臺灣化學教育

創意化學實驗：光譜儀的製作及電漿光譜的觀測

范智傑¹、洪舜文¹、吳韋霆¹、黃佑杰¹、周芳妃²、盧麗娟³、呂家榮*¹

1.國立臺灣師範大學化學系

2.台北市立第一高級女子中學

3.臺北市立南港高級工業職業學校

*[email protected]

壹、前言

    大家對「電漿」這個東西可能會很陌生，但其實「電漿」卻跟我們的生活息息相關。舉凡日常生活中的日光燈管、霓虹燈的發光；大自然中的閃電，極光皆是應用到電漿的原理。本實驗先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀之後，即可用於偵測電漿光譜性質。在實驗室中利用高壓直流電在金屬電極尖端放電，也可以產生電漿。本實驗取用家庭中常見電蚊拍電路裝置，應用以產生大約3000伏特但電流很微弱的高壓直流電。在自製電漿瓶裡有兩個電極，瓶中填入待測氣體，與電蚊拍的電路連接以後，電漿就會在兩個金屬電極尖端放電生成，於瓶中看到類似「極光」的現象。最後，利用自製光譜儀，量測自製電漿的光譜訊號，得到電漿光譜。

 

█什麼是光譜儀?

    光譜儀（Spectroscope）屬於科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等分光材料構成，可將具有多種頻率的的光線，經過分光材料而將光線分辨出各種色光的波長或頻率。這些被分析出來的色光可稱為光譜線，光譜儀測量得到的光線性質與光譜線的關係可統稱為光譜。

█什麼是電漿?

   最早在1920年代，Langmuir等人首先研究電漿中的現象，發現氣態離子的存在，而在1929年Langmuir使用了電漿 (plasma)來敘述此類離子化氣體的現象。

圖1:離子化氣體放光圖

若對物質施加高溫或加速電子、加速離子等能量，中性物質會透過激發、解離、離子化等反應而產生分子(molecules)、原子(atoms)、激態物質(excited species)、電子(electrons)、正離子(positive ions)、負離子(negative ions)、自由基(free radical)、紫外光、可見光等物質。這些物質混合在一起的狀態就稱為電漿，因其不同於 固、液、氣三態，因此電漿常被稱為是物質的第四態。日常生活中常看到的日光燈、霓虹燈發亮的狀態，就是屬於電漿發亮的狀態。

 

◆ 如何產生電漿?

    電漿的產生是因為具有足夠能量的電子去撞擊中性氣體，使中性氣體解離失去電子而產生電漿。但中性氣體的原子核對其電子具有束縛能，外界電子能量需大於束縛能，才可在衝撞中性原子時造成中性原子解離出電子。所以我們需要以高壓直流電的方式來使電子的能量足夠，電子在電極中會被帶正電之電極吸引而加速，在加速過程中電子就可以累積能量，當電子的能量達到某一個程度後就有足夠能力來解離中性氣體。

 

貳、實驗器材列表:

一、基本器材： l   筆、橡皮擦、美工刀、方格紙、手套 l   大針筒(50mL)x1 l   小針筒(10mL)x1 l   木夾子x1 二、電漿燈源： l   雙頭鱷魚夾1~2個 l   電蚊拍電路x1 l   電漿燈源樣品瓶x1 l   變壓器x1 l   氣體(氦氣鋼瓶即錶壓頭) l   教師準備：市售未知氣體小型螢光燈

三、光譜儀製作： l   CD片(分光用) 1小片 l   黏土4~5塊 l   光譜儀模板(包括內部隔板、架燈源板子)一組 l   光電晶體x1 l   10M歐姆電阻x1 l   9V電池x1 l   3V電池組x1 l   各色光LED燈(紅、綠、藍、白)各1個

 

叁、實驗步驟

一、光譜儀的製作

   本步驟中將利用光碟片碎片做為簡易「光柵」來進行分光實驗，並且利用「光電晶體」來偵測光源各波長的相對強度。

 

1.          將事先裁好的紙板順著割痕輕折，以黏土或膠帶黏成盒子的形狀，如下圖1所示。右側盒壁要向內凹，底邊與長邊的底邊對齊並貼住。

圖1: 摺疊光譜儀盒子的過程

2.          以左窄右寬的梯形狀CD切片進行觀測時，檢查CD切片的表面條紋走向是在垂直方向。先將CD切片以左窄右寬形狀固定並貼在光譜儀視窗對側的長邊正中央(可用長尺量過)。取白光LED接於3V電池組(LED長腳接正端，短腳接負端)，放置到光譜儀盒中CD切片右下方大約45度位置，用白光LED確認CD切片方向，使入射的白光可以成功散射到觀察口，如下圖2。

圖2: 取白光LED接於3V電池組(LED長腳接正端，短腳接負端)，放置到光譜儀盒中CD切片右下方大約45度位置的過程。

 

3.          此時以眼睛在觀察口左右移動看看，由左到右可以看到藍綠黃紅等色光，如圖3所示。測試由左到右成功看到散射各種色光之後，可再用黑膠帶將CD片的縫隙寬度貼得更細一點，露出CD切片約0.2~0.3 cm 寬，以提高光譜儀解析度。

圖3: 測試由左到右成功看到散射各種色光的過程。

4.          由於反射光線過強會導致感光偵測儀器的誤差過大，需在盒內左側貼上一片擋板防止反射光干擾偵測器，此檔板的位置大致即可，只要能有效防止反射光干擾感光偵側器。為了避免光源裝置發生滑動，也在盒內右側貼好燈座和固定版。檔板和燈座位置參考圖4所示。

5.          以1cm寬的細長珍珠板輕夾住光電晶體，做成感光偵測器。放置偵測器到光譜儀盒子的觀察視窗上，觀察視窗上下邊皆貼軌道(其一有方格紙須朝外側)，畫標記的時候可以更清楚的看見標記。電池盒也固定在光譜儀盒蓋上，避免光源燈座晃動，即可完成簡易光譜儀! 如圖5所示。(盡量不要有光透進光譜儀，可以膠帶貼住防光，不要貼太緊以便可以再打開蓋子)

圖5: 觀察視窗上下邊皆貼上白紙，電池盒也固定在光譜儀盒蓋上。

二、光譜儀的校正

    本步驟中將使用數種單色光LED燈校正光譜儀的訊號位置，並做出波長檢量線，應用於電漿光譜偵測。

 

1.          把藍色LED插入3V電池組的輸出端(長腳接正端，短腳接負端)。再將LED燈架在光譜儀的LED固定板上，之後將光譜儀蓋上(膠帶貼住防光)，眼睛湊到觀察口並嘗試從不同角度透過觀察口看CD切片，確認CD切片可以成功散射出藍光並被眼睛觀察到即可(如圖6)，先以鉛筆註記此位置，稍後使用感光偵測器就可較快速找到訊號精確位置。

圖6: 先用眼睛找出CD切片散射藍光位置。

 

2.          將感光偵測器裝上，並依圖示將9V電池、電阻、三用電表接起來，偵測器與9V電池逆接(如圖7所示)，將9V電池的正極接在感光偵測器的負極，9V電池的負極先接到電阻器，再接到感光偵測器的正極。滑動偵測器至剛剛觀察到光的位置附近(間隔在1~2公分內)，三用電表的電壓讀數會明顯上升，慢慢移動調整感光偵測器，找到電壓最高的精確位置，標示畫於方格紙上。

圖7: 感光偵測器的逆接電路。

3.          依次用其他色光LED重複以上步驟，定出藍光(453 nm )、綠光(516 nm )、紅光(653 nm) LED的波長位置，並於方格紙上作圖，以色光波長為縱軸，方格紙座標位置為橫軸，找出檢量線(如圖8所示)。

圖8: 以色光波長為縱軸，方格紙座標位置為橫軸，找出檢量線。

 

4.          在方格紙上分別標記各色LED的波長對應偵測器位置的點，作圖後，找出各點連線的最佳直線關係。利用各兩點計算此直線的斜率及截距，即為光譜儀偵測波長/感光偵測器位置對應的檢量線的線性方程式。回答下列問題：

回答問題： 1. 偵測波長/感光偵測器位置對應的檢量線的線性方程式為何？     2. 依據電子躍遷理論，計算產生三種色光的兩個高低能階差各為多少？    藍光(453 nm)、綠光(516 nm)、紅光(653 nm) 補充說明： (1)光的波動性質： C = λυ  真空中光速C = 3×108 m.s-1 (2)光的粒子性質： E = hυ   普朗克常數h = 6.62×10-34 J.s

 

三、測量電漿光譜

1.          將LED光緣燈座的板子抽出，留下電漿瓶的燈座板。 (圖9)

圖9：留下電漿燈源的燈座板

 

2.          將氦氣灌入電漿瓶中，連接電蚊拍的高壓電路(3000伏特)，以產生電漿光源。

【詳見附錄說明】               

3.          調整電漿瓶位置使光線可以成功進入光譜儀，與校正時相同，確認眼睛可透過觀察口看到CD可成功將光線散射分光。

4.          進行類似光譜儀校正時的步驟，先將偵測器滑動到觀察口的最左邊，慢慢地往右滑動，並觀察三用電表的電壓訊號，注意訊號大概在哪個(哪些)位置電壓訊號有大幅升高的趨勢。若訊號不太穩定，有可能是因為電漿燈源閃爍造成讀取訊號不穩定，則以觀察最高值為準。

5.          將偵測器由觀察口左側滑動到觀察口右側，觀察並於方格紙上記錄可觀察到的最高電壓值以及偵測器對應的位置。中間沒有觀察到訊號峰的部份可以比較快的帶過，約每0.3~0.4公分記錄一次數據即可，前一步驟觀察到可能的訊號位置附近(約1公分)則需要仔細測量(約每0.1公分記錄一個數據點)。

