物理

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). 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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

智慧型手機立體影像STEAM實作教材

文/洪連輝、張益嘉 由於智慧型手機普遍化，一支智慧型手機內建多種的感測器，善用實用的APP，即可拿來當實驗室的量測儀表，即時測量並記錄實驗數據，讓智慧型手機化身為口袋的多功能科學行動實驗儀器。例如碼表、量角器、距離偵測、重力感測、加速度測量、陀螺儀、GPS、磁感測器，甚至聲頻分析、影像追蹤、示波器等。Phyphox是手機的APP，它是一個免費的感測器整合軟體，可直接提供感測器所量測到的資料。在wifi的環境下，可以分享手機在實驗中測量的資訊。在生活中如果能善用智慧型手機，不只能見識到各種感測器的威力，而且在自然科探究與實作課程教學上，手機也可取代許多大型儀器，降低學生測量的難度，或解決學校沒有經費購買儀器設備做實驗的窘境。 「光學」或「光電」是一個令人著迷的科學，從光線、色彩、反射、折射、和偏振的基本知識，到光纖通訊、全像術、光電半導體等，再到立體電影、虛擬實境、寶可夢抓寶遊戲，這種老少咸宜的遊戲，其相關的知識是非常豐富而複雜的，然而可惜的是，現行的課程當中，大多只能透過照片或者影片讓學生淺嚐光電的聲光效果，沒辦法實際上讓學生親手探究、動手實作來感受光學的美。有鑑於此，本文整合了科學(Science)、科技(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)、藝術(Arts)的STEAM教育精神，開發一套光學領域課程，課程主題為立體視覺與虛擬實境，當中包含了基礎的光學知識(物理與生物科學)、手機APP與電腦軟體的應用(科技實作)、基礎的結構設計(工程實作)、部分的程式編譯與基礎的幾何學(運算思維與數學)以及視覺設計、空間藝術和錯覺藝術等元素，契合108年新課綱，讓我國的中學學生，不僅能夠提升科學素養，更能夠有跨領域的知識整合，將課程實際運用在他們的日常生活當中，真正的落實學以致用。 立體視覺 所謂的立體視覺，一般的定義是在歐幾里得空間裡，具有體積的事物。由此可以發現，我們所存在的空間，所擁有的事物，基本上都符合立體視覺。然而，當我們拿出相簿裡的相片，手機螢幕裡的畫面，甚至電腦螢幕的影像，它們基本上都是平面的，這又是為什麼呢？為何透過雙眼去觀察的世界是真實的，是立體的；透過相機或者攝影機拍攝的，難道就是虛假的，只能看到平面嗎？其實我們能夠欣賞到美麗的立體事物，原因就是靠我們最寶貴的靈魂之窗–「眼睛」，以及世界上最精密的儀器–「大腦」。我們的視覺運作原理是，當我們透過雙眼去觀察這個世界，接受到一個立體的物體時，兩眼所看到的影像，會有些微的不同，而這些微的差異稱為雙眼視差，這兩張些微不同的影像，透過視神經進入我們的大腦後，大腦就能夠判定這是一個具有“深度”的立體物體。同時，大腦會將兩張具有些微差異的影像結合，然後還原出一個具有立體的物體，讓我們“看到”所觀察到的物體為立體的。如圖1所示，左眼看到的是紅色橢圓形偏左，右眼看到的是紅色橢圓形偏右。這兩個不同的影像經大腦分析之後，就產生立體的感覺。 圖1.立體視覺運作示意圖。 既然人類的立體視覺最重要的是雙眼視差，那麼要怎麼產生立體影像呢？想辦法讓兩隻眼睛看到左右眼各自看到的不同畫面，讓大腦重新建構。一般立體電影就是模擬兩個眼睛，利用一左一右兩台電影攝影機，同時拍攝同一影像。在放映時，也用兩台放映機播放影像，但會在放映機前面分別放置相互垂直的偏振片，把兩個影像同時放映在螢幕上。觀眾在觀看時戴上偏振相互垂直的偏振片眼鏡，左眼的鏡片只允許左方放映機影像通過，右眼的鏡片只允許右方放映機的影像通過，於是大腦就產生了立體感覺。 智慧型手機的虛擬實境STEAM課程 一、立體錯覺 「平面的立體」圖像概念，請你先在白紙上畫出一個簡單的平面幾何圖形，如四行四邊形，並在這個四行四邊形上畫出一個金字塔，如圖2。從平面發展至立體，這個金字塔是平面還是立體？ 圖2.平面與立體作視覺圖形。 圖3是一張達文西作品–最後的晚餐，為什麼這張名畫明明是一張平面的作品，為何能利用色彩的深淺呈現出空間感與立體感呢?這兩個例子，我想都是利用在生活上看立體事物的經驗，所呈現出來的視覺立體錯覺。網路上有許多錯覺的藝術作品或立體圖，若依前面所建構的立體概念探究，則可窺探造成視覺被欺騙的原因為何？你可否利用手機或相機，嘗試拍攝出一張具有空間感或者立體感的照片呢？試看看。 圖3.達文西作品–最後的晚餐，呈現出空間感與立體感[1]。 二、紅藍立體眼鏡 相信大家都有欣賞過立體電影的經驗，配戴上一副神奇的偏振眼鏡，電影銀幕上的畫面彷彿就跳脫出來變成立體了！這邊我們將帶領大家透過手機、紅藍眼鏡及電腦軟體，就可以在教室作出屬於你自己獨一無二的立體照片(影片難度較高，但你可以選用雙鏡頭的攝影機)！ 首先，選定要拍照的人事物，利用一台手機(或兩台相同的手機更好)，最好是兩位同學一起合作進行拍照，拍照的方式就仿造我們雙眼視覺觀看物體的方式，利用手機一左一右進行拍照，因為拍照角度一左一右而產生視野有些微的視差，就如同我們的眼睛一般(如圖4)。 圖4.拍照紅藍相片的示意圖。 圖5和圖6是左右兩邊相機拍攝的照片及紅藍立體影片合成圖，拍照時要注意兩張照片必須要有相同的視野大小。拍攝完畢，我們就能夠將拍攝的影像檔或照片檔利用電腦軟體(影像的部分可以直接使用Stereoscopic Player進行轉檔編輯，相片部分可以選用Anaglyph或其他影像編輯軟體進行編輯)進行左右畫面的疊合，並利用色頻調整將左右眼的畫面變成紅藍色的畫面，完成之後，我們就能夠戴上紅藍眼鏡，欣賞自己製作出來的立體照片了！ 表 1、紅藍眼鏡立體視覺STEAM課程概念與學習目標，跨領域的學習。這裡要提醒的是，拍照的目標與鏡頭的距離不要太近或太遠，拍照出來的效果才會突出(建議的距離在70公分至3公尺的範圍內)，拍照的畫面請選擇有遠近層次感的畫面，不要選擇太過寬廣的畫面或太過單一的目標，例如拍照藍天白雲或海天一連線就是很糟的選擇。所以鏡頭與拍照目標的距離、選擇拍照的畫面等等，怎麼拍與拍什麼的立體效果才是最好的，就請各位多多嘗試與思考推理。 