全國中小學科展

2023年

探討清冠一號對小鼠腸道菌相的影響

部分COVID-19的確診者及未感染的民眾有服用清冠一號的需求與經驗,並且大部分民眾出現腹瀉的狀況。因此,我們想了解服用清冠一號是否會對腸道菌相造成影響,以及停用後腸道菌相是否會恢復為未服用前的樣子。本研究設計連續管餵小鼠清冠一號5天,在這5天期間及停止管餵5天後測量小鼠的體重與採集糞便檢體。以此實驗來探討服用清冠一號前、中、後,小鼠的腸道菌相變化。我們發現,服用清冠一號期間小鼠的腸道菌豐富度及多樣性降低,而停止管餵5天後,整體的腸道菌組成趨向服用清冠一號前,並且豐富度及多樣性也有恢復;在體重方面,管餵清冠一號第1天後,體重下降最為明顯,停止管餵後,體重逐漸上升。

雙金屬觸媒(Binary alloy catalyst)在二氧化碳還原反應上的應用探討

二氧化碳在大氣濃度中不斷飆升,進而加劇溫室效應。該如何降低二氧化碳的汙染成為一個重要的議題,而其中將CO2RR有很好的發展,運用電化學將二氧化碳經過金屬觸媒進行還原反應,得到的產物可以做為燃料電池的燃料來源或化工原料…等許多應用,被視為將來很有潛力的環保科技。 然而以銅做為觸媒雖然可以獲得多樣的產物,卻缺乏選擇性,因此我們決定以銀作為輔助,製作雙金屬觸媒,進行改善。 本實驗合成核殼結構的銅銀奈米粒子,並以碳黑作為載體,來製作金屬觸媒,可以防止銅在反應過程中氧化,並同時保留兩種金屬的特性。我們開始思考還原溫度如何影響雙金屬觸媒的生成,進而影響產物的選擇性。我們計劃以油胺油酸法合成銅銀金屬觸媒,改變溫度條件,並嘗試不同的金屬比例,尋找提升效率的最佳反應條件。

化學液相沉積法製作摻鋁氧化鋅奈米線於染料敏化太陽能電池之研究

研究使用化學液相沉積法製作摻鋁氧化鋅(Zn1-xAlxO,x=0、2%、4%、6%)奈米線於染料敏化太陽能電池上,研究摻鋁氧化鋅奈米線之晶體結構、光學及染料敏化太陽能電池特性。結果顯示摻鋁濃度4%之氧化鋅奈米線具有最佳(002)結晶相及奈米線直徑及長度,也具有最佳太陽能參數為:開路電壓0.683V、短路電流4.56mA、填充因子52.3及轉換效率1.62%。因為鋁離子取代鋅離子時,可改變氧化鋅晶格結構降低缺陷密度,使奈米線的直徑及長度增加,提升染料的吸附量,並降低能隙使電子與電洞復合機率降低,大幅提升光電轉換效率。然而摻雜過量的鋁離子6%時反而導致晶格產生扭曲,導致晶格內缺陷密度增加。從這研究可了解摻雜鋁元素對於氧化鋅奈米線之染料敏化太陽能電池影響,未來希望能研究其他參數進而改善染料敏化太陽能電池之發電效率。

臺灣北端PM 2.5來源分析與季節比對

本研究以具空間梯度的臺灣周邊離島測站實測數據及衛星氣膠光學深度時空變化及相關性推斷東亞境外氣膠對臺灣北端PM 2.5濃度的影響。我們選取鄰近中國的金門與馬祖、中等距離的馬公及臺灣北部(富貴角、基隆)、遠離大陸的日本離島(石垣、那霸)共七站,分析2015-2021年東北季風盛行冬春季與西南季風盛行夏季的資料。結果顯示各測站冬春季PM 2.5濃度均較夏季高2-3倍並由西向東下降,冬春季相關性均較夏季高;針對高濃度事件,氣膠光學深度顯現冬春季高PM 2.5傳輸和各站測值在時空上緊密連結,由西向東下降;冬春季當地汙染極低的馬公平均濃度與臺灣北端兩站數值一致但夏季顯著較低,顯示季節性境外汙染對馬公和富貴角、基隆影響程度的一致及重要性。以上結果均支持東亞境外氣膠傳輸為臺灣北端冬春季PM 2.5主要來源。

臺灣各縣市感染相對比率的馬可夫鍊探討

本研究主要探討一群帶原者在城市間的隨機移動。假設城市總共是有限多個、每次移動只跟當前城市有關,與總移動次數、移動到當前城市的過程無關。本研究假設每次移動時間為一天。在上述條件下,我去思索帶原者是否必定會到達特定的都市。此時加入了任意城市均與此特定都市連通的條件。 關於數學推導的部分,先證明當移動次數趨近無限大時,帶原者到達首都的機率趨近於1。再來由轉移矩陣具穩定狀態的性質,證明期望值與變異數的收斂。最後,利用矩陣的極限與隨機變數兩種方式,解得期望值與變異數的關係式,將極限問題轉換成解線性方程式。 在模型實作方面,我收集了CDC五月的資料,並經過平均、換成感染相對比率後形成機率矩陣。運用拉格朗日參數法求最小值條件後,藉由大量的隨機撒點以牛頓法迭代求得最適轉移矩陣,以評估疫情變化。並利用自助抽樣法求得6月感染相對比率的95%信賴區間,繪圖進行比較。

