北京化學教學交流:高中菁英化學教育交流與參訪心得(上) 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 n 衝突與混亂下的獨特美感 一百五十多年前的北京,即使有月亮仍舊是漆黑的夜晚,清咸豐皇帝命恭親王奕訢為欽差大臣,與英國使節額爾泰簽訂北京條約,外人勢力由海口深入中國內地,人民開始覺醒…也因為覺醒,才有了一連串自強運動。覺醒後的古都歷經戰火呈現時空下的衝突,混亂,也有了其他大都市所沒有的獨特美感。記憶裡的老北京月色濕暈,像是宣紙上烙下的淚滴,陳舊模糊。然而百多年後的傍晚,佇立北京市街口,微雨乍停,天際出現雙彩虹奇景,路人驚喜道,近五十年罕見(見圖1)!夜幕漸深,月光歡愉而明亮,放眼過去都是高樓大廈,只有路邊的攤販叫賣聲宏亮,櫻桃一斤十元人民幣,買了滿滿一包也不心痛,時空交錯裡模糊的記憶沉澱著深刻的光影,即使再好的月色也帶著淒涼。 參訪團一行十六人第一天晚上就在北京師範大學附屬的京師大廈落腳,此次沒有高中化學學科中心張雅雯隨行,夜晚的都市探究之旅少了歡笑聲多了孤獨,只好對著檯燈練習隔天的教學分享,心裡平靜但是沒有享受的感覺,前年跟著臺灣師範大學邱美虹教授上海教學參訪帶來的強國震撼,已在心裡埋下種子,兩年不斷提醒自己要成長,我不知道北京的教學環境如何,但我相信自己做事一向是「歡喜做,甘願受」,我願意被榨取被燃燒,讓自己飛得更高,至於能產生多少亮度?有多痛、多辛苦,非得要自己去感受才行,這是一條必經的道路,也是邱美虹教授引領我們的道路,這是一種壓力,也是一種動能,平凡的石墨在高溫高壓下才能成為鑽石! 圖1:極少下雨的北京午後出現雙彩紅(霓虹)的奇景 n 空中花園—北京十四中 北京市第十四中學建立於1906年,後更名為燕冀中學。1949年建國後,學校成為公立完全中學,並再次統一命名為北京市第十四中學。學校現分為高中部、初中部與國際部,架構上與臺灣的完全中學相似,十四中也是北京市高中示範學校,是課程改革樣本學校,更是北京市批准國際學生留學的開放學校。 北京市寸土寸金,發展屋頂綠化已經實施多年,屋頂綠化可以提升城市景觀效果,緩解城市雨洪和緩解城市熱島效應等具有重要的生態價值,十四中張琳校長對於空中花園設計十分推崇,數種喬灌木花草混種的屋頂綠化,在遏制北京霧霾及降解大氣飄塵方面都具有明顯成效。園中還開闢了幽靜的小道,巧奪天工的園林景色讓緊湊的交流行程緩解,稍稍放鬆了腳步(見圖2)。 圖2:參訪團於北京十四中空中花園合影 n 教育交流重點與感想 十四中對整個交流過程安排十分細膩,不僅貼心地為來訪貴賓準備繁體字行程簡介、精緻的手工扇見面禮,同時將整個行程分為五個階段進行:學校簡介、分科交流、校園導覽、教學觀摩、十四中化學科高端備課經驗分享。筆者主要是負責中學教師「臺灣化學教育—菁英教育教材教法分享」,重點如下: 一、國家成立資優班和科學班的目的:因為經過檢定的資優生擁有高智商,熱衷於感興趣的學習,有著多元智慧以及高度的創造力,但是普遍資優生對於一般學習容易分心、過度激動、無法完成課業,進而衍生出種種無法適應班級生活的行為,矛盾的是,資優生卻是促進國家進步最重要的因素,因此教育部經由專家學者建議,成立資優班及科學班,提升國家菁英教育。 二、科學班的理念及目的:提升數理能力基礎,並且藉由科技人才優勢,提升國家高科技競爭力,因為國家只需極少比例的教育經費,即可嚴格甄選出資優生,創造經濟效益,並冀望帶動普通教育,回饋普通教育所需。 三、科學班的課程規劃:高中前兩年完成三年基礎科學課程,高二暑假通過資格考,高三進入合作的大學修習大一數理課程及從事專題研究。 四、教師專業成長及潛能激發:任課教師通常是無給職教學及心靈導師,須自行負責高中端專題課程規劃及準備、課餘科展指導及假日競賽培訓,更沉重的是承受社會期待。至於科學班導師須承擔學期服務活動的安排、主題活動的規劃及大學申請入學備審、口試個別指導。 五、國家對科學班的學生未來的期許:如同漫威中「蟻人」角色,是可以跨領域合作、科學及人文素養兼備、有社會責任、非個人英雄主義且承認犯錯、願意改進的國家科技後勤部隊。 六、資優班與科學班不同之處:資優班已在各大高中行之多年,科學班於2011年才開始成立,兩者目標不同,資優班在課程規畫上進度較快,但高三時無法到大學修課,因此在學測準備上時間較充裕;科學班並未有特殊升學管道,仍須參加大學學測,但若是拚學測,如何專注於基礎科研?面對這些複雜的課題,教育部仍在想辦法討論制定中。 七、教育部理想與現實面的衝突:對於科學班的定位及期許,北部與中南部家長不同,北部家長思想較開闊,多數尊重學生升學意願,就讀大學基礎科學科系的人才較多,反觀大多數中南部家長則傾向於讓孩子就讀醫學系,所以每年科學班在招生上多會根據升學現況跟家長說明,同時各校每年都會推動「特色課程」,吸引有志從事基礎科學的學生來就讀。 八、如何擬訂兼具「特色」與「升學」的教學進度表?首先教學設計上減少單向授課模式,穿插基礎實驗訓練,定期舉辦實驗競賽,激發潛能,增進同學間的分工合作,創造不同學習成效。 九、科學班專題課程規劃:「學習共同體」的建立,跳脫食譜式實驗教學,開放實驗主題和實驗步驟,經由實驗結果分析和相互討論,啟發好奇心,創造新的研究主題,達成自主學習的最終目標,做為進入大學實驗室的預備,如下所示。 十、跨領域合作特色課程:在地生態研究(漢寶濕地)建立跨領域學習課程(生物、地理、地科、化學),提早為教育部推動107年課綱「探究與實作」課程做準備。 