工作坊流程 - Education...

Copyright (C) 2016-17. Prof. YEUNG Yau-yuen

香港教育大學

小學常識科推行 STEM 教育的

課程規劃、教學法及評估模式工作坊(2016/17)

小學常識科 STEM 教育的學與教及教學策略

楊友源教授

香港教育大學科學與環境學系教授

電郵: yyyyyyeeuunngg@@eedduuhhkk..hhkk

工作坊流程

1. 運用數據獲取系統實踐科學探究及 STEM 活動認識數據獲取系統如何使用數據獲取器及其相關軟體科學探究及相關 STEM 教學策略及資源

2. 移動科技在課堂的創新運用以移動裝置支援互動教學利用移動裝置的感應器及應用程式來進行科學探究利用傳聲器和 Mobile MMUSE 記錄及顯示波形

3. 運用機器人教學套件進行 STEM 活動認識機器人教學套件進行簡單機器人活動機器人教學套件的科技原理及在 STEM 教育上的應用

Copyright (C) 2016‐17 Prof YEUNG Yau Yuen. (low‐cost Mobile logger_activities.docx) 1

低成本的移動記錄儀在學校科學探究活動中的創新應用

簡介香港教育大學科學與環境學系研發適合小學至大專生使用的可攜式低成本系統學生可以 Arduino 可攜式數據獲取系統到校園或公園進行探究活動利用各種感應器如溫度計﹑濕度計﹑感光計﹑方向計等等獲取數據及進行紀綠﹑

分析和分享。(參考範例工作紙) 瞭解移動記錄儀(Arduino mobile logger)和它的感應器简介：在移動記錄儀

(mobile logger)開機10 秒鐘後，按鍵盤上的任意按鈕： 1 = 溫度和濕度 2 = 大氣壓力，高度和溫度 3 = 亮度 4 = 紅外火焰水準 5 = 氣體濃度 6 = 羅盤方向和磁場 7 = 紅外線目標和周圍的溫度 8 = 尋找記錄儀的方向 9 = 記錄器的傾斜角（靜態）或 3D 加速度（移動） * = 幫助 # = 重新啟動處於睡眠狀態的 LCD 面板 A = 一次的測量 C = 持續測量模式 B = 中斷持續測量模式


進行科學探究活動鍵盤 # 感測器程式/活動和結果

1 溫度和濕度記錄房間的溫度和濕度；朝向感測器呼氣，然後再次按壓鍵盤#1 進行測量

結果:

2 大氣壓力，高度和溫度

記錄大氣壓強 P（單位：hPa），溫度（單位：oC）和海

拔高度（單位：m）

向上走一層，再次進行測量獲得新的壓強和海拔高度

結果:

3 亮度按壓鍵盤#3 後，立即將亮度感測器對準一盞發光的燈泡，旋轉感測器朝向不同的方向，尋找到測得最大光照

（勒克斯 lux）數值的方向

結果:

4 紅外火焰感測器點亮一盞酒精燈，將感測器靠近酒精燈的火焰，記錄該值，並與在沒有火焰情況下的測量值相比較。

結果:

5 氣體（酒精）濃度传感器

滴幾滴酒精到一束棉花上。測量不同距離（與棉花的垂

直距離）的酒精結果: 距離酒精濃度

6 指南針導向按壓鍵盤#6 後，緩慢的轉動移動記錄儀，以找出正北方向。

結果:

7 紅外溫度感測器（外部）

選擇多種物體，將該感測器放置在距離物體表面 2-5

釐米的地方，測量它們的表面溫度（包括人身體的各個

部分）

結果: 物體溫度

9 加速度計將移動記錄儀放置在不同的方向，並記錄相對於 x，y和 z 軸的傾斜角度結果: 方向 X Y Z


進一步的工作(可選): 連接移動記錄儀(mobile logger)和安卓程式 SESLogger 1. 在安卓設備的設置中，啟動其藍牙功能； 2. 將安卓設備與移動記錄儀進行藍牙配對（注意其位址標記為SCIXY）並輸入對應的

