臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan科學展覽指導經驗談
1陳皇州2李賢哲
國立屏東大學應用化學系
1kelvin@nptu.edu.tw 2sjlee@mail.nptu.edu.tw
n 前言
首先感謝本期(52)擔任執筆的作者們，在百忙之中完成科學展覽參與及指導心得之分享的文章，客座主編與副主編謹此對同在教育工作崗位上辛勤付出的教師們，致上最高的敬意與感佩。參加科學展覽對於培育學生們科學素養的幫助是顯而易見的。由於在各項的科學展覽中，總是能夠看到同學們發揮創意與想像力，帶給大家許多引人入勝的科學探究題目以及有趣的發現。
科學展覽為參與活動的學生們營造了一個富含互動和實踐的學習環境，讓參展的學生可以親自進行科學實驗、觀察實驗結果現象和探索科學原理。而將這樣的科學探究過程、團隊合作精神，並於最後以有系統的方式將研究成果展示於閱聽大眾眼前的一段科學之旅，將充分地引導出學生對科學的興趣與熱情，激發他們進一步探索和學習科學的動機。而科學展覽最為重要的意義，莫過於學生能夠對於科學方法加以實踐，包括前期的參與觀察、提出問題、設計實驗、收集數據和分析結果。後期則通過參加展覽，瞭解科學領域的基本概念、原理和應用，拓寬科學知識面，從而培養學生的科學思維和解決問題的能力。
n 本期專題文章簡介
本期專題的第一篇文章，是由彰化縣立陽明國民中學的蔡名峯老師所主筆，其由一位國中科展指導老師的角度出發，以『把每位學生帶起來，不放棄任何一位學生』的信念為基礎，細數過去二十年來走過科展之路的點點滴滴，文章涵蓋如何將參與科展的機會，推廣到不同學習成就學生的學習歷程上，讓不同背景的學生有機會認識及參與科展活動，而非成為少數資優班學生的專利。其作法包含了擴大學生參與管道、家長參與的科展分享研習、結合理化實驗單元並設計創意科學實驗、成立社團時間並利用假日進行經驗傳承等具體措施。正如同蔡老師所說，「創意科學經營」方法無他，唯「教育愛」與「教學熱忱」而已，如此教育哲理的實踐，的確非常值得我們學習與借鏡。
本期的第二篇文章主要介紹的是以一位參與科學展覽的學生的角度，陳述了在學生時期參加科展競賽的心路歷程，以及後來成為科展作品指導者的心境轉變，更體驗了教學相長的真諦。這是由目前就讀國立臺灣師範大學的王昕芸同學所撰寫。由筆者所分享的科展作品實例中，將數學與音樂結合的創新領域及探究過程，著實令人印象深刻，也令人想起國立臺灣大學化學系戴桓青教授曾經帶領以感應耦合電漿質譜儀定量，分析一把愛因斯坦曾使用過的義大利小提琴的組成元素，也藉此揭示了名琴樂聲悠揚之秘密的研究。這兩個科學探究的例子發生於不同的教育現場，但卻是有著異曲同工之妙。而我們認為這就是科學展覽將有效增加公眾與科學相互理解與對話的證據。
本期專刊第三篇文章，由高雄市左營區舊城國民小學的蕭妃茹老師撰稿，分享以高雄市舊城國小的『自造者廚房』，提供舊城國小教師及學生一個學習食品營養與安全的食物自造基地，並搭配教育部108課綱中食安領域的課程，強調從最基礎的食物營養成分及特性開始，透過自造者廚房融合食物營養成分運算思維，以及置入STEM精神的課程與活動，啟發學生其對於製作安全且營養的食品具有正確的概念，因而獲致具有健康概念的飲食內容。在以「廚房裡的科學」為基底，發展食安領域的學習成長的理念下，蕭妃茹老師以食物中的天然化學為師，發想適合國小學童動手實作的科展主題，無論是傳統食物、流行食品、特色料理或是農產品再利用等主題，都成為孕育學生參與科學展覽作品製作及研究的主題。誠如蕭老師所述，在民以食為天的龐大吸引力下，學生們自然而然地對於探索食物相關的科學有著高度的興趣，而學生經由參與實驗的設計、操作及數據分析的過程中，學習了科學探究的思考能力與邏輯批判，其所呈現之富含色香味俱全的健康食品，更能夠讓所有的科展參與者與參觀者體悟到原來科學就在你日常生活的每一天。
n 結語
再次感謝本期專刊的作者們，藉由分享參與或指導科展的經驗，說明了科學展覽除了能夠將科學知識與概念，以最為直覺的方式呈現給閱聽大眾外，也能夠進一步啟發參觀者的創新思維，消除科學知識的隔閡，提高公眾對科學的認識和理解並促進科學與社會之間的溝通，進而激發公眾對周遭重要議題的關注。綜上所述，我們深信科學展覽在科學教育傳播、創新和社會影響力方面具有重要的意義，包含能夠啟發人們對科學的興趣和探索精神，促使人們思考和行動，培養現代公民的科學意識等。我們希望藉由本專刊的分享，對於即將或已經參與科學展覽相關活動的教師及學生們，提供有價值的經驗分享，為科學教育的未來一起攜手向前，開創新局。
科學展覽指導經驗談：指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享 ／蔡名峯
星期一 , 5, 6 月 2023 本期專題, 第五十二期/2023年6月 在〈科學展覽指導經驗談：指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享 ／蔡名峯〉中留言功能已關閉科學展覽指導經驗談：指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享
蔡名峯
彰化縣立陽明國民中學
greenman7777@gmail.com
n 前言─把每位學生帶起來
有一句在教學上常聽到的諺語：「讓我用聽的，我隨後就忘了；讓我用看的，我就能記得住；讓我親身去做，我才能真正的了解。」（I hear and I forget. I see and I remember. I do
