臺灣化學教育

初探口罩實驗—預防空汙的探究

陳美智¹ 、謝百淇²

國立中山大學氣膠科學研究中心¹

國立中山大學教育研究所及暨國立中山大學氣膠科學研究中心²

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■前言

2020是新冠肺炎的一年，全球75.9億人口中，目前得病接近9千萬人，死亡人數接近200萬人，更有多個國家元首得病（BBC NEWS中文，2020；國家高速網路與計算中心，2020）。目前許多場所建議佩戴口罩，主要在於口罩能提供基本的飛沫等防護效果（Cowling et al.,2020）。為讓學生能夠更加體會口罩結構性質與防護效果，本文初步提供與口罩相關的教學活動案例，作為教師課程規劃與設計參考。

■教學流程

本實驗使用引導探究，培養學生在教師給予的鷹架下，觀察現象發現問題，進而理解解析問題，形成需探討的問題，並提出可驗證的觀點，再透過規劃與研究，擬定研究計畫，建立控制變因形成自變項與依變項，並找到控制變因與操縱變因的方法，在合作學習中收集數據，學習定性或定量分析等的方法以蒐集資料，實驗過程能理解數據分析，以尋找可以解釋的科學原理並與他人的研究發現比較以提高信、效度，再討論修正以建立模型，最後學習如何把結果發表給同學或專家學者，依照證據以推理論證，形成結論以創新應用。以下將提供5個示範設計，教師可依照自己課室的真實情境，提供有脈絡化的教學實驗。教師也可依照介紹的不同活動主題先進行基礎學理的說明，以補充學生先備知識的不足。

■示範設計活動內容

依照食藥署法令公告內容提及醫用口罩主要可區分為最外層的防水層，主要功能用以阻隔飛沫等；中間層為過濾層，主要藉由不同孔隙的材質對細菌等進行過濾；最內層為吸水層，讓人配戴時能感到舒適（衛服部食藥署，2019）。活動規劃即探索防水層、靜電層、過濾層（利用活性碳）、吸水層以及整體口罩過濾效果。詳細說明如下：

（一）活動1—探索防水層

1.      發現問題

教師先示範把藍色墨水滴在口罩的最外層及最內層（圖1、圖2），讓學生觀察有何不同？此時教師可提問口罩的最外層有塗蠟或有薄膜嗎？若有塗臘或有薄膜需要如何檢測？若學生無想法時，教師可展示生活中塗上奈米防撥水劑的物質，如加奈米二氧化矽處理過的砂子在水中聚成一團，為什麼不會散開又不會變濕？（圖3、圖4）。進階可探討的問題，如口罩不同接觸層與水滴接觸角關係等（圖5、圖6）。

2.      規劃與研究

此時學生可依據假設，規劃實驗蒐集數據，如接觸角的研究問題，及如何測量接觸角？不同紙張材料的接觸角有何不同？接觸角與什麼力有相關？內聚力、附著力、表面張力？

3.      論證與建模

學生經由實作與實驗證明塗上防水劑之後的物質，不同於可吸收水分的材料。小組依據實驗結果進行討論形成解釋，可由蒐集的數據中，找出與口罩外層設計的關聯性。

4.      表達與分享

實驗結束後，學生可嘗試說明實驗結果並補充相關資訊。例如：口罩的最外層並非塗蠟或有薄膜，而是使用一種高分子材料的奈米防水劑。奈米防潑水抗污噴霧可用於布料，防霧眼鏡，防水雨傘，及鞋子玻璃、磁磚、馬桶等。

圖1：墨水滴在最外層  圖2：墨水滴在最內層

圖3：奈米沙          圖4：奈米沙在水中

圖5：水滴在口罩最外層形成的液滴      圖6：接觸角的研究

（二）活動2—探索靜電層

1.      發現問題

教師可先示範把口罩中間層靠近撕碎的衛生紙，讓學生觀察到衛生紙可被吸引，再讓學生預測是否能吸引咖啡渣或碳粉？此舉即讓學生思索口罩的中間層是否帶有靜電？接著教師可先讓學生看熔噴不織布的影片，再提問靜電的大小如何偵測，是帶正電還是負電？靜電為什麼用手觸摸，卻不會消失？教師示範口罩接近靜電偵測器，讓學生觀察LED燈明亮狀態（圖7、8、9、10）。

