物理

一位高中生的電化學物理研究之旅 —科學究探與實作的自主學習案例分享

文/李柏翰 自主學習需要學生能夠主動積極，根據自身的興趣與能力，進行自我探索研究的一種學習過程，這是108課綱中重大的變革項目之一，目前這項變革在各中學實施，大家還是在學習摸索之中，操作面上有一定的挑戰。事實上，在新課剛實施前兩年，我們在台灣師大附中(以下簡稱師大附中)已經開始嘗試進行這項學習活動，以個別學生為主體，師生一起合作研究與討論，根據學生所喜好的項目進行加深及加廣的探索。嘗試兩年多以來有一些成效與心得，將在本文中詳細地說明與探討，也希望能夠拋磚引玉給更多的師長當作參考案例。本文將介紹陳柏翰同學自主學習的過程，希望提供各位師長未來在引導學生進行自主學習活動時，可以作為參考。 背景探討--陳柏翰同學的國中時代 本文所舉的案例發生於108課綱實施前，當時陳柏翰同學所在的學習環境，仍然是考試為主的年代，陳同學毅然決然選擇進入科學探究的自主學習歷程，確實是一項重大決定，這個重大的轉變需要時間一點一滴的淬鍊，陳同學在自傳中提到一段歷程：「自從我國中接觸到化學後，便對物質組成十分感興趣，於是便接觸了量子力學相關的科普書，對基本粒子的標準模型十分著迷，但由於其內容過度艱難而且苦於數學程度不足，遲遲沒有著力點……。」這段科學種子萌芽的階段，一些新奇的名詞、一些古怪拗口的專業術語，已經慢慢地滲入陳同學的科學探究的夢想之中，面對世界的變化之下，已經逐步建立起一個具有個人特色的研究行為模式。當然陳同學也跟一些玩電腦的年輕人相仿，也有涉獵Ardunio、Scratch、C等程式語言，也開始碰觸簡單的IoT (Internet of Things/物聯網)，加上陳同學自己的父親是資工領域，也給予陳同學不少幫助，就這樣帶著一點程式基礎，也曾參加過網頁比賽獲獎，對著原子科學探索有著極大的熱情與執著的狀況下，進入了師大附中普通班1462就讀。 觸動心靈的特色課程--「量子力學之美，電腦叢集計算」 陳同學到師大附中後，在高一的特色課程選擇中看到了「量子力學之美，電腦叢集計算」的課程，該課程是由本人開設，陳同學在課程中首次接觸到所謂的氫原子模型等理論演進的基礎，量子力學的濫觴見證於其演化軌跡，其中一些拗口的專業術語，也都在課室中的推導證明之下，一一清楚詳述，於是乎陳同學心中的原子科學的概念漸漸開始漸漸地清晰，連測不準原理介紹都在此課程之中，甚至連線到國家高速電腦中心，進入電腦叢集計算的課程，學習一些量子力學計算的方法，這些嶄新的研究探索步驟著實打開陳同學的心扉，不只如此，在這個課程中，還有常常一些有令人驚艷的想法與做法，比如說實驗的過程，我們提供開放式實驗課，讓學生分組一起討論；例如在電子荷質比實驗中，讓學生親自操作儀器，如圖1所示，學生自己看到圓形綠色的電子弧線，然後自己根據實驗現象，量測電子荷質比，實驗後開始各組提出問題，試著將自己組別研究成果嘗試向全班發表，當然其他同學也可以不斷地提問，經過此實驗初步探索，讓學生回家查資料，然後實驗再重複進行一次，再進行分組討論，這個過程便是傳統課程所欠缺的環節。學習面對問題、學習面對未知的挑戰，而不是一昧的照本宣科陳述課本知識，在這個實驗學習的過程中，重點是各組回答錯誤也沒有關係，就是讓學生自己在探就過程中找到自己的定位，進行開放式的討論，也是讓孩子運用同儕力量乘風飛翔，而且因為實驗可以重複很多次，每一次的實驗就是在建立一種科學思考的情境，面對新的面向總是會有新的發現，團隊的合作學習也可以幫助練習修正自己的想法，利用表達自己的邏輯推理的發表，知道自己的研究上知識的不足，進而刺激自己去尋找資料以加強自身的能力，如此便能進入一個良好的學習模式，老師站在輔導的立場，引導學生發現科學、喜愛科學探究。另外，此課程也會有一些IoT的電子線路的訓練(如圖2)，讓學生可以進行實際的焊接線路練習。這些務實的動手做實驗也讓陳同學開了眼界，原來要認識原子世界的方式，有很多的面向可以進行，這些經驗的建立都不是傳統的課堂上可以傳授的，這門課的知識學習上有著各種方式的進行痕跡，都慢慢地在引導陳同學對科學的專業的訓練與啟發，當這門課完成基礎訓練後，陳柏翰同學將學習研究心得寫出〈量子力學導論〉，投稿旺宏科學閱讀獎比賽，最後獲得評選為優選獎的佳績，如圖3所示，由師大附中王淑麗校長親自頒獎給陳柏翰同學，給予陳同學極大的鼓舞。 圖1. 電子荷質比實驗過程中學生操作儀器 圖2. 電子線路研究--RGB LED彩燈製作之學生成品 圖3. 陳柏翰同學將學習心得投稿旺宏科學閱讀獎比賽(題目是「量子力學導論」)獲得優選獎，師大附中王淑麗校長頒獎給陳柏翰同學 自主學習啟動，正式進入Lorenz Lab 實驗室研究 本人除了開設「量子力學之美，電腦叢集計算」課程學習之外，還義務地開設了Lorenz Lab 實驗室的meeting研究，時間至今已然有四年的光景，在平常星期一晚上6:30-9:30的物理實驗室裡(如圖4)，我們對這個meeting有著科學探索的堅持，因為本人平時仍然進行國際學術期刊的論文的研究與發表，因此特別感受到中小學教育現場與實際科學環境的落差，有時因為看到學生為了升學考試，什麼都不敢進行探究。但是世界的科研環境又是如此劇烈變化，深感憂心。例如AI、機械學習、IoT、程式設計、環境環保議題等，這些議題的改變已然成為科學界非常重要的課題，然而高中的升學教育下，僅僅反覆的解題訓練，這與科學研究的探索能力開發的距離卻是越來越遠，有感於此，本人義無反顧開設了這個Lorenz Lab 實驗室，主旨在於開發一些對於科學有興趣的學生，提供科學研究的自主學習討論空間，學生都可以自由參加。陳柏翰因為是研習過量子力學特色課程學生，對於科學研究有著極大的熱情，陳同學當時向本人表明自己是個十足研究型的孩子，於是陳柏翰同學在高一時以學期成績全班第四名成績進入Lorenz Lab研究團隊進行自主學習，陳同學自己形容自己「是有點討厭在教室待一整天的小孩，可是如果整天待在實驗室，將會變得很開心」。在陳柏翰開始自我探索的階段，我們在meeting時候常常聊天討論，分享心得，本人發現陳柏翰具有程式設計的天分，於是開始設計為期兩年的自主學習的研究計畫，在研究階段初期，本人著重於程式設計能力的培養，於是拿實驗室的藏書給陳柏翰研讀，培養一些基礎的技巧，在程式學習逐步有進度後，總覺得參加比賽是一條不錯的正向激勵途徑，於是找了一個2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽，和科學教育館(科教館)的蘇萬生博士合作，利用程式或者是IoT比賽磨練陳同學的程式能力，成立一個重力波隊，讓陳同學擔任隊長挑戰 MorSensor無線感測積木設計競賽，經過半年培訓以及準備Android studio IoT code開發(如圖5所示)，團隊以光舞密碼機進入決賽，最後成功開發手機App接收MorSensor打出摩斯密碼，獲得銅牌獎，獎金三萬元整，這個比賽重力波隊是唯一入圍的一組高中生隊伍，其他決賽隊伍大部分是由大專院校所組成。其實比賽的結果並不重要，重要的是讓陳同學利用比賽來檢驗自我學習的成果，也讓陳同學離開了舒適的高中校園，開始參與全國性的IoT競賽(如圖6)，遠赴新竹國家實驗室參加比賽的過程中，學習到團隊研究合作的重要性，以及開拓了科學研究的眼界，與世界接軌，這才是本人設計此活動的初衷，所以自主學習的第一步，不妨立一個學習的小目標，讓學生有一個前進的動力。 圖4. 本人開設的這個Lorenz Lab 實驗室，在平常星期一晚上6:30-9:30的物理實驗室裡，進行科學探究自主學習，有時則來點微課程的訓練 圖5. 在科學教育館舉辦的2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽培訓課程，重力波隊全程參與 圖6. 2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽，新竹決賽現場，評審以極其專業的眼光詢問重力波隊問題 進行遠程目標的自主學習、更大型的環保議題研究計畫 對於達成初步訓練目標的成果，我們其實有一個更大型的研究合作計畫，想要引導陳同學進行學科深入學習的探討，這個計畫是關於環保議題關於塑膠的生物分解感測器的開發以及光觸媒分解污染物質的研究，這個議題是本人在日本參與國際會議時，遇到逢甲大學翁于晴教授所激盪出來的點子，非常適合陳柏翰同學的自主學習，與加深加廣的科學探究，結合翁于晴實驗室的電化學場域，Lorenz Lab 實驗室的固態材料的研究，應該有機會開啟陳同學探索尖端電化學的眼界，經過一番深談，陳柏翰接受本人科學研究的建議，暑假時本人帶著陳柏翰同學前往台中逢甲大學與翁于晴教授碰面，商談自主學習合作研究的可能性，如圖七所示，而且也順道參訪翁于晴教授實驗室(如圖8)，感受一下尖端研究的環境氛圍，感受一下台北到台中的交通狀況，也為日後的一些規畫行程，並且將未來所需要補強的論文、書籍資料備齊，預備好好進行一場電化學探究活動。 圖7. 左邊起為重力波隊洪軾凱、逢甲大學與翁于晴教授、李柏翰老師、陳柏翰同學於台中逢甲大學旁小吃店 圖8. 參訪逢甲大學與翁于晴教授的實驗室，實驗室研究生親切地介紹電化學實驗 當時的研究的題目發想於一次拜訪養蜂農場的經過，我們發現養蜂人的天敵「蠟蟲」會在蜂房內產卵，其幼蟲會吃蜂蠟、破壞蜂巢。因此，本人連想到蜂巢或許和塑膠有點像，於是對於這種台灣的蠟蟲吃蜂蠟的行為產生了濃濃的興趣，上網一查發現”Current Biology”有一篇論文[1]，報導牠們也可以分解聚乙烯（PE）製品，並分解成乙二醇，這篇論文闡述了鱗翅目的蠟蛾(Galleria mellonella)的幼蟲對PE能夠快速消化降解，產生乙二醇(如圖9和10)，我們都知道塑料是石油的合成聚合物的衍生物，而PE和聚丙烯（PP）約占塑料總產量的92％，這是很難被生物分解的聚合物。因此，這個意外發現開啟了一個實驗議題。試想如果可以開發偵測乙二醇感測器，那麼是不是有機會偵測蠟蛾幼蟲分解PE產物，這個偵測器或許可以解開環保上塑膠分解的困境呢? 所以藉由感測乙二醇之濃度分析小蠟蛾幼蟲分解塑膠的可能性便油然而生，於是開始開發乙二醇感測器，研讀文獻發現乙二醇之應用性包含車輛冷卻系統的防凍劑、飛機上液體防冰機制，當乙二醇與過冷水結合後，冰點低於表面溫度，從而達到防結冰效果(如圖11和12)。 圖9. 鱗翅目Galleria mellonella幼蟲可對聚乙烯（PE）進行生物降解[2] 圖10. 小蠟蛾 圖11. 乙二醇（ethylene glycol）又名甘醇，化學式HOCH2-CH2OH，屬於最簡單的二元醇[3] 圖12. 乙二醇無色無臭、有甜味液體，能與水以任意比例混合。用作溶劑、防凍劑以及PETE等的原料，是化纖產業的基礎原料之一[3] 因為翁于晴教授願意全力協助陳柏翰同學研究此電化學議題，本人考慮到實際狀況，擔心逢甲太遠，人手不足，剛好參加教育物理年會認識了中科實中兩位優秀的同學張茵荏、許馥沄，她們願意加入乙二醇感測器研究計畫，而且學校就在逢甲大學附近，非常方便實驗材料的準備，經過翁于晴教授同意之後，跨校三人研究小組便正式成立，如圖13所示，這支跨校的生力軍開始研究乙二醇的性質，為了確實偵測乙二醇，他們利用電化學三種測量方法來測量當氫氧化鈉為背景、鎳為工作電極、白金為對電極時，測量在不同濃度、不同電壓下乙二醇的電化學現象，進而求出偵測乙二醇之最佳方法，三位志同道合的同學，便開始進入開發乙二醇偵測器實戰。 圖13. 左起中科實中許馥沄同學、師大附中陳柏翰、中科實中張茵荏同學，合影於逢甲大學翁于晴教授實驗室 實驗方法與設備介紹 實驗計畫是利用儀器檢測不同濃度乙二醇的表現，最後要量測極化曲線，應答曲線等，如圖十四的流程，所需研究器材及藥品如表1所示，儀器材料：對電極(圖15)，鎳為工作電極(圖16)、自製參考電極(圖17)、VersaSTAT3恆電位儀(圖18)，圖19〜22是實驗設備裝置。 圖14. 測量在不同濃度、不同電壓下乙二醇的電化學現象實驗設計流程 表1.偵測乙二醇研究器材及藥品 圖15. 對電極 圖16. 鎳為工作電極 圖17. 自製參考電極 圖18. VersaSTAT3恆電位儀 圖19. 器材架設設備，俯視圖 圖20. 燒杯溶液和磁石攪拌棒 圖21. 器材架設設備，側視圖 圖22. 整體實驗裝置 這個電化學偵測器需要用到循環伏安法（cyclic voltammetry, CV）以及極化曲線(polarization curve)，所謂的循環伏安法就是一種改變電位以得到氧化還原電流方向之方法。藉由起始電位以固定速率施加到終點電位，再以相同速率改變回起始電位，不斷進行循環，繪製成可逆氧化反應物分析曲線圖，當從低電位往高電位掃瞄時，會使分析物產生一氧化電流的氧化峰（anodic peak），此CV圖可幫助我們判斷在何種電位時會發生氧化反應。而極化曲線方法是利用電極電位與電極上電流密度之間變化關係的曲線；極化曲線愈陡，電位偏移程度愈大、極化愈強，即電極過程受到阻礙愈大。曲線愈平緩，說明極化程度愈小，電極過程順利。 陳柏翰同學在台北與台中之間往返研究的日子中，為了節省時間，都是搭高鐵往返，每周兩天，進行了一年多的各種電化學研究，首先進入實驗室後，一切都要學習，例如乙二醇感測實驗，要學習循環伏安法(如圖23)，這個反覆電壓變化循環的曲線是需要時間等待，在實驗等待的過程中，陳同學就翻翻論文，讀一下實驗室手冊，這樣一點一滴地累積電化學知識，然後實驗多次結果確認了在0.4~0.5V時有較大的淨電流值，便可以適當區間內在繪製圖形(如圖24)，接下來進行測量不同濃度乙二醇之應答電流(如圖25)，最後做出線性分析濃度與淨電流之關聯(如圖26)，經過與翁教授和本人討論後，認為濃度與淨電流分析數值相當不錯，確認了辛苦的代價，這些實驗成果就是探究與實作的最好的例子，成果在實驗室中學習和討論而得來，以及與學長姐請益而來，當然有了辛苦得付出，總是會有收穫的，之後陳同學與中科實中合作一起打拼乙二醇的科展，題目是「醇，在嗎--乙二醇電化學感測器之應用感測器之應用」，除了獲得校內科展特優，也獲得參加台中市的科展比賽的機會，經過一番激烈的競賽，最後獲得佳作的獎項(如圖27，李本人收到奇特的台中市市長的獎狀)，再者陳同學也參加師大附中的高瞻計畫研究，參加2018學年度全國高級中等學校高瞻專題成果聯合發表會(在國立中山大學附屬國光高級中學舉辦)，這個高瞻專題成果與中科實中一起榮獲金牌獎，跨校合作研究的成果，在辛勤的汗水下逐漸成長茁壯，因為是一起探索學習，而且是離開校園的實驗，返回學校在和老師討論，所以這些奇特的研究經驗，也給予陳同學必須自主的掌握實驗進度和實驗流程，有時候難免面臨實驗失敗的打擊，這時候適當的討論與分享就非常重要，本人會在Lorenz Lab 和學生meeting，討論實驗狀況與進度，而關於研究費的補助，本人以「電子線路中看到聲學物理」申請到2018年度中等學校科展指導結合探究與實作課程實施計畫，所以對於研究計畫有一些補助金額，最後本人也將上課的鐘點費全部都給陳柏翰同學搭高鐵交通費用，雖然不多，但總是一些補助，在計畫的支持下，陳同學半年後漸漸找到電化學實驗的竅門，行有餘力之餘遂提出光觸媒另一個研究課題，勇於挑戰新題目。之後的研究開始是自己獨力完成，之前的研究計畫的訓練讓陳同學越來越進入狀況，可以深入理解探究其原因，經過了數個月無數次的失敗實驗，最後總算找到幾種有效的配方，其中以光觸媒研究--以p-n型複合光觸媒之光電催化特性探討獲得第18屆旺宏科學獎佳作(如圖28)，而氧化銅與氧化鎢複合光觸媒之電化學性質探討更是獲得臺北市2019年中等獎助計畫化學科首獎(一等獎) (如圖29和30)，陳同學優異的表現並獲選為本校高瞻計畫學生代表，參與日本學術交流SAKURA Science High School Program 2019 (SSHP 2019)國際學術活動，為國爭光，這些後來的榮耀，實在是來自對科學的堅持--沒有自律極佳的態度，很難在一連串的實驗失敗的挑戰下孕育出下一次的成功。 圖23. 測量在不同濃度、不同電壓下乙二醇的電化學現象實驗設計流程 圖24. 0.4~0.5V時淨電流值大幅提升，0.5V後出現平台 圖25. 固定於0.6V連續測量不同濃度乙二醇之應答電流 圖26. 線性分析濃度與淨電流之關聯 圖27. 師大附中李柏翰老師指導中科實中許馥沄和張茵荏同學以及師大附中陳柏翰台中市科展競賽，榮獲佳作 圖28. 陳柏翰同學以「光觸媒研究以p-n型複合光觸媒之光電催化特性探討」獲得第18屆旺宏科學獎佳作 圖29. 陳柏翰獲得臺北市108年中等獎助計畫化學科頒獎合影，左起師大附中王淑麗校長、陳柏翰同學、李柏翰老師、臺灣師大化學系林文偉教授 圖30. 陳柏翰同學以「氧化銅與氧化鎢複合光觸媒之電化學性質探討」 獲得臺北市108年中等獎助計畫化學科首獎(一等獎)。 意外的AI研究插曲 在達成了電化學研究的長期目標後，本人再給陳同學一個熱門的AI計畫，因為AI實在是太熱門了，陳柏翰也在本人邀約下又進入AI計算領域，研究目的為「綠繡眼叫聲之機器學習與其探討」，這些都是結合了GPU程式AI設計運算，因為陳柏翰本身已經有自主學習程式語言的熱身，研過程中利用C、C++和Python程式來撰寫學習上也算順暢，然而此研究雖然在青培計畫通過初選，但在複賽時沒能獲得評審的青睞，甚為可惜。就這一點本人也鼓勵陳同學勝敗乃兵家常事，雖然沒能通過挑戰，然而過程中所學到CNN的技巧，和傅立葉頻譜圖分析的技巧，未來仍然是有用的。果然沒多久在2019年暑假8月，透過選拔賽，陳同學獲選為聯發科技與科教館共同舉辦的「未來之星智慧科技夏令營」選手，經過培訓後，AI功力更上一層，如圖31所示，陳柏翰同學等組隊參加2019年11月30日2020「科技大擂台與AI對話」(Fun Cup)競賽，在Lorenz Lab集合比賽。 所以看著陳同學自主學習的歷程中，有關於程式設計、電化學功力一步一步的成長，本人在陪著陳柏翰同學一起研究的過程中，心中是最有感觸。其實課本上的知識都是死的，需要實驗去活用，才能真正了解到這些知識在科學上的真諦，而且自主學習研究成長的道路上需要有師長的眼界與陪伴，才能有機會走的更高更遠，108課綱探究與實作和自主學習的施行成敗與否，此點甚為重要。 圖31. 在2019年11月30日Lorenz Lab--2020「科技大擂台與AI對話」(Fun Cup)競賽中，陳柏翰同學等都聚精會神全力以赴 清華大學材料工程、中正物理特殊選才，均榮獲正取 記得陳柏翰同學在申請大學特殊選才上個人資歷問卷有一題是這樣問的：申請人逆境向上且具強烈學習熱誠之狀況簡述。陳同學回答如下： 「我在高中二年級時決定反抗目前的考試制度，全心投入研究，每週請假1~2天至台中逢甲大學實驗室做實驗，做研究的期間雖然要大老遠跑到台中、連續每天做實驗4、5小時、實驗閒暇時還要讀論文與補充電化學相關知識，但我一點都不覺得辛苦，每回走出實驗室都帶著一抹微笑想著：就算我沒有做出什麼突破性的重大成果，這種生活我也甘之如飴。在這段時間若有幸做出了一些成果，便想要用特殊選才的方式進入大學，脫離考試的束縛。」 陳柏翰同學，歷經了Lorenz Lab兩年扎實的自主學習訓練，逢甲大學實驗室的電化學薰陶，經過無數次的實驗失敗的挑戰，因為堅持，所以漸漸地獲得獎項回饋，由佳作演化成臺北市2019年中等獎助計畫化學科首獎。當陳同學面對所有與會的同學、師長、教授，豪不畏懼的完成首獎作品發表演說，獲得在場許多師長教授的肯定，其實陳同學已經具備了科學研究人員所需的潛力，他辛苦努力的過程感動了每一位師長的心靈，在2019年中正物理與清華大學材料工程的特殊選才中，陳柏翰同學均榮獲正取，這位普通班的高中生，因為熱愛科學的自主研究精神，為他自己也為國家開創出一條康莊大道，就以陳柏翰同學在北一女中參加中等獎助計畫化學科首獎演說結尾來結束本文：「沒有李柏翰老師，翁于晴教授的提攜，就沒有現在的我！」。 參考文獻 1. Paolo Bombelli, Christopher J. Howe, Federica Bertocchini, Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria ellonella, Current Biology 27, R283–R293 (2017). 2. The News Lens 20170425關鍵評論，“意外發現：這種「蠟蟲」對蜜蜂有害，但能吃塑膠袋” ，小蠟蟲 3. https://zh.wikipedia.org/wiki/乙二醇。 4. J. Crovisier, D. Bockelée-Morvan, N. Biver, P. Colom, D. Despois and D. C. Lis, Ethylene glycol in comet C/1995 O1 (Hale-Bopp), A&A 418, L35-L38, (2004). 5. Zensor R&D Technology-1.2 Electrochemical Method 6. Yu-Ching Weng, Cheng-Tse Hsieh, Scanning electrochemical microscopy characterization of bimetallic Pt–M (M = Pd, Ru, Ir) catalysts for hydrogen oxidation, Electrochimica Acta, 56, 1932-1940 (2011). 李柏翰 國立臺灣師範大學附屬高級中學教師

