第二十五期主編的話 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@ntnu.edu.tw 十二年國民基本教育在以素養導向為訴求的前提下，在自然科學領域將特別著重各學科的核心概念、跨科概念、探究能力、以及科學本質和科學態度的培養，藉此除回歸對科學理論發展歷程的認識與對科學實驗與理論之間其關係的重視，同時也藉此機會發展學生的思考知能與探究推理與實踐的能力。既然稱之為國民基本教育，即盼望透過課程理念、規劃與落實，整體提升國民的科學素養，能認知科學領域的奧秘、知識發展的進程、或是認識社會科學性議題、解釋科學現象、辨識真偽科學、解決或探索與生活相關的問題，以回應總綱追求「自動」、「互動」、「共好」的課程理念與自然界永續發展的願景。 個人看此次課程改革認為其特色有三：一是確認自然領域內各學科核心概念的重要性與重視自然領域內（跨學科）核心概念的橫向連結；二是各領域間核心能力的相互呼應與拓展，使學習具有遷移性、統整性與普適性；三是強調探究的過程與結果的檢驗與詮釋，使科學知識、科學技能、科學態度、知行合一得以落實，並在這過程中發展出學生對科學探索與尋求真理的興趣，養成終身學習的態度，其中尤其是強調學科間的統整和探究與實作能力的培養。這樣的改變對教師的衝擊不可不謂之大矣，試想職前師資的培育課程中對於新課綱所能提供的課程是否反映新課綱的理念？而在職教師對新課綱的認識與能力的培養又有多少？觀望的教師與學校從北到南，從西到東，為數自不在話下，因此看似將有曲高和寡的可能，但是教育從業人員應該要有改變的勇氣與智慧，當大學考科從五科改為四科時、當大部分的學生都可以進入高等教育學習時，我們究竟還在堅持什麼呢？課程的發展與改變就是要建立一個新的願景，面對時代的變化、社會變動的需求、資訊迅速的成長，不需要在課程改革上對學校教學氛圍與學習方式進行改變嗎？在人才培育方針與策略上不需要做必要的調整嗎？！我想無庸置疑地，在全世界都在談全球競爭力的同時，我們無法置身事外，因此課程改革的重點勢必要能展現在現場教學中，而現場教學就必須靠有心有理想的教師來體現這些理念，透過課程改革改變學校教學氛圍與學習方式。既然如此，教師（包括職前與在職）的增權賦能就是課程改革是否能成功的要素之一，相關配套措施也應列為考量，如建立有系統的教師專業成長制度、落實教師評鑑辦法、建立教師輪調制度（如每五年輪調學校任教）以活化學校生態等等，這是教育主管單位應該思考的方向。 一般談到實驗活動時，許多教師直覺的會認為實驗就一定要在實驗室進行，無疑地，傳統上，實驗室就是進行實驗的場域，顧及藥品與器材的擺放、實驗進行時實驗桌要能防酸鹼液、自來水和加熱器的使用等等，要在設備較為齊全與環境較為寬敞與安全的地方進行，但是隨著綠色化學的時代到來，減量實驗漸受重視，同時許多危險性的實驗漸漸退出學校教學，與生活相關的科學活動的引介，使得在教室進行實驗的可能性增加。若探究與實作和跨科概念的教與學將成為新課程的重點，在未來有關實驗活動的推動上，除加強學生動手做實驗與探究能力以外，利用簡易實驗器材和創新實驗活動的設計，使學生能在教室內進行實驗，教師可以在教學時可以將實驗與課本的內容更密切的結合，入班實驗的活動設計勢必也是一個趨勢。 本期專題為「化學教室活動」，由楊水平教授擔任專題主編，特邀集十多位作者以能在教室內進行的實驗為主題，撰寫適合中小學在課室中進行的實驗活動，包含微型實驗（許之音；連經憶）、元素和分子的學習（顧展兆；吉佛慈）、螢光和磷光與自然現象的探討（胡潔曦和胡景瀚）、廚房化學（郭益銘和鄭惠華）、趣味化學（陳皇州）、類比教學（鐘建坪）、到科技的使用（馮松林和陳映辛）、以及自製儀器和設備（陳秀荷、劉奇愛和楊水平；李錡峰和楊水平等）。 本期常態性文章有施建輝的高中化學教學疑難問題與解題內容著重在四氨銅離子混成軌域四氨銅離子（六配位而非四配位）的解析並佐以實驗說明，再從分子軌域對碘晶體在不同狀態與不同溶劑中會呈現不同顏色的理由加以說明。