2019國際元素週期表年(IYPT) 邱美虹 國立臺灣師範大學 科學教育研究所 mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 2019年為聯合國(UN)公佈之「國際化學元素週期表年」(International Year of Periodic Table of Chemical Elements, 簡稱為「國際週期表年」,簡寫為IYPT),此源於紀念俄羅斯化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)於1869年所提出的元素週期表至今150週年,而2019年也恰好是國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)成立 100 周年,這歷史性的意義著實令人佩服科學家對人類文明的貢獻以及對宇宙探索不懈的努力。 IYPT雖是由國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)主動提出,但還有其他組織的全力支持[如國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)、歐洲化學和分子科學學會(EuCheMS)、國際科學理事會(ICSU)、國際天文學會(IAU)、國際科學和科技歷史和哲學聯合會(IUHPS)],以及全世界50多個組織共同申請。這不僅是科學界的盛事,也是各國在化學教育上重視的一項活動,除藉此認識科學家們的志業以外,學生和普羅眾生也應該認識與了解生活周遭的化學元素與其應用,其對人類的生活品質提升的影響,而在這同時又將如何面對元素逐漸瀕臨稀缺金屬[endangered element,如鎵(Ga, 31)、銦(In, 49)、鉿(Ha, 72) 硒(Se, 34)],這些元素要不是科技產品所需的元素,就是能源的來源。此時,IYPT的到來,是提供我們正視這些問題的良機 門得列夫因發現元素週期律而建立週期表至今已長達150年,它不僅找出元素之間系統性的關係,同時它也開啟科學研究的新頁,門得列夫的週期表雖然不是第一個以週期性來表示相似性質的元素之間的關係,但它的重要性就在於它充分展現其有助於科學家對物質型態和性質所能進行的強大預測力之價值。 本期專題以IYPT為主軸,內容包括有門得列夫與化學(蔡蘊明、陳竹亭、邱美虹)、元素的命名(李祐慈)、中文和日文在元素與化學名詞翻譯上的異同(林震煌)、化學元素與教學(周金城)、藝術與音樂(楊水平、蔡文潔和戴桓青、吉佛慈、李雁婷)、元素性質(連經憶、張榮耀、許之音),合計13文章,無疑是在此時向偉大的門得列夫致敬,除緬懷門氏過去的成果,同時期待展望未來,展現化學元素對人類發展不可或缺的地位。
《臺灣化學教育》組織與成員 2014.05~2015.04(第1期~第6期) 發行單位:中國化學會(臺灣)化學教育委員會 發行人:劉仲明理事長 顧問:王瑜、王文竹、李賢哲、林煥祥、洪振方、段曉林、連啟瑞、陳竹亭、陶雨台、傅麗玉、 彭旭明、黃萬居、葉名倉、劉陵崗、蕭次融 (依姓名筆畫順序排列) 主編:邱美虹/國立臺灣師範大學科學教育研究所 執行編輯:楊水平/國立彰化師範大學化學系 專欄編輯:方金祥/國立高雄師範大學化學系、祥和園創意微型科學工作室 林如章/國立臺灣師範大學化學系 林靜雯/國立東華大學課程設計與潛能開發學系 周金城/國立台北教育大學自然科學教育系 祁明輝/台北市市立龍山國民中學 施建輝/國立新竹科學園區實驗、教育部高中化學學科中心 洪振方/國立高雄師範大學科學教育研究所 翁榮源/靜宜大學應用化學系 張一知/國立臺灣師範大學化學系 傅麗玉/國立清華大學師資培育中心 楊水平/國立彰化師範大學化學系 廖旭茂/國立大甲高級中學、教育部高中化學學科中心 鍾曉蘭/新北市立新北高級中學、教育部高中化學學科中心 鐘建坪/新北市立錦和高級中學 (依姓名筆畫順序排列) 網站建置:周金城/國立台北教育大學自然科學教育系 編輯助理:李雪碧/國立臺灣師範大學科學教育研究所 詹婉約/國立臺灣師範大學科學教育研究所 陳姿穎/國立臺灣師範大學科學教育研究所 Logo設計:邱美虹/國立臺灣師範大學科學教育研究所 封面封底設計:唐尉天/國立臺灣師範大學科學教育研究所 Banner設計:唐尉天/國立臺灣師範大學科學教育研究所 天燈攝影:王郁婷/國家衛生院 101煙火攝影:蔡孟哲/MJohns Photography
《臺灣化學教育》第三期(2014年9月) 目 錄 n 主編的話 u 第三期主編的話/邱美虹〔HTML|PDF〕 n 本期專題【專題編輯/邱美虹】 u 科學教學的新典範—行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學/邱美虹〔HTML|PDF〕 u 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學:以行動科技的擴增實境在科學教育上的應用為例/邱美虹、唐尉天〔HTML|PDF〕 u 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學:有機分子模型擴增實境/陳怡宏〔HTML|PDF〕 u 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學:擴增實境在化學教學上的應用/鄭媖珍、邱美虹〔HTML|PDF〕 u 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學:行動載具遊戲式化學創新教學/張荊壢〔HTML|PDF〕 