VR 真實體驗 體驗真實

真實體驗 STEM活學活用 近年,全球倡議STEM教學,主張同學融會貫通四門學科,包括科學 Science、科技 Technology、工程 Engineering、數學 Mathematics。而不少學校亦精心建設STEM教室,營造一個科學化的氣氛與環境,刺激同學思維,把創意實體執行,去解決生活面對的問題。成功的STEM教學,同學的真實體驗很重要,而VR能提供身歷其境的感覺,所以VR亦陸續成為STEM教室不可劃缺的設備。 事實上,VR虛擬實境 作為21世紀最新教育科技,最能發揮真實體驗的功效。VR提供的三維空間,模擬出一個令人容易投入的真實體驗;而VR透過頭戴式顯示器,將外間干擾降到最少,沉浸功能極強。 體驗真實 提升學習成效 今天,「經驗學習」(Experiential Learning) 是指透過經驗或實行的方式來進行學習,亦即個人通過生活事件而獲得知識或技能。同樣地,「沉浸式學習」(Immersive Learning) 是打造一個極真實、讓人身心投入的學習環境,從而學習或提升技能。兩種學習模式,理念一致,同樣講求真實體驗,效果亦殊途同歸。 VR360影片「初探太陽系」(Titan of Space), 帶同學虛擬參觀太陽系的行星和衛星。漫遊太空後,同學可融合STEM知識,以科學及數學作基礎,把地球與其衛星月球按大小比例及距離計算出來,再配合科技及工程等知識製作成模型;進一步,同學更可構建太陽系八大行星模型。 VR360影片「潛航血道」(Body VR),同學虛擬走進血管內,跟隨血液流動,了解血液如何將養分供應全身的細胞。透過VR,同學對人體構造之奧妙認識更深,並將STEM活學活用,在STEM教室製作血管模型,繪畫大型心臟圖。 VR360影片「南極洲全景探訪記」(Antarctica 360),帶同學走到地球上最寒冷、乾燥及多風的大洲,融會STEM不同學科,同學可探討如何幫助人類能在南極洲存活,包括如何保溫及解決糧食問題。另一方面,同學對能適應嚴寒環境下生長的動物,例如企鵝及海豹,又可加深認識。 內容提供︰VR Educate 刊載於︰GRWTH app

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STEM與智能迷宮機械人

為什麼把智能迷宮機械人放進迷宮內,它能夠在迷宮內不停走動並找出離開迷宮路徑呢?為什麼智能迷宮機械人能夠避開一些障礙物呢?為什麼機械人又能跟隨物件移動呢? 智能迷宮機械人的構造 迷宮機械人的辦事方式和電腦的運作很相似,智能迷宮機械人內部設有輸入、處理、輸出及儲存的裝置,機械人的輸入裝置是紅外線感應器、處理裝置是內置的中央處理器、中央處理器包含了儲存裝置負責儲存要執行的程式,而輸出裝置就是摩打令機械人活動。 紅外線感應的感用 這款迷宮機械人可算是紅外線感測智能互動的六足機械人,已具有「跟隨」與「探索」二種互動模式。 機械人的頭部的左右兩邊各自裝有一組紅外線感應器,每組紅外線感應器配置了一個發射器和一個接收器,當發射器發出的紅外線遇到障礙物時會被反射,接收器就會接收到被反射的信號,即接收器就可以按照是否收到信號來判斷前方是否有物體存在。 在「跟隨」模式下,智能迷宮機械人會按照左右兩組的接收器同時收到信號,來判斷前方有物體存在,以後便會向前進的摩打發出指令,控制機械腳向前行,這樣智能寶比就會成為一個忠心跟隨的小跟班,緊緊跟隨著小主人的行走方向移動; 當轉換為「探索」模式後,智能迷宮機械人會按照左右兩組接收器所收到信號而行動,若果在沒有收到信號的情況下會控制機械腳不斷向前行; 當左邊的接收器收到信號時,便會向前進的摩打發出指令來停止機械人前進,然後會向轉向摩打發出指令,控制機械人的身體向右轉直至左邊的接收器接收不到信號才停止轉動,再繼續前行動作; 當右邊的接收器收到信號時,便會停止機械人前進,然後指示轉向摩打控制機械人向左轉直至右邊的接收器接收不到信號才停止轉動,再重覆前行動作;因此智能寶比便可以偵測到障礙物而避開,開闢自己的行走路徑。 機械中的動力來源 機械人內安裝了兩個摩打,連接著兩組不同的齒輪組來傳遞動力,一組摩打與齒輪組負責控制機械人的六足向前進,而另一摩打與齒輪組負責控制機械人向左或向右旋轉。 機械人之能夠利用六足向前走動是模仿了拐杖移動的方式,再配合槓桿原理和與地面之間的摩擦力所產生的作用力和反作用力而成。 前進摩打的齒輪組帶動連桿以逆時針方向移動,令一組以等邊三角形排列方式的三隻腳一下的接觸地面,另一組的三隻腳會升起離開地面。當連桿繼續轉動時,原來接觸地面的腳會提起,而另一組會與地面接觸,就是這樣運用六足一下一下的向前走。 如果在智能迷宮機械人上加安裝辨識用的鏡頭,再連接人工智能的數據庫,就可以把機械人改裝成人工智能迷宮機械人,只要讓機械人進行學習記錄,就能計算出最快捷破解迷宮的路徑。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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氣象冷知識:什麼是雷暴?

