2021年12月10日

人眼解析度與角分

在談解析度之前,先認識一個角度單位-角分、角秒。

一度角的1/60就是角分,一角分的1/60就是角秒。

所以 1°(度)= 60′(角分)= 3600″(角秒)

有了這兩個單位之後,接下來講解析度,才能有比較好溝通喔。


108課綱的自然課本有了一個跨科主題,裡頭講到了「尺度」,問了一個問題:人的肉眼可以看到多小呢?

課本是這樣說的:「距離人眼25公分處,兩點須相隔0.1 毫米以上才能被分辨」這所說的就是人眼的分辨率。

讓我們先算算這樣的兩點和眼睛夾的角度是幾度?

用google計算機的反三角函數arctan來計算一下 arctan((.1 ÷ 250)) 的角度是 0.0229 度


把0.0229度換成角分,就是 1.374角分,差不多是 1角分。
也就是人眼的分辨率是一角分左右,不過你也知道,每個人的視力不同,當然就會有不同的分辨率囉。

想想你做視力檢查的時候,不是得站在一張印了很多C或是很多E的海報前,遮住一隻眼睛,筆劃著C或E的開口朝哪個方向嗎?
註:兩種視力檢查表稱為藍道爾氏C字視力表(Landolt’s C Chart)和史奈侖氏 E 字視力表(Snellen’s E Chart)

你之所以能分辨開口,就是因為你看得出開口在哪。而你看得出開口在哪,就是因為你分得出開口兩端的兩個點。所以做視力檢查,就是一個做分辨率的檢查,看看你可以看清楚幾角分。

以E chart來說,距離海報特定的距離時,視力  1.0 看到的「E」高為5角分。E的右側有五條橫線(三黑二白),每條橫線有一角分的高度。如果是C的話,C的高度為5角分,缺口則為 1角分的高度。(這個特定的距離通常是這樣:C字表是距離 5 公尺,E 字表則是距離 6 公尺)

無論看C或看E,視力有到1.0,就是你可以看清楚1.0那排C或E的方向,因為你可以看清楚相距 1角分的兩個點。(註:檢查視力時的環境光亮度或是海報的對比等,都是會影響視力檢查結果的,也就是會產生測量誤差。)


那視力2.0呢?可不是分辨率達 2角分喔,而是分辨率達 0.5角分。因為你能看清楚越小的角分,代表視力越好。白話一點講,就是視力越好的人,能看清楚越小的東西,所以就是越小的角分啦。

整理一下:
視力 1.0,看清楚 1.0 角分
視力 2.0,看清楚 0.5 角分
視力 0.5,看清楚 2.0 角分
有發現規律嗎?


所以回到開頭說的問題
「距離人眼25公分處,兩點須相隔0.1 毫米以上才能被分辨」,這樣兩點相距是 1.374角分,至少要視力多少才看得清楚呢?



順帶一提的,你聽過有人用北斗七星來做視力檢查嗎?
在北斗七星從柄端往杓子數的第二顆星稱為開陽,是個雙星系統,仔細看可以看得到是兩顆星。在維基百科上看到,以前阿拉伯文學或波斯人會說視力最好的人才能看得到這兩顆星。這兩顆星看起來的距離有多少呢?大約是11角分到12角分之間。
你也可以計算一下,視力多少的人就能看得清楚呢?



2021年11月30日

利用SEMM測量指紋皮溝深度

以前做皮膚SEMM時,很想把膠片做橫切,這樣就能測量指紋皮溝的深度,但因為是塗在玻片上進行的,所以膠片會黏在玻片上,無法完整取下,通常拿下來的時候,都會被拉長或是拉斷,所以後來就擱置這個想法了。

但是早上試用科學Maker江老師提供的矽橡膠製成的光柵模具時,突然想到過去那個問題怎麼解決了。

關鍵在於矽橡膠的低表面能,不會黏住熱熔膠,所以我只要先把熱熔膠先擠一團在矽膠模具上,等到降溫到手可以觸碰的溫度時,再把手指壓上去,過幾秒後,就可以印出手指的皮溝模型,而且也能夠順利拿下這個模型。

有了這樣的模型之後,就可以切割這個模型來測量皮溝深度了。雖然不知道量這個要幹嘛,但是總覺得能突破一些過去的問題就覺得很興奮。

下圖示手指皮膚的壓印


下圖則是把上述模型再橫切,就可以看到皮溝的側面,然後就可以測量深度。

2021年11月26日

醬油蛋擴散實驗的數據分析

在擴散作用的原理講解之後,實際用個醬油蛋來進行擴散作用實驗吧。

這個實驗的細節流程可以看我幾年前的紀錄

醬油蛋的實驗

每位同學製作一顆醬油蛋之後,每隔約一小時紀錄一次醬油擴散的距離。收集了全班的數據之後,畫出這樣的圖。

在前一篇文章【用python做擴散作用的建模】中,特別提到短距離擴散會很快,但是長距離就要花更久的時間,時間和距離並非成正比關係。在這張圖中,也約略可以看到這樣的特性。

每個學生之間的數據之所以會都不太相同,原因可能是控制變因,環境溫度、蛋的條件、醬油種類....。




那麼擴散的時間和距離到底呈現什麼樣的關係呢?根據理論應該是時間和距離平方成正比,或者是【時間開根號】與距離成正比。

我們就可以設計另一個實驗來收個數據。讓學生自己設計變因,例如醬油的種類、醬油的濃度、蛋的煮熟方式、存放的溫度等等。然後規定紀錄數據的時間點分別是0、1、4、9、16、25小時。注意到了嗎,都是完全平方數。在數據繪圖時,將這些數據開根號後當作x座標,距離當作y座標,理論上就會得到線性的關係。

例如,下圖的數據來自楊同學的實驗,她使用同一種醬油,但用了不同的濃度作為變因。橫坐標是將小時開根號,因此就可以看到幾乎呈現正比的趨勢。由此圖也可以預測,若要達到 1mm需要多少時間,或是多少時間時可以達到多少距離。







2021的構樹吹泡泡

 最近幾年帶維管束的活動,都會帶學生做「室外教學」,剪一段構樹枝條,讓學生剝皮、啃樹皮、拉扯樹皮體驗韌皮部、觸摸木材,最後用構樹吹泡泡。

雖然活動都相同,但學生都不相同,所以每每都能看到學生的不同有趣面。像是這個,我以前沒想過用分叉的枝條來吹泡泡,吹起來效果也挺好的。



一群人蹲在地上沾肥皂水吹構樹泡泡,看起來實在太像什麼詭異的儀式。


把構樹泡泡,放在構樹的皮上,看起來更顯詭異。


吹構樹泡泡有趣的點,就是這些泡泡本身就反應了維管束三個字的各自含意。
1.泡泡的體積很小,因為維管束的「維」就是「細」長的意思
2.能夠吹出泡泡,因為維管束的「管」是個「中空」結構
3.能夠吹出很多泡泡,因為維管束的「束」是「很多」根管子


除了吹泡泡以外,學生也自己找到了有趣的玩法,拿構樹葉片當成胸花,一邊說著以後畢業典禮就這樣,自己拿構樹組合校園植物變成胸花了。







用python做擴散作用的建模

 在之前的課程裡,我們簡要地以這篇文章「賭博、擴散與擴散實驗」介紹了擴散作用的基本原理。


在學習過程中,我利用colab撰寫python程式進行擴散作用的建模

https://colab.research.google.com/drive/1gL6b-KyEaIiXmm2_4vMAxN4ZyhBvc_48?usp=sharing


每隔一段時間(假設一秒),丟一次只有兩面的骰子。骰子為1,就向右走,骰子為2就向左走
經過N段時間之後(意即丟N次骰子之後),粒子會移動到距離原點多遠的地方?

