2018年4月26日

一個演化的課程活動:島嶼上的小蟲蟲

這個活動是再度精簡上次發展的活動-模擬「蟲」生-一個島嶼上的演化生物學探究模擬活動

要做到活動時間更短,器材更容易準備,要和課程更貼合,甚至要能用作為某些考題解說的例子。

需要的檔案我放在雲端硬碟
https://drive.google.com/drive/folders/1G8UPQOkUy52icTHPPSQ3ywFSgCH_yly7?usp=sharing

課程器材準備:
每個人發一張已經畫了很多蟲蟲的紙,我就稱為「蟲蟲紙」
每個人發一顆骰子
每個人準備紅黑藍三色筆

故事從一個大島開始,某個大島上有豐富多樣的環境,也有許多蟲蟲,某次島嶼周圍火山爆發出現好幾個小島。如果學生分六組,就是出現六個島,七組就是七個島。

每個島嶼上由於土壤風化、火山活動啦、植被等等出現不同的島嶼顏色,分別有紅色島、藍色島和黑色島。

每個學生就代表從主島上被漂流出去的小蟲蟲,這第一隻蟲蟲的三個體節的顏色,分別是黑紅藍,然後學生要在蟲蟲紙上的第一代第一隻塗上這隻代表自己的蟲蟲顏色。然後在蟲蟲紙的左上角或右上角寫上自己這個島嶼的顏色。

蟲蟲在島嶼上要順利長大,然後生殖。順利長大的前提是,身上的體節必須至少有一節跟環境背景一樣,否則就會被天敵吃掉。

生小孩的規則是,每一隻會無性生殖生一隻後代,但如果身上有兩個體節和環境一樣,就會生兩隻,如果三個體節都跟環境顏色一樣,就會生三隻。

無性生殖理論上小孩體色會和親代一樣,但是這種蟲有很高的突變率,生出的小孩有可能會突變成不同顏色。

生小孩的突變規則是這樣,每生生一個小孩,就要骰一到兩次骰子,第一次骰是決定會不會突變,如果骰到1-3就會突變,骰到4-6就不會突變。(1代表第一節突變,2代表第二節突變,3代表第三節突變)

決定了第幾節會突變之後,再骰第二次決定那一節會突變成什麼顏色,骰1-2就突變成黑色,骰3-4就是紅色,5-6就是藍色。

舉個例子來說,本來第一代那隻是黑紅藍,在黑島上可以生下一隻後代,骰了第一次是2,第二次骰了1。則代表第二代的那隻的第二節變黑色,所以第二代那隻就變成黑黑藍。生完小孩的那一代不會再生,會慢慢老去死亡。

了解規則之後,就讓學生在蟲蟲紙上完成八代的蟲蟲,有些學生的蟲可能在第四代就全滅,而有些則會在第八代繁殖甚多。

活動後帶領學生討論的題目如下:

  • 突變一定會讓生物滅種嗎?
  • 怎樣的突變會是有利生物的?
  • 你的後代和你長得都一模一樣嗎?有沒有發生你的後代和你幾乎完全不同的例子。
  • 生物產生變異是因為哪些原因?
  • 如果島上只能容納20隻小蟲蟲,哪些蟲蟲才容易活下來?
  • 如果島嶼突然變色了,你的後代還能存活嗎?
  • 七島的這些第八代生物回到主島,是否還可以一起生小孩?
  • 第八代長的和第一代不一樣,這些物種的改變是先變異還是先天擇
  • 怎樣的族群才容易存活下來
    (裏頭有些題目其實就是考題常常問的,這個活動剛好做例子)









利用Moodle與ipad做的校園植物搜查活動

在學習裸子植物和蕨類這些植物時,我希望學生能在教室外學習,透過實際觀察、觸摸來認識這些植物。以往我的進行方式都是帶著整班一起導覽,不過這樣的教學方式並不理想。

首先是全班將近三十人,我無法讓每個學生都一起專注地觀察到這些植物,比方說校園中的蕨類並不多,除非我將它採集起來,傳給每個人,否則無法讓所有人都圍繞在那個蕨類旁邊。

