創新教學 × 多樣實踐 ──化學教育的多元發展與應用 楊志強 國立屏東大學 師資培育中心 nzm@nptu.edu.tw 前言 化學教育的價值不僅在於傳授知識，更在於啟發學生將科學原理與日常生活相結合，並培養其探究與解決問題的能力。本期專題匯集了多篇來自不同教育階段與領域的精采文章，旨在從多元面向探討化學教育的創新實踐與應用，從綠色化學的環境永續理念、生活中的科學實驗，到應用新興科技與教學模型，全面展現化學在教育與生活中的各種可能。 本期文章導讀 第一篇：國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐成果 本篇文章介紹一項專為國小學童設計的綠色化學教學活動，聚焦於「氧化還原反應」的概念與環境永續精神的融合。教學活動透過手提教具包，結合竹筷殘留漂白劑的實例，讓學生思考其與氧化還原反應的關聯，並進行實作與觀察。文章強調綠色化學的十二項原則，期望從教學源頭引導學生重視環境議題，培養其永續意識與科學探究能力。透過教學實踐與學習回饋的分析，本篇顯示即使在小學階段，也能將化學與環保結合，啟發學生的科學素養與社會責任。 第二篇：澄清石灰水快速備製方法與技術 在化學教學中，澄清石灰水是一項常用試劑，但傳統製備方法常因步驟繁瑣、耗時而影響教學效率。本篇文章提出一項結合按壓瓶與棉花設計的「快速過濾器」創新技術，能在短時間內快速製備出澄清石灰水。此技術不僅提升實驗教學的靈活度，也符合微型實驗所強調的安全、效率與環保精神。文章詳實說明其技術原理、操作流程與教學應用建議，並提出實驗數據支持其成效。這項創新方法對於現場教師具有高度實用性，有助於化學教學的推廣與資源活化。 第三篇：應用水晶寶寶建構分子滲透之教學模型 本篇文章提出以水晶寶寶作為教學媒材，建構學生對滲透作用與濃度差影響的直觀理解。透過觀察水晶寶寶在不同濃度溶液中膨脹或收縮的變化，學生能具體掌握原本抽象的分子滲透與細胞體積改變概念。文章說明此教學設計的背景與實施流程，並分析學生在學習過程中的回饋與成效。與傳統顯微鏡觀察相比，水晶寶寶教學模型更具操作性與趣味性，有效降低學生學習門檻，提升學習動機。此案例展現了如何將生活物品轉化為具教育意義的實驗素材，結合創意與教學目標，深化學生的科學理解。 第四篇：應用AI科技協助化學科展競賽準備的一種可能 本篇文章分享國小教師運用AI科技指導學生參加科展競賽的教學經驗。學生以澎湖在地的廢棄牡蠣殼為出發點，透過AI工具進行文獻搜尋、資料統整與圖表分析，發展出以「化學固碳」為主題的研究方案。文章說明AI工具如何協助教師與學生在短時間內高效掌握研究方向，提升資料處理與表達能力，並最終結合在地關懷與全球暖化議題，將環保、科技與教育創新結合。此案例展現了新興科技在基礎教育中的應用潛力，並為未來科展輔導與跨領域教學開啟新的可能性。 第五篇：化學與生活多面向的化學應用 本篇文章從「食、衣、住、行、環境」五大生活面向出發，探討化學在日常生活中的應用實例，旨在打破化學僅存於教室與實驗室的刻板印象。文章涵蓋食品中的添加物與化學反應、衣物染整的分子結構、建築材料的化學性質、交通能源的轉化原理，以及環境污染與綠色科技的發展等議題。作者透過淺顯易懂的說明與具體案例，提供教師在設計課程與活動時的多樣素材與啟發方向。此篇不僅拓展了化學知識的應用視野，也強化學生將所學與生活連結的能力，展現化學作為一門生活科學的多樣樣貌。 結語 本期專題匯集了從國小綠色化學教案、大學計量課程設計，到創新實驗技術、生活應用實例以及AI輔助科展的多元觀點，全面展現化學教育在不同場域中的創新與多樣化實踐。這些文章共同反映出教師與研究者持續探索與突破教學邊界的努力，為化學教育注入更多活力與可能。期盼這些分享能激發更多教育工作者投入創新教學的行列，讓化學不僅是課堂中的知識，更成為連結生活、實踐科學素養的重要橋樑。

化學教育的多元發展與應用： 國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐成果 王玉純1、張育傑2、黃琴扉3,* 1中原大學環境工程學系 2臺北市立大學地球環境暨生物資源學系 3國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所 *Email: t3944@nknu.edu.tw 摘要：本團隊依循國際學術基礎與環境部彙整之綠色化學十二項原則，設計「國小綠色化學氧化還原實驗活動」，以素養導向課程為核心，強調從源頭防止污染、降低化學危害並培養環保意識。本課程之活動使用日常容易取得的安全材料，兼顧環境友善與學生操作安全，引導學生培養動手實作與問題解決能力。課程設計上，是讓學生從生活情境出發，認識竹筷漂白殘留問題，並結合氧化還原概念，在觀察與操作中內化綠色化學精神。實踐結果顯示，學生參與的滿意度與理解度皆高，證明該活動能有效提升學習興趣與理解成效。本研究期望透過經驗分享，為中小學教師設計綠色化學課程提供參考，推動在地化、生活化與全球化兼具的永續教育。 綠色化學理念與重要性 生活中的各個面向，無論是飲食、穿著、居住、交通、教育還是娛樂，都與化學緊密相連，然而，過去許多化學製程與產品，造成環境汙染的疑慮，為了保護環境並促進人類永續發展，「綠色化學」（green chemistry）的概念因應而生。為了減少化學物質對環境造成的危害，Anastas 和 Warner 於 1998 年出版了《綠色化學：理論與實踐》一書，首次系統性地闡述並界定了綠色化學的概念，其定義是：「設計化學產品與製程，以降低或避免有害物質的使用和產生」（Green chemistry is the design of chemical products and processes that reduce or eliminate the use or generation of hazardous substances），核心理念則是「從源頭防止環境污染的化學概念與作法」（黃琴扉等，2021），期待化學製程從源頭到產出，都能兼顧科學帶來的效益與環境保育的責任。 以國內而言，環境部化學物質管理署(以下簡稱化學署)亦於近十年來加強對綠色化學的實踐與推廣，在化學署的網站中亦對綠色化學提出明確的定義(https://www.cha.gov.tw/np-304-1.html)，該定義中指出綠色化學(green chemistry)的精神是不使用有害、有毒的物質，且盡可能減少廢棄物的產生，是一種從源頭阻止環境污染的化學，並且強調產品生產過程，不僅要減少消耗量、提升原子利用率，還要避免不必要的衍生物和廢棄物。整體而言，綠色化學的概念，就是要從源頭開始，充分利用原料和能源，盡可能減少有害物質釋放，以降低對環境的衝擊。其中，該網站中更引用了由英國諾丁漢大學 (The University of Nottingham) 的三位學者Samantha, Richard和Martyn提出的 「PRODUCTIVELY」縮寫，以12個英文字母組成的單字來詮釋綠色化學12項基本原則，以幫助民眾記憶(https://www.cha.gov.tw/cp-306-2973-bcbb0-1.html)，其中P代表防廢(Prevent wastes)、R代表再生(Renewable materials)、O代表簡潔(Omit derivatization steps)、D代表可解(Degradable chemical products)、U代表保安(Use safe synthetic methods)、C代表催化(Catalytic […]

