網(wǎng)絡(luò)虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室之建置與研究

.新竹教育大學(xué)信息科學(xué)研究所；.新竹教育大學(xué)應(yīng)用科學(xué)系；.臺(tái)灣清華大學(xué)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(wǎng)絡(luò)虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室之建置與研究

1.新竹教育大學(xué)信息科學(xué)研究所；2.新竹教育大學(xué)應(yīng)用科學(xué)系；3.臺(tái)灣清華大學(xué)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(wǎng)絡(luò)和虛擬實(shí)境技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)學(xué)習(xí)奈米科技的虛擬實(shí)驗(yàn)室，將原子力顯微鏡的操作和觀測(cè)奈米結(jié)構(gòu)等教學(xué)活動(dòng)融入中小學(xué)的自然與生活科技課程，讓學(xué)生可以透過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作和體驗(yàn)以增進(jìn)對(duì)奈米科技的認(rèn)識(shí)。虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室的使用不受時(shí)間與空間的限制，而3D視覺(jué)效果和高互動(dòng)的設(shè)計(jì)方式可增進(jìn)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)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(xué)工具，對(duì)于推動(dòng)臺(tái)灣奈米人才培育計(jì)劃有很大的幫助。由于原子力顯微鏡的價(jià)格昂貴，許多學(xué)生無(wú)法親自參與操作，本研究希望透過(guò)網(wǎng)絡(luò)將虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室加以推廣，使比較偏遠(yuǎn)或無(wú)法實(shí)際操作原子力顯微鏡的學(xué)生，可利用虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室來(lái)增進(jìn)對(duì)奈米科技的認(rèn)識(shí)。

奈米科技 原子力顯微鏡 虛擬實(shí)境 情境式學(xué)習(xí) 虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室

0 緒論

近年來(lái)，奈米科技日新月異，其所涵蓋的領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，從基礎(chǔ)科學(xué)到其它各種領(lǐng)域的應(yīng)用，例如：電子產(chǎn)業(yè)及生物科技等。奈米科技的突破與應(yīng)用，帶來(lái)第四次全球的工業(yè)革命。費(fèi)曼(Freedman, 1997)是全球第一位提出奈米理論的科學(xué)家，他于1959年在美國(guó)加州大學(xué)的物理學(xué)會(huì)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(shū)寫在一個(gè)針尖上的觀念，為往后奈米科技的發(fā)展揭開(kāi)序幕。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，科學(xué)家終于發(fā)現(xiàn)在奈米尺度下與傳統(tǒng)材料完全不同的特殊效應(yīng)及現(xiàn)象。隨著奈米技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家研發(fā)出高性能的奈米材料并且應(yīng)用在各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，奈米科技也逐漸受到各國(guó)的重視。

1 奈米科技計(jì)劃

臺(tái)灣科技主管部門于2002年開(kāi)始推動(dòng)奈米科技計(jì)劃，隔年開(kāi)始執(zhí)行奈米人才培育計(jì)劃，目的在培育臺(tái)灣未來(lái)的奈米人材，以促進(jìn)奈米知識(shí)普及并提升臺(tái)灣的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，臺(tái)灣為了推動(dòng)奈米科技投入相當(dāng)多的經(jīng)費(fèi)，希望能將奈米的觀念向下扎根，由下而上推廣至小學(xué)、初中、高中、職場(chǎng)訓(xùn)練和終身學(xué)習(xí)，以培育臺(tái)灣的奈米科技人才。為了達(dá)成此目標(biāo)，臺(tái)灣科技主管部門于2008年開(kāi)始將奈米課程融入K-12的自然與生活課程，并透過(guò)標(biāo)桿學(xué)校及種子教師出版許多輔助教材，使奈米知識(shí)轉(zhuǎn)換成學(xué)生感興趣的題材。

奈米科技是以1至100奈米之間為單位，進(jìn)而操作、控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并加以活用的技術(shù)總稱 (蔡信行、孫光中，2004；榊裕之，2009)。奈米科技之所以能快速發(fā)展，其量測(cè)工具的發(fā)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(cè)更細(xì)微的物質(zhì)(例如：生物細(xì)胞)，科學(xué)家發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，使人類對(duì)自然界的生物有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。由于光學(xué)顯微鏡只能用來(lái)觀察大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的物質(zhì)，對(duì)于接近原子的微小尺度，則必須找到比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)還短的光波，使光束能在原子間繞射成像以便觀察?？茖W(xué)家在1930年代成功地研發(fā)出電子顯微鏡，其主要原理與光學(xué)顯微鏡類似，而不同之處是以電子束代替可見(jiàn)光為光源(鄭天喆、姚福燕，2004)。

