國立清華大學跨領域科學教育中心(以下簡稱科教中心)與新北市土城區私立愛思文理短期補習班合作開辦科學實驗相關課程已長達2年。今日一早清大科普團隊不畏強颱軒嵐諾帶來豪雨襲擊，依既定行程前往愛思文理土城教室。

為上、下午參與的小朋友們分別帶來「正多面體實作與其重要性及應用探究」與「WS2812 LED初體驗」課程。而今天上午帶來了正多面體大會串課程，以及下午使用Arduino輕鬆控制WS2812 LED燈條的燈光秀。

上午：「科學動手做探究竟」科學實作課程：

上午的課程中首先登場的是正多面體大會串課程，此課程著重於建立同學的幾何概念，講師從正多邊形的特性出發，慢慢讓同學從二維的平面理解，提升到三維空間觀念。為了進一步訓練同學對立體幾何的觀察能力，教學團隊特別準備了放大版的正多面體，讓同學先由觀察與歸納開始練習，最終在全班同學的集思廣益下，一同歸納出正多面體的四大特徵。

課程一開始先詢問同學們簡報內柏拉圖立體與阿基米德立體有什麼不一樣？課程中講師讓同學透過觀察簡報上的圖樣，讓同學說出圖樣的差異，國小的同學各個發揮創意找出顏色、形狀、是不是圓球等等差異。有位女同學很厲害一開始就發現柏拉圖立體都是由相同的同形所構成，雖然僅有一位同學找到正多面體的一個最重要的特徵「必須由相同的圖形構成」，然而課程中最重要的就是讓同學們學會觀察並提出自己看法，即使看法不是正確解答，也要勇於嘗試。

接著教學團隊開始介紹何謂立體結構中的「點、線、面」，並透過觀察了解正多面體之後，說明在幾何學中構成正多面體的四大條件，講解了正多面體的四個條件以及世界上僅有的5種不同的正多面體。進一步告知同學現存的自然界中符合上述條件的僅有五種，即正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體，因為此現象是在柏拉圖時代所發現故又稱為柏拉圖立體。

接著就進入本次課程的重頭戲，讓同學親手製作屬於自己的正多面體。在進入課程重頭戲之前講師讓同學了解，接著解說通常要製作正多面體其實有很多種方法，例如使用摺紙、絨線鐵絲、磁力棒、磁力片等。但這些材料的缺點就是不容易製作或保存，譬如摺紙的缺點在於結構體的強度不夠堅固，且無法碰水，就無法操作後續的表面張力延伸實驗的探究。而磁力棒雖然能快速的製作，卻不容易維持形體，僅需要稍微用力就會讓磁力棒作品瓦解，而這麼多的材料當中經我們科教中心反覆試驗最終得出最好的搭配結果為筆心管搭配漆包線，不僅材料相對便宜、製作過程相對有趣、碰水不怕會壞掉的特性。

對於尚未開始使用原子筆寫作的國小同學來說，無法理解筆心管的用途，甚至一度認為是講師與助理們拼命吃棒棒糖才能收集到這麼多的小管子，而引起哄堂大笑，經過講師的講說才讓同學們了解原來筆心管就是原子筆當中承載墨水的零件。

因此，我們教學團隊則是使用漆包線和空筆芯管讓同學自行製作正多面體，以期加深學員對正多面體的印象與了解。使用此材質和方式不僅材料便宜簡單，且做好的正多面體結構可以承受足夠強的外力作用，故可以對五種正多面體的承受力大小進行比較。

首先請同學先取出六根筆芯管以及45公分的漆包線製作正四面體，此時就有同學詢問教學團隊該如何才能將捲曲的線拉直呢？教學團隊請同學將漆包線在桌邊來回摩擦幾次，藉由摩擦產生的熱來消除漆包線上的皺褶也能使其內部的應力均勻分布。

本課程學員的年紀偏小，因此講師刻意放慢速度從難度最低的正四面體開始一步一步帶領同學穿針引線製作，當同學將漆包線從線軸中取出時發現當漆包線纏繞在線軸中將導致應力分布不均勻，從而導致漆包線扭曲，因此講師示範如何透過一個簡單的動作將漆包線進行「熱處理」，透過摩擦的動作釋放漆包線中的應力，如同受傷時需要熱敷一樣的道理，透過「熱處理」讓緊繃的肌肉舒緩，即使一個簡單的小動作卻包含了許多不為人知的原理。

製作正多面體正多面體看似簡單製作，同學開始自行嘗試後，發現難度似乎沒想像中的簡單。從整線、穿線到綁線，每個環節對製作一個完美的正多面體都是很重要的步驟。如透過整線的處理步驟，讓同學了解金屬的延展性與應力的消長變化與應用；由穿線的過程中，帶入歐拉的歷史故事；從綁線的過程中，讓同學了解摩擦力的應用技巧。

