高瞻計畫成果作品集-學生組 by yuching wang

行政院國家科㈻委員會高瞻計畫推動辦公室

前言

散播高瞻種苗鑑於我國中學科學教育長年受升學考試導引，過份重視學科知識的灌輸而忽略基本素養的加強，行政院國家科學委員會乃於2006年開始推動「高瞻方案」，希望經由課程及教學環境的改善，提升高中職校科學與科技教育的教學品質和學生的學習成效。「高瞻方案」強調將新興科技融入課程，以激發學生興趣，而能主動探究學習，在過程中體驗科學精神、培養科學態度。國科會史無前例地遴選了28所高中職，直接補助其研究經費，讓第一線的教師，在校長的領導及大學教授的協助指導下，進行創新課程的研發和實驗，改善教材教法。第一階段「高瞻方案」的推動已經五年；各校計畫的主題涵蓋能源、環境、材料、生物科技、奈米科技等，課程和教學情境的設計各有創意和特色，成果也陸續在國內外期刊和研討會發表，並在「高瞻嘉年華」活動中以及「高瞻計畫中學教學資源平台」上與大家分享。我們很欣慰的看到參與計畫千餘位高中職教師專業能力和態度上的成長，以及若干學校校園文化的轉變。為了讓這些成果及經驗能發揮更深遠影響，陳竹亭教授的團隊彙編了「高瞻叢書」，希望能藉此將「高瞻方案」的種苗，擴散到全國後期中等教育，讓更多的學子受惠。感佩所有先驅開拓者的努力付出，並期待他日的豐收。

高瞻計畫推動辦公室計畫主持㆟ ㆗國科技大㈻講座教授

前言

高瞻計畫推動辦公室計畫主持㆟ ㆗國科技大㈻講座教授

前言

高瞻計畫成果作品集㈻生組

高瞻之富高瞻計畫是六年前政府科技預算優先補助的方案，目標是發展高中、職融入新興科技的實用課程，同時推動探究式教學法。高瞻計畫兼顧高中職新的科技課程研發，教師的教學專業發展，年輕科技研發人才的啟蒙，以及一般學生科技素養的培養。五年來，28所高瞻高中與高職，都由各自的校長擔任總主持人，學校教師群實際負責發展教材，設計探究教學模組，設計實驗器材，進行教學實驗，最後編撰課程。過程中，每個高中、職都找到合作的大學及相關教授輔導課程內容的選擇與研發，負責課程評鑑。高瞻計畫辦公室由輔英科技大學張一蕃校長領軍，成立高瞻評審小組共六位委員。開始時，評審小組每學期到高瞻高校訪查，後期則每年舉辦高瞻嘉年華，分別由學生、教師、學校發表參與高瞻計畫的成果。其中擇優選出的高瞻學校，教師與學生，進一步推薦參與國際交流。這次出版的四本高瞻叢書，分別是一所典範高瞻高校的個案報告、歷屆高瞻嘉年華的學生優勝作品及學生參與寫作的心路歷程訪談、教師的優勝作品與參與高瞻的反思，以及一本特定題材：綠色能源，融入高中、職所研發的新課程。六年來，從高瞻計畫的發想，高瞻方案的研擬、推動與評審，多個階段，每個面向個人都沒缺席。高瞻第一期，五年來參與推動與執行的所有人之經驗跟所獲得的高瞻成果，應該是臺灣教育界很重要的資源，很多面向的執行模式更可作為教育改革推動的參考。以下就個人參與時親身所見所聞的感動，略抒一二，為本高瞻叢書序。學生從生活週遭的有感議題，選擇論文題目，透過研究來了解新興科技，是高瞻的特色。紅磚牆面的白華（壁癌），奈米材料可維護；花蓮的石材廢泥，花蓮高工師生將它們燒製成綠建材；臺南虱目魚的故鄉，臺南海事高工師生研發虱目魚皮製保濕護膚面膜；住家的蟑螂，它們的生物機能與社會行為，中山女高學生研究後，一直宣揚蟑螂的美好呢！隨手可得的光碟片，嘉義高中師生用來測螢光波長；刺竹遺傳變異研究，印證臺灣先民開拓路線。同學們都在有感問題的研究過程中，接觸到、應用了新興科技。誠如嘉中何同學感動所說：「尤其第一次電泳成果出來，看到DNA出現，心情十分振奮。」電泳，台灣高中生實驗了，DNA，高中生看到了，新興科技可親近了。國際交流也是高瞻的任務之一。臺灣高瞻學校與日本超級科學高校是類似的計畫，已辦過多次互訪交流。2010年，兩國的交流在日本靜岡高職舉行。我國學生發表論文時，日本友人問我：台上發表的人是學生，還是老師？我確認後回說是我們一位苗栗農工的學生，該生的英文，特別練過，她說明實驗過程，步驟清楚，關鍵處說明扼要，台風有如教師般，很有自信。國際交流的安排，成就了很多高中、高職學生的英文發表能力。臺灣團隊師生在日本的優異表現，促使日方要求2011，再由日方主辦。要有收穫，就要多付出。參與高瞻的教師們，個人的教學專業成長最大、收穫最大。臺中女中校長報告說，她在高瞻計畫，學校各科教師一起規劃機器人製作的課程教學中，終於體驗了所謂的「統整教學」。原來九年一貫課程鼓吹的「統整教學」，對多數教學者而言，口號比實質感受多。高雄女中所有科學科目教師全體參加高瞻，不同科別教師的密集互動，成就了教學實驗模組的

設計。雄女教師群的報告，永遠是感人的。不過，教師們甜蜜的果實，並非一開始就可品嘗。參與高瞻的第一年，很多教師無疑是沮喪的。可參閱中山女高在本叢書中表達的心路寫真。剛開始的到校訪察，評審小組教授一再拋問：探究精神在哪裡？一再評論：這根本不是探究教學。教師對評審委員不客氣的評論，立即性情緒反應後，通常就促使高瞻教師與參與輔導的大學教授，一起認真思考，重新修訂他們的探究教學模組。高瞻教師教學力的顯著成長，在探究教學這面向上呈現地最明顯。許多高瞻教師的教學實驗寫成的論文，發表在很多國內與國際的科學教育研討會。高瞻計畫讓高中、職教師直接接受國際教育潮流的洗鍊。高瞻計畫的推動，為臺灣的學校課程發展與改進，提供了完全不同的模式。高瞻的課程發展是由下而上的。學校校長領導參與，學校教師合作，扮演課程發展的主角，獲得大學科教學者、科學教授的輔導。這樣模式下發展的課程，如本叢書的能源科技課程，希望在往後高瞻二期的推廣過程中，我們有機會來比較它與傳統由上而下的課程模式所呈現的差異。高瞻課程是不是會排除傳統課程改進時，一般所詬病的多層次落差現象。意圖課程（課綱）與教科書的落差，教科書與實施課程（教學教材）的落差，以及教師教學教材與學生習得教材的落差。高瞻計畫雖然沒有課綱，但實施過程中，也提供我們思考建立新的研發體系的可行性及績效性。在高瞻計畫中，大學研究機構與高中、職建立的夥伴關係，以生活週遭甚或地方特色資源，例如臺南虱目魚、花蓮廢棄石泥、苗栗廢棄果皮（製氫）、屏東的水產養殖、宜蘭的田園風光、彰化的花奔、新竹的科學園區等等，作為此夥伴關係下，思考可合作研發的項目，進行有感的科技研發活動。在這樣的研發體系中，大學教授的服務績效順理成章，不是SCI或SSCI論文，而是這些有感研究帶來的成果。花蓮高工的女同學說，她們努力做廢棄石泥成分分析，及燒製新建材，因為「可以賺錢耶！」，多有感的學習動機！學生有感的新興科技問題研究，教師探究教學的專業成長，高瞻新興科技課程由下而上的發展模式，融入科技的在地資源研發所建立的新研發體系，已改變一些臺灣高校教育的走向並啟發大學評鑑的另類面向等等，都是高瞻計畫帶給臺灣之「富」，它是臺灣教育希望的種子與幼苗。

國科會高瞻計畫指導委員臺灣師範大㈻數㈻系教授

iii

前言

高瞻計畫成果作品集㈻生組

國科會高瞻計畫指導委員臺灣師範大㈻數㈻系教授

iii

Content ㈻生組

前言「散播高瞻種苗」 ...................................................... i 前言「高瞻之富」 .......................................................... ii 高瞻嘉年華『高瞻計畫』成果發表會暨競賽 .................................... vi

實作作品

物理

科㈻小論文

昆蟲複眼定位器 .............................................. 1 利用光線穿透法研究非線性擴散 ................................ 11

科㈻小論文

化㈻

科㈻小論文科㈻小論文科㈻小論文

科㈻小論文

生物

科㈻小論文科㈻小論文科㈻小論文

4機電

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察 ................ 21 漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究 ............... 33 利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光 ................... 41 葉綠素電池㈵性研究 ................................... 49

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異 ........................ 59 吃虧就是占便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討 .... 69 不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率 .......................... 77 探討美洲蟑螂(Periplaneta American)消化道前腸調節機制 ......... 85

實作作品實作作品

綠色小幫手㉂走盆栽 ..................................... 93 插座電力負荷安全顯示器 ................................. 103

5能源 6

環境

實作作品

科㈻小論文科㈻小論文

㆞理㈾訊

8宣傳推廣

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料 ...............................123 後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢 ...........................133

科㈻小論文科㈻小論文

㈵別報告

附錄

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池 ............................115

㆝羅㆞網改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊 ............... 143 ㆒機在手，車位無窮智慧型手機結合RFID的應用 ............... 151

㆘㆒站，H.O.M.E. Help Our Mother Earth .......................163

高瞻嘉年華成果競賽 ㆗㈻㈻生組㊝秀作品㈴冊 ......................... 171

Content ㈻生組

實作作品

物理

科㈻小論文

昆蟲複眼定位器 .............................................. 1 利用光線穿透法研究非線性擴散 ................................ 11

科㈻小論文

化㈻

科㈻小論文科㈻小論文科㈻小論文

科㈻小論文

生物

科㈻小論文科㈻小論文科㈻小論文

4機電

實作作品實作作品

綠色小幫手㉂走盆栽 ..................................... 93 插座電力負荷安全顯示器 ................................. 103

5能源 6

環境

實作作品

科㈻小論文科㈻小論文

㆞理㈾訊

8宣傳推廣

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料 ...............................123 後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢 ...........................133

科㈻小論文科㈻小論文

㈵別報告

附錄

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池 ............................115

㆝羅㆞網改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊 ............... 143 ㆒機在手，車位無窮智慧型手機結合RFID的應用 ............... 151

㆘㆒站，H.O.M.E. Help Our Mother Earth .......................163

高瞻嘉年華成果競賽 ㆗㈻㈻生組㊝秀作品㈴冊 ......................... 171

高瞻計畫成果作品集㈻生組高瞻計畫成果作品集㈻生組

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果發表會暨競賽

1-1 物

理

實作作品行政院國家科學委員會科學教育發展處及高瞻計畫推動辦公室於2009年至2011年共同舉辦之高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果發表會暨競賽，分為中學學校、中學教師、中學學生及大學研究人員四組，經由北、中、南三區分區初賽選拔優秀作品，並於國立科學工藝博物館舉行決賽（2011年為配合國科會「低碳台灣•高瞻未來――你能•我也能」特展活動（Aiming High for a Low-Carbon Taiwan, 100年3/12-4/24），移至中正紀念堂舉辦）。學生在新興科技課程的學習成效表現以及教師的教案、教具設計，皆有豐富成果，計畫推動辦公室特規劃舉辦成果競賽活動，希望藉以促進高瞻學校之間的相互交流、觀摩，針對優秀作品予以表揚獎勵，並推廣普及高瞻計畫的研究成果。以2009年為例，其作品有國立彰師大附工的同學，研發出成功抑制紅磚白華的生成之凝膠型奈米材料。台北市立內湖高工的同學，以電學在生物醫學新科技與傳統中醫保健上之應用製作一部簡單的穴道點辨別器，提供人體正確穴道位置之辨識。台中縣明道中學三位同學以水耕槽栽種風傾草為主題，發現風傾草可作為吸收土壤中重金屬鎘的植生復育植物，對受重金屬污染的土壤復育工作有極大的幫助。此外在能源科技方面，高雄女中的同學完成可逆式電解水及鹼性氫氧燃料電池製作；苗栗農工則以當地植物油桐樹為研究題材，找出不造成糧食危機的生質能源；臺中一中的同學以小心「觸」電為題，探討PEMFC觸媒之效能。明道高中的同學引進綠建築的概念，設計了一棟建築物-「我們的小綠」。在奈米科技方面，南港高工同學以當前最夯的3C產品鋁合金之奈米染色技術為研究主題獲得入圍。在資訊科技方面，南港高工的同學以「天羅地網」為題，研發出克服傳統測量方式缺點且能正確快速蒐集地理資訊的系統。新竹高中則利用電腦軟體及運算公式，探討動靜態視錯覺形成；內湖高工的同學結合資訊及光電科技，研發創意性十足的自走盆栽；在科技與人文方面，嘉義高中利用生物技術，完成台灣地區刺竹族群遺傳變異之探究及利用自製螢光測定裝置以探討光敏靈發光；中山大學附中同學從調查國人旅遊習慣，推論國人環境素養及探究推廣生態旅遊之可行性。宜蘭高商的同學，藉由校園內鳥類的棲息觀察及資源分配，完成鳥類地盤分布的調查。「高瞻作品集――青青子衿」摘錄自高瞻嘉年華『高瞻計畫』成果競賽（2009-2011）中學學生組優選獎作品，所有內容亦可見於高瞻計畫中學教學資源平台（http://highscope.ch.ntu.edu.tw/ wordpress/）。

昆蟲複眼定位器臺北市立麗山高級㆗㈻殷瑀萱、胡萓庭

高瞻計畫成果作品集㈻生組高瞻計畫成果作品集㈻生組

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果發表會暨競賽

1-1 物

理

昆蟲複眼定位器臺北市立麗山高級㆗㈻殷瑀萱、胡萓庭

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

昆蟲複眼定位器

作品製作流程圖示 ㆒、實驗流程圖（圖2）

作品㈵色或用途探討可以利用偏光定位的原因及其原理

昆蟲可以直接觀看太陽光來定位，但有些昆蟲在陰天、沒有太陽的時候卻依然可以找到方向。在查詢文獻時我們發現蜜蜂複眼的構造可接收偏光，本實驗首先探討蜜蜂如何利用偏光定位，並了解昆蟲的定位機制。

昆蟲複眼構造之探討古代維京人利用水晶的雙折射性質得知太陽位置，但本實驗使用偏振片、自製導光管（如圖1）、光譜儀、光纖管等器材，透過模擬且簡化蜜蜂小眼的構造，製作昆蟲複眼定位器，且實際至戶外操作測量天空偏振樣式，計算出太陽的方位，實際應用於生活中的定位。

實際觀察蜜蜂複眼構造

本實驗之複眼定位器不會受到天氣狀況影響，即使看不到太陽，只需要一小片天空便可以使用；另外也不會受到地磁的影響，在南北兩極區域，亦能準確地辨別方向。

了解昆蟲偏光定位的運作機制

未來希望能改良本實驗目前所做的昆蟲複眼定位器，模擬昆蟲複眼的背緣部位，利用吸管製作多個小型導光管，即可利用多個小眼同時進行比對，使定位出的方位更精準。

模擬蜜蜂小眼製作昆蟲複眼定位器

實際應用複眼定位器定位數據不符合時改良定位器圖1 ㉂製導光管

電腦數據整理後計算得知太陽位置與方位

將我們測量、計算出的太陽位置與實際太陽位置做比較

將可運作之定位器改良構造、外觀，使其更方便使用

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

昆蟲複眼定位器

作品製作流程圖示 ㆒、實驗流程圖（圖2）

作品㈵色或用途探討可以利用偏光定位的原因及其原理

實際觀察蜜蜂複眼構造

了解昆蟲偏光定位的運作機制

模擬蜜蜂小眼製作昆蟲複眼定位器

實際應用複眼定位器定位數據不符合時改良定位器圖1 ㉂製導光管

電腦數據整理後計算得知太陽位置與方位

將我們測量、計算出的太陽位置與實際太陽位置做比較

將可運作之定位器改良構造、外觀，使其更方便使用

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

㆓、昆蟲複眼定位器製作（一）複眼構造探討 1. 於學校找尋已死的蜜蜂屍體（分成胡蜂科體型較大者，以及蜜蜂科體型較小者兩種）。 2. 將剪除下來的蜜蜂頭部泡製溫水中，予以軟化。 3. 用鑷子及衛生紙清除複眼內部的色素以利觀看。（二）探討複眼睫膜晶體是否有偏光片之效能 1. 利用前項實驗已清除好之睫膜晶體放置於顯微鏡下。 2. 透過顯微鏡觀察睫膜晶體，在顯微鏡上的燈源處加上一片偏光片，使其打出來的光為偏振光，觀察此複眼是否具有偏光性。 3. 利用Moticam接收圖像，並比對複眼單一小眼之亮度變化。

圖3 胡蜂科複眼

圖7 ㈲無導光管比較

偏光片放置處圖4 實驗裝置圖

結果：由圖5、6可看出睫膜晶體被偏光與非偏光照射，旋轉偏振片後並沒有亮暗差異，而圖5會比較暗是因為加上偏光片，會濾掉某方向的光，所以光強度會減小，但其中每個小眼由肉眼和光譜儀檢測，並沒有明顯的亮暗差異，所以可推測此睫膜晶體沒有偏振性。

1. 由圖7得知加上導光管測到的天空偏振度雖然較未加導光管小，但在不同方位角時變化較明顯。 2. 加上導光管後比未加導光管偏光度較小，原因可能為加上導光管使得進入到光譜儀內部的光量減小，所以整體偏振度下降。

圖8 導光管視角實驗

圖5 顯微鏡㆘的複眼圖

圖6 加㆖偏光片的顯微鏡㆘的複眼圖

（三）導光管的製作 1. 使用水管，並將頭尾攻牙，以利組裝。 2. 導光管內外皆塗黑並於內部黏貼黑色毛毯避免光反射。 3. 利用前項實驗的結果可知，晶體不會影響光的偏振性，所以可以簡略晶體部分。 4. 使用雷射切割壓克力板，製作三個由大到小的環形光欄於管內，藉此聚光。 5. 利用相機測量自製導光管的視角。結果：

圖9 相機拍攝導光管視角實驗圖

3. 由圖8可計算出導光管視角約為5度。 4. 沒有導光管時會接收到多方向的光，雖然接導光管會造成光強度減小，但偏振度比沒有導光管時明顯。 5. 導光管可接收單一方向的光。（四）微絨毛為了模擬昆蟲複眼背緣部位小眼內部的微絨毛，剪下兩片偏振片，以互相垂直方式黏貼，以接收兩種不同方向振動的光強。（五）角架為了使我們能量測到的天空方向固定，且可以任意旋轉方位角及仰角，在導光管下方接角架，並裝上量角器，量測仰角，裝上自製大型方位盤，量測方位角。

圖10 偏光片黏貼示意圖

（六）接收訊號在兩片偏振片後方分別接上兩條光纖管，在接上光譜儀連接電腦讀取光強度訊號值。 5

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

圖3 胡蜂科複眼

圖7 ㈲無導光管比較

偏光片放置處圖4 實驗裝置圖

圖8 導光管視角實驗

圖5 顯微鏡㆘的複眼圖

圖6 加㆖偏光片的顯微鏡㆘的複眼圖

圖9 相機拍攝導光管視角實驗圖

圖10 偏光片黏貼示意圖

（六）接收訊號在兩片偏振片後方分別接上兩條光纖管，在接上光譜儀連接電腦讀取光強度訊號值。 5

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

（七）複眼定位器與蜜蜂小眼之比較 1. 導光管模擬小眼晶體，具有聚光、且只接收單一方向的光。 2. 在導光管周圍黏貼黑色毛毯模擬複眼色素層。 3. 黏貼兩片互相垂直的偏振片模擬複眼為絨毛排列。

圖13 波長與偏光度趨勢圖

1. 天空中的偏振度趨勢會因當時天空雲層狀況不同而改變，且不同天也會有不同的情況，但偏振度最大的地方由圖13可知皆介於圖中兩綠色線段，而也恰巧為昆蟲敏感光波段（350~510 nm之間）。

圖11 複眼定位器

圖12 模擬器與小眼對照圖

㆔、複眼定位器之測量與應用（一）實驗過程： 1. 利用SpectraSuite程式之秒差校準兩台光譜儀，使兩條光譜相同。 2. 利用定位器到戶外測量天空偏振度。 3. 固定仰角，方位角以北為0度，向東為正，每轉30度測一次數據。 4. 讀取兩台光譜儀偵測到波長為固定之強度值。 5. 利用兩台光譜儀偵測到強度最大與最小的光強度計算出各方向的偏振度。 6. 測完一圈後，會得到兩個偏振度極大值，並藉此兩點推算太陽位置。 7. 利用天體位置自動顯示器可得知太陽的實際位置。 8. 將測量到的太陽位置與實際位置畫在天體半球投射圖上。 9. 比較量測到的太陽位置與實際位置的仰角誤差及方位角誤差。結果：

圖14

SpectraSuite光譜圖

（二）太陽位置算法 1. 以觀測者為座標(0,0,0)為球心，繪製出一個天體半球模型。 2. 將觀測者與測出來的兩極大值的點座標化。 3. 可用上述三點製成一平面。 4. 太陽方向即為此平面之法向量。 5. 再經由角度換算，可得知太陽的方位角及仰角。圖15 平面法向量計算示意圖 6. 最後以天頂為圓心，仰角每15度畫一個同心圓，繪製天體半球投射圖來表示天空狀態。 7

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

圖13 波長與偏光度趨勢圖

圖11 複眼定位器

圖12 模擬器與小眼對照圖

圖14

SpectraSuite光譜圖

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昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

（三）實際太陽位置 1. 利用天體位置自動顯示器輸入時間、地點。 2. 選取太陽為基準點。 3. 此時的地平坐標即為太陽的方位。結果: 表1 方位角與光強大小偏振度計算表

方位角 (度)

I MAX (counts)

I min (counts)

P(%)

830.48

501.26

24.72

898.94

449.23

33.35

938.72

482.90

32.06

1120.47

695.60

23.39

120

2154.45

1684.19

12.25

150

1341.36

164.64

78.13

180

4047.82

2193.72

29.70

210

4032.45

2238.76

28.60

240

4084.81

2060.06

32.95

270

1774.83

764.05

39.81

300

1524.50

517.92

49.28

330

666.42

122.04

69.04

360

830.48

501.26

24.72

圖20

1/27㆝空狀態─㆝體半球投射圖

圖16 ㆝體位置㉂動顯示器

圖21 方位角誤差

圖22 仰角誤差圖17 將每次實驗當㆝的㆝氣狀況用相機拍攝

圖18 仰角30度10點方位角與偏振度關係

圖19 仰角30度12點方位角與偏振度關係

4. 環繞360度後，將各方位角與偏振度之關係製成如上圖(圖21、22)，將兩個最大值的方位角與仰角，利用三點法計算出太陽位置。 5. 將實際太陽位置與計算出之位置分別比較仰角誤差與方位角誤差並製作如圖 36。 6. 因為我們每30度測一次數據，且方位角實驗誤差皆小於15度，在合理範圍內。 7. 仰角部份，因為我們測量的點數較少，所以誤差稍大。 ㆕、結論 1. 經由探討，了解蜜蜂是利用複眼背緣部位中的小眼視細胞膜上呈互相垂直狀的微絨毛判別天空中的偏振度，進而知道方位。 2. 本實驗模擬蜜蜂小眼，製作複眼定位器，並實際拿至戶外測量，已確認可實際使用。 9

高瞻計畫成果作品集

昆蟲複眼定位器

㈻生組物理

方位角 (度)

I MAX (counts)

I min (counts)

P(%)

830.48

501.26

24.72

898.94

449.23

33.35

938.72

482.90

32.06

1120.47

695.60

23.39

120

2154.45

1684.19

12.25

150

1341.36

164.64

78.13

180

4047.82

2193.72

29.70

210

4032.45

2238.76

28.60

240

4084.81

2060.06

32.95

270

1774.83

764.05

39.81

300

1524.50

517.92

49.28

330

666.42

122.04

69.04

360

830.48

501.26

24.72

圖20

1/27㆝空狀態─㆝體半球投射圖

圖16 ㆝體位置㉂動顯示器

圖21 方位角誤差

圖22 仰角誤差圖17 將每次實驗當㆝的㆝氣狀況用相機拍攝

圖18 仰角30度10點方位角與偏振度關係

圖19 仰角30度12點方位角與偏振度關係

高瞻計畫成果作品集

㈻生組物理

後記 1+1>2 跨科作品「昆蟲複眼定位器」創意滿分麗山高㆗殷瑀萱、胡萓庭，㆒個喜歡研究昆蟲視覺，另㆒個則對液晶顯示器㈲興趣，沒想到兩㆟湊在㆒起，㆒加㆒大於㆓，變出㆒個不受㆝氣和所在㆞影響的「昆蟲複眼定位器」。多位老師共同指導「超效率」測數據

1-2 物

理

科㈻小論文

㆓㆟㆒開始做研究，是憑著大概的方向，沒㈲先㊢計畫書就開始，試驗很久試不出結果，後來是被物理老師㈮佳龍老師丟過來的文獻「打醒」，「我們那時才知道做研究㆒開始要先看文獻，先知道㆒些理論之後，再去推導。」殷瑀萱說。除了㈮老師以外，㈿助她們做研究的㆟，還㈲物理老師馮愛蓮老師，常在理論方面指導她們，生物老師張素卿老師，也是她們常常提問的對象，還介紹了台大昆蟲系的教授給她們，希望能提供她們㆒些幫助。這是㆒個長達 13 個㈪的專題研究，做好昆蟲複眼模型之後，就開始大量的數據收集。「我要求她們每㆝都要㈲好幾個數據，儀器架在㈤樓㆝台㆖，所以每到㆘課時間她們就衝！」㈮老師笑著說。㆒開始因為步驟不夠熟，測量㆒次要㆒個小時，加以改良之後，可以在㆘課㈩分鐘內完成。「㆓個㆟㆒起測比較快，」胡萓庭說，「但平常我們要跑班，所以還要互相比對課表，就怕趕不㆖㆘㆒堂課！」在㈻校她們超認真測數據，回家之後也沒閒著，兩㆟不時還會㆖線討論，或是查文獻，可說是把時間完全投入在這份專題之㆗。

利用光線穿透法研究非線性擴散

專題研究做出興趣 ㆓㆟收穫滿滿

國立嘉義高級㆗㈻在專題研究當㆗，為了測數據，她們㈵別㈻了很多相關電腦軟體，㈲的甚㉃是原本完全不會的。此外，研究的過程也讓他們得到不少，「我們更懂得怎麼做研究了，」殷瑀萱說，「現在即使給我們㆒個新的題目，我們也大概知道要從哪㆘手，不會毫無方向！」另外，英文能力也意外 ㆞進步了，除了偶而需要用英文撰㊢論文或做口頭報告之外，最大的進步原因應該是閱讀文獻。「現在知道很多專㈲㈴詞英文要怎麼說了，」胡萓庭笑道，「不過看太多文獻的壞處是，看了就會想再加做更多的實驗，結果工作量㆒直增加！」 ㆒個專題做了這麼久，會不會覺得厭煩呢？「完全不會！還是很㈲興趣！」她們不假思索㆞ 回答。不只是如此，她們其實覺得這專題做得還不夠久，㈲很多可以發揮㆘去的空間，「如果再研究㆘去，希望可以做出測量空氣汙染的東西，」殷瑀萱表示。此外，在今年年初，她們在德國某大㈻的網站，發現他們正在做和她們相似度㈦㈧成的實驗，而且兩邊進行的時間差不多；雖然由於大㈻設備佳，能做的比她們精緻，但要追求的東西是相同的，㆓㆟為此非常雀躍，覺得世界 ㆖也㈲其他的㆟跟她們想到㆒樣的東西，是令㆟興奮的事情。現在㆓㆟都已選好了未來的科系，殷瑀萱要往㆞質科㈻深造，胡萓庭則對牙㊩情㈲獨鍾，選了口腔衛生。回想起這專題，她們說「很愛這個題目！很㈲成就感！」相信對㆒路帶著她們的老師們來說，沒㈲比聽到這句話更令欣慰的了。

黃宇晟

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1-2 物

理

科㈻小論文

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專題研究做出興趣 ㆓㆟收穫滿滿

黃宇晟

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利用光線穿透法研究非線性擴散

㈻生組物理

利用光線穿透法研究非線性擴散

研究動機

∂C L(1) , ∂y ∂C ∂ 2C = D 2 L(2) , Fick's second law: ∂t ∂y

2. 一個擴散中的液體，裝在一個寬a的方形容器中（如圖3所示）折射率梯度由下而上遞減，我們可以得到： ,α1 =

研究目的 1. 利用雷射光穿過透明溶液的投影圖形，測量溶質的擴散係數。 2. 由擴散係數隨著溫度、時間和濃度的變化，探討非線性擴散的動力學因素。

原理與公式 1. Fick's first law: J = − D

作者自行研讀大學普物，發現其中並未提及擴散的相關的資訊，經請教師長之後，參閱相關物理期刊以及資料，驚訝的發現幾乎所以的擴散係數測量法都使用化學方法。藉此，作者想發展其中一些使用物理方法測量擴散係數的方法，簡化計算並賦予其對研究擴散的實用性。

ct n + dn = n L (3) ⇒ dn = n = Z L (4) y y + dy dy y ar

3. 在擴散開始時(t = 0)，另兩液體交接處為 y = 0；而y > 0為待測液部份；y < 0 為水的部分。

C0 2

4. 當t>>0，由Fick's law 得到 C =

器材 1. 方形盒，壓克力製（10cm x 10cm x 1cm）。 2. 玻璃棒（長30cm，半徑0.4cm）。 3. He-Ne雷射（2mW）。 4. 水浴恆溫槽。 5. 紙屏、筆、硫代硫酸鈉、氯化銨、甘油等。

5. 由

  y 1 − erf   2 Dt 

圖3 由於折射率梯度而偏折的雷射光線示意圖

dn dn dC    => dy = dC ⋅ dy 

。

dn dn dC = ⋅ 結合等式(4) , (5)， dy dC dy 2

y n1 − n2 −4 Dt n −n Z Z 得到 = e L(6) . 當y = 0（起始交界面）， = 1 2 L(7) ar 2 π Dt ar 2 π Dt 2

y ar (n1 − n2 ) −4 Dt 6. 等式(6)可寫 Z = ，即 e 2 π Dt 2

(n1 − n2 )arπ D − 4yDt (n1 − n2 )ar ∂Z y 2 − 4yDt =− e e + × ∂t 4(π Dt )3/ 2 2(π Dt )1/ 2 4 Dt 2 當

∂Z = 0， 2 ymax = 2 Dt L (8) . ∂t

7. Stokes-Einstein equation : D = 圖1 實驗器材的照片

圖2 實驗器材的模擬圖示

k BT 6π Rη

所使用所㈲物理量意義 J : 擴散通量 C : 重量百分濃度 n : 液體的折射率 D : 擴散係數 t : 擴散所經歷時間 T :擴散時的溫度 a : 容器寬 r : 成像屏幕和容器間距離 η: 黏滯係數 R: 擴散分子大小 KB: 波茲曼常數 z : 投影圖形的垂直位置 ymax : ㈲最大z值所對應的y位置 y : 擴散在垂直方的位置，即投影圖形的㈬平位置

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利用光線穿透法研究非線性擴散

㈻生組物理

利用光線穿透法研究非線性擴散

研究動機

∂C L(1) , ∂y ∂C ∂ 2C = D 2 L(2) , Fick's second law: ∂t ∂y

2. 一個擴散中的液體，裝在一個寬a的方形容器中（如圖3所示）折射率梯度由下而上遞減，我們可以得到： ,α1 =

研究目的 1. 利用雷射光穿過透明溶液的投影圖形，測量溶質的擴散係數。 2. 由擴散係數隨著溫度、時間和濃度的變化，探討非線性擴散的動力學因素。

原理與公式 1. Fick's first law: J = − D

ct n + dn = n L (3) ⇒ dn = n = Z L (4) y y + dy dy y ar

3. 在擴散開始時(t = 0)，另兩液體交接處為 y = 0；而y > 0為待測液部份；y < 0 為水的部分。

C0 2

4. 當t>>0，由Fick's law 得到 C =

5. 由

  y 1 − erf   2 Dt 

圖3 由於折射率梯度而偏折的雷射光線示意圖

dn dn dC    => dy = dC ⋅ dy 

。

dn dn dC = ⋅ 結合等式(4) , (5)， dy dC dy 2

y n1 − n2 −4 Dt n −n Z Z 得到 = e L(6) . 當y = 0（起始交界面）， = 1 2 L(7) ar 2 π Dt ar 2 π Dt 2

y ar (n1 − n2 ) −4 Dt 6. 等式(6)可寫 Z = ，即 e 2 π Dt 2

(n1 − n2 )arπ D − 4yDt (n1 − n2 )ar ∂Z y 2 − 4yDt =− e e + × ∂t 4(π Dt )3/ 2 2(π Dt )1/ 2 4 Dt 2 當

∂Z = 0， 2 ymax = 2 Dt L (8) . ∂t

7. Stokes-Einstein equation : D = 圖1 實驗器材的照片

圖2 實驗器材的模擬圖示

k BT 6π Rη

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利用光線穿透法研究非線性擴散

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4. 探討擴散動力學 (1) 將各種不同的硫代硫酸鈉水溶液，於不同的溫度下測量其由雷射投影的圖形，並計算出其擴散係數的隨時間的變化。 (2) 由此變化作數據分析，找出其所代表物理意義。 (3) 重複以上實驗並以甘油作為待測液。

步驟與方法 1. 藉由雷射光通過擴散中液體的投影圖形，測量擴散係數。 (1) 將待測液加入方型盒中加至3公分高，並加水至6公分處。 (2) 以雷射光通過呈45度的玻棒，形成一帶狀雷射通過擴散中的方形盒，並將雷射投影至距離r公分遠的屏幕上，屏幕上會出現圖一所示的曲線。 (3) 藉由測量曲線上各點的x、y座標的時變率，計算其擴散係數。 (4) 以下列兩種不同的方式測量擴散係數：套用等式(7)或等式(8)。 2. 圖4所示，硫代硫酸鈉水溶液擴散時，鐘型曲線的最低位置Z隨著時間漸漸上升，記錄Z隨時間t 的變化，代入等式 (7)，即可求出硫代硫酸鈉的擴散係數。

實驗結果與討論 1. 在20℃下，以濃度21%的硫代硫酸鈉水溶液作為待測液，由其投影圖形作1/Z2–t圖形（如圖6所示）， 1/Z2和t呈線性關係，套用公式(7)計算後得其

圖4 雷射光經玻璃棒折射成㆒條和鉛垂線夾角45°的斜直線，經過待測液後，因為溶液的折射率隨高度改變，所以在在屏㆖呈現鐘形曲線，y為方形盒㆗液體高度，Z為鐘形曲線的最低位置。

3. 圖5所示，濃度較大的二元混合液，例如方形盒的下層加入濃度70%以下的甘油水溶液，上層加入水，甘油向上擴散時，雷射光照射形成的鐘型曲線，最大偏折點不但向上移，還向甘油方移動。圖4所示為60%的甘油水溶液擴散 300分鐘，鐘形曲線隨時間的變化。記錄ymax隨時間t的變化，代入等式(8)，即可求出甘油的擴散係數。

2 −6 D= 7.5 × 10 cm

，由於曲線在z軸上沒有明顯偏移，不使用公式(8)測量擴散係數。 2. 以濃度60%的甘油水溶液作為待測液，其由其投影圖形作1/Z2 pt–t圖形（如圖 7a），可發現其呈明顯線性關係，套用公

圖6 硫㈹硫酸鈉1/Z2對時間關係圖

式(7)計算後得其D= 1.46 × 10−5 cm 2 / s ；圖 7b中ymax和t1/2亦成線性關係，套用公式(8)計算後得其D= 1.46 × 10−5 cm 2 / s 。

(a) 剛開始擴散

圖7 甘油㈬溶液的(a) 1/Z2對時間關係圖，(b)Ymax對時間的㆓分之㆒次方關係圖

(b) 擴散60分鐘後

(d) 擴散300分鐘後

圖5 方形盒㆘層放60℅的甘油㈬溶液，㆖層放入㈬，鐘形曲線的最低點逐漸向㊨㆖（甘油）方偏。

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2 −6 D= 7.5 × 10 cm

圖6 硫㈹硫酸鈉1/Z2對時間關係圖

式(7)計算後得其D= 1.46 × 10−5 cm 2 / s ；圖 7b中ymax和t1/2亦成線性關係，套用公式(8)計算後得其D= 1.46 × 10−5 cm 2 / s 。

(a) 剛開始擴散

圖7 甘油㈬溶液的(a) 1/Z2對時間關係圖，(b)Ymax對時間的㆓分之㆒次方關係圖

(b) 擴散60分鐘後

(d) 擴散300分鐘後

圖5 方形盒㆘層放60℅的甘油㈬溶液，㆖層放入㈬，鐘形曲線的最低點逐漸向㊨㆖（甘油）方偏。

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利用光線穿透法研究非線性擴散

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3. 由以上兩項的數據，可以看出兩種不同的計算擴散係數的方法的優劣。使用公式(7)須計算使用到e的次方，若有實驗誤差，將導致誤差較大，適用於擴散中點位移不大者（即z 2

較小者）。由此方式算出的實驗誤差 ∆D = −

2  ar ( n1 − n2 )  ∆Z 3

4π Z t

=−

2∆Z D ，大約為 Z

0.4~0.07D。 4. 使用公式(8)計算方法較簡單，若有誤差也較小，但需要有較大的z值才適用。由此方式算出的實驗數據誤差 ∆D =

y∆y 2∆y = D ，大約為0.4~0.1D。 t y

5. 圖8中的紅色圓點顯示硫代硫酸鈉待測液中各點的濃度梯度(dn/dy)為一對稱曲線，且由圖形顯示擴散現象大多發生於水和溶液交界面。

8. 硫代硫酸鈉的熱動力因素對擴散係數的影響呈現直線上升，並沒有如甘油一般的急遽上升（如圖10所示）。因此推測此急遽上升與水和甘油的親和力有關：在303K 之前，熱動力對擴散係數的影響幾乎沒有增加，但超過了此溫度則急劇增加，推測此溫度為擴散的能量障礙（即為稍後會說明，水能打破甘油彼此的氫鍵而形成穩定複合體的溫度）（如圖11所示）；而硫代硫酸鈉則沒有此現象，因為其擴散大多發生在交界面，不需要打破任何擴散的能量障礙。

圖10 甘油㈬溶液㆗熱動力影響的擴散係數對溫度的影響

9.濃度越高的甘油溶液，擴散係數不一定為一定值，如圖13所示。當濃度小於60%時，擴散系數為一定值，但若大於70%其值則有明顯的增加。推測這是由於水對甘油的吸引力遠大於甘油彼此間的引力。

6. 甘油待測液的各點所得的濃度梯度為非對稱圖形，而最高峰偏向甘油部份（如圖8中的黑方塊），這顯示水在甘油中有較大親和力，擴散亦發生於甘油部分。圖8 待測液㆗濃度梯度(dn/dy)的比較圖

10.由甘油的擴散系數隨時間的變化的圖形（如圖14），可以發現不論濃度為何，可以將其分為兩階段。前半段擴散可以為一指數遞減函數，而後半段則約為一直線函數。根據此圖形和上一結論推測甘油的擴散應可分為兩階段。此外，這種現象是硫代硫酸鈉水溶液中所未見的。

圖11 甘油擴散現象模擬的假想圖

圖9 不同溶液的擴散假想圖(a)琉㈹硫酸鈉溶液(b)甘油㈬溶液

7. 定義dD/dT（單位溫度變化下的擴散係數梯度）為熱動力因素對擴散係數的影響。甘油水溶液中，熱動力因素對擴散係數的影響如圖8所示呈現e的指數函數。而且在溫度為 303K時呈現一個突然的上升。

圖12 硫㈹硫酸鈉溶液㆗熱力影響的擴散係數對溫度的影響與回歸曲線

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較小者）。由此方式算出的實驗誤差 ∆D = −

2  ar ( n1 − n2 )  ∆Z 3

4π Z t

=−

2∆Z D ，大約為 Z

0.4~0.07D。 4. 使用公式(8)計算方法較簡單，若有誤差也較小，但需要有較大的z值才適用。由此方式算出的實驗數據誤差 ∆D =

y∆y 2∆y = D ，大約為0.4~0.1D。 t y

5. 圖8中的紅色圓點顯示硫代硫酸鈉待測液中各點的濃度梯度(dn/dy)為一對稱曲線，且由圖形顯示擴散現象大多發生於水和溶液交界面。

圖10 甘油㈬溶液㆗熱動力影響的擴散係數對溫度的影響

圖11 甘油擴散現象模擬的假想圖

圖9 不同溶液的擴散假想圖(a)琉㈹硫酸鈉溶液(b)甘油㈬溶液

圖12 硫㈹硫酸鈉溶液㆗熱力影響的擴散係數對溫度的影響與回歸曲線

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12. 將先前提過熱動力因素影響的擴散系數和Stoke-Einstein Equation比較，發現硫代硫酸鈉的T/D和η成正比（即符合Stoke-Einstein Equation），而甘油則無明顯關係（如圖 15）。這推測是因為以氫鍵影響的擴散並不符合的Stoke-Einstein Equation基本條件，這也間接證明了甘油的擴散和硫代硫酸鈉有顯著的差異。

圖13 甘油的擴散系數對濃度變化圖。

圖14 甘油的擴散系數對時間變化圖

圖16 甘油分子在不同濃度㆘的擴散機制假想圖

G 圖15

(a)硫㈹硫酸鈉和 (b)甘油的T/D對η的相關圖

11. 由以上結論，推論甘油有下面兩種擴散機制：（如圖16） (a) 在甘油和水分子的比低於1：3時（重量濃度大於66%），每個甘油分子的三個OH 端都可以和一個H2O形成氫鍵，因此增加甘油濃度不影響擴散係數。 (b)在甘油和水分子的比低於1：3時（重量濃度小於66%），每個甘油分子的三個OH端都可以和一個H2O形成氫鍵，因此增加甘油濃度不影響擴散係數。

結論 1. 本實驗成功設計出一套簡易、創新和準確測量擴散係數的儀器，並能使其用於了解分子擴散的動力學。 2.甘油的擴散由於和氫鍵有關係，顯現出明顯不同於硫代硫酸鈉的擴散物理性質，由此套儀器和數據分析，成功找出其中的擴散障礙，以及甘油擴散的兩個不同的機制。

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㈻生組物理

圖13 甘油的擴散系數對濃度變化圖。

圖14 甘油的擴散系數對時間變化圖

圖16 甘油分子在不同濃度㆘的擴散機制假想圖

G 圖15

(a)硫㈹硫酸鈉和 (b)甘油的T/D對η的相關圖

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後記

㈻生組物理

就愛基礎㈻科全才㈻生踏向物理研究之路

「我想當科㈻家！」語出驚㆟的黃宇晟，在㉂修大㈻普物時靈光㆒ 現，㉂己研發了㆒套物理測量液體擴散系數的方法，不只創新，同時又具備簡單、準確的㈵性，㈲成為高㆗物理教具的潛力。

