人人都講STEM,唔通個個都識STEM?

近幾年來,家長都應該聽過不少和STEM或者STE(A)M有關的產品和服務,但究竟有多少家長了解STEM是什麼呢?是不是買套機器人玩具給孩子就是STEM教育呢? 其實,STEM曾經叫作SMET,是美國的 National Science Foundation(NSF) 提出來代表由 Science、Math、Engineering和Technology等學科或相關課程衍生出來的工作職位類型,像機械工程師、化學家、電腦程序員等等,都屬於STEM相關的工種。SMET則在2001年重新排列成STEM,至於STE(A)M, ST(R)E(A)M等等,則可視為STEM的變化版本。 STEM School的8個元素 至於STEM教育,其實現時還未有一個非常統一的定義,不少人誤將STEM教育理解為四個科目,這顯然是錯的。實行STEM教育的時候,該四個科目的知識當然不可或缺,但若以為像從前硬背死記四個科目的知識便等於實行了STEM教育,卻明顯不足。 由芝加哥大學的 Dr.Jeanne Century 所帶領的團隊進行了一項調查,調查目標是看看標榜自己為STEM School的學校究竟和傳統學校有什麼不同。團隊發現不少STEM School都指出STEM並不是四個科目,而這些學校通常擁有8個元素,分別為: Problem-Based Learning Rigorous Learning Personalization of Learning Career, Technology & Life Skills School Community and Belonging External Community Staff Foundations Essentials Factors 從筆者來看,STEM學校並不是刻意授予科學、數學、工程和科技等知識,而是去創造出一個優質教育的環境,讓學生有更多機會接觸和體驗STEM相關的事物。以STEM作解難既然STEM教育並未有很清楚的定義,那麼作為今天的師長和家長,又應如何理解STEM呢?筆者綜合不同學者的見解,認為STEM指的是四個不同概念: Science discovery (科學探索) – 例:發現水受熱後變成蒸氣,蒸氣是高温的。 Technology application (科技應用) – 例:既然蒸氣是高温的,可以用來煮食。 Engineering process (工序)| – 例:用什麼工具、跟從什麼步驟來安全運用蒸氣,作為煮食用途。 Mathematical analysis (數學分析) – 例:收集數據,以統計學分析如何更有效運用蒸氣,以煮出更美味的食物。 再運用以上四個概念去處理問題、解決疑難,就是STEM。簡而言之,孩子要學的是一套「以邏輯基礎運用科學知識去解決問題」的解難技巧(Problem solving skill)。 Photo by Markus Spiske temporausch.com 在STEM教育上,我們應該為孩子準備什麼? 筆者認為,作為老師和家長首先要拋開高科技玩具即等同STEM學習的誤解。讓孩子擁有一台昂貴的機械人,並不等同你給予了他高質的STEM教育。 筆者相信,你讓孩子以買機械人時附送的流動電話程式來控制機械人移動,從當中所學到的,並不會比買一輛便宜的遙控車多,更加比你容許孩子把遙控車和遙控器解體再組裝來得少。一些學校會購買3D打印機,但其實最終和讓孩子學了小畫家,再用打印機將圖像打印出來沒有太大分別。以3D打印來學習STEM的精髓,在於讓學生自行設計一件需要由多個配件組裝而成的物件,再由學生將所有配件以3D打印技術製造出來後組裝。然而,香港有多少間學校的老師有如此能力指導學生,同時又非常熟識3D打印機的應用程式呢?筆者對此表示質疑,需知這種設計技術連對畫圖程式的認知,即使在大學,也需教授好幾個學期才達至初階,而且還未計及提升畫圖程式熟練度的練習。