慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示:從展示、演示與實驗跨出科教館在國際化學元素週期表年的盛宴 ∕ 陳虹樺、陳雪玉、林祝里、李姤妤、陳思羽、周憶慈

星期四 , 7, 11 月 2019 Leave a comment

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示:

從展示、演示與實驗跨出科教館在國際化學元素週期表年的盛宴

陳虹樺1*、陳雪玉2、林祝里3、李姤妤1、陳思羽1、周憶慈1

國立臺灣科學教育館實驗組教育人員1

國立臺灣科學教育館館長2

國立臺灣科學教育館實驗組主任3

irisnn@mail.ntsec.gov.tw1*

科學的發展,元素週期表扮演了相當重要的角色。第一個有規律性的元素週期表是在1869年由俄國化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)所提出,為表彰門得列夫對科學的貢獻,適逢2019年是第一張元素週期表提出的第150周年以及國際純化學及應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,簡稱IUPAC)成立100 周年慶,聯合國教科文組織便訂定2019年為「國際化學元素週期表年」(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements,簡稱IYPT)。在此國際盛會下,國立臺灣科學教育館(後簡稱本館)秉持推廣科學教育的宗旨及本質任務,應邱美虹教授之邀請,與全臺相關推動化學教育、科學教育的館所、機構及中心,共同辦理各式推廣慶祝活動,從「發現週期表」、「認識週期表」到「應用週期表」的脈絡,規劃一系列的科學課程與科普活動,提供中小學師生或一般民眾體會化學元素週期表的奧秘與美麗。

壹、 發現週期表

世界各地推動的IYPT慶祝活動是為了引起世人重視元素週期表發現的歷史脈絡、科學發展與元素的密切關係、元素在生活上的價值以及稀缺元素對科學與生活永續發展的影響等。為此,國立臺灣師範大學、中國化學會及本館在61日至826日首波於科教館3樓公益特展區舉辦了「2019國際化學元素週期表年特展」,透過大型元素方塊堆疊的元素週期表,結合光雕投影和豐富的元素相關展覽品,讓民眾能對元素週期表有較深入的認識,及瞭解元素與生活其實是息息相關。本館展期結束之後,基隆國立海洋科技博物館、臺中國立自然科學博物館、高雄國立科學工藝博物館及屏東國立海洋生物博物館亦陸續展出結合該館特色的化學元素週期表特展,可逕至各館網頁查詢。有關臺北科教館的IYPT特展詳細介紹,可詳閱本刊20195月第31期由邱美虹教授主寫之「2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹」。

貳、 認識週期表

(一) 強調探究與實作的實驗營隊-IYPT元素營

在聯合國提出的17「全球永續發展目標」(Sustainable Development Goals, SDGs中,從經濟成長、環境保護及社會進步等三大面向探究永續發展的議題,也顯示國際間對「永續發展」議題的重視,其中「優質的教育(Quality education)」該項議題更與本館成立宗旨及本質任務相符,並致力提供各年齡層、不受宗教、種族、性別及社經背景等限制之優質的科學教育課程及活動。在「化學元素週期表」之主題下,本館邀請理化背景專長、實作經驗豐富的國高中職教師成立化學元素課程規畫小組,首先針對國小高年級以上學生發展從單一元素到結合相近性質多種元素的多元課程。同時,課程設計也呼應108新課綱強調學生探究與實作能力的培養,從生活中重要且常用的元素著手,將學科知識、實驗操作、生活應用等層面相互連結,特此規劃「電池與能源」及「生命大事記」兩大主題的科學營。

在「電池與能源」營隊中,以氫、銅、氮、矽的基本性質介紹與相關特色實驗操作,以及電池組成與金屬材料間關係探究,帶領學生認識電池與能源相關概念的課程設計;例如:「銅」元素帶入國中常見鋅銅電池與電能產生的關係、從「氫」元素及「矽」元素介紹氫能與太陽能的應用等。在「生命大事記」營隊中,以碳、氧、碘的基本性質介紹與相關重要實驗操作,以及鹼金族、鹼土族與鹵素族的化學性質測試與現象觀察,最後結合AR技術的元素擴增實境呈現與表達化學元素內容,也安排其中一堂課參觀位於本館3樓的IYPT特展,能以更系統性的欣賞元素發現歷史、重要科學家故事及各種類型元素週期表等內容,並依學習單的引導,進行重點觀察及紀錄(如圖一),讓學習場域從實驗室延伸到展場。