教學分享過程十分緊湊,十四中因為是完全中學,有些高中課程,例如:電化學在初中階段就已完成,高二完成高中全部課程(所有中國的高中課程設計都是如此),高三則是做升學準備,複習高考內容(相當於臺灣學測,中國考試時間在6月初)。學校社團活動也很多,例如:模擬聯合國、文學社、科技社及中科院社團…等等。 中科社是由一群愛好科研、擅長發明創造的學生組織成的社團,劉通宇同學發明的地溝油變柴油的環保裝置,讓地溝油有效利用,此份研究曾被北京日報北京青年報報導轉載44次之多,此外學校在特色課程上安排十分用心,「食育」課程的設計,旨在研究食物中食品添加劑對美拉德反應(Maillard反應)的影響,化學與生活緊密結合。 此次交流活動最大幕後功臣當屬臺灣師範大學邱美虹教授及北京師範大學化學學院王磊教授(見圖3),由於十四中是第一個參訪學校,雖然筆者有參訪過上海中學的經驗,但對於中國的教學專有名詞及口音仍存在不少障礙,聽講過程十分吃力,腦波調頻好久終於在下午高端備課經驗分享時才漸能整合。 圖3:臺灣師範大學邱美虹教授(左)與北京師範大學化學學院王磊教授(右)合影 透過王磊教授高分貝和鏗鏘有力的音調,對於其近幾年大力堆廣的高端備課有了粗淺的了解,王教授雖貴為北師大化學教育研究所所長,同時主持教育部「國培計畫」初中和高中教學新課程實驗區教師遠距培訓示範項目十餘項,對於教師培訓都親做親為,在座老師私下透露,王教授上課通常從早上八點持續到晚上十點,從課程實施前的學生前測、課程實施計畫如何進行、課程結束後的學生後測和兩次的學生訪談都鉅細靡遺的指導,一整天課程中間幾乎都不休息,因為她認為中學教育是國家進步的根本,學科核心概念學習和關鍵能力的培養十分重要,教師是教育的主體,所以師資培育輕忽不得。再者中國教師有分級制度,由區級骨幹教師、市級骨幹教師、高級教師甚至升級到特級教師都須經過教師評鑑和師培過程,因此再怎麼苦都要咬緊牙關撐下去。 〔續《北京化學教學交流:高中菁英化學教育交流與參訪心得(下)》〕
北京化學教學交流:高中菁英化學教育交流與參訪心得(下) 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 〔承《北京化學教學交流:高中菁英化學教育交流與參訪心得(上)》〕 n 教育交流重點與感想 反觀臺灣的教育制度,中學教師並未有分級制度,學校實驗設備及耗材經費需以申請計畫方式取得,由高中自行找大學端教授合作撰寫計畫,最後再由科技部審核計畫通過與否,優點是申請的設備及耗材較符合高中課程實驗需求,缺點是一般高中教師平日即有課程壓力,無論是資深教師或新進教師授課鐘點均相同,即使是學校計畫主持人也未獲減授終點,因此造成多數老師不願意分擔申請計畫重任或新課程實施的共備課程推廣。 此外申請過的計畫案在期中及期末尚需書寫繁瑣的實施成果報告,最好有成果亮點呈現,這對於課程繁忙的一線教師真的是一大挑戰!若是在107年課綱實施計畫前,我們教育體制也能有大學教授願意熱心協助,負責課程規劃、教具研發甚至定期駐校參與共備課程,相信對於現行教育改革會有實質幫助。當然教育部應主動積極訂立完善的教師進修規畫,而不是設立一堆生硬的教師發展評鑑線上課程。我們都知道這種套餐式的制式課程對於教學現場的品質提升十分有限,更甚者極有可能造成更多教師忙於課餘參與教師評鑑課程,無暇參與教育部專業課程研發、種子教師培訓等對教學現場實質有幫助的活動,甚至壓縮本科的備課、學生科展指導及學科能力培訓等。更令人不解的是,教育部在審核各級高中均質化、優質化過程時,還將這些透過線上教師專業發展評鑑課程培訓通過率做為學校是否優質化的參考指標,無怪乎每年各學科中心在召集種子教師參與工作計畫時,常出現窘困的情形,因為參與種子教師培訓對於教師專業發展評鑑未有任何幫助。 分享過程休息時間十分短暫,對於十四中實驗室只能走馬看花,但此行臺灣老師都是行家,很快看出他們實驗室是真的有在使用,而且每一個實驗桌都設置了有毒氣體抽濾裝置,實驗藥品及器材也都盡量做到微型微量,十分值得我們學習。 下午化學科教學分享,主題是高一課程「化學能與電能」,十四中孫文艷老師從生活中的知識線索引導入能源探討,版書內容精要,同時引導學生對於氧化還原觀念的再度澄清,並與化電池相互結合,雖然化學方程式書寫與臺灣略有不同,但是「二維」版書的設計模式令人印象十分深刻,此種教學模組的建立主要是由王磊教授教學團隊透過高端共同備課所指導(見圖4)。 圖4:孫文艷老師利用二維圖形解說氧化還原 剛開始聽講時十分吃力,這是全新的教學方式,也是王教授的心血,筆者從一開始內心痛苦抗拒到理性接受學習,發現此種版書設計其實就是圖表的簡化模式,不僅如此「二維圖形」對於元素氧化還原電位的解說特別受用,學習到新的教學模式是此行最大的收穫! 比較可惜的是學生在課程中實驗時間太趕,多數學生未做完實驗卻匆促寫完實驗報告,回答老師問題時,態度趨於保守,不如臺灣學生活潑開朗。 n 胡同老北京,留下許多情 北京是千年古都,新舊交雜的城市混亂風貌,如同街道上充斥的各種款式的電動車和腳踏車一樣,不僅是最大特色也是最有魅力的地方,本來在臺灣準備的口罩一個也沒用上,北京這幾年連空氣品質都進步很多,至少在地鐵的電子看板還可以隨時看到即時空氣品質指數,街道上沒有上海市區充斥的喇叭聲。參訪北京科技館時,發現當地國小學生排隊井然有序,筆者正要對一隻大恐龍拍照時,有一群孩子還會互相提醒,別擋了別人鏡頭….誠如邱美虹教授所言,這是一個有溫度有故事的都市,教育對人民多了一份文質彬彬的期待。 