臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan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，Kuhn5,6 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、陳昭錦
星期三 , 4, 7 月 2018 本期專題, 第26期/2018年7月 在〈創意化學實驗：攔截紫外線，效果看得見！／ 蔡威任、陳昭錦〉中留言功能已關閉創意化學實驗：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、詹莉芬、張永佶、陳祖望、吳淑芳、蕭琬莉、朱昱蓁
星期二 , 3, 7 月 2018 本期專題, 第26期/2018年7月 在〈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、詹莉芬、張永佶、陳祖望、吳淑芳、蕭琬莉、朱昱蓁〉中留言功能已關閉創意化學實驗：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：
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服務宗旨：用火安全人人有責 |
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關卡名稱 |
科學概念 |
關卡執行(操作方式) |
叮嚀小語(現場說明) |
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酒 |
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。 |
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製 |
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。 |
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酒 |
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。 |
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黑 |
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。 |
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高 |
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、陳珮珊
星期二 , 3, 7 月 2018 本期專題, 第26期/2018年7月 在〈創意化學實驗： 質譜分析法在指紋鑑定的應用 ／ 翟永誠、陳珮珊〉中留言功能已關閉創意化學實驗：
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
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.
雙氧水製氧實驗中替換催化劑的評估
王進賢
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
n 前言
氧氣是地球上許許多多生物維持生命現象不可缺乏的物質，國民小學自然課在「空氣與燃燒」(翰林版5上自然與生活科技，2015)這類單元中，有詳細的介紹與實驗。在前階段「空氣對燃燒的影響」實驗中，學童已觀察到造成兩支蠟燭是否能繼續維持燃燒現象的原因(如圖1所示)，是由於空氣供給的量足不足夠。而在空氣的成分之中，除了已知的氮氣和二氧化碳不能幫助燃燒之外，到底哪一種物質是燃燒的關鍵因素呢?答案當然就是學生最熟悉的氣體―氧氣了!
在國民小學階段的自然實驗課中，製造氧氣常用的方法是將雙氧水加入紅蘿蔔當作催化劑的方式(翰林版5上自然與生活科技，2015)，比起以二氧化錳來得安全、方便與生活化。但經過中小學科展的實驗證明，幾種常見蔬果在雙氧水製氧時當作催化劑的效果頗佳，有的甚至比紅蘿蔔好(王小芩、高睿辰、李品君、徐晢尹等，2014)，所以我們此次的實驗就增加一項，採用其中效果很好的金針菇來當催化劑。在此實驗中，並搭配與教科書稍微不一樣的燃燒實驗，看看效果如何?
圖1 蠟燭燃燒與空氣的關係
n 實驗器材和藥品
1. 紅蘿蔔 2. 金針菇 3. 雙氧水(市售消毒用約5%) 4. 廣口瓶 5. 線香 6. 捲紙條 (A4大小廢紙) 7. 50ml量筒
圖2實驗器材與藥品
n 實驗原理
1. 
雙氧水製造氧氣的化學反應式 : 2 H2O2 
2 H2O + O2
2. 此反應式中的催化劑在國民小學的實驗室常用二氧化錳或其他含有過氧化氫酶的植物(例如胡蘿蔔等)。
3. 燃燒實驗的反應式: C + O2 à CO2
4. 線香(或捲紙條)點燃數秒後將火焰吹滅，由於此時殘餘溫度仍高，因為空氣中約僅含21%的氧氣，雖然沒有產生肉眼可觀察到的火焰，但當即刻插入廣口瓶中，遇到氧氣濃度很高助燃效果佳的情形下，火焰突然變得很大，就會產生類似俗稱「死灰復燃」的現象。
n 實驗目的
1. 透過化學觀點―氧氣的助燃性，來證明空氣中氧氣的存在。
2. 讓比較以紅蘿蔔與金針菇當催化劑，以雙氧水製氧時的效果之差異在本實驗中，嘗試以捲紙條取代線香驗證氧氣助燃性的可行性。
當學童已有燃燒時需要空氣與空氣中含有氣體的組成成分之概念後，此時引導學生製造與檢驗氧氣，讓學生了解實驗室中氧氣的製造方法與氧氣在物質燃燒時的助燃性質
n 實驗步驟流程與結果
一、製造氧氣的實驗步驟:
(一)使用紅蘿蔔當催化劑製造氧氣: (翰林版5上自然與生活科技教科書，2015)
1. 量筒量取50ml的雙氧水(5%)，倒入廣口瓶中觀察有無氣泡與此時氣泡的大小，如圖3.1與圖3.2。
圖3.1量取50ml雙氧水倒入廣口瓶中 圖3.2觀察瓶中雙氧水有無氣泡產生
2. 將切成小塊(小條)狀的紅蘿蔔倒入廣口瓶中，再使用玻璃片蓋住廣口瓶瓶口，如圖4.1 所示。
圖4.1紅蘿蔔加入雙氧水中後起泡
3. 檢驗氧氣對燃燒的影響:取一枝已將火焰吹滅但繼續焚燒的線香，將線香插進廣口瓶中，觀察線香插入前後線香的燃燒情形，如圖4.2所示。
圖4.2插入線香驗證氧氣的助燃性
(二)使用金針菇當催化劑製造氧氣，以線香燃燒實驗，驗證氧氣的助燃性:
1. 將切成小段狀的金針菇倒入以裝有50ml雙氧水之廣口瓶中，並用玻璃片蓋住廣口瓶瓶口，如圖5.1和圖5.2所示。
圖5.1金針菇倒入廣口瓶中 圖5.2雙氧水產生氧氣
2. 使用線香檢驗氧氣對燃燒的影響:
取一枝已將火焰吹滅但繼續焚燒的線香，將線香插進廣口瓶中觀察線香插入前後線香的燃燒情形，如圖6.1和圖6.2示。
圖6.1 線香插入前 圖6.2線香插入後驗證氧氣的助燃性
(三)使用金針菇當催化劑製造氧氣，以捲紙條燃燒實驗，驗證氧氣的助燃性:
1. 重複步驟(二)之1.
