化學宅急便：化學闖關活動在臺東

謝耀隆

國立臺東高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  活動簡介

「化學宅急便」在臺東的活動，始於2011年思源科技教育基金會為推廣科普活動，透過思源宅急便巡迴列車的活動，將數學、物理、化學、生物、地球科學、海洋教育資源學科中心研發、推廣的科普資源，直接宅配臺東高中校園，進行臺東縣第一場嘉年華式的科普活動。該場活動為期四天，由臺東高中、高中化學學科中心及思源科技教育基金會等共同辦理，讓臺東的學生及民眾們從動手做中體驗科學。

臺東縣內的自然科教師，對於能辦理這樣的活動更是大力支持。每次的活動臺東高中、臺東女中的教師及學生們都全力投入，希望能將科普的知識與體驗帶給每一位來參與的學生與民眾。經問卷調查，當次辦理參與的師生及民眾們，都非常喜歡這樣的科學體驗活動，希望每年都能辦理類似的活動。於是化學宅急便的活動，便從2011年臺東高中辦理的第一場開始，之後由臺東女中接續辦理相關活動一直到現在。

歷年化學宅急便活動在臺東辦理的時間如下：

1.        100.05.27~30 思源宅急便—創意互動玩科學

2.        100.09.24 2011國際化學年系列活動—來東女親手Fun化學

3.        101.09.21~22 思源宅急便—互動玩科學

4.        102.09.28 化學宅急便闖關活動

5.        103.09.27 數理Fun輕鬆—科學闖關活動

n  活動規劃與實施

化學宅急便在臺東的活動，在後面幾年都是以臺東女中主辦，臺東高中提供支援的方式辦理。由臺東高中和臺東女中教師負責指導學生關卡的設計與解說。每年兩校的化學教師都會為辦理宅急便的活動進行互動討論。以102年的活動為例，臺東高中支援化學宅急便的活動規劃與實施重點說明如下：

1.        建立化學專題FB社團—化學神奇寶貝的祕密基地
提供化學專題學生一個不受時間地域限制的討論平台，讓學生不論是在暑假或平時，不會因無法全員到齊而使師生或同學間討論互動停擺。教師亦可透過FB社團，提醒學生什麼時間該完成什麼任務或進度，掌握各組學生學習狀況。

2.        建立教師FB社團—台東縣化學科專業學習社群
為強化縣內化學科專業學習社群（professional learning community, PLC）的分享與討論，提供教師同儕間對於教學或化學相關議題討論的平台。在宅急便的活動中，教師亦透由FB的聯繫，讓活動相關訊息的傳遞更為及時。

3.        化學實驗，不像一般學科，實驗進行的安全性非常重要，學生要進行實驗，化學教師一定要在場。為讓學生有更多的實驗試做與改進，只要學生與教師約好時間即開放實驗室，讓學生利用暑假及假日進行實驗試做與討論。（如圖一所示）

4.        化學專題的學習不局限於化學，在進行影片的拍攝時，教師亦針對拍攝時要注意的事項，諸如腳本的設計、剪輯、拍攝技巧等進行指導。通常參與化學專題的學生，對於影片的拍攝與剪輯都有一定的能力。

5.        化學宅急便活動已在台東辦理第四年，第一年在臺東高中辦理時，便有要求學生製作影片，並留下各種記錄資料。讓化學專題學生觀看之前學長製作的影片與留下來的資料，瞭解大致上該怎麼做。

6.        化學學科中心102年辦理的活動「我是闖關王」，化學闖關設計比賽，因競賽內容與支援臺東女中化學宅急便的活動一致，鼓勵學生利用暑假準備該項競賽活動。讓學生在支援臺東女中化學宅急便前，就對化學宅急便活動有一定的瞭解。

7.        學生參加「我是闖關王」初賽時便要製作關卡介紹的影片，將學生製作的初賽影片結合臺東女中化學宅急便的活動介紹。一方面達到宣傳的效果，也讓學生製作的影片給其他學生觀看，對影片製作者或觀看影片的同學都有激勵的效果。

8.        學生參加「我是闖關王」活動獲銀牌及銅牌獎後（如圖二所示），即請學校行政人員公佈成果於學校榮譽榜，並為學生製作整個活動的回顧影片，於任課班級播放，鼓勵其他學生參加競賽，並再次宣導9/28臺東女中化學宅急便活動。

9.        為鼓勵學生參加臺東女中化學宅急便活動，拿闖關證明及填寫心得回饋表的學生給予化學平時分數加分，讓學生化學的學習不侷限於課堂上。

10.    活動結束後，要關主及闖關者填寫心得回饋表，及滿意度調查表。讓學生表達對此活動的想法與建議。以回饋給關主及老師，讓下次活動在辦理時能更符合學生的需求。

11.    參與化學專題的學生在整個活動後，進行檢討與心得分享，自評與互評，讓學生自我省思，並瞭解同組同學對自己的表現與期許。並將所有資料整理，以供未來學弟們參考。

12.    闖關活動整個告一段落，請化學專題學生帶回「給家長的一封信」，讓家長知道學生的表現，並瞭解家長對學生參與整個活動的看法與建議。

圖一：學生於實驗室試做實驗及討論情形

圖二：學生參加化學宅急便我是闖關王活動獲得銀牌及銅牌獎

表一：學生與教師在活動所扮演的角色

n  化學實驗關卡介紹

幾年下來，闖關活動的內容很多，以下僅就幾個實驗進行介紹，並提供相關影片網址。

一、飛吧！米苔目：（100.05.27~30思源宅急便—創意互動玩科學）

圖三：闖關活動照片（飛吧米苔目）

l   原理介紹：雙氧水會自身氧化還原產生氧氣和水，在常溫下反應非常緩慢，加入碘化鉀可以讓雙氧水迅速分解產生氧氣。添加洗碗精可使冒出的氧氣被包覆起來產生泡沫，泡沫從容器中快速溢出，造成瞬間噴射的效果。

l   闖關互動：關主請闖關者加入不同的催化劑至雙氧水中，進行雙氧水分解速率的比較，並與闖關者進行問答互動。進行飛吧！米苔目的實驗操作，如影片一所示。

影片一網址：https://www.youtube.com/watch?v=HvYt34tPrnI。

二、轉吧!七彩熔岩燈：（100.05.27~30思源宅急便—創意互動玩科學）

圖四：闖關活動照片（轉吧！七彩熔岩燈）

l  原理介紹：利用鹽酸和大理石酸鹼中和產生二氧化碳，將溶於水中的顏料帶入油層。氣泡漂到油層液面後破裂，顏料又因密度比油大、與油不互溶，下降至水中，周而復始造成美麗的變化。

l  闖關互動：展示多支不同規格、顏色的熔岩燈。解說轉吧！七彩熔岩燈的基本原理。動手操作、觀察現象並回答關主的提問，如影片二所示。

影片二網址：https://www.youtube.com/watch?v=m4_WK_P_Tfk。

三、蝴蝶泡泡龍：（102.09.28化學宅急便闖關活動）

圖五：闖關活動照片（蝴蝶泡泡龍）

l  原理介紹：利用化學反應產生的氣體來做為添加反應物的推動力，促使瓶內液體透過連接管導向下一個瓶子，進而產生一連串的化學反應。透過氣體的收集，進行各種氣體性質的實驗與觀察。

l  闖關互動：進行酸鹼指示劑變色原理介紹，並操作實驗進行不同酸鹼指示劑顏色變化的觀察。關主與闖關者共同進行實驗裝置的操作與氣體的收集。將收集到的氣體進行氣體性質的實驗，並觀察實驗現象。利用最後一瓶收集的氫氣，吹出上飄的氫氣泡泡，如影片三所示。

影片三網址：https://www.youtube.com/watch?v=_kVYXWLkYrs。

四、你在酵什麼：（102.09.28化學宅急便闖關活動）

圖六：闖關活動照片（你在酵什麼）

l  原理介紹：植物中的某些物質有催化過氧化氫溶液分解的效果，所含的物質的差異，使得催化雙氧水分解的速率各不相同。利用植物催化雙氧水分解得到的氧氣，進行氧氣性質的觀察。混合不同比例的氫氣與氧氣來觀察氫氣槍爆炸的威力。

l  闖關互動：關主教闖關者操作植物催化雙氧水分解的實驗，觀察氧氣將塑膠瓶蓋彈出的現象。操作氫氣與氧氣的混合比，進行氫氣槍的射擊遊戲。成功射中標靶，則能獲得精美小禮物，如影片四所示。

影片四網址：https://www.youtube.com/watch?v=pY0RvnJD4HY。

n  學生參與闖關活動心得回饋

關主心得回饋

l  這個暑假，不是只有汗水、勞累，我得到的是寶貴的經驗和大家的感情的提升。如果只有我一個人，不可能完成這次活動，這都得要感謝所有泡泡龍組員和老師。因為有了老師的幫助和組員的相扶持，才可以讓我有決心繼續走下去。

l  我喜歡我的團員，他們很有自己的想法，各個創意新奇，在設計時，適時的加入己見，使我們的實驗更加的色彩繽紛。在操作實驗上，每個人盡忠職守，合作的相當融洽，願意配合彼此的步調，有困難也不時伸出援助的雙手。

l  我們從無到有，大家一起把實驗的雛形做出來時，其實還滿感動的，那是大家一起做出的第一項事情，雖然粗糙，但對我們來說意義重大。參加完這次的活動，雖然需要花很多時間和精力在準備過程上，但在這之中讓我也學到了不少，希望以後還能有機會參加類似的活動。

l  從一開始的實驗構思，到開始行動都令我們吃上苦頭，及反覆的重做實驗好使它更加完美，光是要使它順利進行，就耗費了數個星期，不過我們所做的事皆是在「累積經驗」，所以我從不感到疲憊。

l  這次的活動我主要有三樣收穫：一是如何將自己所知，消化之後傳達給闖關者，讓他們聽到，而且聽懂。二是如何把化學反應從實驗室裡搬到我們的日常生活中，用大眾化、生活化的器材在實驗室外重現這些現象。最後就是在準備活動的過程中學到，統籌活動和臨機應變的能力。

l  經由這次的活動，我學習到了「化學」不僅存在於實驗室裡，而且還能與日常生活相結合。在準備的過程中很累，不管是沒日沒夜地剪輯影片，或處理組員間的意見相左與衝突，都是另一種學習上的考驗。感謝化學老師的支持，在假日仍不辭辛勞的前往實驗室陪伴我們完成整個活動的設計，以及謝謝組員們對於我有時候的粗心和健忘的包容。

