臺灣化學教育

素養導向評量：素養導向試題−以國中教育會考為例

田鎧豪

臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心自然科研究員

bigsavage@rcpet.ntnu.edu.tw

n  前言

十二年國民基本教育課程綱要(以下簡稱課綱)於108學年度開始實施，希望能解決過去國中小九年一貫與高中課綱的銜接落差，以助於國小、國中及高級中等學校課程連貫發展，以及各領域/科目間的統整。為配合以核心素養為主軸之課綱，發展素養導向評量勢在必行。參酌國家教育研究院對研發素養導向試題的建議，未來國中教育會考(以下簡稱教育會考)除了維持「學科基本素養題」，評量學科重要的核心概念，也會持續精進「生活實踐題」之設計，以強調應用核心知識與技能，解決真實情境脈絡中的問題，逐漸改變學生的學習和思考習慣、培養學習策略。

n  核心素養的試題

所謂「生活實踐題」，其題幹設計應盡可能符合日常生活或學術探究的真實情境，而提問也應該是在此情境脈絡下會問的真實問題，此外，適時選用跨領域素材或課綱所列相關議題作為題幹情境將更能反映課綱精神。透過這類試題的引導，有助培養學生思考、探究課堂所學與生活的關聯性，這也正是發展素養導向評量的目的。

檢視歷年教育會考的試題，符合課綱核心素養的試題，主要有幾項特點：

1.試題情境主要以解決真實生活問題為主，不僅有學科知識，也包含學習概念延伸的判斷與應用。

2.為了能清楚描述問題情境，有些試題的閱讀量高，也常需配合圖表或數據資料，或是以題組的方式呈現。

例如過去的教育會考數學科試題，就曾把生活常見的通訊軟體情境，融入數學素養後，拿來評量學生是否具備理解溝通的能力，並能應用直角坐標系的概念找出兩地點位置的關係。

以下列舉教育會考自然科數題符合課綱核心素養的試題，作為第一線國中老師教學的參考，期望能達到拋磚引玉之效，呼應課綱素養導向之精神。

n  參考資料

1.      國家教育研究院。素養導向「紙筆測驗」要素與範例試題，取自http://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/img/67/159548289.pdf

2.      111年國中教育會考各科等級表現描述與參考試題本公告，取自https://cap.rcpet.edu.tw/PressRelease10808.html

3.      109年國中教育會考自然科試題本，取自https://cap.rcpet.edu.tw/exam/109/109P_Nature150DPI.pdf

4.      109年國中教育會考(補考)自然科試題本，取自https://cap.rcpet.edu.tw/exam/109/109S.zip

中學化學示範

楊水平

國立彰化師範大學化學系
yangsp@cc.ncue.edu.tw

在「中學化學探究教學」的教學實務過程，作者會親自教學2-3個探究學習單元，都是以化學示範實驗作為科學探究教學的開始，例如：作為5E學習環的參與階段。在「中學化學示範教學」的教學實務過程，作者也會親自教學數個學習單元，以化學示範作為教學方法或教學策略，例如：使用以師生互動討論方式的三面向（介紹面向、演示面向及結論面向）教學，又如：POE╱POEC教學策略。在多次的科普推廣活動上，作者曾指導學生以化學示範教學的方式，展現驚嘆號（！）和問號（？），示範者需考慮化學示範的娛樂性和教育性的功能，有別於魔術師的表演。有效的化學示範能夠聚焦學生的注意力，在課程或單元中激發學習的動機和興趣，解說重要的概念和原理，以及起始科學探究和問題解決。

《臺灣化學教育》第37期的專題為〈中學化學示範〉，邀請中學和大學教師開發適用於中學教師在教室或實驗室的化學示範教學、教法及評量，或適用於科普推廣活動的化學示範實驗。這一期的專題文章接到十一篇的稿件，由於有些稿件延遲投遞、內容需要多次討論或編審時程沒控制得宜，因此無法在文章發佈截止日前順利出刊。經本刊主編邱美虹教授的建議，預定在11月（第40期）新增專題主題，為這些未順利出刊的稿件在六個月後出刊。作者將繼續邀稿以充實第40期的專題內容，歡迎有興趣「化學示範」專題的教師和專家投遞稿件，內容可涵蓋發展歷史、理論與實務、課程與教材、教法與策略、評量與測驗、以及科普活動等。此外，值得提起之事，是在十一篇化學示範的稿件中，大部分符合十二年國民基本教育國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域課程綱要，這些符合新課綱規範的文章都在其前言的部分有具體的描述，期望這些文章能立即可用於中學的現場教學。

本文首先介紹化學示範教學的理論；然後，提出示範教學的教學和評量；接著，整理十二年國教自然科學領域課剛中的化學示範；最後，概述本期專題的文章導讀。

n  化學示範教學的理論

Liem (1987) 提到：藉由引人注意的示範和歧異事件，教師精心規劃教學策略來喚起學生的學習。Kibler (2019) 提到：歧異事件使學生產生興趣和好奇心為了探究有關特別的現象。歧異事件（discrepant event）創造認知失調（cognitive dissonance），因為歧異事件的觀察與學生先前經驗是直覺相反的，使得學生迅速地產生疑問。Cini (2018) 提到：歧異事件是藉由呈現非期望的結果而無視我們對世界理解的事件。這些現象經常被用於科學示範，以吸引觀眾的注意力並吸引視覺學習者。

Shakhashiri (1989) 提到：課堂示範能夠幫助學生在化學反應和化學性質上的注意力，並且增進學生的化學知識和體認。課堂示範應該是一個過程，而不是一個單一的事件（作者按：歧異事件）。

化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿。化學示範（Chemical demonstrations）是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力，在教學中常創造歧異事件以互動方式來引起學生對化學的興趣，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略。

n  示範教學的教學和評量

在化學示範教學前應該事先規劃向學生詢問的問題，作為學習單學生寫作評量之用：(一)事先規劃由低階思考到高階思考的四項問題（Bybee et al. 2014），和(二)透過POE或POEC策略設計問題，POE教學策略的三階段：Prediction（預測）‒Observation（觀察）‒Explanation（解釋）（Gunstone & White, 1981）；POEC教學策略的四階段：Prediction（預測）‒Observation（觀察）‒Explanation（解釋）‒比較（Comparison）（邱美虹等，2005；鍾曉蘭，2014）。這二項的學習單寫作皆可當作學生透過化學示範學習的評量方式。

(一)      事先規劃由低階思考到高階思考的問題

1.    描述化學示範步驟的問題（低階思考）：詳細地描述示範步驟，包含使用的器材和藥品。儘可能以裝置圖說明之。

2.    觀察變化現象和紀錄實驗數據的問題（低階思考）：詳細地描述學生觀察到的示範實驗之變化現象。

3.    說明變化現象和實驗結果的問題（高階思考）：就變化現象，運用合適的科學字彙進行準確地推論。以微觀的分子或原子層次進行巨觀現象變化的解釋。引用證據，儘可能以化學反應式表示，以及以化學原理、定理和概念說明。

4.    連結新學到的概念和原理到日常生活和新情境的問題（高階思考）：連結示範實驗所涉及的原理、定理和概念與日常生活和新情境，並且敘述兩者之間的關連性。

(二)      透過POE╱POEC策略設計問題

1.    示範前進行預測（Prediction）：(1)觀察教師示範前所準備的器材、藥品及裝置；(2)寫出預測示範實驗即將發生什麼現象；以及(3)解釋你的預測即將發生現象的可能理由。

2.    變化現象的觀察（Observation）：(1)詳細地觀察變化現象並描述之；以及(2)就實驗的變化現象，比較你的預測與觀察的相同和相異之處。

3.    變化現象的解釋（Explanation）：(1)解釋你觀察到實驗變化現象的理由。

4.    與預測的比較（Comparison）：(1)觀察的現象與之前的預測作比較。(2)針對你在預測階段的可能解釋，做出修改或補充。(3)當學生撰寫完成後，一起討論自己的想法或教師引導學生討論，做出合理解釋，必要時修改或補充之前的解釋。

n  十二年國教自然科學領域課剛中的化學示範

根據「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域」，其實施要點提到「教材編選時應依十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要精神與內容，鼓勵學生動手實作體驗，合適安排各年段的實作課程，以達到規定的時數，其中國民中學教育階段應有三分之一節數為實作體驗課。為提高學生學習興趣，增進學習效果，得適時設計示範實驗、戶外教學等活動。」。因此，化學教師設計化學示範實驗是有其需要性。自然科學領域課程綱要在「學習內容說明」有明確地提到教學實施的方式以「示範」來進行，在第四學習階和第五學習階段的綱要描述中，有關化學示範方面整理如下。

