第 14 頁 – 臺灣化學教育

中國化學會自1932年8月4日成立以來，雖然歷經幾次歷史上的重大事件，但是學會仍遵循服務會員的宗旨，不僅戰後恢復化學會誌和化學期刊的出版，同時在國際上也積極支取辦理各學術研討會和參與國際事務。相較而言，臺灣化學教育電子期刊是個剛起步的期刊，自2014年出刊至今也才歷經8個年頭，但47期以來所刊登的文章主題無非是以提升教師專業能力、引介化學教育課程改革新理念、改變教學策略、挑戰適性教學、設計創意實驗、重視綠色化學、連結化工產業與發展素養導向的評量以回應108課綱為標的，以期能促進學生對化學學理的認識、培養思考力和創造力、提升學生以科學語言表達所習得的知識與技能、解決課室教學的問題、因應時代變遷所需要的思潮、教學素材與方法。臺灣化學教育其實是扮演一個催化劑的角色，透過期刊論文的發表，希望可以促進更多的交流與蹦出更多的火花。期刊受到全球各地讀者的愛護，這不得不感謝所有作者們的貢獻與支持，使本期刊得以順利成長與茁壯。同時也感謝各專題客座主編的熱誠，熱心邀稿與細心審稿，不厭其煩的修改與審視文章，以提供讀者可信賴的參考資源。

這一期的專刊內容包括邱美虹回顧過去20年所見所聞和所做的事情來勾露出化學教育在學術和推廣活動上的發展輪廓，其次是洪文東的微觀與巨觀視角談DNA的發現和其組成，從可見的外顯自然現象去深究內隱的組織成分和結構，揭露生物和自然界微觀世界之奧妙。接著是主持兩期PISA計劃的林煥祥從多年對PISA架構與試題的瞭解評析108課綱所擬培養的學生素養與PISA之關係，以作為教師教學之參考。楊水平的金奈米的實驗設計與運用廷得耳效應對金奈米粒子進行鑑定，此實驗可以作為學校教學活動之參考。最後是陳品吟和林淑梤所設計的主張對立的探究文本進行社會性科學議題的教學，呼應108課綱探究與實作課程中強調論證能力的培養之目標，文中提出”支持”和”反駁”二氧化碳為全球暖化主因的科學文本，利用正反兩面論述生活議題，可以培養學生溝通表達、推理論證的能力，值得教學或設計教學素材時之參考。此次以這些專文慶祝化學會成立90周年，並期待本期刊能永續發展持續為讀者服務，未來再一起慶祝化學會成立100周年。。

化學教育之見聞行／邱美虹

星期一 , 15, 8 月 2022 編輯助理中國化學會90周年特刊, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

化學教育之見聞行

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
[email protected]

n 前言

走過漫長的歲月的中國化學會在今年歡慶成立90週年。中國化學會於1932 年 8 月 4 日在國立編譯館於南京召開的「化學家討論會」，會中邀請45 位來自歐美日代表會議中主要是討論化學譯名、國防化學、大學和高中化學課程綱要等議題，在是日晚間召開會議中宣布學會正式成立。彭旭明院士認為這是「歷史的偶然，亦是歷史的必然」 (詳見https://youtu.be/u3JqLgL7C4Y)。

n 化學會的四個時期

為了記錄化學會走過的歲月，化學會將出版專書介紹學會的沿革和學術與推廣的成果，書中將90年分成四個階段:即1932-1950 為學科救國、艱苦創業；1950-1980:在臺復會、篳路藍縷；1980-2000:與時俱進、開創新局；2000-迄今:
永續發展、邁向未來(詳見彭旭明，2022)。在(這期間各階段皆有相當值得讀者瞭解的重大議題與成果，譬如第一階段開始辦理學術研討會和期刊(會誌、化學、化學通訊)；第二階段的期刊復刊，顯示化學人任重道遠的使命感，以及IUPAC大陸與臺灣代表權的協議；第三階段，強調科學紮根與科學教育，(並以學術獎勵肯定化學人對學術和社會的貢獻；第四階段為持續強化國際交流，並多元發展推廣科普、綠色化學、化學安全、教師增能、產學合作與女化學家交流。這些化學會的事跡都值得化學人前仆後繼以接棒的方式追隨前人的腳步，繼續往前邁進，傳承前人的使命感與爭取更多的榮耀。

n 化學教育學術活動

化學教育學術交流一開始以化學家對於教育的熱誠與使命感而進行課程、教學與評量的評介為主，後來逐漸有更多的化學教育專業者和教師參與，使化學家和化學教育家的互動頻繁，也建立大學教育和中學教育的人才培育有對話的平台。譬如2004年作者於臺灣南部和北部各辦理一場為期三日的「高中化學種子教師專業成長教師」研習營，會中邀請彭旭明教授介紹國內外化學課程、牟中原教授針對高中化學教育的過去、現在和未來加以評析、陳竹亭教授引介課程與教學、陳家俊教授的化學新知、余岳川教授科學玩具實驗、吳心楷教授和王文竹教授的媒體教學統整課程以及廖淑芬和何振揚兩位化學教師分享化學評量等等進行研討，當時擔任化學會理事長的吳澄清博士亦到場主持綜合座談，現場討論相當熱絡，並針對大學和中學化學教育所面對的挑戰與可能的機會提出具體的意見。在南部成功大學舉辦的第二場工作坊除專題演講外(包括蕭次融、許桂芳、許鏵芬、蕭世裕、林弘萍等教授和黃得時老師)，則著重在化學新知(如奈米材料、生物製藥光電化學材料)的介紹與到業界參訪，其中包括台灣神隆公司、南科管理局、台鹽公司和聯電公司，對高中教師而言能結合化學理論與化學實務工作對於教學與引導學生面對未來大學選科系有很大的幫助。後來教育部成立化學學科中心，不僅結合一群熱心且專業的種子教師不間斷的研發與分享課程外，也透過這一群種子教師的力量將課程與實驗的核心價值與內容透過辦理不同主題的工作坊(包括化學概念的學習、微型實驗、教學策略、擴增實境等新興科技融入化學課程)
推廣到全台各地，對於推動化學課程改革與教師專業成長影響甚鉅。

除教師工作坊外，中美雙邊化學會學術研討會「化學教育」是在1992年提請國關小組評估並於化學會成立60周年慶中邀請美國化學會會長L.Elierl來台會商。1994年中美雙邊合作國際不對稱合成研討會決議於1996年至加州舉辦化學教育研討會，美方即我方各8名講員，講題包括化學通識、課程、資優教育、大學化學、化學科技與社會、實驗安全、化學教育改革等。主題多元反映兩地化學教育的關心議題與解決問題的策略。只可惜這樣的交流後來有就停擺了。

此外，1996年的第一屆化學教育學術研討會和1999年第二屆化學教育學術研討會會中邀請國內外專家學者就國內外化學教育之現況、問題與危機，以最為規劃對未來化學教育之研究、教學及師資培育之參考。還有海峽兩岸化學教育學術研討會的舉辦，譬如筆者於2002年在國立臺灣師範大學(簡稱臺師大)舉辦，主任委員是當時理學院院長陳昭地教授和清華大學廖俊臣院長(也是當時化學會會長)，負責辦理的是化學系方泰山教授和我本人。會中特別邀請當時中央研究院李遠哲院長和印第安那大學知名化學教育專家Dr.Dorothy Gabel擔任大會主講人。座談兩場分別是大學課程與教學由臺大化學系彭旭明教授主持，和中小學師資培育和課程改進，由臺師大化學系王澄霞教授主持，最後則由李遠哲院長就化學教育的改革進行綜合座談。這些前輩們豐富的經驗與真知灼見，讓後進們深獲啟發。會中同時也邀請9位大陸學者進行專題報告，受邀者有北京大學化學學院的常文保教授、段連運教授和清華大學薛芳渝教授等就大陸高等學校化學教育與人才培育途徑進行深度分析，內容精彩引起許多兩岸化學教育學者的對話；而臺灣的代表則是台大化學系牟中原教授、陳竹亭教授；吳嘉麗教授、周進洋教授、楊定亞教授、傅麗玉和段曉林教授等10人。中方與台方在教育上面臨類似的考試領導教學的問題，但又希望面向以學生為中心的化學教育，因此討論激烈與深入，對教學思維頗有啟發。兩岸的互動持續一段時間，直到後來在2000年之後，化學教育學者與北京師範大學王磊教授、上海華東師範大學王祖浩教授和東北師範大學鄭長龍教授互動與交流更加頻繁，除在兩地舉辦的研討會上給予專題演講外，也相互辦理化學「同題異課」教學觀摩(臺灣曾派代表出席，也曾在臺由新北高中鍾曉蘭化學教師辦理)，以及進行教科書撰寫的經驗交流與分享。這些活動不僅促進大學教授之間學術性的互動外，也提供第一線的中學教師有彼此觀摩學習的機會，拓展彼此對化學教育的視野與對話。

此外在國科會推動的化學概念全國學生調查計畫中(2000-2004)，來自八所大學的教授(黃萬居、蘇育任、周進洋、林煥祥、莊奇勳、許良榮、李賢哲和我)針對國中小及高中生進行概念診斷，當時參與此計畫的還有中學教師和博士後(如梁家祺和周金城教授)，這大型計劃一共持續四年，所研究的學生另有概念包括粒子概念、電化學、有機化合物、酸鹼、氧化還原、化學平衡等概念。研究成果發表在International Journal of Science Education (SSCI)期刊中，成為到目前為止IJSE以單一國家支持的研究成果做為該期刊的專刊，實在不易。

n 化學教育的推廣

1980年代起，國立臺灣師範大學化學系蕭次融教授開始推動化學教育，不僅在各種場合教導不同年齡層的人有趣的化學，同時也在迪斯尼頻道演示化學實驗和傳遞學化學的樂趣。蕭教授被大家尊稱為化學界的頑童，常用有趣且簡單的化學實驗引起學生的好奇心與求知慾，同樣的實驗在蕭老師的演示下總是令人驚豔，百看不膩，無人能出其右。常言道，教學是門學問也是一種藝術，其中充滿專業的素養與溝通的創意表現。蕭教授的沉浮玩偶、七個神奇的杯子、鐵粉自燃、酒精養樂多瓶禮砲等等，無一不是化繁為簡的有趣實驗，學校化學教學若也能如此，相信學子們必定熱愛化學並想一探究竟這奇妙的學科!

2011年是居禮夫人獲得諾貝爾化學獎100周年，同時也是拉塞福發現原子核模型的100周年慶，聯合國宣稱2011年為化學國際年(The International Year of Chemistry，IYC)。在這一年內由國際純化學暨應用化學聯合會(International
Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)負責推動各項活動並鼓勵世界各國以不同形式的活動來共襄盛舉，讓社會大眾對化學有正確的概念與態度，以及引起社會大眾對化學在人類發展上的貢獻有所認識。其中一項是在全球各地測水質，瞭解生活處處是化學。當年巴西共有八萬多人參與這項活動，可謂空前的盛大。臺灣為與國際大型活動銜接共襄盛舉因而舉辦多項活動，譬如在台北市士林科教館臺師大辦理國際化學教育委員會(Committee on Chemistry Education, IUPAC)所推廣的化學年輕大使(Young Ambassadors for Chemistry)動手做實驗的科學傳播科普活動；還有淡江大學由王伯昌教授啟動的「化學下鄉」活動，將小貨車改成行動化學車，帶動偏鄉化學教育，在2019年就已達到累積造訪500所學校的紀錄，令人欽佩。2019年聯合國為慶祝化學界的圖騰-門得列夫發現週期表150周年慶而訂定為「國際化學元素週期表年」(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements, IYPT)，由作者和化學會合作，在科技部和教育部以及其他諸多政府和企業的贊助下，辦理諸多活動，其中包括在五大博物館的化學元素週期表特展、化學元素週期表易拉展環島巡迴展、台北101點燈、彩繪臺北捷運車廂等等，寓教於樂，以輕鬆又不失主題性的方式讓社會大眾和學生能一窺化學面面觀，跨出學校教育的範疇，導入生活就是化學、化學無所不在的觀點。今年到明年六月底聯合國訂為「基礎科學促進永續發展國際年」(International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, IYBSSD)，強調基礎科學研究對醫學、能源、農業、水資源、環境、通訊、建築等的永續發展，扮演舉足輕重的角色，在目前環境變遷與數位環境劇變之時，重視基礎研究是刻不容緩之事。在國科會自然處的支持下，由臺師大、台灣大學、成功大學、中央大學和近40所大學、政府單位、化學會、物理學會和五大博物館等等共同辦理各項基礎科學研討會、科學傳播活動和跨國合作計畫等，以響應「科學平權」、「科學啟蒙」、「全民參與」和「國際連結」四大訴求，透過學術專業領域、科學傳播、國際鏈結三大主軸，設計多元系列活動，如「科學零距離–百名科學家說故事」、國際女科學家研討會、IUPAC女性科學家早餐、城市科學節、彩繪「科學」X「永續」列車等等，呼應「全民參與」核心主題，以升民眾對基礎科學和永續發展的關注。企盼政府能重視基礎科學研究的重要性，挹注應有的研發經費、提升民眾科學素養與啟發學童科學興趣以及培育基礎科學人才等要務(邱美虹、鄭原忠、李旺龍、楊仲準、趙奕姼，2019)。

