupp就提 出了將積體電路(Integrated Circuit)整 合至身份識別卡的想法，並獲得IC 卡 (Integrated Circuit Card , ICC)的專利； 但真正開始普及使用智慧卡， 是在 1984年，法國郵政通訊公司(Postal and Telecommunications services)推出電話 智慧卡，剛推出兩年，發行量就達到百 萬張，到1996 年，發行量已經高達一 億五千萬張。 由於智慧卡在資料保密與便利性 上比磁卡優良許多，法國銀行於1984 年推出銀行智慧卡，首先將金融服務整合在一張智慧卡上， 德國銀行也在 1997 年相繼推出銀行智慧卡。除此之 外，德國也首先將醫療保險服務整合在 智慧卡上，使用人數超過7 千萬人。那到底什麼是智慧卡呢？簡單的 說，智慧卡是一張嵌入微晶片（包括一 顆微處理器與記憶體）的塑膠卡片。如 果以智慧卡與讀卡機的溝通方式來區分，智慧卡可分為「接觸式」與「非接觸式」智慧卡，「接觸式」的智慧卡（構 造如圖四）是透過智慧卡表面的金屬接 點與讀卡機內部的接點相互接觸，以讀取或寫入資料；「非接觸式」智慧卡則 是透過隱藏在內部的天線以無線電波與 讀卡機進行資料讀寫。 智慧卡之所以優於磁卡，能廣泛應用於 各種領域，主要因為智慧卡具有以下的優點： 一、資料安全與身份識別 智慧卡所嵌入的微晶片中，包括 一顆微處理器與多種記憶體。由於製造 技術的進步，這一顆微處理器已經從早 期的8 位元CPU進步至32 位元CPU， 它被用來執行資料的加、解密程式，以 保護私人資料，有效提升資料在傳輸過 程中的安全性。記憶體（包括唯讀記憶 體（ROM）、隨機存取記憶體（RAM）與電子可抹式可程式化唯讀記憶體 （EEPROM））則用來儲存智慧卡的程 式、交易資料、私人資料與數位憑證。 其中數位憑證或生物辨識標記（例如指 紋、掌紋、聲紋和視網膜圖紋），用以 辨識使用者的身份。藉由「憑證」機 制，有效提升了網路資料傳輸、電子郵 件與網路交易的安全性。 二、服務整合 由於智慧卡製造技術的成熟與資 料安全的進步，智慧卡可整合多樣的功 能，包括身份識別證、健保卡、提款 卡、電子錢包、捷運卡電話卡與網路服 務。這項優點可以讓智慧卡使用者省掉 攜帶一堆卡片，還要記憶一大堆密碼的 負擔。 三、使用便利 傳統磁卡的使用需要透過電話線 路或網路將磁卡資料送給系統的主機才 可以確認身份並進行交易，一旦電話線 路或網路故障，磁卡便無法使用。智慧 卡只要透過讀卡機便可進行身份認證與 交易，使用極為便利。除此之外，不管 是接觸式或非接觸式的智慧卡，都不需 要電池供給電源，他們都是靠讀卡機提 供電源才開始工作，沒有更換電池的困 擾。 四、防磁功能 智慧卡所使用的製造技術，不會 受到磁場干擾而消磁，避免資料消失。 由上述可知，智慧卡不論是在資 料保密、服務整合與使用便利性等方面 都優於塑膠磁卡。根據報告指出在西元 2000 年全球已經發行超過三十億張的 智慧卡，並預測到今年底將發行超過二 百三十二億張，應用範圍從最早的電話 智慧卡擴展到銀行金融、醫療保險、交 通運輸、人員管理、網路安全、網路交 易與娛樂等方面，未來更可望整合所有 功能於一張智慧卡上，相信一卡在手， 使用無限的生活，應該即將來到。 圖三 磁卡的背面有一條磁條 圖四 「接觸式」智慧卡的構造(在金屬接點的下方， 嵌入一顆微晶片)

個人交通工具：下世代的汽車－智慧車

