翻轉化學教室之路徑與永續發展 李賢哲 國立屏東大學應用化學系 sjlee@mail.nptu.edu.tw 很高興能與大家一起分享這一期的科學教育新知，本短文敘述內容包含三篇當代關於化學教學與研究的文章，前兩篇是從2017年化學教育期刊節錄下來，第一篇是為發展化學翻轉教室，以光板取代白板作為課堂授課內容主要演示的媒介；第二篇利用YouTube頻道，以特定網路媒體的方式，提供普通化學網路教學之所需；第三篇介紹人類永續經營的研究部分，尤其是以二氧化碳轉化為燃料甲醇或其他醇類之相關研究，簡要內容分別敘述如下: 第一篇文章：Adopting lightboard for a chemistry flipped classroom to improve technology-enhanced videos for better learner engagement 目前存在的翻轉教室，主要有兩種方式進行:1使用白板；2在投影屏幕上以Power Point(PPt) 進行講述，但此兩種方法都有缺點。前者之講述者往往會以身體擋住屏幕的內容，同時這兩種講述方法都缺乏了觀眾(學生)及講述者之間的互動交流，且其PPt製作過程或需要較長時間之投入等，這些原因逐漸成為教育工作者運用翻轉教室的阻礙。在這篇文章當中，作者分享使用了電子光板的動機及經驗，主要運用一個透明的玻璃板進行課程演示與拍攝，如圖一，同時解決了上述的問題，而這如何增加授課教師與同學互動之想法，首由美國西北大學Michael Peshkin教授提出，運用這透明光板實地或錄製課程，可提供藉由與講員更完整的視覺聯繫，幫助教育學者達到教學目標，並期能引發化學學習者進行更有效之學習。 圖一:作者使用透明光板教學之錄影圖像(取自參考文獻一)   第二篇文章:Customized videos on a YouTube channel: A beyond the classroom teaching and learning platform for general chemistry courses 線上教學課程最重要的元素之一應非教學影片莫屬；在這篇研究報告中，作者因教授普通化學所需，特別量身訂做YouTube頻道網域，錄製相當數量的影音資料並上載內容，作為教學材料提供修課同學進行線上閱讀與自行修習探索，藉此替代傳統化學課程面對面的討論。這些教學影音資料，學生可利用iPad於專門針對該課程的YouTube頻道無線上網瀏覽觀看，對修課學生而言預算不會太高而且互動性良好，學生也可依自己行程規劃暫停於某章節內容或重複閱覽特定章節內容影片；如此一來，作者運用線上影音資料教學，提供學生全天候的教學/學習和自學的機會；並透過YouTube和學習管理系統，能對線上的學習紀錄進行資料分析。例如圖二即彙整了學生上網學習之次數與學期期末成績表現之關係呈現正相關，而更進一步分析得到以下之結論： 1.      學生之學習活動於整學期間持續進行。 2.      在期末考試前有日夜不斷的學習活動。 3.      YouTube學習與傳統面對面討論之學習方式，兩者學生在期末考平均成績相當。 4.      在準備相關競爭性考試和/或修習進階課程時，學生仍會持續閱覽複習相關影音資料內容。 圖二:教學管理系統呈現學生(N=38)期末成績與閱讀次數(取自參考文獻二)   […]

