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。

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。