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

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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)。

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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」。

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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)。

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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)。

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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。

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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℃RH95%)、高溫低濕(105℃RH2%)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℃87RH)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)。

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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、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710)。

 

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

 

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9:小托完成後將表面紙張潤濕        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~%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6140-144

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

星期一 , 7, 3 月 2022 在〈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〉中留言功能已關閉

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。

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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。

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2教師們示範植物染布技術所錄製之教學影片

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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。

1%硫酸鐵水溶液混合液、1%硫酸銅水溶液混合液、1%明礬水溶液混合、飽和石灰水混合液、蘇木萃取水溶液(不含任何金屬離子)

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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。

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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。

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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。

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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」。

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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

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。

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8:學生期末報告的狀況

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9:學生期末報告及展示染布相關成品

 

  •         結語

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)。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。


[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:


 

 


第一學期

 


第二學期

 


108學年度

 


以自製的實驗裝置研究酵素催化雙氧水分解

 


自製電泳槽與色素分析

 


109學年度

 


釀酒、酒精蒸餾技術與酒精濃度之分析

 


酵母菌的繁殖與擴培

 


110學年度

 


植物色素的萃取與植物染布技術的應用

 


藍染工藝製程的科學探究

 

化學與藝術的融合:藍苒˙藍染的化學世界 ∕ 江慧玉、姚月雲

星期日 , 6, 3 月 2022 在〈化學與藝術的融合:藍苒˙藍染的化學世界 ∕ 江慧玉、姚月雲〉中留言功能已關閉

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9599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 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。 image

圖2天然礦物藍色顏料(林震煌,2021)

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圖3 普魯士藍(Prussian_blue)

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

         藍印術創作

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31K2C2O4(aq)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)3C2O42(aq)→ [Fe(C2O4)3]3(aq)     (1)

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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C2O42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-•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)clip_image012[Fe(C2O4)2(C2O4+•)]3(aq)       

[Fe(C2O4)2(C2O4+•)]3(aq) →Fe2+(aq)+2C2O42(aq)+ CO2-•(aq)CO2(aq)

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

全反應:clip_image0132[Fe(C2O4)3]3(aq)clip_image012[1]

[Fe(C2O4)3]4(aq)+2C2O42(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。 image

圖6 馬藍植物

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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。

 

 

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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/=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)。
 

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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202111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

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

星期六 , 5, 3 月 2022 在〈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〉中留言功能已關閉

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

國立臺灣師範大學
[email protected]

n  前言

棒繪具(棒絵具)是類似於彩色墨條的繪畫用具,將天然色粉與動物膠結合揉製成棒狀(東京藝術大学大学院文化財保存学日本画研究室,2014),使用時以水磨開即可。在臺灣,棒繪具被應用於繪畫創作,以及文物保存修復。並由於臺灣自身並沒有生產棒繪具,必須自日本購入,而日本產的棒繪具中,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。

臺灣過往曾有陽明山藍染歷史文化,一方面,若能夠研發出陽明山藍染棒繪具,除能促進文化的活化,發展具有臺灣特有色相之顏料、積累更豐富的藝文成果之外,亦可能能夠降低棒繪具取得的成本與困難,因此有了陽明山藍染棒繪具試做的起心動念(見圖1

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圖 1 試做第零號的色票試塗(左)與日本產發酵藍(右)進行對照

 

n  第一次試做

    以墨條的製作原理為參考:墨條是以顆粒極細的煙灰為色粉,混入動物膠後經過一段時間的機械或者人工揉製,使粒子與膠充分結合並且排出空氣後,揉成棒、入模具、自然乾燥。因此,藍棒第一次試做亦是將乾燥的藍泥塊以乳缽磨細後加入動物膠揉製而成。

一、步驟

(一)   將藍泥倒入大盤中乾燥(見圖2

(二)   乾燥後的藍泥塊以乳缽磨成粉末。

(三)   將藍泥粉末加動物膠充分揉製、混合(見圖3

(四)   塑形、乾燥。

(五)   試塗。

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圖2 將藍泥倒入大盤中乾燥

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圖3 將藍泥粉末加動物膠充分揉製、混合

二、問題發現

(一)   磨出的顏料顆粒太大,粒子感強烈(見圖4,不易均勻上色(見圖5)。

(二)   膠過重可能造成研磨時不易發色。

(三)   棒身不夠緊實或者太脆,容易斷裂。

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4 磨出的顏料可明顯看見顆粒

5 可見明顯顆粒、無法均勻塗佈,顯色不佳

 

n  第二次試做

在第一次試做後,得出了後續試做中必須改善的要點本文接下來會先針對粒子感強烈部分進行試做。

關於顏料顆粒太大問題的解決,首先聯想到礦物顏料製作時將顆粒粗細分層的「水飛法」。水飛法指的是將研磨後的顏料顆粒加入水中攪拌均勻後靜置沉澱,每隔一段時間將上層混雜著較細而尚未沉澱的水倒出、另外再次靜置沉澱,漸次得出顆粒大小不同的礦物顏料色粉。

第二次試做將藍塊以乳缽磨碎後加入水中攪拌,並且分別製作了靜置20分鐘、1小時、1天、1週的版本。

一、步驟

(一)   將乾燥後的藍泥塊以乳缽磨成粉末。

(二)   將粉末與水混合後靜置沉澱,20分鐘後將上層倒至其他容器中繼續沉澱,底部沉澱部分靜置乾燥。

(三)   重複步驟二得出靜置20分鐘、1小時、1天、1週的版本。20分鐘顆粒最粗、1週最細、量最少。

(四)   乾燥後的藍泥粉末加入動物膠充分揉製、混合。

(五)   塑形、乾燥。

(六)   試塗。

二、問題發現

(一)   顆粒粗細確實會影響到顏色的顯色與延展性(見表1)。

(二)   水飛法得出細顆粒量少且耗時,因此第三次試做將嘗試穆勒棒的方式。

1  a-c組試塗狀況可見較明顯的顆粒感,且a組有一圈黃色漬痕。d組顏色均勻也較藍

代號

a

b

c

d


 

 

呈現樣態

 


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沉澱時間

20分鐘

1小時

1

1


試塗狀況

 

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n  第三次試做

水飛法雖然能得出細膩均勻的粒子,但耗時且量少,並不完全適合。故本次參考用膠汧細(小山畫譜,2017)的做法,在研磨的過程中加入動物膠一起研磨,讓顏料粒子與展色劑充分融合、研細。

一、步驟

(一)   將乾燥後的藍泥塊以乳缽磨成粉末。

(二)   將粉末與動物膠一同置於大理石板上,以穆勒棒研磨混合(見圖6

(三)   充分研磨後塑形、乾燥(見圖7

(四)   試塗(見表2

二、問題發現

(一)   此方法能夠充分解決顆粒、顯色、延展性等問題,製做出漂亮的棒繪具顏料。至於究竟需要研磨多久、能不能有更漂亮的顯色等,是第四次試做希望得出的課題。

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6 以穆勒棒將乳缽研磨過的色粉加膠再次研磨,以8字形繞圈研磨

7 充分研磨後整形成棒

2         e組試塗狀況可見較明顯的顆粒感,顯色也不佳;f組成功改善顆粒問題,陽明山藍染美麗的顏色被充分的展現出,也能夠均勻的塗佈。d組顏色均勻也較藍。

代號

e

f

版本

第一次試做

第三次試做

顆粒狀況

 

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試塗狀況

 

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n  第四次試做

穆勒棒能夠得出美麗的顏色,是可行的方式。本次試做則進一步實驗不同研磨時長製做出來的陽明山藍染棒繪具,顏色是否不同、能否有更好的色彩表現。

一、步驟

(一)   將乾燥後的藍泥塊以乳缽磨成粉末。

(二)   將粉末與動物膠一同置於大理石板上,以穆勒棒研磨混合

(三)   充分研磨後塑形、乾燥。研磨時間有5分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘,共五組

(四)試塗。 本次試塗方式分為單點平塗、暈染測試兩種,測試紙張為宣紙。

二、問題發現

(一)   單點平塗測試中,將顏料從濃到淡調製,並單點試塗。研磨40分鐘者即使加水成淡色,也不會有顆粒感,依然非常均勻顯色(見圖8

(二)   暈染測試中,亦是40分鐘組的暈染最為平順(見圖9

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圖8 單點平塗測試。研磨40分鐘者即使加水成淡色,也不會有顆粒感,

依然非常均勻顯色,且層次豐富有變化

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圖9 暈染測試,40分鐘者較為平順

n  結語

一、本次試做總結

(一)   棒繪具的色粉粉末顆粒大小會影響到顯色。顆粒小者有較好的延展性、彩度、層次展現。無論濃淡、暈染都有較好的表現。

(二)   以穆勒棒將陽明山藍染色粉與膠融合、研磨,是較適合的作法

二、未來課題

  本次試做過程中,雖解決了顆粒明顯問題,但仍有其他問題有待解決。其一,是動物膠的濃度以及融合方式:在本次試作過程中得出,膠過度濃重會造成棒繪具乾燥後難以研磨使用,而膠過輕則棒身容易斷裂,何為最適合的膠液濃度,又或者要參考其他方式以達到以輕膠便能製造出堅固又易發色的棒身,也許能參考徽墨的製作工藝等,並有待後續繼續試驗。

