科學探究隨手做：手機感應器的物理原理與教學上的應用
文/盧政良
手機感測器
在這個人手不只一機的年代，智慧型手機儼然成為現代人生活必需品，手機的性能也從最原始的通話功能持續進化，攝影功能的不斷提升、CPU速度與記憶體容量等規格的追求，近幾年手機內建的感測器更是各手機業者比拚的戰場。感測器可以檢測感應環境中的變化，傳送訊號給手機進而做出相對應的動作；常見的有：加速度感測、距離感測、光線感測、指紋感測、陀螺儀感測、GPS定位等，如圖1。近年來還陸續有更多新的感測器開發出來，例如：心律感測器、血壓感測器等等。最近更有一些專家學者把手機的感測器功能彙整設計出科學量測的工具，比較著名的有 Phyphox [1]以及 Google 出品的 Science Journal，這些手機app都非常適合搭配使用在課堂上的教學。
圖1. 手機內部感測器
數位量測
數位量測在實驗數據的擷取是非常方便、精準而又快速即時[2]，然而教學現場的老師們進行數位量測的教學規劃時，常常受限於採購數位量測系統的經費，因為數位量測系統一套要價往往數萬至數十萬元不等，能夠擁有一套已屬難得，實在不太可能購置多套系統供學生在教學上使用。然而，近年來筆者在教學現場發現多數學生擁有智慧型手機，也由於手機功能的商業需求不斷提升功能與效能，讓我們在教學上增加了許多數位量測的可行性與實用性。筆者近年進行了多次課程與教師研習工作坊，在本文與大家分享相關的經驗與建議。
107學測試題
雖然大家都不希望考試領導教學，然而第一線的老師們最能感受到教學絕不能與大考的趨勢脫節，在這裡就要從前(107)年的學測試題談起：
55-56為題組
圖17為智慧手機之內，加速度感測器的放大示意圖。可以簡單看作中央有一個質量為 的物體經由力常數為 的兩條相同彈簧，與固定端①與②相連接。感測器平放於水平面（紙面）時，兩彈簧的自然長度各為 。將手機靜止直立並使其長邊沿著鉛垂線時，質量 的物體會像彈簧秤上的重物一樣，先輕微上下振盪，然後達成靜止平衡。人們透過無線傳送的方式，可遠端監視加速度感測器所測得的加速度。某生於時間 時，懸空拿著手機（①在上、②在下），並使手機的長邊沿著鉛垂線，在保持靜止一小段時間後釋放，以進行手機沿著鉛垂線方向運動的實驗，依據感測器的讀數紀錄，彈簧力作用於質量為 的物體所產生的加速度隨時間的變化如圖18所示。在本題組中，重力與彈簧力以外的作用力均可忽略。依據以上資訊，回答55-56題。
55. 直立靜止的智慧手機可用來測量重力加速度。如果質量為的物體維持靜止時，手機內加速度感測器的上下兩彈簧的長度分別為，則該處的重力加速度，其量值為下列何者？
56. 若圖18中五條虛線分別代表五個不同時刻，則下列哪一個時刻前後約0.1 s之間，質量 的物體是在作手機被放手後的自由落體運動？
(A)甲 (B)乙 (C)丙 (D)丁 (E)戊
以上題組是107年學測自然科試題，題幹主要說明加速度感測器的示意圖及原理，以及實際量測所得的數據圖；第一個小題(55題)考的是彈力與重力達平衡時，如何由形變量推得此時的重力加速度。第二小題(56題)則是由數據圖引導考生判讀物體何時做自由落體運動。全國考生的作答情形，節錄如表1：
表1. 答對率及鑑別指數表[3]
表1中的數據顯現一些有趣的訊息，首先看一下55題的數據，這一題的鑑別度D=30還算不錯，D1~D4的數值顯示本題對於不同程度的學生均有鑑別的效果，尤其是D1=23代表這題對於考生中最頂尖的20%的學生以及程度較好的20%~40%的學生有很不錯的鑑別效果。
出乎意料的是，56題的鑑別度D=-3，居然是負的! 這個部分引發很多物理老師的議論，筆者也一度懷疑這道試題是不是真的有問題？後來有機會請教測驗與評量的一些專家以後，獲得許多寶貴的意見與想法。首先，關於鑑別度的問題，從答對率可以明顯看出，56題的整體答對率為16%，居然比隨機用猜的答對率還低？進一步來看Pa到Pe這五種成績高低不同能力的五組考生答對率，可以看出能力最後段的Pe這一組考生答對率為22%，居然是最高的一組，相當接近隨機猜對的機率20%，而Pd=15、Pc=12、Pb=11，這三組數據代表能力越好的考生答對率卻越趨下降。關於這個部分，很多老師的解讀是隨著學生的答題能力越高，讀題與思考的比例也跟著提高。此時可以發現學生選正確答案(丙)的人數比例卻是隨著下降，也就是說學生認真讀題之後，反而有比較多數的學生會把正確答案的選項排除。原因也不難理解，因為在試題中數據圖的縱軸標題即為加速度，學生會容易被誤導，覺得物體自由落下時加速度不可能為零。這裡的關鍵在於題幹的倒數第二行這段敘述：
彈簧力作用於質量為 的物體所產生的加速度隨時間的變化如圖18所示。
上段文字說明圖18所示的加速度其實是「彈簧力作用所產生的加速度」，而非物體真正的加速度。因此，學生需要能看出這個關鍵，接著還要意識到自由落體會失重的性質，才能得知圖18中加速度為零時是手機發生自由落體的時刻。
另一方面，有一個概念也是讓我覺得很受到啟發的：一道試題的鑑別度不好未必代表這個題目不好，還有可能是整份試卷的問題。例如，一份物理試題大部份的試題都是考背誦的記憶性試題，只有一題是很好的物理計算試題，很可能這道物理計算試題鑑別度就會很差。
以上的各種分析其實還有一個很有趣的問題並沒有討論到，就是學生如果實際體驗過這個情境，相信就能很快的選出正確答案。事實上，現在的學生擁有智慧型手機的比例已經相當高了，教學上也有很多機會派得上用場。以筆者為例，當教學進度來到運動學以及動力學的時候，我就會請學生實際操作手機感測器，讓大家體驗看看實際手機量測的數值對照手機的運動狀態，尤其是自由落體運動時發生的失重現象，這是教學時學生比較難體會的，讓學生藉由實際的動手做體會加速度與失重的概念，將更容易將習得的知識內化，遷移到真實的情境當中。
圖2即為筆者使用手機app-Phyphox 簡單測試，將手機落至彈簧床上的加速度隨時間的變化數據，此數據圖顯示0.9-1.4秒左右，手機做自由落體運動。教學時還可讓學生練習使用在日常生活，例如搭電梯、走路到教室的過程、跑步、騎車時進行量測，再由數據判斷當時的動作或情境。詳細的操作方法與原理稍後會做詳細說明。
圖2. 手機做自由落體運動時加速度數據
素養導向教學與評量
即將在108學年度實施的十二年國民基本教育課程綱要，強調要透過素養導向課程與教學的實踐，落實核心素養，強調學習不宜以學科知識及技能為限，而應關注學習與生活的結合。教育部公告的資料[4]具體地說明素養導向教學設計與實施原則：1.教知識也要教技能與情意；2.教結果也要重視學習的歷程與方法；3.教抽象知識更要重視情境學習；4.在學校學習更要能夠落實於生活。也明確地列出素養導向紙筆測驗的要素：1.佈題強調真實的情境（包含日常生活情境或是學術探究情境）與真實的問題；2.評量強調總綱核心素養或領域／科目核心素養、學科本質及學習重點(「學習表現」和「學習內容」的結合)。
