臺灣化學教育

《臺灣化學教育》慶祝十週年專刊：臺灣大學普通化學實驗之回顧

張馨云、佘瑞琳*

國立臺灣大學化學系

[email protected];
[email protected]

n  前言

《臺灣化學教育》電子期刊創刊於2014年，藉由電子數位化、網際網路無遠弗屆之特色，將全國化學教育學者之教學成果與研究心得以多元型態、快速分享至世界各地，也全面提升了我國的化學教育及學者間的交流。今2024年適逢創刊十週年，藉此回顧本校臺灣大學全校性服務課程「普通化學實驗」的教學現況與這三十年來之教學演變。

「化學」是科學的中心且是一門實作科學。學生經由實驗課程之動手做、動筆寫、動腦觀察與思考，培養其科學素養。臺大化學系負責全校理、工、醫、農、生命科學、電資等學院學生之普化、有機、分析、物化實驗，每年修課學生約有4000人，教學服務量應是全國之冠。龐大實驗教學團隊間之協調合作、實驗教學人員的培訓、自編中英文版多元實驗教學資源之發展與維護、提供友善安全的學生實驗環境、鼓勵學生樂於學習等，是我們的實驗教學重點與目標。

n  臺大普通化學實驗教學

一、師資與學生

（一）修課學生：背景不同、班級人數多

臺大化學系負責全校每年約2000位來自各學院、28個學系學生之普通化學實驗。學生的專業領域不同、背景各異，有奧林匹亞競賽選手、也有從來沒做過實驗的學生。每週有17-20個實驗班，安排於3間各約80坪大的實驗室進行實驗。

（二）教學團隊：教師、技術人員、助教與研究生助理助教

臺大普化實驗教學組主要由2-3位教師帶領5位專任助教、2位技術人員及50～60位碩班研究生助理助教負責實驗教學。各班實驗藥品、器材準備及環安衛維護由2位技術人員負責；專任助教負責實驗講解、教學指導、報告批改與成績評定等。由於每實驗班平均約60-70位學生，故另需安排2~3位碩班研究生助理助教協助教學指導與維護實驗安全。普化教學組教師則是負責規劃安排實驗課程、教學人員培訓、協調與解決實驗相關問題、處理環安衛及學生意外事故、推動教學改進等。

（三）教學準備：助教職前訓練

（1）預作實驗

化學系除了普通化學實驗尚須負責全校有機、分析及物化學生實驗，專任助教人力需求量大，但流動率高。每年新聘之專任助教需於寒暑假期間預作每一個將要進行之實驗，需如同學生進行實驗課一般，完成實驗前預報書寫、實驗中記錄數據與觀察、實驗後進行數據分析及誤差討論，以清楚了解實驗操作及數據分析之原理與細節。研究生助理助教則是於開學前預作3~4個重要或較為複雜之實驗，讓助理助教熟悉實驗內容、操作與實驗室環境。讓助教及助理助教依學生模式進行預作實驗，不但可以檢視學生實驗之預期結果與易發生錯誤或危險之處，也協助準備室確認實驗藥品性質及經由預作結果檢討改進實驗。

（2）助教會議

學期中利用週五中午時間舉行普化實驗助教會議，由專任助教以公版投影片講解實驗內容及應注意事項（見圖1），讓各助教在20個實驗班之教學指導盡量相同。助理助教對於未預作過之實驗也可經由助教會議之說明，掌握實驗教學指導要點。

圖1：臺大化學系普通化學實驗公版教學投影片

（3）教師手冊

普化教學組每學期編輯修訂《教師手冊》，彙整歷年助教教學經驗，作為助教及助理助教之教學指引。內容涵蓋：準備室配合準備事項、助教課前準備工作、實驗操作應觀察到之結果與化學反應、實驗技能操作要點、易發生危險之操作、實驗結束後廢棄物處理、環境整理等。

（四）教學環境：安全、友善

普化實驗共有3間實驗室，每間可同時容納80人、40組學生一起進行實驗。以往3間實驗室安排相同之實驗進度，進行相同的實驗。所有的藥品、器材含備品皆需準備約150組，不但佔用大量儲存空間，每週一需同時替換3間實驗室的藥品與器材，瞬時工作量極大。因此近十年來改為3間實驗室分別進行程度類似的3個不同的實驗，以3週為一循環，讓學生每週換實驗室上課。如此，每一實驗僅需準備一間實驗室50組的藥品與器材，大幅降低實驗藥品與器材庫存量及準備工作。

普化教學組歷年來經由申請教育部「教學改進計畫」及學校「邁頂計畫」與「高教深耕計畫」經費補助，逐年、逐間改善實驗室之各項環安衛設施，如更新排煙櫃、安裝冷氣空調與風扇、設置抽氣藥品櫃及抽氣廢液桶推車儲存區等（見圖2），讓學生化學實驗室得以符合毒化物操作場所設立標準，且更為安全與友善。

圖2：每一實驗室之排氣櫃（左）與抽氣廢液桶推車儲存區（右）

n  臺大普通化學實驗教學資源

一、普通化學實驗教材

（一）外系學生：《大學普通化學實驗》

臺大普化實驗使用自編教材《大學普通化學實驗》為課本，此書第一版始於1972年。歷經化學系多位師長，如彭旭明院士、方俊民、林英智、陳竹亭、鄭淑芬、蔡蘊明、劉春櫻、劉如熹、林萬寅、張煥宗教授等參與策劃修訂，不斷更新改版。1990年間，收集並參考了美國十數所大學的普化實驗手冊，選擇適合的實驗並經試做與調整實驗條件，開發了「從廢鋁罐製備明礬」、「碘鐘交響曲」、「碘鐘反應–積分作圖法與活化能之測定」、「微量鈷離子之定量」、「維生素C之定量」等經典實驗。2000年左右，在時任普化教學組召集人劉如熹教授之指導下，及配合陳竹亭教授的資優生化學營計畫期間參考美國化學會期刊《Journal
of Chemical Education》，陸續發展一系列新穎實驗，如「釔鋇銅氧高溫超導體」（She & Liu，2008）、「氧化釔銪螢光粉末」（佘瑞琳、劉如熹，2002）、「直接甲醇燃料電池」、「染料敏化太陽能電池」、「奈米金之合成與性質鑑定」（佘瑞琳等，2004）、「導電塑膠聚苯胺」（張芫睿、佘瑞琳，2019），「誰是口水王」（張馨云、佘瑞琳，2016）、「觸媒與催化效應」（趙益祥、佘瑞琳，2018）等。讓臺大的普化實驗朝向多元、微量、材料及統整型實驗發展（見圖3）。

《大學普通化學實驗》（臺大化學系，2013）目前出版至第15版（見圖4），共有21個實驗，17項實驗技能。內容涵蓋基礎化學、定性與定量分析化學、動力學、熱力學、電化學、有機化學及新穎材料化學實驗。由於普通化學實驗是學生進入大學的第一門化學實驗課，對於實驗操作、裝置架設並不熟悉，因此本書以實作示範照片搭配實驗步驟、全彩印刷方式呈現，幫助學生理解與學習。全學年普化實驗共安排約18個實驗，第一學期實驗以基礎實驗技能操作訓練及印證化學原理為主，第二學期實驗則以材料化學、統整型實驗為主。

（二）化學系：《化學實驗一暨實驗二》

本系陳竹亭與蔡蘊明教授為讓化學系學生了解：在研究室進行之實驗，是由合成到性質分析、鑑定一氣呵成的統整型實驗，著手規劃將化學系學生實驗由傳統的以普化、有機、分析、物化領域劃分實驗的學習模式，改為化學實驗一、二、三、四、五、六。將有機化學與分析化學實驗整併於二年級的化學實驗三與四中，並於2000年開始實施。關於此統整型實驗課程之施行成效，本系與臺灣師範大學邱美虹教授合作，執行了三年評鑑計畫。部分之評估成果，曾陸續於國際會議（Chen, H-J, et al.，2008）及《Journal of Chemical Education》發表（Chen, H-J, et al.，2013）。

化學系一年級學生使用《化學實驗一暨實驗二，第五版》（臺大化學系，2013）為課本，共有26個實驗。此書是以既有的普化實驗為主，再加入數個原安排於二年級之定量分析實驗與4個有機化學基礎技能實驗，讓學生提前於一年級先行學習操作。如此於大二修習化學實驗三、四時，可直接進入有機合成與分析等進階實驗。各實驗內容與對應之化學核心概念如表1、2所示。

（三）英語專班及國際學生：《Experiments in General Chemistry》

因應國際化聲浪與日益增加之國際生，本系於2009年出版自編英文版實驗課本，以此《Experiments in General Chemistry, 3rd Ed.》（National Taiwan University, 2013）作為國際生與實驗英語專班學生之實驗參考。在教育部推動全國大專院校全英語授課之趨勢下，英文版實驗課本的需求量日益增加。今（2024）年普化教學組已經完成第四版的初步修訂，預計9月出版，以呈現更完整且實用之英文版實驗內容。

表1第一學期實驗對應之化學核心內容與實驗技能

表2第二學期實驗對應之化學核心內容與實驗技能

＊化學系學生差異實驗。

二、普通化學實驗數位教學資源

（一）普通化學實驗中英文教學網

隨著數位教學及網際網路的興起，普化教學組製作一系列實驗數位教材建置於實驗教學網站，讓學生可以隨時預習與複習實驗，提升學習成效（見圖5）。網站除了公布例行之實驗進度與請假規定等，瀏覽人次最多的是下列3項。

圖5：臺大化學系普通化學實驗中、英文網站

1.基礎化學與有機化學實驗技能示範影片

普化教學組與教務處數位媒體組岳修平教授跨域合作，於2003年起以3年的時間陸續錄製一系列的化學實驗教學示範影片，分為基礎化學實驗技能、基礎有機化學實驗技能及完整實驗示範影片三大類，幫助學生學習正確的實驗操作。隨後並將這些實驗示範影片建置於普化實驗教學網（截至2024年2月已有107萬人次點閱），提供給學生及社會大眾隨時可參考使用。這幾年為提升實驗教學國際化，在蔡蘊明教授的協助校閱下，25支基礎化學與有機化學實驗技能示範影片均經編寫加上專業英文字幕，以增進國際生對實驗技能操作之理解。

2.實驗教學投影片

為了幫助學生了解各實驗裝置之架設與操作流程及讓20個實驗班之教學內容一致，普化教學組製作搭配實驗相片的中英文版教學投影片，作為助教講解實驗用。目前普化實驗教學網有37個中文實驗投影片，28個英文實驗投影片，其中也包含化學實驗安全講習、實驗數據處理與報告書寫、實驗技能彙整等內容。

3.精簡版實驗教材

臺大普化實驗教學網收錄了歷年來所研發的實驗教材，如溶解度法則、酸鹼指示劑、亨利定律常數之測定等等。藉由普化實驗教學網，將精簡版實驗教材提供給社會大眾參考使用，以推廣實驗教學成果（https://teaching.ch.ntu.edu.tw/gclab/lab-demo.html）。

（二）臺大NTUCOOL教學平台

臺大自2019年啟用了自開發的全校性影音教學平台NTUCOOL，提供給課程教師與學生使用。普化教學組運用此平台，將實驗之數位教學資源建置於各班課程平台，方便學生預習、複習，增進學生學習意願。也藉由此教學平台進行課程通知、線上測驗、問卷調查，繳交報告等，促進師生互動。