科學趣味競賽融入多元選修課程之高中教學現場經驗談

文/柯瑞龍 好的結果提供繼續的動力 第一次接觸遠哲科學趣味競賽是在12年前，在去(2019)年也正好是第12次帶隊參加遠哲科學趣味競賽，終於在12生肖都跑完的豬年，帶隊參加的學生終於獲得了中區的第一名，更包辦了中區前12名中的8名獎項，以及獲得了科技創意獎項(如圖1)，在現場司儀不斷地唸出學校名稱過程，心中的感動讓我覺得這麼做就對了！雖然還在等待全國賽的到來，但學生的表現已經是突破以前的參賽學生，也希望將這樣的喜悅與過程，跟同在教育界服務的先進們分享筆者在教育現場的做法。 圖1. 上圖為第一名頒獎照片，下圖為遠哲科學競賽中區得獎名單（圖片來源：遠哲科學教育基金會網站） 新課綱對於高中現場教師的衝擊 在教育部推出新課綱以來，高中學校幾乎都面臨極大的挑戰，但也提醒了老師們應該要調整教學方向與教材/教法。幸運的是：在高中優質化輔助方案與前瞻計畫等相關措施補助經費的協助下，各校早已有推動新課綱的準備。筆者恰好參與高中優質化計畫，也因此透過經費輔助之下，可以有許多額外的支援來協助課程設計與修正。 在新課綱中有著很重要的元素--素養與能力指標，在課程的設計中會不斷地被提醒要加入這些元素，此外探究與實作課程更已經正式獨立變成必修學分，不同於以往課程中編列實驗，而是要學生學習到更完整的研究流程與想法；對身為自然科教師的筆者，當然也需要進行教學提升，以往筆者經常帶隊參加遠哲科學趣味競賽，也一直要求學生往這個方向去學習，學生們在過程中會遇到一些挑戰，好些部分都有待加強，但不試怎麼會知道自己行不行呢？踏出去就對了！就秉持著這個信念，近幾年配合學校準備新課綱，開始嘗試以遠哲科學趣味競賽作為主題的探究與實作科學課程，經過兩年的試行與運作，發現成效良好，目前已排入多元選修課程，讓高一的學生進行選修，也從表現優秀的學生中挑出學校代表隊，參加遠哲科學趣味競賽，配合自己帶隊的經驗，提醒學生競賽時需要注意之處，讓去年的學生在中區賽以勢如破竹的氣勢取得了佳績。 學實作與新課綱的關聯 探究與實作已經列入新課綱中一門重要的必修課程，也說明了科學課程不再只是紙上談兵，因此筆者透過高中優質化計畫的支持，進行新課綱中的多元選修課程，以單元式的課程，預期讓學生在學習過程能夠習得並提升以下幾種能力： 一、閱讀理解能力 在遠哲科學趣味競賽的題目中，介紹與活動說明都相當的詳細，而學生在參與活動前往往只想知道要做什麼，可以怎麼做，但是缺少了閱讀的耐心與理解競賽過程，也或許跟現在資訊更替速度太快，許多問題只求和答案有關，筆者在進行活動前會要求學生先進行閱讀，在針對科學原理、製作方法、競賽規則、評分標準的部分進行抽問，也透過抽問完後的結果，請學生反思閱讀完後的想法，藉以引導小組進入團隊分工與合作的第二階段。 二、資訊蒐集能力 在進入實作之前，蒐集相關資訊是減少過多測試時間的一項技巧，高中生的學習時間很珍貴，如何善用時間很重要。資訊爆炸的時代，網路上有太多前人留下的技巧與經驗可以參考，例如去年的題目是紙橋，光是關鍵字搜尋就足以讓人眼花撩亂，學生要如何精簡範圍找到需要的資訊，可以藉此訓練學生蒐集資料的能力。 三、溝通協調能力 進入實作過程，小組常會有實作能力與想法溝通的問題，小組討論是一個重要的過程，也會是團隊整合的關鍵，老師可以扮演著公正人士，適度地調節以減少衝突。小組的向心力越大，團隊成績就會更好。 四、實驗設計能力 實作的過程如實驗課程一樣，會存在著許多科學的變因，學生的實作想法就是動機，如何實作就是實驗的步驟，在過程中的操作變因與控制變因不像標準的科學實驗來得容易控制，但也因為更難控制，在這樣的訓練過程中，當學生能做到單一的操作變因時，也代表著他對於實驗變因的認識與控制達到一定的水準之上。舉例而言，以去年遠哲科趣的題目在進行紙橋的載重測試，學生透過搜尋資料、簡易實作測試和確定橋的型態後，就會開始進行實作的測試，在測試過程中，學生是邊修邊做，調整橋的長短、角度、紙張的耐重測試……。當達到一定的水準後，學生就會開始進入研究階段，這個過程中最難被控制的就是製作的過程，而學生透過多次的製作，就在減少這個部分的誤差，在測試結構承重過程中，瞭解對容易形成斷面處進行補強，或是改變結構角度進行結構增強，以提升載重成績。 五、創造力 趣味競賽的特色就是在於可以發揮創造力，當規則定義出來後，每組可以在規則要求的範圍下加入天馬行空的創意設計，藉以提升競賽的成績，但創意的範圍在那裡，很難被清楚地定義，這也是這項比賽中大會與參賽選手最大的角力處，站在教育的立場，一定是鼓勵學生跳脫框架，在不違規的情況下去思考，成績也往往會比只參考大會基本作法的隊伍來得高分，老師若能試著引導學生去突破框架，學生真的是有許多的巧思，相信創造力也是可以被教育出來的，如果還有更多天馬行空的想法，也可以在這個比賽中的創意作品進行評比展出，讓學生可以盡情發揮（如圖2）。 圖2.學生們腦力激發出來的創意式吊橋式結構，在競賽中獲得好的成績 課程設計與實施經驗分享 在設定了五項能力的方向後，可以參考愛思客團隊提供的幾個面向進行課程設計（如圖3）：以學習者為中心、以解決生活問題為目標、跨領域的整合與系統性；筆者進行的課前課程設計、課間進行說明、評量重點三個步驟，說明如下： 圖3.跨領域素養導向課程設計的轉化重點（圖片來源） 一、課前課程設計 (一) 選定實作主題：可以參考遠哲科學趣味競賽歷屆試題、智慧鐵人歷屆試題，這兩項的競賽都很悠久(至2019年分別為25年與17年)，累積的題型很豐富，教師可以挑選自己比較擅長或有興趣的主題進行設計，再找到同好的教師進行討論與實作，比較能找出這個活動要表達的科學原理，配合學生具有的先備知識進行引導。 (二)設計學習單：了解學生的先備知識後，設計讓學生能透過討論去回想自己學習過的知識，引導學生寫下觀察，並能試著回答出相關的科學概念，可以找相關的科目老師協助回答看看，會有更明確的回饋。 (三)分組活動：先協助進行簡單的小組分工，例如組長需要擔任主要發言人、組員需要協助記錄……等，讓彼此就算不熟悉，也可以知道自己在小組內的工作有那些。 (四)利用網路資源開課程空間：目前在Google中有Classroom的網路空間(如圖4)，可以讓學生進行選課與發表的地方，可以簡單的就進行開課，對於教師使用上相當方便，可以多加利用。 圖4. Google中Classroom的網路空間圖示。 二、課程進行(基礎練習5節+進階活動3節) (一)閱讀討論(50分鐘)：選定一個主題後，請各小組進行約15分鐘的閱讀分工，並記錄閱讀內容的重點，進行組內分享與記錄，再透過共同發表，讓各小組發表自己的看法，鼓勵學生提出不同的想法。 (二)蒐集製作資訊(50分鐘)：小組進行網路搜尋，找出與本次活動相關的資訊，也鼓勵學生可以進行英文的搜尋，往往會有許多令人驚嘆的驚喜作品，讓小組分享搜尋成果，並分享觀看後心得。 (三)科學實作體驗(50分鐘)：材料的取得會是較困擾的部分，所以在一開始選定就可以針對生活中容易取的題材，例如竹筷、紙張、橡皮筋、厚紙板……，工具也盡量以美工刀、剪刀為主，會讓活動進行較為順利；在課程開始先要求學生畫簡易的設計圖與想法，讓學生確認方向後再開始進行操作，除了可以減少學生在製作過程的失敗，也可以記錄每一次的作品尺寸與概念，以方便進行下一次的修正與測試（如圖5）。 圖5. 小組之間的分工合作，要先經過彼此討論才得以順利進行 (四)競賽活動(50分鐘)：競賽過程是最歡樂也最不易掌握秩序的一部分，因此，在進行競賽活動前，一定要讓每一組了解自己的工作與責任；活動進行分四大組別如下：等待組--請務必確實在等待位置，預備組--請務必提早就位在預備區並做好競賽的準備，操作組--依照規則的操作方式進行評分測試，裁判組--務必熟悉規則與評分方式。因此在學生熟悉相關規定後，競賽得以順利進行（如圖6）。 圖6. 當學生熟悉進行時的工作，秩序會比較好掌握 (五)成果討論(50分鐘)：記錄完每一組的成績後，發表各組的成績，可以讓學生彼此比較各自成果，並進行小組檢討自己作品的優點與缺點，並進行5~10分鐘的成果發表，分享各小組的設計想法，最後進行小組的精進作法討論，讓各小組再進行第二次的設計草圖，如果時間允許，可以再重複該競賽活動，比較各組第二輪的成績是否較前一次進步，並寫下最後的心得感想。 在近年美國OZY網站的一篇文章”The Place That Doesn’t Believe in Female Scientists”亦指出某些國家(例如丹麥) ，依舊存在著科學家應該都是男性的性別偏見迷思。據美國國家科學基金會2008年調查美國大學的一項結果發現，物理學博士班的女性畢業生低於30％，而進一步繼續進修，升任物理相關領域專任教授的女性約只10％。而在國內，根據2015年中研院和台大理工系所教授的性別比中我們可以觀察到中研院有85.7％的院士為男性，14.3％為女性；台大理工系所教授性別比則更加懸殊，有92.1％皆為男性，僅7.91％為女性。由此可見不僅僅是在國外，在台灣的科學和科技界也存在著性別比例失衡的現象。 三、評量重點 (一)閱讀重點評分(20%)：以各小組發表的閱讀重點數量與全班發表數量的關聯性進行評分，依照最優、優等、佳作、尚可、待加強進行五等地的評分，讓各小組都能有一定的分數。 (三)作品成果的評分(15%)：進行實作後，根據設計圖與實際作品進行比較，依完成度給予最優、優等、佳作、尚可、待加強五等地的評分，讓各小組都能有一定的分數。 (四)競賽活動的評分(30%)：可以將最後競賽成績進行排名，再依照各隊的排名順序給予轉化成課堂的學習成績，例如：第一名95分，第二名90分……依序遞減，可以事先向學生說明清楚。 (五)小組發表的評分(20%)：上台的台風、簡報說明設計、內容關聯性，讓小組進行互評的工作（如圖7）。 圖7.學生上台報告成果，台下聆聽與評分 (六)作品進步評分：進階課程可以再新增成績進步最多的最佳作品，並給予進步的隊伍有額外加分的成績，鼓勵學生用心製作。 一器多用，大家輕鬆 新課綱中學生需要上傳學習歷程檔案，對於高中生又是一項新的挑戰，所以在設計課程的過程中，讓學生不僅有學習過程也有成果可以記錄上傳，參加比賽也有機會可以留下獲獎紀錄，不更妙哉！在去年新課綱的實施第一年，遠哲基金會的報名不僅隊伍數多，更是近幾年來最快額滿的一次，多少也是因為許多老師們在幫忙學生找尋參與活動的機會，除了遠哲科學趣味競賽外，還有許多相似的比賽，例如：智慧鐵人大賽、思源科學創意大賽、世界機關王大賽……等，筆者在課程後均鼓勵學生能夠應用在課程習得的知識，去參加相關的比賽，為自己留下挑戰紀錄。 用心做好一件事 教學過程提供給學生學習的各種知識，無非就是希望學生要能有解決問題的能力，學生透過參加科學趣味競賽，有明確的練習方向，透過規則將個人的成果展現出來，再加上與其他學校的競賽交流，也讓學生能夠有更多的想法被激發出來，讓自己不斷的進步，這是身為指導老師最樂意看到的事。 遠哲科學趣味競賽中的得分設計，主要是鼓勵學生做好一件事，把一件事情做的很好是很重要，但在高中生的求學階段其實不容易，有太多的科目要去努力，有太多的作業要去完成，學生往往是顧此失彼，也正是許多高中生不敢參與比賽的因素之一，在此筆者認為老師們其實不用太強迫學生要參加什麼比賽，想要唸書的作好念書這件事，想要參加比賽的作好比賽這件事，其實都是在努力做好自己想做的事情，能堅持做好自己想要的學生，在上大學之後都可以找到自己明確的方向，筆者認為若能指引學生找到自己想要的路，相信就是給學生最好的教育了！ 參考資料 王惠英，看懂新課綱關鍵字：素養，是什麼？怎麼學？未來Family ，2018-05-02 遠哲科學教育基金會，歷屆科趣項目 高中優質化輔助方案網，[愛思客初進階] 跨領域素養導向課程設計工作坊研習檔案，歡迎分享下載 柯瑞龍 臺中市私立立人高級中學物理教師