圖5.左右兩邊相機拍攝的照片。 圖6.紅藍立體照片合成圖。 表1.立體紅藍眼鏡視覺STEAM課程概念與學習目標 三、虛擬實境 那甚麼是虛擬實境(Visual Reality，VR)呢？簡單的說，虛擬實境就是一個無中生有的環境，但是卻可以讓人覺得跟真實環境一樣。利用電腦模擬進而產生3D空間虛擬世界，利用專用的穿戴裝置（如頭盔、眼鏡），透過視覺、聽覺、甚至是觸覺讓使用者有身歷其境的感覺。一個良好的虛擬環境需要的軟硬體設備包含：一台運算效能極佳的電腦、高解析度的穿戴裝置、精準的指向裝置、以及精緻的虛擬實境軟體。目前虛擬實境技術應用的領域相當廣泛，舉凡教育訓練、醫學模擬、軍事國防、工業設計、建築導覽、生活事物、電動遊戲…等等。而從以上的條件發現，良好的虛擬實境課程就必須投入極高的成本在軟硬體設備上，無形中提高推廣普及生活科技與科學教育的門檻，對於資源不足的偏鄉學校更是不可能實現。是故，發展成本低廉的虛擬實境課程是勢在必行。 要談到虛擬實境的原理，科學史的發展可以幫助我們快速地建立立體虛擬實境的概念。1838年英國科學家就發明了左右眼分割畫面的Wheatstone立體鏡觀看立體圖像，接著有Brewster立體鏡及Holmes立體鏡的演進發明，如圖7所示。基本原理是利用兩張有左右眼視差的相片或圖像，分別放在架上，圖像中間有個隔板，讓左眼只能看左邊的圖像，右眼只能看右邊的圖像，雙眼視差經大腦分析就建立的立體視覺。很驚訝吧，科學家在150多年前就有了虛擬實境的概念。 圖7.左上圖：Wheatstone立體鏡；左下圖：Brewster立體鏡；右圖：Holmes立體鏡[2,3]。 接下來我們來動手製作簡單的VR-BOX，利用所提供的圖檔尺寸，如圖8所示，以厚紙板剪貼而成VR-BOX外型，利用菲聶爾透鏡(Fresnel lens)來取代玻璃透鏡，不但可以讓學生了解菲聶爾透鏡原理，而且可以降低製作成本。將焦距為11cm的菲聶爾透鏡兩張貼再一起，製成焦距為5.5的透鏡，就如圖9所示。將菲聶爾鏡片適當調整眼距後，黏貼於VR-BOX上，VR-BOX的中間需要用分隔板將視線分隔開來，避免左右眼看到隔壁的影像。這樣就製作完成一個簡單的VR-BOX了。 圖8.VR-BOX的圖檔尺寸。 圖9.兩張菲聶爾透鏡黏貼再一起，製成焦距為5.5的透鏡。 現在立體電影已經不夠吸引人了，一定要結合360度環場照片與立體影片才夠炫了。Google 360度環場街景，讓我們了解到360度環場街景的技術，現在市面上已經可以購買到便宜360度環場攝影機，具有兩個半球狀的攝影鏡頭，可以拍攝360度環場照片和影片。但現在的手機，大多內建陀螺儀及加速感測計，再加上手機Google Street View APP，就可以進行拍攝屬於個人的360度環場街景照片(如圖10)，也可以上傳到Google Maps，這樣就幫Google拍攝了沒建置的地圖。 圖10.手機Google street view APP 圖11.利用手機拍攝彰化師大的360度環場街景照片，平面看起來有點扭曲。 現在要教導如何拍攝360度環場街景照片，請先開啟APP後，輕觸介面右下角的橘黃色相機圖示，如圖10。依照APP指引拍攝約20幾張各個角度的照片後，APP會將所有拍攝的照片連結合成為一張完整的360度環場街景照片，如圖11就是我們利用手機拍攝的360度環場照片，平面看起來有點扭曲，但在手機內看就是一張美麗的360度環場照片。若同學很滿意自己的作品也可以上傳至Google Maps，只需經過Google短暫時間的審核之後，就可以在Google Maps上分享你所拍攝的360度環場街景喔。建議不要在人車走動的環境裡進行拍攝，以避免拍出各種斷肢殘臂，怵目驚心的照片。Google Street View也提供VR-BOX使所用的左右分割3D觀賞模式，只要在360度環場照片下輕觸介面右上角3D觀賞模式圖示，APP會自動將照片切割為左右分割畫面(如圖12)。同樣的，兩張照片也有雙眼視差，之後將手機橫放進VR-BOX，即可享受由你親手製作的立體360度環場街景照片，如圖12，將你的頭或身體上下左右旋轉一下，手機內的相片也會跟著360度轉動，神奇吧! 圖12.手機顯示360環場虛擬實境左右分割畫面，將手機橫放進VR-BOX，就可以看到立體的360環場虛擬實境照片。 圖13.穿戴自製VR-BOX，觀看立體360度環場街景照片。 另外，目前手機的Youtube APP也提供許多3D觀賞的影片，只要在全螢幕模式下輕觸介面3D觀賞模式圖示，APP會自動將影片切割為左右分割畫面，之後將手機橫放進VR-BOX，即可立刻欣賞立體動態影片。 表2是VR-BOX立體影像教材對應STEAM的課程概念及學習目標。另外，更進階版的應用，可以利用電腦、智慧型手機、VR-BOX以及手機APP(例如ivry)，透過我們的VR-BOX模擬一個上萬元的主機式頭戴虛擬實境VR(如HTC VIVE)，如圖14的體驗，以USB連接線連上電腦模擬高階虛擬實境VR，這就讓你自行試驗看看。 圖14.使用VR-BOX模擬主機式頭戴顯示器。 表 2.虛擬實境STEAM課程概念與學習目標 結語 本文設計的教材，除了運用現代科技來幫助學生學習虛擬實境中的物理與科技，我們更發現如果學生要將這些知識內化，要更深刻的理解科學原理和數學的技巧，而且在科技設計、工程的問題解決能力，甚至是藝術上的技巧與概念都不能缺乏，而這也恰恰是STEAM(或STEM+A)的精神。表1、表2是教材對應STEAM的課程概念及學習目標。無論是跨領域學習或協同教學，其實已經行之有年，而非是近年才出現的，但往往礙於人力物力與時間成本的考量與限制，往往難以貫徹實行，此次立體影像的STEAM課程，透過探究與實作、融入科學史、工程設計流程的教學策略，透過日常生活中學生每人都會有的智慧型手機，免費的電腦與手機軟體，以及成本十分低廉的自製VR-BOX。希望能夠讓每個學生、每位教師、每間教室、以及每所學校，無論城鄉差距，都能夠開心學科學，全面提升國人的科學素養。 參考文獻 1. The Last Supper (Leonardo da Vinci) Wikipedia 2. Stereoscope Wikipedia 3. Stereoscopy Wikipedia 洪連輝 國立彰化師範大學物理系教授 張益嘉 國立彰化師範大學物理系專任助理

