臺灣化學教育
Chemistry Education in TaiwanBlog Archives
行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：有機分子模型擴增實境／陳怡宏
Monday , 25, August 2014 本期專題, 第3期／2014年9月 Comments Off on 行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學：有機分子模型擴增實境／陳怡宏行動科技、擴增實境與3D實驗影片教學： 有機分子模型擴增實境 陳怡宏 臺北市立萬芳高級中學 chenyihung61@gmail.com n 擴增實境 擴增實境（Augmented Reality, AR）是一種將虛擬資訊加到使用者所使用的電腦顯示器上，能夠實時地計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像的技術，進而在螢幕上把虛擬世界套在現實世界並進行互動。與虛擬實境（virtual reality, VR）有顯著不同，VR是企圖取代真實環境，而AR是在真實環境上擴充增加資訊。 n 有機分子模型 有機化學的內容在高中化學課綱中，是在基礎化學二及選修化學。而基礎化學課程綱要中基礎化學二的示範實驗：分子在三度空間的模型，有說明以電腦軟體或模型製作簡單分子的三度空間模型，藉著電腦軟體所呈現的3D立體結構（圖1）或實體的分子模型（圖2），建立立體分子結構圖像的概念。不是每間學校設備具有的有機分子模型數量可以讓學生一人一套實地操作，且學生實際組裝分子模型過程中又會耗費許多時間，若以電腦軟體呈現3D有機分子模型於單槍投射螢幕上，卻少了實際動手操作近距離觀察的經驗。 圖1：Avogadro有機分子編輯軟體 圖2：有機分子模型 n 3D有機分子模型擴增實境 以往擴增實境的呈現必須由電腦上來操作，利用網路攝影機掃描圖卡顯現擴增實境，然而現今智慧型手持行動裝置功能愈來愈佳，且日漸普及幾乎人手一機。智慧型手持行動裝置目前以IOS及Android二大系統為主，可以在軟體商店（App Store及Google Play）鍵入”AR”關鍵字搜尋到擴增實境的App，不過大多以遊戲、娛樂為主。 為了能夠利用擴增實境來呈現3D有機分子模型，目前製作了三個3D有機分子模型擴增實境的App（Andriod系統）。可以在Google Play上鍵入"chenyihung”搜尋並安裝，或是經由短網址：http://goo.gl/W9ai05，由電腦端安裝至智慧型手持行動裝置，如圖3所示。 圖3：Google Play搜尋結果 點選App，可以在說明部份的短網址（http://goo.gl/GXq0CJ、http://goo.gl/dfZhkh、http://goo.gl/zMX5aM）中下載底圖，底圖設計成撲克牌套組，每一副共有52個有機分子模型底圖，每一張底圖內容具有中文命名、分子式、3D分子結構式及結構式，如圖4所示。 圖4：3D有機分子擴增實境底圖 n App使用方法 智慧型手持行動裝置至今廣泛使用，主要原因不外乎是App的設計比起電腦端方面的軟體，更加地直覺式操作。此App的操作也僅僅是打開App，等到出現攝影機畫面，直接對著底圖觀看即可，如圖5所示。 圖5：App操作畫面 可以引導學生觀看順反異構物有何差異，如圖6所示，環烷的碳鏈在空間的排列是屬於平面結構還是立體，如圖7所示，以及讓學生試著以不同角度觀看分子模型，看是否能找到和書寫的結構式一樣的角度，如圖8所示。 圖6：順反異構物 圖7：環戊烷 圖8：乙醇 經由多個班級教學活動中，可以發現學生藉由3D分子模型的觀看，對於有機分子的立體結構空間的認知，會有顯著的成長，由其是順反異構物之間的概念。教室環境若能提供讓智慧型手持行動裝置投影到單槍上，IOS裝置是AirPlay，Android裝置是Miracast或HTML連接，可藉由大螢幕展示3D有機分子模型，方便老師講課說明，更可以加深學生立體分子的概念。由於智慧型手持行動裝置的普及，現今的學生也幾乎人手一機，因此才會有一種想法看看是否能夠做出一個能夠隨身帶著走的工具來學習化學，這就是3D有機分子擴增實境App製作的起因。 n 參考資料 1. 擴增實境，Wikipedia, http://zh.wikipedia.org/wiki/擴增實境。 2. 科學人雜誌，擴增實境︰虛擬與實境的無限延伸，http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=67。 3. 普通高級中學必修科目「基礎化學」課程綱要。 4. 普通高級中學選修科目「化學」課程綱要。
