臺灣化學教育

2024年國際化學教育研討會之綜合觀察與省思：ICCE 2024專題報告與見聞分享

文爾雅

國立臺北教育大學自然科學教育學系 博士班學生

桃園市中山國小教師

    [email protected]

• 前言

ICCE（International Conference on Chemical Education）國際化學教育會議是化學教育領域中，非常具有歷史性、代表性與重要性的國際研討會，該會議每兩年舉辦一次，今年是第27屆在泰國芭達雅舉行。個人是在指導教授盧玉玲教授的鼓勵下，有幸與本校國立臺北教育大學周金成教授與林靜雯教授率領的博士生團隊，一行共8位師生浩浩蕩蕩遠赴泰國與會。雖然過去個人也曾經參與過在台灣所舉辦的國際研討會，但是出國參與國際會議，尤其是在ICCE這類大型國際學術會議中，進行口頭發表，還是生平第一次，也是一次非常難得的寶貴經驗，對博士班學生而言確是一個很好的學術研究訓練。

• 27^th ICCE 主題

ICCE致力於關注化學教育的教學、課程、科技、教師專業與永續性等議題，全球參與的學者相當踴躍，規模盛大，台灣也有相關領域的學者經常參與。會議形式除了一般常見的口頭和海報發表之外，最特別的是可以看到化學實驗的操作與展示，各種不同的實驗攤位提供參與者進行各種有趣的化學實驗，非常吸睛。這次隨行的大甲高中廖旭茂老師，他所設計的微型霍夫曼電解器和綠色化學實刻模組究非常有趣，吸引不少學者的興趣。

本屆會議主題 The Power of Chemistry     Education for Advancing SDGs，主題之下有研討會和專案報告，各組內容非常豐富，例如專案報告有六組，分別是:非正式教育和終身學習背景下的化學教育(Chemistry Education in Informal Education and Life-long Learning Context)、重新設計化學實驗教學(Redesigning Chemistry Laboratory Teaching)、化學教育創新技術(Innovative technology for chemistry education)、化學和科學教師教育和持續專業發展(Chemistry and Science Teacher Education and Continuous Professional Development)、環境和社會可持續發展的化學和化學科學教育(Chemistry and Chemical Science Education for Environmental and Social Sustainability)、化學教育的政策、改革和品質保證(Policy, Reform, and Quality Assurance in Chemistry Education)、化學教育中的道德、多元、公平與包容性(Ethics, Diversity, Equity and Inclusion in Chemistry Education)、21世紀化學教育的新興趨勢(Emerging Educational Trends in Chemistry in the 21st Century)。我所參與的專題報告組別便是21世紀化學教育的新趨勢(Emerging Educational Trends in Chemistry in the 21st Century)。 以下分享個人在這次會議上的專題報告與其他所見所聞。

• 專題報告分享: 化學運算思維對數理運算思維的影響

21世紀的學生，應該具備運算思維的能力，它不只局限於電腦科學知識，而是一種跨學科領域的問題解決能力。在美國下一代科學標準(NGSS)的課程標準中，特別納入運算思維，作為學生必須具備的基本技能之一。運算思維除了可以幫助學生在本科知識的學習之外，還可以培養學生邏輯思維、演算法思維、批判思考、創造力、問題解決與合作等高階能力(Wing, 2008)。因此，運算思維的教學愈來愈受到許多國家重視(Hsu et al., 2018)。可惜的是，在臺灣，只有國中以上階段的學生才學習，國小階段目前則較為缺乏。

在國小階段的自然科學並非單一學科，而是整合物理、化學、生物、地球科學四門學科(簡稱理科)的跨科學習，同時在科學探究實驗裡也會經常使用數學函數，所以這些數理學科的思維邏輯存有相互連結交錯的模式，但是這方面的研究並不多。因此，我們以水溶液性質作為教學研究主題，探討化學運算思維對數理學科運算思維的關係和影響。

我們發現化學的運算思維與其他數理科的運算思維存在高度相關性，運算思維是化學或其他數理問題解決的共通能力。而學生如何將待解問題進行拆解則是運算思維的關鍵，所以教師進行教學時，需要著重培養學生對問題拆解的技能。

    

圖1 筆者進行專題報告

• 研討會報告分享:綠色化學的系統思維

Glenn Hurst 是一位致力於綠色化學系統思維的教授，他講述了系統思維是以學生為中心的教學方法，幫助學生理解化學中的子系統，再連結成一個整體性的系統思維模式，有助於學生釐清和理解問題。將系統思維應用於綠色化學，可以實現聯合國永續發展(SDGs)的目標。例如製造化學產品時，需要考慮產品的週期、對人類或環境的好處或毒害、回收或重複使用的循環過程，也就是從產品原材料的提取到製造、銷售、使用和產品最終生命，都需要進行一系列的系統思考。

        系統思維可以應用於綠色化學實驗，促使學生開創新模式的實驗方式，例如過去對於黏狀流體的彈性實驗，大多使用硼砂作為實驗材料之一，但是硼砂具有毒性，因此學生發展出新的實驗方式，以其他安全無毒的材料來取代化學物質，例如使用海藻、橘子皮等，同樣可以產出凝膠物質。因此，以系統思維方法來轉換的綠色化學教育，為永續化學展開創新的可實現性。

圖2  綠色化學的系統思維

• 大會講演報告分享

        這次會議主辦方邀請諾貝爾獎和平獎得主OPCW 組織的代表 Peter Hotchkiss教授進行大會演講。最近幾年戰爭頻繁，俄烏戰爭至今已超過兩年，中東局勢紛亂，這些戰爭帶來的傷亡不計其數。所謂破壞容易建設難，OPCW 組織致力於消滅化學武器，為世界和平努力。對於現在正飽受戰亂威脅的地區，什麼時候可以終止戰爭，停止殺戮血腥暴力，讓地球和平永續，不再出現化學武器特別重要。

圖3 OPCW 組織代表 Peter Hotchkiss教授

• 結語

        這次會議因為在泰國舉辦，所以除了泰國學者外，來自東南亞國家的學者特別多，例如馬來西亞、印尼、新加坡等，大陸學者也不少，顯示這些國家愈來愈重視化學基礎教育。反觀台灣這幾年的基礎科學教育，受到科技產業影響，基礎學科例如數學、物理、化學等，嚴重受到排擠效應，重視程度似乎有逐漸下滑的趨勢。但是，如果沒有理論科學為基礎，那麼，應用科學就會有如空中閣樓，無法穩固深化，將來發展容易停滯不前，回過頭來再影響科技發展。科技業是台灣的經濟命脈，科技要想發展得好，基礎科學教育不可偏廢。所以，我們應該重視基礎科學教育，不貪圖快速或眼前近利，讓理論科學與應用科學都能同時受到重視，共同共榮的均衡發展才是根本之道。

• 參考文獻

Wing, J. M. (2008). Computational thinking and thinking about computing. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 366(1881), 3717-3725. https://doi.org/10.1098/rsta.2008.0118

Hsu, T. C., Chang, S. C., & Hung, Y. T. (2018). How to learn and how to teach computational thinking: Suggestions based on a review of the literature. Computers & Education, 126, 296-310. https://doi.org/10.1016/j.compedu.2018.07.004

