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Chemistry Education in Taiwan綠色化學:新式TDESs之研發並應用於戰略金屬回收(上) ／ 陳俊佑、劉欣恩
星期四 , 5, 3 月 2020 本期專題, 第三十六期/2020年3月 在〈綠色化學:新式TDESs之研發並應用於戰略金屬回收(上) ／ 陳俊佑、劉欣恩〉中留言功能已關閉綠色化學:新式TDESs之研發並應用於戰略金屬回收(上)
陳俊佑、劉欣恩
國立臺南女子高級中學
n 簡介
近年來由於電子產業的興起，廢棄鋰離子電池以及ITO面板數量龐大，其中的鋰鈷氧化物 (lithium cobalt(III) oxide，LiCoO2)以及氧化銦錫 (indium tin oxide，ITO)以目前工業上的回收方式，皆需經過浸泡強酸等步驟，對人體以及環境都造成很大的傷害，因此本研究嘗試研發能將鋰鈷氧化物以及氧化銦錫溶解的溶劑，將金屬鹽類溶於其中後，以電沉積的方式將金屬回收，期望透過沉積出高純度的金屬鍍層，在降低對環境傷害的同時，亦可改善貴重金回收之效益。
離子液體 (ionic liquids，ILs)廣泛應用於電鍍、電拋光、廢棄金屬回收和萃取等電化學相關領域上，深共熔溶劑 (deep eutectic solvents，DESs)通常視為離子液體的一種，其低蒸氣壓、高熱穩定性、高導電度等特性與離子液體相似，但不同於離子液體單純由離子所組成，深共熔溶劑的組成包含了分子與離子，且其與離子液體相比毒性較低、熔點較低、成本較低且較容易製備[1][4]。
我們發現在諸多文獻中，深共熔溶劑通常僅以一組陽離子與一組陰離子共熔所組成，由於雙混的DESs無論在性質或應用方面，皆已經過長時間的研究，較難再有突破。因此本研究嘗試跳脫框架，以深共熔溶劑Type Ⅲ (鹵素鹽類+氫鍵予體)為組成架構，發想將兩種容易取得且能被生物降解的氫鍵予體 (hydrogen-bond donors，HBDs)與氯化膽鹼 (choline chloride，ChCl)組合，希望透過結合不同HBDs的性質，製備出黏度更低、電位窗更廣且不僅成本低廉又結合環保的深共熔溶劑，並將其應用於對環境不友善的重金屬化合物之電沉積。
n 深共熔溶劑概述[1][3][4]
深共熔溶劑 (deep eutectic solvents，DESs)通常視為離子液體 (ionic liquids，ILs)的一種，但不同於離子液體單純由離子所組成，由於深共熔溶劑是由路易士或布忍斯特酸/鹼所帶有的陰、陽離子組成的共熔混和物，其組成包含了離子與分子。離子液體具低蒸氣壓、低熔點、非可燃性等特點，而深共熔溶劑與其相比更具有了容易製備、低毒性、低成本、易取得的優點。
深共熔溶劑的通式能以Cat+ X- z Y表示，其組成包含了陽離子 (Cat+，如ammonium、phosphonium及sulfonium等)，和由路易士鹼 (X-，通常為鹵素陰離子)及路易士或布忍斯特酸 (Y)所形成之陰離子錯合物(X- z Y)，其中z則為Y上與X-所結合的分子數。
深共熔溶劑主要分為四大種類，如表 1所示，而本研究選用Type III為組成架構，製備深共熔溶劑。Type III的主要組成包含鹵素鹽類與氫鍵予體 (hydrogen-bond donor，HBD)，而HBD的種類可以是amides、carboxylic acid、alcohol等試劑，圖 1為組成此類型DESs的鹵素鹽類與氫鍵予體種類。Type III的深共熔溶劑之電位窗雖較離子液體狹窄，但也足夠應用在許多金屬的電沉積上，並且能運用在合成纖維素及其衍生物、移除生物柴油中的甘油成分等方面。而其特點更有將多種過渡金屬鹵/氧化物溶劑化的能力，且其對水及空氣反應性低、成本低、容易製備，再加上可以被生物降解，不會危害環境。
表 1. 四種類型之深共熔溶劑的通式。
Type
|
General formula
|
Terms
|
Type I
|
Cat+X-zMClx
|
M = Zn, Sn, Al, In
|
Type II
|
Cat+X-zMClx．yH2O
|
M = Cr, Co, Cu, Ni
|
Type III
|
Cat+X-Zrz
|
Z = CONH2, COOH, OH
|
Type IV
|
MClx + RZ = MClx-1+．RZ + MClx+1
|
M = Al, Zn,
Z = CONH2, OH
|
圖1. 組成Type III深共熔溶劑中鹵素鹽類與氫鍵予體的種類
n 器材與藥品
一、藥品：
氯化膽鹼 (choline chloride，ChCl)、尿素 (urea)、甘油 (glycerol)、乳酸 (lactic acid)、鋰鈷氧化物 (lithium cobalt(III) oxide，LiCoO2)、硝酸 (nitric acid)、丙酮 (acetone)、酒精 (ethanol)。
二、儀器、設備：
玻璃碳電極 (glassy carbon，GC)、白金電極 (platinum，Pt)、銅片 (copper foil)、碳棒 (carbon electrode)、ITO玻璃、加熱攪拌器(stirring hot plate)、數位式溫度計 (digital thermometer)、直流電源供應器(DC power supply)、奧士瓦黏度計 (ostwald viscometer)、恆溫槽 (constant temperature bath)、循環伏安儀 (cyclic voltammetry，CV)、紫外/可見分光光度計(Ultraviolet–visible spectroscopy，UV/Vis)、掃描式電子顯微鏡 (scanning electrode microscopy，SEM)、能量分散光譜儀(energy dispersive X-ray spectrometer，EDS)。
三、裝置：
(一) 電極前處理
1. 浸泡丙酮溶液，以超音波震盪器震盪15分鐘，去除表面多餘油脂。
2. 浸泡濃度為2 M的硝酸，以超音破震盪器震盪約5分鐘，去除表面氧化物。
3. 最後浸泡於二次去離子水，以超音波震盪器震盪 15分鐘洗淨。
(二) 循環伏安法 (cyclic voltammetry, CV)
1. 工作電極 (working electrode，WE)：玻璃碳電極(glassy carbon，GC)
2. 輔助電極 (counter electrode，CE)：白金電極 (platinum，Pt)
3. 參考電極 (reference electrode，RE)：白金電極 (platinum，Pt)
(三) 電沉積
1. 陽極：碳棒 (carbon electrode)
2. 陰極：銅片 (copper foil)
圖2. CV裝置圖 圖3. 電沉積電極連接圖
n 研究方法與步驟
一、研發新式TDESs
(一) 研發TDESs
1. 在尿素 (urea)、甘油 (glycerol)、乳酸 (lactic acid)三項氫鍵予體 (hydrogen-bond donor，HBD)中，取兩種與氯化膽鹼(choline chloride，ChCl)混合。
2. 以加熱攪拌器加熱攪拌，使其共熔。
(二) 測量TDESs的電位窗及黏度
1. 以循環伏安法 (cyclic voltammetry，CV) 測定TDESs的電位窗(electrochemical window，EW)。
2. 使用奧士瓦黏度計測定TDESs的黏度。
3. 以水作為標準液。
4. 帶入公式。
5. 篩選適合應用於電沉積的TDES。
(一) 將金屬鹽類溶於TDES中
1. 溶解LiCoO2。
2. 溶解ITO。
(二) 以電沉積方式回收金屬
1. 將銅片及碳棒分別接於直流電源供應器之陰陽兩極。
2. 在定溫368.15 K之加熱板上將兩極放入溶有金屬鹽類的TDES中。
3. 分別以4.0 V、6.0 V、8.0 V三種電壓進行定電壓電鍍30分鐘。
4. 將銅片放入熱水中分別浸泡30秒及5分鐘，再放入酒精內分別浸泡20分鐘及10分鐘，最後放入定溫373.15 K的烘箱內30分鐘。
(三) 測定鍍層形貌及成分
1. 將銅片放入手套箱中抽真空6小時以上。
2. 以掃描式電子顯微鏡 (SEM)觀察鍍層表面形貌。
3. 以SEM上搭載的能量分散光譜儀 (EDS)進行形貌觀測及元素分析。
4. 分析不同電位對鍍層形貌及成分的影響。
(一) 嘗試將LiCoO2以及ITO溶入DES中
1. ChCl+ urea(1:2) (Abbreviation：ChCl-U)
2. ChCl+glycerol (1:2) (Abbreviation：ChCl-G)
3. ChCl+lactic acid (1:2) (Abbreviation：ChCl-LA)
(二) 比較DES與TDES，分析優劣
n 實驗結果與討論
(一) 實驗結果
1. 研發TDESs
Halide Salts
(mol equiv)
|
HBD 1
(mol equiv)
|
HBD 2
(mol equiv)
|
Abbreviation
|
ChCl (1)
|
Glycerol (1)
|
Urea (1)
|
ChCl-G-U (1)
|
ChCl (1)
|
Glycerol
|
Urea (1.5)
|
ChCl-G-U (2)
|
ChCl (1)
|
Glycerol (1.5)
|
Urea (0.5)
|
ChCl-G-U (3)
|
ChCl (1)
|
Glycerol (1)
|
Lactic acid
|
ChCl-G-LA (1)
|
ChCl (1)
|
Glycerol (0.5)
|
Lactic acid (1.5)
|
ChCl-G-LA (2)
|
ChCl (1)
|
Glycerol
|
Lactic acid
|
ChCl-G-LA (3)
|
ChCl (1)
|
Urea (1)
|
Lactic acid (1)
|
ChCl-U-LA (1)
|
ChCl (1)
|
Urea (0.5)
|
Lactic acid
|
ChCl-U-LA (2)
|
ChCl (1)
|
Urea (1.5)
|
Lactic acid (0.5)
|
ChCl-U-LA (3)
|
2. 測量TDESs的電位窗及黏度
(1) 電位窗
(2) 黏度
TDES
|
Density
|
Temperature (K)
|
Time (sec)
|
Viscosity(cP)
|
Water
|
1
|
298.15
|
7.2
|
0.8937
|
313.15
|
6.4
|
0.6527
|
||
328.15
|
4.9
|
0.5036
|
||
ChCl-G-U (1)
|
1.1438
|
298.15
|
1078.7
|
153.1475
|
313.15
|
513.8
|
59.9346
|
||
328.15
|
209.5
|
24.6277
|
||
ChCl-G-U (2)
|
1.1845
|
298.15
|
1385.7
|
204.5547
|
313.15
|
624.8
|
75.4761
|
||
328.15
|
296.4
|
36.0830
|
||
ChCl-G-U (3)
|
1.1659
|
298.15
|
1012.3
|
147.0875
|
313.15
|
453.8
|
53.9584
|
||
328.15
|
197.5
|
23.6656
|
||
ChCl-G-LA (1)
|
1.1762
|
298.15
|
838.9
|
122.4759
|
313.15
|
352.4
|
42.2717
|
||
328.15
|
164.6
|
19.8976
|
||
ChCl-G-LA (2)
|
1.1965
|
298.15
|
764.2
|
113.9527
|
313.15
|
319.4
|
38.9746
|
||
328.15
|
122.7
|
15.0885
|
||
ChCl-G-LA (3)
|
