臺灣化學教育

2018國際化學教育研討會：

微型實驗工作坊的交流與分享

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  前言

啟程，是對路上的風景有所期待！回看過去-7月14日的臉書，我寫下了這些文字，或許這樣的文字才能真實傳遞當時的感受！

ICCE 2018 in Sydney

工作坊今天中午結束了，身體很疲憊，卻也亢奮……

一個月前開始了「Experiencing the electrochemical lab kits designed for the secondary students in Taiwan」電化學實驗模組的準備工作，因為之前的活動訊息不是很透明，工作坊在哪進行也不清楚，於是必須在台灣模擬各種可能會發生的突發狀況，讓90分鐘的實驗工作可以順利進行；加上澳大利亞對於化學品以及廢棄物的管制相當嚴格，出發之前就被主辦單位要求填寫實驗風險影響評估，內心的忐忑不言可喻….

     #7/10 下午開始在雪梨大學商學院報到註冊，雪梨大學內既古典又現代的建築群令人讚嘆，晚上是歡迎見面會，見到了幾位來自亞洲的熟面孔，日本、韓國、中國學者，以及風趣幽默的老教授–西澳的Bob Bucat！

#7/11所有利用實驗室開工作坊的學者們被要求一早到實驗室報到，參加實驗室的安全使用說明會，地點是位於化學院五樓的分析實驗室。因為能夠參觀一流大學的實驗室，而雀躍不已。化學院內管理員技術人員至少有四人，分配在不同樓層，辦公室像個藥局，有一個窗口，一個門，內部相當明亮寬敞，而且相當友善，跟大學時代飄逸著詭異、陰暗髒亂的狹隘空間大相徑庭！一進到實驗室門口就被要求穿實驗衣，及護目鏡，接著說明實驗室的空間配置，廢棄物的傾倒分類原則、逃生動線、滅火器的位置等。實驗室很乾淨明亮，幾乎沒有氣味，而且廢液並不是儲存在實驗室內，也會固定時間就有人原來清運，跟台灣一年一清完全不同！

7/11早上、下午各有一場微型化學的工作坊，早上場是日本學藝大學Kamata教授的工作坊，Kamata son是日本微型化學的大咖，為人卻很低調含蓄，創新的手作實驗設計總是令人贊嘆不已，身為首席fans的我，早早去去佔位子，因爲大會會場在商學院，離化學院走路要10-15分鐘，加上資訊不明，活動延遲了十分鐘才開始！這次Kamata son 帶來了丹尼爾電池的新設計，讓人耳目一新，最棒的是這次帶著一位美麗活潑的美眉助手–大學部的畢業生，即將成為中學老師的她讓整個活動順暢不少，活動結束將實驗模組盒贈送給Kamata大師，也順便邀請他來參加7/13的工作坊！下午是另一位是在英國倫敦CLEAPSS擔任顧問的Bob Worley，Bob在全世界相當知名，應該是歐洲甚至全世界在微型化學最具影響力及知名的人物，來到雪梨之前通過幾次信，也相互Twitter 了，這次能目睹高人到廬山真面目，實在是開心，Bob的實驗設計很厲害，往往一滴溶液就能進行酸鹼、電解、沈澱等反應…..兩位大師的實驗相關細節，我會撰文在台灣化學教育期刊，供大家參考！

#7/12 沒有實作，大部分時間躲在旅館內準備，晚上在達令港晚宴，見證了澳洲只有葡萄酒是便宜的傳言，以及西方人晚宴的熱情….

#7/13…………………………………

很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴一起參加了今年七月中旬在澳洲雪梨大學舉辦的第二十五屆國際化學教育研討會（25th International Conference on Chemistry Education, ICCE 2018），大會中除了筆者的電化學實驗模組體驗外，另外還有兩場來自日本的Kamata教授及英國學者Bob的實作工作坊。趁記憶猶新之時，將親手做實驗Workshop的內容記錄下來，跟大家分享。

 

n  工作坊之前…..

一、填寫化學系的危害物的鑑定、風險評估與控制表格文件(HAZARD IDENTIFICTION, RISK ASSESSMENT & CONTROL, HIRAC)

自從一月底報名工作坊後，三月份確定行程後，就接到主辦單位雪梨大學寄來的Email告知：凡是在雪梨大學的化學實驗室內進行實作工作坊，或進行實驗演示的人員，都需要填寫一份使用化學品風險分析的文件表格(簡稱HIRAC)，因為過去沒這個先例，加上事情繁忙，剛開始也就沒在心上；一個月後主辦單位再次來信，語氣堅定地要求必須填寫完成HIRAC文件，我才開始認真思考怎麼填寫HIRAC表格。因為此次工作坊的微型電化學實驗，原本的設計裡含有硫酸銅、硫酸鈉、硫酸鋅、硫酸亞鐵四種藥品，雖然使用的藥量相當微量，但為避免法律爭議與風險，決定實驗藥品全部改為食鹽水，而且經試作可行後，開始填寫HIRAC文件，完整的HIRAC文件如下圖所示。

圖1：本次工作坊的HIRAC文件截圖

二、工作坊之前的實驗室簡介與安全規則說明會

出發前一日收到主辦單位傳來行前通知，要求所有工作坊參加者必須於7/11早上8:30參加實驗室緊急事件的指導說明會，內心對主辦單位嚴謹的態度甚是欽佩，縱使所有的與會者都算是化學實作的專長也不例外，這真讓我開了眼界。當天早上8:30左右，所有與會的學者都到了，在實驗室的技術人員的引導下，進了五樓的分析實驗室；實驗室很明亮，聞不到濃的化學氣味，進入實驗室必須穿著實驗衣，戴上護目鏡。講解的過程中，有人把護目鏡取下，換成老花眼鏡，還被介紹的技術人員指正。下圖為化學系的分析實驗室。

圖2：研討會工作坊場地

n  微型化學工作坊1：Hands-on Activity using Daniel Cell

當天10點半第一場的工作坊由日本東京學藝大學科學教育系鎌田正裕(Masahiro Kamata)教授主講，當我們從商學院的大會場趕回化學院時，Kamata教授跟他的學生助手，已經將所有的器材準備好，放在參加者的座位上。今天的器材包括：塑膠透明片兩片、鋅銅金屬線各一條、半透膜兩片、泡棉棒兩根(事先浸泡了氯化鉀溶液)、棉片兩片(一片以硫酸銅溶液濕潤、另一片用硫酸鋅溶液濕潤)、小馬達風扇，以及三用電表一台。相關材料如下圖所示：

圖3：微型丹尼爾電池的材料與講義

丹尼爾電池對伏打堆進行的調整，使用了第二種電解質硫酸鋅，減少了氫氣產生所帶來的極化現象；兩個半電池可以鹽橋或多孔性半透膜來分離，也是現今國高中課本裡介紹電化學電池的方式¹。下圖是半透膜式丹尼爾電池的示意圖。

