臺灣化學教育

奈米課程：從奈米碳黑探討蓮葉效應的概念改變教學

陳月雲¹、盧秀琴²

新北市中和區秀山國民小學¹

國立臺北教育大學自然科學教育學系²
[email protected]¹

[email protected]² 

奈米科技課程將於2010學年度起正式進入國民小學自然領域課程中，本研究以實徵教學方式來瞭解學生學習蓮葉效應可能產生的另有概念，發現76.57%學生產生自潔效應的另有概念，再以奈米碳黑配合POE策略模擬蓮葉效應教學。教學後，學生較能理解蓮葉效應的疏水性與自潔效應，超過61.9%學生能解釋其成因，具有蓮葉效應的正確概念。研究結果顯示採用POE策略結合奈米碳黑實驗教學，能提升國小學生對蓮葉效應的理解，更有助於另有概念改變，提升學習成效。

n  簡介

奈米（nm）是二十一世紀最熱門的名詞，奈米科技已被公認是二十一世紀最重要的技術之一（潘文福，2004）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通高級中等學校自然科學領域第三階段學習內容「INf-Ⅲ-3自然生物的特徵與原理在人類生活上的應用」中，明列「藉由觀察荷葉或芋頭上的露珠不會弄濕荷葉，蓮葉表面具有超疏水性以及自潔的特性，認識蓮花效應與奈米科技」（國家教育研究院，2020）。由此可知奈米科技課程已進入國小自然領域課程中。

蓮花表面具有出污泥不染的能力，這種不需要人工清洗，僅由天然雨水沖刷就可保持葉面清潔的能力，科學界稱為「自潔功能」，其中又以蓮花為代表，稱為蓮花效應（Lotus effect）（廖達山等，2004）。碳黑由碳元素組成，係指未完全燃燒的碳顆粒，大小介於10nm ~100nm，附著在物體表層上，會產生與蓮葉效應相類似的現象，是人類最早使用的奈米材料之一（奈米碳的奧秘，2020）。

另有概念普遍存在於學生學習狀況，會影響學生的學習成效，很難經由傳統教學方法而改變，對科學教育者而言，瞭解學生的另有概念是非常重要的（Wandersee et al., 1994；Palmer &
Flanagan, 1997）。預測－觀察－解釋（Prediction－Observation－Explanation，POE）教學策略能有效引出學生的另有概念，激發學生觀察實驗結果的真相，能產生認知衝突而重新調適與組織，以形成新的知識體系，達成另有概念改變的目的（邱美虹，2000；Liew, 1995）。本研究透過水珠在蓮葉上的觀察，分析學生學習的另有概念，再藉由POE教學策略進行奈米碳黑實驗，瞭解學生的另有概念改變情形。

n  國小學生的蓮葉效應學習情形

第一階段採用實徵教學方式，觀察水滴在蓮葉上的形狀、移動情形和自潔效應，瞭解學生學習的概念產生情形，活動整理如表1所示。

表1 蓮葉效應教學概念與活動內容

    教學後，多數學生能理解「疏水性」概念，知道「蓮葉上的水珠呈圓形，且能在葉面上滾來滾去」；但對「自潔作用」存有較多的另有概念，認為「水流過的地方，爽身粉會隨著水的滾動而被帶走，爽身粉溶於水中，所以爽身粉會在水的裡面」，分析學生的應答情形，如表2。

表2 實徵教學後學生於蓮葉效應的應答情形

從學生的應答情形可知，學生多半就直覺性的感官觀察來描述現象，致對另有概念頗多，尤其是自潔效應之另有概念比例更高達72.57%。探究其產生原因多半為：1.將多數複雜的概念或決定步驟簡化成數個簡單旳概念或決定步驟（化約模式）；2.將相關概念與階層概念的關係誤用（推理不當模式）；3.將生活經驗當作正確的科學意義（經驗誤用模式）；及4.將概念的定義陳述錯誤（記憶連結錯誤模式）等，如表3另有概念模式分析所示。

表3另有概念診斷測驗中學生應答之另有概念模式分析

n  奈米碳黑配合POE教學法的另有概念改變教學

為改變學生的另有概念，故以燭火燻在裝有水的紙杯底部，製造一層碳黑，再滴水於碳黑上之模擬蓮葉效應的奈米碳黑實驗，採用POE學策略，透過奈米碳黑與水之間的反應觀察情形，分析學生另有概念改變情形，其教學分析整理如表4所示。

表4奈米碳黑配合POE教學法的另有概念改變教學分析

教學後，學生對「爽身粉會被包覆於水中」的概念轉為「爽身粉會將水包覆，黏附在水的外面」；瞭解碳黑為奈米尺寸，具有與蓮葉效應相同的效果；以及改變物質表面材質，可使原本親水性的物質轉為具有疏水性的特性，並可應用於日常生活中，例如奈米磁磚、奈米布等。後測成績表現上亦明顯多於教學前，其正確概念比例明顯提升，如表5所示。

表5 學生在奈米碳黑配合POE教學後的蓮葉效應成就測驗表現

n  結論與建議

根據學生的另有概念進行另有概念改變教學，學生在科學概念上有較多的嶄獲。由於奈米尺寸過小，學生無法直接從肉眼觀察去理解水珠、爽身粉與蓮葉間交互作用的成因，僅能就表面現象去想像，形成的另有概念較多。因此，提供學生模擬實驗的觀察與討論是很重要的，另採用POE策略教學除可幫助學生發現自己的概念衝突外，更可使學生瞭解實驗觀察的真相、學習狀況與概念轉變情形，更有助於另有概念的遷移，提升學習成效。

n  參考資料

廖達山、胡苓芝、潘彥宏、孫蘭芳（2004）。奈米科技K-12教育發展系列叢書—奈米科技交響曲生物篇，台北市：國立台灣大學出版中心。

潘文福（2004）。奈米科技融入九年一貫課程之領域主題規劃。生活科技教育月刊，37（2），20-25。

邱美虹（2000）。概念改變研究的省思與啟示。科學教育學刊，8，1-34。

奈米碳的奧秘（2020年7月12日）。國立台中教育大學科學教育與應用學系科學遊戲實驗室，網址：http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-018.html。

國家教育研究院（2020年7月19日）。教育部發布之十二年國教課綱彙整—十二年國教各領域/科目課程綱要／十五、自然科學領域。網址：https://www.naer.edu.tw/files/15-1000-14113,c1594-1.php。

Liew, C. W. (1995). A predict-observe-explainteaching sequence for learning about students’understanding of heat and expansion of liquids. Australian
Science Teachers Journal, 41(1), 68-71

Palmer, D. H., & Flanagan, R. B. (1997). Readiness to hange the conception that “motion-Implies-force”: A comparison of 12-year-old and 16-year-old students. Science Education, 81(3), 317–331. 