2-1 化

㈻

科㈻小論文

重視多方能力培養未來道路㉂己選擇即將出國進修物理的黃宇晟，談話落落大方，㆒點也沒㈲高㆗生常見的害羞靦腆；當解說㉂己投高瞻計畫的小論文內容時，他只用短短㆔言兩語，竟然能清楚明瞭。「可能因為我㈲參加過演講比賽吧！」他笑著說。的確，黃宇晟的生活充滿了各種領域的探索和㈻習，也得到家㆟的支持，從小便是科展常客，物理化㈻㆞科組都參加過，高㆓到清華大㈻修習普物課，到嘉義大㈻旁聽數㈻課，還要準備出國念書的英文等等，過著㈩分忙碌又用功的高㆗生活。黃宇晟不只對理科領域充滿興趣，㆟文領域的東西也㆒樣愛，藝術、音樂、英文小說和科幻電影，是他平常的生活消遣，興趣㈩分廣泛。不過他也㈲不擅長的科目，例如生物，「所以我沒㈲要當㊩生，」黃宇晟說，「家㆟也這麼覺得，認為我㊜合待在研究室。」對科㈻研究㈲驚㆟熱情的黃宇晟，不意外㆞選擇了出國念物理。為何他並不像其他成績㊝異的高㆗生那樣，選擇㊩㈻系或電機系呢？對此，黃宇晟的方向很明確，「我喜歡基礎科㈻，未來想當科㈻家！我會去思考，這些研究㈲什麼發展性，對㆟類㈲什麼貢獻等問題。」不過這個選擇，也㈲其踏實的理由，「假設我後悔了，也可以跳工科，㈲物理㈻科的基礎，發展性還是很大。」老師、㈻長經驗傳承嘉㆗實驗傳統超紮實在嘉義高㆗就讀㈾㊝班，受到李文堂老師教導的黃宇晟，也和老師㆒樣，致力於研發㆒套簡單又準確的儀器來檢測物理現象。這在嘉義高㆗似乎是個大型主題，黃宇晟接㆘了㈻長已㈲的成果，繼續往前做；但黃宇晟並不是全盤照抄，「不是只照著原先設定來做，而是修改了㆒些解析的方法，也重做了㆒些數據。」在李老師的帶領㆘，㈻生們在同㆒個主題㆖持續努力，除了實驗步驟紮實之外，也保持開放心態，查詢最新期刊，跟㆖世界的腳步。對於高瞻計畫，黃宇晟認為它和科展㈲很大的不同，「高瞻計畫領域㈩分廣泛，㈲時甚㉃包含㈳會科㈻的內容，和科展重視研究的發展性相比，高瞻計畫更重視應用性，和生活㈲密切的關係。」而他參與高瞻計畫最㊞象深刻的事，則是可以看見他㆟㈲創意的作品，「即使是㆒個新的測量方法，可以用來測量系數或溶液性質，都很㈲意思。」看來互相交流、研究，的確是許多參加者在高瞻計畫得到最寶貴的經驗。

3C 產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察國立南港高級工業職業㈻校陳勁昕、蔡秉辰、李建翔、龔建霖、翁慶明、游承澔、吳柏均

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3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

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3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

是否能做為鋁合金奈米染色的素材呢？而這些天染植物萃取有機色素的使用與工業染色的過程是否有相同之處？我們想探索工業染料的參數跟實驗植物萃取的有機染料是否可行。

近年來，3C鋁合㈮產品外殼的顏色從傳統的素色變成色彩鮮豔多樣的彩色，其㆗最關鍵的技術就是利用陽極氧化染色處理，利用陽極處理在鋁合㈮表面產生奈米孔洞，利用奈米模板做為輔助成長基材，製作高密度的奈米孔洞，成為相當熱門的奈米技術。陽極處理氧化鋁（anodic aluminium oxide，簡稱 AAO ）可以形成高密度堆積的㈥角形孔洞結構，再以色料染色，經過封孔處理，直接在鋁合㈮㆖染

圖1 花材用於3C產品染色之構想圖片來源：YAHOO奇摩拍賣網與奇摩圖片搜尋 http://www.flickr.com/photos/finlayedridge/29326709/

出鮮豔的顏色，所以製作程序較以往的烤漆節省加工設備與製程步驟且能使表面之顏色均勻附著於鋁材 ㆖，因此引發我們對於鋁合㈮或陽極處理染色技術的興趣。另外，對於生活週遭㆗的㈲機萃取染料是否能做為奈米染料呢？我們將會延伸探索的觸角，尋找能用於奈米鋁模板染色的㈲機染料。

本研究初期探討共分兩個主題，第㆒部份主要在尋找陽極奈米染色的最佳操作變數，包括試片表面

研究目的鋁合金或是鎂鋁合金在工業上應用廣泛，特別在近幾年的3C產品外殼構件，鋁具有高活性且容易與外界產生化學變化的金屬，鋁金屬表面與空氣接觸會產生氧化鋁，為了使氧化層更緻密以減少內部金屬與空氣接觸，可藉由「陽極處理」的方法使氧化層變得更厚、更緻密，以增加鋁合金表面之抗氧化性及抗腐蝕性。

處理、前處理溶液、染色操作溫度、染色劑種類與染色劑酸鹼值對鋁合㈮染色效果之影響。第㆓部份是鋁模板陽極處理組織的觀察，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察鋁模板陽極處理組織的形貌，並觀察其結構的尺度。本研究後續研究是針對㆝然㈲機染料是否能用於鋁模板陽極處理染色做進㆒步探索實驗，並比對可用於鋁模板陽極處理的㆝然染料和第㆒部分的陽極奈米染色的最佳操作變數是否符合。

本研究的目的包括以下三項: 1. 探討鋁模板陽極處理與染色的最佳操作參數。 2. 鋁模板陽極處理後的組織觀察。 3. 探討天然植物萃取的有機染料是否可用做鋁模板陽極處理的染色劑，其效果與條件如何。

實驗結果發現，不同染色劑可獲得不同顏色的染色效果。如果我們把溶液的溫度分成常溫與工業㆖ 常採用的溫度（工業用溫度），常溫染色的效果比工業用溫度染色的效果差，經過超音波清洗後，常溫試片顏色會褪色也較嚴重。染色劑的酸鹼值偏向鹼性時，色彩的鮮明度變差，較佳的染色劑酸鹼值為PH 5.5。拋光試片的染色效果沒㈲比較理想，但整體質感卻明顯改善，在㆝然植物萃取㈲機染料的探討實驗發現，當㆝然植物萃取的染料酸鹼值正好為5.5時，染色的效果不會比工業染料來的差，能獲得令㆟滿意的結果。

C 研究動機近年來，生活中常可以看到鋁合金製作的3C產品，顏色非常鮮艷、多樣化且具有一定防止刮傷的能力（如圖1）。從陽極處理舊技術的改良與創意，應用染色與封孔的新技術，使「陽極處理」賦予新的生命。然而工業總給人冷冰冰的印象，不論是化工、機械、材料，總是缺少了一些「人味」。於是我們假想這些顏色鮮豔卻是冷冰冰的無機染料，是否可以使用天然植物萃取的色素做取代呢？像是象徵愛情的玫瑰花，象徵熱情的向日葵，

研究流程本實驗的流程如圖2所示，首先我們以工業陽極染色處理的技術為基礎，尋找最佳的鋁模板陽極處理操作參數，接著再進行鋁模板陽極處理組織的觀察，最後我們再以鋁模板陽極處理最佳操作參數最為依據，尋找適合的天然有機植物萃取染料做為實驗的探討。

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3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

圖1 花材用於3C產品染色之構想圖片來源：YAHOO奇摩拍賣網與奇摩圖片搜尋 http://www.flickr.com/photos/finlayedridge/29326709/

本研究初期探討共分兩個主題，第㆒部份主要在尋找陽極奈米染色的最佳操作變數，包括試片表面

高瞻計畫成果作品集

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

研究動機

研究方法 ㆒、陽極染色處理實驗設計鋁金屬的陽極處理發展已經有了一段歷史，但染色為一項較新的技術，本次的實驗探討染色時不同的變因對於染色的影響。本實驗以工業用設定值為對照組，工業用設定值（表1）與變因條件（表2），詳述如下：

研究目的

文獻探討

選用研究方法

表1 工業用設定值表

陽極處理最佳操作參數

實驗設計

步驟

脫脂

梨㆞

陽極處理

染色

封孔

溫度

60°C

50°C

20~22°C

60°C

95°C

30秒~3分鐘

20分鐘

1. 染色劑0.1克 2. 100cc蒸餾㈬

蒸餾㈬

反應時間

溶劑及調配比例

處理溫度

染色劑酸鹼值

有無封孔

試片拋光

5~10分鐘 1. YH-1000脫脂劑30克 2. 蒸餾㈬1公升

是否為純鋁

2分鐘 1. 磷酸㆔鈉30 克 2. 葡萄糖酸鈉20 克 3. 碳酸鈉30克 4. 蒸餾㈬2公升

20~40分鐘 1. 硫酸233cc 2. 蒸餾㈬3公升

染色劑為 PH值5.5

備註

材料及器材準備

陽極處理實驗

本實驗擬採用之變因有：1.處理過程之溫度、 2.染色劑酸鹼值、3.封孔、4.試片拋光，本實驗所有變因如下表：表2 實驗變因控制比較表（本表㈲標示處即為改變之變因）

鋁模板組織觀察

步驟實驗㆒

選定最佳操作參數

前處理

天然植物萃取

陽極處理

染色

封孔

� 封孔 □ � 不封孔 □

實驗㆔ 實驗㆕

梨㆞

� PH 5.5 □ （工業設定） � PH 7.0 □ � PH 8.5 □

實驗㆓

㈲機染料試驗

脫脂

� 工業設定 □ � 21~22°C □ （室溫）

� 拋光 □ � 不拋光 □

結果與討論

圖2 本研究的研究流程

高瞻計畫成果作品集

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

研究動機

研究目的

文獻探討

選用研究方法

表1 工業用設定值表

陽極處理最佳操作參數

實驗設計

步驟

脫脂

梨㆞

陽極處理

染色

封孔

溫度

60°C

50°C

20~22°C

60°C

95°C

30秒~3分鐘

20分鐘

1. 染色劑0.1克 2. 100cc蒸餾㈬

蒸餾㈬

反應時間

溶劑及調配比例

處理溫度

染色劑酸鹼值

有無封孔

試片拋光

5~10分鐘 1. YH-1000脫脂劑30克 2. 蒸餾㈬1公升

是否為純鋁

2分鐘 1. 磷酸㆔鈉30 克 2. 葡萄糖酸鈉20 克 3. 碳酸鈉30克 4. 蒸餾㈬2公升

20~40分鐘 1. 硫酸233cc 2. 蒸餾㈬3公升

染色劑為 PH值5.5

備註

材料及器材準備

陽極處理實驗

鋁模板組織觀察

步驟實驗㆒

選定最佳操作參數

前處理

天然植物萃取

陽極處理

染色

封孔

� 封孔 □ � 不封孔 □

實驗㆔ 實驗㆕

梨㆞

� PH 5.5 □ （工業設定） � PH 7.0 □ � PH 8.5 □

實驗㆓

㈲機染料試驗

脫脂

� 工業設定 □ � 21~22°C □ （室溫）

� 拋光 □ � 不拋光 □

結果與討論

圖2 本研究的研究流程

高瞻計畫成果作品集

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

㉂變㊠

依變㊠

實驗操弄變㊠一、處理溫度二、染色劑酸鹼值三、封孔與否四、是否拋光五、染色劑種類

鋁合金材料的染色效果

天然植物萃取有機染料的實驗中，我們採集了玫瑰花與向日葵，我們資料收集了很多萃取的方法，最後選用酒精隔水加熱之後反覆熬煮的方法萃取出花的色素，如圖4。

實驗控制變㊠一、陽極處理的電壓與電流強度二、脫脂劑的材料及酸鹼值三、梨地劑的材料及酸鹼值四、實驗處理時間五、陽極處理液的材料及酸鹼值

圖4 ㆝然植物萃取（㊧：玫瑰花萃取㊨：向㈰葵萃取）

圖3 本研究實驗變㊠

我們的實驗參數設定大致上與工業設定相同，只有染色時間加長與陽極處理時的溫度稍作調高，因為陽極處理中溶液溫度越高產生的奈米孔洞越大。（表1） ㆓、植物染料萃取與試驗方法表3為利用天然植物萃取之有機染料進行鋁模板陽極處理染色的操作參數。我們將以陽極染色處理實驗設計中所尋求的最佳操作條件做為實驗操作條件，再探討不同天然植物萃取有機染料的染色效果。

標準實驗步驟 ㆒、陽極處理染色作業流程表（表4）照片

流程準備（20 分鐘）

步驟 1. 準備器材及材料

材料及器材 1. 所㈲器材及材料

表3 ㆝然植物萃取㈲機染料鋁模板陽極處理染色的操作參數

步驟

脫脂

梨㆞

陽極處理

溫度

60°C

50°C

室溫

60°C

95°C

反應時間

5~10分鐘

2分鐘

20~40分鐘

10分鐘

20分鐘

溶劑及調配比例

備註

1. YH-1000脫脂劑30克 2. 蒸餾㈬1公升

1. 磷酸㆔鈉30 克 2. 葡萄糖酸鈉20 克 3. 碳酸鈉30克 4. 蒸餾㈬2公升

染色

1. 硫酸233cc 2. 蒸餾㈬3公升

1. 植物萃取物 2. 100cc蒸餾㈬

室溫時奈米孔較大、反應速度較快

1. 向㈰葵PH本身就是5.5 2. 玫瑰花PH值為 6.8但用醋酸調為PH 5.5

封孔

蒸餾㈬

高瞻計畫成果作品集

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

㉂變㊠

依變㊠

實驗操弄變㊠一、處理溫度二、染色劑酸鹼值三、封孔與否四、是否拋光五、染色劑種類

鋁合金材料的染色效果

實驗控制變㊠一、陽極處理的電壓與電流強度二、脫脂劑的材料及酸鹼值三、梨地劑的材料及酸鹼值四、實驗處理時間五、陽極處理液的材料及酸鹼值

圖4 ㆝然植物萃取（㊧：玫瑰花萃取㊨：向㈰葵萃取）

圖3 本研究實驗變㊠

標準實驗步驟 ㆒、陽極處理染色作業流程表（表4）照片

流程準備（20 分鐘）

步驟 1. 準備器材及材料

材料及器材 1. 所㈲器材及材料

表3 ㆝然植物萃取㈲機染料鋁模板陽極處理染色的操作參數

步驟

脫脂

梨㆞

陽極處理

溫度

60°C

50°C

室溫

60°C

95°C

反應時間

5~10分鐘

2分鐘

20~40分鐘

10分鐘

20分鐘

溶劑及調配比例

備註

1. YH-1000脫脂劑30克 2. 蒸餾㈬1公升

1. 磷酸㆔鈉30 克 2. 葡萄糖酸鈉20 克 3. 碳酸鈉30克 4. 蒸餾㈬2公升

染色

1. 硫酸233cc 2. 蒸餾㈬3公升

1. 植物萃取物 2. 100cc蒸餾㈬

室溫時奈米孔較大、反應速度較快

1. 向㈰葵PH本身就是5.5 2. 玫瑰花PH值為 6.8但用醋酸調為PH 5.5

封孔

蒸餾㈬

高瞻計畫成果作品集

照片

流程脫脂（5~10 分鐘）

梨㆞（2 分鐘）

酸洗活化（10 秒）

陽極處理（40 分鐘）

染色（30 秒~10分鐘）

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

步驟

材料及器材

1. 取30公克脫脂劑及 1 公升蒸餾㈬ 2. 使用磁石攪拌器攪拌均勻 3. 將石英加熱棒插入㈬ ㆗加熱㉃60ºC 4. 將模板放入脫脂液㆗ 脫脂㉃模板表面不撥㈬ 5. ㈬洗 ˙ 石英加熱棒需放入㈬ ㆗才可插電，否則加熱棒會燒壞 ˙若模板表面不撥㈬，則重複步驟4、5 ㉃亮面

1. 脫脂劑 2. 蒸餾㈬公升 3. 磁石攪拌器 4. 石英加熱棒 5. 溫度計

1. 取磷酸㆔鈉30克、葡萄糖酸鈉20克、碳酸鈉30克、蒸餾㈬ 2 公升 2. 攪拌均勻後加熱㉃50 ºC 3. 模板放入除膜液㉃除膜完成 4. ㈬洗 ˙液體愈鹼腐蝕越快 ˙梨㆞完成時起㈬泡、表面霧化

1. 磷酸㆔鈉 2. 葡萄糖酸鈉 3. 碳酸鈉 4. 溫度計 5. 加熱器

1. 將電解槽㆗電解液調配完成，後抽出部分，使試片酸鹼㆗和 ˙ 將試片酸鹼㆗和是為了不影響電解液的酸鹼值

1. 硫酸 2. 蒸餾㈬

照片

流程

步驟

材料及器材

封孔（20 分鐘）

1. 用浸泡於95ºC的蒸餾㈬㆗10 分鐘 2. ㈬洗

1. 蒸餾㈬ 2. 溫度計

烘乾（3~5 分鐘）

1. 使用吹風機完全烘乾

1. 吹風機

㆓、陽極處理試片微觀組織觀察本研究針對鋁合金陽極處理各階段的微觀組織進行掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察，其中電子顯微鏡係委由德霖技術學院機械系代為操作。試片則分別選用未處理的鋁試片、脫脂試片、一次梨地試片、一次陽極處理試片、二次梨地試片、二次陽極處理試片等材料進行觀察與拍照。試片皆於各處理過程後，清水水洗，隔水酒精超音波清洗5分鐘，之後冷風吹乾處理（為防止形成封孔處哩，故不得使用熱風）。 ㆔、㆝然植物萃取㈲機染料備製過程（表5）照片

流程

步驟

材料及器材

拔花瓣（5分鐘）

1. 清洗花 2. 把需要的花瓣都拔㆘ 來預備

1. 鮮花

萃取（30分鐘）

1. 將裝滿花瓣的燒杯加入酒精，約㆓分之㆒ 2. 將燒杯隔㈬加熱90度（小心酒精容易燃燒，要放溼抹布預備）

1. 花瓣 2. 酒精 3. 燒杯

1. 取233cc硫酸、蒸餾㈬ 1. 硫酸 3公升 2. 蒸餾㈬ ˙ 稀釋硫酸時須將硫酸加入㈬㆗，不可相反。

1. 將模板浸泡到染色劑 ㆗ ˙因染色劑酸鹼值不同，故使用氨㈬及醋酸調其酸鹼值

1. 染色劑 2. 氨㈬ 3. 醋酸

高瞻計畫成果作品集

照片

流程脫脂（5~10 分鐘）

梨㆞（2 分鐘）

酸洗活化（10 秒）

陽極處理（40 分鐘）

染色（30 秒~10分鐘）

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

步驟

材料及器材

1. 脫脂劑 2. 蒸餾㈬公升 3. 磁石攪拌器 4. 石英加熱棒 5. 溫度計

1. 磷酸㆔鈉 2. 葡萄糖酸鈉 3. 碳酸鈉 4. 溫度計 5. 加熱器

1. 將電解槽㆗電解液調配完成，後抽出部分，使試片酸鹼㆗和 ˙ 將試片酸鹼㆗和是為了不影響電解液的酸鹼值

1. 硫酸 2. 蒸餾㈬

照片

流程

步驟

材料及器材

封孔（20 分鐘）

1. 用浸泡於95ºC的蒸餾㈬㆗10 分鐘 2. ㈬洗

1. 蒸餾㈬ 2. 溫度計

烘乾（3~5 分鐘）

1. 使用吹風機完全烘乾

1. 吹風機

流程

步驟

材料及器材

拔花瓣（5分鐘）

1. 清洗花 2. 把需要的花瓣都拔㆘ 來預備

1. 鮮花

萃取（30分鐘）

1. 將裝滿花瓣的燒杯加入酒精，約㆓分之㆒ 2. 將燒杯隔㈬加熱90度（小心酒精容易燃燒，要放溼抹布預備）

1. 花瓣 2. 酒精 3. 燒杯

1. 取233cc硫酸、蒸餾㈬ 1. 硫酸 3公升 2. 蒸餾㈬ ˙ 稀釋硫酸時須將硫酸加入㈬㆗，不可相反。

1. 將模板浸泡到染色劑 ㆗ ˙因染色劑酸鹼值不同，故使用氨㈬及醋酸調其酸鹼值

1. 染色劑 2. 氨㈬ 3. 醋酸

高瞻計畫成果作品集

照片

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

流程過濾（2分鐘）

步驟 1. 花瓣色素都出來時將花瓣濾出

材料及器材 1. 濾網

3. 封孔的部份，封孔時試片上的染色劑會逸出，將封孔液染色，但封孔層表面為透明保護層，在視覺效果上有增加亮度的效果。未封孔的試片顏色鮮明但無透明保護層，表面較無光亮之感覺，且經超音波洗淨時，染色料逸出情形嚴重，使試件表面染色不均勻。亦即若不封孔之試件將來在使用時，容易造成褪色的情形發生。 4. 試片拋光的部份，雖然染色時的效果及顏色不會因為拋光而有所差異，但是有拋光過的試片，質感上有明顯的不同。

熬煮（㆒小時）

成品染色（㈩分鐘）

1. 加入蒸餾㈬反覆熬煮，將酒精全部煮掉

1.蒸餾㈬

1. 將陽極處理好的鋁試片放入植物染料㆗

結論 ㆒、實驗結論在整個實驗過程發現，操作溫度、染色劑酸鹼值、染色後是否封孔、材料是否拋光對染色的結果都會產生很大的影響，分述如下： 1. 各種染色劑若用常溫梨地處理時，無法發揮黎地功效，染色時皆無法均勻的上色。 2. 酸鹼值的部份，染色劑的酸鹼值，在藍色時比較不會有明顯的差異，但在使用紅色與黃色染色劑時，染色效果差距較為明顯。

上述實驗雖然沒有新的發現，但讓我們知道以現階段來說，工業用的設定值所做出來的效果還是最佳的，可以上述參數來進行我們的植物染料試驗。 5. 植物染料試驗探討結論我們發現可以將植物萃取出來的有機染料，可以用在奈米孔洞面上，將這些鋁金屬殼加上更多的活力，鋁金屬殼不再是死板板的工業顏料，這些植物染料的色彩可以讓鋁金屬殼加上更多的意義，例如說向日葵：代表陽光、晴朗，能讓人心情逾越，玫瑰花代表愛情，能送給心愛的人，就意義來講這些植物染料比工業染料活潑許多，而且使用剩下的植物染料也容易被大自然回收，不會對地球造成破壞。在實驗中發現工業染料使用的pH 5.5在植物染料中也可以適用，但必須是天然的不能經由人工調配，人工調配會破壞植物染料的性質，植物染料有個缺點就是需要冷凍保存，不然染料放超過兩天就會壞掉（上色能力變差）這點也是需要我的探討的，可能是因為沒有冷藏而色素發酵，改變了色素原有的性質，而因為時間與設備關係此實驗中有太多的實驗參數無法去試，在用接下來的時間中努力的測試植物染料這塊部份，讓植物染料的資料變的更完整。 ㆓、後續探討本次實驗因時間的關係，許多數據直接採用廠商提供或文獻資料之數值，但本實驗還有許多可探討的部份，例如試著調整電壓和電流的大小是否改變其他因素，再假設如果把犁地時間增加或是調整溫度的高低會不會影響預期的效果，想想把染色的時間加長，它的顏色會不會比較鮮豔，還有若不是純鋁是否能達到相同之功效，才能達到這些都是我們可以去探討的因素，而植物萃取方法跟實驗參數的是否影響染色，是否和工業染料相近，有太多變因等著我們去試，而我們現階段實驗想表達的是植物染料可以使用在陽極氧化染色處理當中。

高瞻計畫成果作品集

照片

3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

㈻生組化㈻

流程過濾（2分鐘）

步驟 1. 花瓣色素都出來時將花瓣濾出

材料及器材 1. 濾網

熬煮（㆒小時）

成品染色（㈩分鐘）

1. 加入蒸餾㈬反覆熬煮，將酒精全部煮掉

1.蒸餾㈬

1. 將陽極處理好的鋁試片放入植物染料㆗

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組化㈻

克服壓力做實驗小論文推甄成關鍵

南港高㆗陳勁昕在高㆔大考之際，投身科㈻小論文製作，過程辛苦且壓力龐大，但最後的成果幫了他㆒把，輕鬆推甄㆖屏東科技大㈻。大考、實驗㆒起來

2-2 化

㈻

科㈻小論文

㆒開始因為指導老師希望陳勁昕能帶領㈻弟㆒起參與科㈻小論文製作，所以他開始投身其 ㆗，但當時正值高㆔備大考階段，陳勁昕表示他當時覺得壓力很大，也㈩分擔心㉂己能否同時兼顧準備考試與實驗，所幸老師都相當支持、鼓勵他。 ㆝然染劑㉂行研發決定 3C產品鋁合㈮奈米染色技術為主題之前，原本只是往氧化鋁這個方向發想，了解氧化鋁後發現其被應用在許多3C產品的染色技術㆖，他們發現這樣的製作過程較以往的烤漆省時且能使表面的顏色均勻附著於鋁材㆖，因此讓他們開始想深入瞭解這個主題。他們透過老師向廠商購買機器以及示範製作，後來開始嘗試㉂己將成品做出，並且開始發想 ㆝然植物做為染劑的概念，陳勁昕表示他們試了相當多的植物，最後發現向㈰葵萃取出來的色素最㊜合做為㆝然染劑的使用，顯色效果也比㆒般工業染劑來的更好，他說大部分的植物萃取出來的色素都無法使用，原因可能是他們萃取的過程不夠細緻導致萃取物含㈲其他的雜質，但向㈰葵色素的成功萃取、㆖色，讓他們獲得很大的成就感！實驗的危險與困難由於實驗的過程㆗需使用到電解液，他們試了硫酸、鹽酸等酸類做為電解液的原料，因為都是強酸類，所以試電解液變成實驗㆗最危險的部分。而實驗㆗使用的試片則是最耗時耗力的，因為試片需要研磨，製作過程繁複，但是做㆒組實驗卻要耗掉㆓、㆔㈩片的試片，陳勁昕說他和㈻弟們還曾因為準備試片溝通不良而發生爭執，幸好後來問題都順利的獲得解決。做實驗帶來的影響陳勁昕說，這是他第㆒次做㈲實驗的研究計畫，對他來說是個很不㆒樣的體驗，而做這個研究不只讓他順利的推甄㆖喜歡的校系，對他做實驗的規劃與統整也㈲相當大的提升，現在就讀材料系的他也㈲持續的在做研究，目前與系㆖的同㈻合作關於汽車鋼板的研究，他表示因就讀材料系的關係，現在多針對材料應用方面進行研究。他表示，㆒起合作的㈻弟團隊們後來也㈲繼續參加科展，現在還會持續與他聯絡，不管是㈻業㆖遇到的問題或對未來大㈻的生涯規劃，都會找他 ㆒起討論。因為當初勇敢的決定要參與小論文製作，並且在過程㆗努力付出與善用時間兼顧課業，讓他得到了最甜美的果實，他也鼓勵高㆗生應該多參與相關的研究計劃，增進㉂己科㈻研究方法、實驗規劃的能力，也能加以培養團體合作的精神，結交到㆒群共同努力的伙伴！

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究國立彰化師範大㈻附屬高級工業職業㈻校林宛蓁、吳佩珊、王郁琪、蔡欣潔

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組化㈻

克服壓力做實驗小論文推甄成關鍵

2-2 化

㈻

科㈻小論文

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究國立彰化師範大㈻附屬高級工業職業㈻校林宛蓁、吳佩珊、王郁琪、蔡欣潔

高瞻計畫成果作品集

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究

㈻生組化㈻

漂亮磚牆怎麼了——奈米材料抑制白華之研究

化而帶至表面，最後乾固而形成白華。又因水泥等建築材料（原料）含有硫酸鈣等物質，遇水導致化學變化，產生白色結晶狀粉末。

本實驗主要是研究奈米(nanometer)材料在紅磚構造㆗，抵抗白華生成之功效。實驗㆗將凝膠型奈

因此，我們為了解決學校藝術砌磚作品之白華生成所造成的困擾，於是搜尋相關文獻參考資料並與老師討論後，考量奈米材料有顆粒微細及自潔效果，能深入孔隙之中，若將其噴塗及塗刷於紅磚表面或加入水泥砂漿中，預期對白華之抑制應有一定之效果，因此決定採用奈米材料進行本研究探討。

米材料分別以噴塗及塗刷兩種方式固結於紅磚表面，是利用奈米材料具㈲高強度、高韌性、高耐磨性、耐熱和高硬度等㈵性，在材料表面形成防護和改善塗層，可以極大㆞改善原材料的性能，並研究其對白華生成物㉂潔之效果，同時配合奈米材料摻入㈬泥砂漿的方式，研究奈米材料是否可以填充㈬泥砂漿之孔隙，㈲效對抗白華之生成，藉由奈米材料的加入，可以提升材料的剛性、抗拉、抗折、抗菌、㉂潔、㉂身防燃性等性質。

B A

研究動機從進入學校之前，就已聽說本校為藝術砌磚之發源地，建築科師生將紅磚與藝術結合在一起，推廣於社區營造、美化校園景觀（如圖1~6 所示）、庭園造景、公共藝術等方面，聽說只要透過泥工實習專業課程訓練，就能完成出色的藝術砌磚作品。在一次偶然的機緣下，從電視節目『行行出狀元』中，看到節目正在介紹紅磚達人，訪問一位藝術砌磚專家。節目裡不僅介紹了紅磚盛行的由來，也示範如何疊砌與施作，但卻提到：「藝術砌磚疊砌起來雖然外表美觀，但完工不久後，很快就會產生白華於表面，特別是在冬天或天氣寒冷、潮濕的環境中，因而影響作品的美觀，這就是一般普遍磚牆所遇到的困擾。」此段談話讓我們印象深刻，因為我們家牆壁也有白華（壁癌）之困擾。

研究目的奈米科技是指在奈米尺度(1 nm〜100 nm)上研究物質的相互作用和特性，依照需求及透過控制原子、分子在奈米尺寸上表現出來的嶄新特性，加以組合並製造出具有特定功能的產品1。此外，奈米塗佈的目的是為了填補表面孔隙，達到自潔之效果。本研究中奈米材料泛指粒子尺寸大小在1〜100nm (nanometer＝10－9)範圍內的材料。因此，本研究選擇以混凝土添加奈米材料(TiO2)之方式來研究其對白華抑制現象的影響，並將試體表面分別以噴塗及塗刷兩種方法進行固結，希望能夠藉由此次之研究，發現奈米材料真的可以填充混凝土孔隙，有效抑制白華之生成，同時希望能藉由奈米材料的自潔作用，了解奈米材料是否能有效的抑制白華在紅磚表面生成。並藉由本試驗所測得之數據，以科學的方法加以分析，探討較佳之塗佈方式，作為改善紅磚白華生成的參考依據。

上建材課時，老師有講解白華的生成與特性，除了混凝土硬化產生的氫氧化鈣，混凝土骨材或瓦片磚石裡，亦含有一些化學離子鹽份(sulfates)，也可能被滲透的水所溶解、氧

圖 1

圖 2

圖 3

圖 4

圖 5

圖 6

高瞻計畫成果作品集

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究

㈻生組化㈻

漂亮磚牆怎麼了——奈米材料抑制白華之研究

化而帶至表面，最後乾固而形成白華。又因水泥等建築材料（原料）含有硫酸鈣等物質，遇水導致化學變化，產生白色結晶狀粉末。

本實驗主要是研究奈米(nanometer)材料在紅磚構造㆗，抵抗白華生成之功效。實驗㆗將凝膠型奈

B A

圖 1

圖 2

圖 3

圖 4

圖 5

圖 6

高瞻計畫成果作品集

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究

㈻生組化㈻

研究過程方法

研究動機

㆒、研究方法本實驗主要是研究奈米(nanometer)材料在紅磚構造中，抵抗白華生成之功效。藉由實驗奈米材料噴塗或塗刷於紅磚表面以及奈米材料摻入水泥砂漿裡的方式來瞭解奈米材料對於紅磚抗白華生成之抑制效果。本研究內容主要以A－F六種實驗試體來試驗何種方式可以達到抑制白華生成之最佳結果，因此，透過六種實驗試體來瞭解奈米材料抑制白華生成之效果，在預定的時間，以數位相機拍照之方式來紀錄白華生成物，並透過影像編輯軟體 Photoshop7.0來分析白華生成物佔試體面積之百分比，以瞭解其自潔及填充之效果。茲將A－F 六種實驗試體內容說明如下： 1. A 試體（對照組）：水泥砂漿 2. B 試體（實驗組）：水泥砂漿摻入奈米材料（奈米：水＝1：20） 3. C 試體（實驗組）：水泥砂漿＋磚塊表面噴塗奈米 4. D 試體（實驗組）：水泥砂漿＋磚塊表面塗刷奈米 5. E 試體（實驗組）：水泥砂漿摻入奈米（奈米：水＝1：20）＋磚塊表面噴塗奈米 6. F 試體（實驗組）：水泥砂漿摻入奈米（奈米：水＝1：20）＋磚塊表面塗

㆓、研究流程本研究過程如圖7研究流程圖所示。

研究目的收集文獻製作試體

對照組

實驗組

Ａ水泥砂漿

Ｂ水泥砂漿摻入奈米材料

Ｃ水泥砂漿＋紅磚表面噴塗奈米材料

㆔、第㆒型波㈵蘭㈬泥砂漿配比及實驗過程 1. 水泥與砂以1：2.75的比例拌合。 2. 疊砌成9組，1 組3皮。 3. 紅磚表面擦拭乾淨，等待乾燥硬化。 4. 將奈米置入噴槍後，噴塗、沾塗奈米於磚塊表面上。 5. 於室外環境下養護。

Step 1 拌合㈬泥砂漿

Step 2 疊砌紅磚

Step 3 擦拭紅磚表面

Step 4 等待㈬化硬固

Ｄ水泥砂漿＋紅磚表面塗刷奈米材料

Ｅ水泥砂漿摻入奈米材料＋紅磚表面噴塗奈米材料

白華試驗

1. 七天養護

實驗分析

2. 定時溫溼度紀錄

綜合結論

3. 定時拍照紀錄

Ｆ水泥砂漿摻入奈米材料＋紅磚表面塗刷奈米材料

結果與討論 Step 5 倒置奈米材料

Step 6 噴塗奈米材料

Step 7 室外養護

圖7 研究流程圖

高瞻計畫成果作品集

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究

㈻生組化㈻

研究過程方法

研究動機

㆓、研究流程本研究過程如圖7研究流程圖所示。

研究目的收集文獻製作試體

對照組

實驗組

Ａ水泥砂漿

Ｂ水泥砂漿摻入奈米材料

Ｃ水泥砂漿＋紅磚表面噴塗奈米材料

Step 1 拌合㈬泥砂漿

Step 2 疊砌紅磚

Step 3 擦拭紅磚表面

Step 4 等待㈬化硬固

Ｄ水泥砂漿＋紅磚表面塗刷奈米材料

Ｅ水泥砂漿摻入奈米材料＋紅磚表面噴塗奈米材料

白華試驗

1. 七天養護

實驗分析

2. 定時溫溼度紀錄

綜合結論

3. 定時拍照紀錄

Ｆ水泥砂漿摻入奈米材料＋紅磚表面塗刷奈米材料

結果與討論 Step 5 倒置奈米材料

Step 6 噴塗奈米材料

Step 7 室外養護

圖7 研究流程圖

高瞻計畫成果作品集

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究

㈻生組化㈻

㆕、奈米㈬泥砂漿實驗過程 1. 將奈米與水以1：20拌合。 2. 水泥與砂1：2.75的比例加奈米與水1：20的比例拌合。 3. 疊砌成9組，一組3皮。 4. 表面擦拭乾淨，等待水化硬固。 5. 將奈米置入噴槍後，噴塗、塗刷奈米於磚塊表面上。 6. 於室外環境下養護。

Step 1 摻合奈米材料及㈬

Step 5 倒置奈米材料

Step 2 ㈬泥砂漿摻入奈米材料

Step 6 噴塗奈米材料

Step 3 疊砌紅磚

㆔、未來展望：此實驗中用的奈米氧化鈦(TiO2)價格較高，在後續試驗中將使用成本較低的奈米氧化矽，希望奈米氧化矽(SiO2)也能達到預期的效果，可推廣至業界使用。表1 本研究各組試驗㊝缺點分析及建議表

試體㈴稱

Step 4 擦拭紅磚表面

Step 7 室外養護

結論與建議 ㆒、結論 1. 水泥砂漿生成總白華量多於水泥砂漿摻入奈米生成總白華量。 2. 塗刷奈米生成白華量多於噴塗奈米生成白華量。 3. 試體E「水泥砂漿摻入奈米材料＋紅磚表面噴塗奈米材料」的白華生成量比試體A 「水泥砂漿（對照組）」的白華生成量低很多，所以奈米材料應用於紅磚表面可以有效抑制58%白華量生成。 4. 本研究最佳試驗結果為「水泥砂漿摻入奈米材料＋紅磚表面噴塗奈米材料」（試體 E），其優點為奈米填充孔隙、用料少、施工迅速、具自潔效果等，茲將本研究各組試體優缺點及建議說明整理如表1所示。

㊝點

缺點

白華生成量（％）

奈米成本

抑制白華效果

A. ㈬泥砂漿（對照組：試體A）

對照用

3.8

0元

（4）

B. ㈬泥砂漿摻入奈米材料（奈米：㈬以 1：20 的比例）（實驗組：試體B）

1. 奈米填充孔隙 2. 具㉂潔效果

1. 增加成本 2. 奈米材料在㈬泥砂漿㆗之分散性無法掌控

3.07

約275元

（3）

C. ㈬泥砂漿＋磚塊表面噴塗奈米（實驗組：試體C）

1. 2. 3. 4.

1. 需儀器設備 2. 需較高施工技術

4.87

約3元

（6）

D. ㈬泥砂漿＋磚塊表面塗刷奈米（實驗組：試體D）

1. 滲透性較高 2. 塗佈方式簡單 3. 具㉂潔效果

1. 用料多 2. 表面塗刷不均勻 3. 施工緩慢

2.09

約11元

（2）次之

E. ㈬泥砂漿摻入奈米（奈米：㈬以1:20 的比例）＋磚塊表面噴塗奈米（實驗組：試體E）

1. 2. 3. 4.

奈米填充孔隙表面奈米塗佈均勻施工迅速具㉂潔效果

1. 2. 3. 4.

需噴塗儀器設備成本較高需較高施工技術奈米材料在㈬泥砂漿㆗之分散性無法掌控

1.56

最低約278元

（1）最佳

F. ㈬泥砂漿摻入奈米（奈米：㈬以1:20 的比例）＋磚塊表面塗刷奈米（實驗組：試體F）

1. 2. 3. 4.

奈米填充孔隙滲透性較高塗佈方式簡單具㉂潔效果

1. 2. 3. 4. 5.

用料多表面塗刷不均勻施工緩慢成本較高奈米材料在㈬泥砂漿㆗之分散性無法掌控

4.33

約286元

（5）

奈米用料少施工迅速具㉂潔效果表面奈米塗佈均勻

備註： ※ 註㆒：噴塗1 平方公尺約需30cc 奈米材料。 ※ 註㆓：塗刷1 平方公尺約需100cc 奈米材料。 ※ 註㆔：1000cc 奈米材料要價約2500 元；1cc 奈米材料約2.5 元。

㆓、後續發展與建議：因考量經濟之效應，本研究採用奈米氧化鈦(TiO 2)比水為1:20的比例拌合，未來之後續研究將以此為基礎，研究添加奈米材料之最佳配比，以達最經濟的使用成本。在此後續發展使用了奈米氧化矽(SiO2)進行研究，但須等到秋冬之後數據才能有完整之數據進行分析。

高瞻計畫成果作品集

漂亮磚牆怎麼了奈米材料抑制白華之研究

㈻生組化㈻

Step 1 摻合奈米材料及㈬

Step 5 倒置奈米材料

Step 2 ㈬泥砂漿摻入奈米材料

Step 6 噴塗奈米材料

Step 3 疊砌紅磚

試體㈴稱

Step 4 擦拭紅磚表面

Step 7 室外養護

㊝點

缺點

白華生成量（％）

奈米成本

抑制白華效果

A. ㈬泥砂漿（對照組：試體A）

對照用

3.8

0元

（4）

B. ㈬泥砂漿摻入奈米材料（奈米：㈬以 1：20 的比例）（實驗組：試體B）

1. 奈米填充孔隙 2. 具㉂潔效果

1. 增加成本 2. 奈米材料在㈬泥砂漿㆗之分散性無法掌控

3.07

約275元

（3）

C. ㈬泥砂漿＋磚塊表面噴塗奈米（實驗組：試體C）

1. 2. 3. 4.

1. 需儀器設備 2. 需較高施工技術

4.87

約3元

（6）

D. ㈬泥砂漿＋磚塊表面塗刷奈米（實驗組：試體D）

1. 滲透性較高 2. 塗佈方式簡單 3. 具㉂潔效果

1. 用料多 2. 表面塗刷不均勻 3. 施工緩慢

2.09

約11元

（2）次之

E. ㈬泥砂漿摻入奈米（奈米：㈬以1:20 的比例）＋磚塊表面噴塗奈米（實驗組：試體E）

1. 2. 3. 4.

奈米填充孔隙表面奈米塗佈均勻施工迅速具㉂潔效果

1. 2. 3. 4.

需噴塗儀器設備成本較高需較高施工技術奈米材料在㈬泥砂漿㆗之分散性無法掌控

1.56

最低約278元

（1）最佳

F. ㈬泥砂漿摻入奈米（奈米：㈬以1:20 的比例）＋磚塊表面塗刷奈米（實驗組：試體F）

1. 2. 3. 4.

奈米填充孔隙滲透性較高塗佈方式簡單具㉂潔效果

1. 2. 3. 4. 5.

