微型實驗簡介（上） 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw   微型實驗（Microscale Laboratory, 簡稱M.L.）是近年來國內、外迅速發展的一種實驗，著者曾參加在二OOO年十二月在香港浸信會大學舉行的國際微型化學學術研討會，二OO二年八月於北京舉行的第十七屆國際化學教育學術研討會及二OO四年八月土耳其伊斯坦堡舉行的第十八屆國際化學教育學術研討會二OO六年八月於韓國首爾舉行的第十九屆國際化學教育學術研討會，以及二O一O年八月於台灣台北舉行的第二十一屆國際化學教育學術研討會，往後各屆國際化學教育學術研討會中之主題中，都將有關微型化學實驗列入十大研討主題之一，由此可見微型實驗是二十一世紀化學教育的發展方向和重要課題，它是一種新穎的實驗方法和技術。 n  微型實驗之重要性 微型實驗的崛起，可說是八O年代化學實驗方法漸受重視的實驗改革。一九八二年美國D. W. Mayo博士在Bowdon學院和Bron大學等校中成功地推展有機化學實驗微型化，當初是著眼在環境保護和實驗室安全的需要，並很迅速地被推廣使用。到一九八九年統計已有400餘所校院及研究單位採用微型化學實驗，其試用範圍由有機化學實驗推展到無機化學、普通化學，推廣學校也由大學推展到中學化學實驗。到九O年代微型化學實驗已有更迅速的發展，此一實驗的改革也已引起國際化學界的重視。而著者早在民國七十五年便已注意到此一問題，也曾著手設計許多與中學化學實驗相關之微型化學實驗，並曾至台灣南區七縣市、澎湖縣及金門縣等各國中加以推廣。 n  微型實驗的意義、特點與設計原則 （一）微型實驗的意義 在化學教學中採用微型實驗配合科學活動動手做時，由於體積小、輕便、經濟、安全、效果好、污染低，可提供每位小朋友人手一套實驗裝置，各自操作，增加動手做的機會，提高學習化學的興趣。微型實驗有將原傳統實驗裝置如玻璃材質之容器、試管、燒杯、冷凝管…等加以微小化而成，亦有將原傳統實驗裝置加以改良成不易破損的塑膠材質、體積小、輕便易攜帶的微型改良實驗裝置。著者較著重在後者的微型化學實驗的設計改良與製作，曾將多年來所設計的成果之一，首次於一九九八年四月二十二日至二十六日，前往中國大陸浙江杭州師範學院（現在的杭州師範大學）參加由大陸中國化學會、杭州師院、華東師大等主辦的「九八年全國微型化學實驗學術大會」。會中同時舉辦第四屆全國微型化學實驗研討會及第二屆中學微型化學實驗研討會，微型化學實驗的意義與重要性，由中國科學院院士戴安邦教授於一九九八年春的題詞為：「大力推行微型化學實驗，使全國中學的化學教學皆有學生的單人實驗作業，以加強化學教學的素質教育作用。因為學生在化學實驗室的作業中，不僅學到第一手化學知識和動手技術，由於教師的指導得法、循循善誘、嚴格要求，更受到科學方法和思維的訓練，還得到科學精神和品德的培養。」以及中國科學院院士陳耀祖教授於一九九八年四月的題詞為：「化學是一門實驗性科學，在化學教育中化學實驗的教學至關重要，採用微型化學實驗儀器，可以節約試劑和時間，並得以訓練學生細心操作的技巧，使教學者得以在有限學時之內，有限經費條件下，完成實驗教學的要求。所以有關微型化學實驗儀器的研製是應該予以支持與鼓勵的，使之日臻完善並加以推廣。」，在這題詞當中已非常明確地指明了推廣微型化學實驗的目標、意義、方法與對師生的要求，也是對推展微型化學實驗工作者莫大的鼓舞與鞭策。 （二）微型化學實驗十大特點與三字經 (1) 微型化學實驗的十大特點 著者經多年來累積的經驗後，提出以小、省、快、好、易、安、多、高、少、低等十個字代表微型化學實驗的十大特點。 (2) 微型化學實驗的三字經 將微型化學實驗的十大特點以三字經的方式來闡釋，則更能突顯出其特點如下： （三）微型化學實驗的設計原則 微型化學實驗的設計原則為需具有「省資源、可回收、低污染」之環保理念，以及遵守（3+1）R之原則。 