高中化學教材教法專書導讀: 第十三章 化學科展指導與應用 / 周金城

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高中化學教材教法專書導讀:

第十三章 化學科展指導與應用

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系
ccchou62@tea.ntue.edu.tw

n  前言

十二年國民基本教育課程綱要自然科學領綱強調重點之一,是培養學生探究與實作的能力教育部,2018,除了在探究與實作課程中進行,其實每一個化學單元教學,都可以結合來訓練學生探究與實作的各階段能力。108自然領域課綱針對探究能力區分成思考智能與問題解決,而其中思考智能包含想像創造、推理論證、批判思辨、建立模型;問題解決包含觀察與定題、計劃與執行、分析與發現 、討論與傳達。學生若要能完成好的科展作品,需要前述各項能力的整合。教師可藉由前述的各項度來分析全國科展作品,教學時就會有學生較容易理解的實際範例來說明在科學探究的過程中,各項度是如何被執行的過程。相信學生透過閱讀與分析全國科展作品報告書內容,相信可以逐步幫助提升學生探究與實作的能力。以下就高中化學教材教法專書中邱美虹等,2020,第十三章化學科展指導與應用內容來簡要說明1

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1 化學科展指導與應用內容心智 (引自周金城,2020)

n  化學的探究活動

科展活動中包含一個探究實驗的過程,可以讓學生歷經如同科學家問題解決的過程。相信許多高中化學老師,都希望可以帶學生經歷真實的科學探究歷程,並完成一個能進地方科展甚至是全國科展得獎的科展作品,但這不是一件容易達成的挑戰。師生能想出一個好的科展的題目就已經很不容易,學生願意花時間的投入科學探究,撰寫完整的書面報告,以及有能力在口頭報告與問答時對評審清楚說明,都是影響得獎與否的因素。針對全國科展歷年化學組的報告進行分析,可以讓學生對化學科展的整個過程能有大致的瞭解。

在瞭解科展評分要項上,學生若能知道評分標準,就比較能掌握一個好的科展作品書需要具備的要項。在科展實施要點中有列出科展的評審標準,建議教師可以依照實施要點內容製作科展評分表給學生,並讓學生依據評分表的各項指標來對科展作品進行評分。教師可以由科教館的全國科展作品網站上,下載幾份科展作品讓學生分組討論與評分,並讓學生評定哪作品比較好,學生評定並寫下建議後,教師再公布由全國科展評審來評定的結果,教師可以確認各組學生的評審評定的結果,有沒有和評審評定的結果相似,如此可以知道學生的評判能力。我們知道每一個參加國展的作品,不論有沒有得獎。評審都會在最後寫下評語,這也可以讓學生去討論報告內容要如何改進,並探究是否還有更好的方法來進行實驗過程的改進,這都可以提升學生在科學認知上的評鑑與創造的能力,教師在準備教學工作上也不會花費很多的時間,是一個可行的應用方法之一。

n  科展研究的分類

針對歷屆的全國科展參展報告書,師生可以進一步來分析與課本內容的相關性,和化學研究相關主題,主要是在科展化學組,但也可能會出現在應用科學組、生物組、物理組與地球科學組的研究過程中,透過科展報告分析後也能讓學生進一步認識科學探究其實是需要跨科整合的能力。常聽到學生說我喜歡某科學科目不喜歡某科學科目,但對科學探究以解決生活中的問題來說,通常是需要跨科整合的知識,問題解決是沒有學科分野的。

對應到高中化學探究實驗活動上,可以由孔恩(Kunh1970所描述常態科學的三類活動來對應,第一類:擴展由典範化學課本理論所指出的事實,可將課本理論進行更精確地描述。2.證實典範化學課本的理論與自然兩者相符,可以將理論與生活中的實際現象能有更多的對應。3.精鍊典範,深入了解典範化學課本理論,可以將理論的質性描述以更精確的方式描述,尤其可以用精確的數學關係是來表示。前述這三類的活動,都可以在科展的報告書中 找到相似的研究。在這裡要特別說明的是。課本所呈現的化學理論,因為受限於內容篇幅,常常會有其模型理論的限制上無法完整描述。因此,學生常常會有很多的問題,或許在其他的進階文獻研究資料中,也許可以看到問題的解答,但是這仍是很適合讓學生進行實驗探究的活動。 

此外,化學課本的某些單元主題,會找到比較多的科展報告,例如反應速率、化學電池等,但有些主題則是很少人研究,例如原子結構、週期表等。教師可以引導學生思考為什麼大家不做這方面的主題,是因為大家沒想到,還是因為這樣的主題不容易設計實驗呢?此外,有些實驗結果的觀察不容易進行,沒有靈敏設備是無法觀察紀錄的。有些研究是自製儀器的實驗,設計出來的成品可以達到市售的靈敏度,或是成品不及市售的靈敏度,但是因為價格便宜、或攜帶簡便等優勢,也是可以被接受的成果。將科展中的科學探究活動分類,讓學生理解分類的架構,可以幫助學生思考科學探究的問題可以由哪些方向提出。

n  蒐集分析全國科展化學組參展報告書

分析2020年的第60屆進入國展高中化學組的作品,主題有:疏水性塗料的研發、二次電池效能提升研究、催化反應機制的探討、影響鹽類溶解度的離子因素探討、自製磁性物質並測量磁性、利用手機APP以比色法測量溶液濃度、利用吸光度測量溶液之抗氧化力、利用聲波檢測乎出氣體的二氧化碳濃度、自製震盪觀測儀器測量震盪反應、以吸光度法測量空氣中還原性氣體濃度、生活植物製作碳奈米點的螢光特性探討、不同原料發酵製作酒精之研究、二次紙電池的研究、乙醇燃料電池催化反應等、研究的結果大多包含有實際應用面向的探討。有些實驗過程需要使用到特殊儀器設備。但仍有不少實驗需要的藥品與器材仍是在高中實驗是可以完成的工作。而研究過程中,有不少研究內容包含自製檢測儀器,這部份的工作需要創意設計。

進行學校化學實驗活動的改進。也是一個很好的研究方向。我自己是很喜歡這樣的科展研究方向,因為這需要的是創意,而且具有實際教學的推廣性,甚至可以改變課本中的設計,以國小教科書胡蘿蔔催化雙氧水分解製造氧氣的實驗,當有科展作品找到金針菇取代胡蘆蔔效果更佳後,之後課本實驗就修正使用金針菇來進行催化了。

n  利用工具尋找化學科展研究的內容

由於科教館上已將參加全國科展作品整理上網,對師生在科展資料蒐集相當方便,建議可將報告下載逐一閱讀,但仍需要不少時間。建議可再利用軟體同時對多個檔案進行全文檢索,就能快速找出和化學教學相關的科展報告。教師除了能講此科展報告作為課程內容的延伸閱讀資料,也可以提升學生科學探究的興趣。

利用全國高中化學科展的報告資料,適合在化學相關主題上引導學生思考的方向,可以針對研究問題、研究流程、研究結果與討論、研究結論與後續應用等面向進行思考改進的探討,學生有可能在分析探討的過程中找的新的研究方向。科學新聞也是一個科展實驗問題設計的來源,有不少科展是由電視媒體的報導,來進一步思考設計的。例如禁用塑膠吸管的政策上路後,當年度就有很多針對環保吸管的設計的研究。

n  結語

教師可以利用科展報告來延伸化學教學中,並鼓勵學生根據科展報告一步進行分析來近探究的方式之一。這些科展報告是來自全國各地學校的學生作品,有些也未必是頂尖學校的學生才能完成得獎科展作品,因此教師可以鼓勵自己的學生來完成一份高品質的科展報告。

即使學校受限於場地與設備等因素,無法讓學生實際進行科展中的實驗操作,但在問題解決步驟中的觀察、定題、計畫等面向上仍可以進行,在思考智能的各向度也都可以引導學生投入學習。全國科展報告是一個有用的教學資源,它不僅在科展研究上可以利用,也可以在課本內容教學上使用,建議教師可以多加利用於教學上,來提升學生對的科學探究的能力與興趣。

針對高中化學教材教法專書內容邱美虹等,2020,受限於本文篇幅沒有辦法針對其內容仔細說明,而且科展資料每年都會更新,所以藉由這篇文章撰寫的機會,將在專書中沒有提到到的部分內容補充說明,希望讀者有機會再閱讀專書內容,會有進一步的了解。

n  參考文獻

周金城(2020)。化學科展指導與應用。載於邱美虹(主編),素養導向系列叢書:高中化學教材教法223-240 頁)。臺北市:五南。

邱美虹鍾曉蘭曾茂仁王嘉瑜劉俊庚楊水平鐘建坪周金城馮松林2020)。素養導向系列叢書:高中化學教材教法。臺北市:五南。

國立臺灣科學教育館全國科展歷屆作品, 2021/09/11引自 (ntsec.gov.tw) https://twsf.ntsec.gov.tw/Article.aspx?a=41&lang=1

教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領綱。2021/09/11 引自 https://cirn.moe.edu.tw/WebContent/index.aspx?sid=11&mid=6852

Kuhn, T. S. (1970). The Structure of Scientific Revolutions(2nd edition). Chicago: University of Chicago Press.

素養導向評量:化學科探究與實作命題之我見 /楊吉水

星期三 , 1, 9 月 2021 在〈素養導向評量:化學科探究與實作命題之我見 /楊吉水〉中留言功能已關閉

素養導向評量:化學科探究與實作命題之我見

楊吉水

國立台灣大學化學系
jsyang@ntu.edu.tw

 

  •       前言

    大家俗稱之「108課綱」明確規範「普通型高級中等學校自然科學領域部定必修總分數12學分中,應含三分之一跨科目之主題式探究與實作課程內容」。既然探究與實作課程旨在培養學生的科學素養,又是必修課程,「探究與實作命題」自然成為大學入學考試中心(以下簡稱大考中心)
111
學年度大學入學考試「素養導向命題」的一部分。然而,面對沒有特定教材的探究與實作課程,高中端除了有教材準備的壓力外,也擔憂如何協助學生因應大考的探究與實作試題。對此,大考中心除提供考試說明與範例等書面資料外,也積極召開各項說明會與工作坊,期使高中老師們明瞭各種素養題型,但受限於時空因素,無法擴及每一位教師或關心此一議題之大眾。因此,繼去年拙作「素養導向評量:化學科素養命題之我見」註1
後,我再次以參與大考中心試題研發者的身分,針對化學科探究與實作命題的一些重要面向與觀點,以本文與大家分享。

  •      素養命題類型

我先前已於上述拙作中對素養命題的精神與某些誤解提出說明,在此,稍作簡單摘要與補充。一道素養題的要素,是題目要有新資訊(未出現於教材之內容),學生需要結合先備知識與新資訊,才能正確回答問題。我要特別強調新資訊不等於新知識:資訊是可以被立即明白、接收及應用的內容,而知識是需要經過一段較長時間思考、理解及練習後,或需透過他人傳授講解才能真正掌握的內容,學校的教學內容即是各種知識。因此,將「加深加廣」的選修學科知識包裝成學測的素養題並不恰當,因為題目包含新知識而非新資訊,無法以簡短題幹於短暫考試時間內達到知識傳授與立即應用的目的。此作法也不符公平性,因為有學過的自然組學生較占便宜。另一種不合適的做法是考「閱讀測驗題」,亦即不需先備知識便可由題幹資訊回答的題目,畢竟我們要測試的是化學素養而非單純語文素養。

