開始使用 Go Direct 空氣品質感應器：3 個適合地方本位學習的探究想法

作者：Colleen McDaniel，Vernier 生物與環境科學專家

當我在德州休士頓教授 AP 環境科學時，讓我感到最挫折的事情之一就是空氣品質。這是在整個課程中與學生最切身相關的主題之一——我的學生生活在一個有著真實空氣品質問題的城市——然而，在教室裡實際測量它的可用工具卻少得可憐：在載玻片上塗凡士林，或是在排氣管上包一件 T 恤。確實很有創意，但這無法提供學生推動真正科學探究的那種即時、定量的數據。

這正是全新的 Go Direct^® 空氣品質感應器所要解決的問題。無論您是教授高中環境科學、AP 或 IB 課程，或是大學初階生態學或化學課程，這款感應器都開啟了過去不可能實現的探究之門。

為何選擇地方本位學習 (Place-Based Learning)？

在開始介紹感應器本身之前，我想先說明一下支持地方本位學習的理由，因為它是我思考所有這些探究活動背後的哲學。

當我在休士頓教書時，我的學生——他們大多數在擁擠的城市環境中長大——對於發生在他們周遭的科學並沒有強烈的感受。所以我開始帶他們去戶外。我們會在校園裡撿垃圾。我們會進行觀察。我會問：你們注意到了什麼？你們對什麼感到好奇？然後我會讓他們的問題引導我們進行實驗。

與傳統實驗室相比，這就是我喜歡戶外環境探究的地方：它們是混亂的。你無法控制每一個變因。數據並不總是如預期般呈現。而這正是重點所在。向學生展示這就是真實科學的樣貌——充滿意想不到的變因、相互競爭的解釋，以及真正令人驚訝的結果——這種培養批判性思維的方式，是受到嚴格控制的實驗室實驗所無法做到的。

這也建立了環境素養 (environmental literacy)。測量過學校外頭空氣，或是追蹤過自己教室內 CO₂ 濃度的學生，會對這些議題產生連結，並將其銘記在心。

認識 Go Direct 空氣品質感應器

Go Direct 空氣品質感應器具有 15 個通道，可測量：

• 懸浮微粒 (Particulate matter, PM1, PM2.5, PM10)
• 二氧化碳 (CO₂)、二氧化氮 (NO₂)、二氧化硫 (SO₂) 和臭氧 (ozone)
• VOC 指數（一個 0–500 的數值範圍，作用有點像電子鼻——100 是您的基準線，而數值飆升表示存在引起氣味的化合物）
• 溫度、相對濕度、大氣壓力 (barometric pressure) 和測站壓力 (station pressure)
• GNSS (GPS) 緯度、經度和高度，用於為數據標記地理位置

它透過藍牙 (Bluetooth^®) 無線技術或 USB 連接任何裝置——Chromebook™、iPadOS^®、Windows^®、MacOS^®、Android™——並使用免費的 Vernier Graphical Analysis^® 應用程式。它還支援遠端數據記錄 (remote logging)，因此您可以將其設置在某處，然後離開，稍後再擷取數據。一個感應器靠電池可運行 24 小時，連接 USB 電源時則可運行更長時間。

它隨附一條掛繩、一個相容於三腳架的支架，以及一套實驗活動，包含 AP 風格的探究調查和符合 NGSS (Next Generation Science Standards) 的實驗：

• 使用感應器 (Using the Sensor)：了解不同通道、遠端數據收集和基本分析。
• 室內空氣品質調查 (Indoor Air Quality Investigation)：分析室內空氣品質數據，並制定改善建議。
• 交通與戶外空氣品質 (Traffic and Outdoor Air Quality)：探究車輛交通如何影響空氣污染。

三個帶有樣本數據的探究活動想法

我最喜歡這款感應器的一點是，它將日常的好奇心轉化為合理的科學探究。在開發和測試它的期間，我發現自己到處收集數據——我的廚房、家庭辦公室、洛杉磯盆地的九個地點、飛機上。這些都不是正式的實驗。它們只是我對周遭世界的一些疑問，而這款感應器讓我能輕鬆追尋答案。

這正是我希望這款感應器能為您和您的學生開啟的那種思維。以下是我的一些探究活動及樣本數據，希望能激發您的一些靈感。

探究 1：室內空氣品質與烹飪排放物

事實證明，您的廚房是開始調查空氣品質的絕佳場所。瓦斯燃燒、高溫烹調，甚至是烤麵包等日常活動，都會使懸浮微粒、CO₂ 和 VOC 濃度產生可測量的變化——學生可以立即將這些變化與他們自己的生活連結起來。

將感應器架設在廚房或實驗室空間中，並建立一個基準讀數。然後引入烹飪來源——瓦斯爐、加了油的電磁爐或烤麵包機——並即時觀察每個參數如何反應。

^{我在家裡用瓦斯爐煮牛排晚餐時收集了空氣品質數據。您可以看到環境 CO₂ 讀數（因為是冬天在室內所以有點高），然後大約在 10 分鐘時打開爐子開始烹飪，CO₂ 隨之飆升。}

