化學教室活動：庶民的分子廚藝教室 郭益銘1, *、鄭惠華2 1中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系2巧比諾有限公司*kuoyiming@gmail.com n  前言 一、分子廚藝讓廚房變實驗室 1985年，法國科學家Herve This與物理學家Nicolas Kurti，正式為共同研究的「分子廚藝」（molecular gastronomy）定名，位於西班牙的El Bulli餐廳是「分子廚藝」的創始店，主廚安德里亞（Ferran Adria）顛覆傳統廚藝，「眼見為憑」已非真理，每一口都是驚喜，還被英國權威雜誌「餐館」（Restaurant）二度評選為全球最佳餐廳。分子美食就是廚師利用各種奇異工具，通過物理或化學的變化，把食材的味道、口感、質地、樣貌完全打散，讓後再重新「組合」成一道新菜，讓傳統的菜肴變得充滿新鮮感，給我們不斷帶來驚喜。 二、熟悉知識卻不曾體驗的學生 現今的課程編排，一個國小學生要學習的科目和細項相當多，因此教育現場實際操作實驗的時間和內容均受到侷限，教師在備課上，除採購物料與準備教材，甚至於在安全考量上，都必須花費比較多的時間。而當今孩子因為科技的進步與家庭的保護下，很多孩子在實作的基本能力上也缺乏實際體驗。更報導指出學童的食育力下降【中華日報新聞網，2018】（見圖1），只會吃「白香蕉」的窘境，一時間發現，熟讀澱粉糊化理論的學生，居然連煮飯要放水這件事情都感到猶豫。 圖1：董氏基金會調查成果發表狀況 （圖片來源：中華日報新聞網，http://goo.gl/TkYLhA） 三、關懷偏鄉縮小落差 2013年起我們在一般地區以及偏鄉和弱勢地區推動「科學小食神」及「點心吃什麼」等科普專案，我們普遍發現學生在生活能力與科學理論的結合上是脫節的。優勢家庭的孩子即使成績優異，能侃侃而談澱粉糊化、蛋白質變性等化學理論，但是在家政領域裡，煮飯不放水、喝鹹豆漿堅持不想放醋，都讓我們感受到實作的需求。而偏鄉弱勢地區由於家長的教育陪伴力量薄弱，閱讀及學習興趣低落，孩子不認識食品添加物，也無人引導觀察生活中食物的化學變化，生活的應變能力與科學的學習無法同時提升。 n  材料與工具 本次實驗所需的材料與工具如下：市售鬆餅粉（通常內含泡打粉與中筋麵粉）、葡萄汁（自製或市售均可）、檸檬汁（自製或市售均可）、電熱烤板或烤箱、叉子、量匙、容器、攪拌棒、盤子。 n  實驗流程、問題提問與觀察引導 1.        酌量取出鬆餅粉，不添加水逕行放在烤板上或烤箱內加溫1-2分鐘，此時詢問同學，鬆餅粉是否會變成鬆餅？ 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉，確認並未變成鬆餅（見圖2），在進入下一階段觀察。 圖2：未加水鬆餅粉加熱後狀況 2.        鬆餅粉加到水裡，不加熱，是否會變成鬆餅？ 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水混合後，是否有糊化現象，抑或僅為單獨澱粉略為膨脹顆粒懸浮於水中，並確認其並不會變為鬆餅（見圖3）。 圖3：加水鬆餅粉未加熱後狀況 3.        鬆餅粉加到水裡混合攪拌後，並加熱，觀察其是否變為鬆餅。 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水攪拌均勻後，在加熱過程中，其漸漸糊化的現象，在水分漸漸蒸發後將轉變成可口的鬆餅，且鬆餅上有許多小孔洞（見圖4），可詢問其原因，並引導入小蘇打粉與酸性物質反應後產生二氧化碳的反應。   圖4：加水鬆餅粉加熱後：成型狀況（左）；學生操作情形（右）。 4.        加入葡萄汁並已經烤好的鬆餅，觀察其顏色，另外在加入檸檬汁後，再觀察其顏色的變化。 教師角色：引導學生觀察鬆餅的顏色，詢問學生鬆餅粉為淡黃色，葡萄汁為紫色，紫色加黃色後應該呈現紫黃色，為何混合後會變成綠色？另外，添加檸檬汁後為何又變成粉紅色？藉此問題詢問再導入花青素於酸鹼中，顏色會變化的概念，並聯想至酸鹼中和所使用的石蕊試紙，以作為課程的延伸。    