泡麵為什麼總是彎的－136個廚房裡的科學謎題
文
白榮銓 /臺中市居仁國中退休教師
現代人不只喜愛享用美食，更想了解鍋具及食物的「物理性質與化學性質」，例如如何挑選鍋具、食品營養標示上脂肪（fat）含量的疑義、脂肪的性質以及對人體健康的影響。另外，人們還想進一步了解與烹飪相關的「物理變化與化學變化」，例如：加入「生馬鈴薯」（raw potato）是否能拯救一鍋較鹹的湯？梅納反應（Maillard reaction）與焦糖化（caramelization）對食物色澤及風味有何影響？
本書作者沃克（Robert Wolke, 1928-）是美國匹茲堡大學（University of Pittsburgh）榮譽化學教授，曾為《華盛頓郵報》（The Washington Post）撰寫「美食101」專欄（Food 101），長達10年，而且是多本暢銷科普書籍的作者。沃克曾獲得詹姆斯比爾德基金會（James Beard Foundation）最佳報紙專欄獎，以及國際烹飪專業人員協會博特葛林獎（International Association of Culinary Professionals ' Bert Greene Award）的最佳報紙飲食寫作獎。本書彙整了沃克回答餐廳大廚和《華盛頓郵報》專欄裡讀者詢問的一百多個問題，每一個問答單元都是獨立的，不需具備深奧的科學概念就能閱讀，有些主題是相互關連，有助於增進讀者的理解。
為什麼吃剩的義大利麵，不要用鋁箔覆蓋？
《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：家中吃剩的義大利麵用鋁箔覆蓋，放入冰箱裡，當拿出來加熱時，發現鋁箔紙與義大利麵醬料接觸的地方，竟然出現小洞，為什麼？難道這是因為鋁箔，被番茄醬裡的檸檬酸與其他有機酸侵襲，還是另有其他原因？
只有裝剩菜的容器是金屬製（例如不鏽鋼鍋或不鏽鋼碗）的時候，番茄醬才會腐蝕蓋在上面的鋁箔，如果容器是玻璃或者塑膠製的，就不會發生這種情況。當鋁接觸到另一種金屬，以及番茄醬那樣會導電的物質，這三種物質的組合就構成了電池。腐蝕鋁箔不是單純的金屬與酸作用，而是電的作用，更精確地說，這是電解反應。
1780年，義大利的科學家賈法尼（Luigi Galvani, 1737-1798）在偶然的情況下，以銅製的解剖刀，碰到置於鐵盤內的青蛙，青蛙立刻發生抽搐現象，激發青蛙肌肉產生運動的力量，賈法尼稱之為「動物電」（animal electricity）。1791年，義大利的科學家伏打（Alessandro Volta, 1745-1827）認為這只是青蛙在兩種金屬之間傳導電流，他稱之為「金屬電」（metallic electricity）。1800年，伏打將含有濃食鹽水的濕布，夾在銀板與鋅板的中間，然後依照「銀→布→鋅→銀→布→鋅……」的順序，堆疊成一堆圓柱，最後以導線連接最上層的銀板，與最下層的鋅板，成功地製造出最早的化學電池，稱為「伏打堆」（voltaic pile，圖1）。
圖1. 伏打堆(圖片來源)
這可以解釋「為什麼鋁箔與番茄醬接觸的地方會出現小洞」，這是因為不鏽鋼碗的材質大部分是鐵，鐵和鋁具有不同的氧化活性，鋁的氧化活性大於鐵，所以有機會時，不鏽鋼碗的鐵原子，會從鋁箔搶走電子，而番茄醬正好提供路徑，使得電子從上方的鋁箔，轉移至下方的鐵碗。失去電子的鋁不再是金屬的鋁原子，它成為溶解在番茄醬裡的化合物，所以只有在番茄醬造成電子轉移可能發生的地方，才能看到鋁箔溶解。若將不鏽鋼碗，改為塑膠碗或玻璃碗，則覆蓋的鋁箔就不會因電解作用而產生小洞。
厚重的煎鍋品質比較好？
《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：我想買高品質的多用途煎鍋（general purpose frying pan），但是市面上的產品種類繁多，我應該如何挑選？
理想的煎鍋應該具備底下的條件：
（1）爐火的熱可以均勻分布煎鍋表面，
（2）迅速傳熱到食物，
（3）對爐火的調整做出迅速反應。
這可以歸結到兩個性質--厚度與導熱性，亦即應該找尋較厚的、能夠高效率導熱的金屬鍋。如果把室溫下的食材，放進高溫的單薄煎鍋時，食材會從金屬吸收足夠的熱，使鍋子低於最佳烹飪溫度。除此之外，爐火的熱會在還沒擴散之前，就透過單薄煎鍋的底部抵達食物，造成食物的特定區域燒焦，但是厚重的煎鍋，卻能在這些變化的情況下，保持較穩定的烹飪溫度。
最關鍵的還是鍋子的導熱性，為什麼好的煎鍋必須具備高導熱率（thermal conductivity）？有三個原因，如下：
（1）煎鍋必須迅速有效地傳熱到食物，在傳熱很慢的玻璃或陶瓷鍋具，幾乎不適合煎炒食物；
（2）煎鍋的表面要處於相同溫度，即使爐火不均勻，高導熱的鍋底會迅速扯平這些不均勻性，讓食物受熱均勻；
（3）煎和爆炒需要不斷地保持食物處於特定溫度而不燒焦，所以必須時常調整爐火，而高導熱率金屬製造的煎鍋，幾乎能對爐火調整，很快地做出反應
煎鍋有不同的材質，例如銅，鋁和不鏽鋼，各自有其優點，可以透過層疊金屬（layering the metals）的技術加以組合，例如使用銅底（copper bottom）、鋁芯（aluminum core）以及不鏽鋼內部等三層，組合的煎鍋（圖2）。層疊金屬的鍋子，依不同的功能，有不同材質層的組合，例如底部是讓鍋子能用於電磁爐的磁性不鏽鋼（magnetic stainless steel exterior，圖3），中間是讓鍋子能迅速改變溫度的鋁和銅，最上面是能幫助鍋子具有抗腐蝕與抗氧化的「18/10不鏽鋼」（18/10指的是18%鉻，10%鎳）。
圖2. 三層組合的煎鍋(圖片來源)
圖3. 五層組合的湯鍋(圖片來源)
焦糖化與梅納反應有何異同？
《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：食譜要我把洋蔥焦糖化，焦糖化就是將食物加熱至呈現焦褐狀態嗎？
食品因加熱或氧化等化學作用，所引起之褐色，稱為「褐變反應」（browning reaction），例如焦糖化與梅納反應。醣類在無胺基化合物（amino compound）的情況下，被加熱到攝氏約一百多度，就會融成液體，若繼續加熱，顏色就會由黃色，變成淺褐色及深褐色，這就是焦糖化。焦糖化是只含有糖，不含蛋白質的食物，被加熱至焦褐狀態，它包括了化學家尚未完全瞭解的一連串複雜的化學反應。
食譜裡的焦糖洋蔥（caramelized onions，圖4），可以不用加糖下去炒，但是洋蔥經久炒之後，水分蒸發，洋蔥會由透明轉變為褐色，嘗起來味道非常甜美。雖然洋蔥確實含有醣類，烹煮時有助於產生金黃色澤與甜味，故存在焦糖化反應。但是焦糖洋蔥發生的褐變反應，主要還是來自加熱蛋白質與還原糖（reducing sugar，例葡萄糖、果糖）所致，嚴格的說，焦糖洋蔥並不是「焦糖化」。
圖4. 焦糖洋蔥(圖片來源)
梅納反應是指食物中的碳水化合物與蛋白質，受熱至攝氏120度以上的高溫時，所發生的一系列複雜反應。反應過程中，會產生許多風味十足但無法辨識的化合物，這些物質為食品提供了可口的風味和誘人的色澤（圖5）。1912年，法國化學家梅納（Louis Camille Maillard, 1878-1936）曾定性描述它的初步反應，故後來的科學家，將這個反應命名為梅納反應。梅納反應將美好的風味賦予微焦的、含有碳水化合物與蛋白質的食物，例如呈現焦褐色燒烤過的肉（牛肉、豬肉、鮭魚與雞肉）與焦糖洋蔥等。
圖5. 焦褐色的牛排(圖片來源)
馬鈴薯拯救了一鍋湯？
《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：煮湯時，我不小心放了太多的鹽，有沒有補救辦法？聽說生馬鈴薯可以吸收過多的鹽分？
幾乎每個人都聽過這種說法：「煮湯時，不小心加了太多食鹽，可以放幾塊生馬鈴薯進去煮，它們會吸收一部分的鹽，這樣就可以挽救一鍋美味的湯」（圖6），和許多時常聽到的偏方一樣，大多沒有經過科學測試。本書作者準備了兩鍋（實驗組和對照組）添加食鹽的水，做為「模擬湯樣本」（mock soup sample）。由於很多的食譜都是從4夸脫（quart）的湯，加1茶匙（teaspoonful）的鹽開始，一邊品嚐，一邊加鹽，直到味道剛剛好為止，所以作者的一號樣本是每夸脫的水，溶解1茶匙的鹽；二號樣本是每夸脫的水，溶解1大匙（tablespoon，約等於3茶匙）的鹽。
圖6. 煮雞湯加入馬鈴薯測試(圖片來源)
這兩份「模擬湯樣本」的鹹度，分別是食譜一開始調理湯鹹度的4倍和12倍，然後將相同體積的湯樣本，分別裝在相同大小和材質的鍋子，同時置於相同的爐子上加熱，直到沸騰，最後分別加入6片1/4英寸厚（總表面積各為300平方公分）的生馬鈴薯，在蓋得很緊的鍋裡，繼續用小火煮20鐘，取出馬鈴薯，靜候兩鍋湯樣本冷卻。測試時使用馬鈴薯切片，而不是馬鈴薯塊，目的是使馬鈴薯與鹽水充份接觸，讓接觸面積達到最大。
本書作者和身為美食評論家的妻子馬琳（Marlene Parrish）品嚐馬鈴薯切片的鹹度，馬琳根本不知道馬鈴薯切片來自那一個樣本，品嚐結果：加一茶匙鹽，煮過的馬鈴薯味道是鹹的；加一大茶匙鹽，煮過的馬鈴薯味道更鹹，但這只是意味著煮過的馬鈴薯吸收了鹽水，但是馬鈴薯不見得會吸走水裡的鹽。「模擬湯樣本」的導電度測試結果：加入馬鈴薯燉煮之前，與之後的導電度，沒有檢測到差異（no detectable difference），即無論是每夸脫水溶解一茶匙鹽，或是每夸脫水加一大匙鹽，加馬鈴薯的處理方式應是無效的。
有意思的是，本書作者實驗發現：加入馬鈴薯燉煮之後的鹽水導電度，反而稍微高於沒有加馬鈴薯燉煮之後的鹽水導電度，這應是馬鈴薯的含鉀量較高所致。鉀的化合物與鈉的化合物一樣會導電，為了修正這個影響，本書作者將馬鈴薯燉煮的鹽水導電度，減掉馬鈴薯提供的導電度；並盡量將鍋蓋緊密蓋住，使用小火燉煮，雖然水分仍有可能從鍋裡蒸發，使得鹽水的導電度增加，但是在修正馬鈴薯提供的導電度之後，沒有發現水分蒸發帶來的影響，故本書作者的論證應是嚴密可信。
