女孩們一起動手探索科學趣
文/顏慈瑤、陳虹樺、蘇萬生、陳雪玉
圖/顏慈瑤
過往社會大眾保有「男理工、女人文」的刻板印象，這是因為兩性在科學學習能力上存在著「天生」的差異？還是科學本身就對性別產生了差別？在科學和科技領域中的女性比例偏少是因為「不喜歡」讀科學，還是因為社會因素所影響？近年來，國內外各國政府致力落實各年齡層的性別平等措施，讓性別刻板的現象逐漸減少。本文將介紹科教館推動科技部女性科技人才培育計畫，透過入校合作的探究與動手做之課程及參觀科教館「設計我們的世界-科技性別化創新」特展，從國小開始培育更多未來科學及科技領域的小小女性科學家，希望藉此改善科學界女性處於弱勢的現況。
女性科技人才培育計畫的發想
根據World Economic Forum’s Global Gender Gap Report 2020的報告中指出性別均等對經濟和社會繁榮有根本的影響，尤其在科技日漸推展的現今，當政府對科學和科技背景相關人才求賢若渴之際，性別均等就會是其中一個關鍵因素。但從以下幾個國外的案例，我們知道其實許多女性科學家常因性別上的刻板印象而被忽略其本身優秀的科學能力。例如：2018年歐洲核子研究組織(CERN)舉辦了一系列的講座，其中一位來自義大利的物理學家斯特魯米亞(Alessandro Strumia)卻在台上語出驚人，他表示「女性在物理學上的表現不如男性，但像他一樣的男性科學家卻被調職，由經驗不足的女科學家頂替他們的位置，真正受到性別歧視的應該是男性。」這一番話語，引起了軒然大波，讓人們關注到科學和科技界中因性別導致的問題(地球圖輯隊，2018)。
自2019年自黑洞照片被公布後，許多媒體都把焦點放在協助團隊開發演算法的29歲女科學家布曼（Katie Bouman）身上，並推舉她為最大功臣，儘管布曼本人從未居功，一再強調成果來自團隊合作，但卻因為媒體的吹捧，使她受到很多與性別歧視有關的攻擊(陳鈺臻，2019)。另一方面，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僅剩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例統計中，我們可以觀察到中研院有85.7％的院士為男性，14.3％為女性；臺灣大學理工系所教授性別比例更加懸殊，有92.1％為男性，僅7.91％為女性(田孟心，2015)。由此可見不僅僅是在國外，在臺灣的科學和科技界也存在著性別比例失衡的現象。
許多長期關切「性別與科學」議題的學者（蔡麗玲，2004b、2004c）也指出為何我們的科學研習在不經意的時候排擠了女性？為何我們的科學學習環境有著性別偏差？在審視學生的學習歷程以後，發現我們的社會文化和現行的教育體制中，常常會有形或無形地造成與性別有關的意識形態或性別偏見的產生，因而對女性從事科技相關領域造成阻礙。所以如何引發女性對科技的興趣，提升女性科技知識，進而提升女性在科技上的競爭力與機會，成為現今關注的課題。
我國在2007年初，立法院三讀通過參與「消除對婦女一切歧視公約」（CEDAW）的簽署，宣示我國保障婦女權益以及與國際公約接軌之決心。不僅僅是政府的推動，國內的企業與基金會也響應國際上的理念，於2008年起創辦「臺灣傑出女科學家獎」，希望透過這個獎項讓大眾認知到科學研究不分性別，女性研究者的表現與男性並無二致，未來將需要更多的女性投入科學和科技行列，因此，鼓勵女性從事STEAM有關的工作是刻不容緩的任務。科教館一直以來負責推動學校及大眾科學教育之工作，在過程中發現一般社會大眾受到固有性別上偏見觀念的影響，從而使女性社會化過程中無形地埋下對不同性別的數理程度期望差異的種子。有鑑於此，科教館藉由科技部推動女性科學人才培育計畫，與臺北市六間小學首先進行合作交流，入校推廣STEAM動手做課程，實際引導女學生進行科學探究，並配合科教館現正展出的「設計我們的世界-科技性別化創新」特展，從參觀特展的歷程，帶領學生發覺性別對科學或科技發展的不同觀點，建立女學生對科學或科技的興趣與信心，期望培育更多小小女性科學家。
STEAM課程設計理念
科學界舉足輕重的期刊《科學》(Science)發表許多有關男女腦大不同的文章，強化男女性在生物上的差異，造成媒體與讀者先入為主的帶有性別偏見的觀點，加之有許多變因並未被討論，因此蔡麗玲(2008）批評，諸如此類的言論更加加深兩性間差異的鴻溝。然而，在去(2019)年11月初《學習的科學》(Science of Learning)期刊的最新研究(Kersey, A. J., Csumitta, K. D., & Cantlon, J. F. ,2019)，美國芝加哥大學(University of Chicago)心理學系博士後學者克西(Alyssa Kersey)指出：「不僅僅是針對數學而已，男生和女生所有的大腦區域都表現出相同度。」。該研究團隊是針對104名三歲到十歲之間的兒童作為受測者進行分析，通過核磁共振儀(MRI)接受認知測試，研究人員同步觀察男女生的大腦，最後發現女童和男童大腦處理數學的區域一模一樣。
華府「大學女性美國研究協會」的高級研究員柯貝特（Christianne Corbett）指出，明目張膽歧視女性的情事確實已大為減少，不過，因此認為女性的聘雇歧視已成歷史的想法，又過於天真。近年國內不少研究結果顯示，數理科學學業成就之性別差異未達統計顯著（李浩然、柳賢，2012；吳春慧，2010；盧雪梅、毛國楠，2008），甚至出現女學生優於男學生的現象（陳世杰，2005；黃國清，2008），由此可知，數理科學學業成就的表現似乎不是造成女學生不願意選擇理科的原因。2009至2013年間，臺灣學生在數理科學學習動機等情意層面的性別差異較過去更為明顯，顯示目前教育環境與社會環境對於女性學習數理科學或許仍不夠友善，或無法給予適切的支持(余民寧、翁雅芸、張靜軒，2018)。因此透過教育計畫，協助女性根據更多的資訊去進行選擇尤為重要。
另一方面，從不同面向探討「動手做」對評估學生的科技創造力之認知、情意與技能之研究結果，可以發現學習動機(Goodman, Freeburg, Rasmussen, Di, 2006)、學習成效(Hearns, Miller and Nelson,2010)及創造能力(蕭顯勝、洪琬諦、伍建學， 2009 ) 有顯著提升；另外在認知理解(Gerstner and Bogner, 2010)及問題解決(鄭禛信，2006)方面，採用「動手做」策略對於日常生活中解決問題的能力有正向關係。在自我效能(郭文金、梁惠珍、柳賢，2015)的方面，在其研究中依據學生參加數學動手作活動前後所填寫的「 六七年級女學生數學學習動機、興趣和自信心量表」探討數學動手作活動對自我效能的影響，其變異數分析的結果顯示，在參加完活動後全體女學生的數學學習興趣分量表和答對率都有增加，且對自我效能的提升有顯著影響。
STEAM教學以跨科學為架構，培養學生「探究與實作」以及未來面對生活中挑戰的能力，並讓學生透過「動手做」與小組合作來進行實踐，STEAM教學這是全球的教育趨勢，也是我國12年國教的教學重點。根據文獻，應用STEAM教學法於課程之中，可改變學生的學習模式，提升國小低年級學生的學習興趣與表現(莊眞眞，2019)。除了學習表現興趣的提升，在國小高年級階段透過STEAM教學後，發現學生由原本依靠「直覺」設計轉化為「集思廣益合作式」來解決問題，並根據目標適時的調整並修正，建立出問題解決的模型，提升探究能力(陳芬芳，2019)。因此，我們認為從小學開始就安排女同學接觸融合STEAM的科學動手做教育課程或活動，可有助於提升女同學從事與科學相關的學習興趣以培養其及「探究與實作」的能力。
入校的STEAM課程概況
接下來，將介紹入校合作推動之STEAM主題的課堂活動設計理念及內容，說明如下：
1.原子能知識卡牌桌遊(如圖1)：
由合作團隊國立臺灣師範大學附屬高級中學的李柏翰老師與其學生所設計的卡牌遊戲，並由擁有豐富自然科教學經驗的蔡耿忠老師負責授課，透過合作式桌遊的方式，以扮演不同的角色來進行溝通合作來降低核事故指數，讓學生瞭解核事故的相關知識以及各單位的因應措施。
圖1.原子能知識卡牌的桌遊透過溝通協調和合作來降低核事故分數進行遊戲。
2. 藝"數"百變方塊(如圖2)：
在遠哲科學教育基金會李佳玲老師的帶領下，原來我們的日常生活隱含這麼多與摺紙有關的元素，透過摺紙及空間概念學習做出屬於自己的魔方。
圖2.學生親手製作屬於自己的「百變魔方」，融合了摺紙的知識和空間概念。
3.壓力現形趣(圖3)：
由國立臺灣師範大學物理系超導體實驗室曾曉琪老師負責進行授課，在這堂課中透過棉花糖在針筒中的體積大小變化、氣球在抽氣瓶中的體積改變以及最後我們直接用平板中的App觀察抽氣瓶中Morsensor所顯示的數字變化，透過這些現象以及實際的數據呈現，可以更深刻的體會到壓力大小的改變，以及他對其它物體的影響，藉由動手做活動，讓以前常令許多學生頭痛的單元變得有趣且易懂。
圖3.透過使用Morsensor將壓力改變的現象結合數字量化，讓學生對氣體體積改變與壓力的關係有更進一步的體會。
4.創意磁轉玩具(圖4)：
由遠哲科學教育基金會團隊的廖進德老師負責授課，教學過程中老師教導小朋友們的不單是有關這堂課的內容，更重要的是教會了大家如何正確的表述科學概念，組織語言訊息來完整表達意思。藉由一開始的觀察到動手操作，可以在彎摺出不同形狀的鐵絲上觀察磁鐵如何旋轉往下，還有如何使磁鐵能更順利的往下旋轉。最後加上老師給予的積木讓磁轉玩具，可以直立起來甚至裝上裝飾用的小燈泡可以帶回家觀賞和遊玩。
圖4.將鐵絲折成不同的形狀並安裝上底座的木塊和小燈泡完成磁轉玩具。
5.立方八面體串珠模型製作(圖5)：
由國立臺灣大學化學系金必耀教授團隊中的左家靜老師負責指導，利用檜木的木珠製作多邊體模型。除了讓小朋友更加了解數學立體圖形的各個結構，也可以將有檜木香的串珠作品帶回家。
圖5.製作以檜木珠為材料的多邊體模型。
參觀「設計我們的世界-科技性別化創新」特展對學生的影響
除了歷史上這些偉大的女性科學家之外，在特展中還提及了一個「性別創新化」(Gendered Innovations, GI)的名詞，此名詞為「性別化的科技創新」的縮寫，也是國際上性別與科技研究領域的最新發展，其核心價值為「利用性別分析達到科技的創新發展」，也就是在科技的研發過程中，納入生理性別（sex）與社會性別（gender）的分析視角，促成科學技術與知識的革新。被譽為現代解剖學之父的維賽留斯 (Andreas Vesalius) 曾因為當時社會分工影響，在缺乏臨床經驗的影響下過度簡化了男女器官的差異，因而提出了兩性的生理構造差異只有生殖器不同的言論。
圖6. 透過館內專業解說員的介紹讓學生們能更深入沉浸到特展規劃的劇情故事中。
除了歷史上這些偉大的女性科學家之外，在特展中還提及了一個「性別創新化」(Gendered Innovations, GI)的名詞，此名詞為「性別化的科技創新」的縮寫，也是國際上性別與科技研究領域的最新發展，其核心價值為「利用性別分析達到科技的創新發展」，也就是在科技的研發過程中，納入生理性別（sex）與社會性別（gender）的分析視角，促成科學技術與知識的革新。被譽為現代解剖學之父的維賽留斯 (Andreas Vesalius) 曾因為當時社會分工影響，在缺乏臨床經驗的影響下過度簡化了男女器官的差異，因而提出了兩性的生理構造差異只有生殖器不同的言論。
在「見微知著」展區結合史丹佛大學的「性別化創新」專案研究與國內外實際案例，分別由科學、健康醫學、工程或環境四大角度去進行切入解說，帶領觀眾進一步了解「性別刻板印象」、「忽視性別差異」與「僅專注於性別」等習慣所可能產生的種種問題(如圖7)。除此之外，在這個展區也展示了有哪些方式可以讓我們在生活更加便利的同時去考慮不同族群的感受。例如：維也納政府在設計無障礙通道時，除了行動不便者還多加考慮了提著提袋的人和推娃娃車的家長等等因素。在參觀完特展後藉由學習單(如圖8)，此學習單目的在於收集學生在參展後對於女科學家的認識以及有關性別在科學中議題的影響因素有哪些的認知。
圖7.藉由牆面上的玩具及一些影像資訊介紹性別刻板印象。
圖8.「設計我們的世界-科技性別化創新」特展學習單與問卷。
最後，安排學生參加特展中特別設計的「設計挑戰工作坊」，活動內容設計融合STEAM領域相關知識，期望學生在動手做的過程裡除了能在玩樂中培養興趣，亦能夠學習到主動探索、自我學習等技巧，同時透過合作、討論與分享來解決問題來實踐自己的設計。例如「敲敲打打工作室」(Tinkering Studio) 的教育活動，利用管子、木板軌道、紙膠帶、夾子、擋板、紙杯、鈴鐺……等各式各樣的材料，利用不同的材料設計一個可以讓彈珠、乒乓球和網球可以順利沿著數幾好的軌道由高處到低處的彈珠台，讓彈珠滾落的過程中除了讓學生們以最快的速度比賽誰的彈珠最快滾落至低處的紙杯外，也可以在設計彈珠台的過程中增添樂趣並融合美感設計。並且可以藉由滾動不同質量和材質的球讓學生去探討滾動速度快慢的因素，要改變那些因素才可以加快速度等等(如圖9)。
圖9.學生參加「敲敲打打工作室」(Tinkering Studio)時設計彈珠台的設計情形。。
參與學生的回饋與反思
本計畫包含入校課程及參觀科教館「設計我們的世界-科技性別化創新」特展兩部分，為了解學生參與的收穫及想法，在問卷中設計了兩種不同的題型，第一部分為問答題，藉由題目設計以了解更多學生參展前後的回應以便之後進行比較；第二部份利用五點量表，分為「非常同意」、「同意」、「普通」、「不同意」和「非常不同意」，透過量表中的問題了解學生在參展後對女性科學家的認識以及性別議題的關注是否有提升。
從參與特展後的78份學生問卷收集後進行回饋分析(如圖10)，可以發現學生在問卷中填答「同意」和「非常同意」的選項居多，由此得知學生在參觀特展後對於對科學有貢獻的女性學者以及科學和科技界與性別有關的議題是否有進一步的認知。而在問答題的部分，圖11為其問答題的質性分析結果，其中從問題1和問題3的填答進行分析比較，可以發現學生在參展後確實對於女性科學家的認識有提升，由原本只對居禮夫人有所認識，透過特展進而拓展到其他的女性科學家。往後的研究將設計更多問答題並進行前後測和對學生的訪談，以期更進一步的探查學生的概念改變。
圖10.「設計我們的世界-科技性別化創新」特展問卷結果。
圖11.「設計我們的世界-科技性別化創新」特展的問卷中開放性問答的學生回饋。
結果與討論
由圖9我們可知學生在參展後對於科學和科技界與性別有關的議題有概念上的改變及更多的關注。在問卷中，我們還有問答題的部分，圖10為其問答題的質性分析結果，由問題1和問題3的結果進行比較，可以發現學生在參展後確實對於女性科學家的認識有提升。而參展前多數指認是居禮夫人這一點是我們往後教科書或教育文本中可以改變的方向，應該多加入幾位有貢獻的女性學者。希望透過本計畫的實施能夠消彌社會文化中數理人才受性別刻板影響的現況。
圖9.「設計我們的世界-科技性別化創新」特展問卷結果
圖10.「設計我們的世界—科技性別化創新」特展的問卷中開放性問答的學生回饋
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顏慈瑤
國立臺灣師範大學科學教育所碩士生
陳虹樺
國立臺灣科學教育館實驗組研究助理
蘇萬生
國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯
陳雪玉
國立臺灣科學教育館館長
以預測、觀察、解釋開啟科學實驗教學
文/許慧嫻、蕭世輝
前言
視知覺能力是將眼睛所看到的東西內化、重組、編碼轉化並賦予意義的一種能力。視覺學習法占了學習方法中的80%。而視覺中觀察能力培養，則可從生活中微小事物訓練開始。透過觀察，能夠讓孩子產生極大觀察興趣，因此帶孩子到大自然中培養觀察力，是最有效的方法之一。
但如何將學生的觀察能力與課程內容結合，讓自然與生活科技課程成為學生超級喜愛的課程?
