臺灣化學教育

中學化學App教材與教學：滑手機做實驗

陳斾玎

國立花蓮女子高級中學
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n  前言

一般高中教師欲進行化學實驗時，常常會遇到課堂不足、儀器老舊、經費短缺、安全顧慮等問題，因此不論在定性或定量實驗方面，常存在著諸多的限制，這些不便，導致學生咸少有動手做實驗的機會。即便現今的教育現場出現越來越多可攜式的數位實驗設備，方便帶到教室內進行，但是放學離開校園後，便很難再接觸到實驗，學生很難將實驗的探究精神落實在生活之中。

隨著手機日漸普及，以往危險性高而難以執行，或是需要特定儀器才能操作的實驗，皆有可能透過手機APP的模擬實驗 (例如燒杯APP)，或是利用手機內建的感應器 (例如氣壓計、光照度計)，搭配合適的APP，進行實驗測量與分析。以下將簡單分享筆者在課堂上使用燒杯、氣壓計、光照度計三種免費手機APP應用於教學及心得。

n  燒杯APP簡介與課堂模擬實作體驗：

2015年蘋果公司在Apple Store公佈的最佳APP名單中，燒杯(beaker)獲選為『最具創意的APP』的手機程式，驚訝四方^1,2,3。此款軟體介面如同名稱一般，將手機畫面變成燒杯，讓使用者可在手機上進行化學反應。開啟這個App後，使用者可以自由選擇欲加入的藥品(有150多種藥品可選)，即可能發生『化學反應』，比如燃燒、爆炸、沉澱、變色…等，除了有畫面之外，更有音效，螢幕上還會顯示反應式(內建約300多條反應式)。『燒杯』實驗結束後，不用清洗，只要將手機傾斜，就能把藥品『倒掉』，相當新奇。此App 亦提供android 系統手機體驗的App，燒杯(beaker)手機App圖示及連結如下：

下載網址：Google play,https://goo.gl/GipR5a

除了一般的固態、液態藥品可以選擇外，還有加熱、點火等功能，另外更支援手機連線，可以將藥品由一支手機『倒入』另一支手機，詳細介紹及操作，可參考上列連結。下圖為部份部分實驗畫面展示，左至右分別為：酸鹼指示劑、燃燒、焰色。

圖1：「燒杯」實驗畫面截圖

由於此應用程式並非針對特定主題，故在課堂簡介後，便開放學生分組自由使用，接著分享發現。有趣的是課堂上手機數量甚多，常常出現有人倒掉藥品，卻被附近手機接收之窘況，這是手機連線功能在設計時沒有想到的問題吧！下圖為學生操作情況。

圖2 ：燒杯APP體驗學習

n  手機內建感測器簡介

一般手機除了通話外，還有定位、照相、辨識(例如指紋辨識、虹膜辨識)等功能，這些豐富功能歸功於手機內建多樣感應器，搭配使用可達到更佳效果，像是相機對焦就需要距離感測器、環境光度感測則可辨識是否需開閃光燈。茲將感應器依照常用功能分類如下：

一、   相機相關：距離感測器、環境光源感測器

二、   屏幕方向切換：重力感測器、加速度感測器、磁感測器、霍爾感測器

三、   手機定位與導航：GPS、氣壓感測計、陀螺儀

四、   健康相關：加速度感測(計步器)、心率感測、血氧感測、紫外線感測

(以上感測器為參考各家手機主要功能後條列，詳細配件則依照手機規格、等級而有不同)

透過多項感測器結合，使手機能達到預期使用目的，反過來講，由於感測器確實存在，亦可透過特定APP將其感測數據連結並由螢幕顯示，作為隨手可得之實驗儀器，無須成本(部分APP須付費，但通常可找到較初階的免費版本)，教師即可進行相關課程設計，融入實驗教學之中。

n  氣壓計APP的介紹與波以耳定律實驗教學

氣壓計APP分為確實感測氣壓，與透過GPS定位接收氣壓數值兩種，由於手機系統差異，學生可以搜尋下載後，放入真空保鮮盒抽氣檢驗，同時培養自己找尋適合程式的能力。筆者使用的APP圖示及連結如下(ios系統)：

下載網址：https://goo.gl/sxuC3J

波以耳定律主要探討定量氣體在定溫下，氣體壓力與體積的關係，過去物理科使用的是一端封閉的J型玻璃管，內裝水銀，利用兩端水銀面的高度差來量測氣壓。由於玻璃器材造價較高，且易脆，使用的水銀藥品是管制品，且有安全疑慮，無法帶到課堂使用；化學科亦有相關氣壓測量裝置，不過是利用玻璃管內染色的食鹽水裝置，觀測水面的升降量來計算氣壓。當然時代進步，也可以使用一般的壓力計，甚至數位壓力感測器來進行氣體相關實驗。

本文透過手機安裝氣壓計APP作為氣壓感測器，再搭配真空保鮮盒及針筒，即可簡易、快速完成波以耳定律的驗證。實驗使用器材及步驟如下：

一、實驗器材：

智慧型手機(安裝氣壓計APP) 1台、真空之保鮮盒及抽氣棒(640mL以上) 1組、2或3號橡皮塞1個、5mL塑膠針筒1支、10mL塑膠針筒1支。

二、實驗步驟：

1.   將塑膠針筒拉至2mL位置，用橡皮塞封住開口端。

2.   打開氣壓計APP，關閉螢幕保護程式後，將手機連同塑膠針筒一同置入可抽真空之保鮮盒內，相關實驗裝置如下圖所示。

圖3：波以耳定律實驗裝置

3.   紀錄起始氣壓及體積後，利用抽氣棒抽氣，讀取氣壓計讀數及塑膠針筒內氣體體積數值，最少紀錄8組數據，再以氣體壓力P(atm)分別對氣體體積V(L)及體積倒數(1/L)作圖。