and I understand.）。這句至理名言燃起我對科學教育認知的那把火，重新思考要如何去耕耘學生們的科學活動，也逐漸影響學生們為了自己的生涯目標而奮鬥的決心。
對我而言，老師不是職業，而是一項「人生志業」。我的母校也是我長期任教理化的陽明國中，在這20年來對科學教育及科展活動的推廣，也促使我榮獲101年全國師鐸獎（附錄1）、特殊優良教師金質獎、創新教學金像獎等獎項，並獲得大愛電視台「專輯報導–我的老師這樣教」的殊榮（附錄2）。且已三度獲頒「全國科展滿15屆優良指導教師」（已滿19屆）獎章（見圖1和圖2），更讓我堅定「把每位學生帶起來，不放棄任何一位學生」的信念，凡事只要盡全力必能「創造出唯一」，讓科學的種子萌芽茁壯，並依學生自己的長才御風而扶搖直上。
圖1：19年來指導全國科展和彰化縣科展獎座合影
圖2：指導參賽全國科展滿15屆優良指導教師接受頒獎
n 科展可以是所有學生的舞台並非僅限學業頂尖者
在引導科展活動中，發現培養學生的創造力、意志力及團隊精神是有助於日後生涯的發展。第43屆科展學生群中，就有4台大醫科、3名台大電機，其他醫科10餘人。再者，陽明國中也打破科展的迷思，讓科展活動並非僅是學業頂尖者的場所，學生們只要能全心投入者，即使是後段班，亦能發揮長才，也能獲得荷蘭國際科展金牌獎、臺灣國際科展獎項及全國科展前三名佳績。筆者指導全國科展19年中，榮獲全國科展第一名者常是常態分班學生（第48屆全國科展理化科第一名「色彩變變變」的學生就是普通班，後來因科展推甄上台中女中資優班，進而推甄上台大醫科）（附錄3）。（第50屆全國科展作品：點「食」成金（附錄4），作者之一並非為頂尖的學生，卻是最積極投入者，他展現研究科展強烈的企圖心，深獲評審的青睞，終獲全國科展應用科第二名，也因科展技藝加分而申請就讀彰師大附工，進而就讀台北科技大學。科展帶給他的激勵效應，成就了他的科技之路，我也始終引以為傲！
n 陽明科展，揚名全國
近10餘年來陽明國中更形成了「進擊的科展團隊」（見圖3），成立「自然科學博物館彰化陽明科學教育中心」、科展E化教室、科展看板展示走廊，出刊陽明歷屆科展得獎的作品集，成效卓著，10餘年來已三度獲得全國科展國中組團體第一名及TDK獎第一名（第48、50及56屆），且兩度獲全國團體第二名（第55和57屆）。第55屆科展曾有7件作品進軍全國，而第56屆全國科展（獲得2件全國第一名分別是「物理科–電池跳、挑電池」及「應用科–糞力而為」，1件全國第二名「地球科學科–搶救台灣國寶石」）（附錄5），榮獲積分27分，更打破全國科展最佳積分紀錄，獲得蔡總統在總統府召見（見圖4），至今無其他學校能破此紀錄。
圖3：陽明國中形成「進擊的科展團隊」指導科展
圖4：第56屆全國科展，榮獲物理全國第一名及應用全國第一名，與總統合影
更有榮獲臺灣國際科展二等獎，進而代表臺灣參加荷蘭國際科展榮獲金牌獎。還有學生參加國際化學奧林匹亞榮獲金牌獎，進而甄試上台大醫科，令人引以為傲（見圖5和圖6）。
圖5：化學奧林匹亞金牌、荷蘭國際科展金牌、臺灣國際科展及全國科展活動照
圖6：彰化縣科展頒獎陽明國中學生合照
n 經驗分享─人人都是科學家
陽明國中連續20年榮獲彰化縣團體第一名，全校曾經最多送件近100件，推廣科展經驗分享，略述如下：
一、 在招收與推動學生參與科展管道方面
1. 吸引社區的小六學生參與科學活動
舉辦「金頭腦科學活動」，吸引社區小六學生來陽明國中參加科學活動，並用科學魔術（附錄6）來吸引小六學生的目光，例如：在金頭腦第一次活動中，設計聖火台表演「水火相容點聖火」（見圖七左），使用電石加水，並用點火槍引燃乙炔氣體，點燃科學的聖火，吸引學生們的目光與歡呼，效果十足。三個月的活動期間，共同參與科學實驗活動，例如：馬達刷刷車、光碟氣墊船、創意九龍公道杯、創意玄機杯、金幣銀幣變變變、油墨水中畫、棉線結晶開花等（見圖七右），讓學生們設計「創意科學作品」，並在「金頭腦Line群組」中分享，激發出更多的科學創意，並鼓勵就讀陽明國中後，進入科展社繼續從事科展研究。
圖7：金頭腦科學活動～「水火相容點燃科展聖火」（左）；金頭腦科學活動的眾多實驗，讓學生們親自動手操作（右）
2. 鼓勵校內和任課班級的學生加入科展
鼓勵全校學生和任課班級學生參與「科展活動」，並且鼓勵成績優異者能主動對弱勢或成績落後者邀請加入科展的組別。筆者指導彰化縣科展19年，共獲特優47件進全國，優等147件，甲等60件，佳作133件，共獲獎379件作品。
二、 假日辦理親師生科展活動與邀請畢業學長返校協助科展經驗傳承
利用假日辦理「科展分享研習」，鼓勵家長們一同來聆聽，每年近300人次進入校園了解科展活動，引進家長資源和職業的經驗分享，讓歷屆科展學長姐持續回母校協助科展的成功經驗分享，也引導學弟妹們進行科展研究，促使科展主題內容探討更新穎和多元化。因家長和歷屆科展學長姐們假日返校的協助陪伴，也使實驗室的安全把關更加完善。
三、 科展結合理化課程與成立科展社團
平時教學結合理化實驗單元，設計創意科學實驗，讓學生們當作理化課程作業進行報告，並將成果在班級Line群組中分享給同學及家長們，進而成立「創意科展研究社」（見圖8），利用社團時間和假日陪同，並秉持傳統邀請歷屆科展獲獎學長姐經驗傳承（見圖8），也激勵學弟妹們有學習的榜樣。
圖8：創意科展研究社
圖9：歷屆科展學長姐返校經驗傳承
