門得列夫：化學元素週期表的發現者

洪文東

美和科技大學護理系
hung3893@yahoo.com.tw

n  早期的元素表

在早期，元素被發現的種類不多，化學家只能局部的對某些性質相近的元素進行歸類整理。1789年法國化學家拉瓦傑（A. L. Lavoisier, 1743 – 1794）在其《化學基本論述》書中列出包含33種元素分類表。1864年英國化學家紐蘭茲（John Alexander Reina Newlands, 1837 – 1898）將元素依照其當量大小排列。自某一元素後的第八種元素，與此元素的性質相似，就像音樂上的音度音程一樣。1865年英國化學家伍德林（W. Woodling）按原子量排列元素順序，初步排出今日元素週期表中的鹵族、氮族、氧族。1866年紐蘭茲發表論文「八音律與原子量數字關係的起因」，依原子量大小給元素編上序號依次排列，看出元素間有類似音樂中之八音階規律（Law of Octaves）。1868年德國化學家梅耶（J. L. Meyer, 1830 – 1895）繪製出《原子體積周期性圖解》，揭示出化學元素的原子量與原子體積間的關係。1869年，他又製作了一張化學元素週期表，表中不但明確按原子量遞增的順序來列元素，而且也留下一些空格表示未知元素。不過，梅耶的研究側重於元素的物理性質。

n  元素週期表與週期律

在前述幾位化學家工作的基礎上，俄國化學家門得列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 – 1907）（見圖1）發現在63種已知元素中，42種元素有了較精確的原子量，但尚有7種元素的原子量未能正確判斷，因為它們的原子量都計算錯誤。門得列夫全面考慮了元素的各種性質，製作出63張卡片，把各種元素的名稱、原子量、氧化物以及物理和化學性質，分别寫在各元素的卡片上。在排列這些卡片時，不僅根據元素的原子量，而且很重視元素的性質及其與其他元素的關係。1869年2月17曰，門得列夫依原子量遞增的順序把63種元素排列成幾行，同時把各行中性質相似的元素左右對齊，當依原子量順序安排的位置與元素的位置及元素的特徵發生衝突時，他遵從元素的特徵而掉換位置，或者留下空位。這樣使得每一横排化學元素的性質相近，每一縱列化學元素性質的變化也呈現着規律性，整個元素系列呈現出周期性變化。1869年2月，門得列夫發表了《元素性質和原子量的關係》論文，同時公布了他的第一張化學元素週期表（見圖2）。周期表中留下了四個空位，空位上没有元素名稱，只有預計的原子量，表示尚待發現的元素。

圖1：門得列夫

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫）

圖2：門得列夫1871年的元素周期表

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫）

對比梅耶在1869年公布的元素週期表，門得列夫對元素的族別分得更细緻，並在表中初步形成了過渡元素族。門得列夫吸取了梅耶週期表的優點，對週期表繼續進行更深入的研究，在1871年12月，與他的論文《化學元素週期性依賴關係》同時發表了第二張元素週期表。在這張週期表中，將原來的直行改成横排，使同族元素處於同一直行中，突出了化學元素性質的週期性。在同一族裡，也同梅耶一樣劃分了主族和副族，使元素的週期性更加明顯。他大膽地修正了一些已被公認的原子量，如銦In、鑭La、釔Y、釷Th、鈾U等。他把尚未發現元素的空格由原来的四個增至六個，並且還預言了它們的性質。這幾種尚未發現元素，門得列夫稱之為：eka-Boron（類硼）、eka-aluminium（類鋁）、eka-silicon（類矽）；其對〝類硼〞、〝類鋁”及〝類矽”等的預言，日後發現準確得令人驚奇。

門得列夫在《化學元素週期性依赖關係》一文中，確立了元素週期律，即元素（以及由它形成的單質或化合物）的性質週期性地隨著它們的原子量而改變。其週期律的要點整理如下：

1.        若把元素依原子量的大小排列，明顯地呈現出性質上的週期性變化。

2.        化學性質相似的元素的原子量，有些作有規則的增大，如K、Rb、Cs；有些具有幾近相等的原子量，如Os、Ir、Pt。

3.        以原子量為序排列，所得元素的族（Groups）的順序，與其化合的價相當。

4.        原子量較小的幾種元素，它們的性質上差異較大，分散在各族裡，是各 族有代表意義的元素。

5.        原子量的大小，可以决定元素的性質。

6.        元素的原子量，可借其相鄰各元素的性質及原子量進行校正，Te的原子量不應是128，而應介於123-126之間。

7.        可以預測尚未被發現的元素，例如〝類鋁〞和〝類矽〞的原子量應65-75之間。

化學元素週期律的確立，使化學從對個别元素的零星事實的羅列中，揭示出了化學元素之間存在的自然規律關係，把所有化學元素納入一個完整的體系，使化學進入了系統化的階段，特别是對無機化學進行了一次大統合。它將過去研究過的無機物如氧化物、氢化物以及酸、鹼、鹽等，都納入一個系統的理論體系之中，並對各種化學元素及其化合物的性質提供了統一的說明。1869年他出版了《化學原理》一書，此書不但是按照元素週期系統编寫的一本化學教學参考書，而且也標誌著化學教本不再是各種元素和它們的化合物的資料的堆積，而是成了一個有系統化的化學知識體系。

