第 46 頁 – 臺灣化學教育

化學教室活動：國小學生製作彩色麵條／陳皇州

星期二 , 15, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：國小學生製作彩色麵條

陳皇州

國立屏東大學應用化學系
[email protected]

■ 前言

我們的日常生活中充滿許多化學，事實上，學習化學對於提昇人類生活品質有著非常直接的關係。然而，一般民眾對於化學卻未必持有正面的看法，尤其是近年來食安問題層出不窮，致使此一負面形象更形雪上加霜。因此，如何以新世代化學關懷環境永續發展，深化綠色化學的理念於人類的未來世代，將是極具意義的重要教育工作。筆者基於國立屏東大學動手做科學教育中心化學創造力工作站的基礎與資源，設計結合Maker（自造者）元素之創新課程活動，搭配綠色化學議題與教育部頒之國小自然與生活科技課程綱要，規劃以POE〚預測（Prediction）‒觀察（Observation）‒解釋（Explanation）〛教學策略為基礎的課程與活動，透過各種富含遊戲與趣味的教學活動引發學生學習興趣，進而學習化學與環境的相關科學知識。為了讓學生們充分體會動手做實驗的驗證式學習，並展現創新課程的重要精神指標：「動手做、做中學」，因此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，並將這些創意的想像轉化為實際能夠看見或觸摸的實物。

■ 實驗學習目標

在這次的國小教室化學活動設計中，我們挑選了在五年級下學期自然與生活科技課本的第三單元：酸鹼變色，作為本次國小教室化學活動的設計基礎，聚焦於基礎化學概念的認識與學習。從認識化學酸鹼性質的基礎概念建立開始，經由科學遊戲中的情境提出問題並引導學生經由自主探索的方式來進行並引起小學生學習興趣，經由動手操作、觸摸及觀察活動引發小學生對於化學變化的知覺與敏感度並進行推理。最後以現象解釋的方式灌輸正確的知識與觀念，幫助小學生對於現象與概念之間關係的認知，讓小學生應用其自主完成的實驗結果來推理並解釋預測和觀察結果的不同，使小學生在活動中真實體驗化學的奧秘，延伸其對大自然探索的價值觀與態度。

■ 認識花青素

花青素（anthocyanidins）是花色苷（anthocyanins）的無糖對應物，目前已被正確鑑定者有31種單體花色素，大多數花色苷是由花青基（30% cyanidin），花翠素（22% delphinidin）和天竺葵素（18% pelargonidin）所組成的，以及其他成分。隨花果和蔬菜的不同，花色苷的組成會不同。花青素會隨著所處環境的酸鹼值而有不同顏色的變化，相當適合作為檢測酸鹼值的天然指示劑。以紫色高麗菜為例，在不同的酸鹼度的顏色變化如圖一所示，其顏色在強酸性環境下呈現紅色，在弱酸性環境下呈現紅紫色，在中性環境下呈現藍紫色，在弱鹼性環境下呈現藍色，在強鹼性環境下呈現綠色或黃色。

圖一：紫色高麗菜在不同的酸鹼度的顏色變化

（圖片來源：Red cabbage pH series.jpg, http://goo.gl/qQ1QNV）

花青素是一種水溶性的植物色素，存在於茄子、櫻桃、藍莓、紫色高麗菜及紫色火龍果等深色的植物細胞中。花青素的營養價值高，是一種天然的抗氧化劑，具有清除自由基及抗發炎的能力，可以提升身體的免疫力及降低組織的氧化壓力。

■ 課前準備–材料與器材

在彩色麵條這個國小教室化學活動主題中，以花青素為天然酸鹼指示劑，依據不同的食物酸鹼值，利用酸鹼變化而使食物改變顏色，進而由食物顏色察覺其酸鹼性質，以吸引小學生的目光，並理解酸鹼變色這個有趣的化學學習單元。

本實驗製作彩色麵條所需材料與器材如表一所示。

表一：本實驗所需材料與器材

品名（規格）	品名（規格）	品名（規格）
果汁機	50毫升量筒	雪碧汽水
酸鹼度計	塑膠杯	麵條
電子磅秤	塑膠漏斗	紫色高麗菜
燒杯（可用塑膠杯代替）	不鏽鋼鍋	小蘇打粉
石蕊試紙	玻棒	食用醋
乳膠手套	鳳梨	沖洗瓶
塑膠滴管（3毫升）	奇異果	過濾濾紙（直徑約10公分）
塑膠樣本瓶（50毫升）	檸檬	無塵吸水紙

■ 教學活動設計

一、 課程引導

1. 以石蕊試紙認識酸鹼：教師說明石蕊試紙顏色所代表的意義，並以食用醋和小蘇打溶液進行測試並要求學生觀察石蕊試紙的顏色變化。

2. 請學生提出生活經驗以引起研究動機，本次協助實驗預作的學童所表達的研究動機如下：『以前看到許多不同顏色的飲料、食物，雖然很漂亮，但是聽說大部份是利用添加人工色素而來，好像不太健康。有一次與家人去吃蔬菜麵，看到麵條竟然是綠的，覺得很好奇。在詢問爸爸之後，由爸爸的解釋我才知道原來是老闆將蔬菜打成汁後拌進麵糰裡，再製作成麵條。因此我們吃的蔬菜麵才有蔬菜的綠色，吃起來就給人很健康的感覺。恰好我在這學期（五年級下學期）自然與生活科技課本的第三單元內發現酸鹼變色這個有趣的單元，於是我想到如果麵可以加上各種顏色，或許可以讓它變得色香味俱全，又可以檢測食物的酸鹼值，那一定會非常有趣！讓人吃完回味無窮，還想再多吃一些』。

3. 說明酸鹼度計可偵測水溶液中的酸鹼值，並以pH值表示酸鹼值。當pH小於7時，溶液呈酸性；當pH大於7時，溶液呈鹼性，當pH等於7時，溶液呈中性。帶領學生實地進行酸鹼度計的操作使用。

二、 教學活動進行

u 【活動一：花青素會不會被高溫破壞呢？】

＊預測（P）：依照先備知識了解哪些食物具有花青素，並思考看看哪一種方式可以溶出花青素？

＊觀察（O）：比較以攪碎過濾法與水煮溶出法獲得花青素的效果與差異。

〚實驗步驟〛

(1) 攪碎過濾法：取100公克的紫色高麗菜並切碎，與水以1:1的比例放進果汁機裡打成泥狀，再將鋪好濾紙的漏斗放置於燒杯（可用塑膠杯代替）上，把剛打好的紫色高麗菜倒入燒杯（可用塑膠杯代替）中過濾（見圖二）。

圖二：攪碎過濾法取得花青素

(2) 水煮溶出法：將紫色高麗菜切碎，與水以1:4的比例加熱至沸騰5分鐘後，把紫色高麗菜水溶液到倒出並使其冷卻（見圖三）。

圖三：以水煮溶出法取得花青素

(3) 在塑膠杯A1中，置入10公克的麵條，再加入以攪碎過濾法獲得的30毫升紫色高麗菜汁，浸泡10分鐘，每2分鐘觀察一次，記錄結果。

(4) 在塑膠杯A2中，置入10公克的麵條，再加入以水煮溶出法獲得的30毫升紫色高麗菜汁，浸泡10分鐘，每2分鐘觀察一次，記錄結果。

〚實驗結果〛

花青素會不會被高溫破壞呢？結果是不會的，以水煮溶出法獲得花青素及攪碎過濾法所獲得的花青素均可以用於染色麵條（見圖四）。

圖四：製作彩色麵條：以攪碎過濾法（左圖，A1）和水煮溶出法獲得花青素（右圖，A2）

＊解釋（E）：依據實驗結果，因為以水煮溶出法和攪碎過濾法所獲得花青素均可以成功地將麵條染色，證明花青素並不會因為水煮加熱的過程中而被破壞。我們也發現經過果汁機絞碎並過濾後紫色高麗菜汁濃度較高，如果以水煮的方式所獲得的紫色高麗菜汁容易因為需要大量的水煮沸而產生稀釋的效果。

u 【活動二：以酸鹼度計測量各種水溶液的酸鹼值】

＊預測（P）：以先備知識與生活經驗預測各種水溶液的酸鹼性質，並預估酸鹼度計與加入花青素水溶液後的顏色變化。

＊觀察（O）：操作酸鹼度計量測pH值，並仔細觀察各種水溶液加入紫色高麗菜汁以後的顏色變化。

〚實驗步驟〛

1. 取各10毫升的檸檬汁、食用醋、雪碧汽水、鳳梨汁、椰子水、茶葉水、牛奶、奇異果汁、小蘇打水及漂白水，分別倒入不同的50毫升塑膠樣本瓶內（見圖五）。

圖五：取待測樣本到塑膠樣本瓶內

2. 用沖洗瓶將酸鹼度計電極沖洗乾淨並使用無塵吸水紙擦乾（見圖六）。

圖六：沖洗瓶酸鹼度計電極

3. 把沖洗過後的酸鹼電極插入要測量酸鹼值的水溶液，測量並記錄pH值，重複上述沖洗步驟並以此類推進行其他水溶液測量。

4. 在完成pH值的測量各個水溶液後，分別加入10毫升的花青素溶液，並觀察水溶液顏色變化。

〚實驗結果〛

以酸鹼度計測試出下列日常生活中常見溶液的酸鹼值，及其對應花青素酸鹼指示劑之結果如表二所示：

表二：日常生活中常見溶液的測試酸鹼值

項目	酸鹼值（pH值）	加入紫色高麗菜汁後的顏色
檸檬水	2.39	紅色
醋	2.62	紅色
雪碧	3.16	淡紅色
鳳梨汁	3.59	淡紅色
椰子水	5.07	淡紫色
飲用水	7.00	紫色
牛奶	6.79	淡藍色
奇異果汁	6.79	淡藍色
小蘇打水	8.39	綠藍色
漂白水	12.84	綠色

＊解釋（E）：依據酸鹼度計所測得的pH值，可以對照出各個水溶液加入紫色高麗菜汁後的顏色，酸性的環境呈現紅色，中性環境則維持紫色，鹼性環境則變為藍色甚至綠色（參見圖一），實驗結果顯示紫色高麗菜汁中的花青素確實具有檢驗酸鹼值的能力。

u 【活動三：彩色麵條製作】

＊預測（P）：預測彩色麵條浸入酸鹼值不同水溶液後所呈現的顏色。

＊觀察（O）：觀察變色後的麵條，並記錄顏色，討論分類，並歸納酸鹼的強度。

〚實驗步驟〛

1. 在編號A3、A4、A5、A6的四個塑膠杯中，分別置入10公克的麵條，分別加入以攪碎過濾法獲得的30毫升紫色高麗菜汁，浸泡10分鐘。

2. 分別取10毫升的雪碧、小蘇打水、開水及檸檬汁，分別以滴管滴入A3、A4、A5、A6的塑膠杯中，觀察並記錄其結果（見圖七）。

圖七：製作彩色麵條的過程

〚實驗結果〛

製作彩色麵條的結果如圖八所示：

圖八：製作彩色麵條的結果：由左而右依序為雪碧（A3）、小蘇打水（A4）、開水（A5）、檸檬汁（A6）後麵條的顏色變化結果。

＊解釋（E）：紫色高麗菜汁主要含有水溶性的花青素，花青素會受到酸鹼影響改變顏色，酸性環境下會變成鮮紅色，而鹼性環境下是藍綠色（參見圖一），這些麵條看起來顏色非常鮮艷而特別，也證明了可以利用花青素檢驗具有不同酸鹼值的食物，可以作為天然的食物酸鹼偵測劑，以後只要加入含有花青素的水溶液，就可以知道我們所吃的食物中的酸鹼性質了！

■ 教學評量與回饋

1. 各組依序上台進行口頭發表：彩色麵條如何製作呢？背後的原理是甚麼？

2. 小組討論：試試其他校園花材或食物，能否也可製成酸鹼指示劑？

3. 能與同學合作依步驟完成實驗並製作彩色麵條。

4. 引導學生口說回憶彩色麵條的製作過程與顏色變化。

5. 列出一些生活中其他常見的水溶液，並預測它的酸鹼性質及加入紫色高麗菜之後的可能會形成的水溶液顏色。

6. 想一想，若是天然酸鹼指示劑和天然色素比較健康，為甚麼大部分的食品廠還是使用人工色素添加在食品中呢？

■ 學童學習回饋

筆者透過口頭晤談進行學習成效評量，參與學童目前皆為小五階段，回顧當時做實驗的感受表示：『我們成功的製作出四種不同顏色的麵條，可以經由食物的顏色就知道酸鹼度，最後我們在收拾實驗桌和實驗藥品時，無意間發現若是將少量的小蘇打直接加入含有酸性水溶液的紫色高麗菜汁中，竟然會像汽水一樣起大量的泡泡，這個意想不到的現象讓我們又驚又喜，也引起了我們想要找出發生原因的興趣。在仔細查詢網路上的資料後，我們終於了解到原來小蘇打在酸性液體中（如果汁）與水結合後會快速的發生下列的反應，並且產生二氧化碳氣體，科學探究的實驗活動實在是太有趣了』。由以上的學童回饋意見可得知此一化學教室活動的確可以引發小學生的學習興趣，甚至由學童們不經意的混合添加，亦可產生意料之外化學反應且不具危險性，成為參與活動的小學生們最佳的課後作業題材。

■ 教師教學省思

本活動是以花青素作為指示劑，由紫色高麗菜中萃取青花素，學習製作天然酸鹼指示劑具有顏色變化的現象來辨識酸鹼值，學習使用天然酸鹼指示劑偵測酸鹼值，藉由呈現即時而豐富的色彩變化，提升國小學童學習動機與興趣。由於國小學童尚未接觸分子模型及對數計算概念相關的課程內容，因此建議授課教師應對於以酸鹼度計所量測之pH值所代表的意義先進行概念解說，協助學童建立並理解酸鹼度、pH值及花青素呈色的關聯性。

因為花青素主題的內容可與目前國小自然與生活科技課程中認識酸鹼的單元相互呼應，因此其實常見於各種科學教育活動體驗和科學展覽的活動中。製作彩色麵條活動的設計即為利用此一多數國小現職教師較為熟悉的青花素主題，再進一步發展以花青素是否容易被高溫破壞及其應用於檢測食物酸鹼性質的課程活動，除了酸鹼度計可能需要由學校購置或對外尋求借用外，其他器材均為相對簡單且在日常生活周遭經常接觸的物品或食品，以實現將單純的觀察體驗活動近一步衍生為生活應用科學的設計理念，並藉由小學生的體驗操作，闡述基礎化學酸鹼反應性質，進而製作具有趣味性的彩色麵條以展顯化學之美及其與食安議題的連結，期盼本活動設計能夠為目前的國小自然科學教育現場提供更多的分享與發想。

■ 參考資料

1. 國小五年級自然與生活科技第三單元：水溶液的性質，南一書局。

2. 徐月珠，科學實驗王1-酸鹼中和，2009，三采出版社。

3. 酸鹼指示劑，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/酸碱指示剂。

4. 花青素，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/花青素。

5. Anthocyanidins, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanidin.

6. 高喜貞（作者），蘇世甄（譯者），少年科學偵探CSI 第24集-CSl聲名大噪，臺灣麥克出版社。

7. 生活裡的科學－當酸哥遇上鹼妹，https://www.youtube.com/watch?v=Fdx67XNx030。

8. 花青素抗氧化可提升免疫力，台灣新生報，2013年3月18日報導。

9. 食物營養－花青素補眼睛，中國時報，2015年12月12日報導。

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

星期一 , 14, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：
從馬祖藍眼淚學習螢光和磷光

胡潔曦¹、胡景瀚^2,*

¹國立東華大學自然資源與環境學系
²國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 馬祖藍眼淚

馬祖近年來因為藍眼淚（見圖一）吸引了不少慕名而來的遊客，究竟什麼是藍眼淚呢？近期爆發的藍眼淚是本來就該有的現象嗎？還是環境對人類發出的警訊呢？讓我們更深入地了解這個神祕的生物與它們所散發出來的美麗藍光。

圖一：馬祖的藍眼淚

（圖片來源：馬祖國家風景區管理處提供）

藍眼淚是一種名為夜光藻（Noctiluca scintillans，又稱夜光蟲，見圖二），長度約1 mm的雙鞭毛蟲門單細胞生物，它們經常出現在馬祖當地的海岸，當它們受到海浪擾動時就會散發出點點微弱的藍光。近年來，藍眼淚迅速地成為馬祖當地重要的觀光資源，吸引許多充滿好奇心的遊客前往一窺這神秘的現象。

圖二：夜光藻

（圖片來源：Noctiluca scintillans, https://en.wikipedia.org/wiki/Noctiluca_scintillans）

藍眼淚和春夏之際所形成的紅潮息息相關，紅潮在海面上經常會形成一片片紅棕色的區塊，這些區塊中含有多種藻類，尤以渦鞭毛藻類（包含了夜光藻）為大宗，這些藻類的數量會受到海洋表層營養鹽分布所影響，但過量的藻類會帶給海洋諸多負面的影響。一個常見的例子是，當藻類密集聚集在表水層將水中養分耗盡時，整個藻類族群會因營養鹽不足而迅速的崩潰，事後細菌對藻類的分解作用將會迅速的消耗水中氧氣導致海洋生物大量窒息死亡。¹

夜光藻主要靠食用海水表層的浮游生物為生，而海洋表層水中的浮游生物數量主要是受到營養鹽所影響，浮游生物能夠獲取營養鹽之天然途徑較少，這代表馬祖沿岸藍眼淚在這段時間所發生的大爆發，其原因極有可能是因為人類所使用的洗衣粉、沐浴乳、化肥之中所含的營養鹽造成岸邊浮游生物數量增加進而使藍眼淚數量暴增。¹

n 螢光與磷光

當分子吸收光的能量而從分子基態轉至激發態時，激發態會以自發放光的方式釋放能量，激發態和基態的自旋多重度相同的放光稱為「螢光」（fluorescence），激發態和基態的自旋多重度不相同的放光則稱為「磷光」（phosphorescence）。