每次做一組實驗,都會走到不同的地方


如果今天重複做多組實驗呢?例如做了一千組實驗,每個實驗都是丟10000次骰子,那麼大部分會走到哪裡?大部分都只會走到正負100以內的地方,平均移動距離約是80。


用直方圖來看,會更清楚這個趨勢。我們大致上知道丟 10000次骰子,平均可以移動到80左右的部份。




如果我們再做更複雜的實驗,也更完整的實驗,看看N和平均移動距離的關係呢?
看看M次[丟N次骰子]的平均移動距離

例如:
20次[丟1次骰子]的平均移動距離
20次[丟2次骰子]的平均移動距離
...
20次[丟400次骰子]的平均移動距離

然後我們把數據畫出圖,就會是這樣。雖然丟骰子越多次,有機會移動到比較遠的地方。但是會發現次數和距離並不是成正比。前面有說過我們當作每隔一秒丟一次骰子,所以你可以把骰骰子的次數當作時間。換句話說,就是時間和距離並不是正比的關係。



在一維空間的擴散現象就是這樣,在短距離的擴散是快速的,但要移動到更長的距離,就要花更長更長的時間。

由這個實驗去看看我們前篇文章所說的果凍細胞的擴散實驗。如果要讓細胞能快速用擴散作用獲得養分,那麼細胞就不能太大顆。越小顆才能越有效率。

果凍細胞的擴散實驗


此實驗的基本流程:

混有酚紅酸鹼指示劑的紅色果凍,放入醋酸水溶液後,果凍會由外向內逐漸變色。藉由這樣的過程進行各種擴散作用的實驗設計


首先說明酚紅果凍的製作方式

材料用超市購買的吉利T,用 1000水加25g吉利T,加入20mL以上的酚紅(酚紅加越多,果凍可以越紅)。這樣的量,約可以做兩個便當盒的果凍。


用電磁爐煮熱水後,加入吉利T和酚紅,不需要到煮沸,只要能溶解就可以。倒入紙便當盒之後,放入冰箱冷卻備用。估計像上面一盒吉利T至少可製作16便當盒的果凍,而且做完實驗後,果凍還可以回收溶化再製作。

另外需要食用醋,我使用的比例是100mL的水加上10mL的醋。越濃有機會讓實驗進行比較快。

在後續實驗,各組需要的所有工具如下:美工刀、護貝方格紙、長鑷子、裝溶液的燒杯、培養皿、電子秤、碼表


實驗一:

細胞擴散實驗
細胞的大小和形狀如何影響材料進出細胞的速度?

  1. 請將細胞切割成規定大小的方塊。
  2. 計算立方體的表面積與體積,記錄在表上。
  3. 將細胞放入裝醋的容器中,紀錄紅色完全消失所需的時間。

紀錄表格

編號

尺寸
(cm)

表面積
(cm2)

體積
(cm3)

比表面積(表面積/體積)
(cm-1)

時間
(sec)

1

1x1x1





2

1x1x8





3

2x2x2





4

1x1x2





5

1x2x2





6

1x1x3





7

1x1x4





8

1x1x5





9

1x2x3





10

1x3x3






上述的一盒果凍,約可分給三組學生使用,讓學生在護貝的方格紙上切割方塊,投入燒杯後計時觀察費時幾秒果凍可變透明。






實驗報告是將這些數據繪製圖表得到結果,並討論哪個因素對擴散速率的影響最大?解釋這個因素這麼重要?


實驗二:

形狀如何影響擴散速率?

設計一個擴散效率最佳的細胞,其體積和質量最大化但擴散時間最小化的細胞,請將你的細胞畫在下方。

這個實驗需要使用電子秤,學生設計好並切割果凍細胞後,放在培養皿上秤重。(須先秤培養皿空重)

學生的分數計算方式是「果凍重量(mg)/時間(sec)」。也就是要能在最短時間內,使最大質量的果凍變透明。這仰賴著學生對於擴散作用的理解程度。

在此實驗中,我另外限定了一個條件,細胞必須在20分鐘內變透明,否則視為死亡。畢竟一個細胞如果要花上20分鐘,都無法使外界的養分擴散到細胞中央,那這細胞怎麼活下來呢?

事實上在此實驗進行前,我們已用了不少時間不斷講解細胞尺寸與擴散作用的關係,但學生還是會做出許多匪夷所思的細胞尺寸。



只有一位鍾同學,因為熟讀之前的教學講義,他做出重量很極端的細胞,一開始還被同學嘲笑,但最後只有他能順利完成。在此我就不說能夠成功的細胞應該具有什麼樣的尺寸特性了,請各位可以自行試試看。


此課程的學習單如下

https://docs.google.com/document/d/1-sxzuN-fOs9OnNZPNEs-n8qHwF_l32F-iMs-WCpW2yE/edit?usp=sharing


用電子秤進行蒸散作用實驗

 


在過去的教科書實驗中,蒸散作用的實驗一直都是用量筒來進行的,但很明顯的量筒在測量上會有一些測量上的誤差。

一般作法有兩種流程,先在量筒裡加固定體積的水,再插入植物一段時間,拿出植物,觀察量筒的水量。這樣的問題在於拿出植物時,可能會夾帶一些水分,使得蒸散作用被高估。

第二種流程是,先在量筒內插入植物,再將水倒入到特定刻度線,一段時間後,觀察水量降到哪一個刻度線。這樣的流程前提是插入的植物上下必須等直徑,不然就會高估或低估蒸散量。

改變實驗裝置,就可以修正這些誤差,像是用電子秤。我使用的電子秤,精度到0.01g。

流程是,杯子裝水後插入植物秤初始重量,一段時間後,連杯帶植物再進行秤重,算兩者的差距。但是光是這樣秤,並不代表減少的水重都是因蒸散作用,因為杯中的水也可能會蒸發。

這部份就可以讓學生討論用不同的實驗設計來克服,例如使用塑膠袋包住杯口,挖洞讓植物插入就好。或是另外準備一杯水,在同樣的蒸散作用進行環境和時間後,測量蒸發的水有多重。

有了上述的實驗測量模組之後,就可以更精細的比較各種植物的蒸散量差異了。例如選用同樣重量的植物,或是同樣長度的植物,或是不同葉片量的植物...。




修改教科書的光合作用實驗的實驗,自訂操縱變因與練習提問與假說

教科書裡設計探究光合作用的實驗時,是利用鋁箔紙包住葉子去看有包和沒包的差異,因為有這樣的設計,所以通常要在實驗前三到五天就要先設置好葉子。

不過如果我們想在沒設置的情況下就開始做實驗,實驗的操縱變因可以怎麼設計呢?

