2016年9月29日

生物課程裡的模型製作

生物課本裡有非常多的示意圖,這些示意圖將複雜的事物簡化呈現出來,讓學生能見圖理解。比方說把細胞內的構造(如葉綠體、粒線體)上色標示,再切割一半,顯示內部構造,或是將心臟剖面繪出呈現其內部複雜結構。

不過對於初學者來說,他們倒不一定真的看圖就能理解那是在呈現什麼。就像是上回 用樹脂土製作細胞模型的時候,有學生會認為細胞核的樣貌就是一顆半球再加上1/4的球,又或者有人會認為細胞其實像是製作中的紅豆餅,還沒加蓋的那種。

課本裡的模型

這些示意圖嘗試要將科學裡那些看不到的、抽象的事物具象化,有些是尺度上的變化,把很小的細胞放大或是把葉綠體的內部繪出立體示意圖,有些是用來類比,比方說呈現酵素的鑰匙模型,有些則是去蕪存菁,隱藏其他不相干的物件,像是呈現人體內消化系統、泌尿系統的樣子(所以看這些模型的時候,你不會同時看到其他器官)

當科學家/教科書作者/教科書編輯/教學者用模型來呈現這些事物時,其實和實體都會有一定程度的落差,但學習者卻不一定知道那之間有落差,以至於相信模型本身呈現的樣子,而不知道該事物的真實樣貌。(理化老師想想原子模型、生物老師想想細胞模型、地科老師想想太陽系模型)


具體地說個例子,插圖繪者將平面的紅血球顯微圖像繪製成立體圖(其實還是平面),這是繪者/編輯建立模型的方式,而學習者需要將這個平面的立體圖,在心像中建構出立體的樣子,這是腦裡的建模,如果沒建好就會以為紅血球其實只有凹一邊,因為平面上就是只能看到一個方向啊。


這樣的落差是資訊傳達過程必然會產生的結果,但是能不能有一些方式能讓教學者偵測學習者是否理解模型代表意義呢?其實就是具體的再建模。針對立體模型的這類模型,說穿了就是讓學生用黏土再做出立體的樣子,不過因為並不是所有的模型都是屬於這種平面與立體的模型,所以不是說把所有示意圖都拿來作立體模型喔。比方說長頸鹿演化過程的那個示意圖,那也是個模型,但它是個縮短時間尺度的概念模型,沒事把它變成立體的也沒什麼意義啦。

前面文謅謅的話講完,如果像要看更學理的可以再找一下有關科學建模的文章來看,例如這篇《從科學學習的觀點探討模型與建模能力


這次在自然輔導團年會裡,我分享了《實作融入生物課堂教學》,後1/3的時間是去作立體模型。讓老師們抽籤,從生物課程的建模(目錄)抽出一個主題,然後到這個Google雲端硬碟中找到生物課本裡的模型(課本截圖),然後用樹脂土製作出實體模型。

設定的主要是立體平面和尺度變化這類的空間模型,所以有些就沒有放進去籤筒裡,例如水循環、碳循環這類的模型就不需要。

當下沒講太多這些作法用意,還好昌宏後來有提醒,所以這邊再說一下。其實目的是這樣的,課程裡的「實作」有很多層面,有些是幫助學生產生有意義的連結,有些是給予其學習經驗,而有些還可以讓老師檢查學生的另有概念(有點類似作健康檢查那樣)。

舉幾個現場觀察到一些非生物科老師製作的模型:

  • 淋巴結模型:老師製作出一顆上面有黃色線條的綠圓球,其實圖中的淋巴結是對半切,但卻以為是完整一顆。
  • 紅血球模型:老師製作出一個像單凹的樣子(另一面是平的紅),也做出長橢圓形的樣子,原因也是視角所引起的,因為沒看懂圖片中畫的紅血球側面。(想想瞎子摸象的例子吧)
  • 靜脈瓣模型:製作出內有兩「條」東西的管子,這其實就是立體轉平面的問題,沒有意會到那其實是整片的膜,而僅從側面看就會以為是那就是一條。
  • 心臟剖面模型:喔,這更不用說了,這幾乎沒有人可以理解那複雜結構,怎麼會有一堆洞(只有生物老師會自己腦補看懂,哪些洞是心房心室,哪些洞是動脈切一半)

這時可以仔細想想,如果非本科系的老師會有這些誤會,那麼12-13歲的小孩呢?然後教學者可以作哪些事情呢?