從生活到課堂--三用電表的教學示例

文/林宣安 前言 在國中電學的基本測量幾乎都只教導伏特計與安培計，反而是常見的三用電表學生卻不會操作，如此的學習內容明顯和生活有些脫節。在十二年國教新課綱中有一個重點，就是希望學習內容可以和生活結合，因此也正式將三用電表的使用納入正式課程，但有些老師對於三用電表的使用卻不一定熟悉。筆者在多年前就嘗試在課堂中教導學生使用三用電表，最近再將其整理成系統化的教學模組，設計了此操作型的探究活動。 藉由三用電表的使用，讓學生學習如何測量電路中的電壓和電流，以及小燈泡的電阻，加上教學流程的刻意安排，希望學生主動發現用三用電表直接測量電阻，和通電後測量電壓、電流的計算值的不同結果，讓學生嘗試說明並判斷這兩個結果的差異，引導學生數據處理的原則與方法，落實新課綱學習表現中「分析與發現」的表徵，並藉此引出溫度對電阻的影響，同時帶出科學實驗條件控制的極限概念，最後也讓學生自行設計如何運用三用電表(或不用三用電表)來查電路線，真正讓電學落實在生活運用中。 教學目標與對象 此教學活動實施的對象為九年級的學生，主要施作的時間點安排在基本電路連接都已經教授完畢之後的總結，希望學生可以認識三用電表常用的基本功能，並學會利用三用電表測量電壓、電流與電阻，並能設計檢查電線是否斷掉的方法，也藉由老師的引導，重新檢視歐姆定律的適用範圍。 在學習表現上也嘗試讓學生學習數據處理的方式與原則，並了解科學實驗條件控制的極限。 一、 教學內容 (一)認識三用電表 1. 分組觀察三用電表的不同檔位，並標出每個檔位所測量的物理量及其單位(圖1)。 此教學設計希望學生透過自行摸索去獨立觀察與記錄，而非只是單向接收老師給的「標準答案」 2. 確認不同檔位探針所要插入的孔位置，以及正負極連接正確或錯誤所出現的訊息。 3. 實測看看，若超出測量範圍螢幕會顯示甚麼訊息。 每種儀器對於不同訊息的標示都不同，藉由操作了解三用電表的代號意義。 圖1. 標出每個檔位所測量的物理量及其單位 4. 課堂紀錄 (1) 學生幾乎都是第一次接觸三用電表，因此非常新奇，也藉此引導學生重新複習一次各個不同物理量的代號和所用的單位 (2) 師：「上面的數字表示甚麼意思呢？」，生：「可測量的最大值」、「和之前用的伏特計一樣」。師：「那如果破表會怎樣？」，生：「……」，師：「那你們自己試試看啊」，生(不可思議的表情)：「那壞掉怎麼辦？我不敢試」，師：「放心去試，只要不是測電流，基本上都是安全的，壞掉算老師的!」，生：「太棒了，可以隨便玩了!」 我們的學生似乎已經被訓練到不敢輕易去嘗試不了解的事，也因此逐漸失去了探索新鮮事物的樂趣，其實只要在安全的範圍(但不可讓電流破表，也讓學生進一步討論原因)，老師應該放手讓學生去嘗試，即使是一般所認知的錯誤方法，也是讓學生知道某些行為下的結果。壞掉確實算老師的，但這是值得投資的事！ (二)練習利用三用電表測量電壓、電流和電阻 1. 嘗試自行連接一個燈泡的電路，並畫出電路圖。 在此還是希望讓學生再將電路圖的畫法和實際的電路連結做一個統整，畢竟電路圖的表示還是學習電學的重要方法，這是必須去學習的符號表達方式。 2. 開放所有所需的材料讓學生自行取用，而非由老師決定(圖2)。 實驗的目的不只是學習實驗的方法與技巧，對更多的孩子來說更是學習如何有效率、有系統規劃一個工作的機會，因此開放實驗的材料與步驟，讓孩子從中學習更多溝通與探究的能力。 圖2. 學生自行選擇需要的器材 3. 利用三用電表測量燈泡通路後的電壓與電流(圖3)，並利用公式計算出此時的燈泡電阻(計算值)。 學生通常都只會從題目中去計算電阻，卻不知道電壓和電流的數字是怎麼得來的，藉由三用電表的操作實際讓學生得到一組燈泡的電壓與電流，同時也練習電壓與電流測量的不同方式(串聯或並聯？如何連接？) 4. 拆下燈泡，直接利用三用電表測量燈泡的電阻(測量值)。 5. 比較這兩種方法(計算值和測量值)所得到的電阻有何不同，可以參考其他組的答案。 這是本次課程安排的最大伏筆，沒有事先讓學生知道(他們以為只是在玩三用電表而已!)，希望讓學生主動發現實驗結果的不同之處，同樣測量電阻，為何差異會如此大？這麼大的差異你決定要接受那一個？你判斷的原則是甚麼？如何客觀選擇所得到的實驗結果是最後實驗分析的重要關鍵，而不是只有著重在操作方法而已。 圖3. 利用三用電表量測電壓和電流 6. 課堂紀錄 (1) 上課過程中發現許多會畫電路圖的學生卻不會實際接電路，有些卻是會接不會畫，同組之間的合作教學在此展現無遺。 (2) 實測電路的燈泡電壓與電流，感受到學生在沒有實際操作下對於串並聯根本一知半解，但在實驗過程中重新複習串並聯的概念，就不再是純記憶的模糊概念了。 (3) 嘗試讓學生初步討論燈泡電阻「計算值」與「測量值」之間的差異，大部分學生很難在第一時間看出溫度的影響，確實需要老師更多的教學引導，也因此有下一節課的教學統整活動 (三)設計查線的方法 1. 隨機抽取五條線(已事前製作好)，並嘗試設計兩種以上的方法檢查線是否斷掉？ 這個活動對學生來說非常實用且有趣，因為他們在稍微思考一下後，都可以得到正確的結果，因此，學生操作過後都很有成就感，也紛紛主動希望可以查更多的線，想出更多查線的方法，也讓他們對三用電表在生活中的用處更有感覺，這真是讓人興奮的課堂風景! 2. 課堂紀錄： (1) 事先製作60條外觀相仿的電線，其中20條斷路，40條正常，並隨機編號讓學生抽取五條，學生對這項挑戰都感覺到非常興奮。 (2) 原本設定測5條電線，兩種方法，但許多組後來玩出樂趣，幾乎把所有電線都拿去試，也都設計出3種以上的方法，真正讓學習進入主動的氛圍 (3) 生：「老師，這樣我就會測家裡的延長線有沒有斷掉了」、「原來測電線有沒有斷這麼簡單，以前以為多難呢！」、「太有成就感了啦!」 (四)教學統整 1. 學生分享使用三用電表的心得 2. 統整各組燈泡的測量值與計算值的差異，並帶領學生分辨是否為「可參考的實驗結果」的原則(圖4)。 這是重要的實驗結果分析，先整理各組的答案，發現雖然測量值和計算值有顯著的差異，但同樣測量值或計算值各組卻都很接近，這表示甚麼意思？這樣的結果是否是可信的？若可信，那就表示我們一定有一個變因沒有控制好，導致結果的不同(但卻有志一同的集中在某個結果)，帶領學生回想實驗過程中的變因，並一一分析釐清。 圖4. 協助學生整理實驗數據 3. 重新認識歐姆定律。 回到歐姆定律的前提，必須是溫度不變情況下，通過電阻電壓與電流的比值為定值，但真實的世界中只要電阻加上電壓幾乎溫度都會上升，因此這個過程讓學生感受到許多實驗的先決條件其實很難達到。因此真實世界總會和理想狀態的預期有落差，這是無可避免的事，但這樣的理論也提供了一些接近真實情況的參考，科學是有極限的，這才是科學真正的本質。 「一定要親自弄清事實，才能確定事實的可信度!」學生如是說。 二、 學習評量 充分利用學習單的優點，反覆來回修正學生的想法，教師批改後發回後再更正，如此不但可以在有限的時間內達到進度的要求，也可以讓學生更深入的探究背後的原理與相關的知識技能，真正落實探究與實作完美的結合，也讓學生將知識可以充分應用的生活中。 學生的回饋中也對這樣的實作方式感到相當的肯定與喜愛，雖然未來不一定有老師會延續類似的教學方法，但身為老師如果可以在有限的時間與空間裡，給予孩子們更多元的學習機會，或許就可能造就某些孩子不一樣的人生，值不值得就不是當下可以評斷的了。 附錄 附錄一. 無敵三用電表實驗紀錄單 林宣安 臺中市立長億高級中學教師

