臺灣化學教育
Chemistry Education in TaiwanBlog Archives
簡易比色計的發展A-濁度計的設計與實驗探究 ／ 廖旭茂
Wednesday , 4, March 2026 化學實驗室, 第六十三期/2026年3月 Comments Off on 簡易比色計的發展A-濁度計的設計與實驗探究 ／ 廖旭茂簡易比色計的發展A-濁度計的設計與實驗探究 廖旭茂 臺中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 nacl880626@gmail.com 摘要：本文介紹一款簡易濁度計，該濁度計使用紅外線IR LED作為光源與接收器，溶液樣品置於黑色比色盒的玻璃品內；不需撰寫程式編程，僅藉常用的三用電表，即可測量IR LED接收器所散色光的強弱，來紀錄比色盒中溶液濁度；此計由USB介面提供穩定的電源，搭配限流電阻與可變電阻，可調整入射光的強度與輸出訊號的強弱；在濁度4~100 NTU的標準液所製作的檢量線，相關係數R2可達0.9993，與商用的濁度計製作的檢量線0.9994相差無幾；若搭配可變電阻使用，在4~ 400 NTU的溶液製作的檢量線的相關可達0.9998，顯示可變電阻可降低入射光強度，適於偵測濁度更高溶液。 前言 108課綱選修化學V中的有機化學與應用科技課程中，安排了環境汙染與防治相關的主題，將常見水汙染的檢測（濁度、酸鹼度、導電度及溶氧度等）列入實驗之中。這些檢測項目都有可攜式的儀器可以添購，其金額約在數千至數萬元之間，其中濁度計的價格較為高昂，如果列入一般學生實驗，昂貴的購置成本（含多種濁度標準液），將對高中學校是一筆沉重的負擔；若使用創新的數位科技Arduino 平台，結合數位感測器-濁度計，價格著實降低大半，惟化學教師須具備跨界資通訊領域能力，這樣門檻不算太低，恐是另一種教學的阻力；因此研發出一種簡易、便宜，不需要撰寫程式即可測量、紀錄反應過程中濁度的變化的濁度計，是一項相當有挑戰性、有意義的目標。 本文將介紹一款簡易型濁度計，將盛裝取樣溶液的玻璃樣本瓶置入黑色的壓克力比色盒中，比色盒四方預留孔洞，其一做為紅外光LED甲（型號TSGH6210, 850nm）發射光源的駐紮安裝處；當紅外光LED正、負腳位兩端通入約1.5V的直流電後，進入溶液的紅外光會被溶液中顆粒大的膠體或懸浮微粒散射，散射光隨即於90度角處預留孔洞的另一紅外光LED乙接收器接收；此時以三用電表的連接紅外光LED乙的正、負兩極，因為光電效應使然，可直接測量出LED乙兩端電位差的存在；水中濁度越高，被散射的光越強，電位差則越大。簡易濁度計的相關設計示意圖如圖1所示。 圖1 圖左為簡易濁度計的外觀，圖右為設計圖 器材與藥品 一、器材 簡易濁度計實驗模組1組、三用電表、Vernier 濁度計（TRB-BTA）、Gravity 類比式濁度感測器、4毫升玻璃樣本瓶7個、5.00毫升移液器、移液吸頭。 二、藥品 所需溶液，A溶液的製備：六亞甲基四胺溶液(Hexamethylenetetramine solution)：將 10.0 g 六亞甲基四胺溶於RO水中，並稀釋至 100.0 mL。B溶液的製備：硫酸肼溶液(Hydrazine sulfate solution)：將 1.0 g （NH2）2 • H2SO4 溶於RO水中，並稀釋至 100.0 mL。 研究方法與步驟 一、常見濁度計原理 筆者搜尋文獻，並參考Arduino版的濁度感測器、Vernier專業商用濁度計等，兩者的外觀結構明顯不同；創客們常用的Arduino濁度感測器是利用波長910 nm紅外線作為光源，接收器為位於180o對向的紅外線光電晶體（IR phototransistor），紅外光檢測水中因總懸浮顆粒（Total suspended solids, TSS）含量的高低所造成的透光率與散射率的變化（總懸浮固體增加，溶液濁度上升）。其缺點是必須把感測器泡到水中，使用者甚至必須製作支撐架，使整個濁度器平穩地待在待測容器中，同時必須防止電線的連接處進水，造成濁度計度電路燒毀的風險。而商用濁度計亦使用不受溶液顏色干擾的紅外光為光源，測量的樣品則被放置到一個玻璃樣本瓶中；當紅外光通過樣品溶液時，水中懸浮顆粒會散射光線，接收器則位於90o方向的固定位置，來偵測散射光的強度；若偵測到的散射光越強，代表水的濁度越高（Turbidity, 2025）；其優點為準確、並備有標準液隨時提供校正，惟價格昂貴，高中學校難以普遍購置，圖2為兩種濁度計的外觀。 圖2 圖左為arduino用濁度感測器，圖右為Vernier […]
系統思考在化學教育上的應用：導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願 ／汪俊宏