2. 使用捲紙條(A4廢紙一張)檢驗氧氣對燃燒的影響:
取一枝已將火焰吹滅但繼續焚燒的捲紙條，將捲紙條插入廣口瓶中，觀察捲紙條插入廣口瓶前後的燃燒情形，如圖7.1、圖7.2和圖7.3所示。
圖7.1點燃捲紙條 圖7.2將捲紙條的火焰吹滅
圖7.3將捲紙條插入廣口瓶中的燃燒情形
n 實驗注意事項
1. 若身體部位直接碰到雙氧水，請學童就近以實驗室中乾淨的自來水沖洗，必要時就醫。
2. 線香和本實驗中使用紙條的長度要適當(因燃燒時火焰會瞬間變大)，燃燒的時間不宜過久(由於氧氣濃度很高)，以免燙傷。
3. 學童的臉部(最好配戴護目鏡)及其他身體部位不宜靠近火源或瓶口，以免發生危險。
n 學生回饋與反應 (參與實驗與填寫學習單的人數:五年級三個班，共79人)
氧氣製造:分別以金針菇和紅蘿蔔當催化劑
一、覺得金針菇當催化劑比較有趣的學生有92.4% ，學生理由如下:1:產生的氣泡(氧氣)比較多，占44.3%、2:火燒得比較旺，占17.7%、3:金針菇的效果比較好，占12.7%、4:產生的氧氣(氣泡)比較快，12.7占%、5:其他(金針菇很可愛、清楚、復燃效果、使線香燒得比較好)占5% 。
二、覺得紅蘿蔔當催化劑比較有趣的學生(6.3%)，學生理由如下:1、因為燃燒的火焰較小或火很大不好玩(怕燙傷)，占2.5%、2:因為氣泡產生很多，占1.3%、3:因未讓火變大、很好看，占1.3 %”4:把線香放進去燒得更旺盛，占1.2%、5:未填寫(1.3%)。
n 教學困境、學生學習與教學建議
1. 氮氣是無助燃性之氣體，在本實驗中學童沒有實驗體會(或教師示範實驗)，是因受限於國民小學的設備、經費在此次實驗中無法提供實驗。
2. 國小五年級學童並無原子或分子的課程(知識與概念)，更遑論化學式與化學反應了，所以在雙氧水加入催化劑後，對於如何產生氧氣的?由於觀念較為抽象，許多學童並不了解。
3. 幾乎所有的學生都觀察到，在雙氧水製氧的實驗中，金針菇當催化劑的效果比紅蘿蔔好很多。
在新北市某國小五年級79位學童的學習單中，在雙氧水製氧時，表達以金針菇當催化劑時比較有興趣的學童約占92.4%。而國內教科書版本南一、康軒、翰林，在104學年度以「雙氧水製氧實驗」的教科書中，都是使用胡蘿蔔當催化劑。但由於先前科展得獎作品「誰是製氧小高手?」(王小芩等人，2014)，再加上本實驗的評估，建議於雙氧水製氧實驗中，可以使用金針菇取代紅蘿蔔當催化劑(請注意！金針菇與雙氧水的量不要太多，以免液體衝出瓶中而發生危險)。
4. 以捲紙條代替線香的燃燒實驗，覺得使用捲紙條有趣的學童約占75.9%，相對於線香來說是比較有興趣的。但由於捲紙條燃燒迅速、火焰大，做實驗時，教師應全程注意或斟酌要不要使用。
n 致謝
感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班一年級化學特論(一)全體同學協助訂正與周金城老師的指導。
n 參考資料
1. 過氧化氫酶，維基百科，取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/過氧化氫酶 ， 105.01.10。
2. 王小芩、高睿辰、李品君、徐晢尹等(2014)，誰是製氧小高手? 取自http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/54/pdf/080211.pdf ， 105.01.10。
3. 陳秋民等(2015再版)，國小自然與生活科技，第5冊，翰林出版社。
4. 王美芬等(2015)，國小自然與生活科技，第5冊，康軒出版社。
5. 黃鴻博等(2015)，國小自然與生活科技，第5冊，南一出版社。
n 附件
附件一: 教學活動設計
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教學活動名 稱 |
製造氧氣與氧氣的助燃性 |
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教學年級 |
國小5年級 |
教學時間 |
兩節80分鐘 |
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教學目標 |
1.認識國民小學自然實驗室中氧氣的製造方法。 2.了解空氣中氧氣的存在與氧氣的助燃性。 3.以雙氧水製氧，嘗試以金針菇取代紅蘿蔔當催化劑。 4.嘗試以捲紙條取代線香驗證氧氣助燃性的可行性。 |
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教學活動 |
教學時間 |
教學資源 |
評量方式 |
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一.準備活動: 由前一階段實驗了解「物質燃燒時需要空氣」，再配合介紹空氣的組成，了解空氣中氧氣對燃燒的影響，在本實驗製造氧氣並驗證氧氣的助燃效果。 二.實驗步驟: (一)講解氧氣的製造和驗證方法，並說明實驗 安全注意事項。 (二)氧氣的製造與驗證:
一. 完成學習單與討論 |
5分鐘
10分鐘
25分鐘
15分鐘
25分鐘 |
1.教學ppt 2.如本實驗藥品及器材
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1.實做評量 2.學習單評量 |
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附件二: 學習單
學 習 單
製造氧氣與氧氣的助燃性
班級: 座號: 姓名:
1. 做完實驗後，請參考下列兩個圖形，你認為兩個廣口瓶中的雙氧水，分別加入金針菇和紅蘿蔔，產生的氣泡應該充滿著什麼氣體?
答: 。
2. 紅蘿蔔或金針菇在這個實驗中的作用是當作催化劑，會使得產生氣體的速度變快或變慢?
答: 。
3. 做完這次實驗後，依照這次實驗結果，由你來判斷下列的情況: 甲廣口瓶只裝有50ml的雙氧水﹔乙廣口瓶裝有50ml的雙氧水,並倒入紅蘿蔔丁﹔丙廣口瓶也裝有50ml的雙氧水,而且倒入切細的金針菇。請按照順序寫出實驗中三個廣口瓶產生氣泡的量與速度!
答:( ) ＞ ( ) ＞ ( )
4. 實驗中分別使用紅蘿蔔和金針菇兩種催化劑，你認為使用哪一種催化劑比較有趣，為什麼?
答:
。
5. 在氧氣的製造實驗中，雙氧水中加入紅蘿蔔(或是金針菇)開始產生很多的氧氣，請問氧氣是從哪裡來的?為什麼?
A.金針菇 B.紅蘿蔔 C. 雙氧水 D. 金針菇或是紅蘿蔔吸收空氣中的氧氣。
答:( ) 。
6. 空氣的成分當中，氧氣約占21%，請問在加入雙氧水與金針菇的廣口瓶之中，當氣泡產生後，這個廣口瓶中氧氣所占的百分比應該比21%多?還是比21%少? 為什麼?
答: 。
7. 在這個實驗中，捲紙條(或線香)插入有雙氧水與金針菇的廣口瓶之中後，是完全熄滅或是燒得更旺呢?說一說為什麼會這樣? 答: 。
8. 實驗中以線香或是捲紙條來做燃燒實驗，你認為哪一個比較有趣?為什麼?
答: 。
9. 除了紅蘿蔔與金針菇可以加快雙氧水產生氧氣的速度之外，還有哪些蔬果或物質也可以產生相同的作用?(請寫出兩種) 答: 。
「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)
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圖二 二號砂糖、小蘇打粉 |
圖三 湯匙 |
圖四 酒精燈 |
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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
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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)
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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 |
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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。
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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。
《臺灣化學教育》第二十五期（2018年5月）
目 錄
n 主編的話
u 第二十五期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
n 本期專題【專題編輯／楊水平】
u 化學教室活動／楊水平〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：透過波卡教學法學習烷類有機分子／吉佛慈〔HTML｜PDF｜活動手冊〕