圖5：加水鬆餅粉在加熱後的外觀：加入葡萄汁和牛奶的鬆餅漿（左上）；沾上檸檬水的鬆餅漿烘烤（右上）；原味與葡萄口味鬆餅漿烘烤成型外觀，加上檸檬水的葡萄鬆餅漿偏粉紅色，未加上檸檬水的葡萄鬆餅漿烤過後偏綠色（下）。 n  問題引導與答案說明 1.        鬆餅粉為何會變成鬆餅？ 本次實驗時，先讓學生放置鬆餅粉於烤盤上，發現鬆餅粉即使經過高溫亦不會變成鬆餅，此係因澱粉糊化作用。澱粉分子為長鏈的葡萄糖分子的聚合物，澱粉分子之間以氫鍵方式交聯在一起。澱粉分子於常溫下不溶於水，僅能可逆地吸收水和輕微地溶解脹大，但隨溫度漸增，澱粉分子振動劇烈，造成澱粉分子之間的氫鍵斷裂，進而澱粉分子與較多的水分子結合。由於水分子的進入造成長鏈的澱粉分子的分離，增加澱粉分子結構的無序性、減少結晶區域，溶解脹大並分裂形成均勻糊狀溶液的特性，稱為澱粉的糊化（gelatinization）。 2.        烤鬆餅時孔隙從何而來？ 鬆餅成品有大量細微孔洞，顯示烘烤過程當中產生氣體，本次實驗所使用的鬆餅粉主要成份含中筋麵粉與泡打粉，中筋麵粉與水混拌加熱後會產生糊化現象，並凝結成鬆餅，而泡打粉主成分為小蘇打粉（Sodium bicarbonate, NaHCO3）、弱酸性物質如塔塔粉（cream of tartar）、磷酸二氫鈣（Monocalcium phosphate, […]

化學教室活動：透過微量實驗實作學生發現溶解度法則 許之音 臺北市立中正高級中學trya416@yahoo.com.tw n  實驗簡介和單元目標 一、  沉澱表或溶解度表的歷史 德國化學家克里斯托夫·海因里希·蒲法夫（Christian Heinrich Pfaff，1773-1852）認為取得的溶液先用幾個基本試劑加以初步檢驗，藉此觀察某些離子肯定存在的啟示，也可否定某些離子存在的可能性，並藉由檢驗的任務簡化，可降低盲目性。科學家整理一些特定離子遇到其它離子發生沉澱或溶解的檢驗結果加以成表格形式，稱為沉澱表（precipitation table）或溶解度表（solubility chart），例如：鈉離子與所有陰離子混合均不會產生沉澱，而硝酸根離子可溶解所有陽離子。硫酸根離子與鋇離子則會產生難溶的沉澱物。 溶解程度的定義：可溶（soluble）為溶於水的濃度大於0.10 M之化合物；微溶（slightly soluble）為溶於水的濃度在0.00010~0.10 M之化合物；難溶（insoluble，或稱為沉澱precipitation）為溶於水的濃度小於0.00010 M之化合物。可藉由各物種的溶度積平衡常數而算出溶解度，判斷各化合物的溶解性。 二、  高中化學課程提到沉澱表方面 1.        在硬水軟化方面，可藉由在硬水中（含鈣離子或鎂離子）加入碳酸鈉產生碳酸鈣或碳酸鎂沉澱，而去除鈣離子或鎂離子。 2.        在水的純化方面，也可藉由加入強鹼 ，而使大過數重金屬離子形成沉澱。 3.        在鉛蓄電池方面，電解液硫酸水溶液中的硫酸根可與鉛離子形成硫酸鉛沉澱附著在電極板上，因此充電過程中可將沉澱恢復原狀。 4.        肥皂在硬水中因為其親水端和鈣離子形成沉澱而失去洗滌效果。 5.        檢驗醛基的多侖試劑主要是銀離子先與少量鹼反應而形成氧化銀沉澱，再與過量氨水形成二氨銀錯離子。 6.        另一種檢驗醛基的斐林試劑為含有硫酸銅和酒石酸鉀鈉的氫氧化鈉溶液，原本氫氧化鈉與硫酸銅會反應而形成氫氧化銅沉澱，藉由酒石酸保護銅離子，使其不產生沉澱。 7.        在電池電位的探討方面，若另外加入的離子會與生成物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向右，則電位會上升。反之，若另外加入的離子會與反應物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向左，則電位會下降。 8.        有些沉澱可溶於強酸而溶解，這些沉澱大多帶有弱鹼性或產生其它反應。例如：碳酸鹽、亞硫酸鹽本身為弱鹼性，因此可溶於強酸，且會產生二氧化碳、二氧化硫等氣泡。鉻酸鹽則會與強酸生成二鉻酸鹽，因此可使沉澱溶解。 9.        有些沉澱本身為中性，加入強酸或強鹼均不會溶解，例如：硫酸鋇。 10.    