本次營隊的教學設計中,強調探究與實作的學習歷程,教師除安排各種元素相關實驗讓學生認識元素的性質及應用性之外,也在實驗的過程中提供學生觀察、實驗變因探索及實驗結果討論的引導式探究設計。另一方面,因應科展逐年重視實驗記錄在科學研究上的重要性,為從小紮根學生對實驗筆記的認識並培養紀錄的重點及習慣,本次規劃的營隊中在進入第一堂課元素主題課程前,先安排半小時的實驗筆記課程,並請授課教師在後續課程中加強學生進行實驗筆記的訓練,逐步培養學生在科學研究上的基礎能力。

本次課程實施在今(108)年的暑假期間,招收國小高年級學生共77位,透過課後課程回饋單的分析(採五分量表,分數1-5分,分數越高表示越滿意)得知,學員對講師的上課方式非常喜歡(M=4.41)、對課程內容非常感興趣(M=4.49)、參加後的學習收穫感到非常豐富(M=4.52),顯示學生喜愛本次課程的設計;另外,從學員的訪談中,學員自認瞭解課程中提到的科學名詞,如「氫H、銅CuFe是鐵、矽是Si」,且在參加營隊後,對於化學元素的學習更感興趣,也會想要了解其他元素的特性。除了學生的回饋外,在營隊課程結束一個月內亦召開課程檢討會議,從教學者的回饋進行課程的調整,例如:建議在3小時的課程時間內,部分實驗可先準備半成品(例如: 容器先挖洞、電線先焊接好),以掌握課程進度;實驗操作設計如有實驗組與對照組時,要讓學生仔細觀察兩組設計的差異性,在實驗操作中也要留意勿因操作上的疏失,而讓數據結果被質疑
(例如:燃燒鋼絲絨時,學生常會因動作過大,讓部分鋼絲絨掉到容器外,造成數據差異);燃燒鹼金屬、鹼土金屬的實驗中,發現學員較難判斷金屬的燃燒狀態以及是否燃燒完全,建議可改為影片或圖片輔助教學;另外,化學實驗操作前必要的操作說明及安全注意事項要再三確認,讓學生了解正確的操作步驟後,再進行實驗,以確保課程安全性。透過學生與授課教師對課程的回饋,後續將對課程進行調整,作為本館特色營隊開放給更多學生有學習的機會。
 

 

圖一 「生命大事記」營隊中學生參觀IYPT特展並進行觀察及紀錄

 

(二) 從化學元素的發現歷史學習化學元素化學元素報你知

「歷史」係指人類社會過去的事件和行動,以及對這些事件行為有系統的記錄、詮釋和研究。「化學元素報你知」的系列課程從單一化學元素被發現的科學歷史中,帶領學習者了解科學知識發展的脈絡,以及當時時空下的科學家們提出這些概念的想法,以協助學習者進一步地認識該化學元素的性質及應用。今年總共發展3件教案,分別為「百變碳元素」、「氫」及「氧」。

碳元素是在有人類活動以來,就有存在痕跡的古老元素之一,存在形式多變,包含八種同素異形體,應用範圍廣泛,從奈米碳的特性探索、巴克球製作及有機物與無機物的實驗中,初探碳元素的百變性質(如圖二)。氫及氧的發現,則與燃燒現象息息相關,從17世紀的波以耳、史塔爾,到18世紀的舍勒、普利斯力、卡文狄西、拉瓦節等科學家的科學研究中,科學家們逐步建構出氫及氧的輪廓,並各自提出燃素說、氧化說等不同的科學理論。在課程中教師從介紹這些科學知識發展的歷史背景引導學習者說出科學家們提出理論時的依據及證據,透過提問,讓學習者能思考站在不同角色立場時對提問的回答為何,認知及理解科學知識的產生會依自我的立場及觀點而不斷的改變,培養學習者批判思考的能力。