所以在當前香港的教育環境下,老師和學生是否有足夠時間,可以好好運用3D打印機來實現STEM教育呢? 筆者看過不少學校有關3D打印的展品,即使是中學,一般也只能做到整件打印。說白了,即使是能繪畫出較複雜的作品,也只是該學生對應用程式上較熟練而已,對STEM學習幫助不大。其實多年來教育界在3D打印上的誤點還有很多,筆者有機會再另行撰文詳述,但肯定的是,若學校或家長希望運用3D打印技術來進行STEM教育,請勿低估其時間投放。 Photo by mintchipdesigns 切忌填鴨,開心學習至上 學校和家長可按照孩子的不同年紀,因材施教。像小學生,應該先集中在以輕鬆愉快的方法去吸收更多和科學有關的知識,先以科學探索(Science Discovery)為目標。多參與跟科學相關的活動,培養其對科學的興趣,切忌以填鴨式進行,避免孩子對科學失去興趣。 待孩子大一點,基本的數理知識鞏固了,就應該進行更多具解難的活動,例如拯救枯萎植物、如何讓紙飛機飛得遠一點等等。這些活動在擁有基礎數理知識後會好玩得多、學得更多,再加上在小學年代培養出來的探索精神和觀察力,自然可以提升其科學解難的能力。 至於給予小學生的玩具和服務,筆者建議不用花太多,一些遊戲軟件、積木、四驅車、磁石指南針組合、摺紙、滑翔機、桌上遊戲、參觀科學館、參觀污水處理廠等等,按照使用方式和講解方式已經有不俗的效果。家長付款的時候可要多考慮「孩子如何玩」、「孩子會否感到好玩」(請緊記,不是作為家長的你認為好玩),而非單單看上去高科技。那麼,大家就不會再浪費金錢在高科技但無效果的產品上了。 內容提供:STEM City 刊載於︰GRWTH app

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自動洗碗碟機的STEM元素

天寒地凍最怕做的家務就是洗碗,凍水洗就令手冷冰冰,暖水洗又怕電費貴,配戴膠手套洗完後雙手又有膠味,自動洗碗碟的發明就可以解決以上問題。這個冬天裡面洗碗的好幫手,其實蘊含豐富的STEM元素。 從工商用途到大眾家中 傳統的洗碗碟機的機身身型龐大,用水量大,未必適合一般家庭使用,加上亦需要使用指定碗碟方可使用,加上價格亦不便宜,故此未能普及化,過往亦僅限於工商業方面使用。 新款設計的自動洗碗碟機的整體設計就有考慮到現代家庭的廚房需要,體積一定要夠纖細才能適合大眾使用。現代的自動洗碗碟機有兩種,一種是接駁式,另一種就是儲水式。 接駁式自動洗碗碟機像洗衣機一樣,需要接駁入水喉和排水喉後;儲水式自動洗碗碟機設有儲水箱,不用接駁水喉也可使用。 自動洗碗碟機的工作原理 大部分自動洗碗碟機的設計參照了自動旋轉澆水花灑的設計原理,在底部設有旋轉式噴嘴,讓水能夠由下而上旋轉式噴水,有助增加與碗碟面的接觸範圍,加上噴嘴口的出水位較細,亦會加強噴水力,以達用水高速沖刷碗碟表面的清潔效果。 有些自動洗碗碟機更設有雙獨立旋轉噴嘴,能夠加大噴水範圍,有助帶來更全面洗淨效果。 利用高溫清洗油脂污漬 自動洗碗碟機在洗滌過程中會以攝氏70度高溫進行清洗,水本身有一個特性,就是當水溫達到45度時,它的中活性物質就開始發揮效能,有助分解油脂和污垢,使用者更可以加入自動洗碗碟機的專用洗碗碟粉劑,就能夠與餐具中油脂起良好的鹼性皂化反映,使油脂和污垢更容易脫離餐具。攝氏70度高溫有效洗脫洗碗餐具上的有害病菌,達到清潔與除菌的雙重效果。 水柱運用了作用力與反作用力 大部分新款的自動洗碗碟機的旋轉式噴出的強力高壓水柱噴射到機內的每一個內壁,都會因為作用力與反作用力,即牛頓力學的第三定律,內壁會給予水柱產生反作用力令水反彈至碗碟及餐具上。 同時,自動洗碗碟機在洗滌過程中的水會循環使用,能夠節省用水。如果自動洗碗碟機在整個洗碗碟的過程中需要使用9公升水,一般會利用一半即9/2=4.5公升的水作第一階段混合洗碗碟粉劑進行去除油脂和污垢。餘下的4.5公升的水會用作過水清潔的第二階段,以清除碗碟餐具上餘下的洗碗碟粉劑之用。 