綠色創客-4：微型電磁攪拌器模組的設計、製作與應用

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

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n  簡介

攪拌均勻是化學反應過程必要的加工程序，電磁攪拌器使用不沾黏的鐵氟龍塑膠來包覆磁石，馬達帶動的攪拌機構，不必直接接觸溶液，並可依溶液的體積或黏滯性來調控磁石的轉速，具有方便清理、節省人力、穩定可靠的優點；當使用電熱式加熱功能時，可取代明火的使用，屬於安全的熱源，因此目前已列為普通高中化學實驗室的標準配備（”Magnetic stirrer”, 2022）。

然而實驗室的電磁攪拌器體積龐大、笨重，不易攜帶的特色；當教室內進行實驗，或戶外實驗教學活動時較不方便。本文章將介紹一款適用微型實驗、便於攜帶、可使用行動電源或乾電池的電磁攪拌器；使用太陽能實驗的小馬達、搭配兩顆小型的強力磁鐵製作的鐵氟龍磁攪拌子旋轉的驅動器；使用可變電阻，調控馬達與磁石的轉速；使用6P3段切換開關，適時變換乾電池與USB兩種電源；搭配針筒、螺桿、緊固套環的滴定管模組，可進行酸鹼滴定、氧化還原滴定等實驗。下圖為微型電磁攪拌模組裝置圖。

圖1：微型電磁攪拌器模組的外觀。

本文除描述「微型電磁加熱攪拌器」的製作方法外，亦提供微型蒸餾輔助（廖旭茂，2020）等數種教學使用示例。期盼透過本刊物的分享，提供讀者自行製作攪拌器的參考；並期待拋磚引玉，吸引更多的教師自行設計微型教具，落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

n  器材與藥品

1.     太陽能馬達 RF-300，DC 0.5~6V，軸徑2mm。

2.     磁攪拌子驅動器，含圓形強力磁鐵直徑6mm，厚度2mm兩個及橢圓形壓克力板一個。

3.     USB母頭線

4.     3號電池盒

5.     6P3段切換開關

6.     可變電阻，500Ω

7.     烙鐵30W，1支（含焊錫）

8.     UV膠組（含紫光燈）

9.     熱熔膠槍組（含膠條）

10. 撥線鉗。下圖為所需材料圖

圖2：微型電磁攪拌器所需材料。

n  製作微型電磁攪拌器

1.     概念發想：在可攜式、微型及可延伸應用性用的原則下，設計改良的重點五個方向：

(1)  如何縮減電磁攪拌器的大小，方便組裝與攜帶。

(2)  如何不使用複雜電路，僅使用可變電阻來調整轉速。

(3)  如何使用易取得的低電壓直流電源，如1.5V的乾電池或5.0V的USB行動電源，來驅動馬達，減少電能的浪費。

(4)  提供易維修的穩定支撐平台。

(5)  平台可安裝可調式支架，與套環模組，方便利用針筒進行微量滴定實驗。

2.     固定支撐架的加工與組裝：此部分包含壓克力元件切割與組裝兩個部分。

(1)  雷射切割：打開雷射切割軟體Rdworks中，導入機構設計的數位檔案，依照需求調整雷射切割的速率與功率的設定，接著取一塊厚度為5mm的透明壓克力板，放置雷射切割機平台，進行雷射加工，共切割出前後立面各1個、上下支撐底板各1個，及瓶身固定套環大小2組，以及攪拌子驅動器1個。下圖為各機構製圖。

圖3：雷射切割壓克力機構設計圖

(2)  上底固定支撐架的組裝：取兩個直徑5mm圓形強力磁鐵，以棉花棒沾取少量uv膠塗抹在磁鐵上，將磁鐵置入上底板的預切孔中（藍色圓孔），隨後以uv手電筒照射約30秒，待乾備用。1根M6的螺絲攻，在標記的M6鑽孔位下孔，製作一M6的螺牙，將一螺桿旋緊並安裝可移動針筒套環。下圖為完成組裝的支撐架。

 

圖4：完成的攪拌模組的支撐架

3.     各元件固定與電路的焊接製作：包括乾電池座、usb母座、小馬達、切換開關、可變電阻的膠合固定，與線路連接兩大部分。

(1)  乾電池與usb母座的黏合固定：取熱熔膠槍，接上電源，3分鐘後，擠出些許的熱熔膠於後立面的壓克力板上，將乾電池座黏合在壓克力板上，紅、黑電源線穿出壓克力板預留的孔洞；隨後擠出一些熱熔膠於usb座預留孔，接著將母座置入預留孔，緊壓約1分鐘，待冷卻黏合固定後鬆手。下圖為完成黏合圖。

圖5：乾電池與usb母座的黏合固定圖

(2)  可變電阻的黏合固定：取前立面壓克力板，以熱熔膠槍擠出些許熱熔膠塗布在將一可變電阻的旋鈕把手穿出預留孔洞，用力緊壓約1分鐘，待冷卻黏合固定後鬆手。下圖為黏合過程圖。

 

圖6：可變電阻的黏合固定過程

(3)  切換直流電源：將切換開關放置在預切開的方孔中，以小螺絲開關的把手與可變電阻的旋鈕把手方向一致朝外，以小螺絲將切換開關緊固在前立面壓克力板上。若想左右滑動切換開關時可選擇直流電源的來源時，可分別將乾電池紅、黑電源線以焊錫連接到切換開關的1、1’兩個腳位，usb的紅、黑電源線連接到切換開關的3、3’兩腳位。

(4)  調整馬達的轉速：小馬達的紅、黑電源線分別連接至可變電阻的a腳位與切換開關的2’腳位；可變電阻的b腳位連接至切換開關的2腳位。下圖為雙電源可調速微型攪拌器的電路設計示意圖。

圖7： 可調速微型電磁攪拌器的電路設計

(5)  磁攪拌子旋轉的驅動器的製作：取一預切完成橢圓形的壓克力片，在左右兩個凹洞內擠入少許的uv膠，隨後將兩個5mm的強力磁鐵放置兩個凹洞內，接著將馬達的軸心沾取少許的uv膠後，穿進驅動器的中孔，隨後以uv光源照射約30秒，進行黏合；當小馬達轉動時，像是一根轉動的磁棒，可以帶動燒杯中的磁攪拌子隨之轉動。特別注意的是兩個磁鐵面的極性必須相反，一端為N極，另一端為S極。下圖為操作過程。

圖8：攪拌子驅動器磁石的安裝

(6)  小馬達黏合固定：沾取少許的uv膠均勻塗在小馬達下，將小馬達放置於壓克力下底板圓圈處，隨後以uv光源照射約30秒，完成黏合。下圖為操作過程。

 

圖9：磁攪拌子驅動器與小馬達的黏合過程

(7)  前後立板的固定與磁石的黏合：取兩顆5mm的磁石，塗上少許uv膠，放置在前後立板預留的凹洞內，接著以uv手電筒照射約30秒，固定磁石；接著將前後立板以uv膠與壓克力下底板接合，接著以uv手電筒照射約30秒，固定前後立板，隨後將上底版蓋上，完成微型攪拌模組的製作。完成後前後立板與上底板兩部件的磁石可緊密相吸，形成一個可掀蓋的活動裝置。下圖紅圓圈處為磁石位置。

 

圖10：磁石黏著固定的完成圖

n  教學應用

    攪拌模組包括電磁攪拌主體、平台上的螺桿支架，以及可固定針筒、樣本瓶等容器的各式套環。主要是用於需要「快速攪拌均勻」的實驗活動，比如酸鹼中和滴定、氧化還原滴定、蒸餾實驗、酵素催化反應等。使用電磁攪拌可以使反應物充分混合反應、減少實驗誤差、並節省人力。茲將幾個實驗應用分述如下：

1.    微型酸鹼中和滴定：以氫氧化鈉滴定未知濃度的硫酸為例–溶液充分均勻反應

     (1)  取1個5毫升的透明樣本瓶，以1毫升的分度吸量管吸取未知濃度的硫酸0.4mL，接著加入1.6 mL的蒸餾水，滴入2滴地酚酞溶液後，將樣本瓶放置在壓克力攪拌平台的圓圈中心。

(2)  把1個長10mm的攪拌子置入樣本瓶中，接著將電源切換開關滑至左邊，使用乾電池來驅動馬達；順時針旋轉可變電阻的旋鈕，調整馬達的轉速。下圖為操作過程。

圖11：圖左為切換電源開關，圖右為轉速的調整

(3)  微型滴定管模組的使用：取1支3.0毫升的螺口針筒，吸取0.1M的氫氧化鈉溶液至刻度3.0毫升。螺口前端連接一個塑膠雙通閥（閥門呈現關閉狀態），雙通閥的另一端連接一個塑膠針頭。將針筒穿過小套環，並旋緊螺絲穩定固定針筒，接著取出針筒拉桿，打開閥門，讓溶液流下至針頭尖後關閉閥門。讀取針筒內液面刻度，為2.95mL。打開閥門開始滴定，觀察溶液的顏色；當溶液中心出現紅色時，代表當量點快到了，此時必須控制閥門，放慢溶液滴入的速度，至樣本瓶內溶液全變為紫紅色時，立即關閉閥門，讀取針筒內溶液的刻度為2.15mL。下圖為滴定前後刻度的讀取。

圖12：圖左為切換電源開關，圖右為轉速的調整

2.    微型氧化還原滴定：以已知濃度的高錳酸鉀滴定未知濃度的硫酸亞鐵為例–快速攪拌均勻

(1) 取1個5毫升的透明樣本瓶，以1毫升的針筒吸取未知濃度的硫酸亞鐵製刻度為1.00 mL，隨後將針筒穿過套環，固定在微型滴定管模組上。打開閥門，讓針筒內的溶液緩慢地滴入樣本瓶中，並開始計數滴入的滴數；當針筒刻度為0.00毫升時，關閉閥門，並計算針筒滴出1滴溶液的體積（53滴≒1mL）。隨後滴入5滴6M的硫酸溶液後，酸化溶液，並將樣本瓶放置在壓克力攪拌平台的圓圈中心，調整馬達的轉速後，準備滴定。下圖為操作過程  

 

圖13：未知濃度的亞鐵離子的準備及操作過程

(2) 取1支3.0毫升的螺口針筒，吸取0.01M的高錳酸鉀溶液至刻度3.0毫升。隨後按上述的步驟，將針筒穿過套環，固定在微型滴定管模組上。讀取針筒內液面刻度（約為3.00~2.90mL）。打開閥門開始滴定，觀察溶液的顏色，並計數溶液滴入的滴數；當溶液中心出現粉紅色時，代表當量點快到了，此時必須控制閥門，放慢溶液滴入的速度，至樣本瓶內溶液全變為粉紅色時，而且顏色不再變化時，立即關閉閥門，並讀取針筒內溶液的刻度（約為2.00~1.90 mL）。下圖為滴定前後顏色變化與刻度的讀取。

  

圖14：滴定過程與刻度的讀取

3.     蒸餾攪拌防突沸：紅酒的蒸餾–預防突沸使用，首先將支架螺桿上的小套環換成大套環，接著將電熱式蒸餾瓶約10毫升的紅葡萄酒倒入電熱式蒸餾瓶後，再置入一個小型攪拌子（長10mm*直徑3mm），隨後調整可變電阻的旋鈕至適當轉速後，蓋上矽膠塞，接線通電開始加熱、蒸餾。下圖為蒸餾裝置圖。 
圖15：微型電磁攪拌器結合微型蒸餾器進行紅酒的蒸餾

4.     酶催化反應：雙氧水的酵母催化分解為例–非均質混合物的充分均勻反應。取一個50毫升的錐形瓶，倒入1.0M的H₂O₂(aq)5毫升、19毫升的蒸餾水及1%的酵母液1毫升，總體積約25毫升，再置入一個小型攪拌子（長25mm*直徑8mm），並以支架螺桿上的大套環固定瓶身；隨後調整可變電阻的旋鈕至適當轉速，穩定旋轉後，塞上矽膠塞，開始攪拌。接續連接塑膠管的公接頭後，可以利用壓力感測器開始收集數據（廖旭茂，2021）。下圖為雙氧水的酵母催化分解的攪拌過程。

