人機合作模式的機器人教學設計
文/李文宏 陳璽宇
隨著自動化與智慧化技術發展，機器人被賦予的任務漸增。「人機合作」原是為了解決機器人能力不足所提出的權宜之計，由機器人負責處理繁重、重複勞動或是具危險性的任務，當遇到突發狀況或是需要決策的情形時，再交回人類處理。隨著科技的進步，機器人的自主性更強，讓人們再度關注到人機合作發展的潛力。值得注意的是，當今坊間已有許多的機器人課程，這類課程可以培養學生的統整能力、創造力及問題解決能力，中小學的機器人教學即為了讓孩子做好迎接機器人時代的準備（陳怡靜、張基成，2015），但為因應這股人機合作發展趨勢，機器人的教學是否需要有所調整呢？
從機器到機器人和從自動化到智慧化
機器與機器人從字面上看起來差別不太，但若翻成英文，Machine與Robot可是截然不同的詞彙。從工業時代（甚至更早）開始，人類為了生產不停地改良機器，機器的發展幾乎可以跟工業劃上等號，然而人類對機器的期望遠遠不止於此。捷克作家恰配克(Karel Čapek)於1921年使用Robota (後演變為Robot)一詞，描述一種與人類相似的人型機器。Robota在捷克語中的意思為替地主工作的農奴，試想像機器能像人類一樣地工作、為人類服務，這無疑是人類對機器最大的期望，也就是機器人的價值所在。
如果機器自動化的訴求是為了將人類的雙手從勞動中釋放，那麼機器人的智慧化則是追求進一步地將人類徹底從勞動中解放。然而，機器人的智慧化並非一蹴可幾，受限於人工智慧的發展，機器人仍未能像人類一樣靈活地對事物作出判斷，人與機器並存的工作是智慧化過程中必經的過渡時期。
人機合作並非只是單純的由人類操作機器，機器人能自行運作並處理複雜的任務情境，遠超過一般機器所能達成的功能，與機器人協同工作後，人類的任務由操作轉變為管理。這樣的模式能有效降低人類的負擔，亦能補足機器人目前的能力限制。人類的在人機合作模式中的角色十分微妙，根據機器人智慧化程度與任務複雜程度的不同，扮演著機器的操作者、行動的指揮者、故障的排除者、或是工作的監督者等不同角色。
從程式排程到人機合作
與時俱進是機器人教學的特色，每當有一個新的科技興起，不久便會在教學中看到新科技的縮影。過去我們利用各式感測器，讓機器人可以做到碰撞偵測、光線感應、距離及角度測量等功能，並藉此發展出許多教學活動。Tocháček、Lapeš與Fuglík（2016）認為機器人教學主要用於培養學生將知識與技術統整並應用的能力，同時可訓練學生歷程規劃之技巧。利用程式排程的教學，可以讓學生根據任務的不同安排機器人做出相對應的工作。
近年由於人工智慧興起，機器人教育亦受其影響。人工智慧與程式排程不同，一般的程式排程需針對感測器的特性設定參數，才能使機器作出正確的判斷，若工作環境發生改變，則需要進行維護調整；人工智慧前置作業時透過大量資料的蒐集與分析，能給予機器完整的參考數據，使其作出準確的判斷。進一步的構想則是人工智慧能在工作過程中持續蒐集資料，且持續透過機器學習修正工作表現，這樣的設計使機器更加智慧化，更接近機器人一步。
機器人教學開始逐步導入人工智慧技術，例如近年熱門的影像及語音辨識。然而，機器人教學結合機械、電子與程式設計等領域，要跨過這樣的技術門檻已不易，若加上新興的人工智慧是否更加深教學的難度？專題導向教學法的研究回答了這樣的疑慮，我們應當將重點放在教學活動本身，藉以培養學生的設計思維、問題解決等能力，而非專注於技術訓練。
人機合作模式的機器人教學
許多機器人課程的開發者正努力降低人工智慧技術的門檻，使人工智慧在中小學機器人課程中得以實現。透過一體式的開發板，省去電子配線的步驟，並透過圖形化積木降低程式編寫的難度，使學生能夠做出基礎的人工智慧專題。得力於主題的創新是機器人教學活動進步的一大契機。但若使用者無法體驗到在真實世界中的任務情境，這樣的人機合作研究是不具意義的（Landauer，1987），故筆者試著從未來機器人工作的可能性發想，配合目前機器人的教育現況，提出人機合作模式的機器人教學設計，以下舉2019年「START!智慧小車競賽」的競賽試題進行探討：
一、人機合作的挑戰
「START!智慧小車競賽」每組由兩台機器人組成，包括一台遙控車及一台程控車（如圖1）。遙控車代表未來工作中人類的角色，程控車則為未來工作的機器人，兩者必須協同合作共同完成任務。由於我們對機器人的期望通常為能夠全自動完成任務，在人機合作的模式下，兩者的任務必須有所協調，以免互相干擾反而降低工作效率。如何使合作產生更高的效益，即是人機合作最大的挑戰。
圖1. START!智慧小車基本樣式實體圖
二、遙控車和機器人的分工
「START!智慧小車競賽」以產品加工廠為主題，機器人扮演的角色為產品的運送者，負責蒐集貨物，運送至指定地點並進行儲存。場地分為三區：加工、運送及裝配區，為了增加比賽的難易度，場地中將隨機散落障礙物，需要設法排除；裝配區僅開放程控車通行，且需要將貨物卸載至指定位置中，如圖2所示。
圖2. START!智慧小車競賽場的示意圖
要讓人機合作發揮最大效益，第一步便是人類與機器人的分工。通常由人類負責容易有突發或未預期狀況的任務，重複性的任務則交由機器人負責。以「START!智慧小車競賽」為例，由於最後一個區域僅開放程控車通過，學生多會選擇讓程控車運送貨物，遙控車負責抓取貨品，但路上散落的障礙物會阻擋程控車的前進，又需要遙控車前往排除，容易造成工作分配的不均，如何安排工作流程，考驗著學生的智慧。為了使學生能妥善思考解題策略，「START!智慧小車競賽」初賽需繳交企劃書（如圖3），引導學生說明遙控車與程控車的工作流程規劃，以及如何達成妥善之分工。
圖3. 機器人解題策略示例
人機合作在分工時最容易有的謬思為如何完成精密性任務，這部分通常會交由人類負責。以「START!智慧小車競賽」為例，貨物夾取被視為最複雜的任務，因為其過程需要頻繁調整車身及手臂的位置，中學生往往將其分配給遙控車。而在現代化的自動倉儲中，大部分的貨物也仍依靠人類駕駛堆高機來裝卸，再交由自動天車運送至貨架上。然而，抓取貨物雖然需要精密操作，但並非是無法標準化的作業流程，許多自動化倉儲系統也正透過機械手臂工作時數據的分析來研究不同貨物該如何裝卸。以「START!智慧小車競賽」為例，將貨品抓取設計成標準化的任務情境（如圖4），若克服機器人在精密操作的障礙，讓程控車在競賽時能夠抓取貨物，必能提高工作的效率。畢竟扮演機器人的訓練師，也是人類在人機合作中重要的角色之一。
圖2. START!智慧小車競賽場的示意圖
三、 突發狀況的排除
突發狀況的處理，是人類在人機合作過程重要的任務課題。與許多機器人競賽相仿，「START!智慧小車競賽」設計有求救制度，學生能在機器人發生狀況時，對機器人進行維修處理。「START!智慧小車競賽」更添加儲存點規則，機器人從該區域重新出發即可，不必回到起點，降低發生意外時的損失，但意味著學生必須於維修時間重新調整程控車的程式設定。 比起求救制度，我們更期望學生利用遙控車來排除突發狀況。例如單純的循跡出軌或是迷宮卡牆角，只要遙控車稍微前往調整便可以解決。實務上來說程控車身上設有許多的感測器，容易受到遙控車的移動干擾，尤其是在貨物裝載期間，程控車應該要設計定點等待或是回饋機制，以免發生誤觸或是任務未完成便離開等情形，當然這些皆需要在事前分工時就規劃，學生也必須在賽前就做好排除突發狀況的練習。
為未來而設計的機器人教學
機器全面智慧化的將來已不遠，我們可以預期，有朝一日人類大部分的工作都將由機器人所負責。屆時人類與機器人的關係將會變得如何呢？雖然機器學習研究已有一定成效，機器能自動蒐集數據並分析，在現階段來說影像及語音辨識、語意翻譯、自動駕駛、甚至單純的煮飯燒水都不算完美，我們也尚未發明出全知全能型的人工智慧機器人，能讓人類完全免於工作。
人機合作看似是不得已的辦法，但我們與機器人合作的過程中，亦在觀察機器人的特性，幫助我們認識如何訓練機器人。或許我們應該在機器人教學中開始準備，學習如何與機器人合作，同時找出讓機器人更加智慧的可能。
由國教署指導，北區自造教育及科技輔導中心於108年9月21日於新北市江翠國中舉辦的「START!智慧小車競賽」，即是以人機合作的策略為出發點，考驗參賽者如何透過程控車與遙控車進行搭配完成任務，激發其創造思考與團隊合作，並提高學生對機器人學習之興趣。該競賽訊息、新聞敬請參閱官網，相關教材亦會持續於網站公開分享，供學習者參閱。
參考文獻
陳怡靜、張基成（2015）。兩岸機器人教育的現況與發展。中等教育，66（3），37-59。
Landauer, T. K. (1987). Relations between cognitive psychology and computer system design. Interfacing thought: cognitive aspects of human-computer interaction, 1-25.
