阿簡生物筆記: 2016-06

2016年6月27日

製作水下麥克風

今年六月份科學月刊，林子皓先生這篇《在海底深處竊聽海洋生態的多樣性》，讓我對水下麥克風充滿興趣。後來查資料的時候，看見臉書上的台灣聲景協會，進去之後把所有文章都讀過了，確定自己很想要作一個水下麥克風。

水下麥克風，叫做hydrophone，用這個字加上DIY去Google查一圈，就可以發現一堆製作的方式。

看了幾天之後，我決定用壓電片也作一個，材料和前一篇大同小異，一樣的線焊在壓電片上之後，鑽過底片筒的蓋子，然後把壓電片用熱熔膠固定在底片筒的筒底。接著用熱熔膠加上一堆螺帽填滿底片筒，這些是用來增重的，總不好做了水下麥克風，結果麥克風都浮在水面上吧。全部填好之後，蓋上蓋子，再用熱熔膠作防水。

另外一端則是接立體聲公頭。線長約2公尺，中間沒有再用什麼母頭接公頭，就是一條線到底，這樣也才能避免電線訊號不良。

做好之後就是這樣

老樣子，又帶著我的教學用擴大機，插上麥克風，走到池邊。

噗通一聲就把水下麥克風丟進水池，然後就可以聽到水裡多采多姿的聲音了.....並沒有。
這個水池安靜的跟鬼屋一樣，雖然裡頭有十幾隻錦鯉、一群蝌蚪、水蠆，但就是沒有什麼聲音。那麼，水下麥克風有用嗎？我認為是有的，至少碰到石頭啦、水流撞擊到它，它都還是盡責的可以發出聲音呢。我看我就哪天拿去海邊或是有船的地方來聽聽看吧，如果它真的有用，就應該能聽到漁船的螺旋槳聲音吧。

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接觸式麥克風

前幾天弄了聽木材聲音的傢伙之後，玩著玩著，線有點鬆脫，覺得不夠專業，所以乾脆作一個接觸式麥克風好了。

材料：立體聲母頭、內有兩多心線的電線（外有銅線遮蔽）、壓電片、瓶蓋

為了減少雜訊干擾，地線和遮蔽銅線絞在一起，焊在壓電片外圈，信號線（我用紅線）焊在中心陶瓷

瓶蓋旁邊鑽洞，穿過壓電片連接的電線，讓瓶蓋連同壓電片組合起來成為一個探頭模樣的東西。不過壓電片比瓶蓋小，所以我先在瓶蓋內部擠滿熱熔膠，再把壓電片組合上去。

整個接觸式麥克風就完成了，把它貼在樂器上面，就可以直接收音了，當然貼在木頭上也可以接收到一部分頻寬的振動。

聽木材的聲音

最近的興趣又到聲音了，臉書上逛啊逛看到廖一璋先生介紹的木蝨會用振動唱情歌，但是它的聲音不是用聲音傳播，而是用植物枝條來傳播振動。因此他用唱針接收振動訊號之後，再用訊號放大器增加，然後再錄音。

研究細節請見：3MTLS 三分鐘生科論文口說競賽--鮮為人知的木蝨情歌對唱

看到有sensor啦，又有放大器的電路之類的，就會讓我好興奮。心中冒出了我也好想錄錄看的念頭，不過手邊沒唱針，所以就先找別的東西來試試看錄木頭上的振動。

想到前些時候，焊了壓電片給學生作實驗用，我就拿了接在喇叭上，壓電片則是用黏土貼在木頭上。

這樣可以接收到什麼振動呢？坦白說要聽到昆蟲在上面振動，稍微有點難，但是倒是可以玩玩敲擊木頭。在不同位置的木頭上敲擊，是可以聽到不同的聲音。而壓電片貼在不同的位置上，傳出來的聲音也有所不同。

上頭照片裡的是芭樂樹，樹皮剝落了，壓電片很好貼，後來去貼欒樹還有梔子花，就不太好貼樹皮了，而聲音也有所不同。

底下這論文是在講昆蟲聲學的，我想如果能讀到相關文獻的全文，應該也有助於把聲音接收的方式弄好。

The Behavioral Ecology of Insect Vibrational Communication

2016年6月25日

戴爾豪斯大學(Dalhousie University)的教授Dr. Martin Willison，在他教自然保育(Nature Conservation)這課程時，設計了一個模擬遊戲叫做The Biodiversity Game ，或叫做 The Bean Game。

