疑難問題集錦之二：基礎科學教學研習會的幾個疑難問題 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schemistry0120@gmail.com 自2003年思源科技教育基金會主辦第一屆高中數學暨自然科學教學研習會，到2014年改由交通大學校友會主辦的高中自然科學教學研習會，迄今已舉辦14屆，此一研習會廣受高中職自然科教師的歡迎。研習會上午主要內容是「專題講座」，下午則是分科研習。分科研習分成兩時段，第一時段為「教案觀摩」或「創意實驗分享與實作」，第二時段為「教學疑難問題的Q&A」。第一時段的「教案觀摩」或「創意實驗分享與實作」，邀請研發教師帶領參與教師們分享其教學經驗或研發的實驗，以增進教師的教學知能。第二時段的「教學疑難問題的Q&A」則是由參加研習的教師們事先提出教學上的疑難問題，再由主持分科研習的教師邀請資深教師答覆。本專欄名稱為「高中化學教學疑難問題與解題」，本人負責此專欄，常常負責回答教師疑難問題的「資深」化學教師之一，本人也邀請過其他資深教師撰寫有關回答教學疑難問題。在這篇文章中，本人將重新回答曾經回答過但答覆內容仍有一些疑慮的幾個問題，並在此篇文章中提出本人個人的看法。本人的看法可能會與之前答覆問題的教師見解有所不同，不過本人認為正確的答覆才是最重要的。借用龍應台女士所著的書：「請用文明來說服本人」，本人的見解若是有誤謬之處，本人也希望有教師指正，「請用真理來說服本人」，讓包括本人和其他存有疑慮的教師們解惑。此篇文章要提出的疑難問題如下： 一、   鑽石是否具有導電性？ 二、   氫氧化銨（NH4OH）是否存在？ 三、   臭氧（O3）變成氧氣（O2）是否為氧化還原反應？ n  疑難問題一：鑽石是否具有導電性？ 在某一次教師研習會上，一位資深的化學教師提出一個觀點：「不要以為鑽石是絕緣體，不導電」，這位教師給了一些物質的導電度的數據（見表1），表1下方1~3為數據說明（此處僅列出其提供的部分資料）。從表一的資料來看，導電率相對比值，石墨：鑽石：食鹽水＝16000：4000：1，所以這位教師強調「石墨是導體沒有問題，但是鑽石的導電性比1 M的食鹽水好，怎可將鑽石說成絕緣體！」，看起來似乎言之有理。 表1：三種物質的導電率比較-I 物質 石墨 鑽石 1 M食鹽水 導電率（mho/cm） 1.3×103 2.9×102 0.08 相對比（概略值） 16000 4000 1 然而，本人對鑽石具有導電性的說法是頗有疑惑的。本人先來看看石墨的結構，如圖1左所示，每個碳原子與鄰近的三個碳原子以共價鍵結合，剩餘的1個價電子，則與另一個碳原子的1個價電子形成π鍵，這2個π電子是未定域化的（delocalized），也就是說這些未定域化的π電子在石墨的每一個層面上是可以移動的，這就是石墨能導電的原因。接著看鑽石的結構，如圖1右所示，每個碳原子與鄰近的四個碳原子以共價鍵結合，形成立體結構，由於要破壞碳碳之間的共價鍵甚難，因此鑽石是目前所知物質中硬度最大的。由於每個碳原子的4個價電子都已與另外四個碳原子形成共價鍵，已經不再有未定域化的電子，因此本人認為鑽石不可能具有導電性，或直接說，本人認為鑽石應該視為絕緣體。   圖1：石墨（左）與鑽石（右）的結構式 （圖片來源：http://goo.gl/rYKlcA（左），http://goo.gl/0w9cNx（右）） 為了支持這種說法，本人收集了各種資料，並製作與該位教師提供的類似表格（見表2）。 表2：三種物質的導電率比較-II 物質 石墨[1] 鑽石[2] 1 M食鹽水 導電率（mho/cm） 2.0 × 103 ~ 3.0 × 103 10−13 ~ 10−16 0.08 相對比（概略值） 25000 ~ 37500 […]