此次參訪北京對於錯綜複雜東西向的老胡同最有感觸,北京城規畫源自元代,胡同直而不彎,此為配合中國四合院建築多坐北朝南所致,小小窄窄的巷道市景氣息十分濃厚,隨著都市不斷更新大量胡同和四合院都被拆除,只剩二環以內的老城區居多。此次有王磊教授的博士班一年級生周冬作陪,穿梭在後海的大小寺廟間,對於人說百花的深處,住著老情人,縫著繡花鞋的舊時氣味格外有感觸。 其實後海是一大片水域,走到盡頭的酒吧街遊客集中最多,走累了想喝杯冷飲得多揣度荷包銀兩,畢竟一罐3元人民幣的酸梅汁,這裡可要賣45塊人民幣!若是想來罐比利時啤酒買醉片刻,索性就當作買這片燈紅酒綠的風景付出的高額代價吧!(見圖5) 胡同的唯一缺點是屋內不設廁所,公廁又沒門,重視隱私的遊客多少有些不便,曾想過帶把傘如廁,但看到公廁內自在滑手機上廁所的現代北京女性,還是無法突破心防,不管你愛不愛,習慣不習慣,這都是北京。 圖5:後海燈紅酒綠呈現老北京的夜晚獨特風情 n 北京大學—一動一靜未名湖 北京大學是此行參訪的一大重點學校,周其鳳校長於北大臨湖軒恭候大家,對於校史發展解說十分詳盡,周校長文學造詣甚高,訪談中不時穿插古詩詞及早期即興創作,讓大夥講話也不禁文謅謅起來,周校長提到蔡元培任北京大學校長時期,推動「循思想自由原則、取兼容並包之義」改革,使北京大學成為新文化運動的中心、五四運動的策源地。1952年北京大學聚集了原北大、清華、燕大三校的自然科學、人文學者,奠定了文理兩科長期領先的地位。 如今北京大學是一所兼具自然科學、人文學科、社會科學、醫學以及新型工科的綜合性大學,而北京大學校區於1952年遷入位於西北郊的原燕京大學校園內(燕園),燕園兼收中國古典韻味和西方規劃理念,主要景觀有未名湖、博雅塔等。圖6為筆者與鐘建坪老師及吳國良博士於未名湖合影。 湖與塔的天作之合成了未名湖的主弦律,北大校友許秋漢曾寫過一首歌「未名湖是個海洋」: … 詩人都藏在水底 靈魂們都是一條魚 也會從水面躍起 未名湖是個海洋 鳥兒飛來這個地方 這裏是我的胸膛 這裏跳著我心臟 … … 圖6:筆者與鐘建坪老師(左一)及吳國良博士(右一)於未名湖合影 周校長貼心安排到北京大學就讀大一的臺灣學生校園導覽,中午在學校食堂用餐親自體驗北大師生餐飲狀況(20元人民幣餐卡,任選三主菜加一湯,還搭配冷飲,十分划算!)。下午一點準時抵達化學學院,化學學院副院長裴堅教授說明北大化學系發展概況,他說今年三月才剛與孫聆東副教授、劉小雲助理教授應臺灣大學化學系邀請,帶領十位博士生至臺灣大學化學系進行交流。言談中裴教授透露對臺灣化學教育的隱憂,十年前與十年後的臺灣大學感覺相去不遠,但是北京大學的化學系研究論文十年來已經有了大幅的進展,相信未來十年北大的研究成果絕對可以超越中央研究院,他覺得臺灣的學生在進大一時應把握學習機會,基礎不是問題,重點在於願意下功夫和反覆學習,學生對於化學知識的建立如同「磚工」,肯搬磚下苦功的人才能成為頂尖的化學家。 n 石墨經烈火般地焠煉 教書愈多年,覺得自己要改變,回顧人生中有近一半的歲月雖在教書,但對於板書或僅是為了環保改換成電子白板的教學模式不夠滿足,這種不滿足的恐慌感來自哪裡?自己也說不上來,於是我一直在尋找,尋找的過程是痛苦的,因為你得拿掉自己的名牌,拿掉自己的所有經歷,將自己原有的倒空,謙卑地從頭學習!試想石墨若只是經過烈火的焠鍊並不能成為鑽石,唯有經過一次又一次外在壓力的考驗和琢磨才能蛻變。 此行北京參訪過程感受北京師範大學王磊教授團隊全方位照顧,點滴在心,但內心感受十分沉重,臺灣教育近幾年來學生議題的推動始終擺脫不了爭取自身權利保障,反思對於課業的付出是否也有等值的期許?未來所面臨的就業挑戰及社會議題,這些孩子準備好了嗎?當我們教師面對緊鑼密鼓的教育洪流挑戰,永無止境的教育改革壓力,我們唯有把握機會練就各種能力,在此期許學生未來除了爭取自主權提升外,也應有更高層級的學習領悟與認知,透過雙向溝通協調消弭對立,才能讓教育品質提升,臺灣雖只是地圖的一個小點,但是經過烈火及高壓淬煉,定能發出鑽石般的光芒! n 參考資料 1. 北京第十四中學,維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/北京市第十四中学。 2. 北京大學,維基百科,https://zh.wikipedia.org/zh-tw/北京大学。
2015亞洲化學教育國際研討會:高中師生海報發表和與會心得分享(上) 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 n 前言 蟻人(Ant-man)是一位出現在漫威漫畫中的超級英雄,原名亨利「漢克」皮姆,又稱皮姆博士。皮姆博士是一個天才級科學家,擁有生物化學博士學位。他的研究包含量子物理、人工智慧、機器人工學等領域。皮姆博士的主要能力來自他創造的微形原子—皮姆粒子(Pym Particles),皮姆粒子可以改變原子之間的距離,進而讓物體的尺寸發生變化,其具體運作原理則和科斯莫斯空間(Kosmos Dimension)有關。接觸該微形原子後,可以隨意改變自身大小,並且他所接觸到的物體也能改變大小,而且還能擁有正常體型的體能和力量。東京學藝大學Masahiro Kamata(鎌田正裕)教授善於將課堂上大型教具縮小成可以隨身攜帶的環保微型教具,除了可以使實驗藥品及實驗器材減量外,可攜式的便利性更是教育工作者努力的目標。