參加活動學生心得回饋

l  一開始，我認為化學是門艱澀難懂的科目，去參加這個活動，我發現化學在生活中隨處可見，冷凍袋、冰淇淋等等。除此之外，還有氫氣炮可以玩，只要在氫、氧間做些變化，就能造成威力大小的不同。現在，我覺得只要願意了解化學，就會發現它是非常有趣的。

l  這次我有當三十分鐘的「臨時關主」，講解泡泡龍前段的酸鹼指示劑，就覺得「正牌關主」真的很辛苦，不但要避免口誤和操作失誤，還要對付各種奇葩的闖關者，想必他們有些人都快瘋了吧!透過活動，了解了許多生活上的化學和反應過程，學到了很多課堂上沒寫或沒做過的實驗，收穫良多。

l  第一關就玩飛吧米台目，這關令我印象很深刻，因為他飛出來的樣子還滿噁心的，但很好玩。還有很多奇奇怪怪的關卡，也都很讚，希望以後可以多辦一些這樣的活動。

l  透過這樣的活動，令人能在快樂的操作與遊戲中學習化學，也比起課本或參考書更令人印象深刻，並且最後有小禮物可拿，小禮物也是與化學有關的墨水，透過化學反應，可讓原本為藍色的墨水變為無色，真是非常有意義的活動。

l  這次是我第二年參加這個活動，今年把20關都過了。增加了很多知識，也認識了很多實驗，希望明年我也能再次參加。

l  參加了化學宅急便—闖關活動，玩了很有趣、好玩的關卡，像是用養樂多瓶和打火機做的槍，可以丟很遠的塑膠環……，每一個關卡都可以學到不同的知識，包括了物理、化學、生物，在玩的過程中也了解了不少對自然科學的領悟。這次的活動玩得很開心，希望下次還有類似的活動，再玩更多有趣的關卡。

n  結語

在闖關活動中，教師可善用網路成立FB社團，提供學生及老師們一個不受時間地域限制的互動討論平台。闖關關卡的設計教師扮演諮詢及建議的角色，讓關主盡情發揮創意，並開放實驗室讓學生進行實驗試做，從做中學改良自己的實驗設計。活動結束後，可透過參與活動學生們的心得分享與回饋，讓關主及老師瞭解參與者的想法與建議。擔任關主的學生、教師可安排時間，讓關主彼此分享自己在活動中觀察到什麼、學習到什麼；透過良性的師生互動，讓學生發現與他人的合作的過程中，自己的進步與成長，並期待在下次的活動中能有更好的表現。

化學闖關活動，從關主與參與學生的心得回饋中，可以看出學生非常喜歡這樣的活動。透過辦理這樣的活動可提供學生多元的學習機會。也正因為如此，推動臺東的教師們持續辦理了四年的化學闖關活動，也期待未來都能繼續辦理化學闖關活動，讓學生動手玩科學，在心中種下科學的種子。

 

原子與電子理論的建立和發展（上）

李啟讓^1*、陳文靜²

¹國立屏東女子高級中學
²高雄市立高雄女子高級中學（退休）
*[email protected]

n  古希臘原子說

在科學發展史上，一個古老的問題是：「物質組成最小的單元是什麼？」從幾千年前，東西方的哲學家們，都在思考這樣一個問題：把一個物質持續不斷的分割下去，最後是否有最小的微粒？古希臘哲學家對於物質組成最小的單元這個問題，有兩派不同的看法。一派看法是：物質的組成最小的單元都是連續的微粒，可以無限分割下去，最後的最小單元是可分性。另一派看法是：物質組成最小的單元都是不連續的微粒，持續分割下去、最小的單元是不可分性。古希臘哲學家德謨克利特（Democritus，460~370 B.C.）（圖一）接受了物質組成最小的單元是不連續的，物質持續分割下去，最後的最小單元是不可分性的觀念。德謨克利特稱最小單元為「ατομ」，就是「不可分割」的意思。近代日本人引進西學，將最小單元稱之為「原子」。德謨克利特進一步提出：宇宙萬物，都是由多樣多種極小原子所構成。德謨克利特認為原子是一種不可分割、內部沒有空隙可分割的最小單元。但原子在空間中不停的運動時，不同的原子會因為互相碰撞組合成不同的物質，而形成了宇宙萬物。古希臘原子說提出後，經歷約2000年始終沒有經過實驗的驗證，而停留在虛玄的思辯中，因此古希臘原子說只是一種臆測性的原子說。

圖一：古希臘哲學家德謨克利特
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Democritus）

n   原子論的出現

直到1803年英國人道耳頓（John Dalton，1766~1850）（圖二）歸納「質量守恆定律」、「定比定律」和「倍比定律」等實驗結果提出原子論，道耳頓原子論的內容包括：(1)所有物質都是由原子所組成，原子是不可再分割的最基本粒子。(2)同一種元素的原子，具有相同的質量及性質，不同種元素的原子，其質量和性質不同。(3)不同元素的原子能以簡單的整數比結合成化合物。(4)化學變化是化合物中的原子重新排列組合，原子的種類、數目不變。

化學新時代是從道耳頓原子論提出後開始，原子論使化學發展從微觀物質結構去揭示巨觀化學現象的本質。也為化學家提供了解決實際問題的重要理論基礎，化學上已經發現的化學計量的經驗定律，如質量守恆定律、定比定律、倍比定律、原子量都能用原子論加以解釋。

圖二：英國人道耳頓
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton）

n  從原子到分子

法國化學家給呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac，1766~1850）（圖三）進行氣體反應實驗時發現，用2個體積的氫氣和1個體積的氧氣化合，得到2個體積水蒸氣，反應式[式1]如下：

氫氣（2個體積） ＋ 氧氣（1個體積） à 水蒸氣（2個體積）…… [式1]

給呂薩克經由實驗結果提出氣體化合體積定律：氣體物質在定溫定壓下反應時，反應物和生成物的體積恆成一簡單的整數比。

圖三：法國化學家給呂薩克
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Louis_Gay-Lussac）

道耳頓試著用原子論解釋氫氣與氧氣化合生成水蒸氣，出現兩種可能性的解釋：

可能性一：在相同溫度相同壓力下，同體積的氣體含有相同原子數觀點，以圖四可解釋反應體積比應該是2：1：2，但是原子被分割違反道耳吞原子論。

圖四：以同體積的氣體含有相同原子數觀點解釋所產生的矛盾
（圖片來源：教育部教學資源，https://isp.moe.edu.tw/resources/search_content.jsp?rno=1677532）

可能性二：由所有物質都是由原子所組成觀點，依圖五所示以原子論來推論此反應體積比應該是2：1：1，但不符合實驗結果2：1：2，使道耳頓原子論陷入困境。

圖五：依據所有物質都是由原子所組成觀點推論與實驗結果不吻合
（圖片來源：教育部教學資源，https://isp.moe.edu.tw/resources/search_content.jsp?rno=1677532）

道耳頓原子論與給呂薩克氣體化合體積定律的學術爭論引起義大利科學家亞佛加厥（Amedeo Avogadro，1776~1858）（圖六）的極大興趣，他仔細的分析雙方的論點的論據，終於找到問題的癥結，提出分子論的假說。他認為分子是由特定種類與數目的原子構成，分子是保有物質基本性質的最小粒子。

圖六：義大利科學家亞佛加厥
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Amedeo_Avogadro）

他並提出亞佛加厥假說：在同溫、同壓下，同體積的任何氣體含有相同數目的分子，假說延伸：在同溫、同壓下，反應時氣體體積比＝反應時氣體分子數比，亞佛加厥以分子的概念成功解釋了氣體化合體積定律。以氫氣與氯氣反應生成氯化氫為例，如圖七說明：道耳頓原子論認為氫氣與氯氣都是由一個原子組成，而亞佛加厥分子論認為氫氣與氯氣都是由兩個原子組成，兩種理論在解釋給呂薩克氣體化合體積定律出現不同的結論。

圖七：亞佛加厥假說的圖示
（圖片來源：翰林文化，基礎化學一）

亞佛加厥分子論對原子論做了繼承與發展，使我們發現了另一個新的物質微粒叫做分子。亞佛加厥引入分子概念，把分子與原子既區分開來，又相互發生關聯，推動了化學的發展。

n  原子也是可以分割的

“原子不可分”的古老觀點，這種信念被十九世紀末一個接一個的科學發現打破了，主要是放射性物質和電子的發現。英國物理學家湯姆森（Sir Joseph John，1856~1940）（圖八）系統的研究陰極射線的性質，證明陰極射線是帶負電的粒子流，並測出這種粒子的荷質比。湯姆森進一步斷定這種粒子是一種帶負電的獨立成分，它是一切原子的組成部分，湯姆森把這種粒子叫做電子。

圖八：英國物理學家湯姆森
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson）

電子的發現，原子不再是不可分割的最基本粒子，原子也有自己的組成和結構。開啟人類對微觀原子結構深入認識，為打開了原子的大門，提供一把重要的鑰匙。

n  拉塞福原子模型

在1911年，英國科學家拉塞福（Ernest Rutherford，1971~1937）（圖九）進行α粒子金箔散射實驗發現原子核存在。拉塞福以放射性物質鐳釋放出的α粒子來撞擊極薄的金箔後，發現約99%的α粒子穿透金箔而不偏折，少數α粒子發生較大角度的偏折，僅極少數α粒子甚至以接近180^o的角度反向彈回（圖十）。這說明原子並非實體，其中有很大空隙，原子中必然有一個及帶正電荷的核。

圖九：英國科學家拉塞福
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford）

圖十：α粒子撞擊金箔實驗示意圖
（圖片來源：泰宇文化，基礎化學一）

拉塞福根據實驗結果提出了核型原子模型（圖十一），他認為原子有一個體積極小、且帶正電荷的核心，也是原子的質量中心，稱為原子核，帶負電荷且質量甚小的電子散布在原子核外，電子在原子核外的空間不停地繞核作圓周運動。現代的測量結果，原子直徑約為      10^－10公尺，其中心部分有直徑約10⁻¹⁵公尺的原子核。

圖十一：拉塞福的核型原子模型示意圖
（圖片來源：翰林文化，基礎化學一）

拉塞福提出了原子模型時，受到太陽系結構的啟發。他用太陽系模型與原子結構模型類比，原子結構就類似小太陽系。電子在原子和四周以一定的軌道繞著原子核運動，就像行星繞著太陽運動一樣，但電子運動軌跡無法像行星軌道一樣可以確定的。

【續《原子與電子理論的建立和發展（下）》】

 

 

 

原子與電子理論的建立和發展（下）

李啟讓^1*、陳文靜²

¹國立屏東女子高級中學
²高雄市立高雄女子高級中學（退休）
*[email protected]

【承《原子與電子理論的建立和發展（上）》】

n  波耳的氫原子模型

拉塞福原子模型認為電子繞核做圓周運動，如同行星繞著太陽運轉一樣。隨著科學的發展，依據古典電磁學理論，當電子繞原子核做圓周運動時，必然產生向心加速度，電子就會不斷輻射電磁波而釋放能量，使電子做螺旋運動，最後墜落在原子核上（圖十二）。但事實上，大部分的原子是相當安定的，與自然的事實不符合，因此必須重新修正原子模型。