 

圖16：微型電慈攪拌器應再在雙氧水的酵母催化分解的攪拌過程。

n  安全注意及廢棄物處理

1.        本次實驗所用的CO₂雷射切割機，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。

2.        紫外光燈對眼睛有極大傷害，須戴上抗uv的護目鏡。

3.        利用烙鐵焊錫，溫度可達200℃以上，操作過程，不可直接碰觸，請戴上防熱手套，以免燙傷。

4.        5mm的強力磁鐵吸力極強，欲分開兩塊磁石時，宜用手指左右滑開磁石。

5.        所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

n  教師教學提示與建議

1.        製作微型磁攪拌器的材料，多可以在電子材料行購得，滴定模組所需的螺口針筒、螺口針頭尖、M6不鏽鋼螺棒、M6長螺母可在拍賣網站購得。

2.        焊接的工作區很小，馬達、電池盒的電線很細，焊接時請小心，避免燙傷。

3.        微型滴定管模組，因是塑膠材質做完實驗，為避免殘留，應立即以蒸餾水清洗、50~60 ℃烘乾後，備用。

4.        塑膠針筒刻度的讀取，可能會有誤差，可以溶液每滴的體積或質量進行校正。

n  參考資料

1.     Magnetic stirrer. (2022, Feb 20).Retrieved fromhttps://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_stirrer

2.     廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。台灣化學教育電子期刊，期40，2022年3月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

3.     廖旭茂（2021）。利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解。台灣化學教育電子期刊，期43，2022年5月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=40821

化學與藝術的融合

林震煌

國立臺灣師範大學美術系教授、化學系合聘教授

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最近藝文界最熱門的話題莫過於台灣本土第一位雕塑家黃土水與《甘露水》～百年尺度的遺產與見證。1921年黃土水的大理石雕塑《甘露水》入選了日本帝國美術展覽會。在那之後，作品歷經了戰亂、動盪、棄置、封存、追尋…，這次驚艷地又再次展現在世人之前（北師美術館展出中：2021.12.18 -2022.04.24）。這是刻劃一名面容充滿自信的女子，頭微微仰起，姿態挺直，是臺灣第一件女性裸體雕刻創作。精湛的雕刻技巧，使得這尊大理石作品被讚譽為「台灣的維納斯」。主持這次黃土水大理石雕塑修復的森純一教授，他目前是台師大美術系的客座教授。他與黃土水同為東京藝術大學畢業，這一齣學長雕刻、學弟修復的故事也成了一段台、日間的美談。試想在一百年前的那個年代(大正10年)，能獲得一塊巨大的、雕刻等級的義大利大理石並不容易。黃土水用的大理石是介於雕刻等級與建築等級之間的大理石。他非常巧妙的將大理石最好質地的部分，用在臉部的雕刻，完成一件等身高的現代大理石雕刻。這大理石雕像經過近半世紀躺在木箱的塵封時間已不如黑白照片中潔白，顏色泛黃並有多處髒汙。森教授修復大理石污漬時，我們經常討論墨漬的成因，例如可能是普魯士藍或鐵膽墨汁造成的影響…等。現代雕像修復除了靠經驗，其實也很仰賴科學，尤其是化學。修復用的素材、藥品也都非常講究。常用的有碳酸氫鈉、碳酸氫銨、氨水、EDTA、甲基纖維素、次氯酸鈉、過氧化氫、環氧樹脂、B72黏著劑…等。最後上蠟、拋光，還有防霉劑的選擇，例如常用的有苯扎氯銨，樣樣都是一門學問。

本期專題為「化學與藝術的融合」，共有七篇文章。內容包括數位科技藝術、版畫、書畫裝裱、顏料與染色及濕壁畫。首先，臺灣博物館典藏之「康熙臺灣輿圖」是描繪17、18世紀臺灣社會文化生活及清初對臺灣地理知識的一個縮影。該圖是臺灣西部由北到南的山川地形、兵備部署與城鄉生活等景觀最早的記載。它可能是在庚子之亂的時候，從北京流出到國外。當時的臺灣總督兒玉源太郎知道以後，設法取回後就放在臺灣總督府的博物館，當作鎮館之寶。台灣光復後，移放到歷史博物館長年展出。2003年原圖送至日本進行修護。費時兩年的時間，於2005年12月完成修護工作，得以更佳的面貌重現於國人眼前。2016年進行數位重建。本期專題特別邀請到了數位重建的計畫主持人台科大陳鴻興教授撰寫專文。文章將介紹影像編輯與影像修復方式，並介紹如何以多圖層架構完成輿圖內整體元素之數位重建工作。內容包含文字、竹叢、樹林、水田、旱田、石城、兵營、草屋、土屋、山脈、河川、人物、牛、馬、犬、兔、鹿與船等元素。此外，文章中將提及如何使用多頻譜LED光源光箱系統，用來重建並模擬臺灣博物館常設展展場之展示照明，並決定出最為適當的色彩重建展示版本。這些數位重建與複製品評價技術，都可能是未來博物館、美術館在展示古地圖、書畫等典藏作品的一項新技術。

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108課綱開始實施迄今已三年，各個學校紛紛開展出屬於自己學校特色的探究與實作課程。本期邀請建中王慶豪老師撰文，介紹教師在課堂如何引導學生進行植物色素萃取與染布。染色的效果會受到染色材料的好壞、媒染劑、染色時的溫度、時間等因素而產生細微的差別。因此每次染色都可以創造出不同的藝術效果。故須設計相關的課程加以引導，讓學生探究的方向能稍微收斂不至於太過發散以減輕實驗室準備藥品器材的壓力。文中介紹了「紫草」、「芡草根」、「紅花」、「蘇木」及「黃梔子」等植物染材料，讓同學學習不同萃取植物染料的技術、探討金屬媒染劑所造成染液變化，並可利用手機辨色應用程式或RGB配色表定義顏色種類的不同，練習以色碼做為描述顏色的工具。

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文末特別要介紹的是「濕壁畫」。國內最早的「濕壁畫」畫家是師大美術系陳景容名譽教授。他是台灣當代一位極具才華的藝術家，不論在藝術、學術、社會的回饋和奉獻等成就斐然。陳景容教授在師大美術系畢業後赴日留學，畢業於國立東京藝術大學壁畫研究所，因此擅長油畫、素描、版畫、嵌畫、濕壁畫。中正文化中心國家音樂廳壁畫「樂滿人間」就是他的作品。他也是最早引進繪畫正統修復觀念的專家。我本身是理工科背景，在師大化學系任教多年，去年因緣際會跨領域轉聘到師大美術系文物保存科技組。在一次偶遇的機會中，陳教授邀我到他的個人畫室畫畫，於是我就這樣竟然也拿起了畫筆！本期邀請同一畫室的畫友許惠媛撰文，描述我們跟著大師學習「濕壁畫」的過程。

最後，非常感謝邱美虹教授邀請我擔任這一期的客座主編，也非常感謝編輯群的協助。歡迎本期刊讀者的你們，跟我們一起進行一趟化學與藝術的融合之旅！

化學與藝術的融合：國寶 「康熙臺灣輿圖」實體絹本重建技術

陳鴻興

國立臺灣科技大學
光電工程研究所、色彩與照明科技研究所

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n  前言

「康熙臺灣輿圖」是目前已知現存最早的單幅彩繪卷軸臺灣全圖（圖1），繪製於清康熙38至43（1699-1704）年間，全圖絹本設色，是以傳統山水技法繪製，描繪出17、18世紀之際，臺灣西半部從北到南的山川地形、行政兵備部署、道路與城鄉生活等景觀，可說是清初對臺灣地理與社會文化生活的一個縮影。此圖兼具地理圖、兵備圖與風俗圖之功能，被認為國立臺灣博物館最重要的鎮館之寶（國立臺灣博物館，2016），日本的歷史學者伊能嘉矩曾將之譽為「臺灣古圖之最」（翁佳音等，2007）。為了長久保護原輿圖，未來不再受到不適當環境溫度、濕度及光照之影響，以及希望未來能夠得到輿圖最佳展示效果之考量下，本研究預定以多圖層式之數位修復方式進行輿圖修復，並進行高品質之數位噴墨輸出原尺寸複製畫作，可有效提供作為修復、展示與教育研究之用途。目前學術界與博物館界對於「康熙臺灣輿圖」之描繪背景仍缺乏了解，為了解讀康熙臺灣輿圖當時之描繪背景以及臺灣當時之民俗風貌，本研究除了進行輿數位模擬重建之外，並將邀請國內歷史學家與修復專家諮詢及共同參與，廣泛並深入進行康熙時代相關史料之考查查﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽，期望能夠還原300年前臺灣歷史、地理與住民（平埔族與漢民族）社會風俗的原貌。

本研究主要介紹彩色影像處理與照明技術如何應用在博物館典藏品（古地圖）數位修復的一件代表案例，由於時代的快速變遷，博物館數位修復逐漸成為一門跨領域學門，除了美感訓練之外，有關色彩科學、照明科學以及化學專業知識的養成亦不可欠缺，希望能夠藉由本文之介紹，對於年輕學子融合藝術與科學跨領域的視野養成有所幫助。 

圖1 「康熙臺灣輿圖」原圖局部：上圖為台灣北部至中部，下圖為台灣中部至南部

(國立臺灣博物館典藏)

n  基礎原理

1. 色彩度量學

色彩度量學（Colorimetry）為現代色彩科學的基礎。人類經過漫長的摸索，終於了解色彩的形成需要經過三階段：物理階段、生理階段與心理階段（圖2）。物理階段是指在「物體」、「照明」或「色覺」，可以利用光譜的方式來描述，即在可見光波長範圍（380 nm-780 nm），描述物體的反射或透射特性用光譜反射率或光譜透射率，描述照明光的能量特性用光譜能量分布，描述人眼中三色感色細胞（錐狀細胞）的感色特性用色匹配函數（Color Matching Functions，由國際照明委員會進行標準化定義之）。生理階段是指在人眼外界之色光，進入人眼錐狀細胞進行光電轉化之後，會形成紅色訊號、綠色訊號、藍色訊號等三色訊號，再經由視神經進行傳遞。心理階段是指視神經中的紅、綠、藍三色訊號傳遞進入大腦特定區域之後，會形成色彩之感覺，此色彩之感覺可用色彩三屬性來描述之，即色相（hue）、明度（lightness）、彩度（chroma）。色相是大腦對對象物（物體或光源）感覺之色名，明度是大腦對對象物感覺之明暗程度，彩度是大腦對對象物感覺之鮮豔程度（陳鴻興、陳詩涵，2008）。

圖2  色彩形成原理 （自行繪製）

    色彩度量學是研究人的色覺規律、色彩測量理論與技術的科學，它是由國際照明委員會CIE （International Commission on Illumination）所制定。其中，最重要的一個觀念是三刺激值(tristimulus values)。人眼的三個色彩訊號一般我們描述為三刺激值XYZ。一個物體的顏色，其三刺激值的形成，可視為它的物體光譜反射率（如果是透明物體，則描述為物體光譜透射率）、照明光譜分布與色匹配函數（正常人眼中三色感色細胞之感度分布曲線，由國際照明委員會CIE所制定），三者在可見波長範圍內積分作用後所得的面積值。試以圖3的例子來說明；如果有一個藍色物體的光譜反射率（寫作R，例如，藍莓），此物體在光源光譜（寫作P，例如，D65日光）的照射條件下，在兩者先進行作用後，這時我們可當作「白光」照射該物體後，從該物體反射之「藍光」，再進入人眼視網膜上之感色細胞（錐狀細胞）再次進行作用，產生對應之彩色訊號。在計算過程中，我們可以採用光源光譜P與物體光譜反射率R在各個波段進行相乘產生藍光。這束藍光進到人眼的色覺系統後，讓它與三色錐狀感色細胞（CIE色匹配函數）分別再進行相乘，最後所得到的PRX、PRY、PRZ的積分面積值，即分別稱為三刺激值X, Y, Z。以圖3來說明的話，即一個物體具有R的光譜反射率，在具有照明光光譜能量P的光照射下，所產生的色光進到人眼色覺系統的色匹配函數、、作用產生三個色彩訊號量，稱為三刺激值（陳鴻興、陳詩涵，2008）。

