网络虚拟奈米实验室之建置与研究

.新竹教育大学信息科学研究所；.新竹教育大学应用科学系；.台湾清华大学材料工程系 张智惠 唐文华 林志明 贝瑞祥 李紫原



网络虚拟奈米实验室之建置与研究

1.新竹教育大学信息科学研究所；2.新竹教育大学应用科学系；3.台湾清华大学材料工程系 张智惠1唐文华1林志明2贝瑞祥2李紫原3

本研究使用网络和虚拟实境技术来设计一个学习奈米科技的虚拟实验室，将原子力显微镜的操作和观测奈米结构等教学活动融入中小学的自然与生活科技课程，让学生可以透过网络操作和体验以增进对奈米科技的认识。虚拟奈米实验室的使用不受时间与空间的限制，而3D视觉效果和高互动的设计方式可增进学生的兴趣和学习效果，因此非常适合作为九年一贯自然与生活科技课程的辅助教学工具，对于推动台湾奈米人才培育计划有很大的帮助。由于原子力显微镜的价格昂贵，许多学生无法亲自参与操作，本研究希望透过网络将虚拟奈米实验室加以推广，使比较偏远或无法实际操作原子力显微镜的学生，可利用虚拟奈米实验室来增进对奈米科技的认识。

奈米科技 原子力显微镜 虚拟实境 情境式学习 虚拟奈米实验室

0 绪论

近年来，奈米科技日新月异，其所涵盖的领域相当广泛，从基础科学到其它各种领域的应用，例如：电子产业及生物科技等。奈米科技的突破与应用，带来第四次全球的工业革命。费曼(Freedman, 1997)是全球第一位提出奈米理论的科学家，他于1959年在美国加州大学的物理学会中，以“底下还有广大的空间”为题演讲，并且提出可将大英百科全书写在一个针尖上的观念，为往后奈米科技的发展揭开序幕。经过十几年的努力，科学家终于发现在奈米尺度下与传统材料完全不同的特殊效应及现象。随着奈米技术的发展，科学家研发出高性能的奈米材料并且应用在各项产业，奈米科技也逐渐受到各国的重视。

1 奈米科技计划

台湾科技主管部门于2002年开始推动奈米科技计划，隔年开始执行奈米人才培育计划，目的在培育台湾未来的奈米人材，以促进奈米知识普及并提升台湾的竞争力。近年来，台湾为了推动奈米科技投入相当多的经费，希望能将奈米的观念向下扎根，由下而上推广至小学、初中、高中、职场训练和终身学习，以培育台湾的奈米科技人才。为了达成此目标，台湾科技主管部门于2008年开始将奈米课程融入K-12的自然与生活课程，并透过标杆学校及种子教师出版许多辅助教材，使奈米知识转换成学生感兴趣的题材。

奈米科技是以1至100奈米之间为单位，进而操作、控制物质的结构，并加以活用的技术总称 (蔡信行、孙光中，2004；榊裕之，2009)。奈米科技之所以能快速发展，其量测工具的发明为主要原因。人类肉眼所能看到最小的东西大约为0.1毫米，为了观测更细微的物质(例如：生物细胞)，科学家发明了光学显微镜，使人类对自然界的生物有更进一步的认识。由于光学显微镜只能用来观察大于可见光波长的物质，对于接近原子的微小尺度，则必须找到比可见光的波长还短的光波，使光束能在原子间绕射成像以便观察。科学家在1930年代成功地研发出电子显微镜，其主要原理与光学显微镜类似，而不同之处是以电子束代替可见光为光源(郑天喆、姚福燕，2004)。

电子显微镜的最高辨识率可达0.1奈米，使科学家可以看到几十奈米的病毒，它的发明对于人类探索微观世界有很大帮助。电子显微镜虽然已经可以观测到奈米级的物质，但是它的体积庞大、价格昂贵，而操作环境也有严格限制。扫描探针显微镜的发明解决了电子显微镜的严格限制，因此已成为目前观测奈米的主要设备，也促使奈米科技的发展更向前跃进。基本上，扫描探针显微镜可分为扫描穿隧显微镜和原子力显微镜。

1981年，罗瑞(Rohrer)和宾尼(Binning)在瑞士苏黎世的IBM公司研究实验室共同发明扫描穿隧显微镜(卢永坤，2005)，其基本原理是利用量子力学的穿隧效应来量测物体表面的奈米结构。当显微镜的针尖和样本表面非常接近时(约0.1奈米至1奈米)，电子会从一个电极穿隧至另一个电极而形成连续的电流，可用来量测探针的位移变化(汪岛军、马仁宏、陈亘佑、蔡斯凯、林建智，2004)。扫描穿隧显微镜的技术可量测到原子尺度范围，但它的探针及样本都必须是导体，而且表面必须平整，因此在应用上受到一些限制。

针对这个问题，宾尼、奎特(Quate)和戈柏(Gerber)在1986年发明了原子力显微镜，它利用原子和原子之间的凡德瓦力(Van der Waals force)来判断样本表面的高低起伏，而且样本不局限于导体，因此解决了穿隧显微镜在样本上的限制。原子力显微镜具有下列优点(蔡毓桢等人，2007)：