u 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學:我如何利用智慧型手機提升學生學習化學動機/翁榮源〔HTML|PDF〕 u 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學:3D化學實驗研究拍攝之實務經驗分享/周金城〔HTML|PDF〕 n 微型化學實驗【專欄編輯/方金祥】 u 創意微型實驗—微型化學水火箭/方金祥〔HTML|PDF〕 u 創意微型實驗—微型電解裝置/方金祥〔HTML|PDF〕 n 化學實驗含影片【專欄編輯/廖旭茂】 u 人像藍印術/陳孟男〔HTML|PDF〕 n 多元教學法【專欄編輯/鐘建坪】 u 寓教於樂的〔化學桌遊〕/倪行健〔HTML|PDF〕 n 保養品DIY【專欄編輯/鍾曉蘭】 u 自製天然精油防蚊液/鍾曉蘭〔HTML|PDF〕 n 行動學習【專欄編輯/翁榮源】 u 化學教育行動學習趨勢下的學生所需具備的能力/翁榮源〔HTML|PDF〕 n 多元文化的化學【專欄編輯/傅麗玉】 u 從前從前部落有電土燈/傅麗玉〔HTML|PDF〕 n 分子模型【專欄編輯/楊水平(暫代)】 u 多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型製作(上)/金必耀〔HTML|PDF〕 u 多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型製作(下)/金必耀〔HTML|PDF〕 […]
主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授國際純粹化學與應用化學聯盟(IUPAC)化學教育委員會主任委員中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員mhchiu@ntnu.edu.tw 科學中每個偉大的成就,都是以嶄新與大膽的想像為出發點。——杜威 今年七月參加國際純粹化學與應用化學聯盟(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)在加拿大多倫多市舉辦的國際化學教育學術研討會(International Conference on Chemistry Education, ICCE)意外發現今年以Johnstone(1982)在約25年前所提出的化學教與學的三面向—巨觀、次微觀、表徵的觀點為研究或教學主題的報告特別多。ICCE這個會議每兩年開一次,參與國通常都有30-40國的學者、教師、課程研發人員等等,今年同時注意到此主題並對其進行相關研究、教學設計與反思,也算是化學教育界一件值得重視的事。筆者恰巧去年亦向IUPAC申請一個跨國計畫,即是以Johnstone的架構融合美國The Next Generation Science Standards (NGSS)和其他學者的觀點進行十個國家的化學教育課綱(或標準)的比較,目前正在進行資料收集與分析,期待明年有跨國比較的結果可以為化學教育的借鏡。 Johnstone(1993, 2000)指出,巨觀通常就是指可觀察的或可以感官知覺的。次微觀則是指原子、分子、離子和結構等概念。表徵則是指符號、化學式、方程式、數學式、圖形等。巨觀現象通常是可測量的、可觀察的,而呈現出可觀察到的現象,其背後應是遵循一套規律性、系統性的法則、定律、或原理。教師教學時在面對化學現象的描述時,要能適時強調巨觀與微觀之間的關係,使學習者可以透過系統性的學習在心智上建構出一套科學模型以解釋科學現象,才不至於流於無意義的記憶與背誦。然而化學學習因牽涉許多微觀概念的建構,因此在學習上常因其抽象而使學習產生較高的難度。近年來受到科技的快速發展,透過各式各樣的科技設計研發產品,使得科學學習有更多元的認知管道,不僅在硬體上有電子白板、行動科技、平板電腦等的工具可資運用與配合外,在軟體上有電腦模擬、虛擬實境、擴增實境、3D影像等教學媒體。因此,本期專題特以行動科技、擴增實境、3D實驗影片的介紹為主,希望透過這些新興科技可以提供現場教學更多元的資源。 本期除專刊的文章外,還包括新開發的主題「分子模型」,此主題亦屬於透過巨觀模型的方式來展現微觀世界的分子結構,很適合高中階段學生的化學學習。該專欄此次由長期投入以串珠模型介紹分子結構的左家靜博士、莊宸博士生、金必耀教授介紹多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型製作,結合動手做模型來形塑腦中的分子結構形象。化學學習常需要透過一些想像力才能理解微觀世界中原子、分子、離子、電子等的變化。法拉第曾說:一旦科學插上幻想的翅膀,他就能贏得勝利。正如杜威所言:科學中每個偉大的成就,都是以嶄新與大膽的想像為出發點。 本期其他專欄還包括方金祥教授的「微型化學水火箭和微型電解裝置」說明簡易實驗裝置可以促進學生透過動手做的過程,培養其對化學的興趣與享受探究的歷程;陳孟男老師介紹大甲高中化學宅急便闖關活動「人像藍印術」,藥品與器材準備不複雜且內容與高中教材結合,是個兼具理論與實務、相當有趣的動腦又動手的化學活動;玩過桌遊的人都知道桌遊的高趣味性以及與人的互動是它吸引人的地方,但當桌遊的內容換成化學符號會是一個怎樣的情境呢?