臺灣化學教育

創意微型實驗—簡易環保電解裝置

方金祥

創意微型科學工作室
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本文作者曾先後設計了三代的「簡易環保電解裝置」，這三代的電解裝置之比較如表一所列和相片一所示。第一代「簡易環保電解裝置」曾參加中華民國第四屆發明和創新展覽會榮獲發明類教師組第二名，並取得中華民國經濟部中央標準局新型專利，如附錄所示。第二代的「簡易環保電解裝置」曾以「學校化學科減量減廢實驗之設計」為企畫案主題之一，參加由台灣通運傳動機械股份有限公司所舉辦的一九九七年歐普環保獎（The 1997 Opel Environmental Award）企畫案競賽，本文作者以「學校化學科減量減廢實驗之設計」榮獲第一名，如附錄所示。本文將介紹第三代的「簡易環保電解裝置」之設計與製作過程。

表一：三代簡易環保電解裝置之比較

相片一：三代簡易環保電解裝置，第一代（左）、第二代（中）、第三代（右）

n  原理和概念

在以鹼性的氫氧化鈉溶液為電解質，經通入直流電後，進行水的電解，其電解反應如式[1]~[3]所示。電解總反應之電位差為負值（–1.229 V），因此欲電解水時必需外加至少1.229 V，才能順利進行水在鹼性溶液中之電解。

陰極（負極）：4H₂O(l) + 4e^– → 2H₂(g) + 4OH^–(aq)    E°_red = – 0.828 V    [1]

陽極（正極）： 4OH^–(aq) → O₂(g) + 4e^– + 2H₂O(l)    E°_ox = – 0.401 V    [2]

電解總反應[1] + [2]：2H₂O(l) → O₂(g) + 2H₂(g)      △E ° = – 1.229 V    [3]

n  材料與藥品

塑膠杯（布丁） 2個、丟棄式滴管（10 mL） 2支、單孔塑膠塞 1個、小塑膠塞 1個、小橡皮塞 2粒、接電端子（紅色） 1 個、接電端子（黑色） 1 個、9 V乾電池 1粒、9 V乾電池冒扣和鱷魚夾 1組、線香 1支、火柴 1盒、熱熔膠（槍） 1支、氫氧化鈉溶液（10 %） 150 mL。

n  設計與製作

1.        回收2個布丁塑膠杯，並在其中一個杯底挖出5個孔洞（2大、1中、2小）。如相片二所示。

相片二：杯底挖出5個孔洞

2.        將2支注射針頭之尖端處剪掉，並用導線金屬部分從注射針頭之塑膠處插入，務使導線之金屬與注射針之金屬接觸，再用熱熔膠（相片三之左）固定之供作電解時之電極，如相片三（右）所示。

相片三：熱熔膠（槍）（左）和注射針頭作為電解之電極（右）

3.        將2支丟棄式滴管上方距離刻度〝0 ”上面0.5 cm 處鋸掉，並在滴管下方距離刻度〝9.5 ”處鋸掉，如相片四所示。

相片四：將丟棄式滴管（左）之上方與下方鋸掉（右）

4.        用熱熔膠將相片三之電極固定在相片四的滴管下方內側作為電解管，如相片五所示。

相片五：電極固定在滴管中作為電解管

5.        將相片五之2支電解管分別插入相片二挖有孔洞之塑膠杯中央處之2個大孔洞中，並使電解管上之刻度〝7 ”與塑膠杯底平，然後用熱熔膠固定，如相片六所示。

相片六：固定在塑膠杯上的電解管

6.        將2個接電端子固定在塑膠杯底部左右2個最小的孔中，並用熱熔膠固定。然後再將單孔塑膠塞用熱熔膠固定之作為電解時之通氣孔，如相片七所示。

相片七：接電端子（左）、單孔塑膠塞與小塑膠塞（中）與固定在塑膠杯上之電解管（右）

7.        將左邊電解管中電極導線接在黑色接電端子作為負極，右邊電解管中電極導線接在紅色接電端子作為正極，並在其下方用熱熔膠將另一塑膠杯固定且使之密合，以供作承接電解液之電解槽，如相片八所示。