四、 在指導科展分工合作方面–成立資源共享與即時討論回饋的通訊群組
陽明國中成立大團體的「家長、歷屆獲獎科展學長姐及學生的科展Line群組」。在群組內進行「科展成功經驗和科展製作秘訣」的分段影片和資料教學，例如：如何尋找科展主題、如何收集科展文獻、如何進行科展實驗、如何製作科展的圖表、如何進行科展的數據分析、科展說明書編排、科展日誌繕寫、科展影片製作、科展口試口語化表達訓練、科展海報編排製作等，並將內容分段存在記事本中，讓學生們分段逐漸學習。並成立個別的「科展小群組」，讓組員們定時Line上研究內容共同討論，並由組長協助分配科展工作，家長們和指導老師可以在小群組中協助監督和引導，以控制科展進度。
在群組中協調約定晚上和假日課餘時間，開啟視訊會議共同討論目前進度、分享工作結果及遭遇到的困難，與指導老師、家長及歷屆科展獲獎學長姐們，共同討論問題的解決之道。
五、 在時程和場地安排方面–建立科展E化教室與科展實驗室
1. 每週在「創意科展研究社」的社團時間，在「科展E化教室」直接面對面與指導老師進行溝通協調。
2. 利用中午午休時間，在「科展實驗室」，進行科展實驗。
3. 利用假日時間，在「科展實驗室」進行較長時間的科學實驗，並在「科展E化教室」進行科展說明書的實驗數據分析和科展報告製作。
4. 利用晚間和假日在家時間，使用視訊會議公開討論，並在各組的科展Line小群組上報告個人職責的研究成果。
六、 在遇到問題與解決方面–設立即時通訊群組、線上會議討論和尋求大學支援設備
1. 這兩年因為疫情期間討論時間與空間受限，再加上每位學生的討論時間不一，因此常借助「Line群組」與「線上視訊會議」等科技來討論，解決了因疫情造成的討論困境。
2. 學生們分配工作在家各自實驗，再將彼此的實驗影片和數據成果，互相分享討論，讓製作科展進度不落後。
3. 由於學生們科展主題隨著科技持續進步，導致學校實驗儀器設備有時受限，因此會尋求鄰近大學的實驗設備儀器支援，或申請至大學實驗室來進行更高階的實驗。
七、 在推廣科展，向下紮跟方面–積極到各學校辦理科展研習活動
筆者積極地到各縣市學校推廣科展教育工作，例如：到彰化縣科展研習、臺南市全國科展會場、國立自然科學教育館、國立自然科學博物館、彰化縣各國小（南郭國小、中山國小、民生國小、大成國小、忠孝國小、國聖國小、文開國小、湖北國小、媽厝國小等），分享科展製作經驗，並到國小擔任科展社指導教師，帶動彰化縣國小科展的蓬勃發展，曾協助多校獲得全國科展前三名的佳績，使得彰化縣多次獲得全國科展團體獎前三名，近十年來已獲得三次全國科展團體第一名的榮耀。
n 結語─科展歲月，無怨無悔
埋首於科展歲月二十載中，感謝家人和長官的包容與支持，提供最佳的「創意科學舞台」，讓師生們能盡情揮灑科學的創意。今後更將秉持「企圖心創造非凡」的精神，戮力於科學教育，臨深履薄，無改初衷。學生們的科展創意屢屢創新，更有待教師們能夠適性揚才的引導，把每位學生帶起來。「創意科學經營」方法無他，唯「教育愛」與「教學熱忱」而已。
n 附錄
1. 師鐸獎教學分享，您就是教育魔法師~教學歷程及「科學實驗」活動~蔡名峯
https://drive.google.com/open?id=1rM2Moq7zN3-Z0Zb57MJFeuXQMhpAIetk
2. 大愛電視台～我的老師這樣教～教育魔法師。大愛對我的專訪專輯（來拍攝3次6天剪輯而成）https://www.youtube.com/watch?v=NPjlJYHHC08
3. 第48屆科展國中組:理化科第一名，色彩變變變–自製重金屬檢測試紙及檢測流程研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/48/high/031628.pdf
4. 第50屆科展國中組:生活與應用科學科第二名，點食成金–粗糠與常見材料的保溫，隔音及緩衝效能之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/50/pdf/030809.pdf
5. 第56屆科展國中組物理科第一名：「物理科–電池跳、挑電池」探討 3 號鹼性電池電量與彈跳及滾動行為之關聯性https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030111.pdf
第56屆科展國中組應用科第一名：「應用科–糞力而為」開發生物活體系統分解豬糞可行性之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030814.pdf
第56屆科展國中組地球科學科第二名：「地球科學科–搶救台灣國寶石」螺溪石的辨識及其特性之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030505.pdf
6. 蔡名峯老師的創意科學魔術表演 （一）
https://drive.google.com/drive/folders/1Omk3zwpkmWBUROPz2WuNjWjP790f5lU1?usp=sharing
蔡名峯老師的創意科學魔術表演（二）
https://drive.google.com/drive/folders/1dLojWBPmqjRLLuwkxrbwFSXm05WL0I4z?usp=drive_link
科學展覽指導經驗談：如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域 ／蕭妃茹
