國中自然科學彈性課程設計與教學：發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程

鐘建坪

新北市立錦和高級中學
[email protected]

  前言

   ）。

）。

。

自然領綱設定的探究與實作課程著重學生能夠進行問題的發現、實驗的規劃與研究、數據結果的論證與建模，以及師生、生生之間表達與分享，透過這些歷程進行科學探究主題的課程。雖然國中沒有將探究與實作設定為實際的科目，但是自然領綱強調國中小應該發揮探究與實作的精神進行主題探究。因此，本研究嘗試讓學生透過對環境議題的理解，發展彈性學習課程，以水質檢測為主題，培養學生相關的能力，以促進學生整合相關領域的機會。

  探究與實作取向水質檢測彈性課程

一、探究與實作

    ）。名義上國中課程沒有探究與實作的科目，但是可以藉由彈性課程的設計進行議題式的探索與實踐，讓學生發展探究與實作的機會。

二、水質檢測相關教學研究

    ）。

    ）。然而，目前文獻中所研發的課程較著重在技能的學習，缺少以國中學生程度的課程開發。

三、理念與架構

    ）。

    ）。

引自Jong, 2023)

四、教學規劃與實施

    ，確認相關研究問題，進行問題確認。

。

小組討論設計圖	組裝簡易導電度計	測試簡易導電度計

。

設計與實作簡易撈水器	實際至溝渠撈水	簡易導電度計量測

。

  教師如何規劃學活動與協助學生優化學習內容

一、提供與學生經驗連結的探究題材

    本研究以探索受試學生校園附近溝渠水質出發，進行水質預測、設計工具、進行組裝、實際收集資料，並進行數據分析，讓學生能夠藉由校園附近溝渠的水質，並且經由環保署公開的資料庫數據讓學生分析新店溪不同取水地點的水質差異，讓學生知悉環保署有持續在監控河川水質，並且藉由分析知道不同地點的水質情形。

二、依據探究歷程設計不同階段的探究活動

    讓學生知悉二八張溝的流向與新店溪、淡水河的關係。接著讓學生繪製心智圖，提供學生思考不同影響二八張溝水質的關係。再以導電度為例讓學生實際設計一個簡易的導電度計與撈水器，並進行組裝。從取得的溝渠水，進行簡易導電度計與數位導電度計的試驗，讓學生分析結果並上台進行發表。再說明環保署資料庫的數據，讓學生實際分析不同地點收集到的數據進行比較分析，評估不同地點水質差異的原因。

三、搭配學習單，讓學生有所依循並紀錄所學內容

    節課的簡單實驗活動，而是期待能夠呈現給學生完整的探究歷程，因此教學的過程中，搭配學習單，讓學生在課堂中記錄不同階段的學習成果，一方面教師能夠藉由學習單輔助說明教學的內容，另一方面學生亦能夠藉由學習單紀錄自己的學習成果。

四、設計與組裝所需器材，教師著重鷹架提供，而非單純材料包組裝

    簡易導電度計與撈水器的設計與組裝，主要是在有限的材料之中，由教師每次逐步提供線索，先讓學生思考可行的設計方案，再開放小組討論，而非單純教師直接教導學生如何組裝材料包的器材。經由學生主動思考過後再進行小組討論，學生能夠更加深入思考彼此間的想法與設計的異同。

五、注重差異化，讓每位學生在課堂皆能夠積極投入

    次線索中思索到設計的方向，而能力中、低者亦能在後續的線索中大致知悉完整的規劃方向。在進入小組討論前，每位同學皆是有初步想法能夠貢獻自己的觀點。

  課程實施後學生想法與收穫

    整學期的課程圍繞在如何進行水質的檢測，包括：利用變因關係圖協助探討影響二八張溝水質的因素，以水體的導電度為例，設計並實作簡易導電度計，設計並實作水體收集器，再讓學生實際比較簡易導電度計與數位導電度計的差異，並將數位導電度計的檢測結果繪製關係圖，小組討論整理之後進行報告。學生認為整學期的課程是有趣不枯燥，能夠協助他們發現問題與解決問題，尤其對於簡易導電度計的設計與實作印象極為深刻，能夠從中理解不同元件之間的關係。另外，學生認為極有助益的在於小組合作，一起進行資料蒐集與報告，藉由報告過程反思自己整個學期的學習歷程。

一、發現問題階段

    學生針對影響學校附近二八張溝水質進行發想，並將相關影響因子繪圖呈現彼此之間的連結關係。學生陳述在此階段「學到了如何畫圖」、「了解如何進行假設」，以及「把流程先擬定好」等內容。因此，藉由視覺化的過程能夠協助學生統整影響水質的相關因素，確認出不同因素之間的影響關係，以作為研究假設的基礎。

