臺灣化學教育

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:

東海大學化學系普化實驗室及特色介紹

楊俊豪¹、劉信宏、張仁宗、吳明珠、郭珊綺、杜澄達、賴英煌²

東海大學理學院化學系¹
joie@thu.edu.tw; ²yhlai@go.thu.edu.tw

■ 前言

普通化學實驗是修習化學課程驗證理論、理解化學原理的重要過程之一。安全，符合課程需要、動線合宜的現代化普通化學實驗室是化學系的基本配備。因此，適當的化學實驗環境、人員配置及導入學習軟體是規劃實驗課程時須重視的幾個重點。感謝臺灣化學教育的邀請，藉此機會介紹本系普通化學實驗室。祈使有意瞭解東海大學理學院化學系的讀者一窺究竟．同時讓對化學教育有興趣的讀者多一分瞭解實驗室現場的情況。

■ 化學系普化實驗現況

一、地點及空間

東海化學系大學部設立於建校之初，由1955年至今已有67屆學生。由20人的小班制逐漸擴增為化生組及化學組兩班，目前每班約45人，大學部在籍學生共371人。學士班課程安排依組別不同，由基礎逐漸加深加廣至專精弘通。系上的必修實驗課程有普通化學、普通物理、生物化學、有機化學、分析化學、物理化學及儀器分析化學等實驗。上述實驗課程除了儀器分析實驗安排於化學館儀分實驗室外，其餘皆安排於本校2005年竣工的基礎科學實驗館六樓。此樓層是化學系專屬的大學部基礎實驗空間，如圖1。

圖1：東海大學基礎科學實驗館及六樓主要走道

二、人員配置

每一門實驗課程除了普通化學授課教師外，安排有專職助教帶領實驗進行，保持高品質實驗課程的教與學，目前系上共有七位助教執行實驗教學，其中有五位助教參與普化實驗的進行。杜澄達助理教授負責一門全英文普化實驗課程。各實驗課程系上會安排碩士級研究生輔助化學實驗順利進行。此外，為落實每位學生都能瞭解實驗內涵並實際操作設備及器材，因此以一人一組規劃進行。單一普通化學實驗室最大可進行組別達60組。

三、與時俱進的課程規劃

東海大學為綜合型大學，目前有九個院．其中理學院、工學院、農學院及國際學院中的八個學系課程有安排普通化學實驗，上下學期合計開授19門，十分重要。因此，每學年投入不少資源在實驗室的軟硬體維護及提升。本系支援校內所有普通化學實驗的開授。實驗課程內容按授課教師要求及系所屬性搭配普通化學課程安排進行，以達到理論與實驗上的驗證。然而，科技快速進展，學生對實驗變化及數據的掌握能力已有質上的提升，對應之道是逐漸引入新式教學設備，讓實驗上的觀察及記錄過程資訊化，並搭配適當的軟硬體以提升學習的品質。近年系上所開授的必修實驗課程與時俱進，基於永續環境、綠色化學及銜接新世代科技，部分實驗朝達到實驗目的；瞭解原理；可觀察現象等前題下進行減量，調整藥品，更新設備等多面向執行。值得一提，自111學年度開始嘗試普化實驗專題。學生4人一組，自由組隊，由目前普化實驗課沒有列入的實驗，請學生從講義撰寫及簡報，並製做一個完整的普化實驗，實驗課最後請學生上台發表成果。讓108課綱薰陶下的學生有機會發想，並著手執行。

四、普化實驗課程的軟硬體

硬體：化學實驗室規劃符合國家法規，亦是校內外勞工安全及環境安全展示演練場域。每一實驗室進出口都有兩個，窗戶通風良好，光線充足。逃生標示清楚，滅火裝置完整。實驗室設有置物櫃，供學生放置個人物品。各實驗組別會配置完整實驗器材，放置於可上鎖的專屬櫃位。所有實驗室並配有空調，在實驗助教評估下可讓上課學生在適宜環境進行化學實驗。實驗室內有實驗進行區；天秤室；助教作業區及藥品存放區，請見圖2。安全設備有抽風及抽氣設備，淋浴室、緊急沖淋洗眼器設備、護目鏡、滅火器、濃煙逃生袋及緊急安全器材櫃等。加熱設備全面採用加熱板。安全設備定期維護檢修及更新。此外，廢棄物品、廢液、廢棄化學品按法定回收種類區分及收集。圖3為上述各區域相片集。

圖2：實驗區、天平室及助教行政作業區、藥品存放區

圖3：（上）淋浴室、緊急沖淋洗眼器及滅火器；（下）濃煙逃生袋、緊急安全器材櫃及廢液暫存區

軟體：１.所有進入實驗室的教職員生須接受完整安全教育訓練，方能進入實驗室執行化學實驗。２.專屬實驗課程網頁，每一班實驗課程皆可上網查詢課程綱要，實驗內容及進度，請見圖四。３.實驗教學影片製作，本系助教製作普通化學實驗教學影片並對外開放搜尋。普通化學實驗內容隨時可進行的有42個，現行課程常安排的30個實驗已拍攝完成，如表一。４.實驗報告繳交：實驗預報有傳統紙版報告繳交及上網檢核兩種形式交替進行，實驗結果線上登錄並批改，此部分特別感謝教育部教學實驗計畫提供補助。使教學現場學生自課堂上抄寫報告的現象明顯下降。實驗結果報告形式亦逐漸朝向無紙化方向進行。５.本校建置的iLearn系統，提供學生線上資源及執行實驗前檢核，並提供學生線上課程，降低COVID-19疫情對需動手操作實驗的影響。

隨著資訊軟體使用程度提升，學生可提前觀看實驗重點，搭配線上檢核降低學生課堂趕實驗報告的情況，以及電子檔報告繳交大幅減少紙張使用量。這些部分都是在學學生很有感的改變。目前學生表達對實驗環境能與時俱進十分贊同，但檢核試題的數目及多樣化可持續精進。實驗環境的軟硬體還有更多可進步及調整空間，有賴各方一起努力。

圖4：各教學實驗室專屬網頁及普通化學實驗室網頁

表1：東海大學普化實驗課程內容。現可執行42個實驗，其中30個有拍攝實驗影片

註1，已拍攝實驗影片並開放網路蒐尋

五、化學教育推廣場域

化學系支援大學部實驗課程外，亦積極投入舉辦科學活動及傳播科普知識。正課時間外亦提供場地及設備給經過申請通過的研習活動；大學先修課程（ＡＰ課程）；大學社會責任活動（ＵＳＲ）；寒暑假科學營等。由2014年開始執行的高中實驗教學活動已超過100場次，見圖五範例。期間與多所高中合作進行實驗教學，其中包括精誠中學、建臺中學、彰化女中、台南二中、大甲高中、嶺東高中等等全國北中南各地公私立學校。更有來自馬來西亞的寬柔中學，到東海化學系的實驗室進行科學教育實驗活動。在既有的軟硬體資源下，發揮最大的功效，服務最多有興趣於科學的群組。不少化學系學生在過程中參與科學教育實驗活動，除了正式課程上的學習，也在不同類型的科學實驗教學活動中受益。

圖5：2022年中山高中實驗教學活動及樂齡科普實驗。

■ 化學系普化實驗特色

最後透過條列的方式，羅列東海大學化學系普通化學實驗室的幾個特點:

1.     實驗設備新穎，實驗環境符合法規。

2.     專業實驗助教，優良的教學品質。

3.     資訊軟體使用程度與日俱增，實驗預報、結報及實驗數據數位化。

4.     拍攝實驗影片，學生易掌握實驗重要環節。

5.     落實化學藥品減量、減廢理念。

6.     化學教育推廣重要場域。

7.     學生可參與普化實驗專題。

■ 結語

東海大學化學系擔負每學年普通化學實驗課程的正常開授，期許進入實驗室的學生可在規劃良好，符合法規、安全及適宜的環境下學習。在專業實驗助教帶領及研究生的協助下，修課學生可以獲得良好的學習資源。學校每學年投入資源提升實驗室的軟硬體，促使教學實驗現場持續進步，以保持學習內容符合時代需求。能力所及本系亦樂意提供環境及師資協助推廣科普。

■ 致謝

感謝教育部教學實驗計畫對教學現場遭遇問題的重視，並提供經費改善，計畫編號PMS1100231。

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:

