臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan大學普通化學實驗室規劃與實驗課程: 高雄大學普化實驗實施 / 李頂瑜
星期四 , 9, 3 月 2023 本期專題, 第五十一期/2023年3月 在〈大學普通化學實驗室規劃與實驗課程: 高雄大學普化實驗實施 / 李頂瑜〉中留言功能已關閉大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:
高雄大學普化實驗實施
李頂瑜
國立高雄大學應用化學系
[email protected]
「臺灣化學教育」是化學界在化學相關教學與專業學習資訊提供、分享與參考的重要刊物。此次編輯團隊規劃普化實驗室相關專題，高雄大學應用化學系很榮幸能藉此交流平台介紹我們對於普通化學實驗課程(普化實驗)的一些價值認知、目標期望、實施方法、與未來策略進行介紹，希望經由此次的交流分享可以精進我們在普化實驗未來的規劃，以增進對所有修習普化實驗的學子有更佳的學習成效。
■ 普化實驗的認知
普化實驗是許多理工相關科系的必修或選修課程之一，化學相關科系當然列為必修課程。然而因為經費(化學實驗需要藥品、耗材、儀器設備折損等等費用)的因素，普化實驗的必要性就受到一些挑戰的雜音。尤其在疫情期間，許多實驗課程被迫暫停改以線上教授方式，更加增添了普化實驗是否學生可以以在家自學或者是錄影帶方式觀賞學習即可，無須到實驗室實體上課，甚至可將它刪減的爭論。另一有關普化實驗價值的爭論來自於部分教育人士(尤其非化學相關)，他們認為普化實驗過程基本上只要依據一定的步驟操作就可以得到特定的結果，因此能產生的科學教育效應有限，也就是所謂的性價比或投資報酬率並不高(Arnaud, 2020)。
我們單位一直以來都持續在討論普化實驗(尤其現場實體教學)的價值所在。有關動手進行實驗的重要性美國化學學會政策說明(ACS Public Policy Statement 2020-2023)已經清楚闡述其不可取代性，在此就不贅述(可參閱The American Chemical Society, 2022)。至於普化實驗的重要性，事實上不離脫於文獻與學者對科學實驗室課程的剖析(Hofstein & Hugerat, 2022; DeKorver & Towns, 2015; Elliott et al., 2008; Reid & Shah, 2007)，除了專業上能讓學生更深入了解科學的本質，學習與熟悉科學的概念、事實、技術操作技巧和執行過程技能外，同時也包含學生基本素養與核心能力的培養，例如，獨立思考、學術倫理、溝通表達、團隊合作等等。不過普化實驗的特色之一在於它不只是化學相關專業學生的必修課程，也常是跨STEM學生修習的課程，而且又因為它常常安排在大學一年級授課，因此它不但具有大學學習生涯基礎奠定的作用，同時也兼具了銜接高中與大學教育橋樑的任務，意義重大，不可或缺。
由於普化實驗的不可或缺性，我們期望以普化實驗作為教育載具，達到以下學習目標:激發並保持學生對科學的興趣和動力，培養學生科學推理能力、倫理涵養、創造性思維、解決問題能力、實踐能力、自律能力、和團隊合作能力，並加深學生對科學本質、工作執行程序之複雜性和不確定性、以及科學探究而非只是單純科學知識或理論恪守的理解。
二、實施方法
綜合上述期望目標，在實驗室操作執行方面，除了提供學生既定且制式課本資訊內容作為課程依據外，也會在課程進行過程中增添一些腦力激盪要素。同時我們也相當重視學生在實驗教室外的訓練，包含課前預備和課後反思。
學生進行實驗課程課前的準備工作是非常的重要。在進入實驗室前，學生就必須先了解當日要進行實驗的主題、目的、原理、使用藥品的物化性和安全性、使用的儀器設備、以及實驗步驟，如此方得以實驗操作過程安全且實驗平順完成，也才能在實驗進行中同時思考並領悟那些事件項次是觀察重點。撰寫預報就是一個達到這些目標的策略方法。至於預報如何撰寫，除了依循課本內容外，我們有一些附加準則。
