2019年8月14日

用循環紙圈記憶分析血液循環途徑

上暑期輔導時,有幾個學生一直弄不懂幾個循環途徑的路線,像是肺循環、體循環、充氧血、減氧血等。其實循環路徑的口訣都是背過很多次的,那些「肺靜左房左室主動脈 大靜右房右室肺動脈」。只是說學生對於切分的分析有困難,於是我就弄了一個小紙圈來教他們。

先把這些詞在Excel上輸入,然後印出來剪下再黏貼。





檔案連結


實際使用的流程就如這個影片所示

2019年8月4日

關於《用漱口水取得的大片口腔皮膜組織》想起的科學素養

關於這篇《用漱口水取得的大片口腔皮膜組織》,寫完之後突然想到和素養有很大關係耶。

素養是什麼?素養指的是「個人為了適應現今生活及未來挑戰,所應具備的知識、能力與態度」,那麼我就藉由上篇來談談科學素養吧。(是說這主題也跳太多了吧。)

當你在生活中看到了現象,發想了問題《漱口後出現白膜,那是什麼?》你會怎麼找答案。

上網查幾乎是大多數人的答案,但是查到的答案真的可信嗎?對我來說,我沒有看到足夠有公信力的網站告訴我那是什麼,最多都只有看到分享這樣經驗而已,所以實質上並沒有解答我這樣的問題,上網查了之後,頂多是讓我知道....原來我不孤單,喔不,是原來這並非單一個案,意思就是這不是偶發的事件。

接下來我針對這個問題想了很多答案,這些就是假說,像是「漱口水引起的皮膜脫落」、「漱口水乾掉產生的」、「漱口水和唾液混合產生的」、「口腔裡細菌形成的生物膜」。

這些假說都可以藉由實驗來證實,前一篇雖然只有說我實際用顯微鏡觀察那白膜,但其實我有針對幾個假說都有實際進行實驗觀察。

而在進行用顯微鏡觀察的實驗,我應用了過去學習的知識和能力,像是如何用顯微鏡觀察,用染色讓觀察物變得明顯。最後我也用了我的知識去判斷那些東西是細胞。

因為我有了這些證據,因此我可以去驗證我的假說,所以我就可以產生一個論證:「我主張某牌漱口水會引起口腔皮膜細胞脫落,因為我用顯微鏡觀察過那些白膜,證實它們的確是口腔皮膜細胞」

不過這樣的證據是否充分呢?主張夠不夠強呢?其實是不夠的。

我後來也用其他的實驗方式來驗證,像是使用稀釋後的漱口水,或是其他品牌的漱口水,結果發現用了稀釋後的漱口水後,脫落的皮膜組織出現的量就少很多,而用了其他品牌的,則完全沒有出現脫落皮膜組織。


寫了這些,我們再來看看素養是什麼:個人為了適應現今生活及未來挑戰,所應具備的知識、能力與態度。

其實所謂的挑戰不一定和想像中的恐怖挑戰有關係,它也可能會是一些簡單到不行的生活小問題。從廚房料理的問題,到使用漱口水的問題,也有可能會是實驗室裡的科學問題。面臨這些大大小小的問題時,我們期待無論自己或是學生都會有足夠的知識能和態度能以合適合理的方式來面對和處理。

用漱口水取得的大片口腔皮膜組織

最近因為看了牙醫,用了一個某家四個字的漱口水,可是沒想到使用過後的隔天一早,卻發現嘴裡出現奇怪的白色東西,是有點像是白膜的東西。
搞不清楚是什麼東西,要知道答案看起來就是先上網查查看,結果發現不是只有我有這樣的經驗,但還是不確定那是什麼東西啊。
心中有幾個答案浮出來,可能是口腔皮膜,也可能是漱口水在嘴裡乾掉留下的東西,也有可能是漱口水和唾液產生了化學反應形成的。
有這些可能的答案,當然就要驗證一下囉,如何知道是不是口腔皮膜呢?那就用顯微鏡看看吧,如果真是口腔皮膜,那麼根據細胞學說,應該可以看到細胞才是。
那我就先蒐集一下這些白膜囉,找個燒杯裝水,把這些嘴裡留下的白膜放進去。在水裡這樣載浮載沉的東西真的是一片一片的膜耶,我本來還以為是膠結成一團的東西哩。



再來就是先染色囉,找了魚藥的甲基藍來染看看。染下去,就真相大白了,唉啊啊,這一大片東西都是口腔皮膜細胞啊,原來用了這四個字的漱口水後,會有很大量的口腔皮膜組織出現啊,後面猜測的幾個答案也不用特別去做了啊。



後來我就在杯裡找了一片大片的膜在玻片上拼起來了,居然還蠻大片的,背景一小格是1平方公分,你看它有多大啊。

國中生對口腔皮膜細胞或組織都應該熟悉,那是顯微鏡觀察時,唯一一個從自己身上取下的細胞。一般觀察時是用牙籤刮一刮抹在玻片上,通常看到頂多就是小小一片,或是散開的細胞。很少有機會能夠看到這樣小小的細胞構成一大片組織,而且這些是有很多層的細胞呢。話說後來這片有皮膜的玻片被我蔭乾保留下來了,看來是可以留下來當傳家之寶了。

用Imagej製作灰階影像加彩色線條的視覺效果


前幾天看到網路上流傳了一個在灰階影像上加上彩色線條之後,看起來就好像是彩色圖片的視覺效果,我看了覺得很有趣,很想自己來動手玩一玩。於是就用imagej玩看看,順便寫了一個code script放在文章底下,有興趣的可以複製貼上玩玩看。

可以做什麼效果呢?可以針對個別區域製作橫紋效果。下面組圖是用同樣粗細的線寬,但是不同的線距


也可以做出斜紋效果



或是直紋效果



這些線寬都不一樣,但是線寬和線距比例都是1:3



同樣的code改一改,也可以做出網紋的效果



以下就是教學影片了,前兩部是從原理製作開始講,如果要直接使用code來做的人,就從第三部來看就可以了。





以下就是imagej的macro囉
===========================
lineW = 2;
space = 8;
angle = 0;


run("Select None");
rename("color");
run("Duplicate...", "title=grey");

selectWindow("grey");
run("8-bit");
run("RGB Color");
run("Set Measurements...", "area bounding redirect=None decimal=3");
roiManager("Select", 0);
run("Rotate...", "angle="+ angle +"");
roiManager("Add");
run("To Bounding Box");
run("Measure");

BX = getResult("BX", nResults-1);
BY = getResult("BY", nResults-1);
Width = getResult("Width", nResults-1);
Height = getResult("Height", nResults-1);

lineN = floor(Height/(lineW+space));
print(lineN);
for (i = 0; i < lineN; i++) {
//建立選取區
run("Specify...", "width="+ Width +" height="+ lineW +" x="+ BX +" y="+ BY+(space+lineW)*i +"");
//run("Rotate...", "angle="+ angle +"");
roiManager("Add");
//交集運算
roiManager("Select", newArray(1,roiManager("count")-1));
roiManager("AND");
//產生要繪圖的選取區ROI
roiManager("Add");
roiManager("deselect")
roiManager("Select", roiManager("count")-2);
roiManager("Delete");

//roiManager("Select", roiManager("count")-1);
//roiManager("Delete");
}

a1 = newArray(roiManager("count")-2);
for (i=0; i<a1.length; i++)
  a1[i] = i+2;
roiManager("Select", a1);
roiManager("Combine");
roiManager("Add");

a1 = newArray(roiManager("count")-2);
for (i=0; i<a1.length; i++)
  a1[i] = i+1;
roiManager("Select", a1);
roiManager("Delete");


roiManager("Select",roiManager("count")-1);
run("Rotate...", "angle="+ -angle +"");
roiManager("Add");