國立屏東大學應用化學系之普化實驗室規劃

鍾旭銘

國立屏東大學應用化學系
shiuanmin@mail.nptu.edu.tw

n  前言

    國立屏東大學於103年8月1日由國立屏東教育大學與國立屏東商業技術學院合併成立，同年本系由化學生物系更名為應用化學系；因此，國立屏東大學應用化學系今年剛邁入第九年，亦為全國最年輕的化學系，在前三任系主任歷經系所更名、課程重新規劃、師資聘任、教學實驗設備添購與實驗教室改建等工作，目前已經完成軟硬體初步的修改與增建工作。

n  普通化學實驗課程規劃

普通化學實驗課程是化學系的第一門實驗課程，從高中進入大學就讀的化學新鮮人，在高中時期大部分的學生皆未經過實驗課程訓練，普化實驗課程需肩負實驗室安全、實驗基礎操作與實驗器材設備介紹等規劃。在實驗課程內容規劃上，包含有機化學的酯化反應–人工香味製備、皂化反應–清潔劑製備、從茶葉中萃取咖啡因與乙醯化反應–阿斯匹靈製備；分析化學的酸鹼指示劑及pH值測試、酸鹼滴定、分光光度計在定量分析上應用與氧化還原滴定–維生素C含量測定；物理化學的樂沙特列原理實驗、色彩震盪反應與碘鐘實驗；無機實驗的廢鋁鐵罐製備鋁明礬與草酸鉀錯化物的製備；生物化學的醣類結構與檢驗、蛋白質的變性及檢驗與牛奶成分分析；上述實驗的規劃，讓大一學生初步認識化學系大二與大三主要必修課程，可以更快適應專業化學相關課程；國立屏東大學是由高教、技職與師培合流的大學，普化實驗課程亦規劃針對國小教師培育之課程，如：熱冰實驗、葉脈書籤（見圖1）、化學花園、天氣瓶製作與濾紙色層分析等實驗課程；另外，實驗亦規劃了抗菌潔手露、防曬隔離霜、紫雲膏（見圖2）與萬金油等產品製作課程，讓學生了解如何運用乳化反應、萃取技術與藥劑調配等化學觀念結合至生活用品中。普通化學實驗課程是一門須動手操作課程，需藉由實驗動手操作、數據量測記錄與細心觀察結果，來印證與了解教科書上化學原理的入門課程，所以本課程涵蓋各類需求考量下完成規劃。

n  普通化學實驗教室規劃

本系於民國76年從數理教育系開始多次更名，直至民國103年方始更名為應用化學系，所以先前本系無化學專業實驗教室設置，為了符合應用化學系課程需求，陸續改建普通化學實驗室、有機化學實驗室、分析化學實驗室與生物化學實驗室等專業教室。

普通化學實驗課程為銜接有機化學與分析化學實驗課程，所以實驗教室規劃需涵蓋實驗安全與實驗空間運用，普通化學實驗教室規劃成兩個區域：

一、學生實驗操作區域：學生實驗操作皆在此空間進行（見圖3），包括藥品取得、藥品秤量與實驗操作等，所以在每個實驗桌上設置抽風罩（見圖4），讓實驗進行時所生成之氣體方便抽取，並且在講台旁設置緊急沖眼器（見圖5），另外在實驗室前方放置醫藥箱與安全防護用品（見圖6），確保學生實驗進行之安全；實驗室後方放置廢液回收桶與抽風櫃（見圖7），並設置安全衛生公告欄進行實驗室安全宣導（見圖8），此實驗室改建以空間明亮且動線寬闊進行，讓學生可以在學習與實驗操作中更加安全。

二、實驗器材藥品收置與準備區域：普通化學實驗課程的器材與藥品種類繁多，所以規劃實驗器材放置區（見圖9）、藥品櫃（見圖10）與實驗準備區（見圖11）；實驗器材在期初進行分組與分配，讓同學保管自已本學年實驗用器材，實驗課程結束洗淨後就須放置規定位置。實驗課程前助教需至實驗準備區取出藥品，並配置該實驗課程所需要的藥品。

圖9：實驗器材放置區                                          圖10：藥品櫃

圖11：實驗準備區

n  結語

國立屏東大學應用化學系為全台灣最南端的化學系，目前已經邁入第9個年頭，系上專任教師共有11位，與其他化學系教師人數相比較為精簡，而且在成立時間上最為年輕，但經由系上師長的努力規劃爭取，硬體設備亦逐漸到位，所以教學用實驗教室皆完成改建，可以讓同學有一個舒適又安全的實驗空間進行學習。近年來，本系師長在教學之餘也致力於研究工作，因此國立屏東大學應用化學系，是一個教學與研究並進的小而美化學系。 

「丈量人類世」書外篇

(Beyond the Book of “Anthropocene”)

陳竹亭

臺灣大學化學系名譽教授

jtchen@ntu.edu.tw

2022九月，我寫給社會大眾閱讀的科普處女作《丈量人類世》（圖1）終於付梓出版。出乎意外的是十月首刷1300本已經售罄。邱美虹教授希望我分享一下出書的動機和心境，因而有此書外篇。寫書的動機已經在自序中有所交待，本文主要是將全書的核心信息彙整，並且談談書本出版後的一些起心動念。

n  關於「人類世」

2013年第一次讀到關於「人類世」(Anthropocene)(Crutzen, 2002)的概念時，就覺得頗能與我在臺灣大學開授的通識課：「自然、環境與永續文明」(陳竹亭，2013)的旨意契合呼應。荷蘭環境化學家克魯岑(P. Crutsen)在2000年倡議當今的世代可以棄全新世(Holocene)，而代之以人類世。雖然至今，人類世仍然是一個地質學界懸而未決的地質新世代，但是人類文明對地球及整個自然界的影響已經快速地成為人文、社會和自然科學歡迎且認同的觀點─人類文明已經足以影響甚至改變這顆及至目前我們僅知獨一無二、充滿生命的太陽系第三顆藍色行星的生存環境，從大氣、地質直到海洋。

圖1 《丈量人類世》2022，商周出版

n  科學世界觀

除了人類世的嶄新概念，本書副標：從宇宙大霹靂到人類文明的科學世界觀—開宗明義地說明了這本書的主要目的之一，希望向大眾介紹科學世界觀的形成，以及在這個世代是否具備科學世界觀可能的影響。世界觀是每個人集合自己的知識和信念，而萃取出對世界的「整全觀點」(wholistic viewpoint)。個體與集體正是智人生命兩個面向的人性特徵。書中有兩句話：個人的世界觀會決定自己的人生觀；大眾的世界觀會決定社會集體的智慧！

要具備科學世界觀可以從認識「宇宙大霹靂理論」(Big-Bang theory for the origin of the space-time)和「生命演化論」(Evolution theory for origin of the species)為起點。換句話說，依據今天的科學知識，時空的源起是大霹靂，生命的遞衍有賴演化。這兩個理論雖然都仍有未盡完備之處，但是都建立在科學的邏輯思考方式與實證的基礎上。此外，這兩個理論還提供了探究後續科學發展的發想問題之源頭，不僅深具啟發性，並且能獲得新知識。譬如近代宇宙學(modern cosmology)和分子生物學(molecular biology)就是各自站在「宇宙大霹靂」和「生命演化論」思維上所產生的新興學門。新舊知識的系統思考彼此呼應且毫無違和矛盾之處。

n  時間軸線

時間軸線的概念則提供了另一種世界觀的思維。20世紀天文物理根據大霹靂、宇宙膨脹論以及宇宙微波背景輻射，提供了人類精準地估算出我們所身處的宇宙壽命為138億年。19世紀英國出了兩位不世出的科學家，萊伊爾在他的《地質學原理》中提出了漫長的「地質時間」概念，達爾文則據此提出了「物種源起」的生命演化概念。放射化學與地質學告訴了我們太陽系和地球的年紀約為50 ~ 46億年。考古學則讓我們知道地球的生命約有35億年的光陰。

要建立這種遠超過我們人生經驗的時間感，以24 小時的時鐘框架可以看出自然界生命的遞衍(圖2)，甚至歷經了五次的生命大滅絕。直到24小時最後的兩分鐘，也就是地球的700-800萬年前，以兩腳站立的猿人終於踏上了大自然生命演化的舞台。

圖2 24小時框架下地球的生命演化(取自陳竹亭，2022，p141)

