新北市自編雙語自然教材課程實踐—The
Fire Triangle
簡敏如
新北市安坑國小科任教師
n 新北市自編雙語自然教材
《新北市自編雙語自然教材》是新北教育局為達成「2030新北雙語城」目標,由新北市英語資源中心與自然輔導團研發之自編雙語自然教材,透過科學探究法讓學生觀察周遭自然現象,提出問題假設、實驗操作、探究理論,讓學生浸潤在學科及語言的素養學習(新北市政府教育局,2022)。新北市於110學年起自編雙語教材,於110學年度研發雙語自然五年級教材,111學年度研發雙語綜合活動五年級教材,下一學年則是持續研發雙語其他領域的五年級教材。,並於2022年8月將電子教材開放於新北市親師生平台(註1),提供新北市家長及教師透過新北市校務帳號登入後下載使用。教育局亦辦理18小時國小雙語自然教材模組研習,提供現職自然領域教師及英語領域教師雙語教學增能、教材活用研習及實踐訓練。
本文作者在研習培訓後,將此教材實踐於新北市安坑國小六年級學生,本套教材雖是為五年級學生設計,然因本文作者教學班級為六年級,因此將課程實踐於六年級,後文會再詳細分析課程調整方式及學生背景。
n 課程設計與教學策略
本課程以《新北市自編雙語自然教材》學生課本為教材,依據教材內容設計一個單元共三節課程,本次授課單元為:單元一The Fire Triangle。
本單元為自然科學領域五年級課程,並融入防災教育議題,透過CLIL (Content and Language Integrated Learning)教學法,將學科和語言共同納入教學活動,將英語學習整合在學科內容學習中,以英語做為學習學科的工具,促進學科知識和語言的學習,讓學生所學的英文能實際應用於課堂及未來學習中。
課程設計中,作者將分為「學科部分」及「語言部分」介紹。
一、學科部分
「燃燒三要素」是國小階段五年級課程,本課程讓學生透過POE模式,以科學探究的方法,理解燃燒需要:可燃燃料(combustible fuel)、空氣(air)和燃點/熱(heat),並延伸至生活中應用,將燃燒三要素原理運用於生活與災害防治中。
本單元共三節,分別為:
(一) 第一節 認識燃燒三要素
透過問答及照片,引導學生觀察日常生活中例如:中秋烤肉(barbeque)中的煤炭燃燒三要素,完成學習單,將生活中常見的物品分類成可燃燃料(combustible fuel)、空氣(air)和燃點/熱(heat),組合使其能產生燃燒。本課學科學習標如下:
1. 能知道燃燒需要「可燃燃料」、「空氣」和「燃點(熱)」。
2. 能分辨不同物品分別屬於「可燃燃料」、「空氣」或是「燃點(熱)」。
3. 能知道生活中的燃燒三要素。
圖1 學習單將物品分類
(取自新北市英語資源教學中心編纂之新北市自編雙語自然教材模組)
(二) 第二節 燃燒!缺一不可!
複習燃燒三要素,透過「模擬紙火鍋實驗」,提出預測「Will the paper cup burn?」,觀察並解釋實驗結果,最後引導學生知道「Combustion cannot occur when one of the three elements is removed.」最後讓學生認識「Fire Triangle」。
圖2 模擬紙火鍋實驗
實驗所需的器材有:紙杯、衛生紙、蠟燭、常溫水、鐵絲及打火機,學生用鐵絲纏繞紙杯製作出好拿的支架,衛生紙的作用是包住鐵絲防止燙傷,再將紙杯裝水,放在點燃的蠟燭上(由教師協助點火),觀察紙杯是否會燒起來。
在實驗記錄中除了預測、觀察及解釋之外,學生須找出燃燒需要的三種要素,將「紙杯」、「空氣」及「燭火」分別配對到學習單中可燃燃料(combustible fuel)、空氣(air)和燃點/熱(heat)的位置,藉此和學生討論為什麼紙杯不會燒起來,是因為水會吸收熱量,使紙杯溫度無法達到燃點,無法形成燃燒,這個現象常被應用在日式紙火鍋上。
圖3 觀察記錄紙,每組一張
最後向學生介紹「Fire Triangle」,並和學生討論如果拿掉其中任何一個要素(element),都不會產生燃燒。
圖4 The Fire Triangle
(取自新北市英語資源教學中心編纂之新北市自編雙語自然教材模組)
本課學科學習標如下:
1. 能透過紙火鍋的實驗,了解「燃點(熱)」與燃燒的關係。
2. 認識燃燒與可燃物、助燃物(空氣)、燃點(熱)等要素的關係。
3. 知道麼是「Fire Triangle」
(三) 第三節:燃燒三要素的生活應用
複習「Fire Triangle」及其中一個要素被移除後會發生的現象,在生活中找找看哪裡有運用到燃燒三要素,並討論如何將「Fire Triangle」應用於生活中預防災害以保護家園及環境,將學生所想的創意繪於學習單上。
圖5 燃燒三要素與滅火於生活中的應用
(取自新北市英語資源教學中心編纂之新北市自編雙語自然教材模組)
二、語言部分
CLIL雙語教學中強調「語言」也是學習目標之一,因此在教學過程中教師須先設定目標單字及句型,為了讓學生所學的英文能實際應用於課堂及未來學習中,教師將教學目標分成「Language of learning(知識的語言)」及「Language for learning(溝通的語言)」,在教學中教師會重複目標單字及句型,讓學生能精熟目標語言並鼓勵學生主動運用於學習中。
「Language of learning(知識的語言)」以單字為主,本課主要教學目標為: combustible、fuel、air、heat,這些單字會在課本、教學PPT、學習單單等文本及教學過程中大量出現,學生除了需聽懂、認出,也需在口頭回答及課堂任務中書寫,在練習中學生會精熟這些詞。
「Language for learning(溝通的語言)」是在課程不同活動中會重複的句子,例如:What do you see in the picture? 在不斷的提問中,學生可以嘗試以英語或中文回答,教師會再進一步以英語(為主)追問及為學生梳理答案,並在過程中視情況引導學生嘗試用英語表達自己。
雙語教學並非全英語教學,需平衡「學科學習」與「語言學習」,教學中須注意避免淪為「英語教學」,所以在引導學生重複單字、或是以英語表達時,不可執著於文法或是用詞,英語使用以「溝通」為主,只要能將一開始設定的教學目標精熟即可。在英語與中文的使用比例上,視各班及個別學生程度,在不同的教學環節隨時調整,本次教學在第一課問題引導中,幾乎是全英講述,課程中,目標單字與圖片配對的形成性評量能發現學生大部分能理解目標句型(見 圖6),在教師的引導下主動嘗試用目標單字及句型回答提問(見 圖7),小組討論學習單時教師在行間巡視中也發現,學生能主動嘗試運用中文及英語雙語進行溝通與討論,第二課實驗實作及第三課創意發表則是70% 英語、30% 中文,教學過程中老師會以學生的反應進行差異化調整,使用圖片、手勢、或是鼓勵同學解釋給同學聽,盡量不直接未有疑問的學生翻譯,以達到英語環境的時空營造,學生也會很自然地在溝通及書寫中以英語作為主要工具。
圖6 課程形成性評量中,大部分學生能透過手舉OX、回答等呈現對目標字句的理解
圖7 學生嘗試以目標單字、句型及雙語分享自己的學習單作品
n 教學實施與教學成效
由於本文作者任教於六年級,在本課程實踐時無法媒合到五年級進行教學,因此在教學時,將學生五年級時已經學過的學科部分「燃燒需要熱、助燃物及可燃物」以全英語教授,讓學生將學習焦點放在語言目標的精熟及應用,及過去沒有學過的「Fire Triangle」繪製與配對。另外,過去學生並沒有看過「紙火鍋」及做過「模擬紙火鍋實驗」,因此讓學生以此實驗學習「Combustion annot occur when one of the three elements is removed.」這個概念。
在教學實施前後,教師會進行各一次施測,分為「學科(科學)」與「語言」兩部份,兩次測驗內容相同,課程實施前做前測,課程結束後做後測。測驗兩部分分別計分,第一部分滿分5分,答對一題得1分,第二部亦為分滿分5分,每答對一題得1分,如下圖:
圖7 前測(後測)
測驗結果如下表:
表1 學生前後測平均分數與標準差
向度
|
人數
|
前測
|
後測
|
進步分數
|
||
平均數
|
標準差
|
平均數
|
標準差
|
|||
科學部分
|
24
|
4.2
|
0.77
|
4.58
|
0.65
|
0.37
|
語言部分
|
24
|
2.66
|
1.16
|
4.7
|
0.85
|
2.04
|
在表中可以看出,第一部分因學生五年級曾學過部分燃燒課程,前測平均分數為4.2,後測為4.58,進步分數為0.37,進步幅度不大。測驗中第三題,「裝水的紙杯是否會燃燒」是新的概念,作者進一步分析,前測答對率為50%後測則進步為85%,因此可知道學生在教學後,答對率提高。第二部分,因是學生完全沒有學過的單字和句型,前測分數2.66,在課程中不斷精熟後,後測分數為4.7,進步分數2.04,可以知道在教學後,此部分學生成績提高。由此結果可知,「科學部份」及「語言部份」在學生學習後都有進步。
n 教學省思與結語
本次教學是作者第一次嘗試雙語自然教學,雖為兼任英語科任,第一次設計自然領域學,十分有趣,學生事後也回饋覺得活動很有趣,雖然有覺得困難的地方。
