臺灣化學教育

以可程式微量光電比色法監控振盪反應顏色週期性的變化

廖旭茂^{1, 2*}、陳冠愷¹

¹台中市立大甲高級中等學校、²教育部高中化學學科中心

*nacl880626@gmail.com

n  簡介

振盪反應是指反應過程中溶液顏色會呈現反覆週期性的變化，以最有名的BR振盪為例，溶液的顏色會呈現琥珀色、藍色、無色反覆地交替變化（”Briggs–Rauscher reaction”, 2022）。

一次BR振盪反應約可產生數十次週期性的顏色變化，其中振盪速率或週期與溶液濃度、溫度等變因有密切的關係。因此想探究BR振盪最主要的挑戰是精準監控溶液顏色週期性變化，如果單靠目視法或傳統的色碼APP法，恐怕有所不足。本文將介紹採用麵包板式的簡易光電比色計，以黃光LED為光源，藉由光電二極體偵測通過溶液後光的強度，並轉換成電流（賴新枝、葉世榮，2017）。再結合ARDUINO程式版收集反應過程中電壓週期性的變化並與目視法做一個比較。下圖為結合微型電磁攪拌器組裝的光電比色監測裝置圖。

圖1：光電比色暨攪拌器模組組合的外觀

本文除描述「可程式光電比色法監測顏色週期性變化」的過程外，亦提供相關原理說明，以及實驗廢液的減毒做法，提供參考。並期待拋磚引玉，吸引更多的教師自行設計微型教具，落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

n  器材與藥品

一、器材：

    所需器材包括：光碟型電磁攪拌實驗模組（包含光碟片、冰棒棍、可變電阻、USB電源插頭、磁石、可調式固定環等）1個、可程式光電比色電壓感測模組（含簡易光電比色計，相關電子套件購自易儀科技公司）1組、Auduino可編程電壓感測器模組（含UNO R3開發版、電壓感測器）、4mL樣本瓶1個、20 毫升玻璃樣本瓶、4毫升玻璃樣本瓶、安全吸球、5毫升分度吸量管。尺寸直徑3mm，長度8mm磁攪拌子1個。

二、藥品：

   BR振盪反應所需溶液，包括：A溶液（0.20M碘酸鉀 + 0.077 M硫酸）、B溶液（0.15M丙二酸 + 0.02M硫酸亞錳 + 0.03%可溶性澱粉）、C溶液（4.0M雙氧水）。

n  研究方法與步驟

一、實驗原理

1.       BR振盪反應機構：

        此振盪反應相當複雜，經文獻探討（Farusi, 2009），整個反應系統可能涉及自由基與非自由基兩個過程，每個過程都涉及相當多的反應式。自由基過程是快速的，其中涉及錳等相關自由基中間物的自動催化反應，可使碘酸根與雙氧水反應生成過氧化氫自由基（HOO‧），最後生成次碘酸（HIO），次碘酸經1a, 1b兩途徑生成碘分子與氧氣（見式1a, 1b）；而非自由基過程是丙二酸以較緩慢的速率與游離的碘分子產生取代作用，還原成碘離子與2-碘丙二酸（見式2）。總反應預估為各式總和（見式3）。

二、器具製作、組裝與設定

1.     光碟型USB可調式電磁攪拌器具的製作：

        在BR振盪反應的過程中會產生O₂，其氣泡會干擾光的接收，因此必須要透過不斷攪拌的過程，將氣泡趕走。此次光碟性USB攪拌器，回收光碟片，及易取得的冰棒棍製作攪伴器的框架結構，小馬達轉軸上安裝一個經裁修的木製冰棒棍，木片兩端各黏貼兩個磁性相反的直徑為6mm的圓形小磁鐵，當小馬達轉動時，可驅動上方的磁攪拌子；阻抗1000歐姆的可變電阻可以依需求來調整攪拌的速度；為避免光碟片上的反射光，碟片上亦可黏貼一張#400的水砂紙；碟片上亦可加裝固定螺桿，作為實驗器皿的夾具等，類似作法亦可參考台灣化學教育期刊第47期相關撰文（廖旭茂，2022）。下圖為光碟型USB可調式電磁攪拌器的組裝圖。

 圖2：光碟型USB電磁攪拌器

2.     可程式光電比色電壓感測模組：

        此模組可分成兩個部份套組件：一是簡易光電比色計，二是可程式電壓感測器，可接收紀錄來自光電比色計的電壓訊號值；其中簡易光電比色計是購自易儀科技（賴新枝、葉世榮，2017），利用光電二極體(photodiode SP-1KL)為光強度的偵測器，它是一種半導體 p-n 接面的元件，當受到足光強度的光照射時，光子在光電二極體中被吸收，產生光電流，亦即發生光電的轉換。若選用一LED光源通過一盛有色溶液的比色管，根據Beer’s law，當溶液濃度越高時，被吸收的光越多，穿透的光越少，此時光電二極體接收器產生的光電流越小；當掛載一個固定電組，可將微弱的電流轉換為可測量讀取電壓訊號（V=IⅹR）。

        因溶液的顏色一值再改變，加上光電二極體相當敏感，接受到的訊號電壓值變動性高，一般三用電錶不易讀取到穩定數字，因此採用利用ARDUINO控制板與電壓傳感器，接收、紀錄來自光電比色計的訊號。

        BR振盪實驗時，溶液的顏色依序為藍色、無色、琥珀黃、藍色、無色、琥珀，呈現週期性變化，因此選用黃光LED為光源，當溶液呈黃色或無色時，大部分的黃光會穿透溶液（極少部分被吸收），被二極體接收，因此測量到的電壓高；當溶液轉為藍色時，因為黃色的互補色為藍色，黃光大部分會被溶液吸收，穿透的黃光較少，因此測量到的電壓較低。相關光電比色計在麵包板上接法及電路圖如下圖3、4所示。

圖3：可程式光電比色電壓感測器的接線實境圖

圖4：光電比色電壓感測的電路圖

3.     Arduino電壓感測模組的設定：

(1)  首先到網路平臺中的創作者工作坊(DroneBot Workshop)，當中有許多電壓感測器的程式原理以及運作邏輯的介紹。其中我們將本次實驗所需的電壓感測程式碼(右框中「Voltage Measurement」)複製到Arduino上。下圖為相關網站與程式碼連結。

圖5：圖左是創者工作坊網站，圖右是電壓感測程式碼示意圖

(2) 再來將「pdx-daq excel外掛」鍵入搜尋引擎，左框中的搜尋選項含有詳細的教學與Excel下載鏈結。而右半邊是活用教學內容，將excel外掛程式碼嵌入電壓感測程式碼中。配合實驗所需，我們將取樣率調至5樣本/秒，相當於執行完程式內容後，命令感測器延遲200毫秒後再次收集數據。

圖6：圖左是excel外掛搜尋，圖右是電壓感測程式碼

(3)  調整完程式碼的參數後，我們需要將程式碼上傳到板子上。這時只需按下箭頭圖示的上傳鍵，待進度條跑完後，就代表程式順利輸入進板子中。按下放大鏡圖示的按鈕，可確認感測器是否順利收集到連續數據。切記，外掛excel就是代替監控視窗的功能，所以excel開始收集數據前務必關閉監控視窗。下圖為Arduino操作介面。

圖7：Arduino操作介面

(4)  將電壓感測器S字母端連接Arduino的A0孔洞，傳輸收集訊號及電流供應。感測器負號圖示的端接Arduino的GND孔洞，使電路溝通。感測器另一端的正負極再與欲測試的電路部分並聯，即可收集電壓的連續變化。下圖為電壓感測器與Arduino連結線圖。

圖8：電壓感測器接線圖

(5)  打開外掛Excel，按下按鈕開啟控制檯。在控制臺中，包含了數據收集起結鍵、數據收集位置等，將連接埠(Port)選到Arduino連接電腦的USB接口，這樣才能完整的收集感測器收集到的數據，下圖為外掛Excel 數據收集操作介面。

圖9：外掛Excel操作介面示意圖

三、振盪反應的觀察：目視法與光電比色法與比較

1.      目視法觀察：

(1)  手機全程錄影，紀錄振盪過程變化：將手機水平放置在手機架上，鏡頭對準一個20毫升的玻璃樣本瓶口，樣本瓶放置在光碟型電磁攪拌平台上，瓶中放入一個磁攪拌子；隨後以分度吸量管分別吸取5毫升的A溶液與5毫升的B溶液置入樣本瓶中，啟動電源，開始攪拌；接著取一支塑膠針筒，筒內預置5毫升的C溶液，針筒端將C溶液注入樣本瓶內，啟動手機錄影，為時100秒，記錄反應過程溶液的顏色變化及最終溶液的顏色。下圖為溶液顏色的變化。

圖10：振盪過程溶液的顏色變化，組圖最右邊為最終溶液顏色

(2)  接著以錄影回放方式，目視記錄整個振盪個程中透明、琥珀色、藍色發生的時間，嘗試以顏色方塊的寬度代表出現的時間，將顏色方塊連接製作目視紀錄圖。

(3)  承上， 0~100秒內振盪週期的長短產生了甚麼變化？

(4)  BR振盪反應過程中，除顏色呈現反覆性週期性改變外，還發生了那些變化？有氣泡產生嗎？溫度是上升還是下降？振盪反應終點溶液的變化為何？

2.     可程式光電比色法：

(1)  將4毫升的樣本放入黑色比色槽，比色槽放置在預留記號的光碟攪拌器的平台盤面上，瓶中放入一個磁攪拌子，隨後以分度吸量管吸取3毫升的蒸餾水置入樣本瓶中，啟動電源，逐步調整轉速，並確保攪拌子可以穩定攪拌，接著蓋上瓶蓋，滑鼠按下開始測量，微調可變電阻，讓電壓讀數維持在2.0 Volt上下。

