創意化學實驗：微型發音哨的開發與氣體偵測上的應用 王慶豪 臺北市立建國高級中學 chwang2@ck.tp.edu.tw █ 前言 氣相層析中常用的氣體偵測器多達20～30種，其中常用到的如質譜儀（GC/MS）、火焰離子化偵測器（FID）、熱導偵測器（TCD）、電子捕捉偵測器（ECD）等，上述的偵測器大多為購買商用儀器時會與氣相層析儀搭配使用。雖然於實驗室中使用非常方便，但價格昂貴並非一般中等學校可以負擔。本文介紹於2010年由師大化學所林震煌教授實驗室所研製微型發音哨氣體偵測器。微型發音哨氣體偵測器的結構非常簡單—如同一般的哨子，唯一的差別只是體積縮小了約10倍左右。而微型發音哨的製作方式相當簡單，且製作的材料方便取得，，甚至利用3D列印的技術亦可製作出實用的發音哨。 微型發音哨偵測器具有簡易、安全、小型化、廉價及耐用性佳等特性，且因其使用之原理為閉管空氣柱發音之物理現象—藉由聲音的頻率變化推算出進樣氣體之分子量或體積，故於使用時可省去傳統儀器分析方法時需先使用標準品進行校正曲線工作的特性。 利用微型發音哨與自主裝氣相層析儀的結合可大為減少傳統氣相層析儀體積龐大過於笨重的問題，若再搭配自動進樣系統的改良，即可進行長時間的氣體監控。目前已將氣相層析儀搭配微型發音哨的裝置應用於1. 儲氫材料釋氫溫度之研究。2. 人體呼吸商之檢測。3.種子萌芽呼吸作用中氧氣與二氧化碳濃度檢測。4. 釀酒過程中酒精濃度監測。   █ 微型化發音哨的簡介 一、原理： 1.          格雷姆擴散（逸散）定律：高中課程中曾討論擴散定律，微型發音哨即架構於擴散定律中，已知於擴散定律中得知氣體擴散（逸散）速率與氣體分子量的關係為，亦即氣體的分子量愈小，其擴散（逸散）速率愈快。 2.          閉管空氣柱發音頻率：氣體的流經發音哨的開口端時，會使管內空氣柱發生振動形成駐波發音，其發音頻率，其中ƒ為閉管空氣柱產生共振聲音的頻率，為共振腔的長度，為氣體運動的速率。   由以上兩個基本原理結合可知當不同分子量的氣體流進哨子口後，會使哨子的共振腔產生不同頻率的哨音—當分子量愈大的氣體通過時，哨子發出聲音的頻率愈低，反之亦然。此時，哨音可藉由麥克風接收並同步以LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程式進行快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)，獲得即時聲音頻率的變化，並可藉由聲音頻率變化量反推得知流經氣體的分子量或特定氣體的濃度，以達定量分析之目的。   二、微型發音哨的結構： 微型化發音哨的長度約5 mm～20mm之間，主要材料為外徑3 mm，內徑1 mm之鐵氟龍管，並以直徑為1 mm之銅柱作為微型發音哨閉口端之填充物與哨口結構之材料。   三、微型發音哨的製作方法： 1.          首先準備外徑3 mm、內徑1 mm，長度約為15 mm之鐵氟龍管。 2.          利用銼刀將直徑為1 mm之銅柱磨製成梯形結構，其中銅柱的最大厚度應介於0.85 mm～0.95 mm之間。 3.          將梯形銅柱由最厚端推入鐵氟龍管中，至深度約為5 mm止。 4.          鐵氟龍管的另一端取直徑為1 mm銅柱推入至深5 […]

創意化學實驗：如何培養學生的實驗創意？ 劉敏瑛 國立彰化師範大學化學系myliu@cc.ncue.edu.tw   在大學中，如何在共同實驗課程中帶領學生做有創意的實驗，如何改變傳統的講述教學方式？如何能讓學生熱情且積極的參與實驗活動？而不只是照著〝食譜〞做完指定的實驗，然後繳交報告。如何能讓自己的研究主題有創意？筆者一直思考著這些問題，最近讀了三篇文章，提到有關實驗創意的來源，覺得收穫頗多，希望與讀者們分享。 n  例一：如何在大學的化學課程中培養學生的創意1 Ascheron和Kickuth在Make your mark in scince2 文章中提到：對於許多新的科學研究者來說，最大的挑戰和障礙是需要有想像力和創意，也就是需要新的研究方向或是找到新方法來解決舊問題。Cope3 提出：創意被認為是化學家最珍貴的資產，Lakatos4 也認為：在科學中有創意的想像力勝過一切，包括實驗數據和發現的事實。 〝創意（creativity）〞到底是什麼？雖然化學家們覺得很重要，但是許多人並無法具體地在自己的研究實行。許多化學家認為〝創意〞是一種靈感、預感或頓悟。 這篇文章主要是要幫助教育者瞭解〝創意〞在化學教育中所扮演的角色。其內容包含：(1)化學家在做些什麼事，(2)化學家的創意，(3)大學生的化學實驗課和創意，以及(4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例。 (1)化學家在做些什麼事 對於一個化學系的大學生來說，一個化學家的研究就是：由原子、分子及化合物組成的物質以及它們的化學反應和物理變化。經由一般共同的實驗課程，學生學到如何使用天平、有刻度的錐形瓶、燒杯，以及簡單的實驗技巧如過濾和蒸餾等。在進階的課程中，學生學到現代化的儀器和複雜的實驗技巧。但是對於大學生們來說，知道一位化學家的研究主題，及他所使用的實驗器材和技巧，並無法使他們真正了解化學家在做什麼，以及化學家如何產生新的化學知識，其實大學生們並不清楚一位科學家是如何進行研究。