《臺灣化學教育》第六十一期（2025年9月）

目  錄

■  主編的話

• 第六十一期主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕

■  本期專題【專題編輯／楊志強】

• 創新教學 × 多樣實踐 ──化學教育的多元發展與應用／楊志強〔HTML｜PDF〕
• 化學教育的多元發展與應用： 國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐成果 ／ 王玉純、張育傑、黃琴扉〔HTML｜PDF〕
• 化學教育的多元發展與應用： 澄清石灰水快速備製方法與技術 ／ 楊志強〔HTML｜PDF〕
• 化學教育的多元發展與應用： 應用水晶寶寶建構分子滲透之教學模型 ／ 謝甫宜〔HTML｜PDF〕
• 化學教育的多元發展與應用： 應用AI科技協助化學科展競賽準備的一種可能 ／ 陳河開〔HTML｜PDF〕
• 化學教育的多元發展與應用：化學與生活多面向的化學應用 ／ 洪文東〔HTML｜PDF〕

■  教學教法／化學新知【專欄編輯／鄭志鵬】

• AI 輔助科學申論題練習工具開發與課堂實作 ／ 鄭志鵬〔HTML｜PDF〕

■  教學教法／多元教學法【專欄編輯／鐘建坪】

• 查理定律創新教學實踐： 從實驗操作到概念理解的探究之路 ／ 沈秀君、鍾曉蘭、鐘建坪、游珮均〔HTML｜PDF〕

■  新知報導／科學史【專欄編輯／張澔】

• 羅存德的元素名詞 ／ 張澔〔HTML｜PDF〕

第六十一期 主編的話

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

ccchou62@tea.ntue.edu.tw

• 前言

2025年第十屆亞洲化學教育研討會已於7月26日至28日圓滿舉行，由日本山形大學的 Yasunao Kuriyama 教授主辦。在臺灣師範大學邱美虹教授的號召下，臺灣共有近40位高中師生與大學師生參與，為除日本外參與人數最多的國家代表團。若有興趣了解更多內容，歡迎參考本屆大會網站資訊(Network of Inter-Asian Chemistry Educators, 2025)。同時，也預告第十一屆亞洲化學教育研討會將於2027年在澳洲墨爾本舉行，歡迎有興趣的讀者持續關注相關訊息並踴躍參與。

圖1  臺灣所有參與師生與本屆會議日本主辦方、下屆會議澳洲主辦方合影紀念

• 本期專題「創新教學 × 多樣實踐──化學教育的多元發展與應用」

本期專題主編是特別邀請到屏東大學師培育中心楊志強教授擔任專題客座主編，總共有五篇文章。第一篇是由中原大學環境工程學系王玉純教授、臺北市立大學地球環境暨生物資源學系張育傑和國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所黃琴扉合撰的〈國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐成果〉，針對綠色化學十二項原則進行教學設計，設計適合國小學生的氧化還原素養導向實驗活動，強調從源頭防止污染、降低化學危害並培養環保意識。課程以生活情境中的竹筷漂白殘留問題為引導，運用安全易得的材料，帶領學生動手操作與觀察，理解氧化還原概念並內化綠色化學精神。活動流程包含引發動機、提出問題、開箱材料、進行實驗與理論補充。實施結果顯示，學生參與度高、滿意度達96%，學習成效良好，顯示該活動有助於提升學生的學習興趣與理解能力，並推動綠色化學教育向下扎根。

第二篇是國立屏東大學師資培育中心楊志強教授所撰〈澄清石灰水快速備製方法與技術〉。澄清石灰水為氫氧化鈣溶液，廣泛應用於檢驗二氧化碳與沉澱反應，但傳統製備方式需長時間靜置與過濾，操作繁瑣且不利於課堂即時使用。本文提出以按壓瓶為壓力來源、棉花為過濾介質的「澄清石灰水快速備製法」，僅需將RO水與生石灰混合並加壓過濾，即可於短時間內取得澄清石灰水，無須靜置。此方法具備操作簡便、安全、效率高與可重複使用等優點，能有效提升教學現場的實驗時效與靈活性，也契合微型實驗精神，為傳統製備法提供具創新性與實用性的替代方案。

第三篇是高雄陽明國中謝甫宜老師所撰〈應用水晶寶寶建構分子滲透之教學模型〉，本文運用高吸水性聚合物「水晶寶寶」作為滲透作用的教學模型，協助學生透過實體模擬實驗觀察理解不同溶液濃度對細胞體積的影響。將水晶寶寶分別置於純水、未飽和與飽和食鹽水中，觀察其膨脹或收縮變化，對應高張、低張與等張溶液下細胞的反應。活動結合水晶寶寶的化學特性與生物概念，將抽象的滲透壓原理具體化，並輔以安全操作與觀察紀錄設計。結果顯示學生能清楚理解滲透作用，並延伸討論其在食品加工、農業灌溉與醫療輸液等生活情境中的應用，提升科學素養與批判性思維。

第四篇是澎湖縣馬公國小陳河開老師所撰〈應用AI科技協助化學科展競賽準備的一種可能〉，本文以國小化學科展作品為例，分享在探究歷程中導入 AI 工具的應用經驗。學生運用 NotebookLM 進行文獻整理、因材網釐清概念、Gemini 製作圖表，並以 Edcafe 建置模擬問答機器人，加強口語表達與答辯能力。研究題材結合在地議題與化學固碳實驗，歷經設備設計、資料分析與理論修正，展現師生協作與探究精神。作者同時反思 AI 工具在創新設計上的侷限，強調人機協作的重要性，展現 AI 輔助教學於科展指導的可行性與潛力，很值得大家參考 如何將 AI 科技應用於科展活動。

第五篇是國立屏東教育大學化學與生物學系退休洪文東教授所撰〈化學與生活多面向的化學應用〉，以「食、衣、住、行、環境」五大面向為主軸，探討化學在日常生活中的多元應用與教育意涵。「食」說明食品化學在品質、安全與風味控制的角色；「衣」介紹纖維、染整技術與綠色化學的創新實踐；「住」聚焦居家化學品的功能與風險管理；「行」強調交通中材料與能源化學的重要性；「環境」則論述污染防治與資源循環的關鍵技術。本文強調化學深植生活各層面，透過跨領域實例可提升科學素養、批判思維與永續意識，為化學教育與科學普及提供實務與啟發並重的資源。

• 化學教學主題

本期有兩篇化學教學主題的文章，臺北市立龍山國中鄭志鵬老師在〈AI 輔助科學申論題練習工具開發與課堂實作〉一文中，運用 Gemini AI 結合 Google Classroom 平台，開發出一套能即時評分與回饋的實驗設計練習系統。學生根據題目，將提供的步驟字卡拖曳排列，並將結果貼回作答區後，AI 會依據預設標準進行評分，給予等第、優點與具體改進建議。學生可依建議反覆修正，逐步完成完整的實驗流程，提升探究與實驗設計能力。此系統亦具備差異化教學功能，並開放原始碼供教師下載修改，促進此教學模式的推廣

第二篇是由四位中學教師沈秀君老師、鍾曉蘭老師、鐘建坪老師與游珮均老師所共同撰寫的〈查理定律創新教學實踐：從實驗操作到概念理解的探究之路〉，以探究實作為核心，設計出一套結合真實實驗與數位模擬實驗的教學流程。課程首先透過閱讀文本引導學生進行實驗設計，接著安排氣體體積測量之空氣柱製作與實驗操作，並引導學生進行數據分析與討論。之後，學生利用 PhET「Gases Intro_氣體概念介紹」模擬實驗，探索溫度與氣體體積的關係，進一步推算絕對零度，並比較真實實驗與模擬實驗所得到的結果差異，思考其背後的原因。此教學歷程不僅幫助高中學生深入理解查理定律的科學意涵，也引導他們體驗從觀察、建模到推論的科學探究過程，進而掌握模型在科學發展中的角色與侷限。

• 化學歷史介紹

本期有一篇與化學史有關的文章，是義守大學通識教育中心張澔教授撰寫的〈羅存德的元素名詞〉一文。由此文我們可以看到，化學元素中文名稱的發展其實經歷了一段多元而混亂的過程。早期科學家和傳教士在翻譯元素名稱時，並沒有一致的標準，因此出現了許多不同的中文譯名。這些名稱在當時並存競爭，隨著時間的推移，透過多次科學名詞會議與學界的討論，才逐漸建立起今天我們熟悉、統一的元素中文名稱。而在這段歷史中，德國傳教士羅存德所創造的元素譯名雖一度在日本的科學書籍中被採用，但在中國並未造成長久影響，最終逐漸被後來的譯名體系所取代。

• 結語

臺灣化學教育的發展正處於多元創新與持續深化的階段，無論是在課程設計、教學實踐、科技應用或歷史文化的再探索上，都展現出豐富的面貌與活力。期待更多教師、研究者與教育工作者能夠積極投入，彼此交流專業經驗與教學創意，共同推動臺灣化學教育的創新與成長。也誠摯邀請各位讀者持續關注本刊，關心化學教育的最新動態，並踴躍參與相關研討與實踐活動，讓我們攜手打造更具深度與影響力的化學教育環境。

• 參考文獻

Network of Inter-Asian Chemistry Educators. (2025). 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators (2025年第十屆亞洲化學教育研討會). https://www.nice2025.jp/theme/index.html

創新教學 × 多樣實踐

──化學教育的多元發展與應用

楊志強

國立屏東大學 師資培育中心
nzm@nptu.edu.tw

• 前言

化學教育的價值不僅在於傳授知識，更在於啟發學生將科學原理與日常生活相結合，並培養其探究與解決問題的能力。本期專題匯集了多篇來自不同教育階段與領域的精采文章，旨在從多元面向探討化學教育的創新實踐與應用，從綠色化學的環境永續理念、生活中的科學實驗，到應用新興科技與教學模型，全面展現化學在教育與生活中的各種可能。

• 本期文章導讀

第一篇：國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐成果

本篇文章介紹一項專為國小學童設計的綠色化學教學活動，聚焦於「氧化還原反應」的概念與環境永續精神的融合。教學活動透過手提教具包，結合竹筷殘留漂白劑的實例，讓學生思考其與氧化還原反應的關聯，並進行實作與觀察。文章強調綠色化學的十二項原則，期望從教學源頭引導學生重視環境議題，培養其永續意識與科學探究能力。透過教學實踐與學習回饋的分析，本篇顯示即使在小學階段，也能將化學與環保結合，啟發學生的科學素養與社會責任。

第二篇：澄清石灰水快速備製方法與技術

在化學教學中，澄清石灰水是一項常用試劑，但傳統製備方法常因步驟繁瑣、耗時而影響教學效率。本篇文章提出一項結合按壓瓶與棉花設計的「快速過濾器」創新技術，能在短時間內快速製備出澄清石灰水。此技術不僅提升實驗教學的靈活度，也符合微型實驗所強調的安全、效率與環保精神。文章詳實說明其技術原理、操作流程與教學應用建議，並提出實驗數據支持其成效。這項創新方法對於現場教師具有高度實用性，有助於化學教學的推廣與資源活化。