雷暴通常出現於春季及夏季,咆哮的雷聲及奪目的閃電是它的特徵。大家又是否知道,究竟何謂雷暴?它是怎樣形成?有沒有辦法預測它們的出現地點和移動路向? 什麼是雷暴? 當一道奪目的閃光突然劃破長空,接著傳來幾聲轟隆巨響,雷暴便發生了。在香港,雷暴常見於春、夏兩季。 ▲拍攝於粉嶺的閃電(照片來源︰陳卓賢先生,香港天文台) 雷暴是怎樣形成的? 雷暴的發展始於溫暖和潮濕的空氣上升。空氣上升的原因很多,例如地面受太陽照射加熱、在低壓槽附近、兩股不同的氣流匯聚或遇上高山而上升等。 當潮濕空氣上升時,空氣中的水分便會遇冷凝結而成為雲。隨著氣流繼續上升,雲層亦發展得越來越高,雲中的水珠也會不斷增長。達到高空時溫度會很低,冰粒也會在雲中形成。當雲頂達到十至二十公里時便形成積雨雲,而雷暴是由積雨雲產生的。 ▲積雨雲的發展

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吸塵機 百年科技沿用至今 發明一刻充滿STEM精神

現今每個家庭總會備有一台吸塵機,協助清潔家居,儼然成為必需品,近年更出現智能吸塵機械人,懂得繞路避開障礙物。不過大家又是否如道,原來這件家庭電器在百多年前已經面世,而當中的科學原理仍然應用至今?更有趣的是發明第一部吸塵機的人,懷著STEM的求知求真精神、用自己的口吸塵?! ▲今時今日,吸塵機是常見的家居電器,但它在百多年前發明的一刻,與近年STEM教育有關。 觀摩產品展示獲得靈感 回家用口吸塵 1901年在倫敦的聖潘克拉斯車站,進行一種新產品「列車車廂清潔機」的操作表演,它能夠吹起灰塵,但結果鼓起的滾滾灰塵,把乘客和圍觀者嚇跑了,令清潔機產品失敗。 就在吹塵器這種產品發明失敗的時候,有一位旁觀者,名叫休伯特.布思(Hubert Cecil Booth),他從表演中得到啟發,他連忙跑回家裡,趴在地板上,用手帕蒙住嘴巴,就向著地面使勁地吸著。 這時候,他的家人還以為他精神失常,正要把他拉起來送去醫院時,他卻喜出望外地宣布:「大功告成!」 ▲旁人以為是失常的舉動,卻催生了吸塵機這種發明。 原來布思發現了一個最關鍵的問題,就是比空氣輕的灰塵,只能用「吸」的而不能用「吹」的方式。與此同時,要達致吸塵效果就要使用一塊濾布,阻隔已經吸進機器內部的灰塵,又能使空氣通過,繼續操作來吸更多灰塵。 觀察能力成就新發明的關鍵 然而,布思發明的第一台吸塵機,這個新發明的體積很大,而且在運作時又會產生很大的噪音,所以又被稱為「吵死人的怪物」。布思在1905年,又發明了一種用電動泵產生吸力的真空吸塵機,並且開始製造及投入市場,世界上的第一台吸塵器就此誕生。 由吸塵機誕生的故事中,可見發明家運用了觀察能力,懂得從人家失敗的經驗學習,當中又利用了逆向思維由吹塵換成吸塵的角度思考,再不斷實驗測試改良從失敗中學習,他的研發精神,正正是今時今日學生透過STEM教育中所學習的技能。 