線上資優科學營
吳明德
臺北市立麗山高中 Mingtewu@gmail.com
（投稿日期：110 年 6 月 29 日，接受日期：110 年 07 月 02 日）
摘要：本文紀錄來自臺北市士林區百齡高中、陽明高中、士林國中、福安國中、華興中 學、衛理女中及泰北高中等七所國中 34 名區域衛星數理資優學生之國九營隊課程，在 2021 年 6 月 5 日及 6 日的兩個半天內，學習「手機加速度感應器測量距離」及「Algodoo 及 PhET 軟體模擬」這兩門線上課程，從課程規劃到老師的課前準備與學生課後心得分 享。手機是最容易獲得的數位量測設備。線上教學讓每位同學在家裡使用自己手機作實 驗，先從手機的加速度感應器讀取數據，傳到電腦後再由 a-t 圖經試算表計算轉成 v-t 圖，
最後再由 v-t 圖積分，這些繁瑣的操作，不能僅倚靠 3 個小時的同步的線上教學，更需 要學生在課前觀看預錄的教學影片，這目的是讓同學養成自學的能力。營隊要包含有趣 與創意的元素，藉由 Algodoo 軟體，同學創作自己的科技模擬作品，無論是噴射動力的 火箭，高速爬坡行駛的能發射雷射的戰車，或是破壞城牆的投石器，藉由螢幕分享公開 發表並接受評分，讓同學觀摩學習。營隊同學們與助教老師均認為，經過規劃的線上資 優科學營能獲得與傳統課程所沒有的收穫。網路能提供一個環境讓優秀的同學跨校競爭，
或許是可以打破明星學校與制式課程的另一個教育方案。
關鍵詞：線上科學營、智慧手機實驗、物理模擬軟體
壹、 前言
在2021 年五月上旬，臺灣爆發大量的 COVID-19 本土個案。臺北、新北市在 5 月 15 日 提升疫情警戒至第三級，教育部接著宣布自5 月 19 日起，全國各級學校停止到校上課。但是 原預定的活動是否要停辦？延期？還是更改為線上舉辦？其中需要動手實作的科學營隊，非 常困難變更為在線上舉辦營隊。
就在這時間點，臺北市陽明高中王聖淵數學老師，來電告訴我在一週之後，也就是6 月 5 日及 6 月 6 日，能否協助臺北市士林區區域衛星數理資優營隊課程？對象是已經考完會考
，來自士林區七間學校34 位國九學生。會如此緊急通知我的緣故，是原預定的化學實驗並不 適合線上操作，如果我可執行線上物理實驗，就能夠圓滿完成學生畢業前具備的資優課程時 數。
10.6212/CPE.202107_22(1).0005
考慮不到三分鐘後，就答應擔任這兩日各3 小時的線上物理營隊課程老師。但是時間非 常緊迫，根本來不及準備、採買、寄送所需的實驗設備。所以決定什麼實驗課程內容？才能 滿足來自各校的資優生需求，又能夠具體可以在線上執行實驗，則為此活動的最大挑戰。
貳、 線上科學營隊課程實施
在避免人與人接觸的疫情時期，不同類型的科學動手活動，會採取不同的解決方案。例 如在5 月 15 日在士林科學教育館原預定有注射筒火箭研習，也受到 COVID-19 而取消活動。
考慮授課對象是老師，並且為了能夠長期推動此項課程，採用非同步教學的方式。也就是預 錄實驗教學影片，配合實驗材料包與科教館出版的「科展設計與實作」書籍，以使用者付費 方式執行。
科教館注射筒火箭研習我與鄒語騏兩位講師，除了要錄製注射筒火箭影片（圖 1），並將 化學藥劑、三向閥、壓電材料及注射筒準備 30 套實驗材料，在嚴密控制成本下，還能附上手 套、小滴瓶及包裝盒。但是即刻要執行的線上資優營是無法準備器材，只能使用國中生家裡 的現有設備。
一、 線上資優科學營內容
（一） 手機加速度感應器測量距離
智慧手機是學生最容易獲得的數位量測工具，加上國中課程教授過運動學的v-t 圖 圖1：鄒語騏老師披防火毯，發射注射筒氫氧火箭，紅圈處為注射筒火箭，
攝於科教館三樓