溫方旎、李啟讓和洪振方的《歡迎來到境中世界》，利用偏振現象來研究掌性物質的偏光性，文末並加入貝吉里斯以實驗證實謝勒發現的是不同結構的乳酸，也算科學史中的一段佳話。葉瀚陽、張自立和辛懷梓一文介紹以針筒進行國中小學二氧化碳製備的實驗，儀器簡單易操作，符合綠色化學減量與安全的概念。中壢高中張函郁和黎渝秀兩位老師的趣味雞蛋實驗（奈米雞蛋與滲透雞蛋），說明(1)滲透壓的不同；(2)燻黑的雞蛋殼表面即為奈米級碳粒；(3)奈米雞蛋的疏水表面與水形成一層的細微空氣薄膜使光線反射和折射角度不同而產生銀白色；(4)同一觀察時間下，燻黑的雞蛋使澄清石灰水變成混濁度不及白殼的雞蛋。這實驗還可延伸到跨科學習，對未來校內多元課程提供很好的基礎。 本期專題各篇文章的教室教學與實驗活動，以及常態性文章各作者亦提出具體可行的教學方案，可以提供有興趣改變教室教學的教師另類的思考與教學策略。最後，每兩年舉辦一次的IUPAC國際化學教育研討會即將於七月在雪梨大學舉行，會中將有來自歐、美、非洲和亞洲、大洋洲的專家學者與教師參與，歡迎有興趣了解化學教育研究與實務的化學教育工作者共襄盛舉。其他的在美國、義大利和台灣等地舉辦的重要化學研討會可參見林靜雯的詳細報導。

化學教室活動： 透過波卡教學法學習烷類有機分子 吉佛慈 國立臺灣師範大學附屬高級中學 focusjyi@gmail.com n  前言 化學對人類生活的影響與貢獻無所不在。隨著人類物質文明發展與科技日新月異，石化工業（石油化學工業）產品已不僅僅滿足人類食、衣、住、行、育、樂基本需求，更創造出許多兼具潮流性與機能性的名牌精品符合不同消費者的胃口。就連資訊、電子、汽車等產業所生產的各種精密產品，也大約有60～70％來自石化工業。要認識石化工業產品，首先應從石油8000多種成分中的主要成分—烷類有機物—認識起。 本活動教案是針對高中選修化學課程中的分子結構有機化學單元學習內容，串聯上冊的分子結構單元與下冊的有機物結構單元。活動設計旨在以波卡教學法（POECA, 即為Prediction – Observation – Explanation – Comparison – Application的縮寫）為教學策略，以串珠分子為活動媒介，貫穿預測、觀察、解釋、比較、應用等五個關卡活動。活動目的是引導學生藉由動手製作串珠分子的珠串零件，以隨機扣接珠串的方式，連結生活中常見化學分子的微觀立體結構。一方面使學生在深入且具體了解電子對互斥的結構之後，能夠運用所組的結構對有機分子特有性質進行解釋，並進一步對分子異構物的結構與特性進行說明；另一方面則使學生在活動過程中同時體會到串珠世界的分子藝術（Art）之美，達到跨領域教學（從STEM到STEAM）設計之目標。 n  原理和概念 一、波卡教學法（POECA） 在White & Gunstone（1992）的Probing Understanding一書中提出POE（Prediction – Observation – Explanation，即預測‒觀察‒解釋）策略，對中小學教育的基礎概念提供一個有效的評量方法（White & Gunstone, 1992; Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik，2001）。教師於課前依據課程目標設計不同的情境問題，提供學生於課室中以分組合作學習方式配合動手操作的活動，依序透過實驗結果的預測‒觀察‒解釋等三階段，建構出屬於學生自己的概念、知識或能力。 邱美虹等人（2005）則以原有的POE策略為基礎，提出POEC（Prediction ‒ Observation ‒ Explanation ‒ Comparison，預測‒觀察‒解釋‒比較）教學模式的實驗活動與評量。強調學生除了針對待解問題進行預測‒觀察‒解釋的三步驟外，還需將第二步驟觀察到的現象與第一步驟預測的內容進行比較（Comparison），且此一原則也呼應原創者White & Gunstone（1992）在POE教學策略所提出的「對具爭議的觀察結果進行討論將使學習更有價值」之看法（邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜，2005；鍾曉蘭，2014；謝秉桓，2014）。 