(一)      在國中自然科學方面

表一：第四學習階段涉及化學示範的學習內容

(一)      在高中化學方面

表二：第五學習階段涉及化學示範的學習內容

n  本期文章導讀

本刊第三十七期的專題以〈中學化學示範〉為主題，除領頭文章外，還有7篇文章。這些文章的簡介如下：

1.        〈綠色化學的示範實驗和實作活動〉：此文章由周芳妃、詹莉芬、陳祖望、許名智、許文綺（臺北市立第一女子高級中學）撰寫。本文提到：介紹綠色化學思維的「化學貼貼樂」範例，透過包膜與紙張剪裁設計，易於準備的可攜式與半乾式的化學材料包，適合教師在演講時的示範教學並提供每位學生在大會議室的現場實作化學實驗，又可讓學生留著作品，加以時日觀察後續的化學變化。「化學貼貼樂」研發與製作過程中，不僅是教師版的探究與實作的發展歷程，而學生在進行「化學貼貼樂」的教學活動中，同時可應證化學課本內容所提知識、實踐綠色化學精神。

2.        〈葉肉消蝕術的化學示範與探究實驗設計〉：此文章由吉佛慈（國立臺灣師範大學附屬高級中學）撰寫。本文提到：為了解開學生對食譜式實驗所受的禁錮，同時消除超前學習者對部定課程已提早掌握之優勢，本活動是以不同於部定化學課程內容的「葉肉消蝕術」為主題，在八年級彈性課程的先導課程，採取POEC教學策略，藉以檢視學生的先備知識和概念基礎。

3.        〈高分子塑型的教師示範和學生實作〉：此文章由林韋彤、高湘琪、張佳智（國立交通大學應用化學系）撰寫。本文提到：本示範實驗和實作活動採用隨手可得的高分子材料作為實驗用素材，探討高分子變型程度與溫度的關係，適合讓國中和高中學生能開始思考實驗結果背後的科學原理，並利用這個機會探討塑膠與日常生活的關係。

4.        〈自製簡易蒸餾裝置進行示範教學〉：此文章由李俊穎（新北市立光復高級中學）撰寫。本文提到：筆者規劃約15分鐘的演示教學，分為三個部分：第一部分由生活常見的米酒、高粱酒切入，並且透過點火說明米酒的酒精濃度不足以直接點燃；第二部分利用自製的簡易蒸餾裝置展示蒸餾的過程並藉此說明其原理；第三個部分以食鹽的溶解度粗略地判斷酒精的濃度，並以咻聲瓶的點火作為結尾。

5.          〈氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡〉：此文章由蔡欣展（彰化縣立鹿江國際中小學）、陳芷誼（彰化縣私立精誠中學）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：作者規劃以「以學生為中心」的教學，以互動討論方式進行化學示範。學生主動地參與化學示範教學有三個面向：介紹面向、演示面向和結論面向。在介紹面向中，教師提出問題；在演示面向中，學生觀察變化現象，以及教師與學生互動討論且解釋變化現象的科學原理和概念；在結論面向中，學生連結新學到的概念和原理到日常生活和新的情境中。

6.          〈濾紙色層分析的示範實驗和教室活動〉：此文章由彭郁惠、謝佶霖（國立彰化高級中學）、陳宜玫、陳昱璇、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：在示範實驗方面，使用自製簡易的濾紙色層分析裝置，黏貼在黑板上，使學生清楚地觀察教師示範實驗的過程。在教室活動設計方面，作者規劃四個活動：(1)鼎鼎大名、(2)神來之筆、(3)神乎其技、以及(4)別出心裁，化學結合藝術領域，教學活動採用POEC教學策略。

7.          〈氣體三大定律的定性示範實驗〉：此文章由施麗姍、賴愉方、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：利用家用物品和廢棄物使用家用工具製作零件，設計簡易的氣體三大定律定性示範實驗，以符合十二年國教自然科學領域課程綱要，提供給高中化學教師的教學參考。

n  參考資料

1.      十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.      邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。

3.      鍾曉蘭（2014）。差異化教學化學科示例─POEC。臺灣化學教育，第2期，2015年7月。取自：https://chemed.chemistry.org.tw/?p=2055。

4.      《臺灣化學教育》，https://chemed.chemistry.org.tw/。

5.      Bybee, R. W., Powell, J. C., & Trowbridge, L. W. (2014). Teaching Secondary School Science: Strategies for Developing Scientific Literacy. Upper Saddle River, N.J.: Pearson Education.

6.      Cini, S. (2018). A List of Discrepant Event Science Activities. https://bit.ly/37kW9Gl.

7.      Kibler, J. (2019). Cognitive Disequilibrium. Retrieved from https://bit.ly/2MkJQzH.

8.      Liem, T. L. (1987). Invitations to Science Inquiry. Massachusetts: Ginn Press.

9.      Shakhashiri, B. Z. (1989). Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry. Univ of Wisconsin Press.

中學化學示範：
綠色化學的示範實驗和實作活動

周芳妃*、詹莉芬**、陳祖望、許名智、許文綺

臺北市立第一女子高級中學
*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw  **lfchan@gapps.fg.tp.edu.tw

n  前言

傳統的教室是一個以教師為中心的教室，上課時間幾乎都是由教師主導。如果整節課教學模式是講演方式，學生常常失去專注力與興趣。在化學科的教學中，若教學過程中適當地插入化學示範實驗，並安排學生參與示範實驗的討論與分享，可引發學生的好奇心與專注力，大大提升學生的學習成效。在辦理科學研習活動時，不少學校常規劃學生進入演講廳的聽講。在傳統教室或演講廳中進行化學示範實驗教學，一般人先浮現腦海中的講堂中示範實驗場景的畫面可能如下：講堂前方有長桌；講者站在長桌前操作實驗；講者使用大型容器與劑量頗多的化學試劑；觀眾用眼睛和耳朵體驗講者操作實驗所出現的聲光色或儀器量測數據的變化。

通常，若教師想在教室或演講廳中進行化學示範實驗，這些場地往往是遠離水源，甚至舖有地毯的演講廳是嚴禁有水有火的化學實驗示範活動。如果教師希望在演講廳環境也安排示範實驗時，就要考慮如何讓遠處學生也可清楚看到講台上的的化學實驗變化。目前常見的作法，除了現場加上多媒體數位轉播的輔助之外，是否也有另類思維以增強示範實驗的教學效能呢？如果講師使用100 mL的化學試劑，可否減廢減量變成總量20 mL給現場100位學生只各用5滴的操作方式呢？在遠離水源或是禁水禁火的教學場地中，是否可改用不滴液和不漏液的紙上實驗呢？本篇將介紹綠色化學思維的「化學貼貼樂」範例，透過包膜與紙張剪裁設計，易於準備的「可攜式」與「半乾式」化學材料包，適合教師在演講時的示範教學並提供每位學生在大會議室的現場實作化學實驗（見圖1），又可讓學生留著作品，加以時日觀察後續的化學變化。

在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中，有提到主題「物質的反應、平衡及製造 （J）和副主題「氧化還原反應（Jc）」，以及相關的學習內容「CJc-Va-3 氧化還原反應與均衡。」；另一涉及主題為「科學、科技、社會及人文（M）和副標題「科學在生活中的應用（Mc）」，以及相關的學習內容「CMc-Va-2 常見金屬及重要的化合物之製備、性質及用途、CMc-Va-4 常見非金屬與重要的化合物之製備、性質及用途」。「化學貼貼樂」的化學內涵符合上述的描述。

圖1：新北市國中生數理資優營「化學貼貼樂」講師在演講廳演講（左）；以及講師正在示範教學（中）；每位學生在現場實作化學實驗（右）。

n  化學示範與活動實例—「化學貼貼樂」

今（2020）年3月時，筆者們帶著代表綠色化學12原則的12位北一女中學生擔任環保署化學局活動，大家在「防疫森呼吸嘉年華」活動中與老老小小的民眾操作「化學貼貼樂」實驗並推廣綠色化學知識（見圖2）。

圖2：「防疫森呼吸嘉年華」學生志工示範教學（左、中）；現場民眾實作化學實驗（右）。

一、  事先準備

在這次的大安森林公園活動中，教師和志工在示範教學和現場活動前，事先準備所使用的藥品和材料，如圖3所示。（一）配製每套器材包所需四種試劑：1 M硫酸銅0.5 mL、1 M醋酸鈉3滴、1 M硫代硫酸鈉3滴及0.1 M碘化鉀3滴。依據人數準備所需總量，例如100人次的1 M硫酸銅總量為50 mL，1 M醋酸鈉總量為300滴（約15 mL）。（二）「化學貼貼樂」材料包：先剪裁一個較長的塑膠袋成為四個內夾袋，作為包住各試劑之用。再分別滴入四種試劑在吸水性高的圓濾紙（硫酸銅）、濾紙條（醋酸鈉）、棉花（硫代硫酸鈉）、和紗布（碘化鉀）之上，分別裝入四個內夾袋，各試劑之間不可相互接觸，如圖3的上圖所示；然後放入較短的外套袋中，即成為實驗用材料包，如圖3的下圖所示。教師和學生志工利用社團課的時間事先製作，完成後可整批用用牛皮紙袋遮光收藏，可分批陸續使用。目前筆者的經驗收藏達兩個月的材料包套件，取出時仍可以使用。