「化學元素報你知」課程實施在假日上午,每堂課3小時,共有614-9年級學生參與,雖然學生的年齡層差異較高,但教學者明確具體示範操作步驟,大多數學生仍可完成實驗;惟深入以化學方程式來解釋觀察到的現象時,七年級以下學生因沒有理化基礎,會先簡單說明元素符號及化學方程式的意義,建立學生對化學反應的基本概念,八年級以上學生因已開始學習國中理化內容,但因學習進度略有差異,會先請他們說明該堂課中出現的化學方程式代表的意思,便於教學者判斷該班學生對化學符號理解的程度,以決定加強補充說明或僅帶過此部分的內容即可,得以掌握課程進度。

在氧元素的課程最後半小時,嘗試讓學生自行設計題目的「快問快答」做為學習成果檢核的方式。首先讓學生將該堂課中學習到的內容設計成題目,讓其他小組搶答,設計題目及答對的小組都可以得分。從學生設計的題目與答案,教學者可以了解他們對元素的理解程度,再者,也請其他小組學生判斷這個題目的設計是否正確及合宜?若他們可以再次修正,他們會如何修改?提供學生進行後設思考的機會,是值得推薦非制式場域進行課程設計者之參考。
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圖二 「百變碳元素」中學生觀察白糖及鹽巴燃燒後的產物探究有機物與無機物的差異

 

參、 應用週期表

(一) 化學元素尋寶趣

在科學的發展上,解謎活動是科學家尋找自然奧秘的基礎,因對尋找未知的好奇與渴望,才能發展出科學上新穎、創新的理論、方法與技術。基於此,運用人們喜愛的解謎形式,結合化學元素週期表的內容,特別邀請具有物理、化學、遊戲設計相關背景的3位專家與本館同仁一起合作發展「化學元素尋寶趣」的活動,讓參與者透過解謎的歷程,增進對化學元素的認識以及與生活的連結與應用在遊玩的過程中了解化學元素與生活的關係,達到科普傳播的目的。

另一方面,本館展館為一棟地下三層及地上11層樓的高大建築,包含汽機車停車場、賣店、常設展、特展區、實驗室、會議室、劇場、圖書館及公共空間等區域,為讓參與者有機會更深入探索本館各個展區或空間,以達活用本館場域推動科學教育的任務,在基於傳播與應用化學元素週期表的內容及活化本館設施的兩大目的下,每一個元素關卡的設計採兩階段任務。第一階段任務是本館位置搜索,參與者從關卡提示中(圖卡或說明)先找出並到達本館某一特定位置,以便找到第二階段的化學元素實體題目,有關第一階段的題型範例如任務一(圖三),透過第一階段任務的解謎,增加參與者探索本館展館空間的機會,若時間足夠,也能駐足觀察該區所設計與科學教育有關的內容。第二階段任務是化學元素知識題,當參與者依提示找到正確位置後,就能在附近發現與化學元素知識有關的實體謎題(A3題目一張,如圖四),當解出第二階段任務的答案後,才算完成該關卡,另外,也會在答對該關卡的答案後,出現這個關卡代表元素的基本知識。有關第二階段的題型範例及元素知識說明如任務二。

任務一:

地點:5樓 探索化學世界

科妞正在跟科寶傳訊息

結果科妞回傳一個笑臉的回覆。(如圖三)

猜得出科妞現在人在什麼地方嗎?說不定題目也在那邊喔?

clip_image006圖三 第一階段任務的提示圖片 

 

任務二:

當我們通電到水中的時候,水裡面的元素就會被電出來喔!我們稱為這個現象叫做電解。因為水的化學式是H2O,所以電出來的氣體自然就是哪兩種氣體呢?這次的答案是當中比較輕的那個氣體喔。

比較輕的那個氣體是氣,請在APP中輸入它的中文名字吧!


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圖四 第二階段任務的實體謎題

    

元素知識說明:

拉瓦節將「氫」這個元素命名為「Hydrogen」,在希臘文中意為「生成水的物質」,日文也翻譯為「水素」,即「生成水的元素」(你有發現到這個英文字跟氫的元素符號之間有什麼共通的地方嗎?)19世紀50年代,英國醫生合信編寫《博物新編》(1855年)時,把元素名翻譯為「輕氣」,意旨「最輕的氣體」,成為今天中文「氫」字的來源。


clip_image009圖五 電漿狀態下的氫的顏色(取自網路維基百科「氫」)

