臺灣化學教育

高中學科中心教師社群：推動教育創新的力量

非正式的跨校教師社群－LOTO物理幫的成長軌跡

林欣達

國立中大壢中
[email protected]

• 緣起

2011年在我們還不懂什麼是社群的情況下，因為清華大學教學發展中心的「學生讀書會」計畫而開始了。當時還是碩士生的四位夥伴，趙振良、黃頌喬、劉揚安與筆者共同申請了「物理教學課程發展」的讀書會，透過各自閱讀科普書籍，互相導讀分享後進一步思考如何融入課程，期待所有成員都能漸漸對於生活中各種元素有深刻的敏感度，找到貼近學生生活面的教材進行課程開發，並且對於生活中物理原理有更不同角度的認識。並且在2012年的寒假到苗栗的苑裡高中實踐了我們開發的課程，雖然課程內容不是全然創新，但這個經驗奠定了我們未來前進方向的基礎。

• 教師甄試讀書會

我們知道如果要進入學校服務展現自己的教學理念與熱情，必定要經過教師甄試的考驗。隨著草創期的夥伴完成教育實習，我們將讀書會的重點轉向準備教師甄試。準備教師甄試的前期，我們讀書會固定每兩週聚會一次，討論教甄的考古題。在過程中大家拋出自己卡住的問題，集思廣義的尋找解決方法，讓我們讀書會夥伴的實力一次次的提升。隨著考季的來臨，我們更加緊鑼密鼓的聚會，每一週一次大家輪流練習試教，一方面增加自己上臺的經驗，另一方面夥伴們彼此激盪出創新教學的點子。

以教師甄試為主軸的讀書會到今年已經邁入第13年，讀書會的成員也從一開始只以清大師培生為主，逐漸擴展到教甄路上認識共同奮鬥的夥伴。我們自己曾經在讀書會的運作中獲得很多的助益，因此我們也想盡一點微薄之力，把擁有熱情懷抱理想的夥伴們一起拉進教學現場，從一開始我們想幫助清大學弟妹們的初衷，延伸到與想一起進入學校實現理想的夥伴們共同努力。在這段期間，我們讀書會考上正式老師的人數至今將近有三十位夥伴。爽文國中的王政忠主任說過：「一個人走的快，一群人走的遠。」從準備教甄開始，就培養夥伴關係，一群人腳踏實地的走過這一遭！

• 課程設計共備社群

隨著初期教甄讀書會的成員陸續考上正式教師，部分成員開始將重心轉移到課程的經營上。2016的夏天，其中一群夥伴參加了由時任麗山高中教務主任的藍偉瑩老師舉辦的「臺東教師共備工作坊」，正式開啟了我們課程設計共備社群的大門。

當年從暑假的共備研習回來後，參加工作坊的五位成員就組成了「駱駝戰隊」(也就是LOTO的前身)，開始了我們課程設計的工作。這個社群的成員主要是在北臺灣，分別在臺北、新北、中壢、新竹的學校，從地理位置上選擇在中壢的壢中作為聚會地點，每週三利用放學後的時間聚會一次。而另一位位在高雄的夥伴，則是使用視訊的方式參與討論。當時的五位成員同時都有任教高二課程，自然的就成為團隊共備的主題。讀書會初期我們會預先設定尚未授課的章節作為備課的主題，但是到中後期大家課程的進度開始有所差距，讀書會中討論的內容就轉變成針對夥伴間授課的疑難或各自學生遇到的困惑提出的問題相互諮詢討論。

然而，這樣的共備模式很快的讓我們發現，我們只能「事後」分享與討論，多半都只能分享彼此曾經使用過個素材、曾經運用的教學方法、曾經講述的鋪陳與引導提問的方式。雖然這些共享可以讓夥伴們至少在下一輪課程中可以派上用場，但是就少了一些創新與突破的發展。因此，我們就決定將共備的主題與課程進度脫鉤，一個學期選擇一個彼此想要共創發展的主題來進行共備。在這樣的改變後，我們成功解構重構了靜電學、週期性運動、光電效應等單元，由於共備的時間拉長，我們還有機會閱讀期刊論文來輔佐支持我們的課程設計，甚至在光電效應單元中還開發出桌遊作為課程的檢核點。每當有新創的成果產出時，都大大支持著我們繼續挑戰下一個主題。

• 從知識傳遞到科學推廣

2012年的我們曾經在寒假時在苑裡高中舉辦過科學營，陸續進入教學現場的我們也體認認到，在學期中的課堂不容易實施科普類型的課程，因此寒暑假就變成我們聯絡彼此以及舉辦科學營的好機會。

2015年的寒假，我們在臺南女中促成了我們第一次自己主辦的科學營隊。那次的營隊由我們共備社群的老師們共同設計課程，臺南女中的學生為參加的對象。因為是科學營，夥伴們可以跳出平常課堂上教學的框架，重新規劃設計以實作為主的科學課程。透過這樣的機會，除了能讓我們可以用另一個角度設計科學課程外，更重要的是創造出夥伴們聯絡感情的時空，在繁忙的兩個學期之間，有著彼此打氣彼此紓壓的機會。

緊接著，2016年的暑假，我們將科學推廣的觸角延伸到國中端－花蓮縣吉安鄉的宜昌國中，自2016年的暑假起到今年(2024年)的暑假，除了疫情中斷的一次，連續舉辦了八屆的「夏日宜昌科學營」。參與人數最多的一年有高達約20位老師與約50位高中生擔任課程設計與教學者，透過發現、體驗、操作、與競賽帶領宜昌國中的學生們認識科學。

科學營對我們的意義，既是跨出課綱的框架，發揮創意把玩科學，開發實作型課程的舞臺，同時也是聯絡夥伴之間感情，串聯更多老師間相互認識，開啟未來持續合作的機會。2025年，我們已經決定繼續走下去。

• 自辦內聚研習與師生共學CoursePlay營隊

2017年的暑假，首批踏入教學現場的夥伴們大約已經累積三～五年的教學資歷，參加的研習加總起來可能也不下百場。在某個大型物理教學研討會的空檔，幾位夥伴在閒聊之中聊出了自辦研習的點子：「夥伴們在這幾年間也各自累積了不少，何不我們自己辦研習給自己，讓夥伴們之間互相學習呢？」半年後，就在2018年的寒假誕生了我們第一次的內聚研習「2018清大幫冬季研習營」。我們在沒有外援經費的支持下，在高雄女中籌辦了第一次「自己的研習」：自己籌畫、自己當講師、自己當學員、自己陪自己成長…。從這個過程中，我們發現「站上臺」是幫助自己「整理過去」最有效的方法，而「站上臺」也是彼此觸發靈感的最好媒介。我們相信，當整頓好自己過去的努力、吸收了夥伴們淬鍊的經驗後，這些都將成為每一個人未來繼續向前的動力來源。(活動網頁：https://2017nthuphystrclub.jimdo.com)

緊接著在同年的6月30日，我們在中大壢中舉辦了「2018物理教學CoursePlay」的活動，在交大校友會以及中大壢中優質化計畫的支持下舉辦，將近有50位教師與50位學生參加。在CoursePlay中，我們期待將發展好的教案分享給更多教育夥伴，有別於一般的教師研習，我們採用「師生共學」的方式進行課程，參與的老師除了可以跟著一起實作體驗外，還可以直接觀察教案開發者如何經營課程、如何與學生互動的歷程以及觀察到教案開法者的課程巧思。這些都是單純的教師研習很難展現出的真實課堂風貌。同時，我們更期待帶起「好教案跟好夥伴分享」的風氣，並且創造素人老師的「小人物大舞臺」，不只讓好的教案能嘉惠更多學生，也達到各個教師群體匯聚能量、彼此激勵、注滿教育的路上持續前進的動力。

就因為2018這一年自辦兩場研習的經驗，讓我們勾勒出自辦研習的輪廓。每年寒假的研習，定位是社群內聚研習，透過邀請式小型的交流聚會，讓夥伴們在相對「安全安心」的環境下站上臺，與大家分享自己設計的教案學習單、實作教具、以及教學心得…等等。秉持著「來了就要帶得走，帶走就要用得上」的精神，讓參與的夥伴能夠將這兩天的收穫直接帶回現場使用。另外，這個時代的物理老師，被期待著不只要會物理知識的引導建構，還要有實驗實作能力、要會設計探究課程、要會程式語言、要會跨領域合作、要會帶比賽帶科展…等等。但每個物理老師不可能同時所有方面都專精且擅長，因此我們的目標是：「分享時我們發揮專長，學習時我們多方成長」，透過團隊的力量，讓我們每個人在能力的雷達圖上都能穩健成長。而每兩~三年的暑假舉辦的CoursePlay，參加對象就不限於社群成員的公開研習。CoursePlay主要有兩個部分，其中一個是邀請「隱藏版」的經典教師，例如我們自己當年的師培指導老師，進行傳承分享。另一部分則是將我們發展較成熟的教案(課程)，用科學營的方式發表，除了可以讓學生直接參與課程外，也讓參與的老師可以一邊當學生體驗課程，也一邊觀察教案開發者經營課程的節奏與細節。

從2018年開始至今(見表1)，我們總共連續辦了7年在寒假的內聚研習，以及3次在暑假的CoursePlay研習。我們期待自己在每年的寒假都能舉辦內聚研習，讓社群內的老師們在忙碌的學期結束後，有個喘息、充電、互相支持、聯絡感情的聚會。而每兩~三年的暑假計畫舉辦一次公開研習(物理教學CoursePlay)，把這幾年來累積的成長跟更多教學現場的老師們分享，實現「一群人一起走」的願景。

表1 活動列表

類型	屆數	活動名稱	地點	人數	活動紀錄
內聚	第一屆	2018清大幫冬季研習營	高雄女中	23人	https://2017nthuphystrclub.jimdo.com
	第二屆	2019 LOTO物理幫 冬季研習營	清華大學	30人	https://reurl.cc/9rbe68
	第三屆	2020 LOTO物理幫 冬季研習營	臺南 創意空間	38人	https://reurl.cc/W386mD
	第四屆	2021 LOTO物理幫 暑期特別篇	線上	60人	https://reurl.cc/lyyKvj
	第五屆	2022 LOTO物理幫 寒假研習營	交通大學	26人	https://reurl.cc/MXQQ5W
	第六屆	2023 LOTO物理幫 寒假研習營	豐原高中	26人	https://reurl.cc/x6OXYe
	第七屆	2024 LOTO物理幫 寒假研習營	溪湖高中	22人	https://reurl.cc/933mR8
公開	第一屆	2018 物理教學 CoursePlay	中大壢中	135 人	https://reurl.cc/4abK0D
	第二屆	2020 物理教學 CoursePlay	竹北高中	50 人	https://reurl.cc/AkbV53
	第三屆	2022 CoursePlay CSI鑑識科學營	永春高中	86 人	https://reurl.cc/MXlVlX

• 結語

我們的共備社群因清大教學發展中心讀書會的計畫而成立，成員由四位清大物理教育學程的同學開始。從一開始只是因為教發中心的計畫組成的讀書會，到實習結束後的教甄讀書會，到轉型為課程共備社群、辦理科學營隊、自辦內聚研習、師生共學公開研習…等工作。雖然我們一直是一群非正式的教師群體，沒有穩定的經費支持，沒有固定的聚會場所，但從2011年到2024年，我們發現情感基礎與專業成長是一個團隊不斷向前的關鍵因素，我們也持續努力支持著彼此。許多工作我們絕對不是第一更不是唯一，14年在教育路上也只是一小步而已，但我們相信只要有心，任何人(團隊)都能走出一條屬於自己踏實的道路。謝謝所有參與過LOTO教師社群的夥伴們，也謝謝所有在教育路上支持過我們的教育夥伴們。

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：

IUPAC化學教育終身成就獎的得獎感言—分享與IUPAC結緣和參與歷程

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
*[email protected]

• 前言

《臺灣化學教育》（Chemistry Education in Taiwan, CET）電子期刊主編周金城教授邀請我撰寫一篇得獎感言，關於今年七月國際純粹暨應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）化學教育委員會（Committee on Chemistry Education, CCE）在泰國芭達雅舉辦的第27屆國際化學教育雙年會上獲得化學教育傑出貢獻獎（Distinguished Contribution to Chemistry Education Award, DCCE Award），此獎項也視為終身成就獎（The DCCE Lifetime Award）（請詳見網址：https://iupac.org/chemistry-education-award-2024/）。我很榮幸得以藉此機會與《臺灣化學教育》讀者分享我參與IUPAC各項計畫的經驗與感想。

最初，是透過一個偶然的機會，我參與了CCE會議活動。2002年，我出席了IUPAC在北京市舉辦的會員大會。在會場巧遇臺大化學系的牟中原教授，那時他代表臺灣化學會擔任CCE的國家代表，而當委員會會議進行時，他正好有另一個會議必須出席，於是他對我說：「你是化學教育專業養成的人，你去參加CCE會議看看。」如此，我便跨進看似嚴肅，卻充滿友善的會議場所。當時，我並不認識任何委員會的人。所以，挑選了一個空位，隔壁坐著一位面容慈祥的女性長者。我對她說：「妳看起來是個有經驗的人，而我初來乍到，請問可以坐在妳的旁邊嗎？」出乎我的意料，她回我說：「我也是第一次參加這個會議。」然而，僅是這樣的破冰對話，便大幅度的減輕我在進入一個陌生場域的焦慮情緒。更讓我沒料想到的是，日後她會是我合作近20年的學界伙伴。她名叫Dr. Lida Schoen來自荷蘭。

當時的CCE其實也才成立不久，主任委員是國際知名的物理化學家牛津大學Dr. Peter Atkins教授，而秘書長是加拿大國王學院Dr. Peter Mahaffy教授。他們二位在化學教育的領域中，不遺餘力的推動化學素養與系統思考，後來也成為許多化學教育學者的生涯導師。故事的開頭，就在這樣的機緣下展開。後來，承蒙化學會的推薦，我就此展開長達逾20年在IUPAC擔任組織成員的旅程，期間曾任CCE國家代表、CCE資深委員、CCE主任委員、IUPAC理事、IUPAC常務理事等職位（相關的活動可以參見 Chiu, 2022）。

• 與IUPAC結緣的故事

以下我以四個大型計劃來說明我與IUPAC結緣的故事。

一、找對的人，做對的事：拉近民眾與科學的距離

IUPAC的年輕化學大使（Young Ambassadors for Chemistry, YAC）是2003年由Dr. Lida Schoen所發起的一項科普活動。此項計畫的目的是透過動手做的簡易科學活動，例如製作乳液、髮膠等，讓民眾瞭解化學對人類生活的貢獻以及化學與日常生活的關係。於是，我爭取於2004年在臺北舉辦第一場YAC的活動。這項活動除了受到IUPAC和國科會的支持之外，也與英國文化協會（British Council）和英國葛蘭素史克製藥公司（GlaxoSmithKline, GSK）合作，於是我們一同辦理了此項科普活動。

在活動期間，我們先辦理為期三日的教師工作坊。目的為使教師熟悉如何協助此項科普活動進行簡易實驗，例如透過界面活性劑製作乳液和髮膠、利用果膠製作的軟糖組成DNA的模型等。此項科普活動中的素材大都來自日常生活，在當時對教師而言，這是與學校制式化的實驗設計相距甚遠。然而，當此項科普計畫將日常生活之物品與動手做結合後，可以提升教學的樂趣與學生學習的興趣，達到傳遞化學教育的目的。在教師熟悉整個實驗流程和備料過程後，他們會教授學生相關知識與實驗技巧，也因此這些學生成為此計畫的年輕化學大使。待前置作業完成後，我們與教師和YAC在臺北101前廣場帶領民眾一起進行這些簡易實驗活動。此時，我們會退居到觀察與支援的角色，讓教師和年輕化學大使直接與民眾交流。如此大手拉中手，再由中手拉小手，運用Train the Trainer模式，讓活動就此展開。

透過臺北場次的成功經驗，後續Dr. Schoen和我在其他城市中（見圖1）持續執行此項活動，並培訓一群年輕化學大使。每一次所挑選的場地都不同，譬如衣索比亞是在首都Addis Ababa教育部大門前的廣場、泰國則是在首都曼谷最大的購物中心、墨西哥則是在度假勝地坎昆，這些選擇都是以人潮眾多的地點為主，同時我們也充分與媒體合作，邀請平面媒體和電視台來現場採訪民眾和師生，做專題報導，讓活動不但可以觸及更多的民眾，也藉此對社會大眾宣傳化學的正面價值。教師工作坊的內容除了因地制宜的選擇適合的當地素材使用外，活動的核心價值皆以強化教師的化學教育專業能力為主。然而，有時活動並未如想像那麼順利，譬如有次在宜蘭某百貨公司前舉辦YAC時，該百貨公司主管不願與化學相關的動手作活動在百貨公司大門前舉拜，他們的說詞就是化學太危險，因此他們安排我們移到百貨公司側門的一塊空地上。經溝通後，強調百貨公司一樓的化妝品就是化學的產品後，該主管才同意讓我們在一樓入口處辦活動，並提供活動禮品贈給參與的社會大眾。這樣的轉變，也是因為化學給人的刻板印象大都是負面的，從不瞭解到維護化學的過程便需假以時日。這樣的科普活動相當仰賴當地人員與IUPAC志工的協調，為此非常感謝所有曾經參與過此項活動的人員，世界各國主要負責活動的人員如圖2所示。

圖1  YAC在世界各地辦理的一覽圖

圖2  協助辦理YAC活動：IUPAC的志工和當地負責人（化學家及化學教師）

二、推動化學專業成長

在IUPAC的CCE中，有許多以推動化學教育為目的的計畫，其中還包含化學教育家飛行計畫（Flying Chemistry Educators Program, FCEP），顧名思義是項讓化學教育家飛行到世界各地，以推動化學教育為目的的計畫。這項活動的前身是名為化學家飛行計畫（Flying Chemists Program, FCP），它是於2005年由牛津大學的Dr. Peter Atkins教授所創立。第一屆FCP是由Dr. Atkins與來自波多黎各的Dr. Ram Lamba教授赴印度舉辦的，並於次年在斯里蘭卡辦理第二屆FCP的活動，那次的主講題目分別是Dr. Atkins所主講的Ten Great Ideas of Science和Dr. Lamba所主講的Discovery Approach for Student Labs。其後依據各國所提出的教育需求，不定期在各地執行此項計畫。在我擔任CCE主任委員的時期，將此項計畫更名為FCEP，藉以強調化學教育工作者的參與及使命。這項計畫如同YAC也是屬於CCE組織中的一項旗艦型計畫案，宗旨是在幫助新興國家改進中小學和大學的化學教學。FCEP主要是以客製化的方式為提出強化化學教育能力需求的國家執行協助的計畫，譬如開發化學教育的課程與評量工具、引介新興化學教學方法和綠色化學、動手操作微型實驗、評介化學教育新思維的理念與實踐（如系統思考）等，並且進一步協助該國在大學、企業和政府之間建立合作夥伴關係。辦理FCEP的形式不拘，可採用舉辦國際會議、辦理工作坊或是專題演講等方式進行，終以達到推動化學教育和加強化學教學之目的。（更多有關FCEP計畫，請參考網址：https://iupac.org/wp-content/uploads/2018/05/2pages_FCEP_2017.pdf）。