1.1647
|
298.15
|
985.6
|
143.0606
|
313.15
|
394.7
|
46.8829
|
||
328.15
|
187.9
|
22.4921
|
||
ChCl-U-LA (1)
|
1.0986
|
298.15
|
1092.5
|
148.9773
|
313.15
|
465.8
|
52.1882
|
||
328.15
|
196.4
|
22.1753
|
||
ChCl-U-LA (2)
|
1.1568
|
298.15
|
994.1
|
143.3156
|
313.15
|
438.9
|
51.7795
|
||
328.15
|
186.2
|
22.1347
|
||
ChCl-U-LA (3)
|
1.1495
|
298.15
|
1229.4
|
176.1195
|
313.15
|
486.9
|
57.0798
|
||
328.15
|
284.5
|
33.6109 |
(3) 綜合比較
TDES
|
Electrochemical window (V)
|
RT-Viscosity(cP)
|
ChCl-G-U (1)
|
-2.15~+1.78，3.93
|
153.1475
|
ChCl-G-U (2)
|
-1.97~+1.27，3.24
|
204.5547
|
ChCl-G-U (3)
|
-1.90~+1.16，3.06
|
147.0875
|
ChCl-G-LA (1)
|
-1.70~+1.05，2.75
|
122.4759
|
ChCl-G-LA (2)
|
-1.74~+0.91，2.65
|
113.9527
|
ChCl-G-LA (3)
|
-1.71~+1.11，2.82
|
143.0606
|
ChCl-U-LA (1)
|
-1.83~+0.84，2.67
|
148.9773
|
ChCl-U-LA (2)
|
-2.25~+0.82，3.07
|
143.3156
|
ChCl-U-LA (3)
|
-2.00~+0.81，2.81
|
176.1195
|
(二) 結果討論
1. 經由實驗發現，三聚氰胺無法與ChCl共熔，因此不適合應用於此系統的TDES中。而葡萄糖及聚丙烯酸雖可成功與ChCl共熔，但由於葡萄糖本身熱穩定性較差，在368.15 K的溫度下超過3小時即變質，未來應用在電沉積時會是很大的阻礙。而三聚氰胺為聚合物，分子量大，難以掌握。因此經過篩選後，認為甘油、尿素、乳酸三者最適合做為HBDs製備TDESs。
2. 觀察圖 4~6，比較不同成分的TDESs，可知同比例時，大致上為ChCl-G-U的電位窗最大，ChCl-G-LA次之，而ChCl-U-LA最小，推測甘油比例的提高，能有效使電位窗更加寬廣。
3. 比較表 3中九種不同成分、比例之TDESs，可知乳酸的比例越高，TDESs的黏度越低，尿素比例愈高，TDESs黏度愈高，因此在同溫度下，ChCl-G-LA (2)的黏度最低，ChCl-G-LA (1)次之，黏度最高的則是ChCl-G-U (2)。
4. 將傳統雙混中最常使用的DES:由氯化膽鹼及尿素以1:2的比例共熔而成之ChCl-U，與研發出之TDESs相比，發現電位窗較ChCl-U的2.45 V相比，大了1.48 V，且室溫黏度的部分，TDES的113.95 cP約為ChCl-U的750 cP的1/7，這兩個評估DESs價值之性質的改善，實為三混深共熔溶劑的突破。
5. 將三大系統的TDESs的黏度及電位窗綜合比較，發現雖然ChCl-G-U系統的電位窗最大，但黏度卻最高，而ChCl-G-LA的電位窗位居第二，其黏度卻是三者之中最低的，ChCl-U-LA則電位窗最小，黏度也稍高，因此我們推測ChCl-G-LA系列的TDESs最適合應用於電沉積，ChCl-G-U次之，而ChCl-U-LA則較不適合應用於此領域。
♦綠色化學:新式TDESs之研發並應用於戰略金屬回收(下)
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國立臺南女子高級中學
(一) 回收鈷金屬(cobalt，Co)
1. 實驗結果
(1) 溶解LiCoO2於TDES中
圖7.50 mm之LiCoO2在368.15 K下溶於ChCl-G-LA(1)中的CV圖。
(2) 以電沉積方式回收鈷金屬
表5. LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積回收率(基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，溫度368.15K，時間30minutes，攪拌)
電位 |
4.0 V |
6.0 V |
8.0 V |
鍍層重量 (g) |
0.0006 |
0.0010 |
0.0008 |
鈷金屬回收率 (%) |
6.82 |
11.37 |
9.09 |
表6. LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積回收率(基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，溫度313.15K，時間30minutes，攪拌)
電位 |
4.0 V |
6.0 V |
8.0 V |
鍍層重量 (g) |
0.0001 |
0.0004 |
0.0002 |
鈷回收率 (%) |
0.34 |
4.25 |
1.86 |
(3) 測定鍍層形貌及成分
圖8. LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積鍍層SEM圖(電位分別為(a)4.0 V、(b)6.0 V、(c)8.0 V。基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，溫度368.15K，時間30minutes，攪拌)
圖9. LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積鍍層SEM圖(電位分別為(a)4.0 V、(b)6.0 V、(c)8.0 V。基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，溫度313.15K，時間30minutes，攪拌)
(a)
(b)
(c)
圖10. LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1) 中的定電位沉積鍍層元素分析圖譜(電位分別為(a)4.0 V、(b)6.0 V、(c)8.0 V。基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，溫度368.15K，時間30minutes，攪拌)
(a)
(b)
(c)
圖11. LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1) 中的定電位沉積鍍層元素分析圖譜(電位分別為(a)4.0 V、(b)6.0 V、(c)8.0 V。基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，溫度313.15K，時間30minutes，攪拌)
表7.LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積鍍層元素分析結果(基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，時間30minutes，攪拌)
Temperature |
Potential |
Co |
O |
K |
E (V) |
at % |
at % |
368.15 |
4.0 |
100.0 |
0.0 |
368.15 |
6.0 |
100.0 |
0.0 |
368.15 |
8.0 |
100.0 |
0.0 |
313.15 |
4.0 |
10.2 |
89.8 |
313.15 |
6.0 |
79.8 |
20.2 |
313.15 |
8.0 |
55.0 |
45.0 |
2. 結果討論
(1) 由實驗得知，LiCoO2在ChCl-G-LA
(1)中的溶解度最好，且在313.15K的溫度下仍不會析出，因此無論在368.15K或313.15K下，均可進行電沉積。
(2) 由圖7的CV圖看到，鈷金屬於-1.6V附近出現訊號交叉，是因為成核效應，需要額外過電位，才能使鈷還原，然而鈷大量還原之後，因不再需要額外的過電位，所以CV折返時在較正的電位也能還原出鈷才出現交叉的情況[2]。而鈷的還原電位雖然落在ChCl-G-LA(1)電位窗的尾巴，但仍在電位窗範圍內，推測可以透過電沉積方式回收鈷金屬。
(3) 由表5、6可看出在兩種溫度下，電位為6.0V時，回收率皆最高，且可達到11.37%。而在313.15K的溫度下沉積而得的鍍層重量較輕。
(4) 由圖8、9的SEM圖可以發現，在368.15K的溫度下，電位越小，鍍層的顆粒越小，且排列越緊密。而在313.15K的溫度下，鍍層顆粒普遍較小，且鍍層顆粒附著力較差，導致鍍層剝落，使得基材裸露的情況較為嚴重。
(5) 圖10、11及表7顯示，在368.15K的溫度下進行電沉積所得之鍍層成分為100%之純鈷金屬，成功達到回收鈷金屬之效益。而在313.15K的溫度下，氧的比例較高，推測是溫度低時TDES的黏度較高，鈷離子不容易擴散到陰極進行還原反應，故部分鈷離子以鈷的氧化物存在，而我們另外在333.15K的溫度下，以6.0V進行電沉積，得到鍍層分析結果如下表，鈷的比例為83.8%，介於368.15K及313.15K之間，由此證明同電壓下，鍍層中鈷的純度會隨著溫度降低而下降。
表8.LiCoO2溶於ChCl-G-LA (1)中，電壓為6.0V的定電位沉積鍍層元素分析結果(基材Cu foil，溶質濃度50mm，電解液重量3g，時間30minutes，攪拌)
Temperature |
Co |
O |
K |
at % |
at % |
368.15 |
100.0 |
0.0 |
333.15 |
83.8 |
16.2 |
313.15 |
79.8 |
20.2 |
(二) 回收銦金屬(indium，In)與錫金屬(tin，Sn)
1. 實驗結果
表9.面積9 cm2的ITO玻璃在368.15K下浸泡於ChCl-G-LA(1)中不同時間取出後的ITO玻璃電阻值。
時間 (seconds) |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
電阻值 (Ω) |
160 |
180 |
460 |
3800 |
不導電 |
圖12.面積9cm2的ITO玻璃在368.15K下浸泡於ChCl-G-LA(1)中不同時間後取出的TDES吸光值。
(2) 測定鍍層形貌及成分
圖13. ITO溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積鍍層SEM 圖(電位分別為(a) 4.0 V、(b) 6.0 V、(c) 8.0 V。基材 Cu foil，ITO面積27 cm2，電解液重量3 g，溫度368.15 K，時間30 minutes，攪拌)
(a)
(b)
(c)
圖14. ITO溶於ChCl-G-LA (1)中的定電位沉積鍍層元素分析圖譜，電位分別為(a) 4.0 V、(b) 6.0 V、(c) 8.0V。基材 Cu foil，ITO面積27 cm2，電解液重量3 g，溫度368.15 K，時間30minutes，攪拌。
表10.ITO溶於ChCl-G-LA(1) 中的定電位沉積鍍層元素分析結果，電位分別為(a)4.0 V、(b)6.0 V、(c)8.0 V(基材Cu foil，ITO面積27 cm2，電解液重量3g，溫度368.15K，時間30minutes，攪拌)
Potential |
In |
Sn |
O |
E (V) |
at % |
at % |
at % |
