臺灣化學教育
Chemistry Education in TaiwanBlog Archives
早期的燃燒說 林煥祥 國立中山大學通識教育中心 huannlin@mail.nsysu.edu.tw 火是自然界重要的現象之一。長期以來，人們對燃燒的概念，自古以來大都是根據對火的直接觀察所提出來的。 大約在1660年，波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）和胡克（Robert Hooke, 1635-1703）（圖1）進行了真正的燃燒化學實驗。他們把木炭或硫磺放在一個器皿中，抽出器皿中的空氣，再將器皿加熱，結果發現木炭或硫磺並不能燃燒。但是他們又把木炭、硫磺與硝石混合（即黑火藥），那麼即使在抽真空的條件下，仍會猛烈燃燒起來。於是波義耳和胡克提出重要結論：燃燒必須依賴空氣和硝石中所含的某種共同成分。 圖1：波義耳（左）和胡克（右） （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle和http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Hooke。） n 波義耳的火微粒說 1637年，波義耳研究燃燒現象。他在密封容器內鍛燒金屬銅、鐵、鉛、錫等，研究鍛燒前後的增重。他認為火是由火微粒所構成，於是將金屬鍛燒增重的原因歸結：金屬鍛燒時，從燃料中發散出來的火微粒，穿過容器壁，進入了金屬，結合成比金屬本身還重的鍛灰。例如鍛燒“銀”，波義耳認為燃燒後增重了0.13 g，就是火微粒與金屬結合的重量。圖2為波義耳的火微粒說示意圖。 圖2：波義耳的火微粒說示意圖 波義耳犯了一個極大的疏忽：只注意到加熱物質本身所發生的變化（被加熱的金屬重量增加），卻疏忽了加熱物質周圍環境的變化（放置金屬的曲頸甑在加熱前後的重量比較）。然而，最根本的原因是因為波義耳一直嘗試以火微粒解釋燃燒現象。 n 胡克的硫素說 1664年，胡克研究蠟燭的火焰，提出對火焰的見解。他認為火焰是引起化學作用的混合氣體，並指出沒有空氣不能燃燒。但是他相信燃燒時燃燒體內有煉金術士所謂的“硫素”放出，溶解於空氣中時，放出溶解熱，於是發出火來。圖3為胡克的硫素說示意圖。 圖3：胡克的硫素說示意圖 雖然波義耳和胡克都提出了空氣介入燃燒的理論。可惜，他們都把燃燒的產生歸因於燃燒體本身（燃料）會釋放出某種物質與空氣結合，疏忽對空氣的了解，也沒有更深入的研究燃燒的本質與空氣關係。 n 施塔爾的燃素說 1703年，德國的施塔爾（Georg Ernst Stahl, 1660-1734）（圖4）提倡「燃素說」－他認為可燃的要素是一種氣態的物質，它存在於一切可燃的物質中，他把這種要素稱為“燃素”。他主張物質燃燒時，物質裡面的可燃成分（燃素），會從物質內逃逸出來，與空氣結合，從而發光發熱，這就是火。最後，物質只剩下灰。圖5：施塔爾的燃素說示意圖。 圖4：施塔爾 （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Georg_Ernst_Stahl。） 圖5：施塔爾的燃素說示意圖 施爾塔對金屬鍛燒的變化過程的解釋恰與波義耳相反： 金屬－燃 素＝金屬鍛灰。（施塔爾） 金屬＋火微粒＝金屬鍛灰。（波義耳） 施塔爾認為物質在加熱時燃素並不能自動分解出來，必須藉空氣來吸收燃素。例如：酒精（燃素＋水）燃燒→水。酒精中的燃素被空氣吸收了，所以酒精燃燒後只剩下水。 燃素學說與真實的氧化還原比較，恰恰是對燃燒現象做了顛倒的解釋，把化合過程描述成分解過程。但是，在當時燃素學說“解答”了一連串的問題，因此很快得到許多化學家的支持和採納。從十八世紀初到該世紀末，大約一百年，在化學史上常常稱這段時期為燃素時期。 當時接受這種燃素理論的重要化學家有舍勒（Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786）、普里斯特利（Joseph Priestly, 1733-1804）、以及卡文狄西（Henry Cavendish, 1731-1810）（圖6）等人。 