u 化學教室活動：國小學生製作彩色麵條／陳皇州〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光／胡潔曦、胡景瀚〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備／連經憶〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：庶民的分子廚藝教室／郭益銘、鄭惠華〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程／馮松林、陳映辛〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：透過微量實驗實作學生發現溶解度法則／許之音〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：化學物質分類的類比活動／鐘建坪〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：透過密室逃脫遊戲精熟學習常見的化學元素／顧展兆〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜／陳秀荷、劉奇愛、楊水平〔HTML｜PDF〕
u 化學教室活動：發現查理定律和絕對零度／李錡峰、張鈞皓、郭峯廷、楊水平〔HTML｜PDF｜活動手冊〕
n 教學教法／高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯／施建輝】
u 疑難問題集錦之三／施建輝〔HTML｜PDF〕
n 課程教材／化學小故事【專欄編輯／周金城】
u 歡迎來到鏡中世界／溫方旎、李啟讓、洪振方〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／微型化學實驗【專欄編輯／周金城】
u 應用微型實驗在國中小二氧化碳製備之比較／葉瀚陽、張自立、辛懷梓〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗室【專欄編輯／楊水平】
u 雞蛋的美麗與哀愁：奈米雞蛋與滲透雞蛋／張函郁、黎渝秀〔HTML｜PDF｜實驗手冊〕
n 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／林靜雯】
u 國內外化學教育交流（第二十五期）／林靜雯〔HTML｜PDF〕
第二十五期主編的話
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]
十二年國民基本教育在以素養導向為訴求的前提下，在自然科學領域將特別著重各學科的核心概念、跨科概念、探究能力、以及科學本質和科學態度的培養，藉此除回歸對科學理論發展歷程的認識與對科學實驗與理論之間其關係的重視，同時也藉此機會發展學生的思考知能與探究推理與實踐的能力。既然稱之為國民基本教育，即盼望透過課程理念、規劃與落實，整體提升國民的科學素養，能認知科學領域的奧秘、知識發展的進程、或是認識社會科學性議題、解釋科學現象、辨識真偽科學、解決或探索與生活相關的問題，以回應總綱追求「自動」、「互動」、「共好」的課程理念與自然界永續發展的願景。
個人看此次課程改革認為其特色有三：一是確認自然領域內各學科核心概念的重要性與重視自然領域內（跨學科）核心概念的橫向連結；二是各領域間核心能力的相互呼應與拓展，使學習具有遷移性、統整性與普適性；三是強調探究的過程與結果的檢驗與詮釋，使科學知識、科學技能、科學態度、知行合一得以落實，並在這過程中發展出學生對科學探索與尋求真理的興趣，養成終身學習的態度，其中尤其是強調學科間的統整和探究與實作能力的培養。這樣的改變對教師的衝擊不可不謂之大矣，試想職前師資的培育課程中對於新課綱所能提供的課程是否反映新課綱的理念？而在職教師對新課綱的認識與能力的培養又有多少？觀望的教師與學校從北到南，從西到東，為數自不在話下，因此看似將有曲高和寡的可能，但是教育從業人員應該要有改變的勇氣與智慧，當大學考科從五科改為四科時、當大部分的學生都可以進入高等教育學習時，我們究竟還在堅持什麼呢？課程的發展與改變就是要建立一個新的願景，面對時代的變化、社會變動的需求、資訊迅速的成長，不需要在課程改革上對學校教學氛圍與學習方式進行改變嗎？在人才培育方針與策略上不需要做必要的調整嗎？！我想無庸置疑地，在全世界都在談全球競爭力的同時，我們無法置身事外，因此課程改革的重點勢必要能展現在現場教學中，而現場教學就必須靠有心有理想的教師來體現這些理念，透過課程改革改變學校教學氛圍與學習方式。既然如此，教師（包括職前與在職）的增權賦能就是課程改革是否能成功的要素之一，相關配套措施也應列為考量，如建立有系統的教師專業成長制度、落實教師評鑑辦法、建立教師輪調制度（如每五年輪調學校任教）以活化學校生態等等，這是教育主管單位應該思考的方向。
一般談到實驗活動時，許多教師直覺的會認為實驗就一定要在實驗室進行，無疑地，傳統上，實驗室就是進行實驗的場域，顧及藥品與器材的擺放、實驗進行時實驗桌要能防酸鹼液、自來水和加熱器的使用等等，要在設備較為齊全與環境較為寬敞與安全的地方進行，但是隨著綠色化學的時代到來，減量實驗漸受重視，同時許多危險性的實驗漸漸退出學校教學，與生活相關的科學活動的引介，使得在教室進行實驗的可能性增加。若探究與實作和跨科概念的教與學將成為新課程的重點，在未來有關實驗活動的推動上，除加強學生動手做實驗與探究能力以外，利用簡易實驗器材和創新實驗活動的設計，使學生能在教室內進行實驗，教師可以在教學時可以將實驗與課本的內容更密切的結合，入班實驗的活動設計勢必也是一個趨勢。
本期專題為「化學教室活動」，由楊水平教授擔任專題主編，特邀集十多位作者以能在教室內進行的實驗為主題，撰寫適合中小學在課室中進行的實驗活動，包含微型實驗（許之音；連經憶）、元素和分子的學習（顧展兆；吉佛慈）、螢光和磷光與自然現象的探討（胡潔曦和胡景瀚）、廚房化學（郭益銘和鄭惠華）、趣味化學（陳皇州）、類比教學（鐘建坪）、到科技的使用（馮松林和陳映辛）、以及自製儀器和設備（陳秀荷、劉奇愛和楊水平；李錡峰和楊水平等）。
本期常態性文章有施建輝的高中化學教學疑難問題與解題內容著重在四氨銅離子混成軌域四氨銅離子（六配位而非四配位）的解析並佐以實驗說明，再從分子軌域對碘晶體在不同狀態與不同溶劑中會呈現不同顏色的理由加以說明。溫方旎、李啟讓和洪振方的《歡迎來到境中世界》，利用偏振現象來研究掌性物質的偏光性，文末並加入貝吉里斯以實驗證實謝勒發現的是不同結構的乳酸，也算科學史中的一段佳話。葉瀚陽、張自立和辛懷梓一文介紹以針筒進行國中小學二氧化碳製備的實驗，儀器簡單易操作，符合綠色化學減量與安全的概念。中壢高中張函郁和黎渝秀兩位老師的趣味雞蛋實驗（奈米雞蛋與滲透雞蛋），說明(1)滲透壓的不同；(2)燻黑的雞蛋殼表面即為奈米級碳粒；(3)奈米雞蛋的疏水表面與水形成一層的細微空氣薄膜使光線反射和折射角度不同而產生銀白色；(4)同一觀察時間下，燻黑的雞蛋使澄清石灰水變成混濁度不及白殼的雞蛋。這實驗還可延伸到跨科學習，對未來校內多元課程提供很好的基礎。
本期專題各篇文章的教室教學與實驗活動，以及常態性文章各作者亦提出具體可行的教學方案，可以提供有興趣改變教室教學的教師另類的思考與教學策略。最後，每兩年舉辦一次的IUPAC國際化學教育研討會即將於七月在雪梨大學舉行，會中將有來自歐、美、非洲和亞洲、大洋洲的專家學者與教師參與，歡迎有興趣了解化學教育研究與實務的化學教育工作者共襄盛舉。其他的在美國、義大利和台灣等地舉辦的重要化學研討會可參見林靜雯的詳細報導。
化學教室活動
楊水平
國立彰化師範大學化學系
[email protected]
《臺灣化學教育》第25期的專題為〈化學教室活動〉，邀請作者嘗試開發適用於中小學教師在教室教學的教材、教法及評量。本文以化學教室活動的題材為引言，簡介其意義、範疇及著名的〝JCE教室活動〞專欄；接著，描述化學教室活動的教學研究與教材開發，包含主動學習化學活動、技能與知識並重的活動、真實情境化學問題解決的活動、遊戲式化學活動及化學活動的教材開發；再來，介紹化學教室活動的國外資源包含〝JCE 教室活動〞和《國中化學：關於非常小的重要想法》，並介紹化學教室活動的國內資源，包含《臺灣化學教育》和《科學Online》的文章；最後，介紹本期專題的文章導讀。
n 化學教室活動的題材
通常化學實驗有安全的顧慮、儀器設備的限制及環境保護的要求，以致大多數的實驗教學在正規的化學實驗室中進行，鮮少在一般教室中進行讓學生動手做實驗。然而，有些化學教育家仍然致力於高安全性和高環境友善的化學實驗的研究和開發，使化學實驗變成適合在教室中進行的〈化學教室活動〉，讓化學實驗的教學場所更加多元而且廣闊。這類的化學教室活動設計講求藥品的高安全性和便利性以及器材和材料的高實用性和便宜性，活動使用藥品和材料大多是家庭用品，可以從一般的家庭中取得，或者可以從便利商店、超級市場、五金行、藥局和文具行購得。
廣泛而言，〈化學教室活動〉的題材不僅僅為經過改良可在教室進行的化學實驗，而且可為化學動畫、化學AR/VR、化學App、化學卡片、化學模型、化學遊戲及化學展示等有關學習化學的活動。這些題材的研究和開發可以為新開發的教材、利用新教材或舊教材的教學或評量，亦即〈化學教室活動〉可為單獨的教材、教學方法或評量三面向的題材，亦可為這三面向的二者或三者結合在一起的題材。在化學實驗教材方面，偏重家庭實驗和綠色化學實驗的開發，亦即可從化學實驗室的實驗修改為高安全性和高環境友善的化學實驗或活動；在教學的方面，規劃以學生為中心的合作學習模式為主，讓學生在教室動手做實驗學習化學為重點。在評量方面，規劃以個別學生或組別為單位，強調多元評量，以符合學生主動學習的成效。