身為第一線的高中化學教師，筆者曾嘗試運用POEC教學策略於課堂活動之中，但每每於課程結束時總覺得意猶未盡，似乎還不足以激起部分數理傾向濃厚的學生追求更高層次挑戰的慾望。因此便在POEC之後加入應用（Application）階段，學生在面對此階段的挑戰題時不須再由預測階段重新開始，而是直接將POEC四階段所建立的知識能力與操作技巧應用於複雜度提高的類似情境之中，如此便形成了「波卡（POECA）教學法」，並由筆者設計出「教學用波卡，學化學不卡」之教學口號。 二、氣球分子（Balloon Molecules） 國中階段教科書所介紹的有機化合物—甲烷投影式結構，常讓學生誤以為是碳原子在平面的正中心，四個氫原子分踞四個頂點的平面正方形結構。高中教師為了介紹甲烷或其他分子的立體結構，過去嘗試使用的方式是(1)利用球和棍教具箱的原子和鍵元件，製作球棍模型；(2)利用保麗龍球，表示各個原子並黏合起來；(3)利用大小相近的氣球，代表電子對並打結處纏繞在一起；以及(4)展示立體分子拍照所得的圖片或是網路資料照片等。照相圖片的呈現只能讓學生發揮立體想像，初學者很難立體想像；保麗龍球可以清楚看到電子對排斥情況，但是彼此只靠切點黏合較不堅固，且在課堂中讓學生傳遞觀察後容易解體或是使用後不易找到空間收納；球和棍教具箱的價格很貴，且一盒教具能夠同時組裝出的分子數目非常有限，雖然球棍分子具有正確呈現分子結構和化學鍵角度的優點，但是一方面數量無法普及讓每位學生動手組裝，使得效果受限，此外因每顆原子上面已事先打好可連結化學鍵的孔洞，如：黑色的碳原子有分散的四個孔洞、藍色的氮原子有不太對稱的三個孔洞、紅色的氧原子有兩個孔洞、白色的氫原子只有一個孔洞等等，無法讓學生經由操作而理解各原子孔洞數差異及何以孔洞間的相對位置不同。 影響分子結構和形狀的因素除了藉由共價鍵與原子核的庫倫吸引力外，電子對之間的排斥力也具有極大的影響力。以吹氣打結後的氣球彼此纏繞來表示電子對的互斥結構已行之有年，雖然氣球具有容易消氣、不易保存、容易爆破和體積大小不易相同等缺點，且網路上許多示範影片多以氣球呈現具單一中心原子的分子立體架構，如圖一所示。然而，氣球仍具有價格低廉、可消氣重複使用、體積可大可小、色彩繽紛、全體學生皆可體驗等優點。    圖一：網站上以氣球模擬VSEPR結構（左）；筆者以氣球模擬VSEPR分子結構（右） 三、有機分子結構App 有機分子結構撲克牌是一個是結合擴增實境與虛擬實境的撲克牌，內容包含高中化學課程中有關烴類（第一套）、醇類、醚類、醛類、酮類（第二套）及酸類、酯類、胺類、醯胺類（第三套）的常見分子。使用時只要從撲克牌上的QR […]

化學教室活動：感温貼片DIY—膽固醇型液晶的製備 連經憶 國立嘉義大學應用化學系*kelly@mail.ncyu.edu.tw n  前言 一、符合教室活動的實驗條件 「在教室裡進行化學實驗」，聽起來不太可能哦，做過實驗的學生都知道，化學與物理實驗不同，化學實驗常用到溶劑和化學藥品，操作時一定要小心，避免化學藥品噴濺，實驗後的器皿清洗更不可馬虎，以免影響下次實驗結果，因此一般認為化學實驗要在特定的實驗室，有耐酸鹼、抗腐蝕的實驗桌才能進行，實驗桌旁邊就有水槽，萬一發生意外才能及時應變。如果有足夠的空間且經費充裕，化學實驗當然最好在有專業設備的化學實驗室中進行，但往往囿於現實，在設備不完善的情況下，教師們仍需努力尋求合適的教材，克服困難，讓學生在教室中也能做實驗。 除了示範實驗之外，教師可以在教室演示，如果學生也能在教室內動手操作，實驗教學場域得以延伸，增加學生由「做中學」的機會。化學實驗因受到危險的限制，要讓學生能在教室中操作實驗，需以「在實驗室中操作的實驗」為基礎，加以改進，能在教室中操作的實驗需符合以下的條件。 