 

圖3  三刺激值形成原理 （陳鴻興、陳詩涵，2008）

2. 色度圖

   接下來我們要介紹色彩度量學的另一重要觀念：色度圖，它可以將一個物體（光）的三刺激值資訊進行色度與亮度的分離，如將一個色刺激之三刺激值X, Y, Z，其三刺激總和（X+Y+Z）當作分母，個別元素X, Y當作分子，這樣得到一個新的座標圖稱為CIE xy色度圖。一個顏色如果有它的x, y色度座標值的話（例如，x=0.6, y=0.3），對照色度圖就可以知道這個顏色是什麼色名（例如，紅色），其它顏色都可以以此類推。在CIE xy色度圖上，可以定義幾個常用的名稱；一個叫做光譜軌跡。在光譜軌跡上，長波長到短波長的色相順序為紅–橙–黃–綠–藍–藍紫，如果把可見波長的長波長端（紅色端）與短波長端（藍紫色端）連成一線會產生純紫邊界線。還有一個定義叫做等能量白點，它是X=Y=Z計算成為x=1/3,
y=1/3所得到的色度結果。藉由x, y的色度組合，我們可以看到一個物體或色光的色度，再配合上刺激值Y的話，就可以知道該物體或該色光的色度與亮度特徵（圖4）（陳鴻興、陳詩涵，2008）。

      

                   (a) CIE xy色度圖                         (b)CIE a^*b^*圖

圖4   CIE色彩系統 （陳鴻興等，2018）

3. 色差   

接下來我們要講在色彩度量學在工業上的一個重要應用：色差，即利用色彩測量的手段比對顏色並分析一對色樣本之間的顏色差異，這裡簡單介紹最基本的色差公式：1976年CIE定義的色差公式，寫作△E^*_ab，例如說，我們眼前看到一對不同顏色，要如何去描述這對的顏色差異呢？首先我們要決定其中的基準色並測色計算找出它們的L^*a^*b^*值，比如說基準色稱為L^*₁、a^*₁、b^*₁，測試色稱為L^*_２、a^*_２、b^*_２，這二個色樣本之色差可視為它們在CIELAB色彩空間中產生二個色點座標之後，兩色點在CIELAB色彩空間中之歐幾里得距離。色差△E^*_ab是它們之間的明度差△L^*，紅綠色差△a^*與黃藍色差△b^*之平方值再開平方根，△E^*_ab這個數值越大，就代表這二個顏色越不同，數值越小就代表這二個顏色越接近（陳鴻興、陳詩涵，2008）。CIE除了公布1976年色差公式之外，為了更精準描述顏色差異，另外還公布有1994年及2000年色差公式，基本上都維持著1976年色差公式之架構，再加以改良。

4. 光度學

光度學（photometry）是根據人眼的敏感度，測量及量化可見光光強弱程度的一項領域。光度學除了要確定相應的測量單位之外，還要研究測量儀器的設計、製造和測量方法。廣泛應用於建築設計、光學工程、照明工程及影像顯示等領域。例如，在照明工程領域中，需要對各種光源進行光度的特性測量。描述光的照明單位需要從「光源」、「人眼」與「物體」等三方面的關係一起考量（圖5），包含光通量（光源）、發光強度（光源與人眼）、照度（光源與對象物）與亮度（人眼與對象物）。即當一光源從發射到物體表面時，到被人眼看見的過程中，在不同階段有其不同的定義與單位（圖6），分述如下：

(1) 光通量

光通量（luminous flux）單位為流明（lm），是單位時間內光源所發出的可見光能量。新購的投影機說明書上，常會標示該投影機具有多少流明數，即是指它的光通量。               

(2) 照度

照度(illuminance)單位是勒克司（lux; lx; lm/m²），是每單位面積所吸收可見光的光通量，用於入射表面的光。照度的大小取決於光源的發光強度，以及被照體和光源之間的距離。在我國國家照度標準CNS的照度標準中，均有對常用的室內工作場所（例如：教育建築、辨公室、餐廳、圖書館等）制定有適度照明的照度規範。

(3) 發光強度

發光強度（luminous intensity）單位為燭光（cd; lm/sr），是一光源在特定方向上所放射出單位立體角內的光通量。在1單位立體角內其強度為1/683瓦特時的光源發光強度，稱為1燭光。像是在LED照明領域中，產品出廠前，需要對各種生產LED光源進行各個角度下發光強度特性分布之測量，取得配光曲線圖。

(4) 亮度

亮度（luminance）單位為cd/m² （或cd/(sr·m²)），是一光源單位在給定方向上單位面積、單位立體角內所發出的光通量。像是在影像顯示領域中，產品出廠前，需要對各種生產的液晶顯示面板進行亮度特性之測量，衍生包含最大亮度、最小亮度、對比與畫面均勻度等。

圖5 光度學四大單位關係圖 （陳鴻興等，2018）

 

圖6 光度學四大單位示意圖 （陳鴻興等，2018）

n  研究方法

臺灣博物館接收自日治時期的臺灣總督府博物館典藏之「康熙臺灣輿圖」，有三個版本，其中之一被判定可能是「原圖」，另外兩個版本則應是在日治時期依「原圖」所臨摹的第一、第二摹本。目前市面上所見的「康熙臺灣輿圖」，均是根據第一摹本再製而成。「原圖」因年代久遠，已有部分材質破損與顏料脫落，為了慎重保存起見，近年來該「原圖」則未有過再進行公開展示。「原圖」上文字多以記述地名與行程聯絡之用，是以毛筆直接書寫於絹本上，全體字數共約3,515個字。圖7為原圖、第一摹本與第二摹本描繪相同位置（今基隆區）之對照例，整體來說，原圖的繪製內容較第一摹本與第二摹本為細緻，但已有相當程度老化褪色與剝落損傷，第一摹本與第二摹本的描繪內容不見得與原圖完全一致，但整體保存狀態較佳，因此，該兩版本內容可作為原圖數位修復與重建之參照依據。本研究「康熙臺灣輿圖」數位重建作業之實施步驟包含：「分類輿圖元素」、「軟體數位重建」與「展示品色彩評價」等三項內容，說明如下：

(a)原版                     (b)臨摹版1                               (c)臨摹版2

圖7 康熙臺灣輿圖三種版本對照（今基隆區）(國立臺灣博物館典藏)

 

1.     分類輿圖元素

    由於目前輿圖上文字相當一部份已剝落不明，為了完整重建文字原貌，決定採用委託書法專家以毛筆書寫臨摹於紙本之後，再以數位掃描之方式來進行文字重建，圖8表示輿圖內文字重建之一例，包含有(a)原圖文字、(b)臨摹掃描及(c)重建文字，子圖(d)與子圖(e)另外表示輿圖內文字原稿(黑字)與數位重建結果(紅字)之2個圖例。本研究完成輿圖內所有構成元素之分類，整理如表1，共包含以下18種構成元素：(1) 文字、(2) 竹叢、(3) 樹林、(4) 水田、(5) 旱田、(6) 石城、(7) 兵營、(8) 草屋、(9) 土屋、(10) 山脈、(11) 河川、(12) 人物、(13) 牛、(14) 馬、(15) 犬、(16) 兔、(17) 鹿及(18) 船等。

          (a)原圖文字   (b)臨摹掃描   (c)重建文字

    

  
(d) 文字原稿(黑字)與數位重建(紅字)-例A   (d) 文字原稿(黑字)與數位重建(紅字)-例B

圖8 文字原稿、臨摹與重建結果  

表1 輿圖構成元素的分類與命名

2. 軟體數位重建

    本研究進行輿圖之數位重建工作，係採用Adobe Photoshop CC影像編輯軟體之影像處理相關工具，進行輿圖內容之數位重建，以下整理選用Adobe Photoshop軟體之應用程式選單（選單）及工具面板（工具）中，應用於本輿圖數位重建之相關指令操作。

(1)    「變形、旋轉、放大、縮小」操作

(2) 「模糊化、銳利化」操作

(3) 「仿製印章工具」操作

(4) 「圖樣印章工具」操作

(5) 「橡皮擦」操作

(6) 「筆刷」操作

(7) 「快速選取工具」操作

(8) 「魔術棒工具」操作

表2與表3分別整理了針對「竹叢」、「樹林」元素，與「石城」、「兵營」元素，在重建前與重建後的對照結果。

表2 「竹叢」、「樹林」元素重建圖例

表3 「石城」、「兵營」元素重建圖例

 

3. 展示品色彩評價

    表4整理選定之展示作品色彩重建之評價圖像，它們是選自於數位重建後輿圖的局部圖像後進行絹本材料上之噴墨打樣，圖像周圍自行增加了24色色彩導表（黃日鋒等，2011），以作為測色基準之測色判定。子圖(a)為複製原圖，子圖(b)至子圖(g)分別代表依據表4所示之亮度及飽和度調整條件（條件A~條件F），製作輸出6張色彩重建評價用樣本（樣本A~樣本F，A4尺寸），將6張色彩重建評價用樣本整體調亮一定比例之後、再依不同增加鮮艷程度進行些微調，這些評價用樣本整體彩度之增加程度，是按照子圖(b)圖至子圖(g)的順序微量增加，在特定展示LED照明的條件下，這些評價用樣本之專家視覺評價結果將可作為決定完整複製展示品何者為最適當色彩重建之判定依據。

    為了精確模擬臺灣博物館輿圖展示的照明環境，我們導入多頻道光源LED光箱系統進行展示照明光之重建模擬作業，該照明系統可以用來重建博物館預定展示LED用燈的照明光特性（照明光之色溫、照度、光源演色性及光譜功率分布）。圖9顯示使用多頻道光源系統（Thouslite LEDView光箱）重建博物館展示用燈的示意圖，該系統中包含的11種特定LED光譜功率分布曲線，能夠精準重建任何展示照明之光譜功率分布，目前所測試的兩種LED照明展示照明包含「LED照明1」與「LED照明2」，它們是表示在臺博館內部實際展示場所之中的兩種照明光譜功率分布（圖10）。經過光譜輻射儀光譜測量之後，我們將「LED照明1」分類為低演色性（CIE R_a=62），「LED照明2」分類為中演色性（CIE R_a=80）。

    藉由多頻道光源LED系統之使用，接著將此二種展示LED燈之照明光進行重建之後，在這些選定的照明條件下，進行前述選定評價用樣本色彩重建之專家視覺評價作業，即在光箱內擺放一系列色彩評價用的作品影像（即表4：子圖(b)～子圖(g)的樣本A~F輸出絹本打樣），邀請9名臺博館的專業工作人員（專家）作為色彩評價受測者，對這些評價用樣本進行視覺評價。 