1. 在普化實驗授課型態上會依環境與學生需求分組，可為單人操作方式與多人同組操作方式。由於後者著重團體合作，因此在預報撰寫前，同組組員必須先開小組會議討論即將進行的實驗內容，尤其是實驗過程的步驟與分工，並於預報中註明會議日期、時間、地點和每一位組員簽名。
2. 實驗目的和原理在盡量搜尋相關資料後，以自己認知與理解的內容表達陳述，並列參考資料出處。
3. 詳述當次所有使用藥品之物性與化性(例如，顏色、外觀、熔點、沸點、溶解度、穩定性、反應性…等等)，以及毒性與危害性，並且需畫出化學結構，也要列出參考資料來源。
4. 儀器設備圖示化，並結合實驗步驟。
5. 實驗步驟必須仔細圖示化且流程化呈現。也就是將課本的文字敘述具體化。教師批改預報時，可以透過圖像了解學生在進入實驗室執行實驗之前是否已經規劃好這次的實驗如何進行的每個仔細步驟，以及學生是否對於課本步驟的文字敘述有所誤解。以本系實驗單元「固相、液相和氣相擴散」為例，如圖1。雖然實驗課本步驟只是說明「取約1克的氯化銅置於試管中。」，如圖1(左)，然而由於實驗用藥品(二水合氯化銅)之後須要放置入試管中在酒精燈上明火直接加熱，所以我們希望學生在預報上的呈現(圖示比較清楚)一開始的動作就先檢查試管的完整性和乾淨度，然後再秤取藥品，以免加熱時試管爆裂和污染，如圖1(右)。另外值得注意的是氯化銅具有潮濕空氣易潮解的潛在性且易溶於水，最好不要直接以秤量紙秤取，而是用培養皿或表玻璃等等物品輔助。其次，考量氯化銅潛在的腐蝕性，應盡量避免用金屬刮勺，例如，使用塑膠刮勺。其他細節步驟以此類推，我們希望學生進行實驗前就將實驗過程仔細思考一次，藉由流程化和圖像化的預報撰寫方式與授課老師溝通，讓授課老師可以清楚知道學生課前是否對該次實驗有一定程度的掌握，以作為授課老師講解時提醒與建議內容的參考依據。
(左) (右)
圖1：預報撰寫案例，(左):課本內容，(右):預報書寫呈現方式。
（二）實驗課程進行過程
普化實驗實際操作是非常重要的過程，唯有透過親自動手才能擁有真正自我的深刻經驗與感受。濫情誇張說法即是動手實做歷練才能與實驗過程產生真正的情感交流，體會科學真實的內涵，那種熟悉的感覺好像是分子/化合物在和我們對話，訴說著自己的狀態為什麼是固、液或氣相，為什麼會產生沉澱，為什麼有顏色的變化、放熱或是吸熱等等。這些功力修為都要經過「做」、仔細「觀察」、「思考」、「推論」預期結果等訓練才能不斷精進。如果只是依照課本實驗步驟按部就班進行，學生將無法了解科學真正的意義與該次實驗主題的深層精髓。因此我們在課程進行過程中就會要求學生精確的詳細完整記錄。另外，我們也會提醒學生在課本實驗步驟中有一些隱藏意涵需要深思和問題解決的部分。當學生已經有一定程度的訓練與技巧後，實驗上就會增加一些變因，讓學生了解改變特定反應條件所產生的效應。以下將分類說明。
1.實驗記錄
實驗記錄是所有研究(無論是產官學研)必須執行的必要措施。它不只是整體實施過程的證據，也是執行過程中最直接最真實的第一手資料，後續可作為研究結果的省思與深思，研究再現性與創新性的依據，以及經驗傳承，可說是科學進步發展的根本基石。因此普化實驗在實驗記錄任務上也要有基本要求。精確記錄做什麼，觀察到什麼(看到甚麼寫甚麼!)，量測到什麼數據等等，例如，設備架設和使用、藥品用量、添加方式、時間、溫度、顏色等等。規定不能使用鉛筆書寫，不能使用立可白等全塗滅方式，修改只能畫刪線並需要清楚保留原始記錄(刪改的部分理應必須要簽名，我們在課堂上強調說明其必要性，但課程此階段不嚴格強制要求。)。舉例說明，如圖2(註:為創作情境非真實案例。)