學生覺得困難的部分主要還是語言部分,這屆六年級過去較少有雙語或是全英上課的經歷,在面對英語較多的環境時,一開始容易覺得緊張或是難以理解,相信許多教師在課程實施上也會有相同的困境,但放慢說話速度、適時輔以中文、或是肢體、圖片輔助,加上同儕協助,學生能慢慢進入狀況,並主動嘗試以英語溝通。另外,本次課程中有許多課本中的詞、句對高年級學生來說偏難,例如:combustion 、occur 、 elements、combustible、fuel⋯⋯等,單字過長、較不生活化,也會讓學生對英語感導緊張甚至恐懼,更甚者可能會失去學習動機。
在實驗器材準備上,教師須特別注意「紙杯」的選購,市售紙杯有一圈底座是接觸不到水的,因此無法被水降溫,學生在實驗中很容易不小心把紙杯點燃,此次實驗中有一組差點把紙杯點燃,教師協助滅火後也引導學生和其他「紙杯沒有燒起來」的組別討論兩組實驗操做上的差異,以免學生學的到錯誤的概念,教師應該在實驗前應想辦法避免這個狀況。
最後,感謝新北市英語資源中心提供本次教材及辦理教學增能研習,讓教師有機會使用到這套精美的教材及學習單,並在本次實踐中提供教材支援及專業諮詢,讓教師受益良多。感謝安坑國小陳校長、教務處陳主任、曾助理及609周老師提供行政支援、感謝此次公開觀課蒞臨備觀議課的老師們及609學生、家長,也感謝國立台北教育大學自然系111學年期化學特論(一)課程中周金城教授與全體同學協助,提供本文架構調整與內文修正之意見,在此謹深摯謝忱。
n 附註
1.目前新北市親師生平台只提供新北市親師生以校務行政帳號登入。平台網址:https://pts.ntpc.edu.tw/#!/welcome
n 參考文獻
新北市政府教育局(主編)(2022)。新北市自編雙語自然教材 五年級(初版)。編者。
《臺灣化學教育》第五十二期(2023年6月)
n 主編的話
u 第五十二期主編的話/邱美虹〔HTML|PDF〕
n 本期專題【專題編輯/陳皇州、李賢哲】
u 科學展覽指導經驗談/陳皇州、李賢哲〔HTML|PDF〕
u 科學展覽指導經驗談:指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享/蔡名峯〔HTML|PDF〕
u 科學展覽指導經驗談:如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域/蕭妃茹〔HTML|PDF〕
u 科學展覽指導經驗談:由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享 / 王昕芸〔HTML|PDF〕
n 綠色化學/微型化學實驗【專欄編輯/廖旭茂】
u 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 /廖旭茂、陳冠愷〔HTML|PDF〕
n 課程與教材/化學小故事【專欄編輯/楊水平】
u 貝采利烏斯的微粒理論 /游文綺、胡景瀚〔HTML|PDF〕
第五十二期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所名譽教授
國際純化學暨應用化學聯合會(IUPAC)執行委員會常務委員
國際理事會(International Science Council)治理委員會委員及Fellow
中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會(NARST)前理事長
[email protected]
在化學史上瑪里·居禮(Marie Curie)的地位相當崇高,除了獲得兩項(物理和化學)諾貝爾獎外,同時被世人所推崇的就是她高尚的品德,在經濟拮据的情況下也不爭取製造純鐳的專利。無獨有偶,被稱為鋰電池之父的約翰·古德納夫(John Goodenough)(又被戲稱為「夠好了」先生),在2019年以97歲高齡與惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)共同獲得諾貝爾化學獎,創下諾貝爾獎最高齡得獎人的紀錄。古德納夫57歲才開始研究鋰電池,剛開始時是與日本學者水島公一(Koichi Mizushima)等人將鈷酸鋰(LiCoO2)作為鋰離子電池的陽極材料,後來發現錳尖晶石(錳酸鋰,時年為61歲)是更好的鋰離子電池的陽極材料,分解溫度高、氧化性低於鈷酸鋰,爾後再研發出磷酸鐵鋰電池(時年為75歲),除成本較低外,此外材料充足可以達到永續的目的,即使出現短路或是過度充電的現象,也不至於造成爆炸和燃燒的危機。90歲開始研究全固態電池。這一連串的研究,奠定現代人們生活中廣泛使用鋰離子電池的基礎,尤其是在手機上的使用,提升人類生活品質的便利性與安全性。研究電池長達40年的他卻不曾擁有一台手機,僅因為不想被他人打擾,其理由似乎也不令人驚訝。「夠好了」先生本可因研發鋰電池而致富,但無欲則剛的他表示,Being able to satisfy your curiosity is fun. 做研究就是Have fun! 這和瑪莉居里的觀點-<科學的探究,本身就含有至美,它給人的愉快就是報酬;所以我在我的工作裡尋得了快樂>,不謀而合。這位自小有閱讀障礙卻走出一條自己的路改變人類的生活,他曾說: “We compete against problems, not against people.” 他是人們學習的榜樣,也是勵志的楷模。一代偉大的化學家,在2023年6月25日去世,享壽100歲。哲人日已遠,典型在夙昔。
本期專刊由國立屏東大學陳皇州教授客座主編和李賢哲教授客座副主編共同邀請三位作者針對科學展覽撰稿分享給本期刊讀者,專刊中有蔡名峯分享從教師角度如何輔導學生發想、設計實驗步驟到完成實驗的經驗分享,也有王昕芸以曾參加過科學展覽的經驗,以傳承的角度分享學習的態度與方法,以及蕭妃茹以食安結合STEM進行科展主題,提供學生探究與實作的經驗與具體成果。三位作者的經驗提供不同的視野與觀點讓有興趣帶學生進行科展的教師參考。
在常態性文章有兩篇,一篇是廖旭茂和陳冠愷以黃光LED為光源的麵包板式的簡易光電比色計,結合Arduino IDE進行監測振盪反應中溶液顏色週期性的變化,為一綠色化學實驗;另一篇則是游文綺和胡景瀚引介貝采利烏斯從質疑道耳頓的論點到給呂薩克的氣體化合體積定律,其推理與論證的過程去檢視化學家理論發展的歷程。在108課綱強調培養學生論證與建模的思考智能之際,此文應可作為教學的事例。
科學展覽指導經驗談
1陳皇州2李賢哲
國立屏東大學應用化學系
1[email protected] 2[email protected]
n 前言
首先感謝本期(52)擔任執筆的作者們,在百忙之中完成科學展覽參與及指導心得之分享的文章,客座主編與副主編謹此對同在教育工作崗位上辛勤付出的教師們,致上最高的敬意與感佩。參加科學展覽對於培育學生們科學素養的幫助是顯而易見的。由於在各項的科學展覽中,總是能夠看到同學們發揮創意與想像力,帶給大家許多引人入勝的科學探究題目以及有趣的發現。
科學展覽為參與活動的學生們營造了一個富含互動和實踐的學習環境,讓參展的學生可以親自進行科學實驗、觀察實驗結果現象和探索科學原理。而將這樣的科學探究過程、團隊合作精神,並於最後以有系統的方式將研究成果展示於閱聽大眾眼前的一段科學之旅,將充分地引導出學生對科學的興趣與熱情,激發他們進一步探索和學習科學的動機。而科學展覽最為重要的意義,莫過於學生能夠對於科學方法加以實踐,包括前期的參與觀察、提出問題、設計實驗、收集數據和分析結果。後期則通過參加展覽,瞭解科學領域的基本概念、原理和應用,拓寬科學知識面,從而培養學生的科學思維和解決問題的能力。
n 本期專題文章簡介
本期專題的第一篇文章,是由彰化縣立陽明國民中學的蔡名峯老師所主筆,其由一位國中科展指導老師的角度出發,以『把每位學生帶起來,不放棄任何一位學生』的信念為基礎,細數過去二十年來走過科展之路的點點滴滴,文章涵蓋如何將參與科展的機會,推廣到不同學習成就學生的學習歷程上,讓不同背景的學生有機會認識及參與科展活動,而非成為少數資優班學生的專利。其作法包含了擴大學生參與管道、家長參與的科展分享研習、結合理化實驗單元並設計創意科學實驗、成立社團時間並利用假日進行經驗傳承等具體措施。正如同蔡老師所說,「創意科學經營」方法無他,唯「教育愛」與「教學熱忱」而已,如此教育哲理的實踐,的確非常值得我們學習與借鏡。
本期的第二篇文章主要介紹的是以一位參與科學展覽的學生的角度,陳述了在學生時期參加科展競賽的心路歷程,以及後來成為科展作品指導者的心境轉變,更體驗了教學相長的真諦。這是由目前就讀國立臺灣師範大學的王昕芸同學所撰寫。由筆者所分享的科展作品實例中,將數學與音樂結合的創新領域及探究過程,著實令人印象深刻,也令人想起國立臺灣大學化學系戴桓青教授曾經帶領以感應耦合電漿質譜儀定量,分析一把愛因斯坦曾使用過的義大利小提琴的組成元素,也藉此揭示了名琴樂聲悠揚之秘密的研究。這兩個科學探究的例子發生於不同的教育現場,但卻是有著異曲同工之妙。而我們認為這就是科學展覽將有效增加公眾與科學相互理解與對話的證據。
