化學科普活動與推廣:化學遊樂趣 – 鈣世硬雄 / 高憲章、林佑燐、陳逸書、譚均皓、蘇郁雅

星期三 , 12, 九月 2018 Leave a comment

化學科普活動與推廣:化學遊樂趣 鈣世硬雄

高憲章*、林佑燐、陳逸書、譚均皓、蘇郁雅

淡江大學理學院科學教育中心

*rogerskao@staff.tku.edu.tw

n  化學遊樂趣

化學遊樂趣活動,藉著化學車搭載化學教育的裝備在各地巡迴,已經累計超過四百場以上的活動經驗,服務超過五萬名的各地學子,受到各地師長的好評,在這許多年間,團隊參考了來自科技部、教育部以及眾多專業老師們的教案,嘗試精簡實驗時間與教學方式,配合科普雜誌與節目的編寫方式,設計了各種化學科普實驗以應用在化學車的活動中,在這段期間,各地縣市教育局也與科技部配合,推出各種科學相關的活動,期望能透過多元化地刺激,激起學生的學習興趣,自2015年起,科技部推出全民科學日活動,透過科普計畫向下紮根,以產官學媒合作的模式在每個縣市舉辦大型科普活動,鼓勵民眾走入科學的領域,化學遊樂趣工作團隊因應此特殊的活動模式,將經典的分析實驗改版為具有多層次,容易操作教學的實驗套組,團隊為這個實驗組命名為「鈣世硬雄」

n  水質硬度檢測

水質硬度並不是國高中教材中特別強調的一個水資源數據,在商店中所賣的瓶裝水,政府也未規定在營養成分標示表中列出水質硬度,即使是水質軟硬度稍有差異,口感不得人人都感覺得出來,對一般生活也不具有立即性的影響,然而,水質的硬度是自來水廠處理飲用水的標準之一,同時工業用水上也需要控制,以免造成意外。因此,化學車團隊所設計的鈣世硬雄實驗組,從水質硬度的來源與背景、對水質的影響、使用的量測方式以及水質硬度的標準都需要包含於這份實驗教案中,並能夠在大型的活動中進行實驗操作。

依據台灣行政院環保署環境檢驗所公告的水中總硬度檢測方法—EDTA 滴定法,以六牙基的螯合劑EDTAEthylenediaminetetraacetic acid ,簡稱EDTA)做為滴定試劑,以鈣鎂指試劑(Calmagite Indicator)做為滴定終點的指示劑,以氯化銨與氨水的組合做為緩衝溶液,檢測受測水質樣本的鈣鎂離子濃度,每次待測水質樣本體積約25毫升,並準備25毫升去離子水稀釋,實驗需配置0.01M EDTA的鈉鹽溶液作為滴定液,並以緩衝溶液使待測液之滴定終點pH值維持在10.0 ± 0.1,每次實驗在水質樣本中需加入1毫升緩衝溶液,加完緩衝液後再加入1毫升鈣鎂指示劑,即可利用配置完成的 EDTA 滴定液進行滴定。滴定同時輕晃三角燒瓶,直至淡紅色消失,當加入最後幾滴時,每滴的間隔時間約為35秒,正常的情況下,滴定終點時溶液呈藍色。當水質樣本總硬度低於5ppm而使滴定操作困難時,可增加水質樣本體積,依比例加入較大量之緩衝溶液及指示劑進行實驗。

為了讓國中學生容易明白滴定過程的邏輯,化學車團隊將螯合劑與指示劑分別擬人化,設計了一個具有六隻大夾子的狠角色來表達多芽基的螯合能力,將鈣鎂指示劑塑造為一個喜歡與金屬離子在一起的純情角色,當指示劑與鈣、鎂離子結合反應出開心的紅色,失去鈣、鎂離子後則會呈現憂鬱的藍色,而螯合劑、指示劑與金屬離子之間的愛恨情仇,用來表達滴定前後的顏色變化以及溶液中發生的化學反應(圖一)。在活動前的準備工作中,工作人員先行調配好滴定液的濃度,以及各種試劑需要的量,便能在短時間內,由學生測量學校的水質硬度,工作團隊並與化學產業合作,利用台灣默克提供的水質硬度試紙,作為滴定後結果比對的快速工具。

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圖一 鈣世硬雄滴定過程化學反應的四格漫畫

 

n  雲端、化學、做實驗

新北市全民科學日的活動,總共有來自新北市各地區共27所學校同時參加進行實驗,由於參加活動的學生人數眾多,較難找到能夠一次容納近千位學生進行實驗的場所,因此化學車的團隊利用新北市較高的網路涵蓋率,設計了利用網路串連實驗的活動方式,當設定好活動的日期後,首先於活動前一個月開始進行教師訓練,邀請各校承辦的的理化教師參與研習,除了解說鈣世硬雄實驗組的操作方式之外,並邀請業界的檢測專家為教師建立足夠的背景知識,確認所有實驗所需要的藥品器材,解說全民科學日的活動方式之後,讓教師們試做實驗,讓各校教師方便於活動日進行配合。在教師研習後到活動日的幾週內,工作人員開始著手準備所有參與學校的藥品與器材,並分批進行配送,將設備分配到各校的實驗室中準備迎接活動。