在日常生活中我們經常看到螢光和磷光，我們可以用簡單的方法區別這兩種光，如圖三所示。在黑暗的地方用紫外光（驗鈔用的手電筒即可）照射後我們會看到螢光和磷光物質都會放光，將光線移開後，螢光物質立刻停止放光，磷光物質則會持續放光。螢光棒的放光分子，是從相同自旋多重度的激發態釋放光回到基態，和前述的螢光釋放相同。不過螢光棒的放光分子是吸收化學反應的能量至激發態，這種機制稱為「化學放光」（chemiluminescence）。在教室裡，我們可以利用簡單的設計辨別磷光與螢光，製造化學放光，操作步驟詳述於本文的文末。

圖三：以紫外光照射螢光和磷光物質

n 夜光藻放出螢光的機理

夜光藻的放光和前述的螢光相似，也是從自旋多重度相同的激發態放光，不過其放光分子（螢光素，luciferin）是由稱為螢光素酶（luciferase）的酵素催化氧化反應產生能量使螢光素至激發態，不是經由照光的方式，夜光藻的放光稱為「生物發光」（bioluminescence）。

夜光藻的螢光素分子結構如圖四所示，值得注意的是，這個分子和葉綠素的分子中心極為相似，不過其含氮的環是斷開的，而夜光藻並不是行光合作用的生物，雖然與夜光藻同門的生物有許多會行光合作用。有趣的是，圖四中的兩處R取代基從氫原子改為氫氧基（–OH）時，該分子是多種發光磷蝦的螢光素。夜光藻和磷蝦的外型在生物分類上差異極大的兩種生物，其螢光素分子卻是如此相似！^2,3

圖四：夜光藻（R = H）和磷蝦（R = OH）的螢光素

夜光藻的螢光素（LucH2）在放光的過程中需與氧氣作用，在夜光藻中的螢光素酶會催化（LucH2）成為氧化物LucO的激發態（LucO*），此單重態（singlet）激發態釋放出~475 nm 波長的藍色光回到單重態基態，夜光藻體內的還原酶會催化LucO還原成螢光素。Hastings的研究指出放光的過程中可能有一個過氧化氫中間產物（LucHOOH）產生。LucH2的氧化反應如圖五所示，只有在螢光素的催化下LucH2會氧化成LucO激發態，單純只與氧氣作用時，LucH2的氧化產物為LucHOH或Luc，二反應皆不放光。

圖五：夜光藻的螢光素在螢光素酶（luciferase）催化及單純與氧氣反應之產物

螢光素酶在放光的過程中扮演的角色為何呢？圖六是LucH2在有螢光素酶或單獨與氧氣反應的各中間物能量相關圖。放光產物（LucO + H₂O）比反應物能量低90.3 kcal/mol，而藍眼淚的放光（475 nm）為60.2 kcal/mol，螢光素酶的自然氧化產物Luc + H₂O或LucHOH能量都太低。螢光素酶的功能在製造出能量高的氧化中間物LucHOOH，這個中間物再反應成為水和單重激發態的LucO*，LucO*再放光並回到基態的LucO。圖六並繪出LucO的最高佔有分子軌域（highest occupied molecular orbital, HOMO）和最低空軌域（lowest unoccupied molecular orbital, LUMO）。LucO*的電子結構對應HOMO 和LUMO各填一個電子的單重態，LucO的電子結構則對應HOMO填入成對電子的單重態。

圖六：夜光藻的螢光素與氧氣反應之產物相對能量，螢光素酶催化的反應以紅色表示

放光生物各有其特定的螢光素和螢光素酶，圖七是幾種螢光素的分子構造。螢光素放光的機制因物種而有差異，不過所有反應都牽涉到和氧氣作用。有一種關於生物放光機制的假說，是早期厭氧生物在地表氧氣濃度上升時期所產生的，藉由放光去除氧氣的演化產物。

生物放光的研究牽涉到化學、生物化學及生物學，相關實驗繁瑣費時，參與這些研究的科學們多對這個現象抱持著高度的好奇心，研究的時間非常漫長。知名的哈佛大學生物學家Hastings教授在他73歲時的一場演講中，將講題訂為”Fifty Years of Fun”。他在生物放光、細胞生理時鐘、細胞溝通等領域中研究了超過半個世紀。Hastings教授於2014年以87之齡過世，在2013年還出版了一本關於生物放光的書籍。⁴

圖七：幾種發光生物的螢光素：蝸牛（Latia neritoides，1），真菌（Neonothopanus nambi，2），螢火蟲（3）。

n 化學教室活動

在教室中，教師可以讓同學辨別磷光與螢光，操作方式說明於下。

一、辨別「磷光」與「螢光」

1. 放置通寧汽水、夜光貼紙、螢光便條貼紙、螢光棒、鬧鐘、手錶及紙鈔等常見物品在桌面上，拉上窗簾並關掉燈光。

2. 用紫外燈（如驗鈔筆或紫外光手電筒）照射到這些物品，觀察何種物品會發光？當光源移開時，觀察何種物品會持續發光？放光的時間有沒有差別？

3. 取一支使用過的螢光棒和一支未使用過的螢光棒，用紫外光照射，觀察二者是否會放出螢光？

說明：當紫外光的光源移開後，若持續放光者，則為磷光的物質（如夜光貼紙、鬧鐘及手錶）；若立即停止放光者（如通寧汽水、螢光便條貼紙、螢光棒及紙鈔），則為有螢光物質。通寧汽水含有「奎寧」，奎寧在紫外光照射下會釋放螢光。使用過的螢光棒在紫外光照射下提供能量激發螢光物質而釋放螢光，因為其中的螢光物質並沒有轉變成其他分子；而未使用過的螢光棒可以利用化學反應產生的能量激發螢光物質為激發態而釋放螢光，也可以在紫外光照射下提供能量激發螢光物質而釋放螢光。夜光貼紙、鬧鐘和手錶的數字和指針在紫外光照射下，移開光源後在黑暗中會繼續放出磷光。

二、製造「螢光」

1. 在實驗室配製溶液A：在一個透明塑膠杯中，溶解於0.1 g 的魯米諾（luminol）和1 g 的氫氧化鈉（sodium hydroxide）在200 mL的蒸餾水中。

2. 在實驗室配製溶液B：在一個透明塑膠杯中，取1 mL的漂白水，溶於100 mL的蒸餾水中。

3. 在教室中，取100 mL溶液A，拉上窗簾並關掉燈光，緩緩地倒入溶液B中，觀察發光情形。注意，溶液A在紫外光照射下不會放出螢光。

4. 在這實驗中，未反應的配製溶液A和完全反應後的混合溶液，用紫外光照射魯米諾溶液，觀察兩者是否釋放出螢光。

說明：漂白水含次氯酸鈉，是強氧化劑，在氫氧化鈉的強鹼環境下，可與魯米諾分子發生反應，釋放出螢光。魯米諾分子必須先在鹼性溶液中才能氧化成不穩定分子的激發態，放光後的魯米諾分子隨即分解，因此不具螢光性。關於魯米諾的發出螢光的化學反應，請參閱：Luminol, https://en.wikipedia.org/wiki/Luminol。

三、利用「螢光」偵測血液

1. 取上面100 mL的溶液A，與100 mL的消毒用雙氧水（3% H₂O₂）混合於一個小型的噴霧瓶中。

2. 拉上窗簾並關掉燈光，噴出此液體到含有血液的位置，觀察發光情形。

3. 在黑暗中，噴出此液體到在赤血鹽溶液上，觀察發光情形。

說明：利用這種放出螢光的方式，來偵測犯罪現場的殘留血液。血液中含有鐵離子會催化雙氧水產生氧氣和能量，使魯米諾發生反應並激發能階到激發態，進而放出螢光。赤血鹽（鐵氰化鉀，Potassium ferricyanide, K₃[Fe(CN)₆]）含有鐵離子，也可以發生相同的反應。關於利用魯米諾偵測血液，請參閱：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14833。

n 結語與建議

106年五月，我們在馬祖的遠哲科學體驗營和小朋友們分享了上述實驗。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。實驗過程中應提醒小朋友氫氧化鈉是強鹼，操作時應注意安全。魯米諾放光很容易收到光線干擾，應留意在遮光良好的場地進行活動。我們很感謝馬祖國家風景區管理處提供藍眼淚的高解析度照片。

n 參考文獻

1. 赤潮（紅潮）與藻毒，http://ind.ntou.edu.tw/~b0232/redtide.htm；解開馬祖藍眼淚之謎──夜光蟲，https://www.natgeomedia.com/news/external/44980；Noctiluca scintillans, https://botany.si.edu/references/dinoflag/Taxa/Nscintillans.htm；Red tides of the dinoflagellate Noctiluca scintillans associated with eutrophication in the Sea of Marmara (the Dardanelles, Turkey), https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0078323413500364；自然危機—水質優養化，http://biodiv.ntu.edu.tw/biodivctr/upload/article/004.htm；五彩繽紛的藻類，https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sgTv.htm。

2. Nalamura, H.; Kishi, Y.; Shimomura, O.; Morse, D.; Hastings, J. W. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 7607.

3. Valiadi, M.; Iglesias-Rodriguez, D. Microorganisms 2013, 1, 3.

4. Wilson, T.; Hastings, J. W. Bioluminescence:Living Lights, Lights for Living; Harvard University Press:Cambridge, MA, USA 2013.

化學教室活動：感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備／連經憶

星期日 , 13, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月 2 Comments

化學教室活動：
感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備

連經憶

國立嘉義大學應用化學系
*[email protected]

n 前言

一、符合教室活動的實驗條件

「在教室裡進行化學實驗」，聽起來不太可能哦，做過實驗的學生都知道，化學與物理實驗不同，化學實驗常用到溶劑和化學藥品，操作時一定要小心，避免化學藥品噴濺，實驗後的器皿清洗更不可馬虎，以免影響下次實驗結果，因此一般認為化學實驗要在特定的實驗室，有耐酸鹼、抗腐蝕的實驗桌才能進行，實驗桌旁邊就有水槽，萬一發生意外才能及時應變。如果有足夠的空間且經費充裕，化學實驗當然最好在有專業設備的化學實驗室中進行，但往往囿於現實，在設備不完善的情況下，教師們仍需努力尋求合適的教材，克服困難，讓學生在教室中也能做實驗。

除了示範實驗之外，教師可以在教室演示，如果學生也能在教室內動手操作，實驗教學場域得以延伸，增加學生由「做中學」的機會。化學實驗因受到危險的限制，要讓學生能在教室中操作實驗，需以「在實驗室中操作的實驗」為基礎，加以改進，能在教室中操作的實驗需符合以下的條件。

l 使用到實驗器材種類及數目不要太多，或太過複雜，因教室課桌椅桌面較小，如能將器材微小化，進行微型實驗更佳。

l 實驗時所選用的藥品需特別注意劑型、用量、及安全性，儘量避免使用強酸、強鹼、及強氧化還原劑等；避免使用大量的液體，如果可能，以固態的試劑取代，以免因桌面空間小，造成翻倒、潑濺的意外。所使用的試劑量越少越好，以免產生大量的廢液，同時也較符合綠色化學的操作原則。

l 儘量選用不需要加熱的實驗，如需加熱，加熱時間不宜太長，而且宜使用沒有明火的加熱器材如電磁加熱攪拌器、電磁爐或熱風吹風機。

l 儘量避免採用會產生大量氣體、熱、或發出氣味的實驗，因教學場所並無抽氣櫃等設備，如果教室內空氣不流通，即便是芳香的氣味，當濃度達一定程度以上，對某些學生而言也可能成為難聞的味道，造成不必要的危害。

l 實驗操作步驟不宜太過繁雜，這樣才能避免上述的情況，有利於實驗教學之推廣。

二、簡介膽固醇型液晶的製備

利用膽固醇的衍生物製備液晶是由美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心（UW Materials Research Science and Engineering Center Interdisciplinary Education Group; UW MRSEC IEG），依據Brown和Wolken在1979年出版的書¹，及Elser和Ennulat在1976年發表的文献²所開發出的實驗，加熱分子結構與膽固醇類似的衍生物，混合均勻後降温，形成液晶的狀態^3,4，所用的藥品皆為固體，加熱時間短，隨著温度的改變又有豐富的顏色變化，做好的液晶材料可以做成簡易的感温貼片，測量體温的高低，如實驗硬體未臻完善，這個實驗是非常適合用來做為教室中的演示活動。

膽固醇型液晶之製備適用的範圍十分廣泛，從小學高年級學生，到大學一年級學生皆可操作，只需依年齡和時間調整原理解說的深淺，及動手操作的層次，如時間有限，學生年齡層徧低，可以事先製備好液晶材料，學生直接取膽固醇型液晶做成感温貼片。對於國中以上的學生，可以讓参與者自行混合、加熱及製備液晶材料；如参加人員為高中和大學生，可以在講解時加入鏡像異構物的概念，介紹對掌性（chiral）化合物及其性質，因所用的膽固醇衍生物具有掌性中心（chiral center），是具有對掌性的化合物。對於不具備化學實驗經驗的初學者而言，這個實驗可以作為入門的體驗實驗，操作過程中學生可以認識實驗器材、學習器材正確的使用方法、學會如何用酒精燈加熱、觀察、及建立實驗誤差的概念。

與一般教學用化學實驗所需的試劑相比，膽固醇衍生物的價格較高，但經修改後降低化合物使用量，除避免不必要的浪費，符合綠色化學的操作原則外，同時也使實驗材料的成本下降。實驗前的準備工作較多是這個實驗較大的缺點，在減少化合物使用量的前提下，又要讓實驗結果具有一定的精確度，讓膽固醇液晶能在特定的温度範圍內變色，建議在事前先用精確度較高的天平秤好膽固醇衍生物、分裝在微量離心管中，操作時學生只要將化合物倒出、混合、轉移到試管中加熱即可，實驗組數如果較多，實驗前置作業就要花較多的時間。將化合物倒出，移轉到試管中的動作看似簡單，但是否能確實將所有化合物倒入試管中，不掉落桌面，或沾附在管壁上是關係到實驗成功與否的重要關鍵，對不常做實驗的學生而言，這樣的操作步驟就可能有些難度，進而影響最後的成果，藉由實驗結果討論，正是讓學生了解實驗操作的重要性、建立誤差概念最好的時機。如無法事先秤好膽固醇的衍生物，也可以讓學生自行秤取所需的藥品，唯秤量時需注意學生是否遵守綠色化學的原則，不要任意浪費藥品。

n 原理和概念

液晶（Liquid crystal）是一種物質的狀態，發現液晶狀態可以追溯到西元1888年，奧地利的化學家Friedrich Reinitzer為了決定一種膽固醇衍生物的化學式和分子量時，發現一種奇妙的現象，當他在測量膽固醇衍生物（安息香酸膽固醇酯或稱為苯甲酸膽固醇酯，cholesterol benzoate）的熔點時發現，這個化合物好像有二個熔點，當加熱到145.5°C時化合物呈現霧狀的液體，直到178.5°C時突然變為澄清透明液體。為確認這奇妙的現象並非因雜質所造成的，Reinitzer轉向德國的物理學家Otto Lehmann求教，進而發現霧狀液體的分子排列具有特殊的規則性，當温度升高時，澄清物質就像正常的液體般不具規則性，最後Lehmann了解霧狀液體為新的物質狀態並將其稱之為「液晶」。

能形成液晶的分子，通常具有特定的形狀，如桿狀或平板狀，當分子排列成類似晶體的整齊形態時，又可以因温度、壓力、濃度、溶劑、磁力、電力等因素而改變分子排列的方式。以本實驗的膽固醇型液晶為例，膽固醇分子與其衍生物具平板狀的結構（見圖一上），同層分子間為向列型排列，層與層間的分子互相平行，但各分子的長軸方向不同，代表在相鄰二層間分子的長軸夾著一個角度，兩個平面中分子長軸的方向相同時，這兩平面之間的距離稱為一個螺距（pitch）（見圖一下），螺距的長度隨温度的改變而改變，進而反射不同波長的光，產生不同的顔色，因此常用在温度感測器上。温度越高，螺距越短，當膽固醇衍生物排列成液晶的狀態，隨著温度的增加，呈現出的顏色依序為紅、橘、黃、綠、藍、最後為紫色⁵。膽固醇苯甲酸酯、膽固醇壬酸酯，及膽固醇油醇碳酸酯是常見可以形成液晶的材料（見圖一上），三者的主要差別在A環3號碳上所接的基團，其中膽固醇油醇碳酸酯與膽固醇壬酸酯具有長碳鏈基團，二者的熔點較膽固醇苯甲酸酯低（表一、三種膽固醇型液晶組成表）。美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心開發出的實驗教材中，每種液晶都含有這三種膽固醇的衍生物，可在不同温度範圍變色，膽固醇衍生物的總質量相同，但比例不同，藉由調整三者的比例，使液晶能在接近室温的範圍內改變顏色。膽固醇油醇碳酸酯的熔點最低，增加這個成份的比例，可以讓液晶在較低的温度下變色，膽固醇油醇碳酸酯的量越多，變色的温度範圍越低。單獨加熱膽固醇壬酸酯，熔化降温後也可以形成液晶，但變色範圍較高，不易用手的温度加熱，且變色過程快速，不易觀察，加入膽固醇油醇碳酸酯，會降低液晶變色的温度，如經費有限，可以省略膽固醇苯甲酸酯，但只含二種物質的液晶，其變色温度與文献提及之温度略有不同，需經測量才能決定。

圖一：膽固醇及其衍生物的化學結構（上）；膽固醇型液晶結構示意圖（下），淺棕色長方格代表膽固醇衍生物，藍色箭頭代表其長軸方向。

n 實驗器材與藥品

膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate, 5-cholesten-3-yl benzoate）、膽固醇壬酸酯（Cholesteryl pelargonate, Cholesteryl nonanoate）、膽固醇油醇碳酸酯（Cholesteryl oleyl carbonate）、試管、試管夾、試管架、酒精燈（或熱風吹風機）、竹筷、透明塑膠片、黑色塑膠片、秤量紙、冰浴。

n 實驗步驟

（一）膽固醇型液晶的製備

1. 實驗前，依表一先分別秤取膽固醇苯甲酸酯及膽固醇壬酸酯，加入微量離心管中，（見圖二），秤取膽固醇油醇碳酸酯加入小試管中備用。

表一：三種膽固醇型液晶組成表

試管	變色之温度範圍（°C）	Cholesterol oleyl carbonate （膽固醇油醇碳酸酯）	Cholesterol pelargonate （膽固醇壬酸酯）	Cholesterol benzoate （膽固醇苯甲酸酯）
—	mp（熔點）	20°C	74-77°C	148-150°C
1	17-23（低温）	0.130克	0.050克	0.02克
2	29-32（中温）	0.086克	0.094克	0.02克
3	35-38（高温）	0.068克	0.112克	0.02克