在〈化學教室活動〉的教材開發方面，以美國化學會（American Chemical Society）出版的一本化學教育期刊—Journal of Chemical Education—最為盛名，該期刊自1997年9月開闢一個〝JCE教室活動〞（JCE Classroom Activity）專欄，到2012年11月總共出版113份教材，每份教材有兩頁：學生講義和教師指引。〝JCE教室活動〞是一個需要學生動手做的活動，可以在教室中或家庭中進行，在教學上用有趣或可以引發思考的方式來介紹一個新的想法或主題，並藉此激發學生學習的興趣並引發互動討論，促進學生的學習過程和實驗方法。〝JCE教室活動〞主題的選擇、活動過程的設計以及活動需用的器材和材料等方面以學生的生活經驗為範疇，有利於學生對化學概念的理解和應用。此活動不僅涉及到物理、化學、生物、數學等相關學的知識，也延伸到科學教育的人文和藝術素養，有一些跨學科和跨領域上的應用。
n 化學教室活動的教學研究與教材開發
化學教室活動的研究與開發十分多樣且涵蓋廣泛，本文收集一些文章並粗略地整理分類，分為五方面：主動學習化學活動、技能與知識並重的活動、真實情境化學問題解決的活動、遊戲式化學活動、以及化學活動教材研發。這些文章的內容簡述如下：
一、主動學習化學活動
Shaver（2010）描述到兩種互補的技術來衡量學生的理解能力，並激發在化學教室中的互動學習。一項技術是如何利用學生的拇指作為電子回應系統（electronic-response systems）以短暫時間的學習，另一項名為〝提示卡賭博”（cue-card gambling）的活動中以較長時間的任務型問題補充短暫學習。這些技術應用於第二年無機化學課程，教學的重點是配位化學；這些技術可以很容易地應用於任何化學科目和科學教育領域。[1]
Loppnow（2018）指出大學普通化學課程的學生通常缺乏科學的過程思維。他的研究是帶入未知物的特徵和鑑定到課堂活動中，特別強調在社會建構論框架內的自我導向、主動和團隊合作的學習。透過白色粉末未知物的特徵和鑑定的認知過程可以與實驗室涉及的操作技能分開。學生使用自我導向的學習來研究化學家使用的分離和特徵的方法。每個小組都要提出特定的方法、班級投票，並且教師帶出建議的方法。學生循環再重複直到找到未知物是什麼。以單獨和組別單位進行學生的學習評量，研究結果顯示，透過此活動的學生學習導致類似的考試問題類型與基於講座的教材有相似的表現。此外，教師的觀察指出，這項活動導致學生更多參與和動機的學習。[2]
二、技能與知識並重的活動
Jones等人（2012）提出一項修改的拼圖（jigsaw）教室活動，用於綜合調查官能基及其紅外吸收頻率的特徵。學生分別對指定分子的振動頻率進行半經驗性（semiempirical studies）學習，並研究光譜的結果與數據庫的實驗光譜進行比較，在小組討論中進行討論，以發現對鑑定特定的官能基及其與結構之間的關係而找到最有用的光譜特徵。[3]
Martin等人（2015）介紹一項適合普通化學學生的教室活動，結合傳統的VSEPR預測分子幾何形狀的方法與使用分子模型在一起。學生分析一系列先前計算的輸出檔案，其中包含各種幾何形狀的各種分子。根據計算出的相對能量和鍵角，學生分析每一個結構，然後與使用VSEPR理論獲得的預測幾何結構進行比較。因此，學生可以在計算化學方面獲得接觸和入門的經驗，同時加強VSEPR理論與計算所得〝假實驗”（pseudoexperimental）結果之間的聯繫。[4]
三、真實情境化學問題解決的活動
Oliver-Hoyo等人（2009）描述兩種商用自熱（self-heating）食品被用於應用化學計量、反應焓和溶液焓以及熱傳導等化學概念在教室活動中進行教學。這些產品是在歐洲銷售的自熱飲料以及主要是美國軍隊使用的餐飲（即食食品或MRE）。該活動的主要目標是提出一個真實的化學問題，讓學生計算化學反應或溶解過程產生的熱量以及伴隨的理論溫度變化，最後將理論變化與觀察到的溫度進行比較。該活動的設計是允許學生在教室以外的小組中進行工作，以解決被分派的問題。此活動使用兩種不同的教學方法：問題為本學習和引導式探究教學。這活動教學連接各種化學主題，並提供機會來完成常見的操作，例如在真實世界情景中的單位轉換和算法的問題解決。工程專業的學生對自熱產品的設計以及這些設計對環境的影響表現出特別的興趣。[5]
四、遊戲式化學活動
Duvarcı（2010）的研究旨在觀察學生對〝元素與化合物”單元的理解，該單元透過使用卡片活動（card activity）等多種活動進行教學。在這個案例研究中，化學教師準備一張卡片活動。接著，透過活動介紹 “元素和化合物”單元。該研究在9年級的教室中實施。研究發現學生透過娛樂活動，有助於記住這些主題。對於那些願意在教學中使用新方法或活動的教師來說，教學成效非常顯著。[6]
Mosher（2012）描述一項用於有機化學課程的教室小組活動。這項活動是使用課程材料中的瑣事和概念的一種棋盤遊戲（board game），可以在整個學期中定期使用，以引入或加強內容知識。本研究提供的替代版本可以很容易地為其他課程構建。[7]
五、化學活動的教材開發
Harris等人（2010）在他們開發的教室活動中提到：在本活動中，學生使用流程圖辨識七種可回收塑膠的樣品。此流程圖的程序包括對塑膠樣品在水和酒精中的密度進行比較，並觀察受到沸水溫度和暴露於丙酮的塑膠樣品的物理變化。這個活動是從以前發表的文章中修改過來的，以使得實驗室設施不廣泛的中學以及高中或大學都能進行這活動。利用玉米塑料（聚乳酸）來識別七種可回收塑膠是嶄新的作法。[8]
Garber等人（2013）在他們開發的教師活動中提到：花青素是很多花朵、水果及蔬菜造成的鮮豔顏色的顏料，通常會產生紅色、藍色及紫色的色調。學生被要求進行一項動手做活動，來確定哪種花青素可能存在於幾種的植物之中。學生從生物的來源中萃取色素，並透過改變生物萃取物的pH值來獲得顏色的特徵，這些萃取物的溶液與花青素色素標準溶液進行比較，以便學生可以推斷出他們選擇的植物材料中存在哪種色素。這項活動連結多個化學概念在一起，提供化學與生物科學之間的關聯。[9]
n 化學教室活動的國外資源
在國外資源方面，此處介紹〝JCE教室活動〞和《國中化學：關於非常小的重要想法》，如下所述。
一、〝JCE教室活動〞
Journal of Chemical Education的〝JCE教室活動〞（JCE Classroom Activity）專欄於1997年推出，設計對象為高中教育工作者和學生。多年來，此活動經歷自己的微不足道，漸進地發生變化。例如，最早的活動使用紅色印刷以及黑色和白色，並且每期都包括對學生問題的建議答案。幾年後，頁面名稱從〝教師頁”（Instructor Side）和〝學生頁”（Student Side）改為〝教師訊息”（Instructor Information）和〝學生活動”（Student Activity），如圖一所示。這些和其他一些小小的變化已經累積起來而發生變化。與〝華爾街日報”相比，此活動更像是一個快速增長而進入一個成熟和發展的新階段，並轉向與美國化學會出版物共同出版。現在此活動以常規文章的形式發布，並不會以列印方式在多孔卡片紙上出版。在紙本方面，大部分的內容通常會顯示在“教師訊息”方面的訊息。這方面提供讀者足夠的背景知識來確定他們是否有興趣在教室或外展活動中使用這些活動。然後有興趣的讀者可以到網路造訪支持訊息（supporting information），其中包括學生活動工作單。[10]
圖一：〝JCE教室活動〞免費釋放的活動教材樣本，包含教師訊息”（上）和〝學生活動”（下）
（圖片來源：Colorful Lather Printing, https://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/ed084p608A）
在〝教師訊息”方面，主要是為高中教師提供活動的相關知識和背景知識（Background）、 統整活動到你的課程（Integrating the Activity into Your Curriculum）、具體活動的相關原理（About the Activity)、提出問題的參考答案（Answers to Questions）以及參考文獻與相關活動（References, Additional Related Activities, and Demonstrations）等。在〝學生活動”方面，主要包括各活動內容的前言、實驗活動過程和嘗試步驟（Try This）、嘗試更多的實驗（More Things To Try）、對學生提出的問題（Questions）以及來自網際網路的資訊（Information from the World Wide Web）。
在100多個〝JCE教室活動〞的教材中，只有免費釋放兩個活動單元：〈粘稠狀態：口香糖和溶解度〉（A Sticky Situation: Chewing Gum and Solubility）和〈彩色泡沫印刷〉（Colorful Lather Printing）。以下是〈口香糖和溶解度〉的簡介：在本次活動中，學生使用普通食物進行幾項溶解度測試，如巧克力、口香糖、水、糖及油。從活動期間的觀察結果來看，學生初步分類被測物質為可溶或不可溶物質。然後，他們使用對溶解物質的化學理解，分類物質為極性或非極性。藉由活動涉及的溶解度、〝相似者互溶”，極性和非極性以及相，使學生對化學概念有深入的理解。[11]
以下列出最新10個（編號104-113）〝JCE教室活動〞於表一中。以下分類方式之一—CIA model分類，CIA model為有效教育體系的三項基本組成—課程，教學及評量（curriculum, instruction, and assessment），可擴大意涵為三大面向—課程與教材、教學方法與策略、以及評量與測驗。
表一：〝JCE教室活動〞的教材
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編號 |
篇名和超連結 |
作者 |
CIA分類 |