Wandersee, J. H., Mintzes, J. J., & Novak, J. D. (1994). Research on alternative conceptions in science. In D. Gabel (Ed.), Handbook of research on science teaching and learning. New York:
Macmillan.

奈米課程：融入式奈米課程之設計

何慧瑩

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

本文之目的是讓讀者了解我們設計融入現有K-12科學教材的奈米課程之歷程，文章包含K-12奈米科技教育、奈米科技之重要概念（big ideas）、以及依據各階段認知能力與教科書之科學課程設定奈米課程融入之重點。

n  K-12奈米科技教育

奈米人材培育計畫希望能透過計劃之推動，培育出至少兩類人材，其一是能夠領導或執行奈米科技之人材，其二是能夠認知奈米科技潛能並將其產業化及商業化之人材。基於此目標，所以在人材的培育向下紮根至K-12，向上則是到大專院校與研究所（李世光等人，2003）。向下紮根至K-12，一開始最需要挑戰的就是K-12教師，因為大家都不認識奈米尖端科技，因此必須老師願意新收新知、接受訓練，當然也要對於教學有相當的熱情。

有了老師，若沒有教材也沒有用，因此當時的奈米人材培育計畫除了培訓種子教師之外，也辦理教案設計等相關競賽。經過多年的努力，許多優質的奈米教案被設計出來。趙毓圻等人（2011）以Stevens等人（2009）提出的九項奈米尺度科學與工程重要概念（big ideas），分析了2003至2008年中小學種子教師發展的209 份奈米實驗教材。他們發現整體中小學實驗教材的各重要概念出現頻率和相互關聯性的結構裡，以「尺寸與尺度」、「物質構造」和「尺寸效應」呈高出現頻率及高關聯性。他們建議在中小學可以將這三個概念加以連結來設計教材，或者是加以延伸。張政義（2008）以融入現有教學媒材之教學型態，使學生經由「認識奈米科技」、「體驗奈米科技」至「應用奈米科技」等學習階層，銜接「奈米科技K-12 教育」之學習。他認為可透過創意實驗與創意實作學習，達到促成「奈米科技」跨領域的創意學習整合分享教學成效。潘文福與周裕欽（2012）採德懷術研究國小3至6 年級適合奈米融入自然教學的核心能力與指標。他們研究發現，89%專家認為有必要將奈米融入3至6 年級的自然教學，50%以上認為適合奈米融入自然教學的核心能力依序為科學態度、科學技術認知、思考智能、科學應用。從以上的文獻，除了教師之因素，我們設計奈米課程需要知道奈米的重要概念（亦即九項big ideas）、各學習階段所能融入的重點與方式、要有讓學生動手做的創意實驗、最後是要融入哪些自然教學的核心能力。

圖1所示為本文作者依據這些文章所繪製的K-12奈米科技教育概念圖，圖中包含兩大區塊：教師與教學設計。其中，九項big ideas和各階段學童的認知能力作為教學設計之基礎，而創意實驗除了動手做之外，還加上了數位學習與影片學習，以因應無法在一般實驗呈現的奈米現象。而我們在設計奈米課程時，即依據這樣的邏輯進行。

圖1：K-12奈米教育概念圖（圖片來源：作者繪製）

n  奈米科技的九項Big ideas

奈米科技的九項big ideas彼此之間是互相有關聯的，但仍可依概念之差異來區分。本文作者參考趙毓圻等人(2011)的說明，重新詮釋九項big ideas之內涵：

一、尺寸與尺度（size & scale）

尺寸是指物體的大小（長、寬、高、直徑、…），尺度則為尺寸在數量級上的差異，例如：天文尺度（AU天文單位、光年）、毫米尺度（ m）、微米尺度（ m）、以及奈米尺度（ m）。

二、物質的構造（structure of matter）

物質的構造泛指其組成份子之排列方式，例如：原子排列、分子排列、介質週期性排列，常見的教學內容為巴克球、奈米碳管、光子晶體。

三、尺寸效應（size effect）

指物質的尺寸在不同尺度範圍，伴隨有性質上的變化，例如：燃點的變化（鐵無法燃燒，但奈米鐵粉只要自由落下，即可因摩擦生熱而燃燒）、顏色變化（奈米金不是金色，它的顏色隨直徑而變化）、反應速率變化（將蘿蔔切碎，比表面積會增加，因此提高與雙氧水的反應速率）。

四、力與交互作用（force & interactions）

形成交互作用時，必有力的存在。例如：形成各種鍵結的庫侖作用力、造成壁虎效應的凡德瓦力、造成蓮葉效應的表面張力（表面能）。

五、量子效應（quantum effect）

粒子的波粒二重性所造成的各種現象，例如金屬能帶結構、穿隧效應、電子繞射。

六、自組裝（self-assembly）

物質可以自己排列成規則性結構，這規則性結構與物質所在環境有關。例如：結晶、DNA複製、粒子排列（圖2）。

圖2：直徑20微米塑膠球的自組裝（拍攝者：林威延和湯雅慧）（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016）

七、工具與儀器（tools & instrumentation）

    工具與儀器幫助科學家研究，例如：近場顯微鏡（SNOM）、原子力顯微鏡（AFM）、穿隧電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）…等。若沒有工具與儀器的發展，許多奈米尺度的現象是無法被研究與觀察的。