6.          將記錄的數據，於方格紙上畫上對應的點，並將各點連起來，繪成一張連續光譜圖(圖10)，將比較明顯的訊號峰位置標記，寫出感光偵測器對應位置。利用光譜儀檢量線的內插/外插法，求得氦氣電漿的光譜訊號峰。

                     圖10：測量並繪製He氣體電漿光譜。

 

附錄一：電漿的產生方法

    把要測量的氣體(氦氣)灌於電漿瓶中，通入高壓電讓氣體游離化生成「電漿」。利用氣體電漿當作「燈源」，利用光譜儀去量測不同氣體電漿燈源訊號。

Step1：把待測氣體抽入電漿瓶中

1.          用大針筒抽取大約30mL待測氣體(氦氣)，如圖11所示。把裝有待測氣體(氦氣)的大針筒，針頭插進瓶蓋墊片中，墊片上也插入另一隻小針筒。                          (注意:不要把瓶內電線的塑膠外皮刺破。)

圖11：用大針筒抽取氣體。

2.          方法一：正壓填充法
　　把裝有氦氣的針筒透過針頭刺入進瓶蓋墊片中，並另外插一個小針頭，把針筒內的氣體推入瓶中，形成瓶內正壓。填充完畢後，先將小針頭拔出，再將大針筒取出(圖12A)。

圖12A：正壓填充法

方法二：負壓填充法
　　先用小針筒將電漿瓶內空氣抽出，形成瓶內負壓，使大針筒氦氣自動灌入電漿瓶中，瓶中氣體就置換成氦氣，最後將針筒以及排氣針拔出來。氣體被抽入後，先把抽氣小針筒拔出，再把待測氣體大針筒拔出來(圖12B)。

圖12B：負壓填充法

Step2:把電漿瓶接上電蚊拍電路和電源

3.          拆解市售電蚊拍，取出高壓電路裝置，如圖13所示。

圖13：市售電蚊拍的高壓電路裝置。

4.          把電蚊拍電路輸出端接上電漿瓶，電蚊拍電源輸入端則接上電源變壓器。注意線路採用正接正、負接負方式，操作連續步驟如圖14(A)、(B)所示。市售電蚊拍有多種不同設計的電路，須依據現場的電蚊拍電路判斷線路連接方式，如圖14(C)所示。

圖14-A：電蚊拍電路	圖14-B：電蚊拍電路接電源
圖14-C：電蚊拍電路接電漿瓶，並且通電。

5.          把電源變壓器插在插座上，打開電蚊拍電路上的開關，電蚊拍電路上的LED燈會亮，可於瓶子內看到電漿。

**注意：建議操作電蚊拍電路接通的時候要戴上手套，以免觸電!!

 

附錄二：抽真空實驗

    把空的大針筒針頭插進灌有氦氣(He)電漿瓶墊片上，把電漿瓶接上電蚊拍電路和變壓器，通電並接通開關以產生電漿。用針筒慢慢抽走電漿瓶內的氦氣，覺得抽不動時，請另一人幫忙把針筒的針頭拔出來。於瓶內可看到氦氣電漿發光的電弧形狀，仔細觀察瓶內電極電漿放光變化，如圖15所示。

圖15：用針筒慢慢抽走電漿瓶內的氦氣，觀察氦氣電漿發光的電弧形狀。

結 語

本實驗設計利用容易取得的材料來建立一個可以確實量測波長數字之光譜儀，相較於一般以肉眼觀測顏色變化的分光實驗，本實驗可以提供學生更確實的波長記錄與感受，同時引入氣體游離的觀念，讓學生可以親手製造類似極光的光暈，使學生明瞭在生活週邊其實有許多的現象與物質的第四態(電漿) 息息相關。

 

誌謝

感謝張昭鼎紀念基金會贊助本研究成為高中實驗教案，並安排於2015年與2016年兩屆的居禮夫人高中化學營實驗課程，提供給三百多位國內外全體學員師生進行研習。

 

參考文獻

1.      維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AD%89%E7%A6%BB%E5%AD%90%E4%BD%93

2.      J.E. Lovelock, Nature 181 (1958) 1460.

3.      R.C. Pitkethly, Anal. Chem. 30 (8) (1958) 1309.

4.      Y.-M. Fu et al., Microchemical Journal 89 (2008) 7–12.

 

創意化學實驗：
微型發音哨的開發與氣體偵測上的應用

王慶豪

臺北市立建國高級中學

[email protected]

█ 前言

氣相層析中常用的氣體偵測器多達20～30種，其中常用到的如質譜儀（GC/MS）、火焰離子化偵測器（FID）、熱導偵測器（TCD）、電子捕捉偵測器（ECD）等，上述的偵測器大多為購買商用儀器時會與氣相層析儀搭配使用。雖然於實驗室中使用非常方便，但價格昂貴並非一般中等學校可以負擔。本文介紹於2010年由師大化學所林震煌教授實驗室所研製微型發音哨氣體偵測器。微型發音哨氣體偵測器的結構非常簡單—如同一般的哨子，唯一的差別只是體積縮小了約10倍左右。而微型發音哨的製作方式相當簡單，且製作的材料方便取得，，甚至利用3D列印的技術亦可製作出實用的發音哨。

微型發音哨偵測器具有簡易、安全、小型化、廉價及耐用性佳等特性，且因其使用之原理為閉管空氣柱發音之物理現象—藉由聲音的頻率變化推算出進樣氣體之分子量或體積，故於使用時可省去傳統儀器分析方法時需先使用標準品進行校正曲線工作的特性。

利用微型發音哨與自主裝氣相層析儀的結合可大為減少傳統氣相層析儀體積龐大過於笨重的問題，若再搭配自動進樣系統的改良，即可進行長時間的氣體監控。目前已將氣相層析儀搭配微型發音哨的裝置應用於1. 儲氫材料釋氫溫度之研究。2. 人體呼吸商之檢測。3.種子萌芽呼吸作用中氧氣與二氧化碳濃度檢測。4. 釀酒過程中酒精濃度監測。

 

█ 微型化發音哨的簡介

一、原理：

1.          格雷姆擴散（逸散）定律：高中課程中曾討論擴散定律，微型發音哨即架構於擴散定律中，已知於擴散定律中得知氣體擴散（逸散）速率與氣體分子量的關係為，亦即氣體的分子量愈小，其擴散（逸散）速率愈快。

2.          閉管空氣柱發音頻率：氣體的流經發音哨的開口端時，會使管內空氣柱發生振動形成駐波發音，其發音頻率，其中ƒ為閉管空氣柱產生共振聲音的頻率，為共振腔的長度，為氣體運動的速率。

 

由以上兩個基本原理結合可知當不同分子量的氣體流進哨子口後，會使哨子的共振腔產生不同頻率的哨音—當分子量愈大的氣體通過時，哨子發出聲音的頻率愈低，反之亦然。此時，哨音可藉由麥克風接收並同步以LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)，獲得即時聲音頻率的變化，並可藉由聲音頻率變化量反推得知流經氣體的分子量或特定氣體的濃度，以達定量分析之目的。

 

二、微型發音哨的結構：

微型化發音哨的長度約5 mm～20mm之間，主要材料為外徑3 mm，內徑1 mm之鐵氟龍管，並以直徑為1 mm之銅柱作為微型發音哨閉口端之填充物與哨口結構之材料。

 

三、微型發音哨的製作方法：

1.          首先準備外徑3 mm、內徑1 mm，長度約為15 mm之鐵氟龍管。

2.          利用銼刀將直徑為1 mm之銅柱磨製成梯形結構，其中銅柱的最大厚度應介於0.85 mm～0.95 mm之間。

3.          將梯形銅柱由最厚端推入鐵氟龍管中，至深度約為5 mm止。

4.          鐵氟龍管的另一端取直徑為1 mm銅柱推入至深5 mm止。

5.          利用單刃刀於梯形銅柱最厚端的位置切出1.5 mm深之刀痕，隨後將刀面傾斜45°後，切出第二個刀痕，製造出一發音缺口。

6.          將哨子兩端露出之銅柱磨平後即完成微型發音哨之製作。

圖1: 微型發音哨的製作圖

 

█ 微型化發音哨的應用

一、呼吸商之測量

一般人於無意識的情況下吐氣時，吐出的氣體中約含78～79％氮氣，15～16％氧氣，3～5％二氧化碳與2％的其他氣體。利用氣相層析儀搭配微型發音哨做為偵測器量對志願實驗者於正常呼吸條件下呼出的氣體作分析測量，可發現正常呼吸下氧氣的含量約為15.10％，二氧化碳的含量約為3.83％，而當實驗者憋氣30秒後，氧氣含量降低至14.35％，而二氧化碳上升至5.54％。

圖2: 利用氣相層析儀搭配微型發音哨做為偵測器量測呼氣組成情況

 

二、釀酒過程中酒精濃度的監測

利用微型化發音哨做為偵測器，並搭配氣相層析系統及自動化進樣系統，可對酵母菌發酵過程中，產生酒精的濃度及酵母菌進行發酵時所產生二氧化碳含量的偵測。

水溶液中不同的酸鹼值會影響種子發芽的現象，且種子發芽時會因為呼吸作用之緣故消耗氧氣產生二氧化碳，故利用本實驗室所開發出來之儀器裝置對綠豆種子發芽過程中氧氣與二氧化碳的濃度作分析，以探討水溶液中的酸鹼值最種子發芽的影響。

圖4 不同小時後種籽呼吸氣體氧氣與二氧化碳偵測值

 

█ 結語與未來展望

微型發音哨是一種簡單、方便操作、容易製作且價格便宜的氣體偵測器。與其他氣體偵測器相比較，其原理較偏向中學生知識背景可以理解的範疇。微型發音哨可應用於偵測各種氣體，包括有機、無機、易燃氣體、毒性氣體或惰性氣體等。其量測方式僅需藉由一般麥克風與電腦音效卡記錄聲音後作頻率分析變化即可。相較於傳統氣體偵測器需藉由光、熱、火焰燃燒等化學變化來得到電子訊號，微型發音哨可說是非常平易近人的氣體偵測器。若搭配微小化的氣相層析儀，相信其必具有可以應用糖尿病及相關疾病呼氣檢測的潛力。