4.0 |
100.0 |
0.0 |
0 |
6.0 |
100.0 |
0.0 |
0 |
8.0 |
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2. 結果討論
(1) 由實驗得知，ITO在ChCl-G-LA(1)中的溶解速度最快，且能在313.15K的溫度下溶解，因此可在上述兩溫度下進行電沉積。
(2) 由於ITO玻璃上的氧化銦錫薄膜含量過少，因此在進行CV實驗時幾乎沒有訊號。
(3) 由表9及圖12可看出，浸泡於TDES時間越長，ITO玻璃上的氧化銦錫溶入TDES中就越多，使玻璃的電阻值越來越高，而吸光值的提高也能呼應此結果，且面積9 cm2的ITO玻璃只需50秒即可完全溶解。
(4) 觀察圖13的SEM圖可以看出，在368.15K的溫度下，電位越大，鍍層的顆粒越大，且排列越緊密。
(5) 圖14及表10顯示，鍍層成分為100%之純銦金屬，而因ITO本身成分中，錫所佔比例很少，推測是比例太低，導致EDS無法偵測出錫的比例，但以回收的角度而言，我們成功的將玻璃上的ITO玻璃，也能回收純銦金屬再利用。
(一) 嘗試將LiCoO2以及ITO溶入傳統雙混DES中經實驗發現，LiCoO2以及ITO皆只溶於ChCl-LA中，而無法溶解於ChCl-U以及ChCl-G。
(二) 比較DES與TDES，分析優劣ChCl-LA及ChCl-G-LA(1)皆能溶解LiCoO2和ITO，但LiCoO2溶解於ChCl-LA後隔48小時就會出現氯化膽鹼析出的狀況，推測是乳酸與LiCoO2間的作用力破壞乳酸與ChCl間的氫鍵，導致此現象的產生，ChCl-G-LA(1)則不會有上述的問題。而ITO在ChCl-LA中溶解需約65秒，與ChCl-G-LA(1)相比，時間稍長。且ChCl-G-LA(1)中加入了甘油，電位窗較ChCl-LA寬廣，因此更適合應用於電沉積。
- 結論與應用
(一) 本計畫研發出之TDESs與傳統DES相比，ChCl-G-U(1)的電位窗較其寬廣1.48V，而ChCl-G-LA(2)的黏度為傳統DES的1/7，由此可知研發出之TDESs有顯著的突破。
(二) 將ChCl-G-LA(1)應用於LiCoO2的回收，在368.15K的溫度下，可以電沉積方式回收100%的純鈷金屬，且回收率高達11.37%。
(三) ITO在368.15K下，只需50秒即可完全溶解於ChCl-G-LA(1)中，且其亦可在室溫下溶解，並能以電沉積方式回收得到100%的純銦金屬。
(一) 深共熔溶劑除電沉積外，還可應用於鋰離子電池、敏化太陽能電池、奈米科技、氣體吸附等領域，而本計畫研發出之TDESs成本低廉，且可被生物降解，因此未來可嘗試使用於其他領域，以期有更顯著的突破及應用。
(二) LiCoO2為廢棄鋰離子電池中的成分，過去的回收方式須經過純化、過濾、除水等步驟，且操作溫度高達1173.15K，與本研究的回收方式相比，較耗能且麻煩[5]。且鈷為戰略金屬，因此本計畫以電沉積方式將LiCoO2中的鈷金屬回收，在降低廢棄電池對環境造成的傷害外，還可將得到之純鈷金屬加以應用於工業。
(三) ITO為導電玻璃上之薄膜，常用於製作手機、平板等的觸控螢幕或有機發光二極體、太陽能電池、電漿顯示器等產品，過去多浸泡鹽酸、硫酸或硝酸等強酸將氧化銦錫從玻璃上溶解，但溶解速率緩慢，需要約6小時才能完全溶解[6]，過程麻煩，對環境也會造成危害，且有研究顯示，長期暴露在ITO的製造及回收環境下，患肺病的機率明顯高於未接觸者[7]，而本研究研發出的TDES能快速溶解氧化銦錫，本身亦具低蒸氣壓的特性，且能被生物降解，對環境集體皆較傳統回收方式友善許多。而銦價格昂貴，被許多國家視為戰略金屬，本計畫回收ITO並以電沉積方式得到純銦金屬，能使ITO循環使用，降低在工業上所需的成本。
- 參加心得
從最初科教館的青少年科學人才培育計畫、臺灣國際科展到參加綠色化學創意競賽，每一個過程，都記錄著研究歷程留下的足跡，詳細刻畫了作品從最初概略的想法，發展到完整研究的點點滴滴。在研究過程中，一次次實驗的失敗，提升了我的挫折容忍度，面對實驗結果，無數個「為什麼」，累積了文獻閱讀及自主學習的能力。另外也增進了報告書撰寫、PPT及海報製作、口頭報告等技巧。此經歷讓我能深入了解研究領域，懷抱著對化學的熱愛以及動手做實驗的熱忱，在未來的學習路上會持續投身化學，期盼所學能促進社會及化學領域的發展。
最後，感謝所有評審教授的指點，您們的建議是使我的作品更完整的關鍵。也謝謝成大實驗室學長姊在儀器使用上的指導，更要感謝指導老師陳俊佑老師、指導教授孫亦文教授的諄諄教誨以及陪伴鼓勵，使作品和我能夠成長茁壯。
- 參考文獻
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[7] T Hamaguchi, K Omae, T Takebayashi, Y Kikuchi, N Yoshioka, Y Nishiwaki, A Tanaka, M Hirata, O Taguchi, T
Chonan，2007，Exposure to hardly soluble indium compounds in ITO production and recycling plants is a new risk for interstitial lung damage，Occup Environ Med
週期表教學的why, what與how ／ 鄭志鵬
星期二 , 3, 3 月 2020 化學課程與教學, 第三十六期/2020年3月 在〈週期表教學的why, what與how ／ 鄭志鵬〉中留言功能已關閉週期表教學的why,what與how
鄭志鵬
臺北市龍山國中
■ 前言
週期表的課程屬於國中八年級上學期第六章的「元素與週期表」單元。許多學生甚至老師，會認為此課程就是把元素的性質和週期表背起來，許多人也常會認為週期表在科學上的扮演的角色，只是許多資料的整理與累積而已。
但與大多數學生的認知相反的是，週期表課程中最重要的並不是內容的記憶，而是察覺元素之間有規律性和週期性。108課綱中也揭示了這一點。
週期表不但彙整了元素的性質，更重要的科學家們因此察覺了看似無關的元素之間有許多相關之處，暗示了不同的元素內部必然有相關的組成要素。週期表甚至可以說是原子內部結構的外顯徵象。教學上，先認識各自獨立的元素性質，再探究元素之間隱約存在的規律性，最後再認識原子內部結構，揭開元素的秘密。
以往在元素規律性的教學，教師多用講述的方式告訴學生最後的結果，也就是週期表。對多數學生來說，只會覺得這是一個無意義的背誦，無法體會週期表的意義與重要性。如果可以讓學生體會週期表的科學意義，我認為是比起單純的背誦更有價值的學習。
為了要達成這個目標，筆者設計了三十五張有元素性質的卡牌為教具，讓學生試著站在十九世紀化學家的角度去閱讀元素資料，並嘗試對元素進行分類整理、找出規律性與週期性，並了解德培萊納與門得列夫門得列夫的觀點，和他們一樣試著整理紊亂的資料，從中發現規則與模式。同時，亦期待學生透過該活動可以瞭解，若我們可以利用建立的模式發現未知的事物，該模式就具有更高的價值。
筆者希望藉由這個教育和課程，讓週期表的學習能夠切中科學的核心價值。將週期表的課程從單純的記憶與工具，提升到對自然現象的觀察、歸納、思考與預測。讓學生能感受在看似紊亂的自然現象中，理出規則，豁然開朗看見一條道路的樂趣。
■ 週期表教學的what與why
「週期表」是中學科學課程中，一個重要的單元。它在科學史上是一個困難的、重要的發現（或發明）。在人類探索自然界，累積了許多對於元素的概念之後，開始有一群人感覺的這些元素之間似乎有一些什麼規律性。經過了一段時間的努力，許多科學家，像是德培萊納、邁耶爾、門得列夫等人投注了甚至是畢生的精力之後，終於找出了元素具有週期性與規律性。
為什麼週期表很重要？因為它帶領著物質科學，從將物質純化與認識性質和其反應特性的科學，轉化揭示了這些不同元素並不是單純的「不同」，而是這些不同的元素背後，其實一定有某種因素在支配著，使其能遵循這些週期性。週期表讓原先著重物質特性與反應的科學提供了往上提升一層的可能性。也可以說，週期表的建立打開了二十世紀進入原子內部結構的近代科學大門。
為什麼建立週期表很困難？我們知道，這許多不同元素的性質如果攤開來看，真的會是一團混亂的資訊。若認為它們之間是獨立無關的，是很正常的想法。以後見之明來說，則會知道元素之間的關係。但如果將這些元素名稱都拿掉，只留下這些元素的性質，我們真的能輕易的看出它們之間的關聯嗎？在課程活動中，教師可以透過簡化過程讓學生體驗與學習處理混亂資訊並提出猜想，也讓學生稍微感受一下科學家的心血得來不易。
所以週期表課程要教些什麼？108課綱中，第四階段國中課程與第五階段高中必修與選修課程中的學習內容是：
Aa-IV-4元素的性質有規律性和週期性。
CAa-Vc-3元素依原子序大小順序，有規律的排列在週期表上。
CAa-Va-5 元素的電子組態和性質息息相關，且可在週期表呈現出其週期性變化。
可以看到不管在哪一個階段的課程，週期表的學習內容都在了解元素是有週期性與規律性的。到了高中選修才引進電子組態與元素性質的關係。那麼以學習表現來說，就可以搭配思考智能中的「建立模型」和問題解決中的「分析與發現」。
tm-IV-1能…理解較複雜的自然界模型，並能評估不同模型的優點和限制，進能應用在後續的科學理解或生活。
pa-IV-1能分析歸納…整理資訊或數據。
pa-IV-2…從(所得的)資訊或數據…獲知因果關係…。並能將自己的探究結果和同學的結果或其他相關的資訊比較對照，相互檢核，確認結果。
我們可以綜合領綱中的學習表現與學習內容，訂出我們在週期表課程中的具體學習目標為：
讓學生分析歸納、整理元素的資訊或數據、獲知因果關係，並能將自己整理資訊的結果與同學作比較，相互檢核。從中理解元素規律性與週期性的模型，並能評估不同排列方式的優缺點與限制。
■ 週期表教學的how
要達到上述教學目標，我們可以運用科學史的元素，讓學生經歷科學家蒐集資訊與整理資料的過程。在課堂中運用科學史融入的方式，除了說個故事給學生聽之外，我認為更好的方式，是讓學生親自扮演那個時代的科學家，去解決那個時代科學家關心的問題。當然是在一個設計過的情境下，讓解決這個問題的難度降低到學生可以處理的程度的課程設計。
在開始分析元素的規律與週期性之前，要先認識個別的元素，同時，盡可能讓學生能直接觀察元素，或者閱讀元素的性質，然後進行碳酸鈉與氯化鈣、氯化鎂、氯化鋇、氯化鈉、氯化鉀水溶液的混合實驗。讓學生發現有些會和碳酸鈉水溶液產生沉澱有些不會，藉此讓學生發現「有些元素的性質是接近的」「可以把這些元素進行分類嗎」這樣的想法。接著就是承接這個想法，讓學生觀察大量元素的性質，並嘗試像門得列夫一樣，看能不能找出有意義的排列方式。
能親身去體驗科學家解決問題的過程，就更能理解科學家的思考方式與同理科學家會遇到的艱辛歷程。在週期表的課程中，要怎麼讓學生去嘗試科學家的努力呢？我模仿門得列夫思考元素週期表的方式，設計了一套35張的卡牌，代表了在19世紀人類已知的其中35種元素。
卡牌上紀錄元素的外觀、性質，元素性質的描寫法，刻意將某些同族元素的性質，用相同的文句描寫。此外，還紀錄了元素的常見化合物。化合物的種類和比例，也刻意讓同族的元素有相同的化合物組成比例，這樣才能降低難度讓中學生有機會可以發現端倪。此外，卡牌還提供了密度和原子半徑等等訊息。當然，有些訊息並不是19世紀就知道的，但放在卡牌當中，可以讓資訊更豐富，學生在討論思考時，也能有比較多的素材可以運用。卡牌正面設計的外觀如下圖一、二。以鈉和鉀為例，化合物的寫法和元素性質的語句描述就有諸多類似之處。
首先讓學生挑出其中12張卡牌，分別為「鋰鈉鉀鈹鎂鈣硫硒碲氯溴碘」。這些卡片上面都有紅色點標示（如圖1、2），所以不用翻看背面名稱訊息就可以挑出正確的卡牌，接著依照教師指示，將原子量為7, 9, 32,35.5四張卡牌找出來作為排頭。試著把其他八張卡牌中，性質接近的卡片放成同一組。這是1829年德國化學家德培萊納提出的三元素組。但本文作者依據課程需要和卡牌設計的限制，將其中的鈣鍶鋇改成了鈹鎂鈣。