 圖2 門得列夫第一份英文版本（建基於俄文第五版）的元素周期表

 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫）

n  門得列夫週期表預言之應驗

在門得列夫作出〝類硼“、〝類鋁”及〝類矽”的科學預言四年之後，法國化學家德布瓦斯波德朗（P.E.L.de Boisbaudran, 1838-1912）於1875年在用光譜分析研究一種鋅礦時，發現了一種新元素，命名為Ga鎵，並在巴黎科學院的《報告錄》中發表了論文。門得列夫讀了以後，寫信给德布瓦斯波德朗，說明鎵正是〝類鋁”，但鎵的比重不該是德布瓦斯波德朗所測得的4.7，而應該是5.9-6.0。這使德布瓦斯波德朗驚奇不已，因為鎵是他發現的，其他人還没見過，更不用說千里之外的門得列夫了。但經他重新提煉純鎵後，測得的比重果然是5.96，不僅鎵的其他物理、化學性質與門得列夫的預言相符合，而且連發現的方法也與門得列夫預言的一樣。鎵的發現，使人類第一次科學地預言了未知的元素得以應驗。這一件事震驚了當時歐洲的科學界。接着，在1879年，瑞典人尼爾森（L.F. Nilson, 1840-1899）又發現了〝類硼”，並命名為Sc鈧；1886年，德國化學家文克勒（C.A. Winkler, 1838-1904）接著發現了〝類矽”，並命名為Ge鍺。這幾個元素的性質都與門得列夫的預言相符合。

n  結語

門得列夫在他的週期表裡為「未知元素」預留了空位，並依照這些未知元素應當具有的性質給他們起名為〝類硼〞、〝類鋁”及〝類矽”等。在1869年門得列夫首次發表元素週期律時，他的成果並不為當時的化學家們所認可。但在隨後的幾年中，門得列夫預言的〝類硼〞、〝類鋁”及〝類矽”等11種未知元素皆陸續的被發現，此即以後發現的鈧、鎵、鍺等。這些元素的各種性質與門得列夫的預言驚人地吻合，特別是後來發現的He氦、Ne氖、Ar氬、Kr氪、Xe氙和Rn氡；又給元素週期表增加了新的惰性氣體。他的名著、伴隨著元素週期律而誕生的《化學原理》，在十九世紀後期和二十世紀初，被國際化學界公認為標準著作，前後共出了八版，影響了一代又一代的化學家。

門得列夫說：「我因為懷著一個有確切目標的意識，不斷研究、不斷努力的結果才有了那個夢想。」他又說：「我的研究，是從許多的觀察中找出有價值的事實，也就是在尋求其確實性。」這些話倒是說出了他的研究精神。門得列夫的智慧雋語與研究精神，實值得後人學習。

n  參考資料

洪文東、李文德、黃嘉崑、謝榮藏（2006）。 師院普通化學。臺北市：五南圖書出版公司。

林景淵、李嫈嫈（1985）。不朽的科學家。臺北市：書評書目出版。

門得列夫（1834.2.8～1907.2.2）Dmitry Ivanovich Mendeleyev。取自http://edson.tw/chap08/period/08p01.htm（2016年12月26日）

德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫。維基百科。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫（2016年12月26日）

發光的「銅」心

廖旭茂

國立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
nacl880626@hotmail.com

n  影片觀賞

本影片介紹演示實驗發光胺（魯米諾）溶液在銅線的催化下，所產生的螢光反應，並在文章中介紹光化反應的原理。

影片網址：發光的「銅」心，https://youtu.be/tpX6x7XfhPw

n  簡介

發光胺（Luminol, C₈H₇N₃O₂）俗稱魯米諾，是一種白色近淡黃色的結晶粉末，是最常用的化學螢光劑之一，在鹼性的水溶液環境中，形成雙陰離子的魯米諾，遇到氧化劑（如雙氧水）產生的氧氣，反應生成激發態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子（3-aminophthalate），隨後發出藍色螢光回到基態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子，藍色螢光的波長為425 nm^[1]。因為反應結果相當靈敏，通常用於命案現場血跡的追蹤，藉以判斷第一現場的位置，刑事鑑定上通常以氫氧化鈉配製成鹼性溶液並與雙氧水混合，當遇到血跡，血液中血紅蛋白的鐵會立刻催化雙氧水的分解，引發後續的光化學反應。本實驗參酌英國皇家化學會網站演示實驗內容^[2]，改以銅線為催化劑，在乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）與氨水的鹼性環境中，觀察魯米諾溶液的光化學反應，以及因為錯合反應所造成溶液的變化。相關詳細實驗步驟及原理，分述如下：

n  藥品與器材

1.          A溶液：發光胺（Luminol, C₈H₇N₃O₂，魯米諾） 0.10克、2.0 M NH₃ 15毫升、乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na, C₁₀H₁₂N₂O₈Na₄） 0.20克。

2.        B溶液：1.0 M H₂O₂ 3毫升。

3.        同軸纜線（30公分長） 1條、單芯銅線（15公分長） 1條、培養皿 1組、濾紙（直徑9公分）1張、玻璃試劑瓶（20毫升）1個、燒杯（50毫升） 2個、玻棒1支、血清瓶（100毫升） 2個。

n  實驗步驟與結果

一、  實驗溶液配製及準備

1.        取一個50毫升的燒杯中，加入15毫升的2.0 M NH₃中。接著，秤取0.10克的發光胺與0.2克的乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）粉末，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解，形成A溶液。A溶液中計約含30毫莫耳的NH₃、0.55毫莫耳的發光胺、0.55毫莫耳的EDTA-4Na。另取3毫升的1M H₂O₂為B溶液備用，其中H₂O₂約計3毫莫耳。

2.        取一段約30公分長的同軸纜線，剝掉黑色的塑膠外層、網狀導電體、鋁箔及絕緣用的聚乙烯塑膠後，抽出銅線；再以尖嘴鑷子彎折出兩個大小不一的心形，備用。

