臺灣化學教育

指導高中生成為國家代表隊出席

2018日本SSH生徒科展發表會及與會心得

 

劉曉倩

國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心

torrina01092002@yahoo.com.tw

 

■前言

日本政府對於科技發展推動一向不遺餘力，主要由內閣府之綜合科學技術會議決定發展方向及政策，並由各獨立行政法人機構依照政策目標推動各項研究及行動。90年代以後，因體察到重大科學科技在研究階段與社會密不可分，因此十分重視科學科技與社會之間的相互連結，為使一般大眾對科學產生興趣，進行跨領域合作教學並且積極投入經費，以培育科學人才為目標，肩負推動日本科學發展任務。為更有效率落實教育發展及跨領域合作，日本科學技術振興機構（Japan Science and Technology Agency，簡稱JST）自2002年實施SSH（Super Science High School，簡稱SSH）補助合作高中進行科學教育之教學改進。並自2004年起，每年固定舉辦SSH生徒研究發表會，會場聚集日本各地的SSH學生以海報、簡報等方式發表研究成果。

我國因與日本有相似的教育環境，遂於2006年起參考日本SSH計畫推行高瞻計畫（High Scope Program，HSP），補助高中職推動以科學探究學習融入新興科技為主軸的課程改善研究，為落實科學教育交流成果，自2009年日本政府開始積極邀請世界各地高中生赴日與會，一起參與科展發表，提升日本國民科學素養及訓練外語表達能力，起初前幾年是採取參與其他國家代表隊與他們日本高中生一起比賽的模式，直到2014年以後，才將其他參與國家代表隊學校獨立出來，算是邀請賽的性質。主要原因在於各國發展的教育重點不同，科展的方向也不一致，實在很難評比。

■如何指導高中生成為國家代表隊？

    筆者於彰化高中服務，今年（2018年）是第三次榮獲入選臺灣代表隊赴日參與日本SSH生徒科展發表會，此次國內甄選過程與前幾年略有不同，以往科技部決選流程只需繳交英文科展成果報告，由科技部直接決選出參賽隊伍即可。從2017年開始，改由全國六十幾所高瞻學校繳交英文科展報告完成甄選報名後，先由教授群決選出前六名隊伍參加第二階段英語口試決選。

   根據以往的比賽經驗，審查教授十分重視創新產品的研發，所以在決選前幾週我們將創作成品「自製雷射油品快篩儀結合Arduino」架設完整後，經過幾次電腦測試，再將整組作品由3D列印成套件，最後階段就是英文PPT準備及口說演練。指導老師必須肩負起訓練學生製作英文簡報的責任，當然也可以邀請英文老師共同指導。不過自然科的專有名詞很多，英文老師未必了解，所以跨領域合作教學十分重要。由於參賽學生必須以英文簡報及口頭報告，審查教授也是以英文提問，所以參賽前的演練十分重要。建議可以找幾位自然科老師一起聆聽，設想可能被問及的問題，共同想出解決問題的方法，對於學生臨場感的訓練很有幫助。

   4月21日就在臺灣師範大學口試決選，選出前三名隊伍成為國家代表隊。指導老師可以進入比賽現場聆聽，但是不能代替學生回答問題。學生英文簡報的口頭報告後，隨即進入提問階段，審查教授除了問及研究動機、實驗過程、數據處理、如何進一步改善以外，對於研發產品未來研究面向，甚至是在學校什麼樣的課程時進行此項實驗研究…等等幾乎都會被問及，提問時間長達20分鐘，真的是一場很有壓力感的決選！三天後科技部網路公告，我們通過最後決選成為國家代表隊時，師生真的是欣喜不已！

   回想前兩次我指導學生通過決選的研究主題均是以「綠色能源」為主。2015年的研究主題是利用中學實驗室現有的裝置器材和藥品以及校園中植物，自製染敏太陽能電池，一方面結合矽膠管柱層析，找出適合的沖提液配方，提升色素染料純化分離的效果，並將所得的色素製備成染敏太陽能電池，分析其分子結構與光譜、輸出電壓的關係。2016年研究主題是利用校園常見的植物取其葉綠素萃取液做改質，藉以吸附工業廢水中Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等重金屬離子，並將其應用於染料敏化太陽能電池，達成廢物利用和環境保育的目的。

