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中學化學示範: 綠色化學的示範實驗和實作活動 / 周芳妃、詹莉芬、陳祖望、許名智、許文綺

Tuesday , 12, May 2020 Comments Off on 中學化學示範: 綠色化學的示範實驗和實作活動 / 周芳妃、詹莉芬、陳祖望、許名智、許文綺

中學化學示範:綠色化學的示範實驗和實作活動   周芳妃*、詹莉芬**、陳祖望、許名智、許文綺 臺北市立第一女子高級中學*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw  **lfchan@gapps.fg.tp.edu.tw n  前言 傳統的教室是一個以教師為中心的教室,上課時間幾乎都是由教師主導。如果整節課教學模式是講演方式,學生常常失去專注力與興趣。在化學科的教學中,若教學過程中適當地插入化學示範實驗,並安排學生參與示範實驗的討論與分享,可引發學生的好奇心與專注力,大大提升學生的學習成效。在辦理科學研習活動時,不少學校常規劃學生進入演講廳的聽講。在傳統教室或演講廳中進行化學示範實驗教學,一般人先浮現腦海中的講堂中示範實驗場景的畫面可能如下:講堂前方有長桌;講者站在長桌前操作實驗;講者使用大型容器與劑量頗多的化學試劑;觀眾用眼睛和耳朵體驗講者操作實驗所出現的聲光色或儀器量測數據的變化。 通常,若教師想在教室或演講廳中進行化學示範實驗,這些場地往往是遠離水源,甚至舖有地毯的演講廳是嚴禁有水有火的化學實驗示範活動。如果教師希望在演講廳環境也安排示範實驗時,就要考慮如何讓遠處學生也可清楚看到講台上的的化學實驗變化。目前常見的作法,除了現場加上多媒體數位轉播的輔助之外,是否也有另類思維以增強示範實驗的教學效能呢?如果講師使用100 mL的化學試劑,可否減廢減量變成總量20 mL給現場100位學生只各用5滴的操作方式呢?在遠離水源或是禁水禁火的教學場地中,是否可改用不滴液和不漏液的紙上實驗呢?本篇將介紹綠色化學思維的「化學貼貼樂」範例,透過包膜與紙張剪裁設計,易於準備的「可攜式」與「半乾式」化學材料包,適合教師在演講時的示範教學並提供每位學生在大會議室的現場實作化學實驗(見圖1),又可讓學生留著作品,加以時日觀察後續的化學變化。 在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中,有提到主題「物質的反應、平衡及製造 (J)和副主題「氧化還原反應(Jc)」,以及相關的學習內容「CJc-Va-3 氧化還原反應與均衡。」;另一涉及主題為「科學、科技、社會及人文(M)和副標題「科學在生活中的應用(Mc)」,以及相關的學習內容「CMc-Va-2 常見金屬及重要的化合物之製備、性質及用途、CMc-Va-4 常見非金屬與重要的化合物之製備、性質及用途」。「化學貼貼樂」的化學內涵符合上述的描述。    圖1:新北市國中生數理資優營「化學貼貼樂」講師在演講廳演講(左);以及講師正在示範教學(中);每位學生在現場實作化學實驗(右)。 n  化學示範與活動實例—「化學貼貼樂」 今(2020)年3月時,筆者們帶著代表綠色化學12原則的12位北一女中學生擔任環保署化學局活動,大家在「防疫森呼吸嘉年華」活動中與老老小小的民眾操作「化學貼貼樂」實驗並推廣綠色化學知識(見圖2)。    圖2:「防疫森呼吸嘉年華」學生志工示範教學(左、中);現場民眾實作化學實驗(右)。 一、  事先準備 在這次的大安森林公園活動中,教師和志工在示範教學和現場活動前,事先準備所使用的藥品和材料,如圖3所示。(一)配製每套器材包所需四種試劑:1 M硫酸銅0.5 mL、1 M醋酸鈉3滴、1 M硫代硫酸鈉3滴及0.1 M碘化鉀3滴。依據人數準備所需總量,例如100人次的1 M硫酸銅總量為50 mL,1 M醋酸鈉總量為300滴(約15 mL)。(二)「化學貼貼樂」材料包:先剪裁一個較長的塑膠袋成為四個內夾袋,作為包住各試劑之用。再分別滴入四種試劑在吸水性高的圓濾紙(硫酸銅)、濾紙條(醋酸鈉)、棉花(硫代硫酸鈉)、和紗布(碘化鉀)之上,分別裝入四個內夾袋,各試劑之間不可相互接觸,如圖3的上圖所示;然後放入較短的外套袋中,即成為實驗用材料包,如圖3的下圖所示。教師和學生志工利用社團課的時間事先製作,完成後可整批用用牛皮紙袋遮光收藏,可分批陸續使用。目前筆者的經驗收藏達兩個月的材料包套件,取出時仍可以使用。 →  → 圖3:四種試劑滴加在吸水性高的材料上(上);「化學貼貼樂」材料包的組裝(下)。 二、  教師示範和民眾動手實作 「化學貼貼樂」的教師示範和民眾動手實作方面,如圖4所示。(一)操作步驟:先取得一個材料包,移去外套袋,先翻開最大的內有圓濾紙的內夾袋,並把這張最大的內夾袋塑膠膜當作防水底板。再打開其他三個小內夾袋,取出濾紙條(醋酸鈉)、棉花(硫代硫酸鈉)、和紗布(碘化鉀),分別放在圓濾紙(硫酸銅)的上面不同位置,蓋好最大的內夾袋。然後放回外套袋,如圖四的上圖所示。(二)觀察化學反應:10分鐘內的變化,以及數日到數週的變化,如圖4的上圖所示。「化學貼貼樂」的實驗結果有如:棉花—青天白雲、濾紙條—綠茂森林、紗布—肥沃土壤。 → →  →  → 圖4:教師示範和民眾實作「化學貼貼樂」的過程(上);10分鐘內觀察化學反應的濾紙正面(左下)和濾紙反面(中下),長時間(右下)觀察結果。 在「防疫森呼吸嘉年華」活動中,有安排「化學貼貼樂」的教學,其課程開場PPT,如圖5的上圖所示。先說明這次活動的課程內容,包括:化學貼貼樂、化學猜猜樂和化學選選樂;接著發放「化學貼貼樂」材料包給民眾,教師示範如何打開材料包的內夾袋與貼貼樂的做法,民眾放置內夾袋沾有不同試劑的棉花、紗布與條狀濾紙貼到圓濾紙上,其解說的PPT,如圖5的下圖所示。民眾觀察在手掌上的「化學貼貼樂」圓濾紙上逐漸地擴開的顏色變化。     圖5:「防疫森呼吸嘉年華」活動教學開場PPT(上),教師示範與民眾觀察的PPT(下)。 「化學猜猜樂」是請民眾舉手回答材料上沾有的試劑是什麼藥品,如圖6左所示。提示觀眾四種化學試劑的外觀與反應特性,此時可提供現場獎品給熱烈回應的觀眾。其實一般觀眾未必具有足夠的中學化學基礎知識,或是在場的小朋友年紀太小,但是先鼓勵觀眾用力猜猜,啟發一般民眾對於認識化學品的興趣。    圖6:提示觀眾四種化學試劑的外觀與反應特性,進行「化學猜猜樂」的PPT。 公布「化學猜猜樂」答案,由於非常多的化學品是不可以誤用於食品加工,在介紹化學瓶之後,並接著介紹四種化學試劑的物質安全資料表,讓觀眾知道隨時可以上網查詢化學品知識,如圖7所示。說明LD50的意義,以及四種試劑常見的用途,如圖7所示。   […]