為什麼食品標籤上的脂肪含量數值有誤差？
《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：為什麼食品營養標示的飽和脂肪（saturated fat）、單不飽和脂肪（monounsaturated fat）和多不飽和脂肪（polyunsaturated fat）的公克數，全部加總的含量，低於總脂肪（total fat）的公克數？是否有其他種類的脂肪沒有列出來？
不只美國食品的營養標示，有這樣讓消費者不解的現象，國內食品的營養標示也有類似的情況，以國產某廠牌的高纖蘇打餅乾為例，包裝盒上的營養標示（圖7）「脂肪4.1公克---飽和脂肪（酸）1.9公克、反式脂肪（酸）0公克」，為什麼兩者相加之後，小於脂肪4.1公克？飽和脂肪、單不飽和脂肪與多不飽和脂肪的含量總和，不是應該等於總脂肪含量？其實，脂肪分子包含兩大部份：甘油與脂肪酸（fatty acid），標示上的「總脂肪」公克數，是所有的「脂肪」分子，包括甘油的重量總和。但是標示上的「飽和脂肪」、「單不飽和脂肪」與「多不飽和脂肪」，只是「脂肪酸」的重量，甘油分子的重量並沒有列入，故加總之後，小於「總脂肪」的公克數。
圖7. 高纖蘇打餅乾的營養標示（圖片來源：白榮銓老師）
2018年4月，我國衛生福利部公告修正「包裝食品營養標示應遵行事項」，提到：飽和脂肪得以標示為「飽和脂肪」或「飽和脂肪酸」（saturated fatty acid），反式脂肪得以標示「反式脂肪」或是「反式脂肪酸」（trans fatty acid）。為什麼美國食品的營養標示是「脂肪」，而不標示「脂肪酸」？依據美國食品與藥物管理局（U.S. Food and Drug Administration, FDA）網頁的說法，有兩個可能原因：
（1）大眾只想知道脂肪裡面含有飽和與不飽和的相對分量，
（2）標籤上的空間極為有限，「脂肪酸」一詞占的空間比「脂肪」多。當時（2001年）的FDA網頁承認：因為沒有包括反式脂肪酸在內，營養標示還有更多含混之處。
常溫下液態植物油中的不飽和脂肪酸（unsaturated fatty acid）容易氧化、不耐長時間的高溫烹調，為了提高油的穩定度、延長保存期限、降低成本、以及改善食品口感，工業上將植物油以氫化（hydrogenated）加工處理，使其轉為半固態的形式，成為氫化油（hydrogenated oil）。如果氫化反應能夠完全進行，則會得到「完全氫化油」（fully hydrogenated oil，FHOs），但完全氫化的脂肪往往非常堅硬，應用價值低；因此市售的氫化油大多是「不完全氫化油」（partially hydrogenated oil, PHOs），不完全氫化油往往被用於食品加工過程，例如烘焙或油炸食物。
但是不完全氫化油，在加工過程會改變脂肪的分子結構，產生的反式脂肪，可能增加人體的發炎反應，而發炎反應正是動脈硬化、糖尿病及多種癌症的起因之一，不但會提高人體內的「壞膽固醇」（LDL）和三酸甘油脂，還會減少「好膽固醇」（HDL），被認為對心臟血管疾病的危害最大。
近年來，世界各國的健康意識抬頭，各國政府開始重視不完全氫化油，對人體健康產生的負面影響。2015年6月，美國FDA正式發布通知：未來除非經美國FDA許可之食品外，皆不允許使用不完全氫化油，以避免加工食品中含有人工反式脂肪，並給予食品業者三年時間調整因應此規定。2016年4月，我國衛生福利部發布訂定「食用氫化油之使用限制」，規定：「自2018年7月1日起（以標示之製造日期為準），食品中不得使用不完全氫化油」
脂肪與脂肪酸相同嗎？
《華盛頓郵報》「美食101」專欄的讀者提問：當我閱讀有關「飽和脂肪」和「不飽和脂肪」的文章時，很多文章常常無預警地，從「脂肪」切換到「脂肪酸」，幾乎是在兩個「術語」（term）之間隨機來回，好像它們（脂肪、脂肪酸）是同一東西，它們是嗎？如果不是，它們有什麼不同？
在中文的一般用語，人們往往將常溫下，呈現液狀的食用「油脂」（oil and fat），稱作「油」（oil）；而將常溫下，呈現固狀的食用油脂，稱作「脂肪」（fat）。大多數的油脂分子含有三個脂肪酸分子，三個脂肪酸與甘油會形成三酸甘油酯（triacylglycerol），油脂的主要成分是三酸甘油酯。脂肪酸是羧酸（carboxylic acid）家族的成員之一，就酸性而言，它們是很弱的酸。脂肪酸依含碳的數量，可分為短鏈（碳數4-6個）、中鏈（碳數8-12個）與長鏈（碳數大於或等於14個），脂肪酸有可能是飽和或不飽和，到底飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的結構，有何不同？
若脂肪酸分子的碳鏈所能結合的氫原子數，達到最大值，則這種脂肪酸被稱為「飽和脂肪酸」（圖8），例如硬脂酸（stearic acid）；若脂肪酸分子的碳鏈某處，缺了一對氫原子，即分子中有一對雙鍵（double bond）存在，則這種脂肪酸稱為「單不飽和脂肪酸」（monounsaturated fatty acid），例如油酸（oleic acid）；若脂肪酸分子的碳鏈，缺了兩對或更多對的氫原子，即分子中有兩對或更多對雙鍵存在，則這種脂肪酸稱為「多不飽和脂肪酸」（polyunsaturated fatty acid），例如亞麻油酸（linoleic acid）。
圖8. 飽和、單不飽和與多不飽和脂肪酸(圖片來源)
同一脂肪所含的脂肪酸分子，有可能全都屬於同一種類，也有可能是不同種類的組合。「飽和脂肪」是指飽和脂肪酸和甘油形成的脂肪，含有的脂肪酸分子中，沒有不飽和鍵（雙鍵）；「單不飽和脂肪」是指含有的脂肪酸分子中，只有一個雙鍵；至於含有兩個雙鍵以上的，則稱為「多不飽和脂肪」。一般而言，比較短的分子鏈與比較少的飽和脂肪酸，形成比較軟的脂肪；比較長的分子鏈與較多的飽和脂肪酸，形成比較硬的脂肪。這是因為在不飽和的脂肪酸裡面，只要缺了一對氫原子（即有一對雙鍵存在），脂肪酸分子就有一個扭結（kink），於是脂肪分子不能緊密靠攏，以形成密實的結構，故這種脂肪就更像是液體而非固體。
因此，飽和脂肪酸成分比較低的植物脂肪，傾向於呈現液狀；飽和脂肪酸成分比較高的動物脂肪，傾向於呈現固狀。飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸，各有優缺點，目前市售的食用油中，都含有不同比例的飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸、以及多不飽和脂肪酸等。攝食不飽和脂肪酸有助於降低血液中膽固醇的含量，減少心血管疾病的風險，但是多不飽和脂肪酸的化學性質不穩定，受到光線的照射或高溫影響時，容易加速氧化速率，故不飽和脂肪酸含量高的油，最好在室溫下保存，並避免陽光直接照射（圖9）；高飽和脂肪酸的油脂較耐高溫，適合用於高溫油炸等烹調，但是攝取量多，容易使血液中的膽固醇值升高，造成血管硬化。
圖9. 橄欖油瓶上的脂肪含量標示（圖片來源：白榮銓老師）
綜合上述，吃剩的義大利麵，用鋁箔覆蓋，鋁箔上產生小洞，主要原因是發生電解作用；利用鋁、銅導熱快的特性，做為不同金屬夾層的材料，然後以不鏽鋼包覆外表，就能製成美觀實用、加熱效率佳的多層複合金鍋具；焦糖化與梅納反應，都是給食物添增美味的科學訣竅；馬鈴薯拯救了一鍋湯，看似可行，卻是錯誤的迷思；食品營養標示上的脂肪含量包含甘油，而脂肪項目下的只是飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸，難怪加總後的數值，不等於脂肪總含量；不精準使用「油、油脂、脂肪和脂肪酸」等術語的文章與標示，常造成一般民眾混淆不清。至於書中還有那些廚房裡的科學謎題？背後的科學原理又是什麼？這些都有待您進一步的閱讀與思考！
智慧型科技與行動學習：以手機APP為例
文/賈至達
2007年蘋果公司製造了iPhone手機，人們從創辦人賈伯斯(Steve Jobs)的手中，看到了一個電話嶄新的應用，這十年多來基於人類的需求，漸漸的讓智慧型科技產品更加的成熟了，並與人類生活更加貼近，例如iPhone、iPad、安卓手機和平板！從日常生活的便利性、訊息的快速傳遞、工作的有效管理等等的需要，手機和平板相關科技發展與人類需求結合愈加緊密，在逐漸演化的過程中，智慧型手機和平板功能隨著科技演變而迅速增強，使得許多生活應用、訊息傳播和工作需求的APP如雨後春筍般的成長，進一步促使智慧型手機、平板功能越來越「好用」、越來越「聰明」、越來越有「智慧」，最終變成手邊不可或缺的裝置；不僅人手一支，而且還逐漸拓展到人類學習的綜合應用，如食、衣、住、行、育樂，幾乎從個人生活起居到金錢管理等事物都有智慧型科技的影子。
不容否認，近年來智慧型科技對於人類社會行為模式造成極巨大的改變，並且漸漸地影響到學校教育，促使許多人對於老師教學和學生學習方面開始有了新的發想，因此「行動學習」一詞應運而生！如何利用智慧型科技進行「行動學習」成為一個創新學習的新興領域，尤其是近年來更廣泛地應用在科學的研究、教學與學生學習上。在Google Play和Apple Store所提供教學應用的APPs可以用「成長快速、發展多元」來形容。許多老師對於Moodle的開放課程網路系統並不陌生，他們也發展出一系列Moodle相關的APPs，讓老師和學生可以隨時進行學習。另外還有一個Moodle相似的課堂管理系統，稱為Teachers App (Attendance App)，最近才在Google Play上推出，可以免費使用一個月，也是推廣行動學習幫手之一。2017年新加坡舉辦了強調「行動學習」的21世紀物理教學研討會，並整理成冊，如參考資料1。在參考資料1中，討論蠻多教學和學習相關的APPs，還有製作的想法、作法和目的。教學創新概念促使這一類型的APPs數目成長快速，但是也因為教學和學習使用APPs的主觀與客觀環境還在演化，確實在教學實施上還有很多需要討論和改進的地方。主觀環境如學校、教室設施；客觀環境如老師、學生、社會大眾、家長和教育行政體系的認知，都有很多地方需要好好思考。
