2017年7月14日

ImageJ分析細胞面積-當細胞膜顏色很淡怎麼辦

前兩天收到的信,今天才有空處理。

研究者拍攝的是脂肪組織,希望精確知道每一個細胞的面積有多大。

在大多數的情況下,「精確」和「快速」兩者無法兼得。要精確,就只能慢慢來,要快速,那麼精確度就會下降,只能粗估。

這個案例我試了幾個方法,雖然可以快速,但是精確度不高,所以最後決定建議研究者用手動+自動的方式一起進行。

既然細胞膜顏色太淡、太薄,那就手動幫細胞膜上色吧。上了色之後,再利用threshold和analyze particle把每個細胞都抓出來,這樣就完成了。以範例這張照片來說,手動畫出細胞膜費時也只有數分鐘,但是可以得到相對準確的細胞面積,算是值得了。




2017年7月11日

建模軟體-SageModeler(2)-如何建模

延續前一篇用SageModeler做資料分析的文章,這篇要介紹的是 SageModeler主要用途-建模。

科學教育上的建模有很多種呈現方式,有些是實體物件放大或縮小所建立的模型(例如生態系模型是把大變小,DNA模型是小變大),有些是抽象做成實體(孟德爾遺傳因子的遺傳模式示意圖)。這個軟體中所稱的建模是指針對現象提出問題,並找出變因,建立一個模型去描述、預測、解釋這些關係。

下面這部影片,介紹的是「非科學」的建模-如何讓成績變好,變因可能是專注度、努力時間等,我們利用SageModeler建立一個「讓成績變好」的模型,預測哪些變因會影響成績。




這個例子是科學實驗上的建模,讓學生觀察單擺擺動的現象後,由教師提出一個問題「影響單擺擺動週期的因素有哪些?它們又是怎麼影響的?」

學生先透過討論提出許多不同變因,例如學生可能會提出單擺的重量、擺動的角度、擺繩的長度。(雖然真正影響的是擺長,不過在讓學生學習時,是讓學生開放討論這些可能性的)

有了這些變因之後,學生在SageModeler上建立一個預測的模型,設定好這些因素如何影響擺動週期。隨後進行實驗,利用SageModeler的試算表與資料繪圖功能,實際看看這些因素到底有沒有影響週期。

學生觀察實驗數據後,會發現有些因素對週期沒有影響,於是就回頭再度修改自己的模型,
讓它成為一個符合科學數據的模型。



透過這樣的例子,不難發現其實「建立模型」這件事在做實驗時,是很容易放進去執行的。


其實在十二年國教的自然課綱中,就有建立模型這塊。它在哪裡?是在學習重點裡的學習表現,當中的探究能力。(黃色那塊)


課綱學習重點視覺化


探究能力分兩塊,一個是思考智能,是「你要怎麼去想這些探究的問題」,另一個是問題解決,講的是「你要怎麼去做」,而思考智能中第四項,就是建立模型。
探究能力



在不同學習階段鎖需要達到的程度如下,以國中階段來說就是要能建立模型、理解模型、評估模型。


小學3-4
小學5-6
國中
高中共同
高中進階(選修)
tm-Ⅱ-1
能建立簡單模型的概念,並能理解形成自然界實體模型的特性,進而與其生活經驗連結。
tm-Ⅲ-1
能經由簡單的探究與理解建立模型,且能從觀察及實驗過程中,理解到有不同模型的存在。
tm-Ⅳ-1
能從實驗過程、合作討論中理解較複雜的自然界模型,並能評估不同模型的優點和限制,進能應用在後續的科學理解或生活。
tm-Ⅴc-1
能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型,並能使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象,進而了解模型有其局限性。
tm-Ⅴa-1
能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型,並使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象。進而能分析各種模型的特性,且了解模型可隨著對科學事物複雜關係的認知增加來修正。





生物教學上有沒有什麼可建模的呢?有的,像是「影響綠豆發芽的因素有哪些?」「影響馬鈴薯/蕃薯發芽的因素有哪些?」「影響心搏的因素有哪些?」「碳元素是怎麼循環的」「食物網」

以下舉一個例子,是我看SageModeler的相關文章《Students making
systems models》看到的,研究者拿SageModeler做教學實驗的第一個模組就是探討這個問題「為什麼漁夫需要森林」,當森林被砍伐,為什麼漁獲也減少了,這其實就是一個探討碳循環的課題。在建立這個模型的時候,還需要給學生一些參考資料。

https://codap.concord.org/releases/latest/static/dg/en/cert/index.html#shared=21799