近幾年，筆者在自然領域教學中，嘗試導入POE教學策略，發現學生的學習興趣與學習成就皆因此提高。在學生對教師的教學回饋中，學生表示在預測、觀察、實作中，經歷的每一個步驟都深印在腦中，這種並不是死背的知識，讓他們瞭解了，原來學習也可以這麼輕鬆有趣。因此，筆者將現階段許多教師在校園裡運用的POE教學策略與自己淺薄經驗融合，分享給其他教學及研究者參考。
從自然環境為起點培養觀察力
知識學習的路徑是從觀察→思考→記憶→想像→形成經驗，最後產出知識。因此觀察是一切學習的起點。我們可以從生活周遭自然環境來培養學生的觀察力。例如從住家附近的步道或山區裡開始，以微觀的方式觀察，深入觀察土壤的生物、石頭的節理、花、草、樹木等等，並以此擴大到理解與探討當地人文、歷史與地理變化的原因。
以觀察植物為例，我們可以藉由觀察植物發芽、樹葉的顏色、枝芽生長情形來辨別季節。藉由觀察樹葉外觀與形狀變化，分辨出是那一類昆蟲的傑作，甚至在不同植物上可以發現不同昆蟲，如捲葉象鼻蟲、蝶、蛾類、天牛、螳螂等昆蟲。除此之外我們可以觀察當地步道日照多寡、潮溼或乾燥、晴天與雨天等，來判斷會有那一類的昆蟲或植物喜歡待在這裡。亦可藉由觀察山壁土壤、密度、顏色、石頭大小、形狀與紋路，來了解此地的地形地貌、變化或發展史，並可擴增介紹周遭相關文化發展。
自然觀察到課程教學
傳統的食譜式教學，優點是能有效夠掌握教學進度與實驗結果，有利於科學基本知識的扎根；但卻容易造成學生不了解實驗設計的原理與原因背景。因為食譜式教學往往只是依照課本的步驟做，學生即使做到並完成正確的實驗，並無法提升學生主動學習的興趣和訓練他們的問題解決能力，更遑論激發開放性和高層次思考的能力。因此，筆者在自然科教學中，常省思有那一些單元適合發展POE教學策略，那一些不適合?而導入POE教學策略，除了能較上述傳統食譜式教學的教學外，又是否為學生帶來學習成就以及解決學生學習上的困擾呢？以下簡述POE教學策略的意涵、POE教學策略的優點與實行教學的注意事項、如何運用POE教學策略於六年級自然課程中、授課困難與擔憂。
POE教學的意涵
POE是Prediction(預測)、Observation(觀察)、Explanation(解釋)三個名詞字母開頭的縮寫。POE教學策略的實驗順序是預測→觀察→解釋。此種教學法與一般依照課本上課的模式是不同的。
POE教學設計包含生活情境中另有概念的議題在內，在設計過程中將學生認知衝突元素包含在實驗中，讓學生認知結構或基模的功能產生衝突，經過實驗觀察與記錄，學生認知結構產生同化與調適狀態，在同化與調適過程當中，形成心理內在驅動力改變或者調適原有認知結構，而容納新的知識經驗(張春興，1997)。
認知衝突運用在教學上能解決學生的另有概念，除此之外在教學前先分析學生的另有概念可以協助教學者設計適合的教學策略(簡青瑜，2013)。POE教學策略是另一個衡量知識應用能力的一種方法，在實驗教學中，教學者以提問方式讓學生思考，正確答案會在問題描述過程中簡略帶過。除此之外，學生可以從教科書中尋找到線索，並用課本裡的概念來回答(葉嘉雯，2105)。當學生敘述不完整時學生可以預測，在預測時學生能更能運用原有認知基模推論而得到答案。
以六年級自然「熱與我們生活」單元為例
學生「預測」題目：我們所知的「能量」是否可以測量得出來？
運用此提問時，教學者可以根據學生的回答，來理解學生的先備知識是否需要釐清與說明。
學生「觀察」：用手來感覺三杯不同溫度的水，並記錄那一杯最熱。
用手感覺水溫是否科學？學生必須辨識運用此法的可行性？在此階段學生可運用實驗過程的觀察，釐清在先前預測時原有觀念並強化實驗觀察後所見的事實證據與建構新概念。
學生「解釋」：身體可以感受到熱能，而且在相同條件下，獲得熱能的物質，溫度會升高。
運用解釋來確認學生學習理解程度，並讓學生加深印象。如果學生沒有觀察到實驗變化關鍵時，教學者可以隨時調整教學內容的難易程度。
POE教學策略的優點與實行教學的注意事項
POE教學策略的優點是可聚焦於學習的主題，可深入探究該主題知識概念的本質。其次在學習過程中老師適當運用診斷性評量與形成性評量，可以幫助老師了解學生學習上的困難，提供老師調整授課的難易程度來提高學生學習的成效。除此之外可以觀察學生本身原有的概念或信念，有助於釐清學生對於現象與概念之間關係的認知。更可以幫助學生面對認知衝突時調適的機會。
實行POE教學策略需注意以下兩點。一、是學生的參與度不高，如要提高學生的參與度，則應該賦予每一組學生，各別任務以提升學生的學習興趣。二、學生對於寫POE學習單是反感的，雖然學習單是讓教師了解學生的學習歷程，但學生已經對測驗卷感到壓力。(溫明豪，2018)
運用POE教學策略於課程中，在教師方面必須要留意下列幾點(陳坤祝，2018)。首先教學者必需要有相當的科學知識背景。其次是教師對於POE教學策略內容必須具備中等程度的科學認知，才可以釐清學生的既有概念問題。最後是教師除了理解POE教學理論外，也必須具備POE的教學應用面的運用(黃以芬，2016)。
POE教學策略的優點與實行教學的注意事項
藉由「熱與我們生活」單元以POE教學策略帶入，主要目標是讓學生體驗生活中物質受熱的變化，以及熱與物質的相互關係，如物質的外形、體積是否會受溫度的變化而改變物質的狀態。
1.教學目標：瞭解物質受熱的變化與相互關係，如包括外形、體積的改變及熱脹冷縮的現象。
2.POE教學策略課程結構
(1)預測：請學生觀看實驗裝置(如圖1)，接著(1)先在空寶特瓶上方淋上熱水。(2)再將此寶特瓶從盤中拿出。(3)將寶特瓶分別放入裝有冷水與熱水的燒塑膠盆中。
圖1. 實驗裝置
請學生預測，將空寶特瓶放在加有冷水的塑膠盆中會吸水還是放在加有熱水的塑膠盆中會吸水？
A組學生預測放在冷水塑膠盆中的寶特瓶會吸水。放在熱水寶特瓶塑膠盆中不會吸水。
B組學生則預測兩個塑膠盆內的寶特瓶都不會吸水。
(2)觀察實驗—設計實驗步驟
學生必須針對先前的預測，進行實驗設計。進行此階段時，雖然運用簡報指引實驗的流程，但學生對於自己設計實驗還是很不熟悉。雖然小組已討論出實驗步驟(如圖2)：(1)先將有水的寶特瓶澆熱水。(2)再放進熱水裡。
在實驗中，將熱水澆灌於加蓋的空寶特瓶外，主要目的是讓寶特瓶內的空氣成為熱空氣，因此寶特瓶瓶蓋必須蓋上。但還是有些學生沒將寶特瓶瓶蓋蓋上。(如圖3)
圖2. 實驗步驟
圖3. 有些學生沒蓋瓶蓋
(3)觀察實驗—依自己設計的實驗流程進行操作
在操作當中，學生發現實驗過後的結果與他們先前是不同的。學生的預測是淋了熱水後的寶特瓶放進熱水中是不會吸水的。但經過實驗後寶特瓶內卻有進水。
我反問：是甚麼原因造成的呢!我請學生親自操作一次讓我看。看完之後我發現，學生將淋了熱水後的空寶特瓶，放在冷水的燒杯中，觀察得到結果後，又將空寶特瓶再次放進熱水中，並沒有重新將空寶特瓶淋上熱水後再實驗，因此導致實驗結果的不同。
問題二、學生發現裝有冷水塑膠盆內的寶特瓶不會吸水。我請他再次觀察空寶特瓶裡吸管高度與寶特瓶外水位高度的關係？
學生觀察發現，塑膠盆的冷水水位並未高過空寶特瓶的吸管(如圖4)放大圖解(如圖4)，因此淋了熱水的空寶特瓶，無法將塑膠盆中的冷水吸入寶特瓶中。
圖4. 吸管高度高於水水位高度
(4)解釋科學原理
實驗到尾聲教師必須讓學生練習表達。學生經過此次實驗的歷程，從剛開始的預測，觀察、解釋的流程後。學生是不是可以表達出在實驗過程中，觀察到與課本相關的科學原理，並能經過小組討論統整出結論，且跟大家報告你們小組所學習到的科學理論。
此次學生表達了熱漲冷縮都是他們平常所知道的原理，經過此次的教學法後，讓他們對物質熱漲冷縮的科學知識加深加廣外，又更深一層的認識。將熱脹冷縮的原理帶入學生生活裡，如圖5所示是最好的學習方法。
圖5. 熱脹冷縮示例 (圖片來源：[東森新聞]熬不過2013 基隆小鴨「爆」了)
授課困難與擔憂
POE教學策略課程設計通常是由學生的迷思概念引入，教學者必須非常瞭解學生的科學迷思概念在那裡，藉由迷思概念提問後而引發學生學習興趣。然而學生的迷思概念也可能跟老師的迷思概念是一樣的，有時學生的自然知識都比教師還強。如果自然老師並不是自然方面專長的教師，執行POE教學策略時則無法達到預期的效果。
現階段的教材非常方便於教師教學，如要將此教學法導入目前的自然課中，教師必須花非常多的時間重新編寫教案，如能成立教學團隊一起編撰教案，集眾人智慧一起討論可蒐集更多學生迷思概念，即可集中火力對焦，達到成效。
學生的耐心不足在填寫學習單時，通常寫簡單的幾個字就敷衍了事，因此無法立即了解學生的學習狀況，如何突破這樣的問題，這是我們必須思考的。
綜合以上筆者運用POE教學策略是由實驗的預測、觀察、解釋訓練開始，學生很容易接受預測的樂趣，但深入詢問他預測的結果是依據甚麼科學原理與理由時，學生通常答不太出來。如果學生在實驗過程中觀察不仔細，最後實驗結果是無法解釋出來的。
在推動POE教學策略之初，比較辛苦的是必須額外花時間解釋說明POE教學策略預測、觀察、解釋的上課方式，也必須耐心等待學生反應與學生吸收能力，時時調整教學內容以便學生能即時理解與吸收。運用任務分配的方式，讓每一名學生都參與其中，以避免教室裡有「客人」出現。
實施POE教學策略後的甜美果實可以在學生身上看見，例如提高了學生觀察能力，並能接納同學不同的意見，更能將不同意見統整出屬於自己的語言來呈現結果。學生從討論實驗主軸開始練習，再細分到注意實驗步驟的每一個細節。這是培養學生組織概念、溝通技巧、邏輯思考的能力，不再是食譜式的教學，只要按照食譜的步驟做就能做出美味的佳餚。然而在真實實驗中的每一個變化都是至關重要，如何引導學生思考、觀察、驗證就非常重要。
在教學的回饋中，學生很想嘗試自己設計實驗，更喜歡在實驗觀察中自己動手做實驗，更喜歡小組討論、解釋出合理實驗結果的過程。甚至表達回想實驗的過程發現考試一點都不難。有這樣的回饋，能顯示POE教學策略運用在自然科學領域是有效的教學方法之一。
運用POE教學策略在自然課程中，教學者必須對自然科學知識方面專精，以迎合現在科技知識爆炸的時代，必須跟上科技進步的腳步時時更新科技新知，才能帶領我們的下一代與新時代接軌。
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許慧嫻
國北教大自然科學教育學系研究生/新北市大崁國小教師
蕭世輝
國北教大自然科學教育學系助理教授
火星探究的新任務：人類登陸火星的超前部署
文/吳育雅
尋找地球之外的太空生命是人類終極的好奇，也是太空生物學的烈火熱情。在地球之外尋找生命，首選目標即是火星。火星的探測計畫眼前著重的問題是：火星曾經有生命嗎？火星有支撐生命的條件嗎？從地質分析可了解多少火星的環境與氣候變遷？即使火星未找到生命痕跡，人類也想知道去火星選擇在哪裡降落？我們有機會在那裡生存嗎？火星表面是否可找到「適居」地點？人類上火星之後當如何就地取材？
火星任務太空接力賽
在所有天文太空的研究中，火星是人類挹注資金最高額的項目，因為火星環境與地球最相似，過去60年來人類對於火星的認識與太空技術已經相當成熟，況且每兩年就有一次「發射窗口」的機會，想參與太空科技能力評比的國家都要先通過去火星的初賽。人類自從1960年代登月成功之後就開始探測火星的計畫，成功實現機率僅為半數。最大贏家是美國太空總署(NASA)，1964-2018年間共執行火星計畫21次，15次圓滿成功。前蘇聯最慘，從1960-1988年共計發射17次火星任務，僅有一次成功紀錄。
