簡易比色計的發展A-濁度計的設計與實驗探究

廖旭茂

臺中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

nacl880626@gmail.com

   

摘要：本文介紹一款簡易濁度計，該濁度計使用紅外線IR LED作為光源與接收器，溶液樣品置於黑色比色盒的玻璃品內；不需撰寫程式編程，僅藉常用的三用電表，即可測量IR LED接收器所散色光的強弱，來紀錄比色盒中溶液濁度；此計由USB介面提供穩定的電源，搭配限流電阻與可變電阻，可調整入射光的強度與輸出訊號的強弱；在濁度4~100 NTU的標準液所製作的檢量線，相關係數R²可達0.9993，與商用的濁度計製作的檢量線0.9994相差無幾；若搭配可變電阻使用，在4~ 400 NTU的溶液製作的檢量線的相關可達0.9998，顯示可變電阻可降低入射光強度，適於偵測濁度更高溶液。

 

• 前言

108課綱選修化學V中的有機化學與應用科技課程中，安排了環境汙染與防治相關的主題，將常見水汙染的檢測（濁度、酸鹼度、導電度及溶氧度等）列入實驗之中。這些檢測項目都有可攜式的儀器可以添購，其金額約在數千至數萬元之間，其中濁度計的價格較為高昂，如果列入一般學生實驗，昂貴的購置成本（含多種濁度標準液），將對高中學校是一筆沉重的負擔；若使用創新的數位科技Arduino 平台，結合數位感測器-濁度計，價格著實降低大半，惟化學教師須具備跨界資通訊領域能力，這樣門檻不算太低，恐是另一種教學的阻力；因此研發出一種簡易、便宜，不需要撰寫程式即可測量、紀錄反應過程中濁度的變化的濁度計，是一項相當有挑戰性、有意義的目標。

本文將介紹一款簡易型濁度計，將盛裝取樣溶液的玻璃樣本瓶置入黑色的壓克力比色盒中，比色盒四方預留孔洞，其一做為紅外光LED甲（型號TSGH6210, 850nm）發射光源的駐紮安裝處；當紅外光LED正、負腳位兩端通入約1.5V的直流電後，進入溶液的紅外光會被溶液中顆粒大的膠體或懸浮微粒散射，散射光隨即於90度角處預留孔洞的另一紅外光LED乙接收器接收；此時以三用電表的連接紅外光LED乙的正、負兩極，因為光電效應使然，可直接測量出LED乙兩端電位差的存在；水中濁度越高，被散射的光越強，電位差則越大。簡易濁度計的相關設計示意圖如圖1所示。

圖1 圖左為簡易濁度計的外觀，圖右為設計圖

• 器材與藥品

一、器材

簡易濁度計實驗模組1組、三用電表、Vernier 濁度計（TRB-BTA）、Gravity 類比式濁度感測器、4毫升玻璃樣本瓶7個、5.00毫升移液器、移液吸頭。

二、藥品

所需溶液，A溶液的製備：六亞甲基四胺溶液(Hexamethylenetetramine solution)：將 10.0 g 六亞甲基四胺溶於RO水中，並稀釋至 100.0 mL。B溶液的製備：硫酸肼溶液(Hydrazine sulfate solution)：將 1.0 g （NH₂）₂ • H₂SO₄ 溶於RO水中，並稀釋至 100.0 mL。

 

• 研究方法與步驟

一、常見濁度計原理

筆者搜尋文獻，並參考Arduino版的濁度感測器、Vernier專業商用濁度計等，兩者的外觀結構明顯不同；創客們常用的Arduino濁度感測器是利用波長910 nm紅外線作為光源，接收器為位於180^o對向的紅外線光電晶體（IR phototransistor），紅外光檢測水中因總懸浮顆粒（Total suspended solids, TSS）含量的高低所造成的透光率與散射率的變化（總懸浮固體增加，溶液濁度上升）。其缺點是必須把感測器泡到水中，使用者甚至必須製作支撐架，使整個濁度器平穩地待在待測容器中，同時必須防止電線的連接處進水，造成濁度計度電路燒毀的風險。而商用濁度計亦使用不受溶液顏色干擾的紅外光為光源，測量的樣品則被放置到一個玻璃樣本瓶中；當紅外光通過樣品溶液時，水中懸浮顆粒會散射光線，接收器則位於90^o方向的固定位置，來偵測散射光的強度；若偵測到的散射光越強，代表水的濁度越高（Turbidity, 2025）；其優點為準確、並備有標準液隨時提供校正，惟價格昂貴，高中學校難以普遍購置，圖2為兩種濁度計的外觀。

圖2 圖左為arduino用濁度感測器，圖右為Vernier 商用濁度計

二、濁度計設計與組裝

（一）濁度計設計

本濁度裝置，參考期刊《Journal of Chemical Education》名為「Simplified Low-Cost LED Nephelometer and Turbidity Experiments for Practical Teaching」文章，此文章作者為愛爾蘭都柏林大學聖三一學院(Trinity College Dublin)的John O’Donoghue、Lucy Fitzsimmons兩位學者（O’Donoghue & Fitzsimmons, 2022）。因有些材料不易取得，且設計與操作上有可預見訊號不穩情形，故進行相關優化：

