臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan疫情下線上化學實驗和探究與實作課程： 模擬化學實驗與遠距化學實驗課程 ／周金城
星期一 , 5, 12 月 2022 本期專題, 第五十期 / 2022年12月 在〈疫情下線上化學實驗和探究與實作課程： 模擬化學實驗與遠距化學實驗課程 ／周金城〉中留言功能已關閉疫情下線上化學實驗和探究與實作課程：
模擬化學實驗與遠距化學實驗課程
周金城
國立臺北教育大學自然科學教育學系
n 前言
我從來沒有思考過大一普通化學實驗課程，如果學生沒有到化學實驗室做實驗要如何上課？2021年9月時，因為疫情再度爆發，大學開學延後而且開學前三周全面遠距教學，而我要上大一普通化學實驗課程，我才開始思考要如何讓大學生遠距做化學實驗的問題。
科學實驗模擬軟體在小學科學教學上的使用，我很早關注這樣的教學方式。我自己先前的科技部專題計畫，曾採購一套全校授權的Yenka科學實驗模擬軟體，放在本校電算中心網站上，開放全校學生使用，師培生與在職教師的回應都很良好，也有不少師培生變成正式教師後都繼續在課堂上使用。但我卻沒有在大學的普通化學實驗課程使用過，因為我仍不確定是否可行，而且覺得複雜的大學普化實驗應該不能使用模擬軟體來進行，應該只適合中小學。
n 大一普化實驗遠距實驗初步嘗試
前面提到大學開學延後而且開學前三周全面遠距教學，學生無法到學校做普通化學實驗，因此我利用手邊的Yenka科學實驗模擬軟體，設計酸鹼滴定實驗給學生模擬操作，透過google meet同時開設16間討論室讓學生三人一組在線上做化學實驗，並透過google 表單收集學生實驗結果，如下圖1所示。由於每一位學生操作化學實驗模擬軟體的步驟不同，學生的答案也會有不同的實驗結果，甚至還會有實驗誤差，我對這樣的結果感到很意外，因為這就像真的做實驗一下，許多學生的答案都是不一樣的(如圖2)，因此我認為YENKA化學實驗模擬軟體是一個停課不停學下取代實際動手做實驗的替代方案。
n 化學模擬實驗與化學實驗課程結合讓學生進行探究
要如何讓學生自由地進行科學實驗探究呢?我們以化學實驗探究為例。要讓學生進行化學實驗，教師通常有下列考量:1.準備適當的器材(可以提供多種的器材嗎?)；2.準備適量的藥品(可以提供多種的藥品嗎?)；3.準備適量的設備(電子溫度計、pH計等)；4.準備適合的實驗場地(實驗室、抽風設備、實驗桌與水槽)；5.準備適當的防護工具(實驗衣、手套與護目鏡等)；6.準備廢液回收；7.其他(安全性、費用、時間等)。由小學到大學的實驗課，一般而言都是依照實驗手冊來準備實驗藥品與器材，因此實驗課不會準備多餘的藥品與實驗器材讓學生自由的進行科學探索。做實驗時，每一項藥品與器材都是教師所準備好的，而且每一項都是實驗過程中需要用到的，數量也都是剛好。因為藥品是與器材室並不會開放給學生任意拿取，尤其是化學藥品，有些需具有危險性或是較昂貴，因此無法自行取用，想要自行設計或改變實驗的過程幾乎是不可能。利用科學實驗模擬軟體，是有機會讓學生進行科學探索，設計變因來進行實驗操作，並收集資料(周金城，2018)。
化學模擬實驗與化學實驗課程結合，可以有兩個面向上的探討。第一、設計可以在普通化學實驗課程中使用的化學模擬實驗：由於疫情下的遠距化學實驗課程是一個需要被解決的問題，因此化學模擬實驗的設計有其必要性。另一方面，化學模擬實驗如何在真實的動手做普通化學實驗課程中前後如何被融入使用，也需要進行討論。第二、提供給學生設計與修改化學實驗的探究與實作機會：因為普通化學實驗課程時間有限，而且化學實驗具有一定的危險性，加上化學實驗廢液與藥品的處理繁複，因此學校很難有機會讓學生在普通化學實驗課程自行修改與設計實驗。透過化學模擬實驗軟體，可以提供給學生設計化學實驗的機會，如此可以提升學生化學探究與實作的機會。
n 科學探究是要培養學生的科學過程技能而非實驗操作技能
108自然科學領域課綱的探究能力區分成思考智能和問題解決。思考智能包含想像創造、推理論證、批判思辨、建立模型。問題解決包含觀察與定題、計劃與執行、分析與發現、討論與傳達。依據108自然科學領域課綱課綱，描述高中生的自然科學學習特性，在加廣課程中，「可較大幅放入微觀、抽象思考、基本運算與理論推導的層次，並建立科學模型與理論的系統性思考方式。」 因此可以透過科學實驗來幫助學生建立科學模型。
一般科學過程技能，包含八項基本過程技能與五項統整過程技能。八項基本的過程技能包括：(1)觀察(Observing)；(2)測量(Measuring)；(3)應用空間／時間的關係(Using space time relationships)；(4)傳達(Communicating)；(5)分類(Classifying)；(6)預測(Predicting)；(7)應用數字(Using numbers)；(8)推論(Inferring)。五項統整過程技能包括：(1)控制變因(Contorlling variables)；(2)下操作型定義(Defining operationally)；(3)解釋資料(Interpreting data)；(4)形成假設(Formulating hypotheses)；(5)設計並執行實驗(Experimenting) (魏明通，2006）。上述的這些科學過程技能，是在解決生活中各種問題的通用能力，選擇何種指示劑來判斷酸鹼滴定，是一個化學實驗技能，雖然化學實驗技能也是我們要培養學生的能力之一，但科學過程技能會是更重要培養學生學會的通用能力。因此普通化學實驗課的重點除了是「實驗操作技能」，還有「科學過程技能」。而數位化科學實驗模擬軟體，其軟體設計可以聚焦在「科學過程技能」，讓學生多一些時間思考操作變因與控制變因來自行設計模擬化學實驗，而非只是精熟「實驗操作技能」上。
n 提供給學生測試自己化學實驗假說的做實驗空間
利用科學實驗模擬軟體，來設計探究取向實驗融入課程中，讓學生也可以利用科學實驗模擬軟體學習科學探究能力。108自然領域課綱高中部分強調「學生能從一系列的觀察、實驗中取得自然科學數據，並依據科學理論及方法進行比較與判斷資料，進而以批判的論點來檢核資料的可信性，並提出創新與前瞻的思維來解決問題。學生能運用較為複雜的科學模型、理論與儀器等，獨立規劃完整的實作探究活動，進而根據實驗結果，反思實驗過程的優、缺點，以修正實驗模型或創新突破。」因此，模擬化學實驗室軟體是可以給大一普通化學生進行前述「獨立規劃完整的實作探究活動」的機會，並且「根據實驗結果，反思實驗過程的優、缺點，以修正實驗模型或創新突破。」
Fukami (2013)有一篇發表在最頂尖期刊之一的Science文章，就是強調史丹佛大學針對大學生物實驗教學設計探究取向課程。課程結構是每週有一個小時的講述課程與四個小時實作課程，讓學生大量數據進行假說測試(hypothesis testing)。我認為利用科學實驗模擬軟體，是可以讓學生進行假說的測試，透過科學模擬實驗是可以輸入資料，並且產生數據，再讓學生依此數據建立模型，相信能提升學生的探究能力，並且透過科學模擬實驗也大大縮短學生做實驗等待的時間。
Yenka化學實驗模擬軟體，能提供給學生測試假說實驗的機會，但不會造成化學教師帶實驗準備上的麻煩。當然在設計的過程中仍有很多需要克服的地方，例如模擬化學實驗室的藥品櫃沒有我們所需的藥品，所以需要在模擬實驗事先反應出我們所需的藥品後才能進行實驗，我也是需要花費很久時間才完成實驗模擬設計。這部分其實也可以給學生挑戰，讓學生來設計出項真實實驗一樣的模擬實驗，這對學生化學實驗訓練將會是高層次的練習與挑戰。
大一學生利用我所設計雙氧水加二氧化錳催化分解生成氧氣的模擬實驗（見圖3），可以操作後得出數據，並計算出反應速率定律式、反應級數與反應速率常數。當然，我要特別說明的是這個實驗結果不一定會和真實的實驗結果一致，但是真實實驗要操作與計算的過程，是和這個模擬實驗一模一樣的。因此，學生透過這個模擬實驗，就可以學習到如何計算出反應速率定律式、反應級數與反應速率常數的方法。
圖3 模擬實驗擷取畫面
n 結語
化學模擬實驗可以提升學生的高層次科學過程技能: 一般科學過程技能，包含八項基本過程技能與五項統整過程技能。這些能力都有機會透過開放式的實驗課程來達到但是受限時間、安全性與經費等各種因素，無法提供給學生任意使用藥品的開放式實驗。透過YENKA虛擬化學實驗室軟體，可以讓學生任意的取用藥品、器材、加熱裝置與電子天平等儀器設備。
化學模擬實驗能部份解決疫情下線上動手做化學實驗，因為新冠肺炎疫情的停課，觸發了我想要嘗試設計模擬化學實驗給大一普通化學學生實驗的可能性。如前述，我也真的實際進行過遠距的化學模擬實驗，初步看來算是有還不錯的結果。當然，模擬化學實軟體不會真的能取代真實的動手做實驗，但是如疫情停課不停學特殊情況，化學模擬軟體實驗還是會比完全沒有實驗動手做實驗更好。
我從來沒有想過要利用化學模擬軟體實驗在大學普通化學實驗課上，真的是因為COVID-19疫情改變了我們對於很多事物既定的觀點，也讓我有機會驗證在大學普通化學實驗課上，讓化學實驗實際動手做與模擬軟體兩者結合的可能性。
n 參考文獻
周金城（2018）。軟體與平台在中小學化學教學上的應用。臺灣化學教育，24期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=27197
魏明通（2006）。科學教育。台北市:五南圖書公司。
Fukami, T. (2013). Integrating inquiry-based teaching with faculty research. Science, 339(6127), 1536-1537.
