大學入學考試與化學評量 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw 臺灣的教育一向與考試密不可分,《臺灣化學教育》的第七期專題「大學入學考試與化學評量」,嘗試討論大學入學考試中有關化學評量的不同面向,包括:學測和指考的現況、挑戰與省思、評析有機化學試題、探討化學實驗試題與學生表現、融入學測試題於化學App、說明化學考科人工閱卷、介紹個人申請作業、比較化學競賽試題與大學指考題目。 本期專題以大學入學考試和化學評量為題,探討考試、教學與評量的關係,各文章有其不同的觀點與訴求,從不同的角度切入,說明如下。在本專題中,首先由吳國良研究員撰寫的〈大學入學考試的現況、挑戰與省思〉起頭,討論大學入學考試與招生制度的現況,其所遭遇的相關問題以及可能解決之道。 n 大學入學考試 一、學測與推薦甄試 大學入學考試非常受到高中學生、高中教師或高中學生家長的重視。目前的大學入學考試(簡稱大考)是由大學招生委員會聯合會(簡稱招聯會),委託大學入學考試中心(簡稱大考中心)所辦理。大學入學考試中與化學評量相關者,可分成兩大類,分別是學科能力測驗(簡稱學測)和指定科目考試(簡稱指考)。學測的考科是有國文、英文、數學、社會與自然;其中社會與自然是綜合性考科:社會考科包括歷史、地理、公民與社會三科;自然考科則包括物理、化學、生物、地球科學四科。學測目的是測驗考生進入大學的基本知能,考生五科皆須報考,由於其屬基本門檻性質的測驗,因此採級分方式的設計,以避免學生分分計較。各校系可針對其需求,對考生的成績設置各科或總分不同級分的篩選標準,通過這項標準的考生,則可進入各校系第二階段的指定項目甄試。 各校系第二階段甄試的情況有所不同,大部分的校系都會要求備審資料,有些會進行小論文、口試或團體面談,有些校系甚或進行筆試。結合這些學測成績、備審資料(高中成績)、面試、小論文、筆試成績等,作為進入大學校系與否的標準。 二、指定考試 學測是屬於測驗考生基本知能的考試,相對地,指考則是屬於較為進階與專精的測驗。指考共分為十個考科,分別是國文、英文、數學甲、數學乙、歷史、地理、公民與社會、物理、化學、及生物。指考的設計是採校系指定、學生選考,即各校系指定其採計科目,考生選擇科目報考。指考是作為考試分發入學使用,計分方式是採百分計,每一科目的總分都是100分,以原始分數呈現。校系亦可對指考設置不同的檢定標準或加權方式,考生的成績若能通過此檢定標準,即可以該校系為志願,考生錄取該校系與否的唯一標準,是以指考成績總分為依據。在104學年度之前,校系採計指考的科目為3~6科。104學年度開始,為減輕學生的負擔,改為3~5科。 三、與化學試題相關的文章 在《臺灣化學教育》的「本期專題」中,有三篇文章是討論學測和指考試題及其相關的文章,分別是國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授撰寫的〈有機化學相關試題之評析〉,作者以有機化學家的觀點,評析近幾年學測和指考有機化學方面的相關試題;以及大學入學考試中心吳國良研究員撰寫的〈學測和指考化學實驗相關試題探究〉,藉由化學實驗相關試題,探討學生的表現與大考納入實驗題對教學的影響及其施測的限制。另外,陳昭錦、江青釗及廖静宜撰寫的〈學測試題融入化學App的開發與教學〉,是藉由化學定性分析實驗的例子,說明大考化學測驗試題與教學的關係,開發沉澱表查詢機及快打沉澱表App作輔助,再以遊戲方式讓學生可充分練習,發展寓教於樂的創新教學模式。 n 大學入學管道 一、學測和指考與入學管道 學測和指考與各項入學管道間的關係,簡化後如圖一所示。基本上,高中學生於高三上學期的寒假會參加學測,有了學測成績之後,就可以進行繁星推薦與個人申請。繁星推薦是為了照顧偏鄉學校而設計的入學管道,學生只要學測成績達到校系門檻的要求,就有資格進行繁星推薦,大學校系錄取與否是取決於學生高中成績的表現。舉例來說,在偏鄉地區非明星級學校的學生,若其高中三年的成績表現優異,會比在都會地區明星級學校表現普通的學生,更有機會進入大學就讀。學測完後,除了繁星推薦外,亦可進行個人申請。 圖一:入學考試與入學管道間的關係 高中學生參加甄選入學管道(繁星推薦與個人申請)後,若對其結果不滿意,則可參加七月份的指考,由其成績的結果進行考試分發入學。指考各科之中,除公民與社會外,皆有非選擇題,非選擇題的閱卷是一項繁複的工作,閱卷委員藉由不斷的溝通和討論,使其彼此之間可達一致性的共識;並且,每一份試卷都要由兩位的閱卷委員評閱,若有差異過大的情況,會再進行主閱,以確保閱卷的信效度。 二、不同招生管道錄取人數和比例 近幾年來,經由各管道進入大學的比例,如表一所示。由此表中得知,各年度間大學招生的員額大致不變,但甄選入學比例逐年升高,幾乎已經與考試分發入學比例相近。再加上,少子化對高等教育的影響已經逐漸浮現。甄選入學比例逐年增加對高中教學現場所造成的影響,以及少子化後對大學招生與入學考試的調整,是現行大學招生和入學考試制度下的兩個重要議題。 表一:100-103學年度大專校院不同招生管道錄取人數和比例 入學年度 項目 繁星推薦 個人申請 考試入學 其他管道 總計 100 錄取人數 6,790 34,247 66,683 5,467 113,187 (比例%) (6.00) (30.26) (58.91) (4.83) (100) 101 錄取人數 8,213 39,587 59,696 5,837 113,333 (比例%) (7.25) (34.93) (52.67) […]
大學入學考試與化學評量: 學測和指考的現況、挑戰與省思 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw n 學測和指考 大學入學考試中心(以下簡稱大考中心或本中心)受大學招生聯合會(招聯會)委託,依據《大學法》辦理學科能力測驗(簡稱學測)、指定科目考試(簡稱指考)與高中英語聽力測驗(簡稱英聽)三種考試。學測的考試科目包括:國文、英文、數學、社會、及自然。其中,社會考科與自然考科為綜合性科目,社會考科的內容包括:歷史、地理、公民與社會;自然考科的內容包括:物理、化學、生物、及地球科學。指定科目考試的科目為國文、英文、數學甲、數學乙、歷史、地理、公民與社會、物理、化學、及生物十考科。 臺灣從2002年開始,大學入學制度已由過去聯考的單一方式,改變為多元的入學管道。新的入學方式稱為「大學多元入學新方案」,此項入學的方案經由多年的演變,以目前而言,分成繁星推薦、個人申請與考試入學三種不同的入學管道。這些不同的入學管道,是以學測與指考的成績,作為主要的入學依據。就大考中心所辦理的學測與指考而言,學測主要使用於繁星推薦與個人申請入學這兩種進入大學的管道,指考則於考試分發入學管道使用。不論是考生本身、考生家長、高中教師乃至於大學端,對於這兩種考試成績相當重視,這也說明學測和指考,在大學人才選拔扮演重要的角色。 n 與化學相關的考科 這兩種考試與化學相關的考科是學測自然考科和指考的化學考科。學測自然考科為一綜合科目,化學為其中的四分之一,整份試卷68題中,化學有17題。學測是測驗考生進入大學的基本知能,全體考生皆須報考五考。化學部分的測驗範圍包括基礎化學(一)與基礎化學(二)的課程。這兩項課程皆屬於必修課程。相較於學測,指考則是屬於較為進階的測驗,其測驗範圍除了上述的基礎化學(一)、基礎化學(二)之外,還包括基礎化學(三)、選修化學(上)與選修化學(下),即高中化學的所有內容。除了測驗範圍的不同外,指考化學考科的題型題數與學測自然考科的化學部分有所不同:指考包括23~26題的選擇題和二~三大題的非選擇題,非選擇題的設計有助於評量考生主動表達的能力。 