臺灣化學教育

2018國際化學教育研討會：

微型實驗工作坊的交流與分享

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  前言

啟程，是對路上的風景有所期待！回看過去-7月14日的臉書，我寫下了這些文字，或許這樣的文字才能真實傳遞當時的感受！

ICCE 2018 in Sydney

工作坊今天中午結束了，身體很疲憊，卻也亢奮……

一個月前開始了「Experiencing the electrochemical lab kits designed for the secondary students in Taiwan」電化學實驗模組的準備工作，因為之前的活動訊息不是很透明，工作坊在哪進行也不清楚，於是必須在台灣模擬各種可能會發生的突發狀況，讓90分鐘的實驗工作可以順利進行；加上澳大利亞對於化學品以及廢棄物的管制相當嚴格，出發之前就被主辦單位要求填寫實驗風險影響評估，內心的忐忑不言可喻….

     #7/10 下午開始在雪梨大學商學院報到註冊，雪梨大學內既古典又現代的建築群令人讚嘆，晚上是歡迎見面會，見到了幾位來自亞洲的熟面孔，日本、韓國、中國學者，以及風趣幽默的老教授–西澳的Bob Bucat！

#7/11所有利用實驗室開工作坊的學者們被要求一早到實驗室報到，參加實驗室的安全使用說明會，地點是位於化學院五樓的分析實驗室。因為能夠參觀一流大學的實驗室，而雀躍不已。化學院內管理員技術人員至少有四人，分配在不同樓層，辦公室像個藥局，有一個窗口，一個門，內部相當明亮寬敞，而且相當友善，跟大學時代飄逸著詭異、陰暗髒亂的狹隘空間大相徑庭！一進到實驗室門口就被要求穿實驗衣，及護目鏡，接著說明實驗室的空間配置，廢棄物的傾倒分類原則、逃生動線、滅火器的位置等。實驗室很乾淨明亮，幾乎沒有氣味，而且廢液並不是儲存在實驗室內，也會固定時間就有人原來清運，跟台灣一年一清完全不同！

7/11早上、下午各有一場微型化學的工作坊，早上場是日本學藝大學Kamata教授的工作坊，Kamata son是日本微型化學的大咖，為人卻很低調含蓄，創新的手作實驗設計總是令人贊嘆不已，身為首席fans的我，早早去去佔位子，因爲大會會場在商學院，離化學院走路要10-15分鐘，加上資訊不明，活動延遲了十分鐘才開始！這次Kamata son 帶來了丹尼爾電池的新設計，讓人耳目一新，最棒的是這次帶著一位美麗活潑的美眉助手–大學部的畢業生，即將成為中學老師的她讓整個活動順暢不少，活動結束將實驗模組盒贈送給Kamata大師，也順便邀請他來參加7/13的工作坊！下午是另一位是在英國倫敦CLEAPSS擔任顧問的Bob Worley，Bob在全世界相當知名，應該是歐洲甚至全世界在微型化學最具影響力及知名的人物，來到雪梨之前通過幾次信，也相互Twitter 了，這次能目睹高人到廬山真面目，實在是開心，Bob的實驗設計很厲害，往往一滴溶液就能進行酸鹼、電解、沈澱等反應…..兩位大師的實驗相關細節，我會撰文在台灣化學教育期刊，供大家參考！

#7/12 沒有實作，大部分時間躲在旅館內準備，晚上在達令港晚宴，見證了澳洲只有葡萄酒是便宜的傳言，以及西方人晚宴的熱情….

#7/13…………………………………

很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴一起參加了今年七月中旬在澳洲雪梨大學舉辦的第二十五屆國際化學教育研討會（25th International Conference on Chemistry Education, ICCE 2018），大會中除了筆者的電化學實驗模組體驗外，另外還有兩場來自日本的Kamata教授及英國學者Bob的實作工作坊。趁記憶猶新之時，將親手做實驗Workshop的內容記錄下來，跟大家分享。

 

n  工作坊之前…..