主導化學反應近百年的過渡態理論被挑戰？
淺談「漫遊過渡態」

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

• 關於漫遊過渡態

過渡態理論（transition state theory）是理解化學反應的基本概念。反應物在成為產物的過程中，會經歷一個稱為過渡態的階段。這個過渡態就像是一座山頂，反應物必須爬過這個能量障礙，才能成為產物。1889年瑞典化學家阿瑞尼士（Svante Arrhenius）提出了「活化能」這個名詞，代表分子的最低能量和過渡態的能量差。活化能越低、溫度越高會讓反應進行得越快。

然而，20世紀末化學家們發現了一個新的現象，動搖了我們對化學反應的傳統認知，那就是漫遊（roaming）機制。它挑戰了傳統過渡態理論，宣稱有些反應可以直接不經過傳統過渡態，讓反應物成為產物。我們對化學反應的傳統理解，被這個神秘的漫遊機制改變。漫遊機制像一個不速之客闖入了我們熟悉的世界。這個發現不僅讓我們對化學反應的理解更加豐富，還為許多反應提供了新的理解。

圖1：甲醛（R = H）或乙醛（R = CH₃）照光解離的途徑能量表面

1993 年，van Zee 等人研究甲醛的光分解，光分解反應是當分子吸收光後，能量一步到位的變化（圖1之黑色箭頭）。如圖1（R=H）所示，甲醛吸收紫外光的能量後，會產生H₂ + CO 的分子產物或是自由基產物H^• + HCO^•。van Zee 等人發現甲醛吸收紫外光激發至第一激發態，分子再經內部轉移（internal conversion）到基態。分析CO + H₂ 產物之CO發現兩種非常不同的轉動能量，推測是來自兩個不同的反應機制。光激發能量明顯低於H^• + HCO^•解離之能量時，反應只經過傳統過渡態路徑。光激發能量約等於H^• + HCO^•解離之能量時，兩個不同的反應機制皆會發生，而過渡態路徑發生率略高。隨著光能量增加，解離至H^• + HCO^•自由基的比例則漸增（van Zee et al., 1993）。

而此新的反應途徑是當甲醛吸光後，其中一個C-H鍵會伸長，H原子遠離分子，但卻沒有完全斷鍵生成H^• +HCO^• ，而是在HCO^• 附近「漫遊」（roaming）。也就是這時候H^• 與HCO^• 維持一個相當遠，卻不會分開的距離。漫遊持續一段時間過後，H^• 回到HCO^• ，並且與H原子結合，最終生成產物H₂ + CO（圖1之紅色虛線），假如不經過漫遊機制，其最終產物是H^• + HCO^• 。漫遊機制在本世紀初引起化學家們高度的關注。2004年，Suits 團隊及Bowman 團隊經由實驗及理論計算更進清晰的闡述了前述反應路徑，並明確提出「漫遊」一詞 （Townsend et al. 2004）。

漫遊機制有幾個待探索的問題。在甲醛的例子中，漫遊機制的發生率低於過渡態機制，但是有沒有可能漫遊機制發生的機率更高，甚至是唯一的機制呢？漫遊機制可能在能量逐漸累積到反應物的過程，亦即加熱反應中發生嗎? 漫遊機制是否屬於罕見現象，還是我們只是看到了冰山一角？觀眾在試圖理解漫遊時，經常會問到一個問題：「為什麼它不直接分離？」這個問題的答案其實涉及對漫遊動態的深入理解， Bowman與Suits的文章相當值得細讀（Bowman＆Suits，2011）。

• 漫遊機制的發生率可能高於過渡態機制，甚至是唯一的機制

在乙醛（圖1 R=CH₃）的光反應中（光的能量略高於C-H 或C-C斷鍵產物），大部分的CH₄ + CO產物都是經基態的漫遊機制產生，只有少部分經由過渡態（Heazlewood et al., 2008）。在此漫遊機制中乙醛的 CH₃^•  先和分子遠離，然後在原分子週邊漫遊，直到CH₃抓取氫原子形成CH₄ + CO。

更令人驚訝的，是在以波長為588 奈米的可見光分解NO₃^•的反應，光的能量在漫遊過渡態和傳統過渡態之間（圖2），當光的能量更高時，O + NO₂^• 是唯一的產物。不論是以實驗或理論方法，反應發生在基態或第一激發態（圖2只顯示基態），漫遊是唯一的分解為 O₂ + NO^•的反應路徑（Grubb et al., 2012）。也就是所有反應只會經過圖2的紅色路徑。在「漫遊區域」或「漫遊過渡態」中，其結構包括一個遠離但未解離的氧原子。

圖2：基態NO3•的漫遊（紅色曲線）及傳統過渡態（藍色曲線）反應機制

• 漫遊機制可能可以在熱反應中發生

除了照光，陽明交通大學的林明璋院士利用歷年的硝基甲烷熱分解反應的實驗數據，結合理論方法，指出在低壓環境中，熱反應主要經過漫遊機制，形成CH₃ONO，之後再分解為CH₃O^• + NO^•，或是經由另一個漫遊過渡態分解為CH₂O +HNO（Zhu et al., 2013）。

總結來說，漫遊機制的研究不僅豐富了我們對化學反應機制的理解，還為設計和控制化學反應提供了新的思路和策略。透過持續的實驗和理論研究，未來將揭示更多關於漫遊機制的驚人發現，並將其應用於更廣泛的化學領域，為科學的發展帶來新的突破和啟示。

• 參考文獻

Bowman, J. M.,  Suits, A. G. (2011). Roaming reactions: The third way. Physics Today, 64(11), 33-37

Grubb, M. P., Warter, M. L., Xiao, H., Maeda, S., Morokuma, K., & North, S. W. （2012）. No straight path: roaming in both ground-and excited-state photolytic channels of NO₃→ NO+ O₂. Science, 335(6072), 1075-1078.

Heazlewood, B. R., Jordan, M. J., Kable, S. H., Selby, T. M., Osborn, D. L., Shepler, B. C., Braams, B. J. & Bowman, J. M. （2008）. Roaming is the dominant mechanism for molecular products in acetaldehyde photodissociation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 105(35), 12719-12724.

Townsend, D., Lahakar, S. A., Lee, S. K., Chambreau, S. D., Suits, A. G., Zhang, X., Rheinecker, J., Harding, L. B. and Bowman, J. M. (2004). The Roaming atom: Straying from the reaction path in formaldehyde decomposition. Science, 306(5699), 1158-1161.

van Zee, R. D., Foltz, M. F. & Moore, C. B.（1993）. Evidence for a second molecular channel in the fragmentation of formaldehyde. The Journal of Chemical Physics, 99(3), 1664-1673.

Zhu, R. S., Raghunath, P., & Lin, M. C.（2013）. Effect of roaming transition states upon product branching in the thermal decomposition of CH₃NO₂. The Journal of Physical Chemistry A, 117(32), 7308-7313.