化學教育的多元發展與應用： 澄清石灰水快速備製方法與技術 楊志強 國立屏東大學 師資培育中心 nzm@nptu.edu.tw 摘要：澄清石灰水為氫氧化鈣溶液，廣泛應用於檢驗二氧化碳及觀察沉澱反應，在國小至大學之自然科與化學課程中，皆具高度教學應用機會。傳統製備法需將生石灰與水反應後靜置數小時甚至隔夜，再取上清液或經濾紙過濾，雖原理簡單，然耗時長、操作繁瑣且不利於課堂即時使用，且長期保存亦易變質或造成容器損耗。本文提出「澄清石灰水快速備製法」，以按壓瓶為壓力來源，棉花為過濾介質，結構密封、操作簡便且可重複使用。製備時僅需將RO水與適量生石灰混合搖勻，利用瓶身加壓使溶液經棉花過濾，即可於短時間內獲得澄清石灰水，無須靜置，能有效配合課堂時程並提升實驗靈活性。此法兼具安全、效率與環保，符合微型實驗精神，適合在科學教育推廣與應用，為傳統製備方法提供具可行性與創新性的替代方案。 前言 自然課實驗中，「澄清石灰水」是檢驗二氧化碳是否產生的關鍵試劑。然而，傳統製備澄清石灰水的方法不僅繁瑣，需先將生石灰加入水中靜置數小時甚至隔夜，或仰賴漏斗與濾紙進行耗時過濾，這些步驟往往無法配合課堂教學時間與實驗流程安排，成為實務上的挑戰。為了解決這一問題，本文提出一項創新技術：「澄清石灰水快速備製法」。此法運用按壓瓶與棉花結合，設計出「澄清石灰水快速過器」，具備密封性佳、可加壓與快速過濾等優點，能有效在短時間內製備出符合教學需求的澄清石灰水，大幅提升教學現場的實驗效率與靈活性。這項方法不僅解決實驗準備上的瓶頸，也契合微型實驗（Microscale Laboratory）（方金祥，2014）強調的安全、效率與環保的特點，為未來科學教育的實驗教學提供了一個實用且具推廣性的創新方案。 澄清石灰水的重要性與問題 一、澄清石灰水的重要性 澄清石灰水是指氫氧化鈣（Ca(OH)₂）的稀溶液，呈弱鹼性，常用於檢驗二氧化碳的存在，因為 CO₂ 通入澄清石灰水後會產生碳酸鈣（CaCO₃）沉澱，使液體變混濁，在自然科課程中，澄清石灰水常用於檢驗二氧化碳的存在，是觀察呼吸作用、燃燒、酸鹼反應等多項實驗的重要試劑。 國小階段使用澄清石灰水多為定性實驗，教學目標在於引導學生觀察並檢驗二氧化碳的存在，主要是利用澄清石灰水變混濁現象，說明二氧化碳的影響，進而培養國小學生對於觀察力。國中階段則進一步結合定性與定量的概念，除了強調反應現象外，也會讓學生學習背後的化學原理，例如二氧化碳與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣沉澱的化學式：  Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O。 國中階段，除了在理化學課之外，生物課在介紹呼吸作用的時候，也會需要這個實驗需要澄清石灰水來檢驗呼吸作用的產物，學生能透過反應過程，清楚觀察生成固體沉澱的過程，有時國中老師也會再補充：若通入過量二氧化碳，原本混濁的澄清石灰水會再度變清澈，這是因為生成的碳酸鈣會進一步與二氧化碳及水反應生成可溶於水的碳酸氫鈣，化學式如下： CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂。 這樣的補充能引導學生思考化學反應的可逆性與溶解平衡概念，提升他們對化學現象的整體理解能力。到了高中或大學的化學課中，除了再次介紹過上述反應式之外，也會再補充生石灰與水反應過程或讓學生實際操作與製備。最簡單的方法就是生石灰（CaO）加入水中，進行使其與水反應生成氫氧化鈣溶液，化學式如下： CaO + H₂O → Ca(OH)₂   澄清石灰水在自然與化學教學中具高度教育價值，是檢驗二氧化碳、觀察沉澱反應與理解溶解平衡的重要材料。從國小到大學，許多實驗以此為媒介，幫助學生連結生活與科學，培養觀察、推理與化學思維。特別在探究與實作課程中，學生可藉此學習儀器操作、實驗設計與假設驗證。其製備過程也蘊含科學技能訓練，如溶液飽和度與過濾技術，是進入科學探究的重要橋樑。   二、澄清石灰水的傳統製備方法與問題分析 如上所述，澄清石灰水是自然科與化學實驗中常用的試劑，尤其在檢測二氧化碳（如動植物的呼吸作用）、觀察沉澱反應，以及說明氣體與液體反應的課程中，扮演著非常重要的角色。澄清石灰水的主要成分為氫氧化鈣（Ca(OH)₂）溶液，而這種物質在水中的溶解度相當有限，在 25°C 時約為 1.5 克／升。這代表每升水最多只能溶解約 1.5 克 Ca(OH)₂，形成飽和溶液。 若要製備 100 毫升（即 0.1 公升）的飽和澄清石灰水，依此比例推算，僅需約 0.15 […]

化學教育的多元發展與應用： 應用水晶寶寶建構分子滲透之教學模型 謝甫宜 高雄陽明國中 lkksfe@gmail.com 摘要：本文探討以聚丙烯酸鹽高吸水性聚合物製成的「水晶寶寶」作為滲透作用教學媒材，旨在協助學生直觀理解不同溶液濃度對細胞體積的影響。傳統顯微鏡觀察植物細胞雖可呈現此概念，但操作複雜且觀察門檻高；本活動透過將水晶寶寶分別置於純水、未飽和及飽和食鹽水中，觀察其膨脹或收縮的變化，對應生物課本中高張、低張與等張溶液下動植物細胞的反應。文中詳述水晶寶寶的化學性質，包括聚丙烯酸鈉的三維網狀結構與親水性官能基如何促成其高吸水性，並說明實驗步驟、觀察結果與安全注意事項。結果顯示，純水中水晶寶寶膨脹，未飽和食鹽水中變化不大，飽和食鹽水中則明顯縮小，成功將抽象的滲透壓原理具體化。該教學不僅增進學生對細胞滲透現象的理解，亦能引導延伸探討其在食品加工、農業灌溉與醫療輸液等生活情境中的應用，提升科學素養與批判性思維。 前言 自然課實驗中，在日常教學中，如何讓學生直觀地理解「滲透作用」與「溶液濃度對細胞體積的影響」，一直是自然科教師面臨的重要課題之一。過去多以顯微鏡觀察植物細胞浸泡於不同濃度溶液中體積變化為主，但操作門檻較高、觀察不易。本文提出一套簡便且具視覺效果的實驗活動：「培養水晶寶寶」，以市售的高吸水性聚合物聚丙醯酸鹽類——水晶寶寶為媒材，讓學生能清楚觀察在不同濃度溶液中其體積變化的過程，並進一步連結至日常生活中的泡水膨脹或醃製現象與相關應用，達到兼具趣味性與科學性的教學目標。 活動情境科學概念、水晶寶寶化學性質 一、活動情境與科學概念 在自然課上，謝老師拿出標示著A、B、C共三個相同大小的透明玻璃罐，裡面裝著相同體積的透明液體，讓同學分別將十顆水晶寶寶投入三罐玻璃瓶，預測一段時間後這些水晶寶寶的變化。實驗結果發現，A瓶內的水晶寶寶吸飽水分而飽滿透亮、B瓶的水晶寶寶略顯乾癟、C瓶則體積更小。謝老師環視全班後問道：「這些水晶寶寶為什麼在這三個玻璃瓶內體積差異這麼大？這三組玻璃瓶內可能各裝哪種溶液呢？」 經上述的實驗結果引出教科書陳述的核心概念：「不同濃度或不同性質的溶液對細胞體積的影響」。細胞的健康與其所處環境的滲透壓息息相關。滲透壓是指溶液的濃度決定水分子如何經細胞膜進出細胞。