資訊科技融入地球科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)之研究

1、資訊科技融入地球科學(xué)教學(xué)與學(xué)習(xí)之研究長榮大學(xué)媒體設(shè)計(jì)科技學(xué)系、虛擬實(shí)境研究中心李逢春教授校址 711臺南縣歸仁?長榮路一段396號電話 06-2785123 ext.4209,手機(jī) 092-111-4727,Email .tw.tw/river/index01.htm33/gisvr/中文摘要臺灣天然災(zāi)害的研究豐富卓越，唯獨(dú)河川輸砂鮮少做科普研究。臺灣的地質(zhì)背景非常複雜特殊，地震頻繁，地層不穩(wěn)，山高坡陡、加上颱風(fēng)與豪雨，使得臺灣的河流輸砂成為臺灣重大天然災(zāi)害問題之一。本計(jì)畫整合地球科學(xué)、水利工程

2、、教育、資訊、機(jī)械工程及管理推廣等跨領(lǐng)域各類人才，以河川輸砂為學(xué)習(xí)材料，設(shè)計(jì)相關(guān)課程、評量及遠(yuǎn)距教學(xué)，發(fā)展河川輸砂電腦模擬之GIS系統(tǒng)。關(guān)鍵字：地球科學(xué)、河川輸砂、地理資訊系統(tǒng)、網(wǎng)路學(xué)習(xí)、虛擬實(shí)境、Netstars 模式AbstractComparing the natural hazard from other topics, such as earthquake, the hazard from the river situation is much important in Taiwan. Due to the complicated geology background of Taiw

3、an island, for instance, the young and unstable structure of plate with active tectonic and the steep river profiles with high frequent storms and typhoons, the natural hazards resulting from “river-sediment-transport”, no doubt, becomes a very obvious and sensitive topics now, and because of the co

4、mplication of this natures of the river hazard, the relation researches on this field relatively not so many.By integrating the different fields, such as, earth science, water-resources engineering, education, information and mechanical engineering and management, the systematically system on entire

5、 “material for learning”, “virtual reality system and GIS system “ will be set-up on this plan.Keywords: Earth Science, river-sediment-transport, learning through Internet, GIS, virtual reality, Netstars models 1 引言: 特殊的自然環(huán)境與人文環(huán)境造成高度的河川侵蝕率:臺灣島的地體構(gòu)造與自然環(huán)境非常複雜且特殊，使得臺灣是全球河川侵蝕率最高的地區(qū)之一(Yuan-Hui Li，1976)；D

6、adson et al.(2003)分析全臺灣一百五十條主要河流之測站紀(jì)錄、地質(zhì)材料及颱風(fēng)和雨量等共一百餘萬筆資料，更指出臺灣地區(qū)之河川侵蝕僅次於喜馬拉雅山。因此，臺灣河川侵蝕現(xiàn)象已成為各國競相研究之對象。因自然環(huán)境(山高坡陡、板塊運(yùn)動(dòng)劇烈、氣候溫暖潮濕、雨量分布不均)和人文環(huán)境特殊,人口壓力大，造成臺灣年輸砂量如此龐大2.背景:本研究構(gòu)想是從地球科學(xué)的觀點(diǎn)，思考地質(zhì)災(zāi)害的基本科學(xué)原理，如何解決河川輸砂的地質(zhì)災(zāi)害問題?如何減輕地質(zhì)災(zāi)害的威脅?最重要的是河川輸砂量多少?臺灣天然災(zāi)害的研究（如地震、颱風(fēng)、土石流等等）十分豐富且非常卓越，唯獨(dú)河川輸砂鮮少做科普專案研究。臺灣的地質(zhì)背景非常複雜特殊，山

7、高坡陡（本島73.6%為高山、丘陵和臺地），加上颱風(fēng)、豪雨的影響，使得臺灣的河流年輸砂量（即年侵蝕率）成為全球記錄最高的地區(qū)之一，僅次於喜馬拉亞山（李遠(yuǎn)輝，1976；Dadson, 2003）。臺灣中部之濁水溪在1999年集集大地震過後，遭逢桃芝及納莉風(fēng)災(zāi)，累積侵蝕的沉積物從五千四百萬噸增加到兩億四千萬噸，相當(dāng)於印度河從喜馬拉雅山?jīng)_刷一年的輸砂量，造成相當(dāng)嚴(yán)重災(zāi)害，如橋樑毀損、河岸沖蝕、邊坡滑動(dòng)和土石流等。因此河川輸砂也應(yīng)被列為臺灣重大天然災(zāi)害問題之一。圖1將全臺灣數(shù)值地形資料經(jīng)由Mapinfo轉(zhuǎn)換為三維地形圖。圖2921埤豐橋斷橋模擬。3 目的 :高度的河川年侵蝕率可做為數(shù)位學(xué)習(xí)的良好範(fàn)例。