相片八：電極導線接上黑色接電端子為負極，電極導線接上紅色接電端子為正極，下方為電解槽

8.        在該裝置上之左右電解管上方各用一粒小橡皮塞塞住，並使橡皮塞之底部位在電解管刻度” 0 “處，使電解時左右電解管皆從零開始，如相片九所示。

相片九：小橡皮塞（左）與電解管上塞住小橡皮塞（右）

9.        最後再接上9V乾電池作為直流電源，即組裝完成一套「簡易環保電解裝置」，如相片十所示。

相片十：組裝完成之「簡易環保電解裝置」

n  實驗操作

1.        將2支電解管上之橡皮塞取下來，由電解管之管口加入10%氫氧化鈉（NaOH）溶液至電解槽中約六至七分滿，如相片十一所示。

相片十一：在電解槽內加入10 %氫氧化鈉溶液約六至七分滿

2.        以橡皮塞塞住電解管，以小塑膠塞塞住單孔塑膠塞之通氣孔，然後手持電解裝置使電解管向下傾斜，讓電解液流入電解管中，如相十二片所示。

相片十二：將電解裝置之電解管向下傾斜

3.        待電解槽內之氫氧化鈉溶液緩緩流入電解管至加滿為止，由於電解管下方仍然位於電解槽內之電解液中，因此當電解裝置正立時電解液仍可將電解管裝滿。

4.        當電解管裝滿電解液時，再將裝置正立於桌面，然後再將原塞住通氣孔上的小塑膠塞拔離，準備進行電解。

5.        將9 V乾電池之黑色鱷魚夾夾住該裝置上的黑色接電端子為負極，而紅色鱷魚夾夾住該裝置上的紅色接電端子為正極，當電源接通後即刻進行水的電解，如相片十三所示。

相片十三：直流電源（左）與通電後進行水的電解（右）

n  實驗結果

一、   電解實驗

1.        在使用該裝置進行電解時，電解槽中之電解液是10%之氫氧化鈉溶液，以9 V乾電池為直流電源，乾電池之負極（黑色鱷魚夾）是接在該裝置上黑色接電端子，黑色接電端子所接的電極即為負極，亦即是該裝置左邊的電解管即為負極的電解管。相對的乾電池之正極（紅色鱷魚夾）是接在該裝置上紅色接電端子，紅色接電端子所接的電極即為正極，亦即是該裝置右邊的電解管即為正極的電解管。

2.        在電解過程中約在5分鐘之內，在左邊的電解管（負極）所產生的氣體體積皆為在右邊的電解管（正極）所產生的氣體體積之2倍，亦即是左邊電極管（負極）所收集到的氣體與右邊電極管（正極）所收集到的氣體之體積比由電解管上之刻度可直接讀出為2 : 1。如相片十四所示

1 mL : 0.5 mL    2 mL : 1 mL     3 mL : 1.5 mL

4 mL : 2 mL     5 mL : 2.5 mL     6 mL : 3 mL

相片十四：電解水時在左邊電解管（負極）與右邊電解管（正極），所收集到的氣體之體積比為2 : 1

二、   電解產物之檢驗

水在電解過程中在負極會產生氫氣（H₂），在正極會產生氧氣（O₂），且其體積比為2 : 1，因此在電解管中收集到較多的氣體可能是氫氣，較少的氣體可能是氧氣，至於是否為氫氣和氧氣都必須經由檢驗才能確認。其簡易的檢驗方法如下：

1.        氫氣之檢驗

將氣體較多的電解管上方之橡皮塞拔離，在取下橡皮塞之同時手持點燃的火柴以水平方式移至電解管之管口上方，如有小小爆鳴聲者，即可證明該電解管收集到較多的氣體為氫氣（檢驗完成後必須再將橡皮塞塞回原電解管），如相片十五所示。

相片十五：以點燃之火柴檢驗氫氣

2.        氧氣之檢驗

將氣體較少的電解管上方之橡皮塞拔離，取下橡皮塞之同時手持點燃的線香垂直插入電解管中，如發現線香復燃起來，此乃因氧氣有助燃的性質，因此可證明該電解管收集到較少的氣體為氧氣，如相片十六所示。

相片十六：以點燃之線香檢驗氧氣

n  實驗注意事項

1.        作為電解液之氫氧化鈉溶液需用蒸餾水來配置，配製時須戴上實驗用塑膠手套。

2.        電解槽中電解液至少要裝有六至七分滿，務必使將裝置傾斜時，待電解液裝滿電解管後再將裝置正立時，電解管之底部必須維持在電解槽中之電解液內。

3.        傾斜裝置以加滿電解管之前，必須先將通氣孔塞住，要進行電解時必須將塞住通氣孔之小塑膠塞拔離。

4.        氣體檢驗時氫氣先檢驗或氧氣先檢驗皆可，唯切記先檢驗完者，必須將橡皮塞塞回原電解管，然後再繼續檢驗另一電解管中之氣體。

5.        電解完成後，只需將電解管上方之橡皮塞打開，使電解管中之電解液流回電解槽內，然後再將橡皮塞塞回電解管，電解槽中之電解液不必倒出來，保留在電解槽中之電解液可一直重複使用。