以下是部份老師製作的模型,可以看看你能看懂多少囉


IMAG2810IMAG2811IMAG2812IMAG2813IMAG2814IMAG2816IMAG2819IMAG2820IMAG2821IMAG2822IMAG2823IMAG2824IMAG2825IMAG2826

2016年9月28日

山嵐成雲的縮時影片

最近關注的焦點幾乎都是天氣現象,今天早上突然看到看到山上一片雲,可是根本不知道它從哪裡來的,過幾分鐘再注意的時候,卻已經消失,所以特別找片段來做成縮時影片看,結果原來是這樣的。 大概從影片的五秒鐘開始,半山腰出現山嵐,山嵐上飄成了雲,但下部看起來是逆溫(大氣看起來很穩定啊),十幾分鐘之後(影片二三十秒的時間)雲覆蓋整個山頭,然後就翻過山頭消失。 這個跟上次貼的下雨後的山上會冒煙幾乎就是一樣的事情嘛,但是有點差別。這次看到的是能夠變成一團雲,但是上次那個就是煙飄上來就是被吹走消失。



附註:這次用的命令列小技巧是把原先的縮時影片擷取片段,也裁切部份畫面
ffmpeg -ss 00:00:15 -i input.mp4 -to 00:01:05 -filter:v "crop=640:480:678:4" out.mp4

看見逆溫層

定時定點觀察真的非常有意思的,我檢視前幾天的縮時攝影,看到了有意思的現象。這是格放後加快10倍,早上6:12,對岸某屋的煙囪排煙,然後就看到了逆溫層現象了。



煙往左飄是風吹的,重點在於煙無法上升,那是因為上層空氣溫度更高,像是個鍋蓋,阻止氣流流動。

對流層的大氣通常是地面溫度較高,越往高處溫度則越低,但是因為一些特別原因,可能會在某個高度後反而是溫度增加的。

像影片中的這個地方,產生逆溫層的原因我想是輻射逆溫,因為晚上天空無雲,地表輻射冷卻,讓溫度降低,就形成了逆溫現象

圖片則是隔壁的地方常常看見的逆溫層現象,其實以前我就納悶是什麼了,今天早上才想到。


可是那些霧是怎麼來的?我本來想應該是輻射霧吧?就是晚上地面的熱向高空輻射散去,清晨氣溫較低時,水氣便會因冷卻的關係而凝結成小水滴。不過看了其他天的縮時攝影,我推翻自己的想法,我認為比較有可能是當地的幾個煙囪造成的(前10秒)。

後來在找逆溫層的時候,看到一些不錯的參考資料,一個是新聞,是有機師空拍看到城市的逆溫層。我想在逆溫層地下的人,是不會看到上空其實是逆溫層啊。
高空直擊「雲霾」分層 在地空汙罩中台│三立新聞台
https://www.youtube.com/watch?v=vd7gj24AuMA


再來是逆溫層的一些科學演示,不同瓶子裡裝了熱水和冷水,如果是下熱上冷,底部的液體就會一直上升。但是如果是下冷上熱,那就不會動了。
Temperature Inversion - Cool Science Experiment
https://www.youtube.com/watch?v=LPvn9qhVFbM


另外在以下兩篇文章中,都深入淺出地講到煙流擴散的觀察,在日常觀察裡能理解這些現象就更能覺察環境正在發生了什麼事情。
一道高考题的解析:烟流的扩散(关于逆温的考察)

出门跑步之前,我看了看远处的大烟囱

上面這連結講到一些大氣穩定度的,也可以看看香港天文台在電腦預報產品/電腦預測天氣圖/背景資料中的講義--天氣圖解讀及天氣預報基礎課程
http://www.weather.gov.hk/education/edu03course/coursenotes/wx_chart_forecasting_notes.pdf
(第四頁有講到大氣穩定度)