圖十二：電子在核外運動的示意圖
（圖片來源：龍騰文化，選修化學上）

丹麥物理學家波耳（Niels Henerik David Bohr，1885~1962）（圖十三）認為：按照拉塞福原子模型，原子結構問題和天體問題很相似，然而詳細的考慮就會發現到，在一個原子和一個行星體系之間是存在一個很根本的區別。原子必須具有一種穩定性，這種穩定性顯示出一種完全超出力學理論之外的特點。

圖十三：丹麥物理學家波耳
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr）

在1913年，波耳為了解釋氫原子放射光譜是具有特定波長的譜線，因而提出氫原子模型，其中兩個基本假設如下：

第一個假設：氫原子的電子只能在原子核外特定距離的軌道做圓周運動，此時電子不輻射電磁波而呈穩定態。

每一個符合第一個假設之條件不同軌道運動的電子，都給予一個n值，n = l、2、3⋯都相當於一個穩定態。這些軌道由內向外分別以n = l、2、3⋯⋯等正整數表示。n = 1 的軌道最接近原子核，其半徑最小，是能量最低的能階；n值愈大的軌道，離原子核愈遠，半徑愈大，能階的能量愈高。氫原子在各能階中所具有的能量，可以下列公式[式3]表示：

E _n= – 2.179 x 10^-18/n² (J)  ，n = l、2、3⋯  [式3]

第二個假設：電子從高能階（n_H）[式4] 躍遷回到低能階（n_L）[式5]，電子將以電磁波的形式釋出能量（∆E）[式6]。

E_H = – 2.179 x 10^-18/n_H² (J)    [式4]

E_L = – 2.179 x 10^-18/n_L² (J)    [式5]

波耳首先引入量子化的能階觀念，明顯違背古典理論，遭致了許多科學家的不滿，但他在解釋氫原子放射光譜（圖十四）的規律性意外成功，使他贏得了很高聲譽，大大推動量子理論的發展。

波耳的軌道模型，僅能解釋單電子氫原子放射光譜，卻不能與多電子原子放射光譜吻合；因波耳只考慮電子的粒子性，而未考慮電子有波動性。波耳的軌道模型也無法合理解釋電子可以穩定作圓周運動，因此必須再修正電子在原子中的運動模型。在1925年量子力學的創建，解答了原子的問題。

圖十四：氫原子的能階及電子躍遷時產生的放射光譜示意圖
（圖片來源：龍騰文化，選修化學上）

n  量子力學的原子模型

奧地利物理學家薛丁格（Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger，1887~1961）（圖十五）及德國物理學家海森堡（Werner.Heisenberg，1901~1976）（圖十六）同時奠立了量子力學(quantum mechanics）的基礎後，量子力學成為20世紀到現在，用於建構原子模型的主流理論。量子力學可以清楚描述諸如電子、質子等量子尺寸粒子的特性，量子力學理論說明電子並非以軌道運動方式存在於原子核外，科學家發現原子核外電子的明確位置或運動的軌跡無法精確地描述，只能以機率大小描述電子在核外空間出現的區域。將電子出現機率 90％的區域畫成幾何形狀，稱為軌域(orbital)，電子的機率分布圖稱為電子雲(electron cloud)或電子密度圖(electron density map)。圖十七為電子雲示意圖，表示電子可能出現的範圍，亦稱為軌域。

圖十五：奧地利物理學家海森堡
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Erwin_Schr%C3%B6dinger）

 

圖十六：德國物理學家薛丁格
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Werner_Heisenberg）

圖十七：電子雲示意圖，表示電子可能出現的範圍，亦稱為軌域
（圖片來源：泰宇文化，選修化學上）

量子力學以量子數(quantum number）及軌域兩種概念，描述原子核外電子的分布情形。描述原子軌域的能量、形狀與空間位向，由主量子數、角子數、磁量子數來表示。描述電子本身的自旋方向，以自旋量子數表示。如表一所示：

表一：量子數與軌域、電子的關係

名稱	符號	性質	出現數值
主量子數(principal quantum number）	n	又稱主殼層（shell），表示軌域之能量。	.n = 1、2、3……、∞等正整數，依序代表K、L、M、N……等殼層 ‚.n值愈大，軌域的範圍愈大，所舍的軌域種類及軌域數也愈多，其中的電子能量也愈高。
角量子數（angular momentum quantum number）	l	又稱副殼層（subshell），表示軌域之形狀。	.主量子數n的主殼層會有n種形狀不同的軌域，分別對應角量子數 l = 0, 1, 2… (n-1)，共n種。 ‚.以l＝0、1、2、3……等副殼層依序代表s、p、d、f…… 等軌域。
磁量子數（magnetic quantum number ）	ml	可表示軌域在空間位向及數目。	.同一角量子數的副殼層中可有數個位向不同的軌域，對應不同的磁量子數（ml）。 ‚.角量子數 l的軌域共有2 l +1個，分別對應磁量子數 ml = + l ,…,+ 1, 0, -1,…- l 之整數。
自旋量子數（spin quantum number）	ms	代表電子順時針與逆時針兩種不同的自旋方向。	ms = + 1/2或-1/2

（資料來源：龍騰文化，選修化學上）

原子內之所有電子，占有軌域的排列方式，稱為電子組態 (electron configuration)。將原子的所有電子填入軌域，建構原子在基態的電子組態，必須遵守三個原則：

1.          遞建原理（aufbau principle）：原子內之電子填入軌域時，先填入較低能階軌域，填滿後再填入較高能階軌域。多電子原子軌域能階高低，判斷原則：可由主量子數與角量子數的和（n + l）來判斷。（n + l）值越大，能階愈高；（n + l）值相同，則由n值決定，n越大，能階愈高（圖十八）。

【例】1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s

圖十八：多電子原子軌域能階高低順序示意圖
（圖片來源：泰宇文化，選修化學上）

2.          在1945年，奧地利理論物理學家包立（Wolfgang Pauli，1900－1958）（圖十九）提出包立不相容原理（Pauli exclusion principle）:每一個原子軌域最多只能容納兩個電子，同一軌域內兩個電子的自旋方向相反（圖二十）。

圖十九：奧地利理論物理學家包立
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Wolfgang_Pauli）

圖二十：同一軌域內兩電子自旋方向相反(黑色箭頭所示)，產生相反的磁場(陰影箭頭所示)
（圖片來源：泰宇文化，選修化學上）

3.          於1925年，由德國物理學家洪德（Friedrich Hermann Hund，1896 –1997）（圖二十一）提出洪德定則（Hundˊs rule）:當數個電子要填入同能階同型軌域(如np_x、np_y、np_z)，電子會先以相同自旋方向分別進入不同位向的軌域而不成對，待各軌域均有一個電子時，才允許自旋方向相反的電子進入而成對，這樣的電子組態才能得到最低能量狀態的基態。例如p軌域有三個電子的電子組態為np_x¹np_y¹ np_z¹，而不是np_x² np_y¹，以基態氮原子的電子組態為例（圖二十二）。

圖二十一：德國物理學家洪德
（圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Hund）

圖二十二：氮原子的電子組態示意圖
（圖片來源：龍騰文化，選修化學上）

包立在說明原子構造時提出一個問題：在同一個原子中，任兩個電子能否可具有完全相同的四個量子數？

說明：我們知道在描述電子的（n, l, m_l, m_s）四個量子數中，若（n, l, m_l）有任一量子數不同，表示電子在不同的軌域中。若（n, l, m_l）皆相同，則自旋量子數（m_s）必定不相同，因m_s有+1/2 和-1/2兩個不同數值。故量子力學描述原子的電子的特性，需要用四個量子數n、l、m_l 、m_s表示。例如：氫原子的電子組態可表示為1s¹ （圖二十三），氫原子的電子四個量子數（n, l, m_l, m_s）=（1,0,0, +1/2）或（1,0,0, -1/2）均可。

圖二十三：電子組態的表示法
（圖片來源：泰宇文化，選修化學上）

量子力學建立以後，使一些傳統的科學概念發生了根本改變，例如軌道概念，在古典力學中，軌道是運動物體所遵循的固定路線；但在量子力學上，認為電子能量的不連續性，且電子的運動具有波動性，每個函數包括三個不同量子數代表原子內不同的電子軌域，用波函數可計算在原子內的不同位置電子的機率分布，進而描繪出原子內不同的電子密度圖，如圖二十四為氫原子的軌域電子密度圖（括號的數字依序代表軌域的主量子數、角量子數和磁量子數）。

圖二十四：氫原子的軌域電子密度圖
（圖片來源：康熹文化，選修化學上）

 

 

n  結語

本篇內容將高一至高三不同版本教科書中，關於原子與電子理論的建立和發展，以科學史發展的科學本質觀縱向連結，簡述科學家看見某現象或面對某科學理論，心中產生疑問、想法，如何運用其想像力去解釋解除其疑問。例如亞佛加厥的分子論成功了解釋給呂薩克氣體化合體積定律，解除其疑問。然而亞佛加厥所提的分子論，並沒有實驗證明，因此一直沒有被大多數的科學家所認同。直到他死後第三年，才由義大利科學家坎尼乍若(S.Cannizzaro，1826~1910)確認亞佛加厥的分子論，科學家們方肯定他在科學發展上的突出貢獻。從科學史發展來看，科學理論未必經實驗驗證，只要當代科學家們的認同即可。當科學家提出其科學理論時，未必當代科學家會認同。若欲獲當代科學家們認同時，他必須尋求共識，有共識的科學家們共同為其認同的科學理論尋求更合理的解釋。

進步是不斷改正過去的錯誤，科學理論的建立與發展，皆是科學家創造與發明的過程，期間可能會有適用範圍、誤差的產生，甚至錯誤之處。後來的科學家會對前面的科學家之科學理論產生疑問或不一樣的想法，並進行更精確的實驗來印證。

原子與電子理論的建立，使原子結構得以確立，提供人們對化學元素的本質更深入的認識，由於電子依規則填入軌域，電子組態呈現週期性。因此對於週期表中各元素化學性質、原子半徑、游離能等的規律性，得到對應關係。

最後以胡適對吳健雄（就讀柏克萊加州大學）的勉勵長信部分內容分享：「……你要多留意此邦文物，多讀文史的書，多讀其他科學，使胸襟闊大，使見解高明。….凡一流的科學家，都是極淵博的人，取精而用弘，由博而反約，故能有大成功。」

 

化學學科行動學習翻轉式教學實例分享

翁榮源

靜宜大學應用化學系
[email protected]

