創意化學實驗 林震煌 國立臺灣師範大學化學系 *chenglin@ntnu.edu.tw            本期的專題文章介紹了幾個有趣的化學實驗，首先是如何將化學偵測方法，連接市售簡易的訊號讀取系統，完成一組手提式儀器的研究。該實驗運用myRIO－學生用嵌入式介面卡（myRIO-1900）。這工具可透過單一可重設 I/O (RIO) 裝置，教導並實踐多種設計概念。myRIO-1900裝置本身兩側均設有以 MXP 及 MSP 接頭形式提供的 I/O，包含 10 個類比輸入、6 個類比輸出、40 個數位 I/O 通道、WiFi、LED、一個按鈕、一個內建加速規、1 組 Xilinx FPGA，以及一個雙核心 ARM Cortex‑A9 處理器。學生可使用 LabVIEW 或 C 做為myRIO‑1900 的程式設計語言。此外，本期還介紹一個小實驗,引導大家對「電漿」的認識。實驗中先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀後，接著利用偵測電漿光譜性質，而得到電漿光譜。該實驗運用日常容易取得的材料組裝成一個可以量測波長數字之光譜儀，同時更引入氣體游離的觀念，讓參與實驗的人可以親手製造類似極光的光暈，使其明瞭在生活週邊其實有許多的現象與電漿息息相關，這是一個令人驚豔的實驗設計。另外，一般人對於質譜儀的印象，大多停留在這是昂貴、精密的儀器，非庶民可用的儀器。本期也介紹了質譜儀應用在食品安全的問題上，例如用在新興農藥的鑑定以及法醫研究上的應用(如指紋鑑定的應用)。 在大型化學災害事件頻繁發生的現今，如何教育年輕人對化學災害的認識，進而將此用火安全相關的教育課程推廣到社會大眾，是刻不容緩的工作項目。本期專文介紹了若干「用火安全科學關卡」小實驗，希望讓闖關人了解如何正確了解並面對「火」的危險。尤其對中學的化學教育進展來看，減少化學藥劑的使用與提升實驗安全，並且同時兼顧學生的實作啟發與化學觀念的傳遞是非常重要的。本期專文介紹的內容可以提供給國內從事化學教育者參考，同時透過集思廣益，可使其他中學的化學老師得以觀摩交流。 最後在對於如何培養學生的實驗創意也有深入的探討。本期專文介紹了一篇深具啟發性以及哲學意涵的文章，針對如何由教育者的角度思考培養學生實驗上的創意有相當良好的看法。文中列舉三個不同的面向的例子，引導讀者反思，由生活面或跨領域的知識去引發創意，尤其所整理的範例與參考資料，比較鮮為中學教育者所注意，很值得從事化學教育者一再閱讀。  

創意化學實驗：嵌入式平台的氣體感測器對不同酵母菌在麵糰發酵過程中二氧化碳變化之研究 郭家瑀、林震煌* 國立臺灣師範大學化學系*chenglin@ntnu.edu.tw   n  摘要 利用本研究自行設計並組裝的二氧化碳感測器搭配NI LabVIEW撰寫程式碼設計嵌入式平台的系統NI myRIO (National Instrument myRIO)，再以自製密封罐放置待與不同的市售酵母菌一起發酵的麵團，以觀察酵母菌在不同溫度環境下的二氧化碳濃度變化，藉此得知市售酵母菌在麵粉發酵時適合的溫度條件並從開始到酵母菌活性下降時的這段時間內共產生多少克的二氧化碳，以研究適合市售酵母菌的發酵環境溫度。 n  實驗原理 揉製好的麵團於發酵時，酵母菌利用水和麵粉所供給的養分（單醣）進行發酵作用產生大量的二氧化碳。麵包作為要好吃的一個關鍵是要有好的口感，其關鍵為麵包內部要產生多孔洞。而內部產生的孔洞乃酵母菌在靜置發酵過程中產生的二氧化碳氣體撐開麵團的麵筋造成的現象；部分多餘的二氧化碳則從麵團溢散而出。被麵筋包覆住的二氧化碳會在烘焙麵包的時候因升溫而撐大麵包，使麵包鬆軟好吃。