  其二則是日本棒繪具製作中加入糖貽的目的解謎以及取代方案。日本的棒繪具在製作時會加入糖貽,這是棒繪具在台灣的溫濕度下容易發霉、產生保存問題的原因。本次試做尚未測試加入與未加入糖貽的效果差異,未來亦必須測試之並且找出取代糖貽的方式,改善配方,研發出適合台灣氣候、具有台灣獨特色彩的棒繪具,是終極目標。

n  參考資料

小山畫譜(20171014日)。中文維基文庫。檢索日期:202221日。取自https://zh.m.wikisource.org/zh-hant/%E5%B0%8F%E5%B1%B1%E7%95%AB%E8%AD%9C

東京藝術大学大学院文化財保存学日本画研究室(2014)。図解日本画用語事典。東京都:東京美術。

化學與藝術的融合:濕壁畫實習記 ∕ 許惠媛

星期五 , 4, 3 月 2022 在〈化學與藝術的融合:濕壁畫實習記 ∕ 許惠媛〉中留言功能已關閉

化學與藝術的融合:濕壁畫實習記

許惠媛

國立台北藝術大學

美術學系碩士在職專班二年級學生
[email protected]

前言

    「濕壁畫」Fresco原意為「新鮮而未乾的」;即是將礦物顏料加水之後,直接塗畫在潮濕未乾的灰泥牆上,灰泥吸收了顏料自然乾燥後凝固而使畫面能長期保存。這項繪畫技法在文藝復興時期流行義大利,最廣為人知的代表作有達文西Leonardo da Vinci 1452-1519繪於米蘭恩寵聖母堂Santa Maria delle Grazie in Milan的《最後的晚餐》The Last Supper 700cm x 880cm 1494-1498,以及米開蘭基羅Michelangelo di Lodovico Buonarroti Simoni 1475-1564繪於梵蒂岡西斯汀禮拜堂(Sistine Chapel Ceiling)的《創世紀》The Creation of Adam 1400x 3850cm 1508-1512。濕壁畫的技法是十分困難且容易失敗,但是這種自然天成的融合,卻也能產生出夢幻柔美的色調,彷彿此畫只在天上有的空靈特色。不過,到了十六世紀以後,濕壁畫逐漸式微,主要是因為油彩與帆布提供了畫家們更高的便利性以及油畫作品的多用途性。以台灣目前的狀況,能夠教授濕壁畫的學院派老師已經屈指可數了,而師大退休高齡近九十的榮譽教授陳景容老師1934~更是首要國寶級的大師。

濕壁畫實習日記

陳景容老師在一九六七年獲得東京藝術大學壁畫研究所碩士學位,隨即回國任教於國立藝專、中國文化學院,並於一九七二年起回到母校師大美術系任教直到退休之後仍被師大聘為榮譽教授,可說是桃李滿天下。陳老師以現在的高齡仍然每天從不間斷的繪畫,在他的畫室更是每星期都會有幾次的人體素描讓有興趣的學生過來素描,他常說「素描是一切繪畫的基礎。」筆者有幸與三兩同學每周在陳老師的畫室畫素描,陳老師每次的素描中段習慣會做短暫的休息喝下午茶,有時他心血來潮會跟我們講述他過去的一些有趣的小故事,我們總是聽得津津有味。
最值得一提的是有一天聽老師講述一九八七年他接受委任為中正紀念園區內的國家音樂廳製作台灣第一幅濕壁畫《樂滿人間》(220 x 940 cm
的事蹟。 我們聽了更加對老師升起無限的景仰。
他可能那天心情特好,忽然開口跟我們在場的幾位同學說,「你們想學濕壁畫我可以教你們!」我們幾位聽了立即連連點頭,有股想跪下跟大師拜謝的衝動。 跟大師學習濕壁畫這件事情就這樣發生了
! 

    首先的準備工作,老師要我們先將畫室一樓廊前的石英砂洗乾淨,挑去雜質後晾乾備用。 他告訴我們:
「濕壁畫用的石英砂要採河流的中段沙,因為上游的沙顆粒太大,下游近海所以沙比較會含有鹽分,石英沙的直徑要挑選在0.55mm~0.65mm之間。」
我們三位學生乖乖地按照老師的指示分頭行事:清洗砂石、拿我們要畫的畫稿去附近的影印店影印。老師特別交代他將素描稿以一比一的比例放大影印兩張,一張黑白、一張彩色。

清洗完了砂石,接著將放在圍牆旁整桶泡水的熟石灰挖出所需的份量,用很細的篩網先篩過備用。老師告訴我們,「這桶子裏面裝的是煅燒後的牡蠣殼粉,這粉要泡水一年以上就會變成熟石灰。「養石灰:
【煅燒後的牡蠣殼粉(碳酸鈣)+=氫氧化鈣】+一年多以後=熟石灰
石灰乳Calcium hydroxide, Ca(OH)2 ,以石灰乳來做畫,乾了後又會變回碳酸鈣硬化。」 陳老師接著又說:
「油畫用的亞麻仁油附著性強,但比較容易變黃,石灰乳代替亞麻仁油及鹿皮膠的膠彩畫是一樣的意思,但是使用石灰乳的濕壁畫乾了之後就不會有副作用,而且上面會浮上一層薄薄的玻璃層來保護顏料,就好像油畫畫完之後我們塗上凡尼斯隔阻空氣一樣的道理。」老師說畢,掀開圍牆旁整排那已經泡水幾十年的熟石灰,他撈給我們看那浮在水面上一層透明的薄膜說,就是這個薄膜產生的保護作用
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1:熟石灰薄膜

「石灰層是因為表面有接觸二氧化碳而形成一層透明的薄膜亦即是自然形成的碳酸鈣(CaCO3),就好像加了一層的Coating可以保護壁畫。」了解這些濕壁畫的化學變化之後,我們合力篩好了石灰乳並放置於塑膠桶裡密封包好備用。離開畫室前,老師囑咐我們下周早點過來畫室,各人攜帶畫筆毛筆、兩層的絲襪、調色盤、針等,其它的用具如礦物顏料等可以用老師的。並又交代我們,濕壁畫的製作是要在當天就必須完成,因為牆面在半乾時,顏料加水塗抹上去很容易的就會被牆面吸收進去,若當日沒畫好,隔天牆壁完全乾掉了就吸不進去無法再畫,所以當天無論畫到多晚都要完成,不然就前功盡棄了。

隔週,我們如期前來畫室,老師也準時到了。第一件事,我們要學習抹牆。老師畫室的圍牆內以及屋子的外牆都保留了粗糙的牆面供學生學習濕壁畫,所以牆面上一塊一塊的有不同的學生練習時留下的圖案2。 他要我們自己找一塊大約12號左右的牆面來畫。

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2:陳老師畫室外牆

抹牆

1.      牆面的區塊要先淋上幾次水,使其潮濕,所以,牆面要夠濕,否則抹上去的水分很快會被牆面吸乾。

2.      熟石灰與石英砂調和的比例基本上是1:2(圖3

3.      調勻之後就直接抹在牆面上自己預計要畫的區塊。抹牆的區塊以當天能完成的面積為原則。
抹牆時抹刀要微斜,不要平抹,並要稍加重壓使內部的空氣擠掉,要抹到表面十分平滑為止
(圖4

4.      抹好之後讓牆面放置約3-4小時之後才開始畫。 

    所以我們就利用這段時間去吃個午餐,回來後將黑白影印的圖稿拿出來用自己帶來的針沿著輪廓線戳上2m/m左右間距的小洞備用(圖5

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3:調和沙與石灰

4:抹牆

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5:戳洞

牆上繪畫

1.      拍線在牆上:將赭色的礦物顏料粉包在兩層絲襪裡,將戳好有輪廓洞的黑白影印紙平舖在要畫的牆上,然後將包有顏料的絲襪在上面輕輕拍打出牆上的輪廓線來(圖6

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6:拍輪廓線

2.      畫輪廓:以小楷毛筆用赭色顏料加水描上輪廓(圖7

3.      畫陰影:以綠土為顏料先畫有陰影的部分,就如同畫一次暈染。因為綠土含豐富矽質具高黏性且粒子較粗,先畫上去後(陰影)才能滲透進去牆面,這樣後面再畫上的顏料顯色才會漂亮。

4.      畫完陰影之後,我們繼續依著彩色稿將畫面慢慢填上顏色。這樣就完成了(圖8

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7:陳老師修飾示範畫輪廓線

8:筆者臨摹米開朗基羅的The Erythraean Sibyl 頭部

完工後我們合力將所有工具以及環境全部整理洗刷乾淨歸位後才離去。我們知道陳老師是受過日本美學院專業的訓練,他對學生離開畫室前的整理紀律非常注重,況且老師這次對我們的教導不僅不收費用,而且我們使用的工具、礦物顏料、影印費用全部都是老師無條件提供,讓我們體會到老師的義行以及對學生的無私奉獻精神。當我走出教室時天色已經昏晦, 內心暗道,好豐富的一天!!!