從化學實驗轉變為競賽試題的設計考量與結果分析—以「二氧化碳與壓力」為例

張嘉宏¹、吳添全²、洪連輝^3,*、楊水平^1,**

¹國立彰化師範大學化學系
²國立虎尾科技大學電子工程系
³國立彰化師範大學物理系
*[email protected]
**[email protected]

• 前言

自2010年起，科學HomeRun創意競賽在彰化縣已舉辦14屆（彰化師大物理系，2024）。自2022年起，雲林縣加入此競賽的行列。此競賽的指導單位：國科會；主辦單位：國立彰化師範大學、國立虎尾科技大學、彰化縣政府、雲林縣政府、台塑企業；協辦單位：彰化縣立陽明國民中學、遠哲基金會彰化辦公室。競賽對象：彰化縣和雲林縣公私立國中小學生。競賽日期：每年3月或4月。競賽獎勵：由縣政府頒發每位參賽者參賽證書乙張，每隊指導老師僅限一人。2023年競賽會場學生參賽情況一隅，如圖1所示。

    

圖1：競賽會場一隅

這競賽的目的有二：(1)培養學生科學創造力：現階段中小學學習階段學生有必要加強獨立思考能力和創新思維的養成，規劃舉辦整合型中小學科學競賽活動，活動涵蓋跨學科和跨領域（數學領域、物理學科、化學學科及生物學科），期望產出的競賽手冊能提供國民中小學教學的參考。(2)提升全民科學素養：大眾科學教育普遍受到世界上各國的重視，期望大眾科學教育的推動能喚醒社會大眾對於科學的關注，提升全體國民的科學素養，也希望能增強國家的長久的競爭力。在競賽活動內涵方面，主要以探索式實驗為依歸，我們相信中小學實驗應以探索起點，教師從學生的認知結構出發，對原已具備瞭解實驗進行拓展，提出新的實驗課題，新的實驗課題包含新的實驗理論、實驗思考方法和新的實驗情境（彰化師大物理系，2024）。

科學HomeRun創意競賽每年有二或三項競賽項目，涵蓋數學領域、物理學科、化學學科和/或生物學科。2023年的競賽項目有二：(1)【項目一】：〈摩擦生電〉，其內涵以物理學科為主；和(2)【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉，其內涵以化學學科為主，以物理學科為輔（彰化師大物理系，2023）。項目二的競賽活動有二：【活動一】：此活動類似遊樂場使用空氣槍射擊氣球，其原理是氣體在密封空間中經過壓縮來擊發發射物。此活動使用寶特瓶當作簡易空氣槍，並使用矽膠塞當作發射彈，以化學反應產生氣體充滿寶特瓶，使二氧化碳和空氣在密閉瓶中被壓縮。在化學反應的過程中，當瓶內的氣體總壓力大於矽膠塞與瓶口的摩擦力時，發射彈即刻發射出去。【活動二】：在密閉的寶特瓶中吹脹氣球是一件相當困難的事。在此活動中，使用家用產品，控制藥品的使用量，進行簡單的操作，就可以在密閉瓶中使氣球膨脹（ChemNCUE，2024；科學Online，2024；彰化師大物理系，2024）。

本文僅針對【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉的兩項活動，描述競賽試題的設計考量和競賽結果的分析，分述為五部分：(1)競賽試題涉及的實驗原理和概念；(2)競賽使用器材和積分計算方式；(3)競賽實驗操作過程；(4)評分考量和標準設定；以及(5)競賽結果的分析與討論。

• 競賽試題涉及的實驗原理和概念

本競賽試題涉及的原理和概念涵蓋自然領域和數學領域。自然領域有化學學科的化學反應、理想氣體定律、道爾頓分壓定律及化學計量的理解和應用；物理學科的氣體壓力、應力、摩擦力、彈力之間的多重關係。數學領域有發射彈射遠效率和氣球膨脹效率的定義理解和計算。這些原理和概念僅「化學反應」編入競賽手冊中；「理想氣體定律」和「道爾頓分壓定律」及「化學計量」並未列入其中，但在步驟中提示藥品用量會影響結果；至於「壓力、應力、彈力、摩擦力之間的關係」和「發射角度」，僅在步驟中提示。

一、化學反應

在項目二：〈二氧化碳與壓力〉的兩活動，涉及的第一反應為碳酸氫鈉（NaHCO₃）與檸檬酸（C₆H₈O₇）的反應，當兩反應物混合後，加入水會立即發生化學反應，產生二氧化碳（CO₂）氣體和檸檬酸三鈉（Na₃C₆H₇O₇），其反應如式[1]所示：

3NaHCO₃(s) + C₆H₈O₇(s) + nH₂O(l) →
3Na⁺(aq) + 3CO₂(g) + C₆H₅O₇^3‒(aq) + (n+3)H₂O(l)    [1]

該反應式以淨反應式表示為檸檬酸的氫根離子（H⁺）與碳酸氫鈉的碳酸氫根離子（HCO₃^–）反應，其反應如式[2]所示：

H⁺(aq) + HCO₃^‒(aq) → H₂O(l) + CO₂(g)    [2]

第二反應為氧化鈣（CaO，生石灰）與水（H₂O）反應，生成氫氧化鈣（Ca(OH)₂，熟石灰），其反應如式[3]所示：

CaO(s) + H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq)    [3]

第三反應為氫氧化鈣與二氧化碳的反應，生成碳酸鈣（CaCO₃）和水，其反應如式[4]所示：

Ca(OH)₂(aq) + CO₂(g) → CaCO₃(s) + H₂O(l)    [4]

二、理想氣體定律和道爾頓分壓定律

理想氣體定律：理想氣體狀態的方程式為PV = nRT，其中，P為壓力，V為體積，n為氣體物質的量（通常是莫耳），R為理想氣體常數，T為絕對溫度。由PV = nRT可推知，在恆定的體積和溫度下，在密閉系統中氣體壓力與莫耳數（或分子數）成正比，亦即氣體莫耳數（或分子數）增加，氣體壓力隨之增加（維基百科，2024a）。就本實驗而言，在寶特瓶中加入檸檬酸和碳酸氫鈉並加水產生二氧化碳，立即塞住矽膠塞形成密閉系統。此時瓶內二氧化碳氣體分子增多，進而其壓力隨之增加。

氣體分壓定律：在恆定的溫度和體積下，在密閉系統中混合氣體的總壓力等於各組成氣體分壓之和，例如：兩種氣體a和b，總壓力等於兩種氣體分壓之和，亦即P_t = P_a + P_b。氣體分壓定律也稱為道爾頓分壓定律。道爾頓分壓定律可描述為：在同溫和同壓下，單一組成的氣體與混合氣體總的體積之比等於它們的莫耳分數之比，亦即等於分壓與總壓之比（維基百科，2024b）。就本實驗而言，在寶特瓶中加入檸檬酸、碳酸氫鈉及水產生二氧化碳氣體，立即塞住矽膠塞形成密閉系統。此時瓶內含有空氣和二氧化碳氣體，其總壓力為空氣和二氧化碳氣體的分壓之和。當瓶內二氧化碳繼續產生時，二氧化碳氣體分子數增多，進而其分壓隨之增加，導致瓶內的總壓力也隨之增加。當總壓力大於矽膠塞與瓶口的摩擦力時，矽膠塞即刻發射出去。

三、化學計量

從化學計量學來看，當進行反應[1]時，2茶匙（10.1 g）的小蘇打，相當於120 mmol （10.1 g / 84.0 g‧mol^-1）的碳酸氫鈉；而1茶匙（5.2 g）的食用檸檬酸，相當於27 mmol（5.2 g / 192.1 g‧mol^-1）的檸檬酸（不含結晶水）。以第一反應觀之，碳酸氫鈉為過量試劑，而檸檬酸為限量試劑。27 mmol的檸檬酸（相當於氫根離子27 mmol × 3），可消耗81 mmol碳酸氫鈉（相當於氫氧根離子27 mmol × 3），剩下39 mmol的碳酸氫鈉。在室溫下，產生81 mmol的二氧化碳氣體，其體積為2000 mL（81 mmol × 82.058 mL‧atm‧K^-1 × 298 K / 1.00 atm），其產生的體積足以充滿4.4個容量為450 mL的寶特瓶。