八、模型與模擬（models & simulations）

    所有的研究與觀察。都需要透過實體模型或理論模型來建構出其樣貌，透過模擬可以進行推論，例如利用電腦可模擬光子晶體結構對的光線傳播的影響。

九、奈米科技與社會（nanotechnology & society）

    奈米科技對社會的影響，包含正面與負面影響之評估，例如奈米科技對人類生活的衝擊、奈米粒子對環境的影響。

n  發展K-12融入式奈米課程

推廣K-12奈米教育，對教師而言，最困難之處在於教材設計，若能直接融入各學習階段的科學課程，對教師授課而言，可大幅降低教學進度的壓力，因此，我們選擇發展融入式奈米課程。以下是我們設計融入式奈米課程的四個步驟：

一、分析K-12認知能力範圍內之素材概念

    一開始，我們必須先釐清奈米素材在K-12認知能力範圍內所包含的概念，以避免設計教材時，超出學生認知能力範圍太多。分析的內容主要包含兩部分：(1)生活上常見的奈米現象；(2)有關聯的big ideas及其相關知識內容。

    以蓮葉效應為例（圖3），生活上常見的蓮葉效應現象有蝴蝶翅膀和蓮葉表面的自潔效應，這是因為奈米結構引起的超疏水性；與蓮葉效應有關的big ideas包含尺寸與尺度、尺寸效應、力與交互作用、以及奈米科技與社會，對應這些big ideas的知識內容，我們也一一寫入概念圖中，最後以「四力平衡系統」作為總結。

圖3：蓮葉效應概念分析圖（圖片來源：作者繪製）

    我們再以光子晶體為例（圖4），蝴蝶翅膀和光碟片為生活上常見具有光子晶體現象的昆蟲與物品，以不同視角觀看蝴蝶翅膀和光碟片時，會看到不同的顏色，這是因為光子晶體對色光的反射行為與色光頻率有關；光子晶體包含的big ideas有尺寸與尺度、物質的結構、尺寸效應、自組裝、以及奈米科技與社會，我們把對應這些big ideas的重點寫入概念圖中，最後以「光的能帶結構及其衍生之現象」作為總結。雖然光子晶體最重要的發現是光的能帶結構和負折射率，然而基於超出K-12階段認知能力太多，我們必須捨棄，因此雖然在圖4的總結中出現能帶結構這名詞，但設計教材時會著重在其衍生的現象。 

圖4：光子晶體概念分析圖（圖片來源：作者繪製）

二、分析素材概念可融入各階段科學課程的奈米科技重點

    我們依據素材概念分析圖，尋找各學習階段科學教科書中與該素材相關的教學內容，然後依據各學習階段之認知能力，分析可融入科學課程的奈米科技重點。

    以蓮葉效應為例（表1），幼稚園至小二階段為感覺動作期，此階段以體驗和認識蓮葉效應為主。國小中、高年級為具體運思期，我們可透過具體操作讓他們了解蓮葉效應和毛細現象的特徵有何相同之處，並思考在生活中的應用。國中和高中階段為形式運思期，此階段學生可進行抽象思考，因此可讓國中學生了解蓮葉效應與力平衡有關，而高中學生則可分析毛細現象和蓮葉效應與表面張力的關係。

表1：蓮葉效應可融入各階段科學課程的奈米科技重點

    再以光子晶體為例（表2），幼稚園至小二階段以體驗和認識光子晶體現象為主。國小中、高年級可透過具體操作讓他們了解週期性結構是光子晶體的特徵，並思考在生活中的應用。國中學生可經由操作和教師解說，了解光子晶體現象的週期性結構是奈米結構。高中學生可從觀察到不同的光子晶體現象，進而推論奈米結構週期尺寸差異為何。

表2：光子晶體可融入各階段科學課程的奈米科技重點

三、設計創意動手做實驗

    依據素材概念分析圖（圖3和圖4）和奈米科技融入科學課程之重點（表1和表2），思考如何有創意地讓該奈米現象透過動手做實驗呈現出來。詳細的創意實驗設計過程，請參閱〈「蓮葉效應」國中奈米課程與教具設計〉和〈「光子晶體」高中奈米課程設計〉兩篇刊載於本期之文章。

四、撰寫教案

    最後，搭配科學課程設計完整的融入式奈米教案。詳細的教案設計，請參閱《高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊》（何慧瑩、盧秀琴，2014）和《國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊》（何慧瑩、盧秀琴，2016）兩本書籍。

n  結語

發展新興科技的課程不是一件容易的事，因為教師自己得先了解這些新興科技背後的原理，分析其概念，才能進行教學設計。然而了解這些新興科技的原理對教師而言，本身就是一件相當不容易的事。我自己相當佩服在計畫推行初期，即投入這艱難工作的種子教師們，在此向他們致上最高的敬意！

n  參考資料

何慧瑩、盧秀琴（2014）。高中「光碟讀寫機制與其光子晶體現象」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-1582-7)

何慧瑩、盧秀琴（2016）。國中「蓮葉效應與力平衡」教學模組教師手冊。國立臺灣大學K-12奈米科技教育發展中心。臺北市。(ISBN：978-986-04-5286-0)

李世光、吳政忠、蔡雅雯、林宜靜、黃圓婷（2003）。奈米科技人才培育計畫之推動規劃與展望：從K-12奈米人才培育試行計劃談起。物理雙月刊，25(3)，435-443。取自https://www.ps-taiwan.org/bimonth2/download.php?d=1&cpid=131&did=9

張政義（2008）。奈米科技融入國小自然與生活科技課程之教學研究。物理教育學刊，9(1)，109-122。

趙毓圻、熊召弟、于曉平（2011）。臺灣中小學奈米科技實驗教材之內容分析。教育科學研究期刊，56(4)，1-42。

潘文福、周裕欽（2012）。奈米科技融入國小3-6 年級自然與生活科技課程核心能力與指標之研究－奈米專家觀點。物理教育學刊，13(2)，77-102。

Stevens, S., Sutherland, L., & Krajcik, J. S. (2009). The big ideas of nanoscale science and engineering: A guidebook for
secondary teachers. Arlington, VA: NSTA Press.