了解不同滲透情境對細胞的影響，對我們理解生命現象至關重要。當細胞處於高張溶液時，即外界溶液的濃度高於細胞內部，水分子會大量從細胞內滲透到細胞外，導致動物細胞因脫水而皺縮，嚴重時會影響其功能甚至導致死亡；而植物細胞雖然有堅硬的細胞壁，但細胞膜會與細胞壁發生質壁分離，進而使植物枯萎。相反地，若細胞處於低張溶液中，外界溶液濃度低於細胞內部，水分子則會大量進入細胞內部，使得動物細胞因吸水過多而膨脹，甚至可能導致細胞膜破裂，例如紅血球在純水中會溶血。然而，植物細胞由於有堅韌的細胞壁保護，吸水後會變得飽滿堅實，形成膨壓，這對植物維持挺立非常重要。只有在等張溶液中，細胞內外溶質濃度相等，水分子進出細胞膜的速率大致平衡。相關概念及示意圖表整理如表1及圖1。 在此情況下，動物細胞能維持正常的形態與功能，就像人體輸液使用的生理食鹽水。理解不同滲透壓情境對細胞的影響，是理解生物體如何適應環境、維持生命活動的基礎。藉由觀察水晶寶寶在不同滲透壓環境下的變化，學生能進一步理解生物課本中所描述的高張、低張與等張情形對細胞的實際影響，並將抽象概念具體化，有效提升學習動機與科學素養。 表1  不同溶液類型相關科學概念關係表 溶液類型 外界溶液濃度 水分移動方向 細胞體積變化 比喻或觀察現象 高張溶液Hypertonic 外界溶液濃度高於細胞內部 水分從細胞流出 細胞縮小（皺縮） 水晶寶寶變小、葡萄變葡萄乾 低張溶液 Hypotonic 外界溶液濃度低於細胞內部 水分從外界流入細胞 細胞膨脹（甚至破裂） 水晶寶寶變大、紅血球脹破（溶血） 等張溶液 Isotonic 溶液濃度與細胞內部相等 水分進出達平衡 細胞體積不變 細胞正常狀態，水晶寶寶維持原狀 圖1 細胞對不同濃度溶液反應示意圖 二、水晶寶寶的化學性質 水晶寶寶這種受歡迎的小玩具，主要成分是一種叫做聚丙烯酸鹽（通常是聚丙烯酸鈉）的高分子化合物。它屬於高吸水性聚合物 (Superabsorbent Polymer, SAP) 的範疇，這類材料在日常生活中也廣泛應用於尿布、女性生理用品等。 聚丙烯酸鹽之所以能吸收大量水分並膨脹，關鍵在於其特殊的化學結構。它由許多丙烯酸單元聚合而成的長鏈分子，這些長鏈之間會藉由交聯作用形成一個三維的網狀結構。此網狀結構中，含有大量的親水性官能基（如羧基），這些基團對水分子具有很強的吸引力。聚丙烯酸鈉是一種高分子聚合物，其化學式可以寫作： (−CH2​−CH(COONa)−)n​ 其中： −CH2​−CH(COONa)− 代表聚合物鏈中的一個重複單元。 COONa 是丙烯酸鈉的羧酸鈉基團，這是吸水的關鍵。 n 表示這個重複單元在聚合物鏈中重複了非常多次，通常是一個很大的數字。 當水晶寶寶接觸到水時，水分子會透過滲透作用進入其網狀結構中。親水性官能基會與水分子形成氫鍵，將水分子牢牢地束縛在聚合物的內部。同時，由於聚合物內部溶質濃度相對較高，根據滲透壓原理，水會持續被吸入，導致聚合物鏈段向外擴張，使整個水晶寶寶膨脹數十甚至數百倍於其原始體積，變成柔軟、富有彈性的透明凝膠狀。這種獨特的吸水能力和膨脹特性，使得聚丙烯酸鹽成為製作水晶寶寶的理想材料，讓它們能吸收大量水分並保持其形態，帶來視覺和觸覺上的趣味（周芳妃，2015）。 […]

化學教育的多元發展與應用： 應用AI科技協助化學科展競賽準備的一種可能 陳河開 澎湖縣馬公國小 nio203@gmail.com 摘要：本文旨在分享指導國小化學科展之經驗，聚焦於如何在探究歷程中導入AI工具，以提升學習效率與研究深度。以第65屆全國科展獲獎作品為例，闡述學生如何在各階段善用數位工具：運用NotebookLM整理文獻、透過因材網e度釐清核心概念、以Gemini將數據轉化為多元圖表，並利用Edcafe建置模擬問答機器人，強化口語表達與自信。此外，作者亦提及AI的侷限性，尤其在實驗裝置的創新設計與研究方法的修正上，仍需仰賴師生的實作智慧、創意巧思與專家的諮詢指導。本文透過具體實踐歷程，展示AI協作教學在科展指導上的潛力與可行性，期能為探究式教學開啟更廣闊的視野。 前言 科學教育一直以來重視素養導向的教學精神，以及學生的探究與實作能力。而科學展覽競賽（以下簡稱科展）無疑是提供了一個最理想的平台，讓學童得以完整地展現其探究成果。尤其在國小階段，這更是一項絕佳的訓練機會，它引導孩子們從生活中發現問題，並在尋找答案的過程中，培養出觀察、假設、驗證與表達等多面向的統整能力。然而從教師指導的角度觀之，指導時間受限、學童操作能力不足、縱向深度與橫向跨科統整能力尚待精熟、實驗裝置與設備取得不易等問題，讓自然科學老師在指導科展面臨許多挑戰，這些困境亦是全球科學教育者在推動探究式學習時所共同面臨的挑戰。事實上，有國外研究指出，教師在實踐探究式學習時常因缺乏資源與有效支持而受挫，而AI教育應用則被視為克服這些挑戰的潛力工具 (Kunnath & Botes, 2025)。 本文旨在分享一次國小組化學科科展指導經驗（國立臺灣科學教育館，2025），學生藉由回收在地廢棄之牡蠣殼粉在高壓下與二氧化碳進行反應，進而提出深海投放系統構想。最終獲得全國第二名之佳績。筆者帶領偏鄉學童在探究的過程融入AI科技工具，從過往研究方法論的分析、研究背景資料蒐集與整理，實驗後數據分析與圖表繪製，以及模擬問答訓練等歷程，提供一種籌備的新取向。 題材選擇與研究設計：從在地關懷到科學探究 一個好的研究，始於一個有意義的問題。而近年來對於生活化、在地元素、全球性共同問題等原則的重視，讓筆者引導學生發想問題時，從在地生活出發，思考身處的澎湖有哪些值得關心的議題。閱讀在地產業發展新聞的歷程，發現澎湖縣水試所專案計畫對於牡蠣殻轉化為建材與珊瑚復育基材的報導，開啟了本次科展研究。 為了避免閉門造車與重複研究，學童們分工下載牡蠣殼為主題的研究，藉由Google Notebook LM工具的摘要，羅列近年來相關的牡蠣殼應用文獻，以確認研究的獨創性。在發現牡蠣殻做為循環使用的環保用途後，再朝向牡蠣殻的成份與相關的反應來發想，最終從牡蠣殼富含碳酸鈣的化學成分中，找到了新的切入點—將其應用於「化學固碳」，形成一個能與全球暖化議題對話且兼具化學實驗可行性，能成功連結課程、在地與科學素養目標的研究題目。 實驗歷程與設備創新：動手做與資源再利用 研究方向確立後，如何帶領孩子共同設計出能讓學童親手操作、又能驗證科學假設的實驗裝置，成為了核心挑戰，筆者認為這是國小科展最精華的部分之一。運用巧思，以簡單、隨手可得的材料，打造出能夠達成研究目的的實驗設備，這個歷程耗時最久，也最能體現PBL（project-based learning）課程與動手實作的精神（梅期光，2017）。例如，原先設計直接量測二氧化碳的濃度變化，但很快發現市售的偵測儀器敏感度不足。這個瓶頸迫使小組轉換思路，改以「收集並量測二氧化碳消耗的體積」作為替代方案。而此實驗設備的設計與研究方法，則透過持續與化學領域以及長年從事科學研究的實務專家們對話所提供的建議修改而來，而這也是目前AI科技工具尚無法提供協助的部份。 實驗裝置設計歷經了漫長的迭代與修正才會形成最終版本，自此開啟實驗數據的收集。指導老師扮演引導者與夥伴的角色，與學生共同經歷每一次的成功與失誤。一同校準儀器、配置溶液、記錄數據，並在過程中不斷討論觀察到的現象。