倪行健老師的「化學桌遊」將化學變成一個寓教於樂具知性又具感性的活動,藉此活動可培養學生合作解題的態度,教師們不妨試試看;鍾曉蘭老師介紹如何自製天然精油防蚊液,是一個結合化學知識與生活課題的活動,相當實用且受歡迎;翁榮源教授長期推動化學教育的行動學習,其所帶領的團隊因報導行動學習模式在化學課程之應用曾獲化學會2012年學術論文獎,此次翁教授根據他豐富的經驗談論化學教育行動學習的趨勢下學生所需具備的能力,可做為教學之參考;2013年甫以製作「原住民3D科學教育動畫」榮獲第48屆電視金鐘獎「動畫節目獎」的傅麗玉教授介紹原住民部落的電土燈,生活處處皆是化學;林煥祥教授的早期燃燒說,從波義耳的火微粒說開始敘述,然後帶我們走過前人的足跡—胡克的硫素說、施塔爾的「燃素說」、普里斯特利和拉瓦錫的燃燒理論,恰與第一期的「蠟燭的化學史」相得益彰;資深化學教師施建輝老師總能為大家解決疑難雜症,此次除了說明化學解題的計算方式,施老師還透過硫酸銅晶體的結構為讀者說明為何硫酸銅晶體的結晶水會分段釋出,深入淺出使解題不再是機械性的演算而是概念的深層理解,相當值得教師們參考;此次的新專欄還有一項是活動參與心得報告,由邱彥文老師介紹他參與的2013年國中科學探究聯合發表會的心得,說明提供學生一個表現的舞台後可以看到更多的創意;最後,林靜雯教授針對國外化學教育交流活動做了報導,並期待更多現場教學的化學教師可以參與。其中一項活動Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE) 研討會,臺灣是發起國之一,第六屆將於2015年7月29-31日於日本東京台場的日本科學未來館舉辦。另外一項化學研討會亦在亞洲,即為The 45th IUPAC World Chemistry Congress(第45屆IUPAC世界化學大會),將於2015年8月9-14日於韓國釜山舉辦。特邀請國內化學教育學者與教師一起共襄盛舉。 參考文獻 Johnstone, A. H. (1982). Macro- and micro-chemistry. School Science Review, 64, 377–379. Johnstone, A. H. (1993). The […]
科學教學的新典範— 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所 mhchiu@ntnu.edu.tw 所有科技的努力,總以造福人類、關切人類的命運為主要鵠的。—愛因斯坦 看過電影《關鍵報告(Minority Report)》中湯姆ž克魯斯以手隔空搜尋資料的擴增實境(Augmented Reality, AR)畫面、《鋼鐵人(Iron Man 3/4)》東尼ž史塔克(小勞勃道尼飾)在他的3D電腦工作室建構一個AR環境、《阿凡達(Avatar)》的擴增實境與3D虛擬影像擷取攝影技巧,再加上行動科技與Meta Glass和Google Glass的時代來臨,不禁讓人佩服科技的進步是如何不斷發展以滿足人類的好奇心,這種科技與娛樂的結合,已逐漸發揮到淋漓盡致之境界。猶記得已故的卡耐基ž梅倫大學電腦科學、虛擬實境與人機互動專家Randy Pausch教授在2007年時得知自己得了脾臟癌僅剩3-6個月時,他給了一個後來拜社會網絡(social networking)之賜在短短一個月有上百萬人都看過的”The Last Lecture: Really Achieving Your Childhood Dreams”(2007/09/18)1,他在演講中提到他有幾個兒時的夢想,其中之一就是當迪斯尼的想像工程師(The Disney Imagineer, Imagine和Engineer的組合字),讓想像力可以透過科技帶給人們更多的喜樂,也因此他在卡耐基ž梅倫大學成立娛樂科技中心(Entertainment Technology Center),推動寓教於樂的新科技學習環境。想想若是這些科技發展的成品可以直接或是延伸它們的功能在化學教育上,那是多麼令人興奮與雀躍的事,其影響所及將非同小可。 n 行動科技學習 回想三年前有幸開始主持一個透過行動科技學習科學的高瞻計畫,當時參與計畫的高中教師僅有一位有智慧型手機,對如何有效的使用行動科技還在起步階段,更遑論學生,但是有鑑於科技的快速發展,若不盡早開始研發行動科技學習教材,將面對硬體都到位,但軟體卻短缺的窘境,因此,我們研究團隊還是決定開發適合行動學習的素材,以為未來新世代的學習做準備。猶記得當時第一年計畫進度報告時,有審查委員提問:「連老師都沒手機,你們設計的行動科技的教具和教材將要給誰用?」,即使面對這樣的挫折與挑戰,我們還是堅持往前走自己的路,到第二年情況很快就改觀,師生擁有行動裝置的人漸多,而研發的各科(物理、化學、生物、地理等,見圖1)教具也逐漸受到教師和學生的喜愛,到第三年時,一個班級已有約六、七成的學生擁有智慧型手機,他們對手機或平板電腦功能的使用技能與適應性遠超過研究團隊的想像,而教具的成品也愈趨成熟。教師們也因擁有智慧型手機以及運用行動科技相關的知識和技能,而逐漸能運用既有的App在教學上或是設計適當的行動科技教學活動或評量方式、以及提出需要透過新興科技促進學習的教具設計觀點,這些皆非始料所及。同時,行動科技的課程也從第一年的夏令營、到第二年的選修課程,再到第三年時,部分行動科技課程已可納入正式課程,成為學生必學的行動科技課程,並進行跨科合作形成教師的學習共同體。這樣的突破與經歷,也顯示行動學習的新典範似乎已到來。 圖1:擴增實境實例說明 根據行政院研究發展考核委員會「101年台灣數位機會發展現況」調查報告(2012)指出,2010年至2012年止,臺灣12歲以上網路族中,持有智慧型手機的成長率由23.4%增為50.7%,持有率已逼近筆記型電腦(從39.7%到53.4%)。