吸塵機結構簡單 扇葉轉動方向決定吸塵或吹塵 吸塵機的基本結構是由電動馬達、扇葉、收集瓶、過濾網四個主要部分所組成。馬達與扇葉接駁,再連接電源形成閉合電路,驅使扇葉轉動。 ▲不論外觀設計如何,吸塵機離不開電動馬達、扇葉、收集瓶、過濾網四個基本結構。 ▲由於結構不算複雜,所以容易在STEM課堂裡製作。 扇葉轉動的方向不同會造出「吹風」和「抽風」的兩個不同的效果,好像一台風扇向前吹就是吹風,而倒轉風扇用就變成能抽氣扇。 怎樣控制扇葉的轉動方向?因為改變進入馬達的電子流動方向,扇葉的轉動方向隨即改變,所以把連接馬達上的正負極電線位置改變,或電池箱的電池正負極方向改變便可。 百年前的吸塵原理始終如一 現代的吸塵機的五花八門,甚至有吸塵機械人,然而吸塵的原理和百年前的大致相同,一樣是透過氣流由高氣壓區域流動到低氣壓區域,從而產生的空氣流動原理,形成吸塵效果。 吸塵機內的風扇將機內的空氣抽出,使機內的氣壓下降。由於瓶口外的壓力較大,外部空氣受壓吸入機內,灰塵和垃圾便隨空氣進入吸塵機。 三個影響吸塵機吸力的重要因素 吸塵機有多強吸力,取決於三個因素︰馬達功率、扇葉面積和收集瓶。 增加馬達的馬力和轉速能夠令抽入空氣的速度增加,加大扇葉的面積亦能增強吸塵機抽入空氣的力度。 收集瓶的空間大小亦是影響吸力的因素,空間大雖然能夠收集更多的灰塵,但就需要利用馬力較大的馬達才能配合運作。 ▲馬達功率、扇葉面積和收集瓶之間能互相影響,決定吸塵機吸力。 現代的吸塵機種類 時至今日,常見的吸塵機是按操作原理及構造來分類,分別是「直立式」、「吸力式」及「手提式」三種。 直立式吸塵機: 直立式吸塵機利用吸力及吸咀內一具由馬達推動的旋轉震動刷進行清潔。吸塵刷的旋轉震動力能把地氈的絨毛撥開,令深藏在內的塵屑污垢鬆脫出來,把它吸起,是清理地氈的上好選擇。配備其他工具,還可作其他清潔用途。 ▲▼直立式設計便於收藏,比較慳地方。 吸力式吸塵機: 吸力式吸塵機馬達馬力較直立式大,單純靠強勁的吸力吸塵,有多種款式,如罐筒型、圓柱型、手攜型、壺型等,都附有一管長喉接駁一系列特別配件,以應付不同工作環境的需要。對於清理地板、傢具、簾帷輕軟細薄的織物墊套,效果較佳。 ▲▼吸力式算是最常見的類型,售價亦普遍較便宜。 手提式吸塵機: 手提式吸塵機的設計就是能夠無線使用,仍能方便使用者可以帶到其他地方使用,例如汽車。一般手提式吸塵機內附充電池,完成充電後便可使用,所以收集器的容易較小,整體重量亦較輕,多以塑膠製造為主。 ▲手提式吸塵機內置充電池,因此能夠無線使用,適合細小房間以及車廂環境。 生活中常見到的吸塵機,原來已蘊藏了很多STEM元素,只要多觀察、多分析及分思考就能學習當中的STEM原理,可見STEM早已與生活共存。 內容提供︰STEM Sir 刊載於 GRWTH app

