社會性科學議題導向的化學教學：社會性科學議題融入小學自然科學領域化學教學之可行性探討 / 陳致澄、王瑞壎、李孟憲

星期日 , 5, 6 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十七期/2022年6月留言功能已關閉

社會性科學議題導向的化學教學：社會性科學議題融入小學自然科學領域化學教學之可行性探討

陳致澄¹、王瑞壎²、李孟憲³

國立臺南大學應用數學系¹

國立嘉義大學教育行政與政策發展所²

桃園市龍岡國中³

n 前言

《十二年國教自然科學領域課程綱要》（以下簡稱108課綱）已於 2019年正式於中小學各階段正式實施。薛雅純（2018）指出，108課綱中強調教師應提供學生探究學習與問題解決的機會，協助學生瞭解科學知識產生的方式並養成應用科進行思考與探究的習慣。此外，108課綱之《基本理念》亦提到：「…生活在現代，我們周遭充斥著不斷創新的科技產品、紛至沓來的各項資訊以及因資源開發而衍生出的環境生態問題。因此，未來公民更需要具備科學素養，以瞭解科學的貢獻與限制、能善用科學知識與方法、以理性積極的態度與創新的思維，面對日常生活中各種與科學有關的問題，做出評論、判斷及行動」（教育部，2018）。靳知勤（2014）也指出，科學學習若不能與個人生活及社會需求相關，則將無法有效培養學習者的思考智能、解決切身問題以及與人合作的社會技能。由此可見，若能在自然科學的課室中，提供學生有關現代生活中，因「科學」帶來的便利與因之產生的限制與不利之兩難困境 (dilemma problem)問題，此問題可能涉及個人所持道德與理性間的衝突、可能因時空變遷造成的衝突、不同領域間（例如：宗教與法律、自我利益與公共或他人利益…等）觀點的衝突或是實然面與應然面（例如：理想與實際…等）之衝突（溫明麗，2000），讓學生真正運用或搜尋相關的科學知識與方法，以理性、積極的態度與思維，思考這些日常生活中所出現的各種與科學有關的問題，並做出評論、判斷與行動，應是落實108課綱核心素養導向教學的一條可行之徑路。

「社會性科學議題」(socio-scientific issues，以下簡稱 SSI)是在概念或程序上，與科學有關聯的爭議性社會議題 (Sadler, 2004)，Zeidler與Keefer (2003)認為，將SSI應用於教學，對於科學教學提供了一種啟示性的作法。究其原因，乃源於近代科技發展增進人類的生活福祉，但在社會中導致的爭議亦層出不窮，而這些爭議性的議題影響的範圍，小至社區或地方（例如：土地開發與否、垃圾處理的方式…等），大至整個社會甚至全球（例如：全球暖化的威脅、複製人式…等）（靳知勤、胡芳禎，2016），若在科學教學的課室中以此些議題作為討論的主題，有別於傳統的科學知識傳授方式，能引導課室中同儕間、師生間的互動對話與協商合作，有助於教學文化的變革。若將SSI與上述兩難困境問題相互對照，彼此恰具一致性的特性與功能。因此，運用SSI於科學課室作為教學的一種方式，不僅能培養學生具備未來公民所需之科學素養，也符應當前108課綱素養導向教學的理念與趨勢。

n 小學階段的化學教學主題分析與SSI議題選擇

然而，檢視小學階段自然科學領域所涉及的學習內容，包括「自然界的組成與特性」、「自然界的現象、規律及作用」以及「自然界的永續發展」等三類課題，而這三類課題在國小階段都是以「跨科」的方式進行教學。研究者藉由國中階段的「主題」以及高中階段之「次主題」分析，選擇與SSI議題融入「化學」教學有關的次主題如下表1所示：

表1：國小階段與化學教學有關的主題/次主題分析

課題	跨科概念	主題	次主題
1.自然界的組成與特性	物質與能量 (INa)	物質的組成與特性 (A)	物質組成與元素的週期性(Aa) 物質的形態、性質及分類(Ab)
	物質與能量 (INa)	能量的形式、轉換及流動(B)	能量的形式與轉換(Ba) 溫度與熱量(Bb)
	構造與功能 (INb)	物質的結構與功能 (C)	物質的分離與鑑定(Ca) 物質的結構與功能(Cb)
2.自然界的現象、規律及作用	交互作用 (INe)	物質的反應、平衡及製造(J)	物質反應規律(Ja) 水溶液中的變化(Jb) 氧化與還原反應(Jc) 酸鹼反應(Jd) 化學反應速率與平衡(Je) 有機化合物的性質、製備及反應(Jf)
3.自然界的永續發展	科學與生活 (INf)	科學、科技、社會及人文(M)	科學、技術及社會的互動關係(Ma) 科學發展的歷史(Mb) 科學在生活中的應用(Mc) 天然災害與防治(Md) 環境汙染與防治(Me)
3.自然界的永續發展	資源與永續性(INg)	資源與永續發展(N)	永續發展與資源的利用(Na) 氣候變遷之影響與調適(Nb) 能源的開發與利用(Nc)
註：「灰底」的內容乃本文推論而得，適合將SSI議題融入進行課程設計之次主題。

據此，我們可進一步深入思考如何選擇相關的SSI議題，以符應「與化學教學有關」的目標。邱美虹（2018）指出，SSI議題的內容，可從環境化學、食品安全、水質純化、空氣汙染、碳循環甚至到氣候變遷與永續發展等面向進行蒐集與設計，藉由探討水、大氣、食品、綠色化學…等議題的討論，可讓學生藉此認識化學、生物科技或是化工如何裨益人類生活以及對於人類居住環境的影響。此外，聯合國也在2015年宣布《2030永續發展目標》 (Sustainable Development Goals, SDGs) ，其核心目標共計17項，期能藉此指引全球共同努力、邁向永續
(United Nations, 2015)。研究者探究其中與「化學教學」有關的目標，包括清潔飲水與衛生設施、經濟適用的清潔能源、確保永續消費和生產模式、氣候行動、保育及維護海洋資源、保育及維設生態領地等議題。

綜合上述邱美虹（2018）對SSI議題之建議以及本研究綜整SDGs有關化學教學之項目，接下來，我們再從SSI議題落實於課室教學的情況，來思考：究竟上表1中呈現的次主題，那些適於結合SSI來進行課程設計？對此，Osborne、Erduran 與Simon (2004)提到，SSI議題融入自然科學課程中進行設計，教學上經常會採用「論證」的形式進行。並且，Osborne等人進而提出「論證」教學的五個層次。筆者分析這五個層次的描述，認為SSI議題融入自然科學課程進行論證教學之設計，則此SSI議題應包含以下特性：該議題能形成正向與反向主張（或是不同主張）、各項主張（含反駁性的主張）均存在相關的資料或理由予以支持。若以此特行重新檢視上表1之次主題，則能量的形式與轉換(Ba) 、科學、技術及社會的互動關係(Ma)、科學在生活中的應用(Mc)、環境汙染與防治(Me)、永續發展與資源的利用(Na)、氣候變遷之影響與調適(Nb)、能源的開發與利用(Nc)這些次主題因為具有「科學發展與道德維護」以及「人類生活與環境永續」等符合上述SSI議題之特性，容易讓學生產生衝突與兩難的情境，故，建議教師可思考將當將當前出現的SSI議題融入這幾個次主題之中。