而2011年和2012年皆大致有21%左右的民眾持有平板電腦。此調查結果顯示全面智慧型進化的趨勢逐漸增加,而行動教學軟體的潛在需求也預期將逐年相對成長(見圖2)。而這些網路族群,曾使用各式行動載具(如筆電、智慧型手機、平板電腦)上網比率也由2009年的41.9%、2010年的53.0%、2011年的70.4%,逐年上升至2012年的77.3% (見圖3)。 至於科技裝置使用情形,根據行政院研究發展考核委員會「2013年數位機會調查」報告指出,台灣6至11歲學童80.4%有使用平板電腦的經驗、84.5%曾使用智慧型手機,63.5%有使用過筆記型電腦的經驗。在網路使用方面,6至11歲學童網路使用率高達93.6%。根據調查結果顯示,智慧型手機與平板電腦的使用已是學童生活的一部分,充分利用這種使用手機或平板電腦的機會是必須的。 圖2:智慧型手機和平板電腦持有率 圖3:行動上網率 (圖2和3來源:行政院研究發展考核委員會「101年(2012)台灣數位機會發展現況」) 由於目前攜帶型的通訊裝置因結合網際網路、應用程式及微型感測元件等科技產品,讓操作集中於一輕薄的介面,成為一項具影響力綜合科技,如「智慧型手機」(Smart Phone)和「平板電腦」(Tablet PC),其對人們的生活已經產生不小的衝擊。因此,繼電腦輔助教學、遠距教學、數位學習之後,「行動學習(Mobile Learning)」受到重視的程度與日俱增,其運用的範圍舉凡以測驗、圖鑑、查詢功能等微型應用程式進行自主學習、利用微型感測器進行各種測量、紀錄之探究式學習、或透過無線網路與雲端介面進行問答、學習任務之即時回饋。 n 擴增實境教學 隨著智慧型科技的進化,相關領域的發展也出現新的契機,其中一項便是與攝影裝置與擴增實境軟體技術的結合。擴增實境與過往的虛擬實境不同,它不再是模擬一個既有的實境,而是在既有的實境中延伸其功能,使其因而能拓展觀察者的視野,近年來擴增實境的產品如雨後春筍般的蓬勃發展。這種智慧型行動裝置有著攝錄與顯示介面一體的設計,從過去頭戴式的裝置(見圖4和5),到現在使用擴增實境的眼鏡(見圖6和7)以及智慧型手機等等,再加上迅速成長的使用普及率,讓過往的技術提升至行動應用層級後,不論是設備、環境、或易用性上皆有了突破性的發展,成為「行動式擴增實境」(Mobile AR),使其在融合虛擬與現實之間能淬鍊出新的啟發,對教材與教具的設計也提供新的思維,不容小覷。 圖4:頭戴式3D顯示器 (圖片來源:Southerland (1968, p.759)) 圖5:Sutherland […]
行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學: 行動科技與擴增實境 在科學教育上的應用 邱美虹*、唐尉天 國立臺灣師範大學科學教育研究所 *mhchiu@ntnu.edu.tw 隨著科技的迅速發展,近年來智慧型手機的普及已造成對人類生活習慣的極大衝擊,同時也改變人際之間的關係。根據 Ambient Insight(2013)統計,2010 年「行動學習產品與服務」全球市場高達32億美元,預計在 2015 年銷售收入將達到91億美元。若以地區來劃分,亞洲地區成長率為 21.2%,僅次於非洲和拉丁美洲,名列第三。顯示行動學習市場正在全球快速發展,尤其是亞洲地區,行動式學習軟體或網路應用皆擁有相當大的潛力,若能推陳出新型態的行動學習軟體,加以研發推廣,必定能跟隨上此全球化的科技學習潮流。 根據行政院研究發展考核委員會調查,2010 年至 2012 年為止,我國 12 歲以上網路族群中,智慧型手機的持有率由 23.4% 快速成長至 50.7%,平板電腦也成長至 21.4%,顯示行動科技將全面智慧型進化的趨勢,行動教學軟體的潛在使用者也會相對增加。那在學校教育中勢必可預期產生新的學習革命典範。 科技的發展從早期電腦輔助教學、電腦模擬、虛擬實境、到現在的擴增實境,這些技術的發展使科技與生活的關係更加密切,同時也改變學習的方式,從書面紙本的知識獲得到與學習教材的互動,這樣的轉變具有提升學習興趣與學習動機的契機,本文將對行動學習和擴增實境的應用做一評介。 n 行動學習 行動學習主要強調在任何時間與地點的情境中進行學習,屏除傳統課室的限制,讓學生可以走出教室實際將欲學習之知識與生活情境相互連結,過程中強調學生能夠即時進行資訊的檢索與整合,並且進行人機互動與設備間的線上互動,以促進知識的建構與轉變(Cole & Stanton, 2003; Patten, Sánchez, & Tangney, 2006)。 有別於傳統的課室情境必須侷限在特定時間與地點,透過行動科技的輔助,學生可以透過任何的行動載具在任何時間與任何地點同步或是非同步進行資訊的檢索與交流。這種透過行動載具進行學習的方式現稱之為行動學習,行動學習與傳統線上學習最大差異在於傳統線上學習課程雖然不會受到時間的限制,但是會局限在特定場域,也就是學生必須在電腦設備前才能進行學習,而行動學習則可排除地點的限制,只要資源建置完成,學生可以在任何時間與地點進行學習。 在教學現場,教師可透過行動載具即可有效率地進行校園中與化學相關的探索活動(如清潔劑、食安等),主要原因為 (1) 強調「情境性」(context),學生的學習過程直接在校園中實際進行考察;(2) 強調「立即性」(immediacy),學生學習過程可在校園中直接透過行動載具主動獲得知識;(3) 強調「互動性」(interaction),學生學習過程可以進行學生與行動載具、學生與教材、學生與學生或是學生與教師的互動,獲得即時的討論與回饋。 