l  使用到實驗器材種類及數目不要太多，或太過複雜，因教室課桌椅桌面較小，如能將器材微小化，進行微型實驗更佳。 l  實驗時所選用的藥品需特別注意劑型、用量、及安全性，儘量避免使用強酸、強鹼、及強氧化還原劑等；避免使用大量的液體，如果可能，以固態的試劑取代，以免因桌面空間小，造成翻倒、潑濺的意外。所使用的試劑量越少越好，以免產生大量的廢液，同時也較符合綠色化學的操作原則。 l  儘量選用不需要加熱的實驗，如需加熱，加熱時間不宜太長，而且宜使用沒有明火的加熱器材如電磁加熱攪拌器、電磁爐或熱風吹風機。 l  儘量避免採用會產生大量氣體、熱、或發出氣味的實驗，因教學場所並無抽氣櫃等設備，如果教室內空氣不流通，即便是芳香的氣味，當濃度達一定程度以上，對某些學生而言也可能成為難聞的味道，造成不必要的危害。 l  實驗操作步驟不宜太過繁雜，這樣才能避免上述的情況，有利於實驗教學之推廣。 二、簡介膽固醇型液晶的製備 利用膽固醇的衍生物製備液晶是由美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心（UW Materials Research Science and Engineering Center Interdisciplinary Education Group; UW MRSEC IEG），依據Brown和Wolken在1979年出版的書1，及Elser和Ennulat在1976年發表的文献2所開發出的實驗，加熱分子結構與膽固醇類似的衍生物，混合均勻後降温，形成液晶的狀態3,4，所用的藥品皆為固體，加熱時間短，隨著温度的改變又有豐富的顏色變化，做好的液晶材料可以做成簡易的感温貼片，測量體温的高低，如實驗硬體未臻完善，這個實驗是非常適合用來做為教室中的演示活動。 膽固醇型液晶之製備適用的範圍十分廣泛，從小學高年級學生，到大學一年級學生皆可操作，只需依年齡和時間調整原理解說的深淺，及動手操作的層次，如時間有限，學生年齡層徧低，可以事先製備好液晶材料，學生直接取膽固醇型液晶做成感温貼片。對於國中以上的學生，可以讓参與者自行混合、加熱及製備液晶材料；如参加人員為高中和大學生，可以在講解時加入鏡像異構物的概念，介紹對掌性（chiral）化合物及其性質，因所用的膽固醇衍生物具有掌性中心（chiral center），是具有對掌性的化合物。對於不具備化學實驗經驗的初學者而言，這個實驗可以作為入門的體驗實驗，操作過程中學生可以認識實驗器材、學習器材正確的使用方法、學會如何用酒精燈加熱、觀察、及建立實驗誤差的概念。 與一般教學用化學實驗所需的試劑相比，膽固醇衍生物的價格較高，但經修改後降低化合物使用量，除避免不必要的浪費，符合綠色化學的操作原則外，同時也使實驗材料的成本下降。實驗前的準備工作較多是這個實驗較大的缺點，在減少化合物使用量的前提下，又要讓實驗結果具有一定的精確度，讓膽固醇液晶能在特定的温度範圍內變色，建議在事前先用精確度較高的天平秤好膽固醇衍生物、分裝在微量離心管中，操作時學生只要將化合物倒出、混合、轉移到試管中加熱即可，實驗組數如果較多，實驗前置作業就要花較多的時間。將化合物倒出，移轉到試管中的動作看似簡單，但是否能確實將所有化合物倒入試管中，不掉落桌面，或沾附在管壁上是關係到實驗成功與否的重要關鍵，對不常做實驗的學生而言，這樣的操作步驟就可能有些難度，進而影響最後的成果，藉由實驗結果討論，正是讓學生了解實驗操作的重要性、建立誤差概念最好的時機。如無法事先秤好膽固醇的衍生物，也可以讓學生自行秤取所需的藥品，唯秤量時需注意學生是否遵守綠色化學的原則，不要任意浪費藥品。 n  原理和概念 液晶（Liquid crystal）是一種物質的狀態，發現液晶狀態可以追溯到西元1888年，奧地利的化學家Friedrich Reinitzer為了決定一種膽固醇衍生物的化學式和分子量時，發現一種奇妙的現象，當他在測量膽固醇衍生物（安息香酸膽固醇酯或稱為苯甲酸膽固醇酯，cholesterol benzoate）的熔點時發現，這個化合物好像有二個熔點，當加熱到145.5°C時化合物呈現霧狀的液體，直到178.5°C時突然變為澄清透明液體。