慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示：

第21期CASE探索基礎科學講座

  陳竹亭

臺大化學系名譽教授／遠哲科學教育基金會董事長  陳竹亭

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1869年俄國的門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)（圖1）率先發表了第一個週期表。（圖2）週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列，總計有67個元素，其中有4個是預測了尚未發現的元素，到今年剛好是150週年。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)也正逢100週年，正好慶祝化學史上極重要的週期表150年(PT150)。聯合國科教文組織(UNESCO)也共同慶祝推廣週期表與化學教育，就訂定2019年為國際化學元素週期表年(International Year of Periodic Table of Chemical Elements)，簡稱為2019IYPT。

圖1、門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)  圖2、週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列

個講座，分別紀錄於下。

【第一講】是由陳竹亭教授開啟序幕，題目是「發現元素新大陸」。早在西元前3世紀，亞里斯多德提出包括「土、水、氣、火」的四元素論，直到17世紀，波以耳認為元素是物質不可再分解的部分，且堅信元素具有粒子性質。18世紀的拉瓦節透過燃燒實驗，主張燃燒乃是物質與氧反應，水是氫與氧化合的產物。他用實驗釐清了元素與化合物的概念，在1790年出版了《化學基本原理》，推動化學革命，被譽為現代化學之父。

(((約翰·斯特拉特 (John Strutt, Lord Rayleigh)則在19世紀末發現惰性氣體。

稱為「原子之父」的道耳頓於1803年提出「原子論」，坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)在1860年的國際化學會議裡演講，釐清了混亂的原子量，啟發了當時在座的俄國年輕化學家門得列夫。門得列夫最顯著的成就便是於1869年發表「元素週期表」，他預測的鎵、鈧及鍺陸續被發現，成就了他化學先知的地位。瑪里居禮也發現了釙和鐳。20世紀，最後一種天然元素─錸和第一個實驗室裡合成的人造元素─鎝相繼問世。科學家們藉著認識原子結構，終於明白元素週期表正是原子中電子組態的外顯。時至今日，元素依原子序排列，我們熟知的元素週期表上已有118個元素。門得列夫的洞見及創作，也是歷史上眾多化學家們合作與傳承而開展的化學革新。

「傳說到傳奇，原子真的存在嗎？」原子的概念從哲學觀點逐步變成人人確信的科學。西元前400多年，德莫克利特(Democritus)提出原子理論，認為物質是由無法再分割的粒子所組成。18世紀的法國化學家拉瓦節，做出了第一份現代元素表，徹底推翻四元素理論和燃素理論，說明燃燒反應就是物質和氧的化合。普魯斯特的定比定律、給呂薩克的氣體反應體積定律、道耳頓的倍比定律、亞佛加厥提出分子概念，門得列夫發表週期表，然而他們都不知原子的構造。

直到十九世紀末，倫琴在研究陰極射線管時發現X光。之後貝克勒發現鈾礦就算沒有照射陽光依然能讓底片感光。居禮夫婦發現鈾礦放射性的強度，只和鈾的量有關，和化學環境無關。他們認為放射性來自原子的內部，這也暗示原子不是最基本的粒子。發現X光的年代，湯姆森發現了電子。他建立梅子布丁原子模型。拉賽福在1908-1913年，用α粒子撞擊金箔片的實驗推翻布丁模型，證明了原子的質量集中在一個非常小帶正電的核心，而電子在核外環繞，於是提出行星原子模型。當人們知道原子裡面還有質子、中子，就衍伸出它們能否再繼續分割？後來發現質子、中子也不是最基本的粒子，而是由夸克構成。

宇宙生成30分鐘後，原子核僅含75％的氫和25％的氦。大約40萬年後，電子才與原子核形成中性的原子。2~3億年後，才有恆星產生。太陽內部進行核融合反應，4個質子融合成氦原子核、3個氦融合成碳原子核、碳和氦融合成氧原子核。質量大的恆星能形成鈉、鎂、矽、磷、硫、鈣、鐵、鎳等原子核，超新星爆炸才能產生比鐵重的元素；中子星之間的碰撞合併爆炸，則可以產生金、銀、鉑等等貴重元素。

主講之「從西伯利亞到聖彼得堡—門得列夫築夢週期表之路」。150年前排列出元素週期表的門得列夫，終其一生致力尋求科學在自然界中的規則與真理，使更多人能依循這份美麗的秩序而前進。門得列夫生於俄國西伯利亞，具有韃靼血統的母親帶著他與姊姊一路跋涉到莫斯科，再輾轉到聖彼得堡，讓門得列夫進入聖彼得堡大學中央教育學院就讀。取得碩士學位的門得列夫，步入教職及研究的工作，於1861年編寫了《有機化學》教科書，1868年發表《化學原理》第一卷。

這段期間，科學家們不斷透過實驗發現新元素並研究其性質。徳貝萊納(J. W. Dobereiner)提出「三元組」元素排列法後，「碲螺旋(telluric helix)」狀週期表、「八音律法(Law of Octaves)」相繼問世，但都沒有一個較宏觀的理論系統產生。門得列夫把每個元素與其原子量及化學性質寫在一張張卡片上，如此組起一副紙牌，經過耐心地紙牌排列，終於獲得元素週期表！門得列夫於1869年發表的元素週期律裡，依照原子量大小排列，其性質明顯呈現出週期性。週期表上有些未知的空格，門得列夫則大膽預期可能會有未知新元素。1875年「類鋁元素」鎵(Ga)被發現，門得列夫特別寫信給發現者德布瓦博德蘭(P. E. L. de Boisbaudran)，說明鎵的比重值可能有誤。德布瓦博德蘭以更嚴謹的方式重新提煉純鎵並進行實驗，測得鎵的比重確實為門得列夫的預測值！這是人類首度以科學方法準確預言了未知元素的案例，使歐洲的科學界大為振奮。

1871年，門得列夫出版了《化學原理》第二卷，後續幾年中他所預測的未知元素也陸續被發現與證實，唯獨總是與諾貝爾獎擦身而過。1907年2月門得列夫因流感而病逝於聖彼得堡。美國科學家格倫—西柏格博格(Glenn T. Seaborg)在1955年發現了原子序為101的新元素，特別於1963年將此元素命名為「鍆(Md)」，藉以表彰與紀念門得列夫的貢獻。

「為什麼週期表長這樣？—解析元素週期性背後的量子密碼」。門得列夫提出週期表的時代，把數百年的化學知識濃縮到一個表裡。現代的週期表，我們除了想問為什麼長這個樣子，也想知道元素的週期性從何而來？

電子必須用量子力學來描述其運動。德布羅依(de Broglie)在1924年提出電子的波動性學說，其波長和動量呈反比。1927年電子繞射實驗的結果證明電子有波動的性質。物質是波因而有著堅實的實驗證據。一維的駐波震動態可以用節點數區分，沒有節點的駐波叫做n＝1的狀態，有1個節點就是n＝2…… ，增加節點可以把穩定駐波態建構出來。從德布羅依的公式來看，n越大波的能量就越高。二維駐波看的是節線，三維則是看節面。

一個電子在原子核周圍的駐波態，最穩定的應該是一個沒有節面的球形。電子在空間中分布的狀態，最穩定的就是1s軌域。接著考慮加入球形節面，便可以建構出越來越大，能量也越來越高的2s, 3s,… 等其他s軌域。若從1s出發加入一個平面節面，則可以建構出p軌域，加入兩個平面節面則得到3d軌域。這些軌域在氫原子中能量相同。多電子原子跟氫原子不一樣之處就是電子自旋以及電子間的斥力。包立不相容原理認為自旋相同的電子不能填在同一個軌域。一個軌域最多填兩個電子，一個自旋向上，另一個向下。電子之間有排斥力，多電子原子的軌域能階為：s＜p＜d＜f。

把電子填進軌域要從能量最低的地方開始填。氫只有1個電子，就會填到1s軌域。氦有兩個電子，會把1s軌域填滿。鋰有3個電子，會填到2s軌域。繼續下去，2p填完就填3s，進到下一個週期──這就是週期性的由來。再看門得列夫的週期表，如果我們把最外層的價電子組態一樣的排在同一行，就可以用價電子組態解釋原子的反應性、週期性和價數。 

「瑪里居禮與放射性元素」歷史上改變了世紀的原子彈，近年熱烈討論的核能發電等，皆與核子科學密不可分。1895年底，侖琴偶然發現了X光的存在。短短一年間，科學界一片沉迷於新穎的X光研究。剛生完孩子的瑪里‧居禮反而選擇相對冷門的鈾作為她的博士論文主題。法國的貝克勒也從鈾發現其擁有相似於X光的天然放射性。透過皮耶‧居禮與其兄弟擁有之壓電設備，瑪里‧居禮將鈾化合物放置其中，即產生能夠量測之電流。他們三人共同分享1903年的諾貝爾物理獎。從此放射性(Radioactivity)這個名詞被創造出來，放射性元素的時代由此開展。

研究鈾的同時，瑪里‧居禮也向奧地利鈾礦公司取得提煉鈾之後的殘渣，並測量這些殘渣的放射性。她發現這些殘渣中的放射性遠比鈾還要強。殘渣中極可能有別種放射性元素的存在。經過多年努力的化學分離，瑪里‧居禮成功在1907年成功分離出鐳(Ra)和釙(Po)，獨獲1911年的諾貝爾化學獎。

瑪里‧居禮奠定了核子科學的基礎。1930年代，中子的發現開啟了人工放射線研究嶄新的一頁。第一個人工放射線研究，就是由瑪里‧居禮的大女兒(伊雷娜,(Irene Joliot-Curie)和女婿弗雷德里克·約里奧(Jean Frederic Joliot)發現的。核子科學中的影響人類歷史的重大研究──核蛻變(Nuclear transmutation)也在此時被提出。核分裂很快就在1938年被發現。當鈾235以中子撞擊，核分裂會發生，顯示「連鎖反應」的潛在可能與巨大能量產生的可能。人類史上數一數二龐大的曼哈頓計畫就此展開，短短6年的時間，原子彈被製造出來，成為經歷過二戰的人們無法抹滅的記憶。

瑪里‧居禮對於世界的貢獻，不僅限於開拓核子科學新領域。她的小女兒伊芙（Eve Curie），雖未如大女兒伊雷娜涉足科學領域，但因著提筆寫下其母一生的傳奇故事，描寫她一生的書本、電影甚至舞臺劇至今依然廣傳於世。

的「翻轉週期表的西博格與人造超鈾元素」。近代核化學與合成元素的巨擘格倫 . 西博格(Glenn T. Seaborg)。在 1937 年完成他的博士學位，當時週期表上較輕的元素大多已被尋獲，更重的元素半衰期極短，在地球的環境沒有辦法穩定存在。特別是超鈾元素(transuranium elements)，泛指原子序大於 92 的元素，幾乎都必須仰賴人工合成。關鍵科技就是加速器。

西博格在加州大學柏克萊分校時，勞倫斯(E. Lawrence) 設計的迴旋加速器正邁向成熟。西博格也乘著天時地利，躋身為應用加速器於化學問題的先驅。粒子加速器合成元素的原理在於加速粒子撞擊特定的原子靶，使較輕的原子核在高能量與其他適當條件下和其他原子核完成融合。原理看似簡單，但分析實驗產出、演繹結論與驗證結果，每一步需要超群的化學洞見與嚴格的科學紀律。