最早的人屬要算是200萬年前的巧人(homo hablis)，人類考古學根據挖出的化石建立了人類樹，經歷了超過100萬年的直立人(homo erectus erectus)的演化，在距今約60-50萬年內有了海德堡人(homo heidelbergensis)和尼安德塔人(homo neanderthal- ensis)，約30萬年內現代智人(homo sapiens)終於出現。

人生不過數十寒暑，很難想像幾十萬、百萬…甚至上億年的光陰。但是科學方法有了數學的加持，可以提供精準的測量估算。這些時空軸線使得人類能夠更準確地認識我們所在的時空位置以及人類存活在世上可能扮演的角色。

n  演化論

達爾文著作的《物種源起》中主張生命在環境中是物競天擇，他說：「既非最強的，也非最聰明的得以生存，而是最能適應環境的才能存活！」今天的世界上現存的生物多樣性約為8.7百萬種，其中大部分是白堊紀之後才演化出來的。然而，只有人類單一的物種能遍佈世界各角落所有的陸地。

在物種演化的洪流中，可能已有約50億個物種已經滅絕了。換句話說，地球上雖然有超過30億年存有永續的生命，但是生命的舞台上卻是後浪不停的驅趕前浪，所有的物種都在生態區位中競爭尋找自己的棲息地，冀能爭得一口喘息之地的就得以苟活。其中99.9%的物種雖然獲得自然界演化舞台露出的機會，但是至終不免消失在環境變遷，以致物種汰換的浪潮中。

在現今的生態區位中，人類明顯的是站在食物鏈的頂端。所以一旦食物鏈的基礎不穩固，我們也將率先崩盤。當然人類也有將全球棲息地佔好佔滿的優勢，但是並不表示人類已經可以一勞永逸，安然走向永續發展。

地球生命的奧祕除了演化論，還有遺傳學和探究DNA為主旨的分子生物學。如果從宏觀的觀點來看，生態與環境也都甚為重要。地球的環境惡化、系統危機四伏，資源匱乏、能源不足、穩定態失衡，然後就想殖民外太空，聽起來雄心萬丈，其實並不是什麼有智慧的好點子。拓荒墾殖雖屬人性，不表示我們不可以深切檢討文明發展的手段，除非我們學會必須將老家地球整治妥當、得以永續經營，再往外太空求其索。

n  人類文明與永續發展

       現代智人雖然有20-30萬年的原始發展期，文明的歷史是在最近的冰期後，世界變暖的約1萬年內從農牧業的發跡馴化開始。簡而言之，在自然界的時空軸線上，是在相對近的時間踏上了演化的舞台，而且在更短的時空環境中創造了所謂的智慧文明。

圖3 將「全新世」的11,700年框縮成熟悉的24小時來呈現人類文明的加速進程(取自陳竹亭，2022，p213)

圖3可以看出在人類有了文字之後(ca. 15:00)經過漫長的數千年，歐洲15世紀(ca. 22:50)古騰堡印刷術的發明開啟了歐陸民智。文字發明結合了印刷術就像現今的文化內涵結合新興傳播媒體，總有特殊的文明躍進意涵。在印刷術之後，書籍、報刊、雜誌、廣播、電視、網際網路…以至賈伯斯創產的Iphone\Ipad都盛載了心智文化普及的傳播功能。當然博物館、博覽會、商展及各種內容、美學、規模的策展或演出更是後現代社會多元典範的文化活動。

我相信所有人都不會忽略二戰後近代科學與科技是在24小時最後的半小時內以極速加速的發展趨勢向前衝。原子、電子、資訊、太空科技、生物醫學、生物資訊、基因科技、網際網路、量子科技、大腦科學、人工智慧…幾乎都是在近五十年內的產物。這些未來技術的潛力充分顯示了人類智力成熟度和智慧可能無力完全駕馭新興科技的窘境。我們發展科技的進程過於急切，只求效率與功利，缺少能長久持衡的價值引導。正是小孩玩大車，危險！危險！

科學並非文明中的唯一成就，理性更非人性中的唯一價值。一方面近代科學的異軍突起，主導文明風騷兩百年，成為影響人類生活的主流因素。另一方面文明至今約一萬年，科學引生了工業革命，就在科技暴衝的同時，世界的人口數也暴增。一戰後的人口約20億，20世紀末的全球人口數已有約60億。這個世紀還不到1/4，總人口數已超過80億。人口的壓力帶來的就是能、資源的不足，環境、生態等因而危機四伏。文明的方向混沌不明，前途未卜。

此外，站在斯諾(C. P. Snow)提出的兩種文化觀點(註1)，現代文明中科學、人文的各行其是，造成科學、科技獨領風騷，物質文明和精神文明比重的極度傾斜，市場功利價值壟斷經濟發展造成財富分配嚴重不均，我們不禁要問，工業革命帶來的是科技進步還是文明的進步？科學文化的發展方向是否有需要檢討改進之處？現今文明的發展引起的全球危機要如何緩解？我們的文明能夠永續發展嗎？

n人類可以選擇文明方向嗎？

21世紀全球最重要的普世價值可能不再是經濟發展，而必須是文明永續！人類的文明有如一個尚不成熟的青少年，對未來有無限的憧景，但是血氣方剛，既不知如何趨吉避凶，也不能定心明志的選定方向、努力向學，人類的心智能力雖然天資聰穎、充滿創意，也時有佳作，終究是尚無以明辨區分好歹，只會玩物喪志。如果不能及時幡然悔悟，留下問題無從解決的爛攤子，將可能導致覆水難收的局面，玉石俱毀。

但是我寫《丈量人類世》的目的當然不是要唱衰我們的文明。畢竟，生命的本質沒有悲觀的權利。寫完這本書我個人對文明永續的使命感與委身更加清晰。人性最特殊之處不正是我們有自由意志可以選擇？所以我們要學習選擇永續的信念，冀能產生置之死地，因覺悟而生希望。不該一味地創造人定勝天或甚至是逆天的文化，反而要能學會選擇適應大自然的永續文化，這才是「人類世」振聾發聵的時代信息。

n  附註

C. P. 斯諾(Charles Percy Snow, 1905-1980) 英國物理化學家、小說家。在瑞德講座(Rede Lecture)先發表《兩種文化與科學革命》(The Two Cultures and the Scientific Revolution)，後發表《兩種文化及其再檢討》(The Two Cultures and A Second Look)。

n  參考文獻

陳竹亭(2013)。自然、環境與永續文明。https://case.ntu.edu.tw/CASTUDIO/course.php?speech_ID=3107

陳竹亭(2022)。丈量人類世。臺北：商周。

Crutzen, P. J. (2002). Geology of Mankind. Nature, 415, 23.

庫普曼的傳奇故事

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*chingkth@cc.ncue.edu.tw

n  從庫普曼定理到諾貝爾經濟學獎

庫普曼（Tjalling C. Koopmans, 1910-1985）的名字出現在所有的量子化學課本，也出現在物理化學的教科書上。以他為名的量子化學「庫普曼定理」（Koopmans’ theorem）內容為：分子的第一游離能等於其最高佔有分子軌域之能量的負值

此定律源自1934年他發表的論文¹。然而庫普曼自此從科學界消失，直到多年後他在1975年獲頒諾貝爾經濟學獎（Prize in Economic Sciences）。庫普曼的一生樸實又傳奇，簡介於此，其人像如圖一所示。

圖1：庫普曼於1967年獲得比利時魯汶天主教大學（Catholic University Leuven）的榮譽博士學位（左）；1975年獲得在諾貝爾經濟學獎放在網站上自傳的照片（右）。

（圖片來源：Eric Koch for Anefo, CC0, via Wikimedia Commons: https://shorturl.at/gADG0.）