圖二：秤好的膽固醇衍生物放入微量離心管。

2. 將微量離心管和試管分組，每一種液晶材料含三種不同的膽固醇衍生物。

3. 製備在較低温範圍變色液晶。取一秤量紙，將二種膽固醇衍生物全部倒在秤量紙上，再將二種化合物倒入有膽固醇油醇碳酸酯試管中。

4. 以試管夾夾住試管，用酒精燈加熱（或熱風吹風機加熱）至固體完全熔化呈透明狀。

註：如用酒精燈加熱，加熱時可將試管以進出火焰的方式加熱，避免燒焦，一邊加熱一邊搖動試管，使化合物充分混合。加熱方式可以用熱風吹風機取代酒精燈加熱，但較為費時。為考量要讓學生都能操作實驗，不要花太多時間等待，使用酒精燈加熱，教師必須強調操作酒精燈的安全性，教導學生酒精燈加熱的正確方法。

5. 降温冷卻，在膽固醇型液晶尚未固化時，轉動試管，讓液晶材料均勻地塗佈在試管壁周圍（見圖三），觀察並記錄試管中顏色的變化。

圖三：膽固醇型液晶塗佈在試管上的狀況

6. 待試管完全冷卻後，以手加熱試管（見圖四），觀察並記錄顏色的變化。

圖四：以手加熱試管並觀察顏色變化

7. 重覆步驟3~6，製備另外二種液晶，觀察並記錄實驗結果。

註：當室温較高時，在低温範圍變色的液晶需冰浴才能觀察到顏色變化。

（二）簡易温度貼片的製備

1. 以竹筷取少量自行製備的液晶，塗抹在透明塑膠片上，在材料上覆蓋一塊約2.5公分大小的黑色塑膠，四周用透明膠帶貼好、固定，做成感温貼片（見圖五）。

註：不要塗抹太多的液晶材料，以免材料因擠壓而流出。

圖五：簡易感温貼片製備流程

2. 將感温貼片放在手臂上，觀察並記錄感温貼片的變化。

n 教學小撇步

膽固醇液晶的製備是會讓學生眼睛為之一亮的實驗，除亮麗的色澤變化讓人驚豔外，高成功機率增加學生的成就感，但學生在讚嘆之餘因缺乏實作經驗，顏色變換的速度又很快，往往忽略了出現的順序，因此需明確地告訴學生找出隨温度的上升或下降，顏色出現的順序。這個實驗適用於不同年級的學生，表二列出不同年齡層學生的操作方式、實驗目標、及學習重點，提供給大家参考。

表二：各年齡層學生對膽固醇液晶的學習目標及其學習重點

年級	實驗單元目標	操作方式	學習重點
小學中高年級生	l 自製感温貼片。 l 能分辨温度從低到高，顏色出現的順序。	l 課前先製備好膽固醇液晶，讓學生直接利用做好的材料製備感温貼片。	l 了解液晶是什麼。 l 觀察化合物在外觀，了解其性質之不同。
國中生	l 製備出在3個温度範圍變色的液晶和温度貼片。 l 學習實驗器材正確的使用方法。	l 利用秤量好的膽固醇衍生物製備液晶。	l 了解液晶是什麼。 l 觀察化合物在外觀，了解其性質之不同。 l 了解膽固醇型液晶之顏色為何隨温度改變而改變。 l 能說出影響實驗結果的主要因素。
高中生和大學生	l 製備出在3個温度範圍變色的液晶及温度貼片。 l 學習實驗器材正確的使用方法。	l 利用秤量好的膽固醇衍生物製備液晶。	l 了解液晶是什麼。 l 觀察化合物在外觀，了解其性質之不同。 l 了解何謂對掌性化合物。 l 了解膽固醇型液晶之顏色為何隨温度改變而改變。 l 了解化合物結構對液晶的影響。 l 了解膽固醇型液晶螺距與顏色間的關係。 l 能說出影響實驗結果的主要因素。 l 當實驗結果不如預期時能找出可能的原因。

n 参考資料

1. G. H. Brown and J. J. Wolken, Liquid Crystals and Biological Systems, Academic Press, NY, 1979, pp 165-167.

2. Elser, W. and Ennulat , R. D. Selective Reflection of Cholesteric Liquid Crystals. Advances in Liquid Crystals,1976, 2, pp 73-172.

3. Cholesteryl Ester Liquid Crystals Preparation, and Cholesteryl Ester Liquid Crystal Thermometer Preparation. https://education.mrsec.wisc.edu/video-lab-manual/.

4. Preparation of Cholesteryl Ester Liquid Crystals. http://goo.gl/M1EvkS.

5. Lisensky, G. and Boatman, E. Colors in Liquid Crystals, Journal of Chemical Education, 2005, 82, 9, 1360A-1360B.

化學教室活動：庶民的分子廚藝教室／郭益銘、鄭惠華

星期六 , 12, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：庶民的分子廚藝教室

郭益銘^1,*、鄭惠華²

¹中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系
²巧比諾有限公司
*[email protected]

n 前言

一、分子廚藝讓廚房變實驗室

1985年，法國科學家Herve This與物理學家Nicolas Kurti，正式為共同研究的「分子廚藝」（molecular gastronomy）定名，位於西班牙的El Bulli餐廳是「分子廚藝」的創始店，主廚安德里亞（Ferran Adria）顛覆傳統廚藝，「眼見為憑」已非真理，每一口都是驚喜，還被英國權威雜誌「餐館」（Restaurant）二度評選為全球最佳餐廳。分子美食就是廚師利用各種奇異工具，通過物理或化學的變化，把食材的味道、口感、質地、樣貌完全打散，讓後再重新「組合」成一道新菜，讓傳統的菜肴變得充滿新鮮感，給我們不斷帶來驚喜。

二、熟悉知識卻不曾體驗的學生

現今的課程編排，一個國小學生要學習的科目和細項相當多，因此教育現場實際操作實驗的時間和內容均受到侷限，教師在備課上，除採購物料與準備教材，甚至於在安全考量上，都必須花費比較多的時間。而當今孩子因為科技的進步與家庭的保護下，很多孩子在實作的基本能力上也缺乏實際體驗。更報導指出學童的食育力下降【中華日報新聞網，2018】（見圖1），只會吃「白香蕉」的窘境，一時間發現，熟讀澱粉糊化理論的學生，居然連煮飯要放水這件事情都感到猶豫。

圖1：董氏基金會調查成果發表狀況

（圖片來源：中華日報新聞網，http://goo.gl/TkYLhA）

三、關懷偏鄉縮小落差

2013年起我們在一般地區以及偏鄉和弱勢地區推動「科學小食神」及「點心吃什麼」等科普專案，我們普遍發現學生在生活能力與科學理論的結合上是脫節的。優勢家庭的孩子即使成績優異，能侃侃而談澱粉糊化、蛋白質變性等化學理論，但是在家政領域裡，煮飯不放水、喝鹹豆漿堅持不想放醋，都讓我們感受到實作的需求。而偏鄉弱勢地區由於家長的教育陪伴力量薄弱，閱讀及學習興趣低落，孩子不認識食品添加物，也無人引導觀察生活中食物的化學變化，生活的應變能力與科學的學習無法同時提升。

n 材料與工具

本次實驗所需的材料與工具如下：市售鬆餅粉（通常內含泡打粉與中筋麵粉）、葡萄汁（自製或市售均可）、檸檬汁（自製或市售均可）、電熱烤板或烤箱、叉子、量匙、容器、攪拌棒、盤子。

n 實驗流程、問題提問與觀察引導

1. 酌量取出鬆餅粉，不添加水逕行放在烤板上或烤箱內加溫1-2分鐘，此時詢問同學，鬆餅粉是否會變成鬆餅？

教師角色：引導學生觀察鬆餅粉，確認並未變成鬆餅（見圖2），在進入下一階段觀察。

圖2：未加水鬆餅粉加熱後狀況

2. 鬆餅粉加到水裡，不加熱，是否會變成鬆餅？

教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水混合後，是否有糊化現象，抑或僅為單獨澱粉略為膨脹顆粒懸浮於水中，並確認其並不會變為鬆餅（見圖3）。

圖3：加水鬆餅粉未加熱後狀況

3. 鬆餅粉加到水裡混合攪拌後，並加熱，觀察其是否變為鬆餅。

教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水攪拌均勻後，在加熱過程中，其漸漸糊化的現象，在水分漸漸蒸發後將轉變成可口的鬆餅，且鬆餅上有許多小孔洞（見圖4），可詢問其原因，並引導入小蘇打粉與酸性物質反應後產生二氧化碳的反應。

圖4：加水鬆餅粉加熱後：成型狀況（左）；學生操作情形（右）。

4. 加入葡萄汁並已經烤好的鬆餅，觀察其顏色，另外在加入檸檬汁後，再觀察其顏色的變化。

教師角色：引導學生觀察鬆餅的顏色，詢問學生鬆餅粉為淡黃色，葡萄汁為紫色，紫色加黃色後應該呈現紫黃色，為何混合後會變成綠色？另外，添加檸檬汁後為何又變成粉紅色？藉此問題詢問再導入花青素於酸鹼中，顏色會變化的概念，並聯想至酸鹼中和所使用的石蕊試紙，以作為課程的延伸。

圖5：加水鬆餅粉在加熱後的外觀：加入葡萄汁和牛奶的鬆餅漿（左上）；沾上檸檬水的鬆餅漿烘烤（右上）；原味與葡萄口味鬆餅漿烘烤成型外觀，加上檸檬水的葡萄鬆餅漿偏粉紅色，未加上檸檬水的葡萄鬆餅漿烤過後偏綠色（下）。

n 問題引導與答案說明

1. 鬆餅粉為何會變成鬆餅？

本次實驗時，先讓學生放置鬆餅粉於烤盤上，發現鬆餅粉即使經過高溫亦不會變成鬆餅，此係因澱粉糊化作用。澱粉分子為長鏈的葡萄糖分子的聚合物，澱粉分子之間以氫鍵方式交聯在一起。澱粉分子於常溫下不溶於水，僅能可逆地吸收水和輕微地溶解脹大，但隨溫度漸增，澱粉分子振動劇烈，造成澱粉分子之間的氫鍵斷裂，進而澱粉分子與較多的水分子結合。由於水分子的進入造成長鏈的澱粉分子的分離，增加澱粉分子結構的無序性、減少結晶區域，溶解脹大並分裂形成均勻糊狀溶液的特性，稱為澱粉的糊化（gelatinization）。

2. 烤鬆餅時孔隙從何而來？

鬆餅成品有大量細微孔洞，顯示烘烤過程當中產生氣體，本次實驗所使用的鬆餅粉主要成份含中筋麵粉與泡打粉，中筋麵粉與水混拌加熱後會產生糊化現象，並凝結成鬆餅，而泡打粉主成分為小蘇打粉（Sodium bicarbonate, NaHCO₃）、弱酸性物質如塔塔粉（cream of tartar）、磷酸二氫鈣（Monocalcium phosphate, Ca(H₂PO₄)₂）或硫酸鋁鈉（Sodium aluminum sulfate, AlNa(SO₄)₂）等，再加上乾性介質如玉米粉等，因此其在高溫環境下產生CO₂，導致鬆餅中孔隙的產生，發生的化學反應如式[1]所示。

NaHCO₃(aq) + H⁺(aq) → CO₂(g) + Na⁺(aq) +H₂O(g) [1]

3. 加入葡萄汁的鬆餅，再加入或檸檬汁後，為何鬆餅顏色產生變化？

當鬆餅粉加入葡萄汁考完後，其顏色呈現綠色，但在加入檸檬汁後，卻呈現粉紅色，其關鍵在於葡萄汁中所含的花青素（anthocyanidins），其結構式如圖6所示，係屬水溶性的植物色素，存在於液泡內的細胞液中。其與醣類物質以醣苷鍵結合的後即為花色素苷（或稱花色苷）（anthocyanins），與花的顏色、葉變紅等有關，屬天然的抗氧化劑。花色素苷的顏色會隨著環境的pH值而有所變化，可用於試紙測試酸鹼性。以紫色葡萄汁為例，其花色素苷變色範圍之pH = 4.3 ‒ 6.4，當pH < 4.3時呈現紅色，當pH > 6.4時呈現綠色。由於鬆餅本身近中性或弱鹼性，因此加葡萄汁烤乾的鬆餅呈現綠色。在添加檸檬後，鬆餅的pH < 4.3，且鬆餅本身為淡黃色，因此紅色和淡黃色混合而呈現淡紅色。

圖6：花青素的化學結構圖（R¹-R⁷為取代基，為−H、−OH或−OCH₃）

（圖片來源：Anthocyanins, https://en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanin）

n 教學反思與回饋應用

1. 廚房或教室可以變成實驗室，庶民也是生活的科學家

教師透過教材的設計和教學教法，可將廚房活動與教學演示融合為一。透過廚房將食品以物理化學的方式組合成一道新菜的過程，能讓學生在活動當中體驗科學的奧妙，這類型實作型之課程延伸性最強，課程成果還能一口吃下，充分與生活結合的科學教育，最能引發學生的高度興趣。

2. 最貼近生活的科學理論

透過鬆餅粉加水烘烤成主食的烹調可讓學生看見：澱粉糊化、泡打粉產生氣體以及花青素隨pH變色等三種科學現象，實驗過程均為生活經常使用的食材，相關的概念也與化學理論緊緊相扣，讓我們談一場食指大動的化學教室課程吧！

3. 隨手可得的食品材料

在食品的科普課程中，課程所用的材料絕大部分可在廚櫃或冰箱裡找到，孩子在教室裡實際體驗過後，回到家裡看見熟悉的素材，還能拿起來再次演練，超市裡便可採買，家長樂在其中無負擔，偶而加入孩子的討論與操作，還能分享激盪出不一樣的火花。

4. 不斷改良的烹煮用具

實驗裡的燒杯、培養皿或酒精燈，學生在使用時，教師總是必須擔心受怕學生受傷，近年來廠商於廚具市場中，推陳出新許多烹煮或切割的器具，操作簡易且安全，適度使用可避免國小低年級同學於明火的操作中，有引燃及燙傷的危險，電鍋、鬆餅烤盤等均為加熱實驗的好幫手，食物剪刀與切菜神器更可讓同學們能安全地使用刀具切割。

5. 安全易懂的微實驗

食品科學實驗中的酸鹼藥劑使用量不多及其強度也不高，學生們不慎接觸時，以清水即不至於造成危害。透過酸鹼中和的實驗中，小蘇打、食用醋、檸檬汁等素材，均可提供孩子在中和過程中，觀察到氣體與顏色的轉變等。

6. 免費即時的延伸助教

學校教室的實驗課程，一位教師須帶領二十多位學生，學生輪流操作，而教師須在掌控其動作，對於教師而言是甚大的挑戰。廚房的化學教室中，家長都可成為助教，沒有學歷限制，均可為這場學習做免費而即時的延伸教學。每當孩子上課時，眉飛色舞地描述回家後，媽媽如何更厲害的做出成品，祖父母分享早年他們是如何在拮据的環境下做出一樣的東西，這項課程就得到最大的回饋，來自學生的體驗，也來自家庭的支持。

7. 科學實驗無所不在

讓大家把實驗白袍換成廚房圍裙，把燒杯換成鍋子，把攪拌棒換成湯匙。讓親子走進生活的實驗室，讓科學變成生活日記，一起動手做科學遊戲吧！

n 結語

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，將艱深的化學原理，以遊戲方式呈現在學生面前，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，相信透過這樣的學習，能夠讓同學們達到寓教於樂的效果。

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

星期五 , 11, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：
創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程

馮松林^1,2,*、陳映辛^1,2

¹國立竹山高級中學
²教育部高中化學學科中心
^*[email protected]

n 前言

目前很流行〝Maker〞一詞，強調實作的〝創客〞，被視為翻轉傳統觀念，讓大家從「想像」的大腦運作，具像到「動手做」，已成為影響未來競爭力的關鍵。Arduino板即是創客應用很廣的套件，在生活中有很多令人驚奇的應用實例，而化學本來就是動手做的科學，如果能在課堂上結合兩者，教導學生化學相關的創客基礎量測套件，讓學生自己動手設計，化學實驗就可能變成跨領域STEM（Science, Technology, Engineering, and Mathematics；科學、技術、工程及數學）實作的課程。

在化學教學中，酸鹼是非常基礎的化學概念，實驗室中應用pH計去檢測酸鹼的強度，是酸鹼概念具像化的操作，對學生學習酸鹼概念非常重要。本文將引導教師應用新的科技教學，介紹如何在課堂上結合Arduino UNO和pH計，融入創客精神在化學實驗中，讓學生學習結合Arduino UNO和pH計，應用行動套件去量測溶液的pH值。

n 教學準備

要以Arduino教學，自然在教學前要先懂得Arduino怎麼操作，很多教師可能會擔心不會操作，更不用談教學生了。事實上，Arduino原本就是設計給非電子專業的人使用，不到2小時的基本課程，教師就可上手，尤其在Scratch圖像式操作環境下。只要懂得輸入及輸出的操作，加上基礎電學的概念，就可以自由應用了。在網路上有許多教學資料可參考，不妨請學校中的高手支援，即可上場教學。

教師可選用應用最廣最便宜的Arduino UNO板（見圖一左），價格在200元左右，如加購完整學習套件整組大約1000元，上課時最好每位學生一組。至於pH計套件（見圖一右），價格在1200元左右，則可視經費之多寡購買，至少2人共用一個pH計。