3.        若有多餘的線材，可環繞鉛筆彎折成立體螺旋狀，備用；若線材不足亦可使用較粗的單芯銅線取代。圖1為彎折的銅線的式樣。

圖1：圖左方的心形是以同軸纜線彎折

二、  實驗演示

1.        演示方式一：新鮮配製完成的A、B兩溶液，緩慢地倒入一個預先鋪好濾紙的培養皿中，淹沒並覆蓋整張濾紙，隨即將兩個心形銅線放置在溶液中，觀察心形銅線周圍發生的變化；關閉電源，觀察螢光反應的發生，接著適度搖晃培養皿後靜止，觀察螢光的擴散變化。圖2和3為魯米諾在培養皿中的變化。

圖2：關燈下，出現心形螢光

圖3：反應一段時間後，心形銅線周圍溶液變為綠色

2.        演示方式二：另行配製的A、B兩溶液，緩慢地倒入一個20毫升的玻璃試劑瓶中。隨即關燈，觀察螢光發生的情形；搖晃銅線，觀察瓶中螢光的變化。當螢光轉弱時，打開電源至反應結束，觀察溶液顏色的變化。圖4~6為溶液的觀察紀錄。

圖4：立體螺旋銅線周圍出現發光胺的螢光過程

圖5：過程中立體螺旋銅線周圍出現氣泡，溶液為綠色

圖6：反應結束後，溶液轉變為深藍色

n  原理與概念

發光胺（魯米諾），為難溶於水的淡黃色粉末，化學式為C₈H₇N₃O₂，在一般的演示實驗中，多是配製兩種溶液，一種是作為氧化劑的雙氧水，另一種是將發光胺配製在氫氧化鈉或碳酸鈉存在的鹼性溶液中，其中並加入硫酸銅以作為雙氧水分解的催化劑；發光胺在鹼性溶液中會形成雙陰離子（dianion），當兩液混合時，銅離子會催化雙氧水而發生分解反應，產生氧氣^[3]，氧氣進而與雙陰離子反應，生成激發態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子（3-aminophthalate），隨後發出藍色螢光回到基態^[4]。圖7為發光胺產螢光的詳細反應過程。

圖7：發光胺產螢光的詳細反應過程

本實驗以銅線取代銅離子，銅線在雙氧水的氧化下，產生銅離子^[5]，藉由EDTA與銅離子間極高的穩定常數K_c = 10^18.8，形成高穩定的螯合物[Cu(EDTA)]²⁻，銅離子瞬間大幅減少，進而抑制了銅離子催化雙氧水的分解速率^[6][7]，螢光發光時間也由傳統化學演示的30秒，延長至十數分鐘不等；光反應的區域侷限在細銅線狹窄的周圍，距離銅線越遠，銅離子的濃度越低，培養皿大部分的區域，幾無光化學反應進行，呈現一片黑暗；若搖晃培養皿，銅離子擴散開來，螢光亦隨之散開，圖8為搖晃培養皿導致發光強度更佳。

圖8：搖晃培養皿，銅離子擴散開來，催化發光胺的發光。

當玻璃試劑瓶的反應經歷一段時間後，因為螯合的Cu(EDTA)²⁻的生成，溶液為綠色；本實驗因發光胺為限量試劑，數分鐘後便不再發光；同時隨著EDTA-4Na的減少，未螯合的銅離子濃度升高，雙氧水的催化反應速率越來越快，實驗最後因銅離子與氨水錯合，溶液變為深藍色。

經實驗測試，其他螯合化合物，如草酸鈉等亦可像EDTA一般，抑制銅離子的催化反應，延長演示時間。

n  安全注意及廢棄物處理

l  操作過程中，因濃雙氧水有腐蝕性，碰觸後會傷害皮膚，必須戴上手套。

l  實驗後，反應所產生的廢棄物，依規定回收處理。

n  參考資料

1.      Luminol, https://en.wikipedia.org/wiki/Luminol.

2.      Lighting up copper, https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/lighting-up-copper/2000050.article.

3.      Spyridon Skounas, Constantinos Methenitis, George Pneumatikakis, and Michel Morcellet (2010). Kinetic Studies and Mechanism of Hydrogen Peroxide Catalytic Decomposition by Cu(II) Complexes with Polyelectrolytes Derived from L-Alanine and Glycylglycine. Bioinorganic Chemistry and Applications. Volume 2010 (2010), Article ID 643120, from https://www.hindawi.com/journals/bca/2010/643120/.

4.      Bassam Z.Shakhashiri, Chemical Demonstrations, Vol. 1, The university of Wisconsin press (1983), p. 156-167.

5.      Will hydrogen peroxide blacken copper?, http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/redox/faq/h2o2-cu.shtml.

6.      EDTA, http://en.wikipedia.org/wiki/EDTA.

7.      李威霖（2010）。以電解系統處理化學銅廢水研究。國立交通大學機構典藏畢業論文。參閱https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/44014/2/651603.pdf.