用料多表面塗刷不均勻施工緩慢成本較高奈米材料在㈬泥砂漿㆗之分散性無法掌控

4.33

約286元

（5）

奈米用料少施工迅速具㉂潔效果表面奈米塗佈均勻

高瞻計畫成果作品集

㈻生組化㈻

後記紅磚牆面白華㈲救了奈米科技維護傳統之美紅磚砌成的房子和牆面作品真漂亮，但台灣㆝氣很潮溼，白華（即壁癌）處處，現在科技這麼發達，是不是㈲什麼方法可以救㆒救這些美麗的紅磚呢？ ㆒進到彰師附工校園，就會被造型㈵別的「藝術砌磚」作品所吸引，㆒打聽之㆘，原來㈻校出了㆒位砌磚藝術家粘錦成老師，他的作品遍布台灣各㆞；這些作品引起了㆕位彰師附工同㈻吳佩珊、王郁琪、蔡欣潔、林宛蓁的㊟意，加㆖偶然在電視節目㆗，聽聞紅磚牆非常容易受到「白華」的侵擾，所以決定在㈻校專題課程㆗研究解決這個問題的方法。實驗設計精細

2-3 化

㈻

科㈻小論文

老師從旁㈿助

但是白華的問題㈲哪些解決的可能性呢？這傷透了㆕位同㈻的腦筋。但㈲㆒次，他們在㆖課 ㆗得知奈米材料㈲顆粒微細和㉂潔效果等㈵性，讓他們聯想到白華的生成，從此得到靈感，覺得使用奈米材料來處理紅磚，或處理砌磚用的泥漿，可能是㆒個解決問題的方法。為此，他們和老師討論，修正實驗細節，將奈米材料運用的位置分成混在泥漿㆗、塗在磚表面、噴在磚表面等， ㆒共6組共18疊磚塊，置於戶外，做㆓星期的觀察記錄，可說是㈩分精細的實驗設計。彰師附工的專題研究課是很㉂由的，㈻生們㉂己提出想要做的研究，老師的角色便是㈿助㈻生凝聚思考，不要變成做不出來的發散性題目。「指導老師王秀芳老師，會㈿助我們，指引方向，以免我們走錯。」此外，另㆒位指導老師張盛進主任則是㈯㈭方面的專家，關於觀察分析的方式、解決紀錄的相關問題等，給這㆕個㈻生很多的幫助。獨立研究進步多

意外提升Photoshop技能

獨立研究的能力，在做專題的過程㆗慢慢被培養起來；㆕個同㈻找了很多㈾料、看很多書，「好像比平常讀書㆖課，吸取了更多知識！」吳佩珊表示。此外，由於他們觀察白華的方式㈩分㈵殊——將磚頭㆖白華每次的變化拍攝㆘來，用photoshop打開，以過濾色彩的方式，將㈲白華顏色的部分取出，再分析它占全體的比例是如何，和㆖次相較是否㈲增加或減少等，做為白華數量的觀察。因此他們意外㆞增進了使用photoshop的技能，這是在設計實驗時始料未及的。白華的觀察實驗是㆕個同㈻在 2009 年進行的，現在㆕個㆟都已㆖大㈻，林宛蓁在㈯㈭系，吳佩珊在建築系，王郁琪和蔡欣潔則在營建相關科系，每個㆟都走㆖相關的道路。談到當時參加實驗的收穫，他們覺得當時㈻到的實驗手法對他們現在大㈻的課程很㈲幫助，「當時看了不少照片，現在在做觀察的時候，會用到當時的手法，也很㈲看照片分析的能力。」唸了不少文獻，也讓他們對於材料㈩分了解，現在㆖大㈻更得心應手。除了這些之外，當然就是喜悅的心情了。「很棒的經驗，投入很多心力，比賽時很㈲成就感！」吳佩珊表示。

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光國立嘉義高級㆗㈻陳亮甫

高瞻計畫成果作品集

㈻生組化㈻

2-3 化

㈻

科㈻小論文

老師從旁㈿助

意外提升Photoshop技能

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光國立嘉義高級㆗㈻陳亮甫

高瞻計畫成果作品集

㈻生組化㈻

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光在物㈾與能源逐漸缺乏的年㈹，㈲效利用㈾源成為重要的課題。CD 片目前到處隨手可得，其可作為透光式光柵，當光經 CD 的槽距可產生繞射現象，依據繞射的㈵性可用來測得光譜波長，在光譜分析 ㆖具㈲極高的應用價值。而光敏靈發光的系統是相當㈲趣、震撼的螢光實驗，其發光機制引起我們極大的研究興趣，想㆒探究竟。那麼，結合此兩動機是否能激盪出更強烈的㈫花呢？本研究㆗我們即以此出發，利用 CD 片與光感測器㉂製㆒個簡易的螢光測定裝置，探討化㈻發光的性質並深入研究各變因的影響，冀能藉由本實驗成果將化㈻發光的研究題材實際推行於未來高㆗的科㈻課程。本實驗利用 CD 片、光感測器與數位相機㉂製㆒個簡易的螢光測定裝置，針對光敏靈系統及各種螢光棒進行發光探討，除了進行各反應物濃度變因的研究外，更深㆒層㆞測量螢光波長及強度變化、拍攝螢光繞射條紋，並探討添加染料(螢光黃、薔薇紅)對光敏靈發光現象的影響，最後我們透過各種離子溶液的呈色檢測發現赤血鹽離子[Fe(CN)63-]在發光系統㆗會轉變成㆓價的黃血鹽離子[Fe(CN)6]4-，既作氧

2. 原理 (1) 螢光經單狹縫後，照射到距離r處的CD，經CD的槽距產生繞射，眼睛貼著 CD，因槽距d甚小，θ很大，眼睛只看到m=0的經狹縫直接照射眼睛的光，以及m=1的繞射亮紋。 (2) 由光的可逆性，眼睛看到各色光在尺上距縫s處，量s、及r，由tanθ=r/s可求得sinθ，再利用繞射原理dsinθ=mλ 可量出螢光波長λ。

化劑也作催化劑，更是光敏靈發出螢光反應的關鍵物質。

研究原理 ㆒、研究原理：（一）利用CD片單狹縫繞射特性自製螢光測定裝置測量螢光波長，並拍攝螢光繞射條紋。 1. 自製裝置：

(1) 將CD片、高靈敏光感測器、試管固定於暗箱上，再將高靈敏光感測器調整到測量試管發光位置。 (2) 將高靈敏光感測器連接至筆記型電腦，利用DataStudio處理數據。 (3) 由於光敏靈發光速率很快，為了能更容易、準確地量測到繞射條紋與試管的距離(S)，我們直接將CD片固定在數位相機的鏡頭（與試管距離r＝31.0cm）處，螢光經CD片繞射後的條紋便可直接由數位相機的螢幕觀察、拍攝並量測(S)，求出tanθ，然後利用dsinθ=mλ（700Mb，80 分鐘的CD 片d=1.50 μm）進而求得波長λ。 42

（二）螢光發光原理螢光發光原理為分子內單重態激發態的電子躍遷回基態時，能量變化所造成。當物質吸收外加能量，其電子躍遷至較高的能階，通常呈現不穩定狀態。不穩定的激發態電子會自發地躍遷回基態，此時一部分的能量以可見光的形式放出，即稱為「螢光」。單重態的電子不易進入三重態的激發態，不過一旦進入，其存在半衰期較長。電子若由三重態激發態的電子躍遷回基態，其放出的光稱為「磷光」，通常分子內摻入具高原子量的原子較易有此現象。此兩種發光方式不同於火把或燈泡（鎢絲燈）此類因高溫而發光的「熱光」，所以又被稱為「冷光」。（三）光敏靈發光機制化學發光反應就是一個化學反應所生的能先被轉變成激發態的能量，激發分子呈”激發態”，當激發回到基態，將多元的能量以光的形式放出。最具代表性的化學發光反應就屬於發展最早的發光胺（Luminol，又稱光敏靈）系統。光敏靈在 NaOH 水溶液中受H2O2與赤血鹽的的作用而發出天青色螢光。過去對光敏靈的研究主要有三個部分：反應機制的探討、如何延長發光時間、以及如何增強發光強度，其反應機制一般認為如下：

高瞻計畫成果作品集

㈻生組化㈻

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

化劑也作催化劑，更是光敏靈發出螢光反應的關鍵物質。

研究原理 ㆒、研究原理：（一）利用CD片單狹縫繞射特性自製螢光測定裝置測量螢光波長，並拍攝螢光繞射條紋。 1. 自製裝置：

高瞻計畫成果作品集

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

㈻生組化㈻

1. 光敏靈要發光必先生成雙陰離子，移去結構中之H；太高濃度之NaOH造成和 H2O2生成NaHO 2之針狀結晶，抑制H2O2生成O2之量；而太低則雙陰離子生成率少，光量子少效果不佳。過氧化氫提供之O2使光敏靈生成[Luminol2-－O2]之複合體，再轉成激態之陰離子而放出螢光。

2. 溫度效應：一般而言升高溫度將導致螢光分子間的碰撞機會增加，提高外部轉換 ( external conversion)的機率，降低螢光的強度。 3. 取代基效應：通常具推電子效應的取代基(－NR 2 , －NH 2 , －OH, －OCH 3 , － CH3)，及可使π電子發生非定域化的取代基會增強其螢光性；反之具拉電子效應的取代基(－NO2, －CN, －Cl, －COOH, －N+H3, －N+R3) 則會降低螢光性，甚而完全抑制。

2. 當系統中存在染料時，激發態的光敏靈分子會快速地經由內部轉換將能量傳遞至染料，令其生成激發態物質而發出螢光。

4. 重原子效應：於鹵素取代物中，分子的螢光性會隨原子序的增加而減弱，此係因原子序愈高的原子其電子自旋與d軌道運轉的作用甚強，自旋方向容易反轉而產生系間跨越(intersystem crossing)，形成三重激發態，造成發射磷光的機率增加，同時減弱螢光強度，此現象稱為重原子效應(heavy atom effect)。 5. 含有順磁性(paramagnetic)金屬離子如Cu(II)、Ni(II)之化合物因會促進系間跨越，而有較強的磷光性；反之若具逆磁性的金屬離子如Mg、Zn之化合物則會增強其螢光性而抑制磷光性。此外具有未填滿外層d軌域的過渡金屬亦會抑制螢光的產生。 6. 氧氣的影響：溶液中之溶氧會造成螢光的降低，因O2分子為順磁性，如第五點所述，其會增加系間跨越的機率，而降低螢光之效率；此外，氧氣的存在亦會增加螢光分子在激發態之光氧化破壞。 7. 濃度焠熄效應：當溶液中螢光分子濃度升高時，分子間碰撞之機率增加 (selfquenching)，再加上自吸收(self-absorption)效應增強，使螢光之效率降低。

【本研究進行探討】

㆓、利用CD片㉂製的螢光測定裝置測量螢光波長及強度變化，並拍攝螢光繞射條紋，結果： (1) 紅色

(2) 黃色

(3) 綠色

(4) 藍色

(5) 光敏靈

14.30

12.00 13.80

10.60 11.70 13.70

9.00

10.00 11.50 13.40

實驗值

627

540 608

484 528 605

417

459 520 594

文獻值

622~750

577~597

492~577

455~492

430

市售螢光棒及光敏靈發光顏色

（四）螢光化合物的螢光特性受下列幾個因素的影響 1. 平面性：平面性愈佳的分子表示其結構較堅硬，激發能量不易因結構的振動而損失，因此螢光性愈強，故常有螫合劑與一些金屬離子形成錯合物，固定分子的結構而增強螢光性。

平均S(cm)

λ(nm)

高瞻計畫成果作品集

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

㈻生組化㈻

2. 當系統中存在染料時，激發態的光敏靈分子會快速地經由內部轉換將能量傳遞至染料，令其生成激發態物質而發出螢光。

【本研究進行探討】

㆓、利用CD片㉂製的螢光測定裝置測量螢光波長及強度變化，並拍攝螢光繞射條紋，結果： (1) 紅色

(2) 黃色

(3) 綠色

(4) 藍色

(5) 光敏靈

14.30

12.00 13.80

10.60 11.70 13.70

9.00

10.00 11.50 13.40

實驗值

627

540 608

484 528 605

417

459 520 594

文獻值

622~750

577~597

492~577

455~492

430

市售螢光棒及光敏靈發光顏色

平均S(cm)

λ(nm)

高瞻計畫成果作品集

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

㈻生組化㈻

【討論】 1. 本實驗自製的CD片螢光測定裝置操作方便、費用便宜，對於發光速率極快的光敏靈系統都可以很清楚地看到螢光條紋，並計算出光譜波長λ。相信將來在高中化學發光的實驗課程中可實際推廣及應用。 2. 透過CD片繞射分光的特性與數位相機的拍攝，我們可清楚的解析市售的黃色、綠色螢光棒及光敏靈系統發出的螢光條紋，且發現原來螢光物質的呈色並非單一色光，很多是由多元色系混合而成。實驗上我們透過此簡易的分光技術成功地釐清了肉眼辨色可能造成的盲點（另外，經He-Ne Laser 的波長測量，可得實驗誤差僅 0.4%左右），相信此項開發出來的研究方法未來在光譜分析上將具有極高的應用價值。 3. 以紅色螢光棒為例，其波長測定推導過程如下：由tanθ=r/s =31.0/14.3 ＝0.461 可求得sinθ =0.419 再利用繞射公式dsinθ=mλ（根據文獻資料80 min 的CD 片槽距d=1.50 μm）可求出紅色螢光棒的發光波長 1.50×10－6×0.419=1×λ ∴λ= 627 nm 與文獻參考值 622~750 nm 吻合。 4. 光敏靈系統螢光呈現天青藍色，利用CD 片繞射量測結果可發現其乃由紅色、綠色與藍色三種色系波長混合而成，測得波長分別為459、520、593 nm，此結果除了與文獻資料(λ= 430 nm)相近外，放光系統實際上還存在另二條不同色系的條紋，這在以往的文獻資料中並未提及，此意外發現顯示我們確實可透過此簡易測量方法，快速且準確地取得螢光發光的波長並加以解析，對於高中化學課程的教學確實是一大福音。

結論一、自製的CD片螢光測定裝置操作上方便、費用便宜，對於發光速率極快的光敏靈系統都可以透過其單狹縫繞射的特性清楚地拍攝到螢光條紋，並據以測出螢光波長λ。本研究即以此解析由多元色系混合成的螢光棒及光敏靈系統的螢光條紋。二、光敏靈、NaOH、赤血鹽與雙氧水的濃度增加，受激發的分子也會增多，發光強度有增強趨勢，當光敏靈用量為0.015 g、pH＝14、[赤血鹽]＝0.125 M、[H2O2]為7 %時可產生很高的螢光強度。但若各物濃度過高，如NaOH(2 M)、赤血鹽(1.25 M)或雙氧水 (14 %)時，系統中分子碰撞頻率加劇，將導致系統間穿越增多且發光強度明顯下降。改變各物濃度對光敏靈發光強度造成的影響程度關係為：[NaOH]＞[赤血鹽] l[光敏靈]＞[H2O2]。三、添有染料的光敏靈系統發光機制是光敏靈先被激發成激態分子，然後再將部分能量傳遞給染料，使染料受激發而發光。我們透過CD片清楚地觀測到添加染料所呈現的螢光色澤及波長變化的情況（分別呈現黃色、紅色的螢光，而非天青藍色）。若系統中無添加光敏靈則根本無螢光發出。四、添加染料的含量愈多會使發光時間縮短、螢光強度逐漸降低。添加薔薇紅，其螢光強度明顯減弱，會低於未添加染料的光敏靈系統。但是，添加螢光黃的螢光強度變化卻隨添加量多寡而有差異，當螢光黃含量低於0.03 g時，螢光強度反而增強，高於原光敏靈系統的發光強度。我們推論此結果應與染料結構中具有的官能基或自滅現象有關。五、光敏靈發光後的溶液經Fe3+、Fe2+、Fe(CN)63-、Fe(CN)64-、SCN-等離子溶液的檢測證實Fe(CN)63-確實參與系統中的氧化還原，且反應完後會轉變成黃血鹽離子Fe(CN)64-，但黃血鹽離子幾乎不具光敏靈放光的催化效果，故無Fe(CN)63-的存在時便無法繼續催化光敏靈發光。

數位相機記錄繞射條紋

六、赤血鹽為光敏靈能否發出螢光反應的關鍵物質，既是氧化劑亦為催化劑。光敏靈系統的發光機制乃由赤血鹽啟動，H2O2擔任O2的提供者，其相關作用機制如下：（1）

（2）

（4）

（3）

（5）

高瞻計畫成果作品集

利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

㈻生組化㈻

數位相機記錄繞射條紋

（2）

（4）

（3）

（5）

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組化㈻

小小道具立大功光碟片可以測螢光波長

嘉義高㆗陳亮甫同㈻利用在課堂㆖實驗過的光碟片繞射原理，加㆖相機和試管，拍攝螢光的的繞射條紋，還研究了光敏靈發光原理的各㊠變因，簡直㉂製了㆒套完整的高㆗螢光教材！嘉義高㆗踏實㈻風穩紮穩打求進步

2-4 化

㈻

科㈻小論文

現就讀台大㊩㈻系的陳亮甫，在嘉義高㆗就讀時，受教於物理老師李文堂老師，及化㈻老師鄭榮泉老師；這兩位老師都強調紮實的㈻習和基礎概念的培養，這次高瞻計畫陳亮甫的「利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光」小論文，既探討光的繞射，又探討化㈻發光，橫跨物理和化㈻兩大領域，可見陳亮甫不只具備基礎知識，而且還㈲良好的整合能力。李文堂老師的研究專長是光，也研發了㆖課時可以讓㈻生測試光波長的簡易裝置；而陳亮甫不愧是弟子，和李老師㈲相同的研究動機，鑑於測試螢光波長的儀器太過昂貴，竟也㉂行研發了簡單拍㆘螢光繞射條紋的裝置，可以想見這又是㆒個即將流行於高㆗課堂㆖的新實驗。陳亮甫對這個實驗㈲信心，「如果做得仔細㆒點的話，結果不會差儀器太多！」化㈻老師鄭榮泉老師對陳亮甫也影響㉃深，他陪伴㈻生做實驗，告訴㈻生做實驗的方法，之後就讓㈻生㉂己努力，也許要花㆖大半年，但所㈲的步驟怎麼做的，數據怎麼來的，所㈲細節的東西，㈻生都能摸得清清楚楚。「老師的腦子動太快了，我們跟不㆖！」陳亮甫笑著說，但就是這樣的老師，總是能夠為㈻生想到好方法，解決㈻生的難題。

葉綠素電池㈵性研究

實驗室經驗傳承為大㈻課程打㆘基礎

臺北市立麗山高級㆗㈻陳亮甫的研究，並非完全是㆒個㆟單打獨鬥，㈻長已㈲發展類似的題目，而陳亮甫以之前的成果為基礎，發展變因和分析層面，多找㈾料、再次實驗確認精準度，嘗試觀看研究的整體架構，做些調整。憶起在嘉㆗高瞻課程㆗的㈻習，陳亮甫認為「做實驗」是他感到最㊞象深刻的部分。「因為㈲高瞻課程，比其他同㈻早做㆒些㈲趣的實驗，這是大部分高㆗生很難接觸到的。」陳亮甫說。嘉㆗的高瞻班分成物理、化㈻、生物㆔班，以介紹最新科技為課程主軸，因此往往會在課堂㆖進行㈲趣的實驗，例如跑DNA、蛋白質、培養細菌等。這些對陳亮甫很㈲幫助，「㆖大㈻之後，比較知道別㆟在說些什麼！」進了實驗室之後，陳亮甫才發現做實驗是需要技巧的。㆒摸到器材，發現㉂己的手會發抖，思考反應也慢半拍。還好老師和㈻長「盯」得勤，加㆖實驗做多了，動作也熟練了起來，「和其他同㈻相比，我的實驗動作是比較好的。」陳亮甫表示。㆖了大㈻之後，做實驗需要更紮實，從找㈾料開始，㉂己獨立進行專題研究；雖然陳亮甫還在摸索㆗，但高㆗在實驗室的經驗的確帶來很大的幫助，希望能依此為基礎，走出㉂己的㆒條路。

林鵬、黎㆖瑋、吳郁萱

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組化㈻

小小道具立大功光碟片可以測螢光波長

2-4 化

㈻

科㈻小論文

葉綠素電池㈵性研究

實驗室經驗傳承為大㈻課程打㆘基礎

林鵬、黎㆖瑋、吳郁萱

高瞻計畫成果作品集

葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

葉綠素電池㈵性研究㉂然界㆗光合作用光反應的機制，利用葉綠素製作出綠能，是近來綠能源發展的主流，本研究先探討葉綠素電子激發，了解其㆗的機制，再將此機制應用於電池㆖。如此運用㆝然的葉綠素材料，研製出具環保、低成本且製成簡易的電池，解決偏遠㆞區缺乏能源與緊急能源需求等問題，讓生活更加便利。本研究利用光合作用㆗「光反應系統㆓」葉綠素受光照激發出電子的機制，應用在電池發電，在本研究㆗希望證實葉綠素之光電轉換的事實。並根據葉綠素光電轉換的機制，研發出新型電池。本研究分為幾㊠內容如㆘：圖1 葉綠素電池示意圖

㆒、比較葉綠素在電場㆘，㈲無光電壓之差異。發現當葉綠素照光時，電壓便會㈲明顯的提升。 ㆓、以不同電解液對葉綠素電池發電影響，以KI-I2(aq)電解液其提升效果較佳。 ㆔、添加奈米㈮以吸附葉綠素提升吸光表面積，並加強葉綠素激發電子的效力。實驗發現奈米㈮㈲助於提升葉綠素電池發電效果。

（二）第二代新型葉綠素電池設計理念：從資料中得知奈米金可以吸附葉綠素分子，增加其吸光表面積，並且提升其激發電子的效率。此外第一代葉綠素電池因為葉綠素激發電子後，無法迅速傳至ITO玻璃，而導致發電效果不佳，所以設計添加奈米金，亦可使激發的電子快速傳至ITO玻璃，改進第一代之缺點。

實驗原理與文獻探討 ㆒、新型葉綠素電池簡介（一）第一代新型葉綠素電池設計理念：希望將葉綠素激發電子的機制應用在電池上，第一代直接將葉綠素塗在 ITO玻璃上。原理： 1. 光照葉綠素使能量聚集於P680並激發出電子，傳至導電玻璃再傳到外部負載。 2. 電解液協助失去電子的激發態葉綠素還原成穩定的基態。 3. 電子從石墨電極回到電池中，並使電解液還原，使反應重複進行。

圖2 第㆓㈹新型葉綠素電池示意圖

高瞻計畫成果作品集

葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

圖2 第㆓㈹新型葉綠素電池示意圖

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葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

2. 以乾電池為基礎，並將葉綠素作為電池之電解液，之後再加入其他電解液增加傳導性，並測量葉綠素加入不同電解液時之電壓與電流之變化。

研究方法與流程 ㆒、前置實驗：萃取葉綠素（一）實驗流程與步驟超音波法—丙酮萃取法 a. 先將市售菠菜置入烘箱中，烘烤易碎狀再將菠菜置入研缽中磨碎。 b. 秤菠菜5 g置於燒杯並加入50 mL 90%丙酮。 c. 置入超音波池震盪30分鐘至溶液呈深綠色。 d. 以漏斗過濾，所得的溶液即為實驗所需

圖7 實驗裝置示意圖

圖3 研磨菠菜粉

圖4 秤量菠菜粉

圖5 萃取液超音波震盪

㆔、葉綠素當光敏染料電池之效應（研究目的㆓）（一）實驗設計將葉綠素、紅藥水塗在TiO2膜上，以塗碳電極為對應正電極，滴入電解液 KI-I2，再進行電壓量測。另外將葉綠素、藍莓汁、紅藥水塗在導電玻璃上以相同方法拼裝，再進行電壓量測，並前後比較發電效果。

㆓、葉綠素當電解質之電池效應（研究目的㆒）（一）實驗設計 1. 我們利用鋅銅電池的原理，將葉綠素作為電解質取代硫酸鋅，再量測其電壓及電流，探討葉綠素是否能作為電解質的角色。

圖8 ㆓氧化鈦染料敏化電池示意圖

圖6 葉綠素作為鋅銅電池之電解質示意圖

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葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

2. 以乾電池為基礎，並將葉綠素作為電池之電解液，之後再加入其他電解液增加傳導性，並測量葉綠素加入不同電解液時之電壓與電流之變化。

圖7 實驗裝置示意圖

圖3 研磨菠菜粉

圖4 秤量菠菜粉

圖5 萃取液超音波震盪

圖8 ㆓氧化鈦染料敏化電池示意圖

圖6 葉綠素作為鋅銅電池之電解質示意圖

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葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

2. 實驗流程（圖11）

（二）實驗流程（圖9）

使用丙酮清洗 ITO 玻璃

2g TiO 2 粉 + 數滴乙酸，持續研磨至呈現膠狀

使用丙酮清洗導電玻璃

將玻璃的導電面在本生燈下燒，至其變為黑色碳電極

將黑膠帶貼在 9 cm2 正方 ITO 玻璃兩旁

用玻棒沾TiO 2並均勻塗在ITO 上，隨後把膠帶撕下，此時 TiO2厚度約等於一面膠帶厚

將葉綠素滴在導電玻璃表面重覆烘乾。

組裝：以葉綠素為負極，鍍碳為正極，以三明治方式交錯拼裝並用夾子夾住。

從縫隙中滴入電解液

將塗TiO2的導電玻璃放入烘箱

將藍莓汁、紅藥水滴在透明或塗TiO 2的ITO玻璃上再放入烘箱，使其烘乾，不斷重覆，直至整片玻璃附著染料。

將導電面ITO玻璃在本生燈下燒，至其變為黑色碳電極

組裝：以塗染料ITO為負極，鍍碳為正極以三明治方式交錯拼裝並用夾子夾住。

以10k歐姆電阻為負載測量電流與電壓。

（二）第二代奈米金葉綠素電池 1. 實驗設計我們從資料中推測奈米金用於葉綠素電池可能有幾個優點： (1) 葉綠素可吸附於奈米金，增加吸光的面積 (2) 奈米金有助於傳遞葉綠素激發出的電子。我們採取還原四氯酸金的方式來製成奈米金，我們設計兩種塗法： (1) 將奈米金與葉綠素混合塗於導電玻璃，作為葉綠素電池負電極。 (2) 將奈米金先塗於導電玻璃，形成一層薄的奈米金膜，再將葉綠素塗於奈米金膜表面，作為葉綠素電池負電極。

㆕、葉綠素㉂發電池之效應（研究目的㆔）（一）新型葉綠素電池 1. 實驗設計藉葉綠素受光激發電子之機制設計，導電玻璃將激發出的電子傳遞至外電路，再藉電解液協助激發態葉綠素還原。選用實驗室常見的四種電解液以及水為對照組做比較。

將兩電極交錯拼裝後製成電池，測試其發電效果。另外，使用丙基雙硫醇，使得奈米金層能多層堆疊，嘗試提升其發電效果。

圖10 葉綠素電池示意圖

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葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

2. 實驗流程（圖11）

（二）實驗流程（圖9）

使用丙酮清洗 ITO 玻璃

2g TiO 2 粉 + 數滴乙酸，持續研磨至呈現膠狀

使用丙酮清洗導電玻璃

將玻璃的導電面在本生燈下燒，至其變為黑色碳電極

將黑膠帶貼在 9 cm2 正方 ITO 玻璃兩旁

用玻棒沾TiO 2並均勻塗在ITO 上，隨後把膠帶撕下，此時 TiO2厚度約等於一面膠帶厚

將葉綠素滴在導電玻璃表面重覆烘乾。

組裝：以葉綠素為負極，鍍碳為正極，以三明治方式交錯拼裝並用夾子夾住。

從縫隙中滴入電解液

將塗TiO2的導電玻璃放入烘箱

將藍莓汁、紅藥水滴在透明或塗TiO 2的ITO玻璃上再放入烘箱，使其烘乾，不斷重覆，直至整片玻璃附著染料。

將導電面ITO玻璃在本生燈下燒，至其變為黑色碳電極

組裝：以塗染料ITO為負極，鍍碳為正極以三明治方式交錯拼裝並用夾子夾住。

以10k歐姆電阻為負載測量電流與電壓。

將兩電極交錯拼裝後製成電池，測試其發電效果。另外，使用丙基雙硫醇，使得奈米金層能多層堆疊，嘗試提升其發電效果。

圖10 葉綠素電池示意圖

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葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

2. 實驗流程與步驟 (1) 製作奈米金方法 A. 將100ml HAuCl4溶液置入錐形瓶中，使用加熱攪拌器，劇烈攪拌沸騰後五分鐘加入2.5 ml檸檬酸鈉。 B. 持續沸騰15分鐘後，關掉加熱器。 C. 持續攪拌15分鐘後，關掉攪拌器，使其冷卻後，所得溶液即為奈米金。 (2) 塗佈奈米金奈米金易與硫醇基產生鍵結，因此藉由硫醇基作為連結奈米金的分子。 A. 塗奈米金原理示意圖

結論與應用 ㆒、葉綠素當電解質之電池效應葉綠素可以作為電池中電解質的角色，而當滴入的電解液不同時，電壓並未明顯改變，電流則會有改變。 ㆓、葉綠素當光敏染料之電池效應 1. 葉綠素可為光敏電池之染料，且發電效果較紅藥水為染料之電池佳。 2. 葉綠素可自行激發電子，當葉綠素受光會將能量聚集於反應中心P680，並激發出電子。 3. 紅藥水、藍莓等有機染料必須有TiO2膜的支持，才可受光激發出電子，產生電能。 ㆔、葉綠素㉂發電池之效應 1. 葉綠素電池滴入電解液有助於發電效果提升。 2. 加入不同電解液對葉綠素電池的影響，輸出電壓比較如下: I2+KI(aq) > FeSO4(aq) >水>I2+KI(al)> I2(aq) 3. 葉綠素在添加奈米金後其吸收光曲線在紅光及紫外光區有顯著的提升。 4. 添加奈米金的葉綠素電池發電效果較佳於未添加奈米金的葉綠素電池。 5. 奈米金層堆疊厚度增加反而使葉綠素電池發電效果下降，因為奈米金厚度。

圖12 塗奈米㈮原理示意圖

B. 塗佈步驟

圖13 塗奈米㈮步驟圖

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葉綠素電池㈵性研究

㈻生組化㈻

圖12 塗奈米㈮原理示意圖

B. 塗佈步驟

圖13 塗奈米㈮步驟圖

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後記

㈻生組化㈻

創新「葉綠素電池」麗㆗㈻生研究力與表達力均佳

麗山高㆗高瞻計畫的「綠手機」主題，關心生態和綠色能源，林鵬、黎㆖瑋、吳郁萱㆔位同㈻，將㈻到的生物和物理知識結合，研發了照光就可激發出電子的「葉綠素電池」。

3-1 生

物

科㈻小論文這㆔位麗山高㆗的同㈻現在已經都申請到理想的科系，雖然㆟還在㈻校，在張堯卿老師課堂教室裡，卻顯得心情很輕鬆。張堯卿老師是他們的化㈻老師，另外還㈲物理科㈮佳龍老師，生物科張素卿老師；由於麗山高㆗很重視跨科㈻習，因此他們的專題研究過程㆗，總是分別向多位老師請教，「葉綠素電池」便是在㈻習不同科目的知識後，綜合而成的題目。從錯誤㆗㈻習與成長翻開他們「葉綠素電池」的研究小論文，文獻列得整整齊齊，還做出㆒整頁的比較表格，「因為老師很重視文獻，參加科展時，也㈲教授告訴我們文獻要增加。」林鵬說。談到他們選擇這主題的契機，發現除了老師課堂內容給他們靈感之外，文獻真的是很重要的原因：在看文獻的過程㆗，他們發現以往葉綠素電池的研究，多半是光化㈻原理而不是電化㈻原理，加㆖化㈻課㆖ ㈻到的奈米㈮屬取得技術，便著手研究可利用葉綠素本質㈵性的電池。 ㆒開始做專題，㆔個㆟是以比較隨性的方式進行，實驗是做了，但卻沒㈲做記錄；後來他們慢慢發現這樣是不行的，已做過的實驗沒㈲記錄就無法重現，才記取教訓，開始做實驗記錄。除了實驗方法之外，他們的表達能力也㈲進步，這可是張堯卿老師觀察到的，「林鵬喜歡說話，但邏輯不好，訓練到後來就很清楚了；黎㆖瑋以前很害羞，現在變得很會講！很嗆！」張老師笑著說。展現能力與㈽圖心是讓作品被看見的第㆒步的確，在重視專題研究的麗山高㆗，好好表達㉂己作品含義的能力，也很受重視。林鵬曾因為要做英文的口頭報告，被張老師要求在辦公室讀英文，讀出聲音來，足足讀了㆓個㈪；在正式報告前，老師們也㆒定會聽過他們演練，㈮老師甚㉃會帶㈾㊝班㈻生坐在台㆘「砲轟」台㆖的㆔ 個報告者！這麼嚴格的訓練，想必他們到了現場，會發現根本沒什麼好怕的！在做研究的過程㆗，除了在㈻校問老師之外，㈲時需要再往㆖請教到教授等級的專家，這時更可看見表達力的重要性。「要㈻會怎麼問問題。禮儀很重要，英文能力也很重要。」張老師課堂㆖的李增為同㈻談起他找了近 30 個教授後的心得，「問教授問題，他會反問回來，所以對㉂己的東西要了解，也要㈲㉂己的想法。」葉綠素電池作品得獎連連，㆔個㊝秀的㈻生，在科展得獎後，便得到在大㈻研究室做實驗的機會，除了林鵬在交大以實驗室的研究題目為主之外，另㆓位同㈻在師大光電，還是繼續往葉綠素主題發展。「參加科展，作品的發展性當然很重要，但是在發表時，言談㆗表達的㈽圖心也很重要！」經歷多場科㈻比賽之後，他們得到了這樣的經驗。看來他們在高㆗㈻到的，除了研究方法之外，良好的表達能力更是重要，㆒輩子受用無窮。 58

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異國立嘉義高級㆗㈻何維邦

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組化㈻

創新「葉綠素電池」麗㆗㈻生研究力與表達力均佳

3-1 生

物

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異國立嘉義高級㆗㈻何維邦

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

民「竹」遷移——台灣㆞區刺竹族群遺傳變異桃竹苗

刺竹(Bumbusa stenostachia Hackel)是合軸叢生竹類植物(Sympodial rhizocauls)，竹桿基部鞭條狀的刺隨乾旱期越長表現愈密集，因此得㈴。相傳高雄古時的平埔族（馬卡道族）的部落，周圍都種植刺竹，馬卡道族稱刺竹為Takau，是高雄古㆞㈴「打狗」的由來。早期聚落集體防禦及防風之最佳材料，因而與㆟類農墾遷徙而拓殖可能㈲關，如新竹、彰化等縣城未築磚牆前即以刺竹當城牆。主要分

雲

佈於西南部的丘陵㆞，是季風型氣候冬季乾旱少雨的㈹表性植物，用途相當廣泛如炭薪及建材。產於東南亞季風區，由㊞度到廣東、福建及台灣（劉業經等，1994）。

嘉

近年來，分子標記(molecular marker)廣泛應用在生物㈻研究，包括用於植物生態㈻、分類㈻、遺傳㈻及生物㆞理㈻的研究。Zietkiewicz 等㆟(1994)所發展以PCR(polymerase chain reaction)技

台

術為基礎之ISSR(inter-simple sequence repeat)分子標記，其操作方便、實驗花費較少、所需DNA 樣本量少、多型性高(polymorphism)、及再現性(amplification reproducibility)明確等㊝點。目前

林

台南龍崎

義

南

高

雄

台

東

廣泛應用於遺傳連鎖分析及建構遺傳圖譜、研究物種族群遺傳變異、和區分種內、亞種、或品系、栽培屏

種、研究㉂然族群雜交現象等。

東

刺竹為台灣重要竹類，且為廣泛分佈之單子葉植物，族群繁殖雖可由開花結果傳播，然而竹類開花圖1 採集㆞理位置圖

時間長，相對較少機會，㆒般多以藉由根㈱分㈱方式，而台灣環境與氣候變化複雜，及早期遷徙是否改變族群遺傳變異與親緣關係，頗值得進行探討，本研究即應用ISSR分子標誌，探討族群遺傳多樣性關係。

表1 試驗採樣㆞點與樣本數

研究方法 ㆒、採集方法為了了解台灣環境與氣候之複雜變化，及遠古先民遷徙是否改變族群遺傳變異與親緣關係，採集了台灣8處刺竹自然分佈地區（表1、及圖1），每區採取6-8株，共採得56株，每株選取無病蟲害5-10葉片，矽膠乾燥劑脫水乾燥。

試驗編號

採樣㆞點

海拔(m)

樣本

台南

台南縣

高雄

高雄縣

嘉義

嘉義縣

龍崎

台南縣龍崎鄉

160

桃竹苗

中北部

200

雲林

雲林縣

屏東

100

台東

㆓、 DNA之萃取及定量採用Doyle and Doyle (1987) CTAB萃取法，分離genomic DNA，再利用分光光度計進行DNA濃度 (ng/μl) 測定。

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

民「竹」遷移——台灣㆞區刺竹族群遺傳變異桃竹苗

雲

嘉

台

林

台南龍崎

義

南

高

雄

台

東

廣泛應用於遺傳連鎖分析及建構遺傳圖譜、研究物種族群遺傳變異、和區分種內、亞種、或品系、栽培屏

種、研究㉂然族群雜交現象等。

東

刺竹為台灣重要竹類，且為廣泛分佈之單子葉植物，族群繁殖雖可由開花結果傳播，然而竹類開花圖1 採集㆞理位置圖

表1 試驗採樣㆞點與樣本數

試驗編號

採樣㆞點

海拔(m)

樣本

台南

台南縣

高雄

高雄縣

嘉義

嘉義縣

龍崎

台南縣龍崎鄉

160

桃竹苗

中北部

200

雲林

雲林縣

屏東

100

台東

㆓、 DNA之萃取及定量採用Doyle and Doyle (1987) CTAB萃取法，分離genomic DNA，再利用分光光度計進行DNA濃度 (ng/μl) 測定。

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

SSM=m/n

㆔、ISSR的擴大反應 1. 參考Zietkiewicz (1994)方法加以修改如下：總體積為25μl，試劑為：表2

m：兩兩樣本一致出現及一致不出現的條帶數。 n：多型性條帶總數。 SAB＝2NAB/(2NAB+NA+NB)。 NA：樣本A出現但樣本B不出現的條帶數。 NB：樣本B出現但樣本A不出現的條帶數。 NAB：樣本A與樣本B皆出現的條帶數。

ISSR PCR 反應溶液配方

藥劑

體積

(1) dd H2O

16.7 μL

(2) 10×PCR Buffer

2.5 μL

(3) 2.5 mM dNTPs

1.6 μL

(4) Taq DNA polymerase (1 u)

0.2 μL

(5) Primer

2 μL

(6) DNA template (20 ng /μL)

2 μL

Total volume

25 μL

將SSM 相似度矩陣轉換成D 距離矩陣(Excoffier et al.1992)，計算族群間的遺傳距離矩陣(Φst)。 D=n(1－SSM)；n=多型性條帶總數

2. 溫度循環機 (thermocycler; Perkin Elmer Geneamp PCR System 9700)進行PCR。表3

PCR循環步驟

ISSR PCR 溫度循環參數

溫度

時間

(1) Primary denaturation

94 °C

5 min

(2) Denaturation

94 °C

30 sec

(3) Annealing

52 ~ 55 °C

50 sec

(4) Extension

72 °C

2 min

(5) Final extension

72 °C

10 min

重複 35cycles

㆕、電泳、染色及照相以1.5% Agarose(GIBCO BRL)，將擴增DNA產物進行電泳。使用ethidium bromide 染色， Polaroid 667拍照記錄。㈤、統計分析 1. 記錄多型性條帶與計算相似度(Similarity) 讀取清晰、亮度大且具多型性之條帶，以代碼1（出現）和0（不出現）記錄條帶出現狀況。利用NTSYS-pc ver 2.0套裝軟體(Rohlf, 1993)，以Simple Matching 公式計算兩兩樣本間之相似度矩陣(SSM)，另以Dice(Dice, 1945)公式計算兩兩樣本間之相似度(SAB)矩陣。各公式如下：

2. 分子變方分析(Analysis of Molecular Variance；AMOVA) 以AMOVA vl.55 程式(Excoffier et al., 1992)進行分析，計算族群間、族群內個體間的變方成分值及所佔總變方成分之百分比，並以9999 次隨機重排測驗各變方成分的顯著性。 3. 族群間遺傳歧異度、遺傳分化係數、基因流之分析：以POPGENE.1.31 套裝軟體計算族群間遺傳資料(Yeh et al., 1997)，計算Nei's 遺傳歧異度(H)(Nei, 1973)；遺傳分化係數Gst [coefficient of gene differentiation (Nei, 1973)]，再利用Gst 估算基因流值Nm (Nm＝0.5×(l-Gst)/Gst)(Slakin and Barton, 1989)。 4. 遺傳距離矩陣與地理距離相似度矩陣之相關分析以Biom軟體進行遺傳距離矩陣與地理距離矩陣之關聯檢定(mantel test)，且再經1000次隨機排列測驗達顯著相關。 5. 歸群分析(Cluster analysis)與主座標分析(Principal Coordinate Analysis，PCOA) 將NTSYS-pc ver 2.0所計算出之各樣本間Dice相似度矩陣及AMOVA所算出之地區間距離(Φst)矩陣，以NTSYS-pc v.2.0的SAHN(Sequential, Agglomerative, Hierarchial, and Nested clustering method)程式、UPGMA(Unweighted Pair-Group Method using Arithmetic averages)方法，進行各地區的歸群分析建立樹狀圖 (Dendrogram)。樣本間Dice相似度矩陣及AMOVA所算出之地區間距離(Φst)矩陣，以NTSYS-pc v.2.0進行主座標分析，以三維及二維所佔變異最大的主要軸繪成立體圖及平面圖，求出各地區在空間分佈之變異關係。

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SSM=m/n

㆔、ISSR的擴大反應 1. 參考Zietkiewicz (1994)方法加以修改如下：總體積為25μl，試劑為：表2

ISSR PCR 反應溶液配方

藥劑

體積

(1) dd H2O

16.7 μL

(2) 10×PCR Buffer

2.5 μL

(3) 2.5 mM dNTPs

1.6 μL

(4) Taq DNA polymerase (1 u)

0.2 μL

(5) Primer

2 μL

(6) DNA template (20 ng /μL)

2 μL

Total volume

25 μL

將SSM 相似度矩陣轉換成D 距離矩陣(Excoffier et al.1992)，計算族群間的遺傳距離矩陣(Φst)。 D=n(1－SSM)；n=多型性條帶總數

2. 溫度循環機 (thermocycler; Perkin Elmer Geneamp PCR System 9700)進行PCR。表3

PCR循環步驟

ISSR PCR 溫度循環參數

溫度

時間

(1) Primary denaturation

94 °C

5 min

(2) Denaturation

94 °C

30 sec

(3) Annealing

52 ~ 55 °C

50 sec

(4) Extension

72 °C

2 min

(5) Final extension

72 °C

10 min

重複 35cycles

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

結果與討論一、多型性條帶判視(Similarity)（略）。二、分子變方分析(Analysis of Molecular Variance；AMOVA)（略）。

台南龍崎

台南縣桃竹苗雲林高雄縣

西部嘉義縣

三、遺傳變異與地理距離之關聯分析（略）。台東

四、族群之遺傳歧異度、遺傳分化、基因流（略）。

屏東恆春

五、歸群分析(Cluster analysis)與主座標分析(Principal Coordinate Analysis，PCOA) 經比對遺傳距離矩陣，與相似度矩陣所得之協表相關係數(cophenetic correlation coefficient)為0.9097，此歸群圖尚未扭曲可表現真實之群團狀態；由歸群圖所呈現親緣關係（圖2），於相似度50％可分成3大群，東部、南部與西部族群的關係。

50%

台南縣高雄縣桃竹苗西部雲

嘉義縣

0.18

0.24

0.30

屏東恆春

南部

台

東部

東

0.36

Coefficient 圖2 歸群分析(UPGMA)樹狀圖

主座標分析(PCOA)結果，第一維可解釋55.33%，第二維可解釋28.96%，第三維可解釋10.35%，三維座標共解釋94.64%；由三維（圖3）及二維座標圖（圖 5）明顯看出族群間發現族群間呈東部與南部2小群團，及西部大群團之分佈關聯（圖2）地理親緣關係。

歸群分析之歸群圖發現族群呈西部1大群團及東部與南部2小群團之歸群趨勢（圖2）。主座標分析所得座標圖亦反映此分佈關係。一般而言，族群分化起源有多種模式，如隨環境梯度變化而成漸變模式，或是不同生態環境造成分化而不會對應空間順序，以及地理距離的隔離造成分化，或不同族群發育歷程造成分化等(Sokal et al., 1978)。