n 附註
1.Yenka軟體連結位置https://yenka.com/，教師可以寫信到[email protected]聯繫下載試用版。
2.若您有下載試用版，就能開啟我所設計的雙氧水加二氧化錳催化分解生成氧氣的模擬實驗，下載位置:https://drive.google.com/file/d/1oHsXtryt6ZH9dN236O5COmY96arUG5I4/view?usp=share_lin
3.Yenka軟體的國內代理商聯繫https://www.kyst.com.tw/，提供給讀者參考。
淺談TIMSS(Trends in International Mathematics and Science Study) 國際數學與科學成就調查之參與經驗 ／張美玉、李哲迪
星期六 , 3, 12 月 2022 國內外化學交流, 國內外化學教育交流, 本期專題, 第五十期 / 2022年12月 在〈淺談TIMSS(Trends in International Mathematics and Science Study) 國際數學與科學成就調查之參與經驗 ／張美玉、李哲迪〉中留言功能已關閉淺談TIMSS(Trends in International Mathematics and Science Study)
國際數學與科學成就調查之參與經驗
張美玉1、李哲迪2
國立清華大學教育與學習科技學系1
國立臺灣師範大學科學教育中心2
臺灣在1999年第一次參加教育成就評鑑國際協會（International Association for the Evaluation of Educational Achievement ，簡稱IEA）所主辦的國際調查──第三次國際數學與科學教育成就研究後續調查（Repeat of the Third International Mathematics and Science Study，簡稱TIMSS-R）（曹博盛，2005）。該次只有調查八年級學生。2000年，在教育部與國科會的支持下，臺灣師範大學負責籌組TIMSS 2003的研究工作。以當時臺灣師大理學院院長物理系張秋男教授為研究計劃的主持人。研究團隊的共同主持人有臺灣師大科學教育研究所：邱美虹、李田英、楊文金、譚克平；臺師大數學系：洪有情、曹博盛；臺師大化學系：方泰山、洪志明；臺師大生命科學系：林陳涌、張永達；臺師大地球科學系：張俊彥、傅學海；臺師大環境教育研究所：張子超；國立新竹教育大學應用數學系：林碧珍、蔡文煥；國立新竹教育大學教育系：張美玉；臺北市立教育大學數學資訊教育學系：林保平；臺灣師大科學教育中心：張殷榮、羅珮華等教授及研究員。自 TIMSS 2003 以後，TIMSS 所代表的意義改變為 Trends in International Mathematics and Science Study，有別於 TIMSS-R 的 TIMSS 所代表的意義。TIMSS研究的主要目的在提供各國長期追蹤學生數學和科學成就的趨勢，蒐集課程、教學、學習環境、家庭背景、以及教師等與學習成就有關之因素的資料，藉以了解各國的課程規劃與實施結果，並作為後續改進的參考。
TIMSS調查每四年舉行一次，至TIMSS 2019，臺灣已連續參加六次調查。為了感念當年台灣師範理學院張秋男院長率先整合TIMSS研究團隊，建立良好的工作模式。而且，2003年TIMSS測驗主題涵蓋較多面向，之後的測驗，就有所調整。因此本文特別以TIMSS 2003的成就測驗為基礎做介紹。
TIMSS 調查的對象是以國中二年級（即八年級）和國小四年級學生為母群。在TIMSS 2003，參加四和八年級的國家和地區共有51個（部份國家僅參加單一年級），到 TIMSS 2019，參與數則增加至 64。臺灣TIMSS研究團隊的主要工作內容為提供命題架構的意見、數學和科學試題的命題、題本的翻譯、翻譯的確認，學校聯絡人講習、監試人員講習、試測（field test）資料收集、實測（main survey）資料收集、測驗實施的訪視、辦理閱卷、參加國家研究協調人會議、國際資料分析會議等。整個施測過程，在IEA的監督，以及TIMSS主持單位（位於美國波士頓學院的國際研究中心，International Study Center， Boston College，簡稱ISC）的主導下進行。
試測與實測的抽樣是依照TIMSS的規定，先由我國提供全國國中與國小學校的編碼、各校受測年級之人數和班級數，送至加拿大統計局（Statistics Canada）抽取受測學校；再由臺灣師大科教中心使用軟體WinW3S 抽取受測班級。至於參與的規模，以 TIMSS 2003 為例，臺灣的實測（main survey）在 2003年5月19日至6月6日舉行，國中和國小各抽測150校，每校一班，共有5379位八年級學生和4661位四年級學生受測（張秋男，2005）。
TIMSS試題形式除了選擇題，還有非選擇題，稱為自由反應試題（Free Response Test Item），自由反應試題須由人工閱卷。為確保閱卷品質，ISC非常重視閱卷的信度，包括：重複閱卷信度、趨勢題閱卷信度（Trend Scoring reliability）以及跨國閱卷信度（Cross Country Scoring reliability）（張秋男，2005）。
前面已提及TIMSS施測目的主要在提供各國長期追蹤四年級和八年級學生數學和科學成就的趨勢，以及是否與課程、教學、學習環境、家庭背景、教師因素等有某種程度的相關性。這些資料可提供各國教育行政機構推動課程與教學變革時，做為規劃的參考依據。臺灣參與TIMSS的目的，除了暸解我國四年級及八年級學生數學與科學學習成就之外，更在藉著國際比較的結果，掌握我國在規劃二十一世紀國中小數學及科學課程的發展方向。此外，學者專家亦可利用TIMSS資料庫，了解我國學生數學與科學學習成就與家庭背景（張芳全，2011）、學習環境、教師教學等因素的關係（魏瑞汶、 張美玉、 陳義隆 ，2020），並進一步做國際比較分析。藉由參與國際合作的調查研究，也能讓學者專家及研究人員進一步了解評量學生學習成就的新方法（曾建銘、吳慧珉、 趙珮晴 ，2019），提升研究人員資料分析的能力（張秋男，2003）。TIMSS調查分成數學和科學兩個學科，而且分別在四年級和八年級進行調查。以下主要以TIMSS 2003的評量架構為例，簡單說明各科各年級的施測內容。
四年級數學所涵蓋的主題包括：數（number）、測量（measurement）、幾何（geometry）、數型和關係（patterns and relations）、資料（data）。數的主題又分為自然數（whole number）、分數和小數、整數（比、比值、比例）等。測量主題又分為屬性、單位、工具、方法和公式。幾何則包含邊和角、二維和三維形體、全等與相似、位置和空間關係、對稱與交換。數型和關係包含數型、方程式、和公式及關係。資料則含蓋蒐集及組織資料、呈現資料及解釋資料等（林碧珍、蔡文煥，2005）。
八年級數學所涵蓋的主題和四年級略有差異。八年級的主題有數（number）、代數（algebra）、測量（measurement）、幾何Times New Roman及統計（data）。各主題涵蓋的內容，數方面包括自然數（whole numbers）、分數、小數、正數、比、比例，以及百分比等；在代數方面包含樣式（patterns）、代數式、公式以及關係（relationships）等；在幾何方面，包括線、角、二維與三維的圖形、全等與相似、位置（location）與空間關係、對稱與變換（transformation）；統計方面則包含資料蒐集與組織、資料呈現、資料解讀、不確定性（uncertainty）與機率等（曹博盛，2005）。
在科學領域，四年級有生命科學、物質科學與地球科學等三個學科。物質科學包含化學和物理，生命科學與地球科學也包含一些自然資源保育和環境變遷的議題。生命科學的主題含生物的類型、特徵和分類法；生物體的結構、功能和生長過程；生物的生長和生命循環；生殖作用和遺傳；自然法則的多樣化和適應性；生態系統和人體健康。物質科學的主題含物質的分類和成份；水的特性和使用；化學變化；物質的物理形態和改變；能量的類型、來源和轉換；熱和溫度；光；電和磁力；力與運動等。地球科學的主題含地球的結構和物理面貌；地球的形成、運行軌道和歷史；地球與太陽系和宇宙的關係（張美玉、羅珮華，2005）。
八年級科學分為生物、化學、物理和地球科學四科。生物的主題有特徵、分類、與有機體的生命進程；細胞與其功能；生命週期、繁殖與遺傳；多樣性、適應性與自然天擇；生態系統；人類健康等。化學的主題有化學的分類與分子組成；化學分子的屬性；化學變化等。物理的主題有物理的狀態與變化；能量轉換；熱能與溫度；光；聲音；電與磁；力與運動等。地球科學的主題含地球的構造與其物理特徵；地球的運行、週期與歷史；地球的資源、使用與保護；地球與太陽系及宇宙等（張俊彥，2007）。
這些主題好比是十二年國教課程綱要裡的學習內容。TIMSS的評量架構另有認知領域，包含認識、應用和推理三個向度，這好比是十二年國教課綱的學習表現。以TIMSS 2003四年級科學試題所佔的配分比例來看，生命科學佔43%，物質科學佔35%，地球科學佔22％；而TIMSS 2003四年級科學認知領域的配分比例則是認識能力佔35%，應用能力佔42%，推理能力佔23%，科學探究佔17%。
TIMSS 2003的評量架構將科學探究和科學本質融入各學科，且認為須包含知識內容和技能兩方面，所以調查時，用較長的問題解決試題或探究的任務來測驗學生，包含要學生找出問題、形成假設、設計探究方法、收集資料、分析和解釋、下結論或根據證據說明等；在四年級科學中，涵蓋了約10%的科學探究評量。這些試題的形式不只是選擇題，有些需要學生繪圖，有些必須用自己的話來回答問題。這些非選擇題的評量包含簡短回答和申論說明，也是IEA發展多年的表現評量（Performance Assessment）的一部分（Wolf，1994）。到了TIMSS 2019，測驗改為電腦施測。非選擇題的測驗方式更多元化，包含與電腦互動的實驗設計試題（Cotter, Centurino & Mullis, 2020）。
TIMSS 2003四年級科學以選擇題佔最主要部分，其次是簡短回答，申論說明只有5題，而國中二年級學生的測驗，有21題申論說明，這應該和小四學生對較長文字的論述能力較有困難有關（張美玉、羅珮華，2005）。
TIMSS國際研究中心使用定錨法來描述「成就基準點」；這是一種訂定標準點的方式，用以描述學生的成就表現。國際研究中心為四和八年級的數學和科學訂出四個等級的基準點：優級基準點是625分，高級基準點是550分，中級基準點是475分，初級基準點是400分。針對四個基準點，研究中心將試題的難度參數接近每個基準點的試題挑選出來，然後針對每個基準點，綜合地描述答對對應的這些試題所需的知識和認知能力。如此，這四個基準點就能將分數轉化成為有意義的描述（張美玉、羅珮華，2003）。在分析四年級科學或成就基準點時，發現學生是否能正確回答問題以及其成就表現，可能受到許多因素影響。（一）知識內容的深度和廣度；（二）問題內容的抽象程度；（三）科學探究的技能；（四）能否了解圖示和圖表；（五）回答的完整性。根據基準點與成就表現，可以知道學生的科學認知情形，例如四年級科學成就達到優級基準點的學生，能夠應用科學知識，並開始進行科學探究；而達到初級基準點的學生只能初步的了解一些地球生命和自然科學的知識（張美玉、羅珮華，2005）。
