綠色化學實驗模組的設計與應用-1：電化學模組

廖旭茂

台中市立大甲高中

教育部高中化學學科中心

[email protected]

  影片觀賞

 本實驗影片由國立大甲高級中學提供，微型電化學電池與綠色電解蝕刻的使用介紹。

影片網址：https://youtu.be/takvuhMvthU, YouTube.

  簡介

    綠色化學實驗隨著環保意識的抬頭，在全球掀起了一股風潮，從實驗藥品減量、實驗廢棄物減少排放，到有毒化學實驗藥品的取代等等，在在都是化學教育工作者努力的目標。國高中的電化學實驗課程中，無論電化學電池（electrochemical cell）或電解電池（electrolytic
cell），通常會涉及有毒重金屬鹽類的使用，以及有毒廢液的排放，加上實驗器材繁瑣，實驗準備與善後工作往往造成老師不少的負擔。

“One of the things that I’ve been focused on as President is how we create an all-hands-on-deck approach to science, technology, engineering, and math… We need to make this a priority to
train an army of new teachers in these subject areas, and to make sure that all of us as a country are lifting up these subjects for the respect that they deserve.”

President Barack Obama

Third Annual White House Science Fair, April 2013

1，一時之間結合科學（Science）、科技（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）跨領域的人才培育計劃、教學策略以及相關合作教案，在國際間形成一股巨大的風潮。因應這樣的數位自造者風潮，台灣的中小學學校也開始使用雷射切割機、以及3D列印機等新科技，進行教具的製作與開發。本校亦不例外，在行政系統的全力支援下，啟動了「綠色創客」特色課程。

圖1：微型電化學實驗模組

  器材與藥品

  功率80 W的雷射切割機。

  透明壓克力板60 cm × 40 cm，厚度8 mm及3 mm各一塊（約可切出24組綠色電化學電池）

   螺絲攻牙器1組【購自五金材料行】

   鑽孔機1台（含鑽頭）

   手擰螺絲（Φ＝6 mm，長12 mm）數個【購自五金材料行】

   柱頭內六角螺絲（Φ＝4 mm，長20 mm）數個【購自五金材料行】

   螺母（Φ＝4 mm）數個【購自五金材料行】

   鎂合金、鋅、鐵、銅金屬片數片（尺寸為1 cm × 1.5 cm，厚0.5 mm）

   不鏽鋼片（尺寸為2.4 cm × 7.2 cm，厚1.0 mm）

10. 濾紙（尺寸為40 cm × 40 cm）

  0.5 M硫酸鈉（Sodium sulfate, Na₂SO₄）溶液、0.5 M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M硫酸鋅（Zinc sulfate, Na₂SO₄）溶液、0.5 M硫酸亞鐵（Ferrous sulfate,FeSO₄）溶液、0.5 M硫酸鎂（Magnesium sulfate, MgSO₄）溶液各10 mL，盛裝在點滴瓶內。

 藍光LED 燈泡一個

微型電化學電池裝置的製作與使用

   設計製作流程

  發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：

   如何在一個培養皿大小的空間，進行一組或多組的電化學電池實驗。

  電極位置的安排，可隨時替換電極的方便性、鹽橋的形式、多組電池串聯的可能性。

  設計電池組合為可攜式，電解液不易滲漏。

 在Adobe CS3 Illustrator 或Coreldraw的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割建軟體可預讀的ai檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

 

圖2：微型電池的底座（左）及其上蓋（右）

   在雷切軟體Rdworks中，導入設計ai檔，然後依圖層依序填色，並調整雷射切割的速率與功率。打開雷切機暖機後，取一塊大小為30
cm × 60 cm，厚度為8 mm的透明壓克力板，置入雷切機中，進行切割。雷切完畢後，再取一塊大小為30 cm × 60 cm，厚度為3 mm的透明壓克力板，切出與下蓋大小相等的圓盤。下圖為雷切機切割的過程。

：雷射光切割過程圖

   取一支螺絲攻板手，牢固的夾持住螺絲攻的四個角落雙手穩握住板手，與壓克力圓盤務必保持垂直，順時針方向旋轉，在預先雷切的中心孔位（直徑5 mm）緩慢地攻出一個直徑6 mm，深8mm的螺牙。下圖為攻牙的過程。

圖4：螺絲功牙過程

  取出切好的壓克力上蓋，取一長12 mm且6 mm的自擰螺絲和透明塑膠墊片，固定上下蓋並旋緊。下圖為可攜式電化學電池的完成圖。

圖5：電化學電池底座（左）及其上蓋（右）

二、微型電化學電池的使用指引

   取出圓形壓克力電池裝置，鬆開螺絲，打開上蓋將紙鹽橋放置在底座的相對位置。下圖為鹽橋的位置圖。

 