//====複製原圖,貼到黑白圖====
selectWindow("color");
roiManager("Select", roiManager("count")-1);
run("Copy");

selectWindow("grey");
roiManager("Select", roiManager("count")-1);
run("Paste");
//=========================

roiManager("Select", newArray(roiManager("count")-1,roiManager("count")-2));
roiManager("Delete");

selectWindow("color");
run("Select None");

selectWindow("grey");
run("Select None");
rename(lineW+":"+space);

text = "w"+lineW+":space"+space;
setFont("SansSerif", 14, " antialiased");
makeText(text, 20, getHeight()-20);
run("Add Selection...", "stroke=yellow fill=#660000ff new");
run("Select None");

2019年8月1日

用Imagej做顯微追焦

顯微追焦是什麼?其實我也沒想過要怎麼去命名這種影片。我用以下的影片來說明好了,它就是把在顯微影片下,本來四處跑來跑去的生物,用影像處理讓它固定在同一個地方,甚至身體方向也固定下來。這跟攝影的追焦有點像啦,所以就叫顯微追焦囉。
處理成這樣的影片有什麼好處呢?我實作的結果,發現這樣更能夠更仔細看到這些生物的細節,或是運動方式。如果是原先到處跑的影片,你又要追它的位置,又要看清楚,那就實在太累了。



處理的流程是先標記生物的位置,然後用程式碼位移每個影格,讓標記的位置都放在同一個地方,然後你就可以裁切獲得追焦後的影像。
這系列的教學影片共有四集,會用到兩種簡單的程式碼,分別是「用點標記」和「用線標記」的兩種。程式我就貼在文章最底下
要使用這些程式,就只要在Imagej中開啟File/New/Text Window
把以下的程式按照需求貼在那window就好了(要確認功能表上的Language,看一下勾選IJM喔)。











=====用點標記的======
origin_x= getWidth/2;
origin_y= getHeight/2;
for (i = 0; i <  nResults ; i++) {
slice_x = getResult("X", i);
slice_y = getResult("Y", i);

translate_x= origin_x-slice_x;
translate_y= origin_y-slice_y;

setSlice(getResult("Slice", i));
run("Translate...", "x="+translate_x+" y="+translate_y+" interpolation=None slice");
}

====用線標記的=========
origin_x= getWidth/2;
origin_y= getHeight/2;
for (i = 0; i <  nResults ; i++) {
BX =  getResult("BX", i);
BY =  getResult("BY", i);
W =  getResult("Width", i);
H =  getResult("Height", i);
A = getResult("Angle", i);

if(A>-180 && A<=-90){
X=BX+W;
Y=BY;
}
if(A>-90 && A<=0){
X=BX;
Y=BY;
}
if(A>0 && A<=90){
X=BX;
Y=BY+H;
}
if(A>90 && A<=180){
X=BX+W;
Y=BY+H;
}


translate_x= origin_x-X;
translate_y= origin_y-Y;
rotate_A = A + 90;
setSlice(getResult("Slice", i));
run("Translate...", "x="+translate_x+" y="+translate_y+" interpolation=None slice");
run("Rotate... ", "angle="+ rotate_A +" grid=1 interpolation=Bilinear");
}
==============

2019年7月17日

焚風來時看雪山圈谷

今天由於東風過山,因此產生了焚風。在下午時,整個新竹苗栗到台中都紫起來了2019-07-17_1300.GTP8
同一時間在衛星雲圖上,也看到這些地方清晰無雲,顯示這裡是氣流下沉區域
TWI_VIS_TRGB_1375-2019-07-17-13-40

既然無雲,就來從新竹眺望一下雪山山脈

雪山圈谷02

果然這北稜角下的雪山圈谷還真是明顯可見啊。(冬天看雪山圈谷積雪可以看這篇
雪山圈谷01

聲學分析軟體Raven lite的使用教學

Raven lite是一個聲音的分析軟體,由康乃爾大學鳥類學實驗室所開發。其付費版本稱為Raven Pro,而Raven lite是輕量化的版本,免費使用,但須註冊取得註冊碼。

Raven lite能直接將聲音進行頻譜分析產生頻譜圖,並且能對聲音的頻譜標記或是做濾波分析,是聲學研究的好工具。

以下我錄製一些影片放置於此播放清單,說明如何註冊以及使用流程教學
https://www.youtube.com/playlist?list=PLm6x13NbsKl4OjMA9y8KwQYwx03ZPdCTX

2019年7月8日

imagej+colab機器學習作細胞分割

這是延續前篇的續作。

前一篇用了imagej的macro做了細胞的分割,不過實際上我認為誤差還是蠻大的,心裡想著應該還有更好的方法。想著想著突然想到這個問題,其實用機器學習的監督式學習可以解決。

只要把每個細胞團的參數拿出來餵給機器去學習,告訴機器「這種細胞團參數叫做一個細胞,那個細胞團參數叫做兩個細胞....」,當機器學會之後,就可以讓機器去預測那些細胞團是由幾個細胞組成的就可以。不過要做這樣的人工智慧,前提得先有工人智慧,我需要先人工辨識標記好每個細胞團到底是幾個細胞組成。

標記好或是機器學習預測好之後,我還需要有檢核的程式,讓我可以肉眼比對到底分類的結果如何。

整個機器學習的檔案架構是這樣的

├── dataSet_predict   用來預測的文件
│   ├── Cells
│   ├── Results
│   └── Roi
├── dataSet_train   用來訓練的文件
│   ├── Cells
│   ├── Results
│   └── Roi
├── image     圖像的資料夾
│   ├── predict
│   └── train
├── ImageCombine
└── macro
    ├── cellSegment.ijm
    ├── checkModel.ijm
    ├── makeModel.ijm
    └── MakePredic.ijm


看起來很複雜,不過使用者只要記得把細胞的圖像分成兩部份,一部分放在image/predict,一部分放在image/train。當然train量一定是比較少的啊,我們是要用train裡的圖像來預測predict裡頭的圖像啊。

程式的部份我做了四支程式,三支是在imagej下執行,一支是python,讓它在colab來執行。先介紹三支imagej的程式
makeModel.ijm  執行之後選擇圖片所在的資料夾,自動會產生相關的文件,放在train的資料夾裡
checkModel.ijm  用來檢查那些人工標記或是電腦辨識之後的分析結果是否正確
MakePredic.ijm 用來產生預測用的檔案

決定把機器學習的檔案放在colab上執行,是想說這樣使用者就省去自己部屬python環境的時間,反正只要上傳訓練檔案,等個十幾秒後自動會下載分析後的檔案



整個完整的分析、人工標記、上傳的流程,我照慣例錄製成影片說明。有需要的可以看看



整個程式檔和範例都放在雲端
https://drive.google.com/drive/folders/1m4MxOdCAziTr3tdNQhKP8H6y6nqfCNoz?usp=sharing


2019年6月27日

以imagej的macro實作GUI,進行重疊細胞的分割

上週五收到一個生技公司人員的來信,信中問到要作細胞的分割來計數,但是作分水嶺分割時出現問題。我寫imagej作細胞分割的文章其實寫了好幾篇,本來想說請他看看之前文章就好。不過因為給的圖片很漂亮,剛好議題又是我感興趣的,所以就試試看來解決了。