戴維與電化學 洪振方*、刁彭成 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所*t1873@nknu.edu.tw       電化學的歷史是從18世紀和19世紀之交伽伐尼（Luigi Galvani, 1737-1798）發現電和伏打（Alessandro Volta, 1745-1827）發明電池開始的。18世紀末，義大利波隆那大學解剖學教授伽伐尼在解剖青蛙時，發現了把解剖後的青蛙用兩種金屬與它接觸，只見蛙腿收縮了一下，伽伐尼認為動物體內有一種動物電，它會促使神經肌肉運動。伽伐尼的實驗給義大利物理學家伏打以重大啟示，重複並研究伽伐尼的實驗，伏打認為這不是動物電，而是物理電現象，蛙腿僅僅起到驗電器的作用，它的收縮表明回路中有電流通過。伏打認為，換一個別的東西代替蛙腿，應當也會產生電流。他把兩種金屬（例如鋅）相互接觸，中間夾上用鹽水浸透的吸墨紙，無需蛙腿也會產生電流。伏打在重覆和檢驗伽伐尼的發現中製成了能夠產生電流的電池。但伏打卻從來沒有去注意在電池放電的時候有什麼化學過程伴隨著發生了，而英國的科學家立即用這種新裝置來研究電引起的化學反應。 圖1：Luigi Galvani（賈法尼） （圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani）       圖2：Alessandro Volta（伏打） （圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta） n  用伏打電池做電解水實驗 1800年伏打發明了電池，就在這一年，英國的兩位科學家尼科爾森（William Nicholson, 1753-1815）和卡里斯爾（Anthony Carlisle, 1768-1840）將伏打電池的兩極通入水中，使水中通過了電流，出現了奇特的現象，水被分解成氫氣和氧氣兩種氣體，且分別出現在兩個電極上。電解水實驗很快就傳到了世界各地的實驗室，科學家深受這個實驗的鼓舞和啟發。隨著研究的深入，科學家們發現在電解水的同時，在陽極附近的水中總有酸性物質產生；在陰極附近總有鹼性物質產生。英國化學家戴維（Humphry Davy，1778-1829）認為水是由氫和氧合成的，水分解的產物也只能是氫和氧，電解過程中產生出來酸和鹼可能是由於水的不純。於是他以蒸餾水來做試驗，並事先用氫氣趕盡水中的空氣，果然消除了這種現象。在尼科爾森和卡里斯爾電解水的實驗公布以後的六年之內，並無一位化學家注意到上述問題，恰恰是戴維解釋了這一疑難。   圖3：Humphry Davy（戴維） （圖片取自：https://en.wikipedia.org/wiki/Humphry_Davy） 既然水可以被電解，那麼其他物質通電同樣會被分解嗎？戴維認為這是一個值得研究的課題，於是他集中精力開始了實驗。戴維提出利用電解作為一種化學分析的方法，還討論了電解時溶液中物質的傳輸問題。他以硫酸鉀進行試驗，在浸入陰極的試管中放入硫酸鉀溶液和薑黃指出劑；在插入陽極的試管中則放蒸餾水及石蕊指示劑，兩試管中的液體用石棉纖維接通。當通電後，在插入陽極的試管中出現了硫酸，顯然它是由陰極附近的硫酸鉀解離後，經過石棉纖維游動過來，這表示陽極有吸引硫酸的作用。後來，他又用類似的實驗，證明陰極有吸引鉀鹼的作用。戴維證明了電解過程中，物質是在傳輸的。 n  戴維從伏打電池的原理中找到了捕捉元素的新方法 1807年，戴維用250對金屬板製成了當時最大的伏打電池，以便產生強大的電流。起初，他用碳酸鉀的飽和溶液進行電解，結果在電池兩極分別得到氧氣和氫氣。這和電解水的結果一樣，戴維認為是水溶液中的水存在的緣故。因此，他決定排除水的干擾。隨後他改用熔融的碳酸鉀，在密閉的容器中通電，熔融的碳酸鉀發生明顯變化，並有固體小顆粒產生。戴維把這種金屬顆粒投入水中，開始時它在水面上急速轉動，發出嘶嘶的聲音，然後燃燒放出淡紫色的火焰。他確認自己發現了一種新的金屬元素，將它命名為「鉀」。第二年，他又用電解的方法製得了金屬鈉、鎂、鈣、鍶、鋇和非金屬元素硼和硅，戴維成為化學史上發現元素最多的人。   n  用電解法發現酸的氧元素說的錯誤 在研究用電解的方法從碳酸鉀、碳酸鈉和碱中離析出這些化學元素的過程中，戴維又遇到了另一個疑難的問題，他發現鹼乃是一種氧化物，但是如果要把酸說成是含有氧，又使他感到困惑不解，因為當時人們根據拉瓦錫的觀點，所有酸中都含有氧。