第三篇：應用水晶寶寶建構分子滲透之教學模型

本篇文章提出以水晶寶寶作為教學媒材，建構學生對滲透作用與濃度差影響的直觀理解。透過觀察水晶寶寶在不同濃度溶液中膨脹或收縮的變化，學生能具體掌握原本抽象的分子滲透與細胞體積改變概念。文章說明此教學設計的背景與實施流程，並分析學生在學習過程中的回饋與成效。與傳統顯微鏡觀察相比，水晶寶寶教學模型更具操作性與趣味性，有效降低學生學習門檻，提升學習動機。此案例展現了如何將生活物品轉化為具教育意義的實驗素材，結合創意與教學目標，深化學生的科學理解。

第四篇：應用AI科技協助化學科展競賽準備的一種可能

本篇文章分享國小教師運用AI科技指導學生參加科展競賽的教學經驗。學生以澎湖在地的廢棄牡蠣殼為出發點，透過AI工具進行文獻搜尋、資料統整與圖表分析，發展出以「化學固碳」為主題的研究方案。文章說明AI工具如何協助教師與學生在短時間內高效掌握研究方向，提升資料處理與表達能力，並最終結合在地關懷與全球暖化議題，將環保、科技與教育創新結合。此案例展現了新興科技在基礎教育中的應用潛力，並為未來科展輔導與跨領域教學開啟新的可能性。

第五篇：化學與生活多面向的化學應用

本篇文章從「食、衣、住、行、環境」五大生活面向出發，探討化學在日常生活中的應用實例，旨在打破化學僅存於教室與實驗室的刻板印象。文章涵蓋食品中的添加物與化學反應、衣物染整的分子結構、建築材料的化學性質、交通能源的轉化原理，以及環境污染與綠色科技的發展等議題。作者透過淺顯易懂的說明與具體案例，提供教師在設計課程與活動時的多樣素材與啟發方向。此篇不僅拓展了化學知識的應用視野，也強化學生將所學與生活連結的能力，展現化學作為一門生活科學的多樣樣貌。

• 結語

本期專題匯集了從國小綠色化學教案、大學計量課程設計，到創新實驗技術、生活應用實例以及AI輔助科展的多元觀點，全面展現化學教育在不同場域中的創新與多樣化實踐。這些文章共同反映出教師與研究者持續探索與突破教學邊界的努力，為化學教育注入更多活力與可能。期盼這些分享能激發更多教育工作者投入創新教學的行列，讓化學不僅是課堂中的知識，更成為連結生活、實踐科學素養的重要橋樑。

化學教育的多元發展與應用：

國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐成果

王玉純¹、張育傑²、黃琴扉^3,*

¹中原大學環境工程學系

²臺北市立大學地球環境暨生物資源學系

³國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所

^*Email: t3944@nknu.edu.tw

摘要：本團隊依循國際學術基礎與環境部彙整之綠色化學十二項原則，設計「國小綠色化學氧化還原實驗活動」，以素養導向課程為核心，強調從源頭防止污染、降低化學危害並培養環保意識。本課程之活動使用日常容易取得的安全材料，兼顧環境友善與學生操作安全，引導學生培養動手實作與問題解決能力。課程設計上，是讓學生從生活情境出發，認識竹筷漂白殘留問題，並結合氧化還原概念，在觀察與操作中內化綠色化學精神。實踐結果顯示，學生參與的滿意度與理解度皆高，證明該活動能有效提升學習興趣與理解成效。本研究期望透過經驗分享，為中小學教師設計綠色化學課程提供參考，推動在地化、生活化與全球化兼具的永續教育。

• 綠色化學理念與重要性

生活中的各個面向，無論是飲食、穿著、居住、交通、教育還是娛樂，都與化學緊密相連，然而，過去許多化學製程與產品，造成環境汙染的疑慮，為了保護環境並促進人類永續發展，「綠色化學」（green chemistry）的概念因應而生。為了減少化學物質對環境造成的危害，Anastas 和 Warner 於 1998 年出版了《綠色化學：理論與實踐》一書，首次系統性地闡述並界定了綠色化學的概念，其定義是：「設計化學產品與製程，以降低或避免有害物質的使用和產生」（Green chemistry is the design of chemical products and processes that reduce or eliminate the use or generation of hazardous substances），核心理念則是「從源頭防止環境污染的化學概念與作法」（黃琴扉等，2021），期待化學製程從源頭到產出，都能兼顧科學帶來的效益與環境保育的責任。

以國內而言，環境部化學物質管理署(以下簡稱化學署)亦於近十年來加強對綠色化學的實踐與推廣，在化學署的網站中亦對綠色化學提出明確的定義(https://www.cha.gov.tw/np-304-1.html)，該定義中指出綠色化學(green chemistry)的精神是不使用有害、有毒的物質，且盡可能減少廢棄物的產生，是一種從源頭阻止環境污染的化學，並且強調產品生產過程，不僅要減少消耗量、提升原子利用率，還要避免不必要的衍生物和廢棄物。整體而言，綠色化學的概念，就是要從源頭開始，充分利用原料和能源，盡可能減少有害物質釋放，以降低對環境的衝擊。其中，該網站中更引用了由英國諾丁漢大學 (The University of Nottingham) 的三位學者Samantha, Richard和Martyn提出的 「PRODUCTIVELY」縮寫，以12個英文字母組成的單字來詮釋綠色化學12項基本原則，以幫助民眾記憶(https://www.cha.gov.tw/cp-306-2973-bcbb0-1.html)，其中P代表防廢(Prevent wastes)、R代表再生(Renewable materials)、O代表簡潔(Omit derivatization steps)、D代表可解(Degradable chemical products)、U代表保安(Use safe synthetic methods)、C代表催化(Catalytic reagents)、T代表節能(Temperature, Pressure ambient)、I代表監測(In-Process Monitoring)、V代表降輔(Very few auxiliary substances)、E代表物盡(E-factor, maximize feed in product)、L代表低毒(Low toxicity of chemical products)、Y代表思危(Yes, it’s safe)(圖1)。

圖1 綠色化學12項基本原則

 (引自化學署網站https://www.cha.gov.tw/cp-306-2973-bcbb0-1.html)

環境部化學物質管理署以上述概念為主軸，進行多元方案的綠色化學研究與發展計畫，期待綠色化學能在教育界與產業界同步帶來正向效益，本團隊有幸於2024至2025年執行環境部化學物質管理署之國小綠色化學教案活動開發，在教案執行過程中獲得許多小學教師與學生的良好回饋，故將本期「國小綠色化學氧化還原實驗設計與實踐」成果彙整分享，期待能提供職場教師或後續研究人員交流參考。

• 國小綠色化學氧化還原活動設計與實踐

綠色化學雖然是近年來結合科學教育與環境教育的重要議題之一，但國小的素養導向活動中仍十分缺乏綠色化學實驗活動的規劃與設計，為了研發適合國小學童使用的綠色化學實驗活動，本團隊黃琴扉老師於2022年亦於臺灣化學教育期刊發表了《國小綠色化學視訊實驗活動設計與實踐》一文(黃琴扉，2022)，當時採用的教具包概念獲得學習者極佳的評價，因此在2024年的教具包規劃中，也沿用了2022年的手提教具包理念，並將內容設計為「檢測竹筷是否殘留漂白劑」的小實驗，引導學習者思考生活中用來漂白竹筷的漂白劑，與氧化還原概念的相關性；以下將針對實驗活動的設計與實踐過程進行細述，並分析學生參與本活動後的感受為何。

一、實驗器材的準備

由於本團隊黃琴扉老師於2022年研發的手提教具包獲得參與者高度好評，因此本研究延續手提教具包的概念，修改教具內容物，以建構「氧化還原綠色化學材料包」(圖2)(表1)。

圖 2  (左)本團隊自行研發的綠色化學實驗材料包外觀

(右) 氧化還原綠色化學材料包內容物

表 1「氧化還原綠色化學材料包」內容物列表及材料包特色

二、實驗活動操作模式 (共兩節課，80分鐘)

(一)教學策略步驟一(20分鐘)：認識綠色化學

在課程的一開始，講師先運用化學署綠色化學教材中的「生活中的化學」進行授課，其簡報內容中包含了生活中常見的化學反應與變化，以及綠色化學基本概念，此外更包含了竹筷的氧化還原理論基礎；透過上述生動活潑的簡報內容，可引發學生的學習興趣，並且建構基礎科學知識(圖3)。

圖3 「生活中的化學」教材內容 (引自化學署綠色化學教材)

(二)教學策略步驟二(10 分鐘)：提出問題(圖4)

1.講師引導學生思考，如果平常使用的各種竹筷或竹籤，可能殘留二氧化硫。

2.講師引導學生思考，並了解空氣中二氧化硫的量如果太多，當下雨時，二氧化硫溶於水形成亞硫酸，將可能形成酸雨。

3.講師引導學生思考，如果竹筷或竹籤上可能殘留二氧化硫，那該怎麼辦?這些二氧化硫可以用簡單的方法檢驗出來嗎?

4.講師說明簡易氧化還原概念基礎，並說明運用氧化還原實驗，可初步檢測竹筷或竹籤上是否有二氧化硫殘留。

圖4 講師透過課程講解與提問，促進學生主動思考

(三)教學策略步驟三(10分鐘)：開箱囉!介紹教具!