由於每個國家在推動化學教育的需求不一，經由該國關心化學教育和教學的人員向CCE提出所需，再由FCEP組成成員將之客製化並提供相應的演講內容，例如2008年在菲律賓馬尼拉時，包含有化學教育的目標（英國Dr. Peter Atkins）、全球暖化（加拿大Dr. Peter Mahaffy）、化學教學與評量（臺灣Dr. Mei-Hung Chiu）、微型實驗（墨西哥Dr. Jorge Ibneze）等，而2010年在克羅埃西亞時，FCEP所提供的演講內容則是以化學教學（澳洲Dr. Robert Bucat）、化學課程與評量（臺灣Dr. Mei-Hung Chiu）為主，在2011年在衣索比亞時，除納入過去FCEP團隊演講內容（如全球暖化、化學課程與評量、微型實驗等），另外增加化學迷思概念研究（德國Dr. Hans-Dieter Barke）和大眾化學教育（荷蘭Dr. Lida Schoen），在2019年在蒙古則是以綠色化學作為演講主軸，由德國Dr. Anna Marakova和羅馬尼亞Dr. Aurelia Visa兩位教授主講（Apotheker et al., 2020）。FCEP相關的活動地點及相關人員請見圖3。

在執行FCEP時，我扮演的角色更為多元。時而擔任尋找有意辦理FCEP以促進該國化學教育品質的在地化學家、時而負責推薦適合擔任演講者的人選或舉辦的活動內容、時而單純擔任活動演講者。我常想成，我從扮演催化劑開始到降低反應的活化能，使得這個計畫可以順利展開，後續成為化學反應中的一分子，也就是參與互動活動的人員。在參與FCEP活動時，我時常能觀察到現場的教師對於化學教育的創意和信念。有時候學校無法提供化學教育所需的器材時，教師則以日常物品做出實驗器具，並向學生介紹其功能與目的。在2011年時，衣索比亞的化學教師便面臨這樣的挑戰，當時他們希望向學生介紹李克氏冷凝管和其功能，然而沒有那項實驗的器具，於是化學科的教師便想出以燈泡代替燒瓶、以寶特瓶代替冷凝管製作了簡易版本的李克氏冷凝管的解方(可參看圖3)，同時體現了化學教育與日常生活的緊密程度。有時候因為長年沒有舉辦化學教育工作坊，而現場的化學教師求知若渴，便徹底展現了他們對化學教育的理想和提升化學教育品質的堅持。在2010年時，FCEP於克羅埃西亞舉辦連續五天的教師工作坊，那時近百位的中學與大學化學教師從早上八點到晚上六點多全程參與，從頭到尾皆未缺席於是我問眾人怎會如此投入，他們回說：「已許久未曾有如此的化學教學工作坊，怎能不加以珍惜。」克羅埃西亞至今在澳洲Dr. Bob Bucat教授和當地的種子教師的長期耕耘下此教師工作坊仍持續辦理，是FCEP相當成功的一項案例。

至今，我仍經常想起與這些前來參與活動的教師的對話以及他們對於化學教育認真懇切的態度，我常想所有參與這些活動的人們都在互動中獲得了刻骨銘心的啟發與繼續前行的勇氣與力量。

圖3  FCEP活動相關人員及地點

三、全球科學領域性別差距計畫

受到IUPAC的推薦，於2017至2019年間我參加了一項由國際科學會（International Science Council, ISC）所推動的性別計畫（請詳見網站：https://gender-gap-in-science.org/）。這項計畫是由11個國際性科學性組織，如IUPAC、國際數學聯合會（International Mathematical Union, IMU）、國際純粹暨應用物理聯合會（International Union of Pure and Applied Physics, IUPAP）、國際生命科學聯合會（International Union of Biological Sciences, IUBS）、國際天文聯合會（International Astronomical Union, IAU）、國際科學與技術歷史和哲學聯合會（International Union of History and Philosophy of Science and Technology, IUHPST）等，還有全球性團體，如聯合國教科文組織（United Nations Education Scientific and Cultural Organization, UNESCO）所贊助和支持進行的團體（見圖4）。每個組織可以推薦二至三人參與會議並討論計畫執行的內容。當時，此計畫由國際數學聯合會（IMU）的Dr. Marie-Françoise Roy教授擔任計畫主持人，我則是代表IUPAC擔任計畫共同主持人，其他來自IUPAC的參與者有前理事長來自美國的Dr. Mark Cesa和來自以色列的CCE資深委員的Dr. Rachel Mamlok-Naaman教授以及來自土耳其的CCE主席Dr. Mustafa Sozblier教授。

圖4  ISC性別差距計畫計劃夥伴和結案報告

         在計畫執行前期，為了收集各地區專家學者對於問卷調查內容的意見，各地區協助指導工作坊，而亞洲區則由臺灣負責此項活動（Chiu et al., 2018，見圖5）。接著，這11個國際組職所派出的專家學者便出席了在國立臺灣師範大學舉辦為期兩天的工作坊。會中我們逐一討論問卷調查中的內容，並試著瞭解在不同文化下語句的表達是否適宜以及問卷的廣度和深度是否符合此計畫的研究目標。國內受邀參與的代表有來自化學、生物、物理、數學等自然科領域中研院研究員、大學教授和中學教師，期能達到更為全面的交流且展現對文化的關懷與專業科學的素養。另外，兩場國際性的工作坊，分別在非洲地區的南非和南美洲地區的阿根廷舉辦，所有工作坊皆以集思廣益，使得問卷更具地區代表性與文化包容性。此計畫完成了三項主要的任務，分別有：(一)針對大約32,000位全球科學和數學領域人員進行問卷調查、(二)分析數百萬份科學出版物中不同性別發表的情形、(三)彙編在數學、自然科學和電腦領域內解決性別差距的優良方案。除此之外，我們也出版了一本專書（請詳見網站：https://zenodo.org/record/3882609）、發表了數篇國際期刊文章（如Chiu et al., 2018; Chiu et al., 2019）和提供了多種語言版本的研究成果小冊子，語言則選自聯合國所指定的六種語言。

這是ISC首次補助其會員組織共同進行科學領域中性別差距的計畫，在結合11個國際科學性組織與全球團體共同研商的計畫中，讓會員團體透過執行計畫、集眾人之力完成跨領域的性別研究。這項計畫除能展現ISC回應聯合國第五項永續發展目標（Sustainable Development Goals, SDGs）-性別平等外，也提供了跨領域科學家們針對性別差距在職場、資源等議題共商改善之管道。許多參與此項計畫的成員都是首次加入跨領域合作之性別計畫，因此在執行計畫的初期，經歷了許多彼此磨合與研討的過程，透過這些持續且誠懇的觀點交流後，來自不同專業養成的專家學者更加瞭解了彼此所關注的核心思想對於此項科學領域中性別差距計畫的影響。我身為此項計畫的共同主持人，扮演的角色是確保所有參與者皆能有參與表達自身觀點的機會，並適切地針對個人專長進行分工以及掌控計畫實施期程。在計畫結束後，我和IUPAC前理事長Dr. Mark Cesa向IUPAC提出計畫申請，分析了在此計畫執行期間所收集到的與化學相關問卷資料與延續收集與分析優良方案。至截稿前，已有兩篇國際期刊文章發表（Chao et al., 2020; Fung et al., in press）。縱使性別差距的現象仍舊存在於各科學領域(化學也不例外)與其研究環境之中，研究卻也同時顯示了女性逐漸感受到在職場被平等的對待（如待遇和發表機會等）。即使性別不平等的趨勢在科學領域中已逐年減緩，此相關之性別議題仍須值得我們持續關注，並且更重要的是這議題不是單一性別的問題，而是不分種族、性別、社會階級、年齡等大家都應該正視的問題，才能讓男女的智力與體能達到充分運用的機會共同創造美好的未來。

圖5  ISC性別問卷工作坊

四、化學教育之多場域

除了在國際活動外，我也在國內辦理過幾項與國際接軌的活動，並受到政府單位、業界團體、各級學校、科學家和科普人士的支持，讓我有機會將化學教育和其相關活動從城市延伸到偏鄉、從教室延伸到戶外、從學生觸及到社會大眾，再從國內推展到國外。譬如2019年聯合國稱之為化學元素週期表國際年（International Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT），元素週期表於1869年由俄羅斯化學家德米特里·門德列夫發表，於是我與一群熱心的學界科普友人和學生共同致力於結合化學、科技、藝術和文學等相關的展品最終得以和國內五大科學博物館（科教館、科博館、科工館、海生館和海科館）進行合作，以展出化學元素的發展史和命名(中、英文)、女性化學家在發現元素的貢獻、化學元素的應用，以及化學元素與文化、生活和科技的關係，展品亦包含視障者點字週期表（國立彰化師範大學楊水平教授設計），以期能接近全民科學的目標。這些展品更在同年年底於UNESCO和日本化學會在東京市共同舉辦的閉幕活動中聯合展出，除日本和俄羅斯之外，臺灣是唯一參與展示在臺灣各項慶祝IYPT活動（包括特展、全島移展、彩繪臺北捷運車廂、臺北101點燈等）的展品，藉以彰顯臺灣重視全民科學、科學普及、科學扎根與國際連結的理念與行動（Chiu, 2022）。當年所錄製的一段影片在參賽後，更獲得IUPAC一張由2016年獲得諾貝爾化學獎的Sir James Fraser Stoddart所簽名的週期表，這讓當時的團隊核心成員（國立臺北教育大學周金城教授、中央研究院趙奕姼教授和國立臺灣師範大學張一知教授）受到極大的鼓舞，欣喜萬分，但這絕對是一群人共同努力的結果，我們僅是代表這群夥伴接受此獎項。2022至2023年時，我們再度有機會在臺灣辦理一項由聯合國與IUPAP所推動的基礎科學促進永續發展國際年（International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, IYBSSD）慶祝活動，延續之前IYPT的全民科學、科學普及、科學扎根與國際連結的理念，再推出「扎根科學、永續臺灣」的口號，並落實在IYBSSD各項活動中，包括在海洋研究船勵進號上由前總統蔡英文為活動開幕，藉此引起社會大眾對永續議題和全民科學的關心，並透過結合10多位教授之力設計的彩繪捷運車廂（北捷、中捷、桃捷和高雄輕軌），以四大彩繪主題「俯仰之間，萬物相惜」、「地球是人類的太空船」、「守護環境變遷下海洋及森林」、「凡走過必留下碳足跡」凸顯此次IYBSSD的訴求，同時辦理偏鄉（國立成功大學李旺龍教授）、非山非市（國立彰化師範大學李奇英教授、國立高雄師範大學洪振方教授、國立臺灣師範大學張子超教授）與小型學校（國立成功大學李旺龍教授）科普活動等，希望透過這些活動讓科學更親民、讓永續發展的議題透過更為軟性的方式觸及民眾，以引起眾人的對科學與環境的關心。IYPT和IYBSSD部分活動照片如圖6所示。

圖6  IYPT和IYBSSD部分活動照片

• 結語

化學教學是我所喜愛的工作，而化學教育研究是我心之所向的志業。在我的整個職涯發展中，能夠將所學、鑽研與探究的心得，透過不斷的學習與成長轉化成科學傳播的素材，接觸不同領域且具熱誠的同好，共同完成一些自己覺得有意義且能完成的工作，心存感恩，也感覺很幸運能和一群人做喜歡做的事，並透過研究計畫和執行工作坊將知識與資訊轉化成有科學素養的傳播素材與教材。這種能夠與其他專業培養的專家學者進行深入的探討，並共同完成這些工作，我始終抱著感激之心，也覺得能與一路上相遇的人一齊成就這些計畫並產出結果是非常幸福且滿足的。

我從未想過獲得IUPAC CCE的傑出貢獻獎，這無疑對我而言是極大的肯定，我冀望我能為他人帶來激勵，讓有志之士在此條路上即使遇到困難也不退縮。在此，我以美國詩人Robert Frost膾炙人口的未行之路（The Road Not Taken）和大家分享，期望夥伴們能勇敢開拓化學教育的未來。不論走哪條路都景色優美，即使是人煙罕至的道路，也有一番美景等你去探尋。

• 致謝

我非常榮幸能夠獲得IUPAC化學教育傑出貢獻獎（終身成就獎）。這獎項不僅是對我個人在化學教育的教學、研究和服務的歷程中所付出的努力和奉獻表示肯定，更多的認可是與我在化學教育的歷程中一起共同合作和從旁協助完成任務的每一位夥伴。在此我要誠摯地感謝每一位成就此項榮耀的人。

順此，感謝國內媒體和學會的報導，包括：

• 中央社。台灣第1人 邱美虹獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://www.cna.com.tw/news/ahel/202407180207.aspx。
• 自由時報。台灣第1人！台師大邱美虹獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://news.ltn.com.tw/amp/news/life/breakingnews/4740626。
• 聯合報「台灣第1人！師大名譽教授邱美虹 獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://news.ltn.com.tw/amp/news/life/breakingnews/4740626。
• 經濟日報。台灣第1人 邱美虹獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://money.udn.com/money/amp/story/7307/8103707。
• 國語日報。臺灣第一人 邱美虹榮獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://www.mdnkids.com/content.asp?Link_String_=227J00000SPKUPK。
• 國立教育廣播電台。臺灣首位！邱美虹獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://www.ner.gov.tw/news/6698e0301fa0320022ae323f。
• 蕃薯藤新聞。臺灣首位 臺師大科教所邱美虹名譽教授榮獲IUPAC化學教育終身貢獻獎 長期致力國際科學教育合作獲肯定。https://n.yam.com/Article/20240718962312。
• 科學人新鮮報。臺灣首位！臺師大科教所邱美虹名譽教授榮獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://www.scitw.cc/posts/20240718-17037。
• 中國化學會(臺灣)。恭賀教育委員會主委邱美虹教授獲 IUPAC 化學教育傑出貢獻獎。https://chemistry.org.tw/news-single.php?mTitle=department&temp_id=820。
• 台師大新聞。臺灣首位 科教所邱美虹名譽教授榮獲IUPAC化學教育終身貢獻獎。https://www.sdgs.ntnu.edu.tw/臺灣首位-科教所邱美虹名譽教授榮獲iupac化學教育終/。
• 臺灣女科技人學會。恭賀！本會創會會員邱美虹教授榮獲IUPAC「化學教育終身貢獻獎｣。https://www.twist.org.tw/post/恭賀！本會創會會員邱美虹教授榮獲iupac「化學教育終身貢獻獎。

 

• 參考文獻

Apotheker, J., Marakova, A., & Visa, A. (2020). Flying chemistry educator program in Ulang Bataar, Mongolia. Chemistry International, 42(1), 37-41. https://doi.org/10.1515/ci-2020-0129

Chao, H. Y., Lin, J. J. H., Cesa, M., & Chiu, M. H. (2024). Gender gap in chemistry, still?! Journal of Chemical Education, 101(3), 831–840. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00650

Chiu, M. H. (2022). My journey in chemistry education. Pure and Applied Chemistry, 94(8), 919-941. https://doi.org/10.1515/pac-2021-1103

Chiu, M. H., Roy, M-F, Gledhill, I. M. A., & Ivie, R. (2019). Are we all ready to get rid of gender inequality? L’Actualité Chimique, 442, 25-27.

Chiu, M. H., Roy, M., & Liaw, H. (2018). The gender gap in science. Chemistry International, 40(3), 14-17. https://doi.org/10.1515/ci-2018-0306

Fung, F. M., Markic, S., Mamlok-Naaman, R., Cesa, M., & Chiu, M. H.* (in press). Analyzing the Existing Programs on Promoting Women Scientists in Chemistry. Chemistry Teacher International.

