《臺灣化學教育》第十九期（2017年5月） 目  錄 n  主編的話 u  第十九期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕 n  本期專題【專題編輯／鐘建坪】 u  類似科學家的科學探究活動—科學展覽／鐘建坪〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：從我國科學展覽的歷史看化學科的科學展覽／陳虹樺〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：誰的國際科展—一位高中科展指導教師的疑惑／張堯卿〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：帶領學生走在科展的這條路上／江慧玉〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：指導科展自我省思與成長／陳佩琪〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：科學展覽製作對我的啟發／張致嘉〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：從10年後看當年參加科學展覽的歷程與心得分享／張清菁〔HTML｜PDF〕 u科學展覽：5年之後反思科學展覽對我的影響／潘建彰〔HTML｜PDF〕 n  教學教法／多元教學法【專欄編輯／劉曉倩】 u液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 ／劉曉倩〔HTML｜PDF〕 n  化學實驗／化學實驗含影片【專欄編輯／廖旭茂】 u  可攜式積木電解蝕刻教具的設計及應用／陳孟男、廖心妍、林群曜 〔HTML｜PDF〕 n  生活化學／多元文化化學【專欄編輯／傅麗玉】 u  原住民族樹皮衣與化學／傅麗玉〔HTML｜PDF〕 n  課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／翁榮源】 u  翻轉教室在基礎化學課程實施的經驗談／翁榮源〔HTML｜PDF〕 n  學生園地／化學教育題材【專欄編輯／施建輝】 u  分子的電偶極矩與分子結構對稱性之關係／洪敬明 〔HTML｜PDF〕

科學展覽：帶領學生走在科展的這條路上 江慧玉 北一女中化學科老師 chy506@gmail.com 『江老師，您是怎麼帶領學生做科展的啊？』這是最近常被詢問的問題…。 連續三年帶領不同學習成長背景的學生進行科展研究，在北市及全國科展比賽中皆有斬獲。每每被問及指導科展的要訣，我想重要的應該就是耐心與毅力吧！從確立研究主題、基本的實驗操作、檢測實驗方法的安全性，乃至於建立學生學習歷程及腦力激盪發想等，即使過程中師生常受實驗結果不如預期而產生挫敗情緒，但也因為點點滴滴心血累積，造就出一件完整作品的呈現！以【青青紫「金」–染料敏化太陽能電池之效能分析】(註1)科展作品而言，學生一開始滿腔熱血，興致勃勃來到我面前，然而她們對於研究主題卻沒有概念，因為學生們總認為─『老師應該會給予研究主題』，也因此確定主題的磨合期足足花了半個月的時間，後續的研究歷程更是一連串的考驗。以下就以此件作品為例，針對研究主題的萌生、實驗過程及參與比賽等歷程，分享經驗及注意事項。 n  科展主題的確立 「萬事起頭難」！確定研究主題往往是最棘手的部份，這個環節通常會耗去一至二週的時間。我常反問學生：「你們為什麼想做科展？」、「你們想研究什麼樣的主題呢？」，因為強烈的研究動機是學生遇到挫折時可以堅持下去的最大動力。在【青青紫「金」】作品中，學生初始說道想進行新科技領域的探究實驗，主題方向並不明確，因此我舉例了數種奈米材料，例如奈米碳管、石墨烯或碳六十等，並且簡要敘述材料的性質及現今發展的應用方向，同時給予一些參考網站(註2-4)提供她們瀏覽相關實驗的內容，期許她們從資料中獲得啟發。 沉寂了約莫十天，學生選擇石墨烯為探究主題想進一步瞭解其特性與應用；然而當實驗內容已探詢過相關領域教授的意見後，三位學生卻出現意見相左，爭執己見的窘境…。