接續，筆者再搜尋、整理近年來國內外與「化學教學」有關之SSI議題，以108課綱中小學階段自然科學領域學習內容的三類課題為架構，再輔以SDGs作為參考，形成具有「曾被普羅大眾熱烈討論」、有「正面與反面的資訊」出現且與「化學」概念相關的社會性話題內涵如下圖1所示：

圖1：與化學教學有關之SSI議題

上圖1所提供與「化學教學」有關的SSI議題，都與我們日常生活息息相關，並且議題容易再課室中產生上述「科學發展與道德維護」以及「人類生活與環境永續」的衝突與兩難情境，應能作為國小階段自然科學課室中，「化學」主題教學之探究與討論的議題。舉例來說，新聞傳播媒體TVBS報導「越來越多食品科學研究指出，牛奶的營養價值可能比想像中的低，對人體也有可能是弊大於利」這種看似「有憑有據」之似真亦可能為假的社會性話題；網路於2014年刊載之「綠色帝國基金會說：每公升牛奶有兩千萬的活躍細菌跟 7.5 億個膿細胞」這種具有「科學數據」且與人類生活有關的社會性話題（參見https://pansci.asia/archives/98038）…等，圖1中蒐集之SSI議題，多具有「科學發展與道德維護」以及「人類生活與環境永續」之衝突與兩難特性，且該主張的文句內容又淺顯易懂，故，適宜作為國小階段教師將此些議題融入有關「化學教學」的課程設計之中。

n 國小階段實施SSI導向化學教學注意事項

那麼，國小階段除了在自然科學的課堂中SSI導向化學教學外，是否還有其他時段或其他課程可茲進行此較為深化、應用的課程呢？108總綱之《課程架構》一段提到，十二年國民基本教育課程類型可分為「部定課程」與「校訂課程」二大類。其中，「校訂課程」是由學校安排，藉此達成形塑學校教育願景以及強化學生適性發展之目標。而「校訂課程」在國小階段即為「彈性學習課程」，其內涵可包含跨領域統整性主題/專題/議題探究之課程、社團活動與技藝課程、特殊需求領域課程以及本土語文/新住民語文、服務學習、戶外教育、班際或校際交流、自治活動、班級輔導、學生自主學習、領域補救教學等其他類之課程。由此看來，將SSI導向的化學教學置放於「彈性學習課程」亦是可行的方式。再者，白玉玲（2021）指出，「主題課程」 (Thematic courses)是依據學生或教師感興趣的主題，針對該項主題進行深入探討的課程。此課程強調自主學習，重視學生內在學習動機的培養，是一個教與學互動的歷程，是符合 108 課綱自發、互動、共好核心要素的課程類型之一。若將SSI導向化學教學與「主題課程」相互對照、比較，彼此間恰有共通的特性與功能。因此，研究者藉「主題課程」實踐的注意事項，提出小學階段實施SSI導向化學教學應注意之事項如下：

一、課程規劃與實施需具備完整性

若將SSI導向化學教學規劃成為「校訂課程」，則須將整體SSI導向教學進行完整且全盤性的規劃，學生須在同一主題下進行統整性與脈絡化的學習，才能完整習得該主題脈絡的知識、技能與態度。考量此類課程跨域的面向以及所需專業師資，必要時，還需引入不同專業領域之師資進行協同教學。

二、討論任務與活動的安排須能促發學生主動學習的意願

鑑於SSI導向教學之議題選擇，乃源於一般生活中息息相關的話題，且以學生或教師有興趣的主題做為開端，相信必能在「起始活動」中，扮演好引起動機的功能。然而，在後續「發展活動」中，建議教師仍應注意學生的學習狀況，依學生當下的反應（例如：查詢資料是否遇到挫折？同儕溝通是否意見相左？…）進行適度引導與調整。此外，教師也須事先規劃好要提供那些事例和提問？以利學生經由閱讀、觀察、實驗、思考、討論等途徑去發現相應的科學原理與原則，以掌握問題解決的方法與步驟，以隨時保持學生探究學習的主動性，感受到這是一個充滿挑戰性的學習歷程。

n 結語

Zeidler, Sadler, Simmons 與Howes (2005)指出，SSI 是一種理論，亦是一種方法，是將特定的爭議性議題融入教學進行設計，營造出兩難的困境，教學過程中關注學生同儕間的討論與互動，期能促發學生在彼此對話及論證的過程中建構知識。過去，已有一些研究（例如：林樹聲，2012；靳知勤、胡芳禎，2016）證實，學生能經由討論、解釋及推理的過程，參與決策並獲得探究的技巧，也學會如何有效提問的論證能力。本文透過108課綱分析，從中獲得國小階段與化學教學有關的跨科概念；並透過中學階段主題與次主題的分析，輔以聯合國《2030永續發展目標》核心目標的對應；再蒐集過往與化學生活有關的新聞議題，提出一些能在小學階段落實的SSI導向化學教學議題。最後，提出有關小學階段實施SSI導向化學教學應注意的事項，期能協助小學教師未來規劃規劃規劃SSI導向化學教學設計之參考。

n 參考文獻

白玉玲（2021）。108 課綱彈性課程主題化的實踐與反思。臺灣教育評論月刊，10（8），47-52。

邱美虹（2018）。以科學素養為導向的新課綱─從社會性科學議題融入課程談起。臺灣教育評論月刊，7（10），1-7。

林樹聲（2012）。在科學課堂中應用爭議性議題教學促進國小六年級學生道德思考。科學教育學刊，20（5），435–459。

教育部（2018）。十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要。臺北市：作者。

靳知勤（2014）。台灣所需優先解決的科學教育問題─科學與科學教育學者的觀點。教育學報，42（1），53-76。

靳知勤、胡芳禎（2016）。如果可以這樣學自然! ─ 國小學生在社會性科學議題教學中知識、動機與合作能力的改變。教育學報，44（2），101-126。

溫明麗（2000）。兩難。國家教育研究院雙語詞彙、學術名詞暨辭書資訊網。資料檢索自https://terms.naer.edu.tw/detail/1306143/。

薛雅純（2018）。從十二年國教課綱看自然科學素養導向的探究教學。臺灣教育評論月刊，7（5），259-262。

Osborne, J. F., Erduran, S. & Simon, S.(2004). Enhancing the quality of argument in school science. Journal of Research in Science Teaching, 41(10), 994-1020.

Sadler, T. D. (2004). Informal reasoning regarding socio-scientific issues: A critical review of research. Journal of Research in Science Teaching, 41(5), 513–536.

United Nations (2015). 17 Goals to Transform Our World. Retrieved from https://www.un.org/ sustainabledevelopment/.

Zeidler, D. L., & Keefer, M. (2003). The role of moral reasoning and the status of socio-scientific issues in science education: Philosophical, psychological and pedagogical considerations. In D. L. Zeidler (Ed.), The role of moral reasoning on socio-scientific issues and discourse in science education (pp. 7–38). Dordrecht, the Netherlands:
Kluwer Academic.