從這個概念出發,其實也可以拿生態學的文本讓學生來建模。像我這篇「用生態學的文本教科學閱讀策略」,就可以讓學生讀了文本,再用SageModeler來建立食物網的關係。當關係建立完備後,就可以看到牽動一種生物的數量,可能就會改變一個看似毫無關係的生物生存。


透過以上例子的說明,其實也回應了十二年國教總綱裡核心素養的一項「系統思考與解決問題」。透過建模的學習,學生可以從「見樹不見林」到「見樹又見林」,去看整個系統的問題,而不是只侷限在視線所及的狹隘範圍。

2017年7月6日

建模軟體-SageModeler(1)-資料繪圖

週末在師大參加建模工作坊:台灣的活動,學習了Concord.org的一套線上軟體-SageModeler。*(之前我帶學生進行過的配龍遊戲,就是concord.org的產品。)

SageModeler是一套建立在CODAP(Common Online Data Analysis Platform)上的線上應用軟體,用Chrome瀏覽器來使用會是比較好的,因為是web軟體,所以在iPad上也可以使用,在行動學習課程中可以利用這個工具做很棒的應用。



CODAP又是什麼?

最簡單的想法就是把CODAP當作線上的Excel,可以用很直覺的方式拖拉放建圖進行分析,而SageModeler就像是CODAP的外掛,是可以進行建模的外掛。老師引導學生們從現象裡找出問題,並且思考這些問題的可能變因變數是什麼,然後在SageModeler上建立這些變數的關係,然後就可以建立模型,隨後透過團體討論思辨修改模型,再來也可以利用CODAP的資料繪圖功能,看看自己建立的模型是否正確。


以下我將SageModeler的介紹分成兩部份,先介紹匯入資料進行繪圖的部份。以下將會使用三種資料集來進行繪圖

1.虛擬的學生段考成績

2.來自政府資料開放平臺的學生身高平均值和學生體重平均值
http://data.gov.tw/node/6283
http://data.gov.tw/node/6229

3.中央氣象局的地震活動匯報
http://www.cwb.gov.tw/V7/earthquake/rtd_eq.htm

這三個資料集,我都放在雲端硬碟
https://drive.google.com/drive/folders/0Bzwhi7Oh9a5ZUmlSYVZ0ODEtM0E?usp=sharing




首先是學生成績的繪圖分析,透過SageModeler可以很簡單地繪出各班成績盒狀圖、標示出平均值與標準差。
範例點此













第二個是分析OpenData資料裡的學生身高和體重的圖形,作法也很簡單,拖拉放就可立刻完成。
範例點此











第三個應用非常特別,可以結合經緯度資料,把資料點畫在地圖上,我使用之前爬下的地震資料,原始資料我有九千多筆,照樣可以執行,實在很厲害。在影片中我的示範是刪減到一千多筆。如果資料表中有地圖的多邊形邊界資料,也可以將每個地點畫出邊界,例如此範例,內有美國各州的邊界資料。未來可以試試看將台灣各縣市的邊界資料放入,就可以即時做出一些有趣的應用,例如顯示各縣市人口、各項發展等。很適合用在做地理建模。


下圖利用顏色標記各地震點的深度、規模等等,並且將地震深度和規模做圖比較,我認為是很適合用在地球科學的建模教學。
範例在此





最後一個影片是SageModeler儲存資料的方式,它可以直接和雲端硬碟連接,將檔案存在Google雲端硬碟,而且是只要更動就會立刻儲存。另一種方式是存在本機,但若有更動就要自己再儲存。

如果需要將檔案共享,可以使用Share Link的方式,它會將現有的檔案製作一份複本,放在它們伺服器上,你只要把複本的連結給別人即可。如果你的原始檔案有更改,想要去更新複本也只要去updata就可以。換句話說就是,複本和原始檔案在沒有update之前,是不會連動的。

2017年7月5日

Tidy Data 整潔的數據

本篇文章是閱讀Hadley Wickham的Tidy data一文之心得,截圖來自該篇文章,特此說明。

在進行數據分析的時候,資料整理的格式十分重要,基本原則有三
每一個變數(variable)形成一欄
每一觀察值(observation)形成一列
每一種觀測單位形成一個表格
1. Each variable forms a column.
2. Each observation forms a row.
3. Each type of observational unit forms a table.