綠色化學:多元選修課程與綠色化學小論文設計 / 周芳妃、詹莉芬、蕭琬莉

Sunday , 8, March 2020 Comments Off on 綠色化學:多元選修課程與綠色化學小論文設計 / 周芳妃、詹莉芬、蕭琬莉

綠色化學:多元選修課程與綠色化學小論文設計 周芳妃1、詹莉芬2、蕭琬莉 臺北市立第一女子高級中學 ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw1 lfchan@gapps.fg.tp.edu.tw2   簡介 北一女中從民國99年課綱開始,就開設特色課程高一選修課程,化學科當時就開始投入選修課程的設計。多年來以探究實作的方式發展了很多種不同的教案,並發展出多元形式的成果發表活動融入各種活動。隨著2014年教育部第一屆全國綠色化學創意競賽的設立,北一女化學科就將啟發學生發展科學創造力與指導學生進行綠色化學小論文設計融合成全新的高一選修課程,並從2016年(105學年度)開始推出「綠色化學百寶變與創意小論文設計」的高一跨班選修課程。每班30人的一學期課程,本課程一年四班共收了120位高一選修課學生,此一年人數超過本校高一全校選修學生人數的八分之一。推出之後,這門課程廣受本校學生青睞,幾乎班班第一志願滿班。2018年(107學年度)教育部擴大辦理綠色化學創意競賽活動,本校在該學期的兩個高一選修班級60位學生中,以1~2人為一組進行小論文設計活動,總共有20多件創意設計書完成報名參賽,後來共有5件入圍全國複賽,而且最後兩件榮獲全國佳作。 由於這一年北一女學生參賽入圍複賽的作品多達5件,因此本校也榮獲教育部頒發的第一屆綠色化學創意競賽學校獎,化學科全體老師們出席受獎(圖1)。   「綠色化學百寶變與創意小論文設計」這門課程也提供課程英文名稱:Diverse gallery of green-chemistry experiments & creative essay design,用以印製於學生成績單上。一學期每周2小時的選修課程涵蓋:認識科學活動、綠色化學創意小論文設計活動、基礎實驗操作與常用分析方法、認識化學反應類型、學習歷程檔案製作與成果發表、自評與互評活動等。  本文將先介紹綠色化學的多元選修課程內容,說明教師如何在多元選修課程中引導同學進行綠色化學創意論文的設計,再分享數件榮獲全國獎項的作品的教師指導心得。本次期盼透過北一女化學科邁入108課綱多元選修課程分享,萌發更多同好願意將綠色化學融入課程,教師們也彼此切磋,從校園中培育綠色化學小尖兵,透過參加教育部辦理綠色化學創意競賽的平台,使綠色化學教育更加普遍,達到綠色化學永續經營的目標。 圖1、107學年度北一女化學科高一多元選修學生全力投入教育部綠色化學創意競賽活動 簡介多元選修課程–綠色化學百寶變與創意小論文設計 一、教學內容與進度     表一是108年度第二學期北一女中化學科高一多元選修課程教學進度表,簡介如下: (一)認識科學活動    開學第一週老師先安排小型實作活動(練習劃火柴)、學生自我介紹與幹部選拔,達成跨班分組和相見歡活動,接著介紹「教育部綠色化學教育網」,也介紹數件歷屆創意競賽得獎作品。 (二)綠色化學創意小論文設計活動    本活動的課程編碼為1-1到1-5(表一),以環保署化學局出版品為綠色化學十二原則課本(圖2)。有三週使用電腦課程,借學校電腦教室或電腦推車(圖3)。另兩週是校外教學,前往台北市太原路逛街,認識鄰近社區資源,幫助學生認識實驗預算估價。使用電腦課程的教學原則如下: 1.課程1-1:先請學生從「教育部綠色化學教育網」閱讀競賽簡章,模仿填寫報名表。接著分組討論找題目,老師可依據學生們的討論提供關鍵字。NABC法則(Need, Approach, Benefits, Competition)是一套科學產品分析法,也適合用為撰寫實驗簡介的訓練方式。各組簡介格式需列出NABC法則,在課堂中完成並繳交150~200字的創意小論文簡介。 2.課程1-2:老師介紹文獻探討方法,請各小組配合自己小組主題找出三個相關資料網址與參考圖案,上台分組分享,並在課堂中完成並繳交簡介與參考資料。 3.課程1-3:老師請各小組考量「人、事、地、物、時間、預算」原則,各小組配合自己小組主題,擬出可行性的研究方法設計,上台分組分享,並在課堂中完成並繳交創意設計書。 表一:108學年度第2學期北一女中化學科高一多元選修課程教學進度表                  週次 月 日 「綠色化學百寶變與創意小論文設計」課程內容 備註 一 2 24 準備週 二 3 2 認識科學活動;相見歡與分組選幹部 介紹全國活動 三 3 9 […]

當藝術遇見化學: 結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中 / 周芳妃、張永佶、詹莉芬、吳淑芳、陳祖望、李盈萱、吳和臻、陳怡孜

Thursday , 9, November 2017 Comments Off on 當藝術遇見化學: 結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中 / 周芳妃、張永佶、詹莉芬、吳淑芳、陳祖望、李盈萱、吳和臻、陳怡孜

