臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan軟體與平台在中小學化學教學上的應用：透過製作均一教育平台學習資源以提升國中生酸鹼反應概念 ／ 陳子聖
星期二 , 6, 3 月 2018 本期專題, 第24期/2018年3月 在〈軟體與平台在中小學化學教學上的應用：透過製作均一教育平台學習資源以提升國中生酸鹼反應概念 ／ 陳子聖〉中留言功能已關閉軟體與平台在中小學化學教學上的應用：
透過製作均一教育平台學習資源以提升國中生酸鹼反應概念
陳子聖
臺北市立敦化國民中學
t733@thjh.tp.edu.tw
n前言
何謂酸？何謂鹼？在1777年以前，以行為模式 (Behaviour Model) 運用感官描述酸與鹼（邱美虹，2017），進而累積煉金術多年的經驗得知含金屬的礦物在水中會呈鹼性，而不含金屬的礦物在水中會呈酸性；直到1884年阿瑞尼士 (S. A. Arrhenius, 1859-1927) 提出游離說 (Theory of Ionization) 的理論，認為酸在水中會產生氫離子 (H+) ，鹼在水中會產生 (OH－) 等，陸續開啟了更多關於酸與鹼的學說理論，而人類對於酸與鹼的認識也由巨觀的化學現象進入微觀的粒子觀點，因此有了完整的酸鹼鹽相關學科知識架構。由上述歷史可以瞭解，能夠從物質的粒子觀點觀察化學反應現象等概念，經歷了一連串漫長的時間演進，且在國民中小學十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域中，「酸鹼反應」與「水溶液中的變化」均被列入「自然科學」領域之學習內容架構（教育部，2016），足見相關概念的重要性。
然而在筆者多年國中理化教學經驗上，深刻瞭解到學生在學習酸鹼反應的粒子觀點與化學現象等相關概念時，容易產生迷思概念，亦經常表現出學習困難。以往所使用的教學策略，通常僅是提供學生比較容易造成迷思概念的相關試題彙編成學習單，提供給學生在課堂間多加練習，甚至運用心智圖法讓學生整理教材內容，以釐清難懂的概念與教材知識間的關係；但是，以往的實施方式，難以讓學生在短暫的課堂學習中立即澄清困難的觀念，就算使用心智圖法進行整理，也僅於前段較為精熟解教材內容的學生，對於中後段學生幫助有限。因此，為了解決上述困難，深感若能提供可反覆學習的線上影片來作為課後補救教材，應是較為可行的解決方法；希望學生能透過課後線上學習的方式，再次釐清課堂中的重要概念與知識細節。為此，筆者多年前開始投入均一教育平台教師志工行列，協助錄製理化科教學影片及彙編線上評量測驗試題，期許自身能為臺灣教育貢獻一份心力。
如何運用科技輔助學習幫助學生減少前述學習困難，以確實理解酸鹼反應的粒子觀點與抽象概念，建構系統性概念，讓學生能具備自學能力以達到學習成效？本文將介紹如何運用均一教育平台所提供的教學資源與平台內建工具，將平日課堂上繁複費時的教學歷程與線上即時評量結合，不需侷限於傳統課室的時間與地點，也能發展出專屬於個人的學習課程，提供建議的教學策略。
n科技輔助學習課程—電解質與酸鹼鹽為例
均一教育平台 (Junyi Academy) 自2012 年 10月成立以來已累計超過一百萬人次使用，所錄製的在地化的課程影片已超過12,000支，線上練習題有46,000題以上，而且每週皆會定期新增練習題與影片；搭配強大的平台引擎，以大數據 (big data) 與機器學習 (machine learning) 的技術增進系統適性化、個人化的程度，主動紀錄學生的學習歷程，並以色彩繽紛多元的統計圖表呈現，以及新增的前、後測與差異化指派等平台內建功能，能夠根據老師、學生及家長的個別需求，即時掌握學習狀況，精準建議個別化教材內容，在此提供的即時回饋機制，更可追蹤學生在學習歷程上的困境與需求，此項優勢若能與傳統教學搭配實施，或許能成為臺灣化學教育的新亮點。
因此，除了一般數位課程優點的視覺化、互動性以外，日趨完備的教學影片與即時評量系統，可以讓教學者或學習者，均可依照自身需求與學習策略打造客製化課程，讓學習更有彈性及活性。以下針對國中八年級理化課程「電解質於酸鹼鹽」為例，首先，進行教學實施策略的建議方式與流程說明，如表 1 。
表 1 教學實施策略與教學流程
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實施策略 教學流程 |
翻轉學習 |
混成學習 |
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課前準備 |
指派學生預習單元，觀看線上平台教學影片。 教師需課前檢查學生預習進度是否完成？ |
指派學生預習單元，觀看線上平台教學影片（至少為原課程內容30%~80%）。 教師需課前檢查學生預習進度是否完成？ |
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課中操作 （建議均採分組合作學習，以學生為中心學習方式） |
詢問預習影片內容是否有疑問，需進行解答。 選擇與預習影片相關，且5~10可解答的適切題目，進行小組學習。 隨機抽派學生解說題目，必要時由老師統一解說。 |
老師視教學需求進行下列模式： 進行教學影片內容探討，解釋重要概念。 實體教學與平台影片可交替進行（適用於概念解釋前複習或偏鄉師資不足時的臨時代課教師使用）。 挑選難易度適合的平台線上練習題進行小組學習與討論。 |
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課後加強 |
學生沒有回家作業，只需完成預習影片進度即可，亦可進行自主學習。 |
差異化指派或班級指派，完成平台線上練習題至「精熟」等級。 |
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備註 |
需有二週的「馴化期」，訓練學生習慣線上學習方式，並搭配賞罰制度要求學生主動完成。 |
運用實體課程進行獎勵，如：加分、記點或是提供零食點心的實質回饋，給予完成進度或學習目標的學生。 |
參考資料：如何確保翻轉教學的成功？BTS翻轉教學法（葉丙成，2015）
其次，關於初學者如何運用平台功能，均已建立親和且仔細的線上教學文件、影片或操作視窗，讓教學者或學習者「無痛」進行轉換（如圖一），如：學生功能導覽、教師使用手冊、學生使用手冊、家長使用手冊及均一規則導覽等，相關連結如下：
教師使用手冊https://goo.gl/pZUDjC
學生使用手冊https://goo.gl/s1zHZL
家長使用手冊https://goo.gl/49Bomz
均一規則導覽https://goo.gl/Dxh5MQ
圖一：課程下拉選單「教師專區」提供使用手冊與分享資料
然而，若是「老師」身分註冊者，可以在最右上角帳號顯示處點按後，出現下拉式選單進入「教學管理」（如圖二），逐步設定班級、學生資料及指派任務，對於此一功能，平台中也在課程中【教師專區】貼心地準備了「前後測＆分組功能的｜教學懶人包」，讓教學者也能按圖索驥，逐步完成各項設定，連結如下：
前後測＆分組功能的｜教學懶人包https://goo.gl/oYqQNo
圖二：教學管理介面
接著，無論任何身分，只要在課程中選擇「自然“國中理化“【八下】電解質與酸鹼鹽」（如圖三及圖四），可以看到該課程的完整內容（如圖五），包含影片及各知識點練習題，可自由點選，亦可按照建議流程，逐步完成該項課程的學習。
圖三：課程選擇介面之一
圖四：課程選擇介面之二
n教學示例說明—解離說（亦稱之為「游離說」或「電離說」）
以下針對本文中所建議的兩種教學策略，搭配平台資源進行示範說明酸鹼概念之一「（如表 2 ）。
表 2 搭配均一平台資源進行「解離說」概念教學
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策略 流程 |
翻轉學習 |
混成學習 |
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課前準備 |
指派學生觀看平台影片：
教師需檢查學生進度 |
指派學生觀看平台影片：
教師需檢查學生進度 |
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課中操作 |
詢問預習影片內容是否有疑問，由教師解答疑惑。 選擇與預習影片相關，且5~10可解答的適切題目，進行小組學習。 隨機抽派學生解說題目，必要時由老師統一解說。 |
探討預習內容，解釋重要概念。 複習八上的原子觀念與離子形成方式，並比較差異。 隨堂測驗：進行平台線上練習題，檢核平台中學生的學習成效。
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課後加強 |
學生沒有回家作業，只需完成預習影片進度即可，亦可進行自主學習，重複觀看影片或進行線上練習（如圖五），可累計學習點數換取榮譽徽章。
圖五 線上練習題畫面 |
差異化指派或班級指派，完成平台線上練習題，設定練習至「精熟」等級，教師可在教學管理界面指派學生任務（如圖六）。
圖六 班級指派畫面 |
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備註 |
需有二週的「馴化期」，訓練學生習慣線上學習方式，並搭配賞罰制度要求學生主動完成。 |
運用實體課程進行獎勵，如：加分、記點或是提供零食點心的實質回饋，給予完成進度或學習目標的學生。 |
n教學省思
學生在配合混成式學習使用平台後的學習心得，普遍認為「可加深印象」、「不懂的地方都可以重複觀看」、「可以節省好多時間，上課的時候就可以問問題」、「有任務就會想全部完成」等正面的回饋。而翻轉學習的成功案例，相信透過許多報章雜誌、媒體均可看到學生的精采回應，不便在此贅言。
關於混成學習的實施過程，身為教學者需注意以下幾點：
1. 課前影片內容需先行掌握，避免傳統教學時重複解說，會使得學生覺得不必看影片也可以。
2. 傳統教學中搭配網路資源輔助教學，需熟悉工具操作及時間掌握，播放網路影片示範時，建議以3分鐘為限，過長不宜。
3. 學生課間討論品質若要提升，需異質分組，建議3~4人最適宜，可參考分組合作學習的實施要領，訓練學生進行討論的角色分配、方式及流程。
4. 多以稱讚代替責備，多用獎勵慎用懲處，才容易推動新的教學模式，善於聆聽並仔細觀察均是優質教學的關鍵步驟。
無論是否使用科技輔助課程進行科學教育，再好的教學方法若要達到預期成效，端賴教學者具體掌握教學現場的硬體設備、學生素質、家長溝通以及課室中不斷累積教學經驗所淬煉而成，如何運用不同教學法發揮優勢，改正劣勢，若能加上彼此信賴的教師團隊共備，相信更能快速掌握要領，駕馭優游各種教學方法。
n結語
本文所介紹的線上平台學習酸鹼反應概念之教學策略，乃是以均一教育平台的功能特色為基礎，透過筆者自身的教學經驗，提供可行的教學建議，實際使用時應視教學者需求，自行將教學活性化、差異化、客製化，並非藉此取代傳統教學的正規課程，而是將該平台資源視為輔助課程或工具使用，亦可應用於創新教學與多元評量。因應即將實施的十二年國教，教師的工作日益繁重，也被賦予更多的責任和期待，在強調以學生為中心的教學風潮下，教學者如何善用網路資源與科技輔助學習工具，藉此提升學生學習成效，相信在未來的教學現場，還能彼此激盪出更多新的想法。
n致謝
本文內容為作者在就讀台北教育大學自然科學教育研究所在職碩士專班時，在周金城教授指導下完成的碩士論文之部分內容，在此特別致謝。
n參考文獻
教育部（2016）。國民中小學及普通型高級中等學校–自然科學領域課程綱要草案（更新附錄二）（民105年3月）。
邱美虹（2017）。再談科學模型與建模—從酸鹼模型發展史談起（中）。臺灣化學教育，18。
葉丙成（2015）。如何確保翻轉教學的成功？BTS翻轉教學法。中等教育，66(2)，30-43。
均一教育平台。https://www.junyiacademy.org/
軟體與平台在中小學化學教學上的應用：利用逗豆芽遊戲平台提高學生學習參與度 —以自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質單元為例 ／ 邱麗綺
星期一 , 5, 3 月 2018 本期專題, 第24期/2018年3月 在〈軟體與平台在中小學化學教學上的應用：利用逗豆芽遊戲平台提高學生學習參與度 —以自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質單元為例 ／ 邱麗綺〉中留言功能已關閉軟體與平台在中小學化學教學上的應用：
利用逗豆芽遊戲平台提高學生學習參與度
—以自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質單元為例
邱麗綺
台中市西屯區永安國小教師
n 前言
對於提升國小學習低成就學生的學習，政府與民間都投入相當多的資源與人力，目前在國小中所推動的補教教學主要是針對國語、數學與英文，針對自然與生活科技的部分僅有部分的推動。探究低成就學生的學習問題，常見問題之一是沒有學習動機問題。沒有學習動機的學生，並非是對什麼事都不感興趣，對於他們喜歡的活動，他們的表現可能比其他同學還專注，例如某些好玩的遊戲。
n 當學科測驗變成遊戲—逗豆芽遊戲式測驗平台