圖6：紙鹽橋的位置

   先以數滴硫酸鈉溶液稍微濕潤紙鹽橋，隨即在紙片的方格中滴入2滴的硫酸銅溶液，接著將銅片放置在紙片上方；另一方格中放置一鋅片，蓋上上蓋將螺絲旋緊，金屬片具小孔的一端均朝外，即完成一組鋅銅電池。以紅、黑鱷魚夾導線的一端分別連接銅、鋅兩極，導線另一端連接三用電表即可量測鋅銅電池的電位差。下圖為平面型鋅銅電池的完成圖。

 

圖7：平面型電化學電池的電位量測配置圖

   每片金屬片皆有一小孔，藍色的單芯線，供串聯之用。藍光LED中，較長的金屬腳位為正極，短的金屬腳為負極。若以單芯線個小孔即可串連三組電化學電池。下圖為三組鎂銅電化學電池串連後點亮藍光LED圖。

圖8：三組鎂銅電化學電池串聯的配置圖

 

綠色電解蝕刻裝置的製作與使用

一、設計製作流程

  發想：在減廢、減量及重複使用的原則下，製作前的設計思考有三個方向：

   可攜式的特性，可以在任何空間進行電解蝕刻實驗。

   +），以數滴中性的鹽水為電解質。

   印台的英文譯為stamp，stamp另一個字面上的意思為郵票。故印台的外觀形似一張郵票。

    在Adobe CS3 Illustrator 或Coreldraw的繪圖軟體中，依設計原稿繪出數位的圖檔，另存為雷射切割建軟體可預讀的ai檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

圖9：左為綠色蝕刻台的把手，又為蝕刻平台

   使用8mm壓克力板，經過雷射加工後的印台，必須以水清洗印台上的粉塵，之後靜置陰乾；以砂紙磨去金屬片的利邊，以免使用時被割傷；並在印台雷射掃描處塗上層薄矽膠，將金屬片黏貼於方框處，靜置乾燥固定。下圖為製作流程圖。

圖10：蝕刻印台的製作流程

   利用直徑3.3 mm的鑽頭，經由壓克力印台中間的圓孔，在金屬片上進行導孔；接著利用M4螺絲攻在金屬片攻出一個M4的螺牙；以利用棉花棒清潔螺孔後，將M4圓柱頭螺絲旋進圓形把手，連結印台金屬片上的螺孔，將把手與印台兩者緊固。下圖為整個蝕刻印台的完成圖。

圖11：蝕刻印台的完成圖

二、綠色點解蝕刻裝置的使用指引：部分操作做成可參閱2014年7月出版的台灣化學教育期刊之【行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作】一文²。

   撕開部分膠膜，將金屬書籤平放在膠膜的離型紙上，膠膜上鏤空的字樣請置中對齊書籤空白處。將膠膜復原貼上，並留一小塊區域，供紅色導線連接。以膠帶將膠膜固定在桌子邊緣，在膠膜上方放置一片化妝棉，以數滴硫酸鈉溶液濕潤化妝棉。

   鱷魚夾導線的一端依紅(+)、黑(-)分別連接9V電池的正、負極。黑色鱷魚夾另一端夾住蝕刻印台圓形把手下方的螺栓；紅色鱷魚夾的另一端則夾住金屬書籤。

   手持蝕刻印台的圓形把手，按壓潮濕化妝棉，開始電解。通電約60秒後，以鑷子取下化妝棉，隨即撕開膠膜，並用新化妝棉擦拭金屬片。下圖為蝕刻操作過程圖。

圖12：電解蝕刻的操作步驟圖

  微型電化學電池與綠色電解蝕刻裝置之教學應用

一、微型電化學電池的教學應用：詳細過程可參閱科學研習月刊2017年11月出版的【綠色創客：微量電化學電池的設計與應用】一文³。

   測定電化學電池電壓：以Mg、Zn、Fe、Cu四種活性不同的金屬為電極。測量任何兩組電化學電池的電位差，與課本實驗的結果、標準電位差互相比較，並嘗試說明偏差產生的原因。

   練習多組電化學電池的順向接法與逆向接法並測定電壓。

   金屬活性序列的比較：「看誰最來電？」任取數種大小相同的未知金屬片（假設Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Cu六種），讓學習者由電子的流動方向和電位差高低，來判斷這六種未知金屬的活性大小。

二、綠色電解蝕刻的教學應用²

    電解反應兩極產物預測：以印台為負極，石墨片為正極，觀測並比較電解強酸強鹼鹽（比如硝酸鉀、硫酸鈉、低濃度的氯化鈉等）、強酸弱鹼鹽（比如硫酸銅、硝酸銀等）、以及碘化鉀等不同類型的鹽類溶液，在陰陽兩極所發生的變化的差異。

      藝術融入科學實作課程：學生自行繪製圖案，製作鏤空膠膜，在生活金屬器具的平面上進行蝕刻，留下紀念。下圖為上課學生實作過程。

 

圖13：學生蝕刻作品圖

  微型電化學電池與綠色電解蝕刻裝置之原理與概念

一、微型電化學電池

   本電化學電池實驗教具改良自傳統國高中課本提供鋅銅電池實驗，將3D立體的外型改造成為平面化的電池。電子自鋅銅電池中活性較大的鋅片流出，經外部導線流入活性小的銅片電極，並以「紙鹽橋」取代玻璃U形管保持兩極溶液的電中性。

