2015年4月30日

作一個虎克的複式顯微鏡

當國中生物老師大概都會很想手邊有個虎克顯微鏡,可以拿來給學生看看玩玩,不過這有點困難,畢竟大人科學裡的虎克顯微鏡早就已經停產(不過還好我有一個,哈哈)。

前些時候親子天下代理中文版時,有調查要把哪款中文化,那個虎克顯微鏡在我大力推廣催票下有雀屏中選,但是就在親子天下跟日方詢問的狀況下,根本連模具都沒辦法重新使用,所以復刻幾乎是不可能的事情。

但是現在想想喔,與其老師手邊有一個,那不如教學生學著虎克作一個,然後還跟著看看軟木、跳蚤...,用科學史的角度和實物不是更棒嗎?

啊...怎麼作呢?其實以前我也沒注意過虎克其實有教怎麼作,是後來翻Micrographia(微物圖誌)的時候才注意到的。瞧,這是其中一面插圖,看見怎麼做了嗎?
micrographia



就在Fig4 啊,接物鏡和接目鏡用的是平凸透鏡,接物鏡小小的,而接目鏡大大的,外面再罩上遮光罩。其實這結構簡單哪,不過那是用現在看法,如果是當時,那些鏡片取得可不容易啊!
hooke


現代的鏡片買就有囉,我在淘寶上找了23mmLED透鏡當作接目鏡,再把拿來作手機顯微鏡的透鏡-7mm雷射光透鏡,當作是接物鏡。


透鏡


其實選這樣的尺寸,是配合我買的水管。接目鏡用的是四分水管,接物鏡是三分的。接目鏡直接用膠帶黏上去就行,而接物鏡是把黑色圓形泡綿挖洞後,塞入透鏡,再塞到三分水管裡。因為是試作,所以先用泡綿,之後要來作為活動材料的話,可以用黑色卡紙代替,或甚至雷射切割黑色圓形壓克力來代替。

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接下來再用膠帶把兩段組合起來
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左邊是組合好的複式顯微鏡,因為有接目鏡和接物鏡,所以才叫做複式,應該很能讓學生了解複式顯微鏡的定義了。右邊有幾根水管、橡皮筋和黏土,都是用來作固定支架的。
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組合起來就是這樣,雖然沒有螺絲微調,但是用橡皮筋微調高度也就夠了。

怎麼我會想到這樣作呢?德不孤,必有鄰(欸,可以這樣用嗎?),原來早有人用拋棄相機的鏡片和吸管點點點等物品,也做出讓學生體驗製作的虎克顯微鏡了,然後我就學到了這樣的固定方式。

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調整好之後就穩穩的,可以看反射光的標本,也可以看透射光的。下圖中是觀看軟木塞的樣子,也能夠看到軟木的格子喔。
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視野看軟木塞


材料費很便宜,我花80元買一根三分水管和四分水管,切出的水管組一定夠一個班使用,而一組透鏡加起來也台幣5元,再加上LED、黏土等,三四百元,就可以作全班每人一組的虎克顯微鏡。便宜好取得的材料,可以了解科學史,以及體會科學原理,看樣子我的顯微鏡系列課程又增加了一個教學模組啦。

用iPad,玩什麼「學名」的活動

欸,國中生要學「學名」幹嘛?除了考試還能幹嘛啊?如果他這輩子不作科學家,那幹嘛學呢?

其實這就有點像學第二語言一樣,會用、會看、又會查,你就有機會去接觸到新的事物了。

學生手邊有iPad,那麼要怎麼去讓學生可以用學名作些活動呢?

