系統思考在化學教育上的應用：利用系統思考建立物理化學知識架構之探討／鄭原忠

星期一 , 11, 12 月 2023 編輯助理本期專題, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用：利用系統思考建立物理化學知識架構之探討

鄭原忠

國立臺灣大學化學系
[email protected]

n 前言

近年來系統思考的架構在科學、技術、工程和數學（STEM）教育上受到廣泛的關注，研究發現，系統思考的方法已經非常普遍的融入在工程、生物、地球科學等相關領域的教育現場之中(York et al., 2019)。實證研究發現，在STEM教育中，系統思考架構的導入能夠加深學習者對課程內容的理解、增強課程內容間的連結、提供學習者用真實世界問題實踐學習成果的機會、讓學習者在實驗中更全面的考慮外在的變因、以及加強學習者跨領域的思考與實作能力(Assaraf & Orion, 2005; Jacobson, 2001; Kordova et al.,
2018; Mathews & Jones, 2008; Richmond, 1993; Sabelli, 2006)。這些特質顯示系統思考的訓練對學習者解決複雜社會真實問題的能力養成扮演著關鍵的角色，也因此系統思考在近年來已廣泛被納入各國的課程標準或能力評量架構之中。

系統思考雖然在STEM教育受到重視，不過，到目前為止系統思考架構在化學教育中的引進大多侷限在綠色與永續化學的相關領域，這個理由顯而易見，因為綠色與永續化學的本質就涉及跨領域的思考，並需要考慮諸多系統的邊界條件以及複雜的交互作用，使得系統思考成為一項必要的認知工具(MacDonald et al., 2022; Mahaffy et al., 2021; Mahaffy et al., 2019)。系統思考的引進代表學習者在學習知識的同時必須要能夠對相關的社會、環境系統作批判性的思考，例如在學習一個合成化學反應時，要能夠想到反應的起始物和產物與社會需求的關係、它們的製作與廢棄物處理對環境的影響如何、以及是否有其他對環境更為友善的合成方式等等(Constable et al., 2019)。Pazicni 與 Flynn 的分析指出，利用系統思考作為學習架構能夠幫助學習者建立更好的洞察力(Pazicni & Flynn, 2019)，也因為聚焦在系統功能以及動態關係的原因，能夠做到更有效的有意義的學習（meaningful learning）(Bretz, 2001; Novak, 2002)。

目前在化學領域的教學現場並未普遍的導入系統思考的訓練(Chiu et al., 2019; York et al., 2019)，這項缺失可能導致學習者學習意願低落，並且缺乏活用知識的組織能力與實作經驗，而無法將習得的化學知識應用到解釋現實生活中的問題與現象。Constable等人認為化學系統具有複雜性的本質，必須要有系統層級的思維才能駕馭，因此系統思考在化學教育是必要的工具(Constable et al., 2019; Flynn et al., 2019)。不過，從學習心理學的角度來看，化學知識涉及從微觀尺度原子、分子間的交互作用解釋宏觀的實驗結果與現象，這本身就不是容易的工作(Johnstone, 1991; Taber, 2013)，因此要在概念上連結系統層級的現象與微觀的物理原理，並在教學現場成功的實作，仍然有許多嚴峻的挑戰(Ho, 2019)。當考慮在化學教育導入系統思考訓練的時候，教師的意見也是重要的影響因素，在一項研究中(Jackson & Hurst, 2021)，Jackson 與 Hurst 對同系的大學化學系教師做了詳細的訪談，結果顯示所有的參與者都同意系統思考的正面效益並願意在自己的課堂上導入系統思考架構，不過因為時間的不足以及缺乏可供作參考的成功案例，因此難以實踐，這項研究清楚的指出持續發展能用在教學現場的系統思考模組以及建構系統思考相關的教學資源，是當前推展系統思考教育的重要一環(Flynn et al., 2019; MacDonald et al., 2022; Szozda et al., 2022)。在這個方向上，最近Ravi等人將系統思考架構導入一整個學期的化學催化課程(Ravi et al., 2021)，以及Holme利用系統思考架構在普通化學導入藥物與永續化學教學(Holme, 2020)，都在學生回饋時得到非常好的評價。

上述在化學教育引進系統思考架構的挑戰在面對物理化學（Physical Chemistry）教學時顯得更加的嚴峻，物理化學運用數學語言以及基本物理定律給予化學系統的性質以及化學現象定量的描述，也提供了利用微觀原子與分子性質解釋巨觀化學現象的基本規則，是化學教育極為重要的一環，但是因為偏重理論的性質，在文獻中仍缺乏利用系統思考架構來幫助物理化學教學的實例，因此，本文以二氧化碳系統與熱力學知識的連結為例，探討在物理化學教育中引進系統思考的可行步驟，希望建立一種以系統為導向的物理化學知識概念圖，能夠更清晰地呈現理論知識與真實系統的關聯性，以提供學習者更有效以及更有意義的學習過程。

n 系統思考與化學教育

一、系統思考的基本觀念

系統思考的定義在文獻中有眾多不同的闡述，有興趣的讀者可以閱讀本期專刊中其它作者的說明或參考(Ho, 2019)中簡潔清楚的整理，本文採用的是Meadows提出的觀點(Meadows, 2008)：「一個系統是一群相互關聯的元素，以實現某些目標的方式和諧地組織起來」，在這個觀點裡，一個系統必須由三類事物組成：元素（elements）、互聯關係（interconnections）、以及功能或目的（function or purpose），這三個要件的存在可以作為檢視一個模型是否符合系統思考原則的測試標準(Chiu et al., 2019)，因此，系統思考便是一種強調系統的這三個特性並據以進行學習、教學、與評量的系統架構，在這個架構下，系統內各成分之間的互聯關係、這些關係的動態變化（隨時間或空間）、以及系統本身或外力的動態變化如何對系統的行為產生影響(Arnold & Wade, 2015; Richmond, 1993)，這樣的思考架構，對於處理真實世界複雜體系的問題，扮演著關鍵的角色(Constable et al., 2019)。

在化學教育中導入系統思考的訓練是在 2010年代中期開始引起廣泛的關注，國際純粹與應用化學聯合會（簡稱IUPAC）在 2017 年開始啟動「化學教育中的系統思考」計畫（簡稱 STICE）(Mahaffy et al., 2018; Mahaffy et al., 2019)。2018 年時，參與STICE計劃的學者們在美國化學會的《化學教育期刊》（Journal of Chemical Education）發表了一期專刊(Mahaffy et al., 2018)，全面性地對化學教育中如何在課程設計、教學方法、教具等面向引進系統思考做了整理，並特別強調系統思考不僅可以加強學生學習化學知識的動機、加強學習成效，並且可以幫助學生看到化學知識與跨學科領域問題的關聯性，讓綠色以及永續化學的知識能夠更密切的導入主流化學課程的教學內容，在這份專刊中，台灣師範大學化學系的邱美虹教授發表的論文提出了四個系統學習在化學教育中的重要特性，並據以探討在以色列、荷蘭、台灣、美國等四個國家的中等學校化學課程標準中的系統思考元素(Chiu et al., 2019)。

Tümay強調從化學以及化學教育的角度，系統思考的過程可以被想像成是一個動態的循環，其中的步驟包括：（1）對系統建模（modeling systems），（2）進行前瞻與預測（prediction），與（3）回顧與修正模型（retrospection）(Tümay, 2023)，而反覆地進行這個循環是成功處理複雜且動態的化學現象不可或缺的一環。在這三個步驟中，系統思考相關文獻特別注重系統建模的過程，並且有許多學者都強調化學系統建模應該要考慮 CISP 四個基礎的面向，包括：（C）系統的組成單元（Components of system）、（I）系統組成單元間的交互作用（Interactions
of the system components）、（S）系統的結構（Structure of the system）、以及（P）系統的特性（Properties of the system）(Chiu et al., 2019; Tümay, 2023)，在辨識化學系統以及系統間的關聯性時，運用CISP的技巧是重要的能力。

二、協助系統思考的圖形工具

為了更有效地在化學領域引進系統思考的架構，Mahaffy 與 Matlin 等人強調利用圖像方式呈現系統的定義以及系統之間的動態關聯性的重要性(Mahaffy et al., 2019; Mahaffy et al., 2019; Schultz et al., 2022)，他們將傳統的概念圖改良，發展出系統導向概念描繪延伸圖（system-oriented concept map extension，簡稱SOCME），例如圖1就是大氣中二氧化碳濃度相關的SOCME，從圖中可以清楚辨識系統元素、互聯關係、以及功能等要件，更重視子系統（subsystem）的組成與邊界，以及子系統間之動態關聯。整體而言，SOCME提供了一個全面關照系統成分（components）與關聯性的組織方式，可以作為在化學教育中系統思考實作訓練的重要教學資源(Flynn et al., 2019)。除了SOCME 以外，Aubrecht等人更進一步提出了一系列的圖形工具與符號來輔助系統思考的概念發展(Aubrecht et al., 2019)，不過，雖然圖像化的思考有助於學習者直觀的理解複雜系統的動態連結，過度複雜的符號工具卻有可能模糊了學習的焦點並造成學習者不必要的負擔，在使用的時候應該做謹慎的評估。

三、系統思考能力

從教育理論的觀點，一項重要的問題是系統思考架構究竟可以帶給學生什麼樣子的能力呢？這個問題我認為可以用 Assaraf 與 Orion 提出的「系統思考能力階級模型」（system thinking hierarchical model）(Assaraf & Orion, 2005) 來回答。圖2中簡述了統思考能力階級模型中的三個系統思考階級，以及八項學習者在系統思考訓練中應該要獲取的技能。這八項技能從第一階級辨識系統成分與過程的靜態組成，第二階段強調系統成分間的相互關聯以及動態的行為，到第三階段的進階整合與分析能力，此一系統思考能力階級模型除了可以應用在課程規劃以及教學方法設計之外，也可以作為評量學習者學習成效之基礎要素。特別值得一提的是在教學上設計讓學習者依照此階級模型的順序製作SOCME可以完全呼應系統思考能力建立的過程，因此SOCME可以作為一種特別有效的系統思考學習工具。

圖1：二氧化碳相關的系統導向概念描繪延伸圖，闡述人為活動生成的二氧化碳與大氣、海洋、氣候、減碳措施之間的動態關聯性。
資料來源：”Graphical Tools for Conceptualizing Systems Thinking in Chemistry Education,” by Aubrecht, K. B. et al. (2019). Journal of Chemical Education, 96, 2888–2900. ©Copyright 2019 American Chemical Society.

圖2：培養系統思考能力的階級模型。

資料來源：整理自” Development of system thinking skills in the context of earth system education,” by Assaraf, O. B. & Orion, N. (2005). Journal
of Research in Science Teaching, 42, 518–560.

n 系統思考與理論物理化學– 以熱力學第一定律為例

一、傳統的理論物理化學知識架構

傳統的物理化學教學強調按部就班地建立學習者的數學以及物理學基礎知識，往往過度強調一種線性的學習過程，這一點可以清楚的從一般物理化學大學教科書的編排中看出。例如圖3是從HyperPhysics網站擷取的熱力學知識概念圖，而這個圖像展現了一般高等教育物理化學課程教授的知識途徑，清楚的呈現傳統理論物理化學教育的線性過程，這樣的知識架構簡化了教學的複雜度，但是卻難以呈現知識之間真實的關聯性，例如圖3中的亂度（entropy）概念是作為一項學習路徑的終點，無法反映出亂度幾乎在所有其他的知識概念 — 如熱平衡（thermal equilibrium）與理想氣體定律（ideal gas law） — 也都扮演著關鍵性的角色，此外，在傳統物理化學教學方法中，往往是先教授理論知識與模型，再「舉例子」說明理論在真實情境的應用，這樣的方式弱化了理論知識與真實世界問題的連結，造成學習者在未來應用所學知識的障礙。有鑒於這些傳統理論物理化學知識架構的問題，本文建議從真實世界系統的SOCME出發，來發展出新的知識概念架構，據以將系統思考的架構引入物理化學教育。

圖3：傳統的理論知識概念圖，以熱力學為例。

資料來源：HyperPhysics (©2016 C.R. Nave). Retrieved November
10, 2023 from http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/heacon.html

二、利用SOCME 建立物理化學知識架構

在本節中我們嘗試拆解從SOCME建構物理化學理論知識架構的過程，經過反覆的嘗試，我們認為這個過程可以分成系統的聚焦與放大、系統的建模、以及系統的符號化等三個步驟，透過檢視此過程中每個步驟的操作要素，我們可以建構一套系統化的方式將SOCME轉化成具有完整連結的理論知識地圖，我們稱之為系統導向知識概念圖（system-oriented knowledge concept map）。以下逐步說明此三個步驟。

（一） 系統的聚焦與放大

如圖1的SOCME涵蓋非常多個系統成分與子系統，其複雜度往往超過一門課程可以處理的資訊量，因此，第一步需要選取並聚焦在SOCME中的某項成分，以圖1中的系統為例，我們選擇聚焦在「燃燒化石燃料」（burning fossil fuels）的這個部分，並據以探討熱力學相關的知識在此系統中扮演的角色。圖4呈現我們挑選出來的系統成分，要特別注意在選取的過程中應該保留此成分與其他組成成分間的相互關聯以及功能，如此一來，後續完成的知識概念圖可以保有與系統其他沒有被選取的成分間的關聯性，因此，聚焦雖然選取了系統的單一成分來做分析，卻不會破壞系統思考的整體性。

一般而言，從SOCME選取的系統成分，表徵的是巨觀的現象學描述，此時需要利用系統的多尺度（multiscale）特性，因此可以在考慮系統的組成時，將系統概念作放大（zoom in）或縮小（zoom out）的操作(Ravi et al., 2021)。以「燃燒化石燃料」為例，此一描述是比較巨觀與粗略的，而我們需要可以對應到真實物理系統的SOCME，因此必須要透過放大來找出其中關鍵的組成成分。這個步驟應該讓學習者利用CISP的技巧以及系統思考能力（圖2）來建構一個能夠描述所選取系統的概念圖，並辨識出關鍵的物理系統。以「燃燒化石燃料」為例，我們可以以「內燃機」（internal combustion engine）為核心重建一個放大後的SOCME圖，如圖4所示，這個過程需要辨識並瞭解系統內隱藏的維度，並需要應用比較高階的系統思考能力。放大的準則是核心概念（如內燃機）必須要能夠對應到實體物理系統的，才能夠進入下個步驟，因此，選擇契合系統功能的適當尺度來建構聚焦放大的系統概念圖，是成功的關鍵。

圖4：選擇「燃燒化石燃料」並聚焦放大的系統概念圖

（二） 系統的建模

建立完如圖4這樣在放大的尺度呈現出來的SOCME後，我們應該再次選取部分的成分來進行分析，以免被過度的複雜性系統概念影響在物理化學教學，如圖5所示，這次選取「內燃機」與「化石燃料」（fossil fuels），並且要針對這個部分進行建模，這個建模的過程是處理科學知識的重要基石，在過去的文獻中已經有眾多清楚地探討，本文不再贅述，此時要特別強調進行「近似」的重要性，為了能夠得到清楚的數學描述，必須要捨棄較不重要的系統性質，以近似的模型取代真實世界的實際情況，因此完成的模型應該是一種對原本的系統進行過近似的模型表徵（approximated model representation），結果如圖5所描述。為了與物理原理進行連結，此時所採取的模型應該已經是簡化過可以用明確的物理知識描述的模型。我們發現，在進行SOCME建模時，除了物理系統以外，在模型中應該將互聯關係以及系統功能所對應到的物理過程清楚的呈現出來，例如在圖5中，「產生功」（generate work）的這個功能被轉化為實體做功的氣體壓縮（compression）或膨脹（expansion）的過程，才能算是完整的系統建模。

圖5：從系統描述到物理模型的建模概念圖

（三） 系統的符號化與系統導向知識概念圖

最後，我們將建立的模型符號化（symbolize），包含描述系統性質的變數與函數，以及描述物理過程的公式以及物理定律。經過整理之後，可產生如圖6之概念圖，因為此圖保留了系統思考過程產生的系統成分以及成分間的關聯性，也可以清楚辨識知識子系統的本質與界線，我們稱之為一種系統導向知識概念圖。我們發現從系統物理模型（圖5）符號化而產生的知識概念圖，能夠自然地涵蓋非常豐富的理論知識範圍，例如圖6基本上包含了物理化學教科書中關於熱力學第一定律篇章內的所有重要的內容，可視為是一個針對熱力學第一定律相關的理論知識歸納整理出來的SOCME。

圖6：透過將系統模型符號化取得的系統導向知識概念圖—以熱力學第一定律為例

n 結果與討論

在上一節中，我們描述了一套系統化的方式將SOCME轉化成具有完整連結的系統導向知識概念圖，並呈現用熱機系統闡述熱力學第一定律的過程。這些步驟本質上就是一個建立科學模型的程序，因此我們可以利用過去化學教育領域對於科學模型與建模的研究成果來幫助我們完成此一任務(邱美虹， 2016)。不過，在利用SOCME建模的過程中要特別注意的是複雜系統的多尺度本質以及物理化學過程與原先系統模型中的互聯關係以及系統功能間之映射關係。如何更清晰的辨識這些建模過程的重要性質，並在傳統科學模型建模理論中嵌入（embed）系統思考建模的特徵，將是未來進行相關研究的重點。

關於如圖5的系統導向知識概念圖，我們要強調它不是一種最終產物，從系統思考的角度看來，圖 1,4,5,6 應該視為同一個系統在不同解析度以及學術情境底下的表徵，我們可以想像在二維的 SOCME 之上可以再加上一個表徵性（representational）的維度，因此不應該將圖5所呈現的系統導向知識概念圖當作一項最終成品而獨獨利用它來作為教學的依據，而應該隨著教學進度在不同的表徵間切換，讓學習者理解系統的表徵性維度，並能夠透過在系統簡約模型層次了解的關聯性來建立理論知識之間的連結，進而強化學習者進行通則化並能在其它情境應用所學習到的知識。在這個基礎上，系統導向知識概念圖提供能夠更輕易的應用在探究式教學（inquiry based learning）或有意義學習（meaningful
learning）的理論知識內容。

此外，我們也可以清楚地看出在從SOCME建構系統導向知識概念圖的過程中必然需要應用到所有階級的系統思考能力（圖2），因此讓學習者參與這個建構的過程可以同時訓練其系統思考能力，可以作為在物理化學課程中引入系統思考教學的一項實作活動。

n 結語

本文旨在探討在物理化學教育中引進系統思考的可行步驟，我們建議透過（1）系統的聚焦與放大、（2）系統的建模、以及（3）系統的符號化這三個步驟，來將系統思考模型的SOCME轉化成一種系統導向知識概念圖。例如本文描述從二氧化碳系統的「燃燒化石燃料」的系統成分作為出發點，發展出統整熱力學第一定律的系統導向知識概念圖，我們可以想像將同樣的過程應用在二氧化碳系統的不同組成成分之上，最後應該能得到一個涵蓋所有熱力學教科書知識的知識概念圖。換句話說，本文所描述的內容可以用來在一門課程中利用二氧化碳系統SOCME達成完整的熱力學知識教學，這樣的過程應該也可以推廣到其他學科領域。

我們強調，與傳統的知識概念圖比較，本文呈現的是一種翻轉知識架構建立方式的過程，在建構系統導向知識概念圖的過程中，學習者不再是為了要學習某一種知識而採用一個情境來當範例，而是直接從問題情境中去發想解決問題所需要的知識，因此我們預期此種方法導入物理化學教學將有助學習者更能靈活的運用所習得的知識。不過，本文所描述的內容只是一項初步的發想，文中建議的教學法還有待在實際的課堂上進行實踐，此外，針對這些概念相關的學習活動設計、評量方式等等都有待進一步的研究來驗證效度。期待在未來可以發展出更全面且有效的方式，將系統思考架構應用到理論物理化學教育之上。

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York, S., Lavi, R., Dori, Y. J., & Orgill, M. (2019). Applications of systems thinking in STEM education. Journal of Chemical Education, 96(12), 2742–2751. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b0026.