「探究與實作」在課綱中雖是一門課,實則有兩個不同層次,可比擬大學中的「××化學實驗」和「專題研究」課,前者已有完整的目標、方法和流程,著重實驗技巧與相關學理,各項實驗可在一段短時間內完成,而後者則充滿未知,一切從「發問」開始,並要設法找尋答案,邏輯推理是必備的能力,有了最後的「發表」才算大功告成。因此,「探究與實作命題」可分成「探究命題」與「實作命題」。據此,素養試題可分成三類(見表1):「知識素養題」、「實驗/實作素養題」和「探究素養題」。「知識素養題」即是以素養題型測試學生對學科先備知識掌握之多寡者。當題目涉及實驗操作,且符合新素材(非基本課綱實驗)要件者,便是「實驗/實作素養題」,這類題目旨在測試與實驗相關的先備知識(實驗原理和器材功用)或對實驗數據的理解與分析能力。「探究素養題」則著重研究動機(要探究之問題)、研究方法和邏輯推理與推論等,測試學生的基本科學素養。既然一道「實驗/實作素養題」或「探究素養題」有許多面向,且題幹敘述(含實驗步驟)通常較長,也會提供相關實驗數據,這類題目適合以題組方式呈現,特別是混合題型(含選擇題與非選題)。以下透過兩個範例作相關說明。

1:三大素養題型之測試目標與先備知識層次


知識素養題

 


實驗/實作素養題

 


探究素養題

 


測試目標

 


學科知識

 


實務操作

 


邏輯推理

 


先備知識

 


 


 


 

  •       探究與實作命題示例
  • 例一107年指考試題)

某日王同學整理實驗桌時,發現一瓶未加蓋的水合硫酸鐵(Ⅱ)FeSO4⋅7H2O),其中已有部分晶體變為黃褐色。經詢問老師,得知是因為部分鐵(Ⅱ)離子被氧化所致。於是王同學決定分析這瓶試藥中鐵(Ⅱ)離子的含量。他準備了以下器材:天平、容量瓶(100mL)、燒杯(250mL)、量筒(100mL)、錐形瓶(250mL)、滴定管、滴定管夾、分度吸量管、安全吸球、玻棒、漏斗及鐵架。

實驗過程如下:

步驟1.稱取水合硫酸鐵(Ⅱ)試樣4.00克倒入容量瓶中配製成100mL的水溶液。

步驟2.準確量取步驟1之水溶液50mL倒入器材甲中,再加入3.0M硫酸溶液約30mL,混合均勻。

步驟3.將已標定過的0.05M過錳酸鉀溶液裝入器材乙中,並讀取器材乙中溶液體積的最初刻度為28.25mL

步驟4.以過錳酸鉀溶液滴定器材甲中的硫酸鐵(Ⅱ)溶液,當達到滴定終點時,讀取器材乙中的溶液刻度為48.25mL

根據上述實驗回答下列問題:(8分,每小題各2分)

1. 寫出器材甲的名稱。

2. 寫出如何以顏色變化來判斷步驟4的滴定終點。

3. 寫出步驟4的淨離子平衡反應式。

4. 試以滴定數據,計算此水合硫酸鐵(Ⅱ)試樣中所含鐵的重量百分率。

  • 例二(大考中心研發試題)

已知雙金屬的催化劑是由兩個金屬所組成,可以加速特定化學反應的速率。某研究者利用不同含量的銅鎳混合催化劑,在316℃時分別做了一系列的實驗一和實驗二,探討各反應的產物生成速率,
其結果分別如下表所示。

      實驗一:乙烷(C2H6) + 氫氣(H2) → 甲烷(CH4)

      實驗二:環己烷(C2H6) → (C6H6) + 氫氣(H2)


實驗一

 


實驗二

 


(%)

 


甲烷(分子/秒)

 


(%)

 


(分子/)

 


0

 


300,000

 


0

 


20,000

 


10

 


200

 


10

 


70,000

 


20

 


50

 


20

 


70,000

 


30

 


30

 


30

 


70,000

 


40

 


9

 


40

 


70,000

 


60

 


4

 


60

 


70,000

 


80

 


2

 


80

 


70,000

 


90

 


30,000

 


100

 


600

 

 

      試依實驗結果,回答下列問題:

1.如以純的銅粉重覆做實驗一,則下列何者為每秒鐘產生甲烷的速率?

(A)超過300,000     (B)300,000200之間  (C)600       (D)50    (E) 小於2

2.下列有關於實驗一中的產物生成速率與催化劑組成的關係圖,何者正確?

    {縱軸:甲烷(分子/秒)、橫軸:銅 (%) }

3.研究者要探討兩個實驗中,溫度與催化劑間的關係,下列何者為所需採用的步驟?

(A)在不同的溫度下,重複做實驗一

(B)在不同的溫度下,重複做實驗二

(C)在不同的溫度下,使用銅做催化劑,以相同的步驟操作兩個實驗

(D)在不同的溫度下,使用鎳做催化劑,以相同的步驟操作兩個實驗

(E)在不同的溫度下,以相同的步驟操作兩個實驗,使用相同的銅鎳混合物

4.若該研究者的推論為:「由實驗二的結果,可以知道純銅是實驗二最好的催化劑」,則下列有關於其推論的正確性與判斷該推論正確與否的理由,何者正確?


選項

 


推論的正確性

 


判斷之理由

 


(A)

 


 


因含銅比率最高的實驗,苯的生成速率最低

 


(B)

 


 


因含鎳比率最多的實驗,苯的生成速率最好

 


(C)

 


 


因隨著含銅比率增加,苯的生成速率不變

 


(D)

 


 


因隨著含銅比率增加,苯的生成速率也增加

 


(E)

 


 


因為是在沒有鎳的情形之下,反應得到產物

 

例一是一道典型的「實驗/實作素養題」,各小題所測試的皆為與實驗相關的學理和器材之先備知識。該實驗只有一個明確的目的:分析試藥中鐵(II)離子的含量。因此,數據僅有一組,學生只要理解各步驟的意涵,結合氧化還原反應的先備知識,即可作答。例二則為「探究素養題」,學生只要具備催化劑的基本概念,且能理解題幹中實驗數據間的關係,透過基本邏輯推理便可作答。雖然此二例並非混合題型,但要修改成混合題並非難事。

我將「探究與實作命題」歸納出三類典型問法。
第一類屬探究方法論與邏輯推論,包括:
1-A
根據實驗結果(與相關資訊),可作出下列何種推論
?
1-B
若某生作出以下××推論,你是否同意?理由為何
?
1-C
若要作出××推論或獲得××資訊,需要再執行何種試驗/實驗來確認
?
1-D
若採用××新的條件,結果會如何
?
1-E
本實驗的目的為何
?
第二類屬數據理解與分析題型,包括
:
2-I
實驗結果中某兩個參數(通常是所謂的操縱變因與應變變因)間的關係為何
?
2-II
根據實驗數據,試比較××大小/好壞或計算××為若干
?
第三類屬實驗素養題型,包括
:
3-
××器材名稱與用途為何
?
3-
本實驗或第×步驟所涉及的××學理為何
?
3-
影響實驗結果的可能因素為何
?
3-
正確實驗步驟順序為何
?
例如:上述例一涉及2-II3-甲和3-乙等三種問法,而例二則有1-B1-C1-D2-I
等四種問法。這些問題可以是選擇題或非選題,就後者而言,須考慮「是否能提高鑑別度?」或「答案是否會太發散而不易閱卷?」等正反因素。此處我試圖不用「發現問題」、「規劃研究」、「論證建模」、「表達分享」等模組來看待這些題目,而是用問法來歸類,或許可讓題目的設計更容易些。

素養試題未必要有長題幹,也並非得是題組,短題幹的單題亦可達到同樣的測試目的。以下試舉二例短題幹的「探究與實作命題」:

  • 例三110年學測試題)

科學家在金星大氣層中發現PH3的存在,濃度為5-20ppb。已知:
1.地球大氣層中的PH3均來自微生物;2.金星的天文、地質現象,都無法產生PH33.PH3容易被氧化成其它物質。下列相關推論哪些正確?(應選3
項)

(A)金星可能存在微生物

(B)金星上的PH3在地球上不會被氧化

(C)沒有生物的星球應該不會產生PH3

(D)地球上PH3的氧化產物可能為磷的含氧酸

(E)金星大氣層中,可能有目前未知的化學反應導致PH3的產生

  • 例四110年學測試題)

利用濾紙層析法分析紫色水性彩色筆的染料時,首先用紫色水性彩色筆在圓形濾紙圓心部位畫一個實心圓形,如圖1所示。其次,用滴管在圓心緩慢逐滴加水,此時部分染料隨著水漬在濾紙上呈現同心圓擴散,如圖2所示。停止加水後,擴散至如圖3所示。

下列哪些敘述,可由上述實驗結果得知?(應選2項)

(A)藍色與紅色物質均為純物質

(B)藍色物質的分子量大於紅色物質的分子量

(C)紫色染料為混合物,至少含有兩種不同的成分。

(D)藍色與紅色物質與濾紙附著力不同,因而造成同心圓的分布

(E)紫色染料為純物質,與水反應後形成藍色與紅色物質

例三屬探究題型(上述1-A問法),題幹結合時事與磷化物的資訊,學生只需透過基本邏輯推論便可作答。例四屬實作題型,利用實驗結果的圖示資訊,測試學生對層析純化技術之概念,表面上是作「推論」(上述1-A問法),實際上是考實驗的學理(物質的分離與鑑定)

  •       探究與實作課程與大考命題差異

    最後,針對高中端探究與實作課程與大考中心探究與實作命題間的可能差異提出兩點看法。第一,由於教學資源的限制,高中課程題材與實務也難免受到限制,課後提出的問題與討論也會因此受限,這與大考命題取材廣泛有所不同。對此,高中端毋須擔憂,因為課程的目的是培養學生的科學素養,一旦目標達成,學生是有能力面對新資訊的試題(素養題的精神)。所以,課程中的題材是否與大考試題相關不是教學考量的重點,真正要注意的應該是課程的內容是否能引起學生的學習動機、能否引導學生思考與推理、能否正確分析推論實驗數據,最後能否明白表達並作出結論。第二點是有關試題的背景知識:一般而言,素養題型涉及的先備知識層次不宜過高,否則只有頂端考生有能力做答,失去對大部分考生的素養鑑別目標(1)。相反地,也要避免沒有結合學科先備知識的題目,換言之,一道化學科的探究與實作考題,應該要有一定程度的化學情境或專業知識的連結,而非單純的「邏輯推理題」,這概念與前面有關「閱讀測驗題」的論述相似。然而,實務上,「探究與實作」課程強調跨科統整和生活化,主題本身的化學成分可能不多。因此,要設計一道包含各科專業的跨科(合科)「探究素養題」的難度很高,與其他兩個素養題型相較,要考的學科先備知識層次也明顯低些(如例三)。就學測「自然考科」而言,若出現少數不分科的基本科學素養題目,似乎是可被理解的。