如果學科測驗變成了遊戲，是否也可以讓這些低成就的學生投入學習呢？台北教育大學自然科學教育的盧玉玲教授開發了一個遊戲式測驗平台「逗豆芽」，讓測驗變成好玩的遊戲，讓學生在遊戲中進行學習，這是一個跨系統的平台，window電腦（註一）、Andriod平板（註二）與iOS平板都可以使用。建構一個競賽式遊戲，通常參與者會有輸或有贏，所以需要一個固定遊戲規則。實力強的參與者，通常就會贏，這對實力較弱的參與者，若是都沒有贏的機會，很快地就不想再玩這個遊戲了。但參與者進入逗豆芽遊戲式測驗平台，此平台會隨機出現許多測驗試題，題型有選擇題或是非題，參與者輪流作答，答對就可以得分，誰先到關主設定好的分數，就是最後的贏家，平台遊戲的參與者，只要答對試題，就可以獲得分數。這些試題可以由教師事先將題庫匯入系統，可再設定由系統隨機出題，因此沒有科目與單元的限制。讀者可以參考「豆豆趣–數位教學資源」中有關「逗豆芽」的詳細資訊http://www.uebond.org/dourunway.html。
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圖1 逗豆芽進入的起始頁面 |
圖2 一間賽室至多五隊參賽，亦提供電腦自動組隊功能 |
本次活動是針對自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質來進行遊戲。一般紙筆測驗，如果是自然與生活科技成績好的學生，通常就可能會是最高分，就算是一般測驗遊戲的結果也是成績好的學生必贏，那麼成績不好的同學，玩一會就不會想玩了。這個逗豆芽遊戲式測驗平台的特別設計符合學生參與遊戲心理機制，還加入許多運氣與團隊合作的成分，因此自然與生活科技成績好的學生最後未必成為贏家，一開始落後的學生，如果”運氣好”還是有機會贏的。
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圖3 十八種道具之其中三種示意圖 |
圖4 十八種道具之其中四種示意圖 |
在遊戲的過程中，系統會隨機出現”寶物”，玩家可以收集寶物在需要時使用，有些寶物是”得分乘上倍數”，因此使用寶物答對一題得到的分數，就平常時候的兩~三倍，或者寶物是”消去法”，可以讓選擇擇題由四選一變成二選一，提高答對的機率。還有一種寶物，有是讓玩家被暫停玩一次的功能，如果有一位玩家快要到達得分終點，其他玩家可以”團隊合作”輪流設法使用寶物讓最高分玩家一直被跳過，拖住最高分的玩家。
另外，為順利讓多人多班可同時利用此遊戲式平台進行學習，避免因太多人進入遊戲，造成參與者輪流等待時間太久，才作答到一次，平台支援可以同時開啟許多比賽室，一間賽室最多能有五組參賽者，如果參賽人數不足，亦可選擇由電腦自動組隊，增加遊戲競爭性。
n 在小學自然與生活科技教學的實際應用
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圖5學生進行逗豆芽遊戲學習的畫面 |
圖6 學生認真進行遊戲學習的畫面 |
在小學教學現場中，若是要進行線上測驗，就得借用電腦教室，在一般教室裡，老師雖然可以利用電子書裡的互動遊戲進行測驗，但是無法達到一對一的方式，逗豆芽遊戲式平台透過手機或Android或iOS平板，能讓每位學生都能同時參與，若是平板數量有限，也可以兩人一組進行。大家在線上一起分組競爭，遊戲除了測驗學生對學習內容的熟悉程度外，還加入運氣及遊戲策略的運用，每位學生在測驗的過程中都樂在其中，當學生發現寶物如何得分秘訣後，還會互相分享，玩到下課還捨不得下課，願意犧牲寶貴的下課時間，也要繼續玩下去，上課鐘聲還沒有響，全班都已經坐好，等著玩下一個單元的測驗。
n 對提升低成就學生自然與生活科技學習很有幫助
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圖7 學生試題作答頁面 |
圖8 學生在逗豆芽遊戲中「錯題記錄」頁面 |
這套測驗系統除了可以給一般班級學生使用，也可以給參與自然與生活科技補救教學的學生使用，這些來自各班自然與生活科技成績後25%的學生，平時對自然與生活科技學習與測驗沒有興趣，當他們使用逗豆芽遊戲式平台進行測驗，教師感受不到學生排斥測驗，反而樂在其中，他們認真玩遊戲之餘，為了得到分數，會認真記下答錯的題目，期待下次出現相同題目時，能順利拿到分數。而此套測驗系統提供記錄學生答錯題目的功能，學生除可即時看到錯題的回饋，遊戲結束時亦可透過「錯題記錄」瞭解自己的答題狀況。教師則能透過電腦版的答題記錄分析，得知學生對於題庫中每一題試題的答題狀況。對學生來說，這樣的學習方式是有趣而沒有壓力的，學生們也會很主動學習，還會常常要求能再玩一次。而實際使用後，也對參與的學生成績是有所提升的。
n 結語
逗豆芽遊戲式測驗平台的設計，可以掌握學生參與測驗學習心理來提高參與動機，讓學生沉浸在遊戲的時間，而不覺得時間過得很快，參與時的時間感消失正是數位遊戲的特徵。雖然在學校推動此種測驗學習方式，亦需要教室的平板電腦與無線網路能同時到位配合，但現今大多數學校都已經有不錯的無線網路環境，以及一定數量的平板電腦，因此這樣的遊戲式測驗學習是可以持續推動的。
n 致謝
本文感謝台北教育大學自然科學教育學系盧玉玲教授團隊提供「逗豆芽」遊戲式數位平台，讓本教學活動得以在國小進行，在此特別致謝。
n 參考資料
1. 逗豆芽windows 版
http://www.uebond.org/dourunwayweb.html
2. 逗豆芽android 版
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.YLLUStudio.DouRunway
軟體與平台在中小學化學教學上的應用：Plickers即時反饋系統在國小臨床教學實務分享 -以國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動為例 ／ 周金城
星期日 , 4, 3 月 2018 本期專題, 第24期/2018年3月 在〈軟體與平台在中小學化學教學上的應用：Plickers即時反饋系統在國小臨床教學實務分享 -以國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動為例 ／ 周金城〉中留言功能已關閉軟體與平台在中小學化學教學上的應用：Plickers即時反饋系統在國小臨床教學實務分享
–以國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動為例
周金城
台北教育大學自然科學教育學系教授
n 前言
教育部針對師資培育機構推動「106 學年度教學實務課程教師至高級中等以下學校進行教學或研究活動計畫」，由於本校是國小師資培育大學，因此在學校師培中心的邀請下，筆者加入這個「臨床教學計畫」，計畫重點有二:一方面讓師培大學教授重新瞭解新世代的小學生的課堂學習情況，作為師培課程教材內容的改進。另一方面也希望師培大學的教授能帶入一些新的教學元素，提升現場教師效能。在考量能到小學的空堂時間不連續與經費有限的情況下，筆者決定使用Plickers即時反饋系統加入到小學教學活動之中，讓即時反饋系統可以有多樣化的應用。
有效教學過程中，最重要之一是教師與學生可以有較好的互動品質。但如何提升互動品質，近年來有許多教學輔助設備被研發，如即時反饋系統就是其中之一。Hooker et al. (2016)研究分析即時反饋系統，他們發現優點如下:1.學生可以了解班上其他同學的想法。2.可以讓學生檢查自己是否有理解教學內容。3.匿名可以讓學生不尷尬地回答問題。4.可以讓學生知道問題之所在。5.教師發現學生有學習困難之處可以調整教學。6.可以幫助學生知道自己學得如何優點。但目前國內國小教學現場推動仍很有限，但隨著技術的更新即時反饋系統也逐漸的演化。
n 即時反饋系統
在台灣即時反饋系統融入教學的推動已超過十年，筆者十三年前在大學任教時剛接觸到紅外線遙控器式的即時反饋系統，在教學上使用就覺得這是一個可以提升學生參與動機的設備，學校有採購數套，因此每學期的教學活動中，一定都會使用至今沒有間斷過。但是，要採購這項設備所需的費用非常的高，由於一般學校採購的套數有限，所以有時須排隊才能借用，因此設計好的教學活動當次可能借不到設備便無法進行。有時遇到的問題是紅外線接受器的設定與電腦windows更新軟體後，發生軟體衝突無法連線，廠商也無法解決，因此設計好的教學活動當次也無法進行。也發生過幾次，學生將遙控器”不小心”帶回家沒有歸還，幸好發給學生時都有編號，所以知道是哪一位同學沒有歸還，再請學生於隔日歸還。即使沒有前述的問題，每一次上課借遙控器，一對一發下遙控器，收回遙控器整理，歸還遙控器這些繁瑣的步驟，讓很多教師即使知道這對學習有幫助，也可能不會輕易使用於教學活動設計上。後來，智慧型行動裝置普及後，像Kahoot這類的手機App軟體可以免費安裝使用，大學生大多有智慧型手機所以可以安裝，因此即時反饋系統融入教學變得容易許多。但在小學部分，因為大多數小學生是沒有智慧型行動裝置，因此仍很難在教學現場實施即時反饋融入教學。
直到2013年，Plickers即時反饋系統開發出來，在一般的小學教室，只要老師有一隻可上網的Android 或iOS智慧型手機或平板，並下載安裝Plickers App，而每一位學生只要手持一張特殊設計過的紙卡，教師就可以在班上進行即時反饋系統融入教學活動，相當的方便。因為紙卡可以自行影印，所以成本非常低廉，發給學生後不需回收，國小學生可以放在抽屜中，需要拿出來立即可以使用，不需要收回也沒關係。學生作答是非題或是選擇題時只要舉起正方型卡片，卡片四個方向分別代表A、B、C、D，教師只需要將手機照相鏡頭對準學生的答案卡，遠距掃過學生的卡片就可以立即統計全班作答情形，每一個學生的作答紀錄也會被保留系統上，老師的手機會立即呈現作答結果，若是教室有單槍投影機，可以用電腦連結投影出全班作答情況，可以匿名或是不匿名顯示全班作答情況，非常方便。
圖一 不同編號的Plickers作答卡片範例
n 國小一到六學生會使用Plickers
早期因為缺乏可以在國小教學現場方便使用的設備，因此使用率很低。而近年來低成本且使用便利的設備如Plickers已經開發出來，因此是推廣使用的好契機，且即時反饋系統融入於國小教學活動，沒有學科的限制。筆者為了瞭解國小低年級學生是否可以使用plickers，曾邀請一位國小一年級導師在班級中進行教學使用，導師反映國小一年級的學生就可以使用plickers進行作答，沒有任何的問題，而且大部分學生透過紙筆問卷勾選表示喜歡這樣的作答方式。筆者記得只有一位學生勾選“非常不喜歡”，問卷最後一題問你的建議，那名學生用注音寫下「我都答錯，不喜歡」。這讓筆者印象非常深刻，但是這不就是即時反饋系統的最重要意義，當下學完就知道自己會不會，若隔壁的同學都答對了，自己答錯了，可以引發學生主動學習的動機。但在此處，筆者要特別提醒當使用即時反饋系統時，盡量不要變成考試工具，讓它單純的變成動態評量工作，教師只用來了解有多少學生還不會，而不要把少數答錯的同學個別點名出來，這樣學生上課使用即時反饋系統就會變得很有壓力。筆者認為即時反饋系統比較像好玩的遊戲，遊戲的贏家可以有獎賞，或許老師可以提供加分獎勵，但是不要對遊戲的輸家提供懲罰，例如個別點名問為什麼你會答錯。
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圖二 國小三年級學生使用Plickers進行動手做實驗後的即時評量 |
圖三 手機掃描作答後畫面 |
n 國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動
學生在這個單元進行實驗時，會發現不同材質的物體有的可以浮於水上，有的物體會沉下去。小學生總是使用”輕”與”重”的觀念來解釋，輕的會浮在水面上，重的會沉入水中。油土是一個很好的實驗材料，因為油土可以塑形，也容易分割。筆者採用預測–觀察–解釋的教學策略。先讓學生預測一大塊油土是否會沉入水中，全班學生都預測會沉入水中。接下來，筆者將油土捏一小塊起來，大約是米粒的大小，請同學預測會沉還是會浮，全班都預測會浮起來。接下來進行實驗示範，學生看到小塊油土還是沉下去了。也有學生提出質疑，高高的放下與慢慢地放下會影響結果，後來再進行實驗操作，一一的回應學生的質疑後，最後他們接受的確也是沉下去。這時候筆者再對學生進行解釋，是物質本質的影響，而非只是大小與輕重的影響，雖然學生還不懂”密度”的概念，但我仍有簡單解釋密度的意義。之後。學生分組進行實驗操作，有學生將油土捏得很小又輕放水面，所以水的表面張力讓該沉的油土浮起了。因為表面張力更複雜，因此給學生進行的沉浮實驗下一個操作型定義，就是物體放入水面下，還能浮起來的是浮於水，浮不起來的是沉於水，這樣就不會有表面張力干擾物體的沉浮現象了。下課前五分鐘，再使用進行Plickers進行作答，以了解學生的學習狀況。教學後有81%學生有建立正確判斷物體沉浮於水的基本概念，如下圖所示。
圖三 由系統查詢學生作答情況之截圖
n 結語
課堂即時反饋是很重要的評量，這讓學生自己即時知道自己有沒有學會，也讓老師即時知道自己有沒有教會大多數的學生。而Plickers即時反饋是一個使用上非常方便的軟體，也有許多不同的教學設計可以搭配Plickers使用。本文撰寫的目的是希望未來有更多的學校老師可以使用，以提高學生的學習動機與學習成就。
n 參考資料
1. Hooker, J. F., Denker, K. J., Summers, M. E., & Parker, M. (2016). The development and validation of the student response system benefit scale. Journal of Computer Assisted Learning, 32(2), 120-127.
