化學探究實驗：ChemBox的製作與應用 呂子琦 宜蘭縣私立慧燈高級中學 教育部高中化學學科中心 tzuchi929@gmail.com   n  摘要 在實驗中使用電子數位感測器來延伸或代替人類感官，搭配電子式螢幕更容易紀錄讀數，如果在連接電腦的環境下，除了自動定時紀錄數據也能即時作圖。在教育部化學學科中心與聯盟學校的資助下，筆者近兩年來(2017~2019)發展了一系列化學實驗數位感測模組，稱之為「ChemBox」，本文將從跨領域角度示範如何製作「ChemBox」，並對化學探究實驗應用層面做初步分享，未來會持續發展相關微課程，提供中小學師生在做化學實驗時的另一種學習體驗。   n  簡介 在正式介紹「ChemBox」化學實驗數位感測模組之前，先以下面五種情境來切入，之後再對應個別模組時也更容易了解其特色與應用。 在實驗中測量溫度變化使用酒精或水銀溫度計是很稀鬆平常之事，但因刻度限制及觀測不易而使記錄數據存在誤差，使得實驗結果精準度下降，而採用電子式數位溫度計能輕鬆地改善此一缺陷，搭配液晶螢幕更容易紀錄讀數。 酸鹼滴定是高中化學重要的實驗，通常仰賴酸鹼指示劑的變色來判斷是否完成中和反應，如果需要繪製滴定曲線，此時pH計將會是我們的好幫手！邊滴定邊紀錄，是否擔心紀錄的數據無法做出美麗的曲線呢？尤其是弱酸–強鹼或強酸–弱鹼的緩衝區，是不是常常淪為紙上談兵的計算題型呢？     各位是如何教氣體定律呢？國中小階段大多數使用注射針筒來感受壓力與體積的關聯，到了高中則在黑板上畫著J型管，說明當初波以耳如何對定溫定量的氣體做實驗，將得到的數據分析並作圖，因此找到壓力與體積成反比。但現今實驗室大多已經將水銀回收，更別說要做J型管的實驗了！     在自然科學領域的七項跨科概念中，老師們常以自然環境與環境保育相關的內容為探究議題，筆者自己在規劃探究與實作課程時，也把水資源列為重要的學習內容。簡易水質檢測包括：溶氧量、酸鹼值、濁度及溫度等四項水質參數，利用濁度計可以檢測水中懸浮微粒的數量，搭配其他檢測法，由學生汲取不同水源探究水質及出現混濁的現象，建構水汙染與淨化的知識。 最後以化學平衡與平衡常數測定為例，在實驗室採用目視比色法的結果可想而知，誤差頗大，就算學生認真投入也未必有好的線性結果，畢竟人的視力只能憑感覺卻難以量化啊！如果改用光度計做為測量工具，除了縮短實驗所需時間，也能讓實驗數據符合期待呢！ 以上五種實驗如能使用數位化的化學實驗數位感測模組，搭配電腦連線還可以依設定自動紀錄數據在Excel試算表中，如事先規劃數據關聯進而達到即時作圖，便利觀察實驗的結果，讓科學知識更輕易的建構在學生腦海裡！這也是筆者開發「ChemBox」的初衷。 2019年7/30~8/1日，筆者在臺灣國立台北教育大學舉辦的第8屆亞洲化學教育研討會(8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators)發表第二代「ChemBox」後，也正式宣告此系列模組細節內容將完全公開，歡迎有興趣帶領學生藉由自製化學數位感測模組或延伸到探究化學實驗的師長加入「ChemBox」聯盟，共同發展化學數位探究實驗。 n  跨領域 目前坊間也有幾間公司代理銷售著名品牌科學電子實驗器材，在一些研習場合也會看到廠商設置攤位展示與介紹，筆者十分認同這些產品的實用性，有這麼先進的電子實驗器材，數位化的介面應該也能讓學生做實驗更有效學習！然而一般中小學的電子實驗器材並不普及，或是礙於補助經費有限，只能購入少量套數，其中商業產品價格偏高佔了很大的因素，讓許多師長在編列預算採購實驗設備時，只好打消這個念頭！ 隨著資訊與科技的進步，大家越來越依賴使用電腦，如同此刻我正使用Word趕著稿件！通常我們只認識基本架構與一般應用軟體，更深入的內部構造與原理並非社會大眾的專業領域了。培養電子資訊專長的學生也要循序漸進的學習，假以時日才能成為專家！近幾年在中小學資訊與生活科技領域教學現場出現了一個新寵兒—「Arduino」[1][2]及其感測器模組，不僅讓學生更快掌握程式與硬體的互動，就連一般人想要自主學習門檻也不會太高(當然還是要有興趣才有學習的動力喔！)。(註示：如果您想快速了解什麼是「Arduino」，可上網搜尋關鍵字，或觀看Youtube影片[3]的介紹喔！)     