前3個R為歐美先進國家所提出來的廢棄物處理妙方，分別為減量（Reduce）、回收（Recycle）及再用（Reuse），再加上第4個R為拒用（Refuse），亦既是針對中小學的化學實驗有下列五項情形時必須加以拒用（拒絕使用）：(1)化學藥品具有高毒性、(2)化學藥品不易買到、(3)化學反應太繁瑣、(4)化學反應有爆炸危險性、以及(5)化學實驗裝置組裝複雜且易破裂。唯在拒絕使用之前，必須針對其實驗方法及裝置提出改良設計成微型化學實驗裝置以進行微型實驗，俾使化學實驗能符合環保理念。 n  微型實驗的歷史背景 在化學實驗中參與反應的試劑用量，係隨著科學儀器與科學技術的進步與發展，而有逐漸減少的趨勢。早在一八四五年N.D. Cheronis等便已開始提倡將實驗小型化（small-scale），四O年代半微量有機合成、半微量定性分析等在教學中的應用也逐漸被重視。美國化學家Nicholas D. Cheronis在一九四一年舉行的美國化學會年會上，對半微量實驗的儀器與分析技術在普通化學及有機化學中的應用作了有系統的介紹，也受到與會學者專家的重視。一九七五年美籍華裔學者馬祖聖（T. S. Ma）教授曾編著「化學中的微型操作」一書來推展微型化學實驗，此後有不少中學化學教師也受到影響而開始研究一些小型化的實驗裝置來進行化學實驗，微型有機化學實驗在八O年代脫穎而出後，就奠定了微型化學實驗的基礎，由此可見化學實驗小型化、微型化是化學教學發展的重要課題與必然的趨勢。 n  國外有關微型實驗的發展 一九八二年起Mayo等在Bowdoin學院及Merrimack學院等的有機化學實驗教學中便開始採用微型有機化學實驗，一九八四年在美國化學年會中首次發表微型化學實驗，一九八五年在美國化學教育雜誌刊出有關微型化學實驗的論文，一九八六年第一本「微型有機實驗」書問世，一九八九年第二版出版，根據統計至一九八九年底美國已有四百多所院校採用了微型化學實驗，Mayo預測到一九九二年將有百分之八十左右的美國大學基礎有機實驗會走向微型化。微型有機化學實驗在國外發展非常迅速，並帶動了無機化學、普通化學及中目前學化學的微型實驗的研究與應用。 目前微型實驗在大學和中學化學中的應用已受到國際化學教育界的重視，美國化學教育期刊（Journal of Chemical Education）自一九八九年十一月起開闢「微型實驗（The Microscale Laboratory）」的專欄，以加強對微型實驗的報導，至今微型實驗在世界上已有很好的發展。 n  大陸有關微型實驗的發展 大陸從一九八八年起開始引進並研發微型實驗，首先在大學院校來推廣使用，爾後陸續推廣到全國中學。目前微型實驗已被列為高校化學教育研究中心的課題，籌組研究協作組來大力推展，至今已有十三、四年了。在大陸的教委會有關部門、中國化學會和各有關院校的支持下，經過很多教師的共同努力，微型化學實驗已在大陸七百多所院校及中學推廣應用。 目前大陸方面在微型實驗之推展，已受到國外同行的矚目，杭州師範大學化學系周寧懷教授為大學院校首先帶動並推展微型實驗的專家學者，周寧懷教授曾相繼在國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）的學術大會及歐亞化學大會發表論文，由此可見，大陸在微型實驗推展所做的努力，已有相當的績效。 大陸每兩年舉辦一次全國微型化學學術大會，著者曾出席在一九九八年在杭州師院、二OO五年在齊齊哈爾大學、二OO七年在廣東湛江師範學院以及二OO九年在內蒙古民族大學舉辦的研討會發表論文。其中一九九八年四月二十二日至二十六日由杭州師範學院負責舉辦九八年第四屆全國微型化學學術大會（ACML），會中著者受邀發表論文及擔任研討會分組副主席，並以「減量減廢化學教學實驗設計研究」一文，在學術大會中報告與作品展示，受到與會大學教授專家學者及中學教師一致肯定。在學術大會後，大會決定成立「全國微型化學實驗研究中心」，中心聘請主持人擔任首屆理事及特約研究員，以加強兩岸學術交流，並期望微型化學實驗能在兩岸加速推展。 è 續【微型實驗簡介（下）】