筆者對教授善於利用手邊容易取得的生活材料,製作可攜式的微型電化學教具,十分推崇,所以才鼓起勇氣參加第六屆亞洲化學教育國際研討會(6th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE Conference),希望可以吸取教授的專業知識,補強自己在教具製作及電學原理知識的不足。 蟻人雖是夢想,但Kamata教授不僅具有深厚的化學專業,在電化學領域的設計實作實驗更是擅長,彷彿具有魔法一般,稱為「現代版蟻人」也不為過。此次東京行的目的,除了訓練自己可以以英文發表海報外,透過NICE的舉辦,使得日本、韓國、香港及臺灣等地個別的文化傳統與歷史環境發展出的化學教育經驗,透過各國教師的共同探討與文化交流,汲取各國發展化學課程的經驗,提昇臺灣化學教育的水準。 n 與會緣起 五月下旬,第六屆亞洲化學教育國際研討會即展開師生徵稿活動,研討主題分為七大部分:跨學科化學願景、教學對話分析與教學策略、日常生活中的化學、微型實驗、各國化學教科書的呈現、學生對化學的概念及學習態度、多媒體教材在課堂上的應用及各國優秀科展作品觀摩與分享,筆者對於自己要參加哪個主題發表感到困惑,腦海裡迴響的是這幾年自己在指導學生科展作品中是否有較合適且符合環保的議題,因為是初試水溫,所以主題也不宜太過複雜,否則在英文海報及展示時,面對來自日本各地的老師在內容講解上,恐怕會遇到很多困難。 決定好發表主題後,即與教育部高中化學學科中心的雅雯聯繫,上網完成所有的報名手續,直到報名完成,獲得大會寄來的確認信,內心還是充滿難以置信,畢竟「興奮」與「害怕」往往只是一線之隔,如何面對接踵而來的挑戰,有條不紊的完成,同時藉此給自己機會,重新認識自己,找到未來努力的目標,相信回學校後,藉由與同仁分享,對未來的教學會有更多層面的助益。 n 大學教授大會專題演講 誠如大會一開始Kamata教授所言,亞洲化學教育研討會的目的,著重在亞洲從事教育者的面對面溝通,化學教材和教法分享,啟發學生潛能並從事更深入的科展活動。所以除了目前正在從事教學的老師外,此會議與其他國際會議不同點在於,研究生和一般高中生也可參與討論!此次會議有來自三個國家的高中生,可以參與老師的教學工作坊實作及討論,提出自己的看法及交換意見,使所設計教具更實用且更切合教學現場。 本屆研討會主講人之一,德國柏林自由大學(Freie Universität Berlin)化學暨生化研究所(Institute for Chemistry and Biochemistry)的Claus Bolte博士(見圖一)主講,科學教育的目的,是以提升學生科學研究能力為主,我們必須在腦海裡有一個藍圖,學生、老師、科學教育者及科學家其實是一個合作團體,學生經由對周圍環境的探索產生學習領域的興趣後,必須有老師及研究機構一起指導,如此才能提升科學力!歐洲國家教育很重視這樣有些類似股東的研究模式,相信亞洲國家在教育上也可以漸漸改變以升學為導向的教學模式,建立持續及專業的學習模組。 圖一:Claus Bolte博士演講實況(左)和Claus Bolte博士與筆者分享教學模式(右) Bolte教授以自己所建立的「生質能源」學習模組為例,將一群日本與德國學生分組學習,透過教師有目的式地引導,激發學生主動學習的目標及研究方向,而這種學習方式的改變,才能在學生心裡種下學習種子,成功萌芽後,對於日後科學能力的爆發,更是無可限量的。 與會中,令我印象最深刻的演講,當然還是來自臺灣清華大學傅麗玉教授(見圖二)所提及的「數位化學習科學」,充滿活力的傅教授提及自己已是「祖母級」,看到自己的小孫女才八個月大,就會偷玩媽媽的筆電,還將Email刪除,可見網路世界對小孩的吸引力是非常大的,數位科技時代不僅影響我們的生活及溝通方式,也對我們在科學方面的學習有很大幫助。傅教授在1997年即開始在原住民部落從事科學教育工作,原住民在社會上多是勞工階級,所以孩子受科學教育的機會很少,而且他們多半有自己的文化背景及生活方式,我們若是以傳統學習科學的方式教導他們,其實是有困難的,傅教授曾一度想放棄,但自己那種不服輸及堅持,促使自己咬緊牙關苦撐下去,第一部以原住民為主題的『飛鼠部落』3D卡通,終於正式登上原民台呈現給全國觀眾。此系列影片獲得行政院國科會補助,並與國際影展級的導演及製片合作組成計畫團隊,包括部落耆老與族人、音樂家、動畫師、科學家、科學教師等超過100人,費時5年完成,可說是傅教授等人的嘔心瀝血之作。 圖二:傅麗玉教授演講實況(左)和Kamata教授與傅教授合影(右) 本片每一集都有一個主題,每一集都會針對該主題以科學的角度探討該主題背後所存在的科學常識與原理,觀眾可藉由活潑的3D動畫,很輕鬆的融入原住民族生動及寫實的山林生活,內容跳脫以往生硬的教學媒體形式,以樸實的部落生活實貌編劇,透過一對小兄妹Tintin、Lawa以及好友Tola一起遨遊山水之間,再藉由長輩的殷勤教誨,逐一學習部落長輩們所傳承下來的傳統知識,用活潑的方式呈現傳統智慧與科學的對話。 傅教授流暢的英文表達及精彩的內容,獲得如雷掌聲,「再探飛鼠部落」榮獲102年度廣播電視金鐘獎動畫節目獎,這不僅是傅教授的榮耀,更是臺灣化學教育的可貴之處,臺灣化學教育重視每個城鎮角落的學習成效,同時希望透過教育,讓偏遠地區孩子們對自己的土地有情感,對自然有感覺,對自己的族民有感情,祖靈驕傲與尊榮得以傳承。 