靈活運用感應裝置 自動洗碗碟機內設有微型電腦,管理不同的感應裝置,分別是:開關感應器、水量感應裝置、過熱保護裝置及泡沫防溢裝置,它們各有不同的功能,例如:開關感應裝置是要確保機門正確關閉後才開始操作,以防漏水;水量感應裝置就負責確保到達安全水位才進行加熱,以防空燒損壞機件;過熱保護裝置能感應水溫,防止過熱而損毀餐具;泡沫防溢裝置能防止洗滌劑產生的泡沫溢出機外。 化身成小型儲碗碟櫃 自動洗碗碟機完成清洗程序後,可以讓用家自助選擇乾碗功能,乾碗功能開啟後,洗碗碟機內會加熱烘乾碗碟及餐具,過程中以熱力和脫水進行消毒。完成乾碗過程後,機內理應是無菌狀態,所以碗碟及餐具可以繼續存放在自動洗碗碟機內,到下用碗碟時才打開取出,十分方便。 自動洗碗碟機對飲食業界來說是一項很偉大的發明,有助解決請不到清潔工的問題,但是家用式的洗碗碟機就不合他們的需求,要清潔大量的碗碟餐具需要更大的洗碗碟機。 但有多少間餐廳會有足夠的空間放置大型的洗碗碟機呢?正因為有此問題,就有代洗碗碟餐具的公司出現,他們一般會租用工廠大廈並添置大型的洗碗碟機,為食肆提供洗碗碟餐具兼運送服務。可見新科技的出現可能會取代某些職位,又有機會創造新的行業。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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不會融化的雪糕之謎

大家一聽到雪糕就會聯想到夏天,在炎熱的天氣下食雪糕簡直是一件樂事,可是每次食雪糕都要與時間競賽,不能慢慢品嚐,因為雪糕會因周邊溫度的相差而融化,最後會變成液態,如有雪糕是不會融化,你說有多好?不過是否真的有不會融化的雪糕嗎?筆者可以解答大家︰有! 雪糕的製成方法 要知道不會融化的雪糕是怎樣製成,需先了解一般雪糕的製作方法。首先是把牛奶、牛油、奶油等乳脂肪與砂糖、香料和水混合加熱攪拌,過程中令油脂成分變得更細緻,同時會打入適量的空氣進行乳化增加口感,之後利用高溫殺菌,殺死對人類有害或令食物變壞的細菌。 完成後會以0至5度進行冷卻及熟成,利用高速旋轉機把料理冷凍使當中的水分結成冰晶,最近用零下30度的強風令所有水分凍結變成雪糕。 為何雪糕遇熱就融 雪糕之所以會融化是因為它的材料和製作過程運用了冷凍的方式把當中的水分結成冰而製成,當冰遇熱或在室溫之下,材料中的空氣和水分會吸引外界的熱力令空降粒子和水分水增加能量活動,空氣和膨脹而驅使水分子由固態的冰變成液態,造成融化現象。 由此可以知道令雪糕融化的主要「元凶」就是空氣和水,如果能夠把雪糕內大部分的水分取走,那麼會製造出不會融化的雪糕。 不會融化的太空雪糕 關鍵在於脫水 在眾多的太空人食品中,太空雪糕就是一種不會融化的脫水雪糕,它是透過高度真空凍乾燥技術來去除雪糕內98%的水分。那麼什麼是「高度真空凍乾燥技術」呢? 高度真空凍乾燥技術的原理是先把含水物料預先凍結到其共晶點溫度以下(約零下30度),使其內部水分完全凍結為冰,然後在真空條件下使冰直接升華為水蒸氣。 再用真空系統的捕水器或者製冷系統的水氣凝結器將水蒸氣冷凝,從而獲得乾製品。凍乾技術是真空技術與冷凍技術相結合,從而成為一種可以明顯提高乾製品質量的乾燥脫水技術。有些蔬果乾片也有運用了凍乾技術來把食物進行乾燥脫水,延長食物的保存期。 由於在近乎是脫水狀態,故此不容易讓細菌在太空雪糕內生存,所以太空雪糕的保存期可高達三年,更不需要放在冰箱裏,在製作過程中完全不用添加任何防腐劑以及對人體有害物質,可算是一款健康食品。 普通雪糕與太空雪糕的異同 太空雪糕的成份和普通雪糕的成份大致相同,差別就在於雪糕製成後利用了高度真空凍乾燥技術,只是把雪糕內的水分抽走,所以會保留了與普通雪糕原有濃烈的香味。 然而太空雪糕內因為沒有水分和空氣,裡面的材料粒子就變硬,令太空雪糕就失去了原來雪糕應有綿軟的口感,而變得像餅乾一樣,變得又乾又脆…… 其他太空食物 大部分太空人所進食的食物都要替他們提供能量和營養,還要考慮到它們的保存期,同時太空人在太空艙的空間有限,沒有放置食品殘屑的空間,食物包裝又要輕和體積小,加上在太空烹煮亦有難度,能夠一開即食較為方便。 