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圖1、元素卡片「鉀」的正面
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圖2、元素卡片「鈉」的正面
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圖3、元素卡片「鉀」的背面
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圖4、元素卡片「鈉」的背面
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接著請學生觀察同一組的元素中，原子量是否有什麼規則？這裡可以讓學生觀察數字提出一些猜想。會有學生能夠看出元素組中，某個元素的其原子量會正好是前後兩個元素的中間值。教學活動中，運用這個發現引出「原子量似乎與元素性質有關」這樣的想法，讓接下來以原子量作為排列元素順序的作法，有了合理的動機。(圖5)
圖5、將元素性質類似的卡牌放在一起時，可以觀察到原子量呈現近似等差級數的關係
接著挑出有藍點的元素卡牌：「氮、氧、氟、矽、硫、氯、鍺、硒、溴、錫、碲、碘」先把「碲」和「碘」兩張卡牌移除之後，依照原子量從小到大由左到右排列。請學生觀察每一張元素卡牌的性質，從左到右觀察，看看能不能和門得列夫一樣，看出許多性質呈現了「週期性」的變化。看出像是原子半徑、化合物組成比例或一些其他元素性質，每三個元素就會重複一次時，就請學生每三個元素換行，就會變成同一直行的元素性質都相同的排列方式。
圖6、移除「碲」和「碘」兩張卡牌後，將十張卡牌依照原子量大小排成一橫列，可以觀察到元素性質會呈現3個一輪的周期性變化
然後請學生拿出碲和碘兩張卡牌，思考這兩張卡牌應該如何放進其他已經排好的十張元素牌中？如果依照原子量的順序，碘會在碲前面。這樣排列的話，一直行看下來的性質，就會有衝突；如果依照其他性質排列的話，原子量又會有衝突。在這邊，讓學生做出自己的選擇。但不管怎麼選，都會產生問題。這時候就讓我們來看看門得列夫怎麼選？
圖7、若依照原子量順序排列，並以三個元素為一個週期排列出來的卡牌樣貌。「碲」和「碘」兩張卡牌在原子量以外的其他性質會非常突兀。
他選擇了將碘和碲位置依照其他性質而非原子量去排列，也就是目前週期表的樣子。只是他的理由是：「碘的原子量測量可能有誤」。確實以當時的原子量測量技術來說，這是很合理的懷疑。只是碘的原子量真的沒有錯誤，那究竟是什麼決定了元素排列的順序呢？
接下來第三個活動，是請學生拿出有黑點的「硼、鋁、銦、碳、矽、錫、氮、磷、砷銻、氧、硫、硒、碲、氟、氯、溴、碘」等18張卡片。可以看到這是IIIA-VIIA族的元素，但缺少了鎵和鍺兩種元素。當學生依照之前的經驗排列時，就會發現很難處理。依照原子量順序排列並依照週期性換行的話，就會造成混亂。因為中間缺了兩個元素，這兩個元素也是當時門得列夫排列週期表的年代還沒有被發現的。
在學生排列時，教師就要不斷要求學生盡可能的要符合越多的規律性，就是越好的排列方式。有學生希望直行的元素都要符合元素性質一致，就會犧牲原子量的由小到大排列；如果希望原子量排列順序正確，就會有一些直行的元素性質差異很大。直到學生發現中間可以空出兩個位置，就可以滿足最多的規律性。
圖8、要滿足這18張卡牌中，最多的規律性，就會空出兩個空位。就可以讓學生猜想這兩個空位代表的意義
最後就可以讓學生預測，兩個空下來的位置，其元素性質為何。這也是門得列夫成名的代表作。他預測了鎵、鈧和鍺三個元素的性質和原子量，而這三個元素後來也在1875, 1879和1886年陸續被發現，證明了門得列夫預測的非常準確。學生可以試著觀察卡牌上的性質，做出預測與說明。然後讓學生將他們的預測和門得列夫門得列夫的想法以及真實的元素性質進行比較。根據作者的經驗，學生會發現門得列夫真的了不起，預測的性質和原子量準的不得了。而學生自己也會因為依據了自己排列的卡牌，做出預測而對週期表代表的意義有更深的認識和體會。
在週期表卡牌排列完成後，如果國中老師想操作進階的課程，或讓學生有更深一層的理解。可以在學生學完原子內部結構之後，再把卡牌拿出來，依照週期表的方式排列後，翻面，這時候就會看到規律的外圍電子組態。讓學生知道，門得列夫是在他還不知道原子裡面還有質子與電子的情況下，就依照了質子數排列出了週期表順序。這個活動也回應了，前面沒有解決的「碲」與「碘」的順序問題。同時也可以讓學生感受到門得列夫真的是天才，週期表真的是偉大的發明。
以上就是運用卡牌來教週期表課程的how，希望能達成我們心目中週期表課程的what與why。
■ 參考資料
1. 王瓊蘭。百變天龍──化學元素週期表。自然科學天地專輯
2. 德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫。維基百科。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫
《烘培咖啡》化學教育桌遊
温媺純、陳秀荷
n前言
許多研究資料顯示遊戲融入教學大多能正向改善學習者的學習動機、學習成就、學習情緒、學習態度或其他學習能力等等，各方資料也同時顯示台灣科學教育之桌遊的數量亦不多。因此，本文作者結合現代流行的咖啡文化與桌遊，綜合心流理論、成就系統與機制即訊息等等遊戲設計概念，初步發展出一套不需化學先備知識即可遊玩的化學教育桌遊《烘培咖啡》。期待玩家經過多次的遊戲體驗，能自我有所領悟與學習。
n桌遊介紹
(一) 《烘培咖啡》科學知識
本教育桌遊以烘焙的科學概念「物質受熱發生變化」為遊戲發展核心。烘焙的科學原理是利用熱能使物質發生物理和化學的變化。烘焙咖啡的行為即是將咖啡豆送入鍋爐中加熱，咖啡豆的溫度隨著加熱時間增加而升高，豆中各樣的物質因能量增加、彼此碰撞，而發生一系列化學變化，包含焦糖化反應，與梅納反應等等。物質的變化導致咖啡豆顏色改變和氣態物質的產生，咖啡豆體積也因此膨脹破裂。咖啡豆經烘焙後，產生一千多種的氣味物質，飄進我們鼻子裡，也就是我們聞到的咖啡香，可能感覺有堅果味、土壤味、水果香等等。
咖啡香的氣味物質主要是由碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)五種元素構成(謝雅玉，2017)。這五種元素位於週期表的右邊，屬於非金屬類，是生活中重要與常見的元素，而元素以不同的種類、數量和空間排列會組合成不同的氣味物質(如圖一)。我們聞到的咖啡香是綜合了各樣不同濃度的氣味物質，藉著每個人的嗅覺器官主觀感受到的結果。換句話說，有可能咖啡香在不同人聞起來會變咖啡臭哦！
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圖一：三張氣味物質卡 |
(二) 《烘培咖啡》教育方式
設計者在遊戲介紹時除了說明遊戲規則之外，同時將烘焙咖啡的科學知識帶入，使玩家了解烘焙咖啡的科學概念「物質受熱發生變化」，並具體觀察不同烘焙度的咖啡豆之顏色差異。
玩家在主要的遊戲行動中，需要將自己手牌與公開的物質資訊(如圖二)進行觀察與比對，思考如何給予三個提示才能有效幫助同伴迅速找出相對應的物質。34種氣態物質之間有結構相似者、元素數量相同者、元素種類相同者，物質的複雜成為遊戲的挑戰，在模糊不清的資訊中尋找解答達成遊戲目標成為了遊戲的樂趣。玩家重複體驗遊戲，每次拿到的手牌不同，不斷進行觀察與比對，便有機會產生自我領悟與有所獲得。
圖二：桌遊物件與公開的物質資訊
(三) 《烘培咖啡》設計方式
《烘培咖啡》是模擬烘焙的情境作為遊戲的情境，遊戲時間代表烘焙時間(如圖三)。玩家們花時間和心力從三個提示中找到與公開資訊相對應的物質，且須在遊戲的目標時間裡辨識完成，遊戲便進入尾聲，彷彿咖啡豆已烘焙到特定烘焙度可以下豆了。
設計者依據心流體驗遊戲設計模型(Kiili, 2006)、成就系統(Evans, Jennings, & Andreen, 2011)、機制即訊息(Romero, 2008)等遊戲理論，經多次測試與修改發展本教育桌遊。玩家遊玩時能專心與產生愉快，在沒有壓力與負擔下進行潛意識學習。
圖三：溫度、烘焙度、烘焙時間三合一指示牌
(四)《烘培咖啡》玩法介紹
1. 遊戲故事
在一個咖啡烘焙大師的交流會上，有一群不善表達的烘焙大師正圍坐著，一邊烘焙咖啡一邊交流著他們所聞到的烘焙味。大師們必須在幾個模糊不清地提示下，在烘焙時間內，一起合作找出所有人聞到的氣味物質，烘焙即可成功，否則一不小心可就焦黑囉！別忘記照顧隨時會來打擾大師，請教您各種問題的顧客唷！
2. 遊戲規則
(1) 由第一位回應咖啡問答的玩家作為遊戲的起始玩家，於開始遊戲時按下手機計時器。
(2) 起始玩家選擇手上一張氣味物質卡給予三個提示，一個是物質的元素種類、一個是某元素的數量、一個是用一段話描述物質的形狀結構。提示完畢後，其餘玩家從公開資訊版圖中找出相對應的物質。成功找出後將該氣味物質卡置於版圖上，若失敗則丟棄該卡牌，並從氣味物質卡牌庫中重新抽出一張。而後逆時針輪流換下一位玩家給予提示。
(3) 每猜出兩張氣味物質卡，就有一位顧客來打擾。第一個回應咖啡問答卡的烘焙大師於咖啡問答卡(如圖四)的牌庫中抽出一張牌，並按照牌面文字所述以口語重述一次，其餘玩家負責回答，任一玩家答對即可繼續進行猜測氣味物質的遊戲，並將烘焙大師標記依逆時針移至下一位玩家。
(4) 當遊戲時間抵達一爆與二爆的烘焙時間時，所有玩家停止手邊行動，玩家輪流將氣體小球從排氣的入口吹送至出風口(如圖五)，代表排氣成功，繼續進行烘焙任務。若一爆失敗，則烘焙溫度升高，直接進入二爆，將氣體小球從入口再重吹一次，若再失敗，則烘焙焦黑，遊戲失敗。
圖四：三張咖啡問答卡
圖五：玩家輪流吹送氣體小球使之順利在排氣管紙條內移動
n 遊玩成果
《烘培咖啡》經不同年齡層，28位女性、31位男性，共59位玩家測試。玩家在設計者介紹遊戲規則後開始遊戲，設計者並不參與遊戲討論，只負責說明遊戲玩法與烘焙咖啡豆的過程。遊戲後玩家填寫心流體驗問卷(滿分5分)與學習測驗卷。
玩家遊玩時的心流體驗調查結果佳。問卷結果整體平均為4分，且無性別上的差異。結果顯示，玩家在遊玩過程能專心，並認為遊戲難易度適中；學習測驗卷的結果則顯示：60%以上的玩家，知道咖啡豆裡的物質會受熱分解而產生氣體，並對物質由元素排列組成的事實能有初步認識。測驗結果亦無性別上的差異。另外，從質性資料(如圖六)中也可窺見此桌遊能激發玩家的腦力與創意，在不知不覺中帶領玩家進入化學的世界。
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圖六：玩家在遊戲互動過程中的部份對話 |
n 結論與建議
本教育桌遊具有遊玩與學習的功能，可單純作為遊戲使用，或是搭配課程內容作為教學活動的一部分。另外，有鑑於遊戲遊玩成果顯示心流體驗的結果與學習目標達成度無顯著相關，因此若要使用本桌遊作為與課綱有關的教學，作者建議教學者可搭配課程相對應的教材，以輔助學生能更深入、清楚有邏輯地進行學習。最後，遊戲版權屬設計者。若需使用遊戲進行教學，歡迎與本文作者聯繫。
n 參考文獻
謝雅玉（譯）（2017）。咖啡香味的科學（原作者：Choi Nak Eon）。臺北市：方言文化。（原著出版年：2015）
Brenda Romero. (2009, April 29). Re: TRAIN [Web blog message]. Retrieved from http://brenda.games/train/
Evans, M., Jennings, E., & Andreen, M. (2011). Assessment through achievement systems: A framework for educational game design. International Journal of Game-Based Learning, 1(3), 16-29.
Kiili, K. (2006). Evaluations of an experiential gaming model. Human Technology, 2(2), 187-201.