n 高中學生大會專題發表 演講終曲安排來自三個國家的高中生代表演說,韓國學生代表提及使用4%膠原蛋白溶液在不同溫度下形成固體,並事先在固體上方插入吸管緩慢加入AgNO3水溶液,研究產生Liesegang ring的現象;臺灣學生代表有兩位,潘建彰同學(新北市立錦和中學),提及目前最夯的天氣瓶發現及製作,此外也藉此提醒學生對實驗研究時控制變因和操縱變因是影響實驗結果很重要的因素;另一位廖心妍同學(國立大甲高中)提到,臺灣教育在化學教具的用心,而且自己也從化學教具製作中獲得很多學習的樂趣,心妍展示自己花了無數個夜晚完成的大型巴克球,同時也與師生分享巨型巴克球製作時所遇到的難題及團隊互助帶給自己在學習上的快樂與滿足,學習建立化學模組可以培養熱情、專注力及耐心,鼓勵大家,放手一博,肯定會有收穫! 茨城縣立水戸第一高等學校(Mito Dai-Ichi High School)日本高校學生代表,發表科展研究主題「Maillard反應」,探討食物中胺基酸在常溫或加熱下產生一系列複雜的反應,發現反應過程中會產生大分子擬黑素外,還會產生成千種不同氣味的分子,包含酮、醛及雜環或合物,這些物質為食物提供宜人可口的風味及誘人的色澤。研究中主要是針對葡萄糖及胺基酸官能基上的氮原子在不同溫度反應下,對Maillard反應的速率常數的影響,提供給大家在食品加工、食品保存及香精發展等重要參考資料。 n […]
2015亞洲化學教育國際研討會: 高中師生海報發表和與會心得分享(下) 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 〔承《高中師生海報發表和與會心得分享(上)》〕 n 歡樂與交流並重的晚宴 傍晚晚宴一開始,Kamata教授(見圖四左)的研究生著正式日本和服引領大家進入晚宴場(Tokyo Bay Arike Washington Hotel),現場約十來張小圓桌,每張桌子最多只能站六至七人(見圖四右),這是日本晚宴常見的交流方式,希望貴賓將隨身物品放置在宴會廳兩側座椅,輕鬆自在地享受歐式自助餐,並在小圓桌旁站著交流,避免大家坐在固定的座位而少了互動機會。晚宴一旁還有專業調酒師為大家服務,一位日本教授極力推薦鹿兒島清酒,他說風味獨特絕無僅有,滴滴入魂的吟釀,執著而近乎癡狂。也許是酒精濃度作祟,舞台也跟著熱絡起來,日本學生演唱傳統曲調,德國Claus Bolte教授演唱從自己家鄉老奶奶流傳至今的德國民謠,以聲音為特色,沒有伴奏,粗獷雄厚,音階不複雜,彷彿可以跟著跳舞起來。 圖四:廖旭茂老師、Yasunao Kuriyama教授、Kamata教授、邱美虹教授及宋元惟(臺灣師大到日本學藝大學的交換碩士生)晚會合影(左,由左至右),和高中化學學科中心夥伴晚宴合影(右) 來自臺灣的高中生(見圖五)當然也不遑讓,以演歌方式展現臺灣歌曲「追、追、追」,當心妍開始唱「千江水 千江月 千里帆 千重山 千里江山 我最水」時,旁邊的兩位男生也跟著伴舞,一時之間,現場氣氛沸騰! 圖五:臺灣學生與韓國學生(左一和左四)合影 最後傅麗玉教授上台演唱臺灣原住民歌曲: Pintalaman, kinholan ta He~in~na~lu~uan~ hay~ya~o~o~ Hin~ho~hi~yan~ Law~kah ta kwa~ra m~t~sway ta La~xi ta pa~yu~ngi i~ta kwa~ra~ Yu~tas ya~ki ya~ba yaya La~xi ta pa~yu~ngi, tayal lalu ta pin~ta~la~man, kin~ho~lan ta […]
高中教師指導學生科展參加2015 日本SSH生徒研究發表會過程及與會心得 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 n SSH生徒研究發表會 當鮮紅的摩天輪地標映入眼簾,四周夾雜著巨型高樓與購物中心,沒錯,我們到達了大阪,一切彷彿是場夢境!六月底匆促參加高瞻精進計畫赴日申請,一次又一次地修改報告內容,7月18日赴健行科技大學參加行前說明會,了解日本舉辦超級科學高中(Super Science High Schools, SSH)生徒研究發表會(Student Fair,日文〝生徒〞即學生之意)的意義,最重要的是將此行論文發表與教授交換意見,教授砲轟的火藥味尚未散去,我們帶著忐忑的心情,背著筆電及待發表的海報,坐上飛機。 日本政府每年固定舉辦SSH生徒研究發表會,會場聚集日本各地的SSH學生以海報、簡報等方式介紹研究成果,自2011年開始日本科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency,簡稱JST)積極邀請世界各地高中生赴日與會,提升日本國民科學素養及訓練外語表達能力。筆者從入榻的凱悅飯店到會場,日本政府對受邀的九個國家都派有專業的領隊說明行程和帶領,時間掌握十分準確,同行的高雄市立瑞祥高中莊福泰主任觀察到,每個日本工作人員均有明確的職稱名牌,會場佈置、音控、攝影均十分專業,而且工作人員都有一本厚厚的計畫書,隨時掌握現場的作業情形。 n 參與過程 一、 開幕大會演講 2015年日本SSH生徒研究發表會會場全程是以日文為主,外賓都佩帶英文直譯耳機,展開序幕的是藤嶋昭教授,日本化學家,東京理科大學校長,也是東京大學特別榮譽教授之一,紫綬褒章獲得者。藤嶋昭被譽為光催化之父,他最著名的貢獻是與他的博士導師本多健一共同發現和研究了二氧化鈦的光催化性質和超親水特性。