網絡虛擬奈米實驗室之建置與研究

.新竹教育大學信息科學研究所；.新竹教育大學應用科學系；.臺灣清華大學材料工程系 張智惠 唐文華 林志明 貝瑞祥 李紫原

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網絡虛擬奈米實驗室之建置與研究

1.新竹教育大學信息科學研究所；2.新竹教育大學應用科學系；3.臺灣清華大學材料工程系 張智惠1唐文華1林志明2貝瑞祥2李紫原3

本研究使用網絡和虛擬實境技術來設計一個學習奈米科技的虛擬實驗室，將原子力顯微鏡的操作和觀測奈米結構等教學活動融入中小學的自然與生活科技課程，讓學生可以透過網絡操作和體驗以增進對奈米科技的認識。虛擬奈米實驗室的使用不受時間與空間的限制，而3D視覺效果和高互動的設計方式可增進學生的興趣和學習效果，因此非常適合作為九年一貫自然與生活科技課程的輔助教學工具，對于推動臺灣奈米人才培育計劃有很大的幫助。由于原子力顯微鏡的價格昂貴，許多學生無法親自參與操作，本研究希望透過網絡將虛擬奈米實驗室加以推廣，使比較偏遠或無法實際操作原子力顯微鏡的學生，可利用虛擬奈米實驗室來增進對奈米科技的認識。

奈米科技 原子力顯微鏡 虛擬實境 情境式學習 虛擬奈米實驗室

0 緒論

近年來，奈米科技日新月異，其所涵蓋的領域相當廣泛，從基礎科學到其它各種領域的應用，例如：電子產業及生物科技等。奈米科技的突破與應用，帶來第四次全球的工業革命。費曼(Freedman, 1997)是全球第一位提出奈米理論的科學家，他于1959年在美國加州大學的物理學會中，以“底下還有廣大的空間”為題演講，并且提出可將大英百科全書寫在一個針尖上的觀念，為往后奈米科技的發展揭開序幕。經過十幾年的努力，科學家終于發現在奈米尺度下與傳統材料完全不同的特殊效應及現象。隨著奈米技術的發展，科學家研發出高性能的奈米材料并且應用在各項產業，奈米科技也逐漸受到各國的重視。

1 奈米科技計劃

臺灣科技主管部門于2002年開始推動奈米科技計劃，隔年開始執行奈米人才培育計劃，目的在培育臺灣未來的奈米人材，以促進奈米知識普及并提升臺灣的競爭力。近年來，臺灣為了推動奈米科技投入相當多的經費，希望能將奈米的觀念向下扎根，由下而上推廣至小學、初中、高中、職場訓練和終身學習，以培育臺灣的奈米科技人才。為了達成此目標，臺灣科技主管部門于2008年開始將奈米課程融入K-12的自然與生活課程，并透過標桿學校及種子教師出版許多輔助教材，使奈米知識轉換成學生感興趣的題材。

奈米科技是以1至100奈米之間為單位，進而操作、控制物質的結構，并加以活用的技術總稱 (蔡信行、孫光中，2004；榊裕之，2009)。奈米科技之所以能快速發展，其量測工具的發明為主要原因。人類肉眼所能看到最小的東西大約為0.1毫米，為了觀測更細微的物質(例如：生物細胞)，科學家發明了光學顯微鏡，使人類對自然界的生物有更進一步的認識。由于光學顯微鏡只能用來觀察大于可見光波長的物質，對于接近原子的微小尺度，則必須找到比可見光的波長還短的光波，使光束能在原子間繞射成像以便觀察。科學家在1930年代成功地研發出電子顯微鏡，其主要原理與光學顯微鏡類似，而不同之處是以電子束代替可見光為光源(鄭天喆、姚福燕，2004)。