IUPAC, Committee on Chemistry Education (2006). The Flying Chemists Program. https://old.iupac.org/standing/cce/FCP.html

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：

凝視  省思  展望

熊召弟

國立臺北教育大學自然科學教育學系(退休教授)

Email:[email protected]

• 前言

今年夏天，退休約十年的我，隨著國立臺北教育大學自然系周金城教授、林靜雯教授及四位博士生去參加泰國Pattaya(7/14-7/19)舉行的國際化學教育會議(International Conference on Chemistry Education, ICCE)，我沒有發表，只是隨行者、觀察者、學習者。

最初動機是因為從2019聖誕節之後因為COVID-19之故，許久沒搭飛機出國了，往日出國目的是參加國際研討會，每次的知性之旅讓我懷念，好巧得知在國北自然系念博士班的學生王秋雯老師告知系上教授要帶他們去Pattaya參加化學教育國際研討會，就這樣決定跟著去。到了機場，大甲高中的化學名師廖旭茂老師歸隊，形成了有活力的八人團隊。我跟著他們聽專家學者的演講，到夥伴們的發表場次加油喝采，團結就是力量，就像看板上我們的國旗置於醒目的中央，喜悅與激動心中不斷翻騰。

• 凝視

一、會議內容概覽

2024 ICCE的主題是「化學教育推進永續發展目標的威力」(The Power of Chemistry Education for Advancing SDGs), 共有8項論題: (1) 資訊教育及終身學習脈絡下的化學教育，(2) 重新設計化學實驗室教學，(3) 化學教育的創新科技，(4) 化學與科學師資教育以及進修專業發展，(5) 環境、社會永續的化學以及化學科學教育，(6) 政策、革新以及品質保證的化學教育，(7) 化學教育的倫理、多樣、平等及包容議題，(8)二十一世紀化學界的新興教育趨勢。除了有一般的發表形式外，特別有6個主題式的論壇(Symposium): (A) 微型化學(the 12^th International Symposium on Microscale Chemistry)、(B)建模本位的教學及評量，(C) 能力本位的科學教育及永續發展挑戰，(D)促進化學安全與安保教育(safety and security)，(E) 教育與產業：永續化學的系統思考，(F) 綠色和永續化學課程。我們團隊主要是在微型化學以及建模本位的教學及評量的論壇分享相關的研究報告。

二、焦點報告

• 建模本位的教學及評量

這是以Symposium的型態發表，主要重點是透過建模本位的教學與評量(modeling-based instruction and assessment)促進學生的建模能力。首先由邱美虹教授及來自美國的Vicente Talanquer教授分別30分鐘做主題演講(Keynote)，接著有六篇論文發表，除了一位泰國學者，其它報告者是臺北教育大學的周金城教授、林靜雯教授以及三位博士生的發表。

邱教授將歷年研究整合成有系統的建模理論與教學實務論述，能針對發展建模能力的課程設計、量測，以易理解的圖示及闡釋方式，清楚條理的表達其運作過程，只見會場參與者頻頻微笑點頭，相信這一場演講解解決了不少人的困惑。接著是Vicente Talanquer以化學課堂的實例，呈現整合概念與想法的挑戰與應對策略，對於實務教學的參考價值極大。

接著是由臺北教育大學的林靜雯教授分享透多重類比 (multiple analogies) 設計診斷工具評量小學生在物質粒子模型的類比建模能力，他先做整個有關粒子的物質模型以及建模的釋義，建立有信、效度的工具來協解決研究問題。下一位是泰國學者Jakkrapong Pinchai 發表以氣體的主題亞佛厥定律為例，說明如何以模型本位探究(Model-based inquiry)來支持科學解釋(supporting scientific explanation)的能力，對於教學方法有參考的價值。中間有20分鐘的茶敘，大家可以透口氣或請教、討論。接著的一場，由國北自然系的教授及學生的發表包辦，對此有興趣的研究者還不少，偌大的會堂依舊滿座，首先是由周金城教授分析臺灣小學科學教科書到大學化學教科書在使用「模型」名詞的主題及頻率，發現主要是具體現象的描述，如何善用模型進行科學解釋是可期待的，周教授的研究可以擴展一般人對於「模型」(model)的認知。接下去是林靜雯教授的博士生王秋雯、陳楨鈺、賴碧純分別針對學生、老師以不同研究方法、工具進行學習、理解、教學的研究報告，雖然複雜(sophisticated), 但是都能有說服力的研究結果，教授指導認真，使得國北自然系團隊縱使以英文發表，仍然流暢有力，該研究問題引起在場的共鳴，對話相當熱絡。

（二）其他國人的發表

文爾雅老師是我們團隊第一位上場報告，首日第一場，著實緊張。不過他小小個子，聲音可是鏗鏘有力，發表題目是化學運算思維對數學運算思維、科學運算思維的影響元素探討(Analysis of the influence of elements of chemical on mathematical and scientific computational thinking)。數學與運算思維(Mathematics & Computational Thinking)是NGSS (下一代科學標準)重要實作(practice)之一，針對NGSS提出的數學與運算思維，能思考各領域皆會出現的運算思維以及探討之間的關係，讓我們對運算思維有更想探究的動機。

聽完爾雅老師的報告，我們就趕到廖旭茂老師的會場，這場次還真的很國際化，標題 “the 12^th international Symposium on Microscale Chemistry”，兩位主持人，一位來自泰國，另一位來自墨西哥，發表者廖老師是我們臺灣人，其它分別來自英國(兩位)、保加利亞、芬蘭等。發表者們分享老師、學生、技術員除了一般儀器和設備外，採用微型設備以增加學生在實驗活動的實作經驗的Microscale Chemistry。臺灣的廖老師一邊講解，一邊操作他研發的微型霍夫曼電解器(micro-Hoffman voltameter)，反應熱烈，有提問的，他就贈送在海關被盤問的微型電解器模組，有趣的是，他已經收集好可能會被問的問題，印好了英文版的Q&A，最後還發給聽眾這張問答表，有備而來，會場一片笑聲，足見廖老師的用心認真。我們還參加了廖老師的工作坊，這次他分享的是綠色電化學蝕刻模組，我也試做了一把不鏽鋼書籤(也可用為小尺)，上面蝕刻 “chem is try”，其中，”is”的 “i” 繪成臺灣的形狀，這種設計太令人感動了，一位高中老師能在做學術研究發表，也在為臺灣外交盡力。這次還遇見多年前一起為奈米課程設計努力來自東華大學的楊悠娟教授，他分享的主要是化學課堂教學的策略應用(概念圖)及改進，增進學生的動機和投入化學學習，深具行動研究的內涵，以提升教學品質和促進更佳的學習為目標。

• 禁止化學武器組織

這是在公布會議的主題報告時，我對於化學武器是化學教育關切的研究，以及又發現OPCW(Organization for the Prohibition of Chemical Weapons)在2013年獲得諾貝爾和平獎深感興趣，因此決定去聽這場的專題演講。Peter Hotchkiss主要是介紹這個OPCW組織以及工作事項，提出消除化學武器的多方努力。他特別強調聯合國2015年提出的17項永續發展目標，這個組織做到SDG#3健康與福祉，SDG#12責任、消費與生產，SDG#16制度的正義與和平。這也回應了Project 2061提出的科學本質，除了科學世界觀(the scientific worldview)及科學探究(scientific inquiry)之外，應該重視科學事業(the scientific enterprise)這個本質，科學是一場複雜的社會活動，依照內容領域形成不同的組織，在科學的運作中應本持一般人接受的道德準則，科學家不僅是專家也是公民。

三、傑出人才，臺灣之光

此次會議，發現國內臺師大邱美虹名譽教授深受眾人推崇，在晚宴時，主席頒發邱教授IUPAC化學教育終身貢獻獎的最高榮譽，他是臺灣首位獲得此殊榮的學者。我們科學教育界深知邱教授在臺灣或國際推動科學教育表現非常優異，這次在ICCE，我發現他確實已在國際化學教育社群擁有極崇高的地位，令人佩服，尤其是他學富五車之外，謙沖為懷，樂於栽培年輕人，並有穩健的傳承。我對他的印象，以2019在臺北的科學教育館展覽「國際化學元素週期表年」特展時，他親自為我和另一位小學老師講解，讓我們更容易察覺出展覽在科學、創思的特點。他曾擔任NARST 主席(2016-2017) ，這種積極參與全球科學教育、化學教育的交流與合作，提升臺灣在國際科學教育的影響力，是我們應該學習的。此次，他擔任建模本位的教學與評量主題的主席，有大師級的風範，發表非常紮實的演講，座無虛席，滿堂尊敬的喝采，臺灣的驕傲。

• 省思

我聆聽熟悉的夥伴的發表，特別專注國北自然團隊的行動表現，也對於粒子觀、模型建構有時代對比的想法，順筆記下。

一、周全準備，完美展現

我們到達曼谷，搭車往Pattaya，到了旅館，才休息十分鐘，馬上到第二天要發表論文的會議現場Royal Cliff Hotels Group, Pattaya註冊及熟悉會場。首先看到的是有各國國旗的會議大看板，數了數約有五十六面國旗，我們的國旗擺在相當C位，到了國外大家踴躍表現愛國心，心中雀躍，頻頻相偕留影。我跟著團隊去會場，坐在觀眾席上，看四位博士生在兩位教授、一位高中名師的指導下忙著確定講桌高矮、麥克風有無、電腦、插頭、銀幕角度等，細心的程度，不禁想起過去年輕時到國外參加會議，所不如年輕人的慎重、認真與周全準備。這次，博士生們提繳的論文相當優質，所以能獲得大會支助(free)昂貴的註冊費，同時他們出國前還申請了國科會的補助，因此沒有什麼特別經濟負擔，得以有機會到國外以英語分享研究成果，足以可見不論國內、國外對於年輕學者的學術成長皆能全心全力的提供最佳資源與環境。

二、對於粒子、模型教學的過去與現在的想法

這次國北團隊主要的研究是關注小學老師和學生對於粒子、模型在學習、教學、認知、評量的議題，坐在聽眾席的我，深深覺得該研究取向挑戰性極高。大概是受皮亞傑認知理論的影響，過去編教科書時認定提供小學生學習的內容要具象、具體操作。生物的話可以學到細胞級，廚房裡的洋蔥細胞在顯微鏡底下可以看到細胞核，天文的話星空裡太陽、月亮、土星、金星等，化學的話就是溶液、不同物質的交互作用產生的顏色變化、或光、熱的產生，好像沒有深入探究物質的粒子層次，總覺得不易看見、抽象，學生不易建構這樣的知識，因此沒列入小學教材內容。然而現在108課綱有這一條「物質由微小顆粒組成，微小顆粒處於不斷運動狀態」，如何建構可以讓小學高年級生達到這目標的教學、評量活動，的確是需要思考、想出適切的教學策略以及成效評量。另外，有關建模或模型，這早在S-APA (Science-A Process Approach, 1963)提出的科學方法(Process)時有八個基本方法: 觀察、應用時空關係、分類、應用數字、測量、傳達、預測、推理等八項，及五個統整過程:鑑定變因、操作型定義、形成假說、實驗、解釋資料等，早期的課程是依這十三個技能做階段性融入自然活動編排，原本最後第十四項是形成模型(formulating model)，當時大家認為在小學階段太難而取消，這次，國北研究團隊能夠針對「粒子」概念以及「建模」的科學方法進行挑戰，並提出教學策略、評量工具與方法，並以嚴謹的研究方法，確認其可行性，這種實踐與研究合一的求真精神，確實值得鼓勵與喝采。

• 展望

郭重吉校長在「郭重吉博士教育文選」標題寫道「科學教育往下紮根向上結果」(王國華主編，國立彰化師範大學出版)一書提到科學師資培育。我從此次跟國北團隊參加國際研討會，發現我們的科學教師專業成長之道，以及科學師資培育機構輔導新一代科學教育研究者策略等的優點，也期待能更開花結果。

一、科學教師專業成長之道

這次團隊的博士生都是在小學有多年任教經驗的自然科教師，老師們常感嘆「教然後知不足」，再次投入壓力看似頗重的碩士、博士學程，與一般在外觀摩、見習不同的是，自己本身不能只是海綿吸收者，而是「教學者即研究者(teacher as researcher)」，教學者可以成為最好的教育研究者。教師從實務經驗的反思，透過論證到概念重建的歷程，才有革新的教育作為，也就是由行動研究中以促進教師的專業成長。

• 科學師資培育機構輔導新一代科學教育研究者策略

基礎的中小學科學教育之改革與精進，是當今迫切、值得重視，所以對於新一代的科學教育研究者的培養，大學的師資培育機構應該有適切的培育方法。這次我看到國北團隊由兩位教授領隊，報告安排，教授和學生一樣，大家都有一場上臺，教授的示範報告表現，學生心定很多。博士生們提出的研究，教授是co-author，但是由學生上臺報告、接受提問，偶爾教授作補充，因此，縱使他們第一次在國外面對只聽懂英文的外國人，也都能大將風範，侃侃而談。我的評論是教授能基於建構主義營造科學師資及研究者培育的搖籃，透過範式、協同到獨當一面，系統化的營造在職科學教師成為科教研究者的果子。

三、國際會議是為國家建立外交的機會

邱美虹教授獲得IUPAC化學教育終身貢獻獎，讓我們與會的臺灣人頭上有光圈，我還看到有蕭次融教授影子的年輕一代的廖旭茂老師，非常積極的與外國人分享他的研究智慧，不少外國學者和他合照，並和他相約下次見面，看來他已在這裡有社群了。我想，臺灣也一定有不少科學家、教育家等在任何地方、把握機會，展現臺灣的真、善、美。

• 結語

透過凝視整個大會、國北研究團隊、臺灣傑出人才的光芒，我，一位退休教授所感受的不是「凋零」而是「欣欣向榮」。這次團隊的四位博士生都是在職老師，而且分別是有小學到大學孩子的母親，每日她們定時和孩子視訊，不忘教誨，還有兩位在出國報告抽空，和臺灣學生以視訊討論八月在臺南的國展，這是在職老師成為研究者的歷程，旁邊仍有許多因素的影響。我們除了專心五天的會議，也不忘認識Pattaya以及曼谷，周金城教授特別帶我們去了曼谷的科學教育館，因為時間有限，所以有點快閃，不過就是一閃，仍深感覺泰國在科學教育的普及是用心的，最後我們也快閃的去體驗曼谷的捷運，這是會議之外，對於泰國發展的認識與驚艷。這是我期待已久的學術知性之旅，充實又新鮮！

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：

建模本位教學的創新與實踐：自然領域教學研究中心團隊在ICCE 2024的研究成果與展望

林靜雯

國立臺北教育大學自然科學教育學系 教授

國小自然領域教學研究中心 計畫共同主持人

[email protected]

• 前言

第27屆國際化學教育研討會（International Conference on Chemical Education 2024）於2024年7月15日至19日在泰國芭達雅舉行。本年度會議的主題為 “The Power of Chemistry Education for Advancing SDGs”，著眼於化學教育對實現永續發展目標的推動力。為配合這一主題，大會策劃了六個專題研討會（Symposium），分別是：

1. 第12屆微型化學國際研討會（The 12th International Symposium on Microscale Chemistry, 12ISMC）
2. 建模本位的教學與評量（Modeling-Based Instruction and Assessment for Chemistry Education）
3. 連結能力本位的化學教育與永續發展挑戰（Connecting Competency-based Chemistry Education and the Challenge of Sustainable Development）
4. 推動化學安全與安保教育（Advancing Chemical Safety and Security Education）
5. （教育與產業聯合研討會）化學中的系統思維與永續性（Join Education and Industry Symposium: System Thinking in Chemistry for Sustainability）
6. 化學課程中的綠色與永續化學：進展與模式（Green and Sustainable Chemistry in the Chemistry Curriculum: Advances and Models）

這些專題研討會旨在引發與會專家學者對不同議題的深入討論。值得一提的是，本次研討會還特別提供獎學金，鼓勵優秀的教學現場教師與研究生參與，拓展國際視野並加強理論與實踐的結合。

本次會議，臺灣國小自然領域教學研究中心由周金城教授（計畫主持人）和林靜雯教授（計畫共同主持人）領隊，帶領國立臺北教育大學自然科學教育學系的四位博士班同學：桃園永順國小王秋雯老師、桃園中山國小文爾雅老師、桃園文化國小賴碧純老師、新北市民安國小陳楨鈺老師進行論文發表。這些教師不僅是國小教育的先鋒，也有許多正是或曾是各地區自然領域輔導團的資深輔導員。他們藉由結合理論研究與教學實踐，在會上分享了臺灣的研究成果與創新教學法，並全數獲得大會獎助學金的肯定，能夠與來自世界各地的教育工作者進行交流，實屬不易！

本次國小自然領域教學研究中心的團隊共有五篇論文在「專題演討會B：建模本位的教學與評量」（Symposium B: Modeling-Based Instruction and Assessment）中發表，以下將對該專題研討會的內容與收穫進行詳細報告。

• 專題研討會：建模本位的教學與評量

一、主席開場演講：探索模型建構與科技工具的結合

「建模本位的教學與評量」是此次會議的重要議題之一，來自全球的學者專家齊聚一堂，探討如何在化學教育中促進模型本位的教學與評量。此場Symposium B由國際知名學者邱美虹教授和Vicente Talanquer教授分別擔任主席與副主席，兩位學者共同引領了關於模型與建模的深入討論。

首先，國立臺灣師範大學的邱美虹教授發表了開場報告，強調模型建構在科學教育中的關鍵地位。邱教授展示了基於模型的教學框架，並透過實踐與反思活動，提升學生的建模能力。特別值得注意的是，她提出了機器學習技術在分析學生化學學習推理過程中的應用，這不僅能幫助教師掌握學生的思維模式，還能提供精準的回饋，進一步提升教學質量（Chiu, 2024）。邱教授的研究顯示，將機器學習應用於建模教學能有效促進學生的科學素養和推理能力。

接著，亞利桑那大學的Vicente Talanquer教授探討了學生在化學課堂上整合多樣化概念時所面臨的挑戰，這些概念包括分子結構、熱力學與動力學的不同層次。他的研究指出，這種多維度概念整合對學生來說極具挑戰性，但他也分享了研究中發現的應對策略，並提出了一些幫助教師支持學生運用科學模型解釋現象的課程設計建議（Talanquer, 2024）。

綜合兩位學者的報告，可以發現未來的化學教育應更多結合技術工具，如機器學習，以提升學生的學習體驗和成效。教師可利用這些技術深入了解學生的學習進展，並提供個性化支持。除此之外，化學教育應強調建模是動態的過程，學生需要透過建構、反思與修正模型來掌握概念，而不僅限於學習靜態知識。而在化學課程設計上，應重視跨學科知識的整合，幫助學生更全面理解複雜的化學現象，並能在科學實踐中有效應用。兩位教授的研究為化學教育未來的發展提供了重要的指引，特別是在技術應用、課程設計和學生建模能力培養方面，為教育者和研究者指明了創新與改進的方向。

圖1 主席邱美虹教授演說：「Developing modeling competence: How to Design? How to Measure?」

二、團隊報告：國小自然領域教學研究中心團隊的創新與實踐分享

接著是國立臺北教育大學自然科學教育學系與國小自然領域教學研究中心的代表成員們的報告與分享。國小自然領域教學研究中心計畫主持人周金城教授分析了臺灣不同學習階段教科書中「模型」一詞的出現頻率。研究顯示，隨著年級提高，教科書中「模型」的使用頻率增加，但在中小學教科書中，模型的呈現仍主要集中在具象描述，缺乏對動態關係的解釋。周教授建議未來教科書應更深入且明確地呈現「科學模型」這一概念，以幫助學生更好地理解並應用模型進行科學推理（Chou, 2024）。

林靜雯教授的研究聚焦於如何利用多重類比來設計建模評量工具，以提升小學生對物質粒子模型的理解。她設計了一種診斷工具，結合巨觀與微觀類比，幫助學生更有效地建構粒子模型。此工具被用來評量臺灣六年級學生的類比建模能力，研究結果顯示，此工具具有良好的信效度，同時，也展現了小學生在進行水的三態建模時，面臨許多挑戰（Lin, 2024）。

王秋雯老師與林靜雯教授的研究針對六年級學生，開發了基於假設學習進程的建模教學，旨在追蹤學生對物質粒子模型的理解發展，並協助他們發展完整的物質粒子模型。他們設計了包含巨觀現象與微觀模擬（如PhET模擬）的教學鷹架，幫助學生逐步構建粒子模型。研究結果顯示，學生能夠通過這些結構化的學習進程不斷修正他們的模型理解，最終達到接近科學模型的水平（Wang & Lin, 2024）。其教學的進程設計值得許多小學教師參考。

陳楨鈺老師與林靜雯教授的研究針對六位小學教師，探討他們如何利用物質粒子模型來解釋水的三態並建構類比模型。研究顯示，即使是十分資深優秀的教師，這些教師的物質粒子模型亦多是準科學模型的層次，且在實際教學中表徵與建構類比模型的能力仍面臨挑戰。此研究強調了教師專業發展的重要性，尤其是在引導學生理解科學模型方面（Chen & Lin, 2024）。

賴碧純老師與林靜雯教授則進一步探討了類比建模的形成性評量如何提升學生對物質粒子模型的理解。他們針對六名高、中、低不同學習成就的六年級學生進行了一對一的評量，並結合PhET模擬工具來增強學生的認知發展。結果顯示，高成就學生在推理過程中更能有效運用模型，而中低成就學生則需要更多的教師引導，幫助他們構建更完整的模型（Lai & Lin, 2024）。賴老師的研究彰顯了教師的角色在不同學習成就學生學習此抽象主題時鷹架能力的重要性。