化學課程與教學論學術年會暨兩岸同課異構高端論壇—羥基官能團現場教學演示與專家點評心得 ／ 劉曉倩
星期日 , 1, 3 月 2020 國內外化學教育交流, 第三十六期/2020年3月 在〈化學課程與教學論學術年會暨兩岸同課異構高端論壇—羥基官能團現場教學演示與專家點評心得 ／ 劉曉倩〉中留言功能已關閉化學課程與教學論學術年會暨兩岸同課異構高端論壇—羥基官能團現場教學演示與專家點評心得
劉曉倩
國立彰化高級中學
n 前言
2019年8月與邱美虹教授於亞洲化學年會巧遇，邱教授在化學教育的貢獻有目共睹，當筆者受邀參與第十六屆大陸化學教育課程與教學論學術年會暨兩岸同課異構教學演示時，心裡卻掙扎很久。所謂同課異構就是臺灣與大陸的教師針對同一個教學主題各自設計課程，再進行30分鐘實際教學，教學結束後再由現場的教育學者專家、科學家及教授進行現場點評。本次教學主題主要是以大陸人民教育出版社出版的高中化學教材內容為主，同課異構主題分別是高一的「氯」以及高二的「羥基官能團－醇與酚」，而筆者主要負責的教學內容是「羥基官能團－醇與酚」。雖然筆者有二十餘年的教學經驗，其中不乏多次公開授課，但是與大陸高等學校教師進行同課異構教學及接受現場點評還是頭一遭！此外會議舉辦的時間在12月底，地點是哈爾濱，十二月的哈爾濱氣溫在攝氏零下20度至40度之間，對於出生在亞熱帶的我們是一大挑戰！想著前幾年跟隨美虹教授至上海教學參訪時帶來的強國震撼，還有北京參訪時感受到大陸教學的進步及成長，雖然不知道此行會面臨什麼樣的挑戰，但是只要願意去嘗試，願意去改變，相信自己可以飛得更高，看得更遠！這些難得的經驗非得要自己去感受才行，這是讓自己蛻變的道路，也是美虹教授不斷地引領我們的道路，有時雖然會感受到壓力，但是也是一種動能，如同平凡的石墨在高溫高壓下才能成為鑽石！
n 同題異構教學前的準備
一接到大會寄來的大陸人民教育出版的高中化學教材內容時，筆者仔細地將內容看過，發現課本內容與臺灣高二課本有些出入。以筆者所教授的「羥基官能團－醇與酚」為例，大陸對於醇與酚的介紹，除了醇的基本定義、分類、物理性質及化學性質外，更重視醇類的反應（取代反應及脫去反應）。而臺灣的高二必修基礎化學（二）課本中對於醇及酚的介紹，除了醇酚的定義、分類、物理及化學性質外，對於醇酚的命名及異構物著墨很多，至於醇酚的取代及脫去反應則是在高三選修化學（下）第七章有機化學才會學到。筆者認為主要原因可能在於大陸的高中課程必須在兩年完成所有化學課程內容，高三則著重在於高考準備。反觀臺灣的高中化學課程採取螺旋式教學方式，高二上學期的基礎化學（二）是所有高中生的必修課程（自然組及社會組同學都要），所以對於醇與酚的學習只需在定義、種類、命名、異構物、物理及化學性質有基本概念即可。有鑑於2015年筆者曾在北京見識到大陸高中有機化學的內容除了基本的反應以外，還有難度較深的有機合成及應用，於是利用暑假期間將大學有機化學（Organic Chemistry by Wade）的醇與酚的章節重讀，並將臺灣各個版本的教科書中相關的單元及實驗部分重新看一次，希望可以給自己多一些教學深度及靈感。
準備期間也將完成的教學活動設計多次請益邱美虹教授、鐘建坪老師及蔡孟祐老師。但是教學活動設計初稿仍然擺脫不了傳統講述法（引起動機、定義及性質說明…），雖然安排了學生分組實驗實作，但是教學活動設計仍停留在學生實驗驗證定義的階段，亦即教學亮點不足。
9月時筆者將實驗活動設計落實在學生的專題實驗課中，師生多次討論實驗的細節及可以進一步規劃的探究方向。過程中教師提供了研究的主題，學生在實驗過程打開了新的視角，透過師生有質感的對話，無形中把重要的概念深植在心中，整個探究的過程中彼此都獲得很大的成就感（如圖1所示）。
圖1：教學演示前與筆者學生進行試做實驗及準備工作
12月初「羥基官能團－醇與酚」教學活動設計有了進一步的發展，規劃如下：
一、設計理念：
此次教學活動課程設計理念在於啟發學生科學探究的熱忱與潛能、建構科學素養，使學生具備基本的科學知識、探究實作能力及科學態度，且能於實際生活中有效溝通、參與公民社會議題的決策與問題解決，同時對媒體所報導的科學相關議題能理解 ，例如汽車抗凍劑及飛機除冰劑的主要成份，經由科學實驗數據檢測其可信度，培養求真求實的科學精神。進一步地奠定學習科學與運用科技的基礎，養成學生對科學正向的態度、學習科學的興趣以及運用科技學習與解決問題的習慣，為適應科技時代之生活奠定良好基礎。
二、總體學習目標：
1.學生可以理解教師所講授的學習內容，例如：醇與酚的定義、命名、物理性質、化學性質、常見的化學反應及生活中常見的應用。
2.學生透過探究實作，提升其思考智能、並能想像創造、推理論證、批判思辨及建立模型。
3.學生能從一系列的觀察、實驗中取得科學數據，並依據理論及方法進行比較與判斷資料，進而以批判的論點來檢核資料的可信性，並提出創新與前瞻的思維來解決問題。同時能反思實驗過程的優、缺點，藉以修正實驗模型。
三、本教學活動根據學生特質與教學需求分為以下四個階段進行
1.第一階段─理解與認知（5分鐘）：
（1）教師解說醇類在生活中常見的用途，使學生體會生活中醇酚的運用，並能感受科學影響生活的重要性。
（2）教師示範「魔術點菸」，刺激學生思考可能使用的化學藥品為何。
2.第二階段─學生分組實作探究（10分鐘）：
（1）各種醇類與金屬鈉的反應性差異。
（2）各種醇類與過錳酸鉀的反應性差異。
3.第三階段─分組發表（10分鐘）：
學生透過實驗與組員對話、刺激，學會將實驗結果釐清概念，整理出可能的答案，進行發表。
（1）由實驗結果分析各種醇類與金屬鈉反應快慢與醇類結構的相關性。
（2）由實驗結果分析各種醇類與過錳酸鉀反應快慢與醇類結構的相關性。
4.第四階段─學習經驗的統整（5分鐘）
教師統整學生發表結果，歸納出實驗背後的原理原則。
12月中旬筆者先將實驗所需的藥品、玻璃器材、教學所需的電腦相關設備及教學白板，請四川師範大學劉瑞教授協助準備，接下來的工作就是教學講義、簡報及教學演示的準備事宜。
n 北國好風光，盡在黑龍江
哈爾濱地處黑龍江省南部，冬季嚴寒漫長，夏季涼爽短促，是世界著名冰雪旅遊和避暑勝地，以其國際冰雪節和濃郁的歐陸風情而聞名，更是大陸歷史文化名城。哈爾濱由於其地理位置特殊，是20世紀初期蘇聯聯繫中國的橋頭堡，也是國際商貿都市。至今哈爾濱的城市建築風格仍帶有早期俄羅斯及東歐、猶太人等各類歐式建築風格。不過自從中華人民共和國成立後，逐漸被改造為工業及商業並舉的中心城市。然而在筆者心中，哈爾濱勾起了少年時期閱讀的小說「哈爾濱之霧」，這本是由梅濟民教授寫的作品，書名雖然浪漫，但是小說內容講述的是俄軍殘害中國百姓及日僑的慘痛故事，小說中所描寫的哈爾濱令人嚮往，是個民族融合的大城市， 除了中國人之外，還有俄僑與日僑，年輕時的我讀到這裡， 也不禁神遊其中。
此次行前在許多旅遊書籍及網誌讀取冬遊哈爾濱時需要注意的保暖事項（三明治穿著、防風褲、防風手套、止滑靴、各種暖暖包…），趁機買了一堆抗寒衣物。但是12月24當晚一下飛機，迎面而來的濕冷刺骨寒風，仍令人不禁打個哆嗦。由於在大陸網路聯繫不似在臺灣方便，所幸透過美虹教授協助，順利抵達飯店，也深刻地體驗了在零下25度雪地拉著行李箱舉步維艱的感覺。
隔天上午完成會議報到手續之後，哈爾濱師範大學兩位研究生引領我們前往交流學校—哈爾濱市第三中學(簡稱哈三中)進行器材準備與教學場地會勘。哈三中的實驗室硬體設備雖然十分先進，但是筆者教學演示所需的藥品、器材仍有很多不足之處，加上實驗室內雖有暖氣設備，但是氣溫在攝氏10度以下，進行配藥及分裝藥品時仍是寒冷凍手。中午哈三中帥氣的梁主任帶著我們到學生食堂用餐，即使是出太陽的正中午，校園覆蓋皚皚白雪，彷彿穿越白色的沙漠，獨行於晶瑩而神祕的廣袤，沿路樺木挺拔，白雪中校園景觀令人讚嘆（如圖2所示）！
圖2：筆者與蔡孟祐老師（左一）、鐘建坪老師（右二）及哈三中梁主任（右一）於哈三中校園合影留念
盤點完後仍有部分器材及藥品還需採購及準備，第三天我們依然前往哈三中持續為教學交流準備（如圖3及圖4所示），巧遇也是來做場勘的同題異構江蘇省教育科學研究院王峰老師及哈三中李洪濤老師，言談之間發覺王老師個性沉穩、思考敏銳，此行正是與筆者同題異構進行教學演示。李洪濤老師個性活潑、豪爽大方，十分健談，他直言此次教學演示面臨很大壓力，他的指導教授暗示臺灣來的老師中有一位具有化學作業環境測定甲級技術人員的證照，所以在實驗設計上要更加小心。我們邊準備邊聊天，了解到大陸的教學是以升學導向為主，平常很少給學生做實驗，但是這幾年政府在進行新課綱的改變，推行核心素養為本的教學設計與實施，與臺灣的108課綱精神相符，希望透過同題異構教學演示及專家點評，激勵國家一線教師深化教學，透過探究實作的教學活動設計，讓學生動手做，深入探究及自主學習。不過大陸的高中班級人數太多，以哈三中為例，一個班級學生人數約45~60人，進行課綱實驗已經很不容易了，更何況是探究實作！？
當天完成教學演示的實驗準備已經是下午5點鐘了，哈爾濱師範大學的兩個研究生帶著我們三位來自臺灣的老師到松花江上散步及賞冰雕，積雪厚實的松花江雪飄迷濛，站在冰封的松花江上隨時都有跌倒的風險，但是一夥人還是執著於眼前的冰雪美景。哈爾濱從1960年代即開始舉辦冰燈博覽會，至今已近60年，享譽國際。冰雕材料中一塊塊乾淨完整晶瑩剔透的冰塊來自松花江，雕刻師傅首先將晶瑩剔透的冰塊雕成雛型（以建築及動物為主），細節的各個小部分，用水和碎冰粘合起來，零下30度的氣溫，足以將這些部位牢牢地粘在主體上，粘著力比任何膠水還要強大！經驗豐富的師傅甚至會將砌好的冰塊上鑿出冰槽，將低溫燈帶放入其中，夜空下白茫茫，五顏六色的冰雕、冰滑梯及冰城堡映入眼簾，煞是好看（如圖5及圖6所示）！
圖3：哈三中學校實驗室硬體設備先進 圖4：教學演示前的器材藥品分裝
圖5：松花江上的巨型冰雕圖 圖6：冰磚內鑿出冰槽放入低溫燈照明
n 兩岸同課異構教學演示現場及專家點評
12月27日一早6點40分坐上第一班交通車抵達哈三中教學演示現場，一進校園清晨白雪在朝陽的照射下呈現純淨的美，還未被踩過的雪潔白鬆軟，樺樹下的樹掛似乎快滴落而下，陽光穿透過皚皚白雪產生了溫柔的透明感，冷風下微微搖動的樺樹顯得靜謐而柔弱，大陸各省到場的老師震懾於校園美景，靜聲穿過長長的走道直達教學大樓。因為筆者是第一個進行教學演示的老師，趕緊跟幾個哈三中老師將前一天分裝好的器材藥品先安置就位，哈三中高二學生有45位參與教學演示，現場約30位教授及500位教師一就座，教學演示即開始。
