電腦數(shù)位顯微攝影裝設(shè)技術(shù)融入自然科教學(xué)之研究.doc

顯微視訊擷取於教學(xué)上使用之研究指導(dǎo)教授 吳美麗陳進福臺北市西園國民小學(xué)總務(wù)處TEL：(02)2303-0257FAX：(02)2305-7653E-mail：摘要：本研究首先以專題製作法，自行研發(fā)一套經(jīng)濟型的數(shù)位顯微視訊設(shè)備為目標，並以選修生物課之師院學(xué)生為研究對象，連續(xù)六週於實驗課時使用數(shù)位顯微視訊設(shè)備教學(xué)，並協(xié)助其拍攝顯微照片作為報告之用。並於實驗完成後，對參與學(xué)生進行設(shè)備安裝施測，研究使用設(shè)備所需的動素和時間，並調(diào)查學(xué)生對設(shè)備使用後的心得，用於建構(gòu)數(shù)位顯微視訊設(shè)備於教室中的應(yīng)用模式。 研究結(jié)果顯示，整合成熟之電腦與視訊科技產(chǎn)品，製作數(shù)位顯微視訊設(shè)備所需成本低廉，以改進教學(xué)是可行的方案。參與實驗研究之師院學(xué)生，一致肯定此設(shè)備的使用價值。在光學(xué)設(shè)計方面，直焦放大攝影、間接放大攝影各有其優(yōu)點，都是數(shù)位顯微視訊目鏡攝影的好方法。團體使用的班級教學(xué)中，忙攝功能、軟硬體的搭配與共用接環(huán)的設(shè)計更是不能缺少，才能提昇教學(xué)與拍照的效率。在操作動素分析上，男女同學(xué)各有優(yōu)勢項目，但是大多沒有顯著性的差異，因此可視為同質(zhì)團體。女生有較多項目的平均數(shù)較高，但僅有少數(shù)項目中存有顯著性的差異存在，這與女生不擅長設(shè)備安裝的印像有所不同。經(jīng)動作與時間分析結(jié)果得知，30人的班級中，兩人共用一臺顯微鏡時，最佳的組合是大家共用一部電腦、兩支攝影機、兩臺電視，配15臺顯微鏡，可得最高的效益。太多的設(shè)備會使投資變大、效率降低、不利於影像分享，不符教學(xué)的目標。本研究結(jié)果提供科學(xué)教師參考。關(guān)鍵字：科學(xué)教育、學(xué)具、顯微攝影、顯微視訊擷取壹、 前言電腦資訊工業(yè)的發(fā)展，以多媒體、自動化、光電應(yīng)用為主的發(fā)展趨勢。液晶顯示器、液晶投影機、筆記型電腦、CCD、CMOS感光原件、數(shù)位相機、數(shù)位攝影機等光電材料的發(fā)展，成為資訊科技的新展望。這些光電產(chǎn)品間相互的結(jié)合，將可以把投影機、錄影機、幻燈機、錄音機、光碟機、CD放音機、實物投影機等，整合為一個多媒體教學(xué)環(huán)境。它將衝擊傳統(tǒng)視聽教學(xué)媒體的應(yīng)用範疇，給教育帶來新的契機。視聽器材的應(yīng)用可以有效的提昇教學(xué)效果，經(jīng)電腦整合後的多媒體教學(xué)環(huán)境，所帶來的方便性、互動性、多樣性，更能提供教師在教學(xué)上發(fā)揮的空間，是無可置疑的。但是，這些設(shè)備未被老師充分應(yīng)用，必定有其他環(huán)境上的限制沒有被探討，所以一直停留在理論和理念階段而不能落實。許多的研究都指出，科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣依年齡的增加而有減低的現(xiàn)象，其主要原因是什麼卻少有深入的探討。目前各階段的課程設(shè)計上，為求快速而有效的學(xué)習(xí)，都採以系統(tǒng)知識為主軸的方式安排課程。在自然科教學(xué)上，以科學(xué)家的觀點看科學(xué)教育。由此教材的選擇和詮釋，無法引起學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和興趣。在評量方面過於理論化，讓學(xué)生得到了許多的挫折和失望。這種的觀點和設(shè)計，在基礎(chǔ)教育與通識教育上確實需要多加探討。完美的學(xué)習(xí)成果是培養(yǎng)成就感、引起學(xué)習(xí)興趣的基本要素之一，設(shè)計有效的學(xué)習(xí)途徑與完美的學(xué)習(xí)結(jié)果，將是提昇教學(xué)效果的一劑良方。在自然科學(xué)課程微生物單元教學(xué)中，放大鏡、顯微鏡的使用是不可或缺的教學(xué)設(shè)備，尤其在顯微鏡的使用上，更需要學(xué)習(xí)複雜的操作技能。