大約50年前，Kuhn5,6 指出大部份時間，化學家主要是參與普通科學（normal science）活動，例如：改進已知的事物，增加一個儀器的準確度，合成一個新的化合物，或是增加一個分析方法的可信度，就像是玩拼圖遊戲一樣。很多化學教育者審視自己的教學方式和所設計的教學活動後也贊成Kuhn的觀點。 (2)化學家的創意 化學家又是如何玩拼圖遊戲呢？Ascheron和Kickuth1 提到這可能包含構思研究題目，規劃研究內容，設計實驗步驟，分析結果，思考如何展現研究成果和說服讀者等。 這兩位學者同時也指出，研究題目的產生是一種創意的呈現，很多年輕學者還沒具備這種能力。著名的科學家Max Planck提到：一位科學家的新研究主意需藉由生動及藝術化的想像力來產生，而不是由已知的事實推論產生。 Platt及Baker7 提出幾個培養出新主意的情況：一個人積極的思考一個問題，蒐集資料，及分類資料，有些時間遠離這個問題，然後下意識的大腦活動，也可補充有意識的推理。這個過程或許要花很多時間，然後突然的你開始有了問題的解答。我們的大腦進行很多下意識的工作，是我們所不知道的，而這也就是我們解決大部分問題的方式。 (3)大學生的化學實驗課和創意 一般而言，化學系大學部的實驗課目標為：熟悉主題物質，發展實驗技巧，獲得有關科學本質（Nature of Science）的洞見，培養對科學的興趣，學習獨立工作或與人合作，及發展科學推理的技巧。實驗課的教學方式影響學生的創意發展，有四種主要的實驗課教學型態：詳述（expository）、探索（inquiry）、發現（discovery）、問題導向（problem-based）。其中，實驗結果未定的只有探索，實驗步驟可由學生自訂的為〝探索〞和〝問題導向〞，而教學方法使用歸納方式的為〝探索〞和〝發現〞。大部分的實驗課以〝詳述〞進行，學生們遵照一個已知的實驗步驟，加上推理能力，來達到一個已知的結果。這種方式的優點是教學活動有邏輯性，而且同時可讓很多學生進行實驗，而授課教師的參與度可達最低。而早於1987年，Tobin和Gallaher8 就提到這種教學方式是〝無意義的學習〞，因為學生們花較多的時間去想他們是否的到正確的結果，而不是去思考科學原理。很多提倡創意教學法的化學教育家也指出這種〝詳述〞式教學法的缺點（Ascheron and Kickuth2；Drake et al.9；Zielinski10；Scott11）。盛行的〝詳述〞教學法就像是科學家們〝複製〞其他科學家的工作，然後再驗證實驗結果。 Kuhn提到，一個真正的科學發現，改變了我們的世界觀。就教學來說，與指導或非指導的〝探索〞教學法最接近。Gallet12 也指出幫助學生發展想像力，科學創意和智力自主遠比累積冷知識（cold knowledge）重要。真正的研究包含獨立和開放式的思考，實驗失敗的挫折感，從失敗中學習的挑戰，及偶爾實驗成功的快樂。 (4)一個在實驗課中學習真實研究經驗的範例 〝The Ohio consortium for Undergracluate Research：Research Experience to Enhance Learning (OCUR-REEL) Project〞，這個Undergracluate Research Center […]

創意化學實驗：攔截紫外線，效果看得見！ 蔡威任1、陳昭錦2,* 1中國醫藥大學中醫學系2國立臺灣師範大學附屬高級中學*t35116@ntnu.edu.tw n  前言 今年五月臺灣提早進入夏季，連續數月的高溫讓許多常在戶外活動的人們難以招架豔陽的威力，氣象局人員也持續提醒大家不可忽略防曬的重要性。在陽光下長時間的曝曬可能導致人類皮膚老化甚至引發黑色素瘤，各種防曬乳液因應而生。消費者購買防曬乳時，通常會先注意到商品上標示的防曬係數SPF，防曬係數愈高的產品愈可能受到青睞。它們是否真的有較佳的防曬效果呢？消費者如何能感受這些產品的差異呢？ 本創意實驗設計，選用在紫外光照射下會分解的維他命B2，將其配成水溶液，觀測其在陽光照射下的濃度變化。改變不同防護條件，以可見光分光光度計分析維他命B2溶液照光後吸收度和濃度隨時間的變化情形，如此可在不傷害人體的前提下，觀測不同防護條件下維他命B2濃度的衰退速率，以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。 n  原理和概念 維他命B2又稱為核黃素（riboflavin），是一種橘黃色結晶性粉末，微溶於水，水溶液為黃綠色螢光，其外觀、溶液顏色及結構式，如圖1所示。對熱甚安定，但對光甚敏感，特別是紫外線，其水溶液照光後顏色會變淺，因此要儲存於深色瓶中。 圖1：維他命B2粉末（左），維他命B2水溶液（中），維他命B2結構式（右）。 （圖片來源：維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/核黄素） 若在沒有任何防護下，放置於維他命B2溶液在陽光下曝曬，溶液的顏色會逐漸消褪。若在盛裝維他命B2溶液的容器外塗上防曬乳加以保護，則溶液的顏色消褪的速率應該會變慢，藉此可以比較不同防曬乳阻隔紫外線的效果。 n  實驗器材與試劑 (一)實驗器材與設備 電子秤、透明塑膠片、燒杯、玻棒、滴管、比色管、試管、試管架、塑膠尺、安全吸球、分度吸量管、封口膜、塑膠盆、24格細胞培養塑膠盤（見圖2）、比色燈、分光光度計SP-830+。 (二)藥品 維他命B2粉末、維他露P健康微泡飲料、維大力汽水、各種品牌防曬乳、護手霜。 