郝耳法製鋁是利用鋁礬土加入過量的強鹼（氫氧化鈉），其中鋁離子一開始形成氫氧化鋁，但遇到過量強鹼會再溶解，而其它離子則是形成氫氧化物沉澱，而達到分離的效果，可以收集到較純的鋁離子。 三、  本次實驗主要目標 1.        藉由某一陰離子和某一陽離子的混合，判斷其為溶解或沉澱，並拍照記錄，以作為後續的討論，完成學習單，發現沉澱表或溶解度表。 2.        加入強酸到有沉澱物，判斷哪些沉澱會溶解，以作為後續的討論，並完成學習單。 3.        思考實驗相關的原理以及相關生活運用和課堂回饋。 n  藥品和器材 一、  各組藥品 1.        陰離子：每一項藥品以塑膠滴瓶裝（見圖一左），濃度均為0.10 M且體積均為10毫升，所有的塑膠滴放在塑膠盆內（見圖一右）。 […]

化學教室活動：透過密室逃脫遊戲精熟學習常見的化學元素 顧展兆 宜蘭縣立國華國民中學a890015@gmail.com n  前言 在國中階段學生學習生活中常見的化學元素時，大部分的學生以背誦的方式學習。本文介紹最近有名的解謎遊戲，透過提供的線索解開密碼，學生進入設定的多重關卡，逐步解開密碼，最終找尋到謎底。透過這種遊戲式的合作學習，學生在闖關和解謎的過程中，互相討論和溝通，並且記錄學習的經過，認識每個元素的特徵，進而達到學習科學的效果。 在國中自然與生活科技二年級上學期的課程中，介紹常見元素中的金屬元素和非金屬元素。本次的教學係以生活中常見的化學元素為主，讓學生認識金屬元素和非金屬元素。 n  密室逃脫遊戲與學習 密室逃脫一般泛指玩家需要發現和利用身邊的物品來完成指定任務（通常是解開特定謎題的方式），最終達到逃離該區的目的。 密室逃脫的核心精神，在於參與者經由小組中與他人交流、討論、互動，發揮集體智慧精神解答出關卡謎題，這樣的情境與課堂中，著重學生彼此間合作討論、如此營造給學生一個自主思考、推理討論、高度參與及觀察統整的空間，當課堂中學生主導權多了一些，願意嘗試遊戲得到的挫折與愉悅，都是學習與成長的一部分。 設計老師不但要從學科知識中汲取可以運用的內容之外，也要包裝知識成為足以引起興趣的內容，吸引學生的注意，引發學生解謎的興趣；除此之外，設計者也必須知道，並非所有的謎題都會如自己所預想的一樣發展，必須在操作中觀察並不斷進行調整。 n  解鎖遊戲的設計和說明 在活動開始，教師提示解鎖遊戲的工具，主要有拉鍊袋、密碼鎖及關卡提示單（見圖一），並且搭配「密碼總表」（見圖一和表一）所對應的數字，進而解開密碼鎖，並取得下一層的「關卡」。在教師選擇密碼鎖種類的方面，依照教學設計的密碼數而定，可以為三位數或四位數。每一個「關卡」使用拉鍊袋包住（見圖一），因此可以購買不同大小的拉鍊袋，大的拉鍊袋包住小的拉鍊袋，作為區分不同的「關卡」。而拉鍊袋與密碼鎖的數量取決於教學者設計「關卡」數量而定。 本遊戲所需的道具在一般的文具店即可購得，而且價格算是平易近人，而密碼鎖因為需要數量較多，可以透過網路購買較為方便，購買的密碼鎖也要選擇可以自行設定密碼，盡量選擇不同顏色以區別每組不同的密碼。 n  道具和器材的準備 筆者設計三個關卡，學生需要解開三組密碼鎖的密碼。 每組所需道具和器材：密碼鎖（三種顏色）各1個、拉鍊袋（三種不同大小）各1個、密碼總表1張、關卡提示單（見圖一）。全班五組所需道具和器材（見圖二）。   圖一：每一組所需的材料（密碼鎖、拉鍊袋、關卡提示單及密碼總表） 圖二：全班五組教具發放前準備妥當的狀態（左為密碼包和右為密碼總表） n  事前準備 1.        教師事先製作密碼總表，寫出各元素的特色在對應的表格中。可先寫出各元素的密碼，並對照數字與順序放入，每一個元素在一個密碼的編碼中僅能出現一次，例如：銀的密碼為1485，而其他元素的密碼不可在同一位數出現相同數字。 2.        教師事先規劃謎語提示，編排每一組的解謎路徑，並依照不同的路徑設定好密碼鎖（可在密碼鎖上註記上編號，以免混淆），路徑上盡量讓各組錯開。 3.        註記每一組拉鍊袋的編號，以免混淆。 4.        在拉鍊袋適當的位置上打洞，讓密碼鎖可以扣上， 5.        