 

█ 參考資料

1.          賀怡珊（2014）：氣相層析儀結合微型發音哨對氣體分析的開發與研究。國立台灣師範大學化學所博士論文，未出版。

2.          葉冠甫（2015）：氣相層析/音哨檢氣法對發酵製程中產生氣體之及時偵測法的研究。國立台灣師範大學化學所碩士論文，未出版。

3.          吳明儒（2016）：使用氣相層析/哨音檢測技術對酵母菌固化微管陣列薄膜發酵過程中乙醇之即時監測。國立台灣師範大學化學所碩士論文，未出版。

4.          黃筱粧（2017）：應用氣相層析儀/哨子技術探討酸性溶液對種子萌發及呼吸作用的影響。國立台灣師範大學化學所碩士論文，未出版。

創意化學實驗：如何培養學生的實驗創意？

劉敏瑛

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

 

在大學中，如何在共同實驗課程中帶領學生做有創意的實驗，如何改變傳統的講述教學方式？如何能讓學生熱情且積極的參與實驗活動？而不只是照著〝食譜〞做完指定的實驗，然後繳交報告。如何能讓自己的研究主題有創意？筆者一直思考著這些問題，最近讀了三篇文章，提到有關實驗創意的來源，覺得收穫頗多，希望與讀者們分享。

n  例一：如何在大學的化學課程中培養學生的創意¹

Ascheron和Kickuth在Make your mark in scince² 文章中提到：對於許多新的科學研究者來說，最大的挑戰和障礙是需要有想像力和創意，也就是需要新的研究方向或是找到新方法來解決舊問題。Cope³ 提出：創意被認為是化學家最珍貴的資產，Lakatos⁴ 也認為：在科學中有創意的想像力勝過一切，包括實驗數據和發現的事實。

〝創意（creativity）〞到底是什麼？雖然化學家們覺得很重要，但是許多人並無法具體地在自己的研究實行。許多化學家認為〝創意〞是一種靈感、預感或頓悟。

這篇文章主要是要幫助教育者瞭解〝創意〞在化學教育中所扮演的角色。其內容包含：(1)化學家在做些什麼事，(2)化學家的創意，(3)大學生的化學實驗課和創意，以及(4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例。

(1)化學家在做些什麼事

對於一個化學系的大學生來說，一個化學家的研究就是：由原子、分子及化合物組成的物質以及它們的化學反應和物理變化。經由一般共同的實驗課程，學生學到如何使用天平、有刻度的錐形瓶、燒杯，以及簡單的實驗技巧如過濾和蒸餾等。在進階的課程中，學生學到現代化的儀器和複雜的實驗技巧。但是對於大學生們來說，知道一位化學家的研究主題，及他所使用的實驗器材和技巧，並無法使他們真正了解化學家在做什麼，以及化學家如何產生新的化學知識，其實大學生們並不清楚一位科學家是如何進行研究。大約50年前，Kuhn^5,6 指出大部份時間，化學家主要是參與普通科學（normal science）活動，例如：改進已知的事物，增加一個儀器的準確度，合成一個新的化合物，或是增加一個分析方法的可信度，就像是玩拼圖遊戲一樣。很多化學教育者審視自己的教學方式和所設計的教學活動後也贊成Kuhn的觀點。

(2)化學家的創意

化學家又是如何玩拼圖遊戲呢？Ascheron和Kickuth¹ 提到這可能包含構思研究題目，規劃研究內容，設計實驗步驟，分析結果，思考如何展現研究成果和說服讀者等。

這兩位學者同時也指出，研究題目的產生是一種創意的呈現，很多年輕學者還沒具備這種能力。著名的科學家Max Planck提到：一位科學家的新研究主意需藉由生動及藝術化的想像力來產生，而不是由已知的事實推論產生。

Platt及Baker⁷ 提出幾個培養出新主意的情況：一個人積極的思考一個問題，蒐集資料，及分類資料，有些時間遠離這個問題，然後下意識的大腦活動，也可補充有意識的推理。這個過程或許要花很多時間，然後突然的你開始有了問題的解答。我們的大腦進行很多下意識的工作，是我們所不知道的，而這也就是我們解決大部分問題的方式。

(3)大學生的化學實驗課和創意

一般而言，化學系大學部的實驗課目標為：熟悉主題物質，發展實驗技巧，獲得有關科學本質（Nature of Science）的洞見，培養對科學的興趣，學習獨立工作或與人合作，及發展科學推理的技巧。實驗課的教學方式影響學生的創意發展，有四種主要的實驗課教學型態：詳述（expository）、探索（inquiry）、發現（discovery）、問題導向（problem-based）。其中，實驗結果未定的只有探索，實驗步驟可由學生自訂的為〝探索〞和〝問題導向〞，而教學方法使用歸納方式的為〝探索〞和〝發現〞。大部分的實驗課以〝詳述〞進行，學生們遵照一個已知的實驗步驟，加上推理能力，來達到一個已知的結果。這種方式的優點是教學活動有邏輯性，而且同時可讓很多學生進行實驗，而授課教師的參與度可達最低。而早於1987年，Tobin和Gallaher⁸ 就提到這種教學方式是〝無意義的學習〞，因為學生們花較多的時間去想他們是否的到正確的結果，而不是去思考科學原理。很多提倡創意教學法的化學教育家也指出這種〝詳述〞式教學法的缺點（Ascheron and Kickuth²；Drake et al.⁹；Zielinski¹⁰；Scott¹¹）。盛行的〝詳述〞教學法就像是科學家們〝複製〞其他科學家的工作，然後再驗證實驗結果。

Kuhn提到，一個真正的科學發現，改變了我們的世界觀。就教學來說，與指導或非指導的〝探索〞教學法最接近。Gallet¹² 也指出幫助學生發展想像力，科學創意和智力自主遠比累積冷知識（cold knowledge）重要。真正的研究包含獨立和開放式的思考，實驗失敗的挫折感，從失敗中學習的挑戰，及偶爾實驗成功的快樂。

(4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例

〝The Ohio consortium for Undergracluate Research：Research Experience to Enhance Learning (OCUR-REEL) Project〞，這個Undergracluate Research Center (URC) 得到美國國家科學基金會（National Science Foundation）在2006至2011年間的經費補助。這個計劃包含Ohio State很多所大學的化學家。REEL的中心目標是在課堂中提供真實的研究機會給很多學校的大學生，藉以轉變大學的科學教育。

有一個REEL計劃的例子是有關環境化學的探討。在超過3年的期間，在同一所大學中約有1000個學生收集和分析一個大都會區的泥土樣品。這個研究計劃的巨觀問題是找出城市中受到重金屬污染的地區，及探討人為因素（例如：高速公路、鐵路或工業等）與重金屬汙染的關聯。學生們分組進行實驗，產生自己的研究問題，也同時貢獻整體的研究結果。例如：學生們比較現代化和具有歷史性教堂的泥土，比較河川附近和人工湖附近的泥土，也分析機場附近、建築工地、及墓地或學校的泥土。學生們收集並分析泥土的方法應用環境保護單位的標準方法，也產生高品質的結果。這個方式需要很多層面的創意，包含教師設計研究計劃，學生群組產生自己的研究問題，以及學者在學生們產生的實驗數據中尋找有價值的結果等。

REEL計劃的策略是希望將教學從傳統的講述方式轉變成積極活潑學習的實驗課。REEL計劃的特性為：(1)取代3到5週的傳統實驗課，(2)強調學生對一個研究計畫的擁有權，(3)學生貢獻於一個整體且真實的研究計劃，(4)學生與同學們組成群組，並得到教師或助教的指導，(5)實際動手操作現代化儀器，(6)將實驗發現做成結論，發表於期刊，或以口頭或海報方式發表，(7)而與非REEL課程比較，參與REEL課的學生較有可能依照自己的想法設計活動，與同學辯論有關數據的解釋，對結果產生不同的解釋，或是彼此互相討論以促進學習。而非REEL課程的學生較有可能藉著記憶科學事實，或靠著教科書來學習科學。

n  例二：Aizenberg教授提出個人職業發展的三個經驗談

在一個非正式的訪問中（Informal talk highlights the need for creativity in science）¹³，Prof. Aizenberg 提到有關個人職業發展的三個經驗談：

(1)   不要讓自己過得太舒適

Prof. Aizenberg認為擁有與一般觀念不同的想法是成功的研究最重要的關鍵。她認為在完成博士學位後，進入不同領域做研究，幫助她日後做研究時具有獨創性（originality）。她建議學生們去學與你之前的工作不同領域的實驗技巧，並且是能令自己覺得興奮的事物。

(2)   從業界到學界工作

Prof. Aizenberg到哈佛大學教書前，曾在貝爾實驗室工作，目前領導一個有50名研究人員的研究室。早期她在許多不同的文化環境（俄羅斯、以色列及美國的許多州）受教育及工作。Prof. Aizenberg的研究是屬跨領域性質的，她相信未來的科學研究所需要的是跨領域，及一個多元文化的團隊，她也認為研究團隊裡的人際關係及多元性，不管是個人還是工作上的，對於整個團隊的工作表現是極具重要性的。