Saturday , 9, December 2023 國內外化學教育交流, 本期專題, 第五十四期/2023年12月 Comments Off on 系統思考在化學教育上的應用：導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願 ／汪俊宏系統思考在化學教育上的應用：導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願 汪俊宏 Department of Science, Northland Pioneer College, Little Colorado Campus, Winslow, AZ, 86047 chun-hung.wang@npc.edu n 前言1 美洲原住民在美國教育體制屬弱勢，偏鄉地區的高等教育實屬不易推動之任務，許多原住民學生無法在六年內完成美國二年制大學學院便離開學校，即使留在原校轉系的學生也常常選擇放棄理工相關領域的路線而轉至其他領域。將系統思考導入到普通化學課已有許多院校實施，此不僅提高學習意願，也讓學習更有效率，在僅有少數學生主修化學的前提下讓較多學生不畏懼修化學課。將美洲原住民部落納瓦霍（Navajo）與霍皮（Hopi）部落的文化導入到普化課中也提高學生學習興致，將學生自身文化與化學做結合，在基礎科學課程中引起了極為顯著的影響。 n 什麼是系統思考？ 系統思考背景 大一基礎課程的學習目的是提供學生大的框架，從中尋找出自己可能有興趣的課題，藉而延續類似的課題而逐步刻畫出職業生涯的藍圖。普化課程的安排是從第一章的「什麼是化學」開始，然後一步步從原子、分子、離子架構，化學反應，化學鍵，氣態、液態、固態、溶液，熱力學，化學動力學、化學平衡等等。但在學習過程中往往產生一些疑問：學習這些內容要如何跟日常生活與未來職涯發展找到相關性。地球限度（planetary boundary）的概念（Rockström, 2009）最早由Johan Rockström等人於2009年提出，加拿大埃德蒙頓國王大學的Peter Mahaffy團隊製作的地球限度（planetary boundary）（KCVS, n.d.）網頁，讓學生更容易地了解地球限度，裡面從許多人類的重大議題：氣候變遷、海洋酸化、乾淨水源等等衍生出更多議題，這過程中引導出我們需要知道的基本概念，例如想要研究氣候變遷議題，就必須對能量守恆定律（熱力學第一定律）、分子結構與鍵結、氣態化學與化學平衡有基本了解，然後再衍伸出水的高比熱對於調節地表水溫度的重要角色。從小觀點一步步延伸至大觀點，可以幫助學生找到自己的興趣，也可以避免學生因為學習眾多普化觀念卻不知道該如何延伸至其他議題。 n 納瓦霍與霍皮文化 與美洲原住民的生活環境息息相關 歷史上納瓦霍與霍皮原住民部落主要位於猶他州、亞利桑那州與新墨西哥州，我所任教的學校所在位置包含納瓦霍郡與阿帕契郡，有部分校區在原住民部落：納瓦霍、霍皮與阿帕契，我負責教學的區域包含了納瓦霍與霍皮，這兩個部落所在位置在歷史上飽受空氣與水污染的影響，急需要理工相關背景的學生在畢業後回到原部落改善當地生活，而原住民的文化也鼓勵部落族人回到故鄉服務。在這樣的前提下，使用地球限度的概念告訴學生這個世界所面臨的問題，然後引導學生思考他們祖先世世代代生活的土地面臨了一些自然資源耗竭以及環境污染的問題，在Mahaffy等人設計的網頁中可以提醒學生氣候變遷、乾淨水源等問題可能已經在部落耆老口中聽到許多，在許多年前的部落沒有空氣與水污染的問題，現在卻浮現越來越多類似問題（Armao, 2023），當中牽連了許多歷史因素，導致目前的居民必須面對這些問題。系統思考可以引領學生思考更深層面的問題，例如乾淨水源需要學生了解酸鹼化學與分子結構與鍵結，學生會更想了解pH值與分子間作用力（例如極化作用與氫鍵）的概念，而這些概念在普化課程中皆有提到。 我在開學第一週並不是開始從普化第一章開始講起，而是用故事串連起所有的章節，引導學生思考為什麼他們需要學習普化，我從他們的日常生活環境開始引導，例如：（一）這個地區的水源來自科羅拉多河（Colorado River）以及其分支小科羅拉多河（Little Colorado River），然而這個區域的水質偏硬，因為水中碳酸鈣CaCO3的含量過高，所以在煮開水時水壺底部總是一層白色物質。（二）原住民部落耆老會使用各種藥材來治療疾病，而這些藥材只生長在特定區域，若是在保護區內，往往很少有機會能夠在藥理上有所研究，這與歷史上原住民不喜歡歐洲移民來到他們生長環境做研究有關，也因為這樣，研究相關藥物的責任便落在部落有受高等教育的年輕人身上。（三）在亞利桑那州溫斯洛（Winslow）地區附近有座火力發電廠Cholla Power Plant將在近兩年內關閉（Decenti, 2022），關閉之後面對的問題則是尋找新的電力來源，雖然說亞歷桑那有大片沙漠，理論上適合發展太陽能電力，但這樣的來源是否能穩定供應當地呢？（四）另外引導學生思考的則是地質上的問題，世界知名的大峽谷國家公園距離我任教學校僅兩個小時車程，但我們對於這座國家公園還有很多不了解的地方，研究地質化學是否能夠尋找到與大自然和平相處的方法呢？