2017年9月26日

自製iPad倒立顯微鏡觀察洋蔥質壁分離與小魚尾鰭

簡單的說這篇,就是我設計了一個iPad用的倒立顯微鏡,要觀察的洋蔥連皮都不用撕直接放在培養皿上,就可以直接觀察細胞。而且要加鹽或加鹽水,也都是直接在培養皿裡操作就可以。而且在培養皿裡直接觀察的好處是,可以一次觀察多種標本,也不用擔心湯湯水水的流來流去。而用iPad來做數位顯微觀察的好處很多,一方面是可以兩三人同時觀察,也可以利用錄影的方式回放或加速播放,可以看到細胞的變化。

前面是摘要,現在是前言介紹一下。國中生物裡,我們都會講到一個科學概念-植物細胞放在濃鹽水、濃糖水會發生細胞質脫水的質壁分離現象。這不是教科書裡的實驗,不過我為了讓學生能夠真實看見而理解,我都會儘量讓學生操作這個實驗。

不過操作上常會遇到一些問題:以往的作法是先做一片洋蔥表皮(或水蘊草葉片)加清水的標本,顯微觀察後再於蓋玻片旁邊滴鹽水,另一邊則是用吸水紙把水吸掉,就像是在做顯微染色一樣,不過這個作法好需要練技術。

後來我就乾脆讓學生一次做兩片玻片,一個泡清水,另一個是泡鹽水的,同時製作兩片就可以同時觀察。但是這又有一個問題,無論是做鴨跖草或是紫洋蔥,如果是要撕皮,都不太容易一次撕下全部組織都是帶紫色的,常常都是只有一小塊是紫色的。除非看到紫色部份的變化,否則不容易觀察到質壁分離的現象。而如果是觀察水蘊草,又會因為水蘊草的細胞比較小,而且有兩層,所以學生直接使用複式顯微鏡觀察就不是那麼直接可以觀察,即使看到也不太容易意會到自己正在看到質壁分離。

總之,這是一個很值得做觀察探究的實驗,但是卻不太容易操作的實驗。


不過呢,經過幾年的嘗試和學習,今年總算突破了。一方面是在科學maker社團中學習到手機顯微鏡的一些技巧,另一方面則是有賴於數位加工技術。



我手上的這個就是用在iPad前鏡頭的倒立顯微鏡!本體是以5mm壓克力製作,中間加上手機顯微鏡的鏡頭組。由於鏡頭組的焦距約是3mm,所以我在上面再黏上一片2mm的壓克力,而塑膠培養皿的底約是1mm,亦即只要標本貼在塑膠培養皿上,就可以落於焦距上。

此外我也在本體下方再加上一小片2mm壓克力的擋板,當置放於前鏡頭的時候,靠著就可以對好鏡頭位置。



下面這個影片就是實際操作的過程,可以看到我怎麼安裝怎麼觀察和紀錄。



如果使用縮時攝影拍攝就可以看到如下的結果


不過在教學上使用時,我建議還是用普通錄影的方式(而不是縮時攝影),因為以下幾個原因:
1.一般錄影在播放時,就已經可以用拖曳時間軸的方式看到快速變化的情形,不需要特別用縮時紀錄。
2.iPad原生的縮時攝影功能無法設定幾秒拍一次,所以縮時攝影會看不出來實際上在幾分鐘的時候有什麼變化。而知道在幾分鐘發生變化是很有意思的,你可以把這變成探究的問題之一。比方說事前讓學生猜幾分鐘的時候會發生什麼變化。
3.除非你拍得夠久,否則縮時攝影後的影片時間會很短,短到很難停下來好好看清楚。


前面的影片裡使用的紫皮洋蔥,我都是直接切小塊放在培養皿,不需要撕皮就可以觀察。也因為這樣,所以可以維持組織的完整性。加上鹽之後,可以看到位於邊緣的細胞開始脫水,而中間的細胞則仍然沒有變化。這當然也是探究的問題之一,想想看為什麼是邊緣的地方開始脫水呢?


這樣的實驗裝置非常方便,因為不需要特地前往實驗室,就可以在現有的教室內進行實驗,而實驗後的清洗也很簡單,就只要把培養皿沖一沖擦乾就可以。當然更重要的是,學生要進行這個探究活動,也非常簡單。就只要幾個步驟:
1.放顯微鏡在iPad上,放培養皿在顯微鏡上,放洋蔥在培養皿上
2.開啟錄影
3.加鹽




用這樣的器材也可以進行更深入的探究活動,我在九年級的生物專題裡,就讓學生配置連續稀釋的鹽水和糖水。每組使用不同濃度的溶液,然後錄影觀察。最後大家把影片調整到同一個時間(例如滴加溶液後的一分鐘),同時比較此一時刻的細胞脫水了幾排,也可以估算其生理食鹽水濃度約為多少。甚至也可以直接用直尺測量在不同時間階段的細胞形狀變化情形,將原有的質性實驗改變成量化實驗。









這樣的實驗裝置可以更輕易地觀察小魚尾鰭了,特別是最近本校的水池裡放養了幾百尾孔雀魚,可以讓學生自己撈起來自己在室外做血液循環的觀察了呢!
(下面的教學流程中,因為翻拍的關係,似乎不太容易清楚看到血液循環,不過實際看iPad,是非常清楚的)




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