在太空進食沒有味道的原因 值得一提是太空人在太空進食需要面對很多問題,首先在缺乏重力的環境下,身體中的體液流動方式會和平常在地球上的不同,臉部可能會因多餘的液體而腫脹起來,有機會造成鼻塞,令太空人像患上了感冒似的無法嗅出食物的香氣,使太空中的食物變得沒有味道。再加上太空餐不能有多鹽,因為若在太空中攝取高量的鹽,會造成身體水分滯留及其他健康問題,由此可見太空食物較沒有鹹味。 要當一位太空人真是一項不容易的事,食雪糕是要享受那種軟棉棉如冰凍雪花的感覺,更要用鼻子嗅嗅雪糕的香味才算是享受,變成了太空雪糕後就失去了原來的享受,可見做太空人就失去了享受食物的機會,所以大家要好好珍惜食物。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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暗記螢光筆令文字消失的秘密

學生們和家長們角力的日子是無間斷的,父母不停催促子女溫習,因為每年都有大大限小小各中、小學的考試月,同學們是要為應付學期終考試而努力,父母和子女都是多麼辛苦呀! 大家在讀書溫習的時候,都會利用紅色原子筆或不同顏色的螢光筆在課業上或筆記上把重點畫上記號,以提示自己在重溫的時候要特別留意,但有時候又會不適當地使用結果令課業或筆記變得眼花撩亂,影響溫習效能。故此,同學應該要先學懂如何把重點文字或段落進行標記才能有助提高溫習的效能。 暗記螢光筆的設計 暗記螢光筆可能會成為同學溫習用的好工具,暗記螢光筆是一支擁有兩個筆頭的螢光筆,一個筆頭是有輕鬆標記重點的綠色螢光筆頭,而另一個筆頭是幫助記憶的橙色筆頭。 另外,有很多時螢光筆所用的墨水都會容易沾到下一頁,又會把書本弄得很骯髒,但暗記螢光筆的綠色筆頭墨水經特殊設計,不會輕易印染讓墨水滲到下一頁,而且配有專用的退色筆,方便使用者消除綠色螢光標記之用。 紅色隱形墊板的設計 暗記螢光筆隨筆附上紅色隱形墊板,其實只是一塊普通的紅色透光膠片,只要用暗記螢光筆寫下必考重點後,再蓋上紅色透光膠片便能輕鬆隱藏字跡,幫助學生輕鬆複習考試重點。 紅色隱形墊板加入了簡單的梯形三邊開口位,造出一個防掉落固定夾設計,方便同學把紅色隱形墊板夾在書上,又可作書籤用途。 暗記螢光筆就是利用了顔色組合及光學原理來替學生在溫習的時候增加趣味性,同時又能協助使用者提高記憶力。 暗記螢光筆使用方法 暗記螢光筆能夠把文字隱藏起來,使用方式有兩種,第一種就是利用綠色螢光筆部分在課業內所印製的重點文字進行間畫標記,被間畫標記的文字仍然可見,但利用紅色透光膠片把課業內容覆蓋,在紅色透光膠片上可以見到文字內容,但被綠色螢光筆間畫的部分就會被遮蓋,見不到重點文字。 第二種使文字消失的方法就是利用橙色螢光筆填寫問題的答案後,再利用紅色透光膠片把問題覆蓋,在紅色透光膠片上能夠見到間題,但利用橙色螢光筆所填寫的答案在紅色透光膠片上沒有顯示出來。 究竟為何文字會消失呢? 第一種被綠色螢光筆標記的文字之所以消失是因為文字本身是黑色,被綠色螢光筆間畫後的文字會被綠色包圍,根據顏料顔色混合法,當紅色顔色和綠色顔色混合起來就會變成黑色,與文字的顔色相同,故此在紅色透光膠片上就看似文字被完全遮閉而消失。 而第二種令所填寫的文字消失的原因是橙色顔色與紅色的色系太近似,在紅色透光膠片下所有紅色色系的反射光都會被過濾視為與紅色透光膠片相同的顔色,所以橙色文字就看似消失了。 使用螢光筆的小心得 有系統的學習能讓學習變得更有效和更有趣味,利用螢光筆的不同顏色作出不同分類,以顏色來區分不同用途,與自己訂下使用顏色的規則,例如用「粉紅色」螢光筆來代表是「重要」或「必讀」,用「黄色」螢光筆代表「需要背的部分」,又用「綠色」螢光筆來代表「考試前速望」等,之後在溫習時便可以更有系統來,當場訂立了規則後就必要遵守所訂下的規則,待習慣了溫習規則就能事半功倍。 學懂以上的顏料顔色混合法,你還可以試用不同的半透顏色資料夾來製作自己獨特的暗記螢光筆溫習法。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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顯微鏡放大影像之謎