當藝術遇見化學:結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、吳淑芳1、陳祖望1、李盈萱2、吳和臻1、陳怡孜1 1臺北市立第一女子高級中學2上海華東臺商子女學校*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw; fangfei7680@yahoo.com.tw n  前言 五光十色的煙火常令人目眩神移,拍手叫好。當代創作藝術家蔡國強先生的作品中,結合了東方文化的美學和哲學,將煙火爆破與流放色彩做恣意不羈的創意奔流,發揮創意的熱情正是我教育轉型的典範,其內涵也孕育了探究與實作的精神。以「神奇酒精凍與七彩焰色實驗」的課程設計—利用隨手可得的物品和簡易安全的化學藥品,把探究創作帶進實驗室,提供學生動手作的探索學習,透過互動式的自我探索,學習物質的採量、微觀世界的變因討論、色彩煙火的成因等團隊合作的學習模式,透過自評與他評的評量方式,尋找科學與藝術美學的脈絡,最後透過學生的內心世界結合課程發想,提起五彩的色筆繪出自我的浪漫色彩。學生體驗學習化學的精采與樂趣以及發表的文學設計,或許無法像蔡國強先生的創作能帶來對社會的省思與實踐,但這絕對不僅是一堂欣賞化學變化與多彩焰色的化學課,更是結合科學、人文與藝術的學習之旅。 本課程設計希望在中學實驗室中或一般教室裡,以安全簡單的裝置操作實驗,就可以呈現繽紛多樣的七彩焰色。本課程設計包涵兩項實驗,如圖1所示。第一項實驗為神奇酒精凍,將易燃的酒精燃料製做成固態的酒精膠體,大大提高燃燒實驗的安全,符合綠色化學精神。第二項實驗為七彩焰色,利用安全的酒精凍作為燃料,只要加熱微量的氯化銅固體與少量紙張,便能讓煙火的場景重現。 圖1:五光十色的煙火表演與「神奇酒精凍與七彩焰色」實驗裝置 n  原理和概念 一、  神奇酒精凍實驗 臺北市立第一女子高級中學(北一女中)學生蔡孟儒等人在民國92年的全國科展得獎作品「芳香酒精帶著走—探討促凝劑對酒精凝膠之影響」,研究發現以適當濃度的冰醋酸水溶液與氫氧化鈣固體中和,配製產生醋酸鈣飽和溶液,搭配一些植物香精、多元醇類或醣類,可以成功製作出固態的芳香酒精凍。酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用(見圖2),包括了離子鍵與分子間作用力,以及離子與分子間的溶合作用,當酒精凍各成份的濃度比例條件都很適當時,而且成分均勻混和,再加上適當的靜置時間,微觀系統的多種交互作用就可達到平衡,使液態的酒精與醋酸鈣溶液變成固態的膠體。 圖2:酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用 二、  七彩焰色實驗 北一女中學生李映璇等人在1997年的國際科展得獎作品「Green Chemistry—當毛細管遇到煙火」,研究以一隻小小的毛細管裝置,完成化學課本中許多熱分解實驗,並應用開發七彩煙火配方。發現藉著酒精燃燒時的火焰高溫,可使氯化銅的銅(II)離子上的電子因躍遷而產生特殊的焰色。如果在可燃物中加入碳,使火焰中也有碳粒存在時(類似還原焰),銅(II)離子就被還原成銅(I)離子或是銅原子。若加入足量酒精,或是反覆加入酒精進行燃燒試驗,氯化物逐漸轉換為氧化物,整個過程多種價數和型態不同的銅化合物所產生的焰色,將漸漸改變。 在本實驗設計中,採用安全的酒精凍、衛生紙、氯化銅三種容易取得的配方,就可觀察到依序多變的火焰顏色。從一開始先看到酒精和衛生紙燃燒產生的淡藍色、黃色、橘黃色火焰。接著,銅(II)離子產生綠色火焰,隨著衛生紙碳化過程,有些銅(II)離子也逐漸還原到較低氧化數狀態,就可以逐漸觀察到焰色由綠光轉變到藍光、紫光、白光等多層次的彩色光譜。若想要觀察到紅色火焰,則可以加入微量氯化鍶或硫酸鋰。 n  實驗器材與試劑 一、  神奇酒精凍實驗 每組用量:氫氧化鈣(每份0.5 g)、15~20%冰醋酸(10 mL,裝入小滴瓶中)、酚酞指示劑(一些)、95%酒精(25 mL,外觀無色)、工業酒精(25 mL,外觀粉紅色,含水量不確定)、混合酒精(25 mL,以95%酒精與工業酒精1:1混合,再加色素染成橘色,含水量不確定)、玉米塑膠杯(30 mL、有5 mL刻度線、2個)、塑膠滴管(1支)、玻棒或塑膠棒(1支)。 二、  七彩焰色實驗 每組用量:酒精凍(10~25 mL,一顆)、火柴或打火機(1個)、衛生紙(1張)、鋁罐(1個)、氯化銅固體(約綠豆大小的量)或大約1 M氯化銅水溶液5 mL(可用實驗回收的1 M硫酸銅加入氯化鈉固體調製)。化學試劑與相關的GHS安全資料,如圖3所示。   圖3:器材和試劑 (圖片來源:deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗,https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ) n  實驗步驟 一、  神奇酒精凍實驗 (一) 實驗步驟 1.        取0.5 g(或任意1小匙)的氫氧化鈣加入杯中,再加入1滴的酚酞指示劑,然後在杯中漸漸滴入15~20%醋酸溶液,每5~10滴醋酸就暫停,先用玻棒攪拌20~30下,再繼續加入醋酸溶液,直到酚酞的粉紅色褪色,如圖4所示。 圖4:配製醋酸鈣飽和溶液 (圖片來源:deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗,https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ) 2.        […]

微量化學實驗:酸鹼七彩調色盤的點滴實驗 / 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋

Friday , 8, July 2016 Comments Off on 微量化學實驗:酸鹼七彩調色盤的點滴實驗 / 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋

微量化學實驗:酸鹼七彩調色盤的點滴實驗 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com n  前言 本微量化學實驗設計採用酸鹼化學變化搭配數種常見的酸鹼指示劑,進行多色七彩創作的開發,「酸鹼七彩調色盤」實驗原理涵蓋高中化學課程的酸鹼中和反應,依照目前普通高級中學課程綱要的安排,本實驗原理屬於基礎化學(二)主題:常見化學反應,以及選修化學(上)主題:水溶液中的酸鹼鹽。107新課程綱要高中化學也融入綠色化學的原則,本微量實驗適合作為綠色化學的教學示例,例如:低毒、減廢、思危等的多項原則。 本實驗的目的:(一)操作常用的四種酸鹼指示劑:甲基橙、甲基紅、溴瑞香草酚藍及酚酞,認識指示劑的酸型色與鹼型色的特徵。(二)使用微量稀薄醋酸及蘇打溶液控制溶液的酸鹼度,加入組合混搭數種指示劑來操作酸鹼中和反應,做出廣用指示劑的七彩顏色變化,認識廣用指示劑的基本配方。(三)使用熱熔膠製作小型的簡易調色盤,達到實驗減量的目的。(四)以微量實驗的設計為本,欣賞化學變化與多彩顏色的呈現,使學生體驗學習化學的精采與樂趣。 n  原理和概念 許多天然植物色素和多種人工合成染料都具有酸鹼指示劑的功能,其中甲基橙(Methyl orange, MO)、甲基紅(Methyl orange, MR)、溴瑞香草酚藍(Bromothymol blue, BTB)及酚酞(Phenolphthalein, PP)是常用的酸鹼指示劑,如圖1所示。 圖1:四種常見酸鹼指示劑。 每種酸鹼指示劑皆具有酸型顏色與鹼型顏色的特徵,如圖2所示。酸型顏色與鹼型顏色轉換時的pH值範圍,稱為酸鹼指示劑的變色範圍,如圖3所示。例如:溴瑞香草酚藍(BTB)變色範圍為pH = 6.2~7.6,這表示BTB在pH值6.2以下(更酸的)的水溶液中,出現酸型顏色:黃色;而在pH值7.6以上(更鹼的)的水溶液中,出現鹼型顏色:藍色。酸鹼指示劑在變色範圍內時,兩種顏色的結構存在於水中幾乎等量,因此會呈現兩色混合後的顏色,例如:BTB在中性水溶液中是出現黃色與藍色混合後的綠色。酸鹼指示劑的變色範圍不一定涵蓋了中性條件(pH = 7),例如酚酞(PP)的變色範圍是pH =8 .2~10.0,因此在中性水溶液的PP仍是呈現酸型顏色,也就是無色。 圖2:四種酸鹼指示劑顏色的對照表。【編號:A = MO、B = MR、C = BTB、D = PP】 圖3:兩種酸鹼指示劑變色範圍與顏色變化。 n  實驗器材與試劑 每組用量:試藥滴瓶(5 mL,盛裝共用的醋酸溶液、蘇打溶液) 2個、試藥滴瓶(5 mL,盛裝共用的酸鹼指示劑) 4個、玉米塑膠杯(小型,容量大於5 mL即可) 8個、微型滴管(容量約1.5 mL) 8支、PP透明塑膠袋(尺寸建議為10 cm × 7 cm) 4個、牙籤 […]