期別 |
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1 |
[#113] An Interlocking Building Block Activity in Writing Formulas of Ionic Compounds |
Kristie R. Ruddick and Abby L. Parrill |
教材 |
2012, 89 (11) |
|
2 |
[#112] Guessing the Number of Candies in the Jar—Who Needs Guessing? |
Stephanie Ryan and Donald J. Wink |
教材 |
2012, 89 (9) |
|
3 |
Edgardo L. Ortiz Nieves, Reizelie Barreto, and Zuleika Medina |
教材 |
2012, 89 (5) |
|
|
4 |
Jenna Lech and Vladimir Dounin |
教材 |
2011, 88 (12) |
|
|
5 |
Alice Putti |
教材 |
2011, 88 (9) |
|
|
6 |
[#108] Using Archimedes’ Principle To Explain Floating and Sinking Cans |
Michael J. Sanger |
教材 |
2011, 88 (3) |
|
7 |
Collin R. Howder, Kyle D. Groen, and Thomas S. Kuntzleman |
教材 |
2010, 87 (10) |
|
|
8 |
[#106] Sequestration of Divalent Metal Ion by Superabsorbent Polymer in Diapers |
Yueh-Huey Chen, Jia-Ying Lin, Li-Pin Lin and Han Liang |
教材 |
2010, 87 (9) |
|
9 |
Ingrid Montes-González, Jose A. Cintron-Maldonado, Ilia E. Pérez-Medina, Verónica Montes-Berríos and Saurie N. Román-López |
教材 |
2010, 87 (4) |
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|
10 |
[#104] A Novel, Simplified Scheme for Plastics Identification |
Mary E. Harris |
教材 |
2010, 87 (2) |
二、《國中化學：關於非常小的重要想法》
在美國化學會的網站中，透過其目錄：American Chemical Society > Education > Educational Resources > Elementary/Middle School，可找到一本免費的化學探究專書，書名為《國中化學：關於非常小的重要想法》（Middle School Chemistry: big ideas about the very small） [12]，這書適用於國中階段的探究學習教材，透過探究為本的動手活動和分子模型動畫來調查原子和分子的世界。該專書網站提供：課程計劃（lesson plans）、多媒體（multimedia）、工作坊（workshops）以及下載所有課程（download all lessons）等資料，如圖二所示。其中「課程計劃」規劃六章（Chapter），每張有5-10課程單元（Lesson）；而每課程單元都有「多媒體」，以動畫和影片等方式呈現微觀的物質世界，對教師教學的輔助甚大，對學生的科學建模相當有助益。每個課程單元都有學生講義和教師手冊，以5E學習環（5E Learning Cycle）的學習策略編寫，強調探索階段的動手做學習和解釋階段的微觀世界科學建模歷程。每一章有附加圖文並茂的學生閱讀（Student Reading）和教師額外背景知識（Additional Teacher Background）等資料。
圖二：《國中化學：關於非常小的重要想法》的網站首頁
（圖片來源：http://www.middleschoolchemistry.com/）
這份化學探究教材的章節名稱及其簡介，如表二所示。
表二：六章的章節名稱及其簡介
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編號 |
名稱和超連結 |
課數 |
簡介 |
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1 |
5 |
向學生引入物質由原子和分子所組成的想法，這些原子和分子被相互吸引並持續運動。學生在試驗和觀察固體、液體及氣體的加熱和冷卻時，探索原子和分子的吸引力和運動。 |
|
|
2 |
5 |
學生設計實驗來測試水的溫度是否影響蒸發速率以及水蒸氣的溫度是否影響冷凝速率。學生還會更詳細地了解水分子，以解釋水的狀態變化。 |
|
|
3 |
6 |
學生試驗具有相同體積但質量不同的物體以及具有相同質量但體積不同的其他物體，以形成密度的含義。學生還會在下沉和漂浮的環境中進行密度實驗，並在分子層次上發現為什麼一種物質比另一種物質更大或更小的密度。 |
|
|
4 |
6 |
學生更深入地了解原子的結構，並進行遊戲以更好地理解原子中質子、中子、電子和能階與週期表中位置之間的關係。學生還要探索共價鍵和離子鍵。 |
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|
5 |
9 |
學生調查水分子的極性，並設計測試以比較水與極性較小的液體的蒸發速率、表面張力以及溶解某些物質的能力。學生還發現溶解適用於固體、液體及氣體。 |
|
|
6 |
10 |
學生探索化學反應，這些反應涉及反應物中原子之間鍵結的斷裂以及這些原子重排和再鍵結以產生產物的概念。學生研究產生氣體、形成沉澱物並引起顏色變化的反應。學生還會探索吸熱反應和放熱反應，並進行工程活動以設計使用放熱反應的裝置。 |
n 化學教室活動的國內資源
在國內資源方面，此處介紹《臺灣化學教育》和《科學Online》，如下所述。
一、《臺灣化學教育》
《臺灣化學教育》2014年5月出刊，自第1期到第24期，經過初步統計，屬性可歸類或稍加修改可為〈化學教室活動〉的文章計有47篇，其中以教材設計的比率最高，如表三所示 [13]。
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編號 |
篇名和超連結 |
作者 |
CIA分類 |
期別 |
|
1 |
王楨、楊水平 |
教材 |
第1期 |
|
|
2 |
鍾曉蘭 |
教材 |
第1期 |
|
|
3 |
方金祥 |
教材 |
第2期 |
|
|
4 |
廖旭茂、黃維靜 |
教材 |
第2期 |
|
|
5 |
陳怡宏 |
教材 |
第3期 |
|
|
6 |
張荊壢 |
教學 |
第3期 |
|
|
7 |
方金祥 |
教材 |
第3期 |
|
|
8 |
方金祥 |
教材 |
第3期 |
|
|
9 |
倪行健 |
教材、教學 |
第3期 |
|
|
10 |
鍾曉蘭 |
教材 |
第3期 |
|
|
11 |
方金祥 |
教材 |
第4期 |
|
|
12 |
方金祥 |
教材 |
第4期 |
|
|
13 |
洪文東 |
教材、教學 |
第5期 |
|
|
14 |
方金祥 |
教材 |
第5期 |
|
|
15 |
方金祥 |
教材 |
第5期 |
|
|
16 |
鍾曉蘭 |
教材 |
第6期 |
|
|
17 |
廖旭茂、林宸緯、孫妤瑄 |
教材 |
第6期 |
|
|
18 |
方金祥 |
教材 |
第7期 |
|
|
19 |
許良榮 |
教材 |
第7期 |
|
|
20 |
黃琴扉、梁騏霖、劉嘉茹 |
教材 |
第8期 |
|
|
21 |
方金祥 |
教材 |
第8期 |
|
|
22 |
方金祥 |
|
第8期 |
|
|
23 |
鍾曉蘭 |
教學 |
第9期 |
|
|
24 |
葉凡愉、周明毅、王冠智、沈明勳、黃琴扉 |
教材 |
第11期 |
|
|
25 |
方金祥 |
教材 |
第11期 |
|
|
26 |
方慧娟 |
教材 |
第11期 |
|
|
27 |
方金祥 |
教材 |
第12期 |
|
|
28 |
廖旭茂、黃家均、林群耀、廖心妍 |
教材 |
第13期 |
|
|
29 |
蘇韋嘉、李佳蕙、楊水平 |
教材 |
第14期 |
|
|
30 |
李佳蕙、蘇韋嘉、楊水平 |
教材 |
第14期 |
|
|
31 |
方金祥 |
教材 |
第14期 |
|
|
32 |
李燕玲 |
教材、教學 |
第14期 |
|
|
33 |
廖旭茂、廖心妍、黃家均、林群耀 |
教材 |
第15期 |
|
|
34 |
江志宏、張自立、辛懷梓 |
教材、教學 |
第15期 |
|
|
35 |
Educational Experiment to Verify Faraday’s Law of Electrolysis using Zinc–Air Batteries |
Takahiro SHIBATA and Masahiro KAMATA |
教材 |
第18期 |
|
36 |
周金城（譯者） |
教材 |
第18期 |
|
|
37 |
廖旭茂 |
教材 |