密碼(PIN 為XYXY)。 3. 打開安卓設備中的程式 SESLogger5； 4. 點擊“連接記錄儀”並選擇你手持的記錄儀相應的藍牙位址； 5. 按下 IR 鍵盤中的任意按鈕，將傳感器讀數發送到 Android 設備； 6. 如果處於連續模式(Auto Measure)，您需要按 OK 按鈕發送當前讀數。

討論：

這個移動記錄儀和其他的移動設備（以及合適的程式）可以被應用在中學的科學課堂中。

思考一些其他的新的科學探究活動，應用這些設備幫助中學生在學校內外進行科學學

習。

主題目標或者活動

實驗步驟和程式

02 datalogging_concept3a_dist.doc 1

認識數據獲取系統與教學優勢

在世界各先進國家或地區裏，實驗活動在科學科來說是不可缺少的一個關鍵元素。

實驗活動除了發展學生的動手操作能力外，還能增強科學探究的過程技巧，以及通過科

學理論與真實世界的聯繫來促進他們對科學概念的理解。此外，實驗還能激發、提高學

生學習科學的興趣、培養學生正面的學習態度和熱誠。因此，我們必須應用資訊科技來

優化科學科的實驗設計和活動；相關的教學研究表明，如何運用數據獲取器(datalogger)來採集實驗數據是當中一個最重的範圍。

從 1990 年代開始，本港及各先進國家的大學課已廣泛地引入數據獲取系統作科研及

教學用途。本港從 2000 年起已有不少中學運用此系統作實驗示範及學生專題研習，多本高中的物理及化學教科書都有一些相關的學生實驗活動。至於小學方面，本港情況則遠

遠落後於英、美等國家，只有極少數先導的小學曾把此系統滲入小學常識科的課程中。

數據獲取系統 (datalogging system)

圖一: 數據獲取系統的基本結構

感測器(sensor)－類似人體的五官，可感測各類信號，並轉為類比電壓信號。例如：

力感測器，熱感測器，光感測器，電感測器，磁感測器等(圖一)。數據獲取器(datalogger)－把各類感測器獲得的類比信號轉為數碼化，再經 RS232 電

纜、USB 電纜或視音線傳往電腦，再用專門的軟體(例如:Logotron 的 Insight(圖二)及Pasco 的 Datastudio)作進一步處理（繪圖、列表）、分析和儲存。有些數據獲取器本身亦可顯示和儲存小量數據，方便學生到室外進行實驗活動或野外考察。部份數據

獲取器有內置感測器。常見的數據獲取系統有： EcoLog system – 價錢較便宜，內置多種環境感測器，十分適合小學生使用。 http://www.fourier-sys.co.uk/products/hardware/ecolog.php

LogIT －價錢亦較便宜，適合中、小學生使用。 http://www.educationict.org.uk/dataloggers.htm

Addestation aMixer Kit（圖三）－以音效卡作介面的套裝，價錢中等，適合中、小學生使用。 http://www.addest.com/ak.html

Pasco －價錢較昂貴，教材十分充足和全面，主要適合大、中學生使用。

數據獲取器

(datalogger)

感測器(sensors)

RS232 電纜、USB電纜或視音線

電腦分析

軟體

02 datalogging_concept3a_dist.doc 2

http://www.pasco.com/ 數據獲取系統的教材網站： http://science.uniserve.edu.au/school/addres/datalog.html http://rogerfrost.com/