  •     結語

探究與實作課程不只是一門實驗課,更有專題研究的意涵,非常契合素養的精神,如何精進相關的命題,也是值得繼續探究的。

  •     致謝

感謝大考中心吳國良研究員和葉士肇研究員的協助、臺大同仁蔡蘊明教授的建議,和台北市中山女高化學科陸仲文老師的校閱,使本文得以完成。文稿若有不足之處,尚祈各界指教是感。

1:楊吉水「素養導向評量:化學科素養導向命題之我見」,台灣化學教育電子期刊,第三十八期20207.http://chemed.chemistry.org.tw/?p=38456

《臺灣化學教育》第四十三期 /目錄

星期三 , 30, 6 月 2021 在〈《臺灣化學教育》第四十三期 /目錄〉中留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第四十三期(20216月)

 

主編的話

  • 第四十三期主編的話/邱美虹〔HTMLPDF

本期專題【專題編輯/何慧瑩

  • 「奈米課程」文章簡介/何慧瑩HTMLPDF
  • 奈米課程:神秘且有趣的軟性光子晶體:藍相液晶/陳惠玉HTMLPDF
  • 奈米課程:奈米碳材料的官能化及應用性/羅珮瑛、李昆展〔HTMLPDF
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  • 奈米課程:融入式奈米課程之設計/何慧瑩HTMLPDF
  • 奈米課程:「壁虎效應」高中奈米課程之教具設計/何慧瑩、張惠雯、湯雅慧〔HTMLPDF
  • 奈米課程:「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計/何慧瑩〔HTMLPDF
  • 奈米課程:「光子晶體」高中奈米課程設計/何慧瑩〔HTMLPDF

化學實驗/微型化學實驗【專欄編輯/廖旭茂

  • 利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解/廖旭茂〔HTMLPDF

課程教材/多元教學法【專欄編輯/周金城

  • 國小二年級雙語生活課程─彈跳泡泡/葉之愛〔HTMLPDF

第四十三期 主編的話 /邱美虹

星期六 , 12, 6 月 2021 在〈第四十三期 主編的話 /邱美虹〉中留言功能已關閉

第四十三期 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
國際純粹化學與應用化學聯合會(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
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

臺灣曾歷經2003SARS疫情,當年慘痛的經驗,使得國人培養出具有戴口罩和常洗手的習慣,因此自新冠疫情於2019年底爆發後,國人皆能配合政府的政策及時回應這橫掃全球的疫情,因而有了一年多穩定且正常的生活,讓世界各國視為模範生。然嚴峻的疫情並未就此繞過臺灣,515日起雙北市升級為三級警戒,全國在519日亦隨之升級,嚴陣以待面對疫情未見趨緩的狀況。而雙北市更於517日宣布高中以下停課至528日,緊接著教育部也在518日宣布全國各級學校及公私立幼兒園停課,甚至於67日公布全國三級警戒到628日而停課延長至72日,長達一個多月的停課,網路瘋傳線上資源如教學影片和各種活動,讓人目不暇給,甚至連上課鐘聲音檔都出現了。過去安逸中未求提前部署購買疫苗和快篩劑,居安未能思危,如今面對疫情升溫,學校教育隨之起了史無前例的變化,教師和學生在瞬間要面對所謂的停課不停學」的新生活,兵荒馬亂是可想而知,不得不說是一項大挑戰。

大部分教師過去沒有線上教學的經驗,在沒有演練的狀況下學生就離開學校,是否教師有足夠的教學資源與支持來做遠距教學、學生是否有電腦網路、家中孩童是否有足夠可分配的電腦可以使用等等都來不及確認就全面迎戰「停課不停學」的政策。雖是如此,卻見教師們馬上捲起袖子學習網路授課平台的功能、同事間相互交流彼此支援、積極尋找線上方便包盡快上手、網路分享教學影片和如何有效的讓學生參與上課的教學活動的訊息,每位老師都卯足勁拿出看家本領,希望讓教學盡快正常化,以免耽誤學生學習。這時我們看到的是一線教師們的能量真是不容小覷,從自製上課投影片、每日上課當線上主播、設計適合家中做的活動、教導學生線上傳送作業等等,都在短時間內幾乎全部到位,唯獨比較難做到的就是實驗活動。實驗講求動手做,然一旦改成線上教學,原預計要做的各種實驗不得不停止,探究與實作的課程也無法在校進行實驗數據的收集和分析,沒了實驗沒了探究,頓時科學課程彷彿失去了它的靈魂,不再透過實驗的摸索去認識探究的精神。慶幸的是,還有一些教學平台提供各類與實驗相關的影片或是活動,可以讓教師彈性運用。遠距教學不是新鮮事,但很少應用到高中以下各級學校,一旦需要時還須有配套措施;政府的網路教學資源不是沒有在做,但是遇到全國上線使用就面臨頻寬不夠當機的問題,不經一事不長一智,此次的新冠疫情凸顯遠距教學的困境,也點出未來可以努力的方向,期待遠距教學和教師專業成長可以相輔相成,在科技世代改變教學已是刻不容緩的事,新興科技已無法置身於教育之外,如何更有效的以洪荒之力來建立優質的學習環境,就端看主事者的智慧了。

本期專刊特別邀請國立台北教育大學何慧瑩教授擔任,該專刊有八篇文章,從學理陳惠玉特聘教授的「神秘且有趣的軟性光子晶體:藍相液晶」和盧秀琴教授的「治療燒燙傷的魚皮敷料」到應用李昆展教授與羅珮瑛「奈米碳材料的官能化及應用性」、從教學陳月雲博士與盧秀琴教授的「從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學」到課程設計何慧瑩教授等人的文章:「融入式奈米課程之設計方式」、「壁虎效應—高中奈米課程之教具設計」、「蓮葉效應—國中奈米課程與教具設計」與「光子晶體—高中奈米課程設計」。這些奈米學理和跨學科的課程設計和教學的探討,對國高中理化教學有直接或間接的助益。我們對哈利波特的隱形衣感到好奇,又何嘗不是一個引起學生學習動機的起點,然後再引進奈米的概念,生活處處是科學,奈米的角色亦不容忽視!

    本期的常態性文章有兩篇,一篇是大甲高中廖旭茂老師的「利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解」,以科技協助數據採集與分析,讓學生可以著重在數據結果的解釋與變因的探討。另一篇是台北市三民國小葉之愛老師的「國小二年級雙語生活課程─彈跳泡泡」,這是一個結合學科內容與語言學習的雙語課程,也是本期刊第一篇以雙語自然課程為主的文章,對未來小學自然課程將以雙語進行教學有具體的參考價值。

最後,本刊從這一期開始將改成季刊,出刊月為三月、六月、九月與十二月,寒暑假不出刊,歡迎舊雨新知多多投稿,分享教學策略、課程設計、評量方式、尖端科技等,使本園地能推陳出新,服務更廣大的群眾與第一線教師,也使化學教育得以在穩定中成長與茁壯。

 

本期專題「奈米課程」文章簡介 /何慧瑩

星期五 , 11, 6 月 2021 在〈本期專題「奈米課程」文章簡介 /何慧瑩〉中留言功能已關閉

本期專題「奈米課程」文章簡介

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

hueiying.ho@gmail.com

n  前言

自古至今,每一次的社會生活方式有大幅度的變化,都伴隨著科學技術發展的躍進。第一次工業革命1760~1840,在英國人瓦特1769改良蒸汽機後,人類就從手工製作轉而成機器製造,進入輕工業時代;第二次工業革命1870~1914,以法拉第於1831年發表的電磁感應現象為電力機械的基礎,人們開始使用電力來替代人力,當時的工業則從輕工業轉變為重工業;第三次工業革命1920~迄今緣起於量子科學的蓬勃發展與軍事需求第二次世界大戰,1939~1945,當1945年世界第一台電腦被製造出來之後,即宣告了數位時代的來臨,所以第三次工業革命又被稱為數位化革命。

隨著第三次工業革命而來的是包含奈米科技、人工智慧、物聯網、基因工程、量子技術等各種新興科技的突破性發展,這些理論與技術上的突破、各種科技之間的融合,將人類的文明逐步推進到「第四次工業革命」,也因為各領域科學發展之融合,領域之間的界線不似過往那麼涇渭分明,奈米科技可以說是這種跨領域科學發展的代表。說到奈米科技,最有名的就是195912月費曼教授Richard Feynman在美國物理學年會上的演講,當時他以〈There’s Plenty of Room at the Bottom〉「底層之下還有更廣闊的空間」為題演講,意思就是在原子尺寸或小於原子尺寸的尺度範圍,有著更多的科學等著我們去探討與應用。

n  臺灣K-12奈米人才培育與課程發展簡歷

200012月行政院科技顧問會議與20011月全國科技會議,定調奈米科技為臺灣未來產業發展的重點領域。2003年起,臺灣推動為期十二年的奈米國家科技型計畫第一期:20032009;第二期20092015,共包含了學術卓越研究計畫、產業化計畫、核心設施研究計畫,及人才培育計畫等四個子計畫,其中「人才培育計畫」即為科技向下紮根的構想,在此計畫項下成立了北區、中北區、中區、南區、以及東區等臺灣五個區域的「奈米科技K-12人才培育中心」,推動包含K-12 包含技職學校、大專、以及研究所的縱向人才培育。在這時期,各種K-12的奈米教學設計如雨後春筍般地被發展出來,常見的教學設計包含了光子晶體photonic crystal、蓮葉效應lotus effect、壁虎效應gecko effect、以及自組裝self-assembly等內容。

n  本期專題文章簡介

2015年第二期奈米國家科技型計畫結束之後,臺灣在奈米科技則是朝應用層面推動,科技部從2015年開始徵求「奈米科技創新應用計畫」構想書,主要包含「前瞻奈米」和「創新應用」二類計畫,以因應未來臺灣社會文章環境的演變及產業發展的轉型等種種挑戰。因此,本期的「奈米課程」專欄包含了三個面向共八篇文章,分別為專業科學文章三篇、奈米科技教學研究文章一篇、以及奈米課程設計文章四篇。

首先登場的專業研究文章是國立中興大學物理學系陳惠玉特聘教授所撰寫之物理專文「神秘且有趣的軟性光子晶體:藍相液晶」,本文從自然界中水的不同的相態出發,引導讀者對於物質中的分子或原子排列具高度規則性時的現象產生好奇心,進而介紹如何改變液晶的分子排列,透過窺探大小與週期落在數百奈米以內之藍相液晶複雜且美麗的相態,有助於了解物質的拓樸學、生物物理,軟物質及醫藥發展等眾多領域。第二篇是由國立臺北教育大學自然系李昆展教授與其碩士畢業生羅珮瑛共同撰寫之化學專文「奈米碳材料的官能化及應用性」,本文以高中課程中最常見的碳元素為題,介紹具有高比表面積的奈米碳材料奈米碳管、氧化石墨烯和石墨烯量子點之物理及化學特性,這些材料被應用於有效的藥物結合或是藥物載體,科學家對這些材料進行相關的表面官能化的修飾,以增強其生物相容性,除了可以降低其生物毒性,亦能提升其生物醫學相關應用性。第三篇是由國立臺北教育大學自然系盧秀琴教授主筆的生物專文「治療燒燙傷的魚皮敷料」,本文從奈米化學尺度結合生物奈米概念去說明魚皮敷料的科學原理,讓大家了解吳郭魚皮如何從一個沒有經濟價值而被丟棄的角色,轉變成治療燒燙傷的新興醫療產業原料—魚皮敷料,此經驗對K-12的學生有很大的啟發性,鼓勵這些學生將來創造出更多的奇蹟,造福人群。