團隊成員中，林靜雯教授團隊的一系列研究，無論針對學生還是教師，皆圍繞著一個核心主題：如何有效提升對物質粒子模型（Particle model of matter, PMM）的理解與應用，並透過類比建模工具促進此過程。團隊強調使用多重類比，幫助學生理解巨觀與微觀之間的連結，從而促進對物質粒子模型的認知發展。這不僅是評量學生學習進展的有效工具，也是提升科學素養的重要策略。此外，團隊研究指出，教師應發展出成性評量的能力以準確掌握學生的認知進展，透過學習進程來追蹤學生與教師的心智模式發展，是理解他們如何在教學過程中逐步掌握PMM的關鍵，這將有助於教師能夠及時調整教學策略，針對不同能力層次的學生提供個性化指導。但在對教師的研究中，團隊亦發現許多教師在PMM理解上存在局限，並且在教學中表徵與構建類比模型的能力不足，此點彰顯了教師專業發展的急迫性。

圖２ 發表的自然領域中心師長與優秀小學教師們與該研習討論會主席邱美虹教授及Vicente Talanquer教授合影留念   

• 啟發與討論

    本次會議的報告內容不僅展示了目前在化學教育中對於建模教學的深入探索，也為未來的研究和教學實務提供了重要的啟示。從研究視角、教學應用和優秀博士級教師參與的角度，以下三方面值得深入討論：

一、建模教學的未來研究方向：科技與建模教學的深度結合

首先，本次Symposium B強調了科技工具，特別是機器學習和模擬技術，在提升建模教學中的潛力。未來的研究應進一步探討如何將這些技術有效整合到課堂中，不僅作為教學輔助工具，更作為學生思維模式與認知發展的關鍵評估手段。特別是結合多重類比與動態建模技術，未來的研究可以更深入地了解學生在建構、反思和修正模型過程中的具體思維轉變，並探索不同學科背景與年齡層學生的適應性。

此外，研究者應關注建模教學在跨學科中的應用，探索如何將科學建模方法運用於解決社會科學或工程領域的問題。這不僅可以促進學科間的知識整合，也可以幫助學生在更廣泛的情境中應用所學的建模技能，從而提升他們的批判思維與創造力。

二、建模教學實務上的啟發：強化動態建模與形成性評量

在教學實務方面，本次研討會提供了對於建模教學的具體建議。首先，動態建模的概念應該成為教學中的核心，教師不僅要引導學生理解模型的靜態結構，更要幫助學生認識到模型的動態過程，通過建構、測試、修正模型來更全面掌握科學概念。這需要教師在課程設計上融入更多開放性的建模活動，讓學生在不同情境下運用模型來解釋現象，並逐步發展他們的推理能力。

形成性評量也是未來教學發展中的關鍵一環。透過一對一的個別化指導與技術工具的應用，教師能夠更準確地追蹤學生的學習進展，並根據他們的認知需求及時調整教學策略。這不僅有助於不同學業層次的學生獲得更多個性化支持，也能讓教師更有效地引導學生進行深度學習。

二、優秀博士級教師參與國際會議交流與成長

本次國際研討會中，國小自然領域教學研究中心的教師團隊不僅展示了優秀的研究成果，也積極參與了國際學術交流。他們的研究在建模教學與評量方面的創新，無論是針對小學生還是教師的專業發展，皆提供了全球化學教育領域新的視角，顯示出臺灣國小科學教育在國際舞台上的卓越表現。

這些教師不僅是教學現場的實踐者，也是研究的推動者。他們利用自身在教學中的豐富經驗，結合理論研究，開發出具有實用價值的教學與評量工具，這些工具不僅對臺灣的學生與教師產生深遠影響，也為全球的科學教育提供了寶貴的借鑒。

此外，透過此次國際會議，國小自然領域教學研究中心的教師不僅提升了自身的專業素養，還將最新的教育研究成果帶回國內，促進了本土科學教育的創新與發展。這樣的國際參與對於臺灣科學教育的未來發展具有重要意義，不僅拓展了教學視野，也為國家教育政策的推動提供了實證支持。隨著全球教育的持續發展，這些來自臺灣的研究成果將有助於加強國際學術社群對臺灣教育的認識與理解，進一步提升臺灣在全球科學教育領域中的地位。

圖3 自然領域中心師長與優秀國小教師們於大會看板前留念，臺灣國旗於看板中央

• 參考文獻

Chen, C. Y. & Lin, J. W. (2024, July 15-19). Unveiling elementary school teachers’ mental models: Utilizing the particulate nature of matter to explain water’s three states and constructing analogical models for their students. [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

Chiu, M. H. (2024, July 15-19). Developing modeling competence: How to Design? How to Measure? [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

Chou, C. C. (2024, July 15-19). Analyzing the frequency and themes of the term ”model” across elementary school science textbooks to university-level chemistry textbooks in Taiwan. [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

Lai, P. C. & Lin, J. W. (2024, July 15-19). Exploring elementary students’ evolution of mental models and an experienced teacher’s response: Formative assessment of analogical modeling in understanding matter across macroscopic and microscopic perspectives. [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

Lin, J. W. (2024, July 15-19). Designing a diagnostic instrument to evaluate elementary school students’ analogical modeling competence on the particle model of matter through multiple analogies. [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

Talanquer, V. (2024, July 15-19). The challenge of integrating chemical concepts and ideas. [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

Wang, C. W. & Lin, J. W. (2024, July 15-19). Designing modeling-based instruction with a hypothetical learning progression to track the evolution of sixth-grade students’ particle model of matter. [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：27^thICCE–微型化學研討會發表與工作坊

廖旭茂^{1, 2}

¹台中市立大甲高級中等學校

²教育部高中化學學科中心

[email protected]

• 前言

因緣際會，與前臺師大邱美虹；國立臺北教育大學所組成的教授與博士生團隊同行，參加在泰國舉行的國際化學教育研討會(27^thICCE, 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education)。研討會由A至F 六個討論會(symposium)所組成，註冊時我報名參加了symposium A國際微型化學研討會。在歡樂熱絡的氛圍下順利完成了題為：「The application and development of the micro-Hoffman Voltameter via digital technology」口頭報告，並意外地被邀請參加國際微型化學實驗大師雲集的Workshop，與大師們同台演出，4至5小時間裡讓與會的教育工作者體驗個人開發的微型霍夫曼電解器，並致贈分享從台灣帶去的相關教具模組，期間獲得相當多熱情的肯定與珍貴友誼。

研討會利用了空暇期間，參加了大會安排的桌遊體驗與實驗實作，並拿出自行開發的官能基爬爬樂桌遊、綠色電化學蝕刻與泰國的高中教師分享，增加彼此的互動與交流；僅藉由本文，依時序記錄下這趟旅程的驚與喜。

• 過程

一、出發前的準備工作

此次大會的主題為「以化學教育的力量推動永續發展目標」（Power of Chemistry Education for Advancing SDGs），目的在為世界各地的教育工作者、實踐者、教師、化學家和科學家提供一個與永續發展領域的先驅者和領導者相互交流的平台，大會議程遊A至F六個不同主題的研討會所組成， 分別如下：

1. Symposium A: The 12th International Symposium on Microscale Chemistry (12ISMC)
2. Symposium B: Modeling-Based instruction and assessment for chemistry education
3. Symposium C: Connecting Competency-based Chemistry Education and the Challenge of Sustainable Development
4. Symposium D: Advancing Chemical Safety and Security Education
5. Symposium E: (Joint Education and Industry Symposium) Systems Thinking in Chemistry for Sustainability
6. Symposium F: Green and sustainable chemistry in the chemistry curriculum: Advances and models。

每個主題都邀請到該領域世界大師級的人物來當主持人，除了發表重量級演說內容外，更安排了相關的長達一天的口頭報告(Oral presentation)，及半天的實作工作坊，每個會議內容都具有相當有吸引力，比如臺灣方面的前師大科教所邱美虹教授即被邀請擔任Symposium B的主席（基於建模的化學教育教學與評量）。

筆者於去年十月在網站上完成摘要投稿，因為大會網站上有六個投稿的主題內容，選擇上只能挑選一個主題參與，筆者投稿的會議是Symposium A，微型化學，投稿摘要名稱為「 The application and development of the micro-Hoffman Voltameter via digital technology」，摘要文章與主辦方的審查單位經過數次來來回回的修正後，十二月中得到摘要接受的確認信，心中暫時放下一個大石頭。下圖1為大會網站標題(logo)。

圖1：大會網站首頁標示

    今年六月公布發表議程，筆者報名序號是sa-O-001因此是第一位發表者，而且是口頭發表，而不是在定點擺攤的工作坊；歷經向主辦單位要求，得不到相關肯定回覆後，依然決定攜帶25組的微型電解水模組前往泰國ICCE，隨機應變，看能不能有機會參與主持工作坊，上場與國外學者相互的交流。

有鑑於之前微型電解器的設計有些小瑕疵（廖旭茂，2019），於是決定展開電解器的優化工程。從修改設計圖開始，將電解槽從長方形改為橢圓形，外型顯得更圓潤；鎳鈦合金(nitinol)合金電極的直徑由2.0 mm增大為2.5mm，期盼增快電解速率；收集氣體的針筒固定在電解槽的方式由磁吸式改為m4螺絲固定，解決針筒滑移的問題。看似簡單，其實一點點變動都會影響加工方法及程序！所幸這些工作都在出發前的一個月完成確認與製作。下圖2是此次研討會分享的教具。

圖2：組裝完成微型電解器

二、踏上旅程

7月14早上6點在第二航廈與國立臺北教育大學團隊會合，搭乘長榮BR211班機，歷經約4小時的飛行，於當地中午左右抵達曼谷BKK機場。出關提領完托運行李後，被抽檢過X光機，結果因為行李中的電解器模組中的元件有針筒、螺絲電極等奇形怪狀的元件，被海關人員攔了下來，帶到小房間盤查；經過一番解釋後，安然離開海關，隨後與大夥搭小巴前往芭達雅會場。經過兩個多小時的車程，抵達住宿飯店，在周金城教授帶領下前往大會場地-皇家克里夫大酒店探路與報到。下圖3為大會場地的合影。

圖3：大會報到合影圖

三、微型化學會議與口頭發表上場

7月15日大會開始，每一個議程(session)是100分鐘，今天早上第一個議程首先是頒發微型化學領域的卓越貢獻獎，這一步分由日本、菲律賓、南非的學者獲獎，表彰他們長期在微型化學實驗開發、推廣工作的努力。接下來由大會主席墨西哥的Jorge G.教授先進行大會報告，Jorge G.教授報告疫情期間如何指導學生在家進行實驗實作，最令人感動的是教授先將所需的器材、藥品配置好，打包後經由專人宅配到學生家裡，實際的教學則透過線上教學，指導學生進行實驗實作與學習。Jorge G.教授為人風趣幽默，有很熱情，努力提攜後進，頗具大師風範。

報告結束接下來由獲獎者的兩位代表發表近來研究成果，我對菲律賓的Prof. Fortunato 所發表的Re-designing colorimeter for the chemistry laboratory teaching 最感興趣，他是利用手機鏡頭的感測器，結合App來鑑定溶液的顏色變化，藉此推算溶液的濃度。這部分的研究，我在臺灣也做過，並在2018年指導學參加綠色化學創意競賽，獲得首獎，只是教授沒說明所使用的App名稱是否與我們使用的相同。這部分的研究事實上存在很大的變數，手機必須被穩定地固著在特定距離與角度（腳架），溶液也必須安置在特定光線包圍的空間（小型攝影棚），手機所記錄的RGB色碼值還必須經過運算處理，否則會產生驚人的誤差。關於誤差這部分，當場很想提問，並告知使用這方法可能面臨到的風險，只是有更多人更感興趣，尤其是越南的老師(或教授)，發問相當踴躍，英文也相當流利，著實令人刮目相看。下圖4為Jorge G.教授與 Fortunatorul 教授發表的過程圖。

圖4：圖左為Jorge G.教授、圖右為Fortunato教授發表的風采

    接下來的議程是一般學者與老師的報告，因為我報名序號是sa-O-001，因此我是第一位發表者，活動開始前，我先跟大會主席要求一張長條桌，擺放我帶過去的教具模組。之後將組裝好的微型電解器贈送給兩位會議主持人Prof. Supawan與Prof. Jorge G.兩位教授，說明我分享的主題。下圖5為微型化學會議兩位共同主持人。

圖5：圖左為Jorge G.教授，圖右為Supawan教授說明會議規則

投影片開始先自我介紹，進行前先將過海關的遭遇敘說一回，並隨手提起教具模組的提袋，結果造成哄堂大笑，氣氛頓時熱絡起來；隨後分享微型電解器的開發，並說出創意的來源，實際上是來自2018年在雪梨大學舉辦的ICCE，會中來自英國的Bob Worley分享的電解器。講完隨後立刻從提袋中拿出自己親手做的大型電解器，送到Bob面前，致贈給Bob，此舉形同向大師致敬，博得與會學者的一致的熱烈掌聲。簡報內容還教導如何製作、使用電解器，還有微型電解器在探究教學上的應用。下圖6為簡報過程與Prof. Jorge G.教授的互動。

圖6：圖左為筆者的發表，圖右與主持人的互動場景

    17分鐘的簡報報結束，進入3分鐘的Q&A過程，因個人的聽力有限，事先準備10幾題的題目，並將Q&A事先印在A4的紙張上，現場發放給與會的教育工作者，形同自問自答。此舉也再次引來學者們會心的微笑，最後Bob提出了一個有關鎳鈦合金電極抗腐蝕的問題，其實當下我並無法完全聽懂他的問題，我聽到了nitinol、oxdize幾個關鍵字，幸好預先有準備，隨即以掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，縮寫為SEM）圖解釋nitinol在電解中會緩慢的氧化的現象，誤打誤撞的回答，讓Bob相當滿意，結束了Q&A，順利下台一鞠躬。

Q&A過程中，有提到台灣是個具吸引力、溫暖、熱情的國家，帶來的微型電解器，只要機會的話，我樂意實際教大家如何使用，並免費送給參與的學者，大會主席Prof. Dr. Supawan教授，當下立即正式邀請我參加7/16的工作坊，並詢問我桌牌的國家名是”China Taiwan” or Taiwan？我立即回答”just Taiwan”，Supawan教授笑了笑，似乎在說這個問題對您們而言有點敏感。當然，能夠得到與全世界微型化學實驗的大咖同台演出的機會，內心激動不已。

四、難忘的工作坊

    早上有兩個議程，第一個議程是紀念講座Memorial Lectures，紀念長期對微型化學做出卓越貢獻的先驅者 John Bradley教授，John Bradley教授出生於英國，在南非的約翰內斯堡金山大學the University of the Witwatersrand任教，長期關注弱勢在學習化學上的困境，開發了眾多的微型實驗模組，並分送給各級學校，其所做努力後來被IUPAC發覺，能見度與支援總算大幅增加，也帶領更多後進投入微型實驗開發，關懷弱勢的行動。John Bradley教授不幸於2022年聖誕節病逝，一生說過最有名的一段話是“If you want to travel fast, travel alone. If you want to travel far, travel together.”，他的死讓IUPAC以及國際微型化學界震驚與不捨，此紀念講座分別由南非學者Marie Dutoit、英國Robert Worley、德國Angela Kholer三人發表演說緬懷John Bradley教授一生的貢獻。下圖7為南非學者的簡報首頁。

圖7：John Bradley教授紀念講座發表的簡報首頁

    第二個議程 是一般口頭簡報，因沒特殊內容，提早離場，回工作坊場地進行探勘，布置等準備。活動於下午1:00開始，原先受邀舉行工作坊的專家分別來自德國、日本、墨西哥等國，相關專家簡介如下：

• Germany (Angela Kohler, from Romain Rolland Gymnasium, Berlin)
• Japan (Kazuko Ogino, from Tohoku University)
• Mexico (Jorge Ibanez, from Universidad Iberoamericana, Mexico)
• Philippines (Fortunato Sevilla, from University of Santo Tomas)
• Republic of South Africa (Marie du Toit, from North-West University)
• Thailand (Supawan Tantayanon, from Chulalongkorn University)
• United Kingdom (Bob Worley and Magda Polec, from CLEAPS)

除了以上專家的工作坊外，還有化學巨擘DOW企業贊助的工作坊。匆匆吃完午飯後。提了沉重的手提袋，袋中裝了了25組微型電解器，及預備隨機與各國學者交流的綠色電化學書籤蝕刻25組，抵達會場看見桌牌上寫著Taiwan Hsu-Mao Liao幾個大字，內心興奮不已，等會向來賓解說起來也會充滿幹勁。今天下午預計介紹微型電解水器的組裝，完成後利用電解水器學習電解飽和食鹽水，並藉由自製的碘化鉀澱粉試紙檢測產物氯氣的存在，隨後即可帶走電解器。下圖8為工作坊攤位圖。

圖8：微型化學工作坊加設攤位

    時間一到，各國專家紛紛入場布置，最早來體驗的來自德國柏林羅曼羅蘭高中的老師Angela Kohler他同時也是受邀參加工作坊的專家，同行的與保加利亞的Sofia大學附屬的國立數學與自然科學高中Nasko Stamenov老師，除了體驗電解水器的使用，以體驗了綠色電化學蝕刻，利用9V電池與食鹽水，在不鏽鋼書籤下進行電解蝕刻，留下了”Chem is try”的字樣，下圖9為兩位老師體驗過程留下的合影。

圖9：中間為Nasko Stamenov老師，圖右為Angela Kohler老師

雖然工作坊採報名制，有人數限制，但陸陸續續有各國的學者老師來參與體驗，筆者用盡腦海中所有英文詞彙，奮力教導來賓如何組裝微型電解器與使用，一晃眼25組電解器已經送完，接著拿出綠色電化學蝕刻，進行不鏽鋼書籤的蝕刻與後來的來賓交流互動，等所有器材分送完畢時，一晃眼四個小時過去了，全身精疲力盡，達成科學實驗外交的任務。下圖10為活動中來自各國的學者與老師們合影。

圖10：與來自各國的學者與老師們合影

五、其他活動

中場休息時間逮到機會也跑到會場看看設備商相關實驗器材的展覽，攤位中有些是陶氏化學公司（Dow Chemical Company）贊助，邀請泰國高中老師來擺攤的，提供微型趣味實驗體驗，也有一些是桌遊，邀請同好來試玩；自己忍不住拿出官能基爬爬樂桌遊與泰國的老師交流，幸運地獲得相當多友善的回應……。下圖11是泰國高中老師交流後合影。