當進行反應[3]時，加入1茶匙（5.3 g）的氧化鈣，相當於94 mmol（5.3 g / 56.1 g‧mol^-1）的氧化鈣。加水後產生94 mmol的氫氧化鈣，可消耗二氧化碳的莫耳數為94 mmol，亦即可消耗二氧化碳體積2300 mL (94 mmol × 24.45 L‧mol^-1)。這氧化鈣的使用量足以消耗5.1個充滿二氧化碳的寶特瓶（瓶容量450 mL）。

四、壓力、應力、彈力、摩擦力之間的關係

由於本競賽使用具有非完全硬質的塑膠寶特瓶、有彈性的矽膠塞和乳膠氣球，因此需要考量寶特瓶瓶身的應力、寶特瓶瓶口與矽膠塞之間的摩擦力、矽膠塞和氣球本身的彈性、以及氣體的壓力，並且需要考慮壓力、應力、彈力、摩擦力之間的交互關係。

五、發射角度

此實驗還需要考慮發射角度。炮彈發射的飛行距離完全取決於初始速度ν和射出角度α，而且ν與α之間並不存在互相關係，亦即ν不受α影響，α也不受ν影響。當表面平坦時（物體初始高度為零），若射出角度α = 45度，則獲得最大距離（Wikipedia, 2024）。

• 競賽使用器材和評分方式

為使競賽趨於公平，避免不必要的紛爭，【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉使用的藥品和器材由大會統一提供，而且限制其規格和數量。這方面分為兩類：(1)大會提供各隊的藥品與器材，如表1和圖2所示；和(2)大會提供公共的藥品與器材，如表2和圖3所示。另外，安全用具由參賽學生自備，如表3和圖2下方所示，規定自備的原因是學生平時在校操作化學實驗應該遵守實驗室安全守則，安全用具是必備用品。辦理單位應該事先準備一些安全用具，以備學生忘記攜帶的不時之需。

一、競賽使用藥品和器材

(一)大會提供各隊的藥品與器材

表1：大會提供各隊使用的藥品與器材

圖2：提供各隊使用的藥品與器材（示意圖），用於活動一（左）和活動二（右）

(二)大會提供公共使用的藥品與器材

表2：大會提供公共使用的藥品與器材

圖3：大會公共使用的藥品與器材（示意圖）

(三)學生自備安全用具

表3：學生自備安全用具

為讓參賽學生對其競賽成績的評量有清楚的認識，並使競賽順利進行，本競賽規範一些注意事項（第1-4項）、並且說明違規扣分（第5-7項）和積分計算方式（第8-12項）。

1. 大會提供的材料包用於活動一和活動二。
2. 在各組的製作區配製活動一和活動二的第一個寶特瓶藥品，時間共30分鐘。
3. 本競賽提供的檸檬酸和小蘇打粉為固定供應量，參賽者不得要求額外發給。
4. 在寶特瓶內殘留的液體不可以直接丟棄於垃圾桶中，務必用大量的水稀釋沖掉，再分類回收。不可再次裝水飲用。
5. 參賽者競賽過程須全程配戴安全眼鏡和乳膠手套，違者該競賽活動項目成績乘以8。
6. 參賽者必須在工作區和公共發射區內完成操作，且在操作時不可有任何妨礙他人進行的行為，進行實驗時僅可使用大會提供的藥品和器材，違者該活動項目不予計分。
7. 寶特瓶和氣球不得做任何改造，如拉長或吹脹氣球、寶特瓶擠壓或扭轉等行為，違者本競賽項目不予以計分。
8. 活動一有兩次機會（有兩個寶特瓶，每一個寶特瓶使用兩顆發射彈），取成績較佳的一次當作成績。
9. 活動二有兩次機會（有兩個寶特瓶和兩個氣球），取成績較佳的一次當作成績。
10. 活動一和活動二的競賽積分計算方式：(1)排序各組競賽的原始分數；(2)依照各組原始分數由高到低進行排名（第一到最後一名）；以及(3)各組排名的反向數值當作各組的競賽積分（例如：參加競賽有60組，第一名積分得60分，最後一名得1分）。
11. 活動一和活動二積分的總和即為本競賽項目的成績。
12. 若兩組總積分相同，以同名次計算。（例如：第一名115分，第一名115分，第二名從缺，接續第三名。）

• 競賽實驗操作過程

【活動一】：我是有效率的射遠高手

活動一的過程簡述如後：(1)取得一個空的寶特瓶；(2)在瓶中加入預估量的無水檸檬酸和小蘇打，再加入預估量的水；(3)在瓶口塞住一個矽膠塞；以及(4)寶特瓶放在發射台上，等待矽膠塞發射。詳細過程如下：

1. 公共區提供兩個矽膠塞和兩個10元硬幣，並已使用透明膠帶黏住矽膠塞的寬徑與10元硬幣在一起，製作成兩顆發射彈，如圖4所示。

圖4：完成製作的兩顆發射彈

2. 攜帶寶特瓶（不含瓶蓋）、藥品及塑膠醬料碟到公共區域。各小隊至指定公用區的秤台，使用布丁匙和咖啡攪拌匙，取得預估量的無水檸檬酸和小蘇打放在醬料碟中。（註：各小隊自行預估無水檸檬酸與小蘇打的使用量，藥品用量會影響發射距離。）

3. 各小隊在公用區告知裁判該小隊所想使用的水量（有兩次機會，水量共50毫升，可自行評估是否全部用完），由裁判裝取水量給小隊並記錄所使用水的重量（W₁），取至公克數小數點後一位，如圖5左所示。（註：各小隊自行預估，加入水量會影響發射距離。）

4. 先在電子秤上，放上一個空的寶特瓶和一個塑膠漏斗。然後電子秤歸零，再倒入藥品到寶特瓶中，如圖5中所示。測量此二藥品的重量（W₂）並紀錄，取至公克數小數點後一位，如圖5右所示。

  

圖5：測量水的重量（左），二藥品倒入寶特瓶中（中），測量二藥品的重量（右）

5. 至發射區，以閱讀書架當作發射台，參賽者在發射前可事先調整好發射角度。高角度可由閱讀書架的支撐物來控制，低角度可利用大矽膠塞放在適當位置來控制，分別如圖6左和右所示。（註：發射彈發射的角度會影響發射距離。）

圖6：以閱讀書架當作發射台，調整高角度（左）和低角度（右）。

6. 時間限時3分鐘，須於時間內完成兩顆發射彈的發射。在工作人員喊「開始」後，立即倒入事先準備的水到寶特瓶中，如圖7左所示。立即用發射彈塞住瓶口後並放置此寶特瓶在發射台上，等待彈發射發射出去，如圖7右所示。（註：發射彈塞住瓶口的方式和鬆緊度會影響發射距離。若發射彈發射到發射區之外，則不予計分。）

圖7：水倒入寶特瓶中（左），放置寶特瓶在發射台上（右）。

7. 在第一顆發射彈發射後，立即用第二顆發射彈塞住瓶口，等待發射彈發射出去。（全部過程須在3分鐘內完成，若在時限內只發射一顆，則只計算一顆的成績。）

8. 由工作人員計算各小隊兩顆發射彈落入評分區域的得分。若發射彈最後落在界線上，則採取較高分數的區域得分；若落到發射區之外或未發射，則不予計分。最終結果皆由裁判認定。發射彈落入區域的以公尺為區分與其對應的區域得分，如圖8所示。