為確認這奇妙的現象並非因雜質所造成的，Reinitzer轉向德國的物理學家Otto Lehmann求教，進而發現霧狀液體的分子排列具有特殊的規則性，當温度升高時，澄清物質就像正常的液體般不具規則性，最後Lehmann了解霧狀液體為新的物質狀態並將其稱之為「液晶」。 能形成液晶的分子，通常具有特定的形狀，如桿狀或平板狀，當分子排列成類似晶體的整齊形態時，又可以因温度、壓力、濃度、溶劑、磁力、電力等因素而改變分子排列的方式。以本實驗的膽固醇型液晶為例，膽固醇分子與其衍生物具平板狀的結構（見圖一上），同層分子間為向列型排列，層與層間的分子互相平行，但各分子的長軸方向不同，代表在相鄰二層間分子的長軸夾著一個角度，兩個平面中分子長軸的方向相同時，這兩平面之間的距離稱為一個螺距（pitch）（見圖一下），螺距的長度隨温度的改變而改變，進而反射不同波長的光，產生不同的顔色，因此常用在温度感測器上。温度越高，螺距越短，當膽固醇衍生物排列成液晶的狀態，隨著温度的增加，呈現出的顏色依序為紅、橘、黃、綠、藍、最後為紫色5。膽固醇苯甲酸酯、膽固醇壬酸酯，及膽固醇油醇碳酸酯是常見可以形成液晶的材料（見圖一上），三者的主要差別在A環3號碳上所接的基團，其中膽固醇油醇碳酸酯與膽固醇壬酸酯具有長碳鏈基團，二者的熔點較膽固醇苯甲酸酯低（表一、三種膽固醇型液晶組成表）。美國威斯康辛大學材料科學與工程跨領域教育中心開發出的實驗教材中，每種液晶都含有這三種膽固醇的衍生物，可在不同温度範圍變色，膽固醇衍生物的總質量相同，但比例不同，藉由調整三者的比例，使液晶能在接近室温的範圍內改變顏色。膽固醇油醇碳酸酯的熔點最低，增加這個成份的比例，可以讓液晶在較低的温度下變色，膽固醇油醇碳酸酯的量越多，變色的温度範圍越低。單獨加熱膽固醇壬酸酯，熔化降温後也可以形成液晶，但變色範圍較高，不易用手的温度加熱，且變色過程快速，不易觀察，加入膽固醇油醇碳酸酯，會降低液晶變色的温度，如經費有限，可以省略膽固醇苯甲酸酯，但只含二種物質的液晶，其變色温度與文献提及之温度略有不同，需經測量才能決定。 圖一：膽固醇及其衍生物的化學結構（上）；膽固醇型液晶結構示意圖（下），淺棕色長方格代表膽固醇衍生物，藍色箭頭代表其長軸方向。 n  實驗器材與藥品 膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl benzoate, 5-cholesten-3-yl benzoate）、膽固醇壬酸酯（Cholesteryl pelargonate, Cholesteryl nonanoate）、膽固醇油醇碳酸酯（Cholesteryl oleyl carbonate）、試管、試管夾、試管架、酒精燈（或熱風吹風機）、竹筷、透明塑膠片、黑色塑膠片、秤量紙、冰浴。 […]

化學教室活動：庶民的分子廚藝教室 郭益銘1, *、鄭惠華2 1中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系2巧比諾有限公司*kuoyiming@gmail.com n  前言 一、分子廚藝讓廚房變實驗室 1985年，法國科學家Herve This與物理學家Nicolas Kurti，正式為共同研究的「分子廚藝」（molecular gastronomy）定名，位於西班牙的El Bulli餐廳是「分子廚藝」的創始店，主廚安德里亞（Ferran Adria）顛覆傳統廚藝，「眼見為憑」已非真理，每一口都是驚喜，還被英國權威雜誌「餐館」（Restaurant）二度評選為全球最佳餐廳。分子美食就是廚師利用各種奇異工具，通過物理或化學的變化，把食材的味道、口感、質地、樣貌完全打散，讓後再重新「組合」成一道新菜，讓傳統的菜肴變得充滿新鮮感，給我們不斷帶來驚喜。 