奈米課程：「壁虎效應」高中奈米課程之教具設計

何慧瑩^*、張惠雯、湯雅慧

國立臺北教育教育大學自然科學教育學系

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本文介紹奈米科技中常見的「壁虎效應」原理，以及如何製作具有實驗與數據分析之高中「壁虎效應」教具，最後提出對未來發展成「壁虎效應探究與實作課程」之建議。

n  簡介

壁虎不僅能在垂直牆壁上運動自如，即使在如玻璃般光滑的天花板上，仍可停留和爬行，早在西元前400年，古希臘哲學家亞里斯多德就對壁虎如此高明的爬行能力感到好奇與不解。這種力量究竟從何而來？壁虎腳底的黏著力究竟是怎樣產生？壁虎腳下的玄機便激起不少科學家的興趣。在西元900年時，Cartier和Braun分別對壁虎腳掌不同尋常的結構進行了研究，但礙於當時科學研究的條件，他們只能大致地推測壁虎可能具有很精細的腳掌結構。壁虎效應與凡德瓦力、奈米概念的關係，雖已被許多學子熟悉，但是在實際教學中，一般學校無法取得專業的儀器來進行測量與觀測，例如：利用掃描顯微鏡（SEM）觀察壁虎的剛毛和匙突。加上其所牽涉到的凡德瓦力，也很難用一般非專業儀器量測，所以壁虎效應教學模組多為文字的敘述或顯微攝影的影片（北區K-12奈米科技發展中心網站，2016），鮮少有可讓學生親手操作的類比性實驗。本文設計出高中課程適用的壁虎效應教具，結合表面張力的概念，使學生能藉由動手做實驗，將複雜的概念深入淺出，使學生將奈米科技生活化，感受到奈米科技的實用性。

n  何謂壁虎效應？

對壁虎攀岩走壁能力之敘述，最早可朔源自公元前四世紀，亞里斯多德（Aristotle, B.
C. 384-322）在《動物自然科學史》(Historia
Animalium)中提到對壁虎的見解：『壁虎即使是以頭部在下的姿態，也能夠繞著一棵樹到處地跑來跑去』，也就是說所謂的「壁虎效應」即是指壁虎能在各種材質的垂直表面爬行，甚至是倒掛在天花板自由行走的現象（圖1）。

圖1：壁虎倒掛在天花板行走（圖片來源：Editor abcdef –
Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38806582）

n  為什麼壁虎可以如此行走？

雖然壁虎的行走模式很早之前就廣為人知，但對於壁虎之所以能攀岩走壁（壁虎的黏附能力）的說法，眾說紛紜，每個可能物理機制的假設，都一一被實驗所得到的證據反駁，如表1所示。

表1：「壁虎效應」之物理機制假設與該假設被反駁的證據一覽表。（整理自Autumn & Peattie,2002）

Hiller（1968, 1969,1975）證明壁虎的吸附力和毛細現象有關，也就是說和水珠與表面的接觸角有異曲同工之妙（有關接觸角之相關原理請參閱本期文章「『蓮葉效應』國中奈米課程與教具設計」），這提供了分子間的交互作用力是壁虎吸附力的來源的直接證據，也就是說壁虎的足底接觸表面時，會改變接觸面的表面能（surface energy），例如青蛙也是，但不同的是壁虎的足部並無腺體可分泌異體，不過這仍無法排除毛細現象，因為一個原子層的水分子仍可提供相當大的表面張力（表面能越大，表面張力越大）。然而Hiller本身卻不是很喜歡壁虎的黏附能力是來自於毛細現象這種說法，因為在極疏水的表面，吸附力也不會降至零，很難區分出到底是什麼的影響（本段文字整理自Autumn & Peattie,2002）。

另一種用分子間的作用力解釋壁虎黏附能力機制的說法為凡得瓦力（van der Waals interaction），這是分子間作用力最微弱的一種，這種交互作用力與據力有關，並且當兩個互相接觸的表面彼此間之電極化率（polarizability）越高時，凡得瓦力越大。Hiller（1968）就發現壁虎無法吸附在聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene,PTFE）表面，由於PTFE 是一種電極化率非常低的表面，因此「壁虎無法吸附在PTFE表面」這個證據支持了「壁虎黏附能力機制為凡得瓦力」的假設 （本段文字整理自Autumn & Peattie,2002）。

1965年，加州大學的Ruibal 與 Ernst（1965）藉由掃描式電子顯微鏡（scanning electron microcopy, SEM）的幫助，發現壁虎每一根剛毛（setae）的末端還具有如樹枝狀的分支（branch），分叉形成數量介於100~1000根為數不等的匙突（spatulae），直徑在0.1~0.2 μm，匙突底部的肉柄（stalk）與剛毛連接，另一端則與外型狀似扁平三角形，寬度約200 nm、厚度約0.01 μm的末端結構相連。2000年，美國克拉克學院生物學系的奧特姆教授（Kellar Autumn）與其研究同僚，量測壁虎的一根剛毛所產生的吸附力，並與利用凡得瓦理論計算的值做比較（Autumn et al., 2000）。理論上，如果一根尖端半徑為R的匙突與平整表面接觸時，匙突與接觸表面的距離為D、Hamaker係數為H，則其凡德瓦力可表示為

，若以 J、 µm、 nm代入，可計算出凡德瓦力約為400 nN。每根剛毛分叉出總數量介於100至1000根的匙突，如此產生的吸附力為40-400 µN，理論計算的結果與Autumn等人藉著力量感測器（Micro Electro
Mechanical Systems，MEMS）來感測單根剛毛所產生的力，約為200µN的結果相符合；2002年，Autumn的研究團隊更透過實驗證明壁虎腳上的凡德瓦力大小，僅與匙突的形狀和大小有關，與接觸表面的化學性質無關（Autumn et al., 2002）。這一系列的研究，讓世人能一窺壁虎黏著能力的秘密，亦即壁虎巧妙地運用了大自然間最微弱的分子間作用力—凡得瓦力。

圖2：壁虎腳趾的結構(引自Autumn, K source: How gecko toes stick. American Scientist 94, 124-132)

n  「壁虎效應」教具設計概念及其理論基礎

現今有許多可以解釋壁虎效應的力學模型，而其中以Johnson、Kendall和Roberts在1971 年提出的JKR模型最具代表性（Cao et al.,2005）。假設匙突的尖端為半球狀，R為其半徑，g為每單位面積的吸附能，則匙突要垂直離開物體表面所需要的力之計算公式如下:

如果以力量感測器來感測單根剛毛所產生的吸附力，帶入JKR模型的公式，得到的匙突半徑為164~196 nm，與實際測得的200 nm十分接近，由此可知，JKR模型可以有效的代表吸附力與接觸面半徑的關係，即吸附力，也就是壁虎效應中吸附力與尺度大小的關係。

由於生物界中除了壁虎之外，仍有許多生物具有攀岩走壁的能力，便有科學家將具有相同能力的昆蟲拿來與壁虎做比較。其中甲蟲、蒼蠅和蜘蛛的腳掌結構與壁虎相似，科學家便將JKR模型套用在這些動物身上（Arzt et al., 2003）進行研究。科學家發現，這些不同身體質量的動物，由於相似的構造，使其因相似的原理產生極有效率的黏附行為，且如此現象是廣泛地存在於生物界的黏著系統之中。科學家透過實驗的量測，歸納出不同生物體剛毛的數量，與其本身的重量，彼此間呈現趨近於線性的關係。也就是說，對於不同的生物而言，在總接觸面積不變的前提下，越重的生物會透過演化出更細微的末端結構，以提高剛毛的單位密度，進而提升其吸附的能力。所以我們可以由此看出，即使尺度變大，但在相同接觸面積下，吸附力與接觸數量的關係，仍維持斜率趨近為正比的線性關係。

當我們將一吸附力為F、半徑為R的圓面積切成n小塊圓面積時，每一小塊圓面積即變為原來圓面積的倍，也就是說每一小塊的半徑r會變為。因為JKR模型可以有效的代表吸附力與接觸面半徑的關係，即吸附力，故我們接著將每一小塊的面積代入JKR模型。以F代表總面積未切割時的受力，f代表切割後每一小塊的受力，代表切割後的受力總和(總表面積相同)，則：

也就是說，當一塊面積被切成n小塊時，要把相同總接觸面積從物體表面拉開的力量會增加，變成原來的倍（。而當n很大時，每一小塊面積達奈米尺度（，則將接觸面從物體表面拉開所需的力，便會遠比未切割前時大非常多。所以我們的教具設計的理念，就是以高中物理課程中的表面受力現象為基礎（表面張力），藉由接觸面積尺寸的改變，讓學生感受力量隨尺寸變化，進而理解尺寸達奈米尺度時，力量增加的情形。教具的設計，須將JKR模型所得到每小塊受力的關係可以有明確的數據呈現，進而將此教具類比至壁虎效應所強調的尺度效應，即當相同接觸面積切成n小塊後，總力會變成倍的關係，亦即。

n  高中「壁虎效應」教具設計與測試

考量壁虎效應的力與單位面積的吸附能成正比，而表面張力為單位面積的能量，總能量均與表面積成正相關，故以表面張力之實驗來類比壁虎效應（實驗零件規格詳列於附錄一)。

我們使用O型環（圖3），將其固定於壓克力盒下方的凹槽裡（圖4），為了避免大氣壓力對實驗的影響，故於壓克力盒上方和下方（凹槽中心處），各鑽一個小孔，讓空氣能自由進出，整個實驗裝置如圖5所示。

圖3: O型環之內、外徑示意圖（圖片來源：張惠雯，2017） 

圖4: 壓克力盒與其吊掛方式（圖片來源：張惠雯，2017）

圖5: 實驗裝置圖（圖片來源：張惠雯，2017） 

我們以搖桿控制步進馬達以捲動釣魚線（圖6）（電路板接線與程式控制碼分別於附錄二與三，詳細組裝過程請參閱張惠雯（2017）之碩士論文）。首先，控制步進馬達讓壓克力盒底部保持水平緩慢下降，當O型環與水面接觸瞬間，電子秤的讀數會明顯改變，此時要馬上停止轉動步進馬達，並將電子秤歸零。接著，控制步進馬達讓壓克力盒底部保持水平緩慢上升（圖6），至完全脫離水面，將過程中電子秤讀數最小的數值記錄下來，此即為脫離前，水向下拉O型環的力量，用以模擬壁虎與接觸表面之間的垂直力。我們分別準備了內徑為1、2、3 mm之O型環，與搭配之壓克力盒（凹槽直徑搭配O型環外直徑，亦即每一種外直徑的O型環，皆須有一個與之搭配的壓克力盒）。

圖6: 28BY J-48四相五線步進馬達與其驅動版(UNL2003) (圖片來源：張惠雯，2017）

圖6：壓克力盒緩慢上升時，O型環與水接觸的情形（圖片來源：張惠雯，2017）

實驗數據如圖7所示，本教具的實驗數據顯示出，內徑愈大的O型環，吸附力愈大，吸附力與接觸面積的半徑成線性關係，不同於理論上的正比關係()，我們認為這差異很有可能是來自於O型環本身內徑的誤差、以及O型環具有彈性，當水將O型環向下拉時，同時也會改變O型環的內徑，從數據圖來看這內徑的差別大約介於為0.4-0.5 mm之間。我們依據圖7所的到的0.44 mm內徑差異對O型環的內徑做校正，以最大的環當作未切割前的總面積，計算出每一個小環所對應的切割數目n，將量測到的力f，乘上n以得到切割後的總吸附力。切割後的總吸附力對做圖，結果如圖8所示。可得到，與理論之推論相同。

圖7：力與O型環內徑關係圖 

圖8：切割後之總吸附力與之關係圖 

n  結語

本壁虎教具可以透過水的表面張力作為媒介，讓學生了解切割後之總吸附力與)之間的關係，除此之外，本教具運用到程式設計、電路控制、數據分析、以及繪圖能力，並從數據進行推論，可做為高中的探究與實作課程設計之基礎。建議教師設計「壁虎效應探究與實作課程」時，可先從表1中的各種假設為出發點，請同學想想如何驗證或推翻假設，最後再帶入本教具所需之表面張力概念。

n  參考資料

張惠雯（2017）。高中奈米科技教具設計–壁虎效應。未發表之碩士論文，國立臺北教育大學，臺北市。

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Arzt, E., Gorb, S., Spolenak, R. (2003). From micro to nano contacts in biological attachment devices. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 100(19), 10603-10606. Doi: 10.1073/pnas.1534701100