2. Kahoot網站，網址https://kahoot.it/
3. Plickers網站，https://www.plickers.com/
非含氧酸的酸性強度判斷與酸與鹼教學上的問題研究 ／ 施建輝
星期六 , 3, 3 月 2018 第24期/2018年3月, 高中化學教學疑難問題與解題 在〈非含氧酸的酸性強度判斷與酸與鹼教學上的問題研究 ／ 施建輝〉中留言功能已關閉非含氧酸的酸性強度判斷與酸與鹼教學上的問題研究
施建輝
國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 前言
酸與鹼是高中化學重要的章節，其中酸鹼性強度的比較是必要學習的一個單元。含氧酸（HxEOy）酸性強度的解說，通常是將HxEOy改寫為E(OH)mOn，n=0者為極弱酸，例如硼酸（H3BO3）；n=1者為弱酸或中強酸，例如碳酸（H2CO3）、亞硫酸（H2SO3）；n≧2者為強酸，例如硝酸（HNO3）、過氯酸（HClO4），這部份學生的接受度與理解度很高，教學上沒有困難。但是非含氧酸（HxA）的酸性強度比較則在教學上很難像含氧酸有明確的判斷方法，造成教學上的困擾，師生只能含混帶過，彼此在心中都留存疑惑。此一專欄名稱為「高中化學教學疑難問題與解題」，顯然解決「高中化學教學的疑難問題」是重要的宗旨，為此，我個人一直留意是否有比較好的解說方式。去年在美國停留一段很長的時間，特地到當地大學圖書館借了一本Miessler & Tarr(2004)無機化學的書來看，看到此書第六章（Acid-Base and Donor-Acceptor Chemistry）使用一個不同的論點來解說非含氧酸的酸性強度比較，這個論點解決了我個人多年來於「非含氧酸酸性強度比較」這個單元教學上的困惑，故想藉此專欄與高中化學教師們分享。此一論點也擴及多元酸Ka1>Ka2>Ka3的特性，論點明確且直覺，是非常理想的解說方式。另外也將於本文中一併向高中化學教師們介紹幾個酸與鹼常遇到的問題與解說的方式。
n 從不同觀點判斷非含氧酸的酸性強度
非含氧酸（HxA）的酸性強度決定於H−A的鍵能，而影響鍵能的兩個重要因素是該非金屬元素之原子半徑與電負度。若該非金屬元素之原子半徑較大，則其與氫原子間之共價鍵較弱，在水中解離度較大，亦即其酸性較強；若該非金屬元素之電負度較大，則其吸引與氫原子形成的鍵結電子對的能力較強，使氫原子趨向帶正電，亦即其酸性也會較強。但這兩個因素會因為比較的對象是同一週期或同一族的非金屬元素構成的非含氧酸而相抵斥。同一週期的非金屬元素由左至右原子半徑漸減而電負度漸增(見1)，前者使酸性漸減，後者則使酸性漸增；同一族的非金屬元素由上而下原子半徑漸增而電負度漸減(見表2)，前者使酸性漸增，後者則使酸性漸減。
表1 第二週期部分非金屬元素的原子半徑與電負
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元素 性質 |
N |
O |
F |
|
原子半徑（pm） |
75 |
73 |
71 |
|
電 負 度 |
3.0 |
3.5 |
4.0 |
表2 第17族（鹵素）的原子半徑與電負度
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元素 性質 |
F |
Cl |
Br |
I |
|
原子半徑（pm） |
71 |
99 |
114 |
133 |
|
電 負 度 |
4.0 |
3.0 |
2.8 |
2.5 |
高中化學的教師們如何向學生解說呢？一般是將表1與表2的數據呈現給學生看，再告訴學生，同一週期的非金屬元素之原子半徑差距不大，電負度是影響酸性強度的主要因素，所以酸性強度：HF > H2O > NH3，這與大家認知的HF是酸性物質，H2O是中性物質，NH3是鹼性物質吻合；同一族的非金屬元素之電負度差距不大，原子半徑是影響酸性強度的主要因素，所以酸性強度：HI > HBr > HCl > HF，這也與課本所附酸性相對強度表的規則一致。但是學生畢竟是初學者，要他們使用原子半徑與電負度這兩個因素去判斷酸性強度已有一定的困難，何況又需兼顧到同一週期與同一族在這兩個因素的不同趨向，恐有造成學生抗拒這部份的學習的可能。以下將提供另一種比較的觀點，希望有助於教師們在此一問題上的教學，同時也讓學生能清楚掌握如何比較非含氧酸的酸性強度。
1. 此處是應用布洛酸鹼學說中共軛酸鹼對的概念。在式[1]中，HA為酸，A− 為其共軛鹼，HA與A− 稱為共軛酸鹼對，同理，HB與B− 亦為共軛酸鹼對。
HA + B− ⇌ HB + A− [1]
此反應若向右進行的趨勢較大，表示HA的酸性大於HB，而HA的共軛鹼A− 的鹼性則小於HB的共軛鹼B−，也就是說，較強酸的共軛鹼為較弱鹼，較弱酸的共軛鹼為較強鹼。讓我們以上述共軛酸鹼對的關係來判斷非含氧酸的酸性強度。
(a) 同一週期的非含氧酸：NH3、H2O、HF，其共軛鹼依次為NH2−、OH−、F−，以路易斯電子點式表示，如圖1，左為NH3、H2O、HF三者的路易斯電子點式，中間為NH2−、OH−、與F− 三者的路易斯電子點式，這三個共軛鹼都帶一個負電，將此負電荷平均分配到孤電子對（lone pair）上，則NH2− 每一個孤電子對所帶電荷為
，OH− 每一個孤電子對所帶電荷為
，F− 每一個孤電子對所帶電荷為
，如圖中右方所示。這三個共軛鹼依其孤電子對所帶電荷，可判斷出與氫離子（H+）結合的能力大小為NH2− > OH− > F−，即鹼性強度順序為NH2− > OH− > F−，所以NH3、H2O、HF三者的酸性強度順序為HF > H2O > NH3，直覺！清楚！可免去教師教學與學生學習的困擾。
圖1 NH3、H2O、HF與NH2−、OH−、F− 的路易斯電子點式及NH2−、OH−、F− 的負電荷分布
(b) 同一族的非含氧酸，以鹵素為例，HF、HCl、HBr、HI其共軛鹼依次為F−、Cl−、Br−、I−，這四個共軛鹼都帶一個負電，也都有四個孤電子對，將此負電荷平均分配到孤電子對上，則每一個孤電子對所帶電荷都是![clip_image006[1]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2018/03/clip_image0061.png "clip_image006[1]"){kind=small}
。在孤電子對所帶電荷相同的情況下，其電荷密度（
）只與離子半徑有關，F−、Cl−、Br−、I− 的離子半徑依次為133pm、181pm、196pm、220pm，也就是電荷密度F− > Cl− > Br− > I−， 因此這四個共軛鹼與氫離子結合的能力大小為F− > Cl− > Br− > I−，可得鹼性強度順序為F− > Cl− > Br− > I−，所以HF、HCl、HBr、HI四者的酸性強度順序為HI > HBr > HCl > HF。依此類推，第16族的氫化物H2O、H2S、H2Se，其共軛鹼之鹼性強度順序為HO− > HS− > HSe−，所以酸性強度順序為H2Se > H2S > H2O。此一判斷方式對同一週期或同一族的非含氧酸都類似，同樣的直覺與清楚，我個人相信在教學與學習上會有很大的幫助。
(c) 以上觀念可延伸至如何說明多元酸Ka1>Ka2>Ka3的特性。以硫酸（H2SO4）為例，H2SO4的Ka1極大，在水中可完全解離，Ka2 = 1.2×10−2，在水中為部分解離，為什麼第一解離常數大於第二解離常數？我們還是用共軛酸鹼對的性質來判斷。H2SO4與HSO4− 的共軛鹼依次為HSO4−、SO42−，前者帶一個負電，後者帶二個負電，與氫離子結合的能力明顯的是SO42− 較強，也就是鹼性強度順序為SO42− > HSO4−，所以酸性強度順序為H2SO4 > HSO4−，第一解離常數大於第二解離常數是必然的結果。由此可得多元酸Ka1>Ka2>Ka3的結論。
n 在介紹弱酸的性質時，我們都知道弱酸在濃度高時解離度較小，濃度低時解離度較大，為何氫氟酸（HF）在濃度較高時解離度反而大於濃度較低時？
與其他氫鹵酸為強酸不同，氫氟酸屬於弱酸。低濃度的氫氟酸水溶液的解離如式[2]，
HF(aq) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + F−(aq) [2]
這個反應式向右進行的趨勢其實甚大，但F− 會與H3O+ 以氫鍵結合成穩定的離子對（ion pair），如圖2，使得H3O+ 在水中實際測出的濃度降低，此實際濃度稱為活度（activity），這也就是氫氟酸為何被歸類為弱酸的原因。
圖2 F− 與H3O+ 以氫鍵結合成穩定的離子對
但實驗發現，在氫氟酸水溶液的濃度達5~15M時，水溶液中H3O+ 的濃度急遽上升，氫氟酸變成強酸，這樣的性質和一般的認知「弱酸在濃度高時解離度較小，濃度低時解離度較大」不同，這是因為較高濃度的HF會與F− 結合生成穩定的HF2−，如式3，使式2產物中的F− 濃度降低，反應向右進行的趨勢將會增大。同時，F− 濃度的降低，也表示F− 與H3O+ 以氫鍵結合成離子對的數量會降低，從而提高H3O+ 在水中的實際濃度，也就是H3O+ 的活度上升了，呈現的就是氫氟酸在高濃度時解離度較大且呈現強酸性。
HF(aq) + F−(aq) ⇌ HF2−(aq) [3]
此處我要提醒教師們，知道這個特別的性質就好，千萬不要設計成考題來「設計」學生，太多的不可預測、不易判斷，可是會傷害學生的學習興趣。
n 磷酸（H3PO4）、亞磷酸（H3PO3）、次磷酸（H3PO2）的酸性強度順序到底為何？
本文前面提及含氧酸（HxEOy）酸性強度的比較，通常是將HxEOy改寫為E(OH)mOn，n值愈大，酸性愈強。這個判斷方式，若套在磷酸（H3PO4）、亞磷酸（H3PO3）、次磷酸（H3PO2）上，則磷酸應改寫成P(OH)3O，亞磷酸應改寫成P(OH)3，次磷酸應改寫成PH(OH)2，看起來酸性強度應該是H3PO4 > H3PO3 ≒ H3PO2，但是這項推論不正確且實際酸性強度順序並非如此，需從圖3的結構式來看這個問題。圖中標示紅色的H接在O上，是可以解離的，標示藍色的H則接在P上，是無法解離的，所以磷酸為參質子酸，亞磷酸為雙質子酸，次磷酸為單質子酸，其表示法應改寫為P(OH)3O、PH(OH)2O、PH2(OH)O，其n值皆等於1，所以三者的酸性強度應該很接近，而且正確順序並非H3PO4 > H3PO3 ≒ H3PO2，也非考題上常見的（錯誤）選項H3PO4 > H3PO3 > H3PO2，這就造成師生們的困擾：到底這三種磷的含氧酸正確的酸性強弱順序為何？為什麼？
圖3磷酸（H3PO4）、亞磷酸（H3PO3）、次磷酸（H3PO2）的結構式
有一篇關於磷的含氧酸的資料(註一)，裡面給了這三個酸的pKa(註二)，分別為磷酸pKa=2.15、亞磷酸pKa=1.8、次磷酸pKa=1.2，根據這份資料，這三個酸的酸性強度順序為H3PO2 > H3PO3 > H3PO4。至於「為什麼」，很抱歉，我個人無法提供見解，但是我仍然保留這個自己無法解釋的內容，一則是希望能讓高中化學教師們知道這三種磷的含氧酸的正確酸性強度順序，另則是希望本文刊出後，有先進或學者專家能提供資料與我們分享，以解高中化學教師們多年的困惑。
n 氨與有機胺的鹼性強度比較
高中化學在有機化合物介紹胺類的單元，會提到有機胺與氨的鹼性強度比較，其鹼性強度順序為：二甲胺（Me2NH）> 甲胺（MeNH2）> 三甲胺（Me3N）> 氨（NH3），有機胺似乎都比氨的鹼性強，但是有機胺的鹼性強度並不如預期的三甲胺（Me3N）> 二甲胺（Me2NH）> 甲胺（MeNH2），為什麼？以下將說明原因。
1. 氨溶於水中呈現鹼性的反應如式[4]所示，其反應是利用氮原子上的孤電子對與水分子帶部分正電的氫原子產生鍵結，生成反應式中的銨根與氫氧根離子，如圖4所示，這是氨水呈鹼性的原因。