Tocháček, D., Lapeš, J., & Fuglík, V. (2016). Developing technological knowledge and programming skills of secondary schools students through the educational robotics projects. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 217, pp. 377-381.
國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系博士班研究生
李文宏
國立臺灣師範大學科技應用與人力資源發展學系碩士班研究生
陳璽宇
以預測、觀察、解釋開啟科學實驗教學
文/許慧嫻、蕭世輝
前言
視知覺能力是將眼睛所看到的東西內化、重組、編碼轉化並賦予意義的一種能力。視覺學習法占了學習方法中的80%。而視覺中觀察能力培養，則可從生活中微小事物訓練開始。透過觀察，能夠讓孩子產生極大觀察興趣，因此帶孩子到大自然中培養觀察力，是最有效的方法之一。
但如何將學生的觀察能力與課程內容結合，讓自然與生活科技課程成為學生超級喜愛的課程?
近幾年，筆者在自然領域教學中，嘗試導入POE教學策略，發現學生的學習興趣與學習成就皆因此提高。在學生對教師的教學回饋中，學生表示在預測、觀察、實作中，經歷的每一個步驟都深印在腦中，這種並不是死背的知識，讓他們瞭解了，原來學習也可以這麼輕鬆有趣。因此，筆者將現階段許多教師在校園裡運用的POE教學策略與自己淺薄經驗融合，分享給其他教學及研究者參考。
從自然環境為起點培養觀察力
知識學習的路徑是從觀察→思考→記憶→想像→形成經驗，最後產出知識。因此觀察是一切學習的起點。我們可以從生活周遭自然環境來培養學生的觀察力。例如從住家附近的步道或山區裡開始，以微觀的方式觀察，深入觀察土壤的生物、石頭的節理、花、草、樹木等等，並以此擴大到理解與探討當地人文、歷史與地理變化的原因。
以觀察植物為例，我們可以藉由觀察植物發芽、樹葉的顏色、枝芽生長情形來辨別季節。藉由觀察樹葉外觀與形狀變化，分辨出是那一類昆蟲的傑作，甚至在不同植物上可以發現不同昆蟲，如捲葉象鼻蟲、蝶、蛾類、天牛、螳螂等昆蟲。除此之外我們可以觀察當地步道日照多寡、潮溼或乾燥、晴天與雨天等，來判斷會有那一類的昆蟲或植物喜歡待在這裡。亦可藉由觀察山壁土壤、密度、顏色、石頭大小、形狀與紋路，來了解此地的地形地貌、變化或發展史，並可擴增介紹周遭相關文化發展。
自然觀察到課程教學
傳統的食譜式教學，優點是能有效夠掌握教學進度與實驗結果，有利於科學基本知識的扎根；但卻容易造成學生不了解實驗設計的原理與原因背景。因為食譜式教學往往只是依照課本的步驟做，學生即使做到並完成正確的實驗，並無法提升學生主動學習的興趣和訓練他們的問題解決能力，更遑論激發開放性和高層次思考的能力。因此，筆者在自然科教學中，常省思有那一些單元適合發展POE教學策略，那一些不適合?而導入POE教學策略，除了能較上述傳統食譜式教學的教學外，又是否為學生帶來學習成就以及解決學生學習上的困擾呢？以下簡述POE教學策略的意涵、POE教學策略的優點與實行教學的注意事項、如何運用POE教學策略於六年級自然課程中、授課困難與擔憂。
POE教學的意涵
POE是Prediction(預測)、Observation(觀察)、Explanation(解釋)三個名詞字母開頭的縮寫。POE教學策略的實驗順序是預測→觀察→解釋。此種教學法與一般依照課本上課的模式是不同的。
POE教學設計包含生活情境中另有概念的議題在內，在設計過程中將學生認知衝突元素包含在實驗中，讓學生認知結構或基模的功能產生衝突，經過實驗觀察與記錄，學生認知結構產生同化與調適狀態，在同化與調適過程當中，形成心理內在驅動力改變或者調適原有認知結構，而容納新的知識經驗(張春興，1997)。
認知衝突運用在教學上能解決學生的另有概念，除此之外在教學前先分析學生的另有概念可以協助教學者設計適合的教學策略(簡青瑜，2013)。POE教學策略是另一個衡量知識應用能力的一種方法，在實驗教學中，教學者以提問方式讓學生思考，正確答案會在問題描述過程中簡略帶過。除此之外，學生可以從教科書中尋找到線索，並用課本裡的概念來回答(葉嘉雯，2105)。當學生敘述不完整時學生可以預測，在預測時學生能更能運用原有認知基模推論而得到答案。
以六年級自然「熱與我們生活」單元為例
學生「預測」題目：我們所知的「能量」是否可以測量得出來？
運用此提問時，教學者可以根據學生的回答，來理解學生的先備知識是否需要釐清與說明。
學生「觀察」：用手來感覺三杯不同溫度的水，並記錄那一杯最熱。
用手感覺水溫是否科學？學生必須辨識運用此法的可行性？在此階段學生可運用實驗過程的觀察，釐清在先前預測時原有觀念並強化實驗觀察後所見的事實證據與建構新概念。
學生「解釋」：身體可以感受到熱能，而且在相同條件下，獲得熱能的物質，溫度會升高。
運用解釋來確認學生學習理解程度，並讓學生加深印象。如果學生沒有觀察到實驗變化關鍵時，教學者可以隨時調整教學內容的難易程度。
POE教學策略的優點與實行教學的注意事項
POE教學策略的優點是可聚焦於學習的主題，可深入探究該主題知識概念的本質。其次在學習過程中老師適當運用診斷性評量與形成性評量，可以幫助老師了解學生學習上的困難，提供老師調整授課的難易程度來提高學生學習的成效。除此之外可以觀察學生本身原有的概念或信念，有助於釐清學生對於現象與概念之間關係的認知。更可以幫助學生面對認知衝突時調適的機會。
實行POE教學策略需注意以下兩點。一、是學生的參與度不高，如要提高學生的參與度，則應該賦予每一組學生，各別任務以提升學生的學習興趣。二、學生對於寫POE學習單是反感的，雖然學習單是讓教師了解學生的學習歷程，但學生已經對測驗卷感到壓力。(溫明豪，2018)
運用POE教學策略於課程中，在教師方面必須要留意下列幾點(陳坤祝，2018)。首先教學者必需要有相當的科學知識背景。其次是教師對於POE教學策略內容必須具備中等程度的科學認知，才可以釐清學生的既有概念問題。最後是教師除了理解POE教學理論外，也必須具備POE的教學應用面的運用(黃以芬，2016)。