全國教育界都在瘋迷翻轉式教學，非常榮幸地在2014/12/6能聽到台北市麗山高中藍偉瑩老師的分享，尤其是她所使用的翻轉化學教學實例演練，更讓我們在大學教化學的老師汗顏，正好下學期的基礎化學課程就可以派上用場。雖然整個過程沒有用新科技的輔助，但是流程中充滿了行動學習的巧思，非常值得化學老師效法以及發揚光大。

n   第一個概念：碰撞學說（翻轉教室工作坊藍瑋瑩老師實作內容）

圖一：花媽相撞
（圖片來源：http://blog.yam.com/Deflit/article/68436506）

藍老師首先使用的是花媽相撞的圖片（圖一）進行分組合作學習，每個問題討論五分鐘將結果寫在白色圖畫紙上以供討論，最令人激賞的是藍老師所使用的學思達教學沒有用加分&抽籤等技巧，透過小組討論時老師的觀察結果挑選最適當的學生上台進行逐步的觀念解析及引導。從兩個人相撞如何使對方受傷為起點，開始導入最有效的碰撞為頭對頭，只撞肩膀力量不夠，而且要死命的撞其要害。也就是碰撞理論中最重要的能量&方向的概念。過程中藍老師故意地找錯誤答案同學上台說明，藉以扭轉大家的錯誤觀念，最後再引導出產物形成的原因，說明鍵結的斷裂與形成觀念。過程中兼具了問題引導與合作學習的知識建構痕跡，當然最重要的是所有與會同學都深入的瞭解了化學反應的碰撞理論，尤其是同組有點科學白癡的國文老師都點頭稱讚不已，足以證明類似的化學教學翻轉行動確實能徹底改善學習過程。

本次藍老師教學的重要對話如下：

1.        要撞頭

2.        要大力撞

3.        要撞對人

4.        撞到軌道重疊、互相吸引、降低能量、穩定狀態

5.        龍交龍鳳交鳳，最後Br-Br終成眷屬

6.        增加濃度可以增加個體數目，加熱可以增加個體運動能量

一、粒子模型

綜合藍老師的翻轉化學教學，整體的學習過程我們一致發現有三個特點：

1.        小組成員討論時，一般的組員不瞭解問題的內涵，但透過小組的溝通就知道到底是怎麼一回事，這是一般上課時較難做到的。

2.        點到上台發表答案的同學是故意找錯誤答案小組，從其解釋中發現正確答案的方向。

3.        事先準備好上課單元的主要內容，在小組報告引導過程逐步加入知識，讓學生自己建構出知識。

4.        知識本身都是由學生口中說出來，而不是老師直接敘述完成。

發生了反應的碰撞。滿足有效碰撞的條件：

能量：足夠的動能（sufficient KE）（至少要等於低限能）。

位向：方向要正確（correct alignment）。

二、  碰撞學說內容

(a)      化學反應的發生必須反應的粒子互相接近並發生碰撞才能發生反應，這種理論稱為碰撞學說。

(b)     碰撞不一定能產生化學反應，只有極少數的碰撞引起反應，大部分的碰撞只是反應粒子間的互相碰撞，但並未引起反應即分開。

(c)      能引起反應的碰撞情形稱為有效碰撞。

三、  有效碰撞的條件

(a)      碰撞之粒子必須具有足夠的能量。粒子的動能必須超過低限能，在一定溫度下，粒子具有一定的平均動能，但個別粒子的動能並不相等，而是從低能至高能呈曲線分布，其中只有分布於低限能右邊的粒子才具有足夠的能量，產生有效碰撞。

(b)     碰撞時粒子必須具有適當的位向。反應粒子碰撞時，因能量不足或是位向不適當，即使碰撞次數再多，也不能引起化學反應，這樣的碰撞稱為無效碰撞。

n   第二個概念：酒精燃燒（靜宜大學應化系翁榮源教授分享）

在介紹有機化學單元與生質乾淨能源時使用。

 

一、  準備材料

1.      一般藥房販售之藥用酒精一瓶

2.      火柴一盒

3.      酒杯一個

4.      500 C.C.聚丙烯塑膠瓶一個（安麗公司販賣之稀釋瓶最為合適）（開口要小可以擠壓）

二、  示範

1.          將酒精少許倒入酒杯中，立刻轉倒入塑膠瓶中，潤濕後將剩餘酒精倒出到酒杯中，再倒入酒精瓶中回收，點火柴棒後移至瓶口，應該會有噴火式燃燒現象。

2.          此時找班代前來照做一遍，應該燒不起來，經過一番數落後，老師再燒一次（擠壓瓶身）（趕走CO₂），應該燒起來而且看到噴火。

三、  進行小組討論

1.          小組討論找出為何老師燒得起來但是同學卻燒不起來之原因。

2.          為何酒精可以燃燒，相似結構的水卻可以滅火。

3.          一公克大小種子，種在地上，長成一百公斤大樹，多出來的99.99公斤從何而來。

四、  主要的對話：

1.          碳原子是燃燒的最主要元素。

2.          二氧化碳分子量44比空氣(氮氣)分子量28重。

3.          二氧化碳不會燃燒(碳&氧八隅體滿足)。

4.          碳氫鍵結隱藏極大能量。

5.          燃燒需要氧氣。

6.          酒精燃燒主要是碳氫鍵。

五、  主要概念

1.      燃燒需要氧氣，CO₂比空氣重，沉在瓶底，造成無法燃燒主因。經過擠壓CO₂跑出來，新鮮空氣進入，氧氣充足當然可以燃燒。

2.      酒精分子式與水之不同點，在於酒精的碳氫鍵結，隱藏極大能量，燃燒時提供人類需要的能源。

3.      種子經過澆水&陽光，吸入空氣中的CO₂，形成碳氫鍵，將能量轉換隱藏在樹木中。

酒精又叫乙醇，乙是因為兩個碳，–OH官能基（羥基）叫做醇，醇的通式為R-OH。乙醇化學式C₂H₅OH：其具有乙基的骨架。人類製造並且消費乙醇已經有超過千年的歷史，最初的製備手段來自於酒精飲料的發酵與蒸餾。乙醇是一種透明可燃的液體，其沸點為78.4 °C，可用於工業溶劑，汽車燃料及工業原料。在世界各國，由於對於酒精消費的法律和稅收限制，因其他用途而添加的乙醇已經進行了管制。

自然界中最簡單的醇是甲醇，化學式CH₃OH。甲醇最早通過蒸餾木材得到，因此也稱作「木醇」。它是一種澄清透明的液體，其氣味和特性類似於乙醇，具有略低的沸點（64.7°C），同時也是一種常用溶劑、燃料、或工業原料。不同於乙醇，甲醇具有高度的毒性：10 mL的甲醇就可通過損壞光學神經而導致永久失明，30 mL甲醇則會導致死亡。

醇類通常在呼吸道內會產生「刺痛」和「絞痛」感。一般製作假酒的工廠為了達到XO的香氣會加入少許甲醇，但消費者不小心喝到會導致失明甚至喪命的後果。

n  結語

上課時可以讓學生透過平板或手機查閱維基百科等網路資訊，討論出正確答案，就像藍老師說的從此化學教室沒有人睡覺聊天！希望這篇分享能給所有的化學老師作為自己上課時進行翻轉式行動學習的起源。

 

學思達教學的啟示與登場—

我在十四年教學生涯之後的全面革新

羅勝吉

國立臺東高級中學
[email protected]

n  前言

一、與學思達的因緣際會

最近一年，在高中、國中及小學教學現場，吹起了一股「學思達」（自學、思考、表達）旋風。當這股旋風吹到台東時，我雖報名參加了中山女高張輝誠老師的學思達教師研習，心裡卻是百感交集：我心想這會不會只是另一個教改噱頭？中山女高行得通，我們學校行得通嗎？國文科適用這套教學法，化學科適用嗎？

我不得不承認，我們都習慣留在舒適圈，很難被改變！但這套教學法若真能讓教師上課輕鬆，學生神采奕奕、精神專注，我又何樂而不為呢？因此，我在103年暑假下了一個勇敢的決定：我願意改變，並把過去自己以為懂得的先擺在一邊，進行我的另類化學實驗，找出「學思達教學」在高中化學科的具體操作策略。

二、單向口述式教學的效果有多差？

首先，讓我們回顧美國學者艾德格‧戴爾（Edgar Dale）提出的「學習金字塔」理論：在初次學習經過兩週後，透過講授學習能夠記住內容的5%；透過閱讀學習能夠記住內容的10%；透過視聽媒體學習能夠記住內容的20%；透過教師示範學習能夠記住30%；透過參與討論、提問來學習能夠記住50%；透過從做中學能夠記住70%；若教別人或進行口頭報告則能夠記住90%。

張輝誠老師在講解學思達教學時亦使用此理論（見圖1），在研習中有一句話，一直到今天仍讓我覺得印象深刻：「學生在課堂中針對問題聊上幾句，也都比你從頭講到尾還要好！」我真汗顏，原來我若沒有搭配其他的教學活動，僅利用單向口述的方式進行講課（即便使用教學投影片），效果竟然這麼差！

圖1：學習金字塔（引自張輝誠老師推廣學思達教學投影片）

三、其實學生一直都在自學

在改變教學方式的初期，有一個想法一直打擾我，就是「學生能夠自學嗎？」也許這也是大多數的教師不敢使用學思達教學法的主要原因。在大多數教師的心裡可能有一種想法，「我自己教比較保險吧！」

雖然這麼說對高中時期的數學老師是大不敬，但這的確是我坦然接受「學生能夠自學」的主要原因。高中時，數學老師的教學進度很快，一題還沒有學會，緊接著就是下一題，這逼得我只好在上課時自己看自己的，為了能夠追上老師的教學進度。

雖然這樣的學習很無奈，也很不安—很想認真聽老師講課，卻永遠跟不上老師的進度。遺憾的是，在我任教的初期，我依然使用這種方式對學生進行填鴨教育。

四、終於知道學生上課無法一直維持專注的真正原因了

我一直也不明白為何在學生口中幽默、風趣的我，只要講課超過15分鐘，學生大都無法像剛開始時那樣集中注意力：有的開始聊天，有的面露無奈，有的低頭沈思，甚至有的在偷滑手機或趴在桌上睡覺；但也有的體諒老師的心情，仍然看著我繼續講課。在學思達教師研習中，張輝誠老師提醒我們，請記住，一般人只有15至20分鐘的專注時間！目前一節課卻有50分鐘，若不藉著學習樣貌不斷的切換，怎能一直維持學生的專注呢？難怪從前我以單向口述的方式，從頭到尾講一節課，他們不從學習中逃走才怪！

五、因為這樣做，才是真正對你們有利！

暑假以前，我有時會問學生說，「最近回家有讀書的舉手」，「有花時間思考這個題目的舉手」，結果通常是寥寥無幾…因此我鼓勵他們，「要多花時間讀書」、「要多思考」、「要學習表達」，但又有幾個學生能夠做到呢？