2019年IYPT開幕式

2023年IYBSSD開幕式

(擷取自台師大網頁https://pr.ntnu.edu.tw/ntnunews/index.php?mode=data&id=20974)

圖 1 慶典活動照片

n 化學教育電子期刊

「臺灣化學教育」是由邱美虹、楊水平和周金城共同創立的電子期刊，在2014年5月4日發行創刊號，是日恰為倡議「德先生(Democracy)」和「賽先生」(Science) 的五四運動日。五年後於2019年成為化學會的正式期刊，旨在引介化學化學教育的重要學理和教學策略，以及新興科技的發展和化學新知，並將大學研究和中學的化學教學連結起來，並藉此作為提升化學教師的專業知能與分享教學經驗的平台(http://chemed.chemistry.org.tw/)。創刊以來至今年6月已歷經8 年出版47期，刊登785篇文章，約325萬字，造訪人數超過1600萬人次。發刊至今都未脫稿，深獲國內外大學化學和師培單位的教授、以及中學教師肯定，並作為化學教學的重要參考資料來源。各期專刊主題相當多元，包括有節慶與化學、藝術與化學、競賽成果報導、科學建模、飲食文化與化學、化學探究教學、示範和微量實驗、化工、新興科技與化學、女科技人、永續化學、科學展覽、社會性科學議題和國際重大化學活動推動等等(見圖2)，以期提供讀者多元視野與創新教學策略。

圖 2 「臺灣化學教育」期刊封面

n 化學教育的國際交流與國際化學組織的參與

早期化學界前輩們與亞洲各國辦理各項化學研究領域的研討會，再加上同處亞洲，在文化與價值觀的相互瞭解與尊重也較西方人士為高，因此亞洲化學學者的互動頻繁，且建立良好的關係，為日後亞洲學者之間的網路與合作奠定穩固的基礎。為促進亞洲化學教育的深度與永續交流，由韓國Choon Do教授、日本Ito Masato和作者及其他代表數人(見附件)簽下備忘錄共同發起亞洲化學教育者網絡(Network for Inter-Asian Chemistry Educators，NICE)，以每兩年由臺灣、日本和韓國輪流辦理，為了與IUPAC於偶數年辦理國際化學教育研討會(International Conference on Chemistry Education, ICCE)錯開，第一屆NICE於2006年假韓國舉辦，之後便以奇數年辦理NICE國際研討會(臺灣分別由邱美虹教授、李賢哲教授和周金城教授負責辦理2007、2013, 2019年的國際研討會，請見http://www.chemistryeducator.org/)。馬來西亞於2019年正式參與NICE舉辦國會議，並申請在2021年辦理，惟因新冠疫情嚴峻，遂延至2023年於馬來西亞古晉市辦理第九屆NICE國際研討會。此會議基於促進大學與中學的化學教育交流，一開始即規畫各國代表團成員是三名教授和三名教師，其餘名額是屬於自由報苗。在各國大力鼓吹並積極推動NICE研討會之下，各國大學化學教授和中學教師的參與非常熱絡，除支持國內辦理的活動之外，中學教師甚至自費積極參與國際間的研討會，拓展國際交流的觸角，並與國際人士交換化學實驗設計或教學心得(可參看本期刊有關研討會專刊的報導)。除NICE國際研討會之外，作者也爭取在臺灣辦理2010年IUPAC的化學教育學術研討會(International
Conference on Chemistry Education，ICCE)，會中有來自世界各國的學者和化學會理事長的專題演講和論壇，其中包括李遠哲院長、Richard Zare, Akira Fujishima, Terry Collins, Jorge Ibáñez等知名化學家和Joe Krajcik, John Gilbert, David Treagust, Ilka Parchmann和王磊教授等知名化學教育家進行專題演講和論壇，這些講員都是一時之選，成為後來其他國家辦理ICCE的參考模式，讓臺灣的化學教育能量在亞洲甚至國際間受到重視。

在積極參與這些國際性的學術研討會之際，在國際學術組織中各項職位的參與也是為臺灣爭取在國際舞台有發聲的機會之途徑。而要在學術組織中占一席地位是需要長時間的培養與歷練，才可能培養出應有的視野與信任。當我們的國際正式友邦有限之際，能在國際學術性組織內發生影響力是學者們可以努力的方向，在學術的交流中以學術成果的分享為主不涉及敏感的政治問題，學者之間的交流顯然較為單純，也正因為如此，與國際友人可以更加暢談對化學教育的願景與挑戰。譬如，在化學界最大的組織IUPAC中，早期淡江大學化學系陳幹男教授擔任聚合物委員會委員、清華大學汪炳鈞教授擔任有機化學委員會委員，以及牟中原教授擔任化學教育委員會的國家代表都為臺灣化學界付出許多，在研究之餘能做服務工作提升臺灣的能見度，令人敬佩。在牟教授的推薦下，作者接棒IUPAC化學教育委員會國家代表、持續服務多年後被各國國家代表票選為化學教育委員會主席、IUPAC委員會委員，以及最高指導執行委員會委員(臺灣第一位被票選為此職位者，連選得連任(前後票選分別是以第二高票和第一高票當選)，以另一個職位來為化學教育和臺灣服務。在2022年當選國際科學理事會(International Science Council, ISC)治理委員會委員，成為繼李遠哲院長和廖俊智院長之後臺灣第三位ISC委員(第一位臺灣女性當選委員)，在擁有200多個科學組織的最高層級組織內與其他專家學者共同推動科學是促進全球人類福祉的學科。

2011年NICE在韓國首爾舉辦

2015年NICE在日本東京舉辦

2019年NICE與會者至新北市三重高中參訪與進行教學觀摩 (周金城提供)

圖3 2011, 2015, 2019 年NICE研討會大合照

n 化學教育的永續發展願景

1. 學術活動:研討會或是期刊論文撰寫應該都是學科學術交流的重要命脈，應該持續並積極地參與接受挑戰與研究成果分享。同時可以帶動教師成為研究者(Teachers as Researchers)，目的是希望教師不斷自我反思教學目標與教學成效，根據學生學習表現改進教學策略與評量方式，以提供適性化的學習環境。最後，宜成立化學教師學會，提供相互學習的平台與促進教師的交流與發展。

2. 化學傳播:化學研究需要有轉譯能力的科普人將其深奧難懂的化學以學生或是社會大眾可以理解的方式傳遞出去，譬如演講、表演、演示實驗或是動手做實驗的方式，讓國人可以理解食衣住行育樂都脫不了科學，也和化學息息相關。同時，也要能培養社會大眾以理性的科學態度面對社會性的科學議題(如粉塵暴、空氣汙染、氣候變遷、碳零排放)等等。近年來，科學的普及與傳播特別重視偏鄉弱勢族群和女性的科學教育，充分展現聯合國永續發展的第十項目標(SDGs)是消除不平等，使科學得以平權。

3. 化學人才培育，聯合國永續發展的第四項(SDGs)的目標是優質教育，第五項目標是性別平等。在化學教育之下，除重視資優教育化學奧林匹亞競賽和辦理科學班等的人才培育外，也應向下扎根，以全民科學教育為目標。化學人才的流失往往因為在中學階段升學制度的影響，使教學無法正常化，致使學生失去對化學的學習興趣和動機。若從長遠的人才培育目標來看，考試制度的短線交易，將會造成嚴重的人才流失。而重視女學生在化學的潛力也將是人才培育一環中不可或缺的。甚至是到高等教育後如何支持女性化學家投入化學研究都是刻不容緩的議題。

4. 教師專業成長:有優質的教師方能有優質的學生。國家發展的基礎需有優質的教師去培育有創造力和批判力的國民。因應108課綱新的內容與對學生學習的期待，教師專業素養也需與時俱進，化學新知與創新產業不斷推陳出新，教育主管單位要能提供教師終身學習的機會，以確保國民受教的內容可以與世界並駕齊驅甚至超前具前瞻性。

5. 與國際連結: 當全世界在關心化學教育如何能吸引更多的人才投入化學或化工領域，或是化學與跨學科領域的合作之際，臺灣研究能量與化學/化工的產能都是不容小覷的，從IUPAC對會員影響力的計算方式(包括研究論文、專利數量、化工產量等)即可得知一二，而這樣的優勢讓臺灣在與國際連結上獲得相當高的重視。國內學者可以積極參與國際學術團體的委員會，藉此有位臺灣發聲的機會，讓臺灣被看見。除此之外，在國際化學教育上的重要議題，如系統思考(systems thinking)，除應深入瞭解外，更應積極投入進行不同階段的化學教育改革，配合本土的需求，創造兼具國際趨勢與在地需求特色的化學教育課程與教學，以回應國際上化學教育改革的呼聲與提出值得參考的經驗，

n 結語

化學教育的目的是要啟發孩童對化學的認識與好奇心，激發學生探索化學領域的相關議題，培養化學學習的興趣與正確的態度和技能，同時對於社會大眾也應具有提升全民化學素養的社會責任。教育是需要一群有熱誠的人不斷前仆後繼的努力以及需要長期經營的志業，方可產生教育對社會的影響力，尤其是人才的培育與全體國民素養的提升，當然化學教育也不例外。最後，本文僅介紹在化學教育中作者所參與的一小部分活動，還有許多熱愛化學教育而持續不斷的在臺灣每個角落默默付出的化學家、化學教育家和化學教師，都值得我們敬佩，在此無法一一詳述，還請多多包涵。

附件一 NICE Charter (擷取自http://www.chemistryeducator.org/Charter%20for%20NICE.htm)

Charter for Network of
Inter-Asian Chemistry Educators

1. Preamble

The original idea of the Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE) was
initiated by three members of IUPAC Committee of Chemistry Education (CCE),
Prof. Choon H. Do (Korea), Prof. Masato M. Ito (Japan), and Prof. Mei-Hung Chiu (Taiwan) during the International Conference on Chemical Education (ICCE) in Turkey in 2004. In February 2006, the delegates from the three countries had a
preliminary meeting in Korea and decided to establish an organization to promote chemistry education in Asian region. The chemical societies of each country will support NICE. The delegates planned to hold meetings regularly. The first symposium was planned to be held in Seoul in conjunction with the 19^th ICCE, 2006.

2. Name

The name of the organization is Network of Inter-Asian Chemistry Educators
(NICE).

3. Purposes

The purposes of the NICE are

(1) To enhance interaction and friendship among chemistry educators in Asian
countries,

(2) To put chemistry education research into practice, and

(3) To exchange and share experiences and ideas on chemistry teaching and learning.

4. Organization

Membership of NICE is open to every country which wishes to join NICE. Chairperson’s terms: The terms of the first three chairpersons will be as follows:

1^st – From February to December of 2006 – Prof. Do

2^nd -From January to December of 2007 – Prof. Chiu

3^rd -From January 2008 to December of 2009 – Prof. Kamata

5. Activities

To accomplish the purposes of NICE, NICE may perform following activities

(1) holding symposiums,

(2) publishing,

(3) providing information through internet, and

(4) other activities

6. Symposium and responsibility of the chair country

NICE will hold a symposium. First symposium was held in Seoul, Korea, in conjunction with the 19^th ICCE. Second symposium will be held in Taipei,
R.O.C., in 2007. The third symposium will be held in Japan in 2009.
Thereafter, the symposium will be held biannually. Chair country has
responsibilities to hold a symposium. The host organizer needs to find
resources to cover counterpart delegates’ accommodation and registration fee.

7. Others

Other matters follow procedures and ways agreed by the member countries.

8. Amendment of the charter

The delegates of the member countries discuss to make any necessary amendment.