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圖3：四種試劑滴加在吸水性高的材料上（上）；「化學貼貼樂」材料包的組裝（下）。

二、  教師示範和民眾動手實作

「化學貼貼樂」的教師示範和民眾動手實作方面，如圖4所示。（一）操作步驟：先取得一個材料包，移去外套袋，先翻開最大的內有圓濾紙的內夾袋，並把這張最大的內夾袋塑膠膜當作防水底板。再打開其他三個小內夾袋，取出濾紙條（醋酸鈉）、棉花（硫代硫酸鈉）、和紗布（碘化鉀），分別放在圓濾紙（硫酸銅）的上面不同位置，蓋好最大的內夾袋。然後放回外套袋，如圖四的上圖所示。（二）觀察化學反應：10分鐘內的變化，以及數日到數週的變化，如圖4的上圖所示。「化學貼貼樂」的實驗結果有如：棉花—青天白雲、濾紙條—綠茂森林、紗布—肥沃土壤。

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圖4：教師示範和民眾實作「化學貼貼樂」的過程（上）；10分鐘內觀察化學反應的濾紙正面（左下）和濾紙反面（中下），長時間（右下）觀察結果。

在「防疫森呼吸嘉年華」活動中，有安排「化學貼貼樂」的教學，其課程開場PPT，如圖5的上圖所示。先說明這次活動的課程內容，包括：化學貼貼樂、化學猜猜樂和化學選選樂；接著發放「化學貼貼樂」材料包給民眾，教師示範如何打開材料包的內夾袋與貼貼樂的做法，民眾放置內夾袋沾有不同試劑的棉花、紗布與條狀濾紙貼到圓濾紙上，其解說的PPT，如圖5的下圖所示。民眾觀察在手掌上的「化學貼貼樂」圓濾紙上逐漸地擴開的顏色變化。

圖5：「防疫森呼吸嘉年華」活動教學開場PPT(上)，教師示範與民眾觀察的PPT(下)。

「化學猜猜樂」是請民眾舉手回答材料上沾有的試劑是什麼藥品，如圖6左所示。提示觀眾四種化學試劑的外觀與反應特性，此時可提供現場獎品給熱烈回應的觀眾。其實一般觀眾未必具有足夠的中學化學基礎知識，或是在場的小朋友年紀太小，但是先鼓勵觀眾用力猜猜，啟發一般民眾對於認識化學品的興趣。

圖6：提示觀眾四種化學試劑的外觀與反應特性，進行「化學猜猜樂」的PPT。

公布「化學猜猜樂」答案，由於非常多的化學品是不可以誤用於食品加工，在介紹化學瓶之後，並接著介紹四種化學試劑的物質安全資料表，讓觀眾知道隨時可以上網查詢化學品知識，如圖7所示。說明LD₅₀的意義，以及四種試劑常見的用途，如圖7所示。

圖7：介紹四種化學試劑的物質安全資料表的PPT

進行「化學選選樂」活動，依據示範與實作實驗的設計內容，列出符合綠色化學十二原則的項目有哪些？最後致謝大家。進行「化學選選樂」活動，依據示範與實作實驗的設計內容，列出符合綠色化學十二原則的項目有哪些？此時又可提供現場獎品給熱烈回應的觀眾。「化學貼貼樂」的實驗設計可符合綠色化學十二原則的項目包含有：減廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、簡潔、可解、思危。

n  從觀察顏色變化推知化學反應

一、  銅離子和銀離子對碘離子的競爭反應

碘離子（I^‒）與銅離子（Cu²⁺）可發生氧化還原反應，其初期產物為亞銅離子（Cu⁺）與碘分子（I₂），亞銅離子又繼續與碘離子發生沉澱反應，生成灰白色的碘化亞銅（CuI）固體。碘分子（I₂）也繼續與碘離子發生與錯合反應，生成黃褐色的三碘錯離子（I₃^‒），其化學反應如式[1]所示。

2Cu²⁺(aq) + 3I^‒(aq) à 2CuI(s) + I₃^‒(aq)    [1]

若加入銀離子（Ag⁺），則發生碘化銀（AgI）的沉澱反應，其化學反應如式[2]所示。消耗碘離子而造成式[1]的反應向左移動，以致黃褐色的三碘錯離子（I₃^‒）逐漸減少。

Ag⁺(aq) + I^‒(aq) à AgI(s)    [2]

在圖8的所有照片，左方（甲條件）：在大圓濾紙上滴加10滴的0.1 M碘化鉀，在小方濾紙上滴加2滴的1 M硫酸銅。右方（乙條件）：在大圓濾紙上滴加10滴的0.1 M碘化鉀，2滴方形濾紙上滴加2滴的1 M硝酸銀。中間為（甲+乙條件）：在大圓濾紙上滴加10滴的0.1M碘化鉀，在左上方的方形濾紙上滴加2滴的1 M硝酸銀，在右下方的方形濾紙滴加2滴的1 M硫酸銅。在圖10的照片是經過多日觀察的實驗結果。

圖8：觀察日期先後：一開始、第一日、第二日、第三日、第七日、第十日（由上而下）。

左方（甲條件）的反應產物為白色的AgI，如式[1]所示。右方（乙條件）的反應產物為的黃褐色三碘錯離子（I₃^‒），如式[2]所示。中間（甲+乙條件）從第三日起黃褐色的三碘錯離子（I₃^‒）產物逐漸消失，這是由於過量的銀離子（Ag⁺）與三碘錯離子（I₃^‒）中的碘離子（I^‒）反應，生成白色的AgI，如式[2]所示，而造成反應式[2]的反應逐漸向左變動，可以觀察到黃褐色逐漸消失。這實驗每次以三張濾紙進行，可以從甲、乙對照組看到明顯的差異結果。

二、  銅離子的多重化學反應

碘離子（I^‒）與銅離子（Cu²⁺）的化學反應非常多元，包含氧化還原反應和沉澱反應，可以觀察到明顯的顏色變化，再加入其他試劑，也可以看到不同的反應現象與多樣的化學平衡移動。圖9為化學平衡移動的顏色變化，試管原先含有0.1 M CuSO₄，然後添加數滴的反應試劑（由左而右）依序為0.1 M KI、去漬油（含烷類有機物）、0.5 M NaOH、2~12 M NH₃、2~12 M HNO₃、3.0 M NaOH。

圖9：在試管中陸續加入銅離子（Cu²⁺）、碘離子（I^‒）、去漬油與各種酸鹼試劑發生反應，混和溶液有攪拌與未攪拌的操作，變化出多元多層的色彩。

由觀察的試管中陸續出現的顏色變化，推知生成的產物，自圖11試管內容物加以說明：

試管[A]：內容物為0.1 M CuSO₄。

試管[B]：內容物（混合溶液未攪拌）為加入KI後的現象，下層出現黃褐色的三碘錯離子（I₃^‒），其反應如式[1]所示。

試管[C]：內容物（混合溶液有攪拌）整體變成黃褐色，不透明膠狀物是由於生成碘化亞銅固體（CuI），其反應如式[1]所示。

試管[D]：內容物（混合溶液有攪拌）為加入去漬油（含烷類有機物）後的現象，去漬油萃取碘分子（I₂），其顏色變化為碘分子在有機層呈現紫色。

試管[E]：內容物（混合溶液未攪拌）為加入微量氫氧化鈉（NaOH）後的現象，下方水層已經生成淡藍色產物為氫氧化銅（Cu(OH)₂），上層有機層仍有碘分子的紫色。其反應如式[3]所示。

Cu²⁺(aq) + 2NaOH(aq) à Cu(OH)₂(s) + 2Na⁺    [3]

試管[F]：內容物（混合溶液有攪拌）上層為有機層碘在鹼性中自身氧化還原反應而使碘（I₂）的紫色完全消退，其反應如式[4]所示。接著再加入氨水（NH₃ŸH₂O）（混合溶液未攪拌），其下層有些氫氧化銅（Cu(OH)₂）轉變成為四氨銅錯離子（[Cu(NH₃)₄]²⁺），而使中層呈現深藍色，其反應如式[5]所示。