■結語

    這次千載難逢的學習經驗讓我受益良多,更想將這寶貴的技術好好記錄保存下來並多加練習應用。
於是我利用暑假期間在家裡使用30×30公分的磁磚背面,塗抹上調混好比例的石灰與沙,再依著陳老師教導的步驟完成了一幅《畫像》(圖9
。畫像在初完成之際,其顏色頗有生澀之感,過了幾天等顏料與灰沙融合之後,卻赫然發現其色調轉趨柔美,看了令人不禁會心的微笑。我想,以傳統濕壁畫的技法來建構出新的當代風格繪畫是自己可以再繼續嘗試去發展的。最後,還是要非常感謝陳景容老師將這寶貴的濕壁畫技法傳授給我們。

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9:靖青畫像

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

星期四 , 3, 3 月 2022 在〈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〉中留言功能已關閉

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

國立高雄師範大學

[email protected]

n  前言

       環顧全球,受到氣候劇變、資源耗竭、汙染嚴重等因素影響,造成一種不穩定的局勢。為了讓地球和人類永續發展,教育扮演着關鍵性的角色,透過教育的變革能讓人類有更好的生活品質。1992年聯合國即提出永續發展之理念(Combes, 2005),於2015年發佈「2030永續發展目標」(Sustainable Development GoalsSDGs),結合永續發展教育向各國、各領域推動(葉欣誠,2017)。我國對於永續發展教育的重視,始於19978月成立「行政院國家永續發展委員會」,積極推動永續發展教育工作(黃朝恩,2007),對永續發展而言,教育是關鍵。

永續發展教育(Education for Sustainable Development)有四個主要的驅動目標(United
Nations, 1992
):(1)提升和改善基礎教育,(2)對現存教育方向再調整以強化永續發展,()喚起大眾意識來瞭解永續性,(4)提供培訓。有品質的教育是全面性的,必須考慮永續性的環境、社會(包含文化)和經濟三個領域,透過環境教育及永續發展的教育與學習,全面性的推動,以行動來維護自然界的永續發展(張珍悅、徐勝一,2010)。然而,近年全球疫情爆發,更加速促使各界反思人類與環境的關係。

n  科學閱讀資源的發展

一、緣由

  近年來日月光企業也積極規劃及推動各項節能減碳計畫,進一步強化落實企業的社會責任,朝永續發展的目標前進(日月光集團,2020)。利用繪本圖畫的方式帶領學生認知自然界永續發展的重要,利用節能減碳、回收處理、再生利用等方法來保護環境。教師運用問題導向式學習,藉由繪本設計學生可思考的問題,問題在情境中,讓學生從繪本裡的圖片及簡單的文字敘述,學習觀察一個環境的變化,進而從繪本轉移到對於自己居住環境的變遷,激發他們覺察、探究的能力,思考環境的變化對於生態環境所造成的影響。

  十二年國民基本教育課程綱要中(教育部,2018),學習內容中的自然界永續發展提及「INg-II-2地球資源永續可結合日常生活中低碳與節水方法做起」、「INg-III-5為使地球永續發展,回收再利用的重要性」、「CNa-Vc將永續發展的理念應用於生活中,水資源回收與再利用的重要性」。透過學校推動環境教育,培養節能減碳意識,促使民眾在個人日常生活中,實踐節能減碳與環保意識。

二、探究式閱讀教學

  本文設計以繪本融入自然界永續發展之議題,運用探究式閱讀教學,從思考的進路展開,幫助學生進行自主學習(黃國珍,2020),將環境教育透過科學知識的傳遞融入學科。繪本可運用到不同的年齡及學習階段,透過問題或情境誘發學生思考,建立學生的學習目標,由教師引導學生進行自我導向式研讀,從繪本中增進對節能減碳的認識,利用圖畫的方式和簡單的文字敘述,將能源的使用與地球永續發展息息相關的知識融入學科,並加以簡化,藉由繪本探究科學現象或問題,教師引導並激發學生的好奇心與想像力,讓學生在情境中學習,藉此發展科學知識與理解科學概念。

環境污染的問題受到全球重視,想讓學生藉由《張婆婆的奇幻城堡》這本繪本,以輕鬆有趣的內容帶領學生認知自然界永續發展的重要。《張婆婆的奇幻城堡》提到環境的汙染導致動物的棲息地被破壞,如何找出根本的解決辦法,讓環境能再回歸以往的美好,讓學生們透過閱讀、觀察、討論繪本裡的插圖,在老師引導探究的過程中,設計學生可思考的問題,讓學生提出愛護地球的具體做法且落實於生活中,學生們也漸漸體認到節能減碳是大家共同的責任。

三、繪本內容介紹

  《張婆婆的奇幻城堡》一開始以大黑龍的出現隱喻工業發展造成環境汙染的影響,主角是一位有智慧、充滿愛心的張婆婆,在張婆婆的引導下環境再度回歸以往的美好。繪本中角色們有效的團隊合作,凝聚共識解決環境污染的問題,讓學生從中了解團隊合作是不可或缺的技能,可參考圖1

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1:繪本內團隊合作之圖片(引自財團法人日月光文教基金會)

  本繪本設備意指污水的處理過程設計,再生處理後將乾淨的水回放,一套水的循環系統,至於我們生活、工業或農業使用後的水,經過處理後又回到河川或海洋,讓原本污染的河水回歸清澈,可參考圖

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2:繪本內汙水處理設備之圖片(引自財團法人日月光文教基金會)

除淨化水質外,更將其中的污泥雜垢資源化與再利用,原本造成水質污染的物質,成為環境美化與便利設施的最佳資源,引導學生找出對地球環境的共識、歸屬與認同,如何將永續發展的理念應用於生活中,可參考圖3

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3:繪本內污泥資源再利用及淨水回放之圖片(引自財團法人日月光文教基金會)

本繪本也提到汙水處理的設備系統將污水變成乾淨的水,永續水再生,但依舊要面對設備的維護及水資源有限的問題,內文中將自動清洗裝置的概念簡化與轉化,藉由繪本中腳色小布魯們自告奮勇的進入清洗,使設備管路得以順暢運作,更有效率外,最重要的是清洗的人工與時間成本的節省,可參考圖4

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4:繪本內日月光集團其冷凝器自動清洗裝置之圖片(引自財團法人日月光文教基金會)

原本提供的用水,需大量的木材燃燒加熱,意旨原本的處理方式,龐大的需求,需面對的是耗能與能源有限的問題。透過空壓機熱回收設計,將原本的廢熱,利用熱交換器提供大量無毒、無污染的熱氣;並利用冷卻器,設計成氣對水的熱回收,讓原本浪費的熱能得以回收利用,讓冷水的溫度得以先行加溫,不再需要耗費大量的能源加熱,即可達到節約能源目的。使用繪本來帶領學生進行不同主題課程的動機,希望運用探究式閱讀教學,結合科學閱讀資源,在學校推動環境教育教學,在這個講求環保永續的世代裡頭,不只是個人要有節能減碳的思維,許多企業、公司對於環境保護也在共同努力中,可參考圖5

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5:繪本內日月光集團其空壓機熱回收裝置之圖片(引自財團法人日月光文教基金會)

四、科學閱讀資源應用

  為提升學生的探究能力,教師可以將探究式閱讀應用於科學閱讀資源的教學過程,(一)提出問題將繪本以科學閱讀資源導入,由教師以開放式提問和認知結構提問方式作為學生閱讀繪本過程中的提問引導語設計,在此基礎上要求學生快速閱讀繪本,以掌握繪本大意,如在《張婆婆的奇幻城堡》繪本中,教師為學生創設探究情境,向學生提出問題,“水的污染,對全球生物與自然環境會造成什麼樣的影響?”、“環境汙染中除了水的污染,還有哪些汙染造成環境的破壞?” 讓學生不只是找答案,而是在情境中進行探究,在思考問題的過程中提高閱讀興趣。(二)引發思考:逐步引導學生省思繪本主題所欲及傳達的意涵,讓學生更深入去思考水污染可根據污染雜質的不同而分為化學性污染、物理性污染和生物性污染,而“自然環境的這些水污染又分為哪些?如何造成?對環境造成多大的影響?“環境污染是全球共同的課題,“國際、社會、企業、個人,各自扮演的腳色是什麼?大家如何共同保護環境?“通過問題的連貫性和邏輯性激發學生的探究興趣。(三)合作探究:合作探究是探究式閱讀很重要的環節,教師可以讓學生以小組的形式進行自主、合作探究,為了保證學生的有效討論,可以記者採訪的任務,先討論經濟的發展對環境造成的汙染,進而影響到其他物種生存的權利,引導學生去思考日常生活中是否已造成了環境的汙染,反思檢視自己的生活習慣,通過團隊協作完成,在這個過程中,教師要對小組進行指導,幫助學生明確探究方向,經過討論的建構過程,使學生掌握對提問的思考和探究答案的能力。(四)評鑑交流:在各小組的思維碰撞後,進行成果分享交流,經由繪本引導學生理解各別段落的意義,及故事發展的脈絡與邏輯,讓學生有條理且具科學性的陳述探究成果,增進團隊合作的能力,達到能分析、思辨與批判人與科技、社會、環境之間的關係,在學習過程中建立多元價值觀。(五)重建詮釋:通過教學目標設定探究任務,為學生設計跟生活貼近的問題,並總結前面的過程,詮釋重建作者思想,從繪本中的科學知識,統整出核心的立場、觀點、論述、明確主題,讓學生面對任務時,透過提出問題、引發思考、合作探究和交流,培養學生正確的研究方法及解決問題的能力,將探究過程中獲得的知識內化,理解繪本內容,啟發學生對環境的關心,了解能源的使用與地球永續發展息息相關,樹立良好的環境價值觀。 讓學生們感受到地球環境維護的重要性,除了提升自身的環境敏感度,關懷生活環境之外,如何應用學校學到的知識解決生活中的問題

    除了提升學生閱讀效果,了解資源的回收再利用其必要性,繪本內容中企業的新興能源與替代能源的發展,希望以可愛活潑的腳色讓循環利用的話題頓時變得輕鬆有趣,將原本生硬的設備運作,使用孩子們的語言,並從他們的視野出發,轉化為貼近生活經驗所能理解的科學知識,吸引他們閱讀,探討回收再利用與節能減碳的重要性。讓學生們了解這已受到汙染的環境需要每個人一起維護,不僅僅是企業們的責任,引導他們提出讓自然界永續發展的具體作法且落實於生活中,並帶出繪本裡的腳色—小布魯們團隊合作的精神,結合每一個人的力量,與家人、朋友們一起維護並落實自然界的永續發展。

n  結語

    科學閱讀資源這些生活化、情境式的繪本閱讀,藉由生動的圖文傳遞環保的意涵與價值,學生接受度高,是引領學生進入環境教育的殿堂,產生學習效益的環境教育輔助教材。教師於課堂上對於繪本所設計的問題,與學生深度討論或設計相關活動,讓學生能夠對自己所生存的自然環境有深入的省思進而在日常生活中提升環保行動力,引導學生有正向的思考、提升心靈層次,讓世界越來越美好!