  標準電極電位E^o，分為標準還原電位E^o _red （一般教科書多以還原電位來表示），與標準氧化電位E^o_ox。標準還原電位越高，代表物質越容易得到電子，為越強的氧化劑；標準氧化電位越高，代表物質越容易失去電子，為越強還原劑。電池電位差的計算，以鋅銅電池反應為例：

陽極（負極，氧化反應）：Zn(s) →Zn²⁺(aq) + 2e^－   E^o_ox = +0.76 V

陰極（正極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)   E^o _red =+0.34 V

 電池的電位差E^o_cell = 陽極的氧化電位E^o_ox + 陰極的還原電位E^o_red，亦等於

陽極的氧化電位E^o_ox – 陰極的氧化電位E^o_ox，亦等於

                   陰極的還原電位E^o_red – 陽極的還原電位E^o_red = 1.10 V

二、綠色電解蝕刻²

本實驗係利用電化學電解原理，使用一個自製的蝕刻印台，在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上，隔著以鹽水沾濕的棉布，數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為鐵片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：

(aq)    [1]

    [2]

(aq) + Fe²⁺(aq)    [3]

2H₂O(l) + Fe(s) → H₂(g) + Fe(OH)₂(s)    [4]

在電化學蝕刻後移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留棕色的字跡，研判應為陰極（負極）生成的氫氧根離子與鐵等金屬離子生成氫氧化物的沉澱，其反應如式[4]所示。

  安全注意及廢棄物處理

   本次實驗所用的CO₂雷射切割機，波長為1064 nm，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

   每次實驗後，應以自來水清洗微型電池的壓克力盤，並以水砂紙磨去各種金屬片上的氧化物，擦乾置入封口袋保存。

   電解蝕刻的實驗結束後，印台不鏽鋼金屬片電極必須以清水沖洗擦乾，以待下次使用；或沾上汙跡，可用水砂紙磨過，同樣以清水沖洗擦乾。

  致謝

感謝大甲高中蕭建華校長對「綠色創客」工坊的鼎力支持，以及林怡君教務主任對軟、硬體的精心規劃。

  參考資料

  Educate to Innovate, https://obamawhitehouse.archives.gov/issues/education/k-12/educate-innovat.

2.  廖旭茂、黃維靜，行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作。台灣化學教育電子期刊，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174.

  廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊，2017，卷56，期11，頁54~62。

製作天然柚香清潔劑

黎渝秀

n  前言

108課綱籌備以來，「自然科學探究與實作」、「多元彈性選修」一直是新課綱的核心精神之一。民國九十六學年起，本校優質化校務經營計畫「從A至A⁺全面優質」願景下，課程多元創新的學園—在高二課程開設一節彈性選修，提供學生在高二選組後，可以再依自己的興趣加深加廣的學習；緣此，作者依自然組學生程度開設「化山論見」彈性選修。學生課前需熟知實驗原理和步驟，依此撰寫實驗流程圖（即實驗預報），課堂中讓學生親自動手實驗，觀察現象，發現問題，解決問題，進而提出自己的想法，並將所學化學知識與生活中用品結合。

在中秋節時期，市場上販賣很多的柚子，散發淡淡的柚子香ー除了果肉多汁美味外，丟棄的果皮是否可再利用？這門課的學生討論熱烈，於是立即上網搜尋：柚子皮可製作成零食，也可入菜，富含天然精油成分，可提煉成香味劑和化妝品，柚皮風乾就可驅蚊，泡在酒精一周，就能當防蚊液…等。經由討論後，我們決定製作天然柚香清潔劑。

n  文獻探討

1.         檸烯^[1]

(1)     薴烯，又稱檸烯（Limonene；俗稱檸檬油精），化學式為C₁₀H₁₆，其結構式如圖一所示。

(2)     它是一種環狀單萜烯，室溫下容易揮發，廣泛存在於各種柑橘屬果皮及香精油。

(3)     用途：溶劑、清洗劑、除膠劑、調香劑、生物燃料和殺蟲劑，可溶解發泡聚苯乙烯（保麗龍）

圖一：薴烯的結構式

2.         常見柑橘皮精油的含量及其主要成分^[2]

常見柑橘皮精油的含量及其主要成分，如表一所示。

表一：常見柑橘皮精油的含量及其主要成分

（資料來源：香氣分析：氣相層析法探討柑橘類精油成份組成）^[2]

3.         椰子油起泡劑^[1]

(1)     椰油醯胺丙基甜菜鹼（cocoamidopropyl betaine,CAPB）是由椰子油和二甲基氨基丙胺衍生的密切相關的有機化合物的混合物。

(2)     CAPB是在一端含有長烴鏈和另一端含極性基團的脂肪酸醯胺，如圖二所示。這允許CAPB作為表面活性劑和洗滌劑。它是由四級銨陽離子和羧酸鹽組成的兩性離子。