經過數次討論後，她們更換了實驗方向，改以校內可操作且具現成材料的染敏電池為主。這個討論過程我沒有干涉太多，因為實驗探究過程是要學生自己理性進行的，三人必須有所共識才能協力合作，經過充分的磨合才能了解彼此處事的方法，對未來實驗操作的分工合作很有助益。 n實驗操作過程 確定研究主題與探討方向後，實驗模組的建立是完成研究最關鍵的因素。一開始，學生需重複文獻資料中所載錄的操作方法，瞭解文獻中實驗結果的產出及過程中應注意的細節，從過程中不斷修正實驗方法，並發展建立出自己的實驗模組。例如文獻中記載染敏電池的二氧化鈦須以高溫燒結1小時才能鍍佈在導電玻璃上，然而礙於高中實驗室設備較為不足以及安全性的考量，我們改採常溫且自行調和奈米二氧化鈦糊狀物以進行塗佈。實驗之初鈦薄層極易脫落，效果不如預期，接著我們探討溫度與時間的交叉關係，發現使用實驗室烘箱在80 ℃下進行烘烤10分鐘，可以得到貼附性極佳的二氧化鈦鍍膜(註1)。這個鈦薄層的操作方法確立後，我們逐步改變染料種類、溶液酸鹼值以及添加奈米材料等變因，特別是添加奈米材料，此項巧思是來自吳欣芳同學，因為她曾在高一特色選修課程中操作過奈米金溶液的製備，學習到奈米粒子的量子效應，此項特性激發我們嘗試將奈米金添加至染敏電池裝置中；經過不斷地實驗改良及修正，果真如預期提高光電轉換效率的成果。科學探究連結到學生的學習經驗，展現知識活絡於應用的驗證，探究的歷程真是一連串的發現與驚喜呢！ 【青青紫「金」】作品到研究後期，我們進一步尋求大學端的儀器進行檢測，比對精密儀器檢測與高中實驗模組所產出數據的可靠度與可信度，藉此增加研究內容的深度與廣度。結合高中實驗操作與大學高端儀器的檢測，藉由實驗結果的相互比對及思辨，可讓學生更進一步瞭解研究的內涵及後續應用發展的可能性。 圖1 塗佈二氧化鈦薄層 圖2 量測實驗樣品組之電壓 圖3 奈米金與染料的吸收光譜 在比對實驗失敗與曙光中來回交戰，為了佐證校內實驗結果的再現性，學生必須重新配製奈米金溶液，明明是相同的配方與操作，重複了數次卻無法得到粒徑一致的紅色奈米金，焦慮及沮喪感使實驗進度擱置了一星期，經過沉澱心情整理情緒後，我與學生陷入思考與反覆操作、討論的膠著期，終於找出實驗的關鍵，果然是界面活性劑品質的問題！恍然大悟的興奮情緒終於趕走了多日沉悶懊惱的低氣壓，經過這次事件後，她們更加珍惜彼此情誼，也因此淬鍊出團隊的整體默契！ n數據整理撰寫 一連串實驗數據產出後，如何將這些數據整理成有意義的語言，需要經驗累積、觀察力及數學敏銳度。在【青青紫「金」】實驗過程中，學生以三用電表量測樣品組的電壓與電流，並輔以數學運算得到其輸出功率；然而染敏電池的效用良劣需以能量轉換效率來評估，因此運用功率數值進一步換算成光電轉換效率，並採用雷達圖分布來呈現，如下圖。如何將龐雜的數據轉換、收斂成有意義的文字論述，這需要師生間充分溝通討論，建議可以讓學生多練習處理數字的電腦軟體，例如excel，揣摩以瞭解實驗數據背後所隱含的規律與奧秘。 圖4 實驗樣品組的電池輸出功率 圖5 不同染料種類的光電轉換效率 確立實驗數據呈現的方式後，接著最重要的功課就是撰寫研究報告書。從實驗初始，學生必須每週帶著實驗日誌（實驗紀錄本）找老師討論，一方面是確認學生記錄實驗操作的觀察，另一方面則是與學生進行階段性的結論，尋求完整化實驗結構的方向，這些實驗日誌的內容最終將成為研究報告書的架構與內涵。研究報告書的呈現，學生通常是採取分工處理不同的階段，以【青青紫「金」】來說，兩位同學負責整體的文字架構，另一位同學則專責處理數據及圖形，再逐步將實驗內容收斂成完整且有序的結論！ n海報編排與口頭報告 不論是校內、縣市或是全國科展，海報內容與口頭講述都是比賽時最重要的關鍵。比賽海報的規格通常是三個版面，如下圖左；我個人覺得研究作品最重要的內容是實驗操作與結果討論，因此我建議從「實驗結果」與「討論」這兩部分著手，將兩者其一置放於海報正中央的版面，並採連續步驟呈現。海報編排時文字內容不要太多，盡量多以圖形及表格來呈現，且在討論區塊中只要重點式地做一小段落的著墨，而結論的部分則是以條列式文字呈現即可。 