初出茅廬的西博格在擔任博士後研究員的前兩年便合成出鐵跟碘的同位素，兩者後來都有實際的醫療價值。1940 年代，奠基於合成錼(neputonium)的研究，西博格發現了原子序 94 的鈽-239(plutonium-239)。在爾後的二十年間，作為主要領導者合成鋂(Americium)、鋦(Curium)、鉳(berkelium)等錒系元素，並參與了鉲(californium)、鑀(einsteinium)等六個超鈾元素的發現。其中包括以他自己名字命名的金喜(seaborgium)— 該元素的命名也打破當時不以還在世的人物命名的慣例，他和 E. McMillan 最終在1951 年獲頒諾貝爾化學獎。

面對這些新的超鈾元素，儘管最簡單的主意是將它們依序塞進過渡金屬，在通過後續實驗測試化學性質、並參考前一週期的鑭系特性，以西博格為首的一群化學家提出錒系理論，說明在該週期有一行元素性質都與錒相近。週期表現在停在了原子序 118，但回顧科學史，我想我們有理由期待，這不會是週期表的盡頭。

由講座顧問蔡蘊明教授主講「隱身的忍者—貴族和它們的產處」。鈍氣是位於週期表第18族的元素「氦氖氬氪氙氡」。門得列夫最早提出週期表的時代，科學家對此族元素是一無所知。蔡蘊明教授帶著聽眾回溯時光，從早期對空氣的研究開始。1888年雷立爵士(Lord Rayleigh)對空氣組成的研究出現理論無法解釋的實驗誤差。當時已知空氣主要由氧氣和氮氣組成，而雷立爵士測量氮氣的分子量時，為確認結果的可信度，選擇從兩種不同方法製備氮氣，卻發現無論他怎麼小心控制實驗程序，從空氣中取得的氮氣和從氨中取得的氮氣，分子量計算結果一直有無法解釋的差距。

1893年化學家拉姆齊回應雷立爵士的研究結果，兩人猜想空氣中可能存有一種不易反應的未知氣體。拉姆齊在隔年成功分離該未知氣體，藉由元素光譜和難以與其他物質反應的獨特性質等證據，證明了氬的存在。然而雷立爵士與拉姆齊進一步基於氣體動力論、預測氬氣可能為單原子氣體時，因直接挑戰當時週期表分類的完整性，受到門得列夫等知名化學家的強烈抨擊，雷立爵士決心專注在物理學研究，拉姆齊則繼續尋找忍者家族成員的旅程。

1895年拉姆齊將他用三先令六便士購買的稀土鈾礦放在硫酸溶液中加熱，發現氦氣。1898 年仰賴液化空氣技術的進展和助手的協助，氪、氙、氖等單原子氣體一個個在一星期的蒸餾過程現身。原子量最大的氡則是化學家索迪(Frederick Soddy)與拉姆齊合作，收集鐳放射的氣體而得到。1904年門德列夫終於在新修正的週期表加入這個忍者家族，雷立爵士和拉姆齊兩人也在該年分別榮獲諾貝爾物理獎與化學獎。

蔡蘊明教授在演講尾聲時說：「尋找真理的科學並不是一條平坦的大道，但是請相信我，裡面充滿了樂趣。」

講】由優勝奈米科技許景翔總經理講「為什麼稀貴金屬這麼重要？」本單元透過稀貴金屬發現的歷史、科技應用、環境安全、綠色化學，讓大家了解8個貴金屬與17個稀土金屬的重要性，並共同在綠色化學的概念下，更重視環保科技，愛惜地球資源。

 八大貴金屬中，除了熟知的金、銀之外，還包含了鉑系金屬的釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑。貴金屬的發現最早可溯及距今8000多年前出現在埃及以及保加利亞等文明的金，和6000年前發現的銀。鉑系金屬則大約於距今270年前才陸續被發現。稀土元素並不稀少。鑭系金屬有鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鎦以及兩個過渡金屬釔和鈧所組成。最早的稀土金數在200年前左右被發現，而鉕則是美國科學家藉核反應才找到的人造元素。

八大貴金屬中銀的產量最高，其蘊藏量被認為在未來一百年中就會用盡。稀土金屬因分布不均讓開採困難。除了用盡的危機，提煉這些金屬的過程大多也需要使用高腐蝕性的溶液來進行。從這些省思導致「城市礦山」的概念，近年全球許多企業也嘗試加入循環經濟的概念在發展中。1998年，「綠色化學」的概念興起，許總經理率領團隊開發了「環保剝金術」，能夠高選擇性地從3C產品回收「金」，並做其他利用。

第九講】元素週期表150周年探索系列講座的最後一講由年輕化學家戴桓青教授主講「煉金術跟你想得不一樣－連牛頓也瘋狂的古代化學」。分析過往不被人們瞭解、誤解重重的煉金術。戴教授跟「煉金術」結緣的開端來自與臺灣奇美博物館合作的義大利名琴研究，他生動描繪煉金術的價值與意義。歷史上的化學史可以用西元1650年來區分，之前為鍊金術時代，之後則進入現代化學。古代的鍊金術就是「古代的化學」，既不是魔術也不是騙術。鍊金術與現今化學一脈相承，述說著化學技術的開發史。

大多數人都聽過牛頓(Sir Isaac Newton)發現萬有引力、三大運動定律、微積分以及光粒子理論。近20年才注意到他也是鍊金術士。牛頓在皇家造幣局待了26年，從事造幣工作，分析了各國金幣銀幣的純度，成功起訴了偽造幣者。作為分析化學的高手，牛頓的貨幣分析報告是全歐洲最完善的。但是仍然追求神秘的鍊金術，留下大批實驗手稿。

史特底瓦里與瓜奈里名琴的秘密可以窺見鍊金術的奧妙與價值。現今許多小提琴大師都只拉史特底瓦里名琴與瓜奈里名琴，因為能產生最甜美的樂音。這些名琴的製琴師都是在義大利的克里蒙納學習、成長，這個祕密塵封了幾百年，根據戴教授最近的研究認為這些名琴不是用天然木材，而是添加了許多礦物配方加工處理。化學處理、老化與震動的交互作用創造出名琴的特性。這是與鍊金術完美結合的成功案例。

參考資料

https://youtu.be/kDP6rCRyeyI

2. https://youtu.be/c0JUC12pFs8

3. https://youtu.be/mhtYKneJNcw

4. https://youtu.be/_T0m1Hp9iuI

5. https://youtu.be/KAtPVONxTjk

6. https://youtu.be/rLXKPloqRvc

7. https://youtu.be/9aznrFgap10

8. https://youtu.be/jTVUYZuGr2s

9. https://youtu.be/0ZLe7mzvErk

10. https://case.ntu.edu.tw/blog/?cat=4204

第八屆亞洲化學教育國際研討會 

周金城

臺北教育大學自然科學教育學系

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n   前言

（）今年7/30~8/1日已完成第八屆NICE研討會三天活動的辦理，各國參加的人數也趨於穩定，常常可以看到許多熟識的面孔，包含各國的大學教授與高中老師，於第八屆馬來西亞也加入了核心國家的行列中。而我也自NICE籌備會開始參與，每一屆NICE研討會都參與，也擔任過台灣辦理NICE研討會大會秘書，一直到這次擔任大會主席，要負責申請校內外經費，並籌畫整個活動的進行。每一屆參與NICE也都在吸收各屆辦理的優點，思考要如何避免缺點的發生，這是一個漫長的學習歷程。

n   留下活動的軌跡

研討會後，將NICE研討會辦理的軌跡留下，提供給以後想辦理的夥伴參考也是重要的，因此邀請參與的核心夥伴分別撰文將這些紀錄留下。

第一篇由我所撰寫的文章是〈亞洲化學教育國際研討會辦理回顧與第八屆活動特色介紹〉，先描述由NICE研討會籌備到後續七屆辦理的NICE研討會的情形，且寫出比較不一樣的活動設計，以及設計這些活動時的背後考量。經費是活動設計上的最大考量，本屆的研討會由註冊費收入的經費大約總經費的四分之一，也就是四分之三的費用並須由其他管道申請。在有限的經費下要辦理有特色的研討會，是相當不容易的事。親力親為可以減少人力費用的支出，例如大會網站就是由我親自建置，就可以省下好幾萬的費用，但也耗去我相當多的時間。

第二篇由台北教育大學自然科學教育學系的林靜雯教授所負責撰寫〈第八屆亞洲化學教育研討會論文發表情形速寫〉針對本次研討會的文章進行分析整理，除了有各國參與的人數，針對投稿發表類型是口頭發表、海報發表或是示範實驗進行分析。也針對投稿的主題進行分析，發現本次NICE研討會上的投稿是以教室對話分析與教學策略與日常生活中的化學主題為最多，可以讓我們對整體的學術活動輪廓有一個清楚的圖像。

第三篇是大甲高中廖旭茂老師撰寫〈指導學生參加2019年亞洲化學教育研討會擔任科學志工心得分享〉一文，則是針對他為設計研討會所設計的化學闖關遊戲前後歷程，並帶學生全程參與NICE研討會三天兩夜的整個心得。NICE研討會創造了給高中學生的舞台，而廖老師則把握的這個機會，大力的推了學生們一把讓他們有機會參與國際學術活動。由他文章中的學生心得，可以看出他的學生可以在參與研討會的過程前後，獲得許多成長的機會。

NICE研討會的高中參訪活動流程與訓練學生擔任英文導覽解說員與化學實驗活動的英文助手，都有詳細的說明。最重要的是讓高中生由活動參與者，變成活動的執行者，創造給學生舞台，也盡力幫助學生在舞台上發光發熱。

第五篇是由台北教育大學自然科學教育學系的何慧瑩教授所撰寫〈第八屆亞洲化學教育國際研討會之場地與議事組準備經驗交流〉一文，則是將繁雜的事務工作規劃做一個紀錄，讓大家了解研討會是有很多工作要同時規劃處理。找學生幫忙工作是目前大學困難的任務，因為要事先辦理保險並繳費，但是學生後來臨時有事不能來，但是保險費早已繳納，也無法向學生求償，這是找尋協助研討會人力上最大的困難點。

n   結語

第八屆亞洲化學教育國際研討會網站上，有詳細的會議議程與論文手冊資料，有關學術活動部分是比較容易了解的，但是其他沒有在網站上出現的內容才是更需要被了解。這次的第八屆亞洲化學教育國際研討會投審稿系統，是採用中華民國計算機語言學會所建置的線上會議管理系統，除了投審稿系統也有這註冊繳費的金流系統可以繳費租用，可以節省大量的時間與精力。租用系統所需繳納的費用不會很多，聯繫接洽上也不複雜，問題提出與解決都是透過網站聯繫，處理問題相當有效率，非常推薦使用，聯繫的窗口地址是位於中央研究院的資訊研究所內，若有興趣辦理國際研討會者，在經費有限的情況下，可以多加利用此管道來建置線上投審稿系統與線上繳費金流系統，應該是相當安全的，畢竟駭客也隨時隨地在等待綁架我們網站。

第八屆亞洲化學教育國際研討會辦理回顧與第八屆活動特色介紹 

周金城

臺北教育大學自然科學教育學系

第八屆亞洲化學教育研討會大會主席

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n   前言

亞洲化學教育研討會(International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators，簡稱NICE)是兩年辦理一次的會議，目前的主要核心國家是日本、韓國、台灣與馬來西亞。前八屆都是由韓國、台灣與日本輪流主辦，第七屆研討會時NICE委員會開會決定讓馬來西亞加入委員會，並決定讓馬來西亞主辦第九屆亞洲化學教育研討會，而第十屆則是再度回到日本主辦。要申辦NICE研討會必須在四年前向NICE委員會提出申請，若有興趣辦理的其他國家可以於第九屆NICE研討會時向委員會申請辦理第十一屆亞洲化學教育研討會。辦理的日期最好能配合主要核心國家的學校暑假時間來辦理，由於日本暑假開始的時間是在七月下旬，所以研討會辦理的時間主要是在七月底，以利日本的教授、高中老師與學生參與。