n  參考資料

日月光集團(2020)。取自:https://ase.aseglobal.com/ch/csr/corporate_sustainability_policy_and_management/corporate_sustainability_policy

黃國珍(2020)。探究式閱讀:黃國珍的閱讀進階課,從自我提問到深度思考,帶你讀出跨域素養力。台北:親子天下股份有限公司。

黃朝恩、張珍悅、葉瓊文、陳玉雯、周紅美(2007)。高中新課程永續教育之研究地理科,國科會95年度專題研究計畫成果報告:NSC95-2511-S-003-015

教育部(2018)。國民中小學十二年國民基本教育課程綱要─「自然科學領域」。臺北:中華民國教育部。

張珍悅、徐勝一(2010)。永續發展教育脈絡探討:「聯合國永續發展教育十年計畫」之回顧,地理研究,521-26

日月光文教基金會(2021)。張婆婆的奇幻城堡。台北:財團法人日月光文教基金會。

葉欣誠(2017)。探討環境教育與永續發展教育的發展脈絡。環境教育研究,13(2)67-109

Combes, B. P. Y. (2005). The united nations decade of education for sustainable development (2005-2014): Learning to live together sustainably. Applied Environmental Eduaition and Communication, 4215-219.

United Nations (1992). The Agenda 21. United Nations Sustainable Development. https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/Agenda21.pdf

竹山高中多元選修: 創意科學志工 ∕ 陳映辛、馮松林、劉融諭

星期三 , 2, 3 月 2022 在〈竹山高中多元選修: 創意科學志工 ∕ 陳映辛、馮松林、劉融諭〉中留言功能已關閉

竹山高中多元選修:創意科學志工

     陳映辛12*、馮松林12劉融諭1

1國立竹山高級中學;2教育部高中化學學科中心

*[email protected]

  • 前言

竹山是位處南投縣南部之偏鄉,各項活動及資源貧乏,學生在知識上的刺激也比較少,尤其對科學的學習更是力不從心。學生視自然科學為高深及難以親近的學科,尤其學生缺乏接觸和學習科學的環境,一直是學習科學的弱勢,因此想用「動手做實驗」這個面向下手,安排一些簡易且趣味性較高的實驗,讓學生克服做實驗的心理障礙,並藉由簡易實驗讓學生習得實驗技巧。

本課程是以科學實驗探究及生活科學實驗為主體,讓學生從簡易且趣味性高的實驗,學習基本實驗操作能力開始,進而學習如何做科學探究實驗開放度會逐漸增加,並結合生活中相關之科學實驗,讓學生能於日常生活應用科學。

課程最後是以科學活動引導學生做科學探究,透過辦理「竹山高中科學宅急便」科學闖關活動,學生自己設計科學實驗做為闖關實驗關卡,經由小組合作優化關卡內容,並且以服務學習之精神用科學做志工服務。訓練學生善用一技之長、一己之力來服務社會,並從中得到學習科學的成就感,這與12年國教基本理念自發、互動、共好互相呼應,完全落實。

  • 課程設計理念

    學生在學習科學的學習成就不高,所以課程設計以簡單、趣味、實驗基礎訓練、日常生活中的實用性及最後科學志工活動為主軸,課程設計說明如下:

()設計理念

1.     課程分為實驗基礎訓練、植物萃取及其應用、科學志工服務學習三部分。

2.     安排趣味性較高的實驗,幫助學生克服做實驗的心理障礙,並藉由簡易實驗讓學生習得實驗技巧。

3.     讓學生利用動手做來認識科學之美。

4.     介紹日常生活常見的化合物及精油,經由簡單方法萃取並檢驗之,並製作成生活用品。

發揮創意將趣味及科學原理結合,發展成關卡,並應用於科學志工活動中。

()學習目標

1.     帶領學生認識科學基本知識及實驗中常用的器具及方法

2.     訓練學生動手實作、撰寫報告及表達的能力並提升學習科學的興趣

3.     培養學生思考及解決問題的能力並發揮團隊合作精神

4.     帶領學生認識常用的化合物、簡易的萃取法並檢驗之,最後製作成生活用品 

5.     帶領學生了解竹山高中科學志工的活動及使命。能夠運用自己的一技之長,帶領國小、弱勢團體的學生透過科學闖關活動來認識科學原理及其應用,進而提升對科學的興趣。

  • 課程規劃

    本課程在竹山高中,已經實施5年以上,課程分為三部分,其中第一部分的「實驗基礎訓練課程」和第三部分的「科學志工服務課程」是固定的陳映辛、馮松林,2020,第二部分課程是可以彈性調整,今年選用「常見物質分離方法及其應用」,以下將依序說明三部分課程。  

課程一:實驗基礎訓

第一個部分的課程為實驗基礎訓練如下附錄一,內容從認識實驗室開始,接著為了延續後面科學志工的計畫,讓學生學習相關的基礎實驗技能。而後則以不同的化學實驗主題進行實驗實作,以讓學生更熟悉科學技能,並了解更多化學概念與實驗類型,讓學生能於後續實驗設計上更為得心應手。其中「食鹽水分層」及「七彩指示劑」為每年固定課程,旨在訓練學生使用電子秤、配藥品及稀釋濃酸、濃鹼,其餘依當屆學生程度調整。評量方式包含學生的實驗報告及實作能力,實驗報告主要看學生撰寫的完整性、實驗結果及歸納能力,實作能力部分則觀察學生主動性、實驗態度、細心度及實驗操作正確性。舉例說明,以食鹽水分層實驗,若分四層,即為60分,多一層就多10分,以此類推。

課程二:常見物質分離方法及其應用

    第二部分「常見物質分離方法及其應用」如附錄二,先讓學生操作「從茶葉中萃取咖啡因」之後,了解萃取的原理及方法後,開始進入今年的主題,「尋找日常生活中的醛類香茅醛、檸檬醛」,讓學生了解香茅醛、檸檬醛化學結構,查資料了解哪些植物、精油中含有香茅醛、檸檬醛?如何由植物中萃取出香茅醛、檸檬醛?如何檢驗是否有效萃取?如何尋找好的展開液?

    最後,將這些萃取物加以應用,製成日常用品,讓學生了解化學是很貼近我們的生活並常在日常生活中應用之,生活中處處有化學。

評量方式包含學生的實驗報告、學習單及實作能力,實驗報告及學習單主要看學生撰寫的完整性、實驗結果及歸納能力,實作能力部分則觀察學生主動性、實驗態度、細心度及實驗操作正確性。例如層析法原理及應用系列課程中,學生找到展開液比例及分離效果可以給予不同分數,最高給100,最低給70

課程三:科學志工服務學習

    第三部分的「科學志工服務課程」如附錄三,讓學生可以經由上面的培訓後,自己蒐集資料尋找趣味科學實驗,以安全、有趣、動手做為主,再加入小組的創意,自行設計有趣的關卡,需要學生們討論和腦力激盪,也考驗學生們的表達能力。評量方式為自行設計的趣味創意關卡內容、展示趣味創意關卡的流暢性及安全性、學生的實作能力。

  • 課程教學的實施情形及成果
    上述三個部份的課程教學實施情形與成果分述如下:

一、      實驗基礎訓練

    實驗基礎訓練,以培養學生基本的實驗能力,例如:使用電子秤、安全吸球、配藥品、濃酸、濃鹼稀釋等,學會最基本的配藥品後就開始簡單有趣的實驗,如食鹽水分層、七彩指示劑、藍晒、膨糖等,其中學生最喜歡的是藍晒和膨糖,因為可以發揮自己的創意,學生自己去研究糖和水及小蘇打的比例,還試圖加入不同果汁想試試不同水果味的膨糖,最後,還是覺得原味最好吃(圖1


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1學生活動與成品照片分別為指示劑、藍晒與膨糖課程

二、      常見物質分離方法及其應用

    第二個部分為常見物質分離方法及其應用,介紹萃取、蒸餾和層析等常見的物質分離技術介紹及其應用,以讓學生了解生活中處處有化學,化學是很貼近我們的生活並常在日常生活中應用之,說明如下:

(一)萃取法來分離物質

 學生非常喜歡咖啡因萃取的實驗,將紅茶加水煮過後,用有機溶劑將咖啡因萃取出來,最後利用昇華,得到針狀結晶的咖啡因,雖然有幾組的結晶不明顯,但是大部分學生很喜歡這個實驗(圖2


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2學生活動與成品照片分別為茶葉中咖啡因萃取、香茅萃取、橘油萃取

(二)植物中香茅醛、檸檬醛萃取與檢驗

 從新鮮的檸檬香茅中,加入不同溶劑,萃取出香茅醛(圖2。學生必須先查香茅醛的結構,選用適當的萃取溶劑,並找出條件最佳的展開液,來檢驗是否有效萃取出香茅醛,這些實驗必須由學生自行設計,雖然一開始下手很困難,但是了解情況後就得心應手。一開始學生很容易失敗,常常利用午休時間來補做實驗,所以以後要修正課程,這組實驗要加長為4周。雖然過程中不如預期順利,但是學生可以分工合作,很有耐心地找出適合條件。下圖為學生用香茅、檸檬皮萃取香茅醛及檸檬醛,最後用TLC片來檢驗萃取物中是否含有香茅醛及檸檬醛。並檢驗檸檬尤加利精油、山雞椒精油、香茅油中的香茅醛及檸檬醛(圖3


