奈米課程：融入式奈米課程之設計 何慧瑩 國立臺北教育大學自然科學教育學系 hueiying.ho@gmail.com 本文之目的是讓讀者了解我們設計融入現有K-12科學教材的奈米課程之歷程，文章包含K-12奈米科技教育、奈米科技之重要概念（big ideas）、以及依據各階段認知能力與教科書之科學課程設定奈米課程融入之重點。 n  K-12奈米科技教育 奈米人材培育計畫希望能透過計劃之推動，培育出至少兩類人材，其一是能夠領導或執行奈米科技之人材，其二是能夠認知奈米科技潛能並將其產業化及商業化之人材。基於此目標，所以在人材的培育向下紮根至K-12，向上則是到大專院校與研究所（李世光等人，2003）。向下紮根至K-12，一開始最需要挑戰的就是K-12教師，因為大家都不認識奈米尖端科技，因此必須老師願意新收新知、接受訓練，當然也要對於教學有相當的熱情。 有了老師，若沒有教材也沒有用，因此當時的奈米人材培育計畫除了培訓種子教師之外，也辦理教案設計等相關競賽。經過多年的努力，許多優質的奈米教案被設計出來。趙毓圻等人（2011）以Stevens等人（2009）提出的九項奈米尺度科學與工程重要概念（big ideas），分析了2003至2008年中小學種子教師發展的209 份奈米實驗教材。他們發現整體中小學實驗教材的各重要概念出現頻率和相互關聯性的結構裡，以「尺寸與尺度」、「物質構造」和「尺寸效應」呈高出現頻率及高關聯性。他們建議在中小學可以將這三個概念加以連結來設計教材，或者是加以延伸。張政義（2008）以融入現有教學媒材之教學型態，使學生經由「認識奈米科技」、「體驗奈米科技」至「應用奈米科技」等學習階層，銜接「奈米科技K-12 教育」之學習。他認為可透過創意實驗與創意實作學習，達到促成「奈米科技」跨領域的創意學習整合分享教學成效。潘文福與周裕欽（2012）採德懷術研究國小3至6 年級適合奈米融入自然教學的核心能力與指標。他們研究發現，89%專家認為有必要將奈米融入3至6 年級的自然教學，50%以上認為適合奈米融入自然教學的核心能力依序為科學態度、科學技術認知、思考智能、科學應用。從以上的文獻，除了教師之因素，我們設計奈米課程需要知道奈米的重要概念（亦即九項big ideas）、各學習階段所能融入的重點與方式、要有讓學生動手做的創意實驗、最後是要融入哪些自然教學的核心能力。 圖1所示為本文作者依據這些文章所繪製的K-12奈米科技教育概念圖，圖中包含兩大區塊：教師與教學設計。其中，九項big ideas和各階段學童的認知能力作為教學設計之基礎，而創意實驗除了動手做之外，還加上了數位學習與影片學習，以因應無法在一般實驗呈現的奈米現象。而我們在設計奈米課程時，即依據這樣的邏輯進行。 圖1：K-12奈米教育概念圖（圖片來源：作者繪製）   n  奈米科技的九項Big ideas 奈米科技的九項big ideas彼此之間是互相有關聯的，但仍可依概念之差異來區分。本文作者參考趙毓圻等人(2011)的說明，重新詮釋九項big ideas之內涵： 一、尺寸與尺度（size & scale） 尺寸是指物體的大小（長、寬、高、直徑、…），尺度則為尺寸在數量級上的差異，例如：天文尺度（AU天文單位、光年）、毫米尺度（ m）、微米尺度（ m）、以及奈米尺度（ m）。 二、物質的構造（structure of matter） 物質的構造泛指其組成份子之排列方式，例如：原子排列、分子排列、介質週期性排列，常見的教學內容為巴克球、奈米碳管、光子晶體。 三、尺寸效應（size effect） 指物質的尺寸在不同尺度範圍，伴隨有性質上的變化，例如：燃點的變化（鐵無法燃燒，但奈米鐵粉只要自由落下，即可因摩擦生熱而燃燒）、顏色變化（奈米金不是金色，它的顏色隨直徑而變化）、反應速率變化（將蘿蔔切碎，比表面積會增加，因此提高與雙氧水的反應速率）。 四、力與交互作用（force & interactions） 形成交互作用時，必有力的存在。例如：形成各種鍵結的庫侖作用力、造成壁虎效應的凡德瓦力、造成蓮葉效應的表面張力（表面能）。 五、量子效應（quantum effect） 粒子的波粒二重性所造成的各種現象，例如金屬能帶結構、穿隧效應、電子繞射。 六、自組裝（self-assembly） 物質可以自己排列成規則性結構，這規則性結構與物質所在環境有關。例如：結晶、DNA複製、粒子排列（圖2）。 圖2：直徑20微米塑膠球的自組裝（拍攝者：林威延和湯雅慧）（圖片來源：何慧瑩、盧秀琴，2016） 七、工具與儀器（tools & instrumentation）     工具與儀器幫助科學家研究，例如：近場顯微鏡（SNOM）、原子力顯微鏡（AFM）、穿隧電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）…等。若沒有工具與儀器的發展，許多奈米尺度的現象是無法被研究與觀察的。 八、模型與模擬（models & simulations） […]