星期日 , 4, 6 月 2023 本期專題, 第五十二期/2023年6月 在〈科學展覽指導經驗談：如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域 ／蕭妃茹〉中留言功能已關閉科學展覽指導經驗談：如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域
蕭妃茹
高雄市左營區舊城國小
pinkitty.tw@gmail.com
■ 前言
筆者擔任高雄市舊城國小自然科教師，透過實作、「食」作學科學方式，以食物適當延伸課程內容，讓孩子將課堂學習的科學知識，靈活有趣的應用在生活中。當孩子學過「廚房裡的科學」後，會指導孩子做雞蛋布丁，觀察糖的溶解及認識雞蛋的變性作用（圖1）：學過「認識酸鹼溶液」之後，帶學生運用酸鹼變色，動手調配出蝶豆花漸層飲料（圖2）；學過「食物的保存原理」就來做做泡菜與果醬，認識醃漬與滲透壓的簡單原理。當科學教育連結到有趣的食農教育，學生展現滿滿的學習動力，所以許多的科展主題都是從學生在食物製作的經驗中取得。
要進行食物製作的場地需要考慮到安全、衛生及動線，儘量不要在實驗室裡做可食用的食物，以免誤導學生把實驗做出東西與可吃的食物混淆了，造成學生誤食；所以一開始就是在教室裡，用課桌椅拼湊著用，用具也都是簡易型，有時需要麻煩學生自備器具與材料，雖然不方便，但看見孩子專注參與，我認為這樣的學習是無法用紙筆評量的（圖3）。俗話說「戲棚下站久就是你的」，這樣的堅持，在105學年至106學年出現了轉機，學校參與屏東大學的研究計畫，建置一間以「自造者廚房」為發想的「焙客創課基地」，主要宗旨是以食育教育為基石，創客教育為實踐，希望啟發學生生活科學新思維，孕育具有人文科技新素養的學生。此間創客基地有別於其他以新興科技為主的設備，設置一些日常生活常用的食品製造工具，讓學生由最原始的食材，學習組合與創作出記憶中的味道或是創新的食物（圖4）。有了這樣的硬體設備，學校教師透過參與食育教育教案設計及規劃校訂課程，讓本校學童在安全的環境下，認識食物的原貌，了解食物美味的科學原理。烘焙教室是一個享受學習的場所，在這裡，孩子們可以盡情發揮自己的創意和想像力，製作出屬於自己的美食作品。教師們希望透過烘焙課程，能夠培養孩子的興趣，同時也能夠啟發孩子們對化學的興趣與好奇心。
圖1三年級雞蛋布丁DIY 圖2五年級夢幻蝶豆花DIY
圖3在教室裡動手做泡菜，環境空間很陽春，但孩子很專注 圖4專業的設備與空間，孩子們捏著自己調配的蘿蔔絲餅，架式十足
■ 如何找出適合的科展主題
每年帶領4至6年級學生進行科展探究實驗，並參加科學展覽競賽（參賽組別以化學科為主），近年來參賽作品比賽後，總會在評語中看到評審提出以下意見︰「研究內容中化學原理的著墨不深，建議加深化學原理」，我心中不免疑惑，國小學生我能帶他們做到多深的內容？我想這個問題應該困擾許多在前線指導的老師，如果仔細審察國小自然課程的內容結構，會發現在國小階段自然科學3至5年級108新課網規劃24個單元中，只有3個單元是與化學實驗或有介紹到簡單的化學原理，6年級目前使用9年一貫課程共7個單元，化學相關內容也只出現在一個單元（以某版本教科書為例），在如此的教學結構下，這些做科展的學生，他們現有的化學原理知識是不足夠的，學生只在低階的科學層次上，老師要如何幫學生從建構知識中跨過鴻溝及爬升到更高階的科學層次，正是教學者需要好好思考的。
■ 從「食」出發
想要帶國小學童進行科展研究，光是要找到適合的主題，可能需要花費許久的時間，如果想要慢慢磨出研究方向，幾近停滯的研究進度，可能會讓孩子失去熱忱。再者如果指導老師每年都要花許多的時間慢慢建構孩子的基本能力，那麼探究的深度是無法前進的。所以一開始我會建議老師可以從自己有興趣的東西為研究主題發想的題材，設計一些活動讓學生不小心就掉進這個主題中。以我為例，本校學生一年級做過的湯圓、二年級做過地瓜圓、三年級做過雞蛋布丁，四年級甄選進來做科展的學生，就帶到焙客教室，讓他們動手做小點心，學生只要聽到要做東西吃，就會動力十足。因為他們不熟練的烹飪技術，做出的東西就可想而知了，當他們吃到不如預期美味的食物時，我們就有了討論的議題，食品種類琳瑯滿目，國小學童的烹飪基本能力不足，一面進行科學探究，還要一面教導簡易的烹飪技巧，所以配合國小學童的程度，選擇操作簡單，材料不多的點心著手比較適合，例如雞蛋布丁、湯圓等等，以下我提出這20年來曾經帶孩子踏進科學殿堂的四類食物主題，供老師參考發想。
1、 傳統食物
這裡說的傳統食物可能是以前家人曾經吃過，而現代的孩子沒有機會吃到的食物，或是這些食物已經改變名稱了，例如孩子喜愛的珍珠奶茶裡面的珍珠，其實與粉圓的材料大同小異，但是孩子很少親手做珍珠，所以帶學生參觀手工粉圓的做法，訪問業者，探討現做粉圓與市售粉圓的差異，更換澱粉種類進行粉圓質地探究，學生做完科展比賽，已經可以自己做粉圓了。另外「椪糖」是老一輩熟悉的零嘴，現在則是特殊場合才會出現的食物，這個題目可說是科展界裡的東方不敗，出現頻率很高，面對這樣的議題，首先，就要做足文獻資料搜尋，以免與前人研究重複。再來要試著從裡面找到新亮點，這樣的研究才會受青睞。
2、 時尚流行食物