北京化學教學交流：
一次紮實辛苦且收益良多的教師進修

湯偉君

臺北市立萬芳高級中學
weiyeekimo@gmail.com

n  踏上北京行

2016年5月22日與此行領隊臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹老師和大學入學考試中心吳國良研究員會合後，驅車前往桃園機場與其他同行者集合後，前往北京，抵達時已經是晚上八點。北京師範大學（簡稱北京師大）接待人員至機場迎接，並搭乘專車（北京師大校車）入住北師大旁的京師大廈。一切安頓好已是晚上十點多，由於第二天本人要進行報告，隨即便在房內準備報告內容。

n  驚艷實驗室設備與師資訓練

5月23日（周一）至北京十四中學交流，在歡迎式上除了邱老師和臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿所長外，本人也進行了十分鐘的報告，主要是談本人能參與這個參訪活動的緣起。之後，進行參觀教學和該校的實驗室，就生物實驗室而言，該校配備了高分子實驗室和組織培養實驗室（見圖一），這令本人十分驚訝，這在臺灣幾乎是大學等級的配備了。

圖一：高分子實驗室（左）和植物組織培養實驗室（右）

中午由該校招待午餐後，下午在該校禮堂進行臺灣所沒有的「高端備課」說明（見圖二），包含北京各區中學教師，這種模式是由大學與高中教師進行極為密切的互動合作，包含說課、備課、試教、調整、再試教，在職師資訓練課程的組織結構十分完整。這一師資訓練的模式，對本人而言，感受甚深，以往在指導實習教師時，只有純粹的師徒模式，北京師大王磊教授組織的師資訓練模式，是本人反思自己教學和指導實習老的重大參考策略。該研討會亦包含由邱老師主講的內容，以及北京高中端的實施說明，整個會議在下午五點半方結束。

圖二：高端備課說明

n  同課異構彰顯兩地教育之異同

5月24日前往位於圓明園園區內的101高中，這是北京地區前四志願之一，該校和14中相同校園廣闊，校園與圓明園相通，該校既有此豐沛獨特的社區資源，便經常至圓明園辦理學生活動，包含訓練學生成為園區講解志工。當然，當天下午我們也得地利之便，在該校兩位年輕教師的陪同之下，參觀了這個歷史上大名鼎鼎的古蹟。

早上則是進行大陸和臺灣化學教學的「同課異構」，很明顯地兩地區教學有很大差異，臺灣教學較為創新與活潑，而北京的化學教學則脈承王磊教授的高端備課，甚為組織嚴謹、知識架構完整。雙方各有優缺點，臺灣的教學流程和時間掌控不易，大陸的則被限制在一個框架下，當學生或教師有了新奇的想法，不易在此空間下被接受。

5月25日早上安排參觀北京科學博物館，與臺灣及其他國家的科教館比較起來，展出內容大同小異，最大的差別應是北京的場地更大，展出更多。當時亦有北京許多各級學校，由幼稚園至高中皆在此進行非制式教學。

下午至北京師大化學系，實地進入大學教室觀察王磊教授訓練師培生的試教。經過這三天，本人想已經充分理解了王磊老師的高端備課。在一個模組下，可進行許多化學觀念的教學。同時王磊老師的上課態度至為認真，由下午一點到五點半毫不間斷，中間只有一次五分鐘的上廁所時間。整個流程是，師資生分成兩組，第一組有五個學生各自分別以8-10分鐘時間，進行一個化學概念的試教，第一組整個施教完畢後，分別由王磊教授講評、發表學生自評、其他學生同儕互評，從三角度進行反省檢討。第二組接著上場，程序亦同。因為臺灣教師有四人在這間教室，我們也被要求進行簡短講評，由於化學並非本人的專業，只能針對教學呈現上，例如實驗展示的視野角度給予建議，同教室的另三位臺灣化學教師則多對展示實驗安全性給予了建議與關注。

n  高中課程的彈性，不敢想像

5月26日早上至北師大附中參訪，該校課程十分有特色，在高一、二的階段在上午的時段便將高中三年課程上完（少部分會延到高三上學期部分時間），高三則全力進行複習以準備高考。其實這部份還不算特別，兩年前在山西觀摩太原地區教學也是如此，只不過他們早上分成五節課，每節課40分鐘（臺灣高中一節課50分鐘，但時間多寡不是重點，有精神地紮實上完40分鐘更有效率）。每日還必有一節體育課，這就很特別了，讓學生每天都能動一動，對身心健康和學習效果更能提升。更何況該校下午學生則分成數理、文科、社會科、國際班等班別進行類似探究課程，本人對這麼有彈性的制度感度十分景仰和驚訝。

北京師大附中的課程彈性，兼顧現實的大學升學與理想的適性發展，一節課僅40分鐘和每天必有體育課，課程基礎還兼顧學習心理學的理論基礎。雖然這是本人參觀多所大陸高中，唯一課程這麼有自主性的高中，然而在臺灣，公立高中可以有真正發展學校特色的空間嗎？臺灣的107課綱要發展學校特色課程，的確有一些空間可著墨於校本特色課程的開發，但相對於龐大的部定必修、選修，同時一個學校特色課程一旦開發，全校所有學生都得照著這個特色走，似乎忽略了校內學生內差異的存在，在此情況下學生真能做到充分的適性發展嗎？不過針對107課綱的變革，各高中都在嘗試及努力中，期待看見美好的結局。

n  整體心得：一次紮實辛苦且收益良多的教師進修之旅

最後一晚，此行所有教師共同參與分享反思會議，每位老師都對此行有高度評價，各有各自的心得收穫，本人則總結以下三方面心得：

一、學習方面

這次的參訪其實包含兩層次，一是高中科學教學，二是大學的師資培育，前者仍是以講授法為主，強調的是知識的組織架構與邏輯順序，在教學中僅強調知識的組織與邏輯，這點比較不適用於目前臺灣的科學教學，尤其是臺灣比率較高的社區高中學生，不過對於未來能從事學術方向的高中生，這種教學的確有效率和系統性。另一方面，在師資培育部分，是針對師資生，施教對象是未來的中學教師。這個有組織性的師資培育教學法，包含說課、備課、試教、調整、再試教；指導教師講評、發表學生自評、其他學生同儕互評，充分完整面面俱到，是我們所需要學習的，對本人而言，常有機會接觸實習教師，在實習教師培訓策略上收益良多。