NH3(g) + H2O(l) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq) [4]
圖4 氨與水分子的反應
若將氨分子上的氫以氟取代，則成為另一化合物：三氟化氮（NF3），而NF3幾乎不具鹼性，這是因為氮原子接上高電負度的F，使得其孤電子對的電子密度降低甚多，以致與氫離子鍵結的能力大幅度的降低，顯然氮原子上孤電子對的電子密度是影響鹼性強度的重要因素。這個取代的原子或原子團影響某化合物酸鹼性強度的效應稱為誘導效應（induction effect）。
2. 以甲胺為例來說明誘導效應對有機胺鹼性的影響。甲胺的化學式是MeNH2，Me為甲基（-CH3）英文名稱methyl的簡寫，是推電子基，將氨（NH3）上的一個H換成甲基，會使氮原子上孤對電子的電子密度上升而增加與氫離子生成鍵結的能力，也就是其鹼性將會增強。二甲胺（Me2NH）、 三甲胺（Me3N）各有兩個甲基與三個甲基，依誘導效應來看，鹼性強度順序為三甲胺（Me3N）> 二甲胺（Me2NH）> 甲胺（MeNH2）> 氨（NH3）。
3. 上述氨與有機胺實測的pKb值為氨（NH3）pKb = 4.57，甲胺（MeNH2）pKb = 3.38，二甲胺（Me2NH）pKb = 3.23，三甲胺（Me3N）pKb = 4.20，依pKb值大小排列鹼性強度順序為二甲胺（Me2NH）> 甲胺（NH2Me）> 三甲胺（Me3N）> 氨（NH3），這個順序與誘導效應的推論不符，顯然還有其他影響鹼性強度的因素。以下我們要考慮水合能（solvation energy）造成的影響。
這三種有機胺在水中的解離反應如式[5]，
MenH3-nN(g) + H2O(l) → MenH4-nN+(aq) + OH−(aq) [5]
水合能的由來是MenH4-nN+ 鍵結在氮原子上的氫原子與水分子生成氫鍵，H-O:‧‧‧‧‧H-N，所以水合能的大小決定於其生成的離子MenH4-nN+ 中鍵結在氮原子上的氫原子數量的多寡，即水合能的大小順序為MeNH3+ > Me2NH2+ > Me3NH+，考慮此一因素，則這三種有機胺的鹼性強度順序為MeNH3+ > Me2NH2+ > Me3NH+。
4. 綜合以上兩個因素得這三種有機胺鹼性強度順序為：二甲胺（Me2NH）> 甲胺（MeNH2）> 三甲胺（Me3N）。加上氨（NH3）進行比較，則鹼性強度順序為：二甲胺（Me2NH）> 甲胺（MeNH2）> 三甲胺（Me3N）> 氨（NH3）。
5. 為了避免讀者誤以為有機胺的鹼性一定比氨強，在此另舉一個有機胺但鹼性較弱的例子。苯胺化學式為C6H5NH2，可簡寫為Ar NH2。C6H5–電負度高達3.0，屬於拉電子基，C6H5–取代氨（NH3）中的一個H後，會使氮原子孤電子對的電子密度降低，以致鹼性減弱。苯胺的pKb值為9.38，其鹼性比氨弱，可證實有機胺的鹼性不一定比氨強。
n 參考資料
1. Gary L. Miessler, Donald A. Tarr, Inorganic Chemistry, 3rd Edition, Pearson Prentice Hall, 2004.
2. James G. Speight, Lange’s Handbook og Chemistry, Sixteenth Edition, McGRAW-HILL.
3. P. A. Giguère, J. Chem. Ed., 56, 571 (1979); P. A. Giguère and Turrell, J. Chem. Soc., 102,5473 (1980).
4. Andrew R. Barron, Oxoacids of Phosphorus. OpenStax CNX. Aug 6, 2010 http://cnx.org/contents/89dd1508-3f43-4004-b110-ebc37d093046@1.
5. James E. Huheey, Inorganic Chemistry, 3rd Edition, Harper ＆ Row, 1983.
6. 劉新錦、朱亞先、高飛編著，無機元素化學（第二版，2010），科學出版社。
植物染缸論化學
劉曉倩
國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心
n 前言
藍染產業是臺灣早期很重要的傳統產業，由文獻中得知，除了梔子、茜草、薑黃、鬱金等曾經種植為經濟作物的染料外，相思樹、薯榔、檳榔、艾草等也都曾是常用的染料植物。但是這些珍貴的歷史文化資產，隨著時代演變，化學染料的興起，步驟繁複的天然植物藍染已經被化學染料及工業技術所取代。化學染料雖然具有較好的色牢度與耐久性，但是卻有毒性與環境污染的隱憂。近幾年來世界環保意識抬頭，具有健康、安全及獨特性等特點的植物染料重新引起大家的注意，我們可以藉由植物染應用在教學實作上，讓學生對植物在生活應用上有了更深層的認識，並且瞭解植物種類及特性，引導學生了解植物染裡的化學變化及如何結合美學創作讓自己的作品更具有藝術性，同時藉由推廣植物染瞭解植物的種源及種植過程，尊重傳統文化裡先民的智慧。
n 家庭廚房開染房－黑豆染汁染
染布前先將布的素材精煉漂白，一般纖維在紡成纖維時會上漿料用樹脂包住纖維，讓纖維不會毛羽過長方便織布，而退漿就是將包住纖維的樹脂退掉，讓我們後面的印花加工和柔軟加工能深入纖維裡面去。
一般去漿方式是將棉布放入重量百分率2~3%的苛性鈉（氫氧化納，NaOH）來精煉，處理方式如下：
1.將棉布放入不銹鋼鍋中充分浸水。
2.以少量水溶解氫氧化鈉，再將其倒入步驟1的不銹鋼鍋中攪拌。
3.開火煮沸後，再加熱30~60分鐘，靜置放涼再以清水充分清洗。
在家庭廚房中多半是以熬煮的方式萃取色素，煮的時間就得憑自己的經驗，煮得太短，無法萃取出顏色，但是煮得太久，顏色會變得很混濁。使用的鍋具及刀刃務必使用不銹鋼，避免刀刃釋放出鐵離子，使染料變得很混濁。
熬煮萃取出來的色素可以將染布直接浸泡，或者也可以使用酸液或鹼液等使染汁呈現不同的的色彩。為使染料與布料充分結合，可以加入媒染劑，廚房裡最好使用明礬當作媒染劑，除了操作安全以外，也不會有重金屬離子的汙染。
黑豆染汁的化學原理
筆者示範的是黑豆汁染布，黑豆含豐富的營養素及礦物質，具有健脾利水、消腫下氣、滋腎陰、潤肺燥、止盜汗，烏髮黑髮以及延年益壽的功能。現代藥理研究證實，黑豆除含有豐富的蛋白質、卵磷脂，脂肪及維生素外，尚含黑色素及菸酸。熬煮黑豆後除了可將黑豆煮熟食用以外，所剩的汁液含有花青素，可以用酸液及鹼液調整染液的顏色變化。
黑豆皮含有豐富的花青素，而花青素（anthocyanins）是一種常見的植物色素，自然界有超過500種不同的花青素。花青素是由花青素配質（anthocyanidin）和一個或多個葡萄糖或半乳糖等所組成，存在於細胞漿中。黑豆皮所含的花青素主要是以飛燕草色素（delchindin）、錦葵花色素（malvidin）及芍藥花色素（peonidin）三種為主。這三種色素也是紫色高麗菜、紅蔥頭及藍莓的色素主要成分，
花青素的主結構如圖1所示，在不同位置接上數目不等的取代基而造成不同種類的花青素，其中R3’、R4’、R5’、R3、R5、R6和R7為−H、−OH或−OCH3。
圖1：花青素的主結構
花青素與食品化學息息相關，通常花青素很耐高溫，且在不同的酸鹼度下，會轉變不同的結構，並呈現不同的顏色，可以做為酸鹼指示劑使用。黑豆煮汁在加入醋酸後呈現粉紅色，應該也與黑豆含有花青素有關，其他例如紫色高麗菜中的花青素在酸中呈紅色，在中性呈紫色，在鹼中則呈黃綠色。
媒染劑在植物染上的作用
媒染劑的主要作用是做為衣料纖維與染料之間的媒介，使染布效果更明顯。原因是當纖維缺乏與染料之間的親和力時，染色效果會不明顯，此時需要用媒染劑，以達到染色的目的。常用的媒染劑分為天然的和合成化學的兩種，天然媒染劑如鐵銹、烏梅、稻草灰、木灰、茶花…等，化學媒染劑如醋酸酮、醋酸鋁、醋酸鐵、明礬等。當衣料纖維上的花青素與媒染劑的鋁離子發生配位共價作用時，就會形成金屬錯合物，如圖2所示。此金屬離子錯合物吸收光線並反射時，會使顏色變得更加鮮艷（因為光譜變得尖銳 且吸收的光更多）。此外明礬除了會使布的顏色更加鮮艷以外，染料的附著力也會更加穩固。
圖2：媒染劑的功能是作為花青素與衣料纖維的媒介
M：媒染劑；Cell：衣服纖維
一、需要的材料
1.去漿棉布250克（可裁成多塊正方形，做染色比較）
2.黑豆1公斤（棉布重量的4~5倍重）
3.明礬（KAl(SO4)2．12H2O）20克（棉布重的8%）
4.食用醋140毫升（約黑豆染汁的2%）
二、黑豆染布過程
1.約7升的水（棉布重量的30倍）放入生黑豆浸泡一晚【生黑豆易發芽，久浸後會在液面產生氣泡，所以須儘快處理，避免發臭】
2.隔天將黑豆煮沸，須注意過度沸騰，產生大量氣泡造成湯汁外溢，所以一旦沸騰時，須迅速將瓦斯轉成小火續煮20~30分鐘，如圖3所示。
圖3：煮沸後續以小火煮的黑豆汁
3.等鍋子放冷後，以濾袋過濾煮汁做為染液，黑豆可以放入乾淨的鍋子內，以新水續煮熟食用，如圖4所示。
圖4：將黑豆汁以豆漿濾網過濾
4.將準備好的棉布放入溫水中先浸泡潤濕。
5.將明礬媒染液加入約400毫升水中（重量百分濃度5%溶液）溶解。
6.先將浸濕的棉布放入媒染液中加熱，煮沸後轉小火續煮20~30分鐘。熄火後至水溫降至30~40℃時，再以溫水清洗二至三次脫水。
7.將煮好放涼的黑豆過濾液分成兩鍋，一鍋放入食用醋，一鍋則是純黑豆汁液，觀察兩鍋染液顏色的變化，如圖5所示。【黑豆原汁呈現灰黑色，加入食用醋後，黑豆汁液轉成深紅色】
8.將步驟6中浸泡過明礬的染布分成兩部分，分別放入步驟7的兩鍋黑豆煮汁內，煮沸後續轉小火煮30~60分鐘，熄火後等水溫降至30~40℃時，再以溫水充分清洗。
圖5：將食用醋加入黑豆汁汁液轉成暗紅色
9.將染好的棉布擰乾，續晾乾勿曝曬陽光，以免褪色，如圖6及圖7所示。
圖6：將染好的棉布以曬衣夾晾乾
圖7：圖中是以不同材質棉布染黑豆汁液所呈現的色澤，最上方是以純黑豆汁染成的棉布，呈現漂亮的摩卡褐色；第二張染布是淡紫色；第三張染布是黑豆汁液中加入食用醋後顏色轉紅，呈現出粉紅色的高雅色彩；第四張染布是將棉布摺疊使其出現粉紅雲彩
n 保健聖品也可當染料－薑黃染布
色彩嫩黃及略帶辛辣滋味的薑黃（如圖8所示），除了是咖哩中黃色成分來源以外，更可增添食材的風味。近幾年來，臨床研究證實，薑黃中獨特薑黃素成分，具有抗氧化、抗發炎以及促進代謝的功效。印度人認為薑黃是多產及昌盛的象徵，所以黃色及橘色是印度教中最重要的顏色，早期薑黃就是被用來當作染料。在薑黃染布時依處理的程序而有所不同，若是在鹼性溶液中，薑黃可以製成鮮紅色的染料，但是在酸性溶液中，溶液顏色就是亮黃色，用來當作媒染劑的明礬溶液是酸性，所以很適合用來做固色使用。
圖8：薑黃外表與一般食用薑神似，但味道不嗆
一、需要的材料
1.去漿棉布6塊（30×30公分見方）
2.薑黃300克（若是要顏色更亮麗，可以多加一些）
3.明礬（KAl(SO4)2．12H2O）重量百分濃度5%，1升
二、薑黃染布過程
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1.學生在老師教導下，自行發揮創意將棉布做繩紮、揉皺、摺疊及交叉攪染，如圖9所示。
圖9：學生發揮創意完成繩紮、揉皺、摺疊及交叉綑綁
（國立彰化高中張靜嫻老師提供）
2.為避免染色不均，將綑綁的布先泡水浸濕。
3.將薑黃切片打成汁液後放入約2升的水中煮沸。
4.將捆好的棉布放入煮沸的薑黃汁液中續煮，須注意過度沸騰，產生大量氣泡造成湯汁外溢，所以一旦沸騰時，須迅速將瓦斯轉成小火續煮20~30分鐘，如圖10所示。