圖7：場效電晶體及LED燈  圖8：口罩靠近，則LED燈熄滅

圖9：毛皮摩擦過的塑膠棒（或氣球）靠近，則LED燈熄滅  圖10：毛皮靠近，則LED維持亮度或更亮

2.      規劃與研究

引導學生規劃實驗進行靜電驗證，如尋找N或p通道場效電晶體JFET（junction gate field-effect transistor）的功能，及物質帶電的序列，以判定靜電的電性。也可以使用驗電瓶檢驗電性（圖11、12），甚至可探究靜電有多大？

圖11：驗電瓶檢驗電性  圖12：驗電瓶鋁箔張開角度越大，電量越大

3.      論證與建模

引導學生從實驗證明，口罩靠近靜電偵測器，因為場效電晶體是一個感應電場作動的高速微型開關，所以負電讓開關關閉，LED燈熄滅，即判別口罩帶負電。與毛皮摩擦過的塑膠棒帶負電，故塑膠棒靠近LED燈也熄滅。毛皮帶正電，場效電晶體N通道上面的閘極感應到微弱正電壓時，通道就會開啟，LED亮度就會上升。電量的大小亦可由驗電瓶中鋁箔張開的角度來判斷。最後小組討論分享並形成解釋，判別口罩是否具有靜電效果。

4.      表達與分享

實驗結束後，讓學生嘗試依據實驗結果說明口罩的中間層是帶負電。或者能查找資料陳述靜電在生活中有很多的應用，例如：靜電除塵拖把、空氣清淨機，工廠靜電除塵、燃煤電廠除塵等。

（三）活動3—探索活性碳層

1.      發現問題

教師可先複習課本中活性碳的製法，及吸附有機氣體及濾水器的原理，亦可讓學生看活性碳吸附的影片，再提問實驗的假設及問題，例如：活性碳的材料及面積是否會影響吸附不同極性氣體及不同大小的分子？溫度及濕度是否會影響吸附的效能？污染氣體的種類或是活性碳的顆粒大小是否對吸附效果造成影響（圖13、14、15、16）。

2.      規劃與研究

此時學生可依據前述階段的問題進行假設，規劃實驗設計，並準備所需的器材及藥品。

圖13：乾淨的空氣及空汙鼻偵測器當基準點  圖14：加入點燃線香氣體

圖15：再加入活性碳  圖16：經過一段時間

3.      論證與建模

學生可學習如何藉由軟體將數據製成圖表（如EXCEL），如何選擇數據圖形的種類？圖、表要如何呈現？如何判斷橫坐標、縱座標、間距和單位？如何找出科學型態、樣式或模型？如何判斷誤差大小及偏離值？最後由實驗證明，活性碳確實可以吸附有機氣體或色素及具味道的分子，各小組討論分享並形成解釋，並呈現表格及圖形（例如：圖17、18、19及表1）。

4.      表達與分享

小組形成活性碳吸附的結論，上台發表並依據找尋到的資料說明生活中的應用，例如：製成布料、口罩、香菸濾嘴、排氣吸附處理、廢水回收前處理等。

表1 活性碳吸附線香，由空汙鼻偵測數據

（四）活動4—探索吸水層

1.      發現問題

教師先讓學生看親膚層的吸水性，再提問實驗的可能假設及實驗的問題。問題可能是吸水性能要如何表示或擴散快慢要如何決定？是否與材質有關？或與液體分子的大小或極性有關？

2.      規劃與研究

此部分可參考楊水平等人（2020）提出的濾紙色層分析的示範實驗和教室活動。學生小組依據假設，規劃設計實驗及蒐集數據方法，提出可驗證的假設以進行實驗，例如：相同溶劑、相同色筆，用不同的紙類其色素擴散的情形。