運用Arduino探究視覺暫留

文/陸健榮、鄭依佩 在資訊與電子的時代，運用科技進行教學或探究與實作，可能會有兩難：程式難、電路難。所以在入門之初我們要謹記先哲「知難行易」的原則，老師或學生不需要完全理解程式或電路，然後才進行探究或實作；就像是享受哼唱歌曲或是把玩智慧手機，先從最簡易的著手，逐步熟悉擴充各種功能，愈玩愈大愈多交流。例如，眾所熟悉的WORD或EXCEL等應用軟體都有許多範例，套入範例就可以用WORD或EXCEL做好許多事情，進而發展出自己的特色。微控制器是近代科技的基礎，其原理與構造固然與手機的原理與構造一般，屬於專業領域；然而其應用於生活、娛樂或教學，卻也如手機般平易近人。尤其是開源的硬/軟體的應用，也有許多簡易好用的範例，方便新手入門，如能善加運用，則事半功倍。本文介紹如何從Arduino最基本的範例--Blink(閃爍)著手，進行探究與實作，並且逐步加入程式、數學、與電路等跨學科與跨領域的基本素養。 視覺暫留是生理與認知方面的有趣現象，古今中外已有應用於類似走馬燈、留影盤之類的娛樂或遊戲。現代應用方面，視覺暫留也是顯示科技、影片或動畫，以至於科學玩具……的基礎。本文中介紹如何運用新科技--開源微控制器，對於視覺暫留現象進行定量的探究與實作，同時訓練測量與分析以及程式與電路等跨領域的基本素養。 一、開源微控制器Arduino的硬體與軟體 「開源」顧名思義是開放的資源，既然是資源就值得循序漸進，慢慢探索開發。Arduino源起於2003年義大利的伊夫雷亞(Ivrea)國際設計學院的教授們所開發之經濟又容易使用的硬體與軟體，提供給新手或專家們用來設計創造互動裝置[1]。Arduino的軟體下載安裝以及硬體與電腦的連接，與其他3C產品類似，網路上與坊間參考資料很多，初入門可以從簡易的Arduino入門手冊之一著手[2]。 圖1是 Arduino入門款UNO的硬體構造簡圖。雖然是簡圖，看起來也頗為複雜。新手入門先只從圖中橘黃色的長方形LED小燈開始，以免見樹不見林。最右邊標示ON的LED小燈為電源顯示燈，亮了表示有通電。不同廠牌的ON-LED燈可能會是其他紅或綠的不同顏色。另外有一顆中央偏左上標示為L的橘黃色LED小燈，在初次接通新買的UNO之後，它會持續閃爍(Blink或眨眼)。這是因為硬體UNO之內已存有Blink的基本程式。 圖1. Arduino UNO簡圖，起初只使用橘黃色LED小燈 軟體方面，我們也從最基本的範例Blink開始。安裝好Arduino的軟體之後，其視窗如圖2所示，左半圖與右半圖分別是中文版面與英文版面，是不是和文書軟體WORD很類似？ 最上方是所編輯的檔案名稱，剛開啟WORD之初，尚未選擇檔案之時，WORD視窗的最上方會自動給一個「文件一」的檔名。Arduino也會自動給一個「Sketch_月_日」的檔名，顯示於最上方。WORD視窗用於管理「文件」，Arduino視窗則是用於管理「Sketch」，也就是程式的「草稿(碼)」，玩家們常稱程式(碼)為programing(code)。因為程式總是會被擴充或改進，也就常以「Sketch(草稿)」來稱呼程式。 Arduino軟體的操作也與WORD類似，以滑鼠點擊左上的「檔案(File)」，會展開一系列有關於檔案管理的選單，如圖2所示。一開始先點選紅色虛線框標示的「範例(Examples)」，我們從中先挑一個最基本的範例來玩。進入範例視窗之後會展開一個分類視窗。 圖2. Arduino 軟體視窗功能選項 圖3顯示，分類視窗從01.基本類(01.Basic)開始，接著有02.數位類(02.Digital) ，03.類比類(03.Analog)……。不同時期的版本，下方的類別總數會有所不同，前幾項基本的類別倒是都一樣。選擇了01.Basic類別之後，再從中挑選Blink程式草案。Blink的中譯為眨眼或閃爍。在安裝好圖1的Arduino UNO硬體之後，通常的基本測試程序也是按照圖3，依序開啟視窗：Example → 01.Basic → Blink，進行硬體與軟體的溝通測試。Blink草案開啟之後，其程式的視窗如圖4所示。然後點擊其中的②編譯鍵，將英文程式編譯為機器語言，也就是硬體UNO板懂得的語言。編譯無誤之後，接著點擊③上傳鍵，將程式送往硬體UNO板，執行Blink程式。圖4程式之末有兩個紅色方框所標示的兩行相同指令 ” Delay 1000; ” 「延遲1000 ms (毫秒)」。第一個「延遲」發生在內建橘黃色LED發亮之後，第二個「延遲」發生在該LED變暗之後。因此內建LED會重複的亮1秒，暗一秒。學生可以調整延遲的毫秒數，例如將兩個” Delay 1000; ”，都改為” Delay 2000; ”，進行圖4之②、③兩步驟之後，則LED亮暗的延遲時間變長，可觀察到LED變為亮2秒，暗2秒。學生可以調整不同的毫秒數，進行「控制變因」與「觀察結果」的練習。 圖3. 進入Example視窗，選擇01.Basic類別，再從中挑選Blink程式草案 圖4. Blink 範例視窗與執行步驟說明(右方框) 二、 發現問題 如果將圖4的Blink程式中兩個紅線框的”Delay 1000;”，都改為”Delay 100;”，進行圖4之②、③兩步驟之後，則延遲時間變短，改為亮0.1秒，暗0.1秒；學生會發現LED仍然一閃一閃，但是閃得快多了。如果將”Delay 1000;”，都改為”Delay 10;”，進行圖4之②、③兩步驟之後，則延遲時間變得更短，改為亮0.01秒，暗0.01秒。有些學生會觀察到LED仍然是一閃一閃的，只是閃得非常快速；有些學生則會觀察到LED不閃了，而是持續地亮著。如果將”Delay 1000;”，都改為”Delay 1;”，進行②、③兩步驟之後，則延遲時間變得更短，改為亮0.001秒，暗0.001秒。所有學生都會認為LED不閃了，而是持續亮著。我們發現兩個有趣的問題值得探究： 2-1. 閃爍時間小於一個特定值之後，LED「看起來不再閃爍」，究竟這個特定時間是多久呢? 2-2. 不同的人對LED開始「看起來不閃爍」的特定閃爍時間是不相同的，究竟是如何的不同呢? 三、 視覺暫留探究與實作 光進入視覺系統之後會在視網膜上成像，經過認知系統產生視覺影像。當光消失之後，視覺影像仍然保留一段時間，稱為視覺暫留。通常的日光燈大約每秒閃爍百餘次，但是因為視覺暫留，所以我們察覺不到日光燈的閃爍。我國古代的走馬燈約是視覺暫留最早的應用，這一類的應用也是「知難行易」的最佳寫照。現代常見的應用是電影與動畫的拍攝和放映，視覺暫留使得一幅幅畫面得以連續動態呈現，早期畫面更新率（frame per second，簡稱fps）約是每秒6或8張，如今約是每秒120張。究竟我的視覺暫留時間是多少呢？是不是大家都一樣呢？如何不同？我們將運用Arduino的入門範例--Blink，著手定量地探究視覺暫留的時間。 3-1. 測量與數據 例如，將圖4的Blink範例之中兩紅線框的”Delay 1000;”，都改為”Delay 100;”，進行圖4之②、③兩步驟之後，則延遲時間變短，變為亮0.1秒，暗0.1秒；學生會發現內建LED仍然一閃一閃。持續減小”Delay” 的毫秒數，一直到眼睛看不出內建LED燈的閃爍，此時”Delay”的毫秒數即為視覺暫留時間。請班上學生將測得的視覺暫留時間，依照在電腦教室的座位，填入黑板的數據表，如表1所示。 表1. 全班座位以及視覺暫留時間數據(單位：毫秒) 圖5. 全班視覺暫留時間的統計長條圖與高斯分布 3-2. 數據分析與建構模型 全班的視覺暫留時間數據統計的結果，如表2所示。 表2. 全班視覺暫留時間數據統計(單位：毫秒) 依據表2的數據，可以繪製如圖5所示的長條圖，並且得知全班大多數學生的視覺暫留時間約是10毫秒，少數人較短或較長。我們可以粗略描繪全班視覺暫留的分布模型，類似於圖5的虛線，接近一個常態分佈。從圖形上我們也可以初步研判，最多數同學的視覺暫留時間約是10毫秒，或說全班視覺暫留時間的平均值約為 毫秒。大多數同學分布在9.5毫秒到11.5毫秒之間，或是說視覺暫留時間的分布寬度約是 毫秒。中央最多的人數約為 人。我們可以依據測量的數據，對此模型進行更確切的描繪與表達。 四、 改進與調整 4-1.數據分析與統計表達 隨著年級的增長或是職場的精密需求，我們在測量、分析與表達溝通方面的素養，永遠有更增進與更精進的空間。運用適當的軟體或工具，我們可以更精確地計算表1之中，全班視覺暫留時間的平均值為 毫秒，以及標準差為 毫秒。平均值 可以估計常態分布的中央值或最多數值，而標準差 則可以估計該常態分布的寬度。從數據的統計表2或圖5，也可以知道中央值的人數最多，約是10多人，故 。然後依據常態分布的標準函數 ，我們可以建構這次探究活動中，「全班學生視覺暫留」分布的函數模型為 ，有如圖5中的虛線所示。透過曲線擬合 (curve fitting) 軟體或是開源網頁，將測量數據進行更切合的高斯分布擬合，可以得知全班視覺暫留時間分布的更精確模型為： 4-2.測量方法與不確定度 探索一個只知道會發生在一定範圍的未知事件，除了亂槍打鳥碰運氣之外，如何從大範圍逐步地有系統地朝向目標縮小範圍，是一個有趣而且有用的科學方法。例如圖6顯示如何用二分法有效的縮小範圍，探索方程式F(x)=0的根。首先將選定的大範圍「a1~b1」切半一分為二，並將中點命名為b2。如果方程式F(x)=0的根在左半範圍「a1~b2」之內，則F(a1) x F(b2)0。 圖6. 二分法示意圖(以方程式求根為例) 接著便可以將「尋根」範圍的右邊界從b1點收縮到b2點，繼續在此新的小範圍之內進行相同的切半二分與檢驗，一直繼續到新的小範圍縮小到可以接受而終止的小範圍。這個終止範圍的中值便是方程式F(x)=0之根的最佳估計值，而終止範圍的半寬度，便是根的不確定度。 測量未知的視覺暫留時間，起初可能摸索來摸索去地調整亮與暗的延遲時間，一直調整到可以看見閃爍變為連續發亮的延遲時間為止，便可以記錄為視覺暫留時間的數據。雖然讀數可以精準地調整到毫秒，我們可否宣稱測量的不確定度就是毫秒了呢？如果將亮與暗的延遲時間從 0 毫秒開始，逐次遞增一毫秒，直到LED從閃爍變為連續發亮為止，我們雖可以確認遞增的不確定度約是1毫秒。可是這樣會不會太慢？萬一是從另一端1000毫秒開始，每次遞減毫秒來尋找，豈不是很漫長？ 我們也可以採用類似方程式尋根的二分法，即使是從延遲時間的大範圍「0~1000」毫秒開始，在0端為持續亮，在1000端為閃爍。二分之後，在500毫秒仍為閃爍，則閃爍邊界縮至500毫秒。如此持續二分縮減，只要4次就到了閃爍邊界縮減至大約63毫秒，如圖7之右端所示。再經過3次二分之後的中點③為8毫秒，此時LED已變為連續發亮不閃爍；顯示應將連續發亮的左邊界縮至8毫秒。接著是圖中的第4次二分的中點④為12毫秒，此時LED又變為閃爍，此為新的閃爍邊界。再二分，新的閃爍邊界就到了為10毫秒，LED仍為閃爍，是為新閃爍邊界。如果就此停止，則可以採用最終範圍的中點 (8+10)/2=9毫秒，作為此次測量視覺暫留時間的最佳估計值，其不確定度為(10-8)/2=1毫秒。當然也可以此類推，繼續進行二分以求取更精密的測量值，直到所切分的區間小於應用或測量所要求的不確定度，即為所求。 圖7. 利用Arduino範例Blink，以二分法探究視覺暫留時間 以此次(圖7所示)的測量而言，其最終範圍之半即為B類不確定度uB=1.0毫秒。如果多進行幾次測量，也將會發現過度的追求精密，可能無濟於事。例如若是初步的進行了三次測量，分別是10、9、8毫秒，便可知道如圖7在進行更多更細緻的切半二分，並無太大的助益。倒是值得同法再重複測量幾次，以獲得確認的平均值。而且重複多做實驗的同時，也要控制其他的變因，確保是相同一致的重複測量。例如，可能需要在結束一次實驗之後，閉眼休息約30秒，再進行下一次實驗，以排除眼睛疲勞的因素。表3為一個學生認真的重複測量20次結果。 表3. 單一學生測量20次視覺暫留時間數據(單位：毫秒) 重複測量20次的平均值為 毫秒，統計的標準差為 毫秒。雖然重複20次測量，提高了統計上的精密度，測量的A類不確定度為 毫秒，比起B類不確定度 uB=1.0毫秒，要小了約10倍左右。不過，從組合不確定度為 毫秒 的觀點來看，重複三到五次確認即可。 參考資料 [1] Massimo Banzi，Arduino 是如何打開想像力的，TED演講 [2] 鄭依佩，Arduino入門手冊，中等教育階段領域教學研究中心 陸健榮 國立臺灣師範大學物理系教授 鄭依佩 國立臺灣師範大學化學系研究助理