1990年代，筆者之一（胡）在美國讀博士班時，量子化學實驗室的同學都一定要會證明庫普曼定理。然而，在訊息交換緩慢的當時，沒有人知道庫普曼在1934年發表這篇論文後去了哪裡，那是他唯一一篇自然科學的論文。幾年後得知，庫普曼獲得1975年的諾貝爾經濟科學獎，筆者對這位學者的生平無比的好奇，多年後才從諾貝爾基金會網站上讀到他的自傳²。

n  庫普曼的家庭背景

庫普曼於1910年出生於荷蘭，父母親都是教師，父親是新教聖經學校的校長。庫普曼的大哥是荷蘭改革教會的一名牧師，是新教學生組織中最具影響力的領導人，不幸地在二次大戰時為流彈所傷而早逝。他的二哥是一位化學工程師。幸運的庫普曼在14歲時得到父母故鄉的學習津貼直到26歲，使得他有機會能夠探索不同的知識領域，包括神學、心理學和精神病學。他在神學上的探索使得他背離父母親信奉的新教，也曾經考慮過主修精神病學。

n  高成就的跨領域

大學時期，庫普曼主要學習數學，特別是分析與幾何，他在廣泛的閱讀中了解到科學領域需要全新的概念來取得進一步的發展。大學畢業後，庫普曼的學習轉向「理論物理學」，立志像他的指導教師漢斯‧克雷莫（Hans Kramers）一樣，有著溫柔的智慧並且鼓舞人心。克雷莫應用數學於實質性研究領域的態度與風格，對庫普曼後來的研究產生顯著的影響。庫普曼的研究，也就是所謂的「庫普曼定理」發表於1934年，之後庫普曼便將他的數學專長轉向應用於經濟學。

在1930年代初，馬克思主義³經濟學家指出當時的經濟大蕭條是資本主義的巨大危機，庫普曼受到啟發，並開始意識到經濟的世界秩序是不穩定、不可靠的。庫普曼開始和具有共產主義傾向的學生和失業工人建立友誼，也受到馬克思《資本論》的啟發。在同一時期時，一個新的知識領域—數理經濟學（Mathematical Economics）—正在蓬勃發展，此領域讓庫普曼的數學背景能夠應用於一個更接近人類生活的主題，他幸運地得到此領域領導者揚•丁柏根（Jan Tinbergen，1969年諾貝爾經濟學獎得主）持續半年每周一次的一對一教導，丁柏根不只在經濟建模方面極具聰明才智，對於經濟行為關係現實主義的廣泛經驗知識更是讓庫普曼留下深刻的印象。庫普曼開始著手撰寫博士論文，論文的主題是統計學在經濟學上的應用。

在撰寫博士論文的最後階段（1936年），庫普曼做出很多關於統計學方面新想法的講座，還認識他的妻子，她是庫普曼輔導過數學經濟學的學生之一，彼此之間有很多的共同興趣，兩情相悅的他們於次年10月結婚，同年11月，在克雷莫和丁柏根的共同指導下庫普曼獲得博士學位。

兩年之後，庫普曼接替丁柏根在經濟學院的講座工作，後來又替丁柏根為英國建構經濟模型，一直到二戰爆發為止。庫普曼在戰爭期間對於英國做出重要的貢獻，庫普曼的工作主要是整合所有船隻的使用狀況到一個報表，對最佳路線和不同路線上的相關運輸成本進行研究。此外，庫普曼對於「航運悖論」的解釋，也有著很大的科學影響。

後來庫普曼受邀加入考爾斯經濟學研究委員會⁴。在委員會工作的期間，庫普曼增加對二元性數學結構的理解，還擔任六年的研究部主任，後來轉任耶魯大學新的考爾斯經濟學研究基金會，研究關於時間上的最佳分配，且與同事共同研究經濟體系的描述和比較。直到戰爭蔓延到西歐，庫普曼與妻小離開歐洲搬到美國居住。

庫普曼之後在美國國家科學院（NAS）⁵的一個委員會任職，對能源供應領域的時間優化技術的應用產生了興趣；並且在國際應用系統分析研究所（IIASA）⁶進行為期一年的訪談，學會用不同角度看待能源問題。自1955年之後他在耶魯大學任教，直到他在1985年去世。1975年，庫普曼因為他在最佳資源分配的經濟學理論上的貢獻與列昂尼德·康托羅維奇（Leonid Kantorovich）共同獲頒諾貝爾經濟學獎⁷。

n  庫普曼跨領域的時間軸

庫普曼的一生樸實又傳奇，1910年出生於荷蘭，18歲時在烏特勒大學學習數學，之後研讀理論物理學與數理經濟學學科。24歲發表量子化學「庫普曼定理」，26歲取得數理統計學博士學位，隨後為英國建構經濟模型，直到戰爭蔓延西歐，庫普曼移居美國，並加入考爾斯經濟學研究委員會，在40歲轉任耶魯大學直到75歲去世，並於1975年65歲時獲頒諾貝爾經濟學獎。庫普曼跨領域的時間軸，如圖二所示。

圖1：庫普曼跨領域的時間軸

n  附錄

請下載—庫普曼自傳（中文版）

n  參考資料和附註

1.   Koopmans, Tjalling (1934). “Über die Zuordnung von Wellenfunktionen und Eigenwerten zu den einzelnen Elektronen eines Atoms”. Physica. 1 (1–6): 104–113.

2.   Tjalling C. Koopmans, https://www.nobelprize.org/prizes/economic-sciences/1975/koopmans/biographical/.

3.   馬克思主義是一種以歷史唯物主義、辯證法和對資本主義的批判所發展而出的經濟、政治和社會世界觀。

4.   考爾斯經濟學研究委員會（Cowles Commission for Research in Economics），經濟學研究機構，由美國企業家與經濟學家，阿爾弗雷德·考爾斯，於1932年，在科羅拉多州斯普林斯創建。

5.   美國國家科學院（United States National Academy of Sciences, NAS）是由美國著名科學家組成的組織，其成員在任期內無償地作為「全國科學、工程和醫藥的顧問」。

6.   國際應用系統分析研究所（International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA）是總部設在奧地利維也納的一個多學科交叉、中立的、非政府、非盈利的學術性國際組織。

7.   The Sveriges Riksbank Prize in Economic Sciences in Memory of Alfred Nobel 1975, https://www.nobelprize.org/prizes/economic-sciences/1975/summary/.

徐壽與傅蘭雅的元素名詞：

清末中文元素名詞命名沿革

張澔

義守大學通識教育中心

changhao1975@gmail.com

當我們國中開始學化學的時候，我們就有機會認識化學元素。在課堂上，老師幾乎沒有時間來解釋這些中文元素名詞是如何來的。為了更方便記得元素之間的化學與物理性質變化，我們就開始背元素週期表，如鹼金屬有鋰、鈉、鉀、銣、銫、鍅，鹼土金屬有鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳。直到上大學的時候，使用西文化學教科書之後，看到了英文化學元素名詞之後，我們才會突然發現，原來有不少中文化學元素名詞的發音是來自西文(國立編譯館，1933)，如惰性氣體元素名詞，氦(helium)、氖(neon)、氬(argon)、氪(krypton)與氙(xenon)。也許我們會想，是那一位化學家，很佩服他的想法，有如此的遠見，又善解人意，只要記得中文元素名詞，英文名詞也容易連接起來，幾乎是一魚兩吃。甚至我們就會很簡單的認為，這些中文元素名詞之所以能夠沿用至今，就是因為他們翻譯的「好」，能將西文名詞的發音融入在中國形聲字中，完全符合當今的時代潮流。如此的想法自然就是對中文元素名詞發展的誤解。在本篇文章中，除了簡單描述中文元素名詞沿革的歷史外，我們就是要分析為何它們會被沿用至今的原因，這點常常會被誤解，這是我們寫這篇文章的目的。

鋰(lithium)、鎂(magnesium)、鋁(aluminum)與錳(manganese)，這種以一個西文發音再加上能表示元素的性質或形狀的形聲字(徐壽、傅蘭雅，1871)，是由徐壽(1818-1884)與傅蘭雅(John Fryer, 1839-1928) 所發明，他們兩個人是江南製造局翻譯館的同事。徐壽是江蘇無錫人，傅蘭雅則是來自英國，原本到中國來傳教，後來從1868年到1896年之間都在江南製造局擔任翻譯的工作。1896年他到加州柏克萊大學擔任漢學系教授。在清末，傅蘭雅是翻譯最多科學書籍的西方人士，而徐壽筆譯書籍的數量也可以說是名列前茅。他們一塊合作翻譯了《化學鑑原》、《化學鑑原續邊》、《化學鑑原續邊》、《化學考質》、《化學求數》與《寶藏興焉》等書籍。

    這種影響中文化學名詞甚至中文科學名詞一百多年的命名方法，是徐壽與傅蘭雅在1871年江南製造局出版的《化學鑑原》書中提出，當談到中文化學元素名詞如何來命名時：「譯其意義，殊難簡括，全譯其音，苦於繁冗。今取羅馬文之首音，譯一華字。首音不合，則用次音，並加偏旁，以別其類。而讀仍本音。」(徐壽、傅蘭雅，1871，卷一，頁20)。