本活動辦理時間從民國1087月起至12月底,運用本館B19樓的空間,搭配展品或場域功能,設計結合展品與生活經驗的尋寶路線。每月都以一個特定的意象為主題,發展有連貫性的故事情節,引導參與者尋找問題與答案。且考量過往辦理相關推廣活動都需要消耗大量的紙張,較不環保,尤其政府重視運用科技技術輔助智慧學習的政策下,本館遂運用免費手機軟體「芝麻出任務」的闖關模組,作為本次活動的工具,當參與者到達本館後,就能開啟手機APP掃描QR-code,開始蒐集每月不同的化學元素寶藏的任務。且為了吸引民眾長期參與及增加闖關動機,在活動期間設計三類獎項,讓參與者能依照過關月數進行兌獎,也在今年中秋節連假期間加開特定活動及關卡,提升民眾參與活動的樂趣。在六個月的活動期間,總計規劃48個元素關卡,有關每月設計的主題整理如表一、元素週期表中對應已開發之元素對照圖如圖六,未來當活動結束後,也會檢討辦理的情形,修正成更切近民眾操作習慣的形式。

 

表一 化學元素尋寶趣每月設計主題

月份 標題 主題概念 使用元素
七月 國際化學元素週期表年 讓民眾簡單認識元素符號、原子序及原子量,進而認識今年為「2019年國際化學元素週期表年150週年」,是為了慶祝「門得列夫」的發現! I碘、Y釔、Pt鉑、Ca鈣、K鉀、Sm釤、Md鍆
八月 科科市的危機 配合本館暑期「名偵探柯南」特展,參與者擔任偵探跟著科寶科妞進行犯罪搜查闖關活動,以人體重要組成分為設計的元素題材。 Ra鐳、H氫、C碳、N氮、O氧、S硫、Fe鐵、P磷
九月 登月50 今年是登月50週年,參與者和科寶科妞一同體驗並完成各種太空任務,任務中用到的這些元素有些是太空設備中重要的金屬成分,有些元素則是跟宇宙有關。 鋰Li、鋅Zn、鉕Pm、鎢W、矽Si、氦He、鎳Ni、鈦Ti
十月 Sci Story 賽先生歷險記 科學史之書《Sci Story 賽先生歷險記》因漸漸老舊而缺損了好幾頁的內容,參與者要跟著科寶科妞一起進入書中,找回了失落的科學故事,讓人們可以重新認識科學發展的歷史及數位偉大的科學家與發明家。 硒Se、錫Sn、鉛Pb、鈉Na、鎂Mg、硼B、砷As、鉻Cr
十一月 尼古拉的摩登冒險 咦~明明是準備搭上時光機穿越時空,結果意外的跟著科寶科妞協助穿越到現代的尼古拉修好故障的時光機,原來是沒有電啟動時光機,要在闖關的元素中找尋適合的電力來源,及了解尼古拉在電學中的特殊地位。 汞Hg、錳Mn、鈾U、鋇Ba、鋁Al、銅Cu、鎘Cd、鈷Co
十二月 小精靈出任務 準備慶祝元素週期表建立150周年的慶典活動,聖誕老人的助手——小精靈突然來找科寶科妞求救,他身上究竟發生了什麼事情呢?解除了危機後一起慶祝節日吧!在節慶中的霓虹煙火和佈置都有不同的元素應用在其中。

金Au、銀Ag、銥Ir、溴Br、氯Cl、氟F、氖Ne、氬Ar、氪Kr

 

  圖六 化學元素週期表對應已開發闖關之元素對照圖(紅色為已開發)

(二) 科學驚奇Live神奇的CO2

科學演示一直是科學中心在傳達科學知識上,一項重要的呈現形式,尤其化學演示實驗通常是為了讓觀賞者能在短時間內,親眼目睹現象的化學變化,進而傳遞化學知識的內涵,經由提問、互動問答、提供驚異變化的現象吸引觀眾的目光,達到吸引觀眾興趣後,升起想要繼續探索與學習的動機。