來看一下圖片。這是利用不同劑量的藥劑處理非癌化細胞後,再以螢光染劑進行染色。研究者的目的是要計算這有多少細胞。


由於有些細胞是重疊的,一般想法就是直接作分水嶺切割,然後再作analyze particles。不過這樣的作法會有大問題。


這是我們期待看到的,兩個細胞被分水嶺算法剛好切開。



但實際上會發生的是,單獨一個細胞往往會被切成好幾塊



或是兩個細胞被切成三塊



如何解決這樣的問題呢?
解決流程是這樣的
(1)先把單獨未重疊的單顆細胞抓出,並計數。
(2)只針對重疊的細胞作分水嶺切割,然後作計數。

現在問題來了,怎麼知道誰是單顆細胞,這裡會運用一個形態學的運算方式來幫助判斷。
以下兩張圖是先將圖片做threshold處理後,轉二值化影像,再用wand tool選取後,然後用Edit/Selection/Convex hull做出的新選取區。

convex hull是個重點!它就像是用條橡皮筋套住你的選取區,產生的新選取區就是convex hull。你看第一張圖片,是兩個細胞重疊,用convex圈起之後,會留下很多沒圈到的地方。第二張圖片是單獨的細胞,圈起來之後留下的空白很少。

所以啊,我們可以用convex hull和細胞的面積做運算,看看細胞在hull裡頭佔面積的多寡來推論那是不是單獨的細胞。








要計算這個東西,其實不用自己手動一個一個圈細胞。在measure中的測量值solidity就是這個啦。你可以勾選Analyze/Set Measurements/Shape descriptors,就可以呈現出這個數值了。





接下來的分析和製作Macro,我就交給影片說明了


影片中所使用的Macro 就是以下的文字啦

=============================================
Dialog.create("Preference");
Dialog.addNumber("solidity:", 0.88);
Dialog.addNumber("cell area min :", 2000);
Dialog.addCheckbox("Single cell fill color", true);
Dialog.addCheckbox("Watershed cell fill color", true);
Dialog.show();
solidityValue = Dialog.getNumber();
cellAreaMin = Dialog.getNumber();
singleCheck = Dialog.getCheckbox();
watershedCheck = Dialog.getCheckbox();

//關閉所有圖檔
run("Close All");
//製作結果表
Table.create("cellCounts");

//打開資料夾,取得檔案list
dir = getDirectory("Choose a Directory ");
list = getFileList(dir);
filecount = 1;
listFiles(dir);

function listFiles(dir) {

for (i=0; i<list.length; i++) {
if (endsWith(list[i], "/")){}

// listFiles(""+dir+list[i]);
else{
//print((filecount++) + ": " + dir + list[i]);
open(dir + list[i] );
bname=File.nameWithoutExtension;
cellCounts();
}
}
}

function cellCounts(){
//細胞有幾個
cellNum_single=0;     //一個單獨的細胞
cellNum_overlap=0;     //重疊的細胞團
  cellNum_watershed=0;  //分水嶺切割後,單獨的細胞

rename("original");

//製作空白的檔案
run("Duplicate...", "title=cell_single");
run("Select All");
setBackgroundColor(255, 255, 255);
run("Clear", "slice");
run("Duplicate...", "title=cell_overlap");
run("Duplicate...", "title=cell_watershed");

//分析前處理
selectWindow("original");
run("Duplicate...", "title=a");
run("8-bit");
setAutoThreshold("Default dark");
run("Convert to Mask");

//把所有細胞都抓出,設定measure參數
run("Set Measurements...", "area perimeter shape redirect=None decimal=3");
run("Analyze Particles...", "size="+cellAreaMin+"-Infinity circularity=0.10-1.00 display exclude clear include add");

//用Solidity推斷細胞是否有重疊
numROIs = roiManager("count");
for(i=0; i<numROIs;i++) {// loop through ROIs
solidity = getResult("Solidity", i);

if(solidity>solidityValue){//Solidity大於0.88者,應該是單顆細胞
cellNum_single =cellNum_single +1;
//塗色
if (singleCheck){
selectWindow("cell_single");
roiManager("Select", i);
setForegroundColor(255*random, 255*random,255*random); //隨機填入顏色
run("Fill");
}
}

else {//如果是小於0.88,可能是多個細胞重疊,進入迴圈作分水嶺切割
cellNum_overlap =cellNum_overlap +1;
selectWindow("cell_overlap");
roiManager("Select", i);
setForegroundColor(0,0,0); //填入黑色
run("Fill");

}
}

//到cell_overlap的圖片中,執行分水嶺算法
selectWindow("cell_overlap");
run("Make Binary");
run("Watershed");
run("Select All");
run("Analyze Particles...", "size="+cellAreaMin+"-Infinity circularity=0.10-1.00 display exclude clear include add");
numROIs = roiManager("count");
for(i=0; i<numROIs;i++) {// loop through ROIs
cellNum_watershed =cellNum_watershed +1;
if(watershedCheck){
selectWindow("cell_watershed");
roiManager("Select", i);
setForegroundColor(255*random, 255*random,255*random); //隨機填入顏色
run("Fill");
}
}

//輸出細胞的計數結果
rowsize = Table.size("cellCounts");
Table.set("filename", rowsize, bname,"cellCounts");
Table.set("cell_single",rowsize, cellNum_single,"cellCounts");
Table.set("cell_overlap",rowsize, cellNum_overlap,"cellCounts");
Table.set("cell_watershed",rowsize, cellNum_watershed,"cellCounts");
Table.update("cellCounts");

//關閉圖檔
selectWindow("cell_single");
saveAs("Jpeg", dir+"1/" + bname+"_1_single"+".Jpg");
selectWindow("cell_overlap");
saveAs("Jpeg", dir+"1/" + bname+"_2_overlap"+".Jpg");
selectWindow("cell_watershed");
saveAs("Jpeg", dir+"1/" + bname+"_3_watershed"+".Jpg");


close("cell_single");
close("cell_overlap");
close("cell_watershed");
close("a");
close("original");
close("Results");
close("ROI Manager");
}

2019年6月21日

以Onshape製作有卡榫的雷切盒子

像下圖這種有螺絲卡榫T slot的壓克力盒子,在網路上可以找到一些製作程式,例如inkscape的外掛,Google相關的關鍵字可以找到一些。

不過用2D的軟體製作時,遇到一些要微調或組合調整的時機時,有時候會難以想像,所以若是能以3D建模軟體製作,應該能夠省事一些。

目前線上3D軟體很多,這篇介紹的Onshape只是其中之一,功能強大值得學習。只要用瀏覽器就可以執行,不需要另外安裝更新軟體,檔案也都是雲端儲存。目前有教育版可以使用,只要簡單註冊程序即可。

製作的成品如下



組合出來的樣子會是這樣





軟體可以產生供雷切機使用的dxf檔案


可以製作爆炸圖,看各個零件的關係





如何入門這套軟體?Onshape的Learning Center有一系列的教學課程,我推薦跟著其中的Learning Pathways學習,可以順利跨過入門階段,能夠恣意利用軟體製作想做的模型。

以下這個播放清單是我製作雷切盒子的教學影片,如果你有興趣以Onshape製作類似的模型,也可以參考這個影片來學習製作。影片總長1小時30分。


2019年6月12日

關於寄生

因為昨天可能吃到了很多海獸胃線蟲,結果晚上做夢就夢到了很多蟲,最特別的是夢到我抓到了一隻巨大熊蟲﹑足足三公分大啊。要知道如果用肉眼看熊蟲,充其量就是個小點點而已,我可是夢到了一隻巨無霸啊。


既然講到寄生,就來寫本書的紀錄,「繪圖解說-寄生蟲的世界」,是去年出版的,作者是長谷川英男,日本的寄生蟲學者。

書裡一單元提到何謂寄生,作者提了幾個有趣的知識,生物的交互關係其實是會在不同情況下改變的。

就以小丑魚和海葵兩者來說,小丑魚會住在海葵的觸手之間,因為其他魚類會被小丑魚觸手的刺絲胞傷害,所以不會靠近海葵。但是小丑魚體表會分泌不會刺激刺絲胞的黏液,所以牠就可以安然無事躲在觸手之間。就海葵的角度來說,小丑魚算是片利共生的傢伙,因為自己不會得到好處。