圖8：發射區域的以公尺為區分與其對應的得分

9. 在第一個寶特瓶發射後，回到自己的製作區，使用第二個寶特瓶（當作第二次），自行調整藥品用量及水量，重複步驟2-8，進行第二次實驗。

10.在結束後，倒出寶特瓶內的溶液到廢棄桶中，並放置此二寶特瓶至公共區域。

【活動二】：我有奇招使氣球在密閉瓶中膨脹

活動二的過程簡述如後：(1)取得一個空的硬質寶特瓶；(2)在瓶中加入預估量的無水檸檬酸和小蘇打，再加入固定量的水；(3)在反應的適當時機，加入預估量的氧化鈣；以及(4)在瓶口內套緊一個氣球；以及(4)搖晃寶特瓶，促使氣球在寶特瓶中膨脹。詳細過程如下：

1. 各小隊至指定公用區的電子秤，使用布丁匙和咖啡攪拌匙，取預估量的檸檬酸與小蘇打放在塑膠醬料碟中，再取預估量的氧化鈣放在另一個醬料碟中。（註：無水檸檬酸、小蘇打及氧化鈣的使用量會影響氣球膨脹的程度。）

2. 攜帶寶特瓶（不含瓶蓋）、含無水檸檬酸和小蘇打的醬料碟、氧化鈣的醬料碟以及塑膠漏斗到公共區域，如圖9所示。

圖9：取預估量的藥品和器材到公共區域

3. 取一個空的寶特瓶和一個漏斗，放在電子秤上並歸零，再倒入無水檸檬酸和小蘇打到寶特瓶中，測量此二藥品的重量（W₁），取至公克數小數點後一位，如圖10左所示。

4. 由工作人員加入約30 g自來水，如圖10中和左所示，此時瓶內混合物開始反應，參賽者可輕輕地搖晃寶特瓶使其混合均勻。（註：統一由工作人員稱重約30 g的水並加入瓶中。）

  

圖10：測量二藥品的重量（左），量杯中約30 g自來水（中），加入水到寶特瓶（右）

5. 參賽者放置裝有混合物的寶特瓶和漏斗在已歸零的電子秤上，在適當時機倒入氧化鈣到寶特瓶中，如圖11所示。測量氧化鈣的重量（W₂），並紀錄，取至公克數小數點後一位。

圖11：在適當時機倒入氧化鈣到寶特瓶中

6. 立即取下漏斗後，馬上懸掛一顆氣球在寶特瓶的瓶口內，並套緊在瓶口上，使之形成密閉系統，如圖12所示。（注意：勿用太大力使氣球破裂，如有破裂，材料包有一顆備用氣球。）

圖12：懸掛一個氣球在寶特瓶的瓶口內

7. 帶回裝有氣球的寶特瓶至製作區，輕輕地搖晃此寶特瓶，使氣球在寶特瓶中逐漸膨脹，需時10-20分鐘，如圖13所示。

圖13：搖晃寶特瓶，使氣球在寶特瓶中膨脹

8. 參賽者等待氣球不再膨脹後，攜帶裝有氣球的寶特瓶到公共區域，放在電子秤上並歸零。

9. 工作人員提供自來水，讓參賽者慢慢地倒入水到膨脹的氣球中，如圖14左所示。當水位接近瓶口時，用滴管慢慢地滴加，直到水位與瓶口切齊，如圖14中所示。再由工作人員秤重，並記錄加水的重量（W₃），如圖14右所示。

圖14：倒入水到氣球中（左），用滴管滴加直到水位與瓶口切齊（中），秤量水重（右）。

10.使用第二個寶特瓶（當作第二次），調整藥品用量，重複前述步驟1-9，進行第二次實驗。

11.在結束後，繳回兩個寶特瓶（倒出自來水）到大會處，瓶內的殘留物由工作人員統一處理。

12.放入所有器材和剩餘的藥品到材料包中，繳回到公共區域。

• 評分考量與標準設定

一、評分考量項目

活動一的競賽評量考量為發射彈射遠距離，活動二為氣球膨脹體積。發射彈射遠距離和氣球膨脹體積（應變變因，依變因）與反應物的藥品使用量（操縱變因，自變因）產生或消耗二氧化碳氣體的體積量有正相關或無相關，這涉及化學計量的原理。再者，影響這兩項評量有寶特瓶身的塑膠材質（應力）、矽膠塞和乳膠氣球的矽膠和橡膠材質（彈性）、以及寶特瓶瓶口與矽膠塞之間塞緊程度（摩擦力）。此外，發射彈發射角度亦會影響射遠距離。由於這類的應力、彈性、摩擦力及發射角度在現場難以評估或不易計量，因此本次競賽採用相同材質和大小的寶特瓶、矽膠塞及乳膠氣球，而塞緊程度和發射角度不納入評量的考量。

在操縱變因方面：(1)在活動一和二中，產生二氧化碳氣體的反應物（小蘇打、檸檬酸及水）使用量，小蘇打和檸檬酸的使用量越多產生氣體體積越多，這涉及化學計量的原理；使用水量也會影響實驗結果。活動一的水量由學生自行決定有列入評量，而活動二由大會工作人員統一加入固定的水量不列入評量；發射角度也會影響發射距離但不列入評量。(2)在活動二中，反應物（氧化鈣）的使用量會影響消耗二氧化碳氣體的量，氧化鈣使用量越多消耗二氧化碳氣體量越多，這也涉及化學計量的原理。另外，在應變變因方面：(1)活動一為發射彈發射距離，發射距離越遠區域得分越高；(2)活動二為氣球膨脹體積，膨脹體積越大得分越高。

為讓參賽師生對於操縱變因和應變變因之間的交互關係有更深入的理解，本競賽項目以「效率」作為競賽積分的評量標準，亦即在不浪費藥品的情況下（操縱變因）可以成功完成最佳的結果（應變變因）。提出射遠效率（射遠距離/藥品和水總量）和氣球膨脹效率（氣球膨脹體積/藥品總量）的概念，讓參賽者控制最少量的反應物能使發射彈發射最遠距離和氣球膨脹最大體積，找出射遠效率和氣球膨脹效率的最佳條件。

二、評分標準設定

【活動一】：我是有效率的射擊高手

1. 本活動列入評分項目有二：(1)水和二種藥品的總重量（W₁ + W₂ = W），以及(2)連續兩顆發射彈的區域得分之和（D）。

• • 射遠效率（E）的定義為兩顆發射彈的區域得分之和除以使用藥品和水重量之和，亦即E = D ÷ W。E值越大，得分越高。

2. 本活動的成績計算方式如下：

• • 發射彈落入區域得分（D）：兩顆發射彈射到區域得分之和（D₁ + D₂）。
  • 射遠效率（E）：E = D ÷ W，單位1/g。取四捨五入至小數點後兩位。
  • 成績計算方式：依照射遠效率（E）排序，E值越大，得分越高。
  • 本競賽活動有兩次機會（兩個發射瓶），取其中一次E值較大者進行排名和得分。

【活動二】：我有奇招使氣球在密閉瓶中膨脹

1. 本活動列入評分項目有二：(1)三種藥品的總重量（W = W₁ + W₂）：檸檬酸與小蘇打的重量（W₁）加上氧化鈣的重量（W₂），以及(2)氣球膨脹體積（V）。