2018年諾貝爾化學獎 蔡蘊明譯 國立臺灣大學化學系轉載自https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2018.html n  化學的(革命性)進化 演化的力量是透過生命來顯示的。2018年的化學諾貝爾桂冠頒給Frances H. Arnold (阿諾)、George P. Smith (史密斯) 和 Gregory P. Winter (溫特)爵士，表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素，現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病，以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。 我們活在一個由強大的力量：演化，所主導的星球。在頭一批生命的種子於37億年前出現時，幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體：生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。 學校裡我們在生物課學習到這些生物，但讓我們戴上一副化學家的眼鏡並換個視角來觀察，地球上的生物之所以能夠存在，是因為演化解決了無數複雜的化學難題，所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量，並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊是歸因於其血液中的抗凍蛋白質，貽貝能攀附在岩石上乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠，而這只是眾多例子中的幾個而已。 生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中，並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化就能改變其化學，有時這導致產生較弱的生物體，但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展，而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。 這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體，具有能掌控演化的能力，2018年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家，乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展(圖一)。讓我們先從酵素工程的明星：Frances H. Arnold (阿諾)開始介紹。 圖一 2018的諾貝爾化學獎得主們能控制演化並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓  n  酵素 ─ 生命的化學工具中之利器 即便在1979年，身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人，阿諾就已經具有了一個憧憬：透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在2000年要有20% 的能量是來自於再生能源，而她剛好在研究太陽能，不過這個產業的未來前景於1981年的總統大選後，產生了巨大的改變，因此她將眼光改為投注於新興的DNA (去氧核糖核酸)科技，她自述”很明顯的，對於我們每日生活上所需要的材料和化學品，可以利用改寫生命密碼的能力來創造新的製造方法。” 用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸，她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具：酵素，它們催化在地球生物體中發生的化學反應，如果她能掌握設計新酵素的方法，就可從根本改造化學。 n  人的思考是有限的 最初就如同在1980年代末期的許多其他學者一般，阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素，讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子，它們是由20種不同的結構單元 – 胺基酸 – 以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的，一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸，它們連結成長鏈的型態，進一步摺疊成三維的立體結構，其中用來催化特定化學反應的局部結構，是建立在整體結構的內部。 運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整，以賦予其新的功能，即便是運用現在的知識以及電腦能力來看，亦是非常困難的。