系統思考在化學教育上的應用：永續化學教學策略導入系統思考之實務經驗／周芳妃

星期日 , 10, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 本期專題, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用：永續化學教學策略導入系統思考之實務經驗

周芳妃

臺北市立第一女子高級中學
[email protected]

n 前言

系統思考（Systems Thinking）是一種分析和解決問題的方法，它關注整體系統、相互關聯和相互影響的因素。將系統思考應用於永續／綠色化學（sustainable
chemistry／green chemistry）之教學策略中，可以增進學生理解所學之化學知識與氣候變遷、生物多樣性、水資源維護、土壤保護、人類健康福祉等永續發展目標之間的關聯，也可培養學生綜合思考、批判性思維、主動學習和解決問題的能力。本篇文章介紹目前高中課綱規範的課程中，如何在高中化學課程中，發展永續化學教學策略並導入系統思考，也說明如何利用專業且學術性的免費網頁：「Connect
Chemistry to Sustainability」安排成學生的學期報告，引導學生閱讀英文網站，探索互動式工具、進行科學翻譯，達成閱讀與理解。本文最後分享數篇學生的學習心得，並分析永續化學教學策略導入系統思考的優點。

n 淺談近年化學教學策略的發展

從近年化學教學策略的發展來看，研究指出提供學生符合概念發展的學習次序及內容，可避免學生發展成不正確的概念。例如在初期先建立學生完整的微觀粒子概念，可利於學生瞭解後續氣體粒子的隨機運動、氣壓大小及分子數量的關係（邱美虹等，2013）。近期化學教學策略與教科書編輯重視所謂化學概念三個層次之間的連接，有研究識別2010至2020年的75篇論文關於化學概念三個層次的使用術語，最被廣泛使用且占比為50.67%的說法為：巨觀層次（Macroscopic Level）、次微觀層次（Submicroscopic Level）和符號層次（Symbolic Level）（Luviani et al., 2021）。

一、化學概念三個層次的教學策略

（一）巨觀層次的教學策略

教師提供肉眼可辨識、或影片、或生活經驗等的化學現象的觀察和測量。例如讓學生透過實驗觀察和測量來觀察化學現象並加以數據分析和解釋，以幫助學生建立對化學性質、反應速率、平衡等巨觀現象的理解。

（二）微觀層次的教學策略

次微觀（Submicroscopic）與微觀（Microscopic）的想法在教學上的意義相似，其差異在於次微觀與微觀是物質尺度的不同。但在目前我國中學化學課程中常以微觀稱之。策略上，教師在教學中引入分子模型、模擬軟體和動畫等教學工具等，來幫助學生理解物質結構、化學反應機制、分子運動和物質變化的微觀機制，提升學生學習理解分子之間的相互作用、反應機制和能量變化等。

（三）符號層次的教學策略

教師使用專有符號和表示法來解釋化學概念，例如化學方程式、分子結構、化學式等，來幫助學生進行化學符號的閱讀、寫作和解讀，以幫助學生熟悉化學的專業語言，也能使用符號來表示化學變化和反應。

二、化學教學策略的新增概念：永續／綠色化學

聯合國2015年頒布17項永續發展目標之後，化學教學策略也順應導入新的思維，以設計促進健康福祉、環境保護、落實永續發展目標的教材教法。依據上述需求，現行108課綱的高中化學學習內容也新增了永續／綠色化學融入各章節的設計。永續／綠色化學是強調減少對環境影響和資源可持續利用的化學原則和具體實踐方法，高中化學課程教材教法設計可涵蓋以下內容：強調環境意識與循環經濟概念、重視可永續的化學應用、探索綠色化學12原則、研發與推廣綠色實驗和可再生能源等。化學教學策略可從舖陳化學概念三個層次擴增到四個層次之間的連接：巨觀、微觀、符號表徵與永續／綠色化學。（見圖1）

圖1：化學教學策略四個層次範例：巨觀、微觀、符號與永續／綠色化學

n 系統思考的資源範例：永續／綠色化學與高中化學的連結

欲將永續／綠色化學的廣泛議題與高中化學的基礎課程形成連結，對教師而言，課程設計的挑戰性不低。為了幫助學生在環境影響議題上的學習能「言之有物」，在此介紹一項導入系統思考的網站教學資源，也介紹設計作為學期作業教學策略。

一、網站教學資源

此處介紹網站教學資源是由加拿大「國王科學視覺化中心」（The King’s
Centre for Visualization in Science，KCVS）單位所開發，和IUPAC永續發展化學系統思考(STCS-2030+)計畫工作小組於 2022年 7月 8日發布，以配合基礎科學促進永續發展國際年（International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, IYBSSD 2022），並已收納於IUPAC官網。此為免費的互動式地球限度（Planetary
Boundaries）系統思考學習工具，將化學與永續發展連結起來。

地球限度包括九個影響地球永續的系統結構：生物多樣性、氣候變遷、生化循環（氮循環和磷循環）、土地系統變化、海洋酸化、用水資源、臭氧層、氣溶膠負載和新物質引進。此工具強調了基礎化學在調節地球限度所發揮的基本作用，化學在監測和了解地球系統過程對地球健康和人類社會的影響和相互作用等方面發揮關鍵作用。找尋此網站教學資源可使用下列關鍵字：「Sustainable Planetary Chemistry IUPAC」，就找到下列網頁：Connect Chemistry to Sustainability（見圖2）。

圖2：免費的互動式地球限度（Planetary Boundaries）系統思考學習工具。
圖片擷取來源：https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

在此網頁中，點擊「過程」（PROCESS）入口點出現的視圖，可了解地球限度中九個地球系統過程的控制變量的狀態，強調隨時間的變化如何提供可持續發展的儀表板，有助於講述由於人類活動而導致的地球狀態的故事（見圖3）。點擊「課程」（CURRICULUM）入口點出現的視圖為互動工具，此為說明化學課程內容（包含化學平衡、熱化學或氣體等）與地球永續發展的連結和整合（見圖4和表1）。

圖3：「過程」入口點的視圖可了解地球限度中九個地球系統過程的控制變量的狀態。
圖片擷取來源：https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

圖4：「課程」（CURRICULUM）入口點說明化學課程內容與地球限度的連結和整合
圖片擷取來源：https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

表1：「課程」（CURRICULUM）所列出的地球限度與化學課程內容

地球限度的九個系統結構

化學課程內容的八項基礎課程

生物多樣性（Biosphere
Integrity）、
氣候變遷（Climate
Change）、
生化循環（Biogeochemical
Flows）、
土地系統變化（Land-system
Change）、
海洋酸化（Ocean
Acidification）、
用水資源（Freshwater
Use）、
臭氧層空洞（Stratospheric
Ozone Depletion）、
氣溶膠負載（Atmospheric
Aerosol Loading）、
新物質引進（Novel
Entities）

熱力學（Thermochemistry）、
平衡（Equilibrium）、
氣體（Gases）、
溶液（Solutions）、
分子結構與鍵結（Molecular
Structure and Bonding）、
酸鹼化學（Acid-Base
Chemistry）、
元素週期表與物種（Elements,
Periodicity, and Speciation）、
動力學、反應速率與催化劑（Kinetics,
Rates of Reactions, and Catalysis）、

二、學期作業教學策略

利用此網頁中「課程」（CURRICULUM）入口點與互動工具，可以引導學生學習化學課程內容與地球永續發展的連結和整合。由於此為英文網頁，因此可安排一項學期作業的教學策略，讓學生練習操作此網頁互動工具，再使用翻譯軟體來閱讀理解，並完成報告。下列介紹給高一必修化學課程的學期作業範例（見圖5）。指導學生操作流程：先進入網頁，點選「課程」（CURRICULUM），互動操作（見圖6、7），完成探索及翻譯，撰寫心得。經112學年度作者任課的高一學生同意後，摘錄一些學生報告作品範例與心得如下（見表2）。

圖5：高一必修化學課程的學期作業範例

圖6：互動操作：點擊九個橢圓形圖案之一的系統結構，會出現與其與化學課程（狹長型方框）之間的關聯，而關聯的理由敘述於方框中之簡介說明文字。
圖片擷取來源：https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

圖7：互動操作：點擊圖六的關聯性方框後出現的詳細說明文字，請學生進行翻譯與截圖。
圖片擷取來源：https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

表2：摘錄一些學生報告作品範例與心得

（一年書班
許芷寧）

一開始選擇這個主題是因為國中的理化老師上課有提到氟氯碳化物會破壞臭氧層，……在這個主題中只有「gases氣體」這一項是我之前有聽過的，其他現象都是從來沒看過的，即使經過翻譯還是有許多沒看過的化學物質、化學原理，甚至一個一個去查都還是一頭霧水，一個原理要想好久才通。雖然過程很燒腦，但可以讓我們到更多自主學習的管道、學會自己找資源去翻譯，查資料的過程也能讓我們對這些知識的印象更加深刻，甚至比老師直接告訴我們更有學習效果。同時也給我們一個概念—之前學的化學原理出現在生活中的什麼地方、可以應用在什麼地方等等……讓我們更清楚自己在學什麼，不能只會讀書沒有融會貫通、不會應用。（一年書班
許芷寧）

面對全球暖化的挑戰，我們都站在同一艘船上，結果不是我們全體的成功，便是我們全體的失敗（佛瑞德‧卡洛普）。透過這次化學課的報告，讓我有機會去探索課本以外的東西，去了解議題趨勢的脈動、去成為關心國際議題的世界公民。在探究SDGS的過程裡，我也同時認識了氣候變遷以外的各種議題，經過多方涉獵、研究後，找到自己最有興趣的部分作成報告。這樣對於108課綱所需的素養力、辨析力皆有很大的助益，我也從中學習到利用網路資源查找資料的方法。氣候變遷的確是一個與你我都息息相關的議題，……我覺得在這種探索活動中，我們擁有了這一切反思、學習、成長的機會，讓我們不再像以前填鴨教育下的學童死讀課文，反而能跳脫書本的框架，探索框架外的世界。（一年書班
黃宣蓉）

化學領域的熱力學、動力學、元素與週期表與氣溶膠負載關聯，他們看似微不足道，實則能影響整個地球，他們的直接影響氣候、生態，進而影響人類社會。我大致連結了四個SDGs指標，……所有永續發展目標都是環環相扣的，大致上可以從人文與環境兩個角度去切入，私以為只有在人類與生態達到平衡時，我們才有辦法去解決其他的社會問題，如SDGs-2，非洲的糧食問題源於本地糧食生產不足，這根源於地理因素，但同時全球暖化與氣候變遷加劇了這個現象，讓氣候回歸正常雖不能完全解決，但仍可達到緩解的作用。另，如，SDGs-11中的第五細項：減少各種災害的死亡及受影響人數，目前來說，天災的發生正在變多且有加劇的趨勢，如此一來，各種災害的死亡及受影響人數必然會增加，於是又回到使氣候穩定這個目標。……地球其實不斷在變，我們只是剛好生在了穩定的時代，而我們正親手破壞這微妙的平衡，現在能做的也只有盡每個人的一份力去補救。（一年書班
侯季妍）

在一開始看到這個網站時，我完全被上面密密麻麻的英文和一堆專有名詞嚇住了。但在上網把單字一個一個查了一遍後，我發現網站中的內容其實很貼近我們的日常生活，只是因為語言不熟悉才會感到如此陌生。讓我深刻地感受到「術業有專攻」，要透徹了解任何一個科目都不是一件容易的事。但從原本甚麼都看不懂，到慢慢了解內容，是個很有趣、有成就感的過程。我發現「海洋酸化」並不是表面簡單的四個字，……探索完網站後，我更直觀的了解到化學的深奧及廣泛，遠不只是課本上生硬的文字敘述，而是可以實際運用到生活中的實用知識。雖然自己目前的知識量還不足以理解所有的內容，很多定理或定律都是我之前沒有聽過的，甚至對一些名詞的定義完全不清楚。不過希望隨著高中課程的進行，有朝一日，我可以靠著自己的能力分析整個網站。（一年書班
闕翊芸）

這次製作化學報告，給了我機會深入了解和思考我們所處的環境問題，同時也讓我更加了解高中化學與現實生活之間的連結。這份報告讓我體會到了科學知識對於解決全球氣候變遷問題的重要性。環境永續，這是當今世界面臨的重大挑戰之一。環境永續是指我們應在確保資源不會被用盡的情況下使用他們，以此保護我們的地球。這關乎到我們的生存和未來世代的福祉。我發現化學可以提供解決問題的關鍵。例如，我們可以研究如何減少溫室氣體的排放，開發更有效的可再生能源，或者改進能源存儲技術。這些都需要化學知識，特別是關於催化劑、反應動力學和熱力學等方面的知識。我深深感受到環境保護的迫切性，以及我們每個人都應該盡力減輕氣候變遷的責任。同時，我也更加明白高中化學知識在解決當前環境問題中的重要性。我們必須利用科學知識，尋找創新的解決方案，並採取行動，以實現永續發展和保護地球。（一年書班
彭子嘉）

n 結語

永續／化學教學策略導入系統思考有很多優點，可促進學生在化學領域的學習表現，也能養成更遠大的視野，一起為國際永續發展努力。綜合一些學生的學習表現如下，包括：

（一）具備綜合性思考能力，了解化學知識在整個生態系的作用和影響，也批判性思考使用化學物質的適當性與循環性；

（二）體驗創新和實踐創造力，用於探討化學解決方案，例如環境友善的合成方法、可再生能源的應用及廢棄物處理和回收等；

（三）看到化學與不同學科之間的相互關聯性，例如數學、環境科學、工程技術和社會科學等，體驗學有所用而具有持續主動學習的能力，並引發對未來職業或研究的興趣；

（四）了解永續化學在全球範圍內的重要性和實際應用之挑戰，提升全球視野和跨文化理解，進行成為全球公民的準備過程。

n 參考文獻

邱美虹、吳文龍、鍾曉蘭、李雪碧（2013）。以概念演化樹探討跨年級學生理想氣體心智模式之發展歷程。科學教育學刊，21(2), 135-162。

Luviani S. D, Mulyani S, & Widhiyanti T. (2021). A review of three levels of chemical representation until 2020. Journal of Physics: Conference Series, 1806, 012206.

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (2023.11.7). Connect Chemistry to Sustainability. Retrieved November 7, 2023 from https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

系統思考在化學教育上的應用：導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願／汪俊宏

星期六 , 9, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 本期專題, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用：導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願

汪俊宏

Department of Science, Northland Pioneer College, Little Colorado Campus, Winslow, AZ, 86047

[email protected]

n 前言¹

美洲原住民在美國教育體制屬弱勢，偏鄉地區的高等教育實屬不易推動之任務，許多原住民學生無法在六年內完成美國二年制大學學院便離開學校，即使留在原校轉系的學生也常常選擇放棄理工相關領域的路線而轉至其他領域。將系統思考導入到普通化學課已有許多院校實施，此不僅提高學習意願，也讓學習更有效率，在僅有少數學生主修化學的前提下讓較多學生不畏懼修化學課。將美洲原住民部落納瓦霍（Navajo）與霍皮（Hopi）部落的文化導入到普化課中也提高學生學習興致，將學生自身文化與化學做結合，在基礎科學課程中引起了極為顯著的影響。

n 什麼是系統思考？

系統思考背景

大一基礎課程的學習目的是提供學生大的框架，從中尋找出自己可能有興趣的課題，藉而延續類似的課題而逐步刻畫出職業生涯的藍圖。普化課程的安排是從第一章的「什麼是化學」開始，然後一步步從原子、分子、離子架構，化學反應，化學鍵，氣態、液態、固態、溶液，熱力學，化學動力學、化學平衡等等。但在學習過程中往往產生一些疑問：學習這些內容要如何跟日常生活與未來職涯發展找到相關性。地球限度（planetary boundary）的概念（Rockström, 2009）最早由Johan Rockström等人於2009年提出，加拿大埃德蒙頓國王大學的Peter Mahaffy團隊製作的地球限度（planetary boundary）（KCVS, n.d.）網頁，讓學生更容易地了解地球限度，裡面從許多人類的重大議題：氣候變遷、海洋酸化、乾淨水源等等衍生出更多議題，這過程中引導出我們需要知道的基本概念，例如想要研究氣候變遷議題，就必須對能量守恆定律（熱力學第一定律）、分子結構與鍵結、氣態化學與化學平衡有基本了解，然後再衍伸出水的高比熱對於調節地表水溫度的重要角色。從小觀點一步步延伸至大觀點，可以幫助學生找到自己的興趣，也可以避免學生因為學習眾多普化觀念卻不知道該如何延伸至其他議題。

n 納瓦霍與霍皮文化

與美洲原住民的生活環境息息相關

歷史上納瓦霍與霍皮原住民部落主要位於猶他州、亞利桑那州與新墨西哥州，我所任教的學校所在位置包含納瓦霍郡與阿帕契郡，有部分校區在原住民部落：納瓦霍、霍皮與阿帕契，我負責教學的區域包含了納瓦霍與霍皮，這兩個部落所在位置在歷史上飽受空氣與水污染的影響，急需要理工相關背景的學生在畢業後回到原部落改善當地生活，而原住民的文化也鼓勵部落族人回到故鄉服務。在這樣的前提下，使用地球限度的概念告訴學生這個世界所面臨的問題，然後引導學生思考他們祖先世世代代生活的土地面臨了一些自然資源耗竭以及環境污染的問題，在Mahaffy等人設計的網頁中可以提醒學生氣候變遷、乾淨水源等問題可能已經在部落耆老口中聽到許多，在許多年前的部落沒有空氣與水污染的問題，現在卻浮現越來越多類似問題（Armao, 2023），當中牽連了許多歷史因素，導致目前的居民必須面對這些問題。系統思考可以引領學生思考更深層面的問題，例如乾淨水源需要學生了解酸鹼化學與分子結構與鍵結，學生會更想了解pH值與分子間作用力（例如極化作用與氫鍵）的概念，而這些概念在普化課程中皆有提到。