• • 氣球膨脹效率（E）的定義為三藥品的單位重量能使氣球膨脹體積的大小，亦即E = V ÷ W。E值越大，得分越高。

2. 本活動的成績計算方式如下：

• • 使用三種藥品的總重量（W）：亦即W = W₁ + W₂。
  • 汽球膨脹的體積（V）：氣球膨脹後加水後的重量（W₃）。若氣球膨脹的體積未達0 g的水量，則本競賽活動的成績不予計分。（註：假設水密度是1.00 g/mL，以水的重量代表氣球膨脹體積。）
  • 氣球膨脹效率（E）：E = V ÷ W，單位mL/g。取四捨五入至小數點後兩位。
  • 成績計算方式：依照氣球膨脹效率（E）排序，E值越大，得分越高。
  • 本活動有兩次機會（兩個氣球膨脹瓶），取其中一次E值較大者進行排名和得分。

• 競賽結果的分析與討論

針對活動一（有效率的射遠高手）和活動二（氣球在密閉瓶中膨脹）的競賽結果，分別進行射遠距離和射遠效率以及氣球膨脹體積和膨脹效率的統計分析。本文探討五個問題：(1)針對活動一，探討不同兩顆發射彈（自變項）對射遠距離（依變項）有何影響？探討不同兩次實驗（自）射遠效率（依）有何影響？(2)針對活動二，探討不同兩次實驗（自）對氣球膨脹體積（依）和膨脹效率（依）有何影響？(3)針對活動一，探討不同兩階段學生（自）對發射彈射遠距離（依）和射遠效率（依）有何影響？(4)針對活動二，探討不同兩階段學生（自）對氣球膨脹體積（依）和膨脹效率（依）有何影響？以及(5)針對兩活動，探討不同兩階段學生（自）對使用藥品用量（依）和化學計量（依）有何影響？

在2023年，雲林縣有25隊參加，由於有一隊故意使用極少量的藥品，雖得到很低的區域得分，但是獲得最高分的射遠效率，本文排除該隊的數據不列入統計分析，因此樣本數只有24隊。此外，在競賽活動時，由於有些隊伍在混合藥品後或加入水後才稱重，並未分開稱重，因此這些隊伍的數據不納入統計分析。

一、活動一（射遠高手）所有學生的射遠距離與射遠效率

活動一有兩個發射瓶（兩次機會），每一次實驗可連續發射兩顆發射彈。發射區域（距離）以每公尺劃一區隔線。若發射彈落在兩區隔線之間，則以0.5公尺計之，例如：落在2與3公尺之間，以2.5公尺計之。在表4A和4B中，每一次實驗的第一彈和第二彈的樣本數都是n = 24，兩次合併的第一彈和第二彈的樣本數都是n = 48。

表4A：活動一─所有學生的射遠距離

p < 0.05 *, p < 0.01 **, p < 0.001 ***

根據表4A，從射遠距離的平均值來看，無論是第一次、第二次還是兩次合併，參賽者第一彈的成績都優於第二彈，其原因是瓶中產生二氧化碳氣體產生量隨時間遞減。根據t檢定的結果，在顯著性水準α = 0.05下，沒有足夠的證據表明在第一次、第二次或兩次合併方面，第一顆與第二顆發射彈發射距離的平均值之間存在顯著差異（分別p = 0.310、0.244及0.474）。此外，第二次的成績都優於第一次，這顯示學生有進行實驗改善；在顯著性水準α = 0.05下，沒有足夠的證據表明第一次與第二次的兩彈發射距離之和的平均值之間存在顯著差異（p = 0.301）。這意味著任何觀察到的差異很可能是隨機變異造成的，而不是因為學生改善實驗有顯著的效應。

表4B：活動一─所有學生的射遠效率

二、活動二（氣球膨脹）所有學生的氣球膨脹體積與膨脹效率

在表5A和5B中，第一次和第二次的樣本數都是n = 24，兩次合併的n = 48。用於氣球體積膨脹的塑膠瓶，其容量為450 mL。

表5A：活動二─所有學生的氣球膨脹體積

表5B：活動二─所有學生的氣球膨脹效率

三、活動一（射遠高手）國小生和國中的射遠距離與射遠效率

在評分標準中提到：活動一的射遠距離計算為在同一發射瓶（同一次）連續兩顆發射彈發射的距離之和。在表6A和6B中，國小第一次和第二次的樣本數都是n = 16，國中都是n = 8；兩次合併的樣本數，國小n = 32，國中n = 16。

表6A：活動一─國小生與國中生的射遠距離

表6B：活動一─國小生與國中生的射遠效率

四、活動二（氣球膨脹）國小生和國中的氣球膨脹體積與膨脹效率

在表7A和7B中，國小的第一次和第二次的樣本數都是n = 16，國中都是n = 8，國小的兩次合併n = 32，國中的兩次合併n = 16。

表7A：活動二─國小生與國中生的氣球膨脹體積

表7B：活動二─國小生與國中生的氣球膨脹效率

五、活動一（射遠高手）和活動二（氣球膨脹）的藥品用量分析

在表8A-1、8A-2、8B-1及8B-2中，僅以「檸檬酸」表示無水檸檬酸；「合乎化學計量」被定義為莫耳數比與理論比在±10%之內；「3酸與1鹼莫耳數比」是指3倍無水檸檬酸與1倍小蘇打的莫耳數比。在活動一的表8A-1和8A-2中，國小的樣本數n = 13，國中n = 6，國小與國中合併n = 19。在活動二的表8B-1和8B-2中，國小的樣本數n = 20，國中n = 8，國小與國中合併n = 28。

表8A-1：活動一─國小生與國中生使用檸檬酸與小蘇打的重量與化學計量（1/2）

表8B-1：活動二─國小生與國中生使用檸檬酸與小蘇打的重量與化學計量（1/2）

在活動二的表8B-3中，國小的樣本數n = 15，國中n = 5，國小與國中合併n = 20。

表8B-3：活動二─國小生與國中生使用氧化鈣的用量

• 結語

在競賽實驗操作方面，本競賽試題的活動一（有效率的射遠高手）和活動二（氣球在密閉瓶中膨脹）的步驟設計採用結合詳述的（expository）和基於問題的（problem-based）實驗模式（Domin, 1999）。進一步說，在競賽手冊中提供大部分詳細的操作步驟，同時納入少部分的開放性思考，尤其在化學藥品使用量方面，並且納入一些半開放性的提示，讓學生有思考並嘗試改善的機會，激發團體集思廣益的潛能。

在評量標準設定方面，本競賽項目採用目標導向的評量，其目標設定為：發射彈射遠距離（活動一）和氣球膨脹體積（活動二）。由於反應物的藥品使用量產生或消耗二氧化碳氣體的體積量對射遠距離和膨脹體積有正相關或無相關的影響，因此藥品使用量的限制成為評量的重要考量。為讓參賽師生對於操縱變因和應變變因之間的交互關係有更深入的理解和應用，本競賽項目以「效率」作為競賽得分的評量標準，因而提出：射遠效率和氣球膨脹效率。增加學生思考如何控制最少量的反應物能使發射彈發射最遠距離和氣球膨脹最大體積，進而找出射遠效率和氣球膨脹效率的最佳條件。這「效率」的概念確實帶給競賽學生對問題解決增加很大的挑戰。然而，在活動一的評量標準未規定發射距離達到指定的距離才能計分，以致有一隊使用非常少量的藥品發射很短的距離而得到很高的射遠效率，這不是原本設計本競賽的本意，往後需要增加限制條件以合乎公平。

