臺灣化學教育

國際化學奧林匹亞競賽選手發展

張一知

國立臺灣師範大學化學系
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國際化學奧林匹亞競賽（International Chemistry Olympiad, IChO）是高中學生化學科中歷史最悠久、程度最高的國際競賽活動。自從1968年在捷克斯洛伐克的布拉格舉行第一屆IChO至今已舉辦47屆，現有80個國家參賽。我國則是從1992年第24屆首度組團參加在美國舉辦的國際化學奧林匹亞競賽，至今已參加24年。

我國自參賽以來，培育出近百位傑出國手，在此國際競賽上大放異彩。由於此競賽廣受國際矚目，選手很容易申請到國際一流學府深造，再加上我國訂有獎勵措施，包含獎學金以及保送大學升學，因此對高中生、甚至學生家長都有非常大的吸引力。由於各界之重視，特藉此文詳細說明我國參加國際化學奧林匹亞競賽之過程。

n  國手選拔

國際化學奧林匹亞競賽之的目的之一是盼望藉由獨立和創造性的解決化學問題，激發學生學習化學的興趣。另一目的也在於促進國際間在化學上的交流、建立各國年輕化學熱愛者之間的友誼、學生之間的合作、以及化學教學和科學學習經驗之交流。因而選手一律由各國經全國學生選拔而來，原則上是需有該國國籍，但因歐洲國家人民異國而居之現象普遍，因而特定即使未具國籍，但只要在該國就讀高中一年以上即可。我國則因外國僑民不多，且此活動由國家預算支助，現已經由諮詢委員一致同意通過，我國選手須持有我國國民身份證且就讀國內之高級中學。

我國化學奧林匹亞競賽國手選拔分四步驟：初選、冬令營、複選、選抜營。初選約在每年11~12月間進行，全國高中生凡是對化學有興趣者皆可自由報名，每年報名人數約為一、二千人。初選為筆試，試題以指考化學科試題範圍為主，題型相似，難度略高一點。希望能藉由此公平之考試，選出44位對化學有興趣之高中生。

國內本有化學學科能力競賽，其中全國一、二等獎學生共10位，可推薦直接進入冬令營。因而冬令營一共有54位學生參與。冬令營的期末有一考試，主要為冬令營之授課內容，考試成績在全體學員前一半者（前27位），可由教育部推薦保送國內各大學化學系就讀。

四月中則舉行複選筆試，僅由冬令營之學生參加，內容包含冬令營之授課及衍生問題，均為非選擇題。最後以冬令營營末考試成績60%及複選成績40%合計，由前12位學生進入選抜營。再由選抜營末考試選出4名國家代表。

化學科培訓教練及諮詢委員均同意，此種激發學生學習化學之活動應鼓勵多元參與，因而各考試選才階段，除國手選拔外，均有1/3單一性別之保留名額。

n  課程培訓

由於國際化學奧林匹亞競賽是以英文為官方語言，我國帶隊老師向來以大學教授為主，培訓的工作也就以國立臺灣師範大學化學系負責。常有人不明究理，認為我們為了好成績而讓大學教授過度訓練選手。其實不然，基本的培訓課程是在增加學生對化學的認識。

冬令營在寒假中舉行，由於學測和過年，天數可由10~14天不等。冬令營是參加人數最多的營隊，影響中學資優教育最深，因而課業的安排是加強學生對化學的基本知識。高中化學之學習，礙於上課時數，有些原理講得不甚清楚，各授課教授均在冬令營加強闡述原理，再慢慢加深。

世界各國對高中生所需學習的化學的內容（課綱）不盡相同，我國較傾向美國系統，高中化學以物理化學為主，搭配無機化學和分析化學，有機化學部分較少。但是歐洲國家高中化學是以有機化學為主，國際化學奧林匹亞競賽由歐洲發起，競賽內容當然以有機化學較多。我國高中生在有機化學部分遠不及競賽標準，因此在冬令營時有機化學課程為其他領域的兩倍時間。冬令營每天上課8小時，每位教授都以「得天下英才而教之」之態度認真教學，非常紮實。當然不是所有的學生都適應長達十多天的高強度學習。但培訓時授課教授和高中老師會一直鼓勵這些喜愛化學的學生，自我期許能在冬令營時盡個人之力多認識化學，畢竟沒有人能將所有教授所教的內容全部學會，盡力學習即可。

化學因領域廣泛，高中生不太可能對所有領域都有深入的了解，因而國際化學奧林匹亞競賽規定基本必會的內容，以及一些較深奧的領域。但是若是要從深奧領域中出競賽題目，必須要在每年的二月公布，且最多不能超過6個深奧領域，這就是我們化學奧林匹亞較特別的準備題。選拔營一般在4月，此時準備題已公布，因而在課業上會加強準備題之領域，並持續加深。冬令營因時間長短不定，有時很難有實驗練習。因此實驗練習是選拔營最重要的工作。雖然準備題亦有實驗題，但我們認為準選手們需要基本的實驗技巧，國立台灣師範大學因而為這些學生設計一套實驗大餐，包含滴定、點滴沈澱分析、有機合成等等，滴定又包含酸鹼、氧化還原、EDTA、沈澱等滴定，讓學生可以精熟實驗內容與實驗技巧。

選拔營最後的測驗就是要選出國手，測驗的方式比照國際化學奧林匹亞競賽，分為筆試及實作，各為5小時。待選出國手後，則在國手個別訓練營中，練習準備題中之實驗題。理論部分則由國手自行演算歷屆試題。

我國之培訓看似冗長，但冬令營類似資優教學，並非針對奧林匹亞競賽，希望能提供我國對化學有興趣之優秀學生一個挑戰自己的機會。選拔營三週的活動中，有一週的時間在做實驗，理論教學也非填鴨式。國手個別訓練營4週，真正的授課較少，實驗及自行演算佔許多時間。和其他國家相比屬中等，不算過度訓練選手。

n  競賽評量

國際化學奧林匹亞競賽，雖然理論筆試及實作，各為5小時之測驗，但配分是筆試佔60分、實作佔40分。先考實作，早年只有兩個實驗題，但近年逐漸增加，3個實驗題已為常態。實驗題常有一題有機合成、一分析滴定題，另外則不一定，有時為動力學，有時為光譜。理論筆試一般為8題，化學之4大領域：有機、無機、物化、分析各有兩題。

由於學生是以本國語考試，領隊教授除最重要的翻譯題目工作外，考試完後我們還要改考卷。學生的試卷會影印給領隊教授，主辦國出題老師和領隊教授都要改考卷，若分數不合時，可以討論，即所謂的成績仲裁。主要是避免有語言上的問題。

國際化學奧林匹亞競賽有一很獨特的評分方式—不能雙重扣分。由於試題都很廣泛，各題中會有小題，有時小題中會用到前一小題之答案，若前小題答案錯誤，在後小題中解題方式正確，只是數據不對（因沿用錯誤答案），評分的方式是前小題答案沒分（若方法正確，可得部份分），後小題雖然答案不對，但須得滿分。不能雙重扣分是較為公平的評分方式，但此評分方式改考卷較困難，連出題老師都有時會疏忽，也需領隊教授特別注意。

實驗題因注重實驗數據，雖然會有演算及衍生問題，大部份之配分是在實驗結果。以滴定為例，在化學競賽中，幾乎都會有滴定，學生也都會，但是否滴的準確則可判別高下。國際化學奧林匹亞滴定的標準配分是誤差範圍在1%內可得滿分，超過5%就零分了，有時超過3%就沒分了。化學奧林匹亞對實驗結果之要求大約如此。若在1-5 %之間，則必須線性配分，不能用階梯式配分。

國際化學奧林匹亞競賽深受國際肯定，一大部份要歸功於競賽之評量，可算是真正公平，其結果反映選手對題目的了解。

n  成果展現

我國參賽24年來未曾間斷，95位參賽同學（參賽第一年一位國手氣胸，醫生認為不宜坐飛機，所以少一位國手。）總共獲42金、42銀、11銅共95面獎牌之優異紀錄。得獎只是評量短期成果的一種方式。我國國手約有一半大學進入化學系就讀，早期較多，近年進入醫學系及電機系較多。進入化學系之國手絕大多數都獲得博士學位，現有多人在國內各大學及研究機構工作，留在國外的也有4位在學術界，其餘多在業界。

因國手們在高中階段就接受國際交流，國際化也較深，有幾位在新加坡、日本、沙烏地阿拉伯、卡達任教，他們不但增加我國在國際上的可見度，更可幫助我國化學界和國際的交流。

長遠看，因參加國際化學奧林匹亞競賽為國家培育了許多優秀人才，當然他們即使未參加國際化學奧林匹亞競賽依然會有傑出表現，但要現有的國際關係則較困難，這才是最重要的成果。

n  選手發展

國內有許多人誤認為我國培訓奧林匹亞國手只是要在國際競賽得名，其實我們培育的是國家重要的基礎科學人才。本特刊特邀請六位國手分享其心得，他們多能秉持者當年愛好化學的那份心，持續在化學界努力（如王宗興、戴桓青、李祐慈），甚或跨領域到生技（吳佳鴻）、藥物領域（林奇旺、胡立志）發展。藉此專題盼望國人對國際奧林匹亞競賽有更深入的了解。

n  未來展望

國際化學奧林匹亞競賽有許多實驗題設計優異，可幫助學生了解複雜之化學反應，若有機會也應推廣到高中，也提升教學效率，這也是國際競賽的目的之一。

國際競賽之公平性非常重要，因科學不斷進步，奧林匹亞競賽也要與時俱進，因此設有國際指導委員會，除協助主辦國外，並可提出調整規章等重要工作。我國早期較不重視領隊教授之國際參與，但隨者我們對此競賽之認識，應可積極參與國際事務。當然盼望國人除對國手們的鼓勵外，對領隊教授也要有相應之鼓勵，才能有人願意投入國際化學奧林匹亞競賽。

最後期盼對化學有興趣之高中生，勇敢挑戰自己，加入化學奧林匹亞行列，一起創造化學的新頁。

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：

二十年後的回顧

林奇旺

Bristol-Myers Squibb（必治妥施貴寶製藥公司）
波士頓，美國
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n  緣起—一張圓夢的門票

有多少人的志願是長大後當一位化學家呢？化學家是像電影裡描述的那種瘋狂地混合彩色藥水引發爆炸的怪人，還是如魔術師一樣可以變出各式各樣的神奇？又或者若藝術創作者的無限想像，還是和醫生一樣可以懸壺濟世？以上皆是。那是我心裡面的答案。廣義的化學家可以是一個內心想像天馬行空，卻幾近執著的反覆驗證實驗數據假說，而致力於追尋實驗成果在醫學上的應用來抵抗頑疾。對我而言，參加國際化學奧林匹亞（International Chemistry Olympiad, IChO）競賽是一張圓夢的門票。