今年的實驗我這樣操作,先教學生這個模組-「煮葉子、放酒精裡隔水加熱、漂洗、滴碘液」,就是一個檢驗葉片內澱粉的固定流程,然後用一片葉子做示範。

接下來就要求學生要作到的目標-到校園裡找同種植物的兩片葉子,在經過檢驗澱粉後,必須要能看到兩片的澱粉量有明顯的不同。

先說結果,超過半數的學生都可以像下面幾張圖一樣,做出兩片不同有截然不同結果的葉子。

 











學生尋找的模式大致如下
  • 找植株頂端的嫩葉和底下的老葉
  • 找被其他葉子覆蓋的葉子,和沒被覆蓋的葉子
  • 找操場上直接照到陽光的葉子,和圍牆旁的葉子
我讓學生去尋找兩片葉子之後,接下來會詢問他們幾個問題。問題一:「為什麼你覺得這片葉子會比那片葉子的澱粉量還多?」

而他們的回答,就成了實驗報告裡寫下的「提出問題」,例如:
「植株頂端的葉子澱粉量會比植株底部的葉子澱粉量還多嗎?」
「沒被其他葉子覆蓋的葉子澱粉量,會比被覆蓋的葉子澱粉量還多嗎?」
「直接照到陽光的葉子的澱粉量,會比間接照到陽光的葉子澱粉量還多嗎?」

接下來,我問了問題二:「為什麼你覺得A葉子,會比B葉子的澱粉量還多呢?」

他們的回答,就是實驗報告裡的「提出假說」,像是
「直接照到陽光的葉子,因為接受光線的時間比較多,所以會有比較多澱粉」

在「提出問題」和「提出假說」之後,就是讓他們循著一開始教學的檢驗葉子澱粉的模組進行實驗,最後在讓學生寫出或畫出結果。

然後,就是讓學生寫出「結論」
通常學生都無法一次就寫出完整的結論,他們可能會把結果當作結論在寫,所以必須在這一步驟留下比較多的時間進行反饋和修正。


2021年10月20日

唾液澱粉酶實驗的系列探究

 


國中生物科實驗裡,這個用本氏液測澱粉酶活性的實驗算是一個難得可以進行各種探究設計的實驗。課本本來的設計中,操縱變因就是唾液澱粉酶的溫度,一個是常溫或是放在熱水中。

不過除了這個以外,還有非常多可以挑戰的實驗設計。

1.口水中是否含有糖?

這個算是單純的觀察,在正式實驗開始時,用這個步驟來確認最後產生的糖並非來自口水。做法就是口水加入本氏液就可以。額外一提,目前收集口水的方式就是每個學生咬一個棉花球50下,然後把棉花球共同吐在一個燒杯中,我隨後加一些水進去燒杯再搖晃就可以了。

2.澱粉經過糊化後是否有糖?

使用澱粉液和糊化的澱粉液,分別加入本氏液做觀察,答案當然就是都沒有糖。而這部分的實驗執行在於如何使兩種澱粉液都是固定量,我本來的做法是在兩燒杯中配製好澱粉液之後,把其中一個燒杯放入沸水隔水加熱使其糊化,但這樣的做法最後會無法將所有糊化澱粉取出放在試管中。

所以後來我改順序之後,那就可以定量了。在一個燒杯中配置好澱粉液之後,分別倒入兩根試管。其中一個試管放入沸水中加熱糊化,另一根就是維持原本生澱粉的狀態。這樣兩管的澱粉就是相同含量了。

3.澱粉糊化後是否會產生比較多的糖?

使用上述的做法做出一管生澱粉液和糊化澱粉液之後,再加入唾液,等待唾液和澱粉反應之後加入本氏液隔水加熱之後,就可以觀察到現象。其實「等待唾液和澱粉反應」要等多久?放在什麼溫度裡頭?這個是後續實驗才做的,不過因為我已經事先知道答案了,所以這部分我直接示範來完成。

其實只要在室溫中搖個十幾秒,糊化澱粉就可以有反應了。如果是生澱粉,就要更久的時間。

這部分其實也延伸出幾個問題,想想我們是怎麼吃澱粉類食物-五穀根莖類是怎麼吃的?從來就不是生吃的,都是煮熟來吃的。而煮熟來吃究竟有什麼意義?第一就是幫助消化,這從實驗結果可以很明顯看得出來,只要煮熟了,消化就可以非常有效率。第二是風味,既然已經幫助消化了,當然就可以產生麥芽糖這些糖類,使得這類食物增加風味。第三是減少毒性,加熱的過程可以破壞一些植物鹼,使得人類可以吃得了根莖類。

其實反過來想想,如果煮熟和沒煮熟都是一樣的消化速率,那麼我們的午餐就發一杯磨碎的米和一杯水就好了,何需煮飯呢。

4.唾液澱粉酶需要多少時間使糊化澱粉分解產生糖?

在前述實驗已經知道澱粉糊化後可以增進消化效率,那麼就來試試看需要多少反應時間吧?在教科書裡的實驗設計是「35-40度的溫水中靜置15-20分鐘」,真的需要這麼久嗎?

準備好糊化澱粉液之後,加入口水就開始計時,分別是0秒、15秒、30秒、60秒。時間到就立刻加入本氏液,隨即放入沸水中隔水加熱看反應。你沒看錯時間,的確就是這樣。事實上只要15秒,糊化澱粉就會開始分解產生糖

其實你從現實面來想也知道,我們吃飯有在咬一口飯15-20分鐘的嗎?你去咀嚼飯來感覺甜味的產生需要多少時間呢?

如下圖的試管,由右至左依序為0秒、15秒、30秒、60秒



5.唾液在沸水中加熱多少時間,就會失去活性?

回到課本的實驗設計「隔水加熱10分鐘」讓唾液澱粉酶失去活性,但是呢?真的需要這麼久嗎?這個實驗只改變唾液浸泡於沸水中的時間,分別是0分鐘、1分鐘、2分鐘、3分鐘...。

在此一提,我們的實驗器材是電磁爐加熱的沸水,實驗結果顯示只要加熱1分鐘,酵素就已經失去活性。不過啊,如果你是從溫水開始加熱的水,可能就要加熱很久了。


6.本氏液是否會影響酵素的活性?

在實驗設計中,通常本氏液都是最後在隔水加熱前才加入的,但是如果是在酵素反應期間就加入本氏液是不是會影響酵素反應呢?如果先加了本氏液也不會影響酵素活性,那麼是不是就可以改變實驗流程,讓實驗流程更加簡便呢?

想想看,「本氏液加入順序」作為操縱變因的話,我們應該怎麼規劃設計這樣的實驗?唾液該加熱嗎?澱粉液該糊化嗎?反應時間應該多久?

其實,實驗規劃沒有先加入本氏液的原因,就是因為本氏液會影響酵素的反應。唾液與澱粉反應時,若先加入本氏液,則反應有可能會受阻。

7.反應時靜置或搖動是否影響酵素反應?

在前述的實驗都已經得到最佳解之後,接下來可以再試試反應時候的靜置或搖動是不是會影響酵素反應。想想消化過程中的物理消化,其中的意義是什麼?為什麼吃東西要細嚼慢嚥?

8.反應時的溫度是否影響酵素反應?

