Sam Tsai 蔡坤憲

2017年，Year 13 物理學：RC 共振電路 一年又到了尾聲，這是第二年為《物理雙月刊》寫專欄，雖然有找題材與截稿的壓力，但還是非常感恩有這樣的機會。 這兩年寫下來 ，不僅為自己的教學過程，留下一點紀錄，更是讓自己有許多專業反思（reflective practice）的機會。從編輯與其他同為物理教師的讀者傳來的回饋，更是讓我受益良多。歲末年終，也剛好是紐西蘭的暑假期間（ 連同聖誕節、新年的一個長假 ），回顧今年的這五篇文章，想想明年在物理與科學的教學上，需要做些什麼改變？也想想，有什麼值得與台灣的物理老師、同學分享的教學想法。 ＊ 第一篇： 紐西蘭物理實驗的評量方式：以虎克定律為例 實驗成績不該只是「平時成績」 我們在台灣的理化或生物試卷，一般都會包含實驗題，然而，就答題本身，學生其實未必真的需要做過該實驗，對吧？更多的情形是，我們所謂的實驗題本身，很可能也只是個「假想實驗」，重點在測驗出學生是否理解某個科學觀念，是否知道某個重要的實驗步驟，或是否知道某項儀器的操作方法。 如果學校老師很負責的讓學生做實驗、寫實驗報告，學生所獲得的只能算是「平時成績」，或出現在學校給家長的成績單上面。然而，萬一在年底正式的入學測驗中，學生寫錯答案，那麼，他先前在學校的實驗課裡，無論有多麼努力，結果一樣是付諸東流。NCEA就是以「內部評量」的方式，避免了這樣的遺憾。只要學生有做實驗，並達到要求，他的努力便會被記錄在他所獲得的 教育成就國家證書(NCEA) 裡，是一份正式的成績。 第二篇： 雙狹縫干涉圖樣與飛機的「盲降系統」 相信大家都知道，能讓飛機平穩地在空中飛行，背後的原理是白努利定律。然而，指引飛機，對準跑道，安全降落的原理又是什麼呢？從乘客的角度而言，就是空服員在飛機起降時，一再提醒的：關閉手中的電子通訊設備，如手機、筆電或平板等。很直覺地，我們不難想像，這些電子通訊設備所發出的電磁波，會「干擾」到飛機與塔台之間的導航設備。然而，具體而言，這些電磁波會如何「互相干擾」呢？ 第三篇： 「知己知彼」的教學設計：以拋體運動為例 著名美國認知心理學家奧蘇貝爾 (David Ausubel，1918 – 2008) 在他於1968年出版的《教育心理學》扉頁中寫道： 如果我必須把所有的...

2016 對我的大事之一，是我有機會在《物理雙月刊》裡和許多台灣的老師、同學與家長分享在紐西蘭教育現場的一些見聞： 第一篇是自我介紹【 開場白:來自台灣的紐西蘭物理老師 】， 2016 四月。 我希望以一個曾經是台灣第一線教師的眼光，來分享我在紐西蘭教育體制內的見聞，而不只是一種「觀光式」的介紹，或浮光掠影地吹噓一下「外國」的教育有多麼美好。我希望利用些許篇幅，先介紹一下紐西蘭教育的架構與背景，再逐漸深入到科學教育與物理教育的現況分享。 第二篇分享了「以終為始」的紐西蘭課綱：【 我們想要教出怎樣的下一代？ ── 紐西蘭課綱的啟示 】，2016 五月。 現行的《紐西蘭課綱》是從願景（vision）出發：我們期望的年青人是個有自信、有創造力、有良好的人際關係，並且能夠積極參與及貢獻社會的終身學習者。 根據這個願景，我們訂下課程課綱的基本原則（principles）；列出值得推動與學習的價值觀（value）；擬定未來不論是深造或就業，以及做為一位社會公民所需要的五項關鍵能力（five key competencies）。 我問過自己：我希望自己的小孩是個「國英數理化一百分的學生」，或是希望她將來成為一個有自信、會思考、有創造力，懂得與人合作，能貢獻社會，並有能力終身學習（包括智商與情商）的人？ 第三篇是【 我的「小城故事」上：踏上紐西蘭高中的講台 】，2016 七月。 從實務的面向，分享我求職的經過，希望透過面談的主題，與關心台灣教育的朋友分享紐西蘭中學所著重的教育特點。 此外，從一位庫克群島毛利人的校長口中聽到「鄧麗君」小姐的芳名，怎不叫我這位台灣老師覺得意外與驚喜呢？我覺得這真的是一個「立足紐西蘭，放眼世界」的好例子！ 第四篇是【 我的「小城故事」下：教學不是「獨角戲」，而是一場「交響曲」 】，2016 八月。 延續第三篇的內容，補充了更多的細節，也可以說是我在紐西蘭重新接受師資培育過程的心得報告。希望對紐西蘭教育感興趣的老師或家長，有些幫助。 接著，我從第五篇開始介紹紐西蘭的考試方式：【 沒有「一百分」的考試 】，2016 十一月。 這一篇主要是介紹NCEA的整體規劃，並以一題物理力學考題為例。  NCEA 是The National Cert...