● 使用探针进行量测而不是利用电子束，因此不会对样本造成损坏。

● 可以在大气的环境下进行量测，亦可在液相的环境下进行扫描，因此对于生物医学的观测有很大的帮助。

● 造价低于电子显微镜，且体积小、设计方便，也可与其它系统整合。

● 可量测出样本的2D形貌，也可转换成3D形貌进行样本表面的观测。

原子力显微镜的优点众多，而且应用层面也非常广泛，不仅可以观测到原子及分子，还能进一步地操作它们，使人类可以深入了解微观的世界。由于原子力显微镜的价格尚属昂贵，一般人不易亲自操作，本研究使用网络和虚拟实境技术来建置一个虚拟奈米实验室，将原子力显微镜的操作和观测奈米结构等活动融入国中、小的自然与生活科技课程，让使用者可以透过网络亲自操作和观测以增进对奈米科技的认识，并藉由熟悉正确的操作步骤以维护真实设备的寿命，因此对于推动奈米计划有很大的帮助。

虚拟实境是一种拟真、互动的技术，它藉由计算机或周边设备来模拟真实世界(许美铃、施仁忠，1997)。使用者在虚拟环境中可透过感官接收讯息，并与虚拟环境中的物件互动，因此可产生身历其境的感觉。本研究使用虚拟实境技术来模拟原子力显微镜的操作过程，让使用者透过拟真的情境来学习操作步骤及观测奈米物质的表面结构，本研究希望藉由3D的视觉效果和高互动的设计方式来增进学生的学习兴趣，并藉由情境式学习的方式来提升学习成效。

情境式学习是由布朗(Brown)等人(Brown, Collins & Duguid, 1989)所提出，它的定义是在真实或模拟的情況下，学习者与环境互动并藉由主动探索的方式来建构知识。情境式学习之目的是让学习者在真实的情境中结合“做中学(learning while doing)”的活动进行学习。情境教学重视透过真实的活动让学习者能够反思，将抽象符号逻辑转化为实用的知识。

本研究的虚拟奈米实验室是根据情境式学习理论所建置的模拟环境，使用者可藉由主动探索及操作来学习奈米知识，并将所学应用在真实或虚拟的情境中。由于原子力显微镜的价格昂贵，许多学生无法亲自参与操作，本研究希望将虚拟奈米实验室透过网络加以推广，使无法实际操作原子力显微镜的学生，可透过虚拟奈米实验室来增进对奈米科技的认识。

2 教学设计

本研究希望藉由虚拟奈米实验室的推广来增进使用者对原子力显微镜及奈米科技的认识。为了让使用者能将奈米知识和自然界的奈米现象相结合，本研究在设计虚拟奈米实验室的场景时，将实验室与户外采集样本的场景结合在一起，让使用者在户外场景采集完具有奈米现象的生物样本后，即可进入实验室操作原子力显微镜观察样本的奈米结构，再从中学习到相关知识。在教学设计方面，研究者先与奈米课程的教师进行讨论，再根据搜集到的各项资料进行教学内容分析，并利用虚拟实境技术来建置虚拟场景与实验设备。本研究在设计“虚拟奈米实验室”网站及奈米课程的教学单元时，先针对学习者背景和学习内容进行分析，再根据学习目标进行系统规划与建置。

2.1 学习者分析

由于台湾奈米人才培育计划希望从小学开始栽培奈米人才，因此本研究将虚拟奈米实验室的使用对象设定为小学高年级学生。本研究参考了翰林出版社的汉语及自然与生活科技书籍，进行奈米课程学习单元分析(表1)，并搭配黄佳媛)所制定的小学奈米科技研究的概念图作为奈米课程的参考指标，此概念图咨询28位台湾专家、学者的意见，其背景皆为整合初中、小学奈米课程及“奈米科技K-12人才培育计划”的执行人员。

表1 奈米课程学习单元分析

2.2 学习内容分析

本研究归纳所收集的相关文献及奈米概念图，加上专家、学者意见后所整理的学习目标(表2)，以订定学习奈米知识的教学活动内容。

表2 学习内容分析表

3 系统设计

本研究规划的虚拟奈米实验室，主要是透过3D交互式网页来呈现虚拟奈米实验室的场景与设备，以供使用者身历其境的学习经验。为使初中高年级学生对原子力显微镜的构造及操作原理有基本认识，本研究建置奈米实验室的场景、设备以及户外的莲花池场景，其中虚拟原子力显微镜是参考真实的原子力显微镜所建置，并设计有操作与观测功能，可让使用者熟悉原子力显微镜的原理与操作步骤，以下就场景规划与操作流程进行说明。

3.1 场景规划

本研究总共规划了三个场景：奈米教材展览室、原子力显微镜实验室、莲花池。当使用者进入虚拟奈米实验室网站时，首先出现的场景为奈米教材展览室(图1)，使用者可以浏览墙壁上的奈米教材，只要使用鼠标点选即可连到相关的教学网页，并从中学习到奈米的相关知识。