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

量子力學之美：電腦叢集計算在附中

文/李柏翰 三年多前的一個夏日午後，升學考試的熱度考翻了台北市的每條街道與每條小巷，我在物理實驗室的一個角落任性地發呆了，看著躺在冰冷鐵櫃塵封已久的荷質比儀器出了神，心想：為什麼這麼美麗的綠色電子束，圓圓的輕盈的美麗軌道會被學生們遺忘，會被大家忘記了呢?曾幾何時的物理學習不再有熱情，而是變成滿手計算的題目與數字，一切都只是為了準備考試，為了分數，然後研究學問的那份感動在升學主義之下，已然煙消雲散，一切都變得不重要了？就在那個當下，我想起了一部美國冒險喜劇劇情電影《白日夢冒險王》（The Secret Life of Walter Mitty），尋尋覓覓的25號底片竟存乎一心，就像一樣的找尋故事，答案原來就在自己身上，突然間綠色電子束透過木盒穿透了，對我訴說著量子的故事，電子一句一句告訴我美麗的躍遷，飛翔的波動函數，此時心中湧上一股聲音，那就我來開課吧。 圖1. 荷質比實驗—圓圓的輕盈的美麗軌道，在學生們聲聲驚艷下，再次喚起心靈深處對科學的渴望 很大的夢想，導入實驗為主的學習 在中學裡帶著一群學生一頭栽進去做基礎科學研究，其難度之高可以想像，尤其又是要從較為冷門的尖端科技，量子力學之美出發，研習尖端物理，並且企圖利用電腦叢集計算的技術，來執行一些軟體的模擬與操作，這個課程看起來是不容易執行的。但是為了喚起物理魂，我還是設計了一系列的實驗改進課程，首先加強一些本職學能，強化物理知識背景(如圖2)，接下來就是要引起美麗的動機，第一個進行的實驗就是湯木生(Joseph Thomson)荷質比實驗。如圖3所示，先給一個湯木生用陰極射線管進行的三個小實驗故事提示，然後開始給一些情境，希望學生回到當時湯木生所面臨的場域進行思索，而且實驗過程首重安全，然後並沒有實際的操作手冊來說明流程可以參考，這其實是為了考驗學生思索問題的能力，上網收集資料問題的能力，最重要的是如果萬一實驗失敗了，下周還是可以再重複實驗幾次都是沒關係，務必要求學生激盪腦力。整體課程設計以實驗為主，圍繞在粒子性，波動性等特質，例如干涉與繞射實驗的進行(如圖4-7)，讓量子力學的先備概念呈現出來，之後再慢慢加深理論知識，並且隨時雙向討論(如圖8)，課程之後還會有IoT的介紹，電子電路板的實作實驗，也會有大師講座，最後進入Linux電腦遠端登入國網的操作等，整個學期課程安排如同表1所描述。 圖2. 根據學生荷質比實驗課程需要，李柏翰老師進行實驗相關公式介紹與證明 圖3. 學生們記錄荷質比實驗所觀察到的現象並自行查資料 圖4. 學生觀看老師示範實驗干射與繞射 圖5. 學生實際操作干射與繞射實驗 圖6. 學生記錄與量測實際干射與繞射的實驗結果 圖7.學生計算干射與繞射結果，針對理論問題展開熱烈討論 圖8. 學生隨時向老師請益黑板上的理論，進行雙向討論 表1. 國立臺灣師範大學附屬高級中學多元選修課程規劃表 表1中光學的實驗部分也會導入IoT的物聯網觀念，利用國家晶片系統設計中心（National Chip Implementation Center, CIC）的MorSensor實驗，讓學生實際操作雷射光，看看所謂的米氏散射實驗與PM2.5實驗，跟實際熱門議題結合（如圖9-10所示）。為了讓學生熟悉電子線路設計，也會穿插一些課程，例如移地教學到內湖高工 RGB 電路板設計、製作（如圖11-12所示），讓學生了解半導體的材料特性，也能夠交流高工強大的實作能力。 圖9. 學生實際操作雷射光的米氏散射，利用CIC的Morsensor晶片來實驗，順便觀測光學的光路反射與折射光徑 圖10. 老師帶領學生觀察光的雷射光的米氏散射現象 圖11. 內湖高工葛士瑋老師講解電烙鐵、焊接注意事項 圖12. 學生在內湖高工，學習電路板上進行焊接實作 大師講座的實施，在課程中期實施，會安排1-2場的大師講座課程，聆聽教授最新的研究分享，例如邀請到成大數學系許瑞麟教授來演講《數軸與時空》(如圖13-14)，也邀請臺師大物理系陳鴻宜教授演講《近代物理》(The Introduction of Modern Physics)，讓學生更加貼近量子力學，透過大學深具經驗的教授分享，指引學生在學習上所需注意的腳步，開拓視野（如圖15-16）。 課程末段的實施，開始連線國家高速網路計算中心（National Center for High-performance Computing, NCHC)，學習Linux 簡介、基本指令操作、C 與 C++ 入門，練習指令介面（如圖17-18所示），練習安裝fftw-3.3.8（如圖19-20所示），以及Wien2k軟體安裝（如圖21-22所示），最後便可以簡單練習軟體電子態密度(DOS)的試算（如圖23所示）。 圖13. 20180504成大數學系許瑞麟教授（右）與李柏翰老師合影 圖14. 20180504成大數學系許瑞麟教授演講，對4種特色課程班級聯合演說 圖15. 臺師大物理系陳鴻宜教授（前排左5）與本校特色課程師生合影 圖16. 陳鴻宜教授演講近代物理，分享量子力學的學習經驗 圖17. 老師指導同學操作 Linux Terminal 圖18. 學生實際連線 NCHC，練習操作 Linux 環境介面、學習遠端模式、指令等。 圖19. 安裝fftw-3.3.8流程--首先login NCHC 140.110.148.11，準備fftw-3.3.8.tgz，建立目錄，其中red color means string，所以需要 “ ”。 圖20. 編譯fftw-3.3.8完成，輸出檔結果在 fftw-3.3.8/out_LIB 圖21. Wien2k 是在NCHC安裝簡介中的一部分，執行./siteconfig_lapw 圖22. 經過一系列的步驟，最後Wien2k 在NCHC的安裝完成。 圖23. Wien2k 計算流程指令操作之簡單單機版示範模式。 發掘研究人才，正式進入材料研究，成果投稿國際期刊 其實短短一學期的課程，只能是重點式概念性地介紹量子力學。可是經過本課程的訓練後，是有很高的機會發掘一些科研人才，可以接下來再繼續進行培訓，所以之後的工作是我實際要去培訓研究人才，繼續做專研。由於本校靈活的特色課程調度，成功地發掘不少優秀人才，其中最早的一屆是1387班夏軒安同學，便是一個成功培訓的例子(目前交大資工系資工組大二，如圖24)，當年在特色課程之後，再經過1年多我門下的培訓，終於完成固態材料導論的研讀與NCHC的Linux訓練，參與部份固態材料計算的研究，最後完成一篇”The magnetic phase transition in Mn2-xFexB alloys: First-principles calculations”的研究，這篇文章在歷經許多人的貢獻，終於成功投稿並刊登在Chinese Journal of Physics 55, 2249–2253 (2017)(如圖25)。這項實驗性的課程，探討基礎科學終於獲得實證，並且榮獲科技部來附中專訪我所實施的特色課程，在20170112當天錄音及錄影(如圖26-30)。 圖24. 1387班夏軒安最早參與固態材料計算研究 圖25. The magnetic phase transition in Mn2-xFexB alloys: First-principles calculations，Chinese Journal of Physics 55, 2249–2253 (2017)。 圖26. 科技部到臺師大附中訪問李柏翰老師的特色課程，全體學生與貴賓合影 圖27. 李柏翰老師的開設特色課程與科研獲獎紀錄 圖28. 左起臺師大王銀國教授、臺師大附中李柏翰老師、科教館蘇萬生博士和CIC江政龍博士合影於現場 圖29. 科技部錄影特色課程實驗過程 圖30. 科技部錄影--李柏翰老師的特色課程MorSensor科研實驗紀錄 後記 本文所述課程的發想到實際執行，獲得當時的教務主任張荊壢老師的大力支持，一開課就執行了4年多，我一直是秉持著科學研究的熱情不應該被忘記，應該要能跟上國際研究的腳步，因此下定決心帶領一群高中生開始專研物理實驗與理論計算的研究。由於在2013年我任教的臺師大附中獲得國立臺灣科學教育館(科教館)的科學研究經費挹注，這個夢想開始扎根，配合我每週一晚上我留學生留校到很晚，在學校帶領著有興趣研究科學的學生做探索，至今已然有一些成果出現。例如，有1386班的周伯衡同學，花了我兩年時間帶著他到清大實驗室研究，終於成功量到一系列的合金電阻率，揭開了高熵合金300 K到673 K範圍的近常數電阻率的奇特物理特性，並獲得2017年臺灣國際科展物理與天文學科第三名，以及美國材料資訊協會獎特別獎，另一方面，師生專研第一原理密度泛函(DFT)計算，終於在 2017年發表拓樸新材料 ( Topological insulators double perovskites: A2TePoO6 (A = Ca, Sr, Ba), Journal of Applied Physics 122, 224902)[1]，以及磁性相變 (The magnetic phase transition in Mn2-xFexB alloys: First-principles calculations, Chinese Journal of Physics 55, 2249)[2]，而在2018年，1473班方詔陽同學，也是我特課學生，專研生物資訊剛剛獲得旺宏科學獎金牌獎（如圖31）。如今看來，在5樓實驗室Lorenz Lab的角落一隅，師生揮灑汗水多年，帶領著中學生探索物理問題並嘗試發表研究論文的努力，並不孤獨，終獲國際學術及重量級科研的肯定（如圖32）。 圖31. 1473班方詔陽同學獲得旺宏科學獎金牌獎 圖32. 李柏翰老師的特色課程研究之論文與科普文章展示 參考文獻優良課程，我是科技人 part2，李柏翰老師附中特色課程，量子力學之美，電腦叢集計算，科技部官網，共分為三段影片。 Chen, S. K., Lee, P. H., Lee, H., Su, H. T. (2018). Hydrogen storage of C14-CruFevMnwTixVyZrz alloys. Materials Chemistry and Physics, 210, 336-347. Lee, P. H., Wang, S. W., Lin, C. Y., Chen, K. L., Chen, K. Y., Liu, P. Y., Hsia, H. A., Chien, Y. F., & Chen, S. K. (2017). The magnetic phase transition in Mn2-xFexB alloys: First-principles calculations. Chinese Journal of Physics, 55, 2249–2253. Lee, P. H., Zhou, J., Pi, S. T., & Wang, Y. K. (2017). Topological insulators double perovskites: A2TePoO6 (A = Ca, Sr, Ba). Journal of Applied Physics, 122, 224902. 李柏翰 國立臺灣師範大學附屬高級中學教師