奈米科技教學研究文章是由陳月雲博士與盧秀琴教授共同撰寫的「從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學」,此研究以實徵教學方式來瞭解學生學習蓮葉效應可能產生的另有概念,再配合POE教學策略進行概念改變教學。研究結果顯示採用POE策略結合奈米碳黑實驗教學,能提升國小學生對蓮葉效應的理解,更有助於另有概念改變,提升學習成效。

最後四篇是由本人所撰寫的奈米課程設計,我先以「融入式奈米課程之設計方式」讓讀者了解我們是如何設計融入現有K-12科學教材的奈米課程,接著再以三篇課程設計為例來介紹奈米課程設計,作為讀者發展108課綱探究與實作教學之參考。第一篇「壁虎效應—高中奈米課程之教具設計」是我以所指導之畢業學生張惠雯和湯雅慧的碩士論文為基礎撰寫而成,此文章從文獻探討介紹各科學家對壁虎效應成因之推理論證過程,進而設計具有實驗與數據分析之高中「壁虎效應」教具;另外兩篇「蓮葉效應—國中奈米課程與教具設計」與「光子晶體—高中奈米課程設計」,是我從《奈米科技K-12系列叢書—光子晶體》與《奈米K-12科技叢書—蓮葉效應》兩套著作中(何慧瑩、盧秀琴,2014a, b, c, d2016a, b, c, d),擇其中兩篇重新撰寫成,這兩套叢書是本人於臺灣推動「奈米科技K-12人才培育中心」時期,參與了由臺灣大學宋家驥教授所主持的北區奈米科技K-12人才培育中心的計畫,在此計畫項下與盧秀琴教授所共同發展的奈米課程叢書(盧秀琴、何慧瑩,2014a, b, c, d2016a, b, c, d)。「蓮葉效應—國中奈米課程與教具設計」從分析奈米科技中常見的「蓮葉效應」Lotus effect基礎原理開始,介紹我們所設計的國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組與教具,並依據課程設計的專家概念圖,規劃出蓮葉效應奈米課程。「光子晶體—高中奈米課程設計」一文將介紹奈米科技教學中常見的「光子晶體」,包含其基礎原理,並從基礎原理出發,發展出適合於高中使用的課程。

n  參考資料

何慧瑩、盧秀琴2014aK-2「紫斑蝶和奈米阿寶」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1575-9)

何慧瑩、盧秀琴2014bK-2「紫斑蝶和奈米阿寶」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1576-6)

何慧瑩、盧秀琴2014c高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1582-7)

何慧瑩、盧秀琴2014d高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1581-0)

何慧瑩、盧秀琴2016a高中「從蓮葉效應到自組裝」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5288-4)

何慧瑩、盧秀琴2016b高中「從蓮葉效應到自組裝」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5287-7)

何慧瑩、盧秀琴2016c國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5286-0)

何慧瑩、盧秀琴2016d國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5285-3)

盧秀琴、何慧瑩2014a國小「彩蝶效應與光柵實驗」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1577-3)

盧秀琴、何慧瑩2014b國小「彩蝶效應與光柵實驗」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1578-0)

盧秀琴、何慧瑩2014c國中「彩蝶效應探索活動」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1580-3)

盧秀琴、何慧瑩2014d國中「彩蝶效應探索活動」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1579-7)

盧秀琴、何慧瑩2016aK-2「我看蓮葉效應」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5282-2)

盧秀琴、何慧瑩2016bK-2「我看蓮葉效應」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5280-8)

盧秀琴、何慧瑩2016c國小「蓮葉特性與模擬蓮葉效應」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5284-6)

盧秀琴、何慧瑩2016d國小「蓮葉特性與模擬蓮葉效應」教學模組學生手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5283-9)

奈米課程:神秘且有趣的軟性光子晶體:藍相液晶 /陳惠玉

星期四 , 10, 6 月 2021 在〈奈米課程:神秘且有趣的軟性光子晶體:藍相液晶 /陳惠玉〉中留言功能已關閉

奈米課程:神秘且有趣的軟性光子晶體:藍相液晶

陳惠玉

國立中興大學 物理學系 特聘教授
huiyuchen@nchu.edu.tw

自然界中普遍的物質會因為溫度的上升或下降產生不同的相態;以我們生活中每天在使用的水為例:在常溫的狀態下,水處於液體的狀態,當溫度上升至100℃時(在一大氣壓下),水會進入氣體的狀態(也就是蒸氣),但如果將溫度下降至接近0℃,水則會慢慢的固化,以固體的狀態存在(即冰);我們把水的狀態改變過程,稱為「物質的相(態)變()」。我們可以利用下圖1,從物質所處的相態知道組成物質的分子或者是原子間的運動速率的快慢及排列的有序程度。當水在氣體的狀態時,水分子獲得許多(熱)能量,因此會自由地以較高的速度運動,且水分子與水分子間的距離時而近而遠;降低溫度,水分子獲得的能量開始下降,水分子的運動速度也開始變緩,水分子間的距離開始縮短,水進入了液體狀態;持續地降低溫度,水分子的運動速度越來越慢,慢到幾乎靜止,水分子間的距離也幾乎不變,此時水處於固體的狀態。特別的是,許多其他的物質在低溫(固體)時,分子(原子)排列會具有一定的規則性,這時我們會使用更精準的名詞「晶態」去稱呼這個固體狀態。當物質中的分子(原子)排列具高度規則性,會產生許多有趣的物理特性,包含:電性、磁性、光學及機械特性等;只要能夠善加利用且控制這些特性,便可以為人類的生活帶來許多的便利性,而這樣的技術也確實已經普遍地落實在我們的生活裡。

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 1 溫度改變時,物質的三個基本相態 Solid:  固態;Liquid: 液態;Gas: 氣態)(圖片來源:freepik

除了以上三種大家耳熟能詳的物質狀態外,在大多數的有機物質我們有機會觀察到第四個物質的狀態液晶(Liquid Crystal)狀態,相信大多數的人對於液晶這個名詞一定不陌生,因為在許多大大小小的顯示元件上都可以看見。然而,我們必須了解液晶並不是單指一種特別的材料,而是指材料所處的相態在液晶態。因此當我們將液晶顯示元件加熱高於相變溫度時,便可以看見因為材料轉換成液體狀態而產生有別於液晶態的光學現象;當將液晶顯示元件丟入冷凍庫中降溫,則材料便會由液晶態轉變到晶態(可以去查查您用的液晶螢幕手機是否有標示工作溫度範圍呢?);這些相態的改變基本上是一個可逆的過程。從上面的描述我們可以知道,材料的液晶態是一個處於液體狀態跟晶體狀態間的相態;在液晶態的分子,分子間的作用力略大於液體,但分子的排列有序性略低於晶體;因此它同時擁有液體的易流動性及我們前面所提到晶體的特殊物理特性。由於分子間的作用力低於晶體且容易流動,相較於晶體,我們僅需要提供一個很小的能量,控制分子的運動,造成分子的排列發生變化進而改變了一些物理特性;生活中每天都在使用的液晶螢幕仰賴的就是透過外加一個低伏特(大多小於1V)來改變材料在液晶相態時的分子排列,藉由此控制材料的光學特性,讓材料變成一個電控的光開關YouTube: What are liquid crystals? https://youtu.be/MuWDwVHVLio

液晶是一個有趣、複雜且美麗的相態,透過觀察液晶可以有助於了解物質的拓樸學、生物物理,軟物質及醫藥發展等眾多領域。就如同物質在不同溫度的相態一樣,隨著材料在液晶態時的排列秩序不同,材料的物理特性及液晶相態的存在溫度,都會改變;一般使用於顯示器技術中的液晶相態為排列最簡單的向列型液晶(nematic phase)或者沿一維方向螺旋的膽固醇型液晶(cholesteric liquid crystal);這兩個相態在物理特性及電光反應的探索上已經有清楚且明確的模型,因此理論模型計算的結果與實驗量測之數據有很高的吻合度,所以非常容易可以走入實際應用。然而,相較於以上兩種相態,有許多的液晶相態仍需經過大量的實驗量測結果收集後,才得以揭開其面紗及進一步發展實務上的應用;其中,最具代表性的液晶態之一就是「藍相液晶(blue phase)」。2007年三星電子首度公開發表世界第一台藍相液晶顯示器,並向世界宣告藍相液晶顯示器過人的優點,包含了微秒等級的反應時間,製程上簡化及高度對比等;可取代目前由向列型液晶為主的許多元件,如顯示器、光調制器及液晶波片等;隨即引起了各地研究團隊的注目,也再度引起是人們對藍相液晶的好奇。藍相液晶除了可以作為顯示材料使用外,藍相液晶的光學特性類似於光子晶體並可以在空間中的三個維度分別產生不同波長的雷射光;或者作為可調式液晶波片,液晶透鏡以及液晶光纖等廣泛的用途。

藍相液晶中分子排列的最基本單元是「雙螺旋圓柱體(double-twist cylinder, DTC)」,DTC中分子長軸會沿著有相互正交的螺旋軸由中心向外旋轉排列,最外圈的分子長軸相對於中心分子長軸之夾角分別為±45度。藍相液晶是由這些雙螺旋圓柱體相互堆疊所造成的相態,在圓柱體相互堆疊之處會有空隙產生,空隙中的液晶分子會形成缺陷結構這些缺陷在空間形成的網絡類似週期性三維的晶格結構(參考下圖2)。

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2 (a) 最基本的液晶分子排列——向列型液晶(Nematic LC),分子長軸方向會相互平行且分子的排列有序性較低,接近液體態,是目前顯示器中主要使用的液晶相態。(b) 添加手徵性材料(chiral matter)後,會使原來的液晶分子排列開始沿著一維方向旋轉,形成膽固醇液晶相(chiral nematic LC);如果添加的手徵性材料濃度大過一個臨界值(會隨著液晶材料的特性有所不同),液晶分子排列就會從單一螺旋方向形成相互垂直螺旋排列,形成雙螺旋圓柱(double-twist cylinder),這些圓柱體會自行相互堆疊組合成三維軟性光子晶體,也就是「藍相液晶」。圖中的照片是透過專業反射式偏光顯微鏡拍攝的膽固醇液晶相及藍相液晶,顯示出來的顏色是被液晶相態反射光的波長決定;利用觀察到的波長及參考布拉格反射定律,我們可以計算出膽固醇液晶相下,一維螺旋的長度;或者是獲知藍相液晶的晶格大小。