POE教學策略的優點與實行教學的注意事項
藉由「熱與我們生活」單元以POE教學策略帶入，主要目標是讓學生體驗生活中物質受熱的變化，以及熱與物質的相互關係，如物質的外形、體積是否會受溫度的變化而改變物質的狀態。
1.教學目標：瞭解物質受熱的變化與相互關係，如包括外形、體積的改變及熱脹冷縮的現象。
2.POE教學策略課程結構
(1)預測：請學生觀看實驗裝置(如圖1)，接著(1)先在空寶特瓶上方淋上熱水。(2)再將此寶特瓶從盤中拿出。(3)將寶特瓶分別放入裝有冷水與熱水的燒塑膠盆中。
圖1. 實驗裝置
請學生預測，將空寶特瓶放在加有冷水的塑膠盆中會吸水還是放在加有熱水的塑膠盆中會吸水？
A組學生預測放在冷水塑膠盆中的寶特瓶會吸水。放在熱水寶特瓶塑膠盆中不會吸水。
B組學生則預測兩個塑膠盆內的寶特瓶都不會吸水。
(2)觀察實驗—設計實驗步驟
學生必須針對先前的預測，進行實驗設計。進行此階段時，雖然運用簡報指引實驗的流程，但學生對於自己設計實驗還是很不熟悉。雖然小組已討論出實驗步驟(如圖2)：(1)先將有水的寶特瓶澆熱水。(2)再放進熱水裡。
在實驗中，將熱水澆灌於加蓋的空寶特瓶外，主要目的是讓寶特瓶內的空氣成為熱空氣，因此寶特瓶瓶蓋必須蓋上。但還是有些學生沒將寶特瓶瓶蓋蓋上。(如圖3)
圖2. 實驗步驟
圖3. 有些學生沒蓋瓶蓋
(3)觀察實驗—依自己設計的實驗流程進行操作
在操作當中，學生發現實驗過後的結果與他們先前是不同的。學生的預測是淋了熱水後的寶特瓶放進熱水中是不會吸水的。但經過實驗後寶特瓶內卻有進水。
我反問：是甚麼原因造成的呢!我請學生親自操作一次讓我看。看完之後我發現，學生將淋了熱水後的空寶特瓶，放在冷水的燒杯中，觀察得到結果後，又將空寶特瓶再次放進熱水中，並沒有重新將空寶特瓶淋上熱水後再實驗，因此導致實驗結果的不同。
問題二、學生發現裝有冷水塑膠盆內的寶特瓶不會吸水。我請他再次觀察空寶特瓶裡吸管高度與寶特瓶外水位高度的關係？
學生觀察發現，塑膠盆的冷水水位並未高過空寶特瓶的吸管(如圖4)放大圖解(如圖4)，因此淋了熱水的空寶特瓶，無法將塑膠盆中的冷水吸入寶特瓶中。
圖4. 吸管高度高於水水位高度
(4)解釋科學原理
實驗到尾聲教師必須讓學生練習表達。學生經過此次實驗的歷程，從剛開始的預測，觀察、解釋的流程後。學生是不是可以表達出在實驗過程中，觀察到與課本相關的科學原理，並能經過小組討論統整出結論，且跟大家報告你們小組所學習到的科學理論。
此次學生表達了熱漲冷縮都是他們平常所知道的原理，經過此次的教學法後，讓他們對物質熱漲冷縮的科學知識加深加廣外，又更深一層的認識。將熱脹冷縮的原理帶入學生生活裡，如圖5所示是最好的學習方法。
圖5. 熱脹冷縮示例 (圖片來源：[東森新聞]熬不過2013 基隆小鴨「爆」了)
授課困難與擔憂
POE教學策略課程設計通常是由學生的迷思概念引入，教學者必須非常瞭解學生的科學迷思概念在那裡，藉由迷思概念提問後而引發學生學習興趣。然而學生的迷思概念也可能跟老師的迷思概念是一樣的，有時學生的自然知識都比教師還強。如果自然老師並不是自然方面專長的教師，執行POE教學策略時則無法達到預期的效果。
現階段的教材非常方便於教師教學，如要將此教學法導入目前的自然課中，教師必須花非常多的時間重新編寫教案，如能成立教學團隊一起編撰教案，集眾人智慧一起討論可蒐集更多學生迷思概念，即可集中火力對焦，達到成效。
學生的耐心不足在填寫學習單時，通常寫簡單的幾個字就敷衍了事，因此無法立即了解學生的學習狀況，如何突破這樣的問題，這是我們必須思考的。
綜合以上筆者運用POE教學策略是由實驗的預測、觀察、解釋訓練開始，學生很容易接受預測的樂趣，但深入詢問他預測的結果是依據甚麼科學原理與理由時，學生通常答不太出來。如果學生在實驗過程中觀察不仔細，最後實驗結果是無法解釋出來的。
在推動POE教學策略之初，比較辛苦的是必須額外花時間解釋說明POE教學策略預測、觀察、解釋的上課方式，也必須耐心等待學生反應與學生吸收能力，時時調整教學內容以便學生能即時理解與吸收。運用任務分配的方式，讓每一名學生都參與其中，以避免教室裡有「客人」出現。
實施POE教學策略後的甜美果實可以在學生身上看見，例如提高了學生觀察能力，並能接納同學不同的意見，更能將不同意見統整出屬於自己的語言來呈現結果。學生從討論實驗主軸開始練習，再細分到注意實驗步驟的每一個細節。這是培養學生組織概念、溝通技巧、邏輯思考的能力，不再是食譜式的教學，只要按照食譜的步驟做就能做出美味的佳餚。然而在真實實驗中的每一個變化都是至關重要，如何引導學生思考、觀察、驗證就非常重要。
在教學的回饋中，學生很想嘗試自己設計實驗，更喜歡在實驗觀察中自己動手做實驗，更喜歡小組討論、解釋出合理實驗結果的過程。甚至表達回想實驗的過程發現考試一點都不難。有這樣的回饋，能顯示POE教學策略運用在自然科學領域是有效的教學方法之一。
運用POE教學策略在自然課程中，教學者必須對自然科學知識方面專精，以迎合現在科技知識爆炸的時代，必須跟上科技進步的腳步時時更新科技新知，才能帶領我們的下一代與新時代接軌。
參考文獻 張春興(1997)。教育心理學---三化取向的理論與實踐。台北市：東華。
陳坤祝(2018)。合作學習融入POE教學策略提升初一學生科學的學習成效之行動研究。國立彰化師範大學碩士論文，彰化市。
黃以芬(2016)。新北市國小自然領域教師實施POE教學現況調查。台北市立教育大學碩士論文，台北市。
溫明豪(2018)。POE教學與教師學科教學知識的影響之行動研究。國立彰化師範大學碩士論文，彰化市。
葉嘉雯(2015)。Co-POE教學模式應用於國小空氣與燃燒單元實驗教學之研究-探討不同認知風格學童的學習。國立台北教育大學碩士論文，台北市。
蔡幸如(2019)。探討「POE&科學解釋文字鷹架」教學法對研究生 設計實驗、教學及科學探究能力的影響。國立台北教育大學碩士論文，台北市。
White, R., & Gunstone, R. F. (1992). Prediction-observation-explanation. In R. White & R. F. Gunstone (Eds.), Probing understanding (pp. 44-64). London, UK: The Falmer Press.