在合作學(xué)習(xí)中，同學(xué)間互相協(xié)助、分享學(xué)習(xí)成果，可以提昇教學(xué)的效果。由於自然科學(xué)微生物的教學(xué)需要透過精密儀器來觀察，原本學(xué)生對傳統(tǒng)顯微鏡之操作技能不佳，不易找到所要觀察的目標，觀察到的成果不易與同學(xué)分享，以致教學(xué)效果不佳。目前的教材常以專家的標準，要學(xué)生畫出顯微鏡下的世界，給原本繪圖技能尚在寫意階段的小學(xué)生，帶來無限的挫折感、學(xué)習(xí)興趣低落、失去信心。用相機把影像直接拍照下來，將可以解決上列的困擾。事實告訴我們，顯微攝影困難度更高，價格更高、需要沖洗延宕時間。因此，它無法提供教學(xué)上即時的需求，立即在作業(yè)成果上展現(xiàn)出來，在教學(xué)上確實失去時效和互動性。在電腦科技發(fā)達的今日，只要整合電腦資訊和視聽媒體的應(yīng)用，以CCD顯微攝影機，透過電視或液晶投影機等提供即時的影像，經(jīng)由電腦做影像的擷取、處理、整理和應(yīng)用，將會是目前最佳的選擇。由於教育市場機制不夠，這類設(shè)備卻成為特殊的用途，價格昂貴、一般顯微鏡無法安裝，而很少被用於國小?；兑陨弦蛩兀狙芯恐饕康臑?，運用光電科技產(chǎn)品及光學(xué)原理，設(shè)計出一套價廉物美的顯微教學(xué)模組的可行性，以適用於所有標準的顯微鏡，透過多媒體電腦數(shù)位視聽器材，以提昇教學(xué)品質(zhì)。貳、 研究目的基於上述之研究動機，本研究有以下之研究目的。一、利用電腦資訊周邊設(shè)備PC Camera，研發(fā)一個經(jīng)濟實用型的顯微攝影機。二、測試研發(fā)之教學(xué)設(shè)備其功能，並蒐集彙整相關(guān)參考數(shù)據(jù)，依據(jù)測試結(jié)果建議其適用範圍。三、一般顯微攝影與數(shù)位顯微攝影的差別與優(yōu)缺點為何？他們的適用範圍是什麼？在教學(xué)上的應(yīng)用有何差別？四、數(shù)位顯微攝影教學(xué)的替代方案可能性為何？參、 研究方法本研究以專題製作法、實驗法及文獻探討，發(fā)展一種顯微攝影教學(xué)設(shè)備。採準實驗研究法，以選修生物課之師院學(xué)生為研究對象，以連續(xù)六週的時間，於實驗課中使用數(shù)位顯微視訊設(shè)備教學(xué)，並協(xié)助其拍攝顯微照片作為報告之用。並於後測中實施數(shù)位顯微視訊設(shè)備安裝的動作分析，以及實施焦點晤談等。所得之數(shù)據(jù)，以SPSS統(tǒng)計軟體做描述性統(tǒng)計以及單一樣本T考驗，以計劃評核術(shù)估算可行方案之效率，提供生物課顯微鏡教學(xué)上應(yīng)用的參考。肆、 文獻探討一、符合科學(xué)教育理論基礎(chǔ)科學(xué)教育的目的在於指導(dǎo)兒童接近自然，瞭解人與其周圍的環(huán)境和諧共存之重要，增進科學(xué)知能與科學(xué)情趣，熟練科學(xué)方法，以養(yǎng)成具有科學(xué)素養(yǎng)的國民。透過教科書和教學(xué)活動，培養(yǎng)觀察、應(yīng)用時空關(guān)係、分類、應(yīng)用數(shù)字、測量、傳達、預(yù)測及推理等八個基礎(chǔ)科學(xué)過程，以及控制變因、解釋資料、形成假設(shè)、下操作型定義、及實驗等五個統(tǒng)整過程。而這些探究科學(xué)的各種技能，可以協(xié)助學(xué)生適應(yīng)環(huán)境，重視生態(tài)平衡，解決生活問題，提昇生活品質(zhì)。學(xué)生的學(xué)習(xí)必須由學(xué)生依照自己的認知成熟度，主動的去探索外在環(huán)境，發(fā)現(xiàn)事物的真理以建構(gòu)起自己的知識，才算是真正的學(xué)習(xí)。經(jīng)由實驗室的教學(xué)活動，幫助學(xué)生理解抽象概念並印證課堂教學(xué)內(nèi)容，因?qū)嶒炇墙?gòu)個人知識體系的歷程。耿正屏(1992)認為學(xué)生對於不可觀察之抽象概念的學(xué)習(xí)較有困難。建議落實實驗課程與視聽多媒體教材之應(yīng)用。本研究之電腦多媒體設(shè)備應(yīng)用於實驗觀察時，可讓原本經(jīng)由描繪的抽象歷程，變得更為具體和明確可見，將有利於知識的建構(gòu)。本研究所設(shè)計之電腦顯微攝影設(shè)備，就是整合自目前已成熟的各種科技，而所需的經(jīng)費將能控制在一萬元以下，所得的品質(zhì)將能超越舊的產(chǎn)品。