我瀏覽了整個遊戲的設計，覺得也相當適合用在我教生態與環境的單元時，因此我就把它這遊戲移植放進課程裡了。基本設定沒什麼改變，但是改了一些小地方，原文件可以看這篇《The Biodiversity Game》

工具很簡單，我用了兩盒跳棋、一盒圍棋、兩盒花片、一盒籌碼、兩種木塊，合計20種不同的東西。

學生分五組，代表五個國家，每個國家都有四種原生種，每個原生種有兩個，所以就是從中拿八個。遊戲共有十關，必須在十關之後，獲得最高的生物多樣性，也盡可能要保存原生種。

在這十關裡頭，會把這些議題都放進去，包括哥倫布大交換、國際貿易交換物種、強國掠奪物種、外來種入侵、紫外線危害、基因汙染、碳足跡、最小存活族群數、生殖、最大負荷量、新種發現、天敵、疾病、環境賀爾蒙致不孕。

遊戲的進行，可以用播放簡報說明狀況，或是老師直接口述
線上簡報檔生物多樣性的模擬遊戲

生物多樣性的模擬

背景：
這世界上有六種生物，每種生物都有不同的遺傳特性，分別是圓圓、片片、圍圍、透透、跳跳、木木。

每組玩家扮演1個國家，每個國家有4種原生種生物，每種有2隻。這些在本國的生物，稱之為原生種。此遊戲共有5個國家。

目的在於獲得最高的生物多樣性

1A.地理大發現
每個國家派人到其他國家「發現」物種，但你只能帶回兩隻生物回家，你有兩個選擇。 1.從同一個國家帶走兩隻 2.從兩個國家，各帶走一隻

1B.生殖
每種生物，只要有兩隻，就能配對，就可以再生出一隻。
後續遊戲中，此規則持續進行，只要在A階段結束，就可以進行生殖。
每回合只有三個生物能生殖。
除非特殊狀況，否則請延續此規則。

2A.國際貿易
每個國家請派人帶著兩隻本國的生物，到其他國家進行貿易，對方只能無條件收下。但對方可以自己選擇要給你什麼生物。
其中一個國家，無法達成貿易，請帶著自己的生物回到本國。

2B.最大負荷量
每個國家有不同的最大負荷量，基本數字是12隻，請骰骰子決定本國還能增加多少負荷量。

3A.強權掠奪
紅圓圓是很重要的生物，擁有這個生物的國家具有強勢經濟能力。可以自由選擇一個國家，從那個國家帶走兩種生物。

3B.發現新種
科學家發現黃透透原來跟其他的透透是不同種的，黃透透是一種新種生物啊！同時也發現他們有不同的繁殖模式，只要有一隻就可以生殖。

4A.國際貿易
每個國家請派人帶著兩隻本國的生物，到其他國家進行貿易，對方只能無條件收下。但對方可以自己選擇要給你什麼生物。
其中一個國家，無法達成貿易，請帶著自己的生物回到本國。

4B.捕食
藍片片是兇猛的動物，只要該國有藍片片，紅跳跳和綠跳跳都會被吃光。
但是黃跳跳可以抵抗藍片片，只要有黃跳跳在，其他的跳跳都會被保護。

5A.戰爭
有綠圓圓的國家，藉此開發出強勢武器，開始侵略其他國家，可以把沒有綠圓圓的國家的「其中一個品系的生物全滅」，並且從那個國家帶走一個個體。
如果此時有哪個國家的物種全滅，可由「神」再給予原生種

5B.競爭
只要有4個品系以上的外來種，就會有一種原生種滅絕，但是木木不會被影響。

棲地零碎化
把你的生物任意分成兩堆

任選一堆，其中一品系的生物，如果只有一個個體，就會被淘汰。

6A.掠奪資源
圍圍這種生物，在國際間成了熱門生物，每個國家都想要。
沒有圍圍的國家，可以去有圍圍的國家，拿走一隻圍圍，先搶先贏。

6B.疾病
方木木被發現居然帶有一種病毒，這種病毒會襲擊片片，造成片片大量死亡。
任何一個國家只要有木木存在，片片的數量都會各減少一個。(三個的，會少兩個)