藉由引導學生思考這些問題，然後連結到化學相關領域，讓學生提高修習普化的動機，知道學習這些普化基本概念對未來可能有什麼幫助。普化教材是基礎中的基礎，如果能一開始就讓學生發現這個章節彼此的關聯性，可以提高學生留在STEM領域中繼續往上學習。 如果學生通過普化上且持續堅持修到普化下學期末，我要求學生做簡短的十分鐘口頭報告，讓學生決定他們自己感到有興趣的化學相關題目，我也鼓勵他們選擇與他們生活息息相關的題目。例如有位較年長的學生便報告他年輕時在原住民保護區內的火力發電廠工作發現的水污染與空氣污染的嚴重問題，剛好就連結到學期剛開始的地球限度議題。另外有學生報告在原住民保護區的牲畜偶爾會得到一些罕見疾病，而這些疾病只發生在原住民保護區的牲畜身上，所以相關的研究與治療方法非常稀缺，於是我便鼓勵學生繼續學習，未來朝向學生設定的生物工程領域前進。另外也有學生提到與原住民文化息息相關的可食用的仙人掌皮約特（peyote）（Horgan, 2017），此仙人掌含皮約特生物鹼，傳統上只有在部落中德高望重的人士可以在祭典中使用皮約特仙人掌與祖靈溝通，在聆聽完學生報告後得知此皮約特生物鹼與神經傳導物質高度相關，於是我便鼓勵學生繼續往此方向前進，持續在大二修有機化學，未來朝向藥物化學領域獲得更多相關知識。 表1與表2為近三年我開始在北疆先鋒學院教課的統計數據，包含出席率與平均成績。從平均成績的角度來看，並不容易看出導入系統思考前後的差異，因為學生成績計算方式有多方考量，且基礎化學的平均成績明顯低於普通化學。但從出席率來看，系統思考確實提高學生的上課意願，且從普化下學期末學生的課程反饋與口頭告知，70%學生確實明顯提出因為系統思考的緣故，學生更能確定自己未來想走的方向。 表1 基礎化學近三年出席率與平均成績。此課程主要以未來志在從事護理人員為主的基礎課程，僅傳授一個學期，許多學生在高中之前從未修習任何化學課程。我的第一年任教（2020秋季與2021春季）為新冠疫情嚴峻期間，必須完全網路授課，且學生若住在偏遠地區，無線網路往往不穩定，故無統計出席率紀錄。 導入系統思考前 導入系統思考後 基礎化學 2020秋季 […]
參與國際研討會擴展國際視野 —新式化學週期表桌遊分享 ／鐘建坪、鐘君瑋
Sunday , 3, December 2023 國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月 Comments Off on 參與國際研討會擴展國際視野 —新式化學週期表桌遊分享 ／鐘建坪、鐘君瑋參與國際研討會擴展國際視野 —新式化學週期表桌遊分享 鐘建坪1*、鐘君瑋2 新北市立錦和高級中學國中部、新北市南山中學國中部 hexaphyrins@yahoo.com.tw n 前言 每隔2年舉辦一次的NICE（The Network of Inter-Asian Chemistry Educators）研討會，由於COVID-19疫情關係，原定於2021年舉辦，延宕二年的時間之後，在2023年7月底於馬來西亞舉辦完成。與會人員來自臺灣、日本、韓國、馬來西亞、印度、新加坡等國家的大學教授、中小學科學教師，以及中學學生。大家齊聚在有「貓城」之稱的古晉市，共同分享與討論化學教育相關領域主題。本次第一作者發表2篇海報論文，其一為以探究與實作的方式在彈性學習課程協助學生發展探究能力，強調在國中階段的彈性課程，能夠以探究與實作的方式讓學生能夠經歷包含發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等階段探究歷程，以發展學生的探究能力（鐘建坪，2023）；其二為與本文第二作者共同開發化學週期表桌遊，著重如何協助學生透過遊戲化的方式進行單元內容的學習（Chung & Jong, 2023）。本文著重在化學週期表桌遊開發、研討會報告內容與參與歷程的心得分享。 n 化學週期表桌遊遊戲 一、桌遊遊戲 桌遊遊戲是指以能在桌上進行的規則遊戲，例如：卡牌或棋盤。玩家在遊戲規則之下，進行策略思考，以其能夠獲得勝利。目前市面上的桌遊遊戲樣態與種類多元，但以科學概念為主題的遊戲則較為稀缺。以市售「動物園」與「演化論」為例，「動物園」以不同種類動物取代傳統數字大小，藉由類似「大老二」的遊戲規則，最快將手中的卡牌出完者獲勝，其主題雖然藉由動物園中常見動物作為主軸，但是模擬以食物鏈之間的不同階層獵食者的關係並未與實際生態模式相符。「演化論」以達爾文演化論為其科學理論基礎，強調性狀、獵食等概念，讓玩家能夠藉由遊戲歷程理解生物演化的歷程，但因遊戲設計與演化理論仍有些微出入，以及規則理解與實際遊玩需要較久時間才能完成，使得課堂的實際運用較為缺乏。 二、週期表桌遊遊戲 週期表是化學學習一項重要的概念，不僅涵蓋不同元素的物理及化學性質，亦牽涉相似元素之間的週期關係，例如：鋰、鈉、鉀皆為第1族，最外層電子為1個，其活性隨著分子量增加而增加。