表4 設計色彩重建評價用樣本：(a)圖為原圖局部，(b)圖至(g)圖分別代表整體調亮一定比例（調亮1級）後、再依不同增豔程度（鮮豔1級至鮮豔3級）的調整結果

圖9 利用多頻道光源系統重建博物館展示照明光箱 

圖10 臺博館展示場所的2種照明光光譜功率分布曲線

n  研究結果

    在完成9名受測者評價作業之數據分析後，分析結果均顯示：無論在哪一種展示照明（展示光源1與展示光源2）照射下，展示品色彩重建之評價結果均顯示樣本C在所有6件評價用樣本（A~F）中，得到最佳的色彩評價結果（圖11）。所有受測者在兩種展示光源照明下。我們進一步對各個評價用樣本上24色色彩導表進行色彩量測，分析其中之6個主色（紅色R, 黃色Y, 綠色G, 青色C, 藍色B, 洋紅色M），色彩測量採用分光光度計（X-rite i1 pro），所測量CIE色彩值包含明度L^*值, a^*值, b^*值及彩度C^*_ab值。圖12顯示在二種展示照明下，樣本A~F之CIE a^*b^*色域圖，其中，紅色實線為的複製原圖，藍色實線為評分最高的樣本C（即以Adobe Photoshop進行「調亮＋1級、調飽和度＋2級」操作之樣本），結果顯示樣本C中黃色系與綠色系之色彩再現結果，較複製原圖（紅色實線）之彩度值提升。

 (a)                                       (b)

圖11 展示作品色彩重建之視覺評價結果：(a) 展示LED燈1，(b)展示LED燈2

 

(a)                                       (b)

圖12 二種展示照明下評價用樣本A~F之CIE a^*b^*色域：(a) 展示LED燈1，(b)展示LED燈2

（藍色實線為評分最高的樣本C）

    本研究另外進行之科學檢測項目包含有「X光透視圖」與「紅外線反射檢視」等項目，以下為檢測結果與圖例：

(1)       X光透視圖：《康熙臺灣輿圖》是以傳統礦物顏料在絹上彩繪，其顏料層稀薄，而絹布為有機質，基本上須以能量較低，波長較長的軟X光透視，本次利用X光透視檢視輿圖，嘗試從材料的殘留或分布，找出因老化或劣化而質變或缺損而消失的訊息。以下為表5分析一例之說明。X光影像是X光穿透檢測物件的過程與組成材料原子交互作用的結果，顏色淺即表是抵達偵測面板的X光光子數較多，換句話說就是材料密度較低或是原子量較輕的元素。在上圖可以看見有較淺色的線條存在，可能是舊有的摺痕，造成的缺損。也可以看到部分色彩在X光影像中消失，譬如：書法文字於X光影像並沒有呈現，可以推論標註之文字的材料是輕元素的成分，也可以再進一步推論標註文字的黑色材料就是碳，因為傳統的墨是以松煙製得，其主成分就是碳黑。

表5  X光透視檢測之一例

原圖

(2)   紅外線反射檢視：本研究使用之紅外線反射攝影，為使用飽含紅外光的鎢絲燈為光源，將EOS 60D (Canon)數位單眼相機改裝為接收光波長範圍從可見光至近紅外光1,100 nm，並配合850 nm~1,050 nm帶通濾鏡，以獲得近紅外光影像。以下為表6分析一例之說明。因傳統繪畫是以墨色為主的水墨畫，而墨本身是以松煙製作而得，松煙的主成分是碳黑，其分子吸收紅外線，所以若是拍攝紅外線反射影像，可以明顯見到以墨描繪之線條。

表6 紅外線攝影檢測之一例

n  結論

   本研究完成臺灣博物館典藏「康熙臺灣輿圖（原圖）」之數位重建與複製品評價與輸出，本研究完成輿圖內整體元素之數位重建工作，並導入多頻譜LED光源系統重建模擬臺灣博物館常設展展場之展示照明，進行何種顏色之複製展示品，會具有最佳展示效果之色彩評價作業。最後將數位模擬與重建的最適當版本，委託以高階數位噴墨印刷進行原寸絹本輸出。針對臺灣博物館館方典藏之「臺灣康熙輿圖」三種版本（即「A版（原圖）」，「B版：（臨摹版1）」及「C版（臨摹版2）」)，將其輿圖內容之文字與圖形元素進行交叉比對，完成輿圖史料調查。

   本研究設計之「康熙臺灣輿圖」數位重建作業之實施步驟包含：(1) 分類輿圖元素」、(2)軟體數位重建，以及(3) 展示品色彩評價等三項內容。在分類輿圖元素方面，本研究完成輿圖內所有構成元素之分類，共包含18種構成元素：(1) 文字、(2) 竹叢、(3) 樹林、(4) 水田、(5) 旱田、(6) 石城、(7) 兵營、(8) 草屋、(9) 土屋、(10) 山脈、(11) 河川、(12) 人物、(13) 牛、(14) 馬、(15) 犬、(16) 兔、(17) 鹿及(18) 船等。在軟體數位重建方面，本研究係採用Adobe
Photoshop CC影像編輯軟體之影像處理相關工具，完成輿圖內整體內容之數位重建工作。在展示品色彩評價方面，本研究導入多頻譜LED光源光箱系統，重建模擬館方常設展展場之兩種照明展示光源，進行何種複製展示品具有最佳展示效果之色彩重建評價作業，並決定出最為適當的色彩重建展示版本。最後將數位模擬與重建的最適當版本，委託以高階數位噴墨印刷方式進行列印輸出，按照原寸比例，噴墨輸出重建於絹本材料上。

    本研究針對國寶「臺灣康熙輿圖」原圖進行全面性科學性檢測，檢測方法包含「X光透視圖」、「XRF分析顏料」、「紅外線反射檢視」與「拉曼光譜檢測顏料」等四項，進行輿圖上顏料之元素分析與非可見光影像之鑑定，對於臺灣的歷史研究與古代輿圖的科學考證上具有相當劃時代的意義。本研究成果「康熙臺灣輿圖重建版本」（「康熙臺灣輿圖數位/夢幻重建D版」）於2020/03/10 至2020/08/30期間在臺灣博物館館內公開展示（《夢幻古圖－康熙臺灣輿圖總動員，圖13），以下展示說明文字介紹：（國立臺灣博物館，2022）

「《康熙臺灣輿圖》家族總動員：

本展為《康熙臺灣輿圖》數位重建(D)版完成後的首度公開現身。為使本版在視覺上盡量貼近「原版」的色彩效果，團隊以模擬的展示光源，選出最適的色彩重建版本，再依原寸比例以噴墨輸出，並參照原版裱褙方式進行裱褙，而完成了《康熙臺灣輿圖》D版的實體紙本重建。

配合《康熙臺灣輿圖》數位重建(D)版的首度現身，本展亦同場展出《康熙臺灣輿圖》前面三位「前輩版本」，即列為「國寶」的《康熙臺灣輿圖》「原版」(或稱A版)，列為「重要古物」的《康熙臺灣輿圖》(B版) 與「第二摹本」(C版)，此為歷史上第一次《康熙臺灣輿圖》三版「全員到齊」聯展，再加上第四個版本：《康熙臺灣輿圖》數位/夢幻重建(D)版，堪稱是《康熙臺灣輿圖》家族總動員。」

本研究建議之實體絹本重建與複製品評價技術，可提供博物館、美術館未來展示古地圖、書畫等典藏作品的一項新觀念。

 

圖13 臺灣博物館《夢幻古圖－康熙臺灣輿圖總動員》

n  參考資料

翁佳音、石文誠、陳佳慧（2007）。康熙臺灣輿圖歷史調查研究報告。國立臺灣博物館。

國立臺灣博物館（2016）。康熙臺灣輿圖（局部）。網址：https://kangxitaiwanmap.ntm.gov.tw/ 

國立臺灣博物館（2022）。《夢幻古圖－康熙臺灣輿圖總動員》特展，臺灣博物館1樓東展廳，2020/03/10 ~ 2020/08/30. 網址：https://event.culture.tw/NTM/portal/Registration/C0103MAction?useLanguage=tw&actId=00017&request_locale=tw

陳鴻興、陳詩涵（譯）（2008）。色彩工程學：理論與應用。（原作者：大田登）。全華。

黃日鋒、詹文鑫、陳鴻興、胡國瑞、徐道義、孫沛立、羅梅君（2011）。顯示色彩工程學（二版）。全華。

n  附註

    本文為作者執行「康熙臺灣輿圖數位修復委託案」（2016.8.2 ~ 2017.8.1）之部分研究成果。本修復計畫之完成，特別感謝以下人員之參與：李子寧副研究員、呂孟璠組員、曾沛婷組員(以上國立臺灣博物館)、羅鴻文助理教授（臺南藝術大學博物館學與古物維護研究所）在計畫進行上之協助、翁佳音老師（中央研究院臺灣歷史研究所）提供專業歷史之建議，以及林震煌老師（臺灣師範大學美術系）、曾永寬老師（雲林科技大學文化資產維護系）、周靜茹博士生（臺灣科技大學應用科技研究所）、林韻丰博士生（臺北藝術大學文化資產與藝術創新博士班）在本修復計畫協助參與相關研究項目，並感謝登華資訊張秉君經理提供多頻道光源系統（Thouslite LEDView光箱）之使用，使本計畫得以順利進行。

化學與藝術的融合：金屬版畫的修復研究探討–以楊英風<常新>作品為例

王瓊霞

國立臺灣師範大學
文物保存維護研究發展中心

[email protected] 

n  前言

楊英風的金屬版畫<常新>是國立臺灣師範大學（以下簡稱臺師大）生科系校友洪三和老師的收藏作品之一，因懷抱感念與回饋之心將其歷年珍藏之名家作品贈予母校典藏。臺師大典藏作品是歷年美術系畢業校友與師長的留校之作數量超過三千餘件，為本校重要文化資產和台灣藝術史上最珍貴的脈絡史料。臺師大也是在教育體系中擁有美術系所，與兼具大學美術館及文物保存維護研究發展中心（以下簡稱文保中心）的唯一一所大學。典藏媒材橫跨國畫、書法、油畫、水彩與版畫、設計等繪畫作品為大宗，金屬材質作品甚少，因楊英風大師為臺師大美術系校友，作品修復前已有歲月下損傷，最主要劣化問題產生是因台灣海島型潮濕氣候影響造成本案文物金屬表面全面性的氧化滋生鏽化物，2020年臺師大選件會議決定將本文物優先修復。

此金屬版畫作品修復前經光學攝影檢視劣化現狀外，另使用非破壞性X射線螢光分析（X-ray fluorescence, 以下簡稱XRF）檢測金屬版材質得知主元素為鎳（Ni）、鋁（Al）、鐵（Fe）組成的合金材質，將可提供修復人員進行修復前的材質解析與修復執行移除鏽化物的評估判斷，本文以此案例探討介紹修復方針與內容、展示與保存形式。

 

n  修復前作品現況

一、楊英風 金屬版畫<常新>

（一） 作品簡介

是知名藝術家楊英風（1926~1997）所創作的金屬版畫作品。楊英風大師是台灣宜蘭人，曾先後求學於日本東京美術學校建築系（今東京藝術大學）、北平輔仁大學美術系、臺師大藝術系（美術系前身）。日本求學時期師事朝倉文夫（1883~1964），朝倉在日本素有「現代雕塑之父」及「東洋的羅丹」之美譽，對於楊英風的雕塑、景觀等啟蒙無不有影響，並展現於在楊英風後期作品上，善用現代主義的抽象造型、不鏽鋼材質融入自身東方及宗教的哲學思維創作大型景觀雕塑而聞名（「楊英風」，2022）。

本件金屬版畫作品經查詢後，作品主題構圖同不鏽鋼雕塑<常新>，都為響應1990年聯合國訂定的環保地球日所創作，以循環帶飾圍繞圓球的構圖表達地球的不息運行（楊英風數位美術館，2004）。本件作品的創作年代依據左下方作者的題字落款為1990年3月13日，並於右側闡述作品創作意念，「常新 生命的意義在創造宇宙繼起之生命 生命的延續在平衡萬物自然之生態 我們只有一個地球 請付出熱情與關懷 促使大地常新 生命永不停息」，說明採中、英文對照（見圖1）。製作技法推論應為使用金屬蝕刻（Etching）技法，金屬蝕刻是採取各方式將版面保護遮蔽、裸露，透過酸性化學液進行腐蝕的化學作用，腐蝕效果取決於酸的濃度、溫度變化和時間的長短（林雪卿、鐘有輝，2018），本作品另加工製出主構圖。