n  實驗裝置特點

簡易環保電解裝置具有以下之特點：

l   器材很簡單，取得也方便。

l   價格很低廉、每套約五十。

l   組裝很容易、操作又安全。

l   將裝置傾斜、裝滿電解管。

l   藥品重複用、手不碰藥品。

l   氣體之體積、由刻度讀出。

l   結果很正確、氫氧二比一。

l   檢驗既簡單、結果又明確。

l   回收再利用、經濟又環保。

l   動手做裝置、實驗更有趣。

n  結語

第三代之簡易環保電解裝置係以回收品及簡單滴管組成，電解液之藥品（氫氧化鈉溶液）可一直重複使用，且操作過程中手都不會碰觸到藥品，可說是極符合「低污染、可回收、省資源」等減量減廢之環保理念，也是一種推展綠色化學之綠色實驗裝置。電解所產生之氫氣與氧氣肢體幾可直接由電解管上之刻度讀取，電解過程中都可看出氫氣與氧氣之體積比皆為2 : 1，既正確又方便。氫氣與氧氣之檢驗也極為簡便且安全有趣。

n  附錄

第一代簡易環保電解裝置曾參加中華民國第四屆發明及創新展覽會榮獲發明類教師組第二名，並取得中華民國經濟部中央標準局新型專利（新型第102322號），如相片十七所示。第二代的簡易環保電解裝置曾以「學校化學科減量減廢實驗之設計」為企畫案主題其中之一作品，參加由台灣通運傳動機械股份有限公司所舉辦的一九九七年歐普環保獎（The 1997 Opel Environmental Award）企畫案競賽，經十三位專家學者（國內十一位、國外二位）書面審查後，錄取前三名進入決賽作口述報告，並經原十三位初審專家學者提問及答覆後，召開評審會議後當場公布錄取三名名單（第一名一位，第二名重缺，第三名兩位）及頒發得獎通知，第一名獎金壹拾陸萬元，第二名陸萬元，第三名參萬元。本文作者以「學校化學科減量減廢實驗之設計」榮獲第一名，如相片十八所示。

相片十七：第一代簡易環保電解裝置獲發明類教師組第二名與專利

相片十八：第二代作品參加1997歐普環保獎企畫案主題榮獲第一名

創意微型實驗—微型發光噴泉裝置

方金祥

創意微型科學工作室
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n  目的

在微型發光噴泉裝置的二支並聯式塑膠注射筒中，分別抽取兩組不同的藥品溶液後，經同步推擠注射筒之活塞後，兩種藥品溶液會經由注射針頭前端噴出，當兩組藥品溶液相遇後，會即刻起化學反應並發出螢光，而以噴泉方式產生，此裝置可在一般教室中之講台或學生座位前演示化學能轉變為光能（發光噴泉，簡稱光泉）。

n  原理

魯米諾（Luminol）之中文名稱為3-氨基鄰苯二甲醯肼（又稱光敏靈），英文名稱為5-Amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione，其分子結構式如圖一所示。化工原料行販售的魯米諾藥品是呈白色粉末狀，如相片一所示。將魯米諾溶解在氫氧化鈉的鹼性水溶液後鹼性的氫氧化鈉溶液作為激發劑，將魯米諾激發產生一個帶有兩個負電荷的雙陰離子（dianion），此魯米諾的氫氧化鈉溶液為第一組藥品。另在過氧化氫（雙氧水）中加入赤血鹽（鐵氰化鉀K₃Fe(CN)₆），以赤血鹽中正三價之鐵離子（Fe³⁺）作為催化劑，催化過氧化氫（雙氧水）分解放出氧氣，並以分解所放出之氧氣作為氧化劑，赤血鹽之過氧化氫（雙氧水）溶液為第二組藥品。而此氧氣可將雙陰離子加以氧化成一極為不穩定的過氧化物，此一過氧化物會急促地分解而放出氮氣來，進而將原雙陰離子轉變成激發態（excited state）的3-氨基鄰苯二甲酸。當由激發態轉換至基態＊（ground state）時便會將其化學能釋放出來，而釋放出來的化學能會轉變成光能而以光子的形式存在，此光子的波長約位於可見光譜中的藍色光（~450 nm）部分。因此當將第一組藥品溶液（魯米諾的氫氧化鈉溶液）與第二組藥品溶液（含赤血鹽之雙氧水）溶液混合再一起時，混合溶液中之氧氣即可將魯米諾氧化而瞬間發出淡藍色光來。