行星探測計畫有不同的進程：最容易的是飛越（flyby），只要能從地球軌道進入火星軌道，在近距離通過時速取得火星觀測資料。有了這個能力之後，第二階段是發展火星的軌道太空船（orbiter），換軌到火星後要降速到低於火星的脫離速度5公里/ 秒，被火星的重力束縛，成為繞火星運轉的人造衛星。之後繼續挑戰困難的任務--降落在火星表面（lander），因為火星大氣太過稀薄，地形崎嶇表面又布滿坑洞碎石，保障太空船安全登陸不至於墜毀或撞擊，需要創新的減速技術。登陸成功之後，更企圖在火星上開漫遊車（rover）四處移動，最好也在漫遊車安裝可伸縮的自拍器、配備可鑽探的長手臂和更多先進的分析儀器。
1960年最早的蘇聯「火星一、二號」（Ｍars 1, 2）， 1962-1964 美國的「水手號3, 4, 5, 8」先以「飛越」為任務目標可惜大多失敗，人類首次成功飛越是1964發射的水手四號，在通過火星高空（最接近火星表面時高度為9,844公里）取得22張影像傳回。此後蘇聯與美國又經歷數次失敗，1971年美國的水手九號成為火星的第一個軌道衛星，水手九號進入火星軌道之後，火星卻以鋪天蓋地長達一個半月之久的沙塵暴迎接這個外來的衛星，水手九號計畫耐心等候，終於成功達標獲得空前的勝利，在它圍繞著火星轉的十個多月期間，研究了火星的大氣壓、密度，火星表面的組成物質、重力場、地表起伏等，燃料用罄之前共完美傳回7,329張火星影像（參考資料1)。
除了美國與前蘇聯的太空較勁之外，日本於1998年也嘗試發射「希望號」（Nozomi）可惜任務失敗。到了21世紀，火星任務更是美國太空總署贏者全拿的局面，歐洲太空總署（ESA） 2003年首次計畫是雙重任務，包含火星快車 (Mars Express) 軌道太空船和登陸小艇「小獵犬2號」（Beagles2），可是小獵犬2號降落後渺無音訊，這項計畫僅能算一半成功。歐洲太空總署(ESA) 與俄羅斯2016年的「火星生物探測器」（ExoMars）也是軌道器成功、但登陸小艇再次失敗。俄羅斯與中國2011年的合作計畫失敗，最特別的是印度在2013年發射的火星軌道衛星(Mars Orbiter Mission) 軌道太空船，軌道十分特殊，距離火星最近時387公里，最遠則在8萬公里高，呈相當扁平的橢圓軌道。總結至今全球前後共有44次火星任務，成功的任務加起來18次。
火星軌道太空船就如同地球上空的觀測衛星，能全面性連續地收集火星表面的各種資料。在水手九號之後，1997年起NASA的火星全球探勘衛星（Mars Global Surveyor , MGO）取得廣角、解析度達6公尺的影像，且非常順利地運轉直到2006年為止，它搜遍了火星全球表面，對於火星的氣象模式特別是「沙塵暴」的發生季節與頻率建立了很好的觀測數據，它配備的雷射測高計的資料描繪出北極區冰帽的立體樣貌。而火星表面很多「山溝」的景象透露出火星有偶發「液態水」流出地表。火星漫遊號( Mars Odyssey) 自2001年出發後至今已工作將近20年，它的伽馬射線分光儀測出火星極區、阿拉伯地盤( Arabia Terra )、亞馬遜平原、艾里申等大片區域存在地下冰，也測出火星地表受到的輻射威脅比預期高出兩、三倍，同時也擔負傳遞火星漫遊車機會號和好奇號的訊息。ESA 火星快車軌道探測器，攜帶著OMEGA 分光儀、NASA的火星探勘軌道衛星 （Mars Reconnaissance Orbiter, MRO ) 分別都在火星上發現大區域黏土礦物，MRO軌道衛星在火星表面大約300公里的高空，配備的高解析度相機達30公分的清晰度，甚至比大家常用的地球地圖google map還要精細。另有兩個軌道衛星分屬ESA太空船（ExoMars Trace Gas Orbiter） 以及NASA的火星大氣與揮發性物質演化（MAVEN）主要針對火星大氣的微量氣體與高層電離的特徵。從火星軌道太空船收集到的數據截至目前實在太豐富了，然而這些數據需要更多適當理論才能建構出合理解釋。
根據我們對於生物的認識，以往認為生命的三要素是：陽光、空氣和水，20世紀晚期卻在地球上暗無天日的深海、火山熱泉與深入地底，發現依舊充滿活蹦亂跳的生命之後，才懂了不管高溫、高壓、高鹽等等極端環境，生命幾乎無所不在。人類深刻檢討生命的基本要素，原來「水」是生命最核心的需求。21世紀的火星探測即以「跟著水走（follow the water ）為目標，選擇登陸火星的位置依工程的考量則是：(1)比較低的海拔，以利在登陸時有較大的空氣阻力來減速；(2) 介於南北緯30度之間，以利太陽能發電，且終年溫度不至於過低至機械操作失靈。從科學的角度來說，選址考慮即是遵循「跟著水走」的目標，標定河谷、沖積扇、三角洲、濱海等環境優先。
火星登陸任務在地形、礦物、地層等的細微了解，是建立火星地表作用與氣候環境變遷理論的第一手資料。火星成功登陸任務至今共有八次（圖1 (a) )，全是由美國太空總署執行，1976年維京一號與維京二號分別在火星金色平原 （Chryse Planitia, 22.48°N, 49.97°W）, 烏托邦平原 (Utopia Planitia, 47.27°N, 225.99°W）兩地降落，1997年探路者號（Pathfinder）成功登陸後放出漫遊小車旅居者號（Sojourner）工作三個多月。本世紀以來，2004年到達火星的孿生兄弟精神號與機會號，以及2012年的好奇號，裝備齊全有如野外地質學家，都擊出了比漂亮全壘打更完美的驚人成果。登陸任務的選址除了2007年在北極附近著陸驗證地下水冰的「鳳凰號」（圖1 (b) )，2018年派出「洞察號」則監視「火星震」與火星地下物理現象。其他多次任務考量是尋找水和生命的蹤跡（圖1 (c) )，以地質調查為主，從2004年至今十餘年所發現的地質現象，讓我們對火星的過去環境與氣候非常豐富的收穫。
圖1. 火星登陸任務-- (a) 至今八次成功的任務，以及2020即將發射的毅力號選址（Mars 2020，黑粗方框標示) 。選址首先考量在南北緯30度（虛線）之內較溫暖的地表以利機械運作以及收集太陽能。(b)比較特殊的登陸位置為「鳳凰號」主要任務是為了探極區的地下水冰。(c) 登陸火星大多選在湖泊、海濱及河道終點等可能尋找水與生命蹤跡的環境(資料來源： NASA, google Mars)。
目前在火星上運轉的除了好奇號與洞察號，還有六個地球派去造訪的軌道衛星，日日夜夜為火星拍照、測量大氣、溫度、風（Ｍars Odyssey ＆MRO)、微量氣體與揮發物(MAVEN)，偵查那裡有沙塵暴、土石崩塌（MRO)，地球上的科學家因而可為火星預報天氣、發布火星震或雪崩、沙塵暴的消息。其中有些同時作為火星表面登陸小艇和地球聯繫的中繼站，為火星表面調查地質的好奇號、偵測火星震與火星內部結構的洞察號，傳遞他們所收集到的資訊（圖2）。
圖2. 21世紀在火星上的軌道衛星以及登陸任務，火星探測的目標從「跟著水走」、「探索適居居性」、「尋找生命蹤跡」到「為人類登陸火星部署」，2020年將出發的毅力號，可能在七月中旬到八月初的發射窗口啟程(資料來源： NASA)。
地質證據如何揭露火星的氣候環境變遷？
1965年水手四號從距離火星地表將近一萬公里高空飛越，沒有看到河流、海洋、或是綠意盎然的世界，傳回的影像盡是乾枯死寂的荒漠礫石 ，雖然感到挫折卻依舊滿懷盼望的人類，歸咎於可能是太空船飛得太高了吧！因而企圖就近到火星表面查看清楚。1976年美國的維京一號、二號分別降落，兩艘維京號太空小艇成功傳回1,400 張影像，也就地進行了三項生物實驗，最終宣告兩處都沒有生命蹤跡，尋找火星生命的熱情因此略為被澆熄了。
但1984年一塊南極找到來自火星的隕石ALH84001含有磁鐵礦和碳酸鹽，代表這隕石是在火星曾是汪洋大海的環境中形成，磁鐵礦在地球也常與微生物作用有關。有些科學家更認為隕石中的微構造看來像是奈米化石，這個發現激起人類思索在火星上要找的生命是什麼？1997年派出第一艘可以移動的小車「旅居者號」伴隨駐站登陸小艇「探路者」號抵達火星，在阿瑞斯古 (Ares Vallis, 19.33N/33.55W)附近巡邏拍照，提供岩石照片與天氣資料，沒有生命蹤跡。但既然能夠成功在火星表面開車漫遊，也開拓了遣派機器地質家去火星進行調查的企圖，後來的精神號、機會號以及好奇號三艘火星漫遊車。
目前火星表面氣壓低到無法保留「液態水」，從軌道太空船建立的火星地表可以看到各種河流雕塑的地形，河道、峽谷、支流、沖積扇與三角洲，甚至大片範圍的洩洪道，充分顯示出這是一個曾經與地球一樣有到處液態水漫流的行星（參考資料 2）。火星上曾經有大量的水，有「水」出現，符合生命的基本條件。問題是火星上大量的水到那裡去了？是深藏在地底的地下水？還是高緯度的永凍土中？目前為止這兩種隱藏版的火星水都曾現出蛛絲馬跡，從火星軌道探測器的分析有不少發現。因此進一步要探究的問題是火星的水曾經有多少？是長期存在的現象，還是偶發的？在火星表面消失之前存在了多久？是否有足夠潮濕的環境，是否夠溫暖？足以讓生命出現、演化並保留在地層中？這些問題就需要從地質學去參透火星環境變遷了。
火星探勘軌道飛行器(MRO ) 在火星上發現了上千個位置有黏土礦物，大體可知火星上有過長期溫暖潮濕的氣候，因為黏土是長石經過水解轉變而成的，但究竟長石是在怎樣的環境下與水變化？是河岸、湖泊、海濱還是溫泉，確實情況還是需要派一部地質機器人小車登陸去找更多證據。登陸火星的漫遊車、實驗室，基本上都是地質探路先鋒。透過地質分析了解火星的環境與氣候變遷，在火星找到的礦物與地球上比對，是目前我們建立火星過去歷史的根據。
2004年兩艘孿生漫遊小車「精神號」「機會號」分別在火星赤道的兩端古瑟夫坑（Gusev crater at 14.5718°S, 175.4785° E.）及子午線高原 (Meridiani Planum at 354.4742°E, 1.9483°S），古瑟夫坑這個地點看起來像河道蜿蜒曲流進入的終點湖泊。但精神號開始探索之後，發現該地的地層被火山岩覆蓋。精神號且戰且走、遠眺附近尋找有價值的目標，爬上附近的哥倫比亞小丘(高度90公尺）在土壤中發現含有蛋白石（含水的二氧化矽），類似黃石公園的溫泉或噴泉活動的沈積物，這次發現讓科學團隊歡呼不已。火星另一端的機會號也在奮進坑(Endeavour Crater)發現蒸發而形成的石膏，暱稱「小藍莓」的赤鐵礦小球粒，還有黃鉀鐵礦(jarosite )，都是與水有關的礦物。這些含有「水」的礦物，說明火星確實到處都有水的遺跡。
2012年火星實驗室到達蓋爾隕石坑(Gale Crater)，從先前的軌道太空船知道這是一個厚達數公里黏土堆積的低窪坑洞，透過光譜分析得知有鐵鎂綠土（蒙脱石類，Fe/Mg smectite)和富鎂碳酸鹽等代表沖積河道中性環境的風化產物，說明黏土形成時這區域如同地球上的淡水湖一樣。從隕石坑邊緣流入的河水夾帶的細泥，是由附近岩石風化而來的黏土礦物，經年累月緩緩沉到湖底，一層又一層堆積，在火星的地表水消失後，現今蓋爾隕石坑是已經乾涸的古老河湖床沈積紀錄。在2015年之前好奇號在這一帶仔細鑽探、研究礦物組成，分析得出黏土礦物大多為含鐵皂石(Fe-saponite) ，這在地球大多是火成岩與熱水作用生成的，少量的三價鐵綠土代表較乾燥環境，發現氧化錳(MnO)，說明大氣曾有充足的氧氣，這些現象大致上與預期相去不遠。
