臺灣化學教育

2015亞洲化學教育國際研討會：
高中學生大會報告和參與心得分享

廖心妍¹、廖旭茂^{1, 2,} *

^{1, 2}國立大甲高級中學
²教育部化學學科中心
*[email protected]

n  前言

在我（第一作者）的書架上，亮眼奪目的鋁製小巴克承載了在日本參加第六屆亞洲化學教育研討會短暫三天的回憶，卻訴不盡這個夏天所有的美好…..。鋁製小巴克是日本山形大學（Yamagata University）的Yasunao Kuriyama教授在我大會報告後贈送的碳六十組合模型，如圖1所示。

圖1：日本Yasunao教授贈送的碳六十組合模型

這次我感到非常榮幸，能在臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授的推薦下，擔任臺灣的學生代表之一，在日本東京科學未來館舉辦的第六屆亞洲化學教育研討會（6th Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE Conference）大會上發表自己的學習心得，並參加在東京學藝大學附屬中學舉辦的海報展，在這裡和大家分享這趟東京NICE行的經歷與個人心得。

n  高中生代表大會報告

七月二十八日，活動前一天，懷著既忐忑又期待的心情，從桃園機場出發來到達東京的台場，因大大小小的托運的行李中有此行在大會報告上的秘密武器，行程中顯得格外謹慎。到達飯店已經傍晚，出外用完餐後，立即回到飯店惡補隔天上台的講稿。圖2為我的大會報告的秘密武器。

圖2：超級巴克球（Super Buckyball）攝於大甲高中科學館

隔天早上，因居住飯店離科學未來館很近，索性直接步行到未來館，因時間較早，尚未開館營業，我們由員工出入口近到七樓的大會議廳，完成報到手續。大會演講廳是可容納超過300人的空間，此次亞洲化學教育研討會議程的安排除了大會大師演講、口頭報告、實作工作坊、海報展之外，第一次嘗試讓高中學生在大會中發表，此次由日本、韓國和臺灣一共四位高中生代表發表自己的研究學習心得報告。

我這次報告主題是The learning paradise of molecule in Taiwan（分子的學習樂園）。首先用影片介紹了四年前由大甲高中的卓慶良老師與廖旭茂老師（通訊作者）團隊設計，師生協作完成，也是學校最具代表性的化學裝置藝術—搖滾巴克球。球體是以球棍模式呈現，由六十顆紅色的撞球和九十根不鏽鋼棒所組成（分別代表碳六十分子中的碳元素與化學鍵）¹。上下以兩個軸承聯結弧形鋼架，因為可以像地球儀一樣自由地旋轉，故稱為搖滾巴克球。圖3為搖滾巴克球的製作過程圖。

圖3：搖滾巴克師生一起努力的製作過程與成品

接下來，我介紹了學校老師在這方面教學上使用了廣泛最能引起學生共鳴的方法—動手做分子模型，幾種會被老師拿來當作教學用的材料，比如摺紙、串珠和塑膠管模型，茲將上述三種不同材質的巴克球做簡單的介紹。

一、  摺紙巴克球模型

每一個巴克球這是由60張，每邊10公分的正三角形海報紙組合而成，每一張海報紙可按下列方法摺成一個摺紙巴克球的最小單位。

圖4：摺紙巴克一個小單元的製作過程與成品

最小單元的中心代表的是碳原子，旁邊的三個圖出稜角代表的是化學鍵，而只要將這些角按照順序黏在一起，就能組成摺紙巴克球²。圖5為摺紙最小單元和摺紙巴克球完成品。

圖5：摺紙最小單元（左），完成的摺紙巴克球（右）

二、  塑膠管巴克球模型

這是一個模擬分子結構的球棍模型，購自東元奈米科技公司，紅色的塑膠球代表碳原子，白色的塑膠管代表化學鍵，只要清楚分子的構造，很容易就能做出來。這種模型是學生們最容易理解的表示方式。圖6為球棍模型的組裝流程圖

圖6：塑膠管巴克球組裝流程圖

三、  串珠巴克球模型

串珠巴克球與摺紙模型和球棍模型巴克球不同，每顆珠子代表是化學鍵而不是碳原子，因而容易搞混。每顆巴克球是由90顆珠子組成，代表90個稜邊，其中包括12個正五邊形及20個正六邊形。可以兩個不同顏色來代表分子中的單、雙鍵。若以紅色代表單鍵，白色代表雙鍵，則十二個五邊形都會是紅色，白色的球只會出現在六邊形。圖7是串珠巴克球的製作流程。

圖7：串珠巴克的製作過程與成品

根據價鍵原理（Valence bond theory），一個巴克球裡包含60個單鍵（紅色珠子）和30個雙鍵（白色珠子），而碳原子就是夾在3顆珠子排成的三角形之間。圖8是串珠巴克球中的珠子連結及其代表鍵結的鍵數。

圖8：珠子的連結：紅珠代表單鍵、白珠代表雙鍵、3顆珠連接處代表碳原子

n  令人驚豔的超級巴克球

接下來則是整個八分鐘中的高潮，我介紹了遠從2000公里外的臺灣帶來的超級巴克球，當舉起巴克球的那一刻，台下掌聲響起，內心的激盪，低迴不已……

話說去年十二月，學校老師給了我一個想法：巴克球中的巴克球。一顆小串珠巴克是由90顆珠子所組成，而巴克球中的巴克球則是由90顆小串珠巴克球所組成，也就是說要組成巴克球中的巴克球必須用到8100顆珠子。當下因為覺得這個想法很酷，而且我做巴克球也非常感興趣，沒怎麼多想這過程會有多辛苦，純粹在有趣的情況下，就接下了這個挑戰（當然也不會知道自己竟然有機會靠完成這顆球，站在亞洲化學教育研討會的舞台上）。

剛開始覺得很有動力，因為一切對我來說都很新鮮有趣，十分期待能趕快看到成品的樣子；但做了30顆、40顆之後，慢慢覺得累了，其實這是一件艱辛的苦差事，每一顆小串珠巴克球都必須盡可能的鋼性緊密；才能避免90顆小串珠巴克球組裝聯結在一起成為超級巴克球時，因為強大拉力造成球體結構的凹陷，每一顆小串珠巴克球製作時，都必須用力拉扯，甚至多次穿線，才能穩固堅硬，也為了做出一顆顆堅實的串珠巴克球，手指與手心的皮膚長繭，手指上也出現了許多被釣魚線割開的傷口，疼痛異常，加上高中課業繁重，當時腦海中不時出現了放棄的念頭，幸好在老師的鼓舞下，熱情才沒被澆熄，堅持了下來。前前後後共花了三個月左右的時間，完成了那90顆小的串珠巴克球，再花了近3小時，組起那顆大巴克。完成的時候真是一種難以言喻的踏實和成就感。超級巴克球的組裝可參閱如下影片：

（影片來源：Making Super Buckyball, https://youtu.be/dSGkPHI2kNE）

回顧過去，在那三個月裡，除了準備校外的英文演講比賽之外，加上一個看似空泛的目標—超級巴克球，致使課業成績一落千丈，那時除了肢體上的疼痛，內心更承受了極大的壓力。走過那段時光，因為兌現了承諾，發覺自己漸漸可以承擔責任；對於化學多了一些熱情，在學習上多了一分堅持，而在奮戰的過程中所留下的烙印，也讓整段回憶變得更難忘。圖9為巴克球的製作過程。

圖9：小串珠巴克球巴克球製作過程（左），超級巴克球的組裝（右）

n  台上台下

其實能到東京參加NICE研討會，真是機緣，當被告知可以在大會報告時候，感到非常驚喜，但並不緊張。在老師的協助下，從準備上台的簡報PPT開始，依大會規定製作7分半鐘的內容，每一張投影片，應該放甚麼照片、影片，搭配說甚麼話，需要多少時間，原本上台報告會跟以前參加英文演講比賽差不多，只要非常熟悉稿子、記得保持微笑，依樣畫葫蘆及可，但是在準備的過程中，發現並沒有想像中的簡單，稿子雖然可以用英文演講的方式背誦，但並不是一味地把整篇的稿子糊裡糊塗地念完而已，我還必須配合著投影片，放慢說話的節奏，好讓全場了解我所要表達的意思。

到了真正上台的時候，雖然手上拿著小抄，開始以各國問候語問後台下聽眾時，結巴透漏了我緊張的情緒，所幸迎來的掌聲在無意間給了我滿滿的自信，讓我意識到「這是我的舞台」，不是演講比賽，是一個需要戰戰兢兢的怕說錯話的地方；透過精采的影像，我努力地分享過去難忘的學習經驗，台下聽眾也給了我難忘的熱烈回應。雖然整個口頭報告，站在比賽角度看並不完美，但這是一個有別於以往、重要的奇妙體驗；對我來說，也是一個在演說技巧上面有著長足的邁進。圖10為第一作者於台上演說和主席頒獎過程。

圖10：筆者上台大會報告（左），大會主席Kamata教授頒發證書及紀念品（右）

n  意外收穫

除了大會口頭報告，此行最大收穫是可以認識其他國家的新朋友，透過大會精心安排的晚宴、東京學藝大學附中的藍染工作坊，以及學生海報展活動，可以與其他國家高中生們相互交流，連事先在臺灣準備的一些碳二十串珠模型，也成了交友利器，有效拉近彼此間的距離。尤其韓國學生。也許因為年齡相仿，又多是女生，參加的活動大多在一起，甚至住還住在同一家飯店，所以見面的機會很多，雖然有一點語言之間的隔閡，但是她們的熱情多少拉近了我們之間的距離，我們也留下了彼此的聯絡方式。能到日本參加亞洲化學教育研討會，對我來說，真是一個充實又難忘的經驗啊！圖11為參加活動時跟日本、韓國學生交流的情形，以及與Yasunao教授合影。

圖11：藍染工作坊情形（上），海報展交流（左下）， Yasunao教授合影（右下）

n  教師指導心得

此次心妍同學很榮幸能夠代表上台，進行七分半鐘的演說，除了介紹大甲高中在推動「做模型，學化學」課程上所做的努力外，也發表自己獨立完成組裝超級巴克球的心得與感想。心妍同學喜愛動手做實驗，手很巧，同時也是代表學校參加英文演講比賽的選手；超級巴克球的組裝過程中，我（通訊作者）只有擔任「交代功課」的角色，她只要在校慶「化學宅急便」活動前完成組裝即可。這個沒有加分，更不會有獎狀的辛苦任務，對現在大多數的高中學生不具有任何吸引力，心妍卻願意為了這一個微不足道的目標，花了近三個月的課餘時間在上面，讓當老師的我不得不心疼與佩服。六月中旬，當知道可以上台的那一刻起，從討論海報內容、拍照、影像編輯、到字字斟酌地準備演講稿，製作PPT，最後把超級巴克打包帶到東京，上台演說最終贏得滿堂彩止，這一趟偶然的驚奇之旅，終於劃下了完美句點。