所圍的面積為位移，以及a-t 圖所圍的面積為速度變化。所以在第一天的 3 小時線 上實驗課程為「手機加速度感應器測量距離」運用手機的加速度感應器，首先將手 機直線加速大約30 公分短距離。由 PhyPhox App 讀取加速度與時間實驗數據（圖 2），配合試算表將各時間的量測的加速度乘上時距得到速度變化，再逐時距累加速 度變化得到速度與時間關係圖，最後將速度與時間關係的數據（圖3），匯入Vernier graphical 軟體之後，再積分得到位移量（圖 4）。
「手機加速度感應器測量距離」課程，能夠結合數學函數、物理運動學以及資訊的 試算表，是跨不同領域的課程，我曾經對陽明高中國中部學生營隊實施過，所以知 道是能夠執行的。在當時的學生人數僅有十餘位，可以當面解決試算表的操作問題，
但是隔著螢幕在線上有34 位同學，不曉得將會遇到什麼問題？
圖2：手機朝 y 軸方向加速 30 公分位移
圖4：Graphical 將速度與時間積分得 28.9cm 與手機實際移動約30cm 位移十分接近 圖3：試算表將初速 C2+y 軸加速度 B2 乘上
0.01 秒時距等於 y 軸速度
（二） Algodoo 及 PhET 軟體模擬
營隊活動要具備兩項特性，首先是學校沒有教授過的內容，否則學生為什麼還需要 到營隊再上相同的課？其次的重點必須擁有「有趣」、「創意」等特質，在學校及補 習班已經夠累了，學生沒有必要到了營隊後還要繼續接受折磨！
所以第二天的 3 小時線上實驗課程為「Algodoo 及 PhET 軟體模擬」，課程的重點 是創意，我預計以Algodoo 軟體示範三個模擬例子：
1. 用鍵盤控制火箭的向上與左右推進器，以及控制雷射切割與空氣阻力。
2. 設計出裝有馬達的車輛，用鍵盤控制馬達前進、後退與煞車，並更換不同摩擦 係數的輪胎，觀察能否爬上不同傾斜角的斜坡。
3. 設計一個投石器的機構裝置，並且將投射出的石塊，繪製高度與時間以及速率 與時間圖表，讓同學了解要如何設計投擲臂才能投出距離最遠，還有投出的石 塊其水平方向是等速運動，鉛直方向是等加速度運動。
為幫助同學理解物理的原理，會使用PhET 的力與運動以及拋體運動兩個模擬課程 作為輔助教學。要求每位同學創作出不同的模擬作品。
二、 線上營隊前的準備
（一） 事前協調線上會議
實際上這群區域衛星數理資優學生已進入第二年營隊課程的學習，主要利用週六、
週日的假期上課，其中負責課程規劃的召集人是百齡高中李幸蓮老師，熱心負責的 李老師擔心第一次與我合作，加上是最後一次課程活動因應疫情變化又改為線上 營隊，可能會發生沒有預料到的問題，除了與我頻繁的電話溝通和信件聯繫討論外，
並與福安國中蕭貿聰、百齡高中詹雪禎兩位助教老師以及我共四人開了兩場課前 線上會議及一場課後線上討論。
圖5：Algodoo 設計火箭，啟動鍵為 UP，產生 120N 向上的推力
圖6：Algodoo 設計投石器，呈現水平約為 等速，鉛直等加速度，g 為-9.75m/s2，上升
11.64m
第一場課前線上會議重點是關於設備與軟體問題，李老師說明有部分國中資優學 生無法同時具備電腦和智慧手機。我採取的解決方案是因為活動是在週六，可以借 用家長的電腦或手機。或者是我先完成加速度的數據，再轉寄給學生處理。
第二場課前線上會議重點是助教老師要如何協助？線上科學營與實體科學營在學 習模式上有很大的不同。實體科學營老師會先對全體學生教授一次，助教可以立即 學會實驗操作，接下來分組實作時，老師在分別巡視各組活動時，助教伺機深入瞭 解實作的技巧，也能順利協助老師解決學生問題。
但是線上科學營隊，使用的又不是能夠協作的軟體，一人一組數量龐大，加上這兩 個課程對於助教老師也是第一次接觸，所以在第二場線上會議，先針對助教老師進 行課前教學，我先體認教學進度要如何控制，以及課程實施時學生分組。一組是聽 完老師講解，能夠獨自完成的，交由助教老師管理最後的發表。而另一組是操作有 困難的學生，由助教協助先解決初步問題，並分類有相同問題的整批學生，交由我 進一步解惑。