就如同上述，想要義譯，但是很難找到一個簡易的名詞，但是全部音譯，自然是太繁瑣，所以只好找一個西文的發音，再加上偏旁，創造一個西音的形聲字。然而這種音譯的名詞雖然不能說是下下之策，但是與義譯的方法比較起來，算來是不得已的選擇。我們先看英國傳教士合信(Benjamin
Hobson, 1816-1873) 的名詞，他為中國近代化學拉開了序幕。他在1855年出版的《博物新編》談到已經有62個元素被發現，但在書中只介紹了氧、氫、氮三種氣體的性質，我們今天所使用的氧、氫、氮就是由他的養、輕、淡三個名詞沿革而來（合信，1855）。除此之外，他還簡單介紹了一些硫酸、硝酸與鹽酸的製法與性質。合信在1858年出版的《醫學英華字釋》(Medical Vocabulary in English and Chinese)編譯一些化學術語，如砒霜(arsenic)、礬土 (alum)、硼砂(borax)、硫黃末(sulphur)，這些名詞都與傳統物質名詞有關（Hobson, 1858）。

之後，來自美國長老教會的丁韙良(William Alexander Parsons Martin, 1827-1916)在1868年北京同文館出版的《格物入門》又翻譯了一些元素名詞。他的名詞不僅與中國傳統的名詞有關，如黃金(金)、白銀(銀)、水銀(汞)、銅、鐵、銻、硫磺(硫)、蒙石(錳)、黑鉛(鉛)、白鉛(鋅)、信石(砷)，玻精(矽)、礬精(鋁)、炭精(碳)與硼精(硼)，而且是義譯名詞，如灰精(鉀)、海藍(碘)、白金(鉑)、光藥(燐)、石精(鈣)、鹽氣(氯)和鹼精(鈉) （丁韙良，1868）。

雖然這種音譯名詞比較不容易接受，但是以一個形聲字來翻譯元素名詞馬上就被接受。例如，美國醫學傳教士嘉約翰(John Glasgow Kerr, 1824-1901)在1871年出版的《化學初階》，不僅採用了部分音譯名詞，但也翻譯了一些義譯名詞，如釩(鋁)、鉐(鈣)、玻(矽)與鏀(鈉)（嘉約翰，1871）。當在1869年傅蘭雅寫給嘉約翰協調中文化學元素名詞時，他就表示了這種無奈，江南製造局的負責人與那些被認為懂得一些科學事物的學者一塊修訂以上的翻譯，他們都堅決拒絕看來具有過多外國人氣味的名詞(Bennett, 1867)。

除了合信、丁韙良與嘉約翰的名詞外，在北京同文館擔任化學教習的畢利幹(Anatole Billequin, 1837-1894)，可以說將義譯名詞展現的「淋漓盡致」。畢利幹並不贊成傅蘭雅和徐壽音譯的方法。在當時清末並沒有一種官方的語言，若是音譯的話，究竟是以哪一省語言作為標準？換句話說，為了義譯，他從名詞的意思，元素的性質或顏色。有的時候，將幾個字拼湊在一塊，再冠上偏旁。這些新發明的字，第一眼看有些奇特怪異，但讀者都可以瞭解，畢利幹想要表達的意思，就如同他在《化學指南》中所提到的：「命名尤難。今或達其義；或究其源；或本其性；或辨其色，將數字湊成一字為名。雖字畫似出於造作，然讀者誠能詳其用意之所在。」畢利幹比較簡單的義譯名詞，如鉗(鈹)、鉐(鋰)、錆(鈷)、鐳(釷)。但有幾個名詞，看來特別複雜，甚至有些笨拙，如cesium (銫)，就由藍與影兩字上下排列，再加上金偏旁所形成，rubidium(銣)由金紅影所構成，thallium(鉈)則由金綠影所湊成（畢利幹、聯子振，1873）。

最能反映中國學者對於這種西音形聲字的看法，莫過於1890年李鴻章在上海格致書院出了一題化學元素名詞的考題：「化學六十四原質中，多中國常有之物，譯書者意趨簡捷，創為行聲之字，以名之，轉嫌杜撰。諸生宣究化學有年，能確指化學之某質，即中國之某物，並詳陳其中西之體用歟。」（王韜，1887-1896，頁1）李鴻章認為，六十四個元素大多是中國常用的東西，翻譯者為了方便，以形聲字的方式來翻譯，以避免被認為是「杜撰」的嫌疑，他請求學生來證明，那些元素名詞其實就是中國某一些物質。獲獎同學文章的內容幾乎與丁韙良的元素名詞的相同：「試舉數端以見梗概，即如化學中之鋅，即中國之白鉛也。化學中之錳，即中之粗鐵也。至於鉀，在西國亦無獨成者，然鉀養淡養五，即中國之火硝也。」（王韜，1887-1896，頁1）。

除了中國學者的不滿外，西方傳教士也排斥徐壽與傅蘭雅的元素名詞。為了推廣教務，西方傳教士團體編譯教科書，因而設立科學名詞委員會以便以統一中文科學名詞。1898年「益智書會」公佈《化學元素名詞修訂表》(The Revised List of Chemical Elements) ，這份修訂表只保留了幾個傅蘭雅與徐壽的元素名詞，其他大部分的名詞都被義譯名詞來取代( Mateer, 1898)。事後，傅蘭雅便寫信給主席狄考文 (Calvin W. Mateer, 1836-1908) 抗議，委員會不該修改他的元素譯名，除非它們完全用錯或不可能使用。他憤憤不平的表示，難道只有他的名詞看來有錯誤，混淆或不可以使用，而其他人的名詞難道一點錯誤都沒有嗎？(Bennett, 1867)。

雖然相對義譯名詞，徐壽與傅蘭雅的元素名詞是比較不容易被接受，但當滿清政府廢除科舉制度，採取像西方一樣的教育制度，學部1908年所公佈的《化學語彙》還是採用他們的元素名詞。自此之後，1920年由科學名詞審查會及1932年由國立編譯館所公佈的名詞都是他們的單一形聲字名詞。

n  結論

既然我們在前面一直強調，在西學中源的心態下，使用傳統名詞比較有優勢，在社會大眾幾乎沒有基礎英文能力的狀況下，義譯名詞比較容易被理解接受，而且尚有沒有統一國語的缺點，當時還是儒家文化為主導的社會價值觀，這種看來有些洋氣的名詞就比較容易遭到排擠。既然有如此多不利的因素，為何他們的元素名詞卻能沿用下來？

這當然要歸功於徐壽與傅蘭雅所翻譯的科學書籍。他們的元素名詞不僅出現在他們所翻譯的化學書籍中，而且出現在江南製造局所翻譯的科學書籍中，包括了採礦、冶金、醫學、農業與工業的書籍中，這些書籍的品質與數量遠遠超過同時期的其他翻譯者。換句話說，雖然這些名詞看來有些陌生，但中國學者與讀者只能勉為其難的繼續使用，因為它們能提供遠遠比其他書籍更豐富與完整科學及科技知識的機會。除此之外，清末最具影響力的科學雜誌《格致彙編》的加持，再加上上海《格致書院》科學教育的推廣。如此完整的一套知識資源，而且擁有獨霸清末的科學書籍，讓這些新創造的元素名詞不斷地在不同領域流傳使用，滿足清末社會各領域的需求。這也是為何徐壽與傅蘭雅化學元素名詞能夠沿用下來原因，並非是他們所翻譯的元素名詞比較好。

在十九世紀的時候，中國人不得不讀他們所翻譯的書籍，因為他們的書籍的範圍與品質遠遠超過同時代的作者，只有他們的書籍能滿足中國讀者知識的需求。在二十世紀的時候，當它們被確定為官方名詞的時候，再透過教育的方式來教導，今天是以西文為主導的價值觀，大家自然就覺得這種名詞很好用，也很理所當然。

n  參考文獻

丁韙良（1868）。格物入門。北京：同文館。

王韜 (1887-1896)。格致書院課藝 (庚寅春季特課)。上海：格致書院。

合信（1855）。博物新編。上海：墨海書館。

國立編譯館 (1933)。化學命名原則。上海：正中書局。

畢利幹、聯子振（1873）。化學指南。北京：同文館。

傅蘭雅、徐壽（1871）。化學鑑原。上海：江南製造局。

嘉約翰（1871）。化學初階。廣州：博濟醫局。

Bennett, A. A. (1967). John Fryer: The introduction of Western science and technology into nineteenth-century China. Cambridge, Mass: Harvard University Press.