延續2022年活動中獲得學生喜愛的「大家一起開箱趣」環節，本次實驗也在課程一開始，啟動「大家一起開箱趣」。引導國小學童將小手提箱材料包的內容物逐一擺放在桌面上檢查，講師則逐一講解每一個器材的名稱與功能(圖5)。

圖5 老師跟學生一起開箱，並逐步講解實驗步驟

(四)教學策略步驟四(30 分鐘)：進行實驗(表2)

表2 教學實驗步驟

實驗步驟	步驟細節	教學實況
樣本準備	1.  取竹筷、竹籤、牙籤各數段。 2.     先用砂紙輕輕摩擦表面，去除碎屑，使可能殘留的藥劑更易被溶出。 3.     將打磨好的竹樣剪成適合放入試管的長度。
溶液準備	1. 在三個塑膠量杯中分別量取： – 10 mL 白醋 – 10 mL 稀釋碘酒(碘酒與水1:4) – 10 mL 清水（對照組） 2. 若無法精準量取，可用滴管粗略取等量。
萃取處理	1.      將竹筷、竹籤、牙籤分別放入不同試管中(一次放一種，重複三回合，每次5分鐘，拍照記錄碘酒顏色；碘酒會從較深的黃褐色逐漸變淡) 2.     每種竹樣都要分別浸泡在： – 醋 – 酒精 – 清水 3.     用滴管將溶液加入試管，淹沒竹材。
觀察與紀錄	透過拍照記錄顏色變化，並進行紙筆觀察紀錄

(五)教學策略步驟五(10分鐘)：進階理論補充

講師於最後10分鐘進行綠色化學理論補充，雖然多數國小學生在化學知識上的概念可能較為模糊，但仍有部分學生的科學知識已經十分紮實，可以接受較抽象的化學概念，因此本活動最後10分鐘將補充進階理論，以協助可理解的學生建構進階知識(圖6)。

圖6 整體活動最後10分鐘協助學生建構進階化學知識

• 活動實踐成果

本研究辦理的綠色化學氧化還原課程活動過程，共計42人參與(男生25人，女生17人)，由授課過程中可以發現參與學童上課皆十分投入，反應熱烈，整體活動滿意度達96%，此外，在綠色化學相關的知識概念上，依據營隊問卷分析結果，絕大部分學童學習成效均十分良好，相關問卷分析結果如表3。

表3 參與活動學生問卷分析結果

由上述的資料分析中可以發現，學生不但對於課程內容表達正向態度，在綠色化學的知識與氧化還原的理解程度，均能達到良好表現。

• 結語

本團隊設計的「國小綠色化學氧化還原實驗活動」主要是結合綠色化學理念與素養導向課程設計的原則，強調從源頭防止污染、降低化學危害及培養學生環保意識。在實驗設計上，本團隊遵循綠色化學的基本原則，包括防廢、低毒、保安與思危，所有器材均來自日常生活易取得且安全性高的材料包，強調在降低對環境衝擊的同時，也能培養學生的動手操作能力與問題解決素養。課程流程採「引發動機、提出問題、開箱材料、進行實驗、補充理論」的步驟設計，成功引導國小學生從生活情境出發，認識竹筷可能的漂白殘留問題，並進一步結合氧化還原化學概念，讓學生在動手做與觀察中，內化綠色化學的精神。從活動的整體實踐結果發現，學生參與活動的滿意度與理解度都很高，顯示該綠色化學教學活動的設計可以同步提升學生的學習興趣與理解成效；希望透過本文的經驗分享，可以提供中小學教師設計綠色化學課程的參考，推動綠色化學向下扎根，並進一步實踐在地化、生活化與全球化兼具的永續發展教育目標。

• 致謝

本文感謝環境部化學物質管理署計畫支持。

• 參考文獻

行政院環境保護署毒物及化學物質局（2021）。何謂綠色化學。https://www.tcsb.gov.tw/cp-305-2972-75e5e-1.html

黃琴扉、林寬禮、施雪雯、陳盈瑗（2021）。讓化學陪著地球永續發展－淺談綠色化學。國立科 教 館 生 活 補 給 站( 電 子 期 刊) ， 60(5) 。https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=15571&a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=17191

黃琴扉（2022）。國小綠色化學視訊實驗活動設計與實踐。臺灣化學教育，47，https://chemed.chemistry.org.tw/?p=42014

Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: theory and practice. Oxford: Oxford  University Press.

U.S. EPA. (2025). Basics of Green Chemistry. https://www.epa.gov/greenchemistry/basics-green-chemistry

化學教育的多元發展與應用：

澄清石灰水快速備製方法與技術

楊志強

國立屏東大學 師資培育中心
nzm@nptu.edu.tw

摘要：澄清石灰水為氫氧化鈣溶液，廣泛應用於檢驗二氧化碳及觀察沉澱反應，在國小至大學之自然科與化學課程中，皆具高度教學應用機會。傳統製備法需將生石灰與水反應後靜置數小時甚至隔夜，再取上清液或經濾紙過濾，雖原理簡單，然耗時長、操作繁瑣且不利於課堂即時使用，且長期保存亦易變質或造成容器損耗。本文提出「澄清石灰水快速備製法」，以按壓瓶為壓力來源，棉花為過濾介質，結構密封、操作簡便且可重複使用。製備時僅需將RO水與適量生石灰混合搖勻，利用瓶身加壓使溶液經棉花過濾，即可於短時間內獲得澄清石灰水，無須靜置，能有效配合課堂時程並提升實驗靈活性。此法兼具安全、效率與環保，符合微型實驗精神，適合在科學教育推廣與應用，為傳統製備方法提供具可行性與創新性的替代方案。

• 前言

自然課實驗中，「澄清石灰水」是檢驗二氧化碳是否產生的關鍵試劑。然而，傳統製備澄清石灰水的方法不僅繁瑣，需先將生石灰加入水中靜置數小時甚至隔夜，或仰賴漏斗與濾紙進行耗時過濾，這些步驟往往無法配合課堂教學時間與實驗流程安排，成為實務上的挑戰。為了解決這一問題，本文提出一項創新技術：「澄清石灰水快速備製法」。此法運用按壓瓶與棉花結合，設計出「澄清石灰水快速過器」，具備密封性佳、可加壓與快速過濾等優點，能有效在短時間內製備出符合教學需求的澄清石灰水，大幅提升教學現場的實驗效率與靈活性。這項方法不僅解決實驗準備上的瓶頸，也契合微型實驗（Microscale Laboratory）（方金祥，2014）強調的安全、效率與環保的特點，為未來科學教育的實驗教學提供了一個實用且具推廣性的創新方案。

• 澄清石灰水的重要性與問題

一、澄清石灰水的重要性

澄清石灰水是指氫氧化鈣（Ca(OH)₂）的稀溶液，呈弱鹼性，常用於檢驗二氧化碳的存在，因為 CO₂ 通入澄清石灰水後會產生碳酸鈣（CaCO₃）沉澱，使液體變混濁，在自然科課程中，澄清石灰水常用於檢驗二氧化碳的存在，是觀察呼吸作用、燃燒、酸鹼反應等多項實驗的重要試劑。

國小階段使用澄清石灰水多為定性實驗，教學目標在於引導學生觀察並檢驗二氧化碳的存在，主要是利用澄清石灰水變混濁現象，說明二氧化碳的影響，進而培養國小學生對於觀察力。國中階段則進一步結合定性與定量的概念，除了強調反應現象外，也會讓學生學習背後的化學原理，例如二氧化碳與氫氧化鈣反應生成碳酸鈣沉澱的化學式：

 Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O。

國中階段，除了在理化學課之外，生物課在介紹呼吸作用的時候，也會需要這個實驗需要澄清石灰水來檢驗呼吸作用的產物，學生能透過反應過程，清楚觀察生成固體沉澱的過程，有時國中老師也會再補充：若通入過量二氧化碳，原本混濁的澄清石灰水會再度變清澈，這是因為生成的碳酸鈣會進一步與二氧化碳及水反應生成可溶於水的碳酸氫鈣，化學式如下：

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂。

這樣的補充能引導學生思考化學反應的可逆性與溶解平衡概念，提升他們對化學現象的整體理解能力。到了高中或大學的化學課中，除了再次介紹過上述反應式之外，也會再補充生石灰與水反應過程或讓學生實際操作與製備。最簡單的方法就是生石灰（CaO）加入水中，進行使其與水反應生成氫氧化鈣溶液，化學式如下：

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

澄清石灰水在自然與化學教學中具高度教育價值，是檢驗二氧化碳、觀察沉澱反應與理解溶解平衡的重要材料。從國小到大學，許多實驗以此為媒介，幫助學生連結生活與科學，培養觀察、推理與化學思維。特別在探究與實作課程中，學生可藉此學習儀器操作、實驗設計與假設驗證。其製備過程也蘊含科學技能訓練，如溶液飽和度與過濾技術，是進入科學探究的重要橋樑。

二、澄清石灰水的傳統製備方法與問題分析

如上所述，澄清石灰水是自然科與化學實驗中常用的試劑，尤其在檢測二氧化碳（如動植物的呼吸作用）、觀察沉澱反應，以及說明氣體與液體反應的課程中，扮演著非常重要的角色。澄清石灰水的主要成分為氫氧化鈣（Ca(OH)₂）溶液，而這種物質在水中的溶解度相當有限，在 25°C 時約為 1.5 克／升。這代表每升水最多只能溶解約 1.5 克 Ca(OH)₂，形成飽和溶液。

若要製備 100 毫升（即 0.1 公升）的飽和澄清石灰水，依此比例推算，僅需約 0.15 克的氫氧化鈣即可。由於氫氧化鈣通常是由生石灰（氧化鈣，CaO）與水反應而得，因此約使用 0.10 至 0.12 克的 CaO，再加入約 100 mL 的清水，即可製成所需的澄清石灰水。在教學現場的實務操作中，老師們往往以「一小湯匙的生石灰加入一瓶寶特瓶的清水」作為簡便方式進行配置。

值得注意的是，CaO與水結合時會產生劇烈的放熱反應，這一特性常被應用在加熱食品的原理說明中，例如以生石灰加熱蛋或肉等食材。由於其反應具有危險性，操作時必須保持安全距離並配戴適當的防護設備，如護目鏡與口罩，避免生石灰粉末刺激眼睛與呼吸道。特別提醒，在進行實驗時應將生石灰「加入水中」，而非將水「倒入生石灰」，以避免劇烈噴濺造成危險。這些細節在教學現場中需加強指導與管理，確保學生能在安全的環境中進行操作與學習，傳統的澄清石灰水製備方式如下：

(一)準備材料：取適量生石灰加入水中，進行反應生成氫氧化鈣溶液。反應式如下：
CaO + H₂O → Ca(OH)₂

(二)攪拌與靜置：將反應後的混合液充分攪拌後，靜置數小時甚至過夜，讓未溶解的固體氫氧化鈣沉澱至容器底部。此時上層液體會逐漸變得澄清，即為目標試劑。

(三)取得上清液：可直接小心地將上層透明液體倒出，即為澄清石灰水，亦可使用漏斗與濾紙進行進一步的過濾，以提高透明度與純度。

這種傳統製備法雖然簡單且原理清楚，但在實務操作上卻有不少限制。特別是在教學現場，教師常面臨時間緊迫、設備不足與流程效率等問題：

• 耗時長：需靜置數小時甚至隔夜，無法立即使用，影響課堂實驗安排。
• 操作繁瑣：老師常面臨需用濾紙及漏斗過濾、轉移與靜置等步驟，操作上相當繁瑣。

上述問題如果老師不趕時間的話，通常可以使用「一小湯匙的生石灰加入一瓶寶特瓶的清水」作為簡便方式進行配置，靜置一個星期後，即可取得上清液來做實驗，但是問題就是「時間」，而且澄清石灰水久置後，還可能會變質，或因為保特瓶的底部被鹼性的石灰溶侵蝕，造成漏液的困擾，若沒有合適的容器及保存條件，並不適合長適保存。