1. 發射光源：使用價格低廉、易取得的850nm 的IR LED，測試結果優於預期。
2. 穩定電源：為穩定輸出電壓放棄乾電池，而改用5伏特的USB電源，但須串聯一限流電阻（約150~200歐姆上下即可），以保護LED不被過大的電流燒毀。
3. 準確光路：比色盒自行設計，透過雷射切割，發射光源與接受器90度垂直，Led皆被8字形的黑色壓克力板以螺絲緊密固定在精準位置，確保光路穩定。
4. 提升功能：為方便以後長時間監測反應及溶液充分混合之需，提供攪拌磁攪拌子穩定運行，4毫升圓柱形樣本瓶將取代方形比色管，置於黑色比色槽中。
5. 延伸探究：電表可改為藍芽電表。方便同學使用手機、平板觀看與連續監控。

（二）自製濁度計的組裝

簡易濁度計包括：黑色壓克力製比色盒（含上蓋、底座）、IR LED 發射、M4手擰螺絲、8字形LED固定座、小麵包版、可變電阻、usb電源線、150Ω限流電阻、鱷魚夾線等。所需材料如圖3所示：

圖3 簡易濁度計所需材料

    簡易濁度計組裝的相關步驟如下：

1. 濁度計比色盒身的組裝：比色盒身有兩片寬邊（32ⅹ37mm）、兩片窄邊（16ⅹ37mm），厚約8mm的黑色不透光的壓克力塊所組成；使用8mm寬的雙面膠做黏合劑，先以剪刀裁剪2片約37mm長的膠帶，貼緊在窄邊壓克力塊8mm厚的側邊；隨後依序撕去兩壓克力單面的離形紙，上下切齊，緊黏在寬邊壓克力塊的左、右兩側；隨後再撕去兩壓克力塊的離形紙，貼齊緊黏另一寬邊壓克力塊的兩側，完成比色盒身a的組裝。圖4為組裝過程(由左而右，由上而下)。

圖4 比色盒身雙面膠的組裝

2. 盒身與底座的組合：接著取3mm厚的長、短兩塊比色盒底板，撕去離形紙，將方形圓洞底板對齊長底板預留位置，以快乾膠黏合，完成比色盒底座。最後在方形圓洞底板上滴上數滴快乾膠，將盒身a對齊方形底座四邊，按壓數秒固定，完成比色盒、底座的組裝。

圖5為盒身與底座的組合過程(由左而右，由上而下)。

圖5盒身與底座的組合過程

3. 比色盒分離式上蓋與盒身整理：將比色盒上蓋的兩片厚、薄兩塊壓克力片撕去離形紙，以快乾膠對齊黏合兩塊壓克力片，待數秒後膠乾，再撕去壓克力片上所有的離形紙。圖6為相關過程。

圖6 比色盒分離式上蓋與盒身組合過程

4. 紅外光接收二極體IR LED的安裝：取一波長850nm的IR LED，先將正負兩腳位插入8字型固定片預留的位置，再利用M4螺絲穿過固定片預留孔洞，旋入比色管身寬邊壓克力板上預留的螺孔中。此舉可使LED穩固，確保光路的準確性。圖7為相關安裝過程

圖7 紅外光接收二極體IR LED的安裝過程

5. 麵包板與紅外線發射二極體IR LED的安裝：取一小麵包板，撕去其背膠的離型紙，置中對齊黏貼在比色計底板對應位置。隨後拿一個已安裝在8字型固定片上的紅外光二極體，以小鉗子將Led的兩金屬腳位垂直彎折後，將其中的金屬腳位插入麵包板倆央兩側的小孔洞中，再利用M4螺絲，先穿過8字型固定片，再旋入比色管壁中央預留的螺孔中，緊固固定片，確保發射器的光路準確。圖8為相關過程。

圖8 麵包板與紅外線發射二極體IR Led的安裝過程

6. 電源與電阻的連接：為提供穩定、安全的電壓，使用USB電源插座輸出5V的電壓後，在紅外線IR LED與電源間，除了串接1個150Ω的線流電阻外，再使用一個5KΩ的可變電阻來調整整體輸入的電流大小，此舉不僅可調節LED發射光的強弱與接收器所接收到的訊號，亦可調節三用電表的電位差讀值。限流電阻、可變電阻、USB電源線的正、負極在麵包板相對應的位置如圖9所示。

圖9 穩壓與限流電阻麵包板串接

三、濁度標準懸浮液 I （Formazin）的配置

參考美國環保署U.S. Environment Protection Agency（1993），所提供的方法，相關敘述如下：

（一）濁度標準懸浮液 I （Formazin）的配置：在 100 mL 容量瓶中，將 5.0 mL 硫酸肼A溶液與 5.0 mL 六亞甲基四胺B溶液混合。在 25 ± 3°C 下靜置 24 小時後，用RO水稀釋至 100.0 mL，並充分混合。這種懸浮液的濁度定義為 400 濁度單位 （NTU）。