4.   重複上面三個步驟，並將起始體積改為3mL。

三、課堂實況與使用心得：

透過生活可得的器材，做出化學課本上的實驗，學生備感新奇。本次課程搭配其他氣體定律相關實驗進行，由於數據取得容易，故要求學生每個起始體積都做8組以上的數據。各組需自備筆電，或直接利用手機計算機來處理數據；經作圖後，可以發現正比、反比的趨勢皆非常明顯，其中正比的線性回歸線R平方值高達0.99以上。下圖為學生操作實況：

圖4：學生進行波以耳定律實驗情形

早期教到波以耳定律時，除了直觀說明現象外，總是得花許多時間解釋J型管構造，甚至使用濃鹽水染色、搭配透明水管模擬J型管演示實驗，但水柱高度需轉換壓力單位、開口端需加上大氣壓…等，往往造成學習上的困難。現在只需打開手機APP並置於密閉空間，透過抽氣過程，不僅可以觀察到體積的變化，還可以直接讀取各種不同單位的壓力數值，省卻了單位換算，非常方便。缺點是目前尚未找到簡易增壓裝置，所以僅用於減壓實驗驗證波以耳定律。

n  光照度計app應用於比色實驗

手機做為光學儀器，如照度計、手機顯微鏡…等，並非新聞，搜尋APP時，更有多種搭配市售裝置的手機光譜儀。本次比色實驗使用非常初階的感光功能，相關適合的APP可輸入如照度計、感光計、光度計等關鍵字搜尋，可以找到不少的免費項目。筆者使用的「LUX」APP圖示及連結如下(ios系統)。

下載網址：https://goo.gl/f6uGYX

傳統的比色法實驗需用雙眼直視試管內的溶液，試管的下方則是日光燈管。不只實驗完成後學生會感覺『眼冒金星』，單憑肉眼判斷的實驗，精準度並不如想像中高！雖然手機並沒有直接分光的功能，我們卻可以透過光照度APP (以下簡稱照度計)，感測透過液體後的照度變化，改良比色法裝置。

由於筆者目前任教高二，尚未學習化學平衡，故本次實驗僅以照度計檢測有色離子(Fe³⁺)之濃度。其中標準液為0.2 M，未知液分別配置了0.1 M及0.05 M供學生測量。

一、實驗器材及藥品

智慧型手機(光源及照度計APP)2台、試管4隻、塑膠滴管1隻、黑紙(包覆比色管用)適量、0.2M(標準液)與兩種濃度低於0.2M之未知濃度的硝酸鐵溶液各6mL左右。

二、實驗步驟

1.分別將裝有未知濃度溶液試管及標準濃度(0.2M)試管以黑紙包覆。

2.先測量未知濃度試管：在試管的下方安置一支開了手電筒的手機作為光源，若亮度太高，可以中間隔著一張紙。請注意固定每次實驗時光源位置，以免影響實驗結果。

3.在上端使用另一支手機，打開照度計APP，並將感測鏡頭對準試管開口，測量光照度的數據。請注意每次測量時對準的位置需相同，以免影響數據測量。裝置如圖：

圖5：圖左直接用手機光源，圖右使用紙張降低手機光源強度

4.改以標準溶液做測量，並用滴管吸取溶液至光度至與未知液相等，打開包覆的黑紙，測量溶液高度比，並推算未知溶液的濃度。

三、課堂實況與使用心得：

單憑肉眼觀測，一般人可以明顯看出不同濃度的鐵離子溶液，其顏色的深淺差異，但無法說出正確的濃度。透過肉眼觀察並引入比色的概念後，學生大致可以接受液體高度與濃度的關聯，此時若引入照度計概念，學生就能更清楚的了解比色實驗的操作與原理。下圖為學生操作實況：

 

圖6：學生利用手機照度感測器及相關APP進行比色實驗

雖然照度計的精準度不如預期，但配置濃度落差較大(本次課程為：標準液0.2M、未知液分別為0.1M及0.05M)，學生仍可大致測量出溶液的高度比分別為1：2：4，從而推算出濃度關係，比起只有肉眼觀測，數據測量後的結果更有說服力。

實驗中比較麻煩的部分是手機光源、鏡頭都比較集中，所以些微的偏移就會有不一樣的結果，單人操作較困難，需要2~3位同學分工合作，才能順利進行，若能使用固定架，相信實驗會更精準。

n  結語

化學實驗是化學學習中不可或缺的部分，隨著科技進步，手機功能日益強大，能做的事早已超乎傳統想像；像過去，教師只能用真空保鮮盒演示壓力改變下，氣體體積的定性變化，卻無法帶學生做到氣體定律的定量分析；今日，在智慧型手機強大的功能輔助下，實驗的測量變得更方便，也更準確了。

享受科技便利的同時，借助科技，與時俱進，相信可以讓基礎科學實驗更貼近生活！

 

n  參考資料

1.          蘋果年度創新App：「Beaker」(民104)。數位時代。民108年1月，取自：https://www.bnext.com.tw/ext_rss/view/id/1140733

2.          實測2015年度最具創意APP：燒杯 BEAKER (民105)。Life生活化學。民108年1月，取自：https://www.lifechem.tw/blog/151205

3.          黃慧雯 (民105年)。3C小學堂：手機感測器好多種 5分鐘搞懂原理。中時電子報。民108年1月，取自：http://www.chinatimes.com/realtimenews/20160528001322-260412