追「風」逐「電」 －以風力發電機進行探究與實作

文/李宥霖 《十二年國民基本教育自然科學領域綱要》中重視學生問題解決能力的培養，透過探究與實作引導學生從實作中進行探究活動。本文針對探究與實作設計了風力發電機的探究教學教具，藉由多變因的探討與實驗，引導學生建構出科學學習歷程。 十二年國教重視探究與實作 108課綱於2019學年度正式上路，從九年一貫的能力導向教學，轉變為十二年國教的素養導向教學，目標培養學生適應現在生活及未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度，教學主體從教師移轉至學生身上，希望培養學生自發、互動、共好的三大理念(教育部，2014)。 在十二年國民基本教育自然科學領域課綱中，重視「探究能力-問題解決」能力的培養，並針對「探究能力-問題解決」提出四大向度，分別為：觀察與定題(o)、計劃與執行(e)、分析與發現(a)、討論與傳達(e)(教育部，2018)。此外，經濟合作暨發展組織(OECD)亦提出科學素養能力向度分為：解釋科學現象的能力、評量及設計科學探究的能力、解讀科學數據及舉證科學證據的能力，兩者皆重視探究的歷程與對於探究結果的解釋(臺灣2015 PISA國家研究中心，2015)。 筆者為國中現職教師，在理化科教學現場發現，現今國中教科書中的科學實驗多為驗證式實驗，學生從實驗中驗證上課所學，實驗過程從定題、實驗步驟、實驗數據分析及實驗結果呈現都由教師設計讓學生依照實驗步驟完成，學生無法經歷發現科學的過程，也難以培養問題解決的能力。因此筆者想嘗試以探究式實驗教學，讓學生在教師的引導下獨自完成科學探究，藉此培養學生問題解決的能力。 再生能源－離岸風力發電的興起 自然科學與生活息息相關，探究的主題更是不勝枚舉，筆者希望將理化與環境教育的議題進行連結，因此特別選擇了我國目前致力推動的再生能源－離岸風力發電為探究主題。 我國政府於2012年公布「千架海陸風力機」計畫，離岸風力發電成為現今台灣致力發展的再生能源，根據國際工程顧問公司4C Offshore在2014年發布的全球「23年平均風速觀測」研究中發現，全球風況最好的20處離岸風場，台灣海峽就占了16處，前十名中有9處在台灣領海。2010年美國太空總署(NASA)利用遙感探測資料發現台灣彰化外海是全球罕見的優質風場(第二期能源國家型科技計畫，2018)。 筆者希望讓學生認識風力發電及離岸風力發電的異同及優缺點，對於台灣新興能源能有更深入的認識，並藉由風力發電機變因的探究與實作教學，引導學生建構探究學習歷程，藉由觀察與實驗解釋科學現象。 風力發電機探究式教學教具 風力發電機探究式教學教具(見圖1)係利用3D列印設計扇葉轉子，此扇葉轉子(見圖2)可立即組裝拆卸元件改變扇葉葉柄排列方式、角度、數量等變因，也可以黏貼紙板改變扇葉面積、形狀等變因，增加學生探究實驗學習操作的變項，探討不同變因對於風力發電的效能影響，將扇葉轉子黏貼於發電馬達上，當扇葉受力時發電馬達便會開始轉動，搭配麵包板及LED燈電路，讓學生直接觀察到風力發電讓LED發亮的效果，再利用雷射切割製作出風車外底座。學生可根據變因找出實驗中的自變項、應變項等，經由探究的過程，嘗試改變不同的變因與變量，尋找出發電效果最好的風力發電機模式。風力發電探究式教具可以探討的變因如表1。 圖1.風力發電探究式教具 圖2.扇葉轉子及扇葉葉柄 表1.風力發電探究式教具可以探討的變因 一、改變葉片數量進行探究 如圖3，藉由改變葉片數量進行風力發電機發電效能探討，學生可以嘗試改變葉片數量，記錄不同葉片數量產生的發電效果，進行分析與討論，並提出發電成效最好的葉片數量。 圖3. 改變扇葉葉片數進行探究 二、改變葉片排列方式進行探究 如圖4，藉由改變葉片排列方式進行風力發電機發電效能探討，學生可以嘗試改變葉片排列方式，記錄不同葉片排列方式產生的發電效果，進行分析與討論，並提出發電成效最好的葉片排列方式。 圖4.改變扇葉葉片排列方式進行探究 三、改變葉片角度進行探究 如圖5，此風力發電機扇葉轉子可以讓葉柄進行轉動，因此可以改變扇葉與風向的角度，藉由改變扇葉的角度進行風力發電機發電效能探討，在此可訓練學生如何量測扇葉角度的能力，學生可以嘗試改變扇葉角度，記錄不同葉片角度產生的發電效果，進行分析與討論，並提出發電成效最好的葉片角度。 圖5.改變扇葉與轉子面的角度進行探究 四、改變葉片形狀進行探究 如圖6，藉由改變扇葉葉片的形狀進行風力發電機發電效能探討，學生可以嘗試改變扇葉葉片的形狀，記錄不同葉片形狀產生的發電效果，進行分析與討論，並提出發電成效最好的葉片形狀。 圖6.改變扇葉葉片形狀進行探究 五、自行設計葉片及組裝葉柄達到最好的發電效果 如圖7，學生在進行一連串的探究活動後，藉由探究過程的發現，推測可能影響風力發電的變因，並尋找出發電效果最好的可能因素，最後改良風力發電機，設計出發電效果最好的風力發電機，並進行解釋與討論原因。 圖7.學生進行探究後設計的風力發電機扇葉 風力發電探究式教學 在風力發電探究教學課程開始之前，筆者透過簡報介紹了現今台灣重要的再生能源，並針對風力發電與離岸風力發電進行介紹。課程中教師藉由不斷地提問，引導學生進行思考與討論，例如：可提問問題如下： 生活中有什麼機器會使用到扇葉？ 扇葉的形狀及數目又是如何？ 這樣設計的目的可能原因是？ 筆者也針對風力發電機的構造進行介紹，讓學生觀察現今風力發電機的樣態，並探討可以如何設計及改良風力發電機，希望在教師的引導下，能建立學生先備知識及對風力發電機的認識。 探究課程開始時，筆者提供了許多探究變因所需的器材，讓學生從器材中自行選擇想要探究的變因並自行寫下本次實驗的操縱變因、控制變因及應變變因等，再進行實驗設計。課程開始時學生較多選擇葉片數量與葉片長短等較容易發現的變因，隨著扇葉的拆裝及實驗後，部分學生開始發現葉柄可以自由轉動，部分學生選擇改變扇葉角度進行探究活動。在每一次的探究活動後，筆者引導學生進行結果討論，探討那一個變量能讓風力發電效果最好，並進行解釋。 經過了三次改變不同變因的探究活動後，由學生根據先前的探究活動，設計出發電效果最好的風力發電機扇葉，並寫下設計理念與根據後，再進行測試。最後上台發表各組的設計理念及研究成果(圖8)。 圖8.學生透過不斷的實驗與同儕討論完成探究活動 活動紀錄 在探究與實作學習單中，筆者規劃了兩項要觀察的應變變因，分別是「觀察扇葉轉動速率快慢」及「風力發電機可以讓幾顆LED發光」，希望透過這兩個應變變因的測量紀錄，讓學生選擇正確的量測方法，並瞭解到進行正確地記錄也是探究活動中不可或缺的能力。此外，透過探究與實作學習單，協助學生建立科學探究的學習歷程(圖9)，亦期望能從實驗分析、設計、記錄、解釋等過程，培訓學生能獨立完成探究活動。 圖9.學生按部就班建構科學探究的歷程 在活動最後學生設計了效果最好的風力發電機，從中會發現學生在經歷過三次改變控制變因的探究活動後，能找出探究活動中效果較好的變因與變量(圖10)，並在最後設計風力發電機的扇葉時，進行改良。 圖10.學生藉由探究實驗找到不同變因時效率最好的變量進行扇葉設計 教學省思 要培養學生問題解決及探究實作的能力，透過探究實驗可以讓學生經歷科學研究的過程。有別於以往課本中的驗證式實驗，探究式實驗課程需要花費教師更多的時間與心力準備課程，無論是操縱變因的設計、應變變因的選擇等，都是教師需要花費更多心力的地方。 在課程開始前，筆者本來擔心理化學習較弱的學生，對探究課程會沒有興趣，但在課程實施的過程中，發現平常程度好的學生，很容易受到理論或生活連結的框架影響，會受限於理論的結果而設計實驗。反觀平常程度不佳的學生，對於探究的過程有更寬廣的自由度，不受限於任何理論，而是在實作過後，找尋解釋實作結果的可能原因，在這過程中也看到了其問題解決能力及實作能力的展現。筆者也期待未來在考試或者教學方式上，可以漸漸藉由探究與實作培養學生問題解決的能力，讓考試不再只是知識層面的題目，能夠融入更多的能力試題，以達到十二年國教素養導向的宗旨。 筆者在教學時常常受限於要教授給學生的學科知識很多，但授課時數很少的窘境，而無法經常採用探究式教學。探究式教學往往需要花費較多的上課時間，驗證出一個簡單的結果，但在探究的過程，學生能學到的是帶得走的能力，在這次的風力發電機探究與實作課程中，筆者深刻感受到學生在探究過程中對學習的樂趣，也期許未來能讓學生有更多探究與實作的機會，藉此將自身經驗分享給各位讀者。 後記 筆者在完成風力發電機探究教學後，繼續研究與理化課程相關的探究式教學，並設計了其他探究式實驗活動，例如摩擦力、彈力等。在設計過程中，筆者認為只要能夠有多個變因與變量的探究實驗，都能設計成探究與實作課程，讓學生從許多的變因及變量中，藉由實作找到最好的實驗結果並進行探討。探究課程最迷人的地方莫過於是沒有一定的答案，更重要的是探究的過程及探究結果的解釋。 參考文獻 教育部(2014)。十二年國民基本教育課程綱要總綱。2019年12月8日。 教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校-自然科學領域。2019年12月8日。 臺灣2015 PISA國家研究中心(2015)。PISA測驗內容。2019年12月8日。 第二期能源國家型科技計畫(2018)。離岸風電知識網-離岸風力在台灣。2019年12月8日。 李宥霖 新北市立福營國民中學理化教師

磁鐵雲霄飛車教學分享

文/廖進德 前言 磁鐵很好玩，一向是學生的最愛。記得自己的童年也愛不釋手，不論是吸鐵釘還是當輪子滾動玩，或拿它到沙坑蒐集鐵屑來觀察磁力線的分布。對於孩童來說，學習像遊戲，遊戲中也伴隨著學習與應用。特別是同伴們一起做這類的遊戲，過程中多半充滿樂趣、學會彼此溝通、建立與人互動的人際關係。這些好玩又有意義的學習歷程，逐漸讓我小時候建構起學習的態度，並將學習視為快樂的事。 磁鐵的學習活動在多年來都列為學校正式課程中，這表示認識磁鐵的磁性與應用，仍是科學學習的基礎課程之一。在我退休後這幾年來，對於磁鐵遊戲與磁性相吸和相斥現象的生活應用，仍然意猶未盡地開發一些教材，無非是希望我們的孩子可以多一些快樂的學習體驗，日後同我一樣，留下些許美麗的回憶。 教學概述 首先介紹「磁鐵雲霄飛車」。這是一個小組合作學習的活動，利用磁性和重力概念，探究轉動與離心力。操作過程是透過製作一座雲霄飛車，長條磁鐵當軌道，圓形磁鐵當車子，最終目的是讓圓形磁鐵可以由上而下在軌道上順利轉動、翻轉、轉彎與落到預設的終點。本活動教學對象適合國小高年級到國中。教學活動詳如附件一。 接著會介紹「迷你雲霄飛車」。這是個別學習的科學玩具，應用的原理同上，材料較簡單，但是對於變因操作，如圓形磁鐵落下的高度、長條磁鐵軌道的轉彎、上下翻轉等的挑戰依然與前一個活動相似，好處是學生可以自我實現，具有挑戰的是在問題解決上，需獨力完成。當然學生在問題處理上，老師或同組學生，都可以是請教的對象。本活動適合國小中、高年級，國中七年級生也可以。教學活動詳如附件二。分述如下： 一、 磁鐵雲霄飛車 （一） 從遊戲熱身，引起學習動機 我找來長條磁鐵當軌道，圓形磁鐵替代車子，問孩子說，我想做什麼？他們不假思索的要我把磁鐵放到軌道上，教我可以改變兩邊軌道高低位置，於是看見圓磁鐵在軌道上滾動。我再問，怎樣可以變成雲霄飛車？於是同學們七手八腳的動了起來。有的將軌道舉得很高，讓圓形磁鐵一落下便衝很快，結果掉到地上磁鐵摔破了；有的組別學生先討論怎麼做，開始彼此協調起來，放在桌面上做成波浪狀，玩得津津有味（圖2）。讓孩子在沒有老師的規定上進行活動，老師得以在一旁看各組孩子的學習表現並觀察不同孩子的學習態度。 （二）關鍵提問，引導觀察細節 當大家興高采烈玩了一陣子後，我提一個問題，磁鐵條的那一邊適合做軌道？學生這才停下來思考老師說這些話的意思，定睛觀察磁鐵條的磁性。一般來說，學生的學習，常是隨機的選一面做軌道，經過老師的提醒，關注焦點轉移到磁鐵條的形狀和特性，真沒有幾個學生事先就瞭解。這顯示學生的學習是需要老師在一旁適切地提醒與引導，他們才發現原來上下兩面磁力不同而且真的相差很多。所以說，觀察力是要經過接觸觀察與操作來培養，因此教學上不建議直接告知磁鐵兩面吸力不同，寧願讓學生發生錯誤或不適合再修正。我常對學生說，操作錯誤可能學得更多。 有一次我甚至問學生說：你們認為這是磁鐵條，請問我要怎樣證實？學生立刻教我用它吸黑板，我故意將磁力弱小的一面，往黑板上一丟，嘿！掉下來了！頓時學生們的臉上表情甚為茫然、疑惑，停住幾秒後，有一人立刻舉手要我換另一面一定可以，這名學生就是有經驗並注意到細節的孩子。所以不是人人眼睛一看就懂得磁鐵的吸力每一邊可能不一樣，而是必須擁有操弄的經驗，又能注意細節的人，才是好的學習觀察，透過製造這樣的機會，老師要教的是讓學生明白觀察細節是很重要的。 （三）使用材料，讓孩子找方法 我找來家中常見的材料（如圖1），有洞茶盤和大小不同、長短不一的筷子、圓棍子、橡皮筋、膠帶、鉛筆和長尾夾等，讓學生分組一起做雲霄飛車的底座和支撐架。先不教怎麼做，而是讓學生自己找方法完成。老師行間巡視但不做介入性的指導，所以各組必須善用舊經驗，集思廣益使用筷子（或圓棍）等當柱子，並在柱子四周做支撐搭起高架，然後再安排軌道如何轉彎，還有怎樣將它們分別固定。是要用夾子夾住、或是用膠帶黏住、或是用橡皮筋綁住等。看見孩子七嘴八舌和手忙腳亂，在意見紛歧之下，如何溝通協調，尋求解決問題。分組教學操作的結果，老師可能看到有人會霸著主導實驗，有人會彼此爭辯，有人會叫不平說他沒機會做實驗等。老師除了回答各組疑惑外，還要忙著指導、調解、並提點實驗進度等（圖3）。最後學生們終於找出組合與架設的雲霄飛車的方法，而各組的方法可能很不同（圖4和圖5）。 （四）素養學習，在情境中解決問題 小組成員學習如何彼此溝通和意見表達，並將所自己擁有的知識和技能在建構雲霄飛車的情境下，隨之應用解決困境和問題，這是108年新課綱所重視的素養導向的教學方式。然而在這樣的學習過程中，老師會發現孩子可能在知識、技能甚或情意面向上有所不足，並即時把握趕緊給予適當補救與指導。我對新課綱精神的體會，就是老師關注學生的學習上，操作過程裡也應該要聚焦在「素養展現」上。果真如此，老師在學習過程中就要留意學生在素養的表現，不只是在最後的素養評量，在過程中的目標也應格外重視。 （五）老師整理，點出變因與控制 老師歸納在各組巡視看到的重點或關鍵點，以及小組問題與解決方法。諸如：對柱子有不同的支撐方式（斜支撐、垂直支撐）、固定（黏貼、綁），軌道面總共轉彎多少度、3D轉向（觀察圓形磁鐵轉動落下，3D指軌道面有上下、前後和左右三維空間的應用（圖6），車子在軌道旋轉方式（內側或外側旋轉如圖4和圖5），最後看能否順利落下。並請學生自己小組創作，逐一記錄在學習單「表1 關鍵事項」、「表2 問題與解決方法」、「表3 影響圓形磁鐵順利下降與轉動變因」。 （六）作品說明、分享與觀摩學習 來到各組彼此觀摩與分享時間，小組輪流留守一人解說，其餘到各組觀摩學習。學生們指指點點彼此討論，說出製作困難處與最後解決的方法，不僅經驗交流，也說出他們最得意的地方。這樣讓孩子們可以有機會主張如何探究與學習，最後做出作品來，果然學生的學習熱度高，時有燦爛的笑容，學生對話多很多。最後，來一個投票選出最佳創意獎、人氣獎，每人發兩張貼紙，以自己最欣賞或認同為最棒的作品票選並頒獎或加分鼓勵。 二、 迷你雲霄飛車 我將作品縮小，讓每個人都可以製作一個雲霄飛車科學玩具。使用常見的木塊積木和冰棒棍來搭建基座和柱子，取用約45公分磁鐵軌道和一顆圓形磁鐵等，便可以讓孩子自由創作（圖7、圖8a、8b）。科學原理同上，給較小的孩子學習觀察變因與控制，培養有想法、愛動手做，即時觀察與問題解決，經修正完成作品，最後達到自我實現。如果時間允許，可選用乾電池、LED燈，加入電與光的應用，或增加超輕黏土捏塑來美化作品，多了跨科的創意學習表現。 本活動可單獨進行教學，也可以在上述的雲霄飛車小組教學後，做進一步個別學習，學生都有不錯的反應。沒想到加上燈光效果的「迷你雲霄飛車」科學玩具，竟成為學生口中的聖誕禮物（有燈的聖誕玩具）（圖9a、9b、圖10）。 給老師們的建議 教學後，在此提出三點建議，供老師參考。 一、要求記錄探究變因，有利日後情境分析 這個活動是設定一個目標，給一些材料，開放給學生探究學習。學生不僅同時面臨許許多變因，在操作過程產生了問題，在待解決後卻可能影響另一個變因，例如：軌道轉彎角度小時，衝力太大，圓形磁鐵會因離心力大於磁鐵吸力而飛落，調整後又發現轉彎角度多一些時，又發現前進的動能減少，下一個彎道上不去等。學生在過程中要從交互影響的變因中，尋找一個合適的平衡點，取得較佳的結果。因此，我設計的學習表單中，希望學生把類似這樣多變因又會彼此影響，提出來討論並記錄下來，如此將有助於他們對情境分析的能力。 二、課中當老師講話沒有人理會時，勿生氣 這種課程活動過程時聲量一定不小，老師們想必也曾碰到學習氣氛熱絡時，老師講話都沒有人要理。此時，老師您莫要生氣，想一想為什麼會這樣、或這樣的情境表示什麼？當學生正浸淫於您營造的學習情境中，如果你立刻端出「訓練」的模式，要求學生馬上停止活動，便如同一盆冷水馬上澆熄好不容易經營起來的學習熱火。其實正因為你的教學太棒了，他們才會忘情的學習。您應該停頓一下欣賞，畢竟他們個個都是你的知音！ 三、活動結束，僅是完成啟動學習的第一步 如果老師不是很熟稔物理，在進行這個活動前，一定要先仔細操作探討，在課中和學生一起共學，你將會發現學生很愛和老師共學的。但共學時千萬不要說：這個這麼簡單，你們不知道或沒發現……等。有時老師來個反向示弱時，反而可以讓孩子充滿信心奮發向上，日後真的「青出於藍」。我們知道探究活動的課程，常常是學生學習的第一步，日後還可以有許多的延伸學習。就以這個活動為例，可延伸為在家做一個很長、很大的雲霄飛車，或會跳躍的雲霄飛車，或雙軌兩輪的雲霄飛車等。希望老師們多點燃學生的熱血，啟發他的學習，讓學生歡喜踏出科普的第一步。 圖1. 雲霄飛車材料 圖2. 三個波浪軌道車 圖3. 有想法轉成作法，需要老師行間指導 圖4. 修正為塔形雲霄飛車，磁鐵車子走軌道外側 圖5. 高架式雲霄飛車，車子走在軌道的內側。 圖6. 多變化3D 轉動軌道面，包含上下、左右和前後 圖7. 學生專注創作雲霄飛車 圖8a. 抱柱螺旋，車子走外側共轉動角度大於720度 圖8-b. 上下翻轉，車子走軌道內側停在中間 圖9a. 迷你雲霄飛車（聖誕版）間 圖9b. 迷你雲霄飛車（聖誕版） 圖 10. 斷點雲霄飛車 附件 附件一、「磁鐵雲霄飛車」教學活動 附件二、「迷你雲霄飛車」教學活動 廖進德 臺北市忠義國小退休教師 國立臺北教育大學兼任講師 遠哲科學教育基金會講師