就讀新竹實驗高中數理資優班時期，同學們在數學和物理上的程度和熱愛讓我驚艷，覺得透過對數字的基本掌控和數學定律推導彷彿可以描述整個萬物世界的運行。然而化學和生物科學要求大量背誦，似乎並不受到大家的青睞。直到受到化學教師活潑的教學，以及科普叢書和科學家傳記介紹前輩做學問研究的方法啟發，讓我深深感受到化學是一門務實的實驗科學，尤其講求細心觀察物質的基本特性，以歸納同類性質和推衍出物質變化的道理。更加感謝的是清華大學化學系提供週末對各校化學同好的資優輔導以及專題研究，拓展了我對化學發展的視野。

n  參賽重要影響—不斷的挑戰創新

我於1995年在北京參加第27屆競賽獲得銅牌獎，隔年於莫斯科再度挑戰獲得銀牌。整個過程從國內高手的選拔、參賽選手在短時間內如同修練武林秘技般的專注集訓期學習、到真正比賽會場上和國際高手的競技，考驗的是如何結合對化學知識的渴求和追求成績的榮譽心，以及挑戰在時間壓力和臨場表現下的自我競賽。事後回想這種感覺可能和電視影集裡馬蓋先（MacGyver） 的處境可能有幾分相像吧，總需要急中生智來化解難關。以長遠的角度來說，參賽對我的重要影響有三大方向，其一是結識幾十年的良師益友，包含前後屆競賽的海內外選手以及全心促成活動的臺灣師範大學和臺灣大學化學系教授、以及助教們。再者是透過和世界各地高手們的交流切磋來瞭解到做學問的方法的獨到之處，像是東亞國家注重嚴謹的知識基礎建構，對比於歐美國家強調個人表現，風格長處截然不同。最後也是最重要的是體悟到比賽本身是一個瞬間的成果驗收，著重分析解題技巧，可是真正的化學造詣是需要透過不斷的挑戰創新來累積，尤其是如何選定適切的研究課題並且達成效果。

n  競賽的延續—到麻省理工學院深造

自從臺灣大學化學系畢業後，我有幸到麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）攻讀生物化學博士，研究如何透過酵素反應來精準的標示活體細胞表面的蛋白質，以提供對鑽研細胞內訊號傳遞的工具。另一個課題是透過螢光能量轉移來測量細胞內的酵素活性。簡短來說，這些是挑戰如何精確的控制化學反應，讓在試管內發生的結果也可以在複雜的細胞環境裡發生。同時間許多相關新興的領域都有相似跨領域的濃厚色彩，包含化學生物學（chemical biology）、系統生物學（systems biology）、代謝工程學（metabolic engineering）等等。廣義來說化學生物學講求透過合成特殊的化合物來探索重要的生物問題，比方說哪些特定的蛋白質負責細胞對外界刺激引發的訊號傳遞，蛋白質彼此之間如何相互作用，以及這些蛋白質在細胞體內的分佈以及隨著時間的消長。像是利用生物素（biotin）標示的合成分子作為未知蛋白質的受質，有助於透過其鏈親和素（streptavidin）的強力結合而分離、鑑定這些未知物，是一種被廣泛應用的利器。再者是透過合成物質具有螢光、能量轉移、或正子（positron）放射等性質，可進行分子影像術提供即時觀察活體內蛋白質或是代謝物的分佈。有趣的是，在頂尖的學術殿堂裡巧遇昔日一同參加比賽的他國選手們，彷彿是競賽的延續。這種從彼此的競技轉化成相互的專業交流，應該是奧林匹亞競賽的中心精神吧。

n  挑戰困難的主題—到哈佛大學研究藥理

在哈佛大學醫院從事博士後研究期間，正逢指導教授Jack Szostak榮獲諾貝爾醫學獎的殊榮。令人敬佩的不僅是他至高的學術成就，更是其獨樹一格屢屢開闢嶄新研究領域、勇於獨排眾議的致學方法。受到這樣的影響，我選擇挑戰非常困難的研究主題：透過自然界生物體內的分子機器—核糖體（ribosome），測試如何將人造、非自然氨基酸有效的轉化成製造胜肽及蛋白質的小單元，比方說a,a’-碳雙取代（a,a’-disubstituted）、氨基上甲基取代（N-methyl）、以及鏡像（d-）氨基酸等類的化合物相對於天然氨基酸引進了重要的官能基改變。串連這些非自然氨基酸進一步組成的胜肽因為不再被自然界的蛋白酶（proteases）所辨識分解，可以有效增進他們的穩定性。因為氨基酸的氨基上甲基取代，移除原本其氫原子和其他羧基產生氰鍵的特點，能夠徹底改變胜肽鏈骨架結構。再者因為甲基厭水性的特點，提供此類胜肽能穿透細胞膜的可能性，具有成為口服藥物的潛力。

利用有機合成引進特殊官能基以修改小分子、氨基酸或胜肽乃是藥物化學（medicinal chemistry）的主軸，著重於進一步加工已知、鑑定過化合物的性質。透果核糖體來直接產生非自然胜肽能提供等同於藥物化學所追求的特性，如果進一步引進不同的核酸來指導核糖體如何合成，可以更有效的在同一時間內產生巨量（十兆個以上，>10^13）、組合式的不同胜肽混合物，突破人為合成少數化合物的瓶頸。配合另一項利器，mRNA display，將每一個不同的胜肽和製造他們的核酸鏈結，等於是將每個分子貼上迥異的特殊標籤，可以進一步在試管內測試這些胜肽分子和特定目標蛋白質的結合，有效篩選並鑑定具有特殊性質的胜肽。

n  期許造福人群—到必治妥施貴寶開發新藥物

體會到人體是最複雜的化學工廠，是我決定投身製藥界的主因。相信將高深的科學昇華成尋覓良藥的利器，期許在將來能夠造福更廣大的人群。然而現實中藥物開發的道路是漫長而艱難的，所需的人力及財務資源之巨大規模幾乎可比擬世界上一些國家的傾國之力。因此我決定加入必治妥施貴寶公司（Bristol-Myers Squibb），一間有基礎及規模的全球製藥公司，發揮所學專長拓展以巨環胜肽為主的新一代藥物前驅物（millamolecules）。其長處在於藥物分子大小適中，不但可以結合傳統小分子的優點易於身體吸收代謝，又可以類似大分子如單株抗體（monoclonal antibodies）與體內標靶有效結合，達到最大藥效及最少副作用的雙重效果。研究成果應用也拓及好幾項上市或核准新藥包含YERVOY^®，OPDIVO^®、及anti-myostatin Adnectin，在治療癌症、免疫疾病及罕見肌肉萎縮症等方面皆有重大影響。例如在許多肝癌、皮膚癌、腎癌的患者身上發現癌細胞表達過量的免疫系統調控蛋白質（checkpoint inhibitors：如CTLA-4、PD-1、LAG-3）。這些蛋白質原本在正常細胞表面扮演橋樑的角色，負責和免疫細胞（T cells）表面的另一系列的受體蛋白質結合，以停止免疫細胞過分活躍造成無辜的傷害。可是這樣的機制卻被癌細胞用來干擾免疫細胞的訊號傳遞，抑制以及癱瘓他們辨識敵我的能力。YERVOY^®是人造單株抗體，可以有效的與CTLA-4結合。合體後的兩個分子產生空間上障礙而排擠原本CTLA-4和免疫細胞表面CD80的結合。如此負負得正的效果可以重新活化免疫細胞，提升對抗癌細胞的精準度。此類方法已成為近年來癌症藥物的開發新典範，在製藥界目前是競相學習的當紅課題。

n  結語—勇於發揮創意

印象中化學奧林匹亞競賽裡有一系列非常有趣的假設性準備試題。例如，如果原子軌道允許的電子數目改變，將如何影響我們重新定義元素週期表呢？當我此時看著當初臺灣選手們於俄羅斯參賽，在莫斯科大學化學系前的門得列夫巨大的銅像前合影（見圖一），不禁想像說偉大的化學前輩門得列夫是如何透過有限的實驗設備、細心歸納分類各個已知元素、並且預留空位給待尋的未來發現，建造出元素週期表的藍圖，完成跨世紀的創舉？現代的知識技術的累積以及儀器的進步遠超過一百年前，我們是不是能夠也應該比前人更勇於發揮創意、挑戰更困難的科學課題呢？期勉大家一起同心盡力。

圖一：臺灣參賽選手於莫斯科大學化學系前合影（1996年7月），筆者為左二。

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：轉眼間

吳佳鴻

REG Life Sciences, LLC
South San Francisco, California, USA
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n  緣起

轉眼間，從我1995年參加國際化學奧林匹亞（International Chemistry Olympiad, IChO）（見圖一）到現在已經過了二十年了。或許大家會好奇從當年的國家代表隊選手至今都做了些什麼，所以在這裡跟大家分享我當國手之後的歷程。

圖一：臺灣代表隊合照（左圖由右至左：葉國良、林奇旺、吳佳鴻、林至闓以及負責接待我們的領隊）；領完獎牌時與其它國家的領隊拍照留念（右圖）。

n  在臺灣大學邁向科研之路

賽後的秋天我進了臺灣大學化學系就讀，因為之前在保送營和奧林匹亞選訓營就認識不少新同學和老師，對於新環境感覺並不完全陌生。特別是在選手培訓時跟一些教授特別熟，上了大學還是常保持聯絡，所以在大一後的暑假就開始做一些專題研究。第一個主題是用液相層析純化肌紅素，然後用化學平衡的方式去測量它的氧化還原電位。在往後的兩個暑假裡，不只在實驗室裡學到不少作研究的基礎，特別是在與指導教授和實驗室學長姊的互動中對於作研究有更深一層的認識與嚮往，也奠定了之後走向科學研究的道路。

接下來，在大四專題課程中在另一個實驗室學了一些染料雷射以及低溫（液態氦）光譜的操作，並探討化學色素與四股去氧核糖核酸的交互作用。

n  在中央研究院學習分子生物學

大學畢業後服完兵役，在中央研究院生物醫學科學研究所擔任研究助理。在兩年期間，我像海棉一般學習各種分子生物學的技術，包括培養哺乳動物的細胞，控制基因突變及轉殖，培養病毒和抗體，測量藥物代謝，純化酵素並測試其活性，以及對心理衝擊較大的動物實驗。研究方向主要是改進一種特別的癌症治療方式。這種特殊化療的方式副作用比較低，但關鍵在於需要一種高活性的酵素，如何改造並篩選高活性的酵素便是我研究的課題。在老師的指導和實驗室團隊合作下，將研究結果發表於國際期刊上並在數年後申請到專利。由於在不同實驗室裡累積了相當多實作的經驗，加上運氣，我申請到麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）化學所的博士班，並開始了我在美國的求學生活。

n  在麻省理工學院研究酵素活性機制

一開始最重要的是選擇博士論文的指導教授。鑒於我在中央研究院時試著改進酵素活性，卻對酵素的反應機制沒有很深入的了解，所以最後選擇了在研究酵素動力學方面的權威當指導教授，並開始了核糖核酸還原酶的研究。這個酵素在基因複製以及修復扮演關鍵性的角色，也是各種細胞不可或缺的。它也是目前一些抗癌藥物的作用目標。雖然它很重要，但是我們對於細胞如何製造並把鐵元素放到這個酵素裡面並不了解。沒有了鐡元素，這個還原酶便會失去活性。從另一個角度，如果我們知道它如何被製造出來，我們或許可以利用這知識去研發新的抗癌療法。當時我的指導教授說這課題困擾相關領域好幾十年了，如果我可以找到答案，一年內就讓我博士畢業。喜歡接受挑戰的我就很＂勇敢＂的接受這個任務。雖然最終我並没有找到解答，在研究的過程中我發現了細胞維持這個酵素活性的機制，後來總共花了五年半拿到博士學位，也算是我們實驗室裡較早畢業的。