文/圖 黃崇明 成功大學資訊工程系教授 林士颺 成功大學資訊工程系博士生 數年前，”科技始終來自於人性”由知名手機廠商應用於廣告詞中，讓我們隨著進步的社會而更便利的使用科技發展所帶來的便利。的確，科技的進步為人們的生活帶來更大的便利性，如交通工具的發明縮短人們旅行兩地的時間、網路的發展大幅的提供資訊交流的便利性等，人們為了能更方便與快速的達到目的，因而促使科技的快速發展。在現行的技術中，車輛將只是負責運送乘客到達目的地，而在明日的科技中，”智慧車”將提供以往所未能達到的許多功能，例如：主動式安全系統、自動駕駛系統、即時車流導航資訊系統等，在電影裡的許多車輛特殊功能即將實現於明日科技中的”智慧車”。 ”智慧車”為一種不同於傳統汽車的中子，結合汽車、半導體、電子、資通訊與光電等科技於一身的車輛，其多種不同的感測器、雷達、無線通訊、攝影機等裝置，整合應用於”智慧車”上，以達到我們所需的功能。”智慧車”通常以車輛安全、舒適便利與環保節能等三個方向為主，可衍伸如下主題。 別小看我，我可是新一代智慧車喔! 安全防護 車輛的安全性始終為車廠與駕駛者所關注的問題之一。以往所追求的目的是透過許多技術以提高車輛的安全性，未來的科技將更進一步的在事故可能發生前即產生動作。例如，在主動式防碰撞系統中，車輛利用裝配於車輛上的裝置所提供的資訊進行運算，在事故可能發生前即可警示駕駛者或產生相對應的動作（如自動減速）等，降低事故發生的機會。 危險碰撞，請減速 一、便利駕駛 未來的”智慧車”將提供更完整豐富的功能，以減輕駕駛者的負擔，其中一種以無人駕駛之智慧車目前正持續的研發中。此智慧車提供語音或觸控螢幕讓使用者輸入目的地，再依即時的車流量資訊選擇最佳的路線，將乘客以自動駕駛的方式安全的運載至目的地。更炫的是，到達目的地後還能依控制器對它說：夥計，自己去找停車位。當然，你也可以在逛街或工作結束之後，再以控制器對它說：夥計，來接我吧！ 夥計，來接我吧! 好的，3分鐘內到! 二、即時導航 既往的車輛導航系統，依全球定位系統（ GPS ）將車輛的位置定位後顯示於螢幕上，並依所設定的目的地，找出較佳的導航路線。 雖然如此便利，卻仍是不足夠的。未來的即時導航系統，在尋找導航路線時，將同時考量車流量與擁塞等訊息，避免將車輛導航至塞車路段，讓駕駛者可以快速的到達目的地，同時降低廢氣污染以達環保節能之目的。 繞道，躲避塞車 三、車間通訊 “智慧車”能提供以往所無法達到的許多功能，為了達到這些功能，彼此交換車間訊息是需要的。除了行車資訊的傳遞與交換，”智慧車”更能透過車間通訊等方式，讓操作者能在車輛上連接各種不同的網路。目前車間通訊的發燒話題以結合通訊（ Telecommunications）與資訊（Informatics）之車用資通訊（ Telematics）技術為主。 嗨!你知道往動物園的路況嗎? 喔!高速公路塞車，你最好走平面道路! 四、環保要求 地球因空氣汙染而變的一年熱過一年，因此對於環境保護，”智慧車”將以零汙染、零排放的電力能源做為動力系統。智慧車於日光充足時，利用太陽能電板進行電力補給，而電力微弱或夜晚時，則可利用家用電源補充電力。此外，為了便利使用者，不需要電線的”無線充電系統”也將使用於智慧車上，因此只需將車開回車庫中（不需直接連接電源）即可自動的為車子補充電力。 無線充電 五、延伸應用 除了本身能提供的服務與功能外，”智慧車”能擴展應用領域。例如結合智慧型運輸系統（ Intelligent Transport Systems , ITS ) ，以提升先進交通管理服務、先進旅行者資訊服務、先進公共運輸服務、先進車輛控制安全服務、商車營運服務、緊急事故支援服務、電子收付費服務、資訊管理系統、弱勢使用者保護服務等九大領域。 結論 為了更快速的到達目的地，為了有更安全的行車環境，”智慧車”因需求而產生，並提供以往車輛未能達到的功能。今日，車輛中不可思議的功能只能出現於電影中；而明日，科幻電影中車輛的炫麗功能也將可能逐步實現。你是否也以天馬行空的無限創意，為智慧車提供更多的想法呢？

個人交通工具：探索未來車的能源