在TIMSS 2003，四年級科學前五名平均成就: 新加坡學生的平均分數（565分）最高，臺灣（551分）排名第二，日本（543分）、香港（542分）和英國（540分）排名第三，美國（536分）排名第四。從各國學生的科學平均分數多重比較可以看出，我國四年級學生的平均科學成就顯著低於新加坡學生，而顯著高於日本、香港和英國學生。八年級科學國際平均是474分。我國八年級學生科學平均（571分）顯著高於國際平均，在各參與國中，排名第二，與排名第一的新加坡並無顯著差異。第三名為韓國，平均得分為558分。香港排名第四，平均得分556分。愛沙尼亞552分，日本也是552分，分別排名第五及第六（邱美虹，2005）。有關四和八年級各國科學分科表現可參閱我國國際數學與科學教育成就趨勢調查2003報告（張秋男，2005）。
TIMSS 2003 四年級學生的數學成就表現，第一名為新加坡，平均分數為594分，第二名為香港，平均分數為575分，第三名為日本，平均分數565分，臺灣第四名，平均分數564分，第五名比利時，平均分數551分。至於八年級數學，第一名新加坡，平均分數為605分，第二名韓國，589分，第三名香港，568分，第四名臺灣，585分，第五名日本，570分。總之，與他國比較，臺灣學生的數學和科學成就表現優秀，男女生差異小（張秋男，2005）。
從TIMSS 1999到2019，我國四和八年級學生數學與科學平均成就優異。數學成就有持續進步的趨勢。表 1為我國歷屆數學與科學平均成就排名。此外，值得一提的是:我國四和八年級數學與科學學習落後學生百分比逐漸下降；我國四和八年級學生數學和科學成就在性別差異上不顯著（李哲迪，2021）。
表 1 歷屆TIMSS我國排名與平均學科成就
註：TIMSS 1999年僅調查八年級。
括號內的數值為標準誤。
*：與前一次調查相比，具有顯著差異（p <.05）。
在內容領域和認知領域的成就表現上，以最近一次實測TIMSS 2019為例，我國學生表現如下（李哲迪，2021）：
一、內容領域的成就表現
（一）我國四年級學生在數學「測驗與幾何」表現最好，在「資料」表現最差。
（二）我國四年級學生在科學「物質科學」、「地球科學」表現最佳，在「生命科學」表現最差。
（三）我國八年級學生在數學「幾何」和「代數」表現最佳。
（四）我國八年級學生在科學「化學」表現最佳，在「物理」表現最差。
二、認知領域的教育成就
（一）我國四年級學生在數學「認知」領域表現最佳，「推理」領域表現最差。
（二）我國四年級學生在科學「應用」和「認識」領域表現最佳，在「推理」領域表現最差。
（三）我國八年級學生在數學三個認知領域的平均成就，沒有顯著差異。
（四）我國八年級學生在科學「認識」領域表現最佳，在「推理」領域表現最差。
在學習興趣、學習自信與學科評價方面，以TIMSS 2019為例，我國四年級學生不喜歡學習科學，對科學學習沒有自信的百分比與國際平均沒有差異（張美玉，2021）；而不喜歡數學、對數學學習沒有自信的百分比遠高於國際平均（林碧珍，2021）。八年級學生不喜歡數學和科學，對數學和科學學習沒有自信，也不重視數學和科學的百分比，也遠高於國際平均（曹博盛，2021；楊文金、謝易伸， 2021）。如何提升學生對學習數學和科學的興趣和自信心，是我們可以繼續努力的地方（李哲迪，2021）。
其他和數學與科學學習的相關因素中，僅就較為明顯的部分說明如下。我國四年級和八年級的數學與科學成就，仍然有城鄉教育差距存在（黃敏雄，2015），但至2019，城鄉教育差距有改善跡象（李哲迪，2021） ；教學因素中，顯示我國數學與科學師資優秀；我國四年級和八年級學生的數學與科學成就，沒有因為學校資源匱乏程度而有差異（張瑋寧，2021） ；在課程安排方面，我國四年級數學與八年級科學的教學總時數，與國際平均相當，四年級科學和八年級數學的教學總時數高於國際平均。我國四年級數學、四年級科學、八年級數學、及八年級科學的教學總時數為: 147小時、86小時、157小時、136小時；國際平均則分別為：154小時、73小時、137小時、137小時。
建議：
1.針對我國學生對數學和科學學習的疏離問題，建議落實108課程綱要，強調數學和科學素養能力的培養，落實素養導向的數學教學與科學探究與實作活動，積極提升學生的學習興趣與自信。
2.有關我國四年級學生生命科學領域呈現退步現象，建議於中、低年級科學課程調整相關主題內容及比重，並且與體育和健康課程領域共同研議，將人體健康與生命週期的學習內容落實於健康與體育，以及生命科學中關於國中與國小數學和科學成就城鄉差異的問題，建議持續關注，並且長期追蹤資源的挹注與師資程度的掌握。
■參考資料
李哲迪（2021）。第十章：結論與建議。在張俊彥（主編），TIMSS國際數學與科學教育成就趨勢調查2019國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
邱美虹（2005）。TIMSS 2003臺灣國中二年級學生的科學成就及其相關因素之探討。在張秋男（主編），國際數學與科學教育成就趨勢調查2003國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
林碧珍（2021）。第四章：TIMSS 2019 臺灣四年級學生數學成就及相關因素探討。在張俊彥（主編），TIMSS國際數學與科學教育成就趨勢調查2019國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
林碧珍、蔡文煥（2005）TIMSS 2003臺灣國小四年級學生的數學成就及其相關因素之探討。在張秋男（主編），國際數學與科學教育成就趨勢調查2003國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
張芳全（2011）。家長教育程度， 文化資本， 自我抱負， 學習興趣與數學成就之關係研究。台中教育大學學報，25(1)，29-56。
張秋男（2003）國際數學與科學教育成就趨勢調查2003期中報告（第三年）行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
張秋男（2005）TIMSS 2003緒論。張秋男主編，國際數學與科學教育成就趨勢調查2003國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
張俊彥（2007）TIMSS 2007國際數學與科學教育成就趨勢調查。在張俊彥（主編），國際數學與科學教育成就趨勢調查2007國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
張美玉、羅珮華（2005）TIMSS 2003臺灣國小四年級學生的科學成就及其相關因素之探討。張秋男主編，國際數學與科學教育成就趨勢調查2003國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
張瑋寧（2021）。第九章：TIMSS 2019臺灣國中小數學與科學學習之學習環境。在張俊彥（主編），TIMSS國際數學與科學教育成就趨勢調查2019國家報告。臺北市：國立臺灣師範大學科學教育中心。
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「柏林圍牆倒塌 (Falling Walls) 」科學高峰會議- 打破學科藩籬共創人類美好的未來 ／邱美虹
星期五 , 2, 12 月 2022 國內外化學交流, 國內外化學教育交流, 本期專題, 第五十期 / 2022年12月 在〈「柏林圍牆倒塌 (Falling Walls) 」科學高峰會議- 打破學科藩籬共創人類美好的未來 ／邱美虹〉中留言功能已關閉「柏林圍牆倒塌 (Falling Walls) 」科學高峰會議-
打破學科藩籬共創人類美好的未來
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
[email protected]
n 前言
「圍牆倒塌」(Falling Walls)基金會是一個連結科學、企業和社會的全球性非營利組織。該基金會主要是促進研究並討論具有創新性和影響力的想法和發現，以共同致力於打破學科之間的藩籬來塑造人類的未來。這個目標驅動該基金會努力不懈去尋找繼1989年柏林圍牆倒塌後「下一個會倒塌的牆是什麼的? 」，這是跨領域也是全球性的問題(Falling Walls, 2022)。該基金會獲得德國聯邦教育及研究部、Robert Bosch基金會、Helmholtz Association以及其他知名學術機構、基金會和公司的資助與支持，並於每年11月9日柏林圍牆倒下紀念日舉辦Falling Walls Conference國際科學會議(Deutscher Akademischer Austauschdienst [DAAD], 2022)。
n 活動簡介
「柏林圍牆倒塌科學高峰會議(Falling Walls Science Summit in Berlin)」是一個國際性、跨學科和跨政府部門的論壇，由「圍牆倒塌」基金會所辦理的。該活動旨在促進全球科學領袖與社會之間的對話，並肯定具突破性的科學研究(Break Through)。該活動於每年11月7日至9日在柏林舉行，以紀念柏林圍牆在1989年11月9日倒塌事件。這項高峰會議共頒發出十個獎項，分別是生命科學、理化、工程與科技、社會科學與人文、藝術與科學、未來學習、科學和創新管理、新銳人才 (主辦小組:Falling Walls Lab)、科學啟蒙(主辦小組:Falling Walls Venture)和科學投入(Falling Walls Engage)。
在三天之中演講和競賽活動是平行辦理的，首先是11月7日由「圍牆倒塌實驗室(Falling Walls Lab)」所負責的新銳人才（Emerging Talents）「圍牆倒塌專案 (Falling Walls Pitches) 」的競賽，目的是在挑選出具潛力的年輕學者或創業家，參賽資格是只要年滿18歲，各學科領域的學士/碩士/博士學生、博士後、青年研究人員、企業家、學者，均可報名參加（請注意已取得學位者，學士應為10年內、碩士7年內、博士5年內。其次是11月8日的「圍牆倒塌圈(Falling Walls Circle)」，主要是各領域的頂尖研究人員分享與對話科研成果與全球科學性議題，並說明如何獲得創新的想法與做法。最後一天11月9日的重點活動「圍牆倒塌年度科學突破獎(Falling Walls Science Breakthroughs of the Year)」。這項科學高峰會議集合來自學術界、政界、業界、媒體和民間社會的全球科學領袖討論科學突破性研究在解決全球重大議題、面對挑戰和塑造永續未來的活動，同時也希望打破科學和社會之間的隔閡，讓大家更可以有跨領域的對話與成果。