圖11：兩國高中老師化學桌遊分享交流合影

• 心得

意料之外：一個禮拜過去，一行人行囊豐盛，平安回到台灣，為這次曼妙的ICCE 2024 in Pattaya國際性化學教育之旅劃下句點。此時此刻，身體是疲累的，精神是亢奮的，為了一場研討會所做的準備工作，是歷經超過三個月的籌劃製作-重繪設計圖，讓外觀更優雅、優化穩定針筒的機構、替換螺絲電極，加快電解速率……繁複的工序需要時間，加工足夠的工作坊數量需要時間，分裝需要時間，決定什麼該帶更是燒腦廢時，這些都是從繁忙的課務隙縫中硬擠出來的，點點滴滴積累，這從來不是件輕鬆的事，當然也只有身邊支持你的人知曉，參加活動的內行人知曉啊⋯

累歸累，每回研討會都有驚奇，讓人無法平靜！無論出發前如何綿密的運籌、演練，總有意想不到的事降臨；尤其海外實作演討會，總得拎著大包小包的過海關，是相當的令人戒慎恐懼；事前的模擬總是免不了，萬一被帶到小房間、被命令打開行李箱、被質問來泰國的目的，被要求說出裝有三支針筒的紙盒內-微型電解器的用途、被要求現場組裝電解器，那我該如何應對？這些模擬的情節、預想竟然發生了，天啊！我變成可疑人了？所幸，善良的海關人員接受了我的說法-我來泰國參加學術研討會的，針筒是微型電解器的配件、所有的教具都將免費給泰國參與活動的老師與學生使用！

主辦單位的浪漫的行事風格與快速應變的特色也是令人耳目一新。原本活動前寫信要求主辦單位給我一個攤位讓與會學者可以體驗電解器的操作，無奈信件石沈大海……在無法掌控實地狀況下，心情因此有點忐忑，還好在會場看到會議主席是泰國的Prof. Dr. Supawan Tantayanon與墨西哥的Jorge G. Ibanez，兩位是研討會的老面孔，於是自己厚著臉皮去自我介紹，並致贈電解器，這舉動瞬間拉近了彼此間的距離，桌子也很快地擺到講桌前。隨後不通順但熱情的分享，竟然獲得與微型化學實驗專家同台的機會；隔天的微型實驗工作坊裡，慷慨、無私地分享微型電解水器與電化學書籤蝕刻教具，獲得多年來參加國際研討會來最多的的恭維與讚賞，印證了機會是給準備好的人。下圖12為活動結束後邀請同行專家合影。

圖12：與微型化學專家合影

由衷感謝美虹教授、金城教授與同行的台灣夥伴，海外八天，一起學習、一起同歡、一起冒險，一起留下了美麗、難忘的記憶……。

• 參考文獻

廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。臺灣化學教育，40。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：

一場啟動教師熱誠的國際交流

王秋雯^{1, 2, 3}

¹桃園市永順國小

²桃園市國小自然領域輔導團

³國立台北教育大學  自然科學教育學系博士生
Email:[email protected]

• 前言~無限學習的可能

現今全球科學教育都面臨嚴峻考驗與挑戰，台灣的科學教育也面臨著不斷變化的全球教育需求和技術進步的挑戰。身為資深國小自然教師及國教輔導團員，教學熱誠隨著今年七月中旬與教育界先進們參與國際化學教育研討會（ICCE，2024 Chemical Society of Thailand）而更盛，現場感受大家在研究領域與教學現場的各種發現不斷提升，與會期間不斷從各種面向思考現階段的自己面對AI風潮來臨不被淘汰之可能性，這次疫情過後，深深體認到灣國小科學教育無論對遠距教學或偏遠學校而言，發展學生以生活情境為主在家也能進行，減少實驗器材準備負荷並降低實驗廢材的「微型化學實驗活動」（microscale experiments）的必要，正是面對資源匱乏的地球永續環境「綠色化學」解方之一，是以藉由提取研討會中對於國小科學教師重要的啟示和建議，建模歷程、差異化教學與遊戲學習……等整理後野人獻曝，期望大家一起在國小科學教育領域豐盈。

• 國際交流中對國小科學課堂的反思與啟發

一、科學課堂裡的「微型化學」

在化學和生物實驗中使用極少量的化學物質或生物樣本進行的實驗。這種實驗方式不僅可以節省成本，還能增加安全性，並減少對環境的影響稱為「微型化學（microscale experiments），研討會中，Siew Lee Tengy（2024）提到來自新加坡教師學院及教學與學習卓越中心（CTLE）托管學校的教師合作設計和進行校內專業學習課程時也採用微型化學教學法，微型化學簡化實驗，讓許多學生可以利用家庭中原有工具直接操作，降低科學跟學生的距離，例如：以往在學校通常都需要試管、燒杯、滴管才能進行酸鹼實驗，學者在研討會的工作坊利用一般常見的滴眼瓶（見圖1），在圖畫紙上將酸鹼指示劑滴在魚鱗上，再將生活中不同的酸鹼水溶液滴到桌上已滴了指示劑的魚，於是，紙上的魚鱗將因學生滴上不同水溶液產生五彩繽紛的酸鹼變化效果，節省材料又結合藝術領域，結合藝術與自然科學，微型化學跨科學習效果較原來實驗室的科學演示更好。

圖1：研討會工作坊微型化學展示酸鹼指示劑在紙上產生的變化

二、深層思考~建模歷程的重要

108課綱重視探究教學，如果國小化學教育能提醒由觀察現象或變化開始，使用開放式問題與內容銜接發展學生的心智模型，並利用類比和模型教學可以有效地幫助學生改善和深化對科學概念的理解，對於促進學生的創造思維和科學推理能力具有重要的實際意義，本次研討會針對建模（Modeling）開設專題研討場次，各地學者分享關於建模的學術研究成果，Potisak ＆ Chatree （2024）利用類比建模策略，先用顯微變化影片吸引了學生的注意後，用化學鍵與愛情的隱喻幫助學生理解顯微變化

三、重視差異化與遊戲學習提升學生興趣

現階段的數位科技發達，除了協助教師備課，還能根據學生意願、能力和個人學習概況進行「差異化的學習」（Ivana et al., 2024），未來臺灣國小科學教育為了貼近真實情境並促進學生的深度思考，引入AI（Artificial Intelligence）是趨勢也是必然方向，在不讓學生依賴AI直接產生解答的前提，藉由將AI視為學伴，協助教師發展差異化學習的可能。研討會中也有學者利用較傳統教學更具有優勢之棋盤遊戲（Board games）（Suttida ＆ Witawas, 2024）、視覺表徵的漫畫適合非科學專業學生（Potisak ＆ Chatree, 2024），或是像巴西學者整合動畫和增強/虛擬現實來教化學反應以提升學生對科學學習的興趣（Wilton et al., 2024）。

四、PBL中的創造性思維與社會性科學議題(SSI)融入教學

創造性思維技巧是形成學生智能中非常重要的高級思維技巧之一，PBL（Project-based learning）學習是一種可以應用於提升學生創造性思維技巧的學習模型（Ivana et al., 2024），學者利用系統性回顧文獻，找出創造性思維與PBL的顯著關係，提醒國小科學課堂應該要善加利用PBL（Project-based learning）課程訓練學生相關創造力思維技巧，PBL課程也可以透過社會性科學議題（SSI，Socio-scientific Issues）課程將現實世界問題與科學概念結合，促進批判性思維、社會意識和決策能力。Luu Gia Hy（2024）綜合了融合SSI的教學理由，強調其在促進永續發展中的作用，還提供了一個與化學教育目標相關的SSI主題策劃清單，包括污染控制、永續能源、化學安全和綠色化學倡議。

五、各種科展主題發想

這次更是看到許多值得提供學生進行科學專題研究或是參加科展探究的主題，永續發展環境教育也具有相當的意義，例如:雨季期間，大量降雨導致污水（如食用油）從儲水池溢出到自然水源中，引起廣泛的困擾，學者使用來自羧甲基纖維素（CMC）衍生的碳泡沫來吸附油脂（Theeraphat, 2024）。或是，像Thanachot（2024）由榴蓮皮與活性炭混合製成的緩衝紙在延緩成熟和提供防震保護方面的效能。利用榴蓮皮通過煮沸提取纖維，將其與不同比例的活性炭粉末混合並使用紙篩模具成形，也有學者利用廢牡蠣殼製備氧化鈣催化劑，用於棕櫚油的酯交換反應以生產生物柴油。Tanawit（2024） 察覺到COVID-19增加了人們對衛生的意識，卻也導致環境危害，於是從有機來源提取的表面活性劑以優化清潔用品，綠色化學以專題探究方式呈現。

• 反思與實踐

一、朝向綠色化學永續發展

微型實驗目地在激發學生對科學的興趣，提高對化學安全、綠色化學和可持續發展目標的認識 （Sri Lanka, 2024），作為遠距教學亦相當合適，透過使用更少量的化學物質和試劑，微尺度方法顯著降低了成本並減少了浪費，使其成為化學教育的環保選擇（Kelkar & Dhavale, 2000）。國小化學教育建議可以發展最小化學量的實驗~微型化學實驗，既創建了更安全的學習環境，又增加學生巨量實驗現象觀察經驗，減少實驗廢材，

二、AI世代的實踐與反思

AI世代對於台灣師生來說都充滿著挑戰，所有的教學者及使用者在實踐過程均需不斷反思，除了使用AI前須訂定學科目標，使用AI時選擇合適回覆，最重要的是驗證AI的正確性，亦可利用AI達到原來教學不可能的任務~啟動學生對學習的後設認知，讓學生有效地生成題目也可以是一個有價值的AI學習活動（Katrina & Armando,2024）。

三、從專題探究到綠色化學

很多偏鄉小學常常都有實驗器材欠缺的問題，即使是都會小學，也有可能因為缺乏足夠科任教室及實驗器材儲放空間，導致課堂上的實驗探究次數減少，若能將實驗微型化，利用生活中隨手可得的物品（廚房用品、醫藥箱內的容器……等），讓科學實驗無處不在，累積下來的經驗與觀察，對於學生未來發展成科學專題探究主題很有幫助，以解決生活情境所產生的不同問題。

總結這次國際交流活動，深刻感受到科學教育在全球化浪潮中的挑戰與機遇。此次研討會帶給國小科學教育的不僅僅是理論上的啟發，更重要的是實踐上的具體行動指南。通過與來自世界各地的科學教育工作者的深入交流，如何更好地應用微型化學實驗、差異化學習以及專題導向學習（PBL）來提升學生的科學素養和創造性思維。

此外，研討會中多次強調了建模教學的重要性，這種方法有助於學生建立更深層次的科學理解。同時也認識到綠色化學的重要性，展望未來，教師們需要更多地運用數位科技和AI工具，但同時保持對教學核心價值的堅持和反思，希望繼續保持學習的熱情和探索的精神，將這些新知識、新方法融入到日常教學中，共同推動科學教育的進步與發展，如有機會，歡迎共同迎接下一階段的挑戰和機遇！

• 參考文獻

Teng, S. L. (2024). Professional learning for teaching chemistry in lower secondary science through demonstration. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE), Chemical Society of Thailand.

Sridaeng, D., Zakaria, Z., Ekanayake, S., Boonyuen, S., & Karunaweera, N. (2024). Capacity building of teachers in chemistry hands-on small-scale experiments in high school in Asia. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE), Sri Lanka, IUPAC.

Sesfa’o, I. F., & Anwar, S. (2024). Application of project-based learning by making edible coatings in chemistry learning to improve students’ creative thinking skills: A systematic literature review. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Yanpanich, K., Siwanardtritod, P., & Klomkliang, S. (2024). A novel approach using carbon foam and carboxymethyl cellulose for sustainable oil management. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Villar, K. G., & Guidote Jr., A. M. (2024). Using student-generated multiple-choice questions and the chemistry achievement of science high school students. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Kelkar, S. L., & Dhavale, D. D. (2000). Microscale experiments in chemistry: The need of the new millennium. Resonance, 5(10), 24-31.

Potisen, P., & Faikhamta, C. (2024). Developing students’ mental models of grade-10 non-science program students in chemical bonding. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Hy, L. G. (2024). Promoting sustainable development in chemistry teaching through socio-scientific issues. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

SMAN, & Sei Tuan, M. W. (2024). Application of integrated, differentiated, social-emotional learning in chemical reaction equations at Jl. Irian Barat No. 37. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Thammasittirong, T., & Thra-ampawan, P. (2024). The study and development of organic cleaning solution HYPE-Wash. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Sathithammanon, T., Chungsawanant, C., & Boonmun, N. (2024). Sustainable biodiesel production via transesterification of palm oil using waste oyster shell-derived calcium oxide catalysts. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

Punyaphon, T., Thitiphisutkul, P., Saenna, W., & Butsut, K. (2024). Paper for cushioning and slowing ripening made from durian peels mixed with activated charcoal. In Proceedings of the International Conference on Chemical Education (ICCE).

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：

第27屆IUPAC國際化學教育研討會之化學品的安全與安保論壇簡介

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系
Email:[email protected]

• 前言

國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）下的化學教育委員會國際化學教育研討會是兩年一次的全球性重要化學教育研討會，第27屆IUPAC國際化學教育研討會（2024 ICCE）將於2024年7月15日至19日在泰國芭堤雅舉行。這場會議由IUPAC的化學教育委員會主辦，旨在促進化學教育領域的發展與交流。參與者包括來自世界各地的化學教育工作者、研究者以及政策制定者，共同探討化學教育的最新趨勢、挑戰和創新。

• 2024ICCE議程的八個主題

本屆會議的八大主題涵蓋非正式教育、化學實驗室教學的重新設計、創新技術的應用、教師教育與專業發展、化學教育政策與改革、環境與社會可持續性、化學教育中的倫理與包容性等。本屆2024ICCE的主要議程包括以下八個關鍵主題，分別說明如下:

• 非正式教育和終身學習中的化學教育(Chemistry Education in Informal Education and Life-long Learning Context)：這一主題探索了如何在學校教育之外的環境中（如博物館和科學中心）提供化學教育機會，以及如何促進終身學習。討論將涉及如何設計吸引人的化學教育活動，並支持成年人和職業人士持續學習和技能提升。
• 重新設計化學實驗室教學(Redesigning Chemistry Laboratory Teaching)：重點在於如何利用現代技術和創新方法改進化學實驗室的教學效果。議題包括如何整合虛擬實驗和數位工具，以提升實驗教學的實踐性和學生的參與感。
• 創新技術在化學教育中的應用(Innovative technology for chemistry education)：探討數位工具、虛擬實境、擴增現實和人工智能等新興技術如何變革化學教育，提升學習體驗並支持個性化學習策略。
• 化學及科學教師教育與持續專業發展(Chemistry and Science Teacher Education and Continuous Professional Development)：專注於化學和科學教師的專業發展，討論如何提高教師的教學能力，提供持續專業發展機會，以及如何適應教育變革的挑戰。
• 環境與社會可持續性中的化學教育(Chemistry and Chemical Science Education for Environmental and Social Sustainability)：討論如何在化學教育中融入環境和社會可持續性的概念，推動綠色化學和資源循環利用，並提高學生對全球可持續發展目標的認識和理解。
• 化學教育政策、改革和品質保證(Policy, Reform, and Quality Assurance in Chemistry Education)：分析和探討如何通過政策改革和質量保證來改進化學教育體系。議題包括教育政策的制定、課程標準和評估方法的改進。
• 倫理、多樣性、公平性和包容性在化學教育中的實踐(Ethics, Diversity, Equity and Inclusion in Chemistry Education)：重視在化學教育中推進倫理、多樣性、公平性和包容性的議題，旨在確保所有學生都能公平地獲得教育機會，並促進教育環境的包容性。
• 二十一世紀化學教育的新興趨勢(Emerging Educational Trends in Chemistry in the 21st Century)：探索當前和未來化學教育中的新興趨勢，包括新的教育理念、教學方法和技術，以應對快速變化的教育環境和學生需求。這些主題將為參會者提供全面的見解，促進對化學教育創新和改進的深入探討。
• 推動化學品安全與安保教育之論壇

推動化學品安全與安保教育是本次研討會的重要議題之一，尤其是在全球日益重視化學品管理的背景下。本次研討會之論壇其中一場次主題是「推動化學品安全與安保教育」(Symposium D: Advancing Chemical Safety and Security Education)，我覺得很重要，因此在此特別介紹這個內容。論壇舉行分別安排在16日與17日上午0900-12:00，總共有12篇論文發表。於18日還有辦理工作D：加強《化學武器公約》的化學品安全與安保(Enhancing Chemical Safety and Security for the Chemical Weapons Convention)。以下整理本此大會手冊中有關的化學品安全與安保之內容來加以說明。

• 化學品安全與安保的概述

化學品的廣泛應用讓化學品安全與安保（CSS）成為學術界和工業界的重要議題，教育機構在推動這些知識的傳授上承擔著重要責任。Straut Langlinais（2024）指出，化學品安全與安保（chemical safety and security, CSS）以及化學風險管理（chemical risk management, CRM）的知識與技能對學術界、研究及各行業的勞動力都極為重要。學術機構應將這些知識和技能納入其課程中，幫助學生在未來職場上能有效應用，並推動職場中的安全與安保文化。儘管目前已經有一定進展，但這些概念在化學教育中的整合仍有很大的提升空間。除了學術機構，這些知識在社區和工業界的教育和外展活動中也至關重要，用以提升社會大眾和勞動者對化學品安全的意識和技能。化學品安全與安保在教育中的應用已有進展，仍需進一步加強這些知識的整合，以確保學生和勞動者在未來能夠有效應對化學風險，並在職場推動安全文化的發展。

• 全球各地的化學品安全與安保挑戰

許多國家在推進化學安全與安保方面仍面臨諸多挑戰。例如，Abdalla、Bader和Elabbar（2024）的研究表明，利比亞的職業教育學生普遍缺乏化學品安全知識，這在實驗室中構成潛在風險。Saleh等人的試點研究顯示，針對化學風險管理的課程有助於提升學生的風險評估意識，並被認為是一個減少風險事件的重要工具。

Abdalla、Bader和Elabbar（2024）的研究表明，利比亞的職業教育學生，無論性別，在化學品安全與安保文化的認識上普遍較弱。某些實驗室監督人員對相關知識的認識也同樣不足，這造成了在工作場所中潛在的安全隱患。類似地，Saleh、Ahmed和Tofiq（2024）針對庫爾德斯坦地區的學術機構設計了一個化學風險管理課程，目的是提升學生對化學品安全的認識。試點研究顯示，無論是曾接受相關培訓的學生，還是首次接觸該主題的學生，化學風險評估的知識和意識都有所提升。該課程被認為是一個有效的途徑，能減少化學品風險事件的發生並提升實驗室中的安全意識。