一、填寫化學系的危害物的鑑定、風險評估與控制表格文件(HAZARD IDENTIFICTION, RISK ASSESSMENT & CONTROL, HIRAC)

自從一月底報名工作坊後，三月份確定行程後，就接到主辦單位雪梨大學寄來的Email告知：凡是在雪梨大學的化學實驗室內進行實作工作坊，或進行實驗演示的人員，都需要填寫一份使用化學品風險分析的文件表格(簡稱HIRAC)，因為過去沒這個先例，加上事情繁忙，剛開始也就沒在心上；一個月後主辦單位再次來信，語氣堅定地要求必須填寫完成HIRAC文件，我才開始認真思考怎麼填寫HIRAC表格。因為此次工作坊的微型電化學實驗，原本的設計裡含有硫酸銅、硫酸鈉、硫酸鋅、硫酸亞鐵四種藥品，雖然使用的藥量相當微量，但為避免法律爭議與風險，決定實驗藥品全部改為食鹽水，而且經試作可行後，開始填寫HIRAC文件，完整的HIRAC文件如下圖所示。

圖1：本次工作坊的HIRAC文件截圖

二、工作坊之前的實驗室簡介與安全規則說明會

出發前一日收到主辦單位傳來行前通知，要求所有工作坊參加者必須於7/11早上8:30參加實驗室緊急事件的指導說明會，內心對主辦單位嚴謹的態度甚是欽佩，縱使所有的與會者都算是化學實作的專長也不例外，這真讓我開了眼界。當天早上8:30左右，所有與會的學者都到了，在實驗室的技術人員的引導下，進了五樓的分析實驗室；實驗室很明亮，聞不到濃的化學氣味，進入實驗室必須穿著實驗衣，戴上護目鏡。講解的過程中，有人把護目鏡取下，換成老花眼鏡，還被介紹的技術人員指正。下圖為化學系的分析實驗室。

圖2：研討會工作坊場地

n  微型化學工作坊1：Hands-on Activity using Daniel Cell

當天10點半第一場的工作坊由日本東京學藝大學科學教育系鎌田正裕(Masahiro Kamata)教授主講，當我們從商學院的大會場趕回化學院時，Kamata教授跟他的學生助手，已經將所有的器材準備好，放在參加者的座位上。今天的器材包括：塑膠透明片兩片、鋅銅金屬線各一條、半透膜兩片、泡棉棒兩根(事先浸泡了氯化鉀溶液)、棉片兩片(一片以硫酸銅溶液濕潤、另一片用硫酸鋅溶液濕潤)、小馬達風扇，以及三用電表一台。相關材料如下圖所示：

圖3：微型丹尼爾電池的材料與講義

丹尼爾電池對伏打堆進行的調整，使用了第二種電解質硫酸鋅，減少了氫氣產生所帶來的極化現象；兩個半電池可以鹽橋或多孔性半透膜來分離，也是現今國高中課本裡介紹電化學電池的方式¹。下圖是半透膜式丹尼爾電池的示意圖。

圖4：多孔半透膜式的丹尼爾電池

此次Kamata教授使用的是半透膜的設計，而且將鋅銅兩個半電池分別設計成兩個獨立分開的圓筒，其相關組裝步驟如下：

一、長方形的塑膠透明片設計卡榫，可折成不用膠帶，前後相連圓筒狀；

二、接著將銅線依照蚊香的形狀一樣，彎折呈螺旋狀，彎折置中心時，再將銅線以90度垂直圓形螺旋平面方向彎折，留一約6公分長直線。

三、將銅線一端穿透泡棉，連同濕潤的棉片、半透膜一併裝入圓筒中，完成半電池組裝。

四、使用時將兩個圓筒的鋅銅線兩端連接小馬達風扇，將兩個半電池的半透膜端相互接觸，即可發現馬達的風扇開始轉動。下圖為組裝圖。

圖5：丹尼爾半電池的組裝圖(由Kamata教授提供的講義翻拍)

 

Kamata 教授是微型化學的大師級人物，所開發的實驗除了精巧之外，還帶有一定的質感與品味，總能吸引參加者的目光與討論，每次參加他的工作坊總是能得到不同的啟發。下圖為工作坊的場景。

圖6：圖左丹尼爾電池啟動小馬達，圖右討論互動的學者們，最右者為Kamata教授

n  微型化學工作坊2：In a little, you can see a lot! 