n 「突破」是為了給下一代更美好的未來
筆者這次出席「柏林圍牆倒塌科學高峰會議」的任務主要是擔任「圍牆倒塌實驗室(Falling Walls Lab)」所負責的新銳人才（Emerging Talents）競賽的評審，第一次參加這個會議，也是第一次在一天之內評審來自54個國家80位年輕學者和學生口頭報告他們且具突破性的研究或創意想法，每位參賽者只能在3分鐘內以3張投影片說明自己的研究，頗具挑戰性。
今年在這一項類別中，獲得「圍牆倒塌實驗室年度突破獎(BreakThrough) 」首獎是由來自南非比勒托利亞(Pretoria)的塔姆林-莎夏-奈杜（Tamlyn Sasha Naidu）獲得，她的研究主要是因為看到家鄉的水受到採礦而造成汙染和土地流失的問題，於是利用來自煉油和農業部門的廢棄物來處理採礦的廢水，
大會手冊 大會評審團現場
大會演講廳 大會演講台
三組評審團團長 第一名 Tamlyn Sasha Naidu
第二名 Emma Hora 第三名 Ayush Chauhan
除「圍牆倒塌實驗室(Falling Walls Lab)」頒發的新秀獎（Emerging Talents）以外，大會還頒發生命科學、理化、工程和科技、社會科學和人文、藝術和科學、未來學習、科學和創新管理、科學創業、科學參與（Falling Walls Engage）、包容性科學獎、和科學先驅者獎等類別的項目。在 科學研究領域是以突破性的研究為主；”科學參與”類，主要是表彰那些促進科學知識移轉、加強科學交流以及將社會納入科學進程的專案。今年的獎項由Anna Berti Suman和她的項目Sensing for Justice (Breaking the wall to Civic Evidence of Environmental Harms)團隊獲得。該項目研究了由基層推動的環境監測作為環境正義訴訟的證據來源以及作為環境調解工具的潛力。此次參加各項競賽的合計有66個國家的193個項目。其中包容性科學參與特別獎由來自加拿大Carrie Boyce的《科學是一種拖累》(Science is a Drag)項目獲得。這是第一個完全以科學為主題的變裝秀，旨在挑戰科學家的異性戀刻板印象，為同性戀科學家和科學傳播者提供一個安全的平臺。
最後一天，由20位來自17個國家的獲獎者介紹他們的獲獎項目，包括針對兒童和資源缺乏社區的科學和STEM計畫、水監測、獲取知識和科學變裝秀。在科學冒險創業（Falling Walls Venture）類中，主要獎項頒給Ribbon Biolabs生物科技公司的執行長Harold de Vladar，肯定其最能結合研究專長(DNA合成)和卓越創業的創新想法。至於年度科學突破獎則頒給來自荷蘭的初創公司QPhox，該公司致力於開發第一個量子數據機，該設計有助於擴展量子電腦並將其連接到未來的量子互聯網網路中。該組評審委員會主席Stefan von Holtzbrinck指出，”只有科學加上創業精神才能確保我們星球上的永續繁榮。正說明這項競賽的意義。另外，今年有25家初創企業在科學峰會上現場展示他們的成果，主題包括疾病的快速和早期診斷、未來營養、肉類和蛋白質生產的新方法以及加速研究和開發的軟體解決方案，特別是在製藥方面 (https://falling-walls.com/science-summit/)。在工程和科技獎是由柏克萊大學的Ting Xu教授獲得科學研究獎，她主要的研究主題是發展出嵌入酶的聚合物的，使其在製程、使用和丟棄時可以修正或降解(degradation)，雖然利用生物降解塑膠品部是新鮮的研究題目，但通常過程相當緩慢，通常需要2-3年才可以分解掉。但是Xu教授的團隊發現一種酶可以讓塑膠再5-6週分解 (詳見大會網站https://falling-walls.com/people/ting-xu，以及其在柏克萊大學的個人網站https://xugroup.berkeley.edu/)。還有一個藝術和科學獎也甚有創意，是由Monika Seyfried, Cyrus Clarke, Jeff Nivala的生物體中心(Organism-Based Data Centers)的「數據花園」(Data Garden)獲獎，「數據花園」是一個負碳資料(carbon negative data)基礎設施的互動裝置平台，其特點是以文本、圖像和音效檔將煙草植物和阿拉伯芥的DNA儲存起來，目的是在做綠化數據以及即時測量所吸收的二氧化碳量(https://growyourown.cloud/data-garden/)。科學與創新管理獎則是頒給知名影星小勞勃道尼(Robert Downey Jr.)和瑞吉兒-克羅帕(Rachel Kropa)，他們最主要的貢獻就是以創新且快速的撥款模式資助有潛力的科學家良好的研究環境，並使科學家們能夠透過平臺直接與大眾接觸，分享他們對氣候和生物多樣性危機的研究成果。其審查的過程大約在一個月左右即可知道審查結果，讓有想法的科學家即時擁有資源可以進行創業與研究，不似一般贊助單位的審查既耗時又金額不大難以發揮。
n 總結
Falling Walls Science Summit (圍牆倒塌科學高峰會議）在11/9柏林圍牆倒塌的紀念日落幕。
短短三天除看到年輕研究者對基礎科學的熱情與成果外，也聽到學界跨領域專家和企業家對基礎科學、工程、科技、醫學、社會人文、藝術和天文等的研究和創新產業。每場都在短短的3-20分鐘左右完成，讓與會者可以在有限的時間內有寬廣的視野但又聚焦的演講中捕捉當代在地與全球的問題。大會有兩個大會場分在不同地點，每一個會場又都有許多平行場次，實在無法都顧及，難免有遺珠之憾，甚是可惜，若國內有更多人認識這樣的活動帶來的影響力，並與各界專家學者有更多的互動機會，將可更加強化國內基礎科學研究和國際接軌的交流與互動。能參加這樣大型的全球性活動，聆聽獲選專家學者的研究，瞭解研究主題的脈動，實在是很幸運，更何況可以擔任評審委員，聆聽來自世界各地青年學子的創新想法，真的是項殊榮。基本上個人認為，這些活動有三項值得一提的觀點，1.鼓勵跳出思考框架(Thinking Outside of the Box)的研究與創業，並讓年輕人有可以展示他們才華的舞台，2. 傳承的價值，與會的有老中青三代的研究與創業家，建立學習典範是很重要的，3.鼓勵並資助有創新想法的研究或企業，讓他們可以在穩定中發展，對人類永續發展有所貢獻。希望這些經驗可以作為明年臺灣辦理第四屆Falling Walls Lab Taipei的參考。
n 後記
德國學術交流資訊中心(DAAD, Deutscher Akademischer Austauschdienst, 英文為German Academic Exchange Service)在臺灣辦理Falling Walls Lab 2023年即將邁入第四年，期待有更多年輕學者和創業家可以共襄盛舉。本人因為執行國科會推動聯合國「基礎科學促進永續發展國際年(International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, IYBSSD)」，有幸能參加這次的活動，見識到此項活動的大格局與企圖心，甚是佩服。IYBSSD這項臺灣系列活動團隊，明年將與DAAD合作，並由化學會合作辦理初賽選出臺灣代表出席柏林的總決賽，除可藉此機會讓年輕人有展現創新想法與作為的舞台外，也提供獲獎的年輕學者或創業家到國外與他人交流和學習。歡迎18歲以上的年輕人明年踴躍報名，屆時也希望教授或教師們多多鼓勵學生或年輕學者/創業家參與，讓自我挑戰不受限。這種經驗將是一場知識與行動的饗宴!
「歷史不會被遺忘只是換另一種形式」。這次的活動雖然是由非營利組織「柏林圍牆倒塌基金會(Falling Walls Foundation) 」，但仍有政府的補助、諾貝爾獎基金會的支持以及學界和業界的贊助，除讓資深研究人員能分享研究成果鼓勵年輕學者或創業家，同時對德國整體科學的提升以及國際互動的影響有極深遠的影響，值得我們的政府借鏡。
n 致謝
感謝國科會自然處經費補助(STC 111-2627-M-003-001)以及德國學術交流資訊中心(DAAD – Deutscher Akademischer Austauschdienst , German Academic Exchange Service)金郁夫主任(Dr. Josef Goldberger)的協助，使此行順利。
n 參考資料
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Falling Walls (2022). https://falling-walls.com/
Falling Walls Science Summit (2022). https://falling-walls.com/science-summit/science-summit-winners-2022/
化學與物理：理一分殊
洪文東
華夏科際整合聯合總會監事
前國立屏東教育大學化學與生物學系教授
前美和科技大學護理系教授
前國家科學委員會副研究員
n 前言
自然科學中主要研究非生命系統的科學稱之為物質科學(Physical Science)，而研究生命系統的科學則謂之生命科學(Life Science)。物質科學的主要分支又分物理、化學、地球科學等。其中化學是一門探討研究物質變化的科學，而物理是探討研究自然界萬物現象的科學。
n 自然規律即一理
先從宇宙自然來看，地球是太陽系中第三個行星，其繞太陽運轉軌道有自然一理，德國天文學家 刻卜勒(Johannes Kepler )發現此一理而提出行星運動三大定律。地球依此【一理】而產生一年四季春、夏、秋、冬，地球環境中自然萬物因季節更替而【分殊】出萬象變化。地球環境有大氣圈、生物圈、水圈、岩石圈等。大氣圈即大氣層內各種氣體:氧氣、氮氣、水蒸氣、二氧化碳等。生物圈包括各種動物、植物。水圈則包括海洋、河流、湖泊等，岩石圈則有高山、盆地、峽谷、丘陵、平原、台地等各種地貌，在自然環境中產生水、火、土、氣等事物，在自然現象中產生聲、光、熱、電等現象，自然萬物、自然萬象各【分殊】出各種不同的變化，然而這些變化總結而歸納出自然規律，換言之，此自然規律即【一理】。
n 化學與物理:理一分殊
再由自然界物質科學觀之，英國化學家道爾頓(John Dalton )探究物質的變化，以一理:【質量不滅定律】，歸納總結物質變化的道理，亦即化學反應前後反應物的質量總和與生成物的質量總和是相等的。依此【一理】將各種物質材料分析與合成，而推理【分殊】出各種新的物質產品。另一方面，物理學家牛頓(Isaac Newton) 探究自然現象，以一理:【運動定律】，歸納總結自然萬物運動彼此間受交互作用力的影響，作用力(F)乃物體質量(M)與其加速度(A)的乘積，寫成數學方程式: F=MA。並依此【一理】說明自然萬物各種力與運動、作用力、反作用力等【分殊】現象。
