臺灣化學教育

大學化學實驗課程設計與線上教學：疫情時代的化學實驗課-室溫磷光之製作

邱秀貞

國立嘉義大學應用化學系
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n  前言

COVID-19疫情衝擊教學課程，教育部陸陸續續公布了相關的防疫辦法，透過遠距教學，希望藉由減少群聚活動與實體上課，來達到防疫的目的，目前教育部官網提供大專院校參考的三種非實體上課的模式：同步教學、非同步教學與混合教學等三種模式，因疫情全面取消實驗室實體課程，使得科學教育之基礎面臨前所未有的挑戰，如何讓學生在遠距教學的實驗課中，既能真實探究實驗原理，又能實際操作，成為參與實驗課程之教師之難題，本篇文章提供實驗課程模式分析，並進一步設計實驗箱，讓學生能在停課前帶回，於遠距教學時線上共同實作。

n  遠距實驗課程方式分析

一、線上實驗室

一般會認為最簡單的線上實驗課就是拍實驗解說與實作過程影片，上傳後讓學生自行觀看，並設計問題讓學生於線上作答，這種作法為暫緩之計，後續仍須於寒、暑假找時間補做，然而疫情至今，在澳洲已有學校聯盟創建「無障礙遠程實驗室」（Freely-Accessible Remote Laboratories, FARLabs）（Farlabs, 2013），利用虛擬實境及對實驗室設備的遠程控制組合在線上建立實驗室，這些設備可讓學生在自己的住所安全舒適環境下進行操作。透過線上實驗室，以實用的方式探索科學的關鍵概念，並可即時線上傳輸學生的實作過程，甚至利用虛擬的環境，與學生在教學過程中保持高度的互動性，同時可一次將多個學生登錄到同一實驗中，此種方法已被評為最有潛力之遠距實驗教學法；此法之缺點在於線上設施的建置與維護費用昂貴，因其涉及資訊科技及實驗室教學方面的專業知識，教師需要精密仔細的設計課程，以及監控實驗的進行。

二、家庭實驗室

第二種方法是利用在家中容易找到的器具設計實驗活動，家庭中使用的日常品可以用來研究化學、物理及生物學。例如，利用水果中的酵素進行催化反應、學生可用馬鈴薯、地瓜及奇異果中的酵素來分解雙氧水並探討影響反應速率的因素，亦可利用一個自製簡單的擺錘來測量重力，或者通過觀察添加到一杯水中的溫度變化來發現冰的熔化熱或汽化熱（相變焓）。設計此類的實驗，可透過利用實驗過程與我們周遭的環境產生實際連結，改善學生的學習成果；家庭實驗室的缺點在於，一些關鍵性的實驗需要專業昂貴的儀器，例如分光光度計、光學顯微鏡等，則無法如同在學校實驗室垂手可得。

三、實驗箱

實驗箱之發送為另一簡便的方式，透過此方式，實驗室的工具箱在學校組裝後，讓學生領取或者發送給學生，讓學生能在自己家裡進行實驗；實驗箱具有明顯的優勢，教師可同步在線上作完整講解後，同時為學生提供了實驗室手作實驗的經驗，且無時間限制或照看的需求；然而，此種方法的缺點在於，如果學生無法親自領取時，郵寄實驗箱則需有郵資之需求，如有設備遺失或損壞，將有費用承擔歸屬的問題，當然，在實驗的設計上，一樣需要考量安全性。

n  實驗箱設計

相較於日常生活中無所不在之螢光，磷光一詞在生活中似乎相對陌生且易與混淆；其實磷光與螢光一樣均為光致發光之冷光，巨觀而言，兩者最大的區別在於吸光後，其發光半生期長短之差距。本實驗目的在於運用硼酸（Boric acid）與微量螢光素（Fluorescein）來製作磷光體（phosphors）（Neelakantam & Sitaraman, 1945），並藉由手電筒之光於產物上作畫，以體驗磷光與螢光之區別。本學期實驗課在探討螢光與磷光時，恰逢疫情，基於停課不停學之理念基礎，因應疫情，預計以實驗箱之方式由同學攜回，配合遠距教學方式，舉行課程。

一、藥品與器材

硼酸5 克      螢光素0.005 克          去離子水1克       燒杯1 個

玻棒1 支      加熱攪拌器1台           研缽及杵1套        秤量紙2張

刮杓1 支      黑色紙板1 張             手電筒1支

二、實驗步驟

1.     將秤量好之硼酸與螢光素（圖1）放入燒杯中，均勻混合，然後放置於加熱器之加熱檯面上。

2.     開啟加熱攪拌器（刻度4-5），將水加至燒杯中，並以玻棒攪拌將固體與水充分混合溶解。

3.     持續加熱，燒杯內熔融之液體逐漸變黏稠且呈現淡淡螢光黃，即可將黃色產物以刮杓及玻棒移至研缽，並用杵將其研磨成小顆粒（見圖2）。

（注意：勿加熱黏稠狀產物全變為固體，因此時產物固體之硬度高，不易研磨）

4.     可重複實驗並收集研磨後之產物，鋪於黑色紙板上，關閉電燈，並使用手電筒之光於所製作之磷光體上作畫（見示範影片）。

圖1 硼酸與螢光素

圖2紫外光照射下之磷光體產物與螢光素

 