本文是以智慧型手機的APP為主軸，討論智慧型科技在「行動學習」應用，以及在科學學習的幾個面向。目前行動學習還在快速的發展中，並不容易做出適當歸類，但是本文仍嘗試著分類以利於說明，而在舉例時，盡量以Android和iOS兩系統都有的APPs為準。內文概略分為幾個段落討論：首先是APP簡易的分類，以及如何應用於教學、實作和應用於「行動學習」方面的介紹；接著以手機中的壓力計作為一個例子，討論APP可以進行的實驗，討論實地進行大氣壓力測量的實例，提供讀者一些想法，讓讀者可以構思智慧型裝置可能的教學設計，和即時且實用的進行觀察和測量數據，進而讓讀者有多面向的思考；希望在無限寬廣的想像中，可以有許多教學與自我學習、以及生活中應用的APPs產生，同時讓科學教學與學習相關的團體或是個人，可以更方便使用。本文最後討論使用APPs教學與學習過程中可能的優缺點；如討論應用APP於課堂的教學時，可能有的一些正面與負面的影響等；作為本文的一個總結。
本書作者沃克（Robert Wolke, 1928-）是美國匹茲堡大學（University of Pittsburgh）榮譽化學教授，曾為《華盛頓郵報》（The Washington Post）撰寫「美食101」專欄（Food 101），長達10年，而且是多本暢銷科普書籍的作者。沃克曾獲得詹姆斯比爾德基金會（James Beard Foundation）最佳報紙專欄獎，以及國際烹飪專業人員協會博特葛林獎（International Association of Culinary Professionals ' Bert Greene Award）的最佳報紙飲食寫作獎。本書彙整了沃克回答餐廳大廚和《華盛頓郵報》專欄裡讀者詢問的一百多個問題，每一個問答單元都是獨立的，不需具備深奧的科學概念就能閱讀，有些主題是相互關連，有助於增進讀者的理解。
手機APP應用於科學教學的面向討論
目前的手機體積小，因此隨身攜帶很方便，又有一定記憶能量，可以儲存不少資料，例如照片或3D圖片相關APP、書籍相關APP(eBook)、數值計算APP、文書處理相關APP等，這許多功能和一般電腦文書和資料處理功能相似，並不能說是很具創新力的部分，但是它的方便性的確是一般電腦或筆記型電腦可及。另一方面普通手機最基本配置有光學鏡頭、微型麥克風和喇叭，因此可以錄音、錄影和播放，故有測量光強度相關的APP、影音播放相關APP、頻率產生器APP等，尤其是手機的這些裝置，經由手持可以進行相當多元的應用，相較傳統的電腦或是筆記型電腦好用許多。最近因為網路的發達，智慧型裝置也開啟搭配雲端系統的應用，利用雲端數據和人工智慧進行比對與辨識、利用雲端計算較複雜的數學問題等功能，讓其效能更加升級，例如植物辨識、食材的辨識、解方程式和微分方程式與方程式繪圖等APP，相當方便於教學時使用，如形色APP、PlantSnap、SCIO、Photomath、Desmos Graphing Calculator、Differential equations Steps在教學上十分好用。目前智慧型手機和較高階智慧型產品，也配置加速計(Accelerometer)、陀螺儀(Gyroscope)、衛星定位(GPS)、環境光偵測計(Ambient Light Sensor)、磁場強度計(Magnetometer)、近距偵測器(Proximity Sensor)、氣壓計(Barometer)等等(見參考資料2)，甚至有外接測量裝置等，更是讓智慧型裝置可以用於許多物理量的測量，讓「行動學習」變成一個人、一群人隨時隨地可以進行測量、即時比對和學習的裝置，更刺激了「行動學習」在各方面的成長。以下僅就目前可以應用於科學教學與學習的APP進行簡易分類，並舉實例作說明：
一、以科學知識資料庫方式呈現的教學和學習APP
科學資料庫的形式多半是以科學書籍和研究期刊論文等方式呈現。以書籍(eBook)形式出現的APP相當多，只要在Google Play和Apple Store的搜尋中鍵入Physics、Chemistry、Biology、Geo-Science等中英文相關字詞，就可以查詢到，中英文相關資料都相當的多。以下舉出兩個例子，提供參考。
1. 首先是以全球三大出版商之一的Elsevier為例
他們有一項針對化學研究教學的付費服務稱之為”Reaxys”，其設立宗旨是為了協助研究人員、教授和學生找尋化學文獻和數據的一種快速服務，以及相關問題的諮詢，同時也兼顧工業界與學術界的融合。Reaxys號稱可以用於化學相關學系的大學部和研究所課程教學，也可以用於研究生的研究課題，另一方面相關資料也可以幫助學生為自己的職業生涯做好準備。不過這些部分因為與本文APP主題無關，所以不多贅述。但為何提到Reaxys？因為他們發展了一款手機Android 和 iOS都可以使用的免費APP，稱之為ReactionFlash(見參考資料3)；此APP類似一個資料庫，其中有超過800種化學反應，包括名稱、反應示意圖和機制等說明，來幫助學生化學的研究學習；資料相當完整，並與Elsevier期刊文獻作結合，可以知道最先進的發展，是一個增進化學研究與學習的一個示例。
2. 第二個例子是一個很酷的化學教學的整合資料
這是國立新加坡大學(NUS)化學系發展和整理的智慧型手機APP用於化學教學與學習的一個計劃；網站的名稱為 APPsolutely Chemistry；見參考資料4 (網址)。不得不佩服他們對於新科技的引入教學和加強學生學習上的投入，某種程度讓大學生在化學課堂外的學習更方便，這也難怪他們大學的排名很高；該網頁寫著：The Chemical Mobile Apps team has created this webpage to helpNUS Chemistry Majors in their learning in the 21st century.
他們特別強調是21世紀的未來學習模式。該網站中整理了國立新加坡大學化學系四個年級的相關課程共有19門課程，羅列出對於這些課程內容可以用到的APPs總共有38個，用以協助不同課程的教學以及課後的學習，且部分課程重複使用某些APPs。APPsolutely Chemistry網頁中對於每個APP作簡介說明並給予評分，方便使用的建議(PROs)和不方便使用的地方(CONs)都寫得很簡明，這樣得做法讓想要學習化學的同學(尤其是針對化學系的學生)，都有很好用、且方便的APP資源可隨時使用和查詢，讓學習遇到不理解的時候，身邊手機就可以很容易進行查詢。筆者個人認為這些參考的資料對於中學和大學師生們，可以是很方便的、很好用的隨身「行動學習」資源。
在Appsolutely Chemistry 首頁介紹了的五款自行研發的APP，可惜僅有兩款可以在台灣安裝，不過都很有趣。一個是”ARMolVis”的APP，可以找到雲端分享的圖片，用手機照像後會將分子的形狀顯示出來，相當有意思，就是一般所稱的AR。ARMolVis有一組圖，可以下載，利用ARMolVis就可以看到3D分子的立體結構。另一個也是新加坡大學發展的APP，稱之為”3D SYM OP”，可以顯示2D和3D的分子結構、對稱性等資訊，3D的圖用手滑一滑，可以很清楚地理解分子的結構，而且有一個Image Recognition功能，是用照相機拍照後，就可以顯示分子結構。
另外還有一些資料庫形式的APPs，也可應用於教學，如果經過適當的安排與整理，對於促進學生的學習是很有幫助的，而且手機可以隨身攜帶，相當便利於討論和交流使用。不過由於APP發展過於快速，且推廣方式不同，某些功能好的APPs普及率還不足，加上有些APPs需要付費，除非授課或學習的必要，不然使用的人也不多。另外其部分功能與現今網路上的資料查詢功能重疊，所以也不是每一位學習者願意花費時間和金錢來使用這樣的APPs，再加上APPs的使用和目前學生學習模式還是有一段差距，因此還在推廣的階段。
二、利用雲端科技融入科學教學的APPs
APPs搭配雲端科技的應用越來越普遍，尤其是搭配網路所發展的應用，十分多元，當然缺點就是只能在有網路連結時才能使用。最常見的就是語音的辨識，例如Google 語音辨識系統Google Cloud Speech API，蘋果公司(iOS)的Siri，等都相當的令人驚豔！而最近有一款台灣AILabs發展的「雅婷逐字稿」APP (參考資料5)，更是讓人喜歡！引進「人工智慧」並針對台灣人的語音進行繁體中文逐字稿的轉譯，此APP一推出來就得到好評，各大入口網站都可以看到此新聞，稱此APP是記者的救星；的確，同時具備錄音和逐字稿功能，對文字工作者而言，真是十分方便的一款APP。此APP可以錄音並即時將語音轉換成逐字稿，速度相當快；因此可以記錄課堂教學內容、會議內容、訪談紀錄，甚至是生活中的重要事項，都可以同時有錄音和逐字稿，且準確率足夠高，是十分推薦的一個語音辨識的APP。
將影像中的文字轉換成文字的APPs也常被使用，不過通常是將英文轉換。中文轉換比較好用的APP有Microsoft Office Lens-PDF Scanner(見參考資料6)，受到許多人的推薦，對於泛稱為「文字工作者」的老師或是學生，有實質的幫助，例如從白板上的書寫文字，轉換成PDF檔案，或者是Word檔案。雲端科技、人工智慧結合手機或平板的教學相關APPs也是相當的多，以下僅就依筆者認為與科學教學相關具代表性的APPs做一些簡單的說明。
1. 算式計算、解方程式、函數與數據繪圖