鑑於實驗教學經驗需要傳承，2018-2020年間，普化教學組錄製了一套「資深助教實驗講解示範影片」（未公開於普化實驗教學網）。這套影片是在實驗室現場收錄資深助教之實驗講解與示範，再經由教學設計師剪輯後製及資深講師校閱後完成（見圖6）。這套影片製作的目的是讓新進助教或助理助教可於課前瀏覽，觀摩資深助教之教學。此影片也放置於各實驗班的NTUCOOL課程平台，提供給修課學生預習參考。

圖6：資深助教/講師實驗講解示範影片

n  結語

一、普通化學實驗教學資源多元化

（一）由定性、定量分析實驗至統整型材料實驗

臺大普通化學實驗從三十年前比較偏向定性分析之實驗，逐步走向定量分析與儀器分析實驗。後續開發了一系列以合成新穎材料為主題的統整型實驗，如釔鋇銅氧高溫超導體、奈米金之合成與性質測定、導電塑膠聚苯胺等實驗。各實驗的反應條件也經由不斷地測試調整降低藥品用量、回收再利用等，以達到減量、減廢，永續發展的目標。

（二）由紙本文字至圖示、數位、多元教學資源

臺大普通化學實驗課本採文字搭配實物彩色相片之方式呈現，增進學生對實驗操作與儀器架設之理解。普化實驗教學組拍攝製作的各種實驗教學示範影片及中英文版投影片，讓實驗素材更為多元。普化實驗教學網之建置，不僅推動網際網路數位媒體教學，更將我們的實驗教學資源與成果推廣到全國甚至世界各地。

二、普通化學實驗師生結構與課程設計

（一）核心內容與基礎訓練

由於高等教育發展趨勢，各系紛紛調降基礎課程必修學分數以及早進入專業領域課程。許多學系陸續將普通化學與實驗改為不修或選修，或者將一學年課程改為一學期。因此近幾年普通化學實驗人數自以往的2500人漸減至約2000人，僅修一學期實驗的學生人數佔比提高至約3/4。因此我們需要調整課程設計，以將普通化學核心內容和重要之實驗技能訓練涵蓋於一學期的實驗課程中。

（二）延伸探究型實驗

值此教學走向自主學習、探究與實作之際，普化實驗教學需思考如何讓2000位背景不同、專業領域不同、學習程度不同的實驗學生，先建立紮實的實驗操作基礎、學習科學性報告之記錄、書寫及數據分析，再進而讓108課綱薰陶下的學生有更多的自主探究與自由度。這或許可在學年班的第二學期，於既有的實驗架構下，如電位滴定實驗或陽離子定性分析實驗，進行延伸探究。也可安排實驗成果分組報告，加強學生團體合作與表達能力。但這些教學設計均需要在現有的教學人力、實驗時間、學生人數間取得平衡。

（三）循序漸進之全英語授課

英文版實驗課本與實驗教學投影片，不僅幫助國際生的學習，這幾年普化教學組也開始在全學年化學主修科系的實驗班，如化學、化工、材料、農化等系以英文版投影片講解實驗課，讓學生逐步熟悉化學英文專有名詞。普化教學組於2020年起開設普化實驗英語專班，讓國際生及英文程度佳的學生在全英語環境中學習化學實驗。這二年由於本系新進姜昌明助理教授及林至闓專案助理教授的加入，普化教學組每學期開設2個實驗英語專班。由教學意見調查顯示：二位老師專業且親和的英語授課方式頗受學生之歡迎與好評，英語專班的修課人數也日益增加且接近滿班，讓學生更勇於嘗試修習全英語授課之專業課程。

（四）完整之實驗教學團隊

臺大是全國大專院校中化學實驗修課學生人數最多的學校，化學系負責全校化學實驗課程，需要完整且紮實的實驗教學團隊。需要技術人員負責準備龐大藥品與維護器材，需要具有教學熱忱與專業的第一線教學助教與助理助教，需要具專業研究領域的教師一同參與以帶領實驗教學持續發展。另外，也需要穩定足夠的經費支助，以維持實驗教學品質、維護學生實驗之環安衛環境，如此學生化學實驗教學才能安全、穩定發展，吸引學生之學習。

全國大專院校各校的師生結構不同、教學環境不同，化學實驗教學的規劃安排與重點各異。相同的是有一群熱忱的教學人員默默的投入實驗教學，為培育全國大專生基礎化學科學素養努力著。僅以此文感謝大家的付出。

n  參考文獻

佘瑞琳*，張英德，張煥宗，陳竹亭（2004）。金奈米粒子之合成及鑑定－統整型化學實驗實例。化學，62，563~568。

佘瑞琳*，劉如熹（2002）。適用於普通化學實驗之材料化學實驗－Y₂O₃：Eu³⁺螢光粉末之製備。化學，60，273~279。 

張芫睿、佘瑞琳*（2019）。導電塑膠聚苯胺的製備和測試。台灣化學教育，31。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=34127

張馨云、佘瑞琳*（2016）。微量化學實驗：誰是口水王—酸鹼性和溫度對澱粉酶催化效率之影響。臺灣化學教育，14。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=17345

趙益祥、佘瑞琳*（2018）。觸媒對過氧化氫分解反應之影響。台灣化學教育，23。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=26406

臺大化學系（2013）。大學普通化學實驗，第十五版。臺北市：臺灣大學。

臺大化學系（2013）。大學化學實驗一暨實驗二，第五版。臺北市：臺灣大學。

Department of Chemistry (2013). Experiments in General Chemistry, 3rd Ed. Taipei: National Taiwan University.

She,J.-L., & Liu, R.-S.* (2008). A simplified synthetic experiment of YBa₂Cu₃O_7-x superconductor for first-year chemistry laboratory. Journal of Chemical Education, 85(6), 825-826.

Chen,H-J*, Chiu, M-H, She, J-L, & Tsai, Y-M (2008), Using on-site assessment to evaluate student performance in an integrated chemistry laboratory program, 20th Biennial Conference on Chemical Education (BCCE), July 27-31, 2008, Indiana, U.S.A.

Chen, H.-J., She, J.-L.*, Chou, C.-C., Tsai, Y.-M., & Chiu, M.-H.* (2013) Development and application of a scoring rubric for evaluating students’ experimental skills in organic chemistry: an instructional guide for teaching assistants. Journal of Chemical Education, 90 (10), 1296-1302.

n  致謝

感謝教育部科技顧問室長期以來推動「提升實驗教學品質計畫」，及近十餘年來之「邁頂計畫」、「高教深耕計畫」等，給予臺大普通化學實驗之經費支持與肯定。感謝化學系歷年來師長及助教們對實驗教學投入之熱忱與心力。

《臺灣化學教育》慶祝十週年專刊：

2014-2024年化學實驗文章投稿經驗之回顧與展望

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  前言

   《臺灣化學教育電子期刊》（以下簡稱CET）從2014年創刊起，迄今已滿十年了，在創辦人邱美虹教授的建議下，希望筆者對過去十年來實驗（含影片）文章的撰寫內容做一個回顧，這樣的邀約對個人而言是莫大的肯定，也讓筆者有一個重新審視、梳理過去實驗內容轉折、文字發展脈絡的機會；就投稿發表而言，筆者撰文早期多發表臺灣科學教育館的科學研習月刊與臺大高瞻平台上，研習月刊停刊後，實驗文字創作幾乎都發表在CET上。就寫作的內容來看，在2010至2015年前後，多以講究驚奇、吸睛效果的演示實驗為主，並將這些趣味的演示實驗透過化學學科中心的協助，走出教室開發成遊戲化的化學闖關活動–化學宅急便。2014年後，智慧型手機風行，筆者運用環物虛擬實境技術（virtual reality），開發3D分子撲克牌讓各種官能基的有機分子能出現手機裡，並讓使用者可以手指觸控螢幕自由翻轉分子，接續又研發寓教於樂的官能基爬爬樂桌遊，進而配合行動學習的熱潮，發展成3D分子撲克牌App。2017年起，臺灣颳起Maker創客風，化學學科中心辦理雷射切割、3D列印的新科技研習，鼓勵教師自行開發實驗教具，搭配國內外綠色化學浪潮，筆者利用學校購置的雷射切割器，投入微型實驗教具開發的工作，研發了電化學相關的教具，比如平面微型電化學電池、霍夫曼微型電解水模組的設計、微型電熱式蒸餾器的設計與製作等，同時充分運用自製教具，除了在規劃成化學闖關活動外，更發展成多元的探究課程，像微型電熱式蒸餾器就可應用在肉桂精油的純化上，進而開發出特色課程–跨領域的台灣土肉桂探究之旅。近年來，因應108課綱探究與實作課程的發展中，鼓勵教師善用資訊科技，比如手機、可程式感測器或儀器，融入化學科課程的開發，指導學生進行化學探索；筆者順著潮流，開始接觸可應用於化學實驗教學的數位工具，發表了數篇類似文章，比如：利用智慧型手機結合App探究化學平衡移動、以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程等文章。

   以下茲就筆者撰文，或親向身邊好友邀稿的部分，配合各時期的發展與轉折契機重要的文章，分述如下。

n  演示實驗文章寫作的推手

    話從2011年說起，在國立彰化師大楊水平教授的指導下，開始撰寫化學示範實驗的文章，投稿在臺灣科學教育館的科學研習月刊，以及當時的臺大高瞻平台，也就是今天的「科學Online–高瞻自然科學教學資源平台」，其中最具人氣的實驗文章包括：竹筒炮的製作（How to Make a Bamboo Cannon）、用固態燃料錠演示焰色試驗（Flame Test using Solid Fuel Tablets）、吹不熄蠟燭的製作（How
to Make Magic Relighting Candles）、化學教室活動：利用化學平板探索電解（Exploring Electrolysis using ChemPad）、開幕典禮中演示大型化學平板（A
Big ChemPad Demonstration in the Opening Ceremony）、化學教室活動：製作磁性異形（How to Make Magnetic Alien）等文章，這一類文章的特色就是講求演示的聲、光、顏色，及令人感到驚奇的效果，統一的格式是提供另類的實驗教具的製作方法、實驗溶液的配置及準備、實驗演示的方式與教學指引、原理與概念，以及安全提醒及注意事項，並搭配實作的教學影片，讓中小的教師們有一個較清晰的參考作法。以上述的磁力異形為例，在製作史萊姆與QQ球的基礎上，改變配方，將透明膠水（含聚乙烯醇，polyvinyl alcohol, PVA）換成白膠（含聚醋酸乙烯酯，polyvinyl acetate, PVAc），並添加氧化鐵黑(ferric oxide black)粉末取代細鐵粉，搓揉並混合均勻，形成磁性橡皮泥。此橡皮泥能被強力磁鐵吸引，操控性能極佳，伸展活靈活現，模樣猶如外星生物（廖旭茂，2013）。。因操作簡單，使用容易取得的藥品，因此在國中、小學的自然課，或安親班的實作課程都頗有人氣。圖1為磁力異形演示畫面。

