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由出色卡活動看科普教育

出色名片卡活動的科學概念,是應用光干涉與繞射的現象來設計與更多生活經驗的連結。科學的學習若能加入更多的感性,將能提升更高層次的學習效能。
 
 
 
出色名片卡的活動

近年來筆者在多次的大型演講與研習活動中推出 「出色名片卡」活動,主要的理念是希望藉由科普教育的學習和推廣,不只要達到科學教育的普及化,更須融合生活與生命教育的內涵。

在活動後的心得回饋單中,發現出色名片卡經常激發師生或學員極大的反應和興趣,他們一再地表示,希望能進一步了解這個活動背後的科學智慧和設計理念。但因為演講的時間不多,現場只能把活動重心放在令人驚艷的分光活動上,先引起學員的學習動機和熱情。很高興能透過本文補足設計理念的說明,同時加入生活經驗的連結與反思,期望能拋磚引玉,讓讀者找到更多未來科學教育推廣可選擇的面向。

相關的科學概念

光的干涉與繞射 光的基本特性除了一般熟悉的折射和反射的現象外,還有一種大眾比較不熟知的,就是光的干涉與繞射波動現象。當光波通過非常細小的狹縫或小孔後,會發生繞射的現象,如單狹縫或小孔的繞射。另當光波通過雙狹縫時,會在其後產生來自兩個狹縫光波相長或相消的疊加結果,稱為「光的干涉」,如雙狹縫或多狹縫及光柵的干涉。至於光,通過網柵(mesh)後,可能會同時發生干涉與繞射作用,相關知識可以參考中學物理。

出色名片卡上貼有一張密度極高的金屬網柵,大約每2.54公分有約300條的金屬線。粗略換算,每兩條金屬線的間距不到100微米。光通過這麼小的狹縫後,穿過的光波會發生干涉與繞射的分光現象。若光源是多色光,在網柵後方可看到多色光譜的分光情形;若光源是單色光,就只能看到單一顏色所散發的光線。

想了解單色光的分光現象,讀者可以在光源與狹縫之間加上單色濾光片,如用彩色玻璃紙製造單色光,或利用筆型雷射直接把通過金屬網柵的光投射到白牆上,就可觀察到單色光的光譜分光情形。

生活經驗的連結 根據中學物理的知識,當狹縫寬度或狹縫間距越小時,干涉與繞射的效應越明顯,越能把透射的光譜散得更開。這種現象很容易用水管澆花的經驗來了解,用水管澆花時,把水管出口壓得越扁平,水就噴散得越開,就像狹縫越窄時,通過的光波會分散得越開。只是光的分散方向和狹縫的方向是互相垂直的,這點和水管噴水由於分散機制的不同,結果也不盡相同。

只要做過光的干涉與繞射實驗的讀者,都會發現這個差異。但若沒有類似經驗,不妨再次做看看,會讓你領悟到科學的觀察,是需要更多的細心與用心。許多科學的新發現,就是因為多了這一份比別人更細心的態度和習慣而已。

不同的光譜色 不同的光源,如在活動中使用的打火機的火焰光與發光二極體光,由於發光的機制與發光物質的不同,呈現的光譜不盡相同。建議讀者晚上到外面時,多利用出色名片卡觀察身邊的各種發光體,一定會讓您有很多新奇的發現,原來生活環境中的光源種類,真的是「多采多姿」!

再仔細觀察與比較每一種光源,不論看起來多麼像,光譜分布總是有一些差異。若要更精細的觀察,需要借助更精密的分光儀器才能竟全功。不過觀察過後應該能領悟到,每個光源不管亮度或發光機制如何,都是獨特的發光個體,就像每個人都是獨一無二的個體一樣。每個人都有其優勢與弱勢,只要能善加把握自己的優勢好好發揮,都有機會在自己擅長的領域發光與發熱,表現出色。

機會與挑戰

白天陽光強烈,在室內活動過程中,經常因為禮堂無窗簾不夠黑暗,進行分光活動時,遭到極大的挑戰。不過若能夠用心了解光波產生干涉與繞射的條件和成因,就能看出幾個影響分光清晰與否的關鍵因素,包括狹縫寬度、光源亮度、觀察距離、環境亮度等,因而不難找出解決之道。在這裡提供幾個簡易方法,提供大家參考。但這些建議都比不上由讀者自己所發展出的策略,因為唯有自己所發展出來的方法,才對學習最有幫助。