在麻省理工除了更深入的學習獨立研究思考的方法，更大的收穫其實在於認識各領域的菁英並且成為朋友。學校裏各式各樣的活動和演講很多，在多樣化的背景下很容易開拓視野並激發出新的構想。耳濡目染下便養成習慣地認為很多社會和環境上的困難是可以經由團隊合作和創新去解決的。在那樣的文化氣氛，大家普遍認為解決問題中最大的障礙往往是自我限制，沒有什麼難題是克服不了的。因為這樣的環境刺激，我在唸博士班的時候比大學時活躍許多，參加了一些學生團體並舉辦不少活動，拓展了人際網路，在日後求職和工作時都有所幫助，這些都是出國留學前沒有預料到的事。

n  在加州理工學院做博士後研究

博士畢業後因為希望留在波士頓，所以就在生物系一個研究微生物和環境之間交互作用的實驗室作博士後研究。不料半年後教授宣布隔年整個實驗室要搬到加州理工學院（California Institute of Technology），心理雖然不捨和朋友們道別，最終還是以看看新環境的心情跟著教授搬到了加州理工學院。別於麻省理工學院，加州理工學院規模小很多，組織也非常扁平化，很多事情都沒有詳細規定，大多經由討論來決定，相當有彈性。和麻省理工學院類似，老師和學生都以身在一流的學府為榮。老師以作最頂尖最有衝擊性的研究自許，對學生也當作未來的新星與同事來培養看待。很多大大小小的決策，包括教授教學的方式與內容都有學生的參與。借由實作和驗證，老師和學生彼此教學相長並獲得最大程度的成長。

n  在生技公司做博士後研究

在博士後研究的期間也開始思索不同的生涯方向。雖然當初受到大學導師們的啟發，對於在大學教書作研究的生活非常嚮往，也因此決定出國攻讀博士，但是隨著接觸面增廣以及看到同學同事們走向各種學術界以外的道路，漸漸認為去大學當教授並不見得是唯一的選擇，反倒覺得去業界作研發或是創業也是滿刺激有趣。抱著多認識多嘗試的心態，我開始參加一些生技和製藥方面的研討會和相關的社交活動。可惜在加州理工學院附近不像波士頓地區或是舊金山灣區有各類生技製藥的產業匯集的地理優勢。所幸後來經由加州理工學院指導教授的推薦，拿到在舊金山灣區的生技公司（REG Life Sciences, LLC）的工作，並開始了新的旅程。

REG Life Sciences的前身在2006年創立，那時的石油價格預測會從每桶一百多美元漲到兩百多，所以有很多再生能源方面的投資。當時的技術是利用微生物去製造生質柴油，基本的組成是長鏈的脂肪酸甲脂（fatty acid methyl ester）。因為各家公司的核心技術及專利不同，所使用的微生物涵蓋了藍綠藻、酵母菌以及大腸桿菌，各有各的優缺點。在藍綠藻方面，好處在它可以行光合作用，理論上只要基因工程做得好，只需光線，水和空氣中的二氧化碳，便可產生生質柴油。在實際應用上就需克服各種工程設計的障礙以便達到適當的經濟效益。至於酵母菌和大腸桿菌，由於對它們的基因調控技術相對成熟，很多公司便著重在這兩種微生物。不像藍綠藻，它們需要一些碳水化合物作為原料，所謂的再生能源，其實是比較間接的。可惜對於再生能源的投資，在經歷金融海嘯以及最近石油價格暴跌，變得相對稀少。幾家在這產業的生技公司最近都發生財務困難，甚至關門大吉。生存下來的公司也都分別轉型，以本身的核心技術為基礎，朝向製造高附加價值的有機分子來發展，像是可以作為合成藥物時的起始物，或是作為合成橡膠、香水、保養品等等的工業原料。我所屬的公司便是利用大腸桿菌來製造上述的高附加價值分子。

n  對化學奧林匹亞的看法

最後和大家分享我對化學奧林匹亞的看法。當初會選擇化學，是因為覺得有很多動手作實驗的機會，可以觀察現象的變化並滿足自己的好奇心。對於奧林匹亞的準備，大概是高三參加化學保送營並錄取臺灣大學化學系後才認真開始。後來在選訓營時做了很多實驗，並訓練我們求快又求精確，養成習慣後對研究蠻有幫助。奧林匹亞的試題大致是大學二年級的程度，所以我在準備時和後來選手培訓營做的事，基本上就是短時間吸收大量的知識。然而這種短時間的填鴨其實對我現在的影響微乎其微，因為這些知識上了大學後就學得到，贏在起跑點沒有太大的意義，反而當時在選訓營認識的同儕以及人生的導師對我後來的發展才是有較深遠的影響。

在美國這麼多年，對於臺灣現今的化學教育並不熟悉，所以無法給予貼切的評論及建議。偶爾在新聞看到的＂翻轉教室＂教學法，其實跟在麻省理工學院第一年上的課很類似，都是著重在上課時間討論解決問題，課外則靠自己研讀摸索。以我的經驗這樣學習比坐在教室被動地聽演講要來得紮實，也較符合研究上或工作上的實際情況。面對日益變化的環境，如果不能時時自我成長而拘泥於以前所學的領域，就很容易被淘汰。化學是門探討元素與分子間作用的學問，也是很多領域的根本。紮實基本功並多往跨領域發展合作，才能保持競爭力。

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：

終極的「拆」跟「裝」

王宗興

國立臺灣大學化學系
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n  小時候喜愛「拆」跟「裝」

2013年回臺灣大學化學系任教已近兩年，鮮少有機會停下來回顧一下自己的學習歷程；藉此次邀稿之便，正好有機會坐下來好好想想：我到底為何（why）及何時（when）想走科學研究這條路？

我自認為屬於「創造實作型」的人格，倒也不是創造力極強，而是自從我有記憶以來就非常愛「拆」跟「裝」這兩件事；破壞性的「拆」大概是每個小孩的天性，小時候喜歡東拆西拆又怕被罵，當然就得知道如何裝回去，當然一開始不可能每個部分都裝對，在怕被罵的驚恐中真的會慢慢激發出潛能，久而久之就「裝」的得心應手了。喜歡「拆」跟「裝」的天性作祟，長大後並未消退，有時候會夢想未來當個機械工程師，拆裝零件來製造機器人；有時候會夢想變成廚師，拆裝各式食材來做出一盤又一盤的好菜。

n  喜愛化學實驗而進入化學奧林匹亞

一直到國中，開始上了理化的實驗課，突然發現還有許多新世界，也就是所謂的「理化實驗室」。有時候拆裝幾個齒輪、砝碼和軌道，就可以用來測量牛頓定律；但是最令我眼睛一亮的，是幾罐看似一樣的透明溶液，但在相互混合時，產生很多意想不到的變化，偶而生成沉澱或是產生氣泡！理化老師說：那是分子層次間的重新排列組合。這不就是分子間的「拆」跟「裝」嗎？自此，我對化學深深著迷，沉浸在那看似魔幻不著頭緒卻有理可循的化學反應間。國高中時能接觸的實驗有限，就買本化學大辭典似懂非懂的當閒書翻翻；儘管高中正課挫折及青春期矛盾不斷，讀讀科普與化學倒也冷靜了不少叛逆；自學的效果有限，因而參加了清華大學化學高中生周末輔導計畫。為了玩實驗而去瞭解並深讀化學，倒也沒想到一直當興趣的化學實驗能引領我進入國際化學奧林匹亞（International Chemistry Olympiad, IChO）（見圖一），並另闢蹊徑幫助我升學，進入臺灣大學化學系。

圖一：賽後與師長及隊友參觀聖彼得堡（左），頒獎典禮完與隊友在會場外合照（右）

參與IChO最讓我開心的部分是實驗部分；以高二身分參與，在數學及物理知識上的缺乏，讓我覺得理論學習有些沉重。所以每當可以做一些實驗，不需要被微積分及量子物理束縛時，我特別地熱衷及投入。常規的實驗技巧訓練雖然基本，但不像大學實驗課有時間上的限制，因此可以仔細慢慢感受每一步的原理，而非應付了事。非常規的實驗最引人興趣，我最愛蕭次融老師的實驗課，尤其是未知溶液解密的實驗；儘管老師們有一套系統方法，但我總是用一些「奇特」的手段來快速解密溶液身分，現在想想，這不就是現在我實驗室做研究「開發新穎細菌偵測分子」的目標嗎？

n  目前的研究課題

現在的化學研究，很多都是跨領域的研究，與生物醫學或是能源材料有密切相關；有ICho的底子，在大學時就更能以不一樣的角度來看化學及生化。大學時代的專題、博士班及博士後的研究也因此對化學跨生物及醫藥的相關課題特別有興趣。回到臺灣大學後，雖然歸屬於有機化學組，但是同時也落入化學生物學組的範疇。現在的研究課題著重在「新抗細菌藥物設計及開發」、「細菌致病因子：宿主與病原菌交互作用」和「功能性生物試劑設計及開發」這幾方面。乍看之下好像很生物，但所採用的研究方法，皆需要新穎的分子；這些分子很多都是市面上買不到，或是自然界根本沒有產生過的！唯有靠豐富的想像力，配合上化學技術才能合成出來的。

從許多的新聞中可知，抗藥性細菌的爆發是三不五時會出現的公衛議題；人類長期濫用抗生素（antibiotic）加速了產生細菌抗藥性，嚴重縮短新開發抗生素的可使用的時限。雖然細菌抗藥性是達爾文演化的必然過程，是一場人類不會贏的無止境戰爭，但為了生存人類不得不反抗。為了在抗細菌戰中取得主導權，我們需要開發新的抗菌劑；修飾已有的抗生素、或是尋找新的標靶（target）來開發新抗生素，都是現今科學家常用的策略。而我們實驗室現在有興趣的，正是宿主與病原菌交互作用中的細菌致病因子（virulence factors）。致病細菌的致病因子在快速有效感染宿主過程中扮演極重要的角色；抗致病因子試劑（anti-virulence agents）可能是開發新一代抗菌劑的候選方案。為了大量繁殖來感染人體宿主，致病細菌會分泌鐵載體（siderophore）來偷取人體的鐵離子納為己用。鐵載體是可鰲合鐵離子的有機生物分子，是一種細菌致病因子；藉由修改鐵載體，裝上毒素單元，鐵載體毒素複合體可變身為抗菌試劑。我們實驗室希望延伸此想法，並推廣成鐵載體的各式功能性官能基複合體，並應用於抗細菌和細菌檢測。這裡所談的功能性官能基複合體，唯有靠有機合成的技術，才可能隨心所欲的在實驗室中被產生出來。

n  現在掌握終極的「拆」跟「裝」

參與ICho，特別是那些奇奇怪怪的練習試題，讓我提早體驗到：高中課本的化學只是些概念性的建立，真正的化學是無遠弗屆的。很慶幸能參與IChO，讓我知道化學不是一道一道惱人的多選及問答題，而是可以把自己興趣寄託在其中的一門學問。小時候的拆裝夢，現在沉澱成我生活的一部分；出國時靠著自己下廚省了不少。現在兩歲的小女兒玩具壞掉，第一想到的就是叫爸爸修。而玩化學也變成我的職業，現在我要用一些新的玩法讓學生去試試，也試著去教下一代化學有趣之處。