電子顯微鏡的最高辨識率可達0.1奈米，使科學家可以看到幾十奈米的病毒，它的發明對于人類探索微觀世界有很大幫助。電子顯微鏡雖然已經可以觀測到奈米級的物質，但是它的體積龐大、價格昂貴，而操作環境也有嚴格限制。掃描探針顯微鏡的發明解決了電子顯微鏡的嚴格限制，因此已成為目前觀測奈米的主要設備，也促使奈米科技的發展更向前躍進。基本上，掃描探針顯微鏡可分為掃描穿隧顯微鏡和原子力顯微鏡。

1981年，羅瑞(Rohrer)和賓尼(Binning)在瑞士蘇黎世的IBM公司研究實驗室共同發明掃描穿隧顯微鏡(盧永坤，2005)，其基本原理是利用量子力學的穿隧效應來量測物體表面的奈米結構。當顯微鏡的針尖和樣本表面非常接近時(約0.1奈米至1奈米)，電子會從一個電極穿隧至另一個電極而形成連續的電流，可用來量測探針的位移變化(汪島軍、馬仁宏、陳亙佑、蔡斯凱、林建智，2004)。掃描穿隧顯微鏡的技術可量測到原子尺度范圍，但它的探針及樣本都必須是導體，而且表面必須平整，因此在應用上受到一些限制。

針對這個問題，賓尼、奎特(Quate)和戈柏(Gerber)在1986年發明了原子力顯微鏡，它利用原子和原子之間的凡德瓦力(Van der Waals force)來判斷樣本表面的高低起伏，而且樣本不局限于導體，因此解決了穿隧顯微鏡在樣本上的限制。原子力顯微鏡具有下列優點(蔡毓楨等人，2007)：

● 使用探針進行量測而不是利用電子束，因此不會對樣本造成損壞。

● 可以在大氣的環境下進行量測，亦可在液相的環境下進行掃描，因此對于生物醫學的觀測有很大的幫助。

● 造價低于電子顯微鏡，且體積小、設計方便，也可與其它系統整合。

● 可量測出樣本的2D形貌，也可轉換成3D形貌進行樣本表面的觀測。

原子力顯微鏡的優點眾多，而且應用層面也非常廣泛，不僅可以觀測到原子及分子，還能進一步地操作它們，使人類可以深入了解微觀的世界。由于原子力顯微鏡的價格尚屬昂貴，一般人不易親自操作，本研究使用網絡和虛擬實境技術來建置一個虛擬奈米實驗室，將原子力顯微鏡的操作和觀測奈米結構等活動融入國中、小的自然與生活科技課程，讓使用者可以透過網絡親自操作和觀測以增進對奈米科技的認識，并藉由熟悉正確的操作步驟以維護真實設備的壽命，因此對于推動奈米計劃有很大的幫助。

虛擬實境是一種擬真、互動的技術，它藉由計算機或周邊設備來模擬真實世界(許美鈴、施仁忠，1997)。使用者在虛擬環境中可透過感官接收訊息，并與虛擬環境中的物件互動，因此可產生身歷其境的感覺。本研究使用虛擬實境技術來模擬原子力顯微鏡的操作過程，讓使用者透過擬真的情境來學習操作步驟及觀測奈米物質的表面結構，本研究希望藉由3D的視覺效果和高互動的設計方式來增進學生的學習興趣，并藉由情境式學習的方式來提升學習成效。

情境式學習是由布朗(Brown)等人(Brown, Collins & Duguid, 1989)所提出，它的定義是在真實或模擬的情況下，學習者與環境互動并藉由主動探索的方式來建構知識。情境式學習之目的是讓學習者在真實的情境中結合“做中學(learning while doing)”的活動進行學習。情境教學重視透過真實的活動讓學習者能夠反思，將抽象符號邏輯轉化為實用的知識。

本研究的虛擬奈米實驗室是根據情境式學習理論所建置的模擬環境，使用者可藉由主動探索及操作來學習奈米知識，并將所學應用在真實或虛擬的情境中。由于原子力顯微鏡的價格昂貴，許多學生無法親自參與操作，本研究希望將虛擬奈米實驗室透過網絡加以推廣，使無法實際操作原子力顯微鏡的學生，可透過虛擬奈米實驗室來增進對奈米科技的認識。