圖4：多孔半透膜式的丹尼爾電池

此次Kamata教授使用的是半透膜的設計，而且將鋅銅兩個半電池分別設計成兩個獨立分開的圓筒，其相關組裝步驟如下：

一、長方形的塑膠透明片設計卡榫，可折成不用膠帶，前後相連圓筒狀；

二、接著將銅線依照蚊香的形狀一樣，彎折呈螺旋狀，彎折置中心時，再將銅線以90度垂直圓形螺旋平面方向彎折，留一約6公分長直線。

三、將銅線一端穿透泡棉，連同濕潤的棉片、半透膜一併裝入圓筒中，完成半電池組裝。

四、使用時將兩個圓筒的鋅銅線兩端連接小馬達風扇，將兩個半電池的半透膜端相互接觸，即可發現馬達的風扇開始轉動。下圖為組裝圖。

圖5：丹尼爾半電池的組裝圖(由Kamata教授提供的講義翻拍)

 

Kamata 教授是微型化學的大師級人物，所開發的實驗除了精巧之外，還帶有一定的質感與品味，總能吸引參加者的目光與討論，每次參加他的工作坊總是能得到不同的啟發。下圖為工作坊的場景。

圖6：圖左丹尼爾電池啟動小馬達，圖右討論互動的學者們，最右者為Kamata教授

n  微型化學工作坊2：In a little, you can see a lot! 

當天1點由英國著名學者Bob Worley所主持，目前是英國的科學、科技諮詢機構CLEAPSS²擔任顧問，CLEAPSS是由英國各地方教育當局及十幾所大學院校所籌組的諮詢聯盟，其中對實作科學、教材教法、科學師資培訓累積很厚實的經驗與內容，目前總部位於倫敦西區的Brunel University內。Bob Worley雖然是下午的活動，但這位老學者充分發揮敬業精神，從8點半拎著一個大皮箱進實驗室，聽完危機處理指導後即開始準備下午的工作坊。工作坊有些活動他親自演示、有些提供參加者體驗，茲將精采的分享分數如下：

一、酸鹼指示劑：酸鹼反應在一張事先覆背彩色列印的學習單上，先在各空格中滴入PH值分別為１、４、７、１０、１３五種溶液，每種滴約２~３滴成為一水珠，隨後再依學習單上指示將溴瑞香草藍、甲基橙、酚酞、混合指示劑、廣用指示劑五種指示劑滴入各水珠中，觀察水珠的顏色。下圖為酸鹼指示劑的體驗模組。

　

圖７：酸鹼指示劑模組

二、離子擴散沉澱(IONS DIFFUSING)：沉澱反應在一張事先覆背彩色列印的學習單上，學習單上有一個邊長約1.5公分的方框空格，方框內有一圓形，在圓形中滴入5~7滴的蒸餾水，成為一大水珠，隨後分別以2根細的咖啡攪拌棒分別從兩個試劑瓶中刮取少許晶體，放置在水珠相反兩側，接著同時將兩種晶體推入水珠中，觀察兩種晶體在水中溶解的情形，不久在水珠中間出現藍色的沉澱。下圖為離子擴散的沉澱示意圖。

圖8：碳酸鈉與硫酸銅離子擴散的微型沉澱反應

三、金屬取代反應：金屬取代反應在一張事先覆背彩色列印的學習單上，學習單上有一個邊長約1.5公分的方框空格，方框內有一圓形，在圓形中滴入數滴濃度約0.05M的AgNO₃溶液，隨後以1根細的銅線從側邊插入水珠中，觀察銅線在水珠中的反應，1~2分鐘後滴入1滴2M的氨水，觀察水滴顏色的變化。下圖為金屬取代反應的示意圖。

圖9：硝酸銀與銅線的金屬取代反應

四、示範實驗–電解熔融的溴化鉛PbBr₂：這個實驗是由Bob親自示範，首先將溴化鉛固體粉末放在一根彎折的玻璃滴管中央，並以小型的酒精燈為熱源點，以鐵釘與鎳鉻線為電極，鐵釘接電池的負極，而鎳鉻絲連接電池的正極，開始點火加熱，觀察固體粉末熔化及電極兩端是否有任何變化產生？待冷卻後，可取出鐵釘在白紙上書寫，印證鉛的生成，下圖是電解熔融溴化鉛的過程。

圖10電解熔融溴化鉛的裝置圖

五、示範實驗–微型霍夫曼電解水：這個實驗也是由Bob親自示範，首先將兩根塑膠針筒吸滿濃度約0.5M硫酸鈉水溶液，溶液中加入數滴的溴瑞香草酚藍作為指示劑；兩根針筒垂直倒立放在一預先加入約一半硫酸鈉溶液的塑膠培養皿中，由培養皿底部接上兩根白金電極，電極另一端連接9V電池，開始電解後，觀察針筒內水位的變化與溶液的顏色？電解結束後，Bob請一位參與的老師協助，同時打開三通閥，收集電解後的氣體，並點火產生響亮的爆鳴聲，驗證氫氣的存在。下圖是電解水的過程與圖解。

圖11：圖左為電解水的過程，圖右是霍夫曼裝置圖(翻拍自Bob提供的講義)

Bob Worley的微型工作坊相當有趣，足跡遍布全世界，能夠認識他真是幸運，到雪梨前幾天，他看了大會的議程，知道我要發表微型電化學模組，即發twitter給我，並邀請我去參加他的工作坊。當天活動原本預定2:30結束，但實際上延遲了快1個半小時，將近四點才結束，老先生驚人的體力與熱情分享，著實令人欽佩。活動結束特別送上精裝版的電化學模組，並邀請他後天來參加我的工作坊。下圖與Bob的合影。

圖12：東西方相見歡

n  微型化學工作坊3：Experiencing microscale electrochemistry lab kits designed for the secondary school students in Taiwan.

筆者所主持的這個工作坊是微型電化學模組，在高中化學學科中心與大甲高中的支持下，在本屆研討會中主要分享模組內兩項微型教具—微型電化學的電池³與綠色電解蝕刻⁴，相關詳細的製造過程，將於本期的台灣化學教育期刊中的「實驗含影片」單元中介紹。茲將行前的準備與工作坊過程簡述如下：

一、行前準備：每次要出過參加研討會，辦理工作坊，最麻煩的莫過於攜帶的材料太過「不尋常」雖然實驗的開發越來越傾向微型化的綠色化學實驗模組，但仍免不了要使用到化學品，在全世界反恐的氛圍下，航管日趨嚴格，為避免通關時遭受航管人員的質疑，引發不必要的法律問題，建議是不要將任何化學品帶上飛機。縱使是無毒、無害、無爆炸風險的食鹽。如果需使用到電池，亦必須是全新、盒裝未打開的。真有需要可以請主辦單位代為準備，活動前早一點去準備即可，沒必要冒險。此次行李中預定準備20套精裝版的模組，但行李箱實在放不下，只好以封口袋將所有材料分裝，沒攜帶任何藥品，連鹽巴都是抵達雪梨時，才在當地的Cole 超市購買。下圖為電化學模組。