本實驗則依據麵團溢散而出的二氧化碳的總量來判定麵團內部被麵筋包含的二氧化碳的多寡。若由麵團溢散而出的二氧化碳越多，其內部所產生的二氧化碳孔洞也越多，做出來的麵包也越有好的口感。 本實驗依固定比例的配方，在麵團配置好後並放入自製密封罐，並藉由水浴密封罐控制其發酵環境的溫度，持續觀察其二氧化碳濃度變化直至達到最大濃度、酵母菌活性開始下降為止。以此段過程作為實驗反應的時間，利用嵌入式平台上的系統記錄此段時間每一秒的濃度數值，即可推算出從實驗反應的時間之內，酵母菌利用麵團供給的養分共產生並溢散出的二氧化碳重。並且比較出在何種溫度參數下酵母菌能夠有良好的表現，在反應時間內可以產生最多的二氧化碳，做出鬆軟好吃的麵包。 n  使用材料及器材 1.      市售酵母菌：滿點牌速發乾酵母、白玫瑰牌即溶速發乾酵母，如圖一所示。成分：天然酵母（Saccharomyces cerevisiae）、乳化劑。麵粉：日清牌山茶花（高筋）、紫羅蘭（低筋）麵粉，如圖二所示。   圖一：滿點牌速發乾酵母（左）和白玫瑰牌即溶快發乾酵母（右）   圖二：日清牌山茶花高筋麵粉（左）和日清牌紫羅蘭低筋麵粉（右） 材料：輸送氣體用的管路以及改裝密封罐等等。 2.      器材：電磁加熱攪拌器、2000 mL玻璃燒杯、自組裝搭載嵌入式平台系統二氧化碳感測器、電腦攝像頭、空氣鋼瓶。實驗裝置示意圖，如圖三所示；實驗裝置圖，如圖四所示。 圖三：實驗裝置示意圖   圖四：裝置實際圖 n  NI myRIO嵌入式平台系統 所謂的嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器甚至工廠運作的裝置所使用的系統。換句話說是一種嵌入機械內部且具有專一功能和實時計算效能的處理系統。其上述許多應用內容都可採用NI myRIO技術達成。不過有時候為了某堂課或是某個專案而學習新技術，對學生可說是非常困難，而myRIO的優點即可克服這些困難。 NI myRIO的最大特色為其可以搭配簡單易上手的LabVIEW圖形化程式設計來構寫執行程式碼。圖形化程式設計讓學生能夠像工程師一樣，只要以直覺觀察並處理圖像的方式來撰寫執行程式碼，直接以滑鼠連結各種功能物件，取代繁雜的程式語言。針對大多數的程式設計語言，學生均需耗時了解特定語法，再對應為該語言的架構，才能解決問題。而NI LabVIEW圖形化程式設計，對學生而言是一種更直覺、簡單易上手的處理方法。 RIO代表「可重設I/O」(Reconfigurable I/O)，RIO採用FPGA架構也就是「現場可重設閘陣列」（Field Programmable Gate Array），是一種可以重新設定的晶片，可供使用者自行設定電路程式。因此，藉由LabVIEW圖形化程式設計，學生就會知道該如何設計自己的電路程式。FPGA是一種可以設定的電路，所以運作速度快，而且非常穩定，就像在麵包板上運作的電路一樣。上述提及這是一種可以重設的I/O。也就是說，如果想要修改FPGA可以隨時清空原有的內容，設定其他不一樣的功能。 NI myRIO其中除了FPGA之外，還有一個搭配Real-Time作業系統的處理器，我們可以把程式碼部屬至Real-Time作業系統，接著就能夠在FPGA來回讀寫資料。Real-Time作業系統的特別之處在於其出色的穩定性。比如說，Windows必須平均分配處理器時間給各項電腦作業像是執行程式碼、更新和防毒軟體，對於基本資料擷取應用來說非常實用。但是Real-Time作業系統會優先並專心執行程式碼，提高系統持續工作的穩定性，這對控制應用的產品來說非常重要，比如汽車、航太、控制機器人多種應用領域。