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STEM教學之太陽能大眼蟲

在STEM教學裏面,經常強調學生要懂得認識及運用可再生能源,不過學校又不是大型發電廠,怎樣令學生能夠學習及應用得到?其實有一種可再生能源就是「遠在天邊,近在眼前」︰太陽能,大家每天一早起床都會出現在你面前。今次就分享透過製作太陽能大眼蟲,實際運用這種可再生能源。 太陽能電池的發電原理 由身邊的一切事物開始進行探索,就是STEM學習中培養學生建立觀察和自主學習的能力,由學習太陽能這種可再生能源就是一個好的開始。大家都知道太陽會給人們光和熱,能夠替人類照明和給予溫暖,因此只要懂得運用太陽能,就能夠替環境保護出一分力。 接著就是了解太陽能電池。它是一種經由太陽光照射後,把光能轉換成電能,這種現象稱為光伏效應。它是利用太陽光直接發電的光電半導體薄片,在半導體的材料加入硼可形成 P 型半導體,加入磷可形成 N 型半導體。 P和N兩型半導體結合後,當太陽光射入光電半導體薄片時,就會令半導體中的電子流動而產生電流。 太陽能大眼蟲的齒輪運用 明白了太陽能電池的製造和運作原理後,就可以著手製作太陽能大眼蟲,並用太陽能推動它。 太陽能電池的正極及負極分別與小型摩打連接,而摩打上裝有一個小型的8齒齒輪,與一個與8齒齒輪垂直的較大圓錐齒輪連接。當馬達轉動時,細齒輪推動大齒輪轉動,這樣不僅增加扭力,同時能夠改變力的運動方向。 大圓錐齒輪的身上的細齒輪與另一大齒輪連接,而另一大齒輪身上的細齒輪,又與其他的大齒輪連接,組成一連串的齒輪組,這樣組合的齒輪組能夠使馬達的扭動力和轉速提升,增加了小型馬達的效能。 利用旋轉小腳協助前進 太陽能大眼蟲由五個齒輪連接,當中一個齒輪向順時針方向轉動時,連接著的另一個齒輪會以相反方向轉動,而大眼蟲小腳分別安裝在第一、第三及第五個齒輪的中軸上,就是要確保大眼蟲的腳是向同一方向轉移。 每個齒輪上的每組腳會有三隻小腳,而腳上套了小鞋,形成一個旋轉對稱圖形,在每組腳旋轉一周就會有三隻小腳上的鞋與地面接觸。當鞋與地面接觸時會產生摩擦力,令大眼蟲向前移動。 燈光對大眼蟲的影響 太陽能電池很受光線強弱的影響,陰天的光線,不足以令光電半導體薄片產生電子,在沒有電流產生的情況下,小型馬達轉動亦不能轉動。 在室內的環境下,可以利用鎢絲燈泡的電筒照射太陽能電池,光電半導體薄片產生足夠的電子電流,並推動小型馬達。 當然在陽光充足的情況下,太陽光照射太陽能電池令光電半導體薄片能夠產生更多的電子,電流足以令小型摩打轉動更快。 我們可以利用光照射手掌產生的影子來判斷陽光是否充足,如果能夠清楚看到手掌影子的邊緣線條就代表陽光充足,假若手掌影子的邊緣線條模糊就表示陽光不足,太陽能大眼蟲可能移動緩慢或不能移動。 玩具不單只是小朋友玩樂的工具,而且也可以是學習的工具,從玩樂中進行學習有助小朋友增強聯想及應用知識的能力。 文章來源:STEM Sir 刊載於 GRWTH app