n 水的化學:理一分殊
水對自然界各種生命形式都是不可或缺的物質，它是兩個氫原子與一個氧原子鍵結組成的化合物。水是純物質，此乃【一理】，但它有各種不同性質，而【分殊】出物理性質、化學性質。就物理性質而言，諸如:它有一定的沸點:攝氏100度，也有一定的凝固點:攝氏0度。就其物理變化而言，水由液態冷卻凝固結冰，或由液態加熱氣化為水蒸氣，所【分殊】出固態、液態、氣態的變化，仍然不改變水的本質，此種水的本質即其【一理】。就化學性質而言，水是極性分子，水分子間的氫鍵作用使水分子彼此之間有較高的內聚力。也因其極性與氫鍵作用，水是重要的溶劑。水也是常見的緩衝溶液，水的pH值固定為7。再者，就其化學變化而言，水參與很多化學反應，諸如:酸鹼中和、氧化還原反應、光合作用、生化反應、沈澱反應、水合作用、水解作用等，在這些反應前後水還是水，水即是【一理】，水所參與的各種化學反應，而【分殊】出各種不同的生成物。
n 結語
【理一分殊】乃宋明理學所論述的一理與萬物分殊關係。其思想源自唐朝【華嚴宗】與【禪宗】。華嚴宗認為自然界唯有一理，此一理能在萬事萬物所分殊的萬象中得到體會。宋朝儒家朱熹首先以【太極】觀點來論述此【理一分殊】命題。朱熹並舉出【月印萬川】與【隨器取量】兩個例子加以印證。【月印萬川】說明:天上只有一個月亮，但在地面上所有江河湖泊所倒映的月亮，有成千上萬個。其實，月亮只有一個，此月亮就是【一理】，晚上因月光照射在萬川上，而【分殊】出成千上萬的月亮。另一例子【隨器取量】說明: 以杯子取水，隨杯子大小而取水量有多寡，隨杯子形狀方圓而取水成方形、圓形。此水乃是【一理】，杯子就是器，因器的大小、形狀差別，而【分殊】出所取水量的多少與水的不同形狀。朱熹可說是宋明理學思想之集大成者，尤其【理一分殊】哲理貫穿其整個哲學體系。
《臺灣化學教育》第四十九期（2022年9月）
目 錄
n 主編的話
- 第四十九期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／陳藹然】
- 台日高中生交流會 ／陳藹然〔HTML｜PDF〕
- 台日高中生交流會： 推動高中化學教育臺日交流／陳竹亭〔HTML｜PDF〕
- 台日高中生交流會： 高中生專屬的化學交流盛宴／ 陳藹然〔HTML｜PDF〕
- 台日高中生交流會： 一場又一場場的盛宴／陳藹然〔HTML｜PDF〕
- 台日高中生交流會：難忘的科學之旅／李承典、張簡琦麗〔HTML｜PDF〕
- 台日高中生交流會：疫情下台日高中生的化學交流／許文綺〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學實驗室【專欄編輯／楊水平】
- 銀奈米粒子的微量合成和鑑定／楊水平〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／邱美虹】
- 高中化學教學經驗分享 ／ 曹淇峰〔HTML｜PDF〕
第四十九期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純化學暨應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員
國際理事會(International Science Council)治理委員會委員及Fellow
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]
為了讓科學社群和社會大眾瞭解國際純化學暨應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）在化學新興科技發展以及對地球永續上對人類的貢獻，IUPAC在它成立100年的2019年時，發起一項選出化學中對地球永續發展有貢獻的十大新興科技計畫(https://iupac.org/what-we-do/top-ten/)。誠如GomollÓn-Bel (2019)所言，要找出歷史上的今天所發生的大事並不難，但是要辨識出對當代化學有突破性的發現則是一大挑戰。因此IUPAC非常重視這項計畫，也廣邀世界各地的知名化學家和相關科學家在眾多傑出的論文和專利中評選出當年度最具代表性的新興科技。
自2019年開始所評選出來的新興科技不論是潔淨能源、高效節能、解決能源危機、或是醫藥的突破，在在都顯示出化學對改善人類生活有深遠的影響。以2019年為例(GomollÓn-Bel, 2019)，十大新興科技中第一項便是奈米殺蟲劑，以加拿大Vive農作物公司為代表。在面對2050年世界人口將要達到100億的驚人數字時，如何增加農產品的生產量、減少環境的影響、如土地的利用和殺蟲劑的使用，無疑的解決糧食問題是當務之急，刻不容緩。這項新興科技無疑呼應聯合國永續發展目標二: 消除飢餓，該目標的主要訴求便是確保糧食安全與充足、維護農業生態與土壤品質，以增強生產力，讓農業永續發展。又如2021年的所選出的RNA和DNA的藥物化學合成(見圖1)，在新冠疫情期間mRNA-based COVID疫苗成功提供有效的喝止疫情蔓延，也彰顯化學合成基礎研究與業界合作(如Bausch, Biogen, Lomb, Merck)的貢獻，未來在DNA和RNA的研究上勢必還會對癌症和糖尿病等疾病提出治療的藥劑(GomollÓn-Bel, 2021)。此外2021年也選出因為生產氨而產生大量二氧化碳的問題，在許多業界的努力下不斷尋找取代化石燃料的方法與原料。因此這些新興科技未必是已經成熟的化學成果，有些被確認的成品是具有很高的潛能，希望年輕化學家可以持續去研究出更具環保與永續價值的產品與科學方法。
圖1: 節錄自IUPAC 官網(https://iupac.org/what-we-do/top-ten/)
化學在人類發展史上扮演重要的角色，尤其是在重大的事件上除化學基礎研究與畫工業界的轉化與應用之外，近年來人類所面臨的流行病、癌症、全球暖化、能源與實務的問題等等，也逐漸顯示出跨學科的研究與合作是未來的趨勢，單靠一門學問是無法處理複雜的問題，而以創意解決問題，也需要跨領域的腦力激盪與交流，才能提出有效的解決方案和維持永續發展的目標。
最後，本期專題特別邀請陳藹然博士擔任專刊客座主編，陳博士擁有日本東京大學化學博士，從她對日本文化的瞭解以及第一手接觸「高中生化學大賽」的經驗，為本期刊讀者揭開被譽為「化學的甲子園」對人才培育的核心價值。本期專題計有5篇文章，每篇文章都訴說著不同的故事，但皆可見作者們為孩子們打開國際視野的熱誠與感動。日本有這樣專為高中生舉辦的競賽，深耕基礎科學教育，我們應該珍惜這些讓孩子們挑戰自我的機會，也應該見賢思齊，積極培養人才，提供孩子們展現自己能力的舞台。在常態性文章部分，這一期有楊水平教授繼上一期的主題「金奈米粒子的微量合成和鑑定」，延伸為本刊讀者介紹一鍋合成法的「銀奈米粒子的微量合成和鑑定」和曹淇峰老師以長期投入化學教學榮獲教育部師鐸獎的獲獎心得之分享，以鼓勵年輕教師投入化學教育，期能任重而道遠。感謝上述作者們對本刊的愛護，提供卓作以饗讀者。
參考資料
GomollÓn-Bel, F. (2019). Ten chemical innovations that will change our world: IUPAC identifies emerging technologies in Chemistry with potential to make our planet more sustainable. Chemistry International, 41(2), 12-17. https://doi.org/10.1515/ci-2019-0203
GomollÓn-Bel, F. (2021). IUPAC Top ten emerging technologies in chemistry 2021: Breakthroughs for a circular, climate neutral future. Chemistry International October-December, 13-20. https://doi.org/10.1515/ci-2021-0404
台日高中生化學交流
陳藹然
前國立臺灣大學科學教育發展中心執行長
參與台日高中的科學交流是2006年春天，那年我即將從東京大學取得博士學位。我在臺灣的恩師，臺灣大學化學系陳竹亭教授聯繫我，問我願不願意跟著他和多位台灣高中職校長一起去參訪日本名門高校之一，筑波大學附屬駒場高等學校，正好是我日本指導教授中村榮一的母校。這是我第一次踏入日本高校，接觸日本高校的師生，看到日本高校的實驗室。在交流過程中，首度了解社團活動對日本學生進行化學研究的重要性，驚異於日本化學教師工作的辛勞與低薪。取得學位回到台灣後，因緣際會擔任臺灣大學科學教育發展中心執行長，由於我的化學專長、留日背景與職務性質，我開始協助一些零星的台日間高中生交流活動，例如大阪千里高校和大阪丘高校在台北的實驗與課程等行程安排和接待。其中「高中生化學大賽（高校化学グランドコンテスト Grand Contest on Chemistry for High School Students）」是每年最重要也是最盛大的活動。這個競賽原是一個日本全國性、由大學端發起支援高中化學專題研究的活動；與台灣科展的核心精神相同，發揚PBL教學，同時寓教於樂，以誘發高中學生對化學的興趣為出發點。2014年起國際賽邀請臺灣與新加坡的高中師生參加，開啟台日間高中的化學教育全新的交流方式。
「台日高中生化學交流」專題由5篇文章組成。第一篇文章邀請臺灣大學化學系榮譽教授陳竹亭執筆，談高中化學教育台日交流歷史。第二篇文章介紹了此次專題的核心活動「高中生化學大賽」，詳細說明競賽起源、精神與賽事規則，還有臺灣參賽的契機與過程。第三篇文章深入擴充描述「高中生化學大賽」的化學與文化交流。第四篇與第五篇文章則是邀請曾經參與競賽的老師撰寫，分別由枋寮高中的李承典、張簡琦麗老師和高雄新莊高中的許文綺老師負責。枋寮高中位於屏東縣枋寮鄉，以偏鄉地區高中的角度談參與國際交流的價值，以及對非都會區高中生的意義。高雄新莊高中是2021年的參賽隊伍之一，適逢COVID-19疫情嚴峻時期，在所有實體交流皆停止的狀態下首度的「高中生化學大賽」，無論是賽前的討論與準備，賽事現場，都是由一場場google meet串起；參賽師生不能赴日實地交流，實為一大憾事。
非常謝謝國立臺灣師範大學邱美虹教授的邀請，能夠有機會擔任這期《臺灣化學教育》的客座主編，策劃這個有意義的特別專題。在規劃專題文章方向與邀請作者時，才赫然發現「高中生化學大賽」的獨特性，竟是臺灣唯一一個專為高中生進行「化學專題研究」國際交流的活動，且台日高中間的化學教育深入交流機會並不多。希望未來這樣的交流能在政府、學界甚至業界支援協助下持續甚至擴大規模辦理。