我在開學第一週並不是開始從普化第一章開始講起，而是用故事串連起所有的章節，引導學生思考為什麼他們需要學習普化，我從他們的日常生活環境開始引導，例如：（一）這個地區的水源來自科羅拉多河（Colorado River）以及其分支小科羅拉多河（Little Colorado River），然而這個區域的水質偏硬，因為水中碳酸鈣CaCO₃的含量過高，所以在煮開水時水壺底部總是一層白色物質。（二）原住民部落耆老會使用各種藥材來治療疾病，而這些藥材只生長在特定區域，若是在保護區內，往往很少有機會能夠在藥理上有所研究，這與歷史上原住民不喜歡歐洲移民來到他們生長環境做研究有關，也因為這樣，研究相關藥物的責任便落在部落有受高等教育的年輕人身上。（三）在亞利桑那州溫斯洛（Winslow）地區附近有座火力發電廠Cholla Power Plant將在近兩年內關閉（Decenti, 2022），關閉之後面對的問題則是尋找新的電力來源，雖然說亞歷桑那有大片沙漠，理論上適合發展太陽能電力，但這樣的來源是否能穩定供應當地呢？（四）另外引導學生思考的則是地質上的問題，世界知名的大峽谷國家公園距離我任教學校僅兩個小時車程，但我們對於這座國家公園還有很多不了解的地方，研究地質化學是否能夠尋找到與大自然和平相處的方法呢？藉由引導學生思考這些問題，然後連結到化學相關領域，讓學生提高修習普化的動機，知道學習這些普化基本概念對未來可能有什麼幫助。普化教材是基礎中的基礎，如果能一開始就讓學生發現這個章節彼此的關聯性，可以提高學生留在STEM領域中繼續往上學習。

如果學生通過普化上且持續堅持修到普化下學期末，我要求學生做簡短的十分鐘口頭報告，讓學生決定他們自己感到有興趣的化學相關題目，我也鼓勵他們選擇與他們生活息息相關的題目。例如有位較年長的學生便報告他年輕時在原住民保護區內的火力發電廠工作發現的水污染與空氣污染的嚴重問題，剛好就連結到學期剛開始的地球限度議題。另外有學生報告在原住民保護區的牲畜偶爾會得到一些罕見疾病，而這些疾病只發生在原住民保護區的牲畜身上，所以相關的研究與治療方法非常稀缺，於是我便鼓勵學生繼續學習，未來朝向學生設定的生物工程領域前進。另外也有學生提到與原住民文化息息相關的可食用的仙人掌皮約特（peyote）（Horgan, 2017），此仙人掌含皮約特生物鹼，傳統上只有在部落中德高望重的人士可以在祭典中使用皮約特仙人掌與祖靈溝通，在聆聽完學生報告後得知此皮約特生物鹼與神經傳導物質高度相關，於是我便鼓勵學生繼續往此方向前進，持續在大二修有機化學，未來朝向藥物化學領域獲得更多相關知識。

表1與表2為近三年我開始在北疆先鋒學院教課的統計數據，包含出席率與平均成績。從平均成績的角度來看，並不容易看出導入系統思考前後的差異，因為學生成績計算方式有多方考量，且基礎化學的平均成績明顯低於普通化學。但從出席率來看，系統思考確實提高學生的上課意願，且從普化下學期末學生的課程反饋與口頭告知，70%學生確實明顯提出因為系統思考的緣故，學生更能確定自己未來想走的方向。

表1 基礎化學近三年出席率與平均成績。此課程主要以未來志在從事護理人員為主的基礎課程，僅傳授一個學期，許多學生在高中之前從未修習任何化學課程。我的第一年任教（2020秋季與2021春季）為新冠疫情嚴峻期間，必須完全網路授課，且學生若住在偏遠地區，無線網路往往不穩定，故無統計出席率紀錄。

導入系統思考前

導入系統思考後

基礎化學

2020秋季

2021春季

2021秋季

2022春季

2022秋季

2023春季

出席率（%）

N/A

平均成績

表2 普通化學近三年出席率與平均成績。此課程主要以理工背景為主，分上下兩個學期，有部分學生在高中之前曾經修習過一至兩學期化學課程。亞利桑那州規定普化上擋普化下，故可預期學生春季出席率與平均成績高於秋季。我的第一年任教（2020秋季與2021春季）為新冠疫情嚴峻期間，必須完全網路授課，且學生若住在偏遠地區，無線網路往往不穩定，故無統計出席率紀錄。

導入系統思考前

導入系統思考後

基礎化學

2020秋季

2021春季

2021秋季

2022春季

2022秋季

2023春季

出席率（%）

N/A

平均成績

n 結語或結論

在嘗試使用系統思考的方式在普化教學的兩年內，我花費不少時間了解當地文化，並且盡量與學生聊到他們的文化，我也樂於了解對於我而言非常陌生的美洲原住民文化，然後在課程中做調整。我的學生中也有非原住民，他們也樂意聆聽不同的文化，然後了解到學習STEM與文化、族群的關聯，主要重點在於尋找學生自己的學習動機，讓學習更有意義，而非僅是因為普化是許多理工相關科系的必修課程所以才來修普化。

n 參考文獻

Rockström, J. (2009). A safe operating space for humanity. Nature, 461(7263), 472-475. https://doi.org/10.1038/461472a

Planetary Boundaries – KCVS (n.d.). Retrieved October 14, 2023, from https://planetaryboundaries.kcvs.ca/

Armao, M. (2023, August 30). The long tail of toxic emissions on the Navajo Nation. High Country News. Retrieved from https://www.hcn.org/issues/55.9/pollution-the-long-tail-of-toxic-emissions-on-the-navajo-nation

Decenti, A. D. (2022, July 12). Navajo residents seek ‘just and equitable’ help after closure of power plant, coal mine. Arizona Central. Retrieved from https://www.azcentral.com/story/news/local/arizona/2022/07/12/navajo-generating-station-closure-hurt-communities-residents-say/10027935002/

Horgan, J. (2017, July 5). Tripping on peyote in Navajo Nation. Scientific American.
Retrieved from https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/tripping-on-peyote-in-navajo-nation/

[1] 本文作者汪俊宏，英文名字為Chun-Hung Wang，目前任職亞利桑那州（Arizona），北疆先鋒學院科學系

《禁止化學武器公約》加入高中化學課程內容之倡議 ∕ 周金城

星期四 , 7, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月 1 Comment

《禁止化學武器公約》加入高中化學課程內容之倡議

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

n 前言

第九屆亞洲化學教育研討於2023年7月28-30日在馬來西亞古晉舉辦，作者很高興有機會參與本次的研討會。第八屆亞洲化學教育研討是2019年7月在臺北舉辨，後來因為新冠肺炎疫情爆發，原本預定於2021年7月舉辦的延後到2023年辦理。

第一天上午的大會演講是邀請馬來西亞大學SETM教育中心的Mohd Jamil Maah 教授，他的演講主題是「提高意識：化學品的多重使用和化學武器公約」
(Raising Awareness: Multiple Uses of Chemicals & Chemical Weapons Conventions)。他同時也是位於荷蘭海牙的「禁止化學武器組織」(Organization for Prohibition of Chemical Weapons, OPCW)下的「教育及外聯諮詢委員會」(Advisory Board for Education and Outreach, ABEO)的委員。

Maah(2023)大會演講報告內容摘要如下:「主要是說明化學品在生活隨處可見，在大多數情況下，化學被用來改善人類和地球的生活品質，但有時工業化學品可用於製造化學戰劑。而《化學武器公約》就是為了在監測和防止化學武器的發展。為了確保正確使用化學和化學品，我們必須制定並遵守嚴格的行為準則，為道德科學發展制定指導方針。ABEO是禁止化學武器組織下的一個單位，專門負責通過為學生、教育工作者、民間社會和政策制定者提供教育材料，加強對禁止化學武器組織工作和任務的理解。化學教育工作者的協助作用是讓禁止化學武器組織任務成功的關鍵因素」。

此篇報告主題引起作者的興趣，由於作者多次參加國際性化學教育研討會時，都有看到過這個組織的相關宣傳文件，但從未進一步了解這個組織，因此將藉由本篇文章來簡介這個組織與化學教育的相關性，做為大家未來在化學教學的參考內容。

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圖1 Mohd Jamil Maah教授(圖左) 與演講資料(圖右)

n 簡介禁止化學武器公約(CWC)與禁止化學武器組織(OPCW)

《禁止化學武器公約》（Chemical Weapons Convention, CWC, 1997），經第47屆聯合國大會通過並於1993年簽屬，於1997年4月29日正式生效的。公約全文有24條，其第八條是規定建立OPCW國際組織，總部設於荷蘭的海牙。

OPCW的主要職責和功能摘要如下：

1. 化學武器摧毀：OPCW協助加盟國安全地、有效地銷毀其存有的化學武器庫存。這包括提供技術援助和監察摧毀程序。

2.防止非法化學武器的製造和擴散：OPCW通過監督加盟國的化學工業活動，確保沒有非法製造和擴散化學武器的行為。

3. 監督禁止化學武器公約的實施：OPCW負責確保各加盟國遵守《禁止化學武器公約》的規定，並通報、審查各國的化學武器程序和設施。

4. 藉由國際合作促進化學的和平利用: OPCW提供技術援助和培訓，以協助加盟國建立符合公約標準的化學工業設施，同時確保這些設施不用於製造化學武器。

5. 確保安全準備工作: OPCW幫助締約國保護自己和人民免受化學武器可能被用來對付他們的可能性。在必要時獲得援助，以建立其應對使用化學武器的國家能力。

6. 進行調查：當被指控使用化學武器時，OPCW有權進行調查，確認是否發生了違反《禁止化學武器公約》的行為。

於1997年正式設立OPCW組織，主要是來推動、監督和執行CWC的實施，旨在全面禁止和消除化學武器的開發、生產、儲存和使用。由於化學武器的危害甚鉅，且影響的時間甚長，因此藉由制定CWC公約，並由OPCW來落實公約的執行。目前根據OPCW網站資料，全球有193個國家加入此公約，全球有98%人口是在CWC公約的保護之下。

n OPCW下教育及外聯諮詢委員會(ABEO)的教育任務

教育及外聯諮詢委員會(ABEO)主要工作是為學生、教育工作者、民間社會和政策制定者提供教材，以增進對禁止化學武器組織的工作和任務之理解。OPCW網站上有提供給高中學生的《Chemistry in Conflict》(衝突中的化學)共52頁的電子書，其中第二章Becoming a chemistry ethics teacher (Clark et al., 2018, p21)中有建議可以先讓學生看OPCW也拍攝一部17分鐘上傳到YouTube的影片「A Teacher’s
Mission」，這影片說明化學教師在課堂上不僅僅只是教學生分子和元素週期表的重要性，藉由德國化學家哈伯（Fritz Haber）的故事，讓學生反思化學的歷史與道德，以及CWC的重要性(Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, 2016)。當學生看完後，可以再和學生討論的六個問題。作者將書中問題翻譯如下:

1. 為什麼要先研發化學武器？

2. 化學武器在第一次世界大戰中扮演了哪些重要角色？

3. 發展化學武器有什麼好處？

4.為什麼化學教學很重要？為什麼教導化學史和倫理學很重要？

5. 德國科學家/化學家哈伯(Fritz Haber)面臨哪些「爭鬥」(battles)？

6. 禁止化學武器組織發揮什麼作用？

這是一個由化學學科出發到社會、環境與道德的議題，很適合讓高中學生多了解相關議題，也能建立化學家除了化學研究，讓學生思考化學家對整個環境與社會的責任。

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圖2 衝突中的化學一書封面圖3 衝突中的化學一書目錄

除了上述的書籍，ABEO還有提供線上學習課程，有興趣的教師與學生可以到網站上登入註冊使用。除此，網站上也介紹OPCW所制定的《海牙道德標準》The Hague Ethical Guidelines,，是為了促進化學科學中負責任的行為文化並防止濫用化學，來自世界各地的化學相關專業人員根據《化學武器公約》制定了一套道德準則(Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, 2015)。其「海牙道德標準」內容摘要如下:

1. 關鍵要素(The Key Elements):化學領域的成果應該用於造福人類和保護環境。

2. 永續性(Sustainability):化學從業人員對促進和實現聯合國可持續發展目標負有特殊責任，即在不損害後代子孫的需求情況下滿足當代需求。

3. 教育(Education):制式和非制式教育的提供者、企業、工業界和民間社會應合作，為從事化學工作的任何人和其他人提供必要的知識和工具，以便為造福人類、保護環境，並確保與大眾能進行相關和有意義的參與。

4. 意識和參與(Awareness and Engagement):教師、化學從業人員和政策制定者應瞭解化學品的多種用途，特別是將其用作化學武器或其前驅物。它們應促進化學品的和平應用，並努力防止任何濫用化學品、科學知識、工具和技術的行為，以及研究和創新中任何有害或不道德的發展。它們應宣傳有關國家和國際法律、條例、政策和做法的有關資訊。

5. 道德(Ethics):為了充分應對社會挑戰，教育、研究和創新必須尊重基本權利並採用最高的道德標準。倫理學應被視為確保科學高品質結果的一種方式。

6. 安全保障(Safety and Security):化學從業人員者應促進科學技術有益的應用、使用和發展，同時鼓勵和保持強大的安全、健康和保障文化。

7.問責(Accountability):化學從業人員有責任確保化學品、設備和設施免受盜竊和轉移，不用於非法、有害或破壞性目的。這些人應瞭解有關化學品製造和使用的適用法律和法規，並應向有關當局報告任何濫用化學品、科學知識、設備和設施的行為。

8. 監督(Oversight):監督其他化學從業人員者負有額外的責任，以確保這些人不將化學品、設備和設施用於非法、有害或破壞性目的。

9. 資訊交流(Exchange of Information):化學從業人員應促進交流與和平目的化學的發展和應用有關的科學和技術資訊。

上述的這些內容是有必要對未來將投入化學專業領域的學生有更多的說明，尤其近年來國內化學專業人員進行非法行例如製毒等的新聞時有所見，因此化學從業人員的道德標準應該要更加重視。

n 臺灣因應「禁止化學武器公約」所盡的國際義務

OPCW的工作得到國際社會的廣泛支持，並且它的努力有助於促進全球的安全與穩定，防止化學武器對人類和環境造成威脅。雖然臺灣不是CWC締約國，但臺灣仍遵守國際義務，於國內制定相關法規。作者查詢全國法規資料庫中和「禁止化學武器公約」有關的法條，最早是於1999年6月2日公佈「禁止化學武器公約相關化學物質生產管理辦法」，節錄其中幾條於下:

第1條為執行聯合國禁止化學武器公約相關化學物質之生產管理，特訂定本辦法。

第4條本辦法所稱禁止化學武器公約，指聯合國於一九九七年四月二十九日生效實施之禁止化學武器之開發、製造、加工、儲存、使用及其銷毀之公約。

第5條本辦法規定之禁止化學武器公約相關化學物質，分為甲類、乙類、丙類及丁類相關化學物質。前項各類化學物質之項目、名稱及數量，由主管機關參照聯合國禁止化學武器公約執行機構之規定公告之。

此辦法於2001年5月9日廢止。於2010年11月10日又發布「禁止化學武器公約相關化學物質申報辦法」，節錄其中幾條於下:

第 2 條本辦法適用於從事禁止化學武器公約相關化學物質之製造、加工、使用、儲存或移轉，且數量達一定門檻值之工廠。

第 3 條本辦法所稱化學物質分為甲類、乙類及丙類，其種類及門檻值如附表一及附表二。

其中條文所指附表一是「各類化學物質表」中的涉及的化學品甲類有12項、乙類有14項、丙類有17項三類，每一類又分成有毒化學品與前驅物兩大項。附表二「各類化學物質申報門檻值」，則是規定工廠每年製造單一之甲類化學物質數量超過1百公克；乙類化學物質數量則依化學品不同而異，由每年一公斤到每年一公噸都有；丙類化學物質數量則是每年一公噸以上要申報。

這裡舉例幾項大家比較知道的化學品來說明，例如:甲氟膦酸異丙酯 (沙林)，是屬於表一中的甲類有毒物質，表二規範甲類每年製造過100克就需要申報，所以可知這類物品的毒性與危害程度是較高的。再例如光氣(COCl₂) 可以直接作為化學武器，也是許多合法的有機化合物製造的原料，它是屬於表一中丙類的有毒物質，表二規範丙類每年製造過1公噸需要申報。

由於申報化學品的種類複雜，有興趣的讀者可以下載法規的附檔來加以研究。這裡談論的目的在於危險的化學品需要加以監督與管制，才能確保被使用在合法安全的環境，避免被不當使用製作成恐怖的化學武器。

n 學校化學教育可由禁止化學武器公約談化學倫理的議題

根據前述說明可知，在高中化學教育中加入《禁止化學武器公約》的討論，將會是一個有意義的主題，能幫助學生理解化學技術對倫理和社會影響。以下是一些可能的教學方法和資源建議：

1. 基礎知識介紹：可以提供學生一些基礎的背景知識，包括化學武器的定義、危害，以及為什麼有必要進行國際合作來禁止這些武器的使用。

2. 公約的重要性：強調CWC的目標和重要性，即禁止和消除化學武器的製造、擴散和使用。這可以通過實際案例、歷史事件或模擬活動來說明。

3. 禁止化學武器組織的角色：介紹OPCW作為負責監督CWC實施的組織，談論它的使命、職責和執行過程。

4. 倫理和社會影響：討論化學武器的使用對人類和環境的危害，並引導學生思考有關科學和技術的倫理問題，以及化學的應用如何影響社會。

5. 相關活動和案例研究：引導學生參與相關活動，如模擬會議、辯論，或進行與CWC相關的案例研究，這有助於提高他們的參與度並深入了解這一主題。

6.使用多媒體資源：利用影片、圖片和互動式資源來輔助教學，使學生更容易理解化學與社會、環境和倫理之間等複雜的概念。

7. 鼓勵討論和思考：在課堂上鼓勵學生提問、發表意見，並與同學進行討論化學與生活之間的問題，這有助於培養他們的批判性思維和問題解決能力。

藉由上述的教學方式，高中學生將能夠更全面地了解禁止化學武器公約的意義，並將其融入他們對化學技術與社會發展的脈絡中。

n 結語

撰寫此文也讓作者對OPCW組織有了較多的認識，也推薦ABEO網站教材可以在化學教學中使用。本文建議在高中化學課程加入此相關內容，尤其哈伯法製氨剛好是高中化學的課程內容，但這背後的科學歷史與道德問題卻是相當的複雜，值得讓學生深入討論。ABEO的目標是要推廣更多人對OPCW的認識，而作者自費參與於馬來西亞第九屆亞洲化學教育研討，聆聽大會演講Maah教授介紹OPCW後，撰寫此文介紹給國內化學教師多加關注，也是盡化學教育工作者的一份心力，希望未來高中化學課程中能加入此主題的介紹，當這些學生之中未來成為化學從業人員時，能克盡自己對社會與環境的責任。

n 參考文獻

禁止化學武器公約相關化學物質申報辦法，經濟部。2010年11月10日頒布，20231207下載自全國法規資料庫，網址: https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?PCODE=J0030112。

禁止化學武器公約相關化學物質生產管理辦法，經濟部。2009年6月2日頒布，2011年5月9日廢止。20231207下載自全國法規資料庫，網址: https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawHistory.aspx?pcode=J0030053

Chemical Weapons Convention. (1997). Retrieved from https://www.opcw.org/chemical-weapons-convention

Clark, F., van Daalen, H., Howland, I., de Vries, H., & Juurlink, L. (2018).
Chemistry in Conflict—An OPCW educational module. The Hague: OPCW. Website https://www.opcw.org/chemistry-conflict-workbook

Maah, M. J. (2023). Raising awareness: Multiple uses of chemicals & chemical weapons
conventions. 9th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference,
Souvenir Programme & Abstracts, 2023/7/28-30, website https://www.9nice2023.org/