9. The charter was drafted on February 21, 2006 and approved on July 31, 2007.

10. The names of delegates when the charter was approved.

註: 國內代表依序是邱美虹、周金城、林靜雯、佘瑞琳、鍾曉蘭

n 參考文獻

周金城、鍾曉蘭(2019)。第八屆亞洲化學教育國際研討會之高中參訪活動–讓高中生變成主角，第33期，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=35127。

邱美虹、鄭原忠、李旺龍、楊仲準、趙奕姼(2019)。基礎科學促進永續發展國際年 (IYBSSD)活動簡介，第47期。https://reurl.cc/nON5Me

彭旭明(2022)。化學會的九十年會史。https://youtu.be/u3JqLgL7C4Y

劉廣定(2008)。科學教育為永續發展之必要。《科學月刊》，頁4-5

蕭次融(2003)。邁向化學教育的第一步–簡單而有趣的化學演示實驗。科技大觀園，https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/c000003/detail?ID=84b7e41a-1eaa-40a8-9b2b-ebfab0de794c

NICE Charter: http://www.chemistryeducator.org/Charter%20for%20NICE.htm

從微觀到巨觀:由DNA來看世界／洪文東

星期日 , 14, 8 月 2022 編輯助理中國化學會90周年特刊, 未分類, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

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]

n 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。

n 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。

n 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。

n 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。

n 參考資料

王姿文、石心怡、林美惠、邱采新、許淑真、楊明華、蔣本慈（2009）。基礎生物化學。Rodney Boyer 原著，Concepts in Biochemistry,3rd Edition。台北：歐亞書局。

從PISA看台灣的科學教育／林煥祥

星期六 , 13, 8 月 2022 編輯助理中國化學會90周年特刊, 本期專題, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

從PISA看台灣的科學教育

林煥祥

國立中山大學博雅教育中心
[email protected]

n 簡介PISA評量

經濟合作發展組織（Organization for Economic Development and Cooperation, 簡稱OECD）自西元2000年起主辦 Programme for International Student Assessment, 簡稱PISA)。其目的是測試十五歲學生是否具備參與未來社會所必需的基礎知識和基本技能，從而建立定期循環（每三年）的評量指標，為各國制定教育政策提供参考，以此來審視、評估國家以及學校教育的整体成效。PISA評量包括三個方面：閱讀素養、數學素養、和科學素養。每次的評量都以某一項素養作為主項進行深入評測，其它兩項方面則進行綜合評測。PISA2000的主項是閱讀，PISA2003是數學，PISA2006是科學，每9年形成一個大循環。有別於大部分國際評比大型計劃針對學科知識概念的評量，PISA的評量架構著重於素養的評量。藉由生活化情境式（包括個人、地區、國家、及全球性的情境）的題組，評量學生的解決問題能力。

由圖1為PISA 2015的評量架構（OECD, 2017）可以看出素養導向的評量包括科學能力(scientific
competency)測驗卷以及學習者對科學的興趣、價值觀、自我效能、以及環境覺知、科學本質（或是科學認識論）的信念（understanding about the nature of science or epistemological belief of science）等的問卷評量。其中科技能力的評量包括：以科學解釋現象；評估與設計科學探究；以科學詮釋數據及證據等三項科學分項能力。

圖1：PISA 2015科學素養的評量架構（OECD, 2017）

n 108新課綱內涵與PISA所強調的重點—以「生活化」與「情境式」協助學生建構科學素養

我國於2006年首次參加PISA以科學為主軸的評量。迄今為止已屆滿15年共計5次國際評比，值此新課綱已經實施三年之際，更值得檢視我國新課綱目標與PISA國際評量的走向與趨勢。

108新課綱所強調的重點包括：

『核心素養是指一個人為了適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。核心素養強調學習不局限於學科知識及技能，而應關注學習與生活的結合。核心素養強調培養以人為本的「終身學習者」，回應基本理念（自發、互動、共好），分為三大面向：「自主行動」、「溝通互動」、「社會參與」，此三大面向再細分為九大項目，並強調素養是與生活情境有緊密連結與互動的關係。（教育部，2014, p.3）

• 自主行動：個人是學習的主體，學習者應選擇適當的學習方式，進行系統思考以解決問題，並具備創造力與行動力。』（教育部，2014, p.4）

上述108新課綱重點所提及的「素養是與生活情境有緊密連結與互動的關係」意在鼓勵教學、學習、評量都應著重於「生活化」與「情境式」。此項強調也與PISA的評量架構（contextual assessment）互相呼應。另外九大面向之中的「系統思考與解決問題」以及「規劃執行與創新應變」所強調的「探究與實作能力」與PISA所評量的competency
of evaluating and designing scientific inquiry也彼此契合。回顧一下西元2000年左右的科學教育，可以發現學術研究及教學現場都較為著重學科知識概念的了解（e.g., Chen, Lin & Lin, 2002），鼓勵教學者務必從學生所具備或了解的學科知識概念出發進行教學（Chiu et al., 2007）。因此教學之前診斷學生的另有概念或基本概念有助於學生更高層或更深入的概念建構及應用。108新課綱素養導向的教學以及OECD所主辦的PISA則更進一步鼓勵以「生活化的情境」讓學生運用其「系統思考」等高階認知思考能力，結合其科學概念進行「問題解決」（problem-solving）（Chen et al., 2019）。如果第一線教室教學現場能夠落實新課綱所強調的上述重點，筆者相信將有助於提升學生的科學素養。

另外由下列近年內的學測試題可以看出，生活化情境式的素養導向評量方式已經逐漸出現在我國的大型評量之中。例如：110年學測自然考科試題：

1.寒流來襲，某地發生因熱水器使用不當造成的一氧化碳（CO）中毒案例，幸經施予高壓氧及時救回。依上述說明推測，何者是CO導致死亡的主要原因？

(A)與O2競爭血紅素，造成血氧濃度嚴重不足

(B)與O2競爭電子傳遞鏈釋出的電子，造成有氧呼吸作用停止

(C)阻斷神經通往肌肉的傳導，造成呼吸肌癱瘓而窒息

(D)抑制糖解作用相關酵素功能，造成細胞呼吸作用停止

(E)與CO2競爭血紅素，造成碳酸鹽無法排出體外而產生酸中毒

（引自110年學測自然考科）

2. 利用濾紙層析法分析紫色水性彩色筆的染料時，首先用紫色水性彩色筆在圓形濾紙圓心部位畫一個實心圓形，如圖2
所示。其次，用滴管在圓心緩慢逐滴加水，此時部分染料隨著水漬在濾紙上呈現同心圓擴散，如圖3
所示。停止加水後，擴散至如圖4所示。（引自110年學測自然考科）

圖2 圖3 圖4

3.下列哪些敘述，可由上述實驗結果得知？（應選2項）

(A)藍色與紅色物質均為純物質

(B)藍色物質的分子量大於紅色物質的分子量

(C)紫色染料為混合物，至少含有兩種不同的成分

(D)藍色與紅色物質與濾紙附著力不同，因而造成同心圓的分布

(E)紫色染料為純物質，與水反應後形成藍色與紅色物質（引自110年學測自然考科）

4. 探空氣球的觀測資料，有助於瞭解環境大氣的特徵。若板橋氣象站在某星期一、星期二量測到的大氣溫度隨高度變化垂直分布如下圖所示，且兩天的大氣水氣含量相同，下列哪些敘述正確？（應選2項）（引自110年學測自然考科）

(A)星期一的大氣較不穩定，容易發生對流

(B)星期二的大氣較容易有垂直發展旺盛的雲層出現

(C)星期一較不容易有垂直發展的雲層出現

(D)星期二的大氣環境，較容易發生空氣汙染

(E)兩天的雲層垂直發展厚度大約相同

n 結語

當上述大型評量逐漸符合新課綱所強調的重點，筆者相信第一線教師的教學實施與學生的學習活動亦將逐漸趨於一致。另外教育部所屬的學科中心每年推動的探究與實作年會等平台，讓中學生分組報告與討論其探究與實作之專題研究成果，也是有助於新課綱目標的落實與推廣。如果第一線的教師與學生積極的投入素養導向的教學與學習，配合適當的師資培訓及教學觀摩等活動，全民科學素養的提升將更值得期待與實現。

n 參考文獻

教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要。Retrived May4, 2022, from https://www.naer.edu.tw/upload/1/16/doc/288/%E5%8D%81%E4%BA%8C%E5%B9%B4%E5%9C%8B%E6%95%99%E8%AA%B2%E7%A8%8B%E7%B6%B1%E8%A6%81%E7%B8%BD%E7%B6%B1.pdf

Chen, C. C., Lin, H., & Lin, M. L. (2002). Developing a two-tier diagnostic instrument to assess high school students’ understanding- The formation of images by a plane mirror. Proceedings of the National Science Council, R.O.C., Part D: Mathematics, Science, and Technology Education, 12(3), 106-121.

Chen, Y. C., Wilson, K., & Lin, H. S. (2019). Identifying the challenging characteristics of systems thinking encountered by undergraduate students in chemistry problem-solving of gas laws. Chemistry Education Research and Practice, 20(3), 594-605. https://doi.org/10.1039/c9rp00070d

Chiu, M. H., Guo, C. J., & Treagust, D. F. (2007). Assessing students’ conceptual understanding in science: An introduction about a national project in Taiwan. International Journal of Science Education, 29(4), 379-390. https://doi.org/10.1080/09500690601072774

OECD. (2017). PISA 2015 assessment and analytical framework: Science, reading, mathematic, financial literacy and collaborative problem solving. https://www.oecd-ilibrary.org/content/publication/9789264281820-en

金奈米粒子的微量合成和鑑定／楊水平

星期五 , 12, 8 月 2022 編輯助理中國化學會90周年特刊, 化學實驗室, 本期專題, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

金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]

n 簡介

本實驗係利用檸檬酸鈉（Trisodium citrate）當作還原劑，還原四氯金酸（Tetrachloroauric acid）的金離子（Au³⁺）成為金屬金（Au），檸檬酸鈉也當作穩定劑以分散金奈米粒子（gold nanoparticles），並且應用廷得耳效應、繞射、聚集和光譜分析等來鑑定合成的金奈米粒子，也使用PVP當作穩定劑（Yang, 2013）。本次微量實驗直接使用未用過且乾淨的具有鐵夫龍蓋的樣品瓶和PE滴管。此外，鑑定後剩餘的金奈米粒子溶液裝在樣品瓶內，攜帶自己合成的作品回家永久保存。

n 實驗原理

一、 奈米材料及其特徵

奈米（Nanometer, nm）是表示長度的單位，有時稱為毫微米（mμ），1奈米等於1微米（μm）的1/1000，也就是10^‒⁹ m。在尺度上，奈米通常用於表示原子或分子的大小，例如：氦原子的直徑約為0.06 nm，核醣體的直徑約為20 nm，最小的細菌直徑約為400 nm，病毒的大小範圍為20-250 nm。奈米也用於指定可見光譜附近的波長，可見光範圍約為380~750 nm。奈米等級的粒子肉眼看不到，光學顯微鏡也無法觀察到，需要藉助於電子顯微鏡才能觀察到。

奈米材料就是指奈米大小的材料，其大小介於1~100 nm之間的微小物質所組成的材料。廣義上，奈米材料是指在三維度中至少有一維度處於奈米尺度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。科學家從這麼小的粒子中，發現到許多有趣和豐富的物理和化學性質。由於具有奈米尺寸的微小物質與宏觀物質會呈現非比尋常的表面效應、小尺寸效應和量子效應，因此奈米材料具有與普通材料的光學、電學、磁學、熱力學、力學和機械等不同的性能。

由於奈米材料的尺寸為奈米級，出現兩項明顯的特徵。其一為表面原子數大增：與相同質量的塊狀材料相比，奈米級材料具有相對較大的表面積，亦即表面積對體積的比例大增。在1947年，第一代電晶體（transistor）的尺寸超過1 cm，常用的microSDHC記憶卡大約為指甲大小，卻有超過500億顆的電晶體在其中。現今電晶體長度不到5 nm，縮小超過約200萬倍。這樣的進展相當於曾經是世界第一高樓的509米高的臺北101大樓縮小到0.25 mm的高度。奈米材料更具化學反應性，並影響其強度或電性，例如：非均相催化反應，金屬奈米顆粒的尺寸減小顯著地增加金屬表面的暴露，有利於奈米顆粒表面的異質化學。