微量化學實驗:小綠綠晶體與藍印術微量實驗(上) / 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋

Thursday , 7, July 2016 Comments Off on 微量化學實驗:小綠綠晶體與藍印術微量實驗(上) / 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋

微量化學實驗:小綠綠晶體 與藍印術微量實驗(上) 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com   n  前言 本微量化學實驗設計採用一系列化學變化進行創作實用有趣的美術作品,「小綠綠晶體與藍印術」實驗原理涵蓋高中化學課程的四大類型反應:(一)酸鹼中和反應、(二)離子沉澱反應、(三)氧化還原反應、(四)光催化反應。依照目前普通高級中學課程綱要的安排,本實驗原理屬於基礎化學(二)主題:常見化學反應,以及選修化學(上)和(下)主題:氧化還原反應、無機化合物等。配合高中化學107新課綱課程也融入綠色化學原則,本微量實驗也適用來作為綠色化學的教學示例,例如低毒、減廢、思危、再生等的多項原則。 本實驗的目的:(一)以微量實驗進行草酸鐵鉀晶體的合成反應,認識錯合反應與離子沉澱反應,進而學習操作養晶技術。(二)使用草酸鐵鉀養晶的微量廢液,經由系列反應,涵蓋了光化反應、氧化還原反應、離子沉澱反應等,也達到實驗減廢的功能。(三)使用微量離心管(Eppendorf)為簡易定量工具,幫助學生精確量取微量體積的溶液,也達到實驗減量的目的。(四)以微量實驗的設計為本,也結合化學與藝術創作的實驗設計,完成藍印術的創作,使學生體驗學習化學的精采與樂趣。 n  原理和概念 一、草酸鐵鉀晶體的合成反應 鐵離子是地殼中含量第二豐的金屬元素;植物中含有的草酸根離子是一種配位基,可以結合許多種金屬離子而形成錯合物。草酸鉀與氯化鐵兩者皆為易溶於水的鹽類,若將足量的草酸鉀與氯化鐵混合後,將發生錯合反應而產生綠色的三草酸錯鐵(III)離子(trisoxalatoferrate(III))。反應產物的飽和溶液中可結晶析出三草酸錯鐵(III)化鉀(potassium trisoxalatoferrate(III))的綠色晶體,簡稱為草酸鐵鉀(potassium ferrioxalate)。由於綠色晶體外觀晶瑩剔透,本文中就將之暱稱為〝小綠綠晶體〞。上述飽和溶液中析出草酸鐵鉀固體的反應,如式[1]所示: 3K2C2O4(aq) + FeCl3(aq) à K3[Fe(C2O4)3](s) + 3KCl(aq)    [1] 草酸鉀(aq) + 氯化鐵(aq) à 草酸鐵鉀(s) + 氯化鉀(aq)    [1] 二、藍印術的反應 (一)   草酸鐵鉀的氧化還原反應 草酸鐵鉀中的草酸根離子,除了擔任配位基之外,本身也是溫和的還原劑。如果將草酸鐵鉀放置在酸性條件下,草酸根離子會形成草酸分子而失去配位基功能,只剩下還原劑功能,造成草酸鐵鉀變質,其錯合物結構瓦解,鐵(III)離子就被自由釋出。接著,鐵(III)離子與草酸分子就開始發生氧化還原反應,使鐵(III)離子與草酸分子反應形成鐵(II)離子和二氧化碳。由於此反應也是光催化反應,照光使反應速率大增,使草酸鐵鉀加速變質,因此草酸鐵鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏,才能延長保存的時間。上述鐵(III)離子與草酸分子發生氧化還原反應,如式[2]所示: 2Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) à 2Fe2+(aq) + 2CO2(g) + 2H+(aq) (照光)    [2] 鐵(III)離子(aq) + 草酸(aq) à 鐵(II)離子(aq) […]

微量化學實驗:小綠綠晶體與藍印術微量實驗(下) / 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋

Wednesday , 6, July 2016 Comments Off on 微量化學實驗:小綠綠晶體與藍印術微量實驗(下) / 周芳妃、李盈萱、陳靜瑋

微量化學實驗:小綠綠晶體 與藍印術微量實驗(下) 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com 〔承《微量化學實驗:小綠綠晶體與藍印術微量實驗(上)》〕 n  結果與討論 運用不同的藍印方法所得到的創意作品如圖12所示。 圖12:藍印術創意作品舉例:晒圖藍印法的作品(上面兩張);直接藍印法的作品(左下和右下);合併使用與晒圖藍印法的作品(下中)。 n  廢棄物處理和安全注意事項 1.         本實驗〝小綠綠晶體〞合成所得到晶體或其剩餘飽和溶液,都必須儲存在遮光瓶中,可長期收存,隨時可再取出用於「藍印術」實驗。〝小綠綠晶體〞的乾燥方法如下:〝小綠綠晶體〞放置於紙巾上,以少量酒精淋洗濾紙上晶體。將晶體再放到新紙巾上,輕壓使其乾燥。小綠綠晶體可單獨用鋁箔紙包裝收藏。 2.         本實驗中藍印術完成的美術作品可以長期室溫保存,或當一般垃圾廢棄處理。本實驗的藍色染料(普魯士藍)是文具鋼筆的墨水成分,因此本實驗清洗作品過程類似美術課的清洗畫筆工作,清洗剩餘的顏料水可以直接稀釋排放。註:依據GHS化學品全球調和制度,普魯士藍沒有危害數據資料,請查閱:http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx。 n  教學提示 3.         本微量實驗上課時間富有很大的彈性,可以是1節課、2節課或甚至3節,可依照學生的先備程度作調整,也要考慮到當天日照情形,而結束課程的裝置整理與回收約5分鐘。 4.         授課時間較充裕時,教師可以將高中課程中介紹四大化學反應的原理以及綠色化學十二原則作充分教學。實驗教學過程可彈性使用不同的技巧,例如採用實驗假設求證及合併歸納法:【實驗假設求證教學法】  授課à假設à操作à觀察à求證à討論à歸納à分享報告。 5.         綠色化學十二原則的參考資料,例如:綠色化學(Green Chemistry)–拯救地球的未來,http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。 6.         本微量實驗教學時間的縮減可彈性調整。通常學生很喜歡畫圖,也又會花不少時間用心畫出精致線條的圖案。因此,如果教師授課時間較少,可安排學生用課餘時間先做畫圖。 7.         完成藍染作圖的濾紙曝曬時間依環境而定。當濾紙出現深藍色,即可停止曝曬。曝曬結束後,作品拿入室內需再靜置適當時間,使反應生成的藍色顏料(普魯士藍)可以牢牢附著在濾紙上,避免清洗時藍色顏料又脫落。一些日曬時間與等候清洗的實驗經驗如下:【夏日有陽光直曬】:曝曬時間約1~5分鐘,作品拿入室內需再靜置5~10分鐘。【夏日有陽光的戶外影子下、夏日有雲遮陽、冬日陽光直曬】:曝曬時間約10~20分鐘,作品拿入室內可直接清洗。【雨天】:曝曬時間約2小時以上(也可能不易成功),作品拿入室內可直接清洗。 8.         合成小綠綠晶體的原料可以直接購買市售草酸鉀(K2C2O4)固體,再配成2.0 M溶液。但是教師也可以事先安排每小組進行另一個實驗:草酸鉀的合成反應,由於使用的草酸與氫氧化鉀售價更低,可使原料成本降低為三分之一以下。下列實驗步驟是合成5 mL的2.0 M K2C2O4的條件與方法,可供本篇微量實驗的3組使用,教師可依莫耳數比例調整。【草酸鉀的合成反應】:將1.25 g(22 mmol)氫氧化鉀(KOH)固體加入5 mL的水中,攪拌溶解,注意此為放熱反應。再將1.25 g(10 mmol)草酸(H2C2O4)粉末慢慢加入氫氧化鉀溶液中,反應形成2.0 M草酸鉀溶液約5 mL。(註:氫氧化鉀可稍微過量,使草酸鉀溶液成鹼性,有利於後續合成小綠綠晶體的實驗。) n  問題與參考答案 1.         為何草酸錯鐵(III)化鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏,以延長保存的時間? 答:酸性物質會破壞草酸錯鐵(III)化鉀結構,進而發生分解反應,照光又加速此分解反應。 2 Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) […]