微型實驗簡介（下） 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw é 承【微型實驗簡介（上）】 n  國內有關微型實驗的發展現況 國內有關微型實驗之推廣正在積極努力當中，著者曾在國立高雄師範大學化學系及研究所中擔任微型化學實驗之設計課程，教學過程中每學期皆需要不斷補充新的教學資料，因而在多次研讀國外一系列微型化學相關的論著後，引發作者在微型實驗設計上的興趣，經過多年的努力後，在微型實驗設計方面有點心得與收穫。自一九八五年起陸續將相關的成果發表在科學教育月刊計四十二篇：(1)有趣的理化實驗—奇妙的自動變色噴泉（1985），(2)有趣的理化實驗—光泉與變色噴泉（1986），(3)電解中陽極與陰極酸鹼度之速測法（1987），(4)投影機在化學示範實驗教學上之設計與運用（1987），(5)簡易電解裝置之設計與製作（1988），(6)寶特瓶在理化實驗上之利用（1990），(7)投影機在化學實驗上立體投影之設計與運用（1990），(8)有趣的化學實驗—隱形墨水（1990），(9)彩色投影透明片製作—護貝機製作法（1991），(10)有趣的化學演示實驗—汽水變可樂，可樂變汽水（1991），(11)非偏光動態投影透明片教材在化學教學上之設計與製作（1992），(12)投影機之化學演示實驗—金屬的離子化趨勢（1992），(13)氫氣的簡易製法與氫氣槍（1999），(14)微型氫氧混合爆鳴器（1999），(15)多功能二合一水槍（1999），(16)銀樹書籤（1999），(17)耗氧噴泉（1999），(18)柳橙汁變可樂，可樂變柳橙汁（1999），(19)神奇的噴泉（2000），(20)另類化學槍—新型氫氣槍和酒精槍（2000），(21)神奇的化學魔術—冷沸與冷泉（2000），(22)簡易銅蝕雕（2000），(23)乾冰噴泉（2000），(24)減壓彩色噴泉（2001），(25)化學魔術畫板（2001），(26)微型電解與顏色變換（2001），(27)化學奇觀—水中煙火（2001），(28)低值免電池化學槍（2002），(29)低值迷你水火箭（2002），(30)科玩DIY—磁浮飛碟（2004），(31)兒童創意科學實驗設計—神奇日光燈（2004），(32)兒童創意科學實驗設計—電動小馬達（2004），(33)科玩DIY—化學魔術神秘紙杯（2004），(34)科玩DIY—水的電解與合成（2004），(35)科玩DIY—在注射筒中之發光噴泉（2004），(36)科玩DIY—化學日出與日落（2004），(37)科玩DIY—水在注射筒中之沸騰（2004），(38)科玩DIY—旋轉式立體飄浮魔鏡（2004），(39)科玩DIY—有趣的喝水鳥（2003），(40)科玩DIY—大氣壓力（2003），(41)科玩DIY—發光浮沈子（2003），(42)科玩DIY—環保化學鞭炮（2003）等。 