Zeidler, D. L., Sadler, T. D., Simmons, M. L., & Howes, E. V. (2005). Beyond STS: A research- based framework for socio-scientific issues education. Science Education, 89(3), 357–377.

社會性科學議題導向的化學教學：國小綠色化學視訊實驗活動設計與實踐 / 黃琴扉

星期六 , 4, 6 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十七期/2022年6月留言功能已關閉

社會性科學議題導向的化學教學：

國小綠色化學視訊實驗活動設計與實踐

黃琴扉

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所

[email protected]

n 綠色化學理念與重要性

生活中的所有一切，包含食、衣、住、行、育、樂等各部分，都與化學息息相關，而保育環境並協助人類永續發展的關鍵因素，即為綠色化學（green chemistry）概念。近年來，能源危機頻傳、環境意識高漲、全球傳染病也引發世界反思永續環境議題，而化學教育也從過去單獨談論化學知識，進而深度探討化學與生活之間的關係，更提倡綠色化學科普推廣，強調在化學反應的研究過程中，透過將能源效率提高、損耗降低以及對環境的傷害減少，提升環境保護的目標。

為了降低化學物質對環境的影響，1998 年由 Anastas 和 Warner 兩位學者發表「綠色化學：理論與實踐（Green
Chemistry: Theory and Practice）」一書，並於書中明確定義綠色化學的相關概念；而行政院環保署毒物及化學物質局則進一步將綠色化學定義為「從源頭完全阻止環境污染的化學」，換句話說，所謂的綠色化學就是從源頭開始，就充分利用原料和能源，並將有害物質降到最低，以減輕對環境的衝擊（黃琴扉等人，2021）。而來自英國的三位學者-Tang, Smith 和 Poliakoff 則提出，綠色化學的理念需要透過一種更朗朗上口的方式，讓一般民眾快速掌握其概念與實踐，因此創發「PRODUCTIVELY」一字，串聯綠色化學 12 項原則，協助民眾快速記憶，以下針對綠色化學 12 項原則進行說明(表 1)：

表1 綠色化學 12 項原則說明 (參考自黃琴扉等人，2021；行政院環境保護署毒物及化學物質局網站 https://www.tcsb.gov.tw/cp–306-2973-bcbb0-1.html)

雖然綠色化學理念良好且對地球永續發展十分重要，但是要將此概念推廣給國小學童是較為困難的，因此設計一套適合國小學童的簡易化學實驗活動，並從中置入綠色化學部分概念是迫切需要的。

n 國小綠色化學視訊實驗活動設計與實踐

承上所述，針對國小學生發展綠色化學實驗活動是當代亟需的科學活動之一，然而從2019 年全球爆發 COVID-19 疫情迄今，近三年時間，國內中小學課程時常因應疫情變化改採視訊授課，又因為化學實驗相對有較高的危險性，因此許多老師在視訊授課過程中均放棄化學實驗的操作；然而化學實驗是科學教育脈絡中十分重要的環節，學生透過對實驗的觀察與實驗操作技巧，可以全面提升科學素養，為了解決視訊課程中操作實驗的不便，並期許能將綠色化學觀念置入實驗中，因此本文作者自行創發一套適合國小學生安全使用，且可以透過視訊引導的綠色化學實驗，希望藉此文拋磚引玉，與教育先進共同激盪視訊實驗課程的可行性。

(一) 實驗器材的準備

為了讓學生在家裡透過視訊課程，也能親自操作安全簡易的化學實驗，因此本計畫自行研發「線上綠色化學實驗材料包」，並配送到每位學生家中，讓學生在家裡搭配視訊課程操作實驗(圖 1)。

圖 1(左)本文作者自行研發的線上綠色化學實驗材料包外觀(右) 綠色化學實驗材料包體積小易配送

由圖 1 的左圖中可以發現，「線上綠色化學實驗材料包」外觀是一個體積不大的小手提箱，提箱內可以裝上實驗所需的所有器材，並可經過手提箱的卡榫扣緊，以避免器材掉落，該材料包不但體積小、重量輕巧，也十分容易配送。本文作者運用此方式，與高雄國立科學工藝博物館合作，開放 24 名國小學生參與課程，並透過小紙箱裝置宅配材料包(如圖1右)，發現材料包運送過程十分順利，學生接到材料包時器材的擺放均十分完整，沒有器材掉落或損毀情形。再者，國小學生對於材料包的裝置均表達十分喜愛與驚奇。

圖2(左) 綠色化學實驗材料包內容物示意圖(右) 線上綠色化學實驗材料包內裝樣本

由圖2(左)中可以發現，「線上綠色化學實驗材料包」的內容物包含許多器材，而圖2(右)則可以發現所有器材的裝置方式，以下針對材料列表進行說明(表 2)：

表 2「線上綠色化學實驗材料包」內容物列表及材料包特色

其中，值得一提的是，本文作者創意發想出「運用橡皮筋固定試管」的方式，取代了傳統的試管架(圖 3)。

圖 3 運用 5 條橡皮筋綁在小提箱上即可取代試管架

(二) 線上實驗活動操作模式 (共 120 小時，含休息 10 分鐘)

1.教學策略步驟一(10 分鐘)：大家一起開箱趣!

在視訊課程中，學童可能比較難以專注教師的動作與步驟，為了提升樂趣，本課程在視訊的一開始，就啟動「大家一起開箱趣」。引導國小學童將小手提箱材料包的內容物逐一擺放在桌面上檢查(圖 4)，講師並透過視訊鏡頭講解每一個器材的名稱與功能(圖 5)。

圖 4講師與國小學生共同進行「大家一起開箱趣!」以盤點器材並引發學童注意

圖 5講師說明每一個器材的名稱與功能，學生們均專注聆聽

2.教學策略步驟二(40 分鐘)：運用 POE 教學策略，引導學生進行溶解的觀察

為了讓學生熟悉器材的操作與使用，並且能有巨觀的現象觀察，本實驗課一開始先運用 POE(預測–觀察–解釋；Prediction-Observation-Evaluation)教學策略，引導學生觀察溶解現象。以下針對教學步驟進行詳細說明(表 3)：

表 3 教學策略步驟二之歷程說明

3.教學策略步驟三(60 分鐘)：引導學生進行溶液密度實驗

上一個步驟讓學生了解溶解度之後，後續課程將引導學生自行配置不同濃度溶液，並滴加食用色素，引導學生製作彩虹漸層水。以下針對教學步驟進行詳細說明(表 4)：

表 4 教學策略步驟二之歷程說明

n 結語

綠色化學的理念，講求防廢、保安、低毒、思危，因此如何開創出減少廢棄物又安全的實驗，是近代中小學科學教育與化學教育中不容忽視的環節；而 COVID-19 疫情肆虐之下，許多課程轉成視訊授課，如何在視訊授課過程中掌握學生的實驗安全與成效，更是當務之急；有鑑於此，本文作者研發國小綠色化學視訊實驗活動設計，期待能透夠過此活動設計解決國小視訊課程中實驗活動的問題，並且將綠色化學理念融入其中，希冀本文能提供部份淺見，以開啟諸位教育先進後續相關視訊實驗課程辦理之參考。

n 致謝

本文感謝行政院環保署毒物及物質化學局 110 年度「補（捐）助民間團體及學校推廣綠色化學」計畫支持，並感謝國立科學工藝博物館協辦本綠色化學實驗活動視訊課程。

n 參考文獻

行政院環境保護署毒物及化學物質局（2021）。何謂綠色化學。20210707 檢索自https://www.tcsb.gov.tw/cp-305-2972-75e5e-1.html。

黃琴扉、林寬禮、施雪雯、陳盈瑗（2021）。讓化學陪著地球永續發展－淺談綠色化學。國立科 教館生活補給站( 電子期刊) ， 60(5) 。https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=15571&a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=17191

Anastas, P. T., & Warner, J. C. （1998）. Green Chemistry: theory and practice. Oxford: Oxford University Press.