本期專刊第三篇文章,由高雄市左營區舊城國民小學的蕭妃茹老師撰稿,分享以高雄市舊城國小的『自造者廚房』,提供舊城國小教師及學生一個學習食品營養與安全的食物自造基地,並搭配教育部108課綱中食安領域的課程,強調從最基礎的食物營養成分及特性開始,透過自造者廚房融合食物營養成分運算思維,以及置入STEM精神的課程與活動,啟發學生其對於製作安全且營養的食品具有正確的概念,因而獲致具有健康概念的飲食內容。在以「廚房裡的科學」為基底,發展食安領域的學習成長的理念下,蕭妃茹老師以食物中的天然化學為師,發想適合國小學童動手實作的科展主題,無論是傳統食物、流行食品、特色料理或是農產品再利用等主題,都成為孕育學生參與科學展覽作品製作及研究的主題。誠如蕭老師所述,在民以食為天的龐大吸引力下,學生們自然而然地對於探索食物相關的科學有著高度的興趣,而學生經由參與實驗的設計、操作及數據分析的過程中,學習了科學探究的思考能力與邏輯批判,其所呈現之富含色香味俱全的健康食品,更能夠讓所有的科展參與者與參觀者體悟到原來科學就在你日常生活的每一天。
n 結語
再次感謝本期專刊的作者們,藉由分享參與或指導科展的經驗,說明了科學展覽除了能夠將科學知識與概念,以最為直覺的方式呈現給閱聽大眾外,也能夠進一步啟發參觀者的創新思維,消除科學知識的隔閡,提高公眾對科學的認識和理解並促進科學與社會之間的溝通,進而激發公眾對周遭重要議題的關注。綜上所述,我們深信科學展覽在科學教育傳播、創新和社會影響力方面具有重要的意義,包含能夠啟發人們對科學的興趣和探索精神,促使人們思考和行動,培養現代公民的科學意識等。我們希望藉由本專刊的分享,對於即將或已經參與科學展覽相關活動的教師及學生們,提供有價值的經驗分享,為科學教育的未來一起攜手向前,開創新局。
科學展覽指導經驗談:指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享
蔡名峯
彰化縣立陽明國民中學
[email protected]
n 前言─把每位學生帶起來
有一句在教學上常聽到的諺語:「讓我用聽的,我隨後就忘了;讓我用看的,我就能記得住;讓我親身去做,我才能真正的了解。」(I hear and I forget. I see and I remember. I do
and I understand.)。這句至理名言燃起我對科學教育認知的那把火,重新思考要如何去耕耘學生們的科學活動,也逐漸影響學生們為了自己的生涯目標而奮鬥的決心。
對我而言,老師不是職業,而是一項「人生志業」。我的母校也是我長期任教理化的陽明國中,在這20年來對科學教育及科展活動的推廣,也促使我榮獲101年全國師鐸獎(附錄1)、特殊優良教師金質獎、創新教學金像獎等獎項,並獲得大愛電視台「專輯報導–我的老師這樣教」的殊榮(附錄2)。且已三度獲頒「全國科展滿15屆優良指導教師」(已滿19屆)獎章(見圖1和圖2),更讓我堅定「把每位學生帶起來,不放棄任何一位學生」的信念,凡事只要盡全力必能「創造出唯一」,讓科學的種子萌芽茁壯,並依學生自己的長才御風而扶搖直上。
圖1:19年來指導全國科展和彰化縣科展獎座合影
圖2:指導參賽全國科展滿15屆優良指導教師接受頒獎
n 科展可以是所有學生的舞台並非僅限學業頂尖者
在引導科展活動中,發現培養學生的創造力、意志力及團隊精神是有助於日後生涯的發展。第43屆科展學生群中,就有4台大醫科、3名台大電機,其他醫科10餘人。再者,陽明國中也打破科展的迷思,讓科展活動並非僅是學業頂尖者的場所,學生們只要能全心投入者,即使是後段班,亦能發揮長才,也能獲得荷蘭國際科展金牌獎、臺灣國際科展獎項及全國科展前三名佳績。筆者指導全國科展19年中,榮獲全國科展第一名者常是常態分班學生(第48屆全國科展理化科第一名「色彩變變變」的學生就是普通班,後來因科展推甄上台中女中資優班,進而推甄上台大醫科)(附錄3)。(第50屆全國科展作品:點「食」成金(附錄4),作者之一並非為頂尖的學生,卻是最積極投入者,他展現研究科展強烈的企圖心,深獲評審的青睞,終獲全國科展應用科第二名,也因科展技藝加分而申請就讀彰師大附工,進而就讀台北科技大學。科展帶給他的激勵效應,成就了他的科技之路,我也始終引以為傲!
n 陽明科展,揚名全國
近10餘年來陽明國中更形成了「進擊的科展團隊」(見圖3),成立「自然科學博物館彰化陽明科學教育中心」、科展E化教室、科展看板展示走廊,出刊陽明歷屆科展得獎的作品集,成效卓著,10餘年來已三度獲得全國科展國中組團體第一名及TDK獎第一名(第48、50及56屆),且兩度獲全國團體第二名(第55和57屆)。第55屆科展曾有7件作品進軍全國,而第56屆全國科展(獲得2件全國第一名分別是「物理科–電池跳、挑電池」及「應用科–糞力而為」,1件全國第二名「地球科學科–搶救台灣國寶石」)(附錄5),榮獲積分27分,更打破全國科展最佳積分紀錄,獲得蔡總統在總統府召見(見圖4),至今無其他學校能破此紀錄。
圖3:陽明國中形成「進擊的科展團隊」指導科展
圖4:第56屆全國科展,榮獲物理全國第一名及應用全國第一名,與總統合影
更有榮獲臺灣國際科展二等獎,進而代表臺灣參加荷蘭國際科展榮獲金牌獎。還有學生參加國際化學奧林匹亞榮獲金牌獎,進而甄試上台大醫科,令人引以為傲(見圖5和圖6)。
圖5:化學奧林匹亞金牌、荷蘭國際科展金牌、臺灣國際科展及全國科展活動照
圖6:彰化縣科展頒獎陽明國中學生合照
n 經驗分享─人人都是科學家
陽明國中連續20年榮獲彰化縣團體第一名,全校曾經最多送件近100件,推廣科展經驗分享,略述如下:
一、 在招收與推動學生參與科展管道方面
1. 吸引社區的小六學生參與科學活動
舉辦「金頭腦科學活動」,吸引社區小六學生來陽明國中參加科學活動,並用科學魔術(附錄6)來吸引小六學生的目光,例如:在金頭腦第一次活動中,設計聖火台表演「水火相容點聖火」(見圖七左),使用電石加水,並用點火槍引燃乙炔氣體,點燃科學的聖火,吸引學生們的目光與歡呼,效果十足。三個月的活動期間,共同參與科學實驗活動,例如:馬達刷刷車、光碟氣墊船、創意九龍公道杯、創意玄機杯、金幣銀幣變變變、油墨水中畫、棉線結晶開花等(見圖七右),讓學生們設計「創意科學作品」,並在「金頭腦Line群組」中分享,激發出更多的科學創意,並鼓勵就讀陽明國中後,進入科展社繼續從事科展研究。
圖7:金頭腦科學活動~「水火相容點燃科展聖火」(左);金頭腦科學活動的眾多實驗,讓學生們親自動手操作(右)
2. 鼓勵校內和任課班級的學生加入科展
鼓勵全校學生和任課班級學生參與「科展活動」,並且鼓勵成績優異者能主動對弱勢或成績落後者邀請加入科展的組別。筆者指導彰化縣科展19年,共獲特優47件進全國,優等147件,甲等60件,佳作133件,共獲獎379件作品。
二、 假日辦理親師生科展活動與邀請畢業學長返校協助科展經驗傳承
利用假日辦理「科展分享研習」,鼓勵家長們一同來聆聽,每年近300人次進入校園了解科展活動,引進家長資源和職業的經驗分享,讓歷屆科展學長姐持續回母校協助科展的成功經驗分享,也引導學弟妹們進行科展研究,促使科展主題內容探討更新穎和多元化。因家長和歷屆科展學長姐們假日返校的協助陪伴,也使實驗室的安全把關更加完善。
三、 科展結合理化課程與成立科展社團
平時教學結合理化實驗單元,設計創意科學實驗,讓學生們當作理化課程作業進行報告,並將成果在班級Line群組中分享給同學及家長們,進而成立「創意科展研究社」(見圖8),利用社團時間和假日陪同,並秉持傳統邀請歷屆科展獲獎學長姐經驗傳承(見圖8),也激勵學弟妹們有學習的榜樣。
圖8:創意科展研究社
圖9:歷屆科展學長姐返校經驗傳承
四、 在指導科展分工合作方面–成立資源共享與即時討論回饋的通訊群組
陽明國中成立大團體的「家長、歷屆獲獎科展學長姐及學生的科展Line群組」。在群組內進行「科展成功經驗和科展製作秘訣」的分段影片和資料教學,例如:如何尋找科展主題、如何收集科展文獻、如何進行科展實驗、如何製作科展的圖表、如何進行科展的數據分析、科展說明書編排、科展日誌繕寫、科展影片製作、科展口試口語化表達訓練、科展海報編排製作等,並將內容分段存在記事本中,讓學生們分段逐漸學習。並成立個別的「科展小群組」,讓組員們定時Line上研究內容共同討論,並由組長協助分配科展工作,家長們和指導老師可以在小群組中協助監督和引導,以控制科展進度。
在群組中協調約定晚上和假日課餘時間,開啟視訊會議共同討論目前進度、分享工作結果及遭遇到的困難,與指導老師、家長及歷屆科展獲獎學長姐們,共同討論問題的解決之道。
五、 在時程和場地安排方面–建立科展E化教室與科展實驗室
1. 每週在「創意科展研究社」的社團時間,在「科展E化教室」直接面對面與指導老師進行溝通協調。
2. 利用中午午休時間,在「科展實驗室」,進行科展實驗。
3. 利用假日時間,在「科展實驗室」進行較長時間的科學實驗,並在「科展E化教室」進行科展說明書的實驗數據分析和科展報告製作。
4. 利用晚間和假日在家時間,使用視訊會議公開討論,並在各組的科展Line小群組上報告個人職責的研究成果。
六、 在遇到問題與解決方面–設立即時通訊群組、線上會議討論和尋求大學支援設備
1. 這兩年因為疫情期間討論時間與空間受限,再加上每位學生的討論時間不一,因此常借助「Line群組」與「線上視訊會議」等科技來討論,解決了因疫情造成的討論困境。
2. 學生們分配工作在家各自實驗,再將彼此的實驗影片和數據成果,互相分享討論,讓製作科展進度不落後。
3. 由於學生們科展主題隨著科技持續進步,導致學校實驗儀器設備有時受限,因此會尋求鄰近大學的實驗設備儀器支援,或申請至大學實驗室來進行更高階的實驗。
七、 在推廣科展,向下紮跟方面–積極到各學校辦理科展研習活動