二、資訊的應(yīng)用2000年的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，臺北市各國民小學(xué)平均每班有2臺電腦，文書處理、網(wǎng)際網(wǎng)路等的使用率最高(陳進福，2000)，九年一貫課程綱要中各領(lǐng)域也對網(wǎng)際網(wǎng)路資源搜尋、報告整合能力等獨具青眛(教育部,1998)。多媒體的特色或基準的屬性有四點:1.媒體的融合性：如前述電腦與電視的融合。2.互溝通性：媒體與學(xué)習(xí)者的互動、相互教導(dǎo)。3.資訊的無構(gòu)造性：無構(gòu)造的意思是一種非平面構(gòu)造，它沒有固定的結(jié)構(gòu)和順序。一般教材有垂直型或螺旋型的結(jié)構(gòu)，惟多媒體的學(xué)習(xí)多了能對應(yīng)學(xué)習(xí)者個別的構(gòu)想，亦無預(yù)設(shè)的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)，隨學(xué)習(xí)者設(shè)定的目標，選擇學(xué)習(xí)的路徑。(魏明通，民86)然而常見許多教學(xué)軟體濫用多媒體特色，僅僅將設(shè)計不良、花俏的CAI教材融入高科技周邊設(shè)備，呈現(xiàn)於使用者眼前，也無法獲得較佳的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。這也是現(xiàn)今電腦輔助學(xué)軟體眾多，而真正具有教學(xué)價值者少的緣故之一。(鄭志偉1996)。筆者認為資訊工具說反而更能落實融入各科教學(xué)。(陳進福，2000)本研究將透過電腦網(wǎng)路、以超媒體製作與運用、合作學(xué)習(xí)等，即是基於上述理由之實現(xiàn)。三、學(xué)具與教具在生物實驗室中顯微鏡是最重要的教學(xué)設(shè)備，以前，我們把在教室中使用的設(shè)備簡稱為教具。這種的描述過於籠統(tǒng)，因此衍生出對它的迷思概念。教學(xué)設(shè)備應(yīng)該可以分為教具與學(xué)具兩類(陳進福,2000)。教具專指為教學(xué)時用於教導(dǎo)、示範所需使用之工具，它是教師用於提昇教學(xué)效果所準備之器材。對學(xué)生而言，它是處於被動從旁觀摩之地位，以領(lǐng)悟教師所教導(dǎo)之內(nèi)容。學(xué)具則是學(xué)生於學(xué)習(xí)時必須透過操作以達成學(xué)習(xí)目標的器具。並於操作過程中用以連結(jié)相關(guān)知識及新舊經(jīng)驗，以建構(gòu)其內(nèi)在的知識，它是處於主動操作體驗之模式，以建構(gòu)本身之知識架構(gòu)。雖然有的設(shè)備可能兼具有兩者的功用，由於立論點之不同，將產(chǎn)生完全不同的教學(xué)方式和結(jié)果。從顯微鏡的教學(xué)設(shè)備來看，它很難達到教具的要求標準，應(yīng)該屬於學(xué)具比較恰當。顯微攝影設(shè)備用於取得觀察的結(jié)果，可以用於展示和教學(xué)，則它屬於教具。如果用它來製作實驗報告，詳細的描述細節(jié)以提昇學(xué)習(xí)的品質(zhì)，它將成為學(xué)具。這種的轉(zhuǎn)變將影響教學(xué)的方法和目標，將從原先強調(diào)描繪物體的型態(tài)進而強調(diào)描述物體的特徵。四、顯微鏡在教學(xué)上的重要性85年的課程標準中，於光的折射教學(xué)目標中，各審定本在三年級的自然課本中都有一個關(guān)於光的單元。它們分別用小水滴，裝水的試管、圓形瓶、冰塊都可以做出一個簡易的放大鏡(康軒、南一、翰林、小牛頓等，1988)。透過放大鏡，它帶領(lǐng)我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)許多被我們忽略的美麗世界。五年級時，使用顯微鏡觀察生物細胞。由於標準太高實施不易，九年一貫課程則移至國中階段。其間將缺少使用顯微工具，觀察顯微世界的課程。在科學(xué)教育的的領(lǐng)域裏，對生物作生態(tài)等各種的觀察，拍攝生物的照片，既美觀又有趣，它不但是攝影上一個重要的主題，更是科學(xué)研究的一種基本技能。五、顯微照相的分類看到一張微小生物的特寫，就會聯(lián)想到顯微攝影。由於像距、物距與焦距的交互變化關(guān)係，依放大的倍率和所使用的器材不同，約可分成三種不同的層次等級。