淺談「智慧電網」

文/蔡振明 我們為何需要智慧電網？ 德國發展再生能源初期，曾面臨每天停電近百次的窘境。這讓世人瞭解，當再生能源電力逐漸增多的狀況，傳統電網必須加入資訊、通信與自動化科技，整合發電、輸電、配電及用戶，使原來「單向」的傳統電網，轉變成「雙向」的智慧電網(如圖1)，以提升電力系統運轉效率及供電可靠度，並促進再生能源的利用率。智慧電網至少包含：(1)智慧電表，(2)資訊、通信與自動化系統，和(3)儲能系統等。茲略述如下。 圖1. 再生能源與智慧電網架構示意圖(圖片來源：2016.9.5經濟部能源局能源報導) 智慧電表 換裝智慧電表本身不會節電。但透過手機查看用電資料，可以清楚知道設備的用電狀況，而進行節能管理。依據2017經濟部核定之《智慧電網總體規劃方案》，預計投入新臺幣1,399億元，其中智慧電表就編列958億元(占68.5%)，可見其重要性。但根據台電綜合研究所沈德振副所長表示：鑑於智慧電表單價高達8,000元，因此擬於2024年前，對每月平均用電在450度以上的300萬戶進行免費換裝，約需耗資240-300億，而節餘智慧電表預算約700億，擬使用於優化電網，增益電網的強韌性與平滑性。 資訊、通信與自動化系統的內容 資訊、通信與自動化系統方面，依據經濟部《智慧電網總體規劃方案》，包括：(1)智慧發電與調度--將投入75億元(占5.3%)，執行先進發電技術及大型儲能系統研究，並導入抽蓄水力電廠變速運轉控制，進行可靠之調度通訊系統建置。(2)智慧輸電—將投入107億元(占7.6%)，進行繼電器（relay）系統數位化及特殊保護系統建置等，以提升系統輸電容量，利於大量再生能源併網。(3)智慧配電--將投入98億元(占7.0%)，進行配電系統自動化開關系統之建置，提高電力調度中心對電網末端資訊的掌握度。 儲能系統的種類與功能 我國未來7年(2018-2025)，不穩定的再生能源占比將快速成長，而衝擊現有電網。儲能系統能夠形成電力調節庫。目前世界最常見的儲能設施為抽蓄水力，占90%以上。它是技術最成熟，價格較便宜的儲能方式，儲電成本每度約1元，政府已選址7處，擬新建抽蓄水力電廠(如圖2)。唯考慮它是否有能力調節再生能源「季節性」問題，例如冬季風力發電如何用於夏季？故目前尚未決定施工。 新興的儲能方式，有電池、電轉氣(P2G)、車輛到電網 (vehicle-to-grid，簡稱V2G)等。電池儲能成功的案例，包括澳洲的鋰離子電池(129MWh)，主要用於風電產生高峰期，把多餘的電力儲存。目前籌建中最大型的德國液流電池(700MWh)，擬建於鹽洞，主要也是儲存綠能剩電。但上述液流電池並無法徹底解決德國綠能過剩問題，所以德國已在全國完成或籌建20個P2G工廠，可以把剩電轉換為氫或甲烷，使儲能逐漸脫離時空的限制─以上設施使德國2017年綠能棄電降至1%，而中國高達16%。V2G則是把電動汽車當作儲能設施，期望它在離峰充電，在尖峰把電力回售給電網，形成「螞蟻雄兵救尖峰」的景況。 圖2. 政府已選址7處擬新建抽蓄水力電廠(圖片來源：台灣電力公司) 蔡振明 臺東縣廣原國小退休教師 能源與節能工作坊召集人