文/黃明輝 人類文明與能源及運輸工具的關係 古代人類的生活中，最重要的活動就是製造與取得食物。農業時代裡，以牛馬耕田，幫助製造食物；以牛馬駱駝等運送食物，因此缺糧的都市也可以從糧食產量豐富的鄉村得到食物。支持活動的能量都來自太陽 。水要靠太陽的蒸發，才能完成海洋 → 雲 → 降雨 → 河流 → 海洋的循環。有了水及陽光，植物才能生長，提供動物當食物。植物又可當燃料，用來烹調食物與製造器具。因此古人早就是生活在綠色太陽能的時代了！ 18世紀末期蒸汽機的發明，使得人類可以用更廉價的蒸汽機動力取代牛馬的獸力與奴隸的人力，19世紀的鐵路與火車，取代了18世紀的驛站與馬車。人類活動的範圍經由鐵路連接成線。20世紀發明了更方便、更有效率的內燃機（汽油或柴油引擎），逐漸取代蒸汽機的地位。小型的內燃機可以裝在小型的車子上，汽車大量增加，加油站與公路到處出現，形成四通八達的交通網。輪船與飛機同樣使用內燃機，海運與空運變得更快速、更便宜。人與貨物都可以更方便地移動，地球村與全球化經濟的形式才得以出現。 圖一:古代人類以人力及獸力耕作與運輸糧食，使用的就是太陽能量。 圖二:十八世紀以來，人類開始使用機械幫助農耕與運輸。現在農業主要依賴石油提供的能源。 石油危機 蒸汽機使用煤炭，內燃機使用石油，人類大量開採這些遠古動植物埋在地下所遺留下來的有限的化石燃料 。20世紀末期，石油發現量出現高峰，未來能開採的數量只會越來越少。這種石油即將用盡的危機威脅著人類生活的每一層面。 以人類賴以為生的現代為例，大量使用的農藥與肥料、抽取灌溉水、各式農耕機具的油料、運送食物與肥料的車輛、冷凍冷藏食物的電力等等都需要使用到化石燃料。估計製造食物過程中，來自太陽的能量只有不到10 %，其餘90 % 都來自化石燃料！可想而知，只剩下太陽能的話，製造與運送食物的產能將降為現在產能的十分之一！能支持的人口數將只有現在的十分之一，相當於回到16世紀的人口數！這種食物銳減的現象，將對社會造成巨大的破壞，例如以戰爭等方式，讓人口大量下降。但這是大家最不樂見的大悲劇。 人類的智慧就在於用科技解決問題。農藥可以用有機耕作與生物科技取代；肥料與灌溉水可以用回收解決；電力可以用核能與其它再生能源生產；最後一個交通運輸的問題，則可以改用電動車。人類文明的未來並不黯淡，只是需要大規模的改變人類的生活方式。 圖三:燃料電池的原理。氫氣與氧氣在燃料電池內反應產生水蒸氣與熱，同時釋放電流。 電動車的形式 大家都玩過玩具電動車吧！有沒有注意玩具車經常需要換電池，或者充電？電動車的續航力（一次充滿電可以行駛的旅程）決定於電池的能量與車重，因此電源是電動車能否成功的關鍵！以下按照電的來源，將電動車分成幾種形式介紹。 一、油電混合動力車：使用汽油引擎與電動馬達兩種動力。以汽油引擎提供啟動時及高速行駛或爬坡所需的動力，市區低速行駛時可以用電動馬達。煞車時可以用電動馬達當成電磁煞車；此時馬達變成發電機，產生的電力回充電池，達成節能的目的。油電混合動力車只是過渡時期的辦法，可以避免電動馬達起動無力與續航力短的缺點。 一、油電混合動力車：使用汽油引擎與電動馬達兩種動力。以汽油引擎提供啟動時及高速行駛或爬坡所需的動力，市區低速行駛時可以用電動馬達。煞車時可以用電動馬達當成電磁煞車；此時馬達變成發電機，產生的電力回充電池，達成節能的目的。油電混合動力車只是過渡時期的辦法，可以避免電動馬達起動無力與續航力短的缺點。 二、蓄電池車：只使用蓄電池提供電力。雖然現在已經可以製造蓄電池車，但因為上述電池重量與續航力互相排斥的缺點，及充電站不便利的關係，使得推廣不易。 三、燃料電池車：燃料電池是一種將燃料直接與氧氣反應產生電的電池。燃料電池車可以使用液態燃料（例如乙醇）或加壓的氣態燃料（例如氫），就像現在的車子使用汽油或天然氣一樣。這些燃料電池每公斤能提供的能量是鉛酸蓄電池的30~100倍，或是鋰離子電池（筆記型電腦或手機的電池）的3~10 倍，可以達到跟汽油車一樣的續航力。當燃料用完後，補充燃料就像現在加油或加氣一樣方便。因此燃料電池車被認為是未來車最可能的型式。 圖四:燃料電池車的簡圖，以氫氣進入燃料電池發電，電再使用電動馬達轉動，驅動車子運動。 氫燃料電池車的原理與釋疑 燃料電池有許多不同形式，其中一種使用將氫作燃料。氫燃料電池車排出氫燃燒變成的水蒸氣，沒有溫室氣體等廢氣。