為結合IYPT的主題,首先從門得列夫的第一張週期表帶出本次演示秀的主角二氧化碳(CO2),先簡要介紹二氧化碳的基本性質後,讓觀眾思考生活中何處可取得碳酸鹽類與酸來製備二氧化碳,以便回家後可再現演示的實驗(如圖七)。本次使用的材料是碳酸氫鈉(俗稱小蘇打)及檸檬酸,較無異味產生,居家可使用醋酸來取代檸檬酸,亦可達到相同的效果,但氣味較刺鼻。接著利用排水集氣法將氣體蒐集在錐形瓶中,再加入氫氧化鈉水溶液,讓瓶中的二氧化碳被鹼性溶液幾乎完全吸收後,瓶內氣壓相較瓶外氣壓來的特別低,再加入酚酞指示劑,原本無色的液體一碰到瓶底的氫氧化鈉水溶液後,瞬間變為紅色,產生顏色上驚奇的效果,吸引觀眾的眼光。

接著,利用澄清石灰水與二氧化碳反應後產生白色固體的碳酸鈣,讓澄清石灰水變為乳白色,並安排觀眾上台進行競賽,增加台上與台下互動的趣味性(如圖八)。接下來,利用二氧化碳固態化的形式乾冰,進行蠟燭熄滅的實驗,從觀察低、中、高長度蠟燭在容器中熄滅的順序,理解到二氧化碳比空氣重且不助燃的性質,最後利用清潔劑將容器中昇華的二氧化碳包覆起來,當表面張力無法撐住二氧化碳氣體後造成一波乾冰氣體傾斜而下的壯觀畫面,結束一場充滿顏色變化、煙霧效果的神奇的CO2演示秀。

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圖七 二氧化碳製備的裝置          圖八 觀眾比賽誰最快將澄清石灰水變白

                  

肆、 結論

本館成立於民國四十五年,是全國唯一的國立科學教育中心,在過去六十年來,本館為提升全民的科學素養,積極推動辦理科展競賽、科學課程及科普推廣活動等,透過建置豐富的科學學習資源,辦理多樣化的科學展示及體驗活動,將科教館的營運模式從中小學學生推廣成吸引全齡化民眾的科學學習的好去處。針對無法親臨本館的民眾可以隨時獲知科教諮詢,本館建置有完善的「網路科教館」,提供歷屆科展資源、科學教案及線上直播或影音,提供無時差的科學學習環境。且為落實從館內走向館外,主動將館內資源送至各縣市,使當地師生及社會大眾亦能有機會共享受益,本館同時辦理「行動科教館」的到地服務,將科教資源帶往各縣市及各鄉鎮,使城鄉科教得以平衡發展。

從民國103年起由教育部指導轄下七個社教館所辦理之「跨域體驗 終身樂學國立社教機構跨域加值發展計畫」的推動下,為使士林區域的資源整合及促進本館與臺北市政府跨域合作機會的發展,本館將結合臺北市天文科學教育館、兒童新樂園及美崙科學公園等腹地,預計2023年打造出「臺北科學藝術園區」,讓臺北市士林區成為了北部地區首屈一指的科學教育重鎮。透過完善的規劃,主動且妥適的服務,本館期待建構出一座全民共享的科學教育館。因此,在2019年「國際化學元素週期表年」的盛會中,本館得以發揮推廣優質科教的責任,從科學實驗課規劃與推動、科普演示的設計與辦理及結合展品闖關活動的規劃等層面進行化學元素週期表系列活動,帶領學生及民眾認識化學及化學元素週期表之研究和發現,並促使來館民眾了解對於化學元素永續發展和人類福祉之重要性,本館深感榮耀。

 

致謝

本館辦理IYPT相關慶祝活動之經費,感謝由教育部及科技部補助經費支應。有關化學元素實驗課程規劃,感謝臺北市龍山國中退休教師祁明輝、臺北市南港高中教師陳柏亨、臺北市仁愛國中教師洪啓軒、宜蘭縣員山國中教師吳宏達、陳淑華等五位老師的長期開會討論、授課及檢討修正,得以完成。化學元素尋寶趣活動感謝臺北市景美國中教師蔡宜峻、臺北市雙園國中教師林杰及臺北市大同高中教師楊士弘等三位老師,利用課餘夜間或假日的時間腦力激盪,設計新穎具創意的元素關卡題目,提供民眾新奇趣味的學習。最後感謝新北市錦和高中陳永倫老師指導科學驚奇Live秀的化學演示規劃,以提供民眾專業、充滿驚奇的化學秀,僅代表本館致上最高的感謝。

參考文獻

邱美虹(2019): 2019國際化學元素週期表年特展活動介紹,《臺灣化學教育》,31期。

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