培養學生從生疏到熟練，從被動接受指令到主動提出問題，從操作中建構概念的經驗，是任何書本知識都無法取代的。此外，每一次科展競賽所製作的實驗設備，連年下來也積累了儲物空間的負擔，因此，「永續思維」的實踐相形重要，例如本文舉例的作品之針筒置放架，便是改造過去風洞實驗留下的設備再利用。 研究方向修正與精鍊：從現象到理論的昇華 科展作品的成功並非僅止於動手操作，更需要科學理論的支撐。在成為出縣代表後，有幸獲得了縣賽評審對於作品的完整評語與口頭指導，引入了完整的化學反應理論來解釋促進二氧化碳反應的核心機制。為了讓研究更貼合時代趨勢，將「碳匯」的概念融入報告，並將其未來應用與放置於海底海床的「藍碳工程」相連結，為作品價值緊密聯結生態關懷視野。 學習支持的新工具：導入 AI 科技的應用實例 在科展指導的歷程中，「時間」永遠是最稀缺的資源，也是最大的挑戰。本文分享筆者如何善用AI科技？在學生極其有限的課後時間內，最大化他們的學習成效。具體應用可分為五大面向： 一、題材與文獻搜尋 在主題發想階段，學生常缺乏足夠的知識背景與資訊管道，難以有效評估題目的可行性與創新性。學童透過因材網e度、ChatGPT 或 Gemini 等 AI 工具的協助，可直接提出關於題材的問題，以及了解「牡蠣殼吸收二氧化碳」的原理與相關研究，有效評估了題目的可行性與創新性，例如：「牡蠣殼能否用於吸收二氧化碳？」。 此外，AI 工具也可提示與題目相關的過往科展主題，幫助學生避開重複性題材，進而發展具創新性與在地特色的研究構想。在回顧文獻的過程中，對於不懂的科展作品，也可以透過AI 工具能提供原理性說明、相關應用實例、研究背景與潛在延伸方向，並整理出初步的文獻摘要或關鍵詞，協助學生建立基礎概念。 二、數據轉化為圖表的建議 數據就是最好的證據，為了方便分享溝通，研究結果以圖表呈現為宜，依據實驗數據與理論的最佳效果來決定圖表（吳明德，2020）。然而在小學現場，實驗過程所記錄的數據以及手繪的圖表，學童往往受限於數學能力而讓圖表型式單一化。例如缺少測量誤差概念與圖表繪製的觀念，藉由AI工具的協助，提供便利不同數據交叉分析的圖表選用建議，例如折線圖、長條圖及圓餅圖的選用。這讓學童能從更多元的視角解讀數據，進而對比研究的輪廓，更有助於回頭修正實驗變因的設計。 三、概念理解與視覺化支援 由於作品所涉及的化學反應屬於國中階段學習內容，師生針對「氣體壓力與溶解度」、「勒沙特列原理」、「藍碳工程」等抽象概念，請AI工具生成比喻性的圖解，將抽象知識轉化為具體圖像，直接應用於學習，並且做成圖卡供解說時的輔助說明。例如本次學童透過蹺蹺板與圖卡說明，證明學童充份的理解，提高表達清晰度與學術說服力。 本文示例之作品為固碳之環境議題，以環境議題為主的科學研究，必須更強調反思的特徵（劉湘瑤，2016），例如深海固碳系統的建置，對於固碳效率、建置成本以及對海洋環境的影響評估，皆必須面面俱到，AI工具提供更寬廣的思考層次，可以有助學童培養反思探究能力。 四、模擬評審與應答練習 以往的科展發表與問答訓練，有賴於老師們針對作品進行模擬設計，難免會有問題廣度的盲點，導致學童在口語答辯時產生困難。本次以AI工具扮演模擬評審，從相關的專業背景生成各種可能的提問，例如：「你怎麼證明 CO₂ 是因為化學反應而減少？」或「為什麼選用純水而不是海水？」這些問題經由整理後可製作成 Quizlet 或 Edcafe 等數位閃卡，學生能以遊戲化方式自主練習問答，逐步累積應對的信心與語言表達能力。此外，隨著學童對研究問題的掌握愈來愈精熟，比賽前配合相關文獻資料的讀取與模擬問答的匯入，利用Gemini製作互動式網頁，讓學童分組在網站上進行即時答辯，有效提升了口語表達的邏輯與自信。 科展競賽做為探究教學歷程與發展建議 科展不僅是一場展示探究成果的競賽，更是一段完整的探究教學歷程。從題目的選定、資料的蒐集、假設的建立、方法的設計，到結果的驗證與反思，每一階段都充滿思辨與學習的機會。綜合此次指導經驗與多年來的觀察，筆者認為未來的科展指導，可以朝以下方向發展： 一、強化科展與課程的結合 將科展探究的精神融入日常教學，而非視為一項獨立的額外競賽。讓學生能在實作過程中活用課堂所學，深化問題意識、資料整合與推論能力。 […]

化學教育的多元發展與應用： 化學與生活多面向的化學應用  洪文東 華夏科際整合聯合總會常務監事 前國立屏東教育大學化學與生物學系教授 前美和科技大學護理系教授 前國家科學委員會副研究員 hung3893@yahoo.com.tw 摘要：本文以「食、衣、住、行、環境」五大面向為主軸，闡述化學在日常生活中的廣泛應用及其教育意義。於「食」部分探討食品化學在品質、安全與風味控制之核心角色，並以梅納反應為例說明其機制與健康影響；「衣」則剖析纖維材料、染整技術與綠色化學於紡織產業中的創新與永續實踐；「住」著重居家化學品的功能與風險管理，強調安全使用與政策規範的重要性；「行」聚焦交通工具中材料化學與能源科技的進步，包括金屬加工、防腐塗裝及新能源應用；「環境」則探討環境化學於污染防治、資源回收及綠色產品研發之關鍵價值。本文強調，化學並非僅存於實驗室，而是深植於人類生活的方方面面，透過跨領域結合與實例解析，不僅有助於增進科學素養與批判思維，亦能促進永續發展意識之養成，為化學教育與公眾科學理解提供兼具實務性與啟發性的參考資源。 前言 化學與我們的日常生活息息相關，從清晨起床使用的牙膏與肥皂，到夜晚所用的洗潔劑與保養品，無不蘊含著化學的智慧與技術。然而，化學常被誤認為僅存在於實驗室中，與日常生活脫節。這樣的刻板印象容易造成學習隔閡，影響大眾對化學的接受度與學習動機。為了彌補這一認知落差，本文將透過五大生活面向——「食、衣、住、行、環境」——介紹化學在日常生活中的具體應用，並透過文字解析與實例說明，提供教學者與學習者一條深入探索化學世界的實用途徑。這些內容不僅具實用性與時代性，亦能作為課堂教學的補充資源，或用於提升民眾科學素養的推廣素材。 食：食品化學與風味的奧秘 食品化學與風味的奧秘 食品是人類生存的根本，而化學則是確保其品質、安全與風味的關鍵科學，一般家庭中，柴米油鹽醬醋茶，從生產、使用到保存，幾乎都和化學相關，如圖1所示，在廚房的許多食品或調味料均與化學相關。食品化學探討各類食品成分，如蛋白質、脂肪、醣類與水分的性質與相互作用，並分析食品在製備、烹調與儲存過程中的變化機制。舉例來說，油脂氧化導致的哈味或蛋白質變性影響口感，皆是常見且可觀察的化學現象。透過學習酸鹼中和、氧化還原反應與乳化原理等基礎知識，大眾能掌握食物在不同處理條件下產生的變化，進而應用於食品保存與食品安全實務。 此外，食品風味化學進一步揭示嗅覺與味覺所感受到的複雜經驗背後的分子基礎。例如烘焙與煎煮過程中的「梅納反應」（Maillard Reaction），即還原糖與胺基酸在高溫下產生的褐變現象與香氣，是賦予食物美味的關鍵反應。有研究指出，梅納反應的產物（MRPs）能提升食品的風味與質地，但也可能生成潛在有害物質，因此控制反應條件至關重要（T. T. H. Huynh et al., 2024）。藉由此類實例，學習者不僅能將日常飲食經驗轉化為可分析的化學現象，也能深化對食品加工與創新料理的理解，提升學習的實用性與趣味性。 