n  示範連結

https://www.youtube.com/watch?v=DPMAkDGGa2g

n  教學指引

一、化學概念與原理

本實驗透過加熱結晶來製備硼酸磷光體，硼酸預先與痕量之螢光素加水混合，並加熱直     至90％之水分汽化，然後將生成之黏稠物質倒入研缽研磨，所得之磷光體因其放光半生期大於100毫秒（本實驗磷光體放光時間4.2秒），化學上我們又可將其歸類為室溫磷光（Room-Temperature Phosphorescence, RTP）（Chai
et.al., 2017），事實上由硼酸製成的玻璃杯在紫外光的照射下亦會發出淡藍色磷光（見圖3），但是其所釋放之磷光極弱，強度不到螢光素所放出的1％，文獻上討論到這種以硼酸為基質並加入痕量螢光素所得之放光強度增強且放光時間拉長之磷光體，一般認為其原因來自硼酸溶液加熱脫水後形成一剛性固體媒質（rigid solid media）
因而降低放光時之非輻射衰退（nonradiative decay）（Chai et al., 2017; Yoshii et al., 2014; Zhang et al., 2007; Zhang et al., 2009）。硼酸加熱脫水變化如圖4中之式1-3，經過熱處理後之B₂O₃網絡（–B–O–B– tetra boric acid）生成[B–O]^– （式2），此基團接著再與平面三角之BO₃基團反應形成四面體之剛性固體硼化物（式3）；而螢光素之角色除了本身為放光物質外，文獻上也有學者稱其為活化劑（activation agent），本實驗除了脫水程度之因素，螢光素之添加比例與加熱完畢後之冷卻溫度均會影響所生成磷光體之顏色與性質。

圖3紫外光照射下，脫水後之硼酸固體（左）；硼酸結晶（右）

     (1)

                                     (2)

                                          (3)

圖4硼酸加熱脫水與四面體硼化物生成之反應式

二、教學建議

      在此實驗前，教師可先就螢光與磷光發光之物理機制做前導論述，建立基礎概念。

三、實驗箱之準備

硼酸5 克      螢光素0.005 克     去離子水1克    燒杯1個

玻棒1 支   研缽及杵1套        刮杓1 支        黑色紙板1張

加熱器以家用電磁爐取代。將所有材料秤量、包裝好，置於白色萬用箱中（見圖5）。

圖5 本實驗實驗箱之準備

 

n  結語

實驗課程從實驗室轉移到了電腦螢幕裡。對於需要理論知識與實踐相結合的實驗課程而言，這樣的轉變對課程設計、執行帶來了不少新挑戰，實驗課的教學應當以學生實際操作為主，然而疫情的肆虐，非常時期，遠距教學之實驗課程，校方教師須多三分準備、十分用心，加上同學十三分的共同努力，才能將疫情對實驗教學的影響降到最小。

n  參考資料

Chai,Z., Wang, C., Wang, J., Liu, F., Xie, Y., Zhang, Y.-Z., Li, J.-R., Lia, Q., & Li, Z. (2017). Abnormal room temperature phosphorescence of purely organic boron-containing compounds: the relationship between the emissive behavior and the molecular packing, and the potential related applications. Chemical Science, 8, 8336–8344.

Farlabs (2013). 5, 2020 from https://www.farlabs.edu.au/

Lewis, G. N., Lipkin, D., & Magel, T. T. (1941). Reversible photochemical processes in rigid media. A study of the phosphorescent state. Journal of the American Chemical. Society, 63(11), 3005–3018.

Neelakantam, K., & Sitaraman, M. V. (1945). Luminescence in the solid state—Boric acid as base. Proceedings of the Indian Academy of Sciences, 21 A, 45, 272—279.

Yoshii, R., Hirose, A., Tanaka, K., & Chujo, Y. (2014). Functionalization of boron diiminates with unique optical properties: Multicolor tuning of crystallization-induced emission and introduction into the main chain of conjugated polymers. Journal of the American Chemical. Society, 136(52), 18131–18139.

Zhang, G., Chen, J., Payne, S. J., Kooi, S. E., Demas, J. N., & Fraser, C. L. (2007). Multi-emissive difluoroboron dibenzoylmethane polylactide exhibiting intense fluorescence and oxygen-sensitive room-temperature phosphorescence. Journal of the American Chemical. Society, 129(29), 8942–8943.

Zhang, G., Palmer, G. M., Dewhirst, M. W., Fraser, C. L. (2009). A dual-emissive-materials design concept enables tumour hypoxia imaging. Nature Materials, 8(9), 747–751.