由上述素養導向教學與評量的原則與要素來看，107學測所考的手機加速感測器試題都能合乎這些條件，筆者很認同這類試題應更多加開發與採用，如此更能促進教學現場的教學更貼近生活與真實情境。
手機感測器種類與原理
現今智慧型手機具備的各種酷炫的功能，其實主要就是利用手機感測器的偵測與數據處理。隨著科技的發展，手機裡的感測器也越來越多元，更省電卻能更精準。我們來了解一下常見的感測器有那些種類，它們又是怎麼樣的運作原理。
1.光度感測器(Ambient light sensor)
光度感測器使用在手機的主要目的在於夜晚看手機的時候，眼睛瞳孔會放大，手機螢幕亮度過高時會感到不適，光度感應器可提供光度數據供手機程式判斷，自動調整幕亮度達到人眼可接受的亮度。此感測器不只可提高暗處看螢幕的舒適程度，更可節省能源、延長電池壽命。有趣的是我們還可以利用這個功能來進行光強度的量測，以Phyphox為例，可選取Light選項進行量測，如圖3：
圖3. 以Phyphox操作光度感測器量測數據
另一個教學上也很好用的手機app--科學日誌(Science Journal) 的操作介面則略有不同，需要開設一個新的實驗專案，此時可以點選下方工具列的燈泡圖示--環境光(勒克斯)，即可進行量測，請參考圖4：
圖4. 以Science Journal操作光度感測器量測數據
2.加速度感測器(Accelerometer)
如同107學測的手機加速度感測器試題所提到的，手機裡使用的感測器晶片使用了微機電 系統(（micro electro mechanical system, MEMS)，將力學量測裝置以奈米技術縮小在一個晶片中，而得以使用在手機內部進行感測。感測器主要的用途在手機需要切換橫豎屏（看網頁或影片）、拍照時偵測朝向、遊戲控制感測（例如：賽車遊戲）的時候。其原理是利用壓電效應，在感測器內部有一塊重物和壓電晶片整合在一起，通過垂直的兩個方向產生的電壓大小計算出水平方向加速度，教學上可以類比為彈簧連結重物的模型[5]。
在教學上或實驗進行時，以Phyphox為例(請參考圖5)，這裡提供了兩種選擇：Acceleration (without g) 以及 Acceleration withg，其中的差別在於前者已經把重力的效應扣除，後者則是計入重力的影響，對照前述的學測考題，應該屬於Acceleration with g 的量測結果，建議老師們可以鼓勵學生嘗試做前述學測考題的實驗操作並擷取數據，相信學生們會有許多體會。
圖5. 以Phyphox操作加速度感測器量測數據
科學日誌(Science Journal)的介面則分為「線性加速計」以及「加速計X、Y、Z」，線性加速計已經扣除重力的效應，加速計X、Y、Z則會採計重力的影響（請參考圖6）：
圖6. 以Science Journal操作加速度感測器量測數據
3.磁場感測器(Magnetometer)
智慧型手機中的磁場感測器利用現代固態技術製造出一個微型霍爾效應感測器，可沿X，Y和Z三個垂直軸檢測地球磁場。霍爾效應感測器產生的電壓正比與感測器指向的磁場的強度和極性。感測的電壓被轉換成表示磁場強度的數據。磁感測器被封裝在一個小型電子晶片中，其內部通常包含另一個感測器（通常是內置的加速度計），有助於使用來自輔助感測器的傾斜訊息來校正原始磁場測量。筆者以前陪著學生進行磁學相關研究時常常為了量測磁場傷透腦筋，一套高斯計往往要價不菲，日前還常常得想辦法跟友校或熟識的老師借用，否則完全無法進行量測，近年有了智慧型手機，我們便可在教學時使用手機示範量測磁場數據，學生們看到真實的量測結果對學習磁場的概念會比較有感覺。
當教學上或實驗量測時可以使用Phyphox當中的Magnetometer，即可量得空間中三個方向的磁場量值，在這裡可以準備磁鐵讓學生進行量測，讓學生們找找看，磁場感測器在手機主機板的甚麼位置（參考圖7）。
圖7. 以Phyphox操作磁場感測器量測數據
至於在科學日誌(Science Journal)裡面的設計則有兩個選項：磁力儀(微特斯拉) 以及指南針兩個選項，有趣的差異在於這個app的磁力儀並沒有分別顯示X、Y、Z軸的磁場數據，提供的數值是將三個軸的磁場疊加之後的總磁場數據（參考圖8）。
圖8. 以Science Journal操作磁場感測器量測數據
4.陀螺儀感測器
感測器中大多由名稱即可直接理解其作用與功能，最令人好奇的大概就屬陀螺儀感測器，一般人比較難聯想到它的功能，也會疑惑為什麼手機裡需要放一顆陀螺？事實上陀螺儀感測器的構造與原理和陀螺已經沒有太大關聯。陀螺儀(gyroscope)是法國物理學家傅科研究地球自轉時，發現高速旋轉的陀螺會固定指向某個方向而命名。傳統陀螺儀主要有兩個重要的特性：進動現象(precession)與定向性，早期廣泛使用在航空與航海領域。
手機使用的電子陀螺儀(又稱MEMS陀螺儀)，事實上和傳統的陀螺儀是完全不一樣的構造與原理，微機電系統(MEMS)於近年奈米技術的發展中，得以把機械裝置、電子元件微型化並整合在一起，進行感測、傳送訊號以進行控制。三軸陀螺儀是分別感應獲取Roll（左右旋轉）、Pitch（前後翻轉）、Yaw（左右搖擺）的全方位動態數據。早期的單軸陀螺儀只能測量一個方向的轉動，也就是完整量測需要三個陀螺儀，而三軸陀螺儀可以取代三個單軸陀螺儀。近年還有六軸陀螺儀與九軸陀螺儀等名詞，其實六軸陀螺儀只是三軸加速器和三軸陀螺儀合在一起的稱呼；九軸陀螺儀則是：三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁強計，並整合數據運算。手機上主要的應用在於陀螺儀可以對旋轉、翻轉的動作做出感應與測量，這樣就可以分析推斷使用者的真實動作，而讓手機做相應的反應！常見的實際應用例如：遊戲--賽車類遊戲(模擬方向盤)、槍擊類遊戲的瞄準(陀螺儀輔助瞄準)。還有VR--必須用陀螺儀感測人的頭部動作並顯示相對應的影像。還可以輔助GPS導航--進入GPS訊號不佳的地方，可以陀螺儀獲取的速度、方向、時間，計算位置移動，進行暫時的定位。另外拍照時的圖像穩定—按快門時，感測手的抖動，訊息提供給影像處理器，以獲取清晰穩定的相片。
以Phyphox為例，選擇 Gyroscope 進行量測（參考圖9），嘗試以不同方式翻轉您的手機，看看數據中的X、Y、Z軸代表手機的那些方向呢? 想想看，生活中有那些情境可以用來量測呢?