Cu(OH)₂(s) + 4NH₃(aq) à [Cu(NH₃)]₄²⁺(aq) + 2OH^‒(aq)    [4]

3I₂(s) + 6 OH^‒ (aq) à 5I^‒ (aq) + IO₃^‒ (aq) + 3H₂O(l)    [5]

試管[G]：內容物（混合溶液未攪拌）為加入硝酸（HNO₃）後的現象，靜置出現彩虹色層。由於HNO₃與試管內已有的鹼性物質發生中和反應，氨分子也消失，因此使反應式[1]、[3]~[5]皆發生逆反應。

試管[H]~[J]：內容物（混合溶液漸漸攪拌）的現象，一些硝酸分解反應產生了二氧化氮（NO₂）或亞硝酸根（NO₂^‒）此類配位基，造成銅離子形成複雜且顏色藍藍綠綠的各式錯合物。

三、  「化學貼貼樂」的化學反應

「化學貼貼樂」的化學反應有硫酸銅與其他三種試劑（醋酸鈉、硫代硫酸鈉、碘化鉀）的反應。除了當場10分鐘之內的反應，還有長時間的反應。前述反應式[1]以說明硫酸銅與碘化鉀的反應；硫酸銅也可與醋酸鈉產生藍綠色的醋酸銅（Cu(CH₃COO)₂），濾紙上的水分逐漸乾燥後，可觀察到藍綠色的醋酸銅晶體，如圖10左所示。硫酸銅與硫代硫酸鈉的反應途徑變化較多，具有還原力的硫代硫酸根離子（S₂O₃^2‒）與具有氧化力的銅離子（Cu²⁺）發生反應，一開始藍色銅離子會變成無色的亞銅離子（Cu⁺），反應如式[6]所示。隨之濾紙上的液體顏色從淡藍色變成綠色，此可能是銅離子與亞銅離子錯合物混合後的顏色。大約1~48小時，綠色物質轉變成明顯的黃色，有文獻提到此黃色物質是亞銅離子與硫代硫酸根形成的錯合物（[Cu(S₂O₃)₃]^5‒），反應如式[7]所示。如果硫代硫酸鈉濃度更高，也可觀察到暗紅色的氧化亞銅（Cu₂O）固體，如圖10右所示。

Cu²⁺(aq) + S₂O₃^2-(aq) à Cu⁺(aq) + SO₄^2-(aq)       [6]

Cu⁺(aq) + 3S₂O₃^2-(aq) à [Cu(S₂O₃)₃]^5-(aq)       [7]

圖10：「化學貼貼樂」放置數天後的現象：在圓濾紙與條狀濾紙上可觀察到藍綠色的醋酸銅晶體（左）；條狀濾紙上有亞銅離子與硫代硫酸根形成的黃色錯合物，以及暗紅色的氧化亞銅（右）。

n  「化學貼貼樂」納入社團活動

高中化學實驗教學進行減廢減量低毒的研發設計，由於方便性大增，因此可以換取到很多時間讓學生進行探究活動。本校化學科教師協助學生設立化學實驗社，一批熱愛做實驗的學生就可以利用社團時間進行很多示範實驗的研發工作，進而學生完成探究活動，教師也經由指導學生而快速找到設計示範實驗的最佳條件。

教師指導社團學生進行探究活動過程，可安排教學幹部先查詢資料並推測可能發生的化學反應。可利用多孔盤讓學生以不同滴數的方式驗證反應的現象，我們稱呼它為「化學滴滴樂」，可在短時間內觀察到反應現象。而將實驗設計成「化學貼貼樂」時，就以不同時日觀察結果作為紀錄與比較。「化學滴滴樂」與「化學貼貼樂」兩者教學活動的時間順序顛倒了，也沒有關係，學生可以區別出溶液中的反應與在濾紙上「半乾式」的反應速率大有不同。觀察時日較久的「化學貼貼樂」現象，也要考量空氣中氧氣、二氧化碳與水氣的參與反應情形。圖11是化學貼貼樂課程納入社團課的情形。

圖11：「化學貼貼樂」課程納入社團課，學生幹部推測可能發生的化學反應（左）；在實驗室中的「化學貼貼樂」研發與製作（右）。

n  結語

十二年國民教育基本精神以「學生為終生學習者」為願景發展108課綱，在自然科學探究與實作的課程中，希望能培養學生「發現問題、規劃與研究、論證與建模及表達與分享」等關鍵能力。在本文之「化學貼貼樂」研發與製作過程中，不僅是教師版的探究與實作的發展歷程，而學生在進行「化學貼貼樂」的教學活動中，同時可應證化學課本內容所提知識、實踐綠色化學精神，尤其在實作的過程中，每位同學可因實驗操作、觀察時間之不同，有不一樣的化學變化與實驗結果，刺激學生從比較差異開始，發現問題，規劃與研究……，把探究思考力融入學習科學的過程中，實為一個可以培養學生多元能力的示範實驗或教學活動。

n  參考資料

1.   行政院環境保護署毒物及化學物質局全球資訊網。取自：https://www.tcsb.gov.tw/mp-1.html。

2.  二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

3.  色化學創意競賽網，教育部。取自：https://chem.moe.edu.tw/green。

4.  專校院綠色化學創意競賽，行政院環境保護署毒物及化學物質局。取自：https://topic.epa.gov.tw/greenchem/np-307-1.html。

5.  黃暴風雪反應：The “Yellow nowstorm” Reaction。取自：http://www.crscientific.com/article-redox3.html。

中學化學示範：
葉肉消蝕術的化學示範與探究實驗設計

吉佛慈

國立臺灣師範大學附屬高級中學
focusjyi@gmail.com

n  前言

「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自然科學領域課程綱要」著重學習跨學科與跨領域整合概念，其中國中新增的校訂課程（即彈性學習課程）包含跨領域統整性主題╱專題╱議題的課程、社團活動、技藝課程等；而高中新增的「自然科學探究與實作」課程，也明訂須由自然科教師進行跨學科協同教學，兩個學習階段均重視學生探究能力的培養，以及強調跨學科和跨領域概念整合的重要性。

108新課綱有提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及相關的學習內容「CCa-Ⅴc-1混合物的分離過程與純化方法：蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等」。「葉肉消蝕術」的內涵除了符合上述自然科學領綱的化學科學習內容之外，也符合自然科學領綱生物科的學習內容「BDb-Va-9 植物體的組成層次」及「BGb-Vc-5 演化證據對生物分類系統演變之影響」。此外，進行消除葉肉後的葉脈染色和裝飾品製作也符合高中藝術領域的學習內容「美E-V-2 繪畫性、立體性、複合性媒材與表現技法」。

為了解開學生對食譜式實驗所受的禁錮，同時消除超前學習者對部定課程已提早掌握之優勢，本活動是以不同於部定化學課程內容的「葉肉消蝕術」為主題，在八年級彈性課程的第一週，採取POEC（Prediction, Observation, Explanation, and Comparison）教學策略，藉以檢視學生的先備知識和概念基礎；接著第二週開始讓學生自訂探究主題並設計研究步驟，最後再進行實驗、收集資料、並分析結果等。

n  過去的實驗與示範實驗的構想

一、過去的實驗設計

葉脈書籤是部分國中生物教師曾經帶領學生進行課程的延伸實驗，由於材料和設備需求簡單，只要提醒學生挑選合適的葉片、注意強鹼試劑的危險性、使用加熱裝置並加強防護設備等實驗安全，通常可在一到兩節課的時間內完成步驟引導和操作、成品製作（如圖一）、乾燥及美化。

圖一：傳統上在實驗室以強鹼製成的葉脈書籤

在網路上(御品賞健康莊園的臉書、想享學網頁)有人使用肥皂或洗滌鹼（碳酸鈉，Sodium carbonate，俗名蘇打）取代燒鹼（氫氧化鈉，Sodium hydroxide）的製作方法，以遠離強鹼的威脅，並提升實驗的安全性。然而受限於加熱時間較長，較不適合於課堂上當作延伸活動，也較少讓學生進行驗證。

二、本次示範實驗的設計構想

本示範實驗係扮演一學期探究與實作活動的前導實驗，可以是國中階段專題探究課程的第一節課活動，也可以是高中階段探究與實作的初期體驗活動。教師可預先準備或讓學生到校園自由拾取想做成葉脈書籤的葉片，在上課中進行整學期課程說明、實驗準則要求和評量方式說明的同時，就將各組學生蒐集到的葉片加入原先配製濃度（5 %）正加熱中的燒鹼溶液共煮。接著，教師運用POEC流程進行教學，如圖二所示。在預測（P）階段：學生預測加入葉片到混合溶液共煮將會發生什麼變化現象；在觀察（O）階段：挑選適當的葉片以水龍頭的水流除去葉肉，以實物投影機同步呈現給學生觀察，徵求兩名自願示範的學生，各組任意挑選一片預備的葉片設法進行葉肉分離操作。最好能凸顯出不同葉片去除葉肉的難易程度和效果不同的結果。在解釋（E）階段：學生嘗試解釋實驗的結果；最後在比較（O）階段：小組討論並比較比較原先預測（P）與觀察（O）之間的現象與前後解釋（E）的異同處。 