Organization for the Prohibition of Chemical Weapons. (2015). The Hague Ethical Guidelines. Retrieved from https://www.opcw.org/hague-ethical-guidelines

Organization for the Prohibition of Chemical Weapons. (2016). A Teacher’s Mission. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=GuraSJYEx4Y

啟發與交流：参加第九屆亞洲化學教育國際研討會的收穫 ∕ 連經憶

星期三 , 6, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

啟發與交流：参加第九屆亞洲化學教育國際研討會的收穫

連經憶

國立嘉義大學應用化學系
[email protected]

n 初體驗–認識亞洲化學教育國際研討會

今年三月底收到邱美虹教授的邀請，孤陋寡聞的我第一次聽到亞洲化學教育國際研討會(Network of Inter-Asian Chemical Educators(NICE) Conference)，原本以為是近年才開始新的化學教育研討會，經邱教授說明，才知道這已是行之多年、二年一次連結大學教授和中學教師的研討會，原定去年辦理，但因疫情之故延至今年。今年7月28至30日在馬來西亞古晉市辦理的NICE 國際研討會是第九屆，距離2006第一屆在韓國首爾舉辦的NICE會議已過了17個年頭。非常榮幸能有機會代表台灣参加此次的盛會，剛接到這個任務時，也著實猶豫了一下，大學或念博士班期間從未修過任何一門與教育有關的理論課程，在這樣的狀況下，不知是否能言之有物地分享教學經驗?雖然已教授多年大學化學課程，當初只憑著自己的想法、参考就學期間老師們的做法便趕鴨子上架站上了講台，每每上早上8點或中午過後的第一堂課，看著台下一雙雙的瞇瞇眼，心中不免開始思考，大學教師其實也應該要接受教學的專業訓練。

参加過NICE國際研討會後，深深體會到這一個非常特別且有特色的研討會。研討會從7月27日晚間開始，到7月30日中午結束。第一天晚上是歡迎晚會，第三天大會安排了實蒙谷野生保育心中及婆羅洲文化博物館的参訪活動，其他時間則有大會演講、口頭報告及海報論文發表。参加的成員主要來自日本、韓國、新加坡、台灣及馬來西亞等亞洲國家，還有少數來自印度，教育制度不盡相同，但對教育本質的認知及期待相仿。参加人數與大型研討會相比不算太多，但参加人員對化學教育都極為投入，彼此間的聯繫及交流頻繁，除了研討會中口頭報告時的專業學術交流外，更重要地還有充份的海報論文發表時間，海報張貼時間從研討會正式開始的第一天到會議結束，讓與會學者專家可以延伸熱絡的討論。

NICE國際研討會的另一大特色是鼓勵國中、高中教師及高中生的参與。國高中化學教師以口頭報告或海報的方式分享教案及教學經驗，高中生参與海報發表及工作坊，這樣的作法在其他國際研討會中較不常見，來自各國的高中生將專題研究的成果以海報的方式呈現，當然也需要在特定的時間解說及回答問題，這樣的海報發表有效地激勵學生從高中開始學習如何進行研究，培養學生溝通及表達的能力。當老師們在聆聽口頭報告時，大會很貼心地安排高中生参加專為學生設計的「Young Ambassadors for Chemistry (YAC)」的活動，由廈門大學馬來西亞分校Yvonne Choo(朱舜藍)助理教授，及來自印度與馬來西亞的老師帶著學生做實驗。

n 研討會見聞

一、設計適合小學生操作的化學實驗

這次會議中我参與的是口頭發表，以過去數年執行國科會科學普及化計畫，辦理嘉義地區各級學校科學闖關活動為主軸進行經驗分享。嘉義縣幅員廣大靠山面海，有許多迷你的小學校，為了能讓學生享有與市區學校學生相同的科學資源，在國科會的支持下，每年都設計超過10個以上的科學關卡，同時準備實驗所需的耗材，讓参加計畫的學校可以方便地在各校辦理科學闖關活動。因参與計畫的學校以小學居多，如何設計出適合小學生操作的化學實驗是這次報告的重點。

國小自然科學中與化學相關的主題有酸鹼、水與水溶液、溶解、電解質、物質的變化等，最常做的包括測水溶液的導電度、觀察指示劑變色及自製肥皂等實驗，雖然教師們有相關的教學經驗，但實驗需要準備化學藥品，還是比物理實驗麻煩一點，而且還怕學生會打翻試劑，不好清理，如何利用日常生活中方便取得的試劑，設計出有趣又安全的化學實驗十分重要。為了設計出適合闖關活動的化學實驗，針對以上問題可以有下列的做法：

1. 以學生的生活經驗為依據，設計出有顏色、狀態、形狀或聲音變化的實驗，吸引學生對學習科學的興趣。例如可以利用市售的碘液及澱粉溶液測量瓶裝果汁中維他命C含量，在這個滴定的實驗中，學生藉由計算所加入碘液的滴數，比較不同品牌果汁中維他命C含量，達終點時反應混合物會有明顯的顏色變化。

2.如需要用到酸或鹼時，盡量以小蘇打粉、肥皂水、食醋、檸檬、檸檬酸等取代氫氧化鈉或鹽酸，確保實驗時的安全性，如果需要使用強酸或強鹼，例如以百里酚酞溶液做成隱形墨水，需要氫氧化鈉溶液讓字現型時，可以在裝有氫氧化鈉溶液的塑膠瓶中加入棉花，讓棉花吸收溶液，以免瓶子翻倒，鹼性溶液潑出。

3.進行微型實驗，使用能產生變化最少量的試劑。目前設計讓小學生可以操作的化學實驗，所使用化學試劑的量較多，如果能降低實驗時化學試劑使用量，不但可以減少不必要的浪費，同時也是對環境友善、符合綠色化學原則的做法，更重要的是增加實驗的安全性。例如利用微量離心管當成反應容器，可以控制試劑的用量在1毫升以內；利用一元錢幣進行氧化還原反應可以將硝酸銀的用量降到約0.15毫升(圖1)。如果没有微量離心管，可以利用白色湯匙進行反應，雖然看起來比用三角燒瓶或燒杯來的不專業，但易於觀察且可以有效地減少試劑的用量。

圖1：利用微量離心管、硬幣或湯匙做為反應容器，降低試劑的用量

4. 將試劑裝在醬料瓶或點眼瓶中避免打翻且方便使用。

5. 將抽象的概念視覺化，讓學生容易了解。例如，奈米、濃度對學生而言是抽象的，當物質小到奈米的尺寸時，與塊材相比會有不同的特性，因此奈米材料是目前科學研究重要的領域。為了要介紹什麼是奈米粒子，可以準備大小不同的球及圖片，讓學生選選看，比較奈米與公尺間的差異(圖2)。在介紹濃度方面，可以將黑芝麻當成溶質，白砂當成溶劑，讓學生「看見」不同濃度的混合物，建立濃度的概念(圖2)。

圖2：利用圖片、球、黑芝麻、白砂等物質將抽象的概念具體化

二、利用學習站的方式學習氧化還原反應(Study Redox Reactions Through Learning Stations)

這是馬來西亞霹靂州怡保市文東國立高中(SMK Buntong, Ipoh, Perak, Malaysia)Wong Choy Wan老師口頭報的內容(Wan, 2023)。Wong老師利用了「學習站(Learning Station)」的教學方法教授化學中較不易理解的主題。2019年Wong老師在International Journal of Academic Research in Progressive Education and Development期刋發表論文，設計了6個學習站，每一學習站利用影片、文字敍述、拼圖及動手操作等不同的策略，讓學生了解鹼金族及鹵素的物理及化學性質(Wan, 2019)。教學回饋結果顯示，高達88.89%的學生認為學習站的教學模式較容易使人了解新的概念，讓學習更加有趣。

「學習站」用通俗一點的名詞就是「跑台」，是生物實驗課常用的考試方法，老師事先將題目及所需要的樣品放在桌子上，每一題目有30秒的作答時間，時間到了就要換到下一張桌子，回答另一個題目，「學習站」可以說是「跑台」的延伸加強版，這次的會議中Wong老師分享了氧化還原反應之教學成效。氧化還原反應被認為是較困難的主題，初學者要建立氧化還原反應的觀念，需要費一翻工夫弄清楚其間的關係，有了之前的成功經驗，Wong老師設計了3個學習站，讓學生了解什麼是氧化還原反應，學習寫出對應之離子反應方程式。學生們分組進行，每組花15分鐘的時間完成在這個學習站中所需要完成的任務，掃瞄QR code回答問題或上傳結果。為了能順利完成任務，學生需事先閱讀相關資料、看錄影帶、搜尋資料、或回答問題，在學習站學習的過程中，學生可以記錄學習成果、上傳以利教師評估。學生的回饋顯示，88.88%的學生認為「學習站」的學習模式可以增加對氧化還原反應的理解，教學時間可以從3小時減為1小時，藉由設計規畫每一學習站中的內容，可以讓教學時間達到最適化，學習也變得更有趣。Wong老師已成功地將「學習站」應用在不同的主題，日後還可以擴大這樣的學習模式，讓學生以這樣的模式學習更多重要的化學概念。

n 啟發與交流

一、啟發

把化學教好，讓學生了解課程內容是所有化學老師努力的目標，除了專業需要精進外，教學方法也要與時俱進，但大學端的教學往往較注重知識傳遞，教學方法則依循傳統模式，這樣的教學方法並非不妥，如能變化教學方法，也許能讓學生耳目一新，更願意專注於聽講。在這個研討會中給我的第一個啟發，就是教學方法的改進—利用學習站的模式進行教學，當聽到Wong Choy Wan老師的經驗談，心中昇起一念頭，這樣的教法是否也能用在儀器分析實驗課程中?

儀器分析正課及實驗是化學系大學部重要的課程，儀器分析說明各項分析儀器的原理及應用，實驗課則讓學生操作這些儀器，例如氣相層析儀、液相層析儀，紅外線光儀等。與古典分析實驗相比，儀器分析實驗所用的儀器較為昂貴，能供學生使用的台數十分有限，大多都是每種儀器一台，學生必需分組輪流操作，如果每組人數比較多，常常有學生只能作壁上觀，看著同學操作了。除此之外，儀器維修不緊所費不貲，且耗費時間，為了確保儀器能正常運作、實驗課程順利進行，通常需要多位助教或資深的學生協助。上述是許多大學儀器分析實驗課面臨的問題，如何在設備有限的狀況下確保學生學習成效是需要好好思考的，也許學習站式的教學模式可以解決這些問題。以高效液相層析實驗為例，可將操作分成數個部份，每一部份設計成一個學習站，如移動相過濾、樣品製備、儀器介紹、上機、數據處理、及問題排除等，每一單元有明確的學習目標及需完成的任務。學習站利用影片、網站資訊或文字敍述說明學習的內容，過程中可以讓學生預習後以google表單回答問題、現場觀看後照著操作、或回答情境式問題，學習時善用手機、網路甚至人工智慧等產品，讓學習更加貼近學生的生活經驗，提高學習的成效。

二、交流

亞洲化學教育國際研討會除了提供教師間彼此之交流外，高中生的参與是與其他研討會很不一樣的地方，就如同周金城教授及鍾曉蘭老師2019年在臺灣化學教育期刋發表的論文中提到(周金城、鍾曉蘭, 2019)，會議中的高中生参訪活動讓高中生變成主角。在這次的會議中，我看見了高中生在發表時落落大方的態度、侃侃而談的表現及來自台灣、日本及馬來西亞年輕學子間的交流，這應該要歸功於協會在2009年第三屆會議時加入了高中参訪活動，以及大會對此次議程的用心安排。提早讓學生在高中時代就有實質的發表及國際交流經驗，擴大學生的視野。第一天晚上的歡迎接待會上，遇到了來自東京學藝大學附屬高中(Tokyo Gakugei University Senior High School)的學生Hana Hachigoh，原來她也是海報論文的發表者，這讓我注意到了高中生的参與，除了以海報的方式發表研究結果外，大會還安排了與會學生與當地高中生一起做實驗的活動，再加上實蒙谷野生保育心中及婆羅洲文化博物館的参訪活動，讓年齡相仿的學生們打成一片，強化了彼此間在專業及文化方面的交流，讓學生們有了知識性的談話及融洽、美好生活經驗的分享。

圖3：高中生参與工作坊活動

n 結語

三天的會議很快地就過去了，這是一個非常特別的國際研討會，會議規模不算大，但是非常專業又温韾的研討會，令人印象深刻，「專業」及「温韾」這二個差異很大的特質完美地融合在會議中。「專業」無庸置疑是提供在各階段從事化學教學的老師們有發表及分享教學內容的平台，還有來自高中端學生的参與，讓各國教師有機會認識不同國家在化學教育方面不同的體制及作法；「温韾」則來自於教師鼓勵學生的本質，及讓化學變的更有趣以提昇學生學習成效的初心，因此在會議中彼此可以暢所欲言，無私地分享，達到充分流換意見的目的。在會議中看到高中學生的参與及表現，讓我了解到國際交流經驗對學生的啟發及影響，亞洲化學教育國際研討會是一個非常值得鼓勵高中教師及學生参與的國際會議，嘉義在地也有熱心的化學教師、校長及行政團隊，除了正規的教學外，積極地引導學生参與科普活動，藉以提昇學生在學習化學及科學方面的與趣及自信，再加上108課綱中的探究與實作課程讓學生開始學習專題研究，因此師生們需要舞台展現研究成果。還好今年有幸参與這個盛會，日後有機會一定要讓嘉義地區的化學教師群及高中生們認識這個會議，二年後第十屆NICE國際會議將在日本舉行，希望到時能有嘉義地區的高中代表出席。

n 參考文獻

周金城、鍾曉蘭（2019）。第八屆亞洲化學教育研討會之高中参訪活動–讓高中生變成主角。臺灣化學教育，33。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=35127

Wan, W. C. (2023). Study redox reactions through learning stations. The Souvenir Programme and Abstracts, the 9th Network of Inter-Asian Chemistry Educators [9NICE] Conference. 29.

Wan, W. C. (2019). Alkali metals and halogens through learning stations. International
Journal of Academic Research in Progressive Education and Development, 8(3), 316-324.

9thNICE-愛上砂勞越的多變與驚奇／廖旭茂

星期二 , 5, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

9thNICE-愛上砂勞越的多變與驚奇

廖旭茂^{1, 2}

¹台中市立大甲高級中等學校

²教育部高中化學學科中心

[email protected]

n 前言

坐在庭院裡，細品著砂勞越的Liberica，沈浸在滿園的芬芳裡，緩緩回想古晉之旅，接下來將依時序，記下這趟旅程驚喜的點….。

很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴，一起參加了2023年七月底在馬來西亞沙勞越州古晉市舉辦的第九屆亞洲化學教育研討會（9th Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 9th NICE Conference），大會中除了筆者分享的微型電磁攪拌模組體驗工作坊Workshop外，另外還有一場由來自印度的Uday Maitra教授分享，主題為「Chemistry is Fun」的化學演示工作坊Workshop，以及包含9個實驗的體驗攤位（名為年輕化學大使Young Ambassadors for Chemistry, 簡稱為 YAC）。趁記憶猶新之時，將參與的內容，記錄下來，跟大家分享。

n 工作坊之前

每次出國參加研討會在工作坊上分享自己新研發的教學輔助工具，看到參加者打開紙盒時驚喜的又感激的表情，哪一瞬間是個人最有成就感、最開心的時刻；但出國之前的製作工作，包括一品質的要求、謹慎安全的材料、工序調整再調整；其中最痛苦的是進出海關時的忐忑—什麼需要帶？什麼該帶？什麼可以帶？在「守法」、「不引起糾紛」與「活動精采度」各股強力的壓縮下，取捨之間，戰戰兢兢，戒慎恐懼，不足為外人道。古晉此行，已經是第二回到訪，現實條件是台北沒有直飛航班，因此過程需要轉機，而總里程時數超過8小時，因此拖著沉重行李上上下下肯定不方便，考量購物方便性，需要臨機應變的地方應該少不了，因此評估後決定先將器材模組製作完成，寄送到主辦單位指定的官方飯店；再連絡主辦方獲得許可後，開始一連串準備工作：首先完成25組的電磁攪拌器主體製作工作，再將滴定模組零件分裝進袋，隨後用發泡塑膠安穩包覆，模組再置於開模的牛皮紙盒內；25組模組再緊湊地排放在一個大紙箱內，縫隙間填塞發泡材料，將2600公里配送的顛頗損害調最低。快遞配送出乎意料的快，一個星期內抵達官方飯店。下圖是此次研討會分享的教具。

n 7/25 出發

第二次到古晉，依舊在沙巴轉機，提領行李，重新登機，還好同行的夥伴引領，兩個小時的轉機時間，雖倉促也順利轉機，到達古晉已經傍晚。在機場有伙伴事先在台灣下載Grab APP、認證，預約叫車相當便宜、方便，到Roxy Hotel飯店大概折合台幣不到80元。到飯店漱洗後，一群人一起走路出門，古晉市的紅綠燈出奇的少，車流繁忙，要過馬路需要靠勇氣與智慧，一番糾結後，總算抵達對面的肉骨茶名店，飽餐一頓。由於Roxy 飯店不在鬧區，之後出門也多倚賴Grab。

n 7/26咖啡故事館的午后邂逅

這一天是完全空檔，大夥安排了各式各樣的旅遊活動，適逢古晉節，城區砂勞越河畔聚集相當多的人潮，美虹教授、金城教授與曉倩家一起行動，上午我們先去熟悉的地方換錢，逛了逛城區、河畔與印度街，買了頂遮陽帽子與椰棗。

下午則預約參加黑豆子咖啡故事館（Black Bean Coffee &Tea Tabuan Desa Shop）導覽，自己與莊園的鄭老闆素昧平生，只因2016年曾經來古晉參加第24屆國際化學教育研討會(International Conference on Chemistry Education, 簡稱為ICCE)，造訪過咖啡館，與一大群夥伴品嘗過鄭老闆的好咖啡，在「吃好道相報」下，此行前先透過臉書聯絡，除預購咖啡豆外，並造訪他們另一家店—咖啡故事館。故事館準備了豐盛的南洋甜點來迎接我們，配上砂勞越特有咖啡—LIBERICA，咖啡的歷史娓娓道來；3支手沖咖啡豆輪流上場，空氣中飄散的果香、杏仁堅果氣味與巧克力風味，讓人沉醉其中；言談中才知道，鄭老闆曾經到高雄工專就讀，老闆娘也是高雄工專的在地人，這一層緣分的加持，不僅2600公里外的疏離煙消雲散，動人言語在咀嚼間忘卻了時間的流淌….. 自己也分享臺灣帶來的杉林溪的碳焙烏龍，為良善的交流劃下友好的句點。下圖為交流過程的畫面。

圖2：咖啡故事館午后的交流畫面

晚上砂勞越河畔有各種裝扮的花船遊行預演，趁著夕陽返回砂勞越河畔，搭上交通船，海風輕拂，熱情動感震耳的音樂，河面、船身與遊客的臉龐上一抹金黃，又是另一種迷人風情。下圖為砂勞越河黃昏美景。