其二是這樣的帶隊教學方式,在之後又帶學生出來的時候,我發現學生印象並不深刻。

回想起以前的學習經驗,如果要讓我記得那個植物,我必須有一個主動探索搜尋的經驗來加深我的印象。

因此我決定改變這個課程,變成一個闖關活動。我的目標是小組活動,各組在提供提示的情況下,尋找到我要他們找到的植物,然後閱讀任務說明,完成任務與過關條件,然後就可以到下一關。而不同組我希望闖關的順序不同,才不會一群人擠在同一個地方。

在Moodle上有「編序學習」的模組,我在兩年前曾經用這個模組設計了一個密室脫逃活動,我想就用這樣的經驗來把校園植物搜查套進去。

下圖是Moodle設定的頁面,每一個搜查植物的關卡都是問答題。過關之後,會隨機挑選其他尚未答過的題目。我全班分成六到七組,共設定了七個關卡。學生在闖關前,我會給予各組不同的闖關密碼,而不同的密碼會導引向不同的題目,比方說第一組會先被導去找蘇鐵、第二組會去找南洋杉之類的。

每關都有任務和過關條件,任務有的是拍照有的是採集枝條,過關條件就是要回答一個問題。每個問題有10次機會,答錯了,就自動往下一關。活動模組設定成18分鐘要闖完,同時也設定了結束時間,在下課前15分鐘模組自動會關閉,所以要闖也闖不了。








來看幾個關卡,我提供地點提示和植物提示,學生要完成任務,像這關就是要組員和複葉合照,過關條件就是要找到這植物附近的辦公室。這可以確保學生一定要找到那植物。




這題是小葉南洋杉的題目,學生要掰下落葉枝條的一小片葉子,然後算出學校有多少棵這種樹。



蘇鐵題,會要求它們找出這種植物的名字,學生要利用手邊的課本去找出答案


鳥巢蕨題,除了答出蕨類名稱外,學生還要用透明貼紙去蒐集它的孢子囊,我們會在下一次上課用顯微鏡觀察孢子囊。





以下就是學生拿著iPad到處闖關的樣子了。在闖關完詢問學生植物的名字和位置,是的確比以前我自己帶全班那樣效果好多了。



















2018年4月16日

手工萃取樟樹純露

這標題看起來好像很有高雅氣質對不對?

這批要提煉的原料是來自一棵不知道為什麼被砍倒的樟樹,木材被鋸成小段小段之後,把木屑掃一掃收一收就可以拿來提煉樟腦了。

我本來是要提煉樟腦的,可是可能因為時間太短,所以就沒成功啦,只能粹一下純露。

萃取樟腦精油或是純露的原理其實一樣,就是應用蒸餾的原理啦。加熱樟樹木材或木屑(裡頭要加水),木材內含的物質會跟著水一起變成氣態,冷凝後收集起來就是了。樟腦油其實不是油,是一種萜類有機化合物,有收集到的話,就會浮在收集的水上面。而收集的水內也會含有一些樟木裡的物質,那個就可以叫做純露。

其實要收集精油是有專門的工具可以用的,搜尋一下「蒸餾鍋」就可以找到了,梅子的同事就用蒸餾鍋把同一批樟腦木屑粹出樟腦油呢。

那我這種沒專門工具的就找簡單的東西代用一下吧,就電磁爐和鍋子囉。把鍋子內裝木屑,倒幾杯水進去,中間再放一個燒杯,準備承接蒸餾冷凝後的液體。




把鍋蓋的塑膠頭拆掉,留下一根長長螺絲,然後把鍋蓋倒蓋使用。



圖中的鍋蓋就是倒過來用的,上面再加上一塊冰塊,底下加熱的蒸氣遇到這個冷鍋蓋就會冷凝,冷凝後的液體就會一滴一滴流到我放在中間的燒杯。後來我冰塊都融化了,就把水撈出來,直接改裝冷水,其實也是可以啦。



大約蒸餾30分鐘左右,可以得到幾十毫升的液體,可以稱為純露,這也是有樟樹部份的味道,不過並沒有收集到樟樹精油。我想如果加熱再久一些,就可以收到樟腦油了吧。

2018年4月8日

樟樹葉的表面翻模與著色

在科學Maker社團看到有人用翻模法去翻樟樹葉的表面,我才知道原來它的表面這麼美。於是我也跟著去採了樟樹葉片來翻翻看。




我覺得有意思的是葉下表皮的氣孔群看起來是一區一區的,於是我就用GIMP來著色一下。
整個影像處理的流程是,先將照片轉灰階去彩度,再轉換影像模式為RGB,然後用畫筆進行塗色,而畫筆的模式調為「顏色」藉此在灰階圖上色。