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3學生活動與照片,分別為尋找香茅醛(上排)、尋找檸檬醛(下排)

(三)萃取物的應用

萃取物應用這部分課程是學生最歡樂的時候,這學期安排的內容有防蚊液檸檬香茅萃取物、紫草膏及護唇膏紫草根萃取物和洗碗精柑橘萃取物,從學生臉上滿滿的笑容就可得知,每次上課都有成品可以帶回去,而且都是可以立即使用在日常生活中,學生還可以根據個人喜好,製作出屬於個人的成品(圖4


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4學生活動與照片,紫草萃取製成紫草膏及護唇膏(上排),橘油萃取製成洗碗精、防蚊液的製作(下排)                                

三、科學志工服務學習

    本課程最後一項為科學志工服務學習,學生三人一組,先上網尋找科學實驗,在安全的原則下加入趣味性的規則或是比賽,讓實驗更加吸引學童,老師的任務就是和學生一起討論、評估實驗的安全性、趣味性及流暢性,為了讓學生能掌握現場狀況增加臨場應變能力,會在學校舉行一場志工服務活動,讓其他同學來闖關,經過這場校內志工活動,學生提出檢討、反思,再跟指導老師反覆討論、修正,最終定案。於暑假期間,科學志工前往南投家扶中心進行「竹山高中科學宅急便」科學闖關活動。學生們運用一技之長、一己之力來服務社會,真正落實12年國教基本理念自發、互動、共好。設計的關卡有:
酒精槍、滾吧!雪寶、轉吧!紙杯、漂浮球球、膨糖、紫草膏製作、養樂多冰沙、自製防蚊液等(圖5


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5學生志工活動與照片

  • 課程特色

    本課程採循序漸進的方法,讓學生由「實驗基礎訓練課程」學到基本實驗能力,再經過「植物萃取及其應用」啟發,最後自行研發出趣味創意關卡,是一種探究式的學習。利用科學活動引導教學,讓學生試著藉由討論、實驗、觀察等方法動手實作,最後藉由本課程發揮一己之長,辦理科學志工、科學宅急便闖關活動服務社會。希望藉著我們的科學志工服務,能讓小朋友喜歡科學、不再害怕科學,真正做到科學教育推廣、往下紮根。

    在竹山高中,本課程以有趣、動手做實驗、生活相關、和社會服務結合等特色,每年開課都會滿招,也期待更多學子經由這門課,可以學到更多課本上學不到的知識,最後將科學用在幫助、服務社會,如同愛因斯坦所言,教育的最終目標,是培養能獨立行動和思考的個人,並以服務社會為人生最終目標。

  • 反思與心得

本課程執行超過5年,因為是選修課程,所以學生都是喜歡科學並且喜歡動手做實驗,可是近來發現學生動手做實驗的能力實在是每況愈下,雖然科學實驗是科學教學的基礎,但是在升學壓力之下,學生們走進實驗室的次數越來越少,再加上課本上食譜式的實驗,有時讓學生興趣缺缺,因此本課程的第一部分「實驗基礎訓練課程」用一些簡單有趣的實驗來帶入重要的實驗技巧,學生的接受程度很高。課程的第三部分「科學志工服務課程」,學生必須利用學過的技巧來設計一個趣味闖關關卡,其中不但要考慮到如何正確的闡述科學原理並將之應用於實作上,還要加上創意及趣味來吸引小學生,設計實驗時必須要考慮到安全、減量,這些都是課本上學不到的知識和能力。每次帶學生出志工任務時,看到學生可以很有耐心的用簡單、口語化的方式為小學生解釋這些科學原理,並引導這些小學生安全的進行實驗,小學生驚豔的神情、志工學生自信的笑容,都是本課程的動力!

  • 參考資料

周芳妃、李盈萱、陳靜瑋2016。微量化學實驗:小綠綠晶體與藍印術微量實驗(上)。臺灣化學教育。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17802

陳映辛、馮松林2020。校本必修與多元選修:竹山高中多元選修:生活科學家及科學志工。臺灣化學教育。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3642

附錄一

課程一
實驗基礎訓練課程說明

周次/課程名稱

教學內容及教學活動

評量方式

第一周
分組

認識實驗室

介紹課程

1.3人一組,填寫資料表

並選出組長

2.認識實驗室器材配置

3.了解實驗室安全守則

4.介紹此學期課程容,激發學生參與科學實作及科學志工的動機、熱  情,挑戰自我

1.     學生態度:主動性、提問及討論的活動細節

2.     學生學習單:撰寫的完整度

第二周
配藥品

稀釋藥品

 

1.     介紹常用玻璃器材及清洗法

2.     講解電子天平使用方法及如何秤取固體藥品

3.     講解安全吸球使用方法及如何量取濃酸及液體藥品

4.     講解如何配製藥品及稀釋

1.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

2.     實作能力:主動性、實驗態度與細心程度、實驗操作正確性

 

第三周
食鹽水分層

1.     引導學生如何讓食鹽水分層

(溶液的配製方法)

2.     食鹽水分層技巧練習

1.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

2.     實作能力:主動性、實驗態度與細心程度、實驗操作正確性

3.     成果分享:將實作成果展示

第四周
七彩指示劑



 

1.     常用酸鹼指示劑的呈色、pH

2.     酸、鹼水溶液稀釋及安全注意事項

3.     教師進行多元評量,以指示劑呈色越多種,成果越佳(至少要做出7
種顏色
)

1.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

2.     實作能力:主動性、實驗態度與細心程度、實驗操作正確性

3.     成果分享:將實作成果展示

第五周
藍晒

(周芳妃、李盈萱、陳靜瑋,2016)

1.     FeCl3K2C2O4製作過飽和草酸鐵鉀溶液

2.     草酸鐵鉀晶體析出(收集晶體)

3.     濾液加入赤血鹽,製作藍曬圖

1.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

2.     實作能力:主動性、實驗態度與細心程度、實驗操作正確性

3.     成果分享:將實作成果展示

第六周
膨糖

 

1.     找出最佳糖::小蘇打比例

2.     找出最佳加入小蘇打時間點

 

1.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

2.     實作能力:主動性、實驗態度與細心程度、實驗操作正確性

3.     成果分享:將實作成果展示

附錄二

課程二
常見物質分離方法及其應用

周次/課程名稱

教學內容及教學活動

評量方式

第七周
萃取法原理及應用

1.     講解萃取的原理

2.     萃取在日常生活的應用

3.     進行簡單的萃取實驗

1.      實驗操作技巧正確性與安全性。

2.      實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

3.      學習單

第八周
層析法原理及應用

1.     講解層析的原理

2.     如何找展開液

3.     層析在日常生活的應用

4.     進行簡單的層析實驗

1.     實驗操作技巧正確性與安全性。

2.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

3.     學習單

第九周
萃取與層析應用()
尋找香茅醛

1.上網查香茅醛基本資料

2.查出含香茅醛最多的精油

3.萃取植物中香茅醛

4.檢驗精油及萃取物中是否含香茅醛

5.找出最佳條件的展開液

1.     實驗操作技巧正確性與安全性。

2.     教師提問實作技巧,可以了解學生對於整體實驗計的想法與創意

3.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

4.     成果分享:實作成果展示

第十周
萃取與層析應用()
尋找檸檬醛

1.上網查檸檬醛基本資料

2.查出含檸檬醛最多的精油

3.萃取植物中檸檬醛

4.檢驗精油及萃取物中是否含檸檬醛

5.找出最佳條件的展開液

1.     實驗操作技巧正確性與安全性。

2.     教師提問實作技巧,可以了解學生對於整體實驗計的想法與創意

3.     實驗報告:撰寫報告的完整性、實驗結果的歸納整理

4.     成果分享:實作成果展示

第十一周
萃取法應用()
檸檬香茅

1.     介紹蒸氣萃取法原理

2.     蒸氣萃取法實作

3.     防蚊液製作

1.     實驗操作技巧正確性與安全性。

2.     成果分享:實作成果展示

3.學習單撰寫

第十二周
萃取法應用()
紫草根

1.紫草根萃取法講解

2.紫草素的介紹

3.萃取應用紫草膏

1.     實驗操作技巧正確性與安全性。

2.     成果分享:實作成果展示

3.學習單

第十三周
萃取法應用()
橘油

1.     橘油萃取法介紹

2.     橘油萃取法實作

3.     萃取應用洗碗精製作

1.     實驗操作技巧正確性與安全性。

2.成果分享:實作成果展示

3.學習單撰寫

附錄三

課程三  科學志工服務學習

周次/課程名稱

教學內容及教學活動

評量方式

第十四周~第十七周
科學志工

服務訓練

1.     提供實驗室可使用「器材」,包括塑膠容器、磁鐵、鐵架等

2.     鼓勵學生發揮,進行科學創意關卡設計

3.     修正學生提出的設計草稿使其更府合綠色化學精神、以環保為原則

4.     進行關卡設計資料收集與初步設計,包括物理與化學

5.     以組為單位,開始進行關卡設計,並能說明關卡科學原理及化學反應

6.     完成科學趣味創意關卡

1.     趣味創意關卡內容

2.     趣味創意關卡的流暢性

3.     實作能力:主動性、實驗態度與細心程度、實驗操作正確性

第十八周
分組報告

科學志工服務學習

心得分組報告

成果分享

 