(3)   工作與生活的平衡

Prof. Aizenberg認為雖然維持工作與生活的平衡，有它的挑戰性和困難度，但是我們還是應該盡量去實踐。她也鼓勵一個較快樂的工作文化和較好的壓力處理方式，以及較有組織地處理工作和個人生活中的責任義務。她提到與生活伴侶的合作，是件不容易的事，但在不同的生涯階段中，我們得視情況調整工作和個人生活的優先次序，Prof. Aizenberg的丈夫也在化學界工作，而她目前也享受與孩子和孫子們相處的時間。

n  例三：一位在哈佛大學博士生

Magie Li是位哈佛大學博士班二年級的學生，主修化學和化學生物（chemistry and chemical biology）¹⁴ ，雖然美國的公立學校目前並不致力於推動藝術教育，但Li早期所受的教育讓她擁有創意的思考，也讓她覺得藝術與科學其實是息息相關的。Li童年讀的是所非傳統公立小學（the McCarthy Towne school），這所小學很注重實驗和藝術。這段經歷影響她日後的大學教育，她選擇兩個主修；化學和藝術史。雖然她並不準備朝著藝術方向發展，但Li覺得她擁有創造性，讓她現在願意去探索較為現代化的主意。Li所受的教育讓她經歷創意研究，及願意去探索未知的心，也因此讓她找到了自己的路—哈佛大學的化學和化學生物的博士學程。Li認為化學生物是個相當新的領域，化學生物在科學中所扮演的角色尚未界定，但是個令人興奮的領域。Li說在化學生物的研究中，我們想的是操作生物系統，而不是研究生物系統。自然界能進行很多事，那我們能利用這些事來做我們想要的嗎？Li的研究興趣主要是傳遞蛋白質進入細胞中。Li早年所受的教育是不拘一格的，也讓她對於學習新事物保有恆久的熱忱。她說小學時候沒有課業，沒有考試，我們讀自己想要讀的書，這使得學習非常有趣。

n  參考資料

1.        Clark T.M. (2015) Fostering Creativity in Undergraduate Chemistry Courses with In-class Research Projects. In: Charyton C. (eds), Creativity and Innovation Among Science and Art. Springer, London.

2.        Ascheron, C., & Kickuth, A. (2005). Make your mark in science. Creativity (presenting) publishing, and patents. A guide for young scientists. Hoboken, New Jersey: Wiley.

3.        Cope, A. C. (1961). Encouraging creativity (editorial). Journal of Chemistry Education, 38(12), 589.

4.        Lakatos, I. (1970). Falsification and the Methodology of Scientific Research Programmes. In I. Lakatos & A. Musgrave (Eds.), Criticism and the growth of knowledge (pp. 170–196). London: Cambridge University Press.

5.        Kuhn, T. S. (1962). The structure of scientific relations. Chicago: University of Chicago Press.

6.        Kuhn, T. S. (1970a). Logic of discovery or psychology of research？In I. Lakatos & A. Musgrave (Eds.), Criticism and the growth of knowledge (pp. 1–24). London: Cambridge University Press.

7.        Platt, W., & Baker, R. A. (1931). The relation of the scientific hunch to research. Journal of Chemistry Education, 8(10), 1969–2002.

8.        Tobin, K., & Gallagher, J. J. (1987). What happens in high school science classrooms？Journal of Curriculum Studies, 19, 549–560.

9.        Drake, B. D., Acosta, G. M., Wingard, D. A., & Smith, R. L, Jr. (1994). Improving creativity, solving problems, and communicating with peers in engineering and science laboratories. Journal of Chemistry Education, 71(7), 592–596.

10.    Zielinski, T. J. (2009). Fostering creativity and learning using instructional symbolic mathematics documents. Journal of Chemistry Education, 86(12), 1466–1469.

11.    Scott, J. (2010). Training chemists in the United Kingdom. Journal of Chemistry Education, 87(4), 353–354.

12.    Gallet, C. (1988). Problem-solving teaching in the chemistry laboratory: Leaving the cooks. Journal of Chemistry Education, 75(1), 72–77.

13.    Informal talk highlights the need for creativity in science. Harvard University, June 15, 2015. https://www.ch.cam.ac.uk/news/informal-talk-highlights-need-creativity-science.

14.    Creative Chemistry. A background in art helps a PhD student push the creative boundaries of chemical biology, April 11, 2012). https://gsas.harvard.edu/news/stories/creative-chemistry.

創意化學實驗：攔截紫外線，效果看得見！

蔡威任¹、陳昭錦^2,*

¹中國醫藥大學中醫學系
²國立臺灣師範大學附屬高級中學
*[email protected]

n  前言

今年五月臺灣提早進入夏季，連續數月的高溫讓許多常在戶外活動的人們難以招架豔陽的威力，氣象局人員也持續提醒大家不可忽略防曬的重要性。在陽光下長時間的曝曬可能導致人類皮膚老化甚至引發黑色素瘤，各種防曬乳液因應而生。消費者購買防曬乳時，通常會先注意到商品上標示的防曬係數SPF，防曬係數愈高的產品愈可能受到青睞。它們是否真的有較佳的防曬效果呢？消費者如何能感受這些產品的差異呢？

本創意實驗設計，選用在紫外光照射下會分解的維他命B₂，將其配成水溶液，觀測其在陽光照射下的濃度變化。改變不同防護條件，以可見光分光光度計分析維他命B₂溶液照光後吸收度和濃度隨時間的變化情形，如此可在不傷害人體的前提下，觀測不同防護條件下維他命B₂濃度的衰退速率，以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。

n  原理和概念

維他命B₂又稱為核黃素（riboflavin），是一種橘黃色結晶性粉末，微溶於水，水溶液為黃綠色螢光，其外觀、溶液顏色及結構式，如圖1所示。對熱甚安定，但對光甚敏感，特別是紫外線，其水溶液照光後顏色會變淺，因此要儲存於深色瓶中。

圖1：維他命B₂粉末（左），維他命B₂水溶液（中），維他命B₂結構式（右）。

（圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/核黄素）

若在沒有任何防護下，放置於維他命B₂溶液在陽光下曝曬，溶液的顏色會逐漸消褪。若在盛裝維他命B₂溶液的容器外塗上防曬乳加以保護，則溶液的顏色消褪的速率應該會變慢，藉此可以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。

n  實驗器材與試劑

(一)實驗器材與設備

電子秤、透明塑膠片、燒杯、玻棒、滴管、比色管、試管、試管架、塑膠尺、安全吸球、分度吸量管、封口膜、塑膠盆、24格細胞培養塑膠盤（見圖2）、比色燈、分光光度計SP-830+。

(二)藥品

維他命B₂粉末、維他露P健康微泡飲料、維大力汽水、各種品牌防曬乳、護手霜。

圖2：24格細胞培養塑膠盤（左），維大力汽水（右）。

n  實驗步驟

1.        配製3公升100 ppm維他命B₂溶液，避光保存，亦可用市售的維他露P健康微泡飲料（維他命B₂含量0.12mg/100g）或維大力汽水（維他命B₂含量0.75mg/100g）代替。

2.        檢量線製作

(1)      首先要找出最適合的可見光分析波長，文獻指出維他命B₂溶液在440~460nm有較大的吸收。我們先把100 ppm維他命B₂溶液放置於比色管中，選擇分析波長範圍為400~500 nm，波長間隔為5 nm，進行光譜分析。找出吸收值最大時的波長，約在445 nm。

(2)      利用分度吸量管和安全吸球，分別稀釋100 ppm溶液為80 ppm, 60 ppm, 40 ppm, 20 ppm, 10 ppm。

(3)      設定分析波長為445 nm，分別測定前述六種不同濃度的維他命B₂溶液的吸收值，每個溶液樣品均測3個數據取平均值。

(4)      吸收度對濃度作圖，找出迴歸直線方程式。

3.        每組不同防護條件下，使用一個24格細胞培養塑膠盤，其中每4格為一組（見圖3左），如此每種相同條件（相同照光時間、相同防護）均可獲得4組數據。它的優點是可以一次進行多組比較，藥品用量少，且移動過程中較不會因晃動而使藥品灑出。再者，其上可以覆蓋塑膠片，其上塗抹不同的防護物質，如此可以方便地取得多組數據。

4.        把透明塑膠片裁成恰可覆蓋塑膠盤的大小，第一組在其上不塗抹任何物質，第二組塗抹護手霜，第三組塗抹妮X牌SPF30防曬乳，第四組塗抹曼X牌SPF50，第五組塗抹蜜X牌SPF48防曬乳。

5.        為使塗抹的防護物質質量和厚度盡可能相等，可依據防曬劑SPF值體內測定法的規定，塗抹量為2.0mg/cm²，透明塑膠片總面積為130cm²（13cm×10cm），每張總塗抹量260mg，先將塑膠片放置於電子秤上，歸零後以塑膠滴管慢慢滴加260mg的防護物質於塑膠片上，其上再覆蓋另一張相同的塑膠片，以使防護物質能形成均勻厚度。

6.        覆蓋前述塗布不同防護物質的透明塑膠片於塑膠盤上，五組塑膠盤同時放置於陽光下曝曬，每隔10分鐘收回塑膠盤，每個塑膠盤吸出其中4格溶液，分別置於試管中，貼上標籤並封口避光保存。剩餘溶液繼續照光，直到所有溶液均照光後移至試管為止，最後的4格溶液照光時間為60分鐘（見圖3右）。