圖一：魯米諾（Luminol、光敏靈）之分子結構式

相片一：白色粉末之魯米諾 （Luminol）

n  材料與藥品

一、   材料

塑膠注射筒（35 mL） 2支、三孔橡皮塞 1粒、注射針頭（針頭需磨平） 2支、透明塑膠軟管（或橡皮管） 20 cm、有蓋透明塑膠瓶 1個、半透明塑膠瓶 1個、單孔塑膠塞 1個、小塑膠塞 1粒

二、   藥品

魯米諾（Luminol，光敏靈） 0.1g、過氧化氫(3% 雙氧水H₂O₂） 5 mL、赤血鹽（鐵氰化鉀K₃Fe(CN)₆） 0.3 g、氫氧化鈉 4 g、氰光棒（市售14吋犀利光） 1支

n  設計與製作過程

1.        用熱熔膠將2支35 mL的塑膠注射筒黏成一組並聯式注射筒，如相片二所示。

相片二：並聯式注射筒

2.        將2支注射針頭之尖端剪掉或磨平，再分別插入3孔橡皮塞之2個孔中。另在3孔橡皮塞之第3位置孔插入一支硬質塑膠管（勿穿出橡皮塞），如相片三所示。

相片三：插入2支注射針頭與一段硬質透明塑膠之3孔橡皮塞

3.        將2支並聯式塑膠注射筒之注射針接頭分別插入在3孔橡皮塞中之注射針孔中，另以一條長約20 cm的橡皮管（或透明塑膠軟管）一端與插在橡皮塞之第3孔上之硬質塑膠管連接，另一端與半透明塑膠瓶蓋子上之硬質塑膠管連接，此塑膠瓶可供作收集反應後產生之廢液，如相片四所示。

相片四：並聯式塑膠注射筒與3孔橡皮塞之組合

4.        將並聯式塑膠注射筒、3孔橡皮塞及一個透明塑膠瓶之瓶口組合起來，即可組成一套「微型發光噴泉裝置」，如相片五所示。

相片五：微型發光噴泉裝置

n  實驗操作方法

一、   魯米諾（光敏靈）的發光噴泉

（一）使用前準備

1.        先配置甲和乙兩種藥品溶液

(1) 甲溶液：稱取0.3 g的赤血鹽（K₃Fe(CN)₆）溶解於50 mL的蒸餾水中，然後再加入1 mL的3%雙氧水，再將其稀釋為100 mL而成。

(2) 乙溶液：稱取4 g的氫氧化鈉溶於50 mL的蒸餾水中，然後再加入0.1 g的魯米諾（Luminol），待其溶解後稀釋成100 mL而成。

2.        將並聯式塑膠注射筒自裝置中一起拔離。

3.        先在並聯式塑膠注射筒之一的注射針接頭處接上1支針頭磨平之注射針，並插入一組藥品溶液（甲溶液：赤血鹽之雙氧水溶液）中抽取20 mL之體積，如相片六所示。甲溶液抽完後將注射針頭拔離，然後再用一粒塑膠塞或三通塑膠活栓塞住此注射筒備用。

相片六：抽取藥品

4.        在2支並聯式塑膠注射筒之另一支注射針接頭處接上另一支針頭磨平之注射針，並插入另一組藥品溶液（乙溶液：魯米諾（Luminol）之氫氧化鈉溶液）中抽取20 mL之體積，乙溶液抽取完後將注射針頭拔離，然後再用另一粒塑膠塞或塑膠三通活栓塞住此注射筒備用，如相片七所示。

相片七：吸取藥品後之並聯式注射筒以塑膠塞（上）或塑膠三通活栓（下）塞住

（二）使用時操作

1.        將裝有甲、乙藥品溶液的並聯式塑膠注射筒之塑膠塞分別拔離後，再一起插入3孔橡皮塞上之2個注射針頭中，如相片八所示。

相片八：裝有藥品溶液的並聯式塑膠注射筒與透明塑膠瓶組合

2.        或將裝有甲、乙藥品溶液的並聯式塑膠注射筒上之塑膠三通活栓塞，直接插入3孔橡皮塞上之2個注射針頭中，然後將塑膠三通活栓打開至上下通的位置備用，如相片九所示。

相片九：並聯式塑膠注射筒上之塑膠三通活栓與透明塑膠瓶組合

3.        手持該裝置使並聯塑膠注射筒在下面，透明塑膠瓶在上面，此時作為承接反應後廢液之半透明塑膠瓶與接在其上之透明塑膠軟管（或橡皮管）會自動下垂。

4.        演示時可手持微型發光噴泉裝置，用手同時將兩支塑膠注射筒加以擠壓；或將並聯式塑膠注射筒置於桌面，然後雙手握住並聯式塑膠注射筒，緩慢地向桌面擠壓之。