• 澄清石灰水快速備製法介紹

然傳統的備製方式需靜置與過濾數小時，對課堂時間有限的師生而言，實為一大挑戰。筆者參考蔡期銜等人（2006）對實驗教學的建議，以及阿簡老師（2008）在部落格中分享的過濾裝置，備製過程也用濾紙或濾布等過濾方式，發現濾紙速度較慢，或濾布無法過濾乾淨，若另外使用加壓設計又得進行加工及安排掛架，於是思考利用現有器材設計出一種簡便、密封性佳且可重複使用的「澄清石灰水快速過濾裝置」。此裝置以按壓瓶作為壓力來源，搭配棉花作為過濾介質，具備器材易取得、微量使用、操作安全與快速備製等優點，能有效提升課堂實驗的時效性與靈活性，相關材料及操作過程如下：

(一)準備材料(見圖1)：

1.一個乾淨的空塑膠按壓瓶（如洗髮精瓶、洗手乳瓶，請注意不是噴瓶！）。

2.棉花。（可從藥局或美妝店取得）

3.生石灰。（可使用海苔乾燥劑）

4.RO水。

5.乘裝及測試：容器（小茶匙、20cc漱口量杯、吸管、止洩帶）。

圖1 實驗所需材料

(二)備制及測試過程：

1. 將空塑膠按壓瓶打開後，取適量棉花塞入按壓瓶的吸水管處，務必壓緊但不致於完全阻塞氣體或液體流動，接合處可用止洩帶處理縫隙。
2. 將按壓瓶裝入清水（使用RO水即可）再加入一匙CaO後，蓋緊瓶蓋均勻搖晃混合。
3. 按壓瓶身產生壓力，使液體由吸管經過棉花區快速過濾，最後滴入接收容器中，即可取得澄清石灰水。
4. 測試：測試時可利用吸管，將口中氣體吹入石灰水中，觀察其變化前後差異。

圖2  棉花塞入吸水管	圖3 吸氣前澄清石灰水	圖4 吸氣後澄清石灰水

「澄清石灰水快速過濾裝置」，主要以按壓瓶結合棉花作為濾材，除了縫隙可能需要使用止洩帶處理之外，其餘部分皆以現成的器材組裝即可，將RO水與CaO充份混合後，無需等待即可馬上取用，成功克服傳統澄清石灰水製備需長時間靜置與過濾的限制，有效提升課堂實驗的時效性與彈性，也展現了微型實驗精神下的創新實踐，期望為自然科教學提供一套具實用性與推廣潛力的理想方案。

• 參考資料

方金祥（2014）。微型實驗簡介（上）。臺灣化學教育，2。 https://chemed.chemistry.org.tw/%e5%be%ae%e5%9e%8b%e5%af%a6%e9%a9%97%e7%b0%a1%e4%bb%8b%e3%80%88%e4%b8%8a%e3%80%89%ef%bc%8f%e6%96%b9%e9%87%91%e7%a5%a5-3/

阿簡（2008年12月28日）。快速過濾器製作–澄清石灰水的好幫手。阿簡生物筆記。https://a-chien.blogspot.com/2008/12/blog-post_28.html

蔡期銜、鄭珮驊、詹惠媛、李沐瑾、彭敏芝、蘇芸蓁（2006）。我變!我變!我變變變! ~澄清石灰水變身大考驗。全國中小學科展，國小組化學科。未出版。

化學教育的多元發展與應用：

應用水晶寶寶建構分子滲透之教學模型

謝甫宜

高雄陽明國中
lkksfe@gmail.com

摘要：本文探討以聚丙烯酸鹽高吸水性聚合物製成的「水晶寶寶」作為滲透作用教學媒材，旨在協助學生直觀理解不同溶液濃度對細胞體積的影響。傳統顯微鏡觀察植物細胞雖可呈現此概念，但操作複雜且觀察門檻高；本活動透過將水晶寶寶分別置於純水、未飽和及飽和食鹽水中，觀察其膨脹或收縮的變化，對應生物課本中高張、低張與等張溶液下動植物細胞的反應。文中詳述水晶寶寶的化學性質，包括聚丙烯酸鈉的三維網狀結構與親水性官能基如何促成其高吸水性，並說明實驗步驟、觀察結果與安全注意事項。結果顯示，純水中水晶寶寶膨脹，未飽和食鹽水中變化不大，飽和食鹽水中則明顯縮小，成功將抽象的滲透壓原理具體化。該教學不僅增進學生對細胞滲透現象的理解，亦能引導延伸探討其在食品加工、農業灌溉與醫療輸液等生活情境中的應用，提升科學素養與批判性思維。

• 前言

自然課實驗中，在日常教學中，如何讓學生直觀地理解「滲透作用」與「溶液濃度對細胞體積的影響」，一直是自然科教師面臨的重要課題之一。過去多以顯微鏡觀察植物細胞浸泡於不同濃度溶液中體積變化為主，但操作門檻較高、觀察不易。本文提出一套簡便且具視覺效果的實驗活動：「培養水晶寶寶」，以市售的高吸水性聚合物聚丙醯酸鹽類——水晶寶寶為媒材，讓學生能清楚觀察在不同濃度溶液中其體積變化的過程，並進一步連結至日常生活中的泡水膨脹或醃製現象與相關應用，達到兼具趣味性與科學性的教學目標。

• 活動情境科學概念、水晶寶寶化學性質

一、活動情境與科學概念

在自然課上，謝老師拿出標示著A、B、C共三個相同大小的透明玻璃罐，裡面裝著相同體積的透明液體，讓同學分別將十顆水晶寶寶投入三罐玻璃瓶，預測一段時間後這些水晶寶寶的變化。實驗結果發現，A瓶內的水晶寶寶吸飽水分而飽滿透亮、B瓶的水晶寶寶略顯乾癟、C瓶則體積更小。謝老師環視全班後問道：「這些水晶寶寶為什麼在這三個玻璃瓶內體積差異這麼大？這三組玻璃瓶內可能各裝哪種溶液呢？」

經上述的實驗結果引出教科書陳述的核心概念：「不同濃度或不同性質的溶液對細胞體積的影響」。細胞的健康與其所處環境的滲透壓息息相關。滲透壓是指溶液的濃度決定水分子如何經細胞膜進出細胞。了解不同滲透情境對細胞的影響，對我們理解生命現象至關重要。當細胞處於高張溶液時，即外界溶液的濃度高於細胞內部，水分子會大量從細胞內滲透到細胞外，導致動物細胞因脫水而皺縮，嚴重時會影響其功能甚至導致死亡；而植物細胞雖然有堅硬的細胞壁，但細胞膜會與細胞壁發生質壁分離，進而使植物枯萎。相反地，若細胞處於低張溶液中，外界溶液濃度低於細胞內部，水分子則會大量進入細胞內部，使得動物細胞因吸水過多而膨脹，甚至可能導致細胞膜破裂，例如紅血球在純水中會溶血。然而，植物細胞由於有堅韌的細胞壁保護，吸水後會變得飽滿堅實，形成膨壓，這對植物維持挺立非常重要。只有在等張溶液中，細胞內外溶質濃度相等，水分子進出細胞膜的速率大致平衡。相關概念及示意圖表整理如表1及圖1。

在此情況下，動物細胞能維持正常的形態與功能，就像人體輸液使用的生理食鹽水。理解不同滲透壓情境對細胞的影響，是理解生物體如何適應環境、維持生命活動的基礎。藉由觀察水晶寶寶在不同滲透壓環境下的變化，學生能進一步理解生物課本中所描述的高張、低張與等張情形對細胞的實際影響，並將抽象概念具體化，有效提升學習動機與科學素養。

表1  不同溶液類型相關科學概念關係表

圖1 細胞對不同濃度溶液反應示意圖

二、水晶寶寶的化學性質

水晶寶寶這種受歡迎的小玩具，主要成分是一種叫做聚丙烯酸鹽（通常是聚丙烯酸鈉）的高分子化合物。它屬於高吸水性聚合物 (Superabsorbent Polymer, SAP) 的範疇，這類材料在日常生活中也廣泛應用於尿布、女性生理用品等。

聚丙烯酸鹽之所以能吸收大量水分並膨脹，關鍵在於其特殊的化學結構。它由許多丙烯酸單元聚合而成的長鏈分子，這些長鏈之間會藉由交聯作用形成一個三維的網狀結構。此網狀結構中，含有大量的親水性官能基（如羧基），這些基團對水分子具有很強的吸引力。聚丙烯酸鈉是一種高分子聚合物，其化學式可以寫作：

(−CH₂​−CH(COONa)−)_n​

其中：

• −CH₂​−CH(COONa)− 代表聚合物鏈中的一個重複單元。
• COONa 是丙烯酸鈉的羧酸鈉基團，這是吸水的關鍵。
• n 表示這個重複單元在聚合物鏈中重複了非常多次，通常是一個很大的數字。

當水晶寶寶接觸到水時，水分子會透過滲透作用進入其網狀結構中。親水性官能基會與水分子形成氫鍵，將水分子牢牢地束縛在聚合物的內部。同時，由於聚合物內部溶質濃度相對較高，根據滲透壓原理，水會持續被吸入，導致聚合物鏈段向外擴張，使整個水晶寶寶膨脹數十甚至數百倍於其原始體積，變成柔軟、富有彈性的透明凝膠狀。這種獨特的吸水能力和膨脹特性，使得聚丙烯酸鹽成為製作水晶寶寶的理想材料，讓它們能吸收大量水分並保持其形態，帶來視覺和觸覺上的趣味（周芳妃，2015）。

• 實驗器材與操作說明

一、材料

市售水晶寶寶固體顆粒、水、保特瓶、鹽。

二、實驗步驟

實驗步驟1、將水晶寶寶放入水中七天,按時觀察水晶寶寶變化的歷程，如圖２所示；

實驗步驟2、將水晶寶寶分為三批,其一繼續留於水中作為對照組；

實驗步驟3、另兩批分別置於未飽和食鹽水與飽和食鹽水之中,再浸泡約一天。

實驗步驟4、隔日再與班上的同學觀察三組水晶寶寶的體積變化情形。

三、實習結果及科學概念

經過實驗步驟的操作與觀察後，可以明顯發現三組水晶寶寶在不同液體中的體積變化有所不同：

• 對照組（純水中）：水晶寶寶體積保持飽滿，呈現透亮圓潤的外觀。
• 未飽和食鹽水組：水晶寶寶的體積略為縮小，但仍保有一定程度的膨脹。
• 飽和食鹽水組：水晶寶寶顯著縮小，表面皺縮，顏色變得較混濁不透光。