（二）濁度標準懸浮液 II：用RO水稀釋 10.0 mL 濁度標準懸浮液 I 至 100.0 mL。這種懸浮液的濁度定義為 40 濁度濁度單位 （NTU）。圖10為容量瓶內混合液靜置24小時後，發生混濁的變化。

圖10：兩液混合後容量瓶內濁度標準液的變化

四、利用簡易濁度計調查濁度與電位的關係

首先利用已配置400 NTU的濁度標準液I、Ⅱ，以蒸餾水稀釋，依序稀釋、配置100 NTU、60 NTU、40 NTU、20 NTU、10 NTU、4 NTU備用。隨後將三用電表的旋鈕切換致電位測量檔位，接著將正、負極夾子線接上比色管寬邊壁上紅外線發射二極體IR Led的正、負兩金屬腳位，最後將usb插頭接上電源，即可進行調查溶液濁度與電位的關係。圖11為簡易濁度計完整接線路。

圖11 簡易濁度計與電源、三用電表完整線路圖

     濁度大小與電位關係的調查，步驟如下：

1. 利用移液管吸取4毫升濁度為100 NTU的溶液，置入樣本瓶甲中，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後，螢幕畫面的電位數字穩定後，觀察並記錄螢幕畫面的電位數字V₁（mV）。
2. 利用移液管吸取4毫升濁度為60 NTU的溶液，置入樣本瓶乙中，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後，螢幕畫面的電位數字穩定後，觀察並記錄螢幕畫面的電位數字V₂（mV）。
3. 利用移液管吸取4毫升濁度為40 NTU的溶液，置入樣本瓶丙中，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後，螢幕畫面的電位數字穩定後，記錄螢幕畫面的電位數字V₃（mV）。
4. 利用移液管吸取4毫升濁度為20 NTU的溶液，置入樣本瓶丁中，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後記錄螢幕畫面的電位數字V₄（mV）。
5. 利用移液管吸取4毫升濁度為10 NTU的溶液，置入樣本瓶戊中，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後，記錄螢幕畫面的電位數字V₅（mV）。
6. 利用移液管吸取4毫升濁度為4 NTU的溶液，置入樣本瓶己中，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後，記錄螢幕畫面的電位數字V₆（mV）。
7. 利用移液管吸取4毫升的蒸餾水，置入樣本瓶庚中，作為空白實驗，接著蓋上黑蓋後，等待3秒後，觀察並記錄螢幕畫面的電位數字V₇（mV）。
8. 以濁度（NTU）為橫座標、扣除空白實驗值後的電位差（mV）為縱座標，依濁度與電位關係作圖，線性擬合最適合的直線方程式為何？相關係數R²為多少？
9. 取商用濁度計，經100 NTU標準液與蒸餾水校正後，分別測定4~100 NTU各種標準溶液的濁度大小；隨後以標準液濁度為橫座標，再以濁度計測量讀數（NTU）的結果為橫座標之關係作圖，線性擬合最適合的直線方程式為何？相關係數R²為多少？
10. 以商用濁度與簡易濁度計實測結果相比較兩者的差異性。

• 實驗結果

1. 簡易濁度計的測試結果如表1所示：

表1：五組測量數據（扣掉蒸餾水空白值後）平均值，電位測量結果

標準濁度液(NTU)	量測電壓 (mV)	帶入檢量線換算濁度 (NTU)
4	2.21±0.06	4.06±0.01
10	5.98±0.08	11.20±0.05
20	9.70±0.12	18.24±0.12
40	21.50±0.25	40.54±0.37
60	31.72±0.42	59.86±0.69
100	53.01±0.63	100.09±1.09

相關數據經線性擬合，濁度與電位的相關係數達0.9993，兩者呈現高度相關。圖12為測量後濁度與電位的關係。

圖12 標準濁度液與電位的關係

2. 商用濁度計的測試結果如表2所示：

表2：各種濁度標準液經商用濁度計測量的結果比較表

濁度標準液 (NTU)	濁度計讀取值 (NTU)
4	5.34 ±0.05
10	9.32 ±0.11
20	19.67± 0.22
40	38.99± 0.43
60	58.00 ±0.72
100	98.59 ±1.15

根據實驗結果，簡易濁度計與商用濁度計測量讀取值相當吻合，且皆具有高相關係數，據此評估簡易濁度計應可作實驗室濁度的測量工具，甚至可應用在水環境的探究實驗，如沉澱反應、發酵作用、膠體的形成上。圖13商用濁度計測量標準液濁度與讀數之關係。

圖13 商用濁度計標準液濁度與測量讀數關係

• 討論

一、光源穩定性

此次使用的850 nm的紅外光LED（TSHG6210, 2025），其順向電壓約為1.5~1.8伏特之間 ，工作電壓約為10~20 mA，參考文獻（O’Donoghue & Fitzsimmons, 2022）亦使用輸出電壓為1.55伏特的3號鹼性電池作為電源，經測試在一小時的連續點亮後，耗電量約略佔乾電池電量的1%（電壓值降至1.53 V），電壓約有0.02V的些微下降，電表讀值也有約略下降情形；而使用USB電源，在輸出5伏特，經串接150Ω限流電阻的供電下，並未發生電壓下降情形，而電表讀值也僅由1045 mV降至1044 mV；所幸濁度的測量時間不長，只需數秒鐘的時間，光衰的影響很小，但若是應用在動力學探究方面，需要長時間監測的情形下，紅外光IR LED，應該與一般發光的電子元件一樣，無法改變LED在長時間點亮的運作下，訊號發生衰減的事實。圖14為1小時內，紅外光LED持續發射下，對向接受器所測量到的讀值變化圖。