n 招生制度的挑戰 學測是屬於基本型或門檻型的測驗,而指考是屬於進階或精熟型的測驗設計,招生制度和少子化的改變受到相當的挑戰。 一、甄選入學比例不斷升高 不管是申請入學或是近年才興起的繁星推薦,以這兩種合稱為甄選入學管道進入大學比例的學生逐年提升,在104學年就有可能超過考試分發入學管道,成為高中生進入大學的主要管道。在這種情況下,所衍生的問題是,以化學而言,超過50%的高中生是以基楚化學(一)和基楚化學(二)測驗的成績進入大學,反而是完整學習高中所有化學課程的學生為少數。對於這種現象,存有兩種不同的看法:有人認為學測原本就是基本門檻的設計,學生只要擁有基本知能,即使測驗的範圍少,但不管繁星或申請,都需要有高中在校成績,這種在校成績的提供,可以彌補學測測驗範圍的不足,大學校系亦可招收適合的學生。另一種看法則是,若是有超過一半的學生並未完整學習高中課程而進入大學,這對所有的科目都存在相同情況,高中三年課程的設計意義為何?又將如何與大學進行銜接? 在這個討論過程,有專家學者建議:如果將入學考試的時間延後,讓高中課程完整學習之後,即高中課程結束之後,再舉辦大學入學考試以及繁星、申請或分發的作業,這樣或可舒緩高中教學或學習的相關問題。但是,若是綜觀目前的入學考試與入學制度的設計,除了提供學生學測考不好,還可以拼指考的兩次入學考試機會外,還可以藉由繁星或申請了解自我的興趣、性向之後,再由這些資料準備、面試過程,逐漸認識、了解大學校系之後,選擇理想校系就讀。如果將學測、指考合併舉行,考生得到所有的成績之後,再進行相關的申請、分發作業,這樣是否會剝奪了學生兩次考試的機會呢? 二、少子化逐漸衝擊高等教育 以104年度的進入大學,當年的出生人口數約為32萬5千人左右;六年之後,110年度進入大學的出生人口數約為23萬7千人左右。短短六年之間,約少了8萬人。少子化的現實面馬上就會衝擊到臺灣的高等教育。對照目前少子化的現象,愈來愈多的大學在甄選入學比例逐漸提高,如果沒有任何的設限,這種情況會逐漸惡化。在生員不足的情況下,不論是頂尖大學、公立大學、私立大學,無不卯足全力在第一階段先搶學生。按照上述人口減少的事實,未來的高中生幾乎都可以上大學,高中教育幾乎已是大學教育的預備教育,學生進入高中接受教育,是完全為進入大學作準備,換言之,高中教育的獨立性幾乎已經不存在。 n 未來入學制度可考量的方向 就入學考試而言,如果是人人都有大學可就讀的情況,入學考試的簡化勢難避免,加上學生的高中在校成績可以看到學生的長期表現,亦應作為入學考量的一部分。此外,為避免甄選入學名額對高中教學所造成的干擾,適當限縮繁星與申請入學的名額也應是政策上可以考量之處。就長遠而言,入學考試與入學制度或可考量以下幾點方向: 一、簡化入學考試和入學制度 目前的入學考試,除了學測五科、指考十科之外,還包括英聽測驗,這其中,有些科目是重複,如:國文、英文、數學,是否需要短時間之內考兩次相同的科目,可再斟酌。就入學制度而言,或可考量一般大學與頂尖大學採取不同的策略,一般大學使用較少的入學考試科目,而頂尖大學則是使用較多較複雜的科目組合。 二、甄選入學招生名額比例宜審慎評估 繁星與申請進入大學比例大幅提高,已造成高中教學現場困擾,故短時間之內,不宜再提高甄選入學名額比例,宜維持一定比例一段時間後,觀察這些不同管道進入大學的學生,表現是否有明顯差異,藉由較長期的研究與評估,才能進行下一步的政策建議。 三、建立入學考試與招生政策的長期研究 目前,不論是入學考試或招生政策,幾乎是各抒己見,很難找到具共識的焦點。有人主張:恢復以前的聯考,以減輕學生負擔,保障弱勢;有人主張:延後入學考試,以使高中教學完整;有人主張:維持學測與指考,使學生有兩次入學管道的機會;有人主張:宜納入高中在校成績,以了解學生長期的表現。不論是何種發言,其背後的立論證據,都是相當薄弱。這也突顯在教育政策的研究,似乎缺乏實證研究的立論基礎。如何建立以證據為基礎的研究,從研究之中找出適合高等教育可長可久的政策,雖然,這可能會是一條漫長之路,但這卻是能夠突破目前困境唯一之路。
大學入學考試與化學考科: 有機化學相關試題之評析 葉名倉 國立臺灣師範大學化學系 cheyeh@ntnu.edu.tw n 化學考科測驗範圍 學測和指考為目前大學入學兩種主要的考試,隨著個人申請及繁星推薦名額逐年增加,學測報名人數約增到14~15萬名之間。而指考報名卻逐年減少,103學年度考化學指考只剩下25,735名。就化學試題內容而言,學測自然科有關化學試題約17題,這些試題主要以高一基礎化學(一)及高二的基礎化學(二)為命題範圍。由於學測的測驗對象包括社會組和自然組同學,因此,出題只能以基本化學知識為主軸,再加綜合題型,整合自然學科—物理,化學,生物,地科的共通概念。整體內容不牽涉過於複雜的衍伸概念和化學計量。相對而言,指考化學考科的測驗範圍,除了基礎化學(一)、基礎化學(二)之外,還包括基礎化學(三)、選修化學(上)、選修化學(下)。內容涵蓋所有高中化學,出題內容較學測深廣很多。 n 有機化學試題評析 筆者個人的專長為有機合成新方法的開發與研究,以下僅就近年來學測和指考中有關有機化學試題,提供個人的淺見。 一、學測中的有機化學 100學年度(有二題):有機化學相關試題有第38題和第46題,以95課綱基礎化學第五章「生活中的化學」為出題主軸,分別測驗學生對五大營養素中—醣類的了解。第38題是測驗簡單的單、雙及多醣類的區別,而第46題則測驗較深入的多醣中的纖維素。 101學年度(有三題):首次使用99課綱命題,第35題測驗日常生活的食鹽(離子化合物)、米酒及食醋(分子化合物)的酸、鹼強度、導電度、熔點及揮發性等綜合性問題,這種問題涵蓋一個以上的章節和化學概念,是很不錯的試題類型。這種問題有助人引導教學的完整性,而不是條列式或講義式的教學法。第36題(與100學年度是第38題類似)測驗學生對五大營養素分子組成的概念,第40題為有機化學分子中同分異構物的概念也是基本的化學應有的知識。 102學年度(有一題):在基礎化學(二)的有機化合物及化學與能源中均涵蓋有機化學,本年度的第49題以測驗學生對不同官能基化合物(烷、烯、炔、醇、胺及酸)分子組成的理解,學生必須了解各種有機化合物(包括核酸)的結構,因此這種題型已較之前95課綱教材難一些。 103學年度(有三題):第55題,測驗分子式與官能基化合物的聯結關係。第56題則測驗學生對醣類化合物的理解。第57題則是學測第一次測驗較複雜的有機分子(玻尿酸)結構中官能團的認識,其試題見「化學試題舉隅」一節的附件一。 104學年度(有五題):第35題,測驗學生對生物中大分子—DNA單體核酸結構的認識。第48題為一個不錯的綜合題,以酸鹼滴定用的指示劑—酚酞為主軸,不僅測驗酸鹼滴定亦測驗酚酞分子結構的相關問題。第49題測驗汽油的分餾及其成分與分子結構。第51題為常見有機化合物特性及其鑑定方式,較有引導學生動手做實驗的學習方向。第53-54題則是學測中第一次分子模型顯示化學結構,測驗學生對分子模型,官能基團及同分異構物的概念,是一有趣的新型考題,其試題見「化學試題舉隅」一節的附件二。 綜觀最近學測的有機題型以對有機分子結構與官能團的認知為主軸。由於95課綱有機教材中主要涵蓋烷、烯、炔及芳香烴,而99課綱教材已擴充至烷、烯、炔、芳香烴、醇、醚、醛、酮、酸、胺、醯胺及生命中的有機化合物如醣類、蛋白質、油酯與核酸。因此,學測中有機化學可以出題的題材增加很多,此亦可由104年度與有機相關試題共有五題,比往年增加一些看出此趨勢。 