STEM教學

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

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