圖6 臺北市科展比賽海報規格 圖7【青青紫「金」】作品海報及作者三人 (由左至右：陳咨彣、許天鈞、吳欣芳) 此外，學生的口頭報告是吸引評審注意的關鍵，短短十分鐘內要將自己的研究菁華盡出，這需要老師賽前與學生多加琢磨練習。通常我會仿真且嚴肅地提問實驗相關問題，訓練學生的科學論述與臨場反應，模擬結束後再與學生歸納整理需改進及注意之處。值得欣喜安慰的是，一女中的孩子具備娟秀氣質及沉穩的台風，其中許天鈞同學（【青青紫「金」】科展作者之一）是校內接待外賓的綠衣使節，陳咨彣同學是班上演說的常勝軍，她們講述研究作品的口條及台風令人如沐春風，這些孩子們真是令人激賞佩服！ n  比賽期間的注意事項 全國科展比賽的賽程為期一週：第一天布展，第二天安全審查、第三、四天評審，第五天成績揭曉。通常學生在第二天晚上最緊張，此時老師除了與學生反覆練習科展講述內容外，鼓勵振奮士氣十分重要，同時也要讓學生有充分的休息。第一次評審結束之後，師生需針對評審教授所提問的問題共同討論及尋求解答，於第二天評審時對教授進行解說及補充說明，此時正可以展現學生對於科展作品的負責及實驗的完整性，同時給予評審教授良好且深刻的印象！ 圖8 【青青紫「金」】三位學生作者參賽的開心模樣 比賽成績揭曉之際是最讓人期待又怕受傷害的，展內繚繞幾家歡樂幾家愁的氛圍，但是學生明白在這五天科展的過程中，能夠與全國年齡相仿且熱愛科學的同儕相互觀摩學習，這是多麼難得的經驗啊！此外，進行科學研究的這個歷程，學生能習得科學精神與態度，並且擁有解決問題的能力，這才是從事科學探究最珍貴的寶藏；給予學生正確的思考、想法與態度，這也是教師指導科展研究的另一要務！ 在這個人才濟濟的綠園裡，總會發現令人驚艷驚喜的孩子，例如【甜蜜來『靛』—靛胭脂的氧化還原反應】(註5)這件作品的學生，一位是自然組學生(李惟慈)，另一位則是社會組的學生(郭恩佳)。恩佳同學在高一時就已踏入科學活動的領域，當時在校內科展獲得佳作的鼓勵下，縱使高二時因為個人志向考量而選擇文組，但仍然繼續實驗探究。在討論過程中，我發現恩佳的科學思維不亞於理組學生，反倒是更主動發問並探詢原理脈絡…，是的！主動性，就是這個確切顯著的特質，讓我覺得不論是什麼樣背景及身分的孩子都是可以探究科學奧秘之美。在本校除了數理資優班的學生外，其他學生進行實驗研究都是利用課餘或假日的時間進行實驗，因此學生的特質與主動性是成就具體完整作品的最大主因。   圖9 第55屆全國中小學科展(台南) (由左至右：郭恩佳、江慧玉、李惟慈) 圖10 【甜蜜來『靛』—靛胭脂的氧化還原反應】 n  結語 「得天下英才而教之」是每個老師最為嚮往的喜樂，在一女中，學生的優秀、聰穎自然不在話下，甚至是站姿直挺挺的氣質、有條不紊的口說表達，這些都是成就學生於科展比賽中致勝奪冠的因素。學生主動積極的動力、老師用心的引領指導，相信在科學探究領域中會逐漸綻放出一朵朵盛開芬芳的花、纍成一顆顆結實壯碩的果實！ n  附註 註1：第54屆全國中小學科展：作品名稱：青青紫「金」—染料敏化太陽能電池之效能分析 註2：國立臺灣科學教育館(科學展覽) […]

  指導科展自我省思與成長 陳佩琪 新北市立樹林高中化學科教師 t0634@slsh.ntpc.edu.tw n   動機與緣起         讓學生藉由「做中學」培養科學素養，一直是我堅持的教育理念。近年來台灣學生普遍存有學習動機不高，自信心不足的學習危機，進而引起一波波的教育改革浪潮，強調學生不再只是訊息的接收者，而是學習真正的主人。翻轉課堂(flipped classroom) 與學習共同體(learning community)正是呈現這種精神。課堂中教師角色的轉變，也由教學變成幫助學生學習，由講述課程內容變成引導式教學。在即將到來的108課綱中，高中自然科的探究與實作課程更納入必修課程。探究與實作課程實質上就是以學生為中心的教學歷程，希望幫助學生探究、建構知識。因此科展研究就是一個對學生最佳的學習機會，且能培養學生獨立思考與創新能力的重要關鍵。老師不再只是知識的傳遞者，更要教導學生如何從容面對自己的人生規劃。筆者認為學生在學習階段一開始投入大量時間與精力是必須的，等到遇到許多困難時，再逐步思索解決之道，才能培養問題解決的能力，並且要懂得傾聽、表達、分享與合作。