表一　第一到第八屆亞洲化學教育研討會與舉辦資料

	地點	主辦學校	日期	大會主席
第一屆*	韓國首爾	淑明女子大學	2006/8/14-16	Prof. Choon H. Do
第二屆	臺灣台北	臺灣師範大學	2007/30~8/1	邱美虹教授
第三屆	日本東京	東京學藝大學	2009/7/29-31	Prof. Masahiro Kamata
第四屆	韓國首爾	首爾大學	2011/7/26-28	Prof. Choon H. Do
第五屆	臺灣屏東	屏東教育大學	2013/7/25-27	李賢哲教授
第六屆	日本東京	東京學藝大學	2015/7/25-27	Prof. Masahiro Kamata
第七屆	韓國首爾	首爾大學	2017/07/26-28	Prof. Dae Hong Jeong
第八屆	臺灣台北	臺北教育大學	2019/07/31-8/1	周金城教授

Prof. Choon H. Do同時間與場地辦理第19屆Internatonal Conference on Chemical Education與第一屆NICE研討會，之後為了讓兩年一次的NICE和兩年一次的ICCE研討會錯開，所以第二屆就由2007年起辦理兩年一次至今。2021 年第九屆亞洲化學教育研討會將於馬來西亞古晉辦理，2023 年第十屆亞洲化學教育研討會將於日本山形大學(Yamagata University)舉辦，歡迎大家後續參與。

圖 2006年2月21日於韓國光州大學所起草的Network for InterAsian Chemistry Education文件簽名資料

辦理研討會的場地各國也是不同的考量，由於都是大學主辦，因此場地大多也都辦理在大學校園中，但有時也會辦理在其他地點，如第五屆NICE的大會主席是當時的屏東教育大學李賢哲校長，由於經費充足，所以第一天是屏東教育大學中，當天晚上就驅車前往墾丁，第二天則是在福華飯店內辦理。第六屆整個活動是辦理在東京的日本科學未來館，是在一個現代科學展覽館內舉辦、第七屆是在韓國首爾的昌德女子中學辦理，這是一所強調STEAM教育的學校。

n   行政支援簡介

第八屆亞洲化學教育研討會於 7/30~8/1 日辦理，由自然科學教育學系為執行單位，此次研討會申請獲得科技部、台北教育大學研發處補助、台北教育大學理學院與台北市政府秘書處補助，以及報名註冊費等收入，讓大會辦理經費還算充足。感謝本系廖欣怡主任暨系辦助教們的全力支援人力與經費，本系林靜雯教授團隊統籌論文審稿與手冊製作，何慧瑩教授團隊負責報到資料、禮品與議事協助、蕭世輝教授團隊負責場地布置協助、李昆展教授負責大會秘書處繁雜事務聯繫、盧玉玲教授團隊協助活動報到與現場經費處理，以及自然系全體師生的各方面協助，國北教大研發處、總務處、學務處、主計室同仁在行政各方面的協助，還有新北市立新北高中化學科教師鍾曉蘭博士、台中市大甲高中化學科廖旭茂老師也都給予人力與經費的支持，讓大會舉辦得以順利完成。

除了經費支援，很重要的是第八屆NICE也向International Union of Pure and Applied Chemistry(IUPAC)組織的申請認可(endorsment)，雖然IUPAC不會給予經費補助，但若通過認可，則2019NICE在國際上的能見度會增加很多，會讓更多的國外學者來參與本次會議。能順利通過認可申請，這最主要感謝臺灣師大邱美虹教授的協助，她目前IUPAC組織下的執行委員會委員，非常熟悉國際化學事務的運作，讓申請工作得以在短時間內完成，有助於我們對科技部研討會經費補助的申請。

圖2019NICE大型海報架

 

n   大會參與人員概述

本次研討會報名人員，總共有 206 人，國內 133 人，國外 73 人。其中日本 28 人、韓國 15 人、菲律賓 13 人、馬來西亞 5 人、美國 4 人、中國 2 人、越南 2 人、南非 2 人、尼泊爾 1 人、泰國 1 人。論文總共接受 88 篇投稿，其中台灣有 31 篇，相關的投稿資料分析，可以參看本期林靜雯與李宜諺的《第八屆亞洲化學教育研討會論文發表情形速寫》。

n   大會特色活動安排

NICE研討會通常會有大會演講、口頭論文發表、海報發表與實驗演示等活動。相關主題與內容，有興趣的讀者可以研討會網站下載大會議程與論文手冊。本次辦理比較特別有趣的是會議兩天中午用餐接續下午海報時度由大甲高中學生所設立的化學闖關攤位，第一天的化學行動車與布袋戲西遊記融入化學實驗橋段、與晚上於海霸王大會晚宴的歡唱卡拉OK，第二天的大會閉幕式前的2019國際化學元素週期表年論壇，貓空纜車文化之旅、與第三天的早上的2019國際化學元素週期表年特展參觀，以下將簡要描述。

(一)  高中學生所設立的化學實驗闖關攤位

這是由大甲高中廖旭茂老師向我提出的構想，設立動手做化學實驗攤位。過去NICE研討會都會同時有書商的書展與廠商的儀器展，本屆也不例外，但是設立動手做化學實驗攤位算是第一次，在緊湊的兩天研討會時間中，已經切不出時間給動手做化學實驗攤位，要如何解決成為我的難題。既然廖老師都願意遠從大甲帶高中生學生到國北教大設立動手做化學實驗攤位，我要想辦法來解決這個問題。如何讓人員集中到到動手做攤位，且不需要走很長的距離，因此我將午餐區、茶敘區、廠商儀器展展區與動手做化學實驗攤位與海報展區，全部都集中到本校二級古蹟的大禮堂中。而且在時間安排上，午餐後接續海報展，再接續茶敘，這樣會形成比較長的時段，且所有的人都集中在禮堂中，應該會讓會場看起來人很多。後來，的確這樣的安排的很好，與會者會有時間去每個攤位看展示，闖關攤位的學生也可以和許多國內外的與會者進行實驗交流。下一場活動已開始，很多人還留在禮堂努力的闖關。若想知道吸引大家來闖關的化學實驗活動有哪些，可以參看本期大甲高中廖旭茂老師與程慧文老師所寫《指導學生參加2019年亞洲化學教育研討會擔任科學志工心得分享》一文，就可以找到答案了。

圖 動手做化學實驗攤位

(二)  化學行動車與布袋戲西遊記融入化學實驗

能夠邀請到淡江大學科學教育中心化學車與陳錫煌傳統掌中劇團到NICE研討會上進行展演，要感謝淡江大學研發長王伯昌教授與淡江大學科學教育中心質執行長高憲章博士的安排，由於化學車全台走透透活動相當忙碌，還好我們已提早一年前就邀約。原本是要在理學院的廣場上演出，但考慮前幾天都還有突如其來的午後大雷雨，臨時移到本校篤行樓一樓的廣場雨遮內。布袋戲劇本是西遊記中的金角與銀角大王的化骨水橋段，利用布袋戲孫悟空的金箍棒攪動酸鹼指示劑的化學變色實驗。現場的演奏也都是傳統樂器直接鏗鈧演奏，聲勢驚人。因為是講台與又沒有翻譯字幕，只有大會手冊上的英文劇情簡介，有些國外學者並不是很清楚演出的劇情，但仍可以看出台灣化學教育下鄉的用心。之後，還有科學教育中心示範粉塵爆炸實驗，現場是響起一片掌聲。會想要邀請化學車到NICE來，主要是因為2017年在韓國的NICE研討會就有安排化學車展示，但可惜只有車輛展示沒有實際的實驗展示，因此這次我們就安排的實際的實驗與表演。布袋戲融入化學實驗，也是淡江大學科學教育中心近期的節目，下鄉是深獲好評，學生都很喜歡，未來或許可以設法將此內容加以英文發音或字幕，可以走向國際舞台上。

圖 陳錫煌傳統掌中劇團演出

 

圖  行動分析車展示與同仁示範粉塵爆炸實驗

(三)  大會晚宴的歡唱卡拉

不少的國際研討會會晚宴都收很多的費用，所以參加的人都很少，我覺得很可惜，因為晚宴也是研討會的一部分，高中學生也應該要有機會參加。因此，我決定一人只收600元，不足的部分我們由其他省下的經費來補貼，果真有一百多人參加大會晚宴，辦了12桌，我覺得非常開心。大會晚宴在海霸王舉行，租用台北市市區公車走公車專用道，下午五點半下班時間由國北教大到中山北路海霸王竟然不用30分鐘。晚會的表演活動安排總是讓主辦單位費盡心思，在有限的經費下也無法找到高品質的表演節目。於是我們想到找卡拉OK，因此我們租用了整套設備與播音的DJ。但是另一個問題出現了，台灣的卡拉OK大多是臺灣的歌曲，來自各國的與會者要唱什麼呢?還好我們想到了，透過手機找YouTube的影片，只要有連結網址，播音的DJ就可以將音樂播出讓大家歡唱了。剛開始大家還不好意思上台去唱，在幾杯黃湯下肚後，平常嚴肅的教授與老師們，大家都熱鬧起來，紛紛透過手機點歌，尤其各個高中生也不甘示弱，紛紛輪流獻唱，好像是小型演場會，好不熱鬧。歡唱到晚上接近九點，才搭車離開。我們在第一天晚上就辦理晚宴，這樣熱鬧的氣氛會延續到隔天，也會拉近大家彼此間的距離。

圖各國與會者紛紛上台一展歌喉

(四)  2019國際化學元素週期表年論壇

因為今年剛好是慶祝俄國門德列夫提出周期表150周年，國際上有國際化學元素週期表年慶祝活動(2019IYPT)，我們就請臺灣師大邱美虹教授在閉幕式前安排一個論壇，讓臺灣、日本、韓國與馬來西亞各國代表，上台告報告在他們國家辦理元素週期表年慶祝活動有哪些。而且可以與台下與會者有很好的互動，我們也可以看到亞洲各國對於化學教育活動的推展不遺餘力。過去的閉幕式前，比較少會辦理像這樣形式的論壇，但我覺得這是我們辦理NICE的特色之一。

圖 2019國際化學元素週期表年論壇

 

(五)貓空纜車文化之旅

7/31日下午大會閉幕式後，我們舉辦免費的貓空纜車文化之旅，採事先登記的方式。原本預期只有國外學者參加，國內與會者應該比較少參與，後來發現也有不少國內的與會者參與，因為他們還真的沒有搭過貓纜。

圖貓空纜車文化之旅照片

(五)參觀2019國際化學元素週期表年特展

8/1上午在參訪新北高中前，我們安排與會者先到位在士林的臺灣科學教育館參觀由邱美虹教授所主辦的2019國際化學元素週期表年特展一個小時。特展中有元素方塊，元素光雕投影、盲人點字周期表、中學生眼中的化學元素等展示品，因此與會者都很喜歡這些展示設計。雖然展示品都是中文呈現，但是元素符號確是世界共通的，因此國外的學者也都能大致了解展示的內容。由於早上八點半由國北教大出發到新北高中，會順路經過臺灣科學教育館，因此就不會增加太多交通時間，但可增加整天活動的多元與豐富性。到新北市立新北高中參訪，本期的另一篇文章已有詳細的描述，在這裡我就不再重複描述。