層 級倍 率設(shè) 備近接攝影Close-up約1/20到等倍近攝鏡Close-up lenses、變焦用近攝鏡頭、環(huán)圈閃光燈(Ring flash)、微距鏡頭 放大攝影Macro photography約1/2到20倍微距鏡頭(Micro lenses)、逆向轉(zhuǎn)接環(huán)(Reversing ring)、接寫環(huán)(Tubes extension)、蛇腹(bellows)顯微照相(Microphotography)約10倍以上顯微鏡及附件C-Mount(一) 近接攝影(Close-up)近距離的攝影，通常是從一般人所忽視的小地方著手，在正常鏡頭外附加補助鏡頭(supplementary lens)的近攝方式(Michael &Busselle布賽爾，1981)。在巨像攝影中是最簡單方便的方法，(TlME-LIFE BOOKS,1978)。近接特寫攝影時要特別注意：(1). 景深淺對焦不易；(2). 共軛焦距變長光圈值比標示值??；(3). 光線變暗要注意曝光量(Michael Busselle，1981)；(4). 容易震動要使用腳架(濟民，1982)；(5). 容易發(fā)生像差，要用專用鏡頭。這些事項在研究中應(yīng)特別留意。使用專門為近距離攝影的微距鏡頭(Macro lenses)會有較好的畫質(zhì)。(林啟昌，1978) (二) 放大攝影(Macro photography)一般鏡頭加上特別的環(huán)之後，拍攝倍率可增至10倍到20倍(傅一君，1982)。(鄒保羅，1977) 逾此時宜用顯微鏡照相方式。放大攝影使用的攝影器材較多，有巨像鏡頭(Macro lenses)、微距鏡頭(Micro lenses)、鏡頭逆向接裝環(huán)(Reversing ring)、接寫環(huán)(Tubes extension 伸展筒)、蛇腹(Extension bellows 伸縮皮腔)等(Michael Busselle布賽爾，1981) (TIME-LIFE BOOKS,1978)。(三) 顯微照相(Micro photography)十倍以上的擴大攝影，若利用顯微照相裝置，則對焦會比較便利(林啟昌，1978)。它是將相機裝置於顯微鏡上拍攝，屬於顯微鏡照相的範圍，倍率由40-1500倍(鄒保羅，1977)。透明或半透明物體，最好是從物體的下方照明(濟民，1982)。不透明物體，從上方照明較適宜，黑色背景更能襯托色彩。拍攝顯微鏡影像，要以C-Mount連接相機和顯微鏡，所使用的鏡頭有顯微鏡的物鏡、接目鏡，相機鏡頭等三種。由於顯微鏡和望遠鏡具有相似的光學(xué)構(gòu)造， (曹培熙、駱劍秋譯，1990)，天文攝影的放大攝影法(天文年鑑，1995)，也可以應(yīng)用於顯微鏡攝影。方法有下列四種：1.直焦放大攝影：主鏡+相機。2.目鏡放大攝影：主鏡+目鏡+相機。3.間接放大攝影：主鏡+目鏡+相機鏡頭+相機。4.巴羅鏡放大攝影：主鏡+巴羅鏡+相機。六、 視訊色彩學(xué)人類為了色彩再現(xiàn)的需求，分別找出加色法和減色法這兩種顏色混合的辦法。加色法(Additive process)，乃用色光三原色(紅、綠、藍)混合而成，色光相加時會越加越亮，各種顏色總和為白色，所以叫做加色法。主要在舞臺燈光、電視、電腦螢?zāi)簧蠎?yīng)用。可見光的色光三原色，被定義如下：種類紅綠藍自然光780mu500mu380mu彩色電視610mu535470muCIE700mu546.1mu435.8mu臺灣採用美國之NTSC彩色電視系統(tǒng)，其主要缺點為色相不穩(wěn)定，PAL及SECAM系統(tǒng)就是為了改良此缺點而設(shè)計(葉嘉生，1981)。減色法(subtractive process)，色光照射在物體上時，部分色光會被吸收，只反射剩下的色光讓眼睛看見，故乃名之曰減色法。洋紅，黃色和青色等三種顏色則稱之為減色法的三原色(楊暉，1974)。主要應(yīng)用於反射物介質(zhì)上，如照片、列印、印刷等(陳進福，1994)。七、光電的發(fā)展(一) 像數(shù)的重要目前優(yōu)質(zhì)的數(shù)位感光器材以CCD為主要元件，100萬像數(shù)的影像品質(zhì)已能達到基本的要求。由於200萬以上像素所佔的記憶體相當大，有些人認為它的實用性不高。與傳統(tǒng)相機(1600萬以上)比較起來畫質(zhì)還是有相當?shù)木嚯x。因此數(shù)位相機產(chǎn)品的定位開始產(chǎn)生兩極化的效應(yīng)。在百萬像素以上的產(chǎn)品，注重影像品質(zhì)的表現(xiàn)，產(chǎn)品的定位較偏向消費性電子產(chǎn)品；百萬像素以下的產(chǎn)品，要求的是與PC搭配的便利性，及低單價的特性，定位較偏向電腦周邊產(chǎn)品(葉德川，2000)。