二、熟悉知識卻不曾體驗的學生 現今的課程編排，一個國小學生要學習的科目和細項相當多，因此教育現場實際操作實驗的時間和內容均受到侷限，教師在備課上，除採購物料與準備教材，甚至於在安全考量上，都必須花費比較多的時間。而當今孩子因為科技的進步與家庭的保護下，很多孩子在實作的基本能力上也缺乏實際體驗。更報導指出學童的食育力下降【中華日報新聞網，2018】（見圖1），只會吃「白香蕉」的窘境，一時間發現，熟讀澱粉糊化理論的學生，居然連煮飯要放水這件事情都感到猶豫。 圖1：董氏基金會調查成果發表狀況 （圖片來源：中華日報新聞網，http://goo.gl/TkYLhA） 三、關懷偏鄉縮小落差 2013年起我們在一般地區以及偏鄉和弱勢地區推動「科學小食神」及「點心吃什麼」等科普專案，我們普遍發現學生在生活能力與科學理論的結合上是脫節的。優勢家庭的孩子即使成績優異，能侃侃而談澱粉糊化、蛋白質變性等化學理論，但是在家政領域裡，煮飯不放水、喝鹹豆漿堅持不想放醋，都讓我們感受到實作的需求。而偏鄉弱勢地區由於家長的教育陪伴力量薄弱，閱讀及學習興趣低落，孩子不認識食品添加物，也無人引導觀察生活中食物的化學變化，生活的應變能力與科學的學習無法同時提升。 n  材料與工具 本次實驗所需的材料與工具如下：市售鬆餅粉（通常內含泡打粉與中筋麵粉）、葡萄汁（自製或市售均可）、檸檬汁（自製或市售均可）、電熱烤板或烤箱、叉子、量匙、容器、攪拌棒、盤子。 n  實驗流程、問題提問與觀察引導 1.        酌量取出鬆餅粉，不添加水逕行放在烤板上或烤箱內加溫1-2分鐘，此時詢問同學，鬆餅粉是否會變成鬆餅？ 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉，確認並未變成鬆餅（見圖2），在進入下一階段觀察。 圖2：未加水鬆餅粉加熱後狀況 2.        鬆餅粉加到水裡，不加熱，是否會變成鬆餅？ 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水混合後，是否有糊化現象，抑或僅為單獨澱粉略為膨脹顆粒懸浮於水中，並確認其並不會變為鬆餅（見圖3）。 圖3：加水鬆餅粉未加熱後狀況 3.        鬆餅粉加到水裡混合攪拌後，並加熱，觀察其是否變為鬆餅。 教師角色：引導學生觀察鬆餅粉與水攪拌均勻後，在加熱過程中，其漸漸糊化的現象，在水分漸漸蒸發後將轉變成可口的鬆餅，且鬆餅上有許多小孔洞（見圖4），可詢問其原因，並引導入小蘇打粉與酸性物質反應後產生二氧化碳的反應。   圖4：加水鬆餅粉加熱後：成型狀況（左）；學生操作情形（右）。 4.        加入葡萄汁並已經烤好的鬆餅，觀察其顏色，另外在加入檸檬汁後，再觀察其顏色的變化。 教師角色：引導學生觀察鬆餅的顏色，詢問學生鬆餅粉為淡黃色，葡萄汁為紫色，紫色加黃色後應該呈現紫黃色，為何混合後會變成綠色？另外，添加檸檬汁後為何又變成粉紅色？藉此問題詢問再導入花青素於酸鹼中，顏色會變化的概念，並聯想至酸鹼中和所使用的石蕊試紙，以作為課程的延伸。    圖5：加水鬆餅粉在加熱後的外觀：加入葡萄汁和牛奶的鬆餅漿（左上）；沾上檸檬水的鬆餅漿烘烤（右上）；原味與葡萄口味鬆餅漿烘烤成型外觀，加上檸檬水的葡萄鬆餅漿偏粉紅色，未加上檸檬水的葡萄鬆餅漿烤過後偏綠色（下）。 n  問題引導與答案說明 1.        鬆餅粉為何會變成鬆餅？ 本次實驗時，先讓學生放置鬆餅粉於烤盤上，發現鬆餅粉即使經過高溫亦不會變成鬆餅，此係因澱粉糊化作用。澱粉分子為長鏈的葡萄糖分子的聚合物，澱粉分子之間以氫鍵方式交聯在一起。澱粉分子於常溫下不溶於水，僅能可逆地吸收水和輕微地溶解脹大，但隨溫度漸增，澱粉分子振動劇烈，造成澱粉分子之間的氫鍵斷裂，進而澱粉分子與較多的水分子結合。由於水分子的進入造成長鏈的澱粉分子的分離，增加澱粉分子結構的無序性、減少結晶區域，溶解脹大並分裂形成均勻糊狀溶液的特性，稱為澱粉的糊化（gelatinization）。 2.        烤鬆餅時孔隙從何而來？ 鬆餅成品有大量細微孔洞，顯示烘烤過程當中產生氣體，本次實驗所使用的鬆餅粉主要成份含中筋麵粉與泡打粉，中筋麵粉與水混拌加熱後會產生糊化現象，並凝結成鬆餅，而泡打粉主成分為小蘇打粉（Sodium bicarbonate, NaHCO3）、弱酸性物質如塔塔粉（cream of tartar）、磷酸二氫鈣（Monocalcium phosphate, […]