圖二：POEC教學策略應用（邱美虹等人，2005）

n  藥品和器材

大燒杯（1000 mL） 1個、氫氧化鈉（NaOH）30.0 g、漂白水（含NaClO） 20 mL、肥皂 1塊、蒸餾水 適量、各類葉片（包含桂花葉、馬拉巴栗葉及其他校園常見葉片） 數片、舊牙刷 數枝、鑷子 1支、玻璃棒 1個、護目鏡 1個、手套 1雙、淺水盤 數個、加熱攪拌器 1台、報紙或吸水紙 數張。

n  示範前的測試

一、  葉片與燒鹼溶液共熱

1. 秤取30.0 g的氫氧化鈉放入裝有400 mL溫水的大燒杯中，用玻璃棒攪拌以促進溶解，再加水到溶液總體積為600 mL，如圖三所示。

圖三：氫氧化鈉（左）和配製5%氫氧化鈉溶液（右）

2. 分開馬拉巴栗的葉片並用自來水洗淨，放入已配製的氫氧化鈉溶液中加熱，如圖四所示。

圖四：馬拉巴栗葉（左）和燒鹼溶液共熱處理（右）

二、  葉片與肥皂水共熱

1. 效法網路流傳的作法，以家中廚房容器取代實驗室設備，以肥皂取代燒鹼藥品，將肥皂切碎，放入裝有熱水的不鏽鋼鍋中攪拌以促進溶解，再加入10片洗淨的葉片，如圖五所示。

圖五：肥皂切碎放入煮鍋中溶解，並加入葉片共熱

三、   葉片與燒鹼和漂白水共熱

1. 葉片與燒鹼和漂白水共熱，如圖六所示。

圖六：馬拉巴栗葉（左）和燒鹼和漂白水溶液共熱處理（右）

四、  葉肉清除測試

1.    在葉片與燒鹼溶液共熱以及葉片與肥皂水共熱的過程中，每隔10分鐘取出一片葉片放進盛有水的淺底盤中，用牙刷進行葉肉的清除測試，過程中燒杯和煮鍋必須不斷加水以補充煮沸時減少的水量，直到所有葉片的葉肉清除測試完畢為止，如圖七所示。

圖七：葉片與肥皂水在瓦斯爐上持續加熱（左）；用牙刷進行葉肉清除測試（右）

2.    比較測試的結果與網路影片的成品，教師在示範之前可事先得到下列參考數據：(1)同種葉片，同種鹼液（燒鹼或肥皂水），在煮沸時間不同時，比較葉肉消蝕程度的差異。(2)同種葉片，同種葉肉消蝕程度相同時，在不同鹼液中，比較所需煮沸時間的差異。(3)同種鹼液，相同煮沸時間，比較不同葉片的葉肉消蝕程度的差異。

n  正式示範

1. 各組學生派代表到校園撿取葉片，洗淨葉片。若樹枝和多個葉片，剪成單一葉片。

2. 葉片放入裝有鹼液（氫氧化鈉溶液）中共熱，如圖八所示。

圖八：各組挑選的葉片（左）；葉片與氫氧化鈉溶液共熱（右）

3. 〔P-預測階段〕在加熱的階段，教師告訴學生燒杯中的鹼液如何事先配製，並提醒學生觀察燒杯中溶液的顏色變化。然後，倒入20 mL熱漂白水繼續共熱，如圖九所示。

圖九：加熱漂白水（左）；葉片與鹼液和漂白水共熱（右）

4. 〔P-預測階段〕請學生預測在20分鐘後，取出葉片並平放在戴手套的手掌上，到水龍頭下方沖洗會出現什麼結果，可能的原因是什麼，並填寫在學習單上。

5. 〔O-觀察階段〕等待學生填寫完學習單的預測階段部分後，教師戴上手套，用鑷子夾出一片馬拉巴栗的葉片平放手掌上，到水龍頭下方沖水；並請學生觀察沖水前後的差異，如圖十所示。請填寫學生學習單。

圖十：葉片沖水前（左）；葉片沖水後（右）

6. 在加熱的階段，由於需時較長，因此教師利用此時間簡介葉片的結構及其成分，以及鹼液和漂白水的基本性質，幫助學生在解釋階段有基本的先備知識，但是不談及葉片與鹼液和漂白水如何發生化學反應。

7.〔O-觀察階段〕取出全部葉片，放到大水盆中，請學生推派代表出來體驗，任意選一片葉子示範，可用牙刷除去葉肉，或是直接沖水；並請其他學生觀察結果，如圖十一所示。請填寫學生學習單。請填寫學生學習單。

圖十一：軟化後的葉片（左）；學生去除葉肉（右）

8. 〔O-觀察階段〕請學生傳閱除去除葉肉的葉片。請填寫學生學習單。

9. 〔O-觀察階段〕教師用報紙吸去葉片的多餘水分，再用吹風機快速吹葉片，請學生傳閱觀察葉片的結構與外觀，如圖十二所示。請填寫學生學習單。

圖十二：乾燥後的葉片（左–馬拉巴栗葉片；右–桂花葉片）

10.〔O-觀察階段〕以浸泡染料或塗抹的方式，教師著色乾燥葉脈，請學生傳閱觀察葉片的顏色覆蓋情形，如圖十三所示。請填寫學生學習單。

圖十三：上色後的葉脈（左–單色上色；右–多色上色）

11.〔E-解釋階段〕請學生傳閱著色的葉脈後，學生分組互相討論並解釋葉片與鹼液和漂白水共熱能去除葉肉的變化現象背後的化學原理。

12.〔C-比較階段〕請學生比較原先預測（P）與觀察（O）之間的現象異同處，並比較預測（P）可能的理由與解釋（E）的理由之間的異同處。請填寫學生學習單。

13. 〔C-比較階段〕教師總結葉肉消蝕術的化學原理，學生據以在個人學習單上進行修改或補充解釋。

n  廢棄物處理

染色的葉脈可做為造型書籤使用，也可拼組成一幅藝術畫作，或貼上卡紙護貝作為萬用卡片使用；使用的化學藥品無毒性，液體廢棄物可用大量放流水沖洗排放。

n  科學原理和概念

判斷哪些植物的葉片能夠成功地分離葉肉與葉脈，必須了解支持葉片的主要成分為何，以及選擇一種合適的反應試劑，且此試劑具有不會溶解葉片的支持成分，而會溶解葉肉的成分。葉片的三大構成成分是纖維素、半纖維素和木質素，其中纖維素是由葡萄糖聚合而成的多糖類（見圖十四），半纖維素是雜聚的多糖類，主要的成分是木聚醣（見圖十五），而木質素則是交叉連結的酚聚合物（見圖十六）。

圖十四：纖維素的化學結構

（圖片來源：維基百科）

圖十五：半纖維素（木聚醣）的化學結構

（圖片來源：維基百科）

圖十六：木質素的化學結構

（圖片來源：維基百科）

根據Buranov 和 Mazza（2008）的研究，當葉片與NaOH共熱時，木質素與半纖維素兩種成分之間的阿魏酸鍵（Ferulic Acid）是與NaOH反應的關鍵位置（見圖十七）。

圖十七：木質素與半纖維素間的阿魏酸鍵

（圖片來源：Modenbach & Nokes (2014)）

阿魏酸（Ferulic Acid，學名是4-羥基-3-甲氧基肉桂酸，化學結構如圖十八所示）是一種廣泛存在於植物種子和葉片中的酚酸，能和多醣和蛋白質結合成為細胞壁的骨架。阿魏酸與碳水化合物（許多‒OH）之間形成的酯鍵極容易受到NaOH的降解，因為從NaOH解離出來的氫氧根離子提升酯類發生水解反應的速率。

圖十八：阿魏酸的化學結構

（圖片來源：維基百科）

n  化學科、跨學科與跨領域的課程設計

一、化學科探究的問題

葉肉消蝕術有三個階段：讓葉片經由化學反應的分離階段，漂白葉片殘留成分的氧化還原反應階段，以及用染料染色的滲透作用階段。筆者曾經帶領過國中生（見圖十九左）與高中生（圖十九右）分別進行葉肉消蝕術的探究實驗，匯集一些學生提出來的問題；也曾有幸跟新北市樹林高中自然科教師們（見圖二十）以「玩探究，拚實作—葉肉消蝕術」為題，針對新課綱的探究與實作課程進行實作分享和意見交流。