圖2：24格細胞培養塑膠盤（左），維大力汽水（右）。 n  實驗步驟 1.        配製3公升100 ppm維他命B2溶液，避光保存，亦可用市售的維他露P健康微泡飲料（維他命B2含量0.12mg/100g）或維大力汽水（維他命B2含量0.75mg/100g）代替。 2.        檢量線製作 (1)      首先要找出最適合的可見光分析波長，文獻指出維他命B2溶液在440~460nm有較大的吸收。我們先把100 ppm維他命B2溶液放置於比色管中，選擇分析波長範圍為400~500 nm，波長間隔為5 nm，進行光譜分析。找出吸收值最大時的波長，約在445 nm。 (2)      利用分度吸量管和安全吸球，分別稀釋100 ppm溶液為80 ppm, 60 ppm, 40 ppm, 20 ppm, 10 ppm。 (3)      設定分析波長為445 nm，分別測定前述六種不同濃度的維他命B2溶液的吸收值，每個溶液樣品均測3個數據取平均值。 (4)      吸收度對濃度作圖，找出迴歸直線方程式。 3.        每組不同防護條件下，使用一個24格細胞培養塑膠盤，其中每4格為一組（見圖3左），如此每種相同條件（相同照光時間、相同防護）均可獲得4組數據。它的優點是可以一次進行多組比較，藥品用量少，且移動過程中較不會因晃動而使藥品灑出。再者，其上可以覆蓋塑膠片，其上塗抹不同的防護物質，如此可以方便地取得多組數據。 4.        把透明塑膠片裁成恰可覆蓋塑膠盤的大小，第一組在其上不塗抹任何物質，第二組塗抹護手霜，第三組塗抹妮X牌SPF30防曬乳，第四組塗抹曼X牌SPF50，第五組塗抹蜜X牌SPF48防曬乳。 5.        […]

創意化學實驗：探究與實作綠色化學系列課程：防火志工活動與用火安全科學關卡 周芳妃1*、詹莉芬1、張永佶1、陳祖望1、吳淑芳1、蕭琬莉1、朱昱蓁1 1臺北市立第一女子高級中學*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw   n  前言 北一女中從民國99學年度起即開始開設高一跨班的跑班選修，當時北一女化學科也就開始發展探究與實作課程，並且長期耕耘發展符合綠色化學精神的高中化學實驗教材教法，同時創新化學科相關課程的學生成果發表方式，利用每年校慶舉辦化學宅急便的科學闖關活動，課程設計與科學關卡活動不斷演進，屢受好評之外並也對於台灣的科學紮根教育有深遠的影響。北一女化學科團隊以「綠園化學使節團」為使命，以「綠野仙蹤–化學宅急便」之名，榮獲104學年度教育教學卓越金質獎。迎向108課綱之際，北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統(如圖1)： l   現行化學科課綱實驗課程：減廢減量與替代實驗研發。 l   多元選修特色課程(高一跨班選修，一學期)：綠色化學百寶變與創意小論文設計。 l   108課綱試行課程(高一跨班選修，一學期)：探究能量與跨科實作，自然科跨科開課。 l   化學實驗研究社(高一高二聯合社團，一學年)：防火志工活動與用火安全科學關卡。 第一項課程系統提及實驗減廢減量與替代實驗研發，國內許多第一線的高中化學老師都投入很多時間指導學生，教育部也在103學年度起(2014年)開展的新平台，「綠色化學創意競賽–綠色化學教育網」，讓高中職學生可以透過友善的競賽平台來發表研究作品。第二、三項課程系統的發展過程已經歷經8年，相關研發與設計方法已發表在本刊第13期(2016年6月)的文章：「化學探究教學：融入綠色化學與化學探究課程設計」，目前並在校內擴大學科參與，延伸為自然科跨科開課系統。而化學科開設的多元選修特色課程：「綠色化學百寶變與創意小論文設計」，乃使用教育部「綠色化學創意競賽」辦法為腳本，設計出一學期的四階段教學策略，也提供給教育部108課綱數理資優課程的教學模組範例。第二、三項課程系統的大綱與簡介均可在北一女學校首頁的12年國教特色課程網頁中搜尋。   圖1：北一女化學科在探究與實作綠色化學系列課程的研發，目前在106學年度已發展出四大課程系統   化學物質在我們生活中隨處可見，如何讓生活環境更安全更便利，化學物質的妥善運用，就相當重要，而綠色化學教育更是首要。在綠色化學教育推廣的層面，從高中階段開始，已逐步的在化學教育中融入綠色化學的概念及原則，開發學生對於化學的全新想像，對學生的化學知識啟發有很大的功用。近年來臺灣大型化學災害事件頻繁，例如高雄氣爆事故、八仙塵爆事件、泰豐輪胎大火、敬鵬桃園廠惡火，帶來大量人數傷亡，也造成許多英勇的消防員殉職，令人悲痛。在消防通報方面，學校實驗爆炸，水果攤商的電土爆炸、家庭廚房火災意外等也是頻頻傳出，令人憂心不已。 有感於一般民眾在中學求學階段應有基本的用火安全知識，北一女化學科於是整合社會資源，與台灣女科技人學會(TWiST)合作策劃國際活動之際，就結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量，一起與台北市政府消防局、北一女化學科團隊、瑞德感知科技(股)公司(HEX)共同合作，創辦出全新的第四項課程：「防火志工活動與用火安全科學關卡」。透過消防專家與化學老師合作指導，協助提供志工學生事先具有完整的培訓課程與實務演練。課程發表的宣傳活動口號為：「少女防火志工帶你玩實驗，消防專家帶你玩設備！」