二、   氰光棒（犀利光）的發光噴泉

（一）氰光棒的發光步驟

1.        犀利光（氰光棒）之構造與組成

市售犀利光係由一根約14吋長密封的半硬質半透明塑膠管和硬質玻璃管，分別內裝有兩組藥品溶液組成，其中一組溶液是分別裝在3根密封玻璃管中。而另一組藥品溶液則裝在塑膠管中但在3根密封玻璃管之外面，半硬質半透明塑膠管如相片十所示。

相片十：市售氰光棒（犀利光）（上）和裝有藥品溶液之3根密封玻璃管（下）

2.        犀利光之氰光棒之使用

(1) 用兩手握住持犀利光之氰光棒之兩端，分別將其中之3根密封玻璃管折斷。

(2) 當3根密封玻璃管分別折斷後，其內之藥品溶液便會與裝在密封半硬質半透明塑膠管內之另一組藥品溶液接觸，也即刻會發出淡綠色的螢光來，如相片十一所示。

相片十一：將犀利光內部3根密封玻璃管折斷後之發光現象

(3) 將3根密封玻璃管分別折斷後，再將其搖晃數下，就會見到整支塑膠管內持續在發光，發光時間可維持約24小時，但發光的亮度會隨時間而慢慢減弱，如相片十二所示。

相片十二：將犀利光之持續發光現象

（二）氰光棒發光噴泉的使用

1.        用刀片將氰光棒的一端切開，並將其中一組藥品溶液（丙溶液）倒至一塑膠杯中，如相片十三所示。

相片十三：切開氰光棒的一端，並將丙溶液倒入塑膠杯中

2.        將氰光棒中之3根裝有另一組藥品溶液（丁溶液）之密封式玻璃管倒出來後，放入另一塑膠杯中，並分別將3根玻璃管敲碎再取出其中之藥品溶液倒至另一塑膠杯中，如相片十四所示。

相片十四：取出3根密封式之玻璃管中之丁溶液放入塑膠背中

3.        將裝置中之並聯式塑膠注射筒其中之一抽取丙溶液，而另一支抽取丁溶液，待丙和溶液丁溶液抽取完後各用三通塑膠活栓塞住注射筒備用，如相片十五所示。

相片十五：三通塑膠活栓塞住注射筒

4.        再將裝有丙溶液和丁溶液的並聯式塑膠注射筒與透明塑膠瓶組合起來，如相片十六所示。

相片十六：裝有丙、丁溶液的並聯式塑膠注射筒與透明塑膠瓶組合

5.        演示時可手持微型發光噴泉裝置，用手同時將兩支塑膠注射筒加以擠壓；或將並聯式塑膠注射筒置於桌面，然後雙手握住並聯式塑膠注射筒，緩慢地向桌面擠壓之。

n  實驗結果

當手持微型發光噴泉裝置，用左右手之大拇指同時將兩支塑膠注射筒加以擠壓時，在並聯式塑膠注射筒內之甲和乙溶液（魯米諾者）或丙和丁溶液（犀利光者）會往透明塑膠瓶中之注射針頭噴出，當噴出之兩種溶液相遇時，便會即刻發生化學反應將化學能轉變成光能而以噴泉方式產生淡藍色（魯米諾者）或淡綠色（犀利光者）之冷光，即所謂「發光噴泉（簡稱光泉）」，如相片十七所示。

相片十七：淡藍綠色之發光噴泉

n  本裝置之特點

l  取材很容易、塑膠材質組裝簡單，增加化學實驗操作之安全性。

l  可攜式裝置、可做移動式演示，走入學生群中演示，增加演示效果。

l  化學反應以發光或變色噴泉來呈現，增加化學實驗演示之趣味性。

l  本裝置除可演示發光噴泉外，又可演示變色酸鹼噴泉，以增加化學反應之趣味性。

n  結語

微型發光噴泉係利用作者設計並授權龍騰文化出版社製作的手動噴泉裝置來演示化學能轉變成光能，其係由魯米諾之鹼性溶液與赤血鹽之雙氧水溶液所進行化學能轉變成光能所致，所見到的光是呈現淡藍色的冷光。該裝置中之並聯式塑膠注射筒可分別抽取不同的化學藥品溶液，必要時將並聯式塑膠注射筒中之兩支注射筒之活塞一起擠壓便可使其中之兩組藥品經該裝置中之注射針頭前端噴出，在裝置上方透明塑膠瓶內產生噴泉的現象，如本實驗中以魯米諾的鹼性溶液與雙氧水的赤血鹽溶液間之化學反應，即可演示化學能轉變成光能而呈現出發光噴泉（簡稱光泉），而反應後之廢液可經由導管流入該裝置下方之塑膠瓶內收集之，因此演示時可將此裝置攜帶至學生面前，讓學生看得更清楚，若在暗處演示時發出之光泉會更亮，增加視覺效果及趣味性。