圖14 1小時內，電表電壓讀值隨時間的變化

    環境溫度亦會影響LED的發光強度，從網站（TSHG6210, 2025）所提供的數據表顯示，溫度將影響順向電壓（Forward voltage），在長時間運作或散熱不良的情況下，LED不僅會發光變弱，還可能因電壓改變導致電流不穩，因此需要良好的散熱與穩定電流控制；周遭環境溫度若超過60 ℃時，LED的順向電流（Forward Current）將大幅度下降，不過此次測試時間不長，並未出現類似的現象。若使用在動力學探究實驗上，建議在LED底部增加散熱設施，避免溫度上升干擾光學測量。

二、可變電阻的使用場合與優勢

本文包含簡易濁度計的製作過程，並與商用濁度計做比較，針對簡易濁度計的使用可行性做評估。商用濁度計每次使用前先以蒸餾水，及標準濁度液100 NTU進行校正後，再進行水樣的測量，一般取得的RO水、自來水、山泉水等水體的濁度，都會在0~100NTU的範圍內；如果要進行高濁度水樣，建議先將水樣稀釋後，再用商用濁度計測量。若想要測量高濁度水樣、或化學上的澄清石灰水與二氧化碳的沉澱反應等，為避免電位訊號超過本三用電表的設定量程上限（599.99 mV ），除了直接換個更高的限流電阻外，亦可搭配可變電阻使用；透過整體線路電阻值的增加，減弱了紅外光LED發射光的強度，進而降低接收器電位的讀值，此舉可使濁度計的線性範圍往高濁度方向移動；因此如果偵測的對象是濁度低的水樣時，可變電阻可保持原位，當偵測的對象是高混濁的溶液時，再依狀況適當增加可變電阻的大小即可，這樣的機動性應該是商用濁度計所不能及的。圖15為搭配可變電阻使用下，濁度與電位讀值的關係式。

圖15 可變電阻使用下，濁度與電位的關係

三、簡易濁度計的探測下限

此次簡易濁度計的探測下限（Limit of Detection, LOD），依常用的統計法   ，其中σ_b為測量10次空白樣品的標準偏差值，S為檢量線的斜率。經計算10次數去的平均值為5.15 mV，標準偏差值σ_b=0.053，斜率為0.313，因此簡易濁度計的探測下限 。

• 安全注意及廢棄物處理

廢液依本實驗建議方法進行回收，其他的依規定傾倒置廢液回收桶。

• 參考文獻

Turbidity. (2025, October 12). Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Turbidity

O’Donoghue, J., & Fitzsimmons, L. (2022). Simplified low-cost LED nephelometer and turbidity experiments for practical teaching. Journal of Chemical Education, 99(2), 187–199. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.1c01225

United States Environmental Protection Agency (1993). Determination of turbidity by nephelometry. https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-08/documents/method_180-1_1993.pdf

《臺灣化學教育》第六十二期（2025年12月）

目錄

• 主編的話

• 主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕

• 本期專題【專題編輯／丁信中】

• POE策略融入國小雙語自然教學之教案設計與實踐／丁信中〔HTML｜PDF〕
• POE策略融入雙語自然教學設計：探究廚房常見粉末的性質／ 劉芷晴、許儷齡〔HTML｜PDF〕
• POE策略融入雙語自然教學設計： 以粉末溶解性探究為例／ 週秋亭、李家綺、葉晨淩、許儷齡／劉曉倩〔HTML｜PDF〕
• POE策略融入雙語自然教學設計： 以「廚房裡的科學—水溶液如何去除污漬」為例/ 蔡亭芳、詹家驍、劉雨柔、許儷齡〔HTML｜PDF〕
• POE策略融入雙語自然教學設計： 以空氣砲探究活動為例/ 陳怡君、黃書愛、王珍珍、許儷齡〔HTML｜PDF〕

• 教法／化學課程與教材【欄位編輯／楊水平】

• 透過顯現隱形指紋解開密碼鎖—結合實驗導向與問題解決取向的教學實例／ 蔡家興、遊文綺、許榮成、陳芷誼、李忠家、楊水平〔HTML｜PDF〕

• 新知報導／國內外化學教育交流【專欄編輯／鐘建坪】

• 10thNICE-微型蒸餾器工作坊發表／ 廖旭茂〔HTML｜PDF〕
• 讓學生的類比「活」起來： 生成式AI 輔助物質粒子模型建構的教學設計與實踐／ 陳楨鈽、劉璟儀、王秋雯、林靜雯〔HTML｜PDF〕
• NICE國際研討會論文發表與交流—簡易有機化合物卡片遊戲分享／ 鐘建坪、鐘奕勳〔HTML｜PDF〕
• 2025亞洲化學教育國際研討會： 帶領高中生參與交流的體驗及收穫／ 谷桂梅、歐詠喆、江長民〔HTML｜PDF〕