二、指考中的有機化學 指考的有機化學範圍則較廣且難度加深,經常可以看到創新的題型,這些題型不容易在高中考題及坊間輔助教材看到。一般而言,試題是經過層層的命題、修題及闈內測試修定而定稿,題型具嚴謹度及綜合性(即將其他章節和不同觀念融合在一個試題中)。另外,95與99課綱內容對高中化學概念整體差異不大(99課綱已無金屬晶格計算),因此,近年來指考化學範疇變化不多。以下僅針對與有機化學相關而較具整合性題材略述以下,對於僅考記憶性有機化學題目,則不在此詳述。 99學年度(有四題):第5題,是將蛋白質的結構與化學鍵的概念統整在一題,學生必須知道蛋白質結構中的作用力(氫鍵、凡得瓦力或離子鍵……)。第11題將有機及無機化合物的沸點比較,學生必須對各種化學分子有全面了解才能回答。第19題測驗芳香烴的結構及其反應,亦是一個綜合性的有機化學考題。第20題為實驗題,丁烯二酸的順反異構物的純化與再結晶實驗,並測驗其熔點與結構間的關係。具有引導教學需注重實作的功能。 100學年度(有五題):第5題測驗有機分子的極性(以偶極矩呈現)與沸點的關係。第17題將聚合物與塑膠分類聯結的一個考題,較有生活化學的意義。第18題為定性化學實驗,難能可貴的是將有機物(乙醇和乙炔)及無機物(NaCl、NaBr及NaI)併在一起以實驗方式呈現,是一個好的題型。第19題熔點測試實驗的題目,有引導教學需注重實作的功能,其試題見「化學試題舉隅」一節的附件三。第22題結合時事,測驗2010年諾貝爾獎有關石墨烯的結構與特性。 101學年度(有三題):第10題將有機化學中氧化還原的觀念與化學計量結合,是良好的整合題型。第13題以保麗龍球組成有機分子模型的題目,引導實作教學。第15題有機分析實驗,多種官能團的化學分析實驗,引導實作教學。 102學年度(有二題):第12題以瘦肉精時事問題,測驗瘦肉精分子結構及其特性,題目具綜合性,是一好的題型,其試題見「化學試題舉隅」一節的附件四。第22題乙烯和乙炔的化學分析著重實驗及其化學反應。 103學年度(有二題):第20題測驗有機分子(乙烯、乙烷)與無機分子(、、、)在鍵結與結構上的差異。第24題耐綸-66合成實驗題目,此為經常出現的考題,較無創新的問法。 綜觀近年來指考的有機題型較為分散,並不集中於某一主題。值得一提的是,某些考題與其他章節統整為綜合性題目,如100學年度第18題定性化學實驗中,將有機物(乙醇和乙炔)及無機物(NaCl、NaBr及NaI)併在一起以實驗方式呈現,為統整題型的試題,其試題見「化學試題舉隅」一節附件四。這類型的試題著重於概念的統整與實驗所得結果分析,考生回答試題時,需要逐步分析,了解每個實驗步驟的意涵,才可回答相關試題。 n 結語 綜合來說,化學為實驗科學,近幾年的學測與指考試題,嘗試著重於實驗相關課程的評量,符合高中化學課程的設計。學測中的有機化學可以出題的題材增加很多,最近五年題數有逐年增加的趨勢,但顯少出現實驗和統整題型的試題;指考的有機化學題數卻逐年遞減的趨勢,但經常出現實驗和統整題型的試題。另外,統整不同章節或不同概念的試題類型,可評量考生統整與分析的能力,亦應是未來值得加強研發以納入正式考試的類型之一。 n 化學試題舉隅 附件一:【103學年度學測–第57題】 57. 透明質酸,又稱玻尿酸,最近常被應用在醫藥及美容上,其化學結構如下: 試問此多醣聚合物具有哪些官能基?(應選3項) (A) 羧基 (B) 鹵基 (C) 酯基 (D) 羥基 (E) 醯胺基 附件二:【104學年度學測–第53-54題】 53-54為題組 下圖為甲、乙、丙、丁、戊五種有機化合物的分子模型。圖中黑、灰球分別代表碳、氫原子,斜線球代表氧原子。圖中連結兩球間的單棍代表單鍵,而連結兩球間的雙棍代表雙鍵。試回答53-54題。 53. 下列哪些屬於醇類化合物?(應選3項) (A)甲 (B)乙 (C)丙 (D)丁 (E)戊 […]
大學入學考試與化學評量: 學測和指考化學實驗試題與學生表現之探討(上) 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw n 前言 大學入學考試是學生進入大學的重要依據,其測驗內容對高中教學的影響十分深遠。就高中化學的教學而言,通常可分為課本的講解和實驗操作兩部分。實驗部分因各種因素考量,又可分為演示實驗和動手操作實驗。不論是課本或實驗的內容,皆是屬於課綱規範的內容,都是大學入學考試(大考)學科能力測驗(學測)和指定科目考試(指考)的命題範圍。本文藉由大考之中的化學實驗相關試題,分析學生的表現、對高中教學的影響以及實驗內容命題的相關限制。 目前的大考可分為學測、指考及英語聽力測驗(英聽),與化學相關的考科有學測的自然考科和指考的化學考科。學測自然考科共有68題,化學方面有17題,皆為選擇題;指考化學考科包括選擇題和非選擇題,選擇題題數有23~26題之間,非選擇題是二~三大題,每一大題又可細分為3~4小題。學測自然考科的測驗範圍是基礎化學(一)和基礎化學(二),指考化學考科的測驗範圍則是除了上述基礎化學(一)和基礎化學(二)之外,再加上基礎化學(三)、選修化學(上)、及選修化學(下)。這些測驗範圍,除了教科書的內容外,也包含實驗的內容,由於各教科書版本的實驗內容受教育部所頒布課程綱要的規範,其內容大致相同,因此在命題上不會受到某一版本內容不同而有所限制。 n 課程綱要的實驗內容 大考的命題需符合課綱的規範以免產生超綱情形,此稱為「不超綱」,此為大考命題的重要原則之一。就課綱中化學實驗的相關內容如下,其中表一是屬於學測化學實驗命題的相關內容;表一加上表二則是指考化學實驗命題的相關內容。 表一:基礎化學(一)和基礎化學(二)的實驗內容 實驗編號 實驗名稱 基礎 化學 (一) 1 物質的分離 2 硝酸鉀的溶解與結晶 3 化學反應熱 4 化學電池 基礎 化學 (二) 5 示範實驗:常見化學反應的形態 6 示範實驗:分子在三度空間的模型 7 有機物質的一般物性 8 界面活性劑的效應 由於學測的命題範圍較小,涵蓋的實驗內容只有8個,因此在命題時有相當的侷限。 相對於學測的實驗內容,指考的試題內容加深加廣許多。表二是基礎化學(三)和選修化學的實驗內容,這二個部分的實驗共計有13個,指考的實驗命題較有發揮的空間。 表二:基礎化學(三)和選修化學的實驗內容 實驗編號 實驗名稱 基礎 化學 (三) 9 秒錶反應 10 平衡常數與勒沙特列原理 11 溶度積測定 選修 化學 實驗 1 […]
大學入學考試與化學評量: 學測和指考化學實驗試題與學生表現之探討(下) 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw 【承〈學測和指考化學實驗試題與學生表現之探討(上)〉】 二、指考化學考科 相對於學測自然的化學部分,指考化學的範圍加廣、內容加深,屬於進階的考試。指考化學考科是為理工科系所設計,其報考的考生是以第二、三類考生為主。指考從91年施測至今已有13年,本文受限於篇幅,僅以103學年度指考試題作為討論範圍。103學年度的指考化學考科共有26題選擇題,其中與化學實驗相關的試題共有5題,分別是第8、15、16、18與24題,以下就這些試題來探討學生的表現。 【103學年度指考—第8題】 8. 下列哪一種聚合物所製成的樹脂可直接填充於淨水系統的管柱中將硬水軟化? 答案:B 得分率(答對率):P = 43% 選項分析:A: 1 %、B: 43%、C: 21%、D: 20%、E: 15%。 試題分析:本題屬於選修化學實驗中的硬水的檢測軟化法,實驗內容有特別說明是利用離子交換法軟化硬水。一般實驗課本都會以圖示方式,說明硬水通過陽離子交換樹脂後,可使硬水軟化,如圖三所示。本題的離子交換樹脂以結構式的方式表示,可能使部分考生產生混淆。另外,有不少考生選選項(C)、(D),是對陰離子與陽離子交換樹脂的定義有所誤解,選(E)的考生則是不了解硬水的定義。本題答對率43%,屬於中間略偏難的試題。本題主要是屬於定義與結構式的認識,不涉及化學實驗的操作。 圖三:離子交換樹脂使硬水軟化的示意圖 (圖片來源:高中選修化學(上)實驗活動手冊,康熹文化,p.17) 【103學年度指考—第15-16題】 15-16題為題組 根據上列實驗步驟,回答15-16題: 16. 在步驟5中溶液混合後的消失速率(M/s)為何? 答案:15. D;16. D 得分率(答對率):15. P = 66%;16. P = 31% 選項分析:15. A: 7%、B: 15%、C: 10%、D: 66%、E: 2%。 16. A: 31%、B: 16 %、C: 18%、D: 31 […]