Autumn, K. & Peattie, A. M. (2002). Mechanisms of Adhesion in Geckos. Integrative and
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Autumn, K., Sitti, M., Liang, Y. A., Peattie, A.M., Hansen, W. R., Sponberg, S., Kenny, T. W., Fearing, R., Israelachvili, J.N., & Full, R. J. (2002). Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 99(19), 12252-12256.Doi: 10.1073/pnas.192252799

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Wagler, J. (1830). Naturliches System der Amphibien. J.G. Cotta’schen Buchhandlung, Munchen, Stuttgart unix Tubingen.

n  附錄下載⇓

國小二年級雙語生活課程─彈跳泡泡

葉之愛

臺北市三民國小雙語自然教師

臺北教育大學自然科學教育學系在職碩士專班

[email protected]

n  有趣的彈跳泡泡吸引學生目光

    教學單元為二年級上學期生活課程中泡泡的單元，是一個和化學有關的內容，本校國小二年級生活課程結合雙語教育。學生在實際操作之前，教師先播放影片及實際示範引起學生動機，學生第一次看到泡泡可以在棉絨布手套上彈跳時都非常驚訝，覺得非常有趣。接著，開始介紹課程中需要用到的材料，介紹的過程中讓學生熟悉家中常用物品的英文，緊接著就讓學生開始實際操作。

n  彈跳泡泡的雙語課程教學法

彈跳泡泡的教學是運用CLIL(Content and Language Integrated Learning)教學法將學科內容與語言學習互相結合，將語言作為學生學習學科的工具，藉以促進學科知識和語言的雙重學習。課堂中的語言教學注重真實語境的應用，學生在課堂中接觸的語言素材、句型等都以學科知識的應用為出發點設計，讓語言能在學生的生活中實際運用。

彈跳泡泡的前幾堂課，學生已熟悉吹泡泡的技巧，此次上課透過實作活動讓學生瞭解如何讓泡泡彈跳，並能和同學合作將泡泡一個傳一個完成任務，課程中不斷重複所使用材料的英文，這些皆為生活中常用的單字，學生藉由多聽多說能夠更加熟悉。

n  雙語生活課程教學策略

雙語教學過程中，教師大多時間使用英文教學，會有學生沒辦法了解，需要透過不同的媒材、不同的教學策略幫助學習，以下四點說明此次教學過程所運用的策略：

(一) 設定目標單字：

目標單字為這堂課中不斷重複且學生需要了解的單字，bubble和dish soap前幾次上課學生已熟悉，這次上課的目標單字包含sugar, salt, vinegar, glue, cotton gloves, plastic gloves, rag, towel，這些為會加進泡泡水中的材料以及用來接泡泡的工具，單字會一直出現，學生藉由不斷聽且不斷說，記住且了解這些單字。

(二)設定目標句型：

進行每一個活動時，教師都會重複目標句型，句型在每個實驗環節中都會出現，因此學生需要了解句子的意思，並且知道如何回應教師。

1.        What is it? / This is _____.

先詢問學生所使用的材料分別是什麼，用英文問，讓學生用英文答。

2.        Can the bubble bounce?

Yes,the bubble can bounce. / No, the bubble can’t bounce.

做完每個實驗時，先讓學生記錄實驗結果，接著請各組發表泡泡是否能夠彈跳，不斷重複問此問題。

(三)教師使用英文比例：

根據不同班級、不同課程，隨時都能調整中、英文使用的比例，此次教學的班級有幾個學生英文程度不錯，將學生分散在各組，因此英文和中文使用的比例大約是七成和三成。課程中，若有需要英文的比例可能減少或增加。

(四)不同教學媒材輔助：

教師在解釋實驗步驟時，運用大量圖片、手勢來解釋，講解到一個段落時，停下來詢問學生是否有問題，可以用中文解釋或是看有沒有學生理解，請學生解釋給全班聽，確認大家都了解實驗的步驟，再繼續接下來的教學。此次上課時，學習單（見圖1）上面也設計了空格(紅色框框處)讓學生先將上述提到的目標單字畫或寫下來，學生進行實驗時，也能夠透過自己的學習單知道了解加入哪些材料，以及用哪些工具來接泡泡。

圖1 學生的學習單

n  彈跳泡泡的原理和概念

泡泡外面是一層介面活性劑的膜(圖2)。當手碰到泡泡時，會造成泡泡破掉。若泡泡碰到質地較軟且有細毛的材料(例如：棉質手套、絨布等)，能夠緩衝泡泡承受的壓力，因此泡泡比較不容易破掉。

圖2 彈跳泡泡的原理說明圖（取自https://www.youtube.com/watch?v=1_EDkquNFNs）

n  學生進行實驗可以探究的問題

(一)   加入哪些材料可以製作彈跳泡泡？

(二)   哪些材質接泡泡能夠讓泡泡彈跳？

(三)   讓泡泡彈跳時間增加的技巧?