由於實驗藥品仍未齊全，筆者在前一晚內心十分忐忑，但是心態轉個彎，反思教學的重點在於學生的「學習成效」，只要能讓現場的學生學習聚焦在教師所要表達的概念及重點，如同邱教授提醒我們的，哪些知識概念是學生在這堂課中可以帶得走的，就是「有效教學」！看到現場的教授、老師及學生，心裡已不再緊張甚至還帶著些許的感動及興奮呢！筆者一開始進行的教師示範實驗活絡了現場緊繃氣氛，雖然與學生是第一次見面，但是哈三中的學生比想像中活潑親切，學生分組進行實驗活動時，對於老師的提問，回答十分踴躍，而且實驗進行時遇到問題也會舉手發問，40分左右的教學過程，讓學生從實驗中探究醇的結構與其反應性的關係，雖然未能完成整個教學探究過程，師生意猶未盡（如圖7及圖8所示）。
圖7：筆者進行同課異構教學演示活動
圖8：教學演示現場學生親自動手做實驗，學生反應熱烈
教學演示結束後，一位四川來的老師衝到前面找我聊整個教學課程，他很喜歡今天的探究實作教學引導，他說感覺上是很有系統的教學過程，他覺得大陸的教育還是停留在老師在「教」，學生在「學」的認知階段，教學過程中學生的自主學習太少，今天的教學演示讓他開了眼界！他也想要這樣教學生（如圖9所示）！
圖9：來自四川的高中老師與筆者進行教學交流
兩個同課異構主題（羥基官能團及與氯及其化合物）四位老師完成教學演示後，負責點評羥基官能團單元的教育學者專家有四位。第一位學者專家是華東師範大學王祖浩教授，他讚揚臺灣老師上課十分活潑且讓學生動手探究，了解醇分類的方式，跳脫傳統講述法的方式。雖然醇的分類用講述法三分鐘就教完了，但是讓學生花了三十分鐘去探究，學生內心才是真的學到了！第二場教學演示的大陸王峰老師使用證據推理讓學生對於模型有所認知，進一步讓學生了解模型的變化，接著再以表格讓學生推理水與醇的電負度變化，學生獲得有系統的知識，兩場都是很成功的教學演示
第二位點評的專家是寧波大學王存寬教授，他提到臺灣劉老師的教學方式啟發學生主動發言、動手做，透過科學探究了解科學原理，最重要的是生活化的實驗，利用生活中常用的塑膠片及牙籤，就能動手做實驗，符合綠色化學精神！而大陸的王老師培養學生拔尖精神，從四個問題面讓學生去思考，若是能讓學生多提問一些，應該會更好！
第三位點評專家是大陸科學家上海華東師範大學姜雪峰教授，他說從教學方式可以看出兩岸教育目標的差異，臺灣的教育著重於學生動手作及自主學習；而大陸的教育重視知識的深度。同時，他也指出王峰老師的軌域理論講得很精彩。
第四位點評專家是臺灣師範大學邱美虹教授總評，她提醒做中學的重要，臺灣的劉老師在學生思考智能方面讓學生推理論證及建立模型，啟發學生自主參與，若是能再使用預測–觀察–解釋–比較(POEC)教學可以讓學生自主學習更完整。而大陸的王峰老師的教學採取提供實驗數據的方式，讓學生思考智能、建立模型，課程內容深入淺出，若是可以讓學生動手做實驗應該會更好。邱教授強調新課綱培養學生科學素養及素養導向的教學，可以讓學生開啟學生新的學習視野，成為終身學習者（如圖10所示）！
圖10：筆者與邱美虹教授（左1）及鐘建坪老師（中間）合影留念
會後哈爾濱師範大學化學系主任廖志剛教授特別提到臺灣老師對課程的認真，對學生的熱情，印象十分深刻。希望日後有更多的交流的機會，期待可以有更加深入的合作。兩岸文根相同，文脈相通，但是教育發展模式卻不同，確實在教育上從觀念到做法都存在諸多的差異，是非常有互補性的。
n 煙幕下的哈爾濱
這次的冰城之行，雖然時間短暫但是最深刻的當屬天公作美，十幾年未曾出現的大風雪幾天內都全展現了出來，走在聖索菲亞教堂旁的街道，白茫茫的雪花直下，有著偶像劇般的浪漫，卻又帶著些許煤灰味（如圖11所示），大樓旁的煙囪冒著灰黑的濃煙，因為實在太冷，一般人家只能燃煤生火取暖，對於可能引起的空氣汙染大家也只能將就。大夥走在街道上太冷，隨興踏入教堂周圍的道里市場，市場內販賣鮮肉、紅腸、黃金蛹、俄羅斯套娃、巧克力及論斤賣價格公道的好酒，可以深入感受細緻的風土人情（如圖12所示）。
圖11（左圖）：灰矇矇的聖索菲亞教堂 圖12（右上）道里市場內的論斤兩賣酒
n 後記
此行參訪哈爾濱過程感受哈爾濱師範大學廖志剛教授團隊全方位照顧，點滴在心。回國的當天還因為遇到大風雪機場關閉，飛機停飛的窘境，所幸美虹教授及廖志剛教授及時協助才得以在附近的飯店安歇。幾次追隨美虹教授參訪大陸，感受教授對於科學教育的專業及熱誠，甚至在教學演示前一晚對於深化探究教學及翻轉教學的指導，讓我反思及強化教學的層次。此外同行的鐘建坪老師及蔡孟祐老師相互切磋與砥礪，如同家人般閒聊、加油打氣，讓此行參訪交流溫馨不孤單。省思當我們教師面對緊鑼密鼓的教育洪流挑戰時，永無止境的教育改革壓力，我們老師應該把握機會練就改變教學的能力，臺灣雖只是地圖的一個小點，但是經過教育的改變，經過教師相互學習，教育的改革道路可以繼續往前，終有一天學生會成長，定能發出鑽石般的光芒！
1.第十六屆化學教育課程與教學論學術年會及海峽兩岸同課異構高峰論壇會議手冊，2019年大陸哈爾濱
2.大陸人民教育出版社出版的高中二年級化學科教材
3.選修化學（下）實驗活動紀錄本，南一書局
《臺灣化學教育》第三十五期（2020年1月）
目 錄
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主編的話
♦第三十五期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
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本期專題【專題編輯／鍾曉蘭】
♦校本必修與多元選修：發展與實踐校訂課程／鍾曉蘭〔HTML｜PDF〕
♦校本必修與多元選修：武陵高中校定必修：千塘桃花源／張明娟、吳德鵬〔HTML｜PDF〕
♦校本必修與多元選修：中山女高多元選修：專題研究法／曹雅萍〔HTML｜PDF〕
♦校本必修與多元選修：新北高中多元選修：科普寫作與傳播／鍾曉蘭〔HTML｜PDF〕
♦校本必修與多元選修：竹山高中多元選修: 生活科學家及科學志工／陳映辛、馮松林〔HTML｜PDF〕
♦校本必修與多元選修：高雄中學多元選修：化學入門(Ⅰ)(Ⅱ)與化學宅急便／林威志、林宗益〔HTML｜PDF〕
♦校本必修與多元選修：花女福爾摩斯：談鑑識、文學、司法／陳斾玎、謝文靜、陳文燕〔HTML｜PDF〕
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課程教材／化學小故事【專欄編輯／楊水平】
♦拉賽福與亞佛加厥常數／吳奕嫻、胡景瀚〔HTML｜PDF〕
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化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／周金城】
♦鈷錯合物多段感溫變色棒的製作／廖旭茂、程慧文〔HTML｜PDF〕
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新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／邱美虹】
♦哈爾濱兩岸同題異構交流—氯及其反應性的建模教學／鐘建坪〔HTML｜PDF〕
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課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／周金城】
♦國小學生萃取天然酸鹼指示劑來製作彩色水餃／劉宜衡〔HTML｜PDF〕
第三十五期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]
根據國際學生能力評估計劃(Programme for International Student Assessment，簡稱PISA)資料顯示，芬蘭15歲學生屬於高成就但低科學學習興趣群，而美國則是科學表現不佳，有鑒於此及相關因素，在美國科學基金會(National Science Foundation, NSF)和芬蘭科學院(Academy of Finland)共同支持下，美國密西根州立大學與芬蘭赫爾辛基大學進行以專題導向學習(Project-based Learning, PBL)為主的跨國研究，由四位國際知名學者做為期近七年的跨界合作(Barbara Schneider, Joseph Krajcik, Jari Lavonen, 和Katariina
Salmela-Aro)。在歷經七年持續性的投入與交流後，2020年1月20日在芬蘭科學院進行成果報告並發表該團隊剛出版的新書:Learning Science: The value of Crafting Engagement in Science Environments。芬蘭面對學生在PISA科學學習興趣上的表現不如預期而積極推動PBL融入學校教育，以提升學生科學學習的參與度(engagement)。在推動PBL的過程中，在教師專業成長上也有啟發性的收穫。這是一項成功的跨國研究計畫，美國則在Krajcik教授的積極推廣之下，除在芝加哥市有數十所中學教師和學生參與外，加州也與密西根州立大學合作全面性的推廣PBL，希望能藉此改變教師教學信念與行動，並提升學生學習成效與科學興趣。
我有幸受邀在此會議上報告我和周金城教授長期合作的一系列人臉辨識系統在科學學習上的研究發現—面對反直覺的科學實驗單有驚訝表情並不意味著學習發生。反之，驚訝表情之後的負向表情對概念學習是有正面指標性的意義。報告中特別指出，如何在課程上設計引起學生深度學習的教學活動，以及正負面情緒表現帶給教師在教學上的意義是值得反思的議題。這報告引起現場科學教育家、心理學家、神經科學家、社會學家熱烈的討論與提問。感謝赫爾辛基大學和科學院的邀請，使我有機會對來自科學院、教育部、各大學、教師領導團體代表等報告，分享研究成果。