談起計算機，相信大家都不陌生，在Google Play和Apple Store中鍵入「計算機」、或是”Calculator”，就會出先一些與傳統計算機相似介面的APPs利用手機內建的程式進行計算；然而每次要計算時候，需要輸入一些數字、次方、函數等等，還要擔心會不會輸入時發生錯誤！尤其是較為複雜數字、或複雜的算式，常常要輸入好幾次，才能確認答案是否正確。但是你可曾思考過利用相機取得影像後，再透過雲端的計算得到答案！另外對於學科學的人而言，常常需要一些數學工具，用以作數值計算、解方程式、解微積分和繪製數據圖表，的確有幾款APPs具有這樣的功能，確實可以符合需要；只要再有網路的地方，這些數學、繪圖問題很容易用APPs處理，例如GeoGebar一系列的APPs (https://www.geogebra.org/ )應該是目前功能最強的一個數學學習免費軟體，相信很多人都使用過，因為有超過1億的學生和老師註冊使用，且有各種不同形式GeoGebar的2D和3D繪圖和運算APPs，有免費Web版本、Android和iOS免費版本。除了GeoGebra系列的產品外，筆者在以下介紹兩個相較簡易的數學應用的APPs，但也有其特色，筆者也是十分推薦。
首先介紹Photomath APP，相關資料可以見參考資料7。這是2015年獲得4YFN Award獎APP，相當簡單好用外，在Android和iOS都有此免費的APP，外加官方網頁(https://photomath.net/en)有詳細的功能說明。以下舉一個計算式作為練習，此算式可以用電腦打字、或者是用手寫的算式，利用Photomath求計算的結果；各位讀者可以試著計算看看：
上式的答案是27151⁄10080，如用紙筆需要一點時間去計算，且計算結果不一定正確。如果開啟Photomath並將APP中的掃描的長方格對準上式(或是手動輸入)，幾乎在轉眼間就得到答案；這就是利用相機取得算式，再經過雲端辨識後計算得到的結果。如果你此時正在使用Photomath，可以按一下答案右邊的箭頭，就會一步一步顯示出合理的計算過程，十分有利於學生學習和老師教學；此APP用於有根號、次方、指數和對數的數值計算也很快。另一方面，可以參考官方網頁上的資訊；例如可以解各式方程式、微積分也沒有問題，同樣也有一步一步的教學說明。Photomath也可對於某些方程式或是方程式組繪製函數圖，此功能相當的容易使用。如圖1所示，將方程式輸入，可以得到的繪圖，下方有x的屬性、y最小值和y軸截距；點選圖(a)中間的函數圖，可以得到放大的圖形，如(b)所示。
圖1. ：由手機螢幕擷取之方程式y=x^2+4x+5輸入Photomath APP後所繪製的函數圖。
另一個可以繪製函數圖的APP為Desmos Graphing Calculator，如參考資料8所示。筆者也十分推薦；不僅有Web版本、還有Android和iOS版本，全部都免費，相關的教學影片也不少，還有我想推薦的原因是介面清楚，很方便使用。在實作或實驗的過程中，常常要記錄數據。，Desmosd可以在輸入數據的同時，就將數據圖繪製出來，可以即時看到實驗的數據，判斷數據是否正確。學習科學過程中，也有許多地方需要用到繪圖或是動畫去理解其中的物理意涵；這個APPs就是一些很好用的工具。例如拋體運動是一個拋物線，圓周運動顧名思義是圓的方程式，而重力、天體的運動是一個橢圓的現象；波的干涉現象的為雙曲線。以波動干涉的現象為例，學生們會觀測水波槽中的兩個點波源的干涉實驗時，所得的明暗條文的結果可以用雙曲線去模擬，Desmos上很容易就會出相關的圖形，可以和明暗條文相比較；不過當討論到用雷射進行雙狹縫實際觀察時，一般書籍或是教學時常用的示意圖，不是很容易讓學生理解，因為狹縫間距以及狹縫和屏幕距離的比值約為，在示意圖上不是很容易顯示這樣的差距；但是用Desmos上的圖形的縮放，可以讓同學生比較清楚理解原因和公式的意義。雙狹縫干涉是可以利用Desmos Graphing Calculator或者是GeoGebra作為一個探究的教學主題，或者是利用相關的數學繪圖APPs設計成一個學習雙狹縫干涉過程的教案，可以得到如何建立理論模型的一個學習歷程。
2. 植物辨識的APPs
最典型的APPs有形色、PlantSnap等，可以進行花草樹木等進行辨識，這些APPs可以用在相關的教學課程，不過老師的指導仍是相當重要。
以上這兩個APPs的使用上，是必須要和網路和雲端結合，同時有「人工智慧」的融入，所以使用的次數越多，會越來越準確。很明顯引入「人工智慧」的APP會是未來的一個重要的趨勢；如同前面所提到的「雅婷逐字稿”」也是一個利用人工智慧的APP。然而「人工智慧」結合APP如何應用到「行動學習」的教學和學習，仍是有很大的想像空間，也是我們應該要密切注意的一個方向，這有可能會改變未來的學習方式。在很多的教學中，如果可以結合老師和「人工智慧」，因材施教的目標是有可能達成。
三、利用智慧型裝置進行實驗測量的APPs
如前所述，智慧型裝置中有不少的偵測器，可以測量聲音、光、磁、壓力、重力加速度、轉動速率、距離和移動位置等等，尤其是手機相當輕便，可以用於測量與實作，且可以用於很多科學的實驗課程中，尤其是物理課程。目前有不少利用感應器進行測量的APPs，例如Google Science Journal APP(參考資料9)、Sensor Kinetics APP(參考資料10)，這類的APP相當的多。還有一些APP設計中，可以同時利用好幾個感應器進行量測，phyphox APP就是其中一種(參考資料11)，例如可以同時測量加速度和磁場，更增加這類實驗測量的功能。而更多的是應用智慧型手機進行探究與實作的相關研究，由圖2可知用Google可以查到約有4千1百萬筆資料，可謂是相當豐富，而且很多都是近五年內的發表，同時也可以看到許多教育學者以文件(PDF、Word)方式分享，可以感受到這是一個十分蓬勃發展的領域，也是一個十分值得讓教師們投入的教學研究領域。
圖2. 利用關鍵字”smartphones”、“scientific instruments”和”laboratory”進行搜尋，約有41,000,000項結果(搜尋日期：2018/12/30)
圖2中所顯示的搜尋結果，多半是與實驗室的實驗為基準。「行動科技」的好處是可以到處進行實驗，使用手機APPs進行戶外教學是十分有效的利器。想必很多人都知道Pokemon Go ，雖然是一個遊戲，但是的確讓很多人走出戶外。另外有個比較不知名的遊戲Geocaching，找的是玩家所藏匿的「實體寶藏」。還有以城市或是景點旅遊的field trip APP ，一個旅遊時使用的APPs，讓旅遊者可以知道該地點的一些趣聞軼事和相關歷史，該網站聲稱是「探索周遭世界的最佳響導」。戶外的科學教學也跟這些APPs作法相似，而且可以更多元，只是目前在台灣相關的戶外教學和APPs的結合的不多，教材含教法還有待開發。
智慧科技裝置的優勢是不易受到空間和時間的限制，因此有些生活中比較不容易進行的測量，都可以試著利用手機偵測器APPs進行實驗。下一節會介紹利用手機內建偵測器的APPs進行「行動」測量的一些實例，尤其著重於生活行動場域、或是大型的運輸體實際測量得到的數據，這是在以往的實驗中不容易達成的測量，更別說讓學生們去嘗試了。例如電梯的上升和下降過程，是一些物理考試中常見的試題，然而手機測量可以讓學生們很容易得到數據，並進行分析。
手機APP應用於科學教學的面向討論
顯而易見，「行動科技」的優點在「行動」上，當學校經費不足以購買所有的實驗測量儀器，手機的中的偵測器使用於教學的APPs，就可以幫助教學順利的進行。以下舉幾個例子可以展現智慧型裝置可以進行通常難以達成的測量，測量主要使用的APP為phyphox 。Phyphox APP是一款免費的APP，由德國亞琛工亞大學所物理系Sebastian Staacks博士所發展的，是由Physical Phone eXperiment一詞縮寫而成為phyphox這個名稱。Sebastian Staacks博士也提供了不少相關的教學資料；除了官方網站外；臉書()和Youtube 上都可以查詢到相當豐富的教學資料。此phyphox APP有Android 和iOS的版本，安裝時會檢視該手機的感應器，較高階的手機會有比較多的感應器，在phyphox中會顯示出如下的偵測器：
a. Acceleration (without g)不顯示重力加速的偵測器，用於線性加速。
b. Acceleration with g (顯示重力加速度)
c. Gyroscope
d. Light (測光強度，偵測器的位置會隨機型而有不同，如果在phyphox中無法使用，可以下載Lux Meter APP進行光強度的測量)
e. Location (GPS，可以透過幾顆人造衛星定位，可以有經緯度、高度、和速度的測量)
f. Magnetometer (測量磁場)
g. Pressure (大氣壓力計，測量大氣壓力)
以上七種偵測器是開啟phyphox時面板上會顯示的偵測器，這些偵測器可以單獨使用，也可以同時並行使用多個偵測器，進行多個物理量的測量，數據也可以輸出，這些功能讓phyphox APP更吸引大家使用。台灣的「自然科學領域教學研究中心」也與Sebastian Staacks博士合作，筆者也擔任phyphox的台灣大使，進行推廣；同時他也同意讓自然科學領與教學研究中心將phyphox翻譯成繁體中文，以利於在台灣推廣。目前還正在修正中文文字中，希望可以儘快推出。以下介紹利用phyphox幾個「行動」測量的例子作為楔子，讓大家有更多想像空間，使得「行動科技」實際數據測量的功能，能更上層樓，更能發揮它的效益。
一、利用手機phyphox APP測量電梯的上升與下降