在教科書的實驗設計是讓酵素在35-40度的溫水環境靜置15-20分鐘,但是實際上我們在室溫24度的環境下,搖晃15秒就可以看到酵素反應的結果。根據酵素作用的原理,溫度提高當然可以提高酵素活性,那麼24度和35度的反應環境溫度是否會產生可觀測的現象差異呢?





2021年10月19日

校園植物找醣類

學完食物中的養分這樣的單元之後,要跟生活發生關係的話,除了拿食物來做測定醣類的實驗以外,其實帶學生走出教室進入校園去做探索,也是不錯的選擇。

其實會拿來做測試的食物,如米飯、芭樂等不就是植物的一部分嗎?所以與其說是要從食物裡測試養分,倒不如可以把主題拉成「找尋含有澱粉或葡萄糖的校園植物」

這樣的主題,難度是一定有的,因為要先有學科知識做背景,像是知道五穀根莖類可以提供澱粉,所以如果你要在校園植物裡找尋澱粉,你就得先找到五穀根莖類。當然,一般校園裡應該應該是找不到五穀啦,然後你就要想「喔,所謂五穀就是種子(種實)之類的東西啊,所以就要去找種子囉」

像這個是福木的種子,用枝剪剪開後,滴上碘液就可以檢測是否含有澱粉了。



這個則是酢漿草的根,滴上碘液也可以找到澱粉的蹤跡。


而如果是要找含有葡萄糖、麥芽糖的植物部份呢?當然首選就是找果實了,而且最好是漿果,這就要看學校裡方不方便找到了。

既然是要帶到校園裡操作,當然實驗器材就是一個問題,教科書裡的實驗操作流程是用了玻璃試管加了待測物,滴上好幾毫升的本氏液,再放在燒杯中隔水加熱看結果,在校園中操作有可能用這樣的器材嗎?

不要讓器材限制我們,你要把它當作微型化學實驗在做。像我目前進行這實驗的方法,就是用小型封口袋如0號或1號封口袋,本氏液就滴兩三滴進去,由於袋子薄,所以只滴這一點點,就足以變成薄層的試驗環境,加入待測物之後,再準備燒杯盛裝飲水機的熱水1/3杯,把封口袋放進熱水中,大約10秒就可以看出結果了。

為什麼可以這樣做?首先塑膠袋導熱快,本氏液只加一點點,所以葡萄糖或麥芽糖很容易把銅還原出來,而且只要一點點銅被還原出來,顏色就會改變讓你看出結果。如果你用試管,一裝就是3-5毫升,那要還原出很多銅才能看得出結果。再者,塑膠袋沖洗過可以再繼續重複做很多不同的實驗,就不用太擔心浪費的問題。

所以如果是要在校園裡測校園植物的醣類的話,就是找一個附近有飲水機的空地,帶一些封口袋,還有數罐用點眼瓶盛裝的本氏液,那就可以了。

2021年9月27日

用手指頭泡水做的十分鐘實驗

 以下介紹的這個實驗是在這樣的討論脈絡下進行的。

在學完了教科書內的知識:紅血球放在清水中會脹破、放在生理食鹽水不會改變、放在濃鹽水裡會縮小。

然後我就問了學生:「你們平常洗澡是用清水洗吧?那麼你的細胞會一個個脹破囉?你們洗澡洗了十幾年了,脹破了嗎?」

我接著說:「如果沒有脹破,那就是教科書寫的是錯的嗎?」

再來又拋出一個問題:「那你們喝水呢?喝清水還是生理食鹽水?」

拋出了一些認知衝突的問題之後,接著就是收割學生的答案

例如有學生說

「還是會脹破,就像是每次洗澡都可以搓出一些屑屑」

「應該不會脹破,因為皮膚會保護」

「喝水不會脹破,因為身體會稀釋」

無論這些答案是對是錯,都是對現象的猜測和推測原因,都是值得被鼓勵提出的。


我再繼續問,「如果清水會讓你細胞膨脹,為什麼洗完澡手會皺皺的?」

這樣的問題總是可以引起很多兩極化的答案,像是

「因為其實是萎縮,所以才會變皺」

「膨脹把皮撐開了,所以才會皺皺的」(我追問這樣的答案,籃球打了氣膨脹之後會變皺嗎?為什麼皮膚膨脹反而變皺?)

在這裡先打住,我不打算在這解決這個問題答案,我們來做個實驗吧。

很簡單的實驗材料,每個人三個小杯子,各裝了飽和鹽水、生理食鹽水、清水,就這樣,還有大家的手指頭。




我拋下了這個實驗問題「手指放到不同濃度的水哩,會發生什麼事情?」,請大家在筆記本上寫下假設。

假設包含了預測可能發生的實驗結果,也推測可能的原因。所以不只是寫下哪杯會變皺,而更要寫出「因為....」。在沒有特別說明的情況,很多學生會用自己的經驗來做為原因,例如「放在清水中,手會變皺,因為洗澡的時候就會這樣」

再來就開始作實驗,但實驗需要對照組或稱為控制組。我們可以用另外一隻手當對照組嗎?看看兩手的皮膚相同嗎?顯然不太一樣,那麼還可以用什麼當對照呢?其實就是拍攝實驗前後的差異就可以。

在拍攝了實驗前的手指之後,一聲令下,所有學生把三根手指頭插在三杯水中等待著,只要十分鐘就可以,我讓學生五分鐘的時候先拿起來看一下,然後再插回去。

十分鐘一到,用衛生紙擦乾手指,立刻再拍一張照片做對照,看看到底是不同濃度的鹽水造成的影響有什麼不同,接著請學生紀錄結果。



結果的紀錄必須是客觀的,如果光講變皺或是有點皺,可能不同人就有不同的形容詞。你要怎麼將質性的描述變成量化的描述呢?如何測量皺的程度?

寫完了結果表格之後,接著就是結論的撰寫。

在結論中,需要把結果簡要說明清楚之外,還要再說明這些結果的意義是什麼?它有沒有反駁你一開始的主張?或是支持了你的主張?而這些結果又可能是什麼樣的原因造成的。

在學生實驗結果中,幾乎所有學生都猜錯實驗結果,只有一位猜對。所以我相當推薦這種「怎麼做出來跟想像的不一樣」的實驗。

這邊說一下,這樣的實驗結果不單是擴散作用或是滲透作用的原理,處理的對象其實是角質層,所以結果會更不同。


乾草浸液裡的科學探究問答

乾草浸液是生物課裡用來觀察水中微生物的一種重要材料。

細節可以看看這篇  http://a-chien.blogspot.com/2005/09/blog-post.html

取一撮乾稻草放在水中,過幾天之後就會發現水上浮了一層膜,取一些膜,或是取得杯底的沈澱物。總是可以發現很多微生物。

在今年的課程中,當學生觀察末了,我請學生思考一個問題:「這些乾稻草是五六年前從稻田裡拿來的,就包了一包放在實驗室裡。直到上週才取出一些放在杯裡,再加了水。那麼你們剛剛看到的微生物,是哪裡來的呢?」