衣：纖維與染料的化學應用 衣物雖為日常所需，卻同時是材料化學與工業化學進步的結晶。現代服飾廣泛使用人造纖維，如尼龍與聚酯纖維，這些材料具備輕盈、耐磨與速乾等特性，並能透過化學改質提升其功能性。然而，這些纖維的製程常伴隨高耗能與石化資源的依賴，對水體與空氣品質的衝擊亦不容忽視。透過這些現象，大眾可進一步思考時尚產業背後的環境責任問題，並以綠色化學為切入點，理解永續設計與生產的重要性。 近年智慧紡織品的發展為此領域帶來更多創新應用，如抗紫外線纖維、防潑水塗層與可調溫材料，皆顯示化學在提升穿著品質與功能性上的關鍵角色。在衣物加工層面，染料、抗菌處理與功能性整理等技術亦高度仰賴化學反應與配方設計。透過認識染整與整理的化學過程，民眾不僅能理解衣物色彩與觸感的來源，也能對材料改質技術產生具體想像，進一步將學科知識延伸至工業應用與科技創新層面。一項針對棉纖維染色技術的研究顯示，透過化學改質可顯著提升染料的染色率與色牢度，同時減少傳統染色過程中所需的無機鹽，進而降低污染與生產成本（Li et al., 2023）。此類學習內容不僅有助於理解材料特性，也有助於培養跨領域科技整合的初步素養。 住：居家化學與安全守護 家庭空間看似平凡，實則是多種化學物質交錯使用的複合場域。清潔劑、消毒用品、廚房器具乃至個人保養品，如圖2所示。還有，潤滑油、沙發皮革保養液、塑鋼土、填縫劑、矽利康，如圖3所示，均為合成化學與應用化學的成品。然而若未妥善使用與管理，也可能衍生安全風險。例如：不同種類清潔劑混合所產生的有毒氣體、瓦斯洩漏引發的燃爆危機，以及誤用酸鹼物質造成的灼傷等，皆為民眾在居家化學教育中應具備的基礎風險認識。教學上可強調避免混用、正確通風與保留原包裝等觀念，進一步納入自然科或綜合課程中，提升民眾的風險意識與自我保護能力。 若從制度與政策層面探討居家化學品的管理制度，民眾應更關注產品標示、有害物質登錄與安全資料表的閱讀與應用。透過這樣的延伸學習，民眾能理解化學品並非僅限於學術研究或工業生產，更是與公眾健康、消費行為及政府監理密切相關的生活議題，進而奠定化學素養與公民責任的整合基礎。 行：交通與材料化學的創新力量 交通工具所依賴的材料科學發展，金屬鍵結、晶格排列是化學應用的一大展現，金屬經過特殊加工後展現柔性與延展性，可應用於不同的交通工具構件製作，此外，燃料與電池亦是影響未來交通的重要技術，先進能源的製程是材料工程與化學設計融合的典範。此技術使得人類生活移動的便利性大大提高。一般民眾或許未曾深入思考，一輛車的運作不僅仰賴機械結構，更與背後的化學知識息息相關。從引擎燃燒過程中的化學反應、車體塗裝的防腐技術，到鋰電池中的電化學原理，皆顯示化學在交通工具中的不可或缺。近年來，電動車、氫能車的崛起，更進一步帶動了對高效能電池材料與環保燃料的需求。這些發展促使化學與材料科學攜手合作，共同創造出更輕盈、更堅固且更永續的交通工具。未來，隨著科技進步與永續意識提升，交通化學的創新將持續引領我們走向更智慧、更綠色的移動時代。 環境：永續化學與生態守護 環境化學作為化學與生態學的交會領域，提供了一個系統性理解環境污染成因與防治方法的知識架構。水質檢測、空氣污染指標與有害化學物質的代謝機制等，皆為此領域研究重點。透過具體案例與理論整合，民眾可從居住環境著手，辨識問題來源並分析其環境行為，進一步學習如何透過化學反應、吸附技術或光催化分解等方式進行污染治理。這些學習不僅增進對化學反應機制的掌握，也有助於培養民眾面對全球環境挑戰時所需的批判思維與解決能力。 化學與環境工程的結合，如廢水處理、空氣淨化與土壤修復等實務應用，展現了理論與技術之間的轉化歷程。例如，有研究探討如何應用「綠色化學」原則於消費性產品，開發更具永續性、對環境無害的化學物質，從源頭減少污染 (De Souza et al., 2024)。這些跨領域實踐不僅強化民眾對環境問題的敏感度，更有助於他們理解科學知識如何在現實世界中發揮影響力，進而形塑其對永續發展議題的關注與行動力。 結語：生活即化學，化學即生活 本文透過食、衣、住、行、環境五大面向的串聯分析，本文嘗試揭示化學與日常生活之間的密切關聯，並展現其在實務應用上的廣泛性與教育潛力。藉由具體實例的說明與跨領域的延伸，民眾不僅能深化對化學概念的理解，更能將所學知識轉化為解決生活問題的工具。本文同時建議搭配使用相關教學影片與延伸資源，以作為課堂補充、專題探究或課後自學之用。期望藉由生活化與實作導向的教學策略，為化學教育注入更多實踐性與創新性，進一步培養兼具問題解決能力與科學素養的學習者。 圖1 化學相關食物與調味品   圖2 清潔用品化學用品      圖3 房屋修繕化學用品 參考文獻 Huynh, T. T. H., Nguyen, […]

「輻射+化學」：燃起人類文明的第三把火炬 鄭宏文 國立臺北教育大學　自然科學教育學系 Email: hongwen@tea.ntue.edu.tw 前言 化學是探究物質的科學，而生活中的化學則無處不在，與人們的食衣住行育樂習習相關。所謂的「輻射」係指除傳導與對流之外，能量傳遞的另外一種形式。以能量足夠高的輻射（>10 eV）照射物質，即可游離該物質分子的價電子，此類輻射則稱之為游離輻射，例如高能量的中子射線（中子）、質子射線（質子）、a射線（氦原子核）、b射線（電子）、X射線（光子）與伽瑪射線（光子）等，實務上，因為10 keV 以下的光子穿透力太弱，要超過此限才會稱為游離輻射；而日常生活中人們所面對能量較低的諸如：紫外線、可見光、紅外線等光子則稱之為非游離輻射。過去，因為發現了前述高能量游離輻射、以及鈾、釙與鐳等輻射源，倫琴（Wilhelm Röntgen）、貝克勒（Henri Becquerel）與居禮夫人（Marie Curie）等科學家先後獲得了1901與1903年的諾貝爾物理獎、以及1911年的諾貝爾化學獎。以此高能量游離輻射作為探究工具，科學家們遂得以更深入地瞭解物質乃至於原子結構的奧秘，甚至可將科學探究歷程之中所累積的這些科學技術與相關經驗遷移、推廣並應用在：材料分析、分子診斷、癌症治療、放射醫療、質子治療等領域，進一步促成了現代化學、醫學與物理等跨越領域的深度融合。職是之故，「輻射＋化學」所帶來的革命性影響，實可謂人類歷史進程中繼「用火」與「用電」後，推動文明發展的第三把火炬。 放射醫學的研究與發展 根據衛福部的統計資料顯示：癌症（惡性腫瘤）已連續多年蟬聯國人十大死因之首，雖然放射治療是一種有效的癌症治療手段，但唯有透過醫學影像的精確診斷與定位才能夠發揮其最大效能，故「醫學影像」與「放射治療」兩者實相輔相成且缺一不可。其中「醫學影像」技術係透過影像判斷疾病的類型、程度與位置，在療程前可用以瞭解病灶，精確定位放射治療的目標，在療程中亦可藉以觀察或追蹤腫瘤的變化以評估其治療效果；而「放射治療」則使用高能量輻射以摧毀腫瘤細胞或抑制其生長並阻止其向周圍組織擴散。舉例來說：X光、電腦斷層掃描（CT scan）、核磁造影（MRI）即為常見的醫學影像技術；而光子放射治療（可利用X光或伽瑪射線）則是傳統常見的放射治療手段。 然而高能量輻射在摧毀腫瘤細胞的同時，亦會對其周圍健康的正常組織造成傷害。