圖13：壓克力製模組包含綠色電解蝕刻與微型電化電池

二、活動當天：7/13 一早四點就起床，準備實驗器材及ppt，早餐後跟瓊蘭老師拎著大包小包到實驗室準備，瓊蘭老師也是實作的高手，他幫了我很大的忙，後來金城教授以及佛慈老師也來了，心情穩定了不少，尤其佛慈老師是留美的，飄著仙氣的外表，流暢的談吐，算是外交部長級的美魔女…….參加的學者陸續進場，很感動他們都是兩邊趕場；來自倫敦的Bob、美國的Katz、雪梨、最開心的是偶像Kamata跟著他的學生也來了，其他有瑞典、新加坡南洋理工的陳教授及日本的高橋三男……

活動開始先簡報，為力求精簡及方便記憶，內容性簡報控制在10張之內，以搖滾巴克球為背景的學校簡介放第一頁，簡報完後安排有獎徵答，問了個很有趣的問題，「Which girl is more beautiful in the picture ? right or left?」這個問題是前天晚上進歌劇院，欣賞威爾第的大劇–弄臣之後的小靈感，精緻的盒裝版電化學模組順利送出，拉近彼此間的距離，讓工作坊的氣氛輕鬆不少…..

 

簡報完後，實作的過程很輕鬆，最後在夥伴們協助下，活動進行得很順利，持續約1個半小時，活動結束後，邀請大家手拿教具一起合照，訝異的是大家竟然答應了，一起比出了學科中心的大合照標準姿勢-Asi…..會後讓大家把實驗的傢私帶走，幾個大咖們對雷射切割的技術很感興趣，也對利用新科技進行教具製作的創舉讚許美言，讓夥伴們興奮不已。此行只使用了鹽巴，因此幾乎沒有藥品廢棄物的善後問題，簡單收拾後，離開了化學系，結束了這場工作坊……

 

n  結語

能與世界各地的同好同台交流，獲得肯定真是要感謝很多人…..此行的註冊報名費用是在本校2014年獲得的教育部教學卓越獎金結餘款下支應的，感謝學校的教具研發團隊，與怡君主任的行政支援，因為美好的信任成就了很多事；美虹教授一直不斷地帶領、提攜及引薦，讓我認識到各地的同好，看到了不一樣的風景，及身為全世界菁英領導人士的謙虛、活躍及風範；感謝金城教授、瓊蘭老師，佛慈老師的協助讓工作坊的進行順利完成…透過這樣交流，從中提升自己的眼界，並汲取他人的新觀念、新作為，也為自己累積進步的基礎，此行真是獲益良多啊！

 

n  參考文獻

1.      Daniell cell, 2018年7月取自https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell。

2.      CLEAPSS 的首頁，詳見http://www.cleapss.org.uk/。

3.      廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊，2017，卷56，期11，頁54~62。

4.      廖旭茂、黃維靜。行動電化學蝕刻—印台和金屬書籤的製作。臺灣化學教育，2014，第2期。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/wordpress2/?p=2174。 

科學建模本位的探究教學之教材設計
—以化學電池為例

邱美虹^1,*、曾茂仁^1,2

¹國立臺灣師範大學科學教育研究所
²臺北市立大直高級中學
^*[email protected]

n  前言

科學家對於模型的觀點，以及教師或學生對科學模型與建模的研究日漸受到重視，已不言而喻。十二年國民基本教育自然領域課程綱要已於107年9月16日通過，再度強調強化跨科統整的重要性，並以探究課程內容培養學生探究的能力，而且課程綱要亦提到以培養學生建模能力為主，這是首次在臺灣的課程綱要中出現的核心科學素養，本文主要的目的是介紹以建模為設計導向結合探究能力的培養，研發八年級科學核心概念之一—化學電池—的教材設計。

n  建模教材的架構

根據邱美虹（2015, 2016）提出建模過程中所需要的能力分成四階段八步驟，分別為：第一階段為模型發展階段，含模型選擇和模型建立；第二階段為模型精緻化階段，含模型效化和模型分析；第三階段為模型遷移階段，含模型應用（近遷移）和模型調度（遠遷移）；第四階段為模型重建階段，含模型修正（弱重建）和模型轉換（強重建）。這四個階段在使用時並非是序列性的，所建立的模型無法有效地呈現數據的關係時，模型即失效，無法進行問題解決，這時必須要重新選擇與建立模型，再經歷效化確認後才能用於資料處理或問題解決情境中。所以建模歷程可能不同階段會出現小迴路（loop），以利建構有效與精緻化的科學模型。此建模過程如圖一所示。

圖一：建模歷程的相互關係（邱美虹，2016）

模型的建構強調科學模型，是由多個組成成分存在特定的複雜關係，再由多個複雜關係建構成一個系統或理論(見圖二)。模型的建立首先需選擇適當的組成成分或元件、確定成分或元件之間的關係、對所建立的模型進行評估、檢測，以確保其可行性，然後就所建立的科學模型進行資料的分析與應用，最後再視需要或問題情境，進行必要的修正與轉化。

圖二：模型中成份、關係和系統(或理論)間的關係（邱美虹，2016）

選擇化學電池進行教案的設計，主要是因為化學電池概念具有以下的屬性。

(一)化學電池具有多個元件，例如：電極（A）、鹽橋（B）、電解液（C）、電解質（D）、導線（E）等。

(二)化學電池多個元件之間存在特定的關係，例如：活性大小不同的金屬可以作為電極（AA’）、電解液能與電極反應（CA）、鹽橋含有電解質（BD）以維持溶液的電中性、導線連結電極（EA）等。

(三)化學電池中數個關係可以形成一個系統，例如：電解液與鹽橋內的電解質的關係（CBD）、電極與電解液的關係（AC）、導線與電極連結（AE）等而組成一個化學電池（ABCDE等）。

n  科學建模與探究過程的關係—建模本位之探究

為何探究過程還要有建立模型的過程呢？本文作者認為，十二年國民基本教育在探究過程中強調觀察與定題、規劃執行、分析與發現、以及討論與溝通，然而建模歷程可以更明確地指出在探究的過程中科學模型的建立是科學探究中思考智能重要的環節，也是學習科學知識的目標。從科學本質的角度觀之，科學建模的歷程是透過評估、測試、應用和修正的過程，探究能力的思考智能逐漸改變而趨向於科學模型。2019年即將實施的十二年國民基本教育自然領域課程綱要將與世界科學課程接軌，強調在探究的過程能有系統地發展出科學模型，回歸科學本質，強調建模和探究關聯的重要性，兩者之間可相輔相成，使教學與學習活動的目標更加明確且具操作性。