8、臺灣河流的年侵蝕率之高是世界上最著名的區(qū)域之一，可做為極好的河川輸砂之?dāng)?shù)位學(xué)習(xí)的範(fàn)例。臺灣地形多高山、且坡度大，加上地質(zhì)不穩(wěn)定及雨季集中，使臺灣溪流普遍具有短小湍急、洪枯流量懸殊、侵蝕作用旺盛、河水含砂量高等共同特徵。根據(jù)臺灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系及英國劍橋大學(xué)地球科學(xué)系研究團(tuán)隊(duì)，在2003年於Nature期刊發(fā)表臺灣島之侵蝕、逕流變化與地震間的關(guān)係的論文中指出，臺灣地區(qū)之卑南溪、濁水溪、高屏溪為三大侵蝕最為嚴(yán)重之流域，近三十年來卑南溪每年沉積物達(dá)八千八百萬噸，濁水溪為五千四百萬噸及高屏溪四千九百萬噸，其侵蝕率之嚴(yán)重性可見一斑。圖3河川下切示意圖：河流的向下侵蝕是由於水力對河床進(jìn)行磨蝕、鑽深的作用，使

9、河谷加深，較陡的河床坡度除了助長流速，同時(shí)也會(huì)增加他的下切能力。我們常在河流上游，發(fā)現(xiàn)河谷中泥沙較少，多是裸露巖層，就是河水下切的證據(jù)。(李逢春，2001)圖4河川側(cè)蝕示意圖：河流的側(cè)向侵蝕是因河流流動(dòng)時(shí)，兩岸巖層土壤受流水磨蝕，尤其河水一旦挖蝕坡角，即會(huì)引起土石大量崩落，因此造成河谷加寬的現(xiàn)象。(李逢春，2001)圖5河川向源侵蝕示意圖：河流也有向源頭逐漸侵蝕的力量，河流的向源侵蝕係指河流向源頭延展，河流發(fā)源地區(qū)因雨水沖刷或泉水湧出，使巖層土壤鬆動(dòng)、滑落，源頭逐漸後退，河谷就加長了。(李逢春，2001)4 方法:地理資訊系統(tǒng):隨著近代科技進(jìn)步神速，藉由電腦處理資料快捷的速度與正確的特性，使得

10、地理資訊系統(tǒng)在國內(nèi)外廣為應(yīng)用至各個(gè)層面：4.1河川輸砂辮狀河系沖淤模式:辮狀河系沖淤模式結(jié)合了BRALLUVIAL、CHARIMA及修正後之GSTARS模式，發(fā)展出一個(gè)適用於臺灣獨(dú)特蜿蜒河川的河川網(wǎng)路之?dāng)M似二維輸砂模式(Network Stream Tube Model for Alluvial River Simulation，簡稱NETSTARS)，能夠更適切且合理地模擬主支流交匯狀況下之複雜河系的泥沙運(yùn)動(dòng)行為。此模式(NETSTARS)為一求解網(wǎng)路型河川沖淤問題的分離演算(uncoupled)模式，所謂分離演算模式就是將水理與輸砂分開計(jì)算，及架構(gòu)以GSTARS模式為主。此模式曾於民國82

11、年應(yīng)用於基隆河流域。（李鴻源）4.2收集與處理河川輸砂之?dāng)?shù)據(jù)資料與野外實(shí)察4.3製作虛擬實(shí)境物件與地理資訊系統(tǒng)之建立a.設(shè)計(jì)物件模型：使用3D studio Max建模，如輸砂量計(jì)(圖12-27)、採樣瓶(圖12-28)、烘箱(圖12-29)及D-48手執(zhí)取樣器等虛擬物件(圖12-30)。圖6 輸砂量計(jì)圖7 採樣瓶圖8 烘箱圖9 D-48手執(zhí)取樣器b.用Virtools整合虛擬實(shí)境物件與場景，如圖12-31所示。c.模型物件位置配置與程式設(shè)計(jì)：用Visual C+與DirectX發(fā)展本計(jì)畫之遊戲。利用地理資訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一般資訊d.地理資訊系統(tǒng)時(shí)間與空間資訊的建模:（a）後製資料處理（b）

12、文字資料與圖形資訊的轉(zhuǎn)換，如圖12-32所示。圖10 數(shù)值地形轉(zhuǎn)化圖形地形。（c）空間建模與修正，如圖12-33。圖11 空間立體化建模。e.地理資訊系統(tǒng)之資料的建構(gòu):（a）資料處理（b）資料庫建立（c）河川輸砂與資料庫整合（d）將相關(guān)資料轉(zhuǎn)化成資訊並做邏輯運(yùn)算5 結(jié)語:本研究成果有四：1.促進(jìn)中小學(xué)生與社會(huì)大眾對地質(zhì)災(zāi)害與河川侵蝕的認(rèn)識，激發(fā)其科學(xué)思考、運(yùn)用科學(xué)方法以解決問題的能力。2.創(chuàng)建河川輸砂量之計(jì)算和相關(guān)之地理資訊系統(tǒng)（GIS）。3.邀請法國尼斯大學(xué)校長、巴黎第六大學(xué)所長和歐洲院士到本校共同討論學(xué)校合作。4.發(fā)表與本研究相關(guān)的SCI級學(xué)術(shù)論文。參考文獻(xiàn)(References)林奇賢。