這個現象可以用生物學中「滲透作用（Osmosis）」的概念來解釋。水晶寶寶由吸水性高分子材料組成，類似細胞內部含有大量水分的結構。當這些材料置於不同濃度的溶液中，水分會根據濃度梯度由低濃度向高濃度移動，這與細胞在不同滲透壓環境中的表現一致，對照課本中細胞在高滲、低滲與等滲溶液中的狀態，有助於學生從具體實物理解抽象的生物學概念。

• 純水（低滲環境）：水分進入水晶寶寶，使其膨脹。
• 未飽和食鹽水（近等滲環境）：水分進出趨於平衡，體積變化較小。
• 飽和食鹽水（高滲環境）：水分由水晶寶寶流出至溶液中，導致體積縮小。

四、實驗注意事項

1. 水晶寶寶的膨脹需時：水晶寶寶需完整浸泡至少數天才能達到充分吸水狀態，否則實驗結果會不明顯。
2. 溶液濃度需準確控制：飽和食鹽水可用加鹽至無法溶解為準；未飽和食鹽水則可依一定比例（如5%）配置，確保結果對比明顯。
3. 避免容器混用：三組水晶寶寶請分別使用乾淨的容器，以免交叉污染影響觀察結果。
4. 觀察需定時紀錄：建議設計觀察記錄表，紀錄水晶寶寶體積、顏色與透明度的變化。
5. 安全操作與回收：水晶寶寶不可沖入排水孔，應集中回收處理，避免造成水管阻塞。
6. 避免吞食，防範誤食風險：水晶寶寶（超吸水性聚合物）一旦被兒童誤食，可能因腸道內繼續吸水膨脹導致腸阻塞等急性醫療問題。因此，進行實驗時應提醒學生水晶寶寶「僅供觀察，嚴禁吞食」，尤其低年級學童應在成人監督下操作，確保安全無虞。

圖2 水晶寶寶在水中的體積變化歷程

        本文以水晶寶寶作為滲透現象的教學模型，不僅讓學生直觀地理解了抽象的滲透作用與溶液濃度對細胞體積的影響，更將課本知識與生活經驗緊密連結。透過觀察水晶寶寶在不同濃度溶液中膨脹或收縮的現象，學生能清楚地將高張、低張、等張溶液的概念具體化。藉由引導式的提問及實驗的安排，讓學生進行實作並思考為何相同的水晶寶寶卻展現出不同的外形變化，取代傳統使用圖示或動畫的方式，可以提供學生對於科學現象的更直接的感受，讓學生親身體驗科學的樂趣。未來，教師可進一步引導學生討論滲透壓在日常生活中的應用，如食品的醃製保鮮、農作物灌溉原理、醫學上的點滴輸注等，使學生認識到科學與生活的緊密聯繫，培養他們的科學素養與批判性思維。

• 參考資料

周芳妃（2015）。彩幻珠實驗—認識高吸水性聚合物。科學研習月刊，54(12)，31–38。https://www.ntsec.gov.tw/article/detail.aspx?a=5316

化學教育的多元發展與應用：

應用AI科技協助化學科展競賽準備的一種可能

陳河開

澎湖縣馬公國小
nio203@gmail.com

摘要：本文旨在分享指導國小化學科展之經驗，聚焦於如何在探究歷程中導入AI工具，以提升學習效率與研究深度。以第65屆全國科展獲獎作品為例，闡述學生如何在各階段善用數位工具：運用NotebookLM整理文獻、透過因材網e度釐清核心概念、以Gemini將數據轉化為多元圖表，並利用Edcafe建置模擬問答機器人，強化口語表達與自信。此外，作者亦提及AI的侷限性，尤其在實驗裝置的創新設計與研究方法的修正上，仍需仰賴師生的實作智慧、創意巧思與專家的諮詢指導。本文透過具體實踐歷程，展示AI協作教學在科展指導上的潛力與可行性，期能為探究式教學開啟更廣闊的視野。

• 前言

科學教育一直以來重視素養導向的教學精神，以及學生的探究與實作能力。而科學展覽競賽（以下簡稱科展）無疑是提供了一個最理想的平台，讓學童得以完整地展現其探究成果。尤其在國小階段，這更是一項絕佳的訓練機會，它引導孩子們從生活中發現問題，並在尋找答案的過程中，培養出觀察、假設、驗證與表達等多面向的統整能力。然而從教師指導的角度觀之，指導時間受限、學童操作能力不足、縱向深度與橫向跨科統整能力尚待精熟、實驗裝置與設備取得不易等問題，讓自然科學老師在指導科展面臨許多挑戰，這些困境亦是全球科學教育者在推動探究式學習時所共同面臨的挑戰。事實上，有國外研究指出，教師在實踐探究式學習時常因缺乏資源與有效支持而受挫，而AI教育應用則被視為克服這些挑戰的潛力工具 (Kunnath & Botes, 2025)。

本文旨在分享一次國小組化學科科展指導經驗（國立臺灣科學教育館，2025），學生藉由回收在地廢棄之牡蠣殼粉在高壓下與二氧化碳進行反應，進而提出深海投放系統構想。最終獲得全國第二名之佳績。筆者帶領偏鄉學童在探究的過程融入AI科技工具，從過往研究方法論的分析、研究背景資料蒐集與整理，實驗後數據分析與圖表繪製，以及模擬問答訓練等歷程，提供一種籌備的新取向。

• 題材選擇與研究設計：從在地關懷到科學探究

一個好的研究，始於一個有意義的問題。而近年來對於生活化、在地元素、全球性共同問題等原則的重視，讓筆者引導學生發想問題時，從在地生活出發，思考身處的澎湖有哪些值得關心的議題。閱讀在地產業發展新聞的歷程，發現澎湖縣水試所專案計畫對於牡蠣殻轉化為建材與珊瑚復育基材的報導，開啟了本次科展研究。

為了避免閉門造車與重複研究，學童們分工下載牡蠣殼為主題的研究，藉由Google Notebook LM工具的摘要，羅列近年來相關的牡蠣殼應用文獻，以確認研究的獨創性。在發現牡蠣殻做為循環使用的環保用途後，再朝向牡蠣殻的成份與相關的反應來發想，最終從牡蠣殼富含碳酸鈣的化學成分中，找到了新的切入點—將其應用於「化學固碳」，形成一個能與全球暖化議題對話且兼具化學實驗可行性，能成功連結課程、在地與科學素養目標的研究題目。

• 實驗歷程與設備創新：動手做與資源再利用

研究方向確立後，如何帶領孩子共同設計出能讓學童親手操作、又能驗證科學假設的實驗裝置，成為了核心挑戰，筆者認為這是國小科展最精華的部分之一。運用巧思，以簡單、隨手可得的材料，打造出能夠達成研究目的的實驗設備，這個歷程耗時最久，也最能體現PBL（project-based learning）課程與動手實作的精神（梅期光，2017）。例如，原先設計直接量測二氧化碳的濃度變化，但很快發現市售的偵測儀器敏感度不足。這個瓶頸迫使小組轉換思路，改以「收集並量測二氧化碳消耗的體積」作為替代方案。而此實驗設備的設計與研究方法，則透過持續與化學領域以及長年從事科學研究的實務專家們對話所提供的建議修改而來，而這也是目前AI科技工具尚無法提供協助的部份。

實驗裝置設計歷經了漫長的迭代與修正才會形成最終版本，自此開啟實驗數據的收集。指導老師扮演引導者與夥伴的角色，與學生共同經歷每一次的成功與失誤。一同校準儀器、配置溶液、記錄數據，並在過程中不斷討論觀察到的現象。培養學生從生疏到熟練，從被動接受指令到主動提出問題，從操作中建構概念的經驗，是任何書本知識都無法取代的。此外，每一次科展競賽所製作的實驗設備，連年下來也積累了儲物空間的負擔，因此，「永續思維」的實踐相形重要，例如本文舉例的作品之針筒置放架，便是改造過去風洞實驗留下的設備再利用。

• 研究方向修正與精鍊：從現象到理論的昇華

科展作品的成功並非僅止於動手操作，更需要科學理論的支撐。在成為出縣代表後，有幸獲得了縣賽評審對於作品的完整評語與口頭指導，引入了完整的化學反應理論來解釋促進二氧化碳反應的核心機制。為了讓研究更貼合時代趨勢，將「碳匯」的概念融入報告，並將其未來應用與放置於海底海床的「藍碳工程」相連結，為作品價值緊密聯結生態關懷視野。

• 學習支持的新工具：導入 AI 科技的應用實例

在科展指導的歷程中，「時間」永遠是最稀缺的資源，也是最大的挑戰。本文分享筆者如何善用AI科技？在學生極其有限的課後時間內，最大化他們的學習成效。具體應用可分為五大面向：

一、題材與文獻搜尋

在主題發想階段，學生常缺乏足夠的知識背景與資訊管道，難以有效評估題目的可行性與創新性。學童透過因材網e度、ChatGPT 或 Gemini 等 AI 工具的協助，可直接提出關於題材的問題，以及了解「牡蠣殼吸收二氧化碳」的原理與相關研究，有效評估了題目的可行性與創新性，例如：「牡蠣殼能否用於吸收二氧化碳？」。

此外，AI 工具也可提示與題目相關的過往科展主題，幫助學生避開重複性題材，進而發展具創新性與在地特色的研究構想。在回顧文獻的過程中，對於不懂的科展作品，也可以透過AI 工具能提供原理性說明、相關應用實例、研究背景與潛在延伸方向，並整理出初步的文獻摘要或關鍵詞，協助學生建立基礎概念。

二、數據轉化為圖表的建議

數據就是最好的證據，為了方便分享溝通，研究結果以圖表呈現為宜，依據實驗數據與理論的最佳效果來決定圖表（吳明德，2020）。然而在小學現場，實驗過程所記錄的數據以及手繪的圖表，學童往往受限於數學能力而讓圖表型式單一化。例如缺少測量誤差概念與圖表繪製的觀念，藉由AI工具的協助，提供便利不同數據交叉分析的圖表選用建議，例如折線圖、長條圖及圓餅圖的選用。這讓學童能從更多元的視角解讀數據，進而對比研究的輪廓，更有助於回頭修正實驗變因的設計。

三、概念理解與視覺化支援

由於作品所涉及的化學反應屬於國中階段學習內容，師生針對「氣體壓力與溶解度」、「勒沙特列原理」、「藍碳工程」等抽象概念，請AI工具生成比喻性的圖解，將抽象知識轉化為具體圖像，直接應用於學習，並且做成圖卡供解說時的輔助說明。例如本次學童透過蹺蹺板與圖卡說明，證明學童充份的理解，提高表達清晰度與學術說服力。

本文示例之作品為固碳之環境議題，以環境議題為主的科學研究，必須更強調反思的特徵（劉湘瑤，2016），例如深海固碳系統的建置，對於固碳效率、建置成本以及對海洋環境的影響評估，皆必須面面俱到，AI工具提供更寬廣的思考層次，可以有助學童培養反思探究能力。