戴維在研究碲的化學性質時發現碲化氫是一種酸，但是它並不含有氧，使他開始懷疑起氧是否存在於所有的酸中。為了找到更多的證據，1810年，戴維便開始研究起鹽酸(HCl)。按照拉瓦錫的觀點，鹽酸中應該含有氧，因此，氯不是一種元素而是氧化物。然而，當時的化學家們想了很多辦法也沒有從鹽酸或氯氣中找到氧。 剛剛用電解方法發現了多種元素的戴維決心挑戰這一難題。通過一系列精心設計的實驗，戴維始終無法從氯氣或鹽酸中分離出氧，於是他確認氯是一種元素，並將這種元素命名為「氯」。由此，戴維認為酸中都含有氧這個觀點是錯誤的，比如鹽酸中就不含氧，氫才是一切酸類不可缺少的要素。經過一段時間的檢驗，人們接受了戴維的觀點，酸的氫元素說取代了錯誤的酸的氧元素說。從此，人們對酸的本質有了更為正確的認識。 n  戴維創立了氧化還原反應—電解法 在戴維之前，人們雖然已經知道有鉀、鈉等元素的存在，但是由於這些元素十分活潑，在化合物中結合得十分牢固，通常的化學方法，無法使它們離析出來。然而，戴維卻能以敏銳的眼光，看出伏打電池在能源之外的用途，它還是強有力的氧化—還原工具，他創立了化學上最強大的氧化還原反應—電解法，一切活潑的金屬或非金屬都可以用這個方法，把它們從化合物中析離出來。   參考資料 1. 洪振方 (2000)。近代科學的進展。台北：台灣書局。 2. 趙匡華 (1992)。化學通史。新竹：凡異出版社。 3. 胡作玄譯 (2003)。化學簡史。原作者J.R.柏廷頓(James […]

大型印台和銅板電化學蝕刻製作 廖旭茂 台中市立大甲高中 nacl880626@hotmail.com n  影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供。 影片網址：https://youtu.be/550XCWugER8, YouTube. n  簡介 利用電解蝕刻法(Electrolytic Etching)，在外通直流電下，讓不易氧化的金屬或合金在電解質溶液中被電解氧化成離子，進而使金屬表面出現具有凹凸對比的立體圖案。目前也有幾種微型的電解蝕刻教具，應用在中學的教學上，而廣受歡迎[1][2]。 「所有的IDEA都是來自需求」，筆者任教的學校去年完成了一座大型的戶外裝置藝術_搖滾巴克球2.0，為了在不鏽鋼底座烙印紀念logo字樣，原打算使用金屬雷射來雕刻，惟量體過大，特殊加工價格過高，遂打消了原有的方案。後來想到電解蝕刻法，原有的可攜式的微型蝕刻工具顯然派不上用場，於是開始著手大型蝕刻印台的開發，歷經數月才完成。下圖1和圖2為搖滾巴克球外觀與logo蝕刻過程。 圖1 搖滾巴克球裝置藝術外觀 圖2 電化學蝕刻過程 大型的電解蝕刻，除可在銅或合金上進行藝術創作外，亦可設計為特色選修課程教學活動。學生可以事先以奇異筆在金屬板材勾勒出線條，再繪製圖案；或透過雷射印表機將選定的圖案印到光面紙上(如貼紙用的離型紙)，以電熨斗熱轉印到金屬板上；亦可以先設計好的文字或圖案的數位檔，利用割字機輸出卡典西得膠膜。最後將此金屬板置於沾濕電解液的不織布下，通入直流電，大型印台的導電平台與電源負極連接，未被碳粉或奇異筆墨遮蓋的部分(卡典西得上鏤空的部分 )與直流電正極連接，鏤空部分隨即被氧化侵蝕凹陷，被遮蓋的部分，則維持不反應；電解蝕刻結束再將碳粉或筆墨清洗乾淨，完成蝕刻活動。 n  藥品與器材 本實驗所需相關材料，如圖三所示。 1.          雷射切割機 2.          電鑽平台含3.3 mm鈷鋼鑽頭(不鏽鋼板導孔用) 3.          螺絲攻含4 mm 鑽頭 4.          8 mm壓克力板 5.          矽利康膠 6.          Φ=4 mm (長16 mm)不鏽鋼圓頭螺絲及螺母 7.          雙頭鱷魚夾電源線紅黑各一條 8.          厚2 mm，長10 cm×寬10 cm正方形不鏽鋼板（或黃銅板）一塊 9.          砂紙（400#）一張 10.      壓克力膠一罐 11.      A4離型紙(熱轉印用)一張 […]