第20期 |
|
|
38 |
張明娟、許文英 |
教材 |
第22期 |
|
|
39 |
黃琡雅、楊悠娟 |
教材 |
第22期 |
|
|
40 |
范原嘉、金必耀、左家靜 |
教材 |
第22期 |
|
|
41 |
李 萍、張自立、辛懷梓 |
教材、教學 |
第22期 |
|
|
42 |
葉雅婷 |
教材、教學 |
第23期 |
|
|
43 |
邱美虹、周金城、洪達民、陳怡宏、許晉維 |
教材 |
第23期 |
|
|
44 |
吉佛慈 |
教材、教學 |
第23期 |
|
|
45 |
廖旭茂 |
教材、教學 |
第23期 |
|
|
46 |
陳斾玎 |
教學 |
第23期 |
|
|
47 |
劉佳綾 |
教材、教學 |
第24期 |
二、《科學Online》
在臺灣大學的《科學Online》（前名為《高瞻自然科學教學資源平台》）中，經過搜尋並加以統計，屬性可歸類為〈化學教室活動〉的文章計有7篇，如表四所示 [14]。這些〈化學教室活動〉教材的開發設計包含學生講義和教師手冊，其中「學生講義」有：實驗簡介和原理介紹、器材和藥品、實驗步驟、安全和注意、廢棄物處理、觀察紀錄、問題；而「教師手冊」有：教學提示、藥品配製、實驗記錄樣本、參考答案、參考資料和延伸閱讀。
表四：《科學Online》的〈化學教室活動〉的文章
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編號 |
篇名和超連結 |
作者 |
CIA分類 |
期別 |
|
1 |
化學教室活動：自製簡易光電比色計（Homemade Simple Spectrophotometer）〔I〕 〔II〕〔III〕〔IV〕 |
蔡亞柏 |
教材 |
2011/05 |
|
2 |
化學教室活動：製作巴克球的串珠模型（Making Beaded Buckyball Model）〔I〕 〔II〕 〔III〕 |
薛朋雨 |
教材 |
2011/05 |
|
3 |
化學教室活動：神奇的超吸水聚合物（Magic Super Absorbent Polymers）〔I〕 〔II〕 〔III〕 |
陳琬菁 |
教材 |
2011/05 |
|
4 |
化學教室活動：食用色素和螢光筆色素的濾紙色層分析（Paper Chromatography）［I］ ［II］ ［III］ |
方浩羽 |
教材 |
2011/07 |
|
5 |
陳琬菁 |
教材 |
2011/07 |
|
|
6 |
化學教室活動：維他命C含量的微量測定（Microscale Determination of Vitamin C by Iodine Titration）〔I〕 〔II〕 〔III〕 〔IV〕 |
蔡亞柏 |
教材 |
2011/08 |
|
7 |
化學教室活動：利用化學平板探索電解（Exploring Electrolysis using ChemPad）〔I〕 〔II〕 〔III〕 〔IV〕 |
廖旭茂 |
教材 |
2013/10 |
n 本期文章導讀
本刊第二十五期的專題以〈化學教室〉為主題，除領頭文章外，還有11篇文章。這些文章的簡介如下：
1. 〈透過波卡教學法學習烷類有機分子〉一文由吉佛慈老師（國立臺灣師範大學附屬高級中學）撰寫。本文提到：「波卡（POECA）教學法」是將POEC教學模式加上應用（Application）階段而形成的教學策略，期望達到「教學用波卡，學化學不卡」的口號與教學目標。
2. 〈國小學生製作彩色麵條〉一文由陳皇州教授（國立屏東大學應用化學系）撰寫。本文提到：本創新課程活動的內容以「生活」為導向，藉由提供實作的原料，實施動手做化學實驗等活動，鼓勵學生在親手操作化學實驗後，深入思索實驗進行的過程，在結合創意思考與實務操作的情境下，使學生能充分發揮創意與想像。
3. 〈從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光〉一文由胡潔曦（國立東華大學自然資源與環境學系）和胡景瀚教授（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：我們在馬祖的遠哲科學體驗營和小朋友們分享了這實驗。因為實驗主題貼近馬祖的在地現象，活動引起一百餘位小朋友的熱烈迴響。
4. 〈感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備〉一文由連經憶教授（國立嘉義大學應用化學系）撰寫。本文提到：符合教室活動的實驗條件、簡介膽固醇型液晶的製備包含膽固醇型液晶的製備和簡易温度貼片的製備以及教學小撇步，這是一項十分有趣且常吸引學生的化學教室活動。
5. 〈庶民的分子廚藝教室〉一文由郭益銘教授（中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系）和鄭惠華（巧比諾有限公司）撰寫。本文提到：庶民的分子廚藝教室教案嘗試將冰冷的試管與燒杯，換成同學們都熟悉的餐具與美食，引導父母親與孩子們走進生活化的科學教室，以遊戲方式呈現，讓學生都能以愉快地學習科學知識，並將這些知識以圖像實踐的方式牢記在腦海裡，能夠讓同學們達到寓教於樂的效果。
6. 〈創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程〉一文由馮松林老師和陳映辛老師（國立竹山高級中學）撰寫。本文提到：Arduino的操作環境很友善，本課程設計在簡單的操作過程中，讓學生學得帶得走的技能，期待學生結合創客套件讓化學實驗走出教室，在實驗室外需要量測化學數值的環境，自己動手做各種探究。
7. 〈透過微量實驗實作學生發現溶解度法則〉一文由許之音老師（臺北市立中正高級中學）撰寫。本文提到：實驗簡介和單元目標、沉澱表或溶解度表的歷史、高中化學課程提到沉澱表方面、本次實驗主要目標、各組器材和學習單、教學提示、以及實驗紀錄（學習單）樣本與討論，教學內容十分豐富。
8. 〈化學物質分類的類比活動〉一文由鐘建坪老師（新北市立錦和高中國中部）撰寫。本文提到：本活動提供學生在學習純物質的分類之前，先知悉自己會依據某些特定準則分類鉛筆盒與抽屜的文具和書本，正如同科學家在分類純物質時亦會根據某些特徵來區分出純物質中的次類別項目。從學生自身的分類鉛筆盒與抽屜的經驗著手，讓學生體會科學家嘗試分類物質的方式，可以藉由前導活動讓學生連結生活經驗與學科學概念的關係。
9. 〈透過密室逃脫遊戲精熟學習常見的化學元素〉一文由顧展兆老師（宜蘭縣立國華國民中學）撰寫。本文提到：本密室逃脫遊戲的教學策略，可使用在預習後正式講課或運用於上課後複習，教師可讓學生在預習後進行本活動以精熟學習課程內容，亦可先行上課後透過本活動複習該課程。學生需要在各關卡中透過有限的提示，與同組同學進行討論和溝通，嘗試出自己對化學元素的認識。
10. 〈自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜〉一文由陳秀荷和劉奇愛（國立彰化師範大學科學教育研究所）以及楊水平教授（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：在108新課綱的推行下，課程設計以全人教育為理念基礎，而自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜的活動滿足課程設計的目標。結合STEM以陶養生活知能，例如：吸收光譜與光化學反應等科學概念（S）、應用軟體科技進行研究分析（T）、實際動手做與問題解決的工程能力（E），以及數值轉換與圖表識別的數學思考（M）。在觀察美麗光譜的喜悅下啟發生命潛能，以日常生活的科學研究激發終身學習的活力以促進生涯發展，最後談人類活動造成空氣汙染的主題切入公民責任。
11. 〈發現查理定律和絕對零度〉一文由李錡峰老師（國立南科國際實驗高級中學）、張鈞皓和郭峯廷以及楊水平教授（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：本文嘗試設計簡易的且方便的實驗裝置提供給高中化學教師教學和學生實驗的參考。本實驗的學習方法採用發現學習，學生在探索之前不知道氣體的溫度與體積之間的關係，他們在教材的指引下有機會去發現查理定律和絕對零度，其過程需要進行實驗、收集資料及處理資料，並進一步發現規律性。
n 參考資料
1. Shaver, M. P. Using Low-Tech Interactions in the Chemistry Classroom To Engage Students in Active Learning. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (12), pp 1320–1323.
2. Loppnow, G. R. The Unknown Exercise: Engaging First-Year University Students in Classroom Discovery and Active Learning on an Iconic Chemistry Question. Journal of Chemical Education, 2018, Article ASAP.
3. Jones, T. N.; Graham, K. J. and Schaller, C. P. A Jigsaw Classroom Activity for Learning IR Analysis in Organic Chemistry. Journal of Chemical Education, 2012, 89 (10), pp 1293–1294.