當天1點由英國著名學者Bob Worley所主持，目前是英國的科學、科技諮詢機構CLEAPSS²擔任顧問，CLEAPSS是由英國各地方教育當局及十幾所大學院校所籌組的諮詢聯盟，其中對實作科學、教材教法、科學師資培訓累積很厚實的經驗與內容，目前總部位於倫敦西區的Brunel University內。Bob Worley雖然是下午的活動，但這位老學者充分發揮敬業精神，從8點半拎著一個大皮箱進實驗室，聽完危機處理指導後即開始準備下午的工作坊。工作坊有些活動他親自演示、有些提供參加者體驗，茲將精采的分享分數如下：

一、酸鹼指示劑：酸鹼反應在一張事先覆背彩色列印的學習單上，先在各空格中滴入PH值分別為１、４、７、１０、１３五種溶液，每種滴約２~３滴成為一水珠，隨後再依學習單上指示將溴瑞香草藍、甲基橙、酚酞、混合指示劑、廣用指示劑五種指示劑滴入各水珠中，觀察水珠的顏色。下圖為酸鹼指示劑的體驗模組。

　

圖７：酸鹼指示劑模組

二、離子擴散沉澱(IONS DIFFUSING)：沉澱反應在一張事先覆背彩色列印的學習單上，學習單上有一個邊長約1.5公分的方框空格，方框內有一圓形，在圓形中滴入5~7滴的蒸餾水，成為一大水珠，隨後分別以2根細的咖啡攪拌棒分別從兩個試劑瓶中刮取少許晶體，放置在水珠相反兩側，接著同時將兩種晶體推入水珠中，觀察兩種晶體在水中溶解的情形，不久在水珠中間出現藍色的沉澱。下圖為離子擴散的沉澱示意圖。

圖8：碳酸鈉與硫酸銅離子擴散的微型沉澱反應

三、金屬取代反應：金屬取代反應在一張事先覆背彩色列印的學習單上，學習單上有一個邊長約1.5公分的方框空格，方框內有一圓形，在圓形中滴入數滴濃度約0.05M的AgNO₃溶液，隨後以1根細的銅線從側邊插入水珠中，觀察銅線在水珠中的反應，1~2分鐘後滴入1滴2M的氨水，觀察水滴顏色的變化。下圖為金屬取代反應的示意圖。

圖9：硝酸銀與銅線的金屬取代反應

四、示範實驗–電解熔融的溴化鉛PbBr₂：這個實驗是由Bob親自示範，首先將溴化鉛固體粉末放在一根彎折的玻璃滴管中央，並以小型的酒精燈為熱源點，以鐵釘與鎳鉻線為電極，鐵釘接電池的負極，而鎳鉻絲連接電池的正極，開始點火加熱，觀察固體粉末熔化及電極兩端是否有任何變化產生？待冷卻後，可取出鐵釘在白紙上書寫，印證鉛的生成，下圖是電解熔融溴化鉛的過程。

圖10電解熔融溴化鉛的裝置圖

五、示範實驗–微型霍夫曼電解水：這個實驗也是由Bob親自示範，首先將兩根塑膠針筒吸滿濃度約0.5M硫酸鈉水溶液，溶液中加入數滴的溴瑞香草酚藍作為指示劑；兩根針筒垂直倒立放在一預先加入約一半硫酸鈉溶液的塑膠培養皿中，由培養皿底部接上兩根白金電極，電極另一端連接9V電池，開始電解後，觀察針筒內水位的變化與溶液的顏色？電解結束後，Bob請一位參與的老師協助，同時打開三通閥，收集電解後的氣體，並點火產生響亮的爆鳴聲，驗證氫氣的存在。下圖是電解水的過程與圖解。

圖11：圖左為電解水的過程，圖右是霍夫曼裝置圖(翻拍自Bob提供的講義)

Bob Worley的微型工作坊相當有趣，足跡遍布全世界，能夠認識他真是幸運，到雪梨前幾天，他看了大會的議程，知道我要發表微型電化學模組，即發twitter給我，並邀請我去參加他的工作坊。當天活動原本預定2:30結束，但實際上延遲了快1個半小時，將近四點才結束，老先生驚人的體力與熱情分享，著實令人欽佩。活動結束特別送上精裝版的電化學模組，並邀請他後天來參加我的工作坊。下圖與Bob的合影。

圖12：東西方相見歡

n  微型化學工作坊3：Experiencing microscale electrochemistry lab kits designed for the secondary school students in Taiwan.