，在2017年的元宵節當日，也恰是2月11日，臺灣首度響應「國際女科日」之際，在臺北市防災科學教育館中完成「第一屆少女防火志工」活動(如圖2)，大力協助民眾在用火安全及消防上的認知與學習，活動非常成功。因此在106學年度積極成立學生社團：「化學實驗研究社」，以延續課程並積極培養人才。下文將先介紹數個用火安全科學關卡的實驗內容，再進一步說明整體課程設計與活動推廣方式。   圖2：北一女化學科結合「學會」、「官方」、「學校」、「產業」四方力量。在2017年2月11日完成「第一屆少女防火志工」活動。   n  用火安全科學關卡的實驗內容 目前開發成為「可攜式」並執行成功的用火安全關卡實驗範例如下表，關卡名稱：酒精蒸氣會爆炸、製作酒精凍、酒精凍燒糖、黑煙哪裡來、高效能燃燒。其中黑煙哪裡來與高效能燃燒的實驗照片如圖3所示： 服務宗旨：用火安全人人有責 關卡名稱 科學概念 關卡執行(操作方式) 叮嚀小語(現場說明) 酒精蒸氣會爆炸 可燃物氣體非常容易引起爆炸 少女防火志工先在養樂多罐裡面的加入兩滴酒精，套上電子點火槍之後，接著把養樂多罐放在溫水裡面，這時候罐子內的酒精就蒸發變成氣體，罐子內有酒精蒸氣與空氣混合物，點燃之後會有什麼變化呢? 點火! ((擊發))。 酒精蒸氣與空氣混合後，一點燃，爆炸產生的高溫高壓氣體使養樂多罐快速飛出。當酒精蒸氣與空氣混合後，是非常危險的，千萬要避免接觸火花， 平時也不可以把酒精儲放在高溫的環境中。 製作酒精凍 應避免可燃物液體潑灑，以免引起火災的擴散。 將醋酸鈣飽和溶液與酒精以特定比例混合，將酒精液體做成固體酒精凍，表演開始，一瞬間液體酒精變成固體了。 液體酒精萬一被打翻，容易潑灑漫延，引起火災的時候，更是一發不可收拾。但是，若把酒精做成固體，可增加燃料運輸及使用的安全性，大大提高用火安全。 酒精凍燒糖 認識燃燒三要素，以及影響反應速率的因素。 先將自製的固體酒精放在鋁罐上面，再放一顆方糖，把固體酒精點燃，也準備觀察上方的方糖也易燃燒的現象。 各種食品也都是可燃物，乾燥的食品粉末，因為顆粒很小，也都變成很危險的易燃物。台灣曾經發生悲慘的八仙塵爆事件，就是「玉米粉」被點燃所造成的爆炸現象。 黑煙哪裡來 烴類氣體的缺氧燃燒反應。 利用碳化鈣遇水會發生快速的反應，產生易燃性的乙炔氣體，乙炔是碳氫化合物，難溶於水，計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為一半，使收集到氣體為體積比1:1的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。 家用瓦斯或是汽油都是碳氫化合物，碳氫化合物氣體在缺氧環境中，燃燒反應途徑非常複雜，容易產生大量有毒黑煙，黑煙是火災現場造成人員死亡的第一殺手。 高效能燃燒 烴類氣體的足氧燃燒反應。 實驗步驟與上述「黑煙哪裡來」相同，但是設計排水集氣法集氣瓶內事先放入的水量為八分之一，其餘八分之七的瓶內空間為空氣，使收集到氣體為體積比1:7的乙炔和空氣混合物，最後點火並觀察燃燒現象。 碳氫化合物氣體在充足氧氣環境中，燃燒反應非常快速並容易引起爆炸。平時居家使用或工程施工都要特別注意瓦斯管線的維護與保養。 […]

創意化學實驗：質譜分析法在指紋鑑定的應用 翟永誠1,、陳珮珊2* 1國立臺灣師範大學化學系2國立臺灣大學醫學院暨附設醫院毒藥物鑑定暨檢驗中心 *paishanchen@ntu.edu.tw n  前言 「真相只有一個」是著名偵探漫畫中主角的登場台詞，雖然真相確實只有一個，但是在現實刑案的偵辦過程，往往不如影集、動畫中呈現的如此順遂，鑑識人員得面對的多半是殘破、被蓄意破壞的犯罪現場，唯有仔細的蒐集各項證據，再透過種種的抽絲剝繭，還原事實真相，找到兇手，而指紋即是現場蒐證中重要證據之一。 由於指紋具有「人各不同」、「終身不變」的兩大特點，使得指紋成為鑑識科學中有力的依據[1]。指紋是靈長類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路，而透過油墨、染料可以將指紋清楚的拓印在媒材上。早在中國古代，人們便習慣透過按壓指紋來做為身分的區別，三國時期，諸葛亮便透過指紋建檔以管理戶口、發放軍餉，爾後的唐朝也習慣用按壓指紋、掌紋作為簽約時的標記，很快的指紋這種在外觀上較容易判斷出差異的個人特徵，變被應用到了犯罪追溯上，宋代的民間傳說–包青天，就曾利用木工留下的血手印讓犯人伏首認罪，被譽為法醫學之父的宋慈，亦在其著作《洗冤錄》中提及指紋如何成為刑案決定性的證據。 然而，大多數的刑案現場中，指紋並不會像武俠小說裡有鮮明的血手印可以直接比對，而是潛伏於犯人接觸過的物質表面，刑事犯罪就算戴手套，也可能在穿脫的過程或棄置手套時留下指紋。指紋上有汗腺、皮指腺等腺體，其分泌物為98.5%的水、無機鹽類、胺基酸、有機酸、蛋白質、油酯等[2]，鑑識人員或利用物理吸附、化學沉澱反應、光源激發等方法，讓潛伏的指紋現行，達到犯罪偵查的目的。 物理吸附的手法中，最成熟也最常用的便是「粉末法」。如前所述，指紋的主成分是水，而水能吸附粉末，實務上鑑識人員會將粉末撒在指紋上後，再用刷子小心翼翼的把多餘的粉末清除即算完成。在粉末法中，根據指紋背景的材質、顏色選擇適當的粉末更是重要的課題，當背景圖案、顏色複雜時，可以使用具螢光效果的粉末，以排除背景的干擾。金屬粉末的適用範圍較廣，不論是光滑或粗糙的表面皆能有不錯的顯現效果。磁性粉則較適合用於光滑的表面。