7A.外來種逸出與入侵
每個國家都有生物逸出，逃到兩個國家變成那個國家的外來種。
請自由挑選一個個體送到其他兩個國家。

7B.互利
每一種生物都會和其他生物產生交互關係，要靠其他生物才能存活。如果你的原生種生物只有兩種以下（包含兩種），其中一種生物就會全滅。

8A.污染
為了去維持某種生物的生存，科學家發明了氟氯碳化物，但這種化學物質會破壞臭氧層，讓紫外線增加。導致白色的生物有生存危機。但是只要有木木在，白色生物受到的影響就會減輕。
有木木在的情況，白圍圍和白片片各少一半(三個的，就少兩個)。
沒有木木在的情況，白圍圍和白片片全滅。

8B.環境賀爾蒙
除了上述的污染物質，還有一些污染物質具有內分泌激素的特性，因此影響生物的正常機能，此物質被稱為環境賀爾蒙。
因為有環境荷爾蒙存在，因此阻礙各種生物的生殖機能，此回合不能進行生殖。

9A.自由交易
國家裡的某些人宣稱為了增加生物多樣性，應該鼓勵各國交換物種。
每個國家自由交換生物30秒。

9B.基因污染
不同品系的生物之間有其獨特的遺傳特性，是為遺傳多樣性。當這些生物混雜其中，會造成雜交，產生基因污染。
國家中有三種以上的圓圓，或是三種以上的片片，只有單獨一個個體的會消失。

10A.氣候變遷
由於國際交換與貿易太過頻繁，產生大量溫室氣體，造成全球氣候變遷，溫度增加，造成深色的物種的數量減少一半（只有一隻者，則全滅）。影響了黑圍圍、藍透透、藍圓圓、藍片片。

10B.計算
請計算你的國家有多少品系的生物？
是否還有原生種存在？

moodle玩跑台

生物的課程裡弄個跑台測驗還蠻正常的，幾年前就用過這個《分類跑台考與ppt計時》，還做了一個專屬的計時器。今年不一樣，又多了一項利器，就是moodle。

季瑾和建豪兩位佈置了跑台的各桌，而且還利用moodle來佈題。我覺得這招真是超方面的，一方面可以設定整張測驗卷的時間，另一方面是學生可以隨選題號進行作答（不過當然還是跟著桌面編號在走），而更重要的是，考完之後就可以立刻送卷批改了，即時知道成績如何。

實驗桌上擺的是實體標本，或是顯微鏡，moodle上則是細部題目說明

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arduino製作冰箱溫度記錄器

這是我家冰箱的溫度變化圖，收了三天的資料來的。紅色是門架底部的，藍色的是冷藏庫上層。

怎麼會想做這個呢？因為一直很好奇冰箱裡的溫度是怎麼變的，先前有跟小p一起買了sensordrone，是可以測溫然後紀錄的。我就把機器直接放在冰箱裡，人在冰箱外用藍牙連線，用手機收紀錄，但是冰箱溫度太低，放進去沒多久，儀器就昏死了。

於是我現在用arduino加上一些模組來測溫囉，只有把sensor牽線放在冰箱裡，主機則都是在冰箱外，這樣就避免了機器昏死的問題。

這張圖可以看到什麼現象呢？溫度起伏得好大喔，其實因為時間軸壓縮了，所以起伏看起來就很大，如果只看幾分鐘的範圍，不太會察覺溫度有起伏喔。

就像下面這張是用手機的app來收藍牙的資料，然後即時繪圖出來的。底部的藍線一個尖峰測的是光照，一個尖峰就代表照到很短暫的光，這光哪來的呢？其實就是用一個測光的模組放在冰箱裡，只要一開門，冰箱裡的燈就會亮，我就可以記錄下來。所以就等於用測光模組去紀錄開門時間點與時間長度。