圖 1：楊英風 金屬版畫 <常新>，27.6 x 37.3公分，厚度0.1公分

（二） 修復前劣化現況

修復前攝影：針對作品修復前的整體狀況的調查紀錄。進行可見光（正面光、側面光）、非可見光（紅外光與紫外光）攝影與使用非破壞性XRF儀器輔助分析金屬版材質。透過上述不同特殊光源的攝影記錄與非破壞性的檢測，可幫助全面性了解作品材質及損傷的狀態與做出適當性的修復處置判斷（見表1）。

  表1：修復作業流程

作品修復前經使用卡紙開窗裝框，背面以紙膠四邊黏貼將三夾板固定在框體。卡紙、三夾板與紙膠（膠帶）都是市面裝裱店家常見與使用的材料，相對於無酸材料更便於取得與價格便宜。這些材料會逐漸隨著時間容易酸化變色，容易促使有機文物（紙質、織品等）發黃長斑，外加台灣多雨潮濕氣候環境影響，文物常受發黴、黃化及滋生褐斑等問題所擾。本案經評估相關修復前檢視資料後判斷本次為初次修復先前應無修復過，從外框背面紙膠早已發黃劣化與無遭撕開等跡象推論，作品經裝框後就一直維持在框內，詳見以下圖2~3說明。

 

 

圖 2：作品修復前為卡紙開窗裝框，背板是用酸性三夾板並以紙膠黏貼固定於框體上

 

圖 3：作品從外框分離後，可見在作品背面四邊使用透明膠帶黏貼固定在卡紙上

從作品與外框取出後可看出裝裱結構是將卡紙開窗露出畫面，背面則使用四條卡紙圍繞作品四邊再使用透明膠帶黏貼在文物四邊與卡條固定（圖3）。經檢視後文物最大劣化問題是背面有大量附著物，更進一步採取顯微近照攝影判斷應該是金屬版長期處於溼度過高環境，金屬表層氧化腐鏽生成氧化衍生物（圖4）。另因卡紙正、反面皆有明顯肉眼可見的褐斑與經紫外光檢視有螢光現象也是卡紙有長期受潮導致發黴的狀況（圖5）。

  

圖 4：金屬版背面經側面光檢視，有全面性的未知附著物。經實體顯微近拍觀測應為金屬版氧化腐鏽衍生物。

 

圖5：在紫外光365nm檢視，卡紙上褐斑有螢光現象應是長期處於溼度過高環境致使發黴的狀況

執行修復前須釐清金屬版畫的基底是何種材質組成，才能知曉如何進行移除表面氧化衍生物，可藉由XRF分析儀檢測被測物的元素組成（具有定性與半定量功能）、無須破壞文物取樣分析。針對金屬版畫的分析處如圖6（右圖）所標示有三個區域。XRF檢測分析得知金屬底板（檢測點1）組成主元素為鎳Ni、鋁Al、鐵Fe，次要元素為銅Cu、鎵Ga，微量元素為鈦Ti。檢測點2的主要組素幾乎相同於底板，不過鎳Ni的向量更高。檢測點3主要以鎳Ni、鐵Fe為主，次要元素為鈷Co，微量元素為錫Sn、鋅Zn。

 

圖 6：運用手持式非破壞性XRF分析儀器檢測金屬版材質。檢測點1-金屬底板銀灰色、檢測點2-主題構圖內的亮灰色、檢測點–主題構圖內鐵灰色

圖 7：金屬版XRF檢測圖譜：三處檢測點疊圖比較（Brucker Tracer III-SD Handheld XRF, Rh tube）

透過科學檢測XRF的分析可知道文物的金屬基底材成份應為鎳鋁鐵合金為主，正面畫意主構圖鎳的向量線很高，推論可能有後加工鍍鎳處理。

n  修復執行

本作品最大劣化問題在於金屬版背面長期受潮造成氧化腐鏽衍生物，修復處理方針是朝向完全性移除這些鏽化物為目標。本件作品身為文物文化財不可使用拋光打磨這類破壞性方式處理，評估尋找出適合的除鏽藥劑後，再進行模擬測試藥劑的濃度與合適的反應時間後才可正式進行修復作業。因先前已調查了解本作品技法使用酸液蝕刻液製作，選擇移除鏽化物也是初步傾向以酸性藥劑為主，使用後不會造成金屬版表面損害與變色，材質為合金成分複雜尚有其他添加元素，這些經由檢測所的到的資訊都須納入本案的修復方針評估。

修復執行作業內容：

一、移除作品背面的透明隱形膠帶及殘留膠漬（圖8-9）。

二、全面性的表面乾式清潔：針對作品正、反面初步使用修復用煙燻海綿將灰塵、表層淺層鏽化物、附著物等擦拭移除。

三、其次，依修復前的模擬測試除鏽結果（濃度、作用時間）針對腐蝕較深層的鏽化物進行低濃度的酸性溶劑處理移除，根據腐蝕深淺調整次數，盡可能避免破壞金屬合金版表面的氧化層。若對反應時間與濃度掌握不慎，將造成比較深的鏽化物會跑到下層的氧化膜內（圖10-11）。

四、設計保存維護形式：作品修復完後建議存放於金屬抗氧化保存袋內保存，有展覽需求再將作品從金屬保存袋中取出，放置於無酸卡紙開窗的夾裱中並裝框展示。展覽結束後確認文物狀況無誤後再放回金屬保存袋中（圖13）。

 

圖 8：以可溫控熱風槍適度軟化膠帶將金屬版與酸性卡紙分離

 

圖 9：待可溫控熱風槍適度軟化膠帶後，使用精密碳纖頭鎳子（避免鎳子尖端刮傷金屬表面）小心揭除，殘留膠漬再以豬皮膠（rubber cleaner）沾黏移除

 

圖 10：用細筆將低濃度酸性藥劑薄塗在衍生物上，謹慎控制反應時間後立即使用棉花棒小心擦拭移除鏽化物

圖 11：移除氧化腐鏽衍生物前、後

n  保存維護與展示

因本件作品為金屬文物，修復後以密封保存於金屬抗氧化保存袋（Corrosion Intercept）內，可避免文物作品遭受不必要的環境潮氣再次引發腐蝕鏽化物。若有展出需求必須配戴手套將文物作品從保存袋取出並置入為展覽專用的無酸卡紙夾裱內與裝框展出。

 

圖 12：修復後作品放置於金屬抗氧化保存袋中保存，待有展覽需求時再將文物取出裝入無酸開窗夾裱中展出。這類無酸卡紙夾裱與外加無酸瓦楞紙型式為臺師大文保中心針對修復後文物所設計的強化保護措施。

n  結語

文物藝術品的樣貌不斷地經由創作者展現其意念陳述，技法與材料也與日俱新，對文物修復人員無不是一大挑戰。所幸拜科技發達所賜，藉由使用非破壞性且無需破壞文物取樣的檢測方式即可事先獲得文物材質的資訊並且輔助修復判斷，本案也如預期規劃的內容順利完成修復。

n  致謝

    感謝本校客座日籍教授森純一指導協助。

n  參考資料

林雪卿、鐘有輝（2018）。版畫101（53-57）。臺中市：國立臺灣美術館。

楊英風（2022）。在中文維基百科。檢索日期：2022年2月2日。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/楊英風

楊英風數位美術館（2004）。美術作品常新。檢索日期：2022年1月20日。取自

http://yuyuyang.e-lib.nctu.edu.tw/collection/view1.asp?keywords=%BBR&SelectItem=&db_menu=&view_db=artWorks&no=I0135&form=%B4%BA%C6%5B%C0J%B6%EC&workstype=%AC%FC%B3N%A7%40%AB%7E

化學與藝術的融合：黏著劑應用於書畫裝裱及修護的再思考

許兆宏

國立故宮博物院登錄保存處助理研究員

[email protected]

n  前言

    「裝裱」（Mounting）這項傳統的工藝技術是讓書畫得以長久保存的一項原因，這項工藝有著繁瑣的製作程序，而「漿糊」是製作時不可缺少的黏著劑。目前有研究認為，在漿糊中添加其他輔助材料使其pH值維持弱鹼性會有助於書畫更為長久地保存。

    除了漿糊之外，布海苔（Funori）及甲基纖維素（Methyl cellulous，簡稱MC）是書畫修護步驟「表面暫時性加固」可供選擇的黏著劑（Adhesive），這三種黏著劑成份相異，目前可藉由儀器設定溫濕度、UV光照時數等老化條件來實驗三種黏著劑在耐久性的程度變化，也已有部分的研究成果。

    透過現今科學的分析、實驗可讓修復師獲多許多文物劣化的知識，並指引正確的修護解決方向，然而實驗結果的建議是否執行最後仍需由文物修復師結合自身的實務經驗審慎決定。本文試由探討黏著劑耐久性的相關文獻來思考後續的研究方向。

n  書畫裝裱與黏著劑的關係

書畫是東方藝術中相當重要的類別，古人認為保存歷代的珍稀書畫與「裝裱」密不可分。簡單地說「裝裱」是將綾、絹、紙等各材料組裝於作品上，不僅視覺上能美化作品，也能將作品製成為軸、卷、冊等型式因而給予良好的保護，所以古書畫才能歷經百年依然存在於世人眼前（見圖1）。

圖1：清 王原祁山村雨景圖 掛軸 （國立故宮博物院藏）

而綾絹原料為蠶絲，紙張則為植物纖維，要將這兩種截然不同的材質得以相連，自古便是使用「漿糊」。漿糊是裝裱工藝主要的黏著劑，在一般的書畫修補或修護作業來說，材質翹起時的回填壓平、缺損處的填補、劣化材質的強度加固……等，都是漿糊足以應用的範圍；另外，當材質收縮不平時可在背面黏覆一層紙張使其平挺，這樣重要的工序及技法在裝裱中會慣以「托」或「覆」稱呼，而主要的托覆作業則含括：

一、小托（Initial lining）：

貼覆一層柔軟的手工紙張於作品的背層（見圖2）。「小托」可以提升其作品的材質強度使保存上更為穩定，而手工紙張的品質與作品日後的保存優劣有著一定的關係，因此將紙張俗稱為「命紙」。

圖2：將紙張小托於畫作背層

二、托綾絹（Mounting fabric）

綾、絹是用於裝飾作品的蠶絲布料，素色帶有紋地稱為「綾」、若無紋地則為「絹」。由於綾或絹相當柔軟輕薄、具伸張性，得在其背層以漿糊貼覆一層手工紙張成為「裱綾」或「裱絹」。乾燥之後便可按各裝裱型式的製作比例，將托裱好的綾絹裁切得以鑲黏於作品上（見圖3）。

圖3：依裝裱型式將鑲黏裱綾於作品上

三、加托及覆褙（Subsidiary lining & Final lining）

「加托」是介於小托及覆褙間，對於破損或劣化較為嚴重的書畫可補足小托紙的強度並延緩書畫酸化。「覆褙」則是最後一道的托裱程序，在裱綾絹鑲黏完成的作品背層再貼覆一層紙張讓各材質的組成更趨穩定、平挺。這兩項工序與裝裱後書畫是否柔軟易於卷收的品質有關（見圖4）。