後來輾轉得知學生回家沒有辦法讀書或思考問題的真正原因，他們說，「上課時沒有學會，回家怎麼讀啊？」另外，「就算想問，也找不到了人問啊！」我很慚愧，原來這就是實情，不僅他們在課堂上沒能學會我所教的，而且下課後想問也找不到了人問…

我反問自己，「為什麼我不在課堂上就訓練學生讀書呢？」學生在校時，有的是同學，「為什麼我不善用分組合作學習的方式，讓小師傅教小徒弟，合作求學問呢？」

另一方面，在傳統的教學中，其實很難掌握學生的學習狀況。在一次擔任高三模擬面試教師的過程中，我問了欲報考化學相關科系的學生一個問題，「請問什麼是官能基？」面對學生的答題狀況，起先是驚訝，因為幾乎沒有一個學生可以說出正確而完整的答案；後來我是感到相當羞慚，原來我們的教學成效這麼差！

我自問，「為什麼要等到高三模擬面試這一天才來訓練學生的思辨與表達能力呢？難道不能在平時的教學活動中，就訓練學生這方面的能力嗎？」

因此，我告訴學生，「我將善用課堂中的每一分鐘，透過學思達教學活動，不但讓你們覺得上課有趣，完成所有的學習，並要訓練你們養成一生受用的能力。因為這樣做，才是真正對你們有利！」學生欣然的接受了，另類的化學實驗於焉展開。我也深信，「天天來，就厲害」，而且「訓練過後就會很不一樣！」

n  如何進行學思達教學？

一、學思達概說

接下來就要跟大家介紹如何在高中化學科的課堂上進行學思達教學。

學：放手讓學生閱讀課本找答案，進行自學。

思：進行分組討論，提供學生思考、討論、合作的機會。

答：在組內教同學，或上台講解問題的答案，訓練學生表達的能力。

而學思達教學的成敗關鍵在於：事先分組、課前製作「以問題為主軸」的講義以及教師引導學生說出正確的答案。這三項若具備了，可說是已成功了一半。

因此，我將著重的說到這三方面：

1.      關於分組方面，我採用了林健豐老師「區分性ABC教學法」的概念，每組都要有上、中、下等不同程度的同學。進行分組討論時，以強帶弱，讓學習力強的學生有成就感，學習力弱的學生有參與感，各得到訓練。

2.      學思達講義的製作，用「問答題」形式，取代「選擇題」（見附件一）。主要原因是問答題才能引發好奇心，並刺激思考。由於進行學思達教學需要在課堂中進行閱讀、分組討論、上台回答問題等學習活動，因此必須教的少。至於沒教到的怎麼辦呢？放心，學生學會了，自然能夠舉一反三，進行加深加廣的學習。下列提供一些編寫講義的原則作為參考：

(1)   清楚教學目標（參課綱、授課指引）。

(2)   瀏覽課文，並把課本的範例、練習題、習題等全部做過一遍。

(3)   找出核心概念。

(4)   利用核心概念繪製教學地圖。

(5)   製作問題引導式的講義。

3.      至於要如何引導學生回答問題呢？在這個過程中，教師的角色轉型為「主持人」與「追問者」。學生答不出來或答錯了，都非常重要，要逐漸引導讓他們想出答案！（切記不能講出答案）學生答對的，還要不斷追問，以幫助學生掌握重點、釐清觀念、思索更深的難題。最後統整所有的答案，再一次給學生正確解答。

二、學思達的具體操作模式

(一)整體授課模式

以下為具體的操作模式，操作時可請同學在上課前繪製海螺計分圖（見圖2），並就「如何抽籤回答問題」、「學生回答問題後之評分、計分方式」做進一步說明：

〔單元一〕

第一部分：觀念填空

單元簡介（建立自學、分組討論的基礎）

↓

閱讀課本找答案

↓

抽籤回答填空答案

↓

教師提問或補充

第二部分：問題與討論

分組討論（見圖3）

↓

抽籤上台回答問題（見圖4）

↓

教師提問、追問，引導同學說出100％正確的答案（其他同學可參與提問、補充）

↓

教師評分（見圖5）

↓

教師補充

〔單元二、三…依此類推〕

(二)如何抽籤選取同學上台回答問題？

1.         分組討論結束前，抽籤選取組別。

2.         分組討論結束時，請抽中組別推派一名組員（主講者），並在20秒內上台回答問題（否則棄權）。

3.         同組同學（補充者）可陪同上台，並做補充。

4.         被推派上台後，即不可再被推派上台，但可做補充。

5.         一週後，再按上述1～4方式重新推派上台回答問題的組員。

(三)學生回答問題後，如何評分和計分？

回答問題後，教師按講義註記之海螺評分標準給予評分。茲以附件一所附的學思達講義之第2題為例說明之：

1.      第2題題目註記之海螺計分標準為A2/B3/C4，其中A、B、C表示「區分性ABC教學法」中程度分別為上、中、下的學生；2、3、4則為評分標準。

2.      抽籤上台回答問題時，若抽中組別推派程度為上（A）的學生，答題後教師就學生的答題情形給予評分：學生的答題情形100％正確，得2分；答題情形尚可，得1分；無法回答或錯誤者，得0分。若抽中組別推派程度為上（B）的學生，教師仍依學生的答題情形給予評分：學生的答題情形100％正確，得3分；答題情形尚可，得2分或1分；無法回答或錯誤者，得0分。而抽中組別推派程度為上（C）的學生，教師依學生的答題情形給予評分：學生的答題情形100％正確，得4分；答題情形尚可，得2分；無法回答或錯誤者，得0分。

3.      移動海螺計分圖上的數字磁鐵，進行計分：數字磁鐵表示組別，圖上數字表示累計分數。

4.      若抽中組別推派其他程度的同學上台，答題得分方式依此類推。

圖2：請同學在上課前繪製海螺計分圖

 

圖3：進行分組討論時不搬動桌子，僅移動椅子，或坐或站都可以…

 

圖4：同學上台講解問題答案

圖5：抽籤回答問題後，移動數字磁鐵計分（同學發揮創意繪製）

n  「學思達」讓一切就變得很不一樣

自從進行「學思達教學」之後，可說大大改變了以往教學一昧「你說我聽」的沈悶場景，特別是藉著將學生學習過程的主動權還給學生，學生不但覺得上課有趣，而且該學會的也都學會了。筆者將自己之前的教學與進行學思達教學後所作的比較，如表1所示。

表1：作者學思達教學前後比較

我之前的教學	進行學思達教學之後
l 教師是課堂主角	l 教師轉換成主持人、引導者，學生成為學習主角，將學習的主動權還給學生
l 教學講義	l 以課本為文本，另製作「以問題為主軸」的講義
l 填鴨式教育（講光抄）	l 訓練閱讀、自學、思考、討論、合作、表達等能力（帶的走的能力、一生受用的能力）
l 「你說我聽」的沈悶風景	l 教室成為思辨殿堂（如附件二）
l 學生間沒有互動	l 既合作又競爭
l 學生從學習中逃走（無奈、偷滑手機、打瞌睡）	l 樂意留在學習行列（神采奕奕、精神專注）
l 學生下課補習、睡眠不足	l 上課完成所有學習、正常的家居生活

n  教改理念實際的落實在學思達教學現場

十二年國教有效教學、差異化教學等教育理念，經由學思達教學，其實可以很實際的落實在學思達的教學現場中。茲以我和一位期中考成績不到20分的同學，在課堂中的對話為例：

本學期在進行有關「化石燃料之熱值」的問題與討論，當我正在各組間穿梭，並查看同學是否有不知如何開始討論的情形時，突然有一位同學，主動的問我說：「老師，什麼是莫耳燃燒熱？」

我想距離討論結束還有一段時間，就走到他旁邊，回答他說：「莫耳燃燒熱就是1莫耳的燃料（完全）燃燒時所放出的熱啊！」沒想到，他繼續問：「那什麼是熱值呢？」我回答：「熱值就是1克（單位質量）的燃料燃燒時所放出的熱。」他繼續問道：「為什麼有莫耳燃燒熱，又要有熱值呢？」

我知道他的程度，所以並沒有覺得不耐煩，反而覺得很欣慰。因此，很有耐心的陪他繼續聊著。「如果你回家時，覺得很口渴，對你的母親說，媽！可以幫我倒一杯50莫耳的水嗎？請你想想，你的母親會怎麼回答呢？」他說：「他不會理我的，因為我說的她根本聽不懂！」此時我接著問：「如果換成請幫我倒一杯500 CC的水呢？」

學生：「還不錯！」

我：「所以熱值也是一樣的道理啊！當我們對人說，1克的甲烷燃燒可放出13 kcal的熱量，是不是使人更容易領會呢？」

學生：「嗯！老師，那甲烷的莫耳燃燒熱要怎麼換算成熱值啊？」

我：「好！那我問你，甲烷的分子量為16克／莫耳，就是告訴你1莫耳的甲烷有多少克？」

學生：「16克。」

我：「甲烷的莫耳燃燒熱為－208 kcal，就是說多少克的甲烷燃燒可放出208 kcal的熱量呢？」

學生：「16克。」

我：「重點來囉！請注意聽！16克的甲烷燃燒可放出208 kcal的熱量，那麼1克的甲烷燃燒可放出多少熱量？」

學生：「我算一下，是13 kcal嗎？」

我：「對！你是怎麼算出來的？」

學生：「208 ÷ 16啊！」

我：「太好了，你答對了！這樣，其他燃料的熱值你也會算嗎？」

學生：「會！」

我：「加油！趕快把其他的算出來！」

這堂課真是讓我覺得值得再三回味！他不是化學高材生，他的化學期中考成績只有不到20分，但是他沒有逃走，卻願意一直留在學習的行列裡！

n  現在您該怎麼做呢？

讀到這裡，也許您會問？「現在我該怎麼做呢？」套句廣告詞，「不做不會怎樣，但做了會很不一樣！」因此筆者建議，不妨先從觀課開始，找一間有進行學思達教學的開放教室，感受學習的溫度。

觀課後，試著複製成功經驗，開始自己的學思達教學。屆時您將發現，原來「教師上課輕鬆」、「學生樂意留在學習行列」、「在課堂中訓練學生養成一生受用的能力」、「同儕間既合作又競爭」等美麗的教室風景，竟也出現在您的課堂中！如果您看到學生的眼神從無奈轉變成閃閃發亮，我相信您也會和其他教師一樣，脫口說出「回不去了！真的回不去了！」

另一方面，「要走的快，就一個人走；但是要走的遠，就必須一群人走。」如果有志同道合的夥伴可以一同走這條改變的路，就能減少教學改變所帶來的阻力。若校內找不到，則可考慮透過網路社群來牽線（學思達教學社群、¡¡科共備社群⋯等），彼此交流教學講義，一起分享教學成功的方法與經驗，成為彼此背後那個隱形但具體支持的力量。