四、模擬評審與應答練習

以往的科展發表與問答訓練，有賴於老師們針對作品進行模擬設計，難免會有問題廣度的盲點，導致學童在口語答辯時產生困難。本次以AI工具扮演模擬評審，從相關的專業背景生成各種可能的提問，例如：「你怎麼證明 CO₂ 是因為化學反應而減少？」或「為什麼選用純水而不是海水？」這些問題經由整理後可製作成 Quizlet 或 Edcafe 等數位閃卡，學生能以遊戲化方式自主練習問答，逐步累積應對的信心與語言表達能力。此外，隨著學童對研究問題的掌握愈來愈精熟，比賽前配合相關文獻資料的讀取與模擬問答的匯入，利用Gemini製作互動式網頁，讓學童分組在網站上進行即時答辯，有效提升了口語表達的邏輯與自信。

• 科展競賽做為探究教學歷程與發展建議

科展不僅是一場展示探究成果的競賽，更是一段完整的探究教學歷程。從題目的選定、資料的蒐集、假設的建立、方法的設計，到結果的驗證與反思，每一階段都充滿思辨與學習的機會。綜合此次指導經驗與多年來的觀察，筆者認為未來的科展指導，可以朝以下方向發展：

一、強化科展與課程的結合

將科展探究的精神融入日常教學，而非視為一項獨立的額外競賽。讓學生能在實作過程中活用課堂所學，深化問題意識、資料整合與推論能力。

二、鼓勵跨學制、跨領域的合作

如本次經驗，國小教師應勇於尋求高中、大學甚至研究單位專家的協助，無論在方法論的討論或學生訓練時的對話與鼓勵。這種縱向的知識支援，能有效彌補專業上的不足，並開拓師生的研究視野，近年來各縣市皆在縣市複賽後即邀請專家學者入校輔導，也讓全國科展參展的作品極具深度。

三、善用數位工具進行歷程記錄與反思

AI 工具提供了實時回饋、資料輔助與互動式學習的可能，使教學活動更加貼近學生的學習節奏與理解狀態。另一方面，學生練習與 AI 工具的對話與提問技巧，學習如何清晰表達問題與理解複雜概念，提升其自主學習與反思能力。除了AI工具的輔助，指導老師可引導學生利用線上討論與錄音、雲端硬碟等工具，系統性地記錄探究歷程中的點滴，包含失敗的嘗試與修正的思路，甚至是突發奇想的好點子。這不僅是科展報告撰寫時的珍貴資料，更是培養學生後設認知與反思能力的絕佳途徑。

• 結語

每一份的科展作品，都是一部精采的師生共同探究故事，深刻的記錄學習歷程。本文示例之作品，透過在地題材應用、實驗設備設計與AI科技工具的導入，嘗試為科學教育打開了更多的可能性。本文以具體實踐歷程說明化學科展指導的過程，期能拋磚引玉，促進更多教師嘗試新工具與新教法，為學生開啟更廣闊的學習視野。

• 參考資料

吳明德（2020）。科展資料分析與討論。收錄於全中平、吳明德、吳柏菱、蔡垂其（著），科展設計與實作（第2版，頁161–189）。台北：國立臺灣科學教育館。

國立臺灣科學教育館（2025）。高壓「碳」究、「碳」為觀止─ 以牡蠣殼加壓溶解進行化學固碳之可行性研究。第65屆全國中小學科學展覽會，國小組化學科。

梅期光（2017）。認識科展的第一本書：科展完全攻略（第 4 版）. 台北：五南圖書。

劉湘瑤（2016）。科學課室裡的環境議題教學：現況、機會與策略. 載於邱美虹（主編），臺灣科學教育研究與實踐：挑戰與機會（頁 468–489）。台北：高等教育出版。

Kunnath, A. J., & Botes, W. (2025). Transforming science education with artificial intelligence: Enhancing inquiry-based learning and critical thinking in South African science classrooms. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 21(6), em2655. https://doi.org/10.29333/ejmste/16532

化學教育的多元發展與應用：

化學與生活多面向的化學應用

 洪文東

華夏科際整合聯合總會常務監事

前國立屏東教育大學化學與生物學系教授

前美和科技大學護理系教授

前國家科學委員會副研究員
hung3893@yahoo.com.tw

摘要：本文以「食、衣、住、行、環境」五大面向為主軸，闡述化學在日常生活中的廣泛應用及其教育意義。於「食」部分探討食品化學在品質、安全與風味控制之核心角色，並以梅納反應為例說明其機制與健康影響；「衣」則剖析纖維材料、染整技術與綠色化學於紡織產業中的創新與永續實踐；「住」著重居家化學品的功能與風險管理，強調安全使用與政策規範的重要性；「行」聚焦交通工具中材料化學與能源科技的進步，包括金屬加工、防腐塗裝及新能源應用；「環境」則探討環境化學於污染防治、資源回收及綠色產品研發之關鍵價值。本文強調，化學並非僅存於實驗室，而是深植於人類生活的方方面面，透過跨領域結合與實例解析，不僅有助於增進科學素養與批判思維，亦能促進永續發展意識之養成，為化學教育與公眾科學理解提供兼具實務性與啟發性的參考資源。

• 前言

化學與我們的日常生活息息相關，從清晨起床使用的牙膏與肥皂，到夜晚所用的洗潔劑與保養品，無不蘊含著化學的智慧與技術。然而，化學常被誤認為僅存在於實驗室中，與日常生活脫節。這樣的刻板印象容易造成學習隔閡，影響大眾對化學的接受度與學習動機。為了彌補這一認知落差，本文將透過五大生活面向——「食、衣、住、行、環境」——介紹化學在日常生活中的具體應用，並透過文字解析與實例說明，提供教學者與學習者一條深入探索化學世界的實用途徑。這些內容不僅具實用性與時代性，亦能作為課堂教學的補充資源，或用於提升民眾科學素養的推廣素材。

• 食：食品化學與風味的奧秘

食品化學與風味的奧秘 食品是人類生存的根本，而化學則是確保其品質、安全與風味的關鍵科學，一般家庭中，柴米油鹽醬醋茶，從生產、使用到保存，幾乎都和化學相關，如圖1所示，在廚房的許多食品或調味料均與化學相關。食品化學探討各類食品成分，如蛋白質、脂肪、醣類與水分的性質與相互作用，並分析食品在製備、烹調與儲存過程中的變化機制。舉例來說，油脂氧化導致的哈味或蛋白質變性影響口感，皆是常見且可觀察的化學現象。透過學習酸鹼中和、氧化還原反應與乳化原理等基礎知識，大眾能掌握食物在不同處理條件下產生的變化，進而應用於食品保存與食品安全實務。

此外，食品風味化學進一步揭示嗅覺與味覺所感受到的複雜經驗背後的分子基礎。例如烘焙與煎煮過程中的「梅納反應」（Maillard Reaction），即還原糖與胺基酸在高溫下產生的褐變現象與香氣，是賦予食物美味的關鍵反應。有研究指出，梅納反應的產物（MRPs）能提升食品的風味與質地，但也可能生成潛在有害物質，因此控制反應條件至關重要（T. T. H. Huynh et al., 2024）。藉由此類實例，學習者不僅能將日常飲食經驗轉化為可分析的化學現象，也能深化對食品加工與創新料理的理解，提升學習的實用性與趣味性。

• 衣：纖維與染料的化學應用

衣物雖為日常所需，卻同時是材料化學與工業化學進步的結晶。現代服飾廣泛使用人造纖維，如尼龍與聚酯纖維，這些材料具備輕盈、耐磨與速乾等特性，並能透過化學改質提升其功能性。然而，這些纖維的製程常伴隨高耗能與石化資源的依賴，對水體與空氣品質的衝擊亦不容忽視。透過這些現象，大眾可進一步思考時尚產業背後的環境責任問題，並以綠色化學為切入點，理解永續設計與生產的重要性。

近年智慧紡織品的發展為此領域帶來更多創新應用，如抗紫外線纖維、防潑水塗層與可調溫材料，皆顯示化學在提升穿著品質與功能性上的關鍵角色。在衣物加工層面，染料、抗菌處理與功能性整理等技術亦高度仰賴化學反應與配方設計。透過認識染整與整理的化學過程，民眾不僅能理解衣物色彩與觸感的來源，也能對材料改質技術產生具體想像，進一步將學科知識延伸至工業應用與科技創新層面。一項針對棉纖維染色技術的研究顯示，透過化學改質可顯著提升染料的染色率與色牢度，同時減少傳統染色過程中所需的無機鹽，進而降低污染與生產成本（Li et al., 2023）。此類學習內容不僅有助於理解材料特性，也有助於培養跨領域科技整合的初步素養。

• 住：居家化學與安全守護

家庭空間看似平凡，實則是多種化學物質交錯使用的複合場域。清潔劑、消毒用品、廚房器具乃至個人保養品，如圖2所示。還有，潤滑油、沙發皮革保養液、塑鋼土、填縫劑、矽利康，如圖3所示，均為合成化學與應用化學的成品。然而若未妥善使用與管理，也可能衍生安全風險。例如：不同種類清潔劑混合所產生的有毒氣體、瓦斯洩漏引發的燃爆危機，以及誤用酸鹼物質造成的灼傷等，皆為民眾在居家化學教育中應具備的基礎風險認識。教學上可強調避免混用、正確通風與保留原包裝等觀念，進一步納入自然科或綜合課程中，提升民眾的風險意識與自我保護能力。

若從制度與政策層面探討居家化學品的管理制度，民眾應更關注產品標示、有害物質登錄與安全資料表的閱讀與應用。透過這樣的延伸學習，民眾能理解化學品並非僅限於學術研究或工業生產，更是與公眾健康、消費行為及政府監理密切相關的生活議題，進而奠定化學素養與公民責任的整合基礎。

• 行：交通與材料化學的創新力量

交通工具所依賴的材料科學發展，金屬鍵結、晶格排列是化學應用的一大展現，金屬經過特殊加工後展現柔性與延展性，可應用於不同的交通工具構件製作，此外，燃料與電池亦是影響未來交通的重要技術，先進能源的製程是材料工程與化學設計融合的典範。此技術使得人類生活移動的便利性大大提高。一般民眾或許未曾深入思考，一輛車的運作不僅仰賴機械結構，更與背後的化學知識息息相關。從引擎燃燒過程中的化學反應、車體塗裝的防腐技術，到鋰電池中的電化學原理，皆顯示化學在交通工具中的不可或缺。近年來，電動車、氫能車的崛起，更進一步帶動了對高效能電池材料與環保燃料的需求。這些發展促使化學與材料科學攜手合作，共同創造出更輕盈、更堅固且更永續的交通工具。未來，隨著科技進步與永續意識提升，交通化學的創新將持續引領我們走向更智慧、更綠色的移動時代。