化學探究教學:融入綠色化學於化學探究課程設計(上) 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、陳祖望1、繆慧娟2, *、林依萱1、王琳嘉1、林采緹1、鄭如芬1 1臺北市立第一女子高級中學2工業技術研究院綠能與環境研究所1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *cmiao@itri.org.tw 今年初受邀為《臺灣化學教育》的專題〈化學探究教學〉撰文,此時也正值北一女中化學科團隊受邀協助工業研究院辦理教育部專案計畫,籌備第二屆全國綠色化學教育種子教師培訓研習的工作,因此本文就一起引入本項研習工作的報導,也舉例說明本研習中的「綠色化學—探究與實作(I)、(II)」課程。 n  科學探究課程與綠色化學有何關係? 很多人聽到「科學探究課程」這名詞,第一個想法往往是「帶學生做實驗」,其實探究課程的設計不是只有做實驗這件事,但是,科學探究課程的多元設計中,一定也要有「動手做實驗、動腦飆科學」的實驗課程,進行實驗課程又涉及到實驗資源與藥品管理的多層問題。如果缺乏謹慎設計的科學探究課程,以目前國內所有高中職學生人數的規模,課綱的設計要求全部週週進行動手做實驗的科學探究課程,後果可能又重新陷入學校物資過度浪費以及處理廢棄物之費錢費工、或是經費不足導致無法開課的我國科學教育的老問題。 在1992年里約熱內盧舉行的地球高峰會(Earth Summit)是聯合國重要會議之一,同年,聯合國設立永續發展委員會(The United Nations Conference on Environment and Development, CSD),自1992年起一直是每年舉辦的高級論壇,以落實里約高峰會議的後續行動。多年來,永續發展委員會的焦點主題包括能源永續發展、工業發展、空氣與大氣層污染以及氣候變遷等重要議題,都與化學產業發展息息相關。急速走入低碳社會與能源轉化及輸送的迫切研究議題,使全球的化學技術與化工產業整合發展出綠色化學(Green Chemistry)原則,許多國家都確立了環境保護、防止污染及資源再生的國策,發展採用最少資源和能源消耗,並產生最小污染排放的化學技術。我國的學術界與工業界很早就推動綠色化學議題與研究交流,經由國內多方力量的整合,教育部在民國104年也成立「綠色化學教育網」(見圖一),來協助國內高中職教育的實驗課程,並整合到我國107新課綱課程中的「探究與實作」課程與化學實驗課程中。 圖一:民國104年教育部成立綠色化學教育網(網址:http://chem.moe.edu.tw/green)。 n  如何謹慎設計科學探究課程? 進行探究式教學中,學生必須有假設、預測、操作、提出問題、追尋答案…等經驗,以便建構新的知識。學生在分組進行活動或討論的過程,過程本身就是一種學習。如果教師希望著手設計科學探究課程時,課程主題可涵蓋多元方式,但是在教與學的歷程,教師扮演著引導與協助的角色,進行的課程內容是由學生主動學習,主動建構知識。 在高中的科學實驗課程中,實驗教學設計可簡分為數種層次,這些層次的實驗教學設計,在在都要考量人、事、地、物、時間與經費等因素,才能落實課程的執行(見圖二)。高中實驗課本所介紹的課程設計大都是按照步驟操作,並且希望可驗證課本知識的教學策略,此策略就類似「食譜式」教學。國內也有很少數的中學科學教師們會承擔了指導學生參加科展的任務,每年也只有很少數的學生有機會接受教師的專題研究個別指導,科展指導就是高中科學實驗課程中最高層次的教學策略了。回顧我國四十多年來的高中科學實驗教學設計,大多教師就以這兩種教學策略為主。 圖二:我國四十多年來的高中科學實驗教學設計,大多教師就以食譜式及科展指導的教學策略為主,在在都要考量人、事、地、物、時間與經費等因素,才能落實執行課程。 因應我國中小學科學教育中,採取探究式教學對於我國未來人才培育工作益發重要,科學教師想要落實探究與實作課程時,教師應因學生的個別差異來提供引導,建議採用下列的科學實驗課程的設計指標做為參考,可收事半功倍之效。依據實驗問題、步驟、答案的分項控制,控制「給予」或是「開放」,可將科學實驗課程的設計指標分為四層(見圖三),有文獻指出第壹層為結構式探究(structured inquiry),第貳層為引導式探究(guided inquiry),第參層是開放式探究(open inquiry)。探究式教學課程的入門設計可以從第壹層、第貳層開始,科展指導教學策略通常屬於第參層的教學策略。基於因材施教、有教無類的教育宗旨,教師進行實驗課程設計時,務必考量學生程度與教學時間,也可將實驗教學設計的四個層次加以活用,搭配到不同教學進度之中。 圖三:著手進行實驗課程的設計指標,務必考量學生程度與教學時間,也可將四個層次的實驗教學設計加以活用,搭配到不同教學進度之中。 n  科學探究課程設計有校外教學的範例嗎? 科學探究是否一定要搭配實作課程?實作課程的設計是否一定就要在實驗室呢?在此介紹「北一女中鄰近的購物資源」的校外教學設計(見圖四A、B、C),簡單說明科學探究實作的課程設計富有很大的彈性。目前北一女中高一跨班選修的化學科選修課,一學期為單位,每週2小時課程,上、下學期共開了4個班級,學期課程名稱為「科學探究課程與創意關卡設計」, 其中校外教學的課程已經執行到第六年,目前在這門課中安排2次的校外教學課,套用實驗課程的設計指標如表一所示,表格中提及的科學創意關卡設計在此不詳細介紹,就欣賞一些活動照片(見圖五A、B)。 表一:套用實驗課程的校外教學課設計指標 課程設計指標 問題 步驟 答案 評量方式 第一次校外教學 [給予] 實驗室內的各式各樣的用品與化學試劑是多少價錢? [給予] 提供教案與地圖,在六個路口範圍的18個商店裡,自由逛街。 [開放] 蒐集各式化學試劑、度量工具與各式瓶瓶罐罐價錢資料。 結束攝影活動的分組報告1分鐘。 下次上課播放,全班進行分享與交流。 第二次校外教學 [給予] 如果要進行自己的科學創意關卡設計,除了學校提供的各式回收物資之外,還需要找到什麼? […]