(2)  將4毫升的樣本放入黑色比色槽，比色槽放置在預留記號的光碟攪拌器的平台盤面上瓶中放入一個磁攪拌子，隨後以分度吸量管分別吸取1毫升的A溶液與1毫升的B溶液置入樣本瓶中，啟動電源，逐步調整轉速，並確保攪拌子可以穩定攪拌；接著取一支塑膠針筒，筒內預置1毫升的C溶液，針筒端將C溶液注入樣本瓶內，蓋上瓶蓋，按下滑鼠，開始收集數據。直至振盪反應停止顏色不再變化按下停止鍵。

(3)  整理連結到excel的數據，並依此作圖。

(4)  試推測上圖中波峰與波谷分別代表顏色的何種階段？

(5)  承上，嘗試列表計算振盪過程中，0~100秒內振盪週期的長短產生了甚麼變化？

(6)  實驗結果若與目視紀錄法相比較，100秒內的振盪次數與平均振盪週期有何差異？

3.     溶液的減毒：回收廢液盛入100毫升燒杯後，再取飽和硫代硫酸鈉溶液Na₂S₂O₃，以滴管逐滴滴入燒杯中約1毫升後， 直至溶液變為無色；隨後再滴入飽和的碳酸鈉溶液Na₂CO₃，若溶液產生泡沫變多，可靜置後溶液變透明，廢液可依廢棄物規定回收。下圖為減毒過程的照片。

圖11：圖左為滴入硫代硫酸鈉溶液，圖中為加入碳酸鈉後的變化，圖右是靜置後結果

n  實驗結果與討論

一、BR振盪反應過程目視觀察

1.     BR振盪反應定性觀察：實驗發現當添加4M的雙氧水後， BR振盪剛開始是藍色，慢慢變為無色，隨後變回琥珀色，接著很快又變回藍色，周而復始；無色、黃色出現維持的時間較短，根據反應機構預測，其中涉及錳等相關自由基中間物的自動催化反應，可使碘酸根與雙氧水反應生成碘分子與氧氣，屬於快反應；藍色出現的維持時間較長，應該是碘分子與丙二酸發生的取代反應，產生碘離子與2-碘丙二酸反應，屬於慢反應。振盪顏色變化的目視記錄圖如下：

圖12：不同雙氧水濃度下BR振盪顏色變化的目視記錄圖

2.     振盪週期的變化觀察統計：反應接近終了，反應物濃度因消耗而降低，振盪速率變慢，每一次的振盪周期時間越拉拉長。

3.     BR振盪反應過程中，除顏色呈現藍色、無色；琥珀色反覆性週期性改變外，過程中產生了氧氣，因是自發性的氧化還原反應，反應過程中樣本瓶的溫度呈現上升趨勢，振盪反應結束時，溶液呈深褐色，瓶口為紫色，且有濃濃的碘酒味。

二、     以可程式光電比色法監控振盪反應的結果觀察

1.     實驗發現：光電二極體偵測的光強度轉化成電壓，振盪過程中呈現週期性變化，以ARDUINO電位計量測的電壓介於0.00V~2.00V之間。下圖為光電比色法監測BR振盪中，光電壓隨時間的變化圖。

圖13：電壓隨時間的變化圖

2.     BR振盪過程中以黃色燈泡作為光源，當溶液呈黃色時，黃光大部分穿透溶液，光電二極體轉換的光電流強，光電壓亦高，約當進入波峰位置；當溶液呈藍色時，黃光大部分被溶液吸收，光電二極體轉換的光電流強度弱，光電壓亦偏低，約當進入波谷位置；因此判定波峰為黃色，波谷區為藍色。振盪終了，振盪速率變慢，週期拉長，最終溶液呈不透光的混濁深綠褐色，因此光電壓下降。

3.     目視法、光電比色兩種方法測量振盪平均周期的變化（秒）比較表如下：

        兩種方法的振盪次數都是16次，大概10次的振盪週期長短相當一致，反應終了前的三次振盪隨著反應物耗損，濃度降低，反應速率變慢時間，振盪時間週期明顯拉長。

n  安全注意及廢棄物處理

1.        廢液的減毒處理：首先是Na₂S₂O₃將碘分子還原成為碘離子，溶液的顏色由深褐色轉為透明無色，過程中產生的氣泡是部分未反應完的H₂O₂受碘離子催化分解，產生O₂所致；滴入飽和的碳酸鈉溶液Na₂CO₃ ，可中和硫酸因而產生CO₂氣體的褐色的泡沫。靜置後溶液變透明，杯底發現難溶於水的棕色沉澱，預估是錳的氧化物。相關反應式及反應過程圖如下所示

—-式1       —-式2

—–式3

 —-式4

2.        實驗後的相關廢液，可依規定回收處理。

n  教師教學提示與建議

1.        微型攪拌子在傳統方型的比色管中不易平穩轉動，因此以相同體積4mL的圓柱型樣本瓶取代。比色管槽務必調整到適當位置，讓攪拌子平穩轉動攪拌。

2.        Arduino IDE的程式庫已經內建電壓感測器，本實驗的輸出電壓值不大於2.0V，可以不接電壓感測器直接測量即可。

3.        BR振盪反應顏色周期性的變化除了可以光電比色計監測電壓值的變化外，亦可以氧化還原電位計（oxidation-reduction potential，ORP）監測氧化還原反應過程中電位的變化。

n  參考文獻

廖旭茂（2022）。綠色創客-4：微型電磁攪拌器模組的設計、製作與應用。臺灣化學教育電子期刊，47。網址https://chemed.chemistry.org.tw/?p=42118

賴新枝、葉世榮（2017）。科學探究與實作。易儀科技有限公司：新竹市。

Briggs–Rauscher reaction. (2022, Aug 15).Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction

Farusi, G. (2009). Looking for antioxidant food.Science in School, 13, 39-43. https://www.scienceinschool.org/wp-content/uploads/2014/11/issue13_antioxidants.pdf

貝采利烏斯的微粒理論

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*chingkth@cc.ncue.edu.tw

n  譯者導讀

永斯ž貝采利烏斯（Jöns Jacob Berzelius，1779-1848），瑞典化學家，如圖一左所示。他於1813年發表這篇名為《關於化學比例的成因以及與它們相關的某些情況的論文：以及表達它們的簡短方法》的論文，英譯篇名為Essay on the Cause of Chemical Proportions, and on Some Circumstances Relating to Them: Together with a Short and Easy Method of Expressing Them.，如圖一右所示。原文自1813年起至1814年分5次連載，本文翻譯文中的第二部分 (Berzelius, 1813)。

圖1：永斯ž貝采利烏斯（左）和該文英譯版本（右）

（左圖片來源： Charles W. Sharpe, d. 1875(76)

右圖擷取自(N.d.). https://web.lemoyne.edu/~giunta/berzatom.html）

18世紀初，道耳頓的原子說揭開科學界原子研究的序幕。貝采利烏斯接受並發展原子說，並進一步提出「微粒理論」（corpuscular theory）。微粒理論的主張有以下三點：

第一點：兩種氧化物化合時，二者必須含有相同數目的氧，或是其呈現整數倍。如式1所示：

SO₃ + CuO → sulphate of copper     [式1]

在式1中，三氧化硫與氧化銅可以以一比一方式結合，因前者的氧是後者的三倍。

但是 SO₃ + 2CuO 無法以一比二的比例結合，因為前者氧的數目和後者氧的數目並非整數倍。

第二點：用含硫的酸來中鹼性的氧化物的話，中和時所需酸的單位體積的倍數就是一體積的鹼中所含的氧的數目。

2SO₃ + FeO₂ → iron sulphate   [式2]

3SO₃ + FeO₃ → iron persulphate    [式3]

在式2中，SO₃與FeO₂以二比一方式結合，因鹼中氧數目為2。

在式3中，SO₃與FeO₃三比一方式結合，因鹼中氧數目為3。

第三點：一原子與氧化合的數目(或體積)，決定其氧化物會與多少數目的硫化合。

以式2、式3為例，1體積的 FeO₂和FeO₃ 氧化物含氧數目分別為2和3，這兩氧化物會分別與2和3體積的SO₃化合（或S化合）；1個鐵原子分別與2和3體積的氧化合（亦即FeO₂和FeO₃），其氧化物會分別與2和3體積的SO₃化合（或S化合）。