其二為量子效應（Quantum effect），量子化是微觀世界中一個普遍的現象，量化效應不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。對奈米材料而言，當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小的層次時，其能量分布由連續轉變為量化（不連續）的狀態，繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。量子尺寸效應（Quantum size effect）是由一種稱為限制的現象引起的，並且在10 nm或更小的奈米粒子中更為普遍。奈米材料呈現出量子效應有截然不同的特性，例如：銅等不透明物質變得透明，鋁等穩定的材料被證明是可燃的，像黃金這樣的固體在室溫下會變成液體，矽等絕緣體則成為導體。

不同粒徑的半導體奈米粒子的價電子以照光的方式激發至能量較高的導帶（conduction band）後，該價電子的能量會自發性以光的形式釋放而回到穩定的價帶（valence band）。由於不同粒徑的粒子具有不同的能隙大小，因此可以利用此特性製造出不同的奈米半導體，進而得到它們所釋放出之不同顏色的光。以光學特性為例，當金屬奈米粒子足夠小時，光譜吸收與表面化學有很強的耦合，尺寸在2-10 nm的金屬奈米粒子會表現出離子化的共振效應。黃金是金屬材料中相當著名的成份。若研磨黃金到超微細的顆粒，則黃金色澤便完全消失，紅色隨即呈現出來。金奈米粒子呈現紅色的原因是此奈米粒子吸收可見光（380~750 nm）中的520 nm波長（綠光），而見到其互補色（紅色），並且吸收綠光的能量與金奈米粒子發生作用，使得金奈米粒子表面的自由電子雲（electron cloud）被極化，亦即表面電漿子（surface plasmon）或稱表面電漿極化子（surface plasmon polariton）被極化，隨著光波的頻率而震盪。在此過程中，特定頻率的光與表面電漿子作用而被吸收或散射，這種共振現象通常稱為局域表面等離體共振（localized surface plasmon resonace），如圖1所示。局域表面等離子體共振是限制表面等離體的尺寸與用於激發等離子體的光波長相當或更小的奈米顆粒的共振結果。當一顆球形金屬奈米粒子被光照射時，振盪電場（electric field）導致傳導電子相干振盪。當電子雲相對於其原始位置發生位移時，電子和原子核之間的庫侖引力會產生恢復力。

圖1：局部表面電漿子共振的示意圖

（圖片來源：Localized surface plasmon, https://en.wikipedia.org/wiki/Localized_surface_plasmon）

二、 金奈米粒子的合成

本實驗用檸檬酸鈉當作還原劑，在加熱的條件下，還原四氯金酸的金離子成為金奈米粒子，其簡單的反應如式[1]所示，經文獻搜尋，詳細的反應式有多樣，如式[2]、[3]或[4]所示。

HAuCl₄(aq) + Na₃C₆H₅O₇(aq) → Au(s) [1]

（四氯金酸）（還原劑）（金奈米粒子）

6HAuCl₄(aq) + Na₃C₆H₅O₇(aq) + 5H₂O(l) →

6Au(s) + 6CO₂(g) + 21HCl(aq) + 3NaCl(aq) [2]

4HAuCl₄(aq) + 3Na₃C₆H₅O₇(aq) + 3H₂O(l) →

4Au(s) + 6CO₂(g) + 3C₄H₆O₄(aq) + 7HCl(aq) + 9NaCl (aq) [3]

（C₄H₆O₄, Succinic acid, 琥珀酸）

2HAuCl₄(aq) + 3Na₃C₆H₅O₇(aq) →

2Au(s) +3CO₂(g) + NaC₅H₅O₅(aq) + 2C₅H₆O₅(aq) + 8NaCl (aq) [4]

（C₅H₆O₅,α-Ketoglutaric acid or Acetonedicarboxylic acid, α-酮戊二酸或丙酮二羧酸）

合成大小均一的金奈米粒子的條件要求相對高，所有實驗器皿必須以王水浸潤洗淨而且必須完全被沖洗乾淨不得殘留。配製藥品需要使用超純水（電阻值大於15 MΩ）。在合成的過程中，需要持續均勻加熱並攪拌以使粒徑均一。為克服這些困難。本實驗以微量實驗設計，直接使用未用過的小樣品瓶（含鐵夫龍蓋）和PE滴管，不必清洗。此外，實驗畢裝在小樣品瓶內未用完的金奈米粒子溶液，學生可以帶回家永久保存。

三、 金奈米粒子的鑑定

(一) 廷得耳效應（Tyndall effect）

當一束光線透過膠體（colloid），如金奈米粒子溶液，從入射光的垂直方向可以觀察到膠體裡出現的一條明亮的光束，這種光的散射現象稱為廷得耳效應（Tyndall effect）。在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，若粒子的尺寸大於入射光的波長，則光會發生反射，如圖2的「反射」示意圖所示；若粒子的尺寸小於或等於入射光的波長，則光會發生的散射，如圖2的「散射」示意圖所示。

圖2：光照射到物體的傳播方式：穿透、反射、折射、繞射、吸收及散射的示意圖

由於膠體粒子大小在溶液中介溶質粒子與懸浮液粒子之間，其大小在1~1000 nm，可見光波長（380~750 nm）落在膠體的粒徑之間，因此當可見光透過膠體或溶膠時會產生明顯的散射，這時觀察到的是光波環繞微粒而且向其四周放射的光，散射光的強度隨分散體系中粒子濃度增加而增強。由於真溶液（true solution）分子或離子更小，導致散射光的強度隨散射粒子體積的減小而明顯減弱，因此真溶液對光的散射作用很微弱，光幾乎直接穿透，如圖2的「穿透」示意圖所示。藉由廷得耳效應來區分真溶液或膠體溶液，使用雷射筆的紅光照射金奈米粒子溶液和四氯金酸溶液，可以檢查此二溶液是否為膠體溶液，如圖3所示。

圖3：金奈米粒子溶液（左瓶）有廷得耳效應，而四氯金酸溶液（右瓶）則無

(二) 繞射（Diffraction）

繞射（Diffraction）是指電磁波遇到障礙物或開口時發生不同程度的彎散傳播，形成幾何陰影區域的干涉或彎曲，如圖二的「繞射」示意圖所示。若一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則於觀察屏上會有光亮區域與陰晦區域出現，而且這些區域的邊界並不銳利，是一種明暗相間的圖樣，如圖4所示。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產生肉眼可見的繞射現象，其他類型的電磁波（例如：X射線和無線電波等）也能夠發生繞射。

圖4：紅色雷射光束穿過小圓孔後投射到觀察屏上的繞射圖案（左），來自雙縫繞射的干涉圖案的計算模型（右）

（圖片來源：Diffraction, https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction.）

在透明玻璃上滴加金奈米粒子溶液，使其乾燥後金奈米粒子形成固體而堆積在玻璃上。利用雷射光照射，在暗室的觀察屏上可觀察到繞射的圓形圖案明顯地放大許多，如圖5左所示。

圖5：雷射光照射到金奈米粒子固體物在觀察屏上呈現較大的圓形圖案（左），而照射到無金奈米粒子固體物則呈現較小的圓形圖案（右）

(三) 聚集（Aggregation）

當顆粒分散時，在連續介質中粒子的尺寸範圍在1~1000 nm之間。超過這尺寸範圍，顆粒可能開始從懸浮液中沉澱出來。奈米材料的尺寸範圍是在膠體顆粒的尺寸範圍內（亦即 < 100 nm），因具有極小尺寸而導致高表面能傾向於聚集（aggregation），從而降低表面能。當物理或化學過程使粒子表面相互接觸而發生粒子‒粒子吸引時，就會發生膠體粒子的聚集。

當加入食鹽到金奈米粒子溶液時，因為食鹽在水中解離的鈉離子與能檸檬酸根發生作用，進而造成此負電荷層遭受破壞，使得溶液中的金奈米粒子發生聚集，以致金奈米粒子顆粒變大而沉澱析出，如圖6所示。

圖6：兩顆圓球狀的金奈米粒子溶液，左側未加食鹽（紅色），右側加入食鹽（黑色）

(四) 穩定（Stabilization）

奈米粒子穩定（stabilization）的定義取決於目標奈米粒子尺寸依賴的特性，該特性被利用並且只能存在有限的時間段，因為所有奈米結構在熱力學和能量上都有的不利因素。奈米粒子通常透過吸附顆粒表面周圍的分散劑來穩定。適當厚度的分散劑層（dispersant layer）的形成對於穩定含有高奈米粒子濃度的懸浮液至關重要。厚的分散劑層會導致顆粒周圍過多的排除體積，而薄的分散劑層會導致顆粒聚集。這兩種效應都會降低懸浮液中奈米粒子的最大濃度。

本實驗使用過量的檸檬酸鈉，適量的檸檬酸鈉當作還原劑，剩餘的檸檬酸鈉含有檸檬酸根當作穩定劑，使金奈米粒子均勻地分散在水溶液中。這是因為檸檬酸鈉在水中解離的檸檬酸根帶負電（有孤電子對），而且金奈米粒子表面的金原子有空軌域，兩者之間在金奈米粒子的表面以路易斯酸鹼相互吸引而包覆一層負電荷層，使得金奈米粒子間容易發生排斥而不易相互吸引，導致形成穩定的粒徑較小的金奈米粒子，如圖7左所示。

圖7：穩定劑與金奈米粒子表面金原子之間的作用，穩定劑為檸檬酸根（左）和PVP（右），上面兩圖為示意圖，僅表示金奈米粒子與穩定劑之間的作用，而不表示金奈米粒子的大小與穩定劑的數量之間的關聯

本實驗也使用聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）當作穩定劑。PVP可用作表面穩定劑、奈米粒子分散劑和還原劑，其作用取決於合成條件。金奈米粒子表面的金原子有空軌域（缺電子），金奈米粒子的表面與PVP的氧原子（有孤電子對），兩者之間在金奈米粒子的表面以路易斯酸鹼相互吸引而包覆一層負電荷層。使用PVP當作穩定劑通常比檸檬酸根的分散效果為佳，因為PVP具有聚乙烯基屬親油性，與水分子有較佳的相斥性而導致金奈米粒子間形成穩定的粒徑更小的金奈米粒子，如圖7右所示。

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

透過紫外‒可見光譜儀（UV-Visible spectrometer），可測得合成金奈米粒子的可見吸收光譜。然後，找到最大吸收度的波長，進而得知合成金奈米粒子直徑大小。光照射到金奈米粒子溶液的傳播方式，如圖2的「吸收」示意圖所示。

藉由文獻資料提供的金奈米粒子不同粒徑大小的最大吸收度波長的光譜（見參考資料3），可以轉化成為最大吸收度波長與其顆粒大小的關係之趨勢線，如圖8所示。根據圖8的趨勢線，金奈米粒子的顆粒越小，其最大吸收度的波長越短。假設合成金奈米粒子最大吸收度的波長為526 nm，可推知其顆粒大小為21.5 nm。抑或，藉由其趨勢線的二元方程式，y = 3E-05x³ + 0.0019x² + 0.0605x + 523.5，若最大吸收度的波長y =526 nm（亦即526 = 3×10^-5x³ + 0.0019x²+ 0.0605x + 523.5）時，則可計算而得到其顆粒的大小 x = 21.6 nm。

圖8：金奈米粒子的最大吸收波長與顆粒大小的關係

金奈米粒子的大小是否均一，可藉由其光譜圖的吸收度最大一半的波峰寬度（The peak width at half the absorption maximum, PWHM）來判定，PWHM越小表示奈米粒子的大小越均一。圖9為金奈米粒子溶液的吸收光譜圖，其最大吸收度為0.658，其最大吸收度的一半為0.329（0.658/2），此吸收度與波峰有兩個交點，低波長之處估算值在464 nm，高波長之處實際值在592 nm，高波長與低波長之差即為PWHM，此吸收光譜的PWHM為592 nm – 464 nm = 128 nm。【註：此金奈米粒子溶液的吸收光譜波形並沒有對稱，且在低波長之處的吸收光譜並沒有交點。為找到其PWHM，假設該吸收光譜為對稱的波形。由於最大吸收度波長（528 nm）與高波長之處的交點（592 nm）之間有64 nm的波長距離，因此可估算低波長之處的交點為464 nm（528 nm – 64 nm），如圖9所示。】

圖9：金奈米粒子的吸收光譜PWHM

(六) 電子顯微鏡圖像（Electron Microscope Image）

利用電子顯微鏡（Electron Microscope），可觀察到金奈米粒子的粒徑大小和形狀。圖10左顯示金奈米粒子的穿透電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope, TEM）圖像，比例尺代表20 nm，圖像中的金奈米粒子直徑約為15-20
nm，其粒徑大小並非均一，其粒子形狀並非全部圓形，有三角形也有橢圓形。圖10右顯示金奈米粒子和奈米棒假的彩色高分辨率TEM圖像，比例尺代表10 nm。