台日高中生化學交流：推動高中化學教育臺日交流 ／ 陳竹亭
星期三 , 7, 9 月 2022 本期專題, 第四十九期 / 2022年9月 在〈台日高中生化學交流：推動高中化學教育臺日交流 ／ 陳竹亭〉中留言功能已關閉台日高中生化學交流：推動高中化學教育臺日交流
陳竹亭
國立臺灣大學化學系榮譽教授
[email protected]
- 參與高中化學教育緣起
在國立臺灣大學化學系執教的三十年中，高中化學教育是我長時間關懷，同時在實務工作上長期參與的領域。
回國第二年就被系裡派到教學最前線去教化學系的普通化學。這是一份有相當難度的工作，同時也是一份莫大的榮譽。
時為1987年，化學系普通化學為兩學期課，使用英文教科書；每學期4學分，再加上兩學期各1學分、每學期約12-14週的普通化學實驗，教材是系內教師自編而成。化學系同時兼顧全校逾千學生的普通化學共同課程和實驗，當時系內有十多位全職佔缺助教，所以擔綱本系普化教職，其實是兼管了系裡最大規模課程的教學行政任務。
因此就順理成章地參加了清華大學化學系鄭華生教授主導的全國普化改進計畫，得以及早認識了全國化學學術及高中化學教育學科領袖們和大考、闈場負責人。
在實踐方面，臺大化學系剛巧是負責高中化學教育和化學科大學入學考試的重要單位。1991年，適逢教育部在推行大學多元入學方案，系中資深的羅銅璧院士擔任大學入學考試中心主任，我在劉廣定教授的引介下，參加了大考中心的命題委員工作，因而有了大學聯考命題的訓練機會。
有過大考命題和入闈的經驗，對高中教學實務和試務行政都是難得的經歷，參與高中化學科各種學習、實驗、測驗、評量；教師的評覈、職前或在職的師資培訓工作都是絕對的基礎，也是往後參與高中化學教育各種活動評量的重要資歷。
當然身為化學教授本行的研究經驗及博士訓練的科學哲學和教育哲學的實踐基礎也成了參與高等教育和基礎教育的後盾，使得我參與化學教育工作時學習自己沒有受過的科學教育時，也能與時俱進，逐漸地感到能夠登堂入室。
回國十年後，除了自己本身的學術研究建立了一定的基礎，在高中的化學教育方面也有了些心得，建立了一些經驗與信念。我相信高中化學絕不是普通化學的淺易版，當然普通化學更不是高中化學的英文版！
高中教育自有其教育的主體性質，大學教師在參與高中教育時不宜喧賓奪主。假自身化學前瞻知識的深廣為優越條件，而僭越地扮演中學教育的主導角色。反而必須尊重高中學校及教師的主體角色，相互對話，做好協作任務。
- 科教館科展評審與國際科展
千禧年後，楊寶旺教授從本系退休，就推薦我參加科展評審，於是有機會開始了科學展覽化學組的審查工作。最初是參加縣市科展，通常是台北市的中小學科展，當時因為教師或家長代做科展的傳聞不斷，科展活動對升學的幫助不大。和其他化學競賽相較，學生參加科展的意願也就相對低落。許多同事忙於研究，也不甚願意參加科展評審。我還是秉持著科展是實施「專題導向學習」(Project-based Learning, PBL)的主要方法，認為理當竭力支持。
圖1：「專題導向學習」(Project-based Learning, PBL)活動（照片提供者：陳竹亭）
專題導向學習截然不同於教師講述口授的教學方式，而比較像是高教中的研究法。臺灣的中學向來就很少在日常的課程中實踐專題導向學習，若不是科展開闢了少數學生參與的機會，臺灣中學教育幾乎沒有專題導向學習的存身之處。喜歡或長於動手學習的學生在我國的教育環境中通常是自小就缺乏被啟發的機會。假如他們對授課、考試的學習不熱衷，科展就成了一個很好的學習入口。
更重要的是專題導向學習中有許多元素是講述口授的教學所忽略的。譬如資料查詢、提問、問題探究、討論、推理、論證、建模、表達、溝通等。若不是近年在108課綱中開始了「探究與實作」的學習，我國的中學教育簡直就是一個填鴨的醬缸。多元學習的機會長年來在我們的教育環境中實在是癡人說夢。
我當然也不贊成教師、家長、甚至是補習班替學生捉刀，編製科展作品的情形。但若是因此否定了科展的價值，甚至剝奪科展的機會，那就是因噎廢食。對傾向動手學習的學生將是更加的不公平。基於此，我自2000年起就開始了評審、輔導科展，推動專題導向學習的教育實踐。甚至導致退休前幾年擔任十二年國教108課綱中「探究與實作」領綱召集人的機緣。
自2003年起，就固定的審查全國科展和國際科展的高中組化學作品。科展主辦的單位是國立臺灣科學教育館(簡稱科教館)，我也就開始了長期與科教館的合作。因為科展只是科教館的任務之一，館中還有常設展、主題展和各種科教課程和科普活動。藉著與館中同仁和館長都愈發相互熟稔和更多的合作，就種下了後來推動臺日化學教育交流時，選擇以科教館國際科展為合作對象的遠因。
- 國科會高瞻計畫
2005年國科會廖俊臣副主委與科教處處長林福來率團訪問了日本愛知縣的科學博覽會。因為看到超級科學高中(Super Science High school, 簡稱SSH)的學生能直接參與大學的AI機器人計畫，印象十分深刻。科教處回國後就打算推動一個由高中職主持，大學教授參與協作的新興科學科技融入課程發展的實驗計畫。
廖俊臣和林福來兩位長官找了科教處前處長鄭湧涇、輔英科大張一藩前校長、花蓮師院林煥祥前校長、臺大物理系陳永芳教授等，還有我本人組成諮詢團隊，由林福來處長親自監軍。
計畫取名「高瞻」，簡稱高瞻計畫。執行計畫的高中職以校長領軍擔任總主持人，計畫內容必須是動手做、做中學的新興科學與科技融入高中職的課程研發，正是在基礎教育中落實PBL的實驗計畫。還有大學的合作教授提出協作計劃，輔助課程發展或是追蹤學習績效。
圖2：國科會高瞻計畫（照片提供者：陳竹亭）
第一期高瞻計畫2006-2011歷時五年。諮詢委員會雖然每學期去學校訪視，實質扮演的角色是陪伴、指導計畫的成長，而不過於強調課程發展或學習績效的評核。
初始時，師生們及校長對委員們頗具戒心，但是計畫進行到期中，學校感受到委員們十分公平公正，而且的確是以課程內容的改進和學生的實際學習為關注目標，雙方逐漸建立了很好的互信，委員們也從師生身上獲得了科教實踐的第一手經驗。
高瞻的計畫實施方針包括了探究式教學法、創新課程、做中學的學習進路、由下而上的中學/大學合作。大家不難看出來高瞻經驗正是往後「探究與實作」課程的樣板。高瞻是先行者，其累聚的師資、課程發展經驗和課程成果都是推行「探究與實作」的基礎和範例。
高瞻計畫是我個人職涯投入高中科學教育的重要里程碑。不像以往的參與都只是業餘的角色，參與高瞻計畫，我投入了過半的工作時間與精力。諮詢委員中幾位科教大師都是我的導師。五年的時間，我像是修了一個科教的學位。高瞻計畫也就是我的研究案例。
2014~2016我擔任「探究與實作」領綱召集人，領綱研習委員囊括了學科專家與科教專家，雙方有很多對話的機會。我居中策應，高瞻經驗順理成章成為委員們的課程發展指南。最後學科內容設定為學習載體；學習內容呈現的是科教內涵的科學PBL的能力。最後的領綱相當於我的科教學位論文。也不枉我的五年高瞻經驗。
- 初次訪視日本高中
高瞻計畫的重要任務之一就是推動國際交流。2006年諮詢委員和計畫的校長、老師們組成了一支訪視團，去日本訪視SSH計畫。我向來只有和日本的學者有學術交流，訪視日本高中還是生平頭一遭。國科會在日本辦事處的外調人員替我們安排協調訪視的對象，交通問題也都準備妥當，團隊只需要照表操課訪視。
令人印象深刻的是日本高中教師有完整的教學權。不會受家長的干擾或遭無謂的要求。教師不必承擔學生升學的壓力，所以學生可以有完整三年的高中主體教育。不像臺灣的高中，為了升學考試，高三的教育幾乎完全被放棄，教學被扭曲。學校成了補習班，老師上課教解題的時間可能比教導申論理論概念的時間還多。
從教育理念的角度來看，中學基礎教育一旦嚴重的偏離了正軌，學習淪為填鴨，學生就喪失了青少年時期思考趨成熟、轉大人的心智正常成長機會。也肇使得許多大學新鮮人思想幼稚、缺乏進取心、沒有遠見。
當然在日本升大學並非沒有壓力，譬如許多學生普遍的在高三畢業後如果進不了大學，就需要去補習班補習，因此就會有補習數年才進入大學的情形。換句話說，臺灣的學校和師長必須承擔學生升學的壓力，日本則完全由學生和家長來承肩升學責任。課外補習的情形則是兩國都一般的普遍。
還有一個例子是訪問筑波大學附屬駒場高中時，一位高三學生說到他在國二時曾在臺灣嘉義遊學一年，做交換學生。學校中幾乎天天考試，卻沒有思考、討論的時間，讓他覺得在臺灣上學是一件十分無聊、痛苦的經驗。
駒場高中是日本男生的名校，相當於臺灣的建國中學。學生能夠有見地，和專家、長輩侃侃而談，相信建中的學生也能夠做到。無論如何，這位學生對臺灣教育的剖析的確是一針見血。更難得的是他在少年時期就對學校教育和學習的品質有所期許，而且見解出類拔萃，是我在臺灣的青少年中間較難得一見的！
- 化學甲子園與臺日化學教育交流
2013年我在京都大學擔任訪問教授期間訪問了大阪市立大學。接待的是中澤浩(Hiroshi Nakazawa)教授。中澤教授和我頗有私交，也知道我對高中化學教育有所參與。他在日本正在負責一個由科技催進部 (JST) 支持的高中化學競賽活動—「化學甲子園」。競賽作品從小論文到科展報告都有。他們希望把活動擴張到國際層次。中澤問我臺灣是否有學生願意參加？
學生參與國際學術交流本來就是提升視野的機會。所謂知己知彼，百戰不殆。與國外的人事時地物接觸，有比較，就能啟發內心尚未開拓之處；激發潛力，擴張心智中的已經萌芽的能力。雖然投資較大，不易大規模的實施。若能雙方相互交流，就能大幅增加接觸的效益。
化學甲子園正在規劃提供國外學生及教師提出作品參加他們的活動，不參與競賽，但是作為觀察員，可以和日本學生交流。我認為機會難得，當場就允諾中澤教授，回臺灣之後一定努力促成化學甲子園的交流。
其後，我一方面向臺北駐日辦事處提出報備，請他們與JST就此案相互照會。回到台北後，我聯絡了在臺大科教發展中心(NTUCASE)的陳藹然博士，她是留日的化學博士，十分適合代表NTUCASE主持這個交流計畫。同時，我聯絡了科教館的朱楠賢前館長，請教他是否可以將國際科展當作對等活動，讓科展化學組的師生能夠訪日，也提供化學甲子園得獎的日生可以來臺參加國際科展。交通膳宿費用互惠。
事情發展得相當順利，2013年的10月，藹然博士就帶了當年科展的優秀師生參加化學甲子園。2014年2月，化學甲子園就挑選了兩位學生來臺參加國際科展當觀察員。詳細情形就需要聽陳藹然博士的第一手報導了。
圖3：陳竹亭（左二）與大阪市立大學中澤浩教授（中間）於台北合照。
（照片提供者：陳竹亭）
台日高中生化學交流：高中生專屬的化學交流盛宴 / 陳藹然
星期二 , 6, 9 月 2022 本期專題, 第四十九期 / 2022年9月 在〈台日高中生化學交流：高中生專屬的化學交流盛宴 / 陳藹然〉中留言功能已關閉台日高中生化學交流：高中生專屬的化學交流盛宴
陳藹然
前國立臺灣大學科學教育發展中心執行長
[email protected]