圖9. 以Phyphox操作陀螺儀感測器量測數據
5.衛星定位感測器(GNSS)
相信很多人認為衛星定位就是GPS，事實上GPS只是其中一套由美國提供的衛星定位系統，現今全球已經發展出其他多套提供衛星定位的系統：除了GPS(美國)、GLONASS(俄羅斯)，還有近年陸續發展的Galileo(歐盟)、北斗(中國)、NAVIC(印度)以及QZSS(日本)等系統。因此，這些衛星定位系統統稱為GNSS (global navigation satellite system)或全球導航衛星系統。完整的衛星定位系統大多使用20多顆 中地球軌道衛星所組成，高度約20,000 公里、周期約12小時；定位裝置只需接收至少四顆衛星的位置訊號即可定位，卻需要20多顆的衛星分布在數個軌道面上，如此才能隨時保持地面的接收器可以接收到足夠數量的衛星訊號進而確定位置。其定位的原理主要是應用三度空間定位概念，地面接收到幾個衛星的訊號後即可由時間間隔計算接收器和衛星之間的距離，即可由每一顆衛星畫出計算得到的半徑球面，幾個衛星球面相交之處就是接收器的位置。
值得一提的是這個方式之所以可行，主要是衛星中搭載了相當精準的原子鐘，這是因為電磁波訊號是以光速前進，也就是每秒30萬公里的速度，只要時鐘發生千分之一秒的誤差，造成GPS定位的距離偏差就高達300公里。導航衛星上裝置的原子鐘，其準確度可達約每1,400,000年才達到一秒的誤差，也才讓衛星定位的想法得以實現。
另一個常被提到的重要物理效應：相對論造成的時間誤差。特殊相對論是由於速度造成時間膨脹，經計算可得知每天會造成約7微秒的延遲。廣義相對論則是由於導航衛星所處的重力位能不同引起的時間膨脹，經計算可得知造成衛星的時間每天提早了約45微秒，兩種效應加起來會發現每天衛星的時間會快了約38微秒，如此會造成衛星定位的誤差，訊號以光速前進速度每秒30萬公里，如此就會造成約11公里的誤差。因此需要做出對應的調校，如此才能更精確地進行定位。然而最近有些文章[參考資料6]提到相對論效應並沒有真正影響衛星定位，有興趣的讀者可以自行參考。
使用Phyphox 時需選擇 Location(GPS) 選項（10），即可獲取衛星定位的數據，須注意由於需要接收衛星的訊號資料，因此在室內可能無法獲取數據資料。
圖10. 以Phyphox操作衛星定位感測器量測數據
教學上的應用
近年來由於感測器的技術漸趨成熟，相應的手機軟體也越來越多選擇、功能更趨完善，也因此越來越多教學相關的課程設計與實驗專題研究可以參考[7-12]。相信不久的將來，手機在教學現場會有越來越多的應用與功能，不管是老師或學生都可以藉由這些使用的過程進一步了解、體會其中的物理原理，也更能把以往只能在黑板上的文字、圖形更直接地轉化為實際的科學量測，對教與學都會有非常大的助益。
參考文獻
1. S Staacks , S Hütz, H Heinke and C Stampfer, “Advanced tools for smartphone-based experiments: phyphox”, Phys. Educ. 53 (2018) 045009
2. Vernier, Wireless Dynamic Sensor System
3. 大考中心統計資料
4. 素養導向教學與評量的界定、轉化與實踐之說明
5. Aurelio Agliolo Gallitto and Lucia Lupo, “A mechanical model of the smartphone’s accelerometer”, Physics Education 50 646 (2018)
6. GPS, Relativity, and pop-Science Mythology
7. Juan Carlos Castro-Palacio, Luisberis Vel´azquez-Abad, Fernando Gim´enez and Juan A Monsoriu, “A quantitative analysis of coupled oscillations using mobile accelerometer sensors”, Eur. J. Phys. 34 (2013) 737–744
8. Ann-Marie Pendrill and Johan Rohl´en, “Acceleration and rotation in a pendulum ride, measured using an iPhone 4”, 2011 Phys. Educ. 46 676
9. Ann-Marie Pendrill and Henrik Rödjegård, “A rollercoaster viewed through motion tracker data”, 2005 Phys. Educ. 40 522
10. Ann-Marie Pendrill, “Acceleration in one, two, and three dimensions in launched roller coasters”, 2008 Phys. Educ. 43 483
11. M. OPREA and CRISTINA MIRON, “MOBILE PHONES IN THE MODERN TEACHING OF PHYSICS”, Romanian Reports in Physics, Vol. 66, No. 4, P. 1236–1252, 2014
12. J. A. Sans, F. J. Manjón, V. Cuenca-Gotor, M. H. Giménez-Valentín, I. Salinas, J. J. Barreiro, J. A. Monsoriu, and J. A. Gomez-Tejedor, “Smartphone: a new device for teaching Physics”, 1st International Conference on Higher Education Advances, HEAd´15 (2015)
盧政良
國立高雄師範大學物理系兼任助理教授
帶得走的STEAM課程設計：古機械鐘創意課程
文／黃琴扉
科學與科技的演變常引領著國家社會的成長，然而在過去的制式化教育中，許多知識的傳遞與生活應用之連結均十分薄弱，導致抽象概念與實務思考產生落差。因此，人們面對生活中的問題時，往往難以運用所學的背景知識進行問題解決(李松霖、黃天麒、柯志坤，2017；Liben & Coyle, 2014)；劉淑雯、蔡易儒 (2017) 也提及，相較於其他領域，在科學和科技領域中，一般民眾與學生都存在許多學習困惑，也常因為無法將知識落實於日常生活中，導致問題解決能力低落（靳知勤，2007），換句話說，知識對於人們的價值應是培養具有科學素養的公民，而從教育的角度而言，學習者在學習的過程中，最重要的是為了「解決問題」尋找資訊，進而獲得經驗與深度自主學習(黃茂在、吳敏而，2016)。