圖二：椰油醯胺丙基甜菜鹼的結構式

(3)     用途：廣泛用於中高級洗頭水、沐浴液、洗手液、泡沫潔面劑等和家居洗滌劑配制中；是製備溫和嬰兒洗頭水、嬰兒沐浴液、嬰兒護膚產品的主要成分；在護髮和護膚配方中是一種優良的柔軟調理劑；還可用作洗滌劑、潤濕劑、增稠劑、抗靜電劑及殺菌劑等。

(4)     推薦用量：洗頭水和沐浴液中為3-10%；美容化妝品中為1-2%。

(5)     常見的幾種起泡劑都可以互相搭配做出各種膚感的清潔產品。

n  實驗架構圖^[3]

本實驗的概要步驟，如圖三所示。

圖三：本實驗的概要步驟圖

n  實驗器材

1.         公用器材（一組3人用量）：95%酒精350 mL、30%椰子油起泡劑350 mL、食鹽7.5 g、甘油（丙三醇）120 mL、紗布。

2.         自備器材（一組3人用量）：柚子皮4顆，刨刀一抜，玻璃瓶（附蓋子）1個，按壓瓶（保養品的空瓶亦可500mL）1個、燒杯（500 mL）2個、燒杯（或鐵盆，容量3 L）1個、磁石攪拌器（或打蛋攪拌器）。

n  實驗步驟

（一）萃取柚子精油

1.         準備材料A：約4顆的柚子皮量、1瓶95%藥用酒精、適量的蒸餾水、1個玻璃罐。

2.         將果皮像削絲瓜皮一樣逐一削下（只要綠色的皮、白色的部分不要）（見圖四左），將上列材料全部放入1個玻璃罐中，依比例（95%酒精：蒸餾水=1：1）^[5]或比例（95%酒精：蒸餾水=500：120）^[7]覆蓋柚子皮，浸泡二星期（淡黃色）（見圖四右）。

3.         將細紗布放在500 mL燒杯上方（可用橡皮筋固定），緩緩地將浸泡液倒入，取澄清浸泡液作為溶液A。（過濾的柚子皮渣，可以紗布包覆，置於廁所增加香氣和防蚊）

圖四：柚子果皮像削絲瓜皮（左）；萃取柚子精油（右）

（二）製作柚子清潔劑^[6]

1.         準備材料B：350 mL的30%椰子油起泡劑（液狀）、1380 mL的蒸餾水、120 mL的甘油、7.5 g的食鹽。【註1：若椰子油起泡劑為70%，則以3 L的燒杯，秤取約150 g，再加水至350 mL處，以磁石攪拌器加熱至全溶，若加熱過程中溶液水量減少，可適時加蒸餾水補足。】

2.         取150 mL的濾液A放置於3L燒杯內，分別加入7.5 g的食鹽、1380 mL的蒸餾水和120 mL的甘油（此時溶液混濁）（見圖五左）。【註2：蒸餾水可保留約380 mL，待加入甘油後，可用蒸餾水殘餘的甘油清洗至混合液中。】

3.         最後加入350 mL的30%椰子油起泡劑，混合攪拌即可完成（溶液瞬間澄清）（見圖五右）【註3：可依上述比例調整柚子清潔劑，沒有柚子皮可用橘子、檸檬、柳丁的果皮替代^{[8, 9]}。】。

圖五：70%椰子油起泡劑加水稀釋（左）；加入濾液A到材料B（右）

n  學生實驗流程圖

學生撰寫的實驗步驟以圖文並茂方式展現，以下舉例兩組的圖示。

l第一組流程圖

l第八組流程圖

n  實驗討論

Q1：為何需用酒精浸泡柚子皮？

答案：柚子皮中的主要成分為檸烯，為不飽和烴，它的極性不大。以酒精（乙醇）的極性不大，當萃取溶劑是因為可萃取檸烯，亦可與水互溶。

Q2：為何要加入食鹽？若不加食鹽是否還有其他替代物？

答案：利用NaCl食鹽等無機鹽類（電解質）來調整濃稠度，但NaCl也不可以加過量，否則整個稠度會垮掉。添加的NaCl是利用鹽類在水中會解離產生離子（NaCl→Na⁺+ Cl^‒），此離子可降低親水基間因電性相同所產生之排斥力，增加界面活性劑分子聚集之數目，使微胞（micelle）變得較大，因此流動性會降低，黏度會增大。然而當鹽類增加至某一程度時，會產生鹽析現象（salting out），使得界面活性劑分子析出，黏度下降，整個稠度會迅速降低。因此，在調整濃度時，還是需以界面活性的多寡，來調整所需NaCl的劑量。