大學入學考試與化學評量: 學測試題融入化學App的開發與教學 陳昭錦*、江青釗、廖靜宜 國立臺灣師範大學附屬高級中學 *t35116@ntnu.edu.tw n 「化學尋寶」與學測試題 「化學尋寶」是常見的定性分析實驗,最早出現於遠哲科學趣味競賽中,經國立臺灣師範大學化學系蕭次融教授的研發並積極推廣,屢見於各校或各區的化學能力競賽中,也有許多化學教師發展實驗試題,應用於教學現場中的實作評量。「化學尋寶」這類實驗題材,涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析,有助於刺激學生活用既有的化學知識,並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中,也常列入「化學尋寶」和離子鑑定分析為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的必修內容,103學年度以前,編於《基礎化學(一)》,屬於學科能力測驗(簡稱學測)自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起,因應課綱微調,編於《基礎化學(二)》,屬於學測自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題,「離子沉澱反應」出現的頻率相當高,單題或題組型式都有,測驗的內容不限於基礎知識,透過命題者的巧思,不僅測驗考生基本的科學知識和概念,進而測驗考生分析、應用與推理的能力。 以93年和104年學測自然科試題中兩個代表性題組為例,其試題內容如下「學測化學試題舉隅」所示。這兩個題組分屬兩種類型的化學尋寶,第一種是藉由外加物質(如酸鹼試紙或指示劑等)與未知溶液反應後,從反應結果尋找線索並歸納推理,綜合各項發現完成鑑別。第二種類型則是不使用任何外來物質,純粹由未知溶液彼此相互反應,由反應結果進行推理,此類型較注重對實驗者對各未知溶液性質的掌握及解題策略的有效性。 n 學測化學試題舉隅 【93年學測自然科–58-60為題組】 58-60. 有一已磨成粉末的混合物試樣,是由下列六種物質中的數種等量組成: (A)NaCl (B)KCl (C)CaCl2 (D)CuSO4(無水) (E)Na2SO4 (F)Na2CO3 為了要確定該粉末試樣的成分,王同學先查了資料後,自己研擬了一個檢驗粉末試樣的流程圖,並請李老師指導。李老師認為整個實驗都相當安全,基於鼓勵學生多做「探究學習」,同意王同學在化學實驗室中進行實驗,並要求王同學確實記錄實驗過程,並檢討每一實驗的必要性。以下是報告的一部份: 實驗一:用燒杯取粉末試樣約2克,加蒸餾水約100毫升,攪拌後形成無色的透明溶液X。 實驗二:在溶液X中加了鹽酸,則見在溶液中陸續產生氣泡,至溶液不再冒氣泡,溶液仍為無色透明(貼上標籤Y)。 實驗三:在無色透明的溶液Y中,滴加BaCl2溶液,即見白色沈澱。 實驗四:繼續滴加BaCl2溶液,至白色沈澱不再產生後,過濾分離出白色沈澱,得到透明的無色濾液Z。 實驗五:在濾液Z中,滴入AgNO3溶液,則見白色沈澱,加入稀硝酸,沈澱不溶解。 58. 根據上述報告,原粉末中一定沒有哪兩種物質?(從(A)-(F)中選兩項)。正解:CD。 59. 原粉末中,一定含有哪兩種物質?(從(A)-(F)中選兩項)。正解:EF。 60. 若王同學只需回答問題58與59,你認為王同學不需要做哪兩個實驗?(應選兩項)。正解:DE。 (A)實驗一 (B)實驗二 (C)實驗三 (D)實驗四 (E)實驗五 【104年學測自然科–9-10為題組】 9-10. 濃度均為0.1 M的五種水溶液,其溶質為、、、、。這五種溶液彼此間的關係如圖2。圖中每條連線表示兩端的溶液可以發生化學反應,產生沉澱或氣體,均以肉眼就可辨識。請先確定代號1~5是什麼溶液後,回答9與10題。 9. 已知與溶液2的反應,可以產生氣體或沉澱,則溶液2的溶質是什麼化合物?正解:D。 (A) (B) (C) (D) (E) 10. 已知與溶液4的反應皆為沉澱反應,且其中有一種沉澱的顏色為黃色,則溶液4的溶質是什麼化合物?正解:E。 (A) (B) (C) (D) (E) n 學測試題融入化學App的開發 93年學測試題出現的題組屬於第一類型,在當時令人耳目一新,解題關鍵有二,其一是實驗一中混合物溶於水且呈無色,由此可排除有色離子及共存後會沉澱的組合,其二則是混合物可與酸反應產生氣泡。題目的設計確實能鑑別學生是否具備基本化學概念,進而探測其分析及推理能力。104年學測的題組屬於第二類型,五種未知溶液彼此相互反應,其中一種可與其他四種發生肉眼可見的化學變化,此題組成功將化學尋寶實驗轉化為學測考題,一方面滿足學測試題要求的鑑別度,另一方面則展現引導高中實驗教學的企圖。因應學測自然科試題中實驗題型的多樣化,化學教師除了加強學生的化學知識和實驗技能外,更關心的是,如何協助學生能將課堂所學的化學知識與能力正確地展現在升學考試上。大考中心對學測試題中實驗題型的積極研發,促使教學現場的教師體認實作評量的必要,並亟思如何克服實驗教學的限制。 相信高中化學教師都認同培養實作能力和真實性評量的重要性,然而受限於課綱編製的食譜式實驗與教學時數,且各校提供教師的實驗支援程度不一,再者綠色化學對實驗室藥品減量呼聲日切,有心發展這類能提升學生應用、分析與推理能力實驗教學的老師們,很可能心有餘力不足。有鑑於此,國立臺灣師大附中自然科教學團隊與校內資訊中心合作,102學年度在「信望愛文教基金會」的贊助下,自行研發三款以陰、陽離子沉澱反應為主軸,可供免費下載的化學App,分別為化學尋寶、沉澱查詢機及快打沉澱表,並在103學年度修訂完成後公開上架,參見圖一~圖七。 […]