n 擴增實境學習 行動科技作為人們隨身裝置的開發領域,在近年智慧型的進化下帶動了其他科技領域的轉變契機。作為一項綜合科技,行動科技能透過與本機一體的攝影裝置、顯示介面,運行具擴增實境技術的軟體,不只突破以往擴增實境技術在裝置便利性上的缺點,普及使用的問題也在短時間內獲得解決。 所謂擴增實境(augmented reality, 簡稱AR),即意指將真實世界的視覺與虛擬世界的影像或圖片相互結合,並透過顯示器產生複合式的影像,強調真實世界與虛擬世界的交互作用,讓學習者獲得截然不同於網路為主的學習模式。許多人常誤以為虛擬實境與擴增實境相似,顧名思義,兩者當然截然不同,前者強調虛幻的部分,後者則強調與真實情境的結合,使物件真實的呈現於眼前。 簡單而言,擴增實境具備以下的特徵與能供性(affordances)可以做為學習輔助的特性。擴增實境包括:(1) 讓學習內容以三維空間方式呈現,學生可以藉由擴增實境的呈現獲得三維空間的概念內容,例如擴增實境的技術可以讓二維行星運轉太陽的圖片以三維空間呈現;(2) 滲入特定情境進行合作學習,學生可以藉由行動載具進行課室內外特定情境的擴增實境學習,並且藉由資訊的檢索判斷進行合作互動;(3) 立即性的感官回饋,學生沉浸其中,透過人機互動獲得即時性的回饋;(4) 將看不見的物體視覺化呈現,學生可以藉由擴增實境將原本肉眼無法看見的物體透過模擬呈現,例如:三維空間的化學分子可以更加凸顯分子間的排列方式;(5) 連結課室與戶外的學習場域,進行校園動植物探查的同時,藉由擴增實境的技術讓學生直接在校園環境中與學科教材相互結合。 上述擴增實境的特徵結合實體與虛擬部分再透過顯示器讓學生可以操作的介面途徑,可幫助學生突破原有感官的學習方式,擴增其對應的相關知識及訊息。於科學學習中,不同維度間的特殊學習過程,能經由設計獲得具體與微觀之間的轉換,例如具體的晶體圖像擴增顯像出分子的排列結構。更深入來說,擴增實境作為學習的輔助工具可從其提供實作、認知、情意等面向的提升。其中實作部分,擴增實境提供實體操作的基礎,讓學生可以藉由操作過程理解相關的學科概念;在認知部分,透過巨觀、微觀與符號尺度的連結與操作抽象表徵,以及擴增實境應用空間與時間相互連接的特性,可達到建構科學模型的理解;在情意方面,透過與同儕互動與溝通共同透過行動科技的學習,可以增進對科學學習的態度與興趣。 n […]
行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學: 有機分子模型擴增實境 陳怡宏 臺北市立萬芳高級中學 chenyihung61@gmail.com n 擴增實境 擴增實境(Augmented Reality, AR)是一種將虛擬資訊加到使用者所使用的電腦顯示器上,能夠實時地計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像的技術,進而在螢幕上把虛擬世界套在現實世界並進行互動。與虛擬實境(virtual reality, VR)有顯著不同,VR是企圖取代真實環境,而AR是在真實環境上擴充增加資訊。 n 有機分子模型 有機化學的內容在高中化學課綱中,是在基礎化學二及選修化學。而基礎化學課程綱要中基礎化學二的示範實驗:分子在三度空間的模型,有說明以電腦軟體或模型製作簡單分子的三度空間模型,藉著電腦軟體所呈現的3D立體結構(圖1)或實體的分子模型(圖2),建立立體分子結構圖像的概念。不是每間學校設備具有的有機分子模型數量可以讓學生一人一套實地操作,且學生實際組裝分子模型過程中又會耗費許多時間,若以電腦軟體呈現3D有機分子模型於單槍投射螢幕上,卻少了實際動手操作近距離觀察的經驗。 圖1:Avogadro有機分子編輯軟體 圖2:有機分子模型 n 3D有機分子模型擴增實境 以往擴增實境的呈現必須由電腦上來操作,利用網路攝影機掃描圖卡顯現擴增實境,然而現今智慧型手持行動裝置功能愈來愈佳,且日漸普及幾乎人手一機。智慧型手持行動裝置目前以IOS及Android二大系統為主,可以在軟體商店(App Store及Google Play)鍵入”AR”關鍵字搜尋到擴增實境的App,不過大多以遊戲、娛樂為主。 為了能夠利用擴增實境來呈現3D有機分子模型,目前製作了三個3D有機分子模型擴增實境的App(Andriod系統)。可以在Google Play上鍵入"chenyihung”搜尋並安裝,或是經由短網址:http://goo.gl/W9ai05,由電腦端安裝至智慧型手持行動裝置,如圖3所示。 圖3:Google Play搜尋結果 點選App,可以在說明部份的短網址(http://goo.gl/GXq0CJ、http://goo.gl/dfZhkh、http://goo.gl/zMX5aM)中下載底圖,底圖設計成撲克牌套組,每一副共有52個有機分子模型底圖,每一張底圖內容具有中文命名、分子式、3D分子結構式及結構式,如圖4所示。 圖4:3D有機分子擴增實境底圖 n App使用方法 智慧型手持行動裝置至今廣泛使用,主要原因不外乎是App的設計比起電腦端方面的軟體,更加地直覺式操作。此App的操作也僅僅是打開App,等到出現攝影機畫面,直接對著底圖觀看即可,如圖5所示。 圖5:App操作畫面 可以引導學生觀看順反異構物有何差異,如圖6所示,環烷的碳鏈在空間的排列是屬於平面結構還是立體,如圖7所示,以及讓學生試著以不同角度觀看分子模型,看是否能找到和書寫的結構式一樣的角度,如圖8所示。 圖6:順反異構物 圖7:環戊烷 圖8:乙醇 經由多個班級教學活動中,可以發現學生藉由3D分子模型的觀看,對於有機分子的立體結構空間的認知,會有顯著的成長,由其是順反異構物之間的概念。