臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan透過遠距教學推廣科普活動
李俊穎
新北市立光復高級中學
[email protected]
n 前言
筆者服務於新北市立光復高中，多年來皆有申請競爭型計畫，以維持科普推廣活動的經費開支。在109學年度，因遭受全球新冠肺炎流行的影響，導致全台防疫升級，而使得原先規劃的偏鄉營隊活動和社區科普推廣活動無法順利如期舉辦。在去年（2021年）下半年，筆者向新北市教育局申請變更計畫，變更為以「多媒體呈現」和「遠距教學」兩大主軸辦理相關推廣活動，因而催生這次遠距教學，得以延續多年的科普推廣活動。在這遠距教學中，規劃兩項趣味科學實驗單元作為活動教材，利用線上表單報名，在教學開始前一週寄送實驗材料包至學員家中，透過Google Meet視訊平台進行同步遠距教學。我們也預先錄製教學影片，上傳至YouTube平台，提供非同步的遠距教學。圖一是在遠距視訊中教師示範操作實驗的情形。
圖一：透過遠距視訊平台，教師示範實驗步驟的操作
n 活動構思與課程設計
本次遠距教學推廣科普活動本著以實際操作實驗為目的，挑選兩則平易近人且安全無虞的實驗單元，分別為「天氣瓶與防疫酒精」和「磁吸史萊姆鼻涕蟲」。
由於在進行遠距教學時，無法如同在實驗室的實驗操作，教師無法隨時留意學員的操作情形並且為學員的安全把關，因此實驗設計的「安全性」為首要考量。其次考量為實驗設計的「趣味性」與「科普性」，最初在構思可行的課程主題時，必須能夠吸引一般社會大眾，且能輕易上手操作，也期望能讓家長陪同學童按部就班完成實驗操作，達到親子同樂和親子共學的目的。在選定實驗單元之後，開始準備以下工作：
一、 編製教學指引與學習單
教學指引需要詳述這次科普活動的進行方式，並且透過臉書粉絲專頁和IG專頁來公告資訊，並與學員溝通互動；學習單的內容包含器材清單、實驗警語、實驗步驟、實驗記錄欄位、實驗原理以及簡易的Q&A。「天氣瓶與防疫酒精」和「磁吸史萊姆鼻涕蟲」學習單，如附錄一所示。
二、 配置材料包的內容
由於學員必須在家中進行實驗操作，因此實驗材料包必須包含完整的器材、藥品，而且需要考量整體經費的支出才能規劃每份材料包的單價及數量；為了確保學員操作實驗的安全，以塑膠製的燒杯和量筒取代玻璃器材，使用木片冰棒棍代替玻璃攪拌棒；使用到的固體藥品粉末，必須事先秤量特定的質量，分別裝入小夾鏈袋中，並以標籤紙標示清楚。
三、 建構遠距教學的設備
遠距教學的進行有賴於網路與資訊設備等媒介，事先確認學校實驗室的網路狀況、拍攝器材、收音器材、燈光搭配…等，確保在遠距教學時能有效地引導學員進行實驗操作。圖二為在化學實驗室建構遠距教學設備。
圖二：在化學實驗室建構遠距教學設備
四、 安排報名流程與課程進行方式
為確保學員能確實收到實驗材料包，事前需要設計完善的報名表單及相關流程，在收到報名表單後，依報名時間先後排定錄取名單和備取名單，接著透過電話確認後，決定最後的錄取名單，並利用報名表單蒐集學員聯絡方式，於教學開始前一週便寄送材料包至學員家中。兩個實驗單元的材料包的內容物，如圖三所示。
圖三：材料包的內容物，天氣瓶與防疫酒精（左），磁吸史萊姆鼻涕蟲（右）
n 遠距教學方式與實際執行情形
一、 規劃階段
(一) 決定活動屬性與受眾
本次線上遠距趣味科普活動，希望受眾不受到年齡限制，國小中年級以上即可，因為年紀太小無法進行精細的操作而有一定的危險性。這次活動決定設定試驗屬性往較為平易近人且可以動手製作紀念品的方向思考，因此決定以「天氣瓶與防疫酒精」和「磁吸史萊姆鼻涕蟲」作為本次活動的主題。
(二) 擬定進行方式與媒介