我就在moodle上佈了一些活動,讓學生依次完成。

第一各就是會查,我放了一個生物的學名Penaeus japonicus,請學生去查出它的中文俗名,還有找出它的圖片。有能力完成的學生,一定就會用搜尋引擎查詢了,另外也會圖片搜尋了,這就是資訊能力了。下次應該還要指定使用CC授權的圖片,這樣可以在資訊素養部份再加強一些。

其實搜尋生物圖片,用學名是最精確的,我自己有時候就是這樣用的。


第二個作業則是讓學生自己選一個生物,去維基百科查學名,再請Google小姐用拉丁文唸出來之後,再學著唸出來給我聽。

學生學了命名和分類之後,應該要有能力看懂維基百科中,物種介紹右側的內容的,比方說這是維基百科中人的介紹

你看看喔,學生學完演化、分類和生態保育之後,至少這幾個都要懂吧?(亞種不知道可能還好,這反正是沒教的)



再來是這可以看出學生懂不懂什麼叫做「一種生物」?如果沒弄懂,可能就會直接去找猴子的學名,結果只找到科的學名,或是目的學名。我只要看到學生找到的不是兩個字的,我就知道他沒弄懂了。

另外也可延伸幾個搜尋活動來玩玩,像是尋找12生肖的學名拉丁念法。

或者是查狗和狼的學名,我學生作前面那個活動時,就想找薩摩耶犬的學名,結果沒找到,後來我叫他找犬的學名,後來他發現跟狼的幾乎一樣時,他自己就領悟了原來兩者是同一種。(講幾乎一樣,是因為狗的學名還多一個亞種名,這個也可以讓學生想想看那個亞種名什麼意思)

或者再延伸幾個活動,查最短的學名或最長的學名。(不過這個任務就會比較難了,用英文查詢比較能查得到)

以上幾個活動玩下來,就有學生就很愛唸翻車魚的學名、雞的學名還有南蝠的學名。好奇的話,你可以去看看那些生物學名是什麼。






2015年4月21日

學生看化石的活動



最近幾週跑好多地方去採化石,一方面是當作去玩,另一方面則是順便蒐集教學素材。

要帶學生看真實的野地化石,不是不可能啊,不過我教160幾個學生,怎麼可能去作這件事情呢?於是乎把化石帶進教室就是我的折衷作法了。

可是哪種化石合適呢?教生物的老師通常都會買些可以拿來教學的化石,那些都已經被業者整理得乾乾淨淨了,也附上簡要說明了,但我要的不是那種化石,而是那種嵌在一大塊石頭裡的化石,你看那桌上一大堆石頭就知道了。

學生在個別學習之後,會有一些觀察化石的活動要進行,這些化石就是觀察活動的材料。

在學習完化石那個單元,學生要從這些化石中找出
*由堅硬部位形成的實體的化石
*壓印出來的化石
*生活痕跡留下的化石

學完地質年代之後,再從這些化石找出
*古生代的化石
*中生代的化石
*新生代的化石

最後要從這些石頭中,找出三種不同生物形成的化石,拍照後上傳moodle


雖然材料就這樣一桌,但是一次來觀察的學生並不會太多,因為我的課程都是採個別化學習的方式,每個學生進度不同,因此就能自然地把學生分群了。而且同樣的素材,學生共要觀察三次,自然能對這些產生更深的印象了。

學生對這些材料都很感興趣,有學生甚至從掉落桌上的石頭碎屑中找到迷你貝的化石呢!

台中大甲溪採化石

最近的心裡有個執念,一到週末就想去採化石,沒辦法啊,就最近要教演化,會講到化石,我就想要蒐集多一些化石給學生把玩啊。

這次週末的採集點在大甲溪河床,一看衛星圖就是一副很多化石的樣子,你看那表土都被侵蝕掉了,只留下裸露的岩層,當然很容易找到化石囉。

我在網路上做了一些功課,選定了大甲溪鐵橋附近的岩層,因為是看到《我們的島》在2010年的報導,那邊有鯨魚肋骨的化石。雖然我沒有去過大甲溪,不過就著影片拍攝的地景,拿去和Google地球的地景互相對照,大致上也就知道在那一區塊了。