7.        在分光光度計中，選擇分析波長為445 nm，針對未防護及其他四種防護條件下的各組維他命B₂溶液，測量其吸收度。

圖3：照光前的維大力汽水（左），陽光照射90分鐘後的維大力汽水（右）

n  結果與討論

一、   不同防護條件下的照光反應觀測結果

不同防護條件下維他命B₂溶液濃度隨照光時間的變化情形，如圖4所示。

圖4：不同防護條件下維他命B₂溶液濃度隨照光時間的變化，左為長條圖，右為折線圖。

不同防護條件下維他命B₂溶液濃度隨防護條件的變化情形，如圖5所示。

圖5：不同防護條件下維他命B₂溶液濃度隨防護條件的變化

二、   比較不同防護條件下阻隔紫外線的效果

欲將各種防護條件阻隔紫外線的效果予以量化，可以從維他命B₂濃度衰退的速率來看，維他命B₂溶液未受保護下濃度下降很快。若有防曬乳等物質的防護，濃度下降速率較慢，分解率較小，代表維他命B₂殘留量高，亦即阻隔紫外線的效果較佳。

n  教學建議

l  若維他命B₂粉末不易購買，可用市售飲料維他露P或維大力汽水代替。

l  若使用維大力汽水在未防護下照射陽光，約經過45~90分鐘曝曬後，顏色會消褪，視當日陽光中紫外線強度而異。

l  若實驗室沒有分光光度計，可利用基礎化學（三）平衡常數測定實驗中介紹的比色法，透過目視比色，仍然可以比較不同防護條件下，維他命B₂溶液照射陽光後濃度的衰退情形。

l  若採用目視比色法，維他命B₂溶液需要的量較多，可用培養皿取代前述的細胞培養塑膠盤，如圖6所示。若使用培養皿，透明塑膠片總面積約為100cm²，每張總塗抹量200 mg。

圖6：培養皿盛裝維他命B₂溶液曝曬於陽光下（左），曝曬時間不同的維他命B₂溶液（右）

n  參考資料

1.      王正坤（2012）。醫學美容與皮膚保養。臺南市：藝群國際企業。

2.      孫昀妘、陳振興、李淑芬、古素貞、李佳晉、黃素卿編著（2007）。化妝品化學。臺中市：華格那企業。

3.      蔡威任、許敦淯、蔡秉諺（2012）。以維他命B₂溶液照光反應比較暢銷品牌防曬乳之防曬效果。中學生網站。http://www.shs.edu.tw/works/essay/2012/04/2012040314564848.pdf

4.      蔡琦、蘇玉燕、張乃元、王月花、梁建成、官長慶編著（2008）。化妝品化學。新北市：新文京開發。

創意化學實驗：探究與實作綠色化學系列課程：
防火志工活動與用火安全科學關卡

周芳妃¹*、詹莉芬¹、張永佶¹、陳祖望¹、吳淑芳¹、蕭琬莉¹、朱昱蓁¹

¹臺北市立第一女子高級中學
*[email protected]

 

n  前言

北一女中從民國99學年度起即開始開設高一跨班的跑班選修，當時北一女化學科也就開始發展探究與實作課程，並且長期耕耘發展符合綠色化學精神的高中化學實驗教材教法，同時創新化學科相關課程的學生成果發表方式，利用每年校慶舉辦化學宅急便的科學闖關活動，課程設計與科學關卡活動不斷演進，屢受好評之外並也對於台灣的科學紮根教育有深遠的影響。北一女化學科團隊以「綠園化學使節團」為使命，以「綠野仙蹤–化學宅急便」之名，榮獲104學年度教育教學卓越金質獎。迎向108課綱之際，北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統(如圖1)：

l   現行化學科課綱實驗課程：減廢減量與替代實驗研發。

l   多元選修特色課程(高一跨班選修，一學期)：綠色化學百寶變與創意小論文設計。

l   108課綱試行課程(高一跨班選修，一學期)：探究能量與跨科實作，自然科跨科開課。

l   化學實驗研究社(高一高二聯合社團，一學年)：防火志工活動與用火安全科學關卡。

第一項課程系統提及實驗減廢減量與替代實驗研發，國內許多第一線的高中化學老師都投入很多時間指導學生，教育部也在103學年度起(2014年)開展的新平台，「綠色化學創意競賽–綠色化學教育網」，讓高中職學生可以透過友善的競賽平台來發表研究作品。第二、三項課程系統的發展過程已經歷經8年，相關研發與設計方法已發表在本刊第13期(2016年6月)的文章：「化學探究教學：融入綠色化學與化學探究課程設計」，目前並在校內擴大學科參與，延伸為自然科跨科開課系統。而化學科開設的多元選修特色課程：「綠色化學百寶變與創意小論文設計」，乃使用教育部「綠色化學創意競賽」辦法為腳本，設計出一學期的四階段教學策略，也提供給教育部108課綱數理資優課程的教學模組範例。第二、三項課程系統的大綱與簡介均可在北一女學校首頁的12年國教特色課程網頁中搜尋。

 

圖1：北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統

 

化學物質在我們生活中隨處可見，如何讓生活環境更安全更便利，化學物質的妥善運用，就相當重要，而綠色化學教育更是首要。在綠色化學教育推廣的層面，從高中階段開始，已逐步的在化學教育中融入綠色化學的概念及原則，開發學生對於化學的全新想像，對學生的化學知識啟發有很大的功用。近年來臺灣大型化學災害事件頻繁，例如高雄氣爆事故、八仙塵爆事件、泰豐輪胎大火、敬鵬桃園廠惡火，帶來大量人數傷亡，也造成許多英勇的消防員殉職，令人悲痛。在消防通報方面，學校實驗爆炸，水果攤商的電土爆炸、家庭廚房火災意外等也是頻頻傳出，令人憂心不已。

有感於一般民眾在中學求學階段應有基本的用火安全知識，北一女化學科於是整合社會資源，與台灣女科技人學會(TWiST)合作策劃國際活動之際，就結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量，一起與台北市政府消防局、北一女化學科團隊、瑞德感知科技(股)公司(HEX)共同合作，創辦出全新的第四項課程：「防火志工活動與用火安全科學關卡」。透過消防專家與化學老師合作指導，協助提供志工學生事先具有完整的培訓課程與實務演練。課程發表的宣傳活動口號為：「少女防火志工帶你玩實驗，消防專家帶你玩設備！」，在2017年的元宵節當日，也恰是2月11日，臺灣首度響應「國際女科日」之際，在臺北市防災科學教育館中完成「第一屆少女防火志工」活動(如圖2)，大力協助民眾在用火安全及消防上的認知與學習，活動非常成功。因此在106學年度積極成立學生社團：「化學實驗研究社」，以延續課程並積極培養人才。下文將先介紹數個用火安全科學關卡的實驗內容，再進一步說明整體課程設計與活動推廣方式。

 

圖2：北一女化學科結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量。在2017年2月11日完成「第一屆少女防火志工」活動。

 

n  用火安全科學關卡的實驗內容

目前開發成為「可攜式」並執行成功的用火安全關卡實驗範例如下表，關卡名稱：酒精蒸氣會爆炸、製作酒精凍、酒精凍燒糖、黑煙哪裡來、高效能燃燒。其中黑煙哪裡來與高效能燃燒的實驗照片如圖3所示：

服務宗旨：用火安全人人有責
關卡名稱	科學概念	關卡執行(操作方式)	叮嚀小語(現場說明)
酒 精 蒸 氣 會 爆 炸	可燃物氣體非常容易引起爆炸	少女防火志工先在養樂多罐裡面的加入兩滴酒精，套上電子點火槍之後，接著把養樂多罐放在溫水裡面，這時候罐子內的酒精就蒸發變成氣體，罐子內有酒精蒸氣與空氣混合物，點燃之後會有什麼變化呢? 點火! ((擊發))。	酒精蒸氣與空氣混合後，一點燃，爆炸產生的高溫高壓氣體使養樂多罐快速飛出。當酒精蒸氣與空氣混合後，是非常危險的，千萬要避免接觸火花， 平時也不可以把酒精儲放在高溫的環境中。
製 作 酒 精 凍	應避免可燃物液體潑灑，以免引起火災的擴散。	將醋酸鈣飽和溶液與酒精以特定比例混合，將酒精液體做成固體酒精凍，表演開始，一瞬間液體酒精變成固體了。	液體酒精萬一被打翻，容易潑灑漫延，引起火災的時候，更是一發不可收拾。但是，若把酒精做成固體，可增加燃料運輸及使用的安全性，大大提高用火安全。
酒 精 凍 燒 糖	認識燃燒三要素，以及影響反應速率的因素。	先將自製的固體酒精放在鋁罐上面，再放一顆方糖，把固體酒精點燃，也準備觀察上方的方糖也易燃燒的現象。	各種食品也都是可燃物，乾燥的食品粉末，因為顆粒很小，也都變成很危險的易燃物。台灣曾經發生悲慘的八仙塵爆事件，就是「玉米粉」被點燃所造成的爆炸現象。
黑 煙 哪 裡 來	烴類氣體的缺氧燃燒反應。	利用碳化鈣遇水會發生快速的反應，產生易燃性的乙炔氣體，乙炔是碳氫化合物，難溶於水，計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為一半，使收集到氣體為體積比1:1的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。	家用瓦斯或是汽油都是碳氫化合物，碳氫化合物氣體在缺氧環境中，燃燒反應途徑非常複雜，容易產生大量有毒黑煙，黑煙是火災現場造成人員死亡的第一殺手。
高 效 能 燃 燒	烴類氣體的足氧燃燒反應。	實驗步驟與上述「黑煙哪裡來」相同，但是設計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為八分之一，其餘八分之七的瓶內空間為空氣，使收集到氣體為體積比1:7的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。	碳氫化合物氣體在充足氧氣環境中，燃燒反應非常快速並容易引起爆炸。平時居家使用或工程施工都要特別注意瓦斯管線的維護與保養。 電石（CaC2）遇水會發生快速的反應，產生易燃性的乙炔氣體，因此平時必須將電石小心收藏在乾燥的地方。

圖3：黑煙哪裡來與高效能燃燒的實驗照片

 

n  實驗器材試劑與步驟

用火安全科學關卡的實驗是整合了高中課程中與燃燒反應有關的實驗，並加以調整修改，成為「可攜式」的關卡實驗。相關實驗的器材試劑與步驟(如圖4)，可參考下列網頁影片與文章：

一、酒精蒸氣會爆炸：

l   禮炮 ~蕭次融老師化學實驗演示– YouTube，教育部中央團自然與生活科技，科學實驗操作研習(2013年2月)。https://www.youtube.com/watch?v=pmpHat0o_sg