化學教室活動：創客設計Arduino pH計應用在酸鹼課程 馮松林1,2,*、陳映辛1,2 1國立竹山高級中學2教育部高中化學學科中心*cs991001@gm.cshs.ntct.edu.tw n  前言 目前很流行〝Maker〞一詞，強調實作的〝創客〞，被視為翻轉傳統觀念，讓大家從「想像」的大腦運作，具像到「動手做」，已成為影響未來競爭力的關鍵。Arduino板即是創客應用很廣的套件，在生活中有很多令人驚奇的應用實例，而化學本來就是動手做的科學，如果能在課堂上結合兩者，教導學生化學相關的創客基礎量測套件，讓學生自己動手設計，化學實驗就可能變成跨領域STEM（Science, Technology, Engineering, and Mathematics；科學、技術、工程及數學）實作的課程。 在化學教學中，酸鹼是非常基礎的化學概念，實驗室中應用pH計去檢測酸鹼的強度，是酸鹼概念具像化的操作，對學生學習酸鹼概念非常重要。本文將引導教師應用新的科技教學，介紹如何在課堂上結合Arduino UNO和pH計，融入創客精神在化學實驗中，讓學生學習結合Arduino UNO和pH計，應用行動套件去量測溶液的pH值。 n  教學準備 要以Arduino教學，自然在教學前要先懂得Arduino怎麼操作，很多教師可能會擔心不會操作，更不用談教學生了。事實上，Arduino原本就是設計給非電子專業的人使用，不到2小時的基本課程，教師就可上手，尤其在Scratch圖像式操作環境下。只要懂得輸入及輸出的操作，加上基礎電學的概念，就可以自由應用了。在網路上有許多教學資料可參考，不妨請學校中的高手支援，即可上場教學。 教師可選用應用最廣最便宜的Arduino UNO板（見圖一左），價格在200元左右，如加購完整學習套件整組大約1000元，上課時最好每位學生一組。至於pH計套件（見圖一右），價格在1200元左右，則可視經費之多寡購買，至少2人共用一個pH計。   圖一：Arduino UNO板（左），Arduino pH檢測計（右） 由於Arduino運作初期要連接電腦，因此上課地點要有電腦或筆電，並且在電腦中要先下載安裝具Scratch操作界面的mBlock程式[1]和Arduino IDE程式[2]等免費程式。 n  教學設計內容 應用Arduino量測套件融入酸鹼化學的教學，可以從引導學生認識及操控Arduino套件開始，再配合化學實驗技能的培養，教導學生應用Arduino套件做化學實作。教學時可視學生資訊能力，彈性應用以下五個歷程進行教學： l  創客技能：教導學生對Arduino操作有基礎認識。 l  化學創客：安裝pH計的趨動程式，連結Arduino與pH計，練習用pH計檢測酸鹼溶液。 l  實驗技能：讓學生學習配製酸鹼溶液，調配不同pH值的酸鹼溶液。 l  實驗實作：利用pH計，檢測酸鹼溶液的pH值。 l  綜合調查：讓學生比賽判斷日常生活物質的pH值。 一、  創客技能 Arduino板本來就是為非資訊專業人員所設計的控制板，易教易學，教學時不用教太多套件，從基礎概論開始，主要著重在學習程式界面的操作、如何輸出訊號做控制以及如何讀取套件獲得外部訊息等。建議的課程教學可按以下順序進行： 1.    Arduino的創意世界 以Arduino做自動控制，可以發揮很多創意，在YouTube上可以找到很多精彩實例，比如音樂樓梯[3]、水果鋼琴[4]等，藉此引發學生的創意及巧思。 2.    認識Arduino UNO Arduino UNO能夠做數位控制，主要是提供連結的數位腳位和類比腳位，要用Arduino操作就要認識所有腳位的位置和意義，每位學生最好都要有一片Arduino UNO，再逐一介紹認識板子上各種腳位及構造。 3.    Arduino IDE控制程式介紹 Arduino板要運作需要撰寫程式來控制，Arduino原廠提供一個控制程式，這個程式叫Arduino IDE […]