在這參訪期間，赫爾辛基大學Lavonen教授帶我到該校的附屬中學參觀一位中學化學教師的教學，在短短的75分鐘，我看到該名教師視「能力的培養比學科內容更為重要」的有意義的教學。Lavonen教授即時點出:芬蘭Less to teach, more to learn的教學理念。舉個例子來說，在一堂七年級的化學課中，該堂課的內容是談元素命名和實驗安全，上課前老師以電腦提問，並要學生先自我評估學習狀況(形成性評量)，老師立即在手機上觀看學生作答情形，並給予立即的回饋。然後從元素的命名開始，教師認為學生要認識40-50個元素符號，哇!這也太多了吧?我們國中生才學20個，高中生背30個，不是說Less is more嗎?!，原來他其實是要學生去了解硫為何是S,而下一個元素Selenium不能用S而用Se，還有其他元素命名的方法，學生透過資料查詢、比較到下結論，並了解元素命名的方式不是唯一的(能力取向)。至於化學藥品的安全問題，甚是有趣，一般教學大概很快就介紹各種安全符號的意義(以認知為主)，但Ari老師則從給學生化學藥品(如硝酸銀)出發，然後要學生去查表找出它的化學安全符號(以應用為主)。然後進行一個中學常見的實驗—氨水加鹽酸產生氯化銨的實驗，教師要求學生查這三個化學藥品的性質與安全性(即符號有哪些，代表的意義分別是什麼?)。學生透過討論並上網或從課本中查詢資料、作紀錄。老師最後和學生討論安全符號的意義與用途，並提到芬蘭有名的糖果Salmiakki裡面就是含有氯化銨，並讓大家嚐嚐看它的味道，學生顯現出高度的好奇心與參與感。整個過程老師教學的確很少，但拋出許多問題，學生必須要專注思考，進行探究，才能回答老師口頭或是從手機拋過來的問題。Less to teach, more to learn ! 以能力導向為主(Competence-based approach) 的教學在這一堂課充分顯現出來。從師生互動的關係看來，這樣的教學已是一個常態性的教學。教學相長，優質的教學不僅可以改變學生學習的態度與興趣，同時也可以提供教師在實踐面上的落實教學理念與反思教學的意義，這些都值得同樣在PISA表現中15歲學生屬於高學習成就但低學習興趣的我們借鏡的。
此次，本期的專題便是介紹校本必修與多元選修課程，每篇文章都說明各校在發展課程時如何強化在地性與學生學習表現的多元化(如武陵高中的張明娟和吳德鵬)，科學研究除可以改變學校化學教學的文化，以及拓展學習學生學習化學的視野以外，也可成為臺灣和國外交流的具體在地化範本。
除此之外，本期還包括有吳奕嫻和胡景瀚針對拉賽福的實驗與亞佛加厥常數加以介紹與評析，並說明實驗值和理論值的關係；廖旭茂用大家熟悉的氯化亞鈷製成具創意的多段變色的感溫棒；還有鐘建坪分享參加在哈爾濱市舉辦的兩岸同題異構教學交流的心得；劉宜衡設計國小學生萃取天然酸鹼指示劑來製作彩色水餃的動手做實驗。這幾篇文章也為本期增添許多閱讀的趣味性。
校本必修與多元選修:發展與實踐校訂課程 ／ 鍾曉蘭
星期六 , 11, 1 月 2020 本期專題, 第三十五期/2020年1月 在〈校本必修與多元選修:發展與實踐校訂課程 ／ 鍾曉蘭〉中留言功能已關閉校本必修與多元選修:發展與實踐校訂課程
鍾曉蘭
新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
引言
108課綱將學校課程分為二種類型，除了部訂課程，另有校訂課程。學校發展本位課程可以透過課發會的運作擬定課程計畫，並組織課程領導及學習社群，鼓勵教師進行教學研究及進行公開授課。新課綱提倡的校訂課程，強調以學生為本，鼓勵跨域課程與協同教學，提供學生更多元且豐富的學習，藉以發展學生的核心素養。然而大部分的教師們習慣以課綱的學習內容為基礎，依循著教科書的教學架構逐步進行教學，因此對於校訂課程有許多的疑義與實際執行上的困難，包括：如何進行跨域共備、如何找尋合宜的教材、如何設計教學活動與多元評量，這些都是現場老師們目前面臨的挑戰。本期專刊分享六所高中的校訂必修與多元選修課程，提供教師設計課程的示例，祈願對於教師們在設計新課程時，能有所幫助。
本期專刊介紹
本期的專刊是介紹校訂課程之校本必修與多元選修，首先，由張明娟老師與吳德鵬老師介紹武陵高中榮獲108年度教育部教學卓越獎的校訂必修課程—千塘桃花源，此課程融合九大科教師，在不斷的嘗試與共備中，找到武陵人的核心課程：埤塘學。希望學生藉由探索桃園遍布各區的埤塘，引發學生關懷環境永續，培養其社會責任與探究能力。其二，由中山女高曹雅萍老師分享多元選修—專題研究法，主要對象為數理資優班的學生，課程分為一般探索、研究方法訓練、獨立研究實作三大主題，期許未來能推廣到對獨立研究有興趣的普通班級學生。其三，筆者根據新課綱的課程設計理念，設計一門跨領域的多元選修課程—科普寫作與傳播，學生從觀看科普文章、科普影片中，找到有興趣探究的議題或科學主題，不僅學習科學概念，也同時引導學生進行發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等探究的歷程，將學習的成果寫成小論文與製作科普小影片，促進科學知識進入個人和社會生活。其四，竹山高中陳映辛老師與馮松林老師以科學宅急便活動為基礎，發展的多元選修—生活科學家及科學志工，是以科學實驗探究及生活科學實驗為主體，讓學生從基本實驗操作能力學習開始，學習如何做科學探究，並結合生活相關之科學實驗，讓學生能於日常生活應用科學，做一個生活科學家，最後學生將所學的科學進行志工服務。其五，高雄中學林威志老師與林宗益老師分享的多元選修—化學入門(Ⅰ)(Ⅱ)與化學宅急便，強調「化學即生活；生活即化學」，所有的化學學習都與生活離不開關係！最好的教育就是從生活中學習、從體驗中學習，讓學生能在生活中印證化學原理和概念。其六，花蓮女中陳斾玎、謝文靜及陳文燕三位老師，以跨領域合作設計多元選修課程—花女福爾摩斯：談鑑識、文學、司法，課程依照教學順序，分為鑑識、文學、司法三部分，由化學科探討鑑識科學採集現場其他跡證相關原理，透過實作開始引發學習興趣，國文科作為橋梁，進行犯罪學討論、推理小說續寫、冤獄文學共賞等課程後，以公民科的法律課程接續，進行議題討論、案件分析、模擬法庭，期待能在此課程帶入科學探索、文學賞析、司法嚴謹，並解此培養學生思辨能力。
校本必修與多元選修：武陵高中校定必修：千塘桃花源 / 張明娟、吳德鵬
星期五 , 10, 1 月 2020 本期專題, 第三十五期/2020年1月 在〈校本必修與多元選修：武陵高中校定必修：千塘桃花源 / 張明娟、吳德鵬〉中留言功能已關閉校本必修與多元選修：武陵高中校定必修：千塘桃花源
張明娟1,2,a、吳德鵬1,2,b
1桃園市立武陵高級中學
2教育部高中化學學科中心
a[email protected]、b[email protected]
n 前言
武陵的學生很會念書，武陵的升學率很好，但在高分數高學歷的成就底下，學生到底學會了什麼？離開會考、學測，丟掉紙筆測驗後，學生對高中三年所學還會記得什麼？武陵的學生很有能力，在個人成就之外更希望能對團體、社會、環境有所認識與貢獻。武陵的老師在努力教學外更希望學生能認識環境和關心社會。此課程融合九大科教師，秉持著對教育共同的信念和嚮往，在不斷的嘗試、磨合與共備中，終於找到武陵人的核心課程「埤塘學」。遍布各區的埤塘，是來自桃園各處學生的共通點，希望藉此發掘在地文化，厚植家鄉情感，關懷環境永續，培養社會責任。
武陵漁人撐篙推行，帶著武陵人穿梭古今，尋找桃花源，讓桃園埤塘閃爍的波光，成為武陵人胸前最美的勳章，更希望課程設計的用心，讓學生能主動的學習，真正的學習，共築武陵教與學的桃花源。
此必修課一學年2學分與多元選修對開(參見圖1)，武陵高一普通班共18班，所以一學期會有9個班級的學生同時上這門埤塘學，又是跨領域的課程，協同教師有18位在同一時間授課。課程有三大模組分別是：緣溪行(探索扎根)→漁人出(思辨融貫)→桃花林(實踐互動)共十八周課程，其中前十二周課程為知識探索（緣溪行）與思辨融貫（漁人出）課程，教師跑班的模式進行，後週的課程為實踐互動之共同課程，帶領學生製作與埤塘相關的多元成果。而本文僅分享緣溪行(探索扎根)模組中的「埤塘的科學模擬與檢測–化學篇」。
圖1 千塘桃花源課程設計理念圖
n 緣溪行(探索扎根)模組:埤塘的科學模擬與檢測–化學篇
如何知道埤塘受汙染了？透過水質檢測，引導學生探查各區域埤塘健康程度的方法，也幫助了解環境變化的趨勢。讓學生習得水質好壞的判斷方式，了解埤塘與桃園生活環境的相關性，進而宣導及實踐永續經營的理念。利用埤塘中常見的「水黽」觀察出發，結合「表面張力」的原理，讓學生探索不同水質表面張力特性，同時發現埤塘若受到些微水汙染便可對水黽造成巨大影響，進而思考埤塘污水處理的重要性。希望透過小組討論、資料查找、實驗解釋，培養學生實作能力與原理探索的興趣，期待埤塘能帶起學生對水資源保護的意識(桃園埤塘相關照片見圖2)。
圖2千塘之鄉–桃園 (照片出處:中原大學設計學院院長陳其澎演講投影片)
針對學校之水質進行檢測實作(自來水、收集環境水質樣本)，先讓學生學習檢測水質的相關原理後，進行實際操作，包括水中溶氧的檢測、水質導電度的檢測。
(1) 水中溶氧的檢測:
水質的好壞與水中溶氧的關係最直接，所以我們在先以市售試劑檢測，並讓學生推測所含成分及原理，並檢測出水中的溶氧量(DO值)，來推測水質的優劣(詳見圖3)，在室溫下溶氧量(DO)的汙染指標如下表1:
表1 室溫下溶氧量(DO)的汙染指標
水質/項目
未(稍)受污染
輕度污染
中度污染
嚴重污染
溶氧量(DO)mg/L
DO≧6.5
6.5＞DO≧4.6
4.5≧DO ≧2.0
DO＜2.0
圖3 水中溶氧的檢測之試劑(左圖)與學生實作(右圖)
其中檢測的原理為碘定量法，這個部分與108課綱加深加廣化的化學課程可以做結合，但是因為我們學校的校定必修是在高一實施，所以我們在學習單中先設計一題範例如下。
l 以下是有關溶氧測試劑的相關方程式
Mn2+(aq) +2OH–+ 1/2O2 àMnO2(s)(淡褐色沉澱)+ H2O(l)
MnO2(s) +2I– (aq) + 4H+(aq)àMn2+(aq) + I2(aq) +2H2O(aq)
I2(aq) +I–(aq) ßàI3–(棕色)(aq)
I2(aq) +2Na2S2O3(aq)à2NaI(aq)+ Na2S4O6(aq)
(1) 請推測試劑編號1~4瓶所含物質各為何?
編號1 : 編號2 : 編號3: 編號4 :
(2) 請利用方程式推出
O2及Na2S2O3的莫耳數比為何?