• 環境：永續化學與生態守護

環境化學作為化學與生態學的交會領域，提供了一個系統性理解環境污染成因與防治方法的知識架構。水質檢測、空氣污染指標與有害化學物質的代謝機制等，皆為此領域研究重點。透過具體案例與理論整合，民眾可從居住環境著手，辨識問題來源並分析其環境行為，進一步學習如何透過化學反應、吸附技術或光催化分解等方式進行污染治理。這些學習不僅增進對化學反應機制的掌握，也有助於培養民眾面對全球環境挑戰時所需的批判思維與解決能力。

化學與環境工程的結合，如廢水處理、空氣淨化與土壤修復等實務應用，展現了理論與技術之間的轉化歷程。例如，有研究探討如何應用「綠色化學」原則於消費性產品，開發更具永續性、對環境無害的化學物質，從源頭減少污染 (De Souza et al., 2024)。這些跨領域實踐不僅強化民眾對環境問題的敏感度，更有助於他們理解科學知識如何在現實世界中發揮影響力，進而形塑其對永續發展議題的關注與行動力。

• 結語：生活即化學，化學即生活

本文透過食、衣、住、行、環境五大面向的串聯分析，本文嘗試揭示化學與日常生活之間的密切關聯，並展現其在實務應用上的廣泛性與教育潛力。藉由具體實例的說明與跨領域的延伸，民眾不僅能深化對化學概念的理解，更能將所學知識轉化為解決生活問題的工具。本文同時建議搭配使用相關教學影片與延伸資源，以作為課堂補充、專題探究或課後自學之用。期望藉由生活化與實作導向的教學策略，為化學教育注入更多實踐性與創新性，進一步培養兼具問題解決能力與科學素養的學習者。

圖1 化學相關食物與調味品   圖2 清潔用品化學用品      圖3 房屋修繕化學用品

• 參考文獻

Huynh, T. T. H., Nguyen, H. T., & Vo, T. T. (2024). Maillard reaction: Mechanism, influencing parameters, advantages, disadvantages, and food industrial applications: A review. Foods, 14(11), 1881. https://doi.org/10.3390/foods14111881

Li, Y., Zhang, X., Wang, R., & Liu, L. (2023). Chemical modification of cotton fiber for low-carbon dyeing. Materials, 16(1), 329. https://doi.org/10.3390/ma16010329

De Souza, J. R. B., Martins, G. M., Costa, M. T., & Oliveira, C. A. (2024). Editorial: Green chemistry and the consumer: Towards greener consumer products. Frontiers in Chemistry, 12, 1546987. https://doi.org/10.3389/fchem.2024.1546987

AI 輔助科學申論題練習工具開發與課堂實作

鄭志鵬

臺北市立龍山國中

Email: jjpong@lsjh.tp.edu.tw

摘要：面對AI時代，教師會面對許多挑戰，但也產生了更多契機。本研究旨在運用AI工具解決科學探究教學現場的困境。傳統上，教師難以針對學生設計實驗步驟等複雜申論題型，提供即時且個人化的回饋，不僅批改負荷龐大，學生也常缺乏反覆練習的動機。為此，本研究開發並實作一套「AI科學申論題練習工具」，整合Gemini AI模型，協助教師檢視學生作答內容，並給予等第與回饋。本文以「設計實驗流程」的探究能力為例，讓學生透過排序預設卡片或自行編修的方式設計實驗流程。學生提交答案後，AI會依據教師預設的評分標準，提供即時的等級評定（A+至F）、優點分析與具體改進建議。此回饋機制採差異化設計，對程度較佳的學生以提問方式引導，對待加強的學生則給予直接提示，以達成個人化學習的目標。課堂實作結果顯示，此工具的即時回饋與遊戲化機制，能顯著提升學生的學習動機，促使學生主動進行多次修改與挑戰，達到過往紙本作業難以實現的專注與反覆練習效果。

■      前言

眾所皆知，近年來AI工具日新月異。AI工具正在改變人類各方面的生活型態，當然教育領域也不會例外。許多學者擔憂學生在使用人工智慧工具時，過度依賴認知卸載（cognitive offloading），可能會削弱其獨立思考與問題解決的能力，於是研發許多防止學生運用AI完成課堂任務的策略，讓學生能持續專注在老師為學生規劃的學習道路上。但面對AI浪潮，除了上述的思考之外，我更想要研究努力的方向，是如何運用AI來解決學生學習或教師課堂中的困境，幫助學生提昇學習層次，也幫助教師能在課堂中 達到AI尚未出現時難以完成的的理想教學模式。

以科學探究的學習為例，我們希望在十二年的自然科學教育歷過程，讓學生逐步學會如何運用科學來思考問題與實際解決問題，這些目標楚地羅列在十二年國教自然領域課程綱要學習表現條目中。所以在108課綱實施後的這幾年，許多老師殫精竭慮的想辦法改變過去只注重結構化知識精熟學習的教學，逐步轉向以探究的方式學習科學的教學，甚至發展以科學探究為學習核心的教學。

目前的探究式教學，大多是以做中學（learning by doing）的形式，學生在小組中，嘗試解決老師設定的或自己提出的科學問題，並且運用科學方法來逐步解決。但是探究的步驟非常細緻，教師其實難以掌握學生是否正確理解所有過程與細節。以課綱中「計畫與執行」這個向度的「計畫」來說，希望學生能夠正確設計實驗步驟。例如學生有沒有理解在設計實驗時能充分掌握：

1. 實驗目的與實驗步驟各變因的一致性：實驗的步驟設計，是否與實驗的目的相符呢？
2. 忽略對照組：學生在設計實驗時，常常會忽略需要與對照組作比較。所以老師需要關注學生設計實驗步驟時，是否知道實驗組要和對照組進行比較，是一個需要關注的重點（Lin & Lehman, 1999）。
3. 是否能有效辨識與設定變因：會不會在設計實驗時，一次改變了多個變因或者忽略的重要的控制變因。
4. 是否了解應變變因必需是可測量或觀察的：在設計實驗時，是否知道要寫出如何測量或觀察到應變變因，才能夠具體取得必要的實驗結果。
5. 了解重複實驗的重要性：重複實驗是多數高中學生在討論後，還會忽略的實驗設計重點（鄭立婷等人，2022）。我們會希望學生能理解，取得數據時，應該要重複進行實驗，才能取得可信度較高的實驗結果。

即使教師自己能掌握這些實驗設計時應該注意的向度，也很難掌握學生在設計實驗時可能發生的錯誤或困難，更談不上要如何協助學生提昇自己設計實驗的能力。即使教師設計了對應的教學與學習單甚至評量，讓學生針對某些實驗主題撰寫完整的實驗步驟，並且依此檢視學生是否達成了該有的學習目標，教師也會馬上發現這樣的教學任務是異常巨大艱難的。

要審閱批改這樣的內容，並逐一針對學生在實驗設計上的錯誤給予修改建議，一方面工作量過於龐大，我想是多數教師難以負荷的。另外，教師要與學生周旋應對要讓學生願意重複練習書寫，是非常困難的。教師會遭遇到學生情緒反彈，或是學生想辦法繞過練習，用抄襲或AI協助的方式來繳交作業，他的作業過關。更何況整個科學探究中，正確設計實驗，只是其中一環而已。所以可以說要在教學上，讓學生在科學探究的所有面向獲得充足的學習，是單憑老師一己之力無法達成的任務。

■      申論題系統的開發與題目建置

我們知道PISA在2015年引進了電腦化評量，讓學生在電腦上操作各種虛擬實驗來檢測學生各類的探究能力。那麼，是否可以運用AI的協助，建構一個平台，讓學生上面練習，逐步提昇實驗設計的能力呢？以「提昇學生探究能力」的目標來說，不需要做到像PISA這樣的標準化測驗，只要能夠解決上面提到的痛點，讓學生能夠反覆練習，獲得有效的建議，提昇自己的探究能力，讓教師的負擔減少到合理的幅度，這就會是可行可用的工具了。

筆者主要運用POE中的claude 3.7與Gemini 2.5pro兩套AI系統，逐步以vibe coding的方式，使用AI輔助的編寫程式，建構一套可以在瀏覽器上執行的「科學申論題練習工具」，並且設計不同類型的題目，針對學生不同的探究能力進行測驗。雖然是測驗工具，但實質上是輔助學習的工具，以測驗的形態呈現。以下針對系統的功能、題目建置的方式以及實際在課堂上測試的結果進行說明。

■      系統的功能

本系統是以html格式製作，所以學生只需要用瀏覽器就能使用，教師端只要把連結放在google  classroom，即可方便讓學生開啟連結使用。學生開啟後會進入到選擇題目的畫面（圖1）。左邊的選單，是題目的分類，大多依照知識架構來進行分類，右邊則可以選擇題目。以圖1為例，就是選擇「化學反應速率」題目中，關於實驗設計的題目。

圖1 學生介面看到的題目選單

       學生可以看到題目給定了實驗目的，學生的任務則是要依照實驗目的，設計實驗步驟。將題目點選下去後，可以看到題目（圖2）。左上方給予學生明確的任務，是要設計實驗，並說明要規劃實驗步驟，目標是比較不同溫度下，化學反應速率是否有差異。

圖2 本題呈現的外觀

接下來，可以看到下方左側有「步驟卡片區」，學生要將左側的卡片拖曳到「右側的工作區」，右側工作區已經設定好第一個步驟以及最後一個步驟，學生的工作是要從左側挑選適當的卡片填入右側的工作區中。學生把卡片放置完成後，可以按下下方的「完成並複製」，並把複製的文字貼到下方的作答區中。

圖3、學生將卡片的內容複製後貼到作答區

學生也可以在作答區微調自己的答案，覺得沒問題之後，按下下方的「提交答案」按鈕送出答案（圖4），系統就會將學生的答案送出給Gemini AI，讓AI檢視學生的答案，並根據事前設定的評分標準，給予評價與等第。評分標準的設定，與等級評定的方式，後續在「評分標準」再詳細說明。提交送出後，AI閱讀完畢，會給予學生優點、改進建議以及評語，以及對應的等第。以本題為例，學生大部分的實驗設計步驟都是正確合理，但是在變因設定上，沒有掌控只能改變物質種類這個操縱變因的原則，所以AI就用提問的方式給予了改進建議（圖5）。當然要在程式中運用Gemini AI，就需要引用API Key。這部份也是已經設定本程式中，目前是使用Gemini 2.5 flash的模型在背後運作。