化學教室活動：透過微量實驗實作學生發現溶解度法則 許之音 臺北市立中正高級中學trya416@yahoo.com.tw n  實驗簡介和單元目標 一、  沉澱表或溶解度表的歷史 德國化學家克里斯托夫·海因里希·蒲法夫（Christian Heinrich Pfaff，1773-1852）認為取得的溶液先用幾個基本試劑加以初步檢驗，藉此觀察某些離子肯定存在的啟示，也可否定某些離子存在的可能性，並藉由檢驗的任務簡化，可降低盲目性。科學家整理一些特定離子遇到其它離子發生沉澱或溶解的檢驗結果加以成表格形式，稱為沉澱表（precipitation table）或溶解度表（solubility chart），例如：鈉離子與所有陰離子混合均不會產生沉澱，而硝酸根離子可溶解所有陽離子。硫酸根離子與鋇離子則會產生難溶的沉澱物。 溶解程度的定義：可溶（soluble）為溶於水的濃度大於0.10 M之化合物；微溶（slightly soluble）為溶於水的濃度在0.00010~0.10 M之化合物；難溶（insoluble，或稱為沉澱precipitation）為溶於水的濃度小於0.00010 M之化合物。可藉由各物種的溶度積平衡常數而算出溶解度，判斷各化合物的溶解性。 二、  高中化學課程提到沉澱表方面 1.        在硬水軟化方面，可藉由在硬水中（含鈣離子或鎂離子）加入碳酸鈉產生碳酸鈣或碳酸鎂沉澱，而去除鈣離子或鎂離子。 2.        在水的純化方面，也可藉由加入強鹼 ，而使大過數重金屬離子形成沉澱。 3.        在鉛蓄電池方面，電解液硫酸水溶液中的硫酸根可與鉛離子形成硫酸鉛沉澱附著在電極板上，因此充電過程中可將沉澱恢復原狀。 4.        肥皂在硬水中因為其親水端和鈣離子形成沉澱而失去洗滌效果。 5.        檢驗醛基的多侖試劑主要是銀離子先與少量鹼反應而形成氧化銀沉澱，再與過量氨水形成二氨銀錯離子。 6.        另一種檢驗醛基的斐林試劑為含有硫酸銅和酒石酸鉀鈉的氫氧化鈉溶液，原本氫氧化鈉與硫酸銅會反應而形成氫氧化銅沉澱，藉由酒石酸保護銅離子，使其不產生沉澱。 7.        在電池電位的探討方面，若另外加入的離子會與生成物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向右，則電位會上升。反之，若另外加入的離子會與反應物的離子產生沉澱，因為勒沙特列原理，平衡傾向向左，則電位會下降。 8.        有些沉澱可溶於強酸而溶解，這些沉澱大多帶有弱鹼性或產生其它反應。例如：碳酸鹽、亞硫酸鹽本身為弱鹼性，因此可溶於強酸，且會產生二氧化碳、二氧化硫等氣泡。鉻酸鹽則會與強酸生成二鉻酸鹽，因此可使沉澱溶解。 9.        有些沉澱本身為中性，加入強酸或強鹼均不會溶解，例如：硫酸鋇。 10.    郝耳法製鋁是利用鋁礬土加入過量的強鹼（氫氧化鈉），其中鋁離子一開始形成氫氧化鋁，但遇到過量強鹼會再溶解，而其它離子則是形成氫氧化物沉澱，而達到分離的效果，可以收集到較純的鋁離子。 三、  本次實驗主要目標 1.        藉由某一陰離子和某一陽離子的混合，判斷其為溶解或沉澱，並拍照記錄，以作為後續的討論，完成學習單，發現沉澱表或溶解度表。 2.        加入強酸到有沉澱物，判斷哪些沉澱會溶解，以作為後續的討論，並完成學習單。 3.        思考實驗相關的原理以及相關生活運用和課堂回饋。 n  藥品和器材 一、  各組藥品 1.        陰離子：每一項藥品以塑膠滴瓶裝（見圖一左），濃度均為0.10 M且體積均為10毫升，所有的塑膠滴放在塑膠盆內（見圖一右）。 […]