親愛的化學科教師，願您和我一樣，勇敢的跨出改變的這一步。願您和您的學生藉著學思達教學，重溫學習的喜悅。

n  附件

附件一、學思達教學講義

1.      閱讀課本（泰宇出版社）第8至9頁，並完成下列填空：（計分方式：A1/B2/C3）

週期表第18族元素為惰性氣體元素，其原子特別安定，不易發生化學反應，通常不與其他元素結合成化合物，在自然界中多以單原子的形式存在。路易斯（G. N. Lewis）認為原子間的結合有一種趨勢，就是讓原子滿足惰性氣體原子的電子數。 氫原子僅有一個電子，在第一殼層的能階中。氫原子很難單獨存在於地球表面，在自然界都是以分子的形式出現。兩個氫原子結合成氫分子，彼此都達到了與氦原子相同的穩定電子數。 八個電子，稱為八隅體規則。氟原子在第二殼層有七個價電子，氟原子和一個氫原子結合成氟化氫分子，氟原子就滿足了和氖原子相同的價電子數，氫原子則滿足了和氦原子相同的價電子數。氧原子在第二殼層有六個價電子，和兩個氫原子結合成水分子，氧原子也滿足了和氖原子相同的價電子數。

(1)      週期表第18族元素為惰性氣體元素，其原子特別        ，不易發生化學反應，通常不與其他元素結合成化合物，在自然界中多以        的形式存在。

(2)      路易斯（G. N. Lewis）認為原子間的結合有一種趨勢，就是讓原子滿足        原子的電子數，稱為        。

2.      回答下列有關「八隅體規則」的相關問題：（計分方式：A2/B3/C4）

(1)      寫出第一至第三週期的惰性氣體的電子排列情形。

(2)      為何惰性氣體特別安定？

(3)      其他元素發生化學反應時，其電子排列有何變化趨勢？

(4)      兩個氫原子如何結合而成氫分子，達到穩定電子數？

(5)      一個氟原子和一個氫原子如何結合成氟化氫分子，達到穩定電子數？

註：完成後，請學生分組討論課本例題及練習題，抽籤回答問題時，僅說出題目中的化學觀念或分享如何解題即可。（計分方式：A2/B3/C4）

附件二、學思達教學現場師生間的一段對話

學思達教學改變了以往「你說我聽」的沈悶風景，讓教室成為思辨殿堂。茲以我與學生的一段對話為例：

師：請問什麼是官能基？

生：像那個─OH，就是官能基啊！

師：我不是問，─OH是不是一種官能基，我問的是「什麼是官能基？」

生：…

師：OK，你還知道哪些官能基？

生：─COOH。

師：具有這二種官能基的化合物，它們所表現出的性質會一樣嗎？

生：不會。

師：換句話說，─OH使化合物表現出醇的性質，而─COOH使化合物表現出酸的性質，是這樣嗎？

生：嗯。

師：現在你可以從以上的討論，試著歸納一下，什麼是官能基嗎？

生：官能基就是…能表現出…某種特性的原子團…而且具有不同官能基的化合物，他們的性質會不一樣，這樣對嗎？

師：你說的非常完整，真棒！

 

創意微型實驗—微型化學噴泉

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

蠟燭的燃燒實驗是眾所皆知的一項很有趣之化學實驗，其過程是將燃燒蠟燭固定在裝有少許水之小水槽中，然後用一個廣口瓶將其蓋住。當蠟燭逐漸熄滅後，可見到小水槽中之水會漸漸減少，甚至會不見了，此一過程看起來似很神奇。其實這就是因在廣口瓶內燃燒的燭火需要消耗氧氣來幫助蠟燭燃燒，一般而言乾淨的空氣中氧氣約佔有五分之一（20.94 ~ 20.95%），等到瓶子內的氧氣消耗至某一程度，再加上蠟燭燃燒時會產生不助燃的二氧化碳氣體及一些熱氣，終將燭火慢慢減弱，最後就會熄滅。在此一過程中，經些微冷卻、部分二氧化碳溶於水中以及氧氣減少等因素而導致瓶子內的壓力比瓶子外的壓力（一大氣壓）來得低。因此瓶子外邊水會受到瓶外大氣壓力的影響被壓入瓶子內，而使瓶子外面的水逐漸減少，甚至於全部進入瓶子內，看起來似乎把瓶子外面的水變不見了，此一現象是不是會覺得很神奇呢？

中醫師早期幫病人拔罐的過程中，是用一種傳統的火罐法，也就是利用1至2根燃燒的火柴，迅速將其丟入小小的廣口瓶內，然後很快的將瓶子往病患有疼痛或有內傷的肌肉部位貼上去，等瓶內之火柴熄滅後，瓶子就會牢牢的被肌肉吸住，再過一會兒就會看到有疼痛或有內傷的肌肉在瓶口內會出現淤青的現象。本實驗主要目的是要讓學生來觀察火柴燃燒的另一神奇的現象，利用燃燒的火柴置入一個密閉的瓶子內，而使瓶子外面的水經由導管進入瓶子內而以噴泉的方式噴出，如同瓶內噴泉。

n  原理

燃燒的火柴使瓶子內會幫助燃燒的氧氣消耗一些及瓶子內氣體受到熱漲冷縮的結果，使瓶子內的壓力降低，由於瓶子內外有壓力差，因此能使瓶子外面的水被引入瓶子內，而水進入瓶子內是經由細小導管進入，再經由細小的噴口而噴出有如噴泉似的現象，因此將之稱為『微型化學噴泉』，其製作過程如下：

n  藥品與器材

製作微型化學噴泉所需之藥品與器材，如相片一所示。

相片一：製作微型化學噴泉所需之藥品與器材

n  微型化學噴泉之設計與製作過程

利用相片一中之塑膠三角瓶、單孔橡皮塞、磨平注射針、塑膠三通活栓及橡皮管等材料來組裝成一套「微型化學噴泉裝置」。

1.          將一個7號橡皮塞的中央處鑽一個小孔而成單孔橡皮塞，如相片二所示。

相片二：單孔橡皮塞

2.          把一粒塑膠三通活栓的側管切掉，並用熱熔膠將側管塞住而成塑膠雙通活栓，如相片三所示。

 

相片三：塑膠三通活栓（左），塑膠雙通活栓（右）

3.          將一支注射針頭的針頭尖端剪掉而成尖端磨平之注射針頭（比較安全），如相片四所示。

相片四：尖端磨平注射針頭

4.          將磨平的注射針頭插入單孔橡皮塞中，如相片五所示。

相片五：注射針頭插入單孔橡皮塞中

5.          在塑膠雙通活栓的下方接上一條15 ~ 20 cm長的橡皮管，如相片六所示。

 

相片六：塑膠雙通活栓的下方接一條橡皮管

6.          在塑膠雙通活栓的上方，再插入單孔橡皮塞上的注射針的塑膠接頭上，如相片七所示。

 

相片七：塑膠雙通活栓插入注射針的塑膠接頭上

7.          最後把橡皮塞塞在塑膠三角瓶的瓶口，如相片八所示。

相片八：橡皮塞塞在塑膠三角瓶的瓶口

8.          依上述步驟組合完成了一套「微型化學噴泉裝置」，如相片九所示。

相片九：組合完成的微型化學噴泉裝置

n  實驗過程

1.          在注射針頭旁插一根火柴棒在橡皮塞上，並將塑膠雙通活栓轉到與注射針互相垂直的方向使上下關閉，如相片十所示。

相片十：將塑膠雙通活栓關閉

2.          點燃火柴棒，然後將火柴棒微微向下使火柴燃燒得更旺一點，如相片十一所示。

相片十一：點燃火柴棒

3.          一手將塑膠三角瓶倒置過來使瓶口向下，然後另一手將已點燃火柴之橡皮塞正立，並將橡皮塞迅速向瓶口處塞緊，如相片十二所示。

相片十二：將橡皮塞迅速向瓶口處塞緊

4.          準備兩杯水，一杯是裝自來水，另一杯是裝紅色水備用，如相片十三所示。

 

相片十三：準備兩杯水，自來水（左）和紅色水（右）

5.          待瓶子內之火柴熄滅之後，再將橡皮塞下面的橡皮管插入水中，如相片十四所示。

 

相片十四：瓶子內之火柴熄滅後，將橡皮塞下面的橡皮管插入水中

n  實驗結果

瓶子內之火柴熄滅後，將橡皮管分別插入裝有自來水及紅色水的塑膠杯中，然後再將塑膠雙通活栓打開，使其上下互通，此時杯子內的水會經由插入水中之橡皮管、塑膠雙通活栓上升至塑膠三角瓶中之注射針頭，隨之立刻在注射針頭處以噴泉方式噴出來而形成「微型化學噴泉」，如相片十五所示。

 

相片十五：形成微型化學噴泉，自來水噴泉（左）和紅色噴泉（右）

n  結語

燃燒的三個條件是要有可燃物、助燃物及達到燃點之溫度，且三個條件必須同時具備。而火柴的燃燒與蠟燭的燃燒也一樣需要有助燃物（氧氣）來幫助燃燒，空瓶子中空氣所含的氧氣最多也只佔五分之一而已，當燃燒的火柴至入密閉的瓶子內，當瓶內會幫助燃燒的氧氣消耗一些及瓶內溫度降低造成氣體的冷縮之後，瓶子內的壓力也隨之降低，由於瓶子內外有壓力差，由於瓶外壓力大於瓶內壓力，因此能使瓶子下方的塑膠杯中的自來水或紅色水被引入瓶子內，而水進入瓶子內是經由細小導管進入，再經由細小的噴口而噴出有如噴泉似的現象，此一噴泉稱之為「微型化學噴泉」。

 

創意微型實驗—微型氧氣製備裝置

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

在國中和高中化學實驗中有關氧氣製備之實驗，其裝置是採用傳統式氣體製備裝置（相片一），此套裝置皆是由玻璃器材組成，由於組裝不易且實驗費時，耗用藥品也較多，易造成污染，實驗後清洗不易。因此本人設計改良而成一套「微型氧製備裝置」。此套裝置曾榮獲1997年中華民國第八屆發明與創新展覽會一等獎及特別獎（見附註一），並於1998年以「簡易氧氣製造供應器」獲得中央標準局新型第138233號專利（見附註二）。本裝置曾於1998年在高雄市教師研習中心舉辦之簡易化學實驗教具製作研習，以及本省南區和澎湖等八縣市及金門縣舉辦國中理化科減量減廢改良實驗推廣研習中加以製作與實驗，另於2001年至2002年間在教育部經費支助之下，特別選擇在屏東縣及高雄縣偏遠地區、離島及山地學校等八所國民中學舉辦校內師生研習活動，曾參與研習之教師與學生合計約有三、四百位，每位教師與學生均感到此一裝置器材簡單、製作容易、操作方便、效果正確，此外又可減少很多藥品之消耗，降低污染程度，真可謂之為一兼具有減量減廢環保理念之綠色實驗，實值得在進行活動取向之化學教學中加以推廣使用。於此特將「微型氧氣製備裝置」之設計與組裝過程與在化學教學上之應用詳述如下：