在1990年代初期，謙卑的折服在大自然的優越能力之下，阿諾決定放棄上述她所謂“有些傲慢”的策略，取而代之，她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法：演化。 n  阿諾開始操弄演化 有好些年，她試圖改變一個稱為”枯草桿菌蛋白酶”的酵素，讓它不是在水溶液中催化化學反應，而能在一個有機溶劑：二甲基甲醯胺(簡稱DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化 – 突變 – 然後將這些突變的基因引入細菌中，並產出數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體。 在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中，找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中我們說的是適者生存；在定向演化學中，這個階段稱為”選汰”。 阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質 – 酪蛋白 […]

化學安全的教育視角   李賢哲 國立屏東大學應用化學系 sjlee@mail.nptu.edu.tw   先敬祝各位讀者新年快樂，這期的化學新知部分，或許是個人的偏好，較多於化學安全相關之文章，第一篇是當代無人機在精密農業上的應用，第二、三篇則聚焦於化學教育最需強調的安全訓練領域，謹提供大家參考與指正。 一、無人機使用於農業用途之回顧與展望 由於個人對於無人機(UAV)的喜愛，這一期化學新知部分，首先與各位先進介紹無人機於精密農業(precision agriculture)之應用。這篇2018年回顧之論文作者來自開發中國家印度，目前印度仍有70%人口依賴著農田耕種生活，但農業使用之土地卻面臨空前的危機，尤其是害蟲與昆蟲造成的農業土地病變，降低農作物的生產效率。爰此，殺蟲劑(pesticides)與肥料(fertilizers)的使用，以提高農作物之產率，更加重農民與環境的負擔。這些被農業使用之化學藥品，如果能藉由無人機噴灑系統(drone spraying systems)的使用，搭配多光譜相機(multi-spectral camera，440-510 nm 藍色、520-590 nm綠色等)系統進行農地植被自動偵測與判別，期能減少以人工噴灑殺蟲、除草藥劑，相對造成的人員健康危害；並達到更有效的使用噴灑藥劑以降低藥劑對於土地負擔衝擊與造成的環境污染。 個人對於此文獻內容，認為科技的發展始於人性，如圖一說明無人機之發展自傳統固定翼(fixed wing)(a)、單旋翼(single rotor)垂直起降( helicopter) (b)持續發展至多旋翼(multi rotors drone)之形貌(e)，也正好為這多元的無人載具，提供用途持續開創的空間(例如載貨與人員使用)。然無人機機體結構的成本、操作的費用(例如電池)和操作人員的訓練與政府相關法規的制定等，對於無人機的普及具有相對重要之影響，讓大家樂觀以待。 圖一:無人載具依其時程的進程與發展樣貌，e為最貼近當前之樣貌 (取自 Mogili, 2018)。 參考文獻：Mogili, UM R. & Deepak, B. (2018). Review on Application of Drone Systems in Precision Agriculture. Procedia Computer Science, 133, 205-509. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050918310081。   二、二十一世紀的化學安全教育 – 培養化學家的安全資訊能力 在教育過程中，每位學子試著在其選擇職業類別中，努力取得成功所必需要的各別技能或能力組合。例如，申請成為一位合格之實驗化學家(bench chemist)所須具備的資格可能標準要件如下:1. […]

國內外化學教育交流（第二十九期） 林靜雯 國立臺北教育大學自然科學教育學系 jwlin@mail.ntue.edu.tw n  一月內容摘要搶先看 一、第八屆亞洲化學教育研討會 二、週期表150年相關活動 三、國際純粹與應用化學聯合會IUPAC 2019 n  詳細介紹 一、第八屆亞洲化學教育研討會 The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators 地點：國立臺北教育大學 (National Taipei University of Education, Taipei, Taiwan)       日期：2019年7月30日至2019年8月1日 開放投稿日期：2019年3月1日 相關網址：ttp://www.8thnice.org/WordPressCHT/%E5%A4%A7%E6%9C%83%E8%AC%9B%E8%80%85/ 經歷2014年在日本、2016年在韓國，六年一次重回臺灣舉辦的亞洲化學教育研討會，將於2019年7月30日於國立臺北教育大學舉辦。這個研討會極受化學教師及化學教育學者重視，每次大會都會規劃精彩的演講、發表和實務工作坊，讓大家滿載而歸。 