探究「紅綠燈」示範實驗的多彩顏色 廖旭茂1, 2, *、陳嬿竹1、羅珮綺1、林芳瑜1 1國立大甲高級中學 2教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 多彩紅綠燈的實驗是國立大甲高中學生專題研究課程的主題之一，本影片是由作者學生在國立大甲高中化學實驗室拍攝，提供不同pH值下，靛胭脂（indigo carmine）指示劑的變色。 （影片網址：啟動多彩紅綠燈，https://youtu.be/K84YbFeGCYA, YouTube.） n  簡介 在示範實驗中，突發的火焰、爆鳴聲以及多彩的顏色變化最受到學生的喜愛；能夠在不同的酸鹼性或氧化還原反應中變色的指示劑，常在課堂中被老師們拿來吸引學生的目光，如藍瓶實驗、紅綠燈實驗、彩虹連線及乾冰魔法變色實驗。紅綠燈實驗所用的指示劑為靛胭脂，是一種酸鹼指示劑，也是一種氧化還原指示劑，在氫氧化鈉存在的鹼性環境中，加入葡糖糖等還原醣後，會因電子得失多寡，產生兩階段變色：先變紅色，再轉為黃色。不同酸鹼、氧化還原環境交織成多彩顏色的變化。 跟BR振盪反應（Briggs-Rauscher oscillating reaction）一樣，紅綠燈實驗最能引起學生好奇心，但也是不容易將變色原理解釋清楚的演示實驗，透過本校專題研究課程，引導學生探索紅綠燈實驗的變色反應之成因，在數位感測器的即時監測協助下，經過一番努力，學生終於解開紅綠燈變色反應的機制，所謂「教學相長」，在指導學生探索時，老師也在受益匪淺、成長許多。本文除介紹實驗溶液的配製，供高中教師進行演示實驗的參考，並提供分光光度計時間掃描監測法，探索紅綠燈變色的成因，撥絲抽繭，讓原本複雜的化學原理能夠獲得合理的解釋。 n  藥品與器材 1%靛胭脂 3 mL、葡萄糖 9.0克、氫氧化鈉 9.3克、250 mL 血清瓶 3個、500 mL 錐形瓶 3個、矽膠塞 3個、電子天平 1台、玻棒 1支、塑膠滴管 3 支、分光光度計 1部、比色槽 1個。 n  實驗步驟 一、課堂上的化學演示 (一)三種不同pH值溶液的配製 1.        溶液A：0.30公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖，溶於蒸餾水中，加入1毫升1%的靛胭脂溶液，配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 0.050 M，[葡萄糖] = 0.11 M。 2.        溶液B：1.5公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖，溶於蒸餾水中，加入1毫升1%的靛胭脂溶液，配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 0.25 […]

創意微型實驗—簡易環保電解裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw 本文作者曾先後設計了三代的「簡易環保電解裝置」，這三代的電解裝置之比較如表一所列和相片一所示。第一代「簡易環保電解裝置」曾參加中華民國第四屆發明和創新展覽會榮獲發明類教師組第二名，並取得中華民國經濟部中央標準局新型專利，如附錄所示。第二代的「簡易環保電解裝置」曾以「學校化學科減量減廢實驗之設計」為企畫案主題之一，參加由台灣通運傳動機械股份有限公司所舉辦的一九九七年歐普環保獎（The 1997 Opel Environmental Award）企畫案競賽，本文作者以「學校化學科減量減廢實驗之設計」榮獲第一名，如附錄所示。本文將介紹第三代的「簡易環保電解裝置」之設計與製作過程。 