高中多元選修課程介紹漫遊幸福川~生活中的化學 / 林威志

星期五 , 3, 6 月 2022 編輯助理化學課程與教材, 第四十七期/2022年6月留言功能已關閉

高中多元選修課程介紹

漫遊幸福川~生活中的化學

林威志

高雄市立高雄中學

[email protected]

本校多元選修開設年段原先只有高一，但隨著108課綱的推進，目前高二也已開設相關課程。多元選修課程，可提供同學增廣學科視野，發掘多元潛能，並有加深加廣的選修機會，增加學生動手做的能力。而本校鄰近幸福川（二號運河），因此藉由相關水溶液介紹，期望學生能理解並進而珍惜環境資源，達到永續發展的概念。

n 課程設計理念與評量方式

一、課程設計理念

這門多元選修課程內容主要設定在生活中的化學，內容包含最貼近學生的兩大主題：食物化學與衣物化學，讓學生可以在進入學校的高一生活中，先增加實作經驗，以彌補國中端實驗操作課不足缺憾，並藉由這堂課期望學生能先藉由生活中最熟悉的項目，建立起「喜歡化學、願意思考並動手實作」的重要精神（見表1），進而培養學生從不同角度看事情，理性分析、判斷對錯的思辨能力；嘗試將想法付諸實行，勇於嘗試的實踐力；並由同儕間溝通互動，與科學宅急便的闖關活動，利用口語、文字、圖像、影音或實物等表達方式，有條理且具科學性的陳述探究成果，並與他人分享，達到社會參與的科學人精神。

表1 課程設計理念與學習目標規畫

課程名稱

中文名稱：漫遊幸福川~生活中的化學

英文名稱： Chemistry in life

課綱核心素養

A自主行動： A2.系統思考與問題解決,

B溝通互動： B2.科技資訊與媒體素養,

C社會參與： C2.人際關係與團隊合作,

學生圖像

思辨力：從不同角度看事情，理性分析、判斷對錯。

1.培養批判和獨立思考的能力。

2.運用科學化的方式分析、統整思緒。

3.從多面向角度檢視客觀事實。

實踐力：將想法付諸實行，勇於嘗試。

1.釐清計畫目標，分析計畫需求，擬訂可行計畫。

2.針對計畫所需，尋求且妥善運用校內外資源。

創意力：面對任務時，運用各種心理技巧來產生創意的能力。

1.在學習領域中呈現多面向的思考模式。

. 2.在學習過程中建立多元價值觀。,

學習目標

1. 啟發學生對環境的關心及如何應用學校學到的知識解決生活中的問題。

2. 培養學生正確的研究方法及設計出適當的實驗解決問題。

3. 培養學生團隊合作精神﹑多媒體運用能力﹑精準口語報告實驗結果。

4. 擔任化學宅急便闖關關主時，能以清楚口語配合簡易實驗解釋生活中常見化學現象。

二、每週教學進度內容與評量方式

教學內容與規畫大致上可分為三大段落（見表2），分別以段考時間來做為區分，先由實驗室安全與器材使用介紹開始，分別為：實驗器材的選擇與使用時機、玻璃儀器的準確度介紹、氣體收集方式與最重要的實驗室安全守則的說明，作為第一堂課的重點項目，以培養學生能建立正確且安全的操作器材設備，以利後續本學習課程能順利運行。

食物化學中可分為幾個主題，分別為：

l 食物標籤解讀：先讓學生選擇某食物包裝後方的標籤含量表，讓學生上網搜尋 (主要參考網站：行政院衛福部—食品添加物使用範圍及限量暨規格標準)^[1] 這些成分的化學結構、添加的優缺點、甚至是否食用過量可能會造成哪些疾病等，讓同學對於日常食用的食物有基本的了解，也可避免長期食用某特定添加物等危害，可培養學生批判和獨立思考的能力。

l 成分檢驗介紹與實作：本課程是檢驗市售食醋與維生素C錠的含量百分比，在課程開始前會先介紹酸鹼中和與氧化還原基本概念，練習化學反應式的平衡，並說明滴定的操作技巧及相關原理，培養學生能建立正確且安全的操作器材設備。而在實驗操作後，也可學習到系統性的收集定量的資料數據，並練習高一課程中學到濃度的概念，驗證食品標示與實驗結果的差異程度。另外也配合高一課程，介紹混合物分離技術，分堂練習從咖啡或茶包中萃取出咖啡因、利用層析方法分離出菠菜汁中的不同色素等實作練習。最後在環境永續的部分，也介紹到界面活性劑的使用，說明清潔劑的分解難易程度，並延伸至生活中冰淇淋乳化劑的應用，讓學生實際體會是否添加乳化劑，對成品冰淇淋的口感差異，並能與同儕分享討論、調整配方比例，找出最佳口感的冰淇淋配方。

l 專家學者食安介紹：本學期邀請福智基金會講師，介紹食安問題並搭配食物實作 (色素汽水) 提升學生興趣，並由學生繳交心得報告，作為評量成績使用。

最後則是衣物化學上場，原定主題包含有：植物染布、花瓣香水、手工皂製作與光氧化還原製作藍曬四大主題，期望藉由學生前面學習到的萃取技術、氧化還原原理與實驗操作技術，來自行收尋資料與設計相關實驗，達到作中學，並能將所學應用於解決日常生活中的問題。但因疫情影響，很可惜只操作了藍晒創作，但學生可以藉由藍晒創作，從過程中培養科學探究的興趣，體會生活中處處都會運用到科學，而能欣賞科學的重要性。並結合美感設計，培養未來跨領域相關人才，並理解科學知識發展的歷史是與社會、文化、政治、經濟緊密相關連結的。

評量方面，由於是多元選修課程，並不想帶給學生太大的壓力造成反效果，因此出席分數佔總分的30%，若該學期全勤則可獲得30分滿分，請假一次則扣1分，以此類推。作業共7次 (包含1次心得報告)佔70%，給分方式以整組為單位，只需書寫上課的學習單，下課後繳回即可，不讓同學帶回以免造成後續繳交的困擾，也可練習學生的分工合作能力，學習單若問題皆有完整回答即可得到A (約9分)。若該節上課有成品產出，則由同學各組互評，增加同學間競爭的趣味，也可讓彼此互相觀摩，未來有更好的進步空間。