但是當小丑魚會來驅趕其他吃海葵觸手的魚類,或是清除海葵觸手之間的垃圾時,這時關係又變成了互利共生。然而小丑魚有時也會吃掉海葵的觸手,那麼這關係卻又偏向寄生了。

再以鮣魚這種會藉由吸盤吸附在大型魚類身上來移動的魚類來說,這種關係對於大魚來說沒好處也沒壞處,算是片利共生的例子。其實身上黏著一條條魚,行動也很麻煩吧。然而鮣魚有時候又會吃掉在大魚體表的寄生型甲殼類,這樣的關係又會成了互利共生。

再來是螞蟻和蚜蟲這課本常提的互利共生例子,其實蚜蟲如果沒有辦法發揮功能的話,螞蟻也會吃掉牙蟲的。那這樣又成了捕食關係。

而牛和其體內的微生物,那些原生動物、細菌們之間的關係也很複雜,牛吃下的草料是藉由微生物的作用才能消化纖維素讓牛獲得養分,如此的關係成了互利共生。但是微生物在牛反芻後就會被胃液殺死消化,成了牛隻的營養,啊這樣的關係又成了什麼。





書中p.10還有一篇講到有寄生蟲的動物群。其實說寄生「蟲」也不好,因為有些根本不是蟲。

在這圖片中列出了動物的類群,類群上頭的符號黑圈圈或白圈圈代表了此類群有寄生種,即使是脊椎動物也有寄生的物種喔。像是八目鰻、盲鰻會吸附在其他魚體身上吸血或是侵入魚體吃牠們的內臟(就這點看來是捕食囉)。

有種會住在海參腸子裡的潛魚會吃掉海參的生殖腺,讓海參無法生殖

有部分種類的鮟鱇魚,其雄魚會和雌魚的身體融合,寄生在雌魚身上。

杜鵑鳥有產卵在其他鳥類巢中的社會性寄生行為。

圖中的演化樹是參考 佐藤 矩行  発生と進化 (シリーズ進化学 (4)) 単行本 – 2004/6/8

2019年6月11日

生物遊戲之蝙蝠捉飛蛾

這個活動最早是在一次去新竹自然谷參加攀樹活動時親身玩過的。而最近又在這本《全世界孩子都想上的自然探險課:來自「森林學校」的遊戲教育與成長指南》書裡又看到這個活動。

想起前次段考時,考了一題蝙蝠捉蛾與演化有關係的活動,於是就在下課前十分鐘,讓學生玩玩這個遊戲。

材料很簡單,就一個眼罩和一個空曠的場地。不過我沒有眼罩,所以就用口罩代替了。
一個學生當蝙蝠,戴上眼罩。另一位學生當蛾,可在場地裡自由移動。其他學生擔任樹,必須圍住場地。

活動的原則是蝙蝠發出超音波覓食,當超音波碰到飛蛾時,飛蛾會反射超音波,蝙蝠就會知道前面有飛蛾,可以前去覓食。而蝙蝠也會發射超音波來偵測樹木在哪裡,藉此避開樹木。

不過我們模擬活動是沒有辦法發出超音波的,所以就由蝙蝠小朋友自己選自己要發出什麼聲音,有人選「啊」,有人選「逼」還有人選「亞美蝶」(選這麼長的字很慘,因為要整場一直亞美蝶亞美蝶的叫」

擔任飛蛾的小朋友也是選一個聲音,當蝙蝠朝著你叫的時候,你就要發出那個聲音。其實應該要跟著蝙蝠一樣的聲音才對,不過我就讓他們自己選。想不到要發什麼聲音,那就發「蛾蛾蛾」

當樹的小朋友也很忙,因為當蝙蝠朝著你叫的時候,你要反射回去啊。如果想不到要發什麼聲音,那就發「樹樹樹」。

活動在樹圍起來的場地中進行,飛蛾可以自由飛行,但是不能離開樹的範圍。而樹要保護好蝙蝠,不能讓蝙蝠誤闖到界線外,可能會有危險。蝙蝠必須在時間內快速用「超音波」找到飛蛾抓到牠。

活動就這樣,規則很簡單,但是會玩得很瘋狂。試試看,很有趣的!

生物遊戲之猜猜我是誰

最近在課程中進行一個活動,就名為「猜猜我是誰」吧!

進行方式是這樣的
準備一疊牌,是從病毒到哺乳類,每一種學過的生物。學生群中一人當自願者,到台前抽一張生物牌,而這張牌只有老師和此學生可以看,能夠知道那是什麼生物。而其他人是看不到的。

接下來,其他學生舉手問yes/no的問題,台前學生只能回答yes或no。例如「是生物嗎?」「是內溫動物嗎?」諸如此類的題目。台下學生必須用最少的問題來答出那張牌的生物是什麼,最後答對的人就可以拿到此題的加分。當然用的問題越多,加的分數就越少。

對於提問的學生,這是練習分類的一種好方法,要如何用精確的方式快速分類出生物。而對於回答的學生,他自己要很清楚這些問題的對錯。而老師的角色就是檢查學生是否有回答錯,適時給予協助。

此活動過程,可以視學生程度讓學生拿筆記或課本來提問,或是讓學生空手提問也是一種挑戰。

在幾次活動中,也有些有趣的插曲,例如有些學生在前面縮範圍的題目都是靜靜不說話,但是當答案已經呼之欲出時,就會跑出來撿尾刀,殺個措手不及啊。

我沒有要吃海獸胃線蟲謝謝

大學時有一門課叫做寄生蟲學,修課前學長諄諄教誨,上課前要吃飽,不然上完課就會不敢吃東西。

果然,那門課上完後,我再也沒有吃過白帶魚,也沒有用手直接摸蝸牛,更別說是碰觸鳥大便。不吃白帶魚是因為那時要觀察海獸胃線蟲時,只要去買一條白帶魚幾乎都可以看得到,在魚體內長什麼樣子,Google一下就看得到。

過了幾十年後的今天中午,覓食時想說吃個口味重的,揀了一塊白帶魚來吃,就在快要吃光光的時候,眼睛仔細看了筷下的肉,滿嘴的飯和魚肉一時不知道該吞下去還是吐出來。

雖然知道這些蟲煮熟了也是蛋白質來源,但是看到一群在魚肉上還是抖了兩下。抖了第二下是因為都已經吃到這樣了才發現,那之前吃下的那些哩?我想吃口味重的,但是沒有想要吃口味這麼重的線蟲動物門啊!

後記:臉書上一提,結果好多人都吃過,因為有些人以為是血管就一樣吃下去了。

2019年5月30日

一個人擇育種的APP: Wiglet Hatchery

這個APP叫做Wiglet Hatchery,只有在iOS才能使用


這個可以玩什麼呢?就是育種啊。

一開始螢幕上會有兩隻怪東西,你可以把牠們倆個拖曳進白色的圓框後,按下splunge之後,就可以生出小孩。點擊螢幕右下角的Feed Me,可以餵食小孩加速牠長大。

而這個小孩長出來的樣子,就是有點像雙親,但是又不完全相同,也就是有性生殖的原理啊。接下來你可以再讓小孩跟雙親之一交配,然後可以繼續生出有點像又不太像的小孩。


玩了幾回之後,你可能會發現不能再生了,(這是負荷量的概念啊)。因為這個螢幕只能放六隻而已,如果要再生,那麼一定要有遷出或是死亡。
遷出的方式,就是點擊動物之後,再點擊【put into world】,牠就會被放在你iPad定位所在的位置,其實也沒消失,改天你螢幕裡少於六隻的時候,你還可以點右下角的地球去把牠找回來。或者你也可以按下Delete,就可以讓這隻可憐的小動物消失在這環境中。要注意在這環境中的六隻中,第一代的那兩隻是不能搬走的,你就算想搬也搬不出去啊。

而那一開始的兩隻,還有突變的選項呢!當你點擊那兩隻的時候,會出現有DNA的圖像,點下去之後牠就會突變了。

你看看這樣一個APP居然可以藏了這麼多生物學概念在裏頭呢!在今年的課程裡,我就用這樣的APP玩了一些活動,例如讓學生挑戰一定要生出個怎樣的小孩,例如頭很大又有翅膀的小孩。那麼你可以想想怎麼做?