圖十九：中學生體驗：國中生（左）；高中生（右）

圖二十：高中自然科教師體驗：進行葉肉消蝕（左）；消蝕成品大合照（右）

在學生在POEC的學習過程中，從第一次的學習經歷到經驗反差、失敗或是挫折，是激起學生發現問題，尋找解決方法，重新出發的一大動力。這些問題包括：學生發現某些葉片一取出便隨葉肉一同消蝕瓦解、或是刷再久也無法順利完全去除葉肉、或是染色效果不佳等等。作者歸納出中學生的五大主要疑惑（見圖二十一）包含：葉片的種類有限制嗎？不同葉片的葉肉分離效果相同嗎？有沒有比肥皂更好的消蝕藥劑替代品呢？軟化葉片可以不使用熱源嗎？不加熱的軟化時間一定比較長嗎？有快速去除葉肉的好方法嗎？染色的試劑有哪些？是否有方便快速的好方法？以上可提供各組同學參考，或由各組同學自行挑選一個想探究的問題，再設計實驗步驟去求解。

圖二十一：中學生對葉片消蝕術的五大疑惑

二、  跨學科的探究課程設計

化石是地表上生物演化的重要依據，根據考古學家的研究，植物化石通常只能保留葉脈、葉柄、葉緣等外型特徵（李慶堯，98年10月），亦即葉肉消蝕後的葉片骨幹。對於地層質地較細緻的細砂岩或黏土，例如新竹關西的砂岩地層，如果有落葉飄落在地面印出痕跡，長時間後枝葉腐爛所留下的痕跡便稱為印痕化石。因此，以化學反應實驗進行葉肉消蝕的探究活動時，可延伸探究的觸角到葉片的組成成分（葉肉、葉脈、葉柄、葉緣等）與特性，或是利用植物化石的類別判別植物演進史，進行生物科探究；也可延伸探究的觸角到砂岩上的不同植物化石的印痕深淺比較，或是同種植物化石在不同部位的印痕深淺比較等，進行物理科探究；還可延伸探究的觸角到植物化石出現處的地層成分和年代分析，或由植物化石的物種推論出該地曾經出現的氣溫或雨量等氣候類型，進行地球科學科探究等。跨學科設計課程架構示意圖如圖二十二所示。

圖二十二：葉肉消蝕術的跨科課程設計

三、  跨領域的課程設計

葉肉消蝕術是以自然領域概念之探究為主，無論是以化學反應分解植物葉片的部分成分，或是以漂白劑淡化物質的顏色，都是屬於科學（Science）能力的訓練範疇；觀察不同種類植物葉片的結構時，可以借助工業用X光機直接拍攝清楚的葉脈細節，也可以運用光學顯微鏡觀察植物化石表面特徵，此等工業X光機或是光學顯微鏡的操作使用，屬於科技（Technology）領域能力的培養；應用葉肉消蝕術於紙漿的製造或回收紙的再造時，相關技術可以讓學生學到製程的技術與設備操作，屬於工程（Engineering）技能的培養；製作消除葉肉剩下的葉脈成為書籤、賀卡、畫作、文創商品等，屬於藝術（Art）能力的展現；配製化學試劑的濃度配製，借助數學運算進行重量和試劑用量的換算，屬於數學（Mathematics）能力的熟練與應用。本課程期望效法STEAM教育的精神，培養學生具有五大領域的素養概念。跨領域STEAM課程架構示意圖如圖二十三所示。

圖二十三：葉肉消蝕術的跨領域課程設計

n  結語

十二年國民基本教育新課綱的實施，趨動自然領域教學現場的教師合作規劃能引導中學生探究思考的主題，若要設計主題學校容易推動且學生容易操作，就必須具備實驗器材和設備的門檻不高的條件，實驗材料易於準備及方便取得等條件，能培養學生的探究能力才是最主要的課程目的。本文主題「葉肉消蝕術」的探究之前，以化學示範的方式，使用POEC教學策略，讓學生動腦預測、觀察、解釋及比較，教師儘量讓示範實驗更為生動、吸睛、奇異、衝突、且有趣，更能激發並驅使學生想要一探究竟的動力。

n  參考文獻

1. Alicia A. Modenbach & Sue E. Nokes. (2014). Effects of Sodium Hydroxide Pretreatment on Structural Components of Biomass, https://bit.ly/3eivETT.

2. Buranov,A. U., & Mazza, G. (2008). Lignin in straw of herbaceous crops. Ind. Crops and Products, 28(3), 237-259. http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2008.03.008.

3.Eero Sjöström （1993）. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. San Diego: Academic Press. ISBN 978-0-12-647481-7.

4. K.V. Sarkanen & C.H. Ludwig (eds) (1971). Lignins: Occurrence, Formation, Structure, and Reactions. New York: Wiley Intersci.

5.Emma stein（2018），木質素分解法—科學家發現新型酶可降解木質素，將植物廢料轉為高價值產品。科技新報。發布日期 2018年06月29日。取自：https://bit.ly/2A1acUF。

6.十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

7. 邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。

8.葉，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/葉。

9.纖維素，維基百科。https://zh.wikipedia.org/wiki/纖維素。

10.半纖維素，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/半纖維素。

11.木質素，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/木質素。

12.李慶堯（2009）。台灣植物化石地層。取自：https://bit.ly/2ZzmXAo。

13.葉脈書籤，華人百科。取自：https://bit.ly/36sZaDL。

14.葉脈書籤的製作方法。取自：https://bit.ly/3bUWBLS。

15.葉脈標本的製作，國立台中教育大學NTCU科學遊戲實驗室。取自：https://bit.ly/36sxper。

16.葉脈書籤DIY。取自：御品賞健康莊園【蟬蘊茶】臉書。

17.透明系葉脈書籤自己作，獨一又無二，想享學。取自：https://bit.ly/3gq0ThF。

中學化學示範：
高分子塑型的教師示範和學生實作

林韋彤、高湘琪、張佳智*

國立交通大學應用化學系
*cchang113ac@nctu.edu.tw

• 前言

在日常生活及和現代工業中，常見的物質—塑膠是一種人工合成的材料。高分子（也稱為聚合物）是由許多單體（也稱為小分子）以共價鍵的方式串聯而成。高分子的可塑性給人類的生活帶來了前所未有的便利，舉凡垃圾袋、垃圾桶、手搖杯、收納櫃、乃至坐墊，處處都有高分子的身影。為甚麼有些塑膠製品在成型後就不太會變形呢？為甚麼有些塑膠遇熱就會軟化呢？

本實驗採用隨手可得的高分子材料作為實驗用素材，探討高分子變型程度與溫度的關係，適合讓國中和高中學生能開始思考實驗結果背後的科學原理，並利用這個機會探討塑膠與日常生活的關係。同時，也可以讓國中和高中學生學習如何利用書本和網路查詢相關的文獻資料，並學會如何過濾出有用的資訊。本實驗使用的材料大多為家用產品且無安全疑慮，而且未使用化學藥品，因此可以在教室或在家中進行，只要注意在使用熱水時避免燙傷。

在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中，（一）有關「塑膠」的學習內容方面：在第四學習階段（國中）有提到主題「物質的反應、平衡及製造（J）」和次主題「有機化合物的性質、製備及反應（Jf）」，及其學習內容「Jf-Ⅳ-4常見的塑膠。」；在第五學習階段（高中）也有提到主題主題「科學、科技、社會及人文（M）」和次主題「科學在生活中的應用（Mc）」，及其學習內容「生活中常見之合成纖維、合成塑膠及合成橡膠之性質與應用。」。（二）有關「高分子（聚合物）」的學習內容方面：在第五學習階段有提到「科學、科技、社會及人文（M）」和次主題「科學、技術及社會的互動關係（Ma）」，及其學習內容「CJf-Va-4常見聚合物的一般性質與分類。」和「CJf-Va-5常見聚合物的結構及製備。」因此，本實驗「高分子塑型」的化學內容符合新課綱自然科學領域國中和高中的學習內容。

• 教師示範與課堂討論

一、  教師示範

1.   教師事先準備兩個不同類型的塑膠瓶（如回收標誌為五號PP及六號PS的塑膠瓶）、各剪裁成兩片塑膠片（約10 cm × 5 cm）、熱水（500-700 mL裝在保溫杯中，或用電熱板加熱）、兩支金屬鑷子、一個透明玻璃容器（如不玻璃罐或玻璃燒杯，容量約1000 mL），帶到教室。