許慧嫻
國北教大自然科學教育學系研究生/新北市大崁國小教師
蕭世輝
國北教大自然科學教育學系助理教授
串出不一樣的思維能力-以STEAM概念發展女力空間思維
文/呂玉環、顏慈瑤、黃奕誠、蘇萬生
圖/顏慈瑤、黃奕誠
原子世界中有著極其多變的立體結構，這些三維空間如同日本名古屋科學館圓狀建築體、社區住宅和便利商店，是發展的基礎建設。但我們從未能真正地看出實體的樣貌，只能透過空間思維的想像來進行分析整合。很多學生初次接觸立體幾何時，不免有些害怕畏懼，然而有研究指出，讓學生多玩積木、玩樂高等等，能不知不覺鍛鍊立體空間感知能力。而本文要介紹的是使用串珠的STEAM課程，材料簡單，能夠讓學生最有效地探索立體結構及空間思維能力。
培育女力空間思維的重要性
空間思維是指識別物體的形狀、位置和空間關係時，我們能理解和記住物體的相對位置，然後通過想像與視覺化，來形成新的視覺關係的能力。簡單地說就是在「腦海」中想像出形狀(每日頭條教育版，2018)。空間感是每個人在生活中所應用的感知能力，在國小的自然或數學等基礎學科內也納入學習指標。教育部早在1993年的課程標準，將圖形與空間列入國小數學科領域目標。「圖形與空間」亦是九年一貫課程中，數學學習領域的五大主題內容之ㄧ(歐瑞蘭，2010)。空間思維能力在生活中無處不在，小到各種日常生活，例如當我們在打包行李時，腦海裡也已經想好什麼東西該放在箱子裡的什麼位置最合適最節省空間；而大則可到達各個領域，例如良好的空間思維能力讓建築師在設計階段就能想像出建築完成後的全貌，讓化學家想像分子的三維結構，讓外科醫生定位人體器官。但對許多人來說可能是場惡夢，例如空間思維能力不佳的人，在日常生活中就會常常出現明明有地圖卻找不到路的狀況，而容易迷路，這一類的人就被稱為「路痴」。
對孩童來說，空間思維還有個更顯著的體現，就是在數學上的表現。美國國家兒童健康研究所曾針對低齡孩子（幼兒園和小學階段）做過一項研究，結果表明改善空間思維可以迅速提高孩子的數學技能。另外，空間思維能力好的孩童也更擅長於數學建模的運用，所謂的建模就是要求孩子能運用空間思維把抽象的數字邏輯和形象的表示圖形對應起來。
由簡單的智力測驗上我們也可以察覺到，男生在數理能力和空間能力的平均表現上的確比同年齡層的女生要好(洪蘭譯，2000)。與一般社會大眾或實證研究，女性在語言記憶、社會認知能力的表現較佳，男性運動與空間思考能力較強之結論相同(歐瑞蘭，2010)。或許源自於男女左右腦構造先天不同，更顯示後天教育的重要性，尤其是透過教育提升女性在空間思維的能力，特別是國小階段的女性學童。在科教館所出版的《科學研習月刊》59-01期的〈女孩們一起動手探索科學趣〉(顏慈瑤、陳虹樺、蘇萬生、陳雪玉，2020)中也有提及，透過STEAM的課程有望改善目前科學和科技業男女比例不均的現象，因此我們將本次串珠的STEAM課程放入科教館的女性科學家培育計畫中，希望藉此能夠在早期培養學生們對數學和化學分子結構的興趣，讓她們在往後的學習歷程能夠對相關的知識更有學習動機，藉此降低科學和科技業男女比例懸殊的現象。
以STEAM概念設計串珠課程的特殊性
許多教育工作者們在培養學生空間思維能力時，往往會將重點只放在解題訓練及紙筆評量上，缺少了讓學生實際運用空間思維能力解決問題的情境，導致並非每位學生都能跟上教師的課程內容。然而，Dewey (1938)指出整個教育過程應視為解決真實問題的學習歷程。相較傳統以知識灌輸為主的教育方式，STEAM教育更加重視學習興趣與學生問題解決的能力，它反對「知識講授-知識理解-知識記憶-知識測考」的傳統路徑，強調學生參與到整個學習價值鏈中：邊觀察邊學習、邊學習邊操作、邊操作邊體驗、邊體驗邊探究、邊探究邊創設、邊創設邊提高，利用輔助遊戲教學培養孩子的興趣，全面系統地提升孩子學習力(新加坡教育聯盟，2020)。因此，以STEAM概念進行教學設計，是刻不容緩的課題，也是世界各國提升競爭力之教育改革方向。又，STEAM課程的特性包括與現實世界的聯繫、注重學習的過程、強調實作、整合藝術人文的學習、培養問題解決的設計思考能力(張玉山，2018)，也是本課程以STEAM概念進行串珠課程的特色。
STEAM(Science, Technology, Engineering, Arts and Mathematics)即是指科學、科技、工程、藝術與數學五個學科英文字母的縮寫。Yakman (2008)提到STEAM奠基於STEM，加入藝術，並將STEAM定義為，以數學為基礎，透過工程與藝術的展示，學習科學與技術內涵的跨學科(interdisciplinary)整合模式。NMC (2015)指出STEAM教育已是全球趨勢，STEAM教育旨在讓學生參與跨學科的學習環境，該環境重視人文和藝術活動，同時打破傳統上存在於不同階級和學科之間的障礙。換言之，STEAM教育之宗旨跟一般教育之最大差別為，STEAM並非單一學科之教育，而是將各個學科整合在一起，連結現實世界中的問題，去思考、研究，並創造出解決問題的方法；與STEM不同之處是對藝術的重視，藝術的融合不僅可以促進學生的認知發展，還可以促進情緒和心理運動的發展，加強他們的批判性思維和解決問題的能力，培養他們的創造力並鼓勵自我表達(Ge、Ifenthaler、Spector, 2015)。STEAM教育概念包含：跨領域、動手做、生活應用、解決問題、五感學習，強調自我探索、自主學習。STEAM教育的整合，能強化學生於21世紀所需具備的創造性、批判思考、問題解決、溝通和合作能力，以適應瞬息萬變、科技日新月異、資訊爆發的全球競爭的經濟時代(Smith, 2015)。
雖然STEAM 代表的學科知識，對小小孩來說很抽象且難以理解，在國外有所謂「Early STEM」的玩具(如圖1)，以遊戲為學習的基礎「能力」打底。例如空間思維能力，孩童的空間敏感期是2-4歲之間，這時孩童會通過自己的肢體，感受了解長、寬、高三維立體空間的過程。而透過可引導孩子認識方位的STEAM玩具，加上成人在遊戲過程以精確語言描述方位，就能為孩子的空間概念打好基底，對未來的數學能力也有幫助(陳珮雯、楊若晨，2017)。
圖1. STEAM玩具結合美學、基礎物理與機率概念的創意積木，能夠幫助孩子們開發邏輯、創造力、想像力及解決問題的能力(圖片來源)
STEAM除了在玩具發展上可幫助低年齡階段的孩童對科學產生興趣，對高年齡階段的學童也可以幫助他們將書本上的知識轉化成實際的問題解決能力。STEM或STEAM教學對問題解決能力的培養在多個學者的研究文獻均有提及。在國外相關研究方面，也證實STEAM推動的成效，例如，佛羅里達大學進行的一項研究表明，從事音樂課的學生在數學方面做得更好。參加音樂欣賞類的女高中生在SAT的數學部分中得分高出42分。四年制音樂和藝術課程的學生成績比僅參加六個月或更短時間的學生高98分。實踐證明，對藝術的正式經驗可以培養創新的思維，適應能力以及其他解決問題的能力，這些能力對於掌握STEM能力至關重要(NMC，2015)。國內也有許多研究結果發現STEM及STEAM的教學設計能夠提升學生之問題解決能力與態度，經過晤談內容顯示學生對此課程抱持正向、肯定的態度，並認為課程設計能增進問題解決能力(蕭佳宜，2011；張雨勝，2016；陳慶宏，2018）。而空間思維能力屬於問題解決能力中的一環，因此我們可以推論，STEAM教學對於空間思維能力的提升也有助益。