Q3：柚子皮中的主要成份為何^[4]？除了可作為清潔劑外，還有其他用途嗎？請舉兩例說明之。

Q4：此實驗添加甘油的目的為何？

Q5：請你就家中的清潔劑之一的背面的成份，寫下並查明其簡易化學用途及可能的傷害。

n  Google Classroom協助課程

一、   在課程中發佈作業

二、   學生繳交作業情況

1.         學生在預設時間內上傳以自製柚子清潔劑洗碗。

2.         分別依照片或影片給予學生分數，並發還。

●照片

●影片（天然柚香清潔劑https://youtu.be/rRJh7gBkRXM）

三、   學生回饋

1.        建立Google表單，讓選課同學連結後回饋。

2.        Google表單會根據問卷作數據處理，提供授課教師參酌與改進。

3.        Google表單也可設計開放式問題，學生可以直接回饋。

n  教學省思

70%的膏狀物，需再加水加熱至完全互溶；若為30%，則為液狀，可直接混合。

B加入的先後順序，可讓學生思考，每組可不一樣，再互相比較。

108課綱，除了化學和生物或家政上可以作深入探究與實作外，也可以讓學生加入「美術」作為成品外包裝的設計，甚至結合「公民」，分析經濟成本和市場上合理的販售價格。

n  參考文獻

1.         維基百科，檸檬烯https://zh.wikipedia.org/wiki/柠烯。

2.         陳良宇、徐品家、李家齊、高詩堯，香氣分析：氣相層析法探討柑橘類精油成份組成，http://goo.gl/eQHGiM。

3.         基礎化學（二），第三章及第四章（全華版）。

4.         歐明秋，化妝品原料概論─界面活性劑，http://www.slvs.tc.edu.tw/125/20141107111151.pdf。

5.         垃圾變黃金的洗碗神品~超濃縮果皮洗碗精，彰化縣57屆國中科展生活應用組，http://science.hsjh.chc.edu.tw/upload_works/106/cc526f4eaa1b83891ebb84c251eec319.pdf。

6.         城乙化工，DIY柚子清潔劑，https://goo.gl/owqn5t。

7.         黃建睿，評估柚子精油及檸檬桉精油抑制植物病原菌生長與防治植物病害效果，中興大學植病系碩士論文，2015年四月，頁12。

8.         檸檬清潔劑，https://blog.gtwang.org/diy/handmade-lemon-dishwashing-liquid/。

9.         蔡承哲和周明謙，清淨至極–探討水果皮清潔劑的清潔效果，第1051115梯次小論文，http://www.shs.edu.tw/works/essay/2016/11/2016111507234467.pdf。

n  學生實驗手冊

下載本化學教室活動的學生實驗手冊—「製作天然柚香清潔劑」。

指導高中生成為國家代表隊出席

2018日本SSH生徒科展發表會及與會心得

 

劉曉倩

國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心

[email protected]

 

■前言

日本政府對於科技發展推動一向不遺餘力，主要由內閣府之綜合科學技術會議決定發展方向及政策，並由各獨立行政法人機構依照政策目標推動各項研究及行動。90年代以後，因體察到重大科學科技在研究階段與社會密不可分，因此十分重視科學科技與社會之間的相互連結，為使一般大眾對科學產生興趣，進行跨領域合作教學並且積極投入經費，以培育科學人才為目標，肩負推動日本科學發展任務。為更有效率落實教育發展及跨領域合作，日本科學技術振興機構（Japan Science and Technology Agency，簡稱JST）自2002年實施SSH（Super Science High School，簡稱SSH）補助合作高中進行科學教育之教學改進。並自2004年起，每年固定舉辦SSH生徒研究發表會，會場聚集日本各地的SSH學生以海報、簡報等方式發表研究成果。

我國因與日本有相似的教育環境，遂於2006年起參考日本SSH計畫推行高瞻計畫（High Scope Program，HSP），補助高中職推動以科學探究學習融入新興科技為主軸的課程改善研究，為落實科學教育交流成果，自2009年日本政府開始積極邀請世界各地高中生赴日與會，一起參與科展發表，提升日本國民科學素養及訓練外語表達能力，起初前幾年是採取參與其他國家代表隊與他們日本高中生一起比賽的模式，直到2014年以後，才將其他參與國家代表隊學校獨立出來，算是邀請賽的性質。主要原因在於各國發展的教育重點不同，科展的方向也不一致，實在很難評比。

■如何指導高中生成為國家代表隊？

    筆者於彰化高中服務，今年（2018年）是第三次榮獲入選臺灣代表隊赴日參與日本SSH生徒科展發表會，此次國內甄選過程與前幾年略有不同，以往科技部決選流程只需繳交英文科展成果報告，由科技部直接決選出參賽隊伍即可。從2017年開始，改由全國六十幾所高瞻學校繳交英文科展報告完成甄選報名後，先由教授群決選出前六名隊伍參加第二階段英語口試決選。