可以讓學生藉由此檢測過程，其中包含氧化還原、酸鹼中和及沉澱三大反應的例子，來推測反應方程式的反應物與各步驟反應的關係，例如1號試劑與2號試劑加入檢測的水樣後，可以觀察到淡褐色沉澱，先讓學生連結到此沉澱應為MnO2(s)，藉以推測1、2號試劑應該是Mn2+(aq)及OH–(aq)，另外滴入3號試劑後沉澱消失轉為棕色的溶液，在讓學生推測3號試劑應該含有I– (aq)及H+(aq)，最後藉由滴入4號試劑的滴數可以算出溶氧量，藉以推測出4號試劑應該含有Na2S2O3(aq)，因為試劑配製為每滴入1滴4號試劑相當於含有溶氧0.5ppm(mg/L)，而1滴的體積大約是0.025mL，程度好的學生還能利用第(2)小題的問題，利用方程式推出O2及Na2S2O3的莫耳數比，應該是1：4，便可推算出此市售水質檢測的4號試劑中Na2S2O3(aq)的濃度了。學習單上任務導向的問題，可讓學生藉由小組討論而互相學習。
(2)水質導電度的檢測: 由於導電度之測定相當簡便，導電度計亦方便攜帶至現場使用，在環境監測上，水之導電度常被用來評估水體是否遭受污染的指標，用途相當廣泛。尤其因為海水及淡水之導電度差距非常大，在海岸地區監測是否有海水入侵現象時，導電度更屬不可或缺之指標之一。
圖4 水質導電度的檢測之教學投影片(左圖)與學生實作(右圖)
利用設計的問題，以學習單的方式，引導學生進一步檢測實作並學習，下圖5為水質檢測的學習單。
圖5 水質檢測之學生學習單
n 埤塘學多元適性評量
埤塘學的評量分為形成性評量和總結性評量兩個部分，在總結性評量部分也呼應我們課程的教學目標：探索力P、公民力O、表達力N與實踐力 D (POND)。
(一) 形成性評量佔60%：每一單元都有各自的形成性評量。各模組老師針對細部課程的學習單或課堂表現給予各自分數，在之前的共備也已有評量區間的共識。
(二) 總結性評量40%：期末時會做一總結性評量，佔30%，學生可以利用提供的九宮格多元成果選單來產出學習成果，運用各模組所教授的知識與技能，如肥皂箱演講、公聽會、繪本、水資源議題、議題陳情等，而教師在給分數部分就可利用共同研議出的評量規準給予成績，整學期的出席率與學習態度佔10%。埤塘學九宮格多元成果選單詳見圖6，埤塘學總結性評量規準詳見表2。
圖6 埤塘學九宮格多元成果選單
表2 埤塘學總結性評量規準
總結性評量 總分30分 |
優良 |
佳 |
尚可 |
待加強 |
P探索力 |
P1-P3全部達成，給7分 |
P1-P3達成其中兩項，給6分。 |
P1-P3只達成其中一項，給5分。 |
P1-P3均未達成但繳交期末成果，給3分。 |
O公民力 |
O1-O3全部達成，給7分 |
O1-O3達成其中兩項，給6分。 |
O1-O3只達成其中一項，給5分。 |
O1-O3均未達成但繳交期末成果，給3分。 |
N表達力 |
N1-N3全部達成，給7分 |
N1-N3達成其中兩項，給6分。 |
N1-N3只達成其中一項，給5分。 |
N1-N3均未達成但繳交期末成果，給3分。 |
D實踐力、創新力 |
D1-D3全部達成，給9分 |
D1-D3達成其中兩項，給8分。 |
D1-D3只達成其中一項，給7分。 |
D1-D3均未達成但繳交期末成果，給5分 |
n 結語
埤塘學從之前多元選修的試行到108學年度高一的校定必修，在學生的具體成果部分能對埤塘認知程度提升、在地情感認同加深、主動關懷地方議題以及素養導向學習，讓武陵的學生從埤塘這個真實生活情境出發，成為昂首闊步的終身學習者，並企盼武陵人都能以桃園為立足點，邁向國際。而在教師部分，橫跨九科23位的共備教師，除了在埤塘課程討論分享之外，也逐步發展出好幾個跨科共備的課程，彼此交流激盪，開設新課綱選修課程意願大增，已讓武陵有近50門的選修課程，更榮獲108學年度教學卓越金質獎的肯定(圖7)。108年為新課綱元年，讓我們從自己腳下土地的真實生活情境學習成為終身學習者，而高中端的我們所承擔的育才責任也已經同步啟動。
圖7 武陵高中校本必修千塘桃花源榮獲教育部108年度教學卓越金質獎
n 參考資料
1.水中溶氧檢測方法－碘定量法中華民國107 年12 月27日環署授檢字第1070008224 號公告 自中華民國108 年4 月15日生效NIEA W422.53B。https://www.epa.gov.tw/DisplayFile.aspx?FileID=6A0B4A4B7A6C984E
校本必修與多元選修：中山女高多元選修：專題研究法 ／ 曹雅萍
星期四 , 9, 1 月 2020 本期專題, 第三十五期/2020年1月 在〈校本必修與多元選修：中山女高多元選修：專題研究法 ／ 曹雅萍〉中留言功能已關閉校本必修與多元選修：中山女高多元選修：專題研究法
曹雅萍
台北市立中山女子高級中學
教育部高中化學學科中心
n 前言
108課綱正式上路後，總綱明定：學生需修習「跨領域/科目專題」、「實作(實驗)」或「探索體驗」等課程類型之相關課程，至少合計 4 學分。而資賦優異相關之特殊需求領域課程綱要更是明訂「獨立研究」為數理資優班的課程學習內容，並分為一般探索、研究方法訓練、獨立研究實作三大主題。為因應此一變化，而設計此一多元選修課程，主要對象為數理資優班的學生，期許未來能推廣到對獨立研究有興趣的一般班學生。
n 課程設計理念
為了配合培養學生獨立研究的目的，本課程著重面向如下：
1. 建立學生正確的學習方法與態度，培養學生自學與團隊合作的能力。
2. 學習並了解完整研究方法，以奠定科學研究學習的基礎，期許學生具有進行專題研究的能力。
前面3周課程主要目的在培養學生的自學能力，內容包括：介紹如何運用合適的關鍵字，並以搜尋引擎或學術搜尋引擎蒐集資料；介紹獨立研究經常用的資料庫，例如碩博士論文系統和台灣雲端書庫等；最後則介紹如何將蒐集到的資料進行分類整理與儲存，並說明如何引用參考資料，與參考資料的引註格式。此部分的教學是在電腦教室中進行，讓學生進行實際上線操作。
之後，則選用適當的科展報告為主題，讓學生拆解並分析科展報告主要的架構，並以他人的科展報告，製作概念圖與摘要。主要目的除了瞭解獨立研究報告的組成元素外，還希望訓練學生的閱讀理解與摘要能力。
數據處理能力與專題研究能力的培養，則是課程接下來的主要目標。分別是由數學老師說明如何以excel處理數據，如何有效運用圖表解釋數據，以及誤差的意義；科學老師則以浮冰和反應速率為主題，說明為何要進行實驗設計，以及如何進行實驗設計；最後再以CER(claim、evidence、reasoning)架構，介紹如何對數據進行論證與解釋。
至於評量方面，除了過程中以學習單，進行形成性的評量外，會再根據不同的主題單元，以不同形式進行總結性的實作評量，共包括以下幾個部分：
1. 應用所學的資料蒐集方式，尋找自己有興趣的研究主題，將資料閱讀整理後，參考科展基本架構(不包含實驗結果、討論與結論)寫出專題實驗計畫書，並需以正確格式引用參考資料。
2. 2人一組，以團體合作的方式，進行實驗設計，並將實驗主題、實驗目的、實驗設計、實驗記錄(自行設計表格)和實驗結果(圖表呈現)完整以海報呈現，並以3分鐘時間進行口頭發表。
3. 應用所學的CER論證架構，完成學習單。學習單內容則提供台灣周遭歷年海水溫度變化、歷年烏魚產量與區域圖關係，以及不同立場的大陸烏魚進口相關報導文章。
18週課程設計如下表一，以下將針對實驗設計與CER的課程，簡介課程實施狀況。
表一：18週課程單元與內容綱要
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週次 |
單元/主題 |
內容綱要 |
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1~2 |
自主學習策略 |
1. 資料整理工具介紹。 2. 資料蒐集網站介紹。 3. 自主學習工具介紹(雲端資料儲存、資料庫和資料整理等)。 |
|
3
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資料蒐集與整理 |
1. 以自己有興趣的議題出發，蒐集相關資料並整理。 |
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4~5 |
專題報告 |
1. 以科展作品賞析出發，介紹專題的內容與流程 2. 閱讀策略－擷取資訊與概念圖介紹 |
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6~8 |
數學建模 |
1. 介紹如何以不同的圖表類型，呈現不同的數據。 2. 一維數據分析：以班級成績為例。 3. 資料分析實作：以女性年齡與骨質密度為主題，介紹二維數據的相關性，建立數學模型。 4. 分析二維數據的線型關係：以製作硝酸亞鈷的檢量曲線為例。 5. 數學模型建立與資料分析實作。 |
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10~11 |
實驗設計(1) |
以浮冰為主題，討論如何設計實驗。 |
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12~13 |
實驗設計(2) |
以丙酮碘化實驗，探討濃度對反應速率的影響，介紹各種變因與如何設計實驗。 |
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13~14 |
專題計畫書 |
1. 結合以上各週次所學，介紹如何擬定專題研究計畫。 2. 專題計畫撰寫實作。 |
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15~16 |
CER論證 |
1. 介紹CER的論證架構。 2. 以達爾文的演化論和陳情表為例，練習CER的論證架構。 3. 以烏魚的報導為例，實作CER的論證架構。 |
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17~18 |
表達力 |
文書編輯/投影片製作/影像處理介紹與練習 |
n 以浮冰為主題介紹實驗設計
實驗設計是獨立研究一個很重要的部分，大部分的學生在國小、國中階段，就已經知道操縱變因、控制變因和應變變因，但卻不清楚為什麼需要進行實驗設計？如何實驗設計？所以本課程先以科學史的演變為架構，簡介實驗設計的假說演繹法，讓學生了解實驗設計是科學家共同的語言，利用假設、演繹和確認預測進行科學論證的標準流程。再以壞血病的治療為例，說明操縱變因、控制變因和應變變因的關係。最後，則讓學生以浮冰熔化為主題，發展想探討的問題，並進行實驗設計。
假說演繹法(Hypothetico-deductive-method)是以觀察和分析為基礎提出問題，再經過文獻探討(資料蒐集)釐清問題，並提出假設，且根據假設進行演繹推理。之後再設計實驗檢驗演繹推理的結論，若實驗結果與預期結論相符，就證明假說是正確的，反之則說明假說是錯誤的(見圖一)。
圖一：假說演繹法(Hypothetico-deductive-method)
以浮冰問題進行實驗設計時，需思考如何將大自然現象經過合理的簡化，而設計出實驗；此外，應變變因的測量方式，也相當考驗學生的創意。例如，某組學生認為浮冰融化，會造成海水鹽度與溫度改變，可能會對洋流的流動產生影響，因而做出的實驗假設為：溫差越大，造成洋流的流速越快。實驗設計時，除了以冰塊的有無，製造出實驗組和對照組的溫度差之外，更發揮創意，以鋁箔紙摺出小船，再利用小船的移動，定量計算出洋流的流速(見圖二)。
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|
圖二 學生根據浮冰現象，提出想探討的問，並進行實驗設計與報告。
n 以丙酮碘化反應為主題介紹實驗設計與數據處理
丙酮碘化反應是一個純化學性的實驗主題(圖三)，所以在實驗設計時，著重的重點與浮冰實驗並不相同。丙酮碘化反應反應式如下所示：
圖三：丙酮碘化反應所使用的器材包括：碘酒、丙酮、2M 鹽酸和蒸餾水。
本課程探討的問題為濃度對反應速率的影響，所以實驗的操縱變因為丙酮、碘或催化劑－氫離子的濃度，應變變因則為測量反應時間，再進一步求出反應速率。實驗過程中學生常出現的盲點包括：控制變因未維持不變；設計紀錄表格時，未能清楚表達實驗內涵；或是數據處理作圖時，X軸和Y軸的項目誤植，座標設計不良等。
以控制變因未維持不變為例：因為此實驗步驟為將適量的HCl(aq)、丙酮和碘酒混合後立即計時，待反應由黃色褪成無色時即停止計時，即可求得反應速率
R＝D[I2]/ Dtime
若要探討[H＋]對反應速率的影響，實驗設計時應改變[H＋](操縱變因)，[CH3COCH3]和[I2]應維持不變。學生常見的反應物用量設計如下表二，但此表格中顯然因為總體積改變之故，混合液中[丙酮]和[I2]無法維持固定，亦即控制變因的控制並不確實。
表二：錯誤的實驗設計，控制變因[丙酮]和[I2]並未維持固定。
|
實驗次數 |
丙酮(mL) |
碘酒(mL) |
2M HCl |
|
1 |
2.0 |
2.0 |
0滴 |
|
2 |
2.0 |
2.0 |
5滴 |
|
3 |
2.0 |
2.0 |
10滴 |
經說明與討論後，學生可以了解實驗設計應修改成表三，並進一步理解實驗時，除了改變操縱變因外，更應該檢查實驗組與對照組中，控制變因是否確實維持不變。
表三：正確的實驗設計，操縱變因為[H＋]；控制變因[丙酮]和[I2]則維持固定值。
|
實驗次數 |
丙酮(mL) |
碘酒(mL) |
2M |
水(mL) |
|
1 |
2.0 |
2.0 |
0 |
1.0 |
|
2 |
2.0 |
2.0 |
0.5 |
0.5 |
|
3 |
2.0 |
2.0 |
1.0 |
0 |
除了實驗設計外，實驗表格的設計和數據處理的實際應用，也是本堂課的重點。而經過嚴謹的討論後，將有助於獨立研究時，實驗結果的討論與傳達(圖四)。
圖四：實驗過程中，學生的實驗過程、實驗紀錄與呈現的海報。
n 結語
十二年國民基本教育總綱中提及，在高級中等學校教育階段，期待以分科教學為原則，再透過跨領域/科目專題、實作/實驗課程或探索體驗等課程，強化跨領域或跨科的課程統整與應用 (國家教育研究院, 2019)。本專題研究法課程即是在此一目標下，希望學生能經由課程設計，在學習過程中逐步培養「人際關係與團隊合作」、「系統思考與解決問題」和「規劃執行與創新應變」三個向度的核心素養，並培養好奇心、探索力和思考力，讓學生願意以積極的態度、持續的動力進行探索與學習，從而奠定獨立研究的基本能力。期望在大家的共同努力下，老師和學生一起成為二十一世紀昂首闊步的終身學習者。
n 參考資料
國家教育研究院(2019)。十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域。2019/05/05引自https://is.gd/rhHGEG。