在phyphox中有一個可以測量”elevator”(電梯)上升下降的功能，是利用氣壓計和加速度計測量大氣壓力和加速度隨時間的變化，再由這些數據轉換成「"高度」”、「”鉛直速度」”和「”鉛直加速度」”的電梯運動的狀況，如圖3所示。圖3(a)和(b)圖是直接由手機截取的數據圖，包括手機原始測量的大氣壓力和加速度數據，氣壓和加速度。實驗進行的地點是在國立台灣師範大學公館校區的教學研究大樓，由七樓往下運動到一樓後，再由一樓上升到七樓。一樓地板到七樓地板的垂直高度約為20公尺，與APP所測量的結果符合。上升與下降的速率也相近，均為1.5 m/s，與12層樓電梯使用的規定相同。
實際的數值測量數據也可以由手機傳出，再用其他的繪圖軟體進行繪製數據圖，進行更仔細的分析。能夠有數據輸出的功能，對於APPs是有加分作用的。用偵測器測量後可以將數據輸出重新整理，如圖4所示，是利用開放軟體SciDAVis(見參考資料12)所繪製的電梯上升和下降的數據圖，整理的過程中，將停留的數據祛除，也較容易比較上升時和下降時的差異，對於電梯細部的動作可以更進一步分析，例如參考資料13所示，討論電梯上升下降時過程中隨時改變加速度運動的計算，或電梯運動停止時的振盪等，可以進一步的分析。
圖3. 直接由手機截取phyphox的數據圖，電梯先由七樓下降到一樓，再由一樓上升至七樓，(a) 顯示高度、速度和加速度的數據圖，(b)顯示原始的氣壓和加速度的數據圖
圖4. 將phyphox測得的電梯加速度數據輸出後，用SciDAVis開放軟體繪製電梯在上升和下向的加速度隨時間變化的數據圖
二、利用手機phyphox APP測量飛機飛行時的艙壓
智慧裝置如果有氣壓偵測器，則在phyphox有一個功能是利用此偵測器測量氣壓，因此我們可以在搭乘交通工具時測量大氣壓力，例如乘坐飛機、高鐵、火車和捷運時，都可以測量乘坐機艙內或車廂內的氣壓變化，這也是一般器材不容易測量的數據。人耳對於氣壓的變化相當敏感，是壓力的時變率、或是壓力差造成影響，尚不很清楚(也可能因人而異)，且運輸工具在行動時壓力快速變化是十分不舒適的！
圖5所顯示的是機艙壓力隨時間變化的紀錄，時間是2018年11月10日，飛機為ATR 72-600型飛機，來往台北、台東之間。當日上午的天候不佳，所以台北往台東(紅色數據線)飛機延誤，由圖可知台北飛台東的飛行時間較長、且因為要避開雲層，在1,080秒~1,980秒之間GPS顯示最高飛行高度約為4,200公尺，此時艙壓約維持在930hPa，雖然機艙內有加壓裝置，但卻是航行中氣壓最低的時段。由台東往台北的飛行(黑色數據線)，天候較佳，時間較短，飛行高度約為3,500公尺，艙壓維持在960hPa。雖然大氣壓力與高度相關，但是機艙是密閉的，且有加壓的裝置以維護人體的健康。目前的飛機機艙壓力，依照美國聯邦航空總署規定須維持在8,000英尺高度以下的氣壓。
飛機起飛和降落，艙壓變化並不相同，且不同款式飛機起飛時，艙壓變化也不相同。因為起飛時有加速度運動，需要引擎提供動力起飛，以ATR 72-600型國內線飛機而言，準備起飛時要引擎全開艙壓會先下降約20hPa，再開始加速時，艙壓上升，當飛機機頭離開地面向上攀升時，壓力會已接近線性的方式下降，直到維持一個穩定高時，壓力就會保持一定。在下降的過程中，飛機會先下降高度，在某高度時準備進場巡航而逐漸接近機場，此時壓力維持不變的；以圖5-1的數據得到1,030hPa(台北飛台東)和1,026hPa(台東飛台北)，然而在飛機落地後約15秒，壓力分別下降12hPa和6hPa。
圖5-1. 台北台東國內線飛機(ATR 72-600型)起飛到降落過程中艙壓的變化
當跨國飛行時間比較長，如國際線的飛行時，機艙內的壓力變化與國際線相似，如圖5-2所示；由台北飛福岡，機型Airbus A330-300，日期2018年7月11日，起飛與降落過程繪的壓力變化圖。圖形顯示出加速時間約為28秒，艙壓幾乎是線性增加，當機頭剛剛要離開地面時，艙壓增加約~7hPa，當機鼻頭抬起瞬間，壓力開始降低而飛機開始爬升的過程，艙壓約直線下降，每秒下降約0.15hPa，最後達到約12,000公尺後艙壓設定為~768hPa並開始巡航，相較地面的大氣壓力約減少四分之一弱。準備降落的階段壓力也是直線下降，每秒艙壓增加約為~0.2hPa，比爬升過程的變化率略為高些。下降巡航艙壓1022.3hPa，巡航約785秒後著陸，約20秒期間壓力減為1014.3hPa。
圖5-2. 由台北飛往福岡，機型Airbus A330-300，日期2018年7月11日，起飛與降落過程繪的壓力變化圖
三、利用手機phyphox APP測量普悠瑪自強號火車通過隧道的壓力變化
有部分智慧型行動裝置中設有氣壓的感測器，因此要測量台鐵火車和高鐵移動時車廂內的壓力變化，相較以往容易很多。加上台灣的隧道相當多，尤其是台鐵的宜蘭段(25個隧道)和花蓮段(24個隧道)；高鐵全線(有48個隧道)，都有許多的隧道。經過隧道時，因為車廂會先撞擊隧道內的空氣，造成壓力波在隧道中往返，這些壓力波會改變車內的氣壓，是一個相當有趣的問題。目前可以找到的文獻大都是對於高速在隧道內行駛時，衝擊對於車頭的影響，因為車頭的設計會影響速度，因此有關於車廂內氣壓變化的討論並不多見(參考資料)，許多相關的模型也還在建立中，這樣的探究也是相當有趣和挑戰性。
圖6所顯示的是由花蓮開往台北的普悠瑪自強號列車車廂內的氣壓變化，途中經過13個新隧道，其中8個長度都超過兩公里，長度最長的新觀音隧道超過10公里！這樣大型的實驗，的確有很多不易掌握的變因，除了高度影響大氣壓力外，還有車行速度、乘車的位置和隧道的結構等都是重要的變因。圖6中可以發現普悠瑪在每個隧道內行進時，車廂氣壓都會上下振盪，雖然在長的隧道中壓力差都接近10hPa，但是每個隧道內氣壓隨時間改變的情況都不相同。這些數據會受到是火車通過隧道時的速度、隧道架構和車廂位置的不同而有差異。不過在了解隧道的結構後(如長度、坡度、路徑彎曲程度、路徑高度變化、維修暫停區和通風口位置等)，所得的數據也是可以用數值模擬，就如同在風洞中所進行的模擬。依據目前GPS實測的速度，普悠瑪自強號在隧道內的速度介於25m/s 到最高約35m/s，可以由GPS或是其他定位的方式來推測，這些也都是可以經由手機測量取臨場的數據。
圖6. 普悠瑪自強號列車自花蓮新站到羅東站間，其車廂內壓力的變化
台灣高鐵在運行時車廂內氣壓，在通過隧道時也會有與圖6火車的情況相類似，只是高鐵的速度高(約85m/s)、隧道結構不同且多為雙向，因此結果不一樣，但是一樣可以進行測量。圖7是行駛台北、台中之間，高鐵車廂內的氣壓變化。壓力的差異可以有約20hPa的變化，但大多數都是因為高度的影響。由Google Earth利用GPS可以約略得到台中到台北的高度，與所測得的數據相比，的確，兩者成負相關。可以見到是高度的影響比較大。
對於火車和高鐵這麼大型的實驗器材，一般測量不是很容易實地進行測量，而多是模擬實驗，但是智慧型裝置提供的一個絕佳的工具，再配合上台灣的地形，測量車廂內壓力和相關物理量的測量，是一個很好的、且很有台灣特色的「”行動量測」”範例。因為有了智慧型的裝置，使得手機可以進行測量，且很容易就獲得很多真實的測量值進行比對，讓大家對於這樣的現象可以有比較實際的數據進行探究。
圖7. 台灣高鐵由(a)台中開往台北車廂內的氣壓紀錄，和(b)用Google Earth GPS測量台中到板橋高鐵軌道的高度
四、利用手機phyphox APP測量颱風對氣壓的影響
颱風中心氣壓是高是低？相信大家上網查就可以查到一些資料。颱風中心的氣壓越低，表示颱風的強度越強，而我們自己有真實的測量過嗎？除非你是氣象工作人員，不然多半都是透過新聞，或是氣象局等查詢到相關資料。例如，中央氣象局颱風資料庫，2018年7月瑪莉亞颱風資料：Digital Typhon 網站，
2018年7月瑪莉亞颱風資料：
今年(2018)颱風不多是好事；不過當有颱風來襲時，不妨測量一下相關的數據，或是上相關氣象局的網站進行查詢，並做資料整理，可以從中獲取不少真實的資訊，對於學習相當有幫助，畢竟在其他的國家不一定可以實際測到相關的數據。雖然颱風有破壞性，但也是台灣的得天獨厚的特色之一。
2018年7月10日，瑪莉亞颱風由台灣北部通過的時候，雖然距離台灣有點遠，但是北台灣縣市仍然可以測到颱風經過台灣北部海面時大氣壓力的變化。筆者在「 App與開放軟硬體教學討論區」的臉書粉絲頁中有貼文，當時邀請大家上傳氣壓和量測時間的資料（見圖8），利用颱風假的時間，讓大家(包含老師和學生們)可以在自家中測量大氣壓力隨時間的變化，同時也上傳到Google Sheet以利於整理。如此就可以將台灣各個地方受到瑪莉亞颱風的影響之下的氣壓變化。待整理好之後，就可以繪製出不同時間和地點的大氣壓力，是如何隨著瑪莉亞颱風的路徑而發生變化的。雖然中央氣象局有很多的測站，但是能夠自己在自宅進行測量還是一件很酷的事情，同時還可以和許多人共同合作和討論。
圖8. 在臉書「App與開放軟硬體教學討論區」登出的協作平台，記錄瑪莉亞颱風對於台灣各地的大氣壓力的影響
在7月10~12日期間，針對瑪莉亞颱風的測量，各地總共提供有262次的壓力紀錄，同時也有不少人是利用手機或平板記錄整個颱風的過程；正在討論要用那一種模式來呈現大家提供的數據，畢竟這是一群人合作的結果，需要審慎考量如何做為第一個群體合作的範例。圖9所顯示的是在台灣師大公館校區，使用兩種不同系統的手機和平板所測的數據，兩組數據所顯示的結果十分類似。紅色是用iOS平板測量，靛色是用Android手機測量，測量的時間是由10日開始記錄到11日上午停止。為了清楚顯示，圖中刻意將兩組數據的壓力刻度錯開2hPa，事實上兩者數據的差異極小，差異量常常是在小數點第2位。由數據圖的飄動現象可以看出在第10小時到第18小時(建圖中的藍色箭頭)，颱風影響較大，風勢也比較大，所以數據的飄移比較大。
圖9. 瑪莉亞颱風通過北部海面時，在公館校區所測得之氣壓。紅色是用iOS平板測量，靛色是用Android手機測量。為了清楚顯示，故意將兩組數據的壓力刻度錯開2hPa.