主題閱讀》啊哈！物理真的很好玩 蔡坤憲／逢甲大學光電學系暨物理教學研究中心講師 學習物理的樂趣，最簡單的說法就是「啊哈！」 在我們長大的過程中，一定會聽過或讀過，牛頓在年輕時因為被樹上掉下來的蘋果打到，而「悟出」萬有引力的故事。此後，每當小朋友問到為什麼東西會往下掉落時，家長或老師們總是能很快地祭出「萬有引力」做為答案。但是，如果遇到一位不死心的小朋友，繼續追問「什麼是萬有引力？」時，大多數的大人應該都會感到詞窮！ 感到詞窮，其實不是罪惡。但若身為老師或家長的我們，把「萬有引力」奉為標準答案，甚至拿出「萬有引力」的數學公式，要他閉嘴，或是要求那位滿心問號的小朋友，背下這個答案，然後讓他以為：已經一百分了、懂了，不要再問問題了，這就真的是一個罪惡了。 因為我們可能扼殺了另一位愛因斯坦！ 伽利略已經說得很清楚了：「我所反對的不是亞里斯多德的學說，而是對這個學說的盲目信仰、不加批判。」學習物理學，除了學習目前已知的定律、定義、公式之外，更重要的是去學習獲得這些知識的思考方式，以及看待事物的「眼光」。 學習是為了讓我們可以站上「巨人的肩膀」，而不是臣服於巨人的腳下。循著先前科學巨人們的思路，可以大幅擴展我們的思維與視野。但若僅止於此，則無法享受另一層次的樂趣，那就是：猜！ 「猜」用物理學家的行話來說叫做「直覺」，比較白話的說法是「思考」（不是記憶！），那是一份受過嚴格訓練之後的思維方式，是讓科學得以日新月異的動力，是讓我們的下一代可以青出於藍的原因。思考和學習，都是沒有邊界的；也絕對不是考試分數可以提供的。《觀念物理》的作者休伊特就認為學物理應該是很有趣的，雖然也許要相當用功，但一定是有趣的事。 當我們在讀懂某個道理，或猜出一個新奇現象背後的道理時，心中不自覺浮現的不正是那聲「啊哈」嗎？ 這也是牛頓自謙的：因「偶爾拾到美麗的貝殼」而感到高興不已的小孩！ 【聯合報】2008/09/15 出處: 啊哈！物理真的很好玩--轉載 - 物理教與學 - udn城市 http://city.udn.com/60736/3036176#ixzz4kz4xPAnh http://city.udn.com/forum/trackback.jsp?no=60736&aid=3036176  

【舊文】 觀念物理 2：引潮力 文章日期：2012-08-10 17:29 【圖一：從慣性座系來看引潮力】 【圖二：在地球（非慣性座標系）上來看引潮力】 去年在返紐前，接到一位用功的讀者寫信問我關於「引潮力」的問題。 當時，正忙於離職、搬家等事，雖然花了點時間，回覆了這位同學，由於擔心單純透過文字，無法有效地說明這個複雜的問題，所以，很詳細地說明整個觀念的來龍去脈，結果，竟用 Word 寫了十頁！ 礙於回文中充滿了算式、圖表，以及篇幅，加上忙著離職、搬家等事宜，所以沒能在此與有相似問題的讀者同學分享。 不久前，多知道一個 Dropbox，類似雲端硬碟，可以自動同步、備份，也有「檔案分享」的功能，由於免費就有 2G 的空間（每介紹一位再增 500 M），所以，我就試用了，結果很好用！ 今晚，決定來試用一下它的檔案分享功能！ 我的回答連結在此： PDF 檔，1.8 M   (Dropbox) 。 ＊ ＊ ＊ From: ＸＸ 徐 [mailto: xxxxxxxx @xxxxx.com.tw] Posted At: Tuesday, June 21, 2011 Posted To: 天下文化信箱 　　編輯部，您好： 　　我是一位即將要升高一的學生，正在看您們出版的《觀念物理》， 　　好問的我有一些問題想請教。 　　1. 關於「觀念物理2」124 頁的第 8 題，月亮變大〈質量不變〉的部分沒有問題，但是 　　在地球變大的部分想問：海水深度減少，潮差亦會減小，詳細原因是？ 　　P.S. 假如 F 不變〈準確來說，有一些增加《R加大》〉。 　　2. 還有次頁的引潮力公式，和我學到的不太一樣，為 2GMR/d^3，我也有推導成功過， 　　但還是找不到不同的原因〈我知道 m 為 1 kg，所以省略〉。 　　真不好意思喔 　　感謝您們的回答 　　學生 徐ＸＸ 敬上 ＊ ＊ ＊ 冬瓜 於 2013-03-14 19:00:13 回應 你是個很用心的作者，我也是高一生，剛好看到你做的回應的pdf，覺得你寫得很好(太多了，我只看個大概，謝謝你) Sam Tsai 於 2013-04-24 08:46:04 回覆 謝謝你。 祝...