二、規劃與研究階段

    雖然學生探討許多影響水質的因素，課堂的活動引導主要探討水質的導電性，讓學生能夠在有限的材料範圍內，基於自己先前對於電解質的概念，在教師逐漸引導與提示之下，能夠設計並製作出簡易的導電度計與水質收集器。學生認為過程中不僅可以透過設計進行學習「實驗的設計和手作能力提升」，亦促進手做能力「透過實作來發現一些事情」、「知道該如何製作簡易導電度計與水質收集器」、「學習規畫與研究檢測二八張溝的水質簡易導電度計」。同時，過程中學生亦能針對組裝進行修正與不斷地進行改善「組裝後發現不良，然後改善」。

三、論證與建模階段

    學生初始藉由簡易導電度計收集質性數據，再藉由數位導電度計實際測量導電數值，能夠評估工具的效度。接著讓學生實際分析環保署資料庫的數據，評估學校附近新店溪華中大橋與秀朗大橋的水質差異情形。學生認為過程中可以「比對預期和實際的差別」了解粗略估計與實際檢測之間差異，並且能夠「學會整理數據」、「學會依照表格，觀察出數據之間的關聯」，甚至在分析時「學到可能影響水質的原因」。

四、表達與分享階段

    當學生實際收集完二八張溝水質並進行分析之後，學生進行第一次上台發表，學生認為透過發表的過程能夠「思考變因之間的關係」、「將實驗數據完整的報告」，使得學生能夠思考數據結果與假設之間的差異「讓我能透過數據實證假設」、「學會去做比較，也知道其他水溝水的數據」，同時，也促進學生自己分析數據與上台發表的能力「學會與大家分享自己的所做的成果」、「分析數據和上台報告能力提升」。

  結語與建議

    本課程以水質檢測作為主題，以探究與實作架構進行課程發展，以發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享交互進行，讓學生學習水質檢測的概念並培養相關的探究能力。本課程為一個具體實踐的方案，可作為國中彈性課程進行跨領域或是探究與實作課程的參考。未來實施相關建議如下：

一、如何有效協助不同能力學生，積極投入課程學習

    本課程設計的主題式探究涵蓋探究歷程的心智訓練與手動操作，雖然期待能夠符應不同學生的學習準備度，但是實際操作時，授課教師仍需思考如何在課堂之內，能夠讓每位學生不僅動機能夠增長，而且涵蓋相關知識、技能與態度的促進。

二、如何透過探究歷程外顯化，協助學生將探究形成思考架構

    探究不僅是學生探索科學的歷程，也應該是能夠內化於心的思考架構。雖然課程所設計的學習單有外顯化探究歷程，但是如何評量學生探究思考架構，以及學生如何將探究與其相關的議題探索結合需要更細緻的探討。

三、讓學生探索居所附近議題，結合在地化與全球化的概念，形成在地全球化的思考模式

    探索學生能夠接觸的議題，則能引起學生較大的關注。本課程嘗試以探究模式讓學生針對自己學校附近溝渠水質的好壞進行工具設計、製作與實測，再結合環保署水質調查資料讓學生進行相關分析。讓學生從學校附近的溝渠水質出發，進而提升對臺灣河川等水源品質進行關注。

  參考文獻

日。取自https://wq.epa.gov.tw/EWQP/zh/Encyclopedia/NounDefinition/Pedia_37.aspx  

）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。新北市：國家教育研究院。

）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。新北市：國家教育研究院。

。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=36337

。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6973

Jong, J. P. (2023, July). Implementing inquiry-oriented school-development curriculum to develop students’ inquiry abilities regarding water quality. Paper presented at the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), July 28 – July 30, Kuching, Malaysia.

       National Research Council. (1996). National Science Education Standards. Washington, DC: National Academic Press.

       National Research Council. (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. Washington, DC: National Academic Press.

       UN. (2018). The sustainable development goals report 2018. https://
unstats.un.org/sdgs/files/report/2018/TheSustainableDevelopmentGoalsReport2018-EN.pdf

《臺灣化學教育》第五十期（2022年12月）

目  錄

  主編的話

• 第五十期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

    本期專題【專題編輯／周金城】

• 疫情下線上化學實驗和探究與實作課程／周金城〔HTML｜PDF〕
• 〔HTML｜PDF〕
• 〔HTML｜PDF〕
• 〔HTML｜PDF〕
• 〔HTML｜PDF〕
• 〔HTML｜PDF〕
• 〔HTML｜PDF〕

    國際評量【專欄編輯／邱美虹】

• 〔HTML｜PDF〕

  課程教材／化學小故事【專欄編輯／】

• 〔HTML｜PDF〕

 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／】

• 〔HTML｜PDF〕

《臺灣化學教育》第四十九期（2022年9月）

目  錄

  主編的話

• 第四十九期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

  本期專題【專題編輯／陳藹然】

• 台日高中生交流會 ／陳藹然〔HTML｜PDF〕
• 台日高中生交流會： 推動高中化學教育臺日交流／陳竹亭〔HTML｜PDF〕
• 台日高中生交流會： 高中生專屬的化學交流盛宴／ 陳藹然〔HTML｜PDF〕
• 台日高中生交流會： 一場又一場場的盛宴／陳藹然〔HTML｜PDF〕
• 台日高中生交流會：難忘的科學之旅／李承典、張簡琦麗〕
• 台日高中生交流會：疫情下台日高中生的化學交流／許文綺〔HTML｜PDF〕