在家中的出色名片卡觀察 晚上在家中觀察光源時,環境的亮度較不需擔心,大部分的光源都很容易看到亮麗的光譜,但星光或螢火蟲的光,因為太弱就不易看到了。筆者曾經用出色名片卡觀察螢火蟲發光,發現需要更暗的環境和更密的網柵才能看得到分光情形。另外日光燈也是值得特別觀察的,因為雖然亮度看起來不小,光譜卻不是很清晰。

此外發現即便紗窗的密度不高,也可以輕易觀察遙遠的街燈的光譜現象。從而了解到原來想清楚看到光譜的條件,並非單一因素,只要能掌握到幾個關鍵條件,就有機會得到清晰的觀察結果。科學探究過程中碰到失敗或挑戰時,未必全然是壞事。因為碰到困境只要不被擊倒,反而還會因為想解決困境而激發出許多的動力與創意。

在教室中的困境和參考對策 若白天在教室內觀察,除了關燈拉窗簾之外,還可以鼓勵學員儘量使出色名片卡靠近眼睛,或用手在眼睛前圈住一個遮光圈,以罩住部分旁邊的雜訊光線,就能改善背景光害的問題。或者把光源放置在抽屜內,用抽屜當簡易暗箱,觀察效果也很不錯;抑或是做一個厚紙板觀測筒,圈住出色名片卡直接在管內觀察。

由此可見「暗室觀察」在光學活動中的重要性,只要充分理解光譜分光的科學概念與暗室條件的重要性,即便再壞的觀察條件,都有機會看到應有的光譜色。此外,應珍惜那些挫折與挑戰,並視為成長自己的知識與智慧的機會。

經驗連結與思考

在日常生活中,常可看到許多分光或彩色光芒的現象,有些分光機制和出色名片卡的分光機制類似,有些過程則和下列現象有關。如三稜鏡的色散、陽光經過水滴的反射與折射的作用形成的彩虹效果、星光經過大氣層的散射而閃爍的光芒,有些光芒甚至可能同時包含好幾種作用。仔細留心,你也會發現更多類似的現象。同時期望讀者在觀察比較之餘,多用學校所學過的知識仔細檢驗,並和朋友分享自己的看法,透過比較與思考才能讓學習的效果更落實、更出色。

以下略舉幾項生活中的經驗供大家思考:曾經在騎機車時透過安全帽看到前方汽車金屬表面的光芒嗎?這個現象是否和安全帽面罩上的刮痕有關?沒下雨時看得見光芒嗎?下雨天透過雨傘布,看到過前面的路燈或其他光源的光譜嗎?和雨傘的織線密度有關嗎?下雨天路面上積水表面的彩色油膜和肥皂泡光譜又是怎樣形成的?還有從水族箱角落所看到的彩色分光,以及太陽光穿過樹葉隙縫的光芒。

簡易的繞射現象觀察

以下介紹幾個很容易在教室內,利用一般光源或筆型雷射光源就可以進行的活動,以協助讀者對狹縫的繞射現象做進一步的了解。這些活動所觀察到繞射條紋的清晰程度,取決於讀者所營造的觀察環境是否有助於光學實驗觀察黑箱的氛圍有關,以檢視自己是否真正了解並能夠活用「看不清晰的機會和挑戰」內容的意義。

兩個手指隙縫間的繞射─把兩指併攏,透過指間細縫看光源,看到了什麼?

兩枚錢幣之間的繞射─把兩個10元錢幣貼緊,透過接合處看光源?是否發現兩個錢幣無論看起來多緊密的接合處,仍可看到一些光譜線的存在。

鐵尺邊緣的繞射─取一隻不透明的鋼尺,由鋼尺的邊緣看光源。此外,可上網查關鍵字「邊緣繞射」,做更多的學習。

用好提問來領導好教學

我們常常批判考試領導教學的弊病,又不得不承認考試的公平性,因此是否有機會在考試與教學中找到一個好的平衡。既然聯考的公平性不容抹煞,學校教學又相當程度地受到考試的影響,因此若能以好題目或好提問的方式來引導好教學,不就能兩全齊美了嗎?除此之外,希望透過好的提問,讓學習者反思和做更多面向的延伸連結。以下略舉幾個由出色卡活動延伸出來的提問,重新包裝後也許可以變成很棒的測試題目。

如何利用已知實驗室規格的網柵,估測未知金屬網柵的密度?用出色名片卡觀察鈉光與汞光源,並和化學實驗課中的焰色試驗觀察做比較;怎樣改善觀測的技巧與環境,以看到星光的光譜?如何利用光碟反射光譜,估算光碟片的信號軌道間距大小?如何利用簡易的繞射實驗,估計頭髮的粗細?從這活動中學到了什麼知識和概念?帶來什麼智慧的成長?如何透過活動的延伸,和生命、品德教育或其他的概念結合?