在電腦的處理上，像數(shù)是可以虛擬的，如Epson系列採用Hyper Picture Technology； Agfa系列使用Photo wise；Fuji採用SuperCCD。其實這些虛擬的做法很難有效的提昇畫質(zhì)，反而會浪費更多的記憶體。在SONY D8 TRV310攝影機的規(guī)格說明書中，清楚的記載成像元件是採用1/4英吋CCD電荷耦合器，建議像數(shù)約46萬像素，實際像數(shù)約29萬像素(SONY，1999)。這個解析度在NTSC512條掃描線的規(guī)格中，已經(jīng)可以產(chǎn)生很好的品質(zhì)了，遠超過VCD品質(zhì)的需求(320*240=76800)，但在D8的使用情況下將是虛擬的畫質(zhì)。canon推出的D30數(shù)位相機正是使用CMOS作為數(shù)位底片。採用可換裝傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭，售價約數(shù)十餘萬元(周原慶，2000)。(二) CCD尺寸的奧秘攝影學(xué)上常依據(jù)是底片對角線的長度，定義標準鏡頭、廣角鏡頭、望遠鏡頭。由於CCD是數(shù)位影像中價格最為昂貴的零件，減小面積就會降低成本，因此CCD的尺寸變化是非常的多。標準鏡頭就很難確定是多少了，因此一般都以比照135相機的焦距來標示。在一般攝影上CCD的大小可能不重要，但是在顯微攝影時卻成為關(guān)鍵性的要素。一般最常見的CCD尺寸為1/3、1/2、1/4、1/5。經(jīng)實際拍攝後發(fā)現(xiàn)，視野比想像中的小許多。在網(wǎng)際網(wǎng)路上有人研究發(fā)現(xiàn)，許多的標示尺寸竟然與CCD的長+寬近似。這將影響在顯微鏡上的應(yīng)用。(三) 鏡頭的重要品質(zhì)優(yōu)良的鏡頭和電器特性是決定畫面品質(zhì)的重點。數(shù)位影像處理上，除了感光元件之外光學(xué)鏡頭對影像的影響最大。光學(xué)鏡頭要縮小體積又要提高放大倍率，內(nèi)部的鏡片會用到較大屈度的組合，這會讓影像出現(xiàn)邊緣的幾何失真，要讓放大率提升，又要不造成影像的扭曲，這是最難辦到的。另外採用高級鏡片是讓影像提升方法之一(周原慶，2000)。在1/3英吋面積的CCD晶片，即使畫素超過l00萬點以上，就算是提高輸出信號的解析度，也會因為鏡頭的顯像密度不足，無法獲得高品質(zhì)的畫質(zhì)。因此如果加大CCD的面積，就算是使用相同的鏡頭，也可提高畫面的清晰度。所以今後超過百萬像素的機種，其CCD晶片面積就顯得更為重要了。(洪錦魁，2000)八、鏡頭與像差光由各種不同波長的色光所組成，當光通過介質(zhì)時將因波長不同而有不同的折射率，使得焦點不再同一位置而影像模糊。因透鏡而發(fā)生的影像瑕疵稱為像差，常見的像差有：球面收差(Spherical)、非點像差(Anastigmat) 彗星像差(coma)、像面彎曲(Covertual of field)、畸變像差(Distorsion)等五種收差，合稱為依特爾氏五收差。再加上已知之色收差(chromatic Abaration)、倍率色收差成為七種收差。各鏡頭設(shè)計家都會巧妙的以各單體透鏡曲面、厚度、相互間隔、光圈位置、透鏡材質(zhì)，應(yīng)鏡頭目的將諸收差作均衡性修正 (鄒保羅，1977)。若為30-40倍程度之小複寫屬於顯微照相，可用高解像力特殊攝影用鏡頭，平坦的像面及歪曲度小為其必要條件(林啟昌，1978)。顯微鏡的鏡頭就是屬於此種。九、CCD對影像的影響在顯微攝影時，不良之光學(xué)鏡頭，或光電產(chǎn)品之瑕疵很容易顯現(xiàn)出來，尤其在透射光照明時更為明顯。有關(guān)各種光學(xué)上的瑕疵之修正技術(shù)可參考有關(guān)文獻。CCD攝影機還會出現(xiàn)以下各種不良的影像。