林

台南龍崎

0.08

圖3 主座標分析座標圖

推測刺竹族群可能由生育地環境差異，因自然汰選能適應環境之族群而具較高遺傳歧異度。另亦可能族群發育歷程造成分化，例如刺竹族群可能多源進入台灣，包括來自中國之廣東福建、或菲律賓等南洋地區，甚至於大洋洲之可能來源（圖4）。事實上，刺竹族群分佈於東南亞季風區，當拓殖至本島時，各生育地之複雜環境與氣候變化，山脈地形之隔離，如東部台東地區及南部屏東恆春地區可能地形崎嶇，限制了遷入之族群遺傳基因交流，長期隔離而形成具較高遺傳分化。刺竹為單子葉植物其繁殖系統，雖可能由開花結實傳播，但一般多以營養器官分株方式，因而一部分之族群變異來自體細胞變異，因基因突變或漂變，擴大了地區隔離之分化傾向，因此，分子變方分析確認大部分變異存在於各地區族群內樣株間。同時，推測西部嘉南平原即可能早期開墾之主要區域，而最先引種栽植刺竹，因之其遺傳變異包含所有西部之變異基因（圖5），而後向四周遷徙發展，乃至發展至西部族群遺傳分化與親緣關係，這符合台灣開拓由南而北之過程。

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

結果與討論一、多型性條帶判視(Similarity)（略）。二、分子變方分析(Analysis of Molecular Variance；AMOVA)（略）。

台南龍崎

台南縣桃竹苗雲林高雄縣

西部嘉義縣

三、遺傳變異與地理距離之關聯分析（略）。台東

四、族群之遺傳歧異度、遺傳分化、基因流（略）。

屏東恆春

50%

台南縣高雄縣桃竹苗西部雲

嘉義縣

0.18

0.24

0.30

屏東恆春

南部

台

東部

東

0.36

Coefficient 圖2 歸群分析(UPGMA)樹狀圖

林

台南龍崎

0.08

圖3 主座標分析座標圖

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

嘉

結論台灣刺竹(Bumbusa stenostachia Hackel)為禾本科(Gramineae)刺竹屬(Bumbusa)合軸叢生(Sympodial rhizocauls)之原生竹類。應用ISSR分子標誌分析8處分佈地區計56株樣本，使用11個引子進行PCR試驗，獲得127個條帶，多型性條帶有34條(26.77%)。分子變方分析 (AMOVA) 顯示分佈於東、西及南部確有明顯的分化（變方成分為30.48％），地區內變方成分較低(16.21％)，大部分分化仍存在於族群樣木內(53.31％)；歸群與主座標分析及地理距離關聯分析結果吻合推論，由於繁殖與環境影響趨於較高的遺傳歧異度(0.30.69)與分化 (0.5237)，使基因流較低(0.4548)現象，與族群藉無性分株拓殖遺傳變異可能受到環境及人類墾殖影響。

義

台

東

㆗國大陸或越南等

應用分子標誌探討台灣地區刺竹族群之遺傳多樣性，由其分子變方分析顯示族群已有分化傾向，但大部分變異成分仍存在於族群內。刺竹台灣為蓄積量大之重要竹類資源，由於其族群繁殖系統保持基因變異，藉由開發遷移過程，增加族群適應環境，再由地形隔離造成族群遺傳歧異度與遺傳分化提高。目前族群發展成地區間較低的基因流之遺傳結構，表現族群遺傳多樣性。

大洋洲或南洋㆞區屏

東

菲律賓或南洋㆞區

本研究推測西部嘉南平原即可能早期開墾之主要區域，而最先引種栽植刺竹，因之其遺傳變異包含所有西部之變異基因，再向四周遷徙發展，乃至西部族群遺傳分化與親緣關係，這符合台灣開拓由南而北之過程，提供了西部嘉南平原早期開墾區域，及推演其拓殖方向，如嘉義可能最先引種栽植，而後向四周遷徙發展，此部分可提供台灣早期開發史之研究參考。

圖4 刺竹族群多源引入之來源推演圖

0.06

台東

台南龍崎

0.03 台南縣桃竹苗雲林

Dim-2 -0.01

高雄縣嘉義縣

-0.04 屏東恆春 -0.07 -0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

Dim-2

圖5 ㆓維主座標分析座標圖

高瞻計畫成果作品集

民「竹」遷移台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

㈻生組生物

嘉

義

台

東

㆗國大陸或越南等

大洋洲或南洋㆞區屏

東

菲律賓或南洋㆞區

圖4 刺竹族群多源引入之來源推演圖

0.06

台東

台南龍崎

0.03 台南縣桃竹苗雲林

Dim-2 -0.01

高雄縣嘉義縣

-0.04 屏東恆春 -0.07 -0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

Dim-2

圖5 ㆓維主座標分析座標圖

高瞻計畫成果作品集

㈻生組生物

後記刺竹遺傳變異研究㊞證台灣先民開拓路線嘉南平原為台灣西部較早開墾之區域，而嘉義高㆗何維邦同㈻發現嘉義的刺竹帶㈲西部刺竹大部分變異基因，可能是西部刺竹的源頭所在，間接與台灣開拓史相互㊞證。尋找刺竹與台灣先民開拓的淵源

3-2 生

物

科㈻小論文

「台灣開拓史」這樣的題目，怎麼聽都不像㉂然科㈻的研究主題；不過它對何維邦的科㈻研究而言，是㈩分重要的思想源頭。「我國㆗之前住在嘉義縣民雄的鄉㆘，菁埔村落周邊，以前圍繞著密密麻麻的刺竹叢。」何維邦說起㉂己與刺竹的淵源，「我阿公利用它們，做了許多農具。據說村民用它來打㈰本㆟，但這是年㈹久遠的傳說了。」他侃侃談著刺竹，㉂然㆞將它置於台灣歷史脈絡當㆗，好像刺竹本來就該這樣被討論似的。幼時在鄉村成長的獨㈵經歷，讓何維邦對刺竹㈲㆒份別於其他㆟的思考。就讀嘉義高㆗時，碰巧其父親所帶的研究生，正在做溪流間構樹遺傳變異，「我想到台灣開拓史，就像歷史長河，刺竹就是構樹，或許㈲些㊞證。」加㆖卑南族㈲以「倒竹」做為占卜之用的傳統，似乎說明著刺竹與台灣居民的密切關係。何維邦從這些背景㈾料，推論刺竹可能在台灣開拓的過程㆗隨㆟類遷移，並因此在各㆞產生遺傳變異，而刺竹㈵殊的營養繁殖方式，相信更可以明確看出遺傳變異的現象，遂以此做為研究題目。眾㆟不吝㈿助研究過程樂趣多研究台灣各㆞刺竹的變異，意味著首先得取得各㆞的刺竹樣本；林維邦雖然是㆒個㆟做這個題目，但採集的過程，同㈻也給予他很多㈿助。此外為了做分析，他到嘉義大㈻育林技術研究室去，在那裡獲得儀器設備之支持，還㈲研究㆟員的技術傳授。對這些㆟的㈿助，何維邦充滿感謝。當然，他感謝最深的還是李文堂老師和林秀珠兩位指導老師，提供他關於生物遺傳訊息的㈾料，也從旁㈿助他的研究，㊜時給予建議。和眾多專題研究者㆒樣，為了做這個研究，何維邦㉂行找了許多遺傳和演化相關的㈾料來閱讀，花㆖很多課餘時間。此外就是㆒直待在實驗室了。何維邦對於生物和遺傳方面的研究充滿興趣，即使關在實驗室也不以為苦，「我㈲從㆗得到研究的樂趣，」他說，「尤其是第㆒次電泳成果出來的時候，看到DNA 出現，心情㈩分振奮。」目前的他，仍保持這樣的心情，正努力朝㊩㈻研究之路前進著。

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討臺北市立㆗山㊛子高級㆗㈻胡琬穠

高瞻計畫成果作品集

㈻生組生物

3-2 生

物

科㈻小論文

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討臺北市立㆗山㊛子高級㆗㈻胡琬穠

高瞻計畫成果作品集

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

統較單純等優點，非常適合作為探討社會互動與資源分配等關係的模式動物。本研究以美洲蜚蠊(Periplaneta americana)作為實驗動物，觀察其在團體情境（具社會因素）與單獨情境（不具社會因素）時，對資源的分配情形，並比較侵犯行為（踢或爬其他個體）與資源分配的關係。

表1

研究動機作者本校高瞻計畫的老師開設了許多培養我們科學素養的課程，包含實驗設計、觀察練習、邏輯思考等等。為了讓我們有機會進行實驗操作，也在校內培養了許多美洲蜚蠊 (Periplaneta americana)，供我們進行觀察與研究。美洲蜚蠊是一種飼養成本低、族群大、神經構造簡單的昆蟲，很適合做為我們實驗練習的實驗動物。例如在我們曾利用蜚蠊學習解剖技巧，從脂肪體到消化系統再到神經系統，這些昆蟲體內「麻雀雖小，五臟俱全」的精細程度，讓我十分讚嘆！每天搭乘捷運上下學的我，透過每日的觀察，漸漸的對人類使用座位的模式感到好奇。有時我們會想要讓座位給別人，或是看到別人讓座的行為？有時我們會懷疑在捷運車廂裡最常有座位可使用的人通常是哪些族群？是孩童還是老人家？是女上班族還是家庭主婦？是男上班族還是青少年？這些座位的使用與分配依循著人類對於資源分配行為及想法。裡面交叉了許多的因素，包括：搶位子的能力、弱勢族群的關懷、性別的差異等等。但是因為人類的資源使用牽涉太多因素和過多習慣差異，所以不易做社會行為觀察統計與結果解釋。因此我利用美洲蜚蠊的群居性、神經構造簡單等優點，試圖探討社會行為與資源使用的關係。而我們學校正好有在培養蜚蠊，讓我的實驗動物來源不受阻礙，使我可以將時間花在思考實驗的設計與結果的分析上，培養我的科學經驗與素養。除了人類社會具有資源分配模式，科學家也研究昆蟲的社會階層與資源分配（表一）。前人多以單項資源分配、單一侵犯行為、單項能力高低等行為表現作為社會階層的判斷依據。如Murfin(1992)發現美洲蜚蠊(Periplaneta americana)有爬到高處的習慣，所以將環境中的直立短棍視為一項資源，以爬上棍子的行為程度定義其社會階層。Moore等人 (1988)與Lee等人(1991)用灰色蜚蠊(Nauphoeta cinerea)在團體中侵犯（推擠）與被侵犯的多寡做為社會階層的定義。Rivault等人(1990)以德國蜚蠊(Blattella germanica)偷取食物的能力做為社會階級的分類。這些研究的實驗設計簡潔而單純，實驗結果亦非常顯著，但昆蟲社會階層與資源分配的關係真的如這些研究所顯示的如此單純嗎？這些實驗是否過度簡化昆蟲的社會互動？這些定義方式會不會加入過多人的主觀認定？這些疑問引發我對昆蟲社會互動與資源分配的強烈興趣。再者，以昆蟲作為社會行為與資源分配的觀察對象，具有取樣數量多、易取得、成本低、易安置、生命力強、操作方便、易觀察、內分泌與神經系

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

㈻生組生物

前㆟研究昆蟲㈳會階層與㈾源分配的研究方法與研究結果。

實驗方法

定義取向

結論

我們的質疑

Murfin (1992)

蜚蠊有爬到高處的習慣，故以爬到高處的相對比例做為階層判定。

資源分配

剪掉觸角的蜚蠊會影響其社會階層。

蜚蠊有使用「高處」這項資源的必要性嗎？

Lee等人 (1991)

觀察兩群年齡相差28日的蜚蠊，分別記錄侵犯行為的發生比例。

侵犯行為

年齡越大的蜚蠊，主導權越大且雌蟲可用氣味分辨雄蟲的社會階層。

侵犯行為在平權社會中不會發生嗎？一次嚴重的攻擊和多次輕微的攻擊意義相同嗎？

Rivault等人 (1990)

在盤子中放入一塊食物記錄群體中個體的攝食行為。

能力取向資源分配

雄成蟲和體型大的幼蟲在族群中主導權較大。

蜚蠊真的餓了嗎？攝食的能力是否可代表主導權或社會階層？

Moore等人 (1988)

以一個經常更換成員的蜚蠊族群，與另一組成穩定的族群相互比較個體的侵犯行為。

侵犯行為

社會經驗越豐富的蜚蠊，在群體中階級較高。

無法排除因為陌生而減少互動，且與社會階層無關的可能性

高瞻計畫成果作品集

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

表1

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

㈻生組生物

前㆟研究昆蟲㈳會階層與㈾源分配的研究方法與研究結果。

實驗方法

定義取向

結論

我們的質疑

Murfin (1992)

蜚蠊有爬到高處的習慣，故以爬到高處的相對比例做為階層判定。

資源分配

剪掉觸角的蜚蠊會影響其社會階層。

蜚蠊有使用「高處」這項資源的必要性嗎？

Lee等人 (1991)

觀察兩群年齡相差28日的蜚蠊，分別記錄侵犯行為的發生比例。

侵犯行為

年齡越大的蜚蠊，主導權越大且雌蟲可用氣味分辨雄蟲的社會階層。

侵犯行為在平權社會中不會發生嗎？一次嚴重的攻擊和多次輕微的攻擊意義相同嗎？

Rivault等人 (1990)

在盤子中放入一塊食物記錄群體中個體的攝食行為。

能力取向資源分配

雄成蟲和體型大的幼蟲在族群中主導權較大。

蜚蠊真的餓了嗎？攝食的能力是否可代表主導權或社會階層？

Moore等人 (1988)

以一個經常更換成員的蜚蠊族群，與另一組成穩定的族群相互比較個體的侵犯行為。

侵犯行為

社會經驗越豐富的蜚蠊，在群體中階級較高。

無法排除因為陌生而減少互動，且與社會階層無關的可能性

高瞻計畫成果作品集

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

㈻生組生物

研究目的本研究欲解決以下問題： 1. 建立一逆境模式，以觀察蜚蠊對資源的使用情形。 2. 比較蜚蠊在團體情境（具社會因素）與單獨情境（不具社會因素）對資源的使用情形。 3. 比較團體情境下，侵犯行為（踢或壓其他個體）與資源分配的關係。 ㆒、研究過程或方法本研究的實驗架構如圖一，實驗流程見下述：

(a) 室溫組的紀錄器材架設。

(b) 室溫組的蜚蠊（團體）活動情形。

(d) 高溫組的蜚蠊（團體）活動情形，培養皿 ㆗邊緣設置㆒個檯子，爬㆖檯子可脫離高溫逆境。

（一）建立一逆境模式，以觀察蜚蠊對資源的使用情形。在大型培養皿內的邊緣，固定一個長3.5 cm寬2.0 cm 高0.5 cm的ㄇ字型厚紙板檯子（圖2）並於培養皿正上方約50公分處架設USB攝影機進行記錄，攝影機影像訊號傳輸至電腦，以KMPlayer軟體進行影片錄製。若蜚蠊在室溫時於培養皿中所記錄的行為參數，稱為室溫組。將培養皿放入水溫50℃的水浴槽內進行加熱，並使水面高度不致溢過培養皿。於培養皿正上方約50公分處架設USB攝影機進行記錄。若於50℃的水浴槽內所記錄的行為參數，稱為高溫組。在高溫組中，爬上檯子可避免高溫逆境，檯子的使用在本研究中視為資源的使用。（二）比較蜚蠊在團體情境（具社會因素）與單獨情境（不具社會因素）對資源的使用情形。

單獨情境

室溫環境

團體情境

高溫逆境

室溫環境

環境因子、㈳會互動、個體㈵質

調節㈾源（檯子）的使用情形

圖1

本研究的實驗架構示意圖。

高溫逆境

圖2

實驗設備與操作過程照片

將蟲體單獨置於培養皿中，並於室溫與高溫環境下進行四分鐘的紀錄，比較其使用資源的情形（爬上檯子的總和時間），並依蟲體在高溫環境下資源使用情形進行排序，將使用資源情形相近的蟲體以4隻為一組放入一個培養皿中，在室溫與高溫環境下分別進行4分鐘的紀錄，以比較蟲體在團體情境（具社會因素）與單獨情境（不具社會因素）對資源的使用情形。記錄過程中以黃色及綠色的漆筆於蟲體前翅劃製記號，方便做觀察記錄。若實驗過程有蟲體折損，則該組（4隻）的數據全數捨去。實驗過程共成功記錄12隻蟲體的數據，其中每一個團體組（4隻）在高溫環境下各進行7次的觀察記錄（共收集84筆數據），每次的觀察記錄間隔約40分鐘。（三）比較團體情境下，侵犯行為（踢或壓其他個體）與資源分配的關係。為了比較侵犯行為（踢或壓其他個體）的程度是否會影響資源分配的關係，在上述的行為觀察中，紀錄以下各項參數，以瞭解各項行為的表現，最後比較各項參數之間的相關係數，建立各行為之間的關係。測量的參數如下： 1. 移動次數：蟲體位移的次數，記錄期間（4分鐘）蟲體發生位移的次數，單位為次。 2.移動單次時間：蟲體一次位移所花費的時間，記錄從具有位移開始到該行為停止的時間，單位為秒。 3.移動總和時間：記錄期間蟲體位移的時間總和，為各移動單次時間的總和，單位為秒。 73

高瞻計畫成果作品集

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

㈻生組生物

(a) 室溫組的紀錄器材架設。

(b) 室溫組的蜚蠊（團體）活動情形。

(d) 高溫組的蜚蠊（團體）活動情形，培養皿 ㆗邊緣設置㆒個檯子，爬㆖檯子可脫離高溫逆境。

單獨情境

室溫環境

團體情境

高溫逆境

室溫環境

環境因子、㈳會互動、個體㈵質

調節㈾源（檯子）的使用情形

圖1

本研究的實驗架構示意圖。

高溫逆境

圖2

實驗設備與操作過程照片

高瞻計畫成果作品集

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

㈻生組生物

4. 爬上檯子（圖3a）次數：記錄期間（4分鐘）蟲體爬上檯子的次數，單位為次。蟲體有超過3隻腳位於檯子之上，定義為爬上檯子。 5. 爬上檯子單次時間：蟲體單一次爬上檯子的時間，單位為秒。 6. 爬上檯子總和時間：記錄期間蟲體爬上檯子的時間總和，為爬上檯子單次時間的總和，單位為秒。 7. 壓它隻與被壓（圖3b）次數：記錄期間（4分鐘）蟲體發生部分身體在另一隻的部分身體之上(不包括翅膀尾端)的次數，定義為壓它隻次數，單位為次。而身體有部分在另一隻部分的身體下的次數，定義為被壓次數。 8. 壓它隻或被壓單次時間：蟲體一次壓它隻或被壓的時間，單位為秒。 9. 壓它隻或被壓總和時間：記錄期間蟲體壓它隻或被壓的時間總和，為各壓它隻或被壓單次時間的總和，單位為秒。 10. 踢它隻（圖3c、d）次數：記錄期間（4分鐘）蟲體的腳推擠其他個體的次數，單位為次。 11. 被踢次數：記錄期間（4分鐘），被其他蟲體的腳推擠身體的次數，單位為次。 12. 其他參數：本研究同時記錄翻正行為（圖3e）次數、單次時間、總和時間等參數。

結論一、本研究建立一動物模式，於高溫逆境下，觀察美洲蜚蠊在團體與單隻情境對於享有資源的差異，進而研究團體與非團體對於生物體互動關係與資源分配的影響。二、蜚蠊在團體情境下，會產生對其他個體的互動行為（包括壓或踢其他個體）與增加活動力（移動）。三、蜚蠊的侵犯與被侵犯行為皆會增加資源的使用效率，資源使用效率的增加主要是透過增加爬上檯子的次數。四、單獨情境下與團體情境下之間的資源使用關係為正相關，代表蜚蠊本身的特質（個性習慣）亦會影響資源的使用情形。五、單項社會互動行為（侵犯與或被侵犯行為）難以作為社會階層或能力的判斷依據。六、資源的使用效率，同時受環境因子、社會互動與個性習性等因子的影響（圖4）。個體㈵質

(a)

(b)

爬㆖檯子

壓它隻與被壓

(c)

踢與被踢（以後腳踢）

㈾源使用效率

㈳會互動 (d)

踢與被踢（以前腳與口器攻擊）圖3

(e)

翻正行為

圖4

環境因子

本研究結論示意圖：㈾源的使用效率，同時受環境因子、㈳會互動與個體㈵質等因子的影響。

本研究測量的各㊠蟲體行為照片

高瞻計畫成果作品集

吃虧就是佔便宜？美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討

㈻生組生物

(a)

(b)

爬㆖檯子

壓它隻與被壓

(c)

踢與被踢（以後腳踢）

㈾源使用效率

㈳會互動 (d)

踢與被踢（以前腳與口器攻擊）圖3

(e)

翻正行為

圖4

環境因子

本研究結論示意圖：㈾源的使用效率，同時受環境因子、㈳會互動與個體㈵質等因子的影響。

本研究測量的各㊠蟲體行為照片

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組生物

㆒個㆟的實驗：蟑螂的群體生活 ㆟類因㈾源分配不平均而㈲㈳會階級的區別，其他生物呢？蟑螂的㈳會㈲階級嗎？

蟑螂又稱蜚蠊，㆗山㊛高㈻生胡琬穠利用美洲蜚蠊的群居性、神經構造簡單等㊝點，試圖探討㈳會行為與㈾源使用的關係。恰巧㆗山㊛高的美洲蜚蠊恰巧很多，以美洲蜚蠊作為模式生物，省去培育生物時間，可專心於思考實驗設計與結果分析，培養科㈻的經驗與素養，並質疑㈻者研究結論的合理性。

3-3 生

物

科㈻小論文

看逆境㆗的蟑螂生活每組4隻蜚蠊關在培養皿㆗，㆘方加熱㉃攝氏50度，培養皿內擺了㆒個待在㆖面涼快些的小檯子。炙熱環境㆘，不管單獨或群體蜚蠊都想往檯子跑，以檯子是個㈳會㈾源，從㆗觀察單獨和群體蜚蠊對避難所的使用情形與相關性；另外統計團體生活㆗侵犯行為與㈾源分配（避難所）之關連性，結果比想像來得複雜許多。胡琬穠同㈻於高㆓時主動找蔡仁圃老師做研究，從此開始「吃虧就是佔便宜，美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討」的實驗生活。通常高㆓已㈲升㈻的壓力，但胡同㈻熱愛實驗，勇者無懼，縱使偶而被爸媽叨唸也甘之如飴。㆒個㆟的實驗進展頗為順利，約5個㈪結果大致出爐，共28隻蟑螂參與（㆒組4隻共做7組，各組分2梯次進行），胡同㈻用Kmplayer軟體記錄每次4分鐘的畫面，放慢5倍做成20分鐘影片，再㆒隻隻紀錄小強的㈳會活動（踢+被踢+壓+被壓）、爬檯子、翻正反射等秒數和次數。胡同㈻承認這樣的片子並不㈵別好看，但她非常喜歡觀察、思考實驗設計與分析結果。結果發現，㈳會互動程度越大的蜚蠊越能得到㈾源，侵犯他㆟與被侵犯的次數越多的蜚蠊佔據檯子的時間越久；如果願意被其他小強壓在身㆖㆒起利用檯子，又可佔用更久的㈾源。前㆟的研究雖㈲實際數據，但個㆟主觀詮釋造成了結論的偏差。胡同㈻另補充說明，其實每隻蟑螂都㈲㉂己的個性，㆒些性喜孤僻、靜靜待在角落，㆒些生性活潑，喜歡動來動去，個體㈵質亦影響使用㈾源的表現。 ㆒個㆟的實驗生活受訪時，胡同㈻㈲著緬靦又誠摯的笑容，開心㆞介紹㉂己的實驗。過程當㆗只㈲㆖台報告，挑戰性比較高，不過後來把報告背得爛熟也就沒問題了。胡琬穠非常喜歡㆒個㆟待在實驗室的感覺，㆒進實驗室就很開心，她認真㆞詰問：「不開心怎麼做實驗？」過程㆗最刺激莫過於抓蟑螂，她認為當㆟靠近蟑螂，觸鬚激烈㆞動來動去相當㈲趣；最後蟑螂的㈳會行為也加入了「習慣胡同㈻」這個㊠目，她靠近蟑螂們也不會跑開。胡琬穠認為，最開心莫過於完成整個實驗：「辛苦那麼久終於㈲成果，比得獎還來得開心。」這次實驗屬㈳會行為觀察，縱使利用同樣的蟑螂、同樣實驗步驟再做㆒次實驗，因個體㈵質影響，也會得出不同實驗數據；未來想做解剖相關的實驗，感覺比較「科㈻」。

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率國立台南高級海事㈬產職業㈻校黃毓惠、徐巍埕、杜愷峰、陳昱憲

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組生物

㆒個㆟的實驗：蟑螂的群體生活 ㆟類因㈾源分配不平均而㈲㈳會階級的區別，其他生物呢？蟑螂的㈳會㈲階級嗎？

3-3 生

物

科㈻小論文

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率國立台南高級海事㈬產職業㈻校黃毓惠、徐巍埕、杜愷峰、陳昱憲

高瞻計畫成果作品集

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㈻生組生物

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

料是否也可當餵食的物品，不只容易取得，也對豐年蝦的生長存活有幫助，解答我們對餵食何種餌料生物對豐年蝦的生長和存活率是較佳的疑問，也可以滿足想培育、認識豐年蝦的人。

作品㈵色或用途 ㆒、為目前修習課程延伸性㈻習之實作成品：我們修過餌料實習這門課程，配合餌料生物課本，老師教我們如何孵育豐年蝦，如何培養扁藻、等鞭金藻、螺旋藻……等藻類。這項實驗，是由許多課程所學習到的基礎，融合進行。如：藻類培養、餌料生物孵育、顯微鏡使用、顯微測量尺使用等多項課程所學習到的，配合「不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率」這個題目，進行實驗。我們的動機，是因為我們對豐年蝦的攝食產生了好奇性，促使我們想利用不同餌料生物，如：扁藻、等鞭金藻等。以及在大賣場的乳酸飲料，也讓我們更想加入這項實驗中探討，如果實驗結果，乳酸飲料是可當豐年蝦的餌料，也是一項新發現。 ㆓、用豐年蝦當實驗探討對象的用途：因豐年蝦是極好孵育的餌料生物，在修課程上，我們也曾經孵育過，也在顯微鏡下測量其體長，對於豐年蝦的認識，也因此其型態構造印象更為深刻。 ㆔、用扁藻、等鞭㈮藻投餌用途：因豐年蝦喜愛攝食藻類，豐年蝦生長於海水，扁藻和等鞭金藻也是以無硫海水培養出，科上也剛好有陪養扁藻、等鞭金藻的實驗藥品和器材，可以順利培養出投餵豐年蝦的扁藻和等鞭金藻。 ㆕、用麵包酵母菌、乳酸飲料的用途：麵包酵母菌是一種菌類，乳酸飲料中也含有「乳酸菌」豐年蝦也是喜歡攝食菌類，所以我們用麵包酵母菌、乳酸飲料投餵，探討豐年蝦喜歡攝食藻類還是菌類，進而探討是何種藻類？何種菌類？對豐年蝦的生長和存活率是最佳的。

作品製作要點說明 ㆒、豐年蝦孵育時：須以不透光方容器，陰暗處，配合打氣呈翻滾狀態24小時，才可孵化出豐年蝦無節幼蟲。再行分離殼、死卵，把豐年蝦無節幼蟲至新海水中，在分離的過程，需靜置久一點，待豐年蝦趨光成群和死卵沉至底部、殼浮載水面時，再用虹吸法吸出成群趨光的豐年蝦無節幼蟲。 ㆓、扁藻和等鞭㈮藻調配時：一定要要在無菌操作台中進行，以免混雜其他物質至調配的藻類中。 ㆔、麵包酵母菌和乳酸飲料投餵完成時：每日一定需要更新，才能確保投餵新鮮的菌。 ㆕、計數豐年蝦時：每1L算100隻豐年蝦是有點困難，但我們利用白色塑膠湯匙撈取一點豐年蝦計數，可以很方便的算取隻數，因為豐年蝦的無節幼蟲呈橘紅色，可以清楚用肉眼看見。㈤、實驗時間不夠時：因不同課程需要學習，每杯也需吸取豐年蝦測量其體長，所以我們利用冷凍保存的方式，將吸取的6隻豐年蝦放入塑膠袋中，冷凍保存，不只在解凍時也可完整測量體長，豐年蝦也不需用酒精稀釋，即可成為不動狀態，以方便測量。

㈤、乳酸飲料需稀釋的用途：我乳酸飲料含的乳酸菌，我們怕其濃度太高，所以已100 c.c的海水稀釋1 c.c的乳酸飲料。㈥、實作結果的㈵色及用途：我們想藉由此實驗，去發現豐年蝦喜歡攝食何種餌料生物，以方便若有人培育豐年蝦時，可馬上得知投餵何種餌料生物對其生長和存活率是較好的，進而發現乳酸飲

豐年蝦

高瞻計畫成果作品集

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㈻生組生物

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

豐年蝦

高瞻計畫成果作品集

作品製作流程圖示 ㆒、研究流程我們取用扁藻(Tetraselmis)、等鞭金藻(Isochrysis)、麵包酵母菌(Sacchar,Omyce, Cererisiae)之不同餌料生物，和日常的乳酸飲料做為實驗的材料，再孵育數隻的豐年蝦，以每1 L的燒杯放入100隻豐年蝦，在溫度(Temperature)、鹽度(Salinity)條件一樣的情況下，分別吸取1 c.c不同的餌料生物飼育豐年蝦，每天以相同的量給餌，最後觀察豐年蝦的存活率，以及測量其豐年蝦的體長增長多少，來探討比較何種餌料生物對豐年的的生長和存活率較佳。以下是整個實驗的程序及步驟。 ㆓、培養扁藻（採取接種方式）扁藻培養總過程： 1. 開始操作無菌操作台之前，以酒精消毒雙手。 2. 把鴨舌瓶、無硫海水、過磷酸鈣、硫酸銨、尿素放入儀器中。 3. 在儀器中，把無硫海水緩緩倒入鴨舌瓶內至800 ml。 4. 以塑膠吸管吸取過磷酸鈣、硫酸銨、尿素各1 L至鴨舌瓶中。 5. 加入些許的扁藻藻種至鴨舌瓶中，先放置固定架上。 6. 在過濾管口塞入些許的棉花，切勿填滿整個口。 7. 將打氣管接上軟木塞的孔洞，蓋上鴨舌瓶。 8. 配合日光燈照，靜置固定培養。 ㆔、培養等鞭㈮藻（取用㈻校現㈲等鞭㈮藻的培養液）等鞭金藻培養總過程： 1. 大量培養海水，以沙慮槽過濾。 2. 以10 ppm漂白水滅菌。 3. 加10 ppm海波去氯。 4. 打氣至隔天，加入尿素、過磷酸鈣、氯化鐵，依比例充分溶解。 5. 再依藻種1：3或1：5比例接種。 6. 5~7天及可進行採收。 ㆕、調配麵包酵母菌調配麵包酵母菌總過程： 1. 倒入約20 ml的麵包酵母菌至離心管中保存。 2. 打開離心管，秤0.1 g麵包酵母菌加入100 ml海水的125 ml錐形瓶中。 3. 搖晃均勻即可。

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㈻生組生物

㈤、不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率實驗（一）孵育豐年蝦總過程： 1. 取乾淨之水桶1個。 2. 加入海水至桶內約一半(6 L)左右。 3. 倒入0.3 g/ L些許的豐年蝦耐久卵。 4. 配合打氣，打氣源頭接打氣管＋打氣石。 5. 約24小時即孵化完全。 6. 拿出200目的浮游生物網，將豐年蝦的殼和豐年蝦小心些許的倒入浮游生物網，再放入新裝海水的燒杯靜置一段時間。 7. 利用豐年蝦趨光性，將聚集成群的豐年蝦，利用虹吸法將趨光聚集的豐年蝦吸入另一個新裝海水的燒杯中，完成殼與豐年蝦分離動作。

將豐年蝦用浮游生蝦物網換㈬

網內的豐年蝦輕放到裝新海㈬燒杯㆗

利用虹吸法分離殼和豐年蝦

分離完成的豐年蝦

圖1 豐年蝦和殼分離的過程

（二）不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率實驗總過程： 1. 放置十個1L的燒杯，五個一組，分兩組實驗，採二重複進行實驗。 2. 每一個1 L的燒杯裡放入100隻豐年蝦。 3. 每一個燒杯再補足其水量到1000 ml。 4. 拿出四個小錐形瓶，分別放入扁藻、等鞭金藻、麵包酵母菌不同餌料生物和稀釋過的乳酸飲料皆100 ml。（備註：五杯之中，有一杯是對照組，是無餵食任何餌料生物；裝完不同餌料生物，需拿鋁箔紙封住上口。） 5. 以pipette吸取扁藻0.1 c.c至250 ml的燒杯中，再吸取0.1 c.c的酒精（乙醇）混合，比例為0.1：0.1。（備註：加入酒精（乙醇）是為了讓藻類停止運動，能順利觀察其藻量數。） 6. 以顯微鏡配合血球計數計算1 c.c的扁藻和等鞭金藻約有多少數量。

高瞻計畫成果作品集

不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㈻生組生物

將豐年蝦用浮游生蝦物網換㈬

網內的豐年蝦輕放到裝新海㈬燒杯㆗

利用虹吸法分離殼和豐年蝦

分離完成的豐年蝦

圖1 豐年蝦和殼分離的過程

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不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㈻生組生物

吸取0.1 c.c的藻種

放入250 ml的燒杯㆗

取0.1 c.c酒精（㆚醇）

吸取1 c.c的扁藻

放入扁藻A、B組㆗

吸取1 c.c的等鞭㈮藻

放入等鞭㈮藻A、B組㆗

開始計數藻類

吸取0.1 c.c㉃玻片㆖

放入已加0.1 c.c藻類的 250 ml燒杯㆗

放入稀釋乳酸A、B

吸取1 c.c的稀釋乳酸

放入麵包酵母A、B組㆗

吸取1 c.c的麵包酵母

圖2 計數藻類的實驗過程備註：以㆘每吸取不同液體，都需更換新的滴管。

7. 拿4支塑膠吸管分別插入四個不同餌料的錐形瓶中，各吸取0.1 c.c餵食。 8. 放置固定的地點，溫度、鹽度條件一樣的情況下，每天固定餵食0.1 c.c 的餌料量。（備註：乳酸和麵包酵母菌都需每日更換，冷藏保存。） 9. 持續兩星期（十四天），最後實驗結束時，先計數每杯100隻豐年蝦，還剩下多少隻（存活率）。 10. 每一杯吸取6隻豐年蝦，測量其體長，利用顯為測量尺配合顯微鏡，測量每杯抽取6隻豐年蝦的體長，再求其平均值。

餵食完的狀況組㆗ 圖3 每㈰餵食的過程

圖4 實驗構想簡略敘述流程

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不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㈻生組生物

吸取0.1 c.c的藻種

放入250 ml的燒杯㆗

取0.1 c.c酒精（㆚醇）

吸取1 c.c的扁藻

放入扁藻A、B組㆗

吸取1 c.c的等鞭㈮藻

放入等鞭㈮藻A、B組㆗

開始計數藻類

吸取0.1 c.c㉃玻片㆖

放入已加0.1 c.c藻類的 250 ml燒杯㆗

放入稀釋乳酸A、B

吸取1 c.c的稀釋乳酸

放入麵包酵母A、B組㆗

吸取1 c.c的麵包酵母

圖2 計數藻類的實驗過程備註：以㆘每吸取不同液體，都需更換新的滴管。

餵食完的狀況組㆗ 圖3 每㈰餵食的過程

圖4 實驗構想簡略敘述流程

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豐年蝦也喝Qoo? 翻滾不敗豐年蝦到底吃什麼

豐年蝦又叫鹹蟲子，魚苗蝦苗的主要食物來源，㆒種卵小得看不到的節肢動物。他們愛吃什麼到底關我們什麼事？臺南海事㈬產養殖科的㈻生黃毓惠、徐巍埕、杜愷峰、陳昱憲是這樣說的：「㆟類吃肉，但肉也是須靠㆟養成，如何養得肥美飽滿，㆟類也才能吃到肉。豐年蝦也是㆒ 樣，如何㈲良好的豐年蝦餵食魚類，也是必須培育。」研究團隊以關心食物鏈底層的務實心情，研究豐年蝦的攝食情形，並㈲了意想不到的發現。

3-4 生

物

科㈻小論文

首先，要先將豐年蝦孵化。豐年蝦是㆒愛翻滾的生物，如果沒在海㈬㆗打氣讓他們搖滾，他們絕不孵卵。遇到㆝氣不好，再怎麼翻滾，頂多生出個頭沒多久就嗚㈺哀哉。卵孵化之後，得用虹吸法把殼和死卵分離，否則㈬質差，還是不免㆖㆝堂；經過同㈻們長期捶胸頓足、㆒孵再孵才熬成婆。前㆟研究發現，豐年蝦是㆒種吃藻類也吃菌類的濾食動物，組員們先從這2類著手，拿5種東西來餵豐年蝦：㆒、沒餵，好殘忍；㆓、餵綠色扁藻；㆔、餵黃褐色等鞭㈮藻；㆕、餵麵包酵母菌；㈤、餵可愛乳酸飲料Qoo。餵乳酸飲料 Qoo ？黃毓惠同㈻誠懇㆞說：「的確從沒㆟想過可以這樣做，但豐年蝦可以吃乳酸菌，市售乳酸飲料非常容易取得、乳酸菌也㈲㆒定的存活率，可能可以幫養殖的㆟找更易取得的餌料。」看似異想㆝開其實㈲根據。從繁瑣細節邁向美好成果豐年蝦、餌料培育後， 5組豐年蝦重複實作2次，每杯100隻蝦，每㆝餵0.1 c.c.餌料，連續觀察 14 ㆝。過程當㆗，細節是王道。藻類餌料的培育不容易，調配好不同的培養液外、得使用無菌操作台、雙手消毒，否則其他生物魚目混珠影響準確度。餌料培養好後，需用超細 pipette 吸管從培養液吸出超小量，再把藻類用酒精灌醉不動，才操作血球計數器計算㆒隻隻藻類數量，吸管不能重複、格子盤不能碰，實驗㆗每1 c.c.的培養液㆗約㈲超過1000多隻的藻類，需要極大的耐心在顯微鏡㆘統計。粗枝大葉的㊚同㈻們常常望㆝哀嚎：「為什麼這麼麻煩！為什麼這麼麻煩！」但為了這個實驗，不得已個個變得輕手輕腳，㆒點㆒滴小心計較，好奇心真會殺死㆒隻貓。豐年蝦很像小寶寶，孵化完成得馬㆖處理，他們可不管你是不是在㆖課、㈲沒㈲在午㉁、㈲沒㈲在考試。同㈻們每每為了豐年蝦重要時刻趕到現場，得跟老師們請假、還撐著升㈻的壓力；不過他們應變力強，忙碌時把豐年蝦全體冷凍以確保體長，等㈲空再處理，在老師不斷鼓勵㆘，總算讓實驗順利完成。實驗結果Cute得不得了，被餵食扁藻的豐年蝦，體長大30 μm，被餵食乳酸飲料的大約 20 μm，生命力旺盛，被餵食等鞭㈮藻的約10 μm。原來乳酸飲料也能培育豐年蝦。解答了㉂己的好奇心外，對想培育豐年蝦的㆟也㈲了便利的建議，真像他們㉂己說的：「㆒兼㆓顧。」

探討美洲蟑螂 (Periplaneta americana) 消化道前腸肌肉的調節機制臺北市立㆗山㊛子高級㆗㈻何孟霓、李忻

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後記

㈻生組生物

豐年蝦也喝Qoo? 翻滾不敗豐年蝦到底吃什麼

3-4 生

物

科㈻小論文

探討美洲蟑螂 (Periplaneta americana) 消化道前腸肌肉的調節機制臺北市立㆗山㊛子高級㆗㈻何孟霓、李忻

高瞻計畫成果作品集

探討美洲蟑螂(Periplaneta americana)消化道前腸肌肉的調節機制

㈻生組生物

探討美洲蟑螂 (Periplaneta americana) 消化道前腸肌肉的調節機制

中腸是消化作用主要進行的場所，大部分的消化酶於此發生作用，消化產物亦在此吸收。中腸包含胃盲囊(caeca)、圍食囊、幽門辦模等；其中圍食囊是由幾丁質纖維等物質組成，可保護消化細胞；而幽門瓣膜位於中腸與後腸間，可調節物質的移動。後腸的功能為吸收水分、鹽類及其他分子，以便濃縮糞便。後腸包含迴腸、結腸(colon)、直腸 (rectum)、馬氏管(Malpighiam tubules)、直腸墊等，前三者的功能主要為吸收水分及鹽類，馬氏管為排泄器官，從血液腔中移除含氮廢物；直腸墊為幫助水分在吸收的速率。

本研究欲以餵食不同種類的味覺刺激作為實驗因子，記錄與觀察美洲蟑螂前腸肌肉的調節機制。透過分析紀錄嗉囊及砂囊的肌肉電位圖(electromyography, EMG)，觀察放電波形的種類與節律性，並比較放電振福（強度）以及放電週期（時距）。我們觀察到蟑螂的消化道由橫紋肌所構成，㈲別於㆟類

由上述介紹可知，昆蟲的消化道中，前腸的角色為儲存與磨碎食物，以調節、協助中腸的化學消化，因此前腸壁的肌肉活性，應可因應內、外因子的變化而調節其活性。希望透過本研究，證明前腸的前饋作用與其性質。

消化道為主要由平滑肌所構成。由EMG的紀錄得知，餵食葡萄糖溶液時，可增加蟑螂嗉囊肌肉的放電幅度；而餵食味精（麩胺酸）溶液時，可增加砂囊肌肉放電幅度，推論葡萄糖與麩胺酸各可引發嗉囊與砂囊肌肉的收縮活動，此作用為前饋作用，就是在生理反應發生前的準備作用；若以清㈬清洗口器時，亦會引發前腸肌肉的放電行為，推測為清洗口器時引發吞嚥反射所致。此外，未來我們已規劃繼續探討蟑螂口器的吞食反射等相關現象。

研究動機「前饋(feed-forward)」機制是一種動物生理中重要的調節機制(Berthoud, 2008)，動物的消化道亦可見(Giduck, et al., 1986)，其中包含昆蟲的消化道(Wu, 2010)。昆蟲消化道的前饋反射，其中一例為：當外來的刺激物(味覺刺激)刺激口器而尚未進入消化道時，前腸的肌肉就已引發收縮反射。但前人的研究大多僅對消化道所分泌的酵素進行研究(Bignell, 1981)，也就是化學性消化，但針對蟑螂消化道的前饋反射卻闕如，也就是物理性消化，因此本研究擬以此為題，進行探討。我們曾經在中國醫藥大學的實驗室學習實驗方法，該實驗室專以果蠅作為模式生物，進行藥物作用方面的研究。在各種實驗方法中，肌肉放電的紀錄方法引發了我們很大的興趣，希望能將所學的技巧，應用於相關的科學研究，因此我們選用了日常中常見美洲蟑螂做為實驗動物，應用所學方法，研究美洲蟑螂前腸肌肉的調節機制。我們以蟑螂作為我們的實驗動物，是因為它具備了許多模式生物的條件，如：數量多、易取得、成本低、易安置、生命力強等。而在眾多的蟑螂品種中，我們選擇以美洲蟑螂(Periplaneta americana)作為我們的實驗材料，因為牠的體型大而易操作。蟑螂的消化道分為前腸(fore-gut)、中腸(mid-gut)、後腸(hind-gut)(Bignell, D. E. 1981) （圖1）。前腸的主要功能是取入、貯存、磨碎食物，將食物傳送到下一個區域進行物理消化。前腸分為―口器(mouthpart)、食道(oesophagus)、嗉囊(crop)、砂囊(gizzard)；食道兩側的唾腺可分泌液體與酵素，可潤滑、分解食物；嗉囊具儲存食物的功能；砂囊俗稱前胃，內襯含有六顆幾丁質化的牙齒，以利磨碎食物。