化學探究教學:融入綠色化學於化學探究課程設計(下)/ 周芳妃、張永佶、詹莉芬、陳祖望、繆慧娟、林依萱、王琳嘉、林采緹、鄭如芬

Wednesday , 11, May 2016 Comments Off on 化學探究教學:融入綠色化學於化學探究課程設計(下)/ 周芳妃、張永佶、詹莉芬、陳祖望、繆慧娟、林依萱、王琳嘉、林采緹、鄭如芬

化學探究教學:融入綠色化學於化學探究課程設計(下) 周芳妃1, *、張永佶1、詹莉芬1、陳祖望1、繆慧娟2, *、林依萱1、王琳嘉1、林采緹1、鄭如芬1 1臺北市立第一女子高級中學2工業技術研究院綠能與環境研究所1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *cmiao@itri.org.tw 〔承《化學探究教學:融入綠色化學於化學探究課程設計(上)》〕 n  科學探究課程設計如何落實綠色化學精神? 在北一女中高一跨班選修的化學科「科學探究課程與創意關卡設計」課程中,都是儘量使用正課回收留餘的化學試劑。另外,北一女化學科從民國99年起,首創在每年的校慶活動中也辦理「化學宅急便嘉年華」,接待來賓操做實驗關卡與闖關活動(見圖六)。每年接待人數也是都達到千人規模,因此,善用回收資源與化學試劑,以及落實「低毒」、「物盡」、「防廢」…等的綠色化學的原則,也都是辦理化學宅急便活動要事先考量的注意事項。綠色化學的原則也強調「保安」與「思危」,因此在實驗相關的課程設計中使用到化學試劑時,也要引導學生操作使用「化學品全球調合制度」(簡稱GHS)網頁,閱讀GHS網頁資料中的「危害物質危害數據資料」(見圖七)。     圖六:北一女中「化學宅急便」嘉年華的【綠色化學與永續能源】闖關活動。落實多項綠色化學的原則:防廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危。(詳見《臺灣化學教育》之報導,https://chemed.chemistry.org.tw/?p=5138)   圖七:使用「化學品全球調合制度」GHS網頁資料中的「危害物質危害數據資料」畫面(網站:http://ghs.osha.gov.tw/frontPage/index.html)。 經由國內多方力量的整合與推動國內的綠色化學教育,教育部也從民國104年起辦理「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」(見圖八),協助高中職的化工科與化學教師未來進行課程設計時,也能納入綠色化學的多項原則。研習活動成功引起國內教育界眾多迴響,再加上民國103年教育部首創的「綠色化學創意競賽」,教育部也就順勢設置了「綠色化學教育網」。 民國105年第二屆的綠色化學教育種子教師培訓課程研習營今年四月底時也圓滿落幕,研習課程中特別安排介紹了「綠色化學—探究與實作(I)、(II)」課程,也現場體驗一些探究與實作課程的進行方式。「綠色化學—探究與實作(I)、(II)」課程包含: 課程(I):彩幻珠實驗,校內實務授課時數為6~8小時。 課程(II):小綠綠晶體與藍印術,校內實務授課時數為6~8小時。 圖八:教育部自104年起,辦理「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」(詳見綠色化學教育網:http://chem.moe.edu.tw/green)。 圖九:105年第二屆「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」(詳見綠色化學教育網:http://chem.moe.edu.tw/green)。 上述的「綠色化學—探究與實作(I)、(II)」課程中,也設計了每人發放綠色化學實驗寶盒1套及一個24格–細胞培養皿(見圖十),綠色化學實驗寶盒使用一般PE材質餅乾盒做為外盒,可反複使用,也可做為小水盆,內裝一些滴瓶、塑膠小盒、PE材質小滴管,都可以反複使用,另外也放了一些玉米塑膠杯。玉米塑膠杯材質為聚乳酸(PLA),可在環境中分解,又稱環保塑膠。這三年來校內實驗教學與進行化學關卡服務的經驗發現,24格–細胞培養皿是非常耐用的器材,塑膠材質透明度非常高,容易清洗,而且即使在格子內操作製造氣體泡沫再點火燃燒的實驗,也不會發生損壞,而且安全度高,不會出現以往玻璃容器碎裂傷人的困擾。細胞培養皿中每格容量約2 mL,一個輕薄短小(手掌大小)的24格–細胞培養皿就可操作有24支小試管才可進行的實驗工作 (見圖十一) 。「綠色化學–探究與實做(I)、(II)」課程中,另外也利用養晶的廢棄溶液重新設計趣味實驗「藍印術」,結合文化與藝術素養,採用微量(1 mL)容器Eppendorf裝置,及低廉價錢的化學試劑進行探究的課程,涵蓋學習四大化學反應類型(酸鹼中和、氧化還原、光化學、配位化學、沉澱養晶)(見圖十二)。   圖十:「綠色化學—探究與實作」課程中的綠色化學實驗寶盒及24格–細胞培養皿。   圖十一:24格–細胞培養皿的應用,相當於操作有24支小試管才可進行的實驗工作。    圖十二:設計趣味實驗「藍印術」,結合文化與藝術素養,採用微量(1 mL)容器Eppendorf裝置,及低廉價錢的化學試劑進行探究的課程。 n  結語 民國99年起,北一女中的課程發展委員會決議依照當時課綱的安排,啟動了高一跨班選修課程,過了兩年之後,進而發展成特色課程。