接著教學團隊利用粗繩線以及大吸管一步一步帶領所有同學先完成正四面體，製作過程中同學們初次嘗試製作，在講師助教的協助下很快地就完成第一個正四面體。同時也讓同學們先嘗試自行製作更進階的正六面體，正六面體的製作首先要先完成如眼鏡般的造型，再轉為立體形狀方可完成，當同學完成眼鏡造型後紛紛拿起當作眼鏡戴在眼睛上，可愛的行為讓在場的同學與師身們會心一笑。經約略解說正六面體的製作方式後，就讓同學自己動動腦想一想如何以類似的方式完成正六面體。

   經約略解說正六面體的製作方式，就讓同學自己動動腦想一想如何以類似的方式完成正六面體。當同學紛紛完成後，發現正六面體的結構似乎不怎麼穩定，輕輕施力就如同骨折般一壓就扁。不少同學好奇正六面體為何無法穩固地定型，這是為什麼呢？此時教學團隊就先由二維平面的三角形與長方形開始解釋結構關係，再將三維的正多面體簡化至二維的正多邊形，介紹三角形的特殊性，以及三角形在建築、機械、桁架等使用於力學結構的優勢。讓學員們可以透過更簡單的方式，理解複雜的力學結構原理。進而說明正四面體與正六面體結構上的差異性，並以此延伸至建築結構的設計上。

當同學們完成正四面和六面體兩個最簡單的多面體結構後，助教在教室內放了幾小盆泡泡水。擬讓同學分別將自己自製的正四面體和正六面體浸泡過泡泡水後，觀察在這兩個結構內泡泡膜成形的情形和差異比較。

當上午課程即將迎來尾聲，教學團隊帶領學生們完成今天最後一個實驗，就是將柏拉圖立體浸泡至泡泡溶液中，觀察皂膜會出現甚麼樣子的圖形，開始實驗前講師拿出夜市套圈圈遊戲使用的圓圈並試問同學「如果將它泡浸泡泡溶液裡頭再拿出來，皂膜會是甚麼形狀的？那方形的框框放下去會出現甚麼形狀的？ 那最後請問，正四面體放下去，會是甚麼形狀？」問題拋出後，講師讓同學們自行拿著今天完成的作品嘗試浸泡並觀察現象，當正四面體離開液體的那一刻，同學們紛紛發出驚嘆聲，因為神奇的皂膜在正四面體上居然出現了十二個面，見狀後的其他同學紛紛帶著自己的作品爭先恐後的想要觀察到現象。

同學原多一致認為若將平面與立體的形狀浸入泡泡水後再拿起後，其所形成的肥皂膜會依著結構邊框形成，但事實是這樣嗎？教學團隊請同學們親手做做看，哇！正四面體與正六面體所形成的肥皂膜都向內凹陷了，這是為什麼呢？教學團隊問同學為什麼不同形狀吹出的泡泡都是圓形的呢？同學都很厲害回答是表面張力所造成的，教學團隊也開始解釋為什麼肥皂膜會向內凹陷的原因，即當肥皂膜在穩定狀態下時，其總面積一定是最小。

泡泡膜成形的形狀都大大地出乎同學們原來的預測結果。此一反差很大的結果進一步強化了他們正確的實驗觀念，即大膽假設，但必須經實際的實驗驗證，才能得到最正確的結果，才能建立見卻的觀念和知識。此一實驗充分說明了「許多我們認為理所當然的事情，但實驗結果可能完全出乎意料的不同」，這時候再回去重新假設與驗證，才能培養小小科學家的敏銳度和正確嚴謹的實驗精神和態度！

為了觀察表面張力的神奇結果，同學們很用心地操作實驗並仔細觀察實驗結果

接下來請同學們開始挑戰在不重覆貫穿筆芯管的條件下，一筆劃完成正八面體。眼看同學將筆芯管折來折去似乎無法很順利達成任務，助教拿出超大型正八面體告訴同學們，正八面體就如同兩個倒扣再一起的金字塔，必須先完成地基的正方形，再上下交錯就能很順利圍成正八面體。當同學陸陸續續完成正八面體後，打鐵要趁熱在同學自信心暴增下，教學團隊趕緊發下正二十面體的材料，並拿出大型的演示品，告知同學製作時，必須先完成中間結構體的長鏈，而後再依序完成上蓋與下蓋。

當午飯便當的香味四溢，代表課程即將結束，本次課程帶給學員正多面體的定義、歐拉公式以及神奇的表面張力，課程結束後同學跟家長表示今天的課程真的很好玩下次還要繼續參加。上午的「科學動手做探究竟」的實驗課程在同學們滿滿的收穫中圓滿地告一段落。期待下次9月18日的另一次有趣的實驗課。