(一) 濾色片干擾紋(二) 濾色片膠合不良(三) CCD雜訊(四) 亮部網(wǎng)紋(五) 色平衡失調(diào)(六) 曝光不正確(七) 鏡頭環(huán)狀干擾紋比較項目傳統(tǒng)顯微攝影數(shù)位顯微攝影像成本昂貴：照片沖洗費低廉：螢?zāi)徽故竞馁M時間久：外送短：立即移動模式上下左右相反上下左右相同觀察操作眼睛易疲勞輕鬆不吃力尺寸測量估計的比例尺精確的顯微尺教學(xué)方式預(yù)備、固定立即互動使用特質(zhì)獨享分享影像類型靜態(tài)照片影像、動畫影像處理位像差強調(diào)重點主要用途研究：精細教學(xué)：正在發(fā)展陸、 結(jié)果與討論依據(jù)研究架構(gòu)與目的，分別歸納結(jié)果如下： 一、成本比較本研究以發(fā)展經(jīng)濟實用型之數(shù)位顯微攝視訊設(shè)備為主題，試與傳統(tǒng)顯微攝影比較特性如下表：傳統(tǒng)顯微攝影與數(shù)位顯微攝兩者之價格分析如下表：類型顯微鏡CCDC-mount介面軟體小計倍率傳統(tǒng)顯微攝影30,00020,0005,000100,000155,0007.5數(shù)位顯微視訊10,0005,000自製5,000200001二、顯微視訊設(shè)備的安裝與架設(shè)(一)、直焦放大顯微攝影只使用了顯微鏡的物鏡，作為光學(xué)成像系統(tǒng)，構(gòu)造最為簡單。相對的，它所需要的成本就會較低廉，影像失真最少的方法。影響成像的問題很多，使用直焦攝影失真最少的原因有下列幾點：1.在光學(xué)的特性中，光線透過玻璃表面時，就會造成光的損失。使用的鏡片數(shù)越多，光的損失就會越多。只使用物鏡時，鏡片數(shù)目最少，所得的光將會最多。2.透鏡的組合，主要為了修正像差、色差等問題。單一透鏡組都已做過像差修正，鏡頭的好壞已設(shè)計過，不宜任意更動。3.在顯微鏡的鏡頭等級上，物鏡的等級比目鏡高，價格已較貴。直焦放大攝影光學(xué)構(gòu)造圖(二)、使用CCD作直焦放大攝影，會使放大倍率增加。相片的倍率，會隨著相片尺寸的變化而改變。當鏡頭、物距、像距固定時，倍率與感光媒體的面積成反比。135軟片的對角線長是43mm、目鏡接環(huán)直徑是23mm、四分之一吋CCD的對角線長是4.53mm，三者感光體對角線的倍率比是10：5：1(如右圖)。當把所得影像放大到同一尺寸時，倍率比是1：5：10。使用CCD作直焦放大攝影，會隨著CCD的尺寸大小，而有不同的放大倍率。(三)、使用CCD作直焦放大攝影，常會出現(xiàn)焦點偏移與亮度不足的困擾。光的亮度與距離的平方成反比，光的強度則是放大倍率的平方分之一。以四分之一吋CCD作直焦放大攝影，光度將是原光度的二十五分之一。這使得原本就光度不足的環(huán)境更為惡化，使影像解析度變差、出現(xiàn)雜訊、色彩飽和度不足、影像品質(zhì)惡化。建議使用較大尺寸的CCD、並加強補光。造成CCD焦點偏移現(xiàn)象的原因有二：1.顯微鏡物鏡的成像在顯微鏡鏡筒內(nèi)。2.CCD電路設(shè)計太大無法插入顯微鏡鏡筒內(nèi)：CCD的影像擷取後，須靠電路來轉(zhuǎn)換和傳送訊號。雖然CCD的尺寸比目鏡接環(huán)小，但是電路板卻比目鏡接環(huán)大，使得CCD無法正確的安裝在原物鏡的焦點上，而出現(xiàn)焦點偏移現(xiàn)象，需要重新對焦。為避免焦點偏移，建議1.選用電路板體積較小的產(chǎn)品。2.選擇CCD攝影專用顯微鏡。(四)、間接放大顯微攝影是最簡單的方法，最適合CCD目鏡攝影法。直接將攝影機的CCTV鏡頭貼近目鏡就可以攝影。但是有出現(xiàn)遮蔽角、光軸偏移和曲光不正三種毛病，需要克服。建議在鏡頭的選用上，可採用CCD對角線二倍焦距的CCTV鏡頭，以克服遮蔽角的毛病。對於光軸偏移和曲光不正，應(yīng)以車床車製C-mount接環(huán)，以精確的控制光軸和鏡頭距離。採用間接放大攝影的優(yōu)點有三：1.視野佳：近似於從目鏡所見的範圍。2.亮度高：較符合攝影的需求，有較高的色彩飽和度。3.同步對焦：從眼睛轉(zhuǎn)到CCD攝影機時，焦距的誤差較小。 間接放大攝影光學(xué)構(gòu)造圖(五)、生物顯微鏡增加投射燈後，可以當作實體顯微鏡使用。生物顯微鏡的採光為透射光，以觀察物體的內(nèi)部構(gòu)造為主。初學(xué)使用顯微鏡者，應(yīng)從實體觀察開始較能引發(fā)興趣。建議生物顯微鏡使用者，可以增加上方投射光源，以觀察物體外表。(六)、顯微鏡的目鏡接環(huán)，口徑以23mm和30mm兩種規(guī)格為主，適合於動態(tài)安裝攝影機。目鏡是一種可以更換的附加品，可依倍率、度數(shù)選購，當教室中同時有數(shù)種顯微鏡時，相同口徑的目鏡是允許互相交換的。設(shè)計機動移動式的攝影機，以透過目鏡環(huán)連接，將最為方便。將兩種口徑設(shè)計成兩用接環(huán)，更可以適用全部的顯微鏡。(七)、軟體與硬體的搭配發(fā)揮功能，軟體和軟體的搭配提昇效率和品質(zhì)。硬體設(shè)備必須藉由驅(qū)動程式，才能發(fā)揮硬體應(yīng)有的功能。