金屬網柵

300「目」的定義是在每一英寸長的金屬網柵內,共編織有300條金屬線,也就是兩條線間的平均距離約80至90微米的寬度。目前市面上的規格,分為臺寸和英寸兩種。以300目網柵為例,每平方臺尺約300至500元,英寸規格則在600至800元不等。目前市面上的主要規格是100到500目,若需要高於600甚至1000目以上的金屬網柵,必須特別定製且須先付訂金,單位平方英尺的價格約在數千到萬元以上。當然以上的價格僅供參考。金屬網柵原本的功能,是用來製作孔隙極小的金屬篩子,地球科學老師或食品化學師經常用到。

北部地區的讀者可到臺北後火車站太原路附近找到幾個商家,其他地區的讀者可攜帶樣品供網店老闆參考,相信不難找到上游來源,只是價格可能稍貴一些,就算是老闆的服務費吧。

更多的觀察與創意延伸

在特殊的時刻或特殊的地方,拿出出色名片卡,瞧瞧周遭的物件,並勇於和朋友分享你的喜悅和智慧,相信一定會獲得許多的肯定與掌聲。

用出色名片卡觀察仙女棒的火焰,哇!仙女棒真酷啊!從高山上觀察城市的燈火,原來我們的生活圈是這麼的美麗。在餐廳用餐時,從密度較高的白沙窗簾布看對面光源的分光,用紗網袋也可以看到嗎?瞧瞧螢火蟲的光譜,但是觀察螢火蟲的螢光,可能會碰到很多挑戰哦!利用雞毛貼在卡片的小孔上,也可做為創意出色卡。此外,下次碰到國慶或其他煙火表演時一定要拿出色卡即時觀察,但別忘了和朋友分享你的知識與智慧。

自行設計或尋找更多簡易分光器:
  • 果汁盒分光器的製作與觀察 請參考2007年彰師大物理示範教學研討會工作坊的相關資料,只要在果汁盒上方貼上金屬網柵,另一方割出狹縫就完成了。
  • 光碟片觀測器 把光碟片放在紙盒內,以營造暗室效果,光源由下方的狹縫開口進入,由上方觀測孔觀測,就可以看到來自光碟片表面的反射光譜。
  • 廚房中金屬濾油器的分光效果 廚房撈油器的密度大約是100至200目,試試看分光效果也不錯。

以上的觀測器都很容易自製,歡迎嘗試。另外還有:
  • 星光魔鏡的觀察 市面上販售星光魔鏡,是利用光學鍍膜把極密的條紋鍍在透明的膠片上完成的。因此可以達到極高的密度,有些還在上面以特殊程式設計出特定的圖案,下次看到時拿來試試看,效果真的是一級棒!
  • 精緻光譜線觀測器 有些儀器商為了讓普羅大眾也能體驗與感受科學的觀察與研究,發展出功能更強、使用更方便的分光儀。

本活動主要是希望透過神奇有趣的科學現象,吸引學習者的注意與好奇,也希望透過活動的延伸學習,能體認到生命的無價與獨特性,從而肯定自己與珍惜生命。

雖無法讓大部分學習者馬上了解這樣的概念移轉,但至少讓大家留下深刻的印象。也許哪天在遭遇到重大的失敗或挫折,覺得自己一無是處,走入生命低潮時,能夠突然想到這個活動背後的意義,再次提醒自己,並非我的能力不行,只是還沒有機會好好發揮我的特質而已,也許再多努力一些,機會就會輪到我了。因此跳脫當時的困境,走出低潮,重新站起來。若真能達到這樣的效果,則善莫大焉。

另外,由於社會的高度競爭化和人們無止境的欲望貪婪,人類為追求更快捷、更刺激的生活,使原本僅為造福人類的科技發展,也對我們的生活的環境、文化及心靈造成無可挽救的衝擊,並已付出重大的代價。

常有人說我們的社會好像生病了,筆者覺得過度重視科技的突破,忽略了人文藝術與心靈層面的提升,就是病態社會的起因。希望透過出色名片卡活動的拋磚引玉,能提醒大家在追求科技發展之餘,也應該關心與提升人類的精神與心靈。這就是筆者最想分享的出色名片卡活動的精神與理念。
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