電子顯微鏡的最高辨識(shí)率可達(dá)0.1奈米，使科學(xué)家可以看到幾十奈米的病毒，它的發(fā)明對(duì)于人類探索微觀世界有很大幫助。電子顯微鏡雖然已經(jīng)可以觀測(cè)到奈米級(jí)的物質(zhì)，但是它的體積龐大、價(jià)格昂貴，而操作環(huán)境也有嚴(yán)格限制。掃描探針顯微鏡的發(fā)明解決了電子顯微鏡的嚴(yán)格限制，因此已成為目前觀測(cè)奈米的主要設(shè)備，也促使奈米科技的發(fā)展更向前躍進(jìn)。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(shí)驗(yàn)室共同發(fā)明掃描穿隧顯微鏡(盧永坤，2005)，其基本原理是利用量子力學(xué)的穿隧效應(yīng)來(lái)量測(cè)物體表面的奈米結(jié)構(gòu)。當(dāng)顯微鏡的針尖和樣本表面非常接近時(shí)(約0.1奈米至1奈米)，電子會(huì)從一個(gè)電極穿隧至另一個(gè)電極而形成連續(xù)的電流，可用來(lái)量測(cè)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(shù)可量測(cè)到原子尺度范圍，但它的探針及樣本都必須是導(dǎo)體，而且表面必須平整，因此在應(yīng)用上受到一些限制。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，賓尼、奎特(Quate)和戈柏(Gerber)在1986年發(fā)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(lái)判斷樣本表面的高低起伏，而且樣本不局限于導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)(蔡毓楨等人，2007)：

● 使用探針進(jìn)行量測(cè)而不是利用電子束，因此不會(huì)對(duì)樣本造成損壞。

● 可以在大氣的環(huán)境下進(jìn)行量測(cè)，亦可在液相的環(huán)境下進(jìn)行掃描，因此對(duì)于生物醫(yī)學(xué)的觀測(cè)有很大的幫助。

● 造價(jià)低于電子顯微鏡，且體積小、設(shè)計(jì)方便，也可與其它系統(tǒng)整合。

● 可量測(cè)出樣本的2D形貌，也可轉(zhuǎn)換成3D形貌進(jìn)行樣本表面的觀測(cè)。

原子力顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)眾多，而且應(yīng)用層面也非常廣泛，不僅可以觀測(cè)到原子及分子，還能進(jìn)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(jià)格尚屬昂貴，一般人不易親自操作，本研究使用網(wǎng)絡(luò)和虛擬實(shí)境技術(shù)來(lái)建置一個(gè)虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室，將原子力顯微鏡的操作和觀測(cè)奈米結(jié)構(gòu)等活動(dòng)融入國(guó)中、小的自然與生活科技課程，讓使用者可以透過(guò)網(wǎng)絡(luò)親自操作和觀測(cè)以增進(jìn)對(duì)奈米科技的認(rèn)識(shí)，并藉由熟悉正確的操作步驟以維護(hù)真實(shí)設(shè)備的壽命，因此對(duì)于推動(dòng)奈米計(jì)劃有很大的幫助。

虛擬實(shí)境是一種擬真、互動(dòng)的技術(shù)，它藉由計(jì)算機(jī)或周邊設(shè)備來(lái)模擬真實(shí)世界(許美鈴、施仁忠，1997)。使用者在虛擬環(huán)境中可透過(guò)感官接收訊息，并與虛擬環(huán)境中的物件互動(dòng)，因此可產(chǎn)生身歷其境的感覺(jué)。本研究使用虛擬實(shí)境技術(shù)來(lái)模擬原子力顯微鏡的操作過(guò)程，讓使用者透過(guò)擬真的情境來(lái)學(xué)習(xí)操作步驟及觀測(cè)奈米物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，本研究希望藉由3D的視覺(jué)效果和高互動(dòng)的設(shè)計(jì)方式來(lái)增進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并藉由情境式學(xué)習(xí)的方式來(lái)提升學(xué)習(xí)成效。

情境式學(xué)習(xí)是由布朗(Brown)等人(Brown, Collins & Duguid, 1989)所提出，它的定義是在真實(shí)或模擬的情況下，學(xué)習(xí)者與環(huán)境互動(dòng)并藉由主動(dòng)探索的方式來(lái)建構(gòu)知識(shí)。情境式學(xué)習(xí)之目的是讓學(xué)習(xí)者在真實(shí)的情境中結(jié)合“做中學(xué)(learning while doing)”的活動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。情境教學(xué)重視透過(guò)真實(shí)的活動(dòng)讓學(xué)習(xí)者能夠反思，將抽象符號(hào)邏輯轉(zhuǎn)化為實(shí)用的知識(shí)。

