2018年諾貝爾化學獎 蔡蘊明譯 國立臺灣大學化學系轉載自https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2018.html n  化學的(革命性)進化 演化的力量是透過生命來顯示的。2018年的化學諾貝爾桂冠頒給Frances H. Arnold (阿諾)、George P. Smith (史密斯) 和 Gregory P. Winter (溫特)爵士，表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素，現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病，以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。 我們活在一個由強大的力量：演化，所主導的星球。在頭一批生命的種子於37億年前出現時，幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體：生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。 學校裡我們在生物課學習到這些生物，但讓我們戴上一副化學家的眼鏡並換個視角來觀察，地球上的生物之所以能夠存在，是因為演化解決了無數複雜的化學難題，所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量，並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊是歸因於其血液中的抗凍蛋白質，貽貝能攀附在岩石上乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠，而這只是眾多例子中的幾個而已。 生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中，並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化就能改變其化學，有時這導致產生較弱的生物體，但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展，而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。 這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體，具有能掌控演化的能力，2018年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家，乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展(圖一)。讓我們先從酵素工程的明星：Frances H. Arnold (阿諾)開始介紹。 圖一 2018的諾貝爾化學獎得主們能控制演化並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓  n  酵素 ─ 生命的化學工具中之利器 即便在1979年，身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人，阿諾就已經具有了一個憧憬：透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在2000年要有20% 的能量是來自於再生能源，而她剛好在研究太陽能，不過這個產業的未來前景於1981年的總統大選後，產生了巨大的改變，因此她將眼光改為投注於新興的DNA (去氧核糖核酸)科技，她自述”很明顯的，對於我們每日生活上所需要的材料和化學品，可以利用改寫生命密碼的能力來創造新的製造方法。” 用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸，她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具：酵素，它們催化在地球生物體中發生的化學反應，如果她能掌握設計新酵素的方法，就可從根本改造化學。 n  人的思考是有限的 最初就如同在1980年代末期的許多其他學者一般，阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素，讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子，它們是由20種不同的結構單元 – 胺基酸 – 以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的，一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸，它們連結成長鏈的型態，進一步摺疊成三維的立體結構，其中用來催化特定化學反應的局部結構，是建立在整體結構的內部。 