學生們此起彼落地說:「從水裡來的啊」

剛聽到他們的答案時,有點出乎我意料,但陸續幾個班的學生都是這樣回答,我就有點底了。

我說:「還有可能是哪裡來的呢?」

學生開始猜了:「稻草裡?」、「杯子裡原本就有」、「空氣掉下來的」


有了這些猜測,事情就有趣了。

當我們觀察到一個現象,然後推測可能的原因是什麼?這個過程就是建立假說

「但你怎麼證明你的假說是真的呢?」

「做實驗啊!」

「怎麼做實驗?我要怎麼證明生物是從稻草來的呢?」



一個學生說:「可以弄兩杯水,一杯有加稻草,另一杯沒有加稻草,如果只有加稻草的那杯有長出生物,那就是代表生物是從稻草來的」


我說:「如果我們真的看到了有家稻草的那杯水有長出生物,那麼真的就可以說生物是來自稻草嗎?有沒有其他可能的原因?」

學生沉默了一會,突然有個學生說:「說不定生物是來自水裡的,稻草是他們的食物,所以有稻草就有食物,才會長出生物」

「這樣就有趣了喔,同樣一個實驗結果,卻有兩種可能的原因,怎麼辦?你要怎麼排除?」我意外引導出了這樣的結果,趕緊打蛇隨棍上。

有個學生立刻說:「把水殺菌消毒之後就可以了啊,兩杯都用很乾淨的水,就可以證明了」

我接著說:「既然水可以消毒殺菌,那麼可以把稻草也消毒殺菌囉,那這樣可以規劃出什麼樣的實驗設計呢?」

學生你一言我一語的說著,就討論出可以做這樣的實驗。


我說:「那麼怎樣的實驗結果可以證明你們的假說是對的?」

接著又是七嘴八舌,大致上大家認為這樣的實驗結果就可以證明



不過呢?生物老師們應該知道實際上的結果是這樣,實驗結果變成這樣,那該怎麼解釋呢?



觀察水中微生物的一節課之中,在下課前的幾分鐘大致上可以討論到這邊,我覺得還蠻有趣的。包含了怎麼建立假說、設計實驗、對照組的設置、論證中的反駁主張...。

2021年8月12日

爸媽的高齡者肌力訓練

我承認以前我根本沒想過老年人需要肌力訓練,直到去年我看到何立安的《抗老化,你需要大重量訓練》,以及SBD台灣製作的這些影片,我開始改觀。(書和影片、Podcast都大推,花一些時間看,很值得)



除了這些以外,我自己也開始大量閱讀各種肌力與體能訓練的文獻和書籍,深深覺得這是一件非常重要的事情。


父母進入老年之後,許多需要特別關注的事情,肌力退化、骨質疏鬆...等。以前以為只能靜靜地等著它發生退化,但後來知道原來肌肉、骨質、神經系統都是可以因為正確的肌力訓練而逆轉。


Pubmed上搜尋resistance training、resistance exercise、weight bearing exercise、weight training等關鍵字(阻力訓練、阻力運動、承重運動、重量訓練),你會發現好幾年前就有大量的研究關於重量訓練與許多疾病的預防或改善有相關性或是因果關係。總之,正確的作就是了,但是怎麼作呢?



肌少症的評估

抱著一些擔心的心,我一開始做了一些肌少症的簡單評估

你可以看這位復健科醫師的文章《醫療-亞洲肌少症小組2020年更新》,看看有什麼評估方式?

自家能作的像是握力、六公尺步行速度、五次椅子站立測試。你也只需要皮尺、握力計、計時器就可以。就算不拿工具,在旁觀察年長者的走路速度也可以,走6公尺的距離如果超過6秒就要注意了。真心說,老年人的肌力體能下滑速度,快得難以想像,不過只要還能走,關節活動度還可以,就可以靠重量訓練去提昇。


高齡者的重量訓練課程怎麼進行?一開始就丟進健身房練器材嗎?並不是。就算是非高齡者也不行。


第一堂課

無論如何,第一堂課一定是脊柱中立的觀念與髖關節鉸鍊動作

這些姿勢知識我教過一些人,每個人給的反應都一樣

「這個動作這麼重要,怎麼從來沒有人教過」

「這個應該從小就要學了嗎」


這些姿勢不管是不是在重量訓練,你即使在生活中也都要會,從你早上刷牙洗臉、開抽屜,乃至於地上撿一支筆的各項動作。


練習也無須特殊道具,只要一隻掃把就可以,不過這需要現場被觀察與實作的練習。我光用文字描述,不一定能幫助你,掃把可以幫助你練習脊柱中立,讓枕骨、胸椎、薦椎三點靠著它,作髖關節鉸鍊的練習。


什麼脊柱中立?什麼髖關節鉸鍊?應該很多人都看不懂吧?舉例來說,前幾天看到有人問說,「唉呦洗碗的時候用到的腰部肌肉是哪塊,是不是要好好鍛鍊,不然每次洗碗腰都好酸。」


其實簡單一個原則,屈髖不彎腰。髖關節就是你大腿跟身體連接的那個關節,你應該使用髖關節來降低身體,而不是靠腰椎的關節。


看看這張圖,應該可以了解吧。

poseWash


洗手台、流理台那個高度大約80-90cm之間,沒有學過省力姿勢的人就會習慣彎腰使用,但這是一個錯誤姿勢,一定會腰酸背痛。你怎麼改?右邊那個姿勢就是髖鉸鍊姿勢,核心穩定,屁股往後推(髖屈)就好,用屁股和大腿後側的肌肉來用力,而不是靠你可憐的腰。


自我練習的話,我推薦可以看鄭雲龍的這系列影片《屈髖的生活應用|取代彎腰的護腰強背方法》,或是可以在Youtube搜尋「hip hinge」,看看相關影片。

https://www.youtube.com/watch?v=vbfooPLSf7Q

沒有學會這姿勢前,你是不是洗碗、洗臉都是用彎腰的姿勢?你的臀肌和腿後肌力要有力,才能做好屈髖的動作。相對來說,臀腿這些下肢肌力不足的人,往往就只能靠腰了。因此下肢肌力足夠,可以避免你腰酸背痛,來看另外一個例子。



從站到躺,從躺到站

你怎麼從站到躺?或是從躺到站呢?年輕人大概想都不用想就是咻一下就改變姿勢,但是有腰傷的人或是老年人,其實這樣的改變姿勢是有點難度的喔

下圖是人體動作分析觀察臥位到站位的過程,你仔細看看,你的姿勢改變是走哪條路線?有些路線是讓你一起床時,就立刻不均勻擠壓飽滿水分的椎間盤,又彎腰又轉腰的,但是有的路線可以讓你在脊柱中立的情況下,看得出來是哪條嗎?

back2



這張圖來自脊椎生物力學教授Dr.Stuart McGill 的 Back Mechanic,推薦大家練習看看,這就是一個能保持脊柱中立的程序,站位和臥位的轉換透過弓箭步(lunge)、跪坐、四足跪姿(Quadruped,All Four Position)等姿勢。如果你有腰痛的問題,或是希望保持脊椎健康,都可以試試,長者肌肉無力時,這個程序也可以幫助他轉換姿勢。

back


不過下肢肌力不夠的人對於這個「站位-弓箭步-高跪姿」程序會感到困難,就會變成其他以脊柱彎曲的姿勢起身。所以為什麼要練下肢肌力,因為這是你全身最有力的部位,它若沒力,你就得用其他的部位代替它的工作。