然而,此次大師演說內容與光觸媒並無直接關聯,主題從四月日本櫻花祭、牽牛花入夜後的變化…到蟬通常會將卵產在樹下,提醒學生留意大自然的變化,同時勉勵年輕人效法米開朗基羅耐心地在教堂屋頂作畫四年,而成就曠世巨作。演講中也提及加利略觀察入微,所以才能在浩瀚宇宙發現邱比特星和發明望遠鏡,而站在加利略肩膀上的牛頓發現萬有引力和彩虹,推向科學發展到另一個新的紀元。藤嶋昭教授將科學史娓娓道來,談到自己對造物者奇妙恩典的讚嘆,同時點燃自己對太陽能板研究的熱火。 現場英譯對專有名詞翻譯毫不含糊,而且用字十分精準。筆者實在很想將大師對太陽能板貢獻與我們發表的論文主題「植物色素染料敏化太陽能電池之效能分析」相結合,如此可使一般高中生對染敏太陽能電池的作用原理更易了解,但是筆者學生認為要將兩個主題結合已超過他們的能力範圍,而且又是以英文發表,因此只好捨棄這項建議,專心地做PPT報告。一整天的聽講,得到的心得是,日本學生PPT的製作十分精美,而且對於實驗原理和過程介紹淺顯易懂,此點與筆者學生想法差異甚大,筆者學生重視實驗結果的解釋及追求高深的知識領域,對於PPT和圖表製作並不很在意,此點也困擾筆者很久,所幸此次隨隊的楊智惠教授(見圖一)給予學生很多指點和建議,學生及時在發表會前一晚趕工完成所有內容的修改和整理。 圖一:楊智惠教授細心指導學生完成整份簡報檔批改,學生受益良多! 二、 臺灣學生發表 隔天發表會現場,除了來自日本各個學校的師生外,還有與我們一直很友善的新加坡團隊到發表會現場支持我們,學生一發表完,有一位新加坡老師談及筆者學生論文程度很優,英文表達十分流利。筆者的學生面對來自各國的師生侃侃而談科展內容,並大方邀請大家到美麗的福爾摩沙臺灣參訪,獲得如雷掌聲,反應十分熱烈!同時玉川學園教育部長藤樫大二郎先生(見圖二)詢問筆者的學生何時開始學習英文?他覺得臺灣的學生英文程度比日本學生明顯好很多,讚揚筆者的學生(見圖三)英文程度很優,並表示明年要到我們學校參訪。日本學生對科學實驗很認真,但對於英文表達及與外國人溝通的能力普遍不足,他希望藉由舉辦國際交流等大規模科展活動,提供學生更多練習英語的環境。 圖二:玉川學園教育部長藤樫大二郎先生與筆者和兩位學生合影 圖三:筆者學生面對來自各國的師生侃侃而談科展內容 三、 德國學生發表 交流會場十分熱鬧,其中以德國隊學生研發的視盲感測器最受歡迎!設計重點在於,一般盲人必須藉由感應棍棒才能自由活動,因此對環境的感受性較不敏銳。這幾位德國帥哥將安全帽改造成感測器(見圖四左和右),只要繫上感應腰帶,即使閉上眼睛走路,碰到障礙物時,馬上會在腰帶間感應到有一股電流通過,提醒視盲者前方有立體障礙物,必須避開,由於通過腰間的電流微弱,所以十分安全。這群充滿陽光笑容的德國高中生英文極佳,表達時思路清晰又善於推銷,除了貼心的視盲穿戴服務外,還會贈送德國經典的熊熊軟糖,無怪乎奪得最佳人氣獎! 圖四:德國學生協助日本學生體驗視盲感測器(左)和筆者體驗視盲感應器(右) 四、 新加坡學生發表 德國高中生的研究多以電腦為主,有些組甚至將廢棄的光碟片剪成小片,結合電腦程式改造成可以測金屬離子的光譜儀,十分厲害!新加坡的研究也是以電腦為主,其中以人腦操控機器人的研究最為吸引人;至於泰國的研究多以自然生態和環境科學為主,研究地質變化對生態環境的影響,他們多穿著傳統服飾,雖然英文口音很重,但是親切的笑容拉近了彼此的距離,而且紀念品十分特別,不是燒烤蟲蟲BBQ,就是串燒蚱蜢!一開始要入口時還真是要鼓足勇氣,不過因為辛香料味道很重,吃起來別具風味。 五、 韓國學生發表 韓國學生(見圖五)研究主要是以濟州島生態為主,研究當地植物被菌種寄生的分布情形,歐巴(韓文帥哥)年紀雖輕但風度翩翩,英文表達比東南亞國家清楚,而且只要是休息時間常看到他們埋首讀書,原來他們都是升高三學生,十一月就要大學入學考(等同臺灣的學測),韓國升學壓力比我們大很多,據他們表示,唯擁有高學歷才能被知名企業錄用,否則一輩子只能從事中低下階層工作。相較之下,雖臺灣重視升學,但從事的工作比較多元,家長也多半尊重孩子的就學意願,實在幸福很多。 圖五:韓國學生做濟州島生態研究 六、 泰國學生發表 透過科展交流,了解到不同國家在培育人才的用心,開闊了自然科學領域研究的廣度,在與一位泰國學生交談中,得知他住在一個很小很小的鄉鎮,沒有任何交通工具,每天要走兩個小時的路上學,所以他的研究主題就是用電腦定位周圍環境,利用數學算出小鎮裡一些常去地點最近的道路,報告過程中,他的眼神閃閃發亮,雖然講得很慢,但卻令筆者格外感動,心裡想的是自己國家的孩子是多麼幸福,然而幸福的孩子要珍惜自己受良好教育的機會,培養獨立自由的科學精神,將所學奉獻社會,這樣幸福才有意義呀! 七、 日本學生發表 日本研究的主題十分多元,令筆者訝異的是,地球和環境科學研究很多,其中來自沖繩的學生研究龍捲風的成因(見圖六),頗受評審青睞,不過現場做成的人工龍捲風式呈現圓錐形狀與一般的龍捲風恰相反,學生雖無法給予完整的解釋,但對於氣流成因解釋十分清楚,令人印象深刻。 圖六:日本沖繩高中生示範龍捲風的行程 至於筆者本身為化學專任老師,職業病使然,會場化學發表彷彿有魔力般,值得一再探訪,其中有秒表反應中反應速率的探討、日本銅雕藝術及簡易染敏太陽能電池的研究…等等,其中有一組是探討紅寶石的製作過程,利用燒結器控制反應溫度和時間,成功合成人造真寶石,雖然直徑大小只有0.1~0.2公分,但是閃閃發亮的單晶紅寶石令人感到挑戰而且心動,可惜現場並沒有準備紅寶石贈送給乖乖聆聽的聽眾。 八、 閉幕道別 發表會最後一天,從H區拆下海報時,生徒研究發表會已到終點,主席頒完與會證書,筆者與新加坡老師互道再見,互相交換的名片也許只是禮貌,但是活動期間能有機會與他國以華語交談,心裡覺得很溫暖,期待下一次的有緣。圖七是臺灣代表楊智惠教授領軍及全體師生合影。 圖七:臺灣代表楊智惠教授領軍及全體師生合影 […]