門得列夫：化學元素週期表的發現者 洪文東 美和科技大學護理系hung3893@yahoo.com.tw n  早期的元素表 在早期，元素被發現的種類不多，化學家只能局部的對某些性質相近的元素進行歸類整理。1789年法國化學家拉瓦傑（A. L. Lavoisier, 1743 – 1794）在其《化學基本論述》書中列出包含33種元素分類表。1864年英國化學家紐蘭茲（John Alexander Reina Newlands, 1837 – 1898）將元素依照其當量大小排列。自某一元素後的第八種元素，與此元素的性質相似，就像音樂上的音度音程一樣。1865年英國化學家伍德林（W. Woodling）按原子量排列元素順序，初步排出今日元素週期表中的鹵族、氮族、氧族。1866年紐蘭茲發表論文「八音律與原子量數字關係的起因」，依原子量大小給元素編上序號依次排列，看出元素間有類似音樂中之八音階規律（Law of Octaves）。1868年德國化學家梅耶（J. L. Meyer, 1830 – 1895）繪製出《原子體積周期性圖解》，揭示出化學元素的原子量與原子體積間的關係。1869年，他又製作了一張化學元素週期表，表中不但明確按原子量遞增的順序來列元素，而且也留下一些空格表示未知元素。不過，梅耶的研究側重於元素的物理性質。 n  元素週期表與週期律 在前述幾位化學家工作的基礎上，俄國化學家門得列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 – 1907）（見圖1）發現在63種已知元素中，42種元素有了較精確的原子量，但尚有7種元素的原子量未能正確判斷，因為它們的原子量都計算錯誤。門得列夫全面考慮了元素的各種性質，製作出63張卡片，把各種元素的名稱、原子量、氧化物以及物理和化學性質，分别寫在各元素的卡片上。在排列這些卡片時，不僅根據元素的原子量，而且很重視元素的性質及其與其他元素的關係。1869年2月17曰，門得列夫依原子量遞增的順序把63種元素排列成幾行，同時把各行中性質相似的元素左右對齊，當依原子量順序安排的位置與元素的位置及元素的特徵發生衝突時，他遵從元素的特徵而掉換位置，或者留下空位。這樣使得每一横排化學元素的性質相近，每一縱列化學元素性質的變化也呈現着規律性，整個元素系列呈現出周期性變化。1869年2月，門得列夫發表了《元素性質和原子量的關係》論文，同時公布了他的第一張化學元素週期表（見圖2）。周期表中留下了四個空位，空位上没有元素名稱，只有預計的原子量，表示尚待發現的元素。 圖1：門得列夫 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫） 圖2：門得列夫1871年的元素周期表 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫） 對比梅耶在1869年公布的元素週期表，門得列夫對元素的族別分得更细緻，並在表中初步形成了過渡元素族。門得列夫吸取了梅耶週期表的優點，對週期表繼續進行更深入的研究，在1871年12月，與他的論文《化學元素週期性依賴關係》同時發表了第二張元素週期表。在這張週期表中，將原來的直行改成横排，使同族元素處於同一直行中，突出了化學元素性質的週期性。在同一族裡，也同梅耶一樣劃分了主族和副族，使元素的週期性更加明顯。他大膽地修正了一些已被公認的原子量，如銦In、鑭La、釔Y、釷Th、鈾U等。他把尚未發現元素的空格由原来的四個增至六個，並且還預言了它們的性質。這幾種尚未發現元素，門得列夫稱之為：eka-Boron（類硼）、eka-aluminium（類鋁）、eka-silicon（類矽）；其對〝類硼〞、〝類鋁”及〝類矽”等的預言，日後發現準確得令人驚奇。 門得列夫在《化學元素週期性依赖關係》一文中，確立了元素週期律，即元素（以及由它形成的單質或化合物）的性質週期性地隨著它們的原子量而改變。其週期律的要點整理如下： 1.        若把元素依原子量的大小排列，明顯地呈現出性質上的週期性變化。 2.        化學性質相似的元素的原子量，有些作有規則的增大，如K、Rb、Cs；有些具有幾近相等的原子量，如Os、Ir、Pt。 3.        