在液晶材料中產生藍相的首要條件就是:液晶分子旋轉2π的距離即螺距(pitch)必須短於500nm(可透過添加手徵性分子的濃度比例來改變)此時,由液體相態降溫的歷程,有機會觀察到藍相液晶產生。然而,當液晶材料的溫度持續地下降,要維持藍相液晶的雙螺旋圓柱體結構及缺陷網絡所需的能量會逐漸的增加,使得雙螺旋圓柱體結構變得非常不穩定。液晶分子的排列為達最小自由能,便會發生相態轉移phase transition至具單一螺旋方向的膽固醇相態。由於藍相液晶的分子排列結構複雜且必須同時考慮雙螺旋圓柱體結構及缺陷線網絡所造成的自由能,所以藍相是一個熱力學上極度不穩定的液晶相態,使得大多數的液晶材料在顯示出藍相結構的溫度範圍只有數度。在零電場的狀況下,藍相液晶中的晶格排列會有三種的結構,由高溫至低溫分別為BP IIIBP IIBP I其中,BP IBP II具有長程秩序性,且缺陷的網絡結構展現出三維晶體的對稱性(BP I 屬體心立方晶體(body-centered cubic)BP II屬簡單立方晶體(simple cubic) )。在三種藍相液晶中,BPIII是屬於物理特性最難掌握與熱穩定範圍最窄的相態(普遍存在的溫度範圍~0.1°C),無法從顯微鏡下看見任何特殊的類晶格圖樣,只能觀察到BPIII反射光呈現極低亮度的藍霧狀(foggy blue),所以很難跟液體相態很難分別出來;但我們可以透過在顯微鏡上架設聚焦透鏡觀察收斂光經過藍相液晶時所形成的晶格繞射圖形去區分不同的晶格結構、晶格大小及晶格面的排列(如下圖3)。

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3 利用高倍聚光鏡將單色角錐光打在藍相液晶後,因為晶格繞射所產生的圖案;從照片中的線條可以計算反射的晶格面,線與視場中心點的距離則可以提供晶格常數的資訊。

由於藍相液晶中的分子排列會類似三維晶體結構且具有週期性,晶體的大小與週期會落在數百nm以內,因此可以具有光子晶體的特性反射特定波長的入射光線,因此透過顯微鏡我們可以觀察到顏色非常絢麗的圖案(如下圖45,這也是藍相液晶非常吸引人的一塊);加上液晶原有的可流動性,藍相液晶又可以被稱為「自聚組軟性三維光子晶體」。

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4 顯微鏡下的藍相液晶,絢麗的顏色來自於晶體週期性結構的反射,在同一個樣品中,因為區域性晶格面的不同,我們有機會可以看見非常多的顏色。

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(a)                                                                      (b)

 5 (a) 一維螺旋膽固醇液晶相態對於白光的反射,可以看出螺旋距離越短的地方,反射的波長也會越短 Photo credit: University of Cambridge),因此膽固醇液晶相態可以作為一個良好的單色光反射面鏡或者是應用在反射式顯示器上。(b)藍相液晶在不同的晶格面下也可以造成不同的反射光波長,當晶格越小的時候,反射光的波長會發生往短波長位移。(Photo from: ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 39569-39575

自聚組軟性三維光子晶體這個稱呼說明了藍相液晶的獨特及優勢,目前有許多的光子晶體都是使用人工排列介電材料構成,因此可以自聚組成光子晶體可以大大的降低製程上所花費的時間,「軟性」則透露出藍相液晶的操控性,即透過一低能量就可以改變藍相液晶的晶格排列,進而調整光學特性(見下圖67)。

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6 因為液晶具備有流體的特性,液晶分子很容易受到外力的作用就發生流動,即使是液晶分子已經排列非常類似晶體結構的藍相液晶也是如此。在外力的拉升下,會造成分子的移動,同時間也改變了晶格的結構,我們稱這個過程是「晶格形變」。晶格形變會使反射光的波長發生變化。(Photo from: NATURE MATERIALS, 13, 817 (2014)

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7 作用力的來源可以是應力,也可以是電力。圖中藍相液晶本來的晶格結構為(1, 0, 0),因為晶格常數較小,會反射藍色光波;當給藍相液晶一個適當的電壓時,晶格開始被扭曲了,沿著電場的方向的晶格常數會變大,另外兩個垂直電場方向的晶格常數則不變,因此藍相液晶會從反射藍光變化成反射綠光,持續地增加電壓,反射光則會在往紅光方向移動。但在電壓解除了因為液晶晶體結構的彈性恢復力,可以讓藍相液晶的晶格快速地回到原本的狀態。

n  結語

    藍相液晶目前雖然還未應用在實際的光學元件中,但在許多的研究中都已經驗證了其優越的光學特性,除了可以作為顯示元件外,也可以運用在智慧窗、光波長調制元件及光波導元件等等廣泛運用中。為了實現藍相液晶的應用,近幾年來有大量的研究將重心移向如何穩定藍相液晶結構及控制晶格成長的方向,不論是從材料合成下手、製程控制或者是基板構造設計等,都可讓人期待藍相液晶無窮的應用潛力。

奈米課程:奈米碳材料的官能化及應用性 /羅珮瑛、李昆展

星期三 , 9, 6 月 2021 在〈奈米課程:奈米碳材料的官能化及應用性 /羅珮瑛、李昆展〉中留言功能已關閉

奈米課程奈米碳材料的官能化及應用性

羅珮瑛李昆展*

國立臺北教育大學自然科學教育學系

kclee@tea.ntue.edu.tw

前言

    正如同大多數的奈米材料一樣,碳相關的奈米材料,例如:奈米碳管(carbon nanotubes)、氧化石墨烯(Graphene Oxide)和石墨烯量子點(Graphene Quantum Dots)等的碳材料,由於其尺寸為奈米等級,因此提供了高的比表面積以應用於有效的藥物結合或是藥物載體,並且因為其特殊結構及特性而使其有能力能夠通過艱難的生物屏障以及能夠於活細胞中產生生物影像。然而,原始未經過任何修飾的奈米碳材料,其碳材料表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用,從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象,因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。為了降低奈米碳材料可能的生物毒性及提升其相關應用性,必須對奈米碳材料進行相關的表面官能化的修飾,以增強其生物相容性。

奈米碳材料的介紹

奈米材料已被廣泛研究為應用在體內輸送治療藥劑的新穎技術之一,因為其特殊結構及特性而使其有能力能夠通過艱難的生物屏障(LaVan et al.,2003)以及能夠於活細胞中產生生物影像(Kostarelos et.al., 2009; Wang et. al., 2011)。正如同大多數的奈米材料一樣,碳相關的奈米材料,例如奈米碳管(carbon nanotubes)、氧化石墨烯(Graphene Oxide)和石墨烯量子點(Graphene Quantum Dots)等的碳材料,由於其尺寸為奈米等級,因此提供了高的比表面積以應用於有效的藥物結合或是藥物載體。為了有效地將這些奈米材料做為後續的相關領域應用,因此必須充分了解這些奈米材料的相關物理化學特性,以及其在生物系統中的生物相容性和毒性(Aillon et al., 2009; Lee et al., 2019)。然而許多的文章中已經報導了有關未經任何修飾的單壁奈米碳管(SWCNT)、多壁奈米碳管(MWCNT)、富勒烯(C60)和石墨烯量子點(GQD)的可能相關生物毒性的問題(Aillon et al., 2009; Lacerda et al., 2006; Lee et al., 2019; Wu et al., 2013)。原始未經過任何修飾的奈米碳材料,由於其碳材料表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用,從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象,因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。為了降低奈米碳材料可能的生物毒性及提升其相關應用性,必須對奈米碳材料進行相關的表面官能化的修飾,以增強其生物相容性(Huang et al., 2019; Lo et al., 2020; Liu et al., 2018)。

奈米碳管的發現和後續的大規模生產為奈米科技的應用打開了新的契機與機遇。日本學者Iijima教授率先於1991年發現了奈米碳管由於其獨特的物理和化學性質(Iijima, 1991),可以廣泛的應用於奈米相關和生物醫學技術領域(Bianco & Prato, 2003; Davis et al., 2003)。奈米碳管的結構為石墨片所製成的管狀材料,該石墨片被捲起並在每個末端用一半的富勒烯封端。其結構可能只有一個單壁(單壁碳納米管,SWCNT),或者兩個壁(雙壁碳納米管,DWCNT),或者有兩個以上的多壁(多壁碳納米管,MWCNT)。

石墨烯量子點(GQD)是一種零維材料,具有與石墨烯相同的單原子層,但其橫向尺寸小於100 nmJiang et al., 2013; Lo et al., 2020; Shen et al., 2012)。由於它們的高表面積和良好的生物相容性,使得石墨烯量子點有潛力成為將蛋白質或藥物分子輸送到細胞的奈米載體(Lo et al., 2020; Iannazzo et al., 2019; Zhang et al., 2012)。石墨烯量子點由於其出色的發光特性,也可以用作為生物成像的良好螢光探針(Zhu et al., 2011)。除此之外,當透過不同的化學官能基團進行相關的表面官能化時,石墨烯量子點可以藉由與其他各種材料(例如:蛋白質、藥物分子和奈米碳材料)利用共價鍵結合而用於構建多功能的結構性材料,此將擴展其在生物醫學領域的廣泛應用(Lo et al., 2020)。

奈米碳材料的官能化及應用

一、 奈米碳材料的化學特性

    奈米碳材料由於其所顯現的獨特的機械和電子特性,許多研究學者對其產生了相當大的研究興趣,因而掀開了奈米碳材料科學的新篇章。但是,由於表面上的凡德瓦爾力而引起奈米碳材料之間的疏水相互作用,從而導致奈米粒子的嚴重聚集和團聚現象,並且由於缺乏水中溶解性和難以在溶劑中操作因此而大大限制了奈米碳材料的使用範疇。基本上,原始所生產的奈米碳材料不溶於所有有機溶劑和水溶液,即使透過超音波震盪處理,使得奈米碳材料可以部分分散在某些有機溶劑中,但是當該過程中斷時,奈米碳材料幾乎會立即發生沉澱現象。因此,如何對奈米碳材料進行表面官能化處理,將可使得奈米碳材料可以與不同種類的化合物相互作用。例如以超分子複合物的形成方式,將可從而製造出新穎的奈米元件。此外,奈米碳材料亦可以化學反應處理,進而形成更多具有水溶性的複合奈米碳材料,而能夠將其與無機,有機和生物系統中進行整合應用。修飾此種奈米碳材料的主要方法可以分為兩類:

a)藉由反應將化學官能基團共價鍵結到奈米碳材料的π共軛骨架上

b)分子間的非共價吸附或纏繞。

二、共價鍵結官能化

實際上,由於化學惰性的特性是進而使得奈米碳材料具有應用的特性之一。奈米碳材料可以透過共價鍵結的方式在其末端和其側壁上被官能基團進行官能化(如圖1)。這些官能化的方式可以透過在無缺陷的奈米碳材料表面進行直接攻擊的官能化方式,或是藉由氧化、缺陷位置的修飾方式和其他官能化方式,對奈米碳材料進行共價修飾。一般而言,主要常見的方法包括利用羧酸化、酰胺化或酯化奈米碳材料的官能化形式。而針對不同胺基的形式進行奈米碳材料的官能化則包括了幾種鍵結的方式:共價鍵(Zhao et al., 2004),兩性離子鍵(Hamon et al., 1999)和物理性的吸附(Chattopadhyay et al.,
2003
)。