但由於光子束（例如：X光）與物質粒子束（例如：質子束）的物理特性不同，因此質子治療（利用質子束）或重粒子治療（利用碳離子束）之中，高能量的物質粒子射線強度在穿透進入人體組織的臨界深度之後便會急遽地衰減（稱之為「布拉格峰（Bragg Peak）」，請見後文詳述），使物質粒子束的輻射劑量能精準沉積於腫瘤區，進而大幅降低周圍正常組織的照射劑量而降低療程的不適與副作用，達成精準治療的目標。因此，質子束與重粒子束也就成為了放射治療工具多元選項之中，除了傳統光子束以外的另外一種新興的選擇。 自2015年林口長庚醫院啟用第一座質子中心、臺北榮總於2023年成立第一座重粒子癌症治療中心以來，時至本文截稿之日止，臺灣已有6間粒子（質子/碳離子）中心投入營運，使臺灣粒子治療技術蓬勃發展，更讓臺灣成為全球粒子治療人均密度最高的國家之一。以長庚醫院為例（Chao, 2024），其質子中心時至2024年6月已累計治療病人逾7,500人，涵蓋肝癌、肺癌、頭頸癌、小兒腫瘤、乳癌等多種癌症類型，展現其醫療體系臨床與技術的雙重實力。在全球質子醫療快速發展之際，台灣相對密集的質子治療設施布局，已成為亞洲甚至全球注目的焦點。此外，長庚大學於2018年所成立的放射醫學研究中心（Chao, 2024），整合了物理、醫學、工程與化學領域並推動輻射相關研究，使該中心為全臺唯一設有高能質子束實驗平台之研究單位，不僅與太空中心合作開展微電子元件抗輻射測試，更建立輻射標準程序，與國際接軌。此外亦與臨床代謝體核心實驗室合作，探索放射與代謝路徑之交會處，深化輻射化學於診斷與治療中的角色，展現放射化學教育與應用的高度整合。本期邀請臺灣於前述相關領域從事前沿研究之專家學者，撰文闡述並介紹其研究成果以與讀者共享。 本期專題文章簡介 一、《輻射普拉斯》—從歷史觀點談化學、輻射與倫理的融合 本篇文章由趙自強教授撰寫，回顧從倫琴發現X光、居禮夫婦分離出釙與鐳，到現代放射醫學與化學應用的歷程，強調輻射本無好壞，關鍵在於應用的智慧與倫理。普拉斯，也就是「+」符號象徵輻射與各種學科的融合與可能性。此文能啟發讀者反思化學技術背後的社會責任與風險溝通。 二、《質子治療的輻射化學機轉與模擬探索》 卓奕均助理研究員深入介紹質子射束在細胞與水介質中所誘發的自由基反應，涵蓋從能量沉積到奈米尺度化學過程的關鍵機轉，突顯氫氧自由基（·OH）在DNA損傷中所扮演的間接作用角色。同時亦說明金奈米粒子在自由基動力學中的潛在調控效應，以及模擬軟體如 Geant4-DNA 在建構放射化學與生物效應模型中的應用價值，為理解輻射化學與生物損傷間的連結提供了具體而全面的視角，亦是學生學習放射治療相關跨域知識的優良素材。 三、《放射治療調控腫瘤微環境免疫細胞的化學分子機轉介紹》 程俊嘉助理研究員以化學與免疫分子機制的角度，解釋輻射如何經由cGAS-STING路徑活化免疫反應，並探討自由基、細胞激素在腫瘤免疫環境中的功能轉化。這篇文章建立起放射與免疫化學間的教育連結，展現化學在現代腫瘤免疫療法發展中的關鍵地位。 四、《走向個人化精準質子治療：從物理影像到在線生物影像導引》 詹美齡副研究員深入探討Bio-IGRT的應用，說明質子/重粒子治療透過特有的在線生物影像，可在分次治療期間的觀察腫瘤對輻射的反應，並配合個人化治療計劃進行劑量調整。此文介紹先進的質子/重粒子治療在線生物影像技術研發現況，亦比較其與傳統核子醫學利用18F-MISO缺氧顯影劑的差異。 文章內容融合放射影像、生物化學與臨床策略，是跨學科教學與放射化學教育的極佳素材。 五、《超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術》 謝憬儀助理研究員介紹如何透過動態核極化技術(DNP)，大幅提升13C磁振影像的靈敏度，進而以丙酮酸等探針觀察體內代謝變化，廣泛應用於腫瘤學與代謝疾病研究。此文連結物理化學、磁振造影與臨床應用，是當代化學教育不可或缺的重要題材。 結語 當年居禮夫人因探索放射性元素而跨越了物理與化學的領域疆界，今日臺灣的質子醫療與放射研究則延續了這份精神，將科學實踐推向了跨領域整合與醫療臨床應用。這五篇文章從輻射化學、免疫、模擬、影像到代謝探針，具體展現了輻射與化學的深度結合，是臺灣多年來持續推動化學教育走向跨域融合與整合應用的另外一個重要示例。 參考資料 Chao, T. C. (2024, Sep 20-22). Particle therapy in Taiwan: Past, current status, and future prospects [Conference […]

「輻射+化學」：輻射普拉斯 趙自強 長庚大學 放射醫學研究中心 Email: chaot@gap.cgu.edu.tw 摘要：本文探討游離輻射在科學與應用領域的多元結合與影響。從居禮夫人與倫琴的開創性研究談起，說明輻射如何成為現代物理、化學與醫學發展的重要推手，進一步延伸至癌症治療、太空科技、動物臨床研究與安全標誌設計等實際應用。輻射本無絕對的好壞，關鍵在於其使用方式與風險管理。透過「+」的觀點，本文強調輻射加上跨領域的整合應用，不僅能帶來創新突破，也具備教學與社會溝通的潛力。文中亦介紹臺灣在質子治療與輻射模擬平台上的進展，展現我國在放射科學與產業應用的實力。輻射是一把雙面刃，既蘊藏風險，也蘊含機會，唯有秉持科學倫理與安全原則，才能善用輻射帶來的正向價值，造福人類社會。 前言 輻射普拉斯這個題目，輻射很好理解，指的是游離輻射，游離輻射是指能量足以將原子或分子游離，也就是把原子中的電子擊出，使其成為自由粒子與正離子的輻射(Lechner, 2018)。常見的游離輻射包括X光、γ射線、α粒子、β粒子、質子、重離子和中子等。由於其具有高能量，游離輻射可與生物組織發生作用，引發細胞損傷或遺傳物質破壞，因此在醫療、核能與科研應用上，必須嚴格控制曝露量並落實防護措施。 普拉斯指的是「+」，此符號常常有一個更好的涵義，例如A+代表比A更好，C++代表比C更好的語言。然而，輻射本身沒有好壞之分，關鍵在於「如何使用」。用得對，它可以用來診斷疾病、治療癌症、保存食品、監測設備、探索宇宙；但若濫用或疏忽管理，則可能造成傷害甚至災難。就像電與火一樣，都是人類生活中不可或缺的能量來源，妥善運用就能造福社會，用錯了就會釀成風險。 因此，本文題目之「+」，並不是指更好的輻射，而是當游離輻射加上一個不同的應用，可能帶來教學研究的機會，或給人類帶來更美好的生活，這些種種源自於游離輻射的發現。 居禮夫人與輻射的發現 瑪麗・居禮（Maria Curie，圖1左）是近代科學史上最具代表性的女性科學家之一，其科研歷程與對輻射的發現對物理、化學與醫學領域產生深遠影響。她於1891年前往法國巴黎就讀索邦大學 (Sorbonne University)，展現卓越的數理能力，並與物理學家皮耶・居禮(Pierre Curie)結為伴侶及研究夥伴(Rockwell, 2003)。1896年，居禮夫婦延續安東尼・亨利・貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel)對鈾放射性的研究，發現天然礦石中存在放射性更強的未知物質。他們透過電荷測量與化學分離實驗，成功分離出兩種新元素：釙(polonium)與鐳(radium)，奠定放射性研究的基礎。