「機會是給準備好的人」，美虹教授這麼說著，也因為她的引薦，才讓心妍同學有這麼好的機會，能夠在東京科學未來館的第六屆亞洲化學教育研討會的舞臺上，讓大家看見大甲高中老師的付出，及年輕學生的傻勁。對大甲高中或心妍而言，這份提攜之情，都是永遠感念在心的啊！

n  後語

臺灣有關於串珠分子模型的製作方法都直接或間接師法於國立臺灣大學化學系金必耀教授，有關芙類（fukllerenes）分子串珠模型和90 × 90大型巴克—Sierpinski球的製作，可參考《化學》季刊上刊載的〈串珠分子模型的美妙世界〉³和〈THE BEADED MOLECULES 串珠分子模型的美妙世界〉⁴。至於，由金必耀教授與北一女中師生合作的大型的串珠雕塑—超級珠璣碳球，更是令人驚豔之作，其詳細的製作方法可見《化學》季刊上刊登的〈分子雕塑—超級珠璣碳球的結構與製作〉⁵。

n  參考資料

1.        Buckminsterfullerene, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Buckminsterfullerene.

2.        Origami Buckyball, Bill Simon, YouTube, https://goo.gl/524oqY.

3.        金必耀、莊宸、左家靜，串珠分子模型的美妙世界，化學，2008, 66, 73-92.

4.        The wonderful world of beaded fullerene, Bih-Yaw Jin, Taiwan, http://goo.gl/8UwJlt.

5.        金必耀，分子雕塑—超級珠璣碳球的結構與製作，化學，2012, 70, 271-279.

2015亞洲化學教育國際研討會：
高中學生海報發表及與日韓學生互動分享

蔡尚峰¹、劉曉倩^{1, 2,} *

^{1, 2}國立彰化高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  參與緣起

日晡時分，橙紅渲染著湛藍的畫布，凝望著日本的晴空如同他們的國旗，綺麗的夕霞是我（第一作者）對日本的第一印象，我帶著忐忑的心情踏上不熟悉的土地。

參與第六屆亞洲化學教育國際研討會（6th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE Conference）其實是個意外，本來只是抱著隨團去日本參訪而已，沒想到日本Kamata教授通知臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授，希望此次活動最後一天安排三個國家高中學生交流，經由分享建立合作關係並提升彼此化學能力。起初我覺得很有壓力，一方面因為自己從沒有這樣的經驗，一方面也擔心才高一的我還沒開始做較深入的科展作品，但是劉曉倩老師（通訊作者）不斷鼓勵我。當時的我雖然還未準備好，但是機會難得，要勇於接受挑戰，雖是一場意外，卻帶給自己不一樣的衝擊！報名時間適逢學校期末考，所以在海報製作和內容部分主要是由指導老師幫忙完成，但是實驗細節、行前準備及口頭報告就要自己想辦法了。劉老師提醒我既然科展主題是做手工抄紙，應該再去探訪一下埔里廣興紙寮，仔細詢問傳統抄紙與實驗室手工抄紙的差別，順便買一些可以吃的紙，想到埔里名產刺蔥，葉子味道十分濃郁，但抗氧化成分很高，日本人應該了解不多，乾脆買幾包到日本分享。廣興紙寮現場還販賣一種用紙做的潤餅皮，內餡是紫糯米及麻糬，紙皮脆脆的，入口後甜甜鹹鹹的，真的很棒，只是放久了紙皮會變軟，攜帶不方便。

n  研討會海報發表

七月二十八日抵達日本飯店（Tokyo Bay Arike Washington Hotel），我心急地攤開海報，一次又一次地練習，在外國用英文口頭報告，還是第一遭！Toxic gas、methanol與 formaldehyde等各種生澀的化學專有名詞，在昏黃的燈光下看起來格外不清晰，不知道隔天「簡報及展示發表」會發生什麼問題，各式各樣的煩惱伴隨著入夢…。

 

大會活動第一天，我手忙腳亂拿著從埔里廣興紙寮拿來的紫蘇巧克力紙和刺蔥巧克力紙，並寫下英文和日語拼音（圖一左），因為我剛好有學日文三年，所以日文終於派上用場了。看著時間一分一秒過去，心裡有些忐忑不安，彰化師範大學的楊水平教授及屏東大學的李賢哲教授是我第一組訪客（圖一右），他們認真的聽著我熟稔的解說，並對我的研究主題提出意見，例如：我做的是水果皮再生紙吸附有毒氣體的研究，然而卻未測出每一種再生紙的吸附極限值及是否有其他更精準的測定方法，其他建議如直接將紙攪爛再進行滴定…等，讓我了解到自己在科展時忽略及未想到之問題，最後教授誇獎我，解說很清楚，並在我給來賓寫下意見的筆記本寫下「化學是明日之星」，要我好好加油，往化學大道前進，這真的給我相當大的信心，對於面對其他來訪的貴賓也較能侃侃而談。

 

圖一：海報發表現場布置（左），海報展示和演示發表（右）

接下來是日本大西和子老師和東京學藝大學的研究生（見圖二），一開始我就請他們吃紫蘇巧克力紙和刺蔥巧克力紙，每個人都興致昂昂準備吃下時，還眼神懷疑地問我說，是不是真的紙？讓我不禁笑了出來，我用英文解說時，大家好像似懂非懂，所以我就適時加入日文解說及手工抄紙樣本，大家都說好有趣，紙也很好吃，雖然不知是否他們真的感覺好吃，總之我心裡還是很開心。來自各個城市的老師們對手工抄紙及食用紙都頗感興趣，也有不少教授對吸附甲醛等有毒氣體可以應用於壁紙及口罩覺得是可行的計畫，希望我能做更多研究。

圖二：日本師生對於手工紙和可以吃的紙感到好奇

海報發表的同時，收到不少的名片，有的名片上還有簽名和問候語，十分溫馨，我也送出不少手工抄紙，或許大家不能再次相遇，不過希望這次的海報展示，可以給他們一些科展的啟示和點子，這樣我就覺得自己的努力是有價值的。

n  高中實作實驗和海報發表

活動第三天來到東京學藝大學附屬高中，參訪一開始，學生便以流利的英語及簡報介紹校園活動及祭典，例如：辛夷季、下馬季…許多五花八門的各種慶典，日本學生的活動真的好多，讓我十分羨慕。

聽完詳細解說，我們前往化學實驗室，由岩藤老師指導大家做美麗又實用的藍染實驗（見圖三左），不同國家的學生被分配在同一組互相交流，跟我一組的日本女學生知道我來自臺灣，十分高興，因為她曾經在臺北日僑學校待過幾年，她一直說臺灣的東西都好好吃，可是我覺得日本的拉麵、茶漬飯及各種甜點，也都好好吃耶！大家一邊聊天一邊做實驗，絞盡腦汁想著染布花樣，該如何綁竹筷及彈珠，他們只見我手忙腳亂設計的花式，就捧腹大笑，歡樂的氣息充滿實驗室。

看著藥劑從翠綠至深藍，嗯…好像抹茶變成蘇打啊，剛好肚子也餓了，結果看著成品的藍色好淡好淡（見圖三中），跟白色沒樣，遠觀老師們的作品，湛藍清晰又充滿質感（見圖三右），讓我不禁忌妒起來，想想自己的實驗步驟應該沒錯，不禁懷疑會不會配方不一樣呀？忍不住問了一下日本學生，他們也不是很清楚，由於時間很趕，這件事一直放在我心裡，回學校一定要跟同學和老師研究一番。

   

圖三：岩藤老師親自教導實驗（左），我的藍染顏色很淡（中），清大傅麗玉教授的染布藍色深淺分明好漂亮喔！（右）

接下來就是學生海報發表，與日本和韓國學生一起交流（見圖四），日本高中生的專題研究相當有趣，有的研究菇類蛋白質、魯米諾反應、蕨類蒸煮時如何去除苦味等生活化題目，與在科學未來館的研究生相比，這些高中生可說是英文十分流利，與我同一組做藍染的日本同學，非常積極地用畫圖和圖片詳盡解說，感覺十分強大，看來我的筆記功力要好好加強，相信我應該也是有實力做好的啊！

圖四：與日本師生（正中央為岩藤老師）一起交流

n  學生心得和檢討

我（第一作者）將第一天在大會報告的資料，在高中生交流時段重新再次報告一次。在這裡我發送很多名片和食用紙，日本的學生也總是很積極詢問。雖然有些高中生英文口說不甚流利，卻仍努力抄筆記並詢問問題。相較之下，我常常在聆聽別人科展發表時，找不出要問的問題，再者學校課業繁重，也少有機會跟同學一起討論科展及找資料，仔細想一下，也許臺灣教育較重視升學，老師為了怕我們花太多時間找資料，所以很多科展資料都是老師找好的，我們最多只是做到老師要求的目標而已，因此在學習上較為被動，我自己也常覺得學習不夠扎實，而且也較不會主動去思考，遇到問題時也常會亂了陣腳。

此次交流活動，無形中增進了自己的語文能力，準備過程雖然匆促，但因為同行教授、老師及同學的幫忙，我充滿自信也覺得十分放心！即使在學校參訪時忘了帶海報，臺灣高中化學學科中心的雅雯姊和學藝大學附中教職團隊聯手，很神奇地在半個小時內重新印製出來全開精緻版，真是太厲害了，但我自己也實在太粗心竟忘了帶海報！我相信自己未來可以做得更好，可以成為團體中舉足輕重的螺絲釘，如果現在還不夠好，這代表著我的學習正在起飛，不是嗎？

n  教師指導心得

教師（通訊作者）指導學生參與國際發表時常遇到的難題是，英文論文寫作及口語表達，尚峰個性活潑但在英文口語表達上較缺乏自信，所幸該會議是在暑期進行，有較多時間可以練習，指導過程中兩人常有意見相左的時候，感謝教授協助修改及學校英文老師幫忙，順利完成海報寫作，指導過程中，雖然對學生有很多的期許，無形中也產生一種壓力，其實學生最需要的是鼓勵，鼓勵他們不要怕講錯，熱誠及耐心是最好的國際語言，發表過程其實是一次又一次的口語訓練，藉由交流擴展了自己的視野，也在與會現場學到很多教學技巧及靈感，實在太棒了！