經團隊共同討論後，考量並非所有學員都有良好的遠距視訊設備，且時間上可能會無法配合共同時間，因此設計之初便往提供「線上同步教學」與「非同步教學」的方向安排。線上同步教學係透過Google Classroom線上會議空間，由教師帶領學員依據材料包中的學習單，動手逐步操作實驗，並解透過視訊解說實驗原理和生活應用。非同步的課程則是預先錄製課程的操作教學影片，經妥善的安排、剪輯之後，上傳到YouTube平台上。待學員收到材料包之後，可以依照學習單上的學習指引，自行安排合適的時間，依教學影片自行逐步完成實驗操作。非同步教學的影片，如附錄二所示。
(三) 工作分配與時程規劃
依筆者與社團幹部分工為例，此次遠距科普活動團隊的工作分配，如表一所述。此次遠距教學的時程規劃，如圖四所示。
表一：遠距科普活動團隊的工作分配
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工作職稱 |
工作分責內容 |
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指導老師 |
整體活動規劃、監督活動準備、與學校行政協調經費運用與必要協助事項、學習單設計、實際授課 |
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總副召（由社團學生擔任） |
擬定計劃書、安排學生分工、監督籌備進度 |
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教學組（由社團學生擔任） |
與教師共同討論教學內容、擬定材料包內容、課程實驗條件測試、領導藥品分裝、監督材料包裝箱 |
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拍攝組（由社團學生擔任） |
教學影片的拍攝、活動紀錄 |
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後製組（由社團學生擔任） |
教學影片的剪輯與後製、影片上傳、粉絲專業的管理 |
圖四：遠距教學時程規劃甘特圖
二、 教學前準備階段
1. 教學測試選定實驗的可行性，並確定使用的器材和藥品的用量。
2. 教師與社團學生討論課程內容並確定學習單的架構。
3. 教師確定實驗材料包中內容物的品項及其數量，如圖五所示。
4. 請購材料和藥品，如圖五所示。
5. 藥品分裝並貼妥標籤，其餘器材預先準備所需份量，如圖五所示。
6. 拍攝教學影片並後製，上傳到YouTube平台。
7. 印製教學指引和學習單。
8. 公告網路報名資訊。
9. 完成材料包裝箱並確認，如圖六和七所示。
10. 整理報名的學員名單與聯絡資訊。
11. 寄送材料包到學員家中，如圖八所示。
12. 進行網路環境測試，測試遠距實驗教學，再次確認當日工作人員分工，如圖八所示。
圖五：材料包的內容物，器材藥品和學習單（左），學習單、科普紀念品及學校與社團DM（右）
圖六：活動限定科普推廣吸水陶瓷杯墊（右），確認分裝藥品和材料份數（左）
圖七：社團幹部進行材料包裝箱作業（左），確認與檢核材料包的內容物（右）
圖八：完成140箱材料包待裝箱並寄送（左），網路環境測試與課程進行測試（右）
三、 教學中實施階段
1. 再次確認網路環境是否得以負荷遠距課程，並確認學員上線。
2. 引導學員核對材料包中的器材、藥品及活動紀念品。
3. 逐步引導學員操作步驟，並透過視訊會議與訊息確認學員是否有跟上步驟，如圖九所示。
4. 提示學習學習單中的紀錄欄位，引導學員適時紀錄實驗結果。
5. 透過視訊鏡頭讓學員展示自己的實驗成果，如圖十所示。
6. 進行Q&A時間，並進行原理及生活應用的說明。
7. 提醒網路平台的互動資訊。
圖九：在遠距教學過程中，教師逐步帶領學員操作實驗（左），工作人員透過電腦監控視訊會議訊息欄（右）