表一：三代簡易環保電解裝置之比較 簡易環保 電解裝置 電解槽材料 電解管材料 電解管刻度 刻度正確性 第一代 回收兩個果凍塑膠杯 壓克力管 自訂刻度 體積讀數 接近正確 第二代 回收兩個果凍塑膠杯 塑膠注射筒（10 mL） 原有刻度 體積讀數 正確 第三代 回收兩個布丁塑膠杯 丟棄式滴管（10 mL） 原有刻度 體積讀數 最為正確    相片一：三代簡易環保電解裝置，第一代（左）、第二代（中）、第三代（右） n  原理和概念 在以鹼性的氫氧化鈉溶液為電解質，經通入直流電後，進行水的電解，其電解反應如式[1]~[3]所示。電解總反應之電位差為負值（–1.229 V），因此欲電解水時必需外加至少1.229 V，才能順利進行水在鹼性溶液中之電解。 陰極（負極）：4H2O(l) + 4e– → 2H2(g) + 4OH–(aq)    E°red = – 0.828 […]

創意微型實驗—微型發光噴泉裝置 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw n  目的 在微型發光噴泉裝置的二支並聯式塑膠注射筒中，分別抽取兩組不同的藥品溶液後，經同步推擠注射筒之活塞後，兩種藥品溶液會經由注射針頭前端噴出，當兩組藥品溶液相遇後，會即刻起化學反應並發出螢光，而以噴泉方式產生，此裝置可在一般教室中之講台或學生座位前演示化學能轉變為光能（發光噴泉，簡稱光泉）。 n  原理 魯米諾（Luminol）之中文名稱為3-氨基鄰苯二甲醯肼（又稱光敏靈），英文名稱為5-Amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione，其分子結構式如圖一所示。化工原料行販售的魯米諾藥品是呈白色粉末狀，如相片一所示。將魯米諾溶解在氫氧化鈉的鹼性水溶液後鹼性的氫氧化鈉溶液作為激發劑，將魯米諾激發產生一個帶有兩個負電荷的雙陰離子（dianion），此魯米諾的氫氧化鈉溶液為第一組藥品。另在過氧化氫（雙氧水）中加入赤血鹽（鐵氰化鉀K3Fe(CN)6），以赤血鹽中正三價之鐵離子（Fe3+）作為催化劑，催化過氧化氫（雙氧水）分解放出氧氣，並以分解所放出之氧氣作為氧化劑，赤血鹽之過氧化氫（雙氧水）溶液為第二組藥品。而此氧氣可將雙陰離子加以氧化成一極為不穩定的過氧化物，此一過氧化物會急促地分解而放出氮氣來，進而將原雙陰離子轉變成激發態（excited state）的3-氨基鄰苯二甲酸。當由激發態轉換至基態＊（ground state）時便會將其化學能釋放出來，而釋放出來的化學能會轉變成光能而以光子的形式存在，此光子的波長約位於可見光譜中的藍色光（~450 nm）部分。因此當將第一組藥品溶液（魯米諾的氫氧化鈉溶液）與第二組藥品溶液（含赤血鹽之雙氧水）溶液混合再一起時，混合溶液中之氧氣即可將魯米諾氧化而瞬間發出淡藍色光來。 圖一：魯米諾（Luminol、光敏靈）之分子結構式   相片一：白色粉末之魯米諾 （Luminol） n  材料與藥品 一、   材料 塑膠注射筒（35 mL） 2支、三孔橡皮塞 1粒、注射針頭（針頭需磨平） 2支、透明塑膠軟管（或橡皮管） 20 cm、有蓋透明塑膠瓶 1個、半透明塑膠瓶 1個、單孔塑膠塞 1個、小塑膠塞 1粒 二、   藥品 魯米諾（Luminol，光敏靈） 0.1g、過氧化氫(3% 雙氧水H2O2） 5 mL、赤血鹽（鐵氰化鉀K3Fe(CN)6） 0.3 g、氫氧化鈉 4 g、氰光棒（市售14吋犀利光） 1支 n  設計與製作過程 1.        用熱熔膠將2支35 mL的塑膠注射筒黏成一組並聯式注射筒，如相片二所示。 相片二：並聯式注射筒 2.        將2支注射針頭之尖端剪掉或磨平，再分別插入3孔橡皮塞之2個孔中。另在3孔橡皮塞之第3位置孔插入一支硬質塑膠管（勿穿出橡皮塞），如相片三所示。 相片三：插入2支注射針頭與一段硬質透明塑膠之3孔橡皮塞 3.        將2支並聯式塑膠注射筒之注射針接頭分別插入在3孔橡皮塞中之注射針孔中，另以一條長約20 […]