n  實驗材料與器材

為了讓學生在家裡也能進行實驗，使用到的物品皆是家裡易取得的物品。

l   製作泡泡水材料：洗碗精、糖、鹽、醋、膠水

l   接泡泡物品：塑膠手套、棉手套、抹布、毛巾

l   工具：杯子、吸管/滴管

n  實驗過程

(一)   找出加入哪些材料可以做出彈跳泡泡

1.      將水、糖/鹽/醋/膠水、洗碗精依4：2：1的比例調製泡泡水（圖3）。

圖3 調配不同比例的吹泡泡水

2.      用吸管吹泡泡，並用棉手套去接泡泡，找出加入何種材料可以製作出彈跳泡泡水（圖4）。

圖4 學生進行不同比例的吹泡泡水效果測試

(二)   用哪種材料接泡泡能夠讓泡泡彈跳

1.      用前一個實驗找出來可以讓泡泡彈跳的泡泡水實驗，分別用棉手套、塑膠手套、抹布、毛巾接泡泡，找出可以接泡泡的物品（圖5）。

圖5 學生測試不同讓泡泡彈跳的物質表面

2.      同組學生挑戰傳泡泡，將泡泡從第一個人傳到最後一個人手中（圖6）。

圖6 找出最佳泡泡水比例與接泡泡的材質後進行泡泡傳遞遊戲

(三)   找出讓泡泡彈跳的技巧

1.     讓學生自己嘗試接泡泡，讓泡泡彈跳。

2.     教師到各組去詢問學生是否有成功，引導他們能夠成功的方法。

3.     透過遊戲讓學生討論，完成任務的過程中，發現讓泡泡彈跳的技巧。

n  實驗結果

(一)   加入何種材料能做出彈跳泡泡

(二)   找出用何種物品接泡泡，能讓泡泡彈跳

(三)   找出讓泡泡彈跳的技巧

1.        泡泡不能吹太大，小一點的泡泡比較容易彈跳成功

2.        接泡泡的時候要輕輕的接，泡泡不容易破

3.        盡量用乾的地方接泡泡，泡泡才不容易破

n  實驗教學困難與解決方法

(一) 學生調製泡泡水時，需要花較多時間操作，有些學生因不清楚比例概念需要教師協助，容易浪費太多時間在調製泡泡水上。

【解決方法】教師事先調製好泡泡水基礎液(洗碗精和水以1：4的比例調製)，學生只需要加入糖、鹽、醋、膠水後，即可實驗不同泡泡水吹出來的泡泡彈跳效果。

(二) 接泡泡的物品濕掉之後，彈跳泡泡的效果變差，會讓最後傳泡泡的活動進行較不順利。

【解決方法】準備吹風機，進行完前面的實驗之後先把接泡泡的物品吹乾，再進行最後傳泡泡的遊戲。

n  教師對學生雙語學習的觀察

(一) 學生使用英文的時機：

小組討論、實驗操作時，學生仍然習慣使用熟悉的中文，當教師提出問題時，學生有較多機會使用英文，英文程度好的學生會使用英文向老師提問，英文程度較差的學生幾乎都會用中文表達，但學生可以重複老師英文的句子，增加說英文的機會。

(二) 學生完成任務的表現：

當學生成功接到泡泡時會非常興奮，臉上出現燦爛的笑容，立刻跟同學及老師分享自己成功的經驗。並且非常期待繼續嘗試加入不同材料的泡泡水，彈跳泡泡的效果如何。

(三) 學生如何去解決問題：

當學生在嘗試的過程中遇到問題時，會想辦法解決，同組的同學會互相給意見告訴對方該如何做比較容易成功。例如：泡泡要吹小一點比較好彈跳，泡泡要慢慢吹比較好。

(四) 學生之間的團隊合作：

進行傳泡泡遊戲時，小組氣氛融洽，大家會互相合作、互相幫忙，失敗時，不會互相責怪，而是盡快改進，想盡辦法要讓泡泡成功傳到最後一個人手中。活動中可以看到學生發揮團隊精神，並且互相鼓勵。

n  學生的學習回饋

學生都非常喜歡彈跳泡泡的實驗，以前的經驗是碰到泡泡就會破掉，沒想到竟然有方法可以讓泡泡在手上彈跳，甚至可以輕輕地捏住泡泡。學生也很喜歡玩傳泡泡的遊戲，也很期待下次還能夠進行彈跳泡泡的實驗，有更多時間練習接泡泡的技巧，期待能夠有更多不同的玩法。

n  雙語教學心得與省思

這次的教學學生給的反饋非常的好，我也覺得這個實驗非常有趣，但仍然有許多部份可以修正更好，讓教師教學更順利，學生能夠學習到更完整的課程，分別為以下幾點：

(一) 雙語教學的改進

希望教學的時候能讓學生有更多的時間、機會可以使用英文，因此討論的時候給學生today’s language的小單子，單子上有句型（When we add ____ in bubble solution, the bubble can/can’t bounce.）能夠讓學生套用，幫助他們和同學討論，發表實驗結果時能幫助學生用英文回答，更能夠落實雙語教育在課程中。

(二) 教學流程的改進

教師事先調配好泡泡水基礎液，另外準備多一些容器先分好糖、鹽、醋和膠水，讓各組可以同時進行調泡泡水的步驟，更能節省時間。實驗做完多留一些時間讓學生討論，討論加入什麼材料能夠配出彈跳泡泡水，以及討論讓泡泡彈跳的技巧，最後進行傳泡泡的遊戲會更順利，也能有更多時間給學生不同的任務挑戰，像是挑戰誰傳泡泡的速度最快、彈跳泡泡的次數最多等。

n  致謝

在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系109學年度第1學期化學特論(一)課程周金城教授與全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見，在此謹深摯謝忱。

n  參考文獻

中視新聞（2016年10月3日）。神奇！手戴棉質手套泡泡可任意把玩。檢索日期：2020年12月10日。取自https://www.youtube.com/watch?v=1_EDkquNFNs

《臺灣化學教育》第四十二期（2021年3月）

目  錄

• 主編的話

•      第四十二期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

• 本期專題【專題編輯／鍾曉蘭】

♦高中自然科學探究與實作：發現問題、課程模組設計與修正／鍾曉蘭〔HTML｜PDF〕

♦高中自然科學探作與實作：從why到what- 探究問題的層次在教學與學習的意義／洪逸文、王靖華〔HTML｜PDF〕

♦高中自然科學探究與實作：咖啡牛奶的探究與實作課程／鐘建坪、鍾曉蘭、謝東霖、許舜婷〔HTML｜PDF〕

♦高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享／張明娟、吳德鵬〔HTML｜PDF〕

♦高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享／蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍〔HTML｜PDF〕  

• 化學實驗／綠色化學實驗【專欄編輯／周金城】

♦跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇／陳許玉鈴、廖旭茂〔HTML｜PDF〕

• 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／鐘建坪】

     ♦學思達教學法融入國中自然領域課程設計 —以水的電解為例／張耕碩〔HTML｜PDF〕

第四十二期 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
國際純粹化學與應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員
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]