圖一：Arduino UNO板（左），Arduino pH檢測計（右）

由於Arduino運作初期要連接電腦，因此上課地點要有電腦或筆電，並且在電腦中要先下載安裝具Scratch操作界面的mBlock程式^[1]和Arduino IDE程式^[2]等免費程式。

n 教學設計內容

應用Arduino量測套件融入酸鹼化學的教學，可以從引導學生認識及操控Arduino套件開始，再配合化學實驗技能的培養，教導學生應用Arduino套件做化學實作。教學時可視學生資訊能力，彈性應用以下五個歷程進行教學：

l 創客技能：教導學生對Arduino操作有基礎認識。

l 化學創客：安裝pH計的趨動程式，連結Arduino與pH計，練習用pH計檢測酸鹼溶液。

l 實驗技能：讓學生學習配製酸鹼溶液，調配不同pH值的酸鹼溶液。

l 實驗實作：利用pH計，檢測酸鹼溶液的pH值。

l 綜合調查：讓學生比賽判斷日常生活物質的pH值。

一、 創客技能

Arduino板本來就是為非資訊專業人員所設計的控制板，易教易學，教學時不用教太多套件，從基礎概論開始，主要著重在學習程式界面的操作、如何輸出訊號做控制以及如何讀取套件獲得外部訊息等。建議的課程教學可按以下順序進行：

1. Arduino的創意世界

以Arduino做自動控制，可以發揮很多創意，在YouTube上可以找到很多精彩實例，比如音樂樓梯^[3]、水果鋼琴^[4]等，藉此引發學生的創意及巧思。

2. 認識Arduino UNO

Arduino UNO能夠做數位控制，主要是提供連結的數位腳位和類比腳位，要用Arduino操作就要認識所有腳位的位置和意義，每位學生最好都要有一片Arduino UNO，再逐一介紹認識板子上各種腳位及構造。

3. Arduino IDE控制程式介紹

Arduino板要運作需要撰寫程式來控制，Arduino原廠提供一個控制程式，這個程式叫Arduino IDE （見圖二），雖然撰寫控制程式的語法類似C/C++語言，我們只要介紹如何連結Arduino板、程式撰寫區塊位置，以及如何上傳程式即可。不必花時間介紹語法結構，未來在連結pH計時，才會用Arduino IDE來上傳pH計控制程式。

圖二：Arduino IDE界面

4. mBlock控制程式介紹

用Scratch積木式的語言去控制Arduino板，是初學Arduino很不錯的方式，mBlock程式提供了Scratch簡捷的操作環境（見圖三），宜蘭竹林國小就提供很多很棒的mBlock教學課程^[5]，上課時可參考選用網站中適合的課程讓學生做練習。

圖三：mBlock程式界面

5. 基本電路概念

Arduino板連結控制套件，就像一般簡單電路的串接一樣，因Arduino板可供電，套件的「＋極」要接在Arduino板有編號的腳位插孔上，「‒極」則要接在GND（接地）插孔上（見圖四），形成完整迴路，安裝完成即可寫程式控制套件。

圖四：Arduino板與套件連結方式

至於套件與電線間的連結，一般的作法是將套件插在麵包板上（見圖五），用杜邦線連結，這樣可方便改變套件的線路設計，操作前要知道，麵包板上的排孔有固定的導電方向，圖五麵包板的最上方和最下方各有二排水平方向的排孔，水平排孔間可彼此相連導電，中間排孔則是垂直方向相連導電。組裝時要提醒學生麵包板的排孔很小，不要插錯位置，更不要把套件的金屬線頭插變形了。

圖五：麵包板

6. 套件控制實作

要學會控制套件，基本上就是要弄懂如何輸出訊號來控制套件，和如何接收套件在偵測時發出的訊號。

Arduino的套件有很多種（見圖六），要練習輸出訊號控制套件，最基本的方式是讓學生練習控制LED的亮暗，練習時可從控制單顆LED到多顆LED，並加入各種明暗順序。

圖六：Arduino套件

至於要接收套件發出的訊號，則可用光敏電阻感應不同的亮度傳回的數值訊號，用程式判斷調整LED亮度。

以Arduino IDE撰寫程式做控制並不簡單，但在mBlock環境下用Scratch語言撰寫（見圖七），就像是堆積木一樣，撰寫前要配合程式組裝套件，依程式將LED燈的「＋極」接在第13腳位，「‒極」接在GND接地，圖七程式執行時，藍色積木指定讓第13腳位為高電位，就是讓電路供電，點亮LED燈，中間等待1秒，接下來讓第13腳位為低電位就是斷電，LED燈即熄滅。再用一個不停重複的積木包住這三個程序，將此程式傳送到Arduino板後，LED燈就會一亮一暗的運作。

圖七：讓LED閃爍程式

本課程只是要讓學生了解控制套件的運作原理，不必教太多套件影響進度，實際教學應用可參考前述竹林國小課程或其它網站資料。

二、 化學創客

對操控Arduino板有基礎認識後，接下來要應用與化學相關Arduino套件做化學創客，目前市面上可應用的套件有pH計、溫度、濁度、VOC、二氧化碳及PM2.5等偵測套件，其中pH檢測計可應用於酸鹼實驗課程，而且學生經過前面創客技能的練習，對於pH套件的操作就比較沒問題。

pH套件（見圖八左）的組裝要注意連接Arduino板的方式，其中圖八右標A的接腳要接5V電源，標「＋極」要接A2腳位，標「‒極」則要接GND，至於pH計的程式可向購買的廠商要求附上，目前市面上pH計型號大致是V1.1版，可在網路上下載到公用程式。

圖八：pH套件（左），電路板連結位置（右）

pH計程式是以Arduino IDE格式撰寫，並非用Scratch格式，所以在上傳程式時，要用Arduino IDE程式上傳。若將網路上的程式複製再貼到Arduino IDE界面，要注意原本Arduino IDE程式上有原先預留的起始程式碼要先消除，再貼上程式，不然執行時會顯示程式錯誤。

學生組裝完成後，要先做pH校正練習（見圖九左），教師要提供校正用的酸鹼液，讓學生校正套件的誤差，螢幕視窗會顯示測量得到的pH值（見圖九右）。校正測量誤差的方法是，比方標準液pH值為4.0，實際測得4.5，表示測量會有0.5的誤差，因此要將程式中offset數值改為‒0.5，這樣就完成校正的操作。若有時間可讓學生測蒸餾水或逆滲逆水之pH值，增加學生的操作熟練度。

圖九：用pH計測量校正液（左），pH值顯示視窗（右）

三、 實驗技能

配製溶液是很重要的實驗技能，教師可以讓學生配製一系列不同pH溶液（見圖十）做練習，配溶液的過程學生除了要做溶液稀釋的計算，規劃溶液的配製方式，重要的是能學習取用藥品、燒杯、量筒、滴管、量瓶等器材的操作技能。

圖十：各種pH溶液

實驗前每位學生取回各100 mL的0.1 M HCl和0.1 M NaOH，並請各組同學上台發表所規劃配製一系列不同pH溶液的方式，教師就此可檢驗同學對稀釋計算的理解。溶液配製時要求同學帶上手套稀釋強酸強鹼，並注意實驗安全，最後滴入廣用指示劑到各杯的溶液，即可觀察到一系列顏色的變化。

四、 實驗實作

配製好各pH值溶液後，學生先啟動Arduino pH套件，上傳pH計趨動程式，並取得pH meter的緩衝溶液來校正，調整offset值（見圖十一左）。接下來，檢測各溶液的pH值，檢測時注意提醒學生，每測一次要清洗一次pH計再重覆施測（見圖十一右），避免因檢測溶液殘留而影響實驗結果。

圖十一：學生啟動pH計檢測（左），檢驗不同溶液pH值（右）

學生記錄各杯的pH值，比較檢測結果和理論計算值的差異，各組討論檢測結果及其差異，並將結果登錄在黑板，讓學生上台發表討論結果。

五、 綜合調查

日常生活中有眾多不同酸鹼之物質，其實學生並不太知道這些物質的pH值大小，在課程的最後透過準備好的可樂、汽水、果汁、蘇打水、食用醋及礦泉水等，讓學生分組比賽，預測各種物質pH值是多少？比比看量測結果，與那一組同學猜的數值最接近，透過競賽方式結合pH值的概念到日常生活中，不僅活化課程，亦可增加學生對酸鹼的認識。

另外一個活動，則是準備一杯酸性溶液，讓兩組同學輪流加任意量的鹼到酸液中，或者是準備鹼性溶液讓同學加酸性溶液，比比看那一組使溶液的pH值停在7.0。這個活動可看到酸鹼中和時pH值的變化，非常緊張刺激，同學都能玩化學玩得很開心。

n 結語

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。

n 參考資料和附註

1. mBlock，http://www.mblock.cc/zh-home/download/?noredirect=zh_CN。

2. Arduino IDE， https://www.arduino.cc/en/Main/Software。

3. The Fun Theory 1 – an initiative of Volkswagen: Piano Staircase , https://youtu.be/SByymar3bds。

4. Arduino + Makey Makey + Scratch = 簡單的水果鋼琴（柚子皮），https://youtu.be/nAYMK-Kpaxc。

5. 竹林資訊站，http://blog.ilc.edu.tw/blog/blog/868/catid=103154。

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

星期四 , 10, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

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

臺北市立中正高級中學
[email protected]

n 實驗簡介和單元目標

一、 沉澱表或溶解度表的歷史

德國化學家克里斯托夫·海因里希·蒲法夫（Christian Heinrich Pfaff，1773-1852）認為取得的溶液先用幾個基本試劑加以初步檢驗，藉此觀察某些離子肯定存在的啟示，也可否定某些離子存在的可能性，並藉由檢驗的任務簡化，可降低盲目性。科學家整理一些特定離子遇到其它離子發生沉澱或溶解的檢驗結果加以成表格形式，稱為沉澱表（precipitation table）或溶解度表（solubility chart），例如：鈉離子與所有陰離子混合均不會產生沉澱，而硝酸根離子可溶解所有陽離子。硫酸根離子與鋇離子則會產生難溶的沉澱物。

溶解程度的定義：可溶（soluble）為溶於水的濃度大於0.10 M之化合物；微溶（slightly soluble）為溶於水的濃度在0.00010~0.10 M之化合物；難溶（insoluble，或稱為沉澱precipitation）為溶於水的濃度小於0.00010 M之化合物。可藉由各物種的溶度積平衡常數而算出溶解度，判斷各化合物的溶解性。

二、 高中化學課程提到沉澱表方面

1. 在硬水軟化方面，可藉由在硬水中（含鈣離子或鎂離子）加入碳酸鈉產生碳酸鈣或碳酸鎂沉澱，而去除鈣離子或鎂離子。

2. 在水的純化方面，也可藉由加入強鹼，而使大過數重金屬離子形成沉澱。

3. 在鉛蓄電池方面，電解液硫酸水溶液中的硫酸根可與鉛離子形成硫酸鉛沉澱附著在電極板上，因此充電過程中可將沉澱恢復原狀。

4. 肥皂在硬水中因為其親水端和鈣離子形成沉澱而失去洗滌效果。

5. 檢驗醛基的多侖試劑主要是銀離子先與少量鹼反應而形成氧化銀沉澱，再與過量氨水形成二氨銀錯離子。

6. 另一種檢驗醛基的斐林試劑為含有硫酸銅和酒石酸鉀鈉的氫氧化鈉溶液，原本氫氧化鈉與硫酸銅會反應而形成氫氧化銅沉澱，藉由酒石酸保護銅離子，使其不產生沉澱。

7. 在電池電位的探討方面，若另外加入的離子會與生成物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向右，則電位會上升。反之，若另外加入的離子會與反應物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向左，則電位會下降。

8. 有些沉澱可溶於強酸而溶解，這些沉澱大多帶有弱鹼性或產生其它反應。例如：碳酸鹽、亞硫酸鹽本身為弱鹼性，因此可溶於強酸，且會產生二氧化碳、二氧化硫等氣泡。鉻酸鹽則會與強酸生成二鉻酸鹽，因此可使沉澱溶解。

9. 有些沉澱本身為中性，加入強酸或強鹼均不會溶解，例如：硫酸鋇。

10. 郝耳法製鋁是利用鋁礬土加入過量的強鹼（氫氧化鈉），其中鋁離子一開始形成氫氧化鋁，但遇到過量強鹼會再溶解，而其它離子則是形成氫氧化物沉澱，而達到分離的效果，可以收集到較純的鋁離子。

三、 本次實驗主要目標

1. 藉由某一陰離子和某一陽離子的混合，判斷其為溶解或沉澱，並拍照記錄，以作為後續的討論，完成學習單，發現沉澱表或溶解度表。

2. 加入強酸到有沉澱物，判斷哪些沉澱會溶解，以作為後續的討論，並完成學習單。

3. 思考實驗相關的原理以及相關生活運用和課堂回饋。

n 藥品和器材

一、 各組藥品

1. 陰離子：每一項藥品以塑膠滴瓶裝（見圖一左），濃度均為0.10 M且體積均為10毫升，所有的塑膠滴放在塑膠盆內（見圖一右）。

【學習單一】的藥品：氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉。

【學習單二】的藥品：硝酸鈉、硫酸鈉、磷酸鈉。

【學習單三】的藥品：碳酸鈉、鉻酸鈉。

【學習單四】的藥品：氫氧化鈉、硫化鈉。

2. 陽離子：每一項藥品以塑膠滴瓶裝（見圖一左），濃度均為0.10 M且體積均為10毫升，所有的塑膠滴放在塑膠盆內（見圖一右）。

含一價金屬離子的化合物：硝酸鉀、硝酸銨。

含二價金屬離子的化合物：硝酸鋇、硝酸鎂、硝酸鈣。

含三價金屬離子的化合物：硝酸鋁。

含過渡金屬離子的化合物：硝酸銀、硝酸鎳、硝酸銅、硝酸鋅、硝酸鐵。

圖一：塑膠滴瓶（左），塑膠滴瓶放在塑膠盆內、透明投影片（右）

3. 強酸：3.0 M 10 mL的鹽酸，用塑膠滴瓶裝

二、 各組器材和學習單

透明投影片（A4大小）5~6片、學習單（A4大小）七頁（學習單一～六每組一張，學習單七每人一張）、濕抹布兩條、玻璃棒4-5支、衛生紙，如圖二所示。

圖二：縮小的學習單（以【學習單一】為例）、調色盤（備用）

n 實驗步驟

在這次實驗中，由於鈉離子和硝酸根離子不會與陽離子產生沉澱，因此溶解或沈澱的主要觀察是除了這兩陰離子以外的陰離子與陽離子之間的作用或反應。這次實驗有七份學習單，如下描述：

1. 【學習單一：氯離子、溴離子、碘離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單一】的正上方，分別檢驗氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「氯化鈉」同一欄位每一格都滴加1滴氯化鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「溴化鈉」和「碘化鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果，圖三所示。

圖三：滴加試劑後的學習單和投影片

2. 【學習單二：硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單二】的正上方，分別檢驗硝酸鈉、硫酸鈉、磷酸鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「硝酸鈉」同一欄位每一格都滴加1滴硝酸鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「硫酸鈉」和「磷酸鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果。

3. 【學習單三：碳酸根離子、鉻酸根離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單三】的正上方，分別檢驗碳酸鈉、鉻酸鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「碳酸鈉」同一欄位每一格都滴加1滴碳酸鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「鉻酸鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果。

4. 【學習單四：氫氧根離子、硫離子與陽離子反應】：放置一張A4投影片到【學習單三】的正上方，分別檢驗氫氧化鈉、硫化鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑，先在表格中「氫氧化鈉」同一欄位每一格都滴加1滴氫氧化鈉溶液，再依照表格中列出的陽離子，在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地，在表格中「硫化鈉」，進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶，拍照記錄結果。

5. 【學習單五：整理陰離子和陽離子反應的產物是否有沈澱並討論之】：整理每個化合物中的陰離子和哪些陽離子是可溶或難溶之實驗結果在【學習單五】中，並記錄沉澱物的顏色。討論哪些陰離子遇到大多數的陽離子會溶解、哪些哪些陰離子遇到大多數陽離子會沉澱。

6. 【學習單六：沉澱物與鹽酸的反應】：在學習單一～四中有產生沉澱者，滴加1滴3 M鹽酸，判斷是否沉澱有溶解，拍照記錄結果，記錄在【學習單六】。歸類哪些類別的化合物會因加入強酸而溶解，並討論可能的原因。有部分的沉澱物加入酸會產生氣泡，討論氣泡可能的成分。若是觀察不清楚，可改以調色盤來取代投影片進行實驗，如圖四所示。

圖四：使用調色盤（備用）

7. 【學習單七：有關沈澱的問題和討論】：小組討論完畢【學習單一】到【學習單六】後，每個人完成【學習單七】，寫下實驗過程的觀察和學習，思考相關課程運用並撰寫課程回饋。

8. 以濕抹布擦乾投影片並放回塑膠盆中，並依照原來陽離子和陰離子的藥品分類放回原來的兩個塑膠盆中，最後將小組學習單和個人學習單繳交給小老師，小老師統一收齊後交給任課老師。

n 觀察紀錄

圖五：學習單一～七的縮小版（由左而右，由上而下，原為A4大小）

n 安全與注意

1. 本實驗應該戴乳膠手套。本實驗用到強酸和強鹼，若實驗過程中手有出現刺痛或癢，請至洗手台沖水至不再刺痛。

2. 硝酸銀溶液以褐色瓶裝，以防變質。

n 廢棄物處理

1. 由於實驗需要有用到鉻酸鹽，因此使用後的抹布建議還是統一水洗，將洗液倒入廢液桶。

2. 投影片用濕抹布擦乾即可，之後再統一水洗濕抹布，可再次使用。

n 教學提示

1. 在溶解度定義方面，教師可示範讓學生觀察兩溶液混合產生不同效果，使學生分辨可溶和難溶的差異，以使學生能更正確進行後續實驗。教師也需帶學生分辨有顏色澄清的溶液和有顏色產生沉澱的溶液的差別，讓學生能清楚辨認實驗結果。

2. 在高中課程相關沈澱方面，教師可讓學生自行閱讀再依照學生不同背景知識進行討論或是讓學生作為課後查詢資料。

3. 實驗前先分組，學生分成六小組，由兩位小老師將各組的塑膠盆放給各小組。建議：可請學生下課先排好各組桌椅(見圖六)，上課即可開始進行實驗。開始上課小老師先發給各組學生學習單，學習單一～六每組各一張，學習單七每人一張，請學生先按頁數排好。