 

發現苯環

李啟讓^1, *、洪振方²

¹國立屏東女子高級中學（退休）
²國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]

十八世紀後，冶金工業的發展促進煤焦的生產，同時，作為工業燃料和家庭照明的煤氣，也有大量的需求。而煤焦和煤氣的大量副產品是煤焦油。最初，煤焦油只是一種廢棄物。十九世紀初，科學家在煤焦油中分離出大量芳香族化合物，並以它們為原料來生產染料。可是人們對芳香族化合物的結構一無所知，然而在生產染料等許多有機化合物的過程中，當時科學家迫切需要知道芳香族化合物的結構與性質。

n  苯的發現

苯是一個充滿傳奇性的有機分子，在1825年法拉第（M. Faraday, 1791–1867，英國人）由鯨魚油製得的照明煤氣燈的殘渣中首次分離出苯，稱之為「氫的重碳化物」。1834年再經德國化學家密切立希（E. Mitscherlich, 1794–1863，德國人）由安息香樹膠和石灰共熱製得苯，並求出其分子式為C₆H₆。後來，直到1845年德國化學家馮·霍夫曼（A. W. von Hofmann, 1818–1892，德國人）也從煤焦油中發現苯，苯的名稱才告確定。

n  化學家凱庫勒的一生

1829年9月7日，凱庫勒（August kekulé, 1829–1896，德國人）（見圖1）出生在達姆斯塔特，他和李必希（Liedig, Justus von, 1803–1873，德國人）是同鄉。凱庫勒從小就很聰明，對數學和製圖尤為擅長。18歲時，遵從父親的意願考入吉森大學學習建築學，但是不久受李必希的影響改學化學。1856年，他回到了德國，任海德堡大學的講師，兩年後，來到比利時的根特大學任化學教授。1867年再回到了德國，任波恩大學的化學教授，後來任波恩大學的校長。於1896年7月13日，凱庫勒在波恩逝世。

在波恩大學的凱庫勒，常以吉森大學的李必希為榜樣。因為凱庫勒教出了許多優秀的學生，在最初的五屆諾貝爾化學獎得主當中，他的學生就包辦了其中三屆；所以凱庫勒被譽為史上最傑出的化學教授之一。

圖1：凱庫勒（August kekulé）

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

n  原子結合的密碼

對19世紀時的化學家來說，複雜的有機化合物還是很難理解。直到1857年，德國化學家凱庫勒提出四價碳學說，他認為碳與碳相互連結是有機分子的主要結構，這種構造成為有機化合物的主要骨架。不過四價碳學說不是凱庫勒獨有的見解，其實蘇格蘭人古柏（A. S. Couper, 1831-1892，英國人）更早就在進行相關研究，而且可能對凱庫勒有所啟發。這個四價碳學說在其他場合應用良好，我們可以想像碳有4隻手；例如甲烷（見圖2），就是一個碳原子透過4個單鍵，連接了四個氫原子所構成。

圖2：甲烷結構式

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/甲烷）

凱庫勒首先提出「苯」是長鏈式結構，又因其結構與實驗結果不符而被一一否定。在「苯」（見圖3）這種分子裡面，6個碳原子的周圍，都只會接2個或3個原子，化學家認為它應該很不穩定。

圖3：「苯」的長鏈式結構

（圖片修改自：https://zh.wikipedia.org/wiki/己烷）

儘管苯的分子式C₆H₆早經確定，但是其分子結構卻遲到1865年，才被日有所思，夜有所夢的凱庫勒，經由夢中獲得的啟示發現。其中的緣由是苯分子的特殊結構，依照分子式C₆H₆苯是未飽和化合物且化性異於其他烴類，故苯的分子結構困擾了許多化學家。距離它於1825年首次與世人見面，整整有40年之久。

n  夢中獲得的啟示

關於凱庫勒提出苯分子為環狀結構的經過，一直是化學史上的一則趣聞。據凱庫勒說法：這來自於一個夢（見圖4）。一天夜晚，他在書房中打瞌睡，眼前出現旋轉的碳原子，碳原子的長鏈和蛇一樣盤繞捲曲。忽然，一條蛇咬住自己的尾巴，並旋轉不停，自己像觸電般猛然驚醒。

圖4：凱庫勒夢中的一條蛇

（圖片來源：https://tw.images.search.yahoo.com/search/images）

在1865年，凱庫勒從夢中獲得的啟示，整理出苯環結構的假說，終於悟出閉合鏈的形式是解決苯分子結構的關鍵。他提出苯分子是一個由6個碳原子以單鍵、雙鍵交替結合而成的環狀鏈式（見圖5）。

圖5：凱庫勒提出的苯的環狀鏈式結構

（圖片來源：作者繪製）

凱庫勒並在1872年提出，苯環是單、雙鍵交替排列的六角形平面環狀結構。他認為苯的兩種形式處於快速平衡的狀態，苯分子的每一個碳原子各與2個碳原子和1個氫原子連接成六角形，圖6為簡化後的凱庫勒式結構。

圖6：簡化後之苯的凱庫勒式結構

（圖片修改自：龍騰文化黃得時教授主編普通高中，100年~106年版基礎化學(二)全，頁61。本圖顯示凱庫勒式結構中，苯的鍵長。單鍵 > 雙鍵）

n  近代苯的結構探討

凱庫勒式苯之結構，還不是一個正確的苯的結構。直至1920年量子力學出現，化學家提出共振理論來解釋苯的結構（見圖7）。在共振理論中，認為苯為一混合體（hybrid）。碳與碳所形成的化學鍵既非單鍵亦非雙鍵，而是全部均為1鍵，且所有鍵角均為120°。因此，苯的結構常以六圓環中央畫一圓圈（）來表示（見圖8）。

圖7：近代量子力學所提之苯的共振結構

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/苯）

圖8：苯的共振結構簡化表示

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/苯）

近年來以X光繞射測定苯的結構，結果發現苯所有碳–碳鍵的鍵長均等為1.39 Ǻ，介於碳–碳單鍵（1.54 Ǻ）和雙鍵（1.34 Ǻ）鍵長之間。由於科學儀器的進步，精確的測定碳–碳鍵的鍵長，使我們更深入了解苯的結構（見圖9）。

圖9：苯的分子模型

（圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/苯）

1865年凱庫勒和當時許多有機化學家一樣，正在費盡心力的研究苯的真正化學结構。這個問題一直缺乏理解，但因為凱庫勒夢中頭咬尾的蛇，讓苯的真正化學结構出現了戲劇化的结果，這個夢啟發凱庫勒準確地理解了苯的结構是環狀结構。這個結果解開了許多化學家關於芳香族化合物的結構與性質的困擾，對後來有機化學的新發現功不可沒。

凱庫勒對化學的貢獻是值得肯定的，但他是否是第一位發現苯環結構的化學家，則有爭議。美國南伊利諾大學化學教授约翰·沃提兹（John H. Wotiz,1919-2001,美國）在20世紀80年代對凱庫勒留下的資料做了透徹的研究，發現在凱庫勒之前，還有別人提出苯是環狀結構。凱庫勒於1865年在巴黎發表的著名論文中，曾參考過洛斯密德（Joseph Josef Loschmidt, 1821–1895，奧地利人）早在1861年就私下出版《化學研究》的著作。在這本著作中，洛斯密德提出了苯的環狀結構，這要比凱庫勒早四年。雖然凱庫勒在文章的註釋中說，洛斯密德提出的苯環狀結構不如他的，但凱庫勒顯然受到洛斯密德的啟發。為什麼科學社群多認為凱庫勒是第一位發現苯環結構的化學家，而不是洛斯密德？這要歸因於凱庫勒是一位聞名的化學教授、傑出的演說家和著名的教科書作者，而洛斯密德則是一位沒沒無聞的人，他從不在重要的化學期刊上發表論文，也不在國際會議上演講。因此，洛斯密德1961年的傑出著作，並未為科學社群所知曉。

 

動手動腦學化學：猜猜我是誰—溶液篇

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  以學生為中心的教學活動設計

臺灣的學校教育長久以來是以教師講授、學生聽課為主要的教學方式，隨著時代的變遷，個人獨立思考、分析與解決問題等能力的培養，為諸多專家學者一再強調並呼籲教學現場改變教材教法。預定於107學年度實施的新課綱也訂定減少必修課增加選修課的方向，所有於一線教書的老師們都要有應變的心理準備。

本人於新竹科學園區實驗高級中學任教多年，於校內開設一門頗受學生歡迎的選修課：「化學入門」。近年來，本人另開發一套「動手動腦學化學」的教材，目標是期望老師們能以學生為學習中心，教師則扮演適時引導的角色，讓學生能從「動手」實作進行觀察與學習，進而「動腦」面對挑戰，培養解決問題的能力，最後在有趣、刺激的過程中「學化學」並培養對化學這個學科的喜好。本文要介紹的是「動手動腦學化學」的教材內容之一：「猜猜我是誰—溶液篇」，這是一門以學生為學習中心的教學內容，在實際進行教學時，學生的反應都相當熱烈，於教學上得到非常好的成果。本人於教育部的「518研習計畫」擔任「差異化教學」與「有效教學」的講師時，都以「猜猜我是誰」與研習老師們分享，也得到老師們正面的肯定。這次將藉著《臺灣化學教育》的專欄，詳細介紹這個教案的實施方式供老師們參考。當然，各位老師可根據服務學校的學生基礎更改課程內容或實施方式，「運用之妙，存乎一心」，更期望能有更多老師們提出個人開發的教學方式，供大家做為改變教學方式的參考。若有意願分享教學活動設計的老師，請將稿件寄至本人信箱。

n  猜猜我是誰−溶液篇

一、建立基本資料表

學生對各種類型的化學反應並不熟悉，必須先幫助他們建立「溶解度規則」的基本資料表。本文以陰離子與陽離子的反應為例，此基本資料表的實驗結果對學生學習幫「溶解度規則」有甚大的助益，建立此資料表也要求學生寫出化學反應式，藉此增進學生正確寫出化學式和化學反應式的能力。