一九九三年起在中國化學會「化學」雜誌中陸續發表十九篇化學教育論文：(1)簡易安全快速之氣體製備與其性質之檢驗（1993），(2)新型電解裝置之改良設計研究(三項專利)（1995），(3)可回收低污染化學實驗器具組合之設計研究（1996）(4)減量減廢低污染化學實驗之設計研究（1997），(5)中學微型化學教學實驗之設計研究（1998），(6)微型電解裝置之設計研究（1999），(7)新型微型滴定裝置之設計研究（2001），(8)微型電解裝置與微型水火箭（2001），(9)微型掌心雷（2001），(10)中學微型木材乾餾有機化學實驗之設計研究（2002），(11)創意趣味微型化學實驗之演示及中學師生之實做研習（2002），(12)大學普通化學實驗儀器微型化之設計研究低值微型滴定裝置（2002），(13) 微型環保電解裝置之設計與在中學化學教學應用之研究（2003），(14)零污染安全微型氯氣製備裝置之設計與中學化學教學演示之研究（2003），(15)零污染安全微型木材乾餾裝置之設計與中學化學教學演示之研究（2003），(16)微型電化學實驗之設計研究—水之分解與合成（2003），(17)多功能安全氣體製備裝置之設計研究（2003），(18)氫氧燃料電池之微型化設計及在電化學教學應用之研究(方金祥 游苑平2004)，以及(19)何夫曼電解裝置微型化及教學應用研究(2004) 等。 此外，著者在美國化學教育期刊（Journal of Chemical Education）中發表一篇空氣中氧氣百分組成之簡易測定法（Fang, 1998）。 除此之外，自一九九二年起將改良創新發明之微型化學實驗裝置，逐年提出參加中華民國發明與創新展覽，八、九年來皆受到評審委員們的肯定與青睞而連續獲獎，其中亦有五項作品已獲有經濟部中央標準局及智慧財產局新型專利：(1)簡易電解裝置（1993），(2)簡易環保電解裝置（1995），(3)簡易安全水電解器（1997），(4)簡易氧氣製造供應器（1998）及(5)可回收可調式滴定裝置（2000）。也曾以減量減廢化學實驗之設計研究之作品榮獲一九九七年歐普環保獎第一名。一九九八年於上海市華東師大的「化學教學」雜誌中發表「微型實驗之設計—電解、氣體製備及滴定」，此文已被收錄於「中華優秀科學論文集—教育卷」中（1999）。 此外，著者者在累積多年的微型實驗設計經驗之後，分別在一九九八年十月由高雄復文圖書出版社出版國內第一本微型化學書籍（1998，相片一），二OO二年八月由國立編譯館主編出版的一本大學用書（2002，相片二）。為使國內化學教師、大學生及研究生對微型化學實驗能有更深入的認識，於二OO二年十二月七日至十一日特別邀請中國大陸全國微型化學實驗研究中心主任（杭州師範學院化學系教授兼高新化工研究所所長）周寧懷教授蒞臨高雄師範大學化學系專題演講，並與著者者在高雄師大化學系共同舉辦一場「微型化學工作坊（Workshop on Microscale Chemistry）」，使學生對大陸及國內推展微型化學實驗有更進一步的瞭解，也讓與會師生獲益良多，並覺得微型化學實驗在現今的環境及自然與生活科技領域之教師，在創新教學設計與學生學習興趣之提升及創造力之培養等會有相當大的助益。 相片一：微型化學實驗設計與製作 相片二：微型化學實驗教學之理論與實務 n  自製微型實驗裝置舉隅 著者曾設計完成多項微型實驗裝置，由於篇幅關係僅舉以下十三種供化學教育同好及師生參考。(1)微型氫氣製備裝置，(2)微型氯氣製備裝置，(3)微型氧氣製備裝置，(4)微型電解裝置，(5)微型滴定裝置，(6)微型乙炔照明器，(7)微型木材乾餾裝置，(8)微型掌心雷，(9)微型化學水火箭，(10)微型化學鞭炮，(11)微型水中火泉，(12)微型燃料電池，以及(13)微型氫氣槍和酒精槍等等。這些微型實驗裝置如圖1所示。 圖1：十三項微型實驗裝置 n  結語 創意微型化學實驗動手做，可以幫助學生認識化學及獲取化學識，讓學生在快樂中學習化學。以創意微型化學實驗應用在化學教與學上可說是學生們操作實驗的最愛。 創意微型化學實驗在設計上應考慮到實驗之安全性、趣味性、啟發性之外，還要兼顧到器材簡單、容易取得（可以配合廢棄物回收再利用）、操作容易及可重複使用等原則。在以創意微型化學實驗裝置此實驗時，每位學生可擁有自己一套實驗裝置且能親自動手操作，俾能激發學生們的創意、培養學生獨立思考與科學態度、訓練解決問題的能力。基於此，為了讓化學教師們的化學教學及化學實驗更為安全有趣、生動活潑，使學生在化學之學習上也變為更有趣、更為安全及更為簡易，以增加化學實驗的趣味性及學生對化學原理的好奇與吸引力，使學生不再懼怕化學，在老師教導之下每位學生皆可以安全地親自動手做實驗，由動手做中來接觸化學及認識化學，因此簡易微型化學實驗裝置對各階層的學生在化學學習上將有莫大的幫助。