然而，粉末法必須透過水與物質間的吸附作用方能成功採集指紋，對於三天以上陳舊指紋的效果較差，且不適用於潮濕、具吸水性的材質，指紋的紋路也有機會在刷去粉末的過程中被破壞[3]。 指紋中除了水以外的成分是無機鹽類和胺基酸、有機酸、蛋白質等有機物，化學顯現法便是利用試劑與前述物質的化學反應（如：沉澱反應、生成有色化合物等）使得指紋現形，其中硝酸銀法主要是利用銀離子與汗液中之氯化鈉反應，產生氯化銀，遇光還原成黑色的銀而使指紋顯現，其優勢是操作簡單，但於滲透性的表面（例如：紙張、木頭）表現不佳；Oil Red O、蘇丹黑等嗜脂性染劑，則可以和脂質反應，增顯潛伏指紋；寧海德林、1,2-indanedione能與胺基酸反應，生成的產物能放出特定波長的光，搭配濾鏡即可觀察到潛伏指紋[4, 5]。 過去人們發現，對於沾染礦物油、動物油的指紋，在低溫下會發出自然發出螢光，且越低溫強度越強，爾後科學家便開始將吸收、發射光譜的原理應用於指紋鑑定，嘗試用不同的光源，例如：雷射、紫外、紅外光等，觀察是否能讓潛伏指紋現形[6]，例如：槍彈痕跡及墨色差異常以紅外光來檢測；紫外光則可用來檢視纖維、精斑、綑綁痕跡及油墨、粉末、染料內的螢光成分。 n  未來趨勢—影像質譜與指紋鑑定 雖然傳統的指紋鑑識技術，多半聚焦於指紋在樣貌，但是對於指紋上的微量成分探討甚少，是故從指紋上發掘更多資訊，例如：以質譜分析指紋上所提供的生物資訊，成為了近年鑑識科學努力的目標。 質譜儀的基本結構有進樣系統、離子源、質量分析器、偵測器、資料處理系統，未知的待測物透過進樣系統進入質譜儀後，如以電子游離法（Electron Ionization）令待測物受到高能電子束撞擊，碎裂成帶電的碎裂片，這些帶電碎片都有其獨特的質荷比（m/z），利用質荷比的不同，質量分析器可以進一步的捕捉目標離子之產物碎片，以提高鑑別度與靈敏度，如圖一所示。 圖一：質譜儀基本構造 其中飛行時間質量分析器即是給予待測離子統一的加速能量後，通過一電場為零的飛行管，不同質量的碎片理當會在不同的時間到達偵測器，達到質量分析的效果，如圖二所示。而四極柱分析器、離子阱分析器則是利用不同荷質比的離子碎片，在不同電場的影響下會有不同的運動模式，透過電壓的調控，只讓特定荷質比的離子碎片達到偵測器，最後在偵測器、資料處理系統經過電子訊號的轉換，即可得到質譜圖，如圖三所示。 圖二：飛行時間質量分析器原理示意圖 圖三：四極柱質量分析器示意圖 質譜除了具有高度的精確性、偵測極限低，更重要的是能夠同時檢測多個未知物，能大幅減少分析的時間，對於分秒必爭的刑事鑑定來說是一大優勢，然而傳統的質譜分析方法由於無法保留指紋的形貌，使得質譜在過去較少應用於指紋鑑識上。 隨著科技日新月異的發展，影像質譜技術的出現，化解了前述難題，2008年Ifa, D.R等人的研究刊載於重量級的科學期刊—Science，該研究成功利用影像質譜技術於不同基材的表面檢測微量的古柯鹼、大麻代謝物、三亞甲基三硝胺（常用於製造高爆炸能力之爆裂物），偵測極限達5 μg，開啟了指紋鑑識新的篇章[10]。 影像質譜技術可以想像成是顯微鏡和質譜儀的結合，可以提供待測物上任何一個空間位置的質譜資訊，較常見的影像質譜技術如二次離子質譜法，即是透過帶電粒子轟擊待測物表面，使待測物表面的成分帶電、脫離表面進入質量分析器，而該方法僅會影響待測物表面數十至數百個原子深的範圍，對於待測物本身的結構、特性不至產生變化，既可以完整的呈現指紋的形貌，亦能提供指紋表面物質的空間分布資訊[11]，如圖四所示。 圖四：二次離子質譜法原理示意圖 2012年英國雪菲爾哈倫大學和警局合作的研究就指出，分析特定的代謝物，可以得知嫌犯的飲食狀況、是否服用毒品，分析殘留物質，則可以了解嫌犯使用過哪些清潔劑、化妝品，該研究也發現，許多犯罪者習慣利用安全套來避免指紋殘留於作案現場，而透過影像質譜，甚至能辨別安全套的品牌[12]，2017年美國史丹福大學的研究更透過分析指紋表面脂質的成分，成功地分辨受試者的性別、年齡、種族，該研究也指出，透過特定的代謝物的分析將可以得知受試者是否有心血管疾病、遺傳疾病等生醫資訊[13]，而這些更細緻的訊息，都可以幫助檢調單位進一步確認嫌犯的特徵，縮小偵查的範圍、距離真相更近。 n  結語 鑑識科學相關的電影、影集也是許多學生平時就有涉獵的題材，且與許多高中化學課程皆有密切關聯，以指紋鑑定作為教學時引起動機的素材，乃至於探究與實作課程的骨幹都非常適合。而質譜儀雖然於高中課程沒有介紹，但其質量分析原理乃是由陰極射線管發展而來，不致過於艱澀，也能幫助高中生及早了解化學研究的應用與發展，有利於興趣的探索與培養，而影像質譜技術除了被應用於指紋鑑定外，亦廣泛的被應用於生醫、材料表面成分鑑定，是未來科研領域的重要發展，值得學生早日認識。 n  參考文獻 1.    刑事警察局。指紋科學小百科–主題4：指紋的特性。Available from: https://www.cib.gov.tw/Science/EncyclopediaDetail/231. 2.    王勝盟。讓枝微毫末損而復生—化學鑑識。科學月刊，2014。 3.    張良帆、程晉塏。赴美研習現場勘察技術報告，2012。 4.    羅嘉欣。赴美國研習微物跡證鑑識等技術報告書，2009。 5.    刑事鑑識中心主任林故廷等人。1,2-IND 指紋顯現法研究暨推展計畫，2016。 6.    牛利等人。潛指紋顯現方法研究進展，應用化學，2011. 28-10: p. 5。 7.    […]