現代小孩生長在資訊快速散播的時代，偶像代言或是流行影片中出現的食物，會是孩子有興趣接觸的食物，由這類食物開始，孩子會覺得很有興趣，例如之前流行一部韓劇—魷魚遊戲，劇中有提到一種戳糖餅的遊戲，類似我們熟悉的椪糖，搭上流行議題的列車，所以我們就準備材料讓這群四年級的孩子做一做，吃一吃，讓他們討論做的過程中發生了什麼事，為什麼會有這樣的結果，孩子就有方向找資料，所以先讓孩子試著找一些資料，老師也要做功課評估孩子的能力及完成的可行性，心中有個底，慢慢幫孩子導方向，例如這組小孩做了幾次之後，發現糖液溫度高，不小心會燙到，糖漿很難清理，每一次煮出來的結果都不一樣….，遇到瓶頸，這時老師就可以試著讓孩子再分析流行的主題，研究的作品就會多，如何在「糖」這個主角中轉出另一個方向，有人就提到之前老師有教他們做過焦糖雞蛋布丁，煮過的焦糖和吃過的椪糖比一比，煮的過程哪裡不一樣，成品有什麼差異，開始慢慢從焦糖身上找到抗氧化的研究方向（有興趣者可參考62屆高雄市科展–「糖」葫蘆裡賣的是什麼~探討各種醣類加熱後生成物的特性）。
3、在地特色料理
左營有一間傳統餛飩店小吃，吸引許多遊客前來品嚐，一碗清湯加入餛飩，再加上一顆水波蛋，讓人食指大動。帶學生吃一碗，再買回來讓學生試著煮，看似簡單的烹煮，卻是受到許多變因影響，學生認為最困難的是一顆顆完美的水波蛋是如何煮出來的，所以我們從濃、稀蛋白的變性溫度著手探討。實驗中學生除了探究如何讓蛋液完美成型的科學原理之外，更學會熟練的煮出一顆完美的水波蛋，學會科學研究的基本架構之外，更是培養學生帶著走的能力（有興趣者可參考54屆高雄市科展–蛋白分家了~水波蛋輕鬆煮）。
4、農產品及副產物再利用
臺灣物產豐富，各地都有特殊的農產品，善用各地盛產的食物進行探究，也是一個不錯的主題。除了進行食品類的研究之外，對於農業副產物的再利用，也是一個值得探主題。以左營地區為例，早期種植許多的菱角，所以產季時學校周圍許多老人家會協助去殼，這些菱角從果仁到外殼就成了我們研究的題材，我們將菱角果仁加工萃取出澱粉，利用菱角澱粉做湯圓，做米苔苜，剩餘的菱角渣，則讓加入餅乾中，看看是否能做出不一樣的餅乾，至於被丟棄的菱角殼，我們試著將它用來染布、造紙。所以一個主角可以發展出的研究主題就可以很多了（圖5）。
圖5以菱角為主題所發展出的科展作品
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■ 一步一腳印的經營科展活動
科展活動是要激發學生對科學研習之興趣與獨立研究之潛能，提高學生對科學之思考力、創造力，與技術創新能力，培養學生對科學之正確觀念及態度。帶學生找到研究的主題後，就要開始慢慢培養學生科學探究能力，尋找資料，如何分析文獻資料，設計實驗，研究記錄，數據分析，下結論，到完成作品說明書，口頭發表等等，我個人習慣由四年級學生開始培養，也會花較多的時間及精力在四年級的學生身上，一來學生時間較充裕，二來經過一年基本工的磨練，這些學生如果五年級再延續時，就能從事更深層的研究，但基本上需要孩子是經的起磨練的（有些孩子會因為犧牲許多玩的時間，結果未得獎，就不想再參加了）。以同時參加59屆及60屆兩件作品全國賽的學生為例，其中一位四年級開始做科展，一開始研究主題是老師給的參考主題，一路試做、修改實驗，完成作品說明書，可是此件作品在市賽時並未進入複賽，有些學生就覺得之前的努力都是白費力氣，所以五年級就不再參加了。但這些學生基本科展研究的歷程已完全經歷一次，包括完成作品說明書、海報及口說練習。其中二名學生並不氣餒，升上五年級，班級導師帶學生做發糕慶祝升上高年級的滿月禮，結果相同配方每組做出的成品均不相同，學生就從中間找到探討的主題，這一年學生間會互助合作，分工執行，會自己審視實驗數據的準確度，也會處理實驗數據，所以老師的工作量就減輕許多，再者進入複賽時要做口頭發表就很輕鬆了，所以累積2次的實際參賽經驗，到六年級時就自己從喜愛的食品~馬林糖中找到探究蛋白起泡性的研究，這件作品就能較深入的探討蛋白質結構與變化，也有能力運用分子模型來解釋蛋白的變性作用，一路走到六年級，已經可以將經驗分享給科展新手，對科展執行的邏輯性具有批判能力，對數據及圖表到作品說明書的完成都可以自己完成，這些能力正是科展比賽最終的目標。
■ 結語
108課綱強調學習是在生活情境下引導學生，培養核心素養能力，我認為食物對學生具有神奇的魔力，帶著學生從做吃的食物開啟科學之旅，學生學到的不只是科學探究的整個歷程，也從實驗過程中學習如何有效規畫、操作流程，最後回歸到學生具備健康飲食的基本素養。踏進科展指導一轉眼已過20個年頭，我把科展當企業用心經營，孩子努力再加上校長、主任們、及家長的大力支持與協助，帶著不同的學生參加市賽、全國賽，每一個參賽歷程對學生而言，都是能讓他們激發出各方面的潛能，培養團隊合作精神及具備挫折容忍的特質，而我則是在一張張獎狀的背後，看到孩子的進步與成長，由羞澀不敢在台前發言的小男生轉變成台上字正腔圓的演說者，由自我中心強烈，凡事我最大孤僻個性，到放下身段，為團隊爭取榮譽，容許更改意見的孩子，就是這股動力驅駛我一路走下去。找到自己經營科展的動力及模式，才有續航的動力，以上僅是個人小小拙見，若有思慮不周詳之處，請不吝指教。
科學展覽指導經驗談：由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享 / 王昕芸
星期六 , 3, 6 月 2023 本期專題, 第五十二期/2023年6月 在〈科學展覽指導經驗談：由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享 / 王昕芸〉中留言功能已關閉科學展覽指導經驗談：由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享