2019諾貝爾物理獎介紹

文/吳俊輝 圖1. 詹姆士‧皮博斯（James Peebles）教授（來源：Juan Diego Soler） 圖2. 米歇爾‧馬約爾（Michel Mayor）教授與迪迪爾‧奎洛茲（Didier Queloz）教授（來源：European Southern Observatory） 2019年10月8日瑞典皇家科學院（Kungliga Vetenskapsakademien）公布2019年諾貝爾物理獎的得主為加拿大裔美籍宇宙學家詹姆士‧皮博斯（James Peebles）教授、瑞士天文學家米歇爾‧馬約爾（Michel Mayor）教授與迪迪爾‧奎洛茲（Didier Queloz）教授等三人，以表彰他們對於「人類對宇宙演化及地球在宇宙中之地位的了解」之貢獻，三人共同獲得900萬瑞典克朗的獎金，約為新台幣2,840萬元。這是過去九年來諾貝爾物理獎第三度頒發給天文宇宙領域的科學家，以致近九年來已經共有九位天文學家獲獎，這讓原本科學界中較屬冷門及弱勢的天文宇宙領域，獲得越來越多的注目。以下就先讓我們來回顧一下諾貝爾獎和天文研究間的因緣，然後再來深入了解一下2019年這三位天文宇宙學家獲獎的原因。 以前的天文宇宙學家無法獲得諾貝爾獎 你可能不知道，以前的諾貝爾物理獎是不頒給天文或宇宙學家的。史上最著名的天文學家之一愛德溫‧哈伯（Edwin Hubble，1889-1953）曾經因此而為天文學家們叫屈，也曾為了將天文領域納入諾貝爾獎而奔走，在他那個年代，天文學並不被視為物理學的一部分，因為早年的天文叫Astronomy，主要研究「天」上的「文」理，研究天體的位置、運行和外觀亮度等，較像是現象學，以致大多是屬於「只知其然而不知其所以然」的現象觀測，這樣的研究並不被認為會對人類有重大貢獻，而「對人類有重大貢獻」則是諾貝爾獎的基本要求。但隨著近代物理及粒子物理等的崛起，科學家們漸漸可以藉由四大基本交互作用（強、弱、電磁、重力）的「物理」來探討夜空中的世界，因此「天文物理」(Astrophysics)一詞油然而生，其中的研究成果也和人類世界越來越貼近，而諾貝爾物理獎也是自此時開始納入天文及宇宙學，第一次頒授是在1967年，大約是在哈伯過逝（1953年）不久之後。 歷來的諾貝爾獎中屬於天文宇宙領域的獎項，依時間先後順序計有： 1. 1967年Hans Albrecht Bethe（核反應理論、恆星能量產生的相關發現）。 2. 1974年Sir Martin Ryle（無線電天文學中的孔徑合成技術）；Antony Hewish（脈衝星的發現）。 3. 1978年Arno Allan Penzias及Robert Woodrow Wilson（宇宙微波背景輻射的發現）。 4. 1983年Subramanyan Chandrasekhar（恆星結構及演化的重要物理機制之理論研究）；William Alfred Fowler（宇宙中化學原素形成的核反應之理論暨實驗研究）。 5. 1993年Russell A. Hulse 及 Joseph H. Taylor Jr. （新型脈衝星的發現以致開啟重力研究的新頁）。 6. 2002年Raymond Davis Jr. 及Masatoshi Koshiba（宇宙中微中子的偵測）；Riccardo Giacconi（導致發現宇宙中Ｘ射線源的前沿研究）。 7. 2006年John C. Mather及George F. Smoot（宇宙微波背景輻射的黑體形式及異向性之發現）。 8. 2011年Saul Perlmutter、Brian P. Schmidt及Adam G. Riess（透過遠距超新星的觀測而發現宇宙的加速膨脹）。 9. 2017年Rainer Weiss、Barry C. Barish及Kip S. Thorne（對LIGO偵測器及重力波觀測的重要貢獻）。 10. 2019年James Peebles（物理宇宙學的理論發現）；Michel Mayor及Didier Queloz（發現一顆繞行類太陽恆星的系外行星）。 由以上可見在過去半個世紀以來，天文宇宙領域共有10次獲獎、總計23位得主，平均大約每5年獲獎一次、平均約每2.3年有一位得主。(圖3)所示即為諾貝爾獎在這52年間，將其物理獎頒發給天文宇宙學家的累計人數圖。 圖3. 諾貝爾獎天文宇宙領域累計獲獎人數 諾貝爾獎有時是頒給做出同一貢獻的一人或數人，或是頒給分別做出不同貢獻的數人，2019年的情況是屬於後者，通常在發布獎項消息時，官網上都會有明確的文字說明。2019年的三位得主雖然是分別屬於兩個不同的天文領域，但官網上給了他們獲獎的一個共同理由：“for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos”(對於「人類對宇宙演化及地球在宇宙中之地位的了解」之貢獻)。也就是皮博斯教授主要是因為對「宇宙演化研究」之貢獻而獲獎（可獲二分之一的獎金，大約新台幣1,420萬元），而馬約爾教授與奎洛茲教授則是因為對「地球在宇宙中之地位的了解」之貢獻而獲獎（各可獲四分之一的獎金，大約新台幣710萬元），以下我們來分別探討一下。 2019諾貝爾物理獎-宇宙篇 這三位得主中，知名度最高的是詹姆士‧皮博斯（James Peebles，1935年4月25日生）教授，但他此回的獲獎理由則是屬於諾貝爾物理獎歷史中極為非典型的。在歷來的物理獎中，大多是頒給有重大發現或發明的科學家，通常是理論和實驗搭配一起給，偶而也有單獨給的，但此回皮博斯獲獎的理由並不是由於任何單一的重大發現或發明，而是：“for theoretical discoveries in physical cosmology”(對物理宇宙學的理論發現)。所以連他自己也料想不到會得獎，但話說回來，我認為他拿這個獎實在是一點也不為過，是實至名歸，也是為諾貝獎樹立一個非典型的良範。怎麼說呢，因為在宇宙學這個領域中，幾乎人人都讀過他寫的書，最有名的莫過於1971年（我出生的第二年）所出版的”Physical Cosmology”以及1993年出版的”Principles of Physical Cosmology”，您是否已注意到，此回的給獎理由即是借用他的書名！也就是說，諾貝爾獎所要表彰的，是他長達半個世紀對宇宙學發展的基礎貢獻，要是少了他，目前我們對宇宙的整體了解可能會遲滯好一段時間。 皮博斯目前是美國普林斯頓大學（Princeton University）的亞伯特‧愛因斯坦講座教授（Albert Einstein Professor），在他數百篇的研究著作中，他的研究主題主要涵蓋了原始核合成（primordial nucleosynthesis）、暗物質（dark matter）、宇宙微波背景（cosmic microwave background）、宇宙結構形成（structure formation），這些都是對於研究宇宙大霹靂（Big Bang）及其後之宇宙演化的關鍵基石。建構在這些基石上，目前的主流派認為宇宙大霹靂的混沌在大約40萬年後落定而讓宇宙變成透明，而其所遺留下來的古老光在近140億年後的今日仍是充斥著整個宇宙、無所不在、在各個方向上都有，這就是所謂的宇宙微波背景(如圖4)；大部分宇宙學家也認為，構成日月星辰的這些已知物質、也就是原素週期表上所能合成出來的所有物質，只占當下宇宙總質量密度的5%左右，其它的95%應是由暗物質（dark matter）和暗能量（dark energy）所組成，但這兩樣暗黑的東西卻從未在人類世界中被證實或觀察到過，它們都是用理論和天文觀測所被間接推導出來的物質(如圖5)，「它們是否真的存在」已被公認是21世紀物理學家們最重要的課題之一。在宇宙學中，當下的主流模型叫做ΛCDM模型，Λ是目前主流的暗能量形式、即宇宙常數，而CDM則是目前主流的暗物質形式、即冷暗物質，前者已被找尋了約20年、後者已被找尋了約半個世紀，都未被找到。因此已有不少科學家主張這兩者都有可能不存在，若屬實，那我們需要一個革命性的替代方案、需要對一些已知的基礎物理進行變革。由此可見，那些看似遠不及邊的宇宙探索，其實是緊密地牽動著人類基礎科學的發展。 在諾貝爾獎的官網上，說他這半個世紀來的理論研究是現代宇宙學的基石，是宇宙學得以被科學化的基礎，我倒是覺得有點言重了，因為整個現代宇宙學的基礎，其實還包含其它許多優秀科學家的貢獻和一連串關鍵性的觀測突破，但若是要論誰的理論貢獻最大，那麼在還活著的人當中，皮博斯應該算是可以當仁不讓，因為他的貢獻是屬於全面性而多元的。如今他已高齡84歲，著實是位貫徹人生於宇宙探索的賢者。 圖4.宇宙演化簡史 圖5.宇宙組成物質比例 2019諾貝爾物理獎-系外行星篇 米歇爾‧馬約爾（Michel Mayor，1942年1月12日生）是瑞士日內瓦大學的教授，而迪迪爾‧奎洛茲（Didier Queloz，1966年2月23日生）則是在馬約爾教授的指導下於1995年獲得博士學位，他目前同時是瑞士日內瓦大學及英國劍橋大學的教授，在劍橋大學內亦隸屬於三一學院，他們獲獎的理由是：“for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star”（發現一顆繞行類太陽恆星的系外行星）。在1995年10月他們在《自然》（Nature）期刊上發表文章，宣稱在飛馬星座中一顆距離我們大約50光年、類似太陽的恆星「飛馬座51」（51 Pegasi）旁(如圖6)，發現一個圍繞著它運行的行星，命名為「飛馬座51b」（或稱Bellerophon；正式稱為Dimidium），這是人類史上第一次在類似太陽的恆星旁發現行星。太陽系以外的行星稱為「系外行星」，在至今的20多年間已有超過4,000顆的系外行星被發現。 圖6. 恆星「飛馬座51」即為圖中飛馬座前胸的圓圈標示處。 在此我們要留意的是，飛馬座51b並非是人類所發現的「第一顆」系外行星，許多國內外的科普文章和雜誌全都寫錯了！請仔細看，在諾貝爾獎的給獎理由中並不是說發現「第一顆系外行星」，而是說發現「一顆」繞行「類太陽恆星」的系外行星，而諾貝爾獎官網上的說明文中最多也是只寫道「首次發現」一顆繞行「類太陽恆星」的系外行星。史上「首次發現系外行星」實際上是發生在1992年，由加拿大人Dale Frail及波蘭人Aleksander Wolszczan所共同發現，一次發現兩顆，繞著一顆距離我們2,300光年的「脈衝星」PSR B1257+12運行。所謂的脈衝星是種和我們太陽截然不同的恆星，屬於中子星的一種，密度可以高到太陽的數百兆倍。這個發現曾被《自然》（Nature）期刊選為物理領域中15項最重大的發現之一，Wolszczan還一度成為波蘭的民族英雄、與哥白尼齊名（因為哥白尼也是波蘭人）。但在2008年，他被發現、也承認曾經擔任過波蘭共產黨祕密警察組織的線民，爾後成為高度爭議性的人物。過去幾個月來一直有人在討論為何2019的諾貝爾獎不是頒給Frail及Wolszczan，這其中的原因固然令人玩味，但我們也特別留意到諾貝爾獎給獎理由之文字的細膩及小心：首次被發現的系外行星是繞行著「脈衝星」運轉，而2019年的兩位得主則是首次發現繞行「類太陽恆星」之系外行星的人。 在人類的傳統想法中，總有很多人認為太陽系是宇宙中唯一具有行星、也因此是唯一具有生命的地方，然而就科學統計和就科學發展的歷史而言，這都是個無法成立的說法，但科學家們卻又長期苦無證據來證明該說法是錯的，這就像要證明自己的名字在世上不是獨一無二的唯一方法就是要找到另一個和你名字一樣的人。馬約爾和奎洛茲當時就是懷抱著這個想法，將客製化的光譜儀安裝在法國南部之天文台Haute-Provence Observatory內的望遠鏡上，來觀測星體間因彼此運行所造成和我們間相對運動而產生的都卜勒效應，而發現了飛馬座51b，它繞行母恆星的週期大約只有102個小時，也就是它的一年大約只有我們的4天長，而它的質量大約是木星的一半（其正式名稱為拉丁文的Dimidium，即是一半的意思），和木星一樣是由氣體所構成的行星。由於該行星質量大、與母恆星距離很近，其軌道半徑大約只有地球繞日軌道半徑的二十分之一，以致於繞行週期很短、牽動母恆星的效應很大，也因此才有辦法被這個（當今認為簡陋）的設備所觀測到，這樣的行星系統其實在當年的主流學說中根本就很難存在，所以在他們兩人自認為運氣很好的同時，也開啟了理論學界的另一扇窗。其實我們都知道，他們不是單純的運氣好，而是極度認真的把自己準備好，然後有效的捕捉我們每個人都有的機會。 此項發現觸發了爾後超過四千顆具有多元形態、大小、軌道之系外行星的發現，也因此讓科學家們一再翻新行星系統之形成的可能學說，最終希望能夠回答這個問題：是否真的有外星生物存在？就科學統計而言，是一定有的，只是「在那裡、離我們近不近、現存科技是否能偵測到」的問題罷了。 期待未來 「對人類有重大貢獻」是諾貝爾獎的基本要求，皮博斯教授的宇宙研究讓我們得以對基礎物理有一個全新視角的測試及驗證，而馬約爾教授與奎洛茲教授的貢獻則是讓我們離生命的起源越來越近。相信在未來的數十年間，一定還會有許多令人興奮的發現，讓宇宙越來越像是個挑戰人類知識極限的超級實驗室！讓我們一起努力! 國立臺灣大學物理系暨天文物理所教授 吳俊輝