，實驗單元科目為「塑膠的分類與回收」。實驗者首先需登錄基本資料: 頁碼、組別、姓名、學號、日期、當天的室溫、氣壓、濕度等等。實驗主要是要得知PP和PS塑膠粒的熱特性、溶解度、和密度，所以需先記錄塑膠粒的起始狀態，包含外觀、大小、和重量。在融化或軟化的溫度測試部分，雖然溫度與塑膠粒的狀態觀察是主要的重點，而且溫度觀察間隔越密集越好，不過加熱器的設定溫度和加熱時間一併記錄將使得資料更完整。另外的重點之一就是描述與畫出特定溫度下塑膠的外觀狀態。值得注意的還有砂浴加熱砂層溫度梯度有不均勻性，因此標示溫度計和試管的相對位置是必要的。至於可溶性測試，除了描述實驗過程細節外，也要描繪塑膠粒接觸溶劑前後的外觀變化， 尤其需量化指標，在此為塑膠粒大小的量測與記錄。在整個實驗過程，我們鼓勵筆記/筆畫的同時也照相或是拍攝影片作為數位記錄保存。簡言之，實驗記錄的目的在於必要時能原汁原味實境重現，包括操作者的主、客觀視覺角度。
圖2：普化實驗室操作實驗記錄案例(註:內文為情境創作非真實案例)。
2.深層步驟
課本中的實驗步驟只是一個導引，是為了要探討研究該次實驗的目的和本質，而不完全是做法的硬性規範。學生在遵循實驗步驟文字時，需要思考步驟未仔細說明之處，以及必須注意或必須困難排除之處。表1說明本系的實施案例。案例1「實驗器材之基本操作」的實驗步驟是以量瓶取100mL的水。這實驗雖然主要是教導學生使用和熟悉實驗器材，因此傳統上只需將水加入量瓶至標線處並注意水線位置即可，不過我們在實驗課堂中將添加「校正」概念，「如何確認量瓶標線位置是否正確?」也就是學生需要思考如何確實取得100mL的水並標示新標線。同一實驗，學生也要思考如何校正其他容器(燒杯、錐形瓶等等)，加熱器、和溫度計等。類似的，案例2「溶解度積之測定」，學生需思考以硫氰酸鉀滴定醋酸銀溶液時，溶液是否一定要保持在低溫冰浴下進行滴定，同時也要深思在實驗過程中哪些步驟和器材必須保持低溫方能取得合理數據。
實驗案例3目標是合成磁性四氧化三鐵產物，其中鐵二價和鐵三價起始原料的比例是關鍵要素之一。然而鐵二價化合物在空氣中易被氧化成鐵三價化合物，因此學生在實驗一開始必須要先檢查氯化亞鐵的狀態，若氯化亞鐵已經變質，需先想辦法做些什麼補救措施再進行後續實驗步驟。經由深層步驟的思考訓練，可以培養學生縝密的思慮以及疑問好奇心，這些也是科學研究的核心能力要素。
案例
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實驗名稱
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實驗課本步驟內容
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深層思考
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1
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實驗器材之基本操作
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如何量取100
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2
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溶解度積之測定
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所得濾液依實驗步驟
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滴定時是否需要控制溫度(例如，低溫下進行)?