文獻上許多學者與教師曾設計化學週期表桌遊或卡牌遊戲，協助學生進行學習（e.g., Benedict, 2023; Franco-Mariscal & Cano-Iglesias, 2014），例如：Franco-Mariscal和 Cano-Iglesias設計填空讓學生以元素的相關物理性質進行填字遊戲，藉由Bingo的填字遊戲方式協助學生熟悉元素的性質與符號（Franco-Mariscal & Cano-Iglesias, 2014）。Benedit以週期表作為形成性評量，讓學生在學習完週期表的元素性質與週期性之後，以梯子與蛇「ladder and Snake」的規則，讓學生進行週期表桌遊的遊戲，若學生有錯誤時可掃描二維碼，透過擴增實境獲得答案的說明（Benedit, 2023）。 n 發想主題與新式週期表 一、新式週期表桌遊發想 週期表在國中、高中階段皆為重要的化學概念之一。自然領綱在第四階段的學習重點預期學生能夠理解元素與化合物有特定的化學符號表示法，以及元素的性質有規律性和週期性（國家教育研究院，2018）。國中學生在此階段需要理解元素符號、知悉其相關的物理與化學性質、質子數、電子數、質量數繪製而成的原子模型等內容。本文作者思考如果能夠以遊戲化（gamification）的方式整合相關的內容，則能促進學生的學習。 先前有一款桌遊相當熱門，名為「狼人殺」。遊戲規則主要藉由不同角色扮演並提供訊息，由眾角色判斷誰是狼人，過程中玩家需要記憶、整理，及判斷不同角色提供的訊息內容。基於先前帶領學生的經驗（Jong et al., 2017），如果將相關的判別內容作為學生的訊息背景，則當每位同學說出相關科學訊息，再讓其他同學思索與判斷哪一位與其他人不同，則是一項可以進行的互動桌遊。有此想法之後，開始與第二作者集思廣益，以設計思考的模式進行設計「Who is different?」週期表卡牌桌遊，並完成成品實作（見圖1），同時實際讓任教8年級學生學習完元素週期表單元之後，進行遊玩找出遊戲優點與缺失（見圖2）。學生的回饋幾乎都是正向的反應，包括：提升學習的趣味性、能夠幫助記憶與複習、成績良好的學生不見得一定分數最高等，缺失在於需要修正遊戲規則中思慮不周之處。 […]
銀奈米粒子的微量合成和鑑定 ／ 楊水平
Friday , 2, September 2022 化學實驗室, 未分類, 第四十九期 / 2022年9月 Comments Off on 銀奈米粒子的微量合成和鑑定 ／ 楊水平銀奈米粒子的微量合成和鑑定 楊水平 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n 簡介 本實驗的目的是透過化學還原法來微量合成銀奈米粒子（silver nanoparticles），利用氫硼化鈉（sodium borohydride）當作還原劑，還原銀離子（Ag+）成為金屬銀（Ag）。氫硼離子（borohydride ions）也當作穩定劑用於分散銀奈米粒子，並使用PVP當作穩定劑。本實驗的微量鑑定方式有廷得耳效應、繞射、聚集、穩定和光譜分析等。為節省藥品用量和保護生態環境，本實驗採取微量實驗和一鍋合成法（one-pot synthesis）；為避免用過的器材造成的污染，直接使用未用過的樣品瓶和PE滴管。 n 實驗原理 一、 奈米材料及其特徵 奈米（Nanometer, nm）是表示長度的單位或尺度，1奈米（nm）等於1微米（μm）的1/1000，也等於10‒9 m。通常，奈米用於表示原子或分子等級的粒子大小或電磁波的波長，例如：銀原子的直徑為0.288 nm，能引起尿結石的細菌最想直徑為50nm；病毒的大小範圍為20-250 nm，可見光範圍約為380-750 nm，紫外線的波長為200-380nm。奈米等級的物體肉眼和光學顯微鏡看不到，需要用電子顯微鏡才能觀察到。奈米材料就是指是指在三維度中至少有一維度處於奈米尺度（介於1-100 nm）或由奈米尺度範圍的物質為基本結構單元所構成的材料的總稱。銀的原子半徑為0.28 nm，假設銀奈米顆粒球形的直徑範圍為1-100 nm，銀原子的數量從30至3.0 × 107個原子。 奈米材料出現兩項重要的特徵。其一為表面原子數激增：與相同質量的巨觀材料相比，奈米等級材料的表面積對體積的比例激增。在1947年，第一代電晶體的尺寸在1 cm以上，在iPhone 11的Apple A13擁有85億個電晶體。現今，一個電晶體長度不到5 nm，縮小程度超過第一代約200萬倍。曾經是世界第一高樓的臺北101大樓，相當於其高度509米縮小到0.25 mm。通常較小的奈米粒子具有較高比例的表面金屬原子，導致較高的催化活性和更具化學反應性。其二為量子效應（Quantum effect）：不同於巨觀世界，量化效應中能量是連續的。當材料由巨觀縮小至接近於原子或分子層次大小時，奈米的能量分布由連續轉變為量化的狀態，從而明顯地影響奈米材料的許多性質。量子尺寸效應（Quantum size effect）是由”限制”的現象所引起的，並且在10 nm或更小的奈米粒子中更為普遍發生。在塊狀材料中，電子的移動被視為波狀，並且可以“自由”在原子之間移動。