圖六：教室內各小組座位安排

4. 教師先示範第一頁學習單的做法，放置投影片在A4紙的正上方，讓學生清楚知道如何進行。需提醒學生每次滴只能滴加1滴試劑，勿超過兩滴，以避免最後混合無法辨認。若發生滴加太大滴的情形，可請學生用衛生紙吸收多餘溶液。若混合過多，用濕抹布整個擦乾，重新滴加。

5. 分配好各組組員任務，例如各組的1號負責第一張學習單，各組2號負責第二張，依此類推。或是各組的1、2號負責第一張學習單，各組3、4號負責第二張，依此類推，完成的同學再進行其他學習單。

6. 實驗時間包含實驗講解時間，約需兩節課較充裕。

7. 實驗整個過程主要藉由觀察在投影片上兩溶液混合是否產生沉澱，沉澱物加酸是否溶解或反應。若在沉澱加酸時學生無法在投影片有充分空間使用，可用調色盤作為輔助工具，（見圖七）。

圖七：在調色盤大格進行鉻酸鹽實驗、在調色盤小格進行氫氧化物實驗

8. 授課教師在實驗過程中需在各組間觀察各組遇到的問題，例如：學生可能問：這樣算沉澱還是溶解？教師可以引導學生思考：如果溶解觀察到的現象又會是如何？讓學生思考比較以達到教學效果。

9. 實驗中沉澱加酸再溶解的實驗需配製濃度3.0 M以上。若用0.1M的鹽酸滴加到沉澱物上，溶解的效果會無法看到，因為釋出的氫離子太少，導致無法立刻看到效果。

10. 本次實驗主要以塑膠滴瓶進行微量實驗，每個實驗只滴1-2滴，符合環保概念，且使用後藥品密封保存，大多的藥品仍可繼續使用。每組用量各瓶小於5毫升，因此可以提供多個班級使用。

11. 由於有用到強酸和強鹼，濃度有1.0 M和3.0 M。雖然每次只滴加1滴，但是可在開始上課時先提醒學生，若手有出現刺痛或癢，請至洗手台沖水至不再刺痛。

12. 硝酸銀溶液以褐色瓶裝，以防變質。

13. 從學生的實驗結果可發現，學生滴加時有少許的液滴不在空格中，因未與另一空格混合的液滴而可清楚判定。

14. 教師也可以改變實驗方法讓學生以闖關方式完成實驗，實驗前須先提醒學生勿將藥品拿走或任意換位置。

15. 教師看完學習單後，可以再找時間跟學生討論學習單的答案，一方面肯定學生學習單完成的完整度和細緻度，例如：有些學生畫圖更具體呈現答案；另外也可提醒學生有部分需要更正的觀念，例如：有些學生以為是濃度影響速率的快慢，可以提醒學生每一瓶塑膠滴瓶上面都有註明濃度是0.1 M。

n 實驗前藥品配製

1. 配製0.10 M溶液：在實驗室中，先計算出每一個藥品0.010莫耳所需要的質量，再以電子天平取好，放入50 mL燒杯中，再加入適量蒸餾水，以玻璃棒攪拌溶解後，再倒入100.00 mL的容量瓶中，加蒸餾水至刻度線，然後混合均勻。

2. 配製3.0 M HCl：在實驗室中，取25.0 mL 的濃鹽酸（12 M HCl），倒入100.00 mL的容量瓶中，再加蒸餾水至刻度線，然後混合均勻。

n 實驗紀錄（學習單）樣本與討論

【學習單一：氯離子、溴離子、碘離子與陽離子反應】

學生【學習單一】的實驗紀錄樣本，如圖八所示。

圖八：學生【學習單一】實驗結果

氯化鈉、溴化鈉及碘化鈉均為無色溶液，分別滴到不同陽離子後，觀察者可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒，也可觀察到這些陰離子溶液加到銅離子，雖然使原來液滴呈現藍色，但是不會產生沉澱，而溴化物和碘化物加到陽離子的沉澱大多呈黃色。

【學習單二：硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子與陽離子反應】

兩組學生【學習單二】的實驗紀錄樣本，如圖九所示。

圖九：學生【學習單二】的實驗紀錄樣本

硝酸鈉、硫酸鈉及磷酸鈉均為無色溶液，分別滴到不同陽離子後，可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒。實驗結果可觀察到硝酸鈉溶液滴到不同陽離子均會溶解，硫酸鈉溶液只會和鋇離子出現白色的混濁，磷酸鈉溶液則與大多數陽離子出現白色的混濁。

【學習單三：碳酸根離子、鉻酸根離子與陽離子反應】

兩組學生【學習單三】的實驗紀錄樣本，如圖十所示。

圖十：學生【學習單三】的實驗紀錄樣本

碳酸鈉為無色溶液，分別滴到不同陽離子後，觀察者可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒，與大多數的離子陽出現混濁現象。然而鉻酸鈉為深黃色溶液，學生開始操作時不太清楚如何判斷是否有沉澱。若學生提問可，教師試著引導學生再多滴1滴或是用其他工具（例如玻璃棒）觀察是否有明顯出現固體顆粒。

【學習單四：氫氧根離子、硫離子與陽離子反應】

學生【學習單四】的實驗紀錄樣本，如圖十一所示。

圖十一：學生【學習單四】的實驗紀錄樣本

氫氧化鈉和硫化鈉均為無色溶液，分別滴入不同的陽離子後，可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒。氫氧化鈉溶液與大多數陽離子混合發生混濁現象，而沉澱物的顏色因不同離子而有不同變化。硫化鈉溶液則與大多數陽離子出現黑色混濁現象。

【學習單五：整理陰離子和陽離子反應的產物是否有沈澱並討論之】

在整理的過程中，學生可發現大部分的實驗結果與沉澱表相符合，但有少數不符合，因此進一步討論不符合的原因是必要的。學生推測是組員滴錯或滴的過程中產生汙染，因此大多想再做一次以驗證。

【學習單六：沉澱物與鹽酸的反應】

學生判斷鉻酸鹽的沈澱物加入鹽酸是否溶解部分，學生們常判斷錯誤，筆者推論原因可能是因為溶液原本有黃色，導致學生不易判斷加鹽酸是否溶解，因此這方面加酸的實驗後，或許較適合用調色盤來觀察實驗結果。

【學習單七：有關沈澱的問題和討論】

以下「藍字」為作者整理學生的學習單的填寫和回饋。

1. 如何判斷是否沉澱或溶解，外觀上有何差別？

這題學生整體回答滿清楚，大多能由混濁現象判斷出難溶，寫法多用混濁、霧霧的、粉末、飽滿來形容沉澱，少數同學會以圖畫顯現成果（見圖十二）。溶解則用透明、清澈、無固體來形容。

圖十二：【學習單七】第一題

2. 沉澱的速率快還是慢？滴入立刻產生沉澱嗎？有哪些會比較慢？

大多都是寫〝不一定〞，有些立即產生沉澱，有些則結合速度較慢，學生有提到像是鈣離子或鋇離子沉澱形成較慢（見圖十三）。學生推測許多原因，像是活性、解離度及鍵結，大部分學生的寫法是因物質性質而定，認為因有些陰陽離子本身特性而影響結合能力。由於學生來源目前有高一普通班、高一美術班、高二上社會組，因此未學習到反應速率和平衡常數。若以後進行此實驗的學生已經有學到相關部分，可跟學生提及溶度積平衡常數和反應速率能量障壁等相關概念。

圖十三：【學習單七】第二題

3. 有顏色的溶液，如何觀察出溶解與沉澱的差別？如何確定確實有沉澱？

學生認為：沉澱顏色比原來的澄清液為深、利用玻璃棒碰觸到明顯固體顆粒、與原來溶液顏色不同的固體沉澱、再多滴加1滴看是否出現較多固體或是與澄清液作比較（見圖十四）。

圖十四：【學習單七】第三題

4. 這個實驗的控制變因是什麼？未知的變因（應變變因）是什麼？

控制變因：濃度、滴固定滴數。未知的變因：是否沉澱、速率、加酸是否產生氣泡（見圖十五）。

圖十五：【學習單七】第四題

5. 你的實驗結果與你學過的哪些理論相關，是否符合理論？符合的有哪些？不符合的有哪些？是否可思考到其他原因造成的？

各組學生能據實地寫出實驗結果，對於不符合的部分大多認為是實驗誤差或認為同組的組員滴錯試劑。因此，學生大多認為或許可以找時間重做這部分實驗，以思考是否是濃度不夠或是反應速率太慢（見圖十六）。

圖十六：【學習單七】第五題

6. 你可以想到將這次的實驗運用在生活中的哪些層面嗎？舉出一些實例？

學生舉出的一些生活實例：硬水軟化、檢驗溶液、清潔劑檢驗、海水中提煉鎂的中間過程、魔術表演、去除熱水瓶水垢、鑑定物質、汙漬清理、分析水質等（見圖十七）。這方面學生大多能想到相關運用，有些學生有清楚寫出如何運用，大多數學生則只寫一句話，因此這部分之後可以請學生寫得更詳細清楚，確定學生有確實瞭解相關運用。

圖十七：【學習單七】第六題

7. 做完這次實驗，分享你的收穫、建議和心得。

學生認為：沉澱顏色與想像中不同；感受到自己像個魔法師；團隊合作很重要；藉由實驗加深印象；實驗操作容易理解；更瞭解上課的內容；選對適當的檢測液很重要；希望教師可示範兩次；雖然自己小組實驗操作有錯誤仍謝謝老師可以帶我們來做實驗將所學知識有更深入瞭解；希望能有更多時間完成學習單；做完實驗很有成就感（見圖十八）。

圖十八：【學習單七】第七題

從上段可以看到學生的回饋從不同面向分享，有些是就學習方面，有些則著重在團隊合作方面。而實驗中除個人的思考和學習之外，團隊合作也很重要，小組組員之間彼此互相討論學習，才能達到學習最大效益。從學生實驗操作照片也可以看到學生在實驗過程中不僅認真投入也充滿快樂，因此讓學生能從實驗中去發現沉澱表可以讓學生的學習更加投入與加深印象。

圖十九：學生實驗操作照片

n 參考資料和更多資訊

1. 趙匡華（1998），化學通史，凡異出版社。

2. Jay McTighe & Grant Wiggins（原著），侯秋玲和吳敏而（翻譯），核心問題開啟學生理解之門，心理出版社。

3. John Suchocki（蘇卡奇原著），葉偉文（翻譯），觀念化學，遠見‧天下文化事業群。

化學教室活動：化學物質分類的類比活動／鐘建坪

星期三 , 9, 5 月 2018 編輯助理主編的話, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：化學物質分類的類比活動

鐘建坪

新北市立錦和高中國中部
[email protected]

n 前言

物質的分類（Classification）是國中理化單元中介紹元素週期表（The periodic table of elements）之前重要的引介因子，藉由物質分類的說明將地球目前所有的物質區分出純物質（pure substances）和混合物（mixtures），再從純物質中界定出元素（elements）和化合物（compounds）。雖然分類在生活中視常見的事情，但是如何在課堂內將生活中具體分類的活動與抽象的科學學習結合是較少談及的內容。本文嘗試說明學生自行設定判準分類自己的抽屜與鉛筆盒，作為科學家分類地球物質的類比活動，藉由生活中分類判準的引導，讓學生體會科學家對於每個物質分類的意義。

n 類比與類比教學

類比（Analogy）是將兩個不同的概念體系藉由類比物的特徵或結構與目標物產生連結（Glynn, 1991），例如：地球是如同籃球一般的球體或是電子繞行原子核就好像行星繞太陽運轉。國中教科書化學概念使用的類比範例如拉塞福（Rutherford）的原子結構模型。藉由學生已知行星繞太陽結構類比電子繞行原子核運行，其中太陽就好像是原子核，而行星就好像是原子核外的電子，圍繞著太陽運行。

類比教學（Analogical instruction）是將學生熟悉的事物作為欲學習概念的類比物，同時比較此類比物與欲學概念的差異，藉以促進學生對於欲學概念的理解。類比在科學教學上是一項重要的教學策略，且研究顯示特定的科學概念進行類比教學能夠獲致成效（林靜雯 & 邱美虹，2005）。例如：不同溫度會影響粒子的運動的情形，而產生不同的物質狀態。此時，可讓學生利用角色模擬的方式將自己視為粒子，不同的溫度即是自己走路的速率，而且遇到障礙物或是其他「粒子」時應該要反彈，藉由學生自己擔任「粒子」的狀態體會不同溫度，粒子運動的情形。

n 教材中物質的分類內容

生活中習以為常地會將身邊的物品進行分類，例如：如果拿到洗髮精、沐浴乳、碗、盤、筷子等，我們可能會粗略地區分廚房或浴室用品等。國一生物課亦透過分類校園植物讓學生體會科學家將植物分類的依據，再說明目前科學家們如何依據植物的不同特徵進行分類。

國二的理化課程主要介紹物質的分類，區分所有的物質為純物質和混和物，純物質具備固定熔點和沸點的特性。而純物質中可再依據組成原子的類型再區分出元素和化合物，其中元素是指單一種類原子組成，而化合物是由不同種類原子以固定比例組成。

n 教學實作活動

這是在進行實際物質分類的一項前身教學活動，亦是讓學生重新回憶生活中的分類與科學中的分類都是依據特定的判準。教師們可以搭配附件的學習單同時進行，首先要求學生清空桌面，並將文具類放置於鉛筆盒或自行收納完成。當學生就緒之後，此時請學生拿出鉛筆盒看一看自己收納的文具，並嘗試思索一下判斷的依據是甚麼？接著，請學生將鉛筆盒的物品清出放置在桌面上，教師再請學生依據自己的準則重新分類一次。在等待過程中，教師可以巡視學生觀察學生實際分類的情形。待分類完成之後，再請學生思考還可以由甚麼樣其他的分類依據，請學生再重新分類一次。從上述第2次的分類中，再請學生思考桌面上已經分類成堆的文具可否再各自細分出不同的類別，並請學生實際操作（見圖1）。完成之後請幾位學生說明一下自己鉛筆盒中分類的判準，讓彼此之間了解不同的人會有不同的分類依據，有的學生會先以種類區分出「筆」和「其它」，再從筆中區分出「經常常用」和「不常使用」等。

圖1：學生自行分類鉛筆等文具

讓學生收拾好鉛筆盒放入抽屜後，緊接著讓學生說明自己抽屜中書本等物品分類的判準，此時可以發現有的學生整理的非常整齊，但有的學生抽屜卻非常凌亂。教師可請整齊整與凌亂者分別說明一下自己的分類標準，不僅讓學生思索自己分類的依據，也著墨其他同學如何進行分類。待學生分享完畢之後，重新請學生分類整理自己的抽屜，整理好之後，請學生說明此時的依據內涵，接著再請同學在這些不同類別中，再依據不同屬性分類出次類別。最後再請學生思考科學家在面對如果廣大且多樣的地球物質時，該如何進行分類？並嘗試讓學生討論說明。

n 結語與啟發

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，例如：依照原子種類區分出元素與化合物。本文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地球物質的方式，活動時間約莫20分鐘，但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。相關啟發如下：

一、分類在科學學習是一項重要的科學技能

本文介紹一般教室即可進行的分類活動，可以讓學生從中藉由判準的思考類比科學家對於自然界的分類內容。事實上，除了化學物質的分類之外，常見的亦有生物的分類系統，藉由特定的判準區分出不同科目與型態的生物類別。

二、類比活動可以做為教學策略之一，但仍應留意其限制

雖然類比教學具有良好的成效，然而教學時仍應留意類比的限制，否則學生可能因為類比的缺失與侷限進而產生迷思概念。因此，教學時應該說明此類比活動的應用目的、範圍以及侷限性，避免學生過多的誤解。

n 參考文獻

林靜雯、邱美虹（2005）。整合類比與多重表徵研究取向探究多重類比設計對兒童電學概念學習之影響。科學教育學刊，13(3)，317-345。

Glynn, S. M. (1989). The teaching with analogies model: Explaining concepts in expository texts. In K. D. Muth (Ed.), Children’s comprehension of narrative and expository text: Research into practice (pp. 185-204). Neward, DE: International Reading Association.

n 附錄A—學習單

班級：姓名：座號：日期：年月日

1. 在學校我們都會使用到自己的抽屜與鉛筆盒，每個人都有自己的分類方式，請寫下來目前你的(1)抽屜(2)鉛筆盒的分類方式。

2. 與同學討論你的分類方式，並記錄其他可能的分類方式。

3. 嘗試從紀錄中的分類方式自己重新分類整理自己的抽屜與鉛筆盒。

4. 說明新的分類方式與原先自己的分類比較其差異。

5. 請思考一下，科學家們面對廣大的地球物質時，他們會以什麼判準進行分類？

n 附錄B—學生學習單舉隅

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

星期二 , 8, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

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

宜蘭縣立國華國民中學
[email protected]

n 前言

在國中階段學生學習生活中常見的化學元素時，大部分的學生以背誦的方式學習。本文介紹最近有名的解謎遊戲，透過提供的線索解開密碼，學生進入設定的多重關卡，逐步解開密碼，最終找尋到謎底。透過這種遊戲式的合作學習，學生在闖關和解謎的過程中，互相討論和溝通，並且記錄學習的經過，認識每個元素的特徵，進而達到學習科學的效果。

在國中自然與生活科技二年級上學期的課程中，介紹常見元素中的金屬元素和非金屬元素。本次的教學係以生活中常見的化學元素為主，讓學生認識金屬元素和非金屬元素。

n 密室逃脫遊戲與學習

密室逃脫一般泛指玩家需要發現和利用身邊的物品來完成指定任務（通常是解開特定謎題的方式），最終達到逃離該區的目的。

密室逃脫的核心精神，在於參與者經由小組中與他人交流、討論、互動，發揮集體智慧精神解答出關卡謎題，這樣的情境與課堂中，著重學生彼此間合作討論、如此營造給學生一個自主思考、推理討論、高度參與及觀察統整的空間，當課堂中學生主導權多了一些，願意嘗試遊戲得到的挫折與愉悅，都是學習與成長的一部分。