圖10：染布放入後須注意轉成小火，以免湯汁外溢
5.將布取出，若是覺得顏色不夠深，可以將染布以清水沖洗約10秒，再放浸入染液中，重複步驟4及5，直到染布顏色滿意為止。
6.將橡皮筋、冰棒棍…等綑綁拆開，以清水沖洗直到沒有顏色殘留為止，將染布浸泡明礬1~2分鐘，續再以清水沖洗約10秒鐘後擰乾，續晾乾勿曝曬陽光，以免褪色，如圖11、12、13及14所示。
圖11、12：學生作品2
圖13、14：學生作品3
7. 學生相互欣賞彼此作品，並討論綑綁方式不同，所造成染布圖案差異及美感。
n 結語
教育部有鑑於舊課綱較著重在「核心科學概念內容」等科學能力的培養，對於學生實驗探究能力及科學素養能力的培養較為缺乏，所以在新課綱十二年國教課綱規劃發展中，特別重視學生在「探究能力」和「科學的態度與本質」兩方面的學習表現。整體規劃上更著重於科學探究與實作，期許學生在學習過程中，將化學知識與生活結合，使學生能知能行，進而具有科學素養，以因應未來個人或社會發展之需要。
此教學活動的設計可以讓學生了解，在工業革命及化學染料開始之前，我們的老祖先即會使用大自然中各種植物及礦石等天然染料為絲織品增加色彩。然而近幾年隨著工業發展進步，我們生活環境卻也歷經環境汙染的慘痛教訓，若是我們在校本位特色課程中融入環保概念課程，相信對於學生科學素養的培育會更有幫助。此教學活動「化學染指藝術」，可以藉由對於天然染料的認識，讓學生重溫古人藍染的工藝智慧，體驗返樸歸真的真善美，重新看待自然環保的傳統產業。
n 誌謝
感謝國立彰化高級中學美術老師張靜嫻老師在染布綑綁技術上提供教學建議、照片及資料。此外十分感激國立彰化師範大學楊水平教授在先前撰文時提供的參考資料及撰文建議，對筆者在編寫此文時受益良多。
n 參考資料
1.快樂的植物染，松本道子著，積木文化出版。
2.圖2是由國立彰化高級中學化學科涂程議老師協助繪製。
3. Indigo dye，Wikipedia，https://en.wikipedia.org/wiki/Indigo_dye
4.化學情境試題：色彩鮮豔的花青素（Colorful Anthocyanins）〔II〕，科學Online，高瞻自然科學教學資源平台，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=23003
如何引導特教學童實作化學實驗-以變色的蝶豆花為例 ／ 劉佳綾
星期四 , 1, 3 月 2018 化學課程與教學, 第24期/2018年3月 在〈如何引導特教學童實作化學實驗-以變色的蝶豆花為例 ／ 劉佳綾〉中留言功能已關閉如何引導特教學童實作化學實驗–以變色的蝶豆花為例
劉佳綾
新北市三重區永福國小
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
壹、 前言
科學學習的方式與過程，應以學生對科學的好奇心以及主動求知的意願為出發，引導從先備知識出發，實作經驗與探索，使學生保有科學核心知識與探究實作的能力。十二年國民基本教育自然科學領域核心素養的內涵包含：（一）提供學生探究學習、問題解決的機會並養成相關知能的「探究能力」；（二）協助學生了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究習慣的「科學的態度與本質」；（三）引導學生學習科學知識的「核心概念」。
筆者為輔導老師的角色，面對學習障礙與輕度智能障礙的學童，教學與輔導的過程首要目標即為了解兩位在學習上的限制，並能讀懂孩子的心理需求。學習上的限制包含兩位對於注音符號與拼音仍落後於同學齡學童，識字量亦不及同儕，故一般課堂中的講述式學習對兩位特教學童而言是較有挑戰性且容易打擊自信心，無法滿足Maslow的自尊需求層次。
本實驗的教學過程中，透過簡短影片欣賞，讓孩子口述操作的步驟，教師簡單說明流程後，讓孩子嘗試重述過程，最後進行實作實驗。筆者認為本實驗操作過程屬於安全性高，較無危險性，可連結孩子的生活經驗，舉例：學習障礙學童曾提及：「學校附近有一家飲料好厲害！可以有好幾種顏色耶！」。本次操作學習過程技能中的觀察與傳達與實驗等技能。最後，附加效益則是在教學輔導過程中建立良好師生關係，創造孩子的成功經驗，進而提升自信心。
生活中處處充滿著化學，而目前科技媒體的便利性，教學習慣以數位媒材輔助，甚至有取代實作經驗的學習機會，特技生的學習更是偏重於國語與數學的補救，生活中的科學經驗較少被探討。本次實驗選擇蝶豆花的原因如下：食材為孩子的生活經驗，且為孩子喜好的素材，以學生的經驗為出發，而色彩變化鮮明且易觀察的蝶豆花是可食用且安全性高，透過實際的操作與觀察，發現相關科學知識，理解科學就是生活中的一部分。
貳、蝶豆花簡介
蝶豆（學名：Clitoria ternatea），又稱為藍豆，是豆科蝶豆屬植物。中文名叫蝶豆花，藍蝶花，藍蝴蝶、蝴羊豆、豆碧等別名。原產於中南美洲，分布地區包含熱帶亞洲的爪哇、印度、斯里蘭卡等地。是一種典型的熱帶蔓藤植物，生態環境是開闊向陽的草生地；灌木叢乃至裸露地間，日照越充足，生長情形越良好。
一、 蝶豆花的價值
(1) 營養價值:
具有豐富的維生素A、C、E，可提升免疫力與減少膠原蛋白流失，同時亦可抗憂鬱與抗壓力，具有鎮靜與緩和情緒等保健功能。
(2) 藥用價值
根與種子可以治療慢性氣管炎、利尿、減緩便秘，可作為緩瀉劑與利尿劑。蝶豆花的花青素可以改善夜盲症與近視，護眼效果佳，亦可預防白內障與青光眼。
(3) 經濟價值
中南美洲與東南亞等地國家，善用蝶豆花的天然色素來製作糕點與調製成茶飲作為迎賓茶飲與接待賓客的飲料。泰國市集中看到的藍色甜點，大多是用蝶豆花色素提煉而成。
(4) 副作用
豐富的花青素容易造成凝血效果不佳，建議孕婦盡量避免食用，另外，若於生理期的女性與平時經血量大的女性，也建議避免食用。大量過度使用可能造成嗜睡、拉肚子或精神沮喪等。
參、實驗原理
一、 蝶豆花在酸鹼值的顏色變化
蝶豆花溶於水的花青素成分讓蝶豆花本身溶液呈現藍紫色。其因浸泡時間越久，溶出的花青素越多，顏色會越深。藍色的花青素還會隨酸鹼度不同，呈現出不同顏色，花青素在鹼性環境中會呈現藍色、中性呈現紫色、酸性則呈現紅色。
二、 顏色漸層
溶液中會有顏色分層是因物質其密度不同與溶液濃度的概念。就密度原理而言，物體於溶液中的浮力就是排開的液體重量，故溶液中的含糖量提升時，密度亦會有所改變，密度較大的（溶質濃度高）物質會往下沉；而密度較小的（溶質濃度低）會浮在密度大的上方。
做溶液分層的時建議加入冰塊。水結冰後體積膨脹，分子間間距增大，相同質量的水其結冰時的體積大於溶液狀態。同理，相同體積的冰和水，水的質量較大，則分子較多。水的密度為1；冰的密度則是 0.8。換言之，相同體積水和冰，以冰塊放置於溶液中其液體容易上浮，溶液的分層效果更加。
肆、實驗學習目標
一、學生能透過觀看影片、教師的口語引導，了解實驗的操作過程。
二、學生能透過石蕊試紙檢測溶液酸鹼性。
三、學生能利用蝶豆花製作分層溶液。
伍、課前準備–材料與器材
一、溶液
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名稱 |
數量 |
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1 |
牛奶(東海牧場) |
100ml |
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2 |
可爾必思 |
100ml |
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3 |
雪碧 |
100ml |
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4 |
奧利多水 |
100ml |
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5 |
寶礦力水得 |
100ml |
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6 |
統一無糖豆漿 |
100ml |
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7 |
莎莎亞椰奶 |
100ml |
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8 |
Tree top 蘋果汁 |
100ml |
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9 |
果汁時刻100%柳橙汁 |
100ml |
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10 |
小蘇打水 |
100ml 濃度20% |
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11 |
蝶豆花(乾燥) |
一包200克 |
二、 器材
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名稱 |
數量 |
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1 |
果糖 |
1瓶 |
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2 |
冰塊 |
5包 |
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3 |
燒杯/量筒 |
11個 |
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4 |
滴管 |
11支 |
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5 |
鑷子 |
2支 |
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6 |
紅/藍石蕊試紙 |
一卷 |
陸、教學活動設計
一、課程引導
第一階段：認識酸鹼
教師示範如何透過石蕊試紙進行溶液酸鹼測試 →教師說明石蕊試紙顏色變化代表意義 →學生操作石蕊試紙檢驗溶液酸鹼 →觀察石蕊試紙顏色變化 →學生能口述該溶液的酸鹼性。
第二階段：蝶豆花觀察顏色變化
連結生活經驗作為引起動機 → YOUTUBE影片欣賞 → 請學生回想喝過的飲料或是想實驗的溶液 → 思考蝶豆花實驗需要的材料 → 口頭說明操作實驗的器材與溶液 →製作分層飲料的溶液加入順序 →學童討論自己的加入順序的想法 →(先放果糖→冰塊加到滿→倒入飲料→滴入蝶豆花) → 觀察各溶液顏色變化情形。
第三階段：評量
1. 教師口頭詢問各溶液顏色的變化
2. 教師請學童思考剛才實驗步驟與需要改善的操作過程
3. 教師請學童完成學習單
第四階段：評量
實驗後一週填寫教學回饋單，檢視學習成效
二、學生特質
本次實驗由一位輔導背景老師（即為本次實驗教學者）指導兩位特教學童進行，兩位二年級學童特教身分分別為學習障礙中的讀寫障礙與輕度智能障礙，兩位學童亦有專注力不足過動症，學習上有著先天限制影響學習成效。兩位學童在課業表現未盡理想，係因本身對於注音符號拼音與識字能力皆未達該同年齡層之水平，且對於聆聽講述的上課時間無法維持超過15分鐘，透由操作性實作活動期待提升孩子的學習動機，並增加其專注時間。
兩位特教學童受輔經驗為本學期初開始，教學者觀察兩位特教學童對於能提高視覺專注的方式為透過影片引起學習動機，而聆聽技巧的指導上則必須具體簡化的條列式說明與引導，並藉由複述教學者的指令，確認兩位學童聆聽與理解的內容。透過與導師訪談以及輔導經驗中，兩位同學在操作中的專注力與學習興趣明顯高於傳統講述式的教學法。