如果日後不幸有颱風侵門踏戶，這樣的大型實驗實在是很值得推行，或者是相似的大型實驗，如天文的觀測等，都值得推廣。老師可鼓勵學生進行與台灣天然災害的相關測量，這應該也是重要國民素養的培養。也有一部分的人使用Arduino等簡單儀器進行測量，只是智慧型手機在颱風天時進行測量很是方便。另一個台灣有的天然災害是地震，地震對台灣的影響也很大，基本上也有很多簡單儀器可以進行量測，但是最近有很多討論和文獻提出用手機的GPS進行地震測量(參考資料14, Science News)和甚至是「預知」地震(參考資料15 )，用GPS預知地震理論上有可能，不過目前還在實驗的階段，尚且還沒有結果，想必會在很快的時間知道其結合大眾的手機GPS，是否有預知地震的功能？
結語
手機成為人類的隨身物品，並用於教學使用，是有一些方便之處。美國物理教師學會的期刊”The Physics Teacher”(參考資料16)，自2012年起每一期都有一個專欄稱之為”iPhysicsLab”。顧名思義是使用智慧型手機進行物理實驗，或是實作的論文，許多傳統的實驗，經由這樣的轉變，學生的學習也增加了助力。美國公共電視台針對孩童發展的Play and Learn Science APP，是讓幼童從玩遊戲的方式進行學習 (參考資料 17)。利用智慧型手機進行探究式教學的研究也很多，本文僅提出一些可以利用手機進行的相關測量，提供參考，但也顯示出手機在「行動學習」上的的確有其優越之處。
如圖2所示，在Google搜尋也會找到很多的資料，好像大家都鼓勵老師們使用！不過近年來，也有一些負面的評價；例如上課所使用手機會分心、對兒童的眼睛不太好造成眼疾等，看來都是會發生的問題。使用智慧型手機科技融入教學會讓學生分心嗎？是否可以提高學生學習的興趣？可否用於探究式教學？對於這些負面的問題，是智慧型裝置融入教學一直很需要注意的問題，也會常常被提出來討論，目前也有很多研究在進行中。
法國政府在2018年5月時宣布：2018年9月的秋季學期開始，9年級以下的學生全面禁止帶手機到校(參考資料18)，這不是手機集中收起來的意思，而是不能帶到學校去，整個校園內學生不可以擁有手機！不過教師還是可以利用智慧型裝置教學。然而禁止使用的原因是相當複雜，主要是與學生上課分心、網路霸凌、社群團體等事件相關，目標是希望讓小孩子可以多多專注於課堂上的學習，尤其是年紀較小的學生，專注力的培養是相當重要，畢竟在課堂上使用手機，老師不容易察知每一名學生正在進行的活動，也許分組實驗或實作可以比較容易掌握學生的活動。另一個問題是，許多提供教學使用之APPs的設計者，並沒有科學相關教學知識背景或是學習的專長，也使得APPs的設計上出現一些學習方法上的問題，導致APPs的使用沒有發揮出來，也是會造成負面的效果。
上述的負面問題都還在研究當中，但是對於自我控制能力較差的學生是需要管束，是學校教育很重要的一環，必須要靠老師的教導，和家長的提醒與督促。個人以為手機應該是沒有辦法完全禁止的，畢竟智慧科技對人類生活的涉入越來越深，要完全禁止幾乎是不可能，因為無法阻止智慧科技和人工智慧的持續發展！如何設計教材引導學生學習的確是現場老師們最大的功能；培養學生具備科學素養和終身學習的能力，這些都是教師們的天職。然而新的教學方法和智慧科技的發展，不只是老師們在教學上可以有更多元的發展，整個社會也必須與時俱進，才能發揮最大的效用。那「行動學習」如何應用智慧科技的優點？老師如何引導學生逐步運用資訊科技進行學習？如何引進跟以往不太相同的學習模式？如何活化學習環境？如何有效管控智慧型裝置的使用？如何降低負面現象效應而促進有效的教學？如何讓學習更有樂趣？智慧型科技融入教學所引發的問題，的確是學者、教師、學校和政府需要好好地思考思考。
如何讓人的學習可以更有效率並提升競爭力，是科技融入教學的重要目的。智慧型手機可讓課程的設計可以更加的多元，也可以和生活環境做結合，並去探索與理解生活周遭發生的問題，如前面所提出的幾個電梯、艙壓、隧道內的車廂壓力和颱風等實作的範例。在校園裡和生活周遭可以探究的問題更多，利用智慧型科技融入「行動學習」，可以是個人、是分組、或是群體的測量，分析數據後大家可以分享、討論，這都需要大家的創意與合作。另外生活環境結合的課題很多，如空氣污染、噪音、氣候，以及學生在學校內的相關活動等，也都有很多很有趣的主題等待開發。學生在學習過程中也可以加入家長參加活動，以逐漸培養終身學習的能力，提升科學素養。智慧型科技應用在科學上的「行動學習《才剛剛萌芽，還有許多面相可以讓我們一起去探索、一起去發展。本文希望可以提供各位一些想法，有助於各位創新課程的發展，讓教師職能可以和智慧型科技共同發展，共同增進人類社會的福祉。
參考資料
1. Murphy, Angela and Farely, Helen and Dyson, Laurel Evelyn and Jones, Hazel (2017) “Mobile learning in higher education in the Asia-Pacific region: harnessing trends and challenging orthodoxies”. Education in the Asia-Pacific Region: Issues, Concerns and Prospects, 40. Springer Nature, Singapore. ISBN 978-981-10-4943-9
2. 例如：(a) Which Sensors Do I Have In My Smartphone? How Do They Work? (b) Information of Smartphone sensors
3. ReactionFlash APP下載 安裝網址；
4. 新加坡大學化學系發展之APPsolutely Chemistry 首頁教學計畫
5. AILabs發展的”雅婷逐字稿”APP；新聞發布網址；下載 安裝網址
6. Microsoft Office Lens - PDF Scanner下載資訊：Microsoft Store； Google Play；Apple Store
7. Photomath APP的官方網站，Google Play和Apple Store可以下載APP。
8. Desmos Graphing Calculator。
9. Google Science Journal 官方網頁。
10. Sensor Kinetics APP說明網頁。
11. phyphox APP官方網頁 。
12. SciDAVis數據繪圖軟體使用說明，或是參閱筆者所發表的資料。
13. 如：Jason M. Kinser, “Relating Time-Dependent Acceleration and Height Using an Elevator”, The Physics Teacher 53, 220 (2015) ；或Jochen Kuhn, Patrik Vogt, and Andreas Müller, “Analyzing elevator oscillation with the smartphone acceleration sensors”, The Physics Teacher 52, 55 (2014) 。
14. Emily Conover, “Smart phones could be used to detect earthquakes” 。
15. Brendan W. Crowell, David A. Schmidt, Paul Bodin, John E. Vidale, Ben Baker, Sergio Barrientos and Jianghui Geng, “G‐FAST Earthquake Early Warning Potential for Great Earthquakes in Chile“, Seismological Research Letters (2018) 89 (2A): 542-556. ,
16. The Physics Teachers 雜誌每期都有iPhysicsLab專文，是使用智慧型手機進行測量的論文。
17. 美國公共電視台針對孩童發展的Play and Learn Science APP
18. 例如：France Bans Smartphones in Schools Through 9th Grade. Will It Help Students?
賈至達
國立台灣師範大學物理系教授
綠能數位與實作教材之發展與運用
文/盧玉玲
「綠色能源」是未來國家可持續發展的關鍵板塊，國民對此科技議題的了解與態度將影響國家競爭力和社會的發展，故應將此素養的培育扎根於國民教育的階段，同時強化一般大眾對此綠色能源的基本認知。
國際能源總署（International Energy Agency, IEA）每年發布的世界能源展望報告（World Energy Outlook, WEO），在2010年開始將議題重點置於再生能源的發展應用。近年來更是將能源相關的經濟和環境等面向進行整合，期望各國政府制訂有效之節能減碳政策，並引領經濟與產業結構朝向低碳、低能源密集方向發展（經濟部能源局，2014；IEA, 2018）。英國石油公司（British Petroleum, BP）於2018年發布之2040能源供需展望報告，其提出再生能源的比重將以五倍速度成長（張素美，2018）。由此可知低碳或是再生能源產業為未來能源科技發展的重點，而這些能源包括水力發電、風力發電、生質能、太陽能和地熱等。其中，風力發電與太陽能發電的能源供給將占再生能源總發電量的64％（科技部科技發展觀測平台，2018；IEA, 2018）。國內為了搭上世界綠能科技產業發展潮流與因應發展的需要，也於2016年提出新能源政策，提出「積極開發綠色新能源，2025再生能源發電量占總發電量的比例達20％」，並將推動如太陽光電、離岸風電產業等綠能科技（行政院，2018；經濟部能源局，2018）。
因應這個需求，如何在這個全球性「綠色能源」發展潮流中，加強教師與學生的「綠色能源」素養應有高度之必要。數位時代來臨，人們的學習型態產生了改變。現有之相關研究指出數位教材可以是一種有效的學習媒介。在此背景下，本研究室研發「綠色能源」數位教材，除可用於培養學生相關素養外，亦有助培育學生之高階思考能力。教材係整合情境式數位學習與實作探究而成，以風力發電為主題，包括：
(1)情境式數位學習電子書；
(2)風力發電機虛擬模擬器App；
(3)風力發電機實作探究教材包；
(4)融入混合實境（mixed reality, MR）體驗之風力發電機組裝系統。
可用於引起學生或是大眾探索科學科技的興趣，使其了解綠色能源知識，落實學生及國民的生活知識與價值觀。相關教材內容說明如下：
1.情境式數位學習電子書
本研究室將「離岸風力及海洋能源」之新興科技發展成適用學生及大眾使用之情境式數位學習電子書，主要學習內容包括：
(1)「風力發電」：瞭解臺灣的發電狀況、風力發電的原理、構造、優缺點、應用；
(2)「離岸風力發電」：比較陸域風力與離岸風力，以及離岸風力的優缺點，藉此讓使用者瞭解風力發電及離岸風力發電的差異；
(3)「海洋替代能源」：介紹海洋能源相關的技術與知識，包括：「波浪發電」、「海流發電」、「潮汐發電」和「溫差發電」等不同發電原理及能量轉換概念。
透過情境式數位故事的學習除可增加學習的趣味性，書中具備即時回饋的選擇題互動功能更加深學生的認知學習。相關電子書資源皆放置在本研究室建置之「豆豆趣--數位教學資源」網站，互動式電子書相關內容畫面，如圖1所示：