二、領悟方面

第一天真的被北京高中生物實驗的設備所震懾，包含高分子實驗室、植物組織培養實驗室，但之後想想，以自己學校的規模，如果要籌備出這種實驗室，恐怕會排擠掉別的預算，而這類實驗室的建立，恐怕也只能讓少數學生使用於高科技的初探，這些高科技為何不在大學階段再施作呢？同時臺灣地小，高中和大學距離近，若真有資賦優異值得栽培的學生，就近與附近大學合作，送往大學實驗室進行拔尖課程，一方面大學可得到測試未來學術人才的機會，二來高中也可將資源有效運用。

三、檢討方面

雖然學校硬體不如所觀察的三所高中，但本人認為自己教學法上多元而創新。不過反思，有時本人的教學在強調創新的同時，卻忽視了組織和架構，應該要向大陸教師學一些，或是說轉一些角度回到以往的傳統，多一些知識組成的東西，多些要求學生學習的態度。

n  感謝

感謝臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹老師運用自己多年在專業的努力，贏取的人脈關係，組織安排了這次參訪，也感謝臺灣師範大學科學教育研究所許瑛韶所長提供經費支助。這次參訪是本人第二次到大陸進行教育參訪，這次是名副其實的一次紮實辛苦且收益良多的教師進修之旅。

《臺灣化學教育》第十六期（2016年11月）

目  錄

n  主編的話

u 第十六期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n  本期專題【專題編輯／邱美虹】

u  北京化學教學參訪：迴盪在臺灣與大陸之間／邱美虹〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：認識論教學法、同課異構及課堂實驗活動／邱美虹〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：臺灣孩子的教育機會是甚麼？／楊芳瑩〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：兩岸大學入學考試與高中教學交流心得／吳國良〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：北京101中學「同課異構」化學教學紀實／王瓊蘭〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：北教學參訪與師資培育心得分享（上）／廖旭茂〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：教學參訪與師資培育心得分享（下）／廖旭茂〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：高中菁英化學教育交流與參訪心得（上）／劉曉倩〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：高中菁英化學交流與參訪心得（下）／劉曉倩〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：資訊融入教學社群分享與參訪心得（上）／鐘建坪〔HTML｜PDF〕

u  北京化學教學參訪：資訊融入教學社群分享與參訪心得（下）／鐘建坪〔HTML｜PDF〕

n  化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】

u  亞甲藍的光致變色／廖旭茂〔HTML｜PDF〕

n  教學教法／高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯／施建輝】

u  有關化學鍵和八隅體法則的問題／施建輝〔HTML｜PDF〕

n  教材教法／化學課程與教學【專欄編輯／周金城】

u  國小學生製作科學玩具「整人墨水」／江志宏、張自立、辛懷梓〔HTML｜PDF〕

n  新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／翁榮源】

     u  參加2016 BCCE並發表普通化學實驗翻轉教學／佘瑞琳〔HTML｜PDF〕

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第十六期 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）理事長（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
mhchiu@ntnu.edu.tw

本期專題以一行大學教授、研究人員及中學自然科教師於2016年5月赴北京市進行化學教學與學校機構參訪為主題，除描述所見所聞外，並對臺灣與大陸的化學教學、人才培育、師生特質做一剖析。內容包括具體實例的說明、實驗設備及教學目標的闡述、教育觀點的反思、人才培育的危機與契機等等。繼上海之行的報導（《臺灣化學教育》第四期，2015年11月）後，本期再次報導參訪團到第一線觀察北京市化學教學與參訪三所中學與北京大學的心得，希望透過這些文章可以呈現所參訪的三所北京學校的教學特色，以及其可能對臺灣化學教育的啟示。

臺灣這幾年的教育鬆綁使得教育現場出現形變與質變的教學與評量方式，雖然有大學與中學入學考試制度的持續存在，但是因實施多元入學方案與大學林立的現況，學校教育的目標與策略仍呈現多元性與自主性。然而有些基本的問題是否有解決呢？以化學為例，化學是一門實驗的科學，科學家透過實驗、收集資料、檢視假設、尋找規律性與再現性、下結論；然而學校實驗課程一直無法落實，不論是在課堂上操作或演示，或是在實驗室進行實驗都仍顯不足，這是值得去深入探討與立即解決的問題。這幾年本人在大陸觀課的經驗發現教師已把實驗活動帶到課堂上，利用簡單的設備與藥品或是微型實驗器材，將理論與實驗觀察和動手做結合在一節課內完成，我想這樣的做法提供學生最即時與真實的實驗經驗，是值得我們學習的。臺灣中學生入學壓力遠不及大陸中學生大，應該可以利用這樣的天賜機會，好好落實教育理念，培養學生獨立思考、問題解決、溝通表達、彙整資訊的能力、以實事求是和證據取向的探究精神面對科學性的社會問題等等。我們沒有辦法預測10年、20年或30年後的工作會是什麼樣子，但是我們應該培養他們的基本科學素養，以面對瞬息萬變的21世紀。這是一個危機的時代，也是一個具有契機的時代，我們必須盡早為下一代做好準備；而下一世代的孩子們也要更積極主動準備好面對這頗具挑戰性的時代。