意外的是2017年好奇號爬到隕石坑中的夏普山（圖3 ），看到一大片刻畫著「泥裂」的地表，像我們在水庫乾枯見底時，很容易看見底部泥巴曬乾後的裂痕。泥裂說明這些岩石形成時氣候開始變乾燥了，另一個支持的證據是在這150公尺厚的岩盤偵測高達將近有三分之一強到一半的重量百分比是硫酸鈣（石膏），石膏常出現在鹹水湖岸，因為溶解度低，在蒸發作用強烈時最容易從鹽水中析出，除了硫酸鈣，其他成分有硫酸鎂與氯酸鹽類（參考資料 3）。泥裂加上硫酸鹽類，可雙重確認這些岩層代表鹹水湖環境正經歷散失水、由潮濕發展為乾燥的氣候。那麼湖水是快速蒸發，還是經過很久才逐漸乾枯？從不同比例礦物的組合，能找出更多環境的指標。簡而言之，請想像曬鹽場在盛暑數週不見降雨，水中鹽類全結晶出來便能有純淨的曬鹽結晶。萬一天氣不夠晴朗，偶有陣雨，經過很多年才完全乾燥，這析出的鹽結晶中肯定夾雜了很多灰塵細沙。因此又能根據不同組合的礦物進一步了解，諸如欠缺硫酸鐵和碳酸鹽組成，代表是屬於酸鹼值中等的氧化環境等等，地質學家得以重建這個區域在不同年代經歷的變遷過程。
圖3. 夏普山上多呈水平層狀堆積的沈積岩，是河道進入湖泊的典型沈積岩層。其中不同薄層有差異比例的硫酸鹽礦物組合，更說明這個湖逐漸乾涸的變遷過程(資料來源： NASA)。
登陸漫遊車除了分辨組成岩層的成分，岩層的構造也能就近明察秋毫，沈積岩裡的細節透露出地層演化的時空，可分辨是海底沉積或是風搬運的堆積？是山麓的沖積扇、還是進入侵蝕基準面的三角洲？不同的作用就保留不同的構造。舉例來說，透過軌道衛星清晰影像來分析火星傑哲羅坑(Jezero, 18.9N, 77.5E)，從照片中整理出26層曝露的岩層都是向西側的傾斜，傾斜角度介於0.5～9度。終端沈積層傾斜低於休止角，代表懸浮物堆積，而不是由重力驅使的碎屑沈積，根據三角洲前緣斜坡的前積層(foreset)傾斜角較大，底層的底基層( bottomset)坡角較平緩。同時出現在高度越上方位置的岩層傾斜角越大，顯示該處是一個三角洲的堆積（圖4）(參考資料 4）。由於三角洲沉積物顆粒會比沖積扇細小，有較高的機會保存化石，目前這個地點已經被選為2020年火星毅力號選擇的登陸地點。
圖4. 從岩層不同層面的傾斜角推測火星的傑哲羅坑(Jezero)過去是三角洲堆積環境
21世紀的火星生命旅程
我們對於生物的認知全建立在對於地球生命的了解。最初人們幻想過最好火星上的小綠人願意現身、與我們交換想法。自從太空船到火星之後，這個願望降低到只求在火星的地層中發現微生物蛛絲馬跡，甚至只要確認火星是「可適居」的星球，都會讓人類感到安慰。這個願望從未消失，主要是太陽系可讓生命出現與繁衍的「適居帶」介於金星到火星之間，適居帶是依據恆星的表面溫度，以及行星與恆星的距離兩個條件決定，適居帶簡單來說就是適於「液態水」存在的範圍。我們已知金星表面濃厚的二氧化碳大氣籠罩，攝氏超過500度的高溫無法讓生命存活；地球生命豐富，因而我們好期望在火星找到生物伴侶，畢竟火星氣溫在攝氏零度上下，和地球有相似的四季變化，是符合生命適居的條件。
火星早期曾經有大量的水，從地表可以看到各種河流雕塑的地形，河道、峽谷、支流、沖積扇與三角洲，甚至大片範圍的洩洪道，充分顯示出這是一個曾經與地球一樣有到處液態水漫流的行星。 火星上的水到那裡去了？是深藏在地底的地下冰？還是高緯度的永凍土中？目前為止這兩種隱藏版的火星水都現出蛛絲馬跡，火星快車、火星探勘軌道衛星分析發現靠近極區，以及中緯度的地下可偵測到水冰，而且埋藏在一公尺深度以內。2008在北極區登陸的鳳凰號檢驗水冰是否存在於地下？用它的機械手臂挖出溝槽，有一處在抵達的第20個火星日(sol 20)到第 24個火星日(sol 24)的連續照片（圖5）中，可以看到照片中白色物變小或消失，說明這片白色物體是水冰，不是乾冰，因為乾冰昇華速率要快很多，四個火星日之後應完全消失無蹤。
圖5. 鳳凰號挖出的溝槽--左圖是在鳳凰號到達火星的第20日（一個火星日sol是24.6小時），請注意圖中溝槽的左下角，在陰影下有數塊將近兩公分(2/3”)的小冰塊。右側為第24個火星日照片，顯示左下角的小塊水冰已經蒸發，但是圖中上方較大的水冰尚能保留(資料來源： NASA)。
NASA為此也製作了一張火星「水」的寶藏圖（圖6），紫色區域代表最淺處的地下冰，登陸火星的太空人有機會在地表往下挖 2-3公分就能找到水冰。同時考慮地表溫度不會太低與地形平緩等條件，圖中白線框出的範圍是最適合太空人就地找到水源的區域。
圖6. 火星上的水冰寶藏圖--右側的色標顯示這些色彩代表在地下不到一公尺之內蘊藏著水冰，越冷的顏色覆蓋區域水冰躍進地表。黑色範圍標示為厚層細沙區域，太空船在這些地區降落可能沉陷，特別在寶藏圖上以黑色警示(資料來源： NASA)
目前在火星進行高空繞轉的除了兩個忠實的衛星（火衛一、火衛二）之外，有六個地球派去造訪的軌道衛星，日日夜夜為火星拍照、測量大氣、溫度、風（Ｍars Odyssey, MRO)、微量氣體與揮發物(MAVEN)，偵查哪裡有沙塵暴、土石崩塌（HiRISE/MRO)，讓地球上的科學家可以為火星預報天氣、發布火星震或雪崩、沙塵暴的消息。其中有些同時作為火星表面登陸小艇和地球聯繫的中繼站，為火星表面調查地質的好奇號、偵測火星震與火星內部結構的洞察號，傳遞他們所收集到的資訊。
那裡有適合生命存在的條件？火星軌道衛星檢測出火星的高輻射量、高氯酸鹽對生命具有威脅，或許因此火星目前是死寂的，但早期溫暖潮濕的環境是很有機會醞釀生命的。生命曾在火星出現嗎？太空生物科學家規劃了火星可能找到化石的地點，通常碳酸鹽保存化石的機會大，這也是2020年毅力號的登陸地點傑哲羅坑(Jezero) 為三角洲的水下沉積碳酸鹽，是尋找化石非常有希望的位置。這回火星任務還配給毅力號一架無人機，人類可能開啟在火星低層飛行的新旅程。
原定在今年七月接棒火星探測的不僅美國太空總署(NASA)的Mars 2020（Perseverance/毅力號）、歐洲太空總署(ESA)的 羅瑟玲·富蘭克林 （Roselind Frankline ），還有中國的火星一號。ESA的計畫近期因受新冠病毒COVID-19影響，已將火星任務延後到2022年。毅力號明年初抵達後會有什麼新的發現呢？讓我們拭目以待。
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吳育雅
國立臺灣大學師資培育中心支援教師
鋰離子電池的發展、應用與未來
文/洪為民
引言
2019年的諾貝爾化學獎頒發給了John B. Goodenough (古迪納夫)、M. Stanley Whittingham (惠廷翰)和Akira Yoshino（吉野彰）三人，表彰他們為鋰離子電池的發展所做出的貢獻。這種可充電電池奠定了如手機和筆記型電腦等無線電子產品的基礎。這也使得一個無化石燃料的世界成為可能，因為它可以使得從驅動電動車到儲存能量裝置的各種工具能運用可再生能源。
上面這段話是引自2019年諾貝爾獎委員會的新聞稿(台大化學系翻譯稿)1，敘述得獎三人在鋰離子電池的貢獻，本文將鋰離子電池原理、發展過程、應用說明，逐步展開介紹。此外，分享材料專利的軼事及作者對鋰電池的未來的看法。
什麼是鋰離子電池--工作原理
一般人很容易將鋰離子電池和鋰電池混為一談，雖然只增加離子二字，意義卻相差甚遠。前者強調在電池裡鋰元素是以鋰離子的形式存在，而後者則是使用鋰金屬在電池內充作陽極(氧化電極)。目前鋰電池無法做到可以重複充放電使用，仍限制在一次電池產品的階段。
基本原理上，鋰離子電池主要構成要素有三樣：陽極、陰極和電解液。在充電時，鋰離子在電池內部由陰極進入陽極，同時電子由外部回路到陽極與鋰離子結合；放電時反之，鋰離子由陽極回到陰極與外部回來的電子結合。整個反應可以用下列式子(1)表示。
電池的能量儲存及釋放量與陽極和陰極材料直接相關，電解液扮演橋樑角色，提供鋰離子進出途徑而已。
鋰離子電池的發展
由於鋰金屬是週期表裡第三輕的元素，具有固體最高的重量及體積能量密度，因此最早吸引科學家們的注意及興趣。然而，當鋰金屬當作陽極用在電池時，氧化反應形成鋰離子進到陰極；此時若進行還原反應，鋰離子在鋰金屬表面上還原時會形成樹枝狀(dendrite)結構，如圖1所示。這樹枝狀結構隨著反應時間增長而增大，最後穿過隔離膜與陽極接觸到造成短路，這是很危險的事。因為短路會伴隨著發熱、升溫現象，造成嚴重的會燃燒爆炸。世界上第一個嘗試以鋰金屬當陽極材料進行商業化充電式電池的廠商是加拿大Moli Energy公司（現成為能元科技/E-One Moli加拿大分公司）。當時陽極用鋰金屬(Li)，陰極用二硫化鉬(MoS2)。作者曾邀請過當時擔任研發經理Jeff Dahn(現為加拿大Dalhousie University教授)來台灣，他描述半夜接到客戶NTT DoCoMo手機測試人員的電話，敘述壽命測試過程中電池發熱冒煙現象。這重大意外直接使得Moli Energy倒閉，並且加深人們對鋰金屬電池安全的疑慮。也促成研究重心轉移到鋰離子電池上。
圖1. 顯示當鋰金屬枝狀結構形成並穿過隔離膜與陰極接觸造成短路
(圖片來源：MSE Supplies)
鋰離子電池所用的陽極材料是碳(例如:石墨)，陰極是含鋰的過渡性金屬氧化物（例如：鋰二氧化鈷）。當充電時，鋰離子進入石墨層狀間空隙，而非形成鋰金屬。反之，放電時，鋰離子回到陽極材料的結構裡，如圖2所示。
圖2. 顯示在Graphite及LiCoO2之間，鋰離子在充放電時進出材料的方向
(圖片來源：ECS文章 K. M. Abraham)
目前商用鋰離子電池陽極材料仍以碳材為主，陰極除了含鋰的過渡性金屬氧化物（如：LiCoO2, Li(Ni,Mn,Co)O2, LiMn2O4, Li(Ni,Co,Al)O2）外3，增加了磷酸鋰鐵(LiFePO4)4。磷酸鋰鐵由於含有磷酸根陰離子，而磷與氧原子鍵結是共價鍵，鍵結非常安定。這改善之前使用含鋰的過渡性金屬氧化物時，陰極材料在過充電時，過渡性金屬原子與氧原子之間的離子鍵斷裂，形成氧分子並伴隨著高熱的危險。鋰離子電池由於電壓高達3伏特以上，不適合使用水做為電解液的溶劑，而用了有機溶劑。表1為電解液常用的溶劑5，電解質則以六氟磷酸鋰(LiPF6)為主。
表1.為鋰離子電池裡電解液常用的溶劑
（資料來源：A. Bhaskar博士論文）
由於過充電時，鋰離子電池會有過熱的危險性，過放電時電池性能會受損，因此鋰離子電池大都會附有電池管理系統(Battery Management System, BMS)來確保電池使用的安全及性能。圖3是48V儲能電池組所用的電池管理系統照片6。簡單說，BMS具有監控、控制、平衡及通訊等四大功能。
圖3. BMS實體照片--P-是電池組的負極，B+及B-分別是電池+、-連接點，CON1- ~CON4-1分別代表連接線位置(圖片來源：中大安孚規格書)
從時間軸來看，當Sony Energy Tech. (現已被收購改名為Murata)最早於1991年推出鋰離子電池時是以LiCoO2當作陰極材料，基於成本及安全性考量，電池業者陸續推出LiMn2O4、Li(Ni,Mn,Co)O2及LiFePO4。負極材料除了C以外，也有Li4Ti5O12及Si等新材料7。目前最主要材料系統以C/ Li(Ni,Mn,Co)O2及Ｃ/LiFePO4為主，前者簡稱為鋰三元(因爲過渡性金屬有三種)，後者簡稱為鋰鐵電池。
鋰離子電池的專利