此外，如果我們把程式碼部署至Real-Time作業系統，不需要電腦也可以運作產品。 本實驗利用本實驗室自行使用LabVIEW撰寫持續監測二氧化碳並記錄的執行碼，並把該執行碼放入myRIO的FPGA晶片當中，使該系統能夠配合二氧化碳感測器持續觀察感測器周遭二氧化碳的濃度變化，有助於觀察酵母菌在麵團發酵時二氧化碳的變化情形。嵌入式系統平台架構，如圖五所示。 圖五：嵌入式系統平台架構 n  二氧化碳感測器 傳統的紅外二氧化碳感測器中僅有1個感光元件，一般都是將無人存在的環境中的二氧化碳濃度假定為300 ppm作為背景值，採用通過檢測與背景值之間的差異來確定二氧化碳濃度。該種〝相對值檢測〞方法。如果環境中經常有人活動，其二氧化碳濃度不會下降到300 ppm的水平，如此一來背景值與實際濃度的誤差將會被放大，從而無法檢測到準確的濃度。本實驗採用的二氧化碳感測器中有2個感光元件，其前端搭载各不相同的光學濾鏡，一個感光元件對二氧化碳吸收紅外線波長範圍（二氧化碳的吸收波長）的紅外線通量進行檢測，而另一個感光元件則對二氧化碳不吸收的波長範圍（背景波長）的紅外線通量進行檢測，如此即可随時檢測到不受背景影響的紅外線水平。二氧化碳感測器內部構造及原理，如圖六所示。   […]

創意化學實驗：高解析度質譜快速鑑定未知農藥 方銘志*、蔡佳芬、高雅敏、王德原 衛生福利部食品藥物管理署*fangmc@fda.gov.tw n  前言 未知物的分析如同尋寶一般，憑著一絲線索逐步發掘更多的線索，最後一步步、一塊塊得拼湊出未知物的樣貌，其過程有如大海撈針，充滿著冒險與挑戰。過去一項未知物質的鑑定工作，從找出可疑訊號開始，歷經可疑物質純化分離，最後面臨其結構鑑定與確認，所需要的時間至少超過半年甚至更久；而隨著現代質譜科技的進步，本文藉由二個不明粉末鑑定的實際案例，利用高解析度質譜逐步推敲出未知物質的結構，最後確認為違法的新興農藥，整個過程所需時間僅數星期，文中以化學元素精確分子量及元素間穩定同位素比例的觀念，快速解析出未知物質，是化學元素基礎理論實際應用的優良實例，現代化高解析度質譜是鑑驗一大利器，搭配專業人員的化學知識得以搭建高效率檢驗圍籬，阻絕危害物質進入國內，維護國民健康。 n  質譜儀 三稜鏡用於光的色散，可以把一束白光分出七彩，而這一道道不同顏色的光，是不同波長的光線因折射率不同，而在折射時偏轉不同角度，稱為光譜（spectrometry）。質譜（mass spectrometry）意思就是質量（mass）與光譜，原理亦如三稜鏡般，但不同的是使用磁場或是電場代替稜鏡，而帶電物質會因為其質量大小而影響其在磁場或是電場偏移的角度，因此能把物質依質量大小分開，也可以叫做質量分析器，可以想像質譜儀是一個秤，可以秤量化學分子的質量，解析度高的質譜儀可以量測質量至很精準的地步，如小數點下第四位統一原子質量單位（Unified atomic mass unit, u），這時就可以輕易地分辨出例如水（H2O=18.015 g mol-1）和銨（NH4+=18.038 g mol-1）整數質量（Nominal Mass）同為18的兩個不同物質。利用高解析度質譜儀能幫助我們以較少的樣品量與較快的速度，鑑定出未知物質的化學元素組成。 n  不明粉末成分鑑定 近年國際快遞頗為流行，著名的國際購物網站如Amazon、淘寶等林立，我們只要在手機或電腦前按幾下，商品就會送到家門口，頗有貨暢其流寓意，去年2017年海關簡易進口數量就超過三千萬件，平均每位國民都有買超過一件以上的國際快遞物品，但這條〝路線〞卻也成為違法進口的康莊大道，不時可以在電視及網路媒體新聞上見到不肖業者利用國際快遞郵包，夾藏毒品、化學物質、藥物等，利用迂迴郵寄路線，增加查緝難度，使得多種化學物質在無人知曉的狀況，偷偷的進入國內，嚴重危害國民健康。 