此裝置除可演示發光噴泉之外，也可演示變色酸鹼噴泉。如並聯式塑膠注射筒分別抽取0.1 M HCl酸性溶液和0.1 M NaOH鹼性溶液。並在酸性溶液或鹼性溶液中加入數滴的酸鹼指示劑，則演示時便會產生變色酸鹼噴泉，顏色變化會隨加入之酸鹼指試劑之不同而改變，常用之酸鹼指示劑顏色變化之pH範圍如表一所列。

表一：常用之酸鹼指示劑顏色變化之pH範圍

（資料來源：酸鹼指示劑，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/酸鹼指示劑。）

104年國中教育會考
自然科（理化）試題分析

祁明輝

臺北市立龍山國民中學（退休）
[email protected]

104年國中教育會考（以下簡稱教育會考） 已於5月16~17日（六～日）舉行完畢，由國立臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心（以下簡稱心測中心）負責命題、組卷、閱卷與計分，心測中心於6月2日起逐步公布各項結果，並提供考生教育會考成績查詢。

n  會考功能與評量結果

國中教育會考採標準參照方式呈現學生各科結果，依據課程綱要及學科內涵，邀請學科教授、中學教師及測驗專家，依據事先制定的各能力表現標準，對各科學生能力等級做「精熟」與「基礎」等級的門檻切點設定，將各科評量結果分為「精熟」、「基礎」及「待加強」3個等級。心測中心公布104年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計結果^[1]，如表一所示，與103年結果如表二比較，待加強人數百分比略減。

表一：104年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計

表二：103年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計

n   自然科（理化）試題評析

104年教育會考自然科題本^[2]總題數為54題，其中測驗內容歸屬於理化部分共28題，所占比例為51.85%，題型均為單一選擇題（單題、題組）。分析理化試題28題中，22題含有圖表，與實驗相關的題目有11題，與計算相關的題目有9題，結合生活情境則有8題。〔補充說明：以上是根據各單題分析，因此題數會重複〕

基本上，就此次教育會考理化科試題而言，大都能掌握課程內容的基本、重要的知識與概念，也少有需要繁雜計算的題目。茲舉部分理化試題為例，並稍加說明。

〔例1〕

〔例2〕

〔例3〕

〔例4〕

〔例5〕

〔例6〕

n   結語

報載清華大學榮譽講座李家同教授評論教育會考的基本題太少，心測中心也予以回應^[3]，由表一顯示，此次教育會考中，約有22%的國中畢業生，無法達到「基礎」等級，也就是答對題數未超過自然科總題數的三分之一（即18題）。個人認為還是要回到教育會考的主要功能—學生學力檢定，如何在不影響測驗結果的有效性與準確性的條件下，教育會考試題的內容與難度也是可以有所調整的。

n   參考資料

1.        104年國中教育會考各科計分與閱卷結果說明，http://cap.ntnu.edu.tw/exam/104/PressRelease_1040605.pdf。

2.        104年國中教育會考自然科題本，http://140.122.228.14/104cap/104P_Nature150DPI.pdf。

3.        回應報導:「老師想哭，再努力也沒用」 李家同批會考基本題太少 不知民間疾苦，http://cap.ntnu.edu.tw/documents/PressRealease1040608.pdf。

奈米風華—奈米教育之推廣以奈米營隊為例

柯翠菱¹、楊欣旻¹、郭芊汝^1, *、丁信中^2, *、陳東煌^3, *

¹高雄市立三民國民中學
²嘉南藥理大學兒童產業服務學位學程
³國立成功大學化學工程學系
^1, *[email protected] ^2, *[email protected] ^3, *[email protected]

n  前言

奈米科技的潮流已經衝擊全球的科學教育界，而奈米科技的掌握和發展也代表了國力的進步（潘文福，2004；吳文龍、徐愛均、黃萬居，2012），故世界各國無不盡力地融入奈米科技相關的知識到教學和日常生活中，增加大眾對此科技的熟悉，以利公眾事務的推行，如英國早期的科普活動（public understanding of science，公眾理解科學）。自從震驚全台的SARS風暴喚醒我國對奈米教育的注意力，促使教育部開始辦理奈米基礎教育推廣活動，我國國家科學委員會自2003年便開始推動一系列奈米相關計畫，而本校三民國中擔任奈米種子學校已逾10個年頭，在推動奈米科技教育上不遺餘力，這十年來我們的奈米團隊辦過100場以上的推廣活動，包括奈米營隊下鄉，科工館的奈米魔法營，其中奈米K-12融入教學的計畫中，國中階段的教材即是由本校師生共同討論編纂而來。推廣對象從小學生、中學生、小學老師、國中教師、家長到一般民眾，深入淺出的講解配合動手做，把深奧的奈米科技推廣到各個角落，深受學生、家長、老師好評。