由於這些因素，氫燃料電池車被認為是未來車最好的選擇。 不過不排廢氣的特性常讓人誤解為「氫是潔淨能源 』 ！其實這六個字裡面有兩個誤解。首先：氫不是能源 ，而是能源的攜帶者。氫猶如傳送信件的郵差，信件才是傳送的能量。氫是自然界最輕最活潑的元素，一般氫原子都跟其他原子結合成穩定的分子。當製造氫的時候，得加入能量分解含氫的分子。氫進入燃料電池後跟氧結合，再將儲存的能暈釋放出夾來。 其次，氫是不是潔淨跟產氫的過程有關，以電解產氫為例，電力的來源若是來自火力發電或者是核能發電，則由這兩種高汙染性的電源所生產的氫就是骯髒的！目前潔淨電源只佔不到 2 % ，用電解產氫並非潔淨的方法。其他工業產氫的方式都使用石油產物，故也同樣是骯髒的。使用骯髒的氫只是把污染源由汽車移到發電廠。只有在未來，大量使用再生能源時，氫才會是潔淨燃料，才能真正的降低空氣汙染。 遠景 交通運輸是製造與運送食物的關鍵，影響著人類的生存與生活。當石油耗盡後，汽車可能都得改成電動車。沒有了石油，人類必須恢復到17世紀以前以太陽能為主的生活。許多新科技可以使人類更有效的運用太陽能。例如使用再生能源，來製造氫氣，然後在車上的氫燃料電池發電，提供馬達電力驅動車子。類似的燃料電池技術也可以運用到輪船或者螺旋槳飛機上。這些技術仍舊在迅速的發展中，可能現在的小孩長大成人時就可以看到實用的產品了！到時候，人們互相鼓勵時，可能會說「加氫」而不是「加油」了喔！

個人交通工具：四種運用在汽車的新能源科技

文/李明奇 汽車已是現代文明不可或缺的交通工具，既用在工作也用在休閒；然而面對能源日漸短缺，世界先進國家無不絞盡腦汁，研發設計降低能源消耗或使用替代能源的汽車。台灣的汽車廠牌繁多，多數經由歐、美、日等國家母廠複製生產。一直到近期，才有裕隆研發自製一款純正台灣製造的車輛 LUXGEN。台灣先天缺乏能源，絕大部分資源須仰賴進口。所以對降低能源消耗或使用替代能源的汽車愈來愈重視。以下介紹四種運用在汽車的新能源科技： 四種運用在汽車的新能源科技 一、生質酒精 生質酒精就是乙醇，和石化生產的乙醇一樣，差別在於原料的不同 。生質酒精是利用微生物發酵把生質（甘蔗、高梁等）中的醣分轉化而成的酒精。由於生質來自生物的非石化有機物，一般所說的生質常是植物藉由光合作用產生的含碳化合物，生質酒精和汽油混合成為汽油的替代燃料，可在不改變現有汽車引擎的情況下使用，完全取代汽油做為汽車燃料。使用生質酒精的辛皖值較高且燃燒乾淨 。此外，汽車引擎燃燒的酒精是由二氧化碳經植物光合作用轉化的生質而來，在整個系統中循環利用二氧化碳，對系統外的二氧化碳淨排放量是零。 二、油電混合 車輛以兩種不同動力形式驅動就叫混合動力車。初期只有天然氣（俗稱瓦斯）與汽油混用的雙燃料車，不過因兩種能源都需外加，所以比較沒效率。目前已發展到油電混合。 油電混合動力車兼具引擎和馬達，而有下列兩者整合後的特性： 1. 引擎動力：高速行駛時，由引擎提供行駛動能，同時透過馬達為轉介，將電力儲存到電池中。 2. 充電：當踩煞車時，煞車盤摩擦熱能轉變為電能，透過馬達儲存到電池裡。 3. 電池動力：汽車在市區低速行駛時，由電池提供馬達能量，驅動車輛前進，此時引擎不會運轉。 在台灣，油電混合動力車，目前以豐田 PRIUS 最具代表性。 加油站 三、電動車 電動車係純粹以電池為動力來傳動之裝置，現今已普遍運用於電動機車，但是電池的使用有衰竭期，換新的費用亦相對較高，再就是充電不方便及時間長，又續航力及馬力的提升，也存在著許多問題，尚待突破。 四、氫氣能源 科學家已研發出一種方法，把鋁鎵合金加水，就會產生純氫，供驅動使用燃料電池的電動汽車馬達或內燃機，相信以後可用來取代汽油引擎。因為氫燃燒時只會產生水，所以是乾淨的燃料。 現在日本本田汽車公司已開啟新的生產線，將量產氫燃料電池汽車 FCX Clarity。這款車以氫、電混合動力驅動，只排水蒸氣，不排放二氧化碳，燃料效率比傳統汽車高出三倍，也比目前當紅的油電混合動力車高兩倍。