大學入學考試與化學評量: 指定科目考試化學考科人工閱卷的說明 林英智1, *、吳國良2 1國立臺灣大學化學系 2大學入學考試中心 *yclin@ntu.edu.tw n 前言 化學是一門實驗的科學,需要歸納許多觀察的實驗結果,整理之後形成定律,這些定律再作為推理並邏輯思考的基礎,藉此,對未知領域做開發與深入的探索,逐漸形成廣博又精深的專業學門。經過長年的累積,許多科學家的努力,化學不只發展出應用的領域,並因此對許多應用科學與技術提供重要的基礎知識。因此化學的學習,除了建立對化學定理的認識,還要熟悉推理並思考的邏輯。 大學入學考試的指定科目考試化學考科的重點,在於評量考生對化學專業知識的基礎認識,正確的推理與思考邏輯,以及化學實驗的實作經驗。因此除了選擇題之外,通常還有一部分非選擇題。選擇題包括單選題和多選題,採電腦閱卷,但非選擇題的閱卷,則是採人工閱卷。由於考生人數動輒上萬,參與閱卷的人數也就需求眾多,如何提供精準並一致的標準,確保閱卷的公平性,顧到考生權益,成為閱卷工作的重要指標。指考化學考科的人工閱卷牽涉考生的權益,一直是早期招生委員會與近年來大學入學考試中心(大考中心)非常重視的工作。也是多年來,一些大專院校化學專業教師暑期一項艱鉅的工作。本文將就此人工閱卷部分,由早期完全是人工管理,轉換成為電腦輔助閱卷與管理的過程,作簡要的敘述。 n 閱卷過程 一、評分標準訂定 指考化學考科的人工閱卷,由招生委員會或大學考試中心成立閱卷委員會,由一位主閱委員擔任召集人,與四至五位協同主持人組成,成員都是資深的化學教授,每個小組再另聘請十多位在大專院校任教的各級教授。早期採人工紙面閱卷時,全國答案卷收齊後,再依各考場彙整編組成冊。目前,使用電腦螢幕閱卷系統之後,答案卷就會先經過掃描,影像檔輸入電腦儲存。同時,閱卷主持人與協同主持人就非選擇題的解答部分進行討論。特別對於因考生不同的推理方式,造成答案的表達不夠明確,而造成閱卷委員的誤判,進行深入的探討,以訂定一套評分標準與明確的扣分原則。 一般而言,非選擇題可以大略分為計算、作圖、簡答或其他。就計算題而言,有些考生觀念正確,卻因為計算過程疏忽,而得到錯誤答案,考生因為觀念與列式正確應可得到部分的分數。化學的發展包含許多的數據處理或進一步用圖形呈現,因此圖形的判讀與製作,也是這些年來出題的重點之一。然而在評定有關圖形的製作或判讀,這一類之考題的答案上,往往會有許多不同的狀況,如何一方面顧到考生權益,一方面又能持守公平原則,通常都要花費許多時間討論。至於簡答部分,有些需要考生提供獲得答案的推理過程,有些則是可以直接寫出答案即可,端看試題設計的要求。這些不同類型的非選擇題,具有不同的評量功能,以符合大學專業選才的需求。 待評分標準訂定後,主持人與協同主持人會進行試閱。試閱過程中,會發現考生在回答問題時,會有種種不同的思考脈絡或表達的方式。閱卷小組會再開會,以進行第二次的討論,製作一份確定的評分標準。此外,也會針對可能會造成爭議的答案,選出一些典型特例,考慮學生答題的不同表達形式而產生容易誤判的答案型態,盡量列出所能收集到的各種比較特殊形式的答案,並列出計分的方式,以作為正式閱卷前的標準卷與試閱卷,這些答案卷是作為隔日正式閱卷使用。 二、正式閱卷 正式閱卷開始前,會先召開全體閱卷委員的大會,所有閱卷委員對主持人與協同主持人所討論出來的評分標準,再做一次的討論與溝通,務必尋求正確且考慮學生權益,並具有一致性、公平性的評分方式。評分標準說明完畢後,主持人接著說明標準卷,這些標準卷是作為說明評分原則的答案卷,明確說明各種答案的給分原則。接著是試閱,試閱卷則是提供全體閱卷委員試閱的答案卷,通常有學生典型與非典型的作答樣態,委員需通過試閱卷的檢驗後,才可進行正式閱卷。若在試閱過程中產生疑義,協同主持人與各小組的成員需要再溝通,以取得一致的標準,然後才進行開始正式閱卷。 在閱卷過程中,每份試卷都經過兩次不同閱卷委員的評分。若有評分差分過大者,則再經主持人或協同主持人進行主閱,以確保考生的權益。早期,未實施電腦閱卷前,閱卷工作是直接在答案試卷上進行,分數也直接打在試卷上方的特定區塊,第一次閱卷的成績,經工作人員處理彌封後,再進行第二閱。原則上,第二次的閱卷委員無法得知第一次閱卷的成績,以達到獨立閱卷的原則。完成兩次閱卷後,由行政人員用人工方式作管控,檢視兩次評分的一致性,有差異就需要主閱。這種使用人工處理與校對,不僅耗費人力也容易出錯。民國95年大考中心資深顧問蕭次融教授,開始推廣使用電腦螢幕閱卷的系統,由大考中心依閱卷的過程來設計軟體。答案卷集中後,全部以快速掃描的方式,將影像檔存入電腦,閱卷人員則在電腦螢幕閱卷,評分直接輸入電腦系統中。一方面,答案卷上沒有任何註記,順利達成兩次獨立閱卷的程序,另外又可以迅速以軟體管控分數有差異的試卷,再決定是否需要主閱。比較早期完全使用人工作管理校對的工作,這種在電腦上閱卷的系統,確實提高了行政效率,因此也就一直沿用至今。 三、電腦輔助閱卷 使用電腦輔助閱卷,還有一些其他優點。例如部分考生,為了選擇自己感覺較容易回答的題目先作答,因此會將一些試題答案,寫在答案卷最後,而將不同題之答案分開寫在答案卷上不同的區域,造成答案卷中間,可能有部分空白。閱卷委員有時會疏忽,看見空白以為已經沒有答案在後,而漏閱後面部分的答案。為了確保考生的答題,都完整經過閱卷委員的評分,閱卷組行政人員有一重要作業,就是確定整份答案卷,都有完整的評過分數。早期未電腦化的閱卷系統,為了不造成第一次閱卷的成績影響第二次閱卷的給分,因此答案卷上通常都是沒有任何註記,行政人員不易判定閱卷者是否完整閱完整份答案卷。改用電腦閱卷系統,就很容易提醒閱卷委員要閱完整份答案卷。 此外,有些考生使用較細或者顏色較淡的筆,以致書寫不清楚,或者使用立可白塗改過,再經電腦掃描影像檔,造成螢幕上不易辨識的答案卷,通常每年總會有極少部分這樣的答案卷。這些答案卷的內容,無法在電腦螢幕上清楚呈現,就必須改用完全人工閱卷,通常由大考中心整理出這樣的答案卷,再由人工紙面的閱卷程序,以保障考生的權益。 n 結語 大學指定考試使用電腦系統協助人工閱卷,明顯且大幅的提升了閱卷的效率,減低了錯誤發生的機率。在人數眾多,需要多人參與閱卷的考試系統中,是一項很好的選擇。硬體設備的使用率,則視考試頻繁的程度來決定。以現有的網路技術,資料也可以保存在很好的保密環境中,不至於造成資料外流。由於指定科目考試每年只有一次,目前大考中心是以租用設備進行電腦人工閱卷。使用電腦協助人工閱卷後,閱卷時程明顯縮短,統計工作也更有效率,未來預計將持續執行。
大學入學考試與化學評量: 個人申請作業介紹—以臺灣大學化學系為例 陸駿逸1, *、吳國良2 1國立臺灣大學化學系 2大學入學考試中心 *cydlu@ntu.edu.tw n 前言 本期專題的主題是大學入學考試與化學評量,廣義的大學入學考試,除了由大學入學考試中心(大考中心)所舉辦的學科能力測驗(學測)、指定科目考試(指考)、高中英語聽力(英聽)之外,校系於個人申請第二階段所舉行的指定項目甄試,亦屬於入學考試的一環。每一校系對學生的要求有所不同,因此對於第二階段甄試項目也有不同的設計。本文介紹的國立臺灣大學(臺大)化學系因屬競爭熱門的校系,故甄選的過程較為複雜。希望藉由本文的介紹,讓社會各界對臺大化學系個人申請的現行作業流程,有更進一步的了解。 n 作業流程 一、第一階段篩選 臺大化學系個人申請的相關作業流程如表一所示,以103學年度為例,個人申請核定的招生名額是32位,預計甄試的人數是96位,指定項目甄試費用是1500元。高中學生經由第一階段學科能力測驗的成績篩選後,再進入第二階段的甄試項目。臺大化學系對於第一階段學測所訂之檢定標準,國文、英文、數學、自然是均標,社會是底標。篩選的倍率分別是英文3倍率、數學4倍率、自然5倍率。學生通過第一階段學測成績篩選之後,再進行第二階段甄試,預計的學生人數為96位,但是,通常會因為與其他校系撞期的相關因素,使得最後參與學生為60-70位。 二、第二階段甄試 臺大化學系個人申請第二階段甄試,分為資料審查、化學筆試以及口試三個部分。審查資料包括:高中(職)在校成績證明、自傳(學生自述)、讀書計畫(含申請動機)、個人資料表,以及其他有利審查資料。這些資料審查的內容與面試的成績結合後,也就是說綜合考量所繳交之審查資料和面談表現後,所得的成績為口試成績。口試成績占30%,其餘分別是學測成績占30%、化學筆試成績占40%。 筆試的測驗時間為80分鍾。每年由兩位教授命題。以今年為例,選擇題和非選擇題各占50%左右。筆試因包含選擇題和非選擇題,除了測驗考生學科知識外,也強調學生論述能力之評量。