圖6：舍勒（左）、普里斯特利（中）及卡文狄西（右） （圖片來源：http://zh.wikipedia.org/卡尔·威廉·舍勒、http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley和http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Cavendish。） 1772年，舍勒根據實驗提出對燃燒的見解：空氣中有兩種氣體。一種是火氣，能助燃；另一種是劣質空氣。舍勒認為燃燒時，火氣和燃素化合，形成光和熱而散去。令人遺憾的是舍勒始終相信燃素說，所以他從未試探以“火空氣”取代燃素以解釋燃燒現象。 n 普里斯特利發現氧氣 1774年，普里斯特利加熱紅色的水銀之石灰化質（氧化汞），他發現以這種方法所製造出來的氣體能讓蠟燭和木炭很容易著火並燃燒。由於普里斯特利篤信燃素說，他認為反應的變化是由金屬灰（氧化汞）＋燃素→金屬（水銀），而參與實驗的這種氣體不過是含燃素極少的空氣，於是稱它為“去燃素的空氣”（實際上是氧氣）。他從金屬鍛灰中分離出了氧氣，恰恰是燃素的對立物，對化學的發展意義格外重大。所以現在化學史界多數都認為他是氧氣的發現者。 n 拉瓦錫的燃燒理論 […]
硫酸銅晶體的結構探討 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com n 為何硫酸銅結晶水會分段釋出？ 問：「化學計量」此一單元有個問題，提及五水合硫酸銅（CuSO4ž5H2O）加熱，在不同溫度下，會失去某些結晶水而質量減輕，在失去所有結晶水後，在高溫下，硫酸銅（CuSO4）開始分解。有學生問起：為何結晶水會分段釋出？請問如何解釋此一現象。題目如下： 取CuSO4ž5H2O晶體100 mg，置於石英容器內加熱，使其溫度緩緩升高，以觀察其重量變化的情形。其測定結果如圖1所示，回答以下問題：（原子量：H = 1.01 g/mol、O = 16.0 g/mol、Cu = 64.5 g/mol、S = 32.1 g/mol） 圖1：硫酸銅受熱與重量的關係 (1) 若加熱至102℃所得物質重量為85.6 mg，則其化學式為 。 (2) 若加熱至113℃所得物質重量為71.2 mg，則其化學式為 。 (3) 若加熱至258℃所得物質重量為64.0 mg，則其化學式為 。 (4) 若繼續加熱至600℃附近，上一小題(3)所得物質開始分解，生成銅的某種氧化物與硫的氧化物，且重量減少32.0 mg，則此含銅的物質之化學式為 。 (5) 若對此含銅物質繼續強熱至960℃，又減輕3.2 mg，生成銅的另一種氧化物，則最後的物質其化學式為 。 n 解題方式一：化學計量 以化學計量方式，各小題解題如下： (1) 100 mg的CuSO4ž5H2O晶體加熱至102℃失去部分結晶水，設剩下X個結晶水： (2) 85.6 mg的CuSO4ž3H2O晶體加熱至113℃繼續失去部分結晶水，設剩下Y個結晶水： (3) […]
少年科學家的武林大會— 2013年國中學生科學探究聯合發表會／邱彥文
Friday , 15, August 2014 活動參與心得報告, 第3期／2014年9月 Comments Off on 少年科學家的武林大會— 2013年國中學生科學探究聯合發表會／邱彥文少年科學家的武林大會— 2013年國中學生科學探究聯合發表會 邱彥文 國立屏東縣立至正國民中學 yenwen0521@gmail.com n 前言 科學是任何人（包括小朋友）都可以參與的！個人非常喜歡英國神經科學家Beau Lotto的TED影片（Lotto & O'Toole, 2012），是我偶爾還會拿出來看一次的最愛之一，他認為科學就是探索未知的遊戲（Play），並與小朋友利用遊戲的方式進行科學探索，包括：(1) 提出好奇的問題、(2) 設計實驗、(3) 觀察並收集數據、(4) 根據以〝加減乘除〞分析後的數據。