教室環境若能提供讓智慧型手持行動裝置投影到單槍上,IOS裝置是AirPlay,Android裝置是Miracast或HTML連接,可藉由大螢幕展示3D有機分子模型,方便老師講課說明,更可以加深學生立體分子的概念。由於智慧型手持行動裝置的普及,現今的學生也幾乎人手一機,因此才會有一種想法看看是否能夠做出一個能夠隨身帶著走的工具來學習化學,這就是3D有機分子擴增實境App製作的起因。 n 參考資料 1. 擴增實境,Wikipedia, http://zh.wikipedia.org/wiki/擴增實境。 2. 科學人雜誌,擴增實境︰虛擬與實境的無限延伸,http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=67。 3. 普通高級中學必修科目「基礎化學」課程綱要。 4. 普通高級中學選修科目「化學」課程綱要。
行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學: 擴增實境在化學教學上的應用 鄭媖珍1、邱美虹2* 1臺北市立信義國民小學 2國立臺灣師範大學科學教育研究所 *mhchiu@ntnu.edu.tw 你可以想像在未來,藉由一張報紙就能聯結相關網路訊息,即時知道天氣的變化;由登機票,可知飛機起飛時間是否有延誤;只要用雙手擺出拍照手勢,就能拍照,想撥個電話、看時鐘、查即時訊息,雙手作個動作,時鐘、電話、即時訊息,就出現在你的眼前,甚至在任意空白紙上看電影、玩遊戲、任意的擷取資料、做文書處理……等等,任何你想知道的訊息,只要透過身上簡單的配備就能立即處理,並能將所獲得的資訊,與家中的個人電腦做連結,以及未來不用帶相機、平板電腦、智慧手機,只要套上這個由麻省理工學院學生普拉納夫•密斯崔(Pranav Mistry)發明的第六感人機互動裝置(sixth sense,見圖1)出門,即能將數位世界和實體世界相互結合,若這樣的設計可以普及化,未來的世界將有截然不同的面貌。你能想像嗎?! 圖1:Pranav Mistry第六感驚人的潛力 (圖片來源:http://www.youtube.com/watch?v=qC3H3JOtvSs#t=476) 這個數位世界(虛擬世界)和實體世界結合的科技,就是現在最夯的擴增實境(augmented reality),簡稱AR。那擴增實境是什麼呢? n AR的定義 AR最早是由Milgram, Takemura, Utsumi, & Kishino (1994)對於介於真實和虛擬之間的概念,提出「真實–虛擬連續性」(reality-virtuality continuum)觀點(圖2)。他們將真實環境和虛擬環境分別作為「真實-虛擬連續性」的兩端,位於它們中間的被稱為「混合實境(mixed reality)」。其中靠近真實環境的是擴增實境(augmented reality, AR),靠近虛擬環境的則是擴增虛境(augmented virtuality, AV),其中所謂擴增實境就是利用模擬的線索擴大對操作者的回饋。狹義而言就是科技為模擬實境的一種形式。 圖2:真實-虛擬連續性(reality-virtuality continuum) 另Azuma(1997)定義擴增實境是一種介於虛擬與實境兩者間的一種技術,且包含三種特點:(1)同時包含實體與虛擬物件,(2)能即時互動,(3)能精準3D定位虛擬與實際物件。簡言之,擴增實境是將虛擬物件透過儀器融入真實情境中,能豐富實境的場景,促進即時互動,讓使用者能獲得立即的回饋。 n AR在教育上的應用 早期,擴增實境透過頭戴式顯示器(head mounted displays, HMD)將虛擬物件融入真實情境中,但是頭戴式顯示器攜帶不便,再加上AR所需的設備又貴,無法普及化。隨著科技日新月異,手提電腦、平板電腦、智慧型手機的問世,科技技術的提升,AR所需的設備攜帶方便,間接提高AR能見度,AR漸漸成為我們生活中的一部分,例如:Google glass、廣告宣傳、魔法書、博物館或校園的行動導覽、醫療手術的應用、教學上的應用。 擴增實境在教育上的應用雖然仍在起步當中,但已逐漸獲得實證,譬如在教學中融入AR,由於它的視覺、動覺等感官刺激,提高學生的主動參與意願;它提供的3D學習內容,可培養學生發展較佳的空間能力;在AR情境中,與虛擬物件互動,經由立即的回饋,可加深學生對學習內容的印象與興趣;AR可將看不見的概念視覺化(如天文學、化學反應、分子結構等),提升學生對抽象內容的理解、建立正確的知識,減少迷思概念;在AR情境中,與同儕合作共同解決所面對的環境議題,可使學生社會互動能力變佳,對問題能更敏感,並根據情境提出解決方案,讓學生有機會做出決定、提升學生推理能力與思考邏輯能力等。 在這篇短文中,我們將簡要介紹六個在化學教學上應用的AR實例,作為說明AR未來在教學上的可能性以及對學生在學習成效和動機上可能造成的影響。在化學教育上,我們常發現學生對抽象複雜或是需要空間能力才能建構的化學結構知識很難進行抽象思考,而AR的設計正好可以彌補學生在這方面能力的不足,提供一個可以和化學分子物件互動的機會,並可以依照學習者自己的學習步調或觀察的角度,隨意轉動物件來達到對化學結構的認識。 例一、元素與化合物 Zientia公司最早開發的就是化學教育用的擴增實境教具(http://zientia.com/chemistry101)。Zientia開發擴增實境的教具來教導電子組態與物質的組成。以下面的食鹽化合物(NaCl)為例,使用者可以先觀察Na和Cl的電子組態,然後將兩原子靠近後觀察兩元素產生氯化鈉分子的結構以及巨觀表徵,使用者也可以調整或旋轉觀察氯化鈉的角度(見圖3,示範影片見附錄一)。圖4的PCl5亦同。 圖3:AR Chemistry Augmented Reality Education(圖片取自附錄一) 圖4:PCl5之AR分子結構(圖片取自附錄二) 例二、分子結構 Daqri所設計的Elements 4D應用軟體目的是經由擴增實境的科技將抽象的概念具象化。以水分子為例,Elements 4D設計的紙張或木塊的物件可以將物件直接轉化為動態的元素表徵(Daqri相關資料見附錄三),如圖5所示。 圖5:水分子AR教具 […]