Hobson, B. (1858). A medical vocabulary in English and Chinese. Shanghai: Shanghai Mission Press.

Mateer, C. (1898). The revised list of the chemical elements. The Chinese Recorder and Missionary Journal, 29, 87-94.

第五十期 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

國際理事會(International Science Council)治理委員會委員及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
mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

        十一月有兩個機會到德國參加會議，一個是出席在法蘭克福舉辦的國際純粹暨應用化學聯盟(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)的理事會議，一個是擔任在柏林舉辦的「圍牆倒塌科學高峰會議(Falling Walls Science Summit) 」 中Falling Wall Lab的總決賽評審。然而在此同時，有一個更重要的全球氣候議題大會正在埃及舉行(2022 年 11 月 6 日至11 月 18 日)，那就是 2022年第27屆「聯合國氣候變化大會」，稱為COP27 (全名為第27屆Conference of the Parties)。主要是每年由參與聯合國氣候變遷綱要公約（UNFCCC）的締約會員國舉辦，集結197個會員共同討論氣候變遷的議題。此次會議針對維持1.5度C的目標要減少化石燃料的使用再度進行討論，眼見2030年即將到來，而距離2050年的淨零排放目標亦不遠，然而成效卻不彰。全球大氣排放數據顯示，中國大陸每年二氧化碳排放量最多，約為125億噸之多，其次依序是美國有48億、歐盟約28億、印度是26億然後是俄羅斯19億噸；但在人均上面最多的卻是美國14.2噸、其次依序是俄羅斯13.5噸、中國大陸8.7噸、歐盟6.3噸、和印度1.9噸(麥克格拉夫，2022)。這些數值的確驚人，在享受新興科技的同時，不得不反思人類為下一代留下什麼樣的世界?!

雖然，此次會議成立「損失與損害」(loss and damage)基金，由已開發國家支付較貧窮國家費用以作為補償氣候變遷所造成的經濟損失，並支持他們因極端氣候而陷入危機的國家所必須採取的氣候行動，但是問題的癥結在於減少化石燃料的使用卻未見與會各國提出具體作為，若無正視問題和改變現狀的勇氣，要期待淨零排放恐怕會是緣木求魚。

        本期專刊由國立臺北教育大學周金城教授擔任客座主編，共邀請六位中學教師分享線上教學的課程設計與教學策略，在面對疫情嚴峻學生無法到校接受課程和進行實驗時，教師必須具有轉化課程和實驗的能力，使學習不中斷。此次專題的六篇文章各提出不同的教學策略以改善學習環境。此外常態性文章有張美玉和李哲迪的「以淺談TIMSS(Trends in International Mathematics and Science Study)成就測驗之參與經驗」介紹其參與多年TIMSS計畫的經驗與洞見，做為科學教育教與學的重要參考與省思的資料。洪文東的「化學與物理一理一合殊」，從物質的合成與分析的角度去探討物質的本質。最後，邱美虹參與德國柏林舉辦的圍牆倒塌(Falling Walls Science Summit)活動的介紹與心得分享，可以作為國內在人才培育上要有所作為時的參考。

一年又到歲末，預祝所有的讀者平安健康，並以喜悅的心迎接2023年!

n  參考文獻

馬特·麥克格拉夫（麥克格拉夫Matt McGrath）(2022). COP27：聯合國氣候變化大會的五個關鍵點。https://www.bbc.com/zhongwen/trad/world-63698710

疫情下線上化學實驗和探究與實作課程

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

ccchou62@tea.ntue.edu.tw

    n  前言

這兩年由於新冠肺炎疫情學校反覆停課，讓教師與學生們都被迫需要透過網路來進行教學，也讓大家正視該如設計網路教學課程，也逐步由排斥網路教學到接受網路教學，再到網路教學與實體教學並存等不同階段。若只是概念解說而非實作性課程，透過網路教學應該還能夠應付，但若是需要實驗的課程，該如何設計就變成的一個高度挑戰性的任務。在大學停課時，我們曾經思考讓學生利用家中廚房必備的物品來動手做實驗，但有學生反應是住在學校宿舍，所以要取得家中廚房必備的物品都很困難，這會讓廚房化學實驗都不可能進行，那這樣要如何解決呢?對手邊什麼生活器材都沒有的學生，要如何做實驗的確是一個難題，也需要教師設法來思考解決方法。我們先不討論什麼廚房器材都沒有的學生，若學生手邊有一些器材的學生，要如何來進行遠距動手做探究與實作的實驗。

n  本期專題文章簡介

第一篇是大甲高中的廖育茂老師《探究大豆脲酶的催化作用Ⅰ-尿素的分解與檢測》，是透過到家中附近的商店可以買到或家中已有的物品來設計此實驗，透過天然植物蝶豆花或薑黃當作酸鹼指示劑，取不同溫度處理過的生黃豆漿萃取液(含脲酶酵素)，加入現今可在加油站購置加入柴油車的尿素，觀察酸鹼指示劑顏色變化以了解對尿素分解情況的影響，這個實驗真的是一個可以在家中進行，但是背後卻有相當化學深度的實驗。這個能夠在家中讓學生自行操作的實驗，也一定很適合在學校進行，是一個非常值得推廣的化學實驗。

第二篇是彰化高中劉曉倩老師《宅在家也可以探究-停課不停學的自然探究實作》，此文是說明數個可以在家進行的實驗活動，能整合到學生的自主學習的三個活動上。第一個是轉化邱美虹教授在臺灣推動2019年國際化學元素週期表年活動中所設計的元素方塊製作活動（邱美虹，2019），劉老師將之轉變成學生在家動手做的活動。第二個是設計可讓學生在家探究的化學實驗，利用賣場可購得乾燥劑中生石灰加水後產生高溫放熱，觀察不同變因條件下化學反應溫度的變化曲線，並且實際將雞蛋加熱煮熟的實驗，並透過電腦整理數據與製作圖表，找出最佳比例的加熱曲線。第三個是利用光碟片燒錄訊號的細微凹凸面，形成反射光柵來自製光譜儀，來觀察不同光源的可見光譜，這些都是可以在家動手做的化學實驗，很適合推廣。在Journal of Chemical Education期刊上近十幾年來有多篇利用光碟片製作光譜的實驗，有興趣的讀者可以搜尋一下。

第三篇是陳育仁老師《完整的線上探究與實作教學實務分享》一文說明有些實驗材料較複雜，學生在家遠距上課時是難以取得的，因此讓學生線上分組討論實驗變因，整合大家的想法後，討論縮減成幾個可行的實驗變因與實驗流程，由老師在學校線上操作學生所設計的實驗，拍攝實驗過程讓學生記錄數據與分析結果，這的確是一個可行的方法，在疫情下的不得不的遠距實驗課，讓學生動腦而由老師來動手，文末也針對線上課程提出一些改進建議。

第四篇是花蓮高中林于人老師《宅實作—天然酸鹼指示趣探究》一文，則是在停課不停學期間，讓高一學生在家找尋生活中的酸鹼指示劑，並測試生活中的各種溶液的酸鹼性，由學生的心得資料可以看到的在動手做實驗的過程，能提升學生問題解決的能力，在既有的手邊資源與設備下，完成這一個具有挑戰性的任務。酸鹼溶液與指示劑是一個由國小到大學都可以進行的實驗，可以設計得很生活化也可以很學術化，這個實驗的重點會是讓學生思考在有限實驗器材下的實驗步驟的創造，並完成教師指定的實驗結果，是一個簡單有趣的探究實驗設計。

第五篇高雄女中呂雲端老師《探究與實作、實驗與專題研究之設計雄女3C白袍魔法科學家》一文，開始先說明探究與實作課程規劃的流程，先進行基礎能力的教學再進行師生對話討論，並結合時事及生活議題來進行研究。後續面臨停課不停學的問題，則調整教學與評量的方式。評量包含三個部分:一、團隊完成小論文20%:論文包含完整的科展架構，但針對因停課而無法繼續未完成實驗的小論文部分，能以研究計畫或創意說明書的方式撰寫。二、個人作業20%:是針對教師提供的網路影片來撰寫心得。三、團隊或個人期末報告20%:針對居家防疫提出有創意的想法，並錄製3至5分鐘的影片。文章內容涉及較多的面向討論，有興趣的讀者可以再仔細閱讀。