為了協助學習者提升具有應用性的問題解決能力，課程或活動之內涵必須包含生活化、跨領域化、具有足夠問題空間、擁有實作體驗等全方位面向方能達成；而近年來著重全方面能力培養的STEM教育課程，即符合上述的需求。
所謂的STEM (Science ,Technology, Engineering and Mathematics)意指整合科學、科技、工程、數學多元化知識面向與概念，形成融合式基礎教育，讓學習者能將知識進行統整與應用。許多研究發現，學生採用STEM方式進行整合式學習時，其學習動機與認知能力均有長足的進步(Cromley, Kaplan, & Perez, 2017)。為了落實推廣STEM教育模式，讓STEM的理念不再是口號，而是真正可以帶得走的知識與技能。因此，本團隊藉由跨校、跨領域、跨單位整合，由國立高雄師範大學、南臺科技大學與喜鵲與山文創整合公司共同合作，創建一系列的古機械教具與教材教法。以下將針對本創意課程進行詳細說明。
符合STEM概念的「古機械」教具－由南臺科大進行研發
人類歷史上計時的演化，從古代人發明了漏壺，演進到18世紀工業革命的鐘錶製造，再到現今的機械鐘或數位鐘錶等，都說明了計鐘錶計時對人們的重要性。但是，時針、分針與秒針，為何能如此精密的運作？世界聞名的布穀鐘，又是如何在準點，精準報時的呢?本課程便是期盼能透過科普活動與教具的實作，讓學生理解鐘錶運行與報時的機械原理，並在具有趣味性的課程中，培養學生探究實作與問題解決的能力。
本課程的核心觀念，包含齒輪、輪軸與單擺運作的科學原理(S:科學)、機械鐘到數位鐘的歷程變化(T:科技)、齒輪精密度與機械運行原理(E:機械)，以及不同齒數齒輪交互作用的數學原理(M:數學)，分析如表1。
表1. 本課程教具、核心原理及STEM連結對照表
符合STEM概念的「古機械教材教法設計」--由高雄師大研發教材與教案、喜鵲與山文創整合公司講師進行試教
在本課程教材教法的設計上，運用經驗式學習環(The Experiential Learning Cycle)(圖1)為教學模組，以強化STEM課程的適切性(McLeod, 2013)。
圖1. 經驗式學習環(The Experiential Learning Cycle)(引自McLeod, 2013)
在經驗式學習環中，學習者會學習到「抽象概念」、「經驗計畫」、「經驗行動」與「反思再觀察」四大步驟，此四大步驟形成一個迴圈，讓學習者透過行動與反思，整合行為與抽象概念，進而達到深度學習，而此精神也是創客(Maker)的主軸精神。
本課程之教材教法設計，依照上述理念，共分為三個步驟，第一是STEM拆解單元式觀念引導(抽象概念引導)、第二是STEM整合式探究實作(經驗計畫、經驗行動、反思再觀察)、第三則是STEM觀念重組與統整(反思再觀察)。以下就上述步驟，進行說明：
(一) 第一階段(抽象概念引導)：STEM拆解單元式觀念引導
STEM的統整式課程，是一種全面化的學習，然而要進入知識統整之前，必須協助學生構建模組化的基礎知識。換句話說，STEM統整式課程就好比是一台腳踏車，要讓這台腳踏車能運作，輪胎、把手、椅墊等基礎部件都需先準備齊全，所以我們也必須協助學生準備知識的基礎部件；而以STEM概念而言，其基礎部件就是科學(Science, S)、科技(Technology, T)、工程(Engineering, E)與數學(Mathematics, M)四大基礎概念。所以，在課程設計的第一階段，我們先分別以齒輪模型與單擺模型，進行STEM拆解單元式觀念引導)。
舉例而言，在課程的前半段，講師會給學生每人一盒齒輪組，並利用問題去引導學生探究，協助學生透過實際操作找到答案(表2)。
表2. 本課程教材教法說明表
(二) 第二階段(經驗計畫、經驗行動、反思再觀察)：STEM整合式探究實作
學生們透過課程第一階段學習，掌握了各項基礎知識後，我們將引導學生組裝古機械鐘。
1. 實驗材料：機械鐘構造主要由木片雷切而成，分成擺桿、擒縱裝置、動力齒輪、輪軸、擺錘、棉繩、側面支架及上下支架等部分組成，透過逐步引導後，由學生自行組裝完成(如圖2所示)。
2. 探究與實作：學生在進行古機械鐘組裝時，必須逐步思考與探討每個部件的功用，並將布建安裝在正確的位置，每個部件正確安裝後，機械鐘才能透過齒輪、輪軸、單擺、擒縱裝置與重力裝置的相互作用，開始轉動。如果組裝後無法轉動，學生則必須重新思考，並重新組裝。
圖2. 左—古機械鐘完成圖；右—學生組裝實作照片
(三) 第三階段(反思再觀察)：STEM觀念重組與統整
由講師引導學生進行深度討論，透過下列問題，重組與統整學生STEM整合式觀念，引導提問之內涵表3。
表3. 引導提問之內涵
結論
隨著知識與科技爆炸，生活中存在的資訊量瞬息萬變，生活中所面臨的問題也需要更多跨領域的創意思維，才足以解決。為了因應世界快速變遷，教育方式也必須改變。STEM的教學理念，就是為了協助學習者具備跨領域與應用性的問題解決能力，以協助人們面臨未來的世界。本課程的設計，就是從STEM概念出發，整合經驗式學習環(The Experiential Learning Cycle)，透過跨校、跨領域、跨單位整合，由國立高雄師大、南臺科技大學與喜鵲與山文創整合公司共同合作，創建出來的古機械教具與教材教法。
在整體課程實施下，透過學生的問題回答與組裝過程的思考觀察，可以發現，藉由逐步的引導教學，以及透過探究實作步驟組裝古機械鐘的方式，確實可以引發學生的學習興趣(圖3)，也可以協助統整學生STEM整合式概念。
圖3. 本課程研發之教具與教材教法，可引發學生的學習動機與興趣
最後，本課程與教具十分簡便好攜帶，也可以隨時拆解與重新組裝，對於教學與學習具有十足的便利性，確實是「可以帶著走的STEM」。本文主要著重於教具與教材教法之開發，建議後續專業研究人員可針對本教具或教材教法進行更深入的探討，以釐清學生的學習成效。
誌謝
南臺科技大學機械系-林聰益教授、黃晟豪助理教授
喜鵲與山文創整合有限公司-周明毅營運長、葉凡愉執行長
本科普活動開發與執行，感謝科技部「科普活動計畫案(MOST 107-2515-S-017 -003 -)」支持
黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授
簡易原子堆積模型
文/許良榮
以簡易又方便的材料製作原子堆積模型，能呈現原子堆積多變的圖樣，結合了科學與藝術，提供學生鑑賞原子堆積之美。在教學上，也能讓學生動手又動腦。