值得說明的是,命題教授是以高中化學教科書為基礎,再進行些微的延伸,故高中生在做準備時,應考慮以高中化學課本為基礎,行有餘力時,再補充大一普化的內容。主辦單位為確保筆試的公平性,這些試題皆未曾公開,但每年的命題教授還是以不重複過去的考古試題為原則。筆試之後,由命題教授進行閱卷,所得的成績,即為筆試成績。筆試地點在台大化學系館,如圖一所示。 除了筆試成績之外,學生面談的表現也是一項重要指標,學生的口試成績是由資料審查與面談表現兩者結合而得。資料審查中,若是高二、高三的成績較高一進步許多,或是主科的成績表現優異,應可獲得加分的效果。若有相關的化學競賽或是國際的競賽,如:奧林匹亞,則會受到審查委員的青睞。除了學業成績的優良表現之外,學生若在社團活動有突出的表現,也可能打動評審委員。此外,招生簡章中有特別提到,可檢附大考中心英聽測驗的成績,作為審查的參考資料。化學系雖未訂定英聽的檢定標準,但可提供作為備審資料的一部分。口試地點在台大化學系館,如圖一所示。 圖一:臺大化學系個人申請第二階段筆試和面試地點—臺大化學系館外觀(左)、臺大化學系館中庭(右) 經過資料審查、筆試之後,臺大化學系的申請入學還有面談部分(或稱口試)。口試是以分組方式進行,學生2-3人為一組,教授則是3人一組擔任口試委員。口試的題目會先由會議進行討論修訂,以避免疏漏或考慮不周之處。為減緩學生口試過程中的緊張情緒,學生在口試進行前20分鐘左右,會拿到主辦單位事先準備好的書面試題4-6題,也就是說,學生在進行口試前,有一些準備的時間。進場後,先就書面試題口頭回答,而口試的後半部分也再加上其他的隨機試題。由於是採取團體面試,有些問題會以搶答的方式,來觀察評斷學生的臨場表現。因應有些同學因個性拘謹害羞或緊張而無法搶答的情況,也有些問題會以指定回答方式進行,使每位學生在口試時,都有機會可以陳述自己的意見。通常口試問題的設計是由淺至深,有些日常生活中能看到的現象,其背後的化學原理便可能作為口試的問題。這些問題的設計,是希望見到學生在申論過程中運用知識,並展現其邏輯分析能力。因此,即使答案並不完全正確,若能展現條理清楚的因果分析,還是能拿到好成績。學生在口試過程有時難免會「卡關」,答不出話來。口試委員也會嘗試將問題拆解,藉由引導的方式,讓學生就其所知道的部分回答,而能表現出自己的程度。 經由這些程序後,結合學測成績(占30%)、筆試成績(占40%)、資料審查與口試成績(占30%)這三種成績的總和,就是考生最後排序與錄取的依據。 表一、國立臺灣大學化學系申請入學規準 學科能力測驗篩選方式 第一階段 科目 國文 英文 數學 社會 自然 總級分 檢定 均標 均標 均標 底標 均標 — 篩選倍率 — 3 4 — 5 — 甄選總成績採計方式及占總成績比例 第二階段 學測成績採計方式 *1.00 *1.00 *1.50 — *1.50 — […]
蠟燭的化學史 The Chemical History of a Candle 作者:Michael Faraday(麥可‧法拉第) 譯者:胡景瀚*、林奕秀 國立彰化師範大學化學系 *chingkth@cc.ncue.edu.tw 譯者序 這本書源於Michael Faraday(麥可‧法拉第,1791─1867)在英國皇家學院的一系列演講,該書於1861年首次出版。法拉第出身卑微,靠著自學而成為科學的歷史上一位傳奇的人物。他在電磁學、化學各領域都有卓越的貢獻。 在這本書中,法拉第藉著一系列的實驗,闡述蠟燭燃燒時所牽涉到的現象。法拉第分析了燭火的溫度,告訴我們燭火最亮之處其實是碳粒造成的。蠟燭及許多物質的燃燒都會產生二氧化碳和水,二氧化碳的碳和水的氫來自蠟燭,而氧來自大氣;水包含二體積的氫氣和一體積的氧氣。法拉第也將蠟燭燃燒和呼吸作用做比較,告訴我們二者都是藉氧化反應釋放能量,並排出二氧化碳的化學反應。 今人閱讀這本書,仍不免讚嘆法拉第設計的精采實驗。藉著逐步的推理、論說、與驗證,法拉第成功地教育年輕人科學如何藉著發問、推想、設計實驗、並驗證結果來獲得知識。除了介紹蠟燭,這本書的另一個重要貢獻是告訴我們:「如何從事科學研究」、「甚麼是科學」。 這本書很適合年輕學生閱讀,若能重複書中描述的實驗,讀者將會更為受益。在書中,譯者盡量將所涉化學反應呈現出來,以利於讀者學習。原書圖繪由彰化師範大學美術系李婷歡重繪,謹此致謝。在譯者之前,中央大學倪簡白教授已經出版了譯本《法拉第的蠟燭科學》(商務書局出版)。台灣大學張文亮教授的作品:《電學之父─法拉第的故事》(文經社出版)對於法拉第的生平有詳盡的介紹。 (圖片來源:Michael Faraday, Wikipedia)
蠟燭的化學史 The Chemical History of a Candle 作者:Michael Faraday(麥可‧法拉第) 譯者:胡景瀚*、林奕秀 國立彰化師範大學化學系 *chingkth@cc.ncue.edu.tw 第一章 蠟燭的製造、燃燒及火焰 各位來到皇家學院,參與我們舉辦的一系列演講,我感到非常地榮幸,為此我將講述蠟燭的化學歷史。先前我已經處理過這個主題了,如果您不介意,我希望每年都來演講這個主題;因為這主題本身相當有趣,為許多科學領域帶來精妙豐富的結果。所有主宰宇宙的定律,都參與且觸及了我們即將觀察的現象。要進入自然哲學的研究,沒有比從蠟燭的物理現象入手更好的方法了。因此我有信心,我選擇蠟燭、而非其它較新穎的主題不會讓您失望;較新穎的題材,即使它並不差,不一定會比較好。 開始之前容我說明一下:雖然我們的主題很好,而且我們對這主題懷抱真誠、嚴謹與哲學式的思維態度,我將在演講中忽略那些較年長的人。我希望能以對年輕人聊天的口吻來演講。在之前的幾場演講中,我已經這樣做了,如果您不介意,我仍將使用相同的方式。雖然我在這裡傳達的知識屬於所有人,但這並不妨礙我在這個場合,用類似之前的方式來演講。 n 蠟燭的製造方式 現在,男孩和女孩們,首先我要說明:蠟燭是用甚麼做的。有些製造蠟燭的材料是相當奇特的。這裡有些木材和樹枝,特別適合燃燒。你看到這塊奇怪的材料,來自愛爾蘭的沼澤,叫做「蠟燭木」;這是種堅實、強硬、相當好的木材,非常適合作為支撐的材料,而且它們很容易燒起來,在蠟燭木的的原產地它被製作成燃燒用的木屑;蠟燭木也能用來做火炬,它燒起來就像蠟燭,能放出明亮的光芒。這塊木頭本身就是蠟燭本質的最完美的例子,或許這就是我能呈現給你的。這塊小小的木頭不只提供燃料,還能藉著燃燒演示化學作用、利用持續穩定供應的空氣顯現出光和熱;事實上,它就是一根天然的蠟燭。 我們必須先談商業製造的蠟燭。這邊有幾根蠟燭,通常稱為「浸製蠟燭」(dips)。製造方式為:把一團棉花纏成一個環,將環浸入融化的動物脂肪,拿出來陰乾後,再浸入脂肪;如此反覆動作,直到棉花上累積了一團動物脂肪。我手上的這些蠟燭會讓你對蠟燭的特性有些瞭解……它們實在又小又奇特。這些怪東西是以前礦工在煤礦坑裡用的蠟燭。古早的時候,礦工必須自己準備蠟燭,他們覺得小蠟燭在礦坑中比大蠟燭不容易引發爆炸;基於這個原因,以及經濟上的考量,礦工們做出不同重量的蠟燭……每磅有20、30、40或60支。之後蠟燭先是被一種叫做「鋼鐵廠」的燈所取代,然後又被戴維安全燈[1] 取代,接著還有其它類的安全燈。我手上有一支蠟燭,貝斯理上校跟我說是從皇家喬治號沈船上拿下來的。這根蠟燭沉在海中多年,受到鹽水的作用。但你看到這支蠟燭保存良好;即使它可能折損、斷裂得很嚴重,但點燃後還是可以正常燃燒,一旦蠟燭開始熔化,脂肪就重回它的自然狀態。 蘭貝斯(譯註:Lambeth,英國地名)的費爾德先生給了我很多漂亮的蠟燭圖片和材料;所以現在就來說說它們。首先,這是牛脂——牛的脂肪,它可以被製造成放在這兒的美麗物質,也就是硬脂蠟燭。