4. Martin, C. B.; Vandehoef, C. and Cook, A. The Use of Molecular Modeling as “Pseudoexperimental” Data for Teaching VSEPR as a Hands-On General Chemistry Activity. Journal of Chemical Education, 2015, 92 (8), pp 1364–1368.
5. Oliver-Hoyo, M. T.; Pinto, G. and Llorens-Molina, J. A. The Chemistry of Self-Heating Food Products. An Activity for Classroom Engagement. Journal of Chemical Education, 2009, 86 (11), p 1277.
6. Duvarcı, D. Activity-based chemistry teaching: A case of “elements and compounds”. Procedia – Social and Behavioral Sciences, 2010, Volume 2, Issue 2, pp 2506-2509.
7. Mosher, M. D.; Mosher, M. W. and Garoutte, M. P. Organic Mastery: An Activity for the Undergraduate Classroom. Journal of Chemical Education, 2012, 89 (5), pp 646–648.
8. Harris, M. E. and Walker, B. A Novel, Simplified Scheme for Plastics Identification. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (2), pp 147–149.
9. Garber, K. C. A.; Odendaal, A. Y. and Carlson, E. E. Plant Pigment Identification: A Classroom and Outreach Activity. Journal of Chemical Education, 2013, 90 (6), pp 755–759.
10. Jacobsen, E. K. and Slocum, L. E. JCE Classroom Activities Mature and Grow. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (2), pp 122–122.
11. Montes-González, I.; Cintron-Maldonado, J. A.; Pérez-Medina, I. E.; Montes-Berríos, V. and Román-López, S. N. JCE Classroom Activity #105. A Sticky Situation: Chewing Gum and Solubility. Journal of Chemical Education, 2010, 87 (4), pp 396–397.
12. Middle School Chemistry: big ideas about the very small, http://www.middleschoolchemistry.com/.
13. 《臺灣化學教育》，http://chemed.chemistry.org.tw/。
14. 《科學Online》，http://goo.gl/wNm3ZX。
化學教室活動：透過波卡教學法學習烷類有機分子 ／ 吉佛慈
星期三 , 16, 5 月 2018 本期專題, 第25期/2018年5月 在〈化學教室活動：透過波卡教學法學習烷類有機分子 ／ 吉佛慈〉中留言功能已關閉化學教室活動：
透過波卡教學法學習烷類有機分子
吉佛慈
國立臺灣師範大學附屬高級中學
[email protected]
n 前言
化學對人類生活的影響與貢獻無所不在。隨著人類物質文明發展與科技日新月異，石化工業（石油化學工業）產品已不僅僅滿足人類食、衣、住、行、育、樂基本需求，更創造出許多兼具潮流性與機能性的名牌精品符合不同消費者的胃口。就連資訊、電子、汽車等產業所生產的各種精密產品，也大約有60～70％來自石化工業。要認識石化工業產品，首先應從石油8000多種成分中的主要成分—烷類有機物—認識起。
本活動教案是針對高中選修化學課程中的分子結構有機化學單元學習內容，串聯上冊的分子結構單元與下冊的有機物結構單元。活動設計旨在以波卡教學法（POECA, 即為Prediction – Observation – Explanation – Comparison – Application的縮寫）為教學策略，以串珠分子為活動媒介，貫穿預測、觀察、解釋、比較、應用等五個關卡活動。活動目的是引導學生藉由動手製作串珠分子的珠串零件，以隨機扣接珠串的方式，連結生活中常見化學分子的微觀立體結構。一方面使學生在深入且具體了解電子對互斥的結構之後，能夠運用所組的結構對有機分子特有性質進行解釋，並進一步對分子異構物的結構與特性進行說明；另一方面則使學生在活動過程中同時體會到串珠世界的分子藝術（Art）之美，達到跨領域教學（從STEM到STEAM）設計之目標。
n 原理和概念
一、波卡教學法（POECA）
在White & Gunstone（1992）的Probing Understanding一書中提出POE（Prediction – Observation – Explanation，即預測‒觀察‒解釋）策略，對中小學教育的基礎概念提供一個有效的評量方法（White & Gunstone, 1992; Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik，2001）。教師於課前依據課程目標設計不同的情境問題，提供學生於課室中以分組合作學習方式配合動手操作的活動，依序透過實驗結果的預測‒觀察‒解釋等三階段，建構出屬於學生自己的概念、知識或能力。
邱美虹等人（2005）則以原有的POE策略為基礎，提出POEC（Prediction ‒ Observation ‒ Explanation ‒ Comparison，預測‒觀察‒解釋‒比較）教學模式的實驗活動與評量。強調學生除了針對待解問題進行預測‒觀察‒解釋的三步驟外，還需將第二步驟觀察到的現象與第一步驟預測的內容進行比較（Comparison），且此一原則也呼應原創者White & Gunstone（1992）在POE教學策略所提出的「對具爭議的觀察結果進行討論將使學習更有價值」之看法（邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜，2005；鍾曉蘭，2014；謝秉桓，2014）。
身為第一線的高中化學教師，筆者曾嘗試運用POEC教學策略於課堂活動之中，但每每於課程結束時總覺得意猶未盡，似乎還不足以激起部分數理傾向濃厚的學生追求更高層次挑戰的慾望。因此便在POEC之後加入應用（Application）階段，學生在面對此階段的挑戰題時不須再由預測階段重新開始，而是直接將POEC四階段所建立的知識能力與操作技巧應用於複雜度提高的類似情境之中，如此便形成了「波卡（POECA）教學法」，並由筆者設計出「教學用波卡，學化學不卡」之教學口號。
二、氣球分子（Balloon
Molecules）
國中階段教科書所介紹的有機化合物—甲烷投影式結構，常讓學生誤以為是碳原子在平面的正中心，四個氫原子分踞四個頂點的平面正方形結構。高中教師為了介紹甲烷或其他分子的立體結構，過去嘗試使用的方式是(1)利用球和棍教具箱的原子和鍵元件，製作球棍模型；(2)利用保麗龍球，表示各個原子並黏合起來；(3)利用大小相近的氣球，代表電子對並打結處纏繞在一起；以及(4)展示立體分子拍照所得的圖片或是網路資料照片等。照相圖片的呈現只能讓學生發揮立體想像，初學者很難立體想像；保麗龍球可以清楚看到電子對排斥情況，但是彼此只靠切點黏合較不堅固，且在課堂中讓學生傳遞觀察後容易解體或是使用後不易找到空間收納；球和棍教具箱的價格很貴，且一盒教具能夠同時組裝出的分子數目非常有限，雖然球棍分子具有正確呈現分子結構和化學鍵角度的優點，但是一方面數量無法普及讓每位學生動手組裝，使得效果受限，此外因每顆原子上面已事先打好可連結化學鍵的孔洞，如：黑色的碳原子有分散的四個孔洞、藍色的氮原子有不太對稱的三個孔洞、紅色的氧原子有兩個孔洞、白色的氫原子只有一個孔洞等等，無法讓學生經由操作而理解各原子孔洞數差異及何以孔洞間的相對位置不同。
影響分子結構和形狀的因素除了藉由共價鍵與原子核的庫倫吸引力外，電子對之間的排斥力也具有極大的影響力。以吹氣打結後的氣球彼此纏繞來表示電子對的互斥結構已行之有年，雖然氣球具有容易消氣、不易保存、容易爆破和體積大小不易相同等缺點，且網路上許多示範影片多以氣球呈現具單一中心原子的分子立體架構，如圖一所示。然而，氣球仍具有價格低廉、可消氣重複使用、體積可大可小、色彩繽紛、全體學生皆可體驗等優點。