表2 課程規畫設計與評量方式

教學大綱	操作時間	單元/主題	內容綱要
	1週	課程簡介	分組並介紹實驗室安全守則與器材使用時機
	4週	食物中的化學^[2][3][5]	1. 解讀食品標籤中的各種成分，並進行簡單檢驗 2. 介紹食物中的化學成分，並進行簡單檢驗 3. 介紹食物的酸鹼值，並進行簡單檢測 4. 利用密度及酸鹼製作蝶豆花飲品 (成品作業10%) 5. 介紹膠體溶液及製作果凍 (成品作業10%)
	期中考週		考試加油~
	5週	食物中的化學^[6][[7]	1. 介紹藥品中的化學成分，並進行檢測 2. 萃取茶水，進行檢測 3. 泡咖啡，萃取咖啡因 4. 進行菠菜層析，分析菠菜中成分 5. 介紹乳化劑，製作冰淇淋 6. 邀請大學教授、專家或業師等到校與學生進行講座交流。繳交心得報告 (10%)
	期中考週		考試加油~
	4週	衣物中的化學^[4]	1. 植物染布 (成品作業10%) 2. 利用花瓣製作香水 3. 手工皂製作 (成品作業10%) 4. 利用光氧化還原製作藍曬 (成品作業10%)
	1~2週	課程分享	每小組報告學習成果與經驗分享約10分鐘 (成品作業10%)
學習評量	成品呈現70%，學習態度30%。
對應學群	數理化、醫藥衛生群

n 學生成品與上課花絮

一、學生學習單

每個主題上課時，由於高一學生尚未修習必修化學課程，以滴定主題為例：上半節會由本文作者先教授酸鹼中和觀念與滴定器材操作，並說明指示劑使用與標定，這些說明會放在學習單內容中，方便學生後續查看，也不須一直筆記而錯過上課重點說明，接著說明該節課要挑戰的條件與目標 (例如：標定出未知的氫氧化鈉與鹽酸濃度)，並將實驗操作與結果記錄在學習單上。下半節則是讓學生去討論與規劃，(例如：如何以類似的實驗去檢驗市售的醋酸濃度)，並詳細將實驗設計與結果記錄在學習單上（見圖1至圖3）。學習單每次皆在上課完成，一來可減輕學生回家作業負擔；二來也可讓學生練習實驗操作分工，有效在時間內完成操作並記錄。

圖1 猜猜我是誰

利用沉澱規則測試表，測試不同試劑種類，

理解沉澱表，並寫出可能之方程式

圖2 紫色魔法汁

練習濃度配製，與序列稀釋的概念

圖3 醋到底有多酸

練習酸鹼概念，與滴定技術操作，證明標示是否符合

二、上課花絮與活動照片

學生操作時，老師就是負責巡邏、回答問題與協助記錄相關照片，有時可以拍到超棒的笑容畫面，所有照片我們皆用Google Classroom上傳雲端紀錄，學生未來也可下載使用作為學習歷程檔案紀錄（見圖4至圖9）。由於是多元選修課程，因此評分較為寬鬆，若學生皆正常出席，並能在該堂完成實驗記錄學習單，就可獲得不錯的成績。

圖4 藍晒成品展示

圖5 酸鹼滴定操作

圖6 氧化還原–電解紫色高麗菜汁

圖7 食物化學–椪糖實作

圖8 猜猜我是誰–黃金雨

圖9 期末線上分享與合照

n 學生回饋與教學反思

本學期課程的介紹與操作，學生參與上課情況良好，最後的回饋也覺得選修此課程非常值得，不但可以驗證學習內容，同時實驗操作技術也大為精進，以下為學生的回饋（見表3）：

表3 學生期末線上回饋內容

u 在這學期的課程中，我學到仔細操作實驗的重要性，透過每次細心的觀察，嘗試找出蛛絲馬跡並做合理的推理。此外，在藍晒圖的實作中，不但瞭解化學原理，更提升美感素養，將藝術創作運用於其中，使生活變得更多采多姿。

u 不同於理論課的紙上談兵，經由這堂專為化學實驗所開的課程學到了許多實驗操作技巧，包括滴定管的使用、溶液濃度測量等，收穫滿滿。

u 在學期的課程中不僅讓我了解許多化學知識，更讓我訓練出不怕挫折的態度以及對於問題的解決能力，使我對於各項事務都會全力以赴的去完成

u 這門課不只教會我化學知識、實驗的方法與態度，也讓我了解自己的專長與特質，更讓我有更開闊的視野，讓我發現我對於化學領域有很高的興趣，但具有的知識並不足，這激起我想要更深入研究化學、甚至自主進行探究。

u 這是一堂多采多姿的課程，學習的不只是實驗，還有實驗精神！

另外，同學也將此課程轉為多元選修歷程檔案，做為未來升學的相關佐證資料（圖10）。

圖10 學生多元選修歷程檔案

經過這學期的多元選修操作後，有幾點不足處可與大家分享：

1. 課程設計上可再縮少一點實作量，增加學生重複操作與討論實驗的空間，例如：咖啡因萃取實驗時，只有少數組別有真正看到咖啡因結晶，大部分都無法在時間內完成結晶操作，但因下周又有預計的主題，因此對於討論實驗為何失敗（或變因控制上）這塊比較不足，是未來開課老師可以斟酌調整的部分。

2. 此次開課節數是兩節連堂，我的安排是一節介紹基本原理與相關操作，另一節開放同學實際操作，因此主題挑選上受限於時間關係，多為相對簡易的食譜式實驗。未來可建議老師安插部分探究式實驗（或POEC式實驗），可增加該課程的深度與廣度。

3. 本課程建議老師要培養多位小老師，讓他們可以協助配藥、器材整理等相關工作，否則單憑老師一人準備其實是相當大的負擔，善用小幫手才能讓本課程開設長久，且未來也可有一兩次空白時間讓同學自行準備器材發想實驗，而非只靠老師一人單打獨鬥。

4. 較為可惜的是在第二次期中考後，因為疫情的影響轉為線上課程，變成只能由學生在家自行操作簡單的生活實驗，雖然還是有部分的探究過程，但是與在實驗室操作相比，就少了那麼一點感覺。

n 參考資料

1.衛生福利部食品藥物管理署（2017）。食品添加物使用範圍及限量暨規格標準。 https://consumer.fda.gov.tw/Law/FoodAdditivesList.aspx?nodeID=521

2.鍾曉蘭、呂慧伶（2013）。家庭化學實驗：紫色魔法汁。科學研習，52(11)，20-27。

3.臺大化學系教學網（2022）。維生素C之定量。https://teaching.ch.ntu.edu.tw/gclab/doc/demonstration/quantitative_analysis_of_vitamin_C.pdf

4.廖旭茂（2017）。黑白記憶：銀鹽相紙的製作與沖印。臺灣化學教育，18。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=22162

5.廖旭茂（2015）。2015亞洲化學教育國際研討會：極具巧思和創意的工作坊交流與分享。臺灣化學教育，9。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=9897

6.顧展兆、楊水平（2020）。化學示範起始探究與實作：漂亮結晶的教師示範和學生實作。臺灣化學教育，40。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39601

7.陳映辛、馮松林、劉融諭（2020）。竹山高中多元選修: 生活科學家及科學志工。臺灣化學教育，35。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=41903

n 附錄(部分空白學習單)