填充一次氫燃料電池可行駛約 620 公里。 FCX clarity 將以租賃方式在美國加州推出，租期三年，每月租金約 600 美元，其中還包括保養及維修費用。許多好萊塢明星已迫不及待，等著擁有這款環保車。而本田預計三年內生產兩百輛供應市場。 科技日新月益，但科技必需要合乎人性，才能被廣泛運用，汽車的能源科技也一樣，必須獲得多數人的認同，以及大環境的搭配，才能產生效益。身為汽車消費者和生產者的我們，面對能源逐漸缺乏、環境高度汙染的當下，在汽車的選用方面必需把節能減碳視為重要因素。

數位教材融入自然科教學

文/劉淑惠 嘉義縣中埔國中教師 這學期開學時，得知每班教室都配有單槍投影機及電腦，非常高興，這是我 10 年前的理想教學環境，如今終於實現了！在此容向我大家分亨 『 數位教材 』 如何融入我的自然科教學。 『 觀察和實驗是科學方法中最基本和最重要的步驟』是自然課本第三冊第一章中的句話！為了讓剛接觸理化的學生對這句話有 『 感覺 』 ，我把曾經執行過的教育部科教專案成果與指導過的科展內容融入教學。 首先教學生製作『 鄒族的風笛 』 它的材料非常簡單：一根冰棒棍及一條線（棉線或縫衣服的線，只要是單股的線都可以試試看）；先在冰棒棍的邊緣鑽洞。將棉線的一端綁在冰棒棍上，再將棉線的另一端綁在筷子或原子筆上，風笛就做好了！（如圖一~圖三）為了教學的方便，可以將這三張圖製作成簡報檔的數位教材，再利用單槍，可以更方便讓學生清楚了解風笛製作的過程。 圖一 在冰棒棍上鑽洞 圖二 棉線一端綁在冰棒棍上 圖三 再將棉線的另一端綁在筷子或原子筆上，風笛就做好了! 4W1H What---什麼是風笛？你看到什麼？你聽到什麼？ When---何時會使用？ Why---為何它可以發出聲音？ Who---誰可以（會）甩風笛？ How---如何做支風笛？ 圖四：如何甩風笛、要學生思考的問題製作成數位教材正在甩風笛、風笛鳴，可景示或趕鳥 不僅如此，在簡報檔的數位教材中，我還請學生將風笛甩甩看（如圖四的左圖），請他們 『 觀察 』 ，你聽到什麼？看到什麼？然後帶學生去提問：什麼是風笛？何時會使用？為何它可以發出聲青？為何有時不會發出聲音？誰可以甩風笛？等，數位教材使我的教學更有效益。 圖五 製作數位教材介紹台灣的原住民 圖六 製作樹為教材簡介鄒族的分布認識鄒族 由於本校是位於阿里山山腳下的國中，每年都有原住民的學生前來就讀；對大多數的師生而言只知道他們是原住民，少數的人或許知道他們屬於鄒族，但是對於「鄒族」的認識不多；九年一貫新課程的基本內涵之一是在培養學生了解自我、尊重與欣賞不同文化、具有鄉土意識。所以我製作數位教材簡介台灣有哪些原住民？哪些地方有鄒族？（如圖五及圖六）介紹風笛對鄒族而言早期是用來傳遞訊息用，如今則將它當作童玩或趕鳥器、或每年生命豆祭的開幕用。不僅如此，我還將錄製的 DV 數位檔放在簡報檔中（如圖四的右圖）播放給學生看，介紹如何將風笛這個題材變成科展的題目：『 風笛為何會發出聲音？在怎樣的條件下會發出較大的聲音？ 』 進一步來看，因為我教的是國二的學生，他們已有 『 變因 』 的概念，所以我會製作並說明如何進行測量的數位教材，使得學生進行測量時要重視實驗的嚴謹性；例如影響風笛聲音大小的因素有哪些？如何控制變因、操縱變因？如何設計實驗來 『測量』 聲音的大小？遇到哪些問題？如何解決問題？等（如圖七）。 圖七 將研究風笛的過程與所遇到的問題製作成數位教材 其實上述的數位教材就可以跟學生介紹可參加的科展種類與條件：即每年四~五月可以參加各縣市的科展，如果取得代表權之後，可以參加七月底的全國科展；若有興趣的學生可再挑戰隔年二月的台灣國際科展，一旦取得代表權之後，更可代表台灣去其他國家參展或去美國參加 ISEF 比賽哦！只要取得台灣的代表權，便可保送任一所高中職。希望藉由這樣的數位教材製作，讓學生在自己心中撒下科學研究的種子。 