3.      論證與建模

學生由實驗可發現，分子大小的不同，分子極性的不同，材質吸水性能或擴散快慢會如何的有影響，並思索可能的原因，讓小組討論以形成解釋。

4.      表達與分享

小組針對實驗結果形成不同材質對水分子吸附的結論，並根據資料查詢觸及生活中的應用，如吸濕排汗衫和紙尿褲等。

（五）活動5—探索口罩過濾效果

1.      發現問題

教師先讓學生看許多不同的口罩，再由先前所學到的口罩科學，提問不同的口罩過濾效果的可能假設及實驗問題。問題可能是：不同的汙染源，所需的口罩是否不同？不同的口罩，過濾效果是否不同？口罩吸附是否有飽合臨界點？不同的場域口罩到底戴幾個小時最適當，或如何判定何時要換新的口罩？

2.      規劃與研究

學生可以依據問題提出相關的假設，建立所需的藥品器材及步驟，規劃實驗設計、蒐集數據（圖20、21、22、23、24、25）。可以使用科學日誌，或其他工具及統計製圖，以建立證據概念，證據概念是探究與實作的基礎，也是確認探究品質的可信度及有效性最有說服力的主張。

圖20：瓶蓋挖洞          圖21：乾淨空氣(基準點)

圖22：放入線香    圖23：中間放入口罩（一側有線香，另一側是乾淨空氣）

 

圖24：經過一段時間後乾淨空氣的偵測數據  圖25：重複實驗，以相同口罩重複吸收線香

3.      論證與建模

學生經由實驗的操作能夠理解，不同汙染物，因為分子大小的不同，被吸附快慢會有差異。口罩吸附線香中懸浮微粒PM_2.5及PM₁₀的模式很相似（圖26），相同口罩重複使用，第一次的吸附效果比第二次好（圖27）。

4.      表達與分享

學生形成對不同口罩及不同汙染物吸附的結論，及可能生活中的應用，例如：判別不同廠牌口罩的吸附效果或不同材質口罩的防護效果。

 

圖26：口罩吸附線香中懸浮微粒PM_2.5及PM₁₀的模式相似

圖27：相同口罩重複使用，第一次的吸附效果比第二次好

■結語

新冠肺炎的全球蔓延加重人們對於醫療保健的重視，口罩的使用與時機更是肺炎傳播初期爭論的焦點。本文主要初步探索與醫用口罩結構相關的科學探索活動，讓學生從中體會口罩具備的防水、靜電、過濾與吸附功能，有興趣的讀者可調整相關的活動內容以適應不同年級與能力的學生。

■參考資料

1.      BBC NEWS中文（2020年4月8日）。肺炎疫情：英國首相約翰遜病情好轉但繼續重症加護https://www.bbc.com/zhongwen/trad/world-52179005

2.      Leung, N. H. L., Chu, D. K. W., Shiu, E. Y. C., Chan, K. H., McDevitt, J. J., Hau, B. J. P., Yen, H. L., Li, Y., Ip, D. K. M., Malik Peiris, J. S., Seto, W. H., Leung, G. M., Milton, D. K., & Cowling, B. J. (2020). Respiratory virus shedding in exhaled breath and efficacy of face masks.Nature Medicine, 26, 676-680.

3.      國家高速網路與計算中心（2020）。COVID-19全球疫情地圖。取自https://covid-19.nchc.org.tw/index.php

4.      場效電晶體簡介（無日期）。檢索日期：2020年12月10日。取自https://jupiter.math.nctu.edu.tw/~weng/courses/IC_2007/PROJECT_MATH_class2/MOS_TR.pdf

5.      彭郁惠、謝佶霖、陳宜玫、陳昱璇、楊水平（2020）。中學化學示範：濾紙色層分析的示範實驗和教室活動。臺灣化學教育，37。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=37703

6.      衛服部食藥署（2019）。醫用面(口)罩製造工廠品質管理指引。取自https://www.fda.gov.tw/TC/siteListContent.aspx?sid=310&id=30392