膠體溶液的帶電性與凝聚 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com n 疑難問題 在膠體溶液的單元中,有一段文字敘述:「金屬的氫氧化物帶正電,金屬的硫化物則帶負電」,為何兩者會帶電?為何帶有不同的電荷? n 解答一:膠體溶液的帶電性說明 膠體(Colloid)溶液有三大特性,「帶電」是其特性之一。在教科書開放之前,由國立編譯館發行的化學課本裡,有一句話:「膠體溶液中,金屬的氫氧化物帶正電,金屬的硫化物帶負電」,困擾高中化學老師多年,近來又有老師問起,因此作者參考多本相關書籍,提供這個問題的解釋方式,供高中化學老師參考。 以硝酸銀(AgNO3)溶液與碘化鉀(KI)溶液混合為例,使其中某一溶液過量,過量之電解質溶液扮演穩定劑的角色,讓膠體溶液能穩定存在。碘化銀溶膠的帶電性說明如下。 當硝酸銀溶液與碘化鉀溶液混合時,銀離子(Ag+)與碘離子(I−)會生成有晶體結構的(AgI)m而形成「膠核」(colloidal nucleus)(圖1),膠核選擇性的吸附溶液中過量的碘離子(I−)而帶負電(圖2)。帶負電的粒子吸引溶液中帶正電荷的鉀離子(K+),被吸附的碘離子(I−)與鉀離子(K+) 稱為吸附層(Stern layer)(圖3),膠核與吸附層構成「膠體粒子」,又稱「膠粒」(colloidal particle)。因為膠體粒子吸附的碘離子(I−)數目大於鉀離子(K+),故此膠體粒子帶負電。帶負電的膠體粒子再以疏鬆的方式吸引鉀離子(K+),此為擴散層(diffuse layer),膠體粒子與擴散層構成「膠團」(圖4)。膠團即膠體溶液常被提及的「電雙層」(electric double layer),電雙層為電中性。AgI膠團的示意圖,如圖5所示。 課本提及的帶電性即為膠核與吸附層構成的膠體粒子所帶的電荷,上例因碘化鉀溶液過量,故此一膠體溶液帶負電;反之,若是硝酸銀溶液過量,則形成之膠體溶液帶正電。 圖1:膠核的形成 圖2:膠核吸附碘離子 圖3:再吸附鉀離子,構成膠體粒子 圖4:電雙層的形成 圖5:AgI膠團形成的示意圖 回頭說明為何「膠體溶液中,金屬的氫氧化物帶正電,金屬的硫化物帶負電」。 一、 氫氧化鐵溶膠:氯化鐵溶於水可製得氫氧化鐵溶膠,其化學反應式,如[1]~[4]所示: FeCl3(aq) + 3H2O(l) → Fe(OH)3(s) + 3HCl(aq) [1] 其中鐵離子(Fe3+)是酸性陽離子,在水中會起水解,其水解過程如下: Fe3+(aq) + 3H2O(l) → Fe(OH)3(aq) + 3H+(aq) [2] Fe(OH)3(aq) → FeO(OH)(aq) + H2O(l) […]
鋰離子標準還原電位異常的探討 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com n 為何鋰離子的標準還原電位值最負? 問:在標準還原電位表中,鋰離子的標準還原電位最負,亦即鋰金屬的標準氧化電位最正,但常見的鹼金屬活性的順序為K > Na > Li,如何解釋此一現象? 常見的標準還原電位表如表1所示,其中Na, K, Li的標準還原電位分別為 −2.71 V, −2.93 V, −3.05 V。 表1:標準還原電位表(取自翰林選修化學上冊) n 解答一:以水合能大小說明 一般所謂的金屬「活性」大小,是以該金屬與氧反應的難易程度而定,但測量「標準還原電位」是在水中測定,涉及金屬離子水合能的大小。鋰離子由於水合能甚大,故在金屬陽離子中,標準還原電位最負。以上是高中化學老師回答學生常用的敘述方式,若有學生追根究柢,此一敘述恐怕無法滿足學生的好奇心。 n 解答二:以能量變化說明 在無機元素化學(科學出版社)一書中,有精闢的說明,整理如下,供各位參考: 一、 鹼金屬在水中形成水合離子的能量變化(圖1) 圖1:鹼金屬在水中形成水合離子的能量變化 (1) ΔfH°即鹼金屬失去電子形成水合離子所需能量,ΔHs°為金屬的昇華熱,ΔHh°為氣態金屬離子的水合能,I1為鹼金屬的第一游離能。 (2) ΔfH° = ΔHs° + I1 + ΔHh° (3) 鹼金屬元素的熱力學數據(表2) 表2:鹼金屬元素的熱力學數據(單位:kJ mol-1) (4) 計算鹼金屬失去電子形成水合離子所需能量: ΔfH°(Li) = 161 kJ mol-1 + 520 […]