當縮小粒子為奈米大小時，電子波的空間範圍與粒子的大小相當，電子開始“感覺到”粒子邊界的存在並相應地調整它們的能量。透過這種方式，電子被“限制”在量子化的能階中。奈米材料呈現出量子效應有截然不同的特性，例如：鋁等穩定的材料是可燃的，矽等絕緣體則變成導體。 以光學特性為例，當奈米粒子足夠小時，其光譜吸收能量與奈米粒子的表面有很強的耦合，尺寸在2-10 nm的奈米粒子會表現出離子化的共振效應。這是由於奈米粒子的價電子（valence electrons）當照光時激發至能量較高的導帶（conduction band），然後該價電子的能量以光的形式自發性釋放而回到穩定的價帶（valence band）。這種共振效應通常稱為表面電漿子共振（surface plasmon resonace, SPR）或局域表面等離體共振（localized surface plasmon resonace, LSPR），如圖1所示。不同粒徑的奈米粒子具有不同的能隙大小，表面電漿子共振的能量也不同。（註：開啟圖1的圖片來源網址，雙擊綠色圖示，即可觀察到表面電漿子共振現象。） 圖1：表面電漿子共振的示意圖，左上圖為面極化入射光：波長520 nm，極化方向與短軸平行；左下圖為面極化入射光：波長520 nm，極化方向與短軸垂直；右上圖為面極化入射光：波長1000 nm，極化方向與長軸垂直，步伐生共振效應；右下圖為面極化入射光：波長1000 nm，極化方向與長軸平行，發生共振效應。 […]
第四十期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw 最近因辦理「元素週期表環島之旅」活動，有幸到各借展學校去參訪和演講，讓我有機會對都市型的學校和偏遠學校有進一步的認識，最讓我感動的是遇見一群熱心推廣科學的教師，從決定借展到訓練志工學生解說展品、設計與元素相關的實驗和Google問題表單、尋找相關書籍、網路元素資訊與影片，到布展和正式展出，都需要在教學之餘額外撥出時間和精力來策展，但是教師們大都表示在這過程中與同事一起努力的經驗很值得回憶，同時，看到孩子們對展品的好奇與讚賞，這一切付出似乎就都值得了。 但是，在這些拜訪中我也發現學校實驗教學的落實，還是與理想有一段距離的，尤其是越偏遠的學校，這樣的問題似乎就越加嚴重。實驗教學未能正常化，原因有很多，有的可能是因教學內容太多，時間不夠，犧牲學生做實驗的機會，以便趕上進度，忘了自己當初起心動念唸科學，就是對實驗的著迷。實驗是科學的核心，上課所教的許多內容都是從實驗的結果而來的，教學不重過程只重結果，如何培養學生思考、設計實驗、收集和分析資料，以及推理論證和建立模型的探究能力呢? 有的是沒有實驗室負責管理的人員或是教師，在沉重的教學已無法負荷的情況下，實驗活動的進行就不會是優先的考量。或者有的是沒有足夠的經費採購設備和藥品，於是僅拿粉筆上課述說實驗的結果以乾實驗的教學處理。個人認為這一波教改的側重點就是探究與實作，不論哪個階段都應積極改變學校自然科學的教學文化，回歸科學實驗是科學教學的靈魂，讓學生能經歷科學探究的歷程，嘗試瞭解科學家如何進行問題解決、如何跳脫既有的思維框架、如何根據證據進行推論和建立模型和科學理論。若是時間不夠，是否應先思考是否教太多了?若是沒有足夠的人力準備實驗器材和藥品，教育主管單位是否應該正視這個問題，提出解決的辦法? 若是經費不足，學校是否應該在經費調度上多考量科學基礎教育的資源分布?政府是否應重新評估科學與科技是國家競爭力之所，而多給予應有的發展空間與經費? 實驗如此重要，除學生親自操作外，若因特殊原因，教師演示實驗也是一個可以採取的策略。本期的專題為〈化學示範起始探究與實作〉，主要是延續第37期的專題〈中學化學示範〉以示範實驗為主，特約主編楊水平教授寫了一篇完整介紹各篇內容的文章，在此不贅述。基本上，七篇文章多為可以直接適用在學校課堂中，雖是示範實驗，但重點應是著重在引導學生進行有意義的觀察與紀錄，並瞭解探究問題與從觀察現象到推理與論證。示範實驗常受限於授課時間的不足、或是實驗的危險性，使得學生無法親自進行實驗，但雖是如此，也不至於影響學生的學習，示範實驗可以解決一些現場教學的問題，只要教師妥善設計，適時引導與提問，學生亦可從中受惠並得到啟發與靈感。 本期的常態性文章還有翁群評、吳國良和周建儒的「自然科學探究與實作試題初探」，文中說明設計符合課程綱要的試題所需考量的架構，並舉實例加以闡述，可供教師參考。廖旭茂的「微型電熱式蒸餾器的設計與製作」，目的在取代傳統式的玻璃裝置，降低成本、減少玻璃易碎的問題，但又不影響實驗結果，符合綠色化學的目標，值得教師參考。教師們心動後要能行動，期待學生因此而有更多做實驗的機會。鄭志鵬的「大氣壓力實驗與建模課程」，利用新興科技Arduino儀器測量大氣壓力以及以Algodoo模擬粒子碰撞的模型設計課程，讓學生透過數據、模擬與模型進行影響壓力大小因素的思考與論證，教學歷程的活動設計提供師生互動以及啟發學生創意與推理思考，符合自然領域課綱的內容，可提供教師參考。