圖10：金奈米粒子的穿透電子顯微鏡圖像

（圖片來源：Scientific Image – Gold Nanoparticles, https://bit.ly/3wgEAVc; TEM image of gold nanoparticles and nanorods, https://bit.ly/3QWKKBI.）

n 實驗步驟

一、 金奈米粒子的合成

使用未用過乾淨的PE滴管，滴加2.0 mL（40滴）的1.0 mM HAuCl₄（chloroauric acid，四氯金酸）和0.50 mL（10滴）的34.0 mM Na₃C₆H₅O₇（sodium citrate，檸檬酸鈉）到一個3 mL的玻璃樣品瓶中，該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。用鑷子，放置密封的樣品瓶到裝約半滿水的50 mL的燒杯中。用電磁加熱攪拌器，加熱樣品瓶中的溶液直至呈深紅色（時間約10分鐘），如圖11所示。用鑷子，從燒杯中取出樣品瓶，讓它靜置冷卻。（Yang, 2013）【註：(1)若在燒杯中直接使用熱水，則可縮短合成的時間；(2)燒杯的選用不宜過大且熱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：加熱樣品瓶直至溶液呈深紅色，右圖為左圖的局部放大。

二、 金奈米粒子的鑑定

(一) 廷得耳效應（Tyndall effect）

使用紅光雷射筆，直接照射雷射光在兩個樣品瓶中的合成金奈米粒子溶液和四氯金酸溶液溶液，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，滴加2-3滴金奈米粒子溶液在此片上。設定電磁加熱攪拌器在微熱狀態，放置此片在此加熱器的加熱區域的邊緣位置，直到溶液加熱到乾燥。在暗室中，用紅光雷射筆對準並照射金奈米粒子的乾燥區域，觀察在屏幕上是否出現紅光放大的情形。同樣地，雷射光照射到非金奈米粒子區域，觀察在屏幕上是否出現紅光放大的情形。其操作方式，詳見圖5。

(三) 聚集（Aggregation）

取一張A4大小1/4的白色紙（或影印紙），使用一小塊白蠟用力地塗上一厚的蠟（蠟層不可有孔洞）。用乾淨的PE滴管，在蠟層上的兩處，分別滴加2滴的金奈米粒子溶液，形成兩個圓球狀的液滴，兩液滴的距離約1-2 cm。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13。【註：進行聚集之前，不可加入PVP穩定劑。否則，聚集不易發生。】

圖13：進行金奈米粒子聚集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金奈米粒子溶液，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。此金奈米粒子溶液可攜回永久保存。

(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，加入10滴（0.5 mL）金奈米粒子溶液到該管中，並用蒸餾水進行兩倍稀釋。利用紫外‒可見光譜儀（UV-Visible spectrometer），測定合成金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，推知金奈米粒子的粒徑大小，詳見圖8。再來，透過製作吸收度最大一半的波峰寬度（PWHM），推知自己合成的金奈米粒子的均一程度，並與別人或他組比較是否較佳，詳見圖九。【註：測量吸收光譜後，金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。取得電子顯微鏡圖像後，觀察到金奈米粒子的粒徑大小和形狀。【註：這實驗是可選的，視學校設備而定。】

n 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10-15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60-105分鐘，教師可依照學生的程度，分配教學時間的長短。

l 本實驗可與另一實驗由作者編寫的「銀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和在戶外推廣科普活動，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、聚集及稳定；針對高中生，鑑定方面可增加一項光譜分析。

l 四氯金酸價格：Hydrogen tetrachloroaurate(III), solution, Au 40-44% w/w (cont. Au)，有一家電商販賣每公克約1,000元，另一家每公克4,204元，差異極大；Chloroauric acid, extra pure, about (Au) 51%，一家電商販賣每公克約13,700元。Hydrogen
tetrachloroaurate(III) trihydrate, 99.99 %, Au 49.0% w/w，作者曾經買過每公克約2,500-3,000元。配製100.0 mL 1.0 mM四氯金酸，取用0.041 g，其價格約103-123元；每位學生或每組花費2.1-2.4元。其實，本微量實驗四氯金酸的花費單價並不貴。教師可考慮實驗藥品兩倍用量，增加學生攜帶回家成品的體積。

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 實驗操作時，必須穿實驗衣、戴乳膠手套和安全眼鏡。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。

n 參考資料

1. Shui-Ping Yang, Microscale Synthesis of Gold Nanoparticles for the Laboratory Teaching, 5^th NICE (Network of InterAsian Chemistry Educators) Poster, Pingtung, Taiwan, July 25-27, 2013.

2. Localized surface plasmon (2022, August 3). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Localized_surface_plasmon

3. Nanocomplix (2022). Gold nanoparticles: Optical properties. https://bit.ly/3T472DO

4. The National Informal STEM Education Network (2016). Scientific image – Gold nanoparticles. https://bit.ly/3wgEAVc

5. TEM image of gold nanoparticles and nanorods (2022, June 24). In Wikimedia Commons. https://bit.ly/3QWKKBI

n 學生實驗講義

下載學生實驗講義PDF檔—「金奈米粒子的微量合成和鑑定」

分析主張對立的科學文本─培養社會性科學議題的論證能力／陳品吟、林淑梤

星期四 , 11, 8 月 2022 編輯助理中國化學會90周年特刊, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

分析主張對立的科學文本─培養社會性科學議題的論證能力

陳品吟、林淑梤^*

國立彰化師範大學科學教育研究所

*[email protected]

n 前言

培養具有科學素養的公民是現今科學教育的目標，需讓學生能夠瞭解資訊中的科學概念和知識、認識與批判科學相關的資訊，並學習做出明智的決策。如此不僅能幫助學生發展社會責任，也能讓學生在未來參與社會實際議題時，做出負責任的決定（Gray & Bryce, 2006; Kolstø, 2000; Oulton, Dillon & Grace, 2004）。

學生如何在紛亂的資訊網絡中，判斷正確的資訊並提出理性的決策，即和學生的論證能力息息相關。「論證」（argumentation）是一種討論的過程，是擁有兩個以上不同想法的個人，藉由各種證據、理由及事實來支持自己的論點、反駁對方的想法。而「論證能力」（argumentation skill）是以科學觀點評估不同的主張、資訊與理由，進而做出決策的能力（Jime’nez-Aleixandre, 2002; Simon et al., 2006）。許多科教學者提出研究實證，指出在課堂中實施論證教學，提供學生在課堂上的論證機會，可以提升學生的論證能力（Oulton, et al., 2004; Osborne, Erduran & Simon, 2004）。

論證教學是指在課堂中進行論證活動時，藉由議題的探討讓學生提出合理的主張和支持的證據，鼓勵學生以相互討論、辯論和質疑等方式，構建出自身的主張，以促進學生論證能力的發展（Osborne et al., 2001）。近年來許多科學教育學者倡導利用「社會性科學議題」（Socio-Scientific Issues, SSI）作為教學情境（Osborne et al., 2004; Zeidler et al., 2005），讓學生從中學習並發展論證能力。社會性科學議題是由社會議題和科學或科技議題之間複雜的交互作用而形成的爭議事件，常包含多元學科及跨學科之間複雜的背景知識，是一種複雜、無標準答案且具有爭議的議題（Simonneaux, 2008）。社會性科學議題具有多元學科及無標準答案的特性，因此能讓學生進行討論及辯論，藉以培養學生提出主張、理由、反駁以及評估或解釋證據的論證能力。

n 論證的要素

一個完整的論證中應含有什麼要素？在許多論證模式中，以Toulmin（1958）提出的論證模式（Toulmin. Argumentation Pattern, TAP）最具代表性。Toulmin（1958）認為一個完整的論證是由資料推論，進而產生主張的過程，這之中包含六個結構要素，以及六個結構要素之間的關係（如圖1）。Toulmin（1958）認為論證的過程中，若能呈現越多不同的論證要素，則論證的結構就越完整。以下呈現TAP六個要素的簡要說明：

(一)資料(Data)：用來支持主張的客觀數據或證據，通常陳述一個現象或事實。透過資料或證據的呈現，可明確展現出主張的基礎，並支持、擁護主張。

(二)主張(Claim)：論證過程中形成的結論，論證者根據證據提出自己的主張或結論，試著在證據和主張之間建立合理的說法以說服他人。

(三)論據(Warrant)：連結證據和主張之間的橋樑，以個人的主觀觀點，說明如何從資料推論至主張的過程，以證明此主張的意義性，並具備邏輯性。

(四)支持(Backing)：為眾人能接受之通則，例如：科學原理、法律等，用以證明所提出的論據為正當的，進一步說明或強化論據。

(五)條件限制(Qualifier)：指出在哪些特定情境或特定限制之下，主張才能成立。做為限制主張之用。

(六)反駁(Rebuttal)：在某些特殊的情況之下，主張並不成立。是對資料、論據、支持或是條件限制的反駁陳述。

圖1：Toulmin (1958)
的論證模式

蔡佩穎等人（2012）簡化TAP的六個論證結構要素，將「論據」和「支持」合併為「贊成的理由」，降低學生初次學習論證的困難。簡化後的論證結構如圖2所示。研究結果發現利用閱讀報導科學研究的文本，再讓學生進行論證，學生能提出較佳結構的論證。而且，培養學生以資料、結論、贊成理由與反對理由的論證架構，分析科學新聞，也可達到促進科學概念學習的效果。

圖2：蔡佩穎等 (2012) 提出簡化的論證結構

n 論證教學──正反兩方科學文本之形成與使用

Norris與Phillips（2003）指出，科學新聞可以作為一般公民持續接觸科學及參與科學相關社會議題的管道，甚至足以影響人們的信念和行動（黃俊儒，2011）。因此，研究者在大學通識課程中以「二氧化碳是否為全球暖化主因」的議題為主軸，讓學生閱讀正、反兩方主張的科學文本，訓練學生辨識文中資料、主張和論據的文句，建立學生基礎的論證能力，再實施社會性科學議題的辯論活動。

第一作者蒐集並改寫網路上關於「二氧化碳是否為全球暖化主因」的科學文本，形成兩份主張對立的科學文本。兩份科學文本中皆包含原作者對此議題的論述，包含主張、多個科學數據、圖表，以及支持該主張的理由。文本A（如圖3）以實徵數據、圖表，指出二氧化碳濃度上升以及地表溫度上升的情況皆發生在工業革命後，證明人類活動所產生的二氧化碳對於全球暖化影響甚鉅。而文本B（如圖4）則以圖表和多個研究結果，反對二氧化碳和全球暖化兩者之間的因果關係。

若閱讀單一科學文本，無法避免文本中隱含原作者自身的觀點，導致學生較容易傾向支持原作者的立場。因此，研究者採取讓學生閱讀兩份主張對立的科學文本，使學生透過自身的論證能力判斷資訊的正確性，並在閱讀正反雙方的科學文本之後，再做出支持或反對二氧化碳為全球暖化主因的立場。

圖3：文本A──支持二氧化碳為全球暖化主因的科學文本

圖4：文本B──反對二氧化碳為全球暖化主因的科學文本

學生在閱讀文本之前，教師會先帶領學生認識Toulmin（1958）提出的六個論證要素，在教師說明六個論證要素的意涵、差異及關連性之後，再將焦點放在蔡佩穎等（2012）簡化的「資料─贊成的理由─主張」三論證要素。教師先給予學生短篇科普文本，讓學生練習辨識文本中的資料、主張及贊成的理由，增加學生對此三論證要素的理解。

接著才發放兩份主張對立、探討「二氧化碳是否為全球暖化主因」議題的文本。學生在閱讀過程中須完成三項學習任務：(一) 辨別並標示出文本中分別屬於資料、主張或是贊成的理由的句子；(二) 標示出文章中令你有所質疑的資料、證據或是作者論述；(三) 選擇你支持的立場，並寫出支持的理由。