梅姬颱風的小小天氣現象

颱風根本就是扎扎實實的將知識應用在生活的教材啊。

這兩天梅姬來祝賀教師節,下午不停的拍打玻璃想進來坐坐,我都好害怕她會衝破玻璃真的進來坐坐。保護玻璃的同時,突然發現玻璃內側起霧了,晚上坐在家裡又覺得怎麼熱起來了。

事件發生的時候,都趕快收集資料驗證一下,先來看看晚上十點的溫度分布圖,應該約略可見北台灣都有點熱吧。
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趕快看一下溫度24小時變化圖,果然啊,晚上溫度突然飆高溫。然後中午玻璃突然起霧,也是因為溫度在一小時內降低一度多,結果房間達到露點溫度了,玻璃就有水滴冷凝了。
temper


晚上怎麼會熱起來哩,再上windyty看一下,喔,我想是風從山那頭過山吹過來,就讓這邊有點像焚風的現象(不確定這樣講對不對,那就叫它微焚風好了)
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高空的風怎麼吹,天空的雲怎麼飄

自從開始架了攝影機定點定時觀測之後,對大氣流動有更進一步的認識了。

例如,以前我看著天上一片層雲時,很難想像它是會動的(因為就一整片,看起來都不動啊),可是透過縮時攝影之後,就可以看到層雲實際移動的樣子。

再來是天上的雲都是同一個方向飄動的吧?喔不,看了縮時攝影之後,才發現跟我想像大不相同的。

比方說這個梅姬颱風來前的縮時攝影,就能明顯看到不同高度的雲流動方向是不同的。出現飛機雲的那個高空,大約一萬公尺,畫面中看來的方向是由右至左(而且還能看到我們這邊大概是會有三條不同的航線)。而接近地面的雲則是略往畫面左邊衝過來。



又或者是這個,20160922的縮時5倍看三層雲不同方向,在影片中約13秒的地方可以看到三種不同高度的雲往三個不同的方向流動


看到這樣的現象,我就很想要更進一步知道,有沒有實際的氣象資料可以和實際拍攝的影片互相對照呢?

幾年前去參觀臺北氣象站板橋站區,知道有幾個氣象站每天都有施放探空氣球,他們就有探測不同高度的方向資料,不過我找了一陣子,沒辦法在網站上找到這方面的氣象資訊,只好暫把這事情擱著。

結果剛好這兩天颱風來,關注windyty這個風場視覺化的網站時,讓我看見曙光啊!原來在windyty就可以在網頁的右下角可以取得不同高度的風速風向資料,左下角則是可以選擇不同日期的歷史資料,看起來是從GFS(Global Forecasting System)取得的資料。

我找了前幾天的歷史資料和當天的實際影片對照,果然是能夠相對應。之前我在寫雲有多高這篇的時候,對於某些雲,就很想知道到底它們有多高,現在就能有更小範圍的資料了。比方說前面影片有個三層不同雲方向的,我大概就能從 windyty 推測出低層的大約是1000公尺的,中間層的大約2000-3000公尺,最高的則是9000-1000公尺那樣。

Windyty 9000m



其實要知道不同高度的大氣流動方向,還有其他方式,像是這篇當初去看煙火後,寫下的《費盡心思看煙火》時,發現只要看飄到高空的氣球方向,就知道高空氣球怎麼移動。

如果要看夜間的大氣流動,怎麼辦?晚上又拍不到雲,這也簡單,每年元宵節前後的放天燈,就是個觀察機會。

我就想啊,如果可以在放天燈時,架設一台地對空的攝影機垂直上拍。假設天燈上升速度是一致的,那麼藉由觀察天燈的視直徑變化和漂移路徑,不也就可以了解不同高度的大氣流動方向嗎?