   今年（2018年）我們通過決選的研究主題在於「食品安全」。有鑑於臺灣食用油品造假事件層出不窮，此外「油炸油」的品質對於飲食衛生與安全也是擔心的議題，因為油炸油一炸再炸，膽固醇、反式脂肪及飽和脂肪酸濃度增加，吃多了對心臟血管也不好。雖然市面上有不同的檢測儀器及酸價試紙可以幫助消費者做油品篩選，但是我們從參考資料得知，只要在使用過的油品中添加濾油粉或其他化學藥品就可以通過市面上的儀器檢測，因此我們希望可以設計出一套快速、準確性更高且可重複使用的裝置，提供更準確的油品檢測資料。經過我們的研究及儀器改造，成功地利用紅光雷射準值性佳的特性及結合Arduino物聯網作資料建檔，將業者試圖「優質化」的劣質油品成功地篩選出來，並且可以建檔比對，更值得欣喜的是，本自製儀器價格低廉，容易組合及拆卸可以供一般民眾居家使用。「Time and pressure make diamond！」七月一日行前會議在健行科技大學舉辦，所以我們必須在6月28日前完成英文簡報定稿。此時學校適逢期末考，學生必須在準備考試之餘，將簡報內容依據教授先前的建議重新修改。修改時最大的難題在於臺灣高中生對於Arduino多少略有耳聞，但是日本高中生對於Arduino卻很陌生，所以以英文表達科展作品中使用Arduino設計理念時，會是個很大的挑戰！經過我們充分討論後，此行科展發表的重點修正為介紹Arduino的原理及應用，同時介紹臺灣教育發展已經將此新興科技落實在高中課程中，甚至學生具有研發出實用成品的能力，供國際友人交流分享。

 ■與會經過及心得

   2018年日本SSH生徒發表會參訪時間是8月7日至8月11日。我們抵達第一天即直奔神戶國際展覽館會場。神戶國際展覽館 （神戸國際展示場）位於兵庫縣神戶市的港灣人工島的國際展覽館，於1981年開館共有三個館，1號館的一層及二層樓均有展示室，2號館有大型會議廳及小會議室，3號館則是最大的展示室，面積有3800平方公尺。

    我們這群國際交流學生住在Kobe Seishin Oriental Hotel，由飯店步行僅3分鐘即可抵達西神中央站（Seishin-chuo Station）。飯店環境舒適，唯一的缺點是到展覽場都要搭地鐵轉車，周遭環境熱鬧卻不複雜，足見日本政府在安排SSHSF（Super Science High School Student Fair）國際活動的用心。開會第一天，五點半起床（臺灣凌晨四點半），一早到會場戴上名牌就受到現場工作人員高規格接待。由秋山仁（あきやま じん日本的數學家，東京理科大學教授，專攻圖論、離散幾何）教授擔任開場演說重任，如圖一所示。全場提供英日語即時翻譯，大會演說往往異常催眠，但是留著山羊鬍的秋山仁教授以四邊形切割，重新組成其他形狀開始，一連串的多邊形切割，順時針旋轉，組合成其他圖案及形狀，數學瞬間變得簡單又十分有趣，也讓現場聽眾十分好奇，教授又要變出什麼把戲？現場觀眾高達1200人以上，演講最後還開放提問，教授呈現的主題實在太有趣了，所以提問互動變得很熱鬧，無形中時間過得好快，會後也跟方素琦教授開心地討論起數學來了，覺得自己突然對數學產生好多探究主題，真的好訝異喔！只是這麼久沒有再算數學了，不知道是否還有救呀？

    圖一：留著山羊鬍的秋山仁教授現場教授幾何學的奧秘

早上場佈時間十分緊湊，我們學校的行政同仁及家長團隊很強大，展示桌準備的小禮物，有彰化高中校徽筆記本、校門口圖騰提袋、臺灣圖案吊飾、鳳梨酥、彰中金質勛章及故宮圖騰筆袋… 等等，我們各自將場地佈置完畢後，趕快拍照留念一下，如圖二所示，沒想到這些具有台灣及校園特色的小禮物在發表會現場，很受日本師生歡迎呢！

 圖二：高瞻計畫臺日雙邊高中科學教育交流全體成員

       有鑑於前兩年（2015年及2016年）帶學生來參訪的經驗，日本高中生多半害羞，尤其遇到素昧平生的外國人，他們會在科展攤位兩公尺外觀望，如果我們學生沒有主動打招呼，他們多數不敢往前詢問。所以此次前往日本參展前，我們準備一些具有特色的臺灣紀念品、英文版的科展簡要說明A4紙張及真心誠意的友善笑容，期許與對方產生眼神交會，吸引他們進一步來聆聽。至於筆者的工作則是擔任親善大使，負責到日本及其他國家科展攤位仔細研究科展作品，同時邀請他們到我們的攤位觀摩交流。當日本學生知道我是外國人時，通常會流露出膽怯及求救的眼神，他們的英文表達力普遍不佳，拘謹的民族性產生很大的壓力，不過有些日本學生在不斷地鼓舞之下仍能順利完成英文解說，同時會進一步地到我們的攤位進行交流，算是十分成功的國民外交。日本高中生看到鳳梨酥都會露出十分驚喜的神情，有些女孩還會說「鳳梨酥」的中文，她們跟我說，她們來過臺灣，而且很喜歡臺灣的風景及食物，不過最熟悉的景點還是集中在臺北市及野柳，看來彰化要加把勁了啦！