簡單的隨機版軟體，與功能強大的套裝軟體，可能都不是最合適的選擇。藉由幾個軟體的互相搭配，反而有更好的效率和品質(zhì)。不同的硬體將有不同的搭配組合。(八)、班級使用的顯微視訊設(shè)備，要有支援忙攝的功能。在班級使用的顯微視訊設(shè)備，就必須具備傻瓜相機等級的智慧，按下快門就可以快速的獲得影像，才足以因應(yīng)共同使用的目標。忙攝功能需要軟硬體和檔案管理的相互整合，包括1.單鍵擷取影像。2.影像自動存檔。3.智慧化影像處理。4.系統(tǒng)化檔案管理。5.資料處理網(wǎng)路化等。(九)、顯微視訊設(shè)備的安裝方式，依監(jiān)看、擷取、展示的需求及設(shè)備而不同。如下圖教具與學(xué)具是兩種不同思考角度，對教學(xué)設(shè)備基本性能的要求。監(jiān)看、展示著重於視訊傳送，影像擷取著重於資訊傳送；監(jiān)看、擷取為個人學(xué)具的功用，展示則著重於團體教導(dǎo)的功能。當設(shè)備不同時，安裝的方式也會不同，尤其是傳輸介面不同時，所選用的設(shè)備必然不同。一般而言，透過電腦的安裝模式，可以整合各種目標，兼顧大部分的需求，影像品質(zhì)也比較好。值得推廣採用。顯微鏡影像輸入訊號轉(zhuǎn)換影像擷取影像輸出 視訊設(shè)備配置網(wǎng)狀圖三、顯微視訊設(shè)備的操作動素分析要了解視訊設(shè)備在教室中的配置需求，可透過時間動作分析來計算。時間動作分析包括動作分析與時間分析，將所得資料藉計畫評核術(shù)與要徑法，評估預(yù)期結(jié)果，以決定視訊設(shè)備的數(shù)量和配置。使用視訊設(shè)備的動作分析，依程序分成三類，(一)、教學(xué)前的準備工作。以數(shù)位化視訊設(shè)備的安裝為主，共分為三項，每項有四個動素。1. 連接訊號線：CCD、切換器、視訊盒、電視等，的訊號線。經(jīng)統(tǒng)計結(jié)果，插入一個AV端子，平均需要6.42秒至12.21秒之間，AV座位於背面與插孔有數(shù)個時，需要較長的時間。以T檢定，男女間兩者沒有差異。與變異數(shù)F檢定的結(jié)果相同。平均安裝一個AV訊號線插頭需要9秒鐘。2. 安裝電源線：CCD、三臺顯微鏡、電腦、電視等，的電源。插一個插頭平均需時9.39秒，女生比男生快，並呈現(xiàn)顯著性。同一個動作重覆時，動作會變快，如：三臺顯微鏡插入三個插座共需13.11秒，平均為4.37秒。這可能受練習(xí)曲線影響。3. 電腦安裝：視訊盒、啟動電腦、啟動視訊軟體、啟動影像軟體。USB使用方便、支援熱插拔，所需時間確實很短，安裝接頭一次平均為4.89秒。啟動電腦軟體所需時間，受電腦硬體速度影響很大。(二)、教學(xué)進行中的操作。三種顯微鏡的操作動素分析。每項都有四個動素。1. 搜尋目標平均約15.62秒、安裝CCD平均約18.33秒、視訊分享對焦平均約15.55秒、影像擷取平均約7.44秒。男女間差異不大，可視為同群體。更換玻片與指定搜尋目標，會影響搜尋目標所需的時間，達顯著水準並具相關(guān)性2. 安裝專用CCD為24.07秒，比安裝目鏡CCD約16.5秒，約需要增加1/2的時間。以獨立樣本F檢定，男女變異數(shù)之間有顯著的差異存在，平均數(shù)相等的T檢定尚未達到顯著水準。3. 視訊分享對焦約需14.75秒。，因座位與電視機的位置偏差，有手眼協(xié)調(diào)問題需要克服。攝影專用CCD缺乏保養(yǎng)與校正時，仍需耗時13.11秒。與移動性目鏡CCD相差很少。建議任何器材都需要定期保養(yǎng)與校正。4. 影像擷取的動素簡單，平均值為7.44秒。(三)、學(xué)習(xí)後的影像處理。有三個動素。包含1.選圖、裁切、修色，平均28.19秒。2.貼上比例尺29.75秒。3.以姓名.jpg存檔21.69秒等三項。選圖、裁切、修色上女生以10.20秒優(yōu)於男生36.36秒達3倍之多。達到顯著性差異。四、顯微視訊設(shè)備於教室中的應(yīng)用(一)、個人使用的配置規(guī)劃安裝個人使用設(shè)備需要時間182.38秒，影像擷取約需時間113.88秒，與影像處理159.26秒。以3張照片會有一張照片被用於實驗報告來計算，一節(jié)課僅能獲取5張重點照片，用於報告上，因此，學(xué)生會希望每人有一套專用設(shè)備。建議實驗室應(yīng)有一套設(shè)備，開放讓學(xué)生使用。(二)、團體使用的配置規(guī)劃由於大家輪流使用同一套設(shè)備，後面同學(xué)的催趕，因此，影像擷取的時間不需寬放，效率較高。