這個用來模擬人擇育種可是相當直覺的呢!


以下是操作影片


2019年5月29日

使用GeoGebra畫扭歪多邊形

用GeoGebra弄這個東西,純粹是學生在做數學專題時來問我的問題,因為他們想做扭歪多邊形,想看看那實際模型怎麼做。雖然他們似乎最後放棄這個題目,不過我做都做了,不如就試試看吧。

一開始我想說用OpenScad的Linear Extrude就可以做出一個了,不過想要做參數化的部分實在太多了,後來就想到用GeoGebra來試試看。

在看了一些教學影片之後,我也摸索出製作的方式,以下就是我製作扭歪多邊形的流程,分成數個影片。







從點到線到面都可以用參數化來處理,GeoGebra真的個很有趣的軟體。而且這軟體居然還可以輸出stl檔,也就是這個東西可以用來做出3D列印的數學模型呢!這可是我一直想要做的東西呢!




2019年5月12日

使用微距鏡拍攝多焦點合成微距影像

這篇文章是教你如何拍攝出多焦點合成的微距影像,這種合成技術叫做focus stacking。我在2007年寫過一篇【以Imagej合成全對焦影像】。時隔12年。這篇將會從用不同的拍攝硬體和軟體再寫一個不一樣的。


首先看一下以下這張組圖,這九張圖的拍攝條件幾乎都相同,只有一點不同,就是每張對焦的位置不一樣。



透過程式的處理後,可以製作成如圖的影像,從口器的鬚到前胸的花紋都是清楚的。
以下幾張圖都是用同樣的方式去達成的,至於怎麼製作呢?分為拍攝和後製兩個部份來介紹。







使用的工具、App和電腦軟體如下

  1. 手機微距鏡頭
  2. 手機App ,例如 Open Camera(Android手機的app)
  3. OTG線與滑鼠
  4. 電腦軟體EnfuseGUI

微距鏡頭裝設

使用顯微鏡目鏡,或天文望遠鏡目鏡或是科學Maker社團贊助取得的微距鏡都可以。

這裡示範的是顯微鏡的10倍目鏡



先將目鏡下方接鏡筒的部份旋下



我使用UHU patafix pro power 萬用黏土,把目鏡黏到手機上。我在這裡黏的目鏡方向是反向的,手機鏡頭是靠近目鏡的底部,而目鏡的觀看端則是會朝向標本。




手機用支架固定好(我用的是消波塊!),標本也是用萬用黏土固定好。




手機拍攝
APP我推薦使用OpenCamera,有兩種拍攝方式,第一種是用手機直接設定拍攝的對焦範圍,自動包圍式拍攝。第二種則是手動用滑鼠點對焦位置拍攝。


不過第一種的拍攝方式得要手機有支援Camera API2,有支援的手機會在設定(OpenCamera開啟按齒輪)中,最底下看到如圖的選項。如果看不到的,那就是你手機不支援。



如果選擇Camera API2之後,點選第一個紅圈後,可以看到FOCUS{}的文字,也就是包圍式的改變焦點拍攝。要拍攝的張數,則是在Number of photos那邊設定。至於拍攝的焦點範圍,則是圖中紅箭頭所指的兩處來設定,分別代表對焦範圍的起點和終點。設定好之後,在拍攝時就會直接拍攝數張不同焦點的影像,完全不用再手動改變焦點拍攝。




第二種方式是用滑鼠點的方式來拍攝多焦點微距影像,需要使用OTG線和滑鼠,用滑鼠游標來直接控制對焦位置。因為如果是用手指在螢幕上觸摸改變對焦位置,那麼很容易造成影像的偏移。在後製時,只要有一點點的偏移都會造成影像的品質下降。


請看此影片示範



後製方式

後製的軟體則是使用EnfuseGUI,根據說明文件的設定
將曝光和飽和度都調到0,對比調到1,勾選force hard blend masks,即可完成



操作軟體的影片如下

2019年4月27日

OceanTracks海洋掠食者的軌跡分析課程

偶然的機會看到這個網站Ocean Tracks https://oceantracks.org/
這是一群科學家和教育專家設置的網站,蒐集了四種海洋動物的軌跡,包含信天翁、黑鮪魚、大白鯊和象鼻海豹。

great white shark 大白鯊
bluefin tuna 黑鮪魚
Laysan albatross 黑背信天翁
elephant seal 象鼻海豹


雖說只有四種,但每種都有十幾個個體的軌跡資料,你可以從網站中看到每個個體在遷徙的時候,經過的路徑長度、深度、速度、旅程長度...,許多資料。還可以同步看到當時的海水表面溫度、葉綠素濃度、洋流等資料。

知道這些資料可以幹嘛呢?課程裡就可以用這些資料來進行科學探究與實作的活動了。在OceanTracks的網站上提供了許多課程,雖然針對是針對高中和大學所設計,不過我在資優班帶專題研究時,有實際拿這裡頭的一些課程來上過。經過修改後,即使是國中生也是可以上這些課程的。

我在寒假時把那些課程整理在此學習講義,另外也將課程中所需要的資料集蒐集在此。全部的課程包含了以下單元:

  • 真實或失真的資料
  • 游多快?游多深?移動最遠?
  • 獵物地圖
  • 生物熱點在哪裡?你在那裡做什麼?
  • 黑鮪魚你在做什麼?
  • 你是男生還女生?
  • 人類的影響
  • 設立海洋保護區


另外,我在2019/4/27時在「探究的推理論證教學與課室經營研習活動」中,也將原本的課程修改精簡前三個單元成約2小時的課程:「運用思考智能解析整合大量科學數據的實戰演練-掠食者的軌跡分析」,課程講義在此

至於網站裡的資料分析怎麼用,就請看以下影片說明。









科學論證與批判性思考的教學運用

在談科學論證和批判思考之前,還是要來想想為什麼要談這個主題。

在課綱裡,學生在學校教育應該學會的東西稱之為「學習重點」,這分成兩個部分,一個叫做「學習內容」,另外一個就是「學習表現」。

學習內容是什麼?當你問學生,學校教了你什麼,通常最直接回答出來的那些課程內容,就是了。


而學習表現是什麼呢?它包含了「探究能力」和「科學的態度與本質」。在這篇要講的論證與批判思考就是在「探究能力」裡的「思考智能」的其中兩項,分別叫做「推理論證」與「批判思辨」。

註:探究能力包含了兩塊,分別是「思考智能」和「問題解決」,2017年的時候因為演講的關係,我特別整理了一系列的文章,在講問題解決裡頭的分析與發現。
請從此文章開始【探究課程工作坊之分析與發現(1)-「分析與發現」是什麼】,足足寫了十篇呢。



記得當初在看到論證這項能力的時候,其實是茫然的,因為從來也沒有上過一門課叫做論證,所以對於它到底是什麼東西,其實是處在一種似懂非懂的狀態。既然不懂,就會上網去查看看,到底論證是什麼東西?