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

星期四 , 2, 6 月 2022 編輯助理微型化學實驗, 第四十七期/2022年6月留言功能已關閉

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

[email protected]

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

基礎科學促進永續發展國際年 (IYBSSD)活動簡介扎根科學永續臺灣 / 邱美虹、鄭原忠、李旺龍、楊仲準、趙奕姼

星期三 , 1, 6 月 2022 編輯助理國內外化學教育交流, 第四十七期/2022年6月留言功能已關閉

基礎科學促進永續發展國際年(IYBSSD)活動簡介

扎根科學 永續臺灣

邱美虹¹* 鄭原忠² 李旺龍³ 楊仲準⁴ 趙奕姼⁵

¹國立臺灣師範大學科學教育研究所

²台大化學系教授/自然科學及永續研究推展中心主任

³成大材料科學及工程學系教授

⁴中原大學物理系教授

⁵中央研究院兼任研究員

「基礎科學促進永續發展國際年」(International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, 簡稱IYBSSD)是由聯合國宣布自2022年1月1日起至2022年12月31日止的國際年，後因疫情影響而延後到2022年7月8日正式開幕並將慶祝活動延長到2023年6月30日止，主辦單位國際純粹及應用物理聯合會(International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP)邀請全球各組織或團體共同推動一系列活動以強調基礎科學對於邁向永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)之重要性與貢獻。臺灣在科技部自然司的規劃下，號召一群沉浸於基礎科學研究的科學家與關心科學傳播的科普人共同策劃支持IYBSSD@Taiwan。以下簡介IYBSSD活動背景與臺灣系列活動，歡迎各界人士共襄盛舉，使國人更加重視基礎科學研究對社會的影響與貢獻，以及珍惜自然界的資源與生活物資，唯有全體國民的科學素養提升，才能讓社會走向永續發展，也才有可能讓地球得成為人類最適合且最友善的生活環境。

IYBSSD2022的背景

2015年聯合國核准在2030年達成17項永續發展目標(Sustainable Development Goals, 簡稱SDGs)的倡議，楬櫫保護地球環境並促進社會發展的決心，其目標包含消除貧窮、飢餓，改善衛生、健康、倡議優質教育、性別平等、經濟與社會權益以及負責任的消費與生產，且應能因應環境變化與發展夥伴關係等；為慶祝IUPAP成立100周年，理事長 Michel Spiro則向聯合國提出IYBSSD來強調基礎科學研究對於推動永續發展的重要性，並獲得歐洲核子研究組織(The European Organization for Nuclear Research, CERN)、國際純化學暨應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)等26個國際科學組織支持而聯合提案，並獲得超過80多個國家學術團體、國家科學院、研究和教育中心的支持，倡議透過IYBSSD讓全球重視基礎科學與永續發展。

IUPAP主席Michel Spiro認為「基礎科學提供面對重要挑戰的必要手段，例如全球需要的食物、能源、健康照顧和通訊技術」，基礎科學是達成永續發展的必要條件，即便基於好奇心的研究往往一開始無法看見研究結果的應用層面，但當我們面臨環境改變或挑戰時，由基礎科學研究所累積的知識才是我們面對逆境最重要的資產；如同COVID-19肆虐的這兩年，雖然帶給人們巨大的威脅，但是若沒有過去基礎科學研究所累積對於病毒、疫苗、基因序列的瞭解，COVID-19將會帶給人們更不堪設想的結果，因此永續發展將奠基在基礎科學上(詳見https://www.iybssd2022.org/en/home/)。

藉由IYBSSD慶祝活動希望能達到以下四大效益:1.科學平權，增加參與科學的包容性：所有人對基礎科學進步都至為重要，不應受性別、年紀、職業、社經地位或所處地理位置限制，2.加強教育與科學培訓：激發並延續人們對科學研究的興趣，將科學方法與好奇心帶入職場與日常生活中，有助於培育負責任和自主的公民；3.資助基礎科學：呼籲各國增加對於基礎科學研究的投資以促進經濟發展與國際影響力。4.擴展開放科學：開放科學資源是科學研究和創新發展的首要任務，以實現全世界的永續發展目標。以下針對四大議題做進一步的說明。

一、IYBSSD的四大議題（Main topics）

1. 加強科學參與的包容性

所有參與的個人，無論他們的出生、社會地位、地區或性別，對於基礎科學的發展都至關重要。因此IYBSSD提倡：

證實包容性研究的需求，並引領倡議以推進這樣的研究；
突顯最高層級的女科學家；
邀請政治領導人促進科學家們的交流、參加科學會議以及為獎學金與交流計畫共同努力。

2. 加強教育與科學培訓

從小開始的科學教育能提供人們對於科學研究的興趣，並鼓勵人們從事科學相關的職業，這對人類的發展十分重要。此外，科學方法和好奇心可以用在個人、職業和社會生活的許多其他領域，這也提供了公民責任與自主性的教育。因此IYBSSD提倡：

促進基礎科學教育和師資培育；
促進優良作法的宣傳；
突顯在此領域取得顯著發展之國家的成功案例。

3. 資助基礎科學

在世界許多地區，各國承諾將其國內生產總額（GDP）的1%甚至3%用於資助研發計畫。雖然已經有實例顯示這些費用能發展經濟和國際影響力；然而大多數國家距離這個資助目標仍然十分遙遠。因此IYBSSD提倡：

突顯對基礎科學的經費支援的例子；
展示他們的成果；
邀請政治領導人兌現自己的承諾，為基礎科學提供資金。

4.推廣開放科學

為實現世界各地的永續發展目標，開放科學是發展科學研究和創新的首要因素。宣傳基礎科學成果及其研究過程所需的所有文獻都是極其重要的。因此IYBSSD提倡：

聚焦成功的開放科學倡議；
促進知識的全球性流通，及鼓勵科學家之間的互動和分享；
為政府、國際組織和編輯提供機會，以可接受的成本、持續以開放取用的方式出版。

二、IYBSSD的六項主題（Main themes）

IYBSSD的制定是根據教科文組織（UNESCO）和聯合國確定的優先主題。它鼓勵科學家與各類利益相關者之間的交流，無論是來自基層社區、政治決策者或國際領導人，以及協會、學生和地方當局。主題包含以下六項，

1. 婦女參與度和能見度的提升

2. 基礎科學作為國際對話與和平的來源

3. 科學是一種全球公共利益

4. 創新與經濟發展

5. 教育與人類發展

6. 全球挑戰的因應

三、17項永續發展目標（SDGs）

聯合國在2015年宣佈了《2030年永續發展議程》，為未來15年訂定了使地球更加和平與繁榮的目標。該議程中認為終結貧困、改善健康及教育、減少不平等和促進經濟成長應齊頭並行，同時也要應對氣候變化並保護環境；因此提出了17項永續發展目標（SDGs），17項核心目標共涵蓋了169個具體的細項，透過這些目標提倡全球各地採取行動共同為經濟、社會和環境的永續發展努力。