   根據以往的比賽經驗，審查教授十分重視創新產品的研發，所以在決選前幾週我們將創作成品「自製雷射油品快篩儀結合Arduino」架設完整後，經過幾次電腦測試，再將整組作品由3D列印成套件，最後階段就是英文PPT準備及口說演練。指導老師必須肩負起訓練學生製作英文簡報的責任，當然也可以邀請英文老師共同指導。不過自然科的專有名詞很多，英文老師未必了解，所以跨領域合作教學十分重要。由於參賽學生必須以英文簡報及口頭報告，審查教授也是以英文提問，所以參賽前的演練十分重要。建議可以找幾位自然科老師一起聆聽，設想可能被問及的問題，共同想出解決問題的方法，對於學生臨場感的訓練很有幫助。

等等幾乎都會被問及，提問時間長達20分鐘，真的是一場很有壓力感的決選！三天後科技部網路公告，我們通過最後決選成為國家代表隊時，師生真的是欣喜不已！

   回想前兩次我指導學生通過決選的研究主題均是以「綠色能源」為主。2015年的研究主題是利用中學實驗室現有的裝置器材和藥品以及校園中植物，自製染敏太陽能電池，一方面結合矽膠管柱層析，找出適合的沖提液配方，提升色素染料純化分離的效果，並將所得的色素製備成染敏太陽能電池，分析其分子結構與光譜、輸出電壓的關係。2016年研究主題是利用校園常見的植物取其葉綠素萃取液做改質，藉以吸附工業廢水中Cu²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等重金屬離子，並將其應用於染料敏化太陽能電池，達成廢物利用和環境保育的目的。

   今年（2018年）我們通過決選的研究主題在於「食品安全」。有鑑於臺灣食用油品造假事件層出不窮，此外「油炸油」的品質對於飲食衛生與安全也是擔心的議題，因為油炸油一炸再炸，膽固醇、反式脂肪及飽和脂肪酸濃度增加，吃多了對心臟血管也不好。雖然市面上有不同的檢測儀器及酸價試紙可以幫助消費者做油品篩選，但是我們從參考資料得知，只要在使用過的油品中添加濾油粉或其他化學藥品就可以通過市面上的儀器檢測，因此我們希望可以設計出一套快速、準確性更高且可重複使用的裝置，提供更準確的油品檢測資料。經過我們的研究及儀器改造，成功地利用紅光雷射準值性佳的特性及結合Arduino物聯網作資料建檔，將業者試圖「優質化」的劣質油品成功地篩選出來，並且可以建檔比對，更值得欣喜的是，本自製儀器價格低廉，容易組合及拆卸可以供一般民眾居家使用。「Time and pressure make diamond！」七月一日行前會議在健行科技大學舉辦，所以我們必須在6月28日前完成英文簡報定稿。此時學校適逢期末考，學生必須在準備考試之餘，將簡報內容依據教授先前的建議重新修改。修改時最大的難題在於臺灣高中生對於Arduino多少略有耳聞，但是日本高中生對於Arduino卻很陌生，所以以英文表達科展作品中使用Arduino設計理念時，會是個很大的挑戰！經過我們充分討論後，此行科展發表的重點修正為介紹Arduino的原理及應用，同時介紹臺灣教育發展已經將此新興科技落實在高中課程中，甚至學生具有研發出實用成品的能力，供國際友人交流分享。

 ■與會經過及心得

   2018年日本SSH生徒發表會參訪時間是8月7日至8月11日。我們抵達第一天即直奔神戶國際展覽館會場。神戶國際展覽館 （神戸國際展示場）位於兵庫縣神戶市的港灣人工島的國際展覽館，於1981年開館共有三個館，1號館的一層及二層樓均有展示室，2號館有大型會議廳及小會議室，3號館則是最大的展示室，面積有3800平方公尺。

    我們這群國際交流學生住在Kobe Seishin Oriental Hotel，由飯店步行僅3分鐘即可抵達西神中央站（Seishin-chuo Station）。飯店環境舒適，唯一的缺點是到展覽場都要搭地鐵轉車，周遭環境熱鬧卻不複雜，足見日本政府在安排SSHSF（Super Science High School Student Fair）國際活動的用心。開會第一天，五點半起床（臺灣凌晨四點半），一早到會場戴上名牌就受到現場工作人員高規格接待。由秋山仁（あきやま じん日本的數學家，東京理科大學教授，專攻圖論、離散幾何）教授擔任開場演說重任，如圖一所示。全場提供英日語即時翻譯，大會演說往往異常催眠，但是留著山羊鬍的秋山仁教授以四邊形切割，重新組成其他形狀開始，一連串的多邊形切割，順時針旋轉，組合成其他圖案及形狀，數學瞬間變得簡單又十分有趣，也讓現場聽眾十分好奇，教授又要變出什麼把戲？現場觀眾高達1200人以上，演講最後還開放提問，教授呈現的主題實在太有趣了，所以提問互動變得很熱鬧，無形中時間過得好快，會後也跟方素琦教授開心地討論起數學來了，覺得自己突然對數學產生好多探究主題，真的好訝異喔！只是這麼久沒有再算數學了，不知道是否還有救呀？