學生參加科學展覽與相關對外競賽，對學生的自我價值的提升、學習興趣的培養以及未來職業專門技術養成都有莫大的幫助。因此，我熱衷於帶領學生參與科展比賽，希望學生能夠從中獲得之學知識探索的樂趣，建立學生自身的自信。 n  我的培訓方式          一開始筆者於新北市某完全中學擔任實習教師，發現很多學生無心在傳統課室的化學課，但是進行化學實驗操作課程卻興致高昂，我想他們應該是一群面對學業競爭，飽受挫折、對未來茫然無所措的學生。解決之道應該讓學生重新對科學探索感到興趣，藉由學生發現自我價值、找回自信心，因此不惜犧牲自己陪伴家人的時間，在濃厚的教學熱忱與衝勁下，利用課餘時間指導學生做科展，幫助學生找回對科學探索的興趣與熱忱。          訓練科展學生的時間包括：平常日的課後、週末、假日、寒假與暑假。指導選手的目的，不僅讓他們能在科展比賽時有嶄露頭角的機會，更正向的意義是強化學生蒐集資料、閱讀文獻、邏輯思考、分析歸納、統整講述、文書處理、實驗製作與組裝、撰寫成果、臨場應變等能力。同時身為指導老師也要不斷接受新知與挑戰，並與學生共同成長。         教導學生選擇科展題目千萬不要具有過於主觀的心態，不要被教師自己「慣性的思維」所束縛，不要預先否定學生「天馬行空」的想法。針對研究主題可以提供建議，但不強迫學生接受或直接給學生研究題目。適時介入引導幫助學生聚焦想法，不要直接給予否定或直接提供正確答案，而是儘量拋出問題讓他們去思考。討論問題的過程中儘量扮演「提問者」的角色，而非「解答者」的角色，能讓學生學會發揮自己專長外，並能和其他同學建立良好的合作關係。        指導科展的經驗中，不全然是愉快的。有時學生急功近利只想要結果不肯努力耕耘，有時家長不支持或要求老師一定要讓學生獲獎，有時學生無法全力配合、不願犧牲課餘時間、做不到預期的進度、找不到分析方法或儀器。學生們往往對於實驗的結果非常在乎，卻忽略了過程之中的科學探索。然而實際上高中階段進行專題研究的目的，在於培養科學探究的能力，所以隨時注意學生們的能力是否有精進，學習動機是否提升，而不是只有實驗操作的進度和成果展現。 n   競賽經驗分享          個人第一年指導經驗明顯不足，當時大部分實驗的過程與研究工作是由學生獨立完成（包括科展的題目），而我只提供意見與指導方向，研究成果參加北一區分區比賽沒獲得任何獎項。經由個人反省發現科展題目的篩選極為重要，也是比賽獲獎的必勝關鍵，加上當時自己即將面臨的教師甄試，心想指導科展的成績可能有助於順利考上教職，因此筆者花更多的時間介入與學生討論科展實驗內容，並於第二年時改變指導策略，一口氣指導了七組學生（21人），因此具有七種不同類型的研究題目，以量取勝。果然有3組同學於桃竹苗區科展競賽獲得佳作及優等（見圖一）。指導科展的第五年，很幸運地一路從校內賽第一名、到新北市市賽特優，到第53屆全國中小學科學展覽會高中組化學科，得到最佳團隊合作獎（見圖二）。在參加全國賽時，個人觀察到得到優勝的隊伍有些共同特徵，例如有些明星高中都會與鄰近的大學化學系教授合作，共同指導高中生做科展的研究，也因為大學實驗室提供較新穎精密的儀器設備，使得研究的數據更加完美。有些學校於校內開設一學年的實驗專題課進而培訓科展競賽，或者有些學校週末假日直接到大學化學系實驗室借用設備器材做科展實驗。甚至有些學校科展的研究方向，就是實驗室碩士生的題目的一小部份，此時碩士班的研究生，就順道指導高中生完成實驗。但是我認為學生在學校的實驗室進行科展研究，較能掌控學生的進度，主要因為校園內較為安全，並能隨時地進行討論指導，同學彼此間也較容易產生革命情感，增進同儕情誼。許多偉大的科學家，也是在條件極差的研究環境中，完成許多了不起的研究。個人認為應該鼓勵學生在沒有昂貴儀器設備下，想辦法解決問題，而不是提供學生最好的硬體設備。參賽隊伍中也有些學校師生利用簡陋的實驗室（實驗藥品不齊全、儀器老舊不靈敏），來做科展研究，經過一番努力同樣進入全國賽。由此可見良好的儀器設備並非決勝唯一的要素，過程中學生研究精神，才是值得讚賞與肯定的。     圖一參賽桃竹苗區科展競賽科展               圖二 參賽全國科展           當學生經過一連串的比賽甄選，被選為代表各縣市參加科展的隊伍之後，要如何在短短的幾分鐘內，讓評審瞭解作品的內容，我想學生的臨場表現完整且重點性表達才是關鍵。