設計老師不但要從學科知識中汲取可以運用的內容之外，也要包裝知識成為足以引起興趣的內容，吸引學生的注意，引發學生解謎的興趣；除此之外，設計者也必須知道，並非所有的謎題都會如自己所預想的一樣發展，必須在操作中觀察並不斷進行調整。

n 解鎖遊戲的設計和說明

在活動開始，教師提示解鎖遊戲的工具，主要有拉鍊袋、密碼鎖及關卡提示單（見圖一），並且搭配「密碼總表」（見圖一和表一）所對應的數字，進而解開密碼鎖，並取得下一層的「關卡」。在教師選擇密碼鎖種類的方面，依照教學設計的密碼數而定，可以為三位數或四位數。每一個「關卡」使用拉鍊袋包住（見圖一），因此可以購買不同大小的拉鍊袋，大的拉鍊袋包住小的拉鍊袋，作為區分不同的「關卡」。而拉鍊袋與密碼鎖的數量取決於教學者設計「關卡」數量而定。

本遊戲所需的道具在一般的文具店即可購得，而且價格算是平易近人，而密碼鎖因為需要數量較多，可以透過網路購買較為方便，購買的密碼鎖也要選擇可以自行設定密碼，盡量選擇不同顏色以區別每組不同的密碼。

n 道具和器材的準備

筆者設計三個關卡，學生需要解開三組密碼鎖的密碼。

每組所需道具和器材：密碼鎖（三種顏色）各1個、拉鍊袋（三種不同大小）各1個、密碼總表1張、關卡提示單（見圖一）。全班五組所需道具和器材（見圖二）。

圖一：每一組所需的材料（密碼鎖、拉鍊袋、關卡提示單及密碼總表）

圖二：全班五組教具發放前準備妥當的狀態（左為密碼包和右為密碼總表）

n 事前準備

1. 教師事先製作密碼總表，寫出各元素的特色在對應的表格中。可先寫出各元素的密碼，並對照數字與順序放入，每一個元素在一個密碼的編碼中僅能出現一次，例如：銀的密碼為1485，而其他元素的密碼不可在同一位數出現相同數字。

2. 教師事先規劃謎語提示，編排每一組的解謎路徑，並依照不同的路徑設定好密碼鎖（可在密碼鎖上註記上編號，以免混淆），路徑上盡量讓各組錯開。

3. 註記每一組拉鍊袋的編號，以免混淆。

4. 在拉鍊袋適當的位置上打洞，讓密碼鎖可以扣上，

5. 依照謎語第二步設計的路徑（關卡提示單），放在各個拉鍊袋中，而最小的拉鍊袋裡面擺入謎腳，例如：五組分別放入「我」、「愛」、「自」、「然」、「課」等字，最後依序鎖入最小的拉鍊袋，在遊戲結束後，教師集合這五字成字串，。

n 教學流程

一、 準備活動

1. 教師引導學生複習生活中常見的元素，由於屬於複習，因此可快速瀏覽過。

2. 在快速複習完後，要求學生收起課本，然後發下學習單（見圖三）。

圖三：發下「密室逃脫遊戲」學習單

二、 發展活動

(一)活動過程

1. 教師介紹密室逃脫解鎖遊戲的規則，並且發下各組的拉鍊袋（密碼鎖、拉鍊袋及關卡提示單）和密碼總表（見圖四）。

圖四：發下整組的拉鍊袋和密碼總表

2. 在遊戲進行中，教師巡視課堂並且給予學生適當的提示，但不明確說出答案。

3. 以分組討論的方式，要求學生在學習單上仔細記錄找尋密碼的過程。

4. 在活動最後階段，請各組學生張貼最後一層的謎底在黑板上。

(二)密室逃脫解鎖遊戲的規則

一開始在最外層（第一層）的大型拉鍊袋外面有第一個謎語提示（見表一），學生使用密碼總表（見表二）可以找到符合這謎語提示而得到第一層的第一碼、第二碼、第三碼及第四碼（例如：找到5046，元素為硫），這四碼就可以解開的第一層的鎖，並獲得第二個謎語提示和第二層的拉鍊袋。使用相同的過程，第二層的中型拉鍊袋外面有第二個謎語提示（見表一），學生使用密碼總表（見表二）可以找到符合這謎語提示而得到第二層的四碼（例如：找到0213，元素為金），這四碼就可以解開的第二層的鎖，並獲得第三個謎語提示和第三層的拉鍊袋。同樣地，第三層的小型拉鍊袋外面有第三個謎語提示（見表一），學生使用密碼總表（見表二）可以找到符合這謎語提示而得到第三層的四碼（例如：找到7361，元素為磷），這四碼就可以解開的第三層的鎖，並獲得第四個謎語提示，此謎語提示有一張特別的「謎底」。最後，教師請各組學生張貼最後一層的謎底在黑板上。

表一：謎語提示

以下謎語提示為筆者所設計，提供給教師的教學參考。謎語提示以教師自己設計為佳。

1. 謎語提示：阿根廷別為我哭泣、他們沒有在你們身上找到我、如今我儼然成為了貴金屬、科學讓我變微小、而我從銀白轉變成亮黃。

對應到開鎖密碼：銀1485 （我）（最後一關「我愛自然課」的一字）

2. 謎語提示：上善若水，若上天賜我這柔軟的身軀，卻為何要讓我成為不擅與他人親近的角色？

對應到開鎖密碼：汞3509 （愛）（最後一關「我愛自然課」的一字）

3. 謎語提示：曾經人們瘋狂地想得到我，但愚蠢的人們，就是我的稀少才證明我的價值

對應到開鎖密碼：金0213（自）（最後一關「我愛自然課」的一字）

4. 謎語提示：多以化合物存在、半導體

對應到開鎖密碼：矽2627（然）（最後一關「我愛自然課」的一字）

5. 謎語提示：黑火藥

對應到開鎖密碼：硫5046（課）（最後一關「我愛自然課」的一字）

6. 謎語提示：有許多型態，其中一種型態可以作為燃料

對應到開鎖密碼：碳4950

7. 謎語提示：電線

對應到開鎖密碼：銅6174

8. 謎語提示：可製成肥料和煙霧彈

對應到開鎖密碼：磷7361

9. 謎語提示：來罐飲料吧

對應到開鎖密碼：鋁8892

10. 謎語提示：泰坦

對應到開鎖密碼：鈦9738

表二：密碼總表

號碼	第一碼	第二碼	第三碼	第四碼
0	黃黃的閃亮亮。	陽明山上的火山噴發口可以很常看到。	溫度計裡上上下下的可以用它。	C
1	具有導電性，而且又是最好的導體。	紅色，有光澤。	我超安定，不容易跟其他物質反應。	P
2	地殼中含量第二名。	延展性最好。	積體電路需要我。	Al
3	唯一的液態金屬元素。	作為炸彈具有極大殺傷力且慘忍。	立可白的成分之一。	Au
4	硬度最高，而且是高價飾品。	昔日是高貴的象徵，擺飾跟餐具用這個做很威。	酸雨的成分之一。	Cu
5	黃黃的，臭臭的。	小心！有毒，灑出來可以撒硫粉降低毒性再處理。	可以導電的非金屬。	Ag
6	導電性次強，因為價格低廉，所以被廣為使用。	我是非金屬但是我有金屬光澤。	火柴盒側面的原料。	S
7	鬼火的成因與此元素的化合物有關。	硬度高且輕巧，可以做為眼鏡的鏡架。	和鋅做出的合金可用來製作樂器。	Si
8	與氧氣可以形成緻密的氧化層阻擋外界的空氣。	適合做飛機的材料。	其化合物可以人工增雨。	Ti
9	宇宙金屬之稱。	可用來作為吸附雜質的功用。	地殼中最豐富的金屬元素。	Hg

三、 綜合活動

1. 讓學生撰寫學習單，並分享心得感想（見圖五）。

圖五：學生撰寫學習單，分享心得感想

n 學生回饋

〚問題一〛：在討論的過程中，你的組員是如何互相討論的？請寫出讓你覺得愉快或是不高興的事情。

l 學生A：我們這組在中間的那個題目當中有一題不會，我們就一直試，結果我們就終於解出來了，幸好我們動作還算是蠻快的，因此我們並沒有最後一名，但我們還是很高興，也很喜歡這一堂課！

l 學生B：組員看到提示單就超快知道密碼，超厲害的，雖然只在旁邊轉密碼，但聽他們在討論的過程還是聽了很多元素的特徵和特質，超棒！

l 學生C：我們靠著那張密碼總表很快地就找出答案，雖然差一點就可以第一名，至少我們有著團結的心沒有責怪也沒有不高興，大家都很團結又很快速的找到答案了

l 學生D：在解密的過程中，有遇到元素的屬性，先依照提示猜出元素，從中找到元素符號，再找出它的性質，結果就卡關了，但最後還是把密碼解開了，接著密碼就更好找了。

〚問題二〛：在這個活動中，你有什麼心得與感想？

l 學生A：這一次的課程我很喜歡業學習到很多東西，一般來說，我們只會看看而已，但我們這一次並不一樣，老師用了不同的方式讓我們體驗不同的學習方式，這堂課超級好玩的，我們還可以學習團結，我們這組有卡題，但經過討論之後我們又一直的嘗試，最後我們終於結束了這困難的題目。

l 學生B：轉密碼的過程中，組長和另一位隊員以最快的速度解開了，佩服隊長的神力把許多的元素特徵都背了起來，太厲害了，這次的遊戲讓我們學習到元素的特徵和特質。

l 學生C：玩這個小組遊戲，不但可以讓我們對元素進一步的了解，而且不會算是很無聊，可能是最有精神的一節理化課吧！而且玩這個超像密室逃脫有刺激感。

l 學生D：透過這次的活動，除了有趣，好玩，其實最主要的目的便是幫助我們記憶這些元素和特性，只依靠提示是否能一眼就了解是什麼元素，一個元素可能覺得不是很熟悉，但接下來就會很順手了，因為我已經了解他的規則了。

n 教學建議與回饋

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。在學習的過程中，學生可以試著表達自己的想法與立場，教師可在旁協助但不說出答案。

由於參加了彰化縣綜合科輔導團的研習，才有了此課程設計的靈感。在準備的過程中，提示的難易度是最需要調控的，必須具公平並且所有組別的所花時間也需要接近。在教學的過程中，不難發現每個組別討論時都可以輕易抓出重點，並且提出不同的答案，雖然學生熱鬧，但是討論的聲音沒有停止過。在經過本次活動後，許多同學可以記住相關的化學概念。

n 誌謝

作者感謝在教育實習期間得到彰化縣立線西國民中學指導教師吳華書老師和國立彰化師範大學化學系指導教授楊水平教授的細心指導，使本人在教學觀摩裡得以順利完成，並在楊水平教授的鼓勵下，完成這篇文章的撰寫與分享。

n 參考資料

1. 密室逃脫 X 翻轉課堂，https://flipedu.parenting.com.tw/article/2197。

2. 自佐藤學的「從學習中逃走」，發想用「密室逃脫遊戲」讓孩子逃出教室！https://flipedu.parenting.com.tw/article/1885。

3. 維基百科：密室逃脫，https://zh.wikipedia.org/wiki/密室逃脫。

n 附錄：學習單和教學簡案

一、 學習單

首先，先記錄你的組別與組員吧……..

l 我是第組，組員座號有

l 我拿到的文件編號是

太好了，你們已經完成了資料登入，身為一個密碼破解專家，一定要把破解的過程妥善的記錄下來，完成下方的表格吧！

1. 第一層你們找出的密碼是多少呢？

密碼是，它所代表的元素是（）

你們在總表中如何找出那些資訊呢？（請完整寫出）

2. 第二層你找出的密碼是多少呢？

密碼是，他所代表的元素是（）

你們在總表中如何找出那些資訊呢？（請完整寫出）

3. 第三層你找出的密碼是多少呢？

密碼是，它所代表的元素是（）

你們在總表中如何找出那些資訊呢？（請完整寫出）

4. 最後，我們班五組破解的密語是什麼呢？

5. 在討論的過程中，你的組員間是如何討論的？請寫出讓你覺得愉快或不高興的事情。

6. 在這個活動中，你有什麼心得與感想？

二、 教學活動設計

單元名稱：密室逃脫–元素的黃金密碼		教材來源：翰林二上自然與生活科技課本
教學日期：2016/12/30		教學地點：彰化縣立線西國民中學
教學時間：45分		教學班級：206班
教學設計者：顧展兆		學生人數：26人
能力指標	1-4-5-3將研究的內容做有條理的、科學性的陳述。 1-4-5-4正確運用科學名詞、符號及常用的表達方式。 3-4-0-1體會「科學」是經由探究、驗證獲得的知識。 3-4-0-5察覺依據科學理論做推測，常可獲得證實。 5-4-1-1知道細心的觀察以及嚴謹的思辨，才能獲得可信的知識。 5-4-1-2養成求真求實的處事態度，不偏頗採證，持平審視爭議。 5-4-1-3了解科學探索，就是一種心智開發的活動。 6-4-4-1養成遇到問題，先行主動且自主的思考，謀求解決策略的習慣。 6-4-5-2處理問題時，能分工執掌，做流程規劃，有計畫的進行操作。 7-4-0-1察覺每日生活活動中運用到許多相關的科學概念。 7-4-0-3運用科學方法去解決日常生活的問題。
教學內容分析	透過遊戲的設計，讓學生可以在既定的資料中選取所需的資訊，透過小組合作學習，完成遊戲活動的任務。
學習者分析	學生在前一次上課教師已經將各常見元素的性質做詳細介紹，透過快速的回憶之後，立刻進行遊戲評量。
教學目標	教學目標（認知、技能、情意）	行為目標
	1. 了解生活中常見金屬和非金屬的性質 2. 培養小組討論與傾聽各組員的分享 3. 體驗遊戲活動學習化學的樂趣	1-1 學生能夠透過遊戲說出常見金屬的性質 1-2 學生能夠藉由記憶將特定金屬的性質推測出來 1-3 學生能夠透過遊戲說出常見非金屬的性質 1-4 學生能夠藉由記憶將特定非金屬的性質推測出來 2-1 學生可以踴躍進行討論與發表看法 3-1 學生能依照規則進行活動並聽從教師指令
目標代號	教學活動		教學媒體	時間	教學評量
1-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 3-1	一、準備活動 1. 教師先複習6-2提到的金屬元素與非金屬元素通性。 2. 教師使用投影片快速複習常見的金屬與非金屬的性質。 3. 教師要求學生將課本收起，並且在位置上坐好。二、發展活動 1. 教師公布今日要進行的活動—密室逃脫的活動規則。 2. 教師進行各組的編號抽籤並發下各組的密室逃脫遊戲教具包。 3. 教師開始說明故事的遊戲背景。 4. 教師讓學生互動討論將任務包的三個密碼鎖解開並且讓五組將結果貼出並要求學生一邊紀錄密碼結果。三、綜合活動 1. 教師統計最快的兩組提供特殊禮物。 2. 教師規定回家作業並且預告下次上課的內容。		課本投影片密室逃脫遊戲教具包5 密碼總表5 學習單	3 8（11） 3（14） 2（16） 1（17） 5（22） 15（37） 5（42） 3（45）	學習單

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

星期一 , 7, 5 月 2018 編輯助理本期專題, 第25期/2018年5月留言功能已關閉

化學教室活動：
自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜

陳秀荷¹、劉奇愛¹、楊水平^2,*

¹國立彰化師範大學科學教育研究所
²國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 前言

光，是以波的形式傳遞。不論是從自然界中的太陽來的，還是人工製造的燈泡來的，一道光裡含有不同的波長。有些波長的光能使我們看見顏色，稱為可見光，不同顏色的光具有不同的波長，紅光的波長比藍光的還要長，而我們肉眼所見的日光，就是由許多不同的波長、不同顏色的光彼此混合所產生的。但這些混合在一起的各種波長，是否隱藏一些細微的秘密在其中呢？

在19世紀初期，夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer, 1787 – 1826）因著精湛的透鏡研磨工藝，開啟人們對太陽觀測的序幕，他整合當時的觀測，從太陽儀中記錄當時的光譜，細心地記錄光譜中的暗線，共畫出了五百七十多條的暗線。但在當時卻無法對這些暗線提出合理的解釋，直到1859年克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff, 1824 – 1887）與本生（Robert Bunsen, 1811 – 1899）合作，使得這些暗線的秘密從彩色的光譜中被揭發出來。^[1]

克希荷夫原先是物理學家，僅在研究之餘，與本生一起研究化學元素的光譜。當時是以純物質的在加熱下所發出的光進行紀錄並且觀察，這些純物質加熱的光譜，並非連續的，即使通過稜鏡也只會得到亮線，而非連續的光帶。而在一次對火災的研究中，引發他們對由光源推測元素的想法。克希荷夫與本生找出夫朗和斐的觀測紀錄，與他們已知的化學元素光比對，有了驚人的發現！他們發現「暗線的位置」竟然可以對應上「已知元素光譜」的亮線位置，包括氫、鈉、鎳、鈣及鐵。因此，克希荷夫就藉此推論，太陽上存在的元素，就是吸收太陽光的這些波段的能量，生成了這些肉眼可見的暗線。後世就把這光譜上五百七十條的暗線，稱為夫朗和斐線（Fraunhofer lines）^[2]，如圖一所示，圖一並未完整展現所有的夫朗和斐線。

圖一：太陽光譜與夫朗和斐線一樣，可以肉眼觀測到。

（圖片來源：Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.）

太陽光譜中的黑線是由於太陽表面上或更上面的氣體所引起的，它們吸收一些發出的光。每種氣體（如氦氣，氫氣，氧氣等）都有一組非常特定的波長，可以吸收太陽光。若照射一些光線通過一些冷氣體（cold gas）和棱鏡，並記錄吸收光譜（absorption spectrum），則可以肯定地說出這氣體是什麼（見圖二），這在化學上被稱為吸收光譜學（absorption spectroscopy）。美國宇航局（NASA）的好奇號（Curiosity）探測器使用光譜儀來確定火星上存在什麼氣體和化合物。^[3]