先看看課綱裡的文件怎麼說





Toulmin論證模式是什麼?
再來看看網路上還可以查到什麼論證資料,查了之後,看到大部分的論證文章都會提到Toulmin論證模式。這是一個很完整的架構,包含了
結論主張(Conclusion、Claim)
資料(Data)
限制條件(Qualifier)
保證、擔保、理由、依據(Warrent)
反駁(Rebuttal)
背後的支持(Backing)


這裡也提一個Toulmin的論證例子-亨利是不是英國人。完整的論述是這樣的「 亨利出生於百慕達群島,因為在百慕達群島出生的人,就是英國人。根據英國的殖民地法規定,只要是英國或英國殖民地出生者,就是英國人,由於亨利符合這些限制,所以亨利是英國人。
但是,如果亨利的雙親都是外國人,他就不是英國人了」

整段論述的分析就像這樣
  • 資料:亨利出生於百慕達群島
  • 依據:因為在百慕達群島出生的人,就是英國人
  • 背後的支持:根據英國的殖民地法規定,只要是英國或英國殖民地出生者,就是英國人
  • 限制條件:亨利符合這些限制
  • 反例:但是,除非亨利的雙親都是外國人
  • 主張宣稱:所以亨利是英國人


雖然已經有很多科教論文都有用這個在教學生,不過我覺得實在不好教,因為自己在某些案例中一直分不清楚warrent和backing有什麼差異。然後也覺得元素很多,似乎不容易教學生學習使用。


更好使用的論證架構-CER架構
不過在某次閱讀外國教學研究的文章時,看到一個叫做CER的論證架構,讓我看到執行的可能性啊。我再去閱讀參考文獻列出的書,是波士頓學院的Katherine L. McNeill 和密西根州立大學的Joseph S. Krajcik撰寫的【Supporting Grade 5-8 Students in Constructing Explanations in Science: The Claim, Evidence, and Reasoning Framework for Talk and Writing】。又繼續找這些作者寫的文章還有相關的引用或被引用文獻。找到很多資源,看了之後,就有那種「喔,這樣做就可以了啊」的感覺。



這幾個是值得花時間細看的網站或書籍
網站:The Argumentation Toolkit  http://www.argumentationtoolkit.org
網站:SCIENTIFIC ARGUMENT http://sciencearguments.weebly.com/
網站:Argument Driven Inquiry https://argumentdriveninquiry.com/
書籍:Science As Inquiry In The Secondary Setting
書籍:Scientific Argumentation in Biology, 30 Classroom Activities
線上文件:http://ciese.org/media/live/pisa2/scientific_explanation.pdf



原來他們和我有同樣的感覺,Toulmin的論證是很好,不過需要修改與簡化,才更容易讓學生上手使用。他們修改出來的論證架構叫做CER論證架構(Claim Evidence Reasoning Framework),然後他們把用這個架構的科學論證稱為科學解釋(Science explanation)。

雖然叫CER,但基本元素是四個:主張(Claim)、證據(Evidence)、推理(Reasoning)和反駁(Rebuttal)。



1.主張:
對議題和問題的回應。例如問題是「如果藻類的族群量減少了,鯊魚會發生什麼事情?」,你的主張就是「鯊魚的族群會減少」

2.證據:
證據是什麼?包含了資料(Data)、圖表(figure、plot)和解讀(interpretation)。資料包含了從自然界觀察或測量的資料,或是經過有控制的實驗得到的結果。像課本實驗活動產生的紀錄表格或圖表都是屬於證據,另外還有對資料或圖表的解讀,說明圖表中呈現了什麼資訊,這可以用引導句讓學生寫出句子,像是「這張圖指出....」「這張圖顯示了...」,用這些引導句來說明圖表呈現了什麼趨勢,例如「此圖顯示當單擺的重量改變時,沒有影響單擺的週期」

證據應該要適當且足夠。適當指的是證據必須和主張相關,加入無關的證據只會削弱論證的強度。以下會用例子說明

證據的來源可以是由學生第一手實驗或觀察獲得的資料,也可以是第二手資料,例如來自科學家的實驗數據,由於有些現象太小如原子,有些太大如宇宙,或者太久如演化,因此需要使用第二手資料,例如使用他人的研究結果來當證據。



3.推理:
這結合了Toulmin的warrent 和 backing,是用來說明證據如何支持主張,它必須是有邏輯的,而且使用適當的科學原理去連結的。對於學生來說,這是有難度的,因為不只要能理解科學原理,還要能應用。

培養學生的推理能力,不只能讓學生能應用學習的科學知識,也能讓學生有能力察覺新聞或廣告裡的問題。



在他們的文章裡提到的一個教學觀察例子,可以說明證據和推理是怎麼應用的。

學生在課程裡學到了物質,教師要學生回答脂肪和肥皂是否是相同物質,當然老師就會安排很多不同的小實驗,讓學生做物理測量,像是測量密度、顏色、硬度、溶解度等。最後就讓學生回答「脂肪和肥皂是一樣的東西嗎?為什麼?請寫出你的科學解釋」

結果學生回答「因為一個是煮東西用的,一個是洗東西用的,所以兩個是不同物質」。你給學生做好多實驗,結果實驗歸實驗,根本沒有把實驗結果拿來應用。

接下來,再讓學生重新寫一次科學解釋,這次好一點了,他會用五種測量數據來當證據,主張兩種是不同的物質。他的理由是「因為這五種測量值是不同的性質,因為脂肪和肥皂有不同的性質,所以我認為他們是不同的物質」這樣的理由已經比一開始學生使用「用途」來當證據好多了。不過這樣還不夠好,因為推理要能使用科學證據和科學概念來連結證據和主張。白話一點的說就是,你在推理那個部分應該要能回答這個問題「為什麼密度、顏色、硬度、溶解度不同就代表是不同的物質?為什麼不用體積來比?為什麼不用質量來比?」

在推理的部分要能用到科學原理,那就應該是這樣說「顏色、熔點、溶解度、密度都是物質的性質,而物質的性質特性是不會因為物質的量多寡而改變的,所以這些性質可以分辨物質是否相同,由於這些物質的性質不同,因此我認為它們是不同的物質」


在這裡也可以看到證據應該如何使用

證據應該要適當:要分辨脂肪和肥皂是否是相同物質時,有學生使用「用途」來分辨兩者,這就不是一個適當的證據。使用硬度、密度、顏色等資料,才是適當的證據。那麼使用體積和質量來做證據呢?雖然這是實驗測量出來的數值,但是使用上必須把這些證據組合起來使用變成「密度」,它才會和主張相關。

證據應該要足夠:支持主張的證據也通常不會只有一個,例如分辨物質的實驗,使用了五個證據(顏色、密度、硬度、溶解度、熔點)。只是學生通常會只提出一個證據而已。



4.反駁
第四個元素就是反駁,在科學上,一種現象或問題通常會有多種可能的解釋,也就是有多種不同的主張。反駁的過程是找出另有解釋,即其他的主張,並且證明它是錯誤的。

我們在選擇主張一是對的,而主張二是錯的的過程,也是循著前面「主張 證據 推理」的過程,為主張一找到支持的證據和合邏輯的推理,而對主張二則是要找出不支持的證據,且也是合邏輯的推理。

在教學上由於學生的經驗不足,所以剛開始訓練論證時,可以僅用前三個元素,即主張證據和推理,當學生已經有了經驗再引入反駁這個元素,




關於四項元素的使用,以下以此書的例子,舉一些在不同科目的例子:




論證和批判性思考
老實說,我以前對論證和批判性思考沒什麼好感,不是因為難,也不是因為內容。純粹是因為「字」。論證的英文叫做argument,這個字又可以被翻譯成爭論。你看喔,「爭」、「批」、「判」,這些感覺就是要吵架的字眼啊,我最討厭吵架了啊。

不過這些都是誤解啊,做論證或批判思考根本就沒有要吵架,它是以道理去組合或分析事物的過程。論證就像是蓋了一棟磚房,房子就是「論證」,地面是「議題或問題」,磚塊就是「證據」,屋頂則是「主張或結論」,把磚塊和屋頂連結的膠或結構就是「推理」。磚塊要夠多要夠好,結構要夠強,屋頂才不會垮,房子才夠穩。而批判性思考則是分析與解構這個磚房,分析時一步一步把屋頂拆下來,看看屋頂長什麼樣?看看屋頂是怎麼蓋上去的?算算有多少磚塊,這些磚塊品質夠好嗎?磚塊哪裡來的...