本研究的虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室是根據(jù)情境式學(xué)習(xí)理論所建置的模擬環(huán)境，使用者可藉由主動(dòng)探索及操作來(lái)學(xué)習(xí)奈米知識(shí)，并將所學(xué)應(yīng)用在真實(shí)或虛擬的情境中。由于原子力顯微鏡的價(jià)格昂貴，許多學(xué)生無(wú)法親自參與操作，本研究希望將虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室透過(guò)網(wǎng)絡(luò)加以推廣，使無(wú)法實(shí)際操作原子力顯微鏡的學(xué)生，可透過(guò)虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室來(lái)增進(jìn)對(duì)奈米科技的認(rèn)識(shí)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

本研究希望藉由虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室的推廣來(lái)增進(jìn)使用者對(duì)原子力顯微鏡及奈米科技的認(rèn)識(shí)。為了讓使用者能將奈米知識(shí)和自然界的奈米現(xiàn)象相結(jié)合，本研究在設(shè)計(jì)虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景時(shí)，將實(shí)驗(yàn)室與戶外采集樣本的場(chǎng)景結(jié)合在一起，讓使用者在戶外場(chǎng)景采集完具有奈米現(xiàn)象的生物樣本后，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作原子力顯微鏡觀察樣本的奈米結(jié)構(gòu)，再?gòu)闹袑W(xué)習(xí)到相關(guān)知識(shí)。在教學(xué)設(shè)計(jì)方面，研究者先與奈米課程的教師進(jìn)行討論，再根據(jù)搜集到的各項(xiàng)資料進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容分析，并利用虛擬實(shí)境技術(shù)來(lái)建置虛擬場(chǎng)景與實(shí)驗(yàn)設(shè)備。本研究在設(shè)計(jì)“虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室”網(wǎng)站及奈米課程的教學(xué)單元時(shí)，先針對(duì)學(xué)習(xí)者背景和學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行分析，再根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃與建置。

2.1 學(xué)習(xí)者分析

由于臺(tái)灣奈米人才培育計(jì)劃希望從小學(xué)開(kāi)始栽培奈米人才，因此本研究將虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室的使用對(duì)象設(shè)定為小學(xué)高年級(jí)學(xué)生。本研究參考了翰林出版社的漢語(yǔ)及自然與生活科技書(shū)籍，進(jìn)行奈米課程學(xué)習(xí)單元分析(表1)，并搭配黃佳媛)所制定的小學(xué)奈米科技研究的概念圖作為奈米課程的參考指標(biāo)，此概念圖咨詢28位臺(tái)灣專家、學(xué)者的意見(jiàn)，其背景皆為整合初中、小學(xué)奈米課程及“奈米科技K-12人才培育計(jì)劃”的執(zhí)行人員。

表1 奈米課程學(xué)習(xí)單元分析

2.2 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

本研究歸納所收集的相關(guān)文獻(xiàn)及奈米概念圖，加上專家、學(xué)者意見(jiàn)后所整理的學(xué)習(xí)目標(biāo)(表2)，以訂定學(xué)習(xí)奈米知識(shí)的教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容。

表2 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析表

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究規(guī)劃的虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室，主要是透過(guò)3D交互式網(wǎng)頁(yè)來(lái)呈現(xiàn)虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景與設(shè)備，以供使用者身歷其境的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。為使初中高年級(jí)學(xué)生對(duì)原子力顯微鏡的構(gòu)造及操作原理有基本認(rèn)識(shí)，本研究建置奈米實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景、設(shè)備以及戶外的蓮花池場(chǎng)景，其中虛擬原子力顯微鏡是參考真實(shí)的原子力顯微鏡所建置，并設(shè)計(jì)有操作與觀測(cè)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(chǎng)景規(guī)劃與操作流程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 場(chǎng)景規(guī)劃

本研究總共規(guī)劃了三個(gè)場(chǎng)景：奈米教材展覽室、原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)室、蓮花池。當(dāng)使用者進(jìn)入虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站時(shí)，首先出現(xiàn)的場(chǎng)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(biāo)點(diǎn)選即可連到相關(guān)的教學(xué)網(wǎng)頁(yè)，并從中學(xué)習(xí)到奈米的相關(guān)知識(shí)。

圖1 虛擬奈米教材展覽室

第二個(gè)場(chǎng)景為原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)室(圖2)，里面擺放了護(hù)目鏡、原子力顯微鏡、計(jì)算機(jī)及電子控制器。本實(shí)驗(yàn)室主要是讓使用者練習(xí)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(shí)驗(yàn)室