圖3：黃昏的砂勞越河畔

n 7/27相見歡

正式活動從27日的相見歡晚宴開始，除了寒暄外，也會趁吃飯的機會推銷自己此行帶來的秘寶。研討會在28至30日三天舉行，29日為參觀活動，參觀紅毛猩猩保護區與婆羅洲文化博物館Borneo cultural museum，其他為大會研討會活動。大會活動依照內容分為學術性的發表、與符合中學程度的實驗實作；學術性活動，如Keynote, Oral, Poster 都在Imperial Hotel內舉辦；而實驗實作活動（名為年輕化學大使Young Ambassadors for Chemistry, 簡稱為 YAC），則被分配在巴都林當師訓學院Institut Pendidikan Guru Kampus Batu Lintang（IPG KBL）。因為我準備的分享活動，意外地被安排在第三天YAC的實作Workshop內，所以有比較充裕的時間去走看他人的分享。

n 7/28YAC活動開始

研討會第一天，筆者自告奮勇去巴都林當學院參加實驗實作YAC活動，此學院為當地培養國小、國中師資的教育學院，成立於1948年，也是馬來西亞27個師訓學院之一，其使命為通過充滿活力的教師發展計劃，培養有能力與有教育家情懷的教師，邁向世界一流的學校教育。此次活動參加的成員主要是古晉當地學校，每一校由一位教師帶領約4至5名中學生與參加，總共分成10組，額外10位參加研討會的日本、臺灣、韓國老師與學生，分配到各組裡。下圖為巴都林當地教學區。

圖4：巴都林當地教學區

在馬來西亞Institut Kimia的副主席Datin ChM Dr Zuriati Zakaria（也是本次研討會的共同主席）致完詞後開始，首先由廈門大學馬來西亞分校的朱舜蘭教授進行專題演講與整日的活動介紹，題目是化學與永續發展的目標（Chemistry & Sustainable Development Goals），演講完隨後帶入當天YAC實驗實作的主題。當天的實驗實作是圍繞著聯合國SDG永續發展目標而設計的化學實驗；例如SDG6 –目標是潔淨的水與環境衛生（Clean water and Sanitation），安排了三個水質分析相關的實驗；SDG7–目標在於可負擔的永續能源（Affordable & clean erergy），主辦委員會安排了太陽能電池的製作與水的電解；SDG9-目標是工業、創新與基礎工業（Industry, Innovation and Infrastructure），安排了材料強度與金屬防腐蝕測試兩個實驗；SDG12-目標是責任消費與生產（Responsible Consumption and Production），安排了生質塑膠的製作；SDG13-目標是氣候行動（Climate Action），安排了生質柴油的製作。所有實驗安排在物理、化學以及生物三間實驗室中，每個實驗室安排2至3個實驗攤位，由專人講解並引導師生進行實作體驗，10組的師生依組別平均成三團，分配在三間實驗室中，再分組輪流跑攤；每節課60 分鐘，時間一到，整團移駕到下個實驗室。其中生物實驗室安排了三個水質分析相關的實驗攤位；物理實驗室安排了太陽能源、電解水（氫能）、材料分析、金屬防腐蝕測試四個實驗；化學實驗室則安排了生質柴油、生質塑膠兩個實驗。茲將實驗內容對應聯合國SDG目標，整理如下表：

表1：SDG目標與實驗對照表

SDG代號

目標

實驗內容名稱

SDG 6

生物實驗室

潔淨的水與環境衛生

l pH test

l 濁度test

l 陰陽離子鑑定

SDG 7

物理實驗室

可負擔的永續能源

l 染料敏化太陽能電池

l 氫能–水的電解

SDG 9

物理實驗室

工業、創新與基礎建設

l 材料的拉伸試驗

l 鐵釘的腐蝕與保護

SDG 12

化學實驗室

責任消費與生產

l 生質塑膠的製作–玉米澱粉

SDG 13

化學實驗室

氣候行動

l 生質柴油的合成–回收油

礙於篇幅，本文茲就其中SDG 6-水質分析與SDG 9-材料強度分析與防腐蝕科技兩大項之相關實驗先做介紹，其餘的SDG 7、SDG 12、SDG 13與綠色能源、氣候相關的實驗，如染料敏化太陽能電池的製作、氫能、生質塑膠的製作、生質柴油的合成，則待下期再詳細介紹。相關分述如下：

1. pH測試：實驗攤位負責老師事先配置pH=1~13 九種不同酸鹼值的廣用指示劑、紫色高麗菜汁與自製的指示劑由學生滴加不同來源的A~D四種未知液到塑膠封套上，並加入不同的指示劑，由三種指示劑的呈色結果，比較、歸納出未知液的pH值範圍。下圖為學生利用已知指示劑測試未知液酸鹼值的過程。

圖5：圖左為紫色高麗菜汁不同pH值下的顏色，圖右未知溶液pH值測試

2. 濁度測試：由本攤老師提供5種水源，以濁度計測試自來水與目視最混濁的水樣的標準濁度讀數（標準濁度單位Nephelometric Turbidity Unit, NTU ），學生自行操作測試另外三種水樣，決定哪一種水樣最乾淨？下圖為濁度測量過程。

圖6：圖左為濁度計，圖右為未知溶液濁度值測量

3. 陰陽離子分析：本攤分成陰、陽離子分析兩個部分，陽離子分析部分，首先由負責老師首先提供種數種已知鹽類溶液，如鉀、鉛、鈣、銅、銀、鐵等鹽類，事先分裝在試管中，接著加入3滴4M的氫氧化鈉，觀察哪一管有沉澱發生？沉澱是甚麼顏色？學生可以藉此了解各種陽離子在氫氧根離子中沉澱的情況，與氫氧化物的顏色。隨後再加入6滴的氫氧化鈉，觀察沉澱的變化？
陰離子部分，由另一位老師提供數種已知鹽類溶液，如溴、氯、碘、碳酸跟、硫酸根等鹽類，事先分裝在試管中，接著加入3滴0.05M的硝酸銀，觀察哪一管有沉澱發生？沉澱是甚麼顏色？學生可以藉此了解各種陰離子在銀離子中沉澱的情況，與銀化物的顏色。最後由老師提供未知液，由同學逐步添加已知溶液，透過溶解度的差異，與沉澱的顏色，在老師的引導下，判斷出未知液中所含離子的身分。下圖為測試流程圖。

圖7：攤位提供的陰陽離子分析檢測流程圖

4. 抗拉強度測試：分別取厚紙板、鋁箔、乳膠手套、塑膠袋各1張，按照提供的紙模板，以剪刀剪出模板的形狀，可令同學預測一下哪一種材質抗拉強度最強。接著以麥克筆與尺標示測量的長度I₀，下圖為測試模板的示意圖。

圖8：模板上虛線記號的示意圖

接著以雙面膠帶黏貼在A端兩側，再以一個燕尾夾夾住B端；隨後取一彈簧秤，朝下掛在桌子底下預先安置的掛鉤，燕尾夾A則勾住彈簧秤的另一端，以手拉住燕尾夾B，觀測彈簧秤上指針的位置與拉伸長度I₀的變化。學生可以手機拍攝影片，記錄整個拉伸過程，隨後上傳網站，https://www.pjl.ucalgary.ca/studentResources/videoAnalysis/pjlVideoAnalysis.html，線上去估算材料的抗拉強度。下圖為實驗操作過程。

圖9：不同材質的抗張強度測試

5. 鐵釘的腐蝕與保護：準備5根釘子，每根釘子經不同的前處理，一支塗油漆、一支纏繞鋁箔條、一支纏鎂帶、一支塗佈油脂、另一支是未處理。將五根釘子分別置入五個培養皿中，接著倒入事先配置的熱洋菜膠溶液（內含硝酸鉀KNO₃、黃血鹽K₄[Fe(CN)₆]、酚酞），溶液需完全覆蓋鐵釘，待冷後觀察顏色的變化。下圖為講師解說教學過程。

圖10：鐵釘的腐蝕與保護的教學過程

分組實作的部分學生都很有興趣與投入，遇到不明瞭的地方，跟在一旁的帶隊老師都能及時救援，為學生解答；一天下來三五大項實驗實作活動，師生都覺得收穫滿滿。

n 7/29自然文化之旅

7月29日大會安排的活動有紅毛猩猩野生保護區與婆羅洲文化博物館的參訪活動（Semenggoh Wildlife Centre & Boneo Cultures Museum），早上因故缺席了保護區紅毛猩猩的參觀活動，下午才搭grab跟大夥到婆羅洲文化博物館參觀。中午空檔到市區華人老街吃飯，順便與偶像貓拍照，並回到老藥行購買青草油。

n 7/30 Workshop上場

7月30 日有YAC 2023 Workshop，為搭配閉幕式，舉辦地點移師至Imperial Hotel，跟大會的Keynote、Oral、Poster Presentation同一場地。工作坊首先登場的是印度科學理工學院（Indian Institute of Science）的Uday Maitra 教授進行的化學演示，主題為「Chemistry is Fun」。Uday教授取出一張事先以水彩筆沾過藥水書寫的橫幅的紙條（推估黃血鹽K₄[Fe(CN)₆]與硫氰化鉀KSCN兩種溶液依序交替書寫），接著請兩位同學上台將紙張拉開，自己拿著裝有不明溶液的噴瓶（預測是氯化鐵溶液），對著紙張由左而右噴灑，神奇的是紙張立即出現CHEMISTRY IS FUN 藍、紅交替的文字，此舉立刻博得全場的掌聲。隨後Uday教授演示了碘化鉀催化雙氧水分解的大象牙膏、熱致變色反應、多彩的化學螢光反應等豐富的實驗內容，工作坊內熱鬧滾滾，毫無冷場。下圖為Uday教授精彩的演示過程。

圖11：Uday教授CHEMISTRY IS FUN 精彩的化學演示

接下來是筆者分享的工作坊Design and Application of the Mini Stirrer Modules。在臺灣製作了25份的電磁攪拌器模組，於相見歡時將模組分贈給熟識的教授與教師們，邀請他們來參加我的工作坊。活動當天依主辦單位規定到達會場，著實嚇了一大跳，會場座位已有約50位馬來西亞的學生與教師入座，因所剩座位極少，造成熟識的日本和韓國老師無法入內參加工作坊。原本預計分享的對象是國際的教育工作者，現在主要變成馬來西亞的學生與教師。在臺灣化學學科中心夥伴的協調下，將教師的位置調整至前面，依序分發材料後，進行分享。先從設計理念、特色功能，到一步步引導老師進行模組的組裝與操作。活動結束，拍完合照後，總算鬆了一口氣，真心感謝曉倩老師、孟佑老師、映辛老師、金城教授這些夥伴的幫忙。下圖為工作坊過程。

圖12：工作坊分享活動合影

閉幕式後，回老街河畔逛逛，接著是古晉候機、飛行、新加坡轉機，再搭要老命的紅眼班機，長途跋涉，終於一大清早回抵國門；加上前一晚火災警報的折騰，回家後昏睡了一天，元氣才漸漸恢復過來。感謝同行的台灣夥伴，海外六天，一起學習、一起同歡、一起冒險，短短六天裡一起留下了難忘的記憶……。

高中教師參加第九屆亞洲化學教育會議（9th NICE）的經過及省思 ∕ 劉曉倩、蔡孟祐

星期一 , 4, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

高中教師參加第九屆亞洲化學教育會議

（9th NICE）的經過及省思

劉曉倩^1,2*、蔡孟祐^1,2

¹國立彰化高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n 獻給不設限的自己

時間過得好快，參與NICE會議已經有四次經驗（包含這次古晉、東京、首爾及臺北），雖然每一屆在報名前都很掙扎，擔心自己教育專業是否足以參與國際交流？外語能力是否足夠與其他國家教育人士溝通？期間邱美虹教授總是不斷地鼓勵我們，Knowledge in use很重要，透過知識的交流與應用可以看到不同樣貌的自己！於是秉持三不精神「不怕丟臉、不怕失敗、不會放棄」的我再次報名此次國際盛會，投稿海報內容是將自己指導學生做「染敏太陽能電池」的教學經驗轉化成教案海報分享，內容包含指導學生染敏太陽能電池作用原理、實作組裝測試、進階專題研究及科展產出等。相較於以往，今年投稿國際論文的優點是，英文摘要及海報可以使用chat gpt！心得是使用chat gpt雖然方便，但是若是指令不足，翻譯錯誤率很高，因此投稿前準備了近一個月。當投稿英文摘要被大會接受時，心裡很開心！此次同行的化學學科中心夥伴不多，但是在美虹教授帶領下與臺灣幾所大學教授、校長、中學教師及學生一起參與盛會，是個不同組合的全新體驗！會議的主題仍是與SDGs永續發展及環境保護（Chemistry For Sustainable Development &Environmental
Protection）密切相聯，每個大學教授都有教學策略的口頭報告或教具分享，發表內容與高中化學教育緊密相關，自己受益很多！

n 海報發表與參與心得

一、海報發表前的準備

主題發想起源於2022年基礎科學促進永續發展國際年（IYBSSD）臺灣系列活動中，化學學科中心在各地高中發起永續課程發展設計（全國光照度量測與染敏太陽能電池實作），於是我想將自己指導高中生做「染敏太陽能電池」特色課程及專題課程的經驗統整，與其他國家進行交流。我在染敏電池教學內容很多但是從沒有整理過，整理內容需要耗費很多時間，還好藉由Chat gpt協助統整內容大綱可以省卻許多時間！

首先將歷年指導科展內容摘要及參與高瞻計劃特色課程設計內容大綱整理好，然後上傳chat gpt整好的教學資料，下達指令「我要做學術發表使用，請將上述教學資料梳理成教學過程大綱，包含標題、教學內容摘要、教學方法、教學成果及討論與結論。」，此時chat gpt會整理出一大串文字說明，此時我再將內容刪減成條列式，然後再上傳至chat gpt 下達指令，請「依據內容再濃縮成我想要達到的中文XXX字數」…。

重複修改數次後，接著將內容先用google英文翻譯，檢視一下英文用字是否有誤（因為化學有專有名詞），我再將英文內容上傳至chat gpt ，下達「我是高中老師，我要參與國際學術發表，請用高中生或12年級生可以懂的英文幫我修正上述內容」。使用 Open AI經驗提醒我，下達「精準的指令」很重要，若是直接讓AI 翻譯英文科展內容當作學術發表，你會發現英文用字遣詞較難甚至拗口，所以必須根據自己的英文能力調整海報發表內容，避免發表者連自己海報都無法理解的窘境。

我在英文摘要上主要呈現引導學生學習染敏太陽能電池的原理及實驗探究的學習經驗，在摘要及海報發表上則是遵循以下結構：

1.標題：解密染敏太陽能電池：啟發學生探索綠能世界的教學之路

2.摘要內容包括以下要點：

（1）引言：教師介紹染敏太陽能電池的重要性和應用領域。

（2）教學目標：教師明確說明研究的目的，即教導學生學習染敏太陽能電池的過程。

（3）教學方法：教師簡要描述所使用的教學方法和學習活動，例如實驗設計、製作過程、觀察和測量。

（4）教學成果：概述學生在學習過程中獲得的主要結果和發現。可以提及學生的反應、學習成就以及實際操作染敏太陽能電池的能力。

（5）討論：師生對結果進行討論，強調學生對染敏太陽能電池的理解和應用能力的提升。

（6）結論：總結教學方法和學習經驗，強調其對學生學習和染敏太陽能電池相關知識的影響。

（7）結語：提供師生對未來學習和研究的展望，以及可能的改進方向。

特別注意的是，在摘要中要確保簡潔明瞭，避免過多細節。重點突出教導學生學習染敏太陽能電池的教法和學習經驗以及這些方法和經驗對學生學習成效的影響。

二、海報內容精要

海報內容主要是分享自己從事染敏太陽能電池教學起源、教學過程、教學成果、師生所獲得的收穫及省思，所以在英文海報內容主要分為：引言、教學內容、教學活動、教學成果、討論與結論及未來展望。以植物為師、成本低廉、光能轉化率高的染敏太陽能電池在臺灣發展將近20年，但是臺灣高中生對於染敏太陽能電池的了解不多，主要在於課綱上並未提及，我想藉由教學經驗分享讓國內外教師及高中生可以入門研究，而且染敏太陽能電池作用原理與基礎科學知識息息相關，學生可以學以致用獲得成就感！以下是投稿海報內容概要描述：

1.引言

石化能源即將耗盡，對地球造成了嚴重的危害。因此，我們迫切需要尋找更環保且可持續發展的替代能源。綠色能源已成為全球共識，而太陽能電池是其中最具潛力的能源之一。太陽能電池具有多重優勢，如安全、無噪音、無污染、節省人力資源、長期使用、輕巧和具有經濟效益。染敏太陽能電池雖然穩定性不及傳統太陽能電池，但在成本便宜、室內弱光或半戶外的條件下，其光電轉換效率非常高，甚至可以達到30%（商用太陽能板約為7~17%）。這突顯了染敏太陽能電池在能源應用中的重要性！我們希望藉由探究實作課程引導學生了解染敏太陽能電池組裝、原理及應用範圍，啟發學生探索綠色能源的興趣。

2.教學內容：

（1）科學內容：

學生學會染敏太陽能電池的基本組裝、原理和操作技巧，運用生活中或校園內的植物樣本，準備進行實驗，同時測量不同植物種類對染敏太陽能電池的電壓和電流變化進行分析，探討植物種類對電壓及電流產生的影響。

（2）教學策略：

a. 問題導向學習：引導學生提出可探究的主題與問題，激發他們的好奇心和探究動機。

b. 小組討論：透過實際操作染敏太陽能電池和進行植物實驗，讓學生親身體驗科學的過程。

c. 表達與分享：引導學生分析實驗結果，表達分享可能的結論，鼓勵他們運用科學方法進行問題解決。

3、教學活動：

（1）教師做染敏太陽能電池工作原理說明及引導學生做染敏太陽能電池組裝及測試(圖1)

（A）（B）（C）

圖1 紫草（A）、洛神花（B）及蝶豆花（C）測得的電壓測定值（0.655V、0.413V、0.004V）

（2）學生收集生活中或校園內的植物樣本（樟樹、臺灣欒樹、玉蘭、桂花及地瓜葉），準備進行管柱層析實驗。

（3）學生測量植物管柱層析分離後萃取液組裝染敏太陽能電池的電壓和電流變化(圖2)

圖2 不同萃取液組裝染敏太陽能電池的電壓變化

4.實驗結果與討論：

師生分析和比較實驗結果，探討色素結構對電壓及電流產生的影響。葉綠素a與b結構分析得知，葉綠素b上多出一個醛基，可能有助於提高葉綠素b的極性並協助葉綠素b本身與TiO₂的作用甚至形成鍵結，繼而提高電子轉移的效率，提升放電電壓。

圖3 葉綠素a與b結構差異

5. 結論與未來展望

根據實驗數據，學生提出可能的結論，整理出優化染敏太陽能電池的可行性，進一步研究方向。

（1）放電電壓值：葉綠素b＞葉綠素a＞類胡蘿蔔素

（2）本研究是以優化染料敏化太陽能電池為研究主題，因為天然葉綠素容易氧化變質且吸收光必須在紫外光範圍才能使用，所以我們以葉綠素為研究雛型，合成人工葉綠素。

（3）合成重點在於將結構中加入高立障推電子基團，使電子傳遞更快，提高電壓。同時再接上架橋基使染敏電池可以在可見光的範圍使用，提升光轉成電的效率，試圖製作出高延展性且平價的薄膜太陽能電池，製造過程甚至比以前的電晶體電池便宜，且對於環境更友善，符合SDGs 7可負擔的潔淨能源。