圖1：磁力異形演示（選用照片為作者自行拍攝）

水平教授對化學演示實驗的熱情與投入，文章內容準確度的堅持，以及嚴謹細緻的寫作風格，都帶給我輩正面積極的影響，可算是良師、益友。

n  華麗實驗的衝擊與轉型契機

     2013年末後，一個因緣際會，投稿在科學研習月刊上的一篇文章：家庭化學實驗–行動電化學蝕刻，經過個平台轉載分享，幾天內即有數萬人觀看，並有大量網友留言回饋；該文章主旨是在不使用強酸、強鹼的條件下，以少量食鹽水沾濕的棉花棒，透過USB行動電源，在家庭裡即可在不鏽鋼的表面上產生電化學蝕刻反應，造成類似印章陰刻的效果，相關行動電化學蝕刻裝置見圖2（廖旭茂，2013）；後來筆者再進行改良精進，將棉花棒換成石墨塊作為陰極蝕刻台，方便在金屬書籤平面、或不鏽鋼保溫瓶的曲面上進行蝕刻，留下專屬的LOGO（廖旭茂、黃維靜，2014），此項教具不僅透過化學學科中心在全國北、中、南、東各社群上辦理工作坊，更曾經遠赴重洋，2015年在東京舉行的亞洲化學教育研討會（^5thNICE）上分享，獲得很多的認可與好評。網路的迴響，與實體的回饋證明一個化學實驗的新時代的來臨–標識著減量、低毒的綠色化學已經悄然降臨。2014年下半年起，環保署與教育部聯手，開始委託工業研究院辦理高中職綠色化學創意競賽，更讓部分高中職教師們的實驗開發的走向更為明確。因此過往為強調聲光效果，使用過量、毒性高、難處理的化合物的實驗，慢慢的淡出課程的實作清單；實驗內容除原來的生活化不變外，走向少量甚至微型化實驗，以大幅降低廢棄物的排放，漸漸成為共識。

圖2：行動電化學蝕刻裝置圖

圖片來源：廖旭茂（2013）。家庭化學實驗：行動電化學蝕刻。科學研習月刊， 52， 11， 18。網址https://www.ntsec.gov.tw/article/FileAtt.ashx?id=7137

n  萬眾注目平台的登場

    在美虹教授的號昭與奔走下，2014年5月台灣化學教育期刊正式創刊，筆者擔任實驗含影片編輯，開始向外邀請高中教師投稿；創刊初期的資源欠缺，文章都屬於義務投稿，因此都是透過個人交情，鼓吹自己身邊的好同事或化學學科中心的好朋友來投稿，比如第三期刊出的文章–人像藍印術（陳孟男，2014）、第五期刊出的文章–趣味化學玩具：神奇鐵磁流體的玩法與合成（黃蕙君、邱姿蓉，2015）、第七期刊出的文章–淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應（王瓊蘭，2015），這些文章以淌血的心一文最受到閱眾的喜愛，迄撰稿日2/13止，已經超過八萬人拜讀過，當然這也是筆者認為最具創意、巧思的實驗文章。該文作者王瓊蘭老師利用一根迴紋針，將其彎折成愛心形狀，隨後置入盛有硫氰化鉀KSCN與鹽酸HCl溶液的透明杯中，接著再滴入一滴濃雙氧水，彎折處因發生氧化反應而釋出的微量鐵離子Fe³⁺隨即與SCN^–化合成成血紅色的硫氰化鐵離子FeSCN²⁺，構成一幅淌血的畫面；文章最妙的地方是運用高中所學錯合反應的知識，介紹如何演示紫心、藍心、黃心的做法，內容相當精采，有興趣的讀者可以進入網站，再次欣賞這篇文章。除了文章審稿外，筆者也協助實驗過程影片拍攝；如期出刊的壓力與信念，成了個人實驗創新與文章寫作的動力來源。筆者取材於生活，指導學生探究購物發票使用的感熱紙材料的進行，進而發表了感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗（廖旭茂、黃家均、林群耀、廖心妍，2016）；同時透過大量閱讀嘗試取材各類型的演示實驗書本與網路素材，比如威斯康辛大學Shakhashiri教授的大作Chemical
Demonstrations，從1983年到2011年間，前後共發行5冊，堪稱演示實驗的聖經，目前在YT平台的化學實驗影片很多也取材於這些著作。筆者在CET的文章，發表了幾篇參酌Chemical Demonstrations內容，自行進行藥品、器材的修改後試作、撰文、拍片投稿的文章，比如探究「紅綠燈」示範實驗的多彩顏色一文，紅綠燈實驗是國、高中生最喜愛的演示實驗之一，同時也是科學展覽比賽學生最常探究的主題之一；其中所用的靛胭脂指示劑，是一種酸鹼指示劑，同時也是一種氧化還原指示劑，在氫氧化鈉存在的鹼性環境中，加入葡糖糖等還原醣後，會因電子得失多寡，產生兩階段變色：先變紅色，再轉為黃色。因此在不同酸鹼、氧化還原環境中，可交織成多彩顏色的變化（廖旭茂、陳嬿竹、羅珮綺、林芳瑜，2015）。此外，還有螺旋狀旋光彩虹管教具設計（廖旭茂、林宸緯，2016）、亞甲藍的光致變色（廖旭茂，2016）、黑白記憶：銀鹽相紙的製作與沖印（廖旭茂，2017）三篇文章，這些富色彩、光影變化，帶來視覺衝擊的文章，頗受讀者歡迎，也都成了該時期的熱門文章。圖3為熱門實驗文章瀏覽人次的統計圖。從統計數字上發現，常見的熱門通俗課題，加上易取得的藥品、器材，可以帶領學生一起實作，共同完成作品的話，往往會有較高的瀏覽人次，比如黑白記憶：銀鹽相紙的製作與沖印一文，文中使用硝酸銀、氯化鈉、圖畫紙自行製作感光銀鹽相紙，利用雷射印表機輸出底片，經紫外光燈或白光Led燈曝光後，以海波溶液（硫代硫酸鈉，Na₂S₂O₃）溶解未曝光的氯化銀AgCl，進行定影，最後

相紙以大量清水水洗，陰乾即可得到黑白照片（廖旭茂，2017），該文章迄今已有8萬多人次瀏覽。反之，如果是艱澀難懂、難以理解或不易向學生解釋的主題時，縱使有很炫目的效果，但瀏覽人次會受到壓抑，以螺旋狀旋光彩虹管這篇文章最為明顯，因文章涉及旋光、散射等高中物理、化學偏難的原理，因此來信徵詢、討教做法的閱眾以大學生或碩班的研究生居多，瀏覽人次僅16000多人次，這點也可以推論CET的閱眾中，應該有相當高比例的國中和國小教師。

圖3：熱門文章瀏覽人次統計圖

n  微型實驗教具的開發與綠色化學課程的開發

   2016年起，Maker創客自造風氣興起，臺大應力研究所的江宏仁教授率風氣之先，在臉書成立科學Maker，透過自由贊助，分享自製的各式手機顯微鏡、光譜儀及科學實驗儀器，推廣科普教育，在中、小學科學教師的眼中是屬於最高級別的大神；化學學科中心有感於此，特地至江教授的Scifab工坊參觀，並邀請江教授至學科中心辦理實作工作坊；2017年又接續辦理雷射切割、3D列印，Arduino程式板結合感測器在化學課程的開發的研習營，鼓勵教師應用ICT投入化學實驗課程開發。

   搭配國內外綠色化學浪潮，筆者投入微型實驗教具開發的工作。首先針對電化學實驗教具進行設計與改良，使用壓克力的取代了易碎的玻璃；取消大體積燒杯、U形管的使用，透過雷射切割器，製作更微型、堅固，方便攜帶的教具；實驗減量、減廢後，不僅可減輕環境負擔外，更大大提高了學生實驗的安全性；採用模組化的設計，也減輕了化學教師實驗準備與善後的工作；教具模組完成開發後，著手編寫探索化學AP課程，在高二選修課中試行；同時透過化學學科中心辦理種子老師實作工作坊，進行課程分享，並從老師的回饋意見中做滾動式修正；最後撰寫文章，投稿CET分享給全國中小學科學教師。最近幾年來，總共發表了數篇類似的文章，比如綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組一文，文中開發的電化學電池模組，將電化學電池平面化，使用濾紙取代U形管，僅使用數滴的溶液即可進行化學能轉變成電能實驗，透過串聯更能點亮Led燈；將電化學電池微型化，可以大幅減少有毒重金屬鹽類的使用，以及有毒廢液的排放（廖旭茂，2018）。另一篇文章–霍夫曼微型電解水模組的設計，介紹的是微型電解水器的設計，以壓克力取代傳統易碎的玻璃材質，減少98%電解液的使用與廢液排放；利用塑膠針筒收集陰、陽極的氣體產物；以鎳鈦合金取代價格昂貴的白金電極，讓更多的學生可以實際動手做電解水實驗（廖旭茂，2019）。另一項創作是微型電熱式蒸餾器的設計與製作，內文首先介紹蒸餾器的微型化設計，以20毫升樣本瓶取代傳統的圓底燒瓶，作為待蒸餾物的盛裝；應用雷射切割技術，製作支撐架；利用纏繞的電熱帶，搭配變壓器加熱，維持穩定熱源，取代昂貴的電熱包；利用珍珠奶茶吸管製作的冷凝管，取代原本笨重、昂貴的李必氏冷凝管，加上USB沉水小馬達循環冷卻，達成節水的目標。其中最大亮點是改良式的冷凝管，它分內、外管，内管是自行彎折的細玻璃管，是熱蒸氣的通道，而外管是珍珠奶茶吸管，是冷卻水的通道，由一個小馬達推動整個循環冷卻水流，整個系統是環保又節能的（廖旭茂，2020），有興趣的讀者可以上CET網站再次研讀。微型蒸餾器的出現，讓學生可以有親自接觸蒸餾實驗的機會，而不只是眼巴巴的看著老師在遙遠的講

 台前演示，該文目前已有超過10000人次瀏覽過。圖4為該實驗的微型蒸餾器外觀。

圖4：微型電熱式蒸餾器的裝置外觀

圖片來源：廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。臺灣化學教育，40。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

    微型蒸餾器可用於紅酒的蒸餾，除了比較蒸餾前後溶液的顏色外，易可藉由曲折度計的測量，測量蒸餾液中酒精的濃度。筆者後來與校內生物科老師合作開發探究與實作課程，利用微型蒸餾器進行台灣土肉桂精油的純化、提取，並針對精油的成分以薄層層析法分離、鑑定肉桂醛的存在與相關化學性質檢測，並撰寫成文章。該文章更為熱門，迄今有超過16000人次瀏覽（廖旭茂、陳許玉鈴，2021）。

n  定量化學的來臨–感測器的發展

   因應108課綱中探究與實作課程的發展，數位資訊科技ICT融入學科教學的聲浪再次響起；筆者早期曾接觸Vernier商用的數位感測器平台，最先開始只是指導學生做專題與科展，慢慢地再發展為選修課的AP課程；在化學探究上，使用化學感測器首重在科學數據的收集、整理、歸納，並透過圖表呈現出有意義的結果來；

   借助科技，進行數位化科學實驗，主要分為智慧型手機、結合Arduino的可程式感測器，以及商用數位感測器三大類；對化學科而言，智慧型手機是成本最便宜的，與化學相關的有氣壓、光照度與鏡頭內建的色彩感測器可用來進行科學探究，筆者曾發表利用智慧型手機結合App探究化學平衡移動一文，就是在介紹利用手機的鏡頭結合RGB色碼App，數據化紀錄氯化亞鈷在不同氯離子濃度與不同溫度下，化學反應過程中色彩元素RGB值的變化，藉此來判斷化學平衡的移動（廖旭茂，2020）。

   與Arduino結合的感測器，這幾年來資訊教育普及，編碼(Coding)風氣在校園中越來越火熱；加上大量網路社群分享、流通的資源，低廉的價格，使得中小學科展上使用可程式感測器得獎的作品也越來越多。目前化學教育相關的感測器大致可分為於氣體感測（包括氣壓感測、二氧化碳感測、氧氣感測，以及酒精感測等）、水溶液的感測器（包括pH計、ORP meter、導電度計、TDS計、濁度計、溶氧計等）、光感測器（照度、紫外光等）、電感測器（電壓、電流）等。這方面學生從小學過，學習上比老師更容易上手。