1. 消除貧窮No Poverty

2. 消除飢餓Zero Hunger

3. 良好健康和福祉Good Health and Well-being

4. 優質教育Quality Education

5. 性別平等Gender Equality

6. 潔淨水與衛生Clean Water and Sanitation

7. 可負擔的潔淨能源Affordable and Clean Energy

8. 尊嚴就業與經濟發展Decent Work and Economic Growth

9. 產業創新與基礎設施Industry, Innovation and Infrastructure

10. 減少不平等Reduced Inequalities

11.永續城市與社區Sustainable Cities

12. 負責任的消費與生產Responsible Consumption and Production

13. 氣候行動Climate Action

14. 水下生命Life Below Water

15. 陸域生命Life on Land

16. 和平正義與有力的制度Peace, Justice and Strong Institutions

17. 夥伴關係Partnerships for the Goals

圖1　17項永續發展目標與IYBSSD臺灣Logo，中譯名詞採用教育部出版之永續發展目標(SDGs)教育手冊－臺灣指南。

四、臺灣為響應基礎科學促進永續發展國際年所規劃的一系列活動

為響應「基礎科學促進永續發展國際年」並彰顯臺灣基礎研究的能量與在永續發展上的成果，本活動團隊邀集國內公部門、學界、民間等機關（構）及團體發起多項慶祝活動共襄盛舉，包含融入SDGs議題的專業學術交流研討會議，城市及偏鄉的科學傳播推廣活動，以及國內與國際團體或人士交流的活動等，從科學家與受眾的對話、偏鄉與城市的共好、海洋與陸地的關懷到人類向大自然取經的多元方式觸及民眾，藉由提升全民對基礎科學的重視、正視人才的培育、關心生活周遭科學議題並採取適當的行動與正確的態度，以達到與社會共融和自然共榮的永續發展目標。同時，也期盼藉由一系列的活動可以彰顯臺灣基礎研究與在永續發展上的成果與努力，同時也可以引起社會重視永續相關議題以及瞭解基礎科學對社會的影響，並期待國人能從認知到永續發展的重要性後，能付諸於行動來珍惜地球上有限的資源。

這一系列的活動理念為「扎根科學、永續臺灣」，意旨透過科學研究的向下扎根與人才培育，以科學行動解決社會重大議題，達成臺灣這個島嶼永續發展的崇高理想，也期盼藉IYBSSD一系列在臺的活動，可以讓全世界看到台灣在基礎科學、科學傳播與永續發展的卓越成就與努力。

IYBSSD的官方Logo如下圖(左)，而本活動將使用的臺灣Logo如下圖(右)，其設計理念為將臺灣化成一片綠葉，代表永續發展已於這塊土地上扎根。加上具有原子及星體軌跡意象的三個不同色環，象徵在不同廣度與深度下，基礎科學在永續發展上的多元樣貌。地球代表本計畫的國際視角，以及與世界的永續發展趨勢接軌，並期待臺灣能在這全球性的國際永續發展年中，扮演關鍵的角色（設計者:葉明勳）。

圖2　IYBSSD Logo
(左,
下載於https://www.iybssd2022.org/en/downloads/)與IYBSSD@臺灣Logo
(右)。

本系列慶祝活動以三個活動主軸面向來響應IYBSSD，期許透過三主軸提升全民對於基礎科學的關注，進一步貼近永續發展之目標。活動第一主軸（專業領域）：藉由引領各基礎學科的學會及組織舉辦的論壇活動，以永續發展為議題，增進學術研究對於如氣候變遷、潔淨能源等議題之探討，促進永續發展目標中所需的基礎科學知識之探索，以及該會議領域之人才培育。活動第二主軸（科學傳播）：是以大眾為對象的活動，主辦單位相當多元，包含學會、各大學之科學教育中心、永續發展中心、長年在地方耕耘的各縣市全民科學週團隊，以及持續關注永續發展的國家部會組織，如國家衛生研究院、國家實驗研究院國家高速網路與計算中心、五大博物館、行政院科技會報辦公室等，透過科普活動將提升參與者對於科學的認識、增進基本科學素養，影響更多人關注基礎科學，以達成永續發展目標。活動第三主軸（國際鏈結）：透過有國際組織IUPAP、IUPAC參與的在地活動，增進臺灣與國際間的連結，以及基礎科學之交流，促使臺灣與國際發展更堅強的夥伴關係。活動規劃將針對不同的受眾以三大主軸圍繞著科學平權、科學啟蒙、全民參與、國際串聯等核心概念來響應IYBSSD，期許學術界、大眾與國際夥伴皆得以透過對於基礎科學的關注、傳播、教育與研究等，增進對於永續發展的認知，並且願意投注基礎科學為永續發展盡一份心力。最後藉由IYBSSD的一句話來說明基礎科學與永續發展的關係。

Basic sciences are the sine qua non for sustainable development

(引自https://www.iybssd2022.org/en/about-us/)

致謝

感謝科技部自然司的指導以及所有參與活動的學者、單位和團體的大力支持，在此致上最高的敬意與謝意。

《臺灣化學教育》第四十六期 ∕ 目錄

星期日 , 13, 3 月 2022 編輯助理第四十六期/2022年3月留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第四十六期（2022年3月）

n 主編的話

u 第四十六期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n 本期專題【專題編輯／林震煌】

u 化學與藝術的融合 ∕ 林震煌〔HTML｜PDF〕

u 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〔HTML｜PDF〕

u 化學與藝術的融合：金屬版畫的修復研究探討–以楊英風作品為例 ∕ 王瓊霞〔HTML｜PDF〕

u 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〔HTML｜PDF〕

u 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〔HTML｜PDF〕

u 化學與藝術的融合：藍苒˙藍染的化學世界 ∕ 江慧玉、姚月雲〔HTML｜PDF〕

u 化學與藝術的融合：陽明山藍染棒繪具試做說明與紀錄 ∕ 郭雅倢〔HTML｜PDF〕

u 化學與藝術的融合：濕壁畫實習記 ∕ 許惠媛〔HTML｜PDF〕

n 教學教法／多元教學法【專欄編輯／洪振方】

u 繪本融入自然界永續發展議題提升學生探究之能力 ∕ 李佩蓉、洪振方〔HTML｜PDF〕

n 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／鍾曉蘭】

u 竹山高中多元選修: 創意科學志工 ∕ 陳映辛、馮松林、劉融諭〔HTML｜PDF〕

n 課程教材／化學課程與教學【專欄編輯／楊水平】

u 透過遠距教學推廣科普活動 ∕ 李俊穎〔HTML｜PDF〕

第四十六期主編的話 ∕ 邱美虹

星期六 , 12, 3 月 2022 編輯助理主編的話, 第四十六期/2022年3月留言功能已關閉

第四十六期主編的話

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
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]