運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整，以賦予其新的功能，即便是運用現在的知識以及電腦能力來看，亦是非常困難的。在1990年代初期，謙卑的折服在大自然的優越能力之下，阿諾決定放棄上述她所謂“有些傲慢”的策略，取而代之，她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法：演化。 n  阿諾開始操弄演化 有好些年，她試圖改變一個稱為”枯草桿菌蛋白酶”的酵素，讓它不是在水溶液中催化化學反應，而能在一個有機溶劑：二甲基甲醯胺(簡稱DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化 – 突變 – 然後將這些突變的基因引入細菌中，並產出數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體。 在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中，找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中我們說的是適者生存；在定向演化學中，這個階段稱為”選汰”。 阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質 – 酪蛋白 […]

化學安全的教育視角   李賢哲 國立屏東大學應用化學系 sjlee@mail.nptu.edu.tw   先敬祝各位讀者新年快樂，這期的化學新知部分，或許是個人的偏好，較多於化學安全相關之文章，第一篇是當代無人機在精密農業上的應用，第二、三篇則聚焦於化學教育最需強調的安全訓練領域，謹提供大家參考與指正。 一、無人機使用於農業用途之回顧與展望 由於個人對於無人機(UAV)的喜愛，這一期化學新知部分，首先與各位先進介紹無人機於精密農業(precision agriculture)之應用。這篇2018年回顧之論文作者來自開發中國家印度，目前印度仍有70%人口依賴著農田耕種生活，但農業使用之土地卻面臨空前的危機，尤其是害蟲與昆蟲造成的農業土地病變，降低農作物的生產效率。爰此，殺蟲劑(pesticides)與肥料(fertilizers)的使用，以提高農作物之產率，更加重農民與環境的負擔。這些被農業使用之化學藥品，如果能藉由無人機噴灑系統(drone spraying systems)的使用，搭配多光譜相機(multi-spectral camera，440-510 nm 藍色、520-590 nm綠色等)系統進行農地植被自動偵測與判別，期能減少以人工噴灑殺蟲、除草藥劑，相對造成的人員健康危害；並達到更有效的使用噴灑藥劑以降低藥劑對於土地負擔衝擊與造成的環境污染。 個人對於此文獻內容，認為科技的發展始於人性，如圖一說明無人機之發展自傳統固定翼(fixed wing)(a)、單旋翼(single rotor)垂直起降( helicopter) (b)持續發展至多旋翼(multi rotors drone)之形貌(e)，也正好為這多元的無人載具，提供用途持續開創的空間(例如載貨與人員使用)。然無人機機體結構的成本、操作的費用(例如電池)和操作人員的訓練與政府相關法規的制定等，對於無人機的普及具有相對重要之影響，讓大家樂觀以待。 圖一:無人載具依其時程的進程與發展樣貌，e為最貼近當前之樣貌 (取自 Mogili, 2018)。 參考文獻：Mogili, UM R. & Deepak, B. (2018). Review on Application of Drone Systems in Precision Agriculture. Procedia Computer Science, 133, 205-509. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050918310081。   二、二十一世紀的化學安全教育 – 培養化學家的安全資訊能力 在教育過程中，每位學子試著在其選擇職業類別中，努力取得成功所必需要的各別技能或能力組合。例如，申請成為一位合格之實驗化學家(bench chemist)所須具備的資格可能標準要件如下:1. […]

