空氣鋼琴、四軸飛行器、自走車?聽說過這些在創客界(maker)火紅的Arduino Project嗎?輕薄短小的Arduino控制卡,不僅是創客的基礎教材、生活智慧專案的總機大腦,還是一塊能帶著大家探索物理知識、進入科學實驗展開奇幻漂流的開發板。

在清華大學物理系暨跨領域科學教育中心主任戴明鳳教授的帶領下,普通物理實驗團隊神乎其技地運用Arduino創新科學實驗器材、翻轉科普教育,甚至在防疫期間開發出「遠距教學實驗包」。透過Arduino的變形計,我們也得以進一步思考科技應用研發之於普及科學教育實作的重要性。

運用輕薄短小的Arduino控制卡,可自由打造自走車、蜂鳴器、空氣鋼琴等創意。
攝影/黃詩茹

Arduino的奇幻漂流與物理探索

那麼,究竟什麼是Arduino呢?

誕生於2005年的義大利,Arduino開發團隊將有專業門檻的積體電路改造為平易近人的工具,讓沒有程式背景的人也能輕鬆學會使用。作為開放原始碼單晶片微控制平台(open-source electronics prototyping platform),Arduino能用來構建數位裝置和互動式物件,進行各種自動控制和感測。換句話說,它就像一台沒接上滑鼠、螢幕的迷你電腦主機,是負責控制系統的大腦,所以常被稱為Arduino開發板或控制卡。

Arduino的軟體採取開放原始碼,連電路圖也開放網路下載。任何人都能在創用CC許可下,根據自身需求進行修改。它的功能完備、相容性高,深具創造潛力,且維修簡易,對一般使用者來說相對友善。此外,Arduino最吸引人的優點是價格便宜,因此成為實踐創客精神的神器,也是推廣科學教育的新兵。

變形計一:創新物理實驗環境與設備

對於科學研究和科學教育來說,實驗,具有無可取代的重要性。「有做過實驗和沒有做過實驗,對於我們去理解一個科學問題而言有很大的差異」,戴明鳳說,就像學騎腳踏車不能紙上談兵,學攝影必須手握相機才有意義。而在大學的普通物理實驗課中,學生更需要透過實驗來驗證各種物理定律和現象。

戴明鳳帶領團隊投入Arduino的應用開發,創新物理實驗器材、翻轉科普教育。
圖片來源/國立清華大學秘書處

戴明鳳以普通物理學中非常基礎的運動學為例。不僅物理學和實驗教學奠定在運動學的實驗觀測上,國高中及大學的許多基礎實驗都與軌跡測量息息相關。然而,問題來了。

目前許多學校測量運動體軌跡的實驗儀器都相當老舊,或仍在使用無法自動取得數據的打點計時器,難以與時俱進。再者,具有自動控制和數據擷取系統的實驗儀器,多需向歐美廠商購置特殊規格的微電腦控制平台和感測器,除了價格昂貴讓學校難以負擔,還有無法擴充修改、不具使用者友善、壽命短、維修困難等缺點。

「如果我們不買這套貴的,能不能用一樣的錢做出讓學生人手一套的呢?」

為了提升科學實驗環境,戴明鳳選擇物美價廉的Arduino控制板來改良各項物理實驗、進行數位化測量。她認為,Arduino 可自由擴充、好用易學,利於建立人機互動的教學方式,尤其和各種感測器和測量電路結合後,很適合應用在科教實驗中,建置出人人負擔得起的實驗設備,可說是科教界的變形小金剛。

運動學是普通物理學中最基礎,也最重要的課題之一。戴明鳳利用Arduino提升運動軌跡測量的效益。
攝影/黃詩茹

變形計二:玩轉創客與科普教育

風靡全球的創客文化早已應用Arduino創造出各種專案,這些熱衷以雙手實踐的自造者,勇於創新、酷愛科技,且樂於在社群中分享知識和創意,這樣的創客精神都和Arduino一拍即合。那麼,被譽為創客神器的Arduino,是否在推廣科普教育也能發揮作用呢?面對創客運動與科普教育風生水起的潮流,戴明鳳精準地捕捉到兩個問題。

「坊間用Arduino來玩生活智慧科技的人很多,但我覺得缺乏深入的數據探討,大家只看『動』,可是有沒有想過這個『動』需要多大的力量?這需要瞭解基本的運動學定律、懂得運算,才能有精準的控制。」

此外,越來越多師生使用Arduino設計科展,「我覺得很可惜,因為玩科展的人就是少數啊,如果老師能帶少數學生用Arduino做科展,能不能花一點心思用Arduino來改善學校設備,讓所有學生都能使用、學會之後,有更多學生能參與科展呢?」