最後，本期常態性專欄文章有國立大甲高級中學廖旭茂老師的〈亞甲藍的光致變色〉，一如往常，廖老師總是能在實驗創新上展現不一樣的風貌。該實驗藥品很簡單，實驗操作亦不難，因此可以在教室做示範實驗或是學生進行動手操作的實驗活動。該活動未來可搭配教學策略或提出拓展性問題，使此活動的推廣更能展現培養創造思考與問題解決的實踐面。其次是國立新竹科學園區實驗高級中學施建輝老師的〈有關化學鍵和八隅體法則的問題〉，施老師首先挑戰在高中課本中硫酸根的結構SO₄²⁻，以S-O單鍵論證「為何又有雙鍵的說法」的說法，來說明SO₄²⁻中S-O單鍵與雙鍵產生共振的說法的適切性；並進而延伸到對磷酸根（PO₄³⁻）中P-O鍵結和氯酸根（ClO₄⁻）中Cl-O鍵結的共振結構加以闡述。除此之外，施老師針對常易混淆氯化鈹（BeCl₂）和三氟化硼（BF₃）是否符合八隅體法則的概念加以分析，並認為高中階段宜採取Huheey的觀點，將BF₃視為不符合八隅體法則的化合物，並進而探討AlCl₃隨不同溫度產生不同化合物而穩定存在，因此AlCl₃有時符合八隅體法則，有時又不符合八隅體法則。新北市立新莊民安國小的江志宏老師則是開宗明義即點出教學的困境，「到底老師教會了孩子什麼？」有這這樣的省思，科學探究的內涵就會在教學中被彰顯出來。江老師的實驗流程逐步引導學生操弄變因，以便提出結論。執行實驗時，常以問題來引導思考與動手做，其教學活動設計頗具參考價值。最後一篇是臺灣大學化學系佘瑞琳老師出席美國化學教育雙年會(BCCE)的心得分享。此篇是繼本期刊前期翁榮源教授的BCCE報導之後另一篇研討會分享心得報告。佘老師針對臺灣大學一年級學生的普通化學實驗實作與報告書寫實踐翻轉教學，其活動是透過美國化學會所出版的Journal of Chemical Education期刊論文培養學生閱讀期刊的能力，並要求學生製作海報分享研讀結果，成效不錯，唯文中指出，該校學生科學閱讀仍有困難。以第一學府尚是如此，可見強化學生英文閱讀能力仍是不可忽視的教學目標之一。

北京化學教學交流：
認識論教學法、同課異構及課堂實驗活動

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所
mhchiu@ntnu.edu.tw

化學是一門研究物質的性質、結構、反應、變化、能量轉化等的基礎科學，其充滿多變、動態、微觀的本質與奧妙。化學總是會因為不同粒子的碰撞產生可預期與不可預期的結果，讓化學家以充滿無限期待的心情去進行實驗與探索，並從其中獲得求知的樂趣。化學教學就像化學的本質一般，充滿變化與動態的本質，它會因為教學主題、教學對象、教師的背景知識以及對學生背景知識理解的不同，產生交互作用後轉化成各種形式的教學目標與教學行為，也正因為如此，化學教學深具挑戰性，化學教師必須要能掌握化學巨觀與微觀之間的交互關係以及如何善用符號及各表徵去呈現複雜的化學關係，並展現於其教學中，以培養學生化學思維與操作和探究的能力。

此次出國參訪最主要的目的有三：其一是參觀北京三所知名中學的化學教學；其二是進行臺灣化學教師與大陸化學教師進行「同課異構」教學分享；其三是參訪北京大學化學學院在化學人才培育上的目標與策略。以下簡要的針對上述三主題加以說明。

n  磨課的過程—前測、數據處理及分析、備課研討、試講及討論、正式講及討論

唯有精進化學教學品質，方能提升學生化學學習成效與思考智能。一門課要呈現在學生面前，究竟要試講過多少次才能正式在學生面前教學呢？學生真的是白老鼠嗎？還是每一節課都是教師的經典之作，不論是第一次正式教學或是第n次教學，學生都能一樣享受教師最佳的表現嗎？

以北京師範大學化學（校訓，見圖1左）教育研究所王磊教授團隊的「高端備課」（見圖中、右）為例，自2008年開始，王教授與第一線教師從認識論的角度進行課程設計與實施，其主要的設計理念是重視學生的先前概念、強調知識的結構、性質、位置，利用三維度的架構來進行課程設計、教學策略、教師專業成長等。在設計過程中，王磊教授都在課程實施前要求教師進行預教、經檢討後方可在課堂上實施；同時，教學中與教學後會和授課教師與學生進行面談與討論，以了解教學成效與學生學習狀況。王教授的高端備課與教學講求從知識到能力和素養的發展進階，從學習理解、實踐應用、到創新遷移三階段，每一階段分別是在「發展知識建構」、「了解知識的功能」到「知識的素養化」。其目標與做法皆相當明確，使其團隊的研究與教學實踐工作蓬勃發展並得以影響現場教師的化學教學。

圖1：北京師範大學校訓（左），王磊教授（中、右）

我們在5月23日參訪的北京十四中觀課的「原電池化學」以及5月24日在北京圓明園內的101中學的「元素週期律表」和「物質的分類」，都屬於高端備課團隊的課程之一，從教學設計、試講、教學改進、到正式講，這過程的磨練，使得上課教師對課程內容掌握的相當準確，口條清楚明確，學生可以跟著教師的思路建構知識。以白光耀老師的「元素週期律表」來說明知識的結構、性質、位置（見圖2左），結構即為元素的質子、中子和電子的排列，性質則是元素的本質（如金屬性、非金屬性或是其化合價），位置則是其在週期表中的位置。結構決定性質、性質反應結構；結構決定位置、位置反應結構；同理位置與性質亦可依此推理出其關係。透過這些框架的呈現，期待可以幫助學生建立系統性的知識。而康永明老師則是以二維方式來呈現三維的方式來呈現結構、位置、類別、化合價之間的關係（見圖2右）。