人類的眼睛之所以能夠看到物體的形狀、顏色和影像,是因為光線照射到物體反射後或光源所發出的光線進入眼睛,進入眼中的光線經過透光的角膜、虹膜、水晶體、和液態的玻璃體的折射成為影像落在視網膜上,再經過視神經把訊號傳送到腦海中。 水晶體與凸透鏡 眼睛中的水晶體的原理與凸透鏡的原理很相似,凸透鏡邊緣薄、中間厚,會有一個球面表面或兩面表面。凸透鏡主要對光起會聚作用,以折射成像,所成的像可以是倒立、縮小的實像; ▲倒立、等大的實像;倒立、放大的實像; ▲正立、放大的虛像。像出現的位置隨物體至凸透鏡的距離而變。 放大鏡的原理 根據凸透鏡光的折射原理,物體放在凸透鏡的一倍焦點距離內的位置,就能夠產生一個正立和放大的虛像,所以放大鏡就是一個短焦距的凸透鏡,在相同物距的情況下,短焦距的凸透鏡放大倍數高,所以當我們把放大鏡靠近物體時,就能夠透過鏡中看到被放大的影像。 顯微鏡的結構 放大鏡能夠把物體的影像放大,如果再把另一把放大鏡放在被放大的虛像上,能否把被放大的虛像再次放大? 顯微鏡的運作結構就是利用兩組凸透鏡組成,分別是靠近眼鏡的稱為「目鏡」,而靠近被觀察的物體的稱為「物鏡」。 顯微鏡樣本片會放置在載物台上,然後把物鏡對着樣本片,當光源照射樣本片,樣本片物體的光會通過物鏡,形成一個放大及倒立的實像,而目鏡就相當於放大鏡的功用,把由物鏡所形成的放實像再次放大,形成一個放大及正立的虛像。 顯微鏡的光源亮度對顯微鏡是會產生影響的,而大部分新款的顯微鏡都設有LED頂燈及底燈,讓使用者可自行調較光暗,能夠觀看透明或非透明的標本,加上顯微鏡台内置更設有濾光鏡,營造色差對比,讓標本一目了然。 而微調手輪而能讓觀察者微調載物台的高度,以便調整物鏡與的標本的距離,使影像更清晰。 顯微鏡中的數學 顯微鏡能夠把微小不可見或難見物品之影像放大,是能夠讓我們利用眼睛觀察極微小的物件的光學儀器,顯微鏡的放大倍率和清晰度對顯微鏡是非常重要,在目鏡和物鏡身上都會刻有一些數值,例如:4x、10x、12x或120x,這又是什麼來的? 顯微鏡的調整倍率,又叫放大倍率,就是相等於:目鏡倍率 x 物鏡倍率,假如目鏡倍率是 10x,而物鏡倍率是 120x,顯微鏡的放大倍率就是 10 x 120 = 1200 倍。 目鏡的鏡頭愈長、倍率愈低;目鏡的鏡頭愈短、倍率愈高。而物鏡的鏡頭愈長、倍率愈高;物鏡的鏡頭愈短、倍率愈高。顯微鏡就是利用目鏡和物鏡的倍率組合來改變顯微鏡的放大倍率。 顯微鏡與智能手機的配合 新型設計的顯微鏡更可以接駁智慧型電話轉接器,可以在目鏡位置放置智慧型電話,可以進行攝影機拍照或錄影,更方者觀察者把標本影像以作分享或傳送之用,更可以利用智慧型電話的放大功能,有助增加影像的放大率。 顯微鏡在STEM學習中依然扮演着一個很重要的角色,就是要培育學生的觀察能力,視藝老師更可以利用顯微鏡配合視覺藝術的課堂中,以觀察微小世界的美進行藝術創作,成為科學中的藝術。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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菠蘿削皮機 蘊含豐富STEM元素