「高中生化學大賽（高校化学グランドコンテスト Grand Contest on Chemistry for High School Students）」由日本大阪市立大學榮譽教授中沢浩（Professor Nakazawa Hiroshi）創辦的，是一個以日本全國高中生（包含工業專科學校）為對象，進行化學專題研究交流的競賽。第一屆競賽在2004年11月7日於日本大阪市立大學舉行，共有21校（275學生）33件研究作品參賽。2013年（第10屆）起從日本國內賽轉型成國際賽事，邀請臺灣與新加坡組隊參加，競賽規模與影響力大幅上升。近幾年參賽件數平均超過100件以上，且北從北海道南迄沖繩皆有學校參賽，賽事被譽為「化學的甲子園」（圖1）。中沢浩教授因此獲頒《第39屆日本化學會化學教育獎》，獲獎理由為「透過高中化學大賽對化學的普及以及國際化的貢獻」。
圖1 2019高中生化學大賽宣傳海報（資料來源：競賽官網）
n 化學的甲子園的誕生
這樣一個專為高中生辦理的化學研究交流，始於中沢教授剛到大阪市立大學化學系身邊的一個熱議：「為什麼高中生不來念理科（化學）？」理由不外乎「化學太臭了」、「化學很危險」、「化學以後的出路不好，薪水低」……。中沢教授開始重視這個警訊，以科技立國的日本，化學是重要基礎；高中生不來念理科（化學），這只是單純「高中端」的問題嗎？難道大學就沒有責任嗎？看到四周高中生熱血的棒球運動，中沢教授靈光一閃，來辦個可以與「高校甲子園」相比的「高中生化學大賽」吧！這個主意得到文部科學省、大阪市教育委員會、科學技術振興機構（JST）、日本化學會與Panasonic、Springer Nature、第一三共等等企業的支持。
為了讓競賽能夠獲得最好的支持、增加競賽能見度、吸引更多高中參與並發揮最大影響力，「高中生化學大賽」是由學界和媒體界共同主辦。學界部分，一開始是大阪市立大學主辦，然後是和大阪府立大學合辦，近年來參與過共同主辦的學校包含名古屋市立大學、橫濱市立大學等校。媒體界則是邀請了讀賣新聞社（大阪本社）等報社作為共同主辦單位，除了賽事快訊，還有詳細、大篇幅的競賽報導特輯會刊登在讀賣新聞日刊科學版上。（圖2）
圖2 2015高中生化學大賽刊登於讀賣新聞科學板上的賽事特集簡報。內容包含各得獎隊伍研究的簡介、評審講評。中間下方處欄位為2支國際參賽隊伍說明圖文。（資料來源：競賽官網）
n 一切建立在好的發表
既然是大學發起主辦的高中生化學大賽，那大學的角色是什麼？應該有更積極的意義。在「高中生化學大賽」裡，高中生、高中教師和大學教師三者緊密結合。高中端提出研究計畫、檢索閱讀相關研究文獻、提出可能的問題解決辦法，進行實驗、搜集數據、解釋數據；大學端則負責邀請相關領域大學教授進行指導，提供研究支援。報名的隊伍需在規定期限內提出研究計畫，以隊不以校為單位，也不限隊伍的參加人數。經過2個月的研究輔導後提供4頁研究成果摘要，評審依據摘要審查，公布最後決賽的隊伍名單。決賽分為兩部分，只有前10名的隊伍有資格參加口頭報告競賽，其他隊伍為海報競賽當然參賽者。
競賽的重心除了化學專題研究本身，良好的發表更是重中之重。如何做一個好的報告？首先要有一個好的研究，準備好一個結果報告。這個過程有助於培養一個好的學生，同時需要一個好的指導者（老師）。長期下來就能累積建立起一個好的指導環境，變成一個良性循環。這跟108課綱核心的「素養導向」和「探究與實作」，強調科學探究精神，著重表達與分享有著相同的執行方針與目標。
n 邁向國際化，開啟高中生化學的交流
隨著國際交流越來越頻繁，全球化的概念讓中沢教授開始思考高中生國際觀的重要性。時值臺灣大學化學系教授陳竹亭在大阪客座訪問，陳竹亭教授除了是化學系的教授，也是臺灣大學科學教育發展中心（簡稱NTUCASE）的主任。言談中提到NTUCASE的旗艦活動「台積電盃－青年尬科學」競賽，正好也是以訓練高中生表達能力為核心意義，和「高中生化學大賽」的發表有著異曲同工之處。國際化的高中化學大賽應運而生。
2014年是「高中化學大賽」的第10屆，同時也是「高中生化學國際大賽」的第一屆。原先日本主辦單位規劃邀請臺灣、新加坡、中國和韓國等四個地區隊伍參加競賽，之後因為簽證等各種因素，最後只有臺灣和新加坡成行，以觀摩者、口頭報告方式參賽。由於競賽者主體仍是日本學生，大會並未規定須以英文進行發表與交流，但是發表的10個日本隊伍中有9個隊伍自動以英文發表，為競賽國際化和交流打下很好的基礎。
n 你來我往，科學對話不間斷
臺灣參加「高中生化學國際大賽」的隊伍由臺灣大學科學教育發展中心（簡稱NTUCASE）協助邀請，作為臺灣與日本在化學大賽的聯絡窗口。除了負責臺灣隊伍赴日與在日期間的相關事務，同時也輔導隊伍的研究摘要撰寫與發表。隊伍遴選基本上以當年度國際科展獲全國科展得獎隊伍為優先，在徵詢其赴日參賽意願並徵得同意後，提供日方參賽隊伍資訊。由於日方主辦單位負責每個參賽隊伍2位學生與1位指導老師的機票與食宿，隨著每年經費的狀況，參賽隊伍在1-2隊間浮動。歷年參賽隊伍請見附錄一。
「高中生化學國際大賽」近年來每年固定在10月下旬舉行，為期兩天，第一天下午是海報競賽；第二天上午是日本隊伍的口頭發表競賽，下午則是國際隊伍（臺灣與新加坡）的發表、大師演講和頒獎典禮。國際隊伍不參與競賽評分。每隊發表時間為12分鐘加上2分鐘的問答。
對臺灣學生而言，參賽過程最大的考驗和收穫就是語言。首先要用英文寫4頁正式的研究摘要，準備英文報告，上台面對數百位高中師生、大學教授與企業界人士以英文發表，最後還有大魔王：英文問答時間，這對參賽的高中師生們幾乎都是頭一遭。海報競賽又是另一大挑戰，絕大多數的海報都是日文書寫，只有極少數是以英文表示；只要臺灣師生站在展示海報前，日本學生雖然害羞，但是都樂意或看（手機）或背（稿），以英文與臺灣師生說明、分享他們的研究，雙方用簡單的英文或手寫字溝通。在競賽茶會時間，普遍英文都不是很好的台日學生們，從開始的生疏、不自在，在少數主動熱情日本學生的善意互動下，臺灣學生漸漸的願意主動與更多日本學生交談、拍照，進而交換社交媒體帳號。台日雙方師生間克服語言與心理障礙後的交流，每每讓我們以能協助參與這樣的活動而感動。（圖3）
圖3 「高中生化學國際大賽」活動照片（照片提供者：陳藹然）
由於臺灣與新加坡隊伍受邀參加「高中生化學國際大賽」（圖4），禮尚往來，臺灣和新加坡也邀請「高中生化學國際大賽」得獎隊伍分別前往臺灣和新加坡參加「臺灣國際科展 TISF」與「國際科學青年論壇International Science Youth Forum」。經由這樣穩定的高中生科學（化學）國際交流，提供難能可貴的機會，開展高中生的國際視野。
圖4 2018「高中生化學國際大賽」得獎者静岡市立高等學校與奈良女子大學附屬中等教育学校參加2019臺灣國際科展 TISF（資料來源：競賽官網）
n 石の上にも三十年
日本有句俗諺：「石の上にも三年居れば暖まる」。即使是坐在冰冷的岩石上，坐了三年岩石也會變溫暖；也就是有志者事竟成。「高中生化學大賽」的辦理意義在「培育喜歡化學高中生」與「支持並培養充滿激情的高中化學教師」，對中沢教授而言「石の上にも三十年」，為了達到讓高中生不再排斥理科（化學）的目標，3年不夠，10年不夠，那就20年、30年，「高中生化學大賽」將持續下去。希望有朝一日，「高中生化學大賽」的參賽學生在大學畢業後，進入高中擔任化學教師，將自己對於化學的熱情、學習的樂趣與經驗傳達給他的學生；當這樣的老師越來越多時，就可以解決高中生排斥理科（化學）的問題了。
臺灣能有機會加入這個有意義、高中生專屬化學的交流非常難得，2020年受COVID-19疫情影響，競賽首度停辦。2021年改以線上舉行，但是2022年競賽又再度停辦。隨著國境開放，國際交流慢慢回復至疫情前，希望2023年「高中生化學國際大賽」能繼續辦理，臺灣學生再次赴日參與一場專屬高中生的化學交流盛宴。
圖4 中沢浩教授手持高中生化學大賽專書「高中生•化學宣言」。每年高中化學大賽結束後皆會出版「高中生•化學宣言」一書，邀請參賽隊伍寫下了參賽的心路歷程，紀錄並分享研究、發表準備與現場的苦惱、快樂與感動的每一刻。
（圖片來源：大阪府立大學）
n 參考資料
1.「第17回高校化学グランドコンテスト」競賽官網 http://www.gracon.jp/gc/gracon2020 [第 17屆高中生化學大賽競賽官網]
2.大阪市立大學新著情報 (2015.01.21) 高校化学グランドコンテストの功績により中沢教授(理)が化学教育賞受賞 https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2014/5w4ejf [大阪市立大學最新消息 (2015.01.21) 理學院中沢教授因辦理高中生化學大賽的功績榮獲化學教育獎]
3.中沢 浩/松坂 裕之【監修】高校生・化学宣言〈PART 8〉高校化学グランドコンテストドキュメンタリ 遊タイム出版 [中沢浩/松坂裕之【監修】 （2015） 高中生・化學宣言〈PART 8〉。高中生化學大賽記實。遊タイム出版社。]
附錄
表一、2013-2021年臺灣參賽隊伍
高中生化學交流：一場又一場場的盛會
陳藹然
前國立臺灣大學科學教育發展中心執行長
[email protected]
對參與的臺灣高中師生而言，「高中生化學大賽（高校化学グランドコンテスト Grand Contest on Chemistry for High School Students）」不只是一個單純的競賽，日本主辦單位還努力安排一個又一個活動。臺灣和新加坡的師生們在日本期間，透過參訪日本當地高中、大學、科學教育設施，從科學、語言、文化等方面認識日本，大幅提升這個活動的價值和意義。對每一位參加過這個活動，特別是第一次出國第一次到日本的學生和老師，都是一個非常珍貴與難忘的回憶。
n 高中生的化學對話
高中生的科學交流，無論國內或國外都很常見，但是限制在「化學」領域交流的「高中生化學大賽」應該是極特別的少數。在「高中生化學大賽」裡，高中生以各自化學研究成果進行對話。日本學生的研究題目非常多元，難易度跨距極大，從非常生活化、鄉土的題目，到專業度很高的研究，在這場高中生專屬的化學盛會裡都可以看到。其中部分研究主題與課程相關，是很好「探究與實作」教學素材。觀察歷年來的研究主題，也可以發現研究主題的趨勢與潮流。2014年起色素、染料、光敏或太陽能電池相關研究主題比例逐年提高。
由於大多數的研究是高中社團完成，研究成員數目有時可以多至20人以上，特別是延續性或需花費多年實驗的研究，累積數代的研究成果。印象中最深刻的福島磐城高校的「Carpanone全合成」，從2009年開始到2013年發表，歷時4年，參與學生29人。
臺灣學生在海報競賽會場從數十甚至上百張的海報中尋找感興趣的主題，並與日本學生互動。由於超過90%以上的海報都是日文，在你不會中文我不會日文的狀況下，雖然台日雙方學生英文能力有限，但是「化學」就是最好、能拉近彼此之間的共同語言，反應方程式、元素符號和研究精神全世界通用。看著日本學生拿出手機或手卡努力且熱情用英語介紹他們的研究，臺灣學生努力試著理解日本學生的解說，瞭解研究的內容細節，討論很快熱烈起來；尤其是看到與自己相似的研究成果，從討論中互相學習，得到新的想法。令台灣學生印象深刻的是，即使大多數的研究主題看起來很簡單，並且只要以基本的化學知識就可以完成的實驗，在解說的過程中卻能讓臺灣學生感受到日本學生的創造力與對科學的熱愛（圖1）。
