從化學實驗轉變為競賽試題的設計考量與結果分析—以「二氧化碳與壓力」為例 張嘉宏1、吳添全2、洪連輝3,*、楊水平1,** 1國立彰化師範大學化學系 2國立虎尾科技大學電子工程系 3國立彰化師範大學物理系 *phlhorng@cc.ncue.edu.tw **yangsp@cc.ncue.edu.tw 前言 自2010年起，科學HomeRun創意競賽在彰化縣已舉辦14屆（彰化師大物理系，2024）。自2022年起，雲林縣加入此競賽的行列。此競賽的指導單位：國科會；主辦單位：國立彰化師範大學、國立虎尾科技大學、彰化縣政府、雲林縣政府、台塑企業；協辦單位：彰化縣立陽明國民中學、遠哲基金會彰化辦公室。競賽對象：彰化縣和雲林縣公私立國中小學生。競賽日期：每年3月或4月。競賽獎勵：由縣政府頒發每位參賽者參賽證書乙張，每隊指導老師僅限一人。2023年競賽會場學生參賽情況一隅，如圖1所示。      圖1：競賽會場一隅 這競賽的目的有二：(1)培養學生科學創造力：現階段中小學學習階段學生有必要加強獨立思考能力和創新思維的養成，規劃舉辦整合型中小學科學競賽活動，活動涵蓋跨學科和跨領域（數學領域、物理學科、化學學科及生物學科），期望產出的競賽手冊能提供國民中小學教學的參考。(2)提升全民科學素養：大眾科學教育普遍受到世界上各國的重視，期望大眾科學教育的推動能喚醒社會大眾對於科學的關注，提升全體國民的科學素養，也希望能增強國家的長久的競爭力。在競賽活動內涵方面，主要以探索式實驗為依歸，我們相信中小學實驗應以探索起點，教師從學生的認知結構出發，對原已具備瞭解實驗進行拓展，提出新的實驗課題，新的實驗課題包含新的實驗理論、實驗思考方法和新的實驗情境（彰化師大物理系，2024）。 科學HomeRun創意競賽每年有二或三項競賽項目，涵蓋數學領域、物理學科、化學學科和/或生物學科。2023年的競賽項目有二：(1)【項目一】：〈摩擦生電〉，其內涵以物理學科為主；和(2)【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉，其內涵以化學學科為主，以物理學科為輔（彰化師大物理系，2023）。項目二的競賽活動有二：【活動一】：此活動類似遊樂場使用空氣槍射擊氣球，其原理是氣體在密封空間中經過壓縮來擊發發射物。此活動使用寶特瓶當作簡易空氣槍，並使用矽膠塞當作發射彈，以化學反應產生氣體充滿寶特瓶，使二氧化碳和空氣在密閉瓶中被壓縮。在化學反應的過程中，當瓶內的氣體總壓力大於矽膠塞與瓶口的摩擦力時，發射彈即刻發射出去。【活動二】：在密閉的寶特瓶中吹脹氣球是一件相當困難的事。在此活動中，使用家用產品，控制藥品的使用量，進行簡單的操作，就可以在密閉瓶中使氣球膨脹（ChemNCUE，2024；科學Online，2024；彰化師大物理系，2024）。 本文僅針對【項目二】：〈二氧化碳與壓力〉的兩項活動，描述競賽試題的設計考量和競賽結果的分析，分述為五部分：(1)競賽試題涉及的實驗原理和概念；(2)競賽使用器材和積分計算方式；(3)競賽實驗操作過程；(4)評分考量和標準設定；以及(5)競賽結果的分析與討論。 競賽試題涉及的實驗原理和概念 本競賽試題涉及的原理和概念涵蓋自然領域和數學領域。自然領域有化學學科的化學反應、理想氣體定律、道爾頓分壓定律及化學計量的理解和應用；物理學科的氣體壓力、應力、摩擦力、彈力之間的多重關係。數學領域有發射彈射遠效率和氣球膨脹效率的定義理解和計算。這些原理和概念僅「化學反應」編入競賽手冊中；「理想氣體定律」和「道爾頓分壓定律」及「化學計量」並未列入其中，但在步驟中提示藥品用量會影響結果；至於「壓力、應力、彈力、摩擦力之間的關係」和「發射角度」，僅在步驟中提示。 一、化學反應 在項目二：〈二氧化碳與壓力〉的兩活動，涉及的第一反應為碳酸氫鈉（NaHCO3）與檸檬酸（C6H8O7）的反應，當兩反應物混合後，加入水會立即發生化學反應，產生二氧化碳（CO2）氣體和檸檬酸三鈉（Na3C6H7O7），其反應如式[1]所示： 3NaHCO3(s) + C6H8O7(s) + nH2O(l) → 3Na+(aq) + 3CO2(g) + C6H5O73‒(aq) + (n+3)H2O(l)    [1] 該反應式以淨反應式表示為檸檬酸的氫根離子（H+）與碳酸氫鈉的碳酸氫根離子（HCO3–）反應，其反應如式[2]所示： H+(aq) + HCO3‒(aq) → H2O(l) + CO2(g)    [2] 第二反應為氧化鈣（CaO，生石灰）與水（H2O）反應，生成氫氧化鈣（Ca(OH)2，熟石灰），其反應如式[3]所示： CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq)    [3] 第三反應為氫氧化鈣與二氧化碳的反應，生成碳酸鈣（CaCO3）和水，其反應如式[4]所示： Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s) […]