    圖一：留著山羊鬍的秋山仁教授現場教授幾何學的奧秘

 圖二：高瞻計畫臺日雙邊高中科學教育交流全體成員

       有鑑於前兩年（2015年及2016年）帶學生來參訪的經驗，日本高中生多半害羞，尤其遇到素昧平生的外國人，他們會在科展攤位兩公尺外觀望，如果我們學生沒有主動打招呼，他們多數不敢往前詢問。所以此次前往日本參展前，我們準備一些具有特色的臺灣紀念品、英文版的科展簡要說明A4紙張及真心誠意的友善笑容，期許與對方產生眼神交會，吸引他們進一步來聆聽。至於筆者的工作則是擔任親善大使，負責到日本及其他國家科展攤位仔細研究科展作品，同時邀請他們到我們的攤位觀摩交流。當日本學生知道我是外國人時，通常會流露出膽怯及求救的眼神，他們的英文表達力普遍不佳，拘謹的民族性產生很大的壓力，不過有些日本學生在不斷地鼓舞之下仍能順利完成英文解說，同時會進一步地到我們的攤位進行交流，算是十分成功的國民外交。日本高中生看到鳳梨酥都會露出十分驚喜的神情，有些女孩還會說「鳳梨酥」的中文，她們跟我說，她們來過臺灣，而且很喜歡臺灣的風景及食物，不過最熟悉的景點還是集中在臺北市及野柳，看來彰化要加把勁了啦！

    日本生徒發表會SSH規模等同臺灣全國科展，參與的學校師生超過千人，海外邀請國家有11個國家，每個國家最多三個代表隊，每隊三人（含指導老師），此次可以赴日再與其他國家的老朋友相聚，甚至見到我們學校的姐妹校日本泉北高校的老師（圖三），拘謹的老師露出難得的一抹微笑，真的很令人感動！雖然他不太會說英文，但是他提及當年來我們學校，參與我辦的化妝品化學研習課程時，當下心裡十分欣喜，也不知該聊些什麼好，彼此眼神凝視，流露出難以形容的真性情。

圖三：筆者與姐妹校泉北高校老師相見歡

      此次發表會，第一次看到約旦國家出席，研究主題在於音頻對於自閉症學生的影響，經由電腦分析，自閉症的孩子對於哪些頻率較為敏感，有助於安撫孩子情緒。約旦的學生表達清晰有條理，只是難不免有些疑問，以自閉症學生做實驗是否會有人權的問題？是否會對學生產生一些不良的影響呢？

   德國隊一如往常，強調電腦科技的創新，十分受到日本高中生歡迎，隊伍排好長，只能靠近拿個資料就閃人。印度的科展著重於日常生活的觀察及實作，研究作品中有一組是以各種不同的植物染料及化學染料做比較，探討各種染料對於髮質的影響（圖四）。

 

 圖四：筆者與印度高中學校學生討論植物染對於髮質影響，海報現場甚至還展示各種植物染料混合對於頭髮染色效果的差異性

日本的科展專注於基礎觀念的探究，對於實驗的過程描述十分詳盡，電腦的數據分析做得也很仔細，比較可惜的是，發現問題的能力還不太夠，控制變因及操作變因稍嫌粗略。其中有一組化學得獎作品令人印象最深刻，研究主題是以聚乙烯醇加入不同濃度的硼砂及優碘（I₂/KI）製作成偏光鏡；除此以外有一組屬於生物作品，探討島嶼上火山灰影響糞金龜的分佈及基因的研究，研究主題明確，雖然不像臺灣目前流行的跨科研究，但是單純的把單科實驗探究做好做滿，就是一件了不起的事呢！而且他們一聽到有人提問時，眼神很專注，會後還會一起討論，晚上筆者意外收到他們老師的來信，令人驚喜，覺得他們真的很看重自己的研究成果。我們學校的學生（圖五）盡忠職守地在自己的攤位上向國際及日本學生介紹科展研究成果，英文表達力更讓日本高中生折服！大多數日本高中根本沒聽過Arduino，此次活動遇到很熱情的日本高中學校，希望可以跟我們學校締結姐妹校，而且很希望來我們學校學習如何進行跨科的科展專題研究，他們的校長甚至還親自寫信邀請，此行活動之重要性可見一斑。