圖十：教師向學員示範製作成品（左），學員透過視訊鏡頭分享自己的實驗成果（右）
四、 教學後互動階段
1. 整理回饋單。
2. 於粉絲專頁上公布課程小挑戰的答案。
3. 辦理參與回答的學員後續抽獎活動。
4. 於粉絲專頁上回覆學員後續的提問。
n 實驗單元的教與學內容
【實驗單元一】：天氣瓶與防疫酒精
一、 學習目標
本科普活動的實驗操作分成兩部分進行，第一部分逐步引導學員依正確步驟與比例混合氯化銨、硝酸鉀配製成水溶液，配製天然樟腦的酒精溶液，兩者於玻璃瓶中混合成天氣瓶。第二部分則是利用剩餘的95%酒精，按照正確的比例稀釋成75%的防疫消毒酒精。
依照認知、技能及情意領域，天氣瓶與防疫酒精的學習目標，如表二所示。
表二：天氣瓶與防疫酒精的學習目標
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領域分類 |
學習目標 |
認知領域
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1. 能知道物質溶解度與溶劑種類的關係 2. 能理解物質溶解度與溫度的關係 3. 能知道物質於溶液中溶解與析出的變化與平衡 4. 能辨識物質結晶的形狀 5. 能計算溶液的濃度並配製溶液與稀釋的方式 6. 能了解75%酒精和防疫消毒原理 |
技能領域
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1. 能操作混合溶液 2. 能操作隔水加熱 3. 能操作溶液的配製和溶液的稀釋 4. 能觀察實驗現象並紀錄實驗數據 |
情意領域
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1. 能藉由實驗參與，提升對科學實作的興趣 2. 能透過平時對與天氣瓶的觀察，提升對於觀察自然現象變化的敏銳度 3. 能透過配製防疫酒精，提升全民防疫概念 |
二、 實驗操作與數據紀錄的引導
(一) 實驗操作的指導
由於天氣瓶的製作力求溶液配製的正確比例，因此指導學員操作時需要不斷地提醒並強調溶劑量取時的精確性。由於參與活動的學員大多是小學中、高年級的學生，在原本的學習階段較無使用實驗器材的經驗，即便有經驗的學員也不清楚量取體積之重點為何，因此在指導時需要特別強調量取的方式，例如眼睛平視液面以判讀刻度、刻度讀取須對齊液面凹陷處、可以使用滴管輔助滴入少量液體…等，在此過程中也會麻煩家長進行必要的協助。
由於學員多半沒有實驗操作的經驗，因此在完成每個步驟後，教師必須強調完成後的狀態為何，例如溶質倒入固定體積的水中溶解，以木棒攪拌至溶液完全澄清才算是攪拌均勻，又如混合水溶液和酒精溶液後會在交界處產生白色雲朵狀的沉澱物…等。
由於學員的年齡層普遍年幼，因此在操作過程中的解說應該適時降低難度或找尋更適切的比喻，筆者在本次教學經驗中，原理力求簡單化，簡略帶過即可，只要讓學員對核心概念有印象即可，例如天氣瓶中的成分在溶液中的溶解度會受到溫度影響，溫度越高溶解度越大，產生的沉澱物或結晶越少。利用此簡單的概念透過觀察瓶中的結晶量來推估大致的氣溫，其他深入的知識內容或進階原理，則放入學習單中的補充資料以供學員或其家長自由選擇閱讀。
(二) 實驗觀察與紀錄的引導
學習單中的數據記錄區分成三個部分，如下所述：
第一部分：在天氣瓶製作時需要事先配製水溶液與酒精溶液，由於水溶液中溶有氯化銨和硝酸鉀，這兩種藥品都是易溶於水的鹽類，因此溶液攪拌均勻後為澄清透明的溶液。而酒精溶液中溶有樟腦，當混合均勻時亦為澄清透明的溶液。在上述兩種溶液混合後在兩者接觸的界面會產生白色沉澱，可以讓學員仔細觀察並記錄之。
第二部分：在上述溶液混合之後，以熱水浴隔水加熱，由於溶解度隨溫度上升而增加，可提醒學員記錄沉澱物逐漸消失，觀察溶解度隨溫度而改變。