圖4：裱綾絹鑲黏完成後進行覆褙作業

n  相關實驗成果

        漿糊的製成原料為小麥澱粉（Wheat starch，為去筋麵粉或俗稱澄粉），除此之外古籍中各家在製糊時另外會加入其他輔助材料，例如花椒、白芨、明礬、乳香…等，藉由中草藥來防蟲、防腐或增加黏性。透過現今PDA培養基的食品生物檢測技術，實驗得出明礬、百部、花椒的確有不同程度的抑菌效果，說明輔助材料的添加確實可使漿糊的保存性更為優越（劉舜強等，2009）。但明礬中所含的硫酸鋁（Al2(SO4)3）在過量摻入下可能造成書畫紙張的纖維酸化、添加花椒則會讓紙張的白度下降。然而，在現代化學原料問世下前述問題並非不可解決，目前研究可於漿糊中添入奈米氧化鋅（ZnO），不僅可吸收紫外線且具備防霉的保久效果（王吉榮等，2008）；另外，添入碳酸鈣（CaCO3）或碳酸鎂 （MgCO3）於漿糊中也能防止酸化，不僅皆可維持漿糊的白度亦能維持pH值的弱鹼性，成為書畫材質保存的有利條件。

        但這樣的建議在實務上仍有幾點層面探討，在《長物志》〈法糊〉描述「用瓦盆盛水以麵一斤摻水上任其浮沉，夏五日冬十日，以臭為度」（文震亨，2010），指出製糊前應先將麵粉泡於水中數日使其腐敗；鄰國日本則是將製成的漿糊存入甕中發酵，此時漿糊表面會滋生大量的微生物，經由清除、換水存放約三至十年，霉菌的生長會逐漸減緩成為「古糊」（見圖5）。經分析古糊含有多種的有機酸，雖然漿糊pH值呈現酸性，但使用時經由稀釋、攪拌會讓古糊的酸性減弱，這樣帶有弱酸的條件同樣地讓微生物不易滋長得以保存書畫；此外古糊的黏性相當低，在使用後能讓書畫具備舒卷性，至今日本裝裱仍遵循如此的古法技術。

圖5：古糊製作

（取自〈古糊って〉http://www8.plala.or.jp/housendo/furunori.htm）

        另外黏著劑的「耐久性」，應著重探討黏著劑老化後對於媒材或色彩的影響性，影響類型可能造成紙絹表面有褐斑、黃化、脆化……或是顏料變色等，而非單指漿糊防霉的保存角度，兩者在探討保存的方向上仍不盡相同。對此問題，夏滄琪曾實驗將故宮裱畫漿糊塗布於兩款書畫用紙（玉版宣及雁皮宣）後，以高溫高濕（85℃、RH＞95％）、高溫低濕（105℃、RH＜2％）及UV光照等環境條件進行500小時的加速劣化，實驗後得到兩樣本在紙張變色的顯著程度上濕熱會大於乾熱之條件，但在光照老化下玉版宣的白度不減反升而雁皮宣則明顯下降（夏滄琪，1997）。對於玉版宣的白度上升的原因文中未有解釋，但由數據中可整體發現玉版宣不論在乾熱、濕熱及UV老化條件下皆較雁皮宣來得穩定，顯示影響兩樣本耐久性程度的差異並非漿糊，而可能是自身紙張材質或是造紙方式的不同所造成。

        而范定甫則實驗將漿糊、布海苔（海藻加工品，見圖6）、甲基纖維素，將三種「表面暫時性加固」會使用的黏著劑塗布於濾紙及絲絹兩種樣本，此研究將耐久性著眼至成份相異的黏著劑上。經濕熱條件（85℃、87％RH）加速劣化後，布海苔的褐化程度較甲基纖維素及漿糊來得明顯；在UV光照劣化下，三種黏著劑的色差值在24天後變化趨於平穩而較無差異。在各項耐久性程度的整體評估上以甲基纖維素較佳（范定甫，2004）。

圖6：加工乾燥後的布海苔

         而甲基纖維素是將纖維素醚化後的現代製品，可用於食品增稠之用，也是目前西方紙質修護不可或缺的一項黏著劑。現今纖維素醚類的衍生合成原料品項繁多，在耐久性研究上許又心再將甲基纖維素與羧甲基纖維素（CMC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）塗布於樣本並清除樣本表面的黏著劑後進行老化實驗，根據實驗結果評估甲基纖維素仍是三者表現較佳的黏著劑（許又心，2016）。

n  檢討及後續課題

以科學實驗後所得到的結果，如何調整或修正以往「經驗」傳承的實務技術則是修護人員所面臨的課題，因為調整後是否會影響書畫裝裱的品質也不容忽略。

一、在漿糊中添加其他輔助材料

古法中添加明礬、百部等中藥材若是為了延長保存期限，那在現代冷藏設備的輔助下則可解決。而添加氧化鋅或碳酸鈣等原料來維持漿糊的鹼性以期能延長書畫的保存，那必須思考前人刻意置漿糊於腐敗的目的為何。日本在古糊的製作會挑選「大寒」時節，台灣因屬亞熱帶氣候冬季並不如日本寒冷因此不易製成，若書畫裝裱後的柔軟度與漿糊的酸性有關，那以台灣的地域條件如何找出適宜製作方式？若未刻意調整漿糊製成後的pH值會略呈酸性，目前抑制的方式會在裝裱「加托」過程時以添有碳酸鈣的鹼性紙張（如美栖紙）覆於小托紙後，而這樣的去酸方式有效程度為何？筆者認為後續則可實驗研究加托鹼性紙是否能有效抑制材質的老化現象，如此便能得知調整漿糊pH值的必要性，亦能由此結果得知是否需要修正裝裱及修護之方式。

二、「表面暫時性加固」的黏著劑使用

漿糊、布海苔、甲基纖維素都是書畫修復進行「表面暫時性加固」（Facing or Protective lining）可供選擇的黏著劑，「表面暫時性加固」是為讓書畫「揭裱」更加安全的處理方式。當書畫材質老化、摺痕、斷裂，或是黏著劑失去黏性導致顏料媒材空鼓、剝落……等，都是書畫需要「揭裱」的可能原因。揭裱時修復師會以水潤濕書畫讓紙張內的漿糊黏性減低，但當揭除小托紙時媒材會因失去紙張的支撐變的極度不穩定，因此會以「表面暫時性加固」將數層薄紙貼覆在畫作表面，待舊小托紙揭除並將新小托紙重新托覆後，再將表面貼覆的紙張潤水移除（見圖7至10）。

 

 

圖7：進行表面暫時性加固                   圖8：透光下將背層裱紙揭除

 

 

圖9：小托完成後將表面紙張潤濕        圖10：將表面紙張揭除

 

屬於藻類的布海苔在老化實驗後雖然變化較為顯著，但筆者曾至美國弗利爾美術館（Freer Gallery of Art）參與「絹本書畫暫時性加固之材料使用」工作坊（Materials Used for Facing Silk Paintings Workshop），部分修復師在實務上認為布海苔偏黃的黏液能與古畫的材質色澤相互調合，對於延緩表面剝落的劣化現象也有良好的效果，表面所殘留的布海苔黏液利用化纖紙（Rayon paper）沾附便能有效移除，且在合理的溫濕度下並未有如實驗般的老化現象產生，因此仍是現今書畫修復不可缺少的黏著劑。對於實務經驗與實驗結果未達一致的見解，是否是因老化實驗未以清潔後的樣本進行仍待進一步的研究確認。

而比較「表面暫時性加固」各黏著劑清除表面殘留的方式，漿糊是以手指搓揉表面將糊帶起（俗稱「搓漿」），與布海苔、甲基纖維素以紙沾取的方式不同。而為讓漿糊容易搓揉成型調配時通常會混入帶筋麵粉，李寅指出這樣的做法有幾點問題。首先漿糊操作另需搭配桐油所塗布製成的「水油紙」，桐油有對空氣造成污染的疑慮，其次手指搓揉的清除方式並不容易掌握力道的輕重程度，對於表面材質脆弱的書畫恐有潛在的風險。而桐油及蛋白質對於畫面質地之影響是否適宜，仍是尚待進行的研究問題（李寅，2019）。

再以調配方式來說，乾燥的片狀布海苔需事先浸泡並沖洗沾附於上的鹽分或雜質，由於洗淨程度會影響到黏度（Viscosity）高低，因此需憑修復師之經驗來判斷並無標準，同樣地漿糊摻以帶筋麵粉之比例同樣也需修復師的實務經驗來做判斷。甲基纖維素常用的濃度範圍主要落於１~２%間，備製相對地會較為單純，但有修復師認為甲基纖維素乾燥後較具光澤性的缺點，經實驗試驗後也說明在清洗後會獲得改善，而是否有其他更為安全、有效的殘留清除方式也是日後可再探索的方向。

若以黏著劑的成分為使用考量，現今化學的技術下也能將藻類及植物塊莖中提取成分並精製，布海苔已有西方學者試將純化但並未普及使用，而海藻酸納（Sodium Alginate）是將天然的海藻膠抽取純化後以鈉鹽形式存在，吸水後同樣具有增稠及弱黏性，雖然與鈣離子反應會有薄膜的產生，對於書法等媒材單一的書畫仍有使用上的空間。而澱粉結構現今可細分直鏈型及支鏈型兩類，精製後有馬鈴薯澱粉（Potato Starch）、碗豆澱粉（Pea
Starch）……等，這些澱粉在低濃度溶解於水後同樣與布海苔或甲基纖維素具有黏度高、黏性低的物理性質，修復師可先行試作材料的可行性後再進行於老化後的比較試驗，以做為未來其他黏著劑的選項。

n   結語

紙張或絲絹其天然有機的材質在老化後不易保存，現今世人依舊能於博物館眼見百年以上的古書畫，其長久保存的原因當然與良善的裝裱有關。而黏著劑是書畫裝裱相當重要的製作材料，除了傳統的漿糊現今更有許多相關的黏著劑產品可輔助使用。而修復人員在挑選時當然要先能達到實務處理上的目的及品質要求，除此之外更必須具備「可逆性」的性質，簡單的說即是材料得具備日後可再次移除的特性，這也是目前文物修護領域所遵守的國際性共識。

然而裝裱工藝古人在工序上早已考量到「可逆性」的重要，因此珍貴的名家古書畫才得以揭裱後又再次重裝，但嚴格來說這並不能代表所有材料皆能達到「可逆性」的標準。以書畫的材質來說，紙絹纖維在吸收漿糊後即便潤水揭裱也與最初的原始狀態有所差異，因此即便酸鹼值與書畫的保存有所相關，但在添加輔助成分的做法在研究尚未整體明朗前，目前專業書畫修復單位仍多數傾向不刻意調整而維持原料的單純性。

雖然目前仍採取保守的態度，但透過科學的實驗或理論都能讓修復師更深入地瞭解文物劣化的原因，並在修護材料上精進使用，如此之下才能將傳統工藝的內涵不斷提升。因此，結合現代科學分析或化學領域已是各國發展文物修護工作的共同趨勢。

n  參考資料

（明）文震亨（2010）。長物志。重慶巿：重慶出版社。

夏滄琪、鄒哲宗（1997）。紙質材料裱貼漿糊耐久性之評估，林產工業，16(4)，781-793。

王吉榮、魏無際、李小華、陳步榮（2008）。納米ZnO在書畫裝裱漿糊中的防霉應用。化工新型材料，36(6)，35-36。

劉舜強、曹楓、潘思羽（2009）。不同添加成分對書畫裝裱漿糊抑菌效果的評價試驗。故宮博物院院刊，6，140-144。

李寅（2019）。海藻黏液（海藻膠）與化纖紙的配合在書畫修復中的應用。中國文物保存技術協會第五次學術年會論文集，175-177。

范定甫（2004）。書畫揭裱修復之研究—以暫時性加固方式與材料為主。碩士論文。臺南：國立臺南藝術學院古物維護研究所。

許又心（2016）。紙質書畫修復暫時性加固劑之評估—以纖維素醚類為例。碩士論文。臺南：國立臺南藝術大學博物館學與古物維護研究所。

化學與藝術的融合：自然探究實作與美感教育之結合

王慶豪

臺北市立建國高級中學
[email protected]