圖4、學生將自己的名字和答案寫好後，就可以按下提交評分按鈕

圖5 AI閱讀學生的答案後，依據事先給予系統的評分標準，給予的回應與等第。B等級以上，AI會用提問方式回應。

學生讀到這樣的改進建議，可以回頭檢視自己的答案，修改之後重複提交，再看看AI會給予什麼評價和建議。以上述的答案為例，學生若察覺第六步驟的問題，應該要記錄的不是溫度，而是時間。修正正確後，再度提交。AI給的評價（如圖6）就會升級為A。這樣的實驗步驟設計，就基本上符合一般我們對國中生實驗步驟設計能力的要求。但是當然在許多的細節上，還有進步的空間。例如其實有許多更細部的控制變因應該要注意，相同條件的實驗應該要重複數次等等。這一些內容如果學生能不依賴卡片，自行手動加入的話，還有機會得到A+的等級。

圖6、實驗步驟設計正確時，AI給予的評價

如果學生依照AI給予的提問，正確修改內容，再度提交，就會獲得A+評價。（圖7）

圖7、學生依照AI提問建議修改，獲得A+評價。

如果學生的答案品質更低，則有可能得到C甚至F的評價。此時AI給予的回饋就會調整為給予比較直接的提示，而非用提問的方式呈現。

圖7、學生作答在C等級以下的，AI會給予直接回應

學生作答的結果，會在只有教師能看到的後台記錄起來，教師就可以審視學生作答的情況逐步變化的樣子，並且給予適當的回饋。

圖8、教師在後台看到的學生作答紀錄

■      題目開發的方式

以本題為例，是想檢視學生在實驗設計上的能力。於是設計了課程實驗常見的情境，讓學生依照此目的設計實驗步驟。但要在本系統中實施執行，針對想檢視和增強的能力作測驗，讓AI能正確判讀，給予合理有幫助的回應，讓學生容易操作，還需要其他工具搭配。以下針對排序工具的功能，以及試題內容和評分標準的建議進行說明。

■      排序工具

考量到學生在撰寫實驗步驟時，如果用打字的方式從無開始建立，一方面比較耗費時間，另一方面也增加了思考的難度。於是另外設計了一個html程式，嵌入本申論題系統中，讓學生運用。但同時也保留學生可以自行修改建立實驗步驟的彈性，讓能力更好的學生，可以有向上再跳躍的機會。本排序工具已開放原始碼，使用者可以至github網站，自行下載修改使用，縮短網址為https://reurl.cc/LnQX43。

這個實驗步驟排序的程式，是預設好實驗的目的，並將實驗步驟以步驟卡片的形式，打亂實驗步驟放至於左方卡片區。使用者要依據實驗目標，將對應的卡片依照實驗步驟順序拖曳到右側放置。右方的工作區，預設將第一步和最後一步寫好，學生只需要排列中間的五個步驟即可。

本實驗步驟卡牌，除了正確的步驟卡片之外，另外還設計了干擾項目卡片，以下表1進行說明。三張干擾項卡片中，D1是一次改變太多變因，D2是忽略了應控制的變因，D3是實驗步驟與實驗目標不符合。這三張卡片放在學生的選項當中，

 表1實驗步驟排序工具中干擾項卡片的設計

所以本排序工具是想要用干擾項來檢測學生是否能掌握「實驗目的與實驗步驟各變因的一致性」以及「有效辨識與設定變因」兩項重點。將此排序程式以vibe coding方式撰寫完畢後，上傳到github網站，就能在申論題系統中嵌入，讓學生操作。

■      評分標準

在後台中，要提供給AI充足的資訊和評分標準，讓AI可以有足夠資料可以判讀。以本題為例，題目內容是：「設計實驗觀察溫度的差異是否會影響硫代硫酸鈉與鹽酸反應時，產生硫沉澱的速率。」如果只有給這樣的題目，然後讓AI檢視學生答案給予評價的話，AI無法知道學生的學習階段， AI給予的建議可能會難以符合設定的學習目標。

於是在給予的評分提示prompt中，就要清楚具體列出指標，本題給予的評分提示如下頁表2。

表2 AI評分標準的prompt

當然在制定評分標準時，教師也大量運用AI協作。將題目和想要評分的方向，區分等第的定義告訴AI之後，由AI產生第一版本的評分標準與每個評分標準的示例。接著我們去閱讀AI產出的評分標準與示例，檢視內容是否符合教師原先設定的目標。更重要的是檢查AI提供的示例，是否符合教師任教學生的表現。有時AI產出的示例標準較高，教師應該要自己評估學生狀況，是否能在學生已經盡力完成任務的情況下，還是無法達到A的標準。如果評估為是，則需要指示AI稍微降低標準。當然在對話的過程中，也要給予AI你降低標準的原因，這樣AI能更快調整給予準確的資料。

在取得評分標準後，將題目相關內容輸入後台由google sheet建立的資料庫中（圖9），就可以在前臺的使用者介面上看到這個題目。

圖9 後台的題庫

接著，我們會在前臺測試AI的反應是否符合預期。例如：教師填入模擬學生最佳的作答答案後，請AI評分。如果AI評估這樣的答案只能得到B或C的評等，就代表這個題目和評分標準的設定太高，需要調降。必要時，把我們認為的A等第答案放入提示詞中，讓AI知道這樣的答案，即符合A的評等。如此反覆調教數次之後，大多可以慢慢符合學生需求。接著我們可以嘗試刻意放入一些教師經驗中學生常見的迷思，看看AI是否能夠抓到錯誤的點。如果發現AI總是抓不到錯誤，我們可以回頭檢視給予的評分標準prompt中，是否漏失了重要訊息。如果發現提示詞中早已放入相關的內容，那可以在相關內容中，加入星號（＊）或雙星號（＊＊），強迫AI要閱讀這段文字並視為重點。

如果有同儕教師可以協助檢視，那麼請不同的教師夥伴測試看看，也可以藉此改善評分標準。由於教師在做測試的時候，會侷限在自己的習慣當中，不同的夥伴可以給予更多不同面向的測試，發現AI評分時可能出現的問題。多次測試完之後，就可以在課堂中讓學生使用測試，測試後通常還會發現少量的問題。教師就能立即蒐集資訊，作為改良評分標準的依據。

然而，我們也常發現AI給予的評分建議，有時太過瑣碎，有時會超過學生學習階段，給予了過度延伸的建議，有時候會有些不穩定的回應。這時候教師就可以介入，告訴學生「你的答案非常好，只是AI似乎沒辦法抓到你某些關鍵資訊，雖然AI只有給你B等第，但我會給你A等第」，或是其他必要的介入，讓學生學習不會因此受到阻礙。此外，經過許多測試的經驗，發現AI有時候會對「專有詞彙」有偏好。也就是學生的答案如果使用大量科學專業詞彙堆砌出錯誤的答案，有時候AI會給予較高的評分，這也是在測試AI表現時，需要注意的測試點。

雖然在制定評分標準時，需要多花心思，盡可能的嚴謹，但這並不是為了要讓AI給出真正公平完美的評分，而是為了符合學生的學習需求。

除了題目評分標準的提示詞之外，另外還要賦予AI角色的提示詞，目前給予AI的身分是「能運用差異化教學的老師」。提示詞如下：

■      課堂狀態

整體而言，在經驗上我們發現學生對於書寫較大量詞句的作業，較為排斥。尤其在科學課程中，要學生撰寫實驗步驟，或是用文字描述實驗結果，或是運用CER（Claim, Evidence, Reasoning）模式寫出論證文字，學生往往都較為排斥。但是在課堂上運用本系統，讓學生經操作來作答時，卻發現絕大多數學生都願意作答兩次以上，甚至多人進行六、七次以上的反覆嘗試，這是在過去教學經驗中，讓學生用紙本學習單進行學習時，較難看到的情境。

另外，也可以看到學生願意去挑戰更高的評等，當學生回答的答案得到C評等時，大多數的學生都會再多做一次以上的嘗試。若是學生取得A評等之後，告訴學生還有A+的評等，也有許多學生會再度挑戰想要拿到A+。這或許是將題目藉由程式和AI協助，變成遊戲化的操作之後，可以產生的效果。藉由反覆的嘗試和挑戰，學生在過程中，應有達成專注投入反覆練習的效果。

圖10 學生在課堂上使用本系統作答並觀看AI給予的建議與回饋

■      使用限制

在使用本工具時，經驗上觀察到學生大多能投入完成任務與學習，但也觀察到一些學生的學習狀況，無法以此AI工具提供協助的，例如：

1. 少部分學生會反覆將AI給予的建議複製貼上，以較為不經思考，拼湊答案的方式，嘗試取得較好的評等，跳過學習。這部分的困難，就不是AI可以提供的協助，需要由老師在課堂上觀察並給予學生協助。
2. 少部分學生會使用AI對付AI，這也是學生將專注力停留在要在測驗上拿取高分，卻跳過學習的例子。可以知道雖然本工具提昇了不少學生的學習動機，讓學生願意多付出時間反覆嘗試，但也有學生從最開始就想略過挑戰。學習態度的建立與學習動機的維持，在AI時代會成為更重要的學習關鍵。
3. AI評分不夠穩定，偶爾會發生相同答案在反覆提交後得到不同評等的情況。這部分需要教師提醒學生，必要的時候由教師介入審視學生答案即可。也因此本工具並不適合作為鑑定或評量學生的工具使用，而是適合作為輔助學生學習的工具。

■      結語

本工具運用Gemini 開放的免費API key，讓學生能運用Gemini flash 2.0模型，來協助解決學生在學習科學探究過程中，教師較難立即同時給予所有學生作答結果的回應。協助學生在進行例如像是「根據實驗目的訂立實驗步驟」這樣的學習時，提供能夠即時回饋與建議的工具，同時藉由給予等第的方式，產生遊戲化的效果，讓學生能維持高度動機，反覆練習成長。

在試題的研製上，必需精準設定題目的範圍，明確清晰具體呈現題目的要求，讓每個題目都有精準的學習目標，才能讓AI能較為精準的給出評語與建議。在評分標準的設定上，必需符合教師面對學生的能力與程度，才能設定出適當的難度。

本工具雖然看起來是測驗工具，但實為形成性評量的學習工具，工具的目的不在評比學生的高下，而是以1對1的方式，根據學生的表現給予建議。用AI工具達成個人化學習、差異化學習的效果。

在AI的時代，運用AI工具輔助教學與學習，應該可以達到過往無法達成的學習目標，讓學生的學習能在AI時代更上層樓，成就更高層次的學習成效。

■      參考文獻

鄭立婷、曾郁然、林煥祥、洪瑞兒（2022）。以閱讀科學文本教學模式提升高中生科學能力之探究。科學教育學刊，30（3），217-239。https://doi.org/10.6173/CJSE.202209.30(3).0002

Lin, H., & Lehman, J. R. (1999). The effects of different forms of instructional help in a computer-based learning environment on the development of science inquiry skills. Journal of Research on Computing in Education, 32(1), 122-139. https://doi.org/10.1080/08886504.1999.10782269