三、實作過程
(一)實驗步驟
1、將蝶豆花(乾燥)放入熱水中，觀察蝶豆花水顏色，等待靜置變涼。
2、將欲操作之溶液倒入燒杯中，再由鑷子夾石蕊試紙，進行溶液酸鹼檢測。
3、學童進行觀察並於學習單畫下各溶液檢測出之石蕊試紙顏色變化。
4、讓學童進行製作分層溶液，材料包括果糖、冰塊、溶液、蝶豆花，測試方
式如下：
(1)讓兩位學童回顧觀看影片與思考操作的
4-1溶液→蝶豆花
4–2 蝶豆花→溶液
4–3 果糖→溶液→蝶豆花
4–4 果糖→蝶豆花→溶液
4–5果糖→冰塊→溶液→蝶豆花
4–6 果糖→冰塊→蝶豆花→溶液
(2)實驗討論
1觀察蝶豆花滴入溶液的分層顏色變化，哪些溶液相同，哪些不同。
2石蕊試紙檢測出之溶液酸鹼性與蝶豆花滴入時顏色變化關聯性。
3放入冰塊影響溶液分層顏色變化的原理。
4回顧實驗過程，思考操作實驗時需要注意或是修正的步驟。
(3)實驗過程照片
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圖一:選取孩童接觸過的飲品作為滴入蝶豆花之溶液，並於此實驗前先用石蕊試紙檢測飲品的酸鹼性。 |
圖二:蝶豆花放入水中攪拌。 |
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圖三: 東海牧場牛奶、可爾必思、雪碧、奧利多水、寶礦力水得滴於石蕊試紙上的顏色變化情形 |
圖四: 統一無糖豆漿、莎莎亞椰奶、Tree top 蘋果汁、果汁時刻100%柳橙汁滴於石蕊試紙上的顏色變化情形 |
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圖五: 東海牧場牛奶、可爾必思、雪碧滴入蝶豆花做飲品的顏色變化情形。 |
圖六:奧利多水、寶礦力水、統一無糖豆漿滴入蝶豆花做飲品的顏色變化情形。 |
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圖七: 莎莎亞椰奶、Tree top 蘋果汁、果汁時刻100%柳橙汁滴入蝶豆花做飲品的顏色變化情形。 |
圖八:二位學童觀察飲品滴入蝶豆花顏色變化紀錄於學習單上。 |
柒、 教學成果
教學者設計學習單評量，透過實際操作後的觀察結果畫下，考量到兩位特教學童的識字量與書寫國字之程度，故以畫出觀察顏色的方式呈現。下圖左側為小二輕度智能障礙學童所呈現之觀察結果；下圖右側為小二學習障礙中讀寫障礙類別學童所呈現之觀察結果。
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圖九: 輕度智能障礙學童觀察飲品滴入蝶豆花顏色變化的學習單。 |
圖十: 學習障礙學童觀察飲品滴入蝶豆花顏色變化的學習單。 |
捌、教學回饋
筆者透過口頭晤談與實驗後一週的課後回饋單進行評量學習成效
一、學生做實驗的感受？有類似生活經驗嗎？
筆者於實驗過程結束後一週與兩位學童晤談，回顧當時做實驗的感受，學習障礙學童表示：「這是第一次做實驗，以前都沒有這樣上課過，覺得很好玩很有趣！」；輕度智能障礙學童表示：「好好玩！顏色會變，好神奇！」
兩位學童目前皆為小二階段，正式課程中與自然或是生活經驗相關的即為生活課，但是生活課內容沒有直接談及自然實驗與操作的課程，故本實驗為兩位學童的學習生涯中第一次的自然實驗，也提升了學童對於自然科的學習動機。
生活經驗包含了喝過類似的飲料，兩位學童並未明確說明是哪一種飲料名稱，但是說明了一杯飲料有兩個顏色，搖一搖混一起後就是同一顏色，感到很厲害，對學童而言，飲用較有顏色變化的飲料是特別的經歷，驚艷其認知。
二、評量學生對於實驗過程的記憶
筆者透過課後回饋單的方式讓孩子回想實驗所需的器材與實驗操作步驟，發現如下：
1. 關於準備的器材－兩位特教學童回答一致，正確記憶包含：果糖、冰塊、量筒、滴管、燒杯、鑷子。兩位特教學童唯一遺漏的是石蕊試紙。
2. 關於使用的溶液－兩位特教學童回答一致，正確記憶包含：牛奶、雪碧、奧利多水、豆漿、蘋果汁、可爾必思、寶礦力水得、莎莎亞椰奶、柳橙汁、蝶豆花。兩位特教學童皆忘記一項小蘇打粉調製出的小蘇打水。
3. 做出分層效果最好的溶液－學習障礙學童描述的順序為：果糖→冰塊→飲料→蝶豆花，四個步驟皆為正確。輕度智能障礙學童描述的順序為：果糖→冰塊→蝶豆花→飲料。這也是實驗的過程之一，但是分層效果並非是最佳，第一與第二步驟正確，但第三與第四步驟描述錯誤。
4. 石蕊試紙測酸鹼－學習障礙學童僅記得鹼性溶液的顏色變化；輕度智能障礙學童則是酸鹼顏色變化皆正確，錯誤的是中性溶液的顏色變化。
三、小結：
1. 兩位特教學童對於實驗操作過程有九成是的過程記憶是正確的，實驗後一週進行評量，具有短期保留效果。
2. 兩位特教學童對於實驗所需溶液與準備材料有九成是回答正確，顯示由學生自行口述與實作後，具有保留效果。
3. 引導式實驗包括教師講述引導與學生實作，學生對於實作過程之記憶保留勝於教師口述直接給予之認知性內容。
4. 教師深究如下：石蕊試紙在這個實驗過程中會讓學生遺忘的原因，應為這是第一次操作，且操作前筆者僅說明一次，故對石蕊試紙印象不深刻，對於其檢測結果更難以完全正確。使用溶液部分，可以飲用的飲料皆為兩位學童口述提出，唯有小蘇打粉是教師自行準備，並非學童主動提出，且對其生活經驗是陌生的，故遺忘了此項。製作分層效果溶液的實驗時，其效果最佳的順序是由學習障礙學童所提出的順序，故對其而言印象深刻。輕度智能障礙學童回憶的製作分層溶液順序後面有誤，推測原因有二，其一是這步驟是輕度智能障礙學童自行提出；其二則是對於程序性記憶力較為薄弱。
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圖十一:小二輕度智能障礙學童所呈現之教學回饋 |
圖十二:小二學習障礙中讀寫障礙類別學童所呈現之教學回饋。 |
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圖十三:於實驗結束一週，透故學習單檢測學生的記憶保留程度，並請學生畫下自己做實驗時的感覺 |
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玖、教學省思
一、關於實驗設計
本實驗挑選之飲料為多為弱酸性與中性飲料，顏色較無明顯變化，未來再次嘗試相關實驗時，要思考溶液的酸鹼性，讓學童於觀察時可以明顯發現溶液的酸鹼性。實驗設計的過程也要思考蝶豆花熱水浸泡的時間愈久，蝶豆花水溶液呈現的顏色(藍色)愈深，表示釋放出來的花青素愈多。避免於剛開始溶出花青素時立刻作酸鹼檢驗。
若溶液溫度差異太大，則易因對流作用較旺盛而影響漸層的能見度，一段時間就會混在一起。建議可以將冷溶液先加於底層，再將較熱溶液加於上方，減少對流現象，較易形成分層溶液。當兩種溶液溫度接近時，則加入密度較大的溶液，本實驗過程則是先加入果糖當為底層，再加入冰塊到達杯口，再來放入學生所選擇的溶液，最後，則是慢慢滴入蝶豆花，會較容易成功做出漸層效果。加了冰塊後，再加入上層溶液，是能明顯觀察到溶液分層效果。實驗後得知，欲成功作出分層溶液，就是加入冰塊，本次操作則是將冰塊加到快至杯滿。
二、關於學生操作
小二學習障礙學童於本實驗進行前能做到專心觀察相關影片，並能說出加入溶液的先後順序與能分別慢慢加入或是快速倒入，教學者透過口頭評量方式了解學習成效。操作實驗時，則是可以做到細心慢慢加入，但因其相當期待顏色會有變化而加入蝶豆花速度較快之情形，而影響到實驗成果。
小二輕度智能障礙學童於本實驗進行前欣賞影片時無法相當專心，教學者於影片後詢問該學童製作變色溶液的順序，發現學童的程序性記憶需要被訓練。關於加入蝶豆花後溶液的顏色變化，則是該學童預測較準確，教學者認為也許是影片中提取片段記憶所影響，但詢問該學童時，學童卻表示自純粹猜測。
兩位學童嘗試說出調出分層溶液的順序時，教學者本次未做到詢問兩位學童思考的脈絡，未來嘗試相關實驗時，教學者應將學生思考與組織脈絡呈現。
n 謝誌
在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106學年度第1學期化學特論周金城教授與全體同學在百忙之中提供許多建議並協助修改本文，在此謹深摯謝忱。
n 參考資料
1.臺灣藥用植物雜誌第十一期（2013.03.01）。台中市藥用植物研究會發行。
2.科學少年（2017.02）–夢幻漸層飲品蝶豆花茶。
3.國際農業學程國外農業訓練專刊第十五期（2015.09）。泰國農業研習報告。國立中興大學農業暨自然資源學院發行。
4.曾俊維、呂宗諭、黃子軒。蝶豆花漸層飲料。國立台南高工。
5.丁怡雯、顧欣晏、藍冠柏。蝶豆花融合手工酵素之漸層飲品變化。達德商工。
6.科學 online。2017 年 2 月 28 日，取自 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=22981
7.自製夢幻飲品－冰涼蝶豆花神秘飲【LIS實驗室】https://www.youtube.com/watch?v=JcqrI9VvI_Q
8. 翁子國小蝶豆花飲料汽水+碎冰+糖水+鮮奶https://www.youtube.com/watch?v=4V12nCyG5mU
9. [好奇兄妹實驗室]蝶豆花製作
https://www.youtube.com/watch?v=6eTCdbLdU0o
n 附錄
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附錄一 實驗過程學習單 |
附錄二 課程回饋單 |
《臺灣化學教育》第二十三期（2018年1月）
目 錄
n 主編的話
n 本期專題【專題編輯／廖旭茂】
u 中學化學App教材與教學：以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構／邱美虹、周金城、洪達民、陳怡宏、許晉維〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：沉澱App的發想／吉佛慈〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：沉澱App的製作／潘冠錡〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：3D分子撲克牌App的開發與分享／廖旭茂〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：化學蜘蛛! GG了嗎 – 化學App在教學上的應用／張明娟、吳德鵬〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：美啦！MEL Chemistry App在教學上的應用／游珮均〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：看得見的化學系列App分享／劉獻文〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：快速將簡報轉換成App：iBuildApp工具介紹／紀宏源〔HTML｜PDF〕
u 中學化學App教材與教學：滑手機做實驗／陳斾玎〔HTML｜PDF〕
n 化學實驗／化學實驗室【專欄編輯／楊水平】
u 觸媒對過氧化氫分解反應之影響／趙益祥、佘瑞琳〔HTML｜PDF〕
n 新知報導／化學教育新知【專欄編輯／李賢哲】
u 化學虛擬實境與學用合一的審視／李賢哲〔HTML｜PDF〕
n 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／林靜雯】