此外，Yakman (2016)也提到STEAM教育中，手工藝術即是結合肢體、藝術與數學、科學等學科STEAM的展現。因此，以STEAM 教育為概念的串珠教學，是一種跨學科的結合，結合了數學、物理、化學、工藝、科學等跨領域概念，除了強調手作的實作能力，透過算額問題、分子結構、點線面等概念教學，提升學生空間與邏輯思維能力外，亦伴隨著手眼協調性的發展，而後學生找尋到演算規律，就能從中創發新的串珠結構(如圖2)。在這個過程中，他們對周邊事物的感知也就更多，同時也帶出學生問題解決能力與創造力，即是本課程設計的理念與特色。
圖2.學生從步驟中來提升對空間思維的能力，藉由手作過程學習新的事物
以STEAM概念設計串珠課程培育女力空間思維之實例
在大多數文化中，一般認為串珠技藝都是用來做為裝飾品的。透過一條細線連結多顆珠子形成各種不同的組合關係，其實串珠背後的構形是由各個珠子推積而成的三度空間所構成的。數學家們將多個多邊形構成的三維立體圖形，稱為多面體。其中有五種最特別的多面體，它們的每個面均相同，被命名為「柏拉圖多面體」，它們分別是：正四面體，正六面體，正八面體，正十二面體和正二十面體(如圖3)。
圖3.柏拉圖多面體(取自講師投影片)
然而，從小學到國中，學生在學習培養空間思維能力時，通常最難掌握的，就是幾何圖形在三度空間中的組成。在課本上所畫出的幾何圖形，只是平面圖像，多半缺乏立體感，不易看出其中的組構，與其間的相互關係(陳麗珠，2014)。金必耀、莊宸及左家靜（2008）提出「串珠分子模型的美妙世界」一文，介紹芙類分子結構的串珠實體模型與其建構方法，主張串珠是建構芙類分子的最佳材料。因此本次課程利用串珠實作的STEAM課程來教導學生建構幾何圖形，將串珠由化學教學推展到國小數學教學。而製作材料相當的簡單，由一條細線及12顆有檜木芳香的珠子就可完成，以下是活動中各項內容：
一、由國立臺灣大學化學系金必耀教授團隊中的左家靜博士負責指導，利用檜木的木珠製作多邊體模型。藉由向學生介紹柏拉圖多面體，為了引導他們學習，老師利用各個圖形的辨識教學進行引導(如圖4)。
圖4.講師引導學生了解柏拉圖多面體
二、為體驗各個步驟中空間思維的觀點，由左及右的方向進串連起來後可能會導致產出的立體結構有所不同，帶領學生去思考為何串出形狀有所不同。也經由互相觀摩學生或是由老師指導進行學習了解多面體的構成(如圖5)。
圖5.學生互相觀摩各種串法間的差異
三、除了讓學生更加了解數學立體圖形的各個結構外，也經由學習單回顧課程內容跟複習也在其中增加了串珠常見的手法「過洞」、「加珠」和「交叉成環」，去建構學生對記憶力的訓練及邏輯判斷能力(如圖6)。
圖6.講師教導學生串珠的技巧
四、最終學生在「做中學」的過程中「玩」的不亦樂乎、愛不釋手，也透過各項技巧的培養後可以將有檜木香的串珠作品帶回家(如圖7)。
圖7.學生經由老師指導後產出多邊體模型
以STEAM概念設計串珠課程推動師資培育之實例
除了讓學生體驗STEAM的課程，科教館也舉辦了教師研習的師培課程「科學遇見藝術─串珠分子模型的異想世界工作坊」，希望可以讓STEAM教學的串珠課程可以在學校教育推廣並多元應用。本課程的講師為臺灣大學化學系團隊的金必耀教授和左家靜博士，課程內容開始金教授介紹了許多學生所製作的分子立體模型的串珠作品，讓大家可以體會到分子美學。接著金教授展示了複雜的沸石結構並將此結構與串珠進行結合如圖8所示，而串珠立體結構也可以與碳結構進行連結，如圖9富勒烯(C60)的結構。
圖8.金教授介紹分子美學及沸石結構
圖9.串珠立體結構製作出的富勒烯(C60)作品
串珠工藝早在中國歷史的早期社會便可以看到，而到現今除了工藝作品也可以延伸到建築結構。除了串珠結構也介紹了江戶時代流行的算額數學題目，在當時的日本神社和寺廟兼有教化的功能，因此核算專家常把題目刻在繪馬(木板)上並掛在神社和寺廟中供外人討論和解題(如圖10)（蘇意雯，2000），其中就講到了當時著名的數學家關孝和的歷史故事。江戶時代的算額問題中提到如何計算圓的面積，而本次工作坊實作的「30 球模型」即在印證算額問題的推論答案是否正確(如圖11)。
圖10.江戶時代盛行的算額問題(圖片來源)
圖11.金教授介紹30球的算額問題
最後開始進行「30 球模型」的串珠實作，在動手操作的過程中便會運用到空間思維能力，認真關注到模型的幾何結構及對稱性，透過規律性的將珠子串成模型，用來當作建立分子結構概念知識的教學類比模型，進而能夠使用自我的心智模式去推展到新的現象，並能透過新的證據在情境中進行反思，最後強化模型的解釋力與預測力，這與邱美虹(2015)針對建模歷程的內容所提出的四大階段與八個步驟相符。除了製作「30 球模型」，講師們也帶來了不同顏色的條狀串珠，透過不同珠串的扭轉結合，四條珠串可變化出許多不同的形狀，例如挑戰製作立方烷、珠金三角、珠立方(如圖12、13)。
圖12.教師們製作完成「30球模型」後開始利用珠串來挑戰立方烷的結構
圖13.老師們將製作好的「30 球模型」與講師金必耀(左3)及左家靜(左4)合照
參與學生及老師的回饋與反思
由老師帶領學生了解立體結構的初步認識，學生都很踴躍的回答老師的問題，雖然上課期間同學會有誤解的部分，經由老師的講解及串珠的手作內容，再加上投影片中各個步驟的解析同學在同時實作也了解，雖然課程的時間有限，參加的學生欲罷不能，表示希望有更長的時間可以把串珠的作品獨立完成，並感謝科教館用心的活動設計，也感謝每位老師仔細地指導，且在下課後還有很多學生在教室中詢問老師與串珠相關的知識，由此可見已成功引起學生的學習動機。
以STEAM教育為設計導向的串珠教學，藉由12顆檜木珠子，串成一個立方八面體。可以讓學生們認識幾何基本元素：點、線、面、體；認識正多面體以及學習串珠模型技巧，是結合數學、手工藝術與科學概念的跨學科教學。其中加珠、交叉成環後，過洞需要應用學生的專注力去聽指令，不然就得跟老師求救。當數學遇見了科學，再加上女孩們精細的手藝，原本嚴肅又難懂的理論變成了繽紛多樣的數學串珠，誰能想到只要12顆珠子，就能拿來探討數學裡從平面多邊形到立方多面體的點線面，且就是日常生活中各種串珠成品(如：串珠貓熊、財神爺等)的原理，相信透過STEAM概念的串珠教學設計，在未來的國中學習生涯中也可以利用相同的空間概念去學習化學的分子結構。
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呂玉環
國立臺灣師範大學教育學系博士候選人
國立臺灣科學教育館人事室主任
顏慈瑤
國立臺灣師範大學科學教育所碩士生
黃奕誠
國立臺灣師範大學科學教育所碩士生
蘇萬生
國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯
鋰離子電池的發展、應用與未來
文/洪為民
引言
2019年的諾貝爾化學獎頒發給了John B. Goodenough (古迪納夫)、M. Stanley Whittingham (惠廷翰)和Akira Yoshino（吉野彰）三人，表彰他們為鋰離子電池的發展所做出的貢獻。這種可充電電池奠定了如手機和筆記型電腦等無線電子產品的基礎。這也使得一個無化石燃料的世界成為可能，因為它可以使得從驅動電動車到儲存能量裝置的各種工具能運用可再生能源。