微粒理論彌補當時原子說的不足，可以解釋更多的化合反應，除此之外，以字母表示原子、現代分子式的表達都源於貝采利烏斯所建議，最重要的是貝采利烏斯以氧當作標準（氧重訂為100），測定四十多種元素的原子量，氧和硫的質量分別15.07和30.29（氫的質量為1），與現代的原子量數值相當接近。

n  前言

貝采利烏斯在1813年的文章《關於化學比例的成因以及與它們相關的某些情況的論文：以及表達它們的簡短方法》中指出，要回答: 「為甚麼兩種物質（bodies）結合時，相同質量的第一物質與第二種物質結合的質量總是特定的倍數比例_[1]呢？」這個問題的最簡單的答案，就是這些物質都由數個原子或分子所組成，結合時以1比1、2、3或4等比例發生。他也指出英國的道耳頓（Dalton）是第一個建立這個假說的人。

n  微粒理論的起源

貝采利烏斯在實驗中碰到一些用道耳頓的假說無法解釋的現象，鐵燃燒時只能和兩種數量（或體積）的氧結合，其中的一種氧化物的含氧量是另一種氧化物的1 倍[2]。貝采利烏斯指出後者是鐵的不完全氧化所造成的。道耳頓的原子理論指出，如果A和B原子有兩種組合方式，其結果一定是AB和A + 2B或AB和2A + B的組合；如果有三種組合方式，其結果一定是AB、A + 2B、和2A + B的組合。因為道耳頓的原子理論無法合理解釋氧化鐵的實驗結果，貝采利烏斯提出一個他認為可以完全解釋這些現象的定律，稱之為「微粒理論」。

n  微粒理論的概述

貝采利烏斯將原子分為兩類：1.基本原子（elementary atoms）及2.化合原子（compound atoms）[3]。化合原子又分三類：(1)由兩種基本物質（elementary substances）組成的一次化合原子（compound atoms of the first order），(2)由超過兩種基本物質組成的有機原子（organic atoms），(3)由兩種或多種化合原子組成的二次化合原子(compound atoms of the second order)。微粒理論指出，原子（atoms）是物質組成的最小部分，無法再被分解。微粒理論假設所有的基本原子都是球狀的，而且大小都一樣，如此才能並排成為整齊的化合原子。然而化合原子不是球狀的，由A + 3B 組成的化合原子應該比A + B組成的化合原子大，前者應為三角形或三角錐，後者應為直線。

根據微粒理論，一個基本原子最多可以與12個一樣大的基本原子接觸，因此一次化合原子的最大化合原子數目為A + 12B。如果考慮原子的電極性，一個A原子最多只能結合9個B原子（A + 9B）。此外，貝采利烏斯認為一次化合原子中必有一個成分是單一原子（AB、A+ 2B等）。如果由2或更多的A原子和2或更多的B原子結合，像是2A + 2B、2A + 3B或7A + 7B就不會發生，因為這些一次化合原子可以輕易地分裂成兩個或更多個部分，這一點他的看法和道耳頓一樣。

貝采利烏斯也討論給呂薩克（Gay-Lussac）的氣體化合體積定律，但是他只強調反應物的體積之間的比例[4]。很顯然他並沒有注意到亞佛加厥（Avogadro）在1811年發表的論文[5]，不過他提到，反應物的體積之間的比例關係，這與固體中的定比關係及道耳頓的原子說是相同的[6]。或許因為給呂薩克所做的實驗中，至少有一個反應物是1倍體積，他確信像2A + 2B這樣的化合不會發生。

貝采利烏斯的理論以氧原子為核心，[7]他指出，當兩種氧化物化合時，二者含有相同數目的氧，或者其中一個氧化物的氧的數目是另一個氧化物的整數倍。例如：設O為氧，A和B是兩種可燃燒元素，當兩種氧化物結合時，A+3O會和1  倍的BO結合，因為這樣的結合前者的氧數目是後者的2倍。然而A + 3O和B + 2O，無法以一比一比例結合，因為氧的數目不是整數比。

n  微粒理論的應用

貝采利烏斯認為黑色的氧化銅含1個銅原子和2個氧原子（作者認為其實是一氧化銅），三氧化硫（原文為sulphuric acid） 含1個硫原子和3個氧原子。其化合物必定含有1倍的三氧化硫和3/2倍的氧化銅（讓反應物的氧的數目相同），反應式為：

SO₃ + 1.5CuO₂ → 銅的硫氧化物 （subsulphate of copper）    [式4] 

另一個例子是紅色的氧化鐵（Fe₂O₃）和黑色的氧化亞鐵（FeO），他認為前者含3體積的氧（FeO₃），而後者含2體積的氧（FeO₂），根據他的理論二者混合必須以4/3比1的比例進行，如式5所示。

4/3 FeO₃ + FeO₂   [式5]

前者所含的氧原子數目是後者的兩倍。從今人之見，他推測的反應式可能如式6所示。

Fe₂O₃ + FeO → Fe₃O₄   [式6]

貝采利烏斯將氧的相對質量訂為100，再決定其它氣態基本物質相對於氧的質量。他認為：如果一原子與2或3體積的氧化合，那麼同樣地它也會與2或3體積的硫化合。如果一個鹼性的氧化物（salifiable oxide）包含2或3體積的氧，用含硫的酸來中和它的話，那麼中和時所需的酸的體積的倍數就是1體積的鹼中所含的氧的數目。因為鹼性氧化物含有數個體積的氧，中和物應含有1體積的鹼性氧化物及在鹼中氧的數目一樣多倍數體積的酸。因此，氧化亞鐵和三氧化硫的中和反應如式7所示。

2SO₃ + FeO₂ → iron sulphate   [式7]

後者的O和前者的S數目才會相同。從今人之見，他觀察到的可能如式8所示。

SO₃ + FeO → FeSO₄   [式8]

他觀察到的氧化鐵與三氧化硫的中和反應可能如式9所示。

3SO₃ + FeO₃ → iron persulphate    [式9]

在貝采利烏斯的這兩個反應中，酸中的氧數目都是鹼的氧的數目的3倍。從今人之見，他討論的反應可能如式10所示。

3SO₃ + Fe₂O₃ → Fe₂(SO₄)₃   [式10]

這裡貝采利烏斯似乎自我矛盾，因為同樣的推論也可以應用在前述的SO₃與CuO₂的反應。不過他也推測兩個符合這個規則的反應式[8]，如式11和12所示。

SO₃ + CuO → CuSO₄ (sulphate of copper)    [式11]

2SO₃ + CuO₂ → CuS₄O₈   [式12]

根據貝采利烏斯的推測，氫和硫的質量分別是氧1/15.07的和2.01倍，這與現代的原子量數值相當接近。然而，他推測的氟的質量只有正確值的一半，鐵、鈷、鎳、銅、鋅等原子的質量都大約是正確值的兩倍。貝采利烏斯推測的原子質量列於表一中，表中的原子乃依照他的電化學二元論，從最負電性（electronegative）到最正電性（electropositive）的順序排列。我們也將貝采利烏斯、亞佛加爵、道耳頓及現代週期表的相對於氫原子的相對質量列於表一中。

表1：貝采利烏斯、亞佛加厥、道耳頓及現代週期表的原子相對質量，括號中的是現代週期表中不同於貝采利烏斯的原子符號。

n  貝采利烏斯的其他貢獻

在1800年前後，科學家以圖形符號來代表原子，貝采利烏斯則建議以字母來表示原子。現代元素符號中有許多如O、N、C、P、S、H、Fe、Co、Ni、Cu、Zn …等都是貝采利烏斯建議的。現代分子式的寫法也源於貝采利烏斯，不過他用的數字是上標，例如SO³、CuO² 等。

n  附註

[1] 即倍比定律。

n  參考文獻

1.          Berzelius, J. J. (1813). Essay on the cause of chemical proportions, and on some circumstances relating to them: Together with a short and easy method of expressing them. Annals of Philosophy, 2, 443-454.

《臺灣化學教育》第五十一期（2023年3月）

目  錄

n  主編的話

l 第五十一期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n  本期專題【專題編輯／李賢哲、陳皇州】

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程內容介紹／李賢哲、陳皇州〔HTML｜PDF〕

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:高雄大學普化實驗實施 / 李頂瑜〔HTML｜PDF〕

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:高醫醫化系普化實驗室之設計與化學實驗之整合／李建宏、林淑芬、陳慧芬〔HTML｜PDF〕

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:中原大學化學系普通化學實驗室之規劃與特色／莊敬、陳志德〔HTML｜PDF〕

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程：彰化師範大學普通化學實驗教學／楊水平〔HTML｜PDF〕

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:東海大學化學系普化實驗室及特色介紹／楊俊豪、劉信宏、張仁宗、吳明珠、郭珊綺、杜澄達、賴英煌〔HTML｜PDF〕

l 大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:國立屏東大學應用化學系之普化實驗室規劃／鍾旭銘〔HTML｜PDF〕

n  專書介紹【專欄編輯／邱美虹】

l 「丈量人類世」書外篇(Beyond the Book of “Anthropocene”)／陳竹亭〔HTML｜PDF〕

n  課程教材／化學小故事【專欄編輯／楊水平】

l 庫普曼的傳奇故事／游文綺、胡景瀚〔HTML｜PDF〕

n  課程教材／化學小故事【專欄編輯／鐘建坪】

  l 徐壽與傅蘭雅的元素名詞：清末中文元素名詞命名沿革／張澔〔HTML｜PDF〕

n  新知報導／化學活動推廣【專欄編輯／林靜雯】

l 從科學理論到科學傳播的距離究竟有多遠- 慶祝IYBSSD臺灣系列活動-「科學X永續」彩繪列車 ／邱美虹、 陳育霖、趙奕姼、林卉婷、賈志達〔HTML｜PDF〕

第五十一期
主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所名譽教授
國際純化學暨應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員