接著他們的成果經過一連串的審稿考驗之後，文章順利發表在英國皇家科學院出版的《Biology Letters》期刊。甚至其中一位八歲的小朋友Amy跟Lotto一起登上TED講堂，也是講的頭頭是道，令人讚賞。其實小孩子只是缺乏舞台，把它搭起來，加點刺激，一定會有很多令人驚艷的收穫。 科展是許多自然科老師的共同夢魘，為了比賽，常常要投注不少的時間甚至金錢，最後求得裁判們一個青睞，有時候想想不太值得。多年參與下來，自己對於比賽結果比較能釋懷，但是每年的孩子那種失落的表情，一次又一次的上演，看來真的很不忍心，幾個月的努力就那幾分鐘評審就結束了，科學探究明明是一個有趣的過程，為什麼非得要一個比賽，去競爭一個高下呢？ 因緣際會，2010暑假在中央大學的「物理教學及示範研討會」，這一次活動有幸認識到小P老師、阿簡老師、德麟老師、小蔡老師、米蘭老師…等等〔註1〕，當台上講到「IYPT（International Young Physicists' Tournament）」這個競賽活動時〔註2〕，我跟小P老師就想，為何不讓我們兩所學校的學生都進行一樣的研究題目，一年後碰面來互相辯論呢？一方面有研究、有交流、有競賽。彼此之間的研究有異有同，這樣發表起來，學生彼此之間會很容易產生共鳴，雖然最後並沒有真的進行相同題目的研究，不過活動的構想就慢慢開始雛形了。 因為前述的物理示範教學研討會，間接催生了「生物趴辣客」〔註3〕，這給我們更大的一個刺激，老師們可以上台侃侃而談自己的教學心得，學生們為何不可以上台交流彼此的探究成果呢？能不能有一個學生版的趴辣客呢？在兩個傻瓜的催生與一群人的協助下，每年暑假的發表會就這麼熱烈地展開…。圖1是2013年探究發表會全體師生合影 圖1：2013年探究發表會全體師生合影（於交通大學科學二館） 國中學生科學探究聯合發表會主要目的在促進國中生科學探究的心得交流，藉此強化彼此間的伙伴關係與連結，同時提升自己的視野與科學知能，期許未來能有更進一步的表現。延續前兩屆的精神，2013年第三屆的特色是〔註4〕非固定組織、學生專題演講、學生專題發表、學生自主課程教學及學生創意發表。 n 發表會的特色 一、 非固定組織 由南北兩位老師事前籌劃與聯繫，現場以交大學生做為工作人員，學生自費參加。打從一開始，我們就不太想以什麼團體的名義去舉辦這個活動，希望它是自發的、各路匯集的一股力量，同時在經費執行上，也希望能有更多的自主性。雖然前兩屆都在台北市立龍山國中舉行，因此許多行政及場務都是由龍山國中的師生協助，但基本上仍然維持這個精神在執行。 第三屆想要有點新的嘗試，並加入前兩屆做得不錯的元素進去，於是把活動地點拉到交通大學應用化學系系館的科學二館舉行。在大學裡舉辦活動有許多好處，然而現場工作人員就變成是一個問題：因為所有的參與老師身兼帶隊老師，學生活動時又常常分開在不同的教室，若還要兼工作人員應該會分身乏術，所以場地與處理各種狀況需要當地的人員來處理，然而，活動期間正逢暑假，除了研究生外，大部分的大學生都不在學校，拜託系學會的同學也不太可行。為了解決這個問題，我們在六月底拜訪教育所，煩請該所老師幫忙，很高興邱國力及王嘉瑜兩位老師大力推薦自己的學生（共七位）來幫忙，這樣就解決了場地工作的問題，如圖2所示。 圖2：第三屆國中學生科學探究聯合發表會工作人員準備開幕 圖3：第三屆國中科學探究聯合發表會開幕式 於是，藉由網路，兩個一南（屏東邱彥文老師）一北（台北小P老師）的總籌與七位未曾謀面共事的工作人員，再加上七個學校的指導老師，就這麼舉行了一百五十人的大活動。 二、 學生專題演講 由兩位國中生的學長（一位大學生和一位高中生）簡介自己科學探究的心路歷程。純粹發表其實容易枯燥，特別是大家探究的主題包羅萬象，一時之間很難吸收全貌，根據我們前兩年的活動經驗，以演講的方式串插心得分享是很不錯的，一般的學術研討會也會有相似的規劃。不過，到底要演講什麼呢？請教授或老師來說太古板了，讓曾經做過探究的學長們來分享不是更能打動每一個師生的心呢？