武陵高中多元選修課程模組：彩色化學篇 張明娟 國立武陵高級中學 教育部高中化學學科中心 bcat1764@gmail.com 前言 天下雜誌2010年調查1：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」，近四成學生「都沒做過」科學實驗，顯示台灣科學教育實作太少。身為化學教師的我，一直引以為戒；然而化學是一門實驗科學，做中學學中做，因應新課綱發展多元選修課中，因為是放在高一試跑的一門選修課，如何讓學生有興趣，且老師在原有的課程中不會有太大的負擔，實驗原理以簡單國中曾經學過的出發，重點放在實驗技能的訓練，引發學生學習興趣；然而高一學生化學背景較少，在國中階段大多從未做過實驗，筆者調查過學生中，8成以上都是黑板實驗，因此這門選修課除了實作外，評量部分該如何進行也是這門課的重點。學生大多喜歡以競賽的方式獲得成就感，因此筆者從學科中心的化學闖關中－競賽評分標準中，發展出屬於這門選修課的評分方式(佔70%)，再加上學習單的完成(30%)。此選修課一學期2學分，選修人數上限24人，便於分組，以三次段考為區分，有三個課程模組，筆者發展的課程模組主要是以彩色化學為主題，藉由顏色繽紛引發學生興趣，分別是｢彩色化學之我最精密｣與｢彩色化學之我最準確｣。   課程模組一：｢彩色化學之我最精密｣ 2012 年由化學學科中心辦理的高中生「化學創意實驗闖關比賽」2中，其初賽題目(二)：我最精密。原實驗說明如下：參與者自行配製不同密度的食鹽水並自行添加不同顏色(水彩)，將不同顏色的食鹽水倒入量筒中，利用食鹽水密度不同，使溶液分層，每個分層至少需 1.5 公分，顏色分層須清楚。筆者在帶學生參與比賽過程中，發現學生必須使用較大量的廣告顏料或水彩，而造成汙染(因顏料內含重金屬)。為了符合綠色化學精神，此課程模組把紫色高麗菜作為顏色的來源，並導入酸鹼指示劑的概念。這個模組操作時間為3週共6節課，其內容分別敘述如下： 第一週： 分組：先花約20分鐘分組，因為選修的學生來自各班，可以將鄰近班級的學生分成同一組，讓彼此方便於課後討論聯絡，選出組長並留下各組組長的聯絡方式，便於老師通知學生。再花約30分鐘介紹進實驗室的安全流程，因為學生來源是高一，大多未進過實驗室，利用這段時間介紹實驗室注意事項與實驗室安全守則，也把實驗室環境介紹，器材的擺設位置，接下來說明此次實驗會使用到的實驗器材及使用方式(圖1)。   圖1：實際上課使用的PPT 第二節課給學生實驗流程，讓學生分組討論後自行拿取實驗器材與實驗藥品，公共藥品區放置0.2 M氫氧化鈉2 L、0.2 M鹽酸2 L溶液與一顆紫色高麗菜，其實驗流程如下： 實驗流程 1.      自製酸鹼指示劑(紫色高麗菜汁) 將紫色高麗菜約50克剪碎後以熱蒸餾水50 mL浸泡約5分鐘，過濾後冷卻至室溫備用。 2.      酸鹼稀釋 使用安全吸球與吸量管吸取10mL的0.2 M鹽酸或氫氧化鈉水溶液置於100 mL容量瓶中，加蒸餾水稀釋至標線處，即為0.02 M鹽酸或氫氧化鈉水溶液。 3.      指示劑變色範圍 (1) 在1號試管內加入5 mL的0.2 M鹽酸水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液 (2) 在2號試管內加入5 mL的0.02 M鹽酸水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液 (3) 在3號試管內加入5 mL的蒸餾水與5mL紫色高麗菜汁溶液 (4) 在4號試管內加入5 mL的0.02 M氫氧化鈉水溶液與5 mL紫色高麗菜汁溶液 (5) 在5號試管內加入5 […]