相較於海報競賽的輕鬆，口頭發表競賽部份就極為正式。能夠進入口頭發表競賽的10支隊伍是這次競賽的前十名，研究主題的學術性比較濃厚，研究結果比較具體完整且有發展性。口頭發表競賽裡，每隊學生皆身著校服或正裝在台上進行12分鐘的發表，再接受2分鐘的問答，在場者不論是教授、高中老師甚至學生都可以發問。競賽現場除了開放觀眾索票入場，同時進行線上直播，讓不能前來現場加油或觀摩的學校師生，能夠在Youtube上看到隊伍發表情形。
「高中生化學國際大賽」並沒有因為有臺灣和新加坡隊伍的加入而規範官方語言為「英文」，仍有部分隊伍以英文或日英文混合方式製作投影片，並且大部分隊伍願意嘗試以英文發表。在上百甚至數百人面前以英文發表，對參賽的所有高中生來說大概是有生以來最大的挑戰，即使事前準備再充分，上台時還是緊張、恐懼和顫抖。但是當開始演講後，同學們表示：恐懼就像一縷煙霧消失了，越講越有信心。不過問答時間是一個大尷尬時段，同學臉上常見的茫然和緊張告訴大家：我們聽不懂教授在問什麼，不知道要怎麼回答。無論如何，能夠順利完成一次英文的公開發表，對同學和老師就是一個值得誇耀的成就和肯定。
圖1 以漫畫表示的研究摘要圖，讓人會心一笑（照片提供者：陳藹然）
在緊張的活動裡，也發生過幾個有趣的小插曲，例如：第一屆國際賽的午餐便當事件。「高中生化學大賽」分兩天舉行，第一天下午是海報競賽，第二天是口頭發表與頒獎典禮，是一整天的活動。或許是第一次有日本以外學生參賽，午餐時間日本師生紛紛拿出準備好的飯糰、便當，台灣和新加坡隊伍則是面面相覷，也不見有工作人員引導至餐廳用餐。原來在日本一般活動是不供應午餐、需自備是常識，又因為競賽在假日，學校食堂不營業。由於午餐休息時間很短，發現問題後，我們趕緊詢問學校附近有沒有商店，衝出去校外的尋找有賣便當的商店，好不容易發現有間賣便當的店，竟然還要現做！最後掐著時間手忙腳亂解決午餐問題。那時腦中唯一的想法是，為什麼校門口沒有超商啊～
n 高中生的文化對話
2013年是「高中生國際化學大賽」的第一年，行程比較單純，除了參加競賽外，並沒有安排其他的活動。但是從2014年起，經費充裕的狀況下（例如申請到櫻花科技計畫SAKURA Science Program），主辦單位積極安排各項參觀與交流活動，同時赴日參賽的行程也隨之增加到5-7天。
能夠有機會前往當地高中，直接參與課程並且進行師生交流，是非常令人驚喜的。在常翔學園（圖2）和向陽高校（圖3）裡，臺灣學生體驗了日本學生為他們設計的日本文化課程。
圖2大阪常翔學園的社團學生展示日本茶道和劍道等文化（照片提供者：陳藹然）
圖3名古屋向陽高校的學生、與臺灣、新加坡學生以分組巡迴方式進行專題研究成果分享、日本文化介紹和體驗（照片提供者：陳藹然）
這幾年來曾三度安排前往大阪府立千里高校參訪。從車站走到千里高校對臺灣學生來說就是一個很新奇的感受，沿途秋葉轉黃至紅，氣候涼爽，是在臺灣平地無法體驗到的秋日風情。在千里高校裡，臺灣和新加坡學生被安排和學生一起上課、一起做化學實驗，中午一起吃便當（圖4和圖5）。在簡單的自我介紹後，學生們開始他們在千里高校的第一堂課：中文課！午餐時臺灣和新加坡的師生散坐在日本師生間，邊用餐邊談天，好奇對方的學校生活，不時聽到笑聲。
圖4 千里高校的參訪安排與午餐交流（照片提供者：陳藹然）
圖5在千里高校的化學實驗課程。直接提供鋰、鈉和鉀金屬給學生進行元素性質實驗，與明火（本生燈）的使用，令人印象深刻（照片提供者：陳藹然）
n 原來日本的大學是這樣啊
除了參訪日本高校，與更多日本高中師生接觸，還有主辦大學的參訪活動。歷年來學生們曾被安排參觀了大阪市立大學人工光合成研究中心、人類生命科學院和化學系，大阪府立大學化學系，名古屋市立大學藥學系和醫學院等處。在大學裡，臺灣師生們除了看到許多貴重儀器如核磁共振儀、電子顯微鏡、共軛焦顯微鏡等（圖6），日本教授們也安排了數個實驗室研究介紹（圖7）和簡單的化學實驗（圖8）。甚至還參加了一堂名古屋市立大學開給大一新生的課程。
圖6學生參觀大學實驗室與醫學院貴重儀器，以及藥用植物園（照片提供者：陳藹然）
圖7大阪府立大學化學實驗室研究介紹（照片提供者：陳藹然）
圖8於大阪府市立大學（左）房屋與環境設計系進行熱電偶實驗（右）物理有機實驗室進行螢光分子實驗（照片提供者：陳藹然）
n 原來日本的科教館是這樣啊
參觀當地的科學教育設施也是重要行程之一，例如大阪和名古屋的科學館。對於熱愛科學的學生來說科學館絕對是必去的地方。其中有兩個讓人印象最深的地方，第一個是大阪科學技術館（圖9）。大阪科學技術館和一般科學館最大的不同在於，這是一個由企業與研究機關贊助成立的科學館，展出企業目前正在使用、最新的科學技術，並且可以親身體驗學習。
圖9大阪科學技術館（照片提供者：陳藹然）
在大阪科學館裡發現一個不尋常的特展，博學連攜角落（Museum-University Collaboration）（圖10）。顧名思義，是在科學館與大阪大學合作，做了一個介紹大阪大學理學院重點研究介紹的特展。這對大學研究科普化是很好的示範，希望未來也能在臺灣的科教館內看到這樣的常設展。
圖10大阪市立科學館博學連攜角落（照片提供者：陳藹然）
n 從臺灣出發的永續化學教育
對赴日參加「高中生國際化學大賽」高中師生而言，這是一趟日本科學冒險之旅。參訪與競賽結束後，日本主辦單位都會邀請參賽隊伍撰寫參賽心得，並集結出版成書「高中生•化學宣言」。節錄部分臺灣學生的感想（原文為英文）。（2013北一女）當我第一次知道我和我的伙伴可能有機會在日本第 10 屆高中生化學大競賽上發表演講時，我非常興奮和高興，很高興有機會與他人分享我們的作品，體驗其他文化。然而，很快我就遇到了三個主要問題。首先是比賽的時間，距離我們大學入學考試只有兩個月的時間，這個考試對所有臺灣學生來說都非常重要。雖然我很在意自己的時間管理，但我就是無法忽視心中對把握機會的渴望。和父母慎重商量後，我最終決定試一試。 [中沢浩/松坂裕之，2014，作者自譯]
（2013 麗山高中）在日本四天的旅行結束後，日本給我的印像是禮貌、熱情。大賽結束後，大家都離開了大廳，但一位老師和幾位學生來到我們這裡感謝臺灣在311地震中的幫助。我對這種行為感到驚訝。我能感受到他們的真誠。似乎每個日本人都有感恩的態度。沒有一顆心比一顆感恩的心更美麗。只有一個小動作，才能非常感動一個人。我也想對大家說聲謝謝。
聽完日本人的介紹，我明白了“Chem is try”。他們研究的大部分想法都很棒，日本學生將它們付諸實踐，甚至使它們成為可能。“天才是百分之一的靈感和百分之九十九的汗水。”當我們進行研究時，我們可能會感到疲倦，有時甚至想放棄，這並不奇怪。但唯一能讓我們走向成功的就是繼續努力。許多日本學生都做得很好，我希望我能和他們一樣。最後，再次感謝大賽。你給了我一個重要的機會去了解這麼多事情。這是我一生中難忘的經歷。[中沢浩/松坂裕之，2014，作者自譯]
(2015 高雄女中) 我們一直在尋找我們的夢想，但似乎還有很長的路要走。細節決定成敗。……演出只有15分鐘，但真的很難想像我們花了多少時間。沒有多少學生會認為這是一件有趣的事情，有的甚至認為不值得。但我們知道，我們從經驗中獲得的比書本更多。
在這5天裡，我們從其他老師和教授那裡得到了很多想法，激發了很多新的想法。與他人討論很有幫助，你可以得到一些你沒有想到的新想法。有趣的是我們和日本學生聊天的方式。我們用英語交談並使用肢體語言，大家都成了好朋友。這不僅是一次有趣的旅行，也是我們學校生活中寶貴的經歷。[中沢浩/松坂裕之，2016，作者自譯]]
（2016台中女中）回想起來，我們的日本之行確實是一次非常特別的旅行。我們不僅對我們的項目獲得了新的見解，而且通過體驗日本的研究文化，我們也開闊了視野。我們在各地遇到的日本學生都有學習和嘗試新事物的動力；他們的熱情和毅力是我們從他們身上學到的最寶貴的事項。有了這些有前途的年輕科學學習者，難怪日本科學家總是站在科學領域的最前沿，日本的創新是行業遊戲規則的改變者。[中沢浩/小嵜正敏，2017，作者自譯]
(2018 中山女中) 我曾多次出國旅行，但這一次無疑是最有意義、最特別的一次。毫不誇張地說，這對我來說是一次改變人生的旅行。作為高中三年級的學生，幾個月後我進入大學時，我很難決定我應該主修什麼科目。看到專業或有抱負的日本科學家的熱情和熱情，我決定在我成為一名大學生時主修化學。
從高中生化學大賽中，我可以看到高校和機構不遺餘力地鼓勵高中生投身科學事業。此外，實驗室的最新設施讓創新的學生和教授能夠將他們的想法付諸實踐。難怪日本有很多偉大的科學家，日本的技術如此先進。所有這些使日本成為高等教育的理想之地。如果有機會，我真的很想在日本繼續深造。[中沢浩/小嵜正敏/笹森貴裕，2019，作者自譯]（2019瀛海高中）從一個微不足道的想法到大阪的高中化學競賽，這段旅程真是太神奇了。我們從沒想過我們的項目會走這麼遠。由於本次大賽的導師、組織者和工作人員等，我們有機會來到日本，為我們打開了廣闊的視野。這些天我們在化學傳奇中學到了很多，我們也遇到了很多同樣熱愛科學的日本高中生。這一定會成為我們一生難忘的經歷。[中沢浩/小嵜正敏，2020，作者自譯]
（2019中和高中）這五天，我不僅學到了很多化學知識，而且有了很大的突破。我比以往任何時候都更有信心和勇氣，我也知道自己的短板，英語能力。我很高興和日本學生交朋友，他們都很友善和熱情。我認為我應該學習他們的努力和勇氣，以使自己變得更好。[中沢浩/小嵜正敏，2020，作者自譯]
這是一場給專屬高中師生的交流盛會，既是化學，也不是化學。
n 參考文獻
- 中沢 浩/松坂 裕之【監修】(2014) 高校生・化学宣言〈PART 7〉高校化学グランドコンテストドキュメンタリ 遊タイム出版。[中沢浩/松坂裕之【監修】 （2014） 高中生・化學宣言〈PART 7〉。高中生化學大賽記實。遊タイム出版社。]
- 中沢 浩/松坂 裕之【監修】(2016) 高校生・化学宣言〈PART 9〉高校化学グランドコンテストドキュメンタリ 遊タイム出版。[中沢浩/松坂裕之【監修】 （2016） 高中生・化學宣言〈PART 9〉。高中生化學大賽記實。遊タイム出版社。]
- 中沢 浩/小嵜 正敏【監修】(2017) 高校生・化学宣言〈PART 10〉高校化学グランドコンテストドキュメンタリ 遊タイム出版。[中沢浩/小嵜正敏【監修】 （2017） 高中生・化學宣言〈PART 10〉。高中生化學大賽記實。遊タイム出版社。]
- 中沢 浩/小嵜 正敏/笹森 貴裕【監修】(2019) 高校生・化学宣言〈PART 12〉高校化学グランドコンテストドキュメンタリ 遊タイム出版。[中沢浩/小嵜正敏/笹森貴裕【監修】 （2019） 高中生・化學宣言〈PART 12〉。高中生化學大賽記實。遊タイム出版社。]
- 中沢 浩/小嵜 正敏【監修】(2020) 高校生・化学宣言〈PART 13〉高校化学グランドコンテストドキュメンタリ 遊タイム出版。[中沢浩/小嵜正敏【監修】 （2020） 高中生・化學宣言〈PART138〉。高中生化學大賽記實。遊タイム出版社。]