二、簡報發表過程

今年本來以為只要貼個英文海報，在現場繞個幾圈就可以溜去看其他老師或學生張貼的海報發表。沒想到主辦單位臨時通知有「海報競賽」！作者必須在現場用英文講解，同時有三位評審教授會針對發表內容評分及提問！當天早上聽到大會消息時，心跳頓時漏跳幾拍，陷入孟克的「吶喊」焦慮情緒，但是既然已經「上船」就別怕「暈船」！？看來中午午餐都省了，卯起來與同行夥伴蔡孟祐老師開始口語練習到下午三點。發表時面對教授雖然有些緊張，第七對腦神經與口輪匝肌出現時間差距，還好情緒有穩住，自己的發表作品當然還是自己最熟！首先先想像自己是「候選人」，微笑而且記得呼吸、儘量口齒清晰、與評審教授眼神接觸，自信不失禮貌的手勢，都是可以加分的項目！雖然教授提問時有些恍神，但是還是努力回答出所有想到的答案！海報現場還有來自日本及馬來西亞的教授詢問臺灣課程規劃與高中化學實驗課的安排，他們對於臺灣高中課綱中的「自然探究實作課程」給予高度肯定，同時對於跨科協同實作課程感到好奇，希望可以進一步了解，甚至希望有一天可以到臺灣實際參訪！當然最開心地莫過於我得到The Best Poster（最佳海報獎），可以上台領獎及跟Dr Soon一起合影留念(圖3、4)！我想評審教授應該是將競賽者年齡及教學年資都列入加分項目？！但是我不在乎，得獎就是一種肯定，人生中的里程碑，我們沒有辦法掌控生命長短，卻可以決定人生的廣度，我的勇敢值得給自己掌聲，期待自己繼續加油，用好奇及挑戰的眼光來探索世界的美好！

圖3 榮獲NICE大會頒發最佳海報獎圖4 NICE大會最佳海報獎證書

n 結語

此行參與NICE會議不免與2016年參與ICCE會議（同樣在古晉舉行）相較，前者無論是口頭發表、海報發表及工作坊，與現階段臺灣中學教育高度相關，大會甚至針對年輕教師或學生都有當地學校實驗室參訪與實作，對於新進老師受益很大。此行特別感謝同行的教授、校長及中學教師相互照顧。疫情後的古晉，大型飯店林立，而且有了Grab叫車，實在太方便了，價格便宜，讓人連走幾步路都懶！但是或許是受疫情的影響，古晉的老街裡傳統特色的手工藝品文創店及咖啡廳都悄然蒸發了，只剩下河岸旁賣觀光客紀念品的雜貨店，而且每家賣的商品都差不多，連古晉最富特色的手工藝串珠都看不出每家店的差異性，十分可惜！回想此行最難忘的當然是因為口頭發表而與馬來西亞老師Chin結為好友，相互分享兩國的中學課程規劃及教育現況，是此行最大收穫！

n 附錄

1.研討會作者展示之英文海報資料：https://docs.google.com/document/d/1M0d8AAMc7HvCVZk4ZOKBS8bpdYwozw40/edit

參與國際研討會擴展國際視野 —新式化學週期表桌遊分享／鐘建坪、鐘君瑋

星期日 , 3, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

參與國際研討會擴展國際視野

—新式化學週期表桌遊分享

鐘建坪¹*、鐘君瑋²

新北市立錦和高級中學國中部、新北市南山中學國中部
[email protected]

n 前言

每隔2年舉辦一次的NICE（The Network of Inter-Asian Chemistry Educators）研討會，由於COVID-19疫情關係，原定於2021年舉辦，延宕二年的時間之後，在2023年7月底於馬來西亞舉辦完成。與會人員來自臺灣、日本、韓國、馬來西亞、印度、新加坡等國家的大學教授、中小學科學教師，以及中學學生。大家齊聚在有「貓城」之稱的古晉市，共同分享與討論化學教育相關領域主題。本次第一作者發表2篇海報論文，其一為以探究與實作的方式在彈性學習課程協助學生發展探究能力，強調在國中階段的彈性課程，能夠以探究與實作的方式讓學生能夠經歷包含發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等階段探究歷程，以發展學生的探究能力（鐘建坪，2023）；其二為與本文第二作者共同開發化學週期表桌遊，著重如何協助學生透過遊戲化的方式進行單元內容的學習（Chung & Jong, 2023）。本文著重在化學週期表桌遊開發、研討會報告內容與參與歷程的心得分享。

n 化學週期表桌遊遊戲

一、桌遊遊戲

桌遊遊戲是指以能在桌上進行的規則遊戲，例如：卡牌或棋盤。玩家在遊戲規則之下，進行策略思考，以其能夠獲得勝利。目前市面上的桌遊遊戲樣態與種類多元，但以科學概念為主題的遊戲則較為稀缺。以市售「動物園」與「演化論」為例，「動物園」以不同種類動物取代傳統數字大小，藉由類似「大老二」的遊戲規則，最快將手中的卡牌出完者獲勝，其主題雖然藉由動物園中常見動物作為主軸，但是模擬以食物鏈之間的不同階層獵食者的關係並未與實際生態模式相符。「演化論」以達爾文演化論為其科學理論基礎，強調性狀、獵食等概念，讓玩家能夠藉由遊戲歷程理解生物演化的歷程，但因遊戲設計與演化理論仍有些微出入，以及規則理解與實際遊玩需要較久時間才能完成，使得課堂的實際運用較為缺乏。

二、週期表桌遊遊戲

週期表是化學學習一項重要的概念，不僅涵蓋不同元素的物理及化學性質，亦牽涉相似元素之間的週期關係，例如：鋰、鈉、鉀皆為第1族，最外層電子為1個，其活性隨著分子量增加而增加。文獻上許多學者與教師曾設計化學週期表桌遊或卡牌遊戲，協助學生進行學習（e.g., Benedict, 2023; Franco-Mariscal & Cano-Iglesias, 2014），例如：Franco-Mariscal和 Cano-Iglesias設計填空讓學生以元素的相關物理性質進行填字遊戲，藉由Bingo的填字遊戲方式協助學生熟悉元素的性質與符號（Franco-Mariscal & Cano-Iglesias, 2014）。Benedit以週期表作為形成性評量，讓學生在學習完週期表的元素性質與週期性之後，以梯子與蛇「ladder and Snake」的規則，讓學生進行週期表桌遊的遊戲，若學生有錯誤時可掃描二維碼，透過擴增實境獲得答案的說明（Benedit, 2023）。

n 發想主題與新式週期表

一、新式週期表桌遊發想

週期表在國中、高中階段皆為重要的化學概念之一。自然領綱在第四階段的學習重點預期學生能夠理解元素與化合物有特定的化學符號表示法，以及元素的性質有規律性和週期性（國家教育研究院，2018）。國中學生在此階段需要理解元素符號、知悉其相關的物理與化學性質、質子數、電子數、質量數繪製而成的原子模型等內容。本文作者思考如果能夠以遊戲化（gamification）的方式整合相關的內容，則能促進學生的學習。

先前有一款桌遊相當熱門，名為「狼人殺」。遊戲規則主要藉由不同角色扮演並提供訊息，由眾角色判斷誰是狼人，過程中玩家需要記憶、整理，及判斷不同角色提供的訊息內容。基於先前帶領學生的經驗（Jong et al., 2017），如果將相關的判別內容作為學生的訊息背景，則當每位同學說出相關科學訊息，再讓其他同學思索與判斷哪一位與其他人不同，則是一項可以進行的互動桌遊。有此想法之後，開始與第二作者集思廣益，以設計思考的模式進行設計「Who is different?」週期表卡牌桌遊，並完成成品實作（見圖1），同時實際讓任教8年級學生學習完元素週期表單元之後，進行遊玩找出遊戲優點與缺失（見圖2）。學生的回饋幾乎都是正向的反應，包括：提升學習的趣味性、能夠幫助記憶與複習、成績良好的學生不見得一定分數最高等，缺失在於需要修正遊戲規則中思慮不周之處。

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圖1 新式週期表桌遊圖2 學生實際遊玩情形

二、新式週期表—誰是不一樣

(一)發牌

一組有6張元素卡牌（5張元素卡、1張主審卡），一開始每人發下一張元素卡與一張特殊卡牌。元素卡其中一張為主審，抽到主審者，當局作為裁判。一開始擔任主審者需要觀看所有人的牌，確認哪位玩家與其他玩家的元素卡牌不同，每組的元素卡牌有4張相同，1張不同。卡牌背面附有該元素的相關性質。

(二)確認順序

順序以擲骰子大小決定。由最大點數玩家順時針方向開始。

(三)說明自己持有元素的性質

實際拿到元素卡的每位玩家皆說出1項與自己抽到元素有關的事實內容(可參考元素卡提供的性質)，此遊戲玩家不能說謊。每局中玩家陳述過的事實，其餘玩家不能再重複。每位玩家需要根據其他玩家陳述的內容，暗自評估其他玩家拿到的元素與自己的是否相同。

(四)判斷哪位玩家的元素不一樣

每位玩家說完元素的性質之後，主審說「請判斷誰不一樣」，5位玩家指出與其他不同元素的人。主審說出「最多」被指出者的玩家「是否與大家不一樣」（除非判斷正確，否則無須掀底牌）。

(五)判斷正確

「最多」被指出者的玩家由主審說明判斷正確，結束此回合。正確判斷的玩家加1分，其餘錯誤者扣1分。主審加減完此回合的分數之後。重新開始第二局。

(六)判斷錯誤

「最多」被指出者的玩家，若由主審判定大家判斷錯誤，錯誤判斷者扣1分，被誤殺者蓋牌、不公開底牌，不需再玩下一回合。直到「不一樣者」被最多玩家指出才結束。持有「不一樣」元素的玩家，每躲過一回合即可加1分，該局結束後，由主審加分。

(七)特殊卡使用

每位玩家1開始即有1張特殊卡，依照特殊卡的說明確認使用時機（說明性質、判斷不一樣等時機）。特殊卡一旦使用，即失效，需要放回特殊卡牌中。每局第二回合可以抽卡，每位玩家有一次機會，當擲骰子點數必須四點以上才能再獲得一張新的特殊卡，若小於三點則不能獲得新卡。

n 參與研討會的收穫與感動

一、能與亞洲不同國家的學者、教師及學生共同交流

NICE研討會不同於其他學術研討會之處，在於NICE提供機會讓中小學教師與學生，能夠與專業專家學者一起互動。不同國家、不同學習階段的教師彼此交流，能夠理解不同國家的教育制度與目前作法。教科書是理解不同國家設定學習內容的有效方式之一，本文第一作者攜帶三套8年級理化課本，分別贈予日本小林館主編教授，廣島大學附屬高中國中部教師，以及馬來西亞化學教師，大家對教科書如何編排、學習概念內容有哪些、如何教導學生學習感到興趣。同時亦獲得對方回贈的教科書，讓自己能夠從不同國家的編輯內容，思索概念教學可能的創新之路。

研討會中，第二作者透過英文口說了解各國的文化，更結交許多與會者。在討論之中，了解到運用科學的原理，再加上新科技，使遊戲化可以變成一種新潮流，而遊戲裡涵蓋多元的素養，或許能與其他科目做出新的體驗，評量上能夠進行混合型試題，促使學生可以用科學來了解其他科目，並且運用遊戲的特色或創新流程，帶動學生的好奇心，而使學生在學習上，有更大的動力去學習、思考與反思。

二、探索與會者的報告主題內容，思考未來自身的教學與學習

與會一名馬來西亞教師Chin Chin Yip和學者Kah Heng Chua口頭報告利用化學巨觀、符號與次微觀表徵設計一款名為「Little Periodic」的桌遊，促進學生理解化學元素週期表（Yip & Chua, 2023）。設計內容將客觀元素性質事實作為巨觀表徵，化學元素符號作為符號表徵，而探討不同週期的原子數、原子半徑、原子量、游離能等作為次微觀表徵，讓學生藉由遊戲規則互動能夠理解週期表中不同表徵之間的關係，以及能夠記憶週期表的相關性質。本文作者與當場與會者在討論期間探討桌遊在正式課堂的教學處理模式，共識的內容在於桌遊可作為複習與形成性評量使用，不僅增加學生的記憶，亦強化學生的參與度。

三、與他國教師連結互動，產生進一步交流與合作的機會

研討會交流互動過程，會有些新的激發想法，例如：中學教師論壇、教科書的差異比較等。讓參與者能夠能深入理解不同國家的教育制度與學習之間的關係。本文作者於會後收到韓國學者的來信，尋求偕同探討亞洲區的資優教育制度。藉由協助找尋資料的過程，自己也深入理解臺灣對於資優教育的經費、人數比例，以及升學制度等。亦即透過進一步的合作與交流，不僅深入理解國內的教育制度內容，亦能比較不同國家的相關制度，以期能思考、反思，與發展更理想的學習模式。

n 結語

NICE研討會截至目前為止已經舉辦9屆，本文第一作者曾實際參與2013、2015、2017、2019以及2023年，分別在臺灣屏東、日本東京、韓國首爾、臺灣臺北，以及馬來西亞古晉舉辦的雙年會議。從一開始陌生只參與研討會的報告與聆聽，至目前期待能夠遇見相識的不同國家學者、中小學教師，進而一起交流，彼此分享對於化學學習與教學的想法。2023年為馬來西亞參與主辦NICE研討會的第一年，而作者們也能有此機會拜訪馬來西亞，了解馬來西亞的族群分布與文化底蘊，認識到回教國家的日常生活，體會到婆羅洲原住民族的多樣性，與其大自然景色的壯觀與遼闊。第10屆將在日本山形舉辦，期待能夠更多同好，帶領學生一起參與，以期增進學生的國際視野。

n 參考文獻

國家教育研究院（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。新北市：國家教育研究院。

鐘建坪（2023）。發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程。臺灣化學教育，53。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=43484

Benedit, T. A/P S. L. (2023). Periodic table of ladder: A board game to study the characteristics of group 1, group 17, group 18, and the transition elements. Journal
of Chemical Education, 100(2), 1047-1052. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00819

Franco-Mariscal, A. J., & Cano-Iglesias, M. J. (2014). Design and implementation of a bingo game for teaching the periodic table. School Science Review, 95(353), 55-59.

Jong, J. P., Fang, J. J., Wei, C. C., & Lu, Y. T. (2017, July 26-28). A novel chemical table game：Devoting students to learn organic compounds. Paper presented at the 7th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), Seoul, Korea.

Chung, C. W., & Jong, J. P. (2023, July 28-30). Integrating gamification into
periodic table learning: Designing a card game for students. Paper presented at
the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators
(NICE), Kuching, Malaysia.

Yip, C. C., & Chua, K. H. (2023, July 28-30). Developing little periodic for enhanced conceptual understanding of chemical representations in the periodic table of elements. Paper presented at the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), Kuching, Malaysia.

威廉·普勞特的經典論文：關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係／游文綺、胡景瀚

星期六 , 2, 12 月 2023 編輯助理化學小故事, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

威廉·普勞特的經典論文：

關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 譯者導讀

威廉·普勞特（William Prout，1785年1月15日—1850年4月9日），英國化學家，如圖1左所示。他於1815年以匿名發表一篇名為On the Relation between the
Specific Gravities of Bodies in their Gaseous State and the Weights of their Atoms的論文在《哲學年鑑》（Annals of Philosophy）中，如圖1中所示，中文篇名譯為《關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係》（Prout, 1815）。該篇論文在1970年收錄在《經典科學論文—化學》（Classical Scientific Papers–Chemistry）中，如圖1右所示（Knight, 1970）。

圖1：威廉·普勞特（左）、發表的英文原文（中）及收錄的英文版本（右）

（圖片來源：William Prout, https://en.wikipedia.org/wiki/William_Prout; Annals of
Philosophy https://www.biodiversitylibrary.org/item/54028#page/5/mode/1up; Classical
Scientific Papers, https://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML）

1815年，普勞特以當時可得的原子量表為基礎，提出一項假說—現今他被人們所銘記的普勞特假說（Prout’s hypothesis）：許多元素的原子量都是氫原子的原子量的整數倍。儘管當時無法準確地測量這項假說，這個概念對於原子結構的基本理解卻具有重要意義。普勞特在此篇論文中以路易·給呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）的理論為基礎，計算氣體的比重，例如：氧氣、氮氣、氯氣等；更進一步計算常溫下非氣態物質的比重，例如：碘、碳、硫等，如表A所示。比重是一個重要的物理性質，用於描述物質的體積和重量之間的關係。他在研究不同物質的氣態比重時，發現這些元素的比重剛好為氫氣比重的整數倍。後來，在1920年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）新發現的質子命名為“proton“，其原因就是為了紀念威廉·普勞特的貢獻。

普勞特以其對原子理論的先驅性工作而為人所知，他的貢獻為現代化學和物理學的發展奠定基礎，並對我們了解物質的本質有著深遠的影響。他的論文相當難懂，文中的一些假設也缺乏根據。因此，我們將論文中的部分數據和概念簡述於下。

普勞特整理出各種元素在壓力30英寸（76.2公分）汞柱，溫度控制在攝氏60度下，每100立方英寸（1.6387公升）中的氣體重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg），部分實驗數據見表A。相對於氫氣，各種氣體的比重都是氫氣的整數倍。當然，如今我們知道這些比例不完全是整數，例如：氯氣的比重是氫氣的35.6倍。普勞特的論文中所使用的數據與當時的某些數據不盡相同。他提出氧的相對比重為16，相對原子重量為8，如表A所示。我們猜測，在氫氣和氧氣化合成水蒸氣（2H₂(g) + O₂(g) →2H₂O(g)）的過程中，氧氣的體積變成兩倍體積的水蒸氣，這或許讓普勞特視氧氣為”容易膨脹”的氣體，因此其相對原子重量是相對比重的一半。

表A：普勞特提出各元素的比重、相對比重及相對原子重量

元素

比重

相對比重

相對原子重量

氫氣

0.0694

碳

0.4166

氮氣

0.9722

氧氣

1.1111

硫

1.1111

氯氣

2.5

對於化合物的分子，普勞特發現其相對比重也是氫氣的整數倍，部分實驗數據如表B所示。此表中第一欄的現代分子式為譯者所加，表中V_A, V_B,及V_tot分別是化合時元素A和B的體積及產物的總體積：

化合分子中的原子數目分別為

的分子量（普勞特視為原子重量）為

以水為例，氫氣：氧氣：水蒸氣的體積比為1：0.5：1，注意：表B中的分子式為譯者所加，普勞特的時代沒有這些知識。因此水中的氫和氧的原子數目分別為

水中氫和氧原子的數目比為1：1（普勞特的水分子組成為H₁O₁）。普勞特提出水的分子量（他視為原子重量）為

再以合成NO為例，氮氣、氧氣及NO的體積比為1：1：2，

其中氮和氧原子的數目比為1：2（普勞特的組成為N₁O₂）。普勞特NO的分子量（原子重量）為

普勞特認為空氣的體積組成是2倍的氮和0.5倍的氧，普勞特認為空氣的組成是2個氮和1個氧（N₂O₁）的粒子:

因此空氣的相對原子重量為36。

從表B中呈現的分子式，我們可發現普勞特提出的化合物中的元素原子數比例與大部分的現代分子式並不一致。這可能是當時科學家尚未建立有些元素以分子形式存在和化合物中元素含有多原子存在的觀念，而以氣體體積的膨脹或收縮的物理觀念來說明。

表B：普勞特提出其相對比重與其原子數比例之間的關係

現代分子式^a

相對比重

分子重量^b

原子數比例^c

H₂O

0.5

H₁O₁

0.5

C₁O₁

N₂O

0.5

N₁O₁

N₁O₂

N₂O₃

1.5

N₁O₃

N₂O₅

2.5

N₁O₅

H₂S

H₁S₁

空氣

14.4

0.5

2.5

N₂O₁

^a普勞特的論文無現代的分子知識，此為譯者加入。

^b普勞特的論文稱之為原子。

^c普勞特提出化合物中原子數比例。

為了易於閱讀的理解，在這篇翻譯論文中，譯者加註現代的化合物化學式和化學反應式在全形中刮號中，並以斜體字呈現，例如：磷酸（phosphoric acid）〔指氣態磷酸，PO₂〕，並放置部分原文註解於內文中；且加註英文的專有名詞和當時的物質名稱（俗名）在小刮號內，並以標準字形呈現，例如：碳酸鈣（carbonate of lime），以幫助讀者知道論文中提到的專有名詞和俗名。此外，普勞特當時可能對於化合物或分子中元素含有多原子的概念尚未建立，他統稱化合物或分子為原子（atom(s)），例如：他視碳酸鈣為原子（atoms）；而且在他的論文，以“the weights of their atoms”或“the weight of the atom”表示化合物的示量或分子量，為了避免與現今用語“atomic weight”（原子量）混淆，譯者翻譯其為「原子重量」。

—————————————————————————-

關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係

威廉·普勞特

On the Relation between the Specific Gravities of Bodies in their
Gaseous State and the Weights of their Atoms.