相片一：傳統式的氣體製備裝置

n  微型氧氣製備裝置之設計與製作

一、  材料、器材與藥品

（一）     材料與器材（相片二）

塑膠注射筒（35 mL）1支、注射針1支、通塑膠活栓（2-way stopcock）1個、塑膠培養皿1個、塑膠噴霧瓶1個、單孔橡皮塞1 個、橡皮管（內徑3 mm，長20 cm）1條、塑膠試管1支、熱熔膠（槍）1 組

  

塑膠注射筒（左）、塑膠噴霧瓶（中）、雙通塑膠活栓（右）

 

塑膠培養皿（左）、熱熔膠（槍）（右）

 

注射針（左）、塑膠試管（右）

相片二：使用之材料與器材

（二）     藥品（相片三）

雙氧水（20％ H₂O₂）50 mL、二氧化錳（顆粒狀）數粒

  

雙氧水（左）、二氧化錳（中）、顆粒狀二氧化錳（右）

相片三：雙氧水與顆粒狀之二氧化錳

二、  設計與製作過程

（一）     微型氧氣製備裝置之設計

利用1支塑膠注射筒、1個雙通塑膠活栓及1個塑膠噴霧瓶等簡易器材，設計一套製備氧氣之「微型氧氣製備裝置」，可將藥品分別存放於塑膠注射筒及噴霧瓶內，要製造氧氣時可隨時使其發生反應。

（二）     製作方法

1.      將1支35 mL塑膠注射筒之活塞拔出，然後在距離注射筒上方3公分處用鑽孔器挖一直徑約1.5公分之孔洞，作為反應管，如相片四所示。

 

相片四：拔出塑膠注射筒之活塞，並在注射筒上挖一孔洞

2.      用熱熔膠將塑膠噴霧瓶之噴嘴黏在塑膠注射筒之孔洞中，如相片五所示。

 

相片五：將塑膠噴霧瓶之噴嘴固定在注射筒之孔洞中

3.      將2個大小相同的2個塑膠培養皿背對背用塑膠帶固定起來，如相片六所示。

 

相片六：用塑膠帶將2個塑膠培養皿背對背固定起來

4.      用熱熔膠將塑膠噴霧瓶之底部黏在塑膠培養皿的中央處，使此裝置能平穩置放於桌面，以方便氣體製備，如相片七所示。

相片七：塑膠噴霧瓶之底部固定黏在塑膠培養皿的中央處

5.      將塑膠注射筒之活塞拔出，並將活塞之塑膠部位去掉後，再將其前端黑色橡皮塞中央處挖一小孔（或用單孔橡皮塞），然後用一段硬質塑膠管插入孔中，然後在橡皮管的末端再接一支針頭已磨平的注射針頭，作為反應之導管，如相片八所示。

 

 

相片八：在反應之導管末端接一支針頭已磨平的注射針頭

6.      將相片七之黑色橡皮塞塞住塑膠注射筒（反應管）之筒口，並在注射筒下方之注射針接頭處再接上一個雙通塑膠活栓，如相片九所示。

相片九：注射筒下方接上一個雙通塑膠活栓

7.      在塑膠噴霧平右側上方黏上一支塑膠硬管，供作注射針頭置放之用，如相片十所示。

相片十：注射針頭置放處

8.      用熱熔膠將一小塑膠漏斗固定在塑膠噴霧瓶左側上方，供作置放塑膠試管之用，如相片十一所示。

 

相片十一：固定在塑膠噴霧瓶左側上方之塑膠試管支架

9.      將塑膠保特瓶上方剪下，並將一支注射針頭（針頭磨平）固定在塑膠蓋子中，用熱熔膠固定在塑膠噴霧瓶的右側上方，可供作另一種排水集氣用之塑膠水槽，如相片十二所示。

  

相片十二：供作排水集氣用之塑膠水槽

10.  依上述之步驟便可組合成一套可製氧氣的微型氧氣體製備裝置，如相片十三所示。

 

相片十三：完成之微型氧氣製備裝置

n  操作方法

一、   氧氣製備操作前

1.      打開塑膠噴霧瓶，並將50 mL 20％之雙氧水裝入噴霧瓶內備用。

2.      將注射筒上方之單孔橡皮塞拔出，並在注射筒（反應管）中放入5粒顆粒狀之二氧化錳（做為催化劑），然後再把單孔橡皮塞塞住注射筒上方，如相片十四所示。

相片十四：在反應管中置入顆粒狀二氧化錳

3.      於注射筒上單孔橡皮塞之出口處接上一條塑膠軟管，在塑膠軟管末端接一支注射針。將注射針插入本裝置右側上方之一塑膠管中備用。

4.      將塑膠試管中加滿水，用一粒單孔橡皮塞塞住塑膠試管之管口，並置於本裝置之左側上方之試管支架上，如相片十五所示。

相片十五：將反應管置於本裝置之左側上方之試管支架上

5.      或將裝滿水之塑膠試管之管口以一粒單孔橡皮塞塞住後倒置於本裝置右上方水槽內之注射針中，如相片十六所示。

相片十六：將裝滿水之塑膠試管倒插入水槽內之注射針頭中

二、   氧氣製備操作時

1.      先將連接在注射筒下方注射針接頭處之雙通塑膠活栓關閉。

2.      壓縮噴霧瓶將噴霧瓶內之雙氧水噴入約10 mL於注射筒（反應管）中。

3.      將裝滿水之塑膠試管倒置於支架上。

4.      此時雙氧水便即刻與二氧化錳接觸而產生氧氣，其反應式如下：

                                                                      

5.      待產生之氧氣將反應管中之空氣完全排出後，再將導管末端之注射針頭由試管支架下方插入倒置試管之單孔橡皮塞內，利用排水集氣法將氧氣收集於塑膠試管中備用，如相片十七所示。

相片十七：導管末端之注射針頭由試管支架下方插入倒置試管之單孔橡皮塞內

三、   氧氣製備操作後檢驗氧氣

1.      當完成氧氣製造與收集後，將試管自小水槽中移出，並置放於試管支架上以供氧氣性質之檢驗，如相片十八所示。

  

相片十八：自小水槽中移出試管

2.      將試管上的單孔橡皮塞打開，如相片十九所示。

 

相片十九：打開試管上的單孔橡皮塞

3.      然後以點燃之線香垂直插入塑膠試管中，發現線香會著火起來，此乃氧氣幫助燃燒之特性，由此即可證明收集於塑膠試管中之氣體為氧氣，如相片二十所示。

  

相片二十：氧氣之檢驗

4.      欲結束實驗時只需將接在反應管（塑膠注射筒）下方之雙通塑膠活栓打開，便可將反應管內作用完之雙氧水廢液排出，而顆粒狀之二氧化錳（催化劑）則仍然留在塑膠注射筒內可重複使用以供隨時製備氧氣之用。

n  微型氧氣製備裝置之特點

1.        器材簡單，組合容易，操作方便又安全。

2.        可分段供給反應物使其反應產生氧氣。

3.        此裝置輕便可隨身攜帶，於必要時再使其發生反應製造氧氣。

4.        此裝置亦可供作其它氣體如氫氣、二氧化碳、氯氣和乙炔等氣體製備之用。

n  注意事項

1.        填加雙氧水時手需戴上塑膠手套，避免雙氧水碰觸到皮膚，以免皮膚被漂白及發癢。

2.        操作時雙氧水一次最多以噴入5~10 mL為宜。

n  結語

化學是物質科學的一門探究物質有趣的實驗科學，而化學實驗在中學化學教學中至關重要。但是目前實驗課在國中實施的情形並不理想，尤其是都市裡班級數特別多的大型學校，或是山地、離島的特偏鄉下的小型學校。其主要原因不外乎實驗設備的不足、經費欠缺、課程繁重、升學的壓力等因素所造成。要解決此一問題，勢必要給學生親自動手做實驗的機會。為了要能在縮短實驗時間及節省消耗藥品之情況之下，又要能夠提高實驗的正確性，以幫助學生對實驗原理的了解，進而提高學生學習化學之興趣，以提高教學成效，實是科學學習上當務之急。

由於微型化學實驗的推行，將能使每一位學生都各自擁有一套實驗裝置，在實驗課程中，每位學生在教師講解與演示之後，便可親自動手做實驗，以觀察化學反應的現象與實驗的結果，並加以思考、推理及分析，以便能得到最合理的結論。課後學生亦可利用時間，在家裡或戶外在多作幾次實驗，使其印象更為深刻如此更能激發學生學習化學的興趣，也讓學生能充分發揮其思考和創造力。

n  附註

 

附註一：本裝置榮獲1997年中華民國第八屆發明與創新展覽會一等獎及特別獎

附註二：簡易氧氣製造供應器新型專利

「大象牙膏」變成「碘沖天泡」

倪行健

臺中市立長億高級中學

[email protected]

n  前言

如果每一個實驗都發展成為一個小型的科展，會不會更有趣？每位學生都像是一位小科學家，他們會不會更有成就感？

因此，我就將研習自化學學科中心假豐原高中所辦，施建輝老師主持，楊水平教授所演示的「阿拉丁神燈暨大象牙膏」，引進自己的實驗課程，讓各組學生自己自製設備，如圖1~3所示。透過控制變因實驗法，在不同的操縱變因下，進行「大象牙膏」實驗，並觀察、記錄其現象，最後還要討論其因果並發表分享。

  

圖1：學生自製「大象牙膏」裝置的零件

圖2：學生自製「大象牙膏」的裝置

後來，為了節省藥品的消耗，因而改良為「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的微型實驗，如圖2所示，這是一方面為環保，另一方面是碘化鉀（KI）並不便宜。但是，這就少了學生自製設備而且能夠大量噴發牙膏泡的驚艷樂趣，真是兩難呀！

圖3：「小象牙膏」（「碘沖天泡」）設備及其零件，(a)管子的長度不同（左）和(b)管子的長度不同（右）

n  設備與變因說明

「大象牙膏」（圖1）：操縱變因為管子的長度。控制變因為雙氧水濃度（倒入保特瓶）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側管錐形瓶）。

「小象牙膏」（「碘沖天泡」）（圖3）：(a)操縱變因為管徑的粗細。控制變因為管長、雙氧水濃度（吸入針筒並由試管的側支注入）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。(b)操縱變因為管子的長度。控制變因為管徑、雙氧水濃度（吸入針筒）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。

n  藥品與用途說明

1.      雙氧水（hydrogen peroxide）：30%（本實驗的主角，其分解反應式：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂）

