臺灣化學教育

創意化學實驗：探究與實作綠色化學系列課程：
防火志工活動與用火安全科學關卡

周芳妃¹*、詹莉芬¹、張永佶¹、陳祖望¹、吳淑芳¹、蕭琬莉¹、朱昱蓁¹

¹臺北市立第一女子高級中學
*[email protected]

 

n  前言

北一女中從民國99學年度起即開始開設高一跨班的跑班選修，當時北一女化學科也就開始發展探究與實作課程，並且長期耕耘發展符合綠色化學精神的高中化學實驗教材教法，同時創新化學科相關課程的學生成果發表方式，利用每年校慶舉辦化學宅急便的科學闖關活動，課程設計與科學關卡活動不斷演進，屢受好評之外並也對於台灣的科學紮根教育有深遠的影響。北一女化學科團隊以「綠園化學使節團」為使命，以「綠野仙蹤–化學宅急便」之名，榮獲104學年度教育教學卓越金質獎。迎向108課綱之際，北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統(如圖1)：

l   現行化學科課綱實驗課程：減廢減量與替代實驗研發。

l   多元選修特色課程(高一跨班選修，一學期)：綠色化學百寶變與創意小論文設計。

l   108課綱試行課程(高一跨班選修，一學期)：探究能量與跨科實作，自然科跨科開課。

l   化學實驗研究社(高一高二聯合社團，一學年)：防火志工活動與用火安全科學關卡。

第一項課程系統提及實驗減廢減量與替代實驗研發，國內許多第一線的高中化學老師都投入很多時間指導學生，教育部也在103學年度起(2014年)開展的新平台，「綠色化學創意競賽–綠色化學教育網」，讓高中職學生可以透過友善的競賽平台來發表研究作品。第二、三項課程系統的發展過程已經歷經8年，相關研發與設計方法已發表在本刊第13期(2016年6月)的文章：「化學探究教學：融入綠色化學與化學探究課程設計」，目前並在校內擴大學科參與，延伸為自然科跨科開課系統。而化學科開設的多元選修特色課程：「綠色化學百寶變與創意小論文設計」，乃使用教育部「綠色化學創意競賽」辦法為腳本，設計出一學期的四階段教學策略，也提供給教育部108課綱數理資優課程的教學模組範例。第二、三項課程系統的大綱與簡介均可在北一女學校首頁的12年國教特色課程網頁中搜尋。

 

圖1：北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統

 

化學物質在我們生活中隨處可見，如何讓生活環境更安全更便利，化學物質的妥善運用，就相當重要，而綠色化學教育更是首要。在綠色化學教育推廣的層面，從高中階段開始，已逐步的在化學教育中融入綠色化學的概念及原則，開發學生對於化學的全新想像，對學生的化學知識啟發有很大的功用。近年來臺灣大型化學災害事件頻繁，例如高雄氣爆事故、八仙塵爆事件、泰豐輪胎大火、敬鵬桃園廠惡火，帶來大量人數傷亡，也造成許多英勇的消防員殉職，令人悲痛。在消防通報方面，學校實驗爆炸，水果攤商的電土爆炸、家庭廚房火災意外等也是頻頻傳出，令人憂心不已。

有感於一般民眾在中學求學階段應有基本的用火安全知識，北一女化學科於是整合社會資源，與台灣女科技人學會(TWiST)合作策劃國際活動之際，就結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量，一起與台北市政府消防局、北一女化學科團隊、瑞德感知科技(股)公司(HEX)共同合作，創辦出全新的第四項課程：「防火志工活動與用火安全科學關卡」。透過消防專家與化學老師合作指導，協助提供志工學生事先具有完整的培訓課程與實務演練。課程發表的宣傳活動口號為：「少女防火志工帶你玩實驗，消防專家帶你玩設備！」，在2017年的元宵節當日，也恰是2月11日，臺灣首度響應「國際女科日」之際，在臺北市防災科學教育館中完成「第一屆少女防火志工」活動(如圖2)，大力協助民眾在用火安全及消防上的認知與學習，活動非常成功。因此在106學年度積極成立學生社團：「化學實驗研究社」，以延續課程並積極培養人才。下文將先介紹數個用火安全科學關卡的實驗內容，再進一步說明整體課程設計與活動推廣方式。

 

圖2：北一女化學科結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量。在2017年2月11日完成「第一屆少女防火志工」活動。

 

n  用火安全科學關卡的實驗內容

目前開發成為「可攜式」並執行成功的用火安全關卡實驗範例如下表，關卡名稱：酒精蒸氣會爆炸、製作酒精凍、酒精凍燒糖、黑煙哪裡來、高效能燃燒。其中黑煙哪裡來與高效能燃燒的實驗照片如圖3所示：