國際理事會(International Science Council)治理委員會委員及Fellow

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@gapps.ntnu.edu.tw

人工智慧(Artificial Intelligence, AI)的時代早已到來，甚至可能超越我們的想像。去年底由美國矽谷的OpenAI所訓練的一個大型自然語言處理模型，ChatGPT(全名為Chat Generative Pre-trained Transformer，聊天生成型預訓練轉換器）的公布，已引起網路和廣大民眾的眾多討論，ChatGPT它可以透過自然口語的方式來進行對話，透過聊天對話方式，系統可以從資料庫中搜尋使用者發問內容所需要的資訊，以「看似」有系統的方式提供給提問者參考，舉凡文章撰寫、資料整理、程式撰寫、商業決策、科學實驗甚至是圖形產生等，都可以透過ChatGPT來協助提供參考答案或文本。然而這樣的過程所產生的結果，受限於資料庫的內容以及訓練系統的過程，在尚未成熟之際，無論如何都需要人的知識、專業與經驗去進行判斷。不讓ChatGPT(或ChatGPT-4)專美於前，Notion也釋放出其AI工具，進行語言對話提供快速的彙整資訊與建議，問題似乎已不再是哪個軟體的功能勝出，而是人工智慧的發展已慢慢滲透在我們的生活中，與其去限制它的用途、防範不正當的目的或是僅尋找防治運用它的策略，還不如以積極的態度與智慧去正確運用AI，借力使力，讓科技幫助人類解決問題，開創更多創新的未來。這樣的新興科技的發展，是否造成從事某些職業的人將受到威脅、對學校教育、對社會穩定是否會造成顛覆性的改變，都將會是接下來AI專家、社會學家、教育學者、教師以及各行各業從業人員無法避免的挑戰，尤其是學校教育將如何引導學生建立正確使用的觀念與做法，更是要集思廣益面對這AI時代。

本期專刊由國立屏東大學李賢哲教授和陳皇州教授擔任客座主編，共邀請六所大學教授們分享普化實驗室的設置、實驗課程目標與教學、跨系所授課、融入AI的課程規劃、學生預報告的撰寫與口頭報告、軟體介紹、疫情期間課程調整方案，以及延伸到國小教師的培訓等等，此次六篇專題文章提出多元的策略與產生的效益，對於實驗室教學有許多啟發，可供各校教師參考。

在常態性文章有陳竹亭為文介紹其於2022年出版的從宇宙大霹靂到人類文明的科學世界觀–「丈量人類世」，以深入淺出的方式提綱挈領，讓讀者得以一窺人類世的演化發展與省思。游文綺和胡景瀚的「庫普曼的故事」，介紹這位僅寫一篇自然科學的量子文章，提出庫普曼定理，卻以獲得諾貝爾經濟學獎的大師之生平，讀來與一般科學家的傳奇故事迥然不同，但仍鼓舞人心。最後一篇是張澔引介清末中文元素名詞命名沿革的引介，從徐壽與傅蘭雅的《化學鍵原》一書對化學元素名詞的音譯與意譯到東西方文字運用的巧妙做一評析。這段化學史可供教師教學之用。 最後一篇是邱美虹等五位教授介紹慶祝基礎科學促進永續發展國際年(International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, IYBSSD)臺灣系列活動中「科學X永續」彩繪列車的諮詢團隊和設計理念，藉此引起社會大眾認識科學與生活密不可分的關係，並重視基礎科學人才的培育。

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程內容介紹

¹李賢哲²陳皇州

國立屏東大學應用化學系
¹sjlee@mail.nptu.edu.tw、²kelvin@mail.nptu.edu.tw

■ 前言

我們本期(51)台灣化學教育能順利付梓，客座主編與副主編謹此對其中六篇的執筆同仁，致上萬分的感謝與敬佩。當前高等教育面臨的少子化與當代應用科學的發展，更顯得加入化學領域的舉足輕重，而本期內容在編輯委員會指導下，規劃國內大專校院普通化學實驗之規劃與內容特色介紹。撰稿師長更於百忙之中，就其提供高中學子初跨入高等教育學府，即將親身體驗之普通化學實驗內容與實施，對鼓勵與激發後起之秀進入化學各專長領域的研讀，實有拋磚引玉的舉足輕重功效!一般言之，普通化學實驗涵蓋後續有機、無機、物化、分析和生化等相關領域，對於同學的化學領域專研，扮演密不可分之關係，期待這六所國內大學化學師長之呈現圖文並茂，能提供學子對化學領域初步的瞭解，以能激發更多的學子加入化學領域的大家庭，並同時對國內人民扮演著提高化學素養之重要功效，而化學素養之提升也表國力的提升，讓台灣後續的科學發展能於世界舞台上發光發熱!

■  本期專題文章簡介

本期專題的第一篇介紹是由國立高雄大學應用化學系李頂瑜主任執筆，其中從普通化學實驗課程(普化實驗)的價值認知切入強調其重要性(ACS Public Policy Statement 2020-2023)、文章涵蓋高雄大學普化實驗之目標期望、實施方法、與未來精進之策略，尤其實施方法分為課前預備、實驗紀錄與課後反思等項目之報告撰擬，實驗課程中訓練學生試著調控操作變因，以收其應變與引發學生好奇和相關原理之引述，增進所有修習普化實驗的學子對於原理與應用有更佳的學習成效。除此，高雄大學應化系正籌劃綠色化學與永續發展的概念融入普化實驗具體執行，而普化實驗與自動化、AI結合的構想也是規劃方向之一，值得大家期待。

本期專題第二篇文章，由高雄醫學大學醫藥暨應用化學系李建宏與陳慧芬教授撰擬，揭櫫其實驗課程為使與必修學科間有更好的鏈結，並強化實驗內容的完整性。已與原普化實驗刪減濃縮後，結合分析化學的檢驗、定量概念，整併入化學實驗一，重整過後的實驗內容配合新制大一學生普通化學的進度；大一下的普化實驗課程調整為分析及有機基礎實驗技能設計，將基礎分析實驗與有機純化技巧訓練規劃為化學實驗二，例如該學系在大一下學期阿斯匹靈的製備實驗中帶入銅錯合物的製備，呈現生物體內存有一些微量金屬，這些微量金屬與體內生物分子結合形成錯合物，於生物代謝和醫藥上扮演著舉足輕重的角色。進入大二階段以整學年進行有機化學技能訓練，與學生連結技能及知識應用於進階的實驗課程，以更瞭解化學合成的流程，為進入系所教師的研究領域實驗室專研作準備持續精進。

本期專題第三篇文章是由中原大學化學系陳志德教授與莊敬主任執筆，鑒於該系對學生化學專業之訓練涵蓋大學至研究所博士班，故僅以學士班簡述，揭櫫對化學教育之目標，其普通化學實驗課程採每班三十位同學以下進行，選擇重要且與一般生活息息相關之題材，同時對應長年來同學反應高中端化學教育於實驗學習方面較匱乏之內容，以為普化實驗設計一般基礎化學實驗操作技巧與各類器材之操作方法，於動手學習瞭解相關化學原理，協助學生培養實驗操作基礎與觀察技巧，以嘗試解決問題的思考方向等，並引入化學合成與鑑定的基本技巧，奠定同學們之後銜接之有機/分析/物化/材料實驗所需的基礎實驗能力。

本期專刊第四篇文章，由國立彰化師範大學化學系楊水平教授撰稿分享，該系普通化學實驗室提供普通化學實驗、化學科教材教法、化學科教學實習及自然科學領域探究與實作專題等科目的教學場所，聚焦之普通化學教材內容以基礎的分析化學、物理化學及無機化學為主，且輔以入門觀念的有機化學、生物化學及核化學相關學理。所有上課教材以數位存放在該校「雲端學院」網站之「普通化學實驗」課程，而其教材來源，分別國內外各大學化學實驗網站、國內外期刊網站和自編教材。例如參考JCE(2021)進行模擬疫情期間在家進行酸鹼滴定實驗頗具當代之意涵，其滴定操作以重量分析的酸鹼滴定法（gravimetric titration method）規劃，以食用醋或食品級檸檬酸溶液家用品作為酸鹼滴定劑，測定胃乳液中氫氧化鎂的含量，而以天然資源提取的食用色素作終點判定的指示劑，可為受疫情肆虐中的化學學習，開啟一扇窗。

本期專刊第五篇由東海大學化學系楊俊豪與賴英煌主任撰擬，鑒於該校理學院、工學院、農學院及國際學院等所屬八個學系安排普通化學實驗，上下學期合計開授19門。該系支援所有普通化學實驗的開授，學校也投入相當資源於實驗室軟硬體維護及提升。實驗課程內容按授課教師要求及系所屬性搭配普通化學課程安排進行，以達到理論與實驗上的驗證。鑒於科技快速進展，學生對實驗變化及數據的掌握能力已有質的提升，勢以引入新式教學設備，讓實驗的觀察及記錄過程資訊化，並搭配適當的軟硬體以提升學習的品質。為與108課綱薰陶的學生有機會發想，自111學年度開始嘗試普化實驗專題，自由組隊4人一組，由目前普化實驗課尚未列入的實驗，學生從講義撰寫及簡報，並製做一個完整的普化實驗，最後由學生上台發表成果。同時著手執行建置iLearn系統，提供學生線上資源及執行實驗前檢核，並提供學生線上課程，降低COVID-19疫情對需動手操作實驗的影響。