二件關務署送驗的未知粉末，其中一個是重達20公斤的國際快遞郵包，申報名稱為material，但實際上為黃色粉末物，貨品與名稱不符，遭關務署查扣，這件可疑的未知黃色粉末（見圖一左），經過一般例行性檢驗後，結果為未檢出現行檢驗方法列出之農藥有效成分，由於仍不知是什麼物質，於是輾轉送到食品藥物管理署檢驗。另一件是外觀類似水泥的細粉，顏色為白色（見圖一右），也是國際快遞郵包遭攔截，經例行性毒化物檢驗後，結果也為農藥未檢出。這二件檢體，經初步的溶劑萃取與層析分離後，可疑的訊號以高解析度質譜分析，能快速拼湊出未知物質的化學元素組成。但事實上未知物質的檢驗，在以儀器分析前的樣品處理步驟，才是最難的地方，因為不知道它是什麼成分或組合的物質，需要憑經驗嘗試許多不同的參數，例如：不同極性的溶劑、酸鹼值調整及溶劑間的分配率等一試再試，最後才能萃取出有代表性的檢液；而以層析方法初步分離未知物質後，還要能幸運的挑出可疑訊號，若挑出的訊號只是不純物而不是想要分析的未知物，只能回頭再重來一次，但既然是未知物，就什麼都有可能，這挑出可疑訊號的過程猶如大海撈針，在實務上比我們接下來要談的如何利用高解析度質譜快速鑑定未知物的結構還難呢！以下二張圖就是這二個未知物以高解析質譜儀分析的質譜圖，圖2是不明黃色粉末之質譜圖，圖3則為不明白色粉末之質譜圖。我們之前談論過質譜儀好像是一個秤，可以秤出分子的質量，那也許你會問為什麼圖一的黃色粉末經質譜儀分析後得到的結果竟有至少4個不同的質量，其實這四個質量都來自同一個未知物，原因是自然界存在天然同位素。 圖1：可疑的未知黃色粉末（左）和外觀類似水泥的白色細粉（右） 圖2：不明黃色粉末之高解析質譜圖 圖3：不明白色粉末之高解析質譜圖 n  同位素是甚麼？可以幫助預測分子元素組成？ 我們知道有機物質主要由碳、氫、氧、氮及硫組成，有時還含有鹵素，在自然界天然存在著同位素，他們的質量及在自然界中的比例如表1所示。如果一個有機分子裡所含的元素全都由自然界豐量最高（most abundant）質量的元素組成，稱為單一同位素（monoisotope），但事實上因自然界存在著同位素，因此所有有機物質均有同位素。以一個簡單的分子「苯」舉例來說，苯的化學式是C6H6，一般我們在算分子量時都使用整數，因此苯的分子量約為126 + 16=78(g mol-1)。如果參考表1算得仔細一點為12.0000006 + 1.0078256 = 78.04695 (g mol-1)。如果上網（例如：Wikipedia）查尋苯的分子量（或稱莫爾質量），則我們得到數字卻是78.11g mol-1，為什麼上網查得78.11g mol-1而我們自己查表算的確是78.04695g mol-1呢？原因是我們在計算時沒有考慮到同位素，我們只計算分子量最小的分子，事實上苯分子上碳有可能被碳13（13C）所取代，而這個含有1個碳13的苯分子質量就會變成79.0503 （12.0000005 + 13.0033551 + 1.0078256）(g mol-1)，這個比較重的苯出現機率還蠻高的喔，超過6%，利用數學課裡曾教過的排列組合，我們可以計算出來，如果含6個碳的苯其中1個碳是碳13的機率，那就是從6個碳裡取1個出來的機率，數學式為0.01110.9895= 0.0624  6%，意思就是1個碳13和5個碳12的機率（0.011和0.989分別為碳13和碳12在自然界中出現的機率，可以由表1中得到），因此如果以高解析質譜來分析苯，它的質譜圖會如圖4所示，至少可以看到3種苯分子的同位素組成，分別是質量為78、79和80的三種苯同位素，而一般我們所使用的莫爾質量就是平均分子量，是計算苯所有同位素的算術加權平均分子量，算法如表2所示： 表1：常見元素之質量及在自然界之比率   M M+1 M+2 […]