朱文錦意識行為探討

動物的學習能力與思考能力為判斷動物智力重要標準。本研究利用朱文錦的制約行為探討其學習能力、記憶能力、辨色能力與數感能力。研究以自製六邊形場地訓練朱文錦辨認顏色、測量其記憶時長與辨色精確度,並訓練其辨認數量多寡,以測定朱文錦數感能力。實驗結果發現朱文錦能辨認紅色,並能被訓練使特定顏色與食物產生連結,在紅色區域滯留較長時間,證明朱文錦可被訓練產生制約反應。停止訓練後其記憶力可長達7週,記憶強度與時間成高度相關。在數感測驗中,發現朱文錦具有可分辨數量的能力,且分辨能力與數量的比值與差皆有相關。本研究證明,朱文錦具學習能力,記憶力長達七週,辨識顏色精確度可達明度差±40,並具有一定數感能力。

「藝」猶未盡! 眼動、專家、AI誰與爭鋒?

我們都體會過藝術所帶來的美妙感受。欣賞、細心觀察一幅畫的美,一幅畫的細節,可以被畫作中描繪的思想感動,被畫作中的「美」震撼心靈。然而,要評選畫作的優劣,似乎容易流於主觀。本研究決定探討不同美術背景經驗的人員,在評選畫作作品時是否有差異?並立基於人工智慧的想法,嘗試訓練、驗證與測試「AI 藝術畫作評選系統」,期望能降低「全國學生美術比賽」中,評審需大量評閱許多畫作的工作負擔,也能協助報名參賽的作者,提前獲知自己的畫作作品是否有機會獲獎?是否需要進一步修改?以朝向追求卓越的方向前進。 本研究蒐集2017~2021年「全國學生美術比賽」高中職組西畫類參賽作品共計155件,將這些作品轉換成為靜態影像資料後,形成本研究訓練、驗證與測試「AI 藝術畫作評選系統」模型的資料,最後,獲得預測「準確度」為93.55%、「靈敏度」為85.71%、「特異性」為 95.83%的「AI 藝術畫作評選系統」模型。本研究另外挑選20件畫作,供不同美術背景經驗的人員進行畫作評選,運用「眼球追蹤技術」比較不同美術背景人員評選行為的差異。

探討社會孤立對美洲蟑螂之行為與生理反應的效應

本研究建立美洲蟑螂的社會孤立動物模式,藉由隔絕費洛蒙的交流,探討對昆蟲行為與生理的效應。社會孤立的美洲蟑螂,具有較高的死亡率,並改變以下的行為反應:減少蟑螂的探索行為,使蟑螂運動的時間與距離降低,並增加對能產生較高能量之食物的需求。社會孤立可改變以下的生理反應:個體代謝過程的呼吸商降低,以脂質代謝作為能量來源;脂肪體觸酶活性下降;包囊作用的免疫反應下降。本研究發現,即使是非社會性昆蟲的蟑螂,社會孤立亦會造成生存上的負面影響,而引發隔離症候群(isolation syndrome)。

解構奧運會徽探討平面鑲嵌

觀察2020東京奧運會徽,發現圖形是由矩形組成,且矩形可經由三種元件(30°與150°的菱形、60°與120°的菱形、正方形)的各邊中點連線而成,本研究旨在利用這三種元件,探討平面鑲嵌。首先,找出利用元件拼貼一圈的組合個數,進一步向外擴增成正十二邊形,計算面積、對角線的長度,觀察旋轉之幾何變換,藉此得出拼貼成線對稱圖形時對稱軸上元件的擺放情形。接著,探討奧徽鑲嵌背景圖中不同大小正十二邊形的面積關係,並將線段變成曲線,推廣至拼貼成正n邊形的四邊形元件探討,得出如果n為偶數,則圖中的四邊形皆為菱形,且菱形的圈數為n/2-1,種類個數為⌈n/4-1/2⌉。最後,觀察類似奧徽之非平面鑲嵌頂點相接圖,改成用正方形貼接圖形,計算出邊長有1:√2的關係。

從吹不動螞蟻到吹出層流特質

為觀察氣流流經物體表面不易流動的現象,我們設計製造風洞實驗裝置。將筆芯墊在金屬片上,測量筆芯被吹動時的驅動速率,繼而變更筆芯的高度與水平位置,測量筆芯被吹動之驅動速率。由數據作圖可看出在風洞管下半部,筆芯驅動速率會隨著高度以乘冪減少,也就是從底層往上的流速是乘冪函數增加,與文獻之圖形類似。同時從數據作圖分析中也可看出筆芯越細,隨高度增加時,驅動速率較快變小。而筆芯超過風洞管一半鉛直高度後,數據曲線不如預期,故又繼續研究金屬塊破壞層流之效應。在底層放平行條狀物(簡稱肋條),用筆芯來看出氣流的擾動,測出驅動速率有些區域大有些區域小,表示障礙物引起二次流的紊流並不是流速變快,是屬於擾動式的。