兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com 影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供，微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。 影片網址：https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube. 簡介 水是醞釀生命的泉源，對於生物體來說是不可或缺的無機物質，為了瞭解水的組成，國中理化課程中，透過電解水實驗，以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣，觀測兩極的氣體體積比。 早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann [1]）於1866年所發明，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，金屬電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接，兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗，供添加電解液並維持水位；陰陽兩極是由兩根白金棒，貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成，隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠的電解槽所取代的，下圖為電解水裝置。   圖2：圖左為霍夫曼電解器，圖右為塑膠製電解水裝置 傳統的電解器體積較大、使用的電解液不管是氫氧化鈉或硫酸鈉，都需要數百毫升的體積、過量的廢液處理問題，加上白金電極價格昂貴，總總因素讓目前中學做過電解水實驗，有實際動手做實驗且正確量測出氫氣與氧氣體積比的學生寥寥可數。因應潔淨能源–氫能的崛起，電解水的相關研究風起雲湧[2],[3]，如何改良電解水器，讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗，成了此次研發的重點。 延續之前在科學研習月刊的撰文（綠色創客：微型電化學電池的設計與應用 [4]）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管，進行陰陽兩極氣體的收集；應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽具組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢；陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔，方便自由拆卸、更換；不受限於傳統電極固定性結構，提供進行電解的變因探究，目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極；除可透過USB行動電源進行電解實驗，實際節省98%化學試劑使用量，使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。 圖3：本校微型電解水實驗的操作 本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外，亦提供電解水模組的教學使用示例，與教學的設計與應用，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念，以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解電解水實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。 器材與藥品 1.      功率80W的雷射切割機。 2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出20組微型電解水裝置） 3.      螺絲攻牙器1組（含5.0mm的螺絲攻鑽頭）【購自五金材料行】 4.      鑽孔機1台（含1.4mm鑽頭） 5.      PP塑膠一字螺絲（Φ＝6mm，長12mm）數個【購自五金材料行】 6.      雙面矽膠帶（寬＝5mm、寬10mm，各一捲）兩捲 7.      塑膠針筒包括：1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支 8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店，亦可使用3個三通閥】 9.      紅、黑鱷魚夾線各一條 10.  六種電極包括：碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支（直徑Φ＝1.5mm，長6mm） 11.  止洩帶1捲 12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑（簡稱BTB）、0.5M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO4）溶液、0.5 M碘化鉀（Potassium iodide, KI）溶液各10mL。 […]