這裡提一下關於鋰離子電池材料專利的軼事，當Sony Energy Tech.要推出鋰離子電池時，透過專利搜尋找上英國AEA (Atomic Energy Agent)時，這是一個類似台灣原子能委員會的組織。英國人驚訝他們主動找上門，要求付專利授權費。原來之前AEA曾經贊助牛津大學某個計畫，計畫主持人是John Goodenough，透過這計畫申請了LiCoO2當作鋰離子電池材料的專利，這是第一個鋰離子電池產品製造商付材料專利的例子。另一個材料LiFePO4專利也是由John Goodenough(見圖4)8在1986年取得，目前生產LiFePO4材料廠商也需要針對歐美及日本市場付專利授權金。從這裡可以看出John Goodenough對鋰離子電池的貢獻。Prof. Goodenough在1986年被美國UT Austin邀請擔任材料系講座教授，作者在Iowa State Univ.唸書時，系裡曾邀請他來演講，內容非常精彩。更記得他的幽默感，演講結尾時他說，以上結果都是”a man and a dog”做出來的，因為當時他實驗室只有一位工作人員。作者曾經跟他有工作接觸經驗，發覺他是一個樂觀沉醉於研究工作的人。當他進行上述材料研究時，並不知道未來的產品會如何發展，純粹是基於學術上好奇及熱忱。因此當記者訪問他時，他很謙虛表示得獎是意外，得了獎生活照舊，每天仍會到研究室(當他得獎時已經97歲，是得諾貝爾獎者中年紀最大的人)。想像造就出鋰電池工業與電動車產業支柱鋰離子電池，而其中全部三個陰極材料(包含LiMn2O4在內)的發明均來自Prof. Goodenough，就可知他對人類的卓越貢獻有多大。
圖4. Prof. John Goodenough在實驗室照片(圖片來源：Yale News)
吉野彰(Akira Yoshino)（見圖5）是在日本旭化學(Asahi Chemical)鋰電池研究專家，他最早提出將負極碳搭配鋰過渡性金屬材料的構想，避免鋰金屬的可能危險，同時也針對這方面應用提出專利9。
圖5. 吉野彰(Akira Yoshino)博士的照片(圖片來源：維基百科)
Stanley Whittingham(見圖6)是紐約州立大學的教授，他是三人中最早投入鋰離子電池研究者。他發現鋰離子可以在某些過渡性金屬化合物間嵌入(intercalation)反應，如之前提到的MoS2。一生研究各式各樣電池材料，也最先提出搖椅(rocking chair)理論來形容鋰離子在電池充放電過程中鋰離子進出的情形，並提出第一個鋰離子電池產品專利10。這三位諾貝爾獎得主共同點都是屬於實驗型的研究學者，透過他們的研究成果及專利發表，提供了鋰離子電池的發展基礎，他們的得獎，可說是實至名歸。
圖6. Prof. Stanley Whittingham照片(圖片來源：維基百科)
鋰離子電池應用
當Sony Energy Tech. 於1991年將鋰離子電池導入市場時，選定產品是18650型號，這型號直徑18mm高度65mm來與當時常見其他種類電池尺寸上做區隔，例如：AA尺寸是14mm直徑50mm高度，達到避免消費者誤用或混用的目的。應用產品是Sony那時的熱門產品MP3及攝錄影機，結果大受好評，從此鋰離子電池憑著輕、薄、短、小的特性快速地席捲了所有的3C消費性產品，取代了鎳鎘、鎳氫電池的市場。更進一步逐漸滲透入原先鉛酸電池主導的工業電池的市場。圖7是各種不同能量範圍的鋰離子電池應用圖示。
圖7. 鋰離子電池在不同能量下的應用實例(圖片來源：蘭陽能源)
更重要的是由於鋰離子電池的問世，使得電動車的實用化變成可行。電動車之前由於電池的續航力太短及使用壽命次數太少，一直停留在研究階段或只能應用在特殊場合上。從特斯拉(Tesla)推出第一代電動車Roadster（見圖8）開始11，經過十幾年市場實際驗證，證明其可行性，市場大獲成功，同時推升特斯拉成為市值最高的車公司，超過Toyota、VW、……等等傳統車輛製造公司。期間各國政府也因此紛紛訂立推動電動車的短、中、長期的政策。每個國家針對自己的能力，訂定不同時間電動車要達到的比例，利用免稅獎勵措施及對油車產量的限制，積極推動電動車的發展。目前發展最積極的國家及地區分別是中國、美國、日本及歐洲。
圖8. Tesla第一代電動車Roadster外觀(圖片來源：Wiki)
台灣由於受到資源限制，加上市場及製造能力綜合考量，並沒有積極推動電動汽車，反而選定已有完善生產體系的機車產業，以電動機車作為發展及獎勵的對象。幾年下來已造就了Gogoro純電動機車公司，去年市占率已達到全體機車生產量的20%。同時也促成傳統機車廠光陽、三陽、山葉、宏佳騰、PGO等進入新的電動機車產業。
除了電動車外，另一個鋰離子電池快速導入的市場是儲能應用。因為溫室效應的考量，全世界各國都在推動再生能源(renewable energy)的應用。實際應用集中在太陽能及風力發電這兩項，無論是太陽能或風力都面臨到電力穩定度的問題，太陽能發電量因日照量變化而改變，風力發電量隨季節或氣流大小而起伏，當他們用為電力來源時，都需要有儲能系統的調節，緩和過大的變化。而鋰離子電池的高能量密度及長使用壽命特性，使得鋰離子電池在儲能應用上越來越多。加上產量不斷增大，造成電池的成本不斷下降，更加速儲能電池市場的成長。儲能櫃(見圖9)就是一個最好的例子，它的容量大小可由百萬瓦時(MWh)到兆瓦時(GWh)，根據客戶的需求來調整12。
圖9. 儲能櫃的外觀與貨櫃類似，內含監控櫃、電池櫃、空調、消防系統及管道空調、電流器及變壓器（圖片來源：工商時報）
前面提到鋰離子電池根據使用陰極材不同，主要產品有鋰三元及鋰鐵兩大類，前者具有高能量密度的優點；後者有長壽命極高安全性的特點。因此，3C電子產品、小型電動車(如Tesla轎車)都會使用鋰三元電池。儲能應用及強調安全性(如電動巴士)的產品會使用鋰鐵電池。簡單地說，民生產品以鋰三元為主，工業產品應用偏好鐵鋰電池。
鋰離子電池的未來
鋰離子電池已成為人們生活及工作上必備的電源，而且它的應用領域將隨著時間再擴大。展望它的未來發展,可以分成產品性能及安全性兩方面來說明。
第一是性能的再提昇，主要是電池能量密度的提高，努力的方向是找尋更高能量密度的電極材料。在陽極部分很快會有碳摻矽材料的導入，這可以提升陽極能量密度至少兩倍以上。而陰極材料最近重心放在含鋰混合金屬氧化物上，這也可以提升陰極能量密度50~60%。更積極的嘗試是回到用鋰金屬當做陽極，陰極用硫化物。研究結果顯示容量可以比現有鋰離子電池高數倍，可是由於壽命問題尚未解決，目前仍停留在實驗室階段。
其次是固態電解質和電池的開發，現有鋰離子電池電解液仍是使用液態溶劑為主，材料本身屬低沸點、低閃火點特性。若能將其改為純固態電解液，一方面安全性可以提昇，同時鋰金屬的使用較能實現。但由於固態物質導電度過低，仍需近一步提升才有可能。
鋰離子電池 vs. 鉛酸電池
鉛酸電池是超過200年的產品，雖然有鉛重金屬對環境及人體健康的疑慮，但由於價格低廉，目前仍是工業產品及汽機車啟動的主要電源。前面提過現在鋰離子電池因為量大價格不斷下降，使得鉛酸電池面臨很大的挑戰。尤其是鋰鐵電池挾著高容量密度、長壽命、大電流充放電，及高安全性優勢，加上電池本身電壓與鉛酸電池匹配度佳，已逐漸滲透入傳統鉛酸電池的應用。表2是12V/6Ａh機車啟動電池鋰鐵與鉛酸的比較。目前鋰鐵與鉛酸的價差仍大，等兩者之間價差拉到1.5倍以內，那鉛酸電池被取代的時機就接近了13。
表2. 針對12V7A機車啟動電池產品,鋰鐵電池與鉛酸電池的各樣性能比較
(圖片來源：蘭陽能源網站)
結語
鋰離子電池的出現，不僅是改善人們使用的方便性，提升了生活品質。由於它的問世使得電動車及綠能發電的理想可以落實，間接對地球暖化議題提供直接幫助。未來發展除了提昇性能，加強安全性外，若能達到普及經濟規模時，更可取代具污染性的鉛酸電池，讓我們拭目以待吧!
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9.維基百科
10.維基百科
11.維基百科
12.工商時報 2019/08/20
13.蘭陽能源網站
洪為民
蘭陽能源技術副總
謎之費西納色彩與貝漢轉盤
文/戴明鳳、高嘉鄖、廖偉翔、葉唐迪、林家賢、李芳瑜、程安瑜、邱彩瑄、張又懿
摘要
圖1是兩個著名的視錯覺圖案，圖片中僅有黑、白兩色塊和多條黑色的圓弧線段(非為整圈或半圈圓弧線條)，若將圖片置於可以旋轉的轉盤上，此即為貝漢轉盤(Benham’s disk)，或稱為貝漢陀螺(Benham’s top)。
圖1.(a)和(b)為貝漢轉盤諸多視錯覺圖案中最經典的兩個圖案。(c) QR code提供的連結檔案可以直接觀看兩圖片轉動時的色彩變化。
當貝漢轉盤旋轉時，原處於靜態不旋轉的黑色弧形條紋不再以黑色色澤呈現，透過人眼直接觀察圖案竟會看到深藍色，淺棕綠色，及其他顏色，有時瞬間還可以觀看到紅色或紫色。此即為貝漢轉盤現象或貝漢轉盤效應，經由轉動使轉盤內的黑白色塊閃爍呈現，以這種方式觀察到的色彩具有多種名稱，有人依其形成原因稱為「圖案閃爍誘導色彩 (pattern-induced flicker colors, 簡稱PIFC) 」，亦稱「主觀色彩」；也有依主要研究者之名稱為「費西納顏色(Fechner colors)」。
不少網路資訊宣稱「每個人所能看到的顏色各有不同」，甚至有人以首先看到的第一個顏色，來論斷觀察者的個性、潛能、喜好、心理狀態或作預測？您認為這些推論合理嗎？
截至目前為止，各領域研究人員還無法完整地說明「為何原為黑色的弧形線條，在轉動或移動的過程中竟會呈現出不同顏色的色彩變化？」，對此現象的詳細成因尚不是很明確，故學者之間對此成因還有不少爭論。然而多數學家認為最有可能的原因在於人眼內的紅色、藍色以及綠色這三個錐狀感光細胞對不同顏色的色光其反應速度、視覺暫留時間與敏感度具有差異。倘若您的眼睛無法看到顏色的變化的話，有可能你眼睛的錐狀感光細胞有問題。
雖然真正的產生機制還不能完全了解，但目前已有不少眼科醫學研究中心是以研究貝漢陀螺效應和其他具有PIFC效應的現象作為眼睛和視覺追跡(visual track)疾病的診斷工具。而此研究結果並已確定在檢測視神經炎(detecting optic neuritis)方面有具體的檢測成效。
一、前言--何謂貝漢轉盤？
西元1894年英國玩具製造商查爾斯-貝漢(Charles Benham)設計製造了附有如圖1內所示的圖樣轉盤，此即為著名的「貝漢轉盤」經典演示圖。將圓形圖等分為兩個區域，其中一個半圓區域全為黑色，另一個半圓區域為白底且繪有不同長度和不同寬度的黑色弧形線條。當轉盤於靜止狀態時，僅可於圖片上看到黑色區塊、白色區塊以及黑色弧形條紋；當轉盤以適當轉速旋轉時，人眼竟可觀察到黑色以外色彩的現象，反而不易看到黑色的弧形線條。經由多數實驗結果顯示人眼觀看到的顏色會隨轉速不同，線條長短不同，線條位置不同所呈現的顏色也會有所改變。故貝漢將此玩具命名為「人造光譜陀螺(Artificial Spectrum Top)」，之後此轉盤以查爾斯-貝漢(Charles Benham)的名字命名，稱為”貝漢轉盤(Benham’s disk) ”或”貝漢陀螺(Benham's top)”。
物體因移動所看到的色彩則被稱為「費希納顏色(Fechner colors)」，或根據其產生的機制，稱為「圖案誘導閃爍的色彩(pattern-induced flicker colors, PIFC)」。