本次大會重要日程如下： l   開放投稿日期：2019年3月1日 l   投稿截止日期：2019年4月30日 l   通知論文接受/拒絕日期： 2019年5月31日 l   早鳥報名截止日期：2019年6月15日 本次大會主講人：  此國際研討會的主辦方新加入馬來西亞，下一屆2021年將於馬來西亞舉辦，並於八年後重新回到臺灣主辦。此研討會有專門為高中生化學學習國際交流場次，歡迎高中老師帶高中生參與。相關網站已經架設完畢，敬請臺灣化學教育同好隨時關注相關訊息！ 二、週期表150年相關活動 1.國際化學元素週期表年IYPT2019 地點：法國巴黎教科文組織總部 日期：2019年1月29日 相關網址：https://www.iypt2019.org/opening-ceremony    化學元素週期表是科學界最重要的成就之一，不僅捕捉了化學的本質，也捕捉了物理學和生物學的本質。 1869年被認為是Dmitri […]

2018國際化學教育研討會：看得到與看不到的化學—出席國際化學教育研討會心得分享 邱美虹1、周金城2 1國立臺灣師範大學科學教育研究所 2國立台北教育大學自然科學系1mhchiu@ntnu.edu.tw 2cccchou62@gmail.com 本期專題是以出席國際化學教育研討會的心得分享為主，五位作者分別就理論的新思潮–系統思考進行探討，第一篇文章是邱美虹教授從系統思考的定義著手，討論系統思考的元素及其關係，進而引介大同世界的化學的新思潮，以期待對化學教育勾露出一個新的里程碑。第二篇由國立臺北教育大學周金城教授進一步在其文章中提到系統思考是高層次的思維以及其在工程領域中的運用，並提出其個人對於系統思考與STEM教育的關聯性之看法。第三篇是由宏國德霖科技大學蘇金豆教授將此次研討會的整個活動概要的介紹，讓讀者可以對大會活動有一個整體的認識。第四篇是國立臺灣師範大學附屬中學吉佛慈老師將國際化學教育委員會的會議活動，全程參與大會活動心得，以及大會結束後的自行安排的活動行程也都做一個詳細的說明，讓未來有興趣參與國際化學教育研討會的高中老師可以提早安排規劃。第五篇的臺中市大甲高中的廖旭茂老師，他已有多次參與國際化學教育研討會的經驗，此次受邀安排一個化學實驗工作坊的活動，該文描述如何在國際化學教育研討會申請舉辦一個動手做實驗工作坊，以及在國內事前的文件申請與準備，到當地實驗活動前場地勘查與準備，辦理工作坊的過程，以及和來自全世界動手做化學實驗專家的交流心得，做了詳細的介紹，這是一篇很有意義的文章。本期的專題文章共有五篇，分別由不同角度來描述2018國際化學教育研討會的參與心得，讀者可依興趣選擇感興趣的主題閱讀。

2018國際化學教育研討會:國際化學教育會議之我見—談系統思考 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所*mhchiu@ntnu.edu.tw n  前言 IUPAC 每兩年舉辦一次的國際化學教育研討會，2018年7月10-14日在雪梨舉辦。身為化學會的國家代表，我先於7/9出席IUPAC 化學教育委員會(Committee on Chemistry Education, CCE)會員會議討論與報告委員會各項事務，我因為執行一項11個科學組織合作的科學家性別差異的計畫案，遂於會中作進度報告。然後再於7/10 上午出席IUPAC國際計畫–化學教育中的系統思考(Systems Thinking in Chemistry Education, 簡稱STICE)的討論會議，下午再續開CCE會議的第二階段討論會議，並出席開幕式和第一場專題演講。會議期間除出席上述會議外，並出席大會各項專題演講、海報展示、分組報告等等活動。 圖1. 參與IUPAC 系統思考(Systems Thinking)計畫小組討論 此次共有來自30個國家268位與會者，其中人數最多的當然是澳洲計有97位，其次是美國39位、日本是13位、紐西蘭12位、加拿大和英國各10位，臺灣則是有7位出席(其中3位教授4位中學教師)。 大會主題報告共有四場，來自德國基爾大學(Kiel University, IPN)的IlkaParchmann是個非常傑出的化學教育學者，目前擔任該校學術與師培副校長的工作。她的報告圍繞在大學教育教學與人才培育上，與之前她在中學化學教育研究上的報告比較不同。但主軸仍是以化學中巨微觀概念的建立為主。其次，Peter Mahaffy and Stephen Matlin報告系統思考(Systems Thinking)。該計畫由IUPAC經費補助一群來自世界各國的教授共同探討如何在大學和中學化學教學中發展學生系統思考的能力。此議題雖非新概念，在其他領域早有人涉獵，但是在化學界卻是由Stephen Matlin 在Nature發表一篇重要文獻後才在IUPAC內引起注意。此次在大會中報告，主要是期待在化學教育界引起重視。而這兩位學者也在大會中安排數場相關議題的論壇，我有幸參與其中<系統思考與化學教育之學與教>一組而對與系統思考有關的多重表徵、複雜系統、非線性關係、交互作用等議題進行報告(Ho, et al., 2018)。本文後續會對此主題再加以說明。