在實驗進行時，混合溶液的反應所使用的簡易器材如下：

1.        將黑色圖畫紙裁切成適當大小，裝入平口袋中，即可取代玻璃片進行反應，如圖1（左）所示。若生成的沉澱為黑色或深色，則可在一半的黑色與白色的圖畫紙或全部黑紙上進行實驗，如圖1（右）所示。

 

圖1：黑色圖畫紙與平口袋（左），一半黑紙和白紙以及全部黑紙（右）

2.        平口袋是聚丙烯（PP）製成，具疏水性，故溶液在其上呈球狀而不會散開，實驗結果如圖2所示，使用效果比玻璃片更佳。

圖2：平口袋上的溶液混合實驗

(一)     碳酸根與陽離子的反應

1.        製作碳酸根與陽離子的反應的表格，如表1所示：

表1：碳酸根與陽離子的反應

2.        實驗結果與討論

 

圖3：碳酸根與陽離子的反應結果（左）和碳酸銀沈澱呈淺棕色（右）

(1)     實驗結果見圖3，教師引導學生如何記錄實驗結果，例如生成氣體者，記錄為「↑」，生成沉澱者記錄為「↓」，若前者記錄為「CO₂↑」、後者記錄為「⋯色↓」，則更佳。

(2)     碳酸根與酸的反應會生成CO₂，可要求各組學生討論並寫出其化學反應式，加深學生的印象，同時學習如何寫化學反應式，此化學反應如式[1]所示：

CO₃²⁻(aq) + 2H⁺(aq) → CO₂(g) + H₂O(l)    [1]

(3)     碳酸根與其他陽離子（Sr²⁺、Ba²⁺、Pb²⁺、Ag⁺）反應會生成白色沉澱，同樣地可要求各組學生討論並寫出其化學反應式。以Ag⁺為例，其化學反應如式[2]所示：

CO₃²⁻(aq) + 2Ag⁺(aq) → Ag₂CO₃(s)    [2]

(4)     CO₃²⁻與Ag⁺反應時，有時會看到淺棕色的沉澱生成，如圖3（右）所示，此時教師應該告訴學生Ag₂CO₃是白色沉澱，並請學生討論看到的淺棕色沉澱是何種物質。教師帶領學生討論後，對淺棕色沉澱生成的原因總結如下：

(a)      碳酸根在水中進行水解反應，生成氫氧根使溶液呈鹼性，其化學反應如式[3]所示：

CO₃²⁻(aq) + H₂O(l) → HCO₃⁻(aq) + OH⁻(aq)    [3]

(b)     滴入的Ag⁺有部分會與氫氧根結合，生成白色的氫氧化銀，其化學反應如式[4]所示：

Ag⁺(aq) + OH⁻(aq) → AgOH(s,白色)    [4]

(c)      氫氧化銀會立即脫水，生成棕色的氧化銀，其化學反應如式[5]所示：

2AgOH(s) → Ag₂O(s,棕色) + H₂O(l)    [5]

(d)     因為Ag₂O的沈澱量極少，所以在白色的碳酸銀沈澱中出現淺棕色。

(二)     碳酸根與陽離子的反應

1.        製作硫酸根與陽離子反應的表格，如表2所示：

表2：硫酸根與陽離子的反應

2.        實驗結果與討論

圖4：硫酸根與陽離子反應的結果

實驗結果見圖4，硫酸根與陽離子（Sr²⁺、Ba²⁺、Pb²⁺）反應會生成白色沉澱，其化學反應如式[6]~[8]所示：

SO₄²⁻(aq) + Sr²⁺(aq) → SrSO₄(s)    [6]

SO₄²⁻(aq) + Ba²⁺(aq) → BaSO₄(s)    [7]

SO₄²⁻(aq) + Pb²⁺(aq) → PbSO₄(s)    [8]

(三)     氫氧根與陽離子的反應

1.        製作氫氧根與陽離子反應的表格，如表3所示：

表3：氫氧根與陽離子的反應

2.        實驗結果與討論

圖5：氫氧根實驗結果

(1)     實驗結果見圖5，氫氧根與Sr²⁺、Ba²⁺陽離子混合後，會有些許白色混濁的現象，見圖5左方兩液滴，表示生成極微量的Sr(OH)₂與Ba(OH)₂沈澱，其化學反應如式[9]~[10]所示：

2OH⁻(aq) + Sr²⁺(aq) → Sr(OH)₂(s)    [9]

2OH⁻(aq) + Ba²⁺(aq) → Ba(OH)₂(s)    [10]

(2)     氫氧根與Pb²⁺陽離子混合後，呈現明顯的白色混濁，表示生成Pb(OH)₂沈澱，其化學反應如式[11]所示：

2OH⁻(aq) + Pb²⁺(aq) → Pb(OH)₂(s)    [11]

(3)     氫氧根與Ag⁺混合後，呈現明顯的棕色混濁，表示生成Ag₂O沈澱，其化學反應如式[4]與[5]

(四)     氯離子與陽離子的反應

1.        製作氯離子與陽離子反應的表格，如表4所示：

表4：氯離子與陽離子反應

2.        實驗結果與討論

這個實驗結果出現意料之外的結果，其結果如圖6所示。

  

圖6：氯離子的實驗結果（左）、左圖左方液滴放大圖（中）及一段時間後生成針狀晶體（右）

(1)     當氯離子（Cl⁻）與鉛離子（Pb²⁺）混合時，原本預期生成白色沈澱，但是在實作時，將鉛離子（Pb²⁺）滴到氯離子（Cl⁻）的液滴上方，並未看到生成白色沈澱，如圖6（左）所示，頗令人驚訝。重複實驗數次，結果皆同，不知為何如此。後來，在進行後續實驗時，赫然發現剛剛沒有如預期生成白色沈澱的液滴，竟然生出白色針狀的晶體！如圖6（右）所示。

對於這個實驗現象，本人甚覺有趣，體會到自己也是人云亦云，認為氯離子（Cl⁻）與鉛離子（Pb²⁺）混合當然是會生成白色的氯化鉛（PbCl₂）沈澱，但實際實驗結果卻令自己要重新思考這個現象的原因。我思考之後的解讀如下：氯化鉛的溶度積常數（Ksp）原本就較大（註：氯化鉛（PbCl₂）的Ksp = 1.7 × 10⁻⁵ (25℃)），需要較高濃度的鉛離子（Pb²⁺）與氯離子（Cl⁻）才會生成沈澱，所以剛混合時沒有生成沈澱，等液滴的水蒸發，離子濃度逐漸提昇後，才生成氯化鉛，又因是緩慢生成，竟然無意間得到「難溶性鹽類」的結晶。此化學反應如式[12]所示：

2Cl⁻(aq) + Pb²⁺(aq) → PbCl₂(s)    [12]

(2)     氯離子（Cl⁻）與銀離子（Ag⁺）混合時，如預期生成AgCl白色沈澱。其化學反應式如下：

Cl⁻(aq) + Ag⁺(aq) → AgCl(s)    [13]

(五)     碘離子與陽離子的反應

1.        製作碘離子與陽離子反應的表格，如表5所示：

表5：碘離子與陽離子反應

2.        實驗結果與討論

這個實驗結果也出現令人困惑的結果，其結果如圖6所示。

  

圖7：碘離子的實驗結果（左）、左圖右方液滴放大圖（中）及沈澱凝聚（右）

(1)     碘離子（I⁻）與鉛離子（Pb²⁺）混合時，如預期的生成鮮黃色沈澱，如圖7（左）之左方液滴，此化學反應如式[14]所示：

2I⁻(aq) + Pb²⁺(aq) → PbI₂(s)   [14]

(2)     碘離子（I⁻）與銀離子（Ag⁺）混合時，預期會生成AgI淡黃色沈澱，此化學反應如式[15]所示：

I⁻(aq) + Ag⁺(aq) → AgI(s)    [15]

(3)     在觀察碘離子（I⁻）與銀離子（Ag⁺）混合時生成沈澱的顏色時，常會看到液滴中的混濁物質呈現綠色或藍色而非黃色，如圖12（中）所示，應該是此液滴為膠態溶液，讓入射光發生色散現象，若以玻璃棒攪拌液滴，則見沈澱凝聚並呈現預期的黃色沈澱，如圖7（右）所示。

二、示範實驗

現在各組學生手邊已經有一份基本資料表，他們要利用這份資料接受挑戰，找出各種外觀透明無色的未知溶液。在開始讓學生挑戰之前，教師應該先進行一次示範實驗，告訴學生分析的要領。以下即為「猜猜我是誰：溶液篇」的示範實驗，由於是示範實驗，因此將未知溶液的編號從0開始，分別是A₀、B₀及C₀。

1.        挑戰內容：三種無色溶液A₀、B₀、C₀，從外觀上無法區別它們，只知它們屬於以下三種溶液：碳酸鈉（Na₂CO₃，0.1 M）、鹽酸（HCl，0.1 M）、氯化鋇（BaCl₂，0.1 M），根據已建立之基本資料表，判斷溶液A₀、B₀、C₀分別是何種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄，如表6所示：

表6：三種無色溶液（A₀、B₀、C₀）的判斷，先製作表格（左）而後實驗記錄（右）

 

3.        實驗結果分析

(1)     （A₀，C₀）生成白色沉澱，其化學反應如式[16]所示：

CO₃²⁻(aq) + Ba²⁺(aq) → BaCO₃(s)    [16]

根據已建立之基本資料表，可知（A₀，C₀）為（Na₂CO₃，BaCl₂）兩者之其中一種溶液，

(2)     （B₀，C₀）生成氣體，其化學反應同式[1]所示：

CO₃²⁻(aq) + 2H⁺(aq) → CO₂(g) + H₂O(l)    [1]

根據已建立之基本資料，可知（B₀，C₀）為（Na₂CO₃，HCl）兩者之其中一種溶液。

(3)     由(1)與(2)的交叉分析，發現重複出現的編號為C₀，而重複出現的溶液為Na₂CO₃，可見C₀必為Na₂CO₃，當然A₀必為BaCl₂，B₀必為HCl。

4.        答案：A₀、B₀、C₀分別為BaCl₂、HCl、Na₂CO₃。

n  挑戰—未知溶液

一、  猜猜我是誰：挑戰三種未知溶液

1.        三種無色溶液A₁、B₁及C₁，從外觀上無法區別它們，只知它們屬於以下三種溶液：氫氧化鈉（OH⁻，0.1 M）、硝酸鉛（Pb²⁺，0.1 M）、碘化鉀（I⁻，0.1 M）