這種方法是給呂薩克,[2]或是某個將方法告知給呂薩克的人所發明的。硬脂蠟燭不像一般油膩膩的牛油燭,它倒是蠻乾淨的;此外你還可以刮下、弄碎蠟燭滴下的東西,這些滴下的蠟也不會弄髒任何東西。給呂薩克製造蠟燭的過程如下:先將石灰加入脂肪後煮沸、將油脂做成肥皂,然後用硫酸移除石灰,並分解肥皂,就會留下脂肪重組過後的硬脂肪酸,同時也產生甘油。[3]甘油,是一種糖或類似糖的物質——從動物脂肪經過化學變化而產生,然後油從其中被擠壓出來。 你看到這裡有一堆壓製的塊狀物,顯示在持續增加壓力的情況下,雜質被漂亮地從脂肪混合物中移出,最後你會得到融化的物質,將它鑄造成我所演示的蠟燭。我手中拿著的是硬脂蠟燭,是我曾經告訴你的,從動物油得到的硬脂肪酸所製造而成的。這邊有根鯨魚油蠟燭,則是用抹香鯨油純化做成的。我還有一些黃蜜蠟和精製蜜蠟,都可以用來做蠟燭。另外還有一種奇特的材料,叫做「石蠟」,以及一些石蠟蠟燭,是用愛爾蘭沼澤裡的石蠟做的。我們還有來自更為偏遠地帶的材料呢,我這邊還有從日本帶來的蠟,有位朋友慷慨地送給我,這種蠟是製造蠟燭的一種新材料。 這些蠟燭是如何做的呢?我已經跟你說過浸製蠟燭,接著我將呈現模具是怎樣做的。讓我們想像蠟燭是由可塑材料做的。「可塑!」,「此話怎講?蠟燭會融化,如果你能融化蠟燭,那當然是可塑的東西。」事實並非如此。在製造蠟燭的過程中,為了讓成品具有所需性質所做的努力,已經使得製造蠟燭這件事發生始料未及的結果。蠟燭並不總是可塑的。純蠟的蠟燭無法被塑形,而需要某種特殊的方法;雖然我能在一兩分鐘內說完,但我不打算在這邊花太多時間。蠟燭中的蠟是易燃、易融化的,因此不容易被塑形。然而,我們拿個能塑形的材料過來。這兒有一個框架,上面綁著幾個模型。首先把燭蕊穿過這些模型。辮子形狀的燭蕊由紗布支撐,這種燭蕊不需要重複剪蕊。這條線穿到底端,就栓在底部固定;用小栓子拉緊棉花並堵住孔隙,如此液體就不會流出來。在頂端橫過一根小棒子,這根棒子拉張棉花且將棉線固定在模型裡面。然後,動物脂肪融化後流入模子裡。一定時間後,待模型冷卻,從一角倒出多餘的動物脂肪,清理一下,再剪掉燭蕊的尾巴。現在模型裡面只剩下蠟燭,再來你只須把它倒過來,像我這樣做,蠟燭就會滾出來,因為蠟燭是做成圓錐形的,上面比下面小;因為它的形狀,只要輕輕搖晃,蠟燭就會掉出來了。硬脂肪酸和石蠟的蠟燭也是依同樣的方法製造的。 蠟燭的製造方法很奇特。就像你在這邊看到的,框架上掛著很多棉花,末端覆蓋金屬物,避免棉花在這些地方被蠟蓋住。將這些東西放在裝著融化的蠟的容器上方。你看,框架可以翻過來;而當它們翻過來時,我們就拿一桶蠟澆灌第一個框架,接著澆灌下一個,再下一個,依此繼續。當製造蠟燭的師傅倒完一輪後,如果較早被澆灌的框架中的蠟已經冷卻,他便從頭再澆覆框架第二層蠟,如此進行,直到每個框架上的蠟都累積了足夠的厚度。當框架依此方法被蠟覆蓋、填滿到足夠的厚實程度時,便將它們取下並移到其它位置擺放。感謝費爾德先生慷慨提供,我這邊有幾個這類蠟燭的樣本,這些是半成品。覆蓋蠟的框架被取下之後,放在石板上捲起,用適當形狀的管子模塑出蠟燭的尖椎端,切平底部並整理乾淨。這道手續做得好,工人就可以用這個方法精確地做出4磅、6磅或其它重量的蠟燭。 然而我們不能在製造過程耽擱太多時間,我們必須進入正題研究蠟燭這個物質。我還沒跟你說到蠟燭豐美的視覺享受(因為在蠟燭世界裡真的有精品般的東西)。看哪,這些顏色多麼美麗,你看到偏紫的紅色、偏紅的紫色,以及最近發明的化學顏色都能在蠟燭裡見到。這裡有根精工雕刻,像是希臘石柱的蠟燭;我也帶來一些裴叟先生給我的蠟燭,這些蠟燭經過設計和裝飾,而當我點燃它時,你看到上方浮著一輪閃耀的太陽,下面像是一束捧花。然而,這些精緻漂亮的東西並不實用。希臘石柱型的蠟燭美則美矣,卻不好用;因為外型的緣故使得它們不好用。儘管如此,我還是讓你看看朋友送我的、不同種類的蠟燭,你就曉得現在的蠟燭可以做到甚麼程度,還可能做出哪些不同的成品;雖然,如我所說的,精緻的修飾會犧牲掉事物的本質。 n 觀察蠟燭的燃燒 現在來談蠟燭的光。我們將點燃一、兩支蠟燭,並讓它們持續燃燒,展現它們應有的功能。你觀察到蠟燭和油燈相當不同。使用油燈的時候,你把油注滿底盤,放進些許製備的棉花,接著點燃棉花的上端。當火焰往下燒到與油接觸時,火會熄滅,但是上頭會繼續燃燒。你一定會問說:為什麼油本身不燃燒,但卻會在棉花上端燃燒呢?我們現在就來檢視這個問題,不過蠟燭燃燒是一件更為神奇的事。現在有個沒有容器盛裝的固態物體;這個東西要如何爬上火焰燃燒的地方呢?這個固體要如何到達燃燒的位置,但又不會變成液體呢?或者說當它變成液體時,要如何維持在一起的狀態且不分散呢?這就是蠟燭神奇的地方了。 現在有些風,風對我們說明這個示範實驗可能有幫助,但我們也可能被燭火戲弄了;為了讓我們的演示不受干擾,也為了簡化整個過程,我需要一個穩定的燭火;在研究過程中假如出現預期外的干擾,我們就無法好好地做研究。週六晚上在菜市場可以看到賣菜、馬鈴薯或賣魚的小販,他們用一個很好的東西來避免蠟燭被吹熄。我頗為欣賞這個器具,他們在蠟燭周圍蓋上燈罩,上面有道滑軌支撐並鉤住燈罩,使用者可以就需要將燈罩滑上滑下。依照同樣方法使用燈罩,我們便能擁有穩定的火源,你可以看著、仔細檢視這穩定的蠟燭燃燒,我希望你在家裡也能這樣試試看。 首先,一個美麗的杯狀凹槽形成了。當空氣接近蠟燭時,蠟燭產生的熱氣流把空氣往上推,這股空氣冷卻了蠟、脂肪或燃料的外圍,讓外部邊緣溫度比內部中央低;火焰盡可能地沿著燭蕊向下燃燒,同時融化內部,但是外部並不會融化。假如我在一個地方施予氣流,蠟燭凹槽的壁將在另一側下垂,融化的液體就會流出來;因為萬有引力——讓這個世界得以聚合的力量——使液體保持水平,如果凹槽不是水平的,液體便會沿著溝槽流下。因此你曉得,這個凹槽的形成歸功於那美妙的、規則的上升氣流,它同時也使蠟蠋外部保持冷涼。沒有這個杯狀凹槽,其它燃料無法作成蠟燭;愛爾蘭沼澤的木頭是個例外,因為木材本身就像海綿,可以吸收燃料。 如果點燃我先前演示的漂亮蠟燭,你就曉得為什麼結果很糟糕;這些漂亮蠟燭形狀不規則、表面不連續,因此沒辦法好好形成凹槽的邊緣,而凹槽是蠟燭最棒的地方。現在我希望你能了解,一道程序的完美結局,就是他的實用性,是這整個過程中最美好的。普通的蠟燭並不漂亮,但是卻運作良好,也是對我們最有用的。美麗的蠟燭燃燒起來並不順利,在蠟燭壁上會出現溝槽,因為氣流不規律,隨之形成的凹槽也不好用。當蠟燭壁上淌下融化的蠟使某處變厚時,你會看到不穩定的上升氣流(我相信你會看到這些)。隨著蠟燭持續燃燒,在壁上形成突出的細柱,因為這根細柱高出旁邊的蠟或其它種燃料,空氣在這裡流動得更好,這邊的溫度會比較低,進而阻擋周邊的熱。一如其它事理,人類對於蠟燭的重大誤解將教導我們那些如果沒有實際經歷,便無從獲得的知識。我們聚在這裡,希望成為思想者,我希望你永遠記得,無論何時你看到一個結果,特別是新的結果時,你應該要問:「這是甚麼原因造成的?為什麼它會發生呢?」經過一段時間推敲之後,你就會找到原因。 我們還能從另一個點切入,回答關於蠟燭的問題,也就是研究蠟油從凹槽流出,由燭蕊往上到達燃燒位置的方式。用蜜蠟、硬脂肪酸或鯨油做成的蠟燭,燭蕊燃燒的火焰不會往下跑到蠟或其它地方,將整支蠟燭融化,而會保持在恰當的位置。火焰被下方的液體阻攔,不會侵毀凹槽的周圍。我想不出更完美的例子了,在此燃燒過程中,蠟燭的各個部分相輔相成。像蠟燭這種可燃物會漸漸燃燒殆盡,但又不會被火焰從外部入侵,是很棒的景象,尤其在你知道旺盛的火直接燒到蠟上的時候,蠟會被火焰催毀,當火靠得太近時,蠟也會被火焰變形。 n 燭蕊藉毛細作用,持續地將蠟燭融化並傳送到火焰 但火焰是如何取得蠟油以作為燃料的呢?