圖二：照射光線通過冷氣體和棱鏡可觀察到吸收光譜

（圖片來源：Spektrum Slunce, https://goo.gl/aGqu4d.）

n 大氣層中的臭氧

地球表面的大氣層以垂直高度分為四層，由地表向外，分別是對流層（地表以上約12公里）、平流層（約從對流層頂向上至55公里）、中氣層（55-85公里）以及增溫層（100公里以上）。我們生活在對流層的底部，雲、雨、霧等常見的天氣現象發生在此層。空氣不穩定，常隨人類活動而有所變化，如霧霾、沙塵暴……。而我們所熟悉的臭氧，是在平流層「保護」我們免於紫外光的傷害。然而，臭氧實際上並不永遠像保護的天使，關鍵取決臭氧所在的「高度」。當臭氧靠近我們時，保護的功能反倒對我們成了「傷害」。當臭氧出現在靠近我們的對流層的底部，會刺激人體的呼吸道，並引起皮膚過敏。

「對流層臭氧」和「平流層臭氧」來源並不相同。對流層中的臭氧如同惡魔般傷害人類的身體，在陽光的照射下，來自汽車或工業排放的氮氧化物（NO_x）汙染物發生光化學反應而產生臭氧（O₃），還有其他有機化合物，如揮發性有機物（volatile organic compounds, VOC）和非甲烷總烴（non-Methane Hydrocarbon, NMHC），也可以參與這反應鏈，在有羰基物質或酮類時進一步形成臭氧（見圖三）。^[4]隨著太陽光照的強度越強，對流層中的氮氧化物汙染物的光化學反應越充分，在地表量到的臭氧濃度就會越高，由清晨靠近中午時漸漸攀升，在中午時達到一天的高峰。^[5]不僅如此，在對流層頂部臭氧是溫室氣體中的一種，將地表要放出至太空的熱量吸收下來，加劇全球暖化。以上的證據都顯出對流層的臭氧對人類健康與環境的不友善。^[6]

圖三：對流層臭氧的形成途徑

（圖片來源：Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.）

然而，在平流層中的臭氧卻扮演天使的角色，吸收太陽光中大部分的UV光（紫外光），保護人類和其他生物免受高能量UV光的影響，如皮膚癌、白內障及農作物的傷害等問題。平流層的臭氧是來自O₂接受UV光產生自由基連鎖反應而生。形成臭氧後，又可以再次吸收UV光分解成O₂。這樣的連鎖反應不斷吸收紫外光，減少紫外光到達地球表面的量，使地球上的人類免受紫外光的危害，像天使一樣在天空上保護著人類。而這層有效的保護層，也就是臭氧層。

n 空氣品質指標與臭氧吸收光譜

一、空氣品質指標

近幾年來，空氣汙染是流行議題之一。對流層中的臭氧對人類有危害，此高度的臭氧算空氣汙染的加害者嗎？為協助一般民眾對空氣品質的瞭解，監控我們自身的健康和安排日常活動，行政院環境保護署建置空氣品質監測網，瞭解空氣中有哪些主要汙染物以和汙染物的濃度有多少，這些關鍵空氣污染物的濃度經過分級，轉換成「空氣品質指標」（air quality index, AQI）。監測的汙染物有六項：細懸浮微粒（PM_2.5）、懸浮微粒（PM₁₀）、臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）以及一氧化碳（CO）。^[7]沒錯，臭氧也被列為其中一項空氣汙染指標之一。於是，有一件事值得思考，亦即是否有甚麼方式可以觀察對流層中的臭氧呢？我們嘗試利用自製光譜儀，以物質吸收光的原理進行臭氧的觀察。

二、臭氧吸收光譜

既然臭氧在平流層可以吸收紫外光，在地表對流層的臭氧是否也可以吸收太陽光的可見光譜，如同夫朗和斐線所觀測的，被我們觀測到吸收光譜暗線呢？大氣中物質能吸收太陽輻射的有水氣（吸收波長為10-200 nm）、二氧化碳（100-200 nm）、臭氧、二氧化氮、懸浮微粒。^[8] 資料顯示，四月初，接近地表的臭氧濃度明顯大，且臭氧的吸收光譜除了紫外光（220-345 nm）的範圍外，也可吸收可見光，其吸收的波長範圍約在400~700 nm，而575 nm和603 nm為吸收高峰。^[9] 我們設計實驗，利用自製光譜儀觀看夫朗和斐線和臭氧的吸收光譜暗線。

n 實驗方法和過程

本實驗的過程分三階段：(1)自製光譜儀、(2)進行吸收光譜拍攝、以及(3)使用Image J軟體。自製光譜儀和使用Image J軟體在教室進行，後者需要學生攜帶筆記型電腦到教室或在電腦教室進行；而進行吸收光譜拍攝在戶外進行。

一、自製光譜儀

(一)材料

霧面的黑色卡紙A4 兩張、雙面膠或膠水、電工膠帶、DVD 1片、刮鬍刀片 1片、半透明片 2-3片。

(二)製作過程

在網路上，有圖文並茂的介紹如何自製光譜儀 ^[10-13]，此處僅簡單地描述製作過程。

1. 在A4紙卡上，先沿著圖面（Layout）把光譜儀剪下。^[13]

2. 割出「入射光的縫隙」（lens window）以及「觀測窗」（View window）。

3. 黏接各個部分，並且檢查可能有接縫的部分，用黑色膠帶包覆，使光譜儀內腔的遮光更完全。

4. 置入DVD光碟片，即可以完成，如圖四左所示。

注意：不宜選擇厚度過厚的紙材，會使得整體摺立時，因紙材本身的厚度造成黏合不完全。

5. 準備2-3片半透明片，放置在狹縫前面用於遮光，使暗線更明顯，如圖四右所示。

圖四：自製光譜儀的成品（左）；半透明片放置在狹縫前面用於遮光（右）

二、進行吸收光譜拍攝

1. 首先，到室外尋找空曠無建築遮蔽的觀測點，使光線可以直接進入光譜儀的「狹縫」，如圖五左所示。

2. 然後，手機的鏡頭對齊自製光譜儀的「觀測窗」，如圖五右所示。

圖五：光線可進入「狹縫」（左）；鏡頭對齊「觀測窗」（右）

3. 以一小時做為間距，觀測靠近中午時的變化（如9:30 ‒ 14:30）

注意：在一開始觀測時，容易因為製作光譜儀的手法不純熟，有時會觀測到反射光線（見圖六左），而非經過繞射出來的光譜，並且需要反覆檢察儀器是否漏光。光譜儀沒有漏光，拍攝的光譜圖有七彩的連續光譜（見圖六右）。

圖六：有時會觀測到反射光線（左）；非反射光線有七彩的連續光譜（右）

三、使用Image J軟體

Image J是一款免費的影像分析軟體，使用的步驟相當簡易，相當容易取得需要的功能。可以由Image J官方網站找到下載的頁面 ^[13]，即可安裝軟體。對於分析此次實驗的步驟，有以下三個部分：(1)形成圖表、(2)選取參考點與比對、(3)校正座標軸。以下對對每一個步驟中Image J 的使用進行說明：

步驟一：形成圖表

首先，開啟Image J，加入欲分析的照片來源，並且利用鼠標指定分析的區域；之後，點擊上方的「Analyze」的按鍵，從選單中選取「Plot Profile」，如圖七所示，視窗中彩色圖案是欲分析的照片。此時就會得到：縱軸為灰值（Gray value）；橫軸為影像位置的圖表。

圖七：Image J的使用視窗

步驟二：選取參考點和比對

先選出欲作為參考點的位置。一般來說會取兩點，以作為參考點的線性轉換；通常會取亮點或暗點出現的位置。因為在影像分析中，灰值越大代表越亮，灰值越小代表越暗，所以圖片上最亮點與最暗點的位置，可以從圖譜上取出極大值與極小值做為參考值比對的位置。操作上可以透過放大顯示的比例，取得參考點的座標位置，如圖八所示。

圖八：參考點線性轉換方程式

步驟三：校正座標軸

此步驟主要的目的是，把橫軸的位置數據，轉換成在光學上可對應的波長。Image J 內有一個小工具可以協助得到線性轉換的公式，操作如以下：Analyze >>> tool >>> curve fitting，可以在方框中輸入原橫座標值，以及欲轉換的座標值，完成後按下Fit按鈕，即可以得到轉換公式，如圖九所示：

圖九：波長橫座標的轉換

複製Image J 當中的數值，在Excel工作表中貼上。在另一直行中輸入線性轉換的公式，即可得到校正後的數值，並且利用Excel中製表，得到校正過的橫座標。

n 結果與討論

結果一：2018/4/14各時段的光譜結果

拍攝時段選擇臭氧濃度較高時，為上午九點半至下午兩點半，每個時段朝大氣拍攝光譜時進行三種處理：(1)狹縫前面未覆蓋半透明遮片，如圖十所示；(2)狹縫前面覆蓋半透明遮片1片，如圖十一所示；(3)狹縫前面覆蓋半透明遮片2片，如圖十二所示。


9:30	10:30	11:30

12:30	13:30	14:30

圖十：狹縫前面未覆蓋半透明遮片


9:30	10:30	11:30

12:30	13:30	14:30

圖十一：狹縫前面覆蓋半透明遮片1片


9:30	10:30	11:30

12:30	13:30	14:30

圖十二：狹縫前面覆蓋半透明遮片2片

從拍攝的照片得知，每張照片幾乎都可觀看到光譜黑線，特別是狹縫前面覆蓋半透明遮片2片最為明顯。這些所有的黑線無法明確知道是否為夫朗和斐線，不過可確定知道大氣之中有吸收光線的物質。

結果二：分析大氣的光譜

從結果一中挑選影像清晰，具有可觀察的要素作為分析物，例如：綠色與橘色具有明顯交界或者在其附近的波長具有明顯暗線者。最後選出覆蓋半透明遮片1片，拍攝時間為12:30的作為分析。圖十三中黃色框為分析物採樣取用的範圍。同樣地，光源校正光譜以相同方式採樣並畫圖。

圖十三：光源校正光譜圖（左）；分析物光譜圖（右）

先將光源選定校正波長，利用此一般光源產品設計的資料得知，藍色區中的亮線為440 nm，綠色區中的亮線為547 nm，其中明顯的亮黃色區段則參考具有明顯黃光的半導體IC燈管光譜定為570 nm，如圖十四所示。將Distance數值經線性轉換調整為波長（27，440）、（122，547）、（152，570），重新進行曲線模擬，取得對應公式。

圖十四：光源光譜圖：一般燈管D色（右）；一般燈管CW色（中）；半導體IC燈管（左）

再從校正的波長中，找出與分析物相同處進行分析物的波長設定。在此選定綠色與橘色交界處訂為570 nm（見圖十五上），而紅色區中灰值最低者訂為相同波長637.4626 nm（見圖十五下）。將分析物光譜的Distance數值經線性轉換調整為波長，（443, 570）、（598，637.4626），進行曲線模擬，取得校正座標軸的數值a = 377.18754、b = 0.43524（見圖十五下）後，將數據置於Excel中重新繪製大氣吸收光譜圖。發現在橘色波段的一條暗線，波長為580 nm，非常靠近臭氧的其一理論吸收峰575 nm。

圖十五：光源設定波長與模擬曲線數值（上）；分析物設定波長與模擬曲線數值（下）

太陽輻射至地球後，大氣分子吸收可見光波的範圍者少。大氣含量最多的氮氣和氧氣的吸收波段皆不在可見光範圍，而大氣汙染物AQI指標中的物質，一氧化碳吸收波長為4700 nm，二氧化硫吸收波長為200-240 nm，臭氧吸收波長則在575 nm和605 nm有明顯的吸收。從文獻資料和光譜結果檢視，光譜中的暗線有可能來自水氣、臭氧和金屬懸浮微粒。因此從自製光譜儀中進行觀測和實驗後，經分析結果推測其中一條暗線在580 nm極可能為臭氧的吸收光譜。

n 克服困難與待解問題

製作光譜儀的步驟簡單，材料容易取得，但實際在進行觀測與結果拍攝時，會遇到兩個主要的拍攝問題：(1)光譜儀在製作時，容易因紙板的接縫，以及手機在對上觀景窗中間的縫隙，造成腔體漏光（見圖十六）。若拍攝到的照片有亮紋或是漏光區，會造成光譜的顏色不均，也會影響影像分析的結果。(2)拍攝時，手機和光譜儀組合的角度很容易產生相對位移，造成光學角度上的偏差，使照片有梯形的問題。在這兩個問題上，主要的解決方式是利用，照片輸入電腦時，些微調整圖片角度，並且截取適當的分析區域，盡可能使光譜之正交處，可以貼齊兩軸，減少歪斜所造成分析誤差。

圖十六：造成腔體漏光的情形

除此之外，在分析上還會遇到校正精準度的問題。因為此次實驗中，觀測的是連續光譜，難以定義出一明確的校正點。所以在此實驗的分析中，轉而選取綠色光的邊界以及紅色暗區，作為校正的對象，使目標的分析區間（臭氧吸收的理論範圍）能夠落在線性回歸的範圍當中。但取綠色的邊界處和紅色暗區與理論值進行比對，會因為精準度難以界定，產生線性回歸上的誤差。

在這次的實驗中，可以在580 nm處觀測的到暗線，並且與理論值575 nm相當接近，但另一條605 nm的臭氧吸收光譜，卻落在紅色暗區，難以區辨觀測。另外一待釐清的部分，是灰值與臭氧濃度之間的關係，尚不能得到一個清楚的解釋。主要面臨的問題在於：手機攝影的內建原件多以自動對焦以及自動感光，因此拍攝出的照片難以控制所有的光學參數。得到的照片，不僅受到拍攝環境、拍攝時間，手機的感光也會影響照片的品質。因此在進行灰值的分析時，尚未能夠提出一個合適的解釋，來說明臭氧的濃度能否透過光譜儀來觀測，待後續的研究繼續努力。

n 結語

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（Science, Technology, Engineering and Mathematics）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。

此活動在空氣污染議題流行的社會環境中，像是從另一個角度進行空氣污染教育，從知識性的瞭解走入檢測的專業思考。雖然在實驗過程中因儀器操作等等不順利的原因，產生許多的懷疑和放棄的想法，但是隨著夥伴與老師彼此間的討論、鼓勵和幫助，一步步嘗試去解決問題，漸漸明朗的結果，構想有了成功的曙光。化學活動可以不只是食譜式或實驗室的實驗，也能不溼答答地在教室對科學進行問題解決。

n 參考資料

1. Robert Bunsen and Gustav Kirchhoff, https://goo.gl/Dpoq78.

2. Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.

3. Every color of the Sun’s rainbow: Why are there so many missing? https://goo.gl/WwuWun.

4. Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.

5. 羅惠芬、陳鴻烈（2009）。空氣污染物及其光化反應生成臭氧濃度之日變化分析。水土保持學報，41(1)，1-16。

6. Shindell, D., Faluvegi, G., Lacis, A., Hansen, J., Ruedy, R., & Aguilar, E. (2006). Role of tropospheric ozone increases in 20th‐century climate change. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111(D8). doi:10.1029/2005JD006348.

7. 空氣品質指標的定義，https://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/b0201.aspx.

8. 徐辛欽、周淑美（1995）。臺灣臭氧量與紫外線（UVB）之分析研究。氣象學報，41(2)，106-122。

9. Jodpimai, S., Boonduang, S., & Limsuwan, P. (2016). Inline ozone concentration measurement by a visible absorption method at wavelength 605nm. Sensors and Actuators B: Chemical, 222, 8-14. doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.08.028.

10. 自製光譜儀，http://a-chien.blogspot.tw/2014/04/blog-post_29.html。

11. Making a spectrometer, http://goo.gl/kAy6DQ.

12. How to make austerity lab equipment, http://goo.gl/3khA4v.

13. Evil-doer or do-gooder: Getting the goods on ozone, https://goo.gl/gQj6NH.

14. Imagej, https://imagej.nih.gov/ij/index.html.

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

星期日 , 6, 5 月 2018 yangsp 未分類留言功能已關閉

化學教室活動：發現查理定律和絕對零度

李錡峰¹、張鈞皓²、郭峯廷²、楊水平^2,*

¹國立南科國際實驗高級中學
²國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 簡介

在99課綱中，查理定律（Charles’s law）和絕對零度（absolute zero）被編於高中基礎化學（三）的氣體定律之列。可惜的是，查理定律和絕對零度並沒有被編為實驗的項目。在108新課綱的自然領域化學科中，並未提到查理定律和絕對零度，只提到理想氣體定律。

針對查理定律的實驗，傳統的定性實驗使用較大的器材，具有容易觀察的特色，常用於示範教學；而傳統的定量實驗鮮少為學生實驗的教材。通常絕對零度的實驗與查理定律在同一個實驗並行而獲得，這類的實驗設計需要特殊的裝置。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（discovery learning），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。本實驗的設計係利用植物油來封住一支一端封口的毛細管柱內的空氣，形成在一個微小密閉系統的空氣柱。藉由水浴方式加熱或冷卻這支毛細管，測量在不同溫度下在管柱內的空氣膨脹或縮收的體積。然後，收集的數據進行毛細管柱內飽和水蒸氣壓的校正等數據的處理，而且需要排除在高溫下呈現高偏差的數據點，找到極佳的溫度與體積之間的關係和發現絕對零度。

n 實驗器材

每組用量：毛細管（單端開口，用於熔點測定，長10 cm，內徑0.60 mm） 1支、廚房用數位溫度計 1支、透明保特瓶（用剪刀裁剪成杯狀）或透明塑膠杯（需耐熱至80℃） 1個、注射針筒附針頭（10 mL） 1支、植物油（如沙拉油，裝在塑膠杯內）、塑膠杯 1個、橡皮筋 2條、金屬尺（15 cm長） 1支、透明膠帶 1捲、熱水（用保溫瓶裝） 1瓶、室溫水（用保特瓶裝） 1瓶、冰水（用保特瓶或保溫瓶裝） 1瓶、PE滴管（3 mL） 2支。圖一左為本實驗需用的器材和材料，圖一右為實驗用器材和材料裝在一個置物盒中。