筆者積極地到各縣市學校推廣科展教育工作,例如:到彰化縣科展研習、臺南市全國科展會場、國立自然科學教育館、國立自然科學博物館、彰化縣各國小(南郭國小、中山國小、民生國小、大成國小、忠孝國小、國聖國小、文開國小、湖北國小、媽厝國小等),分享科展製作經驗,並到國小擔任科展社指導教師,帶動彰化縣國小科展的蓬勃發展,曾協助多校獲得全國科展前三名的佳績,使得彰化縣多次獲得全國科展團體獎前三名,近十年來已獲得三次全國科展團體第一名的榮耀。
n 結語─科展歲月,無怨無悔
埋首於科展歲月二十載中,感謝家人和長官的包容與支持,提供最佳的「創意科學舞台」,讓師生們能盡情揮灑科學的創意。今後更將秉持「企圖心創造非凡」的精神,戮力於科學教育,臨深履薄,無改初衷。學生們的科展創意屢屢創新,更有待教師們能夠適性揚才的引導,把每位學生帶起來。「創意科學經營」方法無他,唯「教育愛」與「教學熱忱」而已。
n 附錄
1. 師鐸獎教學分享,您就是教育魔法師~教學歷程及「科學實驗」活動~蔡名峯
https://drive.google.com/open?id=1rM2Moq7zN3-Z0Zb57MJFeuXQMhpAIetk
2. 大愛電視台~我的老師這樣教~教育魔法師。大愛對我的專訪專輯(來拍攝3次6天剪輯而成)https://www.youtube.com/watch?v=NPjlJYHHC08
3. 第48屆科展國中組:理化科第一名,色彩變變變–自製重金屬檢測試紙及檢測流程研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/48/high/031628.pdf
4. 第50屆科展國中組:生活與應用科學科第二名,點食成金–粗糠與常見材料的保溫,隔音及緩衝效能之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/50/pdf/030809.pdf
5. 第56屆科展國中組物理科第一名:「物理科–電池跳、挑電池」探討 3 號鹼性電池電量與彈跳及滾動行為之關聯性https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030111.pdf
第56屆科展國中組應用科第一名:「應用科–糞力而為」開發生物活體系統分解豬糞可行性之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030814.pdf
第56屆科展國中組地球科學科第二名:「地球科學科–搶救台灣國寶石」螺溪石的辨識及其特性之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030505.pdf
6. 蔡名峯老師的創意科學魔術表演 (一)
https://drive.google.com/drive/folders/1Omk3zwpkmWBUROPz2WuNjWjP790f5lU1?usp=sharing
蔡名峯老師的創意科學魔術表演(二)
https://drive.google.com/drive/folders/1dLojWBPmqjRLLuwkxrbwFSXm05WL0I4z?usp=drive_link
科學展覽指導經驗談:如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域
蕭妃茹
高雄市左營區舊城國小
[email protected]
■ 前言
筆者擔任高雄市舊城國小自然科教師,透過實作、「食」作學科學方式,以食物適當延伸課程內容,讓孩子將課堂學習的科學知識,靈活有趣的應用在生活中。當孩子學過「廚房裡的科學」後,會指導孩子做雞蛋布丁,觀察糖的溶解及認識雞蛋的變性作用(圖1):學過「認識酸鹼溶液」之後,帶學生運用酸鹼變色,動手調配出蝶豆花漸層飲料(圖2);學過「食物的保存原理」就來做做泡菜與果醬,認識醃漬與滲透壓的簡單原理。當科學教育連結到有趣的食農教育,學生展現滿滿的學習動力,所以許多的科展主題都是從學生在食物製作的經驗中取得。
要進行食物製作的場地需要考慮到安全、衛生及動線,儘量不要在實驗室裡做可食用的食物,以免誤導學生把實驗做出東西與可吃的食物混淆了,造成學生誤食;所以一開始就是在教室裡,用課桌椅拼湊著用,用具也都是簡易型,有時需要麻煩學生自備器具與材料,雖然不方便,但看見孩子專注參與,我認為這樣的學習是無法用紙筆評量的(圖3)。俗話說「戲棚下站久就是你的」,這樣的堅持,在105學年至106學年出現了轉機,學校參與屏東大學的研究計畫,建置一間以「自造者廚房」為發想的「焙客創課基地」,主要宗旨是以食育教育為基石,創客教育為實踐,希望啟發學生生活科學新思維,孕育具有人文科技新素養的學生。此間創客基地有別於其他以新興科技為主的設備,設置一些日常生活常用的食品製造工具,讓學生由最原始的食材,學習組合與創作出記憶中的味道或是創新的食物(圖4)。有了這樣的硬體設備,學校教師透過參與食育教育教案設計及規劃校訂課程,讓本校學童在安全的環境下,認識食物的原貌,了解食物美味的科學原理。烘焙教室是一個享受學習的場所,在這裡,孩子們可以盡情發揮自己的創意和想像力,製作出屬於自己的美食作品。教師們希望透過烘焙課程,能夠培養孩子的興趣,同時也能夠啟發孩子們對化學的興趣與好奇心。
圖1三年級雞蛋布丁DIY 圖2五年級夢幻蝶豆花DIY
圖3在教室裡動手做泡菜,環境空間很陽春,但孩子很專注 圖4專業的設備與空間,孩子們捏著自己調配的蘿蔔絲餅,架式十足
■ 如何找出適合的科展主題
每年帶領4至6年級學生進行科展探究實驗,並參加科學展覽競賽(參賽組別以化學科為主),近年來參賽作品比賽後,總會在評語中看到評審提出以下意見︰「研究內容中化學原理的著墨不深,建議加深化學原理」,我心中不免疑惑,國小學生我能帶他們做到多深的內容?我想這個問題應該困擾許多在前線指導的老師,如果仔細審察國小自然課程的內容結構,會發現在國小階段自然科學3至5年級108新課網規劃24個單元中,只有3個單元是與化學實驗或有介紹到簡單的化學原理,6年級目前使用9年一貫課程共7個單元,化學相關內容也只出現在一個單元(以某版本教科書為例),在如此的教學結構下,這些做科展的學生,他們現有的化學原理知識是不足夠的,學生只在低階的科學層次上,老師要如何幫學生從建構知識中跨過鴻溝及爬升到更高階的科學層次,正是教學者需要好好思考的。
■ 從「食」出發
想要帶國小學童進行科展研究,光是要找到適合的主題,可能需要花費許久的時間,如果想要慢慢磨出研究方向,幾近停滯的研究進度,可能會讓孩子失去熱忱。再者如果指導老師每年都要花許多的時間慢慢建構孩子的基本能力,那麼探究的深度是無法前進的。所以一開始我會建議老師可以從自己有興趣的東西為研究主題發想的題材,設計一些活動讓學生不小心就掉進這個主題中。以我為例,本校學生一年級做過的湯圓、二年級做過地瓜圓、三年級做過雞蛋布丁,四年級甄選進來做科展的學生,就帶到焙客教室,讓他們動手做小點心,學生只要聽到要做東西吃,就會動力十足。因為他們不熟練的烹飪技術,做出的東西就可想而知了,當他們吃到不如預期美味的食物時,我們就有了討論的議題,食品種類琳瑯滿目,國小學童的烹飪基本能力不足,一面進行科學探究,還要一面教導簡易的烹飪技巧,所以配合國小學童的程度,選擇操作簡單,材料不多的點心著手比較適合,例如雞蛋布丁、湯圓等等,以下我提出這20年來曾經帶孩子踏進科學殿堂的四類食物主題,供老師參考發想。
1、 傳統食物
這裡說的傳統食物可能是以前家人曾經吃過,而現代的孩子沒有機會吃到的食物,或是這些食物已經改變名稱了,例如孩子喜愛的珍珠奶茶裡面的珍珠,其實與粉圓的材料大同小異,但是孩子很少親手做珍珠,所以帶學生參觀手工粉圓的做法,訪問業者,探討現做粉圓與市售粉圓的差異,更換澱粉種類進行粉圓質地探究,學生做完科展比賽,已經可以自己做粉圓了。另外「椪糖」是老一輩熟悉的零嘴,現在則是特殊場合才會出現的食物,這個題目可說是科展界裡的東方不敗,出現頻率很高,面對這樣的議題,首先,就要做足文獻資料搜尋,以免與前人研究重複。再來要試著從裡面找到新亮點,這樣的研究才會受青睞。
2、 時尚流行食物
現代小孩生長在資訊快速散播的時代,偶像代言或是流行影片中出現的食物,會是孩子有興趣接觸的食物,由這類食物開始,孩子會覺得很有興趣,例如之前流行一部韓劇—魷魚遊戲,劇中有提到一種戳糖餅的遊戲,類似我們熟悉的椪糖,搭上流行議題的列車,所以我們就準備材料讓這群四年級的孩子做一做,吃一吃,讓他們討論做的過程中發生了什麼事,為什麼會有這樣的結果,孩子就有方向找資料,所以先讓孩子試著找一些資料,老師也要做功課評估孩子的能力及完成的可行性,心中有個底,慢慢幫孩子導方向,例如這組小孩做了幾次之後,發現糖液溫度高,不小心會燙到,糖漿很難清理,每一次煮出來的結果都不一樣….,遇到瓶頸,這時老師就可以試著讓孩子再分析流行的主題,研究的作品就會多,如何在「糖」這個主角中轉出另一個方向,有人就提到之前老師有教他們做過焦糖雞蛋布丁,煮過的焦糖和吃過的椪糖比一比,煮的過程哪裡不一樣,成品有什麼差異,開始慢慢從焦糖身上找到抗氧化的研究方向(有興趣者可參考62屆高雄市科展–「糖」葫蘆裡賣的是什麼~探討各種醣類加熱後生成物的特性)。
3、在地特色料理
左營有一間傳統餛飩店小吃,吸引許多遊客前來品嚐,一碗清湯加入餛飩,再加上一顆水波蛋,讓人食指大動。帶學生吃一碗,再買回來讓學生試著煮,看似簡單的烹煮,卻是受到許多變因影響,學生認為最困難的是一顆顆完美的水波蛋是如何煮出來的,所以我們從濃、稀蛋白的變性溫度著手探討。實驗中學生除了探究如何讓蛋液完美成型的科學原理之外,更學會熟練的煮出一顆完美的水波蛋,學會科學研究的基本架構之外,更是培養學生帶著走的能力(有興趣者可參考54屆高雄市科展–蛋白分家了~水波蛋輕鬆煮)。