圖1. 開發之情境式數位學習電子書教材畫面
2.風力發電模擬器App：
本研究室發展一套風力發電模擬器App（如圖2所示），內容包括：風車大組裝、模擬器操作書、小工程師能力檢核三個關卡。首先進行發電機組的組裝，讓使用者瞭解風力發電的運作原理；再透過不同變因的風力發電探究模擬實驗，讓學生瞭解不同風力發電機組的發電差異，最後進行學習評估，透過比較不同的發電方式，讓學生瞭解綠能對環境的影響。
圖2. 風力發電模擬器App實際操作畫面
3.風力發電機實作探究教材包：
本研究室設計一款可供進行探究之風力發電實作教材包（如圖3所示），主要實作材料包括：立架、軸架、底座、線圈、LED燈、鐵軸、齒輪、葉片等（詳細說明請見圖3）。此教材包之組件經過研究室多次改良，主要組裝結構最後改由3D列表機印製，將風車主要的機座拆分成三個元件，再透過簡易卡榫設計進行組裝，節省鎖螺絲的時間。此外，本款教材包亦搭配學習單，提供線圈（500圈、1000圈和1500圈的線圈）和葉片（風車葉片數、風車葉片形狀、葉片角度）等器材，讓學生進行科學探究。讓學生經由實驗所得數據，設計自己的最佳風力發電機，並提升學生探究與實作能力。
圖3. 風力發電機實作探究教材包
4.融入混合實境（MR）體驗之風力發電機組裝系統：
本研究室透過混合實境（MR）技術，開發可供學生體驗3D風力發電機元件組裝的數位教材。由於現實風力發電機的設計涉及許多艱深的知識，而本系統的標的對象為國中小學生，教學目標在於讓學生瞭解風力發電機的基本運作原理，因此本系統將風力發電機元件進行簡化，主要分為：風車葉片、齒輪、轉軸和發電機（相關模型畫面如圖4）。而學生在戴上MR頭盔眼鏡後，會看到一個3D的風力發電機座如魔術般真實地呈現在教室的空間中，學生運用手掌抓取空間中的風車元件，裝入風車箱中，組裝成功後，風車葉片將會順利轉動。本研究發現透過雙手與虛擬元件的互動，可以讓學生更清楚瞭解到風力發電機的結構，系統操作過程如圖5。
圖4. 風力發電機元件模型
圖5. 戴上MR頭盔進行風力發電機組裝畫面
呼應全球環保的思潮與行動，透過各種教學活動引發學生對環境覺知與敏感度，培養學生對環境有正確的價值觀以及具備解決環境議題時的認知與技能，使之成為一個有環境素養的公民，為科學教育重要一環。學生能了解各類能源的相關知識，並能感受和體認全球環保思潮為能源教育不可忽視之教學重點。希望以上本研究所發展的「綠色能源」教材能為教學者提供多元教材選擇，更企盼對能源教育的落實有所助益。
參考文獻
行政院（218）。能源政策專案報告。
科技部「科技發展觀測平台」（2018）。美國2018年到2050年的能源展望與預測。
張素美（2018）。BP能源展望（2017~2040）。經濟部能源局。
經濟部（2014）。2014年能源產業技術白皮書。經濟部能源局。
經濟部能源局「能源報導」（2017）。前瞻引領綠能，建構產業競爭力。
EIA (2018). Renewable & Alternative Fuels
盧玉玲
國立臺北教育大學自然科學教育學系教授
蠟燭燃燒實驗的IoT 之旅
文/李柏翰，江政龍，蘇萬生 國立臺灣科學教育館主導研發的《蠟燭燃燒機密解碼》，參加國家晶片系統設計中心舉辦的「2017年MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽」，獲得銅牌大獎，成績斐然；蠟燭燃燒實驗研究團隊成員為李柏翰、蔡宜臻、黃郁涵、郭昱、楊松諭等國立臺灣師範大學附屬高級中學師生和國立臺灣科學教育館蘇萬生博士。
物聯網(Internet of Things，簡稱IoT)是目前火紅的議題，當所有的儀器都有置入式感測器與無線方式連結手機與電腦時，這個物聯網的概念頓時使得物件之間的互動性增趣不少，當初「物聯網」這個名詞是在1999年由凱文‧阿什頓（Kevin Ashton）所提出的，後來演變成為目前的流行名詞。試想配合人手一支的手機加上無線傳輸的便利性，結合國中理化實驗儀器的偵測，這應該是很酷的點子，如果將IoT連結到中小學的實驗，那麼學生們上實驗課的場域又該是一個怎樣的光景？本文帶領大家利用所看過的國中理化課程，一個密閉容器蠟燭燃燒實驗，結合國家晶片系統設計中心開發的MorSensor測定晶片，設計一套完整實作流程來一探究竟。
什麼是物聯網
那麼到底什麼是物聯網(IoT) [1-3]呢 ? 以自動販賣機的使用為例，自動販賣機操作大家都沒有問題，可是如果透過遠端操作的方式來使用自動販賣機，那就會需要不少相關技術，例如需要將自動販賣機數量偵測器連接上網路，然後用攝影機等偵測器用以監控販賣機內的各種參數(如飲料數量、銷售溫度、現金流量的狀況等)，這種基於網路連結所有的裝置，利用遠端操控物件之間的交流，其實就是一種所謂物聯網概念的雛形。
一般而言，物聯網的偵測器設計可分為三層架構--應用層、網路層與感測層，這三層平時可以獨立運作，卻又環環相扣。例如，感測層所讀取到數據，偵測、識別與控制元件所量測到的訊號，透過實測網路將資訊蒐集並傳遞至網路層，應用層則是分析比對後判斷各種資料、重新整合計算，來滿足各種使用端的任務需求，而網路層就像是感測層與應用層的聯接橋梁，彼此互相合作來達成分析偵測與傳輸的功用，以國家晶片系統設計中心(National Chip Implementation Center，CIC)開發出一套MorSensor無線感測積木來說明(如圖1)，可以看到三層架構的設計理念。
圖1. MorSensor感測積木的基本裝置元件說明，紅色為電源積木，橘色為運算/通訊積木，藍色為感測積木，此時為酒精感測積木[4]。
CIC 的MorSensor
這套MorSensor無線感測積木是在2013年問世(如圖2所示)，這是一種利用重組與模組化的整合式感測平台，設計的方式為多層連接的架構，可以應用於各式不同的感測器，例如測量酒精、色彩、溫溼度、UV、血氧濃度、麥克風、IR距離，IR影像、超音波測距、大氣壓力、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度等12 種晶片，配合手機提供的 App 軟體，可以方便使用藍芽及無線操控，目前已進入量產市售階段(規格如表1所示)，可以利用wifi及藍芽傳輸數據。這些便利的組合可以解決實驗室量測等訊號傳輸問題，例如遇到需要水層隔絕的密閉系統，或者是密閉空間數值取得的研究時，都可以用無線傳輸訊號。
圖2. 國家晶片系統設計中心(CIC)開發出的MorSensor套件
表1. MorSensor 各硬體積木/模組規格 [4]
利用「物聯網」可以將偵測器所量測到的數據收集起來，匯聚成大數據資料庫，雲端再建立資料庫分析中心，便可以透過大數據函式庫做各種分析，面對突發狀況或一些緊急事件做預測及處理，進行相關的應對(例如鐵道車禍處理、逢年過節的交通運輸、道路重新設計以減少車禍、都市更新、災害預測與犯罪防治等等)，這些物與物互相聯結的Talk，已經成為現代社會發展必要之一環，如果能多搭配MorSensor為偵測端來介紹物聯網，則是不錯的選擇。國立交通大學林一平教授團隊發表的論文中已經利用MorSensor所開發出「物聯網」室內植物生長箱等設計[5]，充分發揮IoT精神(詳細介紹如圖3所示)，利用wifi、HTTP、3G等無線傳輸，配合手機與IoT talk平台設計，可以建構出簡易版的MorSensor「物聯網」。
圖3. The IoTtalk 平台(IDA --: IoT Device App Application, DA :-- Device App Application, DB --: Database, GUI --: Graphical User Interface --: 圖形使用者介面，EC --: Execution and Communication)[5]
所以這套MorSensor 感測積木可以說是「物聯網」IoT的偵測端的代表，使用起來簡單方便，而且像是積木一般組合使用，非常適合中小學老師用來當作感測器來設計實驗。而相關的Android App之教材及教具開發，也是開放式的，可以給學生訓練App模組。例如國中理化課程在之前舊課綱時代有一個密閉容器蠟燭燃燒實驗[6-7]，利用水面上升來偵測氧氣含量的變化，這個實驗原則上是屬於一種定性的實驗分析，在過去如果要定量分析氣體含量的變化，實驗難度極高[8-11]，原因是密閉系統以及器材置入水中的實驗，使得探測器裝置取得數值不易，所以IoT的概念在這邊比較容易發揮，就讓我們利用MorSensor來看看如何量測密閉容器蠟燭燃燒實驗設計吧。
借重MorSensor的蠟燭燃燒實驗
本實驗是利用國家晶片系統設計中心開發的MorSensor氣壓測定晶片，配合加入油層隔絕水層與空氣。實驗中可以觀測密閉容器中因油層隔絕水體與密閉空氣的分布狀況，並同步偵測燃燒蠟燭的氣壓與二氧化碳濃度的變化，觀察有油層及無油層的條件下氣壓與二氧化碳濃度隨時間變化之分布情形，進而找出二氧化碳可溶於水的物理證據。並且利用改良的螺絲蠟燭，比較能有效地控制燭火燃燒時間以及火力，最後也進行PH探測儀檢測水質的酸鹼度來檢測二氧化碳溶解程度。這個密閉空間MorSensor測定晶片使用經驗，對中小學老師和學生在實驗設計課程上有所助益，甚至可以當作使用MorSensor的參考範例。
加入溫度變因的討論，設置了許多溫度感測器在燒瓶內進行測量，發現溫度的確是影響水位變化的因素，文獻[8]給出蠟燭燃燒實驗的發展歷史介紹，點出問題所在，文獻[9-11]探討一些蠟燭燃燒實驗常見的謬論與耗氧說等，這些文獻非常完整地探討了密閉空間蠟燭燃燒實驗，這些研究方法及結論給了我們很大的啟發，但是我們並未到看到加入油層隔絕空氣的蠟燭燃燒實驗細節；所以本實驗鎖定加入油層隔絕空氣的氣壓與二氧化碳隨時間變化情形來探討，當作範例來介紹IoT的設計。因為蠟燭本身也扮演不確定的因素，即使是相同長度的蠟燭，燃燒起來狀況也不盡相同；所以本實驗嘗試改善此因素，自製一種新型的簡單的螺絲蠟燭(如圖4)，就是將蠟燭重新融化填入螺絲，縮短蠟燭本身長度，並且統一規格，期許能控制螺絲蠟燭燃燒狀況至一致的情形下，大小重量控制成相同，棉線長度相同，利用螺絲蠟燭體積小，所以比較容易精準控制。另一個探討因素為加入油層來隔絕水層與空氣，因為蠟燭燃燒會產生大量的二氧化碳，而二氧化碳本身是略溶於水的；所以本實驗嘗試加入油層的控制，試圖加入油層隔絕水與空氣後，探討密閉空間的氣壓與二氧化碳濃度隨時間之分布曲線。而溫度這項因素非常難掌控，所以本實驗排除溫度影響的討論，利用長時間靜置，儘量來排除溫度效應。而且在本實驗中，我們利用CIC所開發的MorSensor作為偵測的積木，再利用油膜隔絕氣體的實驗，利用偵測器使我們能對螺絲蠟燭燃燒導致氣壓與二氧化碳變化做更進一步的探討。
研究方法與工具
一、實驗器材
實驗器材如表2所列。
表2. 密閉空間螺絲蠟燭燃燒實驗所需器材
二、實驗設計：密閉空間螺絲蠟燭燃燒，藉加入油層與否來進行氣壓及二氧化碳濃度偵測
(一) 無油層螺絲蠟燭燃燒實驗步驟 (氣壓及二氧化碳濃度偵測)
放置5顆螺絲蠟燭放在我們所開發的4格載具(自製的3D列印作品)，每格可放入1個螺絲蠟燭，加水後，右邊放入MorSensor感測器，點燃蠟燭，蓋上小型玻璃缸，待燭火熄滅，繼續量測，每5分鐘量測中型玻璃缸外面水體中的PH值，記錄下來，實驗過程如圖4所示。
圖4. 閉螺絲蠟燭燃燒無油層實驗示意(利用MorSensor記錄氣壓或二氧化碳數值，測量實驗前後PH數值，水位高度H)
(二) 有油層螺絲蠟燭燃燒實驗步驟 (氣壓及二氧化碳濃度偵測)