本文將介紹如何將建模架構(邱美虹，2016)和12年國教之探究能力相互結合，成為「以建模為本的探究（Modeling-based Inquiry, MBI）」教學模式(如圖三所示)，並據此進行教學活動之設計。圖三顯示MBI的設計架構，是從驅動問題出發，學生運用自己的素樸模型進行個人模型的發展，透過觀察與想像擬定探究的主題；第二階段進行素樸概念所建立的模型的精緻化，透過推理論證與批判的歷程，計畫與執行計畫以確立模型的有效性及資料分析的功能；第三階段–模型遷移時，利用以建立且效化過的模型，經由推理、批判、分析等過程進行進遷移和遠遷移的學習(如問題解決或概念理解)；最後到達第四階段–模型重建，經歷想像創造、推理論證、批判思辨的科學表現，在這些階段皆須透過文字或語言和符號，以討論和傳達的方式進行溝通，必要時進行原來模型的修正與轉換，以形成更接近於數據與推理的結果類科學模型或是科學模型。

圖三：建模歷程與探究能力關係的建模本位探究教學模式

n  教案設計實例—化學電池

曾茂仁（2016）運用邱美虹（2015, 2016）的建模歷程到中學化學電池的教材設計。除納入建模歷程外，也融入十二年國民基本教育自然領域課程綱要中所規範的探究能力，以期未來在教學現場實施時，讓教師們可以理解建模與探究兩者之間的關係以及如何透過強化探究的過程建立對科學模型的認識與應用。

以下教案設計的內容依據建模歷程四階段，納入探究能力，逐項說明如下：

建模歷程一：模型發展階段

探究能力：觀察與定題、建立模型

模型發展階段主要包含模型選擇和模型建立，此階段主要教學目標為讓學生知道電池時所需要物件的名稱和物件的功能，能夠從教科書或教師準備的學習教材中提取出相關概念。在此階段，常用的提問為：

l  一個化學電池的裝置，需要哪些的材料，才能進行運作呢？

l  一個化學電池的裝置，所選取的材料，每一個所扮演角色目的為何？

通常學生能夠輕易的從文章中選取出構成電池元件與各元件所扮演的角色，此時的學習活動符合自然領域課程綱要中學習表現的探究能力─觀察與定題：依據過去所學的知識，與生活中所觀察到的資料，確認電池運作的原理（氧化還原）、理論或物件（電極、鹽橋）。

待確認學生具備元件的概念後，學生從教科書或是教材中提取出構成電池的元件與概念後，教師再繼續提出以下問題：

l  電池的元件與元件間有什麼樣的關係呢？

l  有什麼原理可以來敘述元件之間的關係呢？

上述的問題主要聚焦在元件與元件之間的關係，元件之間的關係通常涉及微觀的概念（粒子的移動方向）、理論（氧化還原）或是符號的表現（化學反應式）。在進入化學電池複雜的反應機制前，教師必須先確認學生已具備元件之間的關係。要完成化學電池的模型，除了元件本身和元件之間的關係外，還要考慮多重關係下建立的系統。以下說明何謂系統：由於鋅電極的活性大於銅電極，因此鋅電極丟出電子（氧化還原），電子透過導線流到銅電極（電子的移動方向），使得電解液中的銅離子獲得電子後還原成銅原子吸附在銅電極上。為了使電解液保持電中性，鹽橋中的陽離子則會朝銅電極端的電解液移動。透過上述的連接，化學電池的模型逐漸形成，符合課程綱要中學習表現的思考智能─模型建立之指標。

建模歷程二：模型精緻化階段

探究能力：想像創造、推理論證、計劃與執行、分析與發現

模型精緻化階段主要包含模型效化和模型分析，此階段的活動重點是透過探究的方式檢驗第一階段建立的模型是否正確性？是否能夠用以解釋問題的成因？因此，在第二階段，教師帶領學生在實驗室，教師說明學習目標並採用問題引導的方式讓學生進行實驗，此活動設計主要是讓學生學習改變不同的變因對實驗的影響（模型效化），活動內容如下：

l  請根據實驗變因的種類，填寫化學電池的實驗變因於表一。

表一：化學電池的實驗變因

實驗 變因	影響化學電池電壓的因素		變因選項
	改變電極材質	改變電解液濃度
操縱變因			A.電極材質 B.電解液濃度 C.電池電壓
控制變因
應變變因

此階段符合十二年國民基本教育自然領域課程綱要中學習表現的思考智能─想像創造與探究能力─計畫與執行。在思考智能中，想像創造是透過自行設計實驗流程來確認各變因之間的關係；而探究能力的計劃與執行是指在多種變因討論之下，必須規劃實驗的流程，並且清楚知道在各步驟間所要測得的內容才能夠找到答案。

以下再進一步地說明在實驗階段中如何應用前面的步驟所建立的模型在分析情境上：

l  請利用「建模歷程一」的模型預測三種電池的電壓大小排序，並實際測量電壓的數值於表二。

表二：預測三種電池的電壓大小，並實際測量電壓

電池種類	鋅鎳電池		鋅銅電池		鎳銅電池
電極	負極	正極	負極	正極	負極	正極
電解液	鋅/硫酸鋅 (1 M)	鎳/硫酸鎳 (1 M)	鋅/硫酸鋅 (1 M)	銅/硫酸銅 (1 M)	鎳/硫酸鎳 (1 M)	銅/硫酸銅 (1 M)
電壓大小	電壓：		電壓：		電壓：

本階段目的是驗證初始電池模型的預測能力，透過學生實際操作實驗（圖三）後所得到的數據資料呈現，能夠說明初始電池模型預測能力的情形，此為建模歷程中重要的一環。確認初始模型的解釋後，能夠使用該模型解釋問題的原因，此為建模歷程的模型分析。

當然，本階段涉及許多思考智能或探究能力的培養，例如：思考智能─推理論證，使用理論所推演出來的結果，理解自然科學知識或理論及其因果關系，並檢視與評價自己所提出的論點異同之處；探究能力─分析與發現：利用實驗所得到的資料，繪製此資料成為圖表，並且試著解釋和其變因之間的因果關係，並且確認和原先假設的是否相同。

圖三：學生於課堂中操作化學電池實驗，已得到該電池的電壓

建模歷程三：模型遷移階段

探究能力：推理論證、討論與傳達

模型遷移階段包括模型應用（近遷移）和模型調度（遠遷移）。本階段希望學生使用上述各階段所建立與檢驗後模型，自行重組出新情境中所要求的電池。換句話說，在不同的情境下使用相同的原理進行解釋，並未更動元件的種類或元件間的關係。以下以題組問題形式說明：

l  情境：學校提供的實驗器材和藥品如表三所列，請回答下列問題。

表三：提供的實驗器材和藥品

器材		藥品
鋅電極	鹽橋	硫酸鋅(0.5 M)	硫酸鋅(1 M)
鎳電極	導線	硫酸鎳(1 M)	硫酸鎳(2 M)
銅電極	電錶	硫酸銅(1 M)	硫酸銅(2 M)

問題一：利用本實驗提供的器材，組合一個最大電壓的化學電池，並列出所試用的器材。

問題二：請從影響電池電壓的因素，說明為何你會選擇使用此種組合的器材？

問題三：若還想再增加此組合電池的電壓，還有什麼方式可以進行？說明其原因。

問題四：請從影響電池電壓的因素，說明為何你會選擇使用此變因？

本題組是利用已建立的模型，在理解變因之間的因果關係後，並從此關係推論並預測結果，藉以解決新情境的問題，針對本題組學生能夠展現自然領域課程綱要中學習表現的思考智能─推理論證。