•     前言

108課綱開始實施迄今已正式邁入第三年，各個學校紛紛開展出具有學校特色的探究與實作課程。本校（臺北市立建國高級中學，以下簡稱建中）於108課綱開始之初，即於高一開設自然科探究與實作課程，目前探究與實作課程分為物理地科組和化學生物組（以下簡稱化生組）。化生組課程基本上分為三大部分，1.基礎科學能力的訓練，2.培養科學探究能力與3.獨立科學探究。因考量課程開設於高一，許多學生剛脫離國中階段，科學研究之相關能力尚未成熟，所以課程內容的安排均儘量不予涉及太艱難的化學生物概念，以培養學生思考能力，發現及解決問題的能力及溝通協調能力為教學目標。因此在第一階段（四週共8小時）的基礎科學能力訓練時，以國中課程最基礎的「水的密度測量」與「食鹽水密度測量與濃度分析」為序曲，利用量筒與三樑天平為工具，訓練學生測量技巧、數據蒐集整理，圖表繪製呈現與實驗結果分析的能力。而第二階段（四週共8小時）的培養科學探究能力授課內容，則須參採第三階段（四週共8小時）獨立科學探究活動主題來決定授課的內容。

建中探究與實作化生組教師群是一個非常瘋狂的團隊，因為每學期獨立科學探究的主題均不相同，所設計出的教學活動亦不相同。從108年至今三年時間，我們已發展出六個可獨立授課的探究教學主題[1]，甚至於在110年春天新冠肺炎疫情嚴峻時期，我們依然可以讓學生在家完成獨立科學研究，並於期末時進行線上發表會，與各班的同學相互切磋琢磨。這三年來我們在設定獨立科學探究的主題均有共同的一個理念—「家裡的廚房即是每個學生的科學實驗室」，我們覺得學生的科學觀察與科學的實驗活動不應被環境、器材設備所侷限，應隨時都具有「科學腦」及「科學眼」，以科學家的角度看這個世界，並運用身邊隨手可得的材料來進行科學研究，養成可獨立解決問題且樂於面對問題挑戰的態度與習慣，並將實驗數據實驗結果彙整成系統性的資料，藉由良好的口語表達能力將實驗結果簡單明瞭的以各種形式發表。

在此以110學年度第一學期獨立科學探究的主題「植物色素的萃取與植物染布技術的應用」為例，期待學生可以藉由植物色素萃取、植物色素染布的過程中，學會染布的技法，體會科學與生活藝術結合的「美學」之外，亦可從中學習相關科學知識。

110學年度建國中學自然探究與實作化生組課程教師團隊名單如下：實驗研究組張均瑋組長、生活科技科溫敬和老師、化學科曹淇峰老師、化學科楊傑超老師、化學科譚利亞老師、化學科王慶豪老師、化學科楊蓉老師、化學科陳佳琪老師、化學科胡子寧老師、生物科林聰慧老師、生物科黃慧茹老師、生物科林郁婷老師、生物科朱信翰老師。

自然科探究與實作化生組於課程設計上的教學目標為1.培養學生思考探究(發現問題、規劃研究、論證建模、表達分享)的能力、2.培養學生規劃實作(製作實驗器材、觀察與測量、蒐集記錄實驗數據、分析實驗數據)的能力、3.培養學生聆聽與科學思辨的能力。而課程安排上除先前所提及基礎科學能力訓練之外，將第二階段培養科學探究能力與第三階段獨立科學探究活動闡述如後。另外課程中學生表現的評量方式採學生自評、同儕互評及教師評量三個不同面向的評量方式，其評分規準(如圖1所示)於學生期中報告前利用網路平台公告，讓學生準備報告內容時可以參考修正自己的報告內容。

 

圖1：建中自然科探究與實作(化生組)口頭報告評量向度規準與說明

 

•    培養科學探究能力課程與期中報告

教師引導學生學習獨立科學探究所需的技能

（一） 教師課堂引導

考量學生均未有植物色素萃取與染布的經驗，故教師須設計相關的引導式的實驗課程活動，讓學生探究的方向能稍微收斂不至於太過發散以減輕實驗室準備藥品器材的壓力。引導式的實驗課程與食譜式實驗課程不同的特點為團隊老師針對引導課程中預計要讓學生學習染布的實驗先錄製實驗操作的影片，將影片剪輯後上傳網路讓學生可以課前預習，如圖2所示。錄製的影片的目的除了要避免食譜式實驗的操作步驟外，藉由老師親自示範操作，且利用影片將操作細節呈現出來，可訓練學生觀察、模仿及反思的能力，亦有「師徒制」、「手把手親自教學」的意涵。學生看完影片之後需將所看到所學習到的實驗操作步驟自己整理出來，做為上課自己操作實驗的依準。雖然看起來是統一制式的實驗步驟，但會因為學生看影片所理解的程度或方向不同，而呈現出不同的實驗結果，學生亦會利用各組間實驗結果的差異，反思探討其原因，並可做為期中報告規劃自主探究活動實驗變因的參考。倘若讀者對本校所發展之教學影片有興趣，可與筆者直接聯繫。

培養科學探究能力教學實驗共安排三週六堂課，以「紫草」、「芡草根」、「紅花」、「蘇木」及「黃梔子」為示範植物染材料，學習不同萃取植物染料的技術、金屬媒染劑所造成染液變化（如圖3所示）。並可利用手機辨色應用程式或RGB配色表定義顏色種類的不同，練習以色碼做為描述顏色的工具，如圖5所示。

圖2：教師們示範植物染布技術所錄製之教學影片

圖3：蘇木萃取液與不同媒染劑混合所呈現之測試結果。
由左而右分別為蘇木萃取水溶液與各金屬離子混合後顏色變化。

①1%硫酸鐵水溶液混合液、②1%硫酸銅水溶液混合液、③1%明礬水溶液混合、④飽和石灰水混合液、⑤蘇木萃取水溶液（不含任何金屬離子）

圖4：探究與實作教師上課之部分投影片教材

（二）學生課堂產出

此段課程活動為學生嘗試學習獨立科學探究活動技術的階段，所以教師在課堂上僅要求學生以小塊的胚布試染(如圖6所示)與分析實驗結果，並於下課前將實驗結果整理於實驗報告中並且以口述的方式將實驗結果向課堂老師說明，利用此教學方法協助修正學生口語表達上很多太過口語化的科學語言及慢慢訓練學生口說能力，當學生向老師說明時，老師也會毫不留情的提問並且希望學生能給予立即性的答覆。以老師的觀點而言，我們並不是要抹滅學生努力做出來的成果，我們希望藉由老師們的提問讓學生瞭解自己觀察疏漏之處，自己思考未盡完善之處，其實也是在藉由親身的示範教導學生問問題的技巧及方法。利用平常與學生經常性的對話、思考上碰撞產生的火花，來讓學生發現獨立科學探究主題中，可做為研究主題的內容及方向。於期中報告時，老師們即可感受到立即性的回饋，學生對於同儕的報告內容更會深入的思考，踴躍的提問，及更願意發表說明自己的看法與想法。

圖5：學生使用手機找到的商用印刷配色表，比較蘇木水溶液與蘇木染布後所呈現的顏色差異。

圖6：學生處理植物萃取液與檢視染布成果。

 

（三）學生規劃獨立科學探究活動

經過三週的培養科學探究能力的課程活動後，教師要求小組學生共同規劃後續四週獨立科學探究活動(期中報告)，並將獨立科學探究活動設計成簡報形式(如圖7所示)，於課堂上發表，在分享交流中學會表達溝通，甚至反思自己探究主題或所設計的研究規劃是否有可以再修正改善的地方。課程中我們會要求學生上台報告前必須完成5分鐘預講報告影片，經過預錄影片的作業訓練後，學生對於自己報告的內容掌握度更高，也更加熟練，更加有自信。

 

圖7：期中報告說明及注意事項

 

 

 

•      獨立科學探究課程與期末報告

學生規劃獨立科學探究活動

（一）獨立科學探究活動

獨立科學探究活動安排四週8堂課程，但除了在校課堂上的8小時外，大多學生都必須利用在家的時間，不斷嘗試實驗，希望能獲得完整的實驗證據與更完美的成品。教師於學生獨立科學探究活動期間，會要求不可重複課堂中老師所教授的染布材料及方法，必須利用老師所教授的染布技術，去開發出數種染布的材料及不同的實驗方法，期末報告時要將實驗方法、探究的變因控制、實驗條件與實驗設計、實驗數據與實驗結論、及最完美的成品以海報的展示方式呈現。且要求學生能利用實驗材料與社笨必須以生活中隨手可得的用品為主，必須考量「綠色化學」的觀點，最好是以菜市場中可取得的生鮮食材為實驗的材料，絕不可使用現成化學藥品、毒性化學物質。至於器材方面，我們亦要求學生能自己設計屬於自己的實驗器材來完成獨立探究活動，不可以使用制式的實驗器材。於此階段學生常會碰到非常多的挫折與困難，也會發現看似簡單的研究主題，卻不是想像中的那般容易。探究過程中教師會提醒學生，染布看似簡單，但需注意一些細節與需瞭解其背後所代表的科學意義，例如：

1.需採取什麼材料或器材才能萃取出植物本身的萃取液？

2.萃取出來的植物色素染液如何與布料纖維結合？

3.如何讓染布效果更明顯？是否需要用媒染劑，以達到染色的目的？

學生在此階段才能慢慢的體會染布過程中所應用的化學原理，並且瞭解到簡單的實驗操作過程中所代表的科學意義。學生常在下課後感嘆的說：「這週又失敗徒勞無功了，這塊布待會洗一洗曬乾，下星期還可以再次使用。」由此可知染布似乎不是一件容易的課題。實驗過程如圖7所示。不過我們會覺得獨立科學探究活動的階段，為學生創意發會的主舞台，能讓學生發揮就儘量讓學生自己發揮，訓練學生自己設法解決所碰到的問題。但畢竟學生能力有限，老師們在此階段中除了協助學生完成實驗外，亦需要適時的收斂學生天馬行空的想像與想法，帶學生踏實的完成主題任務。於教學活動中常可看到學生創意的發想，並且藉由日常生活中所取得的材料將自己的創意實踐出來，愈接近期末成果發表，學生會愈有自信，愈有成就感。期末學生普遍的心得回饋為「化生組的探究與實作真的很難，工作份量之多也真的很累，但會是他們學習生涯中最有收穫及最有成就感的一堂課」。

左上：以紅蔥頭與辣椒為材料的植物染

中上：以紅、黃、綠三色彩椒為材料的植物染

右上：以檳榔與洛神花為材料的植物染

左下：以茄子為材料的植物染

右下：以火龍果為材料的植物染

圖7：學生利用蔬果及植物進行染布科學探究活動。

（二）期末報告

期末報告的形式如同科展海報展覽的形式進行。學生不僅要說明自己在四週自主探究活動中的實驗設計，實驗結果分析、實驗結論及回答同學提問外，還需要運用自己研究的染布方法染出一個成品展示出來供大家欣賞。每個學生在展覽過程中均需報告十次左右，學生表示「愈講愈熟練也愈有自信，覺得自己就像是一個科學家！」，如圖8及圖9所示。

圖8：學生期末報告的狀況

圖9：學生期末報告及展示染布相關成品

 

•         結語

從108課綱開始執行至今，建中探究與實作課程始終開設在高一階段，希望能在學生剛進入高中的學習階段時，先利用探究與實作課程學習科學探究的正確方法（設定研究主題、文獻的查找與探討分析、提出假設、擬定實驗計畫、規劃實驗實作、分析觀察到的現象、正確有效的蒐集數據並分析結果、作品產出及海報簡報與他人分享實驗成果…等）。經歷過三年的時間，我們確實發現學生在接觸正式化學課程時，在課堂上更願意與同學或老師討論不同的觀點。在實驗課時我們亦觀察到，學生在規劃設計實驗、分析實驗數據及歸納結論的能力等方面都有明顯提升。相信建中自然科探究與實作課程的設計對學生而言確實發揮正向的引導作用呢！