圖1 蟑螂的消化道分為前腸(fore-gut)、㆗腸(mid-gut)、後腸(hind-gut)。

研究目的本研究欲探討以下問題：一、觀察蟑螂消化道中前腸部位的組織結構。二、探討蟑螂消化道中前腸部位的肌肉放電情形。三、探討蟑螂消化道中前腸部位的肌肉調節機制。

高瞻計畫成果作品集

探討美洲蟑螂(Periplaneta americana)消化道前腸肌肉的調節機制

㈻生組生物

探討美洲蟑螂 (Periplaneta americana) 消化道前腸肌肉的調節機制

圖1 蟑螂的消化道分為前腸(fore-gut)、㆗腸(mid-gut)、後腸(hind-gut)。

高瞻計畫成果作品集

探討美洲蟑螂(Periplaneta americana)消化道前腸肌肉的調節機制

㈻生組生物

研究設備與器材 ㆒、研究器材與設備（表1）：編號

㈴稱

型號或規格

備註

解剖顯微鏡

Primo Star

ZEISS

照相機

Super Steady Shot DR-SR11

Sony

載玻片、蓋玻片

解剖刀(小剪)、鑷子

黏土

解剖器材

生理訊號記錄儀

PowerLab 26T

ADInstrument(USA)

Glutamate solution

C%:100%

味全

Glucose solution

C%:100%

島久藥品株式會社

蟲針

1盒 x 100根

00號

棉花棒

1盒 x 100根

蟑螂屋貼紙

1包 x 10張

黏土、保鮮膜等

高速攝影機

保鮮膜

最高可拍攝1200fps

CASIO EXILIM PRO EX-F1

㆓、實驗動物：美洲蟑螂(Periplaneta americana)飼養於室內昆蟲箱，為本校自行飼養繁殖。飼養之環境溫度約25〜28℃，定期換水、提供充足飼料。進行第二部分實驗所使用之蟑螂，於實驗前一星期停止提供飼料或水。實驗的進行皆以色澤明亮、身體外表無破損之雄性成蟲作為實驗動物，以避免母蟲生殖週期或攜夾卵鞘的干擾。實驗過的動物不再進行實驗。 ㆔、研究架構：本研究分為三個部分（圖2）：第一部份是「蟑螂消化道組織的觀察」，除了對蟑螂整個消化道進行觀察外，也針對前腸（嗉囊及砂囊）的組織進行觀察。本研究的第二部分為「蟑螂前腸的EMG記錄」，記錄前腸肌肉的放電性質與調節情形，以比較肌肉電位的波形及結律性，並以清水、葡萄糖水溶液、麩胺酸水溶液（味精）等物質刺激口器，探討其對前腸肌肉活動的調節作用。最後一部分為在做完前二部分實驗後的延伸，我們利用高速攝影機記錄了餵食蟑螂期間，其口器的運動行為，以觀察口器的反射作用。

圖2

本研究的實驗架構示意圖

研究步驟與方法 ㆒、蟑螂消化道器官與組織的觀察利用二氧化碳麻醉法，將美洲蜚蠊麻醉後置於培養皿內，用小剪剪去其六肢及翅膀，再從蟲體背部兩側解剖出兩道傷口，此步驟須小心以免傷到內部消化器官，影響觀察。再來以鑷子小心撕下背部的骨板，此時已完成解剖，最後只需要再將蓋住器官的脂肪體輕輕剝除，以便進行體內器官的觀察。進一步觀察消化道的組織時，可以鑷子取出各種前腸組織，置於在載波片上以鑷子進行分離，再於顯微鏡下進行觀察以及記錄，以比較食道、嗉囊、砂囊腸壁的組織型態，操作過程亦分離蟲體胸部的飛行肌進行觀察，並與消化道組織進行對照。 ㆓、蟑螂的EMG記錄利用貼紙將蟑螂黏貼固定，並將其固定在培養皿的背部（圖3a），將黏土摺成「U」支持蟑螂頭部使口器露出，以方便餵食，並以另一培養皿置於蟑螂口器下方，作為承裝實驗溶液刺激口器後流入的容器。再由蟑螂背部中央進行解剖，將一號蟲針（大小為00號蟲針）插入蟑螂的嗉囊壁，將二號蟲針插入蟑螂的砂囊壁，另將一導線插於蟑螂的腹部，作為參考電極（圖3b）。由於每次的解剖時間歷時約五十分，為了使蟑螂消化道組織不乾涸脫水，將保鮮膜覆蓋解剖處，可保持濕潤。本研究利用生理訊號紀錄儀(Power Lab，ADInstrument, USA)，進行肌肉電位圖 (EMG, Electromyography)的記錄。此方法可放大生理電訊號，並記錄肌肉的放電情形。本研究記錄以下狀態與各溶液刺激時，前腸的肌肉電位：

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探討美洲蟑螂(Periplaneta americana)消化道前腸肌肉的調節機制

㈻生組生物

研究設備與器材 ㆒、研究器材與設備（表1）：編號

㈴稱

型號或規格

備註

解剖顯微鏡

Primo Star

ZEISS

照相機

Super Steady Shot DR-SR11

Sony

載玻片、蓋玻片

解剖刀(小剪)、鑷子

黏土

解剖器材

生理訊號記錄儀

PowerLab 26T

ADInstrument(USA)

Glutamate solution

C%:100%

味全

Glucose solution

C%:100%

島久藥品株式會社

蟲針

1盒 x 100根

00號

棉花棒

1盒 x 100根

蟑螂屋貼紙

1包 x 10張

黏土、保鮮膜等

高速攝影機

保鮮膜

最高可拍攝1200fps

CASIO EXILIM PRO EX-F1

圖2

本研究的實驗架構示意圖

高瞻計畫成果作品集

探討美洲蟑螂(Periplaneta americana)消化道前腸肌肉的調節機制

㈻生組生物

1. 記錄以下狀態時的EMG： (1) 一般情形：紀錄5分鐘。 (2) 餵食溶液期間：每次餵食時間約8~10秒。 (3) 餵食後：紀錄10分鐘。 (4) 清洗期間：紀錄20秒。 (5) 清洗後：紀錄10分鐘。

㆕、口器（圖5）反射紀錄

2. 記錄以下溶液刺激口器時的EMG： (1) 清水。 (2) 葡萄糖水溶液(glucose solution)：飽和溶液。 (3) 麩胺酸水溶液(glutamate solution)：飽和溶液。

圖5

蟑螂口器結構圖

將一平板狀的木製棍一端塗抹凡士林，並固定於一顯微鏡載物台上（圖6）。將蟑螂與高速攝影機架設於解剖顯微鏡旁，再依蟑螂口器位置調整攝影機焦距，並開始攝影(1200 fps)。於塗抹凡士林的木棍上滴上一滴溶液，隨後透過控制載物台的高度，使蟑螂口器輕觸該溶液，並觀察其口器的反射行為。最後分析所記錄之影片。 (a)固定蟲體的照片圖3

(b)紀錄電極(蟲針)的紀錄位置

記錄前腸壁肌肉的EMG時，實驗動物的處理方式。

㆔、量化方法將所記錄的肌肉電位圖（圖4），計算嗉囊與砂囊在味覺刺激前、中、後時，電位變化的震幅(mV)，最後經計算與統計，以比較肌肉活性的變化。 (a)實驗裝置架設圖圖6

圖4

蟑螂消化道肌肉電位圖(EMG)

(b)口器反射觀察照片口器反射行為的觀察

結論一、蟑螂消化道的肌肉皆為橫紋肌。食道壁較薄，內襯有剛毛結構，可協助食物向後移動；砂囊壁較厚，富含肌肉，內襯具幾丁質化的內壁與齒，具磨碎食物的功能。二、餵食葡萄糖液時，蟑螂的嗉囊肌肉放電幅度增加，推測葡萄糖液可引發嗉囊肌肉的收縮活動。三、餵食味精（麩胺酸）時，蟑螂的砂囊肌肉放電幅度增加，推測麩胺酸可引發砂囊肌肉的收縮活動。四、以清水、麩胺酸、葡萄糖此肌口器時，發現口器對麩胺酸有較明顯的反應。 91

高瞻計畫成果作品集

探討美洲蟑螂(Periplaneta americana)消化道前腸肌肉的調節機制

㈻生組生物

㆕、口器（圖5）反射紀錄

2. 記錄以下溶液刺激口器時的EMG： (1) 清水。 (2) 葡萄糖水溶液(glucose solution)：飽和溶液。 (3) 麩胺酸水溶液(glutamate solution)：飽和溶液。

圖5

蟑螂口器結構圖

(b)紀錄電極(蟲針)的紀錄位置

記錄前腸壁肌肉的EMG時，實驗動物的處理方式。

圖4

蟑螂消化道肌肉電位圖(EMG)

(b)口器反射觀察照片口器反射行為的觀察

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組生物

蟑螂先生，您挑嘴嗎？

為了知道小昆蟲活的時候腸胃如何運作，㆗山㊛㆗㈻生何孟霓、李忻近距離觀察，運用生物放電，以解剖方式插針進入蟑螂消化道，連接電極，用電流瞭解消化道不同部位放電波形，觀察蟑螂消化道的㆗前腸部位構造、瞭解肌肉放電情形和探討肌肉調節機制，發現蟑螂消化道的肌肉與㆟類的平滑肌不同，食道內㈲剛毛可㈿助食物向後移動，前胃砂囊壁較厚㈲齒，具磨碎食物的功能；餵食葡萄糖和麩胺酸，則肌肉放電大不相同，難道蟑螂挑嘴？

4-1 機

電

實作作品

與蟑螂的邂逅勇氣是從已知到未知，從熟悉到陌生、從安逸到㈸頓。不敢說是蟑螂㈲勇氣還是同㈻，但㆒ 個是㊟定悲劇的宿命，㆒個是冒著惡心的危險，兩者都頗令㆟欽佩。沒見過那麼精密的殺蟑動作：「利用㆓氧化碳麻醉法，將美洲蜚蠊（蟑螂）麻醉後置於培養皿內，用小剪剪去其㈥肢及翅膀，再從蟲體背部兩側解剖出兩道傷口……再來以鑷子小心撕㆘背部的骨板，此時已完成解剖，最後只需要再將蓋住器官的脂肪體輕輕剝除，以便進行體內器官的觀察。」再加㆖插針研究，㉃少50隻以㆖蟑螂壯烈犧牲。筆者驚恐㆞問：「當初是妳㉂願加入蟑螂組的嗎？」何同㈻抿著嘴笑說：「越怕就越想試試看。」筆者：「教教我如何活捉蟑螂！」李同㈻熟練㆞解釋：「只要用長鑷子夾住蟑螂胸腹，拿著放到蟑螂屋㆖，黏住他的腳，就可以了。」但蟑螂還是偶而跑出昆蟲箱亂竄，實驗室裡大家㆒ 起抓小強，如果真得不行只好用踩的解決問題。㈲次㆒位同㈻的蟑螂逃跑，她怕㆒整㆝的實驗報銷，心㆒橫徒手活抓蟑螂，獲得同㈻們㆒致敬佩，這位同㈻後來抓出㈴聲，只要哪組蟑螂潛逃就高聲㈺叫她的㈴字。蟑螂您挑嘴嗎？ 2㆟研究小組解釋，此實驗是觀測食物放在蟑螂口器時，消化道的預備反射放電反應。生物肌肉放電很難偵測，當初花了整個㈦㈪不斷插針，才找到消化道的放電部位。用 EMG做電流測試時，所㈲手機、電燈、音響和電子設備都得關機，㆟也不能靠近，因生物電很微弱，波形非常容易受干擾，最後終於找到消化道波形模式，如果波形不合，表示㈲外力干擾而非蟑螂本身放電。蟑螂插針完後還可以繼續走來走去，過㆒陣子才會死亡。過程㆗，研究小組說最㈲趣的莫過於觀察「肌肉電位圖」，因為波形頗具形式美且㈲重要存在價值，用以比對㉂己的假說和研究結果；兩位宣稱過程使㉂己的耐性急遽㆞增加，因為插針很難插㆗放電部位，插㆗了還可能會跑掉，而且「失之毫釐、差之千里」，所以每張電位圖都彌足珍貴。放電結果大不同，餵食葡萄糖液時，蟑螂的嗉囊（儲存食物）肌肉放電幅度增加，推測單糖不再需要儲存與透過澱粉進行分解，因此肌肉收縮，將葡萄糖擠向砂囊。餵食味精（麩胺酸）時，蟑螂的砂囊肌肉放電幅度增加，推測麩胺酸為蛋白質的㆒種次單位，引發砂囊肌肉做收縮活動。因應攝食種類不同，蟑螂腸胃即將展開不同的消化活動，才引發不同的放電反應。

綠色小幫手㉂走盆栽臺北市立內湖高級工業職業㈻校盧士凱、顧達昀、謝坪錡、郭威賢

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組生物

蟑螂先生，您挑嘴嗎？

4-1 機

電

實作作品

綠色小幫手㉂走盆栽臺北市立內湖高級工業職業㈻校盧士凱、顧達昀、謝坪錡、郭威賢

高瞻計畫成果作品集

綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

作品製作要點說明 ㆒、系統方塊：

陽光、空氣、水，是生命的三大要素，加上適合的溫度，植物才能順利的成長。一般而言，植物苗圃常以溫室來控制光、空氣、水和溫度，但對於居家環境或辦公室而言，為了盆栽而刻意建造一座溫室並不切合實際。本作品設計一個有趣的盆栽，讓植物如同動物一般，在飢餓或口渴等生理需求的時候，能夠自行走到定點來獲得補充。由於不須透過人為照料，因此盆栽主人不須付出太多精神，也能享受種植的樂趣，這是本作品的主要目的。本作器的主要特色如下： ㆒、感測功能：透過各種感測器，讓盆栽能自動感測溫度、溼度、空氣品質及光照度。若溫度太冷或太熱，盆栽自行控制風扇使其開啟、關閉；陽光不足時，盆栽能自行開啟電燈；空氣品質不佳時，能自動打開窗戶；水份不足時，盆栽能自動開啟水源，並透過溼度感測器感測水份，適時關閉水源。 ㆓、互動功能：為了能即時讓主人知道盆栽缺乏什麼，我們加上了語音系統，使植物能夠「說話」，讓主人得知盆栽的現況。 ㆔、㉂走功能：為了解決植物沒有腳的問題，我們為「創意盆栽」加上了伺服機作為代步之用，並預留定位系統界面，一旦加上定位系統後，盆栽便能自動修正移動的位置，更精確到達定點。 ㆕、環境控制：為了解決植物沒有手的問題，我們為「創意盆栽」加上紅外線控制系統，例如：當植物走到水源位置時，便以紅外線來控制水源開關。㈤、充電功能：當盆栽的電力不足時，盆栽會自動移動到有光線的位置，透過太陽能板對電池充電，符合節能減碳的精神。㈥、娛樂功能：跟動物互動並不稀奇，能夠跟植物互動，才有「寵物」的感覺。因此，我們為盆栽加上了MP3播放功能，當植物感到舒適，適合生長時，便會播出主人喜愛的音樂，使植物在賞心悅目之餘，又兼具娛樂的效果。

㉂走盆栽端

作品㈵色或用途㊧前輪

㊨前輪

伺服機

紅外線發射單晶片

語音界面

感測器界面（光、空氣、㈬、溫度）

按鍵界面

定位系統

充電電池

DC/DC

喇叭

12V

太陽能板本作品區分為二大部分：自走盆栽端與紅外線接收控制端。說明如下：（一）自走盆栽端： 1. 感測器界面：偵測光、空氣、溫度與濕度。 2. 伺服機：負責驅動左輪與右輪，以便將盆栽移動到適當位置。 3. 紅外線發射：盆栽到達適當位置後，發出紅外線來控制光源、空氣調節、溫度或濕度。 4. 語音界面：將預錄的語音內容播放出來。 5. 按鍵界面：利用開關來模擬植物的生理狀態，以便展示之用。 6. 電源系統：利用充電電池作為主要電力來源，以及太陽能板作為充電電力來源。 7. 定位系統：為預留的界面。將來加上定位系統後，可以讓盆栽在移動時作更精準的定位。 95

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綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

作品製作要點說明 ㆒、系統方塊：

㉂走盆栽端

作品㈵色或用途㊧前輪

㊨前輪

伺服機

紅外線發射單晶片

語音界面

感測器界面（光、空氣、㈬、溫度）

按鍵界面

定位系統

充電電池

DC/DC

喇叭

12V

高瞻計畫成果作品集

綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

紅外線接收控制端紅外線接收

紅外線接收

太陽能板電

顯示與按鍵電路感測器

單晶片

單晶片車體

光

空氣

㈬

溫度

圖1 系統架構

如圖2為自市面上取得的糖果禮盒外觀，稍加改裝後剛好可作為盆栽的外殼。圖3 為裝上伺服機及輪子後的外觀。圖4為加上控制電路後的外觀。圖5為加上感測器及太陽能板後的外觀。圖6為自走盆栽端的機械架構圖。

圖2 ㉂走盆栽外殼

圖3 加㆖伺服機及輪子

控制盒

聲喇音叭電路

MP3

電

音電路

感測電路

電電路

控電路

圖6 機械架構圖

（二）紅外線接收控制端：當盆栽發射出紅外線控制信號後，由紅外線接收控制端負責接收，再根據不同的控制信號，來分別控制光、空氣、水或溫度。如圖7為紅外線接收控制端的內部電路板規劃，圖8為加上機蓋後的外觀。

圖7 加㆖控制電路板

圖8 加㆖機蓋後的外觀

㆓、電路圖： 1. 主控電路：包含電源與單晶片電路。 a. 電源電路：採用四顆1.2V 鎳氫電池作為主要電源，可提供2700mAH 的容量。太陽能板提供電池的充電來源，在100mW/cm 的照度條件下，太陽能板可得到9V， 50mA 輸出，使得二極體D5，D6 導通，形成充電迴路。圖4 加㆖控制電路

圖5 加㆖感測器及太陽能板

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綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

紅外線接收控制端紅外線接收

紅外線接收

太陽能板電

顯示與按鍵電路感測器

單晶片

單晶片車體

光

空氣

㈬

溫度

圖1 系統架構

圖2 ㉂走盆栽外殼

圖3 加㆖伺服機及輪子

控制盒

聲喇音叭電路

MP3

電

音電路

感測電路

電電路

控電路

圖6 機械架構圖

圖7 加㆖控制電路板

圖8 加㆖機蓋後的外觀

圖5 加㆖感測器及太陽能板

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綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

b. 單晶片電路：本作品所使用的單晶片，是具有ISP（線上燒錄）功能的AT89S51（ATMEL 公司生產），電腦可透過P1.5〜 P1.7 對單晶片進行燒錄、讀取等動作。單晶片 I/O 接腳規劃詳見表1。表1 單晶片的I/O規劃

I/O

接腳

功能說明

I/O

接腳

功能說明

P0.0

光感測輸入

P2.0

定位指示燈

亮：定位中

P0.1

語音界面(INT#)

P2.1

充電指示燈

亮：充電中

P0.2

語音界面(SCLK)

P2.2

紅外線指示燈

P0.3

語音界面(MISO)

P2.3

MP3指示燈

亮：MP3 ON

P0.4

語音界面(MOSI)

P2.4

MP3 控制信號

1：MP3 ON

P0.5

語音界面(SS#)

P2.5

蜂鳴器控制信號

0：蜂鳴器ON

P0.6

空接

P2.6

左伺服機控制信號

PWM 控制

P0.7

電子羅盤界面(MEN)

P2.7

右伺服機控制信號

PWM 控制

P1.0

紅外線發射控制

P3.0

定位界面(SD_OUT)

P1.1

光展示按鍵

P3.1

定位界面(SD_IN)

P1.2

空展示按鍵

P3.2

紅外線信號輸入

P1.3

水展示按鍵

P3.3

空氣感測輸入

P1.4

溫度展示按鍵

P3.4

水感測輸入

P1.5

電池展示按鍵

P3.5

溫度感測輸入

P1.6

充電展示按鍵

P3.6

電池感測輸入

P1.7

MP3 按鍵

P3.7

充電感測輸入

以排線連接到語音電路

預留

用按鍵來模擬感測器的信號，以便測試。

預留預留

d. 溫度感測：平常AD590輸出電流在可變電阻產生的壓降低於臨界電壓，使樞密特反相器輸出為邏輯1；當溫度上升到某一值時（例如40°C），壓降將高於臨界電壓，使反相器輸出邏輯0，作為溫度感測輸出。 e. 電池偵測：電池電力充足時，電池輸出邏輯1；當電池電壓下降至某一程度(DC4.5V) 時，經可變電阻分壓後低於樞密特反相器的臨界電壓，使第一級反相器輸出邏輯 1，再經第二級樞密特反相器後輸出邏輯0，作為電池偵測輸出。 f. 充電偵測：未充電時，樞密特反相器輸出邏輯1；當進行外部充電時，充電電壓將高於樞密特反相器的臨界電壓，使反相器輸出邏輯0，作為充電感測輸出。 3. 語音電路： a. 錄放音電路：採用ChipCorder 所生產的錄放音IC ISD4004，ISD4004 內含 3840KB 的非揮發性記憶體，能夠儲存約8 分鐘的聲音資料。透過控制線，能夠直接進行錄、放音。語音IC 的實驗步驟如下：開始

開始

設定開始位址

送出錄音指令碼

送出放音指令碼

延遲10秒(錄音㆗)

完成放音

以排線連接到感測器

2. 感測器電路：感測器電路包含光、空氣、濕度、溫度、電池、充電等，分別說明如下： a. 光感測：平常樞密特反相器輸出為邏輯1，當照度低於10 Lux時，光敏電阻與電阻分壓後的電壓高於樞密特反相器的臨界電壓，使反相器輸出邏輯0，作為光感測輸出。

送出停止指令碼 b. 空氣感測：乾淨空氣時，樞密特反相器輸出為邏輯1；當空氣污濁時，TGS800輸出高於樞密特反相器的臨界電壓，使反相器輸出邏輯0，作為空氣感測輸出。 c. 水份感測：土壤潮濕時，樞密特反相器輸出為邏輯1；當土壤乾躁（相對濕度≦ 70%）時，水份感測器電阻上升，與電阻分壓後電壓高於樞密特反相器的臨界電壓，使反相器輸出邏輯0，作為水感測輸出。 98

完成錄音圖9 系統架構

高瞻計畫成果作品集

綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

I/O

接腳

功能說明

I/O

接腳

功能說明

P0.0

光感測輸入

P2.0

定位指示燈

亮：定位中

P0.1

語音界面(INT#)

P2.1

充電指示燈

亮：充電中

P0.2

語音界面(SCLK)

P2.2

紅外線指示燈

P0.3

語音界面(MISO)

P2.3

MP3指示燈

亮：MP3 ON

P0.4

語音界面(MOSI)

P2.4

MP3 控制信號

1：MP3 ON

P0.5

語音界面(SS#)

P2.5

蜂鳴器控制信號

0：蜂鳴器ON

P0.6

空接

P2.6

左伺服機控制信號

PWM 控制

P0.7

電子羅盤界面(MEN)

P2.7

右伺服機控制信號

PWM 控制

P1.0

紅外線發射控制

P3.0

定位界面(SD_OUT)

P1.1

光展示按鍵

P3.1

定位界面(SD_IN)

P1.2

空展示按鍵

P3.2

紅外線信號輸入

P1.3

水展示按鍵

P3.3

空氣感測輸入

P1.4

溫度展示按鍵

P3.4

水感測輸入

P1.5

電池展示按鍵

P3.5

溫度感測輸入

P1.6

充電展示按鍵

P3.6

電池感測輸入

P1.7

MP3 按鍵

P3.7

充電感測輸入

以排線連接到語音電路

預留

用按鍵來模擬感測器的信號，以便測試。

預留預留

開始

設定開始位址

送出錄音指令碼

送出放音指令碼

延遲10秒(錄音㆗)

完成放音

以排線連接到感測器

完成錄音圖9 系統架構

高瞻計畫成果作品集

綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

b.語音內容規劃：語音內容是以分段的方式，儲存在不同的位址，內容規劃如下：

5. 紅外線接收控制盒電路：當接收到盆栽所發出的紅外線信號後，便啟動電源(燈光、抽風機、水源、散熱風扇等)，來達到控制的目的。紅外線接收控制電路的實驗步驟如下（圖11）：

表2 語音內容規劃

發音時機

語音內容

起始位址

秒數

開始

光線不足

這裡好暗呀！我需要明亮的陽光。

0000H

12.8

空氣污濁

這裡好悶呀！我需要新鮮的空氣。

0040H

12.8

濕度不足

好渴呀！我需要充足的水份。

0080H

12.8

溫度太高

哦！這裡好熱呀我想要涼快一下。

00C0H

12.8

電力不足

哎呀！我快要沒電了我需要充電。

0100H

12.8

我正在充電中，請稍候片刻。

0140H

12.8

MP3 開啟

請享受美妙的音樂謝謝。

0180H

12.8

光線充足

好了！我獲得足夠的陽光了。

01C0H

12.8

空氣清新

哈！有新鮮空氣真好。

0200H

12.8

濕度充足

好了！我獲得充足的水份了。

0240H

12.8

溫度適中

好了！我覺得涼快多了。

0280H

12.8

是

電力充足

OK！我現在的電力很充足。

02C0H

12.8

充電完成

OK！我已經充電充好了。

0300H

12.8

繼電器繼電器ON 打開電源

MP3 關閉

音樂已經關掉了。

0340H

12.8

你好我是你貼心的綠色小夥伴，我是創意盆栽。

0380H

12.8

充電時

開機時

4. 控制盒電路：控制盒位於自走盆栽上方，作為感測及展示操控用途。包含感測器板、中央控制板、音訊板。如圖10為控制盒位置圖。

是否接收到紅外線？

否

是接收碼與接收碼與ON 識別碼相同？

是否接收到紅外線？

否

是否

接收碼與OFF 識別碼相同？

否

是繼電器繼電器OFF 關閉電源

作品製作流程圖示開始

感測器㈵性測試

電路功能測試

機械組裝測試圖10 控制盒位置圖

控制盒電路圖，說明如下： a. 感測器板：將各感測器固定在控制台外殼，以便感測光、空氣、水、溫度。 b. 中央控制板：包括電源開關與展示開關（展示光、空氣、水、溫度、電池電力、音樂播放等功能）。以及電源、MP3、充電、紅外線、定位的LED 指示燈。 c. 音訊板：包含喇叭及MP3 輸入插座。 100

功能修正與測試

完成

101

高瞻計畫成果作品集

綠色小幫手㉂走盆栽

㈻生組機電

b.語音內容規劃：語音內容是以分段的方式，儲存在不同的位址，內容規劃如下：

表2 語音內容規劃

發音時機

語音內容

起始位址

秒數

開始

光線不足

這裡好暗呀！我需要明亮的陽光。

0000H

12.8

空氣污濁

這裡好悶呀！我需要新鮮的空氣。

0040H

12.8

濕度不足

好渴呀！我需要充足的水份。

0080H

12.8

溫度太高

哦！這裡好熱呀我想要涼快一下。

00C0H

12.8

電力不足

哎呀！我快要沒電了我需要充電。

0100H

12.8

我正在充電中，請稍候片刻。

0140H

12.8

MP3 開啟

請享受美妙的音樂謝謝。

0180H

12.8

光線充足

好了！我獲得足夠的陽光了。

01C0H

12.8

空氣清新

哈！有新鮮空氣真好。

0200H

12.8

濕度充足

好了！我獲得充足的水份了。

0240H

12.8

溫度適中

好了！我覺得涼快多了。

0280H

12.8

是

電力充足

OK！我現在的電力很充足。

02C0H

12.8

充電完成

OK！我已經充電充好了。

0300H

12.8

繼電器繼電器ON 打開電源

MP3 關閉

音樂已經關掉了。

0340H

12.8

你好我是你貼心的綠色小夥伴，我是創意盆栽。

0380H

12.8

充電時

開機時

4. 控制盒電路：控制盒位於自走盆栽上方，作為感測及展示操控用途。包含感測器板、中央控制板、音訊板。如圖10為控制盒位置圖。

是否接收到紅外線？

否

是接收碼與接收碼與ON 識別碼相同？

是否接收到紅外線？

否

是否

接收碼與OFF 識別碼相同？

否

是繼電器繼電器OFF 關閉電源

作品製作流程圖示開始

感測器㈵性測試

電路功能測試

機械組裝測試圖10 控制盒位置圖

功能修正與測試

完成

101

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組機電

便利生活的極致：㉂走盆栽

想像以㆘畫面，你培植的盆栽居然在家裡閒晃，㆒㆘開窗、㆒㆘給㉂己澆㈬？內湖高工同㈻結合多種科技，開發了想像力㈩足的「㉂走盆栽」。小盆栽坐在㆒台禮品桶改裝的㆕輪小車子㆖面，指揮小車子跑來跑去，難不成是植物放電，釋出心電感應？非也。靠著環境偵測器，包括壓在㈯裡的㉂製濕度電阻板、光敏電阻板、 TGS8000 空氣感應器、 AD590 溫度感應器，陽光空氣㈬等環境因素化成電流大小，透過樞密㈵反相器的邏輯閘，遙控 IC 晶片，使㈾訊傳輸到伺服器，再接㉃紅外線偵測及定位系統，啟動馬達帶動輪子，使得㉂走車在㈯壤太乾時跑到澆花處、光不夠奔向光源、空氣污濁開電扇，電力耗盡㉂行充電。植物㆒如寵物，高興時甚㉃說話，像「哈！㈲新鮮空氣真好」、「請享受美妙的音樂」、「OK！我已經充電好了」。

4-2 機

電

實作作品

㉂走盆栽全面啟動當初為「減輕盆栽主㆟的負擔」、「增加蒔花弄草的樂趣」，內湖高工的盧士凱、顧達昀、謝坪錡、郭威賢㆕位同㈻想出這個點子；羅文煜老師則是幕後推手，也是放音設備㆗假裝植物說話、變聲器變音的播音㊚聲。盧士凱同㈻說：「我們老師㆟超好！」如果電路設計出錯，研究小組卻又再㆔揪不出錯誤，羅老師這時候總是擔任救㈫員研究到底；㆒次同㈻把㆒台㆔用電表不小心炸掉還冒㈫花，心裡緊張得㈦㆖㈧㆘，怕平㈰溫和的老師真得動怒，結果羅老師只沈穩㆞說：「老師這邊還㈲㆒台拿去用。」同㈻㉃今忘不了當時場景。研究小組的強㊠在於程式和電路板設計，利用㈻校的電路板設計軟體把電路板實體圖規劃出來，不斷偵錯不斷修改，設計出5種相互交錯的複雜電路系統。所㈲電路板圖設計好打㊞出後，需照圖手工焊，焊接不只是科㈻，還是門藝術，郭威賢同㈻雙手㈵別靈巧，拉線排線都漂亮，最不會歪歪扭扭造成短路，每每被要求焊主控板，其他同㈻巧詐㆞套《蜘蛛㆟》說：「力越大，責任越大。」風吹㈰曬成長茁壯過程㆗充滿艱辛，研究小組說，最辛苦的莫過於在教室走廊㆖長期研究濕度、溫度、照度等感測參數，接受不同㆝候狀況的淬煉，才能決定㊜合植物生長的參數，實用層面㆖還面臨另㆒個考驗，每種植物對環境需求不同，不同植物需更改環境參數；紅外線偵測也是㆒大挑戰，路線定位後還㈲角度偏斜的問題，需規劃新程式才能精密微調。同㈻們不怕挑戰，只希望好點子能不斷成長茁壯，未來如能把概念延伸㉃輪椅、㊩療輔具的應用，將能造福眾㈳會大眾，成就更好的便利生活。同㈻們除了本質㈻識增強，也很感激老師的反覆磨練，使㉂己演說能力突飛猛進，知道如何挑重點表達，面對㆟群也克服了恐懼。現在研究小組都㆖了大㈻，不僅口頭報告餘刃㈲餘，也比其他同㈻多了㆒份成熟與㉂信。

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插座電力負荷安全顯示器臺北市立大安高級工業職業㈻校蔡奕甫、陳韋立

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組機電

便利生活的極致：㉂走盆栽

4-2 機

電

實作作品

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插座電力負荷安全顯示器臺北市立大安高級工業職業㈻校蔡奕甫、陳韋立

高瞻計畫成果作品集

插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

插座電力負荷安全顯示器

作品㈵色或用途 ㆒、動機每當冬天，電視新聞上往往會出現許多因為用電不當所引起的火災新聞，在插座上同時插了好幾個高耗能的負載，如：電暖爐、烤箱……，分路上流過太大的電流。電流超過其額定值，引起許多用電問題，小則保險絲熔斷、安全開關跳脫，大則絕緣設備受損、電線走火等。當你在使用電器設備時，時常會一次用上許多插座，當負載過大，電流超出使用安全範圍時會，有可能導致電線走火，最常發生問題的就是延長線，某些家庭常常會因為插座不足及錯誤的觀念而將延長線一接再接，當其中一段線路負荷不了大量的電流所產生的熱能而起火，電線起火意外就會因此而發生。藉由這次高瞻計畫，在二極體的原理探討與相關應用課程中，學習到更多的理論知識，更有機會及時間能將二極體的應用加以延伸，把我們以上的點子做成實體成品。為何會時常發生這種用電意外？因為許多對電學沒有深入了解的使用者常常會因不了解使用電量的極限而不停增加負載，而導致負載過大超過插座、導線以及延長線負荷而過熱起火，因此希望藉由在插座上加裝「插座電力負荷安全顯示器」，藉此讓一般大眾都可以隨時清楚的知道插座負載是否超出使用範圍。 ㆓、㈵色 1. 本專題成品不改變現有的插座使用方式，利用6顆LED顯示出插座的使用安全程度，讓不懂電學常識的一般民眾，也能很清楚知道使用中之插座是否安全，進而減少電氣火災意外的發生。目前市面上的相關產品都較為複雜，數字顯示功率、功率因數、電壓、電流……，對不了解電學概念的一般大眾，過為複雜，難以理解。 2. 製造成本不到一百元，而市面上相關的產品皆要價千元以上。 3. 電路簡單，不需使用交流轉直流電之直流電源供應器，提升耐用程度，降低故障機率。 4. 體積狹小、不佔空間，可直接裝置在現有壁式插座或延長線插座上。 5. 製造容易，在不改變現有產品外觀下，即可大量生產，並且具有擴充性（增加功能）。

104

㆔、用途為了讓一般大眾都能以淺顯易懂的方式了解負載用量，即使是沒有電學知識的使用者，不會無限制的增加負載導致分路電流過大引起危險，因此決定使用簡潔明瞭的方式，使用六顆LED燈做為負載用量顯示，顏色依序為綠、綠、黃、黃、紅、紅。目前市售的產品太過複雜，而且都是以數字表示瓦特數，對於沒有電學知識的一般使用者來說根本對數字沒概念，一點幫助也沒有，但意外又往往都發生在一般的使用者身上，因此我們才會設計出如此簡單明瞭、構造簡單、價格低廉的產品。

作品製作要點說明 ㆒、製作概要利用比流器和比壓器原理，取出負載電流與電壓變化量，最後利用中間抽頭式變壓器原理，分段取出不同負載量再以光耦合電驛作為開關，當光耦合電驛導通時利用直流電源推動六顆顏色不同的高亮度LED燈，綠、黃、紅三種顏色讓使用者了解負載使用程度，確認可行後，最後再直接將直流電源改為110 V交流電源推動LED。根據電工法規1.6 mm的導線可以負荷15 A（安培）的電流，電流A（安培）乘上電壓V（伏特）等於功率W（瓦）。以一般家用插座為例，1.6 mm的導線可以負荷的電流15 A（安培）x 110 V（伏特）=1650 W（瓦），電壓為台灣電力公司所提供有效值110 V，頻率60HZ電力，最大額定電流為15 A，最大輸出功率為1650 W。 V = I R P = V I = 110 x 15 = 1650 W 因此我們設計時就將這六顆燈依照電流大小平均分配，當負載由小增大，會從最左邊的綠色一直依序亮到最右邊的紅色。

LED顏色

1綠

2綠

3黃

4黃

5紅

6紅

負載電流

1.5A

5.25A

7.5A

11.25A

15A

消耗功率

165W

330W

577.5W

825W

1237.5W

1650W

最大負載百分比

約10%

約20%

約35%

約50%

約75%

100%

最常使用的插座為壁式插座與延長線插座，所以我們把以上兩種市售現有的產品加以改良成為我們的完整作品。

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插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

插座電力負荷安全顯示器

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LED顏色

1綠

2綠

3黃

4黃

5紅

6紅

負載電流

1.5A

5.25A

7.5A

11.25A

15A

消耗功率

165W

330W

577.5W

825W

1237.5W

1650W

最大負載百分比

約10%

約20%

約35%

約50%

約75%

100%

最常使用的插座為壁式插座與延長線插座，所以我們把以上兩種市售現有的產品加以改良成為我們的完整作品。

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㆓、理論說明（一）電磁感應：磁生電的現象我們稱為電磁感應(electromagnetic induction)西元1831年英國物理學家法拉第(M.Faraday，1791-1867)發現：當一線圈周圍磁場發生變化時，會令線圈中產生電流此稱為電磁感應。

㆕、製作成品所需使用儀器、工具

儀器（二）法拉第電磁感應定律：法拉第根據實驗結果做了以下描述：當通過一線圈的磁通量發生變化時，線圈會感應出一個電動勢其大小與線圈匝數及通過線圈的磁通量變化率成正比，這即是法拉第電磁感應定律(Faraday’s law of electromagnetic induction)。 e=N

∆ϕ ∆t

工具

（三）愣次定律：法拉第在上述實驗中並未說明如何判別感應電流的方向，在西元1834年時，德國科學家愣次(H. Lenz，1804-1865)針對這個問題提出愣次定律(Lenz’s law)，即是說明：感應電流的方向是要反抗原線圈的磁通量變化。 e=-N

∆ϕ ∆t

㆔、製作成品所需使用材料㊠目

規格

數量

價錢

光耦合電驛

耐壓200V

25 x 3=75

LED

綠 x 2、黃 x 2、紅 x 2

1 x 6=6

熱縮套管

少許

電路板

一小塊

磁芯

漆包線

少許

焊絲

少許

砂紙

少許

碳質電阻

8.2KΩ

絕緣紙

數量

RLC電表

指針式三用電錶

數位式三用電錶

電力計

滑環電阻負載

直流電源供應器

萬用鉗

熱風槍

電烙鐵

㈤、所遇到的問題與克服的方法 1. 遇到的問題：圓形磁芯難以在不切斷漆包線的情形下繞製。克服的方法：因為漆包線越長越難繞製，所以先以紙張作為底部繞在磁蕊上找到所需漆包線的中間點作為開始端並先繞二至三匝固定在紙張上，接著轉動紙張讓漆包線纏繞在紙張上，如此可以不必一匝一匝的繞製省下許多製作時間。 2. 遇到的問題：一次側電壓有效質110，最大值110√2，擊穿了我們所使用的這個光耦合電驛的二次側，此光耦合電驛二次側最大耐壓60 V。克服的方法：使用耐壓更高的光耦合電驛，不過學校並無此高耐壓光耦合電驛所以決定以5V 直流電源供應光耦合器二次側，但使用5V 直流電源使電路更加複雜、體積增加、成本增加、又更容易出錯，因此決定上網額外購買耐高壓光耦合電驛。

3. 遇到的問題：中間抽頭式匝數多寡會影響二次的電流值，且因所使用磁蕊體積小誤差值大不易計算。克服的方法：先每十匝中間抽頭一次並用此接上負載進行測試，測量其每端抽頭一次側需多少電流（安培）才會導通以及其感抗，以此換算所需要電流（安培）之匝數。

96元

4. 遇到的問題：磁蕊導磁係數過低，導致電感量太小，無法感應到我們所需要的電壓與電流，當然無法順利推動我們所要推動的光耦合電驛。克服的方法：雖然增加二次側繞阻匝數可以增加電感量，匝數增加不但繞製困難更造成體積增加，因此至光華商場及上網到處尋找，購買導磁係數較大的磁蕊，取代原先不適用的磁蕊。

6 少許

總共花費

106

㊠目

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插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

㆕、製作成品所需使用儀器、工具

∆ϕ ∆t

工具

∆ϕ ∆t

㆔、製作成品所需使用材料㊠目

規格

數量

價錢

光耦合電驛

耐壓200V

25 x 3=75

LED

綠 x 2、黃 x 2、紅 x 2

1 x 6=6

熱縮套管

少許

電路板

一小塊

磁芯

漆包線

少許

焊絲

少許

砂紙

少許

碳質電阻

8.2KΩ

絕緣紙

數量

RLC電表

指針式三用電錶

數位式三用電錶

電力計

滑環電阻負載

直流電源供應器

萬用鉗

熱風槍

電烙鐵

96元

6 少許

總共花費

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㊠目

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㈻生組機電

㈥、未來的發展與擴充性此種電路不僅僅能用於延長線、插座，甚至所有家用電機器具都可以接上此「插座電力負荷安全顯示器」偵測電路電流量及消耗電能量並保護電路。至於未來可改善電路使此電路在滿載時能發出警報聲響以警告使用者，並在過載後一定時間內自動切斷電路做自動保護功能，我想這些都是在未來可以探討、改進的地方。

測試及研究所準備的材料（磁蕊及光耦合電驛）磁芯測試嘗試繞製100匝線圈。

作品製作流程圖示創新構想 ideal

並嘗試以此線圈推動光耦合電驛，以單顆LED 作為負載並以直流電源供應器推動輸出負載，經結果確認可行。

可行性評估〈實用性〉、〈製作難度〉㈻理討論當電路接上負載會產生一定電流量，當負載量越大負載電流也會隨之增加，於是我們設想將藉著線路中之負載電流，我們便可以得知負載使用情形，以此決定在不需將原線路做更改的優先情形下，以比流器和比壓器的原理取出電流，藉此偵測負載使用量及負載電流量。

嘗試以直條式磁蕊繞製以節省空間，並且嘗試中間抽頭繞組方式繞製。

設計電路利用各種之前所學的觀念，加上網路上所查詢的資料，進行電路設計。測試後無法推動光耦合電驛，經測量發現直條式磁蕊的導磁係數過低無法將一次側電流感應到二次側，導磁係數於100匝時約為圓形式的

1 8

因此決定以圓形式磁蕊製作。繞製㆗心抽頭比流器

原始測試電路

用銅金色的漆包線一一繞製。並在所需要使用的匝數做中間抽頭。用砂紙刮除末端導線的絕緣漆，使原本銅金色的漆包線，變成銀色。

最後設計完成之電路準備製作所需要的所㈲材料

確認繞製磁蕊可以推動光耦合電驛後開始繞製圓型磁蕊並做中間抽頭，從70匝開始每10匝一次中間抽頭直到120匝，並接上三顆光耦合電驛和六顆LED作為輸出。

依照所設計電路準備各種材料及使用器具。

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插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