經過這六年來,北一女中化學科團隊設計的校內跨班選修課程,持續採用探究式教學的化學課程,也不斷發展出許多新的教案,透過課程滾動式執行與省思,由於教學相長,本校化學科團隊教學與課程設計的能力也更加精進,且化學科的選修課程在綠園中的學姐學妹口碑相傳,目前仍是許多學生的第一志願選課。近三年來,我們進一步將「探究式教學」及「綠色化學精神」融入教學設計,採用正課留餘的化學藥品以及家庭常見的安全物質做為實驗材料,大大降低執行教學活動的成本,在探究教學過程,學生不僅學會發現問題、找到影響事件的變因,學生更深刻體會永續生態的重要。目前我們也積極主動協助教育部探究課程與綠色化學教育的推廣,希望與國內熱愛科學教育的老師們一起努力,綠色化學教育更蓬勃發展。 n  師生心得和感想 在105年綠色化學教育種子教師培訓課程中,協助籌備並且擔任講師與小助教的北一女中師生的心得和感想,整理如下: 〔莉芬老師的格言〕 科學探究課程設計的精神:累積面對小挫折的態度,才有勇敢面對大挫折的勇氣。累積解決小問題的策略,才有勇敢解決大問題的能力。將科學的理論「學以致用」以解決問題。「心想」與「事成」之間執行力的培養。 〔阿佶老師的格言〕 綠色化學精神:減毒減廢減量,用行動愛地球。 感恩的話:感謝教育部,工研院繆慧娟研究員,還有高工職的化工學群中心工作人員及楊其煜主任,當然還要感謝花蓮美菊老師及所有演講者,及我們北一女中團隊阿妃老師,莉芬老師,祖望師,阿佶老師,還有四位準大學生的高三小綠綠,二天的研習帶給來自臺灣各縣市的高中職老師們,減毒減廢減量的創意實驗,順利圓滿成功。期待下一次相聚,感恩。 〔祖望老師的格言〕 傳承與創新精神:難得的機會讓來自全國各地的化學老師們聚在一起,綠色化學的推廣實在是需要大家一同努力。每位老師都有不同的創意和聯想,匯集起來就是一個了不起的計畫!同樣一個實驗,有的人想到如何行銷,有的人想到如何與家庭親情聯結,有的人想到如何跟國際接軌,真正是集思廣益,團結力量大! 愛地球格言:人類已經生產太多垃圾與汙染,保護地球需要大家一起來努力! 〔小助教依萱的心得〕 綠色化學理念:環保、節能、減量,這些概念在現今社會已是人人都能朗朗上口的概念,除了在日常生活中落實,究竟還有哪些方面可以努力的呢?令我十分意外的,竟然是化學。這次參加綠色化學種子教師研習營的我,事前分裝實驗器材的過程非常有趣,一個小小的餅乾盒內裝著小滴管、小瓶子等各種迷你版的實驗器材,藥品更是每人份都在1毫升上下,這麼少量做出來的結果卻和傳統實驗的效果不相上下,甚至多了攜帶方便的優點,也減少了大量藥品消耗和有毒物質使用的汙染,這真是值得大大推廣的綠色化學概念,身為一個學生的我,能一齊和來自全臺各地的老師們,了解綠色化學在生活、在教育、在產業的重要性與發展性,實屬難能可貴!很感謝北一女中化學科老師的邀請!也盼望老師們能多多舉辦類似活動,宣傳綠色化學理念! 〔小助教琳嘉的心得〕 交流與分享的快樂:這次綠色化學的實驗讓我深深體驗到減廢減量的重要性,並且瞭解利用原本多餘的廢液竟然也能做出另外一項有趣的實驗,它讓我開始思考平常有哪些東西是我們可以多節省的,又有什麼是我們可以重複再利用而非直接丟棄。參加這次的研習活動我也體悟到交流的影響力,除了能夠瞭解別人在做些什麼還能從中學習到新的知識與認知。這次研習的其中一位演講者許景翔科技公司總經理也說:「我從不害怕分享,反而認為分享能提高自己的能力。」我認為分享是很可貴的,因為分享,我們才有可能激盪出更亮麗的火焰,也因為分享,我們才能讓整個社會一起進步,造就雙贏的局面。參加這次綠色化學的活動,我不單單是學到了許多化學的新知,更體認到人生重要的道理,真的是獲益良多,也非常感謝為這個活動付出甚多的老師們以及工作人員們! 〔小助教采緹的心得〕 精彩課程回顧:這次被北一女中化學科老師邀請去幫忙綠色化學教育種子教師培訓課程,從事前的學習練習和器材分裝搬運,到4/21、4/22活動時的攝影助理任務,不乏疲累和埋怨,收穫卻是更多的。 在操作由北一女中主持的兩個實驗「七彩幻珠」和「藍印術」時,我從簡單的實驗步驟和原理中體驗到樂趣的取得不需要繁複的知識和設計,只需要一些創意和巧思。一個簡單的酸鹼中和搭配不同指示劑就能創造出無限的色彩,激發思考,使參與者們聯想到多元成家、尊重包容等。藍印術運用了草酸鐵鉀的感光性質,讓自己的創作能被印在浸了染液的濾紙上,結合藝術、養晶廢液和綠色化學。將此實驗指導給其他學生、老師操作,都能引起他們了解化學原理的興趣,甚至產生新發現。我和其他三位夥伴自行操作時便發現配置染料時加入原料的順序會大大影響藍印術的顯色效果。活動當天,也有老師意外發現蘇打粉能夠將濾紙上的藍色轉變成淺黃色,非常有趣。藉由動手實驗,我培養了追根究柢、自發探究的精神。 活動中的精彩演講也帶給我許多啟發。中國化學會趙奕姼秘書長在第一天的演講詳細的解釋「綠色化學原則與願景」給不懂綠色化學就傻傻地來幫忙的我。同日晚間,擁有豐富生態農業經驗的廖美菊老師娓娓道來眾多自身經歷,談真正健康而無毒的農業。最令我印象深刻的便是他在自己農場上觀察到的生態現象。「生命是不穩定而不斷在尋求動態平衡的系統」,廖老師語重心長地向聽眾們傳遞自然、不求最大營利、細膩了解生態系統的農業方法才能健康無毒、永續發展。第二天,研習活動邀請劉宏信教授和吳重霖廠長來分享他們在實驗室安全和廢液回收的專業,讓常常做實驗的我意識到做實驗前後的安全和廢液處理的重要性。下午,許景翔總經理為我們介紹urban […]