依照謎語第二步設計的路徑（關卡提示單），放在各個拉鍊袋中，而最小的拉鍊袋裡面擺入謎腳，例如：五組分別放入「我」、「愛」、「自」、「然」、「課」等字，最後依序鎖入最小的拉鍊袋，在遊戲結束後，教師集合這五字成字串，。 n  教學流程 一、  準備活動 1.        教師引導學生複習生活中常見的元素，由於屬於複習，因此可快速瀏覽過。 2.        在快速複習完後，要求學生收起課本，然後發下學習單（見圖三）。 圖三：發下「密室逃脫遊戲」學習單 二、  發展活動 (一)活動過程 1.        教師介紹密室逃脫解鎖遊戲的規則，並且發下各組的拉鍊袋（密碼鎖、拉鍊袋及關卡提示單）和密碼總表（見圖四）。 圖四：發下整組的拉鍊袋和密碼總表 2.        在遊戲進行中，教師巡視課堂並且給予學生適當的提示，但不明確說出答案。 3.        以分組討論的方式，要求學生在學習單上仔細記錄找尋密碼的過程。 4.        […]

化學教室活動：自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜 陳秀荷1、劉奇愛1、楊水平2,* 1國立彰化師範大學科學教育研究所2國立彰化師範大學化學系*yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 光，是以波的形式傳遞。不論是從自然界中的太陽來的，還是人工製造的燈泡來的，一道光裡含有不同的波長。有些波長的光能使我們看見顏色，稱為可見光，不同顏色的光具有不同的波長，紅光的波長比藍光的還要長，而我們肉眼所見的日光，就是由許多不同的波長、不同顏色的光彼此混合所產生的。但這些混合在一起的各種波長，是否隱藏一些細微的秘密在其中呢？ 在19世紀初期，夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer, 1787 – 1826）因著精湛的透鏡研磨工藝，開啟人們對太陽觀測的序幕，他整合當時的觀測，從太陽儀中記錄當時的光譜，細心地記錄光譜中的暗線，共畫出了五百七十多條的暗線。但在當時卻無法對這些暗線提出合理的解釋，直到1859年克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff, 1824 – 1887）與本生（Robert Bunsen, 1811 – 1899）合作，使得這些暗線的秘密從彩色的光譜中被揭發出來。[1] 克希荷夫原先是物理學家，僅在研究之餘，與本生一起研究化學元素的光譜。當時是以純物質的在加熱下所發出的光進行紀錄並且觀察，這些純物質加熱的光譜，並非連續的，即使通過稜鏡也只會得到亮線，而非連續的光帶。而在一次對火災的研究中，引發他們對由光源推測元素的想法。克希荷夫與本生找出夫朗和斐的觀測紀錄，與他們已知的化學元素光比對，有了驚人的發現！他們發現「暗線的位置」竟然可以對應上「已知元素光譜」的亮線位置，包括氫、鈉、鎳、鈣及鐵。因此，克希荷夫就藉此推論，太陽上存在的元素，就是吸收太陽光的這些波段的能量，生成了這些肉眼可見的暗線。後世就把這光譜上五百七十條的暗線，稱為夫朗和斐線（Fraunhofer lines）[2]，如圖一所示，圖一並未完整展現所有的夫朗和斐線。 圖一：太陽光譜與夫朗和斐線一樣，可以肉眼觀測到。 （圖片來源：Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.） 太陽光譜中的黑線是由於太陽表面上或更上面的氣體所引起的，它們吸收一些發出的光。 每種氣體（如氦氣，氫氣，氧氣等）都有一組非常特定的波長，可以吸收太陽光。若照射一些光線通過一些冷氣體（cold gas）和棱鏡，並記錄吸收光譜（absorption spectrum），則可以肯定地說出這氣體是什麼（見圖二），這在化學上被稱為吸收光譜學（absorption spectroscopy）。美國宇航局（NASA）的好奇號（Curiosity）探測器使用光譜儀來確定火星上存在什麼氣體和化合物。[3] 圖二：照射光線通過冷氣體和棱鏡可觀察到吸收光譜 （圖片來源：Spektrum Slunce, https://goo.gl/aGqu4d.） n  大氣層中的臭氧 地球表面的大氣層以垂直高度分為四層，由地表向外，分別是對流層（地表以上約12公里）、平流層（約從對流層頂向上至55公里）、中氣層（55-85公里）以及增溫層（100公里以上）。