還有還有,觀察住家或工廠的煙囪的煙流方向也可以喔,像我這部縮時在前十秒的時候(早上五六點拍的),可以看到右方有一個煙囪排煙,煙流剛出來的時候是往右飄的,但是到高一點的地方就是往左飄,顯然不同高度又是不同風向了。


在從windyty了解高空風向之後,我還是想找看看有沒有其他資訊可以告訴告訴我高空氣象(upper air),但是在中央氣象局翻啊翻的都沒看到,反倒是在台灣颱風資訊中心看到他們收集的各國數值天氣預報資料,其中香港天文台這方面的資訊耶(美國的也有,不過範圍太大了),他們有不同高度的渦度/流線/風向/風速資料。

直連的話可以到香港天文台,找電腦預報產品/電腦預測天氣圖
http://www.weather.gov.hk/nhm/nhm_uc.htm


另外也在國家災害防救科技中心(NCDR)的天氣與氣候監測網裡頭的天氣監測/分析圖集找,可以找到日本氣象廳繪製的700hPa和300hPa天氣圖
http://watch.ncdr.nat.gov.tw/watch_analysis.aspx


不過看這個高空天氣圖的時候,一開始其實看不懂,為什麼不是直接標示這是多高的高度,而是要用多少百帕斯卡,然後再跟你說這相當於多高,例如850hPa的高度約1500米、700hPa是3000米。然後那日本的天氣圖標示還不太懂,怎麼數字那麼奇妙,不是熟悉的氣壓數字。

翻了資料看等壓面和等高面的關係,才知道這種畫法叫做等壓面圖,是把各地有相同氣壓的點的高度連線在一起。比方說下面圖片裡的上半部是700hPa的等壓面圖,就是去看各地的700hPa的地方在多高的地方,然後把一樣高度的地方連線在一起。假設台北和桃園的700hPa都在3000公尺高的地方,那兩點就能連線,而新竹和苗栗的則是在3200公尺高,那就是這兩個一樣高度的連線在一起,所以其實就像是畫等高線圖一樣。
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參考一下這文件--電腦預測天氣圖背景資料,不同氣壓對應的海拔高度大約就是這樣
氣壓 大約海拔高度
200 百帕斯卡 12,000米
500 百帕斯卡 5,600米
700 百帕斯卡 3,000米
850 百帕斯卡 1,500米

2016年9月25日

海帶吸水的實驗組對照組實驗

這個實驗可以將科學方法和擴散作用結合在一起,其實課本都已經放了這個範例(就海帶泡水膨脹),不過可以多作一點,設計對照組來觀察。

兩杯水,一杯加鹽加水成飽和食鹽水,另一杯就清水(但是水只要淺淺的),等量海帶芽丟進去
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十分鐘後,就可以看到清水裡的海帶膨脹了,而鹽水的當然沒有,然後就可以討論討論啦。
kelp06


接下來的部份,我目前覺得課程操作上有些問題,所以看看就好

泡水的海帶,可以在衛生紙吸乾(但其實很難吸乾,why?),在顯微鏡下操作看看
kelp11


像這篇《用洋蔥表皮了解植物表皮細胞的功能》一樣,在海帶上灑一些鹽看看會怎樣?(不過因為一開始就很難吸乾,你也很難判斷出那個鹽溶解到底是因為表面本來就有水,還是內部滲水)
kelp12

再來是這種觀察,你也很難說是細胞吸水,頂多就是說這片海帶吸水,因為說不定內部細胞早就在乾燥過程中破損,吸水的部份也不一定是細胞,可能是細胞之間的膠質。

用樹脂土製作的細胞模型

今年的課程新增一項活動,就是製作細胞模型,有作動物的,也有植物的。
cellModel21


材料是大型文具店買的樹脂土,買了一包是180還是190元的樣子,買了六色。
粉紅色-細胞壁、白色-細胞質、藍色-液胞、綠色-葉綠體、黃色-細胞核、橘色-粒線體。

至於那些內質網什麼的,不在國中學習範圍裡,所以忽略它。
cellModel15
課程的進行方式是一小組四人,每組發下一小團黏土(不用太多,太多就會浪費,因為細胞也才一小個)。每人都做一種細胞,製作的顏色由我規定,樣子則是看課本。

cellModel06

雖然課本的插圖很精美,但對於初學者不容易理解。因為插圖裡是將立體的細胞先切割對半後,再把細胞核那構造切1/4,但是學生並不能理解,所以才會希望學生用建模的方式去理解這些圖。