綠色化學創意競賽:序曲—替代實驗的開發 / 繆慧娟、周芳妃、詹莉芬、張永佶、佘瑞琳、謝幸娟、黃潔瑩

Sunday , 12, July 2015 Comments Off on 綠色化學創意競賽:序曲—替代實驗的開發 / 繆慧娟、周芳妃、詹莉芬、張永佶、佘瑞琳、謝幸娟、黃潔瑩

綠色化學創意競賽:序曲—替代實驗的開發 繆慧娟1, *、周芳妃2、詹莉芬2、張永佶2、佘瑞琳3、謝幸娟4、黃潔瑩4 1工業技術研究院綠能與環境研究所 2臺北市立第一女子高級中學 3國立臺灣大學化學系 4臺北市立松山高級商業家事職業學校 *cmiao@itri.org.tw n  緣起 2006年11月,工業技術研究院綠能所團隊承辦教育部環保小組(資科司環境及防災教育科前身)化學品資訊化管理計畫,針對大專校院實驗室購買藥品的方式以及高中職以下學校無專責人員管理的現況,設計了一套簡便又能符合法規要求的「教育部化學品管理系統」,透過網際網路提供給全國各級學校免費使用。經由國立陽明大學在環安人員林晏夙小姐的努力推動下,全校使用此系統至今已持續8年。 2009年9月,因應學術機構運作毒性化學物質(以下簡稱毒化物)管理辦法修正公告,學術機構之運作單位運作毒化物,應逐月填寫毒化物運作紀錄申報表,並經委員會審核後,由學術機構採用網路傳輸方式,向毒化物所在地之主管機關申報前一年毒化物運作紀錄申報表。因此「化學品管理系統」升級為「化學品管理與申報系統」(網址:http://chem.moe.edu.tw/),並於2011年與環保署毒化物申報系統整合,學校實驗室只要落實填寫每日的毒化物運作紀錄,系統會自動彙整成全校的申報資料,學校負責申報的人員只要確認資料內容點選申報,即可同步將申報資料傳至環保署完成申報。教育部化學品管理與申報系統,如圖1所示: 圖1:教育部化學品管理與申報系統網站首頁 2010年9月,高中以下學校運作毒化物,因藥品採購年代久遠或管理人力不足,欠缺申請登記備查資料或採購核可文件,造成藥品廢棄時因文件不足導致無法聲明廢棄;有時廢棄數量過少或缺乏處理經費等原因,也增加學校辦理廢棄物處理作業困難。在教育部的積極協調與各縣市教育局處協助下,目前使用列管毒化物的學校已由444校遞減為241校,減少了46%。 n  替代實驗 2012年1月,我們開始思考若從實驗的源頭設計不使用列管毒化物,不僅能降低學生接觸高危害性化學品的風險,也能避免學校因違法而受罰。於是教育部召開「高中職及國中小課程中使用危害物質之替代方案」第一次專家諮詢會議,會議中決議邀請北一女中周芳妃老師團隊協助進行高中化學實驗使用毒化物的替代實驗,研究施行方法步驟: 1.        研擬實驗流程 2.        進行實驗試作 3.        完成交互實驗 4.        撰寫實驗報告 5.        審查實驗報告 6.        進行實驗或修改 7.        完成實驗報告 8.        進行專家諮詢會議 9.        提供替代實驗報告給教育部參考 後續在北一女中周芳妃老師、詹莉芬老師、張永佶老師和王美琴小姐、台灣大學佘瑞琳老師團隊與松山工農王麗華老師、謝幸娟老師和黃潔瑩老師及其學生們的協助下,共計完成了14個替代實驗。替代實驗的研發團隊如圖2~3所示:   圖2:替代實驗的研發團隊 圖3:替代實驗的研發團隊 研發團隊開發十四個替代實驗的名稱及其具體成果如下: 1.        平衡常數與勒沙特列原理/替代列管毒化物:使用氯化亞鈷水溶液替代列管毒化物鉻酸鉀和二鉻酸鉀。 2.        化學電池/減量減廢:所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍,且此試劑可以保存重覆使用。 3.        鋅銅電池/減量減廢:所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍,且此試劑可以保存重覆使用。 4.        氧化還原之滴定/替代列管毒化物:使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 5.        含氯漂白水與鹽酸的不相容反應/認識實驗安全:以日常生活中市售商品設計實驗,學習認識含氯漂白水與鹽酸的不相容反應,並學習簡易消除毒性氯氣的方法。 6.        醇、醛、酮性質之探討/替代列管毒化物:使用低於24%的甲醛替代列管毒化物37%的甲醛。替代列管毒化物:使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 7.        簡單電解實驗/減量減廢:原使用試管試驗,現改用點滴實驗,實驗結果明顯且大幅降低藥品用量和廢污產量。替代列管毒化物:使用辛烷替代列管毒化物環己烷。認識實驗安全:使用塑膠針筒取代U型玻璃管,操作上較安全。 8.        […]

思源科學創意大賽Plus:北一女中「化學探究及創意設計」特色課程之一 /(上) 周芳妃、詹莉芬、張永佶

Thursday , 5, March 2015 Comments Off on 思源科學創意大賽Plus:北一女中「化學探究及創意設計」特色課程之一 /(上) 周芳妃、詹莉芬、張永佶

思源科學創意大賽Plus: 北一女中「化學探究及創意設計」特色課程之一(上) 周芳妃1, 2、詹莉芬1, 2, *、張永佶1, 2 1臺北市立第一女子高級中學 2教育部高中化學學科中心 *leefeng1126@gmail.com n  前言 有意義、有挑戰的科學活動,如何讓學生更有信心參加?由財團法人思源科技教育基金會自2002年起,每年舉辦的「科學統合競賽」,至2007年更名為「思源科學創意大賽」,到2014年則由財團法人交大思源基金會接手舉辦「思源科技創意大賽plus」,每年提供科學活動的舞台給全國的高中生,學生從建構人文故事、應用化學、物理等科學原理,經統整後設計關卡,到能夠以實作、同儕合作方式呈現,是一個具教育性、挑戰性的競賽,活動詳細資料可參考:財團法人交大思源基金會,http://www.spring.org.tw/。 北一女中一直以來都非常落實「選修課程」,這五年在高一化學選修課程中開設過「化腐朽學神奇」、「造化弄人」及「出神入化」等課程。因應十二年國教的教育制度改革,本學期的高一「出神入化—化學探究及創意設計」特色課程繼續延伸之前的選修課程精神,以增進學生對科學的熱忱與探究能力、落實學生動手實作學習,培養學生能成為有科學指導能力關主等目標出發。「出神入化—化學探究及創意設計」課程主要有:認識科學活動與準備方向、Color Chem、奈米新鲜識探究課程、生活中或考題中的化學、奈米科技與分子自組裝、化學實驗能力競賽培訓、創意化學實驗關卡設計等系列課程,本校化學課程還結合國家科技部專案的研發教案設計,或本校獲獎教案,具有連貫性、循序漸進,從認識科學到興趣啟發,從探究動手實作到以「創意化學實驗關卡設計」為綜合應用展現,課程內容簡介可參考:北一女中高一特色課程,「出神入化—化學探究及創意設計/科學探究班群 課程簡介」,見圖1。 圖1:北一女中高一「出神入化—化學探究及創意設計」特色課程簡介 影片來源:103出神入化,https://www.youtube.com/watch?v=nMFpU3PLn_I&t=24。 n  創意化學實驗關卡設計 經過五年來課程的實施與修正,使北一女中高一「出神入化—化學探究及創意設計」的特色選修課程更臻成熟,以103學年度的高一「出神入化」特色選修之「創意化學實驗關卡設計」課程為例,介紹本校課程實施的方式與經驗分享。 l   課程名稱:「創意化學實驗關卡設計」。 l   課程精神:跨科學習、統整科學能力、解決問題策略。 l   課程時間:安排在下學期,學生經過上學期各種科學能力的養成訓練後,才進入本課程,時間安排為七週,每週2小時,但配合學校各種活動,並非連續七週。 n  核心目標、教學方法與活動流程 一、  介紹微型實驗/第一週/04/30 A.      核心目標 ·           學生能認識綠色化學實驗的減毒、減廢、減量原則。 ·           學生將先備知識應用,並能小組分享閱讀資料。 ·           學生能認識國內專業期刊。 B.       教學活動流程 1.        教師介紹國內有關[微型實驗]的設計概念與原理,並寄發「微型實驗」參考文獻電子檔資料(組長為收件人)。 2.        學生能認識國內專業期刊資料並學習搜尋方式。 3.        教師授課解釋綠色化學的十二項原則,並能將綠色化學實驗的減毒、減廢、減量原則融入創意化學關卡設計。 4.        學生將先備知識應用,並進行分組閱讀:[微型實驗]期刊資料。 5.        學生分組討論關卡設計,教師指導學生所設計之關卡可行性。 6.        教師提醒:交通大學辦理全新的「思源科學創意大賽plus」將於5月19日報名截止,2014年的主題是「Surpise」,http://exam.nctu.edu.tw/spring/。 C.      學習單摘要(A4一張) […]