在競賽結果分析方面，(1)參賽者同一次實驗的第一彈射遠距離和射遠效率的成績均優於第二彈，這合乎同一瓶中二氧化碳氣體產生量隨時間遞減的化學原理；第二次的成績都優於第一次，這顯示學生有進行實驗改善。(2)參賽者在第一次和第二次的氣體膨脹體積分別只佔瓶容量的三成六和二成七，這顯示氣球膨脹體積的效果不佳。(3)國小生在第二次兩彈發射距離之和的表現優於第一次；國中生則相反；國中生和國小生發射兩彈發射距離之和最高可達到18公尺；國中生在射遠效率表現均優於國小生。(4)國小生的氣球膨脹體積和膨脹效率第一次的表現優於第二次；國中生則相反。(5)國小生和國中生在兩活動中使用無水檸檬酸和小蘇打合乎化學計量的隊數百分比很低，國小生和國中生使用過量的無水檸檬酸佔大多數，使用過量的小蘇打則很少數。再者，國小生使用氧化鈣可消耗二氧化碳體積比國中生多出約二成，而且可消耗二氧化碳體積量分別為瓶容量的2.4倍和1.9倍，這結果顯示國小生和國中生使用氧化鈣也不合乎化學計量的原理。在比較兩者平均值方面，經過t檢定的結果，在95%的信心水準下，沒有足夠的證據表明所有想要探討的不同兩項自變因對依變因存在顯著差異，包括：同一次實驗的第一顆與第二顆發射彈對射遠距離和射遠效率、第一次與第二次對氣球膨脹體積和膨脹效率、國小生與國中生對兩顆射遠距離和射遠效率、國小生與國中生對氣球膨脹體積和膨脹效率，這意味著任何觀察到的差異很可能是隨機變異造成的。若期望兩者存在顯著差異，則需要考慮不同學習階段學生的知識背景且控制更多條件的試題設計。

• 致謝

感謝國科會（科普活動推廣計畫）和台塑企業（雲林守望輔導計畫）的經費贊助。感謝國立彰化師範大學、國立虎尾科技大學、彰化縣政府、雲林縣政府、台塑企業、彰化縣立陽明國民中學以及遠哲基金會彰化辦公室的協助辦理。感謝此競賽的助理黃聖棋和參與學生的大力幫忙。

• 參考文獻

ChemNCUE（2024）。化學示範實驗：氣球在密閉瓶中膨脹—亞佛加厥定律（Avogadro’s Law）。擷取日期：2024年8月30日。取自https://www.youtube.com/watch?v=fFRSghnGcwg。

科學Online（2024）。化學示範實驗：氣球在密閉瓶中膨脹—亞佛加厥定律（Avogadro’s Law）。2024年8月30日。取自https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=14800。

維基百科（2024a）。理想氣體狀態方程式。2024年8月30日。取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/理想氣體狀態方程式。

維基百科（2024b）。道爾頓分壓定律。2024年8月30日。取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/道爾頓分壓定律。

彰化師大物理系（2024）。HomeRun創意競賽。2024年8月30日。取自http://phys5.ncue.edu.tw/contest/。

Domin, D. S. (1999). A review of laboratory instruction styles. Journal of Chemical Education, 76(4), 543-547.

Wikipedia (2024). Projectile motion. Retrieved 2024 August 30, https://en.wikipedia.org/wiki/Projectile_motion.

• 附錄

下載檔案：2023雲林科學HomeRun創意競賽手冊

新課綱粒子觀點教學的挑戰：教科書如何引導國小學童認識粒子概念

盧秀琴

國立臺北教育大學
[email protected]

• 中年級引導學童認識空氣和水，溫度影響水的三態

一、空氣和水

為了引導國小學童認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小中年級的學習內容，包含：INa-Ⅱ-2在地球上，物質具有重量，佔有體積。INa-Ⅱ-4物質的形態會因溫度的不同而改變。INc-Ⅱ-5水和空氣可以傳送動力讓物體移動。INc-Ⅱ-6水有三態變化及毛細現象。學習表現包含：pe-Ⅱ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源並能觀察和記錄。pc-Ⅱ-2能利用簡單形式的口語、文字或圖畫等，表達探究之過程、發現。tc-Ⅱ-1能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。tm-Ⅱ-1能經由觀察自然界現象之間的關係，理解簡單的概念模型，進而與其生活經驗連結（教育部，2019）。

因應108新課綱的需求，教科書編輯先讓國小學童認識「空氣和水」，從大概念入手。即透過操作與觀察，了解空氣雖然看不見，卻充滿在我們的四周；例如：把紙團塞入透明杯底，然後杯口朝下直直壓入水中，觀察到紙團沒有濕掉，是因為杯子裡充滿了空氣，證明空氣佔有空間。然後在微量天平的兩邊各放置「未吹氣的氣球」和「裝滿空氣的氣球」，發現微量天平的桿子會往「裝滿空氣的氣球」傾斜，證明空氣佔有重量。之後，國小學童操作實驗，將水和空氣各自裝入各種形狀的容器中，發現水和空氣都沒有固定的形狀，才能充滿在各種形狀的容器中。最後，引導國小學童利用「空氣的力量或水的力量」來移動自製的玩具，了解「空氣和水」皆可以傳送動力，使物體移動（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2021）。

二、蒸發、凝結、凝固、融化

在進階的單元中，引導國小學童探討「溫度影響水的三態變化」，先從自然界的現象著眼，觀察水的蒸發與凝結，例如：學童觀察桌面上的水漬在一段時間就不見了，是因為水變成水蒸氣散佈在空氣中，稱為蒸發，但我們肉眼看不見水蒸氣。引導學童觀察日常生活「水的蒸發」，例子有：曬乾衣服、吹乾頭髮…等。其次，在煮開水的過程中，發現水煮沸了會冒白煙，白煙是怎麼產生的？引導學童操作實驗觀察，利用塑膠袋收集白煙，結果發現白煙是水蒸氣遇冷凝結成小水滴，我們雖然看不見水蒸氣，但水蒸氣凝結成小水滴時，我們就能看見了。國小學童隨著做實驗，探討「冰品容器」外側的小水滴是怎麼形成的？最終能歸納空氣中的水蒸氣遇冷或碰到較冷的物品就會變成小水滴，這個現象稱為凝結（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

為了讓國小學童認識水的凝固和融化，引導國小學童操作實驗製作冰棒，發現水遇冷降到攝氏零度以下會變成冰的現象，稱為凝固；並初步觀察自然界水凝固的現象，例如：下雪、結霜、下冰雹、結冰柱。接著，引導國小學童操作實驗，觀察放在盤子裡的冰塊，放在空氣中會越變越小，然後盤子中產生越來越多的水，進而瞭解到冰遇熱會變成水的現象，稱為融化。最後，國小學童學習到的科學概念模型為「水的形態會因溫度的不同而改變」，即冰（固態）遇熱融化成水（液態），水遇熱蒸發成水蒸氣（氣態）；反過來水蒸氣（氣態）遇冷凝結成水（液態），水遇冷凝固成冰（固態）。在整個學習過程中，很重要的科學技能就是教導國小學童如何正確的使用溫度計來測量溫度（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