筆者自學生時期對資訊領域持有濃厚興趣，就算成為化學老師也常到資訊中心找電腦老師挖寶取經，開始接觸「Arduino」不久，在2017年2月，教育部化學學科中心突破以往的框架與國立高雄師範大學自造者基地(FabLab-NKNU)[4]合辦「自造技術在化學之學科融入」研習活動，帶領許多化學種子教師跨入創客的世界，為期三天的緊湊課程替我打通了任督二脈，還在摸索階段的盲點立刻秒懂，猶如水庫在雨神來襲迅速到達滿水位了！     在研習結束後，大家帶著作業返回工作岡位，預計在3月底要將研習所提出的構想實作成一件化學實驗教材！每天花費許多時間惡補研習中失落的片段，不斷畫設計圖以改良結構與功能，最終完成不可能的任務：神氣活現–氣體定律之探究專題[5]。化學學科中心的種子老師潛力更是無窮無盡，紀錄影片：2017自造者技術融入教學成果展[6]內容令人讚嘆！ ▲圖1：2017自造者技術融入教學成果發表—波以耳定律教具(左)並榮獲銀牌獎(右)     在發表會結束後壓力釋放而信心大增，開始思索下一步要做甚麼？同年6月，聽到當時任職教育部化學學科中心助理的張雅雯小姐正招募前往韓國首爾參加2017第7屆亞洲化學教育研討會，當時她與彰化高中劉曉倩老師正在開發旋光度計，原本只是想要參與改良工作的我，突然靈光乍現：何不開發能廣泛用在高中化學實驗的模組呢？能否以自製的化學數位感測模組代替昂貴的商業產品？自此一個化學創客踏上一條漫長的開發之路！ 同年11月25日，國立交通大學校友會與教育部化學學科中心合辦「高中基礎科學教學研習會」，助理張雅雯小姐再度發揮個人獨特的領導魅力，讓筆者尚未思考周全之際卻不自主地允諾前往研習會分享，中間雖然歷經一些製作上的困難與經費不足的危機，甚至到前一天都還在筆者學校加工測試到三更半夜，隔天仍打起精神由宜蘭開車載著40套第一代「ChemBox」化學數位感測模組一路直達新竹交大研習會場！下午化學場次首先由彰化高中劉曉倩老師分享旋光度計，再由筆者中繼介紹「ChemBox」架構與濁度計模組的使用，最後武陵高中張明娟老師帶領大家使用「ChemBox」與濁度計模組，進行探索反應速率與反應級數的實驗。雖然現場人數眾多，無法全面解決部分老師在操作上的障礙，但這一場極具挑戰性的研習活動！更是「ChemBox」能發展至今的重要關鍵！ ▲圖2：2017在交大的高中基礎科學教學研習會分享第一代「ChemBox」&濁度計實驗     隨後在2017年底，受到多位化學老師的鼓舞，並收到各校補助經費用來認購第一代「ChemBox」化學數位感測模組，除了解決積欠廠商的電子材料款項，還提供了後續研發其它模組的基金。並於2018年舉辦五場「ChemBox」研習，雖然幫大家準備材料與組裝代工十分費時費工，不過沒有各位的支持，相信這個計劃就不會實現了！看著老師們體驗自製化學數位感測模組，逐步發展出「ChemBox」聯盟學校，共同開發實驗操作手冊與經驗分享，這一切真是太棒了！     2019年初筆者開始改良第一代「ChemBox」的缺失與通病，開發了第二代「ChemBox」，並在3月的「ChemBox」系列研習中首次曝光，也有化學老師因緣際會下接觸到「ChemBox」進而深感興趣，同時希望增設第二批購入電子零組件與相關材料的機會！在3月〜7月間，筆者除了無償協助原來的40套第一代升級到第二代，盡力備齊第二代材料包轉交至各校，藉由研習或拍攝製作Youtube影片[7]教學指導各校師生自行升級或組裝。總計這兩年來採用平價電子零件與感測器完成的「ChemBox」系列模組，截至今年8月已達到100套了！ STEAM(Science，Technology，Engineering，Artand Mathematics)是結合科學、技術、工程、藝術，以及數學的跨學科教學方法，在開發與製作「ChemBox」系列模組過程其實就是一個跨領域的教學活動，也曾有「ChemBox」聯盟學校邀請筆者擔任講師，在領域研習時間將自然科老師與學生一同分組，在實驗室從無到有體驗一場多元式教學，老師從旁指導，學生動手做，形成一幅美麗的風景畫！ ▲圖3：2019在秀峰高中的研習，師生共同體驗「ChemBox」實驗   n  Chemis try！     […]