跨領域的科學活動: 以「澱粉」主題為例 潘俊宏 臺北市立介壽國中教師 petersonpan1@yahoo.com.tw 12年國民基本教育課程綱要即將於108年開始實施，在自然科學領域除了強調問題解決之「探究能力」外，更需要有跨領域議題的探究與實作學習。在此探究的科學活動希望能夠培養學生有系統思考、創意思考、問題解決、表達溝通等多元的能力，進而使學生具有相當的能力與素養去面對未來快速變化的日常生活議題，這些學生應必備的能力並非只是單純的學科知識，且更非由教師單方面的知識給予，必須由學生於課堂中經實際的觀察、探究、思辨和溝通，進而培養出學生的基本素養。基於此概念，便設計一跨科/領域的科學探究活動。以下我們介紹一個以澱粉為主題，所設計的跨領域科學探究活動。 n  「澱粉」專題科學活動: 「澱粉」是人類飲食中最常見的碳水化合物，平常所吃的食物中很容易所看見「澱粉」的存在，因此便設計相關的活動使同學對生活中常接觸的「澱粉」有更深入的認識，本科學活動主要針對國中階段的學生設計一系列活動，活動首先讓同學知道哪些農產品(或產品部位)中含有澱粉，進而引導同學如何生產(製作)澱粉，經由活動產出的澱粉和日常生活中的澱粉產品進行觀察，分辨其物理性質和化學性質的特性與差異。此外，利用種子的發芽過程讓同學觀察、探究種子內的澱粉含量的變化，引導同學藉由活動的結果觀察、思辨、而瞭解澱粉在種子發芽時所扮演的角色。由於澱粉為人類主要的糧食之一，所以活動最後便指導同利用不同植物所生產的澱粉(如:太白粉、麵粉、糯米粉…等)來製作食物～麻糬，由產出的食品外觀、Q度和口感等性質，來瞭解不同種類澱粉經加熱發生澱粉糊化現象後有不同的結果，期使同學對澱粉與其糊化現象有更深刻認識。 本活動透過以學生為中心的自主學習教學法，過程中採用POE (預測–觀察–解釋)教學法與合作教學法進行，教師在旁引導同學進行活動，而活動設計主要有以下幾個特色: 一、家庭科學實驗:活動中所採用的材料或物品大部分來自家庭中常見或隨手可得的物品，以期活動操作結束後，有興趣的同學仍可進一步自己再進行探索研究。 二、活動與課程結合:本活動和目前國中自然與生活科技及綜合(家政)領域的課程有高度相關，所以本科學活動可當作跨科/領域課程來進行，亦可配合教學課程進行課後活動來實施。 三、差異化教學方式:本教學設計主要配合國中自然與生活科技領域的課程所設計的科學活動，對於不同能力(或年段)的同學可著重教材不同學習成就，對能力較差的同學而言，主要在於化學變化的現象瞭解與動手作的部分，而對能力中等的同學而言，可進一步探討澱粉其他的原理(如:分子結構、澱粉分解…等)，而對能力較佳的同學而言，可鼓勵同學進一步對澱粉探究(如:抗性澱粉..等)。除此之外，亦可針對不同能力的學生，在教材上作一深入探討，或對此仍有興趣的同學，再作探究式學習的科學活動。 本科學活動主要強調學生的主動探究與學習，其活動內容大綱如表一所示。本科學活動主要分成四大單元，分別為:澱粉的製作、澱粉在植物中的祕密、澱粉的特性和美味的澱粉。 表一: 澱粉主題活動的活動內容大綱。 澱粉科學活動 活動單元 澱粉的製作 澱粉在植物中的祕密 澱粉的特性 美味的澱粉 活動內容大綱 讓同學探究澱粉主要儲存於植物何處，並進一步讓同學能製作出不同來源的澱粉，如：番薯、馬鈴薯…等。 觀察花豆或其他豆類在種子發芽前後，種子內儲存的澱粉的變化?並探究其主要原因。 觀察澱粉和一些化學藥品的反應與透過顯微鏡進一步瞭解澱粉的種類與物性和化性 利用不同來源的澱粉，如:糯米粉、太白粉、玉米粉…等，讓同學利用簡單的製作方式去製作出美味的麻糬。 與國中相關科目 理化(化學)、家政、生物 理化(化學)、生物 理化(化學)、生物 理化(化學)、家政 活動時數 (小時) 1~2 1~2 2~3 2~3 活動的內容探究難度可視學生活動狀況作一調整，其科學活動內容描述如下: 一、澱粉的製作:本單元先引導同學判斷在哪些農產品中那些富含澱粉，接著以碘酒進一步檢測農產品中所含澱粉，進而找出富含澱粉的農產品，最後再和同學討論如何從農產品中將澱粉分離出來。 二、澱粉在植物中的祕密: 此活動可配合目前生物教材進行，分別準備已泡水的和巳發芽的種子(如:花豆…等)，同學預測二種不同狀況種子的澱粉分布，再利用碘液測試和顯微鏡觀測來驗證自己的預測，也能在教師的引導下，解釋發芽前後澱粉的差異及造成差異的可能原因。 三、澱粉的特性:本活動可接續澱粉的製作單元，活動中利用同學所製作出的澱粉和教師提供不同的澱粉，引導同學探究不同澱粉的性質有何不同，例如:利用碘液配製不同濃度之溶液進而觀察顏色差異(如圖一和圖二)，也可於澱粉加碘液後,利用顯微鏡加以觀察探究(圖三)。   圖一:不同濃度的支鍵澱粉在碘液下所呈現顏色  圖二:不同濃度的直鍵澱粉在碘液下所呈現顏色 圖三:支鍵澱粉加碘液在顯微鏡下所呈現情況  四、美味的澱粉單元:同學經由初步對澱粉認識後，最後教師將經由麻糬的製作來介紹澱粉的糊化現象，首先，教師可引導同學用不同的澱粉來製作麻糬(如圖四)，進而由同學自行設計最美味的麻糬食譜。 圖四:不同來源的澱粉所製作而成的麻糬  n  科學探究活動始終來自日常活動 經由此系列科學探究活動的同學對澱粉的概念有基本的認識，同學也學會探究事物的能力，但要設計一個完美的科學活動，仍需更多專業教師的共同討論、備課、試行與再修正(見圖五)，以設計出更好的科學活動，以提高同學的探究興趣，利於同學於課後或假期進行個人的專題計畫或學習，進而增進學生個人日常解決問題能力以及具備科學素養的生活能力。 圖五:同學們設計自己的美味食譜