再者，專題演講還有加拿大的新秀有機化學教授Alison Flynn 針對大學有機課程的設計進行翻轉教學，雖然上課學生人數甚多，但在教學時Flynn盡量讓學生分成小組討論，並讓教師和學生產生更多的對話，使學習可以更加主動與引起興趣。最後，MarietjiePotgieter以南非在大學有限的資源下，如何利用網路將實驗能力建立起來做為演講的重點。每場演講都很精彩，也呈現嶄新的思考方式與教學策略，對推動化學教育工作很有啟發性。   n  系統思考的定義 系統思考在1987年時由Barry Richmond提出，他認為思考是一種動態的，透過動態思考(dynamic Thinking)可以追蹤自己對特定議題或挑戰產生一個隨時間而改變的表現路徑。而這種動態思考並非與生俱來的。Arnold 和 Wade (2015)在回顧許多學者對於系統思考的定義後曾指出，系統思考就是一種系統(system thinking can be viewed as a system)，換言之，系統思考就是思考關於系統的系統(system of […]

2018國際化學教育研討會： 微型實驗工作坊的交流與分享 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校教育部高中化學學科中心nacl880626@hotmail.com n  前言 啟程，是對路上的風景有所期待！回看過去-7月14日的臉書，我寫下了這些文字，或許這樣的文字才能真實傳遞當時的感受！ ICCE 2018 in Sydney 工作坊今天中午結束了，身體很疲憊，卻也亢奮…… 一個月前開始了「Experiencing the electrochemical lab kits designed for the secondary students in Taiwan」電化學實驗模組的準備工作，因為之前的活動訊息不是很透明，工作坊在哪進行也不清楚，於是必須在台灣模擬各種可能會發生的突發狀況，讓90分鐘的實驗工作可以順利進行；加上澳大利亞對於化學品以及廢棄物的管制相當嚴格，出發之前就被主辦單位要求填寫實驗風險影響評估，內心的忐忑不言可喻….      #7/10 下午開始在雪梨大學商學院報到註冊，雪梨大學內既古典又現代的建築群令人讚嘆，晚上是歡迎見面會，見到了幾位來自亞洲的熟面孔，日本、韓國、中國學者，以及風趣幽默的老教授–西澳的Bob Bucat！ #7/11所有利用實驗室開工作坊的學者們被要求一早到實驗室報到，參加實驗室的安全使用說明會，地點是位於化學院五樓的分析實驗室。因為能夠參觀一流大學的實驗室，而雀躍不已。化學院內管理員技術人員至少有四人，分配在不同樓層，辦公室像個藥局，有一個窗口，一個門，內部相當明亮寬敞，而且相當友善，跟大學時代飄逸著詭異、陰暗髒亂的狹隘空間大相徑庭！一進到實驗室門口就被要求穿實驗衣，及護目鏡，接著說明實驗室的空間配置，廢棄物的傾倒分類原則、逃生動線、滅火器的位置等。實驗室很乾淨明亮，幾乎沒有氣味，而且廢液並不是儲存在實驗室內，也會固定時間就有人原來清運，跟台灣一年一清完全不同！ 7/11早上、下午各有一場微型化學的工作坊，早上場是日本學藝大學Kamata教授的工作坊，Kamata son是日本微型化學的大咖，為人卻很低調含蓄，創新的手作實驗設計總是令人贊嘆不已，身為首席fans的我，早早去去佔位子，因爲大會會場在商學院，離化學院走路要10-15分鐘，加上資訊不明，活動延遲了十分鐘才開始！這次Kamata son 帶來了丹尼爾電池的新設計，讓人耳目一新，最棒的是這次帶著一位美麗活潑的美眉助手–大學部的畢業生，即將成為中學老師的她讓整個活動順暢不少，活動結束將實驗模組盒贈送給Kamata大師，也順便邀請他來參加7/13的工作坊！下午是另一位是在英國倫敦CLEAPSS擔任顧問的Bob Worley，Bob在全世界相當知名，應該是歐洲甚至全世界在微型化學最具影響力及知名的人物，來到雪梨之前通過幾次信，也相互Twitter 了，這次能目睹高人到廬山真面目，實在是開心，Bob的實驗設計很厲害，往往一滴溶液就能進行酸鹼、電解、沈澱等反應…..兩位大師的實驗相關細節，我會撰文在台灣化學教育期刊，供大家參考！ #7/12 沒有實作，大部分時間躲在旅館內準備，晚上在達令港晚宴，見證了澳洲只有葡萄酒是便宜的傳言，以及西方人晚宴的熱情…. #7/13………………………………… 很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴一起參加了今年七月中旬在澳洲雪梨大學舉辦的第二十五屆國際化學教育研討會（25th International Conference on Chemistry Education, ICCE 2018），大會中除了筆者的電化學實驗模組體驗外，另外還有兩場來自日本的Kamata教授及英國學者Bob的實作工作坊。趁記憶猶新之時，將親手做實驗Workshop的內容記錄下來，跟大家分享。   n  工作坊之前….. 一、填寫化學系的危害物的鑑定、風險評估與控制表格文件(HAZARD IDENTIFICTION, RISK ASSESSMENT & CONTROL, […]