如圖2所示，諸多網路文章宣稱此有趣的科學現象可作為心理測驗(參考網址：https://ideapit.com/test/b0jz)。即這個圖案在旋轉時，每個人所能看見除黑色以外的其它顏色各有不同。不信讓你身邊的朋友一起看，「他一定能看到你所看不到的顏色。如首先看到
(a)藍色者：是一個愛好和平的人，同時擁有很強的直覺力。
(b)紅色者：是一個很陽光的，很有智能的人。
(c)紫色者：跟靈性，宗教，修行很有緣分。
……. 」
圖2.諸多網路文章宣稱透過貝漢轉盤的效應，以觀測者所觀測到的第一個顏色來論斷觀察者的個性、潛能、喜好、心理狀態，甚或作一些預測。您認為這些心理預測、推論合理嗎？(參考網址：https://ideapit.com/test/b0jz)
您相信這樣的心理測驗結果嗎？從古至今，生活中充斥著許許多多的謠言。過往資訊多是透過口耳相傳，故謠言散播的範圍有限，能夠傳播的資訊量較不完整；到當今e世代的網際網路，謠言散播的範圍無遠弗屆，非常迅速且幾乎可以完整地傳遞，謠言散播的方式包含文字、照片、影片、動畫等多媒體，現在甚至利用AI人工智能換臉的技術，還可製作出許多假的影片…等；為了減低不實謠言，邀請各位科學偵探們，讓我們一起來解開上述的網路謠言！
二、貝漢轉盤效應的歷史沿起
1.此動態圖案的多彩色澤呈現現象的發現，首次文獻紀錄可追溯到西元1826年，法國僧侶本篤普雷沃斯特(Benedict Prevost)的觀察。某日他在修道院裡對著他人揮手示意時，從指縫觀察到顏色的變化，並將此現象描述如同上帝手指上的天光一樣。而後他發現類似的現象也會呈現在白色紙板上。當時本篤普雷沃斯特即相當正確地推測產生的原因與人眼視覺的生理機制有關，並推論可能與視網膜的感光細胞對不同顏色的反應時間和視覺暫留的時間不同有關。
2.西元1838年，古斯塔夫·費西納(Gustav T. Fechner)是第一個具體描述並研究貝漢轉盤現象成因的學者，他在“用於產生主觀色彩的光盤(Übereine Scheibe zur Erzeugung subjectiver Farben)”一文中探討了此現象的效應，稱為Prévost-Fechner-Benham。[此研究結果刊登於Poggendorff的物理和化學年鑑(Poggendorfs Annalen der Physik und Chemie)，第227-232頁,萊比錫(Verlag von Johann Ambrosius Barth)出版。]。
3.西元1894年，英國玩具製造商Charles E Benham發現具有特定圖案的黑白標記(比Fechner's更複雜)的圓盤旋轉，可能導致人眼看到黑色以外的顏色。故而根據此現象設計了一款暢銷玩具，首次將之作為兒童玩具上市。他稱此轉盤為“人造光譜陀螺(Artificial Spectrum Top)”，而後Messrs和Newton Co.將此有趣的玩具也發售到北美地區，當時曾在歐美的玩具市場和坊間風行了一陣子。因此，後來稱為“貝漢轉盤(Benham's Top)”。 [C.E.Benham, Nature, 51：113-114, 1894]
4.直到西元1987年，理查德·格雷戈里特別於“Oxford Companion to the Mind” 書中探討此一議題。
5.西元1996年德國邁克爾·巴赫博士畢業於德國弗萊堡大學(University of Freiburg)，現今專攻眼科、臨床電腦斷層圖，臨床視網膜電腦斷層圖以及視覺感應知覺方面的研究。與其友人設立了一個”光學錯覺與視覺現象(Optical Illusions & Visual Phenomena)”網站，於臨床電腦斷層圖，臨床視網膜電腦斷層圖以及視覺感應知覺訂立標準，截至西元2020年4月，此網站已建立137種幻覺的動畫圖案，並都帶明確的解釋。(參考網址：https://michaelbach.de/index.html)
三、探究動機：超級跨領域的科學實作與探究
貝漢轉盤現象不僅和物理光學及轉動力學有關，更和人眼的感光細胞以及色彩學有關。讓我們先來探討有哪些因素或變數會影響人眼觀看到的顏色變化，以下我們列出一些可能的影響因素，後面並將設計實際的實驗流程與觀察分析，以了解貝漢轉盤效應的結果與因素。此處，我們先提出一些常見的問題，讓您先行思考。
Q1.與顯示器或觀察裝置是否有關係？
Q2與轉盤的旋轉速度是否有關係？
Q3.有人宣稱看不到彩色的話，怎麼辦？
Q4.每個人看到的顏色「都」不一樣嗎？為什麼？
Q5.看到的顏色與性格是否有關聯？
四、如何製作＆操作貝漢轉盤？
1.紙轉盤：以圓形厚紙板、繩線與配重重物製作轉盤：如圖3所示
製作方法：以較厚的紙板印製貝漢轉盤圖案，如圖3(a)；於圖案中心打洞並將繩線穿入，如圖3(b)；於厚紙板背面以廢棄電池或重物作為配重物體，如圖3(c)；將繩線拉長即可完成，如圖3(d)。
優點：材料成本低廉、取得容易、轉盤製作簡單。
缺點：(1)繩線扭扯帶動紙盤轉動時，觀察時容易受繩線干擾；(2)轉速不易控制；(3)轉動不易持久。
圖3.以繩線製作貝漢轉盤。
2.指尖陀螺的手轉轉盤：利用前幾年廣為流行的指尖陀螺製作貝漢轉盤。
製作方法：如圖4所示，以較厚的紙板印製貝漢轉盤圖案，再將指尖陀螺黏貼於背板上，快速旋轉指尖陀螺即可觀察轉盤轉動時，圖片中線條的顏色變化囉！
優點：轉速容易控制、轉速穩定、成本低廉、簡單製作，易於觀察。
缺點：因受限於手掌的寬度，導致貝漢陀螺的圖片尺寸受到限制。而操作者的手指也會影響觀察。
圖4.以指尖陀螺製作貝漢轉盤。
3.光碟製轉盤：
製作方法：如圖5所示，取一顆玻璃彈珠和一片廢棄光碟，再以熱融膠將彈珠膠黏在光碟的中心孔洞。而後，將貝漢轉盤的圖片黏貼在光碟片上，再以手指抓住彈珠旋轉，以使光碟隨之轉動。
優點：光碟片廢物利用、光碟片和彈珠易於取得，故成本低廉。
缺點：需使用熱融膠，不適合於人多的場合，且會花費很多時間在進行黏合。且不適合讓小學生使用熱融膠加熱器，以免受傷。
圖5.以廢棄光碟製作貝漢轉盤。
4.木質轉盤
(1)材料：(a)木質板1片(珍珠板亦可)，(b)外徑5.0 mm、內徑1.9 mm的矽膠質軸套1個，(c)適當外徑的牙籤數支
(2)儀器：雷射切割機
(3)製作方法：如圖6所示，以雷射切割機切出直徑為 90.0 mm的木質圓盤，圓盤中心有一個內徑為5.0 mm的小洞。再於洞中塞一個內徑為1.9 mm，外徑為5.0 mm的矽膠質軸套(參考廠商泉銘企業社，30個一包約100元)。將貝漢轉盤的圖案平放於木製圓盤上，用牙籤從無圖案的木盤面插入中央的塑質軸環，使其在圓形紙張的圓心穿出一小孔而後將牙籤取出，再從貼有圖案的那面將牙籤從圖案中心穿入約1-2公分，即完成。
(4)優點：若有雷射切割機，則材料成本相當低廉，圓盤成品美觀好用，另可延伸作為其他多項有關轉動實驗的材料，符合一物多用的經濟效益。容易操作，易於觀察，攜帶方便。
(5)缺點：需使用雷射切割機切割木質片，轉速無法定量。
圖6.木製圓盤製作貝漢轉盤。
5.電腦動畫－利用微軟的Power Point簡報軟體中的「陀螺轉動」的動畫功能，即可直接在電腦螢幕上模擬貝漢轉盤，並觀察貝漢轉盤的變色現象。但透過液晶螢幕所觀看到的顏色與人眼直接觀看到的色澤可能會有某些程度的差異，此點也是可探究的議題之一。當然也可以使用其他具有類似功能的軟體製作圖案與模擬轉動功能，以進行實驗。
(1)器材：筆電或個人電腦
(2)製作方法：
(a)將網路下載的圖片或自製圖片插入Power Point簡報中。我們已繪製了不少本文章內會用到的相關圓形圖檔，如圖6所示，並存於雲端網址內，歡迎大家自由下載使用。
(b)圖片旋轉動畫設定：點選圖片 選擇「動畫」→選擇「陀螺轉」動畫形式
(c)陀螺轉動畫的參數設定：
「期間」設定0.2秒 (即0.2秒轉一圈，意即每秒轉5圈) → 選擇「動畫窗格」→ 選擇「效果選項」選擇「預存時間」→ 選擇「直到下一次按滑鼠」
圖7.以微軟的Power Point 2016簡報軟體設計貝漢轉盤實驗。
(3)優點：可以隨時調變旋轉方向和轉速。因可精準調控轉速，故轉速穩定易於觀察。
(4)缺點：會有頻閃效應干擾觀察結果，播放設備(如螢幕、投影機)的顏色需校正。簡報檔中陀螺轉能夠設定的最快轉速是每秒100圈。
6.德國眼科與光學影像研究中心”Michael’s Visual Phenomena & Optical Illusions”網站提供的貝漢盤動畫檔：
掃描圖7(a)的QR code或點選此網址，即可進入貝漢轉盤的實驗操作介面。如圖7(b)所示，可設定轉盤的轉速(rpm)、轉向(順時針或逆時針轉)、停止等參數。透過此網頁內的動畫檔案觀察貝漢轉盤的優點是只要有個人電腦，不需其他任何器材和花費；且轉速易於控制、現象容易觀察。
此網頁是德國著名的眼科專家Michael Bach教授所設立的，他的團隊長期致力於眼科、臨床腦電圖、臨床視網膜電圖、視敏度測試和視覺感知等方面的研究。此研究中心同時彙整了各種有趣的視覺影像圖片，並為這些圖片設計了相關的視覺動態模擬實驗，如圖7(c)中所列，並探討所觀測到的結果。內容相當完整豐富，該網站在2005年每天有高達200萬次以上的點擊率，有興趣者不妨到該網站瀏覽。
圖8.(a) QR code，(b)貝漢轉盤動態實驗操作介面，(c)網址內含有的視幻覺影像的主題照片。
7.手機APP操作：
(1)安卓(Android)手機版的APP有"Finger Spinner! - Eye Illusion Myster" App
下載網址，其操作畫面參見圖8所示。
(2)蘋果(iSO)手機則有 ”Benham’s Disk” 和 “Spinning Disk Illusion” 兩款App
Benham’s Disk
Spinning Disk Illusion
使用手機APP的優點是不需要其他額外的器材，且轉盤的轉速和轉向都可控制，易於觀察現象。缺點是有時會有閃頻效應干擾觀察結果。
圖9.安卓(Android)手機版的 ”Finger Spinner! - Eye Illusion Myster” APP 下載網址的QR code 和所有可以選用之所有圖案的彙整清單。
圖10 兩款iOS手機用的貝漢轉盤App的下載方式。
五、圖案內容
什麼樣的圖案具有貝漢轉盤的顯色效應？圖10內呈列了一般討論貝漢轉盤現象時常使用的黑白圖樣。您認為這些圖案旋轉時，都能引發黑色以外的顏色呈現嗎？若您的答案是肯定的話，請說明您的觀點。若您的答案是否定的話，請說明那些圖案經轉動後，會產生黑色之外的其他顏色？哪些不會？原因為何？
圖11 各式黑白圓形圖案，圖片來源 六、實驗流程建議
探究實作的步驟與流程建議如下：
1.選定線條圖樣後，將轉盤由低速到高速慢慢開始旋轉。
2.轉盤開始轉動時，請先以肉眼直接觀察轉盤上的圖樣，剛開始您會觀察到閃爍現象，隨著轉速加快會發現閃爍現象逐漸減弱，此時轉盤上的條紋開始出現色彩。
3.再加速轉盤轉動時，您所觀察到的閃爍現象會逐漸消失，轉盤上的條紋色彩也逐漸偏淡。若再持續加速轉盤轉動，條紋色彩將完全消失而變成灰階條紋。
4.若將轉盤以不同方向旋轉時，您所觀測到的色彩分布是否會改變？
5.承上，改以手機拍攝轉動的現象，您是否能透過鏡頭觀察觀察到彩色線條？
6.若將動態影像靜止，您是否能透過鏡頭觀察觀察到彩色線條？
7.若轉盤上僅有黑白兩個半圓圖形時，您是否可以看到彩色條紋的現象？
8.若轉盤上僅有條紋且無黑色半圓時，您是否可以看到彩色條紋的現象？
表1