科普教育的「普及」,除了使用大眾能接受的語言、形式將科學知識傳遞出去之外,也需要考慮科學教育資源在物質層面的「觸及率」與「近用性」(accessibility)。然而,根據戴明鳳觀察,要將Arduino的應用開發推廣進校園,最大的挑戰在於如何卸下教師們的心防,「因為很多老師聽到要學習電路和寫程式就會有心理障礙。」為此,清大普物實驗團隊以Arduino設計出DIY實驗包,並活用於每年上百場科普推廣活動中。

防疫期間,戴明鳳和團隊催生「遠距教學實驗包」,圖為電學實驗套件。
圖片來源/國立清華大學秘書處

此外,目前強調視覺化的積木式程式語言十分流行,將編程介面簡化為積木圖形,強調即使是孩童或程式初學者只要透過拖拉積木圖形,便可完成程式編寫。但戴明鳳仍堅持以廣泛用於系統軟體和應用程式開發的的C語言教學,因為強調邏輯和結構的C語言,以「造句」的敘述方式組合編譯,表達力更靈活。「用積木語言就像在用手機App,你還是一個使用者、消費者,但如果會寫C語言,你就變成一個開發者」。

曾有參與活動的國中教師表示,「對 Arduino 程式學習不再恐懼,也有比較明確的概念」。戴明鳳也將Arduino帶入女性科學營的課程,讓完全沒有電路基礎的女同學在課程結束後具備撰寫基本程式的能力,透過改善實驗工具,激發女性探索科學的熱忱。

變形計三:變身遠距教學實驗包

近期為配合防疫,許多大學都採取遠距教學。講述類的課程可以透過直播或錄製教學影片進行,但實驗課該怎麼辦?尤其「普通物理實驗」是清華大學許多科系的大一必修課,也是銜接未來高階實驗的基礎,未竟的學習會對學生造成什麼樣的影響?

運用過去累積的經驗,戴明鳳和團隊水到渠成地催生出「遠距教學實驗包」,進一步優化科學實驗的遠距教學。一份電學實驗包,就能完成五項電學實驗,學生不需分組進行,而是人手一套,在線上教材和助教的指引下,在家獨立完成實驗。

過去進行電路震盪實驗,需要使用數位示波器、信號產生器等設備(圖下),如今只需要戴明鳳手中的Arduino和套件,學生在家中也能獲得實驗數據。
攝影/黃詩茹

以震盪電路實驗(RLC)為例,過去需要使用實驗室中的數位示波器、信號產生器和線路接線盒。如今,利用Arduino設計出可攜式電路套件,一塊輕薄的控制板取代了三台實驗室設備,只要將電路板透過Arduino連接電腦, 在家中也能迅速獲得精確的實驗數據。

而且,電學實驗包的設計就像平價版的電子樂高,不僅線路組裝一目瞭然,方便拆卸收納,還具備可延長器材壽命的「防呆裝置」——即便學生接錯線路也不易造成損壞,同時減輕校方的維修負擔。

大力支持這次遠距材料包計畫的清華大學教務長焦傳金教授表示,除了不中斷的課程進度,實驗設計和教學方法更是遠距教學實驗包背後的核心概念。「怎麼樣用替代的材料和方案,讓學生學到一樣的觀念,不會因為在學校或在家做實驗而改變,讓學習不打折扣,這件事情是最重要的,也是需要用心設計的。」

Arduino在疫情蔓延時,未來掌中實驗室

戴明鳳提到,實驗包的改造不只為因應疫情,也有助於整體教學的改善。例如每年清大普物實驗課的修課總人數超過700人,未來若教室和設備不敷使用時,就能搭配實驗包採取彈性的遠距教學,甚至進一步推廣至偏鄉學校,讓更多師生受用。

工欲善其事,必先利其器。回到教與學的本質,戴明鳳和團隊的研發實踐,讓科學教育不受限於學習工具,反而從中獲得啟發。透過Arduino變形計,戴明鳳將物理觀念與知識導入日常生活,設計出可供大眾動手操作的科學實驗工具,以人人皆可擁有的掌中實驗室,體現科學教育實作與時俱進的平權精神。

 

採訪撰文/翁筠婷
編輯/黃詩茹
攝影/黃詩茹

 

研究來源
戴明鳳(2016-2018)。Arduino 在物理實驗與跨領域科學教育的實務應用開發。科技部專題研究計畫(一般研究計畫)。
戴明鳳(2017-2019)。STEM領域有妳!世界會更好!科技部專題研究計畫(人才培育補助計畫)。
戴明鳳(2018-2020)。以 Arduino卡與智慧型手機控制之科學實驗教具系統的整合研發。科技部專題研究計畫(一般研究計畫)。