圖二: Insight 軟體可即時處理數據獲取器所收集的數據

圖三：Amixer MGA 資料獲取器（上圖）及可即時處理資料的軟體（下圖）

善用科技與「科學、科技、工程和數學」（STEM）教育的融合

前言

科學探究與ＳＴＥＭ息息相關。

善用科技和融合科技與科學: 透過利用最新科技，我們可以輕易進行科學探究活動。而透過科技的幫助，我們可以得出很多量化和圖像化的結果。

學生可以利用簡單的數學和圖表分析技巧，得出一些具科學意義的結果。

體驗ＳＴＥＭ教育的整合: 適當地運用科技，科學探究活動可以有效地結合和促進科學、科技、工程和數學四方面的教學。

數學、科技與科學的融合

從不同的探究活動中(尤其是便利於有系統收集各類數據)，可見我們可以適當地運用科技進行科學探究活動，甚至可以隨時隨地進行，不需要

複雜的儀器和工具。

透過分析實驗結果，讓學生學習分析圖表的技能，包括了解「趨勢」、「變化」等重要概念，也可以教學生利用簡單運算得出一些結果，將數

學應用在探究活動中。

在小學常識科 STEM 教育中運用數據獲取系統的有效教學策略與方法

1. 學生分組作實驗，然後分析和討論所得數據。

2. 教師作示範（或指導一小組學生作示範），然後把數據發送給各組學生去分析和討論。

3. 小組學生分時段進行課餘的小組專題研習。

4. 戶外考察活動時，可指定（或輪流）某組學生利用數據獲取系統來收集特定數據。

5. 教師應事先教授小學生如何使用及分析圖表。

小學生使用數學及分析圖表的技能

從圖表的分析活動中，學生可以學會：

閱讀有關或特定數據（包括單位名稱），例如實驗開始時的溫度，中段時的濕度，完結時的聲音強度。

比較兩個或多個數據點的大小，何者為高/大，何者為低/小。

確定哪段圖線(或數據的趨勢)為上升、下降或不變。

找出數據的最大或最小值（即圖線的最高或最低點），以及平均值等。

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創新運用移動裝置作有效的 STEM 教與學活動

(I) 以移動裝置支援互動教學

利用教師或學生的移動裝置的應用程式作即時的教學分享利用內置鏡頭作為實物投影器，用以拍攝及錄影學生的工作紙﹑畫作﹑概念圖或

探究活動並進行分享教師及學生的簡報(Powerpoint)展示及分享

No. 使用方法設備 Android 應用程式

1. 不用 WiFi 的無線顯示在機身設定(Setting)選取遙距

顯示

內置遙距顯示功能的 LCD 螢幕, 或

把 LCD 螢幕或投影機的

HDMI 輸入接駁至 Miracast dongle

Android 4.2+ 系統 (or Apple iOS)

2. 利用 Wi-Fi 的無線顯示分別在移動裝置和教師電腦安

裝 Mirror Op Sender 及Receiver

打開電腦以及移動裝置中的軟件，使用電腦的 IP 將兩者連線

Wi-Fi 及電腦 MirrorOp (Sender 及Receiver)

3. 通過 USB 線的有線顯示先用 USB 線將教師電腦及移動

裝置連結，然後各自安裝和運行

SnapPea 軟件

USB 線及電腦 SnapPea

4. 透過 Wi-Fi 或網絡，把教師或學生的簡報顯示在每部移動裝置在簡報檔案中選取共用播放

(Shareplay) 在 WPS 裡 “我的 Office” 點

選 “加入 Shareplay” 輸入存取碼

Wi-Fi 或互聯網

WPS Office ( 金山Kingsoft)


(II) 在常識科利用移動裝置的感應器及應用程式來進行 STEM 探究的例子

No. 活動範例設備 Android 應用程式

1. 收聽來自不同樂器(具有不同頻率)的聲音，並區分音高和音調質量之分別。

找出學生能聽見的最低值

喇叭 Signal generator

2. 分析聲音的拍子從而找出波的形狀及頻率

傳聲器

(Microphone) RTA Audio analyzer, Sound Tools, Analyzer, Mobile MMUSE

3. 量度不同聲源的強度與音量傳聲器(Microphone)

Sound Tools 3. analyzer, sound level meter

4. 量度與比較不同光源的強度光感應器 Light meter, Lux meter

5. 量度地球磁場的方向和磁石的強度探測隱藏的金屬源

指南針 Master metal, Metal Detector

6. 學習使用指南針指南針 Compass 7. 外出活動時找出海拔高度和所在地 GPS GPS Altimeter, GPS

Compass, Google map

8. 量度物件的傾斜角和維度（樹﹑建築物）視像鏡頭及 3D加速器

Smart measure, Protractor + Angle gauge, Pocket Tools

9. 量度學生的脈膊率和呼吸率視像鏡頭及 LED 光源

iCare Health Monitor, Kiwi 手指心功能檢測、Instant Heart Rate, Cardiograph

10. 量度撞擊中或運動中物件的加速度（例如乘過山車的時候）

3D 加速器 Physics Tool box, Kato Accelerometer, Accelerometer sensor


在進行科學探究中創新的使用移動設備進行資料收集

人類反應時間工作表簡介楊友源教授使用安卓移動設備上的音效卡開發了一款應用程式，叫做 Mobile MMUSE，可以用來收集和展示資料。它的設計原理與工作在 Windows 作業系統和個人電腦上的名為 MMUSE 的電腦程式類似。下面的圖片展示了一個音叉振動是的聲波類型，通過這個程式可以找到音階的週期和頻率。