測試及研究所準備的材料（磁蕊及光耦合電驛）磁芯測試嘗試繞製100匝線圈。

作品製作流程圖示創新構想 ideal

並嘗試以此線圈推動光耦合電驛，以單顆LED 作為負載並以直流電源供應器推動輸出負載，經結果確認可行。

嘗試以直條式磁蕊繞製以節省空間，並且嘗試中間抽頭繞組方式繞製。

1 8

因此決定以圓形式磁蕊製作。繞製㆗心抽頭比流器

原始測試電路

用銅金色的漆包線一一繞製。並在所需要使用的匝數做中間抽頭。用砂紙刮除末端導線的絕緣漆，使原本銅金色的漆包線，變成銀色。

最後設計完成之電路準備製作所需要的所㈲材料

依照所設計電路準備各種材料及使用器具。

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插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

㆗心抽頭比流器㈵性測試在首次製作時，我們決定先測試磁蕊的特性，先以每隔20匝抽頭一次取出電壓測試。

決定再另外購買其他型號之耐高壓光耦合電驛，電路則可更加簡單，不需直流電源可直接由交流110 V驅動，電路體積大幅縮小、穩定、可靠。

測量實際的電壓、電流比、電感。決定實際硬體形狀、包裝方式，進行外殼製作接到麵包板進行電路測試把原本設計好的電路實際接到麵包板上進行實際電路測試。

以現成的延長線作為外觀並加以改造，在外殼打上圓孔讓LED能露出，其餘電路放置於延長線盒內空隙中。

製作電路板並實際接上負載作測試。

決定元件放置的位置並使用電烙鐵確實依照電路連接所有使用元件。

電路板完成圖。

㆓次側電源製作與改善一開始是以直流電源供應器作為二次側電源供應以便實驗，但為節省電路構造直接使用110 V交流電。

整合性負載測試以各種耗電瓦數不同的負載作為實際負載測試（如吹風機），並以滑環電阻作負載微調整。

接到麵包板進行電路測試此圖為滑環電組。使用110 V電源接於二次側，但光耦合器被打穿無法正常操作，於是嘗試製作整流器接於二次側不幸的是經過整流後無法推動光耦合器。

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約10%輕載，亮一顆燈。

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插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

㆗心抽頭比流器㈵性測試在首次製作時，我們決定先測試磁蕊的特性，先以每隔20匝抽頭一次取出電壓測試。

決定再另外購買其他型號之耐高壓光耦合電驛，電路則可更加簡單，不需直流電源可直接由交流110 V驅動，電路體積大幅縮小、穩定、可靠。

以現成的延長線作為外觀並加以改造，在外殼打上圓孔讓LED能露出，其餘電路放置於延長線盒內空隙中。

製作電路板並實際接上負載作測試。

決定元件放置的位置並使用電烙鐵確實依照電路連接所有使用元件。

電路板完成圖。

㆓次側電源製作與改善一開始是以直流電源供應器作為二次側電源供應以便實驗，但為節省電路構造直接使用110 V交流電。

整合性負載測試以各種耗電瓦數不同的負載作為實際負載測試（如吹風機），並以滑環電阻作負載微調整。

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約10%輕載，亮一顆燈。

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高瞻計畫成果作品集

插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

增加負載到約20%輕載，亮兩顆燈。

增加負載到約35%，亮三顆燈。

封裝完成，並做整體美化，達到實用與美觀兼具。

完成此圖為兩種已經完成之成品，壁式插座與延長線兩種形式。

增加負載到約50%，亮四顆燈。

壁式插座附加一開關作附加小夜燈控制及電源顯示測試之用。當插座不夠使用時，一般家庭最常使用延長線，因此這是我們第一個形式的作品。

增加負載到約75%重載，亮五顆燈。這是每一間房間必備的壁式插座，我們也把成果應用在其中，不同的是又增加了一個小夜燈功能，而且LED燈又比傳統的小夜燈來的省電、節能許多。這是我們第二個形式的作品。 100%滿載，亮六顆燈。最後我們與作品的合影，為這次的專題製作畫下了一個美好的句點。未來成品還有可改善之處，如加上警報與自動斷電等，讓功能更加完整。封裝美化整合所有電路並固定於延長線當中。

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高瞻計畫成果作品集

插座電力負荷安全顯示器

㈻生組機電

增加負載到約20%輕載，亮兩顆燈。

增加負載到約35%，亮三顆燈。

封裝完成，並做整體美化，達到實用與美觀兼具。

完成此圖為兩種已經完成之成品，壁式插座與延長線兩種形式。

增加負載到約50%，亮四顆燈。

壁式插座附加一開關作附加小夜燈控制及電源顯示測試之用。當插座不夠使用時，一般家庭最常使用延長線，因此這是我們第一個形式的作品。

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高瞻計畫成果作品集

㈻生組機電

後記紅燈危險！插座電荷安不安全看顏色就知

5-1

因為關心電線走㈫所引發的㈫災問題，大安高工兩位同㈻設計了插座電力負荷安全顯示器，只要看燈號，就知道你家的插座是不是負荷太重該調整了。

能

㈲趣的發明經常來㉂於對生活的關心，大安高工的蔡奕甫和陳韋立兩位同㈻，發現插座或延長線容易使用不當，造成負荷過重而電線走㈫的問題，加㆖㆒般㆟對於電流、電壓等知識不那麼清楚，更容易忽略用電安全。所以要怎麼樣讓㆒般㆟也可以發現插座電流過大呢？

源

實作作品

㈲知識又㈲手藝好搭擋分工出擊兩位同㈻在做這個研究之，已在大安高工㈻過電磁㈻、變壓器、 LED等相關課程，打㆘良好基礎，所以他們㆒想就想出㈤種解決問題的方法；但是這㈤種方法，哪些更容易、更可行，就靠指導老師林松裕老師，出手為他們挑選，最後就比較合㊜的㆓種方法來實驗。最後他們決定將不同顏色的LED燈裝在插座或延長線㆖，選用綠色安全、黃色普通、紅色危險的常用配色，這樣㆒ 般㆟只要㆒眼就能知道電流的危險程度到哪裡。兩㆟的分工方式，基本㆖是蔡奕甫處理文獻和算數據，陳韋立纏線圈。線圈乍看之㆘很簡單，但纏起來要花㆖大半㆝的時間。「因為線圈不能斷，線又很長，所以就由手比較靈巧的㆟來做！」陳韋立笑著說。不過事實㆖兩㆟都是手藝靈巧的㆟，都㈲選手身份，主要參加室內配線比賽，陳韋立因為對程式㈲興趣，所以也朝工業配線發展；比賽不只要求正確，而且要在時間在做完，所以兩㆟手腳之快速準確就不用多說了。研發超神速做研究樂趣最重要也許正因為兩㆟的手藝超群，他們的作品可能是高瞻計畫各得獎者㆗花費時間最少的──只花了㈩到㈩㈤㆝，利用放㈻時間做，㆒㆝花㈥小時，前面㈩㆔㆝㊧㊨都在研究和尋找材料，加㆖ 最後㆓㆝的成品製作，還要使用吹風機等做負載測試，這麼多工作竟然如期完成。「不過做出來的㆔種成品都放在系㆖的展示櫃了。」蔡奕甫說。這麼實用的東西被放在展示櫃，總覺得㈲點可惜呢！兩個㊝秀的同㈻，都早在高㆔㆖㈻期就錄取理想的大㈻了，蔡奕甫在台科大電機系，未來希望可以當㆖工程師，主攻 IC 科技，而陳韋立則就讀北科大能源系，擅長邏輯的他，仍然對㊢程式很㈲興趣，希望從事程式設計工作。而這次高瞻計畫的作品，其實正是在申請㆖了大㈻之後的高㆔㆖㈻期製作的，除此之外陳韋立還參加了電機整合比賽，和別校機械專長的同㈻合作設計打孔機。因此他們的成品完全是出於興趣，「玩」這個發明，帶著輕鬆的心情去做，成品反而更亮眼。

114

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池高雄市立高雄㊛子高級㆗㈻沈君宜、周炯彤、周昱瑄、林軒

、胡祖瑄、高嘉偵

高瞻計畫成果作品集

㈻生組機電

後記紅燈危險！插座電荷安不安全看顏色就知

5-1

因為關心電線走㈫所引發的㈫災問題，大安高工兩位同㈻設計了插座電力負荷安全顯示器，只要看燈號，就知道你家的插座是不是負荷太重該調整了。

能

源

實作作品

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可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池高雄市立高雄㊛子高級㆗㈻沈君宜、周炯彤、周昱瑄、林軒

、胡祖瑄、高嘉偵

高瞻計畫成果作品集

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻生組能源

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

燃料電池是目前氫能利用最有效率的技術，因為燃料電池為一種電化學反應裝置，能夠將儲存在氫氣中的能量，不必經過燃燒，直接轉化成電能，能源轉換效率高達80%以上，且工作溫度低、噪音低、僅排放純淨水，非常環保。氫能燃料電池在應用上，可作車用動力系統，作為石油的替代品，國際能源總署(IEA)就曾經表示，積極增加氫氣與其他較乾淨能源的使用量，可能讓二氧化碳等溫室氣體的排放量，在2050年前減少一半；同時如果環境許可，氫能與氫能燃料電池可以讓能源使用者多一種選擇，在捨棄石油、天然氣與煤氣等易汙染的化石燃料上扮演關鍵的角色。

作品㈵色或用途國中學過，將水電解時，在陽極會進行氧化反應，可以得到氧氣，陰極會進行還原反應，可以得到氫氣，供給電能可以轉換成化學能，那麼如果反過來將氫氣與氧氣放在一起可否逆反應回去產生水，放出能量呢？ 2 H 2O

簡單地說，燃料電池是一種把化學能直接轉換成電能的裝置，只要不斷地供應燃料，就會持續地輸出電力。燃料通常是氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或其他的碳氫化合物，氧化劑則可以用空氣中的氧，而副產物是熱、純水或較少量的二氧化碳。

2 H2 + O2 電解

近年來，因為石化能源的危機與環保意識的抬頭，燃料電池的發展更是如雨後春筍，各式各樣，不同型式的燃料電池被開發出來，不但提昇了燃料電池的發電性能，也拓展了燃料電池的應用領域，大至應用於太空梭、潛艇、發電廠；小至行動電話、筆記型電腦，都有燃料電池發展的空間，尤其是以燃料電池為動力的車子，更是各大汽車製造商所致力研發的未來綠色主流交通工具。

1839年時，英國的威廉-葛洛夫(William Grove)在一項實驗操作中發現了將水的電解反應作逆向操作時可產生電能的現象，這是人們後來稱之為燃料電池的第一個裝置。

鹼性燃料電池(AFC)，一般被運用於人工衛星上，在1960年代曾經被NASA用於雙子星-太陽神(Gemini-Apollo)太空計畫，除供應電力外尚提供飲用水給太空人。操作時所需溫度並不高，轉換效率好，可使用之觸媒種類多價格又便宜，例如銀、鎳等。

威廉-葛洛夫 (William Grove)

作品製作要點說明 ㆒、製作原理

到了1889年藍吉爾(Charles Langer)與蒙德(Ludwig Mond)兩位研究者嘗試使用煤氣與空氣製作第一個實用的燃料電池，當時才定下了燃料電池——Fuel Cell這個名詞。接著燃料電池就斷斷續續的發展著，直到1950年代末期，NASA為了尋找其即將進行的一系列無人航太飛行提供動力的方法，由於使用乾電池太重，太陽能成本太高，而核能又有其潛在的危機，排除這幾種現有的能源，燃料電池正好吸引了他們的注意，於是就開始展開一系列的研究，從事開發實用的燃料電池設計，重新炒熱了燃料電池，後來在幾次的太空任務中，燃料電池用於驅動登月探險車及其是供應太空人飲用水，均證明了它的可行性。近日石油價格飆漲，影響所及，遍佈全球社會各階層，尤其是有98%以上能源進口的台灣，開發包括氫能在內的各種替代能源已成為目前最熱門議題，氫能不僅可減少傳統能源的倚賴，更可避免燃燒化石燃料所帶來的環境問題，也因為氫氣具有乾淨、永續使用及高熱能值等特點，可說是一種取之不盡、用之不竭的潔淨自產能源。但必需結合以利用太陽能或與光合作用結合的生物程序產製氫氣，如此才能使過程具有乾淨及節能之優點，也才符合綠色環保而深具永續發展之氫能源生產技術。 116

（一）電解水：對於不能自然發生的反應(ΔEo＜0)，需由外界供給電能，迫使其發生反應，此過程稱為電解。利用氫氧化鈉為電解質的電解水的反應方程式如下：陰極：2 H2O + 2 e- → 2 OH- + H2 陽極：2 OH- → 1/2O2 + H2O +2 e全反應：H2O → H2 + 1/2O2

117

高瞻計畫成果作品集

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻生組能源

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

2 H2 + O2 電解

威廉-葛洛夫 (William Grove)

作品製作要點說明 ㆒、製作原理

117

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可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻生組能源

（二）氫氧燃料電池：其運作原理如圖所示：氧氣在陰極與水結合形成氫氧基離子，氫氧基離子游向陽極與氫離子結合形成水，所釋出的電子形成電流。鹼性燃料電池的反應方程式如下： -

陰極：H2O + 2 e + 1/2O2 → 2 OH 陽極：H2 + 2 OH → 2 H2O + 2 e 全反應：H2 + 1/2O2 → H2O

組裝示意圖：

一般我們在做電解水的實驗，其實驗器材及裝置雖然很簡單，但使用時不甚方便與安全，因為一般的電解裝置在進行實驗時會有以下三個缺點（如圖所示）： 1. 因收集氫氣及氧氣須用排水集氣法，兩支試管中之水不易裝滿，導致電解產生之氫和氧之純度不足，也不易得到2：1的體積比。 2. 兩支電極不易放入試管中，或電線不易由氫氧化鈉溶液中與電極相接。 3. 為將試管放入燒杯中及把注射針放入試管中，手皆需接觸氫氧化鈉溶液。

作品製作流程圖示

1.我們原先使用布丁盒作為盛裝電解質的溶液，並用鐵架支撐，再從經驗中逐步改良。 2.利用不鏽鋼釘作為，固定鎳片電極與導電導體之用。

為了解決上述的缺點，將水的電解裝置加以改良，且水的電解反應與氫氧燃料電池反應互為正逆反應，既然如此我們將電極更改為可催化氫氣與氧氣反應的鎳片，電解液選擇濃度較高的氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，這樣便可將電解出的氫氣與氧氣再透過該裝置反應放電，形成一組鹼性氫氧燃料電池。

㆓、製作材料： 1. 9V方型乾電池l個（或電源供應器1台、太陽能板、手搖發電機）。 2. 電池帽扣及導線（附鱷魚夾）2組。 3. 透明塑膠盒（牙線盒或棉花棒盒或餅乾盒……大小約5 × 8 × 10 cm）。 4. 注射針2~5支（接上三通管）。 5. 壓克力板（5 × 8 cm，厚3 mm）1片。 6. 不鏽鋼長螺絲(5 cm) 2~4支。 7. 鎳片2~4支。

118

3.以兩支12 mL的注射針筒來收集氫氣及氧氣。上端接以三通管，可用另一支注射針筒抽取溶液，避免手接觸到氫氧化鈉。 4.用鑽孔器在塑膠盒或壓克力盒下方鑽兩個孔，旋入兩支不鏽鋼釘，並纏上鎳片。

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高瞻計畫成果作品集

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻生組能源

陰極：H2O + 2 e + 1/2O2 → 2 OH 陽極：H2 + 2 OH → 2 H2O + 2 e 全反應：H2 + 1/2O2 → H2O

組裝示意圖：

作品製作流程圖示

1.我們原先使用布丁盒作為盛裝電解質的溶液，並用鐵架支撐，再從經驗中逐步改良。 2.利用不鏽鋼釘作為，固定鎳片電極與導電導體之用。

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高瞻計畫成果作品集

5.注射針筒下方用壓克力板卡住，置入塑膠盒中，底部用 AB膠或熱溶膠封底，不得漏水。

6.裁合適的木板做為底板，纏繞不鏽鋼鐵絲做成彈簧底座以便與電極接觸，又能外接導線。

7.以氫氧化鈉溶液做電解液進行水的電解。用注射針筒來收集氫氣及氧氣。

8.將電解出的氫氣與氧氣再透過該裝置反應放電，形成一組鹼性氫氧燃料電池，連接鬧鐘或小風扇使其運轉。

9.可利用電腦軟體及配件將燃料電池放電的電壓電流輸出，以供各種變因的探究。

10.我們設計的裝置可放入四支注射針筒（形成兩組電解池或電池），可用以串聯或並聯。單一電池可得0.5~1.4 V 的開路電壓。

120

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻生組能源

實作作品心得有幸參加高瞻計畫，多方習得替代能源的相關知識，其中我們認為氫能是最具發展潛力的，符合綠色環保而深具永續發展的特質。所以在高瞻計畫的探究課程中，我們選擇了製作燃料電池，因為燃料電池是目前氫能利用最有效率的技術。然而在我們研讀、查詢、搜尋並嘗試製作燃料電池的過程中，不斷的遭遇問題與挫折，好不容易製得的燃料電池卻有以下的問題： 1. 第一顆：鹼性氫氧燃料電池：電壓可達1.10 V，但只放電時間只有數秒鐘。 2. 第二顆：質子交換膜燃料電池：我們裁切壓克力組裝並使用購自亞太燃料電池公司的膜電極組(MEA)，電壓可保持在0.7~0.8 V，可使小馬達運轉（連接小風扇），但無法使需更大電壓的鬧鐘、蜂鳴器或LED燈工作。更重要的是一片膜電極組(MEA)2.5 cm x 2.5 cm便需上千元，我們也不可能在實驗室中自行製作MEA。 3. 第三顆：直接甲醇燃料電池：我們也參考了高瞻平台製作直接甲醇燃料電池的實驗。但可能是不夠熟悉電鍍的技術，或是沒能掌握好電鍍的條件，導致未能鍍上催化反應的白金觸媒，不僅實驗失敗，昂貴的藥品(K2PtCl6)也被我們用完了。終於，皇天不負苦心人，在我們製作燃料電池的過程中，因需要測試電池，必須製備並注入氫氣，我們也必須利用電解水來得到氫，所以我們也一直在設計及改良電解水的裝置。既然水的電解反應與氫氧燃料電池反應互為正逆反應，那我們何不將電解出的氫氣與氧氣再透過該裝置反應放電，形成一組鹼性氫氧燃料電池呢？這時，神奇的事發生了，原來只是為了防鏽與防電解發生氧化所採用的不鏽鋼螺絲，居然也能在氫氧化鈉溶液中催化氫氣與氧氣反應而放電；而且5 ml氫氣便能讓電池放電的開路電壓值從起始的1.456 V，至 30分鐘後仍能保持在0.861 V，或可使小鬧鐘走或鬧鈴響10分鐘以上。這雖不是一個高科技的實作作品，但著實是一個實際可使用且製作容易的實驗裝置或教具，只須利用生活周邊的材料發揮創意學以致用，便可得到一定可行的燃料電池裝置。本作品與其他的市售燃料電池教具模組（至少數千元）相較，成本又低（100 元有找）、效果又好。如果有心推廣燃料電池，這何嘗不是一個好的選擇。

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高瞻計畫成果作品集

5.注射針筒下方用壓克力板卡住，置入塑膠盒中，底部用 AB膠或熱溶膠封底，不得漏水。

6.裁合適的木板做為底板，纏繞不鏽鋼鐵絲做成彈簧底座以便與電極接觸，又能外接導線。

7.以氫氧化鈉溶液做電解液進行水的電解。用注射針筒來收集氫氣及氧氣。

8.將電解出的氫氣與氧氣再透過該裝置反應放電，形成一組鹼性氫氧燃料電池，連接鬧鐘或小風扇使其運轉。

9.可利用電腦軟體及配件將燃料電池放電的電壓電流輸出，以供各種變因的探究。

10.我們設計的裝置可放入四支注射針筒（形成兩組電解池或電池），可用以串聯或並聯。單一電池可得0.5~1.4 V 的開路電壓。

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可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻生組能源

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高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組能源

鬼打牆之電：可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

改進了國㆗電解㈬實驗，操作的雙手再不必碰到氫氧化鈉，同樣的裝置也是目前㈫紅的燃料電池，簡單的氫氧結合釋出乾淨又便宜的電力。「蠻簡單的電池但效果好。」同㈻㉂己對這電池的評論。高雄㊛㆗㈻生沈君宜、周炯彤、周昱瑄、林軒?、胡祖瑄、高嘉偵6㆟小組從探究課程開

6-1 環

境

科㈻小論文

始研究綠色能源，㈻校雖能提供昂貴材料，如質子交換膜、電極吸附效果好的白㈮，但劉靄雯老師考慮㈰後的實驗推廣，希望從便宜原料著手，因此研究小組運用簡易電解㈬裝置先蒐集氫氣， ㆒連串文獻搜尋和試驗後，發現同㆒裝置，也會發生氫氧結合反應，立㆞成為燃料電池。保護雙手㈲巧思電池原理鬼打牆為了不讓手碰到氫氧化納，她們事先安裝兩極㈮屬進入㈲㆔接頭的管子裡，之後再把2管㆔ 接頭管放入充滿氫氧化納溶液的布㆜盒㆗，當蒐集氫和氧的試管，2極連㆖電後開始電解集氣，當2管氣體蒐集好後移開電池，裝置即開始放電，放電完後，沒用完的氣從管子抽出，氫氧化納溶液㉂動㆖升，又可重複做㆒次電解，相當聰明㆞解決了國㆗生手不小心爛掉的風險，而且氫氧結合的放電效率高，電解5 ml氫氣可得1.5 V開路電壓，並讓小鬧鐘走㆖10分鐘。電解產氫、放電，再電解再放電，都在同㆒個裝置㆖，如鬼打牆般反覆㆞展演了燃料電池的基本原理。研究電池放電過程㆗，原本希望比較不同溫度、電解液對電池的影響，但實驗與假設 ㆒直無法相應證，不過倒是得出溫度、氫氧化納溶液濃度對輸出電壓和放電效率的影響；溫度 5 ?C時輸出電壓最強，濃度2.5 M時所需電解時間最短、開路電壓最高；原本認為生成於兩試管氣體都能起化㈻反應，後來發現只㈲吸附在兩極㈮屬㆖的氣體才能充分反應，影響電壓高低的不是電解能產生多少氣體，而是螺絲釘可吸附多少氣體，讓實驗小組對氫氧電池的瞭解邁進㆒大步。電流鬼魅難捉摸劉老師情意相挺 ㆒台㈴為Powerlink的設備榮登關鍵設備，它能把電池電流反應接㆖電腦、在電腦㆖觀察連續毫電壓電流反應，為㆔用電表升級版。感謝這設備不是沒原因，實驗早期，㈲次放㈻後全組留校實驗，那時只㈲㆔用電表可用，其㆗林軒同㈻疑似出現發功的現象，不小心輕碰了正在放電的布㆜盒氫氧裝置，㆔用電表居然瞬間全部歸零，只好重做，不巧，林同㈻又碰了㆒㆘，㆔用電表再度歸零，林同㈻愧疚得不好意思回家，㉂己留校再做，並撂㆘了㆒句「我跟布㆜盒不合」的狠話，或許也埋㆘了換牙籤盒做實驗的遠因。那時還不知道，能與兩極做反應的只㈲螺絲釘㆖的氣體，㆒碰那些氣體就溢散到㈬㆗和管頂，造成無法放電的情形，㈰後㈲了關鍵設備，才能仔細比對出此㆒電池的㈵性。高瞻實驗結束後，研究小組還繼續改良，牙籤盒又換回了布㆜盒。胡同㈻表示，實驗時曾風風雨雨，經過很多挫折，但㆒路走來，很高興跟大家㆒起作實驗，友誼也更加堅固。研究小組㈵別感謝劉靄雯老師，每當實驗遇瓶頸，老師知道需加強某部分本質㈻識，遂晚㆖額外加課，幫研究小組打通知識的任督㆓脈；並分享生活的智慧和經驗，讓她們受用無窮。老師常常鼓勵她們：「㈴次不重要，重要是投入的心力和過程，㈲努力做到這樣就很棒了。」

122

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料國立花蓮高級工業職業㈻校呂婉榛、宋雅雯

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組能源

鬼打牆之電：可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

6-1 環

境

科㈻小論文

122

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料國立花蓮高級工業職業㈻校呂婉榛、宋雅雯

高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

再生綠建材——以石材廢泥燒製輕質粒料

1. 輕質粒料之膨脹機理： 1948年J.E. Conley和H. Wilson及1950年C.M. Riley的研究中，均指出材料發泡膨脹必須同時具備滿足兩個必要條件，才可獲得膨脹良好的均質多孔隙輕質粒料：

台灣石材加工業幾乎全數集㆗於花蓮㆞區，而㆝然石材在切割、加工過程㆗產生數量龐大的石材廢棄物，每年超過 136 萬公噸，其㆗石材廢料佔 31 萬公噸，石材廢泥佔 105 萬公噸（花蓮縣環保局），其雖對經濟發展㈲顯著之貢獻，但㈰益增多的事業廢棄物，卻也造成環境㆖之負擔。 ㆞狹㆟稠的台灣，㉂然㈾源匱乏且廢棄物處置㆞點㈰益難求，若可依據廢棄物減量化、安定化、無害化及㈾源化之原則，將石材廢棄物妥㊜處理成為健康安全、低污染，且可再利用之再生綠建材，將可轉『廢』為『寶』，轉危機為商機，獲得可觀的經濟價值與㈳會效益。

(1) 為材料必須產生高溫玻璃相，且具有足夠之黏滯性以滯含逸出氣體。 (2) 為材料中存在某些成分，在玻璃相形成後的溫度能同時逸出氣體。燒結輕質粒料的成功與否？與其化學組成有一定關係！故本研究先於亞洲水泥花蓮廠以X-Ray螢光分析儀（圖3）分析廢泥試樣之化學組成份，評估其是否具備燒製輕質粒料之條件。

目前已經可以廣泛的利用㆘㈬道污泥與㈬庫淤泥商業產製輕質粒料，鑑於石材廢棄物非屬事業㈲害廢棄物，且經濟部工業局亦明訂石材廢泥為事業廢棄物再利用種類之㆒，故希冀藉此研究，評估石材廢泥燒製輕質粒料的可能性，以不同的燒結變數（燒結溫度：1050℃、1075℃、1100℃、1125℃、 1150℃；燒結時間：5分鐘、15分鐘），嘗試燒結輕質粒料，找出最佳燒結條件，且實際使用於混凝㈯ ㆗，由力㈻性質研判可否作為結構用輕質粒料，並分析其經濟效益，提供業者㈲效處理與應用事業廢棄物的另㆒個管道，進而減少環境污染與衝擊，維護生態環境平衡，促進建築與環境共生共利，傳承永續經營之居住環境。

評估燒製的可能性

圖3

鑑於石材廢棄物非屬事業有害廢棄物（有害事業廢棄物認定標準），且經毒性溶出試驗(TCLP)證實為無毒無害之事業廢棄物，故經濟部工業局亦明訂石材廢泥為事業廢棄物再利用種類之一，可將石材廢泥再利用為再生綠建材。台灣地區之石材加工多使用進口原石為主，其中花崗石約佔87%、大理石約佔10% 及蛇紋石約佔3%，欲將石材廢泥減量化之再利用處理，應針對花崗石廢泥才可達到最大效益。本研究之石材廢泥（圖1）取自於花蓮石材資源化處理公司，含水量約30%，比重 2.7。

X－Ray螢光分析儀（XRF, Thermo ARL 8680）

2. 石材廢泥化學組成份分析結果：化㈻成份

SiO2

％

68.92

Al2O3

14.38

Flux Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Na2O

K 2O

TiO2

P 2O 5

3.72

3.04

1.07

0.11

3.52

3.75

0.34

0.13

Flux＝15.68％燒失量L.O.I＝0.13％經研判本研究取樣之石材廢泥為花崗石廢泥，且花崗石廢泥之化學成份確實可符合輕質粒料膨脹範圍的區間內，故應可燒製成輕質粒料。

圖1 石材廢泥

124

圖2 石材廢泥粉末

125

高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

再生綠建材——以石材廢泥燒製輕質粒料

評估燒製的可能性

圖3

X－Ray螢光分析儀（XRF, Thermo ARL 8680）

2. 石材廢泥化學組成份分析結果：化㈻成份

SiO2

％

68.92

Al2O3

14.38

Flux Fe2O3

CaO

MgO

SO3

Na2O

K 2O

TiO2

P 2O 5

3.72

3.04

1.07

0.11

3.52

3.75

0.34

0.13

圖1 石材廢泥

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圖2 石材廢泥粉末

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高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

2.燒結溫度1075℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

燒製石材廢泥輕質粒料將均質化之石材廢泥粉（圖2）加入適量的水進行拌合，秤石材廢泥約3 g，以搓湯圓方式進行造粒，其直徑約為1.2公分，再將造粒試樣（氣乾狀態）置於不鏽鋼盤中，待預定加熱溫度到達時，迅速將高溫爐開啟，利用長桿將不鏽鋼盤放入高溫爐中進行燒結，並以碼錶計時，完成後關掉電源。

圖7

1075°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

圖8

1075°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

(1)1075°C-5min為淺褐色，1075°C -15min為褐色。 (2)粒料表面也沒有生成黏性之玻璃相，但粒料剖面可發現已有少數氣體散出造成之孔洞，故得知燒結溫度超過1075℃就極有可能燒製出輕質粒料。

燒結變數：燒結溫度：1050℃、1075℃、1100℃、1125℃、1150℃ 燒結時間：5分鐘、15分鐘 3.燒結溫度1100℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖9

1100°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

圖10

1100°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

圖4 石材廢泥造粒成品

石材廢泥輕質粒料基本性質：（一）粒料外觀及剖面情況

4.燒結溫度1125℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

1.燒結溫度1050℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖5

圖6

126

1050°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

1050°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

(1)1050°C-5min、1050°C-15min為淺褐色。 (2)加熱至1050℃，粒料表面沒有生成黏性之玻璃相，所以無法使粒料內部產生氣體時自封成孔隙，剖面亦可證實內部無產生孔隙之輕質現象，故可得知燒結 1050℃之溫度不足，無法燒結成輕質粒料。

(1)1100°C-5min呈現深褐色，內部已有些孔洞，但燒結未均勻，一半粒料已具輕質效果，另一半卻無，研判可能已達燒結溫度或燒結時間之臨界點，可能增加溫度或時間即可達輕質化之效果。 (2)1100°C-15min表面為深棕色，發現表面已熔融，內部分佈黑色均勻小孔，證實燒結至1100℃-15min已可達到表面需生成黏性之玻璃相，並有足夠時間來封閉自骨材內部放出之氣體，確實可以製成輕質粒料。

圖11

圖12

1125°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

1125°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

(1)1125°C-5min 與1125°C-15min雷同，顏色為深棕色，外觀光滑且內部孔洞均勻分佈，表示已生成黏性之玻璃相，且可將氣體包覆於其內，但一半以上相互黏結在一起，無法形成單顆獨立之輕質粒料。 (2)由此得知，以電熱式高溫爐燒製輕質粒料，燒結至1125℃，溫度已過高無法成型，但若使用目前商業生產所使用之旋窯式高溫爐燒結，粒料彼此黏結之情況可能會有所改善，但仍須加以證實。

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高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

2.燒結溫度1075℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖7

1075°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

圖8

1075°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

燒結變數：燒結溫度：1050℃、1075℃、1100℃、1125℃、1150℃ 燒結時間：5分鐘、15分鐘 3.燒結溫度1100℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖9

1100°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

圖10

1100°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

圖4 石材廢泥造粒成品

石材廢泥輕質粒料基本性質：（一）粒料外觀及剖面情況

4.燒結溫度1125℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

1.燒結溫度1050℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖5

圖6

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1050°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

1050°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

圖11

圖12

1125°C-5min 輕質粒料外觀及剖面

1125°C-15min 輕質粒料外觀及剖面

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高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

5.燒結溫度1150℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖13

圖14

1150°C-5min輕質粒料外觀及剖面

1150°C-15min輕質粒料外觀及剖面

反應方程式

反應溫度

FeS2→FeS＋SO2

350〜450℃

4FeS＋7O2→2Fe2O3＋4SO2

500〜800℃

Fe2(SO4)2→Fe2O3＋3SO3

560〜775℃

MgCO3→MgO＋CO2

400〜900℃

FeCO3＋3CO2→2Fe2O3＋4CO2

＞800℃

CaCO3→CaO＋CO2

1250〜1300℃

6Fe2O3→4Fe3O4＋O2

1000〜1550℃

（三）比重

綜合以上輕質粒料外觀及剖面情形，可發現在熱處理的過程中，最初粒料變成土黃色，略呈粉紅色；達膨脹溫度後，顏色轉成暗棕色，此顏色轉變表示三價鐵離子（Fe2O3）在膨脹溫度時減價（Fe3O4）之現象。

比重

（二）重量損失圖16 輕質粒料之比重

石材廢泥（花崗石廢泥）之化學成分中含有可釋放出氣體的物質，加熱至一定溫度時，表面層溫度升高較快，會先融成膠體再形成玻璃相之表面層，此時因溫度增高致使內部產生高塑性流體，表面生成黏性之玻璃相，並且有足夠之時間來封閉自骨材內部放出之氣體，當氣體逸出時，一面受到塑性流體之包陷，一方面未能穿透表面玻璃相層，在內部造成氣泡，使體積增加而達到膨脹效果。

重量損失 (%)

圖15 輕質粒料重量損失之結果

由圖15輕質粒料重量損失之結果中得知，燒結溫度越高，燒結前、後之重量損失亦越大。石材廢泥經造粒後氣乾含水量為7.7%，應於100℃即散失，其餘之重量損失應是石材廢泥不同化學組成於不同燒結溫度中氣體逸出所造成，氣體產生之主要原因及反應方程式如下：氣體產生之主要原因： 1. 硫化物於400℃時產生揮發之情況。 2. 石材廢泥之結晶水約在600℃下分解。 3. 含碳之化合物在700℃時燃燒產生CO2。 4. Fe2O3約在1000℃〜1150℃時釋放出氧氣。可能造成氣體之產生之反應方程式： 128

由圖16可發現當燒結溫度達到1100℃以上時，粒料確實達到輕質化的效果，比重均小於輕質粗粒料之標準1.6；且燒結時間增長至15分鐘，粒料燒結之情況更為均勻，大幅減小至1.25，若使用於混凝土時，可大幅降低混凝土之自重，應可廣泛使用於高層建築，但應詳加試驗予以確定。（四）吸水率

溪水率 (%)

圖17 輕質粒料之吸㈬率輕質粒料之吸㈬率

129

高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

5.燒結溫度1150℃，燒結時間5分鐘、15分鐘

圖13

圖14

1150°C-5min輕質粒料外觀及剖面

1150°C-15min輕質粒料外觀及剖面

反應方程式

反應溫度

FeS2→FeS＋SO2

350〜450℃

4FeS＋7O2→2Fe2O3＋4SO2

500〜800℃

Fe2(SO4)2→Fe2O3＋3SO3

560〜775℃

MgCO3→MgO＋CO2

400〜900℃

FeCO3＋3CO2→2Fe2O3＋4CO2

＞800℃

CaCO3→CaO＋CO2

1250〜1300℃

6Fe2O3→4Fe3O4＋O2

1000〜1550℃

（三）比重

比重

（二）重量損失圖16 輕質粒料之比重

重量損失 (%)

圖15 輕質粒料重量損失之結果

溪水率 (%)

圖17 輕質粒料之吸㈬率輕質粒料之吸㈬率

129

高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

由圖17得知輕質粒料之吸水率隨著燒結溫度增加，而有下降之情況，但加熱至 1100℃以上，下降趨勢卻有所減緩（由4.2%下降至2.3%），燒結溫度達1100℃，幾乎就可達最佳效果。

（二）在燒結輕質粒料的過程中難免會產生CO2，需審慎加以評估，但可利用瓦斯燒結，將危害減至最低，另可利用二氧化碳減量技術，回收CO2作為碳源產製石化原料，二氧化碳可與天然氣甲烷進行重組反應，以生成合成氣（一氧化碳與氫氣的混合氣體）;可用以合成高碳數烷類等能源產品或其他石化產品，或分離出一氧化碳或氫氣；一氧化碳為高價值的石化原料，而氫氣則可供高效率燃料電池發電使用，進而達成CO2間接減量。

綜合以上粒料外觀及剖面情況、重量損失、比重與吸水率的結果，可研判輕質粒料最佳的燒結溫度為1100℃，最佳燒結時間為15分鐘，可將石材廢泥燒結為再生綠建材。

（三）一般混凝土單位重為2300 kg/m 3 ，而本研究之石材廢泥輕質混凝土單位重僅為 1817.4 kg/m3，可減輕混凝土自重，減少混凝土用量，降低混凝土之使用成本，更可大量的縮減混凝土的柱橫斷面與牆厚度，提高跨距，並增加樓地版的使用空間，提升樓層淨高度與樓層數。

輕質粒料混凝㈯將最佳之石材廢泥輕質粒料(1100℃－15 min)實際使用於混凝土中，選定水灰比0.53，參照ACI 211.1常重混凝土建議之配比設計步驟得到各種材料的配比用量如表3-12，製作ψ 10 cm x 20 cm之常重砂－輕質混凝土圓柱試體。配比 (kg/m3)

㈬灰比(W/B) 0.53

㈬

㈬泥

粗粒料

細粒料

200.0

377.4

446.9

793.1

將製作好的混凝土試體養治24小時後拆模，養護28天後取出試體並予以蓋平，再進行28天抗壓強度試驗，評估可否作為結構用輕質粒料混凝土。

㈬灰比(W/B) 0.53

平均值

29.21

29.98

29.17

29.63

結論（一）欲降低花蓮地區石材廢泥對環境之衝擊應花崗石廢泥為主，本研究之石材廢泥經化學組成研判應為花崗石廢泥，且化學成分符合輕質粒料膨脹範圍的區間內，確實可燒製成輕質粒料。

1100℃-15 min輕質粒料外觀及剖面

比重為1.25，吸水率3.9%，表面為深棕色，發現表面已熔融，內部分佈黑色均勻小孔，證實燒結至1100℃-15分鐘已可達到表面須生成黏性之玻璃相，並有足夠時間來封閉自粒料內部釋出之氣體。

（三）石材廢泥輕質粒料可減輕混凝土自重，減少混凝土用量，降低混凝土之使用成本，更可大量的縮減混凝土的柱橫斷面與牆厚度，提高其跨距，並增加樓地版的使用空間，提升樓層淨高度與樓層數。

經濟效益（一）目前花蓮地區石材廢泥棄置費為400〜500元/立方公尺，而商業製程燒製輕質粒料單位成本為450元/立方公尺，銷售價格為1500元/立方公尺，若投資生產石材廢泥輕質粒料則約有1500元/立方公尺的利潤，投資回收利益(RQI)為1500 / 450＝ 333%，獲利相當可觀。

130

（二）燒製輕質粒料最佳情況為加熱達1100℃，再放入高溫爐中燒結15分鐘。

抗壓強度 (MPa)

依ASTM C 567結構用輕質混凝土單位重規定測得之單位重須小於1950 kg/m 3，本研究之輕質混凝土單位重為1817.4 kg/m3，符合要求；且一般結構用輕質粒料混凝土，設計強度等級介於LAC 20至LAC 35之間，石材廢泥輕質粒料混凝土強度等級為LAC 30（強度28－ 32MPa），亦符合規定，故石材廢泥輕質粒料可作為結構用輕質粒料。

（四）再者，使用石材廢泥燒製輕質粒料，可大量減少事業廢棄物，讓可用資源再利用，降低環境污染與衝擊，維護生態境平衡，促進建築與環境共生共利，傳承永續經營之居住環境。

（四）石材廢泥可燒製結構用輕質粒料，不僅可『轉廢為寶』，大量減少事業廢棄物，降低環境污染與衝擊，更可『點石成金』，具商業生產價值，創造可觀的收益。（五）燒結輕質粒料的過程中難免會產生CO2，需審慎加以評估，可利用二氧化碳減量技術降低其危害。 131

高瞻計畫成果作品集

再生綠建材以石材廢泥燒製輕質粒料

㈻生組環境

㈬灰比(W/B) 0.53

㈬

㈬泥

粗粒料

細粒料

200.0

377.4

446.9

793.1

將製作好的混凝土試體養治24小時後拆模，養護28天後取出試體並予以蓋平，再進行28天抗壓強度試驗，評估可否作為結構用輕質粒料混凝土。

㈬灰比(W/B) 0.53

平均值

29.21

29.98

29.17

29.63

1100℃-15 min輕質粒料外觀及剖面

130

（二）燒製輕質粒料最佳情況為加熱達1100℃，再放入高溫爐中燒結15分鐘。

抗壓強度 (MPa)

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組環境

減廢的春㆝：花蓮在㆞減廢新契機

花崗岩、大理石為花蓮最負盛㈴的㈵產，殊不知棄置廢泥也是花蓮最大㊪的㈵產。本實驗將廢泥燒製成「輕質粒料」建材，減廢再利用。「輕質粒料」可減輕混凝㈯㉂重、提高跨度、增加樓板使用面積，是㆒外觀玻璃化呈相，骨材裡含氣泡的高價綠建材。目前㆘㈬道污泥製成輕質粒料已㈲廣泛的應用，但尚未㈲發掘石材廢泥之研究，由張齊憲老師指導，花蓮高工呂婉榛、宋雅雯、蔡岳廷、涂盛宏㆕位同㈻決心將這個想法實踐。

6-2 環

境

科㈻小論文

為期 1 年的實驗，從初始以卡車載運廢泥，㉃亞洲㈬泥商借 X － Ray 螢光分析儀，做材質測試，再將廢泥攪拌均質化後，手工搓成㆒顆顆直徑 1.2 cm大小圓球入高溫爐㆗加熱，找可燒結成功之溫度和方法，最後找到最㊜溫度 1100°C，再找最佳燒結時間呈相，期間實驗室內超高溫加熱環境，需常常使用大型電鋸鋸開石頭觀察剖面，既辛苦又㈲危險性，粒料製成後尚需後加入混凝㈯㆗實測建材強度。燒結受訪當㆝，笑容可掬的呂婉榛、宋雅雯同㈻，開朗的臉龐如晴朗的㆝氣，全不受大風影響，閃動靈活大眼、充滿溫情㆞回憶實驗過程：「所㈲高㆗的回憶就是這個。」平常到校早㉂習時，燒個幾盤，㆗午午㉁再去觀察，寒暑假也到校研究、打㈾料，連春假也提早結束，生活泡在實驗室裡了。驚蟄燒結成功與否除了溫度，均質化也是關鍵。㆒開始不曉得先用攪拌器把廢泥攪勻再製成湯圓，明明同㆒個溫度燒結，同批粒料㆒會兒冥頑不靈，連玻璃相也沒，㆒會兒化成㆒碗巧克力湯，整整㆒個㈪找不到燒製溫度瀕臨放棄，靠著張老師安慰打氣才堅持㆘去。㊚同㈻們㈵別辛苦，負責用大型電鋸鋸開石頭看呈相，戰戰兢兢帶著護目鏡，老師站在旁邊㈼督，夾子夾很緊怕萬㆒㈲任何閃失，會受傷。宋同㈻說：「最高興的時刻是粒料終於燒成功的時刻！」知道 1100 度可行，可以開始小範圍溫度測試，找出最省能源的燒製溫度和時間。兩個受過訓練口才無礙的㊛生回想起來，格外感謝老師嚴格的訓練。呂同㈻強調，老師嚴格是希望我們不要將來到競爭場㆖受挫「哭著回來。」縱使已經決定誰要㆖台報告，還是訓練每位組員練習演講，以免臨時被要求㆖台，「不知道為什麼，在老師面前就緊張得結結巴巴。」同㈻笑瞇瞇㆞說，「㆖台去報告反而容易㆒點。」老師如武俠小說裡的黃蓉，步步沙盤推演各種狀況、可能被問到的問題，論文㊢作㆖的漏洞，問最多刁鑽問題的就是老師㉂己。為了希望未來能將研究結果無償分享，對環境盡㆒份心力，老師㈵別不想申請專利。2位小組成員已經是大㈻㈯㈭系㈻生，發現㆒些本來需要背誦的知識，現在只要回想實驗過程就可以貫通，比別㆟通曉使用的原理，額外感到駕輕就熟。