在高中化學課程中，晶體的原子堆積是重要的課程單元概念，但是因為屬於微觀世界，無法以肉眼觀察，屬於較難理解的概念之一。雖然十二年國教的課程綱要中，普通型高中必修化學課程的學習內容，不涉及晶型的探討、晶格堆積、晶格形狀及晶體格子能及容積率的計算。但是在加深加廣的選修課程中，可以引介學生本文介紹的原子堆積模型，觀察基本的原子堆積，以提高學習動機。
本玩具的原始設計是加拿大藝術家François Dallegret於1966年的創作，稱為「Atomix」，意為「原子的混合」（atom-mixture），如圖1是紐約現代藝術博物館的展示品。Atomix模型的構造相當簡易，包括二片透明的壓克力板，中央鏤空的空間再置入模擬為原子的小鋼珠（原始模型包含了六千顆小鋼珠）。只要轉動或振動模型，讓小鋼珠移動、滾動或振動，結果小鋼珠自由運動後的堆疊圖形千變萬化，形成不同的圖形，相當有趣。除了藝術價值，Atomix也被發展為教育性玩具（educational toy），極具科學教育價值。以下介紹利用簡易器材製作Atomix模型以及教學上的運用。
圖1. 紐約現代藝術博物館展示的Atomix模型(資料來源)
簡易Atomix模型製作
1.材料選購
首先請留意Atomix模型中的空隙只容許小鋼珠單層排列，不能互相重疊。如果空隙太大（太厚）使小鋼珠重疊變成二層，就不容易形成整齊、漂亮的排列。因此製作上最重要的元件是壓克力板要有一定的厚度（越硬越好），如果太軟會容易凸起變形，使內部的小鋼珠產生重疊堆積的現象。由於壓克力板不容易裁切，為了能更為方便而簡易的製作，作者使用裝圖釘的透明塑膠盒的蓋子（只用蓋子，底盒不使用），長寬約為10 x 8公分（如圖2）。這些盒子在文具行就可以買得到。而裝圖釘的盒子有各種尺寸與廠牌，請選購材質較硬、尺寸較大的盒子。另一方面，作者試過以光碟片空盒製作，但是由於材質較軟，而且盒子的周圍不容易平整的密封，因此不建議使用光碟片盒子。
其次是選購小鋼珠，到五金行購買直徑最小的小鋼珠，作者使用的小鋼珠直徑約2.3毫米，一包144顆（1羅）售價300元（可製作二個模型）。
2.準備工作
大部分圖釘盒的蓋子都太厚（太高），使得二個蓋子疊合時的空隙太大（比小鋼珠大太多）。因此必須先以砂紙將蓋子的四周磨矮，以使二個蓋子之間的空隙只比小鋼珠略大。雖然可以配合蓋子的高度選購較大的鋼珠，以省略用砂紙磨低蓋子的步驟，但是作者偏好使用最小直徑的小鋼珠，因為操作現象會比大鋼珠的變化更為豐富多樣。
3.組合
組合過程與步驟如圖2，說明如下：
(1)將二個塑膠蓋子用抹布或衛生紙確實清潔乾淨，不可以殘留灰塵或雜物。
(2)將小鋼珠倒入蓋子中，小鋼珠布滿大約蓋子一半的面積即可。
(3)蓋上另一片蓋子，用膠帶將二片蓋子的四周黏緊固定就完成了。
(4)操作時將盒子直立，再旋轉或敲打盒子，觀察小鋼珠所形成的圖形。
圖2. Atomix模型組合步驟
操作與觀察
Atomix模型的操作相當簡易，只要旋轉或是搖動模型，就可以觀察到複雜多變的堆積現象（如圖3），
圖3. 模型的堆積圖形
或者將模型在桌子上輕輕敲一下，使堆積圖形產生變化，而且每次呈現的碎形圖樣（fractal patterns）會不一樣。
小鋼珠的堆積情形可以類比為物質結晶的原子堆積，例如圖4的堆積，空隙最大（簡單堆積）；
圖4. 簡單堆積
圖5的堆積為最密堆積，
圖5. 最密堆積
而圖6則呈現了六角形的堆積缺陷。
圖6. 堆積缺陷
另一個有趣的現象是「裂縫」的形態變化，例如圖7呈現了V字形的裂縫，裂縫兩邊的小鋼珠堆積方向一樣，只是相對高度略有差異。而圖8則是不規則的裂縫，特徵是縫兩邊的堆積方向不一樣，由圖8的正六邊形圖示，可知堆積方向相差了30度。
圖7. V字形的裂縫
圖8. 不規則裂縫
教學上的應用
本實驗可以呈現類似原子結晶結構的各種隨機排列，能讓學生了解與鑑賞原子的排列與堆積情形。在教學上，模型製作完成後，可進行的教學活動建議如下：
活動一
指導學生觀察與紀錄：
1.小鋼珠形成的圖案中，那些代表最密堆積？每個小鋼珠相鄰接觸的小鋼珠有幾個？反之最鬆散的情形又是如何？
2.模型中形成的孔隙，有那些形狀（例如六角形、方形、V形等）與特徵？
活動二
自由操作模型（如搖動、旋轉等），進行以下競賽：
1.誰的模型可以呈現出最多的六角形堆積缺陷？例如圖9共有八個六角形堆積缺陷。
2.比賽形成「簡單堆積」的面積最大。例如圖10的簡單堆積達到8 x 6（顆）。
圖9. 六角形堆積缺陷
圖10. 簡單堆積8 x 6
活動三
手持模型接近水平（不要垂直），將靜電棒接觸最上層的小鋼珠，可觀察到小鋼珠由於帶有相同電荷，互相排斥而在表面跳躍，如圖11，此現象可類比於液體或固體表面的蒸發或昇華的現象。
圖11. 以靜電棒接觸的現象
活動四
本活動為數學問題，須要動動腦。如圖12，一個4 x 6的盒子中，總計有24顆小鋼珠，如何再塞進一顆小鋼珠呢？如何排列呢？解答如圖13，只要以最密堆積的方式，就可以塞進25顆小鋼珠了。如果教學對象為高中學生，可以指導學生思考與計算：為什麼圖12的高度是六排小鋼珠，而圖13的高度是七排小鋼珠？
圖12. 4 x 6的盒子中如何再放入一顆球？
圖13. 圖12的解答
結語
作者的「科學遊戲實驗室」網站（網址：http://www.ntcu.edu.tw/scigame/index.html）多年前已介紹過「原子堆積之美」，但是只是提供製作方法與現象。本文經過再次製作與思考，發現在教學上有其豐富性。顯示一個操作或實驗，轉換為教學活動，須要不斷地反思與投入，才能有所創新。
讀者如果對於製作更大型的Atomix模型有興趣，可以請壓克力廣告看板的店家，裁切方形的壓克力板二片（厚度建議至少0.3公分）以及厚度比小鋼珠略大的四條壓克力，黏貼在二片板子之間的四周。模型越大，小鋼珠的堆積變化就越為豐富炫目。例如延伸閱讀中最後一項的YouTube影片，該模型裝了四萬五千顆小壓克力球，而且在板子之間插入一支可移動的「探針」，隨著探針的移動以及模型的轉動、振動，產生的隙縫以及堆積的圖形變化五彩繽紛，令人目不暇給。
製作與操作影片QRCode
延伸閱讀
Atomic Model. (必看YouTube 影片)
Koppelmann, G. (1990). Kristallisationsvorgänge im einfachen zweidimensionalen
Stahlkugel-modell, Praxis der Naturwissenschaften. Physik, 39(6), 5-9.
Turnbull, D., & Cormia, R. L. (1960). A dynamic hard sphere model. Journal of Applied Physics,
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Ucke, C., & Schlichting, H. J. (2011). Atom. Physik in unserer Zeit, 42(6), 302-304.