第三部分：利用酒精稀釋成防疫酒精，當水和95%酒精混合時，因折射率改變而產生擾動現象不太容易觀察，可以事先提醒學員仔細觀察瓶內光影的變化，並且藉此說明生活中溶液濃度改變時，其折射率亦會隨之改變的情形。
三、 問題與討論
在學習單的最後，設計五則簡單的問題作為小挑戰，並在臉書粉絲專頁上公布答案以提供與學員進行後續互動的機會。五則問題與其簡要答案，如附錄三所示。
1. 天氣瓶含有三種主要材料，硝酸鉀、氯化銨以及天然樟腦，哪些是屬於水溶性？哪些是屬於脂溶性呢？
2. 在完成天氣瓶製作後，瓶內的溶質隨著外界氣溫越高，溶解度會有什麼變化？
3. 當天氣變冷時，我們可以從天氣瓶內看到什麼樣子的結晶？
4. 我們可以用95%的市售酒精用水稀釋作為防疫消毒酒精，大約依照怎麼樣的比例混合就可以了呢？
5. 水與酒精不具備「體積的加成性」，請問當兩者混合時，體積會比預期的多還是少？
【實驗單元二】：磁吸史萊姆鼻涕蟲
一、 學習目標
本科普活動的實驗操作係利用透明膠水（含聚乙烯醇）、白膠（內含聚醋酸乙烯等），經由適當稀釋後，逐滴加入飽和硼砂水溶液，進行交聯作用而產生半固態的化學黏土或是具有彈性的彈性球，並提供磁鐵粉讓學員可以自由滲入混合溶液中，使得最後的史萊姆鼻涕蟲可以被強力磁鐵吸引，提供另一層次的玩法與實驗體驗。
依認知、技能、情意領域，磁吸史萊姆鼻涕蟲的學習目標，如表三所示。
表三：磁吸史萊姆鼻涕蟲的學習目標
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領域分類 |
學習目標 |
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認知領域 |
1. 能認識膠水與白膠的成分 2. 能簡略地認識聚合物的特性 3. 能初略地認識極性官能基與黏著力和親水性的關係 4. 能了解交聯作用的簡單原理 5. 能了解交聯作用與聚合物物理特性的關係 6. 能了解磁鐵粉與實驗中應用的原理 |
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技能領域 |
1. 能操作溶液的混合 2. 能操作溶液的配製和溶液的稀釋 3. 能觀察實驗現象並紀錄實驗的數據 |
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情意領域 |
1. 能藉由實驗操作，提升對科學的興趣 2. 能透過本課程學習內容，體驗生活中的交聯作用 3. 透過揉捏史萊姆鼻涕蟲，激發創意與多層次的思考 |
二、 實驗操作與實驗數據紀錄的引導
(一) 實驗操作的指導
史萊姆鼻涕蟲的實驗操作著重在膠水或白膠逐漸固化過程的實驗觀察，透過飽和硼砂水溶液的滴加，逐滴攪拌並感受黏稠度的增加是很重要的體驗，因此在指導過程中需要提醒學員切勿心急，要耐心操作。
製作史萊姆鼻涕蟲時，磁鐵粉的添加與否並不會影響交聯作用的觀察，但會影響最後的成品是否具有磁性而被強力磁鐵吸引，因此可以在教學之初給予學員自行選擇是否需要添加，沒有添加磁鐵粉的成品顏色較為透明清澈，反之有添加磁鐵粉的成品則呈黑色，有些學生會因為外觀是否好看而影響他們操作的選擇。
本實驗隨著滴入的硼砂水溶液多寡，而決定最後成品的流動性，適當添加少量的硼砂水溶液時，成品會呈現半固態、具些良好延伸性的化學黏土，可以讓學員挑戰拉長而不斷裂。若這個實驗應用在實體實驗課時，可以讓學員分組挑戰如何讓自己的史萊姆鼻涕蟲可以拉到最長；若添加的硼砂水溶液較多，則成品會呈現具有彈性的固態球狀物，可以讓學員挑戰測量從固定高度釋放至桌面彈起的高度，並且進行數據的紀錄與測量。
由於史萊姆鼻涕蟲為具極性官能基聚合物的交聯產物，因此對紙張、織物有很強的黏著力。在操作過程中，教師應適時提醒學員盡量避免接觸衣物、頭髮，並且在實驗結束後提醒學員實驗成品裝到材料包裡的夾鏈袋中保存，如此可以延長把玩化學黏土的時間。