近年來，全球對於在科學–科技–工程–數學(STEM)人才流失以及女性在STEM相關領域(STEM-Plus，除前述四領域外，還可包含設計、醫學等等)的議題，持續表現高度關心。亞太經濟合作（Asia-Pacific Economic Cooperation, APEC）的各經濟體對於具備科學素養能力之人力亦顯需求日漸迫切；但來自APEC經濟體系教育系統的人力產出不僅不足，甚至還在減少（UNESCO Institute of Statistics，2015）。基於認知到此一需求，在智利（2004年）、秘魯（2008年）和韓國（2012年）的亞太經合組織教育部長級會議上，聚焦於科學教育之計畫已被列為優先考量，而除了STEM-Plus教育的重要性受到關注之外，女性在STEM-Plus領域的發展以及參與率也愈發受到世界的矚目，包括澳洲提出推動女性在STEM領域發展的策略以及由聯合國提出，每年舉辦慶祝活動的「國際女性科學日」等，都彰顯女性在STEM-Plus領域的影響力已日漸上升；因此，如何改善女性學習環境並促使他們成為STEM-Plus相關產業的一大助力便成為各經濟體的重要新挑戰。

為了回應此議題並促進臺灣和亞太地區之STEM-Plus教育交流，及探索亞太地區女性在STEM-Plus領域發展的情況，我受教育部國際及兩岸教育司邀請在2019年智利之APEC年會中提案辦理亞太地區STEM-Plus for Women and Girls 工作坊，並成功獲得APEC經濟體與人力資源發展工作小組支持與贊助得以辦理該項活動。原預計在2020年5月執行此計畫，但受到COVID-19疫情的影響，遂延期至2021年3月25-26日舉辦線上與實體並存的會議，除有專題講者的演講之外，也包含了APEC經濟體代表報告以及專家小組論壇。

開幕致詞的貴賓有APEC 人力資源發展工作小組主席Dong Sun PARK教授以及教育發展分組協調人王燕教授、教育部國際及兩岸教育司司長李彥儀博士和國立台灣師範大學校長吳正己教授為大會致詞。此次共計邀請六位大會專題演講者分別來自韓國、澳洲、美國、愛爾蘭、新加坡和臺灣、八位經濟體代表分別來自俄羅斯、越南、馬來西亞、菲律賓、智利、墨西哥、美國、祕魯等報告各經濟體在STEM教育上的政策和措施，以及一場專家論壇(阿根廷、日本和兩位國內學者擔任講員)。

長久以來男女在學校和STEM職場上的差異在許多國家皆可見，這已經不是新聞，但仍持續發生則是問題。以韓國為例，受高等教育的STEM女性並不在少數，在職場上卻佔低比例，這些女性都到哪裡去了呢? 在馬來西亞這樣的現象卻是相反的，女性在各方面其實都佔優勢的。又如祕魯教育部代表提及強化師資評鑑系統，以提供女學生更友善的學習環境是他們努力的重點。智利代表則指出若將女性勞動力納入，可望增加20%的生產力。而美國代表也指出STEM相關領域中以男性主導的狀況也是存在的，要改變大家對STEM的刻板印象、建立女性楷模與減少對STEM的學習焦慮等議題都是目前在進行的方向。阿根廷教授則是提到大學教授在STEM領域中女性升等為教授者寡，很難為女學生找到可學習的對象等等。從報告中不難發現，各國的文化價值觀左右社會和家長對女性在STEM-Plus中的表現，若想從一個成功的案例移植到另一個國家，文化差異與價值觀是不得不思考的問題。臺灣相較而言是幸運的，在學校裡男女大都有均等的學習機會，而在職場上也都有發揮所長的機會。如何維持這樣的優勢，使人才培育能在更具多樣性(diversity)、平等性(equality)和包容性(inclusion)、的環境中穩定發展，才是大挑戰。

綜上所述，性別差距仍存在於許多國家，許多努力和方案都仍持續在發生，但對於家長、師長和社會對女性的刻板印象、女性低估自己的能力與長處、缺乏自信、缺乏女性楷模(學習的對象)、缺少支持女性在工作場域中的需求與尊重等等，還需要有智慧和行動力的結合與支持，才可望向前邁進小小的一步。最後以居禮夫人的一句話來結尾甫剛結束的STEM-Plus會議， I was taught that the way of progress is neither swift nor easy.~ Marie Curie

本期專題「高中自然科學探究與實作」是由新北高中鍾曉蘭老師負責，其中包括鍾曉蘭的領頭羊一文以及另外三篇探討探究與實作課程的文章。第一篇是國立臺灣師範大學附屬中學洪逸文老師分享提問的技巧與產生可探究的問題應如何設計。第二篇是四位中學老師(鍾曉蘭、鐘建坪、謝東霖和許舜婷)合作開發的「咖啡牛奶的探究與實作課程」，內容完整豐富，可以立即應用在探究與實作的課程中。第三篇是桃園武陵高中張明娟老師與吳德彭老師設計的「全球氣候變遷」共備、實施、評量等經驗分享。第四篇則是中山女高蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍三位老師的食物探究課程共備、模組開發、實施與修正、學生成果等等進行經驗分享。高中科學探究與實作的課程已進入第二年的實施階段，各校教師都卯足全力發揮潛能設計具各校特色的課程、進行實施與評量、並根據實施回饋與成效加以精緻化教學模組與評量內容，令人嘖嘖稱讚。若果能以如此研究的精神開發、實踐、反思、修正教學內容，相信必能翻轉學校科學教育的。

本期刊另外還有兩篇常態性文章，一篇是大甲高中陳許玉鈴和廖旭茂兩位老師再訪肉桂實驗，延伸上一期廖旭茂老師的化學篇，本期文章從黴菌菌種培養的實驗技能的培養到探究殺菌的學理，是個具本土特色可以直接應用在探究與實作的課程。另一篇是張耕碩老師以學思達教育理念–「以學習者為中心」的教學法來設計常見的水的電解實驗，提供教師用以啟發學生思考的教學法。

參考文獻

UNESCO Institute of Statistics (2015). Women in Science, UIS Fact Sheet, November, No. 34