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3
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取
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檢查氯化亞鐵與氯化鐵藥品狀態(例如，顏色)。若有異狀如何處置?
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有經驗的普化實驗學生具有對特定實驗主題和本質的認知與探究能力，因此部分實驗過程可引入操縱變因、應變變因、和控制變因的設計訓練。以表2之案例1「分光光度計的定量分析應用」為例，調整波長進行量測，除了可讓學生觀察吸收度的變化之外，也可以讓學生思考與推論使用不同波長對未知濃度樣品定量是否有影響。由案例2「合成具磁性之四氧化三鐵」實驗中，若更動部分實驗成果目標，學生將可以了解改變粒子形成、界面活性劑、及分散載體等變因引發何種不同的效果，並思考其中原理。
表2普化實驗課程授課內容更動變因教學案例
4.成品驗收與簽退
對於普化實驗而言，評估學生的學習成效是一項挑戰(Galloway & Bretz, 2015)。在實驗室內的操作過程，除了現場的實際觀察了解外，我們也藉由實驗完成後，確認學生作品以及實驗記錄的完成完整性進行評估。若與學生討論後，結果正面順利(實驗成果是否如課本所描述的預期並非主要重點)，則提醒結報撰寫注意事項並進行簽退動作。如果有需要加強的部分，將請學生補齊或重新執行實驗，再簽退。萬一因時間和其他難以抗拒的因素無法當場重新執行實驗者，那麼就擇期重新安排時間再次進行實驗。
（三）課後結報撰寫
一般而言結報主要目的在於讓其他人瞭解實驗成果的表面過程與內在意涵。也就是說將之前的實驗程序與結果進行有系統、有邏輯的整理，並且分析觀察現象與數據，同時了解背後的科學意義以及未來性建議。因此普化實驗結報我們設定一些基本架構，可以以手寫書寫或文書相關電子檔呈現。
1. 實驗過程與觀察:並非將實驗記錄重新漂亮整齊的寫一次，而是要將實驗記錄重新有邏輯、有組織、有條理的完整整理並論述。重點在「觀察」!撰寫論述內容要過程與觀察合一，必要時也要加圖示說明。若是以電子檔呈現實驗結報，則需篏入實驗觀察照片圖說明。
2. 實驗結果:將實驗記錄的觀察與數據分類整理成易於清晰閱讀與了解的形式，例如，圖或表格，以利於結果分析。。
3. 計算:數據分析常與計算連結。首先需要說明演算方法的理論基礎，接下來對於每個算式、方程式、數字、作圖等都要非常仔細說明原委，以利閱讀者知悉來龍去脈以及思考其中的合理性和意義性。例如，產率的計算，反應速率的計算，誤差的計算，活化能的計算等等。
4. 結果討論:這部分是結報最重要的核心內涵之一，重點聚焦於實驗數據和觀察結果背後代表的科學意義。因此，學生需要對上述實驗的結果和計算進行解說。這些將涉及實驗主題原理的再認知，資料搜尋，專業判斷結合邏輯推理，以及數據或觀察現象趨勢關聯性的連結思考等等，並最好能夠提出自己的看法。例如，基礎討論包括理論值搜尋(需放置參考來源)，誤差產生原因的探討與合理性，反應過程顏色或是溶解度變化的原因等等。更進一步，也鼓勵學生以自問自答方式來進行思考，比方說，「固相、液相和氣相擴散」:實驗完成後即使已經努力將試管洗刷乾淨，為什麼試管下方仍附著黃色物質?
液相擴散實驗之色素擴散速率是否保持一致?
「常見陽離子分析」:前期實驗步驟完成時觀察見白色沉澱物產生並確實記錄，然而成品驗收時看到卻是灰色沉澱物?
