理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國、高中「五色仙女，降落！」全民科學週教案設計與闖關實作 謝佶霖 高雄市立新莊高級中學 Email:even8246@gmail.com 前言 「北花蓮全民科學週」自2015年發起，至今邁入第十年，透過「探究式學習」、「動手做」、「教中學」及「合作學習」等方式，促進學生學習科學的興趣與動機。活動每年徵選主題教案，結合教育部十二年國教課綱，聚焦於實驗設計的「知識性」、「動手操作」與「創新趣味」，讓科學探究融入課堂。活動由國立東華大學北花蓮科普團隊主導，自然資源與環境學系楊悠娟教授領導，攜手物理學系曾賢德及葉旺奇教授，聯合科普推廣夥伴共同開發一系列探究實作活動，目的是透過趣味與實踐，讓學生在課堂中體驗科學探究的魅力，提升學習成效與素養（仿生與環境實驗室，2024）。 本教案節錄自2022年第八屆「北花蓮全民科學週」參與教案甄選入選「國中組」最佳教案設計（如附錄所示），透過微量焰色實驗融入教學的活動過程，讓學生們更能連結焰色與觀賞煙火的真實情境，從美好的生活經驗切入，結合科學原理的學習，促進學生學習科學的樂趣（劉曉倩、謝佶霖，2022）。 課程設計理念    在人們的節慶與活動中，時常看見五光十色的煙火，煙火秀在各地一直都是眾所期待的跨年節目之一，象徵著迎接新年與邁向新氣象的儀式。此外，在春節、中秋節等節慶時，也能看見民眾一家團圓，一齊施放煙火或舞動著仙女棒的和樂場景；而澎湖縣政府舉辦的國際海上花火節，更是澎湖縣最具代表性的大型觀光活動。在孩子們的生活歷程中，或多或少都有施放或觀賞煙火的經驗，而煙火色彩絢爛繽紛的色彩背後，蘊含許多科學原理；本教案由此切入，引導學生理解其中關連，透過實作促進學生思考背後的成因，並連結焰色與原子光譜的相關概念。 煙火原理 煙火的組成主要包含發光劑、燃燒劑、花火劑及其他助劑，各成分共同作用，創造出絢麗的光影與聲音效果。發光劑負責產生火焰的亮度與顏色，通常包含提高火焰溫度與增加光效的鐵粉（Fe）、製造強烈的光芒效果的鋁鎂合金，以及提供各式焰色的金屬鹽類。燃燒劑負責提供燃料與氧化劑以維持高溫燃燒，常見的成分有黑火藥、石油燃燒劑及金屬燃燒劑，而氧化劑則包含硝酸根（NO3－）、氯酸根（ClO3－）及過氧酸根（ClO4－）等含氧化合物，用於提升燃燒效率。花火劑主要產生絢麗的火花效果，常添加鎂粉（Mg）、鋁粉（Al）或碳粉（C）等亮光劑；同時使用聲響劑，如過氯酸銨（NH4ClO4）與硝酸鉀（KNO3），來創造響亮的聲音效果，增添施放煙火的視聽震撼。此外，其他助劑（如催化劑、抑制劑及膠黏劑）則用於調節燃燒速率、穩定反應及製作煙火結構。 焰色反應原理基於電子激發與能量釋放的過程，當金屬鹽類置於火焰中加熱時，金屬鹽類中的電子吸收熱能，從能量較低的基態躍遷至能量較高的激發態。然而，激發態的電子不穩定，會迅速回到基態，並釋放多餘能量。這些能量以光子的形式發出，光子的波長取決於電子躍遷過程中的能量差；若釋放的光波波長位於可見光範圍內（約380至760奈米），肉眼即可看到火焰呈現特定顏色。由於不同金屬鹽具有特定的能階結構，其電子躍遷釋放的能量和對應的光波長也不同，因此每種金屬鹽類都具有專屬的焰色，這些焰色即是金屬元素的光譜特徵。表1為常見的金屬鹽類焰色，因為金屬鹽類焰色的獨特性，除了應用於絢爛繽紛的煙火外，焰色反應亦可作為辨識特定金屬元素的依據，是一種快速、簡便的元素檢測方法。 表1 常見的金屬鹽類焰色及波長 金屬鹽類 鋇鹽 鍶鹽 鈉鹽 鉀鹽 銅鹽 焰色 綠色 緋紅色 黃色 紫色 青綠色 波長(nm) 536~554，614 640~707 589 404 515~529 資料來源：What salts change the colour of flames? https://stason.org/TULARC/science-engineering/chemistry/18-8-What-salts-change-the-colour-of-flames.html 微量焰色實驗 一、設計理念 在教授高中選修化學II第一章原子結構時，常提及能階與電子躍遷的概念，並探討不同元素在此過程中釋放的特定光波，進而解釋絢爛煙火的色彩來源。然而，僅靠口頭講解對學生而言難以直觀理解，因此，本文以微量焰色實驗，透過燃燒產生各色可見光，幫助學生透過肉眼觀察焰色現象。若教學時數允許時，除了本文中的微量焰色實驗外，建議可搭配微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒（賴亭伶、陳斾玎，2016），帶領學生動手DIY，進一步從做中學，掌握煙火色彩的發光原理。 本實驗設計時結合「綠色化學」理念，透過藥品減量及安全操作，實現資源有效利用與環境保護的雙重目標。焰色反應是一項經典且具有吸引力的化學實驗，但傳統實驗通常耗用較多藥品，可能增加廢棄物產生量。本實驗取用微量金屬鹽類，僅需2小匙藥匙的藥品量，大幅降低實驗過程中的資源消耗。藉由鑷子與藥用棉花球，可減少清理難度，同時降低對實驗器材的依賴。 二、實驗器材與藥品 (一)實驗器材 紙杯5個、鑷子1支、藥用棉花2球、打火機1支、藥匙5支、燒杯1個 圖1 微量焰色實驗的實驗器材 (二)實驗藥品 甲醇（CH3OH）、氯化鋇（BaCl2）、氯化鍶（SrCl2）、氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）、硫酸銅（CuSO4） 圖2 微量焰色實驗的實驗藥品 三、實驗步驟 […]