經由上述實驗，您可發現直接觀測旋轉盤上的條紋時，會看到黑色條紋產生色彩變化，但為何以手機直接拍攝卻無法拍到彩色條紋呢？即便調節相機曝光速度都只能捕捉到灰階的線條而無法看到彩色，這意味著彩色的條紋並不是真實存在，那麼轉盤上的黑色圖案內含有什麼奧秘嗎？我們將透過下列實驗深入剖析：
表2
由上實驗過程，可以得到下面的結論
(1)若轉盤上只有黑白兩個半圓的話，無論怎麼旋轉，轉盤只是從閃爍到閃爍消失，不會出現彩色。
(2)如轉盤上沒有黑色半圓，只有黑色條紋的話，無論怎麼轉，也不會生出彩色條紋來。
七、深入探討與總結
為什麼直接觀測時，可以看到彩色條紋呢？
人類之所以可以看到顏色是因為視網膜上分別有能接受紅色、藍色與綠色三種顏色的錐狀感光細胞，當這三種錐狀感光細胞對光的強弱刺激與反應時間略有不同時，信號傳送至大腦信號就有所不同，經由視神經組合後，就形成我們所見到的顏色。
透過實驗觀察我們可以初步推測，當人類視網膜上的錐狀感光細胞先接受到黑色圖樣(即無受光線刺激)，而後若突然受到光線刺激時，錐狀感光細胞便會對光反應更加靈敏。當轉盤上僅有黑色與白色圖塊且快速旋轉交替激時，視網膜上的錐狀感光細胞便會來不及反應，此時會看見轉盤上的黑白圖樣隨轉速不同而閃爍變化；但若將轉盤上白色的部分增添黑色的弧線，再使其快速地轉動，會發現原本黑色的線條出現色彩，當圓盤上黑色條紋的長短、粗細以及交替方式不時，圓盤的轉動速度以及自轉方向對錐狀細胞刺激就有所不同，故以肉眼直接觀測時，我們會看到彩色的條紋(如圖11所示)。
圖12.人眼觀察到圓盤出現彩色現象示意圖。
如下圖13所示，因三種類錐狀感光細胞對於光刺激的反應時間有所有差異，若它們全部都先被白光刺激一段時間後，再將光線突然熄滅，因錐狀感光細胞對紅光的殘影時間最短，故大腦所感受到殘影的色澤偏藍色。同理，若先讓錐狀感光細胞不受任何光線刺激一段時間後，再突然受到白光刺激，此時大腦內的錐狀感光細胞對紅光的反應速度會比藍光和綠光還要快，因此大腦會將突然出現的白光視為略為為偏紅的白光。
圖13.左圖人眼視網膜上的三種視錐細胞對不同顏色的電磁波吸收效應，資料來源: http://zhihu.timetw.com/50882.html。
此外，我們可以根據圖樣模式、旋轉速度、旋轉方式、黑白區塊、線條粗細以及觀看方式…等變因，深入探討貝漢轉盤被觀測得的色彩和此效應的主要成因。
表3
承上，若將黑色的弧線條紋改成正紅色、正藍色以及正綠色的弧線，如上文的實驗方式進行實驗，你所看到的結果會相同嗎？若將黑色的弧線條紋改成青色、紫色以及黃色的弧線，你所看到的結果會相同嗎？
八、參考學習單
貝漢轉盤實驗I：原來只有黑白的線條，竟然也能轉出彩色線條！
1.在什麼情況或條件下，能於圓盤上看到黑白以外的顏色？
2.順時針和逆時針轉動所看的結果會不同嗎？試說明之。
3.看到黑白以外的顏色和哪些「實驗變因」有關呢？
4.轉動轉盤，再以手機或相機的「照相功能」拍下轉動過程。然後，再以顯示螢幕直接觀看照片，是否會出現黑白以外的色彩？
5.轉動轉盤，再以手機或相機的「攝影功能」錄製約3-10秒的轉動過程。然後，再以顯示螢幕直接觀看所拍攝的影片，請問：
(1)當在動態播放時，請問是否有黑白以外的色彩呈現？
(2)暫停播放時，是否有黑白以外的色彩呈現？
(3)動態播放和暫停撥放時所看到的結果一樣嗎？
6.若將圖案中一半全黑的圖案刪除掉，只留下線條，上述所觀察到的結果是否還會存在？
7.若我們將條紋顏色改為其它色彩(如上述圖例)，您所見到的現象會相同嗎？請說明原因。
九、參考試題
1.在貝漢轉盤實驗中主要看見什麼顏色？(A) 冷色調。(B) 暖色調。(C) 彩色。(D )灰色。
2.若貝漢轉盤不是圓形是否仍可產生費西納顏色的效果？(A) 不能，因為方形不符合貝漢轉盤的原則。(B) 可以，只要透過旋轉，任何圖形都會產生費西納顏色的效果。(C) 可以，只要符合半黑半白的原則，就能產生費西納顏色的效果。
3.下方六個貝漢轉盤的圖案哪幾個可以有費西納顏色的效果呢？(A) 1,2,4,5可以。(B) 2,4不行。(C) 3,6不行。(D)因人而異。
4.以順時針或逆時針轉動貝漢轉盤會不會影響費西納顏色效應？ (A) 會，因為圖形不是對稱的。(B) 會，理想狀態下，顏色會剛好相反。(C) 不會，因為貝漢轉盤的重點是以旋轉造成色彩變化。
5.在您的觀察下，轉速要多快才能產生費西納顏色的效果？(A) 每秒1-10圈。(B) 每秒10-40圈。(C) 每秒40圈以上。(D) 每秒100圈以上。
6.為什麼您可於貝漢轉盤上看見顏色？(A) 因為轉盤上的圖案會吸收某些波長的光。(B) 視覺錯視所產生的現象。(C) 因為轉盤上的圖案會發散某些波長的光。(D) 以上皆是。
7.觀看轉盤的角度會不會影響費西納顏色效應？為什麼？(A) 會，因為不同角度，會散發的不一樣的光線。(B) 會，因為不同角度，會反射不一樣的光線。(C) 不會，因為只有轉速會影響。(D) 不會，因為只有黑線或圖案的粗細會影響。
8.貝漢轉盤的大小會不會影響費西納顏色效應？ (A) 幾乎不會，因為圖案才是重點。(B) 會，且會呈現偏藍的色調。(C) 理想情形下不該有所影響。(D) 以上皆是。
9.請問貝漢轉盤的顏色會不會影響費西納顏色呈現的效果？(A) 不會，因為費西納顏色只根據黑白的變化來產生閃爍的顏色。(B) 會，而且就像在轉盤上打上該顏色的光一樣。(C) 不會，因為貝漢轉盤上最後呈現的效果是不變的。(D) 會，因為任何有兩種顏色轉盤只要旋轉得夠快，就會產生第三種顏色。
10.環境亮暗會不會影響費西納顏色效果？轉盤的顏色會因為環境光閃爍或顏色不相同而有所改變嗎？(A) 不會，因為打上不同的光，會反射不同的光。(B) 不會，因為打上不同的光，我們的眼睛就無法接收到該種類的光了。(C) 會，因為在不同的情況下，我們眼睛能接收到的光線都不同。(D) 會，因為打上不同的光，我們的眼睛就無法接收到該種類的光了。
戴明鳳、高嘉鄖、廖偉翔、葉唐迪、林家賢、李芳瑜、程安瑜
國立清華大學物理系與跨領域科學教育中心
邱彩瑄、張又懿
桃園市自主學習3.0實驗室
Arduino色散、折射、全反射實驗創作過程分享
文/張敏娟、吳翼翀
本文背景
2020 年12 月13 日，在台北市科教館一樓大廳前，聚集了許多參加2020第三屆全國科學教具創意設計競賽的參賽選手們。經過了一天的決賽之後，大家坐在椅子上等著公布名次，依照慣例，壓軸放在最後。司儀：現在宣布最佳人氣獎，獲獎的是…，接著宣布佳作、第三名、第二名，眼看只剩下最後兩個獎項，突然間聽到司儀喊了我們，意外獲得了第二名 (圖一)。
圖1.2020 第三屆全國科學教具創意設計競賽，獲得第二名的照片。頒獎者為台師大駱芳鈺教授（左），吳翼翀（中）與指導教授張敏娟（右）。
一、研究光學實驗的起因
設計這個作品時，主要想讓有興趣接觸幾何光學的學生們，用簡單的方法與工 具，以幾百元就可以做出普物實驗室等級的光學實驗。整個實驗的架構示意 圖，如圖二，左邊是Arduino模組、可變電阻、電阻、LED、麵包板，組成光 源。中間是自製單狹縫盒子。右邊是白板、自製量角器、半圓柱透鏡。我們利 用Arduino開發模組（圖三），透過程式撰寫（附錄），將Arduino腳位以 PWM(脈寬調變)的方式調整輸出電壓（圖四），進而控制LED的亮度。用直徑 5mm的LED做為光源（圖五），除了便宜、小巧、好固定，還容易置換成不 同顏色的LED。
圖2.實驗架構圖。左邊是Arduino模組與可變電阻、麵包板、電阻、LED組成光源。中間是自製單狹縫盒子。右邊是白板、自製量角器、半圓柱透鏡。
圖3.使用的Arduino開發模組，由江翠國中賴雲立老師所設計。
圖4.將Arduino腳位以PWM(脈寬調變)的方式調整輸出電壓。
圖5.用直徑5mm的LED做為光源（左），接上Arduino模組發光（右）。
二、單狹縫盒子設計
一開始用簡單的盒子，上面固定LED燈，後方加一個厚紙板做成單狹縫，過濾 LED燈所發出的光，但是LED光源的發散角很大，於是改用珍珠板，切割後用 保麗龍膠黏成長方形的盒子（圖六），盒子前方黏上兩塊方形板子，形成一個 單狹縫，另一個方形板子挖一個洞放LED（圖七）。這個珍珠板盒子過濾光源 的效果優良，組裝又簡單。
圖6.以珍珠板切割後，用保麗龍膠黏成長方形的盒子。
圖7.黏上兩塊方形板子，形成一個單狹縫（左），挖一個洞放LED（右）。
三、光路測量設計
在網路上找到無版權的量角器圖片，影印下來黏在厚紙板上，小心的裁切厚紙 板，就完成一個量角器。量角器下方放一個白板（圖八）。
圖8.光路測量設計。打開電源後，以可變電阻調整給LED的電壓（左），光 通過單狹縫之後，射出路徑可由自製量角器觀察（右）。
四、實驗內容
實驗分成兩個部分，一個是色散與折射，另一個是全反射。 1.關於色散與折射實驗，已知空氣的折射率，我們藉由觀察入射角跟折射 角，理解Snell定理， 。若要找出半圓柱透鏡的折射 率，以入射角為操縱變因，折射角為應變變因，透過數據分析 。知道探究原理之後，開始實作。想要改變入射光與半圓柱玻璃透鏡表面 的夾角𝜃"，有兩種辦法，一種是旋轉入射光源保持半圓柱玻璃透鏡不動，另一 種是反過來，旋轉半圓柱玻璃透鏡而保持入射光源不動。兩者相比，旋轉入射 光源太麻煩，而旋轉半圓柱玻璃透鏡卻非常簡單，所以我們採用後者。從0 度 開始，旋轉半圓柱玻璃透鏡，為了更好控制旋轉以及避免量角器滑動，我們加 上了一個圓形小磁鐵，讓小磁鐵同時吸住量角器與白板（圖九）。半圓柱玻璃 透鏡旋轉時，其實是透過旋轉量角器一起帶動，讓光的入射角每次增加10度， 觀察對應的折射角度，記錄於實驗表中（表一）。再把實驗表的數值輸入 execl，得出𝑛"的擬合斜率（圖十）。因為光會色散的關係，寫實驗數據時，紀錄 白光的中間位置角度，將白光色散的角度當作系統誤差值，一起紀錄。之前試 過壓克力稜鏡，色散的角度較大，光也較暗，因此捨棄不用。
圖9從0度開始，旋轉半圓柱透鏡，觀察入射角與折射角（左）。右圖為壓克 力稜鏡，色散的角度較大，光也較暗，測量誤差較大。
表一.同時驗證Snell’s Law 與光的可逆性。半圓柱玻璃透鏡旋轉，觀察對應的 折射角度。左邊表格，光從密介質到疏介質，右邊表格是為了驗證光的可逆 性，反過來，讓光從疏介質到密介質。
圖10.以線性函數擬合的半圓柱玻璃透鏡折射率，。
2.關於全反射實驗，跟上一個折射實驗類似，只不過這次我們用了紅色、綠 色、藍色玻璃紙，產生紅光、綠光、藍光，慢慢旋轉半圓柱玻璃透鏡，直到折 射光不見了，記錄此時全反射的臨界角度，如圖十一。以Snell定理推估此時的 半圓柱玻璃透鏡折射率，跟上一個實驗比較（表二），結果與白光差異在2% 以內，達到普物實驗的水準。（改用紅光、綠光、藍光LED也可以）
圖11.全反射實驗，旋轉半圓柱玻璃透鏡，直到折射光不見了，記錄此時全反 射的臨界角度（左）。以全反射計算透鏡折射率的推導過程（右）。
表二.紅光、綠光、藍光，產生全反射臨界角的角度。跟折射實驗的白光結果 1.5377相比，。表中結果表 示，差異在2%以內。
問題與討論
一、 為什麼紅光的臨界角最大，而藍光的臨界角最小?
折射率n 跟光波的速率有關，不同顏色的光波，波速不同，折射率也不同。
折射率 ，𝒄為光速= ，𝒗為光波在介質中的速率。
紅光能量最小，波長最長，波速最快，折射率n 較小，因此臨界角較大。
藍光能量最大，波長最短，波速最慢，折射率n 較大，因此臨界角較小。
二、 為什麼在色散實驗中，藍光偏折角度最大，紅光偏折角度最小?