  課程教材／化學實驗室【專欄編輯／楊水平】

• 銀奈米粒子的微量合成和鑑定／楊水平〔HTML｜PDF〕

  課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／邱美虹】

• 高中化學教學經驗分享 ／ 曹淇峰〔HTML｜PDF〕
  

銀奈米粒子的微量合成和鑑定

楊水平

國立彰化師範大學化學系

*[email protected]

簡介

本實驗的目的是透過化學還原法來微量合成銀奈米粒子（silver nanoparticles），利用氫硼化鈉（sodium borohydride）當作還原劑，還原銀離子（Ag⁺）成為金屬銀（Ag）。氫硼離子（borohydride ions）也當作穩定劑用於分散銀奈米粒子，並使用PVP當作穩定劑。本實驗的微量鑑定方式有廷得耳效應、繞射、聚集、穩定和光譜分析等。為節省藥品用量和保護生態環境，本實驗採取微量實驗和一鍋合成法（one-pot synthesis）；為避免用過的器材造成的污染，直接使用未用過的樣品瓶和PE滴管。

實驗原理

奈米材料及其特徵

奈米（Nanometer, nm）是表示長度的單位或尺度，1奈米（nm）等於1微米（μm）的1/1000，也等於10^‒9 m。通常，奈米用於表示原子或分子等級的粒子大小或電磁波的波長，例如：銀原子的直徑為0.288 nm，能引起尿結石的細菌最想直徑為50nm；病毒的大小範圍為20-250 nm，可見光範圍約為380-750 nm，紫外線的波長為200-380nm。奈米等級的物體肉眼和光學顯微鏡看不到，需要用電子顯微鏡才能觀察到。奈米材料就是指是指在三維度中至少有一維度處於奈米尺度（介於1-100 nm）或由奈米尺度範圍的物質為基本結構單元所構成的材料的總稱。銀的原子半徑為0.28 nm，假設銀奈米顆粒球形的直徑範圍為1-100 nm，銀原子的數量從30至3.0 × 10⁷個原子。

10 nm或更小的奈米粒子中更為普遍發生。在塊狀材料中，電子的移動被視為波狀，並且可以“自由”在原子之間移動。當縮小粒子為奈米大小時，電子波的空間範圍與粒子的大小相當，電子開始“感覺到”粒子邊界的存在並相應地調整它們的能量。透過這種方式，電子被“限制”在量子化的能階中。奈米材料呈現出量子效應有截然不同的特性，例如：鋁等穩定的材料是可燃的，矽等絕緣體則變成導體。

以光學特性為例，當奈米粒子足夠小時，其光譜吸收能量與奈米粒子的表面有很強的耦合，尺寸在2-10 nm的奈米粒子會表現出離子化的共振效應。這是由於奈米粒子的價電子（valence electrons）當照光時激發至能量較高的導帶（conduction band），然後該價電子的能量以光的形式自發性釋放而回到穩定的價帶（valence band）。這種共振效應通常稱為表面電漿子共振（surface plasmon resonace, SPR）或局域表面等離體共振（localized surface plasmon resonace, LSPR），如圖1所示。不同粒徑的奈米粒子具有不同的能隙大小，表面電漿子共振的能量也不同。（註：開啟圖1的圖片來源網址，雙擊綠色圖示，即可觀察到表面電漿子共振現象。）

圖1：表面電漿子共振的示意圖，左上圖為面極化入射光：波長520 nm，極化方向與短軸平行；左下圖為面極化入射光：波長520 nm，極化方向與短軸垂直；右上圖為面極化入射光：波長1000 nm，極化方向與長軸垂直，步伐生共振效應；右下圖為面極化入射光：波長1000 nm，極化方向與長軸平行，發生共振效應。

（圖片來源：圖解表面電漿共振，國立中正大學，https://bit.ly/3R7txGo.）

以銀奈米粒子的光學特性為例，當金屬銀研磨成為奈米級的大小後，用肉眼可見到其顏色由本來的銀白色轉變成黃色。銀奈米粒子變為黃色是因為此奈米粒子吸收可見光（380~750 nm）中的410 nm波長（藍光），而見到其互補色（黃色），並且吸收藍光的能量與銀奈米粒子表面引起耦合而發生共振效應，使得銀奈米粒子表面的自由移動的電子雲（electron cloud）被極化，亦稱表面電漿子（surface plasmon）或稱表面電漿極化子（surface plasmon polariton）被極化，隨著光波的吸收波長而來回震盪，而發生奈米粒子的共振效應。

銀奈米粒子已廣泛應用於家用器具、醫療保健行業以及食品、環境和生物醫學，例如：在生物和生物醫學的應用抗菌、抗病毒、抗發炎、抗癌和抗癌症等。此外，銀奈米粒子有良好抗菌能力，成為使用最廣泛的殺菌奈米材料，例如：紡織品、冰箱表面和個人護理產品。一般而言，銀奈米粒子大多與二氧化鈦一起作為化學反應的催化劑。