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

電漿球演示融入科學劇的情節歷程－以｢電漿球｣演示為例

文/陳香微 ｢科學劇｣是科學中心獨特的科普形式 隨著科技的發展，科學中心與博物館在科學教育活動的形式上不斷求新求變。除了演示、實作外，戲劇逐漸成為科普最受歡迎的形式之一，它將科學知識、科學演示融入故事情節中，並以戲劇的方式表現出來，讓生硬的科學知識、科學理論在寓教於樂的氛圍下，不知不覺在觀眾腦海留下深刻的記憶，達到學習效果。亞太科學中心協會(Asia Pacific Network of Science and Technology Centres,ASPAC)自2015年更開始舉辦科學劇競賽，每年在不同會員國間辦理，「2018科普論壇」後的「第八屆海峽兩岸科學傳播論壇」科學劇的表現更是獨樹一格。 筆者服務的國立臺灣科學教育館（以下簡稱本館）展間含有5個劇場空間，也有一個挑高的大廳，都極適合做為科學戲劇表演場域。因此2018年我們自行策劃了一齣科學劇「今天我們去哪兒」，故事主軸強調運用科學方法解決問題，並將本館展品--｢電漿球｣的演示融入情節中，彰顯科學劇的特色，是一場科學與藝術跨領域整合的饗宴，並於2018年7月26日假國立中興大學惠蓀堂正式公演，獲得觀眾熱烈的喝采。 ｢電漿球｣的科學演示說明 電漿球展示在本館5樓｢探索物理世界｣電磁區，耀眼光芒十分引人注意，其實它是一顆透明的玻璃球，抽真空後內部灌入少許惰性氣體，球體中有一根高壓金屬棒，通電後高壓會激發球體內氣體電離，形成電離體(俗稱電漿)而可以通電。電離過程中，這些惰性氣體電子由亢奮到衰退就會釋放色光，不同氣體產生不同顏色色光，看似閃電般光芒，十分耀眼。透過演示，演示人員除了說明上述原理，還會製造尖端放電效果、利用燈管將電漿球裡的電流引出來，甚至演示人體導電效果，否則觀眾只會用手去觸摸它，閃電似光芒就會被吸引到觀眾手心，看似神奇、好玩，卻完全不能理解它背後的科學意義，甚為可惜。因此在規劃科學劇之初，我們立即鎖定將電漿球的演示融入情節中。 圖1.電漿球藏在本館五樓電磁學區 圖2.電漿球展示區平面位置圖 展品演示融入故事情節中 科學劇與一般戲劇最大不同在於將科學演示或科技應用融入故事情節，也就是說科學演示是故事中的一個環節，自然而然融入劇情中，而不是一般的演示教學，而且科學演示目的是要用於解決問題。 「電漿球」可以發光發電，那故事應該如何建構才能襯托出它的特色呢？又能運用於解決甚麼問題呢，因此尋寶的概念油然而生，「今天我們去哪兒」故事敘述踏實、認真的山哥與個性隨和，不求甚解的台妹在圖書館中發現藏寶圖，台妹慫恿山哥一起去尋寶，途中台妹不慎掉落山谷、遇鴻溝、銅牆鐵壁，千鈞一髮之際，幸賴意外召喚的｢科寶｣出現指導，並靠著山哥強大的科學腦運用所學、就地取材，設計摩擦繩、「獨」木橋、利用電漿球導電等各種科學知識，以及觀眾的協助，解決問題，全劇約50分鐘。 其中當山哥、台妹尋得寶藏後發現寶藏山洞大門無法開啟，經過先知—科寶的引導，山哥運用太陽能啟動電漿球，利用放電原理，藉著人體導電方式將電傳達到山洞口，順利開啟寶藏門。解決問題過程中，藉由山哥與台妹的對話自然而然將電漿球的構造、何以會產生奪目色彩閃電式火花的科學原理傳達給觀眾，在觀賞者的感受中，這是劇情而非課堂中的教條，自然容易接受。 圖3.人體就是一個導體能吸引電漿球的「火花」 圖4.藉由山哥的智慧及演示，深入淺出說明電漿球科學原理並解決問題 觀眾互動為戲劇加分 科學演示的過程中，如能跟觀眾互動，往往可以激發觀眾的興趣也能提升觀眾的參與感，當劇中需靠電漿球解決問題時，科寶請求觀眾一起協尋那顆失落的電漿球，並描述電漿球外觀同時提醒電漿球可能就在您身邊，藉以引起觀眾好奇，紛紛左顧右盼，此時舞臺由臺上延伸到臺下，觀眾儼然劇中人，共同在解決一個問題，觀眾有充分的參與感。尋獲電漿球後，山哥計劃借助人體導電方式，將電漿球裡的電引導至山洞口以開啟洞門，為了證實想法，必須藉人體測試，科寶首先請台妹當先鋒，儘管台妹害怕苦苦哀求仍逃不過命運安排，科寶防不勝防以迅雷不及掩耳速度將台妹的手放上電漿球，一點危險也沒有。此時科寶扮演引導角色，公開邀請觀眾手牽手共同體驗，為了製造效果，刻意讓第二位牽手觀眾以指尖碰觸台妹指尖，指尖中由於尖端放電現象產生火花的刺激效果，讓觀眾清楚看到確實有電流，而且會產生微微觸電感，過程看似驚險刺激，但實際上無危險，為了讓觀眾卸下心防，情節中安排山哥釋疑，說明電漿球高電壓低電流的設計，電流低於0.2毫安培，同時將電流對人體影響的程度適時做了機會教育。 圖5.期待上台體驗的觀眾十分踴躍 圖6.觀眾手牽手導電開啟山洞門尋獲寶藏 心得分享 一、科學演示要融入戲劇舞臺上，還要能發揮其功能 科學劇絕對不是一般實驗室演示用的教具就能直接派上用場，必須重新研發試作，甚至假借舞台技巧完成，例如利用人體導電將電漿球放電引導出來，事實上電流有限，大約經過3個人，電流量就完全耗盡，無法啟動山洞門。但本劇電漿球安排在舞臺下，要將電從舞臺下傳達到舞臺上絕非3人距離，如果加大電流危險性將會提高，在無法增加電流也無法減少電阻的情況下，不得不藉助一些些舞台技術--用人工遙控開啟山洞門方式克服難題，但為讓觀眾確認確實有電流，我們在第二個至第三個牽手觀眾間加入一個橋段，情節中請第二個觀眾手握燈管，讓燈管發亮，證實有電流通過，再將燈管交由第三位觀眾手握，一個接一個示意靠人體將電引導至洞口。 二、展品演示融入劇情中另一個困難的是搬運問題 「今天我們去哪兒」直接借用本館電漿球展示品作為道具，電漿球是一顆透明的玻璃球，內部抽真空後灌入少許惰性氣體，大小超過一米立方，雖不重但造價卻很驚人--約40萬台幣，每每搬運時都要提心吊膽，排演時為了避免搬運，往往得遷就它，因此只能利用展場結束後三更半夜摸黑到展覽場排演。 三、科學劇有別於以往科學中心及博物館間科學演示的形式，而且逐漸成為流行的科普形式 但國內科學中心或博物館界並沒有太多的著墨，甚至混為一談。如上所述，兩者間很大的差別在故事的結構及情節的安排，但這個領域是一般科學專業人員所不熟悉的。而戲劇中融入科學演示，這個情節也不是會寫故事的專業人員所擅長的，應該可以考慮與民間劇團或學校相關系所合作，借重劇團或學校系所的表演藝術專業及中心同仁對科學知識、演示專業能力相輔相成，讓學科學的人能懂得欣賞藝術的美、學藝術的人可以理解科學的真，相得益彰。 四、科學中心不像博物館以典藏品的研究教育為主 科學中心成立的主要目的，是要能將科學現象、科學原理，透過任何形式的活動讓觀眾理解，互動式展品、科學演示、科學劇都是其重要形式之一。本館身為國內最大，也是唯一中央級的科學中心，更需運用多元的科學傳播形式推動科學教育，尤其科學劇的發展，更何況科學劇已是受歡迎的科普形式，本館責無旁貸應該要常態性發展科學演示及科學劇並定期發表演出。 我們期待從事科學教育的尖兵能具備藝術素養，從事藝術教育工作者能理解科學原理，讓科學劇創造出有感的科學溝通，共同推動科普，這些經驗也將成為日後茶餘飯後閒聊話題。 陳香微 國立臺灣科學教育館研究人員

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, 31, 674-677. 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。 林坤誼（2014）。STEM科際整合教育培養整合理論與實務的科技人才。科技與人力教育季刊，1(1)，1。 張玉山、楊雅茹（2014）。STEM教學設計之探討：以液壓手臂單元為例。科技與人力教育季刊，1(1)，2-17。 陳聖謨（2013）。國民核心素養與小學課程發展。課程研究，8(1)，41-63。 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 [1] 維基百科: 稀土金屬。 [2] 陳登銘(2011)。工業的維他命－稀土金屬。科學月刊，42(4)，2-7。 [3] 何恭算，鍾坤煒。稀土礦:新科技的寵兒。國立自然科學博物館，館訊第323期。 [4] 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。 [5] Lee, C.P., Li, C.T., & Ho, K.C. (2017). Use of organic materials for dye-Sensitized solar cells. Materials Today, 20(5), 267-283. doi: 10.1016/j.mattod.2017.01.012 李權倍 臺北市立大學應用物理暨化學系助理教授