化學教室活動：感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備 連經憶 國立嘉義大學應用化學系*kelly@mail.ncyu.edu.tw n  前言 一、符合教室活動的實驗條件 「在教室裡進行化學實驗」，聽起來不太可能哦，做過實驗的學生都知道，化學與物理實驗不同，化學實驗常用到溶劑和化學藥品，操作時一定要小心，避免化學藥品噴濺，實驗後的器皿清洗更不可馬虎，以免影響下次實驗結果，因此一般認為化學實驗要在特定的實驗室，有耐酸鹼、抗腐蝕的實驗桌才能進行，實驗桌旁邊就有水槽，萬一發生意外才能及時應變。如果有足夠的空間且經費充裕，化學實驗當然最好在有專業設備的化學實驗室中進行，但往往囿於現實，在設備不完善的情況下，教師們仍需努力尋求合適的教材，克服困難，讓學生在教室中也能做實驗。 除了示範實驗之外，教師可以在教室演示，如果學生也能在教室內動手操作，實驗教學場域得以延伸，增加學生由「做中學」的機會。化學實驗因受到危險的限制，要讓學生能在教室中操作實驗，需以「在實驗室中操作的實驗」為基礎，加以改進，能在教室中操作的實驗需符合以下的條件。 l  使用到實驗器材種類及數目不要太多，或太過複雜，因教室課桌椅桌面較小，如能將器材微小化，進行微型實驗更佳。 l  實驗時所選用的藥品需特別注意劑型、用量、及安全性，儘量避免使用強酸、強鹼、及強氧化還原劑等；避免使用大量的液體，如果可能，以固態的試劑取代，以免因桌面空間小，造成翻倒、潑濺的意外。所使用的試劑量越少越好，以免產生大量的廢液，同時也較符合綠色化學的操作原則。 l  儘量選用不需要加熱的實驗，如需加熱，加熱時間不宜太長，而且宜使用沒有明火的加熱器材如電磁加熱攪拌器、電磁爐或熱風吹風機。 l  儘量避免採用會產生大量氣體、熱、或發出氣味的實驗，因教學場所並無抽氣櫃等設備，如果教室內空氣不流通，即便是芳香的氣味，當濃度達一定程度以上，對某些學生而言也可能成為難聞的味道，造成不必要的危害。 l  實驗操作步驟不宜太過繁雜，這樣才能避免上述的情況，有利於實驗教學之推廣。 二、簡介膽固醇型液晶的製備 利用膽固醇的衍生物製備液晶是由美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心（UW Materials Research Science and Engineering Center Interdisciplinary Education Group; UW MRSEC IEG），依據Brown和Wolken在1979年出版的書1，及Elser和Ennulat在1976年發表的文献2所開發出的實驗，加熱分子結構與膽固醇類似的衍生物，混合均勻後降温，形成液晶的狀態3,4，所用的藥品皆為固體，加熱時間短，隨著温度的改變又有豐富的顏色變化，做好的液晶材料可以做成簡易的感温貼片，測量體温的高低，如實驗硬體未臻完善，這個實驗是非常適合用來做為教室中的演示活動。 膽固醇型液晶之製備適用的範圍十分廣泛，從小學高年級學生，到大學一年級學生皆可操作，只需依年齡和時間調整原理解說的深淺，及動手操作的層次，如時間有限，學生年齡層徧低，可以事先製備好液晶材料，學生直接取膽固醇型液晶做成感温貼片。對於國中以上的學生，可以讓参與者自行混合、加熱及製備液晶材料；如参加人員為高中和大學生，可以在講解時加入鏡像異構物的概念，介紹對掌性（chiral）化合物及其性質，因所用的膽固醇衍生物具有掌性中心（chiral center），是具有對掌性的化合物。對於不具備化學實驗經驗的初學者而言，這個實驗可以作為入門的體驗實驗，操作過程中學生可以認識實驗器材、學習器材正確的使用方法、學會如何用酒精燈加熱、觀察、及建立實驗誤差的概念。 與一般教學用化學實驗所需的試劑相比，膽固醇衍生物的價格較高，但經修改後降低化合物使用量，除避免不必要的浪費，符合綠色化學的操作原則外，同時也使實驗材料的成本下降。實驗前的準備工作較多是這個實驗較大的缺點，在減少化合物使用量的前提下，又要讓實驗結果具有一定的精確度，讓膽固醇液晶能在特定的温度範圍內變色，建議在事前先用精確度較高的天平秤好膽固醇衍生物、分裝在微量離心管中，操作時學生只要將化合物倒出、混合、轉移到試管中加熱即可，實驗組數如果較多，實驗前置作業就要花較多的時間。將化合物倒出，移轉到試管中的動作看似簡單，但是否能確實將所有化合物倒入試管中，不掉落桌面，或沾附在管壁上是關係到實驗成功與否的重要關鍵，對不常做實驗的學生而言，這樣的操作步驟就可能有些難度，進而影響最後的成果，藉由實驗結果討論，正是讓學生了解實驗操作的重要性、建立誤差概念最好的時機。如無法事先秤好膽固醇的衍生物，也可以讓學生自行秤取所需的藥品，唯秤量時需注意學生是否遵守綠色化學的原則，不要任意浪費藥品。 n  原理和概念 液晶（Liquid crystal）是一種物質的狀態，發現液晶狀態可以追溯到西元1888年，奧地利的化學家Friedrich Reinitzer為了決定一種膽固醇衍生物的化學式和分子量時，發現一種奇妙的現象，當他在測量膽固醇衍生物（安息香酸膽固醇酯或稱為苯甲酸膽固醇酯，cholesterol benzoate）的熔點時發現，這個化合物好像有二個熔點，當加熱到145.5°C時化合物呈現霧狀的液體，直到178.5°C時突然變為澄清透明液體。