    日本生徒發表會SSH規模等同臺灣全國科展，參與的學校師生超過千人，海外邀請國家有11個國家，每個國家最多三個代表隊，每隊三人（含指導老師），此次可以赴日再與其他國家的老朋友相聚，甚至見到我們學校的姐妹校日本泉北高校的老師（圖三），拘謹的老師露出難得的一抹微笑，真的很令人感動！雖然他不太會說英文，但是他提及當年來我們學校，參與我辦的化妝品化學研習課程時，當下心裡十分欣喜，也不知該聊些什麼好，彼此眼神凝視，流露出難以形容的真性情。

圖三：筆者與姐妹校泉北高校老師相見歡

      此次發表會，第一次看到約旦國家出席，研究主題在於音頻對於自閉症學生的影響，經由電腦分析，自閉症的孩子對於哪些頻率較為敏感，有助於安撫孩子情緒。約旦的學生表達清晰有條理，只是難不免有些疑問，以自閉症學生做實驗是否會有人權的問題？是否會對學生產生一些不良的影響呢？

   德國隊一如往常，強調電腦科技的創新，十分受到日本高中生歡迎，隊伍排好長，只能靠近拿個資料就閃人。印度的科展著重於日常生活的觀察及實作，研究作品中有一組是以各種不同的植物染料及化學染料做比較，探討各種染料對於髮質的影響（圖四）。

 

 圖四：筆者與印度高中學校學生討論植物染對於髮質影響，海報現場甚至還展示各種植物染料混合對於頭髮染色效果的差異性

日本的科展專注於基礎觀念的探究，對於實驗的過程描述十分詳盡，電腦的數據分析做得也很仔細，比較可惜的是，發現問題的能力還不太夠，控制變因及操作變因稍嫌粗略。其中有一組化學得獎作品令人印象最深刻，研究主題是以聚乙烯醇加入不同濃度的硼砂及優碘（I₂/KI）製作成偏光鏡；除此以外有一組屬於生物作品，探討島嶼上火山灰影響糞金龜的分佈及基因的研究，研究主題明確，雖然不像臺灣目前流行的跨科研究，但是單純的把單科實驗探究做好做滿，就是一件了不起的事呢！而且他們一聽到有人提問時，眼神很專注，會後還會一起討論，晚上筆者意外收到他們老師的來信，令人驚喜，覺得他們真的很看重自己的研究成果。我們學校的學生（圖五）盡忠職守地在自己的攤位上向國際及日本學生介紹科展研究成果，英文表達力更讓日本高中生折服！大多數日本高中根本沒聽過Arduino，此次活動遇到很熱情的日本高中學校，希望可以跟我們學校締結姐妹校，而且很希望來我們學校學習如何進行跨科的科展專題研究，他們的校長甚至還親自寫信邀請，此行活動之重要性可見一斑。

圖五：本校劉恩宇及孟令桓於口頭發表會現場以全程英語進行演說

    當天下午4：00開始臺灣學生簡報發表，筆者學生劉恩宇及孟令桓同學簡報製作十分用心，同時將紅光雷射結合Arduino的原理解釋十分適切，攤位發表時幾位日本審查委員，對我們研究成果很感興趣，同時也給了很多後續研究發展的建議，如圖六所示。我們發表的研究主題為「紅光乍現－自製雷射油品快篩儀結合Arduino」。研究動機起源於自2013年起臺灣食用油品事件層出不窮，食品業者被查獲以造假方式生產食用油的事件，導致消費者人心惶惶。有些業者甚至將低價油品精煉混充橄欖油，並添加銅葉綠素，冒稱「特級橄欖油」，牟取暴利。此外「油炸油」的品質對於飲食衛生與安全也是擔心的問題，因為油炸油一炸再炸，膽固醇、反式脂肪及飽和脂肪酸濃度增加，吃多了對心臟血管也不好，由此可見，油品的安全與我們息息相關。雖然市面上有不同的檢測儀器及酸價試紙可以幫助消費者做油品篩選，但是我們從一些參考資料得知，只要在使用過的油品中添加濾油粉或其他化學藥品就可以通過市面上的儀器檢測，因此我們希望可以設計出一套快速、準確性更高且可重複使用的裝置，提供更準確的油品檢測資料。經過我們一系列的研究及儀器改造，成功地利用紅光雷射準值性佳的特性及結合Arduino物聯網作資料建檔，將業者試圖「優質化」的劣質油品成功地篩選出來，並且可以建檔比對，更值得欣喜的是，本自製儀器價格低廉，容易組合及拆卸可以供一般民眾居家使用。這些專家對於我們的學生而言，或許是「頭痛人物」，但他們其實都是很棒的教授，問題雖然尖銳，但經過充分討論及溝通下，發現實驗中仍有十分值得探究的主題，真的是很棒的經驗呢！