   筆者曾指導學生，結合Arduino自製感測器進行化學探究與實作，並撰文投稿過文章，比如近期投稿的一篇文章：以氧化還原電位計ORP meter探究BR振盪反應的過程，該文章嘗試以常見的氧化還原電位感測器（Oxidation reduction potential, 簡稱ORP），取代光電比色計，調查不同反應物濃度（如丙二酸、雙氧水等）、澱粉存在與否、溫度等條件下，氧化還原電位的變化。過程中結合Arduino程式板，完整紀錄振盪過程氧化還原的變化（廖旭茂、施上芸、李忻慈、陳冠愷，2023）。圖5為可程式氧化還原電位計監測振盪反應電位變化裝置圖。

圖5：Arduino結合ORP meter監測振盪反應裝置圖

圖片來源：廖旭茂、施上芸、李忻慈、陳冠愷（2023）。以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程。臺灣化學教育，54。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=43764

n  結語    

   現在的自己心力往兩個方向前進，一是自製教具，這原本的初衷是想幫助自己的學生能夠有更高的學習動機，更多的動手機會，然後不自覺地愛上化學。後來深陷其中，難以自拔的不是學生，反而是自己。當然這跟分享有關，當個教學點子Giver，有時候是很幸福的，因為受眾會給你掌聲、鼓勵；分享產生了正向的回饋與循環，分享的力量很難以估量。但分享這部分並非海闊天空，一路順暢，從每次這些自製新教具的文章公布後，私底下常會有老師在詢問取得教具的方式。因為縱使我在研習場地分享了「How to do」，但製作方法通常需要繪圖軟體的設計、雷射切割機的操作，以及機械工具、電子元件的使用，種種因素大幅限縮了中小學科學教師進行參考製作的可能性。當下只能不斷地跟熱情的老師們致歉，實在因個人能力、時間、資源有限啊！因此如何推廣的這事件近幾年來一直困擾著我，誠心建議理化老師可與校內生活科技科老師合作，只要有心相信問題一定可以慢慢克服的。

    另一個方向是感測器的使用，商用感測器於探索化學教學課程的開發，也越來越普遍，不過單價過高，非大部分學校可以負擔；但親切的介面，及時圖形化的呈現實驗結果，以及先進高速的數據處理，對融入課程上更直接、容易，直接免去了寫程式方面的負擔說，實在的化學教師也沒必要人人會寫程式。數位化這樣的訓練應該及早落實，不僅可以帶領高中學生從定性的觀察，進入定量測量與科學分析的嶄新階段，更可提升學生面對切身相關的生活議題，如食安問題，能有正確科學素養，來判斷媒體訊息的真偽。因此以過來人的身分建議，在下一次課綱改革時，直接將數位感測器直接列入設備標準，自然科物理、化學、生物、地科四科共用使用相同的數據收集平台，由教育部或各地方集體採購，自然壓低降格，預估花個幾十億，就可以將全國高中的科學實驗，全面升級，一次到位。比其經費分散，扔到地方各校，噗通一聲，來得好啊。一切成事在人，衷心期待這一天的到來。

    當個不安的化學教師，回顧十幾年實驗開發的路，唯一不變的是行進的軌跡一直在變；每次出國參加研討會看到好的教學創意、或在paper上讀到新的實驗創新時，總迫不及待想回實驗室試看看；看多、試多了，有一陣子，腦海裡總會不時迸出靈感來，建議年輕的老師目光暫時離開手邊的那本講義，投入「試試看」的領域；多逛五金行，手變巧了，腦思路撬開來了，有天也可享受點子像豆芽菜爭相冒出土的快感。

    面對快速變化的時代，改變不是壞事，勇於嘗試，讓學生看看老師也是跟得上潮流的狠角色，與大家共勉。

n  特別致謝

    感謝這十年來，邱美虹教授的提攜與鼓勵；感謝楊水平教授在發展過程提供的寶貴意見與指導；感謝化學學科中心一直提供相關支援；感謝學校的行政協助建構一流的實驗空間並提供豐沛的資源，讓我可以走到今天；感謝身邊好朋友，一起前行，共同開創一片天空。

n  參考文獻

王瓊蘭（2015）。淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應。臺灣化學教育，7。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=7309

陳孟男（2014）。人像藍印術。臺灣化學教育，3。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2830

黃蕙君、邱姿蓉（2015）。趣味化學玩具：神奇鐵磁流體的玩法與合成。臺灣化學教育，5。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=4118

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廖旭茂（2013）。家庭化學實驗：行動電化學蝕刻。科學研習月刊， 52，
11，16-19。網址https://www.ntsec.gov.tw/article/FileAtt.ashx?id=7137

廖旭茂、黃維靜（2014）。行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作。臺灣化學教育，2。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174

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廖旭茂、林宸緯（2016）。螺旋狀旋光彩虹管教具設計。臺灣化學教育，12。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=14964

廖旭茂、黃家均、林群耀、廖心妍（2016）。感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗。臺灣化學教育，13。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=16264

廖旭茂（2016）。亞甲藍的光致變色。臺灣化學教育，16。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=21492

廖旭茂（2017）。黑白與記憶：銀鹽相紙的製作與沖印。臺灣化學教育，18。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=22162

廖旭茂（2017）。當藝術遇見化學：用化學蝕刻製作銅板作品。臺灣化學教育，22。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=26185

廖旭茂（2018）。綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組。臺灣化學教育，28。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=31224

廖旭茂（2019）。兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用。臺灣化學教育，32。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=34798

廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。臺灣化學教育，40。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

廖旭茂、陳許玉鈴（2021）。跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇。臺灣化學教育，41。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=40042

廖旭茂（2020）。利用智慧型手機結合App探究化學平衡移動。臺灣化學教育，37。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=37556

廖旭茂、施上芸、李忻慈、陳冠愷（2023）。以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程。臺灣化學教育，54。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=43764 

《臺灣化學教育》慶祝十週年專刊：

利用3D列印並配重的原子模型製作方法

周欣誼¹、周佳誼¹、周金城^2*

1國立中科實驗高級中學

2國立臺北教育大學自然科學教育系

*[email protected]

n  前言

2019年，為了慶祝門德列夫的元素週期表提出150周年，國際化學界定為化學週期表年，臺灣也不例外，舉辦了一系列紀念活動，包括影片放映、國際研討會、特展和科普活動等。這些活動為公眾提供了一窗口，以多元化的方式了解生活中的化學元素。我們有幸參觀了在邱美虹教授在國立臺灣科學教育館策展的元素週期表特展，其內容包含元素方塊週期表、光雕投影、化學元素大事記、化學元素海報、視障者點字元素週期表、女性科學家與週期表、稀缺元素週期表、中學生眼中的週期表、元素文學小品、元素郵票展、擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)等(邱美虹，2019)。

根據108課綱國中自然科學課程關於元素週期表課程要教的內容，其中一項「CAa-Vc-3元素依原子序大小順序，有規律的排列在週期表上。」週期表上的元素體積變化排列規律是由左至右變小，由上至下變大，重量的規律性隨原子序增加而重量增加。這些內容在課堂上，大多是透過老師講述以及書面表格建立這些概念，但不是實際透過觸覺感來學習。在士林國立臺灣科學教育館參觀的國際化學週期表年特展中，雖然展示內容豐富有趣，卻缺少了可供觸摸的實體原子模型，這激發了我們創造可觸摸的實體模型的想法。

我們上網查詢資料，看到日本東京學藝大學的鐮田正裕教授及其學生曾經使用保麗龍球和鉛塊作為原子模型，這樣學生就能親手感受到原子的大小與重量差異(野口卓也、鎌田正裕，2012)。這個方法很有創意，但我們在嘗試製作時發現，按比例製作出各種尺寸的保麗龍球並不容易，從保麗龍塊切割出完美的球體更是一項挑戰，且要大量複製這樣的模型幾乎是不可能的。因此，我們轉而探索使用3D列印技術製作原子模型的可能性，期望透過學校現有的設備來製造出週期表上各種原子的模型，讓各校都能自製原子模型。

隨著3D列印技術的普及和成熟，越來越多學校配備了3D列印機。這激發了我們的想法，即利用3D列印技術來製作原子模型。這樣，我們就能按照所需的不同比例精確列印出模型。我們選擇了Thinkercad，這是一款操作簡便、可在網頁瀏覽器中運行的免費3D建模軟體。在收集到所有必要的資料並確認可以使用3D繪圖軟體和3D列印機後，我們開始了繪製和列印原子模型的過程。起初，我們認為這將是一項耗時但相對簡單的任務，但後來我們發現，這其實是一項既複雜又耗時的研究工作。儘管如此，我們最終還是克服了這一挑戰，成功製作出不同的大小與重量的3D原子模型。

n  說明3D列印並配重的原子模型流程

一、   設定3D列印的原子大小與配重的挑戰

在進行模型印製的規劃階段，我們的核心目標是製作出一套模型，大小適合放置於學生的課桌上，方便展示和觀察，考慮到教學使用學生桌面的空間限制，模型的尺寸不宜過大。不同原子大小。有關原子大小，我們查閱有發現一些期刊文獻提到，原子大小可通過計算電子雲密度得到，但我們最後大學無機化學教科書中列出的原子共價半徑數值(Miessleret al., 2014)，作為原子模型大小參考數據，來製作中學課本常見的原子序1至36的原子模型。

在進行多次不同尺寸的列印與配重實驗後，我們發現了一些關鍵的問題和解決策略。當原子模型設定過小時，像是氫和氦的模型直徑小於一公分，這樣的尺寸不僅難以觀察，而且由於重量過輕，也無法有效地感受到氫和氦之間的重量差異。此外，按比例換算時，我們還遇到了另一個挑戰，即當某些原子模型的直徑在2至3公分左右時，要在其中填充達50克的鋼珠實際上是不可能的。

因此，我們對原子模型的最小尺寸設定做了調整，決定將氫的直徑定為1公分（見表1）。這樣一來，氫和氦的模型大小與彈珠相近，更易於觀察和比較。我們沒有進一步增大氫的模型尺寸是因為，若將氫的直徑設定為1.5公分，根據共價半徑的比例，鉀的模型直徑將達到約9.5公分，這甚至超過了棒球的大小（棒球直徑約為7.5公分）。如此大的模型不僅會占用過多空間，而且整套原子模型的總重量將非常沉重，這對於老師在教室中的攜帶和教學將極為不便。

表1 設定原子序1-36的原子列印出的大小與重量

若原子設定的太大與太小，會在一系列的原子製作中遇到一些配重的困難，例如有的原子3D列印出來的外殼，尚未加鋼珠配重就已經超出所需的重量，又或是要加入配重的鋼珠需要很重，超出球殼能放進的鋼珠數量，所以無法全部放入3D列印的球殼中，若要解決這個問題尚需要密度比鐵更大金屬來配重才行。由於本文是想介紹較容易實際可製作的方法，因此只採用各種尺寸的鋼珠來配重，讀者若容易取得比鋼珠密度大的物質來配重，例如鉛塊，都是再自行嘗試看看。

我們原子的半徑與重量仍是用不同的放大比例(如表2)，我們無法採用實際原子體積與重量等比例放大的方式來製作原子模型，因為以相同的比例放大，兩者的相同比例放大差異太大了，無法製作。