• 化學安全與安保教育的創新與實施

隨著化學產業的發展，如何創新和實施化學安全與安保教育變得尤為重要，這不僅關乎工業發展，也關係到學術界的教學方式革新。Lee（2024）介紹了馬來西亞自1957年獨立以來的經濟增長，帶動了化學相關產業與研發的發展，同時也突顯出化學品安全與安保管理的重要性。為了防止化學事故，馬來西亞理科大學於2022年10月推出了「化學可持續性的安全與保安」課程，這是一項在大學化學課程中的創新。該課程由國際與本地化學保安專家共同開發，內容涉及四個主要方面：（a）工作場所的化學安全；（b）馬來西亞的化學保安；（c）負責任的研究行為（responsible conduct of research, RCR）；（d）馬來西亞高等教育機構的化學安全與安保教育。

在化學教育方法的創新方面，Elabbar & Bader（2024）介紹了動畫作為工具，可以幫助大學生和研究生理解化學品安全。動畫通過引人入勝的視覺效果和敘事，簡化了複雜的安全概念，使學生更容易理解和記憶。該演講還展示了動畫視頻製作的過程，從劇本編寫、設計到動畫技術，並強調了針對目標觀眾量身定制內容及融入互動元素的重要性。這些創新教學方法旨在激勵教育者和內容創作者，利用動畫作為教學化學安全的有效工具，幫助學生更能掌握此主題。化學安全教育可以有多樣化途徑，無論是課程設計還是動畫技術的應用，這些創新方法都旨在提高學生對化學安全的理解，並推動未來化學教育的進一步發展。

• 技術與創新：提升化學品安全與安保的培訓與實踐

隨著技術進步，如何通過創新手段提升化學品安全與安保的培訓與實踐成為當前關注的焦點，虛擬技術和線上學習提供了新的可能性。Ng、Fung、Swee和Peck（2024）介紹了實驗室檢查作為實驗室安全與安保計劃中的重要組成部分，並提出了使用虛擬實境（VR）技術來解決現行培訓耗時且對研究人員干擾大的問題。他們設計了一個沉浸式VR實驗室安全檢查培訓模組，讓學員能真實觀看實驗室，並在遠程進行培訓。學員需完成一次VR檢查以識別實驗室中的化學安全與安保風險，隨後進行測驗來驗證效果。這一創新技術在新加坡國立大學成功應用，並有望進一步推廣至更多安全培訓模組。

Elgersma & Mahaffy（2024）則探討了如何將化學安全與安保的知識整合到課堂內外的學習中。他們與禁止化學武器組織（OPCW）合作，創建了一個公開訪問的線上課程，旨在介紹化學安全、安保及負責任使用化學品的概念。該課程採用基於成果的逆向設計方法（outcomes-based backwards design），確保學生達到具體的學習成果。課程模組靈活，能納入不同學科，包括生物學、歷史和政治等，並且免費對外開放，網址如下：https://learn.opcw.org。

圖1 化學品安全與安保課程頁面截圖

(擷取自https://learn.opcw.org/mod/h5pactivity/view.php?id=1726)

虛擬實境技術與線上教學在化學安全培訓中的應用潛力，通過創新手段不僅提升了培訓的效率，還拓展了化學安全教育的覆蓋面和影響力。

• 實驗室化學品管理與實踐

實驗室化學品管理對於確保研究人員的安全和環境保護至關重要，如何有效管理化學品並落實安全措施是研究的重要課題。Chantrapromma（2024）展示了一個實驗範例，使用氨凝膠來檢測廢水中的鎳（II）和鈷（III）離子，強調了在處理重金屬時遵守化學安全協議的重要性。該研究旨在通過研究實踐，培養學生的環境責任感和實驗技能，並將化學保安培訓與實踐研究相結合，創造一個更安全的學術研究環境。

Benguella（2024）強調，實驗室安全與安保是工作的首要任務，實驗室人員必須充分了解化學品存儲和操作相關的風險。通過問卷調查，他的研究顯示，學生希望在課程中增加實驗室安全課程，並強調大學在提供防護設備及進行設備定期評估方面的責任。化學品安全教育與實踐結合的重要性，我們可以通過提升課程設計和提供防護措施來創造更安全的實驗室環境。

• 社區與全球層面的化學品安全與可持續發展

化學品安全是全球可持續發展的關鍵，與人類福祉和環境保護息息相關，社區和國際合作在此領域尤為重要。Aposu & Atiba（2024）指出，化學品安全與安保是可持續發展的重要組成部分，與人類健康、環境完整性及社會經濟穩定密切相關。他們分析了尼日利亞在化學品安全方面的挑戰，並提出了與聯合國可持續發展目標（SDGs）相符的解決方案。該解決方案涵蓋了教育、基礎設施及政策的改進，並通過培訓和夥伴關係動員資源來支持化學品安全計劃。透過教育、基礎設施改善和政策支持，以及與可持續發展目標（SDGs）相結合的措施，才能有效應對化學品安全挑戰並促進全球的可持續發展。

• 政策與立法推動化學品安全文化

化學品的廣泛應用使得化學安全文化的推廣變得至關重要，政策與立法在其中起著核心作用。Rigane和 Ben Salem（2024）強調，化學安全與安保教育對保護人類健康、環境和社會福祉至關重要。他們指出，化學品在工業和醫療等領域的應用非常廣泛，因此有效的教育應涵蓋實驗室安全、法規遵守及廢棄物管理等內容。公共倡議也應側重於如何正確處理家庭中的化學品緊急情況，隨著全球互聯互通的加強，教育應適應新興化學品及技術帶來的挑戰。Errayes（2024）的研究則分析了利比亞大學實驗室中的化學安全與安保問題，發現許多學生和教職員對於安全協議、應急措施及化學品處理知識有限，他建議在利比亞大學加強化學安全教育，並優先發展針對實驗室人員的安全與安保培訓計劃。教育和培訓是推動化學安全文化的關鍵，政策支持則是確保其有效落實的必要條件。

• 結語

近年來，台灣積極推動化學品安全，並訂定了相關法規，包括《毒性及關注化學物質管理法》、《職業安全衛生法》及《新化學物質登記管理辦法》，這些法規涵蓋了化學品在生產、使用、儲存、運輸和處置過程中的風險管理和防護措施。在化學品安全方面，上述法規確保了化學品全生命周期的風險評估與控制，減少事故的發生，並有效保護人員健康與環境。在化學品安保方面，透過嚴格的管制、登記和監控機制，防止化學品被非法使用或濫用，確保危險化學品的流通和操作皆在可控範圍內。特別是在颱風與地震頻繁的台灣，相關的安全措施必須更加嚴格，以確保大眾的安全與健康。

學校科學教育中有關實驗室化學品的安全使用以及涉及危險化學品的工作場所，逐漸獲得了重視，要求使用者配備個人防護裝備、定期健康檢查，並進行職場安全教育。針對工作場所中的危害化學物質，也已建立了危害通報機制，並提供化學品安全資料表（SDS）。然而，化學品安保仍有待加強，例如需嚴格保管化學品，限制未經授權的人員接觸，並對危險化學物質進行全過程的追蹤，以確保其流動在監控範圍內，減少非法化學品流入市場的風險。同時，定期進行風險評估和應急預案演練，對應對化學品洩漏、火災等突發事件至關重要。此次ICCE提出的「推動化學品安全與安保教育」議題，正是全球關注的化學教育重點。我們應進一步關注並積極宣導這些議題，提升大眾對化學品安全的意識。

• 參考資料

Abdalla, A., Bader, N., & Elabbar, F. (2024). Gender stereotypes and enhancing of chemical security in technical and vocational education in Libya: Case study. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Abdoarrahem, M. (2024). Evaluation of chemical security curriculum development in Libyan universities. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Akkal, S. (2024). Implementing a chemical safety and security strategy in academic laboratories. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Aposu, L., & Atiba, F. (2024). Addressing challenges of chemical safety and security in Nigeria: An SDGs perspective. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Benguella, B. (2024). Development of a security and safety system in chemistry labs. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Chantrapromma, S. (2024). Strengthening chemical security awareness and implementation in academic research laboratories for SDGs. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Elabbar, F., & Bader, N. (2024). Animating chemical security: Engaging undergraduates and postgraduates through visual storytelling. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Elgersma, A., & Mahaffy, P. (2024). Introducing chemical security and safety in universities through awareness of chemical weapons with new OPCW interactive learning resources. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Errayes, A. O. (2024). Evaluating chemical safety and security awareness among teachers, laboratory technicians, and students in Libyan universities. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Lee, H. L. (2024). Chemical security education at Universiti Sains Malaysia: Its challenges and lessons learned. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

lsol, A. M., Elbagerma, M. A., & Gliwan, A. M. (2024). Strengthening chemical safety and security awareness in higher education institutions in Libya. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Ng, J. D. A., Fung, F. M., Swee, D. W. J., & Peck, T. G. (2024). Through the lens of virtual reality – The future of laboratory safety and security inspection training in National University of Singapore. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Rigane, G., & Ben Salem, R. (2024). Enhancing chemical safety and security education for a safer tomorrow. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Saleh, D. I., Ahmed, K. R., Ahmed, S. S., & Tofiq, D. I. (2024). Securing tomorrow: A developing curriculum in chemical security risk assessment – A pilot study across Kurdistan region’s academic sector. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

Straut Langlinais, C. M. (2024). Advancing chemical safety and security education. In Abstract book of the 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2024), Pattaya, Thailand.

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：ICCE 2024專題報告與見聞分享

文爾雅

國立臺北教育大學自然科學教育學系 博士班學生

桃園市中山國小教師

    [email protected]

• 前言

ICCE（International Conference on Chemical Education）國際化學教育會議是化學教育領域中，非常具有歷史性、代表性與重要性的國際研討會，該會議每兩年舉辦一次，今年是第27屆在泰國芭達雅舉行。個人是在指導教授盧玉玲教授的鼓勵下，有幸與本校國立臺北教育大學周金成教授與林靜雯教授率領的博士生團隊，一行共8位師生浩浩蕩蕩遠赴泰國與會。雖然過去個人也曾經參與過在台灣所舉辦的國際研討會，但是出國參與國際會議，尤其是在ICCE這類大型國際學術會議中，進行口頭發表，還是生平第一次，也是一次非常難得的寶貴經驗，對博士班學生而言確是一個很好的學術研究訓練。

• 27^th ICCE 主題

ICCE致力於關注化學教育的教學、課程、科技、教師專業與永續性等議題，全球參與的學者相當踴躍，規模盛大，台灣也有相關領域的學者經常參與。會議形式除了一般常見的口頭和海報發表之外，最特別的是可以看到化學實驗的操作與展示，各種不同的實驗攤位提供參與者進行各種有趣的化學實驗，非常吸睛。這次隨行的大甲高中廖旭茂老師，他所設計的微型霍夫曼電解器和綠色化學實刻模組究非常有趣，吸引不少學者的興趣。

本屆會議主題 The Power of Chemistry     Education for Advancing SDGs，主題之下有研討會和專案報告，各組內容非常豐富，例如專案報告有六組，分別是:非正式教育和終身學習背景下的化學教育(Chemistry Education in Informal Education and Life-long Learning Context)、重新設計化學實驗教學(Redesigning Chemistry Laboratory Teaching)、化學教育創新技術(Innovative technology for chemistry education)、化學和科學教師教育和持續專業發展(Chemistry and Science Teacher Education and Continuous Professional Development)、環境和社會可持續發展的化學和化學科學教育(Chemistry and Chemical Science Education for Environmental and Social Sustainability)、化學教育的政策、改革和品質保證(Policy, Reform, and Quality Assurance in Chemistry Education)、化學教育中的道德、多元、公平與包容性(Ethics, Diversity, Equity and Inclusion in Chemistry Education)、21世紀化學教育的新興趨勢(Emerging Educational Trends in Chemistry in the 21st Century)。我所參與的專題報告組別便是21世紀化學教育的新趨勢(Emerging Educational Trends in Chemistry in the 21st Century)。 以下分享個人在這次會議上的專題報告與其他所見所聞。

• 專題報告分享: 化學運算思維對數理運算思維的影響

21世紀的學生，應該具備運算思維的能力，它不只局限於電腦科學知識，而是一種跨學科領域的問題解決能力。在美國下一代科學標準(NGSS)的課程標準中，特別納入運算思維，作為學生必須具備的基本技能之一。運算思維除了可以幫助學生在本科知識的學習之外，還可以培養學生邏輯思維、演算法思維、批判思考、創造力、問題解決與合作等高階能力(Wing, 2008)。因此，運算思維的教學愈來愈受到許多國家重視(Hsu et al., 2018)。可惜的是，在臺灣，只有國中以上階段的學生才學習，國小階段目前則較為缺乏。

在國小階段的自然科學並非單一學科，而是整合物理、化學、生物、地球科學四門學科(簡稱理科)的跨科學習，同時在科學探究實驗裡也會經常使用數學函數，所以這些數理學科的思維邏輯存有相互連結交錯的模式，但是這方面的研究並不多。因此，我們以水溶液性質作為教學研究主題，探討化學運算思維對數理學科運算思維的關係和影響。

我們發現化學的運算思維與其他數理科的運算思維存在高度相關性，運算思維是化學或其他數理問題解決的共通能力。而學生如何將待解問題進行拆解則是運算思維的關鍵，所以教師進行教學時，需要著重培養學生對問題拆解的技能。

    

圖1 筆者進行專題報告

• 研討會報告分享:綠色化學的系統思維

Glenn Hurst 是一位致力於綠色化學系統思維的教授，他講述了系統思維是以學生為中心的教學方法，幫助學生理解化學中的子系統，再連結成一個整體性的系統思維模式，有助於學生釐清和理解問題。將系統思維應用於綠色化學，可以實現聯合國永續發展(SDGs)的目標。例如製造化學產品時，需要考慮產品的週期、對人類或環境的好處或毒害、回收或重複使用的循環過程，也就是從產品原材料的提取到製造、銷售、使用和產品最終生命，都需要進行一系列的系統思考。

        系統思維可以應用於綠色化學實驗，促使學生開創新模式的實驗方式，例如過去對於黏狀流體的彈性實驗，大多使用硼砂作為實驗材料之一，但是硼砂具有毒性，因此學生發展出新的實驗方式，以其他安全無毒的材料來取代化學物質，例如使用海藻、橘子皮等，同樣可以產出凝膠物質。因此，以系統思維方法來轉換的綠色化學教育，為永續化學展開創新的可實現性。

圖2  綠色化學的系統思維

• 大會講演報告分享

        這次會議主辦方邀請諾貝爾獎和平獎得主OPCW 組織的代表 Peter Hotchkiss教授進行大會演講。最近幾年戰爭頻繁，俄烏戰爭至今已超過兩年，中東局勢紛亂，這些戰爭帶來的傷亡不計其數。所謂破壞容易建設難，OPCW 組織致力於消滅化學武器，為世界和平努力。對於現在正飽受戰亂威脅的地區，什麼時候可以終止戰爭，停止殺戮血腥暴力，讓地球和平永續，不再出現化學武器特別重要。

圖3 OPCW 組織代表 Peter Hotchkiss教授

• 結語

        這次會議因為在泰國舉辦，所以除了泰國學者外，來自東南亞國家的學者特別多，例如馬來西亞、印尼、新加坡等，大陸學者也不少，顯示這些國家愈來愈重視化學基礎教育。反觀台灣這幾年的基礎科學教育，受到科技產業影響，基礎學科例如數學、物理、化學等，嚴重受到排擠效應，重視程度似乎有逐漸下滑的趨勢。但是，如果沒有理論科學為基礎，那麼，應用科學就會有如空中閣樓，無法穩固深化，將來發展容易停滯不前，回過頭來再影響科技發展。科技業是台灣的經濟命脈，科技要想發展得好，基礎科學教育不可偏廢。所以，我們應該重視基礎科學教育，不貪圖快速或眼前近利，讓理論科學與應用科學都能同時受到重視，共同共榮的均衡發展才是根本之道。

• 參考文獻

Wing, J. M. (2008). Computational thinking and thinking about computing. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 366(1881), 3717-3725. https://doi.org/10.1098/rsta.2008.0118

Hsu, T. C., Chang, S. C., & Hung, Y. T. (2018). How to learn and how to teach computational thinking: Suggestions based on a review of the literature. Computers & Education, 126, 296-310. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2018.07.004

主導化學反應近百年的過渡態理論被挑戰？
淺談「漫遊過渡態」

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

• 關於漫遊過渡態

過渡態理論（transition state theory）是理解化學反應的基本概念。反應物在成為產物的過程中，會經歷一個稱為過渡態的階段。這個過渡態就像是一座山頂，反應物必須爬過這個能量障礙，才能成為產物。1889年瑞典化學家阿瑞尼士（Svante Arrhenius）提出了「活化能」這個名詞，代表分子的最低能量和過渡態的能量差。活化能越低、溫度越高會讓反應進行得越快。

然而，20世紀末化學家們發現了一個新的現象，動搖了我們對化學反應的傳統認知，那就是漫遊（roaming）機制。它挑戰了傳統過渡態理論，宣稱有些反應可以直接不經過傳統過渡態，讓反應物成為產物。我們對化學反應的傳統理解，被這個神秘的漫遊機制改變。漫遊機制像一個不速之客闖入了我們熟悉的世界。這個發現不僅讓我們對化學反應的理解更加豐富，還為許多反應提供了新的理解。

圖1：甲醛（R = H）或乙醛（R = CH₃）照光解離的途徑能量表面

1993 年，van Zee 等人研究甲醛的光分解，光分解反應是當分子吸收光後，能量一步到位的變化（圖1之黑色箭頭）。如圖1（R=H）所示，甲醛吸收紫外光的能量後，會產生H₂ + CO 的分子產物或是自由基產物H^• + HCO^•。van Zee 等人發現甲醛吸收紫外光激發至第一激發態，分子再經內部轉移（internal conversion）到基態。分析CO + H₂ 產物之CO發現兩種非常不同的轉動能量，推測是來自兩個不同的反應機制。光激發能量明顯低於H^• + HCO^•解離之能量時，反應只經過傳統過渡態路徑。光激發能量約等於H^• + HCO^•解離之能量時，兩個不同的反應機制皆會發生，而過渡態路徑發生率略高。隨著光能量增加，解離至H^• + HCO^•自由基的比例則漸增（van Zee et al., 1993）。

而此新的反應途徑是當甲醛吸光後，其中一個C-H鍵會伸長，H原子遠離分子，但卻沒有完全斷鍵生成H^• +HCO^• ，而是在HCO^• 附近「漫遊」（roaming）。也就是這時候H^• 與HCO^• 維持一個相當遠，卻不會分開的距離。漫遊持續一段時間過後，H^• 回到HCO^• ，並且與H原子結合，最終生成產物H₂ + CO（圖1之紅色虛線），假如不經過漫遊機制，其最終產物是H^• + HCO^• 。漫遊機制在本世紀初引起化學家們高度的關注。2004年，Suits 團隊及Bowman 團隊經由實驗及理論計算更進清晰的闡述了前述反應路徑，並明確提出「漫遊」一詞 （Townsend et al. 2004）。