今年的規劃是安排兩位學長分享，一位是目前就讀輔仁大學醫學系的林泰谷（台北市立龍山國中畢業），另一位是新竹中學的王政傑（新竹市立光華國中畢業），每人30分鐘，如圖4所示。 圖4：大學生與高中生分享自己科學探究的心得 出乎大家的預期，兩位演講者演講的內容深度、流暢度、投影片的搭配、表達的清晰程度、氣氛高低起伏的安排，都令人嘆為觀止！全部的師生完全靜默在兩場令人感動的分享中，好幾位老師都覺得自己上台都不一定做的到這麼好，兩場演講把同學們的心都準備好了！ 三、 學生專題發表 同時四個場地進行，學生必須在十五分鐘內報告自己科學探究的結果，並且回答完其他學校同學的問題。這個活動最重要的就是學生探究心得的交流，我們最初的規劃是，它不是比賽，所以最後不會有什麼頒獎活動，我們希望學生在發表的過程中，不管在台下或台上，都能夠相互學習。實際進行起來，它就像學術研討會一樣，有引言人，有人上台報告，有人在提問，只是現在參與者換成是國中生而已。 幾年下來帶隊的心得是，為了要上台報告給外校的同學看，學生在會前都會在各自的學校進行預講，反覆的修改與討論，用心的態度跟在自己學校報告給同學看很不一樣，老師給予的意見也比較更深入，因為這是一種壓力，大家完全不知道旁聽者的程度，所以只好藉由不斷地練習與討論，讓自己能夠「不要丟臉」，我們覺得這對學生是一個很大的刺激，在這個過程中他們又認真地檢視自己研究的問題，同時無形中也增進自己做簡報與說話的技巧。活動當天，台上報告的有些還是緊張，但是台下提問的深度真的超乎老師們想像，有的時候還得靠引言人解圍，這真的是一場震撼教育，不管從過程與結果中，學生們一定有很多感觸與學習。 此次聯合發表會規畫為四組，每組有四個發表，分別為：【A組】有A1：「晶」聲尖叫–探討聲波對結晶的影響；A2：隱形通道─滲透壓之研究；A3：綠色101-自動澆水系統；以及A4：硫酸鐵的特性與沉澱現象之探討。【B組】有B1：不顏而喻；B2：「煞」費苦心—渦電流在磁煞車上的應用之探討；B3：“電風”直直吹！?；以及B4：一公升的光線。【C組】有C1：「微」境殺機–微波爐滅菌效果之探討；C2：蝦米吸金ㄟ；C3：樺斑蝶蛹於不同環境下之顏色變化；以及C4：樹降甘霖。【D組】有D1：折射吧三角形；D2：我切！我切！我切切切；D3：焦糖特性研究；以及D4：「流」「鹽」追追追─海洋密度流之探討。 這次人數眾多，即使借了四個教室，同個時段可以分四組進行，每組都是四個團體報告，每次報告是十五分鐘（含發問時間，由引言老師控制），所以一個小時內有16組學生在活動，其他人就是自行旁聽與交流。因為總共有32組學生要報告，所以我們規劃了兩個時間進行，分別上午和下午舉行。圖5是各場地發表的狀況。 圖5：各場地發表的狀況 四、 學生自主課程教學 由四所學校的學生自己設計趣味課程，讓所有參加的學生選課，相互學習。在之前的活動中，我們加入了學生的自選課程時間，這個課程最特別的是，授課的老師就是國中生，也就是讓國中生教國中生的課程，老師們放手讓他們自己去帶，完全不在旁邊協助，我們發現這樣的安排同樣地也給了雙方很大的刺激，台上的同學光是準備就得花許多心力，台下的同學得承受「來教你的人是跟你同年紀甚至比自己還小的外校同學」這樣的心裡震撼。圖6是國中學生進行自主課程教學的狀況。 圖6：學生進行自主課程教學的狀況 安排這個活動，對上台的同學來說，可以讓他們把自己研究的主題，將裡面的東西抽出某些元素後進行轉化，接著教學流程的設計、事前準備練習、現場的突發狀況、教室裡的秩序管理…這些過程都能夠讓他們學會許多科學和報告技能。 這次活動總共有四組課程，分別是新竹縣立成功國中的「氫氧電池動手做」；台北市立龍山國中的「簡單機械設計」；新竹市立光武國中的「LED（light-emitting diode）花盆製作」和宜蘭縣立復興國中的「磁力大對抗」。去年課程的活動分為兩個場次，第一個場次在第一天的下午，第二個場次在第二天的上午，安排兩個場次除了為了讓學員可以有機會參與兩種不同的課程外，另一個很重要的是讓上台的學生有機會在第一天晚上修改自己上課的流程、作法或調整設備。第二天就能夠做的更好。 老師們這個時候在做什麼呢？這些人閒著太可惜了，從去年的經驗開始，我們就利用這個時間來開小型的教師工作坊，除了聊是非，大家一年來的經驗更是寶貴的資源，老師們互相討論更可以激盪不同的想法與作法，去年新竹縣成功國中的張主任特別分享了他在校內經營的科學社團經驗，隔天我們利用第二個時間討論明年的規劃。圖7是國中教師的小型工作坊。 […]