表2  完成的原子模型與實際的原子大小與重量比較表

二、       3D建模方式介紹

確認原子模型製作的大小後，我們利用Thinkercad免費3D繪圖軟體來建模(圖1)，在網頁中即可運行，操作算是容易，讀者可以上網查詢Thinkercad並申請自己的帳號。  

圖1 使用Thinkercad軟體來建立3D原子模型

我們簡單說明3D原子模型繪圖與製作過程如下：

附件有原子序1至36的3D原子模型列印檔，也可以使用Thinkercad登入帳號後匯入系統開啟與修改。讀者也可以使用windows系統中的Microsoft Store上的小畫家3D來開啟觀看。

三、       3D列印方式介紹

我們採用了免費的Thinkercad 3D繪圖軟體進行原子模型的建模，這款軟體能夠在網頁中運行，使用上相對容易。然而，剛開始時，繪製並列印的過程經常出現失敗，常常列印出來的原子模型有破洞等問題。經過多次的測試和調整原子模型殼層厚度後，我們終於成功建立了完整的原子序1至36的3D原子模型列印檔案。

最初，我們嘗試列印出兩個空心半圓形的原子模型(圖2)，希望通過將兩個半圓黏合起來製作出一個球形的原子模型。但實際列印並嘗試黏合後，我們發現兩個半圓的接觸面積太小，導致黏合不牢固，兩個半球容易脫開，這種方法被證明是不可行的。我們也曾嘗試將半球內部填滿黏膠來增強黏合，但這種方法由於黏膠本身也有重量，而且在放入配重鐵球後，需要加入的黏膠重量難以精確計算，這最終導致配重不準確，同樣以失敗告終。

圖2 在碗狀模型不易年和牢固                   圖3 在碗狀模型加上一個環增加黏合面積

為了解決這些問題，我們對兩個半球的設計進行了改進，增加了一個內環結構(圖3)，使得黏合時兩個半球之間的接觸面積變大，從而提高了黏合的牢固度。這種設計改進後，所需的黏膠量較少，對整體重量的影響也很小。在進行列印前，我們使用3D列印機上的軟體再次檢視和預覽原子模型設定(圖4)，以確保建模成功，無任何問題後才輸出檔案進行3D列印(圖5)。

圖4 將繪製好的原子模型檔案在Kingssel 3DP工作平台上

圖5 透過3D列印機列印原子模型(3D列印機型號是Kingssel
1820)

四、原子模型內部的配重

在原子模型外殼列印完成之後，下一步是進行配重工作。我們這一批原子模型中，直徑最大的接近4公分，需配重的最重可達50多公克。因此，選擇填充物時需考慮到重量，我們認為球形的金屬球作為填充物最為適宜。經過在網路上的搜尋，我們發現鋼珠、銅球是相對普遍的選項，其中鋼珠的尺寸種類最多，且價格相對便宜且易於取得。我們找到的鋼珠直徑在3公分及以下的就有13種不同尺寸可供選擇（圖6），表3為鋼珠的尺寸及重量，因此決定使用小鋼珠作為填充物。透過網路購買很方便，我們獲取了多種不同尺寸的鋼珠，能滿足不同重量需求的原子模型配重(圖7)。但後續進行配重時，發現氦中原子模型的空間無法塞入3.53克的鋼珠，但考量要再調整與列印不容易，所以直接取規格七的鋼珠當作氦原子。剛好規格七的鋼珠大小與重量與我們預設氦原子的重量與大小都很接近，所以解決的我們的難題。但由於3D列印的原子模型都是使用PLA的白色線材列印，但鋼珠不是白色的，所以在鋼珠外層使用立可白塗上白色的顏料，這樣整體原子模型看起來就相當一致了。

圖6  不同尺寸的鋼珠

表3 鋼珠的尺寸及重量如下

註：測量鋼珠的尺寸與重量方式是取十顆相同規格的鋼珠，測量尺寸和重量再計算平均值。

圖7 利用電子秤與鋼珠進行原子配重

五、兩個半圓球原子模型的黏合

在進行原子模型配重和黏合的過程中，選擇適合的黏著劑顯得尤為重要。我們首先嘗試使用三秒膠來黏合模型的兩個半球殼，但發現在將乾燥後的模型往地上丟幾次後，模型容易裂開，顯示三秒膠的黏合效果並不理想。接著，我們嘗試使用熱熔膠，但發現熱熔膠在黏合時對已經秤重的原子模型重量有較大的影響，而且黏合力也不夠強。因此，我們轉而使用AB膠。經過測試，即便是將乾燥後的模型往地上丟幾次，模型也不會裂開，證明了AB膠具有較佳的黏合效果。為了確認AB膠固化前後對模型重量的影響，我們進行了一項小測試，結果顯示使用AB膠作為黏著劑(圖8)，在乾燥前後對模型整體重量的差異非常小（表4）。此外，AB膠黏合前的可調整時間允許我們對鋼珠進行精確的配重調整，從而達到更精準的配重結果。

表4  AB膠乾燥前後重量比較

圖8 使用AB膠作為黏著劑

六、製作完成的原子模型成品

我們將序數1至36的原子模型放置於一張大型週期表上，讓人一眼就能看出它們的實際大小差異。如果目的僅是觀察這些大小差異，繪製圖片就已足夠，無需進行實體列印。然而，透過3D列印並精確配重的原子模型，不僅可以視覺上辨識出大小的不同，還能透過手感體驗到重量的明顯差異(圖9)。

圖9 將原子列在大型的週期表海報上

為了方便收納，我們在網路上尋找了眾多收納盒賣家，最終找到了一款大小合適的收納盒。這款收納盒能夠按照元素週期表的排列順序，將原子序1至36的原子模型有序地排列其中（圖10）。此外，我們還在收納盒內部貼上了標籤，清晰標示每個原子模型對應的元素，以便於識別(圖11)。

圖10 依照元素週期表上的排法，將36個原子模型依序排列在收納盒中

圖11 每個格子底部及側邊都貼有元素的基本資料

n  結語

本文透過3D列印技術，把教科書上抽象的原子概念轉變為可見、可觸摸的立體模型。這種創新的教學方法不僅讓學生能直觀感受到週期表中各原子的相對大小與質量差異，還進一步加深了他們對化學元素特性的理解及記憶。學生們能夠通過觸摸，學習並理解週期表上元素的大小及質量變化規律。實際操作這套模型的學生反映：「原來同一周期的原子，看起來更大的，拿起來卻比較輕，真是太特別了。」這顯示出，透過直接的觸感體驗，學生的學習印象能被顯著加深。最後，我們把繪製的3D列印原子模型檔案也放於附件提供大家下載，方便感興趣的學校自行列印製作，這樣就能讓更多的學生有機會以這種獨特的方式學習。

n  致謝

本研究曾參與109學年度臺中市中小學科學展覽會化學科國中組，題目是《元素週期表原子3D列印的挑戰–模型大小、配重與使用》，獲得台中市第三名，感謝孫彩瑄老師的指導與協助。

n  參考資料

邱美虹(2019)。《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹。臺灣化學教育，31。 http://chemed.chemistry.org.tw/?p=33970

野口卓也、鎌田正裕(2012)。原子の「重さ」や「大きさ」を表現したモデル教材 : 開発と中学校理科授業での試用。科學教育研究, 36(1), 38-43。

Noguchi, T. & Kamata, M. (2012). Particle model expressing “weight” and “size” of atoms: Development and trial use in junior high school science. Journal of
Science Education in Japan, 36(1), 38-43.。https://doi.org/10.14935/jssej.36.38

Miessler, G. L., Fischer, P. J., & Tarr, D. A (2014). Inorganic Chemistry (5^th
Edition). Pearson Education. ISBN 978-1-29202-075-4

n  附錄

原子序1-36原子模型3D列印檔如下，有興趣的讀者可以下載並修改使用。https://reurl.cc/L4Gr8x

《臺灣化學教育》慶祝十週年專刊：

3D果凍花的色彩實驗廚房

賴意繡

國立臺灣海洋大學
生命科學暨生物科技學系

[email protected]

n  簡介

多年前，在一家餐廳用餐時被端上桌的果凍花所吸引，引發對這美味點心背後製作過程的好奇心。於是，向廚師打探，得知果凍花是使用花針將彩色果凍液注入製作成的。返家後，經由YouTube上尋找相關教學影片 （上優文化，2019 ; 卞柔勻，2023），加上自身擁有的食品科技背景，便興起了在課堂中教導學生DIY製作果凍花（見圖1）並融入食品化學知識的想法。

本校（國立臺灣海洋大學）近年高教深耕計畫推動跨領域發展及自主學習，提供《微學分通識課程》，以2小時核計0.1學分的原則，教師可採多元教學方式，如演講、工作坊等呈現。因此，我開設了「生活化學」微學分課程，其中的2小時「3D果凍花DIY」單元，採用教學影片（影片網址https://youtu.be/dVfGxiNijb4）與實作相結合的混成教學方式，以提升教學與學習效果。此微學分課程已進行三學期，由於是DIY工作坊的形式，所以修課人數上限為20人，到目前為止共有52位學生修過本通識課程，學生來自不同學院，分別有海運學院、工學院、海洋法律與政策學院、電機學院和生命科學院，回饋極佳，表達他們對製作色彩鮮豔可食用的果凍融入學習化學原理的興趣。

課程中，我們使用天然食材的色素（而不使用可能具有食安問題的人工色素），讓學生親自體驗萃取色素並創作美麗的果凍花。這不僅可引發他們對食材的熱情，也激發了對視覺和味覺享受的興趣。此外，透過日常食品如雞腳凍、肉凍等，引入「膠體化學」觀念， 這正是「廚房化學」中的一個重要範疇。根據Lauren K. Wolf（2012）的研究，藉由「廚房化學」將在廚房中發生的各種化學過程，從基本的食材變化到複雜的反應機制，可於課程活動中向學生展示這種教學實踐模式，不僅使學生能夠理解科學原理，還能夠在日常生活中應用這些知識。

圖1：立體果凍花

n  課程原理與概念

一、果凍凝膠

生活中的雲霧、黑煙、髮膠、蛋黃醬、牛奶、豆腐、果凍等都是膠體物質（Colloids，2024， In Wikipedia）。膠體的分散相（dispersed phase，即溶質）的粒徑介於1-1000 nm範圍，懸浮於分散介質（dispersion medium，即溶劑）中，且具有廷得耳效應（Tyndall effect），具有可散射光的特性。本微課程單元討論的果凍是以鹿角菜膠為固態分散介質、水為液態分散相，組合而成的凝膠（gel）。「果凍凝膠」在外觀上與固體相似，雖其主要成分是水，但由於鹿角菜膠聚合物鏈，透過交聯作用，在水中形成三維交聯網絡，使水分散在固態網絡中，而失去了部分單獨流動的能力，形成凝膠。

二、天然色素

食品加工過程常使用許多色素作為食品添加劑，但生活中有許多食物之萃取液即是非常好的天然食用色素，且可避免使用具有食安問題的人工色素。例如：抹茶粉的葉綠素作為綠色色素，火龍果作為紅色色素，主要來自天然的類胡蘿蔔素和花青素。製作果凍花使用來自植物、水果或其他食材的天然成分。與合成色素相比，天然色素符合現代消費者對天然和健康食品的需求。新鮮食物天然色素中不僅含有色素本身，還包含天然營養素。這些營養素包括維生素、礦物質、抗氧化劑等，為果凍花增添了更多的營養價值。

n  材料

1.     器具：10 mL針筒、19 G針頭、轉盤、模具、花針、濾袋、水浴鍋及鋼杯、卡式爐，如圖2所示。

圖2：器具

2.     透明果凍底

果凍粉10 g，水或飲料1000-1500 mL，白糖100 g，口感可依個人喜好調整。

3. 彩色果凍底

基本配方：果凍粉10 g，水600 mL，椰漿300 mL，牛奶或鮮奶油300 mL，白糖150 g。可用抹茶粉、火龍果、黃梔子果等食材，以食用水萃取色素，其中火龍果是冷凍後再解凍，取其解凍後的果汁濾液，製作不同色彩的果凍底，果凍花調色製作參考卞柔勻 （2023）。如圖3所示。