國內外化學教育交流（第二十九期） 林靜雯 國立臺北教育大學自然科學教育學系 jwlin@mail.ntue.edu.tw n  一月內容摘要搶先看 一、第八屆亞洲化學教育研討會 二、週期表150年相關活動 三、國際純粹與應用化學聯合會IUPAC 2019 n  詳細介紹 一、第八屆亞洲化學教育研討會 The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators 地點：國立臺北教育大學 (National Taipei University of Education, Taipei, Taiwan)       日期：2019年7月30日至2019年8月1日 開放投稿日期：2019年3月1日 相關網址：ttp://www.8thnice.org/WordPressCHT/%E5%A4%A7%E6%9C%83%E8%AC%9B%E8%80%85/ 經歷2014年在日本、2016年在韓國，六年一次重回臺灣舉辦的亞洲化學教育研討會，將於2019年7月30日於國立臺北教育大學舉辦。這個研討會極受化學教師及化學教育學者重視，每次大會都會規劃精彩的演講、發表和實務工作坊，讓大家滿載而歸。 本次大會重要日程如下： l   開放投稿日期：2019年3月1日 l   投稿截止日期：2019年4月30日 l   通知論文接受/拒絕日期： 2019年5月31日 l   早鳥報名截止日期：2019年6月15日 本次大會主講人：  此國際研討會的主辦方新加入馬來西亞，下一屆2021年將於馬來西亞舉辦，並於八年後重新回到臺灣主辦。此研討會有專門為高中生化學學習國際交流場次，歡迎高中老師帶高中生參與。相關網站已經架設完畢，敬請臺灣化學教育同好隨時關注相關訊息！ 二、週期表150年相關活動 1.國際化學元素週期表年IYPT2019 地點：法國巴黎教科文組織總部 日期：2019年1月29日 相關網址：https://www.iypt2019.org/opening-ceremony    化學元素週期表是科學界最重要的成就之一，不僅捕捉了化學的本質，也捕捉了物理學和生物學的本質。 1869年被認為是Dmitri […]

第二十八期 主編的話 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw   本期專刊主要是報導IUPAC化學教育委員會在澳洲雪梨舉辦國際化學教育研討會(International Conference on Chemistry Education, ICCE)出席學者與教師的心得。這兩年一次的化學教育年會常會吸引世界各地對化學教學、課程、評量、實驗感興趣的研究人員或教師來共襄盛舉。由於長期投入化學教育的工作者總會在這雙年度大會分享自己的研究或教學成果，使得參與的人就如同一個大家庭一般，每次見面都有說不完的話、與分享不完的教學心得，有人拿了實驗設計向友人口沫橫飛的敘述自己的創作，有人在工作坊上與崇拜已久的同好相識心中無比激動，有人對研究與教學找到知己而建立新的研究團隊，舊雨新知的互動，讓人對這一社群有相當高的期待與認同感，也因為如此，我過去十多年間持續參加ICCE的理由。 常態性文章有邱美虹和曾茂仁以建模探究的方式進行化學電池單元的設計，並結合自然科學探究與實作的學習表現指標，使改良後的教學活動內容更能服膺新課綱的精神，該計裁並經實證研究證明有其正面的效益；廖旭茂的以雷射切割機完整開發一套電化學實驗模組；劉燕孝和廖家榮透過手機及App開發高中奈米硫粒實驗反應速率之測定的化學探究與實作課程，改善既有的實驗方式，充分利用行動裝置，除可以解決額外添購實驗器材的困擾，還可提升實驗數據測量的精準度，非常值得化學老師參考。黎渝秀利用季節性的材料製作天然柚香清潔劑，是結合生活與化學的一個實例，不僅可以提升學生好奇心，也可以寓教於樂，在即將展開多元選修課程之際，這一主題相信也會引起同學們的學習化學的興趣。劉曉倩長期投入帶領學生參加科展，此次是第三次獲選代表臺灣赴日參與日本SSH生徒科展發表會，在指導學生發、實驗設計、訓練學生發表等等，相當老到，其內容相當豐富可供有興趣向國際舞台邁進的老師參考。最後，希望你會喜歡閱讀這一期的內容!