STEM領域女力崛起--讀出女孩超能力

文/劉淑雯、孫俐婷、郭妍希、蔡佳蓁 STEM領域包含科學(Science)、科技/技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)。這四個領域充斥在我們的生活中，天天都會接觸到。每天醒來，搭車出門工作或上學，需要技術與工程，每天使用的手機和電腦，也是經過精密的科學、數學運算。還有許多偉大的發明像是電腦程式、天文觀測、海底探勘等等，使我們的生活更加便利。 然而，刻板印象總是認為，STEM這些領域，常是由男性一手包辦，相對而言，女性在STEM領域中，並無太大發揮，甚至認為是潛力不足。可是，事實則非如此。從古至今，歷史上有許多偉大的女科學家，她們運用自己的好奇與興趣，創造出許多不可思議的發明。若我們可以帶領孩子，認識這些女科學家、瞭解她們的故事，勢必能給孩子們在STEM領域一個典範支持的力量。 從繪本讀出女性在STEM領域力量 閱讀繪本是親子和師生間良好的互動方式。繪本中一則則有趣生動的故事和插圖，孩子深受吸引。不僅如此，透過繪本，孩子還可以從中看見典範，模仿學習。以下推薦幾本，講述偉大女科學家的故事，看她們如何突破困境，打破世人對女性的印象，勇於在STEM領域，追逐自己的夢想，並發揮出足以改變世界的力量。孩子也可以藉著閱讀推薦的繪本，超越性別框架，從中發覺自己的潛能。 ㄧ、科學類繪本中的女力 在科學類文本方面，推薦兩本繪本分別是《小人物大夢想－居禮夫人》(Little People, BIG DREAMS ─ Marie Curie)以及《看天空！首位女天文學家－漢麗埃塔·萊維特》(Look up! ─ Henrietta Leavitt, Pioneering Woman Astronomer)。兩本繪本皆在講述在有限的資源下發現新事物的女性，儘管過程雖苦，不放棄與相信信念的精神值得我們學習。 圖1.《小人物大夢想－居禮夫人》(Little People, BIG DREAMS ─ Marie Curie) 出處： Green Tots 英文繪本館 這本繪本中記述了居禮夫人(Marie Curie)的一生。從小便立志成為科學家的她，毅然地到了法國求學。在與先生的共同努力下，居禮夫人(Marie Curie)成為了歷史上第一位獲得諾貝爾獎的女性。儘管在一次意外中失去了丈夫，她並因此沒有放棄，更鼓勵了更多和她一樣對科學抱有熱忱的女孩投入科學研究的領域。 您的學生是否好奇過X光機的原理是什麼呢？其實放射性物質並沒有想像中的那麼可怕，生活中常常會有輻射物質存在，「輻射」並不是如此觸不可及。那我們能夠用什麼來幫助孩子瞭解新知識呢？ 探索活動可以參考「夜光小精靈」：請小朋友先將自己喜歡的圖案繪製在空白設計的小夜燈上。由老師塗上螢光塗料後，靜置小夜燈等塗料完全乾燥，再將小夜燈放置在陽光下吸收紫外線，小夜燈就能發出美麗的螢光。材料主要包含螢光塗料、畫筆，以及小夜燈本體。可讓孩子建立一些與輻射相關的基本科學知識。 圖2.《看天空！首位女天文學家－漢麗埃塔·．萊維特》(Look up! ─ Henrietta Leavitt, Pioneering Woman Astronomer) 出處：Green Tots 英文繪本館 女科學家漢麗埃塔．萊維特(Henrietta Leavitt)在一次又一次的探索中，發現了星星閃動的奧妙。經過不斷的研究，她發現星星的光閃動的方式跟頻率都是不一樣的，由此可以更精確地推算出星星和地球的距離。若因當時的限制而侷限了自己的發展，漢麗埃塔．萊維特可能不會有今天的這般成就。 從繪本延伸相關的學習活動，老師不妨考慮讓孩子製作自己的星空地圖。可在網路上下載簡易的星星分布圖，和孩子一起找出各星座的所在位置。除此之外，也可以讓孩子將星星與星星之間相互連接，「發現」一個全新的、獨一無二的星座，給予孩子自由創作的無限空間。 問題與討論： 1. 當時認為女生做不到的事情，居禮夫人(Marie Curie)做到了嗎？她是如何做到的？ 2. 如果你是漢麗埃塔．萊維特(Henrietta Leavitt)，只能在小房間工作，你會有什麼感受呢？ 3. 你覺得科學家或天文學家是適合女生的工作嗎？為什麼？ 4. 如果你的朋友或同學想成為一位科學家或天文學家，你會如何支持她/他？ 二、科技/技術類繪本中的女力 在技術類文本方面，推薦兩本繪本分別是《海底拼圖：地理學家瑪麗．薩普的故事》(Solving the Puzzle Under the Sea- Marie Tharp Maps the Ocean Floor)以及《敢為風前：埃莉諾和飛雲號的航海創舉》(Dare the Wind)。這兩本繪本都是女科學家在大海上，運用自己的相關知識、好奇心與想像力，來發現問題、著手行動、不斷嘗試，最後克服困難。 圖3.《海底拼圖：地理學家瑪麗．薩普的故事》(Solving the Puzzle Under the Sea- Marie Tharp Maps the Ocean Floor) 出處： Green Tots 英文繪本館 老師可以跟孩子一同閱讀，看這位女科學家瑪麗．薩普(Marie Tharp)是如何運用她的好奇心來打破世人的觀點，並畫出屬於海洋的地圖。由於瑪麗．薩普從小就熱愛地圖，且獨獨對未知的海域充滿好奇。因此，運用聲納的數據，她一筆筆繪出了世人所不知的海底樣貌，甚至提出了大陸漂移說。書中，瑪麗．薩普堅持自己的夢想與興趣，從而發現世界的奧妙，是很值得孩子閱讀與仿效的。 與孩子共讀完瑪麗．薩普的故事後，老師可以帶著孩子做一個小活動，讓他們運用自己的想像力，畫出海底的風貌。首先，老師可以用網路展示幾張深海地圖的照片。讓孩子用鉛筆和色筆勾勒出海底樣貌。完成後，老師可以跟孩子討論，想像深海的地底還會有什麼存在，發揮想像力畫在紙上。屬於自己的深海地圖就完成了。 圖4-1.Detailed Maps of Ocean Floor Relief 圖4-2.Indian Ocean Floor - Published in 1967 by National Geographic 圖5.《敢為風前：埃莉諾和飛雲號的航海創舉》(Dare the Wind) 出處： Green Tots 英文繪本館 繪本中的女主角埃莉諾．普倫蒂斯(Eleanor Prentiss)從小就嚮往大海，當其他女孩在家刺繡或做家事，她則到岸邊追逐大浪、海風、看著大船駛向無邊無際的大海。後來，在一趟重要的航行旅程中，運用她所學到的航海相關知識及她過人的膽識，僅由太陽、月亮和星星當嚮導，克服了航行中所遇到的大小困難。在這本書中，孩子可以清楚看到埃莉諾·普倫蒂斯勇於做自己、相信自己，並且運用她所學克服所有難關，這些精神都是值得孩子去學習的。 看完這本書後，老師可以和孩子一起進行活動，例如，紙船大比拚。紙船、紙飛機等一直都是孩子們童年的好玩伴。不僅材料唾手可得，作法又十分簡易。更是充滿樂趣。讓孩子們自由選擇不同材質的紙來做成紙船，可以是瓦楞紙、雲彩紙、或是水彩紙等……。讓孩子研究並記錄：那種紙張材質做成的船可以漂浮在水中最久呢？改變風力的大小，使用不同的風扇，再試試看結果會如何？ 問題與討論： 1. 瑪麗．薩普(Marie Tharp)在繪製地圖時，發現了什麼，提出大陸漂移說？ 2. 大陸漂移說這個新論點，有馬上被大家接受嗎？為什麼？ 3. 航行時，面對種種困境時，埃莉諾．普倫蒂斯(Eleanor Prentiss)是怎麼克服的呢？ 4. 想想看，你覺得埃莉諾．普倫蒂斯(Eleanor Prentiss)，有哪些特質是你很欣賞的？ 5. 對於女生從事航海，你有什麼看法？ 三、工程類繪本中的女力 在工程類的文本方面，推薦三本繪本分別是《勇敢飛行家－露絲和她的雙翼機》(Fearless Flyer ─ Ruth Law and Her Flying Machine)、《小人物大夢想－愛蜜莉亞．艾爾哈特》(Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart)以及《不簡單女孩 2：有數學頭腦的女孩--工程師瑞．蒙特固的故事》(The Girl With a Mind for Math: The Story of Raye Montague)。前兩本繪本皆在描述女飛行員的故事，她們的勇氣及韌性讓她們飛出自己的一片天。第三本繪本帶著孩子了解女船艦工程師瑞．蒙特固(Raye Montague)的故事，看她如何打破性別框架，勇於追夢。 