透過遠距教學推廣科普活動 ∕ 李俊穎

星期二 , 1, 3 月 2022 在〈透過遠距教學推廣科普活動 ∕ 李俊穎〉中留言功能已關閉

透過遠距教學推廣科普活動

李俊穎

新北市立光復高級中學
[email protected]

n  前言

筆者服務於新北市立光復高中,多年來皆有申請競爭型計畫,以維持科普推廣活動的經費開支。在109學年度,因遭受全球新冠肺炎流行的影響,導致全台防疫升級,而使得原先規劃的偏鄉營隊活動和社區科普推廣活動無法順利如期舉辦。在去年(2021年)下半年,筆者向新北市教育局申請變更計畫,變更為以「多媒體呈現」和「遠距教學」兩大主軸辦理相關推廣活動,因而催生這次遠距教學,得以延續多年的科普推廣活動。在這遠距教學中,規劃兩項趣味科學實驗單元作為活動教材,利用線上表單報名,在教學開始前一週寄送實驗材料包至學員家中,透過Google Meet視訊平台進行同步遠距教學。我們也預先錄製教學影片,上傳至YouTube平台,提供非同步的遠距教學。圖一是在遠距視訊中教師示範操作實驗的情形。

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圖一:透過遠距視訊平台,教師示範實驗步驟的操作

n  活動構思與課程設計

本次遠距教學推廣科普活動本著以實際操作實驗為目的,挑選兩則平易近人且安全無虞的實驗單元,分別為「天氣瓶與防疫酒精」和「磁吸史萊姆鼻涕蟲」。

由於在進行遠距教學時,無法如同在實驗室的實驗操作,教師無法隨時留意學員的操作情形並且為學員的安全把關,因此實驗設計的「安全性」為首要考量。其次考量為實驗設計的「趣味性」與「科普性」,最初在構思可行的課程主題時,必須能夠吸引一般社會大眾,且能輕易上手操作,也期望能讓家長陪同學童按部就班完成實驗操作,達到親子同樂和親子共學的目的。在選定實驗單元之後,開始準備以下工作:

一、  編製教學指引與學習單

教學指引需要詳述這次科普活動的進行方式,並且透過臉書粉絲專頁和IG專頁來公告資訊,並與學員溝通互動;學習單的內容包含器材清單、實驗警語、實驗步驟、實驗記錄欄位、實驗原理以及簡易的Q&A。「天氣瓶與防疫酒精」和「磁吸史萊姆鼻涕蟲」學習單,如附錄一所示。

二、  配置材料包的內容

由於學員必須在家中進行實驗操作,因此實驗材料包必須包含完整的器材、藥品,而且需要考量整體經費的支出才能規劃每份材料包的單價及數量;為了確保學員操作實驗的安全,以塑膠製的燒杯和量筒取代玻璃器材,使用木片冰棒棍代替玻璃攪拌棒;使用到的固體藥品粉末,必須事先秤量特定的質量,分別裝入小夾鏈袋中,並以標籤紙標示清楚。

三、  建構遠距教學的設備

遠距教學的進行有賴於網路與資訊設備等媒介,事先確認學校實驗室的網路狀況、拍攝器材、收音器材、燈光搭配等,確保在遠距教學時能有效地引導學員進行實驗操作。圖二為在化學實驗室建構遠距教學設備。

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圖二:在化學實驗室建構遠距教學設備

四、  安排報名流程與課程進行方式

為確保學員能確實收到實驗材料包,事前需要設計完善的報名表單及相關流程,在收到報名表單後,依報名時間先後排定錄取名單和備取名單,接著透過電話確認後,決定最後的錄取名單,並利用報名表單蒐集學員聯絡方式,於教學開始前一週便寄送材料包至學員家中。兩個實驗單元的材料包的內容物,如圖三所示。

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圖三:材料包的內容物,天氣瓶與防疫酒精(左),磁吸史萊姆鼻涕蟲(右)

n  遠距教學方式與實際執行情形

一、  規劃階段

(一) 決定活動屬性與受眾

本次線上遠距趣味科普活動,希望受眾不受到年齡限制,國小中年級以上即可,因為年紀太小無法進行精細的操作而有一定的危險性。這次活動決定設定試驗屬性往較為平易近人且可以動手製作紀念品的方向思考,因此決定以「天氣瓶與防疫酒精」和「磁吸史萊姆鼻涕蟲」作為本次活動的主題。

(二) 擬定進行方式與媒介

經團隊共同討論後,考量並非所有學員都有良好的遠距視訊設備,且時間上可能會無法配合共同時間,因此設計之初便往提供「線上同步教學」與「非同步教學」的方向安排。線上同步教學係透過Google Classroom線上會議空間,由教師帶領學員依據材料包中的學習單,動手逐步操作實驗,並解透過視訊解說實驗原理和生活應用。非同步的課程則是預先錄製課程的操作教學影片,經妥善的安排、剪輯之後,上傳到YouTube平台上。待學員收到材料包之後,可以依照學習單上的學習指引,自行安排合適的時間,依教學影片自行逐步完成實驗操作。非同步教學的影片,如附錄二所示。

(三) 工作分配與時程規劃

依筆者與社團幹部分工為例,此次遠距科普活動團隊的工作分配,如表一所述。此次遠距教學的時程規劃,如圖四所示。

表一:遠距科普活動團隊的工作分配

工作職稱

工作分責內容

指導老師

整體活動規劃、監督活動準備、與學校行政協調經費運用與必要協助事項、學習單設計、實際授課

總副召(由社團學生擔任)

擬定計劃書、安排學生分工、監督籌備進度

教學組(由社團學生擔任)

與教師共同討論教學內容、擬定材料包內容、課程實驗條件測試、領導藥品分裝、監督材料包裝箱

拍攝組(由社團學生擔任)

教學影片的拍攝、活動紀錄

後製組(由社團學生擔任)

教學影片的剪輯與後製、影片上傳、粉絲專業的管理

clip_image010圖四:遠距教學時程規劃甘特圖

二、  教學前準備階段

1.       教學測試選定實驗的可行性,並確定使用的器材和藥品的用量。

2.       教師與社團學生討論課程內容並確定學習單的架構。

3.       教師確定實驗材料包中內容物的品項及其數量,如圖五所示。

4.       請購材料和藥品,如圖五所示。

5.       藥品分裝並貼妥標籤,其餘器材預先準備所需份量,如圖五所示。

6.       拍攝教學影片並後製,上傳到YouTube平台。

7.       印製教學指引和學習單。

8.       公告網路報名資訊。

9.       完成材料包裝箱並確認,如圖六和七所示。

10.    整理報名的學員名單與聯絡資訊。

11.    寄送材料包到學員家中,如圖八所示。

12.    進行網路環境測試,測試遠距實驗教學,再次確認當日工作人員分工,如圖八所示。

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圖五:材料包的內容物,器材藥品和學習單(左),學習單、科普紀念品及學校與社團DM(右)

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圖六:活動限定科普推廣吸水陶瓷杯墊(右),確認分裝藥品和材料份數(左)

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圖七:社團幹部進行材料包裝箱作業(左),確認與檢核材料包的內容物(右)

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圖八:完成140箱材料包待裝箱並寄送(左),網路環境測試與課程進行測試(右)

三、  教學中實施階段

1.       再次確認網路環境是否得以負荷遠距課程,並確認學員上線。

2.       引導學員核對材料包中的器材、藥品及活動紀念品。

3.       逐步引導學員操作步驟,並透過視訊會議與訊息確認學員是否有跟上步驟,如圖九所示。

4.       提示學習學習單中的紀錄欄位,引導學員適時紀錄實驗結果。

5.       透過視訊鏡頭讓學員展示自己的實驗成果,如圖十所示。

6.       進行Q&A時間,並進行原理及生活應用的說明。

7.       提醒網路平台的互動資訊。

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圖九:在遠距教學過程中,教師逐步帶領學員操作實驗(左),工作人員透過電腦監控視訊會議訊息欄(右)

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圖十:教師向學員示範製作成品(左),學員透過視訊鏡頭分享自己的實驗成果(右)

四、  教學後互動階段

1.       整理回饋單。

2.       於粉絲專頁上公布課程小挑戰的答案。

3.       辦理參與回答的學員後續抽獎活動。

4.       於粉絲專頁上回覆學員後續的提問。

n  實驗單元的教與學內容

【實驗單元一:天氣瓶與防疫酒精

一、  學習目標

本科普活動的實驗操作分成兩部分進行,第一部分逐步引導學員依正確步驟與比例混合氯化銨、硝酸鉀配製成水溶液,配製天然樟腦的酒精溶液,兩者於玻璃瓶中混合成天氣瓶。第二部分則是利用剩餘的95%酒精,按照正確的比例稀釋成75%的防疫消毒酒精。

依照認知、技能及情意領域,天氣瓶與防疫酒精的學習目標,如表二所示。

表二:天氣瓶與防疫酒精的學習目標

領域分類

學習目標


認知領域

 

1.   能知道物質溶解度與溶劑種類的關係

2.   能理解物質溶解度與溫度的關係

3.   能知道物質於溶液中溶解與析出的變化與平衡

4.   能辨識物質結晶的形狀

5.   能計算溶液的濃度並配製溶液與稀釋的方式

6.   能了解75%酒精和防疫消毒原理


技能領域

 

1.   能操作混合溶液

2.   能操作隔水加熱

3.   能操作溶液的配製和溶液的稀釋

4.   能觀察實驗現象並紀錄實驗數據


情意領域

 