創意微型實驗 —微型氫氣製備與微型氫氣槍 方金祥 創意微型科學工作室 chfang1273@yahoo.com.tw n  氫氣的特性 氫原子是所有元素中最輕的元素，氫原子也是最簡單的化學元素。氫原子（H）是由有一個帶正電荷的質子構成的原子核和原子核外之電子軌道上之一個帶負電荷電子所組成。原子序及原子量為1，通常是以三種同位素的型態存在於自然界中，分別為氫（H），氘（D），氚（T），氫原子非常活潑，由2個氫原子（H）組成雙原子分子，也就是氫氣（H2），氫氣是一種無色、無臭、無味、無毒的可燃性氣體物質，也是所有氣體中最輕的氣體。雖然氫在地球上的含量只佔第九位，約為地球質量的0.9%。但是氫在宇宙中是最豐富的元素，約佔所有物質質量的3/4。氫可與碳及其他元素形成化合物存在於所有動植物中，石油和煤中也含有氫，氫約佔水的質量的11%。 氫氣（H2）早在十六世紀初就被科學家利用在強酸加入較活潑的金屬實驗室製氫法製造出來，氫氣化性活潑、常溫常壓下易燃，燃燒時與氧氣作用生成水（2H2 + O2 → 2H2O），氫氣之原文為Hydrogen，其中Hydro是取自於拉丁文「hydrogenium」（即生成水之意）。 n  製造氫氣之原理與傳統氫氣製備裝置 （一）原理 利用活潑金屬如鋅（Zn）或鎂（Mg）等與強酸（鹽酸，HCl(aq)）作用會釋放出氫氣來（H2）。其反應是如下： （二）傳統氫氣製備裝置 早期的氫氣製備裝置即所謂的氣體製備裝置，如啟普式氣體製備（Gipps Gas Generator），如相片一所示。   相片一：啟普式氣體製備裝置（左），傳統排水集氣法（右） n  微型氫氣製備裝置與微型氫氣槍 由於早期的氫氣製備裝置皆為玻璃材質，在組裝及操作不慎時容易破裂受傷，藥品用量太多，反應時間也過長，最後檢驗時不方便或易有爆炸可能。如將氫氣製備裝置改以塑膠材質來設計改良而成的「微型氫氣製備裝置」時，會更為安全有趣。茲將微型氫氣製備裝置之設計與製作說明如下： （一）材料 鎂帶（Mg）、鹽酸（清潔用）、火柴，如相片二所示。 相片二：鎂帶（上左）、鹽酸（上右）及火柴（下） （二）微型氫氣製備裝置之設計與組裝 1.        微型氫氣製備裝置之設備很簡單，包括塑膠罐、橡皮管、單孔塑膠塞及塑膠注射筒，如相片三所示。 相片三：塑膠罐、橡皮管、塑膠注射筒（左）及單孔塑膠塞（右） 2.        在塑膠罐之蓋子中央處鑽一個小孔，用熱熔膠將一粒單孔塑膠塞固定在孔中，如相片四所示。 相片四：蓋子中央小孔（左）及單孔塑膠塞用熱熔膠固定（右） 3.        在單孔塑膠塞下方接一條長約8 cm橡皮管，如相片五所示。 相片五：單孔塑膠塞下方接橡皮管 4.        再將一支塑膠注射筒插在塑膠蓋上之單孔塑膠塞中，即組成『微型氫氣製備裝置』，如相片六所示。   相片六：微型氫氣製備裝置 （三）動動手 1.        將微型氫氣製備裝置之塑膠罐之塑膠蓋打開。 2.        將30 mL之3 M稀鹽酸溶液（可以洗廁所用的無煙鹽酸加水稀釋一倍替代）倒入微型氫氣製備裝置之塑膠罐中，然後再將微型氫氣製備裝置之塑膠罐之塑膠蓋蓋緊，如相片七所示。 相片七：稀鹽酸溶液塑膠罐中裝入 3.        把5 cm長之鎂帶（Mg）對摺再對摺至約為1 […]