2.   教師放置一個1000 mL的玻璃透明容器（如玻璃罐或大燒杯），倒入裝在保溫瓶約500 mL的熱水。

3.   教師手持兩個大小相同但不同材質（如PP和PS）的塑膠瓶，同時放入熱水中，如圖一所示。教師請學生觀察兩個塑膠瓶的瓶身型態是否改變並比較其異同。

圖一：分別為六號（左）及五號（左）回收標誌之材料受熱情形

4.  接著，教師取出兩片大小相同但不同材質的長形塑膠片，請兩位學生協助，先捲成圓桶狀，以金屬鑷子固定，並同時放置於熱水中加熱1分鐘，如圖二所示。在有外力（使用鑷子）固定的情況下，教師請學生觀察兩個塑膠片的型態是否改變並比較其改變程度。

圖二：兩種塑膠片的受熱方式

5.   最後，教師取出上述的塑膠片，不以金屬鑷子固定，放置於熱水中加熱1分鐘，如圖三所示。在無外力（不使用鑷子）固定的情況下，教師請學生觀察兩個塑膠片的型態是否改變並比較其改變程度。

圖三：不以外力固定的受熱過程與方式

6.   學生比較相同材質在有外力固定和無外力固定的情況下的塑膠型態的變化。

二、  課堂討論

·      什麼是「塑膠」？這種類型的材料通常具有甚麼樣的特性？

·      大家都知道寶特瓶不能裝熱水，回想一下，當寶特瓶遇到熱水會發生甚麼現象呢？

·      為甚麼「塑膠」具有可塑性？

·      在日常生活常見的塑膠種類中，試著上網找找有哪些不同種類的塑膠（環保編號1-6），以及全球每年各種塑膠的產量？

·      常見的塑膠是由什麼結構的小分子構成的，並畫出化學式。

• 學生實作實驗

一、  實驗目的

本實驗使用生活中容易取得的塑膠材料（例如：寶特瓶、塑膠杯、牛奶罐）來觀察其置放於不同溫度下有無外力的影響下的塑膠型態變化，進而說明常見聚合物的物理性質及其相關原理。

二、  實驗器材

各類塑膠瓶各1瓶、熱水（55℃、70℃和85℃，裝在保溫杯中）各1杯、剪刀1把、金屬鑷子1支、溫度計（100℃，可用廚房用溫度計）1支、容器（如不銹鋼杯、玻璃罐或玻璃燒杯，容量約500 mL）1個、計時器（或手機的計時器）1個。

三、  實驗內容

本實驗選用四種塑膠：聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）進行實驗，以溫度和外力作為變因去觀察塑膠的變化狀態。進行實驗並觀察變化現象如下：

1.   觀察各類塑膠的特性，並試著整理出其中的性質差異（材質硬度、可繞性、觸感等）。

2.   將剪好的塑膠片彎曲後，以鑷子固定，並放置於不同溫度的水熱中加熱1分鐘，分別是55℃、70℃、85℃，在有外力（使用鑷子）固定的情況下，觀察其是否彎曲變形和變形的程度多寡。

3.   放置上述實驗塑型後的塑膠片於熱水中加熱1分鐘，在無外力（不用鑷子）固定的情況下，觀察其型態是否再次改變。

四、  實驗步驟

1.   將收集來的各式塑膠剪成相同大小的長條狀塑膠片（約5 cm × 2 cm），如圖一所示。 

圖一：塑膠瓶（左）；剪成長條的片狀（右）

2.   本實驗使用五種的塑膠片，包含1/PET、2/HDPE、5/PP（飲料店）、5/PP（豆漿）及6/PS，如表一所示，此處和表中的號碼為塑膠材質回收編號。

表一：原本使用的五種塑膠片

3.   剪好的塑膠片先捲起來後，以鑷子固定，並放置於不同溫度（55℃、70℃和85℃）的熱水中加熱1分鐘，在有外力固定方式下，觀察其是否彎曲變形及其程度，如圖二所示。

圖二：塑膠片捲起來（左）；以鑷子固定（右）

4.   放置上述實驗加熱後（在有外力固定方式下）的塑膠片分別在不同溫度（55℃、70℃和85℃）的於熱中加熱1分鐘，在無外力（不用鑷子）固定的情況下，觀察其型態是否再次改變。

• 實驗結果

本實驗使用五種的塑膠片，進行有外力固定方式（塑膠片先捲起來，以鑷子固定，然後泡熱水1分鐘）和無外力固定方式（進行外力固定方式後，不用鑷子固定，然後泡熱水1分鐘），分別在55℃、70℃和85℃下的實驗結果，如表二、表三及表四所示。

表二：在55℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

表三：在70℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

塑型方式	1/PET	2/HDPE	5/PP （飲料店）	5/PP （豆漿）	6/PS
有外力固定 泡熱水1分鐘
無外力固定 泡熱水1分鐘

表四：在85℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

塑型方式	1/PET	2/HDPE	5/PP （飲料店）	5/PP （豆漿）	6/PS
有外力固定 泡熱水1分鐘
無外力固定 泡熱水1分鐘

由實驗結果可以得知，透過加熱，高分子會變軟，直接降至室溫後可以被塑型。在有外力固定的情況下，溫度愈高捲曲的狀況會愈明顯，然而捲到一定程度後則不再改變。然而，定型後的樣品經過浸泡於熱水後，由於樣品中有殘存的應力，樣品的形狀會逐漸變的較為展開，然而改變的程度也與採用的高分子樣品種類密切的相關。浸泡於熱水中的時間也會影響到高分子材料型變成度。當塑型溫度低於玻璃化轉移溫度（glass transition temperature, T_g）時，塑型變得較為困難。然而聚苯乙烯（PS）的玻璃化轉移溫度較高（≥100°C），使得其材質較硬，造成塑型困難。然而如果高分子長時間受力且具有充分能量能達到較穩定的狀況時，塑膠材料也可以被塑型。除了將高分子捲起來以外，也可以讓學生嘗試將樣品彎曲成不同的幾何結構（例如：螺旋狀、多邊形）。

•  實驗裡面的原理

物質分成三種狀態：固態、液態、氣態；可透過分子與分子間距離的遠近和分子移動的速率來做區分。當物質為固態時，分子與分子之間的堆積較為緊密，且分子不可任意移動，因此它具有固定的體積和形狀。當物質為液態時，分子與分子間的距離較固態時大，因此分子可以任意移動，造成液態受到外力作用時並無固定的形狀。當物質為氣態時，分子間的距離為最大，因此並沒有固定的體積和形狀。

高分子材料為甚麼有時候是透明的？為甚麼有些高分子材料是不透光的呢？透明的高分子通常結晶度較低，其晶體過小從而無法造成光散射。然而不透光的高分子結晶性較強，所形成的結晶因光散射而造成材料呈現霧霧的狀態。

在前言中，我們提及生活中常見的塑膠為一種常見的物質，這次實驗所介紹的新物質─「塑膠」，具有一種被稱為「玻璃態（glassy state）」的狀態。當塑膠達到某一個溫度時，分子間的鏈結會進行局部運動，造成塑膠會在較硬的固態或較柔軟的類液態之間進行玻璃化轉變，其取決於各種塑膠的玻璃化轉移溫度（T_g）範圍，而此範圍由該材料的結晶程度來決定。當溫度高於T_g時，塑膠分子鏈得到足夠的動能，從而使得塑膠變得較柔軟，使得我們可以進行高分子的塑形。當溫度降到T_g以下時，由於高分子的動能大幅降低，造成分子鏈被鎖住在非平衡的狀態下。而再次重新加熱塑膠後，塑膠中本來被鎖住的分子因為得到足夠的動能，讓原先已被固定的塑膠又會變回原先的樣子。加熱使得高分子能〝鬆弛〞，乃至使得高分子樣品在一定程度上能恢復原本的形狀。本實驗在一定程度上說明了溫度是影響分子運動的主要原因，而溫度的高低會影響樣品在相同時間下吸收到能量多寡。吸收熱量的時間對於材料呈現出的特性有正相關。

• 安全注意事項

·      塑膠樣品的邊緣，較為鋒利，應注意安全。

·      由於實驗會使用到熱水，應注意避免燙傷。

·      接觸玻璃杯時，應著防熱手套。

•  補充資料

玻璃化轉移溫度（T_g）其實不是一個固定的數值，會受塑膠本身分子量、結構、塑膠過往的熱處理製程等因素的影響。表五是塑膠材質的回收編號等資料。

表五：塑膠材質的回收編號、名稱、T_g及特色

• 參考資料

1.      十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.      塑膠與溫度變化互動，http://www.ppsolutions.com.tw/chinese/plastictemperature。

3.      常見塑膠材質、特性、常見產品及耐熱溫度，https://www.fda.gov.tw/upload/133/2015011414464365235.pdf。