此時指導老師就顯得十分重要。先讓學生們練習將參賽作品，重點式整理成條列式大綱，經由自己的批判思考轉化成口語表達，再加以多次演練。然而實際操作之後發現其實最困難之處，不是在訓練學生如何表達與預知評審的提問內容，而是在成績公佈後，如何安慰學生被打擊的心靈。學生們在競賽過程中被評審指正、批評，或是競賽成績不如預期，學生可能出現傷心、難過、心情低落、挫折感、退縮的情緒。因此在報名科展競賽之前，就要開始打預防針，做好落敗的心理建設。因為科展競賽是評審短時間評分出來的成績，它是透過評審個別觀看學生作品書面資料及海報說明，有時多少會摻雜評審的主觀意識，我們真的難以掌控評審的審查標準與喜好。     […]

科學展覽：5年之後反思科學展覽對我的影響 潘建彰1*、鐘建坪2 1私立東海大學食品科學系二年級 2新北市立錦和高中國中部理化科教師 *aabcpancctw@gmail.com   　　依稀記得5年多前，本文第一作者剛從任職學校的國中部升上高中部時，興高采烈地拿著列印的網頁內容詢問本文第二作者。其內容談及Storm Glass（譯：風暴玻璃，以下由風暴玻璃表示）的簡易天氣觀測器，並且懷疑是否可以真的觀測天氣。當下隨即鼓勵第一作者，如果可以自己嘗試做一個檢證看看。過了幾天，本文第一作者非常興奮地再度拜訪，並說明他找到的新資料與他的想法。於是正式開啟一段師生共構（co-construction）的科學探索旅程。本篇文章主要是從事後發生的角度，重新讓本文第一作者反思當時實際參與科學展覽（以下簡稱科展）活動的心路歷程與影響。期待讀者可以從第一作者的反思中體會科展活動對學生當下的意義與對其未來學習的價值。 n 緣起         筆者（若不宣稱，以下我、筆者皆指本文第一作者）高中一年級時，抱持著對於理化、生物等科目的興趣，機緣之下，在無遠弗屆的網路資料中，閱讀到一篇關於英國十九世紀中期，應用於航海作為預測天氣之裝置－風暴玻璃的介紹（見圖1）。在當時（2011年左右），因為關於風暴玻璃的研究僅止於寥寥可數的階段，所以當時介紹的文章也只是將風暴玻璃做了一個簡單的概述，然而在字裡行間，幾個關鍵字卻不禁引起了筆者的興趣，像是藉由風暴玻璃裝置的結晶情況整理出的結果，被用來預測當時航海天氣、風暴玻璃裝置之所以能夠用以預測天氣之理由與原理還不清楚等內容(e.g., Fitzroy, 1863; Millar, 2008）。仔細檢視文章之後開始對風暴玻璃預測天氣的能力感到困惑，深知就連現今天氣預報，都必須仰賴大量的觀測數據分析、歸納以得到的結果。那單單一個簡易型的風暴玻璃裝置，又有甚麼能力能夠在「科學原理還不清楚」的情形下「預測天氣」呢？ 　　於是乎，當時的筆者抱持著對於風暴玻璃一連串的疑雲與好奇，進行了一連串的相關研究，並最終將實驗與分析的結果集結成書面報告，角逐新北市101學年度中小學科學展覽會化學組的比賽，之後也在2015年7月以此為題，參與當時在日本舉辦的亞洲化學教育國際研討會（6th Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE Conference）（潘建彰、鐘建坪，2015；Jong, Hsieh, & Pan, 2014）。而我所得到的閱歷也由實際投入解決疑慮開始影響了我。光陰似箭，五年後，現在的我內化了參與科展所帶給我的種種經驗後，這些年來它影響了我甚麼呢？   圖1：筆者在科展實驗過程當中，複製之風暴玻璃裝置 n 獲得的影響與啟發 一、啟發思考，獲得學習的理由 　    參與科展影響我最為重要的一點，便是讓我知道了「學習的理由」。對於大部分學生來說，學習往往都在追求效率與效能的最大化。然而人是會思考的動物，無盡的學習路途上，產生對自己的學習目的與意義感到質疑是相當正常的。此時學生所面對的，往往是知識所學、自身價值與普世價值間所帶給他的疑慮與不確定性。現今學校裡苦讀的學子們，支撐著他們走下去的，不乏就是興趣、學歷、天分和前景等因素，但這就出現一個很現實的問題了，當面對較不拿手的科目或是不感興趣的學問時，進行強迫學習的行為是有意義的嗎？