銀奈米粒子的合成

銀奈米粒子合成方法有物理和化學方法，化學方法包括：沉澱法、微乳液法、化學還原法、及電化學還原法。其中以化學還原法最為廣泛，此反應是銀離子還原成為金屬銀，例如：硝酸銀（silver nitrate, AgNO₃）當作氧化劑，使用適量的硼氫化鈉（sodium borohydride, NaBH₄）當作還原劑，並且用過量當作穩定劑。其反應如式[1]所示。

（銀奈米粒子）

為節省藥品用量和保護生態環境，本實驗採取微量實驗和一鍋合成法（one-pot synthesis）；為避免用過的器材造成的污染，直接使用未用過的樣品瓶和PE滴管。此外，裝在小樣品瓶內實驗畢未用完的銀奈米粒子溶液，學生可以帶回家永久保存。

銀奈米粒子的鑑定

Tyndall effect）

銀奈米粒子的合成

使用未用過乾淨的PE滴管，滴加1.5 mL（30滴）新鮮製備的0.0020 M NaBH₄（硼氫化鈉）到一個3 mL的玻璃樣品瓶中，此瓶無需清潔直接使用未用過。用附特氟龍蓋，緊緊地轉緊瓶蓋。放置此樣品瓶在一個50 mL燒杯的冰水浴中，使其冷卻。取出此樣品瓶，立即打開瓶蓋。使用PE滴管，立即滴加10滴（0.5 mL）0.0010 M AgNO₃（硝酸銀）到此樣品瓶中，滴加速率約1秒1滴，並且滴加時需要搖晃。滴加完畢後，緊緊地轉緊瓶蓋，立即放入冰水浴中，直到溶液變成鮮黃色，如圖11所示。（Yang, 2013）【註：(1)硝酸銀溶液不可連續滴加，否則銀奈米粒子溶液會變黑；(2)燒杯的選用不宜過大且冰水浴水位不宜超過樣品瓶的高度，否則樣品瓶難以直立。】

圖11：冷卻樣品瓶並滴加硼氫化鈉溶液直至溶液呈現鮮黃色，右圖為左圖的放大。

銀奈米粒子的鑑定

Tyndall effect）

使用紅光雷射筆，直接照在兩個樣品瓶中含有合成銀奈米粒子溶液和硝酸銀溶液，觀察兩種溶液是否出現一道紅光光束。其操作方式，詳見圖3。

(二)繞射（Diffraction）

取一片乾淨的玻璃片或載玻片，在此片上距離1.5 cm處分別滴加2-3滴銀奈米粒子溶液。使用電磁加熱攪拌器，以微熱狀態，放置此片在加熱板的邊緣位置，慢慢地加熱直到溶液乾燥。在暗室中，用紅光雷射筆對準並照射銀奈米粒子形成固體堆積的區域，在屏幕上觀察是否出現紅光圓點放大。同樣地，雷射光照射到沒有銀奈米粒子堆積的區域，觀察是否出現紅光放大。其操作方式，詳見圖5。

(三)聚集（Aggregation）

取1/4張A4大小的白色紙（或影印紙），使用一小塊白蠟用力地塗上一厚厚的蠟（蠟層不可有孔洞而使溶液滲透到紙張）。在蠟層上距離約1-2 cm的兩處，用乾淨的PE滴管，分別滴加2滴的銀奈米粒子溶液，形成兩個圓球狀的液滴。在其中一顆液滴，加入少量的顆粒狀氯化鈉，觀察其顏色變化，並比較與另一顆液滴的顏色。其操作方式，詳見圖6和圖12。【註：進行聚集之前，不可加入PVP穩定劑。否則，聚集不易發生。】

圖12：進行銀奈米粒子聚集試驗的兩顆圓球狀的液滴

(四)穩定（Stabilization）

為了在穩定的條件下以利保存銀奈米粒子溶液，在樣品瓶中加入5滴約3%聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）當作此溶液的穩定劑，蓋緊瓶蓋子並搖動混合均勻。

(五)可見光光譜分析（Visible Spectroscopic Analysis）

取一支1.5 mL乾淨的塑膠比色管，用乾淨的PE滴管，加入10滴（約0.5 mL）銀奈米粒子溶液到該管中，並用蒸餾水進行等量稀釋。利用紫外‒可見光譜儀（UV-Visible spectrometer），測定合成銀奈米粒子的吸收光譜。透過吸收光譜，找到最大吸收度的光譜。然後，藉由最大吸收度的光譜，推知銀奈米粒子的粒徑大小，詳見圖8。再來，透過製作PWHM，推知自己合成的銀奈米粒子的均一程度，並與別人或他組比較是否較佳，詳見圖9。【註：(1)若已加入PVP穩定劑，則不必加入蒸餾水稀釋；(2)測量吸收光譜後，銀奈米粒子溶液可倒入樣品瓶中。】

(六)電子顯微鏡圖像（Electron Microscope Image）

依照穿透或掃描電子顯微鏡的操作手冊，自己實際操作或由熟悉儀器操作者操作電子顯微鏡。取得圖像後，觀察到銀奈米粒子的粒徑大小和形狀。【註：這實驗是可選的，視學校的設備而定。】