(二) 實驗觀察和數據紀錄的引導
在學習單中的數據記錄區分成三個部分，如下所述：
第一部分：希望學員在製作史萊姆鼻涕蟲之時，能夠培養細心的觀察能力，因此希望學員記錄滴加多少滴的飽和硼砂水溶液之後，膠水交聯的程度足以直接取出用手揉捏。
第二部分：針對製作完成的成品，進行測量之練習，例如小心拉伸史萊姆鼻涕蟲，設法測得最長可以延伸至多少公分，或是水平延展成膜狀測量其直徑或是長寬。
第三部分：滴加較多的硼砂水溶液到膠水或白膠中，使其交聯形成彈性球，可以測量其彈跳的高度；或是以強力磁鐵吸引史萊姆鼻涕蟲，測量其受到磁力吸引而延展的長度。
三、 問題與討論
在學習單的最後，設計5則簡單的問題作為小挑戰，並在臉書粉絲專頁上公布答案以提供與學員進行後續互動的機會。五則問題與其簡要答案，如附錄三所示。
1. 當添加硼砂水溶液到膠水之中，會改變其中聚合物的結構，這樣的改變會傾向變成鏈狀的還是網狀的呢？
2. 在製作磁吸史萊姆的過程，使用到磁鐵粉是一種鐵的氧化物，它的化學式是什麼？
3. 在添加較多的硼砂水溶液到膠水中後，變硬的膠水會變成有彈性的彈力球，若加入硼砂水溶液太多時，彈力球在彈跳時可能會破損，破損的狀況是怎麼樣呢？
4. 如果你有嘗試製作不添加磁鐵粉的鼻涕蟲，要注意什麼才可以讓你的鼻涕蟲保持透明又透光呢？
5. 使用白膠製作史萊姆時，要達到相同程度的狀態，白膠版本所需要加入的硼砂水溶液會比較多還是比較少？
n 遠距課程與傳統實作課程的分析比較
筆者曾於疫情爆發之前，辦理過多年的實體科普實作推廣活動，參考過往經驗，分析並比較傳統實體實作教學與網路遠距實作教學的差異，如表四所示。
表四：傳統實體實作教學與網路遠距實作教學的差異
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分析面向 |
實體實作教學 |
遠距實作教學 |
教學品質與教學回饋
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l 教師與學員直接面對面交流，對於教學節奏、學生反應較能掌握，實作教學有許多操作手法與技巧，也容易透過現場示範進行教學。 l 在學生回饋方面，由於學員現場面對教師，因此問答之間較為便利。不過學生大多礙於同儕及社會壓力，多數不敢提問，可能導致學員容易產生從眾心態，不太會用心思考自己操作的內容和提出問題。
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l 透過網路的視訊會議上課，較容易受到硬體設備的限制，例如網路環境可能導致視訊畫面延遲、畫質不佳，或是語音與視訊延遲導致上課品質下降。 l 在教師示範時，常會受限於網路攝影機、實物投影機、專業相機或使用的鏡頭的不同，拍攝應用的範圍也有所不同，例如需要拍攝特寫才能讓學員清楚知道操作的結果、半身近景才能看清楚教師講述的肢體語言。 l 在學生回饋方面，較難及時得知，透過網路雖能溝通，但彼此在螢幕後方畢竟還是有所不便，教師授課程較難察覺學生操作的困難或是講述時有不清楚的地方。 l 由於少了群眾的眼光，因此大部分的學員只要有疑問，大多能在第一時間提出，因此監控訊息視窗變得非常重要，建議有專人負責監管與回覆較佳。 |
受眾群體
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l 學員參加實體課程容易受到地域性於通勤時間的限制，因此大多為鄰近地區的學生為主，且參與的地點在學校實驗室進行，大多數學員的年齡分布會較為狹窄。 |
l 學員參加遠距實作課程，只需要在家中指定的時間上線參加課程，因此受眾群體較為廣泛，明顯較不會受到地域的限制，且學員在家中進行實驗操作，大多數家長會在旁協助，因此提供良好的親子共學契機。 |