根據已建立之基本資料表，判斷溶液A₁、B₁、C₁分別是何種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄，如表7所示：

表7：三種無色溶液（A₁、B₁、C₁）的判斷，先製作表格（左）而後實驗記錄（右）

 

3.        實驗結果分析

(1)     （A₁，B₁）生成白色沉澱，其化學反應式同[11]所示：

Pb²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Pb(OH)₂(s)    [11]

根據已建立之基本資料，可知（A₁，B₁）為（Pb²⁺，OH⁻）其中一種溶液。

(2)     （A₁，C₁）生成黃色沉澱，其化學反應式同[14]所示：

Pb²⁺(aq) + 2I⁻(aq) → PbI₂(s)    [14]

根據已建立之基本資料，可知（A₁，C₁）為（Pb²⁺，I⁻）其中一種溶液。

(3)     由(1)與(2)的分析，發現重複出現的編號為A₁，而重複出現的溶液為Pb²⁺，可見A₁必為Pb²⁺，當然B₁必為OH⁻，C₁必為I⁻。

4.        答案：A₁、B₁、C₁分別為Pb²⁺、OH⁻、I⁻。

二、  猜猜我是誰：挑戰五種未知溶液

1.        五種無色溶液A₂、B₂、C₂、D₂、E₂，從外觀上無法區別它們，只知它們屬於以下五種溶液：氫氧化鈉、硝酸鉛、碘化鉀、硝酸、碳酸鈉，根據已建立之基本資料，判斷溶液A₂、B₂、C₂、D₂、E₂分別是何種溶液。註：新增硝酸和碳酸鈉兩種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄，如表8所示：

表8：五種無色溶液（A₂~E₂）的判斷，先製作表格（左）而後實驗記錄（右）

 

3.        實驗結果分析

(1)     （A₂，C₂）生成氣泡，從五種溶液判斷，一定是硝酸或碳酸鈉。

(2)     B₂與C₂、D₂、E₂皆生成沉澱，從建立之基本資料表，可判斷出其必為硝酸鉛。

(3)     C₂為（硝酸、碳酸鈉）其中之一，又與B₂生成白色沉澱，從建立之基本資料表，可判斷出其必為碳酸鈉。因此，A₂必為硝酸。

(4)     D₂與B₂生成黃色沉澱，從建立之基本資表料，可判斷出其必為碘化鉀。

(5)     剩下E₂，比對剩餘溶液可知其必為氫氧化鈉，也可從E₂與B₂生成白色沉澱再度證實其為氫氧化鈉。

4.        答案：A₂、B₂、C₂、D₂、E₂分別為硝酸、硝酸鉛、碳酸鈉、碘化鉀、氫氧化鈉。

三、  猜猜我是誰：挑戰七種未知溶液

1.        七種無色溶液A₃、B₃、C₃、D₃、E₃、F₃、G₃，從外觀上無法區別它們，只知它們屬於以下七種溶液（濃度皆為0.1 M）：氫氧化鈉、硝酸鉛、碘化鉀、硝酸、碳酸鈉、硫酸、硝酸鋇，根據已建立之基本資料，判斷溶液A₃、B₃、C₃、D₃、E₃、F₃、G₃分別是何種溶液。註：新增硫酸、硝酸鋇兩種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄，如表9所示：

表9：七種無色溶液（A₃~G₃）的判斷，先製作表格（左）而後實驗記錄（右）

 

3.        實驗結果分析

(1)     （B₃，F₃）、（B₃，G₃）生成氣泡，從七種溶液判斷，B₃一定是碳酸鈉，F₃與G₃則為硝酸或硫酸。

(2)     B₃與A₃、E₃皆生成沉澱，可知A₃與E₃為硝酸鉛或硝酸鋇，其中E₃又與D₃生成黃色沈澱，可判斷出E₃必為硝酸鉛，故A₃必為硝酸鋇。當然，D₃必為碘化鉀。

(3)     既已確認A₃為硝酸鋇，F₃與A₃生成白色沉澱，可判斷出F₃必為硫酸。因此(a)中的G₃必為硝酸。

(4)     剩下C₂，比對剩餘溶液可知其必為氫氧化鈉，也可從C₃與E₃生成白色沉澱再度證實其為氫氧化鈉。

4.        答案：A₃、B₃、C₃、D₃、E₃、F₃、G₃分別為硝酸鋇、碳酸鈉、氫氧化鈉、碘化鉀、硝酸鉛、硫酸、硝酸。

n  結語

此教學活動是循序漸進的設計，學生先會分析三種未知溶液，再進而分析五種、七種未知溶液，教師應依學生程度，設計不同的進度。此活動可與基礎化學（二）之「常見的化學反應」結合，讓學生實際觀察到多種陰陽離子混合時的反應。活動完成後，再回頭學習課本的「溶解度規則表」，教學效果會更好。本人撰寫此文的用意為拋磚引玉，期望能有更多的實作教材能開發出來，讓學生能從「做中學」，進行有趣、有效的教學。

n  參考資料

1.        Daniel C. Harris, Quantitative Chemical Analysis, 3^rd ed., New York: M. H. Freeman and Company, 1991.

2.        林洪志，分析化學，三民書局，1996。

 

高一基礎化學之學習共同體教學經驗分享

呂雲瑞

高雄市立高雄女子高級中學（現任教）
臺北市立西松高高級中學（曾任教）
教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n  前言

「學習共同體」（Learning Community）是為了實現高品質的學習效果，日本東京大學佐藤學教授倡導的教育改革核心。他要讓傳統教學歷程中著重於教師單方面的授課，扭轉成著重學生的學習模式。唯有學生自主、高效率、充滿思考和體驗、相互討論的學習，才能把「從學習中逃走」的學生，重新回到樂意學習的行列；把過去傳授大量知識的課程，轉變為引導學生如何學習。學習共同體有個主要精神，那就是「打開教室」—讓各領域的教師們相互觀摩上課、學習優劣缺失、改善促進學生學習的方法。佐藤學認為：「即使一個公立學校老師教學非常精采，只要關上大門，孩子就被私有化，教室被私有化，學校被私有化。」從這裡就能夠知道，他期望中的學校是屬於一個團隊，不是個人單打獨鬥的突圍。教師願意開放教室觀課，活化課程並啟發學習動機與樂趣，這個過程就是佐藤學教授常提到的向上「伸展跳躍」模型。延伸這個觀念到學生身上，自然而然就會成為學生與教師間的「協同教學」：學生分組、學習力強者提攜學習力弱者，順勢就把以往教室內競爭型的學習改變成合作型的學習。

n  試行學校與學生背景

本文作者從102學年度西松高中高一化學課全面實施學習共同體模式。首先簡介先前任職學校的相關背景。臺北市立西松高級中學（西松高中），前身為台北市立西松國中，於1997年改制為西松高中，為松山區第一所改制為完全中學的學校，現為台北市教育局優質高中「校園營造」獎項決選優勝學校之一。其班級概況如表1所示：

表1：103學年度學生與班級人數

（資料來源：西松高中網站，http://www.hssh.tp.edu.tw/releaseRedirect.do?unitID=183&pageID=3048）

學生主要來源為基北區學生，且從入學成績顯示西松高中招收的學生素質為基北區社區高中的中前段，表2為100至102學年度西松高中基本學力測驗登記分發最低錄取分數。本文作者執行「學習共同體」教學的學生來源為102學年度的高一學生。

表2：西松高中歷年登記分發分數與PR值

〔統計至102學年度〕

由表2可知，102學年度西松的高一新生，入學成績分布較為常態左偏，校內教師們普遍感受學生學習動機欠佳，基本理解與運算能力須再加強。但此時大部分教師仍以精進教學為主，普遍認為要求學生自我學習，不僅耗費大量時間，學生學習效能有待評估外，多數學生也容易放棄。恰巧臺北市推行「學習共同體」的風氣正盛，教育當局也適時提出試辦政策，並薦派校長、學者、基層教師到日本、韓國、上海等地觀摩學習，如此上下交融的策略，期望能種子發芽遍地開花，帶給臺灣教育的無限希望。本文作者在學校支持並提供場地的前提下，實行102學年度西松高中全校高一基礎化學（一）的學習共同體教學模式。

面對12年國教，雖然臺灣有95％國中教師一致同意在課程和教學要改變，但是僅有17％的教師已在做改變，其中又以臺北市以及新北市皆為26％改變最大（親子天下，38期）。教師們都知道「改變」的重要，但如何變？變什麼？是集體教師的焦慮。在西松高中試行期間，許多教師對於「學習共同體」的概念是：雖然是值得學習的教學革新典範，但若全盤移植或教師認知理解不足，會不會成為活動而活動的嘉年華會，或教學進度的延誤，誤將過程當結果的學習，造成補習生意興隆的窘狀等等…。面對繁雜的問題和疑惑，與本身想要活化教學的熱情，在作者內心引起相當的衝撞和省思，因此這一年不斷的將「學習共同體」和高一基礎化學課程相互融合，試圖建構本土化可行的「學習共同體」模式。

n  坐而言不如起而行

從教育部頒訂的課程綱要指出，普通高級中學教育，除延續國民教育階段之目的外，並以提昇普通教育素質，增進身心健康，養成術德兼修之現代公民為目的。然而在升學壓力下，會有失衡的教育型態：過於重視考試科目，不斷地強調反覆記憶背誦，而較少提供學生探索、思考及解決問題的機會。為了突破學生未來的可能性，協助學生在課堂上尋找學習興趣和自信，在作者的內心中，逐漸地形成一個具體目標：幫助學生尋找適合自己的學習模式。

為了延續熱情，作者開始思索新學期該如何調整與實踐心中的理想。為了達到這個目標，首先第一步是從教室翻轉座位開始，在此感謝西松高中提供作者獨立的專科教室與桌椅器材。在開學前一週，安排教室座位（作者認為：四人一組，面向中央，男女交錯，再依照身高調整，可參考圖1）。開學後兩週內，可放慢課程進度，跟任教的班級學生們講解並示範上課規則與秩序（這是很重要的點：每位學生需要專注參與學習；老師、個人與小組學習時間皆應有其學習工作；課本文字閱讀、聆聽教師解說與觀念理解），並分享教師本身的學習歷程與自主學習的重要，此時可提出對學生較高的期許，正增強鼓勵並給予信心，架構相互信賴與尊重的師生關係。

  