以原子量為序排列，所得元素的族（Groups）的順序，與其化合的價相當。 4.        原子量較小的幾種元素，它們的性質上差異較大，分散在各族裡，是各 族有代表意義的元素。 5.        原子量的大小，可以决定元素的性質。 6.        元素的原子量，可借其相鄰各元素的性質及原子量進行校正，Te的原子量不應是128，而應介於123-126之間。 7.        可以預測尚未被發現的元素，例如〝類鋁〞和〝類矽〞的原子量應65-75之間。 化學元素週期律的確立，使化學從對個别元素的零星事實的羅列中，揭示出了化學元素之間存在的自然規律關係，把所有化學元素納入一個完整的體系，使化學進入了系統化的階段，特别是對無機化學進行了一次大統合。它將過去研究過的無機物如氧化物、氢化物以及酸、鹼、鹽等，都納入一個系統的理論體系之中，並對各種化學元素及其化合物的性質提供了統一的說明。1869年他出版了《化學原理》一書，此書不但是按照元素週期系統编寫的一本化學教學参考書，而且也標誌著化學教本不再是各種元素和它們的化合物的資料的堆積，而是成了一個有系統化的化學知識體系。 […]

發光的「銅」心 廖旭茂 國立大甲高級中學教育部高中化學學科中心nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本影片介紹演示實驗發光胺（魯米諾）溶液在銅線的催化下，所產生的螢光反應，並在文章中介紹光化反應的原理。 影片網址：發光的「銅」心，https://youtu.be/tpX6x7XfhPw n  簡介 發光胺（Luminol, C8H7N3O2）俗稱魯米諾，是一種白色近淡黃色的結晶粉末，是最常用的化學螢光劑之一，在鹼性的水溶液環境中，形成雙陰離子的魯米諾，遇到氧化劑（如雙氧水）產生的氧氣，反應生成激發態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子（3-aminophthalate），隨後發出藍色螢光回到基態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子，藍色螢光的波長為425 nm[1]。因為反應結果相當靈敏，通常用於命案現場血跡的追蹤，藉以判斷第一現場的位置，刑事鑑定上通常以氫氧化鈉配製成鹼性溶液並與雙氧水混合，當遇到血跡，血液中血紅蛋白的鐵會立刻催化雙氧水的分解，引發後續的光化學反應。本實驗參酌英國皇家化學會網站演示實驗內容[2]，改以銅線為催化劑，在乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）與氨水的鹼性環境中，觀察魯米諾溶液的光化學反應，以及因為錯合反應所造成溶液的變化。相關詳細實驗步驟及原理，分述如下： n  藥品與器材 1.          A溶液：發光胺（Luminol, C8H7N3O2，魯米諾） 0.10克、2.0 M NH3 15毫升、乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na, C10H12N2O8Na4） 0.20克。 2.        B溶液：1.0 M H2O2 3毫升。 3.        同軸纜線（30公分長） 1條、單芯銅線（15公分長） 1條、培養皿 1組、濾紙（直徑9公分）1張、玻璃試劑瓶（20毫升）1個、燒杯（50毫升） 2個、玻棒1支、血清瓶（100毫升） 2個。 n  實驗步驟與結果 一、  實驗溶液配製及準備 1.        取一個50毫升的燒杯中，加入15毫升的2.0 M NH3中。接著，秤取0.10克的發光胺與0.2克的乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）粉末，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解，形成A溶液。A溶液中計約含30毫莫耳的NH3、0.55毫莫耳的發光胺、0.55毫莫耳的EDTA-4Na。