可可冰之跨域教學研究

文/劉淑雯、洪文徽 主題及故事豐富的繪本，往往內容生動有趣，不只小孩喜歡，連大人也愛不釋手。近年來，運用繪本來教學的趨勢日益蓬勃，但往往只有單一領域的發展。108課綱強調素養導向的跨域學習，如果能夠以繪本教學，打破學科的限制，啟發學生探究的精神，真正做到將學識運用於真實生活情境中，對學生的學習必有幫助。 以下就用繪本「可可冰」的課程來分享說明，跨領域教學經驗，分別是自然領域凝固與保冰，社會領域童工問題的探討。 一、 繪本內容簡介 在美國緬因州漫長的冬天裡，人們從已凍結的池塘和湖泊中取出冰塊，存放 起來為夏季做準備。這些冰塊和其他貨物常常透過美國的縱帆船被送至聖多明哥島，以便於交換可可豆和咖啡豆。在這「可可與冰」的交易過程中，間接地譜出了一段長距離的友情－一位來自聖多明哥島的可可豆女孩和一位來自緬因州的冰雪女孩，她們分享了彼此國家獨特的氣候和文化。 由作家Diana Appelbaum所描寫的一百多年前的美洲平民生活實況，記錄 了在那個物資缺乏、沒有冰箱的時代，人們如何以物易物、各取所需的情況。學生可以透過這個溫馨的繪本故事，進入情節之中，並以簡單的實驗，體驗故事人物所身處的情境，體會前人生活中的智慧。 二、 活動設計分享 1. 先向學生展示書的封面，並唸出書名，要求學生在觀察完封面圖片後的發現：如天氣、衣服、植物等。接著和學生討論書名《可可冰》，並詢問學生：「你們知道什麼是可可嗎？」 準備一杯裝有可可粉的杯子，並發給學生一人一根牙籤，讓學生輪流在杯子中沾一下，嘗一嘗可可粉的味道。請學生辨認一下可可粉的特性，如：粉狀、苦苦的、很香……等。 2. 老師以《可可冰》一書的電子檔分享這個故事。然後提問︰故事中喜愛可可冰的女孩介紹了物質從液態轉變為固態的過程，但是，牛奶約在攝氏零下2.8度左右凝固，然而，冰塊只能將溫度降至攝氏0度。想一想，該怎麼做？ 3. 進行活動一︰製作可可冰 (1)發下巧克力牛奶，讓學生用五官來觀察。 (2)將巧克力牛奶倒入小夾鏈袋中約八分滿並密封。 (3)請學生觀察此混合物的特性，如：液態的、冰冷的、塊狀的、會流動……等。 (4)在紙碗中先倒入少許冰塊並加一些鹽，將剛剛裝有巧克力牛奶的小夾鏈袋放入紙碗中，再用冰塊填滿紙碗並加入鹽，將紙碗蓋蓋上。 (5)學生輕輕搖動紙碗5分鐘。 (6)當學生發現小夾鏈袋的混合物從液體轉變為固體後，即可取出小夾鏈袋享用可可冰。 (7)請學生觀察可可冰的特性，如：固體的、甜甜的、冰冰的。 (8)老師在黑板上以表格整理出巧克力牛奶「結冰前」和「結冰後」的異同。 ★教學小技巧 要讓巧克力牛奶結冰的完美比例是冰塊和鹽的比例為3：1，便利商店所賣的冰塊一包600克，所以準備約200克的鹽，實驗較易成功。根據碗的大小，冰塊和鹽不一定要一次倒完，因為冰塊會融化，但是巧克力牛奶可能還沒結凍，所以可以留下一點冰塊和鹽，將冰塊融化的水倒掉後再加入鹽和冰塊。另外，此時碗內溫度降至零下10度左右，可以準備棉布手套讓學生使用，並提醒學生注意以免凍傷。 4.進行活動二︰製作保冰盒 (1)詢問學生注意書中的人使用了什麼方式來隔絕冰塊（雙層倉庫、木屑和乾草），和學生討論會影響融化的條件。 (2)教師拿出一塊冰塊，說明如果沒有保護措施，冰塊很快便會融化。 (3)提供各種絕緣材料，如塑膠、鋁箔、紙屑和棉花球。讓學生試著設計一個可以「保冰」的盒子，以便讓冰塊可以維持較長的時間不溶化。 (4)讓學生討論可行的設計方式，並在紀錄表上畫出設計草圖。 (5)發下一塊冰塊，讓學生根據草圖完成保冰盒，一段時間後，打開保冰盒，比較盒中的冰塊和老師燒杯中沒受到保護的冰塊之溶化情形。 ★教學小技巧 從活動一的實驗中，學生會發覺冰塊加鹽會讓溫度降低，所以也可以提供鹽讓學生選擇要不要拿來保冰，但是其實冰塊碰到鹽會吸熱融化，老師在之後的歸納整理時可以加以釐清。此實驗的變因很多，例如︰加入糖的保冰效果或是不同容量的夾鏈袋，甚至相同材料不同方式，所得到的結果都不同，可以當作日後進一步探究的題材。 5.可可冰繪本結合社會領域 近年來，透過媒體的報導，人們才發現甜美香醇的巧克力，其實是用童工的血汗換來，光是在西非的象牙海岸，就有10多萬名童工每天辛苦採收可可豆，國際社會曾經簽署協議，要求巧克力業者停止使用童工，但10年過去，童工被剝削的情況仍未改善(民視，2012年1月18日)。另外，現在的我們，對於各種巧克力或巧克力製品再熟悉不過了，但是許多種植可可豆的農民，他們卻根本不知道可可豆是用來製作巧克力的原材料，甚至認為可可豆是歐洲人用來釀酒的，很多人一輩子都沒有吃過巧克力！如同繪本中所呈現的，聖多明哥島的可可冰是白色的，是用可可果漿做成的。 (1) 進行遊戲《我們這一家》，學生組成一個個家庭，每個家庭都有工作，由公司發薪水 (2) 每個家庭都有任務，須按照指示內容工作，最後獲得最多食物的家庭獲勝 (3) 學生找出遊戲中不合理的地方－為什麼小孩不用工作啊？ (4) 老師詢問「小孩的任務是什麼?」－介紹世界兒童宣言 (5) 觀賞影片《全球化下的工民教育_血汗巧克力》(https://www.youtube.com/watch?v=Yo8lrRD4vNo，有中文字幕) (6) 使用iPAD搜尋資料並分組討論如何消除童工，讓小孩回到學校 (7) 分組上台報告 ★教學小技巧 開始的遊戲時間分為工作時間、發薪時間、進食時間及天神命運時間，如果進食時間沒有食物，就必須退出遊戲。各組會分配至不同的國家(如象牙海岸、孟加拉等)並搜尋該國家相關資料，最後各組提出立場書，說明如何讓小孩回到學校。 從以上的教學活動中，我們運用了閱讀來讓學生理解繪本的故事內容，甚或可以運用閱讀課來讓學生有更充分的閱讀理解策略學習﹔在自然領域，進行兩個自然實驗來知道以前的人所具有的科學知識，而「可可冰」只有凝固的實驗，如果老師想要一次教完水的三態變化，可以用繪本「溫布莉的冰淇淋星」教融化，繪本「水窪哪去了」教蒸發，就能整合三年級和六年級的概念﹔另外也透過分組討論，讓學生關注社會議題，並會使用科技產品來搜尋資料。可見，一本繪本就能做到跨域學習，讓孩子具備橫跨不同領域的「跨界力」。 參考資料 教案參考來源︰ Cocoa Ice by Diana Appelbaum （Orchard Books，1997） 用繪本教兒童科學：Ann Flagg、Teri Ory 譯者：劉淑雯、朱凱鈺、黃雅玲、歐蓓縈（華騰文化， 2013） 影片來源︰ 全球化下的工民教育_血汗巧克力(中文字幕) 童工教案來源： 臺北市文化國小國際文化教學團隊 劉淑雯 臺北市立大學師資培育中心助理教授 洪文徽 臺北市北投區文化國民小學教師

閱讀《禮記·月令》設計Reading-STEAM教學活動 --以「仲春之月雷乃發聲始電蟄蟲咸動啟戶始出」為例

文/古建國 前言 108課綱已經開始實施，有別之前課程特色之一就是提升領域教師跨領域統整能力，尤其要讓第一線沒有受過跨領域老師提升學生的跨領域統整能力，進而激發學生創新與創意？這需要各階段老師共同努力。 根據目前世界各國課程變革，提升創新與創意動力來自於提高學生對科學的興趣和好奇心，透過科技元素與藝術的設計，讓不同性向學生都有機會參與科學學習，完成教師所設計的主題式教學。另外透過連結生活現象和科學本質的關係，以培養科學能力與態度，在科學活動中藉由發展學生的科學探究能力，可以幫助學生理解自然科學、科技與技術、社會的相互關係，增強學生對自然科學探索能力，並促進學生形成正確的科學價值觀。 要如何提升跨領域學習呢首先養成樂於閱讀態度，運用閱讀文本的思考與理解，尋找解決問題核心並連結所知或需要探究的知識力；利用所持續激發學習的科技能力及科技設計；應用科技知識與產品使用的技能與美學設計，以解決問題或完成任務，這就是我們為什麼要透過閱讀與藝術走入STEM(S-科學、T-科技、E-工程與M-數學)教育原因。因為STEAM(A-藝術)教育具有跨學科、趣味性、設計性和藝術性等（余勝泉、胡翔，2015），跨領域意味學習不再強調某個特定學科界限，而是將相關領域內容整合在一個主題之下。STEAM強調讓學生在學習中獲得快樂與得到學習的成就感。有的項目還把STEAM教育內容遊戲化，例如，芬蘭大學和美國北伊利諾伊大學合作成立了Finnish-US，在K-16階段開展基於遊戲的STEM教育。 蔡蕙文（2007）的《STEM教學模式應用於國中自然與生活科技領域教學之研究》，發現STEM教學模式有助提升國中生在學習科學、科技、工程與數學的整合知識與概念；蕭建華和張俊彥（2012）發現學生STEM之學習態度與學習成效呈顯著正相關。 林怡廷（2015）以國小學生為對象，從成語故事出發，鼓勵學生從閱讀故事中探討科學、科技與數學等意涵，透過小組討論設計相關工具或成品，並以動手實作進行驗證，發現學生態度學習有正向的提升。 綜合上述文獻討論，本文嘗試從閱讀出發，探究文章科學意涵，延伸到科技領域學習、工具設計與美學探究，再以數學進行分析或演算，完成主題學習，稱為「reading-STEAM」。 設計Reading-STEAM教學活動 從「仲春之月，雷乃發聲，始電；蟄蟲咸動，啟戶始出」出發，與學生討論中國文字雷與電由來，因為自古以來，人們對雷與閃電了解電的概念，再延伸到現代科學觀，引導學生探究電學相關基本概念，探討導體與非導體概念。另外讀生物概念，談生物的仿生學，以設計與製作蠕動。工程方面著重在設計與製作不同具創意的文創作品設計與分享所製作具創意的文創作品。其各領域教學內容與STEAM連結對照表，見表1。 表1. 各領域教學內容與Reading-STEAM連結對照表 教學歷程與學生作品 一、 發現議題 表1中語文閱讀(Reading) 教學內容的討論議題可如下: 1. 中國自古以來認為電是如何產生的? 2. 電分為正電與負電，簡述電是如何發現與命名的? 3. 從現在科學觀，電是如何產生的(正電與負電)? 4. 蠋是指現在那一種生物? 5. 蠋如何運動? 二、實驗設計與操作 1. 任務 以Squishy Circuits Lite Kit 黏土製作不同藝術品，彼此接觸並以LED燈相連，可使LED燈及發亮。 以Littlebits設計與製作蠋及其運動方式裝置，並運用Makey Makey板讓運動中的蠋有音樂相伴。 圖 1. Makey Makey版 2. 材料:(每一組) (1) Squishy Circuits (2) LED燈:一個 (3) 電池組:一組 (4) 鱷魚夾:兩條 (5) Littlebits:一個或ARDUINO 版 三、實驗探究 1. 探究導體與非導體 那些物件(或水果)可使LED燈及發亮？ 圖2. 導電黏土與電路連接 2. 延伸探究--Makey Makey 版登場 將實驗已經探究得知的導電物件，分別以鱷魚夾連接Makey Makey 版不同接點(up、down、left、right、space與earth)。Makey Makey透過USB開啟Scratch 連接已下載樂器並彈奏音樂。 3. 觀察製作蠋的蠕動方式，調整兩片紙板夾角，探究運動方式有何改變。Servo程式可下載自 https://www.arduino.cc/en/Reference/Servo。 圖3. Makey Makey版與Scratch 整合 圖4. Arduino 版與Servo 整合 四、分享 學生分享成品與學習心得，如圖5。 圖5. 學生作品分享 實施經驗與結論 實際教學發現學生對於科學課程，從古文開始感到新鮮，尤其加入英文翻譯，感覺好像在上語文課程。 之後利用導電黏土進行藝術品創作，剛開始覺得玩黏土很簡單，但加入電路連接之後，發覺串聯與並聯問題要融入藝術品，是需要不斷嘗試才能有很好結果呈現。 以Makey Makey 版導入樂器製作與造型設計，還需要寫程式，感到好奇與有趣。尤其這些挑戰需要小組分工合作：有人要有程式概念；有人要有科學概念，特別是電路概念；有人要有藝術設計能力，才能有令人吃驚作品出現；有人數學概念要強一點，因為對稱與速度計算融入在作品間。 由學生反應可以看出Reading-STEAM課程具有合作學習、趣味性與問題解決學習，特別這種探究實作體驗，能啟發學生的主動學習的能力。 在108課綱規劃中，教師必須著重跨領域學習，一學期若有一個主題讓不同老師共同規劃出一個跨領域課程，將有助於強化學生統整能力。期許本文所分享在科普活動設計與教學的經驗可拋磚引玉，讓更多老師一起開發STEAM 課程，培養更多未來具有STEAM人才。 參考資料 余勝泉、胡翔(2015) 2015。 基於 INTERNET 的教學模式。開放教育研究， 4, 13-22. 蔡蕙文 (2007)。STEM 教學模式應用於國中自然與生活科技領域教學之研究(未出版之碩士論文)。國立屏東科技大學，屏東縣。 蕭建華、張俊彥（2012）。介入自我效能對不同性別學生「自我學習評估」與「學習成效」之影響-以高一地球科學為例。科學教育月刊，352，28-34。 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(未出版之碩士論文)。臺北市立大學，臺北市。 古建國 臺北市立大學應用物理暨化學系教授