本期專刊之第六篇是由國立屏東大學應用化學系鍾旭銘主任撰稿，目前該系已建置符合應用化學系課程之普通化學實驗室、有機化學實驗室、分析化學實驗室與生物化學實驗室等專業教室。鑒於該校於2014年由高教、技職與師培合流的大學，俱備專長之動手作普化實驗課程，同時亦規劃針對國小教師培育之課程，例如：熱冰實驗、葉脈書籤、化學花園、天氣瓶製作與濾紙色層分析等實驗；而規劃之抗菌潔手露、防曬隔離霜、紫雲膏與萬金油等產品製作課程，提供學生瞭解如何運用乳化反應、萃取技術與藥劑調配等化學技術運用於生活用品之製備。

■ 結語

所謂萬丈高樓平地起，莘莘學子在諸多化學領域專研過程中，普通化學實驗應可作為起樓的重要里程碑，本期專刊藉由六所大學化學相關師長執筆，介紹各普通化學實驗之規劃與內容，祈能對有志於化學相關領域進修之學子，提供重要之參考，並就教於相關之師長先進以作為後續改善之重要依據。

■  參考文獻

Kuntzleman, T. S, Corts, S., & Schmidt, A. (2021).At-home titration magnesium hydroxide in milk of magnesia using an inexpensive apparatus. Journal of Chemical Education, 98(8), 2592–2595.

The American Chemical Society (2022). Importance of hands-on laboratory science. Retrieved on  November
17, 2022  from https://www.acs.org/content/acs/en/policy/publicpolicies/education.html

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:

高雄大學普化實驗實施

李頂瑜

國立高雄大學應用化學系
tingyulee@nuk.edu.tw

■ 前言

    「臺灣化學教育」是化學界在化學相關教學與專業學習資訊提供、分享與參考的重要刊物。此次編輯團隊規劃普化實驗室相關專題，高雄大學應用化學系很榮幸能藉此交流平台介紹我們對於普通化學實驗課程(普化實驗)的一些價值認知、目標期望、實施方法、與未來策略進行介紹，希望經由此次的交流分享可以精進我們在普化實驗未來的規劃，以增進對所有修習普化實驗的學子有更佳的學習成效。

■ 普化實驗的認知

    普化實驗是許多理工相關科系的必修或選修課程之一，化學相關科系當然列為必修課程。然而因為經費(化學實驗需要藥品、耗材、儀器設備折損等等費用)的因素，普化實驗的必要性就受到一些挑戰的雜音。尤其在疫情期間，許多實驗課程被迫暫停改以線上教授方式，更加增添了普化實驗是否學生可以以在家自學或者是錄影帶方式觀賞學習即可，無須到實驗室實體上課，甚至可將它刪減的爭論。另一有關普化實驗價值的爭論來自於部分教育人士(尤其非化學相關)，他們認為普化實驗過程基本上只要依據一定的步驟操作就可以得到特定的結果，因此能產生的科學教育效應有限，也就是所謂的性價比或投資報酬率並不高(Arnaud, 2020)。

我們單位一直以來都持續在討論普化實驗(尤其現場實體教學)的價值所在。有關動手進行實驗的重要性美國化學學會政策說明(ACS Public Policy Statement 2020-2023)已經清楚闡述其不可取代性，在此就不贅述(可參閱The American Chemical Society, 2022)。至於普化實驗的重要性，事實上不離脫於文獻與學者對科學實驗室課程的剖析(Hofstein & Hugerat, 2022; DeKorver & Towns, 2015; Elliott et al., 2008; Reid & Shah, 2007)，除了專業上能讓學生更深入了解科學的本質，學習與熟悉科學的概念、事實、技術操作技巧和執行過程技能外，同時也包含學生基本素養與核心能力的培養，例如，獨立思考、學術倫理、溝通表達、團隊合作等等。不過普化實驗的特色之一在於它不只是化學相關專業學生的必修課程，也常是跨STEM學生修習的課程，而且又因為它常常安排在大學一年級授課，因此它不但具有大學學習生涯基礎奠定的作用，同時也兼具了銜接高中與大學教育橋樑的任務，意義重大，不可或缺。

■ 目標期望與實施方法

一、目標期望

由於普化實驗的不可或缺性，我們期望以普化實驗作為教育載具，達到以下學習目標:激發並保持學生對科學的興趣和動力，培養學生科學推理能力、倫理涵養、創造性思維、解決問題能力、實踐能力、自律能力、和團隊合作能力，並加深學生對科學本質、工作執行程序之複雜性和不確定性、以及科學探究而非只是單純科學知識或理論恪守的理解。

二、實施方法

綜合上述期望目標，在實驗室操作執行方面，除了提供學生既定且制式課本資訊內容作為課程依據外，也會在課程進行過程中增添一些腦力激盪要素。同時我們也相當重視學生在實驗教室外的訓練，包含課前預備和課後反思。

（一）課前預報撰寫

學生進行實驗課程課前的準備工作是非常的重要。在進入實驗室前，學生就必須先了解當日要進行實驗的主題、目的、原理、使用藥品的物化性和安全性、使用的儀器設備、以及實驗步驟，如此方得以實驗操作過程安全且實驗平順完成，也才能在實驗進行中同時思考並領悟那些事件項次是觀察重點。撰寫預報就是一個達到這些目標的策略方法。至於預報如何撰寫，除了依循課本內容外，我們有一些附加準則。

1.     在普化實驗授課型態上會依環境與學生需求分組，可為單人操作方式與多人同組操作方式。由於後者著重團體合作，因此在預報撰寫前，同組組員必須先開小組會議討論即將進行的實驗內容，尤其是實驗過程的步驟與分工，並於預報中註明會議日期、時間、地點和每一位組員簽名。

2.     實驗目的和原理在盡量搜尋相關資料後，以自己認知與理解的內容表達陳述，並列參考資料出處。

3.     詳述當次所有使用藥品之物性與化性(例如，顏色、外觀、熔點、沸點、溶解度、穩定性、反應性…等等)，以及毒性與危害性，並且需畫出化學結構，也要列出參考資料來源。

4.     儀器設備圖示化，並結合實驗步驟。

5.     實驗步驟必須仔細圖示化且流程化呈現。也就是將課本的文字敘述具體化。教師批改預報時，可以透過圖像了解學生在進入實驗室執行實驗之前是否已經規劃好這次的實驗如何進行的每個仔細步驟，以及學生是否對於課本步驟的文字敘述有所誤解。以本系實驗單元「固相、液相和氣相擴散」為例，如圖1。雖然實驗課本步驟只是說明「取約1克的氯化銅置於試管中。」，如圖1(左)，然而由於實驗用藥品(二水合氯化銅)之後須要放置入試管中在酒精燈上明火直接加熱，所以我們希望學生在預報上的呈現(圖示比較清楚)一開始的動作就先檢查試管的完整性和乾淨度，然後再秤取藥品，以免加熱時試管爆裂和污染，如圖1(右)。另外值得注意的是氯化銅具有潮濕空氣易潮解的潛在性且易溶於水，最好不要直接以秤量紙秤取，而是用培養皿或表玻璃等等物品輔助。其次，考量氯化銅潛在的腐蝕性，應盡量避免用金屬刮勺，例如，使用塑膠刮勺。其他細節步驟以此類推，我們希望學生進行實驗前就將實驗過程仔細思考一次，藉由流程化和圖像化的預報撰寫方式與授課老師溝通，讓授課老師可以清楚知道學生課前是否對該次實驗有一定程度的掌握，以作為授課老師講解時提醒與建議內容的參考依據。

(左)                                                                                 (右)

圖1：預報撰寫案例，(左):課本內容，(右):預報書寫呈現方式。

（二）實驗課程進行過程

普化實驗實際操作是非常重要的過程，唯有透過親自動手才能擁有真正自我的深刻經驗與感受。濫情誇張說法即是動手實做歷練才能與實驗過程產生真正的情感交流，體會科學真實的內涵，那種熟悉的感覺好像是分子/化合物在和我們對話，訴說著自己的狀態為什麼是固、液或氣相，為什麼會產生沉澱，為什麼有顏色的變化、放熱或是吸熱等等。這些功力修為都要經過「做」、仔細「觀察」、「思考」、「推論」預期結果等訓練才能不斷精進。如果只是依照課本實驗步驟按部就班進行，學生將無法了解科學真正的意義與該次實驗主題的深層精髓。因此我們在課程進行過程中就會要求學生精確的詳細完整記錄。另外，我們也會提醒學生在課本實驗步驟中有一些隱藏意涵需要深思和問題解決的部分。當學生已經有一定程度的訓練與技巧後，實驗上就會增加一些變因，讓學生了解改變特定反應條件所產生的效應。以下將分類說明。