大家一起做多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型（上）—立體幾何介紹／左家靜、莊宸、金必耀
Sunday , 17, August 2014 分子模型, 第3期／2014年9月 Comments Off on 大家一起做多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型（上）—立體幾何介紹／左家靜、莊宸、金必耀大家一起做多孔螺旋型與鑽石型三度週期 最小曲面的串珠模型（上）—立體幾何介紹 左家靜a、莊宸b、金必耀*c a國家高速網路與計算中心、b美國麻省理工學院化學系、*c國立臺灣大學化學系 *byjin@ntu.edu.tw n 摘要 動手做可以有效增進數學與化學的學習成效，本文介紹一種模組化方式，讓大家能一起動手製做兩種結構優美的三度週期最小曲面的串珠模型：多孔螺旋型與鑽石型類石墨烯體。我們將這兩類曲面分解成相同的螺旋長條型帶子，可以分別進行製作，最後再以兩種不同的方式連結，製作成含有約八個晶胞的兩種2 x 2 x 2多孔類石墨烯體，所製成的串珠模型不但形態優美結構精巧，更是一個具有數學與科學內涵的藝術品。 關鍵字：物理模型、分子模型、串珠模型、三度週期最小曲面、多孔螺旋最小曲面、鑽石型最小曲面、石墨烯結構 “The educational value of building models representing the arrangements of atoms in crystals cannot be over-emphasized; and by this we mean that the student actually assembles the model and does not simply look at a ready-made model, however much more elegant […]
大家一起做多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型（下）—實作／莊宸、左家靜、金必耀
Sunday , 17, August 2014 分子模型, 第3期／2014年9月 Comments Off on 大家一起做多孔螺旋型與鑽石型三度週期最小曲面的串珠模型（下）—實作／莊宸、左家靜、金必耀大家一起做多孔螺旋型與鑽石型三度週期 最小曲面的串珠模型（下）—實作 莊宸a、左家靜b、金必耀*c a美國麻省理工學院化學系、b國家高速網路與計算中心、*c國立臺灣大學化學系 *byjin@ntu.edu.tw n 摘要 本文詳細闡釋多孔螺旋與鑽石型最小曲面串珠模型的製作過程，包括螺旋長條型帶子的製作方法，長帶的兩種連結方式，以及含有約八個晶胞的此兩種2 x 2 x 2多孔類石墨烯體的組裝程序。最後希望讀者不僅從模型製作過程中，習得此類奈米結構的立體幾何，所製作的成品更可作為具有數學與科學內涵的藝術品。 關鍵字：物理模型、分子模型、串珠模型、三度週期最小曲面、多孔螺旋最小曲面、鑽石型最小曲面、石墨烯結構 “There is a beautiful collection of polyhedral models in wire and cardboard at Winchester College. These were made by three boys, F. J. Dyson, M. S. and H. C. Longuet-Higgins, two of whom have later become university professors.” ─ H. M. […]
早期的燃燒說 林煥祥 國立中山大學通識教育中心 huannlin@mail.nsysu.edu.tw 火是自然界重要的現象之一。長期以來，人們對燃燒的概念，自古以來大都是根據對火的直接觀察所提出來的。 大約在1660年，波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）和胡克（Robert Hooke, 1635-1703）（圖1）進行了真正的燃燒化學實驗。他們把木炭或硫磺放在一個器皿中，抽出器皿中的空氣，再將器皿加熱，結果發現木炭或硫磺並不能燃燒。但是他們又把木炭、硫磺與硝石混合（即黑火藥），那麼即使在抽真空的條件下，仍會猛烈燃燒起來。