建模歷程四：模型重建階段
探究能力：(重)建立模型、推理論證、分析與發現、討論與傳達

模型重建階段包含模型修正與模型轉換此兩步驟，模型修正是指元件特性或是元件間的關係必須重新修正，而模型轉化是指整個模型都已經不能夠使用，模型已經失效，即是進入模型重建階段。學習者必須更改部分元件或是拋棄整體的模型，重新建構出恰當的模型。以化學電池為例，若學生學習化學電池的電解液皆為水溶液，因鋰電池的安全因素而電解液必須為有機溶劑，則從水溶液替換成無水的有機溶劑之改變即為模型重建階段。當然，不一定每次的建模教學階進入模型重建歷程，教師可根據教學目的進行取捨。

建模歷程與探究能力的關連

若以化學電池為例，討論建模歷程與自然領域課程綱要中提及的探究能力（思考知能和探究過程）之間的關係，當學生透過驅動問題的引導，開始經歷建模歷程時，在每個建模歷程皆能培養出相對應的探究能力。例如：當學生處於模型發展階段時，必須先觀察電池的外型及極致，因此能夠培養觀察與定題與建立模型的探究能力；進入模型精緻化階段時，學生需要檢驗模型的正確性，學生設計實驗測量不同電極的化學電池電壓，及能提升學生想像創造、推理論證、計劃與執行與分析與發現的探究能力；接下來到模型遷移階段，學生將思考「如何產生電壓對大的電池？」，學生必須使用上一階段的模型推論如何操作，因此，能夠增進學生推理論證與討論與傳達的能力；最後在類型重建階段中，學生需要分析鋰電池與一般電池的不同，透過小組討論得知必須修正原有理論模型以符合鋰電池，藉此促使學生討論與傳達的探究能力。

n  結語

以建模本位探究的教學活動，適用於複雜的概念以及目標概念明確的學習。由於其具有引導式建構科學模型的詳細步驟，易於讓學習者或教師掌握知識建構的歷程、並檢驗假定的（或個人的）模型與證據之間的關係，以及認識科學模型本質的變動性與功能性。本文以化學電池為例，具體地說明建模歷程與探究能力（思考知能和探究過程）之間的關係，提出建模本位探究化學電池之教學模式，期望此教學模式有助於中小學教師即將面對十二年國民基本教育自然領域課程綱要中提到的探究能力的教材設計。

n  致謝

感謝科技部經費補助使本計畫順利完成(計畫編號:105-2511-S-003-031-MY3)。

n  參考文獻

邱美虹（2015）。以系統化方式進行模型與建模能力之線上教學與評量系統—探討科學課程、概念發展路徑與建模能力之研究。科技部計畫報告。

邱美虹（2016）。科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育，第11期，2016年1月。

曾茂仁（2016）。探討建模本位探究教學於化學電池的學習成效與建模能力，碩士論文（未發表）。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育研究所。

教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校─自然科學領域。臺北市:教育部。

綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組

廖旭茂

台中市立大甲高中

教育部高中化學學科中心

[email protected]

n  影片觀賞

 本實驗影片由國立大甲高級中學提供，微型電化學電池與綠色電解蝕刻的使用介紹。

影片網址：https://youtu.be/takvuhMvthU, YouTube.

n  簡介

    綠色化學實驗隨著環保意識的抬頭，在全球掀起了一股風潮，從實驗藥品減量、實驗廢棄物減少排放，到有毒化學實驗藥品的取代等等，在在都是化學教育工作者努力的目標。國高中的電化學實驗課程中，無論電化學電池（electrochemical cell）或電解電池（electrolytic
cell），通常會涉及有毒重金屬鹽類的使用，以及有毒廢液的排放，加上實驗器材繁瑣，實驗準備與善後工作往往造成老師不少的負擔。

“One of the things that I’ve been focused on as President is how we create an all-hands-on-deck approach to science, technology, engineering, and math… We need to make this a priority to
train an army of new teachers in these subject areas, and to make sure that all of us as a country are lifting up these subjects for the respect that they deserve.”

President Barack Obama

Third Annual White House Science Fair, April 2013

2009年美國前總統歐巴馬提出了“Educate to Innovate”的口號¹，一時之間結合科學（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）跨領域的人才培育計劃、教學策略以及相關合作教案，在國際間形成一股巨大的風潮。因應這樣的數位自造者風潮，台灣的中小學學校也開始使用雷射切割機、以及3D列印機等新科技，進行教具的製作與開發。本校亦不例外，在行政系統的全力支援下，啟動了「綠色創客」特色課程。

本文中所呈現的電化學模組裡，是綠色創客利用這樣的現代數位機具─雷射切割機，完整開發的一個實驗模組，其中包含了兩樣教具–平面型微型電池與綠色電解蝕刻教具。雷切機擁有人性化的軟體介面，可根據使用者的喜好與需求，自行繪製並輸出作品；具有精準定位、突破徒手做的極限、客製化的優點，廣為自造者所喜好。下圖為本校開發的微型電化學實驗模組。

 

圖1：微型電化學實驗模組

期盼透過本實驗模組的分享，能拋磚引玉，除了鼓勵中小學的教師們「自己的教具，自己做」外，更推前瞻化學教育核心素養–「綠色思維」，讓中小學的化學實驗能真正達到減量、減廢，並符合綠色化學原則，落實永續環境教育的經營目標。

n  器材與藥品

1.  功率80 W的雷射切割機。

2.  透明壓克力板60 cm × 40 cm，厚度8 mm及3 mm各一塊（約可切出24組綠色電化學電池）

3.   螺絲攻牙器1組【購自五金材料行】

4.   鑽孔機1台（含鑽頭）

5.   手擰螺絲（Φ＝6 mm，長12 mm）數個【購自五金材料行】

6.   柱頭內六角螺絲（Φ＝4 mm，長20 mm）數個【購自五金材料行】

7.   螺母（Φ＝4 mm）數個【購自五金材料行】

8.   鎂合金、鋅、鐵、銅金屬片數片（尺寸為1 cm × 1.5 cm，厚0.5 mm）

9.   不鏽鋼片（尺寸為2.4 cm × 7.2 cm，厚1.0 mm）

10. 濾紙（尺寸為40 cm × 40 cm）

11.  0.5 M硫酸鈉（Sodium sulfate, Na₂SO₄）溶液、0.5 M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M硫酸鋅（Zinc sulfate, Na₂SO₄）溶液、0.5 M硫酸亞鐵（Ferrous sulfate,FeSO₄）溶液、0.5 M硫酸鎂（Magnesium sulfate, MgSO₄）溶液各10 mL，盛裝在點滴瓶內。