圖一：網站上以氣球模擬VSEPR結構（左）；筆者以氣球模擬VSEPR分子結構（右）
三、有機分子結構App
有機分子結構撲克牌是一個是結合擴增實境與虛擬實境的撲克牌，內容包含高中化學課程中有關烴類（第一套）、醇類、醚類、醛類、酮類（第二套）及酸類、酯類、胺類、醯胺類（第三套）的常見分子。使用時只要從撲克牌上的QR
code或是蘋果（或安卓）網路商城上尋找三個App：Molecules
1 AR/VR, Molecules 2 AR/VR 及
Molecules 3 AR/VR的下載連結，下載後便可將行動載具作為分子觀測鏡使用。此App的優點除了可以輔助教師在課堂上以更有效的方式講解有機分子的3D立體結構與特徵，還可讓學生透過用手觸控或是電玩搖桿操控的方式改變分子的旋轉角度，清楚地觀察分子每一個部位的結構與特徵；此外，也導入VR技術，讓學生在一個虛擬的電玩場景達成尋找有機分子結構的任務（邱美虹、周金城、洪達民、陳怡宏、許晉維，2018）。本教案在設計學生觀察分子結構的階段，便是運用此有機分子結構App進行全方位立體構形的學習。
■課程設計與執行
本教學單元目標是使學生學得高中程度的烷類有機分子的性質，此單元名稱命名為「有機大烷咖」，設計與執行採用波卡（POECA）教學法的五步驟。
一、預測（Prediction）階段
【挑戰一】：有機世紀預言
● 活動內容：圖二中的氣球模型是某種有機分子的立體結構，已知此分子為飽和的烴類，請進行小組討論並將預測結果填入表中。
圖二：預測有機烷類分子式及其相關性質表
● 教師活動：引導各組組長帶領討論（見圖三），仔細觀察氣球分子並預測10格問題的答案。當學生發問時，建議可逐步給予提示如下：(1)此烷類的組成原子種類為何？個數為何？(2)飽和烷類的組成原子具有何種特性？此分子的分子式可能為何？(3)如何判斷此分子為鏈烷類或環烷類？不同類別各具有何特性？
圖三：學生討論並預測未知分子的情景
二、觀察（Observation）階段
【挑戰二】：有機VR體驗
● 活動內容：(1)到App商店下載「Molecules 1
AR/VR」；(2)點開App並對準撲克牌正中心（見圖四），即可看見兩個立體分子並可用手轉動分子；(3)運用VR眼鏡即可進入3D世界體驗立體場景，仔細觀察並找出與〈挑戰一〉之預測階段相同構造的分子。
圖四：常見有機烷類分子撲克牌彙整表
● 教師活動：
(1)教師引導各組先打開App並逐一觀察烷類分子撲克牌所連結的分子，找出命名與結構的規律性。(2)找出〈挑戰一〉所預測的分子，對準該張分子撲克牌，用手指嘗試各角度旋轉該分子的立體結構，仔細觀察立體結構與〈挑戰一〉氣球分子結構的異同之處。(3)若發現預測的分子與圖片結構差異過大，則可以再重新挑選可能的分子撲克牌進行觀察。直到找到正確分子並與小組成員達成共識後，便可逐一檢視或確認〈挑戰一〉的10個問題。圖五是學生體驗分子撲克牌App的情景。
圖五：學生體驗分子撲克牌App的情景
三、解釋（Explanation）階段
【挑戰三】：真相追追追
● 活動內容：請依提示製作6種球串（共19條）—綠球17個，紅球38個。
● 尋找真相：請從串好的6種19條球串中，選取合適長度的球串（共4條），設法製作出與〈挑戰一〉（在預測階段提到）相同的分子結構。
● 觸類旁通：〈有機入門款〉請運用適當的球串組合成下表的五種正烷類，拍照討論並完成下表（見圖六）。
圖六：正烷類的性質比較表
● 教師活動：引導各組組長帶領討論（見圖七），建議可逐步給予提示如下：(1)正烷類的分子通式為何？依序遞增的原子種類和原子個數為何？(2)有機物的熔點與分子的何種性質有關？隨著正烷類的碳數增加，該性質是否規律性變化？(3)如果改為判斷沸點，則與分子的何種性質有關？隨著正烷類的碳數增加，該性質是否規律性變化？
圖七：學生動手實作組合正烷類的情景
四、比較（Comparison）階段
【挑戰四】：有機分子特性比較
● 活動內容：請學生在解釋（Explanation）階段實作所得氣球分子與最初預測（Prediction）的答案進行比較，並說明有何特別的發現。
● 觸類旁通：〈有機熱門款〉請運用適當的球串組合出三種「戊烷異構物」，並經由小組成員進行特性比較和討論後，將所需的球串個數、熔點和沸點的值及判斷原因等特性填入下表（見圖八）。
圖八：戊烷異構物的性質比較表
● 教師活動：引導各組組長帶領討論，建議可逐步給予提示如下：(1)誤將P-預測所得的分子視為別的分子之原因為何？比較後有何特別收穫？(2)如何快速選用正確的球串及個數來拼組三種戊烷異構物？有何原則？(3)異構物的分子量相同，如何判斷沸點高低？如何判斷熔點高低？圖九是學生運用組合模型解釋有機物特性的情景。
圖九：學生運用組合模型解釋有機物特性的情景
五、應用（Application）階段
【挑戰五】：有機異形大挑戰
● 活動內容：(1)請從已串好的6種19條球串中，取出5條球串（F +
4A），組成四種互為同分異構物的「烷類」分子，拍照上傳雲端，並共同完成下表（見圖十）。
圖十：同分異構物的結構式彙整表
(2)與上述分子式相同的有機物中，除了表中的四種同分異構物之外，還有多少種異構物？製作這些異構物所需的球串為何？
● 教師活動：引導各組組長帶領討論（見圖十一），建議可逐步給予提示如下：(1)先觀察球子的個數找出分子式為何？(2)依據價鍵理論判斷可能的異構物種類為何？共有幾種？(3)參照畫出來的異構物鍵結情形，用已知球串組合看看，試試可以組出幾種結構式？又有幾種無法用此組球串？
圖十一：學生運用組合模型解釋有機物特性的情景
■教學提示
有關「應用（Application）階段」的「有機異形大挑戰」，使用1條球串F與4條球串A共同進行扣接組合的方式，如圖十二〜十五所示。
圖十二：環戊烷的球串扣接方式與棍棒立體結構對照圖
圖十三：甲基環丁烷的球串扣接方式與棍棒立體結構對照圖
圖十四：乙基環丙烷的球串扣接方式與棍棒立體結構對照圖
圖十五：1,1-二甲基環丙烷的球串扣接方式與棍棒立體結構對照圖
■結語
「波卡（POECA）教學法」是將POEC教學模式加上應用（Application）階段而形成的教學策略，期望達到「教學用波卡，學化學不卡」的口號與教學目標。同時，以製作球串元件並將球串相互扣接所得的分子結構，是模擬電子對相互斥力以及電子對與原子核間的引力之最佳模型之一。這種教學不但可簡易且快速地表達VSEPR電子對互斥架構，而且更能組成球串元件後進行有機分子的相互扣接，進而運用所組合的氣球分子模型來評估分子對稱性或接觸面積，據以了解熔點高低或是沸點差異的特性。此外，以球串進行有機分子異構物的模擬，可以清楚展現原子在空間中的多種排列方式，並且有利於展現幾何異構物的立體結構差異。
■致謝
感謝行政院科技部「第三期高瞻計畫」（編號：MOST106-2514-S-788-001），使筆者在參與教師增能研習中獲得諸多啟發，且於筆者設計教案並運用於教學時，協助支援所需教具及學生材料。感謝《臺灣化學教育》電子期刊提供豐富線上化學教學和研究資源，使筆者能效法邱美虹教授團隊所提倡之POEC教學策略並添加應用（Application）策略，提出波卡（POECA）教學法，以滿足教學現場的差異化教學需求。同時也感謝邱教授和萬芳高中教師團隊製作出高中化學課程可搭配使用的有機分子撲克牌，不但免費提供數套撲克牌供老師試用，同時開放相關App供免費下載使用。
■參考資料
1. Kearney, M., Treagust, D. F., Yeo, S., & Zadnik, M.
G. (2001). Student and teacher perceptions of the use of multimedia supported
Predict-Observe-Explain tasks to probe understanding. Research
in Science Education, 31(4), 589-615.
2. White, In R.& Gunstone, R. F. (1992). Probing
Understanding. pp. 44-64. London: Falmer
Press.
3. 氣球分子模型。http://www.4college.co.uk/as/el/shapes.php和http://janpaulposma.nl/balloon-molecules/
4. 邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。
5. 邱美虹、周金城、洪達民、陳怡宏、許晉維（2018）。中學化學App教材與教學：以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構。《臺灣化學教育》，第23期，2018年1月。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=26454。
6. 謝秉桓（2014）。POEC教學策略之理論與實務。《臺灣化學教育》，第4期，2014年11月。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3504。
7. 鍾曉蘭（2014）。差異化教學化學科示例─POEC策略。《臺灣化學教育》，第2期，2014年7月。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2055。
■學生活動手冊