第二堂課

接下來第二堂課就是深蹲與硬舉動作

為什麼要學這種恐怖動作?會覺得恐怖,代表你從來不知道這些是人體自然動作,是你在面對移動一個重物應該要有的動作。無論是學生、勞工、家庭主婦等,在生活中你一定有機會從地面往上移動物體,或是從高處移動物體向下。依照物體的體積或重量,就要採取不同的姿勢策略去移動它。


你可以看看之前我作的這些動畫影片



深蹲的訓練,最開始是徒手的箱上深蹲,就是手抱胸屁股碰到椅子就站起,學會動作模式以後,椅子拿掉再訓練。確定姿勢以後,之後有了槓鈴,就會開始練習起槓、出槓、下蹲、回槓等動作,抓在不會失敗的強度下執行。

這個硬舉姿勢喔,其實就是前面提到的髖鉸鍊姿勢。有去costco買過東西的人可能有這經驗。東西比較多的話,櫃台人員會幫你在手推車放個大紙箱,再把各種商品放在大紙箱內。賣場手推車又很高,每次我要把紙箱拿出來,就是用相撲硬舉的方式,腳略開把它抬出來。如果不會這種姿勢的,大概都是靠腰抬。

硬舉是一個投資報酬率很高的動作,不懂的人會以為是一個只靠腰的動作,但其實這是一個全身性的動作,主要發力是臀部和大腿後側肌群,但全身其他背部肌群和核心肌群也都要同時穩定,也同時訓練平衡。光是一開始的彈力帶和空槓硬舉訓練,幾天後我爸就說腿已經感覺變有力,手也有長肉,還摸摸肚子說肚子消了。

前一陣子為了查資料,看了youtube上一些勞工的宣導影片,裡面講到了一些抬舉重物的策略,看了他們的影片或演講,我發現有一個問題,宣導的人知道文字上該怎麼寫或說這些策略,但實際上他們可能沒有自己去試過合理搬重物的方式,所以就會教出奇怪的姿勢。你以為看起來差不多的姿勢,但其實姿勢上的小差異就會造成巨大的不同,有聽過有人地上撿個東西就閃到腰嗎?

反過來說,那麼有重訓經驗或是會舉大重量的就知道合理的姿勢嗎?我在健身房觀察的感覺也未必,許多人對待身體的方式是分兩套的,重訓歸重訓,平常歸平常。


所以,好好學會這些動作,有益無害。



第三堂課-加重量

第三堂課之後,開始要加重量了,怎麼加?


你在網路上查「樂齡運動」「銀髮族運動」等的資料,你會查到一大堆告訴你就用寶特瓶裝水來訓練肌肉的資料,但我告訴你,這絕對不是好的選擇。一個能讓你握在手上運動的寶特瓶有多重?各位知道嗎?絕大多數用的就是500cc到600cc之間,因為再大你就握不住了啊,而且你也會「感覺」重。


說到「感覺重」這件事,這要回到前一陣子我買了拉力秤,其實我的目的就是要秤那些「我感覺重的東西」到底有多重?平常買完菜,一個購物袋裝得滿滿,裡頭有牛奶、各種青菜,提著走覺得重,結果秤出來也才5公斤左右。


一個物體的「感覺重」和它的體積有關,也和你怎麼握持它有關。體積大,你就難讓它靠近你的重心。而你為了握持它,你就會用不省力的方式,例如用手握著它、夾著它,然後你就會用到一些小肌肉去施力,因此你會「覺得重」。


我們作一個簡單的實驗,用拇指和食指捏起你的手機,手機直直朝上,你會覺得很輕,但是手機橫著用手指捏住它,一定超重。


回到寶特瓶的問題,你拿一個兩公升或六公升的寶特瓶來訓練,你一定會「覺得重」,但實際上它並不重。你一定可以輕易抓起一個五公斤有手抓孔的槓片,但是你沒有辦法輕鬆抓起一個五公斤的裝水寶特瓶。


那麼用什麼東西來加重量呢?一開始用彈力帶是好的選擇,因為彈力帶有著變動阻力的特性,拉得越長,就要用更大的力氣來拉它。這剛好可以配合肌肉的特性,完全伸長的時候沒什麼力,肌肉開始縮短時,力量開始上來。


以彈力帶硬舉的姿勢來說,雙腳踩在彈力帶上,無論雙手在腿兩側或在兩腿之間都可以(對應了傳統硬舉和相撲硬舉的手位置)。用手勾起彈力帶之後,用硬舉姿勢站直。硬舉最難的地方是離地起來的那階段,剛好彈力帶那時候阻力最小,因為還沒被拉長,而開始站直的那階段,身體最容易出力,也剛好是彈力帶阻力最大的時候。


初學的高齡者從用十幾公斤阻力彈力帶,很快就能用到二十幾公斤的彈力帶,甚至更高。也就是說,明明長輩可以用更重也安全的重量來訓練,你用寶特瓶就是要他只用0.6公斤的重量在訓練,運動得氣喘噓噓卻沒得到該有的刺激。


準備幾個不同阻力的彈力帶,由輕而重開始進行漸進式超負荷的刺激,也開始讓肌腱、韌帶等軟組織開始適應這些刺激。


不過彈力帶並不是一直這樣用下去,因為接下來就要進入看起來可怕但其實很安全的槓鈴訓練了。以槓鈴訓練作為處方,需要強度、頻率、組數與動作各方面的配合。


槓鈴為什麼很適合?


槓鈴是一種大多數人乍看到就覺得很可怕的東西,會心想「那麼重的東西太可怕了」(例如我一開始就是這麼覺得)。沒錯,槓鈴的確可以扛得很重,但其實它還可以很輕。


標準奧槓或是健力槓的重量是20kg,對有些初學者來說的確是重的,但是你一開始不一定要用這種槓啊,其實有很多特殊槓是很輕的。


再來是持握的方式,20公斤的槓鈴和200公斤的槓鈴,它的重心位置都是一模一樣,甚至高度也可以調整到一樣。但你想想看,20公斤的水袋和200公斤的水袋就不可能一模一樣啊。


再來一點是加重幅度可以很小,不要以為一開始就是拿個一百公斤的槓鈴在訓練啊。如果用8公斤特殊槓,再加上小槓片或配重槓片等,你甚至可以每次加重只加 0.5公斤而已,所以非常適合作漸進式超負荷的肌力訓練。


在思考器材的時候,我本來打算帶去商業健身房來進行,因為可以使用一些槓鈴或啞鈴等這些自由重量。不過考量到幾點,第一,一般健身房都禁止私人教學,即使是家人之間的指導似乎也會被禁止,第二是父母的使用時機是否能配合那些商業健身房。第三,在一般健身房中,他們能不能安心運動?健身房自由重量區被想像的使用意象是年輕力壯的男性或是再加上身材窈窕的年輕女性,因此「高齡者」、「初學者」,或是「肥胖」「瘦弱」等族群在使用上,常常就會自我設限,使用上心裡會不安。


想東想西最後決定在家裡弄個使用槓鈴的home gym,我幾經尋覓找了一組1.5公尺的短槓鈴,空槓重量8公斤,有一些0.5、2、5公斤的小重量槓片,合計50公斤的槓鈴組合。我還特別寫程式計算可以組合出哪些重量,哪些重量又組不出來。就原廠的配重,可以從8公斤開始,加重幅度小至1公斤,重量可配到46公斤,其中只有11、15、39、43公斤配不出來。後來我又另外購買了4片10公斤和2片1.25公斤的槓片,再程式計算看哪些重量組不出來,如果用0.5公斤作級距,一路到88.5公斤,也只有這些重量組不出來。目前看來對年長者的訓練應該足夠。