圖3：各種天然食材色素提供果凍調色

n  製作方法

1.         準備模具和花針：清洗乾淨。以下製作方法皆參考（上優文化，2019）。

2.         製作透明果凍底：食用水以小火加熱至不煮開，將適量的果凍粉和糖加入，持續攪拌，直到液體開始沸騰。此時，將火調至中小火，繼續加熱至液體稍微變濃稠，但不要煮沸太長時間，以免影響口感，然後以過濾袋進行過濾，除去溶解不完全的果凍粉凝塊。

3.         製作彩色果凍底： 同上述2. 的方法將果凍底溶解完成，加入天然食材色素，根據需要調整顏色濃淡，分杯、並全程沸水浴，避免果凍液膠凝。 

4.         注入模具：將透明果凍底稍微冷卻後，將其慢慢注入事先準備好的耐熱模具中，小心不要溢出。

5.         冷卻膠凝：將填滿果凍液的模具放入冰箱中，讓果凍冷卻膠凝。這一過程可能需要幾個小時，視乎果凍的厚度和冰箱的溫度。

6.         以花針注入：請根據影片演示，利用花針注入彩色果凍液，製作果凍花的過程可以根據個人創意進行，以創造出獨特的花朵。如圖4所示。

7.         脫模：利用盤子倒扣取出，就完成我們既好看又美味的3D果凍花！

圖4：利用花針注入彩色果凍液

n  影片觀賞

搭配「生活化學」微學分課程之「膠體食品化學」單元所製作之教學影片（如圖5），介紹膠體食品化學和食材色素的萃取原理，說明運用廚房器具製作立體果凍花過程，讓學生體驗有趣的廚房化學。

  圖5：影片網址：果凍花膠體食品化學，https://youtu.be/dVfGxiNijb4 ，或掃描QR code。

n  安全注意與廢棄物處理

本果凍花DIY教程使用無毒性器材和食材，可完全回收再利用。使用花針時請小心，避免刺傷，全程高溫操作時需注意防燙。

n  教學指引

1.  在製作果凍花時，為了防止天然色素在高溫下褪色，建議採用少量多次的方式配製顏色果凍底，以縮短高溫時間，確保顏色保持鮮艷。

2.  果凍粉在80℃以下會逐漸凝固，對於初學者在注射果凍花時，為避免花針堵塞，建議可以事先用熱水溶解凝固的果凍，並反覆沖洗花針以解決問題。

3.  蝶豆花萃取液中含有花青素，呈現藍紫色的特性。通過加入檸檬汁或小蘇打，可以使顏色分別變成紅色或綠色。在DIY過程中，使用不同酸鹼度的食材，讓學生嘗試調製出他們理想的顏色，這有助於他們理解蝶豆花萃取液中的花青素是一種天然酸鹼指示劑。

4.  教師可引導學生探究日常生活中各種顏色豐富的食材可應用到3D果凍花的製作或其他烹飪活動中。色彩豐富的食材，可以成為探究與實作的素材，同時培養他們的創造力和探究精神。

5.  教師可鼓勵學生進行課後研究，例如探討基隆在地特色之「石花凍」是否也具有製作成3D果凍花潛力，以激發學生對當地食材和傳統點心的創新思考。

n  教學特色

1. 實用性教學： 廚房化學強調將科學原理應用於日常生活中，使學生能夠理解和應用化學知識，解釋食物的製作和變化過程。

2. 混成教學：以「影片＋實作」混成教學法，將課堂實作和數位學習環境結合，使學生能夠在實際場域中學習，同時享受線上學習的便利。

3. 多元背景交流：本微學分課程安排學生實作《3D立體果凍花》單元，吸引不同學科背景的學生一起參與，促進學科交流和合作，拓寬學生的知識視野。

4. 跨域學習：本微學分課程《3D立體果凍花》單元，不但讓學生了解生活化學，同時於製作果凍花過程中，培養其美學素養。

5. 經濟環保：強調使用簡便廚房器具，降低學習門檻，並以天然食材進行實作，經濟環保，符合永續化學精神。

n  學生預期學習表現

1.     實際運用食品化學知識：

能夠將在課堂上學到的食品化學知識實際應用於3D果凍花的製作，理解食材在製程中的互動和化學變化。

2.     細緻的實驗技巧發展：

透過仔細的觀察和操作，發展細緻的實驗技巧，包括準確的色素注入、冷卻時間的掌握等，以確保製作過程的順利進行。

3.     獨特創意和設計展現：

展現獨特的創意視野，將個人風格融入果凍花的設計中，發揮對美學和設計的敏感性。

4.     巧妙應用膠體化學原理：

巧妙運用膠體化學原理，深化對果凍花製程中膠體化學的理解，使之成為創意製作的基石。學生在實際製作過程中運用知識、培養實驗技巧和觀察力，並強調了對美學和設計的發揮。

n  結語

3D果凍花DIY為《微學分通識課程》其中一堂2小時的教學單元，目的是要啟發學生對食品化學的興趣和理解，如膠體食物之高分子交聯反應，透過果凍花的製作，激發學生的創意思維，藉由實際廚房實驗，讓學生在日常食品中發現化學的美妙，激發對廚房化學的持續興趣為教學目標。

3D果凍花的製作涉及食品科技和食品化學的知識，因此可以與食品科技相關的課程相結合。如：食品科技課程、化學實驗課程、生活科技課程、環境科學與永續發展課程。由於還涉及到創意和設計與不同文化的飲食習慣相結合，也適用於：文化與飲食課程、生活科技創意設計、手作藝術等。

另外，適逢「台灣化學教育」期刊成立十周年，獻出第一部教學影片慶祝，共襄盛舉。

n  致謝

感謝本校共教中心提供開設課程所需之相關經費。感謝臺大化學系佘瑞琳講師，建議撰文發表此微課程教學影片，以推廣本校教學研究成果。

n  參考資料

上優文化（2019）。卞柔勻老師示範–心靈療癒的3D果凍花。取自YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=V-79-CAWHRY 

卞柔勻 （2023）。 果凍花調色製作，卞柔勻 – 果凍少奶奶，果凍花天然蔬果顏色。取自YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=hi7J1E6BtQQ

Lauren K. Wolf, (2012). Kitchen Chemistry Classes Take Off. Chemical & Engineering News, 90 (36), from https://cen.acs.org/articles/90/i36/Kitchen-Chemistry-Classes-Take-Off.html

Colloid.In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved February 15, 2024,
from  https://en.wikipedia.org/wiki/Colloid

坎尼札羅對原子量和分子量的探索

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  前言

十九世紀上半世紀，科學家對於原子相對質量的認識陷入混亂。例如：道爾頓（John Dalton）認為氫、氮及氧的相對原子量分別是1、5及7。在1858年，義大利科學家斯坦尼斯勞·坎尼札羅（Stanislao Cannizzaro, 1826–1910）透過實驗結果準確地證實亞佛加厥（Amedeo Avogadro）的分子假說（Amadeo Avogadro, 1811），成功地揭開原子世界的謎團。坎尼札羅的重要發現（Stanislao Cannizzaro, 1858）是

1.       等體積的氣體中包含相同數量的分子，但原子數量不同；

2.       氫分子、氧分子、鹵素分子都包含兩個相同的原子，金屬中的原子皆個別存在；以及

3.       運用氣體密度和杜龍–柏蒂定律（Dulong–Petit law）決定原子量。

坎尼札羅的圖像如圖1所示，他將氫氣的密度定為2，將其視為2個原子的組成。分析氣體分子的密度後得到正確的相對原子量，以及分子的原子組成。他提出的正確原子量幫助門得列夫製作出週期表。坎尼札羅的論文如同一部時光機，讓我們回到十九世紀的科學思維。本文作者導讀該文部分的內容如下所述，以便快速地瞭解早期坎尼札羅提出原子量和分子量的探索歷程。

圖1：斯坦尼斯勞·坎尼扎羅

（圖片來源：Stanislao Cannizzaro, Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Stanislao_Cannizzaro.）

n  關於原子質量的探索之路

坎尼札羅的探索歷程並非一帆風順，他以系統性分析，揭示當時科學家們在追尋原子質量之路上所經歷的謎團。他堅信最新的科學發現已經驗證亞佛加厥（Amedeo Avogadro）定律、安培（André-Marie Ampère）理論及杜馬斯（Jean

Baptiste André Dumas）原子理論。亞佛加厥在1811年發表亞佛加厥定律：相同體積的任何氣體，在相同的溫度和壓力下，具有相同數量的分子（Wikipédia, 2024）。安培於1814年獨立於亞佛加厥發表同樣的定律，也得出類似的結論。杜馬斯於1826年發表原子理論，並制定透過蒸氣密度確定原子量的方法（Pasteurbrewing, 2024）。然而，坎尼札羅特別強調等體積的氣體中含有相同數量的分子，但原子數量不同，在研究原子重量時切勿混淆數量和重量，並需要明確區別分子和原子。

坎尼札羅直言不諱地指出當時科學界的困擾來自於對元素和原子觀念的混淆。他也指出研究原子的科學家們必須要先理解關於氣態物質的性質以及給呂薩克定律的重要性。給呂薩克定律：同溫同壓下，氣體相互之間依簡單體積比進行反應，生成的氣體產物也與反應氣體的體積成簡單整數比。

當時，整個化學界深受貝采利烏斯（Jöns Jacob Berzelius）的思想影響，使得坎尼札羅的理論難以獲得廣泛認同。大多數化學家對於他所提出的有關氣態物質相似組成的理論保持懷疑，認為這與當時所接受的事實背道而馳。當時化學界所接受的解釋主要為貝采利烏斯的電化二元論（Electrochemical dualism）和在當代就鼎鼎有名的道爾頓思想。電化二元論認為原子帶電荷，化學反應是電荷相反的原子相互中和，因此，氫氣或氧氣就只能是單一原子，不可能是雙原子分子，這個理論間接說明沒有雙原子分子的存在。道爾頓也認為純元素的物質都是以單原子的形式存在。貝采利烏斯的理論雖然合理，卻隱藏一個重大的錯誤，一個我們今日輕而易舉能夠辨識的錯誤。他堅信鹽酸（氯化氫）、溴化氫、碘化氫、水和硫化氫都含有相同數目的氫，這種觀點在當時的學術氛圍中竟然得到一定程度的認同。坎尼札羅已經敏銳地看到觀念背後的盲點，他指出只需要區分原子和分子，就能調和貝采利烏斯的實驗結果，並適用於所有情況。