2.      碘化鉀（potassium iodide）：白色粉末，當作催化劑（碘離子，I⁻才是本反應的真正催化劑）

3.      碳酸鈉（sodium carbonate）：白色粉末，強鹼物質（在強鹼的條件下，I⁻不會變成I₂，才能維持I⁻的催化反應，並且生成H₂O及O₂。在酸性下，I⁻則會變成I₂，無法生成O₂。），說明如下：

(1)   在酸中（過氧化氫溶液具弱酸性），碘離子被雙氧水氧化產生碘分子（難聞的且有黃色的I₂），不會產生氧氣，如反應式[1]所示。由於酸的量不多且酸的強度不高，本實驗僅產生少量的I_2。

H₂O₂(aq) + 2I^─(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)    [1]

(2)   為抑制碘分子的生成，本實驗加入強鹼的碳酸鈉。在強鹼中，過氧化氫才能維持I⁻的催化反應，相關反應如反應式[1]～[5]所示。其中反應式[2]中CO₃^2─(aq)來自Na₂CO₃(aq)，反應式[5]在I^─的催化下，生成水或水蒸汽和氧氣。

H₂O₂(aq) + 2I^─(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)    [1]

CO₃^2─(aq) + H₂O → HCO₃^2─(aq) + OH^─(aq)    [2]

H₂O₂(aq) + I^─(aq) + 2H⁺(aq) + OH^─(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)    [3]

3I₂(aq) + 6OH^─(aq) → 5I^─(aq) + IO₃^─(aq) + 3H₂O(l)    [4]

2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g)    [5]

4.      清潔劑：為了包覆反應所產生的O₂而形成泡泡。

5.      顏料：為了增加視覺效果而添加。

n  分組合作

本次實驗的教案，如附件一所示。

一、合作前期：熟悉控制變因實驗法，以及「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的實驗程序，如圖4所示。

  

1.變因討論（左）、2.添加藥品（中）、3.裝填雙氧水（右）

  

4.注入雙氧水形成小象牙膏（左）、5.測溫（中）、6.用餘燼的線香檢驗O₂的存在（右）

圖4：學生進行「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的實驗程序

二、合作中期：(1).課後合作學習：下次上課前，各組討論出要比對的變因有那些？想要操作的項目有那些？並請預測其可能的結果為何？(2).進行實驗：於下次上課時付諸實驗執行，並且紀錄於另一份學習單中，如附件二所示。

三、合作末期：各組將實驗結果呈現、分享與討論，並將資料統整後繳交。

n  結緣

因為有認真研習，所以能與楊水平教授的「大象牙膏」示範實驗結緣。因為有把一項項研習來的內容，落實在學生的操作中，並且允許他們將所操作的過程與結果拍攝、紀錄下來，所以才有學生將其所錄後製，並將其上傳至youtube。因為點閱率高，所以被公視流言追追追製作小組找上，合作了一集—「大象牙膏」。可見任何事情的形成與完成，處處都需要貴人、推手的成全。

感謝楊水平教授、化學學科中心、施建輝老師以及過程中的學生們、公視流言追追追的製作群與主持人…你們都是促成此事，我的貴人，讓我在這一連串的蝴蝶效應下，學習成長，有機會體會螢光幕後，辛苦的準備與拍攝過程。

n  拍攝簡述

詳細內容可參考公視流言追追追第五輯DVD中的「大象牙膏」完整版，影片一是流言追追追61集–放屁蟲與大象牙膏。

影片一：https://www.youtube.com/watch?v=Hf_5LDY9dcE。

一、動機：來自大自然界的放屁甲蟲（昆蟲的一種，台灣的野外也找得到），體內也有雙氧水的噴發高熱機制，如圖5所示。

  

圖5：放屁甲蟲標本（筆者自拍，左）、操縱放屁甲蟲（中）以及操縱放屁甲蟲噴發原理（右）

（資料來源：http://www.apologeticspress.org/apcontent.aspx?category=9&article=1113）

二、演示：雙氧水的噴發並測量其溫度，檢驗O₂的存在，以及製作「大象牙膏」。

1.          雙氧水的噴發並測其溫度

影片二：https://www.youtube.com/watch?v=rlt2jgFoWNM。

2.          大象牙膏的製作

影片三：https://www.youtube.com/watch?v=W-BhW3XzIpU。

三、控制變因實驗法：比對各項變因的改變對實驗結果的影響，及其原因的說明。

1.          比較長短管的噴發

影片四：https://www.youtube.com/watch?v=Bpua9-qx34U。

2.          比較粗細管的噴發

影片五：https://www.youtube.com/watch?v=3WvZAxaxfmA。

3.          比較碳酸鈉的不同使用量

影片六：https://www.youtube.com/watch?v=_5R_fje5ukw。

4.          碘化鉀的不同使用量

影片七：https://www.youtube.com/watch?v=qTeiKJq9ub0。

n  結語

本文「碘沖天泡」的標題取材自我的學生，現在是新北市新埔國中的理化老師陳瑩芳的點子和創意。「碘沖天泡」表達出所用的催化劑，反應出沖出泡泡的效果，但不及「大象牙膏」的顯現，也不如「阿拉丁神燈」的神秘。「小象牙膏」則完全因於縮小版、環保的「大象牙膏」而起名。然而，不論名稱為何，吸引人的標題後面，更重要的則是從實驗中啟發了什麼？

戲法人人會變，各有巧妙不同，有的實驗重在知識本身的獲得或建立，有的則在實驗方法的熟練，有的則是實驗設計的巧思與運用，有的實驗是為了證明自己的想法或理論是否正確，…其目地不盡相同。「碘沖天泡」本身的知識性並不深不難，但在有趣的過程中，可以讓學生學到很廣的科學內容，例如：

1.      原來雙氧水的催化劑可以不必是二氧化錳，也可以是碘離子，或其它的物質。

2.      如何證明反應後氧氣的存在？

3.      此種反應是放熱反應，並且測測看其溫度是多少？

4.      為什麼要加碳酸鈉？

5.      為什麼要加清潔劑？

6.      加顏料的目地為何？

7.      如何用控制變因實驗法進行此實驗？

8.      管子的長短、粗細不同，對泡泡噴發的高矮，有何不同，為什麼？（這是物理問題）

回到本文「前言」的第一段，亦可作為本文的結語：如果每個實驗都發展成為一個小型的科展，會不會更有趣？每位學生都像是一位小科學家，他們會不會更有成就感？。是不是呢？與大家分享此想法。

 

n  附錄

附錄一：教學教案

3-4化學反應的熱量變化單元教學教案設計(適用於99課綱)

附錄二：學生學習單

小象牙膏學習單  班級：     日期：¡月¡日~ ¡月¡日

說明

1.        ¡¡版教材：高一基礎化學（一） 第三章第四節 3-4化學反應的熱量變化

2.        學生先備知識：國中對雙氧水（H₂O₂(aq)）的認識

(1) 製氧氣，以排水集氣法收集

(2) 加熱可加速

(3) 催化劑為黑色的二氧化錳（MnO₂(s)）

3.        以雙氧水為實例，探討放熱反應及其現象的實驗設計，教學策略如下：

(1) 小組合作學習

(2) 重視思考及預測

(3) 配合問、思、答、辨、辯 的方法

4.        教與學歷程：（地點：專科大樓4F理化三實驗室）

(1) ¡月¡日：介紹實驗方法，小組合作學習配合問、思、答、辨、辯

(2) ¡月¡日：以雙氧水為實例，探討放熱反應及其現象，小組合作學習配合問、思、答、辨、辯

(3) ¡月¡日：課後學習—小組合作學習

(4) ¡月¡日：將課後學習、預測及其設計驗證於實驗中

一.     組員名字及座號：                                                   

二.     填寫所需器材及藥品：                                               

三.     組員事前分工表：（例如：記錄、報告、美編、攝影、後製、keyin……）

負責同學	內  容	注意事項

四.     實驗方法：控制變因實驗法

觀察 + 思考 + 預測 + 實驗 + 收集資料 + 分析 + 統整：小組合作學習

〔老師問1〕

例如：(1)高一各班派2位男同學參加100公尺賽跑。

例如：(2)加入顆粒大小不同的大理石到同溫同壓同濃度的鹽酸中。

1.      控制變因：操作不可變的變因。

例如：(1)控制變因為：_______________________________________

例如：(2)控制變因為：_______________________________________

2.      操縱變因：操作唯一可變的變因。

例如：(1)各班派2位男同學參賽

例如：(2)大理石顆粒大小不同

3.      應變因：_______________________________________

例如：(1)結果：誰跑的最快？（名次順序）

例如：(2)結果：顆粒大的反應較快，還是顆粒小的反應較快？

實例1：自走船的實驗中，何者為控制變因？何者為操縱變因？何者為應變因？（討論後，寫在壁報紙上）

實例2：鋅銅水果電池實驗中，何者為控制變因？何者為操縱變因？何者為應變因？（討論後，寫在壁報紙上）

五.     觀察，思考，並將討論的想法（預測）寫下（討論後，寫在壁報紙上）

〔老師問2〕：細聽老師所問

六.     進行實驗：步驟及現象描述（可用畫的，課後補在文字檔中即可）

實驗 + 收集資料（記錄、報告、美編、攝影、後製、keyin……） + 分析 + 統整：控制變因實驗法 + 小組學習

(一)      依照黑板上的步驟：1匙KI + 1匙Na₂CO₃ + 5 mL H₂O₂(aq)

（將所發現的資料儘量記錄下來）

〔老師問3〕：(1)___________________________（討論後，寫在壁報紙上）

(2)___________________________？小組自行試試。

(二)      依照黑板上的步驟：1匙KI + 1匙Na₂CO₃ + 1 mL 洗碗精 + 5 mL H₂O₂(aq)

（將所發現的資料儘量記錄下來)

〔老師問4〕：(1)____________________________

(2)____________________________（討論後，寫在壁報紙上）

(三)      依照黑板上的步驟：1匙KI + 1匙Na₂CO₃ + 1 mL 洗碗精 + 顏料 + 5 mL H₂O₂(aq)

（將所發現的資料儘量記錄下來）

(四)      課後小組學習活動說明：

l   自行設計：例如改變什麼，就可以比較出怎樣…（請將小組討論內容以A4大小打印一份，於下次實驗課時繳交，設計與預測內容越多，分數越高第一項設計：30分，之後每項10分。）

l   小組討論內容如下：1.你想證明什麼？2.怎麼做才能證明？3.預測：可能會發生什麼？

l   說明：1.學習單（文字檔）於¡月¡日繳交。2.影音 + 後製檔Email給倪佬或以隨身碟繳交。3.分數（共300分）。

l   評分：(1)A4設計內容第一項設計：30分，之後每項10分。（最多100分），(2)小組討論 + 發表（壁報、PPT內容及態度）100分，(3)文字檔40分，(4)照片、影音 + 後製檔60分。

附錄三、實驗設計及其記錄

l   實例一

l   實例二