1903年，兩人與貝克勒爾共享諾貝爾物理學獎；1911年，瑪麗再度因研究鐳的化學性質獲得諾貝爾化學獎，成為史上首位兩度獲獎者。她的研究不僅揭示原子內部結構的奧秘，也促成放射線在醫學診斷與治療上的應用，對後世科學與社會發展產生重大貢獻。 鐳屬於第2族鹼土金屬，化學性質類似鋇（Ba），具高反應性，能與水劇烈反應產生氫氣與氫氧化鐳。最常見的同位素為Ra-226，半衰期長達1600年，會進行α衰變並產生氣態的氡（Rn），具高度放射性。20世紀初鐳廣泛應用於癌症治療與發光錶面，但由於輻射防護意識不足，造成工人（如「鐳女孩」(Gunderman & Gonda, 2015)）罹患骨癌、貧血等傷害，現已被其他放射源所取代，僅用於科研與歷史教育。 釙是由居禮夫婦於1898年從鈾礦中首次分離出的放射性元素，化學性質與碲（Te）相似。釙最重要的同位素為Po-210，為強烈的α粒子發射源，具有高揮發性與劇毒性，進入人體後會集中於肝臟、骨髓並造成嚴重輻射傷害。雖然Po-210可應用於靜電消除器與太空探測器的微型放射電源，但因其高毒性與放射性風險，目前多用於實驗研究與輻射防護訓練中。 釙與鐳的發現不僅開啟了放射化學的研究，也促進了醫學影像與治療的發展。這兩種元素都屬於天然放射性核種，具有高度學術與教育價值，有助於提升科學素養與風險意識，亦能激發對放射線科技與科學倫理議題的關注。 威廉・倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen，圖1右)更比居禮夫婦早些年發現游離輻射，他是一位德國物理學家，以發現X射線聞名於世。1895年，他在實驗陰極射線管時(圖3左)，偶然發現一種肉眼無法見的「看不見的光」，可穿透紙張與薄金屬，並使螢光屏發亮。他最著名的成果是拍攝了世界上第一張人體X光影像——他妻子手部的骨骼與戒指(圖3右)，這項突破為醫學診斷開啟全新視野。倫琴並未為此發明申請專利，反而開放全球使用，展現其科學家的道德胸懷。他於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在新型輻射研究上的開創性貢獻。倫琴的發現促進了放射物理學、醫學影像與現代診斷學的發展，也奠定後續居禮夫人、貝克勒爾等人對放射性元素研究的基礎。他是一位將實驗觀察與理論推論完美結合的典範，其對科學與人類健康的貢獻影響深遠。 圖1：居里夫人(左)；威廉·倫琴(右) 輻射 + 標誌 現今常見的輻射警告標誌（三葉形符號）源自1946年美國加州大學柏克萊分校的輻射實驗室。當時研究人員為了標示放射性物質的危險性，設計出一個三葉向外擴散的圖樣，象徵放射線自中心源頭發散。最初此標誌採用粉紅色圖案搭配白色底色，因粉紅色在當時顯眼且不易與其他符號混淆。隨著國際標準的建立，現今通用版本改為黃色背景配黑色三葉圖案，更具警示效果。此符號廣泛應用於醫療、核能、工業與太空等領域。 然而，為了更有效傳達「此處有潛在輻射危險」的訊息。讓不同歷史、文化背景的人即便不了解放射線的原理，也能看到符號也能立即意識到風險，2007年國際原子能總署進一步推出補充標誌，加入紅底、骷髏與逃跑人形等圖像，用於高度危險源的容器。放射線標誌不只是科學符號，更體現了風險溝通與安全設計的整合，是核子時代最具代表性的視覺語言之一。 圖2：輻射警告標誌的演進 輻射 + 物理/化學/醫學 自19世紀末放射性被發現以來，輻射成為推動現代科學發展的關鍵力量，廣泛應用於物理、化學與醫學三大領域。在歷屆諾貝爾獎得主的研究成果中，輻射技術不僅展現其基本科學意涵，更反映其對人類健康、能源、材料與生命科學的革命性影響。 威廉・倫琴於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在輻射研究上的開創性貢獻。之後，在物理領域，1903年諾貝爾物理學獎頒給亨利・貝克勒爾與居禮夫婦，肯定他們對天然放射性的發現與量測方法建立，開啟原子物理與核子物理的研究時代。1935年詹姆士・查德威克 (James Chadwick) 因發現中子而獲獎，這一粒子成為核分裂理論與核能應用的基礎。1944年，奧托・哈恩 (Otto Hahn) 的鈾核分裂實驗則促成核能與武器發展，也使人類對輻射風險有了深刻反省。 在化學領域，1911年瑪麗・居禮因成功分離鐳與釙，揭示放射性元素的化學性質，榮獲諾貝爾化學獎。此後的放射化學研究推動了同位素標定技術、核反應合成與新元素的發現。1960年，美國科學家威拉得·法蘭克·利比 (Willard Frank Libby) 因建立碳-14放射性定年法而獲化學獎，為考古與地球科學提供了可靠的年代測定工具。 在醫學與生理學領域，輻射應用改變了人類對健康與疾病的認識與處理方式。1927年赫爾曼・穆勒 (Hermann […]

「輻射+化學」：放射治療有利於臨床免疫療法： 從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞 程俊嘉 長庚大學放射醫學研究中心 Email: cccheng1201@mail.cgu.edu.tw 摘要：放射治療透過造成癌細胞DNA的傷害達到癌症治療的目的，尤其放射治療對於TP53野生型腫瘤具有療效敏感性，臨床上觀察到放射治療可於部份癌症中活化免疫細胞，此現象被稱為免疫「遠端效應」，此現象亦支持臨床上放射治療合併免疫治療進而增加癌病人存活率的結果。然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知。本文回顧並討論了放射治療驅動免疫活化的潛在機制，包括促使巨噬細胞及T細胞的活化，其中放射治療造成cGAMP及干擾素的產生，尤其對於放射療法具敏感性的TP53野生型癌細胞中，或可誘發巨噬細胞M1抗癌極化，並後續聚集T細胞於腫瘤微環境中，有效將「冷」腫瘤變成「熱」腫瘤，而有利於臨床癌症免疫療法。 前言 放射治療是一種常見的癌症治療方法，在臨床實踐中利用高能量輻射來抑制癌細胞的增殖和存活，目前約有50%的初診癌症患者會接受放射治療，放射治療通常與手術或化療相結合，用以緩解癌症患者的腫瘤(Bradley et al., 2015)。根據癌症的類型和位置，放射治療可以從外部或內部進行，主要機制為透過直接或間接效應破壞癌細胞中的DNA來發揮作用，使癌細胞難以細胞分裂和生長。過去研究顯示放射治療可在部分癌症中活化免疫細胞，此現象被稱為免疫「遠端效應」，然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知。 因為免疫活性攸關臨床另一新興癌症療法：免疫療法，此技術獲得2018年諾貝爾生理與醫學獎，由美國James Allison博士及日本Tasuku Honjo博士共同獲得，此技術針對免疫檢查哨蛋白分子(immune checkpoints)開發抗體藥物，例如針對programmed cell death protein 1 (PD-1)、programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1)、及cytotoxic T lymphocyte- associated protein 4 (CTLA4)，可於部分癌症病人上持續活化免疫並增進抗癌效果。