第六十二期 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

據新聞報導，目前教師甄試報考人數持續下降（台視新聞，2025），以高中化學教師甄試為例，103 年報考人數尚有 1,276 人，至 112 年僅剩 226 人，短短十年間出現顯著且快速的下滑趨勢。此一數據不僅反映師資供需失衡的現象，更顯示化學教育正面臨結構性與長期性的挑戰。若師資來源持續萎縮，勢必影響中等教育階段化學教學的穩定性與專業傳承。臺灣化學教育的關注焦點，已不宜僅侷限於教學方法與課程內容的精進，而應進一步從制度與環境層面，審視師資培育、聘任與專業支持體系，思考如何提升化學教學工作的吸引力，以確保優秀化學相關科系師培生願意且能夠長期投入化學教育現場，並期待關心臺灣化學教育的專家學者能提出更多建設性的建議。

• 本期專題「POE策略融入雙語自然教學設計」

本期專題特別邀請文藻外語大學師資培育中心丁信中教授擔任專題客座主編，收錄四篇研究文章，皆聚焦於將 POE（預測、觀察、解釋）探究策略與 CLIL（內容與語言整合學習）理念融入國小三年級自然科之雙語教學設計。四篇研究皆由許儷齡老師指導師資培育生進行教案發展與實踐，呈現師培課程中雙語自然教學設計的多元樣貌與教學潛力。

第一篇文章《POE策略融入雙語自然教學設計：探究廚房常見粉末的性質》由文藻外語大學師資培育中心劉芷晴、許儷齡所撰寫，以廚房化學為情境，結合 POE 探究策略與 CLIL 雙語教學理念，設計國小雙語自然教案。研究顯示，透過多感官觀察與語言鷹架，學生能在低語言焦慮的學習情境中提升科學觀察與雙語表達能力，展現探究導向雙語自然教學的可行性。

第二篇文章《POE策略融入雙語自然教學設計：以粉末溶解性探究為例》由文藻外語大學師資培育中心周秋亭、李家綺、葉晨淩、許儷齡所撰寫，以「調味品與粉末材料是否能溶解於水中」為主題，結合 POE 探究策略與 CLIL 雙語教學理念，發展國小雙語自然教學教案。研究結果顯示，透過生活化素材、實驗操作與語言鷹架，學生能在探究歷程中同時深化對溶解概念的理解，並提升英語表達能力，展現 POE 策略結合雙語自然教學的教學成效。

第三篇文章《POE策略融入雙語自然教學設計：以「廚房裡的科學—水溶液如何去除污漬」為例》由文藻外語大學師資培育中心蔡亭芳、詹家驊、劉雨柔、許儷齡所撰寫，立基於國小三年級「廚房裡的科學」單元，運用 POE 探究歷程結合 CLIL 雙語教學理念，發展以水溶液去污為核心的教學設計。研究指出，透過真實情境中的實驗操作與多元語言鷹架，學生能深化對酸鹼中和概念的理解，並在互動討論中增進合作學習與雙語溝通表現，突顯探究導向雙語自然教學在概念建構上的教學價值。

第四篇文章《POE策略融入雙語自然教學設計：以空氣砲探究活動為例》由文藻外語大學師資培育中心陳怡君、黃書愛、王珍珍、許儷齡所撰寫，以「空氣砲探究」為教學主軸，結合 POE 探究策略與 CLIL 雙語教學理念，發展以空氣運動與壓力概念為核心的雙語自然課程。研究顯示，透過動手操作與情境化語言鷹架，學生能在高度參與的探究活動中理解氣流現象，並逐步運用英語描述觀察結果，顯示 POE 策略融入雙語自然教學在促進科學探究與語言應用上的實務價值。

未來期待這些教案能進一步於實際教學現場進行長期實施，蒐集學生學習歷程與回饋資料，作為後續修正與深化雙語自然教學設計的重要參考。

• 化學課程與教材

本期化學課程與教材《透過顯現隱形指紋解開密碼鎖—結合實驗導向與問題解決取向的教學實例》，由國立彰化女子高級中學教師蔡家興、與國立彰化師範大學化學系研究團隊游文綺、許榮成、陳芷誼、李忠家和楊水平共同完成，是一篇相當完整的長篇文章，教學設計結合實驗導向（Experiment-based）和問題解決取向（Problem-solving oriented）的兩種教學法，其內容都已在彰師大化學系「普通化學實驗」和彰化女中「高三多元選修」課程實施技術操作，文章詳細介紹指紋的相關知識，還介紹四種讓指紋呈現的方法，並設計指紋遊戲的競賽，以及讓學生探究與修改指紋顯現技術，是一篇非常值得參考的化學教學文章。。

• 參與2025亞洲化學教育研討會後之投稿

本刊特別邀請參與 2025 亞洲化學教育國際研討會的與會者自由投稿（10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators, NICE），本期有收錄四篇文章，呈現教師與研究團隊將國際交流經驗轉化為教學實踐與研究成果的多元樣貌。