20世紀以來，自從Deway提倡「Learning by doing」的概念，在科學探究和教學的領域裡我們便相當重視實作的部分，尤其是近年來非制式科學教育逐漸受到重視，NSTA（1999）認為非制式教育包括由營隊、博物館、戶外教學等機構所規劃或發展的一些課程或是實作體驗，而且非制式教育因為能夠與制式教育有互補的作用（Laherto, 2012），故在促進學生對科學的學習興趣和科學素養上也有一定的貢獻（Stocklmayer, 2010；鄭瑞洲、洪振方、黃台珠，2013），故近幾年本校三民國中將奈米活動聚焦於融入教學，成為自然領域教學特色。除了原有的奈米營隊之外，增加了師生合作共同編撰，專為國中生設計的奈米教材，融入奈米教材在校內自然科與社團教學、參加奈米科技教學模組競賽，並於國三會考後舉辦奈米週等活動。

去年本校奈米團隊特地為學生規劃一場奈米科學魔法營，活動內容包含4個關卡：奈米特性介紹、彩蝶效應DIY、奈米碳球模型DIY、趣味化學示範實驗與互動，ITEA（2003）提出科學教育應該強調實作，因為親自動手體驗是最能直接強化科技技能，並且能夠訓練孩子自己發現問題（王郁文，2004），故本次化學示範實驗進行方式採用〝先感受驚奇的化學，之後再藉由互動的討論方式以瞭解原理”，並於本次活動中加入反思的部分以期提高溝通、解決問題的能力及跨領域學習的能力（魏明通，1997；范姜林鳳，2009）。

n  活動流程

本次研習活動對象為國小六年級學生和國中一、二年級學生，奈米課程的三位講師對奈米課程的講授都有相當豐富的經驗，楊水平教授更是演示實驗界的翹楚，課程內容及講師的背景如下，奈米特性介紹：由南區奈米中心種子教師郭芊汝師負責，主要講述奈米的尺度、意義及應用；彩蝶效應DIY：由南區奈米中心種子教師李道良老師講授，主要內容為光的性質（色散、折射、干涉繞射）、光子晶體的定義、蝴蝶翅膀的表面構造及彩蝶效應，最後利用光柵片及透明膠帶進行彩蝶效應的模擬實驗；奈米碳球模型DIY：由高雄市國教輔導團自然領域兼任輔導員蔡志清老師擔任，內容包含介紹碳的家族及奈米碳管的發現、種類、結構、特性還有其應用；趣味化學示範實驗與互動：特聘彰師大化學系楊水平教授主講，內容包含壓縮的鋁罐、阿拉丁神燈、瓶中精靈、大象牙膏、蒸汽引擎、燒不破的紙鈔、薑黃紙上畫圖和寫字及酸鹼龍捲風等主題。

活動開始全體學生先共同參加奈米特性介紹的關卡，並且進行奈米成就測驗與科學學習興趣問卷前測，接下來將學生們分成三組，分別輪流進行彩蝶效應DIY、奈米碳球模型DIY、趣味化學示範實驗與互動這三個關卡活動，每個關卡進行一小時後再進行交換，一共輪流3次，使每個學生可以參與到每一關卡（見圖一），最後再進行奈米成就測驗與科學學習興趣問卷後測。

圖一：奈米特性介紹（左上）、彩蝶效應DIY（右上）、奈米碳球模型DIY（左下）、趣味化學示範實驗與互動（右下）

由於想知道資訊爆炸的現在孩子們對奈米的背景知識及學習興趣是不是與之前的研究一樣，故今年的營隊除了以往的課程外也加入了科學學習興趣問卷及奈米成就測驗學習單的元素並利用統計方法進行分析，茲就其結果與大家分享。

n  資料量化分析之結果

一、認知測驗和學習興趣分析

本研究使用SPSS20.0統計軟體進行量化分析，首先將全體學生共71人的奈米認知測驗和4科學學習興趣量表進行前後測分析，如表一所示。

表一：奈米認知測驗和學習興趣的前後測

經由成對樣本t檢定分析後發現，參與奈米營活動後，整體學生在參與活動後對學習科學的興趣有顯著性的提升（t = 3.772，p < .001），且對於奈米科學認知之提升也有達到顯著性（t = 3.211，p < .001）。