•      謝誌

1.感謝臺北市立建國中學行政團隊於行政事務上的支援與配合。

2.感謝110學年度跨領域美感教育卓越領航計畫及110學年度高中優質化輔助方案經費支援與配合。

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[1] 建中歷年自然科探究與實作(化生組)課程主題如下表所示：

化學與藝術的融合：藍苒˙藍染的化學世界

江慧玉¹、姚月雲²

臺北市立第一女子高級中學化學教師
¹ [email protected]、²[email protected]

 

■         前言

108課綱的多元課程導向，學生學習的知識不再侷限於課本內容，向外延伸擴及的是更多素養、能力與態度的養成，使學生具備解決問題的能力來面對生活及未來的挑戰。在化學學科領域中，動手做實驗一直是學生最感興趣的部分，尤其是具有「變化」現象的實驗，例如顏色變化或是產生氣體、沉澱、爆鳴聲等，在在都能引起學生熱烈的討論與嘗試。在95、99課綱時代，我們曾以「Color CHEM」為主題，規劃一系列操作課程，學生在每一個具有顏色變化的反應中獲得驚喜、習得認知，這樣的課程也逐漸衍伸、融入在現今的各式多元課程中，如探究與實作、多元選修、微課程等。本校高一多元選修「綠野仙蹤－綠色化學百寶變與創意小論文設計」，在周芳妃老師的指導下，每位學生都會展現出她們「藍印術」的絕美作品（如圖1），這個結合藝術與化學的實作實驗，是一項跨科跨領域的經典展現（快速有效的藍印術方法可參閱周芳妃等(2016)）！

圖1 學生藍印術作品(圖片由周芳妃師提供)

藍印術中攫取目光的普魯士藍引發我們產生許多聯想：「無機顏料與有機染料有何差別？」、「顏料最早是從何處獲得？」、「天然的有機染料與合成的差異」…。在學期中邀請到跨科跨領域的臺灣師範大學化學系與美術系合聘教授—林震煌老師，講授一系列顏料的來源、製作及分類，並介紹運用化學技術如何修復文物，精彩的內容讓參與的數理科、文史科及美術科的教師嘖嘖稱奇、獲益良多。從教授介紹的內容啟發我們許多實驗概念與設計的想法，本文就以「藍色」為主軸，分述無機顏料普魯士藍和有機顏料靛藍的獲得及製作。

■         藍染的歷史與技術

        早期的顏料多是從天然礦石取得。公元6世紀末，藍色顏料主要是從青金石(Lazurite意為藍色；化學式為(Na,Ca)₈[(S,Cl,SO₄,OH)₂|(Al₆Si₆O₂₄)]）而來。運用研磨方式製成粉末後，再加入調和油即可作為藍色顏料（圖2）。由於此礦物的顏色深沉有如皇家氣質般的底蘊，被視作與黃金一般珍貴，且地殼中青金石的蘊藏量稀少，因此價格水漲船高。有鑒於此，化學合成顏料（如普魯士藍）與天然有機顏料（如靛藍）因此應運發展。普魯士藍(Prussian blue又名 Berlin blue 或 Paris blue；化學式為Fe₄[Fe(CN)₆]₃)是最早發展出的合成染料（圖3），西元1704年，科學家混合草木灰與牛血欲製造出紅色顏料，卻意外獲得這個藍色的物質，現今的化學製備法則是多使用溶膠分散法，且運用於繪畫方面。

圖2天然礦物藍色顏料(林震煌，2021)

圖3 普魯士藍(Prussian_blue)

(圖片引自https://en.wikipedia.org/wiki/Prussian_blue)

■         藍印術創作

在108課綱的配位化學課程中，介紹到普魯士藍的生成反應及其性質。在這個課程領域可安排學生操作草酸鐵鉀晶體生成的實驗，並進一步利用培養出的晶體以反應生成普魯士藍，施作「藍印術」的應用創作。此實驗流程方法如下：

將莫耳數比為3：1的K₂C₂O₄(aq)與FeCl₃(aq)均勻混合在燒杯中，再置入暗室避免照光，約15~20分鐘後取出，可觀察到瓶內有綠色晶體生成（圖4）。此實驗原理是以鐵離子為中心金屬離子、草酸根作為配位基，兩者反應形成六配位的八面體錯合物，如反應式1及圖5。

Fe³⁺(aq)＋3C₂O₄^2－(aq)→ [Fe(C₂O₄)₃]^3－(aq)     (1)

 

圖4 草酸鐵鉀晶體   圖5 [Fe(C₂O₄)₃]^3－結構

        反應所生成的草酸鐵鉀具有高度光敏性；文獻（Pozdnyakov et. al., 2008）指出：科學家藉由光譜與奈秒閃光光解技術(nanosecond flash photolysis)，確認[Fe(C₂O₄)₃]^3－的光化學分解過程，其反應式如式(2)。草酸鐵錯離子[Fe(C₂O₄)₃]^3－在照光下會經由內部電子轉移，從結構中其一的配位基C₂O₄^2－轉移1個電子至Fe³⁺，形成初級自由基錯合物[Fe(C₂O₄)₂(C₂O₄^+•)]^3－，同時將中心金屬Fe³⁺還原成亞鐵離子Fe²⁺，在此過程中亦會產生CO₂^-•及C₂O₄^-•等自由基，因其產率僅[Fe(C₂O₄)₃]^3－光分解量的6%，故可忽略之。這個分子內電子轉移形成的自由基錯合物[Fe(C₂O₄)₂(C₂O₄^+•)]^3－分解產生CO₂^-•自由基，由於CO₂^-•(aq)是個強還原劑(E⁰(CO₂/ CO₂^-•)=-2.0V)，藉由擴散途徑與[Fe(C₂O₄)₃]^3－作用並還原Fe³⁺離子，此光分解過程之反應機構如下所示。

 [Fe(C₂O₄)₃]^3－(aq)[Fe(C₂O₄)₂(C₂O₄^+•)]^3－(aq)       

[Fe(C₂O₄)₂(C₂O₄^+•)]^3－(aq) →Fe²⁺(aq)+2C₂O₄^2－(aq)+ CO₂^-•(aq)＋CO₂(aq)

CO₂^-•(aq)＋[Fe(C₂O₄)₃]^3－(aq) → [Fe(C₂O₄)₃]^4－(aq) + CO₂(aq)

全反應：2[Fe(C₂O₄)₃]^3－(aq)

[Fe(C₂O₄)₃]^4－(aq)+2C₂O₄^2－(aq)+Fe²⁺(aq)+2CO₂(aq)               (2)

                                                                                                                         

基於上述照光光分解反應，因此養晶過程須將反應溶液置於暗室中。這個晶亮的綠色晶體後續可用來操作藍印術。同學們可先將濾紙裝入透明塑膠袋內，再於袋外以深色筆繪製喜愛的圖樣；將飽和的草酸鐵鉀溶液與赤血鹽溶液(K₃[Fe(CN)₆](aq))混合後，倒入塑膠袋內，使濾紙充分浸潤，再將袋子放置於室外曝曬；待一段時間後可看到濾紙漸呈深藍色。在照光條件下，草酸鐵錯離子進行如上述的光化學分解反應，一系列電子轉移後形成二價亞鐵離子，再與赤血鹽反應生成普魯士藍(Fe₄[Fe(CN)₆]₃)，即可呈現學生預期的藍印顯色呈像。

Fe²⁺(aq)+[Fe(CN)₆]^3－(aq) →Fe³⁺(aq)+[Fe(CN)₆]^4－(aq)

       4Fe³⁺(aq)＋3[Fe(CN)₆]^4－(aq) → Fe₄[Fe(CN)₆]₃    
(普魯士藍)

這個運用無機鹽類衍生的藍染藝術，在教學上可讓同學們實際操作，甚至作為專題研究主題，探討實驗條件與光照呈色的影響。

■         植物藍染探索

類似普魯士藍這類的無機顏料，常見的還有鉻黃、鉛丹、鈦白、朱紅等，因恐有重金屬的汙染及危害，因此有機顏料逐漸受到重視。有機染料分子具有一些特點，例如透過修飾特殊官能基以改變分子結構，可呈現不同顏色或性質，具有廣泛的應用性。對比藍印術的普魯士藍，最近學生們興起探究植物中各種具色彩的有機化合物，例如常見的藍染，並進一步探究植物內的成分。

我們前往山區潮濕蔭涼的坡地採拾馬藍，並種植在校園中（圖6）。馬藍葉片中的靛苷(indican)成分，經水解後產生吲哚酚(indoxyl)，藉由吲哚酚氧化偶合可生成靛藍(indigo)。一般客家藍染所利用的即是這個藍色的靛藍，由於靛藍難溶於水，故在鹼性環境中加入還原劑，使之形成可溶於水的靛白(leuco indigo)，將布料浸泡在該溶液中，取出、晾曬在空氣中，靛白可經氧化又成為靛藍，即呈現藍色印染的創作。一系列反應如下所示。

圖6 馬藍植物

馬藍葉片中的靛苷，當水解後所產生的吲哚酚，經過氧化後可能形成靛藍或靛玉紅(indirubin)。這兩個同分異構物，一個常作為染料、另一個則具有藥理活性，這個客家藍染文化常用的植物，具有不同面向的功能及應用，關於兩成分的分離機制及天然含量是我們想了解的課題。

 

 

稱取定量的馬蘭葉片以不同溶劑浸潤之，進行葉片成分的萃取，如圖7所示，五個樣品由左至右分別是乙酸乙酯、乙醇/水=1/1(v/v)、丙酮、純水、乙醇。經過吸收光譜量測及文獻比對（Plitzko et. al., 2009），靛藍成分主要吸收在610 nm、靛玉紅吸收波長落在522 nm。從吸收光譜觀察，極性非質子性溶劑，如乙酸乙酯與丙酮，萃取出的成分主要是靛玉紅；極性最高的純水可得到靛藍，而酒精/水混合溶劑可同時萃取出靛玉紅及靛藍。從結構式來觀察：靛藍是個反式對稱、具有兩個分子內氫鍵且高度共軛的平面分子；而靛玉紅為靛藍非對稱型的異構物，且因其共軛長度較短，故其最大吸收波長較小。由於這兩個分子結構皆具有高比例的共軛系統，在光譜量測會呈現較大的吸收區帶（寬峰），且會有紅位移的現象產生。綜合上述，分子結構是否為平面、共軛結構的長度以及結構差異使電子共軛產生阻礙等效應，使得靛藍與靛玉紅這兩個同分異構物的最大吸收波長產生差異（圖8）。
 

 

圖7 馬藍葉片萃取液                                              圖8 不同溶劑萃取之吸收光譜

■ 未來展望

後續我們將嘗試不同TLC分離條件來確認這兩個成分，進一步比對兩成分之含量，確認植物採收、萃取條件、分離方式何者較有利於靛藍（用於染色）？何者有利於靛玉紅（藥理活性應用）？希冀能以具脈絡的一鍋化實驗條件，開發天然植物中有效成分的取得及應用！

■   參考資料

1.          周芳妃、李盈萱、陳靜瑋（2016）。小綠綠晶體與藍印術微量實驗。臺灣化學教育，14。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17802&preview=true

2.          林震煌（2021，11月）。化學與美術的邂逅～steam教育新開展」教師研習，臺北市立第一女子高級中學。

3.          Plitzko, I., Mohn, T., Sedlacek, N.,& Hamburger, M. (2009). Composition of Indigo naturalis. Planta Medica, 75(8), 860-863. doi: 10.1055/s-0029-1185447

4.         Pozdnyakov, I. P., Kel, O. V., Plyusnin, F., Grivin, V. P., & Bazhin, N. M. (2008).New Insight into Photochemistry of Ferrioxalate.Journal of Physical Chemistry A, 112(36), 8316-8322.
doi: 10.1021/jp8040583

5.          Prussian_blue (2011). Wikipedia. Retrieved December 11, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Prussian_blue