下午「arduino 數位科技專題實作--WS2812 LED燈條程式設計初體驗」：

下午的課程清大科教中心帶來全新的課程：「WS2812燈帶初體驗」，是利用Arduino開發板設計WS2812 LED燈條的自動變化控制，同學們都有製作混光LED的經驗，教學團隊一開始先複習PWM、光線的加色法則，喚起同學們許久的記憶。課程中也利用專案的方式進行，從簡單的混色呼吸燈、定時紅綠燈、至混光的多色變化燈，到最終的彩虹漸變燈。

課程一開始教學團隊先幫同學複習先前使用過的RGB LED模組及複習LED燈控制技巧。以往的LED燈都需要至少2個腳位去控制，而全彩的LED則需要至少4個腳位控制，因此如果需要控制10顆全彩的LED則需要至少31個腳位(共陰或共陽)。

當講師詢問同學今天將要控制多顆全彩的LED燈，可是Arduino UNO板子僅有13個數位控制腳與6個類比腳位，該如何讓一個ArduinoUNO板子能控制多顆LED全彩的燈呢？本次課程即將教導同學如何透過3個腳位，就能輕鬆控制高達12顆LED燈。

要讓LED色彩產生變化必須在Arduino UNO板子上連接4個腳位，然而若以此作為燈串，Arduino板上的腳位根本不夠用，那怎麼辦呢？於是教學團隊先給每位同學1個WS2812 LED模組，並請同學觀察模組上方針腳的表示，同學們發現除了已認識的5V與GND兩個接腳外，還多了「DI」與「DO」。教學團隊告訴同學這個模組是可以一直串接下去，且只會占用Arduino UNO板子上3個腳位，「DI」的意思就是Data In即將訊號延續下去，「DO」的意思就是Data Out即將訊號輸出。透過神奇的WS2812晶片就能使用3個腳位來控制多顆的全彩LED燈，在講師一步一步引導下從安裝Library開始到控制LED燈，看到可以用3個腳位就能控制LED燈，同學直呼好神奇。

接著講師讓同學觀察色環嘗試透過紅、綠、藍三種顏色調和出各式各樣的顏色，與水彩顏色越加越黑相反光線則是越加越白，這就是光線的「色加法」。

「彩虹漸變燈」的功能變化有現成的HSV程式可以完成，不過為了讓同學更了解程式背後的核心觀念，一開始帶著同學使用最傳統的RGB方式開始製作。雖然程式冗長且難度稍高，但這樣可以讓同學們真正了解程式背後的邏輯，訓練問題解決的思維。

為了讓同學更深入的體會，教學團隊請同學試著讓1顆LED發亮，並解釋每行程式所代表的意思，接著教學團隊再發下2個WS2812 LED模組，並請同學將之串接起來。再出習題請同學們製作紅綠燈，一開始同學所呈現出來的是三個燈同時發亮，而非三色光輪流亮，教學團隊接著問那這樣不就造成交通事故了嗎？接著告訴同學FastLED.show()這個指令的作用及其使用時機。

有同學很厲害，教學團隊才剛講完題目，就開始想語法並成功寫出七彩效果，其餘同學在教學團隊的一步一步提示下，也都順利完成使用RGB控制七彩燈的漸變效果。最終團隊才帶入HSV的語法，同學們馬上就能理解HSV控制的邏輯，並成功做出漸變七彩霓虹燈、與各式各樣有創意的燈光變化效果。

接著請同學將三個燈利用混光的方式將紅綠燈以其他色光呈現，同學也進入另一個層次的挑戰，而後先幫同學們複習呼吸燈的程式，再套入WS2812 LED模組內感受色彩增減變化的情形。緊接著請同學嘗試在模組上顯示以漸進變化的方式製作彩虹燈光。當然同學們又開始陷入困進........，經過一段時間後，請同學以區域增減紅藍綠三個光源亮度的方式，完成彩虹燈光秀。而後，教學團隊發下由12個WS2812 LED模組所組成的燈條，開始製作彩虹燈光秀。在此課程中，同時也讓同學進一步了解以RGB或HSV的表示方式。

講師講解顏色的概念與助教正在教導學員如何修正程式，以達到目標

燈光的變化有無限萬種，教學團隊僅僅是帶給同學基礎的控制邏輯，與簡單的電機知識，之後同學們可以將燈條應用在許多地方，可以結合過去的許多課程專案，將燈條結合電梯專案，模擬真實電梯的指示燈、結合自走車專案，模擬車燈與方向燈、結合電子鋼琴、測距儀等等。讓同學們在課程當中，不只能在程式上獲得成就感，更能在燈光設計這塊，培養藝術感與美學觀念，發揮無限的創意。

本次課成為暑假後第一次上課，因此講師特別準備較簡單的課程，讓同學從較簡單的課程開始複習，經過這次的課程後同學重新複習了全彩LED燈控制概念與電路基礎，未來的課程將持續由淺入深帶領同學學習更多不同的專題。