教學提示

l 教學時間分配：(1)講解實驗原理和實驗步驟：約20-40分鐘；(2)實驗操作時間：合成方面：約5-10分鐘，鑑定方面：約30-50分鐘（不含電子顯微鏡圖譜的鑑定）。合計時間約55-100分鐘，教師可依照學生的程度，安排教學時間的長短。

l 本實驗可與另一實驗由作者編寫的「金奈米粒子的微量合成和鑑定」合併，上課時間約100-150分鐘（不含電子顯微鏡圖譜的鑑定），可在3小時的實驗課完成。

l 教學流程：本實驗的教學流程可為先解說實驗原理再操作實驗，或先操作實驗（包含合成和鑑定步驟說明）再解說實驗原理。前者為傳統實驗室教學，後者為學生先做實驗對實驗變化現象產生好奇，進而激發學生對科學知識的學習興趣和渴望。

l 上課地點與對象：本微量實驗的操作容易，實驗用器材和配製溶液集中在置物箱，可帶到教室或室外讓國高中學生操作實驗。作者曾經指導學生在教室進行實驗，實施方便且順利。針對國中生，鑑定方面只做容易操作的廷得耳效應、繞射、聚集及穩定；針對高中生，鑑定方面可增加一項光譜分析。

l 硝酸銀價格：有一家商家販賣純度99%，1,260元╱25 g；18,375元╱450 g。有一家電商販賣（未標示純度），15,015元╱500 g；另一家電商販賣0.1 M溶液（試藥級），280元╱100 mL，280元╱500 mL。配製100.0 mL 0.0010 M硝酸銀，用0.017 g，以15,015元╱500 g計，其價格約0.5元；每位學生或每組花費0.0026元；以280元╱500 mL計，其價格約0.56元；每位學生或每組花費0.0028元。其實，本微量實驗硝酸銀的花費單價很低。教師可考慮實驗藥品兩倍用量，增加學生攜帶回家成品的用量。

l 樣本瓶價格：容量3 mL，一盒100個，有臺灣商家販賣一盒價格2,500元，每個25元；有一家境外電商販賣3 mL，一盒100個，新台幣500元，每個5元。兩家價格差異很大。若經費短缺且希望學生攜帶自己的實驗作品回家永久保存，教師可選購便宜的樣本瓶。

l 在合成金奈米粒子之後立即加入穩定劑PVP，可穩定期溶液而不易使之聚集而變黑。但是此舉不利於進行銀奈米粒子的聚集實驗。為成功完成實驗，教師指導學生時應該特別注意實驗步驟的附註。

l 實驗操作時，請學生注意安全防護，必須穿實驗衣、戴乳膠手套和安全眼鏡。

參考資料

Shui-Ping Yang, Microscale Synthesis and Characterization of Silver Nanoparticles in the Teaching Laboratory, 15th ACC (Asian Chemical Congress) Poster, No. 1318, Singapore, Augest 25-27, 2013.

Diffraction, https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction.

Silver Nanoparticles: Optical Properties, https://bit.ly/3QXDwxv.

Silver Nanoparticles, https://bit.ly/3B01X8t.

Scanning Electron Microscope Image of Silver Nanoparticles, https://bit.ly/3Avct66.

圖解表面電漿共振，國立中正大學，https://bit.ly/3R7txGo.

  楊水平。金奈米粒子的微量合成和鑑定。臺灣化學教育。第48期，8月，2022。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=42346。

學生實驗講義

下載學生實驗講義PDF檔—「銀奈米粒子的微量合成和鑑定」

第四十八期 主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純化學暨應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員

Fellow

中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected] 

開幕典禮，來自政府單位和學術單位的人員集結在基隆港碼頭一艘由女性擔任船長的勵進船是具有特殊的意義，這是第一次大型活動在勵進船上辦理。一方面彰顯臺灣重視藍色經濟的推動，另一方面，特選於由臺灣首位女性擔任船長的最大科研船進行啟動儀式，凸顯女性亦可在科學領域佔有一席之地。此次透過開幕來宣揚「扎根科學，永續臺灣」的目標以及活動四大核心訴求「科學平權、科學啟蒙、全民參與、國際連結」，並由總統蔡英文女士鳴笛啟航，響應國際以基礎科學提供解決和開創永續的未來。

強調婦女參與度和能見度的提升及基礎科學作為國際對話與和平的來源。

、從PISA看科學素養、金奈米和銀奈米的實驗設計設計與運用、化學實驗到探究式文本的應用。後者則是以全國第一次的化學實驗課程設計線上交流會的成果報告為主，當日線上參與者有百餘人，能齊聚一堂共同研討大學化學實驗，實在是令人相當振奮。

與勵進號黃久倖船長合影(2022/08/15)

從微觀到巨觀:由DNA來看世界

洪文東

華夏科際整合聯合總會監事

前國立屏東教育大學化學與生物學系教授

前美和科技大學護理系教授

前國家科學委員會副研究員
[email protected]