另取3毫升的1M H2O2為B溶液備用，其中H2O2約計3毫莫耳。 2.        取一段約30公分長的同軸纜線，剝掉黑色的塑膠外層、網狀導電體、鋁箔及絕緣用的聚乙烯塑膠後，抽出銅線；再以尖嘴鑷子彎折出兩個大小不一的心形，備用。 3.        若有多餘的線材，可環繞鉛筆彎折成立體螺旋狀，備用；若線材不足亦可使用較粗的單芯銅線取代。圖1為彎折的銅線的式樣。 圖1：圖左方的心形是以同軸纜線彎折 二、  實驗演示 1.        演示方式一：新鮮配製完成的A、B兩溶液，緩慢地倒入一個預先鋪好濾紙的培養皿中，淹沒並覆蓋整張濾紙，隨即將兩個心形銅線放置在溶液中，觀察心形銅線周圍發生的變化；關閉電源，觀察螢光反應的發生，接著適度搖晃培養皿後靜止，觀察螢光的擴散變化。圖2和3為魯米諾在培養皿中的變化。 圖2：關燈下，出現心形螢光 圖3：反應一段時間後，心形銅線周圍溶液變為綠色 […]

北京化學教學交流：一次紮實辛苦且收益良多的教師進修 湯偉君 臺北市立萬芳高級中學weiyeekimo@gmail.com n  踏上北京行 2016年5月22日與此行領隊臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹老師和大學入學考試中心吳國良研究員會合後，驅車前往桃園機場與其他同行者集合後，前往北京，抵達時已經是晚上八點。北京師範大學（簡稱北京師大）接待人員至機場迎接，並搭乘專車（北京師大校車）入住北師大旁的京師大廈。一切安頓好已是晚上十點多，由於第二天本人要進行報告，隨即便在房內準備報告內容。 n  驚艷實驗室設備與師資訓練 5月23日（周一）至北京十四中學交流，在歡迎式上除了邱老師和臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿所長外，本人也進行了十分鐘的報告，主要是談本人能參與這個參訪活動的緣起。之後，進行參觀教學和該校的實驗室，就生物實驗室而言，該校配備了高分子實驗室和組織培養實驗室（見圖一），這令本人十分驚訝，這在臺灣幾乎是大學等級的配備了。   圖一：高分子實驗室（左）和植物組織培養實驗室（右） 中午由該校招待午餐後，下午在該校禮堂進行臺灣所沒有的「高端備課」說明（見圖二），包含北京各區中學教師，這種模式是由大學與高中教師進行極為密切的互動合作，包含說課、備課、試教、調整、再試教，在職師資訓練課程的組織結構十分完整。這一師資訓練的模式，對本人而言，感受甚深，以往在指導實習教師時，只有純粹的師徒模式，北京師大王磊教授組織的師資訓練模式，是本人反思自己教學和指導實習老的重大參考策略。該研討會亦包含由邱老師主講的內容，以及北京高中端的實施說明，整個會議在下午五點半方結束。 圖二：高端備課說明 n  同課異構彰顯兩地教育之異同 5月24日前往位於圓明園園區內的101高中，這是北京地區前四志願之一，該校和14中相同校園廣闊，校園與圓明園相通，該校既有此豐沛獨特的社區資源，便經常至圓明園辦理學生活動，包含訓練學生成為園區講解志工。當然，當天下午我們也得地利之便，在該校兩位年輕教師的陪同之下，參觀了這個歷史上大名鼎鼎的古蹟。 早上則是進行大陸和臺灣化學教學的「同課異構」，很明顯地兩地區教學有很大差異，臺灣教學較為創新與活潑，而北京的化學教學則脈承王磊教授的高端備課，甚為組織嚴謹、知識架構完整。雙方各有優缺點，臺灣的教學流程和時間掌控不易，大陸的則被限制在一個框架下，當學生或教師有了新奇的想法，不易在此空間下被接受。 5月25日早上安排參觀北京科學博物館，與臺灣及其他國家的科教館比較起來，展出內容大同小異，最大的差別應是北京的場地更大，展出更多。當時亦有北京許多各級學校，由幼稚園至高中皆在此進行非制式教學。 下午至北京師大化學系，實地進入大學教室觀察王磊教授訓練師培生的試教。經過這三天，本人想已經充分理解了王磊老師的高端備課。在一個模組下，可進行許多化學觀念的教學。