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1 奈米碳管共價鍵結官能化示意圖
 

三、非共價鍵結官能化

非共價鍵結的修飾方式可以透過基於奈米碳材料的表面化學來進行相互作用或利用奈米碳管內部的空腔來進行修飾。例如:可以藉由聚合物對於奈米碳管的纏繞而形成超分子複合物,而具有極性側鏈的聚合物可以幫助包裹的奈米碳管穩定的分散(如圖2)。奈米碳材料的π系統可藉由聚合物中合適的芳香族基團進行π-π堆積作用,以及奈米碳材料可以與有機金屬物質形成加成物(Mickelson et al., 1998; Pekker et al., 2001)。奈米碳材料的缺陷部位中帶電基團的存在使得側邊可以透過離子相互作用而進行官能化以協助其穩定的分散性。另外,亦可以將例如無機物晶體Chen et al., 1998)和富勒烯(Kamaras et al., 2003)等的物質填入奈米碳管的空腔內進行修飾。

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2 奈米碳管非共價鍵結官能化示意圖(高分子纏繞)
 

將奈米碳材料整合到生物系統中以形成其功能組裝是一個新穎的且尚未被完全瞭解的領域。奈米碳材料已經被研究作為具有潛力的載體(如圖3),可以將各種生物活性成分輸送到細胞中。而奈米碳材料的導電特性與生物材料的識別特性之結合可以產生新的生物電子系統(例如生物感測器)(Chen et al., 2005; Lo et al., 2020)。Sun教授研究團隊透過二酰亞胺活化的酰胺化反應製備了奈米碳管蛋白質複合物,然後將其利用牛血清白蛋白或馬脾鐵蛋白進行官能化,發現所製備的複合物可穩定溶於水溶液介質(Mickelson et al., 1998; Pekker et al., 2001)。經由微量測定法證實,經複合的大多數蛋白質與奈米碳管結合後仍具有活性,而相同的蛋白質可以共價結合到經氮摻雜的多壁奈米碳管。在其他的研究應用方面,奈米碳管利用聚-L-賴氨酸進行官能化,聚-L-賴氨酸可進一步促進細胞的粘附作用(Elkin et al., 2005; Huang et al., 2002)。生物分子也提供了進一步衍生化的環境,透過將過氧化物酶鍵結到此複合物上,發現可以檢測到較低濃度的過氧化氫。

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3 奈米碳管載體進行藥物控制釋放示意圖
 

四、石墨烯量子點的官能化

    如何改善奈米碳材料的水溶性和穩定性一直是科學家們關心的議題,也是其後續應用的重要關鍵。另一種解決的策略是製備尺寸超小的奈米碳顆粒(如圖四),進一步使得奈米顆粒由於布朗運動可提供足夠的能量來防止其再次聚集,並且由於奈米碳材料的側邊具有富含氧的官能基存在而減低其疏水的特性。因此,奈米尺寸的碳材料,如碳量子點(Cdots)Luo et al., 2013),以及尤其是石墨烯量子點(GQD)Peng et al., 2012),是碳材料家族中的後起之秀,因為它們在水中具有出色的分散性和穩定性,並且具有強螢光性以及保留了石墨烯的優勢。關於石墨烯量子點的相關研究報導迅速增加,包括了探索其合成方法(從氧化,水解到電解)Shen et al., 2012),其螢光的起源以及生物學相關的應用,例如生物成像和感測特性。

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4 石墨烯量子點製備示意圖

 

    一般而言,石墨烯量子點在側邊邊緣含有與石墨烯相似的羧酸官能基部分,因此賦予它們出色的水溶性和適合於後續利用各種有機、聚合物、無機或生物物種進行官能化的能力。此外,由於石墨烯量子點具有一些優異的特性,例如高比表面積、使用pi-pi共軛網絡或表面基團的表面接枝以及其他特殊的物理特性。由於其簡單的結構,以及相對於對健康可能具有威脅的金屬量子點(例如硒化鎘等)的生物危害,石墨烯量子點成為開發低毒性,環保替代品相關應用的重要研究方向。

奈米碳材料的生物醫學相關應用性

    奈米碳材料在生物醫學應用中的探索亦正在如火如荼的進行中,許多研究也已經證明細胞可以在奈米碳材料上生長,因此它們似乎沒有相關的生物毒性作用(Lo et al., 2020)。細胞不會粘附在奈米碳材料上,可以提供做為如義肢塗層以及船舶防污塗層等應用。奈米碳材料可以輕易在其側邊官能化的能力還可使其延伸於生物醫學的相關應用,例如用於神經元生長和再生以及血管支架的應用。也有相關研究顯示DNA的單鏈可以與奈米碳材料結合,然後可以成功地將其插入細胞當中。如此顯現奈米碳材料在生物醫學相關的應用性上越來越多元也越重要,因此有效的瞭解奈米碳材料的物理化學相關特性及其使用限制將可大大提升其在生物醫學領域的應用範疇。

結語

    奈米科技一詞為近十年間相當受到注目的專業詞彙,如何讓高中生及大學生能夠對它有更進一步的認知實為重要。本文章以高中及大學普通化學及有機化學課程中最為常見的元素碳為題,介紹與碳相關的奈米材料其物理及化學特性,除了在物理及化學性質上的重要變化以外,本文亦描述如何透過材料表面的官能化方能進一步的增加奈米碳材料的相關應用性,並且增加其於跨領域學科的潛力,例如如何能增加材料的生物相容特性而應用於生物醫學上。

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奈米課程:治療燒燙傷的魚皮敷料 /盧秀琴

星期二 , 8, 6 月 2021 在〈奈米課程:治療燒燙傷的魚皮敷料 /盧秀琴〉中留言功能已關閉

奈米課程治療燒燙傷的魚皮敷料

盧秀琴

國立臺北教育大學
luchowch@tea.ntue.edu.tw

奈米化學是化學奈米科學的交叉學科,科學家證實奈米化學材料具有尺寸依賴性,可以結合生物奈米等概念來描述。治療燒燙傷的魚皮敷料是一種新興的醫療產業,從奈米化學尺度結合生物奈米概念去說明魚皮敷料的科學原理。魚皮富含Omega-3多元不飽和脂肪酸,含有二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸DHA),能減少人體內細胞激素(cytokine)發炎分子的產生和基因的表現,故能有效達到抗發炎的作用。其次,魚皮主要是由膠原蛋白(Collagen)所組成的,膠原蛋白的分子結構呈現三股螺旋,最後聚合成膠原蛋白纖維,以共價鍵、氫鍵維持特定的三維空間結構,可以提供組織一定的機械強度,能促進人體的細胞增生,緊密附著魚皮的膠原蛋白上生長,最後長成健康的皮膚器官。整片魚皮敷料形成天然屏障,有效防止病原菌入侵,並減少患者的傷口處體液、血漿和蛋白質的流失。

簡介

皮膚是人體最外層的保護器官,一旦遭受燒燙傷的傷害,可能會失去保護功能,壞死的組織將是病原菌繁殖的溫床。醫護人員替病患處理深度燒燙傷時,除了使用植皮修復法外,也會使用生物敷料如豬皮,但是價格昂貴(見附錄)。美國Kerecis公司使用鱈魚皮cod fish skins開發傷口敷料,魚皮含有Omega3多元不飽和脂肪酸,具有抗發炎的特性,使用這種敷料治癒一隻遭受火災燒傷的羅威納犬,能減少鎮定劑的用量,更有效縮短傷口癒合時間(農業科技決策資訊平台,2019。巴西科學家發現,使用吳郭魚的魚皮開發深度燒燙傷的敷料,能夠減少傳統療程的75%成本,治癒56位巴西深度燒燙傷的病患;因為吳郭魚皮的水分、膠原蛋白與人體皮膚相類似,能加速療程、減少病患對止痛藥的依賴(自由電子報,2017。魚皮和人類皮膚相當,保有多孔性支架及皮膚的元素蛋白質、脂質,豐富的Omega3與天然的微生物屏障,比起傳統豬皮的人工真皮,能更快加速傷口的癒合,形成健康的皮膚組織,讓傷口更快閉合(農業科技決策資訊平台,2019

臺灣中南部是養殖吳郭魚的大戶,對於吳郭魚的魚皮應用價值不高,製作吳郭魚切片時經常丟棄魚皮;假如吳郭魚皮敷料上市後價格便宜,則適合治療需要大量敷料的深度燒燙傷病患,尤其是貧困家庭。因此,中小學教師若能教導K-12的學生,從微小尺度的奈米化學材料結合生物奈米概念,去認識治療燒燙傷的魚皮敷料,如何能加速療程,降低成本,對K-12的學生將有很大的啟發性,也許將來能創造更多的奇蹟,造福人群。

魚皮富含Omega-3多元不飽和脂肪酸,具有抗發炎特性

魚皮的成分內富含天然的Omega-3多元不飽和脂肪酸,Omega-3成分中含有兩種最重要的必需脂肪酸就是二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, C20H30O2, EPA)和二十二碳六烯酸 docosahexaenoic acid, C22H32O2, DHA)。醫生臨床實驗發現在高壓力和肥胖患者中,Omega-3可以減少人體內細胞激素cytokine發炎分子的產生和基因的表現,能有效達到抗發炎的作用Goldberg & Katz, 2007;Kiecolt-Glaseret al., 2011;故深度燒燙傷患者使用魚皮敷料不會造成身體的發炎紅腫反應,能幫助細胞增生。雖然魚皮內含有豐富的 Omega-3,但是魚類本身無法自己製造Omega-3,魚類攝食微藻類浮游生物中獲得Omega-3,再經過生物濃縮效應,儲存在魚類的身體中Yvonne, 2007。在我們身體內,細胞激素是由一組蛋白質所組成的,當作一種信號蛋白signal protein,作用在鄰近細胞或整個有機體,能參與免疫系統反應,結合某些化學因子會引起身體的發炎反應,造成紅腫現象Lackie, 2010