今天有機會，讓我對中學課本裡的「 貝他衰變 」又多了一番認識： 我心中曾有過一個疑問：由貝他衰變所放射出來的「電子」， 雖然物理構造完全相同，但它卻不是原子軌域上的電子？ 在中學課堂裡，我們一般只有教類似下方的一張圖： 貝他衰變（beta decay，即 β衰變）是放射性原子核放射出「電子」（β粒子）和「微中子」而轉變為另一種核的過程，屬於弱交互作用。 考試的重點之一是： （負）貝他衰變 的規律之後， 新核的質量數不變，電荷數增加 1， 原子序數增加 1 。 對有興趣的學生，或是知道「正子」的學生，也許會多介紹： 放出正電子的稱為「正貝他衰變」，放出電子的稱為「負貝他衰變」。 ＊ 透過粒子物理的「標準模型」，我理解到，當把質子、中子「拆解」成三個夸克，再知道夸克之間的「味變機制」時，便可以跟「貝他衰變」連上關係。 我知道這樣理解還很粗糙： 夸克有六種，這些種類被稱為「 味 」，它們是上、下、魅、奇、底及頂。 從中學生所能理解的「量子數」來看，就「原子」而言，量子數發生變化，指的是電子在不同的能階之間躍遷。 略有不同的是， 「味」是「基本粒子」的量子數 ，而不是「原子」的，屬於「量子色動力學」的範疇，描述夸克、膠子之間強交互作用的動力學理論。 就「尺寸」而言，從原子到質子、中子，再到夸克，這是進入一個又小了好幾個數量級的世界，其「量子躍遷」的機制，顯然更為複雜，或者說，不在我們一般日常生活的常識或中學教科書裡。 但是，粗糙、直觀地透過「量子數」來理解： 夸克之間的「味變」，或說是「量子躍遷」，會釋放出「電子」。與我們一般熟悉的「電子在不同的能階之間躍遷，會釋放或吸收光子」的現象，直觀來說，非常相似。 借幾張從網路上收集來的圖片，摘要我今日的理解： 中學生已經熟悉的：中子衰變成質子時，釋放出電子，稱為「β衰變」。 把質子、中子拆開來看： 中子的構造：udd（上下下）三種夸克 質子的構造：uud（上上下）三種夸克 當一個 d 夸克「味變」成 u 夸克時，會釋放出電子與微中子。 圖中的箭頭，一般在化學課裡，我們都理解成「化學變化」， 這裡則是「核變化」，是「β衰變」，是「弱交互作用」。 當然，...

透過「熱成像攝像機」來看熱水壺 在譯書時，遇到「熱輻射」、「電磁輻射」、「電磁波」與「光」等名詞，雖然我有一些基本「學校科學」（ school science ）的知識，也就是說，要論紙筆測驗的話，我大概會及格，也不會有大問題。 只是，按照書中原文的寫法，雖然提到「溫度」，但似乎是省略了「熱源」，特別是一個「發熱的物體」，讓我感覺需要再多做一點思考。例如： At a temperature of about 10 degrees above absolute zero (10 kelvins), weak electromagnetic radiation is emitted that peaks at about 1 THz. ＊ 於是，看了一下維基百科的寫法： 熱輻射，是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進行。它是熱的三種主要傳遞方式之一。 就只有這樣，簡短的兩行文字，與我印象中的台灣中學課本的相符。 點了維基百科該條目旁的「英文」，幸運地看到了比較清楚的解釋，它的第一段就滿足了我小小的好奇心： Thermal radiation is electromagnetic radiation generated by the thermal motion of charged particles in matter. All matter with a temperature greater than absolute zero emits thermal radiation. When the temperature of the body is greater than absolute zero, inter-atomic collisions cause the kinetic energy of the atoms or molecules to change. This results in charge-acceleration and/or dipole oscillation which produces electromagnetic radiation, and the wide spectrum of radiation reflects t...