12. 藍光LED 燈泡一個

(一)微型電化學電池裝置的製作與使用

一、   設計製作流程

1.  發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：

 (1)  如何在一個培養皿大小的空間，進行一組或多組的電化學電池實驗。

(2)  電極位置的安排，可隨時替換電極的方便性、鹽橋的形式、多組電池串聯的可能性。

(3)  設計電池組合為可攜式，電解液不易滲漏。

2. 在Adobe CS3 Illustrator 或Coreldraw的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割建軟體可預讀的ai檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

 

圖2：微型電池的底座（左）及其上蓋（右）

3.   在雷切軟體Rdworks中，導入設計ai檔，然後依圖層依序填色，並調整雷射切割的速率與功率。打開雷切機暖機後，取一塊大小為30
cm × 60 cm，厚度為8 mm的透明壓克力板，置入雷切機中，進行切割。雷切完畢後，再取一塊大小為30 cm × 60 cm，厚度為3 mm的透明壓克力板，切出與下蓋大小相等的圓盤。下圖為雷切機切割的過程。

圖3：雷射光切割過程圖

4.   取一支螺絲攻板手，牢固的夾持住螺絲攻的四個角落雙手穩握住板手，與壓克力圓盤務必保持垂直，順時針方向旋轉，在預先雷切的中心孔位（直徑5 mm）緩慢地攻出一個直徑6 mm，深8mm的螺牙。下圖為攻牙的過程。

圖4：螺絲功牙過程

5.  取出切好的壓克力上蓋，取一長12 mm且6 mm的自擰螺絲和透明塑膠墊片，固定上下蓋並旋緊。下圖為可攜式電化學電池的完成圖。

圖5：電化學電池底座（左）及其上蓋（右）

二、微型電化學電池的使用指引

1.   取出圓形壓克力電池裝置，鬆開螺絲，打開上蓋將紙鹽橋放置在底座的相對位置。下圖為鹽橋的位置圖。

 

圖6：紙鹽橋的位置

2.   先以數滴硫酸鈉溶液稍微濕潤紙鹽橋，隨即在紙片的方格中滴入2滴的硫酸銅溶液，接著將銅片放置在紙片上方；另一方格中放置一鋅片，蓋上上蓋將螺絲旋緊，金屬片具小孔的一端均朝外，即完成一組鋅銅電池。以紅、黑鱷魚夾導線的一端分別連接銅、鋅兩極，導線另一端連接三用電表即可量測鋅銅電池的電位差。下圖為平面型鋅銅電池的完成圖。

 

圖7：平面型電化學電池的電位量測配置圖

3.   每片金屬片皆有一小孔，藍色的單芯線，供串聯之用。藍光LED中，較長的金屬腳位為正極，短的金屬腳為負極。若以單芯線個小孔即可串連三組電化學電池。下圖為三組鎂銅電化學電池串連後點亮藍光LED圖。

圖8：三組鎂銅電化學電池串聯的配置圖

 

(二)綠色電解蝕刻裝置的製作與使用

一、設計製作流程

1.  發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：

(1)   可攜式的特性，可以在任何空間進行電解蝕刻實驗。

(2)   以不鏽鋼片取代石墨，增加機械器具的可加工性。以化妝棉隔開不鏽鋼電極（–）與被蝕刻金屬（+），以數滴中性的鹽水為電解質。

(3)   印台的英文譯為stamp，stamp另一個字面上的意思為郵票。故印台的外觀形似一張郵票。

2.    在Adobe CS3 Illustrator 或Coreldraw的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割建軟體可預讀的ai檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

圖9：左為綠色蝕刻台的把手，又為蝕刻平台

3.   使用8mm壓克力板，經過雷射加工後的印台，必須以水清洗印台上的粉塵，之後靜置陰乾；以砂紙磨去金屬片的利邊，以免使用時被割傷；並在印台雷射掃描處塗上層薄矽膠，將金屬片黏貼於方框處，靜置乾燥固定。下圖為製作流程圖。

圖10：蝕刻印台的製作流程

4.   利用直徑3.3 mm的鑽頭，經由壓克力印台中間的圓孔，在金屬片上進行導孔；接著利用M4螺絲攻在金屬片攻出一個M4的螺牙；以利用棉花棒清潔螺孔後，將M4圓柱頭螺絲旋進圓形把手，連結印台金屬片上的螺孔，將把手與印台兩者緊固。下圖為整個蝕刻印台的完成圖。

圖11：蝕刻印台的完成圖

二、綠色點解蝕刻裝置的使用指引：部分操作做成可參閱2014年7月出版的台灣化學教育期刊之【行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作】一文²。

1.   撕開部分膠膜，將金屬書籤平放在膠膜的離型紙上，膠膜上鏤空的字樣請置中對齊書籤空白處。將膠膜復原貼上，並留一小塊區域，供紅色導線連接。以膠帶將膠膜固定在桌子邊緣，在膠膜上方放置一片化妝棉，以數滴硫酸鈉溶液濕潤化妝棉。

2.   鱷魚夾導線的一端依紅(+)、黑(-)分別連接9V電池的正、負極。黑色鱷魚夾另一端夾住蝕刻印台圓形把手下方的螺栓；紅色鱷魚夾的另一端則夾住金屬書籤。

3.   手持蝕刻印台的圓形把手，按壓潮濕化妝棉，開始電解。通電約60秒後，以鑷子取下化妝棉，隨即撕開膠膜，並用新化妝棉擦拭金屬片。下圖為蝕刻操作過程圖。

  

  

圖12：電解蝕刻的操作步驟圖

n  微型電化學電池與綠色電解蝕刻裝置之教學應用

一、微型電化學電池的教學應用：詳細過程可參閱科學研習月刊2017年11月出版的【綠色創客：微量電化學電池的設計與應用】一文³。

1.   測定電化學電池電壓：以Mg、Zn、Fe、Cu四種活性不同的金屬為電極。測量任何兩組電化學電池的電位差，與課本實驗的結果、標準電位差互相比較，並嘗試說明偏差產生的原因。

2.   練習多組電化學電池的順向接法與逆向接法並測定電壓。

3.   金屬活性序列的比較：「看誰最來電？」任取數種大小相同的未知金屬片（假設Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Cu六種），讓學習者由電子的流動方向和電位差高低，來判斷這六種未知金屬的活性大小。

二、綠色電解蝕刻的教學應用²

1.    電解反應兩極產物預測：以印台為負極，石墨片為正極，觀測並比較電解強酸強鹼鹽（比如硝酸鉀、硫酸鈉、低濃度的氯化鈉等）、強酸弱鹼鹽（比如硫酸銅、硝酸銀等）、以及碘化鉀等不同類型的鹽類溶液，在陰陽兩極所發生的變化的差異。

2.      藝術融入科學實作課程：學生自行繪製圖案，製作鏤空膠膜，在生活金屬器具的平面上進行蝕刻，留下紀念。下圖為上課學生實作過程。

  