上面這段話是引自2019年諾貝爾獎委員會的新聞稿(台大化學系翻譯稿)1，敘述得獎三人在鋰離子電池的貢獻，本文將鋰離子電池原理、發展過程、應用說明，逐步展開介紹。此外，分享材料專利的軼事及作者對鋰電池的未來的看法。
什麼是鋰離子電池--工作原理
一般人很容易將鋰離子電池和鋰電池混為一談，雖然只增加離子二字，意義卻相差甚遠。前者強調在電池裡鋰元素是以鋰離子的形式存在，而後者則是使用鋰金屬在電池內充作陽極(氧化電極)。目前鋰電池無法做到可以重複充放電使用，仍限制在一次電池產品的階段。
基本原理上，鋰離子電池主要構成要素有三樣：陽極、陰極和電解液。在充電時，鋰離子在電池內部由陰極進入陽極，同時電子由外部回路到陽極與鋰離子結合；放電時反之，鋰離子由陽極回到陰極與外部回來的電子結合。整個反應可以用下列式子(1)表示。
電池的能量儲存及釋放量與陽極和陰極材料直接相關，電解液扮演橋樑角色，提供鋰離子進出途徑而已。
鋰離子電池的發展
由於鋰金屬是週期表裡第三輕的元素，具有固體最高的重量及體積能量密度，因此最早吸引科學家們的注意及興趣。然而，當鋰金屬當作陽極用在電池時，氧化反應形成鋰離子進到陰極；此時若進行還原反應，鋰離子在鋰金屬表面上還原時會形成樹枝狀(dendrite)結構，如圖1所示。這樹枝狀結構隨著反應時間增長而增大，最後穿過隔離膜與陽極接觸到造成短路，這是很危險的事。因為短路會伴隨著發熱、升溫現象，造成嚴重的會燃燒爆炸。世界上第一個嘗試以鋰金屬當陽極材料進行商業化充電式電池的廠商是加拿大Moli Energy公司（現成為能元科技/E-One Moli加拿大分公司）。當時陽極用鋰金屬(Li)，陰極用二硫化鉬(MoS2)。作者曾邀請過當時擔任研發經理Jeff Dahn(現為加拿大Dalhousie University教授)來台灣，他描述半夜接到客戶NTT DoCoMo手機測試人員的電話，敘述壽命測試過程中電池發熱冒煙現象。這重大意外直接使得Moli Energy倒閉，並且加深人們對鋰金屬電池安全的疑慮。也促成研究重心轉移到鋰離子電池上。
圖1. 顯示當鋰金屬枝狀結構形成並穿過隔離膜與陰極接觸造成短路
(圖片來源：MSE Supplies)
鋰離子電池所用的陽極材料是碳(例如:石墨)，陰極是含鋰的過渡性金屬氧化物（例如：鋰二氧化鈷）。當充電時，鋰離子進入石墨層狀間空隙，而非形成鋰金屬。反之，放電時，鋰離子回到陽極材料的結構裡，如圖2所示。
圖2. 顯示在Graphite及LiCoO2之間，鋰離子在充放電時進出材料的方向
(圖片來源：ECS文章 K. M. Abraham)
目前商用鋰離子電池陽極材料仍以碳材為主，陰極除了含鋰的過渡性金屬氧化物（如：LiCoO2, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiMn2O4, Li(Ni,Co,Al)O2）外3，增加了磷酸鋰鐵(LiFePO4)4。磷酸鋰鐵由於含有磷酸根陰離子，而磷與氧原子鍵結是共價鍵，鍵結非常安定。這改善之前使用含鋰的過渡性金屬氧化物時，陰極材料在過充電時，過渡性金屬原子與氧原子之間的離子鍵斷裂，形成氧分子並伴隨著高熱的危險。鋰離子電池由於電壓高達3伏特以上，不適合使用水做為電解液的溶劑，而用了有機溶劑。表1為電解液常用的溶劑5，電解質則以六氟磷酸鋰(LiPF6)為主。
表1.為鋰離子電池裡電解液常用的溶劑
（資料來源：A. Bhaskar博士論文）
由於過充電時，鋰離子電池會有過熱的危險性，過放電時電池性能會受損，因此鋰離子電池大都會附有電池管理系統(Battery Management System, BMS)來確保電池使用的安全及性能。圖3是48V儲能電池組所用的電池管理系統照片6。簡單說，BMS具有監控、控制、平衡及通訊等四大功能。
圖3. BMS實體照片--P-是電池組的負極，B+及B-分別是電池+、-連接點，CON1- ~CON4-1分別代表連接線位置(圖片來源：中大安孚規格書)
從時間軸來看，當Sony Energy Tech. (現已被收購改名為Murata)最早於1991年推出鋰離子電池時是以LiCoO2當作陰極材料，基於成本及安全性考量，電池業者陸續推出LiMn2O4、Li(Ni,Mn,Co)O2及LiFePO4。負極材料除了C以外，也有Li4Ti5O12及Si等新材料7。目前最主要材料系統以C/ Li(Ni,Mn,Co)O2及Ｃ/LiFePO4為主，前者簡稱為鋰三元(因爲過渡性金屬有三種)，後者簡稱為鋰鐵電池。
鋰離子電池的專利
這裡提一下關於鋰離子電池材料專利的軼事，當Sony Energy Tech.要推出鋰離子電池時，透過專利搜尋找上英國AEA (Atomic Energy Agent)時，這是一個類似台灣原子能委員會的組織。英國人驚訝他們主動找上門，要求付專利授權費。原來之前AEA曾經贊助牛津大學某個計畫，計畫主持人是John Goodenough，透過這計畫申請了LiCoO2當作鋰離子電池材料的專利，這是第一個鋰離子電池產品製造商付材料專利的例子。另一個材料LiFePO4專利也是由John Goodenough(見圖4)8在1986年取得，目前生產LiFePO4材料廠商也需要針對歐美及日本市場付專利授權金。從這裡可以看出John Goodenough對鋰離子電池的貢獻。Prof. Goodenough在1986年被美國UT Austin邀請擔任材料系講座教授，作者在Iowa State Univ.唸書時，系裡曾邀請他來演講，內容非常精彩。更記得他的幽默感，演講結尾時他說，以上結果都是”a man and a dog”做出來的，因為當時他實驗室只有一位工作人員。作者曾經跟他有工作接觸經驗，發覺他是一個樂觀沉醉於研究工作的人。當他進行上述材料研究時，並不知道未來的產品會如何發展，純粹是基於學術上好奇及熱忱。因此當記者訪問他時，他很謙虛表示得獎是意外，得了獎生活照舊，每天仍會到研究室(當他得獎時已經97歲，是得諾貝爾獎者中年紀最大的人)。想像造就出鋰電池工業與電動車產業支柱鋰離子電池，而其中全部三個陰極材料(包含LiMn2O4在內)的發明均來自Prof. Goodenough，就可知他對人類的卓越貢獻有多大。
圖4. Prof. John Goodenough在實驗室照片(圖片來源：Yale News)
吉野彰(Akira Yoshino)（見圖5）是在日本旭化學(Asahi Chemical)鋰電池研究專家，他最早提出將負極碳搭配鋰過渡性金屬材料的構想，避免鋰金屬的可能危險，同時也針對這方面應用提出專利9。
圖5. 吉野彰(Akira Yoshino)博士的照片(圖片來源：維基百科)
Stanley Whittingham(見圖6)是紐約州立大學的教授，他是三人中最早投入鋰離子電池研究者。他發現鋰離子可以在某些過渡性金屬化合物間嵌入(intercalation)反應，如之前提到的MoS2。一生研究各式各樣電池材料，也最先提出搖椅(rocking chair)理論來形容鋰離子在電池充放電過程中鋰離子進出的情形，並提出第一個鋰離子電池產品專利10。這三位諾貝爾獎得主共同點都是屬於實驗型的研究學者，透過他們的研究成果及專利發表，提供了鋰離子電池的發展基礎，他們的得獎，可說是實至名歸。