製作天然柚香清潔劑 黎渝秀 國立中央大學附屬中壢高級中學candy@clhs.tyc.edu.tw 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。 l 椰子油起泡劑和弱酸性起泡劑起泡效果較佳，但沒有滋潤功效，敏感性肌膚慎重選擇。 l 氨基酸起泡劑和無淚配方的兩性起泡劑最溫和，發泡效果亦十分顯著。 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。 […]
草酸鎂溶解度積常數測定的改良實驗 ／ 陳欣怡、李晨君、戴珮玲
Wednesday , 5, September 2018 化學實驗室, 化學課程與教材, 第27期/2018年9月 Comments Off on 草酸鎂溶解度積常數測定的改良實驗 ／ 陳欣怡、李晨君、戴珮玲草酸鎂溶解度積常數測定的改良實驗 陳欣怡*、李晨君、戴珮玲 新北市立中和高級中學*shinekudo@gmail.com n 前言 本實驗試圖改良草酸鎂溶解度積常數測定的實驗方法，先以三碘離子代替過錳酸鉀滴定草酸根離子，測量草酸根離子的濃度，求出草酸鎂濃度積常數；再利用滴定過的溶液以氫氧化鈉滴定，測量鎂離子濃度，求出草酸鎂的溶解度積常數。藉由此兩個實驗，可雙重確認其實驗數據的準確性，且符合綠色化學的定義，把對人體和環境危害較大的藥品，替換成較無危害的藥品，既能測定草酸鎂濃度，又不會對環境造成太大影響，真是一舉兩得。 n 原理和概念 一、課本原設計實驗 在基礎化學（三）課本中，草酸鎂的溶解反應如式[1]所示，其溶解度積常數的表示如[2]所示。 MgC2O4(s)⇌Mg2+(aq)+C2O42‒(aq)[1] Ksp=[Mg2+][C2O42‒][2] 課本原設計實驗有兩個部分：第一部分為先將草酸鎂溶解，過濾溶液，秤未溶的草酸鎂的量，求草酸鎂溶解度，再求其溶解度積，但此法因實驗過程中容易因過濾與乾燥等問題造成大誤差。第二部分是利用過錳酸鉀滴定草酸根離子，紀錄滴定過程中消耗的過錳酸鉀莫耳數，可推算草酸鎂溶液中草酸根離子的濃度，藉此求草酸鎂的溶解度積常數，其反應如式[3]所示。 2MnO4(aq)+5C2O42‒(aq)+16H+(aq)→2Mn2+(aq)+10CO2(g)+8H2O(l)[2] 草酸鎂溶解度積常數的使用藥品，如表一所示。過錳酸鉀和硫酸的害處，如下所示。 表一：草酸鎂溶解度積常數的使用藥品 藥品 濃度 體積 草酸鎂 未知 20 mL 硫酸 2M 30 mL 過錳酸鉀 0.02M 未知 (一) 過錳酸鉀的害處 1. 其誤食有害。 2. 接觸過量稀溶液可能造成嚴重皮膚灼傷和眼睛損傷；濃溶液具強腐蝕性，長期暴露會影響中樞神經系統，記憶及判斷會有困難、情緒不穩。400mg/Kg影響生育力。 3. 對水生生物毒性非常大並具有長期持續影響。 (二) 硫酸的害處 1. 健康危害：對皮膚、粘膜等組織有強烈的刺激和腐蝕作用。蒸氣或霧可引起呼吸道刺激，重者發生呼吸困難和肺水腫；對眼睛可引起結膜炎、水腫等，以致失明。慢性影響：牙齒酸蝕症、慢性支氣管炎、肺氣腫和肺硬化。含硫酸的無機酸霧滴具致癌性。 2. 環境危害：對環境有危害，對水體和土壤可造成酸化污染。 二、改良實驗 圖一：改良實驗的概要圖 (一) 原課本設計實驗A：以碘直接滴定草酸根離子 在此氧化還原滴定中，利用草酸根離與三碘離子的氧化還原反應（見式[4]），以澱粉為指示劑，當滴定達到終點時，澱粉的螺旋結構的內部空間，恰能容入碘分子加上碘分子與澱粉間以凡得瓦力固定為一複合物，因此溶液呈現紫藍色，如圖二所示。再利用三碘離子濃度×體積 = 草酸根離子濃度×體積，求草酸根離子濃度，帶入式[5]，求得草酸鎂溶解度積常數。 C2O42‒(aq)+I3‒(aq)→2CO2(g)+3I‒(aq)[4] Ksp＝[Mg2+][C2O42‒]＝[C2O42‒]2[5] 圖二：澱粉與三碘錯離子形成錯合物 […]
《臺灣化學教育》第十五期目錄 ／ 2016年9月
Thursday , 22, September 2016 第15期/2016年9月 Comments Off on 《臺灣化學教育》第十五期目錄 ／ 2016年9月《臺灣化學教育》第十五期（2016年9月） 目 錄 n 主編的話 u 第十五期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕 n 本期專題【專題編輯／陳郁文、童國倫】 u 新世紀的化學工程／陳郁文、童國倫〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：化學工程的重要內涵／呂世源〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：臺灣石油化學工業／李世陽〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：化學工程在製藥過程中所扮演之角色及其發展／李 