在這樣的論證教學中，仍發現有些學生較無法辨識出文本中「贊成的理由」，出現將贊成的理由誤認為資料的情況，也就是學生會將含有作者主觀觀點的論述，誤認為客觀的科學證據呈現。Kolstø（2001）曾提出不熟悉論證結構會導致錯誤的科學論證。意即學生應先理解證據與主張之間的論證結構關係，才容易發展學生論證能力，並提升論證品質。因此，建議教師在此教學策略底下，多花一點時間給予學生練習辨識論證結構要素的部分，可以透過多個實例練習，強調資料和贊成的理由兩者之間的差異。

n 結語

本文透過社會性科學議題和科學文本結合的論證教學，讓學生在議題情境底下，發展論證能力並做出決策。此類課程有助於培養學生十二年國民教育課程綱要中，九大項目之中的三大項目：「系統思考與解決問題」、「科技資訊與媒體培養」及「道德實踐與公民意識」的能力（教育部，2018）。透過讓學生辨識論證結構要素和正反立場之科學文本的閱讀的練習，有助於培養學生自然科學領域學習表現中的「ah-Ⅴc-2 對日常生活中所獲得的科學資訊抱持批判的態度，審慎檢視其真實性與可信度」。從實證性的研究發現，學生容易產生混淆「贊成的理由」和「資料/證據」，進而影響他們論證能力的發展。因此，建議教師在設計科學文本時，可選擇當代公民關注的社會性科學議題，並多方整合正反雙方的科學資料、證據與文章，撰寫成兩份主張對立的科學文本。且兩份正反主張的科學文本中，都應提出強而有力的科學資料或科學證據佐證其主張，促使學生在選擇所支持的立場時，比較正反雙方立場科學證據的正確性及可信度，也能使教師較易分辨學生的論證究竟是直覺性的反對，亦或者是對科學證據之正確性的質疑。透過如此多個實例的練習，強化學生對論證結構的了解，建立論證能力、批判能力和辨識媒體訊息真偽等紮實的基礎。

n 參考文獻

教育部（2018）。國民中小學十二年國民基本教育課程綱要─「自然科學領域」。臺北市：教育部。

黃一展（2019年11月27日）。關於全球暖化與溫室氣體，兩者「關聯」與「因果」的思考。換日線。https://crossing.cw.com.tw/article/12621

黃俊儒（2011）。透過閱讀促進公眾科學理解—科學新聞閱讀理解之比較研究。（國科會研究報告，NSC
99-2420-H-343-002-）。嘉義縣：國立中正大學通識教育中心。

黃啟峰（2007年5月3日）。二氧化碳減量：二氧化碳與地球暖化。科技大觀園。https://scitechvista.nat.gov.tw/Article/C000003/detail?ID=e3ed810c-bafc-4855-8e70-8b3bf85ab4ec

蔡佩穎、張文華、林雅慧、張惠博(2012)。初探論證科學新聞對七年級學生生物學習之效益。中等教育，63(1)，13-37。

Gray, D. S.,& Bryce, T. (2006). Socio‐scientific issues in science education: implications for the professional development of teachers. Cambridge Journal of education, 36(2), 171-192. https://doi.org/10.1080/03057640600718489

Kolstø, S. D. (2000). Consensus projects: Teaching science for citizenship. International journal of science education, 22(6), 645-664. https://doi.org/10.1080/095006900289714

Kolstø, S. D. (2001). To trust or not to trust, . . .’- pupils’ ways of judging information encountered in a socio-scientific issue. International Journal of Science Education, 23, 877-901. https://doi.org/10.1080/09500690010016102

Osborne, J., Erduran, S., & Simon, S. (2004). Enhancing the quality of argumentation in science classrooms. Journal of Research in Science Teaching, 41 (10), 994-1020. https://doi.org/10.1002/tea.20035

Osborne, J., Erduran, S., & Simon, S., & Monk, M. (2001). Enhancing the quality of argument in school science. School Science Review, 82 (301), 63-70.

Oulton, C., Dillon, J., & Grace, M. (2004) Reconceptualizing the teaching of controversial issues. International Journal of Science Education, 26 (4), 411-423.https://doi.org/10.1080/0950069032000072746

Jime’nez-Aleixandre, M. P. (2002). Knowledge producers or knowledge consumers? Argumentation and decision making about environmental management. International Journal of Science Education, 24 (11), 1171-1190. https://doi.org/10.1080/09500690210134857

Simon, S., Erduran, S., & Osborne, J. (2006). Learning to teach argumentation: Research and development in the science classroom. International Journal of Science Education, 28(2-3), 235-260. https://doi.org/10.1080/09500690500336957

Simonneaux, L. (2008). Argumentation in socio-scientific contexts. In S. Erduran & M. P. Jime’nez-Aleixandre (Eds.), Argumentation in Science Education: Perspectives from Classroom- based Research (pp.179-199). New York: Springer.

Toulmin, S. (1958). The use of argument. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Zeidler, D. L., Sadler, T. D., Simmons, M. L., & Howes, E.V. (2005). Beyond STS: A research‐based framework for socio‐scientific issues education. Science Education, 89, 357–377. https://doi.org/10.1002/sce.20048

大學化學實驗課程設計與線上教學 / 佘瑞琳

星期三 , 10, 8 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

大學化學實驗課程設計與線上教學

佘瑞琳

臺灣大學化學系

師資培育中心
[email protected]

■ 前言

化學是科學的中心，是一門實作科學；藉由操作實驗、記錄量測和觀察結果，以具體印證或推論化學原理原則。一般各大學基礎科學領域、生命科學領域及材料工程領域的學生，多需要修習普通化學與實驗。以臺大為例，一年約有2200位學生需要修習普通化學與實驗，每一週約有20個實驗班次進行普化實驗。而配合各學系的專業發展，有一半以上的學生尚須必修進階的有機化學、分析化學及物理化學課程與實驗。因此化學實驗課程的核心內容、所培養之科學素養精神、所涵蓋之基礎實驗技能，及實驗課程之預備與實施等，均是教學教師於規劃實驗課程時需考量的。

化學實驗強調學生需動手操作，需仔細觀察記錄，需整理歸納找出規律性，最後獲得具體結論。化學實驗需要大量的準備工作及完整的教學設計，讓學生能從做中學，並引發其學習興趣。因此在中國化學會（Chemical Society Located in Taipei，CSLT）趙奕姼秘書長的籌劃下，於 2021 年 8 月 23 日舉辦《2021全國化學實驗課程設計_線上交流會》，讓全國化學實驗相關教師齊聚一堂以交換教學心得（圖1）。會中首先邀請到海洋大學賴意繡老師、成功大學何桂華老師及北一女中周芳妃老師分享『疫情下的線上實驗課程設計』。高醫大林雅凡老師、陽明交通大學黃立心老師及臺大劉銘璋老師分享『透過課程設計培養學生的實驗動機與能力』。當日共有 130 餘位來自各地大專院校及高中實驗相關教學人員與會（中國化學會，2021）。全國第一次的化學實驗課程設計線上交流會，藉由六位講者分享實驗教學設計理念與學生學習成果，吸引與會者也提出各校的施行方式，而獲得極大的回饋與迴響。繼而《臺灣化學教育》主編邱美虹教授籌劃出版《大學化學實驗課程設計與線上教學專刊》，由我擔任專刊客座主編，以邀請更多大專院校教師，分享化學實驗設計與遠距教學心得。

圖1 全國化學實驗課程設計線上交流會

■ 本期專刊介紹

本期專刊主題是《大學化學實驗課程設計與線上教學》。首先是由高雄醫學大學羅珮綺老師依據醫藥暨應用化學系的特色，介紹多層次且學生印象最深刻的『大學阿司匹靈合成實驗』。第二篇是由實驗教學經驗豐富的何桂華老師介紹成功大學有機化學實驗之教學理念，及因應疫情而設計多元化之有機化學實驗線上遠距教學，讓學生仍能達成學習目標。接著是陽明交通大學黃立心老師分享大學生於普化、有機、分析、物化基礎實驗訓練之後，可以進階修習的「整合型化學實驗」選修課程；以核心專題的模組，讓學生學習研究型實驗。第四篇則是邀請高雄醫學大學林雅凡老師介紹其有機化學實驗之遠距教學設計理念與實施後之省思。第五篇是海洋大學賴意繡老師因應疫情發展，以他30年的實驗教學經驗，努力設計實驗遠距教學和改變評量方式，並比較前後共二次實施遠距教學之心得和反思。第六篇由嘉義大學邱秀貞老師分享面對實驗遠距教學挑戰所設計的實驗箱，讓學生在家製作室溫磷光物。第七篇是屏東科大黃武章老師分享在學校軟硬體的全力支持與全體教學助教的協助下，首次實施實驗遠距教學的心得感想。最後，由臺大沈晏平老師分享他在帶領普化實驗遠距教學與學生互動之感想，並比較線上遠距及線下實體教學之優缺點。

本期專刊《大學化學實驗課程設計與線上教學》共八篇，主題如下：

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：合成阿司匹靈—跨越高中到大專、化學到醫藥、實體到遠距／羅珮綺、許智能、林雅凡

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：有機化學實驗與遠距教學課程設計／何桂華

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：大學基礎化學實驗後之選修實驗課設計與實施／黃立心

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：新冠疫情之下，有機化學實驗課的省思與創新—高醫大醫化系的例子／林雅凡*、李建宏、羅珮綺、高佳麟*

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：海洋大學普化實驗線上遠距教學及其多元學習評量—因應疫情紀實錄／賴意繡、黃志清

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：疫情時代的化學實驗課—室溫磷光之製作／邱秀貞

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：疫情期間普通化學實驗課首次遠距教學調適經驗分享／黃武章

l 大學化學實驗課程設計與線上教學：臺大普化實驗之線上教學設計—實驗安全與實驗技能／沈晏平

■ 結語

化學是一門實作科學，但因為這二年多來數次疫情影響，不得不停下實體課改採線上遠距教學或實體與遠距混成教學時，實作實驗課如何經由課程設計，繼續吸引學生專注學習，以達到原訂之學習目標？這需要教師們不斷的努力嘗試與反思改進。藉由加入多元化的教學資源、教師社群的觀摩分享，而能截長補短，不斷精進。大學教師的教學、服務與研究，需三方面並重並進；如何將學術研究成果融入學生實驗教學？如何能吸引我們的學生樂於實作實驗的學習？需要更多的教師投入心力與關注。藉由化學會舉辦的全國化學實驗教學人員工作坊或研討會，及《臺灣化學教育》這一次專刊分享，希望能引發更多的迴響！新冠肺炎疫情雖然影響全世界、全人類的生活方式，但不影響我們教學的熱忱。實驗教師們隨著時空環境變遷，獨自在沒有學生的實驗室或辦公室構思、設計、滾動式地調整我們的實驗教學模式。期待的是：學生的學習不受到距離的影響，仍能保持學習熱情，而更珍惜每一次學習的機會。

■ 參考資料

中國化學會（2021）。2021 全國化學實驗課程設計線上交流會｜疫情下的線上實驗課程設計、透過課程設計培養學生的實驗動機與能力。Youtube。https://www.youtube.com/watch?v=sp0l4ywP4wU

大學化學實驗課程設計與線上教學：有機化學實驗與遠距教學課程設計／何桂華

星期二 , 9, 8 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

大學化學實驗課程設計與線上教學：有機化學實驗與遠距教學課程設計

何桂華

國立成功大學化學系

[email protected]

n 前言

有機化學實驗在大學部的實驗課程中，相對於普化、物化及分析是屬於較危險的實驗課程，實驗室內會用到不同種類的化學藥品以及較大量的有機溶劑，且反應過程常需要進行高溫加熱，故進入成大有機化學實驗室必須遵守的最高守則，就是「安全第一，學習至上」。第一堂課同學就要接受超過三小時以上的安全震撼教育，除專業知識的學習外，有機實驗更希望培養同學滿滿的愛心及利他的觀念，來維護彼此的安全。這次因為新冠疫情，讓原本動手做實驗的課程，一夕之間風雲變色，學生無法實體上課，改成遠距學習，突如其來的改變，令老師和學生都亂了手腳，唯一的想法，就是該如何在線上，將每一顆想要學習的心凝聚起來，讓同學的學習盡量不受到影響。即使無法實作，也要能深入了解每個實驗的重點，才能收穫滿滿。去年8月化學會與台大合辦，2021全國化學實驗課程設計線上交流會，很榮幸參與介紹成大有機化學實驗及疫情下的課程設計，今撰寫成文搞。

n 有機化學實驗

成大有機化學實驗室於民國98年全面重新規劃，營建成以工安標準為規範的實驗室。實驗室為每一位上課同學，裝設程式控制型的排煙櫃，並配合設計良好的排氣風管，將實驗室廢氣集中收集，再連結到活性碳濾清水洗塔處理排放。而實驗桌則是以釉晶為材質故可以耐強酸強鹼，且實驗操作台之間的距離符合安全規範，提供學生一個良好安全的實驗空間（圖1），以便安心作實驗。以下針對有機化學實驗的分組設備、課程安排、上課教材及教學核心，四大項目來介紹成大的有機化學實驗。