三、毛細現象

中年級「水的移動」單元，學童在自然界的觀察，看見水的移動方向大多是由高處往低處流動，例如：瀑布、下雨，但也觀察到水會沿著縫隙中移動，這時水的移動方向就可能由低處往高處爬，例如：溫度計中的紅色酒精。引導國小學童操作實驗，發現當縫隙越小時，水的移動爬升越高。因此，國小學童能定義水可以在縫隙中移動的現象稱為毛細現象，並說出日常生活中如何應用毛細現象，例如：寫毛筆字、使用擴香棒、…等（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

• 高年級引導學童認識植物體內水的運輸、空氣組成、天氣變化

一、植物體內水的運輸

引導國小學童進一步認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小高年級的學習內容，包含：INa-Ⅲ-1物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動；其學習內容說明為：可透過模型或動畫模擬，了解粒子會不斷的運動。水的三態變化也可以用粒子運動的模型來理解和解釋。INa-Ⅲ-4空氣由各種不同氣體所組成，空氣具有熱脹冷縮的性質。氣體無一定的形狀與體積。INb-Ⅲ-7植物各部位的構造和所具有的功能有關。INd-Ⅲ-11氣溫下降時水氣凝結為雲和霧或凝華為霜、雪。學習表現包含：tm-Ⅲ-1能經由提問、觀察及實驗等歷程，探索自然界現象之間的關係，建立簡單的概念模型，並理解到有不同模型的存在。pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。pc-Ⅲ-2能利用簡單形式的口語、文字、影像、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模型等，表達探究之過程、發現（教育部，2019）。

接續毛細現象，在高年級「植物世界」單元中，觀察植物體內水的運輸，引導國小學童實驗發現植物澆水後，植物吸收水分後會由根輸送到莖，再輸送到葉，因為植物體內有微細的管子稱為導管，縫隙非常小，水分子可以藉著毛細現象將水分傳送到植物身體的各部位，並呈現「水分子手牽著手在導管中往上爬」的圖片；最後，水分由葉子的氣孔以水蒸氣的形態蒸散到空氣中，成為蒸散作用，科學技能是教導國小學童正確使用顯微鏡觀察葉子的氣孔構造（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

二、空氣的組成

高年級「認識空氣」單元中，觀察到空氣看不見也摸不著，引導國小學童蒐集資料，了解空氣組成主要含有氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳。接著，引導國小學童探究實驗，發現燃燒需要空氣，證明助燃物為氧氣，氧氣也能提供生物呼吸；二氧化碳會使點燃的線香熄滅，沒有助燃的特性，因此可以製成滅火器。最後，引導國小學童操作實驗，將金針菇加入雙氧水製造氧氣；將醋加入小蘇打製造二氧化碳，二氧化碳會使澄清的石灰水變混濁（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

在空氣和人類的關係中，引導學童了解空氣雖然看不見也摸不著，但其中的氧氣就是氧分子，會和鐵製品緩慢作用而生鏽，潮濕環境和酸性環境會加速鐵的生鏽。在我們的日常生活中，含碳的物質燃燒會產生二氧化碳，二氧化碳也是一種分子，屬於一種溫室氣體，如果人類大量燃燒化石燃料（例如：汽油、煤炭）就會產生過多的溫室氣體，加劇全球暖化；我們要多種樹木，當植物行光合作用時，除了製造氧氣外，還能將二氧化碳轉化成有機物質儲存在植物體內，稱為固碳作用（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

三、天氣變化

高年級「多樣的天氣變化」單元中，首先引導國小學童觀察雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，說明水受到溫度的影響會改變形態，自然界的水有氣態（水蒸氣）、液態（雨、露、雲、霧）和固態（雪、霜和冰雹）。並以小知識介紹空氣中的水蒸氣是由肉眼看不見的微小粒子所組成的，而且會不斷的運動，當水蒸氣冷卻凝結為小水滴時，空氣中必須有微小的顆粒供水蒸氣附著，這些微小的顆粒稱為「凝結核」（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

接著，引導國小學童認識水蒸氣遇冷附著在灰塵或微小顆粒會凝結成小水滴或冰晶，若飄浮在空中就稱之為雲、若飄浮在地面附近就稱之為霧。當雲中的小水滴或冰晶變得又大又重，向地面墜落，就是下「雨」；當溫度低於0℃時，水蒸氣直接凝華成冰晶，變成雪花形狀，向地面墜落沒有融化，就是下「雪」，冰晶屬六方晶系，故雪花為六角形對稱結構。氣溫較低時，空氣中的水蒸氣附著在物體表面，凝結成小水滴，則稱為「露」；氣溫低於0℃時，空氣中的水蒸氣直接凝華成冰晶，附著在物體表面，稱為「霜」。晚春或初夏流雲層強烈，隨雷雨落下的球狀或不規則的冰塊，稱為「冰雹」。然後，使用粒子運動的模型提出水的三態變化（見圖1）說明，水在不同壓力和溫度下，會呈現固態、液態和氣態，稱為水的三態。固態的冰，粒子排列整齊，不會任意移動，有固定的形狀；液態的水，粒子排列較鬆散，可以自由移動，形狀會隨容器改變；氣態的水蒸氣，粒子運動得更劇烈，彼此距離變得很大（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

圖1：水的三態變化粒子模型

（資料來源：南一書局，2024）

    此單元的科學技能是引導國小學童操作實驗，觀察水蒸氣的凝結和凝華現象。凝結實驗：在錐形瓶中裝熱水，加入點燃線香的煙當作凝結核，再將裝有冰塊水的塑膠袋覆蓋在錐形瓶上方以降低溫度，一段時間後可以在錐形瓶口看見白煙狀雲的形成。另外，在杯子中倒入加冰塊的冷水，觀察杯壁的外側慢慢形成小水珠，即水蒸氣凝結成露。凝華實驗：在杯子中倒入冰塊水，再加入50克食鹽緩慢攪拌以降低溫度到攝氏0度以下，一段時間後觀察杯壁外側慢慢形成冰晶，即水蒸氣直接凝華成霜，並觀察冰箱冷凍庫的霜作為對照（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

• 結語

教科書引導國小學童認識粒子概念，從大概念入手，中年級引導學童認識空氣雖然看不見也摸不著，卻充滿在我們的四周，具有體積和重量，但沒有固定的形狀；到高年級認識空氣中有氧分子和二氧化碳分子，各具有不同的特性。其次，中年級引導學童認識水會因溫度不同而改變形態，了解水的蒸發、凝結、凝固、融化之定義，並知道水蒸氣是看不見的；到高年級觀察水分子在植物體內的導管中往上或橫向運輸，並了解自然界的雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，是水受到溫度和壓力的影響而改變形態。最後，透過繪圖模擬，了解水分子（粒子）會不斷的運動，固態的冰，粒子排列整齊，有固定的形狀；液態的水，粒子排列鬆散，可自由移動；氣態的水蒸氣，粒子運動更劇烈，彼此距離變大。

• 參考文獻

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教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要– 自然科學領域課程手冊。臺北市：教育部。

康軒文教事業（2021）。國民小學自然科學3上。新北市： 康軒文教事業。

康軒文教事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。新北市： 康軒文教事業。

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翰林出版事業（2021）。國民小學自然科學3上。臺南市：翰林出版事業。

翰林出版事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。臺南市：翰林出版事業。

翰林出版事業（2023）。國民小學自然科學4下，5上。臺南市：翰林出版事業。

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