图1 虚拟奈米教材展览室

第二个场景为原子力显微镜实验室(图2)，里面摆放了护目镜、原子力显微镜、计算机及电子控制器。本实验室主要是让使用者练习原子力显微镜的正确操作步骤，以了解原子力显微镜的基本原理。

图2 虚拟原子力显微镜实验室

第三个场景为户外莲花池(图3)，为了让学生认识具有奈米特性的自然界生物，本场景可以让使用者自行采集荷叶及蝴蝶样本，采集完毕可至原子力显微镜实验室亲自扫描观察，并学习相关的奈米知识。

图3 户外的莲花池场景

3.2 操作流程

当使用者进入虚拟奈米实验室时，系统会提供语音介绍及文字说明，教导使用者一些基本的操作步骤。使用者可以在导览室自由点选墙壁上的奈米教材，或进入相关网站进行浏览。当使用者进入原子力显微镜实验室时，必须先戴上护目镜以避免眼睛暴露在红外线或雷射光中造成不良的影响。有关原子力显微镜的操作流程说明如下：

(1)先以鼠标点选显微镜盖子即会自动打开。

(2)点选电子控制器的开关，使显微镜出现雷射光打在光点接受器上，此为显微镜的位置感测部分。

(3)接着利用鼠标拖拉样本至样本台上，当样本接近样本台位置时会自动放置在样本台上。

(4)放置完样本，使用者可点选探针并将它放置在正确的位置上。由于探针非常微小，为了避免样本破坏探针，因此先放置好样本再放置探针。

(5)当样本和探针放置定位时，以鼠标点选盖上显微镜的盖子。

(6)扫描前先按下回馈控制，使电子控制器驱动扫描器，使样本台上升与探针接近。

(7)按下开始扫描，此时探针与样本会产生交互作用，其微小的探针悬杆会有些微变化。当雷射光照在微小悬杆上时，光点接受器会将位置变化量送至电子控制器分析，以记录其偏移量进而转换为电的讯号，再反馈给X-Y-Z位移扫描器以扫描出样本表面形貌，并将扫描出的2D影像显示在计算机荧幕中。

(8)当扫描完毕时即可按下停止扫描，样本台会下降离开探针，并进行观测此样本的2D表面影像。

(9)观测2D表面影像完毕后，即可按下3D模型，此时计算机会将扫描出来的3D模型显示在荧幕中，当使用者点选荧幕中的3D模型，便可进一步观看或利用方向键放大、缩小来操作观测其表面。

(10)使用者观测完毕即可按下退出。当使用者对于操作虚拟原子力显微镜流程有基本概念后，系统便会引导使用者至户外采集荷叶及蝴蝶样本，拿回实验室进行观测并学习相关的奈米知识。

4 结论与建议

随着网络及计算机的迅速发展，数位学习已成为人类获取知识的重要途径，而利用虚拟实境技术来设计教材也使传统教学更具体化与生动化。教师可以从互动中启发学习者的动机及意愿，并借以提升学习成效。虚拟奈米实验室具有3D视觉效果和交互式使用者界面，可以弥补文字及2D影像的不足。

由教学实验的结果可以发现，实验组学生及控制组学生的学习成就皆有显著的进步，而单因子共变量分析的结果显示实验组的进步幅度显著高于控制组，因此可看出使用“虚拟奈米实验室”具有较佳的学习成效。本研究根据实验组学生的问卷调查结果，从“网页内容”、“界面与设计”、“多媒体特性”及“实用与成效”等四方面分析使用者对“虚拟奈米实验室”的看法。大多数学生认为操作虚拟奈米实验室有助于对奈米的认识，而各项调查的结果都显示大多数学生都给予不错的评价。

致谢：

感谢台湾科技主管部门计划(NSC 100-2120-S-007-002-NM)的经费支持。

[1] 汪岛军, 马仁宏, 陈亘佑, 蔡斯凯, 林建智. 原子力显微镜专利地图及分析[M]. 台北市：台湾科技主管部门科学技术资料中心, 2004.

[2] 许美铃, 施仁忠. 虚拟实境在教育上之应用[J]. 远距教育，1997(3): 19-23.

[3] 黄佳媛. 小学奈米科技核心概念之研究[D]. 台中教育大学科学应用与推广系, 2001.

[4] 榊裕之. 完全图解奈米科技的全貌与未来发展. 台北, 2009.

[5] 蔡信行, 孙光中. 奈米科技导论基本原理及应用. 台北县, 2004.

[6] 蔡毓桢, 薛富盛, 吕福兴, 吴宗明. 原子力显微镜实作训练教材[M]. 台北: 五南, 2007.

[7] 郑天喆, 姚福燕. 深入浅出谈奈米科技. 台北, 2004.

[8] 卢永坤. 奈米科技概论[M]. 台中, 2005.

[9] Brown, J.S., Collins, A. & Duguid, P. (1989). Situated Cognition and the culture of learning. Educational Researcher, 18(1), 32-42.

[10] Freedman, M. (1997). Relationship among laboratory instruction, attitude toward science and achievement in science knowledge. Journal of Research in Science Teaching, 34, 343-357.

唐文华，新竹教育大学信息科学研究所教授。