圖13：學生蝕刻作品圖

n  微型電化學電池與綠色電解蝕刻裝置之原理與概念

一、微型電化學電池

1.   本電化學電池實驗教具改良自傳統國高中課本提供鋅銅電池實驗，將3D立體的外型改造成為平面化的電池。電子自鋅銅電池中活性較大的鋅片流出，經外部導線流入活性小的銅片電極，並以「紙鹽橋」取代玻璃U形管保持兩極溶液的電中性。

2.  標準電極電位E^o，分為標準還原電位E^o _red （一般教科書多以還原電位來表示），與標準氧化電位E^o_ox。標準還原電位越高，代表物質越容易得到電子，為越強的氧化劑；標準氧化電位越高，代表物質越容易失去電子，為越強還原劑。電池電位差的計算，以鋅銅電池反應為例：

陽極（負極，氧化反應）：Zn(s) →Zn²⁺(aq) + 2e^－   E^o_ox = +0.76 V

陰極（正極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)   E^o _red =+0.34 V

 電池的電位差E^o_cell = 陽極的氧化電位E^o_ox + 陰極的還原電位E^o_red，亦等於

陽極的氧化電位E^o_ox – 陰極的氧化電位E^o_ox，亦等於

                   陰極的還原電位E^o_red – 陽極的還原電位E^o_red = 1.10 V

二、綠色電解蝕刻²

本實驗係利用電化學電解原理，使用一個自製的蝕刻印台，在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上，隔著以鹽水沾濕的棉布，數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為鐵片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：

陰極（負極）（–）：2H₂O(l) + 2e^– → H₂(g) + 2OH^–(aq)    [1]

陽極（正極）（+）：Fe(s)  → Fe²⁺(aq) +2e^–    [2]

———————————————————————————

全反應：2H₂O(l) + Fe(s) → H₂(g) + 2OH^–(aq) + Fe²⁺(aq)    [3]

2H₂O(l) + Fe(s) → H₂(g) + Fe(OH)₂(s)    [4]

在電化學蝕刻後移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留棕色的字跡，研判應為陰極（負極）生成的氫氧根離子與鐵等金屬離子生成氫氧化物的沉澱，其反應如式[4]所示。

n  安全注意及廢棄物處理

l   本次實驗所用的CO₂雷射切割機，波長為1064 nm，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

l   每次實驗後，應以自來水清洗微型電池的壓克力盤，並以水砂紙磨去各種金屬片上的氧化物，擦乾置入封口袋保存。

l   電解蝕刻的實驗結束後，印台不鏽鋼金屬片電極必須以清水沖洗擦乾，以待下次使用；或沾上汙跡，可用水砂紙磨過，同樣以清水沖洗擦乾。

n  致謝

感謝大甲高中蕭建華校長對「綠色創客」工坊的鼎力支持，以及林怡君教務主任對軟、硬體的精心規劃。

n  參考資料

1.  Educate to Innovate, https://obamawhitehouse.archives.gov/issues/education/k-12/educate-innovat.

2.  廖旭茂、黃維靜，行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作。台灣化學教育電子期刊，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174.

3.  廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊，2017，卷56，期11，頁54~62。

製作天然柚香清潔劑

 

黎渝秀

國立中央大學附屬中壢高級中學
[email protected] 

 

n  前言

108課綱籌備以來，「自然科學探究與實作」、「多元彈性選修」一直是新課綱的核心精神之一。民國九十六學年起，本校優質化校務經營計畫「從A至A⁺全面優質」願景下，課程多元創新的學園—在高二課程開設一節彈性選修，提供學生在高二選組後，可以再依自己的興趣加深加廣的學習；緣此，作者依自然組學生程度開設「化山論見」彈性選修。學生課前需熟知實驗原理和步驟，依此撰寫實驗流程圖（即實驗預報），課堂中讓學生親自動手實驗，觀察現象，發現問題，解決問題，進而提出自己的想法，並將所學化學知識與生活中用品結合。

在中秋節時期，市場上販賣很多的柚子，散發淡淡的柚子香ー除了果肉多汁美味外，丟棄的果皮是否可再利用？這門課的學生討論熱烈，於是立即上網搜尋：柚子皮可製作成零食，也可入菜，富含天然精油成分，可提煉成香味劑和化妝品，柚皮風乾就可驅蚊，泡在酒精一周，就能當防蚊液…等。經由討論後，我們決定製作天然柚香清潔劑。

n  文獻探討

1.         檸烯^[1]

(1)     薴烯，又稱檸烯（Limonene；俗稱檸檬油精），化學式為C₁₀H₁₆，其結構式如圖一所示。

(2)     它是一種環狀單萜烯，室溫下容易揮發，廣泛存在於各種柑橘屬果皮及香精油。

(3)     用途：溶劑、清洗劑、除膠劑、調香劑、生物燃料和殺蟲劑，可溶解發泡聚苯乙烯（保麗龍）

圖一：薴烯的結構式

2.         常見柑橘皮精油的含量及其主要成分^[2]

常見柑橘皮精油的含量及其主要成分，如表一所示。

表一：常見柑橘皮精油的含量及其主要成分

（資料來源：香氣分析：氣相層析法探討柑橘類精油成份組成）^[2]

3.         椰子油起泡劑^[1]

(1)     椰油醯胺丙基甜菜鹼（cocoamidopropyl betaine,CAPB）是由椰子油和二甲基氨基丙胺衍生的密切相關的有機化合物的混合物。

(2)     CAPB是在一端含有長烴鏈和另一端含極性基團的脂肪酸醯胺，如圖二所示。這允許CAPB作為表面活性劑和洗滌劑。它是由四級銨陽離子和羧酸鹽組成的兩性離子。

圖二：椰油醯胺丙基甜菜鹼的結構式

(3)     用途：廣泛用於中高級洗頭水、沐浴液、洗手液、泡沫潔面劑等和家居洗滌劑配制中；是製備溫和嬰兒洗頭水、嬰兒沐浴液、嬰兒護膚產品的主要成分；在護髮和護膚配方中是一種優良的柔軟調理劑；還可用作洗滌劑、潤濕劑、增稠劑、抗靜電劑及殺菌劑等。

(4)     推薦用量：洗頭水和沐浴液中為3-10%；美容化妝品中為1-2%。

(5)     常見的幾種起泡劑都可以互相搭配做出各種膚感的清潔產品。

l  椰子油起泡劑和弱酸性起泡劑起泡效果較佳，但沒有滋潤功效，敏感性肌膚慎重選擇。

l  氨基酸起泡劑和無淚配方的兩性起泡劑最溫和，發泡效果亦十分顯著。

n  實驗架構圖^[3]