圖6. Prof. Stanley Whittingham照片(圖片來源：維基百科)
鋰離子電池應用
當Sony Energy Tech. 於1991年將鋰離子電池導入市場時，選定產品是18650型號，這型號直徑18mm高度65mm來與當時常見其他種類電池尺寸上做區隔，例如：AA尺寸是14mm直徑50mm高度，達到避免消費者誤用或混用的目的。應用產品是Sony那時的熱門產品MP3及攝錄影機，結果大受好評，從此鋰離子電池憑著輕、薄、短、小的特性快速地席捲了所有的3C消費性產品，取代了鎳鎘、鎳氫電池的市場。更進一步逐漸滲透入原先鉛酸電池主導的工業電池的市場。圖7是各種不同能量範圍的鋰離子電池應用圖示。
圖7. 鋰離子電池在不同能量下的應用實例(圖片來源：蘭陽能源)
更重要的是由於鋰離子電池的問世，使得電動車的實用化變成可行。電動車之前由於電池的續航力太短及使用壽命次數太少，一直停留在研究階段或只能應用在特殊場合上。從特斯拉(Tesla)推出第一代電動車Roadster（見圖8）開始11，經過十幾年市場實際驗證，證明其可行性，市場大獲成功，同時推升特斯拉成為市值最高的車公司，超過Toyota、VW、……等等傳統車輛製造公司。期間各國政府也因此紛紛訂立推動電動車的短、中、長期的政策。每個國家針對自己的能力，訂定不同時間電動車要達到的比例，利用免稅獎勵措施及對油車產量的限制，積極推動電動車的發展。目前發展最積極的國家及地區分別是中國、美國、日本及歐洲。
圖8. Tesla第一代電動車Roadster外觀(圖片來源：Wiki)
台灣由於受到資源限制，加上市場及製造能力綜合考量，並沒有積極推動電動汽車，反而選定已有完善生產體系的機車產業，以電動機車作為發展及獎勵的對象。幾年下來已造就了Gogoro純電動機車公司，去年市占率已達到全體機車生產量的20%。同時也促成傳統機車廠光陽、三陽、山葉、宏佳騰、PGO等進入新的電動機車產業。
除了電動車外，另一個鋰離子電池快速導入的市場是儲能應用。因為溫室效應的考量，全世界各國都在推動再生能源(renewable energy)的應用。實際應用集中在太陽能及風力發電這兩項，無論是太陽能或風力都面臨到電力穩定度的問題，太陽能發電量因日照量變化而改變，風力發電量隨季節或氣流大小而起伏，當他們用為電力來源時，都需要有儲能系統的調節，緩和過大的變化。而鋰離子電池的高能量密度及長使用壽命特性，使得鋰離子電池在儲能應用上越來越多。加上產量不斷增大，造成電池的成本不斷下降，更加速儲能電池市場的成長。儲能櫃(見圖9)就是一個最好的例子，它的容量大小可由百萬瓦時(MWh)到兆瓦時(GWh)，根據客戶的需求來調整12。
圖9. 儲能櫃的外觀與貨櫃類似，內含監控櫃、電池櫃、空調、消防系統及管道空調、電流器及變壓器（圖片來源：工商時報）
前面提到鋰離子電池根據使用陰極材不同，主要產品有鋰三元及鋰鐵兩大類，前者具有高能量密度的優點；後者有長壽命極高安全性的特點。因此，3C電子產品、小型電動車(如Tesla轎車)都會使用鋰三元電池。儲能應用及強調安全性(如電動巴士)的產品會使用鋰鐵電池。簡單地說，民生產品以鋰三元為主，工業產品應用偏好鐵鋰電池。
鋰離子電池的未來
鋰離子電池已成為人們生活及工作上必備的電源，而且它的應用領域將隨著時間再擴大。展望它的未來發展,可以分成產品性能及安全性兩方面來說明。
第一是性能的再提昇，主要是電池能量密度的提高，努力的方向是找尋更高能量密度的電極材料。在陽極部分很快會有碳摻矽材料的導入，這可以提升陽極能量密度至少兩倍以上。而陰極材料最近重心放在含鋰混合金屬氧化物上，這也可以提升陰極能量密度50~60%。更積極的嘗試是回到用鋰金屬當做陽極，陰極用硫化物。研究結果顯示容量可以比現有鋰離子電池高數倍，可是由於壽命問題尚未解決，目前仍停留在實驗室階段。
其次是固態電解質和電池的開發，現有鋰離子電池電解液仍是使用液態溶劑為主，材料本身屬低沸點、低閃火點特性。若能將其改為純固態電解液，一方面安全性可以提昇，同時鋰金屬的使用較能實現。但由於固態物質導電度過低，仍需近一步提升才有可能。
鋰離子電池 vs. 鉛酸電池
鉛酸電池是超過200年的產品，雖然有鉛重金屬對環境及人體健康的疑慮，但由於價格低廉，目前仍是工業產品及汽機車啟動的主要電源。前面提過現在鋰離子電池因為量大價格不斷下降，使得鉛酸電池面臨很大的挑戰。尤其是鋰鐵電池挾著高容量密度、長壽命、大電流充放電，及高安全性優勢，加上電池本身電壓與鉛酸電池匹配度佳，已逐漸滲透入傳統鉛酸電池的應用。表2是12V/6Ａh機車啟動電池鋰鐵與鉛酸的比較。目前鋰鐵與鉛酸的價差仍大，等兩者之間價差拉到1.5倍以內，那鉛酸電池被取代的時機就接近了13。
表2. 針對12V7A機車啟動電池產品,鋰鐵電池與鉛酸電池的各樣性能比較
(圖片來源：蘭陽能源網站)
結語
鋰離子電池的出現，不僅是改善人們使用的方便性，提升了生活品質。由於它的問世使得電動車及綠能發電的理想可以落實，間接對地球暖化議題提供直接幫助。未來發展除了提昇性能，加強安全性外，若能達到普及經濟規模時，更可取代具污染性的鉛酸電池，讓我們拭目以待吧!
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13.蘭陽能源網站
洪為民
蘭陽能源技術副總
動感自然課—體感式學習融入自然科教學
文/柯孟昌
自然課進行中，小朋友怎麼突然離開座位開始跑跳或是進行各種肢體運動呢?為了改善小學生課堂久坐導致專注力下降，影響學習效率的問題。教育部近年推動TAKE 10計畫，參考國外安排課堂間適宜身體活動，以改善學生坐式行為與專注力下降現況1。期望在課間進行10分鐘的肢體伸展運動，促進學生的專注力與學習興趣。然而，高年級的自然課程通常進度緊湊，課間安排純粹的肢體運動可能延誤教學進度。因此，我們嘗試導入體感式學習的理念，自五年級的課程中挑選出學生普遍認為抽象不易理解，或是值得再延伸探討的三個單元課程，設計合宜的肢體活動與科學遊戲，期望提升學生學習成效。
觀測太陽--太陽的位置與運行軌跡
本單元牽涉方位、仰角等數學幾何概念，且必須以量測陰影變化的間接方法觀測太陽位置，學生學習負荷較大，易因學習挫折而專注力降低。因此，我們在每堂課皆安排10分鐘左右的體感活動，藉由肢體伸展紓緩學習壓力，並提供學生具象體感學習。教學實施流程如圖1。
圖1. 教學實施流程
在課本實驗中常利用手電筒與立竿模擬操作竿影與太陽位置的相對關係，或利用半天球模型描述四季太陽運行軌跡變化。由於缺乏親臨感，許多學生對於太陽方位與軌跡的描述仍是一知半解。當學生學習中顯示出困惑與倦怠時，利用下課前的5-10分鐘，我們試著實際帶領學生到晴朗空曠地點，在陽光下進行手臂伸展與身體轉向的伸展與平衡運動，同時觀察身體影子所在方位 (如圖2 )。在伸展與繞圈中，學生同時觀察身影位置，藉此了解影子所在的位置與光源位置有關，並不會因為身體的轉向而改變。
第二節開始，除了前述活動外，再加上圖3中學生以雙臂打直成直線，身體左右擺盪伸展的動作。並請學生執行低姿手臂伸展動作，左手臂打直瞄準影子最前端，觀察右手臂的抬起的角度變化。