國內外化學教育交流 林靜雯 國立東華大學課程設計與潛能開發學系 jingwenlin@mail.ndhu.edu.tw n 內容摘要 一、Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE) 2015介紹 二、Pascal Mimero博士所提供之EC2E2N專刊—2014年6月，15（4） 三、2015年化學教育重要研討會期程 n 詳細介紹 一、Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE) 2015介紹 Network for Inter-Asian Chemistry Educators會議的緣由是台灣的邱美虹教授、韓國的Choon H. Do教授與日本的Masato M. Ito教授在2004年參加International Conference on Chemical Education（ICCE）時共同提出的想法。隨後以e-mail交換意見，2005年韓國Prof. Do參加中國化學會（臺灣）年會時進一步洽談後，於2006年2月在韓國光州舉行第一次亞洲化學教育研討會籌備會議。籌備會上決議，以後應該每兩年舉辦一次研討會，每一個國家至少派五位代表參加。主辦國提供另外兩個國家各五人的住宿安排，各國與會人員機票自理。舉辦研討會所需相關經費，由主辦國家負責籌畫，並向國際化學組織IUPAC申請補助。 第一屆亞洲化學教育研討會訂於2006年在韓國首爾舉行，第二屆在2007年由台灣台北舉辦，第三屆在2009年由日本東京舉辦。爾後每兩年舉辦一次，與國際化學研討會（ICCE）舉辦年錯開來。暫訂先由台灣、韓國、日本三個國家輪流主辦，未來也期待有更多的國家能夠一同參與化學教育的推動。 2013年NICE於台灣屏東風光落幕後，即將邁入第六屆，並將於2015年7月29-31日（原訂2015年7月28-30日）於日本東京台場的日本科學未來館舉辦。日本科技未來館於2001年7月10日開幕，該館除了設置以「地球環境與尖端科技」、「技術革新與未來」、「資訊科技與社會」、「生命科學與人類」4個主題式的常設展，介紹尖端科學技術之外，並經常舉辦各種專題展覽。邀請國內化學教育學者與教師一起共襄盛舉。 （圖片來源：日本科學未來館，http://www.miraikan.jst.go.jp/aboutus/。） （圖片來源：日本科學未來館，http://www.miraikan.jst.go.jp/zh/。） Geo-Cosmos這顆直徑約六公尺、重13噸的球體，是利用10362片OLED打造而成的鎮館展品，以超過一百萬畫素的高解析度隨時更新。它可反應出當天的衛星雲圖、四季變化、模擬氣候變遷…等。 （圖片來源：日本科學未來館，http://www.miraikan.jst.go.jp/exhibition/future/robot/robotworld.html。） 廣受歡迎的「機器人世界」，除了讓人能夠與可感受撫摸方式和力道的海豹機器人互動之外，還可見到動作靈活、會踢足球的ASIMO機器人，今年更展示了兩款可播報新聞、解說展覽的智能機器人。 二、Pascal Mimero博士所提供之EC2E2N專刊相關公告—2014年6月，15（4） 2014年6月的EC2E2N專刊現已上傳(http://www.ec2e2n.info/news/2014/1504_201406)。下期將訂於2014年10月出刊。 三、2015年化學教育重要研討會期程 (一) The 6th Network […]