1.實驗記錄

實驗記錄是所有研究(無論是產官學研)必須執行的必要措施。它不只是整體實施過程的證據，也是執行過程中最直接最真實的第一手資料，後續可作為研究結果的省思與深思，研究再現性與創新性的依據，以及經驗傳承，可說是科學進步發展的根本基石。因此普化實驗在實驗記錄任務上也要有基本要求。精確記錄做什麼，觀察到什麼(看到甚麼寫甚麼!)，量測到什麼數據等等，例如，設備架設和使用、藥品用量、添加方式、時間、溫度、顏色等等。規定不能使用鉛筆書寫，不能使用立可白等全塗滅方式，修改只能畫刪線並需要清楚保留原始記錄(刪改的部分理應必須要簽名，我們在課堂上強調說明其必要性，但課程此階段不嚴格強制要求。)。舉例說明，如圖2(註:為創作情境非真實案例。)，實驗單元科目為「塑膠的分類與回收」。實驗者首先需登錄基本資料: 頁碼、組別、姓名、學號、日期、當天的室溫、氣壓、濕度等等。實驗主要是要得知PP和PS塑膠粒的熱特性、溶解度、和密度，所以需先記錄塑膠粒的起始狀態，包含外觀、大小、和重量。在融化或軟化的溫度測試部分，雖然溫度與塑膠粒的狀態觀察是主要的重點，而且溫度觀察間隔越密集越好，不過加熱器的設定溫度和加熱時間一併記錄將使得資料更完整。另外的重點之一就是描述與畫出特定溫度下塑膠的外觀狀態。值得注意的還有砂浴加熱砂層溫度梯度有不均勻性，因此標示溫度計和試管的相對位置是必要的。至於可溶性測試，除了描述實驗過程細節外，也要描繪塑膠粒接觸溶劑前後的外觀變化， 尤其需量化指標，在此為塑膠粒大小的量測與記錄。在整個實驗過程，我們鼓勵筆記/筆畫的同時也照相或是拍攝影片作為數位記錄保存。簡言之，實驗記錄的目的在於必要時能原汁原味實境重現，包括操作者的主、客觀視覺角度。

圖2：普化實驗室操作實驗記錄案例(註:內文為情境創作非真實案例)。

2.深層步驟

課本中的實驗步驟只是一個導引，是為了要探討研究該次實驗的目的和本質，而不完全是做法的硬性規範。學生在遵循實驗步驟文字時，需要思考步驟未仔細說明之處，以及必須注意或必須困難排除之處。表1說明本系的實施案例。案例1「實驗器材之基本操作」的實驗步驟是以量瓶取100mL的水。這實驗雖然主要是教導學生使用和熟悉實驗器材，因此傳統上只需將水加入量瓶至標線處並注意水線位置即可，不過我們在實驗課堂中將添加「校正」概念，「如何確認量瓶標線位置是否正確?」也就是學生需要思考如何確實取得100mL的水並標示新標線。同一實驗，學生也要思考如何校正其他容器(燒杯、錐形瓶等等)，加熱器、和溫度計等。類似的，案例2「溶解度積之測定」，學生需思考以硫氰酸鉀滴定醋酸銀溶液時，溶液是否一定要保持在低溫冰浴下進行滴定，同時也要深思在實驗過程中哪些步驟和器材必須保持低溫方能取得合理數據。
實驗案例3目標是合成磁性四氧化三鐵產物，其中鐵二價和鐵三價起始原料的比例是關鍵要素之一。然而鐵二價化合物在空氣中易被氧化成鐵三價化合物，因此學生在實驗一開始必須要先檢查氯化亞鐵的狀態，若氯化亞鐵已經變質，需先想辦法做些什麼補救措施再進行後續實驗步驟。經由深層步驟的思考訓練，可以培養學生縝密的思慮以及疑問好奇心，這些也是科學研究的核心能力要素。

表1學生需進行深層思考的普化實驗課程案例

3.變因調控

有經驗的普化實驗學生具有對特定實驗主題和本質的認知與探究能力，因此部分實驗過程可引入操縱變因、應變變因、和控制變因的設計訓練。以表2之案例1「分光光度計的定量分析應用」為例，調整波長進行量測，除了可讓學生觀察吸收度的變化之外，也可以讓學生思考與推論使用不同波長對未知濃度樣品定量是否有影響。由案例2「合成具磁性之四氧化三鐵」實驗中，若更動部分實驗成果目標，學生將可以了解改變粒子形成、界面活性劑、及分散載體等變因引發何種不同的效果，並思考其中原理。

表2普化實驗課程授課內容更動變因教學案例

4.成品驗收與簽退

對於普化實驗而言，評估學生的學習成效是一項挑戰(Galloway & Bretz, 2015)。在實驗室內的操作過程，除了現場的實際觀察了解外，我們也藉由實驗完成後，確認學生作品以及實驗記錄的完成完整性進行評估。若與學生討論後，結果正面順利(實驗成果是否如課本所描述的預期並非主要重點)，則提醒結報撰寫注意事項並進行簽退動作。如果有需要加強的部分，將請學生補齊或重新執行實驗，再簽退。萬一因時間和其他難以抗拒的因素無法當場重新執行實驗者，那麼就擇期重新安排時間再次進行實驗。

（三）課後結報撰寫

一般而言結報主要目的在於讓其他人瞭解實驗成果的表面過程與內在意涵。也就是說將之前的實驗程序與結果進行有系統、有邏輯的整理，並且分析觀察現象與數據，同時了解背後的科學意義以及未來性建議。因此普化實驗結報我們設定一些基本架構，可以以手寫書寫或文書相關電子檔呈現。

1.     實驗過程與觀察:並非將實驗記錄重新漂亮整齊的寫一次，而是要將實驗記錄重新有邏輯、有組織、有條理的完整整理並論述。重點在「觀察」!撰寫論述內容要過程與觀察合一，必要時也要加圖示說明。若是以電子檔呈現實驗結報，則需篏入實驗觀察照片圖說明。

2.     實驗結果:將實驗記錄的觀察與數據分類整理成易於清晰閱讀與了解的形式，例如，圖或表格，以利於結果分析。。

3.     計算:數據分析常與計算連結。首先需要說明演算方法的理論基礎，接下來對於每個算式、方程式、數字、作圖等都要非常仔細說明原委，以利閱讀者知悉來龍去脈以及思考其中的合理性和意義性。例如，產率的計算，反應速率的計算，誤差的計算，活化能的計算等等。

4.     結果討論:這部分是結報最重要的核心內涵之一，重點聚焦於實驗數據和觀察結果背後代表的科學意義。因此，學生需要對上述實驗的結果和計算進行解說。這些將涉及實驗主題原理的再認知，資料搜尋，專業判斷結合邏輯推理，以及數據或觀察現象趨勢關聯性的連結思考等等，並最好能夠提出自己的看法。例如，基礎討論包括理論值搜尋(需放置參考來源)，誤差產生原因的探討與合理性，反應過程顏色或是溶解度變化的原因等等。更進一步，也鼓勵學生以自問自答方式來進行思考，比方說，「固相、液相和氣相擴散」:實驗完成後即使已經努力將試管洗刷乾淨，為什麼試管下方仍附著黃色物質?
液相擴散實驗之色素擴散速率是否保持一致?
「常見陽離子分析」:前期實驗步驟完成時觀察見白色沉澱物產生並確實記錄，然而成品驗收時看到卻是灰色沉澱物?
學生藉由類似的自我問題反思一方面可以整理思緒，一方面也可以自我訓練對化學原理的觸類旁通。

5.     課本問題回答:本系普化實驗課本教材在每個實驗說明的最後都會列出幾個問題與討論題目引導學生思索，有時也需要蒐集資料並推敲琢磨後才能詳答。例如，「維生素C的定量」實驗，課本中的問題包含「本實驗中加入偏磷酸的用途為何？」以及「請由維他命C的結構式說明它為水溶性的因素可能為何。」等等。

6.     心得:學生在此區域除了可以分享心靈感受外，更鼓勵針對該實驗提供任何建議做為未來課程修訂的參考依據之一。

（四）講解說明與其他

除了課前實驗說明以及報告批改(加評語)的提示外，為了增加學生的印象和重點提醒補充，我們也在學期中和學期末安排實驗討論課程，進行學習成效互動交流與檢討。另外，普化實驗課程助教的輔助教學至關重要，因此我們也在學期上課前舉行助教訓練講解，以增進學生學習安全和效率。

■ 未來策略

教育主要目的之一是培育學生因應未來的世界，因此教育方式和內容會隨著時代的進步而調整。普化實驗也不例外。本系普化實驗授課內容會依時事狀況進行調整，例如，疫情期間增設消毒劑相關實驗，內容涵蓋各種消毒劑的資料研究與部分消毒劑的配製和使用。另外當時也進行酒精消毒原理實驗，了解酒精濃度的重要性。目前我們正籌劃將綠色化學與永續發展的概念在普化實驗具體執行。普化實驗與自動化、AI結合的構想將是我們下一步的規劃方向之一。

■ 結語

對於大學教育，普化實驗是非常基本而且不可或缺的必要課程，但是它的重要性被常常被忽視。雖然目前網路資訊和虛擬教學提供學生非常好的學習廣度、智識梯度、與便利性，然而欠缺的就是一個實質上的感受度。我們認為從事科學探索研究，必須要有實際操作的經驗體會，而且這種體驗感覺必須達到分子層級。現今自動機器設備愈來愈精細化與客製化，唯有確實有過實際操作的真正感受以及確實受過訓練了解科學實際深層內涵的人，方可擁有設計和駕馭高效率自動化設備的精闢技能，畢竟機器設備應該定義為強而有力的輔助工具，而非主導主體。高雄大學應用化學系執行普化實驗課程目標是希望培養出學生具有動手執行和動腦思考的核心能力，如此，在未來自動化、機器人的時代，培育出的人才才能成為機器人使用者，而非機器人附屬依賴者。本文分享我們的普化實驗實施方式，期待藉此交流平台昇華我們系上的普化實驗課程教學。

■ 參考資料

國立高雄大學應用化學系(2021)。大學普通化學實驗課本。

Arnaud, C. H. (2020). Questioning the value of general chemistry labs. Chemical & Engineering News, 98(18).