綠色的線段代表門架底部（通常拿來放牛奶）的地方，紅線則是冷藏庫上層。很明顯就看出，一開門，門架底部的溫度就上升了，但在一兩分鐘之內就會降回來。不過這前提是開門沒有開很久，最上面那張圖就可以告訴我們一些故事。開門開太久，連冷藏庫上層的溫度也會變化呢！

再來看看細部一點的圖，溫度的波動週期大約是一小時，起伏溫度大約是一兩度

有些情況，冷藏庫的溫度可能會降得更低。以致於提高了溫差。就以這兩處的溫差變化來看，小則0.5度，大則3度。看到這圖引發我更進一步想研究的興趣，我想知道壓縮機到底是在哪個時間點啟動的？這日後再作，應該可用壓電片貼在冰箱上來偵測壓縮機的振動。另外不同天的時候，溫度起伏也不太一樣，我推測跟冰箱內的食物量有關係。

這是手機和arduino連線的畫面

接出來的線就是這樣的，我相信對想做的人一點幫助也沒有，我只是想呈現一種高度亂線的美感。

除了arduino以外，用到的模組包含這些：
藍牙模組：用來將資料送出給手機接收，即時繪圖用
SD卡模組：紀錄各時間點的環境變化
RTC模組：輸出實際時間給記錄器，才知道收到的資料是什麼時間點
液晶螢幕模組：在機器上直接呈現資訊
測光模組：用來確認開門時間點和時間長
DS18B20：測溫，放冰箱冷藏庫上層和門架底部。

以下就是接線方式

利用行動載具進行生態與環境議題的非同步發表

搭配生態系與環境的課程，我找了幾個環境議題讓學生閱讀，每人負責一個議題並進行口頭報告。結合iPad錄影與網路儲存，可以作到每個人都進行口頭發表，而且每個人都可以看到不同議題的發表內容，並且給予評論。扣掉報告閱讀時間，最短可以在一節課內完成這個活動。由於需要錄製影片，學生會重複錄製多次，讓自己的表現能更好。

生態系包括以下幾個，並從環境資訊中心找數篇新聞，作為閱讀的材料。
北海岸、綠島、頭前溪、日月潭、清境農場、苗栗低海拔淺山森林、香山濕地、茶園。

文件如下連結

https://docs.google.com/document/d/1pm2Rz9WOHUy2r5WFZHkYD1CTwb5pgQEnAIf6KlHeSHA/edit?usp=sharing

要求學生的報告內容包括以下幾點
地點在哪？這裡屬於什麼生態系？這個生態系有什麼特色？有什麼生物存在？這裡遇到到了哪些環境問題？有哪些與之相關的法規？環境問題請由HIPPO去思考看看？
H－Habitat棲地破壞
I－Invasive外來物種入侵
P－Pollution污染
P－Population人口
O－Overexploitation過度利用

學生要將報告內容錄製成一個五分鐘內的短片，內容形式不拘，可選擇是否露臉，可用白紙黑字協助報告內容，或是使用白板。錄製完後，將影片上傳到雲端硬碟的共用資料夾，分議題類別歸檔。已經錄製好的學生，就到雲端硬碟去看其他議題的報告影片。

我提供八個議題讓學生閱讀並報告，所以學生就是自己讀一個議題的資料，進行報告並錄影之後，再去看另外七個議題中，其他同學錄製的影片（一個議題選一個影片）。觀看之後，再到雲端硬碟裡的Google試算表，填上對該同學的影片回饋。

錄製的方式，有學生是利用iPad拍攝iPad的資料，並輔以口頭說明

錄影完後，就由學生自己觀看影片進行學習

手機即時顯示壓力感測繪圖-水壓測量

延續之前的計畫以手機藍牙接收Arduino感測器訊號，進行即時紀錄與繪圖，我繼續製作以手機顯示感測資訊的系統。這次是跟小p聊到測量水壓，就想到可以用氣壓感測器來測量。