104年國中教育會考 自然科（理化）試題分析 祁明輝 臺北市立龍山國民中學（退休） jerrychi66@gmail.com 104年國中教育會考（以下簡稱教育會考） 已於5月16~17日（六～日）舉行完畢，由國立臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心（以下簡稱心測中心）負責命題、組卷、閱卷與計分，心測中心於6月2日起逐步公布各項結果，並提供考生教育會考成績查詢。 n  會考功能與評量結果 國中教育會考採標準參照方式呈現學生各科結果，依據課程綱要及學科內涵，邀請學科教授、中學教師及測驗專家，依據事先制定的各能力表現標準，對各科學生能力等級做「精熟」與「基礎」等級的門檻切點設定，將各科評量結果分為「精熟」、「基礎」及「待加強」3個等級。心測中心公布104年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計結果[1]，如表一所示，與103年結果如表二比較，待加強人數百分比略減。 表一：104年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計 等級 精熟 基礎 待加強 答對題數 47~54 19~46 0~18 人數百分比 13.89% 63.30% 22.81% 表二：103年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計 等級 精熟 基礎 待加強 答對題數 46~54 19~45 0~18 人數百分比 14.37% 60.38% 25.25% n   自然科（理化）試題評析 104年教育會考自然科題本[2]總題數為54題，其中測驗內容歸屬於理化部分共28題，所占比例為51.85%，題型均為單一選擇題（單題、題組）。分析理化試題28題中，22題含有圖表，與實驗相關的題目有11題，與計算相關的題目有9題，結合生活情境則有8題。〔補充說明：以上是根據各單題分析，因此題數會重複〕 基本上，就此次教育會考理化科試題而言，大都能掌握課程內容的基本、重要的知識與概念，也少有需要繁雜計算的題目。茲舉部分理化試題為例，並稍加說明。 〔例1〕 〔例2〕 〔例3〕 〔例4〕 〔例5〕 〔例6〕 n   結語 報載清華大學榮譽講座李家同教授評論教育會考的基本題太少，心測中心也予以回應[3]，由表一顯示，此次教育會考中，約有22%的國中畢業生，無法達到「基礎」等級，也就是答對題數未超過自然科總題數的三分之一（即18題）。個人認為還是要回到教育會考的主要功能—學生學力檢定，如何在不影響測驗結果的有效性與準確性的條件下，教育會考試題的內容與難度也是可以有所調整的。 n   參考資料 1.        104年國中教育會考各科計分與閱卷結果說明，http://cap.ntnu.edu.tw/exam/104/PressRelease_1040605.pdf。 2.        104年國中教育會考自然科題本，http://140.122.228.14/104cap/104P_Nature150DPI.pdf。 […]

奈米風華—奈米教育之推廣以奈米營隊為例 柯翠菱1、楊欣旻1、郭芊汝1, *、丁信中2, *、陳東煌3, * 1高雄市立三民國民中學 2嘉南藥理大學兒童產業服務學位學程 3國立成功大學化學工程學系 1, *chainrule@cc.smjh.kh.edu.tw 2, *hcting607@gmail.com 3, *chendh@mail.ncku.edu.tw n  前言 奈米科技的潮流已經衝擊全球的科學教育界，而奈米科技的掌握和發展也代表了國力的進步（潘文福，2004；吳文龍、徐愛均、黃萬居，2012），故世界各國無不盡力地融入奈米科技相關的知識到教學和日常生活中，增加大眾對此科技的熟悉，以利公眾事務的推行，如英國早期的科普活動（public understanding of science，公眾理解科學）。