學生藉由類似的自我問題反思一方面可以整理思緒，一方面也可以自我訓練對化學原理的觸類旁通。
5. 課本問題回答:本系普化實驗課本教材在每個實驗說明的最後都會列出幾個問題與討論題目引導學生思索，有時也需要蒐集資料並推敲琢磨後才能詳答。例如，「維生素C的定量」實驗，課本中的問題包含「本實驗中加入偏磷酸的用途為何？」以及「請由維他命C的結構式說明它為水溶性的因素可能為何。」等等。
6. 心得:學生在此區域除了可以分享心靈感受外，更鼓勵針對該實驗提供任何建議做為未來課程修訂的參考依據之一。
（四）講解說明與其他
除了課前實驗說明以及報告批改(加評語)的提示外，為了增加學生的印象和重點提醒補充，我們也在學期中和學期末安排實驗討論課程，進行學習成效互動交流與檢討。另外，普化實驗課程助教的輔助教學至關重要，因此我們也在學期上課前舉行助教訓練講解，以增進學生學習安全和效率。
■ 未來策略
教育主要目的之一是培育學生因應未來的世界，因此教育方式和內容會隨著時代的進步而調整。普化實驗也不例外。本系普化實驗授課內容會依時事狀況進行調整，例如，疫情期間增設消毒劑相關實驗，內容涵蓋各種消毒劑的資料研究與部分消毒劑的配製和使用。另外當時也進行酒精消毒原理實驗，了解酒精濃度的重要性。目前我們正籌劃將綠色化學與永續發展的概念在普化實驗具體執行。普化實驗與自動化、AI結合的構想將是我們下一步的規劃方向之一。
對於大學教育，普化實驗是非常基本而且不可或缺的必要課程，但是它的重要性被常常被忽視。雖然目前網路資訊和虛擬教學提供學生非常好的學習廣度、智識梯度、與便利性，然而欠缺的就是一個實質上的感受度。我們認為從事科學探索研究，必須要有實際操作的經驗體會，而且這種體驗感覺必須達到分子層級。現今自動機器設備愈來愈精細化與客製化，唯有確實有過實際操作的真正感受以及確實受過訓練了解科學實際深層內涵的人，方可擁有設計和駕馭高效率自動化設備的精闢技能，畢竟機器設備應該定義為強而有力的輔助工具，而非主導主體。高雄大學應用化學系執行普化實驗課程目標是希望培養出學生具有動手執行和動腦思考的核心能力，如此，在未來自動化、機器人的時代，培育出的人才才能成為機器人使用者，而非機器人附屬依賴者。本文分享我們的普化實驗實施方式，期待藉此交流平台昇華我們系上的普化實驗課程教學。
■ 參考資料
國立高雄大學應用化學系(2021)。大學普通化學實驗課本。
Arnaud, C. H. (2020). Questioning the value of general chemistry labs. Chemical & Engineering News, 98(18).
DeKorver, B. K. & Towns, M. H. (2015). General chemistry students’ goals for chemistry laboratory coursework. Journal of Chemical Education, 92(12), 2031-2037.
Elliott, M. J., Stewart, K. K. & Lagowski, J. J.(2008). The role of the laboratory in chemistry instruction. Journal of Chemical Education, 85(1), 145-149.
Galloway, K. R. & Bretz, S. L. (2015). Development of an assessment tool to measure students’ meaningful learning in the undergraduate chemistry laboratory.Journal of Chemical Education, 92(7), 1149-1158.
Hofstein, A., & Hugerat, M. (2022). The role of the laboratory in chemistry teaching and learning. In Hofstein, A. & Hugerat, M.Teaching and learning in the school chemistry laboratory., (pp. 1–15).The Royal Society of Chemistry: Burlington House, Piccadilly, London.
Reid, N., & Shah, I. (2007). The role of laboratory work in university chemistry. Chemistry Education Research
and Practice, 8(2), 172-185.
The American Chemical Society (2022).Importance of hands-on laboratory science. Retrieved March 06, 2023 from https://www.acs.org/content/dam/acsorg/policy/publicpolicies/education/computersimulations/hands-on-science.pdf