8.5  9.5  11.0  13.5  15.0  17.5  79.0  81.5  83.0  85.5  87.0  88.0

槓組合


不過還是要說一下這組槓鈴的一些缺點,

  • 孔徑是特殊的28mm,而不是標準的50mm,所以沒辦法買其他的槓片來用。
  • 槓只有1.5m長,遠少於標準槓的2.2m,所以沒辦法用在一般的深蹲架。
  • 槓不是一體成形的,是兩根組合起來的,所以用之前還要檢查一下有沒有鬆脫。


有這樣的槓鈴組合,我可以帶著爸媽用最輕的8公斤進行訓練,每次的訓練只增加少少的0.5或1公斤,用這樣的方式逐步增加肌力。怪獸訓練的何立安老師常說「不要高估一天所能達到的成就,也不要低估一年所能累積的效果」,假設每週就只增加1公斤的重量,看起雖然很少,但一年52週下來也是增加了52公斤喔。不過實際上肌力增長並不是線性進步,到後來就沒辦法每次加重,但其實能到那個階段就很不錯了喔。

空槓8公斤看起來好重喔,但它的重量感小於一個6公升的寶特瓶。你扛這個空槓8公斤深蹲,會覺得根本沒感覺,但你提著或抱著6公斤寶特瓶,你會以為裡頭裝了水銀,你做不下去不是因為蹲不下去,而是因為手指頭沒力。

除了槓鈴以外,我還弄了一組深蹲架回家,因為是特殊短槓,所以只能用分體式深蹲架。有了這樣的組合,用一隻槓就能練全身。其實一開始我還在評估到底還要不要買深蹲架回家,因為那個要走樓梯扛回公寓五樓實在有點麻煩。在那同時,聽到了我一個親戚的故事,某個長輩中風臥床之後,兒子就在家照顧,需要看病的時候,兒子就要背著他爸扛上下公寓樓梯。聽完這故事,我立刻就下訂深蹲架了,扛一次深蹲架總比扛幾年的爸媽好。


高齡者的重量訓練目標不是減重、不是肌肉線條,目標是最大肌力,透過重量刺激肌肉、骨質和神經系統,所以使用的動作就是大肌群、多關節的人體自然動作。


人與環境的互動無非就是站立、蹲下、把東西推出去、把東西拉近身體、把東西從地上抬起來、把東西推到頭頂,所以自然動作也就是推、拉、轉、走這些動作,上肢的水平推(推門、推床起來)、水平拉(拉冰箱門)、垂直推(放東西到頭頂的櫃子)、垂直拉(抓著床板坐起來),下肢的蹲下、搬重物起身、轉髖不轉腰的旋轉身體、走路等。對應著哪些訓練動作呢?其實就是臥推、划船、肩推、引體向上、深蹲、硬舉...等動作。


經過幾週訓練後,70歲的我爸已經可以硬舉一倍體重了,而我媽也說練了之後,覺得腿比較有力氣,走路也比較快了。

我這麼積極作這事跟這張圖有關係。健康餘命是指「身體健康不需依賴他人的平均期望存活年數」。平均餘命減去健康餘命還有8年多,不管是誰啦,趁早增加長輩的健康餘命,對自己一定有好處。而你增加自己的健康餘命,當然也是好囉。

(圖片來源 行政院統計處 國情通報 第158號 )

健康餘命


訓練的好處除了預防肌少症、骨質疏鬆症之外,也有一些研究發現對認知功能或是減緩腦部退化也有幫助,或是幫助提高生活品質。


為什麼說提高生活品質?

中年人(或更年輕)的含胸駝背、肩頸酸痛、腰酸、膝蓋痛等,有可能是肌力不足造成,不過你跟三十幾、四十幾歲的人說他肌肉無力,他一定死不承認。「我還很年輕啊!」

姿勢不良加上肌肉無力,背肌拉不住肩膀、頭又往前掉,肩頸肌肉筋膜緊繃也是指日可待

核心力量不足、臀腿力量不夠,只能靠腰抬重物,能不腰酸背痛嗎?

下肢力量不夠,或是不會用力,移動身體覺得累,走樓梯覺得辛苦,以後連地上站起來都成問題。

肌力骨骼在三十幾歲到達人生巔峰之後,沒訓練沒加分,未來幾十年就只有扣分,更不用提老化之後的肌肉和骨質問題了。


像在骨質疏鬆這件事,在重量訓練剛開始的時候,我就帶爸媽去了有DXA的骨科診所檢查骨質密度,想要先收一下數據,看看爸媽在一開始進行重量訓練時的骨質密度數據是如何?然後打算過半年、一年之後,再來收數據看看。


檢查後看到結果,媽媽的腰椎骨密度已經進入骨質疏鬆的程度,股骨頭則進入骨質不足的階段。醫師說明報告後,隨後拿出衛教單張,上面是含鈣食物排行榜,建議有哪些含高鈣的食物可以吃,然後又拿出一張俗稱補骨針的DM給我們參考,那是半年打一次的藥劑,我上網查了費用,有些是一年一萬多的費用,有些是一個月一萬多。從報告裡的常模來看,女性約在40歲後骨質的減少速度很明顯,停經之後的變化又更明顯,男性當然也會流失,不過女性骨質流失更為快速。我找了一張wikipedia的圖放下面,40歲前不作為,骨本不夠,將來骨質不足或骨質疏鬆是必然。

(圖片來源 https://en.wikipedia.org/wiki/Osteoporosis

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骨質疏鬆了怎麼辦?含鈣飲食、補骨針...還有呢?我翻了衛教單張,看看還有什麼建議,在後面有寫啦,保持適度運動...。然後我就想看看在youtube上那些跟健康有關的節目中「專家們」到底怎麼講骨質疏鬆的運動?


結果我還蠻失望的。明明已經知道腰椎、髖部等部位是骨質疏鬆而常骨折的部位,也知道這些部位需要垂直負重的壓力來促進骨質合成,但是那些建議是什麼?雙手推牆、散步運動、拿著寶特瓶練手臂、坐在椅子上抬小腿,這些運動沒有一個能夠對中軸骨或腿骨造成足夠的壓力啊!


骨頭要壓力幹嘛?