圖參觀位於臺灣科學教育館內的2019國際化學元素週期表年特展

n   結語

要主辦一場大型的國際學術研討會，真的很不容易，要花的時間與精力是外人所無法想像的。雖然以前也協助過邱美虹教授辨理國際研討會，但協助辦理與主辦還是相去甚遠，要決定的事情非常的多，也需要拜託很多人來幫忙。尤其台灣夏季常有颱風，我最害怕的就是天氣這個不確定的因素，很多事情可以靠提早準備來克服問題，但是若是颱風來襲，飛機停飛、停止上班上課等問題，這都難以防備。記得在舉辦研討會的前幾天，台灣地區天天都有大雷雨，當時真的很擔心，所以也去廟裡拜拜許願，希望老天爺在研討會舉辦的時間可以讓天氣晴朗。研討會辦理前後幾天，果真的天氣非常晴朗，讓整個大會活動能夠進行得非常的順利，感謝老天爺的幫忙。感謝大家的支持與協助，讓這次的NICE研討會圓滿結束，這個會議下一次在輪到在台灣舉辦至少是八年後了，希望有志投入化學教育的先進們，可以在這幾年的時間都固定參與NICE研討會，以瞭解整個會議的活動流程，並規劃接手辦理的工作。

第八屆亞洲化學教育國際研討會論文發表情形速寫

林靜雯*、李宜諺

國立台北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

 

n   前言

第八屆亞洲化學教育研討會（The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators）於2019年7月30日到8月1日於國立台北教育大學舉辦並已順利結束活動。本次研討會報名人員，總共有206 人，橫跨11個國家，依序為：台灣133 人、日本28 人、韓國15 人、菲律賓13 人、馬來西亞5 人、美國4 人、中國2 人、越南2 人、南非2 人、尼泊爾1 人、泰國1 人。本文之主旨希冀報告研討會論文的發表情形，藉此描繪亞洲各國於化學教育方面所關注的焦點與貢獻。以下將先介紹本次整體投稿文章於大會八大主題下的分布狀況，接著說明各國，以及不同學習階段於此八大主題關注的情形。最後，本文也分享本次研討會中特殊的亮點，包括：因應國際化學週期表年的相關發表，以及獲得最佳海報獎的發表特色，希望藉此讓未能與會的化學教育同好能一窺究竟，也讓參與此次盛會的社群伙伴們再次回味。

一、整體投稿主題的分布情形

研討會論文分為三種形式發表，包含口頭、海報與實驗示範，而本次研討會論文分為八大主題，分別為1.跨學科化學的遠景(Vision of inter-disciplinary chemistry)、2.教室對話分析與教學策略(Analysis of classroom discourse and instructional strategies)、3.各國化學教科書的表徵與呈現(Representation of textbooks)、4.日常生活中的化學(Chemistry in daily life)、5.微型實驗(Micro-scale experiments)、6.多媒體教材在課室中的使用(Use of multimedia as instruments in classrooms)、7.學生對化學的態度(Attitude toward chemistry)、8.各國優秀科展作品觀摩與分享(Sharing / demonstration of chemistry projects for science fairs)。口頭發表投稿數為48篇、海報為33篇、實驗示範為7篇。有關發表形式與發表主題的分類呈現如圖一。整體而言，投稿數較多的為主題2.教室對話分析與教學策略(n=26, 29.55%)；與主題4.日常生活中的化學(n=21, 23.86%)，其中又以口頭發表占最多數；投稿數較少的為主題7.學生對化學的態度(n=2, 2.27%)，以及主題3.各國化學教科書的表徵與呈現(n=1,1.14%)。

在口頭發表方面，發表文章於八大主題投稿類型的分布與整體趨勢相同，皆以2.教室對話分析與教學策略(n=19, 39.58%)；與主題4.日常生活中的化學(n=14, 29.17%)為主，兩類別總和將近七成。而在海報發表方面，最突出的類別是1.跨學科化學的遠景(n=9, 27.27%)，其次是2.教室對話分析與教學策略(n=5, 15.15%)與微型實驗(n=5, 15.15%)。演示部分，則以4.生活中的化學最為突出(n=3,42.86%)。

圖一、投稿類型分布

二、不同國家於不同主題投稿的分布情形

本次研討會88篇論文中，台灣(n=30)、日本(n=25)、韓國(n=13)、菲律賓(n=10)為投稿最多的國家，菲律賓為非主辦國家，此次有10篇投稿，表現亮眼。其他國家總和亦為10篇。圖二為不同國家於不同主題投稿的分佈，台灣方面，八大主題皆有投稿文章，最多文章的主題為2.教室對話分析與教學策略(n=8, 26.67%)，最少的為3.各國化學教科書的表徵與呈現與7.學生對化學的態度，皆僅有一篇(3.33%)。其中比其他國家投稿比例高的主題為5.微型實驗(20.00%)與6.多媒體教材在課室中的使用(16.67%)，可以發現到台灣除了在教學策略上的發展外，也著重在實驗方面的題材，不僅可以提升學生的學習興趣，也可以融入不同的教學方式。而日本方面，其投稿主題除了缺乏3.各國化學教科書的表徵與呈現與7.學生對化學的態度外，也概括了其他六大主題，其中占最多數的為4.日常生活中的化學(n=10, 40%)，此主題亦比其他國家投稿比例高出許多。次多的投稿主題為教室對話分析與教學策略(n=7, 28%)，其比例大約與台灣相當。而韓國與菲律賓的投稿文章最多的主題為2.教室對話分析與教學策略(韓國n=7，53.85%；菲律賓n=3，30.00%)，但是韓國較多以海報形式發表。而韓國比其他國家投稿比例高的主題為1.跨學科化學的遠景(23.07%)，這可能顯示韓國在教學方面有不同的想法與策略，也想將化學帶入跨領域的方向前進，韓國近年來積極推動STEAM教育，應該有對其研究方向有所影響。此外，菲律賓有一篇發表關注主題7.學生對化學的態度(n=1)，是在各國發表類別中較為特別的。至於「其他」國家中投稿數最多的主題則是4.日常生活中的化學(n=3,30%)。
 

圖二各國投稿於八大主題中的分布情形

三、不同學習階段於不同主題中關注的分布情形

而在這些投稿文章中，主要的研究對象也分成許多不同的學習階段，包含小學(n=7)、國中(n=17)、高中(n=35)、大學(n=11)以及在職教師(n=3)，另外有3篇文章橫跨學習階段(n=3)。但也有部分研究並不關注在學習階段，因此並沒有提供相關學習階段的說明(n=12)，圖三為投稿文章研究對象的學習階段分布情形，可以發現到研究對象以高中生占最多數(39.77%)，學習階段為在職教師(3.41%)及小學的為少數(7.95%)。有關高中生的化學學習以主題2.教室對話分析與教學策略(n=9, 25.71%)、4.日常生活中的化學(n=7, 20.00%)，與8.各國優秀科展作品觀摩與分享(n=6,
17.14%)為主。比較特殊的是，高中階段有將近兩成的各國優秀科展作品觀摩與分享，而這是有別於其他階段特別的地方。當初設立亞洲化學教育研討會的目的，有部分便是希望能夠交流各國優秀高中科展的作品，如果對科學展覽有興趣的老師，其實可以找機會到亞洲化學教育研討會中觀摩，尋找靈感，近距離與優秀科展作品的作者交流。
 

圖三投稿於學習階段與主題的分布狀況

四、發表亮點

（一）最佳海報獎

Heat Pack”適用於緊急逃生和戶外活動時的使用，它是CaO和Al粉末的混合物，在加水時具有明顯的放熱效果；以及利用遊戲方式模擬化學實驗，開發了一系列名為“Transpapific Traveler 1-6”的遊戲來進行化學動力學的教學，兩個主題內容新穎有趣，也發揮了對於化學教育的創意性，因此深受評審與民眾喜愛。另兩個獎項則由台灣的團隊獲得，其中一個為台灣美和科技大學教(Yeh,2019)的發表海報，他利用大家熟悉的excel作為數據處理的主要工具，教導學生利用簡單的工具來解決分析化學問題(例如導數、化學計量學等)，透過平常大家會接觸到的電腦工具，更能引起大家的共鳴，也成功吸引學生與評審的注意。而台灣慧燈高中教師(Lu,2019)開發chembox數位實驗軟體，希冀透過軟體來實行化學實驗或是科學展覽，不僅有助於建立科學概念，同時也有助於線上模擬各項實驗技能，創新與有趣的數位教學，獲得評審委員的青睞。

（二）國際化學元素週期表年相關發表

!而在台灣也有不同的慶祝方式。台灣的邱美虹教授團隊(IYPT活動設計了專屬於南花蓮地區的元素拼圖。南花蓮全民科學週搭配台灣科普環島列車活動(科技部，n.d.)，分別訂定玉里與光復兩車站的元素為鎂與氧，藉此，不僅可以了解到台灣南花蓮特色，更能學習到元素的小故事，讓週期表增添了許多趣味性。

五、結語

兩年一度的亞洲化學教育研討會在彼此密切交流下，劃下句點。今年的發表重點可以看到各國普遍關注教室對話分析與教學策略，並較為集中在高中階段。各國關注焦點中，較為突出的是日本的相關研究也重視與日常生活的連結，這從發表的類別，以及獲獎的海報論文中可見一般。此外，今年是國際化學週期表年，在這個會議上，我們得以略窺台灣與日本兩國在此慶祝活動上的一些努力，也希望大家在此研討會中相互交流，帶回各國後，激盪起更多創意的火花，將化學的種子深植於學子心中。

兩年後的亞洲化學教育研討會將由新加入的馬來西亞承辦，新地點，新氣象，期待兩年後，各國致力於化學教育的學者與教師，再次聚集一堂，分享大家這兩年來的新成果和新進展！

六、參考文獻

1.科技部(n.d.)。台灣科普環島列車。查詢日期:2019年9月22日，檢自http://pstrain.colife.org.tw/。

2.Chiu ,M.H.(2019, July).Celebration of the 2019 international year of the periodic table of chemicalelements. Paper presented at The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators.Taipei, Taiwan.

(2019, July).Jigsaw of chemical elements.Paper presented at The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators.Taipei, Taiwan.

4.Lu, T. C.(2019, July).Application of chembox in chemistry exploration experiment.Paper presented at The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators.Taipei,Taiwan.

8.Yeh, T. S.(2019, July).Using open source software for analytical chemistry.Paper presented at The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators.Taipei, Taiwan.