William Prout

Annals of Philosophy 6, 321-30 (1815)

n 前言

這篇文章的作者以謙遜的心向大眾公告：儘管我盡了最大的努力去求得真相，但還是對自己的能力沒有足夠的信心，也無法強制要求其他更優秀的人去證實或推翻文章的結論。期望更多人能夠看到這個主題的重要性，並且希望有人能夠進行檢驗，從而驗證或推翻這個結論。如果結論被證明是錯誤的，調查過程中可能揭示新的事實，或更好地確立舊的事實；但如果結論得到證實，就會為整個化學界帶來新的有趣觀點。

即將提出的觀察是基於給呂薩克先生（M. Gay-Lussac）的體積學說所建立的，至少據我所知，這個學說在當時已被化學家普遍接受。

n 關於基本氣體的比重

1. 氧氣和氮氣（azote）：先前的化學家們似乎沒有將大氣視為由一種化學原理形成的單一化合物，或者對於大氣沒有太大的重視。然而，科學家長久以來已經知道大氣主要由四個體積的氮氣和一個體積的氧氣組成；如果我們將氧原子重量定為10，氮原子重量為17.5，那麼根據質量計算，我們會發現大氣可以視為由一個氧原子和兩個氮原子組成的物質〔〕，是一種含氧重量百分比為22.22%，含氮重量百分比為77.77%的化合物〔1 × 10：2 × 17.5 = 10：35 = 22.22：77.77〕。

正如許多實驗結果，只有假設大氣為一種純物質化合物，才能夠解釋數據的一致性。〔普勞特視空氣為N₂O₁化合物，並假設空氣的分子是一個氧原子和兩個氮原子。該論文中的計算似乎假設等體積的氣體包含相同數量的分子（除氧體之外，一定體積的氧原子所含的數量是其他氣體的兩倍）。〕從這些數據可以發現氧氣的比重為1.1111，氮氣的比重為0.9722 （大氣的比重為1.0000）（原註1：令氧與氮的比重分別為x和y，(x + 4y) / 5 = 1，且x：4y = 22.22：77.77，得x = 1.1111、y = 0.9722）。

2. 氫氣：由於氫氣有極大的流動性以及它與氧氣結合成水的穩定性，一直被認為是相較於其他氣體中最難取得的，因此它的比重比其他氣體更難以測量。於是我從氨氣著手，藉由已知比例的化合物比重計算，可以更準確地獲得氫氣比重。因為漢弗裡·戴維爵士（Sir H. Davy）已經謹慎地測量氨氣的比重，而且氨氣的比重與水蒸氣的比重之間只有微小的差異，誤差的機會大大減少。Biot和Arrago獲得的結果幾乎與戴維得到的結果一致。根據戴維的測量，氨氣的比重為0.590164，大氣的比重視為1.000。由於Biot和Arrago給出的比重比戴維爵士略高，因此我們合理地視氨氣的比重為0.5902。氨氣由三個體積的氫氣和一個體積的氮氣壓縮成兩個體積〔3H₂(g) + N₂(g) → 2NH₃(g)〕。因此計算的氫氣比重為0.0694〔(2 × 0.5902 – 1 × 0.9722) / 3 = 0.0694〕。根據上面的結果，氧氣的比重正好是氫氣的16倍〔1.1111 / 0.0694 = 16.01〕〔以現今文獻值觀之，在STP下氧氣的密度為1.429 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氧氣的密度為氫氣的15.9倍，普勞特計算氫氣的比重與事實很接近。〕，而氮氣的比重正好是氫氣的14倍〔0.9722 / 0.0694 = 14.01〕。〔在STP下氮氣的密度為1.2506 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氮氣的密度為氫氣的13.9倍，普勞特計算氫氣的比重與事實很接近。〕

3. 氯氣：根據戴維的實驗，我們可以知道鹽酸（muriatic acid）〔指氣態鹽酸，HCl(g)〕的比重為1.278，與Biot和Arrago的實驗完全吻合。如果我們假設這個比重的錯誤率與我們發現氧氣與氮氣比重的錯誤率相同的話，氣態鹽酸的比重約為1.2845（原註2：Biot和Arrago給出的比重與戴維的比重之差異，在氧氣方面：當1.104：1.1111 ＝ 1.278：1.286（從下面表二查知，實驗得出氧氣的比重為1.104，氧氣的比重為1.1111）；在氮氣方面：當0.969：0.9722 ＝ 1.278：1.283（從表二查知，實驗得出氮氣的比重為0.9722，氮氣的比重為0.969）。1.286 + 1.283的平均值為1.2845），由於氣態鹽酸是由一體積氯氣和一體積氫氣的化合物組成〔Cl₂(g) + H₂(g) → 2HCl(g)〕，透過計算可得氯氣的比重為2.5〔氣態鹽酸比重為1.2845；氯氣的比重為2 × 1.2845 – 0.0694 = 2.4996〕，湯木森博士（Dr. Thomson）指出2.483更接近真實值，並且與給呂薩克的實驗結果相同，因此我們有充分的證據可以得出結論：氯氣的比重與 2.5相差不大。根據這個假設，氯氣的比重正好為氫氣的36倍〔2.4996 / 0.0694 = 36.02〕。〔以現今文獻值觀之，在STP下氯氣的密度為3.2 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氯氣的密度為氫氣的35.6倍。普勞特計算氯氣的比重與事實之間的誤差不大。〕

n 在常溫下非氣態的基本物質之比重

1. 碘：我有理由懷疑在給呂薩克先生的論文中，對於碘這個原子重量評估有點過高。為了證明這一點，我用30格林（grain）〔1格林 = 64.79891毫克〕非常純淨的鋅片，並從石灰中蒸餾出來50格林的碘，一起進行加熱反應，所形成的溶液是透明無色的。我們發現已經溶解12.9格林的鋅。因此，根據這個實驗，100份的碘與25.8份的鋅結合〔碘與鋅的重量比為50：12.9 = 100：25.8〕，假設鋅的原子重量是40，從這些數據計算得出碘的原子重量為155〔不論是以氣態物質等體積化合或是現代化學計算方法：莫耳數 = 重量 / 原子量，碘的原子量計算皆為155。現今文獻值，鋅的原子量是65.38，碘的原子量為126.9。〕，透過計算，發現碘在氣態狀態下的比重為8.611111，恰好是氫氣的124倍。（原註3：根據給呂薩克的說法，一體積的氫氣僅與半體積的氧氣結合，但能與一體積的氣態碘結合。因此，氧和碘之間的體積比為1/2：1，重量比為1：15.5。現在，半體積氧氣的比重為0.5555，乘以15.5，得到8.61111，並且8.61111 / 0.06944 = 124。）

2. 碳：假設碳的原子重量為7.5。根據計算，一體積的氣態碳比重為0.4166，恰好是氫氣的12倍。〔此處或許為筆誤，應為6倍。〕

3. 硫：硫的原子重量為20〔普勞特假設氧的原子重量為10〕。氣體硫的比重與氧氣相同，即1.1111，恰好是氫氣的16倍〔1.1111 / 0.0694 = 16.00〕。

4. 磷：為了確定這種物質的原子重量，我已進行許多實驗，但最終未能讓自己滿意，目前沒有更多的時間讓我繼續研究這個問題。我得到的結果接近沃拉斯頓博士（Dr. Wollaston）給出的結果，我相信這些結果是正確的，或者接近正確的。目前我採用的原子重量是在實驗中獲得的，磷（phosphorus）大約為17.5，磷酸（phosphoric acid）〔指氣態磷酸，PO₂，氣態磷酸元素重量比例應為2氧＋1磷〕定為37.5。

5. 鈣：馬塞特博士（Dr. Marcet）發現，碳酸鈣由43.9%的碳酸（carbonic acid）〔指氣態碳酸，CO₂(g)；原子重量為7.5 + 10 × 2 = 27.5〕和56.1%的氧化鈣（lime）組成〔CO₂(g) + CaO(s) → CaCO₃(s)〕。因此，由碳酸氣體與氧化鈣的比例關係為43.9：56.1 = 27.5：35.1〔等號左邊為重量比，右邊為原子重量比；CO₂的原子重量為27.5〕，可以得出鈣的原子重量為35 – 10 = 25。一體積的鈣氣體的比重為1.3888〔相同體積下，重量比 ＝ 比重比；鈣氣體與氧氣的重量比 = 25：20 = 鈣氣體的比重：1.1111，得到鈣氣體比重為1.3888〕，恰好是氫氣的20倍〔1.3888 / 0.06944 = 20.00〕

6. 鈉：100格林稀鹽酸可以溶解18.6格林碳酸鈣（Carbonate of lime）〔CaCO₃ + 2HCl(aq) → CO₂(g) + CaCl₂(aq)+ H₂O(l)〕，而在等量且相同的稀鹽酸中事先添加30格林非常純淨晶體的亞碳酸鈉鹽（crystallized subcarbonate of soda）〔Na₂CO₃·nH₂O〕〔Na₂CO₃·nH₂O(s) + 2HCl(aq) → CO₂(g) + 2NaCl(aq)
+ (n+1)H₂O(l)〕，只能溶解8.2格林碳酸鈣。根據實驗結果，30格林碳酸鈉晶體相當於10.4格林碳酸鈣，即10.4：30 = 62.5：180〔碳酸鈣與含結晶水碳酸鈉之重量比等於其原子重量比；CaCO₃的原子重量為25 + 7.5+ 10 × 3 = 62.5；經過計算，Na₂CO₃·nH₂O的原子重量是180。〕。經過加熱後，100格林碳酸鈉晶體失去了62.5格林的水分。因此，180格林的碳酸鈉晶體包含112.5格林的水〔(180 × 62.5) / 100 = 112.5〕和67.5格林的乾燥亞碳酸鈉鹽（dry subcarbonate of soda）〔Na₂CO₃〕，而且氧化鈉（soda）的原子重量為67.5 –
27.5 = 40〔Na₂CO₃的原子重量為67.5；CO₂的原子量為27.5〕，得到鈉的原子量為40 –10 = 30。因此，鈉氣體的比重為1.6666〔鈉的原子量：氧氣的原子量 = 30：20 =鈉氣體的比重：1.1111，得到鈉氣體的比重為1.6666。〕，恰好是氫氣的24倍〔1.6666 / 0.06944 = 24.00〕。

7. 鐵：100格林的稀鹽酸可以溶解18.6格林的碳酸鈣；同樣100格林的稀鹽酸中，可以溶解10.45格林的鐵〔Fe(s) + 2HCl(aq) → H₂(g) + FeCl₂(aq)〕。由比例關係18.6：10.4 = 62.5：35.1〔CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鐵原子重量為35。在氣態狀態下，這種金屬的比重為1.9444〔鐵的原子量：氧氣的原子量 = 35：20 = 鐵氣體比重：1.1111，得到鐵氣比重為1.9444〕，正好是氫氣的28倍〔1.9444 / 0.06944 = 28.00〕。

8. 鋅：使用100格林的稀釋酸，分別溶解18.6格林的碳酸鈣和11.85格林的鋅〔Zn(s) + 2HCl(aq) → H₂(g) + ZnCl₂(aq)〕。由比例關係18.6：11.85 = 62.5：39.82〔CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鋅的原子重量為40。在氣態狀態下，這種金屬的比重為2.222〔鋅與氧氣的原子重量比 = 40：20 = 鋅氣體的比重：1.1111，得到鋅氣體的比重為2.222〕，正好是氫氣的32倍〔2.222 / 0.06944 = 32.00〕。

9. 鉀：如同之前一樣，使用100格林的稀鹽酸，溶解18.6格林的碳酸鈣；若加入20格林鉀氧化物的超碳酸鹽（super-carbonate of potash）〔一種含KO₂的混合物，譯者簡稱之為鉀鹽〕後，只有溶解8.7格林碳酸鈣。因此，20格林鉀鹽相當於9.9格林碳酸鈣；由於9.9：20 = 62.5：126.26〔碳酸鈣與鉀鹽的重量比 = 它們的原子重量比；CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鉀鹽的原子重量為126.26。現在，126.26 – (55 + 11.25) = 60〔從表二查知，55可能是氯酸鹽的原子重量，11.25可能是水的原子重量〕，60為氧化鉀（potash）〔K₂O〕的原子重量，而60 – 10 = 50，50為鉀的原子重量。因此，在氣態狀態下，它的比重為2.7777〔鉀與的氧氣原子重量之比 = 50：20 = 鉀氣體的比重：1.1111，得到鉀氣體的比重為2.7777〕，正好是氫氣的40倍〔2.7777 / 0.06944 =40.00〕。

10.鋇（barytium）：使用100格林的稀鹽酸，完全溶解與碳酸鈣相同量的碳酸鋇（carbonate of barytes）。因此，碳酸鋇的原子重量為125；並且125 – 27.5 = 97.5〔BaCO₃(s) → BaO (s)+CO₂(g)；27.5是CO₂的原子重量〕，此值為氧化鋇的原子重量，而97.5 – 10 = 87.5，此值為鋇的原子重量。因此，在氣態狀態下，鋇氣體的比重為4.8611〔鋇與氧氣的原子重量之比 = 87.5：20 = 鋇氣體的比重：1.1111，得到鋇氣體比重為4.8611〕，正好是氫氣的70倍〔4.8611 / 0.06944 =70.00〕。

我極其謹慎地進行這些實驗，並且其中大部分實驗都被重複進行多次，得到的結果幾乎完全一致。

以下表格呈現上述結果的總體概述，同時顯示它們與氧氣和氫氣結合的體積或重量比例；此外，基於類比原則，其他未嚴格檢驗的物質重量也在這裡。

表1：基本元素

名稱

比重(氫=1)

原子重量(兩體積氫=1)

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

比重(空氣=1)

實驗得出的比重(空氣=1)

原子重量^*

實驗得出的原子重量

觀察

氫

1.25

1.32

0.06944

0.073⁽¹⁾

2.118

2.23

(1)Dr.Thomson. See Annals of Philosophy,
i. 177.

碳

7.5

7.54⁽²⁾

0.4166

—

12.708

—

(2)Dr. Wollaston, from Biot and Arrago.
Phil. Trans. civ. 20. Dr. Thomson makes it 7.51. Annals of Philosophy,
ii. 42.

氮

17.5

17.54

0.9722

0.969⁽³⁾

29.652

29.56

(3)Dr. W. from Biot and Arrago.

磷

17.5

17.4⁽⁴⁾

0.9722

—

29.652

—

(4)Dr. W. from Berzelius and Rose.

氧

1.1111

1.104⁽⁵⁾

33.888

33.672

(5)Dr. Thomson, from a mean of several
experiments.

硫

20⁽⁶⁾

1.1111

—

33.888

—

(6)Dr. W. from Berzelius.

鈣

25.46⁽⁷⁾

1.3888

—

42.36

—

(7)Dr. W. from experiment.

鈉

29.1⁽⁸⁾

1.6666

—

50.832

—

(8)Dr. W. from Davy.

鐵

34.5⁽⁹⁾

1.9444

—

59.302

—

(9)Dr. W. from Thenard and Berzelius.

鋅

41⁽¹⁰⁾

2.222

—

67.777

—

(10)Dr. W. from Gay-Lussac.

氯

44.1⁽¹¹⁾

2.5

2.483⁽¹²⁾

76.248

—

(11)Dr. W. from Berzelius. (12)Quoted
from Dr. Thomson, Annals of Philosophy, iv. 13.

鉀

49.¹⁽¹³⁾

2.7777

—

84.72

—

(13)Dr. W. from Berzelius

鋇

87.5

87⁽¹⁴⁾

4.8611

—

148.26

—

(14)Dr. W. from Berzelius and Klaproth.

碘

124

155

156.21⁽¹⁵⁾

8.6111

—

262.632

—

(15)Gay-Lussac. Ann. de Chim. xci. 5.

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

表2：與氧結合

名稱

比重(氫=1)

原子重量(兩體積氫=1

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

比重(空氣=1)

實驗比重(空氣=1)

重量*

實驗重量**

元素體積比例

結合後體積數

元素重量比例

觀察

水

11.25

11.32

0.625

0.6896⁽¹⁾

19.062

21.033

0.5氧 + 1氫

1氧 + 1氫

(1)Trales,
Dr. Thomson, Annals, i. 177.

一氧化碳

17.5

17.54

0.9722

0.956⁽²⁾

29.652

29.16

0.5氧 + 1碳

1氧 + 1碳

(2)Cruikshanks,
quoted by Thomson.

一氧化二氮

27.5

—

1.5277

1.614⁽³⁾

46.596

49.227

0.5氧 + 1氮

1氧 + 1氮

(3)Sir H. Davy.

空氣

14.4

—

1.000

30.5

30.5⁽⁴⁾

0.5氧 + 2氮

2.5

1氧 + 2氮

(4)Sir G. S. Evelyn

一氧化二氯

3.0555

2.409⁽⁵⁾

93.192

73.474

0.5氧 + 1氯

1 ?

1氧 + 1氯

(5)Sir
H. Davy.

氧化鈣

35.46

1.9444

—

59.304

—

0.5氧 + 1鈣

1氧 + 1鈣

二氧化碳

27.5

27.54

1.5277

1.518⁽⁷⁾

46.596

46.313

1氧 + 1碳

2氧 + 1碳

(7)Saussure.

一氧化氮

37.5

1.0416

1.0388⁽⁸⁾

31.77

31.684

1氧 + 1氮

2氧 + 1氮

(8)Berard.

二氧化磷

37.5

37.4

2.0832

—

63.54

—

1氧 + 1磷

1氧 + 1磷***

二氧化硫

2.2222

2.193⁽⁹⁾

67.777

66.89

1氧 + 1硫

2氧 + 1硫

(9)Sir
H. Davy.