王昕芸
國立臺灣師範大學數學研究所研究生
wang.sinyun@gmail.com
作者從國小到高中參加過多次科展，在一次次的參賽過程中，學會了進行科學探究、發現並解決問題，也熟練了文書處理和口語表達能力。進入師大數學系就讀後，我修習資優教育學程，開始學習如何指導學生製作科展。
在母校彰化市陽明國中蔡名峯老師的邀請之下，我回到國中協助學弟妹製作科展，並分享了自己當時參賽的心路歷程（圖1）。在這個過程中，我發現教育不只是知識的傳遞，更是將自己的心得經驗分享給學弟妹，引導他們發掘問題，培養他們尋找答案的能力。同時，這也是一個挑戰自己的機會，讓我更了解如何有效地引導學弟妹，提高他們的探究和創新精神。
圖１：收到蔡名峯老師（左3）邀請，與同學一起回母校協助指導科展
n 當年參與第53屆國中科展「音樂數學，數學音樂」的作品回顧
我對於科學探究很有興趣，很享受發現問題並解決問題的成就感，國中時在蔡名峯老師的鼓勵下，便與好友組隊共同進行研究。我們依照自己有興趣的主題「音樂與數學」，從大量的文獻中尋找相關資料，發現了音樂與數學的相關性，決定優先聚焦在「歌曲中的黃金比例」。
在整個研究過程中，我們花了不少時間討論歌曲分析的方法，例如：流行音樂與古典音樂的歌曲架構並不相同，計算黃金比例的段落定義也不太一樣。另外，我們在蒐集資料時，發現十二音列作曲法和數學的關係，但應用到部分高中數學的內容，所以也特別請教老師，協助我們理解。很幸運地，這件作品「音樂數學，數學音樂」榮獲了全國科展第53屆應用科學科第三名的佳績。
當時科展作品「音樂數學，數學音樂」透過數學的角度，剖析音樂中的奧妙規律，有以下幾個亮點。
第一，我們發現（請參照洪宇萱、王昕芸，2013）許多熱門歌曲的「第一段落總秒數」與「第一段落開始處至副歌結束處的總秒數」之比值，符合黃金比例。我們針對KKbox
2008至2011年度排行前10名的華語流行歌曲進行分析，發現大多數的曲子確實符合這樣的規律。特別地，我們觀察到，最接近黃金比例0.618的前10名中，前7順位皆為華語流行歌曲，後面則是校園民歌和西洋經典歌曲。
第二，我們嘗試觀察古典音樂是否有類似性質。由於古典音樂沒有「副歌」的概念，於是我們從小奏鳴曲的其中一個樂章，研究「呈示部」、「發展部」、「再現部」與總小節數的關係。最後，便驚喜地發現：「至再現部的小節數」與「第一樂章總小節數」的比值竟然也符合黃金比例！
第三，我們研究了「十二平均律」的等比關係，以及樂器所需調音頻率的關係。在其中，我們發現，新維也納樂派的十二音列作曲法竟然也與數學矩陣有所關聯。這個作曲法，必須先創作一個「音列原型」，包含一個八度內所需的12個半音，每個音恰出現一次。而我們從數學的角度思考，發現12*12的數獨正可以解決這個要求。另外，這個作曲法中，除了音列原型，還有逆行、倒影、倒影逆行，這些方法透過數學矩陣的角度，其實皆可以用矩陣變換的觀點詮釋。
第四，我們利用了以上發現的黃金比例奧秘，也創作了一首屬於我們自己的歌曲，發現在有著黃金比例的架構下，樂曲變得更加動聽。
對我來說，科展不僅是一個展示研究成果的舞台，更是一個提升自己各方面能力的機會。在科展的製作過程中，我學會了如何進行科學探究，也學會了如何表達研究成果，這些能力讓我在日後的學習中受益匪淺。總結而論，感性的音樂中，其實也存在著理性的數學元素。當我們結合了這樣的理性與感性，往往便能激盪出令人驚豔的生命樂章。
參與科展的身分從學生轉變為指導者，讓我能從不同角度體驗科學探究的過程，很開心能將自己所學，用於協助指導學弟妹的科展。
針對數學科的科展作品，我會請他們依照自己的研究主題查詢歷屆作品，協助他們在閱讀後簡單整理前人的研究內容及主要證明工具，再提供學弟妹修改方向。相較於理化、生物、應用科學等科別，數學科不用撰寫實驗流程，但需要寫清楚所有觀察、推理及證明的過程，我也會利用這個機會，讓他們知道如何撰寫嚴謹的數學推論。
針對其他科別的科展作品，我會提供一些作品架構與撰寫的建議，例如：研究過程、討論、結論部分是否有依照當初設定的研究目的條列式撰寫？每個實驗的控制變因、操縱變因、應變變因為何？是否有撰寫清楚？以及數據繪製的圖表的適用性（針對不同情況，使用長條圖、直方圖、折線圖或圓餅圖等不同圖表）。
在指導學生過程中，我注重與學生的互動，聆聽他們的意見和想法，並引導他們思考，使其成為獨立的研究者，我自己也從中獲得不少成就感（圖2）。
圖2：協助指導學弟妹科展，聆聽他們的意見和想法，並引導他們思考
我曾協助指導學弟妹科展作品《手助健康》，該組的目標是研發一款既能消毒又可以保養手部的產品。在研究過程中，首先進行了大量的文獻探討，瞭解前人做過哪些相關研究。在設計實驗時，我會提醒學生要注意控制變因、操作變因、應變變因等關鍵因素，同時選定合適的實驗器材與材料，此外，也特別選擇適當的場地，以確保實驗的再現性。
在本研究中，該組利用酒精比重計，檢測酒浸液的酒精濃度；用pH計檢測酒浸液與膠質原液的酸鹼值；用肌膚測試儀，檢測敷手後皮膚白皙度、含水度、彈性。透過這項研究，學生不僅能掌握實驗設計技巧，同時也學會如何運用科學知識和技能，解決實際的問題。
該組最後利用酒浸液與膠質混合液的方法，成功地開發出了一種含有 75%酒精濃度的乾洗手液。這個作品也在今年（第63屆）的彰化縣科展競賽中，得到評審肯定，榮獲生活與應用科學科第一名，成功晉級全國賽。