第一篇文章《10th NICE—微型蒸餾器工作坊發表》由臺中市立大甲高級中等學校廖旭茂老師所撰，介紹於第十屆 NICE 國際會議中所發表之微型蒸餾器工作坊。該研究提出一種以小型樣品瓶取代傳統蒸餾設備，並結合低耗能加熱與簡易冷凝系統的創新設計，成功克服高中實驗室中傳統蒸餾裝置體積大、成本高與安全性不足等限制。研究指出，此微型蒸餾器兼具小型化、耐用、節能與安全等優點，能有效提升學生實作機會，適合應用於探究導向與實作取向的化學教學情境，展現其在綠色化學與科學教育上的應用潛力。現場觀察該工作坊，吸引眾多與會者參與，其巧妙且具創意的裝置設計引發高度關注，參與者普遍表達肯定。

第二篇文章《讓學生的類比「活」起來：生成式 AI 輔助物質粒子模型建構的教學設計與實踐》由國立臺北教育大學自然科學教育學系研究團隊陳楨鈺、劉璟儀、王秋雯、林靜雯所撰，以國小六年級「物質粒子模型」課程為例，設計結合生成式 AI 的建模教學活動，引導學生經歷建立、評鑑與修正的建模循環歷程。研究顯示，透過 AI 圖像生成的視覺回饋，學生得以將抽象粒子概念具象化，並在教師引導與明確評鑑標準下，持續修正模型以深化科學理解。本文呈現生成式 AI 輔助建模教學於小學自然課程中的實務應用，展現其促進學生概念建構與後設認知發展的教NICE國際研討會論文發表與交流

第三篇文章《NICE國際研討會論文發表與交流—簡易有機化合物卡牌遊戲分享》由新北市立錦和高級中學國中部鐘建坪老師與新北市南山中學國中部鐘奕勳同學所撰，介紹簡易有機化合物卡牌遊戲設計與教學應用。該遊戲以遊戲化方式協助國中學生理解烷類、醇類、有機酸與酯類等基本概念，研究結果顯示，65名八年級學生的後測表現顯著優於前測，且對遊戲趣味性與學習成效給予高度肯定。本文亦指出，透過國際研討會的交流，有助於拓展師生的國際視野，並促進多元教學經驗的交流。

第四篇文章《2025 亞洲化學教育國際研討會：帶領高中生參與交流的體驗及收穫》由嘉義縣立永慶高級中學師生團隊谷桂梅、歐詠喆、江長民所撰，分享帶領高中生參與亞洲化學教育國際研討會（NICE）的學習歷程與收穫。學生透過英文海報發表、STEAM 工作坊與跨文化互動，得以提升科學表達能力、語言自信與國際視野；會議中所呈現的 AI 教學應用、探究學習及文化結合科學的案例，亦有助於深化師生對跨領域協作的理解。整體而言，此次參與經驗不僅促進學生學習動機與教師專業成長，也為未來教學實踐開展更多可能性。本文亦提及，此次活動由校長郭春松博士親自帶隊，並在學校行政支持與經費補助下得以順利推動，另有國立嘉義大學應用化學系連經憶教授協助聯繫相關單位，促成本次國際交流活動的圓滿成行。

• 結語

由國際研討會經驗延伸而來的教學反思與研究成果，皆展現出化學教育工作者在不同場域中持續精進教學的努力。面對化學教師人力逐年下滑、教育現場快速變遷等結構性挑戰，化學教育的發展已不僅仰賴制度調整，更有賴專業社群的持續投入與彼此支持。本期所呈現的多樣教學實例與研究成果，期盼能為現場教師提供可轉化的實務參考，並促進更多關心臺灣化學教育發展的教師與研究者參與對話與行動。而正是這一群持續行動、願意分享與對話的化學教育工作者，讓臺灣化學教育在挑戰中仍保有前行的動能與希望。

• 參考文獻

台視新聞（2025年6月9日）。7成師培生「跳船」 自然科新血估2028年恐歸零。取自台視新聞網站：https://news.ttv.com.tw/news/11406090013300N

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

POE策略融入國小雙語自然教學之教案設計與實踐

丁信中

文藻外語大學 師資培育中心

100476@mail.wzu.edu.tw

• 前言

在全球教育發展趨勢中，科學探究與雙語教育的結合逐漸受到關注。POE（Predict-Observe-Explain）策略作為一種有效的探究教學模式，能夠幫助學生在「預測-觀察-解釋」的循環中建構知識，並促進高層次思維（White & Gunstone, 1992）。此策略不僅讓學生在預測中活化既有知識，於觀察中驗證假設，更能在解釋階段進行深层反思，進而促進概念改變。在國小自然科教學情境下，如何兼顧探究能力的養成與雙語素養的培育，已成為教育研究的重要課題。

近年的實證研究提供了有力支持。Özcan和Uyanık (2022)指出，POE 教學在學業成就與科學態度的後測表現均優於對照組，且五週後保留測驗仍具優勢；Harman和Yenikalayci (2022)也證實 POE 能協助修正迷思概念並顯著提升學習成效，顯示其在科學課堂中具備廣泛的應用價值。這些研究凸顯 POE 策略不僅能增進學生對自然科學知識的理解，亦能強化其批判性思維與反思能力。