在骨骼的研究歷程中,科學家送人上太空之後,就發現原來重力會影響骨骼。我沒有確切資料來源,但據說是這樣的,當時太空人的淨水設備會莫名故障,結果發現是鈣離子濃度太高,追查之下才知道是太空人的尿造成的。微重力的環境下,骨頭不用負重,骨質就流失了,然後鈣就隨尿排出了,所以現在太空人在太空站都有訓練設備了,不過你可以想想微重力的環境下,怎麼作重訓?底下有個影片

https://www.youtube.com/watch?v=FFMozMtSL3E



雖然科學上已經知道沒有負重的情況下,骨質就會流失,但在醫療上處理骨質疏鬆的運動建議是很保守的,像是散步、快走這樣的運動。當然我理解醫療上的建議為什麼是這些,因為他們害怕骨質疏鬆的人會因為骨折而受傷,保守一點總是不會受傷。所以運動的這個選項幾乎不會成為主要建議,醫療上常常是會採用藥物來處理。


其實重量訓練改善老年人的骨質密度的研究,近來已經有不少了喔。重點就在對骨骼施加夠大壓力的結構性運動,如深蹲、硬舉。

2006年的這個研究,是研究激素替代療法和重量訓練對停經後的女性的骨質密度的改變。光是只做重量訓練,對於骨質密度的改變就已經高於激素替代療法了。重量訓練的內容就是一週兩次的訓練,包含深蹲和硬舉兩項。無論是背扛的蹲或手抓的硬舉,這些重量都會經過脊柱傳遞到骨盆然後到雙腿,對這些骨骼施壓,然後就會促進骨質合成。

研究1

接下來第二篇研究是澳洲2017年的研究,我超愛,我還特別去看了作者近年來作的一些研究。


作者 Belinda Beck是格里菲斯大學的運動生理學家,招募了有骨質疏鬆或骨質缺乏的停經後婦女,分配兩組進行了為期八個月的研究,一組是控制組,進行的運動是低強度的運動如弓步、高踮腳、站立前平舉、聳肩還有走路、伸展這些運動,幾乎就是那些健康節目裡會告訴老年人從事的運動。另一組進行的就是高強度阻力與衝擊訓練。項目包含硬舉、過頭肩推、深蹲、衝擊載荷(Impact loading),(這個訓練是反手抓單槓像要引體向上的動作,用力跳起時用手臂把自己拉高然後落下)

你可以從我附上的圖表結果來看,這是非常激勵人心的結果,實驗組的結果除了腰椎、股骨的骨質顯著增加外,腿部、背部肌力也增加,此外一些身體測試也顯著改變,如五次坐下站立的時間,或是坐著站起走出去繞一圈再回來的時間、垂直跳躍等。在報告上也發現有些人的身高變高了,作者推測試是因背部肌力增加了,所以就減少駝背了。

研究2

這幾個訓練項目有什麼優點呢?共同點都是站立執行負重的,所以可以訓練穩定的核心肌群(拜託不要再作仰臥起坐了,我看有個健康節目,某脊椎外科醫師居然鼓勵每天作幾百個仰臥起坐)。站立負重也可以訓練本體感覺與平衡。個別來看的話,硬舉深蹲前面說過了,站立肩推是將重物高舉過頭的動作,可以提高核心肌群穩定度以及上肢肌力,重量也同樣可以傳遞到中軸骨骼,不過因為上肢力量遠小於下肢,所以站立肩推能執行的重量一定比其他項目更小。


跳躍是爆發力動作,會招募快縮肌纖維的收縮,年長者的肌肉減少主要是因這類型肌纖維的萎縮。這類肌纖維雖然萎縮,但並沒有消失,只要透過訓練,它還是會回來的,即便已經是年長者。跳躍時同時用上肢力量拉高自己,也同時訓練上臂和背部肌群,落下時如果是抓著槓緩降,可以訓練這些肌肉的離心收縮力量,如果是放手落下,也可訓練下肢承受衝擊的肌力,也藉由產生衝擊刺激骨質密度提昇。(不過我看了他們的訓練影片,應該是跳到最高處放手落下)


這些阻力訓練的強度是80%-85%1RM的高強度,作5x5組。假設深蹲背槓背100公斤只能蹲一下就蹲不了第二下,那麼100公斤就是你的1RM,換算80%-85%,就是你只背80-85公斤的重量,每組蹲5下,蹲5組。我知道沒作過重訓的人看了這樣的說明還是覺得很恐怖


「天啊!高強度耶,要老人家背那麼重的東西去測1RM啊?」

實際上執行過程一點也不恐怖,無論是我自己訓練或是我訓練我爸媽都是這樣的流程,一開始用的重量是那種可以重複執行10-12下的重量,但就只做5下。能作12下的重量只做區區5下一定都會覺得很輕鬆,這個強度大約就是75%1RM的重量。接著每次訓練都會漸進加重一點點,一樣只做5下,幾次訓練之後,就會到達一個做起來有一點點吃力的重量,實際上可以作到6-8下的重量,但一樣只做5下,這個重量就是已經到了高強度區,大約就是80-85%1RM的重量。在高強度的訓練範圍,可以訓練肌力與肌肥大,所以你還是有能力每次加重一點點,因為每次訓練你都會增加一些最大肌力。怎麼加重量還有加重的頻率,是複雜的課程設計,而且動作執行上需要專業指導,所以需要專人監督。


作者在報告中有提到為什麼他會作這樣的研究,因為在科學研究上已經知道要有足夠強度或頻率、速度的機械應力才能刺激骨骼,但是因為過去缺乏證據支持有效性和安全性,所以醫療上告訴你要運動,但都是保守的輕度或中度的強度建議。然而運動強度不足的情況,就不可能從這運動得到該有的效果,所以醫療上就更難看到透過運動來改善骨質的結果。也因此他才會進行這樣的實證研究。


那作這樣的重量訓練有沒有骨折的危險呢?在作者後續的研究中探討了「雖然證實了重量訓練可以改善停經後婦女的骨質,但會不會更駝背,或是更容易發生骨折?」

Watson, S.L., Weeks, B.K., Weis, L.J. et al. High-intensity exercise did not cause vertebral fractures and improves thoracic kyphosis in postmenopausal women with low to very low bone mass: the LIFTMOR trial. Osteoporos Int 30, 957–964 (2019).


所以用同樣的這些實驗對象的數據作接續的分析,結果發現

  1. 在放鬆姿勢的駝背角度上,重量訓練組和對照組都有改善,但沒有組間的差異。
  2. 而在努力站直的姿勢的駝背角度上,而重量訓練組的改善顯著優於對照組(也許是肌力增加,讓背能挺直)

而在骨折的部份,重量訓練組中有6位是實驗前本來就有可偵測的骨折,對照組有11位。8個月實驗後,重量訓練組沒有發生骨折與骨折程度的增加,對照組中有一位新發生骨折,兩位的骨折程度增加。

總結是這個有監督者的重量訓練會改善駝背角度,也沒有容易發生骨折的證據。


作者也成立了一家骨科診療所,這邊有部影片可以看看他們的訓練

https://www.youtube.com/watch?v=lw8_DfUxaWc


寫到這,也許有些人也躍躍欲試,想要開始帶父母重訓?怎麼開始的?我覺得看見需求是一個重要的開始。


年長之後沒有訓練的人,一定會發現自己走路速度變慢,上樓梯也慢了,會喘要休息,以前很容易搬的東西現在好難搬,腿的肌肉也變少了。如果是你發生這些現象,你自己也一定想要解決,可是不一定知道怎麼去解決。難道是走路慢,就買電動代步車?走樓梯會喘就換有電梯的房子?搬不動東西就找別人搬?而這些問題的來源是老化的肌肉萎縮退化、肌力下降、肌肉量減少,只要沒有重量訓練,將來一定會遇到。我們都希望自己是一個獨立自主的個體,不需要事事仰賴他人。


所以我作的就是,看見父母的需求,提供一個解決方案「帶著他們作重量訓練」,讓他們也感受了訓練後身體的變化。