筆者所主持的這個工作坊是微型電化學模組，在高中化學學科中心與大甲高中的支持下，在本屆研討會中主要分享模組內兩項微型教具—微型電化學的電池³與綠色電解蝕刻⁴，相關詳細的製造過程，將於本期的台灣化學教育期刊中的「實驗含影片」單元中介紹。茲將行前的準備與工作坊過程簡述如下：

一、行前準備：每次要出過參加研討會，辦理工作坊，最麻煩的莫過於攜帶的材料太過「不尋常」雖然實驗的開發越來越傾向微型化的綠色化學實驗模組，但仍免不了要使用到化學品，在全世界反恐的氛圍下，航管日趨嚴格，為避免通關時遭受航管人員的質疑，引發不必要的法律問題，建議是不要將任何化學品帶上飛機。縱使是無毒、無害、無爆炸風險的食鹽。如果需使用到電池，亦必須是全新、盒裝未打開的。真有需要可以請主辦單位代為準備，活動前早一點去準備即可，沒必要冒險。此次行李中預定準備20套精裝版的模組，但行李箱實在放不下，只好以封口袋將所有材料分裝，沒攜帶任何藥品，連鹽巴都是抵達雪梨時，才在當地的Cole 超市購買。下圖為電化學模組。

圖13：壓克力製模組包含綠色電解蝕刻與微型電化電池

二、活動當天：7/13 一早四點就起床，準備實驗器材及ppt，早餐後跟瓊蘭老師拎著大包小包到實驗室準備，瓊蘭老師也是實作的高手，他幫了我很大的忙，後來金城教授以及佛慈老師也來了，心情穩定了不少，尤其佛慈老師是留美的，飄著仙氣的外表，流暢的談吐，算是外交部長級的美魔女…….參加的學者陸續進場，很感動他們都是兩邊趕場；來自倫敦的Bob、美國的Katz、雪梨、最開心的是偶像Kamata跟著他的學生也來了，其他有瑞典、新加坡南洋理工的陳教授及日本的高橋三男……

活動開始先簡報，為力求精簡及方便記憶，內容性簡報控制在10張之內，以搖滾巴克球為背景的學校簡介放第一頁，簡報完後安排有獎徵答，問了個很有趣的問題，「Which girl is more beautiful in the picture ? right or left?」這個問題是前天晚上進歌劇院，欣賞威爾第的大劇–弄臣之後的小靈感，精緻的盒裝版電化學模組順利送出，拉近彼此間的距離，讓工作坊的氣氛輕鬆不少…..

 

簡報完後，實作的過程很輕鬆，最後在夥伴們協助下，活動進行得很順利，持續約1個半小時，活動結束後，邀請大家手拿教具一起合照，訝異的是大家竟然答應了，一起比出了學科中心的大合照標準姿勢-Asi…..會後讓大家把實驗的傢私帶走，幾個大咖們對雷射切割的技術很感興趣，也對利用新科技進行教具製作的創舉讚許美言，讓夥伴們興奮不已。此行只使用了鹽巴，因此幾乎沒有藥品廢棄物的善後問題，簡單收拾後，離開了化學系，結束了這場工作坊……

 

n  結語

能與世界各地的同好同台交流，獲得肯定真是要感謝很多人…..此行的註冊報名費用是在本校2014年獲得的教育部教學卓越獎金結餘款下支應的，感謝學校的教具研發團隊，與怡君主任的行政支援，因為美好的信任成就了很多事；美虹教授一直不斷地帶領、提攜及引薦，讓我認識到各地的同好，看到了不一樣的風景，及身為全世界菁英領導人士的謙虛、活躍及風範；感謝金城教授、瓊蘭老師，佛慈老師的協助讓工作坊的進行順利完成…透過這樣交流，從中提升自己的眼界，並汲取他人的新觀念、新作為，也為自己累積進步的基礎，此行真是獲益良多啊！

 

n  參考文獻

1.      Daniell cell, 2018年7月取自https://en.wikipedia.org/wiki/Daniell_cell。

2.      CLEAPSS 的首頁，詳見http://www.cleapss.org.uk/。

3.      廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊，2017，卷56，期11，頁54~62。

4.      廖旭茂、黃維靜。行動電化學蝕刻—印台和金屬書籤的製作。臺灣化學教育，2014，第2期。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/wordpress2/?p=2174。