另一方面，CLIL（Content and Language Integrated Learning）理念主張學科內容與語言的整合，讓學生在學習科學的同時發展外語能力（Coyle et al., 2010）。最新研究進一步指出了雙語科學教學中的挑戰與對策：López-Pérez等人（2023）發現，即使在接受 CLIL 培訓的師資中，科學專業詞彙的雙語掌握仍存在不足，顯示語言鷹架在科學課堂中的關鍵性；Zayas-Martínez等人 (2024)指出，初始師資培育可顯著強化師資生的 CLIL 教學技能；此外，Lemmi和Pérez (2024)在小學科學課堂的研究顯示，跨語言（translanguaging）策略能有效幫助學生以母語與英語交替建構科學理解，降低語言焦慮並促進表達流暢度。

綜合上述文獻可見，將 POE 策略與 CLIL 雙語教學結合，不僅能提升學生的科學探究與學業成就，更能透過適切的語言支援與跨語言實踐，培養學生以雙語探索與表達自然現象的自信與能力。這些研究不僅強化了 POE 與 CLIL 在國小自然教學中結合的理論基礎，也提供具體的實踐方向。

• 本期專題文章簡介

第一篇〈探究廚房常見粉末的性質〉，以鹽、糖、麵粉、小蘇打與檸檬酸等廚房素材，設計多感官觀察與簡易英語句型紀錄，帶領學習者比較與分類粉末性質。此教案能幫助學生在觀察與辨識方面更細緻，並在以英語描述自然現象時展現更多自信，體現科學探究與語言學習的結合潛力。進一步而言，該設計特別強調將日常生活素材轉化為教學資源，降低實驗的門檻，讓學生能在熟悉的情境中進行觀察與比較。這種設計不僅有助於引發學習興趣，也能在科學語言的引導下，逐步培養學生的跨領域表達與系統化思維，為後續更複雜的科學探究奠定基礎。

第二篇〈以粉末溶解性探究為例〉聚焦於「哪些粉末能溶解於水」及「溫度對溶解速度的影響」，設計學習者依循 POE 步驟，從預測、操作到觀察，最後以句型如 “Sugar can be dissolved in water.” 進行歸納表達。此課程能兼顧語言鷹架與科學探究，讓學生在雙語自然情境中同步建構科學與語言知識。此案例展現 POE 策略的循環性質，讓學生透過「假設-驗證-修正」的過程，體會科學推理的本質。同時，藉由在每個步驟引入簡明的英語表達句型，學生能在科學與語言間建立對應關係。此模式若能持續應用於不同主題，將有助於累積語言庫，進而促進學科語言的內化。

第三篇〈廚房裡的科學—水溶液如何去除污漬〉以酸鹼中和反應與生活去污情境為核心，設計使用檸檬酸、小蘇打與天然指示劑等實驗，引導學習者觀察與比較，並用英語解釋去污效果的差異。此設計能幫助學生在生活化情境中體驗科學原理與語言功能的融合。此外，此課程設計亦強調將抽象的酸鹼概念轉化為具體的生活經驗，使學生能透過動手操作理解科學在日常生活中的實際用途。語言鷹架的輔助讓學生能以簡單的英語句型說明觀察結果，進而達到「能說」與「能懂」的雙重學習目標。此設計也為未來跨領域課程的開展提供了示範。

第四篇〈以空氣砲探究活動為例〉以空氣壓力與氣流作用為主題，設計簡易空氣砲讓學習者進行預測與觀察，並透過小組討論與英語表述闡述觀察結果與科學原理。此活動能展現學習者的探究精神，並同時提升其雙語表達的流暢度。此案例的價值在於以低成本器材呈現抽象的空氣力學概念，讓學生能透過直觀的現象建立初步理解。搭配小組討論與雙語表達，學生不僅在互動中強化科學推理，也能培養溝通合作的能力。未來若能進一步結合跨學科領域，如藝術設計或工程製作，將有助於深化學習的廣度與實踐性。

• 結語

本專題透過四個教學案例示範了 POE 策略與 CLIL 雙語教學在國小自然領域中的可行性與成效。由「粉末性質」與「溶解性」的基礎探究，到「去污反應」與「空氣砲」的生活化實驗，學生在預測、觀察與解釋的歷程中，不僅深化了對自然概念的理解，也在語言鷹架與跨語言支持下展現出更高的英語表達信心與流暢度。這些案例顯示，將科學探究與雙語素養並重的課程設計，能同時促進知識建構與語言學習，並進一步培養學生批判思維與解決問題的能力。POE 策略強化了學生的探究歷程與反思品質，而 CLIL 理念則讓語言學習在真實學科脈絡中自然發生。兩者結合，不僅讓學生在操作與合作中逐步建立雙語表達能力，也提升了其在跨領域學習中的適應性。未來若能進一步將此模式延伸至更多主題與跨學科情境，將有助於培養學生以雙語進行科學探究的核心素養，為迎接多元化的學習與生活挑戰奠定堅實的基礎。

• 參考文獻

Coyle, D., Hood, P., & Marsh, D. (2010). CLIL: Content and language integrated learning. Cambridge University Press.