歷史上的臺灣龍捲風

文/黃文亭 前言 每年春夏季節時，臺灣偶爾會看到龍捲風的新聞，去（2019）年夏天南部連續幾天發生龍捲風，其中7月1日出現在屏東林邊及南州的龍捲風就被民眾錄影記錄，影片中鐵皮屋頂被強風颳得一片狼藉，路上也被吹得雜物凌亂、機車傾倒等，令人不禁驚嘆大自然威力的可怕。 由於龍捲風生命期短，行經的範圍有限，不容易被觀測，更不容易被記錄；早期多是透過民眾的回報、媒體的報導或勘災紀錄方能確認。近年來由於氣象雷達站的設置和手機等行動裝置普及，大家得以即時拍攝龍捲風或漏斗狀雲系，讓龍捲風的紀錄更加完整。 臺灣龍捲風的歷史紀錄 一、清光緒時期 臺灣最早的龍捲風紀錄可追溯至何時呢？從中央研究院臺灣史研究所臺灣文獻叢刊資料庫內，連橫的《雅堂文集》卷三曾提到一則光緒3年（1877年）農曆6月3日發生在臺南的龍捲風故事如下: 光緒三年六月初三過午，有旋風起自安平，由南勢街越城入，向北呼嘯而過，當城內人們抬頭望只風行極速，閃爍如銀像龍。旋風過處，屋瓦盡撤。當時鎮渡頭之古榕，被拔數十丈外。而演武亭屋蓋，也在飛舞空中。時喜樹莊人某漁於海，為風所捲，人筏俱去。眾以為死矣，其家設靈，朝夕奠。越十餘日，某忽歸。眾來問訊。某言，被風時昏迷不知，及醒，則已在山中，古木甚茂，唯聞鳥聲。已而腹饑，覓路行，見炊煙，喜就之，是番人屋。男婦數人聚語戶外，亦不諗其為野番否。向之乞食。番能漢語，問何事至此。具告之。番驚愕，謂此為阿里山，距府城二百餘里。留宿其家，款待備至。又數日，炊乾芋，充糗糧，送之出，故得無恙。 內容寫著旋風（即龍捲風）自臺南安平來襲，當時喜樹庄（今臺南喜樹地區）有漁夫正在竹筏上捕魚，突起的旋風將人帶竹筏捲走，幾天無音訊，卻在親人為其設靈堂後十幾天回到家，原來他被風捲到阿里山，竟然還能活命，且在阿里山原住民的協助下帶著食糧回到府城（陳彥傑、陳秀琍、王子碩，2019）。以現代眼光來看，這個紀錄的真實性略嫌不足，倒像是東方版的綠野仙蹤！ 另外，在《清季申報臺灣紀事輯錄》輯錄（七）亦提到一則光緒4年（1878年）4月21日的龍捲風如下： 刻接臺灣郵來信息云：四月二十一日晚七點鐘，臺灣府城猝遇旋風；所過處所，如昆陽巨戰，屋瓦皆飛。蓋由數日前大雨如注，通宵不輟，水潦漲發，街道成溪；故風息後，莫得而查其實在情形也。初傳斃命者約百餘人，受傷者莫悉其數；後又傳死者數百人。而西人謂風災不甚鉅，意死於是役者或僅二十人耳；然城中屋宇櫛比，居民甚眾，究難稽其實數也。風過之後，雨亦頓止，海面亦頗覺浪靜瀾安。溯其肇禍之初，在五點鐘後，即陰霾四布，日色無光；有黑雲由北而起，風勢隨之，揚沙飛石，令人畏怖。後轉而西，若向城垣繞之數匝；風聲起處，雲氣夭矯如龍，究不知中有何物也！幸為時未久，即捲向東方而去。 因為旋風發生的地點在府城，人口與房屋密集，造成重大損失。一開始資訊不清楚，因而誤傳有上百人死亡，後來有外國人前往查看與統計死亡人數大概二十人；其實災情也是相當慘重，卻未在文獻上見到官方的統計數據。值得注意的是由記載中看旋風的走向，是從北邊來、先往西移動，再轉向東邊去，與常見由海面向內地往東移的路徑不盡相同（陳彥傑等，2019）。 後段紀錄則是： 該處屋宇非甚堅固者，窗櫺、門戶均被毀壞，屋中物亦多撤回別處；間有牆壁鞏固者，亦岌岌欲圯。什物之為風吹去者，或十餘丈、或數十丈不等；頃刻之間，不知何往：亦一異也。至二十二日上午八點鐘，有西人往災區查閱，見城垣瓦面多為風毀，經風處隱約有指爪痕跡；其掃為平地者，亦復不少。道署衙門業已損壞，有一古廟亦片瓦無存。所知者斃命十人，受傷則觸目皆是－－然俱傷頭面、手足者居多。西人舖屋，惟「未士鐵」公司被毀帳幕及一小房間。又有一公司傾跌墻壁，椅桌均被壓碎矣。現時臺屬瓦價甚昂，由四圓至十二圓不等；蓋因修葺屋宇者眾也。二十三日，仍復陰雨連緜；貿易場中甚為冷淡，惟賣磚瓦者則其門如市也。 由於旋風在城內環繞造成嚴重的災情，除民宅損毀，署衙門也有損壞，有一古廟亦片瓦無存，外國舖屋「未士鐵」公司被毀帳幕及一小房間，另有街屋牆壁傾跌，椅桌均被壓碎。當時受傷者以頭面手足者居多。最後特別提到當時臺灣的商市不振，但唯獨因為此旋風造成磚瓦價騰貴，因為趕著修屋的民眾多，所以造成賣磚瓦者則其門若市（陳彥傑等，2019）。 二、日治時期 至於臺灣最早的龍捲風勘查紀錄，要算是明治37年（1904年）7月18日發生在臺南灣裡街（今臺南善化地區）的旋風事件了。龍捲風發生的前幾天，颱風剛從臺灣北部海面通過（圖1），颱風接近臺灣時（13~14日）各地降雨並不多，但15日颱風進入福州附近後，臺灣中南部降雨明顯增大；17日臺南、18日臺中和澎湖的日累積雨量都超過200毫米(mm)，已達豪雨等級，19日之後中南部的降雨才逐漸緩和（圖2）。由14〜18日的天氣圖和臺南測候所的觀測紀錄，顯示當時臺灣附近均盛行偏南風（圖3），相對溼度都在90%以上，推測颱風過後，臺灣仍受大範圍暖濕南風影響，天氣極不穩定，而誘發此次龍捲風的產生。 圖1.明治37年（1904年）7月颱風路徑圖(資料來源：中央氣象局） 圖2.明治37年（1904年）7月12〜20日各地日雨量(單位：毫米)（資料來源：中央氣象局） 圖3.明治37年（1904年）7月18日的天氣圖（資料來源：中央氣象局） 這次龍捲風發生後，時任臺南測候所的遠藤外與吉所長由支廳長等陪同，特別於7月20~21日前往灣裡街調查，並上呈災害報告（圖4）。報告內容提及：當日共發生2起龍捲風，第1起龍捲風發生於18日18時，由安平港外海半里處，移進陸地後，轉向東北越過曾文溪，到六甲後消失，較猛烈、損害也比較嚴重，造成的損害包括6、70間房屋全毀，20間半毀，其傾倒方向多為西南往東北方向，與龍捲風行進方向一致。第2起龍捲風發生於18日21時，在新宅庄附近，與第1起方向大致一樣，消失在曾文溪附近，受損較輕微。2起龍捲風總共造成5人死亡、80人輕重傷、房屋毀損200餘間（黃文亭，2017）。報告最後附有兩次龍捲風的路徑圖（圖5），這份勘災報告的完整程度令人佩服。 圖4.明治37年（1904年）龍捲風調查報告部分內容（資料來源：國史館臺灣文獻館） 圖5.明治37年（1904年）龍捲風路徑圖（資料來源：國史館臺灣文獻館） 當時《臺灣日日新報》對此旋風連續追蹤報導長達一星期，共有數十篇的專文，除了旋風災害的形容與損害統計外，還特別企劃了對大眾防災知識的宣導，為此還特別訪問臺北測候所所長，並在報紙中教導民眾避難方式。如：「地上的建築物，雖堅如鐡箱，但不足保命。」「若旋風進行北東就要避在北西。」「若在草原遇到旋風要判定風吹的方向，選擇直角方向躱避。」「躱屋內危險，若有地窖躱到地窖較為安全。」並特別強調旋風威力強大，就是城牆也難敵等等。透過報紙宣導，讓民眾對旋風有防範的知識（圖6）（陳彥傑等，2019）。 圖6. 明治37年（1904年）7月23日臺灣日日新報中宣導旋風避難方法（資料來源：臺灣日日新報） 三、光復之後 戰後1950年代，臺灣省氣象所（今中央氣象局）仍持續進行龍捲風的調查報告，並收錄在當年度的颱風報告中。其中民國40年（1951年）發生在南部的龍捲風被記錄得相當完整，報告中提及5月14日下午5時10分左右，在左營西南方海面黑雲密布，有半徑約80公尺的巨大水柱上衝天空，頂端有如菌菰狀，不久移向海岸邊，豪雨傾盆、雷電頻發、風勢猛烈，港口信號臺首當其衝，海軍倉庫磚牆也被吹倒，士兵學校正在上課，課室全部倒塌、死傷數10人之多（圖7）。但近在咫尺的海軍辦公室及另一木板小屋並未受損，可見龍捲風之範圍極小，進行之路有似蛇行跳躍的情形。 圖7. 民國40年（1951年）5月14日龍捲風災情照片（資料來源：中央氣象局《1951年龍捲風調查報告》） 當天下午6時35分左右，又有龍捲風由高雄楠梓轉入屏東萬丹後進入西勢，經西勢後向北西勢進入瑪家後消失，造成民房30多戶毀損、且壓死1名2歲幼童，萬丹中學校舍損壞、農田甘蔗倒毀。報告中強調無法確定發生在屏東的龍捲風是由左營轉道而來，或是另外生成的龍捲風。當天晚上7時30分，龍捲風又在臺南出現，報告指出臺南臺糖試驗所西南方忽有黑雲如柱，半徑約60公尺，當地樹木被折、蔗田損壞，破壞相當強烈，但3~5分鐘後風力減弱、大氣恢復正常。雖然時間不長，但臺糖試驗所的辦公廳舍門窗嚴重受損，四座溫室的玻璃門窗有一半破損，飛機場附近的蔗田多被吹折，而且有一架飛機被掀起空中後又落地。這次的龍捲風在高雄、屏東、臺南，都造成嚴重的災情，尤其是左營的災情最為慘重。當時龍捲風的最大風速雖然沒有被記錄，但報告中提到依現場被破壞的程度研判，最大風速應在100公尺/秒以上。 另，民國66年(1977年)7月25日上午由高雄港登陸的賽洛瑪颱風(圖8)曾為南臺灣帶來慘重的災情。賽洛瑪颱風登陸那一刻，位於高雄市前鎮區的高雄氣象站測得瞬間最大風速為每秒達53公尺（16級風）；而位於壽山的高雄氣象雷達站之瞬間最大風速每秒達60公尺以上（已超出當年儀器可記錄的範圍--「破表了」，而無法真正的記錄確實之數據），真是史無前例。 圖8. 賽洛瑪颱風路徑圖（資料來源：中央氣象局） 由於風力太強勁，高雄港區內的八部橋式貨櫃起重機全被吹毀(圖9)；位於高屏地區的臺灣電力公司之輸配電鐵塔也部份倒塌(圖10)，以致由高雄向北輸送電力的通道全部中斷（據臺電公司事後的估計，電力設備及設施的損失金額就高達100億元以上）。 圖9. 高雄港八部橋式貨櫃起重機完全被賽洛瑪颱風所吹毀（資料來源：陳正改，2013） 圖10. 南臺灣的電力系統遭受賽洛瑪颱風的吹襲而嚴重受損（資料來源：陳正改，2013） 當賽洛瑪颱風侵襲高屏地區時，由於風力強勁並有旋轉及向上吸引之特性，於是民眾及新聞媒體均認為是龍捲風。 颱風過後，氣象局立即派員前往災區訪問及調查；當時行政院李國鼎政務委員也相當關心並囑咐臺灣省政府林務局航空測量隊，於7月30日及8月4日分別派飛機到高屏地區執行航測，並將所拍攝的照片提供給氣象局及臺大專業人員分析研判。 氣象局徐寶箴簡任技正根據所搜集的資料（颱風登陸時，低層有暖濕的空氣，高層又有乾空氣侵入，整個大氣層呈現對流性極不穩定狀態；且當時，風力強勁並有旋轉及向上吸引之特徵）予以綜合研判，獲得：「賽洛瑪颱風侵襲臺灣時可能伴有龍捲風」之結論。這也就是賽洛瑪颱風侵臺時，導致高屏地區出現重大災情的主因。 結語 現代房屋多屬鋼筋水泥，抵禦龍捲風的能力增強了，龍捲風造成的災情也不若數十年前嚴重，因此像這樣的官方龍捲風調查報告早已不復見；反倒是因為手機等行動裝置普及，民眾拍攝龍捲風的照片或影片，讓龍捲風的出現得以被記錄下來。不過，龍捲風威力不容輕忽，如果真的遇到龍捲風，在記錄難得的大自然現象之前，一定要先確保自身的安全。 參考文獻 中央氣象局（1951）：龍捲風調查報告（1951），臺灣省氣象所。 中央氣象局(1977)：賽洛瑪颱風調查報告，中央氣象局出版。 中央氣象局(2019)：歷史颱風資料檔，中央氣象局全球資訊網。 中央研究院臺灣史研究所：臺灣文獻叢刊資料庫。 陳正改(2013)：我國近一甲子以來重大天然災害案例之回顧及探討（1951~2010年），第一篇：危機就是轉機！（1951~1980年），中華防災學刊第五卷第1期，5~19頁，中華防災學會印行。 陳彥傑、陳秀琍、王子碩（2019）：歷史極端氣象事件之文史資料跨 域研究（1/2），中央氣象局委託研究計畫成果報告（報告編號：MOTC-CWB-108-M-07）。 黃文亭（2017）：臺南極端觀測事件之相關資料彙整，中央氣象局自行研究計畫（報告編號：CWB106_1A-15）。 國史館臺灣文獻館 資料來源 1.聖嬰及反聖嬰現象發生年度 維基百科:聖嬰現象 維基百科:反聖嬰現象 2.漁獲量: 2008-2017年臺灣地區近海漁業漁獲量 行政院農委會漁業署網站:漁業統計年報 3.漁船數量: 2008-2017年動力漁船船隻艘數及噸數。 行政院農委會漁業署網站:漁業統計年報 4.海溫: 2008年01月-2017年12月台灣地區所有觀測點之月平均海溫，共42個觀測點資料 中央氣象局-氣象開放資料平臺網站:海溫統計-臺灣海域各地海溫觀測月統計 黃文亭 中央氣象局臺灣南區氣象中心技正

森棚教官數學題—交換糖果

文/游森棚 小怡有兩堆糖果放在左右兩盤,，左盤有四個,，右盤有五個。每一次她都從偶數堆的糖果拿一半放到奇數堆去.，然後反覆動作。她發現經過三次動作後可以變成左邊五個，右邊四個，如下： (4, 5) ! (2, 7) ! (1, 8) ! (5, 4) 但是她也發現如果左盤兩個右盤五個，再怎麼換也不會變成左五右二。 (2, 5) ! (1, 6) ! (4, 3) ! (2, 5) ! …… 1. 如果一開始左盤15個，右盤16個，有沒有可能變成左盤16個，右盤15個？ 2. 一開始左盤a個，右盤b個，什麼樣的(a, b)可以經由若干次操作後變成(b, a)？ 游森棚 國立臺灣師範大學數學系教授