第二十三期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所教授
美國國家科學教學研究學會（NARST）甫卸任理事長（Immediate Past President）
國際純粹化學與應用化學聯盟（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
[email protected]
聯合國在2017年12月宣告2019年為國際化學元素週期表（International Year of Periodic Table of Chemical Elements, IYPTCE），目的是要肯定基礎科學的重要，尤其是化學和物理，對於人類發展的貢獻。同時，IYPTCE也是為慶祝最近發現和命名的四個超重元素（113 Nihonium, Nh; 115 Moscovium, Mc; 117 Tennessine, Ts; and 118 Oganesson, Og）。除此之外，IYPTCE也將慶祝俄籍化學家門得列夫（Dmitri I. Mendeleev）建立其週期表150年。雖然門得列夫在1869年所提出的週期表並不是第一份化學元素表（如拉瓦節在1789年提出33種元素分類表、梅耶在1868年提出體積的週期性），但是門得列夫根據63個元素的原子量、化性和物性已能正確的預測元素的性質與其化合物，同時他在週期表中預留未知物質的位置給可能發現的元素，後來有證明其頗具前瞻性，這項創舉對化學的發展有很大的貢獻。在化學界，繼2011年的國際化學年（International Year of Chemistry）、2014年的國際結晶年（International Year of Crystallography）後，此次將是第三次由聯合國宣稱的第三次與化學相關的重要國際年。
IYPTCE將提供一個讓世人可以認識化學元素對人類在生活必需品、化學、物理、生物、醫藥、工業等等皆有相當大的貢獻的機會，再度提醒社會重視年輕人學習科學的重要，以及科學與社會、文化、經濟密不可分的關係，尤其是化學領域。2019年同時也是國際純化學和應用化學聯合聯盟（International Union of Pure and Applied Chemistry¸ IUPAC）成立100年，以及其他重要事件的紀念年，如上述拉瓦節在1789年發表將33個元素分類為氣體、金屬、非金屬及稀土元素等。從化學看人類永續發展，可以得知生活處處是化學；而化學也深深地影響人類對世界的認知，並留下對真理與智慧追尋的足跡。我們應該透過活化的化學教學與活動，讓不同年齡的學生或上會大眾正確地認識化學的價值與影響。
此次本期專題就以〈中學化學App教材與教學〉為題，特別邀請臺中市立大甲高級中學也是教育部高中化學學科中心種子教師廖旭茂老師擔任本期專題主編，廖老師在高中化學圈相當知名，教學具創意不說外，自己也常研發探究與動手做的教具和教學活動，讓化學教師和化學教室都翻轉，令人佩服！此次，由他主編的〈中學App教材與教學〉的內容豐富，讓人目不暇給，同時特邀主編也將文中每個App都下載試用以確定其可行性，其態度嚴謹，亦讓人敬佩。若化學教師想要教學翻轉，不妨嚐試融入這些App到自己的教學中，提供學生多樣的學習方式以嘉惠學子。本期專題包括有特約主編廖旭茂的〈中學化學App教材與教學簡介〉、邱美虹等人的〈以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構〉、吉佛慈的〈從化學心臟病到沉澱App〉、潘冠錡的〈最夯化學App：快打沉澱表的設計與實作〉、廖旭茂的〈3D分子撲克牌App的開發與分享〉、張明娟與吳德鵬的〈化學蜘蛛！GG了嗎—化學App在教學上的應用〉、游珮均的〈美啦！MEL Chemistry App在教學上的應用〉、劉獻文的〈看得見的化學系列App分享、紀宏源的「快速將簡報轉換成App：iBuildApp工具介紹」、陳斾玎的滑手機做實驗〉。除此之外，還有趙益祥和佘瑞琳的〈觸媒對過氧化氫分解反應之影響〉、李賢哲的〈化學虛擬實境與學用合一的審視〉、以及林靜雯介紹兩項國際化學教育研討會（ICCE 2018和BCCE 2018）。感謝以上作者的貢獻。
參考資料
1. Proclamation of 2019 as The United Nations International Year of The Periodic Table of Chemical Elements, http://unesdoc.unesco.org/images/0025/002599/259915e.pdf.
中學化學App教材與教學
廖旭茂1, 2, *
1台中市立大甲高中
2教育部高中化學學科中心
*[email protected]
簡介
數位時代智慧載具手機、平板的普遍，不僅帶來生活型態上的改變，從水電繳費、網路訂票，甚至教學現場的教材課程的研發，一應俱全。教育版的手機應用程式App的開發也如雨後春筍般的出現，不管是工具型App，如Chemspider1，背後連結了龐大的化學結構資料庫，或內容型App，如The Elements2，美到讓人驚豔的影像衝擊，相信都會讓教學現場不再一成不變，產生很多的可能性。
此次榮幸可以當任「中學化學App教材與教學」專欄編輯，邀請到台灣北中南東各地的高中化學老師及教授團隊撰文分享，有些是App開發者如台灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授的團隊，分享四個App，以先進的AR/VR技術呈現，讓微觀粒子躍然紙上，栩栩如生，元素及有機分子結構的學習與認識3，提供了非常棒的教材；開高中化學界App風氣之先的「快打沉澱表」，是由師大附中團隊吉佛慈老師等人共同研發，團隊中的物理科潘冠錡老師是動畫製作高手，得獎無數，「快打沉澱表」4屬於記憶型的遊戲App，是目前下載數最高，也是最夯的化學遊戲app；大甲高中團隊研發的3D分子撲克牌，首先引入環物虛擬實境技術，可算是分子撲克牌的電子書版本5。
搜尋網海，找到好用的App，應用在教學現場中，並分享給所有線上的教師也是功德無量的；武陵高中張明娟老師、吳德鵬老師分享的「化學蜘蛛！G/G了嗎？」，文章中分別介紹了兩者工具型的App，一個是英國皇家化學學會提供的chemspider App，可搜尋分子的結構與性質，另一個是與健康生活緊密相關的GoodGuide App，其中的綠色評分，可提供消費者購買參考；新北市新莊高中游珮均老師分享的「美啦！MEL Chemistry App」，MEL Science 6是一家提供科學實驗教具模組的公司，其中分享的App內容中，包括實驗所用的試劑，它們的各種分子結構的認識，與特性、用途、安全性連結，還提供實驗操作的影片、詳細操作步驟，及相關教學指引。
號稱史上最美麗週期表–The elements一書出版，讓全世界驚艷不已，後續的著作Reactions、Molecules，更是不遑多讓，也吸引全球讀者的眼球，書中作者葛雷先生得獎無數，獲得一致的肯定；台南一中的劉獻文老師一口氣介紹了葛雷先生公司發行的4個App，分別為The Elements、In Action、Molecules及Flashcars，可算是平面紙本經立體化的電子書版本，內容堪稱華麗，拍攝技巧甚是乾淨唯美。
「滑手機玩實驗」一文是由花蓮女中陳斾玎老師撰寫，文中分享了「燒杯(beaker)」7、「壓力計」與「照度計(LUX)」三個免費App；燒杯App鼎鼎有名，相信很多老師都下載玩過，透過動畫模擬，輔以音效，可以在手機上可以進行氧化還原、酸鹼中和、沉澱反應，連平時接觸不到的激烈反應都能輕易嘗試。更妙的是，斾玎老師利用氣壓計App、簡單的抽氣罐及針筒來進行波以耳定律測量；利用光照計App來進行溶液比色實驗，測量溶液的濃度，相信這樣的教學模式一定會可以引發學生的學習動機與熱情。
App的製作會很難嗎？大甲高中資訊科紀宏源老師為文分享一個免費的App製作工具–「iBuildApp」8的使用，教大家如何快速將一個簡報方式的草稿轉換成App，直覺又簡易，相信看完後，教師們一定躍躍欲試，親手製作自己的教學App吧！下表為所有投稿者介紹的App彙整。
表1 ：化學App彙整
n 參考資料
1. 從ChemSpider網站可以搜尋分子結構，網址： http://www.chemspider.com/。
2. 葛雷網站提供部落格訊息、出版品的介紹，網址：http://home.theodoregray.com/。
3. 陳怡宏 (2014): 擴增實境與3D實驗影片教學：有機分子模型擴增實境。台灣化學教育電子期刊，臺北，臺灣。 http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3240
4. 師大附中自然科教師專業發展團隊(民106)。快打沉澱表App，請至Google Play下載，網址：https://goo.gl/BHd2qU。
5. 廖旭茂與黃維靜(民105)。3D分子博覽會。科學研習月刊，第五十五卷，第七期，36-44。
6. MEL Science(2017). MEL Chemistry App，請至App Store下載，網址：https://goo.gl/rtGv4e。
7. Li Yang (2018)。燒杯App，請至App Store下載，網址：https://goo.gl/DhtZkg。
8. 免費App製作軟體iBuildApp，相關介紹與下載，網址： https://ibuildapp.com/。
中學化學App教材與教學：以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構 ／ 邱美虹、周金城、洪達民、陳怡宏、許晉維
星期五 , 12, 1 月 2018 本期專題, 第23期/2018年1月 在〈中學化學App教材與教學：以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構 ／ 邱美虹、周金城、洪達民、陳怡宏、許晉維〉中留言功能已關閉中學化學App教材與教學：以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構
邱美虹1 周金城2 洪達民1 陳怡宏3 許晉維1
1國立臺灣師範大學科學教育研究所
2國立台北教育大學 自然科學教育系
3臺北市立萬芳高中
[email protected]
n 前言
科學學習歷程中，由於許多概念是抽象的、是複雜的，因此在教與學上常具挑戰性，尤其是在化學學科中，微觀粒子的知識建構與發展，常需仰賴學習者在二度空間的表徵和三度空間的物件之間進行轉化的視覺能力、或是透過輔助工具去認識兩者之間的關係。因而，學習者若是較缺乏三度空間的視覺化(visualization)能力或是無適當的輔助學習工具，在學習一些重要化學概念(如立體化學分子結構)時便容易遇到挫折而造成學習困難。反之，若擁有良好的空間能力或是能夠透過適當的教學的輔助工具，可以提升學生在二度空間的表徵和三度空間的物件之間交互轉化的能力與表現。
n 視覺化
許多研究指出，視覺化表徵和視覺化能力的良窳會影響學生學習須具備空間想像能力的複雜概念。譬如Nakhleh & Postek (2008)指出，外顯化的視覺與聽覺表徵可以幫助學生學習限量試劑的概念，這些表徵包括1. 即時的化學反應(巨觀的理解)、2.電腦模擬反應(微觀層次的理解)、3. 圖像的表徵(符號)、以及4.問題解決中，文字的表徵。又如Gilbert (2008)也指出化學學習牽涉到巨觀(macro)、次微觀(sub-micro)、符號(symbolic)以及它們之間的相互關係。根據Gilbert的觀點，模型可以是外在表徵(如他人肢體可觸及的)和內在表徵(如個人心智)，而將它們任一表徵意義化即稱為<視覺化>(visualization)。而在化學概念中，分子結構與性質，尤其是有機分子結構的複雜性常是學習較為困難的概念，因此發展合適的學習輔具可以減少學生的認知負荷。