服務宗旨：用火安全人人有責
關卡名稱	科學概念	關卡執行(操作方式)	叮嚀小語(現場說明)
酒 精 蒸 氣 會 爆 炸	可燃物氣體非常容易引起爆炸	少女防火志工先在養樂多罐裡面的加入兩滴酒精，套上電子點火槍之後，接著把養樂多罐放在溫水裡面，這時候罐子內的酒精就蒸發變成氣體，罐子內有酒精蒸氣與空氣混合物，點燃之後會有什麼變化呢? 點火! ((擊發))。	酒精蒸氣與空氣混合後，一點燃，爆炸產生的高溫高壓氣體使養樂多罐快速飛出。當酒精蒸氣與空氣混合後，是非常危險的，千萬要避免接觸火花， 平時也不可以把酒精儲放在高溫的環境中。
製 作 酒 精 凍	應避免可燃物液體潑灑，以免引起火災的擴散。	將醋酸鈣飽和溶液與酒精以特定比例混合，將酒精液體做成固體酒精凍，表演開始，一瞬間液體酒精變成固體了。	液體酒精萬一被打翻，容易潑灑漫延，引起火災的時候，更是一發不可收拾。但是，若把酒精做成固體，可增加燃料運輸及使用的安全性，大大提高用火安全。
酒 精 凍 燒 糖	認識燃燒三要素，以及影響反應速率的因素。	先將自製的固體酒精放在鋁罐上面，再放一顆方糖，把固體酒精點燃，也準備觀察上方的方糖也易燃燒的現象。	各種食品也都是可燃物，乾燥的食品粉末，因為顆粒很小，也都變成很危險的易燃物。台灣曾經發生悲慘的八仙塵爆事件，就是「玉米粉」被點燃所造成的爆炸現象。
黑 煙 哪 裡 來	烴類氣體的缺氧燃燒反應。	利用碳化鈣遇水會發生快速的反應，產生易燃性的乙炔氣體，乙炔是碳氫化合物，難溶於水，計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為一半，使收集到氣體為體積比1:1的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。	家用瓦斯或是汽油都是碳氫化合物，碳氫化合物氣體在缺氧環境中，燃燒反應途徑非常複雜，容易產生大量有毒黑煙，黑煙是火災現場造成人員死亡的第一殺手。
高 效 能 燃 燒	烴類氣體的足氧燃燒反應。	實驗步驟與上述「黑煙哪裡來」相同，但是設計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為八分之一，其餘八分之七的瓶內空間為空氣，使收集到氣體為體積比1:7的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。	碳氫化合物氣體在充足氧氣環境中，燃燒反應非常快速並容易引起爆炸。平時居家使用或工程施工都要特別注意瓦斯管線的維護與保養。 電石（CaC2）遇水會發生快速的反應，產生易燃性的乙炔氣體，因此平時必須將電石小心收藏在乾燥的地方。

圖3：黑煙哪裡來與高效能燃燒的實驗照片

 

n  實驗器材試劑與步驟

用火安全科學關卡的實驗是整合了高中課程中與燃燒反應有關的實驗，並加以調整修改，成為「可攜式」的關卡實驗。相關實驗的器材試劑與步驟(如圖4)，可參考下列網頁影片與文章：

一、酒精蒸氣會爆炸：

l   禮炮 ~蕭次融老師化學實驗演示– YouTube，教育部中央團自然與生活科技，科學實驗操作研習(2013年2月)。https://www.youtube.com/watch?v=pmpHat0o_sg

二、製作酒精凍與酒精凍燒糖：

l   當藝術遇見化學：結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中，本刊第22期(2017年11月)。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=25793

三、黑煙哪裡來與高效能燃燒：

l   「碳」為觀止─烴類燃燒反應與碳簇概述，科學月刊第482期(2010年2月)。

l   奈米碳來排隊–科普實驗影片– YouTube，教育部高中課程化學學科中心(2013年4月)。https://www.youtube.com/watch?v=JTNbXxxbNIY

圖4-A：酒精蒸氣會爆炸相關實驗的器材試劑

 

圖4-B：製作酒精凍與酒精凍燒糖相關實驗的器材試劑

圖4-C：相關實驗的器材試劑：圖中紅色盒子試婚禮會場使用的響砲玩具，防火志工在做服務教學時也可先以響砲說明燃燒爆炸現象。

 

n  廢棄物處理和安全注意事項

實驗裝置下方可鋪設鋁箔紙，或是使用金屬盤盛裝。志工操作時應配戴護目鏡與配戴布手套來點火。實驗完畢的固體廢棄物先集中到水槽中集中清洗，可用熱水洗去焦糖，固體丟棄於垃圾桶，溶液皆稀釋排放即可。

n  整體課程設計與活動推廣

2017年第一屆課程在105學年度的寒假時由化學科老師公佈招生，但短短一周內就有北一女38位同學馬上報名，在過完農曆年之後，這群女孩馬上到學校參加志工培訓，我們稱這群女孩為中華民國第一屆少女防火志工(如圖5)，包含了中高三7名，高二20名，高一11名。