許良榮
國立台中教育大學科學教育與應用學系教授
運用STEAM概念發展「流籠運水創意課程」
文/黃琴扉、王冠智
前言
在現今的科學教育目標中，培養學生具有問題解決能力儼然是重要且普遍的共同主張，其中，十二年國教的核心素養更強調生活中的問題解決能力，期許學生將所學的知識轉換成活用的生活問題解決能力，並能具備正確的科學態度（教育部2017），而教師也被期待，藉由實際生活中的問題，運用小組合作討論的教學策略，引導學生從而提出解決之道（吳俊憲、吳錦惠，2018）。然而，真實環境中所發生的問題並非是單一學科的封閉性問題（周家祥、金若蘭，2008），因此學生在解決問題的起初階段，難以當下就知道如何應用所學知識（張玉山、楊雅茹，2014），這也意味著學習者對知識應用的統整形成了障礙；同時，對於教學者而言，跨領域與統整的教學設計將是提升學生問題解決能力與科學素養的重要考量。
為了協助學習者提升真實情境脈絡的問題解決能力，教學者所設計的活動與課程，其內涵必須生活化、跨領域、統整性、問題層次化、具有實作體驗等面向的統合方能達成；而近幾年興起著重各方面能力培養的STEAM課程，其核心概念則符合上述需求。STEAM (Science, Technology, Engineering, Art and Mathematics)指的是在教學上整合科學、科技、工程、藝術、數學五大面向的知識及技能教學模式，並在執行上結合探究實作藉以培養整合理論與實務的能力（林坤誼，2014；陳家騏、古建國，2017），在近幾年的研究中指出STEAM課程與教學對於培養學生問題解決能力、跨領域整合能力、合作學習成效、科學態度與過程技能皆有著正向的影響（林怡廷，2015；孫志強，2015；劉一慧，2012），由此可知，STEAM課程可以有效促進學生因應真實情境脈絡的問題解決，亦能提升其統整知識應用的能力，使學習者獲得真正帶得走的知能。
「流籠運水創意課程」根據上述的STEAM內涵創建，並在其問題解決的實務教學中融入環境教育因素，藉由學習者個體之間與其環境的互動，達成較佳的學習成效（黃琴扉，2016；陳聖謨2013）。
流籠運水創意課程
流籠在早期是山區運送物資或人工渡河的工具，完整的流籠運輸工具包含了索道及其吊掛的裝載平台，起初運用山區的高低差運送人或物品，後期也常運用在災害防救上。當颱風天直升機無法救災時，在土石流崩落的山區也會運用流籠協助救災或運送物資，但是，運用高低差要如何精準運送呢？運送過程中又會有什麼狀況發生呢？流籠本身設計又有什麼限制呢？本創意課程期盼透過戶外的探究實作，讓學生在災害防救的模擬情境下進行流籠運水的STEAM實作課程，除了運用學科知識的分析思考掌握流籠運輸的原理外，也期許學生對生活危機處理與問題解決多一層理解、對鄉土多一份關懷。
本課程的核心觀念，包含繩索摩擦、高低差能量轉換的科學原理(S/科學)、由重力傳動到電力傳動的流籠歷程變化(T/科技)、流籠實用性設計與運行原理(E/工程)、流籠與繩索顏色的搭配與設計(A/藝術)、運送時間與傾斜角度的計算(M/數學)，分析如表1。
結合戶外教育探究實作的教學流程
在本流籠運水創意課程的教學設計上，不僅其核心概念符合STEAM的內涵之外，在教學實施的步驟及過程中運用戶外教育引導式探究(guided-inquiry，見圖1)，藉由貼近戶外真實環境的體會，引發STEAM課程強調統整能力以及提升問題解決能力的訴求。
圖1. 本課程引導式探究教學模組
本課程教學流程的設計，依照圖1所示引導式探究的教學模組（楊秀停、王國華，2007；NRC, 2000），依序分成五個教學階段，並在教學階段中融入統整其STEAM觀念之內涵，透過實際探究參與進而達成深度的學習，以下就上述五個步驟加以說明：
活動步驟一：教師安排問題情境
在本課程一開始，教師帶領學生至戶外環境中，以有高低差的建築物佈置流籠索道組合，用以比擬兩山之間以重力傳動的流籠，並且安排任務問題：「各位同學前面有許多不同大小的流籠、不同材質的繩索以及不同大小的掛鉤，請各位在13到17秒內將物品由高處安全運送至低處。時間不得少於13秒，也不得多於17秒。」
學生在此階段透過現場實際環境的任務佈置，進行問題解決的初步探究思考，由任務所給予的限制進而思考各種不同變因會如何影響流籠的運動，連結其科學知識融入STEAM概念中的科學層面(Science)，並讓學生觀察，在戶外自然環境中，什麼顏色最明顯，最適合成為警戒色(圖2〜4)。
圖2. 不同大小與顏色的流籠與吊勾(圖片來源：公共電視南部開講)
圖3. 教師進行問題情境的佈置 (圖片來源：黃琴扉教授)
圖4. 不同材質與顏色的繩索(圖片來源：公共電視南部開講)
活動步驟二：引導學生發展問題並試驗
經過一開始教師問題情境的佈置之後，引導學生直接進行嘗試不同變因的流籠組合，在此階段學生初嘗任務失敗，大多無法達到任務所要求，大部分學生在運送過程中發生幾個狀況：「運送到一半卡在繩索中間以及試圖甩繩使其加速結果物品被拋出流籠外」(圖5、6)。
圖5. 流籠卡在繩索低點間(圖片來源：公共電視南部開講)
圖6. 甩繩造成物品被拋出籃外(圖片來源：公共電視南部開講)
活動階段三：分析試驗結果協助設計解決方案
學生試驗任務問題後發生困難，教師在此階段根據學生們發生的問題協助分析其可能的原因，並提出解決的方案，老師從旁引導提問並且給予調整的建議：「卡在繩索低點間會不會因為改變繩子與牆壁夾角太過猛然，導致流籠已在繩子的前半段運動時就觸及地面了呢?」、「甩動繩子讓流籠加速結果失敗，想一想甩動時施力方向是否能成功造成流籠向前運動呢?然而流籠運輸的動力又是如何傳遞的呢？」教師在此透過分析學生試驗結果協助提出可能之解決方案，並藉由提問引進本課程STEAM內涵中的科學(S)與科技(T)的概念(圖7)。
圖7-1. 學生藉由蹲下動作改變收繩高度(圖片來源：公共電視南部開講)
圖7-2. 學生透過緩慢控制繩索與牆壁夾角解決流籠卡在繩索低點間問題的變化以達成穩定運送(圖片來源：公共電視南部開講)
活動步驟四：學生進行小組反思討論與發表其解釋
學生在教師的引導之下嘗試其解決決方案後，教師給予小組討論與發表想法的時間，各組學生討論過後提出：「選擇大流籠時，籠子內的物品會因為傾斜下降的關係跟著產生滑動，造成有一瞬間下降的很快，反而來不及控制」、「流籠搭配光滑的塑膠繩下降時會過快；而粗糙的童軍繩起初下降穩定但後來會卡住，不同繩索摩擦力影響狀況不同」、「大掛勾比小掛勾更容易在運送過程中產生晃動反而無法穩定輸送」，由此可知，學生透過小組討論反思發表可以得到對任務問題的初步結論。
活動步驟五：教師檢視學生所學與其解決方案
在戶外場所實際教學過後，教師帶領學生回到課室總結本課程所要學習之內涵，透過讓學生發表各組的問題解決方案與省思後，再補充流籠運水重力傳動和電力傳動的差異與限制、計算運送時間與傾斜角度的影響，連結學科概念與STEAM內涵中的工程(E)和數學(M)的應用(圖8)。
圖8. 教師總結課程內容並檢視學生所學(圖片來源：黃琴扉教授)
結語
STEAM的教育理念著重統整性與應用性的問題解決能力，透過STEAM課程的實施協助學習者面對瞬息萬變的多元問題，強化未來解決真實情境問題的能力。本課程的設計即是由STEAM的核心概念出發，配合戶外教育引導式探究為執行方法，在戶外場域中建立出此流籠運水創意課程。
在本課程的實施下，透過解決任務問題的過程，藉由引導式探究在各教學階段的反應與回饋，可以發現，確實可以協助學生進行多角度多變因的思考探索，也可以促進其統整概念應用知識能力，成功達成STEAM教育理念所強調的核心要求。
最後，本創意課程可與環境教育相互搭配，讓學習者在自然場域中進行符合STEAM概念的教學活動，對於教學與學習具有十足的彈性與變化性，亦增加教學環境的豐富度。
參考資料
公視南部開講--在地旅行 寒假快樂學習法。
吳俊憲、吳錦惠（2018）。應用「問題導向學習」於大學通識課程之行動研究。臺灣教育評論月刊，7(10)，194-201。
陳家騏、古建國（2017）。STEM 教學應用於高中探究與實作課程之行動研究─以摩擦力為例。物理教育學刊，18(2)，17-38。
黃琴扉（2016）。化學探究教學：引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程。臺灣化學教育，13(5)。
孫志強（2015）。STEM 課程元素融入阿美族文化之研究。臺北市立大學科學教育碩士學位學程，未出版之碩士論文，臺北市。
林怡廷（2015）。探討 STEM 課程以科學探究教學法在課外社團實施之研究。臺北市立大學應用物理暨化學系自然科學教學碩士學位班，未出版之碩士論文，臺北市。
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周家祥、金若蘭（2008）。北一女中進行真實環境問題解決統整式課程初探。臺北市立北一女中高瞻計畫，台北市。
楊秀停、王國華（2007）。實施引導式探究教學對於國小學童學習成效之影響。科學教育學刊，15(4)，439-459。
National Research Council (NRC). (2000). Inquiry and the national science education standards: A guide for teaching and learning. Washington, DC: National Academy Press.