從10年前全國科展獲獎到現在能夠協助指導，不僅能夠幫助學弟妹培養科學探究的能力和創新精神，同時也是對自己教學能力的一種挑戰。在這個過程中，我更像是學生並肩作戰的夥伴，他們在努力的同時，我也在學習。獲得滿滿成就感之外，也讓我更加熱愛我的教育事業。我相信，在未來的日子裡，我將繼續致力於科學教育的推廣和發展。
洪宇萱、王昕芸（2013）。音樂數學，數學音樂。中華民國第53屆中小學科學展覽會國中組生活與應用科學科參展作品(第三名)。
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、陳冠愷
星期五 , 2, 6 月 2023 微型化學實驗, 第五十二期/2023年6月 在〈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、陳冠愷〉中留言功能已關閉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
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
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：
次數
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
14
|
15
|
16
|
平均
|
目視
|
6.2
|
5.8
|
5.4
|
5..2
|
5.3
|
5.2
|
4.9
|
5.5
|
5.2
|
5.7
|
5.5
|
6.3
|
6.5
|
7.0
|
8.6
|
10.4
|
6.2
|
光電 (秒)
|
5.1
|
5
|
4.2
|
4.6
|
4.7
|
4.7
|
4.5
|
4.6
|
5
|
5.1
|
5.5
|
5.6
|
6.1
|
7.1
|
7.6
|
9.5
|
5.6
|
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
永斯貝采利烏斯（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。
|
貝采利烏斯 (氧重為100) |
貝采利烏斯 (相對於氫) |
亞佛加厥 |
道耳頓 |
現代週期表 |
|
|
O |
100 |
15.07 |
15.074 |
7 |
15.87 |
|
S |
201 |
30.29 |
31.73 |
13 |
31.81 |
|
P |
167.512 |
25.24 |
9 |
30.72 |
|
|
M (Cl) |
139.56 |
21.03 |
33.91 |
|
35.17 |
|
F |
60 |
9.04 |
|
18.85 |
|
|
B |
73.273 |
11.04 |
|
10.72 |
|
|
C |
75.1 |
11.32 |
11.36 |
5 |
11.91 |
|
N |
79.54 |
11.99 |
13.238 |
5 |
13.90 |
|
H |
6.636 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
As |
839.9 |
126.57 |
|
74.03 |
|
|
Mo |
601.56 |
90.65 |
|
95.19 |
|
|
Ch (Cr) |
708.045 |
106.70 |
|
51.59 |
|
|
Tn |
2424.24 |
365.32 |
|
182.38 |
|
|
Sb |
1612.96 |
243.06 |
|
120.79 |
|
|
Te |
806.48 |
121.53 |
|
126.59 |
|
|
Ti |
1801 |
271.40 |
|
47.49 |
|
|
Si |
216.66 |
32.65 |
|
27.87 |
|
|
Rh |
1490.31 |
224.58 |
|
102.09 |
|
|
Pt |
1206.7 |
181.84 |
100 |
193.53 |
|
|
Au |
2483.8 |
374.29 |
140 |
195.41 |
|
|
Pa (Pd) |
1407.56 |
212.11 |
|
105.58 |
|
|
Ag |
2688.17 |
405.09 |
198 |
100 |
107.01 |
|
Hg |
2531.6 |
381.49 |
181 |
167 |
199.00 |
|
Cu |
806.48 |
121.53 |
123 |
56 |
63.05 |
|
Ni |
733.8 |
110.58 |
|
58.22 |
|
|
Co |
732.61 |
110.40 |
|
58.46 |
|
|
Bi |
1774 |
267.33 |
|
207.32 |
|
|
Pb |
2597.4 |
391.41 |
206 |
95 |
105.58 |
|
Sn |
1470.59 |
221.61 |
|
117.77 |
|
|
Fe |
693.64 |
104.53 |
94 |
38 |
55.41 |
|
Zn |
806.45 |
121.53 |
56 |
64.86 |
|
|
Ma (Mn) |
711.575 |
107.23 |
|
54.50 |
|
|
Ce |