4.      Mateus, A.L., Polymer Processing Demonstration Using PET Bottles, J. Chem. Educ. 2019, 96, 8, 1696.

中學化學示範：
自製簡易蒸餾裝置進行示範教學

李俊穎

新北市立光復高級中學
jimmyli819@yahoo.com.tw

• 前言

面對新課綱的高中化學課程，在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中，有提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及相關的學習內容「CCa-Ⅴc-1混合物的分離過程與純化方法：蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。」。為配合108課綱的學習內容，筆者設計一個利用家用物品組裝簡易的蒸餾裝置，在教學方法上以師生互動對話討論的方式進行示範教學，在問與答之間引導學生觀念的建構，在操作與觀察之中思考其中的原理。此示範教學也配合手機直播的方式讓在教室遠方的學生方便觀察細微的現象。

筆者規劃約15分鐘的演示教學內容，分為三個部分：第一部分由生活常見的米酒、高粱酒切入，並且透過點火說明米酒的酒精濃度不足以直接點燃；第二部分利用自製的簡易蒸餾裝置展示蒸餾的過程並藉此說明其原理；最後一個部分則以食鹽的溶解度粗略地判斷酒精的濃度，並以咻聲瓶的點火作為結尾。

• 示範教學影片欣賞

影片網址：自製簡易蒸餾裝置進行示範教學，https://www.youtube.com/watch?v=z0iMuc_j52E。

• 器材與藥品

l 器材：塑膠水盆 2個、寶特瓶（標籤撕掉） 2個、電工膠布 1捲、空鋁罐 5個、燒杯（50 mL）4個、燒杯（250 mL）1個、燒杯（1000 mL）1個、塑膠滴管 5隻、水果叉（或蛋糕叉）數隻、藥勺  1隻、冰塊（冰浴用）適量、食鹽適量。

l 藥品：料理米酒1瓶、58°高粱酒 1瓶、酒精（95%）1瓶。

l 視訊直播器材：手機 1隻（可連線網路，筆者以自己的臉書帳號直播）

• 示範教學過程

階段一：    酒類介紹與可燃性示範

1.    首先，教師在桌面上擺放「料理米酒」和「金門高粱酒」兩種家庭常見的酒類，藉此吸引學生的目光並且引導學生思考這兩種酒的差異。在此階段大多數的學生可以透過瓶身的標示說出酒精濃度的差異，引導學生觀看標籤，米酒的酒精濃度大多落在19~22%，高粱酒大多為58%，如圖1所示。

圖1：陳列米酒和高粱酒給學生觀察並引導討論酒精濃度的差異。

2.    接著，讓學生猜測米酒與高粱酒何者可以點火燃燒。教師利用鋁罐倒立的凹槽作為燃燒平台，分別倒入少量的米酒和高粱到兩個鋁罐凹槽，以點火槍點火，並請學生仔細觀察何者可以著火燃燒，此時暫時關閉教室的電燈會更有助於觀察，如圖2所示。

圖2：以點火槍點燃米酒（在白色鋁罐凹槽內）和高粱酒（在黃色鋁罐凹槽內），高粱酒可以點燃，米酒則否。

3.    教師帶領學生討論上述點火實驗的結果，此階段大多的學生會了解酒精濃度是能否著火的關鍵，但可能不太清楚可以燃燒的酒精臨界濃度，此時示範教師可以口頭說明需要約40%以上（大多文獻資料提到50%或以上）的酒精濃度才能順利點火燃燒，因此米酒無法點燃，高粱酒則可以燃燒。

階段二：    自製簡易的蒸餾裝置

1.    首先，請學生仔細觀察教師的示範，並且提示觀察現象與稍後的問題討論相關。此時教師取出兩個燒杯，並於其中一個燒杯內倒入80毫升的95%酒精，此時可邀請一位學生取另一個燒杯裝滿自來水，接著倒入自來水到裝有酒精的燒杯中，以水稀釋酒精至刻度約200毫升處，此時教師詢問學生酒精濃度的改變，最終稀釋的酒精濃度約落於30~40%之間。

2.    隨後，教師取出兩個寶特瓶（標籤撕掉），倒入上述的酒精溶液到其中一個寶特瓶內，拿起另一個寶特瓶請學生仔細觀察瓶內有無液體，教師強調瓶內是乾燥的並無其他液體成分。此時教師邀請另一位學生協助將兩個瓶子的瓶口對接在一起，裝有酒精溶液者為下瓶，空瓶子為上瓶，如圖3所示。

圖3：教師說明蒸餾裝置的架構（左）；邀請學生協助組裝蒸餾裝置（右）。

3.    以電工膠布纏繞兩個寶特瓶的瓶口對接處，待螺紋處都纏繞一圈膠布後，小心地扳彎折上方的寶特瓶，使之產生一點的角度，再纏繞數圈膠布。扳動瓶身加大彎折角度，再次纏繞數圈膠布。重複上述步驟直至兩個瓶身的夾角約120°，如圖4所示。

圖4：在組裝蒸餾裝置時，邊纏繞邊彎折做出夾角，直到兩瓶瓶身的夾角約120°。

4.    取出兩個塑膠盆，下瓶端（裝酒精溶液者）浸泡在熱水浴中並蓋上兩條抹布以利保溫，上瓶端（空瓶）浸泡冰水浴中，完成蒸餾裝置如圖5所示。在完成組裝裝置後。引導學生思考此裝置的組裝用意為何，並且藉此討論蒸餾的原理。

圖5：自製簡易蒸餾裝置的組裝（左）；組裝完成蒸餾裝置的外觀（右）。

5.    在等待蒸餾的同時，教師引導學生討論蒸餾的關鍵是利用沸點的差異分離物質。此時教師取出另一個空寶特瓶，倒入約20毫升的米酒，蓋上瓶蓋後浸泡於熱水浴中。討論過程中教師引導學生回憶裝置組裝過程，並請同學嘗試提出見解，在1至2分鐘後教師取出在熱水浴中的寶特瓶並打開瓶蓋，邀請學生以點火槍朝向瓶口點火，便可觀察到漸層的火焰由瓶口燃燒至瓶底，並發出咻聲（咻聲瓶），如圖6所示。

圖6：寶特瓶內裝20毫升米酒，浸泡瓶身到熱水浴中（左）；點燃米酒蒸出的酒精蒸氣，進行咻聲瓶的示範（右）。

6.    在咻聲瓶實驗結束後，教師引導學生思考原本無法燃燒的米酒，為什麼在浸泡熱水後，產生容易燃燒的蒸氣，藉此引導學生推理出蒸餾裝置的蒸餾原理。

階段三：    蒸餾液與酒精濃度的檢驗

1.    在等待蒸餾液產生的同時，教師取出四個鋁罐並倒置在桌上，拿出食鹽以藥勺（小端）各取一平匙的食鹽放置於鋁罐凹槽處，分別滴入1毫升的水、米酒、高粱酒、酒精（95%）。，如圖7所示。

圖7：取一平匙的食鹽，分別放置於4個鋁罐的凹槽（左）；分別滴入1毫升的水、米酒、高粱酒及95%酒精（右）。

2.    邀請四位學生以拋棄式水果叉仔細攪拌，請學生仔細觀察食鹽的溶解情形。由於食鹽溶解情形不太容易觀察，因此在情況，教師可以使用手機以直播的方式拍攝特寫，讓在教室遠方學生可以在網路上同步觀察食鹽的溶解情形，如圖8-9所示。

圖8：學生以水果叉攪拌溶液觀察食鹽的溶解情形（左）；透過手機直播特寫細微現象，讓更多學生能同時觀看（右）。

圖9：在示範的影片中，以子母畫面插入手機直撥的特寫畫面，有助於呈現較細微的觀察。

3.    在攪拌完畢後，請學生觀察食鹽的溶解情形。食鹽幾乎完全溶解在水中，而幾乎完全沒有溶解在95%酒精中，未溶解的食鹽量（由少到多）依序為水、米酒、高粱酒、95%酒精，如圖10所示。

 圖10：以一平匙的的食鹽溶解在1毫升的95%酒精、高粱酒、米酒及水中，未溶解的食鹽依序遞減（酒精剩餘最多，而水幾乎全部溶解）。

4.    示範到此，蒸餾裝置內的蒸餾液大約可以蒐集到1毫升左右，接著教師拆開蒸餾裝置，並取出另一個鋁罐仿照上述步驟，以食鹽的溶解度粗略地檢驗酒精的濃度，發現蒸餾液的酒精濃度與高粱酒差不多（酒精濃度提高了），如圖11所示。

圖11：取出蒸餾液約1毫升，溶解等量的食鹽，發現未溶解食鹽介於高粱酒與95%酒精之間。