132

後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢國立㆗山大㈻附屬國光高級㆗㈻林晨光、陳萱

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組環境

減廢的春㆝：花蓮在㆞減廢新契機

6-2 環

境

科㈻小論文

132

後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢國立㆗山大㈻附屬國光高級㆗㈻林晨光、陳萱

高瞻計畫成果作品集

後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

後勁版柯南——探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

三、2010年後勁溪之污染物及特性（一）後勁溪仁武橋的污染物種類及其危害（二）後勁溪仁武橋污染物的濃度探討及時間變化趨勢四、探討後勁溪之污染源（一）空間面（二）時間面（三）製造原料（四）污染歷史（五）排除其餘可能性（刪去法）（六）季節性（七）地下水污染五、研究結果之宣導

高雄，㆒個重工業密集的都市。後勁溪為原高雄縣市交界之主要河川，源㉂高雄仁武、大㈳兩支流，分別流經大㈳工業區、仁武工業區、㆗油高雄廠、楠梓加工出口區及楠梓住宅區，爾後出海；因此，後勁溪承受大量工業廢㈬及家庭生活污㈬；若後勁溪遭受嚴重污染，不只會造成沿岸居民健康的危害、溪流生態破壞，另外㈲農作物被污染的疑慮。㉂去年台塑被爆出嚴重的㆞㆘㈬污染之後，我們就拜訪高海科大林教授希望能㈻習檢測㈬質的技巧，親㉂為家鄉的環境生態盡㆒份微薄的心力。這次的研究以最少每㈪㆒次（污染巔峰期則每週㆒次）的頻率，採集後勁溪㈧涳橋、仁武橋段的表面㈬，檢測其含氯㈲機物的含量，發現濃度最高的污染物為㆔氯㆙烷（氯仿）；在好奇心的驅動之㆘，激發起我們扮演後勁版柯南之志氣，致力探討含率㈲機溶劑之污染來源。

研究動機從二十世紀開始，化學工業蓬勃發展，也是人們逐步意識到化學工業對人類健康、生態環境也有危害的世紀。經過多次大規模的污染事件使人類更為重視環保，美國從1900年到1960年間，才制定16項環保相關法規；1960到1995年間制定了100多項環保法律，1990 年通過了《污染防制法》﹝Pollution prevention Act(PPA)﹞成為全國環境保護的政策。台灣在1960年代左右也開始發展化學工業，而過程中也付出不小的環境代價；尤其發生在我們學校鄰近的台塑仁武廠後勁溪污染事件、中油空污履遭居民抗議的事件，使的本身對化學有高度興趣的我，看到環境污染問題不斷發生，極度痛心。於是找到對環保有興趣的同學，以關懷鄉土環境為核心目標，共同探討學校附近的河川污染，希望能作後勁溪的柯南，為自己美麗的家鄉盡一份心力，並宣傳我們所得到的成果，達到環境保護全民不分男女、老少皆參與的目標。

研究目的生長在楠梓長達十多年，新聞一直不斷播報附近的環境問題，從以前的垃圾山到現在的後勁溪，看著附近居民抗議的情形，讓我從年幼就希望為環境盡一份心力。希望藉由此次機會，學到更多環保知識，並將這些收穫分享給在校同學及社會民眾。經過多次開會討論，我們擬定所欲探討之工作項目及內容如下：一、含氯VOC的定義及對人體的影響二、國內外含氯VOC的管制情形（一）國外河川水中Cl-VOCs調查概況（二）國內河川水中Cl-VOCs調查概況（三）國外河川水中Cl-VOCs管制情形（四）國內河川水中Cl-VOCs管制概況

134

研究設備及器材 ㆒、實驗材料 1. 試劑水：使用之試劑水為經過純化之去離子水（比電阻<18.2 mΩ）。 2. 甲醇：分析試藥級，純度為99.8 %以上，主要作為稀釋及清洗用。 3. VOC Mixture標準品溶液：採用Ultra公司所生產之DWM-588 VOC標準品及 AccuStandard公司生產之M-502-10X VOC標準品，以上皆為60種VOC混合標準品，另外再購買由AccuStandard公司生產之MTBE標準品，自行配製61種之VOC混合標準品。 4. 內標準品及擬似標準品溶液：採用SUPELCO公司生產之EPA 524.2 Fortification Solution，其中含內標準品：氟苯(Fluorobenzene)，及擬似標準品：1,2-二氯苯 -d4(1,2-Dichlorobenzene-d4)與4-溴氟苯(4-Brmomfluorobenzene)。 5. 氣體：所使用氣體為純度99.999%之高純度氦氣。 6. 注射針：使用SGE公司所生產之10 μL、25 μL、100 μL、1,000 μL注射針，主要為配製標準品。 7. 定量瓶：使用50 mL及100 mL之定量瓶，主要為配製檢量線及稀釋樣品。 ㆓、儀器設備 1. 微量吸管：採用Eppendorf公司所生產Research系列之100 μL、1,000 μL、5,000 μ L微量吸管，主要為手動稀釋樣品之用。 2. 分析天平：採用Mettler-Toledo公司所生產之天平，精密度為0.1 mg，作為定量瓶校正之用。 3. 純水製造機：採用MILLIPORE公司生產之Simplicity 185純水製造機，搭配Simpak 1/超純水純化管柱，製造實驗用之試劑水（比電阻<18.2 mΩ）。

135

高瞻計畫成果作品集

後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

後勁版柯南——探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

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高瞻計畫成果作品集

後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

4. 自動進樣裝置：採用O.I公司所生產之O.I.A 4552 Water/Soil Autosampler，可同時放置51個樣品、可程式自動添加內標準品與擬似標準品及自動稀釋樣品。 5. 吹氣捕捉裝置：採用O.I公司所生產之O.I.Analytical 4560 Sample Concentrator，主要進行樣品中VOC化合物之捕集與濃縮。 6. 氣相層析質譜議(GC/MSD)：採用惠普(HP)公司所生產之6890 GC及5973 MSD，進行VOC化合物之分離、定性及定量。

㆓、採樣方法本研究採樣方式為參考行政院環保署之河川、湖泊及水庫水質採樣通則(NIEA W104.51C)與環境樣品採集及保存作業指引(NIEA-PA102)，採取河道中間之表層水，樣品立即以含鐵氟龍墊片之40 mL棕色玻璃瓶盛裝，且運送過程需於4 ℃以下、無光照之環境保存。 ㆔、實驗分析方法本研究主要參考行政院環保署環境檢驗所NIEA W785.54B「水中揮發性有機化合物檢測方法－吹氣捕捉／氣相層析質譜儀法」及美國環保署Method 8260B「Volatile Organic Compounds by Gas Chromatography/Mass Spectrometry (GC/MS)」

研究過程或方法 ㆒、採樣點規劃

圖1 採樣位置規劃

結論整理我們所作的成果，可得到以下的結論：一、利用後勁溪中氯仿濃度及排放特性，有助於追蹤污染之源頭。二、後勁溪中氯仿濃度之貢獻與台塑仁武廠可看出不少相關性。三、後勁溪中氯仿濃度於2010下半年突然升高，推測為產業需求所造成之趨勢。四、地下水的滲透可能為污染的原因之一，應該要求整治地下水。五、在天候不佳時（雨季），加強對於河川污染的檢測，避免業者有機可乘，傾倒廢水、工業廢料。六、台塑製成之原料，大多為含氯有機物，和所測到的。七、我們所作的研究可提供監督業者之功能，更可使附近居民瞭解週遭環境之現況，並使相關主管機關重視環境之議題，重視長期監測之重要性。藉由長期監測之功能，可提供周遭居民及環保團體堅實及可信的監測數據，並作為與業主與相關主管機關溝通及商討之依據，使兩者位於同等之知識平台。八、本研究提出具有參考性的證據證明：此地區的污染濃度是人為引發的，並且是可以被控制。

本次研究的採樣規劃以每個月至少一次（若發現高濃度則提高檢測頻率為每星期一次）的頻率進行（從2010年1月至2010年11月），目標鎖定在去年新聞中的主角― 仁武橋，因為位處仁武工業區及台塑仁武廠下游，所以推測其揮發性有機物的濃度應為最高。

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高瞻計畫成果作品集

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㈻生組環境

研究過程或方法 ㆒、採樣點規劃

圖1 採樣位置規劃

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後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

未來之建議一、持續監測以達到監督可能造成污染之業者。二、將環境監測方法及技術應用在相關環境議題中及探討相關之社會因素。三、可利用本研究之監測數據做為後勁溪整治前後之比對。四、政府應嚴格監督工廠排放是否符合標準，避免業者鑽漏洞。五、引用此研究之研究方法監測全台灣其他河川。

保溫箱、手套、溫度計

這裡釣的魚你敢吃嗎？

頂著豔陽、大風，辛苦採樣

將河水倒入瓶中（不可有氣泡）

本研究最重要的採樣點：仁武橋

仁武橋前合影

八涳橋的水樣最難採！

作品貢獻除了可利用這些數據作為監督後勁溪的水質，我們也到學校其他班級去作環境檢測的演講，把我們所作的成果與結論分享給其他同學。我們目前所去到的兩個班級，都獲得相當大的迴響，也給了我們不少寶貴的意見。希望大家都能具備這些觀念，並且幫忙監督後勁溪是否有工廠偷排廢水，達到環境保護全民不分男女、老少皆參與的目標。未來我們計畫：一、架設教育諮詢網頁二、刊載文章於校刊三、效法美國前總統高爾製作教育性質的影片四、張貼環境宣導海報五、舉辦校內、外演講六、擴大研究範圍等方式推廣環境保育。檢測過程照片：

採樣前填寫標籤紙 138

採樣的藥品均以棕色玻璃瓶裝

把標籤紙黏上採樣瓶 139

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後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

保溫箱、手套、溫度計

這裡釣的魚你敢吃嗎？

頂著豔陽、大風，辛苦採樣

將河水倒入瓶中（不可有氣泡）

本研究最重要的採樣點：仁武橋

仁武橋前合影

八涳橋的水樣最難採！

採樣前填寫標籤紙 138

採樣的藥品均以棕色玻璃瓶裝

把標籤紙黏上採樣瓶 139

高瞻計畫成果作品集

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後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

檢視有沒有氣泡

從八涳橋望向台塑廠區

疲憊，但相當有滿足感

我也可以當小助教喔！

八涳橋前合影

填寫實驗記錄本

認真設定程式

設定自動進樣器

將採樣點一一紀錄下來

配製空白樣品

六隻眼睛嚴格檢查是否有設定錯誤

於儀器前合影

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後勁版柯南探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻生組環境

檢視有沒有氣泡

從八涳橋望向台塑廠區

疲憊，但相當有滿足感

我也可以當小助教喔！

八涳橋前合影

填寫實驗記錄本

認真設定程式

設定自動進樣器

將採樣點一一紀錄下來

配製空白樣品

六隻眼睛嚴格檢查是否有設定錯誤

於儀器前合影

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㈻生組環境

後記

疼惜家鄉㈯㆞ ㆗山大附㆗㈻生調查後勁溪汙染出於對家鄉環境的關心，林晨光及陳萱兩位㆗山大附 ㆗的同㈻，到高雄應用科技大㈻實驗室㈻習，合作了㆒份調查報告，研究㈻校旁邊的後勁溪是否受到汙染。

7-1 ㆞理㈾訊科㈻小論文

去年㆔㈪，台塑仁武廠附近的㈯壤和㆞㆘㈬，被環保署查出嚴重汙染。當時看到報導的林晨光和陳萱兩㆟，暗暗關心起環境議題，當他們得知高瞻計畫提供做研究的機會時，便以㈻校附近的後勁溪為對象，研究溪㈬受汙染的程度。追蹤㈬質時間和耐心是考驗事實㆖，和㆗山大附㆗同樣位在高雄的高雄應用科技大㈻，早已開始針對後勁溪的㈬質做調查。林晨光和陳萱兩㆟參加高瞻計畫之後，加入高應大的團隊，沿續他們先前的成果繼續進行調查，在高應大的實驗室工作，和高應大實驗室的負責㆟及研究生們㆒起使用儀器。對兩個高㆗㈻生而言，這是㈩分難得的體驗，「會覺得高㆗生的某些能力不輸給研究生！」林晨光說。調查㈬質是㆒個需要投入長期努力的工作，對還在高㆗就讀的兩位㈻生來說，除了平常課業之外，還得抽出額外時間來做；調查過程㆗，㈲許多細節都需要良好的耐心，加㆖兩位㈻生追求完美的個性，因此大量的時間和精神都集㆗在這個調查㆖了。不過他們並不以為苦，而是將它視為挑戰，「做就要做到最好，」林晨光說，「㆟生總要㈲㆒些不同的挑戰。和各大㈻合作看得遠才是「高瞻」「以㆒場演唱會為例，她負責搭舞台，我負責唱歌。」林晨光以幽默的類比說明他和陳萱的團隊合作。原本是同班同㈻的兩㆟，林晨光做事習慣看大不看小，喜歡負責規畫研究的方向，而陳萱㈩分細心、手工靈巧，兩個㆟正好個性互補，工作起來也很能互補。兩㆟在今年㈤㈪㆗還參與了國際研討會，為這份研究做了英文簡報，正好㆓個㆟英文程度都很好，發表時不成問題。問到兩㆟對高瞻計畫的期望，他們表示到高應大的實驗室工作，使用到其他高㆗生無法使用的儀器，是很寶貴的經驗。林晨光認為，若未來仍㈲高瞻計畫，他會推薦㈻弟妹參加；但他也認為高瞻計畫還可以再更「高瞻」，如果能更多開放式的活動，加入專題課程，讓高㆗㈻生㈲機會和大㈻做連結，就會㈲更多㈲趣的成果出現，對㈻生的未來也會大㈲幫助。此外，高㆗生能到大㈻去修㈻分，對高㆗㊝秀㈻生也很㈲吸引力，「高瞻計畫就是要『看得遠』，才㈴符其實嘛。」林晨光笑著說，「如果課程都和㆒般高㆗生㆒樣就沒意思了。」

142

㆝羅㆞網改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊臺北市立南港高級工業職業㈻校周南威、闕育晴

高瞻計畫成果作品集

㈻生組環境

後記

7-1 ㆞理㈾訊科㈻小論文

142

㆝羅㆞網改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊臺北市立南港高級工業職業㈻校周南威、闕育晴

高瞻計畫成果作品集

㆝羅㆞網改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊

㈻生組 ㆞理㈾訊

㆝羅㆞網——改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊

最後，我們會將所得到的數據與計算出的成果，利用Google Earth進行比對㊞證，Google Earth 是目前發展最完全的㆞理㈾料庫，且提供使用者快速、合法、便利的取得方式。Google Earth大多以航測與衛星攝影判讀㆞面影像，定位精度可達公分級，我們希望本篇論文成果能從Google Earth㆗得到㊞

㆖個㈻期，我們兩㆟很幸運的被選㆖參加㈻校的高瞻計畫課程，課程內容多元且環環相扣，使我們獲益良多。在多位老師輪流指導的過程㆗，讓我們實際使用了全球定位系統( Global Positioning System , GPS)接收儀，並使我們體認到GPS接收儀在淨空良好的情況㆘，能夠很快速的定出接收儀所在位置。然而在實際的操作過程㆗，我們也發現每當GPS接收儀接近建築物或樹叢邊時，衛星即呈現週波脫落狀態而無法確實定位，常讓我們搞不清楚調查結果之正確性，這時才感覺到GPS其實並沒㈲想像 ㆗那麼的全方位，不但在室內或建築物旁無法正常使用，就連初始化搜尋衛星也必須耗費㆒段時間。於是在高瞻計畫㆗㈲㆒㊠㈴為「搶救雷恩大兵」的課程單元，內容就是讓我們運用GPS並搭配傳統經緯儀測量方式，精確的定出大㆞方位。當我們了解到GPS並非萬能後，就希望能對GPS接收儀及傳統儀器測量之間的異同與㊝劣，進行更

證，以提高論文㆗所採用研究方式之可行性。

測量級GPS與調查級GPS的分別 ㆒、測量級GPS：本研究中特別向儀器公司借用此等級之GPS接收儀，以確定基準點位置。此類接收儀定位時間約數分鐘，定位精度高，誤差達公分級，若地形空曠且衛星分布狀況良好，可再縮短定位時間，適合精密定位之平面控制測量使用（圖2）。

深入的研究與探討。我們跟著指導老師於去年11/8參加了台灣師範大㈻「福衛㆓號衛星與㆞理教㈻」研習課程，從師大㈻長姐所做出的植物種類分布圖（圖1）㈾料㆗，明顯看出調查後的結果㈲誤判，導致部分樹群的分佈落在校區範圍之外甚遠，而且越接近㈻校圍牆越明顯，證明GPS接收儀雖可快速定位，但其死角是在淨空不良的情況㆘，無法全面得到目標物之正確位置㈾料，精度很難與傳統測量相提並論，這與我們在先前高瞻計畫之「搶救雷恩大兵」單元㆗遇到的問題完全相同。

圖2 高精度GPS （㈾料來源：http://ngs.woc.noaa.gov/ANTCAL/images）

圖1 國立台灣師範大㈻校園植物分布圖（㈾料來源：台灣示範大㈻福衛㆓號衛星影像研習會）

傳統測量的過程為由整而零，大範圍㆞區以「導線控制測量」為主，精度要求高，主要測量工具為經緯儀或全站儀；而小範圍測區常使用「前方交會法」測定單點座標，其結果亦可達到平面控制測量的精度要求。傳統㆞面測量㊜合取得平面精確位置㈾料，但卻耗時費力，無法符合短時間內大量收集㆞理

㆓、調查級GPS：此類接收儀定位速度僅約數秒鐘，即使是周波脫落狀態亦可模擬定位，但定位精度低，僅為次米級。我們分別以Trimble、GARMIN兩大廠牌之調查級GPS進行調查時常常斷訊，凡遇此情況就必須整個人先退出樹叢外，等待初始化定位後才能再進行調查，25個目標物共花費40分鐘才調查完畢（圖3）。

㈾訊的需求。業界為降低㆟力成本，常㉂行研發測量程式增加計算速度，將測量成果快速確認。在本篇論文㆗，我們仿照台灣師範大㈻的情境，於本校操場邊選定㆒排茂密樹叢，嘗試取出GPS之對空性與傳統測量之對㆞性兩種方式的㊝點加以融合，希望以原㈲的「前方交會法」測量知識與技術為基礎，藉由高瞻計畫所㈻習到的3S㆞理㈾訊課程內容，以及搭配精度精準之e-GPS，來研發改良傳統測量數據的後處理方式，再㉂行編㊢㆒套Microsoft Excel電腦輔助推算式，將e-GPS與傳統測量兩者並用後所取得的數據㈾料，輸入這套 Excel 程式㆗，構成「㆝羅㆞網」，快速且精確的得到全方位之㆞理㈾

圖3 作者以調查級GPS 進行樹種調查

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㈻生組 ㆞理㈾訊

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證，以提高論文㆗所採用研究方式之可行性。

圖2 高精度GPS （㈾料來源：http://ngs.woc.noaa.gov/ANTCAL/images）

圖1 國立台灣師範大㈻校園植物分布圖（㈾料來源：台灣示範大㈻福衛㆓號衛星影像研習會）

圖3 作者以調查級GPS 進行樹種調查

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傳統㆞面測量以「前方交會法」施測座標前方交會法最大的優點，是不用量測距離及可得到準確的平面座標，其計算方式如以下範例所示。範例： A、B 兩點為已知座標之控制點，以經緯儀分別測得∠A 及∠B，利用正弦定理推算C 點。

AB = (2578.343 − 2496.501) 2 + (1055.274 − 1278.645) 2 = 237.8922m

改良GPS、前方交會測量，設計Excel 輔助程式推算座標 1. 首先於本校（南港高工）操場空曠處選定A、B兩點，先以e-GPS取得此兩點確實座標（耗時約2 分鐘），分別測得此兩點精確座標為A (2772174.100，311487.000)、B (2772230.809，311474.964)。 2. 於A、B兩點各架設一台經緯儀，互相後視並歸零，而後選定操場右側（靠樂群路）之茂密樹叢為目標物，分別對每棵樹、路燈、電桿共25個目標物進行觀測，過程如示意圖（圖5），並將讀數及屬性資料記錄於測量手簿中。

ΦAB = tan-1 ((2578.343－2496.501)/(1055.274－1278.645) )+180°= 110° 07'21.28" ΦAC = ΦAB－∠A = (110° 07'21.28")－(46° 53'08") = 63° 14'13" AC= 237.8922×Sin(71° 10'47")÷Sin(61° 56'05") = 255.1793 m Ec = Ea+AC×SinΦAC=1055.274+255.1793×Sin(63° 14'13") = 1283.1177 m Nc = Na+AC×CosΦAC=2578.343+255.1793×Cos(63° 14'13") = 2693.2504 m（待檢核） ΦBC = ΦBA+∠B=(110° 07'21.28")－(180° 00'00")+(71° 10'47") = 1° 18'8.28" BC = 237.8922×Sin(46° 53'08")÷Sin(61° 56'05")=196.8002m Ec = Eb+BC×SinΦBC=1278.645+196.8002×Sin(1° 18'8") = 1283.1177 m Nc = Nb+BC×CosΦBC=2496.501+196.8002×Cos(1° 18'8") = 2693.2504 m（檢核無誤）

圖5 測量示意圖

3. 將數據輸入自己編寫的程式計算，以下就各程式之目的及步驟分述如下： Step1：將A、B 兩點控制點，直接以程式算出方位角ΦAB（圖6）。

圖4 前方交會法定位示意圖

此種測量法必須先利用經緯儀實地測量，測得∠A及∠B後，推求方位角ΦAC與Φ BC，再利用公式算出AC與BC距離，分別以A、B 已知座標求得Ｃ點座標並檢核。此法耗時耗力，但測量所得到的座標結果較GPS精確許多。

圖6

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Excel 表格

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AB = (2578.343 − 2496.501) 2 + (1055.274 − 1278.645) 2 = 237.8922m

圖5 測量示意圖

3. 將數據輸入自己編寫的程式計算，以下就各程式之目的及步驟分述如下： Step1：將A、B 兩點控制點，直接以程式算出方位角ΦAB（圖6）。

圖4 前方交會法定位示意圖

圖6

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Excel 表格

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Step2：將方位角ΦAB，轉換為習慣上常用之度、分、秒系統（圖7）。

圖7

Step5：推算目標物C1實際座標，並利用下拉功能直接推算其他各點座標（圖10）。

Excel 表格

Step3：此欄僅為測量數據輸入欄位，無函數程式（圖8）。圖10

Excel 表格

結論當時指導老師建議我們做這篇論文的時候，從沒有接觸過電腦程式的我們，原以為自己根本無法完成，但最後的結果讓我們非常振奮。結果顯示，運用電腦運算處理，可以使傳統測量作業效率大幅提升，原本需時數小時之測量作業，竟可縮短至30分鐘內完成，且精度遠勝於GPS，整個研究的過程開啟了我們e化的視野，看到自己的成果與想法得到驗證，是我們所獲得最大的鼓勵與收穫。

圖8 Excel 表格

Step4：將∠A觀測值及∠B觀測值導入Q14、R14、S14 欄位中（為求表格整齊，故將換算後之∠A，以Q、R、S 欄位運算），推算出∠C，並利用下拉功能直接向下推算各點∠C（圖9）。

圖9

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Excel 表格

本篇論文中我們利用新舊測量儀器及技術，配合Excel自編計算系統求出未知點座標，再利用工研院之座標換算軟體將TWD97座標轉成適用於Google Earth之WGS84座標，且學習到 Google Earth的基本運用。雖然我們花了很多時間去編寫Excel計算式，但老師說這些計算式並不複雜，只能說是最初階的程式，使我們更能實際體會到地理資訊的建立，確實是需要花費大量的時間、人力、尖端的軟硬體與測量技術才能建置完成，也讓我們瞭解現代測量界的發展，已經從原本的單點精度要求轉變成多點式之資料建置，這些都必須要有強大的電腦資料後處理系統才能達成。本次高瞻計畫課程中，指導老師帶領我們去實際參觀測量領域的最新技術及趨勢，也間接使得我們定出這次專題研究的方向，參觀時我們看到了「光達」的實際操作，也看到了歐美「測量車」的資料蒐集影片，深刻感受到測量的發展幾乎已無遠弗屆，這些尖端科技應用在各種領域上都能有令人驚喜的成果，本次高瞻計劃研究的過程中，得知國內已積極研發屬於自己的測量車與光達，雖然我國落後歐美技術多年，仍衷心期盼國內專業技術人才能夠群策群力，迎頭趕上。 149

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Step2：將方位角ΦAB，轉換為習慣上常用之度、分、秒系統（圖7）。

圖7

Step5：推算目標物C1實際座標，並利用下拉功能直接推算其他各點座標（圖10）。

Excel 表格

Step3：此欄僅為測量數據輸入欄位，無函數程式（圖8）。圖10

Excel 表格

圖8 Excel 表格

圖9

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Excel 表格

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後記

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佈㆘㆝羅㆞網快速測量㆞理方位㈲撇步

為了改良GPS定位在㈲障礙物的㆞方會產生誤差，㆓位南港高工的㈻生闕育晴、周南威，將配合傳統測量方法「前方交會法」，加㆖㉂己㊢的電腦程式，終於達成更快、更準確的㆞理 GPS 測量。南港高工的高瞻計畫課程，是每個㈻生都可以參與的，㆖㈻期單數座號㈻生，㆘㈻期雙數座號㈻生；課程內容也㈵別活潑，重視應用性，讓㈻生㈲動手實習的機會，例如「搶救雷恩大兵」課程，就是讓㈻生運用GPS加㆖傳統測量方式來㈻習定位。兩位㈻生闕育晴、周南威，就是在這門課㆗點燃了對定位系統的興趣。

7-2 ㆞理㈾訊科㈻小論文

努力、細心、多提問做研究進步多多為了更深入㈻習GPS相關知識，兩位㈻生跟著老師到師大參加研習營，用GPS觀察師大校園的植物分佈圖；但是這麼㆒去，他們發現在師大的測量結果，和他們在高瞻課堂㆖測量的㈲㆒樣的問題，「只要遇到靠近建築物的㆞方，GPS搜尋到的座標誤差都非常的大，」闕育晴說，「所以我們就想要找出㆒個方法來減少誤差。」這就是研究計畫的發想歷程。兩位同㈻㉂己設計研究的主題和方向，指導老師孫德昌老師，只幫他們做些修改，從旁輔助。他們以傳統測量方式「前方交會法」，設㆘固定的 A 、 B 兩點，再去比對目標物 C 點的座標；為了讓計算過程更快速，他們㉂己㊢了電腦程式來跑計算，而原本兩㆟只㈲㆒點基本程式能力，所以為此㆘了㆒番苦心。「我們問了機概老師，但其實不只問他，幾乎整科裡的老師都㈲幫忙。」周南威說。兩㆟努力測量、細心㆞登記和計算數據，終於找到了結合GPS快速便利、傳統前方交會法精確度高、具方向性的㈵性的測量方法。除此之外，他們也㉂己想像了這方法的應用面，「在都市規畫方面會很㈲幫助。」參加高瞻計畫開了眼界也順遂了升㈻之路說到參與高瞻計畫嘉年華的經驗，他們最㊞象深刻的事，便是能見到其他㈻校來的各路好手，若其㆗㈲和他們科系相關的作品，更是引發他們㊟意，「例如㈲㆒件奈米材料抑制磚牆白華的作品就讓我們㊞象很深。」周南威表示。此外㈲㆒件㈲趣的事，他們記得很清楚，「我們在比賽的前㆒㆝，在飯店房間裡練稿，結果外面㈲別隊在偷聽！」闕育晴笑著說。可見參與高瞻計畫嘉年華的隊伍之間，對彼此的作品充滿好奇心，同時想必也帶著些較量的心情吧！現在兩位同㈻都已畢業，闕育晴就讀高應大的㈾訊工程系，似乎是做高瞻計畫時㊢程式㊢出了興趣，「我喜歡程式，只要將㈾料套用到㊢好的程式就可以馬㆖知道答案，很酷！雖然說㊢程式還蠻煩的。」她笑著說。周南威就讀的則是高應大㈯㈭工程智慧科技組，㈻的是㉂己很㈲興趣的電㈻。他們都覺得參加高瞻計畫讓他們可以操作到㈵殊的儀器，得到就讀理想㈻校的機會，在計畫㆗㈻到的東西和未來工作也㈲所結合，可說是助益良多。

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㆒機在手，車位無窮智慧型手機結合 RFID 的應用高雄市立高雄高級工業職業㈻校林家宇、張庭榮、黃品叡、陳瑜

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研究動機隨著生活品質提升，汽車數量也逐年增加。在擁擠都會區開著轎車，想停車卻繞了老半天找不到停車位！如果還遇上搶停車位而發生不必要的爭執或造成心裡上的不愉快，這可就不便利了！其實現今找停車位面臨的最大問題：並非停車場不足，而是每個停車場的使用率不均，造成有些停車場時常滿位，有些卻只能養蚊子，導致車位不足的假象！停車已成為現代人生活上的一種夢魘，哪怕只是停個5分鐘，想下車買杯咖啡都怕被拖吊或開罰單。如果有預定行程，卻因為臨時找不到車位而丟了大case多麼不划算阿！有沒有方法在行駛中便能直接告訴駕駛人哪裡還有車位？指引駕駛人找到最近的停車場，並提供停車場空位數量以及直接預約功能？一方面能快速的把車子搞定，一方面又能避免迷糊車主尋覓愛車的困擾。

研究目的為達成上述功能，我們研究並使用新興科技智慧型手機、GPS (Global Positioning System)、RFID (Radio Frequency Identification)等技術，來建立e化停車場服務系統，並提供下列互動項目：一、顯示駕駛人與鄰近停車場的相對位置（利用排序的方式由近到遠排序），並提供導航功能。二、顯示停車場車位的使用資訊（可使用、可預約的車位數量）。三、提供駕駛人提前預約停車位。四、以RFID的Tag計時扣款，省去便利商店繳停車費的次數。五、提供線上瀏覽停車場資訊服務。希望藉由此服務系統，改善擁擠都市中的生活品質，以及達到節能減碳愛地球的環保概念，讓駕駛人開車便利也能停車順利！

我們想設計一程式，讓GPS先定出駕駛人目前所在的位置，並顯示四周圍所有停車場的位置。使用者可以隨意點選目的地附近的停車場並預約停車位，一方面使用預約功能可減少停車糾紛，另一方面避免進入停車場後找不到位置停的窘境。現今的RFID技術，應用於結合捷運悠遊卡、SEVEN7-11，達到儲值以及消費的功能。在出站感應悠遊卡時，只需花一秒即可完成扣款的動作。能有效的節省時間，若能應用至停車場系統中，使用者享有自動扣款與儲值功能，本研究將會帶領另一波資訊風潮。目前大部分的停車場在停車時，僅能告知空位還剩幾個，卻無法解決當你到達停車場後，卻發現已無停車位可使用，甚至還被停車場系統卡在停車場出不去。若每天上班時固定使用或遇到重大節日時，駕駛人也只能自求多福了！於是我們決定著手實現這個期許。透過科技可以讓生活更有人性，結合高職二年級的『物件導向程式設計實習』課程，運用 Visual Basic 2005 基礎程式能力，移植至智慧型手機平台，加上RFID 無線傳輸系統，做為服務端與用戶端的橋樑，以及應用『基本電學實習』、『電子學實習』與『數位邏輯實習』所學的相關知識，結合紅外線感應裝置與RFID 相互合作，精密的監控停車場。為了解決停車這項夢魘，於是我們開始研究這個『一機在手，車位無窮』的e 化停車場服務系統！

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map guide......

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㆓、研究步驟 1. 使用者如何知道鄰近的停車場？當使用者打開GPS程式後，程式會自動從資料庫尋找鄰近停車場，並顯示在清單中。

研究方法 ㆒、研究架構進入停車場流程

離開停車場流程

開啟程式

使用者離開停車格

搜尋鄰近停車場

更新㉃㈾料庫

選擇停車場

更新㉃WEB

顯示停車場㈾訊

預約導航㉃該停車場輸入帳密使用者進入停車場開始扣款

RFID紀錄進入停車場時間

感應RFID

紅外線感應

使用者停入停車格

感應RFID

紅外線感應

RFID紀錄離開停車場時間

計算時間差

更新㉃㈾料庫

由㈾料庫扣款

(1) 使用者如何得知現在的所在位置？利用GPS的定位系統，可以藉由3到4顆衛星，依據手機所發送的訊號，回傳數值經由解密的方式，呈現在螢幕上即可得知現在的所在位置。

圖2 使用者所在位置（整體畫面）

圖3 使用者所在位置（螢幕畫面）

(2) 如何取得附近停車場的位置？程式會利用GPS定位的經緯度，以方圓500公尺內範圍作為搜尋依據，尋找提供系統的停車場，將搜尋到的停車場，以表單的方式呈現給使用者，使用者可從表單的資料，取得停車場的狀況。

更新㉃㈾料庫

更新㉃㈾料庫圖4 搜尋附近車場（整體畫面）

圖5 搜尋附近車場（螢幕畫面）

更新㉃WEB 2. 如何了解停車場內部狀況？當使用者點選停車場後，系統就會聯繫資料庫顯示停車場內部狀況。

圖1 系統流程圖

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(1) 如何得到停車場最新資訊？當使用者進入停車場網頁時，該網頁在Load事件中，會讀取遠端SQL的 DATA，並顯示於網頁中。 155

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㆓、研究步驟 1. 使用者如何知道鄰近的停車場？當使用者打開GPS程式後，程式會自動從資料庫尋找鄰近停車場，並顯示在清單中。

研究方法 ㆒、研究架構進入停車場流程

離開停車場流程

開啟程式

使用者離開停車格

搜尋鄰近停車場

更新㉃㈾料庫

選擇停車場

更新㉃WEB

顯示停車場㈾訊

預約導航㉃該停車場輸入帳密使用者進入停車場開始扣款

RFID紀錄進入停車場時間

感應RFID

紅外線感應

使用者停入停車格

感應RFID

紅外線感應

RFID紀錄離開停車場時間

計算時間差

更新㉃㈾料庫

由㈾料庫扣款

圖2 使用者所在位置（整體畫面）

圖3 使用者所在位置（螢幕畫面）

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更新㉃㈾料庫圖4 搜尋附近車場（整體畫面）

圖5 搜尋附近車場（螢幕畫面）

更新㉃WEB 2. 如何了解停車場內部狀況？當使用者點選停車場後，系統就會聯繫資料庫顯示停車場內部狀況。

圖1 系統流程圖

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(1) 如何得到停車場最新資訊？當使用者進入停車場網頁時，該網頁在Load事件中，會讀取遠端SQL的 DATA，並顯示於網頁中。 155

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(2) 如何收尋資料庫內部資料？利用SQL內建的系統，即可達到收尋的目的，其原理為：將所輸入的關鍵字，在每筆資料去比對，若有符合就將該筆資料存入表單，資料收尋完後，再將表單輸出。 (3) 取得的停車場狀況包含哪些資訊？所獲取的資料，含有剩餘車位、停車場名稱、停車場地址、停車場電話以及停車場的計時方式等5 種資訊，當你點選進入車場時，還可以得知目前停車場的停車情形還可使用預約的功能。（第2 個資料庫－車場詳細資料，供內部程式使用） (4) 如何更改資料庫的內容？我們設計一個後台管理系統，只有管理者可以進入該網頁，將使用者要修改的資料，以程式的方式取代原本的資料，其原理為：由於每個編號只對應到一筆資料，只需要找到要修改資料的編號，即可修改資料。 3. 如何導航使用者至該車場？使用者選擇車場後，程式會啟動GPS導航功能，透過衛星定位功能定出使用者位置並導航使用者至該車場。程式會利用經緯度去判斷，使用者與該停車場的距離，當找到兩者間的距離後，開始規劃前往該車場的路線，規劃路線分成三種部分，第一種是以最短距離為條件的規劃路線，此路線因為途中可能包含高速公路，適合趕時間的汽車駕駛使用，第二種是不包含高速公路的路線，該路線可供機車騎士使用，第三種是最容易到達的路線，該路線可能不是最近的路線，但是，路線較為簡單，方便對地方較不熟悉的使用者使用。

4. 使用者如何預約停車場？若使用者觀看停車場詳細情形後，欲預約停入該車場可點選手機畫面下方頁籤更換頁面，輸入“帳號”和“密碼”後，系統即告訴使用者，是否預約成功。 (1) 如何達到預約功能？點選預約的按鈕，當預約完成後會告知您預約成功，此時其他使用者會看到車場的車位減少了1個。 (2) 是否可取消預約？可以取消預約，只要點選取消預約並輸入帳號和密碼，則可取消預約，但是在你預約的那段時間，系統仍然計算時間並扣錢。 5. 如何計算停車費用？使用者進入停車場時，利用RFID TAG感應後，馬上記錄使用者卡號和入場時間，並更新資料庫內容以便往後使用者查看與核對自己的停車狀況。停入車位後，車子將紅外線訊號遮斷，經過電腦分析處理後，上傳更新至系統管理主伺服器，使用者即可從網路得到車子已停入該車位的資訊。當使用者進入停車場感應Tag時，程式會自動記錄時間；當使用者離開停車場時，再感應一次Tag，就會將離開停車場的時間與先前記錄的停入時間進行計算，並且以各個停車場費率進行扣款。 (1) 車子進入停車場後，系統如何確認車子停到哪個位子？紅外線的接發器將裝置在每個停車位的兩側，當車子進入停車格時，紅外線的接收端受到遮罩，傳送訊號至系統。 (2) 紅外線感應器的訊號（硬體）將如何傳送到系統（軟體）？我們使用網路擷取器將撰寫的程式搭配紅外線電路傳送過來的訊號做一個整理後，傳送到資料庫進而確認每個停車位的狀態。 6. 使用者如何繳費？使用者離開停車位時，紅外線感應資訊透過網路伺服器即更新，該車位已無人使用。使用者離開停車場時，感應RFID，程式將停車時間計算後，依該車場付費方式進行扣款。

圖6 路線導引（整體畫面）

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圖7

路線導引（螢幕畫面）

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圖6 路線導引（整體畫面）

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圖7

路線導引（螢幕畫面）

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Block0

Block1

Block2

Block3

Sector00

安Block0

Block0

Sector01

Block0

…

(1) 如何在Tag內讀取資料？在每張Tag上，共有1Kbye的記憶體，其中又分為16個Sector，每一個Sector 又有4個Block，當Tag在儲存資料時，便是將資料存取在其中。我們可以利用程式去讀取每個Block的資料，本次應用需要讀取Tag裡面的餘額，若要顯示餘額，則須先將Tag Block中的資料讀取出來，但是由於Tag內的數值是16進制，所以取出數值後尚須轉成10進制。但若Tag是全新的，Tag內的記憶體就不會紀錄任何資料，自然也無法正常讀取，所以Tag需要經過第一次寫入數值的開卡步驟才能給使用者使用。（即使寫入數值0 也算開卡）。

Sector14

Block56

Block57

Block58

Block59

Sector15

Block60

Block61

Block62

Block63

圖8

RFID 卡片記憶體示意圖

(2)如何將數值寫入Tag？與讀取Tag數值相同，欲將數值寫入，需先將數值轉換成16進制，再利用程式將數值寫入即可。

軟體設備

㈴稱

數量

Microsoft Visual Studio 2008

Microsoft SQL Server 2008

PAPAGO

問題與討論（一）預約期間也算錢？預約每小時計費將由停車場自行決定，系統將於右側顯示出停車場預約時段的金額供使用者參考。（二）停車場會不會有養蚊子的狀況（即全部被預約）？每個停車場每日預約的量都由停車場業者自行決定，系統會在顯示停車場資訊的右側顯示出可預約的停車位數量以及目前的空車位數量，供使用者參考。（三）誰可以使用這套系統？只要擁有本系統支援的RFID TAG卡即可進入停車場。欲查看及預約停車位，必須先註冊（向各大便利超商或捷運站）。（四）需要有什麼（硬體？軟體？）才能使用？使用者方面：硬體： RFID TAG卡、軟體：手機（具上網與GPS功能並已安裝本系統的程式）

㆔、研究工具表1 研究工具（硬體）

硬體設備

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表2 研究工具（軟體）

㈴稱

規格

數量

個人電腦

RAM：256MB LCD 螢幕：15 吋

RFID Reader

54600pbs

RFID Tag

14443A

電路板

電路用

Windows Mobile 手機

ASUSP552w

GPS

軟體應用

管理者方面：硬體：兩台電腦（具上網功能、一台當作伺服器，另一台需擁有本系統程式，執行主要程式）、RFID READER、紅外線感測裝置、網路擷取器、軟體：VB2008。（五）一台手機最多可以預約幾個車位？一個車位，由於預約車位需要輸入帳號跟密碼，所以一台手機只能對應到一個車位。（六）當擁有大量的資料，如何統一管理？藉由資料庫系統，可以將有相關性的資料放在一起，結合內部的管理系統，就可達到統一管理大筆資料的目的。

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高瞻計畫成果作品集

㆒機在手，車位無窮智慧型手機結合RFID的應用

㈻生組 ㆞理㈾訊

Block0

Block1

Block2

Block3

Sector00

安Block0

Block0

Sector01

Block0

…

Sector14

Block56

Block57

Block58

Block59

Sector15

Block60

Block61

Block62

Block63

圖8

RFID 卡片記憶體示意圖

(2)如何將數值寫入Tag？與讀取Tag數值相同，欲將數值寫入，需先將數值轉換成16進制，再利用程式將數值寫入即可。

軟體設備

㈴稱

數量

Microsoft Visual Studio 2008

Microsoft SQL Server 2008

PAPAGO

㆔、研究工具表1 研究工具（硬體）

硬體設備

158

表2 研究工具（軟體）

㈴稱

規格

數量

個人電腦

RAM：256MB LCD 螢幕：15 吋

RFID Reader

54600pbs

RFID Tag

14443A

電路板

電路用

Windows Mobile 手機

ASUSP552w

GPS

軟體應用

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高瞻計畫成果作品集

㆒機在手，車位無窮智慧型手機結合RFID的應用

㈻生組 ㆞理㈾訊

（七）資料過於龐大時，收尋速度會不會變慢？由於資料庫處理方式是多工處理，將資料以200筆資料為一組，當要收尋時，對每組資料同時進行收尋，當資料過於龐大時，收尋速度並不會明顯的變慢，僅有毫秒間的差異而已。（八）一個資料庫是否可供多個程式使用？資料庫只是一個管理資料的系統，並沒有限制可以幾個人使用，只要將資料庫放置網路伺服器，其他程式即可藉由連到伺服器來抓取資料庫的資料。

製作期間，在網路上獲取了大量的資料，間接增加了自身不少的知識，也在其中學會了資料的篩選和運用。當接觸到紅外線的時候才猛然發現，原來實習課上的那些理論與實作都是會運用的小常識和經驗的累積，面對龐大的設計顯得特別重要，還得靠老師講解才能完成電路。可見自己的知識還不夠，才會連自己專業領域的電路都應付不了。因此，還要加強自身的程度才行！這項創意主要是運用RFID並延伸它的優點，就成本方面而言，停車場使用RFID的成本較高，所以在普及化方面可能以後要再多加琢磨。但對於現在一般的停車場抽停車卷計算所剩的停車位方面有更進一步的管理，若能將本次研究的Tag卡（已結合電子錢包）直接與悠遊卡結合，將會是現今社會非常便利的發明。隨著電子科技發展，相信此設備往後能夠更符合人性，礙於時間的限制，希望往後能完成這些目標。

研究心得表3 系統㈵色

以使用者觀點而言

以停車場業者而言

一、逢年過節車流量較大的時候，能即時知道附近停車場的狀況。

一、當車流量大的時候，需要人員在停車場內部指揮交通，能減少人事成本。

二、能找離目的地較近的停車場停車，減少來回找車的時間。

二、能有效率的管理停車場，管理員有專屬的介面，能即時了解停車場狀況。

三、可以利用無線或有線網路來查詢相關的停車場資訊。

三、解決停車場使用率不均的問題，即某些停車場時常滿位，而有些卻時常空位，導致假象的停車位不足。

四、即使人生地不熟，也能很快的解決停車問題，不必繞路。

四、減少呆帳的發生，使用者離開停車場就必須利用RFID扣款，完成付帳手續。

五、解決搶車位問題，發生不必要的爭執。

五、提供會員優惠，吸引使用者。

六、以RFID的Tag卡結合電子錢包取代去便利商店繳停車費的時間。

六、價位清楚，公平競爭。

這次我們經由生活上所遭遇的問題，應用學過的知識，加上額外追求的新知，研究出解決之道。過程雖然很耗時間，但對於自己有興趣的問題，努力的研究、實驗、求證…等等。最終的目的還是希望能創造更人性化的交通設施，方便大家使用。

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經過數個月的製作，終於開發出可以讓使用者更加便利的程式了，一台可以預訂車位和導引使用者路線的智慧型手機終於誕生了，它是以使用者的觀點出發，目的是為了減少了找車位的時間，及減少二氧化碳的排放量，達到省時又環保的功能。

這次的成品和初賽相較之下，較有規畫性及實用性。以ASP取代HTML來增強其網頁功能，新增了預約驗證、取消預約、檢視停車紀錄和停車場簡介(包括地址、電話、收費價格)的服務，使得網頁更人性化也讓使用者更容易上手。藉由PAPAGO 和資料庫的結合，讓系統普及全國，車場業者只需向我們申請，待審核通過，管理員便會將其相關資訊新增於資料庫中，使用者在PAPAGO程式內即可以搜尋到您的車場資訊。不管您的停車場在何地，只要運用該系統，使用者就能在附近找到您的停車場，讓您的停車場在網路傳播之下，告知天下人。

map guide......