DeKorver, B. K. & Towns, M. H. (2015). General chemistry students’ goals for chemistry laboratory coursework. Journal of Chemical Education, 92(12), 2031-2037.

Elliott, M. J., Stewart, K. K. & Lagowski, J. J.(2008). The role of the laboratory in chemistry instruction. Journal of Chemical Education, 85(1), 145-149.

Galloway, K. R. & Bretz, S. L. (2015). Development of an assessment tool to measure students’ meaningful learning in the undergraduate chemistry laboratory.Journal of Chemical Education, 92(7), 1149-1158.

Hofstein, A., & Hugerat, M. (2022). The role of the laboratory in chemistry teaching and learning. In Hofstein, A. & Hugerat, M.Teaching and learning in the school chemistry laboratory., (pp. 1–15).The Royal Society of Chemistry: Burlington House, Piccadilly, London.

Reid, N., & Shah, I. (2007). The role of laboratory work in university chemistry. Chemistry Education Research
and Practice, 8(2), 172-185.

The American Chemical Society (2022).Importance of hands-on laboratory science. Retrieved March 06, 2023 from https://www.acs.org/content/dam/acsorg/policy/publicpolicies/education/computersimulations/hands-on-science.pdf

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:

高醫醫化系普化實驗室之設計與化學實驗之整合

李建宏¹＊,林淑芬,陳慧芬²＊

高雄醫學大學醫藥暨應用化學系 ¹
chli@kmu.edu.tw; ² hfchen@kmu.edu.tw

n  前言

近十五年本學系在實驗課程中的教學變革相當大。原先的課程設計在大一上、下學期為普化實驗課程，著重在基礎實驗技能的養成以及思考能力的建構；大二上學期為分析實驗課程，目的在暸解分析實驗的基礎和古典分析方法應用，大二下學期則為有機化學實驗課程，提升學生在有機實驗操作技能以及有機合成的實驗知識。但因為學生在加入教師實驗室進行專題研究時，實驗技能普遍不足，且對於實驗的思維模式過於單調，觀察能力不足導致記錄及報告的撰寫也未能詳盡。為改善學生學習狀況，本系有感於專題研究的重要性，規劃化學系學生在畢業之前對於策劃研究、執行實驗有通盤性的認識和訓練；十年前即開始整併實驗目標是打破各科實驗藩籬，將其重組。雖然成效顯著，但本系近年進行必修課程改革，將大一普通化學由原本二學期6學分降低為一學期4學分，專業必修科目（有機化學、分析化學、儀器分析、無機化學、量子化學、物理化學、生物化學、醫藥品合成化學）提前一學期修習，讓學生有更多的時間進入實驗專題或實習領域。為配合現在學生學習型態的改變以及課程設計的變化，107學年度起，由本學系前主任許智能教授和實驗課程授課教師進行第二次調整實驗課程內容，為使實驗課程與必修學科之間有更好的鏈結，並且強化實驗內容的完整性。將原本普化實驗刪減濃縮後，並結合分析化學的檢驗、定量概念，整併入化學實驗一，重整過後的實驗內容配合新制大一學生普通化學的進度；大一下的普化實驗課程調整為分析及有機基礎實驗技能設計，將基礎分析實驗與有機純化技巧訓練規劃為化學實驗二；並於大二規劃更多樣的有機實驗課程，讓學生能在大二上先做完有機基礎實驗知能及技能的學習後，大二下再增加更多應用以及連續性的實驗挑戰，所以化學實驗三、四除強化各樣有機純化技巧與光譜鑑定操作之外，亦包含有機化學各種反應與多步驟合成反應介紹（如圖1），重整過後的實驗內容亦配合學生必修科目有機化學與分析化學的進度，加深學生在學理認知與操作技能的連結。

圖１：本學系改革後實驗課程設計

n  實驗課程簡介

一、大一普化實驗整合分析及有機基礎實驗

　　在化學系中，最重要的課程莫過於實驗課程。實驗過程除了能夠幫助學生建構科學的知識外，透過實驗中的觀察更能夠連結理論，進而理解科學原理。雖然實驗課程對化學系學生的養成及訓練十分重要，然而目前的實驗課程方式仍停留在傳統的設計。課程中一般給定大部分的實驗參數，學生照表操課在規定的時間內完成固定的操作，收集類似的結果。如此設計主要在技藝的傳承，而非訓練邏輯思考及改正實驗中發現的錯誤。本學系在每年的教學工作中總是不斷地在調整實驗課程內容，希望能夠引起學生的學習興趣，規劃能夠發動學生主動去探究的實驗課程。進一步讓學生藉由這個教材的設計，重拾對化學的好奇心，也希望化學系學生能了解到實驗的重點是發現、改善及創新，為未來學業發展及生涯規劃建立基礎。在本學系中，實驗課程的規劃是循序漸進，大一上為基礎實驗技能及觀察訓練，大一下為分析及有機操作技能訓練，到大二整學年的有機技能訓練，目的在希望學生能連結學習到的技能及知識應用在進階的實驗課程及教師實驗室的專題研究上。

在多年教學的過程中，發現實驗課程內容若能較貼近生活主題，學生的專注力相對提高，以及對於課程的反饋回應較熱烈。例如本學系在大一下學期阿斯匹靈的製備實驗中帶入了銅錯合物的製備：生物體內存有一些微量金屬，這些微量金屬與體內生物分子結合形成錯合物，在生物代謝和醫藥上扮演著舉足輕重的角色。過去科學家已經發現(Abuhijleh, 2011)阿斯匹靈與 Cu²⁺ 會產生螯合錯合物 (chelating complex) （如圖2），而此銅錯合物能強化阿斯匹靈作為非類固醇抗發炎藥物 (NSAID) 的療效，阿斯匹靈銅錯合物能以治療類風濕關節炎，同時更有做為治療血栓性疾病的潛力。因此研究阿斯匹靈與金屬配位形成的錯合物之結構與反應亦成為極具前瞻性的議題。此外本實驗設計讓同學來牛刀小試，學習以自製的阿斯匹靈作為配位基，與醋酸銅反應形成阿斯匹靈銅錯合物，因酯官能基配位能力不高，因此所得之結構有可能是單核錯合物 Cu(asp)₂，亦有可能是雙核錯合物Cu₂(asp)₄(asp = aspirinate, 阿斯匹靈陰離子)。反應式如下:

圖2：阿斯匹靈銅錯合物

二、大二有機化學實驗與分析化學實驗的整合

本系亦將大二傳統會進行的有機化學實驗和分析化學實驗進行整合成為化學實驗三與四。而傳統的有機化學實驗大致可分為下列流程表進行(如圖3上): 預報撰寫，進行實驗，和實驗報告撰寫的流程進行。藉由本系的實驗課整合，我們也進行了一系列的調整(如圖3下)，首先加入運用線上軟體IRS互動系統回饋的方式在實驗課前進行實驗原理的測驗，促進學生預習且加深印象的效果。而實驗的設計上也配合有機化學正課課程的進度搭配達到學以致用和實作驗證理論的效用。另一方面，我們也鼓勵學生除了以書寫紀錄實驗的觀察現象也搭配影片的製作加深學生對實驗過程的印象。除此之外，我們更運用本校在藥物合成上的儀器資源優勢，讓學生實際操作核磁共振光譜儀和紅外線光譜儀，並進行結構鑑定解析。而為了驗證所學，在每學期實驗課程的期末進行實作測驗：第一學期是跑台期末考，讓每位學生在不同關卡分別能對有機實驗中不同的基礎實驗技巧和相關原理能做檢核也藉此再次強化其相關概念; 而第二學期則是進行未知混合物分離與鑑定的期末考(Feist, 2004)，讓每位學生能藉由一年的實驗課程後，經由所學的觀念後先對未知混合物的物性進行分析後並找尋適當的分離方式，再由實驗的分離將混合物進行純化，最後藉由光譜鑑定與相關知識進行結構的解析。這一連串的檢核在訓練學生於未來碰到未知問題時分析思考，運用所學知識分析，和藉由儀器解析到解決問題的相關能力。由這樣的實驗整合期許培養學生遇到問題思考、分析和整合的能力。

圖3. 傳統有機分析實驗和本系整合實驗流程圖

三、化學實驗室規劃與設計

    除了實驗課程的重整與優化外，本校亦投入資源設立新實驗室（如圖4上）。學生實驗室為化學系學生接觸專業化學實驗工作的初場域。除經驗及技能的學習外，在實驗室中首重的是安全。本校基於希望學生第一次進入實驗室時即建立相關的安全知識，認識實驗室安全守則。本系學生實驗室考量現今實驗室安全需求，規劃乾式廢氣處理設備，整合旋轉濃縮儀及循環冷卻水系統、天平區、烘箱及落地型排煙櫃等進行統一規劃，使學生實驗動線更為順暢。