4、農產品及副產物再利用
臺灣物產豐富,各地都有特殊的農產品,善用各地盛產的食物進行探究,也是一個不錯的主題。除了進行食品類的研究之外,對於農業副產物的再利用,也是一個值得探主題。以左營地區為例,早期種植許多的菱角,所以產季時學校周圍許多老人家會協助去殼,這些菱角從果仁到外殼就成了我們研究的題材,我們將菱角果仁加工萃取出澱粉,利用菱角澱粉做湯圓,做米苔苜,剩餘的菱角渣,則讓加入餅乾中,看看是否能做出不一樣的餅乾,至於被丟棄的菱角殼,我們試著將它用來染布、造紙。所以一個主角可以發展出的研究主題就可以很多了(圖5)。
圖5以菱角為主題所發展出的科展作品
■ 一步一腳印的經營科展活動
科展活動是要激發學生對科學研習之興趣與獨立研究之潛能,提高學生對科學之思考力、創造力,與技術創新能力,培養學生對科學之正確觀念及態度。帶學生找到研究的主題後,就要開始慢慢培養學生科學探究能力,尋找資料,如何分析文獻資料,設計實驗,研究記錄,數據分析,下結論,到完成作品說明書,口頭發表等等,我個人習慣由四年級學生開始培養,也會花較多的時間及精力在四年級的學生身上,一來學生時間較充裕,二來經過一年基本工的磨練,這些學生如果五年級再延續時,就能從事更深層的研究,但基本上需要孩子是經的起磨練的(有些孩子會因為犧牲許多玩的時間,結果未得獎,就不想再參加了)。以同時參加59屆及60屆兩件作品全國賽的學生為例,其中一位四年級開始做科展,一開始研究主題是老師給的參考主題,一路試做、修改實驗,完成作品說明書,可是此件作品在市賽時並未進入複賽,有些學生就覺得之前的努力都是白費力氣,所以五年級就不再參加了。但這些學生基本科展研究的歷程已完全經歷一次,包括完成作品說明書、海報及口說練習。其中二名學生並不氣餒,升上五年級,班級導師帶學生做發糕慶祝升上高年級的滿月禮,結果相同配方每組做出的成品均不相同,學生就從中間找到探討的主題,這一年學生間會互助合作,分工執行,會自己審視實驗數據的準確度,也會處理實驗數據,所以老師的工作量就減輕許多,再者進入複賽時要做口頭發表就很輕鬆了,所以累積2次的實際參賽經驗,到六年級時就自己從喜愛的食品~馬林糖中找到探究蛋白起泡性的研究,這件作品就能較深入的探討蛋白質結構與變化,也有能力運用分子模型來解釋蛋白的變性作用,一路走到六年級,已經可以將經驗分享給科展新手,對科展執行的邏輯性具有批判能力,對數據及圖表到作品說明書的完成都可以自己完成,這些能力正是科展比賽最終的目標。
■ 結語
108課綱強調學習是在生活情境下引導學生,培養核心素養能力,我認為食物對學生具有神奇的魔力,帶著學生從做吃的食物開啟科學之旅,學生學到的不只是科學探究的整個歷程,也從實驗過程中學習如何有效規畫、操作流程,最後回歸到學生具備健康飲食的基本素養。踏進科展指導一轉眼已過20個年頭,我把科展當企業用心經營,孩子努力再加上校長、主任們、及家長的大力支持與協助,帶著不同的學生參加市賽、全國賽,每一個參賽歷程對學生而言,都是能讓他們激發出各方面的潛能,培養團隊合作精神及具備挫折容忍的特質,而我則是在一張張獎狀的背後,看到孩子的進步與成長,由羞澀不敢在台前發言的小男生轉變成台上字正腔圓的演說者,由自我中心強烈,凡事我最大孤僻個性,到放下身段,為團隊爭取榮譽,容許更改意見的孩子,就是這股動力驅駛我一路走下去。找到自己經營科展的動力及模式,才有續航的動力,以上僅是個人小小拙見,若有思慮不周詳之處,請不吝指教。
科學展覽指導經驗談:由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享
王昕芸
國立臺灣師範大學數學研究所研究生
作者從國小到高中參加過多次科展,在一次次的參賽過程中,學會了進行科學探究、發現並解決問題,也熟練了文書處理和口語表達能力。進入師大數學系就讀後,我修習資優教育學程,開始學習如何指導學生製作科展。
在母校彰化市陽明國中蔡名峯老師的邀請之下,我回到國中協助學弟妹製作科展,並分享了自己當時參賽的心路歷程(圖1)。在這個過程中,我發現教育不只是知識的傳遞,更是將自己的心得經驗分享給學弟妹,引導他們發掘問題,培養他們尋找答案的能力。同時,這也是一個挑戰自己的機會,讓我更了解如何有效地引導學弟妹,提高他們的探究和創新精神。
圖1:收到蔡名峯老師(左3)邀請,與同學一起回母校協助指導科展
n 當年參與第53屆國中科展「音樂數學,數學音樂」的作品回顧
我對於科學探究很有興趣,很享受發現問題並解決問題的成就感,國中時在蔡名峯老師的鼓勵下,便與好友組隊共同進行研究。我們依照自己有興趣的主題「音樂與數學」,從大量的文獻中尋找相關資料,發現了音樂與數學的相關性,決定優先聚焦在「歌曲中的黃金比例」。
在整個研究過程中,我們花了不少時間討論歌曲分析的方法,例如:流行音樂與古典音樂的歌曲架構並不相同,計算黃金比例的段落定義也不太一樣。另外,我們在蒐集資料時,發現十二音列作曲法和數學的關係,但應用到部分高中數學的內容,所以也特別請教老師,協助我們理解。很幸運地,這件作品「音樂數學,數學音樂」榮獲了全國科展第53屆應用科學科第三名的佳績。
當時科展作品「音樂數學,數學音樂」透過數學的角度,剖析音樂中的奧妙規律,有以下幾個亮點。
第一,我們發現(請參照洪宇萱、王昕芸,2013)許多熱門歌曲的「第一段落總秒數」與「第一段落開始處至副歌結束處的總秒數」之比值,符合黃金比例。我們針對KKbox
2008至2011年度排行前10名的華語流行歌曲進行分析,發現大多數的曲子確實符合這樣的規律。特別地,我們觀察到,最接近黃金比例0.618的前10名中,前7順位皆為華語流行歌曲,後面則是校園民歌和西洋經典歌曲。
第二,我們嘗試觀察古典音樂是否有類似性質。由於古典音樂沒有「副歌」的概念,於是我們從小奏鳴曲的其中一個樂章,研究「呈示部」、「發展部」、「再現部」與總小節數的關係。最後,便驚喜地發現:「至再現部的小節數」與「第一樂章總小節數」的比值竟然也符合黃金比例!
第三,我們研究了「十二平均律」的等比關係,以及樂器所需調音頻率的關係。在其中,我們發現,新維也納樂派的十二音列作曲法竟然也與數學矩陣有所關聯。這個作曲法,必須先創作一個「音列原型」,包含一個八度內所需的12個半音,每個音恰出現一次。而我們從數學的角度思考,發現12*12的數獨正可以解決這個要求。另外,這個作曲法中,除了音列原型,還有逆行、倒影、倒影逆行,這些方法透過數學矩陣的角度,其實皆可以用矩陣變換的觀點詮釋。
第四,我們利用了以上發現的黃金比例奧秘,也創作了一首屬於我們自己的歌曲,發現在有著黃金比例的架構下,樂曲變得更加動聽。
對我來說,科展不僅是一個展示研究成果的舞台,更是一個提升自己各方面能力的機會。在科展的製作過程中,我學會了如何進行科學探究,也學會了如何表達研究成果,這些能力讓我在日後的學習中受益匪淺。總結而論,感性的音樂中,其實也存在著理性的數學元素。當我們結合了這樣的理性與感性,往往便能激盪出令人驚豔的生命樂章。
參與科展的身分從學生轉變為指導者,讓我能從不同角度體驗科學探究的過程,很開心能將自己所學,用於協助指導學弟妹的科展。
針對數學科的科展作品,我會請他們依照自己的研究主題查詢歷屆作品,協助他們在閱讀後簡單整理前人的研究內容及主要證明工具,再提供學弟妹修改方向。相較於理化、生物、應用科學等科別,數學科不用撰寫實驗流程,但需要寫清楚所有觀察、推理及證明的過程,我也會利用這個機會,讓他們知道如何撰寫嚴謹的數學推論。
針對其他科別的科展作品,我會提供一些作品架構與撰寫的建議,例如:研究過程、討論、結論部分是否有依照當初設定的研究目的條列式撰寫?每個實驗的控制變因、操縱變因、應變變因為何?是否有撰寫清楚?以及數據繪製的圖表的適用性(針對不同情況,使用長條圖、直方圖、折線圖或圓餅圖等不同圖表)。
在指導學生過程中,我注重與學生的互動,聆聽他們的意見和想法,並引導他們思考,使其成為獨立的研究者,我自己也從中獲得不少成就感(圖2)。
圖2:協助指導學弟妹科展,聆聽他們的意見和想法,並引導他們思考
我曾協助指導學弟妹科展作品《手助健康》,該組的目標是研發一款既能消毒又可以保養手部的產品。在研究過程中,首先進行了大量的文獻探討,瞭解前人做過哪些相關研究。在設計實驗時,我會提醒學生要注意控制變因、操作變因、應變變因等關鍵因素,同時選定合適的實驗器材與材料,此外,也特別選擇適當的場地,以確保實驗的再現性。
在本研究中,該組利用酒精比重計,檢測酒浸液的酒精濃度;用pH計檢測酒浸液與膠質原液的酸鹼值;用肌膚測試儀,檢測敷手後皮膚白皙度、含水度、彈性。透過這項研究,學生不僅能掌握實驗設計技巧,同時也學會如何運用科學知識和技能,解決實際的問題。
該組最後利用酒浸液與膠質混合液的方法,成功地開發出了一種含有 75%酒精濃度的乾洗手液。這個作品也在今年(第63屆)的彰化縣科展競賽中,得到評審肯定,榮獲生活與應用科學科第一名,成功晉級全國賽。
從10年前全國科展獲獎到現在能夠協助指導,不僅能夠幫助學弟妹培養科學探究的能力和創新精神,同時也是對自己教學能力的一種挑戰。在這個過程中,我更像是學生並肩作戰的夥伴,他們在努力的同時,我也在學習。獲得滿滿成就感之外,也讓我更加熱愛我的教育事業。我相信,在未來的日子裡,我將繼續致力於科學教育的推廣和發展。