瓦斯燃燒會使 CO₂ 產生快速、明顯的增加。高溫烹調——特別是平底鍋煎烤——會導致細微顆粒飄散在空氣中，使得 PM1、PM2.5 和 PM10 急劇飆升。

^{同一頓晚餐，現在顯示 PM1、PM2.5 和 PM10 通道。一旦我開始在鑄鐵鍋裡煎牛排和蘑菇，這三個懸浮微粒讀數都急劇飆升。}

從這裡開始，調查有許多自然延伸的方向：通風——打開窗戶或打開抽油煙機——能讓濃度降下來嗎？有多快？不同的烹飪方法比較起來如何？這對沒有良好通風設備家庭中的人意味著什麼？

探究 2：室內與戶外空氣品質——打開窗戶，但你應該這麼做嗎？

通風是改善室內空氣品質的標準建議——但數據揭示了更複雜的情況。這項探究活動要求學生直接檢驗這個假設。

從室內關著窗戶的感應器開始，並讓其建立基準線。然後打開窗戶，觀察哪些改變了——哪些沒有。

^{我在關著窗戶的情況下測量了室內 CO₂ 濃度以建立基準線，然後打開窗戶。您可以看到，隨著新鮮空氣進入，CO₂ 幾乎立刻下降。}

正如預期的那樣，通風會使 CO₂ 幾乎立即下降。但懸浮微粒往往呈現出不同的情況：

^{在同一時段中，我看到一打開窗戶，PM2.5 就上升了。}

隨著戶外空氣進入，PM 濃度經常會上升——花粉、灰塵和與交通相關的微粒會穿過窗戶進來。學生們正在用一個空氣品質問題交換另一個空氣品質問題，這確實令人驚訝，而且完全出乎大多數人的意料。

這引發了建設性的科學論證：打開窗戶後空氣是變好還是變壞了？你如何定義「更好」？答案取決於什麼？

探究 3：跨地點測量——從洛杉磯盆地到 30,000 英呎高空

我分享的前兩個例子著重於單一地點隨時間發生的變化。這個探究範例顛覆了那種方法：如果跨越多個地點收集數據，然後將結果繪製在地圖上，你可以學到什麼？

我最近飛往洛杉磯參加 NSTA (國家科學教學協會) 安那罕 (Anaheim) 會議，並開車前往城市周圍的九個不同地點——海灘、市區社區、山坡地——使用我自己設計的流程，在每一站收集五分鐘的平衡讀數。我把車停在每個地點，用掛繩把感應器掛在車窗上，讓它靜置五分鐘，然後擷取我的數據點。

^{我在洛杉磯盆地周圍九個站點的 PM1、PM2.5 和 PM10 讀數。Dockweiler 和 Bolsa Chica——這兩個都在海灘上——顯示出最高的 PM10 數值，這反映了海風中夾帶的沙粒。}

感應器內建的 GNSS 讓學生可以從 Graphical Analysis 匯出帶有 GPS 標籤的數據，並直接上傳到 Google 地圖 (Google Maps™) 或其他 GIS 工具，並在地圖上視覺化結果——這項技能反映了環境科學家和公共衛生研究人員實際上的工作內容。

^{將帶有 GPS 標籤的數據上傳到 Google 地圖後，我可以點擊每個地點並查看該站點的完整數據集——CO₂、溫度、PM、NO₂、SO₂、臭氧、VOC 指數和座標。}

能夠在地圖上查看數據可以增加一個全新的分析層次。Google 地圖讓您可以在交通、衛星和地形圖之間切換，並探索地理元素（如較高海拔的站點）如何展現出與沿海站點不同的模式。

我也在從波特蘭飛往洛杉磯的航班上收集了數據，結果這本身就是一個有趣的數據集。因為感應器持續記錄 GPS 座標，我能夠繪製從起飛到降落的每一個數據點。

^{我在從波特蘭飛往洛杉磯的航班上繪製了 721 個數據點。你可以追蹤整條路線，放大查看接近洛杉磯國際機場 (LAX) 的過程，並跟隨我穿過機場前往租車處的路線。}

^{在整個飛行過程中，懸浮微粒保持在非常低的水準，除了在大約 85 分鐘時有一次飆升；大約 140 分鐘時，當我下飛機穿過機場時，數據再次飆升。這表明機上的過濾系統相當有效。}

CO₂ 的情況則不同，它在整個機艙內一直居高不下，然後在我下飛機的那一刻急劇下降。同時，測站壓力完美地追蹤了整個飛行的軌跡。

^{整個飛行過程中 CO₂ 濃度很高——在大約第 135 分鐘達到接近 2,200 ppm 的峰值——然後在我下飛機時急劇下降。測站壓力訴說了飛行的完整故事：從波特蘭爬升、巡航，然後下降回到海平面。}

這種類型的多地點、地圖繪製探究活動，學生可以在任何規模下進行——校園周圍的幾個點、開車穿過不同的街區、到截然不同的環境進行實地考察。GPS 功能意味著數據講述的是一個地理故事，而不僅僅是時間故事。

我總是鼓勵教育工作者思考一件事：不要把這些當作一次性的探究。每週一次在您校園裡同一個地點收集幾分鐘的數據——持續一個學期、一年、甚至多年——就會成為真正有價值的東西。未來班級的學生可以將他們的數據與您的數據進行比較。您可以繪製隨時間變化的地圖。這開始看起來不那麼像是一個學校作業，而更像是一個真實的監測計畫。

探索所有環境科學解決方案。對 Go Direct 空氣品質感應器有任何疑問，或對您想嘗試的探究活動有大膽的想法嗎？我們想聽聽您的意見！請發送電子郵件至 support@vernier.com.tw，致電 (02)2382-2027 聯絡廣天國際有限公司。