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STEM應用之小小天文台工程

香港天文台每時每刻在不同地區,收集有關天文的不同數據,對天氣變化進行觀察、分析及預測,把資料整合後就向市民發放天氣報告,供大眾安排戶外活動時作參考之用。一切均關乎複雜的科學數據,但其實大家可以透過在 STEM 課堂裡所學到的知識,自己動手搭建一個小小天文台! 天氣數據由多項元素組成 在動手自設小小天文台之前,有必要了解天氣數據是甚麼一回事。天文台一般會收集的當地天氣數據包括:溫度、濕度、風速、光度及水位等資訊。 溫度是表示物體冷熱程度的物理量,溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量,而量度物體溫度數值的標尺叫溫標,常用的有攝氏溫標(°C)和華氏溫標(°F)。 ▲天文台最基本收集溫度、濕度、風速、光度數據。 濕度是空氣中水蒸氣的含量,會以百分比(%)作為單位。不過要留意天氣報告以至天文台,同樣會用「相對濕度(Relative Humidity)」。原因是氣溫不同,濕度也有異。在當前的氣溫之下,空氣裏的水分含量達至飽和,相對濕度就是100%。 風速是指空氣相對於某一固定地點的運動速率,量度單位會以米每秒(m/s)或公里每小時(km/h)。光度也指發光強度,即表示光源給定方向上單位立體角內發光強弱程度的物理量,單位為燭光(cd)。 天氣數據有什麼用途? 不同的天氣數據一直影響我們的日常生活,最明顯亦最易理解就是溫度數據,它會影響大家出外時選擇穿著什麼衣服,在溫度高的天氣下就會選擇短袖或質料較薄的服裝,而在溫度低的天氣下就會選擇長袖或質料較厚的服裝。 至於在濕度高的天氣下,會影響衣服晾乾的速度,換言之要花較多時間才能晾乾。相反在濕度較低的環境下,衣服晾乾的時間較短。另外在濕度高的環境下,細菌也會變得容易滋生,有呼吸系統疾病的人就儘量減少外出。 至於更詳細而複雜的天氣數據,甚至預測到熱帶氣旋襲港的移動路徑,可讓市民做好預防措施及更改活動安排。 收集天氣數據的不同工具 收集天氣數據需要不同的工具,例如量度溫度會利用溫度計,量度濕度就要使用濕度計,以於測量風速要用風速計,而量度光度就需要用到測光儀,量度水位則利用量杯。 ▲濕度計用以量度濕度。部分熱愛攝影的朋友,經常配備附有濕度計的鏡頭/機身儲存櫃。 ▲相信大家對溫度計不會感到陌生。 ▲一般來講,風速計在家居環境較少見。 ▲與風速計差不多,測光儀亦比較少見於家居環境。 自製小型天文台 明白了天氣預測所需要的元素,我們就可以著手以 STEM 知識,自己動手搭建一個小小天文台。材料包括溫度濕度感應器、光度感應器、紅外線感應器及水位高度感應器接駁ObjectBlocks、Arduin的電路板。 ▲▼ObjectBlocks電路板。 小型天文台更裝有不同的馬達伺服器,負責控制轉動板顯示實時狀態,加上安裝了電子顯示屏實時顯示溫度和濕度的數據。 ▲溫度/濕度感應器。 ▲光度感應器。 ▲風速就用紅外線感應器偵測。 ▲水位高度感應器,配合一個杯就可以量度水位高度及雨量。 連接了不同顏色的LED,再配合編程就能顯示不同程度的風速。與此同時,電路板又能把不同時段的數據收集並傳送上雲端,令小型天文台能夠在課堂中展示及用於教學。 ▲▼透過編程,可以令不同顏色的LED,顯示風速強弱。 ▲數字顯示小小天文台所在地氣溫。 由於能夠利用雲端收集天氣數據,只要在學校不同位置放置小型天文台,進行天氣數據的收集,學生就能夠利用學校大數據進行分析,利用物聯網及智能家居的概念控制不同電器的使用時間,有助替學校想出不同的節能方案。 ▲可以見到擺放在不同的環境,氣溫也有異。 ▲整個製成品就是這個模樣,只要活用STEM裡所學到的知識,實在不難製作。 利用小型天文台培育學生建立整合數據資源的能力,除了能夠學習課堂書本中的知識外,又能動手做接駁不同感應器、電腦板及其他輸出裝置,再配合編程,正是鍛鍊學生建構「超架構組織」的能力以應付未來工作需要。 內容提供︰STEM Sir 刊載於 GRWTH app

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