然而臨床上只有10-30%的癌症病人對這類藥物有顯著療效反應，故找尋能合併及提升免疫療法的其他抗癌技術或藥物就變得很重要。因為放射治療的免疫「遠端效應」，故放射治療被認為具調控免疫力的方法之一，而且在2018年的文獻發現放射治療確實有效提升肺癌病人CTLA4免疫抗癌療效(Formenti et al., 2018)，因此確定放射治療於某些癌症適用於合併臨床免疫療法。本文回顧並討論了放射治療驅動免疫活化的潛在機制，特別是化學分子部分的介紹，並依據過去研究推斷那些腫瘤接受放射治療後會產生「遠端效應」，了解詳細機制後，於臨床端便容易驗證哪些類型的腫瘤將有利於放射治療合併免疫療法。 放射治療損傷DNA及誘發的修復機轉 放射治療可以從外部或內部進行，體外放射治療包括：(1)3D適形放射治療(3D conformal radiation therapy)，主要使用CT掃描和電腦軟體來創建腫瘤的3D 模型，並以此模型引導放射束瞄準癌症部位；(2)調強放射治療 (Intensity-modulated radiation therapy , IMRT)， 是一種使用多種劑量強度不同的放射束對腫瘤施加較高的放射劑量；(3)影像導引放射治療 (Image-guided radiotherapy, IGRT) ，在每次治療前都會先以CT掃描，並以此影像輔助用以對準治療部位，從而實現更精確的放射治療；(4)粒子治療，例如採用質子的放射療法，質子放射線具有布拉格尖峰（Bragg peak），可以於腫瘤深處傳遞高能輻射劑量，並減少對表層健康組織的輻射劑量，為目前有效治療癌症方法之一；(5)立體定位放射治療 (SBRT)，例如伽瑪刀手術，使用高劑量的聚焦放射線來摧毀腫瘤。而體內放射治療包括：(1)將固體放射源植入腫瘤內部或旁邊，此輻射源會向小區域釋放輻射以殺死癌細胞；(2)將液態放射性物質送入血液，全身性尋找並摧毀癌細胞，例如放射免疫療法。而介紹那麼多放射技術，其主要目的皆為有效地破壞腫瘤細胞的DNA，以抑制腫瘤細胞生長及複製。 目前已經很清楚知道放射線可以抑制腫瘤細胞生長，主要是破壞腫瘤細胞核內DNA的完整性，其過程可分成直接及間接效應，直接效應便是放射線直接攻擊細胞雙股DNA，這部分因放射線種類不同而有所差異；臨床常用的高能X光較易穿透人體組織，比較無法直接攻擊DNA，故X光所造成的DNA損傷主要由間接效應的自由基所造成的，例如放射線使水分子產生的OH自由基。而粒子治療，例如質子治療帶有正電，因粒徑較大，故可同時直接及間接造成DNA損傷。而DNA損傷包括幾類，其中DNA斷裂(double strand […]

「輻射+化學」：質子治療的輻射化學機轉與模擬探索： 從能量沉積到奈米尺度自由基反應 卓奕均 長庚大學 放射醫學研究中心 Email: iccho@mail.cgu.edu.tw 摘要：質子治療因具備獨特的深度劑量分佈特性，能將高劑量精準集中於腫瘤區域，同時有效降低正常組織的輻射暴露，已成為國內放射腫瘤治療的重要技術之一。本文深入探討質子束進入生物體後所引發的一系列輻射化學反應過程，起始於皮秒等級的能量沉積與游離事件，進而引發水分子輻射分解，產生如氫氧離子（·OH）與水合電子（e⁻aq）等具生物活性的自由基，最終導致DNA結構損傷。相較於傳統光子射束，質子屬於中高線性能量轉移（LET）粒子，所誘發的自由基密度更高、擴散範圍更集中，因此具更強的生物破壞能力。文中亦介紹金奈米粒子於質子治療中對自由基生成與傳遞路徑的調控潛力，並指出模擬工具如Geant4-DNA在跨尺度建構放射化學反應模型方面的重要價值，有助於提升我們對奈米尺度放射效應的理解。 前言 自2015年臺灣首座臨床質子治療設施啟用以來，國內在粒子治療領域的發展迅速進展，迄今已成為全球質子治療密度最高的地區之一。事實上，臺灣早在1990年代即展開質子治療技術的政策規劃與可行性評估，但直至21世紀第二個十年，方正式邁入臨床應用階段。2015年，林口長庚紀念醫院率先設立國內第一座質子治療中心，標誌臺灣質子治療臨床時代的開啟。隨後，北、中、南部多家醫學中心陸續投入設置與營運，逐步建構出區域均衡的粒子治療網絡。截至2023年底，衛生福利部已核准15家醫療機構設置粒子治療中心，涵蓋22間質子治療室與8間重粒子治療室。若全數投入運轉，臺灣將達到平均每150萬人即擁有一座粒子治療中心的水準，位居世界之首。 質子治療的概念最早可追溯至1946年，當時美國物理學家Wilson 在《Radiology》期刊中首次提出，質子射束獨特的深度劑量分布特性，能在腫瘤內集中沉積能量、同時最大限度地保護周邊正常組織，此即為今日臨床應用所倚賴的「布拉格峰（Bragg peak）」原理 (Wilson, 1946)。然而，受限於當時加速器技術的可近性與成本，能產生高能質子束的設施多集中於國家級高能物理實驗室，使這項構想在相當長的時間內僅止於理論層面。質子治療的首次臨床應用始於1954年，美國加州勞倫斯柏克萊實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory）以340 MeV質子束進行腦下垂體照射，用於治療26位乳癌患者 (Lawrence, 1957; Tobias et al., 1955)。該計畫由 Tobias 與 Lawrence 領導，開啟了質子應用於人體放射治療的先河。儘管早期治療目標並非腫瘤本體，而是透過內分泌調控來間接干預腫瘤進展，但其技術與生物學基礎為後續發展奠定了關鍵起點。真正促成質子治療由實驗走向臨床的關鍵轉折，發生於1990年。當年，美國加州 Loma Linda University Medical Center 建立全球首座設於醫院內、專為腫瘤放射治療設計的質子治療中心，標誌質子治療進入制度化與常規臨床應用的新紀元(Slater et al., 1992)。此後，日本筑波大學、德國海德堡離子治療中心（HIT）、瑞士 Paul Scherrer Institute 等地也陸續設置臨床質子設施，推動質子治療由實驗走向成熟應用。進入21世紀，質子治療技術持續精進，不僅加速器設備更為小型化，亦整合多方向旋轉機械臂（gantry）、影像導引系統（IGRT）、以及強度調控質子治療技術（IMPT），使其逐漸成為實用且可規模化部署的癌症治療選項。根據 Particle Therapy Co-Operative Group（PTCOG）統計，截至2023年，全球已有超過120座質子治療中心投入營運，累計治療人次已超過35萬人(Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG), 2025)。 質子治療的物理劑量沉積機制 質子治療最具代表性的物理優勢，在於其獨特的深度劑量分布特性。與傳統 X 光（光子）治療所呈現的指數式能量衰減不同，質子束在穿透物質（如人體組織）時，其能量沉積曲線具明顯的非線性特徵，並在射程終點產生一個尖銳的布拉格峰（Bragg Peak）。此現象代表質子於穿透初期僅緩慢損失能量，當其速度逐漸降低至接近終點時，單位距離內的能量沉積（即線性能量轉移，Linear […]