漫遊機制有幾個待探索的問題。在甲醛的例子中，漫遊機制的發生率低於過渡態機制，但是有沒有可能漫遊機制發生的機率更高，甚至是唯一的機制呢？漫遊機制可能在能量逐漸累積到反應物的過程，亦即加熱反應中發生嗎? 漫遊機制是否屬於罕見現象，還是我們只是看到了冰山一角？觀眾在試圖理解漫遊時，經常會問到一個問題：「為什麼它不直接分離？」這個問題的答案其實涉及對漫遊動態的深入理解， Bowman與Suits的文章相當值得細讀（Bowman＆Suits，2011）。

• 漫遊機制的發生率可能高於過渡態機制，甚至是唯一的機制

在乙醛（圖1 R=CH₃）的光反應中（光的能量略高於C-H 或C-C斷鍵產物），大部分的CH₄ + CO產物都是經基態的漫遊機制產生，只有少部分經由過渡態（Heazlewood et al., 2008）。在此漫遊機制中乙醛的 CH₃^•  先和分子遠離，然後在原分子週邊漫遊，直到CH₃抓取氫原子形成CH₄ + CO。

更令人驚訝的，是在以波長為588 奈米的可見光分解NO₃^•的反應，光的能量在漫遊過渡態和傳統過渡態之間（圖2），當光的能量更高時，O + NO₂^• 是唯一的產物。不論是以實驗或理論方法，反應發生在基態或第一激發態（圖2只顯示基態），漫遊是唯一的分解為 O₂ + NO^•的反應路徑（Grubb et al., 2012）。也就是所有反應只會經過圖2的紅色路徑。在「漫遊區域」或「漫遊過渡態」中，其結構包括一個遠離但未解離的氧原子。

圖2：基態NO3•的漫遊（紅色曲線）及傳統過渡態（藍色曲線）反應機制

• 漫遊機制可能可以在熱反應中發生

除了照光，陽明交通大學的林明璋院士利用歷年的硝基甲烷熱分解反應的實驗數據，結合理論方法，指出在低壓環境中，熱反應主要經過漫遊機制，形成CH₃ONO，之後再分解為CH₃O^• + NO^•，或是經由另一個漫遊過渡態分解為CH₂O +HNO（Zhu et al., 2013）。

總結來說，漫遊機制的研究不僅豐富了我們對化學反應機制的理解，還為設計和控制化學反應提供了新的思路和策略。透過持續的實驗和理論研究，未來將揭示更多關於漫遊機制的驚人發現，並將其應用於更廣泛的化學領域，為科學的發展帶來新的突破和啟示。

• 參考文獻

Bowman, J. M.,  Suits, A. G. (2011). Roaming reactions: The third way. Physics Today, 64(11), 33-37

Grubb, M. P., Warter, M. L., Xiao, H., Maeda, S., Morokuma, K., & North, S. W. （2012）. No straight path: roaming in both ground-and excited-state photolytic channels of NO₃→ NO+ O₂. Science, 335(6072), 1075-1078.

Heazlewood, B. R., Jordan, M. J., Kable, S. H., Selby, T. M., Osborn, D. L., Shepler, B. C., Braams, B. J. & Bowman, J. M. （2008）. Roaming is the dominant mechanism for molecular products in acetaldehyde photodissociation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(35), 12719-12724.

Townsend, D., Lahakar, S. A., Lee, S. K., Chambreau, S. D., Suits, A. G., Zhang, X., Rheinecker, J., Harding, L. B. and Bowman, J. M. (2004). The Roaming atom: Straying from the reaction path in formaldehyde decomposition. Science, 306(5699), 1158-1161.

van Zee, R. D., Foltz, M. F. & Moore, C. B.（1993）. Evidence for a second molecular channel in the fragmentation of formaldehyde. The Journal of Chemical Physics, 99(3), 1664-1673.

Zhu, R. S., Raghunath, P., & Lin, M. C.（2013）. Effect of roaming transition states upon product branching in the thermal decomposition of CH₃NO₂. The Journal of Physical Chemistry A, 117(32), 7308-7313.

從化學實驗轉變為競賽試題的設計考量與結果分析—以「二氧化碳與壓力」為例

張嘉宏¹、吳添全²、洪連輝^3,*、楊水平^1,**

¹國立彰化師範大學化學系
²國立虎尾科技大學電子工程系
³國立彰化師範大學物理系
*[email protected]
**[email protected]

• 前言

自2010年起，科學HomeRun創意競賽在彰化縣已舉辦14屆（彰化師大物理系，2024）。自2022年起，雲林縣加入此競賽的行列。此競賽的指導單位：國科會；主辦單位：國立彰化師範大學、國立虎尾科技大學、彰化縣政府、雲林縣政府、台塑企業；協辦單位：彰化縣立陽明國民中學、遠哲基金會彰化辦公室。競賽對象：彰化縣和雲林縣公私立國中小學生。競賽日期：每年3月或4月。競賽獎勵：由縣政府頒發每位參賽者參賽證書乙張，每隊指導老師僅限一人。2023年競賽會場學生參賽情況一隅，如圖1所示。

    

圖1：競賽會場一隅

這競賽的目的有二：(1)培養學生科學創造力：現階段中小學學習階段學生有必要加強獨立思考能力和創新思維的養成，規劃舉辦整合型中小學科學競賽活動，活動涵蓋跨學科和跨領域（數學領域、物理學科、化學學科及生物學科），期望產出的競賽手冊能提供國民中小學教學的參考。(2)提升全民科學素養：大眾科學教育普遍受到世界上各國的重視，期望大眾科學教育的推動能喚醒社會大眾對於科學的關注，提升全體國民的科學素養，也希望能增強國家的長久的競爭力。在競賽活動內涵方面，主要以探索式實驗為依歸，我們相信中小學實驗應以探索起點，教師從學生的認知結構出發，對原已具備瞭解實驗進行拓展，提出新的實驗課題，新的實驗課題包含新的實驗理論、實驗思考方法和新的實驗情境（彰化師大物理系，2024）。

科學HomeRun創意競賽每年有二或三項競賽項目，涵蓋數學領域、物理學科、化學學科和/或生物學科。2023年的競賽項目有二：(1)【項目一】：〈摩擦生電〉，其內涵以物理學科為主；和(2)【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉，其內涵以化學學科為主，以物理學科為輔（彰化師大物理系，2023）。項目二的競賽活動有二：【活動一】：此活動類似遊樂場使用空氣槍射擊氣球，其原理是氣體在密封空間中經過壓縮來擊發發射物。此活動使用寶特瓶當作簡易空氣槍，並使用矽膠塞當作發射彈，以化學反應產生氣體充滿寶特瓶，使二氧化碳和空氣在密閉瓶中被壓縮。在化學反應的過程中，當瓶內的氣體總壓力大於矽膠塞與瓶口的摩擦力時，發射彈即刻發射出去。【活動二】：在密閉的寶特瓶中吹脹氣球是一件相當困難的事。在此活動中，使用家用產品，控制藥品的使用量，進行簡單的操作，就可以在密閉瓶中使氣球膨脹（ChemNCUE，2024；科學Online，2024；彰化師大物理系，2024）。

本文僅針對【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉的兩項活動，描述競賽試題的設計考量和競賽結果的分析，分述為五部分：(1)競賽試題涉及的實驗原理和概念；(2)競賽使用器材和積分計算方式；(3)競賽實驗操作過程；(4)評分考量和標準設定；以及(5)競賽結果的分析與討論。

• 競賽試題涉及的實驗原理和概念

本競賽試題涉及的原理和概念涵蓋自然領域和數學領域。自然領域有化學學科的化學反應、理想氣體定律、道爾頓分壓定律及化學計量的理解和應用；物理學科的氣體壓力、應力、摩擦力、彈力之間的多重關係。數學領域有發射彈射遠效率和氣球膨脹效率的定義理解和計算。這些原理和概念僅「化學反應」編入競賽手冊中；「理想氣體定律」和「道爾頓分壓定律」及「化學計量」並未列入其中，但在步驟中提示藥品用量會影響結果；至於「壓力、應力、彈力、摩擦力之間的關係」和「發射角度」，僅在步驟中提示。

一、化學反應

在項目二：〈二氧化碳與壓力〉的兩活動，涉及的第一反應為碳酸氫鈉（NaHCO₃）與檸檬酸（C₆H₈O₇）的反應，當兩反應物混合後，加入水會立即發生化學反應，產生二氧化碳（CO₂）氣體和檸檬酸三鈉（Na₃C₆H₇O₇），其反應如式[1]所示：

3NaHCO₃(s) + C₆H₈O₇(s) + nH₂O(l) →
3Na⁺(aq) + 3CO₂(g) + C₆H₅O₇^3‒(aq) + (n+3)H₂O(l)    [1]

該反應式以淨反應式表示為檸檬酸的氫根離子（H⁺）與碳酸氫鈉的碳酸氫根離子（HCO₃^–）反應，其反應如式[2]所示：

H⁺(aq) + HCO₃^‒(aq) → H₂O(l) + CO₂(g)    [2]

第二反應為氧化鈣（CaO，生石灰）與水（H₂O）反應，生成氫氧化鈣（Ca(OH)₂，熟石灰），其反應如式[3]所示：

CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)    [3]

第三反應為氫氧化鈣與二氧化碳的反應，生成碳酸鈣（CaCO₃）和水，其反應如式[4]所示：

Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃(s) + H₂O(l)    [4]

二、理想氣體定律和道爾頓分壓定律

理想氣體定律：理想氣體狀態的方程式為PV = nRT，其中，P為壓力，V為體積，n為氣體物質的量（通常是莫耳），R為理想氣體常數，T為絕對溫度。由PV = nRT可推知，在恆定的體積和溫度下，在密閉系統中氣體壓力與莫耳數（或分子數）成正比，亦即氣體莫耳數（或分子數）增加，氣體壓力隨之增加（維基百科，2024a）。就本實驗而言，在寶特瓶中加入檸檬酸和碳酸氫鈉並加水產生二氧化碳，立即塞住矽膠塞形成密閉系統。此時瓶內二氧化碳氣體分子增多，進而其壓力隨之增加。

氣體分壓定律：在恆定的溫度和體積下，在密閉系統中混合氣體的總壓力等於各組成氣體分壓之和，例如：兩種氣體a和b，總壓力等於兩種氣體分壓之和，亦即P_t = P_a + P_b。氣體分壓定律也稱為道爾頓分壓定律。道爾頓分壓定律可描述為：在同溫和同壓下，單一組成的氣體與混合氣體總的體積之比等於它們的莫耳分數之比，亦即等於分壓與總壓之比（維基百科，2024b）。就本實驗而言，在寶特瓶中加入檸檬酸、碳酸氫鈉及水產生二氧化碳氣體，立即塞住矽膠塞形成密閉系統。此時瓶內含有空氣和二氧化碳氣體，其總壓力為空氣和二氧化碳氣體的分壓之和。當瓶內二氧化碳繼續產生時，二氧化碳氣體分子數增多，進而其分壓隨之增加，導致瓶內的總壓力也隨之增加。當總壓力大於矽膠塞與瓶口的摩擦力時，矽膠塞即刻發射出去。

三、化學計量

從化學計量學來看，當進行反應[1]時，2茶匙（10.1 g）的小蘇打，相當於120 mmol （10.1 g / 84.0 g‧mol^-1）的碳酸氫鈉；而1茶匙（5.2 g）的食用檸檬酸，相當於27 mmol（5.2 g / 192.1 g‧mol^-1）的檸檬酸（不含結晶水）。以第一反應觀之，碳酸氫鈉為過量試劑，而檸檬酸為限量試劑。27 mmol的檸檬酸（相當於氫根離子27 mmol × 3），可消耗81 mmol碳酸氫鈉（相當於氫氧根離子27 mmol × 3），剩下39 mmol的碳酸氫鈉。在室溫下，產生81 mmol的二氧化碳氣體，其體積為2000 mL（81 mmol × 82.058 mL‧atm‧K^-1 × 298 K / 1.00 atm），其產生的體積足以充滿4.4個容量為450 mL的寶特瓶。

當進行反應[3]時，加入1茶匙（5.3 g）的氧化鈣，相當於94 mmol（5.3 g / 56.1 g‧mol^-1）的氧化鈣。加水後產生94 mmol的氫氧化鈣，可消耗二氧化碳的莫耳數為94 mmol，亦即可消耗二氧化碳體積2300 mL (94 mmol × 24.45 L‧mol^-1)。這氧化鈣的使用量足以消耗5.1個充滿二氧化碳的寶特瓶（瓶容量450 mL）。

四、壓力、應力、彈力、摩擦力之間的關係

由於本競賽使用具有非完全硬質的塑膠寶特瓶、有彈性的矽膠塞和乳膠氣球，因此需要考量寶特瓶瓶身的應力、寶特瓶瓶口與矽膠塞之間的摩擦力、矽膠塞和氣球本身的彈性、以及氣體的壓力，並且需要考慮壓力、應力、彈力、摩擦力之間的交互關係。

五、發射角度

此實驗還需要考慮發射角度。炮彈發射的飛行距離完全取決於初始速度ν和射出角度α，而且ν與α之間並不存在互相關係，亦即ν不受α影響，α也不受ν影響。當表面平坦時（物體初始高度為零），若射出角度α = 45度，則獲得最大距離（Wikipedia, 2024）。

• 競賽使用器材和評分方式

為使競賽趨於公平，避免不必要的紛爭，【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉使用的藥品和器材由大會統一提供，而且限制其規格和數量。這方面分為兩類：(1)大會提供各隊的藥品與器材，如表1和圖2所示；和(2)大會提供公共的藥品與器材，如表2和圖3所示。另外，安全用具由參賽學生自備，如表3和圖2下方所示，規定自備的原因是學生平時在校操作化學實驗應該遵守實驗室安全守則，安全用具是必備用品。辦理單位應該事先準備一些安全用具，以備學生忘記攜帶的不時之需。

一、競賽使用藥品和器材

(一)大會提供各隊的藥品與器材

表1：大會提供各隊使用的藥品與器材

圖2：提供各隊使用的藥品與器材（示意圖），用於活動一（左）和活動二（右）

(二)大會提供公共使用的藥品與器材

表2：大會提供公共使用的藥品與器材

圖3：大會公共使用的藥品與器材（示意圖）

(三)學生自備安全用具

表3：學生自備安全用具

為讓參賽學生對其競賽成績的評量有清楚的認識，並使競賽順利進行，本競賽規範一些注意事項（第1-4項）、並且說明違規扣分（第5-7項）和積分計算方式（第8-12項）。

1. 大會提供的材料包用於活動一和活動二。
2. 在各組的製作區配製活動一和活動二的第一個寶特瓶藥品，時間共30分鐘。
3. 本競賽提供的檸檬酸和小蘇打粉為固定供應量，參賽者不得要求額外發給。
4. 在寶特瓶內殘留的液體不可以直接丟棄於垃圾桶中，務必用大量的水稀釋沖掉，再分類回收。不可再次裝水飲用。
5. 參賽者競賽過程須全程配戴安全眼鏡和乳膠手套，違者該競賽活動項目成績乘以8。
6. 參賽者必須在工作區和公共發射區內完成操作，且在操作時不可有任何妨礙他人進行的行為，進行實驗時僅可使用大會提供的藥品和器材，違者該活動項目不予計分。
7. 寶特瓶和氣球不得做任何改造，如拉長或吹脹氣球、寶特瓶擠壓或扭轉等行為，違者本競賽項目不予以計分。
8. 活動一有兩次機會（有兩個寶特瓶，每一個寶特瓶使用兩顆發射彈），取成績較佳的一次當作成績。
9. 活動二有兩次機會（有兩個寶特瓶和兩個氣球），取成績較佳的一次當作成績。
10. 活動一和活動二的競賽積分計算方式：(1)排序各組競賽的原始分數；(2)依照各組原始分數由高到低進行排名（第一到最後一名）；以及(3)各組排名的反向數值當作各組的競賽積分（例如：參加競賽有60組，第一名積分得60分，最後一名得1分）。
11. 活動一和活動二積分的總和即為本競賽項目的成績。
12. 若兩組總積分相同，以同名次計算。（例如：第一名115分，第一名115分，第二名從缺，接續第三名。）

• 競賽實驗操作過程

【活動一】：我是有效率的射遠高手

活動一的過程簡述如後：(1)取得一個空的寶特瓶；(2)在瓶中加入預估量的無水檸檬酸和小蘇打，再加入預估量的水；(3)在瓶口塞住一個矽膠塞；以及(4)寶特瓶放在發射台上，等待矽膠塞發射。詳細過程如下：

1. 公共區提供兩個矽膠塞和兩個10元硬幣，並已使用透明膠帶黏住矽膠塞的寬徑與10元硬幣在一起，製作成兩顆發射彈，如圖4所示。

圖4：完成製作的兩顆發射彈

2. 攜帶寶特瓶（不含瓶蓋）、藥品及塑膠醬料碟到公共區域。各小隊至指定公用區的秤台，使用布丁匙和咖啡攪拌匙，取得預估量的無水檸檬酸和小蘇打放在醬料碟中。（註：各小隊自行預估無水檸檬酸與小蘇打的使用量，藥品用量會影響發射距離。）

3. 各小隊在公用區告知裁判該小隊所想使用的水量（有兩次機會，水量共50毫升，可自行評估是否全部用完），由裁判裝取水量給小隊並記錄所使用水的重量（W₁），取至公克數小數點後一位，如圖5左所示。（註：各小隊自行預估，加入水量會影響發射距離。）

4. 先在電子秤上，放上一個空的寶特瓶和一個塑膠漏斗。然後電子秤歸零，再倒入藥品到寶特瓶中，如圖5中所示。測量此二藥品的重量（W₂）並紀錄，取至公克數小數點後一位，如圖5右所示。

  

圖5：測量水的重量（左），二藥品倒入寶特瓶中（中），測量二藥品的重量（右）

5. 至發射區，以閱讀書架當作發射台，參賽者在發射前可事先調整好發射角度。高角度可由閱讀書架的支撐物來控制，低角度可利用大矽膠塞放在適當位置來控制，分別如圖6左和右所示。（註：發射彈發射的角度會影響發射距離。）

圖6：以閱讀書架當作發射台，調整高角度（左）和低角度（右）。

6. 時間限時3分鐘，須於時間內完成兩顆發射彈的發射。在工作人員喊「開始」後，立即倒入事先準備的水到寶特瓶中，如圖7左所示。立即用發射彈塞住瓶口後並放置此寶特瓶在發射台上，等待彈發射發射出去，如圖7右所示。（註：發射彈塞住瓶口的方式和鬆緊度會影響發射距離。若發射彈發射到發射區之外，則不予計分。）