自從震驚全台的SARS風暴喚醒我國對奈米教育的注意力，促使教育部開始辦理奈米基礎教育推廣活動，我國國家科學委員會自2003年便開始推動一系列奈米相關計畫，而本校三民國中擔任奈米種子學校已逾10個年頭，在推動奈米科技教育上不遺餘力，這十年來我們的奈米團隊辦過100場以上的推廣活動，包括奈米營隊下鄉，科工館的奈米魔法營，其中奈米K-12融入教學的計畫中，國中階段的教材即是由本校師生共同討論編纂而來。推廣對象從小學生、中學生、小學老師、國中教師、家長到一般民眾，深入淺出的講解配合動手做，把深奧的奈米科技推廣到各個角落，深受學生、家長、老師好評。 20世紀以來，自從Deway提倡「Learning by doing」的概念，在科學探究和教學的領域裡我們便相當重視實作的部分，尤其是近年來非制式科學教育逐漸受到重視，NSTA（1999）認為非制式教育包括由營隊、博物館、戶外教學等機構所規劃或發展的一些課程或是實作體驗，而且非制式教育因為能夠與制式教育有互補的作用（Laherto, 2012），故在促進學生對科學的學習興趣和科學素養上也有一定的貢獻（Stocklmayer, 2010；鄭瑞洲、洪振方、黃台珠，2013），故近幾年本校三民國中將奈米活動聚焦於融入教學，成為自然領域教學特色。除了原有的奈米營隊之外，增加了師生合作共同編撰，專為國中生設計的奈米教材，融入奈米教材在校內自然科與社團教學、參加奈米科技教學模組競賽，並於國三會考後舉辦奈米週等活動。 去年本校奈米團隊特地為學生規劃一場奈米科學魔法營，活動內容包含4個關卡：奈米特性介紹、彩蝶效應DIY、奈米碳球模型DIY、趣味化學示範實驗與互動，ITEA（2003）提出科學教育應該強調實作，因為親自動手體驗是最能直接強化科技技能，並且能夠訓練孩子自己發現問題（王郁文，2004），故本次化學示範實驗進行方式採用〝先感受驚奇的化學，之後再藉由互動的討論方式以瞭解原理”，並於本次活動中加入反思的部分以期提高溝通、解決問題的能力及跨領域學習的能力（魏明通，1997；范姜林鳳，2009）。 n  活動流程 本次研習活動對象為國小六年級學生和國中一、二年級學生，奈米課程的三位講師對奈米課程的講授都有相當豐富的經驗，楊水平教授更是演示實驗界的翹楚，課程內容及講師的背景如下，奈米特性介紹：由南區奈米中心種子教師郭芊汝師負責，主要講述奈米的尺度、意義及應用；彩蝶效應DIY：由南區奈米中心種子教師李道良老師講授，主要內容為光的性質（色散、折射、干涉繞射）、光子晶體的定義、蝴蝶翅膀的表面構造及彩蝶效應，最後利用光柵片及透明膠帶進行彩蝶效應的模擬實驗；奈米碳球模型DIY：由高雄市國教輔導團自然領域兼任輔導員蔡志清老師擔任，內容包含介紹碳的家族及奈米碳管的發現、種類、結構、特性還有其應用；趣味化學示範實驗與互動：特聘彰師大化學系楊水平教授主講，內容包含壓縮的鋁罐、阿拉丁神燈、瓶中精靈、大象牙膏、蒸汽引擎、燒不破的紙鈔、薑黃紙上畫圖和寫字及酸鹼龍捲風等主題。 活動開始全體學生先共同參加奈米特性介紹的關卡，並且進行奈米成就測驗與科學學習興趣問卷前測，接下來將學生們分成三組，分別輪流進行彩蝶效應DIY、奈米碳球模型DIY、趣味化學示範實驗與互動這三個關卡活動，每個關卡進行一小時後再進行交換，一共輪流3次，使每個學生可以參與到每一關卡（見圖一），最後再進行奈米成就測驗與科學學習興趣問卷後測。     圖一：奈米特性介紹（左上）、彩蝶效應DIY（右上）、奈米碳球模型DIY（左下）、趣味化學示範實驗與互動（右下） 由於想知道資訊爆炸的現在孩子們對奈米的背景知識及學習興趣是不是與之前的研究一樣，故今年的營隊除了以往的課程外也加入了科學學習興趣問卷及奈米成就測驗學習單的元素並利用統計方法進行分析，茲就其結果與大家分享。 n  資料量化分析之結果 一、認知測驗和學習興趣分析 本研究使用SPSS20.0統計軟體進行量化分析，首先將全體學生共71人的奈米認知測驗和4科學學習興趣量表進行前後測分析，如表一所示。 表一：奈米認知測驗和學習興趣的前後測 組別 人數 平均數 標準差 前測 後測 前測 後測 前測 後測 奈米認知 71 71 8.87 12.08 2.52 […]