夏天到了,又甜、多肉、多汁的水果是很受大眾歡迎,而菠蘿就是其中一種,可是在家要打開一個新鮮菠蘿就不是一件容易的事,用刀削皮和「起釘」就花不少氣力。因此大家會想到超市甚至食品加工廠的菠蘿削皮機。不過這款機械,其實蘊含不少STEM元素在內。 認識菠蘿的結構︰難以削皮起釘之謎 菠蘿頂部長有菠蘿葉,外層有凹凸不平的硬厚皮包著菠蘿的果肉,果肉富有豐富的膳食纖維和汁液,而菠蘿果肉的中央是肉質纖維較密、較硬和堅韌度高的果芯,難以用牙齒咬爛,所以最常被食用的部分就只是多汁的果肉。 傳統取出菠蘿肉的方法 要替菠蘿進行削皮,最好的方法就是先把原個菠蘿的頂部和底部切除,形成一個圓柱體的狀態,然後利用刀沿着圓柱菠蘿的曲面外皮逐一削走,再把菠蘿切件和切走較硬的果芯才能把菠蘿肉取出。 手動菠蘿削皮器 結構簡單卻實用 手動菠蘿削皮器工具的出現,有助大家在家中簡單地把菠蘿起肉,手動菠蘿削皮器的外型設計極之簡單,只是一個手柄連接著一個不鏽鋼中空圓柱筒,圓柱筒的底部設有鋸齒,外圍有一片中空不鏽鋼的開邊圓形面,開邊位置以一高一低的形式接駁,形成一個螺旋斜面,外圈高低部分亦有垂直的三角形面,三角形的斜邊亦設有鋸齒。 在使用手動菠蘿削皮器前同樣要先把菠蘿頂部打橫切除,然後把手動菠蘿削皮器垂直放在菠蘿頂部,位置要較接近中央圓心,稍向下用力把圓柱筒刀體以順時針方向旋轉鑽入菠蘿內,一直削至底部。 把工具往上提起就能夠把整個菠蘿肉抽出與果皮分離,按下手柄下的兩個黑色按鈕便可以把手柄和刀體分拆,這樣就能夠完整地取下菠蘿果肉。 在旋轉螺旋斜面的過程中,原來經已把菠蘿肉切的厚度一致的菠蘿片,同時菠蘿芯也被中空圓柱筒切出,極為方便。 自動菠蘿削皮機 系統化運作 近日在各大型超市有巡迴的方式放置了一台自動菠蘿削皮機,只要放入完整的菠蘿,再按下按鈕,短短三四秒就把菠蘿削皮、起肉及入盒,是個極速取菠蘿肉神器。 自動菠蘿削皮機的削皮程序極為簡單,只有三個步驟,分別是: 步驟一:放入菠蘿 步驟二:放入盒子 步驟三:按開始按鈕 當按下開始按鈕後的菠蘿會沿半圓路軌送至後方,路程中裝有上下平行的刀把,當菠蘿路經時就能同時把菠蘿的頂部及底部切除,然後被送入後方的削皮台上固定位置。 第二個步驟是削皮台上裝有一把圓柱筒刀,圓柱筒刀內的刀有固定造型,圓柱筒刀垂直向下切入果肉,把菠蘿皮和菠蘿芯削走,同時把菠蘿肉切成八件並推入收集筒內。 第三個步驟就是把盛載有菠蘿肉的收集箱轉至出口已放置空置的食物盒位置,然後打開底部,菠蘿肉就會跌落食物盒內。 任何一種自動機器的設計理念都是建基於一些特定恆常的工作順序,再簡化步驟及優化工序,把機器活動空間減至最小,就有助研發出既方便又受大眾歡迎的產品。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app

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磁浮列車與STEM

首次在上海浦東國際機場乘坐磁浮列車(Magnetic Levitation Train;一般稱為 Maglev Train)往市區,沒想到何其極快,比乘坐地鐵往市區足足快半小時,極之舒適、方便、快捷!不過大家又是否知道,磁浮列車的科學原理,其實可以是STEM的教材? ▲上海磁浮列車(Shanghai Maglev Train;SMT) 磁鐵的特性 磁鐵是一種能夠產生磁場的物體,同時又能夠吸引一些有鐵磁性的物質,例如:鐵、鎳及鈷等金屬。而磁鐵上的磁極判定,可以利用細線懸掛磁鐵,指向北方的磁極稱爲「指北極」,又會以英文字母「N」來表示;指向南方的磁極就稱為「指南極」,用來英文字母「S」表示。磁鐵異極則相吸,同極則排斥。意思是指南極會與指北極相吸,而指南極與指南極相斥或指北極與指北極相斥。 ▲▼磁浮列車採用磁鐵的「異極相吸、同極相斥」原理推進。 磁鐵附近會有磁場産生,可以利用磁力線來以形象地描繪磁場分布。磁力線總是從 N 極出發,進入與其最鄰近的 S 極並形成,而在磁鐵內部的磁力線就是由 S 極到 N 極。 從磁浮列車玩具分析原理 磁鐵的應用範圍很廣泛,小型的有開合用的鈕扣、櫃門和馬達,大型的就有磁浮列車。 ▲即使是玩具列車,科學原理仍然是一樣。 而當中的磁浮列車就不斷運用「同極相斥,異極相吸」的磁鐵特性來令列車運作。