1148.8 |
173.12 |
|
139.01 |
|
|
Y |
881.66 |
132.86 |
|
88.20 |
|
|
Al |
228.025 |
34.36 |
20 |
26.77 |
|
|
Ms (Mg) |
315.46 |
47.54 |
|
24.12 |
|
|
Sr |
1418.14 |
213.70 |
46 |
86.92 |
|
|
Ba |
1709.1 |
257.55 |
|
136.24 |
|
|
Ca |
510.2 |
76.88 |
|
39.76 |
|
|
So (Na) |
579.32 |
87.30 |
|
22.81 |
|
|
Po (K) |
978 |
147.38 |
|
38.79 |
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。
[2] 現在我們知道這兩種化合物是氧化鐵(Fe2O3)和氧化亞鐵(FeO)。
[3] 即分子。
[4] 給呂薩克的氣體化合體積定律指出，氣體化合時反應物及產物氣體的體積為簡單整數比。
[5] 可參考Avogadro, A.（2015）。論述關於測定化合物中基本分子的相對質量，以及它們在化合物中的比例之方法（胡景瀚譯）。臺灣化學教育，8。https://chemed.chemistry.org.tw/?p=8469（原著出版於 1813 年）
[6] 原文：Hence there is no other difference between the theory of atoms and that of volumes, than that the one represents bodies in a solid form, the other in a gaseous form.
[7] 這與貝采利烏斯的「電化學二元論」(electrochemical dualism)有很大的關係，該理論將分子分為鹼的氧化物（例如CuO）和酸的氧化物（例如SO3）兩類，分子的化合就是酸鹼中和。
[8] 產物的化學式為本文作者所加。
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.
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
星期四 , 9, 3 月 2023 本期專題, 第五十一期/2023年3月 在〈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〉中留言功能已關閉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
「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。
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。
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。
案例
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實驗名稱
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實驗課本步驟內容
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深層思考
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1
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實驗器材之基本操作
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如何量取100
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2
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溶解度積之測定
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所得濾液依實驗步驟
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滴定時是否需要控制溫度(例如，低溫下進行)?
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3
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取
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檢查氯化亞鐵與氯化鐵藥品狀態(例如，顏色)。若有異狀如何處置?
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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。
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