（二） 預錄實驗影片
因為「手機加速度感應器測量距離」課程，實驗及數據處理要運用多種軟體，無法 在短短三小時內讓所有學生都能理解並完成實驗，所以最好的方法就是預錄實驗 影片，學生可以上課前觀看影片預習。
此外影片中除了實驗步驟與數據處理以外，還加入加速度測距的許多用途，例如慣 性導航、混合實境等應用，讓學生能夠理解加速度測距這實驗的重要性。
（三） 檢核學生準備
李老師於酷課雲ONO 建置並負責管理資優國九營隊課程學習平台，後偕同助教於 營隊前舉行資優生課前線上說明會，以確認學生皆能順利登入視訊及實際演練線 上分組功能，同時也說明課程注意事項及各項作業要求，以協助並確實掌握每位學 生皆於課前做足準備，線上科學營課前必須將PhyPhox、Graphical、Algodoo 等軟 體的下載與安裝，這部分則是需要在上課前做檢核，李老師建議將安裝軟體視為一 項線上課前作業，學生必須要在上課前繳交安裝完成後的截圖並上傳至酷課雲，另 需觀看「手機加速度感應器測量距離」影片並於線上答題以進行前測。甚至也還要 求學生寫出看過幾次影片之後，才能理解實驗的整體概念，上述內容皆列入正式的 課前作業。以確保掌握來自各校的國九同學，是準備充分之後才進行線上課程。
三、 線上科學營隊的執行
三小時的線上資優科學營課程，我區分為三個階段，第一個階段是課程講授，第二個階 段是同學實作，第三個階段是個人發表。各階段時間分配要非常謹慎，才能圓滿順利執行。
（一） 線上課程講授
「手機加速度感應器測量距離」課程有預錄影片，所以線上課程比預計來的流暢，
學生的問題常發生在試算表的使用，依據事後同學的心得分享，僅有兩、三位同學 因為作過科展，試算表比較熟悉，大多數同學對Excel 軟體很少接觸，當然就需要
慢慢講授，不厭其煩多幾次重複教授，後來同學的課後心得反應，線上課程中老師 的耐心與鼓勵是能完成課程學習的重要關鍵。
為瞭解學生的個別學習狀況，在使用Google Meet 時，我最常使用的是舉手功能。
如果聽不懂就請舉手，需要再講一遍就舉手，最後剩下不到個位數同學若還不懂，
就請同學在視訊對話框留言哪裡學不會。如果還是有問題，就請同學分享自己的螢 幕畫面，呈現操作失敗的步驟，以便讓老師加以修正。
「Algodoo 及 PhET 軟體模擬」由於我來不及預錄操作影片，學生必須在線上課程 即刻學會並且創作模擬，這部分會凸顯學生的個別差異。大約有三分之一的同學，
能夠在我示範的三個模擬實例之後，就能夠開始創作，但也有三、五位同學，拖延 到即將發表前仍表達出不是十分瞭解。但事實上這些同學發表的成果都不錯，只是 對於不熟悉的新事物自信心不足。
（二） 個人線上成果發表
在「手機加速度感應器測量距離」學生發表，學生要秀出速度與時間所圍的面積，
也就是手機位移量，是否與手機真實移動的位移量是否相符？營隊的 34 位同學，
每位同學花費一分鐘報告，不需要一小時就能完成。但是在「Algodoo 及 PhET 軟 體模擬」學生發表，於課程尾聲舉辦了一場”虛擬物理大賽”，有的同學秀出兩輛 裝有了雷射砲的戰車，用鍵盤操作彼此攻擊遊戲，也有的安裝火箭推進的高性能休 旅車越野行駛。也有製作投石器完成骨牌連鎖傾倒模擬，甚至還有利用多段繩索與 擺錘連結，製作混沌擺觀察運動軌跡並驗證無規律性。
由於同學的模擬作品充滿了趣味與多樣性，所以每位同學需要三分鐘以上的報告 時間，發表後我們師生還進行了投票評分，最高票的同學發表得獎感言，所以第二 天的課程耽誤拖延了超過30 分鐘才下課。
閱讀同學的課後心得，印象最深刻的是：「線上營隊最大的成果不是自己學會了什 麼，而是由其他同學的發表，看到自己欠缺了什麼！」。我自己覺得實體的動手營 隊課程，通常會將三人設為一小組，俗話說：三個和尚沒水喝，難免就有人會倚靠 同組較為積極的同學，而不去動腦思考，動手解決問題。線上營隊一人一組，更能 比較出每位同學的創意。