硫酸銅晶體的結構探討 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com n 為何硫酸銅結晶水會分段釋出? 問:「化學計量」此一單元有個問題,提及五水合硫酸銅(CuSO4ž5H2O)加熱,在不同溫度下,會失去某些結晶水而質量減輕,在失去所有結晶水後,在高溫下,硫酸銅(CuSO4)開始分解。有學生問起:為何結晶水會分段釋出?請問如何解釋此一現象。題目如下: 取CuSO4ž5H2O晶體100 mg,置於石英容器內加熱,使其溫度緩緩升高,以觀察其重量變化的情形。其測定結果如圖1所示,回答以下問題:(原子量:H = 1.01 g/mol、O = 16.0 g/mol、Cu = 64.5 g/mol、S = 32.1 g/mol) 圖1:硫酸銅受熱與重量的關係 (1) 若加熱至102℃所得物質重量為85.6 mg,則其化學式為 。 (2) 若加熱至113℃所得物質重量為71.2 mg,則其化學式為 。 (3) 若加熱至258℃所得物質重量為64.0 mg,則其化學式為 。 (4) 若繼續加熱至600℃附近,上一小題(3)所得物質開始分解,生成銅的某種氧化物與硫的氧化物,且重量減少32.0 mg,則此含銅的物質之化學式為 。 (5) 若對此含銅物質繼續強熱至960℃,又減輕3.2 mg,生成銅的另一種氧化物,則最後的物質其化學式為 。 n 解題方式一:化學計量 以化學計量方式,各小題解題如下: (1) 100 mg的CuSO4ž5H2O晶體加熱至102℃失去部分結晶水,設剩下X個結晶水: (2) 85.6 mg的CuSO4ž3H2O晶體加熱至113℃繼續失去部分結晶水,設剩下Y個結晶水: (3) […]
溫度對反應熱與活化能的影響 龔自敬 高雄市立高雄高級中學 教育部高中化學學科中心 phechegtj@mail.kshs.kh.edu.tw n 疑難問題 「溫度對反應熱有影響,卻對活化能沒影響,但是反應熱又可從正反應活化能減去逆反應活化能而得」,這些描述矛盾嗎?如何解釋呢? n 反應熱變化 高中化學在教到活化能的概念時,會順便帶到反應熱的計算,如式[1]所示: ΔH = Ea(+) − Ea(−) [1] 註:Ea(+)指正反應的活化能,Ea(−)指逆反應的活化能。 其實,式[1]僅適用於定溫下或溫差範圍不大,即一般的實驗室條件。理論上,H的實際意義是熱含量,即物質的總能,反應熱變化的計算可由式[2]~[5]表示: 註:式[4]和[5]的E動(+)指正反應的總動能差,E動(−)指逆反應的總動能差。 n 溫度對反應熱的影響 也就是說:ΔH = Ea(+) − Ea(−) 並非精準之算式。若溫度改變,則總動能也隨之改變。由式[5]得知,ΔH應該包括總動能的變化。在定溫下或溫差範圍不大時,E動(+)和E動(−)大約相等或變動不大的情形下,ΔH = Ea(+) − Ea(−)才適用。 其實溫度會影響平衡常數(K),亦會影響動能分佈曲線。高溫下具有高動能之分子數比率會改變,反應物和生成物之分子數比率也會改變,故E動(+)和E動(−)也會變動! n 溫度對活化「位能」的影響 至於常見的活化「位能」圖,它的能階常被畫成「一條線」。但若修正為活化「總能」圖,它的能階就不會是剛好「一條線」!就像電子的躍遷能階,其細微結構應該包括轉動能階、振動能階等更小的能階,亦即其能階圖應隨動能而「震盪」。 反應物和生成物都應該是「一小條帶狀」「震盪」能階,鍵能差(位能)的部分不會隨溫度改變,但是動能部分則會! n 結語 活化能(一般指的是活化「位能」)不隨溫度變化而變化;但反應熱會隨溫度變化而變化。
製備碘化亞銅與其一系列反應的回饋與疑問 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 schemistry0120@gmail.com 於《臺灣化學教育》期刊創刊號之「高中化學教學疑難問題」專欄中,本人撰寫有關硫酸銅溶液與碘化鉀的反應生成白色碘化亞銅(CuI)的沈澱,及其在「沈澱反應」與「電子組態」等教學單元的意義,獲得不少高中化學老師們的正面回饋,頗感欣慰。但也有老師希望我進一步說明「為何碘化亞銅(CuI)能溶於硫代硫酸鈉溶液,而碘化銀(AgI)卻不溶於硫代硫酸鈉溶液,必須以氰化鈉(NaCN)才能溶解之?」 「高中化學教學疑難問題」專欄就是提供老師們討論的平台,很高興第一期即有回響而且提出疑問,這就是本專欄期待看到的,希望老師們持續關切本專欄並參與討論。針對上述疑問,本人答覆如下。 n 平衡常數與溶解度 以氯化銀(AgCl)溶於6.0 M氨水為例,在25℃下,相關反應的常數如式[1]、[2]和[3]所示。 AgCl於6.0 M氨水中之溶解度計算過程如下: 經過計算,得AgCl的溶解度(S)為0.23 M。依一般規定,S > 0.1 M即為可溶,故氯化銀(AgCl)能溶於濃氨水。 含氯離子的式[1]、[2]和[3]擴大含鹵素離子,如AgCl擴大為AgX (X = Cl、Br、I),這些反應式擴大如式[4]、[5]和[6]所示: 在25℃下,銀離子(Ag+)在6.00 M氨水中的形成常數(Kf)為1.12 × 。各種鹵化銀(AgX)的溶度積常數(Ksp)、鹵化銀與氨水反應而形成銀氨錯離子( )的平衡常數(K)以及鹵化銀在氨水的溶解度(S)如表1所示: 表1的溶解度顯示AgCl溶於6.00 M氨水,AgBr和AgI氨水難溶於6.00 M氨水;這些溶解度大小並不相同,其排列順序為AgCl > AgBr > AgI。 在25℃下,AgI(Ksp = 1.5 × )在3.00 M的氨水、 和 中的形成常數(Kf)及其反應的平衡常數(K)以及鹵化銀在氨水的溶解度(S)如表2所示: 表2的溶解度顯示AgI難溶於3.00 M的氨水和,AgI可溶於3.00 M 的和;這些溶解度大小並不相同,其排列順序為 > > NH3。 n CuI和AgI在S2O32−中的溶解度 在25℃,CuI和AgI在1.00 M中的的溶度積常數(Ksp)、它們與反應而形成錯離子的形成常數(Kf)和平衡常數(K)以及溶解度(S)如表3所示: 由表3可看出CuI在1.00 […]