由於每次上自然課的時間不同，太陽位置與影長也會改變，經過幾次活動後，請學生分享每次伸展活動的姿勢有什麼變化。學生能覺察當影子越短時，為了讓左手臂瞄準影子最前端，右手臂會舉得越高，進而能延伸討論不同時間影長與太陽高度角的變化情形，以及太陽觀測器的製作原理。
講解太陽運行軌跡與四季晝夜變化時，可搭配圖3的動作，讓學生張開雙臂為地平線，右手握拳代表太陽在天空的位置，進行手臂繞旋運動，藉此提供身體伸展機會，並體驗太陽的運行軌跡。一年之中太陽運行軌跡有什麼不同呢?不同組別指定不同的節氣，學生以手臂比擬正午12點太陽在天空中的位置，確定不同節氣正午時太陽最大的高度角。若右手拳頭以相等速度繞經不同高度後移動至左手拳頭比擬的西方地平線 (如圖5)，那個季節要花較長的時間呢?由此延伸探討太陽四季軌跡變化與晝夜長短變化的關聯性。
圖2. 伸展繞圈，觀察身影的方位
圖3. 以雙臂觀察影長與太陽仰角關係
圖4. 手臂繞旋運動模擬太陽運行軌跡
圖5. 指出不同季節正午時太陽位置
動物世界面面觀--動物的回聲定位法
本單元前半段課程中安排相關影片、照片，學生多數表現出濃厚的興趣。因此，體感活動安排於後半段，探討生物回聲定位法的抽象概念中，透過下課前的小遊戲，讓學生體驗影片與照片不易呈現的音波傳遞與接收情形。實施流程如圖6。
圖6. 教學實施流程
動物利用的超音波辨識周遭環境或運用於覓食與避敵的能力小朋友都不陌生。不過如何想像牠們如何分析回音得到空間中的資訊?卻是一個難以用口語解釋的問題。在動物世界面面觀單元有許多類似的現象與專有名詞，學生最後往往選擇直接背誦這些名詞的定義，因而覺得這個單元十分耗費腦力。在小朋友腦力快達到最大負荷時，不如帶他們到戶外玩一場科學遊戲，緩解學習壓力。
學生到達空曠場地後分為下列三組：
1.樹木組：席地而坐，圍成一圈，遊戲中安靜地坐著，但是當蝙蝠太靠近時要發出聲音提醒蝙蝠別撞上了。
2.蝙蝠組：進入圓圈中央，以頭巾矇住眼睛。遊戲開始後，定時發出一聲「嗶」聲，靠著回覆的聲音判斷昆蟲的位置，追逐並用手捕捉。
3.昆蟲組：當蝙蝠組的小朋友發出「嗶」聲，必須同時發出「嗶~嗶~」兩聲回應，讓蝙蝠組能透過聽聲辨位，在圓圈內躲避蝙蝠的捕捉。
如圖7學生活動情形，第一輪遊戲時，蝙蝠與昆蟲組各安排一位同學，蝙蝠在限時的2分鐘內努力捕捉昆蟲。各組學生會發現蝙蝠要捕捉到昆蟲並不容易。第二輪開始，逐步增加圓圈內昆蟲與蝙蝠組的人數 (圖8)，隨著加入更多的小朋友後，蝙蝠成功捕捉到昆蟲的機率增加了。
回到教室後，教師可由各輪遊戲的結果引導學生思考，在生態環境中，各種生物的數量與掠食者捕食的成功機率有什麼關係?當某個地區的生物數量越少，掠食者捕食成功率會有什麼變化?藉此引導生物族群數量與物種多樣性有利於維持食物鏈平衡的概念。
圖7. 一對一模式
圖8. 多組共同進行遊戲
神奇的水溶液--水溶液的導電性
本單元實驗活動多，基於安全考量，並不適合與體感活動並行。因此，於解釋水溶液導電性的抽象概念課堂中，安排20分鐘的體感式科學遊戲。藉由活動建構學生粒子模型概念。實施流程如下圖9。
圖9.教學實施流程
對於大多數小學生的印象中，神奇的水溶液單元，是充滿繽紛色彩與亮光點點的美好回憶的課堂。學生化身色彩魔法師，看著各種水溶液混合後，酸鹼指示劑的顏色變換。可以打破禁忌，大膽地將電線放入水溶液中，觀察水溶液是否具有導電性。老師們也能找到許多利用這些科學原理製作創意活動設計或科學玩具。
然而，由於國小學生尚未建立電解質解離的概念，這些活動雖然有趣，但卻不易對小學生解釋背後複雜的科學原理。學生歡樂的做完實驗之後，總會有學生提問「為什麼連接食鹽水的LED燈比連接食用醋的亮?」這些提問蘊藏了學生的強烈探究動機。
12年國教課綱中，期望引領小學生在自然課程中建立「粒子」的微觀概念，為國中科學學習做準備。我們認為本單元可以相關科普影片引起學生學習動機，再透過圖卡黏貼遊戲讓學生從科學遊戲中讓學生察覺與思考粒子的存在。
由於中學課程才介紹阿瑞尼士酸鹼理論，為了讓小學生建構電解質解能導電的的基本概念，先播放LIS情境科學教材網站，介紹阿瑞尼士酸鹼理論影片（3），學生從輕鬆詼諧的影片劇情中，理解水溶液的電解質與水溶液導電性的關係。
學生建立電離說的基本概念後，開始進行以下的圖卡遊戲：
1.每組學生會拿到糖水、鹽水、食用醋、小蘇打水等四種不同水溶液的圖卡。各圖卡的空格中，有些貼有魔鬼氈，有些貼著紙貼紙，象徵不同水溶液能解離的離子數目各有不同。
2.學生將象徵解離離子的乒乓球黏在圖卡上，黏貼完成後將圖卡張貼在黑板上。組內同學利用抽籤決定自己負責的水溶液圖卡。
3.遊戲開始，各組進行計時競賽。小朋友依序從自己負責的水溶液圖卡上取下乒乓球 (圖10)，跑至教室後方向老師換取一張燈泡圖片 (圖11)，回到黑板上貼回圖卡下方導電性的欄位 (圖12)。
4.遊戲結束後，學生檢視各水溶液圖卡上燈泡數量多寡進行排序，對照先前水溶液導電性實驗，各種水溶液燈泡的亮度強弱 (圖13)。 教師進行總結說明實驗中，燈泡的亮度與水溶液的導電性有關，而水溶液導電性的強弱則取決於各種水溶液的解離度。
圖10. 取下圖卡上的乒乓球
圖11. 換取燈泡圖卡
圖12. 貼上燈泡圖卡
圖13. 依據圖卡上燈泡數量排序
結語
近年許多學者極力推廣在靜態課程活動中，進行與學科結合之身體活動的體感式學習法。依據學習內容搭配合適的動態活動，能顯著提升學生學習專注力2。在自然課程中，學生透過肢體模擬或遊戲式學習活動理解抽象概念，更可避免講述式教學因學生的理解力與想像力不同，造成學習落差。試行結果發現原先以背誦方式學習太陽軌跡變化的學生，透過肢體的模擬操作，對於學習內容的理解度有明顯的提升。而原本在小組內較不積極參與學習活動的學生，因為團隊活動的激勵，能更積極的投入活動。而場地的選擇與課程時間的安排是執行中最大的挑戰，大部分活動適合於開闊場地進行，學生往返活動場地的動線，以及活動與靜態課程的穿插安排需有妥善規劃。建議活動量較大的活動，宜安排於下課前，避免課間執行後，學生短時間內無法回歸靜態學習課程。活動執行後也應針對活動內容進行回顧與總結，避免流於單純的肢體伸展與跑跳運動，讓體感式活動發揮最大學習效益。
參考文獻 1.Kibbe, D., Hackett, J., Hurley, M., McFarland, A., Schubert, K., Schultz, A. and Harris, S., 2011. Ten Years of TAKE 10! : Integrating physical activity with academic concepts in elementary school classrooms. Preventive Medicine, 5
2,pp.S43-S50. 2.Traci Lengel; Mike Kuczala (26 January 2010). The Kinesthetic Classroom: Teaching and Learning Through Movement. SAGE Publications. pp. 13–20. ISBN 9781452271200.
3.YouTube. (May 3 2017). 為了真理，你敢挺身挑戰權威嗎？諾貝爾獎得主鹹魚 翻身！（上）【LIS科學史】（電離說）.
柯孟昌
士林國小教師