創意化學實驗：光譜儀的製作及電漿光譜的觀測 范智傑1、洪舜文1、吳韋霆1、黃佑杰1、周芳妃2、盧麗娟3、呂家榮*1 1.國立臺灣師範大學化學系 2.台北市立第一高級女子中學 3.臺北市立南港高級工業職業學校 *cjlu@ntnu.edu.tw 壹、前言     大家對「電漿」這個東西可能會很陌生，但其實「電漿」卻跟我們的生活息息相關。舉凡日常生活中的日光燈管、霓虹燈的發光；大自然中的閃電，極光皆是應用到電漿的原理。本實驗先進行簡易光譜儀的裝置組裝，利用特定波長的發光二極體校正光譜儀之後，即可用於偵測電漿光譜性質。在實驗室中利用高壓直流電在金屬電極尖端放電，也可以產生電漿。本實驗取用家庭中常見電蚊拍電路裝置，應用以產生大約3000伏特但電流很微弱的高壓直流電。在自製電漿瓶裡有兩個電極，瓶中填入待測氣體，與電蚊拍的電路連接以後，電漿就會在兩個金屬電極尖端放電生成，於瓶中看到類似「極光」的現象。最後，利用自製光譜儀，量測自製電漿的光譜訊號，得到電漿光譜。   █什麼是光譜儀?     光譜儀（Spectroscope）屬於科學儀器，由稜鏡或衍射光柵等分光材料構成，可將具有多種頻率的的光線，經過分光材料而將光線分辨出各種色光的波長或頻率。這些被分析出來的色光可稱為光譜線，光譜儀測量得到的光線性質與光譜線的關係可統稱為光譜。 █什麼是電漿?    最早在1920年代，Langmuir等人首先研究電漿中的現象，發現氣態離子的存在，而在1929年Langmuir使用了電漿 (plasma)來敘述此類離子化氣體的現象。 圖1:離子化氣體放光圖 若對物質施加高溫或加速電子、加速離子等能量，中性物質會透過激發、解離、離子化等反應而產生分子(molecules)、原子(atoms)、激態物質(excited species)、電子(electrons)、正離子(positive ions)、負離子(negative ions)、自由基(free radical)、紫外光、可見光等物質。這些物質混合在一起的狀態就稱為電漿，因其不同於 固、液、氣三態，因此電漿常被稱為是物質的第四態。日常生活中常看到的日光燈、霓虹燈發亮的狀態，就是屬於電漿發亮的狀態。   ◆ 如何產生電漿?     電漿的產生是因為具有足夠能量的電子去撞擊中性氣體，使中性氣體解離失去電子而產生電漿。但中性氣體的原子核對其電子具有束縛能，外界電子能量需大於束縛能，才可在衝撞中性原子時造成中性原子解離出電子。所以我們需要以高壓直流電的方式來使電子的能量足夠，電子在電極中會被帶正電之電極吸引而加速，在加速過程中電子就可以累積能量，當電子的能量達到某一個程度後就有足夠能力來解離中性氣體。   貳、實驗器材列表: 一、基本器材： l   筆、橡皮擦、美工刀、方格紙、手套 l   大針筒(50mL)x1 l   小針筒(10mL)x1 l   木夾子x1 二、電漿燈源： l   雙頭鱷魚夾1~2個 l   電蚊拍電路x1 l   電漿燈源樣品瓶x1 l   變壓器x1 l   氣體(氦氣鋼瓶即錶壓頭) l   教師準備：市售未知氣體小型螢光燈 三、光譜儀製作： l   […]

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。 […]