黃琴扉
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授
王冠智
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士
稀土元素及其在染料敏化太陽能電池之應用
文/李權倍 本文介紹稀土元素、稀土元素之應用背景、太陽能電池背景及染料敏化太陽能電池、和以稀土發光材料提升染料敏化光電極性能。
稀土元素
於化學元素週期表中，稀土系列元素大致上可分爲「輕稀土元素」和「重稀土元素」。其中「輕稀土元素」指原子序數較小的鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪；「重稀土元素」則為原子序數比較大的釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鎦。值得一提的是，稀土元素在地殼的含量並不稀少鉕除外，甚至比部分貴金屬元素金、銀、鉑等要豐富得多。其中鈰元素於地殼元素含量排行更高居第，其含量相近於眾所熟悉且廣為使用的銅、錫元素。然而稀土元素於地殼蘊藏較為分散，因此富集成礦區之處較為稀少，若能形成礦床，稀土元素大多以離子化合物形式存在礦物晶格中並被稱為稀土礦物。由於稀土元素最早是從瑞典生產的稀有似「土」狀礦物中發現，故而得名；實際上它們並非「土」，而是典型的金屬元素。稀土元素的金屬活潑性僅次於鹼金屬和鹼土金屬元素。由於稀土所具有的獨特的化學及物理性質，它們已經廣泛地應用於石油化工、冶金、軍事、電子、化學、鋼鐵、玻璃陶瓷、農業、新科技材料等領域，因此常被稱譽為「世間神奇之土」、「工業維他命」、「新材料之母」或「二十一世紀黃金」等名稱。本文中除了簡要介紹稀土元素在上述各領域的應用背景外，也將介紹其於新世代染料敏化太陽能電池dye-sensitized solar cellDSSCDSC DYSC之應用。
稀土元素應用背景
在冶金領域，使用稀土元素已有30~40多年的歷史。稀土元素及其氟化物或矽化物加入煉鋼程序中具有精煉作用與提升鋼的加工性能；添加至鎳、銅、鋅、鎂、鋁等有色合金中，可提高其合金於室溫及高溫下的機械性能。若同時結合稀土元素具有的優異光電磁等物理特性，將可大幅度提高其應用產品的品質和性能。因此相關產品常用於製造軍事用途的鋼材與合金以及高科技相關的領域(如：電子、雷射、核工業、超導等)。稀土元素在石油催化裂化過程可用來製成分子篩催化劑，具有高選擇性、高活性、抵抗重金屬毒化等優點，因而取代了傳統上常用的矽酸鋁催化劑。於氨的生產過程中，僅需使用少量硝酸化稀土作為催化劑，其處理量為使用傳統鎳鋁催化劑的1.5倍；複合稀土氧化物可以作為內燃機排氣淨化催化劑；環烷酸鈰則可用作油漆催乾劑等。稀土氧化物或經過加工處理的稀土精礦，可作為拋光粉廣泛用於光學玻璃、眼鏡片、顯像管、示波管、平板玻璃、塑膠及金屬餐具的拋光；在熔製玻璃過程中，可利用二氧化鈰對鐵有很強的氧化作用，降低玻璃中的鐵含量，來達到脫除玻璃中綠色的目的；添加稀土氧化物可以製得不同用途的光學玻璃和特種玻璃(如：能通過紅外線、吸收紫外線的玻璃、耐酸及耐熱的玻璃、防X-射線的玻璃等)；在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以減輕釉的碎裂性，並能使製品呈現不同的顏色和光澤。部分研究還發現，稀土元素可以提高植物的葉綠素含量，增強光合作用，促進根系發育，增加根系對養分吸收。稀土元素還能促進種子萌發，提高種子發芽率，促進幼苗生長。此外還具有使某些作物增強抗病、抗寒和抗旱的能力。適當濃度稀土元素能促進植物對養分的吸收、轉化和利用。稀土釹鐵硼永磁材料，則被廣泛用於電子及航太工業和驅動風力發電機；稀土六硼化物可用於製作電子發射的陰極材料；鑭鎳金屬可作為貯氫材料；鉻酸鑭是高溫熱電材料；此外稀土元素也能以螢光粉、增感屏螢光粉、三基色螢光粉、複印燈粉等方式廣泛用於照明光源、投影電視、平板電腦等電子產品；在紡織工業中，稀土氯化物則廣泛應用於鞣製毛皮、皮毛染色、毛線染色及地毯染色等方面。稀土元素除了上述種種應用外，近年來在光電能源轉換的應用方面，以下介紹太陽能電池的背景與稀土元素在新世代染料敏化太陽能電池之應用。
太陽能電池背景及染料敏化太陽能電池
隨著工業文明的迅速發展，現今世界對能源的需求量逐年大增，使得地球上能源的儲存量逐年快速銳減，因而引發嚴重的能源危機。並因過度使用化石燃料，導致全球溫室效應，致使全球暖化問題日趨嚴重，進而對人類所居住的地球環境造成無可復原的污染。因此再生能源的研究與開發已成為全球性刻不容緩的努力方向。在多種再生能源中，除被看好的風力發電之外，現階段太陽能發電被認為是較具發展潛力和應用價值的再生能源之一。太陽每年灑向地球的能量為3×1024焦耳，是目前人類年需能量的一百萬倍。太陽能儼然已成為21世紀最有發展前景的新能源之一。因此，如何將大自然源源不絕的太陽能有效率地轉換為電能，即成為人類解決能源危機和環境污染的重要途徑和希望。近來太陽能發電的技術受到市場矚目，這是因為矽晶太陽能技術已經成熟(如：單晶矽太陽能電池實驗室效率已達~25%)，但因其原料成本偏高(如：單晶矽所使用矽原料純度須為99.999999999％)、製程設備昂貴等因素致使尚未普及化，因此市場仍期待有更新穎、簡單製程且原料成本低的太陽能電池技術。其中染料敏化太陽能電池很早就被人們發現。1960∼1970年代Gerischer及Tributch等人把光電轉換應用到太陽能電池上，但是早期的光電轉換研究都是在平滑電極上進行，然而平滑電極上的染料單層面積小，吸收太陽光量很低且染料多層吸附，電荷轉移效率低，致使總效率極低。自從瑞士科學家M. Grätzel在1991年發表出以染料敏化奈米多孔性二氧化鈦光電極組成效率超過7%的染料敏化太陽能電池，便引起了全球能源界的關注以及熱烈投入發展。近年來染料敏化太陽能電池受到關注，最大原因在於製程簡單，不用投入昂貴設備及無塵室廠房等設施，加上二氧化鈦、電解質等原料價格便宜也是一大關鍵要素。此外染料敏化太陽能電池可使用具有可撓性且質輕的電極基材，應用端可大幅擴張，比起目前主流結晶矽太陽能電池只適用於大型戶外、屋頂等少數應用場合，有較大的應用空間。經過這幾年的發展，已經有學者研發出可達到14.30%效率的染料敏化太陽能電池，未來仍持續看好中。