當興趣、學歷、天分和前景不再是學習考量範圍所能夠支撐走下去的支柱時，就應該放棄所學嗎？         誠如我之前所提到的，於當時的科展研究當中，由於筆者研究項目的相關資料寥寥可數，過程中難免有碰壁的時候。回頭看來，最難以克服的往往不是軟硬體設備的障礙，而是自身擁有學識的不足。每每遇到問題癥結點時，明明知道問題在何處，卻無法思考出得以解決的因應策略，這才是最令人感到沮喪又無奈的事。學海無涯，問題的解答有時藏在以往所學當中，有時則是藏在早已遺忘或是先前所學但不熟悉的部分，更多的是從未接觸到的領域。當你遇到這些問題時，我想你肯定會像我一樣，開始懊惱當時為何自己不好好學，或是油然而生「書到用時方恨少」之感。參與科展的體驗讓我感受到學習彷彿是一場馬拉松耐力賽，就算過程中有所挫折也得堅持著走下去，就算拋開學校、書本的教條，「學習」仍必須在生命的歷程當中不斷的進行著。事物背後的原理是以無數不同的領域所交織而成的，每個學理面向都有其能夠切入與解釋的層面，我們從不該再面對不上手或是不感興趣的科目時選擇放棄，更不該單純地以興趣、學歷、天分和前景為量尺或精神依靠，拋棄任何一種面向的學識都是不正確的荒誕想法，廣泛的博取才是上策。 　　由科展經驗讓我獲得這般看見學習理由的新角度，讓我在現今食品科學系的訓練當中，教室裡、學習的當下讓我更在乎的是如何連結各門學問的理論與應用，我不再簡單的由「上不上手」等理由去衡量一門課的價值，這個觀點，讓我發現到各個學問間互相撞擊，才能夠有更多的創新與進步。 二、藉由參與科展活化問題解決的能力 　　過去課堂中的實驗往往在書本中就已經寫好實驗目的與方法，連同討論與分析也都有既定的問題提供給學生反思，學生從來就不會知道，一個實驗的過程，從分析問題的本質、著手解釋到解決的步驟，是一項多麼艱深的學問。而參與科展的我，實際地從實驗目的的探索、方法的設計、器材的製備到最後的數據分析整理，一步一腳印地由自己完成（見圖2）。我體驗到在真正實驗操作中，觀察、發現問題、進行解釋的步驟是多麼需要腦力激盪，當下的自己必需一次又一次回憶實驗，自身找出任何可能造成誤差的不足之處。該如何查覺到問題、處理問題都是仰賴自身的能力，因為再也沒有任何人比自身還要更了解實驗，當然問題必須由自己解決，而這些都是在過去還未參加過科展的我所無法體會的。我理解到問題與討論從來就不應該是實驗課本應該列舉好等著給你解答，而是實驗者在構思、回想實驗步驟中，發現不足之處，再反省探討由實驗者歸納的內容。         如此當所追求的問題解答來自於自身所產生的疑問時，主動試圖解答問題的這個過程當中，由於自身能力的不足而有動力增強自己的實力、開始學習，這對筆者來說，才是能夠達到提起動機的學習方法。由此，當學習者擁有這次經驗以後，無論這是過程的結果是好是壞、過程當中有無疏漏，對於體驗過的學習者來說，都更能加強它在於學習各種知識上的學習理由，因為他知道，現今在書本上枯燥的文字其實從不那麼的生硬，它更是未來對於自身解答任何問題所可以運用的利器，當未來自身對問題產生疑問時，才更有能力對問題進行解答。 　　目前提倡的科學學習即不斷地試圖在培養這項能力，讓學習者在未來能夠在學術或是職場領域，活用這項技能，使遭遇到問題時，具備獨立思考與解決問題的能力，不再由更高學問者向出社會的學習者開釋或是告訴他該怎麼做。經歷過科展訓練經驗的筆者認為，這種經驗只要實際操作過一次，學習者就能體會到自己所學的價值與意義所在，並讓獨立思考與解決問題的能力的種子在學習者心中萌芽。 圖2：筆者於科展報告中對欲探討問題的整理 　　或許很多學生總會困惑在課本裡看到這麼多步驟與儀器操作方法等等到底有何意義？畢竟未來每個人志趣不同，真的必定要操作相同的步驟、學會流程與儀器操作法嗎？筆者認為不是這樣的，如同食品科學上我們很講究一個東西的製程，而製程的背誦往往也是對這門科學的多數學習者而言是一個很大的罩門。事實上這些製程步驟正如同實驗室裡實驗的操作與儀器操作方法等，它所呈現的是一個邏輯，單純著眼於眼前精緻化、流程化的一步接一步的背後，其實是由許許多多的原理構築而成的，而這些東西也從不該淪為「背誦」，當我們能了解背後的原理時，這一切才會逐漸成為直覺性的東西。 　　為何實驗步驟一定得如此？