(A)

(B)

圖5：第一屆少女防火志工與培訓活動

「少女防火志工帶你玩實驗，消防專家帶你玩設備！」防火志工課程的推廣活動分為兩階段：一階段由志工進行服務教學，內容包含「用火安全科學關卡」與「用火安全海報講解」。另一階段是消防專家帶領志工與民眾一起在防災科學教育館內家進行設備演練。第一屆活動花絮如圖6所示：

圖6-A：防火志工的推廣活動：用火安全科學關卡

圖6-B：防火志工的推廣活動：用火安全海報講解

圖6-C：防火志工的推廣活動：進行設備演練

n  薪火相傳

首屆「少女防火志工」的北一女高一同學們返回校園後，半年內就積極成立「化學實驗研究社」，簡稱「化研社」，成立宗旨除了在校園內召集愛做化學實驗的同好，也希望在校園中永續發展「少女防火志工」的課程，並培訓學妹們成為更多屆的「少女防火志工」。首屆社員共24人，由校內化學老師們聯合指導。透過北一女校慶化學宅急便嘉年華科學闖關活動，以及臺灣女科技人學會辦理的國際女科日系列活動中，將「用火安全」及「消防知識」推廣給民眾及中小學學生。

第二屆少女防火志工活動名稱為「國際女孩與女科技人日系列活動」：119 你我他–少女防火志工與打火程式設計」，活動內容包含消防領域的專題演講、科技防災專區闖關積分賽與打火程式設計動手做積分賽。另一方面，首屆少女防火志工並且是北一女化研社社長的朱昱蓁同學，花費了大半年的中午與課餘時間，孜孜不倦不斷繼續研究「黑煙哪裡來」的關卡實驗內容，因而發現建築物裡通道設計有可能使火焰自動熄滅並停止產生黑煙，以「煙滅火絕」科展作品榮獲2017年旺宏科學獎銀牌獎(如圖7)，因此也首次在少女防火志工活動專題演講中安排了這件科展作品的分享。在此節錄一位高一女學生分享的心得，也記錄這一整日活動剪影如圖8。

由於2017年第一次響應國際女科日活動帶來全省許多科技與教育單位的關注，因此第二屆少女防火志工活動除了維持培訓與執行推廣活動，也多了一項機會獲邀在2018 國際女科學日系列活動的記者會，做「用火安全科學關卡」的系列表演，也登上幾家新聞媒體的報導，使「用火安全」科學關卡得到更多民眾的關注(如圖9)。

圖7：「煙滅火絕」實驗照片。(2017年旺宏科學獎得獎作品)

 

圖8-A：第二屆少女防火志工活動：籌備與培訓課程

圖8-B：第二屆少女防火志工活動：點燈開幕與專題演講活動剪影

圖8-C：第二屆少女防火志工活動：實作課程剪影

圖8-D：第二屆少女防火志工活動：學員心得

 

圖9：2018國際女科日系列活動的記者會，北一女少女防火志工受邀在大會表演實驗，演示主題為「用火安全科學關卡」。

n  致謝

這次撰文主題雖是創意實驗課程設計，但不只是介紹良好設計的實驗如何操作，而更希望除了落實探究實作綠色化學實驗之外，也分享很多創新課程的設計方法的學習策略。在忙碌的教學工作之餘，我們也不斷思考著高中化學教育與社會安全責任的連結。在此，感謝台灣女科技人學會宋順蓮會長積極構築平台，籌錢籌人大力整合了官方、產業、學術、教育與企業家，使得台灣高中生有機會成為懂科學、用科學的「防火志工」。在此，也感謝台北市政府消防局諸多長官，台北市防災科學教育館莊啟忠館長、中華民國消防設備師公會全國聯合會名譽理事長高士峯博士與HEX瑞德感知公司林筱玫總經理，協助邀請了消防領域的許多專業人士來協助高中化學教育，大力提供社會資源與平台給予高中生社團的學習與服務機會。最後希望化學教育的伙伴們一起發揮化學教育的力量，期待透過年年傳承防火志工活動，把非常重要的火安全與消防觀念深紮在校園課程及推廣給更多人，避免許多火災爆炸事件的發生，保障更多人的身家安全與財產。

 

註：經由北一女防火志工課程推廣效應顯著，桃園市政府在大力撥款籌建防災科學教育館完工之後，也於107年開始創辦全國「防災科學創意海報實作競賽」，今年暑假熱鬧登場。