圖1：「學習共同體」教室座位安排

（圖片來源：聯合新聞網，http://udn.com/news/）

「座位翻轉」不是件容易的事，這件事能否執行且讓學習的工作順利運轉，取決於老師的理念和引導，還有學生的配合和參與度。第一次教師主動隨機分組，運作一陣子後，察覺在小組分享討論時，常有組員無法充分參與分享討論時，隨即調動其座位。座位改變後，作者觀察到學生學習立即起了變化，上課時格外有精神，或許是因為每一個人的學習都將被看見，打瞌睡的樣子、認真學習的神情都會被看見，所以每位同學都儘量表現最佳的自己（高中學生很在乎他人對自己的觀感）。印證出佐藤學教授的ㄇ字型座位安排方式是可以適用於台灣教育現場的，「座位翻轉」是學生喜愛的改變，這種喜歡將會引發更大的學習能量。

n  教師引導，閱讀課本並引發學生動機與興趣

課堂上學習模式大致為「教師引導（5分鐘）—學生自學閱讀（10分鐘）—教師與學生協同學習（20分鐘）—學生理解與發言提問或分享（5分鐘）—老師總結與程序控管（10分鐘）」（共50分鐘，可視情況調整）（見圖2）。開始會耽誤幾節課（與學生人數、性別跟班級型態有關），2-3週內學生便可跟上教師步調，每一節課都在預定的程序與節奏下進行，甚至還可以超前一些。讓學生明確知悉當下該做的學習工作為何，如此一來，大家都會專注在學習中，沒有人可以閒閒沒事做。當然，偶而會有精神狀況不佳或迷糊的學生，就必須仰賴老師在「自學閱讀」與「程序控管」的時間中，走動關心並從旁輔助將他拉回來。作者預估在開學一個月內，學習模式應可進行順利，大部分學生專注在自主學習上，老師便不太需要擔心在課程進度這件事的。

 

圖2：高一基礎化學課的學習模式，老師引導講解（左）和學生個人思考學習（右）
（圖片來源：西松高中自行拍攝）

課堂上作者都會給與學生「正增強」的能量，試著讓學生跨章節跳躍學習，嘗試從已知的生活知識或體驗去思考相關概念，接著試著聯結所有的資訊。縱使學生說明並未完整或不正確的解答，但你的學生其實已做了科學思考，而且事實上大部分的學生都願意去試試看。其中幾位學習成效較高的學生，會試著解說給全班聽，察覺「會解題」與「會說明」是有差異的，開始思考如何將個人的「會」昇華為他人的「懂」。這些領頭羊的學生們，慢慢地在教室裡潛移默化其他的學生，再經由教師指派或邀請其上台演示，加深加廣相關學科知能，整個教室充滿著為學習而努力的良好氛圍。

n  這樣的學習模式是學生喜歡與需要的嗎？

除了在學校中與學生互動，了解學生的感受外，由幾種方式可以證明這樣的學習方式是大多數學生喜愛與需要的。第一，願意發問與自學的學生變多了，課堂中老師只講述觀念與導讀課文，學生聽得懂後願意去發掘問題，在課堂上或下課後圍繞著作者詢問觀念與題目。第二，大多數的學生主動做筆記和標示重點，不定期地在課前(後)抽檢課本時，發現約5-10人有提前閱讀課本文字並註記。第三，在考題難度固定下，一學期三次段考，學生成績的表現與前幾屆(當時入學程度較佳)差異不大(平均落差5分左右)，且整體的標準差(衡量學習落差的指標)也在10分以內，呈現些微常態右偏趨勢(成績往增加方向)。在期末學生私下訪談後，學生給予的回饋，是喜歡「現在」的上課方式，學生的學習態度有所成長，喜歡花更多時間在化學的思考上；老師走動關心，學生專心在課程上，相互詢答疑惑迷思或強化概念。

實踐「學習共同體」的目標為「學生能夠真正學習，老師成為學習專家」，也只有當老師成為學習專門家，才能讓學生產生真正的學習。而學生的學習表現常常又會引發老師另一個方向的思考，或是持續前進的動力，在學習共同體中的教師與學生有著共同學習成長的夥伴關係。這一整年雖然說是在教學生，但是有不少次卻從觀察學生閱讀或教學現場中得到更多想法，精進本身教學並分享心得，甚至某些學生私下鼓勵老師，給予更多繼續做下去的動力。

n  「學習共同體」—以反應熱為例

1.          教師引導（5分鐘）：教師以圖示（見圖3左）描述翻山越嶺的過程，說明化學反應模型。在導讀課文後，加入高二化學的活化能概念。

2.          學生自學閱讀（10分鐘）：教師用總結型概念，引導學生探究專有名詞定義。在分組討論後，學生上台說明相關原理（見圖3右）。

 

圖3：圖示翻山越嶺的過程和

3.          教師與學生協同學習（20分鐘）—學生理解與發言提問或分享（5分鐘）—老師總結與程序控管（10分鐘）：老師解釋原理、說明概念，並接受學生提問。重新或強化課本重點（見圖4左），舉出例題說明後（見圖4中），請學生練習，驗收學習成效（見圖4右）。

  

圖4：強化課本重點（左），舉出例題（中），學生練習（右）

n  分享課堂經驗並與教師交流

幾個同事們對「學習共同體」的試行感到好奇，開始詢問「座位安排」、「課堂操作」等學習共同體的內容，除了口述外，還提供天下雜誌與書籍供大家參考，甚者邀請開放上課教室自由進出觀課。作者在此提供西松高中自然科同事入班的觀察的意見整理。本次教學演示的年級與單元是高一基礎化學3-4化學反應中的能量變化（反應熱）。

蘇老師／物理科

呂老師使用的學習共同體，提供跨科教師間學術交流。將熱量（H）相關的節能環保相關議題融入教學之討論，學生討論後各自提出環保相關知識，相互問答交流。如化學上的反應熱的定義及計算，再生能源與綠建築議題融入教學的討論;化學上的酸雨與廢氣排放管制問題，有機產品與無機產品之比較;生物上的森林保護問題;地科上的水土保持及土石流的危害問題;跨領域的溫室效應，學測相關考題討論等。

丁老師／地球科學科

本次課程設計含括了課本中所有的原理概念，讓學生可以藉由主動閱讀來代替被動聆聽，探究代替思考；將化學概念融會貫通，教學器材上也會使用小型白板代替紙筆，改善學習單殘缺的缺點。在學校課程進度下，之前很多教師會擔心，開放的教學環境無法兼顧到每一位學生的需求與問題，但是呂老師每堂課前後，會將課程簡報和學習單放在學校網站上，讓學生在課餘期間，可以利用教師提供的資料自主反覆學習。

當天教學觀摩，學生狀況良好，大致上能掌握學習重點並完成學習單。就學習單的製作情形評估，學生皆有參與當天的活動；就課間的問答中，筆者觀察到討論課文內容後，立即依團體編號搶答，不同與以往的紙筆測試，觀察學生的團隊合作默契以及教學內容的精熟度，是一種新的開創

陳老師／生物科

討論課本習題，化學老師想嘗試建立國中理化到高一化學教材的連續性，尤其現在大考趨勢，使得學科統整能力變得更加重要。大部分學生剛進高中時，化學課程深度加深許多，但是學生因為歷經過國中會考，學習心態較為放鬆，故易造成學生於學校的課程中往往不是投注太多的心力，而高二分組後又難以銜接，呂老師想嘗試將國中先備知識與高一課程單元做連結，教學時也能幫同學做整體的串聯複習。

蔡老師和嚴老師／化學科

呂老師課前準備充分，教學中引發許多學生對於化學的好奇和興趣，想於課程中多增加學生實驗動手的部分，故於學期中加入幾次實驗活動，均是利用簡單的原理，容易取得的器具讓學生體會生活中也可以看到的原理。讓我們思考可以在未來在課堂中除了加強實作，也要增加生活中相關的化學議題討論的部分。

n  結語

「你們的參與和認同，主動用心參與學習，讓我們一起學習成長，讓自己和學校變得越來越好！」這是作者上課前常對學生說的話，也有對學校未來的願景想像。學習共同體的好，不只是教師的親身體驗，更需要學習主體的學生們來分享，分享自己在課堂的所學與感受。只要大多數的學生願意分享學習的喜悅給家人、老師時，學習共同體的擴散效果與速度將瞬間倍增。

我們不是在教育數學家、文學家、科學家或是史學家，只要學生們有相關素養，有學習的求知慾望，他們的學習就會有最大的可能，不是嗎？希望除了在學校上作者的化學課外，他們能在課後用時間繼續學習與思考，那就不只是幾節課而已（見圖5）！學習不只在教室，學習是一輩子的，非典型的學習成效是無法限量的。這樣的教育目標，可以「學習共同體」達成，為何不做呢？前年一整年的個人認知中，感覺實踐「學習共同體」似乎非難事，事實上作者轉換學校之後亦在高雄女中，高一特色課程中同樣實施「學習共同體」模式的教學，未來願意繼續與各位教學前輩與先進共同分享之。

 

圖5：學生專心聆聽（左）和學生充分參與討論（右）

（圖片來源：西松高中自行拍攝）

n  參考資料

1.        親子天下（2012，9月）。12年國教來了—9成5國中老師想變不到2成有行動。網址：http://www.parenting.com.tw/article/article.action?id=5043025。檢索日期：2014年10月25日。

 

創意微型實驗—微型化學噴霧槍
在化學演示實驗上之應用

方金祥

創意微型科學工作室
[email protected]

一兼二顧摸蛤兼洗褲，資源回收做環保兼組裝成化學實驗裝置—微型化學噴霧槍，此一實驗裝置極符合「低污染、可回收、省資源」的綠色環保理念。可利用此一裝置來演示化學實驗包括酸鹼中和、氧化還原之顏色變化以及化學能轉變成光能等，使化學教學更有創意、化學反應更為直接、更為生動、活潑、有趣。俾能引起學生對化學的好奇與學習興趣。茲將微型化學噴霧槍之設計與製作之詳細過程說明如下：

n  材料與藥品

（一）材料

塑膠噴霧器（安立清潔劑噴霧器） 1組、塑膠瓶（蘋果西打630 mL） 1瓶、塑膠瓶（藥品瓶100 mL） 1瓶。（相片一）

  

相片一：塑膠噴霧器（左）、塑膠瓶（中）、藥品瓶（右）

（二）藥品

稀鹽酸（0.1 M HCl） 100 mL、氫氧化鈉溶液（0.1 M NaOH） 100 mL、硫代硫酸鈉溶液（0.1 M Na₂S₂O₃） 100 mL、過氧二硫酸鉀（0.1 M K₂S₂O₈） 20 mL、碘酒溶液（市售） 100 mL、酸鹼指示劑（酚酞，Phenolphthalein）（相片二）。