圖6.《勇敢飛行家－露絲和她的雙翼機》(Fearless Flyer ─ Ruth Law and Her Flying Machine) 出處： Green Tots 英文繪本館 這是一名不怕冒險的女子，和她心愛飛機的翱翔之旅。露絲(Ruth Law)非常喜歡飛行，在當時，長途飛行是一件非常困難的事情，周遭的人都不看好露絲，然而露絲在某天的清晨準備好，起飛了。風非常的大、非常地冷。飛越俄亥俄州的克里夫蘭，中途歷經種種困難，露絲終於抵達了紐約。這次旅程不僅打破了歷史紀錄，也讓露絲突破了自己。如何訂下自己的目標，並有計畫地去執行，都是孩子們可以從中體悟並學習的良好精神。 最簡單、最貼近孩子的遊戲素材便是紙飛機了。可以讓孩子嘗試運用不同種類的紙張，甚至是不同的折法，來看看那一種紙飛機能夠飛得更遠。除了讓孩子有機會接觸不同的媒材，也能在製作、玩耍途中讓孩子理解飛機飛行是依靠空氣氣流的基本原理。在紙飛機上放上不同的小物品，例如小迴紋針或一塊錢硬幣等等，看看那一種承載重量最高，也能讓活動變得更豐富有趣。 圖7-1.《小人物大夢想－愛蜜莉亞·艾爾哈特》(Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart) 出處：Green Tots 英文繪本館 在這本繪本中，可以看到愛蜜莉．艾爾哈特(Amelia Earhart)在發掘自己對飛機及飛行的興趣後，是如何摒棄世俗對於女飛行員的眼光，勇敢追逐自己的夢想的。她不僅僅創下女子飛行員駕駛飛機的高度紀錄，更勇於迎接各種不可能的任務。 圖7-2.《小人物大夢想－愛蜜莉亞·艾爾哈特》(Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart)內頁 出處： Green Tots 英文繪本館 與孩子共同閱讀這本書後，老師可以與孩子共同研究現代飛機起飛原理--白努力定律。實驗所需器材有杯子一個、吸管一隻、剪刀一把。首先，將杯子裝滿水，水位接近杯口將吸管放入水中，略高於杯口之處剪斷後，將兩吸管緊靠，相對位置如右下圖。接著用力吹氣，看看發生了什麼事情呢？ 圖8.《不簡單女孩 2: 有數學頭腦的女孩- 工程師瑞．蒙特固的故事》(The Girl With a Mind for Math: The Story of Raye Montague)感 謝 字畝文化 授權提供 瑞．蒙特固從小便是個充滿夢想的女孩，特別是在數學與科學領域，有濃厚的興趣，且立志要成為工程師，為海軍設計潛水艇。當時，她必須對抗種族歧視和性別不平等的環境，隱藏自己的才華與能力，只為了完成夢想。她堅持信念，最終成為美國海軍史上第一位女性船艦設計者。瑞．蒙特固勇於對抗種種逆境，且不輕言放棄，是我們與孩子們的楷模。 老師可以帶著學生一起製作橡皮筋動力船。製作橡皮筋動力船是一個簡單易上手又十分有趣的活動。進行這個活動，需要準備的用具有尖頭利樂包、筷子一雙、橡皮筋三條、剪刀、打動機和膠帶等。準備好這些材料後，就可以帶著孩子製作出以彈力為動力的橡皮筋動力船囉！ 製作方式參考： 蟲蟲老師的科學教室-橡皮筋動力船 問題討論： 1. 當初愛蜜莉亞．艾爾哈特(Amelia Earhart)夢想開飛機時，遇到了什麼樣的困難？ 2. 你所知道的航空業有那些相關的工作？ 3. 當飛行員需要什麼能力？有什麼樣的限制呢？ 4. 你認為不同性別的人擔任機師、空服員、維修員、艦長、船員會有什麼差異嗎？說說你的想法。 5. 你對於女船艦工程師的看法是什麼呢？ 四、數學類繪本中的女力 在數學類文本方面，推薦三本繪本分別是《小人物大夢想－愛達．勒芙蕾絲》(Little People, BIG DREAMS ─ Ada Lovelace)、《愛達的想像力：世界上第一位程式設計師》 (Ada’s Ideas)以及《愛達．勒芙蕾絲－科學的詩人》(Poet of Science)，來看看故事中的主角愛達．勒芙蕾絲(Ada Lovelace)是如何在電腦科學領域造就偉大貢獻，並造福後人。 圖9.《小人物大夢想－愛達．勒芙蕾絲》(Little People, BIG DREAMS ─ Ada Lovelace) 出處： Green Tots 英文繪本館 圖10.《愛達的想像力：世界上第一位程式設計師》 (Ada’s Ideas) 感謝 臺灣麥克 授權提供 圖11.《愛達．勒芙蕾絲－科學的詩人》(Poet of Science) 出處：Green Tots 英文繪本館 小時候的愛達會發揮自己的想像力，在紙上天馬行空各種發明。由於母親的影響，往數學領域發展。儘管14歲時生了一場大病，臥病在床的愛達仍不斷地讀書、想像、發明。因緣際會下，遇到了她生命中的貴人，除了了解到計算機的原理，更使用數字作為一連串的密碼，隨後成了我們現今電腦的共通語言。她對數學的熱愛造就了她在電腦程式上的偉大貢獻，也為電腦科學領域奠下了基礎。世界上首位電腦程式工程師愛達．勒芙蕾絲，可說對我們現在的生活影響深遠。 與孩子共讀完繪本後，老師可以帶領孩子接觸電腦程式。這裡推薦一款遊戲網頁，讓孩子嘗試接觸與電腦程式相關的概念。 網站名：Blockly Games 網址：https://blockly-games.appspot.com Blockly Games 是一款讓孩童嘗試撰寫、並理解電腦程式概念的遊戲。遊戲有分不同的關卡：Puzzle, Maze, Bird, Turtle, Movie, Music, Pond Tutor, Pond. 這些關卡都有不同的任務，需要孩子給予電腦指示才能完成。例如，在關卡Maze裡，孩子必須要給予電腦不同的指示，讓電腦中的人可以走到目的地。其中孩子需要告訴電腦中的人如何左轉，又該何時右轉。如此，孩童在不斷嘗試給予指示後，讓電腦依他們的需要完成任務。 問題與討論： 1. 你對「男數理，女人文」的說法，意見如何？ 2. 你對愛達(Ada Lovelace)媽媽限制她上課內容的看法為何？ 3. 在探索活動，完成網站任務時，必須給予電腦指示，有沒有遇到什麼困難？ 4. 目前電腦工程師都是男生居多，你對女生成為一個優秀的電腦工程師的看法如何？ 誌謝：再次感謝Green Tots 英文繪本館、字畝文化與臺灣麥克出版社授權或提供精美繪本封面照片，為推動科普繪本提供助力 ! 參考書目 1. Little People, BIG DREAMS ─ Marie Curie by Isabel Sanchez Vegara (作者), Frau Isa (繪者) 2. Look up! ─ Henrietta Leavitt, Pioneering woman astronomer by Robert Burleigh (作者), Raúl Colón (繪者) 3. Solving the Puzzle Under the Sea- Marie Tharp Maps the Ocean Floor by Robert Burleigh (作者), Raúl Colón (繪者) 4. Dare the Wind by Tracey Fern (作者), Emily Arnold McCully (繪者) 5. Fearless Flyer ─ Ruth Law and her flying machine by Heather Lang (作者), Raul Colon (繪者) 6. Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart by Isabel Sanchez Vegara (作者), MARIADIAMANTES (繪者) 7. 《不簡單女孩 2: 有數學頭腦的女孩- 工程師瑞．蒙特固的故事》 by Julia Finley Mosca(作者), Daniel Rieley(繪者) 8. Little People, BIG DREAMS ─ Ada Lovelace by Isabel Sanchez Vegara (作者), Zafouko Yamamoto (繪者) 9. 《愛達的想像力：世界上第一位程式設計師》 by Fiona Robinson (作者/繪者) 10. Poet of Science by Diane Stanley (作者), Jessie Hartland (繪者) 劉淑雯 臺北市立大學師資培育中心 孫俐婷 臺北市立大學英語教學系 郭妍希 臺北市立大學英語教學系 蔡佳蓁 臺北市立大學英語教學系