二、製作酒精凍與酒精凍燒糖：

l   當藝術遇見化學：結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中，本刊第22期(2017年11月)。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=25793

三、黑煙哪裡來與高效能燃燒：

l   「碳」為觀止─烴類燃燒反應與碳簇概述，科學月刊第482期(2010年2月)。

l   奈米碳來排隊–科普實驗影片– YouTube，教育部高中課程化學學科中心(2013年4月)。https://www.youtube.com/watch?v=JTNbXxxbNIY

圖4-A：酒精蒸氣會爆炸相關實驗的器材試劑

 

圖4-B：製作酒精凍與酒精凍燒糖相關實驗的器材試劑

圖4-C：相關實驗的器材試劑：圖中紅色盒子試婚禮會場使用的響砲玩具，防火志工在做服務教學時也可先以響砲說明燃燒爆炸現象。

 

n  廢棄物處理和安全注意事項

實驗裝置下方可鋪設鋁箔紙，或是使用金屬盤盛裝。志工操作時應配戴護目鏡與配戴布手套來點火。實驗完畢的固體廢棄物先集中到水槽中集中清洗，可用熱水洗去焦糖，固體丟棄於垃圾桶，溶液皆稀釋排放即可。

n  整體課程設計與活動推廣

2017年第一屆課程在105學年度的寒假時由化學科老師公佈招生，但短短一周內就有北一女38位同學馬上報名，在過完農曆年之後，這群女孩馬上到學校參加志工培訓，我們稱這群女孩為中華民國第一屆少女防火志工(如圖5)，包含了中高三7名，高二20名，高一11名。

(A)

(B)

圖5：第一屆少女防火志工與培訓活動

「少女防火志工帶你玩實驗，消防專家帶你玩設備！」防火志工課程的推廣活動分為兩階段：一階段由志工進行服務教學，內容包含「用火安全科學關卡」與「用火安全海報講解」。另一階段是消防專家帶領志工與民眾一起在防災科學教育館內家進行設備演練。第一屆活動花絮如圖6所示：

圖6-A：防火志工的推廣活動：用火安全科學關卡

圖6-B：防火志工的推廣活動：用火安全海報講解

圖6-C：防火志工的推廣活動：進行設備演練

n  薪火相傳

首屆「少女防火志工」的北一女高一同學們返回校園後，半年內就積極成立「化學實驗研究社」，簡稱「化研社」，成立宗旨除了在校園內召集愛做化學實驗的同好，也希望在校園中永續發展「少女防火志工」的課程，並培訓學妹們成為更多屆的「少女防火志工」。首屆社員共24人，由校內化學老師們聯合指導。透過北一女校慶化學宅急便嘉年華科學闖關活動，以及臺灣女科技人學會辦理的國際女科日系列活動中，將「用火安全」及「消防知識」推廣給民眾及中小學學生。

第二屆少女防火志工活動名稱為「國際女孩與女科技人日系列活動」：119 你我他–少女防火志工與打火程式設計」，活動內容包含消防領域的專題演講、科技防災專區闖關積分賽與打火程式設計動手做積分賽。另一方面，首屆少女防火志工並且是北一女化研社社長的朱昱蓁同學，花費了大半年的中午與課餘時間，孜孜不倦不斷繼續研究「黑煙哪裡來」的關卡實驗內容，因而發現建築物裡通道設計有可能使火焰自動熄滅並停止產生黑煙，以「煙滅火絕」科展作品榮獲2017年旺宏科學獎銀牌獎(如圖7)，因此也首次在少女防火志工活動專題演講中安排了這件科展作品的分享。在此節錄一位高一女學生分享的心得，也記錄這一整日活動剪影如圖8。

由於2017年第一次響應國際女科日活動帶來全省許多科技與教育單位的關注，因此第二屆少女防火志工活動除了維持培訓與執行推廣活動，也多了一項機會獲邀在2018 國際女科學日系列活動的記者會，做「用火安全科學關卡」的系列表演，也登上幾家新聞媒體的報導，使「用火安全」科學關卡得到更多民眾的關注(如圖9)。

圖7：「煙滅火絕」實驗照片。(2017年旺宏科學獎得獎作品)

 

圖8-A：第二屆少女防火志工活動：籌備與培訓課程

圖8-B：第二屆少女防火志工活動：點燈開幕與專題演講活動剪影

圖8-C：第二屆少女防火志工活動：實作課程剪影

圖8-D：第二屆少女防火志工活動：學員心得

 

圖9：2018國際女科日系列活動的記者會，北一女少女防火志工受邀在大會表演實驗，演示主題為「用火安全科學關卡」。

n  致謝

這次撰文主題雖是創意實驗課程設計，但不只是介紹良好設計的實驗如何操作，而更希望除了落實探究實作綠色化學實驗之外，也分享很多創新課程的設計方法的學習策略。在忙碌的教學工作之餘，我們也不斷思考著高中化學教育與社會安全責任的連結。在此，感謝台灣女科技人學會宋順蓮會長積極構築平台，籌錢籌人大力整合了官方、產業、學術、教育與企業家，使得台灣高中生有機會成為懂科學、用科學的「防火志工」。在此，也感謝台北市政府消防局諸多長官，台北市防災科學教育館莊啟忠館長、中華民國消防設備師公會全國聯合會名譽理事長高士峯博士與HEX瑞德感知公司林筱玫總經理，協助邀請了消防領域的許多專業人士來協助高中化學教育，大力提供社會資源與平台給予高中生社團的學習與服務機會。最後希望化學教育的伙伴們一起發揮化學教育的力量，期待透過年年傳承防火志工活動，把非常重要的火安全與消防觀念深紮在校園課程及推廣給更多人，避免許多火災爆炸事件的發生，保障更多人的身家安全與財產。

 

註：經由北一女防火志工課程推廣效應顯著，桃園市政府在大力撥款籌建防災科學教育館完工之後，也於107年開始創辦全國「防災科學創意海報實作競賽」，今年暑假熱鬧登場。

 

創意化學實驗：
質譜分析法在指紋鑑定的應用

翟永誠^1,、陳珮珊^2*

¹國立臺灣師範大學化學系
²國立臺灣大學醫學院暨附設醫院毒藥物鑑定暨檢驗中心

*[email protected]

n  前言

「真相只有一個」是著名偵探漫畫中主角的登場台詞，雖然真相確實只有一個，但是在現實刑案的偵辦過程，往往不如影集、動畫中呈現的如此順遂，鑑識人員得面對的多半是殘破、被蓄意破壞的犯罪現場，唯有仔細的蒐集各項證據，再透過種種的抽絲剝繭，還原事實真相，找到兇手，而指紋即是現場蒐證中重要證據之一。

由於指紋具有「人各不同」、「終身不變」的兩大特點，使得指紋成為鑑識科學中有力的依據[1]。指紋是靈長類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路，而透過油墨、染料可以將指紋清楚的拓印在媒材上。早在中國古代，人們便習慣透過按壓指紋來做為身分的區別，三國時期，諸葛亮便透過指紋建檔以管理戶口、發放軍餉，爾後的唐朝也習慣用按壓指紋、掌紋作為簽約時的標記，很快的指紋這種在外觀上較容易判斷出差異的個人特徵，變被應用到了犯罪追溯上，宋代的民間傳說–包青天，就曾利用木工留下的血手印讓犯人伏首認罪，被譽為法醫學之父的宋慈，亦在其著作《洗冤錄》中提及指紋如何成為刑案決定性的證據。

然而，大多數的刑案現場中，指紋並不會像武俠小說裡有鮮明的血手印可以直接比對，而是潛伏於犯人接觸過的物質表面，刑事犯罪就算戴手套，也可能在穿脫的過程或棄置手套時留下指紋。指紋上有汗腺、皮指腺等腺體，其分泌物為98.5%的水、無機鹽類、胺基酸、有機酸、蛋白質、油酯等[2]，鑑識人員或利用物理吸附、化學沉澱反應、光源激發等方法，讓潛伏的指紋現行，達到犯罪偵查的目的。

物理吸附的手法中，最成熟也最常用的便是「粉末法」。如前所述，指紋的主成分是水，而水能吸附粉末，實務上鑑識人員會將粉末撒在指紋上後，再用刷子小心翼翼的把多餘的粉末清除即算完成。在粉末法中，根據指紋背景的材質、顏色選擇適當的粉末更是重要的課題，當背景圖案、顏色複雜時，可以使用具螢光效果的粉末，以排除背景的干擾。金屬粉末的適用範圍較廣，不論是光滑或粗糙的表面皆能有不錯的顯現效果。磁性粉則較適合用於光滑的表面。然而，粉末法必須透過水與物質間的吸附作用方能成功採集指紋，對於三天以上陳舊指紋的效果較差，且不適用於潮濕、具吸水性的材質，指紋的紋路也有機會在刷去粉末的過程中被破壞[3]。

指紋中除了水以外的成分是無機鹽類和胺基酸、有機酸、蛋白質等有機物，化學顯現法便是利用試劑與前述物質的化學反應（如：沉澱反應、生成有色化合物等）使得指紋現形，其中硝酸銀法主要是利用銀離子與汗液中之氯化鈉反應，產生氯化銀，遇光還原成黑色的銀而使指紋顯現，其優勢是操作簡單，但於滲透性的表面（例如：紙張、木頭）表現不佳；Oil Red O、蘇丹黑等嗜脂性染劑，則可以和脂質反應，增顯潛伏指紋；寧海德林、1,2-indanedione能與胺基酸反應，生成的產物能放出特定波長的光，搭配濾鏡即可觀察到潛伏指紋[4, 5]。