相片二：酚酞指示劑

n  設計與製作

微型化學噴霧槍係由噴霧器、反應接收瓶及廢液收集瓶等三部分組成。其設計與製作分述如下：

一、噴霧器主體

1.        將回收自安立清潔劑噴霧器之標籤撕下，如相片三所示。

相片三：回收自安立清潔劑之噴霧器

2.        此一噴霧器之構造與一般塑膠噴霧器有所不同，由噴霧器主體（相片四左）與兩個藥品瓶（相片四右）組成。其中噴霧器主體下方有兩條導管分別插入可裝兩組藥瓶之兩個藥品瓶中，當壓縮噴霧器時兩組藥品可同時經由各自之導管上升至噴霧器之噴嘴，然後混合在一起而以霧狀噴出，如相片四所示。

  

相片四：噴霧器之兩條導管（左）與兩個藥品瓶（右）

3.        撕下蘋果西打塑膠瓶之標籤，如相片五所示。

相片五：取下標籤之蘋果西打塑膠瓶

4.        將塑膠蓋子取下並在蓋子之中央處挖一個孔洞，如相片六所示。

 

相片六：挖一個孔洞之塑膠蓋子

5.        用熱熔膠將挖有一個孔洞之塑膠蓋子固定在噴霧器（相片三）之噴嘴上，如相片七所示。

相片七：噴嘴上加有塑膠蓋的噴霧器

二、噴霧反應接收瓶

1.        取下藥品塑膠瓶之塑膠蓋子，並在其中央處剪掉成一個孔洞之塑膠蓋子，如相片八所示。

  

相片八：一個孔洞之塑膠蓋子

2.        在蘋果西打塑膠瓶之上側方挖一個直徑約0.5 cm的孔洞，並在此孔洞的正上方鑽一個小孔，以方便壓縮噴霧器時通氣之用，如相片九所示。

相片九：塑膠瓶之上側方挖一個孔洞

3.        用熱熔膠將挖了孔的塑膠蓋固定在塑膠瓶上側之孔洞（孔對孔成一通路），供作噴霧反應接收瓶，如相片十所示。

相片十：噴霧反應接收瓶

三、 廢液收集瓶

將塑膠藥品瓶（相片十一左）與噴霧反應接收瓶下方之塑膠蓋（相片十）組合起來，供作反應後廢液收集瓶，如相片十一（右）所示。

 

相片十一：塑膠藥品瓶（左）與廢液收集瓶（右）

四、微型化學噴霧槍之組裝

將噴霧反應接收瓶（相片十二左）與噴嘴上加有塑膠蓋的噴霧器（相片十二中）組合起來，即完成一套「微型化學噴霧槍」，如相片十二（右）所示。

  

相片十二：組裝完成的「微型化學噴霧槍」

n  實驗操作

一、噴霧流量設定試驗

噴霧流速調整鈕有0、1、2、3、4、5等五個位置來控制左右塑膠瓶中藥品噴出量。

1.        左邊塑膠瓶液體流速測定

(1)     將右邊藥品瓶拆下來，並將其導管夾住。

(2)     將左邊藥品瓶拆下來，並加入約100 mL的蒸餾水。

(3)     分別將調整紐轉0、1、2、3、4、5等五不同位置上，然後各壓縮10次，並量出噴出液體之體積。

2.        右邊塑膠瓶液體流速測定

(1)     將左邊藥品瓶拆下來，並將其導管夾住。

(2)     將右邊藥品瓶拆下來，並加入約100 mL的蒸餾水。

(3)     分別將調整紐轉至0、1、2、3、4、5等五不同位置上，然後各壓縮10次，並量出噴出液體之體積。

二、酸鹼中和之變色試驗

3.        將微型化學噴霧槍之組件依序拆開並取下兩個塑膠藥品瓶，如相片十三所示。

   

相片十三：裝藥品之塑膠瓶

4.        在左邊的塑膠藥品瓶中裝入100 mL的0.1M NaOH溶液。

5.        在右邊的塑膠藥品瓶中裝入100 mL的0.1M HCl溶液，並加入3滴的酚酞酸鹼指示劑。

6.        在廢液收集瓶中預先加入20 mL的0.1 M HCl溶液，如相片十四所示。

相片十四：廢液收集品中預先加入20 mL 0.1 M HCl溶液

7.        將上述裝有藥品之2個塑膠瓶與廢液收集瓶和噴霧器主體組裝起來備用，如相片十五所示。

相片十五：裝有藥品之微型化學噴霧槍

8.        將藥品流速調整鈕調整在「3」的位置，此位置在壓縮噴霧時，左邊的藥品之流量約為右邊的藥品之流量7/5倍，如相片十三所示。

  

相片十六：藥品流速調整鈕調整在「3」 的位置

9.        手持微型化學噴霧槍，用手壓縮噴霧器把手，則左右兩個藥品瓶中的藥品溶液會同時被壓縮而經由導管上升至噴霧器之噴嘴以霧狀被噴出，兩溶液噴出後會立即混合起來，並在反應接收瓶中發生化學反應，如相片十七所示。

 

相片十七：將噴霧器壓縮時藥品同時被噴出並立即發生化學反應

二、氧化還原反應試驗

1.        在右邊藥品瓶中放入100 mL的0.1 M藥用碘酒溶液（棕褐色）。

2.        在左邊藥品瓶中放入100 mL的0.1M硫代硫酸鈉溶液（Na₂S₂O₃無色透明）。

3.        另在廢液收集瓶中放入5 mL的0.1M過氧二硫酸鉀溶液（K₂S₂O₈無色透明）。

4.        手持微型化學噴霧槍，用手壓縮噴霧器把手，則左右兩個藥品瓶中的藥品溶液會同時被壓縮而經由導管上升至噴霧器之噴嘴以霧狀被噴出，兩溶液噴出後會立即混合起來，並在反應接收瓶中發生化學反應。

三、化學能轉變成光能試驗

1.        在右邊藥品瓶中放入5 mL的雙氧水於100 mL的0.1 M赤血鹽溶液（淡褐色）。

2.        在左邊藥品瓶中放入100 mL的0.1 M魯米諾（Luminol）的氫氧化鈉溶液。

3.        手持微型化學噴霧槍，用手壓縮噴霧器把手，則左右兩個藥品瓶中的藥品溶液會同時被壓縮而經由導管上升至噴霧器之噴嘴以霧狀被噴出，兩溶液噴出後會立即混合起來，並在反應接收瓶中發生化學反應。

n  實驗結果

一、   噴霧流速控制試驗

將噴霧器的流量控調整鈕調整0~5，左邊與右邊塑膠瓶藥品噴出之體積比，如表一所列。

表一：噴霧流速調整鈕控制噴霧的流量

*分別在噴霧流速調整鈕於0~5處，壓縮10次後所噴出之藥品體積

二、   酸鹼中和之變色試驗

由於左邊藥品瓶中是放入0.1 M NaOH，右邊藥品瓶中是放入0.1 M HCl，並加入3滴的酚酞酸鹼指示劑，且在藥品流速調整鈕調整在「3」的位置，左邊與右邊塑膠瓶藥品噴出之體積比為7：5，因此在壓縮噴霧器時，氫氧化鈉溶液之摩爾數會大於稀鹽酸溶液之摩爾數，致使酸鹼於瞬間中和時有過量的氫氧化鈉，而使噴出之溶液在反應瓶中由無色變成粉紅色，如相片十八（左）所示。但當反應瓶中之紅色液體流入廢液收集瓶中時又會馬上變成無色透明的液體，此乃因在廢液收集瓶中預先放入20 mL的1 M之HCl而將反應後過剩之NaOH再度中和所致，如相片十八（右）所示。

 

相片十八：酸鹼中和之變色試驗

三、   氧化還原反應試驗

噴出之溶液在反應瓶中會碘會被還原成無色透明的碘離子溶液，如相片十九（左）所示。待反應瓶中無色透明之碘離子溶液流入廢液收集瓶中會即刻被過氧二硫酸鉀溶液氧化成棕褐色的碘溶液，如相片十九（右）所示。其反應如式[1]和[2]所示：

碘被還原：I₂(aq) + S₂O₃ ^{2 –}(aq) → 2S₄O₆^2–(aq) + 2 I^–(aq)    [1]

碘離子被氧化：S₂O₈ ^{2 –}(aq)  + 2 I^–(aq) → I₂(aq) + 2SO₄^{2 –}(aq)    [2]

 

相片十九：氧化還原反應

四、   化學能轉變成光能試驗

噴出之溶液在反應瓶中會由化學能轉變成淡藍色的光能，如相片二十所示。

 

相片二十：化學能轉變成光能

n  實驗裝置之特點

l  資源回收再利用、實驗裝置動手做。

l  一噴二液三反應、生動活潑又有趣。

l  廢液回收污染低、操作容易且安全。

l  效果明確又快速、演示實驗更有趣。

n  結語

一般噴霧器只能裝一組藥品，噴霧時也只能噴出一種藥品來，如要使兩種不同的藥品分別噴出來再使其相遇再反應時，勢必要使用兩支噴霧器，分別將藥品噴出再使其發生化學反應。而本文中所使用之噴霧器係回收自安立公司產品中之清潔劑噴霧器再加以改良，此噴霧器可將兩組藥品分別裝在兩個塑膠瓶中，噴霧器壓縮時可同時將兩組藥品一起噴出來，藥品離開噴頭後碰再一起才反應，並可控制兩組藥品之噴出量。噴出之藥品控制在反應接收瓶中來反應，反應後之廢液也可使其流入廢液收集瓶中加以回收，使演示趣味化學實驗時更為簡便。本裝置除可演示酸鹼中和反應之顏色變化之外，還可演示氧化還原反應等反應後之顏色變化、以及化學能轉變成光能之反應，此一裝置實為一多功能性之趣味化學實驗演示裝置，可以增加化學演示之方便性與趣味性。

 

創意微型實驗—微型氫能燃料電池
方金祥

創意微型科學工作室
[email protected] 