上述的研究都是物質在氣態狀態下進行，當時物理學家對氣態物質做出許多研究，包含1858年克勞修斯（Rudolf Clausius）提出的動力學觀點，許多研究都顯示出氣體分子之間的距離僅取決於溫度和壓力，而與它們的性質、質量和分子內的原子數量無關（Rudolf Clausius, 1858）。這一結論不僅是理解氣體物質特性的關鍵，也為給呂薩克定律的解釋提供基礎。

n  揭示元素重量背後的驚人發現

坎尼札羅深信當時科學家之間的歧見與誤解主要源於對原子與分子差異的不瞭解。為了解決這個問題，他堅持應用亞佛加厥和安培的理論，這也成為他論述的基石。他提出的第一個觀點是視氫氣為標準單位，一體積氫氣密度定為2，這樣氣體的相對密度就可以視為分子的相對質量。他開始研究物質在氣態狀態下的密度，也就是分子的相對質量來確定各種化合物，並且對其進行元素分析，如表1所示，此表僅列出原著的部分物質，而且表中的英文元素符號為本文作者所加。然而，同一物質在其不同的同素異形體狀態下，具有不同的分子量，這一點還需要進一步確認。

表1：單位體積物質的重量及其重量組成

表2：單位體積物質的元素組成及其重量組成

*H = 1、C= 12、O= 16、S= 32；有些分子組成的上標數值為原著的表示方式，與現代表示方式不同。

        坎尼札羅在此表格中揭示化合物的原子組成，但是對於化合物分子的表示方式，杜馬斯提出一個有趣的問題。在他那本經典的論文《關於原子理論的若干問題》中，杜馬斯暗示一個困擾化學家的問題—如果化合物中元素的係數與組成的氣體體積有關，那麼很多係數會是分數，可能會增加表達的複雜性

n  鹵素化合物的重新詮釋

        舉例來說，針對鹵素化合物，由於我們知道它們在氣態下的密度，因此可以從氯化氫、溴化氫及碘化氫的密度得到氯、溴及碘原子的質量。然而，若要使用分子體積來表示原子的重量，則可能會遇到一些不便之處。例如：物質無法被氣化時就無法確定分子的重量，同素異形體（allotropic states）的質量也可能不同，這會使化學式的表示形式變得繁複。為了解決這些問題，坎尼札羅提出化合物分子組成用原子表示的論點。如果我們使用原子來表示分子的組成，就可以清晰地看出類似的化合物在其分子中含有相同數量的原子。

解決化合物分子的表示方式之後，坎尼札羅注意到在鹵素化合物中，運用密度從氯化汞和氯化亞汞的分子量推論到汞的原子量都是200。令人驚訝的是，這數據與現代原子量非常接近，卻與同時期科學家所接受的汞原子量為100的數值截然不同。坎尼札羅強調氯、溴及碘原子的質量都是其氣體分子的一半，分別是35.5、80及127。

為了進一步驗證汞的原子量，坎尼札羅運用另一種類似於杜龍–柏蒂定律（Dulong–Petit law）的方式，即固體的比熱〔單位：cal/(°Cg)〕乘以其原子量為一常數，可以驗證汞的原子量近於200，如表3所示。

表3：元素經過杜龍–柏蒂定律驗證結果

坎尼札羅繼續深入挖掘鉀、鈉、鋰及銀的氯化物、溴化物及碘化物的組成，這些元素彼此間只有一種化合物。首先，他大膽假設這些化合物的組成是1：1，然後通過各自的比熱，得到與之前研究的物質相同的原子量。值得一提的是，儘管缺乏具體證據，坎尼札羅認為鋰、鈉、鉀及銀等電元素的分子式分別為Li²、Na²、K²、Ag²（上標數值為原著表示方式）。也有部分金屬氯化物是二氯化物的結構，也就是說，對每個金屬都攜帶著兩個氯原子，也可用杜龍–柏蒂定律檢查組成，分子的原子數目為3，如表4所示。

表4：化合物經過杜龍–柏蒂定律驗證結果

*分子式的上標數值為原著的表示方式，與現代表示方式不同。

n  金屬自由基飽和能力的差異

坎尼札羅觀察到金屬原子和氯原子結合時，有的與一個氯原子結合，有的則與兩個氯原子結合。他認為分子組成上的不同是因為在化合物中各種金屬飽和能力（capacity for saturation）的不同。1個帶正電的氫原子會被1個帶負電的氯原子飽和。他以氫原子作為類比，指出在不同情況下，金屬原子相當於1個或2個氫。例如：甘汞（Hg²Cl²）的汞原子的飽和能力相當於1個氫，而在腐蝕性昇華的氯化汞（HgCl²）中，汞原子的飽和能力相當於2個氫。鉀、鈉及銀的飽和能力相當於1個氫，而鋅、鉛、鎂及鈣等的飽和能力相當於2個氫。根據這個結果，坎尼札羅更加確信貝采利烏斯的錯誤，因為電化學二元論排除同核雙原子分子的可能性。

在原子之亂多年以後，坎尼札羅在1960年國際化學大會—卡爾斯魯厄會議（Karlsruhe conference）中分享這篇文章，指出令科學界困惑的數據主要來自對於原子和分子的觀念上混淆，也明確定義原子為元素的最小單位，這讓科學界重新檢視亞佛加厥所提出的假說，解決關於決定原子質量長久的混亂局面。

n  參考文獻

Amadeo Avogadro (1811). Essay on a manner of determining the relative masses of the elementary molecules of bodies, and the proportions in which they enter into these compounds. Journal de Physique. vo1. 73, pp. 58-76. [Alembic Club Reprint No. 4]

Pasteurbrewing (2024). Jean Baptiste Dumas (1800-1884). Retrieved March 1, 2024 from https://www.pasteurbrewing.com/jean-baptiste-dumas/.

Wikipédia (2024). Loi d’Avogadro. Retrieved March 1, 2024 from https://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_d%27Avogadro.

Rudolf Clausius (1858). On the mean lengths of the paths described by the separate molecules of gaseous bodies. The Kinetic Theory of Gases: An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary. History of Modern Physical Sciences. vol. 1, pp. 135-147.  (Originally published under the title “Ueber die mittlere Länge der Wege, welche bei Molecularbewegung gasförmigen Körper von den einzelnen Molecülen zurückgelegt werden, nebst einigen anderen Bemerkungen über die mechanischen Wärmetheorie”, Annalen der Physik, Vol. 105, pp. 239–58 (1858).

Stanislao Cannizzaro (1858). Lettera del Prof. Stanislao Cannizzaro al Prof. S. de Luca; sunto di un corso di filosofia chimica, fatto nella R. Universita’ di Genova. Nuovo Cimento, vol. 7, pp. 321-366. 

系統思考在化學教育上的應用：借鏡新加坡經驗促進化學高等教育變革

Fun Man Fung (馮寬文)¹、劉沂欣²

¹新加坡國立大學化學系、²國立臺灣師範大學化學系¹
[email protected], ²[email protected]

n  前言

化學是研究物質世界相互碰撞、反應、變化與創造的科學，與人類生活及環境息息相關 。從19世紀對元素的探索、20世紀提出分子的合成，及當前光對物質的相互作用研究，從系統性宏觀的視野來看，化學是螺旋式發展同時跨越與連結眾多領域，以解決人類生活所面臨的問題，故常被視為中心科學。然而，中心科學重視「存在」而不是「佔據」，強調「功能性」而非只限於「組成性」，亦是當前化學教育欲核心發展的重要方向。其中，系統系思考（Systems Thinking，ST）對於從事化學、生物化學和分子生物學的教育人員尤其具重要意涵。系統系思考串聯學生對化學片斷式的理解，透過以全面性思考的邏輯來增強化學原理及概念的融通，分析與物理、生醫、工程和社會科學（例如法律、社會、行為、經濟及政治）各學科間的關聯，佐以實踐來貫穿應用層面的中心地位。

有鑑於此，大學化學科的教學方法迫切需要轉變，透過具有系統性、批判性思考的教學模式，引導學生解決目前在學習上面臨的挑戰。以大一學生至關重要的「普通化學」課程為例，即曾被批評以雜亂無章地講述一系列「彼此不相關的主題」（Cooper, 2010）。單就學習內容而言，普通化學中各學門的基礎理論在內容及思維方式平行且獨立，導致以切割概念的主題方式做為教學大綱，又大部分內容與高中課程關聯性弱，迫使原先基礎能力落後的學生銜接不易進而造成學習成就落後，更可能因為學習孤獨感造成「大學經歷」不佳而無法與同儕溝通及合作。有鑑於未來學術界和工業界人材培育，唯有緊密結合化學教育、研究及實踐三要素，使學生理解化學並促進與其他跨領域學科（例如:地球物理、生態和人類）的相互融通，培養思考能力和工作技能，繼能面對未來人類與環境發展益漸複雜的永續議題．

化學做為科學的中心學科（Brown & Eugene, 1977），本應以實踐「科學哲學（Philosophy of Science）」的概念來促進對不同學科的接納及包容態度。以新加坡為例，1991 年成立國家科學技術委員會（NSTB）之時，同時啟動每五年為一期的國家技術計畫，即以科學、工程和技術共同推動經濟及企業轉型為首要任務。2025的計畫中特別強調研究、創新和企業（Research Innovation Enterprise，RIE）的結合，以此改善人民生活並滿足世界永續之需求。2023年10 月筆者（作者二）邀請新加坡國立大學（NUS）化學系學者（作者一）來台訪問，並分享課程設計及各式教學研究的實施案例，有鑑於學習社群和系統思考對學生自主學習之重要性，本文撰寫之初衷欲分享新加坡以學生學習為主的教學模式，並透過永續發展和環境等議題導入系統性思考來輔助學生看到問題全貌，促進學生對事實、證據、觀察結果和論證分析的判斷，同時獲取正確知識與價值觀。本文將回顧部分教育的理論、趨勢及作法，並引用相關學習行為的理論做為參考。

n  學習社群:人和人的互動

有鑑於 COVID-19 大流行，世界各地的許多機構和大學在課堂上採取了社交安全隔離措施，迫使學校和大學進行居家學習及課程數位化。但隨著社交距離逐漸解除、全球各校恢復實體課程的同時，部分課程仍保留實體加遠距教學之混合教學形式。教育數位化的確為教學的普及性及靈活性帶來巨大好處，然而學生與教師以及學生與學生互動降低，造成學生提問變少、反饋時間拉長、教師無法了解學生的「非語言暗示」及學生同儕間缺乏互動的機會 (Pang et al., 2023)，都成為教學數位化面臨無法避免的挑戰之一。Yemen-Karpuzcu 等學者將學生間互動描述為「學習過程中重要的需求」，因為它提供個體的想法表達、揭示彼此的理解和學習想法的反思機會。如同話語社群（Discourse Community）中擁有共同價值觀所組成的一群人，以特定交流語言可以讓同儕真誠地分享想法並提高學生的成績，避免遠距課程中因喪失互動可能阻礙學習的可能性。

一、學習心理安全

學生​​學習社群（Learning Community）是課程學習的重要前提，因為它很大程度上影響著學習者的動機。根據 Garrison的探究社群（Community of Inquiry，CoI）框架（見圖 1）（Garrison et al., 1999），「探究社群」是連結學生和教師互動、共同參與促進批判性思考和深度學習的社群 (Fung & Kim, 2023) ，並透過發展個人學習認知、社交和教學的共同存在所形成的學習經驗。透過文獻及調查結果均表明，在與同儕討論之後，學生回答正確的百分比及對答案的信心幾乎都是增加（Smith et al., 2009）。而學生選擇不積極參加課堂討論，其主要原因是擔心「受到同儕的評判」。