步驟 1. 按一下記錄按鈕開始持續數秒的資料記錄。 2. 按一下停止按鈕，然後使用給定/默認檔案名保存檔。 3. 選擇已經儲存的檔按一下播放按鈕，以圖表的形式展示資料。 4. 您可以滾動時間刻度和增益，分別在水準和垂直方向更改刻度。 5. 選擇一段想要放大的圖形，然後再次單擊顯示按鈕。 6. 突出顯示整數 N 個波形，然後單擊右上角的按鈕，在彈出窗口中輸入 N 值。反應時間實驗程式 1. 將兩個銅線圈的兩端串聯到特殊 A / V 電纜的紅色和白色鱷魚夾，其末端插入平板

電腦或智能手機的音頻插孔 2. 啟動 Mobile MMUSE 應用程式，然後單擊錄製按鈕。 3. 兩個銅線圈放在桌子上。當學生 A 突然（沒有通知任何人）將磁棒放在一個線圈

的中心上時，另一個學生 B 也應立即進行。 4. 重複上述步驟多次。


5. 單擊移動設備程式 MMUSE 中的停止按鈕，將其保存到給定檔中，然後選擇要顯示的文件。

6. 找到反應時間作為學生 A 和 B 生成的兩個信號之間的時間間隔。 7. 幾對學生嘗試上述步驟 3-6，記錄他們的反應時間，然後計算他們的平均時間進行

比較。

學生組意圖

1. 反應時間

2. 反應時間

3. 反應時間

4. 反應時間平均時間

進一步的研究和討論 1. 如果學生 B 合上眼睛，他的平均反應時間將會與之前的結果顯著不同嗎？

2. 你能夠想出一些影響反應時間的因素嗎？

3. 為什麼你不能用計時錶測量反應時間？

4. 知道人類的反應時間有什麼重要的應用？

反思

低成本的電腦輔助實驗 - 聲波的特性工作紙

目的： (i) 使用多媒體電腦探究聲波的特性, 包括量度聲源的頻率及顯示其波形；

(ii) 研究聲音的共振(resonance)現象；

儀器：一套音叉、配有共振箱的音叉、一枝繫於線末的針。電腦、音效卡、傳聲器、擴音機、MMUSE 軟件。。。 MMUSE 軟件的下載網址： http://has.ied.edu.hk/has/upload/mmuse/MMUSE.exe 簡介：聲音是學生每天都會遇到的現象。可是聲音的物理郤不是容易理解的。其中一個原因是由於

要把聲波捕捉(capture)以作詳細分析是困難的。由於很多聲音的現象均是短暫的，因此不是任何時間都可以研究到。即使在一些情況下，我們可以維持一個穩定的訊號，但強度高的聲

音郤使實驗員十分不舒服。在過往，我們要使用昂貴的儲存式示波器 (storage type oscilloscopes)，才能把聲波捕捉作其後的分析。然而儲存式示波器的價格郤非大部分中、小學可以負擔的。現時多媒體電腦已十分普及，並將成為中、小學的標準裝備。多媒體電腦處

理聲音的功能，使聲波的捕捉（收錄）、數位化(digitize)及顯示變得十分簡易。聲波及其它常見訊號一經過數位化，要仔細研究就並非難事。程序： 1. 在視窗 98/XP 環境下，執行由楊友源編撰的 Multimedia Utili t ies for Science

Education(MMUSE)程式軟體，並設定如下：在「選項」(Options)清單下，選擇 Volume Control 以作錄音設定。在 Sound 清單下選擇 Record Sound，設定「頻道」(Channels)為「單聲道」(Mono)，