兩岸化學教育高峰論壇:創造性探究模型在探究與實作教學的應用範例分享

林芬如¹  段曉林^2*

國立彰化師範大學科學教育研究所^1,2

[email protected]*

壹、緒論

十二年國教課程綱要(簡稱108課綱）的課程目標之一：「啟發科學探究的熱忱與潛能，使學生能對自然科學具備好奇心與想像力，發揮理性思維，開展生命潛能。」（頁1），且課綱（2018）強調，「科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力」（頁1）。為強化上述目標，教育部特於高級中等學校教育階段增列自然科學探究與實作課程內容，佔自然科學部定必修學分數三分之一，足見提升高中學生科學探究與實作能力是國家科學教育的重要方向。位於第一線教學現場的高中教師們是帶動進行探究與實作的領航者，既是課程設計者也是課室中實施探究教學的輔助者，需要參考不同類型的探究教學模型與應用的範例增進自身的教學知能，因此，本文擬分享一個可以應用在高中課室中的創造性探究教學模型與範例。

貳、創造性探究教學模型與科學創造力評量

。以下分述說明：

）：

步驟（一）學生參與科學問題，事件或現象；

步驟（三）學生分析數據，並整合他們的觀點以建立模型；

步驟（四）學生用他們的科學知識闡述（提供原因和結論）問題；

步驟（五）學生在論證期間對同儕傳達他的解釋，進行最大的發散性思考；

步驟（六）學生通過其它解釋進行比較，特別是那些體現科學的解釋推理進而再評價自己的解釋，進行收斂思考。

步驟（七）學生和他們的老師一起審查和評價他們學到了什麼以及他們是如何學習的，進行思考的總結。

 

 

圖一、創造性探究教學模型(CIM)

(修訂的高中「科學創造力評量標準」面向分類與計分後，教師可以藉以觀察學生於探究活動中，第一次產品與第二次產品的創造性思考歷程的變化（如附錄一、教師手札）。評量面向如下（表一、表二）：

; Lin, Tuan, & Chin, 2017 )

)

叁、CIM模型範例分享

以高一「溶解度」的實驗課而言，在本文中以「創意溶解度實驗」為範例，活動時間一次總共兩小時，可使教師初次進行容易成功的CIM模型。

實作任務：教師提供圖片中的科學玩具（圖二）為引導，各組組員思考是否可以利用「同類互溶」作出一個有趣的科學玩具。

圖二、教師展示的引導圖片

器材提供：純硝酸銅晶體、95%藥用酒精、純水、乙酸乙酯、附蓋子的小玻璃容器、小顆粒彩色塑膠球、精製鹽。

第一：探索階段

1        詢問同學是否有看過晶體溶解，邀請一位學生發表經驗。

2        教師不事先給予學生溶液之濃度，只讓學生自己配。

3        規定他們，配成硝酸銅溶液後，想辦法把一部份的硝酸銅沈澱出來。

第二：概念引入階段

1        教師詢問學生：剛才的結果，水能溶解硝酸銅嗎? 酒精能嗎? 藉由學生自己的回答，使學生了解「同類互溶」的原理。

第三：解釋與交流階段

1        探索階段實驗失敗的組別，進行組內檢討失敗原因。

2        允許各組學生再探究他們的實驗，繪圖提出他自己的第一次點子與創造力產品。

3        組員經過討論，是否增加有機溶劑濃度，使硝酸銅溶液呈現上下兩層，或者選擇添加更多酒精使硝酸銅溶液比先前沉澱更多。

第四：評價階段(重複第一至第三階段)

1.根據教師展示的圖片，組員可以利用「同類互溶」做出一個有趣的科學玩具嗎？

2.允許各組學生再探究一次他們的實驗，繪圖提出他自己的第二次點子與創造力產品。

肆、結語

本文分享CIM 模型在探究與實作的活動中，可以提供高中學生個人與小組的實作任務，並且可以詳細記錄創造性思考的歷程，使學生具有明確的探究方向並且積極改進缺點。另一方面，指導教師以輔導與協助的角色進行探究活動的指導，可以從學生兩次科學性產品中，對學生進行觀察而具有形成性的評量的價值，真正達到108 課綱所強調的探究與實作的意涵。

伍、參考文獻

林芬如(2019)。創造性探究教學模組對高中社團學生科學探究能力、科學創造力與科學學習動機之影響（未出版之博士論文）。國立彰化師範大學，彰化縣。

洪振方(2003)。探究式教學的歷史回顧與創造性探究模式之初探。高雄師大學報，15，641-662。

教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要自然與生活領域課程手冊（更新第四版）。台北市：教育部。

Hung, J. F., & Ko, C. H. (2017). The effectiveness of creative inquiry model on experimental teaching. US-China Education Review, 7(8), 353-365.

Lin, F. J., & Chin, E.T. (2018). The assessment of students’ scientific creativity by   the analysis of grey structure modeling-In the case of green energy. Journal of Grey System, 21, 1-12.

Lin, F. J., Tuan, H.L.,& Chin, E.T. (2017).The assessment of students’ scientific creativity in the ICBOI teaching module by the grey relational analysis－A case study investigation. International Journal of Kansei Information, 8(4) ,115-127.

附錄一、教師手札範例

	課室觀察重點	學生探究成果與研究者反思
	（說明）此「創意溶解度實驗」學生普遍不喜歡記錄數據，以嘗試錯誤為探究手段，普遍不進行思考與估算。因此，教師應當留意： 1.第一次探究，學生是否能經過老師提醒與強調後，開始進行估算藥品重量與濃度？ 2.第二次探究是否能夠寫下第一次探究中，需要再改進的步驟與實驗紀錄？	學生探究結果： 雖然是簡單的實驗，各組仍是摸索中完成實驗，每組至少皆可做出兩層溶液。 研究者反思： 1.第一個探究實驗，學生們被教師「邀請」進入一種新的學習方式，比較重視學生是否經歷一個真實的科學活動，科學探究能力的提昇，其實是科學實作的經歷，本身就是知識建構的歷程。 2.科學創造力的表現在第二次探究展開，老師強調的每次的紀錄數據已形成學生討論與改善的起點。 3.學生開始思索做出三層液體，以不同質量的物體做密度篩選機。此為創造性探究已然啟動的證明。

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見—
以在客廳可以實作的化學反應為例

蕭次融

國立臺灣師範大學化學系（退休教授）
[email protected]

 

  摘要

教師演示點燃的火柴使黃褐色的液體褪為無色，引起學生探究其因的興趣。教師提示可用化合物替代點燃的火柴，於是學生上網找相關資料。在探討火柴頭和優碘的成分以及其性質後，並以二級研究（secondary research）的方式探究其化學反應。然後學生設計一個問題解決的實作實驗，如何使黃褐色的液體褪為無色並使其顏色復現的方法，並解釋其原理。

  簡介

對於以往的科學教學偏重知識概念的講授，依據《十二年國民基本教育課程綱要》的《自然科學領域課程手冊》，著重科學探究能力培養，強調科學素養的養成，注重與日常生活的連結。新課綱的教學要以主題的方式，注重「探究學習」和「實作學習」，並且要以學生為主。教師的任務在「探究與實作」的活動中，應扮演引導者的角色，引導學生觀察現象、形成問題、提出可驗證的觀點、尋找變因、收集與分析資料、解釋與推理、歸納結論、提出建議以及預期的發展等等。

雖然新課綱強調自然科學教育法，但是多數教師期望有可參考的教材內容和教學指引。高中「自然科學探究與實作」是包含在十二年課綱新設必修的領域課程，占自然科學領域部定必修12學分的三分之一，分成「探究」與「實作」兩個面向，教師必須執行，實作是學習的過程，而探究能力的培養才是目標。

本文提出「在客廳可以實作的化學反應」，作為設計探究與實作的參考。首先教師演示點燃火柴使碘酒褪色的實驗，以引起學生探究其化學變化的興趣，進而搜尋相關資料和進行二級研究，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的概念。接著，教師提出優碘褪色和復現的問題，分發實驗器材：碘酒、雙氧水、白開水、餅乾、火柴與透明玻璃杯，以及標籤為X與Y的兩支無色液體的點滴吸管，要求學生分組討論並利用所分發的實驗器材，自行設計實驗步驟並進行實作，找出問題的答案並發表其實驗結果。最後，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的延伸—「自身氧化還原反應」的概念，並理解其異同。（註：X是約1 M的NaOH溶液，Y是約1 M的HCl溶液。以上所述純屬個人看法，僅供同好參酌。）

二級研究涉及現有研究的總結、整理和／或綜合。二級研究與一級研究形成對比，主要研究涉及數據的生成，一級研究資料作為二級研究分析數據的來源。二級研究可以從教科書、百科全書、回顧文章、已發表的學術論文、統計數據庫和歷史記錄中提取數據。

本文的內容：一、教師演示實驗（點燃火柴，碘的褪色）；二、學生用二級研究的方式探究碘液褪色的原因（火柴頭藥的成分、碘的性質、以及發生化學反應）；三、學生以問題解決的方式實作碘液褪色又復現的作法；四、學生實作後的問題與評量；五、參考資料；六、附錄：(一)108指考化學試題（可供問題解決試題的參考）、(二)2018遠哲科趣全國競賽（可供問題解決實作試題的參考）和(三)各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為這次二級研究和問題解決的參考）。

  教材設計

一、教師演示實驗

教師點燃的火柴，立即放入盛有碘溶液的透明塑膠杯中，學生用肉眼可分辨的現象發生！

(一)  實驗器材

公分）

的中間兩瓶所示。

右邊所示。

：鹽酸可用食醋或酸性浴廁清潔劑替代，氫氧化鈉則可用管路疏通劑替代，但用量（濃度與滴數）要調整。

）或紫色高麗菜汁。

：演示碘褪色使用的器材

 

(二)  教師演示與學生觀察

        毫升於透明塑膠杯中，滴入碘酒數滴直到溶液呈現黃褐色為止。

        所示。

 

：一手拿好相疊的兩個透明杯和火柴盒，另一手拿火柴準備點燃火柴。

        所示。

        所示。

        數次，直到無色為止。

        在無色的溶液中，加入雙氧水數滴，靜待一會兒，碘的黃褐色復現。

        加入少許的澱粉液或餅乾屑，溶液慢慢地呈現藍色或藍黑色。

 

輕蓋杯子後搖動杯子，碘液由黃褐色變為無色。

二、學生「探究」碘液褪色的原因：二級研究^*2

學生進行二級研究：教師提醒學生上網搜尋火柴的頭藥成分與碘的性質，並解釋為何點燃的火柴可使碘液變為無色。探究的結果，學生知道火柴頭藥的成分含有硫，點燃後氧化為二氧化硫，溶於水成為亞硫酸，具有還原力，可使碘液褪色，碘分子被還原為碘離子。

學生觀看教師的演示實驗後，教師引導學生利用「二級研究」來探究下列事項：

探究過程	主要探究事項	學生二級研究的重點
觀察現象	觀察碘液發生褪色。	作用。
形成問題	為什麼會褪色？	發生化學變化。
提出可驗證的觀點	提出碘與亞硫酸發生氧化還原反應。	具有氧化性；兩者發生氧化還原反應。
尋找變因	找出化學反應的種類。	知道化學反應的種類及其概念 種類一：化合反應、分解反應、置換反應和複置換反應。 種類二：化合反應、分解反應、有機反應、酸鹼反應、氧化還原反應和燃燒反應。
收集與分析資料	找到碘和亞硫酸的性質（外觀顏色和氧化數）。	。 。
解釋與推理	具有氧化性；兩者發生氧化還原反應。	碘的化合物均為無色，由此推測碘在演示過程中的優碘中碘分子被還原為碘離子。
歸納結論	歸納碘與亞硫酸發生氧化還原反應。

 

三、學生「實作」碘液褪色的作法：問題解決

教師提出問題：使用提供的藥品，如何使碘液褪色又復現來回循環兩次的實驗？

學生首先設計一個可以在客廳或教室操作的簡而有趣的化學（Plain and Attractive Chemistry，簡稱PAC）實驗，並且動手操作碘液褪色又復現的實驗。接著，學生理解碘液褪色又復現是碘發生自身氧化還原反應。

），使黃褐色復現。

所示

：學生問題解決的方法之流程圖

四、問題與評量

(一)討論的問題

(二)評量的問題

    碘液為什麼會褪色？顏色為什麼會再現？

    承上，這發生什麼反應？（答：碘的氧化與還原以及碘的自身氧化還原）

(三)實作評量

實作評量包含動態評量和靜態評量，如下所示：

    動態評量（學生操作實驗時，教師現場評量學生動手操作實驗的下列項目）

(1)器具以及藥品的取用；(2)動手操作實驗（實驗步驟與方法）。

    靜態評量（實驗後寫在紙面的項目）

(3)實驗結果；(4)實驗報告：鑑定結果，填寫未知液體的編號在空格內。

未知液體	2	HCl	2O	2O2	2SO3	KI	NaOH
答案

 