我使用的是MPX4115a
有六隻腳，但用到的只有前三隻。第一隻腳上有一個小缺刻，可以用來辨識，
1.輸出電壓
2.GND
3.VCC，接5V

datasheet如下
http://www.farnell.com/datasheets/8723.pdf
可以量測15 to 115 kPa (2.2 to 16.7 psi)，也就是0.15到1.13大氣壓，由於是用類比電壓來換算，所以解析度大約是9.9毫米水柱。換句話說，如果用來測水壓，誤差大概是一公分的水深。（舉例來說，如果想量20公分和21公分的水壓差異是沒辦法的，但是20公分和30公分是可以）

MPX4115a具有一個入氣孔，可以跟風管相連，把風管直接插入水中，就可以測量水壓了。

這有一段說明的影片

程式碼如下，為了讓波動的數據能平穩，所以收了100筆資料作平均再吐出來

void setup() {
Serial.begin(9600);
}

void loop(){
float pressure = readPressure(A0);
float gwcm2 = pressure*0.0102; //單位是每平方公分幾克重
float atm = pressure/101.325; //單位是atm

/*Serial.println();
Serial.print("Pressure = ");
Serial.print(pressure);
Serial.println(" pascals");
Serial.print("Pressure = ");
Serial.print(millibars);
Serial.println(" millibars");
*/
Serial.print("E");
Serial.println(atm);
delay(100);
}

/* Reads pressure from the given pin.
* Returns a value in Pascals
*/
float readPressure(int pin){
float sum=0;
for (int i=0; i < 100; i++){
int pressureValue = analogRead(pin);
float pressure=((pressureValue/1024.0)+0.095)/0.009;
sum=pressure+sum;

}
float MeanP=sum/100;
return MeanP;//單位是kPa
}

2016年6月17日

水域生態系牌卡桌遊

教水域生態系的前幾天，突然想要來設計一些圖卡，作一些活動。
於是我就拿課本的圖片做了三十幾張卡片，再加上一些第一人稱的敘述，主要是講自己住在哪裡，還有吃什麼東西。

做好之後護貝，然後再上面再用打洞機打上一些洞洞。

用這些牌卡可以進行很多活動。

猜猜我是誰
每個人拿一張牌卡來自我介紹，讓大家猜這個生物是誰，住在哪裡？限制學生是否可以使用牌卡上面的敘述。

牌卡比大小
4-6人一起玩，每人五張牌卡，每次丟出一張出來比大小，規則如下。贏者可收檯面上所有牌卡。

海洋生態系>河口生態系>淡水生態系
次級以上的消費者>初級消費者>生產者
體型大>體型小

每次打出牌之後，就要大家檢視這些生物的各種特徵。

串串食物鏈
各個生態系先分開，所有牌面朝上放在桌上，每個人發三條繩子，將有食性關係的生物串在一起，例如水鳥和彈塗魚串在一起，然後就可以變成一張超亂的網，隨便抓一張牌卡起來，就可以拉起一連串牌卡。

接著要講牽一髮動全身的故事，或是生物累積，也都有實體的物件可以解說。有些生物之間會發現連不起食物鏈，這時候就引導提問，還需要什麼生物才能夠串起這些生物。

群集歸位

1.每個人一張牌卡，大家要找出跟自己同一個生態系的生物，並聚集成群。方法有很多種，(1)拿了牌卡直接到定位集合 (2)牌卡拿到之後，靠在額頭上，自己不能看，要靠別人提示自己，然後自己猜自己應該在哪個生態系。

2.在黑板上畫上或寫上各個棲地，請學生帶著牌卡，把生物歸在牠應該在的位置。一張牌卡就是一個族群，同一棲地的這些牌卡，就成為一個群集。

以上這些活動，都可以混合進行。

以手機藍牙接收Arduino感測器訊號，進行即時紀錄與繪圖

最近Google出了一個APP，叫做Science Journal 科學期刊（中文應該要翻成科學日誌或是科學實驗筆記比較好吧）。那個APP可以用手機現成的感應器，即時量測與繪圖，甚至還可以用藍牙連接其他微控制器，接收外部感應器的訊號，不過目前我還沒找到說明文件，要怎麼去設定傳輸格式（即使是這篇官網文章的也沒講清楚啊）