行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學: 行動載具遊戲式化學創新教學 張荊壢 國立臺灣師範大學附屬高級中學 chem0968@hs.ntnu.edu.tw 國立臺灣師範大學附屬高級中學與信望愛基金會合作辦理教育平台實驗計畫,獲該基金會協助,提供本校2700台教學所需的行動載具,這獨特的條件,使本校發展數位融入教學進入重要的里程碑。學生有了這批行動載具,使本校資訊融入教學有了更多的實踐與發揮創意的機會,在此分享本校化學科實施遊戲式創新教學的經驗成果,還請不吝指教。 n 背景說明 一、 理論基礎 電玩遊戲通常具備長期吸引使用者關注和接觸的一種特性。遊戲式教學法就是希望利用電玩遊戲來引發學生的學習動機,解決傳統學習較無法吸引學生投入的缺點,讓學生學習的更快、更好。同時因為同儕的互相競爭,對於學習的成效與效率,皆有大幅的提升。但一般家長對於讓學生在課堂上或是課後透過玩遊戲來學習,仍然存有疑慮,因此教師必須透過良好的遊戲環境設計、妥適的教學法以及優質的學習素材,來消除或減緩家長的擔心。 二、 學校環境 本校積極參與資訊科技融入教學的教案研發與教學模式的翻轉,以強化教師社群的運作及模式發展,推展以學生為主體的資訊科技融入教學。因此本校在推動資訊科技融入教學時,著重以下部分,如圖1所示。 圖1:國立師範大學附屬高級中學資訊科技融入教學發展架構圖 目前本校高一各班教室均已建置無線網路基地台兩台,高二各班一台,並與信望愛基金會合作辦理教育平台實驗計畫,提供一、二年級學生及本校教師行動載具2700台,進行數位融入教學使用。除硬體資源外,已陸續建置多項雲端數位學習相關資料庫。 本校目前相關數位學習系統如下: (一) 校園雲端播客系統(IGTs):提供教師建置個人教材庫,並整合教師專業發展評鑑各項指標,進行資料統整。 (二) 附中E學院(Moodle):進行課堂的數位互動學習,以學生為導向,設計數位學習活動,增加教師與學生互動,激盪更多的學習成效。 (三) 數位雲端教室(Adobe connect):透過Adobe connect的介面,老師可以進行雲端教室學習,透過FLV檔案格式的傳輸,降低網路頻寬需求,提升影像品質。並錄製精采的課堂講解,以作為學生課後自行補救教學使用。 同時也配合信望愛基金會合作計畫,成立教師工作坊,工作坊主要目標:其一為進行模擬實驗應用程式的開發與設計,其二為研發遊戲式教學模式,活化教學,以符合教學需求,兼顧專業與趣味性,已有相當成果。 三、 課程設計 本校執行資訊科技融入教學計畫,以教師社群為運作模式,集結老師們的能量,發展資訊科技融入創新教學。選擇發展的主題為高中化學課程中「化學沉澱」與「電解電池」兩個主題,原因是這兩個主題需要背誦記憶,而沒有確切的規則,是學生最感無力的章節。希望藉由此課程設計,發展出讓學生學習主動、學習成效提升的教學模式。 本校在發展數位學習規劃之初,就是希望發展能在各種平台上執行的相關教案為主,因此設計程式時以Android為主,在BYOD(bring your own device)的概念下發展教學模式,同時以平板最基礎的功能為出發,進行資訊融入教學,另以Moodle及IGTs為數位學習平台,以最多數行動載具可以使用為最高原則。 n 創新教學模式 一、 利用平板繪圖功能,學生發想背誦技巧與背誦圖。 首先,學生參考溶解度規則,如表1所示。 表1:溶解度規則 然後,利用繪圖功能說明可以記憶溶解度規則的方式,圖2-4是老師示範的圖檔說明。 圖2:IA學妹向學長請安(氫銨),全溶。 圖3:IA請安並告知有空(spare 鍶鋇),學長請(氫)學妹仰(氧)望星空(氫氧根)。 圖4:IA請安並介紹IIA給學長認識,學長請兩位留(S2−)住加入天文社。 二、 創作一首朗朗上口的歌曲 化學教師創作一首朗朗上口的化學沉澱歌曲,由學生樂團歌唱,讓學生便於記憶,如影片1所示。 歌名:沉澱ing 作詞:吉佛慈老師 作曲:五月天 編曲:張有為 歌詞: 阿瑞尼士 根據實驗 […]
行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學: 我如何利用智慧型手機提升學生學習化學的動機 翁榮源 靜宜大學應用化學系 zyown@pu.edu.tw 這一代的年輕學子普遍都擁有行動裝置,智慧型手機已經成為大學生們生活上不可或缺的工具,在大學校園的老師所面對的教學環境已經到了需要巨大改變的時候了,短短的這兩三年來所有的化學老師被迫必須改變教學工具以及教學方法,否則會被學生們嘲笑以及看不起。目前2013年智慧型手機全台灣的銷售量已經達到844萬支,學生們打卡自拍,滑手機已經跟呼吸空氣一樣的變成生活的一部分。這一代的年輕學生已經從「草莓世代」進步到了「行動世代」,父母親的智慧數位知識已經遠遠不如家裡的小朋友們。