本實驗的概要步驟，如圖三所示。

圖三：本實驗的概要步驟圖

n  實驗器材

1.         公用器材（一組3人用量）：95%酒精350 mL、30%椰子油起泡劑350 mL、食鹽7.5 g、甘油（丙三醇）120 mL、紗布。

2.         自備器材（一組3人用量）：柚子皮4顆，刨刀一抜，玻璃瓶（附蓋子）1個，按壓瓶（保養品的空瓶亦可500mL）1個、燒杯（500 mL）2個、燒杯（或鐵盆，容量3 L）1個、磁石攪拌器（或打蛋攪拌器）。

n  實驗步驟

（一）萃取柚子精油

1.         準備材料A：約4顆的柚子皮量、1瓶95%藥用酒精、適量的蒸餾水、1個玻璃罐。

2.         將果皮像削絲瓜皮一樣逐一削下（只要綠色的皮、白色的部分不要）（見圖四左），將上列材料全部放入1個玻璃罐中，依比例（95%酒精：蒸餾水=1：1）^[5]或比例（95%酒精：蒸餾水=500：120）^[7]覆蓋柚子皮，浸泡二星期（淡黃色）（見圖四右）。

3.         將細紗布放在500 mL燒杯上方（可用橡皮筋固定），緩緩地將浸泡液倒入，取澄清浸泡液作為溶液A。（過濾的柚子皮渣，可以紗布包覆，置於廁所增加香氣和防蚊）

圖四：柚子果皮像削絲瓜皮（左）；萃取柚子精油（右）

（二）製作柚子清潔劑^[6]

1.         準備材料B：350 mL的30%椰子油起泡劑（液狀）、1380 mL的蒸餾水、120 mL的甘油、7.5 g的食鹽。【註1：若椰子油起泡劑為70%，則以3 L的燒杯，秤取約150 g，再加水至350 mL處，以磁石攪拌器加熱至全溶，若加熱過程中溶液水量減少，可適時加蒸餾水補足。】

2.         取150 mL的濾液A放置於3L燒杯內，分別加入7.5 g的食鹽、1380 mL的蒸餾水和120 mL的甘油（此時溶液混濁）（見圖五左）。【註2：蒸餾水可保留約380 mL，待加入甘油後，可用蒸餾水殘餘的甘油清洗至混合液中。】

3.         最後加入350 mL的30%椰子油起泡劑，混合攪拌即可完成（溶液瞬間澄清）（見圖五右）【註3：可依上述比例調整柚子清潔劑，沒有柚子皮可用橘子、檸檬、柳丁的果皮替代^{[8, 9]}。】。

圖五：70%椰子油起泡劑加水稀釋（左）；加入濾液A到材料B（右）

n  學生實驗流程圖

學生撰寫的實驗步驟以圖文並茂方式展現，以下舉例兩組的圖示。

l第一組流程圖

l第八組流程圖

n  實驗討論

Q1：為何需用酒精浸泡柚子皮？

答案：柚子皮中的主要成分為檸烯，為不飽和烴，它的極性不大。以酒精（乙醇）的極性不大，當萃取溶劑是因為可萃取檸烯，亦可與水互溶。

Q2：為何要加入食鹽？若不加食鹽是否還有其他替代物？

答案：利用NaCl食鹽等無機鹽類（電解質）來調整濃稠度，但NaCl也不可以加過量，否則整個稠度會垮掉。添加的NaCl是利用鹽類在水中會解離產生離子（NaCl→Na⁺+ Cl^‒），此離子可降低親水基間因電性相同所產生之排斥力，增加界面活性劑分子聚集之數目，使微胞（micelle）變得較大，因此流動性會降低，黏度會增大。然而當鹽類增加至某一程度時，會產生鹽析現象（salting out），使得界面活性劑分子析出，黏度下降，整個稠度會迅速降低。因此，在調整濃度時，還是需以界面活性的多寡，來調整所需NaCl的劑量。

Q3：柚子皮中的主要成份為何^[4]？除了可作為清潔劑外，還有其他用途嗎？請舉兩例說明之。

Q4：此實驗添加甘油的目的為何？

Q5：請你就家中的清潔劑之一的背面的成份，寫下並查明其簡易化學用途及可能的傷害。

n  Google Classroom協助課程

一、   在課程中發佈作業

二、   學生繳交作業情況

1.         學生在預設時間內上傳以自製柚子清潔劑洗碗。

2.         分別依照片或影片給予學生分數，並發還。

●照片

●影片（天然柚香清潔劑https://youtu.be/rRJh7gBkRXM）

三、   學生回饋

1.        建立Google表單，讓選課同學連結後回饋。

2.        Google表單會根據問卷作數據處理，提供授課教師參酌與改進。

3.        Google表單也可設計開放式問題，學生可以直接回饋。

n  教學省思

l   果皮的使用可依時令水果的果皮而調整，浸泡酒精的濃度可讓學生透過網路搜尋的資料來決定。

l   若使用椰子油起泡劑為70%的膏狀物，需再加水加熱至完全互溶；若為30%，則為液狀，可直接混合。

l   課程時間可為一節課，或兩節課，授課教師可自行調整，唯果皮浸泡液需前二週準備為佳。

l   材料B加入的先後順序，可讓學生思考，每組可不一樣，再互相比較。

l   果皮浸泡液是以酒精萃取，最後要加入甘油，而一般學生以為甘油是油，實際上是丙三醇，恰好高二上學期基礎化學（二）第三章常見的有機物介紹過，因此學生印象深刻。

l   製成的「柚子清潔劑」，讓學生以家裡用過的按壓瓶分裝並帶回，在學校裡清洗簡單的餐具，或在家幫忙洗碗。學生反應有淡淡的柚子香，一點點就很多泡泡，水一沖就無任何清潔劑殘留。學生家長肯定孩子能將化學應用於生活。

l   未來因應108課綱，除了化學和生物或家政上可以作深入探究與實作外，也可以讓學生加入「美術」作為成品外包裝的設計，甚至結合「公民」，分析經濟成本和市場上合理的販售價格。

n  參考文獻

1.         維基百科，檸檬烯https://zh.wikipedia.org/wiki/柠烯。

2.         陳良宇、徐品家、李家齊、高詩堯，香氣分析：氣相層析法探討柑橘類精油成份組成，http://goo.gl/eQHGiM。

3.         基礎化學（二），第三章及第四章（全華版）。

4.         歐明秋，化妝品原料概論─界面活性劑，http://www.slvs.tc.edu.tw/125/20141107111151.pdf。

5.         垃圾變黃金的洗碗神品~超濃縮果皮洗碗精，彰化縣57屆國中科展生活應用組，http://science.hsjh.chc.edu.tw/upload_works/106/cc526f4eaa1b83891ebb84c251eec319.pdf。

6.         城乙化工，DIY柚子清潔劑，https://goo.gl/owqn5t。

7.         黃建睿，評估柚子精油及檸檬桉精油抑制植物病原菌生長與防治植物病害效果，中興大學植病系碩士論文，2015年四月，頁12。

8.         檸檬清潔劑，https://blog.gtwang.org/diy/handmade-lemon-dishwashing-liquid/。

9.         蔡承哲和周明謙，清淨至極–探討水果皮清潔劑的清潔效果，第1051115梯次小論文，http://www.shs.edu.tw/works/essay/2016/11/2016111507234467.pdf。

n  學生實驗手冊

下載本化學教室活動的學生實驗手冊—「製作天然柚香清潔劑」。