2018國際化學教育研討會：看得到與看不到的化學—出席國際化學教育研討會心得分享 邱美虹1、周金城2 1國立臺灣師範大學科學教育研究所 2國立台北教育大學自然科學系1mhchiu@ntnu.edu.tw 2cccchou62@gmail.com 本期專題是以出席國際化學教育研討會的心得分享為主，五位作者分別就理論的新思潮–系統思考進行探討，第一篇文章是邱美虹教授從系統思考的定義著手，討論系統思考的元素及其關係，進而引介大同世界的化學的新思潮，以期待對化學教育勾露出一個新的里程碑。第二篇由國立臺北教育大學周金城教授進一步在其文章中提到系統思考是高層次的思維以及其在工程領域中的運用，並提出其個人對於系統思考與STEM教育的關聯性之看法。第三篇是由宏國德霖科技大學蘇金豆教授將此次研討會的整個活動概要的介紹，讓讀者可以對大會活動有一個整體的認識。第四篇是國立臺灣師範大學附屬中學吉佛慈老師將國際化學教育委員會的會議活動，全程參與大會活動心得，以及大會結束後的自行安排的活動行程也都做一個詳細的說明，讓未來有興趣參與國際化學教育研討會的高中老師可以提早安排規劃。第五篇的臺中市大甲高中的廖旭茂老師，他已有多次參與國際化學教育研討會的經驗，此次受邀安排一個化學實驗工作坊的活動，該文描述如何在國際化學教育研討會申請舉辦一個動手做實驗工作坊，以及在國內事前的文件申請與準備，到當地實驗活動前場地勘查與準備，辦理工作坊的過程，以及和來自全世界動手做化學實驗專家的交流心得，做了詳細的介紹，這是一篇很有意義的文章。本期的專題文章共有五篇，分別由不同角度來描述2018國際化學教育研討會的參與心得，讀者可依興趣選擇感興趣的主題閱讀。

2018國際化學教育研討會:國際化學教育會議之我見—談系統思考 邱美虹 國立臺灣師範大學科學教育研究所*mhchiu@ntnu.edu.tw n  前言 IUPAC 每兩年舉辦一次的國際化學教育研討會，2018年7月10-14日在雪梨舉辦。身為化學會的國家代表，我先於7/9出席IUPAC 化學教育委員會(Committee on Chemistry Education, CCE)會員會議討論與報告委員會各項事務，我因為執行一項11個科學組織合作的科學家性別差異的計畫案，遂於會中作進度報告。然後再於7/10 上午出席IUPAC國際計畫–化學教育中的系統思考(Systems Thinking in Chemistry Education, 簡稱STICE)的討論會議，下午再續開CCE會議的第二階段討論會議，並出席開幕式和第一場專題演講。會議期間除出席上述會議外，並出席大會各項專題演講、海報展示、分組報告等等活動。 圖1. 參與IUPAC 系統思考(Systems Thinking)計畫小組討論 此次共有來自30個國家268位與會者，其中人數最多的當然是澳洲計有97位，其次是美國39位、日本是13位、紐西蘭12位、加拿大和英國各10位，臺灣則是有7位出席(其中3位教授4位中學教師)。 大會主題報告共有四場，來自德國基爾大學(Kiel University, IPN)的IlkaParchmann是個非常傑出的化學教育學者，目前擔任該校學術與師培副校長的工作。她的報告圍繞在大學教育教學與人才培育上，與之前她在中學化學教育研究上的報告比較不同。但主軸仍是以化學中巨微觀概念的建立為主。其次，Peter Mahaffy and Stephen Matlin報告系統思考(Systems Thinking)。該計畫由IUPAC經費補助一群來自世界各國的教授共同探討如何在大學和中學化學教學中發展學生系統思考的能力。此議題雖非新概念，在其他領域早有人涉獵，但是在化學界卻是由Stephen Matlin 在Nature發表一篇重要文獻後才在IUPAC內引起注意。此次在大會中報告，主要是期待在化學教育界引起重視。而這兩位學者也在大會中安排數場相關議題的論壇，我有幸參與其中<系統思考與化學教育之學與教>一組而對與系統思考有關的多重表徵、複雜系統、非線性關係、交互作用等議題進行報告(Ho, et al., 2018)。本文後續會對此主題再加以說明。再者，專題演講還有加拿大的新秀有機化學教授Alison Flynn 針對大學有機課程的設計進行翻轉教學，雖然上課學生人數甚多，但在教學時Flynn盡量讓學生分成小組討論，並讓教師和學生產生更多的對話，使學習可以更加主動與引起興趣。最後，MarietjiePotgieter以南非在大學有限的資源下，如何利用網路將實驗能力建立起來做為演講的重點。每場演講都很精彩，也呈現嶄新的思考方式與教學策略，對推動化學教育工作很有啟發性。   n  系統思考的定義 系統思考在1987年時由Barry Richmond提出，他認為思考是一種動態的，透過動態思考(dynamic Thinking)可以追蹤自己對特定議題或挑戰產生一個隨時間而改變的表現路徑。而這種動態思考並非與生俱來的。Arnold 和 Wade (2015)在回顧許多學者對於系統思考的定義後曾指出，系統思考就是一種系統(system thinking can be viewed as a system)，換言之，系統思考就是思考關於系統的系統(system of […]