批判性思考也就是在問這類的問題:

  • 主張是什麼?
  • 想回應的問題是什麼?
  • 有哪些證據?這些證據品質夠好嗎?有多少可信度?證據來源是什麼?
  • 你的證據如何支持你的主張?為什麼這些證據可以推出這個主張或結論?


這些問題也就可以轉化成為論證的教學策略,以下就來一一介紹



論證的教學策略-從文章找主張和證據

從文章中找到主張和證據的方法,我以這篇文章來說

這是一篇學生寫出關於樹蛙的論證。
問題:在這池塘裡,樹蛙是捕食者還是獵物?
在這個池塘裡,樹蛙同時是捕食者也是獵物。我們觀察到樹蛙會吃飛行的昆蟲,像是住在池邊的豆娘。在兩天內,我們觀察到七隻飛行的生物被吃,我們也觀察到樹蛙吃了兩隻蝌蚪。此外,我們在圖鑑裡讀到,樹蛙會吃這些生物。所有的證據都指出樹蛙在這個池塘裡是掠食者。然而我們也觀察到一隻大魚吃了一隻樹蛙,我們從圖鑑裡讀到像浣熊和鷹也會吃樹蛙。這些都是樹蛙是獵物的例子。因此樹蛙在這個池塘裡是捕食者也是獵物。
文章來源:A Guide to Developing Argumentation Practices in Science:Reteaching Loop: Reading Arguments
從文章中可以分析出以下資訊
主張
在這個池塘裡,樹蛙同時是捕食者也是獵物。
支持是捕食者的證據和推理:
我們觀察到樹蛙會吃飛行的昆蟲,像是住在池邊的豆娘。在兩天內,我們觀察到七隻飛行的生物被吃,我們也觀察到樹蛙吃了兩隻蝌蚪。此外,我們在圖鑑裡讀到,樹蛙會吃這些生物。所有的證據都指出樹蛙在這個池塘裡是掠食者。
支持是獵物的證據和推理:
然而我們也觀察到一隻大魚吃了一隻樹蛙,我們從圖鑑裡讀到像浣熊和鷹也會吃樹蛙。這些都是樹蛙是獵物的例子。




論證的教學策略-比較證據的強度
針對文章中的不同主張,找出各自支持的證據,並比較其強度。你可以在路上搜尋台東大學生命科學系教授劉炯錫發表的文章-《當消失蹤影40年的雲豹在阿塱壹森林現身》

在文章中找到對不同主張支持與反對的證據,並計算數量與評估證據的強度。



主張:雲豹還存在
主張:雲豹已經消失
支持的證據


反對的證據





論證的教學策略-需要哪些證據來支持主張
在課堂上很少用到論證的其中一個原因,教學時教師就不常使用論證,我們經常是直接說明主張,例如:「生物生存的環境稱為生物圈,生物圈的範圍是海平面上下約一萬公尺」

這樣一段看似敘述文的句子,其實本來是個論證。這個論證要論的問題是「生物圈的範圍有多大?」,主張是「生物圈的範圍是海平面上下約一萬公尺」。

當教師在教這簡單的兩句話時,可以用這些提問來訓練批判思考的能力

  • 請問要提出這樣的主張,需要哪些支持的證據?
  • 這些證據要如何取得?
  • 在某處發現了某種生物就代表它在那裡生存嗎?



論證的教學策略-寫出推理

我覺得推理是架構裡比較難的部份,因為要能夠應用科學原理或科學概念。
以下使用的例子來自A Guide to Developing Argumentation Practices in Science:Reteaching Loop:Using the Reasoning Tool to Develop a Strong Written Argument


這是一個關於蔬菜的論證
主張:多吃蔬菜有益健康
證據:蔬菜含有纖維素和維生素C
提問:「為什麼含有纖維素就會有益健康?為什麼含有維生素C就會健康?」也就是寫出推理



證據
推理:這個證據很重要,因為...
主張
蔬菜含有維生素C
維生素c可以幫助癒合傷口和抗氧化
多吃蔬菜有益健康
蔬菜含有纖維素
纖維素可以幫助排便




論證的教學策略-證據的分類
針對某個問題,給學生許多證據,讓學生從這些證據中挑選相關的證據,並提出推理的過程,說明這些證據如何支持主張。

這部份可以參考我之前的文章《科學論證:證據分類【世上是否有性狀相同的兩個人】


論證的教學策略-你支持哪個主張?
在真實世界裡,我們會遇到需要考慮科學知識來做決定的時刻,舉凡電廠的興建與否、環境開發問題等,這些都是社會科學論證(Socioscientific argument)的範疇。這些論證不只會用到科學證據,也會包含了個人觀點或價值觀。

以下使用的例子修改自sciencearguments.weebly.com在Talking Assessment的Critique and co-construction lesson

情境是這樣的
學校有一個池塘,旁邊有樹、草、水生植物、青蛙、魚、鳥和許多昆蟲。許多班會在池塘盤邊做活動,無論是生物觀察或是素描。但最近發現,池塘裡出現孑孓,附近開始出現蚊子。

因此有些課程開始不會帶到池塘邊進行,因為學生們總是抱怨被蚊子叮咬。父母們擔心這些蚊子可能攜帶危險的疾病。一位老師建議放養蓋斑鬥魚到池塘裡來解決這個問題,因為這些魚吃蚊子。另一位老師則建議到池塘邊只要噴防蚊液就可以。


以下是一些各種證據

  • 蓋斑鬥魚可以產出超過100隻的子代,這麼多的魚可以把孑孓都吃光。
  • 蓋斑鬥魚棲息於池塘、沼澤地帶、稻田等水流和緩的地區,因此在學校池塘也可以生存。
  • 大多數的防蚊液可以使用在學童身上。
  • 蓋斑鬥魚會吃很多種生物,這會使得原本在池裡的蜻蜓幼蟲或其他原有魚類吃不到食物。
  • 蓋斑鬥魚平均每日可吃掉3百多隻孑孓。
  • 使用防蚊液可以避免被有登革熱的蚊子叮咬。
  • 如果防蚊液接觸到眼睛或嘴,可能會造成危險。
  • 蓋斑鬥魚是對人類無害的生物




教師引導學生使用這些證據,讓學生思考應該使用哪些證據來支持主張。並且要思考如何用適合的證據反駁另外的主張。


以下還有很多可以作為材料的論證題材

  • 運動員可以使用自體輸血來增強運動表現嗎?
  • 學校應該禁止碳酸飲料嗎?
  • 是否該為有遺傳疾病或心智障礙的人強制節育(https://theinitium.com/article/20190305-international-japan-wasedachronicle-sterilisation/)
  • 熱的菜是否應該放在冰箱?
  • 是否禁止使用農藥巴拉刈?
  • 為何不能近親通婚?


如何寫出論證的文章
論說文就是一篇論證的文章,內容當然也就包括了論證的元素,你想討論的問題是什麼?你的主張是什麼,你所持的證據和推理又是什麼?而更好一層的論證,還必須提出其他的主張,並且說明他們是基於什麼證據和推理而提出這樣的主張,而又有什麼證據可以反駁這個主張?