科學研究對我來說是一個興趣的逐漸轉換與昇華，絕不是無中生有或是一時衝動的激情。學習化學及參與IChO在高中時期，指引了我一條路，讓我知道看似觸不可及的化學，也是從煉金術士般東加西混的逐漸進化，是可親近的，也是容許神來一筆的脫序想法及即興演出。參與IChO不是我以拆拆裝裝的興趣來混搭化學的終點；進入化學系後，接觸「有機化學」讓我知道全合成化學家是如何掌握高級「拆」跟「裝」的技巧。甚至到大三至出國念博班後，才知道自然界中終極的「拆」跟「裝」是在生命科學裡。

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：
讓競賽成為青年學子的人生壯遊

戴桓青

國立臺灣大學化學系
[email protected]

n  參賽的意義到底是什麼？

1996年的國際化學奧林匹亞（International Chemistry Olympiad, IChO）在莫斯科舉辦，我有幸代表臺灣參賽。在接近二十年後，我在台上開授普通化學課程，台下則有剛參加過IChO的學生，竟然可以在期末考拿到接近滿分，就算我來寫自己的考卷也不會這麼高分，不得不佩服這一代臺灣IChO的選手素質與訓練成效。

然而，我仍然想問：IChO對於臺灣、科學與教育界、參賽學生的意義到底是什麼？假如我們能夠找出答案，是不是能讓它變得更好，或是更符合這個時代的需求？就像許多複雜的問題一樣，也許沒有一個簡單的答案可以滿足所有人的想像，但是每一種深思熟慮的答案也許可以激發出更多的想像。以下是我個人的經驗與想法。

n  不用執著於學生爭取什麼名次

在我的求學過程裡，不只認識許多臺灣的奧林匹亞選手，也在加州理工學院（California Institute of Technology, Caltech）唸博士班時認識了許多來自各國的奧林匹亞選手。其中有歡樂的故事，就如同當年隔壁實驗室（諾貝爾獎得主Grubbs教授）來自墨西哥的博士生曾和我參加過同一屆IChO，聊了才知道他就是傳說中因為1996年的莫斯科只有兩家麥當勞，所以故意去排隊兩小時點大麥克的調皮參賽者。我好像記得那屆墨西哥沒有得金銀銅牌只拿到榮譽獎，但是大家都很歡樂地在賽後拿國旗出來跳舞慶祝。原來頒獎晚會後載歌載舞就是他啊，果然多年後遇到，他還是那麼樂觀開朗。但是也有個悲傷的故事：在Caltech第一年，我住宿在研究生與大學部混居的宿舍，搬來一個十六歲的俄國男孩，個性非常害羞幾乎沒有看過他在走廊與人聊天。後來知道他是一個數學奇才，得過國際數學奧林匹亞（International Mathematics Olympiad, IMO）金牌，因此不覺得奇怪，以為他只不過是沉浸在數學的世界。搬出宿舍兩年以後再聽到他的事，竟然已經自殺離開人世。其實IChO選手不一定會成為化學家、科學家、甚至醫生或電機工程師，也有不少走向完全不同的道路。有一位臺灣大學化學系畢業的IChO選手，後來讀了新聞研究所，現在是成功的商業資訊分析專家。另外一位學長拿到IChO的世界第一名，後來轉往人文與社會科學領域發展，目前在媒體上經常可以看到他的精闢評論。

見證了越多奧林匹亞選手的故事，越了解到在今時今日，看一個人十八歲在做什麼，其實很難預測他二十年後會做什麼。假如機運變化了那麼一點點，我今天也很可能是神經生物學教授（留學時的主要領域），藥廠的生化研發人員，或專利律師。所以我們不用太執著於學生參加IChO以後，讀了什麼學校系所，也不用執著於他們爭取了什麼名次。

n  不需把學生的競賽變成大人的競技場

首先，為什麼臺灣需要參加IChO？我們是一個小島，假如不走出去，視野很難拓展。尤其考慮到國際政治上被打壓，更凸顯參加教育文化交流的重要。爭取國際競賽的成績有何意義？其實倒也不是成績好才有國際能見度這麼嚴重，而是適度的表現可以讓我們的學生、家長與教育界建立基本的自信，讓大家知道我們的教育與國際有接軌，臺灣優秀的人才不難走入國際社會。事實上，這幾十年來，我們在美國前十名的大學早就看到臺灣的頂尖學生表現並不輸給其他國際學生。

臺灣人的本性就是愛打拼、好面子，但不需把一個趣味性的學生競賽變成大人自尊的競技場。奧林匹亞競賽的題目難度這麼高，為何是趣味競賽？其實對於百中選一的參賽選手而言，困難的題目是有趣的智力的挑戰，就像有些電玩競賽越難就越有人會瘋狂投入闖關。光是看到有一半的參賽者拿到金銀銅牌，就知道其實這是一個帶有鼓勵性質的趣味競賽，不論其過程如何嚴謹。假如我們參加奧林匹亞時忘了趣味這一點，就輸了一半，而且蒙受損失的是參賽學子。

n  選訓營應該帶來有趣的人生體驗

今年IMO美國隊獲得世界第一讓中國屈居第二的新聞，已經傳遍社群媒體。這次的美國領隊老師，是我的好朋友Po-Shen Loh，目前任教於Carnegie-Mellon大學數學系。當年在Caltech的宿舍住在同一條走廊上，我是博班生，他是大學部。他的父親是美國大學的數學教授，弟弟與妹妹都是IMO的美國代表，也都讀Caltech。他告訴我美國隊只集訓一個月，比起中國選手經歷數年的高強度訓練，是天差地別的。但整個故事的重點，不是美國隊如何異軍突起獲得佳績。他並不特別關心成績，反而在意的是學生能享受參賽的過程。美國IMO的選訓營，給學生安排了很多自由時間，讓學生能自己組織活動，包括趣味活動，不一定與數學有關。領隊們負責安排的活動，是請前任IMO選手回來分享人生經驗，讓選手了解以後的人生道路的各種可能性。說實在，我並不覺得他的安排規劃是今年美國隊成績好的關鍵，成績好的關鍵應該還是美國今年的選手資質特別好，畢竟美國的人才庫傲視全球。重點是奧林匹亞選訓營應該帶來正向、有趣的人生體驗，而這麼做並不會減損比賽成績。

美國隊今年IMO的經驗，非常值得我們參考。能夠參加奧林匹亞競賽選拔的同學，不論其背景為何，都是臺灣優秀的人才。奧林匹亞的選訓活動，不應該只是為了在該科目取得佳績，而是應該帶給這些同學一個正面體驗。尤其臺灣各科的奧林匹亞集訓都在國立臺灣師範大學進行，更是一個讓各領域優秀學生交流激盪的機會。我們不妨給予選訓的同學一些自由時間，讓他們自己組織一些活動，跟學術無關也沒關係。就算只是聯誼性質，讓各領域的優秀人才建立友誼，說不定會日後將成為臺灣強大的人才組合。就算只是聊天，說不定他們瞎扯到移民火星，四十年後真的成為領航的人士。我們根本無須擔心他們在一起會做什麼，聰明有衝勁的年輕人聚在一起從來就不會缺少火花。平心而論，就算我們的訓練教材十分厲害，讓每個選手都得金牌，臺灣社會也不會實質受益。我們需要培養的是人的素質，而不是表現出來的分數，整個訓練的過程有沒有啟發青年學子才是重點。

參加完IChO的那年，天下雜誌的記者做訪談時，我曾說過奧林匹亞競賽不是奧林匹克運動會，不能將名次的重要性混為一談。運動員的歷史定位是場上的成績與名次，但科學人才的歷史定位，是日後的生涯表現，甚至不必侷限於科技的場域。德國首相梅克爾（Merkel）原是物理化學研究學者，英國首相柴契爾（Thatcher）曾是工業化學家，現任的教宗方濟各教宗（Pope Francis）在專科學校也主修化學。十八歲的科學人才，需要的是鼓勵與啟蒙，適度的訓練固然有助於熟能生巧，過度的訓練卻可能扼殺興趣與想像力。

n  用儀器探索名琴材料與聲音的秘密

對我個人而言，當年IChO的名次是金牌、銀牌、還是沒有獎牌，對日後的發展幾乎沒有影響。真正有影響的，是賽後在東歐的旅遊行程。雖然那是我人生第二次去歐洲，後來又去了許多次，但卻是影響最深遠的一次。旅行不僅是玩樂，更可以開啟對於世界文化的好奇心。若是沒有十八歲的歐洲之旅，我想我不會在專業研究神經化學之餘，也天馬行空地探索義大利名琴材料與聲音的秘密。為了闡明名琴的木材是否經過化學處理而使得聲音特別好聽，我們採用同步輻射X光繞射、600 MHz固態核磁共振、碳十四質譜定年與多元素質譜分析（ICP-MS）等先進儀器進行木材分析。也只有深深沉浸在歐洲的音樂文化裡，才能說服歐洲專家、美國教授、與奇美博物館將寶貴的名琴木材樣品交給我們分析（見圖一）。當年身為一個博士班學生，雖然Caltech沒有人文與藝術的科系，卻沒有阻止我突發奇想試圖解開義大利名琴的秘密，只有想像力與好奇心是最不受現實所束縛的。

圖一：名琴木材X光繞射圖。左圖為Stradivari名琴的琴頸（感謝台南奇美博物館提供），在新竹國家同步輻射研究中心經由X光繞射實驗，得到的圖形如右（感謝臺灣大學化學系陳浩銘教授協助）。名琴的楓木經過三百年後，纖維素的結晶狀態並無明顯改變，結構性依然完整。

n  觀念的學習比解題訓練更有趣

其實十八歲的我，並不熱衷當年的奧林匹亞集訓。我記得集訓時有一本中國的IChO教材，裡面的題目非常難，我並不想去解，被問到有沒有拿出來練習，我都推託說簡體字看不懂所以不會寫。在集訓營期間，我卻花了很多時間讀熱力學課本裡不屬於IChO範圍的章節，只因為我覺得entropy很有趣。十八年後等到我自己教授普通化學，還是覺得entropy是一個無法完全掌握的神奇概念。學問與機械化的反覆解題訓練，幾乎是不相干的兩件事。我不否認當年如果更認真解題，到莫斯科的比賽成績會更好，但是那本中國的訓練教材怎麼會比學習entropy這個概念更有趣呢？

n  教育是最好的投資

事實上，從大學到博士班我都未曾再造訪歐洲，因此二十八歲的我展開業餘小提琴研究，是十八歲的我遊歷歐洲所埋下的文化種子。我相信，奧林匹亞競賽應該是開啟學生眼界與想像力的經驗，除了接受知識上的挑戰，更可以認識許多聰明有熱情的年輕人，互相啟迪，走出臺灣看見世界之大。幾百年來歐洲的菁英份子有一種年輕時壯遊（grand tour）的傳統，認為到異國旅行與大學教育同樣重要，我們不妨將奧林匹亞競賽當作優秀學子上大學前所參加的一次壯遊，不管在知識上還是文化上，讓他們得到最好的啟發。