  前言

科學知識是一套有組織、有系統的知識，科學家以虛心客觀的態度追求自然界萬事萬物的真理。科學家探究自然界事物、現象，經由觀察、描述、解釋、預測等過程，發現問題、探討問題、解決問題，由已知資訊歸納出定理、定律、原理、原則等規律性，再由所提出的規律性加以演繹，推理預測未知的事物、現象從中獲取資訊，進一步提出理論，以探究未來的可能世界。科學研究有它的極限，以目前科學家所開發的科學儀器觀察，其顯微鏡能夠觀察到最小的維度是10的負18次方米，而天文望遠鏡能觀測到最大的維度是10的28次方米。換言之，從微觀角度而言，比10的負18次方更微小的世界是什麼?
我們不知道;從巨觀角度而言，比10的27次方更巨大的世界是什麼?我們也不知道，這就是科學家探討宇宙世界與自然萬物的限制。

  DNA的發現與其組成結構

西元1952年，James Watson與 Francis Crick 宣佈發現生物學家所稱遺傳物質:去氧核醣核酸(DeoxyribonucleicAcid
簡稱DNA)的雙股螺旋結構。從此之後生物化學的知識進展神速。科學家應用化學原理與方法以確認合理解釋生物功能的分子結構。從事生物化學研究的科學家們是在分子的層次對生命的過程進行描述、解釋、預測，並利用創新技術、精密儀器進一步加以控制。DNA主要是以染色體的形式存在於細胞核中，作為遺傳訊息的儲存物質，負責指揮細胞內組成分子的合成。DNA包含去氧腺嘌呤核苷5′-單磷酸(簡稱DAMP)、去氧鳥糞嘌呤核苷5′-單磷酸(簡稱DGMP)、去氧胸腺咪啶核苷5′-單磷酸(簡稱DTMP)及去氧胞咪啶核苷單磷酸(簡稱DCMP)。DNA是遺傳訊息的化學儲存形式，包含DAMP、DGMP、DTMP、DCMP四種單體。在人體染色體中，每一個DNA分子含有上百萬個核苷酸(Nucleotides)。而參與遺傳訊息傳遞及生物性催化作用的核醣核酸(Ribonucleic Acid簡稱RNA)是一種腺嘌呤核苷5′-單磷酸(AMP)、鳥糞嘌呤核苷5′-單磷酸(GMP)、胞咪啶核苷5′-單磷酸(CMP)及尿咪啶核苷5′-單磷酸(UMP)所組成之單質聚合物。存在於核苷酸中的遺傳訊息主要是由組成的核苷酸序列所解碼(王姿文等7人，2009)。以化學觀點而言，所有物質皆是由原子組合而成，相同的原子組合成元素，不同的原子組合成化合物。例如水，它是兩個氫原子與一個氧原子化合而成。以生物化學角度而言，所有生物體都含有碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素，這些元素再以不同結構組成化合物，諸如:醣類、蛋白質、脂質、胺基酸、維生素等巨分子。生物細胞中的DNA主要就是由四種不同的核苷酸A、G、C、T連接形成的異質聚合物。

  自然界物質的循環

從生物進化論觀之，人是最高等的動物，人類出現在地球約4~5百萬年前，人體內的各種元素同樣是碳、氫、氧、氮、磷、硫等，體內主要化合物也同樣是醣類、蛋白質、脂質等。再從化學角度觀之，自然界的物質皆由原子以不同數量、排列方式、組織結構、組合而成，這些物質皆在自然界中生、生、滅、滅，以各種化學變化方式在循環著，人在自然界中與其他生物一樣，從出生到死亡，其組成的各式化合物，最後回再分解成各種元素、原子等，所謂塵歸塵，土歸途，最終都會回歸自然。化學家所謂的物質循環，例如:【水循環】，地面上的河水、湖水、海水等經陽光照射，這些水遇熱先蒸發成水蒸氣，上升至高空中集結成白雲，白雲遇到冷空氣再冷卻凝結變成小水珠，小水珠浮懸在高空中集結成烏雲，烏雲集結成雨滴，再下雨降落到地面上，形成所謂的【水循環】。又例如【碳循環】，生物不管是動物或植物，皆是由碳、氫、氧等元素組合而成，其燃燒後會產生二氧化碳，然後擴散混合在空氣中，空氣中的二氧化碳，二氧化碳與水分子，經光合作用再合成為葡萄糖，植物吸收後進一步合成為澱粉、纖維素等，提供營養成分，給植物攝取營養素，從種子發芽以成長茁壯。動物也是攝取這些植物或動物養分，形成所謂【食物鏈】。這些植物或動物死亡，都是有機物，會再分解成碳、氫、氧等元素，這就是碳的循環。換言之，現在生存的地球環境，我們所呼吸的空氣中各種分子、原子，同樣都是古代人物所呼吸的各種分子、原子再循環著。以此推論，我們現在所呼吸的分子、原子，其中有可能是春秋時代的孔夫子、或古希臘哲學家蘇格拉底，這些古代人物分解後的分子、原子。從DNA角度觀之，人和動物有著大部份相同基因，它們執行著類似的生化功能，此種相似度起源於約8000萬年前有著共同的祖先。