13、實(shí)施資訊融入各科教學(xué)之理論與實(shí)際，以行者數(shù)位學(xué)園之應(yīng)用為例。何榮桂（2002）。資訊科技融入教學(xué)的意義與策略。資訊與教育，88，1-2。何榮桂、張國恩(民82)。 學(xué)生輔導(dǎo)資料電腦化系統(tǒng) 中等教育44:6 頁38-45吳鐵雄(民90)。 臺灣地區(qū)中小學(xué)網(wǎng)路應(yīng)用調(diào)查報(bào)告 中等教育期刊 52 頁4-14周倩、孫春在(民85) 。遠(yuǎn)距合作學(xué)習(xí)環(huán)境之設(shè)計(jì)與建立CORAL經(jīng)驗(yàn)教學(xué) 科技與媒體 13頁16-21 周倩、楊臺恩(民87) 。電腦網(wǎng)路的特質(zhì)及相關(guān)問題初探 社教雙月刊 84頁17-20 周倩、簡榮宏(民86) 。網(wǎng)路評量系統(tǒng)之發(fā)展與研究遠(yuǎn)距教育 中華民國遠(yuǎn)距教育學(xué)會(huì)會(huì)刊 4頁12-15林一鵬(民

14、81) 。資訊學(xué)門未來研究方向 科學(xué)發(fā)展月刊 20頁230-231 林一鵬、傅宗傑(民80) 。電腦系統(tǒng)技術(shù)研究規(guī)劃 科學(xué)發(fā)展月刊 19 頁1166-1178 林奇賢(民89) 中小學(xué)網(wǎng)路學(xué)習(xí)環(huán)境效能評鑑指標(biāo)初探 資訊與教育 76頁14-23 林奇賢(民89)。 虛擬學(xué)校之建構(gòu)與應(yīng)用 2000中小學(xué)網(wǎng)路學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)應(yīng)用國際研討會(huì) 臺南師範(fàn)學(xué)院頁57-75林奇賢、沈滄鉉(民89) 。網(wǎng)路主題探索式課程與應(yīng)用環(huán)境的設(shè)計(jì) 亞太成人教育 2000 1:1頁1-23邱貴發(fā)(民83) 。電腦輔助學(xué)習(xí)的理念與發(fā)展方向 教學(xué)與科技媒體雙月刊 13頁15-22 邱貴發(fā)（民84）。從知識學(xué)習(xí)的週邊問題看資訊科技在

15、教學(xué)的應(yīng)用，視聽教育。37：3219 12 頁1-6邱貴發(fā)（民85）。情境學(xué)習(xí)理念與電腦輔助學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)社群理念探討。臺北：師大書苑。邱貴發(fā)（民87）。網(wǎng)路世界中的學(xué)習(xí)：理念與發(fā)展。教育研究資訊，6(1), 20-27。邱瓊慧(民85)。 電腦網(wǎng)路與教學(xué) 高中圖書館 15 頁30-32邱瓊慧(民86) 。突破學(xué)校的藩籬網(wǎng)路上的學(xué)習(xí)活動(dòng) 國教之友 49:1 頁17-20孫光天、楊振印、謝凱隆(民89)。 網(wǎng)際網(wǎng)路上開放教育之應(yīng)用 遠(yuǎn)距教育(中華民國遠(yuǎn)距教育學(xué)會(huì)會(huì)刊) 15、16 頁65-74孫光天等(民89)。 資訊融入學(xué)科教學(xué)研究以網(wǎng)際網(wǎng)路多媒體教材輔助國小英語教學(xué)為例國教學(xué)報(bào) 12 頁227-2

16、74孫春在(民86) 。合作式遠(yuǎn)距教學(xué)簡介 資訊與教育期刊 58頁12-17孫春在(民88) 。電腦網(wǎng)路遠(yuǎn)距教學(xué)之現(xiàn)況與發(fā)展 電子月刊 5 頁92-96張俊彥、陳盈霖(民89)。 不同電腦輔助教學(xué)(CAI)模式對高中學(xué)生恆星演化學(xué)習(xí)成就及其態(tài)度之影響 師大學(xué)報(bào) 科學(xué)教育類 45 1-20頁張國恩(民83)。 學(xué)生知識診斷、矯治與學(xué)習(xí)系統(tǒng)之規(guī)劃國立臺灣師範(fàn)大學(xué)資訊教育研究所群體研究計(jì)畫簡介 資訊與教育 39 頁20-32張國恩(民88) 。資訊融入各科教學(xué)之內(nèi)涵與實(shí)施 資訊與教育 72 頁2-9張國恩(民90)。 資訊科學(xué)年學(xué)分制新課程適切性與實(shí)施時(shí)衍生問題探討等 技術(shù)及職業(yè)教育 61 頁47-50郭重吉(民86)。 迎接二十一世紀(jì)的科學(xué)