洪宇萱、王昕芸(2013)。音樂數學,數學音樂。中華民國第53屆中小學科學展覽會國中組生活與應用科學科參展作品(第三名)。
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
廖旭茂1, 2*、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
n 簡介
振盪反應是指反應過程中溶液顏色會呈現反覆週期性的變化,以最有名的BR振盪為例,溶液的顏色會呈現琥珀色、藍色、無色反覆地交替變化(”Briggs–Rauscher reaction”, 2022)。
一次BR振盪反應約可產生數十次週期性的顏色變化,其中振盪速率或週期與溶液濃度、溫度等變因有密切的關係。因此想探究BR振盪最主要的挑戰是精準監控溶液顏色週期性變化,如果單靠目視法或傳統的色碼APP法,恐怕有所不足。本文將介紹採用麵包板式的簡易光電比色計,以黃光LED為光源,藉由光電二極體偵測通過溶液後光的強度,並轉換成電流(賴新枝、葉世榮,2017)。再結合ARDUINO程式版收集反應過程中電壓週期性的變化並與目視法做一個比較。下圖為結合微型電磁攪拌器組裝的光電比色監測裝置圖。
圖1:光電比色暨攪拌器模組組合的外觀
本文除描述「可程式光電比色法監測顏色週期性變化」的過程外,亦提供相關原理說明,以及實驗廢液的減毒做法,提供參考。並期待拋磚引玉,吸引更多的教師自行設計微型教具,落實實驗減量、減廢,實踐環境友善與綠色永續的教學目標。
n 器材與藥品
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、可程式光電比色電壓感測模組(含簡易光電比色計,相關電子套件購自易儀科技公司)1組、Auduino可編程電壓感測器模組(含UNO R3開發版、電壓感測器)、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。
二、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)。
n 研究方法與步驟
一、實驗原理
1. BR振盪反應機構:
此振盪反應相當複雜,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。自由基過程是快速的,其中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過氧化氫自由基(HOO‧),最後生成次碘酸(HIO),次碘酸經1a, 1b兩途徑生成碘分子與氧氣(見式1a, 1b);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產生取代作用,還原成碘離子與2-碘丙二酸(見式2)。總反應預估為各式總和(見式3)。
二、器具製作、組裝與設定
1. 光碟型USB可調式電磁攪拌器具的製作:
在BR振盪反應的過程中會產生O2,其氣泡會干擾光的接收,因此必須要透過不斷攪拌的過程,將氣泡趕走。此次光碟性USB攪拌器,回收光碟片,及易取得的冰棒棍製作攪伴器的框架結構,小馬達轉軸上安裝一個經裁修的木製冰棒棍,木片兩端各黏貼兩個磁性相反的直徑為6mm的圓形小磁鐵,當小馬達轉動時,可驅動上方的磁攪拌子;阻抗1000歐姆的可變電阻可以依需求來調整攪拌的速度;為避免光碟片上的反射光,碟片上亦可黏貼一張#400的水砂紙;碟片上亦可加裝固定螺桿,作為實驗器皿的夾具等,類似作法亦可參考台灣化學教育期刊第47期相關撰文(廖旭茂,2022)。下圖為光碟型USB可調式電磁攪拌器的組裝圖。
圖2:光碟型USB電磁攪拌器
2. 可程式光電比色電壓感測模組:
此模組可分成兩個部份套組件:一是簡易光電比色計,二是可程式電壓感測器,可接收紀錄來自光電比色計的電壓訊號值;其中簡易光電比色計是購自易儀科技(賴新枝、葉世榮,2017),利用光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器,它是一種半導體 p-n 接面的元件,當受到足光強度的光照射時,光子在光電二極體中被吸收,產生光電流,亦即發生光電的轉換。若選用一LED光源通過一盛有色溶液的比色管,根據Beer’s law,當溶液濃度越高時,被吸收的光越多,穿透的光越少,此時光電二極體接收器產生的光電流越小;當掛載一個固定電組,可將微弱的電流轉換為可測量讀取電壓訊號(V=IⅹR)。
因溶液的顏色一值再改變,加上光電二極體相當敏感,接受到的訊號電壓值變動性高,一般三用電錶不易讀取到穩定數字,因此採用利用ARDUINO控制板與電壓傳感器,接收、紀錄來自光電比色計的訊號。
BR振盪實驗時,溶液的顏色依序為藍色、無色、琥珀黃、藍色、無色、琥珀,呈現週期性變化,因此選用黃光LED為光源,當溶液呈黃色或無色時,大部分的黃光會穿透溶液(極少部分被吸收),被二極體接收,因此測量到的電壓高;當溶液轉為藍色時,因為黃色的互補色為藍色,黃光大部分會被溶液吸收,穿透的黃光較少,因此測量到的電壓較低。相關光電比色計在麵包板上接法及電路圖如下圖3、4所示。
圖3:可程式光電比色電壓感測器的接線實境圖
圖4:光電比色電壓感測的電路圖
3. Arduino電壓感測模組的設定:
(1) 首先到網路平臺中的創作者工作坊(DroneBot Workshop),當中有許多電壓感測器的程式原理以及運作邏輯的介紹。其中我們將本次實驗所需的電壓感測程式碼(右框中「Voltage Measurement」)複製到Arduino上。下圖為相關網站與程式碼連結。
圖5:圖左是創者工作坊網站,圖右是電壓感測程式碼示意圖
(2) 再來將「pdx-daq excel外掛」鍵入搜尋引擎,左框中的搜尋選項含有詳細的教學與Excel下載鏈結。而右半邊是活用教學內容,將excel外掛程式碼嵌入電壓感測程式碼中。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。
圖6:圖左是excel外掛搜尋,圖右是電壓感測程式碼
(3) 調整完程式碼的參數後,我們需要將程式碼上傳到板子上。這時只需按下箭頭圖示的上傳鍵,待進度條跑完後,就代表程式順利輸入進板子中。按下放大鏡圖示的按鈕,可確認感測器是否順利收集到連續數據。切記,外掛excel就是代替監控視窗的功能,所以excel開始收集數據前務必關閉監控視窗。下圖為Arduino操作介面。
圖7:Arduino操作介面
(4) 將電壓感測器S字母端連接Arduino的A0孔洞,傳輸收集訊號及電流供應。感測器負號圖示的端接Arduino的GND孔洞,使電路溝通。感測器另一端的正負極再與欲測試的電路部分並聯,即可收集電壓的連續變化。下圖為電壓感測器與Arduino連結線圖。
圖8:電壓感測器接線圖
(5) 打開外掛Excel,按下按鈕開啟控制檯。在控制臺中,包含了數據收集起結鍵、數據收集位置等,將連接埠(Port)選到Arduino連接電腦的USB接口,這樣才能完整的收集感測器收集到的數據,下圖為外掛Excel 數據收集操作介面。
圖9:外掛Excel操作介面示意圖
三、振盪反應的觀察:目視法與光電比色法與比較
1. 目視法觀察:
(1) 手機全程錄影,紀錄振盪過程變化:將手機水平放置在手機架上,鏡頭對準一個20毫升的玻璃樣本瓶口,樣本瓶放置在光碟型電磁攪拌平台上,瓶中放入一個磁攪拌子;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,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,啟動手機錄影,為時100秒,記錄反應過程溶液的顏色變化及最終溶液的顏色。下圖為溶液顏色的變化。
圖10:振盪過程溶液的顏色變化,組圖最右邊為最終溶液顏色
(2) 接著以錄影回放方式,目視記錄整個振盪個程中透明、琥珀色、藍色發生的時間,嘗試以顏色方塊的寬度代表出現的時間,將顏色方塊連接製作目視紀錄圖。
(3) 承上, 0~100秒內振盪週期的長短產生了甚麼變化?
(4) BR振盪反應過程中,除顏色呈現反覆性週期性改變外,還發生了那些變化?有氣泡產生嗎?溫度是上升還是下降?振盪反應終點溶液的變化為何?
2. 可程式光電比色法:
(1) 將4毫升的樣本放入黑色比色槽,比色槽放置在預留記號的光碟攪拌器的平台盤面上,瓶中放入一個磁攪拌子,隨後以分度吸量管吸取3毫升的蒸餾水置入樣本瓶中,啟動電源,逐步調整轉速,並確保攪拌子可以穩定攪拌,接著蓋上瓶蓋,滑鼠按下開始測量,微調可變電阻,讓電壓讀數維持在2.0 Volt上下。
(2) 將4毫升的樣本放入黑色比色槽,比色槽放置在預留記號的光碟攪拌器的平台盤面上瓶中放入一個磁攪拌子,隨後以分度吸量管分別吸取1毫升的A溶液與1毫升的B溶液置入樣本瓶中,啟動電源,逐步調整轉速,並確保攪拌子可以穩定攪拌;接著取一支塑膠針筒,筒內預置1毫升的C溶液,針筒端將C溶液注入樣本瓶內,蓋上瓶蓋,按下滑鼠,開始收集數據。直至振盪反應停止顏色不再變化按下停止鍵。
(3) 整理連結到excel的數據,並依此作圖。
(4) 試推測上圖中波峰與波谷分別代表顏色的何種階段?
(5) 承上,嘗試列表計算振盪過程中,0~100秒內振盪週期的長短產生了甚麼變化?
(6) 實驗結果若與目視紀錄法相比較,100秒內的振盪次數與平均振盪週期有何差異?