度、李弘霖、李之穎〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：化學工程在生物科技上的應用與發展／孫一明、朱一民〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：電子材料與電子特用化學工程／竇維平〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：快速偵測與分析的實驗室晶片／莊怡哲〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：節能減碳相關新產業之發展／顧 洋〔HTML｜PDF〕 u 新世紀的化學工程：薄膜水處理技術／童國倫〔HTML｜PDF〕 n 教學教法／化學小故事【專欄編輯／洪振方】 u 拉瓦節的化學革命／洪文東〔HTML｜PDF〕 n 化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】 u 加水來電：鎂電池／廖旭茂、廖心妍、黃家均、林群耀〔HTML｜PDF〕 n 教學教法／高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯／施建輝】 u 疑難問題集錦之一：有關離子安定性和分子偶極的問題／施建輝〔HTML｜PDF〕 n 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／翁榮源1、邱美虹2】 u 1化學教育者的天堂—參加2016 BCCE心得／翁榮源〔HTML｜PDF〕 u 2參加ICCE 2016古晉行的過程和心得／傅麗玉〔HTML｜PDF〕 u 2參加ICCE 2016發表論文感想／鍾曉蘭〔HTML｜PDF〕 u 2參加ICCE 2016發表工作坊與心得分享／廖旭茂〔HTML｜PDF〕 u […]
第十五期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所教授美國國家科學教學研究學會（NARST）理事長（President）國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員mhchiu@ntnu.edu.tw 自幼在中油高雄煉油廠長大的我，總是覺得煉油廠內那些矗立的大型燃燒塔就是我們這些油廠子弟的精神堡壘。不論是幼年往返嘉義和高雄之間拜訪祖父母，或是長大後在大學就讀自臺北返鄉，只要看到半屏山下那些冒著熊熊烈火的幾座中油燃燒塔，就知道家鄉已近，安全與溫暖的感覺不禁油然而生，那是一種返鄉遊子殷殷的企盼。 然而小時候在中油宿舍常會在下雨的日子聞到自廠內飄來刺鼻的異味，大一點才知道那些場內排放的廢氣會形成酸雨，除此之外其他環保的問題逐漸浮上台面，漸漸地形成了後勁事件，使得身為臺灣石油化學（簡稱石化）工業龍頭的中油高雄煉油廠，在反五輕運動之後，面臨遷廠、關廠的命運，最後在服役近50年後終於吹起熄燈號於2015年11月1日停工了。 究竟石化工業是什麼？簡單來說，就是把石油或天然氣變成材料（如塑膠、橡膠、纖維、化學品等），再將這些材料加工成為日常用品（如鞋子、輪胎、衣服、油漆等）的工業，舉凡食（如乳製品）、衣（如纖維）、住（如油漆）、行（如橡膠）、育（如印刷）、樂（如運動用品）、生老病死等皆與之有關，可見石化工業的產品越遍及於日常生活中，一般國民的生活水準也就越高 （臺灣中油公司網站，2016）。 那從教育的觀點來看人才培育，大學設立化學工程系（簡稱化工系）的目的是什麼呢？有的是強調專業知識與應用能力的培養，並兼顧科技創新、環境保護與社會永續發展（臺灣大學化工系）；有的是化工核心訓練及材料科學的專業知識，並著重在新興研究領域和尖端產業的應用（中央大學化工與材料工程系）；有的是強調奈米科技、生物生醫工程、光電科技、精密製程技術與能源暨環境科技等（清華大學化工系）；有的是能源技術與程序系統工程、生物科技與工程、高分子材料與工程、光電材料與奈米工程（成功大學化工系）；有的則是環境科技、燃料電池、高分子材料、光電材料、生醫材料（元智大學化工與材料工程系）；有的重視基礎化學工程知識外，並強調尖端材料與精密製程、生醫與生化工程及高分子與奈米科技之發展與應用（中興大學化工系）；還有的則是強化新能源、節能、環保、工安、衛生等教學目標（臺灣科技大學化工系）等。由此可見化學工程的研究與應用範疇相當廣闊，從生物科技、電子產業、醫用化學、能源工程、藥物、奈米科技等，從專業知識的基礎訓練到實務操作的結合，以推動化學工程的發展。 然因中學自然科學課程綱要多著重於基礎科學理論與原理的知識傳授，對於實務技能的培養較為忽略，更遑論基礎科學知識在應用層面的引介。若有，也通常不是教學的重點，使得學生對於這一門與生活息息相關的學問—化學工程的認識相當有限，也因而對於未來職業的選擇較難掌握，此次特別邀請陳郁文教授和童國倫教授共同擔任本期〈新世紀的化學工程教育〉專題主編，特邀國內專家學者撰文評介化學工程教育的範疇與其具前瞻性的未來，希望可以藉此讓中學教師與學生對這一領域有更具體的認識。 