2 教學設計

本研究希望藉由虛擬奈米實驗室的推廣來增進使用者對原子力顯微鏡及奈米科技的認識。為了讓使用者能將奈米知識和自然界的奈米現象相結合，本研究在設計虛擬奈米實驗室的場景時，將實驗室與戶外采集樣本的場景結合在一起，讓使用者在戶外場景采集完具有奈米現象的生物樣本后，即可進入實驗室操作原子力顯微鏡觀察樣本的奈米結構，再從中學習到相關知識。在教學設計方面，研究者先與奈米課程的教師進行討論，再根據搜集到的各項資料進行教學內容分析，并利用虛擬實境技術來建置虛擬場景與實驗設備。本研究在設計“虛擬奈米實驗室”網站及奈米課程的教學單元時，先針對學習者背景和學習內容進行分析，再根據學習目標進行系統規劃與建置。

2.1 學習者分析

由于臺灣奈米人才培育計劃希望從小學開始栽培奈米人才，因此本研究將虛擬奈米實驗室的使用對象設定為小學高年級學生。本研究參考了翰林出版社的漢語及自然與生活科技書籍，進行奈米課程學習單元分析(表1)，并搭配黃佳媛)所制定的小學奈米科技研究的概念圖作為奈米課程的參考指標，此概念圖咨詢28位臺灣專家、學者的意見，其背景皆為整合初中、小學奈米課程及“奈米科技K-12人才培育計劃”的執行人員。

表1 奈米課程學習單元分析

2.2 學習內容分析

本研究歸納所收集的相關文獻及奈米概念圖，加上專家、學者意見后所整理的學習目標(表2)，以訂定學習奈米知識的教學活動內容。

表2 學習內容分析表

3 系統設計

本研究規劃的虛擬奈米實驗室，主要是透過3D交互式網頁來呈現虛擬奈米實驗室的場景與設備，以供使用者身歷其境的學習經驗。為使初中高年級學生對原子力顯微鏡的構造及操作原理有基本認識，本研究建置奈米實驗室的場景、設備以及戶外的蓮花池場景，其中虛擬原子力顯微鏡是參考真實的原子力顯微鏡所建置，并設計有操作與觀測功能，可讓使用者熟悉原子力顯微鏡的原理與操作步驟，以下就場景規劃與操作流程進行說明。

3.1 場景規劃

本研究總共規劃了三個場景：奈米教材展覽室、原子力顯微鏡實驗室、蓮花池。當使用者進入虛擬奈米實驗室網站時，首先出現的場景為奈米教材展覽室(圖1)，使用者可以瀏覽墻壁上的奈米教材，只要使用鼠標點選即可連到相關的教學網頁，并從中學習到奈米的相關知識。

圖1 虛擬奈米教材展覽室

第二個場景為原子力顯微鏡實驗室(圖2)，里面擺放了護目鏡、原子力顯微鏡、計算機及電子控制器。本實驗室主要是讓使用者練習原子力顯微鏡的正確操作步驟，以了解原子力顯微鏡的基本原理。

圖2 虛擬原子力顯微鏡實驗室

第三個場景為戶外蓮花池(圖3)，為了讓學生認識具有奈米特性的自然界生物，本場景可以讓使用者自行采集荷葉及蝴蝶樣本，采集完畢可至原子力顯微鏡實驗室親自掃描觀察，并學習相關的奈米知識。

圖3 戶外的蓮花池場景

3.2 操作流程

當使用者進入虛擬奈米實驗室時，系統會提供語音介紹及文字說明，教導使用者一些基本的操作步驟。使用者可以在導覽室自由點選墻壁上的奈米教材，或進入相關網站進行瀏覽。當使用者進入原子力顯微鏡實驗室時，必須先戴上護目鏡以避免眼睛暴露在紅外線或雷射光中造成不良的影響。有關原子力顯微鏡的操作流程說明如下：