教育是最好的投資，而比賽結果只是用來參考。假如我們將奧林匹亞競賽當成給資賦優異的學生的一次特殊啟蒙機會，讓他們享受一個別開生面的人生正向體驗，那麼我相信選訓的過程可以變得更有趣，更激發想像力，而今年美國IMO代表隊的故事告訴我們，讓學生享受這個過程未必會拖累成績。從百年樹人的觀點出發，成績似乎真的沒有那麼重要，也不過就是報紙上一天的版面，而我們想讓學生帶走的是一輩子的精采回憶。對師長而言，熱心教導之餘也要適度let go，相信這群聰明的青年會走得比我們更遠更好。

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：

十七年一覺國手夢

胡立志

IMERYS Filtration Materials, Inc.
California, USA
[email protected]

n  決心力拚化學奧林匹亞國手

十七年前，我在師長的循循善誘下，考上了建中數理資優班。當時的我字面上比「中二」這個詞要虛長個一兩歲，實質上心理層面則頗符合這個詞。在此之前，我得到名師指點，對科學尤其化學產生了極高的興趣；進入「數理資優」的一級戰區，我得知「化學奧林匹亞競賽」，覺得當國手滿屌的（為存當時心態之真，用詞粗俗請見諒），於是決心力拚化學奧林匹亞國手資格。

可能是因為起步得早，我幸運地成為臺灣第一個入選化學國手選訓營的高一學生。不過當時我離國手實力相當遙遠，只是去進個大觀園和交交朋友，反正小高一能選上國手才奇怪嘛。每天八節臺灣大學化學系、臺灣師範大學化學系、中研院原分所各路教授的課，十分新奇，是故當聽則聽、當動筆則動筆、當睡則睡。考試是三分之一實驗、三分之二理論；前者不外乎滴定、沉澱分析、合成，後者原則上是上課教的大學化學。高一那年，每解出一題都很開心。高二時自信滿滿，到競賽場上才知道自己理解程度和解題熟練度都還不足，自然也慘遭滑鐵盧；那年出現了臺灣第二位入選化學國手選訓營的小高一生，而他以第一名當選國手，出國拿了金牌。高三又花了一年努力補足各項弱點、申請去臺灣大學預修普通化學和有機化學，能力競賽終於輕鬆全國第一；即使國手決選時還是有不少失誤，仍然順利當選，或許也是因為學長姊都畢業了吧。

那年另三位國手中（見圖一），一位是我同班同學劉佳衢，練功總是從難從深，意志力奇高。一位是北一女中高二學妹李祐慈，不僅化學數理外，多國語文、音樂體育，無不是全校乃至全台一等一的高手。當時我覺得他們不免過於炫技（指愛好難題或最大部頭的教科書之類），瑜亮情結下或許對他們有些冒犯，但現在必須承認：相對於我的慵懶，這種態度可能才是成功者的人格。劉兄目前是臺灣電子競賽界的總字輩扛霸子，祐慈則麻省理工學院畢業後，已是作育英才的臺灣師範大學教授。另一位是高雄中學的蕭名彥，聽說在全國賽之前幾乎沒接觸過大學課程，卻一步一腳印，最後是四人中競賽成績最好的，現在是台大醫院的新銳名醫。我則抱著自以為「中庸」的態度：不摸魚打混，也不挑燈夜戰，每天白天六七小時的課、空檔加晚上再練習個兩三小時足矣，上下課空檔不忘去吃點台大公館的好料。學得很愉快，卻也不企圖額外會些大二核心課程以外的東西或挑戰大陸式的刁鑽難題；反正學到核心的科學知識才是最重要的，而且保持胃口將來才走得遠，您說是吧。這種一向走在中間偏易路線的態度，說得好聽是崇本樸實，實際上也決定（限制）了我的發展。

圖一：2001選訓營國手當選名單出爐後，作者及蕭名彥國手慘遭同學們抬起「互相阿魯巴」。後中為劉佳衢國手。（高中生年少輕狂，動作不雅且危險，請勿模仿。）

n  三年耕耘，銀牌作收

經過了兩個月充實的特訓，飛到印度正式踏上國際賽場。大會提供的印度咖哩和紅茶非常美味，各國戰友卻多有前仆（嚴重腸胃炎）後繼者，我則在中藥護體下基本沒事。大會手冊上安排的行程很棒（例如國家公園），實際上卻帶到很無聊的地方（例如兒童樂園），而且每天行程至少延誤三小時。比賽時在實驗和理論都有一些中等程度的失手，但也有幾大題比預期表現更好。最後銀牌作收，如果少掉三分之二失誤應該可以拿下金牌的。但是這就是比賽，你在不熟悉的客場、很難在意料之內的題目下，不可能沒有失誤；防範之道，大概也只能把實力練到遠超過所需，即使打了折扣仍然相對出色吧。我憑著三年的耕耘，以在全國賽、國手選拔的標準達到了這個水準，不過以國際賽的競爭程度而言，還是未臻此境。

n  進入臺灣大學化學系就讀

即使有些許遺憾，美好的一仗已經打過（而且也有不錯的收穫），我很自豪的保留之前的選擇，保送進入臺灣大學化學系（而非以銀牌資格改保送電機或醫科）（見圖二）。不可諱言，帶著銀牌的光環，老師和同學都對我有更高的信任，我很活躍的參加系上活動（後來甚至選上理學院學生會長）、功課上從不藏私，交了不少好朋友。只要受邀到高中分享經驗，我都會自信滿滿的鼓勵學弟妹「跟隨自己的興趣」「選基礎科學學系」（後來觀之，這其實是不同的兩件事），而非追求排行第一的科系。「國際級」的「成就」，讓我自認為會、也應該成為一位一流的科學家，所以我在大一升大二的暑假就進實驗室開始進行專題研究；指導教授同樣對我期待甚高，指派我在不需研究生帶領下，獨立進行實驗。我也努力保持一流的成績，修課、念書、向同儕請益都算認真，幾乎每學期都是書卷獎；但我並沒有選修多少給分或本質很硬的課。在學校之外，奧林匹亞銀牌為我帶來了許多收入豐厚、充滿挑戰的家教和補教工作機會，容許我充分發展對教學的興趣和技巧。大學生涯的尾聲，GRE字彙在心高氣傲的不肯補習或出國「機考」下，成績並不理想；專題研究雖有不少成果，一人之力（包括退伍之後，自願無薪回台大做了半年實驗），卻不足以發表期刊論文，都為之後申請學校埋下了隱憂。拜當年國手選訓時就把大一二化學滾瓜爛熟之賜，GRE化學倒是輕鬆接近滿分。

圖二：本圖為2003臺灣大學化學系課程網頁刊頭，由左至右為陳贊州（2000國手，前段所述之「高一金牌」）、作者、李祐慈國手、劉正豪，可見台大化學系對於就讀該系國手相當重視。

n  研究奠基於競賽的實驗訓練

退伍之後，申請學校一開始並不太順利，但在最後一刻得到了加州大學爾灣分校（約全美二十名）的錄取。以我從奧林匹亞競賽獲獎後、大學四年的期待和耕耘（勉強算吧），卻曾將近三個月除「保底」學校無一錄取的煎熬而言，實在是非常的失望；但考慮到各項成績有瑕有瑜，最後的成果至少該算差強人意。到美國留學後，我銳氣不再，選擇指導教授的主要條件之一是對學生支持、和善、而少刁難。恩師在研究領域和整體化學界當然還是有一定地位，但不算超級大頭，領域本身也不算特別有前景或熱門，而我並不太在乎這點。我漸漸知道，這足以使我成為當年期待中「一流的科學家」的希望渺茫（再加上現今化學學術界，不是前五前十的頂級名門很難受到青睞）；但我再來一次，大概還是會做出相同的決定。我的學術表現，大概也就是該校博士生中上等級（見圖三），倒是假日兼家教的口碑和收入是一流的（入場券也是那面銀牌！）。在溫暖乾爽的南加州、不算頂尖的名校，我的博士班生活可說是輕鬆而不算愉快。我的才能和之前打下的基礎，容許我只要付出合格的努力，就能站穩水準之上；但我因為不太得志而鬱鬱寡歡，想拚卻也不太知道該怎麼拚。我有多次在半夜夢到自己再度成為奧林匹亞國手，夢中的高三國手胡立志，同時知道自己已具備了後來完整的大學學識（夢中這並不衝突，你懂的）、經驗也更加豐富，這次一定可以拿下當年錯過的金牌……。其實這個夢大學時期偶而也會出現，但隨著馬齒徒長、「未來無限的成長空間」逐漸不再，這樣的夢，醒來後留下愈來愈多的惆悵。

圖三：作者於2012美國化學會獲邀演講，是博士班生涯少數專業上的亮點。

我可以（或許也應該）加倍努力，可能可以換來再次挑戰世界頂級的機會；但我「懂得」聆聽身體發出的初步警訊、「了解」某種程度上是受限於領域本身，性格再次帶我選擇了中間偏易的庸庸之路。畢業後，我決心投入產業界，目前已屆三年。研發的成果已有幾項成功商品化，戰功累績頗快。就我看來，不論是在前東家的抗衝擊聚丙烯研發，或者現在做的過濾–吸附合一材料，我的任務在於理性設計（rational design）材料及其製造方法，無非都是探索應用（最終端）─材料物理化學性質─成份結構─製程諸元的理化意義（最前端）四點一線的關係。在奧林匹亞的實驗訓練中，粗心手拙的我為了彌補短處（其實也是個人興趣），習慣分析每個實驗步驟的物理、化學意義，以求從方法上增進實驗的效率、準確、快速，以戰術補戰技之不足。前述的「四點一線」，無論觀念或執行都奠基於奧林匹亞的實驗訓練培養的習慣。總之，選擇產業而非學術，希望的是能對人們生活有實際、直接的助益—但無非也有追求合理待遇、存活率、生活品質的考量，大概又是「務實」的「中間偏易」吧？

n  結語—滿滿的歷練、回憶和成長

在學業和專業上，奧林匹亞的鍛鍊幫我打穩了化學的學識基礎和快速自學的能力。追求卓越的過程，也培養了我一點點的好習慣；即使絕少焚膏繼晷的努力、但也與擺爛沾不上邊，一向期許自己繳出的成果整體在水準之上、且至少在某幾方面相當特出。在人際相處上，一面銀牌則至少換來了一張被初步信任的門票。即使認為我是一介怪咖，朋友同儕至少把我視為geek、nerd而非jackass。指導教授和業界的主管（尤其是亞洲人）可能因此更早給了我一次機會，憑著我的學理判斷進行研發（我也報以突破性的成果）。部隊長官給了這位曾經為國爭光的小少尉多一點的尊重和寬容；甚至留美後，在一次轉錯彎導致的逆向行車（很不幸這在加州跟酒駕初犯、鬥毆等同屬刑事輕罪等級）後，交通違規法庭的檢察官都因此願意以不留紀錄和極輕的罰款「保護這位年輕人的前途」。這看起來類似「努力讀好書，就會有社會地位」的老生常談──不過，世界上大多數的事，往往就這麼依循老套的道理運轉。