  結語

2009年國際科學研究期刊「SCIENCE」上有發表一篇研究報告指出，人和家養牛的基因有80%的相似度。國際另一篇研究報告發現人與黑猩猩的基因相似度高達96%。另外一篇研究論文指出，人與香蕉基因相似度也有60%。這些科學家的研究發現，人類和動物、或植物的基因相似度簡直令人驚訝。人類身體中有著30億的DNA鹼基對，這些DNA基因組合建構了人體各種組織、器官。在這30億DNA基因中，只有極小部份是屬於自己個人所有。換言之，人與人之間，其基因相似度高達99.9%，其餘0.1%的基因決定了不同人的膚色、髮色、各種遺傳疾病等。以DNA看世界，正如禮運大同篇所謂【世界大同】，世界上各民族人民都同樣擁有99.9%的基因相似，所不同的只有那0.1%。從DNA看世界上各民族人民，不同膚色、髮色、遺傳，人類共有30億的DNA基因組合其中有99.9%相似性，所差異的只有0.1%而已。

換句話說30億的DNA基因，有300萬個基因，影響人類各民族的膚色、髮色、遺傳疾病、個人特質等。從99.9%宏觀來看，是世界大同。從0.1%的微觀來看，又有個別差異性。正如明儒理學家王陽明先生格物致知，求同存異，同人大有。

  參考資料

國中自然科學探究與實作：燃燒的本質–氧化還原反應

鄭志鵬

臺北市龍山國中

[email protected]

• 簡介
  

本教學設計的目的，是讓學生了解物質燃燒的本質，是物質與氧結合產生劇烈的放熱反應。作者運用科學史中拉瓦節與史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材，讓學生學習科學的批判思辨必須以實驗事實為本，進行邏輯的推論。再藉由許多不同的氧化還原現象認識物質的活性不同，並從巨觀實驗結果中，推論物質在微觀分子層次上會因活性大小不同而發生氧元素的交換現象。

• 教學設計理念

國中的化學課程，往往被視為「背科」，也就是純記憶性質的科目。學習化學反應時，「記憶」化學反應的現象、反應式和分類好像就是全部的學習目標。但是化學作為一門科學，難道在探究的層次上真的這麼薄弱嗎?其實以科學史中，拉瓦節探究燃燒本質為例，他也是進行了許多實驗，收集了許多實驗證據後，透過抽絲剝繭的方式逐步的找到燃燒的本質，這個過程絕對是高強度的探究。因此，在國中進行氧化還原單元時，其實可以以化學史作為背景架構設計課程，讓學生跟隨拉瓦節的腳步來探究燃燒的本質。接著延伸此一主題，觀察各種不同元素與氧元素進行交換的反應，從巨觀現象觀察、想像、猜測在微觀分子層次發生的變化，並且學習設計實驗驗證自己的假設，並在此過程中學習氧化還原反應的概念以及諸多探究能力。

• 教學設計

作者利用物質的氧化與還原單元設計兩節課的探究活動。實施的對象為國中八年級的學生。此單元可於八年級下學期中段進行，在實施前學生對於化學反應已有初步認識，知道化學反應是原子的重新排列組合。他們也曾觀察過鎂帶在純氧中燃燒會產生白色的產物，對於一些元素的特性也有簡單的認識。除此之外，學生也需操作過燒杯、錐形瓶、酒精燈、燃燒匙等基本化學實驗器材。有操作實驗器材的基礎以及進行化學實驗的能力。

        有關本單元如何與108年課綱所訂的學習內容目標，思考智能與問題解決目標，科學態度與本質目標的關聯，如下表：

(一)   評量方式：以課程中討論、實驗操作以及學習單內容表現作為評分依據

• 教學流程

本教學流程的起、承、轉、合階段的構想來自於吳月鈴老師的研發構想。

第一節課燃燒的本質

一、起(導入與初步探究)：教師先引言說明人類知道「火」和「燃燒」已經歷史悠久，但人類直到近三四百年才有能力提出理論來說明燃燒現象。接著教師對學生提問：你們知道燃燒是怎麼回事嗎？（氧化）。你們怎麼知道是氧化？是看到氧氣了嗎？提出問題後，接著教師說明這堂課就是要來回答”我們怎麼知道燃燒是一種氧化現象？”的問題。之後，教師示範燃燒酒精燈與鋼絲絨過程中的質量變化，請學生觀察並紀錄。幫助學生聚焦兩種的燃燒現象其中相同處與相異處。學生會記錄到燃燒時同樣會發光發熱，但酒精燈燃燒過程，質量會變輕；鋼絲絨燃燒後則會變重。