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雖然選定了地點,但能不能到達則是另一回事。沒有人家帶著,要自己去找到實在不是容易的事情,而且我去的地方是左岸,可預想會有的應該是右岸吧,但我們卻不知道怎麼到那。總之呢,原先預定要看的骨頭化石,是沒找到囉,但在那石頭上爬高爬低,也是收到不少要給學生把玩觀察的化石。
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後來決定換地點,前往埤豐橋附近觀察,結果意外遇到石頭老爹李天德老師,於是就在他引領下,在這幾個點看到很多很棒的化石。
大甲溪化石



A點是埤豐橋下游固床工的施工地點
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找到了目標岩層,敲一敲就有很多可愛的螺貝了

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B點則是從埤豐橋北端小路下去走到橋下,是921地震後抬升的河床位置。
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這地點超妙,在岩層上遍佈白色粉末,一嚐之下竟然是鹽。然後啊,因為抱著化石走來走去,採完回程後發現自己手都是皺的,而且舔舔手指還都是鹹的,就跟泡在海水裡頭一樣,可是明明就是在大甲溪河床上活動啊。
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會到這個地點是因為我提起想看大甲溪的鯨魚化石,不過李老師說下游那個已經被大水流掉,但是埤豐橋這邊倒是有出露新的,於是李老師非常熱心的又帶我們來到這個地點。

路途中去看了一片超大的生痕化石!
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這麼大耶!剛好我這次來的目標就是要帶幾塊生痕化石給學生看,於是地上撿兩塊就夠了呢!
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而這個就是鯨魚骨骼,是兩組脊椎骨和肋骨
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仔細看還能看到骨骼的組織呢
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旁邊也可以敲到螃蟹化石,這塊化石因為是跟母岩一塊採的,後來仔細檢查還發現螃蟹化石還有一兩管洞穴的生痕化石,我推測有可能是這螃蟹挖的洞呢。
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結束化石採集過程後,想說反正都到中部了,乾脆去一趟車籠埔斷層保存園區,因為之前聽美芳說過這個地方要去要趁早,不然哪天又風化崩坍地震什麼的,就看不到了。
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門口有隻穿山甲,欸...其實並不是每種動物都適合擬人化的耶。
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這個園區真的很棒,可以看到斷層剖面,還能看到槽溝內部,更酷的是定時導覽的呈現方式,居然是投影在岩壁上,直接透過影片說明歷次古地震造成這些岩層怎麼形塑成現在這個樣子。
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拍攝香蕉的螢光

從江老師那邊得到手機顯微鏡的螢光模組後,玩了之後體會到先前我拍螢光照片總是不順利的原因,原來是我拍攝時用來激發螢光的紫外光也進了鏡頭。

怎麼改進這件事情呢?就以香蕉為例吧,用紫外光照射香蕉的果皮內側會有螢光反應,但拍攝螢光的同時,散射的紫外光和非螢光的可見光也會進入鏡頭影響成像,因此要拍螢光照片,鏡頭必須隔絕那些來干擾的光線才行,所以挑選適合的濾光片很重要!




我在拍攝香蕉的螢光反應時,使用的是紫外線的手電筒,不過香蕉的螢光不是太強,再加上手機無法長時間曝光,因此沒辦法拍到一整片螢光的樣子,於是我改成用影片來拍攝,再進行後製。

最後做出的樣子,可以做出GIF圖檔,也可以做成左右對照圖。






後製的基本原理,是把影片的畫格取出後,再用imagej把每個畫格疊在一起,我用影片來說明整個製作的方式。只要懂得製作的原理,那麼也可以用在天文攝影或是顯微攝影上面,其實這也就是這篇《imagej將時間資料視覺化》的延伸作法

2015年4月17日

關於觀課,你應該知道的事情

最近幾年觀了不少別人的課,也開放自己的課程讓別人觀課過。

「絕不干擾上課」。我以為是大家應該都知道的事情,但是我卻發現有太多觀課者根本不留意!以下的案例都是真實案例。


學生進行活動課程的時候,比方說是在互相討論時,觀課老師湊到學生旁邊去問學生問題,「你們現在在作什麼?」、「這是什麼東西」...
--->如果想問學生問題,應該是下課的時候再去問學生。