3. 溶液的減毒:回收廢液盛入100毫升燒杯後,再取飽和硫代硫酸鈉溶液Na2S2O3,以滴管逐滴滴入燒杯中約1毫升後, 直至溶液變為無色;隨後再滴入飽和的碳酸鈉溶液Na2CO3,若溶液產生泡沫變多,可靜置後溶液變透明,廢液可依廢棄物規定回收。下圖為減毒過程的照片。
圖11:圖左為滴入硫代硫酸鈉溶液,圖中為加入碳酸鈉後的變化,圖右是靜置後結果
n 實驗結果與討論
一、BR振盪反應過程目視觀察
1. BR振盪反應定性觀察:實驗發現當添加4M的雙氧水後, BR振盪剛開始是藍色,慢慢變為無色,隨後變回琥珀色,接著很快又變回藍色,周而復始;無色、黃色出現維持的時間較短,根據反應機構預測,其中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,屬於快反應;藍色出現的維持時間較長,應該是碘分子與丙二酸發生的取代反應,產生碘離子與2-碘丙二酸反應,屬於慢反應。振盪顏色變化的目視記錄圖如下:
圖12:不同雙氧水濃度下BR振盪顏色變化的目視記錄圖
2. 振盪週期的變化觀察統計:反應接近終了,反應物濃度因消耗而降低,振盪速率變慢,每一次的振盪周期時間越拉拉長。
3. BR振盪反應過程中,除顏色呈現藍色、無色;琥珀色反覆性週期性改變外,過程中產生了氧氣,因是自發性的氧化還原反應,反應過程中樣本瓶的溫度呈現上升趨勢,振盪反應結束時,溶液呈深褐色,瓶口為紫色,且有濃濃的碘酒味。
二、 以可程式光電比色法監控振盪反應的結果觀察
1. 實驗發現:光電二極體偵測的光強度轉化成電壓,振盪過程中呈現週期性變化,以ARDUINO電位計量測的電壓介於0.00V~2.00V之間。下圖為光電比色法監測BR振盪中,光電壓隨時間的變化圖。
圖13:電壓隨時間的變化圖
2. BR振盪過程中以黃色燈泡作為光源,當溶液呈黃色時,黃光大部分穿透溶液,光電二極體轉換的光電流強,光電壓亦高,約當進入波峰位置;當溶液呈藍色時,黃光大部分被溶液吸收,光電二極體轉換的光電流強度弱,光電壓亦偏低,約當進入波谷位置;因此判定波峰為黃色,波谷區為藍色。振盪終了,振盪速率變慢,週期拉長,最終溶液呈不透光的混濁深綠褐色,因此光電壓下降。
3. 目視法、光電比色兩種方法測量振盪平均周期的變化(秒)比較表如下:
次數
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
平均
|
目視
|
6.2
|
5.8
|
5.4
|
5..2
|
5.3
|
5.2
|
4.9
|
5.5
|
5.2
|
5.7
|
5.5
|
6.3
|
6.5
|
7.0
|
8.6
|
10.4
|
6.2
|
光電 (秒)
|
5.1
|
5
|
4.2
|
4.6
|
4.7
|
4.7
|
4.5
|
4.6
|
5
|
5.1
|
5.5
|
5.6
|
6.1
|
7.1
|
7.6
|
9.5
|
5.6
|
兩種方法的振盪次數都是16次,大概10次的振盪週期長短相當一致,反應終了前的三次振盪隨著反應物耗損,濃度降低,反應速率變慢時間,振盪時間週期明顯拉長。
n 安全注意及廢棄物處理
1. 廢液的減毒處理:首先是Na2S2O3將碘分子還原成為碘離子,溶液的顏色由深褐色轉為透明無色,過程中產生的氣泡是部分未反應完的H2O2受碘離子催化分解,產生O2所致;滴入飽和的碳酸鈉溶液Na2CO3 ,可中和硫酸因而產生CO2氣體的褐色的泡沫。靜置後溶液變透明,杯底發現難溶於水的棕色沉澱,預估是錳的氧化物。相關反應式及反應過程圖如下所示
2. 實驗後的相關廢液,可依規定回收處理。
n 教師教學提示與建議
1. 微型攪拌子在傳統方型的比色管中不易平穩轉動,因此以相同體積4mL的圓柱型樣本瓶取代。比色管槽務必調整到適當位置,讓攪拌子平穩轉動攪拌。
2. Arduino IDE的程式庫已經內建電壓感測器,本實驗的輸出電壓值不大於2.0V,可以不接電壓感測器直接測量即可。
3. BR振盪反應顏色周期性的變化除了可以光電比色計監測電壓值的變化外,亦可以氧化還原電位計(oxidation-reduction potential,ORP)監測氧化還原反應過程中電位的變化。
n 參考文獻
廖旭茂(2022)。綠色創客-4:微型電磁攪拌器模組的設計、製作與應用。臺灣化學教育電子期刊,47。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=42118
賴新枝、葉世榮(2017)。科學探究與實作。易儀科技有限公司:新竹市。
Briggs–Rauscher reaction. (2022, Aug 15).Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction
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
貝采利烏斯的微粒理論
游文綺、胡景瀚*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
永斯貝采利烏斯(Jöns Jacob Berzelius,1779-1848),瑞典化學家,如圖一左所示。他於1813年發表這篇名為《關於化學比例的成因以及與它們相關的某些情況的論文:以及表達它們的簡短方法》的論文,英譯篇名為Essay on the Cause of Chemical Proportions, and on Some Circumstances Relating to Them: Together with a Short and Easy Method of Expressing Them.,如圖一右所示。原文自1813年起至1814年分5次連載,本文翻譯文中的第二部分 (Berzelius, 1813)。
圖1:永斯貝采利烏斯(左)和該文英譯版本(右)
(左圖片來源: Charles W. Sharpe, d. 1875(76)
右圖擷取自(N.d.). https://web.lemoyne.edu/~giunta/berzatom.html)
18世紀初,道耳頓的原子說揭開科學界原子研究的序幕。貝采利烏斯接受並發展原子說,並進一步提出「微粒理論」(corpuscular theory)。微粒理論的主張有以下三點:
第一點:兩種氧化物化合時,二者必須含有相同數目的氧,或是其呈現整數倍。如式1所示:
SO3 + CuO → sulphate of copper [式1]
在式1中,三氧化硫與氧化銅可以以一比一方式結合,因前者的氧是後者的三倍。
但是 SO3 + 2CuO 無法以一比二的比例結合,因為前者氧的數目和後者氧的數目並非整數倍。
第二點:用含硫的酸來中鹼性的氧化物的話,中和時所需酸的單位體積的倍數就是一體積的鹼中所含的氧的數目。
2SO3 + FeO2 → iron sulphate [式2]
3SO3 + FeO3 → iron persulphate [式3]
在式2中,SO3與FeO2以二比一方式結合,因鹼中氧數目為2。
在式3中,SO3與FeO3三比一方式結合,因鹼中氧數目為3。
第三點:一原子與氧化合的數目(或體積),決定其氧化物會與多少數目的硫化合。
以式2、式3為例,1體積的 FeO2和FeO3 氧化物含氧數目分別為2和3,這兩氧化物會分別與2和3體積的SO3化合(或S化合);1個鐵原子分別與2和3體積的氧化合(亦即FeO2和FeO3),其氧化物會分別與2和3體積的SO3化合(或S化合)。
微粒理論彌補當時原子說的不足,可以解釋更多的化合反應,除此之外,以字母表示原子、現代分子式的表達都源於貝采利烏斯所建議,最重要的是貝采利烏斯以氧當作標準(氧重訂為100),測定四十多種元素的原子量,氧和硫的質量分別15.07和30.29(氫的質量為1),與現代的原子量數值相當接近。
n 前言
貝采利烏斯在1813年的文章《關於化學比例的成因以及與它們相關的某些情況的論文:以及表達它們的簡短方法》中指出,要回答: 「為甚麼兩種物質(bodies)結合時,相同質量的第一物質與第二種物質結合的質量總是特定的倍數比例[1]呢?」這個問題的最簡單的答案,就是這些物質都由數個原子或分子所組成,結合時以1比1、2、3或4等比例發生。他也指出英國的道耳頓(Dalton)是第一個建立這個假說的人。
n 微粒理論的起源
貝采利烏斯在實驗中碰到一些用道耳頓的假說無法解釋的現象,鐵燃燒時只能和兩種數量(或體積)的氧結合,其中的一種氧化物的含氧量是另一種氧化物的1 倍[2]。貝采利烏斯指出後者是鐵的不完全氧化所造成的。道耳頓的原子理論指出,如果A和B原子有兩種組合方式,其結果一定是AB和A + 2B或AB和2A + B的組合;如果有三種組合方式,其結果一定是AB、A + 2B、和2A + B的組合。因為道耳頓的原子理論無法合理解釋氧化鐵的實驗結果,貝采利烏斯提出一個他認為可以完全解釋這些現象的定律,稱之為「微粒理論」。
n 微粒理論的概述
貝采利烏斯將原子分為兩類:1.基本原子(elementary atoms)及2.化合原子(compound atoms)[3]。化合原子又分三類:(1)由兩種基本物質(elementary substances)組成的一次化合原子(compound atoms of the first order),(2)由超過兩種基本物質組成的有機原子(organic atoms),(3)由兩種或多種化合原子組成的二次化合原子(compound atoms of the second order)。微粒理論指出,原子(atoms)是物質組成的最小部分,無法再被分解。微粒理論假設所有的基本原子都是球狀的,而且大小都一樣,如此才能並排成為整齊的化合原子。然而化合原子不是球狀的,由A + 3B 組成的化合原子應該比A + B組成的化合原子大,前者應為三角形或三角錐,後者應為直線。
根據微粒理論,一個基本原子最多可以與12個一樣大的基本原子接觸,因此一次化合原子的最大化合原子數目為A + 12B。如果考慮原子的電極性,一個A原子最多只能結合9個B原子(A + 9B)。此外,貝采利烏斯認為一次化合原子中必有一個成分是單一原子(AB、A+ 2B等)。如果由2或更多的A原子和2或更多的B原子結合,像是2A + 2B、2A + 3B或7A + 7B就不會發生,因為這些一次化合原子可以輕易地分裂成兩個或更多個部分,這一點他的看法和道耳頓一樣。
貝采利烏斯也討論給呂薩克(Gay-Lussac)的氣體化合體積定律,但是他只強調反應物的體積之間的比例[4]。很顯然他並沒有注意到亞佛加厥(Avogadro)在1811年發表的論文[5],不過他提到,反應物的體積之間的比例關係,這與固體中的定比關係及道耳頓的原子說是相同的[6]。或許因為給呂薩克所做的實驗中,至少有一個反應物是1倍體積,他確信像2A + 2B這樣的化合不會發生。
貝采利烏斯的理論以氧原子為核心,[7]他指出,當兩種氧化物化合時,二者含有相同數目的氧,或者其中一個氧化物的氧的數目是另一個氧化物的整數倍。例如:設O為氧,A和B是兩種可燃燒元素,當兩種氧化物結合時,A+3O會和1 倍的BO結合,因為這樣的結合前者的氧數目是後者的2倍。然而A + 3O和B + 2O,無法以一比一比例結合,因為氧的數目不是整數比。