圖1：成大有機化學實驗室

一、有機化學實驗分組及設備

成大化學系有機化學實驗課程，採小班制教學（圖2），平均每班22人（一個班級66人，分成3班），每班師資配置除授課教授，還有一位專任助教和一位研究生助教，每位同學獨立操作實驗，享受實驗的樂趣，同時每位同學也獨自擁有一台排煙櫃、一套專屬的玻璃器材及加熱板、抽氣機等實驗設備，實驗室內並配置有常用的儀器，包含：電熱式熔點儀、減壓旋轉濃縮儀、紫外光燈、真空烘箱、真空幫浦、電子天平……等，其他有機化合物鑑定所需用到的大型儀器FT-IR、UV-VIS、GC-MS置放於綜合實驗室共用。

圖2：小班制教學

二、有機化學實驗課程安排

上學期主要訓練同學各種分離、純化混合物及化合物結構鑑定的技巧，而下學期則以有機合成為主，讓同學藉由實驗教學與理論互相配合。並訓練同學微量試劑操作的實驗技巧，且設計多步驟的合成實驗，以節省藥品消耗及減少環境污染。每學期並安排二次分組研討，讓同學對每個單元實驗的原理及應用能更加深入了解。

三、有機化學實驗教材

以綠色化學相關的實驗作為實驗課程設計的指標（表1），除參考國外著名的有機實驗原文課本外，並配合有機實驗室內的各項實驗設備及儀器，自編成英文版的實驗教材提升學生對原文相關資料及文獻的閱讀能力。

表1：有機化學實驗更新為綠色化學實驗部份課程內容

混合物的分離、純化技術

Distillation:

Simple Distillation of the Ethanol Solution of Unknown
Concentration

Fractional Distillation of the EtOH-H₂O Mixture and Concentration Assignment of the Unknown

Crystallization:

Crystallization of Impure Phthalic Acid, Acetanilide and Benzoic Acid

Thin-Layer Chromatography:

Identification of
Unknown Compounds and Confirmation of Unknown Solvents with TLC

Column Chromatography:

Separation of Fluorene
and Benzoic Acid

Extraction:

Separation of Fluorene and Benzoic Acid

化合物的合成技術

Esterification:

Preparation
of Methyl Benzoate

Hydrolysis:

Hydrolysis of Methyl
3-Nitrobenzoate

The Reaction of Alkenes:

Oxidation of Alkenes;
Preparation of Adipic Acid from Cyclohexene

Reaction of Ketones:

Preparation of
1-Phenylethanol from Acetophenone

Oxidation of Aromatic Aldehydes:

Preparation of Benzoic
Acid from Benzaldehyde

Aldol Condensations:

Synthesis of
Dibenzalacetone

Benzoin Condensation:

Preparation of Benzoin
from Benzaldehyde by Catalyst Thiamine

Preparation of an Anticonvulsant Drug:

Synthesis of Dilantin
from Benzil and Urea

The Cannizarro Reaction

Preparation of Benzyl
Alcohol and Benzoic Acid

Wittig Reaction:

Preparation of
trans-1,2-Diphenylethylene

Hofmann Rearrangement:

Preparation of Anthranilic
Acid

上述綠色化學實驗的特色：

(1)反應所用的試劑及催化劑盡量無毒害性

(2)反應過程中減少溶劑的使用

(3)使用較無毒的溶劑

(4)產物可回收再利用做為下次反應的起始物

(5)微量製程減少對環境的污染

四、有機化學實驗教學核心

（一）提供良好安全的實驗學習空間，並建立學生安全衛生的觀念，來維護學生的安全和健康。

（二）以綠色化學相關的實驗，為主要的實驗素材（表1），減少對周邊環境的汙染，降低公害且資源再利用。

（三）更新實驗內容及多元化（表1），提高實驗教學品質與成效，以強化有機化學課程理論知識，與實際實驗教學互相印證。

（四）加強學生分離純化混合物的技術和合成化合物的技能( 圖3 )，讓學生獲得最好的學習，增加學生專業技能的競爭力。

圖3：有機化學實驗上課情形

n 遠距教學課程設計

2021年5月中旬，疫情突然升溫，學校緊急公布同學不用到學校上課，那時候有機化學實驗課程剛完成期中實作考試，緊接著後面還有6個實驗課程尚未完成。在疫情的衝擊下，有機實驗課不得不改成線上上課，除錄製影片外，就是邊想邊做邊學，雖然無法親手操作實驗，也期盼能克服遠距教學的種種困難，幫助同學即使線上上課，也不會影響到對有機實驗的學習熱忱與成效，遠距教學概況就從以下三大項目來做說明。

一、遠距教學軟體

這次線上軟體使用 Cisco Webex，上課軟體採 Power Point，同時錄製實驗步驟教學影片，再搭配置入PPT的上課教材內容中，做為這次遠距教學的輔助工具。

二、遠距教學上課流程

遠距教學採線上同步上課，每位同學都必需入鏡，以互動式的教學方式來進行（圖4），首先由老師講解實驗目的及原理，接著各小組接力報告實驗內容，同時老師也搭配上課教材和實作影片來進行講解，讓學生更深入了解實驗原理及操作。實驗步驟及內容討論結束之後，各小分組互相進行Q&A（問答內容不可重複），過程中老師也會隨時提出問題，在一連串的問題解析之後，最後老師統整今天上課的實驗重點，並交代大研討的作業，下課後同學必須整理提問的內容，做為實驗結果的報告，上傳給老師，而當天上課實況的錄製影片，課後也會上傳雲端提供同學複習。

圖4：遠距教學上課流程圖

三、遠距教學學習評量

我們遠距教學的學習評量重點，包括：課前的準備、上課的參與度、課後問題整理（圖5）和期末口試（圖6）。

（一）預習實驗分數的考評：上課前學生需上傳反應機轉及實驗劑量，同時毎位學生需準備接力報告的內容，包含：實驗原理、步驟及各項注意事項。

（二）實驗結報分數的考評：同學需針對被提問的問題、及自己準備的Q&A問答做詳細的補充整理，並於課後上傳。

（三）實驗態度分數的考評：上課的參與度與熱忱，包含：所準備問題的深度以及回答問題的正確性。

（四）實驗期末口試：期末口試分成兩部份，第一部份是混合物基本分離純化技術，第二部份是有機合成指定實驗。考試順序採抽籤的方式，考題是盲選模式，應考的學生需於規定時間內，將實驗內容採重點條列式串連介紹，而線上其他陪考的同學，則必須仔細聆聽應考者的報告內容手抄筆記，下線後上傳給老師。

圖5：遠距教學學習評量

圖6：期末口試說明圖

n 結論

嚴峻的疫情，改變了人與人之間的距離，也改變了上課的距離，從實作上課改成遠距教學，而期末大考也從實作考試和筆試改成口試。電腦螢幕將全班的同學集合在一起，以互動的教學方式進行接力報告，相互提問解答，因此同學們並沒有因為線上上課而放鬆學習，反而需要花更多的時間先預習實驗，對原理、步驟等內容深入了解，方能提出有深度的問題，且必須準備更多實驗相關的資料及文獻，才能回答出其他同學的提問。部分同學也會為了線上的Q&A，課前先開實驗預習研討會，且下課後還會有同學繼續留在線上追問問題，同學參與的熱情與學習的態度，不亞於實體上課，而線上上課所耗費的時間也多於實作。線上期末大考──口試，更是讓每位同學既興奮又緊張，同學必須將實驗內容準備得更充分扎實，才有辦法在應考的時候順利作答。這種用集體聽寫的方式來考口試，不但可以訓練同學的應變、組織以及表達能力，還可以複習一整年有機化學實驗的內容。由於去年6周的線上實驗課程，同學與老師都必須投入更多的精神與體力去準備。所以同學即使不能親手作實驗也能深入了解每個實驗的精髓，但實驗室內實作的經驗昰無可取代的，還是希望這波疫情，能盡速消彌，大家平安健康，回到充滿人氣與活力的實驗室，親自動手作實驗，去享受作實驗的樂趣。

大學化學實驗課程設計與線上教學：合成阿司匹靈—跨越高中到大專、化學到醫藥、實體到遠距／羅珮綺、許智能、林雅凡

星期二 , 9, 8 月 2022 編輯助理本期專題, 第四十八期/2022年8月留言功能已關閉

大學化學實驗課程設計與線上教學：

合成阿司匹靈—跨越高中到大專、化學到醫藥、實體到遠距

羅珮綺、許智能、林雅凡*

高雄醫學大學醫藥暨應用化學系

[email protected]

n 前言

如果訪問本系大一學生對該年化學實驗課最有印象的單元，得到的答案常常是「阿司匹靈的製備與純化」，因為它在高中化學實驗課即被介紹過，不過大部分學生過去僅看過老師演示，直到大學才有機會實作合成阿司匹靈。我們因此思及，以此實驗作為高中連結至大學化學實驗課的橋接課程。不過不同年代有不同學習文化，實驗課程對於訓練化學專業學生所應扮演角色也需有所調整，因此這個實驗內容和執行方式也在本系作實驗變革的15年間，被重新修改多次。

本文將以「阿司匹靈的製備與純化」實驗單元的優化與修改為例，分享本系為提升大學基礎實驗能力，投入於實驗課程改進的經驗，希望所建構的實驗課程，不僅幫助學生以另一方式建構科學知識，亦能透過實作，建立實驗的流程概念，從動手做中連結理論，進而活用知識原理。除了介紹本實驗單元內容隨教學內涵與訓練目的演進的過程，亦會提及因應新冠疫情，將此單元改為線上課程的經驗。

n 與時俱進的實驗課程

一、本系基礎化學實驗課程改革簡介

　本系在成立之初，考量配合化學專業課程學習，以科目區分實驗課程名稱：大一修習普化實驗、大二修習分析及有機實驗、大三則修習物化實驗。不過隨著中學教育改革、多元的大學入學方案、對整合學習與研究能力更加重視，自2007年本系許智能教授接手實驗課程改革之際，便將實驗課程整合為化學實驗一、二、三、四、五，內容雖仍與各年級修習化學專業課程相符，不過更強化研發概念，希望實驗課不只著重一項知識的單點學習，學生亦能從中更多理解所學習知識原理與實際學界研究議題、業界強調研發技術能力的關聯，進而能一窺真實化學專業人才可能觸及的面向和技能。因此此階段實驗課內容除了強調驗證原理，亦加入如奈米科技、製藥、儀器分析檢驗、環境化學…等單元，使實驗教育的內涵更豐富。107學年度起，本系有感於學生有更完整的時間做專題研究的重要性，希望化學系學生在畢業之前對於策劃研究、執行實驗有通盤性的認識和訓練。同時顧及普通化學內容與部分高中化學內容重疊，將大一普通化學由原本二學期6學分降低為一學期4學分，並將專業必修科目（有機化學、無機化學、物理化學、分析化學、生物化學、醫藥品合成化學、量子化學、儀器分析）提前半學期修習，學生因此能提早開始進行專題研究。為使實驗課程與必修學科之間有一定的鏈結，並且強化實驗內容的完整性，將普化實驗結合分析化學的檢驗、定量概念，整併入化學實驗一；基礎分析實驗與有機純化技巧訓練規劃為化學實驗二；化學實驗三、四除強化各樣有機純化技巧與光譜鑑定操作之外，亦包含有機化學各種反應與多步驟合成反應介紹（見圖1）。

圖1：化學實驗課程變革圖

二、「阿司匹靈製備與純化」實驗改革

（一）第一階段改革：高中課程延伸至普化配位化學

　　「阿司匹靈製備與純化」是在2007年間本系進行第一階段實驗課程改進時加入的單元，正如前文所述，將此實驗選入一年級實驗課程有以下二重意義：其一，高中化學課程亦介紹阿司匹靈，本課程可作為很好的橋接教材；其二，阿司匹靈在藥化發展上有其重要性，透過此實驗一方面能幫助學生探索「製藥領域」，另一方面也鏈結系上教授的研究領域。