圖五：本校劉恩宇及孟令桓於口頭發表會現場以全程英語進行演說

    當天下午4：00開始臺灣學生簡報發表，筆者學生劉恩宇及孟令桓同學簡報製作十分用心，同時將紅光雷射結合Arduino的原理解釋十分適切，攤位發表時幾位日本審查委員，對我們研究成果很感興趣，同時也給了很多後續研究發展的建議，如圖六所示。我們發表的研究主題為「紅光乍現－自製雷射油品快篩儀結合Arduino」。研究動機起源於自2013年起臺灣食用油品事件層出不窮，食品業者被查獲以造假方式生產食用油的事件，導致消費者人心惶惶。有些業者甚至將低價油品精煉混充橄欖油，並添加銅葉綠素，冒稱「特級橄欖油」，牟取暴利。此外「油炸油」的品質對於飲食衛生與安全也是擔心的問題，因為油炸油一炸再炸，膽固醇、反式脂肪及飽和脂肪酸濃度增加，吃多了對心臟血管也不好，由此可見，油品的安全與我們息息相關。雖然市面上有不同的檢測儀器及酸價試紙可以幫助消費者做油品篩選，但是我們從一些參考資料得知，只要在使用過的油品中添加濾油粉或其他化學藥品就可以通過市面上的儀器檢測，因此我們希望可以設計出一套快速、準確性更高且可重複使用的裝置，提供更準確的油品檢測資料。經過我們一系列的研究及儀器改造，成功地利用紅光雷射準值性佳的特性及結合Arduino物聯網作資料建檔，將業者試圖「優質化」的劣質油品成功地篩選出來，並且可以建檔比對，更值得欣喜的是，本自製儀器價格低廉，容易組合及拆卸可以供一般民眾居家使用。這些專家對於我們的學生而言，或許是「頭痛人物」，但他們其實都是很棒的教授，問題雖然尖銳，但經過充分討論及溝通下，發現實驗中仍有十分值得探究的主題，真的是很棒的經驗呢！

圖六：本校孟令桓同學正在與日本科技部審查委員進行科展交流

三天與會，筆者穿梭在展館，參展內容實在很多，大多數主題十分生活化，有一組科展作品是用各種瓦楞紙紙箱剪裁粘貼成安全帽，並且用西瓜來測試防撞校果，取材簡單又有趣，十分吸引人；另有一組是做植物碳化效果分析（圖七），取材不是很新穎，但是在控制變因及操縱變因上做得很詳細。

圖七：日本高校科展作品做植物碳化效果分析

參訪活動最後一天日本科技部安排高校參訪活動，因為有專車接送，終於不用一早趕搭電車前往。此時適逢暑假，日本高校為了我們這些外賓來訪特別舉辦歡迎儀式，學校設備雖然不是很新，但是校園十分乾淨，校門口的日式庭園鬱鬱蔥蔥，更是饒富禪意。一行人脫下鞋拿著提袋安靜地走在迴廊上進入準備好的教室內。今日的活動主題是「房屋樑柱設計影響抗震效果的差異」，學生可以自由改變厚紙板做成的房屋樑柱位置及以迴紋針加重屋頂的重量，藉由手的左右搖晃探討紙屋的抗震效果，如圖八所示。課程內容很具有啟發性而且可以探討結構學及物理的應力學，我跟幾位老師對於課程內容產生很大的共鳴，想要爭取一份教材回臺灣跟同仁分享，幾位日本老師面有難色，原來他們本來就沒有將老師的教材算在活動內，所以即使講桌上明明有剩一堆教材，還是無法給我們這些老師帶回。我們幾位老師表示願意出資購買，日本老師卻出示他們購買教材的公司名稱，要我們自己想辦法去聯絡，彼此無法達成共識，真的是很特別的情況！前兩年交流活動都未曾遇到這種情形，教育交流本身應該是師生共享，不應該侷限於學生而已，令人覺得很可惜。

圖八：日本高校分享地震課程教學活動設計

當天下午日本科技部安排參訪姬路城，經由姬路城博物館館長解說得知，姬路城是國寶及國家特別史跡，被稱為「日本第一名城」。姬路城結構十分穩固，即使日本神戶曾受到阪神大地震的破壞，姬路城仍然屹立不搖，未受到地震的嚴重波及。主要在於城堡的基礎結構，當時西方城堡尚未出現此種建造方式，此種精緻磚石工程的基礎負擔龐大壓力的地基部份，稱之為「Nedori gumen」，目的在於防止地面沉陷以及保護由地震帶來的損傷。曲形城牆結構可以避免雨水停留在邊緣角落，牆體中央部份的圖樣，類似小孩子的胡亂堆砌，可以防止敵軍的侵犯，同時也創造出獨特的建築美感。

圖九: 姬路城

日本科技部特別為每個國家代表隊安排城堡導覽，從進入姬路城沿路解說，天守閣是不可或缺的參觀部分，兼具防禦和城主居住兩個用途。城內有三座小天守及一座大天守，大天守目前是姬路市的地標呢！ 可惜我們安排的解說人員雖然態度認真，但是日語口音太重，英文腔調很難聽懂，多數時間必須靠著自己去摸索，所幸巧遇印度國家領隊，索性加入同遊，意外獲得不同的收穫。歸國前在飯店的最後一晚，各國學生齊聚一堂在大廳促膝長談，意外發現看似簡單的撲克牌在各國學生交流中居然有很多種不同玩法，孩子們能以英文進行交流會談，十分值得珍惜。

■誌謝

。國立彰化高級中學行政團隊和高瞻助理宛柔小姐承辦相關業務的申請及提供很豐富的學校紀念品，讓我們在SSH科展展示場做了很棒的國際學術交流。最後更要感謝多日陪伴我們的臺灣師範大學方素琦教授、麗山高中及中科實中師生團隊，一起共同體驗這個十分難得的日子。