籌備難易
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l 傳統實作教學在籌備上其實困難程度並不會比網路課程困難或輕鬆，由於現場操作容易同時發生許多突發狀況，因此需要較多工作人員的人力投入，且工作人員需要事先訓練、驗收，此部分是比較花費心力的。 |
l 遠距教學係透過視訊與學員互動，在授課時大多數情況教師可以自行處理，只需安排妥當必要的協助人力即可進行。然而，前置作業的準備期較長，若欲規劃此類型的活動，可能需要傳統課程籌備的1.5~2倍的時間。 |
課程執行與操作
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l 在實驗室進行實體課程時，教師通常會在講桌進行實驗示範和原理說明，並且隨桌指導學員進行實驗操作，也會安排隊輔隨桌指導與協助，在課程推行上通常是順利且可以掌握的。 l 實體課程的操作容錯率會比較高，若學員操作有些許失誤，工作人員或指導老師可以適時介入糾正或除錯，透過此過程也可以加深學員操作的印象，對於實驗操作技巧的培養與建立有很好的優勢。 |
l 遠距實作課程執行時必須考慮鏡頭的位置以及麥克風收音，同時需要克服燈光的限制，因此教師示範大多侷限於一個小範圍的桌面，而且在操作時，特寫與全景運鏡必須與工作團隊事先討論。 l 網路遠距課程的容錯率相對來說就比較小了，由於透過鏡頭對學員上課，因此呈現出來的內容必須一次到位。再者，學員自行在家中進行操作，教師很難在第一時間察覺學員的失誤，因此很有可能最後使得學員無法得到應有的正確實驗成果。 |
n 結語
現在全球的學習環境逐漸邁入後疫情時代，在居家隔離或在家工作的生活型態來臨之際，人們開始透過科技的力量克服許多困難。拜科技之賜，距離與地域的限制已逐漸消失在地球村，新的學習方式也逐漸成形，這一切的改變當然也適用於科學教育之中。
危機即為轉機，雖然原先規劃的推廣活動遭受疫情影響而導致無法如期進行，但是開始嘗試透過網路進行遠距教學推廣科普活動，意外地發現我們可以擁有更廣泛的受眾、並且增強即時回饋和居家環境的親子共學的益處，這些都是在嘗試過後才發現的美好事物。
由於科學實驗操作有其危險性，因此遠距教學依然有其限制，在課程的規劃方面應該避免使用有毒性的、強酸鹼的或刺激性的化學藥品。在螢幕的後方有很多不確定的因素，我們很難及時掌握學員的動向與安全，教師有責任在規劃實驗課程時為學員做第一線的安全把關。傳統上，實體的操作示範實驗有無法取代的優勢，在建立完整且正確的實驗方法與實驗安全倫理，還是有賴於實體課程的操作。
希望藉由本文的分享，期望見到各位科學教育同好和先進有更多元的想法，在後疫情時代創造更多的可能性，以提升學子的科學探索知能並且強化他們的學習興趣。
n 誌謝
感謝新北市教育局提供經費並同意變更計畫；感謝光復高級中學行政團隊的支持與配合；感謝本校學生科學魔法社成員辛苦的服務與付出。為表達感謝之意，分享這次科普活動新聞媒體的報導，如附錄四所示。
n 附錄
一、遠距教學指引手冊和學習單
圖十一：天氣瓶與防疫酒精（左），磁吸史萊姆鼻涕蟲（右）的QR code
（透過網址下載學習單：天氣瓶與防疫酒精，磁吸史萊姆鼻涕蟲）
二、非同步教學影片
圖十二：天氣瓶與防疫酒精（左），磁吸史萊姆鼻涕蟲（右）
（影片超連結：天氣瓶與防疫酒精；磁吸史萊姆鼻涕蟲）
三、教學後問題與討論
下載教學後問題與其簡要答案：天氣瓶與防疫酒精和磁吸史萊姆鼻涕蟲。
四、新聞媒體報導
1. 大豐新聞 用直播教化學實驗 光復高中創新授課，http://youtu.be/ts0QfkwFP3c
2. 新北光復高中推出趣味科學課程 帶民眾線上遠距做實驗，https://bit.ly/3NcRzOw