學生使用顯微鏡觀察生物的時候,因為觀課教師沒看過那種顯微鏡,於是就去拿了學生的顯微鏡來把玩,還三兩個觀課教師一起討論互相使用,結果學生只好在那邊等觀課教師還他們器材。
-->對任何教具有疑問,應該等到下課再詢問授課教師。


在活動課程進行時,授課教師在教室全場巡視,結果觀課教師起身走到授課教師的身邊去問課程細節。
-->如果對課程細節有問題,請觀課教師到下課時候再問。


學生成群互相討論或操作某項活動時,觀課教師也拿著相機擠進學生群裡拍學生在進行的東西。
-->除非這次觀課屬於「入組觀課」,不然觀課教師都應該退離學生活動區,如果要拍攝作品,可以等下課時候,或是請換一台能望遠的相機。


身為觀課教師,你應該知道你只是「觀察」課程,而不是「參與」課程。對課程的疑問或是有興趣的部份,都應該等到下課時,或是議課時再提出。

2015年4月12日

從Spikerbox來的生理訊號感測器

寫了這篇總算讓我有點像學生物的了。

這個是今年過農曆年前就想做的計畫,是整合Backyard Brains裡各種實驗器材的「生理訊號感測器」

整合了哪些呢?我把它們的產品通通都組在一起,可以作心電測量、肌電測量、動作電位測亮,還有植物的觸發訊號(捕蠅草被碰到時產生的生理訊號)。

怎麼有這些電路圖呢?唉呦,就Backyard Brains很大方啊,把他們產品的電路都開源出來,所以我就只要自己組合後重新畫一個,再出圖去給廠商作電路就行了。

原理圖不複雜,比較麻煩的是要把所有訊號都整合在一起,所以要設計一些跳線
EMG02





EMG01


製作的檔案和轉檔成的Gerber檔案都打包在此
https://sites.google.com/site/pancala/Home/EMG%20shield.zip


做出來的成品就是這樣,底下和Arduino組合在一起,可以把訊號送出arduino,也可以從音源孔輸出。arduino偵測到訊號之後,還可以控制這塊板子上的繼電器、LED等,進行更多的應用。
DSC03926


DSC03927



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用imagej作對照圖

寫前篇的時候想到,應該也有人有這種作同地對照圖的需求吧?那我不如製作的時候,再錄個影來教一教吧。
頭前溪消失的田地

製作順序就是




  1. 從Google地球截圖
  2. 用imagej把截圖組成stacks
  3. 裁切stacks
  4. 畫出區域線
  5. 製作組圖




這方法應用的部份很廣喔,如果是影片拍攝某個定點的東西,也可以作這種東西看到那東西隨時間變化的樣子喔。

其他的方式可以看這篇imagej將時間資料視覺化

頭前溪河床消失的田地

最近對地質實在太感興趣了,就用Google地球看衛星圖東看西看,突然看到二高和中正橋之間的頭前溪河床居然是裸露的。好奇之餘,用Google地球的歷史圖像功能看一下過去的樣子,結果發現2003年的時候,這塊居然是田地啊。
頭前溪消失的田地

也就是說,這塊田的土壤被頭前溪沖走了啊。哇,這可讓我想到我爸說的一件事,我們祖先以前在大漢溪河床那邊的土地,也是被大漢溪沖走了,其實我一直沒搞懂,土地被沖走之後會變什麼樣子,現在有了衛星圖像一切就好懂了。