第六篇是由作者所撰寫《模擬化學實驗與遠距化學實驗課程》，本文是針對大一普化實驗在疫情下的遠距實驗出發，來思考模擬化學實驗與普化實驗結合的可能性。這是由於疫情下利用模擬化學實驗來取代普化動手做實驗，所使用的模擬化學實驗是利用Yenka軟體來設計。本文最後還提供一個已設計雙氧水加二氧化錳催化分解生成氧氣的模擬實驗，可以讓學生操作後得出數據，並計算出反應速率定律式、反應級數與反應速率常數。

   n  結語

在新冠肺炎疫情下學校不得不全面採用線上教學，也激發出教師們許多不同的線上教學模式，改變了大家長久以來的實體教學習慣。以前我總覺得實體授課必定優於線上授課，但在實際參與非實作的化學專業課程線上教學後，竟發現線上比實體能和學生有更多的互動，因為線上可以要求每一位學生留言也可以進行投票，教學的互動性提高很多。但是，需要實作的課程例如普通化學實驗，則仍是很難只透過線上教學來完成，未來還有很多需要投入教學研究發展的地方。目前即使疫情已經趨緩，但有許多地方仍辦理線上會議、線上研習或線上研討會，這免去參與者舟車勞頓之苦，而且出席率與參與人數也提高，以節能減碳的觀點，這不啻是一件美事。

    n  參考文獻

邱美虹（2019）。慶祝IUPAC100 &2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示： 系列活動介紹(二)。臺灣化學教育，第34期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=35795。

疫情下線上化學實驗和探究與實作課程：

探究大豆脲酶的催化作用Ⅰ-尿素的分解與檢測 

廖旭茂

台中市市立大甲高中

教育部化學學科中心
nacl880626@hotmail.com

     n  前言

 進入交流道下的加油站加油時，站內常見到寫著『加尿素』三個大字的看板，心裡納悶：為什麼柴油車要添加肥料呢？原來柴油車引擎與一般的汽機車的噴射引擎不同，廢氣排放中，以氮氧化物NOx的占比較高，是空汙主要元兇，因此目前歐洲六期環保多以選擇性催化還原法（SCR, Selective Catalytic Reduction）來減少氮氧化物的排放。然而選擇性催化還原法與一般汽機車所使用的三元觸媒轉化器不同，它需要在排氣管中段進入處，噴入尿素水溶液，尿素在高溫時會分解出NH3，然後NH3與廢氣中的NOX反應生成無害的氮氣與水(”Selective catalytic reduction”, 2021）。近日韓國、日本等多個國家因疫情、貨運塞港等因素，無法從外國進口足夠量的尿素，進而影響到貨、卡車的交通，以及建築業重機械的操作使用，差點癱瘓該國的經濟運作（中央社，2021），尿素的重要性可見一般。下圖為尿素在引擎中的運作示意圖。

圖1：尿素在柴油引擎中的角色與作用 （修改自Moiras et al., 2017）

    尿素除了在空汙的防治上作出貢獻外，其實其主要用途在是農業上的使用，作為主要的氮肥，大幅提供農作物的生產力，解決人類的糧食問題。進入土壤中的尿素，可被其中的酵素-脲酶（urease），所分解，產生氨氣與二氧化碳，高溶解度的氨即可成為植物合成蛋白質的氮源；室溫下，1莫耳的尿素在尿酶的催化下，可分解釋出2莫耳的氨氣與1莫耳的二氧化碳；脲酶是水解酶的一種，除土壤外，廣泛存在於細菌（幽門螺旋桿菌）、真菌、藻類、豆科植物、及哺乳類動物的腸胃道內（Lorenc, 2008）。下圖是來自產氣克雷伯氏菌（Klebsiella aerogenes）尿酶的3D分子結構圖。

圖2：尿酶的3D結構 （”UREASE“, 2021）

完整的教學活動分為初階的定性調察與進階的定量探究兩個部分；初階的活動進行以腦內風暴-演示實驗來引發學生的學習動機作為開始；進入正式課題，首先調查蝶豆花萃取液在不同酸鹼環境中的顏色變化；接著認識尿素溶液的性質、以蝶豆花液驗證尿素受大豆萃取液-尿酶催化作用的發生、對比大豆萃取液煮沸與否對催化反應的不同、比較不同豆類萃取液對催化反應的差異；進階的活動則引導學生正確使用手機結合色彩APP，紀錄調查尿素催化分解反應過程中NH3的釋出，造成溶液鹼性提高，蝶豆花因而變色的過程，進一步探究催化分解的變因與機制（洪宇宸、紀庭芯，2021）。

本探究活動以學生受疫情影響，在家進行實驗探究為前提而設計；多利用家用常見的物品與材料來將探討尿素受尿酶（urease）催化的分解作用，比如利用可分解的蝶豆花、薑黃粉或紫色高麗菜作為指示劑，偵測分解的產物-氨氣的存在；利用小調色盤取代易脆裂的試管、燒杯等容器；以藥妝店可拿到的針筒取代安全吸球、吸量管或量筒，作為定量取樣的實驗工具；使用智慧型手機及色碼APP，取代分光比色的昂貴儀器；實踐在家也可以進行定性又定量的科學探究，在不確定因素瀰漫的疫情時代裡，學生的學習不致中斷。

      n  腦內風暴：教學演示-如何檢驗尿素在高溫分解的產物氨氣？ 

    取一個電熱瓶模組（廖旭茂，2020），安裝固定好後，秤取約5公克的尿素倒入電熱瓶中，接著秤取2公克的氧化銅粉末置入NH3偵測玻璃管中，最後量取澄清石灰水15毫升加入吸收瓶中。模組裝置固定好後。下圖為反應示意圖。

圖3：尿素在高溫柴油引擎中的角色與作用

開始以變壓器的紅、黑鱷魚夾接通加熱瓶兩個扣環，引燃酒精燈，開始加熱、反應。觀察電熱瓶、偵測玻璃管中的氧化銅粉末及吸收瓶是否發生變化？5分鐘後，停止加熱，稍後打開電熱瓶，以廣用試紙靠近瓶口，觀察試紙的顏色是否發生變化？此時以手揮動瓶口，是否嗅聞到特殊的氣味，這氣味像什麼？請將相關現象觀察，以文字填入下表中。

表1：教學演示觀察紀錄表

     n  藥品與器材

1.藥品：生大豆2.0克/組（加入20毫升的水，打成豆漿）、購自加油站的AdBlue尿素30毫升/組（若購買不易，可以蒸餾水、尿素自行調配32.5%的尿素溶液）、蝶豆花試液（乾蝶豆花20克溶於80 毫升熱水中，浸泡1小時，以濾紙過濾。可分裝全班8組使用）、薑黃試液（超市購置薑黃粉10克溶於90 毫升的藥用酒精中，攪拌均勻後，浸泡30分鐘，以濾紙過濾。可分裝全班8組使用）、檸檬酸 （Citric acid, C6H8O7）、碳酸氫鈉 （NaHCO3）、食鹽（NaCl）。

2.器材：咖啡豆打豆機（果菜汁機）、咖啡用濾紙1包、果菜汁機、調色盤2個/組、針筒（1、2.5、10、30毫升各2支）、塑膠滴管（3毫升，僅適用實驗室版本）3支、果醬瓶數個（約30毫升）。

   n  活動步驟

ㄧ、調查不同酸鹼環境下蝶豆花等指示劑的顏色變化：利用酸鹼指示劑來偵測尿素催化分解反應的產物

1.取一個7格花朵型的調色盤甲，以簽字筆順時針標上A、B、C、D、E、F，中心孔為O。在中間一排E, O, B三孔中。隨後以1毫升針筒吸取RO逆滲透水於三孔中各加入1毫升的RO水，接著再以1毫升針筒吸取蝶豆花溶液0.1毫升，分別注入於三孔中。

2.分別於E、O、B孔中各加入1小匙的小蘇打粉、食鹽、檸檬酸，觀察三孔溶液的顏色變化為何？下圖為調色盤編號與指示劑的顏色變化。

圖4：圖左調色盤的編號，圖右為蝶豆花在鹼性、中性、酸性中的顏色

3.承上，將蝶豆花液換成薑黃試液，則盤色盤中E、O、B三孔中，顏色的變化為何？

二、尿素溶液有尿騷味嗎？尿素溶液性質的調查

1.自行配置好的32.5 %尿素（或購自加油站），外觀是甚麼顏色？有尿騷味嗎？

2.尿素溶液是酸性，中性還是鹼性？取花朵型調色盤乙，於中心O孔加入1毫升的尿素溶液，隨後於上述的相鄰兩孔中各加入蝶豆花液0.1毫升，觀察兩孔顏色的差異，並與調色盤甲相比較。