    其中更增加設置落地型的排煙櫃（如圖4下）將供大量溶劑配置、矽粉轉移等等實驗操作使用。設置具抽氣功能之溶劑櫃，降低溶劑/廢液存放之蒸汽揮發等氣味逸散，並避免火災。另設之藥品準備室，亦配置具排氣功能之藥品櫃放置藥品。特別設立特別實驗教學實驗室，放置常見分析儀器(如UV-VIS)。寄望此設計能帶給學生貼近真實研究實驗室的工作經驗，養成正確的工作態度及習慣。

             圖4：（上）實驗室平面配置圖，（下）落地型排煙櫃照片與示意圖

(引自三雄科技股份有限公司網站)

  n  結語

在化學系中，最重要的課程莫過於實驗課程。實驗過程除了能夠幫助學生建構科學的知識外，透過實驗中的觀察更能夠連結理論，進而理解科學原理。本學系過去15年兩階段方式革新實驗內容，實驗課程的規劃是循序漸進，大一上為基礎實驗技能及觀察訓練，大一下為分析及有機操作技能訓練，到大二整學年的有機技能訓練，目的在希望學生能連結學習到的技能及知識應用在進階的實驗課程，更了解化學合成的流程，並探索系所教師的各種研究領域，除了知識技能的訓練，也希望開啟學生的視野，了解化學在各種產業的應用性與重要性，提升學生主動學習的熱情，使學生從基礎實驗室進入專題研究的過程更加順利。

n  致謝與其他說明

本文作者李建宏為高醫醫化系助理教授，陳慧芬為高醫醫化系副教授。感謝林淑芬中級技佐提供實驗室規畫設計圖與內容，完善豐富本文。

n  參考資料

高雄醫學大學醫化系化學實驗（一）實驗教材。

Abuhijleh, A. L. (2011). Mononuclear copper(II) aspirinate or salicylate complexes with methylimidazoles as biomimetic catalysts for oxidative dealkylation of a hindered phenol, oxidation of catechol and their superoxide scavenging activities. Inorganic Chemistry Communications, 14(5), 759-762.

Feist, P. L. (2004). The separation and identification of two unknown solid organic compounds: An experiment for the sophomore organic chemistry laboratory. Journal of Chemical Education, 81(1), 109−110.

大學普通化學實驗室規劃與實驗課程:

中原大學化學系普通化學實驗室之規劃與特色

莊敬、陳志德

中原大學化學系
gjchuang@cycu.edu.tw

n  前言

一、系所歷史沿革

本系創立於民國44年，經68年不斷努力求新，已擁有一流的師資與設備。民國63年與化工系共同成立應用化學研究所，並於民國70年獨立為化學研究所，民國72年獲教育部核准成立博士班。民國88年為因應國內社會經濟變遷，大學部兩班分組為化學組及材料化學組，並成立碩士專班。民國91年成立理學院奈米科技中心，民國95年與物理系、生物科技系與奈米科技中心合辦奈米科技跨領域學程。本系目前設有學士班、碩士班、碩士在職專班及博士班等四種班制。本系擁有化學館與理學大樓(2-5F)兩棟建築，教學與研究空間充足。實驗教學佔有最大空間，如普通化學實驗室，物理化學實驗室，有機化學實驗室，儀器分析化學實驗室與材料分析化學實驗室，足見本系對於實驗教學之重視(中原大學化學系, 2020)。

二、系所目標、特色及發展規劃

本校創校68年，致力培育國家高等教育人才，具有優良校風與學術成就。本校教育宗旨理念以全人教育與知識經濟為兩大主軸，提倡手腦並用、寬廣學養及關懷情操等三大教育目標。針對此目標所設計的課程，則強調專業、實作、通識及關懷教育等四大方向。本系之教育對象為大學部學生，碩士研究生與博士班研究生。本系為其設定之教育目標分述如下：

學士班教育目標：培養具有高尚品德與堅定化學專業知識的人才。

碩博班教育目標：培養具有專精化學專業知識與研究暨應用能力之人才。

本系持續推動學術專業與專題實作之平衡教學。專題研究課程列為必選，以奠定學生紮實的實驗基礎。教師專長領域涵蓋有機化學、無機化學、分析化學、物理化學與材料化學等。研究上包含基礎研究與產業之開發。

本系教學著重理論與實驗並重，嚴格要求基本學科訓練，以應付多變的科技產業。本系提供多樣性課程及學程，如奈米科技學程，以擴展學生視野，靈活其思考。基礎實驗力求學理與實務並重，訓練學生動手做的習慣與實事求是的精神。大二升大三暑假即要求學生進入各老師研究室，進行專題研究，培養獨立思考、主動創新與系統整合之能力。另積極辦理四加一學/碩士雙聯學位及逕讀博士學位，以鼓勵本系優秀學生提早進入研究領域。本系致力於國際學術交流，與Temple大學及日本新瀉大學合作，進行多項交換學生計畫，同時與馬來西亞拉曼大學學院(Tunku Abdul Rahman University College)理學院，互派學生進行專題研究，對拓展學生之國際視野裨益極大。

三、學士班課程規劃

本系期望能培養出品德與化學專業兼具的人才，作法為訂立兩類核心能力。一為專業核心能力的培育(professional education)，可細分為專業化學之能力、組織統整與應用能力、創新思考與研發能力及化學實務與應用能力等四種，主要由本系負責達成。二為品德核心能力的培育(General Education)，可細分為責任與倫理能力、溝通協調與團體合作能力、熱忱與壓力管理能力及關懷與博愛能力等四種，主要由本校的通識課程教育及課外活動等負責達成。

n  普化實驗課程之規劃

一、課程設計

為達成本系學士班教育目標，依學士班課程規劃，普通化學實驗課程選擇與一般生活息息相關之題材。同時為反應高中端化學教育於實驗教學之匱乏，實驗教材強調基礎化學實驗操作技巧以及各類器材之使用方法，於動手學習的同時了解相關原理。其後引入化學合成與鑑定的基本技巧，培養學生實驗操作與解決問題之能力，同時強化學生獨立自主與溝通協調之能力。以奠定日後銜接有機，分析，物化與材料等實驗所需的基礎技能。

二、課程內容

    實驗一至九從基礎操作方法，如玻璃器材，天秤，加熱板，重力及抽氣過濾等基礎之實驗所需技巧，慢慢引入化學鑑定，分離，檢定濃度，純化等深入之實驗流程(中原大學化學系, 2022)。另外，實驗安全教育也是普化實驗的重點之一。課程中教師將講解各項實驗之意外預防事項以及防護器具之使用方法。

實驗一: 基本操作方法

實驗二: 定組成定律

實驗三: 運用酸鹼指示劑標定標準酸鹼度

實驗四: 由茶葉中萃取咖啡因

實驗五: 利用分光光度計測定離子濃度

實驗六: 葡萄酒的蒸餾

實驗七: 維生素c含量測定

實驗八: 錯化合物的生成

實驗九: 再結晶與熔點測定

實驗前，授課教師會講解當日實驗所需之原理，執行方式，以及應注意之安全事項。實驗進行時也會不時與助教對各組同學進行協助與指導。實驗報告之內容著重於該實驗之原理與實作所遇問題之檢討。期末時會以操作考的方式檢定同學之學期成效。

n  普化實驗室之規劃

本系可使用之空間與儀器設備，相當充裕。除了獨立的三層樓化學館外，尚有理學大樓二樓至五樓之空間，並有獨立的化學系圖書室，供學生憑學生證自動進出使用。除專用實驗室、研究室、討論室及教室外，另有放置共用貴重儀器之實驗室。其中普通化學實驗室位於化學館二樓（見圖1），內有三十座獨立通風櫃（見圖2）。本系另有寬敞之儀器分析實驗室（見圖3與4），內部儀器可支援普化實驗產品之鑑定工作。每間實驗室皆設有緊急洗眼設施與急救箱，門口皆有緊急淋浴裝置。每學期定期檢驗，確保設施完善，以保障學生實驗安全。

 圖1：普化實驗室位於化學館二樓。           圖2：普化實驗室內有三十座獨立通風櫃。

圖3：儀器分析實驗室之一。                 圖4：儀器分析實驗室之二。

n  普化實驗室之特色

本系普通化學實驗室空間寬敞，置有三十座獨立通風櫃，多年來供五十至六十位學生分組進行實驗。課程由專任講師一人負責，並配有研究生二人協助授課。大一生得以受到良好照護，空間寬廣的優勢也能減少意外之發生。為了精進實驗的教學，112學年度之新生將分為兩個小班制進行實驗教學，以每班三十人以下為原則。計畫以優勢的師生比強化教師與助教對於學生之指導，以精進學生實作之能力。

n  結語

本系普通化學實驗主要為建立化學系同學基礎實驗技巧。以充足的硬體與安全設施，配合專業之師資與小班教學方式授課，扎實的進行學生實驗學習，以冀奠定學生之獨立研究能力。未來本系也將進行實驗的精緻化，希望以能引起學生興趣的實驗內容，配合詳盡的實驗教學影片，創造卓越的實驗教學環境，以培養務實優質的一流化學人才。

n  參考資料

中原大學化學系（2020）。中原大學109年度委託辦理品質保證認可自我評鑑報告。桃園市：中原大學化學系。

中原大學化學系（2022）。中原大學普通化學實驗手冊。桃園市：中原大學化學系。