圖一：實驗需用的器材和材料（左），器材和材料裝在一個置物盒中（右）

n 實驗步驟

1. 準備一支10 mL的注射針筒（附針頭），如圖二左所示。針頭的尖端應事先用砂紙磨平或使用剪刀剪斷，避免螫傷，如圖二右所示。

圖二：注射針筒附針頭（左），被磨平的針尖（右）

2. 取一支毛細管（單端開口），用兩條橡皮筋固定這毛細管在一支金剛尺上，毛細管的封口端的內徑底部與金剛尺的零刻度對齊，如圖三所示。

〚注意〛：若使用塑膠尺，在高溫時可能會造成塑膠軟化而彎曲的現象。

圖三：用兩條橡皮筋固定毛細管在金剛尺上

3. 放入金剛尺和毛細管到塑膠杯中，並利用膠帶支撐金剛尺和溫度計，如圖四所示。

圖四：利用膠帶支撐金剛尺和溫度計

4. 在塑膠杯中，加入一些熱水，使毛細管內的空氣溫度上升。此實驗操作的溫度是由高溫往低溫。在高溫（60-70℃）時，使用注射針筒吸取少許的植物油（如沙拉油），注入植物油的位置在距離毛細管開口處2~3公分處，植物油在毛細管內的高度約2~3 mm即可，如圖五所示。

〚注意〛：加入熱水到塑膠杯中，水面的高度務必不可淹過毛細管的開口，以免堵塞而影響氣體的膨脹或壓縮。

圖五：使用注射針筒吸取植物油（左），注入植物油在毛細管內（右）

5. 在注入植物油後，利用滴管進行加冷水或熱水到塑膠杯中，調整水溫在60-75℃之間，如圖六所示。之後，每下降5℃的測量一次溫度並記錄於表一中。在測量溫度時，必須隨時攪拌塑膠杯中的水，使水的溫度與毛細管本身的溫度達到熱平衡，待溫度變化較穩定時，才讀取溫度和空氣柱的高度，如圖六所示。

圖六：正式測量前，先調整水溫在60-75℃之間

6. 測量在不同溫度時，毛細管內空氣柱的高度。

7. 計算毛細管內空氣柱的體積，毛細管的內徑在包裝盒上有標示。

8. 透過網站，查詢水在不同溫度的飽和蒸氣壓。

9. 在定壓下，空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，發現其規律性；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

10. 校正空氣柱內的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係。溫度軸設定在0-80℃之間，檢查是否有大偏差的數據點。

11. 校正空氣柱的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

12. 使用校正前空氣柱體積（V）與校正後乾燥空氣體積（V_c），進行校正前後的「V/T對V」和「V_c/T對V_c」比較。(1)在定壓下，校正前空氣柱體積比絕對溫度（V/T）對空氣柱體積（V）作圖，找出V/T是否隨V而變；(2)在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對絕對溫度（T）作圖，找出V_c/T是否隨V而變。此處絕對溫度（T）為攝氏溫度（t）減掉絕對零度時的攝氏溫度。

n 安全注意事項和廢棄物處理

l 注射針筒的針頭尖端應事先用砂紙磨平，避免螫傷。

l 使用過後的注射針筒可以重複使用，不可丟棄，由教師集中保管。

l 使用後的實驗裝置可以重複使用，不可丟棄。

l 本實驗使用藥品僅有植物油，其量極少且無毒。

l 本實驗務必小心使用熱水，避免燙傷。

n 結果與討論

一、 基本數據

大氣壓力（P_atm）： 757.19 （mmHg），毛細管的內徑（2r）： 0.12 cm。

二、 測量溫度與空氣柱高度的照片

不同溫度與空氣柱高度的三張照片，如圖七所示：

圖七：不同溫度對應到空氣柱高度的照片

三、 數據表

查理定律和絕對零度的定量實驗之原始數據和數據處理表，如表一所示。

表一：查理定律和絕對零度的定量實驗原始數據和數據處理

溫度t（℃）	68.7	63.9	60.5	55.0	50.2	45.8	40.3
絕對溫度T（K）*	345.4	340.6	337.2	331.7	326.9	322.5	317.0
空氣柱高度h（cm）	9.11	8.75	8.52	8.05	7.66	7.38	7.08
空氣柱體積V（mL）	0.103	0.0990	0.0964	0.0910	0.0866	0.0835	0.0801
未校正V/T（mL/K）	0.000301	0.000294	0.000289	0.000277	0.000268	0.000262	0.000255
飽和水蒸汽壓（mmHg）**	220.38	178.11	152.53	117.78	93.23	74.71	56.09
乾燥空氣比例（%）	70.90	76.48	79.86	84.44	87.69	90.13	92.59
乾燥空氣體積V_c（mL）	0.0730	0.0757	0.0769	0.0769	0.0760	0.0752	0.0741
校正後V_c/T（mL/K）	0.000214	0.000225	0.000231	0.000234	0.000235	0.000236	0.000236

溫度t（℃）	35.5	31.0	25.4	20.8	14.9	10.0	—
絕對溫度T（K）*	312.2	307.7	302.1	297.5	291.6	286.7	—
空氣柱高度h（cm）	6.83	6.66	6.45	6.3	6.08	5.95	—
空氣柱體積V（mL）	0.0772	0.0753	0.0729	0.0713	0.0688	0.0673	—
未校正V/T（mL/K）	0.000250	0.000248	0.000244	0.000242	0.000239	0.000238	—
飽和水蒸汽壓（mmHg）**	43.25	33.61	24.26	18.36	12.65	9.16	—
乾燥空氣比例（%）	94.29	95.56	96.80	97.58	98.33	98.79	—
乾燥空氣體積V_c（mL）	0.0728	0.0720	0.0706	0.0695	0.0676	0.0665	—
校正後V_c/T（mL/K）	0.000236	0.000237	0.000237	0.000237	0.000235	0.000235	—

*此處絕對溫度T（K）之值為攝氏溫度t（℃）減掉實驗得到絕對零度時的攝氏溫度。

**不同溫度下的飽和水蒸汽壓，可用線上水蒸汽壓計算器，快速查詢得到，例如：Vapor Pressure of Water Calculator, http://goo.gl/ivmBzA或Saturated Vapor Pressure, http://goo.gl/1pDYmP.

四、 關係圖

1. 在定壓下，空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，發現其規律性；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

在定壓下，空氣柱體積對溫度的關係，如圖八所示：

圖八：空氣柱體積對溫度作圖

由上圖得知，溫度與空氣柱體積呈現接近直線的線性關係，稍微呈現彎月型；當溫度越高時，空氣柱體積的體積增加的幅度越大。利用趨勢線的方程式，回推當空氣柱體積為零時的溫度之值。趨勢線：y = 0.000612 x + 0.057921，設體積y = 0，求溫度x之值，x = ‒94.6℃，此溫度與理論的絕對溫度（‒273.15℃）相差甚多，相差高達‒176.8℃，誤差百分比為‒65.4%。推論其誤差的來源可能為空氣柱內的氣體含有水的飽和蒸氣壓，且氣柱內的氣體並非理想氣體，與理想氣體求得的絕對溫度之間的數據存在顯著的差異。

2. 校正空氣柱內的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣柱體積（V）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係。溫度軸設定在0-80℃之間，檢查是否有大偏差的數據點。

在定壓下，乾燥空氣柱體積對溫度的關係，如圖九所示：

圖九：乾燥空氣體積對溫度作圖

在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。由上圖得知，在60℃以上的溫度出現與在60℃以下有相當大的偏差，這些數據點應該被刪除。推論出現大偏差的原因可能是水在高溫的蒸氣壓明顯上升，而且植物油在高溫時也有些許的飽和蒸氣壓，水和植物油在溫度越高時，其飽和蒸氣壓越大，造成的偏差就越大。

3. 校正空氣柱的水蒸氣，使空氣柱的氣體為乾燥空氣。在空氣柱內的飽和水蒸氣被扣除後，在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對溫度（t）作圖，找出兩者的關係；並使用趨勢線的方程式，在空氣柱體積為零之下，計算溫度軸上的溫度，發現絕對零度。

在定壓下，乾燥空氣體積對溫度作圖，如圖十所示：

圖十：乾燥空氣體積對溫度作圖

在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對溫度（t）作圖，由上圖得知，溫度越高，乾燥空氣體積越大，且溫度與乾燥空氣體積呈直線的線性關係。利用趨勢線，回推當氣體的體積為零時的溫度。利用趨勢線：y = 0.000233 x + 0.064469，設體積y = 0，求溫度x之值，x = ‒276.7℃，此溫度與理論的絕對溫度（‒273.15℃）相差甚小，只有‒3.6℃，誤差百分比為‒1.3%。

4. 使用校正前空氣柱體積（V）與校正後乾燥空氣體積（V_c），進行校正前後的「V/T對V」和「V_c/T對V_c」比較。(1)在定壓下，校正前空氣柱體積比絕對溫度（V/T）對空氣柱體積（V）作圖，找出V/T是否隨V而變；(2)在定壓下，乾燥空氣體積（V_c）對絕對溫度（T）作圖，找出V_c/T是否隨V而變。此處絕對溫度（T）為攝氏溫度（t）減掉絕對零度時的攝氏溫度。

進行校正前的「V/T對V」和校正後「V_c/T對V_c」之比較圖，如圖十一所示：

圖十一：校正前的「V/T對V」（藍色）和校正後「V_c/T對V_c」（紅色）比較圖（上圖的絕對溫度T用攝氏溫度加上實驗值276.7，而下圖的絕對溫度T用攝氏溫度加上理論值273.15。）

由上面兩圖得知，校正前的「V/T對V」（藍色）趨勢線的斜率為正值的直線，顯示V/T之值隨著V而變。而校正後「V_c/T對V_c」（紅色）趨勢線的斜率幾乎為零的直線，V_c/T之值不隨著V_c而變。

n 科學原理和概念

一、 查理定律

查理定律（Charles’s law）是一種實驗的氣體定律，描述氣體在加熱時如何膨脹。查理定律的實驗裝置圖，如圖十二所示。查理定律的現代描述是：當乾燥氣體的壓力保持不變時，絕對溫度（T）與體積（V）成正比關係，如式[1]或式[2]所示。

圖十二：查理實驗裝置圖

這定律描述隨著溫度升高氣體如何膨脹；相反地，溫度降低會導致體積減小。為了比較兩種不同條件下的相同物質，此定律可寫為：隨著絕對溫度的升高，氣體的體積也按比例增加。^[1]

根據其實驗結果，可以函數圖表示，如圖十三所示：

圖十三：查理定律可以用不同的函數圖表示

根據實驗結論，若t 體積為V_t，則存在其關係，如式[3]所示：

此處V_t = 氣體於t 時的體積，V₀= 氣體於0 時的體積，V = 氣體體積，V₀= 氣體於0 時之體積。

查理定律的說明理論基礎是什麼呢？氣體動力論（Kinetic theory of gases）聯繫氣體的宏觀特性（如壓力和體積）與構成氣體的分子的微觀特性（特別是分子的質量和速度）起來。為了從動力學理論推導查理定律，溫度的微觀定義是必要的：溫度可以當作與氣體分子的平均動能成比例，亦即T ∝ E_ķ；再者，理想氣體定律（ideal gas law）的動力學理論相當於PV與平均動能的關係：PV = 2/3 N E_ķ，N是氣體分子數。兩者關聯在一起，得到PV = 2/3 N E_ķ∝ T，亦即PV ∝ T。這就是查理定律的理論基礎。^[1]

物理學家James Clerk Maxwell提供一個查理定律的定性說明。他宣稱，氣體佔據的空間量完全取決於其氣體粒子的運動。氣體粒子不斷地與容納它們的容器一直碰撞。無數氣體粒子快速襲擊，以致對容器的表面施加一個力量，這種力量轉化為一定的壓力。這種碰撞的一次衝擊力是無關緊要的，但以總體而言，碰撞會對容器表面施加相當大的壓力。例如，在氦氣球內每秒鐘大約有10²⁴次的氦原子撞擊每平方厘米的橡膠，速率約為每秒1英里！這壓力被稱為氣體壓力。氣體壓力與碰撞的大小和它們在特定區域上的力量成正比。因此，碰撞越多，壓力越高。一個重要的發現是氣體粒子的運動及其碰撞的頻率取決於氣體的溫度，這意味著更熱的氣體壓在牆壁上並產生更高的壓力。這就是給呂薩克定律（Gay-Lussac Law）。若體積沒有固體的限制，當加熱氣體時，其體積會增加，導致氣球隨之膨脹，這就是查理定律。^[2]

關於內燃機，查理定律著重於火花點火（汽油）和壓縮點火（柴油）的動力衝程。火花點火是指燃燒過程中的氣體暴露在非常高的溫度下，導致氣體的體積增加並且膨脹。隨著這個過程繼續增加，增加對氣缸體和活塞的作用力。然後推動活塞向下運動並通過連桿傳遞力，進而導致曲軸旋轉。^[3]應用查理定律在現實生活的實例有很多，例如：(1)用瓦斯火加熱到熱氣球內部的空氣，空氣分子在其空間內移動更快並且分散。熱氣球內的氣體佔據更多的空間，變得比周圍的空氣密度小。因此，熱氣球內部的熱空氣因其密度降低而升高，並導致熱氣球漂浮。(2)如果你打乒乓球，偶爾會碰到球凹痕的機會。放入乒乓球在溫熱水中，其內部的空氣會隨著溫度升高而膨脹而推出凹痕，恢復球體的圓形。(3)開車時會加熱輪胎，導致其內部的空氣壓力變大。若在輪胎是熱時測量壓力，則胎壓會更高。因此，汽車的胎壓必須在汽車輪胎冷卻時才測量。

二、 絕對零度

絕對零度（Absolute zero）是熱力學溫標的下限，即冷卻理想氣體的焓和熵達到其最小值的狀態，絕對零度是自然界的基本粒子具有最小振動運動的點，只保留量子力學在零點的能量誘導的粒子運動。這理論溫度是透過外推查理定律來確定。根據國際協議，攝氏溫標的絕對零度為‒273.15℃。根據定義，對應到Kelvin和Rankine的溫標，它們的零度設定為絕對零度。馬克斯·普朗克強（Max Planck）的第三熱力學定律指出完美晶體的熵在絕對零度會消失。^[4]

n 教材教法設計—發現學習

發現學習（Discovery learning）是一種探究為基礎的教學方法，被認為是一種建構論為基礎的教育方法。發現學習是學習者利用自己的過去經驗和現有的知識來發現事實和關係以及學習新的知識。^[5-6]發現學習鼓勵學生提出問題並找到他們自己的試探性答案，並從實際的案例或經驗中推導出一般性的原則，學習的主要內容知識沒有事先給學生，必須由學生自己去發現。^[7]

在發現學習中，教師可以提供回饋，以回應學生的努力，但在學生努力之前或期間教師很少提供或不提供過程和方向。教師缺乏提供的教材和教法的結構和指導，因此學生需要的反覆試驗是發現學習相對於其他方法的關鍵性特徵。^[8] 發現學習的方法如同探究，是一種歸納法（inductive approach），發現學習法又稱為引導探究學習法（guided inquiry learning approach）。透過研究一個現象的具體例子，學生能夠對基本原理有一個總體的理解。歸納學習的倡導者強調透過直接經驗學習的價值和〝為自己找出自我”的動機價值。^[9-10]發現學習理論假設學生最好的學習是透過實驗去發現事實和關係。學生不要被要求記住事實或聆聽學習，而是要求學生操縱材料和試驗，做出假設並自行發現知識。發現學習是一種歸納學習，學習者透過觀察或測量去發現規則的過程。這與演繹學習不同。在演繹學習中，學生事先學會他們需要應用的規則。^[11-12]

發現學習的潛在的優勢：支持學生積極參與學習過程、培養好奇心、促進終身學習技能的發展、個性化學習體驗、提供高度的動力、學生有機會進行實驗、建立在學生以前的知識和理解基礎上。潛在的缺點：沒有初始框架可用而讓學生感到困惑、效率低下且耗時、導致學生沮喪。^[13] 為了克服潛在的缺點，本次〈發現查理定律和絕對零度〉的設計以局部的框架為構想，提供部分或概括的探索步驟，以提高學生的學習效率。

n 教學提示

l 上課時間：教師實驗解說：約5分鐘，學生組裝實驗裝置、操作實驗並紀錄結果：約20分鐘，數據處理與討論：25分鐘。數據處理以使用Excel處理為佳，可在電腦教室進行或各組一部筆記型電腦或平版電腦在教室中進行。

l 本實驗有大量的數據，建議：以Excel處理數據和製作圖表為佳，不宜以手工繪製圖表。透過Excel的精熟技術學習，學生可以輕而易舉地應付未來在大學端自然科學實驗和技術工程實驗的大量數據處理。

l 本實驗結合波以耳定律和亞佛加厥定律（可用《臺灣化學教育》第14期的文章稍加修改）構成氣體三大定律，設計成發現學習的教材，適用於9課綱基礎化學（三）氣體定律單元和108課綱的選修課程或自然科學探究與實作的課程。

n 參考資料

1. Charles’s law, https://en.wikipedia.org/wiki/Charles’s law.

2. What Is Charles’s Law? https://goo.gl/iP2Hgf.

3. Boyle’s & Charles Law in relation to Automotive Engines. http://goo.gl/WhU4sJ.

4. Absolute zero, https://en.wikipedia.org/wiki/Absolute_zero.

5. Discovery Learning (Bruner), https://goo.gl/cUkxBL.

6. Discovery Learning, https://en.wikipedia.org/wiki/Discovery_learning.

7. Discovery Learning Theory: A Primer for Discussion, http://goo.gl/VhrLon.

8. The Many Faces of Inductive Teaching and Learning, http://goo.gl/WV4XN3.

9. Domin, D. S. A Review of Laboratory Instruction Styles, Journal of Chemical Education, 1999, 76 (4), p 543-547.

10. Hodson, D. Journal of Curriculum Studies. 1996, 28, 115–135.

11. What is Discovery Learning? https://goo.gl/uAxmra.

12. What is inductive learning? https://goo.gl/zqt6Cq.

13. Discovery Learning Theory: A Primer for Discussion, http://goo.gl/eRCxGT http://goo.gl/eRCxGT.

n 學生活動手冊

下載本化學教室活動的學生活動手冊—「發現查理定律和絕對零度」。

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