趁著一天下班時天還沒黑,從Google地圖上找了路徑摸到這裡,果然是一片很特別的風景。
DSC03992


裸露的岩層都是砂岩,我想也許還能找到化石
DSC03996


透過地質資料整合查詢看到這附近有新城斷層和竹東斷層,而這些岩層的走向就和斷層線平行,可知這些岩層當初被推擠的方向。推擠之後產生皺摺,接著上部再被河川侵蝕,才會形成這樣的樣貌。。地質


2015年4月11日

維梅爾的光影祕密

晚上看了一部影片《透視:光影大師維梅爾》(Tim’s Vermeer),本來只是隨便看看,想說不就是講講維梅爾怎麼用針孔成像去畫那些超擬真的畫像吧,沒想到真是超精彩的一部影片啊,完全不是那麼一回事。看到精彩之處,才發現我是在HBO看的,我還以為是D台還是N台哩。
這個影片有DVD發行喔,值得擁有,特別是科學老師!底下就來說說為什麼?

這部電影是個紀錄片,主角是個現代的發明家Tim,他花了五六年的時間抽絲剝繭,終於找出維梅爾可能的作畫方式。說是「可能」是因為除非維梅爾從地下爬出來說出真相,不然誰也不知道是不是真的。

等等,維梅爾是誰,欸...google一下vermeer吧,我想多少對這些圖有些印象吧?

維梅爾最引人注目的就是他那些像是用拍照拍出來的畫,非常不可思議。很多人就猜啊,維梅爾應該就是用針孔成像的方式去畫畫吧?在房間裡頭弄個暗室,牆壁開個小洞,讓外頭的影像投射到暗室內,然後躲在暗室內畫畫。不過這有很大的問題啊!針孔成像的影像是模糊的,怎麼辦呢?簡單,就在針孔前面加一個透鏡就行了,其實加了透鏡就開始有現代照相機的樣子了。

那現在就只要對著投影的地方畫圖就行了嗎?還是不行,為什麼呢?要知道維梅爾的畫中色彩超擬真,如果是在光線下畫圖的話,畫出來的顏色一定會偏掉。白光下調出的藍色顏料,放到藍光之下,看起來顏色會更深,你根本沒有辦法在藍光下調出跟藍光一樣的顏料。(這個用寫的真的看不懂,還是要看影片才懂),所以Tim認為不可能是在光線直接照射畫布的情況作畫。

後來他偶然發現可以用鏡子作到相似的效果,把照片立著,再拿個平面鏡傾斜的放在眼前,眼睛往下看,可以同時看到鏡子和畫布,只要移動頭部的位置,就可以比對鏡中顏色和畫布顏色。畫家要作的就只有把顏色塗成一樣,讓鏡中影像和畫布影像的邊線看起來消失就行了。

吼,這種技術用寫的真的又是看不懂啦,來來,我用這方式畫張自畫像來看看。這樣就懂了吧,畫超擬真自畫像很簡單的!
my2

這個原理就和camera lucida這種儀器一樣,看一下這個網頁的圖就大概知道了那是什麼了,類似的設備也會拿來作顯微鏡的繪圖之用,把顯微影像投影在白紙上,然後再就著白紙去畫出顯微影像。


回到維梅爾繪圖的下一個問題,那時候沒有相片啊,怎麼可能用平面鏡去反射照片影像啊,所以可能就是用針孔成像囉?找個暗室,牆壁投影出針孔成像的影像,再用平面鏡來協助繪圖?

不過還是有問題喔,就算針孔前面加了透鏡,你還是沒辦法在屏幕上看到細節喔!要知道啊,維梅爾的畫中細節非常恐怖,連一兩公尺外毯子的編織紋路都看得到喔,那個是平常肉眼看都看不到的細節啊,但維梅爾就是看得到!根本就是望遠眼啊

這又是怎麼作到的呢?Tim認為投影的地方應該還要有點東西,什麼呢?答案是凹面鏡。科科,當影像透影在凹面鏡上,就能夠看到許多細節啊!再用平面鏡去反射那個影像,這時候甚至不用暗箱,就能夠畫出細節了啊。(這已經開始變得像望遠鏡了)。