圖2：白老師運用〈結構、性質、位置〉教學法（左），康老師用三維法教學（右）

我個人一向對於大學教授能長期與第一線教師共同研發課程深感佩服。一般大學教授大都投入研究工作、撰寫研究論文，對於現場的教學較不關心，尤其是中小學教育；即使有關心者，其尺度也比較小，大多是與自己研究相關的學校合作，屬於較小規模的研究。然王教授在北京市鋪天蓋地進行教師專業成長的工作，並結合其在學術研究上的心得以及實務的需求，和教師攜手共同研發中學教材、培訓教師，近十年來的努力其成效已不容小覷，不得不令人佩服其遠見、堅持與使命感。在我個人看來，高端備課成功的理由有三：1.透過以學理為基礎解決教師現場教學的困境，強調從學生的學習出發（認識論）、深入探討學生的學習進展並以培養關鍵能力為主；2.行政資源的整合與支援，使大學、區督導與教研員的高度配合成為高端備課落地的關鍵，使其得以從點（一個班級、一位教師）到線（數個班級、數位教師）、從線（校）到面（校際）；3.在教師備課、試講、教學改進、正式講以及評量試題上皆給予直接且快速的回饋，使教師得以具體改進其教學策略與持續精進其教學。然而，這樣的教學結構也必須透過教師深刻理解學生的學習困難與發展進程，才能彰顯此種教學法的特色，否則流於形式化的教學框架，反倒阻礙發展創造性的教學法與忽視個別差異的學習狀況。

n   以線索教學法搭鷹架，有效地引導學生拓展思維與發現

在北京師範大學第二附屬中學（簡稱北師大二附中）我們看到一場相當精采的教學，該堂課的上課主題為〈醫用膠單體結構、性質與合成的概念〉，其中以檢測單體分子中的特定官能基（硝基、氰基）是否存在為這堂課的學習重點。授課的是北京市化學名師全芙君老師，她的教學法很特殊，根據學生的背景知識事前先設計好幾種線索，在給予學生特定任務後，便提供線索給學生解題，讓學生可以根據適當的線索嘗試解題；若無法解題時，可以再向全老師索取第二條線索，直到第三條線索後全老師會告知已給予足夠線索，應該由自己小組去找出合理的合成反應過程，最後全老師還要求各組將反應過程寫在教室四周的黑板上（見圖3），再由全老師來帶動全班討論正確的反應過程與產物。這樣的教學，教師要能掌握學生的既有知識與能理解新概念的準備度，並透過事前精心設計的教案與學生活動展開思維上的成長，全老師在這幾方面都展現出特級教師的專業素養，從一開始提示線索、幫學生搭鷹架、提問、追問、鼓勵小組討論、關心解題較慢者的反應等等，同時全老師在最後下結論時，也將概念圖的部分內容遮起來，再帶著學生逐步一起解開謎底。整體教學過程，讓人由衷的佩服其精練的教學策略、對學生認識知識的深入理解、以及其對學習素材深淺度的掌握，都讓人拍案叫絕。在這一堂課我們看到教師搭鷹架、學生透過討論主動建構、最後分享與討論；從師生共構、生生共構、再到師生共構，充分展現課堂是學生與教師共享的殿堂（見圖4）。

圖3：學生將討論後的化學反應過程寫在環繞在教室三面牆上的黑板

圖4：簡易的酒精燈與實驗包（左），同儕相互討論、辯證（中），全老師的總結與討論（右）

n  同課異構的教學

國內對於「同課異構」教學的概念應該是較少接觸，然而這在大陸行之有年。顧名思義，「同課異構」教學就是以不同方式的教學法來闡述相同主題的內容。教師可因個人對學生背景知識的理解以及個人學科教學經驗與知識，而設計出不同的教案與教法，據此進行教學展示與分享。

此次我們在5月24日參訪位於北京圓明園內的101中學，這所歷史悠久的中學，培育出許多當代知名人物與領導人，其校園果真名不虛傳，處處皆是景，美不勝收，想必在此求學者必是一群得天獨厚的孩子。如前所述，在此校我們進行〈元素周期律表〉以及〈元素分類〉複習課程的同課異構教學。101中學派出兩位化學教師（白老師和康老師）上臺教學，而臺灣也派出兩位教師（鍾曉蘭老師和王瓊蘭老師）針對週期表進行教學，四位化學教師的教學對象都是101中學的學生。這對臺灣教師而言，也是一項挑戰。

為了讓觀課教師可以進行觀察，學校安排一個大講堂，授課教師、聽課學生、實驗器材、桌椅通通搬到舞臺上（見圖5），同時便於觀察，現場還有電視近距離現場直播每組學生小組討論時的情景，以及動手做實驗和手寫作業單的情形一覽無遺，最後再由王教授和我做相互點評。

圖5：同課異構的課堂教學觀課者（左，周冬冬拍攝）和學生（右）

101中學的兩位老師分別著重解題策略和以透過實驗猜元素的遊戲方式進行元素性質的推理活動，兩位老師的口條都非常好、內容條理分明、逐步引導學生思考，讓人印象深刻。臺灣教師的教學顯得較為活潑，鍾老師使用角色扮演的方式來說明元素形成化合物的過程，學生對於這樣的教學一開始有點錯愕，大概從未思考過用角色扮演學化學，然而很快便進入情況，這樣的活動雖是以較活潑的角色扮演為主，但是其設計活動背後的理念是希望學生以系統性的模型方式透過自我建構的建模歷程逐漸發展出化合物中元素鍵結的關係，由於時間有限（20分鐘）鍾老師未能在活動中展現完整的建模歷程（見圖6左），僅點到為止。而另一位王老師事前從臺灣帶了許多實驗教具（包括元素卡片、元素的特色實驗等），同樣的高估了可運用的教學時間，使得許多實驗都無法如期完成，甚是可惜。但是王老師將週期表101元素以及臺北101大樓和該校校名結合，透過介紹週期表引進化學史，也讓人耳目一新（見圖6右）。無論如何，這次的交流顯示大陸教師對於建模式教學較為陌生，教學著重解決問題的策略與嚴謹的知識架構，而臺灣教師的教學較為活潑並能適當地引入與生活相關的實例，兩岸高中教師都面臨大學入學考試成效的壓力，但在教學方法上卻有明顯的不同，值得相互學習與自我反思。