　　不過既將本教材擺放為一橋接角色，就期待本實驗應有較高中課程延伸的內容，既能配合所學專業知識，也能更開闊學生對化學專業的認識。在這樣的考量下，當時負責實驗改革的許智能教授加入第二部分內容：以所合成的阿司匹靈做為配位基，進一步製備其含Cu(II)錯合物（Abuhijleh, 2011）。這部分實驗的加入使學生有機會透過實作，認識普通化學課程中所介紹的配位化合物單元，也是少數大學基礎實驗讓學生能觸及無機化學領域的研究。透過此實驗，一方面介紹系上一部分無機老師的研究，一方面也帶領學生認識「金屬藥物」—對當時與現在而言都是正在興起發展的研究領域（乙醯水楊酸銅copper(II)
aspirinate已被證實有較阿司匹靈更好的抗發炎效果）。

（二）第二階段改革：模擬製藥工業思維流程

　　106年暑假本系辦理給高中生的「醫藥化學實驗競賽」，選擇以此實驗為主軸，希望藉此傳遞藥物合成所需考量的程序與步驟，學子們能透過參與這個比賽更體會各種化學原理與實務和產業應用間的緊密相關。我們於是重新體檢此實驗的教材設計：「如果模擬藥廠工作，本實驗教材是否能呈現從上游到下游製藥工業的重要環節？」。我們發現整個實驗教材設計中，若能加入以下兩部分，會使整體內容，與表達一般合成實驗流程更臻至完善與貼近現實。

1. 「開發新藥與藥物設計」環節—最為經典的structure-based drug design概念是值得著墨的一部分，這也是有機合成發展開啟化學藥物治療的重要基石，昭示了學習分子結構的重要性。

2. 「檢驗合成產物」環節—任何新開發的產物都需要交代：「如何證明新產物結構符合預期？」以及需要告知「產物有多純？」來證明其創新、安全性和效用。「合成—純化—檢驗」的流程是訓練合成化學家之過程中需要養成、深植於觀念中並能靈活應用的思維。

（三）現行「阿司匹靈製備與純化」實驗教材簡介

那麼如何將以上兩部分融入教材中? 要傳達以上兩部分內容的教學呈現方式有很多，最需考慮的是對象—本實驗的教學對象是高中和大一生（此版本也是現行的大一實驗教材），這階段的學生在心態上仍在適應實驗室中的學習方式和氛圍，正學習各種操作技能，因此知識學理上不應加入過於複雜的元素，混亂學生的學習焦點。基於以上考量，我們以以下方式作教材調整：

1. 在說明結構為基礎之藥物設計（structure-baseddrug design）的概念上，以藥物化學史的方式呈現，在原理的介紹中，簡單介紹阿司匹靈被開發的歷史（Diarmuid, 2005/暴永寧、王惠譯，2010；Le Couteur & Burreson, 2004/洪乃容、何子樂譯，2005）—從西元前2500年的埃及文明時代，知道柳樹有消炎和止痛的記載開始，到透過從天然物中提取柳酸苷，證實它為最主要的活性成分，隨有機合成化學的興起進一步將柳酸苷後製為柳酸，卻發現這類化合物因酸度較高而造成胃刺激性的副作用。最後1853 年法國化學家查爾斯．格哈特（Charles Frédéric Gerhardt）合成酸度較低的衍生物乙醯柳酸，降低對胃的不良影響，唯其步驟產率低，不合效益。費利克斯．霍夫曼（Felix Hoffmann）於是改良合成步驟，成功提高產率，於1899 年由德國拜耳（Bayer）製藥公司將此化合物命名為阿司匹靈，正式註冊問市。從柳酸苷，到柳醛/柳酸，再到乙醯柳酸，可看見演進發展的歷程保留了重要的分子骨架，但透過衍生化產物調控活性與酸鹼性，此即結構為基礎之藥物設計精神（如圖2）。

圖2 以結構為基礎之藥物設計概念發展的阿司匹靈

2. 在檢驗合成產物的結構與純度上，配合大一必修課程內容，我們捨棄「光譜鑑定」的概念，而以「比色法」替代。最主要的原理是，以FeCl₃作為檢驗試劑，如果有未乙醯化的柳酸存在，酚基會與FeCl₃形成紫黑色錯合物；乙醯基卻不會，因此阿司匹靈溶液中加入FeCl₃仍呈黃色（Borer & Barrer, 2000），如此一來便能利用裸眼比色，來檢驗合成的產物純度，如果發現尚有起始物殘留，則需重新再精製。當然以「比色法」檢驗之結果所作出來的細緻度一定不比利用光譜儀器分析，但在這階段強調的是「建立觀念」，並且也呈現歷史的演進，為「儀器測量的出現是為了更精準量化、方便快速等目的而發展出來」的知識留伏筆，探索力較高的學生透過思考提問便能發現其中堂奧。

表1列出本系以「阿司匹靈製備與純化」實驗作為橋接課程教材的改革演進歷程，與每一項目設計目的，藉由每一環節緊緊相扣的設計，更完整使學生建立起合成新化合物所需流程步驟的基本認知，同時也藉此認知配位化學內容，與概覽無機化學實驗室相關研究。

表1 本系「阿司匹靈製備與純化」實驗改良階段介紹

實驗內容項目

項目目的

高中實驗課本內容

本系第一階段改革

本系第二階段改革

藥物設計原則

了解化學結構與反應性之間的關聯，進而理解衍生化的重要性

阿司匹靈製備

了解並驗證柳酸乙醯化反應

Ｖ

阿司匹靈純化

了解再結晶的原理和應用範圍，並能以再結晶技巧純化阿司匹靈

Ｖ

FeCl₃比色法檢驗阿司匹靈純度

利用比色法檢驗純化步驟的完成程度，判斷實驗能繼續進行或必須再精製

Ｘ

Ｖ

製備阿司匹靈Cu(II)錯合物

以純化的阿司匹靈作為配位基，製作配位化合物，從而一窺無機配位化學暨金屬藥物的研究內容

（四）「阿司匹靈製備與純化」實驗教材的展望

這樣的內容是以高中至大一學生為對象所設計的，因此在製備阿司匹靈Cu(II)銅錯合物之後，除了以裸眼觀察顏色之外，並沒有進一步測量光譜、鑑定結構。不過若將之作為大三實驗課內容亦有好處—大三化學系學生對無機化學更加熟悉，更加知道含過渡金屬的配位化合物可能呈現顏色的原因；對利用儀器來鑑定化合物的概念亦更加清晰，因此如果有機會在大三重現此實驗，但加入UV-Vis、AA、ICP-MS、ESI-MS、XRD、CV、EPR或SQUID等各種儀器的測量，將更完善此實驗課程。

n 疫情之下的實驗課程

由於本實驗內容十分適合協助高中生橋接中學與大學的學習，也符合本系「醫藥化學」的核心精神，因之多次被系上選作辦理高中營隊的實驗素材，與「遠哲科學教育基金會」共辦的「化出新知探究化學營」即是一例。無奈從去年夏天開始，因新冠肺炎疫情的阻撓，極度嚴峻之時所有營隊被迫停辦、及至今年寒假雖能復辦，卻被迫以線上方式進行。本系趁此討論遠距實驗課的幾種可能性，本實驗單元也在討論中，而產生線上實驗課程的架構。在此分享本系針對80人左右的學生，執行「阿司匹靈的製備與純化」之經驗。

我們先行錄製從原理講解、步驟、實驗操作、結果、實驗記錄等流程的詳細影片，拍攝過程著重實驗操作及希望學生觀察的細節，輔以講述每個流程中相關原理與關鍵步驟。為提升同學的參與感，並以google表單的形式設計學習單，在觀看一部分影片後，即讓同學填寫實驗的原理討論、內容觀察、及延伸發想，同時設計判斷實驗環節，學員們能依照影片中講述的原理及化學小知識，判斷出結果（見圖3）。在營隊中，助教收集並批改學生上傳之學習單，從裡面挑出3~5位同學於最後一天做線上成果發表，讓學員們有機會口頭分享參與線上實驗之心得與發表學習單上的延伸發想問題，使我們能了解線上實驗課程實施之效益，學員發散與聚歛思考的能力、及探究與批判式思維的成熟度。在營隊閉幕發表會上，學員也能透過教授、同學的提問和討論，有更多交流答辯的機會，以梳理、分析各種學習醞釀出之思辨，讓知識更加條理分明、能以活化應用。

營隊結束後我們藉由分析學習單，了解透過影片方式介紹實驗，(a) 學生的理解程度如何？(b) 學生觀察、提問與解決問題的能力如何？(c) 能夠引起學生學習動機的因素有哪些？我們分析學習單問題屬於理解原理與實驗概念部分，約50%回答正確、觀念清楚。值得提出來討論的，是學生在「純化步驟」上的理解程度較低，只有6%能正確回答「抽氣過濾之後，為何要以冰水清洗結晶」; 只有12%能理解「如何增加最後結晶產量」問題的意義。這樣的結果透露了「只以影片觀看，沒有實際操作」的學習機制可能無法使大部分學生將「純化」原理與實際操作技能連結起來。在觀察與提問方面，約20%學生能在影片示範實驗中，作有意義的觀察，並提出疑問或改進辦法。難能可貴的是，有些學生不僅注意到實驗過程中，物質顏色、狀態的變化，更注意到操作技巧，比如秤藥時可透過刮勺輕敲瓶壁、以玻棒攪拌不使溶液濺灑出來的方法等。我們也發現：具顏色、狀態變化的過程，課本文字曾出現過，但能在實驗室中看到實景的實驗，是最能引發學生興趣，想親自動手嘗試的。除了呈現藍色的阿司匹靈銅錯合物引起許多學員的興趣之外，以薄層層析檢驗反應完成度的操作，也讓學生躍躍欲試—理由除了透過展開液，看到原來呈現一點的溶液展開成多點覺得有趣之外，有些人亦提到課堂上老師曾提過原理，親眼看到實驗覺得十分興奮。

雖然因為疫情，2021年所舉辦的營隊只能進行線上實驗，但透過學習單的回饋，使我們知道對學生而言，親自動手做實驗與只是觀看示範實驗兩者帶出的理解力差距不小，以及哪些類別現象的實驗能提高學生學習興趣。我們保留今年所收到的學習單，作為未來改進實驗的依據。

圖3 線上實驗課程進行流程圖

n 結語

「阿司匹靈的製備與純化」是十分經典的化學實驗，這個實驗不僅能學習有機化學衍生化的概念、驗證親核取代反應、練習再結晶純化，更能連結到醫藥化學歷史，從歷史的過程了解每一步合成化學的意義與重要性，因之被選錄於高中化學實驗內容中。「巧妙使用已然學習過的知識，以終為始、連結過去知識，進一步將知識往前拓展，以收溫故知新之效」的理念，是本系改良此實驗內容的信念，讓化學知識與實驗技能的學習能連貫而不斷疊加。「橋接課程」的存在是為了製造「似曾相識」的學習情境，使學生進入新的學習階段與領域之時，不致感到過於陌生，而更加勇於投入學習。為此，配合本系學分與課程的設計，過去15年本系以兩階段對此實驗作內容革新，期待學生透過這樣的架構，更了解合成化學必要的流程、一探製藥工業的內容，並有機會探索現今各種研究領域，除了知識技能的訓練，也希望開啟學生的視野，更了解化學為各種產業注入的無限可能，激發學生主動學習的熱情，使學生從基礎實驗室進入專題研究的過程更加順利。

n 致謝與其他說明

　　本文作者羅珮綺為高醫醫化系助教、林雅凡為高醫醫化系合聘副教授。感謝許智能教授分享本系實驗課程改革歷史與經驗，完善豐富本文。

n 參考資料

Diarmuid, J.(2010)。阿斯匹林傳奇（Aspirin: The remarkable story of a wonder drug；暴永寧、王惠譯）。三聯書局。(原作出版於2005年)

Le Couteur, P., & Burreson, J. (2005). 拿破崙的鈕釦：17 個改變歷史的化學故事（Napoleon’s buttons: 17 molecules that changed history；洪乃容、何子樂譯）。臺北市：商周。(原作出版於2004年)

Abuhijleh, A. L. (2011). Mononuclear copper(II) aspirinate or salicylate complexes with methylimidazoles
as biomimetic catalysts for oxidative dealkylation of a hindered phenol, oxidation of catechol and their superoxide scavenging activities. Inorganic Chemistry Communications, 14(5), 759-762.

Borer, L. L.; Barrer, E. J. (2000). Experiments with Aspirin. Journal of Chemical Education, 77(3), 354-355.

n 附錄

相關教材與營隊學習單課參照下方連結

阿司匹靈的製備與純化營隊使用教材

營隊學習單1, 2

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