我教書才十多年了，早已有自己的教材，這學期又製作簡報檔的數位教材，這過程雖然很辛苦，還得花更多時間備課，但是非常值得 。因為透過手寫板與無線滑鼠，可以一邊走動一邊教學，隨時可以檢查學生是否專心上課；再加上事先做好的數位教材，可以讓自己上課時的思緒更有條理，還可以大大提升學生的學習效果。不但如此，即使自己的身體較累時，透過事先已做好的數位教材，還是不會影響教學的品質 。 這幾年，書商提供教學簡報檔與相關的圖片檔，可以省去不少圖片翻拍時間，如果再善加利用網路搜尋找到自己需要的數位教材，那麼製作有用的數位教材是值得大家來努力的目標！ 圖八 將可參加的科展的過程製作成教材與學生分享

小而美的奈米世界

文/中央研究物理所 鄭天佐 奈米是十億分之一米的長度單位，一般人把研究 0.1至100奈米材料結構之物理化學性質的科學稱之為奈米科學，而應用這些材料特有性質的技術就叫做奈米技術。奈米科技是新名詞卻非新領域，自然界到處是奈米大小的顆粒，生物分子尺寸也都在奈米範圍，生物是高效率軟物質奈米機器的高密度聚合，而枚們在奈米材料的研究也因高分辨率顯微鏡的發展而早已開始。可惜我們對奈米材料之物理化學性質的瞭解仍然非常有限，急需發展奈米科技來製造、操控、量測和應用這類材料。 工業產品的大小尺寸逐年減小，其中以資訊產品最為顯著，半導體元件內的結構現在已經小到 90 奈米左右，按以往的縮小趨勢，則再撐不過十年現用的物理原理和製造方法都會失效。舉個例子，電晶體氧化矽層單薄到奈米尺寸便會因失去絕緣性而喪失功能， 1999年『自然』就以聳動的字眼「矽工業是否快到窮途末路？」來報導此項研究成果。如果我們不及時發現新製程和運作原理，半導體工業可能很快成為夕陽工業，而我們「綠色矽島」的美夢也將破碎。 1959年費曼已提出用5x5x5個原子當作一個記憶禮位元的構想，如此則整部大英百科全書可儲存在針頭上。1990年IBM科學家成功的用掃瞄穿隧顯微鏡來搬動表面原子，把它們排列成不同字樣和形狀，從此奈米科技不再僅是科學家的幻想，又因這種研究刻不容緩，它很快成為各國競爭的熱門研究領域。既然我們都已經能搬弄單原子，為何不發展原子科技而只談奈米科技呢，原因在於若材料結構太小，其熱穩定性太低，難以應用在器件上，奈米結構是在室溫下有可能穩定的最小材料結構。 傳統製造微小材料結構的方法很多不勝枚舉，主要可分為自然成長或自行組織法和人為製造法。前者在尋找有利的物理狀況，讓原子分子自行合成不同的大分子或奈米結構，然後又讓這些結構自行組裝成週期性的大組織，而後者則以人為的技術刻畫單一結構，或用微影刻畫術製造大量奈米結構。最近奈米科技進步一日千里，去年IBM 科學家發展出「千足」記憶體新技術，可把25張 DVD資料儲存在郵票大小的塑膠膜薄片上。奈米科技是尖端科技，其進步有賴我們對單一和多數奈米材料結構特殊物性的瞭解，這種材料有很多新的性質可用來解決現有困難，例如量子線沒有電阻，它應可減輕高密度高容量電子器件中的能量消耗和發熱問題，可惜連結的電阻還無法消除。 奈米科技在傳統工業產品的改進上更容易看到成果，化學家早就知道合金觸媒顆粒愈小其活性度也愈高，孔洞性材料奈米大小的孔洞用來選擇並促進某特定化學作用，化學工業界看好這種觸媒劑。合金中只要摻雜某些雜質或故意製造奈米晶體缺陷，其強度、可塑性和抗腐蝕性都會大幅增加，這種技術也已被用在航太等工業上，奈米薄膜和複合材料的用途更為廣泛。科學家也成功的根據奈米科學製造奈米金顆粒染料，顏色可藉金顆粒大小來調變。利用有吸收紫外光性能的奈米顆粒，我們可以製造防曬化妝品和消毒劑；奈米顆粒表面和液體之間的張力性質，可利用來製造防借髒塗料和薄膜：金屬氧化物奈米顆粒在紫外光照射下能促進分子的分解，因而具有殺菌和消毒的功能。結合分子作用的知識和晶片製造與微機電技術，科學家正在發展各種有超高靈敏度的檢測用生物晶片，用以檢查疾病和偵測毒品。小的好處是靈敏度高，只要幾個分子便能偵測到病原或特定分子，也不必費時做細菌培養，因此在短時問內就能完成測驗。 