我試著用arduino uno加上一般藍牙模組(HC05、HC06)，發現Science Jounal都沒辦法進行連線，後來看到這個Github的資料，得知它能連的是Bluetooth Low Energy (BLE) ，微控制器要不就是用Arduino 101，要不就是RedBear BLEND。

那麼我用一般的Arduino板，如果也想要用手機接收訊號作即時繪圖，可以怎麼作呢？

我找到了一個App，叫做Bluetooth Terminal/Graphics，幾乎滿足我的需求。最多可以同時接收七筆資料，繪在同一張圖上，也可以繪在不同的圖上。（免費版的最多就是三筆資料，也已經很夠用了）

於是我就用了這個APP，將一台小車的位移、速度和加速度，即時呈現於手機上繪圖了。

零件如下：

小車：是用樂高積木拼出來的
Arduino uno
迷你麵包版
藍牙模組（HC05、HC06都可以）
超音波測距模組
9V電池盒與電池

接線方式
超音波模組
VCC to arduino 5v
GND to arduino GND
Echo to Arduino pin 13
Trig to Arduino pin 12

藍牙模組
VCC to arduino 5v
GND to arduino GND
RXD to D1
TXD to D0

藍牙、超音波、Arduino和電池盒

組合起來的樣子

超音波朝向的是車子尾端，實驗時最好是有面牆壁，讓小車靠著作為起點

由上而下的資料，分別就是位移、速度和加速度

同樣的作法要呈現壓力時間變化圖，或是溫度時間變化圖，也是很容易的。

PS.同樣是用手機感測器的APP，我覺得這個也不錯，把手機所有的感測器偵測和紀錄包在同一個APP
Physics Toolbox Sensor Suite

程式碼如下，要讓手機APP能夠接收，只有一個重點，就是用Serial.print的時候，在一連串字串前面多一個E字，然後每個數值之間用,相連，最後要有斷行
例如
E21,12,33\n

/*

HC-SR04 Ping distance sensor]
VCC to arduino 5v
GND to arduino GND
Echo to Arduino pin 13
Trig to Arduino pin 12

BlueTooth
VCC to arduino 5v
GND to arduino GND
RXD to D1
TXD to D0
*/

#define trigPin 12
#define echoPin 13
int x0=0;//一開始的位置
int v0=0;//初速
float temp=20.0;//溫度
float c=(331.5+0.6*temp)/10000;//單位是每微秒幾公分
float intervaltime=100; //每幾毫秒測量一次
float duration, distance,velocity,acceleration;

void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(1000);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);//超音波來回經過的時間，單位是微秒
distance = (duration/2) *c;//單位是公分
velocity=(distance-x0)/(intervaltime/1000);//每秒速度
acceleration=(velocity-v0)/(intervaltime/1000);//每秒加速度

x0 = distance;
v0=velocity;
Serial.print("E");
Serial.print(distance);
Serial.print(",");
Serial.print(velocity);
Serial.print(",");
Serial.println(acceleration);

delay(intervaltime);

}

2016年6月12日

熱熔膠製作顯微鑄模標本

查資料的時候看到這篇《高分子樹脂ハンダを用いた簡易プレパラートの開発》，覺得很有意思，所以也跟著製作了。

一般用來作鑄模的材料是用指甲油或是白膠，這篇用的是熱熔膠。將熱熔膠切成約0.5mm的小薄片，放在載玻片上加熱（我用小噴槍，文件上是用電蚊香加熱器），軟化之後，把要鑄模的葉片或動物放在上面，並加壓

就可以變成這樣的小薄片，儲存、保存都很方便，而且不容易變形。在潮濕表面上也可以進行鑄模（例如觀察蚯蚓皮膚表面的剛毛）

黛粉葉的上表皮

黛粉葉的下表皮

2016年6月10日

觀察校園生物的交互關係

學「生物間的交互關係」時，以往我很常用影片教學，不過最近我朝向校本課程，盡可能讓學生透過實際觀察，在校園中找到學習的素材。

這是四個班的學生共計找到的校園生物（但有些如寄生蜂，則是我補充的）。授課方法是先讓學生說明生物間的交互關係有哪些，各代表什麼意義。然後就是將學生分成三人一組，每組在校園中找出三種交互關係的例子。