(1)先以鼠標點選顯微鏡蓋子即會自動打開。

(2)點選電子控制器的開關，使顯微鏡出現雷射光打在光點接受器上，此為顯微鏡的位置感測部分。

(3)接著利用鼠標拖拉樣本至樣本臺上，當樣本接近樣本臺位置時會自動放置在樣本臺上。

(4)放置完樣本，使用者可點選探針并將它放置在正確的位置上。由于探針非常微小，為了避免樣本破壞探針，因此先放置好樣本再放置探針。

(5)當樣本和探針放置定位時，以鼠標點選蓋上顯微鏡的蓋子。

(6)掃描前先按下回饋控制，使電子控制器驅動掃描器，使樣本臺上升與探針接近。

(7)按下開始掃描，此時探針與樣本會產生交互作用，其微小的探針懸桿會有些微變化。當雷射光照在微小懸桿上時，光點接受器會將位置變化量送至電子控制器分析，以記錄其偏移量進而轉換為電的訊號，再反饋給X-Y-Z位移掃描器以掃描出樣本表面形貌，并將掃描出的2D影像顯示在計算機熒幕中。

(8)當掃描完畢時即可按下停止掃描，樣本臺會下降離開探針，并進行觀測此樣本的2D表面影像。

(9)觀測2D表面影像完畢后，即可按下3D模型，此時計算機會將掃描出來的3D模型顯示在熒幕中，當使用者點選熒幕中的3D模型，便可進一步觀看或利用方向鍵放大、縮小來操作觀測其表面。

(10)使用者觀測完畢即可按下退出。當使用者對于操作虛擬原子力顯微鏡流程有基本概念后，系統便會引導使用者至戶外采集荷葉及蝴蝶樣本，拿回實驗室進行觀測并學習相關的奈米知識。

4 結論與建議

隨著網絡及計算機的迅速發展，數位學習已成為人類獲取知識的重要途徑，而利用虛擬實境技術來設計教材也使傳統教學更具體化與生動化。教師可以從互動中啟發學習者的動機及意愿，并借以提升學習成效。虛擬奈米實驗室具有3D視覺效果和交互式使用者界面，可以彌補文字及2D影像的不足。

由教學實驗的結果可以發現，實驗組學生及控制組學生的學習成就皆有顯著的進步，而單因子共變量分析的結果顯示實驗組的進步幅度顯著高于控制組，因此可看出使用“虛擬奈米實驗室”具有較佳的學習成效。本研究根據實驗組學生的問卷調查結果，從“網頁內容”、“界面與設計”、“多媒體特性”及“實用與成效”等四方面分析使用者對“虛擬奈米實驗室”的看法。大多數學生認為操作虛擬奈米實驗室有助于對奈米的認識，而各項調查的結果都顯示大多數學生都給予不錯的評價。

致謝：

感謝臺灣科技主管部門計劃(NSC 100-2120-S-007-002-NM)的經費支持。

[1] 汪島軍, 馬仁宏, 陳亙佑, 蔡斯凱, 林建智. 原子力顯微鏡專利地圖及分析[M]. 臺北市：臺灣科技主管部門科學技術資料中心, 2004.

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[3] 黃佳媛. 小學奈米科技核心概念之研究[D]. 臺中教育大學科學應用與推廣系, 2001.

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[5] 蔡信行, 孫光中. 奈米科技導論基本原理及應用. 臺北縣, 2004.

[6] 蔡毓楨, 薛富盛, 呂福興, 吳宗明. 原子力顯微鏡實作訓練教材[M]. 臺北: 五南, 2007.

[7] 鄭天喆, 姚福燕. 深入淺出談奈米科技. 臺北, 2004.

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唐文華，新竹教育大學信息科學研究所教授。