我謹此盡力回憶並報告，十七年前啟程的國手之旅，帶給我的種種助益和影響。時間拉長來看，決定命運的仍是性格。但是，奧林匹亞吸引了許多像當年的我的熱血高中生的投入；努力之中、勝負之外、浮沉之後，留下的不只是一場夢，畢竟還是滿滿的歷練、回憶和成長。

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：

從化奧選手到指導老師的心路歷程

李祐慈

國立臺灣師範大學化學系
[email protected]

n  高中力拼「有為者亦若是」

時光飛逝，從2001年到印度孟買參加第三十三屆國際化學奧林匹亞（簡稱化奧）（International Chemistry Olympiad, IChO）競賽（見圖一），至今竟已經快滿十五年了。當年賽前的國手選拔、培訓、出國比賽等……回想起來還歷歷在目，彷彿昨日。轉眼間我已從當年參賽的高二學生，成為現在為化國手授課甚至帶隊出國的老師。

圖一：臺灣參加第三十三屆國際化學奧林匹亞國手合影，右一為作者。

IChO競賽對我人生的各種選擇都有舉足輕重的影響。國三暑假那年，我試圖自修高中化學，書中原子軌域的描述對我而言有如霧裡看花，但不知為何卻引起我莫大的興趣。剛好此時就讀花蓮高中三年級的彭昱璟學長拿到了化奧的銀牌。那是我第一次聽說鼎鼎大名的化學奧林匹亞競賽。在此之前我對數理的接觸也僅只限於國中課堂上所學的內容，從沒想過花蓮的鄉下子弟也有機會獲得這項殊榮，不由得興起「有為者亦若是」之情懷。高中時我透過數理資優保送管道進入北一女中就讀，也考上了清華大學週末的高中生資優班，在那一年當中，我紮實地學完了高中化學課程。升高二的暑假，我聽從臺灣大學化學系陳竹亭教授的建議，以曾國輝的兩冊銀皮「化學」課本相對照，讀完了Steven S. Zumdahl & Susan A. Zumdahl的原文普通化學課本（國內許多大學化學系的普通化學科目用書）。開學後參加一連串的競賽，最後真的進入選拔營，成為國手。

n  選訓營的填鴨教育幫助我啟蒙

行之有年的高中各學科奧林匹亞競賽，與最近十年開始舉辦的國際國中科學奧林匹亞競賽（International Junior Science Olympiad, IJSO）競賽（2004年為第一屆），本質上都是資優教育的一環，所測驗的結果，說穿了也都是選手加速提前學習的能力。說填鴨是一定的，畢竟是在那麼短時間內要學那麼多東西。但對有志於化學的學生來說，也是難得的機會有眾多教授以快速有系統的方式傳授整個化學科目的骨架。

至於這是激起學生更高的動機、是打壞胃口、還是反而揠苗助長，是見仁見智，更是因人而異，畢竟每個人都是背負不同背景進入選拔營的。當年在選訓營中，許多學員好不容易脫離了校內不分晝夜拼聯考的生活，又再次進到另一個更為填鴨的教育環境，大感吃不消。但我個人一直很珍惜有此機會學習。整體來說，我非常肯定化奧給我的幫助與啟蒙，使我得以在上大學重新有系統的修習化學各主科時，能對許多知識內容有不同角度的理解。

化奧有沒有「後遺症」？當然有。最直接的缺點就是以不恰當的時機和順序學習某些知識造成理解困難、理解淺薄、或學習障礙，也是所有超前學習必有的後遺症。以我來說，我一直記得當年國手營課堂上推導的氫原子的薛丁格方程式可嚇壞我了，讓我到大學修物理化學科目都還有陰影。好在歷經多年調整，今日化奧的課程比起以往已經規劃得更「人性」也更有系統了。

n  系統化的知識學習與研究大不同

另外，這類「資優競賽」經常為人詬病的就是，訓練出一群很會解題的小天才，但是到底是不是真的培養出科學人才？國內的科學資優教育基本上可分為「競賽」和「科展」兩大路線。對學生來說，要參加任何一項前述活動都需要花費相當多的時間與努力。我認為這兩種類型的科學訓練優缺點剛好也都是互補的。關鍵在於系統化的「學習」科學知識，和「創造」科學知識，是截然不同的經驗與感受。我們對科學研究的美好想像：提出假說、實驗驗證、成功成為定理或推翻回到假說步驟的線性流程，其實是非常一廂情願的。真實的科學研究歷程往往混亂、不嚴謹、甚至得在很「骯髒」的大量數據中，很「不理性」地憑直覺大膽猜測。我一直到讀博士班時才對此有深刻痛苦的領悟，對科學研究過程中不一定遵照邏輯的發展規則至今仍在摸索中。

我懷疑越是擅長大量、快速吸收系統性知識的學生（也就是通常在奧林匹亞競賽中表現越突出的學生），第一次面對科學研究的現場，所受到的衝擊越大，需要調適的時間也越長。系統化的知識學習是一項「投資報酬率」相當高的活動。課本裡描述的理論如此清晰有條理，足以解釋各種看似不同實則相通的自然現象，也是一種另類的「標準答案」。一旦進入真正的研究場域往往會發現，所花費的時間與體力的「報酬率」大幅下降，以至於耗費數月大半年而徒勞無功乃是所在多有。大多數時候研究生活並不如偉人傳記所渲染得如此精彩，也不如系統化學習時常有「醍醐灌頂」之成就感。科學發現的驚奇時刻，是枯燥乏味又充滿大量重複性操作的生活中偶然的點綴。凡此初次接觸真實研究生活所受到的衝擊，都可能與原本心中的想像落差甚大而帶來挫折感。

n  實驗室的學習經驗最為珍貴

如有心藉由奧林匹亞競賽的訓練讓自己加強基礎科學的知識，現今網路資源豐富，可搭配開放式課程自行填補各學科的細節。只要指導老師能為學員列出參考的課程、修習順序與課程關聯性清單，對自修能力超強的奧林匹亞學員來說，如此指點必定大有幫助。但真正想做科學家，最珍貴的訓練仍是及早進入研究室虛心學習。這需要指導老師與學員有更深刻的互動，推薦進入適合的大學實驗室才能促成。

至於進入大學實驗室要學些什麼？這又是另一個好問題了。現今高中科學資優班尋求大學實驗室的支援與教授指導非常常見，多半也有很明確的「目標導向」，也就是尋求一個做得出成果已參加科展的題材。我認為如果抱持著「專題研究一定要有（最好是可以發表或參展的）成果」的心態而來，其實是有些可惜的，也會帶給自己不必要的壓力。對於知識架構還不完整的高中生來說，要尋找一個值得探究，也有能力深入探究的題材實屬不易。理論上人人都知道科學研究是一段漫漫長路，如冀望在短短的一兩年間（甚至是一兩個暑假）有意外的成果發現是可遇而不可求。我認為這階段進入實驗室最應學習的是動手操作的基本技巧，即使是重現前人的論文的結果都很有意義，不見得要一味追求新穎的題目。不同領域的實驗室有不同的研究生活類型，確實地體會與評估這是否與自己的興趣、能力與所期望的生活方式相符（比如若是做有機合成，可能一天當中最多的時間是花在管柱層析，若是在生化實驗室，可能得要半夜兩點去餵食你養的細菌），可以免去到了研究所還在不同實驗室間辛苦地遊走探索。

n  化奧不需成為沉重的標籤

在國際奧林匹亞的舞台上，通常都是由亞洲和東歐國家獨佔鰲頭，顯示我們有多重視這些競賽，花了多少成本栽培國手，對成績的看重自不在話下，實則我想大可不必。化奧是一項特別的經歷，但不需成為一張沉重的標籤，更不需要把「小國興亡」之大任賭在小國手們摘金與否。以各科奧林匹亞國手日後的發展來說，選擇醫學系和電機系的一直是多數，反而留在基礎科學領域的大概不到三分之一。這又何妨？這些年來，看著當年選訓營的朋友各奔東西，帶著從這段過程中培養而來的能力與體驗，成為不同領域的專業人才。這正是這項競賽的價值所在，不是嗎？

國際化學奧林匹亞競賽選手發展：
國際化學奧林匹亞對高中化學教育的影響

曹淇峰

臺北市立建國高級中學
[email protected]

n  緣起

1997年在國立臺灣師範大學化學系方泰山教授的引薦下，我與國際化學奧林匹亞競賽（以下簡稱化奧）（International Chemistry Olympiad, IChO）的緣分就此開始，先後曾經隨國家代表隊參加1997年於加拿大、2008年於匈牙利、與2014年於越南舉辦的三次化奧。高中化學教師在代表團中擔任的工作，主要是學生輔導、協助帶隊教授各項工作，而最大的挑戰是與教授們要在很短的時間內，將主辦國家提供的英文試題翻譯、打字排版、列印成中文版試題，在這有限的時間中，試題內容還會因為各國教練提供的建議，需要不時地修正，工作壓力很大（見圖1）。

圖1：各國教練正努力地翻譯試題（45屆化奧，越南）

早期翻譯工作遇到最大的困難是把我們帶去的Windows中文版軟體安裝到外國的桌上型電腦。現在時代進步，電腦的作業系統已經包含各國語言，科技雖然解決了這個問題，但還是會擔心，所以我們自己也都帶一台筆電去，以備不時之需。近幾年，我覺得翻譯工作最令人頭痛的是化學試題太新穎了，負責主辦的國家，為了創新，有些試題或實驗的化合物剛被合成或鑑定出來，連中文名稱都還沒確定，有時我們也會擔心翻譯的藥品名稱選手們看不懂，而基於競賽的公平性，也不能有解題的暗示，這時就要考驗教授們的智慧了。

化奧是一項高水準的國際科學競賽，在國家代表隊初選階段，試題難度已經到達大學普通化學的程度；決選時，國家代表隊選手的程度大約與大學化學系三年級相當；而真正比賽時，甚至到了化學研究所的程度。例如，2014年在越南那一屆，理論題與實驗題都考了有關青蒿素的反應，青蒿素（Artemisinin）是一種治療惡性瘧病的藥物，可以從某種越南植物提煉分離出來。青蒿素對瘧原蟲非常有效，因其對促進人類健康有很大的貢獻，相關的研究者更獲得2015年的諾貝爾化學獎，化奧試題的難度和創新可見一斑。