在科學探究的過程中,最後撰寫的研究報告就是一篇論說文,也就是說應該要也有這些元素。不過學校裡的研究報告通常都只是呈現實驗結果而已,或者再多一些對結果的解讀。比較少做到的是寫出推理的過程,以及做到反駁其他主張。


這裡列出一個在Argument Driven Inquiry的論證報告格式,它包含了以下內容。

  • 簡介
    • 在課堂上我們已經學習了...
    • 在研究開始之前,我們知道了....
    • 這個研究,我們的目標是....
    • 我們要研究的問題是....
  • 方法
    • 為了要回答這個問題,我需要獲得資料。我的方法是....
    • 接下來,我這樣分析我收集的資料...
  • 論證主張
    • 我的主張是...
    • 證據
      • 圖表製作
      • 分析:在此圖中,顯示了......
      • 解讀:這個分析指出....
    • 推理
      • a.當我分析我收集的資料後,我猜想...
      • b.這個證據是重要的,因為...
      • c.我決定使用這個證據來支持主張,因為...



而在進行一份探究實驗前,還會有研究計畫書,說明你要怎麼進行觀察或實驗。
像這份是描述性研究的探究計畫書


研究問題

你將會收集什麼樣的資料







你會如何收集資料

你的步驟














安全注意事項
你會如何分析資料





你的實驗結果






而如果是比較性質的,或是有實驗設計的,則是會提出不同的假說,並說明這些假說成立時,應該會觀察到什麼現象。

I研究計畫書:比較性或實驗研究(兩假說)

問題
假說一
如果...
假說二
如果...

步驟
你會收集什麼資料


你會怎麼分析資料





有什麼安全注意事項




如果假說一是正確的,預期結果是...





如果假說二是正確的,預期結果是...
實際結果






 


評估論證
具有好的論證能力,批判思考的能力不可少。前面所提的教學策略多數是只針對論證的其一或其二元素,像是找出主張,分類證據等。如果要做得更進階,就必須要有能力評估整份論證文本。

以下列出的科學論證的指標(Rubrics),可以讓學生用此指標評估其他同學書寫的論說文外,也可以用此指標評估科學新聞報導,或是科普文章的好壞。

多數rubric的內容會用一個指標,根據程度不同給予不同分數。例如提出主張一項,可能會像這樣【0分:沒有提出主張, 1分:有提出主張,但主張不明確 2分:有提出主張,並清楚說明主張。】。不過給學生實際使用時,學生常常會分不清一些模糊不清的界線。改用這種y/n的分類就會方便一些。

科學論證的指標(Rubrics)

項目
是(1)
否(0)
意見或建議
主張
主張是正確的



清楚說明主張



證據
利用實驗資料、測量或觀測的資料當證據,而非個人經驗或個人想法



說明資料來源或取得的方式



包含對資料的分析,例如說明趨勢變化



提出多項證據,或提出足夠的證據



證據和主張相關



推理
解釋證據為什麼重要,或是證據和主張為什麼相關



將證據與重要的科學概念或科學原理做連結



反駁
提出其他的主張



以證據解釋其他主張為什麼是不正確的、或是不相關、不重要的



科學語言
合適及正確地使用科學名詞



架構
使用完整的句子說明



句子的順序和編排有助於理解



沒有錯字,標點符號正確





引導學生思考的提問與提示
在沒有引導之下,學生提出的主張常常會是依據個人的經驗或看法,並非以科學證據。透過教師的提問和提示,可以避免學生在推理上出現的漏洞。你可以做的提問或提示包括這些:
  1. 你的主張或推論的依據是什麼?
  2. 你收集到什麼證據來支持你的主張、你的想法或是你的假設?
  3. 為什麼你會覺得是這樣?
  4. 你的意思是什麼?
  5. 這個證據支持或是反駁你的主張?
  6. 這個資料是不是公正的?是否可信?
  7. 你會怎麼解釋這個資料或證據?
  8. 操縱變因和應變變因有什麼關係?
  9. 這個資料怎麼說,或是這個資料意味著什麼?
  10. 從這個證據你會下什麼結論?
  11. 這個證據怎麼證明你的主張或是反駁你的主張?
  12. 從你收集到的證據,你會提出怎樣的解釋?
  13. 這個結果如何支持你的預期?
  14. 關於這個現象你已經知道的事情,這個結果如何支持那個你已經知道的事?
  15. 你能解釋一下這個結果嗎?
  16. 你可以建立一個模型來支持你的解釋嗎?
  17. 關於這個問題,你一開始設想的是對的嗎?
  18. 你會如何為你的發現辯護?



論證結果的呈現與同儕回饋的方法
以論證為基礎做的探究實驗不一定非要每個人都寫一篇報告,也可以同組將某個實驗的結果展示在分組小白板上。上面依照CER架構呈現了問題、主張、證據和推理。

隨後每組留下二人解說展示成果的小白板,其他人則是到各組聽他們的成果。在ArguentDriverInquiry的網站上介紹了一個幫助學生做論證回饋的方法。可以發給學生四色便利貼或紙卡,而上面已經有印製了回饋的句子,分別是:

  • 你可以再多解釋一些.....
  • 我喜歡這個,因為....
  • 我們建議你可以增加...
  • 我們建議你可以把....改成....


學生在看了別人的小白板成果之後,就可以用引導句完成回饋後,把這些便利貼或紙卡貼在對方的作品上給予對方回饋。



論證語言
我看了這些大量資料後,整理了一些論證時可以使用的引導句,或稱為論證語言,都可以幫助學生在口說或文字表達時敘述得更完整。
  • 當你要說明證據和主張的關係,你可以這樣說
    • 我認為這個證據支持主張....,因為....
    • 我不認為這個證據支持主張....,因為....
    • 這個證據很重要,因為...
    • 主張A更有說服力,因為...
    • 主張B比較弱,因為.....
    • 我認為這個證據支持主張,因為....
    • 我不認為這個證據支持主張,因為....
    • 我同意,因為....
    • 我不同意,因為,...
  • 回應對方的論證時,你可以這樣說
    • 你認為這個證據支持主張嗎?為什麼?
    • 你可以解釋你的想法嗎?
    • 為什麼你會認為...?
  • 別人在發表時,你可以這樣說
    • 所以,我聽到你說的是....
    • 聽起來你的意思是....,對嗎?
    • 你說的是....,對嗎?
    • 你所說的主要是...,是嗎?
  • 當你同意對方所說的,你可以這樣說
    • 我贊成某某所說的...,因為
    • 基於你所說的,我想我們可以說....
    • 我補充某某所說的..
    • 可以支持這個主張的另一個證據是....
    • 某某說得有道理,因為...
  • 當你不同意對方所說的,你可以這樣說
    • 我不同意你,因為
    • 我想這有一些不同..
    • 我不覺得你說的是合理的,你說...
    • 你的想法裡的有一個問題是...
  • 在團體討論時,可以對大家這樣說
    • 有沒有人有些話想說
    • 有沒有人有不同的意見
    • 因為我們還沒有聽到他的意見,所以讓我們給某某一個機會聽聽他的說法
  • 在團體討論時做結論時,你可以這樣說
    • 我們可以同意...
    • 看起來大多數人都覺得...,對嗎?
    • 所以我們可以這樣說嗎?.....
    • 記得關於這個問題,我們正在討論的答案是...
    • 我認為我們可能可以回到這主題,這和我們的主要問題的關係是...?
    • 我們是不是離答案越來越近了?


布魯姆的教育目標分類表裡的論證和批判性思考
在布魯姆的教育目標分類表裡,從簡單到複雜分成了六個層次,知識、理解、應用、分析、綜合與評鑑。我會透過行為動詞來檢視自己是不是可以達到不同層次的認知目標(例如這份文件或是這份文件)。
在教師講述的教學中,所能達成的認知目標,大多是在知識和理解層次的。而如果要能讓學生做到應用、分析、綜合、評鑑則需要不同的教學方式了。而我認為結合了論證和批判思考的探究教學,更能達成這些較高層次的教育目標,例如提案或撰寫一篇研究的計畫、評論或評估他人的論述。

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