以下的表一和表二,都是同樣的資料,但是紀錄的方式卻不相同。這個表格中一共有三種變數(人名、treatment、結果的數量),觀察值有6個(如果缺失值不計,則為5個)




如果以tidy data的目標來轉換,會成為這樣的表格,每一欄都是一個變數,每一列都是一筆觀察值。






混亂的資料集( messy data)常見的問題有以下幾點
  • 欄標題是數值,而不是變數名稱
  • 多個變數在同一欄
  • 變數同時在欄和列
  • 多種觀察單位存在同一張表格
  • 單一觀察單位存在多個表格
原文
  •  Column headers are values, not variable names.
  •  Multiple variables are stored in one column.
  •  Variables are stored in both rows and columns.
  •  Multiple types of observational units are stored in the same table.
  •  A single observational unit is stored in multiple tables.

欄標題是數值,而不是變數名稱

以下這個例子就是欄標題不是用變數,而是用了數值。這是一個宗教對應收入的表格,左邊一欄是宗教,右邊六欄都是收入的「數值」。這個資料夾其實有三種變數,宗教、收入、數量



轉成tidy data應該變成這樣






欄標題非變數的另外一個例子。這是音樂排行榜的例子,右邊三欄分別是第一週、第二週、第三週的排名,實際上右邊會延長很多到第75週




轉變成tidy data之後是這樣,把上表的週和排名變為兩欄




多個變數在同一欄
這個例子中的欄標題,m014,代表了male,0歲到14歲。所以同一欄裡頭就有兩個不同的變數,最右邊的f014則是female,0-14歲。仔細觀察這個表,其實變數有五個,country、year、sex、age、cases




轉換成tidy data的過程,先做成左邊之後,再把性別一變數獨立出來一欄,成為五欄的tidy data(下右圖)





變數同時在欄和列
這是某個天氣站的氣溫觀察紀錄,d1代表第一天(右邊其實還有d9-d31都被省略)。tmin和tmax代表當日最低溫和最高溫。





轉變成tidy data如下,右邊已經幾乎是tidy data,但右邊會更完整。



多種觀察單位存在同一張表格
這是前面提過的排行榜例子,之前的表格中,歌手和歌曲會重複多次,可以再將上面的資料表格轉換成關聯式表格。



Tidy 

2017年6月30日

動手的人改變世界-參與新竹市2017創客博覽會紀錄-自製胸章和印章


這個新竹市的創客博覽會是第二年了,當初會參與這個活動算是很突然的啊,一開始是丁校長邀請去參加創客博覽會裡頭的教案黑客松,而在籌備會議中,督學問說,那你們學校要不要來擺個攤。我想想之前開教務主任研習時,其實就有弄了一些東西,所以就答應囉

我跟建豪和季瑾討論之後,就決定用微觀生物胸章和生物繪圖印章的手作體驗來擺。
相關文章如下
自製印章研習
生物主題胸章製作


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微觀生物胸章的製作,工具還蠻多的,準備起來挺累的呢。iPad、uHandy、印表機、胸章機、切圓機,還有一些大大小小的材料與工具。

還好活動中有跟著我做專題的學生一起協助,他們指導使用uHandy已經有多次的經驗了,完全可以放手讓他們去教。
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現場拍攝的顯微照片,再傳輸到印表機L485現場印製出來。這我就要誇一下這印表機,改天另寫一文來介紹這個很適合行動學習使用的印表機。印出來的圖案再經過切圓機、胸章機就可以產出一個個可愛的小胸章。
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另外一個活動是印章製作,季瑾在今年的分類課程裡設計了一個讓學生當「小小maker」的活動。以下copy她的說明

1. 徵稿讓學生手繪地球上的生物
2. 把作品掃描上傳到平台
3. 大家使用ipad投票
4. 高票當選的作品可製成印章
5. 印章上面有圖和自己的名字
6. 活動完成後可將印章帶回家做紀念

這次活動中,參與者可以使用她學生繪製的印章模板來製作印章,也可以親手繪製。其實在這個活動之前,我們很猶豫有沒有辦法讓參與者現場繪製來做印章,因為之前我們都是用雷射印表機或是影印機來做印章的模板。(印章的材料是光敏印章,進印章機的模板,必須要以碳粉印製來遮光,不能用一般顏料)

後來我們實驗了之後,發現只要用2B鉛筆在描圖紙上繪畫,就可以現場製作模板。這也讓這個活動的進行開啟了另一種可能性呢。有很多參與的小朋友,都很喜歡自己親手畫印章呢。

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