前面提到生物分子尺寸都在奈米範圍內，這些分子都有很靈巧的機能，連生命現象都可藉此而生。既然生物是軟物質高效率奈米機器的高密度組合，當大家對奈米科學和技術有莫大期待時，對生物系統的了解不只是新知識的追求，也可從此學習製造和利用奈米機器的原理和方法。誠然我們離運用生物奈米機器甚遠，生物奈米系統的探討卻是非常令人振奮的事，在這裡我只介紹一項生物界的重大進展。 生物有一特微異於非生物，那就是生物有不少可以轉換化學能為機械能的軟物質奈米機械，其中之一是三磷酸腺 A TPase。這種分子馬達的轉動機制早在 1970年代就已開始研究，1997年日本科學家用極為巧妙的方法把馬達分子吸附在薄膜片上，並使長約1000奈來的 Actin fillament 自行附著在分子馬達的轉軸上，然後用光學顯微鏡直接觀察馬達轉動的影像，認明了 ATPase的確會轉動和它轉動機制理論的正確性。發現該分子馬達和提出並驗證轉動機制的三位科學家因而在同年榮獲諾貝爾化學獎。這個實驗發表後不久就被康乃爾大學奈米生物技術研究團隊用來製造生物分子奈米機器，他們讓 ATP 分子自行吸附在以電子刻畫術製造出來的排列整齊的鎳底座上，又用電子刻畫術製造不少長約 750 奈米寬 150 奈米的鎳棒，鎳棒在溶液中會自行吸附在馬達的轉動軸上。用光學顯微鏡便可看到鎳奈米棒被馬達帶動的影像，這實驗無疑開啟了生物奈米馬達驅動人造奈米磯器的先驅，至於有何實際用途則還需思考和研究。 除了生物分子應用到人造奈米磯器外，被認為更快有應用前景的反而是人造奈米磯器在生醫的應。生物晶片的目的和種類繁多但不外乎是想利用矽晶片製造技術大量製造可用來做疾病偵測用的超微小高靈敏度器件。用同一原理科學家也想製造奈米偵測器以偵測各種極微量的化合物或有毒物質，及用來做各種生理量測之用。這是奈米科技他必然趨勢，但是奈米材料的發展可能都是漸進的，很難想像這些工作會忽然產生一波新的產業革命。資訊技術的市大發現很可能是突破性的，就像半導晶體效應的發現帶動了資訊產業的革命一樣。 產品小還有很多其他好處： 一、製造所需材料少，產品輕便也少佔用空問。 二、製造和運轉所需能量少，既節省能源又符合自然環境的保護和生態的保育。 三、小結構有更高的效能，活性度、靈敏度和密度都可大幅提升。 四、現在世界上不到百分之二十的人口有經濟能力享受高科技的成果，產品小而便宜能使更多的人受惠，同時也少破壞環境符合人類永續發展的需求，所以奈米科技小就是美。 傳統文化崇尚高與大，大房子和大車子代表豪華和氣派，在人口不斷膨脹的今天，以有限地球資源，往小發展更能滿足人類永續發展條件。也許奈米科技的推動也能促使我們學會享受精緻的小而美的生活方式，也因此奈米科技的世界是「小而美的奈米世界」。

晶片IC卡的應用

王嘉斌/國立臺灣師範大學助理教授 什麼是 IC卡 IC 卡指的是在一般的塑膠卡片加上一個晶片，晶片內可能包含了記憶體（ memory ）、控制邏輯（ control logic ）、微處理器（ CPU ）以及卡片作業系統（card operating system ）。逐年來由於微處理器的運算速度提升，記憶體的容量增大，以及 IC 製程成本降低，使得 IC 卡的功能日益強大而價錢卻愈來愈便宜，在日常生活中的應用也更為廣泛，包含了金融交易、電信服務、交通運輸、門禁管理和醫療服務等各式各樣的應用，可以說我們現今的生活是離不開 IC 卡的。 記憶憶卡與智慧卡 一般而言 IC 卡可分為「 IC 記憶卡」及 「IC 智慧卡」。「 IC 記憶卡」如圖一所示，晶片內只有記憶體和控制邏輯可用於記錄資料，相較於一般磁卡具有更高的安全性及更大的儲存容量。生活中有許多 IC 記憶卡的使用範例，比方說 IC 公用電話卡，其記憶體空間可以用來儲存預付金額以及數隻常撥電話號碼。另外一種「 IC 智慧卡」如圖二所示，其晶片上有記憶體、微處理器以及卡片作業系統，除了可以提供資料讀寫的功能外，還能提供運算功能並搭配週邊設備做各種資料處理。