此外,也搭配app-HudsonAlpha iCell,可以用立體的方式觀看動植物細胞的樣子。

一開始的班級,我的作法是讓學生在紙上黏貼製作,最後在紙上寫上個人姓名資料,但後來改成也讓學生用牙籤和貼紙直接標示在細胞上面。
cellModel09

動物細胞模型算簡單了吧?但我其實很驚訝某些學生的動手能力之差,就只是一片白色細胞質、上面放上黃色細胞核、藍色液胞和橘色粒線體,有人居然要花上快一節課才做好。


其實一開始還有嘗試讓學生用塑膠袋來細胞膜,但是發現這太難表現與製作了,所以就放棄,照片中右上角隱約還能見到那個有細胞膜的細胞。

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這是製作植物細胞壁的前製工作,捏好細胞壁和葉綠體。在看學生製作細胞壁的時候,發現學生會認為細胞壁就只是在細胞四周而已(你看你家的牆壁就是在四周啊)
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雖然是植物細胞,但是現在看起來就是藍色臘腸和鹹蛋黃,放在有奶油餡的草莓麻糬皮裡
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這個課程其實是有延續性的,比方說學生製作完的成品收集起來,就可以有組織的樣子(可是邊要再修一下)。
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後續還可以讓學生實際製作[組織]的樣子,例如全班分三大組,兩大組的就做出上表皮和下表皮,表皮可以根據自己顯微攝影拍攝的葉下表皮製作保衛細胞、副衛細胞與表皮細胞,構成葉下表皮組織的樣子,就只需要粉色、白色和綠色的黏土就可以。而另一組就是製作葉肉細胞,這樣有可能會超過一節課的時間。

樹根觀察

平常很少有機會能夠仔細觀察樹根,這天在台南剛好遇到倒伏的行道樹(我其實不知道是什麼樹種)這次在台南前鋒路,成大圍牆旁邊的行道樹。

從我這篇科博館《樹木的身體語言特展》海報抄錄的筆記

樹木的根系依型態和粗細,分為主根、側根、細根和根毛。
雖然前述根系面積極為廣大,但是並不是每個部位都能吸水,依吸水能力可分為木化根和白根。成為木質化的「木化根」,幾乎沒有吸水能力,只剩下儲存養分、支持和同化物質的能力。白根是能吸水的部份,靠的是白色細根的根毛帶,這樣具吸水力的根系,又稱為「有效根群」。


主根、細根、根毛這些要怎麼看呢?這棵行道樹殘留的樹根剛好可以看到,我猜想這應該有一段時間了,倒伏之後,又遇上大雨,剛好把根部殘留的泥土洗去。

treeRoot16



首先最明顯的就是主根和側根這些部位了,也就是你把土剝開以後,一看就知道是樹根的地方
treeRoot05


從側根上面會延伸出許多更小的分支
treeRoot04


而在分支上就有更細的細根,看似迷你,但卻是個重要角色,吸水、吸養分就靠這些細根,和細根上的根毛了。(根毛是根上表皮細胞的突起,要看仔細就要用顯微鏡了)。如果你有樹下挖土的經驗,應該不難看到這些細密的細根,通常你也很難聯想到其實它就是身旁大樹的某一部份,你可能會以為是旁邊雜草的小根吧。
treeRoot11


以下拍攝一小段短片來看看從主根一直到細根吧


下回颱風天之後在路上走,看到倒伏行道樹的時候,在安全無虞的情況下,可以仔細觀察這些構造喔。

木桌上的樹木防禦層

週五去成大參加行動學習的工作坊會議,地點是在C-Hub成大創意基地,會議場所都是使用木桌,然後我又不小心畫歪重點了,剛好桌上是可以觀察樹的腐朽區隔理論(CODIT)的木桌呢。


圖中是樹木的縱切,切面剛好切過一個腐朽的枝幹。深色部份是被感染後,樹木形成的防禦層。可惜表面已經上漆,不然根據之前觀察的經驗,此處深色部份的味道會和別處不同。

黑色部份形成了隔離區,隔離了內側感染的部份,讓腐朽菌不會再繼續入侵。


IMAG2788 IMAG2790

2016年9月19日

下雨後的山上會冒煙


晚上檢查前兩天拍攝出來的縮時攝影時,突然發現一個有趣的現象-山上在冒煙,但河床就不會,這是下雨之後發生的。我想是山上的溫度容易低於露點溫度,所以水就凝結冒煙。但為什麼是這些點在冒煙?

