2015亞洲化學教育國際研討會:極具巧思和創意的工作坊交流與分享 / 廖旭茂

星期三 , 9, 九月 2015 Leave a comment

2015亞洲化學教育國際研討會:
極具巧思和創意的工作坊交流與分享

廖旭茂

國立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
nacl880626@hotmail.com

n  前言

在國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授帶領下,很高興教育部高中化學學科中心的夥伴揪團與國內的化學教育學者專家一起參加今年七月底在日本東京科學未來館Miraikan: National Museum of Emerging Science and Innovation舉辦的第六屆亞洲化學教育研討會(6th Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE Conference,三天的活動在熱絡溫馨、離別依依的氛圍下劃下句點。趁記憶還算猶新之時,將特別感興趣的部分親手做實驗Workshop的內容記錄下來,跟大家分享。

n  工作坊一:歡樂製作糖果

研討會第一個工作坊是Let’s enjoy making sugar candy with friends without special equipment(無需特殊設備讓我們與朋友歡樂製作糖果),由東京學藝大學(Tokyo Gakugei University)科學教育系的Masahide Takanashi教授所分享的「椪糖」的製作,當高溫的濃糖水與小蘇打相混合,會使小蘇打分解出大量的二氧化碳氣體,因而膨脹了糖漿,待冷卻後,即為「椪糖」。小蘇打受熱的反應,如式[1]所示:

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跟臺灣不同的是小蘇打的使用,M. Takanashi教授在小蘇打中多加了蛋白和ㄧ小匙的白糖攪拌成泥狀的「重曹卵」,這一獨門配方其目的據說可以讓糖的晶體更容易析出,實際上的膨脹效果也會更好。工作坊還提供煮糖水的最佳條件,約在130度下成功機率最高。圖1為椪糖的製作過程。

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1:小蘇打與蛋白的混合物(重曹卵)(左上),熱糖水(右上),椪糖成品(右下)

整個椪糖工作坊,雖然有語言的隔閡,活動仍相當熱絡,受到大家的喜愛,尤其是工作坊還提供淺顯易懂的卡通Q版製作流程,這一點很值得臺灣的科學教育工作者效法。圖2為工作坊過程。

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2M. Takanashi教授的解說過程(左),卡通版的說明書(右)

n  工作坊二:開發顏色科學實驗

研討會第二個工作坊是Development of a science experiment on color for junior and senior high school students(開發國中和高中學生的顏色科學實驗),由千葉縣東邦大學(Toho University)環境科學系的Fumi Kouno博士主講,主要是介紹各種酸檢指示劑在不同酸鹼溶液中的顏色變化,其中最大的特點是現場提供一些昆蟲、小動物等趣味圖案參考,讓參加者自行用筆在紙上勾勒作圖,然後用指示劑來上色作畫,塗畫工具是直接將指示劑裝在指甲油瓶內,用其中的刷筆來作畫,這個方便的創意作法很適合提供給中學老師,做為酸鹼課程教學參考。圖3是酸鹼指示劑作圖過程。

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3Fumi Kouno博士利用酸鹼指示劑來作圖

n  工作坊三:化學魔術演示

研討會第三個工作坊是Chemical Magic Presentation by University Students of Science Teacher Training Programs as Chemical Education(化學魔術演示職前科學教師培訓項目作為化學教育),由愛知大學(Aichi University)科學教育系的Yoshiaki Toya教授所分享的自動彩虹變色實驗(Automatic Rainbow Color Change)。該實驗中,裝在寶特瓶的溶液原為紫色,經搖晃後,轉為藍色,綠色,黃色,最後變成橘紅色。當大夥還在納悶時,Yoshiaki Toya教授在PPT上公佈了答案,他使用演示實驗罕見的氯化第三丁基(tert-butyl chloride)當作主角,在NaOH存在的鹼性環境中,發生親核性取代反應(nucleophilic substitution reactions),因而釋出酸性的HCl,並中和了NaOH,降低溶液的pH值;此實驗最高明的地方是使用了醋酸銨(Ammonium acetate, CH3COONH4 )作為緩衝溶液,讓顏色能緩慢漸進的由紫色轉變成橘紅色。演示實驗相關反應如式[2]所示:

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Yoshiaki Toya教授個性活潑,自稱為Magic Teacher,跟大部分日本教授較拘謹的形象不同,他同時也是一位好奇心旺盛的學者,隔天也來參加筆者的工作坊,雙方以極不流利的英文努力相互交流,能夠認識他真是一件開心的事。圖4為自動彩虹變色演示過程。

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4Yoshiaki Toya教授演示及PPT講解圖

n  工作坊四:使用電池設計實驗

第二天早上研討會的工作坊是Educational experiments using commercial batteries(使用商用電池設計教育實驗),由日本東京學藝大學科學教育系Masahiro Kamata教授實驗室所分享,他是本屆研討會的主辦人。這個工作坊分享了兩個利用鈕扣型電池,進行微型電化學電解實驗。茲將兩實驗分述如下:

一、電解反應觀察陰、陽離子的遷移

以兩顆3伏特的CR2032的鋰電池作為電源,電池間堆疊數張交錯置放的濾紙與廣用試紙 (事先以1.0 MNa2SO4浸泡過),再利用金屬公文夾夾住兩個電池(形狀像漢堡一樣),經約三分鐘後,鬆開夾子,分開濾紙與試紙,即可發現紙中心出現由紫到紅的變化。這是一個相當厲害的實驗,除了可以由廣用試紙的顏色變化觀測、印證氫離子與氫氧根離子的移動方向外,還加裝了紅色LED燈與電阻,讓人清楚看到電解正在進行。相關實驗組裝示意,如圖5所示:

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5:組合機構圖(左),電解進行時間(中),試紙的變色(右)

關於這個實驗的延伸,Kamata教授還提供不同電解質,探索陰、陽離子的移動方向的實驗,如電解CuCl2(aq),有興趣的老師可以試試看。

二、利用鋅空氣電池印證法拉第電解定律

以四顆鋅空氣電池(Zinc-air cells)以迴紋針串聯接在一起,裝入一根附有矽膠塞的試管內,矽膠塞中心鑽一圓孔,插入一根塑膠附刻度的吸液管,管內注入一小段酒精柱(可染成紅色以利觀察),通電後,試管內的氧氣會被消耗,測量酒精柱移動0.1 mL所需要的時間,藉以印證法拉第電解定律。此鋅空氣電池的外觀與運作原理,如圖6所示。

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6:鋅空氣電池的外觀及反應示意圖(Prof. Kamata提供)

至於試管內空氣電池的聯接固定,是靠小段塑膠軟管及迴紋針,其中的巧思與手工之精細,真是令人嘆為觀止,折服不已。兩個微型電化學實驗設計,充分展現了日本國「工匠」的執著與細膩,可供臺灣科學教育工作者發展實驗動手做一個優化參考。圖7為工作坊的實況。

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7:鋅空氣電池的串接(左),實作過程(中和右)

n  工作坊五:用偏光片製作顏色

這個工作坊是The Color Made by Polarizer(用偏光片製作顏色),由韓國京畿道國中(Yeong-Duk middle School)的Sungsook Lim(林善淑)老師所分享,主要圍繞在光學與視覺方面,比如偏光片的應用、視覺偏差、3D全息投影(3D Hologram)等,其中全息投影,這對學化學的人而言較陌生,也最感興趣;林老師是為很熱情的老師,因為我分享的工作坊時間延長,來不及參加她分享的內容,會後她很熱心的送我工作坊的材料,並親自演示,真是一位很有意思的老師。她的全息投影影片分享在:智慧手機的全息圖,http://m.site.naver.com/qrcode/view.nhn?v=0cj26,做法簡單,只要利用透明的塑膠(透明光碟片亦可),做成四角錐型,反置於手機上,當手機播放上述影片時,即可投影立體成像於四角錐中。有關全息投影和工作坊過程如圖8所示。

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8:全息投影的透明四角錐(左),投影成像圖(中),工作坊過程(右)

n  工作坊六:攜帶式教具學習化學

筆者所主持的這個工作坊是Portable Teaching Aids for Learning Chemistry(攜帶式教具學習化學),在高中化學學科中心與大甲高中的支持下,在本屆NICE研討會中筆者主要分享兩項可攜式教具行動電化學蝕刻和分子撲克牌桌遊,茲將兩項教具的使用簡述如下:

一、行動電化學蝕刻

此項教具已發表在臺灣化學教育(第二期,2014年七月),原理及製作過程,不再此處詳述。此次為NICE研討會準備的電源是USB版,利用5 V的行動電源,使用數滴的0.5 M Na2SO4(大會事先準備),然後在不銹鋼書籤上進行蝕刻,操作上十分方便,而且環保。其使用流程圖如圖9所示:

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9:接上電源、連接書籤、滴上電解液(上),壓上印台蝕刻、撕掉字模、完成蝕刻作品(下)

二、分子撲克牌

分子撲克牌的研發已發表在科學研習No.54-3P36~43),於此亦不再詳述。使用者只要用智慧型手機掃描撲克牌上的QR code,上網連結一個3D虛擬實境分子動畫後,用手即可觸控螢幕,左右翻轉分子,此過程並不需安裝任何APP即可使用,此項教具可用於化學科行動學習,配合桌遊亦可輔助高二、三有機化學的課程教學。分子撲克牌的外觀即使用如圖10所示。

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10:圖上為分子撲克牌外觀,圖下為大甲高中學生上課過程

此行筆者準備了30幾套的蝕刻印台組和分子撲克牌桌遊來到東京,在第二天舉行,大家的反應很熱烈,原本大會預定一個小時的工作坊,持續了兩個半小時,看到參加者很努力想了解教具內的箇中巧妙的心情,雖然英文的表達能力不好、還是盡力比手畫腳,讓大家了解設計的概念與過程。圖11是可攜式行動教具組電化學蝕刻與分子撲克牌。圖12為工作坊的實作過程。

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11:行動教具組包含分子撲克牌、蝕刻印台、不鏽鋼書籤、USB電源線

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12:工作坊的講解與操作

n  結語

此次參加研討會,眼界大開,真是一次彌足珍貴的經驗看到日本學者將繁雜的化學實驗商業化,做成精緻的實驗套件模組來推廣;運用巧思,以使用者的心情來規劃實驗室;化學課不多,卻徹底落實化學實驗教學;還有看似緩慢,卻細膩有效率的做事態度,很多地方值得的我們學習和參考。由衷感謝臺灣師大科學教育研究所邱美虹教授的引薦,才能透過這個工作坊,跟來自日本、韓國、新加坡、馬來西亞等國志同道合的教育工作者相互交流與認識。透過這樣交流,從中提升自己的眼界,並汲取他人的新觀念、新作為,也為自己累積進步的基礎,此行真是獲益良多啊!

n  參考文獻

1.      廖旭茂、黃維靜。行動電化學蝕刻印台和金屬書籤的製作。臺灣化學教育,2014,第2期。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/wordpress2/?p=2174

2.      廖旭茂、許正欣。行動學習新教具分子撲克牌的開發。科學研習,201554-3p36~43。網址:http://www.ntsec.gov.tw/FileAtt.ashx?id=2601

 

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