例如 IC 金融卡可以經由其晶片上的 CPU 進行密碼認證以及資料加解密的運算，被透過與周遭設備 ( ATM 提款機或讀卡機）的資料送收進行後續的金融交易，例如提款、轉帳、餘額查詢等。 圖一 IC記憶卡 圖二 IC智慧卡 接觸式與非接觸式 IC卡 從 IC 卡的讀寫介面來看可將 IC 卡分為接觸式（ contact ）以及非接觸式 （ contactless ）兩種。前者是利用晶片的金屬接而和讀卡機接觸以進行資料的讀寫，安全性較高，適合於電信、金融以及醫療方面的應用，例如手機的 SIM 卡、 IC 金融卡以及健保卡就是屬於接觸式 IC 卡。後者是利用線圈感應的方式以無線電波進行資料的存取，使用者只須將卡片靠近讀卡設備的感應範圍內即可，方便性較高適用於交通運輸、出勤管理與門禁管制方面的應用，例如悠遊卡、員工識別證與門禁卡就是非接觸式 IC 卡。 IC卡在日常生活中的應用範例 IC 卡在日常生活中的應用相當廣泛，包含了金融交易、電信服務、交通運輸、門禁管理和醫療服務等，我們現今的生活可以說是離不開 IC 卡的。以下我們簡單說明幾種常見的 IC 卡應用。 一、金融交易 目前國內的銀行絕大多數均發行 IC 金融卡，其功能主要有下述幾種： 1.提款、轉帳及餘額查詢等金融服務 這部份的金融服務是原本磁條式金融卡就能夠提供的功能，如今藉由晶片卡提供之，能夠經由加密運算加強資料的可靠性和安全性，以有效避免卡片被偽造或個人資料被竊取。 2.電子錢包 消費者可以透過圈存（加值）的方式，將銀行帳戶內的錢提轉一部份金額（大約 500 元至 10000 元之間）放入 IC 金融卡晶片內屬於電子錢的區域，便可拿此金融卡至有電子錢標誌的特約商店購物消費或是加油。此種消費行為是屬於預付型的，和使用信用卡的事後付款類型不同。 3.電信服務 目前我們使用的手機都會搭配一張使用者身份識別卡 SIM ( subscriber identity module ) ，每次開機時都必須輸入 PIN 碼以確定使用者身份。電信業者是根據使用此 SIM 卡而非手機本身的通話時間進行計價。 SIM 卡能夠對通話的內容進行加密以維護資料的安全性，避免通話內容遭人竊聽。 SIM 卡上面還能儲存通訊錄以及通話記錄等個人資料，當換手機時這些資料可以一起移轉，使用上更具便利性。 4.交通運輸 目前我們所使用的悠遊卡可以透過儲值的方式將車費預先儲存在晶片內以方便搭乘捷運、公車、火車及計程車等交通工具。悠遊卡使用非接觸式的讀寫介面，使用者只須將卡片靠近讀卡設備的感應範圍內即可快速通過。 5.出勤管理/門禁管理 現在許多學校和公司行號都使用 IC 卡做為身份識別以進行出勤和門禁方面的管理。較重視安全的單位還會在 IC 卡上結合不易偽造的生物辨識特做例如指紋、掌紋、聲紋、視網膜和人臉做為更安全的身份識別。 6.醫療服務 現在上醫院看診均需使用健保 IC 卡。健保 IC 卡記錄了個人的醫療歷程，醫生可以透過其瞭解病人過去的看診記錄，對於診療的判斷將更有幫助。健保 IC 卡所提供的資料數位化功能也可以讓政府醫療單位以及醫院方面簡化管理的流程，降低人為操作的疏失並有效保存資料醫療。 一卡在手，方便無窮 除了上述的應用之外，舉凡網路報稅(自然人憑證)、網路銀行和電子商務等也都是 IC 卡的應用。目前有些 IC 卡已經整合不同應用在同一張卡片上，在其晶片上劃分不同區域以掌管不同的功能 。如此一來便可以減少卡片的數量，攜帶上也更為方便。例如現在許多學校的學生識別證，就搭配門禁管理和悠遊卡的功能。部分銀行與電信業者合作，在其 IC 金融卡上同時提供提款轉帳的金融服務以及打電話的電信服務等。在不久的將來，部分手機裡的 SIM 卡將會和悠遊卡和大樓門禁卡結合，使用者只要機帶手機就可以同時搭捷運和進出家門。未來的趨勢是生活中各式各樣的服務將會同時整合在一張卡片上，屆時只需攜帶一張卡片出門即可，相當的便利，且讓我們拭目以待。