我們生活在對流層的底部，雲、雨、霧等常見的天氣現象發生在此層。空氣不穩定，常隨人類活動而有所變化，如霧霾、沙塵暴……。而我們所熟悉的臭氧，是在平流層「保護」我們免於紫外光的傷害。然而，臭氧實際上並不永遠像保護的天使，關鍵取決臭氧所在的「高度」。當臭氧靠近我們時，保護的功能反倒對我們成了「傷害」。當臭氧出現在靠近我們的對流層的底部，會刺激人體的呼吸道，並引起皮膚過敏。 「對流層臭氧」和「平流層臭氧」來源並不相同。對流層中的臭氧如同惡魔般傷害人類的身體，在陽光的照射下，來自汽車或工業排放的氮氧化物（NOx）汙染物發生光化學反應而產生臭氧（O3），還有其他有機化合物，如揮發性有機物（volatile organic compounds, VOC）和非甲烷總烴（non-Methane Hydrocarbon, NMHC），也可以參與這反應鏈，在有羰基物質或酮類時進一步形成臭氧（見圖三）。[4] 隨著太陽光照的強度越強，對流層中的氮氧化物汙染物的光化學反應越充分，在地表量到的臭氧濃度就會越高，由清晨靠近中午時漸漸攀升，在中午時達到一天的高峰。[5] 不僅如此，在對流層頂部臭氧是溫室氣體中的一種，將地表要放出至太空的熱量吸收下來，加劇全球暖化。以上的證據都顯出對流層的臭氧對人類健康與環境的不友善。[6] 圖三：對流層臭氧的形成途徑 （圖片來源：Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.） 然而，在平流層中的臭氧卻扮演天使的角色，吸收太陽光中大部分的UV光（紫外光），保護人類和其他生物免受高能量UV光的影響，如皮膚癌、白內障及農作物的傷害等問題。平流層的臭氧是來自O2接受UV光產生自由基連鎖反應而生。形成臭氧後，又可以再次吸收UV光分解成O2。這樣的連鎖反應不斷吸收紫外光，減少紫外光到達地球表面的量，使地球上的人類免受紫外光的危害，像天使一樣在天空上保護著人類。而這層有效的保護層，也就是臭氧層。 n  空氣品質指標與臭氧吸收光譜 一、空氣品質指標 […]

國內外化學教育交流（第二十三期） 林靜雯 國立東華大學教育與潛能開發學系 jingwenlin@gms.ndhu.edu.tw n  一月內容摘要搶先看 一、2018第二十五屆國際化學教育研討會 (ICCE 2018) 二、2018第二十五屆美國化學教育雙年會 (BCCE 2018)   n  詳細介紹 一、第二十五屆國際化學教育研討會 25th IUPAC International Conference on Chemistry Education (ICCE 2018) 地點：澳洲雪梨雪梨大學(The University of Sydney, Sydney, Australia)  日期：2018年7月10-14日 相關網址：http://www.icce2018.org/     2018年國際化學教育研討會(ICCE2018)是由雪梨大學化學教育小組及澳洲皇家化學學院(Royal Australian Chemical Institute) 聯合舉辦。大會的宗旨是 “Bridging the Gap”，因此研討會將不受限於主題，提供所有參與者發言的機會一同來改善化學教育，進而深刻地理解化學在我們的世界中所所扮演的角色，並為未來化學教育的推動提供重要基石。大會希望藉由各國的化學教育工作者相互的交流，激盪出新的想法、新的教學方法及教學上的實踐，提供給學生更豐富的學習經驗。 大會內容主旨如下： l   透過提供多樣化的教學與學習空間及教育人員所扮演的角色，來應對不斷變化的學習環境。 l   綜合新的想法、新的教學法及實踐來提升更國際化的網絡及合作關係。 l   建立澳洲化學教育界及全球化學教育界之間的聯繫，共同為學生的化學教育創造更好的願景。   該次大會的重要日程報名已上線，網址為：http://www.icce2018.org/ l   研討會摘要場次報名：已開放，截止日到2018年2月19日 l   報名早鳥優惠日期：已開放，截止日到2018年3月26日 […]