「取樣速率」(Sampling Rate)選「44100 赫茲」(44100Hz)，並在「取樣大小」(Resolution)下選「16 位元」(16 bits)。

2. 當你準備好作量度時，按下「錄音」(Record)鍵。當你完成錄音時，記得要按下「停止」(Stop) 鍵，然後按下 Save 來把錄音存於檔案。

3. 在「選項」(File)清單下，選擇 Open Audio File 以顯示所記錄的聲波或訊號波形。 4. 使用滑鼠，選取波形上數個完整的循環(cycles)（愈多愈好）。點算有多少個完整的循環

N，並留意工具列上顯示時間間距(time interval)的讀數。以 T = /N 計算聲音的週期(period)T（以秒計算），並以 f = 1/T 計算對應的頻率(frequency) f（以赫茲(Hz)計算）。

06a sound_expts_WS2 (without Sc Bg)2 2

5. 進行以下實驗：題目使用多媒體電腦進行的實驗概要

波形(Wave form)

記錄及顯示數個音叉的波形，並量度其週期（或頻率）以更大的力度敲打音叉，並比較相對的波幅(amplitude) 量度一個一公升量杯的自然頻率(natural frequency)，此外亦量度其他

音源發出聲響的頻率（例如流動電話／傳呼機、電鈴等）

音質(Tone quality) 比較不同樂器發出各種音調的波形（例如小鼓(bongo) 、大提琴(cello) 、錄音機(recorder)或小提琴(violin)等收錄於\music 資料夾中的聲音檔案）。

請一個男人及一個女人講一句短語（例如 Hello 或你好嗎），以比較他們的聲音。

共振(Resonance) 示範共振效果。先把一個音叉的音調錄下，然後以多媒體電腦重播。把

一枝針以線懸垂，用來測試音叉的振動。

顯示已選取波形範圍（反白部分）

的時間間距(Time interval ) （以秒 (seconds)計算）

用以下重播鍵

(Playback)來播放

放大已選取

波形範圍

06a sound_expts_WS2 (without Sc Bg)2 3

結果：題目實驗裝置圖/對觀察的描述數據及計算分析波形 (Wave form)

音質 (Tone quality)

共振

(Resonance)

學會學習的評估： 1. 在你的實驗活動中，反思你遇到甚麼主要困難？ 2. 你如何解決這些困難，而實驗設計有否相應地修改？如有，請簡略地敍述。 3. 試反思此實驗活動的學習歷程和指出你從此實驗活動中學到甚麼。學生的全方位學習: 除了以音叉作實驗的聲源外，學生還可以錄取各種樂器的音調，再以 MMUSE 軟體做分析，令他們可以「看出」各樂器的音質為何不同。此外，學生更可在校園內外錄取各類昆蟲（如：

蟬、蜜蜂、蚊子）、禽鳥、家畜等的叫喚聲，然後作適當分析，以得知其聲調的頻率，再推

測它們的品種是否類似。

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教育機器人應用

簡介 mBot教育機器人是一款基於開源平臺的教育機器人，可以幫助孩子們學習圖形化編程，電子以及機器人方面的知識。孩子們只需簡單拖拽積木式模塊就可以控制機器人移動，

簡化了編程過程，降低編程難度。基於 Arduino Uno 開發的 mBot 主控板 mCore，集合了多種電子模塊，帶色標的 RJ25 介面提供了擴展更多模塊的可能。MBot 的車身除了相容 Makeblock 平臺上的零件外，還能相容 Lego 零件，樹莓派以及標準的 Arduino 主機板等，為 STEM 的教學和學習提供無限的可能。 mBot 的特徵： 1）易於拼裝，大概在 20-25 分鐘內即可完成； 2）其基於 Aeduino 開源平臺，相容性好； 3）3 種編程工具: 基於 Scratch2.0 的圖形化編程軟件 mBlock，基於 Blockly 的圖形化編程軟件 mBlockly 以及 Arduino IDE； 4）支持通過藍牙的無線連接； 5）通過帶色標的 RJ25 介面實現簡單直觀的連線； 6）堅固的鋁合金底盤（厚度為 2 mm），可與 Makeblock 和 Lego 零件相容； 7）提供免費課程作為教學參考，供學習逐漸擴展學習範圍和深度； 8）實現不同功能的項目如避障，巡線，與其他機器人遊戲以及使用傳感器在 Scratch中玩遊戲。目前比較成熟的教育機器人製造商 Lego 具有很多優點。例如，Lego 具有針對不同年齡層學生的產品，如 WeDo 2.0 and WeDo Robotics (P.1-P.3), Machines & Mechanisms (P.3-S.6), Mindstorms NXT(P.3-S.6)等，而且其所具有的零件多種多樣，還具備基本的熟悉感應器。但