染料敏化太陽能電池之結構可略分為透明導電玻璃(如：FTO或ITO導電玻璃)、二氧化鈦多孔性薄膜(圖1)、染料光敏化劑(圖2)、電解液以及含電觸媒之對電極。其主要結構以及運作機制分別如圖3及圖4所示，太陽光由導電玻璃端入射，通過二氧化鈦多孔性薄膜後直接被染料吸收，待染料吸收適當波長的光後，將使其電子由基態被激發至導帶的激發態，在導帶的電子是可以自由移動的，且激發態的電子不穩定，會以一定的機率注入較低導帶能階的二氧化鈦層，但也可能會回到染料的基態或傳遞到電解質。此電子經二氧化鈦層的傳導，再注入導電玻璃並通過外部電路則造成發電。當染料的電子被激發之後，電解質會提供電子以還原染料，此動作可降低激發電子由染料或二氧化鈦的激發態直接回到染料基態的機率，亦即增加電子注入外部電路的效率，電解質還原染料之後，本身因為少了一個電子，而轉變成氧化態，此時已鍍有高活性白金薄膜的對電極可將電解質還原，最後，通過外部電路的電子流到對電極並將白金還原，即形成一個循環。
圖1. 二氧化鈦多孔性薄膜高解析掃描電子顯微鏡影像圖 (圖片來源：李權倍老師)
圖2. 市售之N3染料(左圖)及N719染料(右圖)分子結構圖 (圖片來源：李權倍老師)
圖3. 染料敏化太陽能電池照片(上圖)及其剖面結構示意圖(下圖) (圖片來源：李權倍老師)
圖4. 染料敏化太陽能電池運作機制流程示意圖 (圖片來源：李權倍老師)
以稀土發光材料提升染料敏化光電極性能
於整個染料敏化太陽能電池元件中，其染料敏化二氧化鈦光電極部位是光－電轉換的重要樞紐，因此相關研究採用稀土元素參雜來提升光電極性能。主要是因為稀土元素具有豐富的能級及4f軌域電子的躍遷特性，此特殊的電子構型使稀土化合物在從真空紫外光到紅外光這一範圍內具有優異的發光特性。而稀土發光材料具有許多優點：發光譜帶窄、色純度高、光吸收能力強、轉換效率高、發射波長分佈區域寬、螢光壽命長以及物理和化學性能穩定。
稀土發光材料作用形式主要包括上轉換發光和下轉換發光兩種類型。上轉換發光材料可吸收長波段的光轉而輻射出比原本較短波段的可見光，如圖5所示。下轉換發光材料則可吸收高能量的紫外光(短波段的光)而發出多個低能量的可見光(比原本較長波段的光) ，如圖6所示。上述兩種轉換類型發光材料的發射光譜主要位於波段為400 nm~700 nm之間(即為可見光波段區間)，這一波段區間恰恰可被太陽能電池高效利用。所以這些經稀土發光材料轉換出的可見光發射光譜將被引入太陽能電池中，使其對更多光線充分地吸收和利用。因此，稀土發光材料是一種有效提高太陽能電池光－電轉換效率的方法。
圖5. 以YF3:(Er3+，Yb3+)為例之上轉換發光材料的運作機制示意圖 (圖片來源：許曉玉，王蒙，林琳，趙斌，何丹農(2015)。稀土發光材料在染料敏化太陽能電池中的研究進展。材料導報，29(1):61-65。)
圖6. 下轉換發光材料的運作機制示意圖 (圖片來源：許曉玉，王蒙，林琳，趙斌，何丹農(2015)。稀土發光材料在染料敏化太陽能電池中的研究進展。材料導報，29(1):61-65。)
於稀土發光材料上轉換應用方面，有研究利用高溫固相法合成Er3+與Yb3+共同參雜的LiYMo2O8上轉換發光粉粒，研究發現所製備出來的LiYMo2O8粉粒能有效吸收900 nm~1050 nm波段範圍的光，並發射出490 nm左右的可見光。進而有學者合成製備一種具備核－殼結構的NaYF4: Er3+, Yb3+/TiO2奈米粒子粉粒作為染料敏化太陽能電池的光電極材料，研究結果發現與使用無參雜的TiO2光電極之電池相比，其電池元件的光－電轉換效率足足提升了23.10%。
在稀土發光材料下轉換應用方面，相關研究發現Dy3+和Eu3+等稀土元素離子因具有變成二價離子的趨勢而在紫外光區具有電荷遷移吸收帶，因此容易被220 nm~320 nm波段範圍的紫外光所激發，並發射出可見光。此特性除了可以有效提升染料敏化太陽能電池的光電極效率外，對於整個元件的長效穩定性提升將有莫大的幫助，主要是因為：紫外光的照射會降低染料敏化太陽能電池的化學穩定性，在紫外光照射下組裝於TiO2表面的染料分子層會受光催化作用而不穩定，另外電解質中的添加劑則會因為紫外光的照射發生很大變化，同時電解質中的碘離子氧化還原對也會被很快消耗。若能利用稀土元素離子進行下轉換發光，將紫外光轉換成可見光將可以有效解決這些問題，進而提高電池元件的穩定性和光－電轉換效率。有研究學者合成LaVO4:Dy3+下轉化發光粉粒進行研究，研究發現其所製備的LaVO4:Dy3+粉粒能吸收213 nm和290 nm的紫外光，並分別發射出477 nm和569 nm可被染料敏化光陽極利用的可見光，其所促進的光電流密度可達6.70%。此外，其他相關研究曾使用溶膠凝膠法製備了La2O2S:Eu3+下轉化發光粉粒，並將其應用於染料敏化太陽能電池的光電極中，結果發現與使用無參雜La2O2S:Eu3+的光電極之電池相比，其電池元件的光－電轉換效率足足提升了25.00%。
參考文獻
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李權倍
臺北市立大學應用物理暨化學系助理教授