1.   能藉由實驗參與,提升對科學實作的興趣

2.   能透過平時對與天氣瓶的觀察,提升對於觀察自然現象變化的敏銳度

3.   能透過配製防疫酒精,提升全民防疫概念

 

二、  實驗操作與數據紀錄的引導

(一)     實驗操作的指導

由於天氣瓶的製作力求溶液配製的正確比例,因此指導學員操作時需要不斷地提醒並強調溶劑量取時的精確性。由於參與活動的學員大多是小學中、高年級的學生,在原本的學習階段較無使用實驗器材的經驗,即便有經驗的學員也不清楚量取體積之重點為何,因此在指導時需要特別強調量取的方式,例如眼睛平視液面以判讀刻度、刻度讀取須對齊液面凹陷處、可以使用滴管輔助滴入少量液體等,在此過程中也會麻煩家長進行必要的協助。

由於學員多半沒有實驗操作的經驗,因此在完成每個步驟後,教師必須強調完成後的狀態為何,例如溶質倒入固定體積的水中溶解,以木棒攪拌至溶液完全澄清才算是攪拌均勻,又如混合水溶液和酒精溶液後會在交界處產生白色雲朵狀的沉澱物等。

由於學員的年齡層普遍年幼,因此在操作過程中的解說應該適時降低難度或找尋更適切的比喻,筆者在本次教學經驗中,原理力求簡單化,簡略帶過即可,只要讓學員對核心概念有印象即可,例如天氣瓶中的成分在溶液中的溶解度會受到溫度影響,溫度越高溶解度越大,產生的沉澱物或結晶越少。利用此簡單的概念透過觀察瓶中的結晶量來推估大致的氣溫,其他深入的知識內容或進階原理,則放入學習單中的補充資料以供學員或其家長自由選擇閱讀。

(二)     實驗觀察與紀錄的引導

學習單中的數據記錄區分成三個部分,如下所述:

第一部分:在天氣瓶製作時需要事先配製水溶液與酒精溶液,由於水溶液中溶有氯化銨和硝酸鉀,這兩種藥品都是易溶於水的鹽類,因此溶液攪拌均勻後為澄清透明的溶液。而酒精溶液中溶有樟腦,當混合均勻時亦為澄清透明的溶液。在上述兩種溶液混合後在兩者接觸的界面會產生白色沉澱,可以讓學員仔細觀察並記錄之。

第二部分:在上述溶液混合之後,以熱水浴隔水加熱,由於溶解度隨溫度上升而增加,可提醒學員記錄沉澱物逐漸消失,觀察溶解度隨溫度而改變。

第三部分:利用酒精稀釋成防疫酒精,當水和95%酒精混合時,因折射率改變而產生擾動現象不太容易觀察,可以事先提醒學員仔細觀察瓶內光影的變化,並且藉此說明生活中溶液濃度改變時,其折射率亦會隨之改變的情形。

三、  問題與討論

在學習單的最後,設計五則簡單的問題作為小挑戰,並在臉書粉絲專頁上公布答案以提供與學員進行後續互動的機會。五則問題與其簡要答案,如附錄三所示。

1.       天氣瓶含有三種主要材料,硝酸鉀、氯化銨以及天然樟腦,哪些是屬於水溶性?哪些是屬於脂溶性呢?

2.       在完成天氣瓶製作後,瓶內的溶質隨著外界氣溫越高,溶解度會有什麼變化?

3.       當天氣變冷時,我們可以從天氣瓶內看到什麼樣子的結晶?

4.       我們可以用95%的市售酒精用水稀釋作為防疫消毒酒精,大約依照怎麼樣的比例混合就可以了呢?

5.       水與酒精不具備「體積的加成性」,請問當兩者混合時,體積會比預期的多還是少?

【實驗單元二】:磁吸史萊姆鼻涕蟲

一、  學習目標

本科普活動的實驗操作係利用透明膠水(含聚乙烯醇)、白膠(內含聚醋酸乙烯等),經由適當稀釋後,逐滴加入飽和硼砂水溶液,進行交聯作用而產生半固態的化學黏土或是具有彈性的彈性球,並提供磁鐵粉讓學員可以自由滲入混合溶液中,使得最後的史萊姆鼻涕蟲可以被強力磁鐵吸引,提供另一層次的玩法與實驗體驗。

依認知、技能、情意領域,磁吸史萊姆鼻涕蟲的學習目標,如表三所示。

表三:磁吸史萊姆鼻涕蟲的學習目標

領域分類

學習目標

認知領域

1.   能認識膠水與白膠的成分

2.   能簡略地認識聚合物的特性

3.   能初略地認識極性官能基與黏著力和親水性的關係

4.   能了解交聯作用的簡單原理

5.   能了解交聯作用與聚合物物理特性的關係

6.   能了解磁鐵粉與實驗中應用的原理

技能領域

1.   能操作溶液的混合

2.   能操作溶液的配製和溶液的稀釋

3.   能觀察實驗現象並紀錄實驗的數據

情意領域

1.   能藉由實驗操作,提升對科學的興趣

2.   能透過本課程學習內容,體驗生活中的交聯作用

3.   透過揉捏史萊姆鼻涕蟲,激發創意與多層次的思考

 

二、  實驗操作與實驗數據紀錄的引導

(一)     實驗操作的指導

史萊姆鼻涕蟲的實驗操作著重在膠水或白膠逐漸固化過程的實驗觀察,透過飽和硼砂水溶液的滴加,逐滴攪拌並感受黏稠度的增加是很重要的體驗,因此在指導過程中需要提醒學員切勿心急,要耐心操作。

製作史萊姆鼻涕蟲時,磁鐵粉的添加與否並不會影響交聯作用的觀察,但會影響最後的成品是否具有磁性而被強力磁鐵吸引,因此可以在教學之初給予學員自行選擇是否需要添加,沒有添加磁鐵粉的成品顏色較為透明清澈,反之有添加磁鐵粉的成品則呈黑色,有些學生會因為外觀是否好看而影響他們操作的選擇。

本實驗隨著滴入的硼砂水溶液多寡,而決定最後成品的流動性,適當添加少量的硼砂水溶液時,成品會呈現半固態、具些良好延伸性的化學黏土,可以讓學員挑戰拉長而不斷裂。若這個實驗應用在實體實驗課時,可以讓學員分組挑戰如何讓自己的史萊姆鼻涕蟲可以拉到最長;若添加的硼砂水溶液較多,則成品會呈現具有彈性的固態球狀物,可以讓學員挑戰測量從固定高度釋放至桌面彈起的高度,並且進行數據的紀錄與測量。

由於史萊姆鼻涕蟲為具極性官能基聚合物的交聯產物,因此對紙張、織物有很強的黏著力。在操作過程中,教師應適時提醒學員盡量避免接觸衣物、頭髮,並且在實驗結束後提醒學員實驗成品裝到材料包裡的夾鏈袋中保存,如此可以延長把玩化學黏土的時間。

(二)     實驗觀察和數據紀錄的引導

在學習單中的數據記錄區分成三個部分,如下所述:

第一部分:希望學員在製作史萊姆鼻涕蟲之時,能夠培養細心的觀察能力,因此希望學員記錄滴加多少滴的飽和硼砂水溶液之後,膠水交聯的程度足以直接取出用手揉捏。

第二部分:針對製作完成的成品,進行測量之練習,例如小心拉伸史萊姆鼻涕蟲,設法測得最長可以延伸至多少公分,或是水平延展成膜狀測量其直徑或是長寬。

第三部分:滴加較多的硼砂水溶液到膠水或白膠中,使其交聯形成彈性球,可以測量其彈跳的高度;或是以強力磁鐵吸引史萊姆鼻涕蟲,測量其受到磁力吸引而延展的長度。

三、  問題與討論

在學習單的最後,設計5則簡單的問題作為小挑戰,並在臉書粉絲專頁上公布答案以提供與學員進行後續互動的機會。五則問題與其簡要答案,如附錄三所示。

1.       當添加硼砂水溶液到膠水之中,會改變其中聚合物的結構,這樣的改變會傾向變成鏈狀的還是網狀的呢?

2.       在製作磁吸史萊姆的過程,使用到磁鐵粉是一種鐵的氧化物,它的化學式是什麼?

3.       在添加較多的硼砂水溶液到膠水中後,變硬的膠水會變成有彈性的彈力球,若加入硼砂水溶液太多時,彈力球在彈跳時可能會破損,破損的狀況是怎麼樣呢?

4.       如果你有嘗試製作不添加磁鐵粉的鼻涕蟲,要注意什麼才可以讓你的鼻涕蟲保持透明又透光呢?