不可否認的是，Lego 價格昂貴，不適合在小學和中學進行大範圍的推廣；產品擁有特殊的編程環境（如 LEGO MINDSTORMS EV3），不相容其他的產品，開源性差；其所配備的數字感應器種類有限，不支持用戶自定義的擴展。


手冊指南 - 教育機器人的多樣模塊

測試與控制安裝之後的教育機器人已經具備了基本的 3 種模式，即手動遙控模式，避障模式和巡線模式（有測試視頻）。 1. 手動遙控模式

當打開機器人左側開關的時候，在三聲“滴”過後，其前端的 LED 的燈為白色，表明其處於手動遙控模式，學生可以拿出遙控器（第一次使用之前要抽出遙控器下端

的薄膜）控制機器人向前，向後，向左和向右行駛，並且可以通過數碼鍵盤控制小

車的行駛速度。 2. 避障模式

當打開機器人左側開關的時候，在三聲“滴”過後，再次按下機器人前側的開關，

或者按下遙控器 B 按鈕，其前端的 LED 的燈變為綠色，表明機器人進入避障模式。當機器人前方 20cm 處有障礙物存在時，超聲波接收到信號會控制機器人做出反應，此時機器人會停一下，左轉彎直行，重複這個動作，直到其躲避開障礙物。

3. 巡線模式當打開機器人左側開關的時候，在三聲“滴”過後，再次按下機器人前側的開關兩

次，或者按下遙控器的 C 按鈕，其前端的 LED 的燈變為藍色，表明機器人進入巡線模式。若兩個紅外傳感器均在黑線內，則其直行；若其左邊偏離，右邊在黑線內，

則其右轉；若其右邊偏離，左邊在黑線內，則其左轉；若兩邊都不在黑線內，則其

停下並且亮燈。

APP 安裝與應用用戶可以使用手機移動端在 APP Store 或者騰訊應用寶下載 Makeblock 或者 mBot App。下載成功之後，打開 App，並啟動手機藍牙，搜索你的機器人設備。

配對成功之後，便會出現如下頁面，為機器人的控制面板。

左側列表展示了 5 種控制機器人的模式，分別為自動避障模式，手控模式，巡線模式，重力模式以及搖一搖模式。重力模式：通手機的重力感應器控制遙感，從而控制汽車的移動。搖一搖模式：手機晃動越快，則小車向前行駛的越快，可以用來進行拔河比賽或者賽車


的遊戲。

右邊的圖標依次是檢測藍牙連接狀態，控制小車燈光，200 轉速快衝和控制蜂鳴器發出

聲音。

機器人的教學方法

1) 以配件的大小和設計來認知工程的規格/標準概念

2)改動機器人發揮學生的動手和創新能力

STEM 教育應用實例 1. 七彩祥雲

按照“赤、橙、黃、綠、青、藍、紫”的順序依次點亮 LED 燈，每種顏色顯示 1

秒，讓學生看到分解的彩虹。 2. 電閃雷鳴

蜂鳴器按照 1、2、3、4、5、6、7 的順序發聲，而 LED 燈按照“赤、橙、黃、綠、青、藍、紫”的順序依次點亮，每種聲音與顏色展示 0.5 秒。

3. 機器人賽跑讓機器人在既定的賽道賽跑，通過賽道的長度和機器人賽跑的時間計算出機器人的

速度。在 STEM 教育上的意義通過組合機器人的活動讓學生體驗科技和工程的基本性質，發揮其動手和創新能

力，以及提昇學習 STEM 科目的興趣和動機。

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