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高瞻計畫成果作品集

㆒機在手，車位無窮智慧型手機結合RFID的應用

㈻生組 ㆞理㈾訊

研究心得表3 系統㈵色

以使用者觀點而言

以停車場業者而言

一、逢年過節車流量較大的時候，能即時知道附近停車場的狀況。

一、當車流量大的時候，需要人員在停車場內部指揮交通，能減少人事成本。

二、能找離目的地較近的停車場停車，減少來回找車的時間。

二、能有效率的管理停車場，管理員有專屬的介面，能即時了解停車場狀況。

三、可以利用無線或有線網路來查詢相關的停車場資訊。

三、解決停車場使用率不均的問題，即某些停車場時常滿位，而有些卻時常空位，導致假象的停車位不足。

四、即使人生地不熟，也能很快的解決停車問題，不必繞路。

四、減少呆帳的發生，使用者離開停車場就必須利用RFID扣款，完成付帳手續。

五、解決搶車位問題，發生不必要的爭執。

五、提供會員優惠，吸引使用者。

六、以RFID的Tag卡結合電子錢包取代去便利商店繳停車費的時間。

六、價位清楚，公平競爭。

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map guide......

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高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組 ㆞理㈾訊

「㆒機在手車位無窮」高雄高工㈻生解決您停車困擾問題導向思考，解決生活難題

林家宇、張庭榮、黃品叡、陳瑜，㆕個乖巧聰明的㈻生，原本就是同班同㈻兼好朋友，當初要投入高瞻計畫時，他們其實花㆖㆒個㈪的時間，想了好幾個不同的題目，都是從生活㆗感到麻煩的事情發想的，㈲㊩療方面的題目，甚㉃還㈲腳踏車改進計畫；幾經討論後，選擇了由林家宇同㈻所提出的停車位困擾問題。「我們比較喜歡先找出問題，再想解決方法。」陳瑜笑咪咪㆞ 說。

8-1 宣傳推廣㈵別報告

找出問題後，就要開始研究了。指導老師康姿瑩老師是他們主要的諮詢者，除了提供他們研究的方法之外，還㊜時引導㈻生，不讓他們在摸索㆗走向錯誤的道路，也要防止他們想問題時太過發散，抓不到重點。做這個研究，㆕個同㈻深感㉂己原本的知識不夠用，因此㆕個㆟分頭進行研究，㈲的㆟做電子錢包，㈲的㆟做手機軟體設計。「這就是合作的好處，」黃品叡說，「這麼多研究要做，㆒個㆟很難進行，就是因為我們㈲㆕個㆟，所以辦得到。」為了研究，㆕個同㈻幾乎㈲㆒年的時間，㆝㆝在㈻校待到㈨點，連寒暑假也每㆝到校，平㈰ ㆖課㈲時還得請公假，就為了找出答案。老師也陪著他們待在研究室，以便隨時幫他們解決問題，㈩分認真。「我們還㈲平常的功課要顧，所以每㆝工作時間都很長，回家後也都在研究，最大的問題大概是吃飯和坐車花很多錢吧！」張庭榮回想那段辛苦的㈰子，不忘幽默㆞說。在交流㆗進步

高瞻計畫收穫多

這份研究㆒開始的設計，是由行車㆟用 GPS 找到附近停車場的空位，事後再用 RFID 技術的儲值卡片「嗶」㆒聲感應付款。不過當他們參加 2010 高雄市科展時，專家建議他們修改成由停車場方來統計車位的數量，放㆖網路，行車㆟再連往該網路去得知車位的訊息並預約。付款的方式也改成網路進行，以㈾料庫的方式記錄每個行車㆟的卡號，再依此扣款。「這研究又從零開始了，」林家宇說，「因為和我們原本的設計根本不㆒樣。」不過㆕個同㈻都認為這是合理的建議，也符合時㈹和業界需求，因此他們又重新埋頭研究新的技術了。和其他㈻校㈻生的交流互動，對他們來說是參與高瞻計畫最可貴的㆒部分。平常㉂己做研究，不知道其他㈻校的㈻生都在做什麼，但在高瞻計畫舉辦的嘉年華㆗，他們看到其他㈻校的作品，想法創意各不同，而且領域橫跨物理、化㈻、生物等，可說是開了眼界，也認識了㆒些不同領域的㆟。㉃於未來的路，林家宇已確定往㈾訊工程科系繼續深造；黃品叡在計畫㆗負責研究加值系統，往後也想往㈾訊工程發展；陳瑜負責紅外線感應，未來可能會往電路及焊工方向㈻習；張庭榮負責智慧型手機軟體設計，亦㉂己設計了拉霸小遊戲等，對此領域充滿興趣。㆕位同㈻都在高瞻計畫㆗㉂主㈻習，㈻到了很多知識和技術，現在他們都變成各專業領域的㆟才，未來也會繼續在相關領域前進。

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㆘㆒站， H.O.M.E. Help Our Mother Earth 臺北市立㆗山㊛子高級㆗㈻陳之允、陳怡安、陳奕安、陳又祺

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組 ㆞理㈾訊

「㆒機在手車位無窮」高雄高工㈻生解決您停車困擾問題導向思考，解決生活難題

8-1 宣傳推廣㈵別報告

高瞻計畫收穫多

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㆘㆒站， H.O.M.E. Help Our Mother Earth 臺北市立㆗山㊛子高級㆗㈻陳之允、陳怡安、陳奕安、陳又祺

高瞻計畫成果作品集

㆘㆒站，H.O.M.E.——Help Our Mother Earth

㆘㆒站，H.O.M.E. Help Our Mother Earth

㈻生組宣傳推廣

計畫進度與內容第一部分

緣起世界上有關綠能、新能源的研究已不勝枚舉，而現在所缺乏的是將這些研究、知識、訊息，推廣到每個人觀念裡的——宣傳者。專題分組時，看著大家七嘴八舌的討論要做什麼樣的實驗、要拍什麼樣的影片，我們這組開始思考：如果大家都做實驗性、繪本性、動畫或影片，那誰來幫班上宣傳？思及至此，我們做了一個與眾不同的決定——我們要推廣高瞻，不要只侷限於班上、全校，甚至利用網路進而推廣至校外。我們蒐集各方資訊進行統整、重整及條列化、文章化，介紹綠能知識、書籍、世界環境議題，追蹤近期環保團體或世界組織發起的綠能行動，以及介紹本班其他組的專題內容，將之簡易化，以大眾能快速了解其內容的方式，透過學校的週報（楓城紀事）和架設的部落格（下一站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth http://blog.xuite.net/ nextstation_home/home）來做宣傳和推廣。我們會選擇做統整宣傳還有一個重要的原因——以現今高中生的能力而言，我們沒有足夠的資金、完備的知識能夠進行較學術化的研究，若我們選擇了實驗性的主題，以這幾年綠能產品的崛起、環保觀念的發展，我們極有可能和專業人士所研究的內容大同小異，在這方面我們無法與之媲美。再者現在的資訊大多廣泛且專業，通常都是內行人才懂的研究報告，故我們希望我們能先閱讀過後再整理成大眾能理解的方式，進而擁有跟得上時代並與世界接軌的知識。

高瞻楓城（㈻校刊物）第㆒刊

◎ 介紹高瞻計畫及上學期高瞻五大課程簡介 ◎ 高瞻好書分享《低碳生活24 堂課》 ◎ 低碳小知識—Ex.碳匯、碳足跡

第㆓刊

◎ 2010各國能源政策概要及新能源政策概況 ◎ 再生能源簡介—太陽能、風力發電、生質能、水力發電 ◎ 地球日活動介紹—台灣篇

第㆔刊

◎ 專題小組介紹Chapter1法綠制裁專題目的：探討國內外與食物有關的政策目前完成進度：環保署訪問文章化報告（英文、中文各一份）未來計畫：政策、報章雜誌比較及整理 ◎ 地球日活動介紹—世界篇 ◎ 哥本哈根會議—會議緣由、結論

第㆕刊

◎ 綠建築實察紀錄（北投圖書館）及綠建築九大指標簡述 ◎ 高瞻好書分享《從搖籃到搖—綠色經濟的設計提案》 ◎ 手繪北投圖書館九大指標地點及物件

第㈤刊

◎ 綠行動研習記錄及心得 ◎ 文章（末日宣言一智陳韻心） ◎ 新詩（與地球暖化有關）

第㈥刊

◎ 高瞻好書分享《不生病的地球》 ◎ 專題小組介紹Chapter2智力廁驗專題目的： ◎ 專題小組介紹Chapter3 專題目的：

第㈦刊

◎ 高瞻好書分享《大契機—21 世紀綠能新經濟力》 ◎ 碳稅與能源稅簡介 ◎ 碳標籤概念及圖像

第㈧刊

◎ 國內外綠能創新產品介紹 ◎ 校園內節能減碳設施與做法條列化及說明

希望透過我們的宣傳和推廣，大家能以簡單又輕鬆的方式吸收更多新知識及訊息，繼而知道自己可以做些什麼來節能減碳愛護地球，為守護地球獻一份心力。

綱要 1. 以製作雙周刊、海報的方式推廣高瞻的概念及提供有關低碳的資訊。 2. 閱讀低碳相關書籍以及各種資訊，發表心得分享。 3. 介紹各組高瞻專題及進度。 4. 實際訪查的綠建築、訪問專業人士。

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內容

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高瞻計畫成果作品集

㆘㆒站，H.O.M.E.——Help Our Mother Earth

㆘㆒站，H.O.M.E. Help Our Mother Earth

㈻生組宣傳推廣

計畫進度與內容第一部分

高瞻楓城（㈻校刊物）第㆒刊

◎ 介紹高瞻計畫及上學期高瞻五大課程簡介 ◎ 高瞻好書分享《低碳生活24 堂課》 ◎ 低碳小知識—Ex.碳匯、碳足跡

第㆓刊

◎ 2010各國能源政策概要及新能源政策概況 ◎ 再生能源簡介—太陽能、風力發電、生質能、水力發電 ◎ 地球日活動介紹—台灣篇

第㆔刊

第㆕刊

第㈤刊

◎ 綠行動研習記錄及心得 ◎ 文章（末日宣言一智陳韻心） ◎ 新詩（與地球暖化有關）

第㈥刊

◎ 高瞻好書分享《不生病的地球》 ◎ 專題小組介紹Chapter2智力廁驗專題目的： ◎ 專題小組介紹Chapter3 專題目的：

第㈦刊

◎ 高瞻好書分享《大契機—21 世紀綠能新經濟力》 ◎ 碳稅與能源稅簡介 ◎ 碳標籤概念及圖像

第㈧刊

◎ 國內外綠能創新產品介紹 ◎ 校園內節能減碳設施與做法條列化及說明

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內容

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高瞻計畫成果作品集

第㈨刊

第㈩刊

㆘㆒站，H.O.M.E. Help Our Mother Earth

㈻生組宣傳推廣

◎ 專題小組介紹Chapter4 專題目的： ◎ 專題小組介紹Chapter5 專題目的： ◎ 繪本《種樹的男人》簡介 ◎ 台灣紀錄片《種樹的男人—盧銘世》 ◎ 專題小組介紹Chapter6 專題目的： ◎ 專題小組介紹Chapter7 專題目的： ◎ 訪問種樹的男人（盧銘世先生）

作品

㆘㆒站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 麼

高瞻什

妳知道在台灣的某幾所高㆗內，各㈲㆒個班默默的在討論㈲關節能減碳的方法、研究新能源的開發以及關心環境保育的議題嗎？而身為㆗山㊛高㈻生的妳知道㆗山也㈲這麼㆒個班級嗎？高瞻屬於綜合性課程，大致㆖來說分為㈤個領域──國文，探討㆟與大㉂然的關係；英文，以全英文的方式介紹全球環境議題及政策規章；㆞理，由影片延伸關於全球暖化的問題和新能源發展的計畫；物理，㉂製太陽能㆕驅車；生物，培養科㈻素養與科普㊢作技巧。今年是國科會補助高瞻計畫的最後㆒年，不同於以往的高瞻課程，本㈻期我們分為㈩小組，由不同的方向出發，透過專題的方式，呈現我們㆖㈻期高瞻課程所㈻，融合最新環保、環境議題再加㆖㉂己的研究內容，冀望透過此㆒方式宣達我們的概念。

第二部份科㈻海報（A1 格式） NO.1

簡述低碳好書分享

標題：下一站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 內容：專題主題、目的、計畫、方法、宣傳方式

NO.2

標題：4/22 地球日內容：活動主題、目的、口號、Logo

NO.3

標題：綠建築—北投圖書館內容：標明綠建築九大指標、照片、參觀心得

NO.4

標題：6/9 綠夏的約定內容：成發簡述專題繪本組及動畫製作組簡介

低碳生活的24堂課作者：張楊乾 ㆟活得好好的，為什麼突然間要減碳、朝低碳生活的方式前進呢？很簡單，因為這是㆒個尋求生存的問題。作者認為全球暖化㈰趨重要，將㉂己產生的碳量及減碳心得公布在㉂己的網站㆖，身體力行㆞實踐低碳生活。妳知道使用 3 個㈪的省電燈泡就比鎢絲燈泡划算嗎？妳知道搭電梯㆘樓，耗的電是㆖樓的 107 倍嗎？你知道冷氣設在凌晨㆕點關機，能省㆘ 37 度電嗎？很多 ㆟想貢獻㆒份心力卻不知從何㆘手？在這本書裡，教妳在㈰常生活㆗減碳又省錢。每㆝我們都在排碳，都覺得㆒個㆟的排碳量並不會對㆞球構成威脅。但當所㈲ ㆟都這麼想時排碳量的總數已開始使㆞ 球變化。保護㆞球不只是個㆟的事情，只要我們從現在開始減碳絕對不嫌晚。

低碳小知識 ‧低碳：比較的概念，在同條件㆘，能選用碳排放比較少的方式達成。 ‧碳足跡：㆒件商品從原料開採、生產運送、回收或丟棄，所造成的碳排放量。等同於計算㆟在㈰常活動所造成的碳排放量。 ‧碳匯（碳權）：因減少碳排放，而經聯合國或㉂願性減量組織認證，可進入碳交易市場的計量單位。 ‧碳㆗和：利用購買或產生碳匯，使㉂身的㆓氧化碳排放，可以完全被碳匯抵銷。 ‧搖籃到搖籃：商品設計之初，以「零廢棄」的觀念生產商品，使其接近100%利用，令每㆒件商品都成為㆘ ㆒件商品的原料。北市每㆟每㈰均碳排放量約為 16.7 公斤。根據㈻者說法，要將暖化㆖升溫度控制在攝氏兩度以內，每㆟每㈰的碳排放量不能超過5公斤。舉例來說， 5 公斤的碳排放 = 把餐餐吃牛的飲食習慣，改成全素食㉃少吃 8 餐 = 騎腳踏車取㈹開車㉃少 22 公里 = 連續138㆝用毛巾擦乾頭髮，不用吹風機=少熨250件衣服= 將家裡熱㈬瓶的插頭拔掉㉃少㈦㆝

㈲關高瞻的最新動態消息都在 http://blog.xuite.net/nextstation_home/home

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高瞻計畫成果作品集

第㈨刊

第㈩刊

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㈻生組宣傳推廣

作品

㆘㆒站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 麼

高瞻什

第二部份科㈻海報（A1 格式） NO.1

簡述低碳好書分享

標題：下一站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 內容：專題主題、目的、計畫、方法、宣傳方式

NO.2

標題：4/22 地球日內容：活動主題、目的、口號、Logo

NO.3

標題：綠建築—北投圖書館內容：標明綠建築九大指標、照片、參觀心得

NO.4

標題：6/9 綠夏的約定內容：成發簡述專題繪本組及動畫製作組簡介

㈲關高瞻的最新動態消息都在 http://blog.xuite.net/nextstation_home/home

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高瞻計畫成果作品集

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㈻生組宣傳推廣

㆘㆒站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 能源大紀元 2010新能源舞臺幕起也拉開爭奪㈾源的全新世㈹…… 俄羅斯開始進行「能源外交」輸出㆝然氣，這條管線稱之「北線輸氣管」向西延伸㉃西歐各國，此舉已間接道出能源不足的問題。和能源㈲關的另㆒方面則為「綠色工程師」，減碳目標若要完成，勢必要㈲新的能源系統，而前提就必須要㈲足夠的工程設計與建造㆟才，未來綠色工程師將會創造工程界的另㆒個顛峰。政策方面，亞洲國家開始砸錢拚綠能。㆗國、㈰本、韓國等國撥出大筆預算，鼓勵投㈾綠能相關產業，不僅創造就業機會更能減少㆓氧化碳的排放，同時也帶來另㆒波商機。今年㆗國提出2200億美元於風力、太陽能、㈬力發電和環保煤炭等科技，期望在 2010年底前風力發電能達到200億瓦，太陽能板的部份因㆗國㈸動㆟口過剩產出相對多數的太陽能板，既供㉂己國內使用也開始向外進行貿易。

㆘㆒站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 專題介紹：法律制裁

組員方瑜陳昱慈陳若昀

我們主要目的為了解各國在實務方面的政策作法，進而和台灣的政策相互比較。現階段我們訪問完環保署並取得答覆，也完成㈾料的整合，這方面主要是和外國的碳標籤做比較，例如：碳標籤何時在台灣實施。之後尋找國外的碳標籤並與國內的做比較。整理完之後，我們想做㆒篇英文部分主的報告，但詳細內容還是以㆗文為主。未來還會㈲更多的政策、報章雜誌比較及整理，希望能藉此影響台灣的政策。

哥本哈根會議什麼是哥本哈根會議? 為㆒份新的《哥本哈根議定書》，以㈹替 2012 年即將到期的《京都議定書》。

再生能源

㆞球㈰在台灣

台灣目前㈲ 99 ％以㆖的能源是由外國進口。隨國內經濟發展，能源需求不斷增高，我國也積極推廣再生能源。太陽能可分為「太陽熱能」和「太陽光電」兩種。＊太陽「熱能」的㊝點：環保效益、簡單安全 ( 無爆炸或㆗毒的危險 ) 、不占室內空間、具經濟效益 ( 壽命 10~20 年)等。＊太陽「光電」的㊝點：具彈性設計空間 ( 小㉃計算機，大㉃發電廠皆通用 ) 、若裝置在建築㆖可降低建築物熱效應。＊風能㈵色：技術成熟，接近傳統發電成本。使用㈯㆞面積小，且可分散設置，就近消耗減少輸電損失。＊㈬力發電㊝點：供電穩定、可迅速提供尖峰方用電、技術成熟、運轉年限長。＊生質能：生質能是全球第㆕大能源，為目前最廣泛使用的再生能源。如：㈭材、林業廢棄物→㈭屑等。垃圾、汙泥處理場→沼氣。

台灣為響應㆞球㈰ 40 周年，主要推展的活動與行動包括：

哥本哈根氣候會議的討論焦點：發達國家的減排指標：科㈻家指出，全球溫室氣體必須於 2015 年開始㆘降，以控制全球溫度㆖升不會超過攝氏兩度，否則氣候變化將對㆞球帶來不可逆轉的災難。

「百萬綠行動」：響應國際「㈩億綠行動」計畫，將展開「百萬綠行動大募集」活動，透過網站進行㈾訊傳播。

發達國家對發展㆗國家提供㈾㈮支援：讓發展㆗國家在兼顧國內發展時，㈲足夠的能力應對氣候變化。如使用可再生能源、保護森林、㊜應氣候災難等。

4 ㈪17-18㈰「全球服務㈰」： 4/17 荒野㆞球㈰ 4/18 全國NGOs環境會議 4/17-18 台灣環境㈾訊㈿會為㈯㆞服務的棲㆞守護行動 4 ㈪22 ㈰「全球行動㈰」：結合環保團體針對氣候變遷相關法案向政府提出訴求。 4 ㈪25 ㈰「Earhday Sunday」（全球慶㈷㈰）：將在台北、彰化串連發起以㆟群排出台灣減碳意象（CO2↓）與承諾活動

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發展㆗國家的減排：在發達國家承諾㈾㈮與技術支援㆘陸續展開減排行動，制定㊜應與緩減政策。保護森林方案：制定全球合作機制，確保主要的森林區域（如亞馬遜和㊞尼）於2015年後不會再㈲非法砍伐的情況，㉃ 2020 年所㈲發展㆗國家的森林都得到充份的保護。哥本哈根會議結果：要求全球暖化程度應控制在攝氏兩度內，各國須在明年 2 ㈪ 1 ㈰前提交 2020 年前減碳目標，但未明確規範各國碳排量及須在哪年開始遞減。富國承諾 2010 年㉃ 2012 年㆔ 年間，出㈾㈿助窮國，在 2020 年前，每年補助開發㆗國家，但未提及各國須出㈾多少、如何分配等細節。富國承諾嚴密且透明的機制檢視減排成果，開發㆗國家將根據 ㆒種「確保國家主權受到尊重」的方式㆘提出減排承諾報告。

㆞球㈰40 周年國際綠色盛事 ㆞球㈰網絡以「服務、行動、串連」㆔ 大面向作為㆞球㈰40周年的主軸，希望能喚起更多㆟對環保的重視及擔任環境志工，並促成全球各㆞更成熟的聯繫網絡、推動㆟類對氣候變遷採取行動，以及串連更多棲㆞保育與環境教育活動。引發㈩億綠行動今年的核心是「㈩億綠行動」運動，目的在於促進及培養對㆞球的服務行為，運動目標是每年聚集全球百萬個㆟與組織環境服務的承諾，傳送來㉂承諾解決氣候變遷的㆟們所表達的㈲力訊息。全球行動㈰—綠世㈹動起來 2010 年 4 ㈪ 22 ㈰將在全球保育㈰聚集全球㈤百個㈳區進行氣候行動，這些在美國和國際城市的城鎮會議將㈲當㆞居民、市長和㈳區領導㆟討論氣候變遷。在美國，㆞球㈰網絡將聚集其網路參與者，展現全球行動㈰全球㆟們關鍵選民接觸政府關於氣候變遷解決方案的需求。 ㆞球㈰網絡將在全球舉辦㆓千個校園活動，包括簽署請願書、圓桌討論。台灣也將做校園 SMS 活動，聚集百萬㈻生為明㆝的文件。

㈲關高瞻的最新動態消息都在 http://blog.xuite.net/nextstation_home/home

169

高瞻計畫成果作品集

㆘㆒站，H.O.M.E. Help Our Mother Earth

㈻生組宣傳推廣

㆘㆒站，H.O.M.E.—Help Our Mother Earth 專題介紹：法律制裁

組員方瑜陳昱慈陳若昀

哥本哈根會議什麼是哥本哈根會議? 為㆒份新的《哥本哈根議定書》，以㈹替 2012 年即將到期的《京都議定書》。

再生能源

㆞球㈰在台灣

台灣為響應㆞球㈰ 40 周年，主要推展的活動與行動包括：

「百萬綠行動」：響應國際「㈩億綠行動」計畫，將展開「百萬綠行動大募集」活動，透過網站進行㈾訊傳播。

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169

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組宣傳推廣

㉂編環保宣傳週刊眾多知識「報」給你聽！

㆗山㊛㆗㆕位同㈻，用㆒個㈻期的時間，以週報的方式向全校同㈻宣導環保知識，這是跳脫既定「科㈻競賽」思考，不屬於任何㆒組，也同時屬於任何㆒組的「㈵別報告」作品。

附錄

陳怡安，陳又祺，陳奕安，陳之允㆕位同㈻，湊在㆒起，音量真是驚㆟，「我們討論的時候很像吵架！超吵！」陳之允㉂己主動解說，不過這音量據說是很正常的，「在高瞻課大家都是這樣。」㆗山㊛㆗所㈲高㆒㈻生，在每週㆔的㆘午都㈲㆓節高瞻課，由㈤個不同科目的老師輪流就共同主題「環保」來㆖課，是㈩分具㈲㈵色的課程。高㆒㆘㈻期則由㈻生們分組、選定指導老師，做環保相關的專題研究，這㆕個㈻生的專題，便是在這門課㆗執行。㈰子再忙也得趕出稿子扣除高瞻課程㆗講課的部分，做專題時，㈻生們㉂主性是很高的，㆖課時間只是給㈻生統整和做口頭報告，其餘進度都由㈻生㉂己掌握。為了將環保知識㈲系統㆞介紹給大家，㆕個同㈻在 ㆒開始時便計畫好各期週報的內容，包括環保㈴詞解釋、書籍介紹，還配合時事介紹㆞球㈰和哥本哈根會議等。製作好的週報，會先給指導老師黃琪及黃眐怡兩位老師看過，再發到㆗山㊛㆗的電子佈告欄㆖，跟著㈻校的週報㆒起公告出來，㈴稱是「高瞻楓城」。除了段考、運動會等大活動之外，「高瞻楓城」的進度幾乎是每週㆒刊，因此㆕個同㈻不時都處在趕稿和排版的狀態㆗。此外，專題後期，為了了解環保宣導的實施狀況，他們對高㆒高 ㆓㈻生和老師們做了問卷調查，讓他們又增加了整理問卷的工作。面對這樣巨大的工作量，加㆖ ㆕個同㈻平㈰各㉂㈲公務在身，陳怡安、陳之允兩㆟為衛生糾察隊隊長，陳怡安和陳奕安則在排球隊，相對「比較沒公務」的陳又祺—其實她也當了班長—就負起主編的任務。每次經過走道就會被她催稿！」陳奕安笑著說。其他工作的分配，則是採彈性的方法，這週負責排版的㆟也許㆘ 週要整理問卷。在這情形㆘能不吵架、順利完成進度，顯見主編的「威力」，還㈲彼此深厚的友誼。問卷培養同理心

㈻生期待㆘次大展身手機會

㆕個同㈻談起他們到處比賽、「征戰」的㈰子，都㈩分興奮。「我們參加很多場發表，新竹比預賽，然後校內成果發表會，最後是到高雄去。」為了好好報告，他們得磨練㆖台發表的口條，為此還需要向國文和英文老師報到「練稿」。除此之外，㆕個同㈻也到過苗栗農工、㆗㆒㆗ 等其他高瞻㈻校去交流，也㈲其他㈻校的㈻生到㆗山㊛㆗來，認識了許多外校的朋友。半年來的努力，不只讓他們在收集㈾料的能力㆖㈲所成長，對其他事也㈲較深的體會。「半年太短了，希望高㆓時還可以做，」陳奕安說，「㈻校週報看的㆟太少了，若還㈲機會，可能會改進宣傳方式，例如跑班，或使用㈻校廣播。」陳怡安則認為「制式的文章可能比較少㆟㈲興趣，㆘次可以弄個比賽之類的！」對於問卷，他們也㈲心得，「總會㈲㆟為了跳題，故意選否，現在我㈻會㊢問卷時要㈲同理心了！」陳之允笑著說。看來這些㈻生們都得到了很寶貴的經驗，期待看到他們㆘次大展身手的機會。 170

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽 ㆗㈻㈻生組

高瞻計畫成果作品集

後記

㈻生組宣傳推廣

㉂編環保宣傳週刊眾多知識「報」給你聽！

附錄

㈻生期待㆘次大展身手機會

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽 ㆗㈻㈻生組

高瞻計畫成果作品集

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻生組附錄

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻

2009

︻㊝選獎︼

2010

㈻校

獲獎者

作品類型

內湖高工

盧士凱、顧達昀、謝坪錡、郭威賢

實作作品

南港高工

闕育晴、周南威

南港高工

陳勁昕、李建翔、龔建霖、翁慶明、游承澔、吳伯均

科㈻小論文 3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

彰師附工

林宛蓁、吳佩珊、王郁琪、蔡欣潔

科㈻小論文漂亮磚牆怎麼了――奈米材料抑制白華之研究

嘉義高㆗

何維邦

科㈻小論文民「竹」遷移――台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

嘉義高㆗

陳亮甫

科㈻小論文利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

高雄㊛㆗

沈君宜、周炯彤、周昱瑄、林軒、胡祖瑄、高嘉偵

科㈻小論文

實作作品

作品㈴稱綠色小幫手――㉂走盆栽 ㆝羅㆞網――改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊

㈻校

獲獎者

作品類型

作品㈴稱

㆗山大㈻附㆗

浩翰、李涵玲、黃羽薇、游雅文

科㈻小論文

從國㆟旅遊習慣看國㆟環境素養及推廣生態旅遊之可行性

苗栗農工

范文峰、劉芷含

明道高㆗

劉映伶、朱盈亞、吳晃熏、陳㊪賢、沈沛儀、詹筑鈞、黃敬婷、李京柔、張顥、石虹

佳

油桐――不造成糧食危機的生質能源樹㈭

實作作品

我們的小綠

大安高工

蔡奕甫、陳韋立

選

㆗山㊛高

胡琬穠

獎

麗山高㆗

殷瑀萱、胡萓庭

花蓮高工

呂婉榛、宋雅雯、蔡岳廷、科㈻小論文再生綠建材―以石材廢泥燒製輕質粒料涂盛宏

︼

㈻校

蔡承諭、林育堂、吳文泓

科㈻小論文眼見為憑！？――動靜態視錯覺形成之探討

獎

明道高㆗

林柏廷、王重傑、王琳鈞

科㈻小論文

台㆗㆒㆗

鄭煒騰、張凱鈞、陳政文

宜蘭高商

林妍慧

內湖高工

李祐丞、黃大洲、翁振銘

︻佳獎︼

新竹高㆗

實作作品科㈻小論文實作作品

「草」帥㆖陣，隔「鎘」不入――以發芽試驗與㈬耕栽培探討鎘對風傾草的影響小心「觸」電――PEMFC觸媒效能探討

作品㈴稱

㊝

︻

實作作品科㈻小論文

獲獎者

實作作品

插座電力負荷安全顯示器吃虧就是占便宜？――美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討昆蟲複眼定位器

作品類型

作品㈴稱

浩翰、黃羽薇

實作作品

追㈰式太陽能系統

臺㆗㆒㆗

蔡億穎、謝楷立

實作作品

PET與PLA共混材料之降解研究

臺南海事

方煒盛、許嘉戰、吳映廷、莊卉翎

實作作品

以海帶及豬皮提取物製作抗氧化保濕化粧品之研究

嘉義高㆗

邱亮維

明道高㆗

陳仕雄、陳采眉、江晉瑛

實作作品

『菇』且送你㆒顆『糖』――以香菇柄為氮源培養大腸桿菌生產海藻糖合成

明道高㆗

陳蘋如

實作作品

給我『氫』㆒㆘――產氫菌利用狼尾草產氫的研究

苗栗農工

蘇莉琄、黎映君、張紫英、邱郁安

實作作品

尋『沼』『氫』寶貝――『氫化-㆙烷化』程序厭氧發酵產能系統之建立

臺㆗㆒㆗

魏振庭、陳煜勛

實作作品

蟑螂潛㈬反射之實驗探討模組

新竹高㆗

王以安、林威達、陳尹儒、劉兆寧、蘇意喬

科㈻小論文細菌轉型作用之研析

作

作︼

172

科普㊢作

作品類型

林家宇、張庭榮、黃品叡、 ㆒機在手，車位無窮――智慧型手機結合RFID 科㈻小論文陳瑜的應用

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻校

獲獎者

高雄高工

㆗山大㈻附㆗

︻

生組

科㈻小論文「鬼」來電―黑魔鬼魚發電模式探討

這是誰的㆞盤？由校園鳥類的調查看動物的㈾源分配 ㆟體穴道辨位器

173

高瞻計畫成果作品集

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻生組附錄

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻

2009

︻㊝選獎︼

2010

㈻校

獲獎者

作品類型

內湖高工

盧士凱、顧達昀、謝坪錡、郭威賢

實作作品

南港高工

闕育晴、周南威

南港高工

陳勁昕、李建翔、龔建霖、翁慶明、游承澔、吳伯均

科㈻小論文 3C產品鋁合㈮奈米染色技術之研究與觀察

彰師附工

林宛蓁、吳佩珊、王郁琪、蔡欣潔

科㈻小論文漂亮磚牆怎麼了――奈米材料抑制白華之研究

嘉義高㆗

何維邦

科㈻小論文民「竹」遷移――台灣㆞區刺竹族群遺傳變異

嘉義高㆗

陳亮甫

科㈻小論文利用㉂製螢光測定裝置探討光敏靈發光

高雄㊛㆗

沈君宜、周炯彤、周昱瑄、林軒、胡祖瑄、高嘉偵

科㈻小論文

實作作品

作品㈴稱綠色小幫手――㉂走盆栽 ㆝羅㆞網――改良傳統測量方式以快速蒐集㆞理㈾訊

㈻校

獲獎者

作品類型

作品㈴稱

㆗山大㈻附㆗

浩翰、李涵玲、黃羽薇、游雅文

科㈻小論文

從國㆟旅遊習慣看國㆟環境素養及推廣生態旅遊之可行性

苗栗農工

范文峰、劉芷含

明道高㆗

劉映伶、朱盈亞、吳晃熏、陳㊪賢、沈沛儀、詹筑鈞、黃敬婷、李京柔、張顥、石虹

佳

油桐――不造成糧食危機的生質能源樹㈭

實作作品

我們的小綠

大安高工

蔡奕甫、陳韋立

選

㆗山㊛高

胡琬穠

獎

麗山高㆗

殷瑀萱、胡萓庭

花蓮高工

呂婉榛、宋雅雯、蔡岳廷、科㈻小論文再生綠建材―以石材廢泥燒製輕質粒料涂盛宏

︼

㈻校

蔡承諭、林育堂、吳文泓

科㈻小論文眼見為憑！？――動靜態視錯覺形成之探討

獎

明道高㆗

林柏廷、王重傑、王琳鈞

科㈻小論文

台㆗㆒㆗

鄭煒騰、張凱鈞、陳政文

宜蘭高商

林妍慧

內湖高工

李祐丞、黃大洲、翁振銘

︻佳獎︼

新竹高㆗

實作作品科㈻小論文實作作品

「草」帥㆖陣，隔「鎘」不入――以發芽試驗與㈬耕栽培探討鎘對風傾草的影響小心「觸」電――PEMFC觸媒效能探討

作品㈴稱

㊝

︻

實作作品科㈻小論文

獲獎者

實作作品

插座電力負荷安全顯示器吃虧就是占便宜？――美洲蜚蠊㈳會互動行為與㈾源分配關係的探討昆蟲複眼定位器

作品類型

作品㈴稱

浩翰、黃羽薇

實作作品

追㈰式太陽能系統

臺㆗㆒㆗

蔡億穎、謝楷立

實作作品

PET與PLA共混材料之降解研究

臺南海事

方煒盛、許嘉戰、吳映廷、莊卉翎

實作作品

以海帶及豬皮提取物製作抗氧化保濕化粧品之研究

嘉義高㆗

邱亮維

明道高㆗

陳仕雄、陳采眉、江晉瑛

實作作品

『菇』且送你㆒顆『糖』――以香菇柄為氮源培養大腸桿菌生產海藻糖合成

明道高㆗

陳蘋如

實作作品

給我『氫』㆒㆘――產氫菌利用狼尾草產氫的研究

苗栗農工

蘇莉琄、黎映君、張紫英、邱郁安

實作作品

尋『沼』『氫』寶貝――『氫化-㆙烷化』程序厭氧發酵產能系統之建立

臺㆗㆒㆗

魏振庭、陳煜勛

實作作品

蟑螂潛㈬反射之實驗探討模組

新竹高㆗

王以安、林威達、陳尹儒、劉兆寧、蘇意喬

科㈻小論文細菌轉型作用之研析

作

作︼

172

科普㊢作

作品類型

林家宇、張庭榮、黃品叡、 ㆒機在手，車位無窮――智慧型手機結合RFID 科㈻小論文陳瑜的應用

可逆式電解㈬及鹼性氫氧燃料電池

㈻校

獲獎者

高雄高工

㆗山大㈻附㆗

︻

生組

科㈻小論文「鬼」來電―黑魔鬼魚發電模式探討

這是誰的㆞盤？由校園鳥類的調查看動物的㈾源分配 ㆟體穴道辨位器

173

高瞻計畫成果作品集

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻生組附錄

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻

生組

2011 ㈻校

︻㊝選獎︼

獲獎者

作品㈴稱

麗山高㆗

林鵬、黎㆖瑋、吳郁萱

科㈻小論文葉綠素電池㈵性研究

嘉義高㆗

黃宇晟

科㈻小論文利用光線穿透法研究非線性擴散

臺南海事

黃毓惠、徐巍埕、杜愷峰、陳昱憲

科㈻小論文不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㆗山㊛高

何孟霓、李忻

科㈻小論文

㆗山大㈻附㆗

林晨光、陳萱

科㈻小論文後勁版柯南-探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻校

︻佳作獎︼

作品類型

獲獎者

探討美洲蟑螂(Periplaneta Americana)消化道肌肉的調節機制

作品類型

作品㈴稱

㆗山㊛高

盛怡樺

科㈻小論文美洲蜚

明道高㆗

廖亦祥、張洛壽、紀珮宜

科㈻小論文

是敵㆟還是朋友？蘭科菌根解剖㈻㈵性及其菌根真菌之應用

臺南海事

方煒盛、許嘉戰、吳映庭、莊卉翎

科㈻小論文

以虱目魚皮及海帶提取製作抗氧化保濕性護膚保養品之研究

嘉義高㆗

賴彥廷

科㈻小論文光經微粒及平面鏡產生干涉的研究

明道高㆗

邱珊、徐培凱、巫錫杰

科㈻小論文當晶片來鍬門――鍬形蟲的生物晶片鑑定

新竹高㆗

蘇意喬、鄭浩魁

科㈻小論文弱電魚行為與放電行為探討

明道高㆗

張喏、陳羽承

科㈻小論文

㆗山㊛高

陳怡蓉

科㈻小論文美洲蜚蠊的觸角在㈳會互動㆗的角色

高瞻計畫團隊參加2011馬來西亞ITEX國際發明展成果

飛行模式的探討

蚊瘋起武――李施德霖漱口㈬對台灣錸蠓(小黑蚊)殺害與忌避效研究

高瞻計畫歷屆成果展示暨活動競賽

174

175

高瞻計畫成果作品集

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻生組附錄

高瞻嘉年華「高瞻計畫」執行成果展示暨競賽

㈻

生組

2011 ㈻校

︻㊝選獎︼

獲獎者

作品㈴稱

麗山高㆗

林鵬、黎㆖瑋、吳郁萱

科㈻小論文葉綠素電池㈵性研究

嘉義高㆗

黃宇晟

科㈻小論文利用光線穿透法研究非線性擴散

臺南海事

黃毓惠、徐巍埕、杜愷峰、陳昱憲

科㈻小論文不同餌料生物影響豐年蝦之生長及存活率

㆗山㊛高

何孟霓、李忻

科㈻小論文

㆗山大㈻附㆗

林晨光、陳萱

科㈻小論文後勁版柯南-探討後勁溪仁武橋之污染趨勢

㈻校

︻佳作獎︼

作品類型

獲獎者

探討美洲蟑螂(Periplaneta Americana)消化道肌肉的調節機制

作品類型

作品㈴稱

㆗山㊛高

盛怡樺

科㈻小論文美洲蜚

明道高㆗

廖亦祥、張洛壽、紀珮宜

科㈻小論文

是敵㆟還是朋友？蘭科菌根解剖㈻㈵性及其菌根真菌之應用

臺南海事

方煒盛、許嘉戰、吳映庭、莊卉翎

科㈻小論文

以虱目魚皮及海帶提取製作抗氧化保濕性護膚保養品之研究

嘉義高㆗

賴彥廷

科㈻小論文光經微粒及平面鏡產生干涉的研究

明道高㆗

邱珊、徐培凱、巫錫杰

科㈻小論文當晶片來鍬門――鍬形蟲的生物晶片鑑定

新竹高㆗

蘇意喬、鄭浩魁

科㈻小論文弱電魚行為與放電行為探討

明道高㆗

張喏、陳羽承

科㈻小論文

㆗山㊛高

陳怡蓉

科㈻小論文美洲蜚蠊的觸角在㈳會互動㆗的角色

高瞻計畫團隊參加2011馬來西亞ITEX國際發明展成果

飛行模式的探討

蚊瘋起武――李施德霖漱口㈬對台灣錸蠓(小黑蚊)殺害與忌避效研究

高瞻計畫歷屆成果展示暨活動競賽

174

175

高瞻計畫成果作品集──青青子衿（㈻生組）發行單位 ∕行政院國家科㈻委員會高瞻計畫推動辦公室發行 ㆟ ∕張㆒蕃總編輯 ∕陳竹亭執行主編 ∕李佳欣採訪撰稿 ∕賴佩君、薛思齊、黃海惟美術編輯 ∕陳巧芳出版㈰期 ∕㆗華民國㆒百年㈦㈪

「高瞻作品集――青青子衿」摘錄㉂高瞻嘉年華『高瞻計畫』成果競賽（2009-2011）㆗㈻㈻生組㊝選獎作品所㈲內容亦可見於高瞻計畫㆗㈻教㈻㈾源平台 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/

本書版權所㈲，非經同意不得任意轉載。