n 微粒理論的應用
貝采利烏斯認為黑色的氧化銅含1個銅原子和2個氧原子(作者認為其實是一氧化銅),三氧化硫(原文為sulphuric acid) 含1個硫原子和3個氧原子。其化合物必定含有1倍的三氧化硫和3/2倍的氧化銅(讓反應物的氧的數目相同),反應式為:
SO3 + 1.5CuO2 → 銅的硫氧化物 (subsulphate of copper) [式4]
另一個例子是紅色的氧化鐵(Fe2O3)和黑色的氧化亞鐵(FeO),他認為前者含3體積的氧(FeO3),而後者含2體積的氧(FeO2),根據他的理論二者混合必須以4/3比1的比例進行,如式5所示。
4/3 FeO3 + FeO2 [式5]
前者所含的氧原子數目是後者的兩倍。從今人之見,他推測的反應式可能如式6所示。
Fe2O3 + FeO → Fe3O4 [式6]
貝采利烏斯將氧的相對質量訂為100,再決定其它氣態基本物質相對於氧的質量。他認為:如果一原子與2或3體積的氧化合,那麼同樣地它也會與2或3體積的硫化合。如果一個鹼性的氧化物(salifiable oxide)包含2或3體積的氧,用含硫的酸來中和它的話,那麼中和時所需的酸的體積的倍數就是1體積的鹼中所含的氧的數目。因為鹼性氧化物含有數個體積的氧,中和物應含有1體積的鹼性氧化物及在鹼中氧的數目一樣多倍數體積的酸。因此,氧化亞鐵和三氧化硫的中和反應如式7所示。
2SO3 + FeO2 → iron sulphate [式7]
後者的O和前者的S數目才會相同。從今人之見,他觀察到的可能如式8所示。
SO3 + FeO → FeSO4 [式8]
他觀察到的氧化鐵與三氧化硫的中和反應可能如式9所示。
3SO3 + FeO3 → iron persulphate [式9]
在貝采利烏斯的這兩個反應中,酸中的氧數目都是鹼的氧的數目的3倍。從今人之見,他討論的反應可能如式10所示。
3SO3 + Fe2O3 → Fe2(SO4)3 [式10]
這裡貝采利烏斯似乎自我矛盾,因為同樣的推論也可以應用在前述的SO3與CuO2的反應。不過他也推測兩個符合這個規則的反應式[8],如式11和12所示。
SO3 + CuO → CuSO4 (sulphate of copper) [式11]
2SO3 + CuO2 → CuS4O8 [式12]
根據貝采利烏斯的推測,氫和硫的質量分別是氧1/15.07的和2.01倍,這與現代的原子量數值相當接近。然而,他推測的氟的質量只有正確值的一半,鐵、鈷、鎳、銅、鋅等原子的質量都大約是正確值的兩倍。貝采利烏斯推測的原子質量列於表一中,表中的原子乃依照他的電化學二元論,從最負電性(electronegative)到最正電性(electropositive)的順序排列。我們也將貝采利烏斯、亞佛加爵、道耳頓及現代週期表的相對於氫原子的相對質量列於表一中。
表1:貝采利烏斯、亞佛加厥、道耳頓及現代週期表的原子相對質量,括號中的是現代週期表中不同於貝采利烏斯的原子符號。
貝采利烏斯 (氧重為100) |
貝采利烏斯 (相對於氫) |
亞佛加厥 |
道耳頓 |
現代週期表 |
|
O |
100 |
15.07 |
15.074 |
7 |
15.87 |
S |
201 |
30.29 |
31.73 |
13 |
31.81 |
P |
167.512 |
25.24 |
9 |
30.72 |
|
M (Cl) |
139.56 |
21.03 |
33.91 |
|
35.17 |
F |
60 |
9.04 |
|
18.85 |
|
B |
73.273 |
11.04 |
|
10.72 |
|
C |
75.1 |
11.32 |
11.36 |
5 |
11.91 |
N |
79.54 |
11.99 |
13.238 |
5 |
13.90 |
H |
6.636 |
1 |
1 |
1 |
1 |
As |
839.9 |
126.57 |
|
74.03 |
|
Mo |
601.56 |
90.65 |
|
95.19 |
|
Ch (Cr) |
708.045 |
106.70 |
|
51.59 |
|
Tn |
2424.24 |
365.32 |
|
182.38 |
|
Sb |
1612.96 |
243.06 |
|
120.79 |
|
Te |
806.48 |
121.53 |
|
126.59 |
|
Ti |
1801 |
271.40 |
|
47.49 |
|
Si |
216.66 |
32.65 |
|
27.87 |
|
Rh |
1490.31 |
224.58 |
|
102.09 |
|
Pt |
1206.7 |
181.84 |
100 |
193.53 |
|
Au |
2483.8 |
374.29 |
140 |
195.41 |
|
Pa (Pd) |
1407.56 |
212.11 |
|
105.58 |
|
Ag |
2688.17 |
405.09 |
198 |
100 |
107.01 |
Hg |
2531.6 |
381.49 |
181 |
167 |
199.00 |
Cu |
806.48 |
121.53 |
123 |
56 |
63.05 |
Ni |
733.8 |
110.58 |
|
58.22 |
|
Co |
732.61 |
110.40 |
|
58.46 |
|
Bi |
1774 |
267.33 |
|
207.32 |
|
Pb |
2597.4 |
391.41 |
206 |
95 |
105.58 |
Sn |
1470.59 |
221.61 |
|
117.77 |
|
Fe |
693.64 |
104.53 |
94 |
38 |
55.41 |
Zn |
806.45 |
121.53 |
56 |
64.86 |
|
Ma (Mn) |
711.575 |
107.23 |
|
54.50 |
|
Ce |
1148.8 |
173.12 |
|
139.01 |
|
Y |
881.66 |
132.86 |
|
88.20 |
|
Al |
228.025 |
34.36 |
20 |
26.77 |
|
Ms (Mg) |
315.46 |
47.54 |
|
24.12 |
|
Sr |
1418.14 |
213.70 |
46 |
86.92 |
|
Ba |
1709.1 |
257.55 |
|
136.24 |
|
Ca |
510.2 |
76.88 |
|
39.76 |
|
So (Na) |
579.32 |
87.30 |
|
22.81 |
|
Po (K) |
978 |
147.38 |
|
38.79 |
n 貝采利烏斯的其他貢獻
在1800年前後,科學家以圖形符號來代表原子,貝采利烏斯則建議以字母來表示原子。現代元素符號中有許多如O、N、C、P、S、H、Fe、Co、Ni、Cu、Zn …等都是貝采利烏斯建議的。現代分子式的寫法也源於貝采利烏斯,不過他用的數字是上標,例如SO3、CuO2 等。
n 附註
[1] 即倍比定律。
[2] 現在我們知道這兩種化合物是氧化鐵(Fe2O3)和氧化亞鐵(FeO)。
[3] 即分子。
[4] 給呂薩克的氣體化合體積定律指出,氣體化合時反應物及產物氣體的體積為簡單整數比。
[5] 可參考Avogadro, A.(2015)。論述關於測定化合物中基本分子的相對質量,以及它們在化合物中的比例之方法(胡景瀚譯)。臺灣化學教育,8。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=8469(原著出版於 1813 年)
[6] 原文:Hence there is no other difference between the theory of atoms and that of volumes, than that the one represents bodies in a solid form, the other in a gaseous form.
[7] 這與貝采利烏斯的「電化學二元論」(electrochemical dualism)有很大的關係,該理論將分子分為鹼的氧化物(例如CuO)和酸的氧化物(例如SO3)兩類,分子的化合就是酸鹼中和。
[8] 產物的化學式為本文作者所加。
n 參考文獻
1. Berzelius, J. J. (1813). Essay on the cause of chemical proportions, and on some circumstances relating to them: Together with a short and easy method of expressing them. Annals of Philosophy, 2, 443-454.
目 錄
n 主編的話
l 第五十一期主編的話/邱美虹〔HTML|PDF〕
n 本期專題【專題編輯/李賢哲、陳皇州】
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程內容介紹/李賢哲、陳皇州〔HTML|PDF〕
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:高雄大學普化實驗實施 / 李頂瑜〔HTML|PDF〕
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:高醫醫化系普化實驗室之設計與化學實驗之整合/李建宏、林淑芬、陳慧芬〔HTML|PDF〕
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:中原大學化學系普通化學實驗室之規劃與特色/莊敬、陳志德〔HTML|PDF〕
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:彰化師範大學普通化學實驗教學/楊水平〔HTML|PDF〕
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:東海大學化學系普化實驗室及特色介紹/楊俊豪、劉信宏、張仁宗、吳明珠、郭珊綺、杜澄達、賴英煌〔HTML|PDF〕
l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:國立屏東大學應用化學系之普化實驗室規劃/鍾旭銘〔HTML|PDF〕
n 專書介紹【專欄編輯/邱美虹】
l 「丈量人類世」書外篇(Beyond the Book of “Anthropocene”)/陳竹亭〔HTML|PDF〕
n 課程教材/化學小故事【專欄編輯/楊水平】
l 庫普曼的傳奇故事/游文綺、胡景瀚〔HTML|PDF〕
n 課程教材/化學小故事【專欄編輯/鐘建坪】
l 徐壽與傅蘭雅的元素名詞:清末中文元素名詞命名沿革/張澔〔HTML|PDF〕
n 新知報導/化學活動推廣【專欄編輯/林靜雯】
l 從科學理論到科學傳播的距離究竟有多遠- 慶祝IYBSSD臺灣系列活動-「科學X永續」彩繪列車 /邱美虹、 陳育霖、趙奕姼、林卉婷、賈志達〔HTML|PDF〕