未知液體	2	HCl	2O	2O2	2SO3	KI	NaOH
答案號碼	1	5	7	3	2	6	4

註：*1.本文純屬筆者之「我見」，有關探究與實作的評量方式，請參考大考中心即將公布的「考試說明」以及「參考試卷」。

「二級研究」一詞係審查人加上的，意指「透過資料搜尋和整理的非實驗探究」。

  參考資料

  。

  蕭次融，可在客廳演示的化學遊戲，《科學月刊》，2014，5月號，頁340~6。

  附錄

一、108學年度指定科目考試化學科試題（2019年7月1日，可作為實作評量的參考）

二、2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽（2018年12月23日，可作為實作評量的參考）

三、各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為此次探究與實作活動的參考）

附錄一

108學年度指定科目考試試題

6-7為題組

的大燒杯，放置於攪拌器上，使燒杯內的水穩定攪拌，然後滴入碘酒，使溶液呈現黃褐色。

①加入X試劑，黃褐色褪去，溶液呈現無色。     ②加入雙氧水，黃褐色復現。

③加入Y試劑，黃褐色褪去，溶液呈現無色。     ④加入鹽酸溶液，黃褐色復現。

其流程如右圖，①②③④為反應過程序號，依據實驗回答6-7題：

6.  是什麼？

(A)               (B)           (C)           (D)            (E)

7.  是什麼？

(A)               (B)           (C)           (D)            (E)

答：6 (B)；7 (C)。

 

附錄二

2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽

化學尋寶

      器材

點滴吸管（10支、編號0-9號，含未知液體）。另外1支沒有編號的點滴吸管，內裝蒸餾水，供擦洗墊板之用。咖啡棒1支、墊板1張、面紙1包。

注意：先檢查器材是否齊全？若否，請舉手補全。

      問題解決—化學尋寶

化學尋寶是未知液體的分析，方法與尋寶相似。先找一個線索，然後用這個線索找別的線索，如此一直找下去。

優點：安全性高，簡而有趣，用量少，變化快，具有創造思考性，在教室的課桌上可操作。

      實作命題一

下列五種無色液體，如何分辨？

KI(aq)、H₂O₂(aq)、H₂SO₃(aq)、HCl(aq)、NaOH(aq)

      寫出尋寶計畫一

同隊的學生參考第2頁（背面）的資訊，互相討論、作筆記，寫出簡要尋寶計畫（方法）一。

      實作命題二

未知液體7種：I₂、KI、H₂O、HCl、H₂O₂、NaOH、H₂SO₃，裝於編號0~9的10支3 mL點滴吸管（有3種液體重複）。試用上述未知液體互相作用，鑑定各未知液體。

      學生寫出尋寶計畫二

同隊的學生參考第2頁（背面）的資訊，互相討論、作筆記，寫出簡要尋寶計畫（方法）二。

      實驗操作方法舉例

1.  在墊板上，滴下1滴1號的未知液體，然後在其上，滴下1滴2號的未知液體，用咖啡棒攪一攪，觀察有何變化？

2.  在這無色的液體上，滴下1滴3號的未知液體，攪一攪，觀察有何變化？黃褐色是否再現？

3.  再在其上，滴下1滴4號的未知液體，有何變化？想一想1~4號的未知液體是什麼？

注意：(1)今天的實驗可說是點滴實驗，每次只用1滴至多2滴，多加反而無益。

(2)每支液體只可滴出約18滴，用完不能補充。

4.  用面紙擦一下墊板上的液體，再用蒸餾水滴在墊板上兩三滴，用咖啡棒攪和後，擦乾就可繼續使用。

      實際操作：（學生自行設計）

    仿照上述方法繼續操作，鑑定各未知液體。（共10支）

    鑑定完畢後，必須一支一支地確認未知液體

    答案寫在答案紙上。

附錄三

表1：各液體與本活動有關的性質（供探究活動的參考）

液體	顏色	氧化數	化學反應
碘液	黃褐色	0	易被還原成無色的碘化物；與鹼液會發生自身氧化還原反應，生成無色的碘離子與無色的碘酸離子。
碘的化合物	無色	-1，1，3，5，7	碘離子會被雙氧水氧化，生成黃褐色的碘液；碘酸離子會氧化碘離子為黃褐色的碘液。
亞硫酸	無色	其中硫的氧化數為4	會還原黃褐色的碘液為無色碘離子。
碘化鉀	無色	其中碘的氧化數為-1	會被雙氧水氧化成黃褐色的碘液。
氫氧化鈉	無色	氧化數不易變化	鹼性會使碘液產生自身氧化還原反應。
鹽酸	無色	同上	酸性，會產生上項自身氧化反應的逆反應。

表2：未知溶液的編號

曹雅萍

國家教育研究院測驗與評量中心研究教師

中山女子高級中學

[email protected]

一、前言

2018年12月4日眾多化學老師與教授齊聚新北市立新北高中，參加「亞太化學教育研討會」。研討會中分別由北京海淀教師進修學校支瑤副校長和新北市立新北高中鍾曉蘭老師以「週期表」為主題；東北師大附中的孫磊老師與台北市立中山女高以「反應速率」為主題，進行同課異構之公開觀課活動。活動中每位老師分別以五分鐘說課，以解釋課程設計的者要理念；再進行25分鐘的同課異構教學，並於觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課，點評教授包括國立臺灣師大邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授和東北師範大學鄭長龍教授。

二、反應速率－濃度對反應速率的影響公開觀課

(一)課程理念與設計說明

反應速率的傳統教學方式，多為寫出反應速率定律式，再以許多題目不斷練習應用，讓學生在練習過程中，熟悉並背下反應速率定律式，但對於反應速率式的本質，與反應速率定律式為何出現的理由並不清楚。

為了以因應素養導向教學，並希望學生於知識學習過程中，同時培養解決問題的能力，故本課程設計時，溶入形成性評量的概念，希望從學習評量中建構學生在化學課堂上的學習。形成性評量的理論基礎則強調教學歷程要與評量歷程相互結合，才能達到改進教學的目的，進而提高學習效果。亦即「評量本身就是學習或教學活動」，當評量本身就是一個學習任務，藉由評量引導學習才會發生，若提問本身對教師就是評量活動，則回答教師的問題，對學生就是學習活動。

此外，實驗設計的概念亦為本次新課綱探究實作課程的重點之一，故本課程亦融入了實驗設計的概念，希望學生在學習過程中同時了解，探討反應物濃度對反應速率的影響時，一次僅能探討單一物質濃度(單一變因)對反應速率的影響，亦即於教學中同時澄清操縱變因與控制變因的概念，有助於實驗設計能力的培養。

下表為本課程設計簡述，希望藉此引入科學家設計實驗與思考解決問題的歷程，讓學生經由一系列有組織的提問後，可以自行理解並歸納出反應速率級數的意義。

單元主題	反應速率－濃度對反應速率的影響
單元目標	能從一系列的反應速率實驗中，取得反應速率的數據，並有效整理反應速率的數據，進而寫出濃度和反應速率的數學函數關係。
核心問題	如何以一個適當的函數關係，表示濃度和反應速率的關係呢？
學習內容	CJe-Va-1 反應速率定律式	學習表現	tr-Ⅴa-1 能運用一系列的科學證據，理解並推導自然現象的因果關係。 tm-Ⅴa-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型。
教學流程與提問設計	1.      示範丙酮碘化實驗，並引起學習動機。 2.      學生討論並說出反應速率如何計算。 3.      由上述的觀察中推論，可以用來測量反應速率的對象，需要具備哪些特性？並舉例說明。 4.      如果反應物的濃度會影響反應速率，那妳可以如何確認呢？ [H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]的影響分別為何？ 請求出反應速率，並分別寫出反應速率和各物質濃度的關係。 5.      如何將[H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]和反應速率的關係以一個數學函數表示呢？
感謝師大化學系張一知教授提供第四十四屆國際化學奧林匹亞實驗競賽試題。

 

(二)開觀課活動照片

研習當天活動照片下圖。

圖1  孫磊老師公開觀課	圖2曹雅萍師公開觀課
圖3  學生課堂參與情況	圖4  王祖浩教授專家點評

(三)「濃度對反應速率的影響」課程流程與學習單

1. 實驗原理說明並進行實驗演示，已引起學生學習動機，並由實際的實驗演示中，觀察並推論出可以如何測量反應速率。

2. 研究設備及器材

3. 教學歷程提問與學習單：

 
(1)學生可由實驗觀察中，並經老師的引導後了解，計算反應速率測量時間時，需要有一個觀察標的，而此標的必須要有明確的變化，並可經眼睛或是儀器等測量其用量。

(2)當學生了解反應速率的測量方法後，即可運用此方法探討物質濃度對反應速率的影響。故以下的學習單提問，以表格方式提示學生，如果探討丙酮濃度對反應速率的影響時，操縱變因與控制變因應該如何設計才可得到所需的實驗結果。

(3)當得到實驗結果後，引導學生如何以數學的關係式表達濃度與反應速率之間的關係，亦即簡單的建模概念。

(4)當由實驗中可以得到不同物質對濃度的影響後，繼續引導學生討論，如何將不同物質的影響以單一個數學等式表示。當了解一個化學反應其反應物的濃度和反應速率的關係，可以由單一數學式表示後，再引導學生進一步以通式表示所有反應之反應物濃度對反應速率的影響。

三、結語

這次「亞太化學教育研討會」吸引了海峽兩岸的許多化學第一線教師積極參與，除了打開交流的管道外，更可針對同一個教學主題，進行不同的教法與課程設計的比較與討論，這是目前國內較少見的觀課模式，可做為後續教育現場推行教師共備課程設計時的方法之一，應可激發更多的動能，並帶來更多的創意。

此外，此次觀課與一般觀課研習不同的地方在於，有學界教授針對教學主題與方式，提供更具科學教育理念的指導與點評，有助於現場老師將實務教學經驗與學理比較、結合，讓現場老師以新的視角解讀自己的教學方式，有助於突破教學盲點，進而有效提升老師教學效能，此模式亦可作為後續觀課研習模式的參考。

四、參考資料

第四十四屆國際化學奧林匹亞競賽實作試題

兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

*[email protected]

• 影片觀賞

本實驗影片由大甲高中提供，微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。

影片網址：https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube.