參與化奧過程中，讓我有機會深入了解這些高中生的參賽經歷，接下來，先說一個學生的故事，或許可以讓讀者對整個競賽過程有進一步的認識。

n  偉大的夢想鼓舞學生自我挑戰

在臺灣，會唱歌的人，可能都夢想有一天能站上超級星光大道的舞台；而對化學有高度熱忱的高中生，則夢想有一天能當上化奧國家代表隊，與世界各國的好手互相切磋。經過多年教育部的推動與鼓勵，國際化學奧林匹亞競賽，已經是高中生夢想的舞台之一。

剛到建中任教的第二年，有一位剛入學的高一學生，在第一堂化學課就問我：「老師，我高中化學都讀完了，接下來要讀什麼？」我瞪大眼回答：「真的嗎？太誇張了吧！」接著，就給他一回大學入學考試的化學模擬試題，讓他試試看，這份題目建中高三平均成績大概是五十幾分，他拿了九十五分。這樣的學生，在高中化學課我還能給他什麼呢？看著他求知若渴的眼神，我決定給他一個夢想—挑戰化奧。

為了實現這個夢想，他不斷地努力，極罕見的在高一就取得參加臺北市化學實驗能力競賽的代表資格，或許是年紀太輕，許多知識尚未統整；也許是參加大型競賽經驗不足，只獲得臺北市三等獎，無緣晉級全國能力競賽。我還記得頒獎典禮時我坐在他身旁，背景是令人雀躍的管絃樂，他拿著獎狀的雙手微微顫抖，我的安慰無法停止他的啜泣，這時候的他，就好像一個歌手晉級決賽，卻因為感冒聲音沙啞的那般無助。

除了全國能力競賽以外，要進入化奧還有另一種管道，就是化學奧林匹亞初選考試。此時離一年一度的初選考試只剩一個月，為了夢想，他拾起失落的心情，重新整裝出發，他知道一定要把握這次機會。皇天不負苦心人，果然，他通過化奧初選、複選與決選的層層考驗，最後如願以償地當上國家代表隊，也成為歷年化奧最年輕的臺灣選手。

挫敗，讓孩子更懂得把握每次的學習機會。後來聽他爸爸說，這段時間，他和兒子的周末休閒活動就是到台大附近逛書局買書。對孩子而言，讀完一本又一本的大學化學教科書，在他臉上看不到一絲倦容，反而是甜美的滿足。

整個化奧集訓在臺灣師大化學系悉心規畫下，邀請熱心教授來指導，這個孩子做了許多從未做過的化學實驗，經歷了從未有的精彩的科學思辨，解出許多從未挑戰的難題。選訓營的磨練，讓他在二百多位世界高手雲集的競賽中，以第11名拿下化奧金牌（註：化奧金牌人數每年由各主辦國決定，但每年多在20~30人之間）。之後建中只讀了二年，跳級保送臺灣大學化學系，然後到美國普林斯頓大學攻讀生化博士。在這個過程中，我們可以看到化奧這樣的國際競賽帶給這些孩子不只是國際觀，更是一種非常特殊的人生體驗。

如果您問我，如何帶一個如此資優的學生，我會告訴您，給他一個夢想吧！

n  從單打獨鬥到團隊合作的學習模式

時間久了，發現光靠老師的力量是不夠的。我們開始鼓勵學生成立讀書會，找一群志同道合的同學、學長或學弟一起來讀化學。學生學習模式開始有了改變。

去年，一位國家代表隊選手獲獎後，在臉書（facebook）寫下：

相較於十天的經驗，
對我來說，

獎牌似乎只是icing on the cake，
那些畢生難忘的記憶，

才是真正的收獲。（見圖2）

接著，這位選手成為下一屆讀書會的領導者，將化奧的夢想種子繼續散播出去。

圖2：頗具創意的開幕茶會，其中一個攤位的廚師正在用液態氮來製作冰淇淋（40屆化奧，匈牙利）

準備化學奧林匹亞競賽的過程是孤單而漫長的，若不是對化學有高度的興趣或是堅持著夢想，很容易半途而廢。可喜的是，多年來，國際化學奧林匹亞已經在高中階段聲名遠播，喜歡化學的高中生，紛紛在臉書成立各種的讀書會。有的人提問，有的人解答，還有各種聚會，在科學的路上他們一點也不孤單。現在，有了社群網路，臺灣愛好化學的高中生，早已不分南北、不分男女了。

在臉書上，另一位同學寫下他的心情，得獎不是證明自己的偉大，而是感謝一路陪伴的學習夥伴。

真的這一路上以來最重要的就是你的教導和幫助，
給我的許多讀不完的資料，
再加上最後這幾天瘋狂的吵你與臨時抱佛腳，
還有你的神氣（神奇的氣場），
我才會有今天出乎意料的表現。

雖然每年只有四位國家代表有幸參與國際盛會，但是化奧這類競賽，能帶動高中生學習基礎科學，引發他們的熱情，讓他們勇於挑戰，讓他們獨當一面，潛在的效益是超乎我們想像的。

某位學生獲選為國家代表隊時寫下的心情：

不知道甚麼時候開始，
成功的意義在我字典裡已經模糊不清，
或許是該向老去的心境哀悼幾秒了。
現在（高中）的我，更嚮往的是彩色的回憶，
我希望像運行的星星，偶爾脫離一成不變的軌跡。
我想，
對於生命的心態慢慢有所調整，
面對各種偶然或不偶然的奇遇，才能也無風雨也無晴。

不過我還是盡全力，珍惜現在的一刻，
做好自己，做到滿分的自己。

很明顯的，學生的心態成熟了，更懂得感恩，也懂得調適自己的情緒。

n  資優教育呈現多元價值的一環

有時候我會想，如果沒有化奧，這樣的孩子在高中時期會不會很無趣？有人說此時應該讓他讀點文學的書？應該要求他兼顧其他學業？應該讓他多服務人群？參與化奧多年，我常面對這樣的反對聲音。會給這些評論的人，應該是不想讓孩子成為科學怪人。而我接觸過的這些孩子，與大家的刻板印象完全不同。他們有一顆謙虛又充滿學習熱情的心，處事低調，不單只有化學表現傑出，數學或其他基礎科學表現也相當卓越。他們才華洋溢，有人可以演奏出令人陶醉的鋼琴曲、有人可以在數百位國際友人共聚一堂的化奧之夜彈吉他唱情歌、有人是英語單字大賽與英文作文比賽的翹楚、有人則是寫了一手好文章、有人則是史學學識淵博。化奧對他們而言，是一項充滿樂趣、能為國爭光的挑戰。我可以告訴你，他們不是科學怪人，而是國家少見的人才！

目前臺灣十二年國教的基本精神就是適性揚才，成就每一個孩子，讓所有學生都能發揮自己的長才，展現多元價值。我們支持科學教育普及，也支持照顧弱勢學習者，但我們也應提供一個環境，讓這些具學術專長的學生能有完善的輔導機制與發展，這就是多元價值的核心。

現代國家投資多元教育，造就各個領域的專家，帶動國家朝向多元發展。我想提昇國民教育頂端的素質，也是帶動整體素質向上提升的一種方法，國際化學奧林匹亞競賽與其他的國際奧林匹亞競賽一樣，藉由參與頂尖的國際競賽，帶動國內高中生的科學學習風氣。我國投入化奧，就像種樹一樣，經過二十多年，已長成大樹，不僅枝頭往上竄，樹根也向下扎實了，這棵大樹更增添了整座森林（多元教育）的風采。

n  眾志成城，成就孩子

觀察化奧近二十年，我知道這些培育科學人才的工作，都是一些人不計名利在幕後默默的投入。我們都是化奧的志工，我們相信培育人才國家方有美好未來。另一方面，看到學生成長、成功的那種成就感，更是用錢買不到的。如果哪一天國家需要您，歡迎您加入化奧志工的行列。

其實身為高中教師的我們，只是培育種子成為小小的樹苗。真正讓學生們變成一棵頂天立地、可以高懸國旗的大樹（見圖3），是負責計畫執行的臺灣師大教授與協助計畫的各大學教授們。此外，每年帶國家代表隊出國的師長，肩負將整個團隊訓練成果展現出來的重任，忍受高度壓力，更是最辛苦的功臣。而幕後默默支持奧林匹亞競賽的教育部國教署，在教育經費困窘的情況下，還得四處籌措經費，支持這項極具意義與效益的國際競賽，我們更應予以掌聲鼓勵。我深信，化奧每年累積下來經驗與效益，其實已經遠遠大於投入的資源。

圖3：在國際化學奧林匹亞競賽中飄揚的國旗（45屆化奧，越南）

淺談道爾頓的原子學說

胡景瀚

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

n  定比定律、分壓定律和倍比定律

1799年，法國科學家約瑟夫·路易·普魯斯特（Joseph Louis Proust, 1754-1826）提出了「定比定律」（law of definite proportions），定比定律的內容是：

化合物的組成元素的質量比為定值。

英國科學家約翰·道爾頓（John Dalton, 1766-1844）（見圖一）在十九世紀初（1801年）發表了「分壓定律」（law of partial pressures）：

氣體混合物的總壓力等於組成氣體的分壓的和。

1804年，他又發表了「倍比定律」（law of multiple proportions），倍比定律的內容是：

如果兩元素可以形成不只一種化合物，化合物中相對於等重的第一種元素，另一種元素的質量成簡單整數比。

圖一：約翰·道爾頓

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

同一時期，道爾頓研究了多種氣體在水中的溶解度，他對於不同的氣體在水中有不同的溶解度這個事實感到相當困惑。道爾頓的解釋是，不同的氣體各有不同的「最終粒子」（ultimate particles），粒子的質量和複雜度越大，在水中的溶解度就越大，這個解釋也是道爾頓原子學說的起點。^[1]

道爾頓的想法，從比較物理觀點的粒子理論（氣體混合、氣體溶解度），逐漸演化成化學觀點的原子學說，描述分子的原子組成及化學反應。這一段思想轉化的過程是許多科學家和科學史家非常感興趣的。

道爾頓認為水由1個氧原子和1個氫原子組成，氨由1個氮原子和1個氫原子組成，根據水的氧和氫的質量百分比，以及氨中氮和氫的質量百分比，以當時的實驗數據，氫、氮和氧原子相對於氫原子的質量比為1 : 4.2 : 5.5。^[2] 將三種氮的氧化物中氧的相對質量列出（以氮為4.2，分子式列於括號供參考，如表一所示：

表一：道爾頓認為三種氮的氧化物中氧的相對質量

道爾頓的想法是，若將上表的三個化合物視為2個氮原子和1個氧原子（N₂O），1個氮原子和1個氧原子（NO）和1個氮原子和2個氧原子（NO₂）的化合物（這些猜測是正確的），則氧的相對質量為4.8, 5.7和5.0，大約等於5.2。如果將5.2和5.5的差異視為可接受的誤差，關於前述三種氮的氧化物的原子組成的猜測應該是正確的。

n  道爾頓的原子學說

1808年，道爾頓發表了《化學哲學的新系統》（A New System of Chemical Philosophy）的第一冊，書中他描述了他的原子學說。簡要地說，道爾頓的原子學說內容是：