魚皮的多孔性生物支架,能和人體細胞緊密結合

做出一張魚皮敷料需要經過很多道手續,魚皮去除所有魚鱗片後需要放進特殊的清潔溶劑中,去除所有的魚肉組織;才能進入無菌室加工去除魚皮水分,保留魚皮的多孔性生物支架porous biological scaffold膠原蛋白Collagen,其能和人體細胞緊密結合,比豬皮敷料更快加速傷口的癒合(農業科技決策資訊平台,2019。魚皮主要是由膠原蛋白所組成的,可作為覆蓋傷口表面的天然生物材料,膠原蛋白是一種非常重要的蛋白質,對於人體皮膚的形成具有重要的支架作用,膠原蛋白支架技術是一種仿生學應用,膠原蛋白具有很強的伸張能力,可做為臨床醫學組織再生的重要材料;多孔結構的膠原蛋白可作為「生物支架」,使依附在生物支架的細胞和組織得以一種預定的形式來生長,最終長成和人體組織極為相似的組織,這即是所謂的膠原蛋白支架技術(劉海英,2014。膠原蛋白的分子結構呈現三股螺旋,是由三條多胜肽(polypeptide)相互纏繞所組成的,三條胜肽鏈會相互纏繞成三股螺旋的膠原蛋白分子,膠原蛋白分子透過分子間的交聯(cross-linking),聚合形成纖維狀的膠原蛋白微纖維,膠原蛋白微纖維彼此間再進一步聚合成為膠原蛋白細纖維,最後聚合成膠原蛋白纖維(楊嘉慧,2019)。膠原蛋白纖維在各個階段都能發揮聚合作用,以共價鍵、氫鍵作為三條胜肽鏈形成螺旋的主要作用力,以維持特定的三維空間結構,可以提供組織一定的機械強度,也能使細胞附著生長於其間(楊嘉慧,2019因為魚皮的膠原蛋白和人體的膠原蛋白極為相似,所以能促進人體的細胞緊密地附著魚皮的膠原蛋白上生長與分化,最後長成健康的皮膚器官。

多孔性生物支架的物理特性是構成細胞微環境的重要特性,對於細胞表型和功能(如粘附、增殖、遷移、分化等)的調控扮演著重要的角色。目前,對於人工多孔性生物支架的研究仍局限於2D平面材料或具有奈米孔隙的3D水凝膠(林慧宣,2016吳郭魚皮敷料保留3D多孔性生物支架,能夠和人體細胞緊密結合促進增生、遷移與分化,含有豐富的Omega3,具有抗發炎及促進傷口癒合的特性,加上整片魚皮的天然微生物屏障,有效防止病原菌入侵

結語

很多國家的研究團隊發現,魚皮敷料不僅可以降低患者的傷口感染風險,而且成本相對低廉。在燒燙傷皮膚愈合的過程中,魚皮能舒緩燒燙傷所引發的劇烈疼痛,並能減少患者的傷口處體液、血漿和蛋白質的流失。但這是一種醫療行為,不能自行隨便處理魚皮就貼在傷口處,可能造成嚴重感染。魚皮需要專業的特殊處理才能臨床使用敷在患者的傷口處,例如:去除魚鱗、肌肉組織、毒素、潛在病源以及魚腥味後,魚皮再經過拉伸疊合後,以10厘米×20厘米的長條狀存儲在冷藏庫中,儲存時間可達兩年。這種魚皮敷料的拉伸強度與人類皮膚類似,具有柔韌性,敷貼時容易與傷口緊密貼合,治癒傷口大約需要14天。

目前在臺灣,吳郭魚的魚皮應用價值不高,但自然科教師若能對於K-12的學生教導治療燒燙傷的魚皮敷料,簡單的解釋奈米化學尺度膠原蛋白的分子結構,如何結合生物奈米概念Omega-3,就能做出治療燒燙傷的魚皮敷料,造福人類。相信能引導K-12學生對於跨領域的學習興趣,激發更多的想像和創造力。

參考資料

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附錄

根據臺灣全民健保局資料庫顯示,一般燒燙傷病患平均住院日數長達14天,平均每人醫療費用新臺幣96,000元,若是非單一燒傷處病患,治療費用更高達新臺幣29萬元。巴西醫院使用吳郭魚皮敷料治療燒燙傷病患,平均每人醫療費用折合新臺幣35,000元。

奈米課程:從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學 ∕ 陳月雲、盧秀琴

星期一 , 7, 6 月 2021 在〈奈米課程:從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學 ∕ 陳月雲、盧秀琴〉中留言功能已關閉

奈米課程:從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學

陳月雲1、盧秀琴2

新北市中和區秀山國民小學1

國立臺北教育大學自然科學教育學系2
chen7329@gmail.com1

luchowch@tea.ntue.edu.tw2 

米科技課程將於2010學年度起正式進入國民小學自然領域課程中,本研究以實徵教學方式瞭解學生學習蓮葉效應可能產生的另有概念,發現76.57%學生產生自潔效應另有概念,再奈米碳黑配合POE策略模擬蓮葉效應教學。教學後,學生較理解蓮葉效應的疏水性與自潔效應,超過61.9%學生能解釋其成因,具有蓮葉效應正確概念。研究結果顯示採用POE策略結合奈米碳黑實驗教學能提升國小學生對蓮葉效應的理解,更有助於另有概念改變,提升學習成效

n  簡介

奈米(nm)是二十一世紀最熱門的名詞,奈米科技已被公認是二十一世紀最重要的技術之一(潘文福,2004十二年國民基本教育課程綱要國民小學暨普通高級中等學校自然科學領域第三階段學習內容「INf-Ⅲ-3自然生物的特徵與原理在人類生活上的應用」中,明列「藉由觀察荷葉或芋頭上的露珠不會弄濕荷葉,蓮葉表面具有超疏水性以及自潔的特性,認識蓮花效應與奈米科技」(國家教育研究院,2020由此可知奈米科技課程進入國小自然領域課程中

蓮花表面具有出污泥不染的能力,這種不需要人工清洗,僅由天然雨水沖刷就可保持葉面清潔的能力,科學界稱為「自潔功能」,其中又以蓮花為代表,稱為蓮花效應Lotus effect(廖達山2004)。碳黑由碳元素組成,係指未完全燃燒的碳顆粒,大小介於10nm ~100nm,附著在物體表層上,會產生與蓮葉效應相類似的現象,是人類最早使用的奈米材料之一奈米碳的奧秘,2020

另有概念普遍存在於學生學習狀況影響學生的學習成效,很難經由傳統教學方法而改變,對科學教育者而言,瞭解學生的另有概念是非常重要的(Wandersee et al., 1994Palmer &
Flanagan, 1997
)。預測-觀察-解釋(PredictionObservationExplanationPOE教學策略能有效引出學生的另有概念,激發學生觀察實驗結果的真相產生認知衝突重新調適與組織,以形成新的知識體系,達成另有概念改變的目的(邱美虹,2000Liew, 1995)。本研究透過水珠在蓮葉上的觀察,分析學生學習的另有概念,再藉由POE教學策略進行奈米碳黑實驗,瞭解學生的另有概念改變情形。

n  國小學生的蓮葉效應學習情形

第一階段採用實徵教學方式,觀察水在蓮葉上的形狀、移動情形和自潔效應,瞭解學生學習的概念產生情形,活動整理如表1所示

1 蓮葉效應教學概念與活動內容


    教學後,多
學生理解疏水性」概念,知道蓮葉上的水珠呈圓形,且能在葉面上滾來滾去但對自潔作用」存有較多另有概念,認為水流過的地方,爽身粉會隨著水的滾動而被帶走,爽身粉溶於水中,所以爽身粉會在水的裡面」,分析學生的應答情形如表2

表2 實徵教學後學生於蓮葉效應的應答情形

學生的應答情形可知學生多半就直覺性的感官觀察來描述現象,致對另有概念頗多,尤其自潔效應之另有概念比例更高達72.57%探究其產生原因多半為1.將多數複雜的概念或決定步驟簡化成數個簡單旳概念或決定步驟(化約模式);2.將相關概念與階層概念的關係誤用(推理不當模式)3.將生活經驗當作正確的科學意義(經驗誤用模式);及4.將概念的定義陳述錯誤(記憶連結錯誤模式)等,如表3另有概念模式分析所示。

表3另有概念診斷測驗中學生應答之另有概念模式分析

n  奈米碳黑配合POE教學另有概念改變教學

為改變學生的另有概念,故以燭火燻在裝有水的紙杯底部,製造一層碳黑,再滴水於碳黑上之模擬蓮葉效應的奈米碳黑實驗,採用POE學策略,透過奈米碳黑與水之間的反應觀察情形,分析學生另有概念改變情形,其教學分析整理如表4所示。

4奈米碳黑配合POE教學法的另有概念改變教學分析


教學後
,學生對「爽身粉會被包覆於水中」的概念轉為「爽身粉會將水包覆,黏附在水的外面」;瞭解碳黑奈米尺寸,具有與蓮葉效應相同的效果;以及改變物質表面材質,可使原本親水性的物質轉為具有疏水性的特性,並可應用於日常生活中,如奈米磁磚、奈米布等後測成績表現上亦明顯多於教學前,其正確概念比例明顯提升,如表5所示。

表5 學生在奈米碳黑配合POE教學後的蓮葉效應成就測驗表現


n 
結論與建議

根據學生的另有概念進行另有概念改變教學,學生在科學概念上有較多的嶄獲。由於奈米尺寸過小,學生無法直接從肉眼觀察去理解水珠、爽身粉與蓮葉間交互作用的成因,僅能就表面現象去想像,形成的另有概念較多。因此提供學生模擬實驗的觀察與討論是重要的,另採用POE策略教學除可幫助學生發現自己的概念衝突外,更可使學生瞭解實驗觀察真相、學習狀況與概念轉變情形,更有助於另有概念遷移,提升學習成效

n  參考資料

廖達山、胡苓芝、潘彥宏、孫蘭芳2004奈米科技K-12教育發展系列叢書奈米科技交響曲生物篇,台北市:國立台灣大學出版中心。

潘文福2004。奈米科技融入九年一貫課程之領域主題規劃。生活科技教育月刊,372),20-25

邱美虹(2000)。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊,81-34

奈米碳的奧秘2020712國立台中教育大學科學教育與應用學系科學遊戲實驗室,網址:http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-018.html

國家教育研究院2020719教育部發布之十二年國教課綱彙整十二年國教各領域/科目課程綱要/十五、自然科學領域。網址:https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-14113,c1594-1.php

Liew, C. W. (1995). A predict-observe-explainteaching sequence for learning about students’understanding of heat and expansion of liquids. Australian
Science Teachers Journal, 41
(1), 68-71

Palmer, D. H., & Flanagan, R. B. (1997). Readiness to hange the conception that “motion-Implies-force”: A comparison of 12-year-old and 16-year-old students. Science Education, 81(3), 317–331. 

Wandersee, J. H., Mintzes, J. J., & Novak, J. D. (1994). Research on alternative conceptions in science. In D. Gabel (Ed.), Handbook of research on science teaching and learning. New York:
Macmillan.