在這種大學校園充滿數位工具的環境中,台灣的大學老師顯然尚無任何的警覺性,上課時和下課後同學的嘲笑相信很多的老師們會有類似的經驗。 我個人在台中靜宜大學開設”生活化學”通識課程,這些年來一直是靜宜大學最熱門的一門課,由於採用的是新穎的網路學習,學生蜂 擁而至的搶修,每個學期都是爆滿的選課人數,已經連續六年都滿額,最高紀錄曾經有620位同學選修,後來因為嚴重影響其他老師開課,只好嚴格規定每學期選修同學限額210位,但還是持續滿額中。生活化學網路課程開設了這麼多年,既使有許多優點(打破時空限制、沒有程度差異、節省學習資源等等),但也逐步的發現一些網路課程的缺點,例如:由於網路學習的特殊性,學生不會主動學習,無法引發學生主動學習的動機,沒有真正的面對面人性互動等等。如何改善這些缺失一直是網路課程設計老師的首要目標,智慧型手機的技術創新似乎提供了最佳的解決方案。 n 行動學習的研究簡介 首先找了幾位數位教學以及化學教育專家一起研討,化學領域太過廣泛,我們決定以「奈米化學」單元做為這次研究的主題內容。主要是因為其內容的新穎有趣和生活應用的範例應該可以吸引同學學習的動機。奈米化學單元主要以「微小尺寸的世界」、「奈米的特性 & 效應」、「奈米 & 生活」、「奈米科技的應用」、「奈米的未來」,五大概念的內容為主。另外我們在設計上嘗試著以精熟學習理論融入行動學習模式,由於精熟學習理論須將大量的教學內容,細分為較小的單元目標,並就其單元目標達成精熟,而行動學習的教學內容設計也需要以小單元的方式製作,因此精熟學習理論的設計模式應該最適合這次的研究,如圖1所示。根據使用經驗歸納出智慧型手機最重要的四個特色為:1.小螢幕2.即時回饋3.簡訊傳達4.不間斷的學習。整體學習模組設計則依據這幾個特色下去發揮。 圖1:行動學習的研究流程圖 研究對象為靜宜大學”生活化學”課程之學生,共126位(男生63人、女生63人)透過電腦亂數分為實驗組與控制組,控制組是使用一般網路學習系統,實驗組則使用智慧型手機行動學習模式,讓他們分別進入不同學習平台學習後,蒐集進行統計分析。兩組內容相同,唯學習內容呈現方式不同,並且為了避免統計誤差,單元學習時間皆控制為兩個小時。實驗組將奈米化學單元課程內容設計為多媒體簡訊模式,每一個簡訊內容都非常簡潔的呈現給學習者,避免學習者在學習時的負擔。根據經驗發現智慧型手機行動學習非常適合應用在教學內容較少、模式化的知識內容,應用的學習情境必須讓學習者快速的找到想要的資料,進行直覺化學習。學習小主題之檔案大小控制於1Mb以下,以方便傳輸;頁面呈現方式以螢幕的觸控式按鍵控制學習內容的播放,整個學習模式以小主題為學習目標,文字資料盡量減少,每一個主題內容以不超過三頁之原則作為主要設計考量,減少學習者操作的麻煩。 在每一個主題內容後面都有一個即時測驗,要求學習者立刻回饋,無論答案對與錯,我們都會給於回饋,並針對其答錯之題目給予立即性的補救教材回應,補救教材學習會不同於第一次的描述方式,確保學習者對知識內容的徹底了解,才繼續下一單元之學習。這種學習模式非常類似精熟學習的理念,多媒體簡訊學習結合即時學習、評量回饋、充實補救的教學歷程,如圖2所示。 精熟學習與行動學習的結合在於只要隨時給予不同程度學習者、不同時間學習自主學習,學習者就可自己依照其進度逐步學習。手機體積小、重量輕,具「可攜性」,且學習者可依個人需要調整學習進度的「個人化」特性,讓行動學習教學活動更有彈性。而行動學習教學活動善用精熟學習的特色,將教學活動切割成小單元,則可達成預期學習成效。 圖2:奈米化學的教學與回饋流程圖 n 行動學習的研究發現 整體而言,研究結果發現智慧型手機簡訊行動學習模式確實能有效提升學習成效,尤其特別適合於主動學習性較高、對新式的教學法特別感興趣的學習者,以手機作為學習工具確實能引發其學習動機,達到誘發學習者主動學習之目的,進而提升學習成效。而且簡訊的即時回饋功能設計,更能增添學習的即時性,即時的補教教學能適時的增強學習者對知識的建構。尤其能將化學知識與日常生活習慣產生聯結,行動學習是非常適合採用的學習模式。智慧型手機行動學習應該能為未來教室或終身學習勾勒出一幅美麗的願景,「行動學習模式」可以輔助現行的化學教學行為,促進學習者學習化學的知識建構。我們的研究結果可以作為行動學習教學設計的參考,協助化學教學者進行行動學習更有效的設計依據。 分析發現場地獨立的學習者與男生都顯示比較適合智慧型手機行動學習模式。場地獨立的學習者,特質為比較能夠主動的自我學習,而且彈性的學習路線能幫助場地獨立的學習者學習。智慧型手機行動學習模式能讓學習者依自己的速度,完成所要學習的課程內容,支援學習者進行彈性化的學習與思考,特別有利於場地獨立的學習者進行學習。男性學習者在日常生活中非常想提升其在同儕間的地位形象,在使用多媒體手機簡訊學習時,可以加重其好學不倦之刻板印象,間接的促發其學習動機,因此更加提升其學習成效。 n 提升學習動機 經過學習完成後之面對面問答發現,具有這兩個特質的學生的心理上比較希望在同學中鶴立雞群,因此除了希望大家注意到他的名貴手機之外,更期望大家能注意到他的用功學習過程,所以非常容易被行動學習模式激發出來學習動機,進而提升學習成效。還有就是透過即時不斷的學習,許多垃圾時間的再利用,對年輕學子而言,原來會去打電動以及聊天打屁的惡習轉換為更好的成績進步,這個功能遠比化學教育要更有成果。科技目前正以等比級數化的速度改變人類的所有生活,因應時代的改變,個人以為:現在大學化學老師的角色必須從知識的傳播者慢慢的變化,變成知識設計建構者,如果大學化學老師能夠將課餘時間拿出過去的講義,轉化設計成多媒體簡訊,甚至於分享同好,發表於網路的臺灣化學教育期刊,會是件功德無量的大事!