就以磁浮列車玩具來作基本的解說,要令磁浮列車玩具懸浮在半空,在列車的的底部和懸浮軌道上裝有同極的磁鐵,利用同極相斥的原理令列車浮起。 磁浮列車的車身上裝有一組 N 極的電磁鐵,前後位置被兩個 S 極的永久磁鐵隔夾著,而在推進軌道的外圍就安裝了間段連續的 N 極和 S 極的永久磁鐵作為導引用的磁鐵。 ▲玩具列車和路軌,同樣按照真車的設計原理,安裝了相應的磁鐵。 ▲N / S 兩極磁場,形成「前吸 / 後推」現象,列車就可沿著導軌前進。 當電流流經過列車車身上的電磁鐵時,會產生一個N 極磁場,於是列車會與推進軌道外圍磁鐵的異極間產生一股吸力,而遇到推進軌道外圍磁鐵的同極所產生的排斥力,列車就能藉著前吸後推的動作使磁浮列車玩具前進。 上海磁浮列車設計與運作 上海磁浮列車(SMT)的運作原理亦與列車玩具差不多,只是SMT利用電磁鐵產生吸引力令車輛浮起,同時軌道是以「T」字形導軌設計,列車的兩側下部向導軌的兩邊環抱,以防止磁浮列車在高速行駛時脫離軌道。 ▲磁浮列車玩具仍需要旁邊的支撐,與現實的SMT有點不同。 ▲SMT的導軌和列車結構,可見與玩具磁浮列車有異。 磁浮列車的無接觸懸浮和導向系統是根據電磁吸引原理工作,懸浮磁鐵從下方將列車向上吸向軌道,導向磁鐵則在側向保證列車的行駛軌跡,列車從頭到尾都安裝著懸浮磁鐵和導向磁鐵。而安裝在軌道上的長定子是用來替列車進行供電。 ▲值得留意導軌中央部分的強力懸浮磁鐵,是它們令列車浮起的主力。 在列車車卡下部的內翻部分面上裝有磁力強大的電磁鐵,導軌底部設有鋼板。鋼板在上,電磁鐵在下。當電流流經電磁鐵上的金屬線圈時,能產生磁力吸引鋼板,因而令列車浮起。 ▲▼簡單來講,導軌的「導向磁鐵」用作引導列車前進、「懸浮磁鐵」則令列車浮起。 當吸引力與列車重力平衡,列車就可懸浮在導軌上方的一定高度上。只要改變電流,就能夠改變磁感應強度,使懸浮的高度得到調整。由於列車被浮起,就不會和軌道產生摩擦力,亦解釋到為何磁浮列車比傳統輪式列車有更高速度。 磁浮列車與數學 明白了磁浮列車的原理,現在不妨透過數學計算,了解一下磁浮列車究竟有多快。 ▲SMT來往上海浦東國際機場及龍陽路站(接駁上海地鐵)。 題目1︰磁浮列車以300公里每小時的車速由浦東國際機場站前往龍陽路站,約需6分鐘,問磁浮列車行駛了多少公里? 300 / 60 = 5公里每分鐘 5 x 6 = 30公里 即磁浮列車行駛了30公里。 ▲可以見到列車行駛速度在 301km/h,隨時比高鐵更快。 題目2︰磁浮列車在上午9時至10時45分,以及下午3時至3時45分,均以430公里每小時的車速行駛,問由機場前往市區需用約多少分鐘? 430 / 60 = 7.2公里每分鐘 30 / 7.2 = 4 分鐘 ▲SMT時間表。 不過若細心留意以上的行車時間表,可以發現由機場前往市區最快的兩個時段(即上午9時至10時45分,以及下午3時至3時45分),只需用約 4 分鐘的車程,但為何列車全程的實際所需要的時間不是4 分鐘,而是8分鐘呢? 這是因為以上計算是假設列車一開始的車速是固定,而列車實際行駛時是由靜止開始加速至指定時速,以及由指定時速減速到停止均需要時間。 ▲停泊於上海浦東國際機場站的SMT。 磁浮列車中還有很多不同的STEM元素,只要多思考、多聯想、多閱讀相關圖書及多進行相關實驗,就能繼續發掘很多不同的STEM應用。 內容提供︰STEM Sir 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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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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波波教授演講廳:創科教育:總有嘢啱你玩!