過去人們發現，對於沾染礦物油、動物油的指紋，在低溫下會發出自然發出螢光，且越低溫強度越強，爾後科學家便開始將吸收、發射光譜的原理應用於指紋鑑定，嘗試用不同的光源，例如：雷射、紫外、紅外光等，觀察是否能讓潛伏指紋現形[6]，例如：槍彈痕跡及墨色差異常以紅外光來檢測；紫外光則可用來檢視纖維、精斑、綑綁痕跡及油墨、粉末、染料內的螢光成分。

n  未來趨勢—影像質譜與指紋鑑定

雖然傳統的指紋鑑識技術，多半聚焦於指紋在樣貌，但是對於指紋上的微量成分探討甚少，是故從指紋上發掘更多資訊，例如：以質譜分析指紋上所提供的生物資訊，成為了近年鑑識科學努力的目標。

質譜儀的基本結構有進樣系統、離子源、質量分析器、偵測器、資料處理系統，未知的待測物透過進樣系統進入質譜儀後，如以電子游離法（Electron Ionization）令待測物受到高能電子束撞擊，碎裂成帶電的碎裂片，這些帶電碎片都有其獨特的質荷比（m/z），利用質荷比的不同，質量分析器可以進一步的捕捉目標離子之產物碎片，以提高鑑別度與靈敏度，如圖一所示。

圖一：質譜儀基本構造

其中飛行時間質量分析器即是給予待測離子統一的加速能量後，通過一電場為零的飛行管，不同質量的碎片理當會在不同的時間到達偵測器，達到質量分析的效果，如圖二所示。而四極柱分析器、離子阱分析器則是利用不同荷質比的離子碎片，在不同電場的影響下會有不同的運動模式，透過電壓的調控，只讓特定荷質比的離子碎片達到偵測器，最後在偵測器、資料處理系統經過電子訊號的轉換，即可得到質譜圖，如圖三所示。

圖二：飛行時間質量分析器原理示意圖

圖三：四極柱質量分析器示意圖

質譜除了具有高度的精確性、偵測極限低，更重要的是能夠同時檢測多個未知物，能大幅減少分析的時間，對於分秒必爭的刑事鑑定來說是一大優勢，然而傳統的質譜分析方法由於無法保留指紋的形貌，使得質譜在過去較少應用於指紋鑑識上。

隨著科技日新月異的發展，影像質譜技術的出現，化解了前述難題，2008年Ifa, D.R等人的研究刊載於重量級的科學期刊—Science，該研究成功利用影像質譜技術於不同基材的表面檢測微量的古柯鹼、大麻代謝物、三亞甲基三硝胺（常用於製造高爆炸能力之爆裂物），偵測極限達5 μg，開啟了指紋鑑識新的篇章[10]。

影像質譜技術可以想像成是顯微鏡和質譜儀的結合，可以提供待測物上任何一個空間位置的質譜資訊，較常見的影像質譜技術如二次離子質譜法，即是透過帶電粒子轟擊待測物表面，使待測物表面的成分帶電、脫離表面進入質量分析器，而該方法僅會影響待測物表面數十至數百個原子深的範圍，對於待測物本身的結構、特性不至產生變化，既可以完整的呈現指紋的形貌，亦能提供指紋表面物質的空間分布資訊[11]，如圖四所示。

圖四：二次離子質譜法原理示意圖

2012年英國雪菲爾哈倫大學和警局合作的研究就指出，分析特定的代謝物，可以得知嫌犯的飲食狀況、是否服用毒品，分析殘留物質，則可以了解嫌犯使用過哪些清潔劑、化妝品，該研究也發現，許多犯罪者習慣利用安全套來避免指紋殘留於作案現場，而透過影像質譜，甚至能辨別安全套的品牌[12]，2017年美國史丹福大學的研究更透過分析指紋表面脂質的成分，成功地分辨受試者的性別、年齡、種族，該研究也指出，透過特定的代謝物的分析將可以得知受試者是否有心血管疾病、遺傳疾病等生醫資訊[13]，而這些更細緻的訊息，都可以幫助檢調單位進一步確認嫌犯的特徵，縮小偵查的範圍、距離真相更近。

n  結語

鑑識科學相關的電影、影集也是許多學生平時就有涉獵的題材，且與許多高中化學課程皆有密切關聯，以指紋鑑定作為教學時引起動機的素材，乃至於探究與實作課程的骨幹都非常適合。而質譜儀雖然於高中課程沒有介紹，但其質量分析原理乃是由陰極射線管發展而來，不致過於艱澀，也能幫助高中生及早了解化學研究的應用與發展，有利於興趣的探索與培養，而影像質譜技術除了被應用於指紋鑑定外，亦廣泛的被應用於生醫、材料表面成分鑑定，是未來科研領域的重要發展，值得學生早日認識。

n  參考文獻

1.    刑事警察局。指紋科學小百科–主題4：指紋的特性。Available from: https://www.cib.gov.tw/Science/EncyclopediaDetail/231.

2.    王勝盟。讓枝微毫末損而復生—化學鑑識。科學月刊，2014。

3.    張良帆、程晉塏。赴美研習現場勘察技術報告，2012。

4.    羅嘉欣。赴美國研習微物跡證鑑識等技術報告書，2009。

5.    刑事鑑識中心主任林故廷等人。1,2-IND 指紋顯現法研究暨推展計畫，2016。

6.    牛利等人。潛指紋顯現方法研究進展，應用化學，2011. 28-10: p. 5。

7.    Gross, J.H., Mass Spectrometry: A Text Book second ed. 2011. 8.

8.    Gross, J.H., Mass Spectrometry: A Text Book. second ed. 2011. 124.

9.    Gross, J.H., Mass Spectrometry: A Text Book second ed. 2011. 147.

10.  Ifa, D.R., et al., Latent fingerprint chemical imaging by mass spectrometry. Science, 2008. 321(5890): p. 805.

11.  田大昌。奈米表面分析簡介，2004。

12.  Bradshaw, R., et al., Spectroscopic imaging based approach for condom identification in condom contaminated fingermarks. Analyst, 2013. 138(9): p. 2546-57.

13.  Zhou, Z., & Zare, R. N., Mass Spectrometry Imaging for Enhanced Fingerprint or Sweat Analysis. Analytical Chemistry, 2017. 89(2): p. p 1369–1372.

 

 

「膨」出甜蜜的滋味

許麗楨

 

桃園市八德區大成國民小學
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
[email protected]

 

n   前言

對於小學階段的孩子而言，喜歡上自然課的原因多半是因為「可以做實驗」。然而，有一部分的孩子也是因為「可以做實驗」而不喜歡上自然課。這是一個奇怪卻有趣的現象，一樣都是做實驗，為什麼會造成如此兩極的結果？直到筆者深入去訪談孩子們對於「參與實驗課程的感受」後，才發現原來有許多孩子在操作課本實驗時感受是無趣、乏味的。

筆者試著分析小學自然課本中的實驗操作，整理出幾項特質：第一、部分課本實驗與學生的生活經驗脫鉤，科學現象與生活經驗的連結性較差；第二、部分課本實驗呈現出的科學現象在日常生活中隨處可見，於是做實驗就只是「把常看見的現象再看一次」；第三、大多課本實驗較缺乏趣味性，學生在操作實驗時不覺得快樂，自然也就興趣缺缺。

為了嘗試改變孩子們對於自然課的想法、提升其學習動機與興趣，筆者思考將「趣味科學實驗」融入自然科領域教學的可行性。相較於課本中的「自然科學實驗」而言，將「趣味科學實驗」融入自然課教學中有幾個優點：第一、趣味科學實驗較貼近學生實際的生活經驗；第二、趣味科學實驗能將生硬的實驗現象用學生預料不到的方式呈現，以提升學生的學習興趣；第三、趣味科學實驗較為有趣，不但可增進學生對科學實驗的興趣，更可輔助學生對自然科課程的學習。

基於以上的論點，筆者決定以「熱對物質的影響」主題為例，於課程中引入實驗活動－「膨糖的製作」;此次實驗對象為國小六年級28位學童,在課堂中分成5組(依序為G1、G2、G3、G4、G5)進行操作觀察、記錄，並利用課後問卷與學習單了解孩子們對於課程與實驗的感受。

 

n    課程內容

Ø 「膨糖」簡介

「膨糖」，又名「泡糖」，一種台灣傳統的小零嘴，過去是指加冰糖於蛋白，經煮熟起膨後讓它凝固，形狀像輕石的餅乾；現在則指砂糖煮後加小蘇打粉。(圖一)

圖一「膨糖」成品

Ø 準備材料

二號砂糖、小蘇打粉、湯匙、酒精燈、三角架、水、小量杯、筷子、盤子。(圖二~圖六)

圖二 二號砂糖、小蘇打粉	圖三 湯匙	圖四 酒精燈
圖五 三腳架	圖六 水、小量杯、筷子、盤子	圖七 不時以筷子攪拌，避免燒焦

 

Ø 製作過程

1.      取10克二號砂糖，倒入大湯匙中。 2.      加水至大湯匙中，淹過糖面即可。 3.      將湯匙置於三角架上，以酒精燈加熱，讓湯匙中的糖完全溶解，再持續加熱，並不時以筷子攪拌，避免燒焦。(圖七) 4.      將糖漿煮至濃稠狀。   有兩種判斷方式： (1)   觀察泡泡 糖漿未濃稠時，泡泡小而多，冒得快。 糖漿變濃稠時，泡泡大而少，冒得慢。 (2)   準備一小杯清水，當糖漿滴於水中立即固結，不會擴散開即可。(圖八) 5.      移開火源，用筷子沾小蘇打粉於湯匙中攪拌，約20秒左右。(圖九) 6.      感覺糖漿轉為淡褐色且明顯變硬後，就可以停手，看著糖漿慢慢膨起來。(圖十、十一) 7.      待膨脹停止後，再將大湯匙底加熱一下，用筷子輕輕將膨糖推移出，擺放至盤中即完成；待冷卻後，剝開看看內部充滿孔隙的結構。(圖十二)       圖八 糖漿滴於水中立即固結     圖九 筷子沾小蘇打於湯匙中攪拌
圖十 糖漿轉為淡褐色且變硬	圖十一 糖漿慢慢膨起來	圖十二 內部充滿孔隙的結構

n    原理與概念組

糖水經過加熱後，會變成濃稠狀的液體，而小蘇打粉受熱會快速分解產生二氧化碳氣體，填充在糖漿裡，把糖給撐起來，加上濃稠的糖漿有助於二氧化碳的包覆，造成膨糖內部有許多的空隙，經冷卻及凝固成多孔狀的古早味零食。