上課前已安裝好設(shè)備，下課後才影像處理，單張影像擷取所需時間為41.32，每節(jié)課40分鐘，扣除解說時間15分鐘。25分鐘約可擷取36.30張。(三)、為提昇團體教學(xué)的使用效率可以增加一部攝影機與電視，以AV視訊方式和電腦共同工作，並以切換器切換兩者之間的視訊，CCD在切換前就已安裝好，時間不需計入，25分鐘可擷取65.24張。效率提高將近一倍，值得採用。(四)、顯微鏡與視訊設(shè)備比率：採用分時系統(tǒng)的觀念，可以達到資源共享，以及節(jié)省設(shè)備成本。計算結(jié)果顯示，採分享與擷取並行模式，一個30人的班級，各設(shè)備的需求比值是，一臺電腦配兩臺顯示器、2支攝影機、15臺顯微鏡，設(shè)備最省效能佳，是一個很合適的搭配。太多設(shè)備在同一班級，會使的投資變大、沒有效率、分享變成困難、線材糾纏。如表項目顯微鏡攝影機電視電腦工作量分享與擷取並行15臺2支2部1套176.47幅只做擷取15臺4支0部4套209.6幅每臺顯微鏡一套設(shè)備15臺15支0部15套157.35幅五、軟硬體的搭配與區(qū)域網(wǎng)路的應(yīng)用在動作分析時的影像擷取，僅有兩個按鈕的動作。有許多的軟硬體沒有忙攝的功能，是沒辦法這樣做的，也無法達成這種的速度。硬體的限制上，介面卡速度快、效果佳，USB介面安裝方便，但是傳輸速度較慢。全螢?zāi)还δ?、能放大分享的影像，速拍鈕、熱鍵、遙控器等忙攝功能需要硬體的支援和軟體的搭配。軟體限制上，自動存檔功能，自動修整，擷取軟體、看圖分類、影像影像處理等三個軟體，可同時在電腦上作業(yè)。其他如：兩用接環(huán)、切換開關(guān)、遠端供電，可以有效的縮短時間、減小難度、提高效能。透過區(qū)域網(wǎng)路功能來分工，由多部電腦來共同作業(yè)。把教學(xué)進行中的操作分成擷取、檔案管理兩臺電腦。學(xué)習(xí)後的影像處理則個別連上影像資料庫，以區(qū)域網(wǎng)路來處理將是很理想的辦法。柒、 結(jié)論與建議一、整合電腦與視訊科技之後，數(shù)位視訊設(shè)備的價格在一萬元以內(nèi)，相當於一臺普通顯微鏡的價格，約為專用設(shè)備的七分之一，設(shè)備增購上已無困難。價格的低廉足以普及化，建議學(xué)校應(yīng)能準備一套，以供教學(xué)之用。二、直焦放大攝影、間接放大攝影各有其優(yōu)缺點，都是數(shù)位顯微視訊目鏡攝影的好方法。直焦放大攝影構(gòu)造簡單、影像效果佳、價格低、放大倍數(shù)高；對光度要求高、對焦不易。間接放大攝影視角廣、亮度高、同步對焦容易；但是價格較高、像差較大。由於CCD解析度較低(約35萬像素)的限制，以及在教學(xué)使用上的需要，採間接放大攝影較為適用。三、數(shù)位視訊設(shè)備讓顯微鏡下的影像即時分享，讓老師能明確的指出目標，提昇教學(xué)效果。學(xué)生透過數(shù)位視訊設(shè)備影像擷取功能，讓顯微攝影、描繪生物型態(tài)不再是那麼的困難，有助於實驗報告品質(zhì)的提昇，並影響學(xué)習(xí)的內(nèi)涵。四、數(shù)位視訊設(shè)備的安裝技能，女同學(xué)的平均值普遍優(yōu)於男同學(xué)，經(jīng)統(tǒng)計分析，雖然少有性別間差異。但是社會上對於女性不擅於設(shè)備安裝的刻板印像有相反的證明。國民教育階段中，女老師的比率一向偏高，這個設(shè)備的使用對於教育上的運用將是沒有困難的。五、硬體的整合、軟硬體的搭配、軟體的分工等三項，將使得數(shù)位視訊設(shè)備充分發(fā)揮功效。過多的設(shè)備將增加購買、管理成本，且不利於影像分享，不符教學(xué)的目標。分享與擷取並行，只需一套電腦，搭配兩支攝影機、兩臺電視、15臺顯微鏡，效益比最高。六、初學(xué)顯微觀察者，以立體解剖顯微鏡觀察外觀，較能引起學(xué)習(xí)動機。建議使用一般顯微鏡，由上方投入反射光源，即可替代實物顯微鏡使用。七、從動作時間分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備使用前的安裝，需要許多的步驟及安裝時間，這增加了教學(xué)設(shè)備使用的困難度，影響老師使用的意願。如果能把安裝操作步驟簡化、將會有效的提昇教學(xué)設(shè)備的使用。本研究中僅有對上課操作的步驟做簡化研究，提出忙攝的功能，以提昇教學(xué)效能。對於教室內(nèi)的配置、設(shè)備的安裝等可能需要再深入研究，才能真正使教學(xué)設(shè)備發(fā)揮其輔助教學(xué)之功能。捌、 參考文