本文作者先前曾設計兩套微型燃料電池（microscale fuel cell）第一代與第二代，第二代微型燃料電池發表於中國化學會之化學季刊，並榮獲當年度的化學論文獎（如附錄一所示），微型燃料電池係利用廢棄乾電池之碳棒經高溫加熱後急速冷卻以除掉碳棒上之雜質及成為多孔性碳棒作為電極，經加入適當的電解質溶液後進行電解（充電）產生氫氣與氧氣，然後在氫電極（陽極、負極）上之氫氣和氧電極（陰極、正極）上之氧氣化合成水並放出電能（放電）。燃料電池（又稱氫能燃料電池或氫氧燃料電池）是日後零汙染的能源應用在市售汽車上（如附錄二所示）。本文將介紹第三代的微型氫能燃料電池之設計與製作，以供電化學實驗教學之參考與應用，使其在電化學教學上更為生動活潑有趣，以提高學生學習電化學之興趣。

n  燃料電池之原理

燃料電池的原理是利用水電解後在負極（陽極，又稱氫電極）產生的氫氣與在正極（陰極，又稱氧電極）產生之氧氣化合成水時產生的電流可做電功，其反應後之唯一產物只有水而已，因此燃料電池可說是最乾淨且為零無污染的能源。

n  微型氫能燃料電池與一般燃料電池之比較

燃料電池係由電極、電解質、燃料以及氧化劑等所組成，微型氫能燃料電池與一般氫能燃料電池之燃料都是利用電解水產生的氫氣作為燃料，以電解水產生的氧氣作為氧化劑，其比較如表一所列。第一代、第二代及第三代微型燃料電池之比較如表二所列和相片一所示。

表一：微型氫能燃料電池與一般氫能燃料電池之比較

表二：三代微型氫能燃料電池之比較

*燃料：利用電解產生之氫氣H₂。

**氧化劑：利用電解產生之氧氣O₂。

相片一：第一代微型燃料電池

  

 

相片二：第二代微型燃料電池

相片三：第三代微型氫能燃料電池

n  材料與藥品

乾電池（9 V） 1粒、塑膠培養皿 1個、2B鉛筆筆芯（長4.2 cm，直徑0.2 cm） 2支、音樂盒（生日快樂歌） 1組、電子鐘 1個、透明塑膠滴管（3 mL） 2支、熱熔膠槍 1組、飽和硫酸鉀（K₂SO₄）溶液 5 mL。

n  微型氫能燃料電池之設計與組合

一、   鉛筆筆芯（電極）之處理

1.        將市售兩2支2B鉛筆筆芯（相片四左），用稀鹽酸溶液及清水清洗數次後備用。

2.        截取2支長4.2cm，直徑0.2 cm之鉛筆筆芯作為電極，如相片四（右）所示。

 

相片四：市售兩2B鉛筆筆芯（左），長4.2 cm直徑0.2 cm之鉛筆筆芯（右）

二、電解管與電解槽之設計組合

1.        取2支3 mL之透明塑膠小滴管，將其底部剪掉，使底部形成一個約3 mm直徑的小圓孔作為電解管，另在其上方挖一小孔以方便鉛筆筆芯插入，供作電極之用，如相片五所示。

  

相片五：以滴管頭作為電解管（左、中），以鉛筆筆芯作為電極（右）

2.        在鉛筆筆芯上方用導線接出來，並用熱熔膠固定之以方便充電與放電時之用。

3.        將鉛筆筆芯從上述透明塑膠小滴管上方小孔插入，使鉛筆筆芯底端與小滴管管口齊，然後用熱熔膠將鉛筆筆芯之上方固定在塑膠小滴管上，並使其與管口密閉，供作電解管，如相片六所示。

相片六：微型氫能燃料電池之電解管

4.        取一小塑膠盒子，用熱熔膠固定在一個塑膠蓋子上作為電解槽，另再用熱熔膠將其固定在一個塑膠培養皿上，使其能穩穩地置放於桌面上以方便操作，如相片七所示。

 

相片七：微型氫能燃料電池之電解槽

5.        將電解管、電解槽與9 V乾電池組合起來，便完成一套「微型氫能燃料電池」，如相片八所示。



相片八：微型氫能燃料電池

三、微型氫能燃料電池車製作

1.        將市售迷你太陽能車（相片九左）上的太陽能板取下來，而成迷你車體，如相片九（右）所示。

 

相片九：迷你太陽能車（左），迷你車體（右）

2.        用熱熔膠將一小塑膠槽固定在迷你車體上方作為電解槽，如相片十所示。

相片十：迷你車體上之電解槽

3.        將2支電解管插入電解槽中即组成微型氫能燃料電池車，如相片十一所示。

相片十一：微型氫能燃料電池車

n  實驗操作

微型氫能燃料電池經電解充電後再令其放電，其充電過程和放電過程如下：

一、充電過程

1.        在小電解槽內放入約2 mL的飽和硫酸鉀（K₂SO₄）溶液。

2.        在2支電解管內分別加入飽和硫酸鉀溶液至滿為止，每支電解管加滿時約需要1 mL左右的飽和硫酸鉀溶液。

3.        小心地將電解管與小電解槽組合起來，並使電解管的底部浸入小電解槽內之飽和硫酸鉀溶液中。

4.        將9 V乾電池之正、負極之鱷魚夾分別夾在電解管上之導線，以進行水的電解而將微型氫能燃料電池加以充電之，充電1分鐘後切掉直流電源並用三用電表測量充電後之電壓，如相片十二所示。

 

相片十二：微型氫能燃料電池充電（左）及電壓測量（右）

5.        電解充電約1分鐘後，在2支電解管中分別收集到氫氣約1 mL及氧氣約0.5 mL，其反應如式[1]所示：

2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)    [1]

6.        關掉電源以終止電解，即完成微型氫能燃料電池之充電過程。

二、放電過程

1.        微型燃料電池上原來接在9 V乾電池之負極即為微型氫能燃料電池之負極（氫電極），而接在9 V乾電池之正極者即為微型氫能燃料電池之正極（氧電極），分別與市售電子鐘或生日音樂組等電器之負極與正極連接起來。

2.        線路接通之後即可由微型氫能燃料電池之正極（氧電極）所收集到的氧氣與及由負極（氫電極）所收集到的氫氣化合成水，而產生電流，此即為微型氫能燃料電池放電的原理，理論上產生之電壓為1.23 V。其反應如式[2]~[4]所示：

負極（陽極）：2H₂(g) → 4H⁺(aq) + 4e^–                             E_ox⁰ = + 0.00 V    [2]

正極（陰極）：O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e^– → 2H₂O(g)             E_red⁰ = + 1.23 V    [3]

總反應：2H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l)                                   E_cell = + 1.23 V   [4]

三、微型氫能燃料電池在電化學上之應用

1.        微型氫能燃料電池經充電1分鐘後，將充電電源切斷準備進行放電，將原充電時之正極與電子鐘之正極連接，原充電時之負極與電子鐘之負極連接後，觀察電子鐘之運轉情形。

2.        微型氫能燃料電池經充電1分鐘後，將充電電源切斷準備進行放電，將原充電時之正極與音樂盒之正極連接，原充電時之負極與音樂盒之負極連接後，觀察音樂盒之運轉情形。

3.        在微型氫能燃料電池車上之電解槽放入2 mL的飽和硫酸鉀電解液，然後再將裝滿電解液之2支電解管插入電解槽中，經充電1分鐘後將微型氫能燃料電池之正極與微型氫能燃料電池車之正極連接，另將微型氫能燃料電池之負極與微型氫能燃料電池車之負極連接，觀察微型氫能燃料電池車之運轉情形。

n  實驗結果

1.        充電1分鐘後切掉直流電源並用三用電表測量充電後之電壓達1.11 V左右，如相片十三所示。

相片十三：微型氫能燃料電池充電後之電壓達1.11 V

2.        微型氫能燃料電池之電能可使電子鐘運轉，亦可作為計數器使用，如相片十四所示。

  

相片十四：微型氫能燃料電池使電子鐘運轉

3.        微型氫能燃料電池之電能可使生日音樂盒唱出生日快樂歌，如相片十五所示。

相片十五：微型氫能燃料電池使生日音樂盒唱出生日快樂歌

4.        市售迷你太陽能車之太陽能板測出之電壓為0.54 V （相片十六左）和電流為0.065 A（相片十六中），可使迷你太陽能車行走（相片十六右）。

  

相片十六：市售迷你太陽能車之太陽能板測出之電壓（左）電流（中）及迷你太陽能車（右）

5.        微型氫能燃料電池經充電1分鐘後測出電壓為1.11 V（相片十七左），可使微型氫能燃料電池車行走（相片十七右）。

 

相片十七：微型氫能燃料電池經充電1分鐘後測出電壓（左），微型氫能燃料電池行走（右）

n  微型氫能燃料電池之特點

l  用藥少且可回收重複使用，只需飽和硫酸鉀溶液5 mL。

l  體積小操作容易又安全方便，極適合於電化學教學演示及學生親自做實驗。

l  充電時間很短，只需約1 分鐘的充電時間，即可使電子鐘、音樂組及微型氫能燃料電池車等電器運轉。

l  微型氫能燃料電池之充電及放電過程簡便且具趣味性，頗能引起學生學習電化學之興趣。

l  微型氫能燃料電池可以單獨使用，亦可經兩組或兩組以上串聯使用以增強電壓。

l  放電後唯一產物為水，堪稱零污染能源的發電方式。

n  微型氫能燃料電池使用時應注意之事項

l  電解管底部需浸入小電解槽中，使電極與飽和硫酸鉀溶液接觸，電解管與電解槽間才能溝通電路以進行充電。

l  電解充電時必須特別注意在終止充電時，電解管內之電極需與電解槽中之飽和硫酸鉀溶液接觸，以保持良好的放電通路。

n  結語

本文中所設計的微型氫能燃料電池經充電1分鐘後，放電時可使鬧鐘、音樂盒及微型氫能燃料電池車等運轉。微型氫能燃料電池在電化學之教學準備及整理時可節省很多時間，並且在教學演示及學生實驗之過程皆非常方便，在電化學實驗教學上可得到明確的結果。由於微型氫能燃料電池放電時之產物只有水而已，是一種零污染之綠能，因此其應用將更能引起學生的學習興趣，使電化學之教學過程更生動、活潑、有趣，俾使教與學達到最佳的效果。

n  附錄

附錄一：第二代微型燃料電池發表於中國化學會化學季刊（化學，第六十二卷，第四期，2004年，12月），並榮獲九十三年度化學論文獎（93.11）。

  

附錄二：市售燃料電池車（fuel cell car）