n 擴增實境與虛擬實境
近年來，擴增實境(Augmented Reality, AR)與虛擬實境(Virtual Reality, VR)在商業上與遊戲上的產品如雨後春筍般的成長，但為教育所研發的產品，仍有待更多研發者的投入。根據相關文獻指出，擴增實境具有以下特質(1) 能使學習內容呈現3D透視圖、(2) 提供無所不在、合作和情境學習、(3)使學習者可以感受到存在感(presence)、即時性(immediacy)、沉浸感(immersion)、(4)可視覺化那些不可視的概念或事件、(5)在正式學習和非正式學習之間搭建橋樑。這些特質提供學生投入學習、情境學習、真實性學習的機會(Wu, et al., 2013)。而有關虛擬實境部分，在一份針對13篇以虛擬實境進行教學的期刊論文(參與人數總計3081人)所進行的後設分析研究報告中指出， 遊戲、模擬和虛擬世界三者對學習都有正面的影響，其中遊戲式的虛擬實境教學，對學生的學習成效高於模擬和虛擬世界。另一有趣的發現是單獨玩遊戲的學生表現優於小組同遊的學生(Merchant, et al., 2014)。
本文主要是介紹兩個可以在化學教學上使用的App，一個是結合擴增實境與虛擬實境的有機分子結構的撲克牌，另外一個是具有AR功能的1A族和7A族的原子結構和其組合成的化合物卡牌。
n 有機分子結構App簡介
本研究開發的「有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌是目前App市場上唯一款兼具學習與電玩樂趣的應用軟體，總共分為三套。關於App的說明與下載連結可在搭配的撲克牌中找到下載連結的QR code，或是直接在蘋果商城或安卓商城尋找Molecules 1 AR/VR, Molecules 2 AR/VR & Molecules 3 AR/VR，也可找到app進行下載。中國化學會網站亦有相關訊息 http://www.chemistry.org.tw/app_download.php。
關於「有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌設計的方向，是以高中化學課程中有機化合物的內容為主，三套撲克牌是以官能基的不同來分類，第1套是烴類，第2套是醇、醚、醛、酮，第3套是酸、酯、胺、醯胺。每套撲克牌中的有機化合物的選擇皆是以同碳數的同分異構物為主，如碳數為4的烯類：1-丁烯、順-2-丁烯、反-2-丁烯、2-甲基丙烯 (如圖1所示)，以及相同官能基的同系物，如：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸(如圖2所示)。
圖1同分異構物
圖2相同官能基的同系物
撲克牌主要傳達的概念除了是有機分子的立體結構外，亦包含同分異構物及同系物的概念，並希望藉此也能培養學生對化學式、符號、2D和3D結構之間的轉換有深入的認識。
有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌App，導入了AR技術，輔助教師在課堂上以更有效的方式講解有機分子的3D立體結構與特徵(見圖3)，學生也可以透過觸控的方式或是電玩搖桿操弄分子的旋轉角度，清楚的觀察分子每一個部位的結構與特徵；此外，也導入了VR技術，讓學生在一個虛擬的電玩場景達成尋找有機分子結構的任務(見圖4)，藉此測試學生先前在課堂上對於分子結構學習的成效。此場景同時加入了一些電玩的元素，例如:有限時間的任務執行(見圖5)、遊戲中過程的獎懲機制(見圖6和圖7)，以及任務結束的成就評比(見圖8)。希望藉由一個寓教於樂的方式，讓學習有機分子結構不再是一件枯燥乏味的事情，而是可以結合遊戲與科學學習以及促進師生或學生之間彼此分享學習與交流的媒介。
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圖3 分子結構AR模式 |
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圖6 選擇錯誤分子出現怪物 |
圖7 拾取寶石增加任務時間 |
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本研究所開發的App有三種方式遊玩(見圖9)，不論以哪一種方式遊玩，都必須搭配特定的卡牌才能遊玩。每種玩法接包含兩種模組，一是透過軟體的AR模組，觀察每一有機分子的3D結構與特徵；二是當使用者對每一類型的分子有一定程度的認識時，透過任一張卡牌的AR模式畫面，選取畫面中的VR標籤，方可進入到電玩場景進行學習成效的測驗。
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圖9 三種遊玩的方法選取
n 教學活動設計
關於撲克牌和App在課堂上的應用，大致上可分為三個方法。
一、直接觀察：請學生直接利用App掃描撲克牌，觀察行動載具上所呈現的立體分子和牌上的結構式有何不同，讓學生試著旋轉立體分子模型，使之呈現出和牌上所書寫的結構式相同的方位視角後，隨之螢幕截圖，傳到課堂教師所開設的雲端空間，最後利用投影機一同呈現所有學生的截圖來進行討論。藉此讓學生了解有機分子立體結構和一般所書寫的結構式之間的關聯性。在這過程中，教師也可以指定尋找特定卡牌(如尋找同分異構物或相同官能基的同系物)，並要求學生指出原子的相對空間位置。
二、學習單：教師可利用類似下表的設計進行教學活動 (見圖10a和圖10b)，填入化學式並對此化合物命名。學習單可在化學會此App的教材網址處下載使用 ( http://www.chemistry.org.tw/app_download.php#pagefive )。
授課教師可依照自己擬教授的有機化學的內容，重新編排學習單(見圖10a & 10b)。讓學生利用App掃描學習單，觀看立體結構並書寫出結構式。或者是直接在學習單中列出IUPAC命名及相關的編碼，如：戊烷、2-甲基丁烷、2,2-二甲基丙烷，然後請學生除了寫出結構式外，並分組討論IUPAC命名與結構式之間的關聯性。
圖10a 原學習單
圖10b 調整後學習單
三、桌遊：第一套撲克牌：烴類，可以進行撲克牌的桌遊，使用方式的連結網址：https://goo.gl/E13011。
n 週期表中1A 和7A族App簡介
除了上述的「有機分子擴增/虛擬實境」撲克牌之外，本研究團隊另外研發一套「AR_Element(1A,7A)」App，利用AR的技術介紹元素週期表1A與7A元素的結構與符號，學生們可以透過App與卡牌來觀察原子模型，並且可以嘗試將兩張卡牌組合成分子模型(如：拿H與Br的卡牌組合後，App螢幕即會顯示出HBr的分子模型)。教師可以依照課程所需讓學生選取元素卡牌組合成不同的分子模型，並觀察不同的分子模型的表示法(如：分子模型、路易士電子模型、球棍模型、凡德瓦半徑模型等)。此App是藉由新興科技來增加學生的學習動機以及提供學生認識物質的結構與表徵的方式，並且讓學生之間透過討論建立正確的物質結構概念。圖11至圖20說明如何取得App、卡牌以及App操作教學。
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圖11：至Google Play搜尋AR_Element(1A,7A) |
圖12：下載App後點開即可使用 |
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圖13：APP打開後點選左下角下載卡牌 |
圖14：卡牌正面有1A,7A原子資訊 |
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圖15：App操作介面說明 |
圖16：使用App掃描卡牌背面即可顯示原子的擴增實境模型 |
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圖17：可以結合的兩張卡牌靠近後即會顯示 |
圖18：切換至路易士模型 |
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圖19：切換至球棍模型 |
圖20：切換至凡德瓦模型 |
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n 結語
12年國民基礎教育對於核心概念與跨科概念甚為重視，在自然科學領域中，核心概念與跨科概念中「物質的組成與結構」是其中一項基本的核心概念，因應此改變，自然科學領域課程綱要首次將「粒子概念」納入國小階段的學習內容，而在高中階段大幅度地納入微觀、抽象思考與模型建構的能力培養。此時引介擴增實境與虛擬實境的輔助工具，除可藉此提升學生空間視覺能力的培養與連結2D與3D表徵的化學知識之外，也可促進學生對化學學習的樂趣，達寓教於樂的目的，相信這種學習方式在未來將有很大的發展空間。
n 致謝
承蒙科技部高瞻計畫經費補助本研究團隊研發擴增實境與虛擬實境之教學輔具以及中國化學會協助印製與推廣，使計畫得以順利完成，在此一併致謝。
n 參考文獻
陳怡宏 (2014): 擴增實境與3D實驗影片教學：有機分子模型擴增實境。台灣化學教育電子期刊，臺北，臺灣。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3240
Gilbert, J. K. (2008). Visualization: An Emergent Field of Practice and Enquiry in Science Education. In J. Gilbert, M. Reiner, & Nakhleh, M. (Eds.). Visualization: Theory and Practice in Science Education (pp.3-24). The Netherlands: Springer Publishers.
Nakhleh, M., & Postek, B. (2008). Learning chemistry using multiple external representations. In J. Gilbert, M. Reiner, & Nakhleh, M. (Eds.). Visualization: Theory and Practice in Science Education (pp.209-231). The Netherlands: Springer Publishers.
Merchant, Z., Goetz, E., Cifuentes, L., Keeney-Kennicutt, W., & Davis, T. J. (2014). Effectiveness of virtual reality-based instruction on students’ learning outcomes in K-12 and higher education: A meta-analysis. Computers & Education, 70, 29-40.
Wu, H. K., Lee, S. W. Y., Chang, H. Y., Liang, J. C. (2013). Current status, opportunities and challenges of augmented reality in education, Computers and Education, 62, 41-49