食品的製程一定得如此？背後牽扯的可能是成本、方便性等等的問題，當背後考量的種種都了解，步驟能夠改善、製程能夠改變，由此便活化了自身問題解決的能力並達到創新！ 三、昇華所學獲得的附加價值 　　其他的效益，我認為是在這五年以來，慢慢發酵而成的吧！經過練習如何將科展研究內容化繁為簡、解釋數據和練習回答他人產生的疑問，精進自己製作報告時重點描述的能力，同時在口語表達上完整地詮釋自己的想法（見圖3），我想在經過獨自做出一份符合邏輯設計的科展後的這五年間，我都更有精進了。 　　由科展的歷練讓我體悟「知之為知之，不知為不知，是知也。」背後的意義。不管是系上或是通識課所需要製作的種種報告，方便的網路固然提供了我們豐沛知識來源的管道，但又有多少是二手資料或是不完全正確的呢？應該是完全地能夠知曉其背後的原理才能放上報告中。而各式課程用書裡的知識也是一樣的，字裡行間其實每個字詞都有意義，不懂的就應該及時發現並理解。面對自身的報告與所學，自己就是專業、自己就是最了解的人，不該囫圇吞棗的不知其所以然地接納知識。 　　回憶準備科展的那些日子裡，筆者曾經犯過不少次關於「common sense」的錯誤。想想過去那些錯誤，雖然現在的我不會再次地犯錯，然而這些「common sense」其實從不那麼的簡單，如同哲學家伏爾泰(Voltaire)曾說過的Common […]

液面上的華爾滋 清潔劑液面的彈跳現象 劉曉倩   國立彰化高級中學教育部高中化學學科中心 torrina01092002@yahoo.com.tw Honey 會跳舞 黏滯性高的蜂蜜如果由適當高度流下，形成一細小的流動液柱，在流體接觸到平面時，常會自行螺旋捲曲成為中空圓柱狀的繩捲型態，稱為蜂蜜線捲（honey coil）或液體繩捲（rope coil）。這是個容易觀察、卻牽涉到力學與流體力學的複雜物理現象。繩捲現象的正式學術研究可以追溯至1958年，由巴恩斯（George Barnes）與伍德考克（Richard Woodcock）兩人首先發表「液體繩捲效應」 （Liquid Rope-Coil Effect） 一文， 其中提到流體看起來是繞著一個垂直於接觸平面的軸線旋轉，但是液體粒子本身其實並沒有繞著軸旋轉。兩人以力學的角度，針對此一現象作系統性的討論，發現從不同高度垂落而下的蜂蜜會折疊、堆積，形成各式各樣的「舞姿」，至於形成原因正有待我們去研究。（如圖1）。            圖1： 蜂蜜繩捲現象（圖片來源：龍騰出版社） 清潔劑也跳華爾滋? 然而所有黏滯性高的液體都會有這種現象嗎？筆者的學生觀察到，把洗碗精的塑膠壓瓶壓頭打開拉高距離液面一段距離，成細流而下的洗碗精一開始也有繩捲纏繞現象，但接著底部會形小隆起，隨後出現一條束狀濺射，甚至彈跳半可達10公分之遠，如同跳華爾滋般華麗而壯觀。這些奇妙的現象激起我們高度的好奇心，於是上網查找資料及參閱書籍，得知此彈跳現象稱為「凱氏效應」（Kaye effect）。但是，是否每一種清潔劑都會有彈跳現象呢？          圖2：常見的清潔劑結構（長鏈脂肪酸金屬鹽）（圖片來源：龍騰出版社） 界面活性劑的介紹 原理 界面活性劑主要是讓兩個互不相溶的接觸面，不再排斥彼此靠近的物質。人類最早使用的清潔劑為肥皂，又稱作長鏈脂肪酸金屬鹽（如圖2），如：硬脂酸鈉（C17H35COONa）及軟脂酸鈉（C15H31COONa）。現今常用的人工合成清潔劑組成則為長鏈烷基硫酸鹽類，如：正十二烷基硫酸鈉（C11H23CHOSO3Na）， 以及長鏈烷苯磺酸鹽類（  R－C6H4－SO3Na）， R＝－C9H19~－C15H31），如：正十二烷基苯磺酸鈉。 種類 生活中舉凡食品、藥品、肥皂、洗碗精、清潔劑、洗衣粉、洗髮精、潤絲精、沐浴精、化妝品、殺蟲劑都有界面活性劑的存在。依其在水中親水端的帶電性，大致可分為陰離子界面活性劑、陽離子界面活性劑、兩性離子界面活性劑、非離子界面活性劑，如表1所示。 種類 陰離子界面活性劑 陽離子界面活性劑 兩性離子界面活性劑 非離子界面活性劑   脂肪酸鹽，如椰子油脂肪       例子 酸鉀；烷基硫酸鹽，如月桂醇聚醚硫酸脂鈉鹽 （SLES）、烷基聚氧化乙 脂肪銨鹽，如溴化十六烷三甲基銨 甜菜鹼類，如椰油醯胺丙基甜菜鹼 如聚氧乙烯烷基醚 （AE）、聚氧乙烯－ […]