同時王磊老師的上課態度至為認真，由下午一點到五點半毫不間斷，中間只有一次五分鐘的上廁所時間。整個流程是，師資生分成兩組，第一組有五個學生各自分別以8-10分鐘時間，進行一個化學概念的試教，第一組整個施教完畢後，分別由王磊教授講評、發表學生自評、其他學生同儕互評，從三角度進行反省檢討。第二組接著上場，程序亦同。因為臺灣教師有四人在這間教室，我們也被要求進行簡短講評，由於化學並非本人的專業，只能針對教學呈現上，例如實驗展示的視野角度給予建議，同教室的另三位臺灣化學教師則多對展示實驗安全性給予了建議與關注。 n  高中課程的彈性，不敢想像 5月26日早上至北師大附中參訪，該校課程十分有特色，在高一、二的階段在上午的時段便將高中三年課程上完（少部分會延到高三上學期部分時間），高三則全力進行複習以準備高考。其實這部份還不算特別，兩年前在山西觀摩太原地區教學也是如此，只不過他們早上分成五節課，每節課40分鐘（臺灣高中一節課50分鐘，但時間多寡不是重點，有精神地紮實上完40分鐘更有效率）。每日還必有一節體育課，這就很特別了，讓學生每天都能動一動，對身心健康和學習效果更能提升。更何況該校下午學生則分成數理、文科、社會科、國際班等班別進行類似探究課程，本人對這麼有彈性的制度感度十分景仰和驚訝。 北京師大附中的課程彈性，兼顧現實的大學升學與理想的適性發展，一節課僅40分鐘和每天必有體育課，課程基礎還兼顧學習心理學的理論基礎。雖然這是本人參觀多所大陸高中，唯一課程這麼有自主性的高中，然而在臺灣，公立高中可以有真正發展學校特色的空間嗎？臺灣的107課綱要發展學校特色課程，的確有一些空間可著墨於校本特色課程的開發，但相對於龐大的部定必修、選修，同時一個學校特色課程一旦開發，全校所有學生都得照著這個特色走，似乎忽略了校內學生內差異的存在，在此情況下學生真能做到充分的適性發展嗎？不過針對107課綱的變革，各高中都在嘗試及努力中，期待看見美好的結局。 n  整體心得：一次紮實辛苦且收益良多的教師進修之旅 最後一晚，此行所有教師共同參與分享反思會議，每位老師都對此行有高度評價，各有各自的心得收穫，本人則總結以下三方面心得： 一、學習方面 這次的參訪其實包含兩層次，一是高中科學教學，二是大學的師資培育，前者仍是以講授法為主，強調的是知識的組織架構與邏輯順序，在教學中僅強調知識的組織與邏輯，這點比較不適用於目前臺灣的科學教學，尤其是臺灣比率較高的社區高中學生，不過對於未來能從事學術方向的高中生，這種教學的確有效率和系統性。另一方面，在師資培育部分，是針對師資生，施教對象是未來的中學教師。這個有組織性的師資培育教學法，包含說課、備課、試教、調整、再試教；指導教師講評、發表學生自評、其他學生同儕互評，充分完整面面俱到，是我們所需要學習的，對本人而言，常有機會接觸實習教師，在實習教師培訓策略上收益良多。 二、領悟方面 第一天真的被北京高中生物實驗的設備所震懾，包含高分子實驗室、植物組織培養實驗室，但之後想想，以自己學校的規模，如果要籌備出這種實驗室，恐怕會排擠掉別的預算，而這類實驗室的建立，恐怕也只能讓少數學生使用於高科技的初探，這些高科技為何不在大學階段再施作呢？同時臺灣地小，高中和大學距離近，若真有資賦優異值得栽培的學生，就近與附近大學合作，送往大學實驗室進行拔尖課程，一方面大學可得到測試未來學術人才的機會，二來高中也可將資源有效運用。 三、檢討方面 雖然學校硬體不如所觀察的三所高中，但本人認為自己教學法上多元而創新。不過反思，有時本人的教學在強調創新的同時，卻忽視了組織和架構，應該要向大陸教師學一些，或是說轉一些角度回到以往的傳統，多一些知識組成的東西，多些要求學生學習的態度。 n  感謝 感謝臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹老師運用自己多年在專業的努力，贏取的人脈關係，組織安排了這次參訪，也感謝臺灣師範大學科學教育研究所許瑛韶所長提供經費支助。這次參訪是本人第二次到大陸進行教育參訪，這次是名副其實的一次紮實辛苦且收益良多的教師進修之旅。