放置5顆螺絲蠟燭，放在4格載具，加水後，倒入500 cc 沙拉油於中型玻璃缸，右邊放入MorSensor感測器，其餘步驟如上，實驗過程如圖5所示。
實際實驗情形，如圖6所示。
圖5. 閉螺絲蠟燭燃燒有油層實驗示意(利用MorSensor記錄氣壓或二氧化碳數值，測量實驗前後PH數值，水位與高度H)
圖6. 實驗過程中，實際實驗情形
(A)密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒熄滅後，繼續量測氣壓，與PH值
(B)密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒，水位高度H測試示意圖，右邊為量尺
(C)純水放在燒杯，當作對照組PH值測試
(D) 密閉空間5顆螺絲蠟燭燃燒熄滅後，量測PH值
結果與討論
一、CO2濃度測試與油層隔絕CO2能力分析
本實驗的重點之一在於利用油層隔絕CO2，H2O防止氣體溶入水中，試圖找出CO2濃度對時間分布的曲線，並研究油層隔絕CO2能力，根據實驗含油層與不含油層實驗結果如圖7和8。
圖7. 密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒CO2濃度對時間圖，紅色方框線為加入油層於水上隔絕實驗CO2濃度，藍色三角線為只有水層實驗CO2濃度，黑色虛橫線為MorSensor偵測CO2濃度數據的可靠值標準10000 ppm標準線
由圖7發現，有油層隔絕的情形下，紅色方框線12秒即超過10000 ppm標準值，因為Morsensor CO2偵測積木有效偵測範圍350~10000 ppm，藍色三角線35秒才超過標準。可見有油層隔絕的情形下，CO2濃度陡升，代表隔絕效果不錯，而且紅色方框線CO2濃度趨勢一直是增加的，藍色三角線最後約略趨於定值。如果只觀察前50秒，圖形放大如圖8所示，對小於10000 ppm標準值兩種狀況進行適當範圍的線性回歸分析(fitting) (m1為紅色方框線7~12秒fitting直線斜率，m2為藍色三角線16~35秒fitting直線斜率)，則可得到直線斜率m1 =1444.4和R2= 0.99，m2 =330.5和R2= 0.97，因為m1> m2，而且m1斜率為m2 4.4倍，可見有油層時，隔絕CO2效果很顯著。
圖8.為圖7前50秒放大圖，m1為紅色方框線7~12秒fitting直線斜率，m2為藍色三角線16~35秒fitting直線斜率，m1 =1444.4，m2 =330.5，選取範圍是為了避開初始值中非線性的數值
二、大氣壓力測試與PH值測試結果
密閉空間螺絲蠟燭燃燒大氣壓力測試，這個部分實驗是想利用圖7有油層時隔絕CO2效果很顯著的條件，來探討油層隔絕時大氣壓力隨時間分布。如圖9所示，紅色方框線為有油實驗氣壓，藍色三角線為無油實驗氣壓，前40秒氣壓下降的趨勢差不多，而無油實驗下降△P 比較大，△P定義成氣壓下降穩定後與初始值P0的差值，△P/P0 = 0.29%，有油實驗下降△P 比較小，△P/P0 = 0.33%，這個實驗可以發現有油層時隔絕時，氣壓下降較小，可以視為CO2溶於水的物理證據。而水位變化為 H=2.0 到 4.0，所以氣體體積變化為△V/V = 15.4%，這結果和氧氣比例約占20%不太一致，氣氣消耗說根本不正確這點和文獻[6，9]是相符的。
關於PH分析如圖10所示，可得知0~30分鐘長時間靜置，紅色方框線為有油實驗PH值，藍色三角線為無油實驗PH值，不論是有油與無油實驗，5顆螺絲蠟燭燃燒過程中的中型玻璃缸水裏PH值在7.1~7.5之間，變化不大，代表CO2對水溶解量不多，對PH影響有限，有油隔絕實驗，則PH變化幅度較小。我們並將純水加入油層，裝在玻璃燒杯中當作對照組，剛開始時PH=7.4，30分後PH=7.2，而無油的實驗，只有純水在燒杯，開始時PH=7.5，30分鐘後PH=7.2，與圖8的PH結果相近，代表長時間靜置，有油與無油的背景PH值穩定，跟油層無關以及量測所放置的鐵管無關。
圖9. 密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒大氣壓力測試，紅色方框線為加入油層於水上隔絕實驗氣壓線，藍色三角線為只有水層實驗氣壓線
圖10. 密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒過程之有油與無油實驗(外側中玻璃缸水中PH數值對時間作圖，紅色方框線為加入油層PH值，藍色三角線為無油層PH值)
三、討論
圖9的氣壓圖與文獻[9]氣壓分布一致，代表螺絲蠟燭氣壓實驗有其精準度，而圖8加入油層於水上隔絕實驗的結果，CO2濃度很快的超過可靠值標準10000 ppm，而且紅色方框線斜率遠大於藍色三角形線，因此認為油層隔絕CO2濃度，很有效果可以確認隔絕效果。一般討論影響蠟燭燃燒實驗的因素有很多，溫度也是其中一項，我們靜置30分後，水位都不再改變，代表盡量降低溫度效應的因素影響。
蠟燭燃燒的化學式為：
其中氧氣及二氧化碳係數的差異，會造成內玻璃缸中氣體體積的減少，使氣壓降低、水面上升(因為靜置30分鐘，所以忽略Ｈ2O為氣態的莫耳數)，這點符合實驗結果，我們也觀察到熄滅瞬間，水位上升較為迅速的現象，估計是與溫度有關。而二氧化碳溶於水的氣壓變化實驗，因為無油實驗下降△P比較大，△P/P0 = 0.33%，有油實驗下降△P 比較小，△P/P0 = 0.29%，數值很接近，這完全是靠MorSensor的精準度才有辦法得知，所以加入油層的確改變氣壓隨時間變化曲線，這點是其他文獻所沒有提到的，所以利用MorSensor IoT實驗有機會量化實驗數據，最經典的例子是在2017年我們組隊CandleBurn團隊以《蠟燭燃燒機密解碼》作品(如圖11)，在科教館博士蘇萬生協助下，進行一系列MorSensor實驗檢測蠟燭燃燒，量測出蠟燭燃燒精確細微的氣壓變化，最後設計出一款偵測氣壓並畫出二維(2D)氣壓圖形的手機App程式(如圖12)，且能夠直接儲存成文字檔數據，方便後端繪圖分析，透過全新的感測晶片科技與IoT概念，使我們對實驗結果更加精準分析，這個方法相當方便在中學實驗教育中使用。
圖11. 國立臺灣師範大學附屬高級中學團隊以蔡宜臻隊長為首，在指導老師李柏翰博士帶領下，組成CandleBurn團隊，是16件決賽作品中唯一成員都是高中生的隊伍，以《蠟燭燃燒機密解碼》作品獲得銅牌獎。[12]
結論 IoT的設計結合手機App，已經蔚為趨勢，本文所述實驗利用MorSensor來進行中小學蠟燭燃燒實驗當作範例，發現蠟燭燃燒水位上升不一定是直接氧氣消耗所造成，由此可知在舊的國中理化課本中以「耗氧說」來解釋水位上升的說法有一些不合理之處。而本實驗重新設計實驗並搭配MorSensor感測器的運用，改進了原本實驗中只能觀察現象而不能定量分析的限制，透過氣壓及二氧化碳數據的分析，得知水位上升的主要是因下列三點交互影響所造成：氣體熱脹冷縮、氧氣燃燒轉變為二氧化碳的莫耳數差異，以及二氧化碳溶於水。
本實驗利用MorSensor精確測出氣壓及二氧化碳變化曲線，輔助以螺絲蠟燭的設計和油層的隔絕，成功地得到CO2溶於水的精細物理證據，透過PH值探測，得知PH變化不大，可見CO2溶於水的數量很小，和我們的實驗結果很小氣壓變化一致。本次實驗設計利用MorSensor測定晶片所量測出氣壓與二氧化碳數值變化過程，當MorSensor 感測積木加上手機都可以傳輸接受訊號時，這對中小學實驗而言，無疑是相當大的量測幫助。所以MorSensor 感測積木非常適合學術界，適合教師用來當作感測器展示系統、嵌入式系統軟硬體及Android App 開發相關課程之教材及教具，本實驗團隊也利用Android Studio來開發MorSensoExp 手機App，如圖12所示。
圖12. 本團隊所開發的MorSensor App介面設計範例—量測氣壓示範
本文的發想是希望能夠幫助教師和學生實驗課程所需定量分析的技巧，利用IoT概念結合MorSensor測定晶片，使理化實驗也能有尖端科技的量測，進而看到更多的實驗成果背後之物理，提升中小學教師實驗教學的品質。
誌謝
感謝國家晶片系統設計中心 (CIC)吳建明博士與黃俊銘博士的協助和提供我們相關的諮詢，以及國立臺灣師範大學附屬高級中學研究團隊蔡宜臻、黃郁涵、郭昱、楊松諭。
國家晶片系統設計中心(CIC)已於2019年元月起與國家奈米元件實驗室(NDL)整併為台灣半導體研究中心(TSRI)，詳見官網。
參考文獻
[1] wiki物聯網。
[2] 物聯網。(火紅的物聯網名詞到底是什麼?物聯網的歷史回顧)。
[3] Jeremy Landt, J (2001, October 1). Shrouds of time: The history of RFID. The Association of Automatic Identification and Data capture Technologies (AIM).
[4] MorSensor 無線感測積木說明文件。取自http://www.cic.org.tw/pdf/MorSensor_doc.pdf
[5] Lin, Y. B., Lin, Y. W., Huang, C. M., Chih, C. Y., & Lin, P. (2017). IoT talk: A Management Platform for Reconfigurable Sensor Devices. IEEE Internet of Things Journal, 4, 1552-1562.
[6] 沈映廷、劉菀真、郭力仰（2000）。 步步高升。中華民國第四十屆中小學科學展覽會。
[7] 國立編譯館主編(1997)。國民小學自然科學教學指引第九冊（五上，改編本三版）。
[8] Huang, W. C. (2013) . 2013 Problem 10 : Water Rise the rising water after covering a burning candle. Solutions of IYPT Problems, 10, 56-60.
[9] Vera, F., Rivera, R., & Núñez, C. (2011). Burning a candle in a vessel, a simple experiment with a long history. Science & Education, 20(9), 881–893.
[10] Birk, J. P. & Lawson, A. E. (1999). The persistence of the candle-and-cylinder misconception. Journal of Chemical Education, 76(9), 914-916.
[11] Vitz, E. (2000). Paradoxes, puzzles, and pitfalls of incomplete combustion demonstrations. Journal of Chemical Education, 77(8), 1011–1013.
[12] 國立臺灣科學教育館主導研發的《化學色影術》及《蠟燭燃燒機密解碼》等兩項作品，參加國家晶片系統設計中心舉辦的「2017年MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽」，分別獲得金牌及銅牌大獎，成績斐然。
文/李柏翰1,2，江政龍3，蘇萬生4
1國立臺灣師範大學附屬高級中學
2國立臺北科技大學光電工程系
3國家實驗研究院台灣半導體研究中心
4國立臺灣科學教育館