這裡有個很棒的觀點——毛細作用。「毛細作用!」,或「毛髮間的吸引」,在我們還沒好好了解它真正的作用之前,不用太在意名稱;這是前人取的名字。因為毛細吸引的作用,作為燃料的蠟油被運輸、存放在燃燒進行的地方,這個過程不是任意的,而是被巧妙地安置在燃燒作用發生的中心。現在我要給你一、兩個毛細吸引的例子。這個動作或吸引力使兩個互不溶解的東西聚在一起。例如,洗手時你弄濕雙手、抹上肥皂,使皂液附著得更好,然後你發現手還是濕漉漉的。這就是待會兒我要說的那種吸引力。如果你的手沒弄髒(因為日常生活中,雙手通常是髒的),將指頭伸入溫水,水會些微地從手指頭向上爬升——很可能你以前還沒有注意過這件事情呢。 我有一個多孔的物質——一支鹽柱(圖1),然後我在盤子底部注入看起來像水但不是水的液體;這是飽和的鹽水,無法再溶解更多的鹽,所以你看到的作用並非溶解的緣故。我們將盤子想像成蠟燭,鹽柱當成燭蕊,鹽水則是融化的蠟。(我事先將鹽水染成藍色,好讓你看清楚作用過程。)現在我把液體倒進去,如果鹽柱不倒下的話,液體會升高、漸漸爬上鹽柱,越來越高;液體會爬到頂端,。如果這藍色的液體是可燃的,而且我們把一條燭蕊放到鹽柱頂端,當液體滲入燭蕊時就可以燃燒。觀察這種作用以及相關的細節是很有趣的。洗完手時,你拿毛巾擦乾雙手;因為這種濕潤的方式,水會沾上毛巾,蠟燭燃燒時,融化的蠟會爬上燭蕊。我認識一些不拘小節的男孩和女孩們(當然謹慎的人也會這樣做),把擦過手的毛巾丟在臉盆旁邊,沒有多久臉盆裡所有的水就被毛巾吸乾,滴得地上溼答答的,因為它剛好被丟在有水的臉盆,水因為毛細作用被吸引而滴到外面的地上。 圖1 我手上有個網紗做成的管子,裡面裝滿水,在這個過程中,就某方面來說,你可以把這容器視為棉花,或從另一個角度觀之,將它視為棉布。事實上,有時候燭蕊是用網紗做的。你會發現這管子是個可滲透的東西;因此我從上端倒水進去,會從底下流出來。以下問題可能讓你思索好一會兒,如果我問你:這管子的情形怎樣?裡面是甚麼?為什麼它會在那裡面?這根管子注滿水,但同時你也看到水進進出出,好像管子是空的。為了證明給你看,我只好將它倒出來。原因是這樣子的:網子一直是濕的,篩孔很小,以至於液體從這端被強力吸引到另一頭,所以管子裡一直有水,即使管子是有開口的。利用相似的方法,融化的動物脂肪粒子爬上棉花並到達頂端;其它粒子因為相互吸引的作用跟隨在後,當它們到達火焰燃燒的地方時,也加入燃燒。 接下來也是同樣的原理。看看這根樹枝。我在路上看過一些男生把樹枝點火,假裝是雪茄,學大人的樣子抽菸。他們能這樣做,是因為樹枝單向的可滲透性,也是因為毛細管現象。如果我把這根樹枝放在盛有樟腦精的盤子(大體而言,樟腦精的性質和石蠟類似),一如前面藍色液體滲入鹽柱的道理,樟腦精會滲入這根樹枝。因為旁邊沒有毛孔,所以液體無法往那方向去,但是一定會流經整根樹枝。液體已經流到樹枝頂端了;現在我可以點燃它,就跟蠟燭一樣。因為樹枝的毛細現象,液體會往上爬升,就像在蠟燭裡面的棉花一樣。 為什麼蠟燭不會把燭蕊周圍都燒掉呢?唯一的解釋是:融化的動物脂肪把火滅掉了。你知道,如果把蠟燭倒過來,想讓作為燃料的蠟油流到燭蕊,蠟燭反而熄滅了。原因在於火焰來不及加熱蠟油到足夠的溫度好燃燒起來,在前面成功燃燒的例子中,只有少數蠟油被帶到燭蕊,並且在燭蕊上還有熱。 n 重新點燃熄滅的蠟燭 關於蠟燭,還有一個現象可以讓你理解蠟燭運作的原理,也就是蠟油作為燃料燃燒後,產生煙霧的情形。為了讓你了解,我來演示一個很棒,但也很平常的實驗。如果你迅速地吹熄蠟燭,會看到餘煙裊裊升起。我知道你經常聞到蠟燭熄滅的煙味,不太好聞;如果你能靈巧地吹熄,便能清楚看到煙霧中有轉變過的固體物質。我接下來要吹熄這些蠟燭,不讓我連續的呼吸擾亂蠟燭周圍的空氣;而現在,如果我拿一根點火棒,距離燭蕊大約5公分遠,你會看到一串火苗沿著煙霧爬上蠟燭(圖2)。我最好手腳俐落些,如果我的動作太慢,煙霧就有時間冷卻進而凝結為液體或固體,可燃物質的流動就會受到妨礙。 圖2 n 氣流對火焰形狀的影響 接下來,我們要談到火焰的形狀或形態。也就是蠟燭中的物質爬上燭蕊後所產生的,只有燃燒或火焰那無可比擬的美和亮光。黃金、白銀耀眼迷人,紅寶石、鑽石、珠寶更是光彩奪目;但它們都不如火焰出色動人。哪顆鑽石能閃耀如火呢?夜裡鑽石的光輝尚須向火焰借光。火焰在暗夜裡閃耀,除非火焰照上鑽石,它才得以展豔。蠟燭只為自己、依靠自己發亮,或是為那準備蠟燭的人工作。現在我們來觀察玻璃燈罩裡火焰的形狀,它的形狀穩定且均勻。其形狀如圖3所示,火焰的外形隨著氣流擾動變化,也依據蠟燭大小而變。 圖3 這是個光亮的橢圓形,上面比下面亮,燭蕊在中間;除了燭蕊比較暗之外,在底部還有更暗的部份,這部份的燃燒不像上面那麼完全。我這裡有張圖,幾年前由虎克[4]所繪製的,那時他正在做這方面的研究。這張圖畫的是油燈的火焰,但也適用於蠟燭的火焰。蠟燭的凹槽就如同盛放的器皿或檯座;融化的鯨油則可視為燃油;而蠟燭和油燈都有燈蕊。在燈蕊上點起小小的火苗,然後發生了一件事:有些你看不到的物質從火焰升起,假如你沒有聽到前面的演講或不熟悉這主題,你就不知道有這些物質。 虎克描繪出火焰周圍非常關鍵、無時不在的氣流。我們的蠟燭有股氣流成形並拉長火焰;你所見的火焰被拉得很高,就像虎克在圖上畫的氣流延展的形貌。你可以把點燃的蠟燭拿到陽光下,讓它的陰影投射到一張紙上,或許就能看到我所說的樣子。這是多麼神奇呀,自身亮得足以使其它東西產生陰影的,也會在紙上被投出陰影(圖4),如此你就能確實看到周圍不屬於火焰本身的氣流,而這氣流上升並拉高火焰。現在我要把電池裝上電燈,好模擬太陽光。你現在看到我們的太陽和它的亮光;在光源和屏幕中間放置蠟燭,就得到了火焰的影子。你觀察到蠟燭和燭蕊的陰影;接下來是如圖所示(圖4)的一片微暗的區域,還有一塊較遠的區域。挺神奇的是,從影子觀察到火焰最暗的地方,實際上是最亮之處;這邊你看到熱空氣往上流,一如虎克畫的那樣,這股氣流拉長火焰、供應空氣並冷卻融蠟的凹槽圍牆。 圖4 我再更進一步演示,讓你們看看火焰如何因為氣流而上升和下降。我這裡有一具火焰——這不是燭火——但無疑地,它和燭火所受的影響是一樣的。我現在要做的是將上升的氣流改變為下降氣流。我可以藉由面前這個裝置輕易做到(圖5)。 圖5 如我剛才所說,這火不是燭火,而是酒精燃燒的火,所以不會產生很多煙。我也用某種物質為酒精染色,如此你才好追蹤它的軌跡;假如沒有染色,你就看不清楚,也就難以追蹤其軌跡。點燃酒精,我們製造出火焰,接著你觀察到,把火焰舉在空中,它自然會上升。你相當瞭解為什麼在一般環境下火焰會往上升:是因為這股協助燃燒的空氣的流動造成的。但是現在我把火焰向下吹,你看,我讓火焰往下進入這個小煙囪,氣流的方向被改變了。在這堂演講結束前,我們應該讓你看看一種燈,它的火焰往上升,但煙霧卻向下降,或是火焰下降但煙霧上升。我們可以改變火焰的方向。 我得提醒你幾件事。大部分你看到的火焰,其形狀受到周圍不同走向的氣流所影響;如果需要的話,我們可以控制火焰,這樣它們看起來像是固定的,而且我們可以對它照相——實際上我們有必要照下它們——這樣它們才能固定,好讓我們得到所有關於火焰的知識。不過,這不是唯一我想提醒你的。如果我升起一團大火,它的形狀便不會這麼一定、這麼齊整,但它的火焰卻迸發出相當的活力。我將援用另一種燃料,也可以如實地代表蠟燭中的蠟油。我有一大團棉花,用來作為燭蕊。將這團棉花浸入酒精液體並點燃之後,它和普通蠟燭有甚麼不同呢?啊,它們差異可大了,這東西燃燒時生氣勃勃且充滿活力,它的美、它的生命在在不同於燭光。你看到那些美妙的火舌升起。這團火從下到上均勻地燃燒,除此之外,它還擁有引人注目的、迸發的火舌,這是蠟燭燃燒看不到的。 […]