Kiss Science— 科學開門 青春不悶

文/洪美慧 自蒸汽機的發明驅動第一次工業革命迄今，短短兩百多年的歷史進程中，機械、電力、電腦逐次改變全球產業結構，顛覆人類生活模式，翻轉力道史無前例。而今，以人工智慧為核心的新興科技正席捲全球，更揭櫫第4次工業革命的到來，其速度和力道，尤甚以往，「不是大魚吃小魚，而是快魚吃慢魚」的快魚法則(Fast Fish Law)正呼應當前的白熱化競逐節奏。 與科學一吻定情 在分秒必爭的全球激爭競逐中，以人才奠基、運用創意思維促進經濟發展與產業創新，是維持國力歷久不墜的關鍵要素。臺灣天然資源缺乏，高階科研人才的「腦礦」更顯彌足珍貴。青年學子蘊含豐沛的創意能量，扭轉未來的力道相對強勁，若能吸引更多年輕人將來以科學研究為志業，學界才能生生不息，持續注入源源不絕的動能。 為了讓青年學子透過不同視角貼近科學，並汲取不同領域的科普知識，進而由科學家的研究歷程及成果獲得啟迪，激發創新思維，科技部在2019年與受補助機構及科研法人攜手合作，以「Open House Day」的企劃概念，舉辦「Kiss Science—科學開門，青春不悶」活動，大規模向外界開放分布於全臺各地的54個科研場域，不僅為國內創舉，在國外亦不多見。 全部高達200場次的活動主要針對學生族群設計，型態相當多元，包含場域定時導覽、實品展示、影片賞析、科普演講、動手做... ...等，內容包羅陸海空，涵蓋基礎科學、應用科學及前沿科技等領域，地點更遍及北、中、南、東各區。科技部希望透過開放特色研究中心、AI創新研究中心、國家實驗室、大學實驗室以及科學工業園區等場域，引領年輕人踏入平日不易觸及的科研基地，一窺其中堂奧，並近身觀察科研工作者的日常，深化對科學的理解，進而和科學「一吻定情」。 用青春舞動科學 洋溢青春氣息的熱舞具有強烈感染力，為了激發學生共鳴，鼓勵他們踴躍參與這次活動，科技部首開先例，邀請高中熱舞社團以舞蹈詮釋大屯火山觀測站、新竹科學園區探索館、南科AI_ROBOT自造基地、國家實驗研究院國家太空中心、勵進研究船等科研場域的特色及內涵，並攝製宣傳短片，透過新媒體及捷運月臺電視推播。 擔綱演出的高中生來自全國北中南各區9所高中職，他們充滿熱力的舞姿和節奏感，讓宣傳片在YouTube推出後，短短1個月內即獲超過40,000次的點閱數，迴響熱烈。過去科技部科普活動的宣傳方式主要以靜態圖文或多媒體剪輯影片為主，此次鎖定受眾，融入熱舞的媒宣手法，算是相當成功的嘗試。 929，科學陪我天長地久 活動在9月29日正式登場，全臺超過50扇科學大門同步開啟，共吸引近6,000人參加。科技部特別在臺大鄭江樓舉辦啟動典禮，安排高中生以兩段熱舞揭開序幕，陳良基部長一身輕裝，隨著學生的迎接舞姿上臺致詞，在大家齊聲高喊：「929，科學陪我天長地久」的同時，他也期許未來能有更多科研場域開啟科學大門，除了激發更多人親近科學、喜愛科學，也希望藉此推升他們的視野和創造力。 透過啟動典禮現場大型電視播放的畫面，可看到精采活動實況，例如臺灣體育大學「Open House, Close to Sport Science」活動，讓學生化身職棒球員接受測試，領略如何以科技增進球員運動表現；成功大學「3D列印，磁性玩轉」引領參加者了解各種電與磁之間的原理，並體驗親手做馬達的樂趣；東華大學「AR/VR趣味體驗與應用—虛擬實境探索趣」讓民眾透過擴增實境APP，與諾亞方舟3D動物趣味合影，一窺相關技術在生活的應用。 點燃瞬間，翻轉起點 賈伯斯(Steve Jobs)在史丹佛大學畢業典禮演講時曾說：「你無法預先把點點滴滴串連起來，只有在未來回顧時，你才會明白那些點點滴滴是如何串在一起。」許多推力發生的瞬間，可能就是改變未來的起點。「Kiss Science—科學開門，青春不悶」希望能成為這個神奇的推力，除了開啟科學的大門，也能開啟年輕學子對科學的好奇心，讓他們在天不怕、地不怕的年紀，大膽埋下宏偉的科學夢，並以嚴謹求真的精神構築夢想。多年後，若有傑出的科學家還會想起這個讓自己和科學一吻定情的活動，工作團隊所付出的心力也會變得格外有意義。 這次活動讓Open House的呈現方式向前邁開一步，也讓科學與年輕族群的距離又縮短一步。展望未來，科技部也企盼能有更多科研機構共襄盛舉，用無比的熱力點燃青春科學魂，燃亮下一個新時代。 圖1.對於喜愛且想貼親近的事物，人們總有親吻的想望，活動主標的構思即源自於kiss的意涵，希望讓青年學子和科學一吻定情 圖2. Open Hose活動在國內外雖行之有年，但少有同一天在超過50個不同地點舉辦者。宣傳海報所列每個科研場域名稱前都標註活動簡介QR code，方便民眾即時瀏覽相關資訊 圖3. 臺大次震宇宙館是一座融入古今宇宙觀的優美建物，曾入圍2018年｢世界建築節」，是本次活動相當熱門的參觀場域。走入挑高38米的觀月中庭，在鏤刻「宇之表無極，宙之端無窮」的宇宙筒天井，佇立著張衡、伽利略、牛頓、愛因斯坦4位哲人；地下1樓的時空探索微館則展示天文物理相關圖片和儀器設施，現場並安排志工導覽 圖4. 科技部陳良基部長一身輕裝，和青春洋溢的熱舞學生共同為「Kiss Science—科學開門，青春不悶」活動揭開序幕 圖5. 科技部陳良基部長和高中生一起參觀「臺大前瞻綠色材料高值化研究中心」，了解如何運用巧思及高科技，降低廢棄物對環境的污染 圖6. 國家實驗研究院「醫龍前線—實驗動物設施探索」以蔬果作為練習素材，讓參加者模擬外科手術醫生，學習基礎手術縫合操作。 圖片來源 國家實驗研究院國家實驗動物中心 黃苡瑋 洪美慧 科技部科教發展及國際合作司專員

自然科學探究式網路競賽實例分享

文/黃真瑱 李伃芳 李奕賢 一堂有趣的地球科學課帶來一個好奇心；一個好奇心帶來一連串的探究過程。 幾年來，一直等待可以參加自然科學探究式網路競賽的年齡門檻，今(2019)年在國立台灣科學教育館蘇萬生博士和台灣師大附中物理老師李柏翰博士的鼓勵下，進行這次的自然科學探究式網路競賽。透過為期將近兩個月的探究式網路競賽學習下，我們對於小專題研究過程的步驟有了深入的了解。在過程中，透過氣象專家諮詢給予的建議，凝聚了研究主題的方向，設定了研究的問題，蒐集氣象及跨域大數據資料，研讀科普知識，學習設計統整表格，解讀分析研究結果的資料。對於國中小學生學習專題研究的入門，有很實際的幫助。本文介紹聖嬰與反聖嬰現象與台灣地區海溫及近海漁獲量之關聯性。 初階研究 一、研究題目 聖嬰與反聖嬰現象與台灣地區海溫及近海漁獲量之關聯性。 二、研究動機 (一) 隊員1 我知道南方振盪就是指東西太平洋的氣壓像翹翹板一樣變化，因此，我好奇東西太平洋的漁獲量是否也像翹翹板一樣變化。 (二) 隊員2 地科課中，老師提到聖嬰現象發生時，位在東太平洋的秘魯漁獲量會減少，我想知道位在西太平洋的台灣，漁獲量是否也受到聖嬰現象的影響。 三、預測結果 (一) 隊員1 聖嬰現象發生時，台灣的漁獲量會增多。 (二) 隊員2 聖嬰現象發生時，赤道東風會減弱，因為東風而產生的北太平洋赤道洋流也會減弱，黑潮受此影響亦減弱，導致漁獲量減少。反聖嬰現象發生時，則漁獲量增多。 四、資料整理--台灣地區 五、結果分析 (一) 聖嬰和反聖嬰現象與台灣地區整體海溫及近海漁獲量之間無明顯關聯性 我們發現台灣地區整體近海漁獲量、漁船艘數單位漁獲量及漁船噸數單位漁獲量與台灣地區所有觀測點平均海溫、台灣地區部份觀測點平均海溫(扣除年平均海溫資料3年以上無紀錄之觀測點)及台灣地區浮標觀測點平均海溫兩兩之間之相關係數(|r| (二) 可能原因分析 可能為許多影響漁獲量之變因尚未去除，例如：捕撈方式的改變、漁業政策的限制……等。再者，可能並非全臺灣地區的海溫及漁獲量都會受到聖嬰現象和反聖嬰現象之影響，臺灣近海洋流除黑潮外，亦有南海海流及中國沿岸流的影響。 進階研究 當我們探求台灣整體平均海溫與近海漁獲量和聖嬰年反聖嬰年並無顯著關聯時，我們考量東太平洋的北赤道洋流由東向西流，碰到菲律賓呂宋島後，分成台灣東岸的黑潮主流和西岸的黑潮支流，向北移動，因此，我們又選定距離黑潮主流最近的台東縣，進行細部分析。 接著，我們發現台東縣並無遠洋漁業，且其漁業捕撈方式較單純，近8-9成的漁獲量來源均為「鮪延繩釣」，因此選定台東縣鮪延繩釣漁獲量與平均海溫作為第二階段研究對象。 一、資料整理--台東縣 圖1.台東縣漁船艘數單位漁獲量與平均海溫標準化折線圖 二、結果分析--台東縣 (一) 聖嬰和反聖嬰現象與台東縣海溫及鮪延繩釣漁獲量之間有顯著關聯性 台東縣鮪延繩釣漁船艘數單位漁獲量、漁船噸數單位漁獲量與台東縣觀測點平均海溫兩兩之間之相關係數分別為-0.7509及-0.7163顯示兩者之間有高度負相關。聖嬰年台東縣近海海域之平均海溫上升，鮪延繩釣單位漁獲量減少；而反聖嬰年則台東縣近海海域之平均海溫下降，鮪延繩釣單位漁獲量增加；正常年度(無聖嬰及反聖嬰年)則平均海溫及單位漁獲量均居中。 (二) 2017年台東縣平均海溫偏高之原因分析 我們發現2017年雖為反聖嬰發生年，但年平均海溫是近10年最高的，而單位漁獲量卻是最低的，可能原因如下：2014-2016年為強聖嬰現象，2017年底-2018年初為弱反聖嬰現象，因此2017年的年平均海溫可能是受到2014-2016年強聖嬰現象影響所致，再者，全球暖化導致全球海水溫度持續上升，亦為原因。 結論 一、聖嬰與反聖嬰現象對於台灣整體平均海溫和近海漁獲量並無顯著關聯 二、聖嬰與反聖嬰現象對於台東縣近海平均海溫及鮪延繩釣漁獲量有相關聯 聖嬰發生年台東縣近海海域之平均海溫上升，因此漁群減少，鮪延繩釣單位漁獲量減少；而反聖嬰發生年則台東縣近海海域之平均海溫下降，漁群增加，因此鮪延繩釣單位漁獲量增加。 從歷年參賽選手與家長給的經驗分享與回饋中，不難看出家長對於孩子參與WRO與FIRST系列機器人活動的認同，在準備與競賽的過程中，孩子對機器人、程式與機械的興趣都有所啟發，這股熱忱促使他們不斷努力、自我突破，最終取得了出國參與世界賽的門票。以下節錄家長及參賽選手的回饋 與心得： 可能的限制及誤差來源 一、漁獲量的多寡與漁船數量的關係 漁獲量的多寡應會直接受到漁船數量變化所影響，所以必須去除這個變因，但漁船艘數的增減又無法完全反應漁獲量的變化，因為若增加一艘5噸的漁船或增加一艘20噸的漁船，二者增加的漁獲量可是不同的。但若使用漁船噸數來反應漁船數量變化的變因也無法完全反應漁獲量的變化，因為若增加一艘5噸的漁船或增加一艘20噸的漁船，二者增加的漁獲量20噸漁船不會是5噸漁船的4倍。故缺少適當的權重比例是我們遇到最大的問題，所以只能分別以漁船艘數及噸數分別計算單位漁獲量。若能取得正確的權重比例，相信台東縣近海漁業鮪延繩釣漁獲量與平均海溫間之相關性會更高。 二、漁獲量會受到外在變因的影響，例如:漁業從業人口數及年齡的變化、捕撈海域的改變、漁船作業時間的長短、漁業政策的改變，都可能會影響漁獲量，無法完全排除這些。 三、過度捕撈、棲地破壞、海洋汙染及溫排水會導致漁業資源枯竭。 四、全球暖化海水溫度持續上升，2016年、2017年、2018年海溫持續創歷史新高， 對漁獲量也會造成重大的影響。 五、部份魚種其生存的水溫範圍較廣，如鯛魚、鱸魚等，因此漁獲量較不會受到平均海溫影響而變動。 建議未來改進的方向 一、捕撈對象為冷水魚種或暖水魚種時，是否會有不同結果？將來再進一步探討時，可考慮將冷水魚種和暖水魚種分開研究。 二、由於漁獲量會受到外在變因的影響，例如：漁業從業人口數及年齡的變化、捕撈海域的改變、漁船作業時間的長短。若可以針對單獨一艘漁船的漁獲量做長期追蹤，就可以排除前述的外在變因，對於研究的結果會更加精確。 三、漁獲量與溫度的相關連結，雖然呈現出相關性，但是本研究又提到黑潮問題，所以要釐清是黑潮帶來漁獲量，或是溫度變化帶來魚群，而溫度與黑潮潮流的連結分析該如何下手，也是值得深思的。 四、未來也可以考慮探討海面養殖(如箱網養殖)與平均海溫的關聯性。亦或再縮小範圍只以特定魚種之漁獲量作為研究對象，例如鮪魚或旗魚，探討其漁獲量與海溫及聖嬰、反聖嬰現象之關聯性。 五、由於此次研究受限於近10年資料較為完整，故只使用2008-2017年的資料，將來可持續蒐集2018年、2019年的相關數據進行探究。 圖2.自然科探究式網路競賽頒獎典禮 圖3. 氣象專家洪景山、陳怡良老師與參賽者李奕賢、李伃芳同學 圖4. 台灣師大附中李柏翰老師、參賽者李奕賢、李伃芳、金華國小黃真瑱老師 圖5. 參賽者李奕賢、李伃芳 資料來源 1.聖嬰及反聖嬰現象發生年度 維基百科:聖嬰現象 維基百科:反聖嬰現象 2.漁獲量: 2008-2017年臺灣地區近海漁業漁獲量 行政院農委會漁業署網站:漁業統計年報 3.漁船數量: 2008-2017年動力漁船船隻艘數及噸數。 行政院農委會漁業署網站:漁業統計年報 4.海溫: 2008年01月-2017年12月台灣地區所有觀測點之月平均海溫，共42個觀測點資料 中央氣象局-氣象開放資料平臺網站:海溫統計-臺灣海域各地海溫觀測月統計 黃真瑱 臺北市金華國民小學教師 李伃芳 臺北市金華國民中學學生 李奕賢 臺北市新生國民小學學生