我自幼追隨薛清茂老師習畫，主攻山水，勾皴擦染點五個基本功法，由近而遠，由濃到淡，在宣紙上每一筆都要思考過再落筆，否則來回的走筆痕跡將毫無保留的呈現在畫面上。早期習作以黑白為主，墨色就成了主角，如何在一支畫筆中展現時而渲染時而毛澀之感，那就非得要對毛筆、紙張、墨條、水量有所掌握，俗稱筆性、紙性、墨性和水性要了然於心，假以時日的反覆練習與心領神會，方能完成一幅堪稱有山有水的畫作。隨繪畫筆觸工法逐漸精熟，在老師的指導下開始使用顏料為畫作上色，藤黃、花青、赭石、石青、胭脂等等都跳上石頭、樹木、花朵、人物、屋舍，突然畫作變得有生氣了，那真是作畫時最愉悅的一刻了。張大千的中西合璧、在具象與虛象之間的遊走，用色大膽、豐富鮮麗，其中使用過的「中國藍」就是出自於一位有化學背景的宋國華先生^註，張先生的畫中有些頗具特色的藍便是來自宋先生的花青、石青、石綠等的調和，這些顏料的化學成分含有靛藍(C₁₆H₁₀N₂O₂)、亞鐵氰化鐵(普魯士蘭，Fe₇(CN)₁₈⋅14H₂O)、碳酸銅礦〔俗稱藍銅礦，Cu₃(CO₃)₂(OH)₂)〕、水合鹼式碳酸銅〔俗稱孔雀石，Cu₂(OH)₂CO₃〕。為黑與白的國畫添色就如同將一個木偶賦予生命而成為一個真正的男孩（皮諾丘）一般，多令主人雀躍啊！

多年後因孩子們學畫之故，我因緣際會的重拾畫筆但這次學的是西方的油畫和壓克力畫，發現東西方在繪畫上真是大異其趣，油畫由遠而近、由淡到濃，反覆疊加的畫法，與國畫迥然不同。剛開始畫油畫時，老改不掉謹慎下筆的態度，孰不知後續堆疊就可以將不稱職的顏色或是不經心的筆觸蓋過去，如此說法似乎對西畫有所不敬，我學西畫時間不長只能很粗淺的描述心中不成熟的想法，不能在此班門弄斧。兩年前在一個偶然的機會知道化學系林震煌教授在美術系開修復畫作的課程，剛好與我的背景和興趣有關，獲得林教授首肯後便去旁聽了幾堂課，林教授娓娓道來分析化學儀器和原理在修復畫作的應用，如從化學的角度去看修復時的顏料如何正確選擇(是否符合畫作當代就已經發現的顏料)，也從藝術的角度去看化學顏料如何融合去展現藝術之美，這門課是個跨界的課程甚是有趣，實在是個值得探索的領域，誰說化學不是就在我們身邊嗎?!這讓我想起多年前學油畫時，油畫老師告訴我，俄羅斯的修復畫作的碩士學位要求學生必須有化學背景才能入學，的確，要修復一幅畫，顏料、紙張等的挑選，以及材料的分析在在都是學問，豈可輕忽兩者之間密不可分的關係。化學與藝術共同譜出一首美妙的圓舞曲!

本期專題為「化學與藝術的融合之旅」，特邀甫從國立臺灣師範大學化學系改為美術學系與化學系合聘的林震煌教授擔任客座主編。本特刊除林教授的導讀外，還有臺灣科技大學陳鴻興以科學方法找出常設展展場之展示照明的合適性，以及數位重建的未來。國立臺灣師範大學美術系的文物保存維護研究發展中心王瓊霞以修復楊英風的金屬版畫「常新」為例說明掌握材質特性的重要性以及修復的要點。故宮國寶裝裱修復師許兆宏撰文介紹黏著劑的耐久性、王慶豪的植物色素萃取與染布課程設計、江慧玉和姚月雲，以及國立臺灣師範大學美術系郭雅倢的藍染、許惠媛的濕壁畫，篇篇都精彩，值得一讀再讀拓展吾人對化學與跨領域的認識。至於常態性文章則有李佩蓉和洪振方透過永續發展為主題的繪本設計傳達節能減碳的探究精神與環保意識。陳映辛、馮松林、劉融諭的做中學，以「竹山高中科學宅急便」科學闖關活動和植物萃取等實驗，提供學生進行探究、實作、到志工服務活動，將所學以科學語言再傳達給其他同學，該課程有助於培養學生科學素養與提升溝通能力。李俊穎因應全球新冠肺炎的疫情而採用遠距線上實驗教學，並於教學前寄送實驗材料包至學員家中，使實驗課仍得以實施，可供教師參考。

註: https://www.taiwan-panorama.com/Articles/Details?Guid=507d31a4-1f01-4058-bed4-48f0c458dc39

化學與藝術的融合 ∕ 林震煌

星期五 , 11, 3 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十六期/2022年3月留言功能已關閉

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

[email protected]

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。

X射線螢光分析是一種快速的、非破壞式的測量方法，廣泛用於元素分析和化學分析。特別是在地球化學、法醫學、考古學和藝術品，例如油畫、版畫和壁畫。本期邀請了台師大美術系臺師大文物保存維護研究發展中心王瓊霞撰文，以修復楊英風的金屬版畫「常新」為例，檢測分析該金屬版材質。科學檢測的結果可提供修復人員在進行修復前，掌握材質的特性，以便在進行修復時對移除鏽化物有所判斷與根據。該文將以此案例，探討並介紹修復方針與內容、展示與保存形式。

書畫裝裱是項傳統的工藝技術，而漿糊是裝裱時主要的黏著劑。漿糊會與材質介面有著緊密地接觸，因此被認為是影響書畫保存的重要因素。書畫裝裱用的漿糊跟一般文具紙張用的漿糊是完全不一樣的層次。裝裱必須使用完全無筋的麵粉（又稱澄粉或淀麵）。這是一種從小麥提取澱粉所製成的一種不含麵筋(蛋白質)的麵粉。除了漿糊之外，布海苔及甲基纖維素也是現代書畫修護時會使用的黏著劑。黏著劑的老化程度可由儀器設定溫濕度、紫外光照射時數等環境條件來檢驗。在修護材料及文物的劣化現象上，透過現今科學的分析及實驗，可讓修復師獲得許多知識並指引正確的解決方向。本期邀請了故宮國寶裝裱修復師許兆宏撰文，介紹黏著劑的耐久性，並參酌相關文獻來思考後續的研究方向。

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。

探究與實作改變了高中的實驗教學。學生學習的知識不再侷限於課本內容，而是向外延伸，擴及到更多素養、能力與態度的養成。這樣的訓練之下，可以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。本期邀請北一女江慧玉老師撰文，就以『藍色』為主軸，分述顏料或染料的獲得及製作。同樣在「追藍」系列中，另外邀請了台師大美術系郭雅倢撰文，敘述如何使用陽明山的藍染顏料，製作類似於彩色墨條的繪畫用具：「棒繪具」。在台灣，「棒繪具」常被應用於膠彩創作的打底色層，以及文物保存修復上。由於台灣並沒有生產「棒繪具」，所需品必須自日本購入。日本產的「棒繪具」，藍色系以本藍、美藍、日本發酵藍為常見。其中，陳年日本發酵藍棒最為珍稀而價高。台灣過往曾有輝煌的陽明山藍染歷史文化，若能夠研發出陽明山藍染「棒繪具」，一定可以促進文化的活化，發展具有台灣特有色相之顏料。

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

星期四 , 10, 3 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十六期/2022年3月留言功能已關閉

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

[email protected]

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

紅外反射-1

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-以楊英風作品為例 ∕ 王瓊霞

星期三 , 9, 3 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十六期/2022年3月留言功能已關閉

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）。