奈米課程融入式奈米課程之設計

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

hueiying.ho@gmail.com

本文之目的是讓讀者了解我們設計融入現有K-12科學教材的奈米課程之歷程,文章包含K-12奈米科技教育、奈米科技之重要概念big ideas、以及依據各階段認知能力與教科書之科學課程設定奈米課程融入之重點。

n  K-12奈米科技教育

奈米人材培育計畫希望能透過計劃之推動,培育出至少兩類人材,其一是能夠領導或執行奈米科技之人材,其二是能夠認知奈米科技潛能並將其產業化及商業化之人材。基於此目標,所以在人材的培育向下紮根至K-12,向上則是到大專院校與研究所(李世光等人,2003。向下紮根至K-12,一開始最需要挑戰的就是K-12教師,因為大家都不認識奈米尖端科技,因此必須老師願意新收新知、接受訓練,當然也要對於教學有相當的熱情。

有了老師,若沒有教材也沒有用,因此當時的奈米人材培育計畫除了培訓種子教師之外,也辦理教案設計等相關競賽。經過多年的努力,許多優質的奈米教案被設計出來。趙毓圻等人2011Stevens等人2009提出的九項奈米尺度科學與工程重要概念big ideas,分析了20032008年中小學種子教師發展的209 份奈米實驗教材。他們發現整體中小學實驗教材的各重要概念出現頻率和相互關聯性的結構裡,以「尺寸與尺度」、「物質構造」和「尺寸效應」呈高出現頻率及高關聯性。他們建議在中小學可以將這三個概念加以連結來設計教材,或者是加以延伸。張政義2008以融入現有教學媒材之教學型態,使學生經由「認識奈米科技」、「體驗奈米科技」至「應用奈米科技」等學習階層,銜接「奈米科技K-12 教育」之學習。他認為可透過創意實驗與創意實作學習,達到促成「奈米科技」跨領域的創意學習整合分享教學成效。潘文福與周裕欽2012採德懷術研究國小36 年級適合奈米融入自然教學的核心能力與指標。他們研究發現,89%專家認為有必要將奈米融入36 年級的自然教學,50%以上認為適合奈米融入自然教學的核心能力依序為科學態度、科學技術認知、思考智能、科學應用。從以上的文獻,除了教師之因素,我們設計奈米課程需要知道奈米的重要概念亦即九項big ideas、各學習階段所能融入的重點與方式、要有讓學生動手做的創意實驗、最後是要融入哪些自然教學的核心能力。

1所示為本文作者依據這些文章所繪製的K-12奈米科技教育概念圖,圖中包含兩大區塊:教師與教學設計。其中,九項big ideas和各階段學童的認知能力作為教學設計之基礎,而創意實驗除了動手做之外,還加上了數位學習與影片學習,以因應無法在一般實驗呈現的奈米現象。而我們在設計奈米課程時,即依據這樣的邏輯進行。

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1K-12奈米教育概念圖(圖片來源:作者繪製)

 

n  奈米科技的九項Big ideas

奈米科技的九項big ideas彼此之間是互相有關聯的,但仍可依概念之差異來區分。本文作者參考趙毓圻等人(2011)的說明,重新詮釋九項big ideas之內涵:

一、尺寸與尺度size & scale

尺寸是指物體的大小長、寬、高、直徑、,尺度則為尺寸在數量級上的差異,例如:天文尺度AU天文單位、光年、毫米尺度clip_image004 m、微米尺度clip_image006 m、以及奈米尺度clip_image008 m

二、物質的構造structure of matter

物質的構造泛指其組成份子之排列方式,例如:原子排列、分子排列、介質週期性排列,常見的教學內容為巴克球、奈米碳管、光子晶體。

三、尺寸效應size effect

指物質的尺寸在不同尺度範圍,伴隨有性質上的變化,例如:燃點的變化鐵無法燃燒,但奈米鐵粉只要自由落下,即可因摩擦生熱而燃燒、顏色變化奈米金不是金色,它的顏色隨直徑而變化、反應速率變化將蘿蔔切碎,比表面積會增加,因此提高與雙氧水的反應速率

四、力與交互作用force & interactions

形成交互作用時,必有力的存在。例如:形成各種鍵結的庫侖作用力、造成壁虎效應的凡德瓦力、造成蓮葉效應的表面張力表面能

五、量子效應quantum effect

粒子的波粒二重性所造成的各種現象,例如金屬能帶結構、穿隧效應、電子繞射。

六、自組裝self-assembly

物質可以自己排列成規則性結構,這規則性結構與物質所在環境有關。例如:結晶、DNA複製、粒子排列2

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2:直徑20微米塑膠球的自組裝(拍攝者:林威延和湯雅慧)(圖片來源:何慧瑩、盧秀琴,2016

七、工具與儀器tools & instrumentation

    工具與儀器幫助科學家研究,例如:近場顯微鏡SNOM、原子力顯微鏡AFM、穿隧電子顯微鏡TEM、掃描電子顯微鏡SEM等。若沒有工具與儀器的發展,許多奈米尺度的現象是無法被研究與觀察的。

八、模型與模擬models & simulations

    所有的研究與觀察。都需要透過實體模型或理論模型來建構出其樣貌,透過模擬可以進行推論,例如利用電腦可模擬光子晶體結構對的光線傳播的影響。

九、奈米科技與社會nanotechnology & society

    奈米科技對社會的影響,包含正面與負面影響之評估,例如奈米科技對人類生活的衝擊、奈米粒子對環境的影響。

n  發展K-12融入式奈米課程

推廣K-12奈米教育,對教師而言,最困難之處在於教材設計,若能直接融入各學習階段的科學課程,對教師授課而言,可大幅降低教學進度的壓力,因此,我們選擇發展融入式奈米課程。以下是我們設計融入式奈米課程的四個步驟:

一、分析K-12認知能力範圍內之素材概念

    一開始,我們必須先釐清奈米素材在K-12認知能力範圍內所包含的概念,以避免設計教材時,超出學生認知能力範圍太多。分析的內容主要包含兩部分:(1)生活上常見的奈米現象;(2)有關聯的big ideas及其相關知識內容。

    以蓮葉效應為例3,生活上常見的蓮葉效應現象有蝴蝶翅膀和蓮葉表面的自潔效應,這是因為奈米結構引起的超疏水性;與蓮葉效應有關的big ideas包含尺寸與尺度、尺寸效應、力與交互作用、以及奈米科技與社會,對應這些big ideas的知識內容,我們也一一寫入概念圖中,最後以「四力平衡系統」作為總結。

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3:蓮葉效應概念分析圖(圖片來源:作者繪製)

    我們再以光子晶體為例4,蝴蝶翅膀和光碟片為生活上常見具有光子晶體現象的昆蟲與物品,以不同視角觀看蝴蝶翅膀和光碟片時,會看到不同的顏色,這是因為光子晶體對色光的反射行為與色光頻率有關;光子晶體包含的big ideas有尺寸與尺度、物質的結構、尺寸效應、自組裝、以及奈米科技與社會,我們把對應這些big ideas的重點寫入概念圖中,最後以「光的能帶結構及其衍生之現象」作為總結。雖然光子晶體最重要的發現是光的能帶結構和負折射率,然而基於超出K-12階段認知能力太多,我們必須捨棄,因此雖然在圖4的總結中出現能帶結構這名詞,但設計教材時會著重在其衍生的現象。 

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4:光子晶體概念分析圖(圖片來源:作者繪製)

二、分析素材概念可融入各階段科學課程的奈米科技重點

    我們依據素材概念分析圖,尋找各學習階段科學教科書中與該素材相關的教學內容,然後依據各學習階段之認知能力,分析可融入科學課程的奈米科技重點。

    以蓮葉效應為例(表1),幼稚園至小二階段為感覺動作期,此階段以體驗和認識蓮葉效應為主。國小中、高年級為具體運思期,我們可透過具體操作讓他們了解蓮葉效應和毛細現象的特徵有何相同之處,並思考在生活中的應用。國中和高中階段為形式運思期,此階段學生可進行抽象思考,因此可讓國中學生了解蓮葉效應與力平衡有關,而高中學生則可分析毛細現象和蓮葉效應與表面張力的關係。

1蓮葉效應可融入各階段科學課程的奈米科技重點


階段

 


教科書之科學課程

 


奈米科技融入科學課程之重點

 


幼稚園至小二

 


 

 


認識自然界中具有蓮葉效應的植物。

 


國小中、高年級

 


毛細現象

 


認識自然界中的蓮葉效應及其可在生活中進行的應用。

 


國中

 


力的合成與力平衡

 


探究毛細現象和蓮葉效應之力平衡現象。

 


高中

 


表面張力與表面能

 


理解毛細現象和蓮葉效應都與表面張力有關。

 

    再以光子晶體為例(表2),幼稚園至小二階段以體驗和認識光子晶體現象為主。國小中、高年級可透過具體操作讓他們了解週期性結構是光子晶體的特徵,並思考在生活中的應用。國中學生可經由操作和教師解說,了解光子晶體現象的週期性結構是奈米結構。高中學生可從觀察到不同的光子晶體現象,進而推論奈米結構週期尺寸差異為何。

2:光子晶體可融入各階段科學課程的奈米科技重點


教科書之科學課程

 


奈米科技融入科學課程之重點

 


幼稚園至小二

 


 

 


認識具有光子晶體的生物或物品。

 


國小中、高年級

 


光的反射、折射、彩虹、彩色電視

 


察覺材料尺寸趨於奈米尺度時性質會發生改變,並認識其在自然界的現象和奈米科技中的應用(如彩蝶效應)

 


國中

 


光的三原色(RGB)

 


認識彩蝶效應是由於週期性奈米結構所造成。

 


高中

 


單狹縫繞射、雙狹縫干涉、光柵

 


理解光子晶體是特殊週期排列的奈米結構,隨著結構的週期尺寸不同,觀察到的現象會有差異,為彩蝶效應形成之原因。

 

三、設計創意動手做實驗

    依據素材概念分析圖(圖3和圖4)和奈米科技融入科學課程之重點(表1和表2),思考如何有創意地讓該奈米現象透過動手做實驗呈現出。詳細的創意實驗設計過程,請參閱〈「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計〉和〈「光子晶體」高中奈米課程設計〉兩篇刊載於本期之文章。

四、撰寫教案

    最後,搭配科學課程設計完整的融入式奈米教案。詳細的教案設計,請參閱《高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊》(何慧瑩、盧秀琴,2014)和《國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊》(何慧瑩、盧秀琴,2016)兩本書籍。

n  結語

發展新興科技的課程不是一件容易的事,因為教師自己得先了解這些新興科技背後的原理,分析其概念,才能進行教學設計。然而了解這些新興科技的原理對教師而言,本身就是一件相當不容易的事。我自己相當佩服在計畫推行初期,即投入這艱難工作的種子教師們,在此向他們致上最高的敬意!

n  參考資料

何慧瑩、盧秀琴2014高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-1582-7)

何慧瑩、盧秀琴2016國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN978-986-04-5286-0)

李世光、吳政忠、蔡雅雯、林宜靜、黃圓婷(2003)。奈米科技人才培育計畫之推動規劃與展望:從K-12奈米人才培育試行計劃談起。物理雙月刊,25(3)435-443。取自https://www.ps-taiwan.org/bimonth2/download.php?d=1&cpid=131&did=9

張政義(2008)。奈米科技融入國小自然與生活科技課程之教學研究。物理教育學刊,9(1)109-122

趙毓圻、熊召弟、于曉平(2011)。臺灣中小學奈米科技實驗教材之內容分析。教育科學研究期刊,56(4)1-42

潘文福、周裕欽(2012)。奈米科技融入國小3-6 年級自然與生活科技課程核心能力與指標之研究-奈米專家觀點。物理教育學刊,13(2)77-102

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