科技大學學生對化學的學習信心和學習興趣 丁信中 嘉南藥理大學休閒保健管理系 thc@mail.cnu.edu.tw  研究探討 國際學生能力評量計畫2006 (Programme for International Student Assessment, PISA)的資料顯示，臺灣中學生對科學興趣與科學樂趣高於OECD國家平均值，但是臺灣中學生的科學自信心程度仍明顯低於OECD國家平均值(OECD, 2007)。在一份國內的調查報告中顯示，約70%學生表示喜歡科學，然而中學生的科學學習興趣與其在學校科學課程的學習經驗卻有所落差；天下雜誌(2010)以國、高中生為調查對象，資料顯示：國中生最不喜歡的科學學科是數學，高中生則最不喜歡化學；其前兩名的原因分別是「太難了」69.8％、「要背很多公式」43.9％。調查同時發現，整體學生有39%的比例「都沒做過」科學實驗，「每週低於1次」的比例也還有37.1％。與學生的期待相比有所差距，高達45.5％學生希望平均「每週做1到2次」實驗，這表示，學生是喜歡做實驗的，但是學校的科學課程內容似乎無法回應學生的期望。 臺灣中學生仍面臨著極大的升學壓力，在國中教育會考獲得好成績與進入名校就讀，是多數中學生的重要學習目標；同時，這也是家長對於中學教育的期待。天下雜誌(2013)對國中教育現場的調查顯示，12年國教強調免試升學，但仍有高達43.1%的學生，感到高度壓力；進一步分析，考試壓力(40.2%)、父母期待(26.9%)為中學生的前兩項的課業壓力來源。在測驗成就與升學主義的考量，傳統式教學與頻繁的筆紙測驗仍是多數中學科學教師的主要教學方法。如此頻繁筆紙測驗的教學方式與升學壓力等外在學習因素或許是造成臺灣中學生相對缺乏科學解釋與科學探索能力的可能原因。 相關研究發現，學生對科學、科學教學以及科學學習經驗的感受與態度，有隨著年級的升高而降低的現象(Hadden & Johnstone, 1983; Yager & Penick, 1986)。此外，學生的學習動機影響其對科學知識的理解程度，Hanrahan(1998)提到學生對學科內容有著先前知識和興趣，進而形成的內在動機，會較容易形成深層的認知參與；相對的，藉由外在因素，例如得到好成績、滿足父母的期待等，所形成的成就動機取向，僅能引發淺層的認知參與，無法獲得科學知識的理解。國外的研究發現，許多學生在進入學校課室教學後，學習動機反而變得低落，不再對學習感到興趣，甚至產生反抗的心理與行為(Lee & Brophy, 1996)。 Talton和Simpson(1986)的研究結果顯示，教室環境變項(包含教學與課程)可以解釋約46%-73%之學生科學態度的變異量，若再加上自我概念、家庭背景等變項，則可解釋的變異量達到62%-81%之間。 隨著臺灣少子女化的來臨，學生人數逐年下滑；2018年高中職畢業生為227,900人，其中，高中畢業生，包含普通科、綜合高中學術學程等計108,255人，高職畢業生，包含專業群(職業)科、綜合高中專門學程、實用技能學程等計119,645人；高職畢業生的比重從2011年56.98下降為2018年的52.50 (教育部統計處，2019)。以升學管道來看，高職畢業生多數就讀科技大學，雖然科技大學的系專業發展是以產業實務應用為導向，然而高職畢業生在中學階段的科學學習成就，多數屬於中低成就的一群，如何提升學生的科學學習動機，進而培育他們能擁有產業實務相關的科學能力，對於科技大學教師而言，是一項極大的挑戰。 研究工具 本研究開發「科學學習信心與學習興趣半結構晤談問卷」，此問卷分別從個人變項，家庭變項，學校變項，以及文化變項等四個角度，進行半結構晤談題目的設計，藉以瞭解科技大學學生對科學學習的信心與興趣，提供科技大學教師設計化學相關課程學習之參考。為了瞭解科技大學學生在專業化學學習是否受到中學理化學習經驗的影響，問卷的編製包含：第一部分中學的科學學習經驗，計11題，與第二部分科大專業化學的學習經驗，計10題等，編製完成的問卷共為21題。施測方式採半結構晤談，晤談時間為40分鐘。部分題目舉例如下： 1. 個人變項部份：你對於理化課程的學習動機是基於自己的興趣、還是為了得到好成績、或是滿足父母與老師的期待呢？ 2. 學校變項部份：在中學的時候，你的理化老師上課的方式為何？你喜歡他的上課方式嗎？老師有沒有舉日常生活的例子來說明理化的生活用途呢？ 施測對象 本研究的施測對象為中南部某2所私立科技大學的妝品、食品、環工等系的三年級學生，每系10位，合計晤談60位學生。選取科技大學三年級學生的原因，該階段的學生對於系相關專業化學的學習具備較多的修課經驗。 研究結果 一、中學科學學習經驗 發現一：多數學生表示喜歡小學的自然科學課程，然而對於中學的理化不感興趣，原因在於：課程無聊、考試太多、學習成就不佳、課程過於困難與太抽象而難以理解等。多數學生的學習動機屬於外在學習動機。參加課後補習的原因多是父母的要求。 —   62%學生喜歡小學時期的自然科學，原因在於：喜歡大自然、內容新奇有趣、日常生活用得到。然而，60%學生卻不喜歡中學時期的理化課程，原因則在於：課程過於困難與抽象而難以理解、考試太多、與成績不好。 —   40%學生喜歡他們中學老師的教學方法，例如：能將課程簡單化、應用到日常生活中、進行實驗活動教學。然而，僅有25%學生表示，他們的中學理化成績不錯或是優異。 —   53%學生的學習動機屬於外在學習動機，僅有10%學生為內在學習動機，其他則為兩者皆有。進一步分析顯示，35%學生表示他們的學業成績是受到補習與否、教師教學方法與父母期待的影響。 —   83%學生在中學時有參加校外補習。僅有10%學生表示，參加補習是自己的意願。多數的學生(45%)則為父母的要求。 二、專業化學學習經驗 發現二：約半數學生對於大學的基礎化學課程不感興趣，原因在於：他們的中學理化成績不佳、與課程內容有太多化學計算、太多抽象的概念與符號，然而他們對基礎化學課程的相關科學實驗是感興趣的。 —  40%學生對於基礎化學課程不感興趣。 —   43%學生表示在基礎化學課程的學習有所困難，例如：課程內容有太多抽象的概念與理論、化學方程式的計算、高職時期的課程學習缺乏相關的科學與數學科目、中學時期的理化成績不佳等。 —   僅有30%學生表示他們在基礎化學的學習成就為良好或是優異。 —   […]