圖7：水倒入寶特瓶中（左），放置寶特瓶在發射台上（右）。

7. 在第一顆發射彈發射後，立即用第二顆發射彈塞住瓶口，等待發射彈發射出去。（全部過程須在3分鐘內完成，若在時限內只發射一顆，則只計算一顆的成績。）

8. 由工作人員計算各小隊兩顆發射彈落入評分區域的得分。若發射彈最後落在界線上，則採取較高分數的區域得分；若落到發射區之外或未發射，則不予計分。最終結果皆由裁判認定。發射彈落入區域的以公尺為區分與其對應的區域得分，如圖8所示。

圖8：發射區域的以公尺為區分與其對應的得分

9. 在第一個寶特瓶發射後，回到自己的製作區，使用第二個寶特瓶（當作第二次），自行調整藥品用量及水量，重複步驟2-8，進行第二次實驗。

10.在結束後，倒出寶特瓶內的溶液到廢棄桶中，並放置此二寶特瓶至公共區域。

【活動二】：我有奇招使氣球在密閉瓶中膨脹

活動二的過程簡述如後：(1)取得一個空的硬質寶特瓶；(2)在瓶中加入預估量的無水檸檬酸和小蘇打，再加入固定量的水；(3)在反應的適當時機，加入預估量的氧化鈣；以及(4)在瓶口內套緊一個氣球；以及(4)搖晃寶特瓶，促使氣球在寶特瓶中膨脹。詳細過程如下：

1. 各小隊至指定公用區的電子秤，使用布丁匙和咖啡攪拌匙，取預估量的檸檬酸與小蘇打放在塑膠醬料碟中，再取預估量的氧化鈣放在另一個醬料碟中。（註：無水檸檬酸、小蘇打及氧化鈣的使用量會影響氣球膨脹的程度。）

2. 攜帶寶特瓶（不含瓶蓋）、含無水檸檬酸和小蘇打的醬料碟、氧化鈣的醬料碟以及塑膠漏斗到公共區域，如圖9所示。

圖9：取預估量的藥品和器材到公共區域

3. 取一個空的寶特瓶和一個漏斗，放在電子秤上並歸零，再倒入無水檸檬酸和小蘇打到寶特瓶中，測量此二藥品的重量（W₁），取至公克數小數點後一位，如圖10左所示。

4. 由工作人員加入約30 g自來水，如圖10中和左所示，此時瓶內混合物開始反應，參賽者可輕輕地搖晃寶特瓶使其混合均勻。（註：統一由工作人員稱重約30 g的水並加入瓶中。）

  

圖10：測量二藥品的重量（左），量杯中約30 g自來水（中），加入水到寶特瓶（右）

5. 參賽者放置裝有混合物的寶特瓶和漏斗在已歸零的電子秤上，在適當時機倒入氧化鈣到寶特瓶中，如圖11所示。測量氧化鈣的重量（W₂），並紀錄，取至公克數小數點後一位。

圖11：在適當時機倒入氧化鈣到寶特瓶中

6. 立即取下漏斗後，馬上懸掛一顆氣球在寶特瓶的瓶口內，並套緊在瓶口上，使之形成密閉系統，如圖12所示。（注意：勿用太大力使氣球破裂，如有破裂，材料包有一顆備用氣球。）

圖12：懸掛一個氣球在寶特瓶的瓶口內

7. 帶回裝有氣球的寶特瓶至製作區，輕輕地搖晃此寶特瓶，使氣球在寶特瓶中逐漸膨脹，需時10-20分鐘，如圖13所示。

圖13：搖晃寶特瓶，使氣球在寶特瓶中膨脹

8. 參賽者等待氣球不再膨脹後，攜帶裝有氣球的寶特瓶到公共區域，放在電子秤上並歸零。

9. 工作人員提供自來水，讓參賽者慢慢地倒入水到膨脹的氣球中，如圖14左所示。當水位接近瓶口時，用滴管慢慢地滴加，直到水位與瓶口切齊，如圖14中所示。再由工作人員秤重，並記錄加水的重量（W₃），如圖14右所示。

圖14：倒入水到氣球中（左），用滴管滴加直到水位與瓶口切齊（中），秤量水重（右）。

10.使用第二個寶特瓶（當作第二次），調整藥品用量，重複前述步驟1-9，進行第二次實驗。

11.在結束後，繳回兩個寶特瓶（倒出自來水）到大會處，瓶內的殘留物由工作人員統一處理。

12.放入所有器材和剩餘的藥品到材料包中，繳回到公共區域。

• 評分考量與標準設定

一、評分考量項目

活動一的競賽評量考量為發射彈射遠距離，活動二為氣球膨脹體積。發射彈射遠距離和氣球膨脹體積（應變變因，依變因）與反應物的藥品使用量（操縱變因，自變因）產生或消耗二氧化碳氣體的體積量有正相關或無相關，這涉及化學計量的原理。再者，影響這兩項評量有寶特瓶身的塑膠材質（應力）、矽膠塞和乳膠氣球的矽膠和橡膠材質（彈性）、以及寶特瓶瓶口與矽膠塞之間塞緊程度（摩擦力）。此外，發射彈發射角度亦會影響射遠距離。由於這類的應力、彈性、摩擦力及發射角度在現場難以評估或不易計量，因此本次競賽採用相同材質和大小的寶特瓶、矽膠塞及乳膠氣球，而塞緊程度和發射角度不納入評量的考量。

在操縱變因方面：(1)在活動一和二中，產生二氧化碳氣體的反應物（小蘇打、檸檬酸及水）使用量，小蘇打和檸檬酸的使用量越多產生氣體體積越多，這涉及化學計量的原理；使用水量也會影響實驗結果。活動一的水量由學生自行決定有列入評量，而活動二由大會工作人員統一加入固定的水量不列入評量；發射角度也會影響發射距離但不列入評量。(2)在活動二中，反應物（氧化鈣）的使用量會影響消耗二氧化碳氣體的量，氧化鈣使用量越多消耗二氧化碳氣體量越多，這也涉及化學計量的原理。另外，在應變變因方面：(1)活動一為發射彈發射距離，發射距離越遠區域得分越高；(2)活動二為氣球膨脹體積，膨脹體積越大得分越高。

為讓參賽師生對於操縱變因和應變變因之間的交互關係有更深入的理解，本競賽項目以「效率」作為競賽積分的評量標準，亦即在不浪費藥品的情況下（操縱變因）可以成功完成最佳的結果（應變變因）。提出射遠效率（射遠距離/藥品和水總量）和氣球膨脹效率（氣球膨脹體積/藥品總量）的概念，讓參賽者控制最少量的反應物能使發射彈發射最遠距離和氣球膨脹最大體積，找出射遠效率和氣球膨脹效率的最佳條件。

二、評分標準設定

【活動一】：我是有效率的射擊高手

1. 本活動列入評分項目有二：(1)水和二種藥品的總重量（W₁ + W₂ = W），以及(2)連續兩顆發射彈的區域得分之和（D）。

• • 射遠效率（E）的定義為兩顆發射彈的區域得分之和除以使用藥品和水重量之和，亦即E = D ÷ W。E值越大，得分越高。

2. 本活動的成績計算方式如下：

• • 發射彈落入區域得分（D）：兩顆發射彈射到區域得分之和（D₁ + D₂）。
  • 射遠效率（E）：E = D ÷ W，單位1/g。取四捨五入至小數點後兩位。
  • 成績計算方式：依照射遠效率（E）排序，E值越大，得分越高。
  • 本競賽活動有兩次機會（兩個發射瓶），取其中一次E值較大者進行排名和得分。

【活動二】：我有奇招使氣球在密閉瓶中膨脹

1. 本活動列入評分項目有二：(1)三種藥品的總重量（W = W₁ + W₂）：檸檬酸與小蘇打的重量（W₁）加上氧化鈣的重量（W₂），以及(2)氣球膨脹體積（V）。

• • 氣球膨脹效率（E）的定義為三藥品的單位重量能使氣球膨脹體積的大小，亦即E = V ÷ W。E值越大，得分越高。

2. 本活動的成績計算方式如下：

• • 使用三種藥品的總重量（W）：亦即W = W₁ + W₂。
  • 汽球膨脹的體積（V）：氣球膨脹後加水後的重量（W₃）。若氣球膨脹的體積未達0 g的水量，則本競賽活動的成績不予計分。（註：假設水密度是1.00 g/mL，以水的重量代表氣球膨脹體積。）
  • 氣球膨脹效率（E）：E = V ÷ W，單位mL/g。取四捨五入至小數點後兩位。
  • 成績計算方式：依照氣球膨脹效率（E）排序，E值越大，得分越高。
  • 本活動有兩次機會（兩個氣球膨脹瓶），取其中一次E值較大者進行排名和得分。

• 競賽結果的分析與討論

針對活動一（有效率的射遠高手）和活動二（氣球在密閉瓶中膨脹）的競賽結果，分別進行射遠距離和射遠效率以及氣球膨脹體積和膨脹效率的統計分析。本文探討五個問題：(1)針對活動一，探討不同兩顆發射彈（自變項）對射遠距離（依變項）有何影響？探討不同兩次實驗（自）射遠效率（依）有何影響？(2)針對活動二，探討不同兩次實驗（自）對氣球膨脹體積（依）和膨脹效率（依）有何影響？(3)針對活動一，探討不同兩階段學生（自）對發射彈射遠距離（依）和射遠效率（依）有何影響？(4)針對活動二，探討不同兩階段學生（自）對氣球膨脹體積（依）和膨脹效率（依）有何影響？以及(5)針對兩活動，探討不同兩階段學生（自）對使用藥品用量（依）和化學計量（依）有何影響？

在2023年，雲林縣有25隊參加，由於有一隊故意使用極少量的藥品，雖得到很低的區域得分，但是獲得最高分的射遠效率，本文排除該隊的數據不列入統計分析，因此樣本數只有24隊。此外，在競賽活動時，由於有些隊伍在混合藥品後或加入水後才稱重，並未分開稱重，因此這些隊伍的數據不納入統計分析。

一、活動一（射遠高手）所有學生的射遠距離與射遠效率

活動一有兩個發射瓶（兩次機會），每一次實驗可連續發射兩顆發射彈。發射區域（距離）以每公尺劃一區隔線。若發射彈落在兩區隔線之間，則以0.5公尺計之，例如：落在2與3公尺之間，以2.5公尺計之。在表4A和4B中，每一次實驗的第一彈和第二彈的樣本數都是n = 24，兩次合併的第一彈和第二彈的樣本數都是n = 48。

表4A：活動一─所有學生的射遠距離

p < 0.05 *, p < 0.01 **, p < 0.001 ***

根據表4A，從射遠距離的平均值來看，無論是第一次、第二次還是兩次合併，參賽者第一彈的成績都優於第二彈，其原因是瓶中產生二氧化碳氣體產生量隨時間遞減。根據t檢定的結果，在顯著性水準α = 0.05下，沒有足夠的證據表明在第一次、第二次或兩次合併方面，第一顆與第二顆發射彈發射距離的平均值之間存在顯著差異（分別p = 0.310、0.244及0.474）。此外，第二次的成績都優於第一次，這顯示學生有進行實驗改善；在顯著性水準α = 0.05下，沒有足夠的證據表明第一次與第二次的兩彈發射距離之和的平均值之間存在顯著差異（p = 0.301）。這意味著任何觀察到的差異很可能是隨機變異造成的，而不是因為學生改善實驗有顯著的效應。

表4B：活動一─所有學生的射遠效率

二、活動二（氣球膨脹）所有學生的氣球膨脹體積與膨脹效率

在表5A和5B中，第一次和第二次的樣本數都是n = 24，兩次合併的n = 48。用於氣球體積膨脹的塑膠瓶，其容量為450 mL。

表5A：活動二─所有學生的氣球膨脹體積

表5B：活動二─所有學生的氣球膨脹效率

三、活動一（射遠高手）國小生和國中的射遠距離與射遠效率

在評分標準中提到：活動一的射遠距離計算為在同一發射瓶（同一次）連續兩顆發射彈發射的距離之和。在表6A和6B中，國小第一次和第二次的樣本數都是n = 16，國中都是n = 8；兩次合併的樣本數，國小n = 32，國中n = 16。

表6A：活動一─國小生與國中生的射遠距離

表6B：活動一─國小生與國中生的射遠效率

四、活動二（氣球膨脹）國小生和國中的氣球膨脹體積與膨脹效率

在表7A和7B中，國小的第一次和第二次的樣本數都是n = 16，國中都是n = 8，國小的兩次合併n = 32，國中的兩次合併n = 16。

表7A：活動二─國小生與國中生的氣球膨脹體積

表7B：活動二─國小生與國中生的氣球膨脹效率

五、活動一（射遠高手）和活動二（氣球膨脹）的藥品用量分析

在表8A-1、8A-2、8B-1及8B-2中，僅以「檸檬酸」表示無水檸檬酸；「合乎化學計量」被定義為莫耳數比與理論比在±10%之內；「3酸與1鹼莫耳數比」是指3倍無水檸檬酸與1倍小蘇打的莫耳數比。在活動一的表8A-1和8A-2中，國小的樣本數n = 13，國中n = 6，國小與國中合併n = 19。在活動二的表8B-1和8B-2中，國小的樣本數n = 20，國中n = 8，國小與國中合併n = 28。

表8A-1：活動一─國小生與國中生使用檸檬酸與小蘇打的重量與化學計量（1/2）

表8B-1：活動二─國小生與國中生使用檸檬酸與小蘇打的重量與化學計量（1/2）

在活動二的表8B-3中，國小的樣本數n = 15，國中n = 5，國小與國中合併n = 20。

表8B-3：活動二─國小生與國中生使用氧化鈣的用量

• 結語

在競賽實驗操作方面，本競賽試題的活動一（有效率的射遠高手）和活動二（氣球在密閉瓶中膨脹）的步驟設計採用結合詳述的（expository）和基於問題的（problem-based）實驗模式（Domin, 1999）。進一步說，在競賽手冊中提供大部分詳細的操作步驟，同時納入少部分的開放性思考，尤其在化學藥品使用量方面，並且納入一些半開放性的提示，讓學生有思考並嘗試改善的機會，激發團體集思廣益的潛能。

在評量標準設定方面，本競賽項目採用目標導向的評量，其目標設定為：發射彈射遠距離（活動一）和氣球膨脹體積（活動二）。由於反應物的藥品使用量產生或消耗二氧化碳氣體的體積量對射遠距離和膨脹體積有正相關或無相關的影響，因此藥品使用量的限制成為評量的重要考量。為讓參賽師生對於操縱變因和應變變因之間的交互關係有更深入的理解和應用，本競賽項目以「效率」作為競賽得分的評量標準，因而提出：射遠效率和氣球膨脹效率。增加學生思考如何控制最少量的反應物能使發射彈發射最遠距離和氣球膨脹最大體積，進而找出射遠效率和氣球膨脹效率的最佳條件。這「效率」的概念確實帶給競賽學生對問題解決增加很大的挑戰。然而，在活動一的評量標準未規定發射距離達到指定的距離才能計分，以致有一隊使用非常少量的藥品發射很短的距離而得到很高的射遠效率，這不是原本設計本競賽的本意，往後需要增加限制條件以合乎公平。

在競賽結果分析方面，(1)參賽者同一次實驗的第一彈射遠距離和射遠效率的成績均優於第二彈，這合乎同一瓶中二氧化碳氣體產生量隨時間遞減的化學原理；第二次的成績都優於第一次，這顯示學生有進行實驗改善。(2)參賽者在第一次和第二次的氣體膨脹體積分別只佔瓶容量的三成六和二成七，這顯示氣球膨脹體積的效果不佳。(3)國小生在第二次兩彈發射距離之和的表現優於第一次；國中生則相反；國中生和國小生發射兩彈發射距離之和最高可達到18公尺；國中生在射遠效率表現均優於國小生。(4)國小生的氣球膨脹體積和膨脹效率第一次的表現優於第二次；國中生則相反。(5)國小生和國中生在兩活動中使用無水檸檬酸和小蘇打合乎化學計量的隊數百分比很低，國小生和國中生使用過量的無水檸檬酸佔大多數，使用過量的小蘇打則很少數。再者，國小生使用氧化鈣可消耗二氧化碳體積比國中生多出約二成，而且可消耗二氧化碳體積量分別為瓶容量的2.4倍和1.9倍，這結果顯示國小生和國中生使用氧化鈣也不合乎化學計量的原理。在比較兩者平均值方面，經過t檢定的結果，在95%的信心水準下，沒有足夠的證據表明所有想要探討的不同兩項自變因對依變因存在顯著差異，包括：同一次實驗的第一顆與第二顆發射彈對射遠距離和射遠效率、第一次與第二次對氣球膨脹體積和膨脹效率、國小生與國中生對兩顆射遠距離和射遠效率、國小生與國中生對氣球膨脹體積和膨脹效率，這意味著任何觀察到的差異很可能是隨機變異造成的。若期望兩者存在顯著差異，則需要考慮不同學習階段學生的知識背景且控制更多條件的試題設計。

• 致謝

感謝國科會（科普活動推廣計畫）和台塑企業（雲林守望輔導計畫）的經費贊助。感謝國立彰化師範大學、國立虎尾科技大學、彰化縣政府、雲林縣政府、台塑企業、彰化縣立陽明國民中學以及遠哲基金會彰化辦公室的協助辦理。感謝此競賽的助理黃聖棋和參與學生的大力幫忙。

• 參考文獻

ChemNCUE（2024）。化學示範實驗：氣球在密閉瓶中膨脹—亞佛加厥定律（Avogadro’s Law）。擷取日期：2024年8月30日。取自https://www.youtube.com/watch?v=fFRSghnGcwg。

科學Online（2024）。化學示範實驗：氣球在密閉瓶中膨脹—亞佛加厥定律（Avogadro’s Law）。2024年8月30日。取自https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14800。

維基百科（2024a）。理想氣體狀態方程式。2024年8月30日。取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/理想氣體狀態方程式。

維基百科（2024b）。道爾頓分壓定律。2024年8月30日。取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/道爾頓分壓定律。

彰化師大物理系（2024）。HomeRun創意競賽。2024年8月30日。取自http://phys5.ncue.edu.tw/contest/。

Domin, D. S. (1999). A review of laboratory instruction styles. Journal of Chemical Education, 76(4), 543-547.

Wikipedia (2024). Projectile motion. Retrieved 2024 August 30, https://en.wikipedia.org/wiki/Projectile_motion.

• 附錄

下載檔案：2023雲林科學HomeRun創意競賽手冊