3.跟網路查詢尿素相關資料相比較，市售的尿素溶液的酸鹼性與網路資料有何不同？

4.調色盤洗淨後，備用。

   三、尿素在常溫下可以被分解嗎？利用脲酶催化尿素分解，並以蝶豆花液偵測產物的存在。

1.以小型電子秤秤取事先秤取50克的大豆，以咖啡打豆機打成粉末，再加入500毫升的溫水浸泡30分鐘，接著以濾布過濾，備用。取出一半的豆漿，分成八組，每組30 毫升。

2.以一支針筒各吸取1毫升的尿素溶液，分別注入調色盤中心的O孔與中心孔左側的E孔穴中；接著再以另一支針筒需取各0.1毫升的蝶豆花液加入上述O、E兩孔中。使用過的針筒立即以RO水反覆清洗乾淨，備用。

3.隨後以針筒吸取0.1毫升的RO水滴入中心O孔穴中，另一支針筒吸取大豆萃取液（生豆漿）0.1毫升滴入E孔溶液中；另觀察O、E兩孔溶液的顏色變化。下圖為O、E兩孔溶液的顏色的比較。

圖5：添加生豆漿與否，蝶豆花液顏色的比較

四、煮沸會影響催化效果嗎？利用指示劑調查生、熟豆漿的催化效果差異

1.取另一半大豆萃取液（生豆漿），加熱煮滾約5分鐘成（熟豆漿），冷卻後，將熟豆漿分成八組，請同學比較生、熟豆漿的外觀、氣味的差異。

2.以1毫升的針筒各吸取1毫升的中性的尿素溶液，注入調色盤中心O孔右邊的的B孔穴中，再以針筒需取0.1毫升的蝶豆花液作為指示劑；隨後以針筒各吸取熟豆漿0.1毫升滴入B孔中，觀察蝶豆花液的顏色變化。

3.比較生、熟豆漿催化的效果化？並說明高溫煮沸對酵素活動的影響。下圖為實驗結果。

圖6:中心恐為空白實驗，左孔為生豆漿，右孔為煮熟豆漿。

五、只有黃豆含有脲酶酵素可以催化尿素分解嗎？

1.以另1毫升的針筒分別吸取1毫升的中性的尿素溶液，注入調色盤乙的O、A、C、E四孔穴中；再以針筒需取各0.1毫升的蝶豆花液加入上述O、A、C、E四孔中。

2.隨後以1毫升的針筒分別吸取綠豆、皇帝豆、黃豆三種的萃取液0.1毫升加入A、C、E三孔中。靜置三分鐘觀察這兩種豆類是否可以分解尿素。下圖為實驗結果。

圖7：中心孔為空白實驗，A、C、E順時針分別為黃豆、綠豆、以及皇帝豆

    n  紀錄與觀察

1.利用蝶豆花等指示劑製備酸鹼指示劑，調查不同酸鹼環境下蝶豆花指示劑的顏色，請根據E, O, B三孔溶液的顏色，說明蝶豆花等指示劑在不同酸鹼值下溶液的顏色。並將結果填入下表中。

2.新鮮配置尿素溶液的性質調查

根據實驗結果顯示：尿素溶液的酸鹼值________7 （填入>, =, <）

3.調查比較生豆漿與煮熟豆漿的催化效果：大豆萃取液煮沸與否，溶液的顏色。

       根據實驗結果顯示：兩者的酵素活性大小：_______________ >  _____________

4.調查不同豆類對尿素水解反應催化速率的差異

靜置3分鐘後，比較三種溶液的顏色是否有所差異，並將結果填入下表中。

   根據實驗結果顯示：哪一種豆類的催化最好？______________________

    n  問題與討論

一、請寫出尿素催化分解的反應方程式

二、觀察指示劑的變色，蝶豆花液與薑黃液，哪一種較適合？

三、用目視來判斷反應速率的快慢，有何優缺點？說說您的觀察。有沒有更好的方法？

四、請同學利用老師提供的關鍵字「脲酶」（urease）進行網路搜尋，其分子結構、性質，以及在生物體內主要作用的對象，以及產物、相關用途。

五、生物體內的酵素百百種，酵素的催化作用與溫度、酸鹼值、主基質的量有很大的關連。請同學針對其中一變因規劃實驗步驟，探討變因對脲酶催化尿素速率的影響？

   n  原理與概念

  尿素經加熱達152℃時，會分解產生氨氣NH3與異氰酸HN=C=O，異氰酸與水蒸氣會繼續反應成氨氣NH3與二氧化碳CO2。其反應式如下（Bernhard et al., 2013）：

(NH2 )2CO ∆→  NH3+ HNCO   —-式1

HNCO+ H2O ∆→ NH3+CO2    —-式2

  而氨氣會還原引擎燃燒排放的氮氧化物廢氣NOx反應生成氮氣N2。其反應式如下：

2NH3+3NO ∆→ 52N2+3H2O    —-式3

4NH3+3NO2 ∆→ 72N2+6H2O   —-式4

在教學演示實驗中，尿素受熱分解產生氨氣，氨氣與NH3偵測玻璃管中黑色的氧化銅CuO發生氧化還原反應，生成紅棕色的銅Cu與氮氣N2，其反應式如下：

2NH3+3CuO  ∆→ N2+3H2O+3Cu   —-式5

而尿素在常溫下，受脲酶催化反解的反應生成氨氣NH3與二氧化碳CO2，其反應式如下：

(NH2 )2CO+H2O  UREASE→  2NH3+ CO2

  n  安全注意及廢棄物處理

1.塑膠針筒，針頭會有刺傷安全問題，要提醒學生妥善保

2.所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

3.示範實驗利用小酒精燈來加熱，有翻覆發生火災的風險，可利用雙面膠帶黏著在穩固的墊板或桌面上，以策安全。

   n  教師教學提示與建議

1.塑膠針筒、調色盤、大豆等器材可購自藥局、連鎖五金行與超市等。

2.教學演示實驗時，銅棒可預先塗佈一層耐熱矽膠薄層，然後插入盛有氧化銅粉末的樣本罐讓黑色的氧化銅粉附著於銅棒上。實驗後取出可重複使用。

3.教學演示實驗時，所有的玻璃管、電熱瓶必須事先烘乾，避免管壁的水滴吸收氨氣，而影響氧化銅的還原變色效果。玻璃管可以鋁箔紙包覆保溫。

4.生豆漿需要完全煮沸煮滾5~10分鐘，酵素的活性才會消失。否則一段時間後，蝶豆花液亦可變色。

   n  參考資料

1.Selective catalytic reduction. (2021). In Wikipedia. Retrieved Dec 25, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Selective_catalytic_reduction

2.中國加強管制尿素出口 衝擊韓國物流業（2021）。中央社網站。民國110年1月30日，取自：https://www.cna.com.tw/news/firstnews/202111050349.aspx

3.Moiras, S., Papapostolou, C., Ktenidis, P., & Kaldellis, J. (2017). NOx emission reduction in marine diesel engines. 2nd International Conference on Energy, Environment and Economics. At: Edinburgh, Scotland.

4.Lorenc, A. (2008). Investigating the action of urease. Science in School, 9, 39–44. Retrieved from https://www.scienceinschool.org/article/2008/urease/

5.Urease. (2021). In Wikipedia. Retrieved Dec 28, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Urease

6.洪宇宸、紀庭芯（2021）。微酵行動。教育部綠色化學教育網。取自2021得獎作品‧https://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/6036343c-e1e6-488d-80ef-c7cc45979168

7.廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。台灣化學教育電子期刊，期40，2021年11月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263

8.Bernhard, A. M., Peitz, D., Elsener, M., Schildhauer, T., & Kröcher. O. (2013). Catalytic urea hydrolysis in the selective catalytic reduction of NOx: catalyst screening and kinetics on anatase TiO2 and ZrO2. Catalysis Science & Technology, 3(4), 821–1152. Retrieved Dec 20, 2021 from https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2013/cy/c2cy20668d