       小蘇打受熱後的化學反應式：

                  2NaHCO3 → CO2 + H2O + Na2CO3

    碳酸氫鈉，俗稱小蘇打及焙用鹼，是易溶於水的白色鹼性粉末，在與水結合後開始起作用釋出二氧化碳CO₂，在酸性液體（如果汁、可樂）中反應更快，而隨著環境溫度升高，釋出氣體的作用愈快，常利用此特性作為食品製作過程中的膨鬆劑。

 

n    學生課後回饋

以下學生回饋資料，是學生在小組中共同討論後所寫出的答案來呈現。

Q1、簡述實驗操作的過程~

G1：我們看到泡泡慢慢的變大，還聽到「波波波」的聲音，也有聞到香香甜甜的味道。

G2：我們看到許多的泡泡，由淡淡的褐色變成深褐色，看到泡泡破掉的速度愈來愈慢，也開始

         聞到糖的香味。

G3：先將砂糖放入金屬湯匙，加一點水(能淹過糖就好)，放到酒精燈上加熱，觀察泡泡的狀況，等到泡泡比較大，冒得比較慢的時候就離火，加小蘇打粉，攪拌攪拌再攪拌，

         等到能看到湯匙底部，而且攪不動的時候，等待等待再等待，看到糖膨起變大，再用酒精燈加熱湯匙邊緣，把膨糖退下來，就完成了。

G4：一開始，我們看到砂糖融化成糖水，再冒出泡泡，又聽到泡泡「波波波」的爆裂聲，過一

         下子，濃濃的糖香撲鼻而來，太棒了！

G5：我們將糖放進湯匙裡，在酒精燈上加熱，到泡泡冒得大而少、冒得慢，加入小蘇打粉攪拌

         就可以了。

Q2、操作過程中，學習到的科學概念~

G1：小蘇打粉遇熱產生二氧化碳，使糖漿膨脹。

G2：糖在熱水中溶解的速度較快。

G3：湯匙握把是塑膠或木頭材質，傳熱速度較慢。

G4：湯勺是金屬材質，加速糖水煮沸的速度。

G5：五年級學過糖水加入小蘇打粉可以製成汽水，二氧化碳還能使麵糰膨鬆。

Q3、此次操作，成功的關鍵~

G1：離開火源後，加小蘇打粉，慢速攪拌直到逐漸凝固為止。

     G2：想要吃到膨糖的慾望。

     G3：經過老師的指導，再靠我們同心協力合作，所以成功！

     G4：要拿一小杯水，把糖水滴在裡面，看夠不夠濃稠(不會在水中散開)，再離火加小蘇打粉。

     G5：加小蘇打粉攪拌，看到湯匙底部就可以停止，等待膨糖膨起；避免像第一次操作時，因攪

         拌過度變成碎屑。

Q4、喜歡今天的實驗嗎？有什麼話想說~

     G1：太喜歡了！看著手中的糖漿，成功地膨起來時，實在是一種很大的樂趣。

     G2：喜歡！膨糖好吃~成功了，好開心！

     G3：超喜歡！老師告訴我們：放杯水在旁邊，可以做為糖漿濃稠度的參考，果然成功了！

     G4：喜歡，印象深刻！過程中雖然有一點點失誤，但處理一下跟成功的沒兩樣，吃起來有點兒

         咖啡的味道。

     G5：真是有趣的實驗課！做出來的樣子和老師傅做的雖有很大差距，終究完成了，超有成就感，

      下次要煮一大鍋。

 

n     過程中遇到的困難與解決方法

決定做「膨糖」之前，其實筆者也沒有操作的經驗，因此參考了許多資料及觀賞影片，甚至做了不下數十次的模擬，但是第一次操作算是全軍覆沒；很感謝有此經驗的老師提供教學建議，讓趣味實驗在第二次操作得以完美收場。

相較兩次操作結果的差異，分析原因如下：

1.          第一次以「觀察泡泡」的方式，不太容易拿捏加入小蘇打粉的時機；第二次追加了經驗豐富的老師所提供「撇步」：準備一小杯清水，當糖漿滴於水中，快速冷卻固結成顆粒狀，就是加入小蘇打粉的最佳時機了。

2.          加入小蘇打粉後，攪拌至糖漿收乾的程度：用筷子畫圓時，看到湯匙勺底露出，就可以慢慢將筷子抽出，避免攪拌過度，導致糖塊粉碎。

圖十三 初次操作結果，類似麥芽糖塊	圖十四 初次操作結果，粉碎的糖塊	圖十五 修正後的實驗結果

 

n   教學省思

本次課程內容，著重於學生對於「趣味科學實驗」的接觸與參與，藉由此次操作，進一步引導學生思考：「是否有其他製作膨糖的方法與可能性？」，做為日後教學參考。學生提議資料整理如下：

 

Q1.是否可以使用不同糖類為材料？為什麼想選用這種糖呢？

G1：白糖。三年級自然課觀察糖的溶解時，老師就是準備白糖讓我們做實驗。

G2：冰糖。媽媽煮甜湯時，會用到冰糖，所以想嘗試看看。

G3：果糖。吃鬆餅時，通常會淋很多果糖在上面。

G4：黑糖。夏天吃冰時，常常會加黑糖水，味道特別讚！

G5：方糖。一塊一塊的，攜帶或取用都很方便。

 

Q2.除了小蘇打粉，你還想到可以添加什麼物質讓糖「膨」起來？為什麼？

G1：酵母粉。五年級自然課學過：麵糰裡混入酵母粉，加熱後產生二氧化碳，可以使麵包更為膨鬆可口。

G2：發粉。在家看媽媽做饅頭時，會摻入發粉，揉好的麵糰靜置一段時間，就會膨脹起來，所以想嘗試看看。

G3：汽水。五年級學過，汽水內的氣體是二氧化碳，不知道是不是也能讓糖「膨」起來。

G4：可樂。曾經在電視上看過，可樂加曼陀珠會快速產生很多二氧化碳氣泡。

G5：跳跳糖。跳跳糖內加了二氧化碳，所以會在嘴裡跳動，而且有各種不同口味，或許可以製作不同口味的膨糖。

 

Q3.還可以用什麼「精準的方法」增加膨糖製作成功的機率？請加以說明。

G1、G5：測量時間。將糖水放在酒精燈上加熱開始計時，再加上「觀察泡泡、滴入冷水中測試」

 這兩項條件，就可以找到加入小蘇打粉的最佳時間。

G2：測量溫度。除了觀察泡泡、滴入冷水中測試，再使用可以耐高溫的溫度計測量此時糖漿的溫度，應該更容易成功。

G3：加入小蘇打粉的量。因為用筷子沾取小蘇打粉的量很少，一般是不是可以用更精密的電子秤測量出小蘇打粉的使用量。

G4：測量時間。從加入小蘇打粉之後，開始測量時間，看需要攪拌多久，糖會開始「膨」起來！

 

n   結語

回想第一次製做膨糖，小朋友的雀躍、老師的緊張、過程的慌亂可想而知。在課堂中即便筆者擁有三頭六臂都不足以應付各種狀況，最終當然以失敗收場。儘管孩子都沒能成功，不過看得出來，他們都感受到了「趣味科學實驗」的魅力。下課時，有一位小女孩靠過來我身邊說：「老師，回家我要做給媽媽吃。」頓時，我的失落與洩氣感，都被孩子的溫暖回饋一掃而空。

為了讓小朋友學習科學家不屈不撓的研究精神，筆者將活動課程大幅修正、改進後，再度進行一次實驗活動。經過一番的操作說明之後，看到小朋友臉上露出勢在必得、躍躍欲試的的神情，那是筆者最期待的眼神－對於科學實驗課程的熱情。過程同樣是無可避免的慌亂，但是這一次不同的是－「糖」與「小蘇打」總算來電，「膨」出甜蜜的滋味了！

對於筆者而言，未來在孩子離開校園之後，若還能記得：「當初，在我們讀國小的時候，自然老師曾教過我們做”膨糖”呢！」一切的努力都值得了！

 

n  謝誌

    衷心感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度碩士在職專班碩一課程－化學特論(一)周金城教授暨全體同學協助提供本文架構調整與內文修正之意見。

 

n   站在巨人的肩膀上－參考資料

1.      膨糖，NTCU科學實驗室。2015年12月15日 取自:

  http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-005.html                   

2.      碳酸氫鈉，維基百科。2015年12月15日 取自:

  https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%A2%B3%E9%85%B8%E6%B0%A2%E9%92%A011.

3.      懷舊的膨糖。2015年12月15日 取自:

   http://mypaper.pchome.com.tw/pocket/post/121057.

4.      『科學實驗』盡情在舌尖舞動–『跳跳糖』。2015年12月15日 取自:

http://blog.udn.com/chemicalgod/2449891

5.      黃鴻博(主編)(2014)。國民小學自然與生活科技6上。台南：南一。

6.      三立電視台，張偉庭(2010)。科學美人的趣味實驗。臺北：台視文化。

7.      第45屆中小學科學展覽高職組農業及生物科技科佳作作品—膨糖？還是膨風？以糖液為例，探

討濃度的不同及影響膨發之因素。國立西螺高級農業空業職業學校。指導老師：李桂雲。

8. 高雄市第38屆中小學科學展覽高小組化學科第二名作品–煮膨糖。油廠國小。指導老師：葉安琦。