於是乎Tim推測,維梅爾不是使用針孔成像來作畫,他使用的設備應該就只有三個,凸透鏡、凹面鏡,和一個平面鏡。(看起來怎麼就像是牛頓式反射望遠鏡的材料)

Tim找到了繪圖方法,當然也從維梅爾的畫中找到一些證據,間接推測維梅爾是用這些光學設備來繪圖的。像是維梅爾畫中有前景模糊的現象,如果是直接眼睛看現場去作畫,我們眼睛一定會聚焦看清楚,不會有前景模糊的現象,那只有透鏡成像才會這樣。再來是畫作中有出現一些細節是透鏡色散的現象,還有透鏡成像才會出現的小光點。

有了這些,Tim還不死心,他用維梅爾的數張畫作來作畫室的立體建模(這才是他的專業耶),然後用CNC、車床...,居然重建了一間維梅爾的房間,什麼樂器、地板、地毯啦,通通都做出來了。然後,他花了快一年的時間自己畫了跟維梅爾的《音樂課》一模一樣的畫作。唉呦,要知道啊,Tim沒學過油畫,更不是藝術家,但是他卻用這方式畫出了一幅有光影逼近真實,而且有超細節的油畫啊!而且他也在繪圖時發現會畫出邊緣變形的現象,而他也在維梅爾的畫作中發現邊緣變形的細節,顯然維梅爾是真實畫出光學設備的成像啊,有變形就畫變形了。

這部電影實在太精彩了,看完後就開始在網上看一些維梅爾的資料,赫然發現一個總算跟生物很有關係的事實!


維梅爾畫過兩張男性的肖像畫,分別是《天文學家》和《地理學家》

來源wikipedia


來源 wikipedia

我太激動了!所以要去wiki引圖過來,這模特兒是誰?根據種種特徵推斷,他應該就是雷文霍克,就是那個作單式顯微鏡,首先看到細菌畫出細菌的雷文霍克!

而且雷文霍克還不只是去當維梅爾的模特兒喔,他還是維梅爾的遺產指定執行人耶,顯然兩人有不少交情啊!

喔喔,看到這,我突然覺得一切都有關係了。首先,雷文霍克是懂透鏡的人,他從虎克的書裡也學到了不少(這篇有講)。如果雷文霍克會用透鏡做成的顯微鏡畫細菌,那麼他會不會跟維梅爾討論怎麼用透鏡去畫油畫呢?這可能性超高的吧。

可見啊,交個科學家當朋友是很好的!可以像維梅爾一樣,作個用科學作畫的藝術家啊!

2015年4月6日

新竹尖石煤礦觀察植物化石

清明假期一直看化石,也算是慎終追遠的表現吧?

一大早去了苗栗龍港之後,回頭去了一趟尖石的復興煤礦,目的是要看葉子化石。
復興煤礦



五年多前,跟梅子去聽李俊堯老師的演講,就對植物化石十分感興趣,那時候,梅子也做了很完整的紀錄《20091024台灣植物化石地層
新竹尖石:石底層,約1850~2000萬年前。煤礦坑傾倒之廢渣中有許多棕櫚科、槭樹科、豆科植物化石,表示當時可能為熱帶氣候,但亦有發現水杉化石。

這裡也有當時演講的摘要。

我們就在這附近找了山徑,看到路邊有煤渣就停下來觀察了,不過看的主要是夾雜其中的頁岩。用鐵鎚敲一敲,岩石裂開了,就能看到裡頭的樣子囉。
新竹尖石煤礦葉子化石03

新竹尖石煤礦葉子化石05


其實肉眼看還蠻明顯的,但是拍照起來好像就不太明顯了耶。看到有葉子的樣子嗎?

這些葉子化石其實是壓型化石,就像是葉子落到泥巴上,雖然組織被分解了,但是形狀被保留下來了。
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新竹尖石煤礦葉子化石16


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