二、承(進階探究活動)15分鐘：教師請學生閱讀學習單中描述史塔爾如何以「燃素」的觀點描述燃燒現象以及燃燒過程中質量變化。在閱讀中教師提醒學生學習分辨「證據」、「主張」與「推論」。要求學生學習以CER模式(Claim Evidence Reasoning Framework)做論述練習。例如：(1)練習使用燃素說解釋酒精燈燃燒與鋼絲絨燃燒的質量變化。重點是依據他人的主張，來解釋自己的實驗事實。(2)閱讀學習單中拉瓦節進行的實驗。使用繪圖方式轉譯拉瓦節的實驗結果。教學的重點在讓學生更仔細閱讀實驗結果，並學習將較難分析的文字，轉譯成較容易分析的圖片。並做為下一階段討論的依據。

三、轉(討論實驗結果)15分鐘：教師讓各組學生以燃素說這個主張解釋拉瓦節的實驗結果（證據），讓學生發現衝突矛盾之處。接著教師讓學生將主張改變為拉瓦節的氧化說，以此解釋相同的實驗證據。比較哪一個主張可以做出更好的解釋。最後教師要求學生學習論述的方式，以文章第二、三段作為範例，練習書寫或口說論述。

四、合(總結)5分鐘：透過上述的活動之後，最後教師進行總結，教師歸納：以燃素說解釋拉瓦節燃燒的現象時，有些難以解釋之處。但若以氧化的主張，則可以更完美的解釋許多燃燒現象。之後教師再提出燃素說和氧化論何者較佳?除了氧化說能解釋更多的實驗現象之外，拉瓦節實際找到氧氣作為直接證據，因而獲得極大的支持。但燃素觀點則一直沒有找到燃素因此逐漸沒落。依據上述的科學史的活動，教師提出人類對於科學現象的認識，是與時俱進的，不同的時代對於同樣的現象，可能會提出不同的觀點，但新的觀點往往能更完整的解釋更多現象。

第二節課活性與氧的交換

一、起(導入與初步探究)10分鐘：教師提示學生一些先備知識：鎂在純氧中燃燒會產生強烈白光，並產生白色的產物。根據化學反應前後不會產生新元素，只會將元素重新排列組合的規則來思考，白色物質必然是「氧化鎂」。接著教師將二氧化碳以排水集氣法灌滿廣口瓶，並將燃燒中的鎂帶放入，讓學生觀察燃燒現象，並記錄所觀察到的現象。透過此實驗可看出：

鎂帶可在二氧化碳中燃燒，並產生白色與黑色的產物。接著讓同學討論白色產物最可能是氧化鎂，黑色產物最可能是碳。接著重複上述的實驗，將鎂帶改為銅粉進行燃燒，發現高溫銅粉在空氣中會逐漸形成黑色氧化銅，放在排水及氣法所收集到的二氧化碳廣口瓶中，銅的燃燒現象會熄滅。

二、承(進階探究活動)15分鐘：各組學生進行觀察與推論：根據以上實驗結果，推論不同元素搶奪氧元素的能力有差異。從二氧化碳與鎂的反應可推論，鎂與碳相比，鎂有能力將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。代表鎂元素搶奪氧的能力勝過碳元素。在銅粉燃燒的實驗中透過觀察與推論可發現高溫銅粉在二氧化碳中會熄滅的結果，可推論出銅與碳元素搶奪氧的能力：銅無法將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。各組學生透過上述的兩個活動的觀察與推論，他們會提出下列的假設與推論：將碳與氧化銅混合加熱，是否會產生反應？教師也請學生提出他們認為會產生反應，或者無法產生反應的理由。接著教師要求各組學生進行計劃與執行：假如碳可以搶奪氧化銅的氧元素，將會產生二氧化碳。那可以用什麼方式檢驗二氧化碳？各組學生將混合粉末放入硬試管中，在單孔橡皮塞中插入玻璃管，塞住試管後，架設在鐵架上並用酒精燈加熱。玻璃管裝上橡皮管，並將橡皮管另一端放進澄清石灰水中。此階段如果時間或是器材不夠，也可由教師進行示範實驗。

三、轉(討論實驗結果)15分鐘：請學生根據觀察，寫下檢測結果：「氧化銅和碳粉在高溫下會反應產生氣體，氣體通入澄清石灰水中會產生混濁現象。另外將粉末倒出後會看到原本黑色的粉末產生了紅色物質」，透過此活動讓學生學習探究中的分析。接著教師請學生根據實驗結果討論氧元素在反應過程中會如何移動：氧元素會脫離氧化銅和碳結合，因此產生二氧化碳和紅色的銅金屬。代表碳和銅相比，碳搶奪氧的能力是更強的。透過此步驟讓學生發現他們探究的結果。教師提問學生：如果將鎂和氧化銅混合加熱，是否會發生氧元素交換位置的反應？會。因為搶奪氧的能力鎂>碳，碳>銅，因此可以推論鎂>銅。此步驟可讓學生進行探究歷程中的推論。教師可再透過提問，讓學生將探究的結果進行延伸。例如：已知水煤氣是將高溫的水蒸氣通過熾熱的碳後，會產生氫氣和一氧化碳。根據此結果，推論碳和氫相比，何者搶奪氧的能力更強？根據水煤氣的討論，判斷將高溫鎂帶放入熱水中，是否會產生氫氣？

結論