於是波義耳和胡克提出重要結論：燃燒必須依賴空氣和硝石中所含的某種共同成分。 圖1：波義耳（左）和胡克（右） （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle和http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Hooke。） n 波義耳的火微粒說 1637年，波義耳研究燃燒現象。他在密封容器內鍛燒金屬銅、鐵、鉛、錫等，研究鍛燒前後的增重。他認為火是由火微粒所構成，於是將金屬鍛燒增重的原因歸結：金屬鍛燒時，從燃料中發散出來的火微粒，穿過容器壁，進入了金屬，結合成比金屬本身還重的鍛灰。例如鍛燒“銀”，波義耳認為燃燒後增重了0.13 g，就是火微粒與金屬結合的重量。圖2為波義耳的火微粒說示意圖。 圖2：波義耳的火微粒說示意圖 波義耳犯了一個極大的疏忽：只注意到加熱物質本身所發生的變化（被加熱的金屬重量增加），卻疏忽了加熱物質周圍環境的變化（放置金屬的曲頸甑在加熱前後的重量比較）。然而，最根本的原因是因為波義耳一直嘗試以火微粒解釋燃燒現象。 n 胡克的硫素說 1664年，胡克研究蠟燭的火焰，提出對火焰的見解。他認為火焰是引起化學作用的混合氣體，並指出沒有空氣不能燃燒。但是他相信燃燒時燃燒體內有煉金術士所謂的“硫素”放出，溶解於空氣中時，放出溶解熱，於是發出火來。圖3為胡克的硫素說示意圖。 圖3：胡克的硫素說示意圖 雖然波義耳和胡克都提出了空氣介入燃燒的理論。可惜，他們都把燃燒的產生歸因於燃燒體本身（燃料）會釋放出某種物質與空氣結合，疏忽對空氣的了解，也沒有更深入的研究燃燒的本質與空氣關係。 n 施塔爾的燃素說 1703年，德國的施塔爾（Georg Ernst Stahl, 1660-1734）（圖4）提倡「燃素說」－他認為可燃的要素是一種氣態的物質，它存在於一切可燃的物質中，他把這種要素稱為“燃素”。他主張物質燃燒時，物質裡面的可燃成分（燃素），會從物質內逃逸出來，與空氣結合，從而發光發熱，這就是火。最後，物質只剩下灰。圖5：施塔爾的燃素說示意圖。 圖4：施塔爾 （圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Georg_Ernst_Stahl。） 圖5：施塔爾的燃素說示意圖 施爾塔對金屬鍛燒的變化過程的解釋恰與波義耳相反： 金屬－燃 素＝金屬鍛灰。（施塔爾） 金屬＋火微粒＝金屬鍛灰。（波義耳） 施塔爾認為物質在加熱時燃素並不能自動分解出來，必須藉空氣來吸收燃素。例如：酒精（燃素＋水）燃燒→水。酒精中的燃素被空氣吸收了，所以酒精燃燒後只剩下水。 燃素學說與真實的氧化還原比較，恰恰是對燃燒現象做了顛倒的解釋，把化合過程描述成分解過程。但是，在當時燃素學說“解答”了一連串的問題，因此很快得到許多化學家的支持和採納。從十八世紀初到該世紀末，大約一百年，在化學史上常常稱這段時期為燃素時期。 當時接受這種燃素理論的重要化學家有舍勒（Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786）、普里斯特利（Joseph Priestly, 1733-1804）、以及卡文狄西（Henry Cavendish, 1731-1810）（圖6）等人。 圖6：舍勒（左）、普里斯特利（中）及卡文狄西（右） （圖片來源：http://zh.wikipedia.org/卡尔·威廉·舍勒、http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley和http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Cavendish。） 1772年，舍勒根據實驗提出對燃燒的見解：空氣中有兩種氣體。一種是火氣，能助燃；另一種是劣質空氣。舍勒認為燃燒時，火氣和燃素化合，形成光和熱而散去。令人遺憾的是舍勒始終相信燃素說，所以他從未試探以“火空氣”取代燃素以解釋燃燒現象。 n 普里斯特利發現氧氣 1774年，普里斯特利加熱紅色的水銀之石灰化質（氧化汞），他發現以這種方法所製造出來的氣體能讓蠟燭和木炭很容易著火並燃燒。由於普里斯特利篤信燃素說，他認為反應的變化是由金屬灰（氧化汞）＋燃素→金屬（水銀），而參與實驗的這種氣體不過是含燃素極少的空氣，於是稱它為“去燃素的空氣”（實際上是氧氣）。他從金屬鍛灰中分離出了氧氣，恰恰是燃素的對立物，對化學的發展意義格外重大。所以現在化學史界多數都認為他是氧氣的發現者。 n 拉瓦錫的燃燒理論 […]