同上一題，藍光的波速最慢，紅光波速最快，所以藍光的折射率比紅光的折射 率大， ，代表藍光或是紅光的折射率， 為空氣的折射率= 𝟏。 。在相同入射角𝜽𝟏下，越大 也越大， 越大的值也越大。
在色散實驗中，藍光的折射角最大，所以偏折角度也最大。紅光的折射角 最小，所以偏折角度也最小。
附錄 Arduino 開發板驅動程式碼如下：
#include //引用程式庫
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 3); //16列4行
byte potPin = A0; //analog腳位
byte ledPin = 5; //nano可以PWM的腳位
int potValue = 0; //設定A0讀取變數為potValue，類比輸出值
byte analog = 0; //儲存轉換範圍值
double V = 0; //全部都能用double來，可以取很多小數點
boolean state = 0; //宣告一個按鈕狀態的變數
void setup()
{
pinMode(4,INPUT_PULLUP); //特定輕觸型按鈕要打INPUT_PULLUP
///////////////////////////////////////////////
lcd.begin(); //開始
lcd.home(); //游標設定在原點
lcd.setCursor(0,0); //游標設定在(0列,0行),可選擇一個用就好
lcd.print("Hello"); //標好游標後輸出文字
delay(500);
lcd.setCursor(1,1); //游標設定在(1列,1行)
lcd.print("Wellcome to System"); //接再"hello world"後輸出文字
delay(800);
lcd.clear(); //lcd螢幕清除
///////////////////////////////////////////////
pinMode(ledPin, OUTPUT); //led腳位輸出
Serial.begin(9600); //讀取數值速度(鮑率)
//////////////////////////////////////////////
}
void loop()
{
potValue = analogRead(potPin); //讀取A0的值代入
analog = map(potValue, 0, 1023, 0, 255); //0~1023是Arduino輸入的範圍，
0~255是調整範圍
Serial.print("analog="); //電腦監控視窗跑的數字
Serial.println(analog); //電腦監控視窗跑的數字
/////////////////////////////////////////////////////////
analogWrite(ledPin, analog); //給led輸出多少
/////////////////////////////////////////////////////////
lcd.setCursor(0,0); //lcd游標再(0列,0行)
lcd.print("analogRead="); //lcd顯示"analog="
lcd.print(int(analog)); //lcd在"analog="後顯示變數analog，記得用
double之類的
/////////////////////////////////////////////////
V =(double(analog))*5/255; //要把0~255數值轉換成輸出電壓0~5V
lcd.setCursor(0,1); //lcd在(0列,1行)
lcd.print("Output V="); //lcd顯示"Output V="
lcd.print(V); //在"Output V="後顯示V的數值
Serial.print("V="); //電腦監控視窗跑的數字
Serial.println(V); //電腦監控視窗跑的數字
delay(50);
lcd.clear();
////////////////////////////////////////////////
boolean state = digitalRead(4); //設定一個變數測量狀態
Serial.print("state="); //顯示變數結果
Serial.println(state); //顯示變數結果
if (state == 0)
{
lcd.setCursor(1,2);
lcd.print("push!");
}
/////////////////////////////////////////////////////
}
張敏娟
指導教授 輔仁大學物理系 副教授
吳翼翀
學生 輔仁大學物理系 光電物理組 四年級
創新科學演示設計探討---以｢七上八下｣演示為例
文/陳香微
民國45年國立臺灣科學教育館(簡稱科教館)成立之初，即以提高全民科學教育水準，輔導各級學校推行科學教育為任務。90年遷建士林新館時也以展示、演示、實驗一體之科學中心規模規畫，不但有大型之科學模具展品、各樓層設有演示廳，更有近千坪專業設備之中小學生科學實驗室，累積數以百計的教材教案，更有多年辦理全國中小學科學展覽及國際科展之豐富人才培育經驗，為我國科學教育奠定深厚基礎。 109年有鑑於科學中心多元傳播形式的開發，我們運用館內資源創新科學演示形式，以與單純的展品操作或學校的演示教學有別，除了展品之外，研發更多的演示教具，演示過程並融入了表演及戲劇元素，尤其導入4S的設計理念----Suspension(懸疑)、Stimulation(刺激)、Surprise(驚訝)、Satisfaction(滿足)，讓演示更為有趣也更為科普，演示過程同時強調觀眾互動、探究等特色，以更能獲得觀眾接受。
一、博物館演示教學與程序戲劇
演示教學法是通過展示實物或教具進行示範性實驗，使抽象、複雜的內容具像化，變得直觀(看得見)、易於理解，以幫助學生學習科學知識。演示教學也是博物館、科學中心經常使用的科學傳播形式之一，尤其運用展品作為演示教具，讓觀眾透過展品的操作演示理解科學原理。
有別於學校科學演示教學的人才培育目的，博物館、科學中心的觀眾停留時間短暫，演示目的主要還是以激發觀眾的學習興趣，而非為了考試、升學，因此演示教學宜更科普、有趣，也要能注重觀眾互動，才能吸引各個不同年齡層、不同經驗的普羅大眾，激發大眾深入探究科學知識的興趣。
程序戲劇是指利用事件從發生開始並發展情節的一種序列式戲劇，在戲劇內容中將教學內容融入，讓學生透過戲劇進行學習。Geraldine Brain Silks提出「程序概念方式」（process-concept approach），在戲劇進行的程序中，透過演示者在具有想像空間與即興表演的過程中，達到預設的目標﹔Nellie McCaslin則提出「教室裡的創作性戲劇」（creative drama in the classroom）的主張，建立教師在教室以戲劇進行教學主張（張曉華，2004）。
Krug 與 Evron（2000）認為經由戲劇擴大學科思想，將藝術作為其他學科的資源（Using the Arts as Resources for Other Disciplines），即將戲劇課程與其他學科提出共同教學目標，讓學生從實際感受中體會抽象的學理（陳瓊花，2001）。
二、自策「創新演示教學」
1.4S設計說明
劇本的基本結構包括主線與輔線、驚奇感、矛盾衝突、懸疑性與衝突性等。科學教育需培養學生對科學的好奇、興趣、態度，其中科學態度包含懷疑與批判的精神、尊重證據、好奇心（龍麟如，2007）。整合科學學習與戲劇腳本設機基本原理，我們對演示教學情節安排提出4S法則
(1)懸疑(Suspension)
好奇是學習的動力，學生科學學習往往因為好奇而投入學習，所以在劇情中製造懸疑是讓觀眾產生好奇的最佳手段之一，為了滿足觀眾的好奇心，以電影為例，一開始鏡頭畫面會故弄玄虛，吊足觀眾胃口，例如月黑風高的夜晚，寂靜昏暗小巷中，一個黑影四處閃躲…….(Suspension)
(2)刺激(Stimulation)
引發觀眾好奇後，觀眾會駐足下來，並經由接續一連串事件發生，於情節中安排高潮迭起扣人心懸科學活動，不時引發觀眾緊張、刺激(Stimulation)的情緒。
(3)驚訝(Surprise):
一顆心跟著科學演示呈現不同結果，讓情節發展七上八下，並對科學實驗產生狐疑猜測，最後安排劇情急轉直下，讓觀眾跌破眼鏡，產生大大驚訝，原來”如此…… (Surprise)。
(4)滿足(Satisfaction)
透過演示將內容去蕪存菁，選擇前後有因果關係的內容，讓觀眾經過懸疑、刺激、驚訝得到很好的滿足(Satisfaction) ，讓科學演示融入戲劇有圓滿結果，觀眾同時了解實驗中的科學基本原理，並作為日後繼續探究的基模。
2.演示規劃
(1)演示流程要環環相扣：演示過程雖然每一環節要講清楚，但節奏要環環相扣，不能讓觀眾思緒中斷，也就是演示過程要緊湊一氣呵成不要離題，不該跟觀眾互動的時候不要隨便CUE觀眾，演示人員腦筋要清楚，動作要俐落，全神貫注，掌握每一步驟，借不斷的衝突堆疊讓觀眾有高潮迭起的感受。
(2)觀眾互動要看時機：觀眾互動是為了營造觀眾參與，以加強觀眾的注意力提升學習成效，但觀眾的年齡層不同、專長背景不同、經驗不同甚至個性不同，也可能無法達成互動目的反而耽誤時間，在邀請觀眾時宜依演示內容依需求或先備知識等……尋找適當的觀眾，例如范德格拉夫起電器演示，會有頭髮豎起的反應，因此不宜找留小平頭的觀眾。邀請觀眾也並非都要找兒童，必要時也可以找家長一起參與互動，尤其演示場地過大或觀眾太多，兒童要穿越整個觀眾席實有困難，最好能邀請離舞台近一點的觀眾，否則一來一回或遞麥克風會耗費過多時間，也可能形成冷場，宜注意。
(3)掌握演出時間：通常演示時間一場次為30分鐘，30分鐘內要藉由各種教具設備完整表達一個抽象原理或現象已經不容易，還要隨時留意與觀眾互動，挑戰度更高，平常要有充分的練習，掌握好節奏及流暢度。
(4)演示道具要檢視：演示可以是一人，但為了活潑或基於操作需要也可以是多人，甚至於有時限於人力關係，有可能一個演示項目有好幾組不同組員或志工演示，常常教具未歸位、毀損等，到了演示現場才發現，應驗了”三個和尚沒水喝”的窘態。演示業務宜有專人負責，除了制定SOP，每項演示也應有大小道具檢核表(含場地布置圖)，演出前一定要再檢視一次，尤其更換場地時連電源、音響等都要檢視。
(5)演示人員可以輔以表演訓練：演示教學要將抽象、複雜的內容說明清楚，演示人員雖具備相當的專業與信心，恐怕還不夠吸引觀眾，適時可以製作一些誇張的教具或妝戴以吸引人，演示人員也可以學得一些肢體表演技巧已能夠更親民。
三、以4S設計｢七上八下｣演示為例
如果科學演示過程可以像電影情節的安排，是不是更能吸引觀眾的目光及喜好，因此我們嘗試用這種電影語言來詮釋科學演示的流程，以下以科教館科學演示｢七上八下｣的設計為例說明：
｢七上八下｣演示主要藉由不同水果及易開罐於水中的浮沉，讓觀眾理解物體浮沉於水中不是取決於物體體積或重量，而是物體體積V及質量M的比，也就是密度D，D=M/V，物體密度大於水就下沉，小於水會上浮。
1.演示材料及設備
(1)相同容量的各式易開罐
(2)會沉會浮的季節性水果(大小都要有)
圖1.一模一樣的易開罐也會有不一樣的反應
2.演示設計流程
本於喚起民眾刻板印象、顛覆觀眾認知、從新建構理念思維，期能建構系統性邏輯思考。
(1)懸疑(Suspension)
我們以製造大的(易開罐)、重的水果喚起觀眾對這些物質投入水中可能反應，引發觀眾對原有認知的懸疑，激發觀眾產生求知的好奇心，並開始思考可能反應有哪些?例如不是立即沉於水底或部分浮出水面，就是在水中載浮載沉，以吸引觀眾能為求得解答駐足繼續學習。
基於上述觀眾對原有認知的信心----以為大的、重的會下沉；小的、輕的會上浮。接下來挑選幾個大的、重的但是會上浮及幾個小的、輕的但是會下沉的水果，將之投入水中，以顛覆觀眾的認知(投入前可以用目視比較方式讓觀眾判斷哪一個會沉，哪一個會浮)，此時觀眾會開始產生懸疑(Suspension)，動搖信心----是不是自己的認知有錯誤或操作過程動了甚麼手腳，還是只是個案巧合，或者真的並非大的、重的東西就會下沉。
為取信於觀眾，這不是巧合，接續可以重複幾個相同效果的演示----大的、重的上浮、小的輕的下沉的演示。
圖2.物質投入水中可能反應
(2)刺激(Stimulation) 刺激能促進觀眾對學習的反應與變化，我們在演示中運用高潮的堆疊，刺激觀眾，並藉觀眾互動抒發觀眾的反應，提升學習興趣。
演示前先詢問觀眾認為甚麼水果會沉於水中?甚麼水果會浮於水中，讓觀眾發散式思考。接續將預先挑選的幾個水果(同時能夠呈現體積大的水果會下沉、體積小的水果會上浮)，無順序的投入水中，藉本文圖5a及5b大的水果會下沉；小的水果會上浮，以喚起觀眾的刻板認知，再藉由其他可以顯現大的會下沉、小的會上浮的水果演示，加深觀眾的信心。例如當觀眾發現並非重的、大的水果比小的、輕的水果容易沉於水，在他們心裡已經產生莫大的懸疑，接著再利用相同容量的易開罐演示刺激觀眾，讓觀眾再次懸疑於相同容量的易開罐為何有沉有浮，產生不一樣的反應，這太不可思議了，藉此再造高潮，使一再的刺激、反應，提升觀眾的求知慾。
或許會有觀眾反應不能香蕉跟蘋果比，因此改以相同容量的各式易開罐再試一次，以回應觀眾。首先將一罐(鋁製)易開罐投入水中，投入前先讓觀眾猜測會浮會沉，結果易開罐浮於水中，接續再拿起一罐相同廠牌(鋁製)易開罐飲料慢慢放入水中(投入前同樣讓觀眾判斷會沉於水或浮於水?為什麼?先不急於回應觀眾的判斷)，當然兩罐相同廠牌、相同材質易開罐自然會有相同反應(觀眾得到滿意的結果證實相同的東西會有相同的反應)，接續一一投入不同廠牌但相同容量的(鋁製)易開罐，以呈現不同的反應(可能是沉、可能是部分浮，可能是在水中浮浮沉沉)，挑戰觀眾的認知，接下來演示者再拿起一罐外觀看起來相似的(鐵製)易開罐慢慢投入水中，投入前一樣先讓觀眾判斷會沉或會浮於水?鐵罐顯然應聲下沉，此時觀眾的認知又遭受到更刺激的挑戰，演示者可以反問觀眾為什麼會有不同反應，同時引導觀眾對罐裝飲料的容量、內容物、包裝材質等產生疑義，後續可以再以各式不同材質、不同容量罐裝飲料與觀眾互動，讓不同大小易開罐浮浮沉沉的結果刺激(Stimulation)觀眾，以激發他們更迫切的求知慾，同時教育觀眾養成對商品成分的注意力。
圖3.相同容量的易開罐也會有沉有浮
(3)驚訝(Surprise)
觀眾經過發散式思考後，演示者慢慢聚斂觀眾的回應，以導向不是大的、重的或看起來相似的物質就會有相同浮沉反應，而更應該留意他的”內容”，諸如水果體積雖大，但裡頭是空心或果肉不夠紮實、水分不夠多等都會影響浮沉，因此我們採用密度來判斷，這好比同樣大小的房子住著5個人或50個人有著不同的緊密度一樣，我們將質量除以體積就是密度。水果裡面包含果皮、果肉、果核等，我們分別算出他的密度，再取平均值算出平均密度，就能判斷它會沉或會浮。通常我們將水的密度訂為1，平均密度大於1的就會下沉、小於1的就會上浮，而不是大的、重的就會下沉，反之則上浮。至此，觀眾會驚訝(Surprise)於”原來如此”。
當觀眾能夠理解水果大小、輕重無關浮沉，相同容量體積的易開罐也可能有不同浮沉反映，甚至體積大小相同的水果浮沉情形也大不相同，經過引導才知道原來水果裏頭結構各有不同，同一顆水果裏頭有果皮、果肉、果核，這些又各有不同質量、密度，整體平均密度才是決定浮沉的觀眾，原來簡單的一個現象背後有這麼多的奧秘，演示就在最高潮的驚訝中結束。
(4)滿足(Satisfaction)
現場會有觀眾不時回復重的水果會下沉、輕的水果會上浮，可以適時掌握機會回應觀，眾掌握互動機會。可以用磅秤挑選一個重的及一個輕的水果請觀眾演示，以呈現重的會下沉、輕的會上浮，並重複用不同水果演示，讓觀眾得以眼見為憑重的下沉；輕的上浮，以加深觀眾對原有認知的信心。此時觀眾應該能夠滿意於自己基於經驗的判斷(與其說經驗，其實當你在吃水果，洗水果的時候或許沒有真的認真留意過哪些水果會下沉，那些會上浮)。
為增加趣味性，我們選擇兩罐相同廠牌、相同內容物但罐裝底座凹陷的易開罐邀請觀眾共同示範演示，利用底部凹陷製造氣室產生浮力的技巧，使其一沉一浮，混淆觀眾認知，為何一樣的東西會有不一樣的現象，以增加娛樂效果，借科學解釋魔術，讓演示再創高潮。
圖4.一模一樣的易開罐也會有不一樣的反應
四、結語
演示內容講到密度可能就會想到浮力，想到浮力就不得不提阿基米德發現的過程，如此沒完沒了，這個加一點、那個加一點，一場演示只有30分鐘，時間就一分一秒過去，為了把握時間，太多的科學名詞，且又各有不同的解釋及作用，反而把本來因好奇、興趣而來的觀眾搞迷糊了，因此，畢竟這是比較貼近引發興趣的演示教學，不是學校人才培育或考試的演示教學，宜適可而止，讓觀眾能持續對科學知識探究維持動力，這也是我們的社會責任。
一場視覺及心靈的饗宴，讓觀眾帶著滿滿的回憶甚至意猶未盡地離開。
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陳香微
國立臺灣科學教育館研究助理