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圖二 2015年新北市全民科學日主場地位於新北市中心的忠孝國中

2015年新北市科學日活動時,工作團隊以新北市立忠孝國中做為主實驗場地(圖二),在主場架設舞台與指揮處、大型布幕與電腦投放系統、與鈣世硬雄實驗組所需的實驗設備,新北市的其他26所學校設定為衛星實驗場地,在衛星學校透過網路攝影機與遠端會議軟體將畫面傳送至主場地。在這個系統上,可以同時看到來自各地區學校所送來的訊號,同學在做實驗時,也能夠看到在其他地區的學生們也在進行一樣的實驗工作。實驗的結果數據資料庫放置於雲端,因此當各校每進行完一組水質樣本測試,就能立即將數據送至系統上,隨時與其他各地區的水質樣本結果資料進行比較,每個學校都會測試校內的自來水以及飲水機飲用水兩種不同的水質樣本,由各校視學生人數決定每一個樣品的資料數量。當所有參與活動的學校實驗都結束之後,透過雲端資料的統整,立即得到了來自每個行政區域不同學校校內自來水以及飲水機的水質硬度資料。新北市全民科學日的活動,利用網路的便利性與各校教師之間的合作,達成同時間多人多地區同步進行實驗收集數據的目標,本活動透過與科普傳媒合作,也製播成科普節目單元,透過電視與網路觸及更多學子(圖三)

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圖三 活動進行時也透過電視節目製作專輯播送

這次新北市全民科學日鈣世硬雄水質硬度檢測的活動,近千位師生參與實驗後的結果發現,在參與活動的27所學校中有過半的學校自來水是屬於硬度低於60ppm以下的軟水,僅有一所學校的自來水硬度是超過100ppm的極硬水(如圖四、圖五),學校建築物的新舊與水質硬度的關聯性不大,但是地理位置的影響就相當明顯,位於老舊工業區的學校、地勢較高的學校與自來水管線末端的學校,自來水的水質硬度較位於大台北集水地區的郊區學校高,此外實驗的結果也顯示,雖然新北市學校的飲水機大多有效的降低了水質的硬度,但是仍可以發現有部分學校飲水機用水的硬度居然比自來水高,藉著學生實驗的結果資料,提醒校方注意到校園飲水的管理問題,這倒是活動設計時所始料未及的意外收穫。

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圖四 新北市全民科學日鈣世硬雄各校自來水水質硬度實驗結果

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圖五 新北市全民科學日鈣世硬雄各校飲用水水質硬度實驗結果

n  科普列車活動

科技部與台灣鐵路管理局在2016年起開始合作,設計了「台灣科普環島列車全台走透透活動」,以一台列車用四天的時間行經全台19個火車站,每個縣市由當地執行科普計畫的團隊在車站與車廂上進行簡單的科學實驗或表演,與搭乘民眾互動,同時宣傳全民科學日,並利用此方式推廣科學至社會大眾,這是第一次台灣出現一個能夠有效帶起各地科普教育的活動,活動後受到各界的好評,2017年藉著一年前執行的經驗,科技部再次串聯各科普計畫,與台鐵合作進行科普列車活動,並由科技部統一規劃列車上的實驗體驗,台鐵的EMU500電聯車共掛有四節車廂,每個車廂的承辦單位都不同而各有特色,由第一節起分別由國家實驗研究院、遠哲科學教育基金會/臺南第一高級中學、中國化學會(淡江大學科學教育中心)以及台灣默克等幾個不同的單位來負責,四個不同屬性的車廂活動,代表了產官學研的攜手合作。

科普列車活動對於承辦單位的挑戰,除了上車乘客的年齡層複雜,影響活動教學教案設計之外,活動時間是這個活動設計上最困難的地方之一。每一段的活動時間由學生上車開始,進行到列車到達下個縣市的車站為止,隨著站與站之間的距離不同而使活動時間每一段都有差異。舉例來說,當列車由台北出發駛往新北市的板橋站,由於距離短暫,列車上活動時間只有7分鐘,但接著由新北市開往桃園需要25分鐘,由桃園開往新竹卻需要45分鐘,時間的差異將使得教學與實驗的內容都需要調整,列車空間與火車行使穩定度則是活動設計上的另一個困難點,列車上沒有固定的實驗桌設配,雖然有空調,但可以視為通風不佳的實驗空間,列車行駛時的晃動更使得化學實驗的操作受到極大的挑戰,無法使用太精細的實驗技巧,也必須避免在列車上使用過多的化學藥品與溶劑。

n  在行駛火車上做實驗

在短短時間內,讓這麼多來自台灣各地的人以同一個分析目標動手進行收集實驗數據,是一個極具魅力的科普活動挑戰,因此淡江科教中心的團隊再度選擇了鈣世硬雄實驗組來進行全台的水質硬度分析,為了讓沒有化學基礎,各種年齡層的上車民眾都能了解水質硬度的檢測方式,工作團隊在活動設計的難度上作了許多的分級來控制活動時間,並將原本的化學實驗滴定技術簡化成半定量(semi-quantitation)的方式來引導民眾接受化學實驗室檢測硬度使用的滴定技巧:

1.      在極軟水與極硬水中所搓出肥皂泡沫的差異,來呈現出水中溶有鈣鎂離子的差異,讓民眾了解硬度的概念。

2.      利用擬人化的教案設計,來表達指示劑與螯合劑在滴定過程中的化學反應。

3.      利用硬度試紙製作成實驗包,讓民眾離開科普列車之後仍能夠持續進行實驗並回傳資料(圖六)

4.      利用各種塑膠容器、點滴瓶、樣品瓶來避免玻璃器材在列車上操作的困難性。

5.      以科普雜誌的授權資料作為補充,並轉交給各校帶隊參加活動的教師,讓活動在離開科普列車之後,回到學校還有機會能夠延續,並喚起學童們參與科普列車活動的記憶。

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圖六 科普列車鈣世硬雄硬度試紙的教案資料

n  環島水硬度地圖

在科普列車活動開始前的數週,化學車的工作團隊已經開始與各縣市的承辦單位聯繫,請各單位協助轉發通知給所有可能參與列車活動的學校,並告知各地各校水質樣本的取得與攜帶方式,活動時列車到站後,列車上的工作人員除了下車收集車站自來水的水質樣本外,還必須四處奔走尋找收取各校所帶來的水質樣本。當列車開始離站後,工作人員中負責講解的講師開始講解水質硬度的背景資料,其餘工作人員則分組準備滴定用的水質樣本以及發放實驗器材。水質樣本以窄口的PE瓶取代玻璃錐形瓶承裝,滴定液、緩衝液則分別裝在點滴瓶中取代滴定用的滴定管,以此方式可安全的在行駛中列車進行滴定實驗(圖七),每位進入車廂的乘客都能分配到來自不同地區的水質樣本進行硬度滴定實驗,藉由逐步滴入分裝在不同瓶內的滴定液,求得水質硬度半定量的結果,區分出水質樣本中的硬度為軟水、中度軟水、硬水與極硬水,最後發送硬度試紙實驗包與教案,供車上的乘客在列車到站後,還能到各處繼續進行實驗,並上網將實驗結果回傳。

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圖七 科普列車上乘客進行鈣世硬雄的半定量滴定實驗

科普列車經過環島四天的實驗結果,參與的民眾在列車工作人員的引領之下,分析了各地車站與學校上百組的自來水水質樣本(圖八),從實驗的結果可以發現,台灣北部的自來水,由於具有比較新的水庫與較高密集度的自來水淨水廠,水質硬度普遍比起台灣中南部低,而台灣東部由於遍布石灰岩,水質硬度普遍比西半部更高,民眾常把東部稱作是好山好水的台灣後花園,依據這次科普列車上水質硬度的實驗結果,這個所謂的好水樣本數據呈現出硬度是較高的水。

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圖八 科普列車第三節車廂環台實驗結果圖表

科普列車活動秉持著科學教育活潑化的目標推行,在這一年第三節車廂上的活動,工作人員帶領著車上的民眾一步步的踏入水質硬度的化學檢測實驗,開心玩科學的同時,又能夠針對台灣地理特色作出具科學性的實驗數據,雖然科教中心的團隊僅以七位工作人員支撐四天車廂內全部的活動,大量的前置準備工作、藥品器材的搬運輪替、學員上下車的快速輪替以及車廂內秩序的管理,再加上活動中所飛來的各種程度的問題都一再考驗著工作人員的體力與耐心,但是頗受好評的車廂內教學與回饋資料,對於團隊人員都是非常好的經驗與訓練(圖九)。希望科普列車這樣一個成功整合跨界合作的活動計畫,利用火車能在短時間內承載大量乘客環島的特殊活動平台,可以設計更多對於短時間讓民眾易懂的教案,以合理可行的操作方式,邊玩科學邊收集區域資料的特色實驗,工作團隊希望藉著鈣世硬雄實驗組的活動分享,能夠提供日後參與科普列車或是類似型態的科普活動團隊一個可借鏡的參考經驗。

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圖九 2017年科普列車行經基隆市暖暖區時以空拍機拍攝之照片

(工作人員:第三節車廂是淡江大學科教中心與第四節車廂是台灣默克公司)

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