近年政府和商界力推「創新科技」,投入大量資金支持創科公司,創造了不少就業機會。可是,不少爸媽卻開始擔心,唯恐孩子在數理和電腦編程方面較弱,將來會被淘汰,攀不上創科業日新月異的要求。其實,爸媽不用過份擔心。每位孩子擁有獨特的強項和優點,無論是「文科型」、「商科型」或「藝術型」的孩子均可在創科業 發揮所長,擔任不同的崗位。 STEM教育建基於跨學科概念之上 創科業成功背後需要不同元素的支持,缺一不可。創科產品固然重要,但與投資者、未來客戶及生產伙伴的有效溝通和協調亦同樣重要。產品要吸引用家,設計便要既美觀獨特又實用可靠。同時在財務預算上,產品的製造成本和銷售額必須要具經濟效益。為產品申請專利或草議合作合約時,公司亦需要律師的專業參與。所以,創科公司不單會僱用科學家、工程師、電腦程式員等科技人才,還會聘請會計師、產品設計師、項目經理、律師等具不同才華的人員。舉例說,若要吸引投資者和買家支持,項目經理便要是一位口才了得的演講者,講起話來不但有趣動聽, 亦必須對產品背後的科技概念和研發故事瞭如指掌。 其實,STEM教育建基於跨學科概念之上,讓學生透過教學活動和各項挑戰而獲得4C能力,包括:Creativity (創意能力)、Critical thinking (明辨思維能力)、Collaboration (協作能力)及Communication (溝通能力)。這4C正是現今社會「通才」的必備條件,在各行各業也中用。 讓我藉着以下實例闡述STEM教育活動如何讓學生發展這4C能力。 STEM創作意念從關心社會出發 今年初夏,九龍灣聖若翰天主教小學舉行了大型的STEM硏習活動,讓六年級學生設計創科產品「家有一寶」來改善本港長者的生活素質,並走進社區進行服務學習活動。 同學先從互聯網上所得資料去了解本港人口老化的問題,探討長者日常生活面對的困難,初步設計 micro:bit 控制的電子產品來幫長者解決生活上的困難。學校又與「老有所醫」的醫護人員合作, 舉辦長者健康講座,邀請區內長者到校參與,讓長者和學生一起認識家居安全的須知。講座後同學分組與長者交談,運用草圖介紹「家有一寶」產品的設計理念及使用方法,搜集「用家們」的回饋,作改良設計之用。 長者善忘 設計小工具來協助尋找家中物品 獲得用家的寶貴意見後,學生再分組討論改良的方法, 運用「設計循環」 的概念來優化並製作產品。然後,再運用課堂時段,在校內向低年級同學介紹產品,讓他們試用並給予意見,從中練習推介產品的演說技巧。 同學想到長者比較善忘 ,希望設計一些小工具來協助他們尋找家中的物品。 在「老有所醫」的醫生講座中,長者告訴學生他們時常忘記拐杖放了在何處。 於是,學生便發揮創意去發明了一個特製貯存拐杖的箱子, 當長者把拐杖放在其中,箱子便會亮燈提醒長者拐杖就在箱子中啊! 同樣,學生利用 micro:bit 設計了會發光的鎖匙盒和會發光的拖鞋,來協助長者在夜間尋找它們。學生亦利用科技去提升家居安全,學生設計了感應器去提醒長者走火警和預防浴室洗手盆滿溢所引致的水浸及滑到意外等。 讓學生透過教學活動和各項挑戰而獲得4C能力 過程中,每組同學要合作(Collaboration)去建立不同產品意念(Creativity),比較不同設計的優劣(Critical thinking),找出最好方案及動手製作產品。之後,再進入社區和長者溝通(Communication),向長者介紹其產品的理念及用法,並聽取長者意見去進一步改良產品。 這為期約三個月的STEM教育活動,一方面能讓學生實踐關心社群。另一方面,學生能深深體會到與長者有效的溝通乃決定產品的成效之重要因素。各個研究小組成員要擔任不同角色如繪畫產品設計圖、編寫程式、產品硬件製作和美化、撰寫產品簡介和說明書、及推廣產品等,各組員要互相配合才能一起完成產品,惠及長者們。最後,學生的創意作品還吸引生產商把它們轉化成產品呢!可喜可賀! 學生發揮創意去發明了一個特製貯存拐杖的箱子, 當拐杖放在其中,箱子便會亮燈提醒長者它就在箱子裡。生產商亦把這創意作品轉化成產品(最左圖)。(九龍灣聖若翰天主教小學提供圖片) 學生亦利用 micro:bit 設計了感應器去提醒長者預防浴室洗手盆滿溢,避免水浸和滑到意外。學生向長者介紹產品的用法,和聽取他的意見去進一步改良產品。(九龍灣聖若翰天主教小學提供圖片)   延伸閱讀: 《教學有辦法﹕學生貼心小發明 改善長者生活》https://ol.mingpao.com/php/family3.php?nodeid=1529951253541&subcate=parentchild&issue=20180626

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