進一步想知道科學學習興趣量表中包含對課後學習科學之興趣、對科學活動之興趣、參與自然課的興趣以及對奈米科學的興趣這四個面向在活動前後是否有顯著不同，故進行多變量變異數分析（MANOVA），結果發現參與奈米營活動後，學生在對課後學習科學之興趣（F = 25.966，p < .001，η² = .271）與對奈米科學的興趣（F = 9.202，p < .01，η² = .116）有顯著性的提升，且對於對課後學習科學之興趣提升達到高的效果量，而對奈米科學的興趣提升也有中的效果量。

二、學生在對奈米認知的學習成效

此外，為了解舉辦奈米科學營隊之活動的學習成效在不同年級的學生間是否有所差異，便將所有的學生依年級分成三組（6年級、7年級、8年級）進行單變量共變數分析（ANCOVA），如表二所示。

表二：學生在對奈米認知的學習成效

發現在不同年級間學生在對奈米認知的提升上明顯的不同（F(2,67) = 5.42 , p < .05），進一步進行事後比較分析後發現，其中7年級及八年級有顯著高於六年級，但7年級與8年級間未達顯著差異，亦即此奈米營的活動雖然對全體學生奈米認知上皆有顯著性的提升，但國中組又顯著優於國小組。

n  學生回饋單內容之呈現

以下是本次奈米研習活動學生的學習回饋舉隅。

l  這次的課程是我第一次上有關奈米的課，讓我更了解奈米科技是什麼結構，讓我知道原來生活中很多的地方都跟奈米有關，我要繼續學，更了解奈米。

l  我覺得很好玩。原本我完全不想來，但媽媽還是幫我報名了，所以只好「勉強」參加，沒想到上完課之後覺得挺有趣的，也增長了不少知識。

l  上了這堂課，讓我更加了解奈米這個東西，金加變成了奈米，熔點就會變低，真神奇。

l  經過這次參加，我對光有了一些了解，還有奈米碳管、奈米科技、巴克球以及光的彎射。

l  感謝三民國中今天舉辦這麼好的活動，可以讓我了解現在的世界已經發明如此高科技的東西，也可以讓我知道以前的科學家，就已經可以發現如此高深的東西，我們應該要學學他們的實驗精神，讓世界更美好。

l  這個營隊使我更了解奈米，以及有許多實驗，使我對自然科的課程更有興趣。

l  讓我更加了解奈米在生活上的應用，也可以用在醫療上呢！還有很多如：汽車、冰箱等等的。原本覺得奈米沒什麼用，現在解了一些覺得很不可思議。

l  上完這次的課程，我學到了碳60的由來，原來碳60的組法式科學家看到了巨蛋而想出來的。

l  上完這次的營隊後，讓我學到更多有關奈米的知識。以前我只知道奈米是個單位（10^–9 m），但這次我學到奈米科技的應用。

n  結語

從以上的量化分析資料中，可以發現利用舉辦營隊、闖關活動這類非制式教育的方式，對於奈米科技認知與對科學學習興趣的提升確實有其效果，此結果與本校協助鄭瑞洲、洪振方、及黃台珠三位教授在2011年假科工館進行為期一天的奈米營之研究結果相符；此外，本研究也發現奈米營活動的效果對於對科學活動的興趣和參與自然課的興趣這兩個面向中，達到顯著性的提升；而在奈米認知的提升上，奈米營對於全體學生的奈米知識皆有顯著性的提升，但國中組的提昇又顯著優於國小組，可能因為這兩個學習階段，在成熟度上仍有不同，故若日後要舉辦此類活動，可能須針對這點在教學設計方面上加以琢磨。

從整體學生回饋單中的質化資料和認知前測中可知雖然現今的資訊很發達，但可能因為奈米科技在國中及國小的教科書中仍著墨太少，所以學生們對於此議題之素養仍顯不足，這也表示對於教科書中未提及的科普知識，需透過非制式教育的方式來進行學習，藉由制式及非制式教育這兩種方法相輔相成，使學生在學習科學上可兼顧系統性及趣味性。

n  致謝

本研究感謝科技部計畫（MOST 103-2120-S-006-006）經費的補助，和高雄市立三民國中自然科團隊教師參與課程設計及教學，並經本期刊審查委員和編輯委員悉心斧正，在此特致謝忱。

n  參考文獻

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Laherto, A. (2012). Using educational research in the development of science exxhibitions. Paper presented at the Annual International Conference of the National Association for Research in Science Teaching, Indianapolies, IN, U.S.A March 25-28, 2012.

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