以下兩張是原圖,剩下的都是上色的(看也知道)








僅針對保衛細胞的部份上色



把看起來成一區的部份個別上不同顏色



把看起來成一區的都上同樣顏色

竹筷的表面翻模看導管紋路

最近流行 SEMM表面精密翻模顯微術,想到以前用過熱熔膠來翻過模,這次試試看來翻竹筷。














想到江老師說過翻模法有一個好處是可以用到顯微鏡的解析極限。

引用一下他的話(此篇)
「主要的原因是因為只有起伏的立體資訊而沒有顏色的資訊,資訊變得很單一,所以可以直接用短波長的光來成像,可以提高解析度,避免掉所有的色差。
以我們的光學變焦模組為例,如果用螢光模組裡的紫光或藍光當作光源,然後拍照後把相片轉成黑白,應該會變得非常強,可以直接跟高倍率的通用模組比的! 解析度或許更高~」


說明一下,顯微鏡的解像力正比於光波長。參考此篇說明,所以使用越短波長的光源,兩點可分辨的距離就可以更小。

下圖雖然不是用短波長光線為光源,不過也已經能表現出翻模的優點,可以看出導管細胞外的環紋。




我用GIMP特別著色一下,就是那個紅色的部份,可以看到有環紋呢


2018年4月4日

瓢蟲後翅的折疊模型


這是去年三月看「 サイエンスZERO」看到的單元,一直想要紀錄下來,但是就是懶病發作,直到今天早上才試做。

當時三月看節目的時候還不知道有後續這項研究報告「Investigation of hindwing folding in ladybird beetles by artificial elytron transplantation and microcomputed tomography」。研究人員透過透明樹脂仿製做的翅鞘,觀察後翅打開折疊的動作。詳細的中文新聞可以看這篇「0.1秒就能開合翅膀! 日本解開了瓢蟲的秘密

我這篇要紀錄的是那時看節目的時候,研究人員斉藤一哉展示了瓢蟲後翅的折疊模型,我看了覺得好想做一個,於是就仿了做了一個。下圖印出來,剪下來折一折就可以玩玩看。

















用表面翻模發現繩文人已經會OO

這標題有點內容農場的風格,OO是什麼?看完就知道。

最近科學Maker社團裡在做指甲油的翻模觀察,江老師特別將這個方法命名成Surface Elaborate Mold Microscopy 表面精密翻模顯微術。(詳見此篇文

這讓我想起之前看日本的科學節目サイエンスZERO這一集-「見えないモノを見る! ひもとかれる歴史の謎」,也是用到了翻模技術去觀察繩文時代的陶器,發現了一些很特別的事情呢。

繩文時代是是日本舊石器時代後期到新石器時代,即前14500年到公元前300年前後的時期。當時的陶器和陶俑表面上有繩索紋樣,所以稱為繩文時代。(摘自維基百科

此集來賓是熊本大學的小畑弘己,桌上擺的就是繩文時代的土器


土器上面有著用繩索敲印的痕跡,但是在這些痕跡上有著奇怪的痕跡,那是什麼?要賣個關子。



先用矽膠來翻模一些其他的陶器






矽膠乾燥之後,仔細看看那個土器上的痕跡,是什麼啊?



用SEM去看,唉啊,是隻蜘蛛啊




又翻模了一個,這啥?


喔喔,是蟑螂的卵囊呢



這個小點點呢?


喔,是隻象鼻蟲呢



至於這個呢?這就是這個單元的主題了。在這些土器當中的這個一顆顆的東西到底是什麼?



是大豆啊!



在日本山梨縣的埋藏文化財中心 有20萬個出土的繩文土器,他們就把土器上有大豆(或類似大豆的)通通翻模翻出來




把這些大豆的大小和年代做個比較,就出現了有意思的現象


他們推測繩文人會選擇大粒的種子繼續栽種,也就是已經有了育種的概念。而這些證據居然是來自繩文土器上的翻模痕跡呢。


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