圖六：本校孟令桓同學正在與日本科技部審查委員進行科展交流

三天與會，筆者穿梭在展館，參展內容實在很多，大多數主題十分生活化，有一組科展作品是用各種瓦楞紙紙箱剪裁粘貼成安全帽，並且用西瓜來測試防撞校果，取材簡單又有趣，十分吸引人；另有一組是做植物碳化效果分析（圖七），取材不是很新穎，但是在控制變因及操縱變因上做得很詳細。

圖七：日本高校科展作品做植物碳化效果分析

參訪活動最後一天日本科技部安排高校參訪活動，因為有專車接送，終於不用一早趕搭電車前往。此時適逢暑假，日本高校為了我們這些外賓來訪特別舉辦歡迎儀式，學校設備雖然不是很新，但是校園十分乾淨，校門口的日式庭園鬱鬱蔥蔥，更是饒富禪意。一行人脫下鞋拿著提袋安靜地走在迴廊上進入準備好的教室內。今日的活動主題是「房屋樑柱設計影響抗震效果的差異」，學生可以自由改變厚紙板做成的房屋樑柱位置及以迴紋針加重屋頂的重量，藉由手的左右搖晃探討紙屋的抗震效果，如圖八所示。課程內容很具有啟發性而且可以探討結構學及物理的應力學，我跟幾位老師對於課程內容產生很大的共鳴，想要爭取一份教材回臺灣跟同仁分享，幾位日本老師面有難色，原來他們本來就沒有將老師的教材算在活動內，所以即使講桌上明明有剩一堆教材，還是無法給我們這些老師帶回。我們幾位老師表示願意出資購買，日本老師卻出示他們購買教材的公司名稱，要我們自己想辦法去聯絡，彼此無法達成共識，真的是很特別的情況！前兩年交流活動都未曾遇到這種情形，教育交流本身應該是師生共享，不應該侷限於學生而已，令人覺得很可惜。

圖八：日本高校分享地震課程教學活動設計

當天下午日本科技部安排參訪姬路城，經由姬路城博物館館長解說得知，姬路城是國寶及國家特別史跡，被稱為「日本第一名城」。姬路城結構十分穩固，即使日本神戶曾受到阪神大地震的破壞，姬路城仍然屹立不搖，未受到地震的嚴重波及。主要在於城堡的基礎結構，當時西方城堡尚未出現此種建造方式，此種精緻磚石工程的基礎負擔龐大壓力的地基部份，稱之為「Nedori gumen」，目的在於防止地面沉陷以及保護由地震帶來的損傷。曲形城牆結構可以避免雨水停留在邊緣角落，牆體中央部份的圖樣，類似小孩子的胡亂堆砌，可以防止敵軍的侵犯，同時也創造出獨特的建築美感。

圖九: 姬路城

日本科技部特別為每個國家代表隊安排城堡導覽，從進入姬路城沿路解說，天守閣是不可或缺的參觀部分，兼具防禦和城主居住兩個用途。城內有三座小天守及一座大天守，大天守目前是姬路市的地標呢！ 可惜我們安排的解說人員雖然態度認真，但是日語口音太重，英文腔調很難聽懂，多數時間必須靠著自己去摸索，所幸巧遇印度國家領隊，索性加入同遊，意外獲得不同的收穫。歸國前在飯店的最後一晚，各國學生齊聚一堂在大廳促膝長談，意外發現看似簡單的撲克牌在各國學生交流中居然有很多種不同玩法，孩子們能以英文進行交流會談，十分值得珍惜。

■誌謝

感謝行政院科技部高瞻計畫第三期贊助此次赴日參與日本SSH生徒科展發表會所需機票及國內住宿交通費用，感謝日本科技部提供食宿及專業導遊服務。國立彰化高級中學行政團隊和高瞻助理宛柔小姐承辦相關業務的申請及提供很豐富的學校紀念品，讓我們在SSH科展展示場做了很棒的國際學術交流。最後更要感謝多日陪伴我們的臺灣師範大學方素琦教授、麗山高中及中科實中師生團隊，一起共同體驗這個十分難得的日子。