三氧化氮

47.5

2.6388

2.427⁽¹⁰⁾

80.484

74.0234

1.5氧 + 1氮

3氧 + 1氮

(10)Sir
H. Davy.

三氧化硫

2.7777

84.72

1.5氧 + 1硫

3氧 + 1硫

五氧化氮

67.5

67.54

3.75

114.372

2.5氧 + 1氮

5氧 + 1氮

See Gay-Lussac’s memoir on iodine above referred to.

五氧化二氯

5.2777

—

160.968

2.5氧 + 1氯

5氧 + 1氯

五氧化碘

164

205

11.3883

347.352

2.5氧 + 1碘

5氧 + 1碘

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^**體積100立方英寸的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^***磷酸元素重量比例應為2氧＋1磷。

表3：與氫化合

名稱

比重(氫=1)

原子重量(兩體積氫=1

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

比重(空氣=1)

實驗比重(空氣=1)

重量*

實驗重量**

元素體積比例

結合後體積數

元素重量比例

觀察

甲烷

8.75

8.86

0.5555

0.5555⁽¹⁾

16.999

2氫 + 1 碳

1氫 + 1碳

(1) Dr. Thomson.

乙烯

16.25

16.4

0.9722

0.974⁽²⁾

29.652

29.72

2氫 + 2 碳

1氫 + 2碳

(2)Ditto.

氨氣

8.5

15.5

19.375

21.5⁽³⁾

0.5902

0.59⁽³⁾

18.003

18.00

3氫 + 1 氮

1.5氫 + 1氮

(3)Dr. Wollaston.

硫化氫

16.5

20.625

20.66

1.1805

1.177⁽⁴⁾

36.006

35.89

1氫 + 1硫

0.5氫 + 1硫

(4)Sir H. Davy.

氯化氫

18.5

36.5

45.625

45.66

1.284

1.278⁽⁵⁾

39.183

38.979

1氫 + 1 氯

0.5氫 + 1氯

(5)Ditto.

碘化氫

62.5

124.5

155.625

155.66

4.3402

4.3463⁽⁶⁾

132.375

1氫 + 1碘

0.5氫 + 1碘

(6)Gay-Lussac.

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^**體積100立方英寸的重量（重量單位為grain = 64.79891 mg）

^***欄九兩體積的氫原子量為1，以甲烷為例：氫碳體積比為2：1，氫碳重量比為。

表4：類比得出的物質，但尚未用實驗確定

元素名稱

比重(氫=1)

原子重量(氫=1)

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

發現.

鋁

10.68⁽¹⁾

(1)Berzelius.

鎂

14.6⁽²⁾

(2)Henry. Berzelius makes
it 15.77.

鉻

22.5

23.6⁽³⁾

(3)Berzelius.

鎳

36.5⁽⁴⁾

(4)Ditto.

鈷

36.6⁽⁵⁾

(5)Rolhoff.

碲

40.27⁽⁶⁾

(6)Berzelius.

銅

40⁽⁷⁾

(7)As deduced by Dr.
Thomson.

鍶

59⁽⁸⁾

(8)Klaproth.

砷

60⁽⁹⁾

(9)Berzelius.

鉬

60.13⁽¹⁰⁾

(10)Bucholz and Berzelius.

錳

71.15⁽¹¹⁾

(11)Berzelius.

錫

73.5⁽¹²⁾

(12)Ditto.

鉍

89.94⁽¹³⁾

(13)Ditto.

銻

110

111.11⁽¹⁴⁾

(14)Ditto. Dr. Thomson
makes it 112.49.

鈰

115

114.87⁽¹⁵⁾

(15)Hisinger.

鈾

120

120⁽¹⁶⁾

(16)Bucholz.

鎢

120

121.21⁽¹⁷⁾

(17)Berzelius.

鉑

120

121.66⁽¹⁸⁾

(18)Ditto.

汞

100

125

125⁽¹⁹⁾

(19)Fourcroy and Thenard.

鉛

104

130

129.5⁽²⁰⁾

(20)Berzelius.

銀

108

135

135⁽²¹⁾

(21)Wenzel and Davy.

銠

120

150

149.03⁽²²⁾

(22)Berzelius.

鈦

144

180

180.1⁽²³⁾

(23)Ditto.

金

200

250

249.68⁽²⁴⁾

(24)Ditto.

n 觀察

表1：在第一欄中，我們呈現不同物質在氣體狀態下的比重，其中氫的比重為1。假設體積為47.21435立方英寸〔773.7毫升〕，這些數字同時代表每個氣體這個數量所佔的相對重量。第三欄是修正後的數字，假設氧的原子重量為10，是根據湯姆森博士、沃拉斯頓博士等的觀察。第四欄則是實驗獲得的數據，以顯示它們的接近程度。對於提到的各個物質，我沒有任何特別的評論，除了對於碘有一點說明。我只進行一次實驗來確定碘物質的原子重量，因此所述的結果可能只能被認為有些不太可靠；事實上，情況確實如此，就連給呂薩克的實驗結果也不會每一次都相同。

表2：該表展示理論與實驗幾乎一致的許多驚人實例。我們採納給呂薩克定律的觀點，實際上在我有機會看到那位化學家關於碘的論文的後半部分之前，就已經編制這張表格的大部分內容。該表格還展示對於體積學說和原子學說之間的關係不清楚而產生的一、兩個錯誤明顯的例子。例如：曾經聲稱氨是由一個氮原子和僅有1.5個氫原子組成，這些被壓縮成兩個體積，因此等於一個原子；這就是為什麼這種物質與其他一些物質一樣，表面上以雙倍比例結合的原因。

表3：這個表格同樣展示一些引人注目的巧合例子。在我開始研究這個主題之前，我經常觀察到許多的原子重量接近整數的現象。湯姆森博士似乎也做出同樣的觀察。值得注意的是，正如湯姆森博士所指出的，這三種磁性金屬（magnetic metals）〔指鐵、鈷及鎳；鐵在表二呈現，鈷和鎳在表四呈現。〕的重量〔原子重量〕相同，正好是氮的兩倍。通常具有相同重量〔原子重量〕的物質似乎容易結合，並在性質上有些相似。

對於這些表格的整體回顧，我們可以注意到以下幾點：

1. 所有的基本數字，假設氫的數字為1，可以被4整除，除了碳、氮和鋇，這些可以被2整除，因此似乎表明它們的重量受到比單位數字或氫更高的數字修飾。另一個數字是16，或者氧嗎？所有的物質都是由這兩個元素組成的嗎？因此，這似乎表明它們的重量被比單位或氫更高的數量修飾。

2. 氧似乎不以兩個體積或四個原子的比例進入化合物。

3. 所有的氣體，在盡可能乾燥之後，仍然含有水，假設目前的觀點是正確的，那麼可以最準確地確定其含量。

—————————————————————————

n 參考文獻

Prout, W. (1815). On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. Annals of Philosophy, 6, 321-330. Retried from https://www.biodiversitylibrary.org/item/54028#page/5/mode/1up

Knight, D. M. (1970). Classical Scientific Papers–Chemistry, Second Series: Papers on the nature and arrangement of the chemical elements. London: Mills & Boon. Retried from https://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML

William Prout. (2022, December 22). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved
December 14, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/William_Prout.

以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程／廖旭茂、施上芸、李忻慈、陳冠愷

星期五 , 1, 12 月 2023 編輯助理第五十四期/2023年12月, 綠色化學實驗留言功能已關閉

以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程

廖旭茂^{1, 2,}*、施上芸¹、李忻慈¹、陳冠愷¹

¹台中市立大甲高級中等學校

²教育部高中化學學科中心

[email protected]

■ 簡介

高二「探索化學」的選修課堂上老師帶我們實際進行BR振盪反應（Briggs-Rauscher reaction），並要我們利用手機錄影，在一定時間內，以目測的方式紀錄黃、藍色出現的時間、變化次數，以及反應在什麼時間終止等，課後我們對BR振盪的過程，心中仍很多疑問，於是上網進行相關文獻的搜尋，發現幾個事實：1.振盪實驗非常艱澀、複雜，一直吸引著很多專家參與研究。2.BR振盪牽涉到自由基的生成與消耗，屬於氧化還原反應。3.反應過程中，溶液呈現藍色，代表碘分子生成，溶液無色代表碘分子還原成碘離子，碘離子濃度則呈現週期性變化（”Briggs–Rauscher reaction”, 2022）。4.當反應結束時，黑褐產物中推測含有碘的存在。5.可拿來做食物抗氧化測試（Farusi, 2009）。我們對於振盪反應「週期性的變化」感到興趣，因此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。過程中亦結合Arduino程式板，紀錄振盪過程氧化還原的變化。

■ 器材與藥品

1、器材：

所需器材包括：光碟型電磁攪拌實驗模組（包含光碟片、冰棒棍、可變電阻、USB電源插頭、磁石、可調式固定環等）1個、Gravity氧化還原電位感測器模組、4mL樣本瓶1個、20 毫升玻璃樣本瓶、4毫升玻璃樣本瓶、安全吸球、5毫升分度吸量管。尺寸直徑3mm，長度8mm磁攪拌子1個。

2、藥品：

BR振盪反應所需溶液，包括：A溶液（0.20M碘酸鉀 +0.077 M硫酸）、B溶液（0.15M丙二酸 + 0.02M硫酸亞錳 + 0.03%可溶性澱粉）、C溶液（4.0M雙氧水）。

■ 研究方法與步驟

1、實驗原理：BR振盪反應機構：經文獻探討（Farusi, 2009），整個反應系統可能涉及自由基與非自由基兩個過程，每個過程都涉及相當多的反應式。自由基過程涉及錳等相關自由基中間物的自動催化反應，可使碘酸根與雙氧水反應生成碘分子與氧氣；而非自由基過程是丙二酸以較緩慢的速率與游離的碘分子作用，還原成碘離子。

總反應預估為

2、氧化還原電位感測器模組：

1. 氧化還原電位計：由鉑電極與參考電極Ag/AgCl/KCl組合成複合電極，可用以測量氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，簡稱ORP）。ORP是氧化還原能力的測量指標，代表溶液氧化性或還原性的相對程度，其單位是mV。本實驗使用的Gravity感測器模組是一款類比式的ORPR計，具BNC接口，相容於Arduino控制板，並附參考程式碼；標準溶液mV 值：222 ± 15mV（25 ℃）。當振盪反應發生時，電位上升最高點，溶液呈黃色，歷經時間較短；電位自高點下降至最低點時，過程溶液呈藍色，歷時較長。下圖為ORP計與Arduino連接的示意圖。圖1：ORP 計與Arduino控制板接線圖

2. Arduino ORP感測模組的設定：

(1) 首先將模組附贈的ORP感測程式碼檔案ORPSensorSample.ino打開，即為Arduino檔。下圖Arduino上ORP程式碼。

圖2：ORP感測程式碼示意圖

(2) 數據收集：使用Excel外掛數據收集程式「PLX-DAQ 」，讓excel直接抓取arduino數據，將excel外掛程式碼嵌入ORP感測程式碼中。配合實驗所需，我們將取樣率調至5樣本/秒，相當於執行完程式內容後，命令感測器延遲200毫秒後再次收集數據；隨後將程式碼上傳到程式板上。使用Excel外掛程式收集數據，可參閱筆者上一期在《臺灣化學教育》上的文章說明（廖旭茂、陳冠愷，2023）。

3、實驗步驟：

1. 將20毫升樣本瓶放置在光碟型電磁攪拌平台上，並將ORP計放入瓶中，利用兩個固定環，分別將樣本瓶與ORP計固定在金屬支架上；隨後以分度吸量管分別吸取5毫升的A溶液與5毫升的B溶液置入樣本瓶中，瓶中再放入一個磁攪拌子，接著啟動電源，開始攪拌；接著取一支塑膠針筒，筒內預置5毫升的C溶液，針筒端將C溶液注入樣本瓶內，開始記錄反應過程ORP的變化。下圖為ORP監測裝置圖。

圖3：ORP感測器監控BR振盪反應的實況

2. 振盪週期長短會發生改變嗎？嘗試以上述可程式氧化還原電位計法（簡稱ORP法）探究各種變因如反應物濃度、澱粉的存在與否、溫度等條件對BR振盪次數與週期長短的影響。

(1) 雙氧水（C液）濃度的變因探究：A、B兩液的濃度為控制變因，維持不變，將雙氧水的濃度由4.0M改為2.0M、1. 0M、0.5M，分別進行BR振盪反應，以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。

(2) 丙二酸（B液）濃度變因探究：因為振盪反應中，碘分子的消耗速與與丙二酸的濃度有關（Gianluca Farusi, 2009），因此A、C兩液的濃度為控制變因，維持不變，將丙二酸的濃度由0.15M改為0.20M、0.10M、0.075、0.05M，分別進行BR振盪反應，以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。

(3) 溫度的變因探究：A、B、C三液的濃度為控制變因，將反應樣本瓶置入100毫升燒杯容器以水浴法分別將溫度調整為10℃、20℃、40℃，燒杯以厚玻璃纖維布包裹保溫，進行BR振盪反應。以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。下圖為ORP測定實驗裝置圖。

圖4：溫度變因探究實驗過程

(4) 指示劑澱粉的存在與否會對BR振盪反應造成影響嗎？比較無添加澱粉、添加0.03%、添加0.3%的澱粉下，以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期變化。

■ 研究結果與討論

1. 利用數位編程的氧化還原電位計(ORP meter)，記錄120秒反應過程ORP的變化。

【實驗發現】：溶液呈琥珀黃色時，ORP在波峰高點，當溶液轉為藍色時，ORP下降至波谷區駐留；振盪過程中顏色、ORP呈現週期性變化，約介645~700mV 之間。振盪結束前，振盪速率變慢，週期拉長，當溶液呈現深褐時，ORP振盪停止。下圖5、6分別為ORP隨時間的變化圖、與振盪過程周期長短的變化。

圖5：ORP隨時間的變化

圖6：振盪週期的長短隨振盪次數的變化

【推測】：ORP上升至高峰，呈現黃褐色，應該是三碘離子濃度的增加；ORP至高峰下滑過程時，呈現藍色，應該是碘離子生成碘分子，碘分子與碘離子快速結合成三碘離子，三碘離子與澱粉錯合，溶液變為藍色；振盪反應的後半期，每一周期時間拉長應該與反應物濃度下降，速率變慢有關。

2. 振盪週期長短會發生改變嗎？探究各種變因對BR振盪行為的影響。

(1) 雙氧水濃度的變因探究：將雙氧水的濃度由4.0M改為2.0M、1. 0M、0.5M，以ORP感測法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。

【實驗發現】：濃度越低，第一次振盪起步時間越晚，振盪週期時間拉得越長，振盪次數越少，振幅越大；濃度越高，振盪越快，振盪週期越短(速度越快)，振盪次數越多，振幅越小。不同濃度的H₂O₂下，縱座標為ORP(mV)，橫坐標為時間(sec)，BR振盪模式如下圖所示：

圖7：不同濃度的H₂O₂，BR振盪行為的比較

若以濃度與振盪次數作圖，可以發現120秒內的振盪次數：4M>2M>1M>0.5M。下圖為120秒內振盪週期次數與雙氧水濃度的關係。圖8：120秒內振盪週期次數與H₂O₂濃度的關係

【推測】：H₂O₂濃度越高，振盪速率越快。

(2) 丙二酸（B液）濃度變因探究：

【實驗發現】：隨丙二酸濃度的增加，120秒內的振盪頻率增加，週期縮短；120秒內的振盪次數的多寡為0.3M（21次）> 0.15M（17次）> 0.075M（8次）> 0.03M （3次）。下圖為濃度與振盪次數的關係。

圖9：振盪次數與濃度的關係圖

【推測】：丙二酸的濃度越高，振盪頻率越快；碘酸鉀濃度為0.2M，0.15M以下，丙二酸的濃度與振盪次數有較好的線性關係。

(3) 溫度變因探究： 10℃、25℃、40℃不同溫度下，測量180秒內振盪過程變化。

【實驗發現】：隨溫度的增加，180秒內的振盪頻率增加，週期縮短，振幅變小；120秒內的振盪次數的多寡為40℃（20次）>25℃（13次）>10℃（1次）。下圖為濃度與振盪次數的關係。下圖為不同溫度下，BR振盪ORP隨時間變化。

圖10：不同溫度下振盪ORP隨時間的變化圖

【推測】：溫度降低，分子動能降低，反應速率變慢，振盪週期拉長；溫度升高，分子動能升高，反應速率變快，振盪週期縮短。

(4) 指示劑澱粉的探究：比較無添加澱粉、添加0.03%、添加0.3%的澱粉條件下，測量180秒內振盪過程的變化。

【實驗發現】：振盪次數與振盪時間隨澱粉添加濃度的增加而增加，振盪週期時間長度亦是如此。ORP與澱粉的添加量的關係如下圖所示：

圖11：ORP與澱粉的添加量的關係圖

【推測】：與不含澱粉的混合物相比，存在澱粉的情況下，振盪時間變久，週期時間也拉長。推測澱粉與三碘離子錯合與解離，使碘分子還原丙二酸的速率發生延遲。

■ 結論

1. 雙氧水濃度越高，振盪越快，次數越多，振盪的振幅越小，振盪週期越短；振盪次數： 4M>2M>1M>0.5M。

2. 丙二酸的濃度越高，振盪頻率越快；丙二酸濃度 0.15M以下，濃度與振盪次數有較好的線性關係。

3. 溫度降低，分子動能降低，反應速率變慢，振盪週期拉長；溫度升高，分子動能升高，反應速率變快，振盪週期縮短。120秒內的振盪次數的多寡為40℃（20次）>25℃（13次）>10℃（1次）。

4. 添加澱粉濃度越高，振盪時間變久，週期時間也拉長。澱粉與三碘離子錯合延遲了碘分子還原丙二酸的速率有關，澱粉不僅僅是扮演反應中碘的指示劑而已；經文獻搜尋發現，澱粉可能充當碘和碘化物的儲藏庫；澱粉的存在，澱粉與三碘離子的錯合平衡須列入考慮，從而改變BR振盪反應的動力學(Csepei & Bolla, 2015)。

5. 光電比色計，反應是在黑色不透光的環境中進行，無法讓學生實地觀察反應過程溶液顏色的振盪變化，亦不清楚反應何時為反應終點；加上光電比色計的光電二極體對不同波長有檢測上敏感度的差異，因此利用ORP 感測器來監測BR振盪反應，確實優於光電比色法。

■ 安全注意及廢棄物處理

1. 廢液依本實驗建議方法進行減毒、前驅物碘晶體的提煉、回收，其他的依規定傾倒置廢液回收桶。

■ 參考文獻

Briggs–Rauscher reaction. (2023, June 6). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved August 15, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction

廖旭茂、陳冠愷（2023）。以可程式微量光電比色法監控振盪反應顏色週期性的變化。臺灣化學教育電子期刊，52。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=43002

Farusi, G. (2009). Looking for antioxidant food. Science in School, 13, 39-43. https://www.scienceinschool.org/wp-content/uploads/2014/11/issue13_antioxidants.pdf

Csepei, L. I., & Bolla, C. (2015). Is starch only a visual indicator for iodine in the Briggs-Rauscher oscillating reaction? Studia Universitatis Babeș-Bolyai. Chemia, 60(2), 187–199.

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