影片是從拍攝的影片中,每隔10秒擷取一張,然後組成縮時攝影後,再把影片中的右上角裁切下來。

fps=1/10就是每10秒擷取一張,如果是5秒一張,就是1/5
ffmpeg -i $SPATH/$filename -vf fps=1/10 -y `printf $PicPATH/%03d $i`_%02d.jpg


640:480是指擷取方塊的寬與高,後面的640:0,是擷取方塊左上角的座標。所以這串的意思就是從(640,0),擷取一塊寬640高480的方塊,做成新的影片output.mp4
 ffmpeg -i timelapse3.mp4 -filter:v "crop=640:480:640:0" out.mp4

2016年9月18日

玉山群峰地形模型

最近會想用QGIS作地形模型,其實跟這新聞稿有關係
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news


這張圖可以對照以下的地形模型
玉山圖 

畫面中的地形模型是玉山群峰,當初就是想做一個一樣的,不過其實這個因為高低起伏地形和範圍太大,所以其實是我印完雪山、合歡山之後才完成的。而且因為怕印到一半沒線了,所以我換了另外一種顏色的線,沒想到印完之後,看起來像粉粿。

雖然模型是自己作的,但還是要對照地圖才知道哪座山頭是什麼
  玉山群峰模型


畫面中(如果你看得清楚的話)是模擬玉山北峰往玉山主峰看過去的樣子,也就是你搜尋玉山圖片時,最容易看到的經典樣貌。
玉山群峰模型




這個則是模擬如果嘉義天氣晴朗看到的玉山群峰的樣子。可以對照一下網路上的照片
玉山群峰模型


日後的目標是想做從我家到雪山這段的模型,因為我家這邊天氣好的時候,是可以看到雪山圈谷的,但中間有許多山不太確定是什麼山,我想如果做出來一定很棒。但是算一算,應該要印十幾塊模型組起來。

3D地形模型上的光雕投影(Projection mapping)

光雕投影(Projection mapping)這種技術,是將影像投影在物體上,而影像會搭配物體作調整,使之呈現特定目的。像是建築物外面的光雕投影,可以讓建築物成為表演舞台,youtube上搜尋「光雕 建築物」可以找到很多影片。

前幾天用QGIS再加上3D列印,做了一些地形模型之後,下午又在科學maker社團上和網友討論到地形模型目前光雕投影的應用,於是我就開始動手做了。


材料就是前幾天作的3D模型,這個是合歡山的,另外還有雪山的,模型是用黏土貼在牆上。(因為沒辦法把投影機掛在天花板投影下來)
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圖資則是由QGIS來製作,顏色高度套疊都算容易,如果還能加上水系,就更有意思了。製作出來的圖外圍都事後用繪圖軟體(gimp)改為黑色,這樣才不會投影出顏色。
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把影像投影在牆上,調整大小讓它和模型相契合,由於模型不大,投影出來的影像都是縮小很多的,因此原先設定的標示字沒辦法顯示清楚,但顏色倒是可以看出來。(這個是合歡山,由北往南看,那幾個白點山頭就是這附近的百岳)
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雪山由北往南看去
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和上面一張相同,但是用不同的影像。如果把影像處理成一段影片,就能夠在這地形模型上演出了。

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目前使用地形模型作光雕投影的,有各種應用:

台灣地形模型上的投影
https://www.youtube.com/watch?v=7lUEm8THYqw

之前最有名的應該是這個沙盤投影的應用(我想用kinect作深度辨識,應該就可以)
https://www.youtube.com/watch?v=j9JXtTj0mzE

【淡蘭百年山徑】3D立體模型投影短片_深刻版
https://www.youtube.com/watch?v=9_HIu37aIBc

另外還有投影在半圓球的Dagik Earth的立體投影展示系統,還有SOS(Science On A Sphere)
http://taiwan.dagik.org/

車籠埔斷層保存園區,也有投影在斷層上的展示

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