圖6：新北高中鍾曉蘭老師的同課異構教學（左），新店高中王瓊蘭老師同課異構教學（右，周冬冬拍攝）

n  教學與實驗融合的課堂活動

化學是一門實驗的科學，透過動手做實驗，除驗證科學原理與原則外，也可以藉實驗過程享受與科學家相似的探索科學奧秘之處的愉悅。繼上海化學教學參訪之後，此次在北京參訪時再度發現，不論是立即驗證或探索課堂所學的內容，課堂上學生以小組方式透過使用簡易的實驗器材進行實驗與討論（見圖7），已是大陸化學教學的常態。

這次我們在北京14中、101中學、北師大二附中，都看到化學教師以實驗帶動討論，培養學生觀察與動手做的能力。以北師大二附中為例，即強調自主管理鼓勵主動實踐以及加強科研帶動學習工作創新，其校內的各種實驗器材完備，提供學生進行各種科學活動的機會。個人覺得將實驗器材帶到課堂上進行教學是很具創意的做法，除可直接進行實驗與原理原則相互呼應外，也可以讓教師在課堂上直接觀察學生操作技巧與資料整理的表現，教室空間雖不及實驗室大，但可在有限的實踐內快速檢驗學習狀況，不失為一種互補實驗室教學的做法。

除此之外，我們也看到北京師範大學化學系魏銳教授研發的微型化學實驗器材，提供了第一線化學教師教學上的使用，這些配合教科書設計的實驗微型器材，簡單易操作（見圖13），使得實驗可以很快的教室內就可以進行，也能即時觀察實驗現象與收集數據和分析結果，對學生而言，認識學理與實驗結合的效益大為提升。

圖7：課堂實驗活動（左），實驗包（右）

n  北京大學化學學院人才培育

走進北京大學化學學院，首先映入眼簾的便是週期表（見圖8），其設計除讓人驚艷外，也不免讓人產生極高的好奇心想一窺究竟，極具創意。化學學院由資深段連運教授和教學副院長裴堅教授負責簡報及接待。裴教授開宗明義就點出北大化學學院的宗旨是在建立並完善通識教育和專業教育相結合的體系、為學生提供更多的選擇、調動學生的潛力與教師的積極性，並透過創新意識、國際視野、實踐能力，產生高素質的引領作用。裴教授還提到，北大化學學院希望學生（1）擁有跨學科解決問題和創新的能力以及（2）能在未知的知識和實踐領域提出問題。目標明確後便在課程設計上逐步朝向目標邁進，裴教授很自豪的表示近年來北大在人才培育上已有可觀的成效，會持續從課程設計上進行尖端人才培育的工作。他的報告讓我們不得不佩服北大人才培育的遠大目標是如何落實在實踐面上。對臺灣高教而言，這幾年來教育部投入相當高的經費在高教體系上，但是否在人才培育上亦有相對應的具體成效與願景，是個值得好好反思的問題，也是該具體進行評鑑的時候了。

圖8：北京大學化學學院的元素週期表展示

n  結語

此次北京行讓我深深體會到北京市參與高端備課的學校，在行政上的配合、在高等教育專家與中等教育教師的緊密合作關係、以及精益求精的磨課模式等等，讓化學教學頗具結構性，且對初任或資深教師皆產生極大的影響。至於課堂教學與實驗活動的結合，在臺灣則是較少見，個人認為這種簡易的實驗方式值得加以推廣，使學生得以做中學，理論與實驗數據相互佐證，透過動手動腦深化對化學的認識，並進行有意義的建構。而同課異構的交流更是促進教師相互學習與激勵彼此發展更具創意的教學模組，未來這類型的交流活動可以較為頻繁的進行，成為常態性教學的活動，以集思廣益激勵教師研發多元教案。大陸和臺灣在教師專業發展的制度上有明顯的不同，大陸教師的分級制度以及專業成長的嚴格要求，使得教師必須要不斷成長與研發教材、改變教法。然而，臺灣沒有教師評鑑辦法，整體而言，較難規範教師專業成長的途徑與要求。建議政府盡快落實教師評鑑制度，讓優質教師得以受到應有的肯定，也讓需要強化教學的教師有受到輔導教學的機會與管道。

n  致謝

此次參訪活動內容相當豐富，在此特別感謝北京大學前校長周其鳳院士、北京師範大學化學教育研究所王磊教授的精心安排，使我們此行收穫滿滿。此外，也特別感謝我們參訪的北京師範大學化學教育研究所的師生熱情的招待（以及周冬冬博士生全程陪伴），以及北京大學化學學院的裴堅副院長和段連運教授人才培育資訊的分享、北京101中學、北京師範大學第二附屬中學以及北京14中學的校長、行政人員、教師、以及學生給予我們最具教育價值的觀課與教學心得交流。此行還有臺灣師大科學教育研究所許瑛玿所長和楊芳瑩教授、大考中心吳國良研究員同行，以及化學教師（鍾曉蘭、鐘建坪、王瓊蘭、廖旭茂、劉曉倩）、生物教師（湯偉君、張瑜紋）與地球科學教師（莊福泰、汪慧玲、萬義昞、謝莉芬、金佳龍）一行16人，感謝大家的熱情參與。在此一併致謝。