為確認這奇妙的現象並非因雜質所造成的，Reinitzer轉向德國的物理學家Otto Lehmann求教，進而發現霧狀液體的分子排列具有特殊的規則性，當温度升高時，澄清物質就像正常的液體般不具規則性，最後Lehmann了解霧狀液體為新的物質狀態並將其稱之為「液晶」。 能形成液晶的分子，通常具有特定的形狀，如桿狀或平板狀，當分子排列成類似晶體的整齊形態時，又可以因温度、壓力、濃度、溶劑、磁力、電力等因素而改變分子排列的方式。以本實驗的膽固醇型液晶為例，膽固醇分子與其衍生物具平板狀的結構（見圖一上），同層分子間為向列型排列，層與層間的分子互相平行，但各分子的長軸方向不同，代表在相鄰二層間分子的長軸夾著一個角度，兩個平面中分子長軸的方向相同時，這兩平面之間的距離稱為一個螺距（pitch）（見圖一下），螺距的長度隨温度的改變而改變，進而反射不同波長的光，產生不同的顔色，因此常用在温度感測器上。温度越高，螺距越短，當膽固醇衍生物排列成液晶的狀態，隨著温度的增加，呈現出的顏色依序為紅、橘、黃、綠、藍、最後為紫色5。膽固醇苯甲酸酯、膽固醇壬酸酯，及膽固醇油醇碳酸酯是常見可以形成液晶的材料（見圖一上），三者的主要差別在A環3號碳上所接的基團，其中膽固醇油醇碳酸酯與膽固醇壬酸酯具有長碳鏈基團，二者的熔點較膽固醇苯甲酸酯低（表一、三種膽固醇型液晶組成表）。美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心開發出的實驗教材中，每種液晶都含有這三種膽固醇的衍生物，可在不同温度範圍變色，膽固醇衍生物的總質量相同，但比例不同，藉由調整三者的比例，使液晶能在接近室温的範圍內改變顏色。膽固醇油醇碳酸酯的熔點最低，增加這個成份的比例，可以讓液晶在較低的温度下變色，膽固醇油醇碳酸酯的量越多，變色的温度範圍越低。單獨加熱膽固醇壬酸酯，熔化降温後也可以形成液晶，但變色範圍較高，不易用手的温度加熱，且變色過程快速，不易觀察，加入膽固醇油醇碳酸酯，會降低液晶變色的温度，如經費有限，可以省略膽固醇苯甲酸酯，但只含二種物質的液晶，其變色温度與文献提及之温度略有不同，需經測量才能決定。 圖一：膽固醇及其衍生物的化學結構（上）；膽固醇型液晶結構示意圖（下），淺棕色長方格代表膽固醇衍生物，藍色箭頭代表其長軸方向。 n  實驗器材與藥品 膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate, 5-cholesten-3-yl benzoate）、膽固醇壬酸酯（Cholesteryl pelargonate, Cholesteryl nonanoate）、膽固醇油醇碳酸酯（Cholesteryl oleyl carbonate）、試管、試管夾、試管架、酒精燈（或熱風吹風機）、竹筷、透明塑膠片、黑色塑膠片、秤量紙、冰浴。 […]

化學教室活動：創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程 馮松林1,2,*、陳映辛1,2 1國立竹山高級中學2教育部高中化學學科中心*cs991001@gm.cshs.ntct.edu.tw n  前言 目前很流行〝Maker〞一詞，強調實作的〝創客〞，被視為翻轉傳統觀念，讓大家從「想像」的大腦運作，具像到「動手做」，已成為影響未來競爭力的關鍵。Arduino板即是創客應用很廣的套件，在生活中有很多令人驚奇的應用實例，而化學本來就是動手做的科學，如果能在課堂上結合兩者，教導學生化學相關的創客基礎量測套件，讓學生自己動手設計，化學實驗就可能變成跨領域STEM（Science, Technology, Engineering, and Mathematics；科學、技術、工程及數學）實作的課程。 在化學教學中，酸鹼是非常基礎的化學概念，實驗室中應用pH計去檢測酸鹼的強度，是酸鹼概念具像化的操作，對學生學習酸鹼概念非常重要。本文將引導教師應用新的科技教學，介紹如何在課堂上結合Arduino UNO和pH計，融入創客精神在化學實驗中，讓學生學習結合Arduino UNO和pH計，應用行動套件去量測溶液的pH值。 n  教學準備 要以Arduino教學，自然在教學前要先懂得Arduino怎麼操作，很多教師可能會擔心不會操作，更不用談教學生了。事實上，Arduino原本就是設計給非電子專業的人使用，不到2小時的基本課程，教師就可上手，尤其在Scratch圖像式操作環境下。只要懂得輸入及輸出的操作，加上基礎電學的概念，就可以自由應用了。在網路上有許多教學資料可參考，不妨請學校中的高手支援，即可上場教學。 教師可選用應用最廣最便宜的Arduino UNO板（見圖一左），價格在200元左右，如加購完整學習套件整組大約1000元，上課時最好每位學生一組。至於pH計套件（見圖一右），價格在1200元左右，則可視經費之多寡購買，至少2人共用一個pH計。   圖一：Arduino UNO板（左），Arduino pH檢測計（右） 由於Arduino運作初期要連接電腦，因此上課地點要有電腦或筆電，並且在電腦中要先下載安裝具Scratch操作界面的mBlock程式[1]和Arduino IDE程式[2]等免費程式。 n  教學設計內容 應用Arduino量測套件融入酸鹼化學的教學，可以從引導學生認識及操控Arduino套件開始，再配合化學實驗技能的培養，教導學生應用Arduino套件做化學實作。教學時可視學生資訊能力，彈性應用以下五個歷程進行教學： l  創客技能：教導學生對Arduino操作有基礎認識。 