參、 感想與結語
活動結束後，李老師舉行了線上結業式，邀請七所學校的校長、資優承辦人、課程相關 教師、學生及家長出席，有趣的是，有三位同學主動要求能夠再次比賽發表，讓家長與同學 及線上嘉賓共同連線投票以分出高下再次投票分出高下，讓我看到同學們積極進取的態度，
還有發表當日，李老師公開許多同學在課後整理出的上課筆記，凸顯優秀學生良好的讀書習 慣。
但是也看到3C 資訊設備十分充足的臺北學生，因為學習與考試是採紙筆方式進行，即 使是十分資優的學生在這方面的訓練仍顯不足。有不少同學課後反應出「這兩堂課真的很困 難，但是也知道很重要！學會了在學校中沒有教過的知識與能力，相信在日後會有所幫助」。
兩位助教老師也反應這兩堂課的收獲滿滿。而我自己則認為線上營隊，能夠提供一個環境讓 優秀的同學跨校競爭，或許是可以打破明星學校與制式課程的另一個教育方案。
肆、 同學課後心得
一、 林學生心得：
第一天的課上起來比以往的還要困難，過程需要細心一點，不然一不小心就會不知道下 一步是什麼，也幸虧後台還有助教幫忙，解決很多問題，才得以繼續跟著課程。而且這次的 老師還有特別拍影片在 YouTube，可以有問題的時候，自己看著影片做。在最後利用 Graphical 的瀏覽積分看到的數值，和實際操作的數值差不多，真的很有成就感，畢竟過程中遇到許多 困難。
第二天的課上起來比昨天的課還要有趣許多，多了很多的彈性，不會像昨天一樣，都是 在處理數據而已，不過今天就沒有像昨天一樣有影片可以看。一開始的火箭還有點搞不懂要 怎麼操作，到第二個的汽車才比較上手。後面的一個小時，老師讓我們自由發揮，原本還不 太知道要做什麼，就決定從最簡單的車子下手，本來是只有想說讓車子可以飛而已，結果突 然靈機一動，覺得可以多一台車，兩台互相對戰，沒想到意外還不錯，儘管中間出了一點小 問題，也完全沒想到最後發表的時候可以得到多的票。這兩天的課真的收穫很多，使用了很 多以前沒用過的程式，也很謝謝所有老師這麼用心地幫我們準備課程。
二、 許學生心得：
第一天課程中，老師先教我們使用 PhyPhox 做手機實驗，測量手機的加速度。而後再 傳送數據到電腦試算表，我也沒用過試算表幾次，所以還不甚熟悉，但透過老師一步步的帶 領之下，還是完成了這個步驟。最後再匯出資料統整成圖表，得到的結果和一開始實驗的數 據相差不遠，我覺得算是很成功吧！這堂課相較於學校的理化課程，我會比較喜歡這堂課，
因為在學校都是學非常理想、理論：單單把 v-t 圖、a-t 圖 等畫在黑板上，才不會有甚麼深 刻的了解。在今天，讓我們實際操作加速度、速度，感覺一切都是看得見的。雖然是線上課 程，不過也正因是線上，我們有這個機會學到這些神奇的軟體。
第二天的課老師給我們帶來 Algodoo 這個有趣軟體，在電腦上模擬各種物理現象，感 覺是個很實用的軟體。從火箭、跑車到投石器，做出來都非常有成就感，最後我也稍微改變 了投石器的樣式，讓他看起來更可以實現。也感謝吳明德老師這兩天來認真準備課程，耐心 地教導同學如何操作，一步一步慢慢帶，讓大家不太有壓力，也可以輕鬆、愉快上課。到所 有人都跟上後，再往下一步。當然也感謝助教老師們的幫忙，使我們都可以完整地體驗到這 門課。
伍、 課程使用的線上影片
下列影片（一）為分線上資優科學營隊所使用的課前實驗影片。而影片
（二）為自己在麗山高中高二的探究與實作課程，給修課同學的課前教學影片 範例，要求每一個同學能自己完成一個 50 秒以內的彈力火箭模擬影片。
（一） 吳明德（2021），手機加速度感應器測量距離，YouTube/搞飛機學物理 /https://youtu.be/fOYmAhBrvYI
（二） 吳明德（2021），注射筒彈力火箭，YouTube/搞飛機學物理/
https://youtu.be/5Fu4yxZkYmI