分子的永久偶極與分子結構對稱性之關係 洪敬明 國立交通大學應用化學所物化組國立交通大學教育學程 kusoer1017@hotmail.com n  前言 本人於2016年參加【高中基礎科學研習會】，聽到一位化學教師（教師甲）於分科研習的「教學疑難問題討論」時段，提出有關「丙烷分子具有極性的解釋」。該名教師轉述其同事（教師乙）的觀點，教師乙認為若以「極性鍵的向量和」來預測分子極性，則理想結構的丙烷分子應不具有極性，理想結構是指分子內所有相鄰原子的夾角皆為109.47°且所有C−H鍵長皆固定的結構。教師乙認為丙烷分子的極性是來自於真實結構的丙烷分子的鍵偶極無法完全抵銷，因此丙烷分子具有些微極性。而教師甲則認為理想結構的丙烷分子是具有極性的，且因丙烷分子的真實結構更接近平面，使鍵偶極矩部分抵銷，造成真實結構的丙烷分子極性反而較理想結構為低，即是以「分子對稱性」來預測分子極性。 由於以上兩個教師提出不同的論點，對於丙烷分子是否具有分子極性有不同的預測結果。本人對這個懸而未決的問題很感興趣，於研習結束後，查閱《高級中學選修化學課程綱要》（99課綱）高中三上物質構造的「鍵極性與分子極性」，找到一段文字敘述：「多原子分子的極性，由鍵極性與分子的幾何形狀決定。非極性分子指分子的偶極矩為0者，即鍵極性的向量和為0」，此處極性是指永久偶極（permanent dipole）。本人也進行簡易計算和資料蒐集，期望能釐清此一問題。以下為該次研習所提出的兩個論點和本人針對此一問題提出的新論點。 n  論點一：從極性鍵的向量和決定分子極性的觀點出發，推測理想結構的丙烷分子應該是沒有極性的。 分子偶極矩與極性共價鍵 分子是由原子所組成，當組成分子的原子不只一種時，因不同原子的電負度（electronegativity, EN）有所差異，造成形成鍵結時電子於不同原子間的分布不均勻。電負度較小的原子對電子的吸引力較小，一般帶部分正電（）；反之，電負度較大的原子則帶部分負電（），這種正負電荷相距一段距離的狀態稱為電偶極（electric dipole），而電偶極的大小一般使用分離的正、負電荷（庫倫）的絕對值大小，乘以正、負電荷的距離（公尺）來表示，稱為電偶極矩（electric dipole moment），單位為debye，簡寫為D（ C．m），方向由正電方位指向負電方位。大致而言，電負度差小於1.7的原子所形成的鍵結為共價鍵，等於0者或趨近於0者為非極性共價鍵，偏向1.7者為極性共價鍵，大於1.7者為離子鍵。但有少數例外；例如氟與氫間的鍵結，其電負度差為1.9，但H−F鍵仍被認為是極性共價鍵。而分子的極性大小與方向可由分子內極性共價鍵的電偶極矩（以下將共價鍵的電偶極矩簡稱為鍵偶極矩）的向量和來描述。 丙烷分子的極性討論 本人利用以下分子模型簡單闡述教師乙所提出的「論點一」。圖1左為甲烷分子的模型，因其結構的高對稱性（點群：Td）使得甲烷被歸類為非極性分子。若甲烷為非極性分子，表示其分子內各鍵偶極矩的向量和為0（鍵偶極矩 (1) + (2) + (3) + (4) = 0）。亦即，鍵偶極矩 (1) + (2) + (3) 的大小與鍵偶極矩(4)相同，且方向相反（鍵偶極矩 (1) + (2) + (3) = −(4)）。圖1右為乙烷分子的模型，其中兩個碳原子因電負度相同，因此C−C鍵為非極性鍵。同時明顯可知，乙烷兩個碳原子分別構成的CH3（此處視為甲基），其中一個甲基的鍵偶極矩（(1) + (2) + (3)），另一個甲基的鍵偶極矩（(4) + (5) + (6)），兩者的向量和的大小相等、方向相反，其鍵偶極矩的向量和必為0，因此可得知乙烷為非極性分子，實驗結果也顯示乙烷為非極性分子。   圖1：甲烷的分子結構（左）和乙烷的分子結構（右） 我們可以根據前面的結果來推測丙烷分子的極性。圖2左為丙烷分子的理想結構，丙烷上兩個甲基的碳原子與中心碳原子電負度相同，因此兩個C−C鍵應為非極性鍵（實際上並非完全沒有，請見後續討論）。以丙烷中間的碳原子當成中心原子，則左右分別鍵結兩個甲基，而其中一個甲基所造成的偶極矩為（(1) + (2) […]