研究人員普遍認同（Yep et al., 2023），當學生無法確認同儕及教師對其表現之評價時，可能會讓他們感覺到憂慮，其稱之為「與成就活動或成就結果直接相關的情緒」。另一方面，伯格斯特羅姆（Tony Bergstrom）認為，成績表現較佳的學生也不願參加課堂，主要是擔心因自我提高教師對群體的期望而被同儕疏遠（Bergstrom et al., 2011）。這個顛覆傳統教師的認知現象，例如公開讚揚即會讓成績表現較好的學生感到尷尬，進而削弱學生在討論過程中提出實質想法的能力及信心。這類型態的恐懼被稱為「焦慮和負面評價的恐懼（Fear of Negative Evaluation，FNE）」 (Downing et al., 2020) ，學生因受到負面評價而感到不安，可能阻礙或抑制學生在處理、表達自己想法的能力，進而不參與課堂討論，甚至引發一系列的焦慮，造成學生在課堂討論中停滯不願意前進。為了克服因人而異的焦慮和負面評價的恐懼，鼓勵高階思維的發展，並透過討論促進主動學習，許多教師嘗試透過使用線上遊戲式答題器和Kahoot! 等學習型遊戲化來避免焦慮，並透過匿名鞏固心理安全來鼓勵學生參與討論(Pang et al., 2023)。從認知評估到情緒偵測，皆執行賦予心理安全感的做法。

圖1：探究社群模式具體描述學生的教育體驗之溝通媒介，其中的三個具體組成要素及其互間的影響關鍵因子（Garrison et al., 1999）。

此外，新加坡國大化學系在實驗室後的活動使用Viva La Vida，加強學習者在實驗室技術演練、減低口試時的臨場緊張（Koh et al., 2021），讓學生有信心地聆聽並回答助教及教授的問題。NuPOV （Nucleophile’s Point of View）透過觸覺性的擴增實境技術（Augmented Reality，AR）提高學生對共價鍵形成的空間視覺化能力，並手動與其進行互動以增進對有機化合物３Ｄ結構的理解及親核基加成反應的學習自主能力。QuizBot可自動在 Google 表單中建立測驗（Onget al., 2021），讓學生在多元學習的過程中，透過理解、詞彙、克漏字和迷宮等遊戲方式來回饋所學資訊。ChemPOV（Chemistry Point of View）以牌卡方式（Fung et al., 2021），讓學生們以搶答方式完成化學反應式、再用選擇題的方式找出產物，幫助學生複習已知概念，結合認知、社交和教學共同存在的的學習經驗（Lim et al., 2017）。

二、互動軟體平台

使用社交互動平台（例如:Facebook訊息、Line群組）是教育工作者促進課堂外社交互動常用的方法。然而，實施這樣一個平台極有可能遇到許多挑戰，其中最大的挑戰是學生不願意公開參與表示意見。為提高學生在課程中的學習，一般常見以補充式教學（Supplementary Instruction，SI）的協助模式，以公開且非同步地發佈學習資料（例如:Moodle）來提升課程的過課率和留課率。藉由和SI模型相似的啟發，「補充式話語（Supplementary Discourse，SD）」是另一類以非同步方式來促進學生學習探究的線上社群方式，透過讓學生在線上彼此互動討論來促進學習社群的形成。新加坡國大化學系使用Discord 在13 週內每週平均累積 86 條訊息，表示學生們不再害怕以匿名方式提問（Kim et al., 2023）。

匿名安全感是一種普遍現象。研究過程中，學生認為如果他們能夠掩飾自己的真實身份，就更有機會參與課堂活動。透過使用線上單答題器或Kahoot!等應用程式不僅可實現匿名，並證明有助於減少學生的焦慮和提高課堂參與。針對393名學生以開放式問題的研究成果指出（Barr, 2017），以某種匿名的形式的確減少他們在同儕間對回答錯誤所造成的擔憂及對於教師的恐懼。他們在討論的參與度及課堂發言提高，意味著匿名的形式起了重要的關鍵作用。透過社交音訊 Clubhouse 亦獲得了部分匿名效果保持心理安全。參與者的調查回應表明（Yep et al., 2023），部分匿名除了減少了他們的焦慮（Cohen’s d = 0.58），並略微提高課堂的參與率（Cohen’s d = 0.21）。然而在數位和混合學習過程中，以程式工具增進學生參與討論雖部分實踐認知和教學效能，但仍缺乏真實的社交模式，亦可能阻礙學習經驗的形成。由此可知，實體課堂討論仍是主動學習過程中的重要媒介（Ong et al.,
2021）。

有鑑於COVID-19大流行，由傳統面對面授課到線上學習經歷了極大的轉變，利用即時通訊軟體支援主動學習已驗證可行性。新加坡國大使用 Telegram 作為支援遠距學習的技術工具，並透過在 Telegram Quiz Bot 上設計相關主題測驗（Mohan
et al., 2021），添加遊戲化元素來促進學生在群組聊天中回答的正確性和速度，幫助學生以有趣且即使地發現學習概念及知識的落差。整體而言，大多數學生對Telegram Quiz Bot的使用持正面態度。

三、主動學習

講述式教學（Didactic Teaching）為教師講授、學生吸收的教學方法，至今仍然是大學校園中使用最廣泛的教學方法。自 1800 年代初期以來，講述式的教學因其有效解釋抽象概念而成為大學科學教學的首選方法。然而，「講述式」的教學方式讓教育被描述成只看不練的「觀看運動」，無可避免地阻礙學生發展高階思維並減損其知識學習的權益。學習者從講述式教學中所獲得的記憶、動機和資訊理解的保留程度相對較差（White et al., 2016），因此目前多數大學的科學課程已經或正在朝向主動學習過渡。

研究顯示，若將新資訊與已知資訊聯繫，學習可能會變得更容易。講述式教學的前提是讓學生在已知的知識庫和新的內容 (或主題) 之間建立一座橋樑（Svinicki & McKeachie, 2014）。而「主動學習法」的理論根據為建構主義學習理論和維高斯基的社會文化的理論基礎上。建構主義學習理論強調個人學習是經由建構他們自己的知識、將新想法、新經驗與既有知識與經驗連結，來產生新的或增進的理解（Bransford et al., 1999）。由皮亞傑（Piaget）與其他學者創建的這個理論，認為學習者能夠將新資訊同化到既有架構中，或為與先備知識牴觸的新資訊調適修正架構（Brame, 2016）。

促進主動學習的方法常明確地要求學生，將新資訊與他們現有的心智模式做連結以延伸他們的理解。在其他案例中，教師可能會設計學習活動讓學生面對迷思概念，幫助學生根據更正確的理解重新建構他們的心智模式。無論如何，促進主動學習的方法亦會促進被歸為建構主義學習理論中的學習必需之認知工作。在學習歷程中，教師不再是傳統的注入者，而是扮演一位引導者，亦是一位輔導者。因此，主動學習應是由學習者透過討論、協商、評估且積極參與過程的學習系統，並基於安全的心理環境和學習文化促進學習活動。目前，促進主動學習最流行的方法是透過討論，此類過程可激發學習者應用各類訊息以提高學習新的能力，並在不熟悉的場景中培養批判性思維來促進學習資訊的長期保留。實施互動課程與學生的成績呈正相關（Deslauriers et al., 2019），因此讓學生參與學習過程中的討論或協商，不僅是高等教育中的常見做法，並被證明可促進閱讀、討論、寫作等高階思維和技能（Theobald et al., 2020）。美國大學因應在教學上的迫切需求，將主動學習納入課程設計來融入不同背景的學生，配合後設認知（metacognition）提供了情境與學習間的連結來建構知識與理解之有效學習。 

由於資訊和通訊技術的爆發，遠距學習逐漸成為部分國家的新教育方式，尤其在COVID-19期間加速發展。截至目前，全球國家均已陸續恢復實體授課。然而，遠距學習的需求並不設限於疫情爆發，諸如不可抗力的自然災害、戰爭危機等也可能迫使機構暫時採用遠距學習。即便遠距課程的學習者流失率較實體課程高出10-20%（Herbert, 2006），且學生持續參與的毅力也受到質疑。身為教育工作者，我們應該擁抱且因應動盪所產生的危機，將線上學習的途徑視為部分的轉機。隨著全球天災人禍的威脅繼續加劇，結合互動並鼓勵線上學習的混合式教學，主動學習的成功案例讓教育看到新的希望。

n  批判性思考:學習如何去學  

學習是人類獲取新的理解、知識、行為、技能、價值觀、態度和偏好的行為及認知過程，並從出生到死亡不停地與環境互動的結果，並涉及教育心理學、神經心理學、實驗心理學和教育學等研究領域。其中，行為主義及認知心理學兩大學派定義: 學習是由經驗引發行為或內在傾向與能力持久性的良性變化，不僅可運用情境來調整思路，更是學習策略性質的提升。本篇文章提出三類當代流行的學習訓練模式，做為高等教育在化學課程實踐之參考。

一、基於案例的學習  

基於案例的學習（Case-based learning，CBL）是一種跨學科使用的既定方法，學生可以將知識應用到現實世界場景中，從而促進更高程度的認知。基於情境作為教學工具，在醫學院、法學院和商學院皆有成功實施的悠久歷史（Herreid, 1997），尤其在職前專業和醫學理領域，以各式醫學案例將基礎知識與病患情況做關聯，可讓實習生快速融入職場並應用所學之理論及概念。在CBL中，學生先以閱讀方式討論複雜的場景，培養分析思維、反思判斷等技能。根據所欲實踐之目標，案例學習可由事實所驅動出具正確答案之作法，亦可由多重因果互相驅動而演繹出的多種解決方案。各個學科都具備採用CBL的條件，使用的案例一般具有以下特點：邏輯性故事、新鮮、有對話、可產生共鳴並與讀者相關、具有教學功能及普遍性以解決當前困境。根據 Davis (1993) 對於一個有效CBL的定義，案例通常具有衝突的元素、講述真實且引人入勝的故事場景，簡潔陳述有關人物、地點、背景、行動的資料來促進與中心人物之同理心，即便在缺乏明顯或明確答案的案例中，仍可鼓勵學生思考並採取立場，因應當下對現實世界的情況做出判斷。

由於CBL涉及引導式探究，並以透過「親自或直接參與」的建構主義為基礎，    讓學習者與知識和環境互動而形成新的意義（Lee, 2012）。案例與解決方案讓學習    者解決不同困境的案例，甚至亦以「不可行」做為解決方案中的評論意見。新加坡    國大化學系在環境化學這門課程中，針對垃圾掩埋場的選址議題讓學生以Poll            verywhere（即時互動軟體）主動參與以表達意見，過程連結成長回憶、經濟脈          絡、  生態環境及人文地標等相關地理位置，在學生依據地理知識選擇後、重新反    思後再做選擇，並以匿名投票來增加學習者的心理安全。討論過程中，引導學生      說明選擇這些答案的邏輯思考，強調作答動機、鼓勵完整的作答及呈述過程，討論    具創意但未必可實踐的想法，諸如風向對垃圾掩埋場位置設置之考量。

人的學習是從行為、認知及經驗中建構，因此教學應重視學習過程，以CBL找出各種可能的結果後再讓學習者做出選擇。如同開放式的評量考試，讓學生在具學識的基礎上，依據所給予的事實作邏輯推理及思考能力訓練。批判性思考本身並無標準答案，這是因為過程中連結不同的自然科學及社會科學（Mahaffy et al., 2018）。未來的公民應強調學習如何與人、環境、社會、政策之間做包容相處，讓學生知道真正免費或絕對無害的事物並不存在。唯有走出學習的舒適圈，並以自主學習及批判性思考促進對事實、證據、觀察結果和論證分析的判斷，方可從過程中獲得當代新知識（Fung & Watts, 2019）。