• 簡介

水是醞釀生命的泉源，對於生物體來說是不可或缺的無機物質，為了瞭解水的組成，國中理化課程中，透過電解水實驗，以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣，觀測兩極的氣體體積比。

早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann ^[1]）於1866年所發明，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，金屬電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接，兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗，供添加電解液並維持水位；陰陽兩極是由兩根白金棒，貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成，隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠的電解槽所取代的，下圖為電解水裝置。

圖2：圖左為霍夫曼電解器，圖右為塑膠製電解水裝置

氫能的崛起，電解水的相關研究風起雲湧^[2],[3]，如何改良電解水器，讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗，成了此次研發的重點。

延續之前在科學研習月刊的撰文（綠色創客：微型電化學電池的設計與應用 ^[4]）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管，進行陰陽兩極氣體的收集；應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽具組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢；陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔，方便自由拆卸、更換；不受限於傳統電極固定性結構，提供進行電解的變因探究，目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極；除可透過USB行動電源進行電解實驗，實際節省98%化學試劑使用量，使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。

圖3：本校微型電解水實驗的操作

本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外，亦提供電解水模組的教學使用示例，與教學的設計與應用，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念，以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解電解水實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

• 器材與藥品

1.      功率80W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出20組微型電解水裝置）

3.      螺絲攻牙器1組（含5.0mm的螺絲攻鑽頭）【購自五金材料行】

4.      鑽孔機1台（含1.4mm鑽頭）

5.      PP塑膠一字螺絲（Φ＝6mm，長12mm）數個【購自五金材料行】

6.      雙面矽膠帶（寬＝5mm、寬10mm，各一捲）兩捲

7.      塑膠針筒包括：1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支

8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店，亦可使用3個三通閥】

9.      紅、黑鱷魚夾線各一條

10.  六種電極包括：碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支（直徑Φ＝1.5mm，長6mm）

11.  止洩帶1捲

12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑（簡稱BTB）、0.5M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M碘化鉀（Potassium iodide, KI）溶液各10mL。

• 製作微型電解水裝置

1.      概念發想：在可攜式、減量及電極可替換性用的原則下，設計改良的重點五個方向：

(1)  如何縮減電解槽的空間大小，減少電解液的使用量。

(2)  如何取代玻璃管，方便收集陰、陽兩極的產物。

(3)  如何取代大型的鐵製支撐架，固定整個電解器機構。

(4)  如何設計可拆卸式電極。

(5)  如何完成防漏水、防漏氣設計，提供定量探究電解反應的空間。

2.      數位繪圖：利用Adobe CS3 Illustrator繪圖軟體，設計繪製電解器，機構規劃包括四個部分：

(1)  兩根塑膠針筒注射口朝上，作為陰、陽極反應的空間，並藉此觀測兩極的氣體體積變化。

(2)  方形電解槽：使用8 mm壓克力板構建電解槽的底部與四邊，電解槽底部陰雕出兩根針筒壓柄的橢圓外型（紫色區域），針筒垂直放置於內；壓柄置中留兩個圓孔，以連接陰陽兩電極之用。

(3)  針筒固定橫桿：中間兩圓型穿孔，針筒筒身可穿越圓孔，針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合；兩端各有一個卡榫（深綠色區域），橫桿的卡榫可與水槽邊框的榫洞接合，固定在電解槽上（紅色區域）。

(4)  電解槽的支撐腳：為節省材料，電解槽的邊框內的方型區域，扣除橢圓形區塊（淡藍色區域），作為電解槽的兩支的支撐腳。下圖為微型電解水裝置的設計圖。

圖4：圖左為微型電解水裝置示意圖，圖右電解槽各部位元件的電腦設計圖

3.      雷射加工：打開雷射切割軟體Rdworks中，導入機構設計的數位檔案，依照需求調整雷射切割的速率與功率的設定，接著取一塊大小為60 cm × 40 cm，厚度為8mm的透明壓克力板，放置雷射切割機平台，進行雷射加工。下圖為雷切機切割的過程。

圖5：雷射光切割過程圖

4.      底板攻牙：將壓克力電解槽底板放置在方形的模具裡，並用虎鉗夾具夾緊，固定在桌面；接著一支M6螺絲攻，牢固地夾持在電鑽的夾頭，隨後將電鑽固定在固定支撐架上。啟動電鑽電源，鑽頭順時針方向旋轉，下壓支撐架把手，在預先雷切的中心孔位（直徑5 mm）緩慢地攻出一個直徑6 mm，深8 mm的螺牙；切換鑽頭轉向開關，拉起支撐架把手，完成攻牙程序。下圖為攻牙的過程。

圖6：圖左為攻牙電鑽與支撐架，圖右為螺絲功牙過程

5.      可拆卸式螺絲電極的製作：取數個PP塑膠螺絲，固定在壓克力模具上接著取一支1.4 mm鑽頭，牢固地夾持在電鑽的夾頭上，下壓電鑽把手，；在塑膠螺絲的一字溝槽中央鑽出一個圓孔。取出螺絲，螺絲一字溝圓頭朝下放置在木板上，以鐵鎚輕輕敲打電極，隨後將電極貫穿螺絲約1公分。下圖為拆卸電極製作的過程。

圖7：圖左螺絲鑽孔，圖中為螺絲安裝貫穿電極，圖右為完成的拆卸電極

6.      電解槽組裝：包括電解槽黏合、螺絲電極安裝兩個部分：

(1)  電解槽底板雕刻區朝上，取寬度5 mm的雙面矽膠帶，依四邊長度裁剪適當長度，並沿邊界黏貼在電解槽底部四週。撕開雙面膠帶離形紙，取電解槽邊框與底部對齊，隨後適度用力壓合約1分鐘，確保兩者緊密黏合，降低漏水的機率。

(2)  取出兩根螺絲電極與一捲止洩帶，止洩帶自螺絲圓頭起依順時針方向纏繞，環繞2-3圈後剪斷，接著裝入M6規格的塑膠墊片，隨後依序將兩根螺絲電極自電解槽底部螺孔順時針轉入並旋緊。下圖為電解槽黏合、螺絲電極的安裝過程。

圖8：電解槽組裝

7.      氣體收集針筒的固定：取兩根針筒與壓克力固定橫桿，針筒壓柄朝下，固定橫桿的卡榫亦須朝下，貫穿固定橫桿的兩圓孔；下壓橫桿，讓兩端的卡榫與水槽邊框兩對邊的卡合部緊密崁合，此時針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合。隨後將兩個三通閥緊密接在針筒的前端，控制閥一個朝前，一個朝後。螺旋母接口以較大的藍色塑膠塞塞住後，完成電解器組裝。下圖為針筒的固定過程。

圖9：氣體收集針筒的固定

• 教學應用

1.      0.5 M Na₂SO₄水溶液的電解

(1)  先以紅(+)、黑(─)鱷魚夾導線，夾住電解槽底部的鎳鈦合金電極與碳纖維電極，後將電解槽翻正(見圖10為電極與電源的連接)。

圖10：電極與鱷魚夾導線的連接

(2)  取約5mL的飽和 Na₂SO₄(aq)，倒入電解槽內，約八分滿，在滴入5滴的BTB指示劑。隨後取一支5mL的針筒，緊密連接上三通閥的側邊接口，三通閥呈T字型；將針筒的拉桿往後拉動，將電解槽內的溶液往上吸。當溶液上升至針筒刻度為0時，停止拉桿，接著將三通閥翻轉成⊥字型，使針筒與外界呈隔絕狀態。下圖為氣體收集裝置安裝。

圖11：電解氣體收集裝置圖，電解前溶液呈黃綠色。

圖12：電解30秒後，陽極溶液變為黃色(酸)，而陰極變為藍色(鹼)。

(4)  3分鐘後停止電解，仔細觀察兩極氣體體積的變化，試比較兩極氣體的體積比值為多少？

2.    0.5 M CuSO₄水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為硫酸銅，不須添加BTB指示劑，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極是否發生變化？

(2)   3分鐘後停止電解，紀錄正極收集氣體的體積；回收電解液，以清水稍加沖洗，仔細觀察電極上的變化。下圖為電解後的變化。

圖13：負極發現紅棕色的緊密的附著物，預估是銅的析出

3.    0.5 M KI水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為碘化鉀，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後，觀察並記錄陰、陽極所發生的變化。下圖為兩極的反應變化。

圖14：陰極發現大量氣泡的產生，陽極附近溶液出現紅棕色

(2)  3分鐘後，停止電解，接著取一根塑膠針筒，自負極的三通閥吸取液體，滴1~2液體在餐巾紙上，隨後入滴加1~2滴的BTB指示劑，觀察顏色是否發生變化；再取一根塑膠針筒，自正極的三通閥吸取液體，滴加在餐巾紙的另一隅，隨後入滴加數滴的澱粉試劑，觀察溶液是否會發生什麼變化？下圖為檢測結果。

圖15：餐巾紙的上方顏色由黃變藍(鹼性)；下方由紅棕色變為藍黑色(含碘)

4.    飽和食鹽水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，因陽極產物易與鎳鈦合金中的鈦金屬作用，故將兩電極的位置互換，並將溶液改為飽和食鹽水，以紅、黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察兩極發生的變化？

(2)   3分鐘後停止電解，取一根1毫升塑膠針筒，針筒前端連接一個雙通閥；接著將碘化鉀澱粉試紙放入針筒中，推入拉桿後，利用兩通閥連接三通閥吸取陽極的氣體，仔細觀察試紙顏色的變化，根據觀察到的現象以及你原有的科學知識，請嘗試推測該氣體的成分是什麼？打開雙通閥，將針筒靠近鼻子，以手揮動，聞聞看像甚麼氣味？

(3)   隨後再取另一支2.5毫升針筒，將長約2公分的廣用試紙置入針筒內，輕推壓柄將試紙推至注射口；接著與三通閥連接自三通閥吸取陰極的液體後，廣用試紙會發生什麼變化？下圖為正負極產物的檢測結果。

圖16：圖左澱粉試紙發生的變化(陽極)，圖右廣用試紙發生的變化(陰極)

•      原理與概念

本微型電解水實驗教具可提供數種類型的電解反應與教學應用，包括一般的電解水、電解質的參與、電解電鍍等，茲將類型分述如下：

1.      一般電解水，以硫酸鈉為電解質：

   只有水參與反應，電解質宜使用強酸、強鹼，如硫酸或氫氧化鈉，亦可用不參與反應的中性電解質，如硫酸鈉等；此狀況下，電極基本不參與反應，陰極發生水還原，可使用抗腐蝕的材料，如石墨、不鏽鋼；陽極發生水氧化，宜使用活性小的鈍性的金屬或導體，如白金、純鎳^[5]、或石墨。本文電解硫酸鈉溶液，陰極使用碳纖維^[6],[7]電極取代易折斷的石墨，電解產生氫氣，溶液呈鹼性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈藍色；陽極因白金價格過高，改採抗腐蝕力強，可用於人體心血管支架的鎳鈦合金電極^[8]，電解時產生氧氣，溶液呈酸性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈黃色。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

2.    電解質參與反應：

(1)  以電解質硫酸銅溶液為例，Cu²⁺的還原電位為0.34 V，比水的還原電位-0.83 V高，故在陰極發生還原，金屬銅析出；H₂O在陽極發生氧化反應，產生氧氣。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)E^o_red= 0.34 V

(2)  以電解質碘化鉀溶液為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；碘離子I^－的氧化電位  -0.54V比水的氧化電位-1.23V高，陽極發生氧化反應，產生碘。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2I^－(aq) →I₂(aq) + 2e^－   E^o_ox = -0.54V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

(3)  以電解質飽和食鹽水為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；而陽極哪一個物質發生氧化呢？氯離子Cl^－的氧化電位為-1.36 V比水的氧化電位-1.23V低，照理說，是水發生氧化，但因高濃度氯離子使反應利於向右進行使然，氯離子在陽極發生氧化反應，產生氯氣。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2Cl^－(aq) →Cl₂(g) + 2e^－   E^o_ox = -1.36V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

3.    電極參與反應：陽極發生氧化，可進行金屬的精煉，或合金金屬組成的分析，以銅的精煉為例，純銅做為陰極，黃銅（鋅銅合金）作為陽極，陽極氧化，產生銅離子，銅離子游向陰極，析出金屬銅，可由陰、陽兩極重量的增減，推算黃銅中不純物的含量百分比。

•      安全注意及廢棄物處理

1.          本次實驗所用的CO₂雷射切割機，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