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出處：《觀念物理ＶＩ》第六冊，第一章， 2004 http://www.bookzone.com.tw/Publish/book.asp?bookno=WS206 淺談學習物理的方法 【2006 雅虎奇摩舊文：2006-02-09 21:33】 《觀念物理》原書第1章的習題，大都沒有標準答案可言。關於「科學」或「物理」，也不是簡短的三言兩語就可以說清楚的，所以我希望把這份思考的工作，留給讀者同學。我改在這裡簡單討論一下，物理的學習方法。當然，要如何才能學好物理？同樣也是個沒有標準答案的問題。我想從比較物理初學者與物理學家之間的差異，希望能對同學有所啟示，進而發展出屬於自己的一套讀書方法。 「學校物理」與「真正物理」的不同 首先，我們要知道，在學校裡學物理，和真正的物理研究工作最大的不同是：學校裡所教的大多是「正確的」物理知識，讓同學在「正確」中學習；而真正的物理（或科學）研究，卻常是從「錯誤」中學習。因此，在學校物理中，我們常在尋找標準答案，對錯誤的想法往往並不很重視；但真正的物理研究中，卻總是在鑽研為什麼有這樣的錯誤。 然而，這並不是說學校物理有什麼不對，而是我們不應該把標準答案或教科書，視作是物理的全部，而束縛了我們的思考。牛頓名言中的「巨人的肩膀」，就是對學校物理最好的描述：由於有這個肩膀，我們因此可以看得更遠。推翻亞里斯多德「正確了二千多年」物理學的伽利略也說過：我所反對的不是亞里斯多德的學說，而是對這個學說的盲目信仰、不加批判。 因此，在學習物理的過程中，除了要學會已知的事實、定律與定理之外，也別忘了「科學只是暫時性真理」的這個特性，常常帶著批判與獨立思考的態度，主動學物理，而且不必怕犯錯。 初學者與物理學家之間的差異 一般初學者與科學家之間，有三個主要的不同。首先，由於實驗設備或儀器的幫助，例如顯微鏡、望遠鏡、人造衛星、太空梭等，科學家對自然現象的經驗，比起一般人或初學者來得多。因此，同學在接觸到任何物理新知時，不要只是想把結論或結果記下來，而是要去留意，這個理論或發現是透過什麼儀器或實驗步驟，才得出這樣的結論。雖然有許多實驗無法在中學實驗室裡完成，但是透過文字或影片，以及師長的說明等等，還是能擴展我們有限的感官經驗。 不過，我們也不必「迷信」這些實驗所得的結論...

啊哈！ 物理真的很好玩 2008/09/15 【聯合報╱蔡坤憲／逢甲大學光電學系暨物理教學研究中心講師】 學習物理的樂趣，最簡單的說法就是「啊哈！」 在我們長大的過程中，一定會聽過或讀過，牛頓在年輕時因為被樹上掉下來的蘋果打到，而「悟出」萬有引力的故事。此後，每當小朋友問到為什麼東西會往下掉落時，家長或老師們總是能很快地祭出「萬有引力」做為答案。但是，如果遇到一位不死心的小朋友，繼續追問「什麼是萬有引力？」時，大多數的大人應該都會感到詞窮！ 感到詞窮，其實不是罪惡。但若身為老師或家長的我們，把「萬有引力」奉為標準答案，甚至拿出「萬有引力」的數學公式，要他閉嘴，或是要求那位滿心問號的小朋友，背下這個答案，然後讓他以為：已經一百分了、懂了，不要再問問題了，這就真的是一個罪惡了。 因為我們可能扼殺了另一位愛因斯坦！ 伽利略已經說得很清楚了：「我所反對的不是亞里斯多德的學說，而是對這個學說的盲目信仰、不加批判。」學習物理學，除了學習目前已知的定律、定義、公式之外，更重要的是去學習獲得這些知識的思考方式，以及看待事物的「眼光」。 學習是為了讓我們可以站上「巨人的肩膀」，而不是臣服於巨人的腳下。循著先前科學巨人們的思路，可以大幅擴展我們的思維與視野。但若僅止於此，則無法享受另一層次的樂趣，那就是：猜！ 「猜」用物理學家的行話來說叫做「直覺」，比較白話的說法是「思考」（不是記憶！），那是一份受過嚴格訓練之後的思維方式，是讓科學得以日新月異的動力， 是讓我們的下一代可以青出於藍的原因。思考和學習，都是沒有邊界的；也絕對不是考試分數可以提供的。《觀念物理》的作者休伊特就認為學物理應該是很有趣 的，雖然也許要相當用功，但一定是有趣的事。 當我們在讀懂某個道理，或猜出一個新奇現象背後的道理時，心中不自覺浮現的不正是那聲「啊哈」嗎？ 這也是牛頓自謙的：因「偶爾拾到美麗的貝殼」而感到高興不已的小孩！