各種元素由其特定的、完全相同的且不可分割的原子所組成，化合物由原子組成，原子的組成數目固定，化學反應是化合物原子的分裂及重新排列。

因為原子學說，科學家才能有效地研究化學。也因為原子學說，科學家們接受並了解質量守恆定律、定比定律和倍比定律。這些定律在當時並不像在現代一樣容易被接受，或看起來理所當然。例如，當時法國的著名科學家克勞德·路易·貝托萊（Claude Louis Berthollet, 1748-1822）不接受普魯斯特的定比定律，他認為化合物中的元素相對質量有無窮多種可能，元素的質量比和參與反應的元素質量及反應方式有關。他舉了幾個實例來支持他的想法，例如金屬氧化物的含氧量會隨著溫度上升而增加，^[3] 合金可以有任意質量比等等。貝托萊和普魯斯特爭論了數年，道爾頓的原子學說成功地消弭了這個爭端。

原子假說可以協助我們確認化合物的組成，以及依據實驗數據訂定原子的相對質量。在化學中，很重要的一項任務就是決定粒子的相對質量。不過物質中粒子的相對質量常常必須從另一物質中他們的相對質量推測而得，並根據後續的研究結果而更正。道爾頓認為他找到一個方法，這個方法可以確定「基本粒子」（elementary particle）及「化合粒子」（compound particle）的相對質量，這個方法的首要之務就是決定化合物的化合規則，知道化合粒子中基本粒子的數目。他的規則如下：

如果有兩種「原子」A和B（原文：two bodies, A and B），其可能之結合有：

1原子A＋1原子B＝1原子之C，二元化合物（binary）

1原子A＋2原子B＝1原子之C，三元化合物（ternary）

2原子A＋1原子B＝1原子之C，三元化合物（ternary）

1原子A＋3原子B＝1原子之C，四元化合物（quarternary）

3原子A＋1原子B＝1原子之C，四元化合物（quarternary）

等等…

原子化合的一般法則為：

1.      當原子只有1種組合方式時，產物一定是二元化合物，除非有其他理由。

2.      有2種組合方式時，產物一定是二元和三元化合物。

3.      有3種組合方式時，產物一定是1個二元和2個三元化合物。

4.      有4種組合方式時，產物一定是1個二元，和2個三元化合物和1個四元化合物，依此類推。

5.      二元化合物的密度應比2種原子的混合物大。

6.      三元化合物的密度應比組成它的二元化合物和原子的混合物大，依此類推。

從這些規則及實驗數據，道爾頓推論水是由氫和氧組成的二元化合物，兩個基本原子的質量比接近1比7（質量相對於氫氣）。其次，氨是由氫和氮組成的二元化合物，兩個基本原子的質量比是1比5。還有氮的氧化物的組成：他認為一氧化氮（nitrous gas）是由氮和氧組成的二元化合物，兩個基本原子的質量比是5比7，二氧化氮（nitric acid）是由1個氮和2個氧組成的二元或三元化合物，其質量是19。一氧化二氮（nitrous oxide）是由2個氮和1個氧組成的三元化合物，其質量是17。三氧化二氮（nitrous acid）是由1個二氧化氮和1個一氧化氮組成的二元化合物（在道爾頓所繪的化合原子中被歸在五元化合物），其質量是31。三氧化氮（oxynitric acid）是由1個二氧化氮和1個氧組成的二元化合物，其質量是26。最後是碳的氧化物，道爾頓推測一氧化碳（carbonic oxide）是由碳和氧組成的二元化合物，其質量是12。二氧化碳（carbonic acid）是由1個碳和2個氧組成的三元化合物（也可以是一氧化碳和氧的二元化合物），其質量是19。

n  道爾頓的原子圖形符號

道爾頓以圓圈圖案代表各種基本原子，例如黑圓代表碳，空心圓代表氧等。二元化合物以2個相鄰的圓表示，三元化合物以成一直線的3個相鄰的圓表示，四元化合物為一圍繞中心原子的平面三角形。道爾頓認為相同原子彼此互斥，因此在排列時彼此盡量遠離。道爾頓的原子質量表及其符號列於表一，他所繪的原子符號列於圖二。

圖二：道爾頓的原子圖形符號

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

道爾頓指出，物質分為氣體（原文為「彈性流體」elastic fluids）、液體和固體等三類，水是一種可能具有這三種型態的物質。氣態的物質中，數量非常多的粒子彼此間的距離遠大於液態和固態。不論粒子聚合或分離，這些粒子不會憑空產生或消滅，我們只能將粒子分離或聚合以改變他們的狀態。物質由極小的粒子，也就是「最終粒子」所組成，這些最終粒子無論質量或形狀都是完全相同的。最終粒子間或大或小的吸引力造成了物質的三種型態。

n  道爾頓認為粒子之間的排斥力為「熱質」

除了吸引力，道爾頓認為另外有一個最終粒子之間重要的作用力，也就是「排斥力（force of repulsion）」，他認為排斥力是由「熱質（heat, caloric）」^[4] 造成的。「熱質」這種流體圍繞著所有物質的最終粒子，熱質粒子互相排斥，而為最終粒子所吸引。當粒子^[5] 流失熱時，熱質的體積減小，粒子間排斥力減少彼此靠近，例如水蒸氣變成水。物質的氣態、液態和固態是最終粒子之間互相衝突的吸引力和排斥力調節的結果。

圖三是道爾頓所繪的氣體原子及外圍熱質的圖形，我們可以看出氣體的體積包括原子的核心部分和圍繞於外的熱質，原子和原子以熱質為界。^[6] 道爾頓假設不同粒子對熱質的吸引強度不同，吸引力強的粒子其熱質體積收縮，體積因而減少，反之吸引力弱的粒子體積增加。圖三的缺點，是將氣體描繪成靜態的整齊排列，還造成了粒子間的距離相當於粒子大小的錯覺。道爾頓的想法也讓他難以接受「相同體積含有相同的各種粒子數」的觀念。

hydrogen gas                                nitrous gas                       carbonic acid

圖三：道爾頓的原子及外圍熱質的圖形，由左至右為氫氣（hydrogen gas）、一氧化氮（nitrous gas）及二氧化碳（carbonic gas）

（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1911_Britannica_-_Atom_-_Dalton.png）

n  道爾頓使用「原子」一詞

道爾頓使用了「原子」（atom）一詞來代表「最終粒子」、「不可分割的粒子」，即組成元素或化合物的最小粒子，這個粒子不能被分割，也不能被轉變成其他粒子。道爾頓的相關文字的翻譯及原文如下：

物質雖然可以高度分解，然而卻無法無窮地被分解。也就是說一定存在著物質可以分解的極限，這個分解到極限的最終粒子雖然小到無法被察覺，它的存在是無庸置疑的。我選擇用原子這個名詞而非分子或其它的名詞，因為它更具有代表性，代表粒子不可被分割的性質。當我談到化合原子時，或許有人認為我過度應用了這個概念，例如我稱二氧化碳（註：原文”碳酸”carbonic acid）的最終粒子為化合原子。雖然這個原子可以再被分解，被分解的二氧化碳成為碳和氧，不再是二氧化碳了。

Matter, though divisible in an extreme degree, is nevertheless not infinitely divisible. That is, there must be some point beyond which we cannot go in the division of matter. The existence of these ultimate particles of matter can scarcely be doubted, though they are probably much too small ever to be exhibited by microscopic improvements. I have chosen the word atom to signify these ultimate particles, in preference to particle, molecule, or any other diminutive term, because I conceive it is much more expressive; it includes the notion of indivisible, which the other terms do not. It may be said that I extend the application of it too far, when I speak of compound atoms; for instance, I call an ultimate particle of carbonic acid a compound atom. Now, though this atom may be divided, yet it ceases to be carbonic acid, being resolved by such division into charcoal and oxygen.

從這段話我們可以看出，道爾頓所稱的「原子」^[7] 和「化合原子」分別指的是「元素的自然狀態的最終粒子」和「化合物的最終粒子」。氧「原子」是現代化學的氧分子，二氧化碳「原子」是現代化學的二氧化碳分子。例如，在道爾頓提出的原子質量表中，水被稱為「一個水原子」（an atom of water）。

道爾頓將「原子」一詞推向化學的核心，不過他所謂的原子和現代的原子在內涵上有一段距離。根據同原子互斥的原則，他認為所有氣體元素都是單原子。又根據他的化合法則1，他認為氮和水是HN和HO（當時水是唯一已知的氫和氧的化合物）。依後見之明，如果我們使用正確的質量百分比，以現代準確的原子量來看，氫、氮及氧原子相對於氫原子的質量比為1 : 4.7 : 8。N₂O、NO、NO₂的質量比（以氮為4.7），如表二所示：

表二：依後見之明，N₂O、NO、NO₂的質量比

氮和氧的質量比為4.7 : 5.4，相對於4.7 : 8，差異非常大。

道爾頓將氧原子的質量訂為7（水中氧和氫的質量比），碳和氮的質量則因一氧化碳和一氧化氮的原子質量比訂為5。基於前述理由，道爾頓無法接受同時期科學家們所發表的，更為準確的氮–氧質量比。關於原子質量的確認，錯誤的分子組成及不準確的實驗數據造成了科學界數十年的混亂局面。^[8] 表三為道爾頓的原子質量表（相對於氫氣）。

表三：道爾頓的原子質量表（相對於氫氣），分子式為本文作者所加，原子圖形見圖二。

n  附註

1.        道爾頓畢生都對氣象觀察有極高的興趣，他對氣體的混合和氣體溶解度的研究都和他對氣象學的興趣有關。

2.        這個數據來自道爾頓1803年的文章，幾年後（1808年）改為1 : 5 : 7。

3.        我們現在知道這是因為隨著溫度上升，金屬的不同氧化物混合的比例會有變化。

4.        在道爾頓的年代，「燃素說」逐漸被揚棄，「熱質說」逐漸興起。熱質被假設為一種和熱能有關的，沒有質量的流體。

5.        道爾頓並未使用「分子」一詞，雖然他知道他的同期科學家使用這個字。在此「粒子」比較像現代的分子。

6.        注意三張圖的比例不同，我們可以約略看出相同體積的氫氣數目較其它氣體多。

7.        道爾頓也稱之為「基本原子」（elementary atom）或「基本粒子」（elementary particle）。

8.        又例如，道爾頓認為氨是HN，乙烯是HC，所以質量都是6 (= 5 + 1)。如果實驗的準確度提高的話，氨中氮和氫的質量比是 4.67 : 1，乙烯中碳和氫的質量比是 6 : 1 ，如果依此數據則道爾頓將認為他得到相對於氫氣質量的氮和碳的質量是4.67和6，但是這又和從一氧化氮和一氧化碳得到的氮和碳相對於氫氣的質量不相同（7和6）。

n  參考文獻

1.        John Dalton, Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, Second Series, 1, 271-87 (1805).

2.        John Dalton, A New System of Chemical Philosophy. Manchester, 1808.

3.        Roman Mierzecki, Journal of Chemical Education, 58, 1006 (1981).

4.        Christopher S.W. Koehler, Chemistry Chronicles, 51 (2003).