l  化學創客：安裝pH計的趨動程式，連結Arduino與pH計，練習用pH計檢測酸鹼溶液。 l  實驗技能：讓學生學習配製酸鹼溶液，調配不同pH值的酸鹼溶液。 l  實驗實作：利用pH計，檢測酸鹼溶液的pH值。 l  綜合調查：讓學生比賽判斷日常生活物質的pH值。 一、  創客技能 Arduino板本來就是為非資訊專業人員所設計的控制板，易教易學，教學時不用教太多套件，從基礎概論開始，主要著重在學習程式界面的操作、如何輸出訊號做控制以及如何讀取套件獲得外部訊息等。建議的課程教學可按以下順序進行： 1.    Arduino的創意世界 以Arduino做自動控制，可以發揮很多創意，在YouTube上可以找到很多精彩實例，比如音樂樓梯[3]、水果鋼琴[4]等，藉此引發學生的創意及巧思。 2.    認識Arduino UNO Arduino UNO能夠做數位控制，主要是提供連結的數位腳位和類比腳位，要用Arduino操作就要認識所有腳位的位置和意義，每位學生最好都要有一片Arduino UNO，再逐一介紹認識板子上各種腳位及構造。 3.    Arduino IDE控制程式介紹 Arduino板要運作需要撰寫程式來控制，Arduino原廠提供一個控制程式，這個程式叫Arduino IDE […]

軟體與平台在中小學化學教學上的應用 周金城 台北教育大學自然科學教育學系教授 ccchou62@tea.ntue.edu.tw   數位科技的軟硬體發展越來越快，能夠應用在教學上的資源越來越多。學科專家結合軟體工程師，將許多有效的教學軟體與平台開發出來。幾年前聽一位設計課程地圖系統的教授演講提到，一個好的教學平台設計，是要將複雜的教學理論放進平台之中，讓一個不懂複雜教育理論的教師跟著平台的操作，也可以設計出符合複雜教育理論的教學。這句話一直在腦中迴盪至今，我們在使用各種便利的軟體時，不也就是軟體設計者將複雜的事務，透過軟體與平台設計將工作的步驟簡化了，讓我們可以輕鬆地完成符合規範的工作。以下我們介紹一系列可以將複雜的學習理論簡化的軟體與平台，讓教師可以達到事半功倍的教學效果。 n  本期專題文章介紹 本期的專題是《軟體與平台在化學教學上的應用》，共有五篇專文。以下將逐一介紹。 第一篇是鐘建坪老師的《質性與量化的視覺化建模工具—SageModeler簡介》，建模是近年來科學教育中很熱門的議題，但有具體與完整的建模工具並不多見，由美國密西根州立大學為主開發的SageModeler建模軟體，可以讓使用者利用來建質化與量化的操縱變因與應變變因之間的連結，是一個操作簡單且有用的軟體，而且由國立彰化師大科學教育研究所李文瑜教授團隊完成介面中文化，讓中小學生使用上更加的便利。文中還針對理想氣體方程式的學習舉例說明設計方式，讓讀者可以能具體的了解設計方法。 第二篇是陳子聖老師的《透過製作均一教育平台學習資源以提升國中生酸鹼反應概念》，陳老師長期投入於協助均一教育平台錄製線上學習課程，並說明如何透過翻轉學習與混成學習方式，如何讓教室來利用此平台的資源進行教學，亦讓學生利用此平台的資源進行學習。均一教育平台的網路資源，經由良好的教學模式搭配下，可以提升學生的學習成效。文中也針對均一教育平台學習資源如何幫助國中生學習酸鹼反應概念進行案例說明。 第三篇是林禹伶老師的《用Yenka軟體輔助教學及實作評量—以五年級上學期南一版第三單元空氣與燃燒為例》，林老師藉由Yenka軟體設計一系列國小空氣與燃燒單元的實驗活動，讓學生在沒有危險的虛擬實驗室進行實驗操作，並觀察反應現象。之後再藉由Yenka軟體，來設計實作評量試題。實際實驗搭配虛擬實驗室，有助學生提高對科學過程技能的瞭解。 第四篇是邱麗綺老師的《利用逗豆芽遊戲平台提高學生學習參與度—以自然與生活科技五年級下學期水溶液的性質單元為例》，邱老師利用台北教育大學自然科學教育學系盧玉玲教授所開發的逗豆芽平台，放入試題讓學生利用平板進行測驗遊戲。一般的紙筆測驗對學生而言都是有壓力的，但是透過遊戲式平台的設計，讓測驗變得有趣了。學生在遊戲的過程，為了得高分，認真作答記下試題答案，甚至不想下課了。遊戲的小道具增加了運氣的成分，讓成績表現不是很好的學生，也有贏的機會，也大大提升了參與補救教學學生的學習動機。 第五篇是由筆者所寫的《Plickers即時反饋系統在國小臨床教學實務分享–以國小三年級自然與生活科技奇妙的水實驗活動為例》，筆者由106學年度起執行教育部「106 學年度教學實務課程教師至高級中等以下學校進行教學或研究活動計畫」，到小學的教學現場進行臨床教學，將Plickers即時反饋系統融入國小的教學活動中，發現這個軟體在國小各年級使用上都沒有問題，而且學生大多數都喜歡使用這個軟體，但有些教學使用上的注意事項，在文中有特別說明。文中也有針對國小奇妙的水實驗活動，進行教學範例說明。   n   結語 不同於針對單一主題的教學設計軟體與平台，本專題是介紹通用性的軟體與平台，也就是教師可以利用這個平台工具來設計許多專屬於自己的教學材料。逗豆芽與Plickers是針對評量方面的軟體與平台結合的設計，均一教育平台是針對數位影音學習資源整合的平台設計，Yenka軟體是針對科學實驗設計出實驗現象觀察與數據整合的軟體，SageModeler平台是針對建立質化與量化模型的建模操作工具。每一個軟體與平台都會有其優點與限制，教師們可以嘗試多加利用後，針對自己有的手邊資源與教學上的學生需求，來設計出自己專屬的教學材料。