2.          在螺絲上鑽孔，或在壓克力板上攻牙，都必須以夾具夾緊後再施工。

3.          氯氣對黏膜有極大的刺激性，雖產量極少，亦不可將收集針筒的注射口直對人的眼睛或鼻腔；實驗結束，宜用該針筒直接吸取少量陰極的鹼性溶液，輕輕搖晃筒身後，廢液依規定回收。

4.          每次實驗後，應以自來水清洗壓克力電解器，擦乾置入封口袋保存。

5.          所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

•      教師教學提示與建議

1.          鎳鈦合金，鈦金屬易形成氧化鈦鈍化膜，抗腐蝕性強，一般產氧的電解水實驗中，可作為陽極使用；尤其表面黑化處理的鎳鈦合金效果更好，鎳鈦合金棒可購自釣具用品店。

2.          碳纖維高彈性，不易折斷的特性^[6]，可取代石墨碳棒，不過碳纖維在強酸的環境易與氧氣發生氧化作用^[7]，以硫酸鈉為電解質，進行電解水實驗時，不宜當陽極使用。

3.          碘化鉀澱粉試紙，對光與空氣相當敏感，宜用黑色或深褐色的5毫升玻璃試劑瓶盛裝。

4.          雙通閥亦可用三通閥取代，為實驗前宜先讓學生孰悉三通閥的操作，免得電解結束，收集氣體時控制閥轉錯方向，造成實驗結果錯誤。

5.          收集氣體用的1mL針筒管徑較小，電解生成的氣泡有可能堆積在管內，造成氣泡中隔，進而影響數字讀取時的誤差，若改以2.5mL針筒時，情況可大幅改善。

6.          螺絲電極體積較小，拆卸不便，可設計輔具作為拆卸螺絲電極之用，下圖為螺絲電極拆卸輔具的參考。

圖17：螺絲電極拆卸輔具

•  特別致謝：

    筆者曾經於2018年在雪梨舉辦的國際化學教育討會(International Conference on Chemistry Education )，參加英國CLEAPSS教育機構學者Bob Worley的工作坊，從中得到啟發與激勵，特向他致謝；Bob是國際級的微型化學實驗大師，有興趣可以參考他的網站^[9]。

•  參考資料

1.      Hofmann voltameter, https://en.wikipedia.org/wiki/Hofmann_voltameter。

2.      Electrolysis of Water, http://www1.lsbu.ac.uk/water/electrolysis.html。

3.      Koponen, Joonas (2015), Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems.https://goo.gl/jsWEur。

4.      廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習。2017年11月，No.56-11期，頁54-62。

5.      Daniel Symes, Connie Taylor-Cox, Leighton Holyfield, Bushra Al-Duri, Aman Dhir. Feasibility of an oxygen-getter with nickel electrodes in alkaline electrolysers. Mater Renew Sustain Energy (2014) 3: 27. https://doi.org/10.1007/s40243-014-0027-4。

6.      Carbon fibers, https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers。

7.      黃博雄，碳纖維原本不是一根碳。科學發展。2018年5月，545期，頁36-41。

8.      陳怡安，鎳鈦合金設計及製程技術。2019年5月參考經濟部工業局地區產業整合發展計畫網站，www.srido.org.tw/attach/3088324512.doc。

9.      Microchemuk, https://microchemuk.weebly.com/。

科技大學學生對化學的學習信心和學習興趣

丁信中
嘉南藥理大學休閒保健管理系
[email protected]

•  研究探討
  

國際學生能力評量計畫2006 (Programme for International Student Assessment, PISA)的資料顯示，臺灣中學生對科學興趣與科學樂趣高於OECD國家平均值，但是臺灣中學生的科學自信心程度仍明顯低於OECD國家平均值(OECD, 2007)。在一份國內的調查報告中顯示，約70%學生表示喜歡科學，然而中學生的科學學習興趣與其在學校科學課程的學習經驗卻有所落差；天下雜誌(2010)以國、高中生為調查對象，資料顯示：國中生最不喜歡的科學學科是數學，高中生則最不喜歡化學；其前兩名的原因分別是「太難了」69.8％、「要背很多公式」43.9％。調查同時發現，整體學生有39%的比例「都沒做過」科學實驗，「每週低於1次」的比例也還有37.1％。與學生的期待相比有所差距，高達45.5％學生希望平均「每週做1到2次」實驗，這表示，學生是喜歡做實驗的，但是學校的科學課程內容似乎無法回應學生的期望。

臺灣中學生仍面臨著極大的升學壓力，在國中教育會考獲得好成績與進入名校就讀，是多數中學生的重要學習目標；同時，這也是家長對於中學教育的期待。天下雜誌(2013)對國中教育現場的調查顯示，12年國教強調免試升學，但仍有高達43.1%的學生，感到高度壓力；進一步分析，考試壓力(40.2%)、父母期待(26.9%)為中學生的前兩項的課業壓力來源。在測驗成就與升學主義的考量，傳統式教學與頻繁的筆紙測驗仍是多數中學科學教師的主要教學方法。如此頻繁筆紙測驗的教學方式與升學壓力等外在學習因素或許是造成臺灣中學生相對缺乏科學解釋與科學探索能力的可能原因。

Talton和Simpson(1986)的研究結果顯示，教室環境變項(包含教學與課程)可以解釋約46%-73%之學生科學態度的變異量，若再加上自我概念、家庭背景等變項，則可解釋的變異量達到62%-81%之間。

隨著臺灣少子女化的來臨，學生人數逐年下滑；2018年高中職畢業生為227,900人，其中，高中畢業生，包含普通科、綜合高中學術學程等計108,255人，高職畢業生，包含專業群(職業)科、綜合高中專門學程、實用技能學程等計119,645人；高職畢業生的比重從2011年56.98下降為2018年的52.50 (教育部統計處，2019)。以升學管道來看，高職畢業生多數就讀科技大學，雖然科技大學的系專業發展是以產業實務應用為導向，然而高職畢業生在中學階段的科學學習成就，多數屬於中低成就的一群，如何提升學生的科學學習動機，進而培育他們能擁有產業實務相關的科學能力，對於科技大學教師而言，是一項極大的挑戰。

• 研究工具

本研究開發「科學學習信心與學習興趣半結構晤談問卷」，此問卷分別從個人變項，家庭變項，學校變項，以及文化變項等四個角度，進行半結構晤談題目的設計，藉以瞭解科技大學學生對科學學習的信心與興趣，提供科技大學教師設計化學相關課程學習之參考。為了瞭解科技大學學生在專業化學學習是否受到中學理化學習經驗的影響，問卷的編製包含：第一部分中學的科學學習經驗，計11題，與第二部分科大專業化學的學習經驗，計10題等，編製完成的問卷共為21題。施測方式採半結構晤談，晤談時間為40分鐘。部分題目舉例如下：

1. 個人變項部份：你對於理化課程的學習動機是基於自己的興趣、還是為了得到好成績、或是滿足父母與老師的期待呢？

2. 學校變項部份：在中學的時候，你的理化老師上課的方式為何？你喜歡他的上課方式嗎？老師有沒有舉日常生活的例子來說明理化的生活用途呢？

• 施測對象

本研究的施測對象為中南部某2所私立科技大學的妝品、食品、環工等系的三年級學生，每系10位，合計晤談60位學生。選取科技大學三年級學生的原因，該階段的學生對於系相關專業化學的學習具備較多的修課經驗。

• 研究結果

一、中學科學學習經驗

發現一：多數學生表示喜歡小學的自然科學課程，然而對於中學的理化不感興趣，原因在於：課程無聊、考試太多、學習成就不佳、課程過於困難與太抽象而難以理解等。多數學生的學習動機屬於外在學習動機。參加課後補習的原因多是父母的要求。

—   62%學生喜歡小學時期的自然科學，原因在於：喜歡大自然、內容新奇有趣、日常生活用得到。然而，60%學生卻不喜歡中學時期的理化課程，原因則在於：課程過於困難與抽象而難以理解、考試太多、與成績不好。

—   40%學生喜歡他們中學老師的教學方法，例如：能將課程簡單化、應用到日常生活中、進行實驗活動教學。然而，僅有25%學生表示，他們的中學理化成績不錯或是優異。

—   53%學生的學習動機屬於外在學習動機，僅有10%學生為內在學習動機，其他則為兩者皆有。進一步分析顯示，35%學生表示他們的學業成績是受到補習與否、教師教學方法與父母期待的影響。

—   83%學生在中學時有參加校外補習。僅有10%學生表示，參加補習是自己的意願。多數的學生(45%)則為父母的要求。

二、專業化學學習經驗

發現二：約半數學生對於大學的基礎化學課程不感興趣，原因在於：他們的中學理化成績不佳、與課程內容有太多化學計算、太多抽象的概念與符號，然而他們對基礎化學課程的相關科學實驗是感興趣的。

—  40%學生對於基礎化學課程不感興趣。

—   43%學生表示在基礎化學課程的學習有所困難，例如：課程內容有太多抽象的概念與理論、化學方程式的計算、高職時期的課程學習缺乏相關的科學與數學科目、中學時期的理化成績不佳等。

—   僅有30%學生表示他們在基礎化學的學習成就為良好或是優異。

—   進一步分析顯示，57%學生表示他們在就讀系專業領域的相關專業化學課程的學習有所困難。此百分比高於學生對於基礎化學學習困難的陳述。

—   63%學生表示他們的學習信心受挫於中學時期理化課程的相關學習經驗。

—   然而，有72%學生表示他們喜歡基礎化學的相關實驗課程。

• 結語及建議

科技大學學生的科學學習興趣，在小學自然科學階段是正向的，但隨著中學課室教學的科學學習經驗，其學習動機卻逐漸下降，歸咎其原因包含：課程無聊、困難及過於抽象、學習成就不佳等；造成學生對於科學學習動機轉為外在學習動機，而不利於提升對科學知識的理解。若科學知識能應用於日常生活中，並進行相關的實驗活動，學生對科學學習仍持正向的態度。此一學習特質也反應在大學基礎化學的課程學習經驗，他們對化學相關課程不感興趣，然而卻喜歡實驗課程。依此來看，實驗課程活動可以提升學生對科學的內在學習動機。

為了培育科技大學學生能具備產業實務相關的科學能力，教師在基礎化學相關課程教學，應配合各系專業職能發展，以「Less is more」的原則，挑選相關的化學知識，改採主題式教學設計，並融入生活化議題或新聞事件，說明化學的概念與應用；同時，結合系專業領域相關的生活化學議題，設計化學實驗活動，如：自製天然精油防蚊液，說明精油成分、乳化劑的功能、製作的步驟等，並鼓勵微專題的創作，應能提高科技大學學生的科學學習興趣及其專業領域相關的科學能力。

• 參考文獻

天下雜誌（2011）。天下2010中學生科學教育大調查。天下雜誌。檢索日期 2019年6月28日。取自http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5008245。

天下雜誌（2013）。「12年國教國中現場大調查」。天下雜誌。檢索日期2019年6月28日。取自https://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5054089。

教育部統計處（2019）。高級中等教育高中職學生比查詢。檢索日期2019年7月1日。取自https://stats.moe.gov.tw/high/default.aspx。

Hanrahan, M. (1998). The effect of learning environment factors on students’ motivation and learning. International Journal Science Education, 20(6), 737-753.

OECD (2007). PISA 2006 science competencies for tomorrow’s world volume1: analysis. Paris: OECD. 檢索日期2019年6月28日。取自 https://www.oecd-ilibrary.org/education/pisa-2006_9789264040014-en