5.       使用白膠製作史萊姆時,要達到相同程度的狀態,白膠版本所需要加入的硼砂水溶液會比較多還是比較少?

n  遠距課程與傳統實作課程的分析比較

筆者曾於疫情爆發之前,辦理過多年的實體科普實作推廣活動,參考過往經驗,分析並比較傳統實體實作教學與網路遠距實作教學的差異,如表四所示。

表四:傳統實體實作教學與網路遠距實作教學的差異

分析面向

實體實作教學

遠距實作教學


教學品質與教學回饋

 

l 教師與學員直接面對面交流,對於教學節奏、學生反應較能掌握,實作教學有許多操作手法與技巧,也容易透過現場示範進行教學。

l 在學生回饋方面,由於學員現場面對教師,因此問答之間較為便利。不過學生大多礙於同儕及社會壓力,多數不敢提問,可能導致學員容易產生從眾心態,不太會用心思考自己操作的內容和提出問題。

 

l 透過網路的視訊會議上課,較容易受到硬體設備的限制,例如網路環境可能導致視訊畫面延遲、畫質不佳,或是語音與視訊延遲導致上課品質下降。

l 在教師示範時,常會受限於網路攝影機、實物投影機、專業相機或使用的鏡頭的不同,拍攝應用的範圍也有所不同,例如需要拍攝特寫才能讓學員清楚知道操作的結果、半身近景才能看清楚教師講述的肢體語言。

l 在學生回饋方面,較難及時得知,透過網路雖能溝通,但彼此在螢幕後方畢竟還是有所不便,教師授課程較難察覺學生操作的困難或是講述時有不清楚的地方。

l 由於少了群眾的眼光,因此大部分的學員只要有疑問,大多能在第一時間提出,因此監控訊息視窗變得非常重要,建議有專人負責監管與回覆較佳。


受眾群體

 

l 學員參加實體課程容易受到地域性於通勤時間的限制,因此大多為鄰近地區的學生為主,且參與的地點在學校實驗室進行,大多數學員的年齡分布會較為狹窄。

l 學員參加遠距實作課程,只需要在家中指定的時間上線參加課程,因此受眾群體較為廣泛,明顯較不會受到地域的限制,且學員在家中進行實驗操作,大多數家長會在旁協助,因此提供良好的親子共學契機。


籌備難易

 

l 傳統實作教學在籌備上其實困難程度並不會比網路課程困難或輕鬆,由於現場操作容易同時發生許多突發狀況,因此需要較多工作人員的人力投入,且工作人員需要事先訓練、驗收,此部分是比較花費心力的。

l 遠距教學係透過視訊與學員互動,在授課時大多數情況教師可以自行處理,只需安排妥當必要的協助人力即可進行。然而,前置作業的準備期較長,若欲規劃此類型的活動,可能需要傳統課程籌備的1.5~2倍的時間。


課程執行與操作

 

l 在實驗室進行實體課程時,教師通常會在講桌進行實驗示範和原理說明,並且隨桌指導學員進行實驗操作,也會安排隊輔隨桌指導與協助,在課程推行上通常是順利且可以掌握的。

l 實體課程的操作容錯率會比較高,若學員操作有些許失誤,工作人員或指導老師可以適時介入糾正或除錯,透過此過程也可以加深學員操作的印象,對於實驗操作技巧的培養與建立有很好的優勢。

l 遠距實作課程執行時必須考慮鏡頭的位置以及麥克風收音,同時需要克服燈光的限制,因此教師示範大多侷限於一個小範圍的桌面,而且在操作時,特寫與全景運鏡必須與工作團隊事先討論。

l 網路遠距課程的容錯率相對來說就比較小了,由於透過鏡頭對學員上課,因此呈現出來的內容必須一次到位。再者,學員自行在家中進行操作,教師很難在第一時間察覺學員的失誤,因此很有可能最後使得學員無法得到應有的正確實驗成果。

 

n  結語

現在全球的學習環境逐漸邁入後疫情時代,在居家隔離或在家工作的生活型態來臨之際,人們開始透過科技的力量克服許多困難。拜科技之賜,距離與地域的限制已逐漸消失在地球村,新的學習方式也逐漸成形,這一切的改變當然也適用於科學教育之中。

危機即為轉機,雖然原先規劃的推廣活動遭受疫情影響而導致無法如期進行,但是開始嘗試透過網路進行遠距教學推廣科普活動,意外地發現我們可以擁有更廣泛的受眾、並且增強即時回饋和居家環境的親子共學的益處,這些都是在嘗試過後才發現的美好事物。

由於科學實驗操作有其危險性,因此遠距教學依然有其限制,在課程的規劃方面應該避免使用有毒性的、強酸鹼的或刺激性的化學藥品。在螢幕的後方有很多不確定的因素,我們很難及時掌握學員的動向與安全,教師有責任在規劃實驗課程時為學員做第一線的安全把關。傳統上,實體的操作示範實驗有無法取代的優勢,在建立完整且正確的實驗方法與實驗安全倫理,還是有賴於實體課程的操作。

希望藉由本文的分享,期望見到各位科學教育同好和先進有更多元的想法,在後疫情時代創造更多的可能性,以提升學子的科學探索知能並且強化他們的學習興趣。

n  誌謝

感謝新北市教育局提供經費並同意變更計畫;感謝光復高級中學行政團隊的支持與配合;感謝本校學生科學魔法社成員辛苦的服務與付出。為表達感謝之意,分享這次科普活動新聞媒體的報導,如附錄四所示。

n  附錄

一、遠距教學指引手冊和學習單

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圖十一:天氣瓶與防疫酒精(左),磁吸史萊姆鼻涕蟲(右)的QR code
(透過網址下載學習單:天氣瓶與防疫酒精磁吸史萊姆鼻涕蟲

二、非同步教學影片

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圖十二:天氣瓶與防疫酒精(左),磁吸史萊姆鼻涕蟲(右)
(影片超連結:天氣瓶與防疫酒精磁吸史萊姆鼻涕蟲

三、教學後問題與討論

下載教學後問題與其簡要答案:天氣瓶與防疫酒精和磁吸史萊姆鼻涕蟲

四、新聞媒體報導

1.       大豐新聞 用直播教化學實驗 光復高中創新授課,http://youtu.be/ts0QfkwFP3c

2.       新北光復高中推出趣味科學課程 帶民眾線上遠距做實驗,https://bit.ly/3NcRzOw

《臺灣化學教育》第四十五期 / 目錄

星期四 , 9, 12 月 2021 在〈《臺灣化學教育》第四十五期 / 目錄〉中留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第四十五期(202112月)

目錄

 

n  主編的話

u  第四十五期主編的話/邱美虹〔HTMLPDF

n  本期專題【專題編輯/鍾曉蘭、曹雅萍

u  素養導向的化學課程設計 鍾曉蘭、曹雅萍HTMLPDF

u  素養導向的化學課程設計:多元選修—通識化學課程設計、實施與評量 蘇芳儀、王聖茹、曹雅萍HTMLPDF

u  素養導向的化學課程設計:多元選修課程—空氣汙染與PM2.5測量 游珮均HTMLPDF

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第四十五期 主編的話 ∕ 邱美虹

星期三 , 8, 12 月 2021 在〈第四十五期 主編的話 ∕ 邱美虹〉中留言功能已關閉

第四十五期 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]

        又到歲末了,這一年全球仍持續在新冠疫情的衝擊下,面對疫情周而復始的發生。臺灣雖有幾次警戒,但國人配合政府各項防疫措施,自我管理嚴謹、響應疫苗接種,因此疫情都在掌控之中。而學校雖然為了不知將如何發展的疫情而有提前部屬的各種線上教學與教材,但基本上校園內的學習並未受到太多的影響,真是萬幸! 而國人的也在這一年以居家生活為主,以減少疫情的擴散。自2008年起聯合報仿效日本的「今年漢字活動」,由國民投票選出一個字來代表該年社會的氛圍。今年選出的是「宅」這個字,真是再貼切不過了。

這一切快速且不預期的轉變讓我想起2019年底去哈爾濱開會,原與大陸化學教育委員會相約定持續於兩地輪流辦理「同題異構」教學分享會,相互切磋學習、截長補短。未料會議結束後緊接著就是新冠疫情爆發,全球面對疫情的衝擊,旅行變得是一件充滿不確定性且具高風險性的事情,這樣一耽誤就兩年未再互訪交流,甚是可惜。大陸和臺灣都相當重視升學,在升學的緊箍咒下,教授學科知識仍是課程教學的核心任務,教師如何透過不同的教學策略展現其對學科知識的理解與對學生學習的期待,對教師而言都是挑戰。「同題異構」顧名思義就是相同的學科主題,用不同的架構方式在教學中展現出來。這其中就包括教師對教學的核心價值之看法、化學本質的觀點、知識結構的認識以及巨觀與微觀的關係、學生所具備的背景知識之理解、對學生的期待表現、教學評量的態度與採取的形式、以及化學可能對人類的影響等等。透過觀課,尤其是「同題異構」的課程,可以瞭解教師的專業水平與教學信念。臺灣已辦理四次(2018-2021)「同題異構」工作坊,對觀課和授課教師都是難得的經驗,值得繼續辦理。認知心理學的研究指出觀看專家解題有助於習得新知與技巧,科學教育研究也指出觀察教師教學可以獲得教學啟發與技巧的精進。而更重要的是瞭解教學設計背後的教學信念與教師反思的精隨,才能提升自我教學的效益與貢獻。

本期專題為「素養導向的化學課程設計」,由鍾曉蘭和曹雅萍兩位化學教師擔任客座主編,鍾教師也正是協助推動「同題異構」工作坊的資深化學教師。本特刊四篇文章的作者們皆是以多元選修課程設計為例來說明如何從實驗與探究的活動中去培養學生問題解決、思辨論證、設計執行實驗任務的設計,甚至透過跨領域的方式拓展學生的視野。多元選修是教師得以依照個人興趣和學科訓練一展長才的機會,教師們應視其為發揮所長與自我挑戰的機會,讓科學教學回歸到科學探究的真正本質上,跳脫考試的刻板框架,真正引發出學生對化學的興趣與提升其欣賞化學、瞭解化學對社會與人類的貢獻。除專刊文章外,另外還有國立科學工藝博物館郭世文、吳淑華和李雪琳評介美國科學與公眾協會網站,利用科學新聞培養學生有效運用科學證據解釋公眾議題;以及陳維倫介紹自利用Gather Town辦理自然探究與實作的線上學生論壇,開展其服務學校一項創舉,讓百餘名學生克服時空的限制,而能停課不停學,值得他校參考。