除此專題文章以外，本期還有洪文東教授的科學小故事、廖旭茂老師的影片介紹、施建輝老師的解題、以及數位出席國際純粹化學與應用化學聯盟（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）化學教育委員會的國際化學教育研討會（International Conference on Chemical Education, ICCE）的教授和中學教師就其出席研討會的心得為文分享，他們在大會中積極的參與態度、具創意的教案與實驗分享，都讓國際與會的學者與教師刮目相看，可見臺灣在職教師不斷自我提升與國際學者分享成果毫不遜色。希望未來有更多的中學化學教師可以參與這類型的活動。只要勇於跨出第一步，語言就不再是主要的阻礙了。 參考文獻 臺灣中油股份有限公司網站（2016），http://new.cpc.com.tw/life/classroom-more.aspx？id=4。
新世紀的化學工程 ／ 陳郁文、童國倫
Monday , 19, September 2016 本期專題, 第15期/2016年9月 Comments Off on 新世紀的化學工程 ／ 陳郁文、童國倫新世紀的化學工程 陳郁文1, *、童國倫2, * 1臺灣化學工程學會（理事長）2國立臺灣大學化學工程學系1yywwchen@gmail.com; 2kltung@ntu.edu.tw n 新世紀的化學工程 「化學工程」一辭的源起可從20世紀初的第一次工業革命談起，當時有些學化學的產業人士能夠用燒瓶、試管做出一些有實用價值的東西，當初稱之為應用化學（applied chemistry）。當初的小型工廠，把燒瓶換成大鍋子，生產較大量產品的工作，就是所謂的化學工藝（chemical technology）。為了追求短時間能有大產能，大量的生產自然而然地與機械工程接合，使工作越來越工程化，一個新的工程領域便誕生了，取了個名字叫「化學工程（chemical engineering）」[1]。 然而，一向標榜重視大量產的化學工程過了一世紀之後有了大轉折，這個世紀初幾個國際主要的大型化學工業公司為擺脫製造環境污染的形象，一方面強化製程（intensifying process）以減少生產大宗化學品（bulk chemicals或commodity chemicals）過程對環境的衝擊、另一方面提高對化學的依賴，轉向高附加價值之精緻化學品（fine chemicals）或是生技醫療相關之藥品或化學品。這一波轉型，讓一向著重連續大量生產之化學工業回頭檢視「少量多樣」之生產模式，而化學工程教育也把化學工程科學手法延伸至分子級之微觀領域（molecular scope），使化學工程教育逐漸朝向兩大核心分也: 一為程序導向（process-oriented）之化工程序工程（process engineering），另一為化學導向（chemistry-oriented）之化學產品工程（product engineering）。這些轉變顯示化學工程專業訓練的與時俱進演變彈性，也因此讓化工人除了在專精的石化業之外，也都能在台灣產業轉型的各個階段都扮演了重要推手的角色，如90年代起步的半導體產業、2000年接棒的光電產業，以及這幾年的生技起飛、再生能源與循環經濟等重點產業。成功大學前校長馬哲儒教授就曾打趣的說：「化學工程」是一個「界線不明，無所不在」的領域；化學工程師所學的不只可用在化學工業，在許多新興工業也很有用。 n 本期專題簡介 因此，本專輯特邀請國內專家學者執筆，分八篇介紹新興的化學工業，包含第一篇介紹何謂化學工程、教學核心及其與化學的關連、第二篇介紹高值化取向的新興石化產業、第三篇介紹化學工程在製藥過程中所扮演之角色及其未來展望、第四篇介紹化學工程在生物科技的應用及其未來展望、第五篇介紹化學工程在電子材料產業的應用及其所需電子特用化學品的開發與生產、第六篇介紹快速偵測與分析的實驗室晶片、第七篇介紹國際上節能減碳相關產業之發展狀況與未來趨勢、以及第八篇循環經濟催生下的薄膜水處理及回收再利用技術。期能讓讀者在浸淫化學領域奧妙的同時，能一窺新世紀的化學工程的演變。 n 延伸閱讀 1. 馬哲儒，「大學化工教育的檢討與因應」，化工，62(1)，4-8 (2015)。 2. 吳和生 等著，「化工與材料概論」，高立圖書，第二版，臺北（2015） 3. 吳和生 等著，「化學工程概論」，高立圖書，第三版，臺北（2007） 4. 呂維明，「大家來認識化工」，二版，五南，臺北（2010）。 5. 周更生 主編，「二十一世紀的新化學工程」，五南出版社，臺北（2007）。 6. 翁鴻山 主編 「台灣化工史」，五南出版社，臺北（2013）。 7. 新世紀的化學工程網：http://web.thu.edu.tw/smhsieh/www/Powerpoint-s/index.files/frame.htm。