第三個(gè)場(chǎng)景為戶外蓮花池(圖3)，為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)具有奈米特性的自然界生物，本場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室親自掃描觀察，并學(xué)習(xí)相關(guān)的奈米知識(shí)。

圖3 戶外的蓮花池場(chǎng)景

3.2 操作流程

當(dāng)使用者進(jìn)入虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提供語(yǔ)音介紹及文字說(shuō)明，教導(dǎo)使用者一些基本的操作步驟。使用者可以在導(dǎo)覽室自由點(diǎn)選墻壁上的奈米教材，或進(jìn)入相關(guān)網(wǎng)站進(jìn)行瀏覽。當(dāng)使用者進(jìn)入原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)室時(shí)，必須先戴上護(hù)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(guān)原子力顯微鏡的操作流程說(shuō)明如下：

(1)先以鼠標(biāo)點(diǎn)選顯微鏡蓋子即會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

(2)點(diǎn)選電子控制器的開(kāi)關(guān)，使顯微鏡出現(xiàn)雷射光打在光點(diǎn)接受器上，此為顯微鏡的位置感測(cè)部分。

(3)接著利用鼠標(biāo)拖拉樣本至樣本臺(tái)上，當(dāng)樣本接近樣本臺(tái)位置時(shí)會(huì)自動(dòng)放置在樣本臺(tái)上。

(4)放置完樣本，使用者可點(diǎn)選探針并將它放置在正確的位置上。由于探針?lè)浅Ｎ⑿。瑸榱吮苊鈽颖酒茐奶结?，因此先放置好樣本再放置探針?/p>

(5)當(dāng)樣本和探針?lè)胖枚ㄎ粫r(shí)，以鼠標(biāo)點(diǎn)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(qū)動(dòng)掃描器，使樣本臺(tái)上升與探針接近。

(7)按下開(kāi)始掃描，此時(shí)探針與樣本會(huì)產(chǎn)生交互作用，其微小的探針懸桿會(huì)有些微變化。當(dāng)雷射光照在微小懸桿上時(shí)，光點(diǎn)接受器會(huì)將位置變化量送至電子控制器分析，以記錄其偏移量進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電的訊號(hào)，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(jì)算機(jī)熒幕中。

(8)當(dāng)掃描完畢時(shí)即可按下停止掃描，樣本臺(tái)會(huì)下降離開(kāi)探針，并進(jìn)行觀測(cè)此樣本的2D表面影像。

(9)觀測(cè)2D表面影像完畢后，即可按下3D模型，此時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)將掃描出來(lái)的3D模型顯示在熒幕中，當(dāng)使用者點(diǎn)選熒幕中的3D模型，便可進(jìn)一步觀看或利用方向鍵放大、縮小來(lái)操作觀測(cè)其表面。

(10)使用者觀測(cè)完畢即可按下退出。當(dāng)使用者對(duì)于操作虛擬原子力顯微鏡流程有基本概念后，系統(tǒng)便會(huì)引導(dǎo)使用者至戶外采集荷葉及蝴蝶樣本，拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行觀測(cè)并學(xué)習(xí)相關(guān)的奈米知識(shí)。

4 結(jié)論與建議

隨著網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，數(shù)位學(xué)習(xí)已成為人類獲取知識(shí)的重要途徑，而利用虛擬實(shí)境技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)教材也使傳統(tǒng)教學(xué)更具體化與生動(dòng)化。教師可以從互動(dòng)中啟發(fā)學(xué)習(xí)者的動(dòng)機(jī)及意愿，并借以提升學(xué)習(xí)成效。虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室具有3D視覺(jué)效果和交互式使用者界面，可以彌補(bǔ)文字及2D影像的不足。

由教學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生及控制組學(xué)生的學(xué)習(xí)成就皆有顯著的進(jìn)步，而單因子共變量分析的結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組的進(jìn)步幅度顯著高于控制組，因此可看出使用“虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室”具有較佳的學(xué)習(xí)成效。本研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，從“網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容”、“界面與設(shè)計(jì)”、“多媒體特性”及“實(shí)用與成效”等四方面分析使用者對(duì)“虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室”的看法。大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為操作虛擬奈米實(shí)驗(yàn)室有助于對(duì)奈米的認(rèn)識(shí)，而各項(xiàng)調(diào)查的結(jié)果都顯示大多數(shù)學(xué)生都給予不錯(cuò)的評(píng)價(jià)。

致謝：

感謝臺(tái)灣科技主管部門計(jì)劃(NSC 100-2120-S-007-002-NM)的經(jīng)費(fèi)支持。

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唐文華，新竹教育大學(xué)信息科學(xué)研究所教授。