Erdem Özcan, G., & Uyanık, G. (2022). The effects of the “Predict-Observe-Explain (POE)” strategy on academic achievement, attitude and retention in science learning. Journal of Pedagogical Research, 6(3), 103–111.

Harman, G., & Yenikalayci, N. (2022). The effect of prediction-observation-explanation (POE) method on learning of image formation by a plane mirror and pre-service teachers’ opinions. Journal of Educational Research and Practice, 12(1), 1–17.

Lemmi, C., & Pérez, G. (2024). Translanguaging in elementary science. International Journal of Science Education, 46(1), 1–27.

López-Pérez, M., de la Montaña Conchiña, J. L., Bravo Galán, J. L., & de la Maya Retamar, G. (2023). Bilingual science lexicon of pre-serviced primary school teachers. Education Sciences, 13(5), 464.

White, R., & Gunstone, R. (1992). Probing understanding. Falmer Press.

Zayas-Martínez, F., Estrada-Chichón, J. L., & Segura-Caballero, N. (2024). Pre-Service CLIL Teachers’ Conceptions on Bilingual Education: Impact of Initial Training on the Development of Their Teaching Skills. Education Sciences, 14(12), 1331.

POE策略融入雙語自然教學設計：

以「廚房裡的科學—水溶液如何去除污漬」為例

蔡亭芳*、詹家驊、劉雨柔、許儷齡

文藻外語大學 師資培育中心

a0928436466@gmail.com

摘要：本研究以國小五年級上學期「廚房裡的科學」單元為基礎，設計三節課程，分別為「辨識水溶液」、「水溶液變變變」及「水溶液怎麼讓污漬不見了！」，並以第三節為重點，探討水溶液酸鹼性與去污作用。課程融入POE（預測-觀察-解釋）教學策略與CLIL雙語教學理念，透過廚房常見材料（如小蘇打水、檸檬酸水、鹽水）及天然指示劑（葡萄皮汁），引導學生從生活情境出發，進行去污實驗，並理解酸鹼中和的科學原理。課堂設計包含動機引起、發展活動與綜合活動，搭配簡易英語及多模態教學鷹架（圖片、實物、手勢等），讓學生在預測、操作、觀察與解釋的歷程中，加深對酸鹼中和概念的理解。課程評量以學習單、實作與口頭分享為主，兼顧科學探究能力與英語表達。教學結果顯示，學生不僅能從真實情境中學會應用科學知識解決問題，也提升了合作學習、溝通與表達能力，體現POE策略與雙語自然教學結合的成效。

• 前言

廚房是我們日常生活中常會接觸到的地方，本課程藉由實驗操作，讓學生將廚房中常見的鹽、醬、醋、小蘇打等物質及若干水溶液進行酸鹼性質分類，透過圖表製作、預測、觀察、解釋及小組報告等方式，不僅加深其對不同水溶液的認識，更能夠運用於生活中解決污漬清除的困擾。本單元以康軒版五年級上學期第四章節「廚房裡的科學」作為課程設計基礎，每節課的內容都有著密切的關係，從基礎的辨別與了解不同廚房調味料到測試水溶液與其酸鹼性，逐步引導學生理解科學原理，最後學生將習得之科學原理運用於日常生活中。

本課程內容分為三節課，分別為「辨識水溶液」、「水溶液變變變」及「水溶液怎麼讓污漬不見了！」，循序漸進地引導學生了解水溶液基本特性、使用天然指示劑檢測水溶液的酸鹼性，以及利用酸鹼中和原理應用於生活中的去污實驗。本章節以第三節「水溶液怎麼讓污漬不見了！」作為主要內容說明。在第三節課中，教師引導學生從「衣服被噴到柳橙汁」的真實情境作為課程前導組體，再依照POE（預測-觀察-解釋）之教學策略，讓學生實際地進行去污實驗，在小組相互配合與幫助下，例如：小組討論、分工、紀錄以及口頭分享成果，增加其合作學習、溝通與表達能力的機會。

• 教案實施過程與成果

本教案以第三節「水溶液怎麼讓污漬不見了！」為課程主題，此教案依據教育部（2019）十二年國民基本教育課程綱要-自然科學領域課程手冊以及教育部（2018）十二年國民基本教育課程綱要-語文領域英語文課程手冊之學習重點，以「引起動機」、「發展活動」及「綜合活動」三部分作為設計架構，並運用簡單的英語，搭配多模態教學策略，例如：圖片、實際物品，進行教學，分述如下：

一、引起動機：教師以衣服被噴到柳橙汁 (e.g., Look at those pictures! What happened?) 的生活情境，邀請學生思考在生活中是否曾經有過相同的經驗，並且與其討論在面對被弄髒的衣物時，該如何去污以及去污的效果如何。

二、發展活動：教師以廚房裡的資源（黑醋、番茄汁、小蘇打水、檸檬酸水、鹽水和葡萄皮汁）作為實驗材料。實驗部分，分為三部分進行，前二次實驗步驟皆相同，唯一不同之處為第一次實驗清潔黑醋污漬棉布，由教師示範以及操作實驗過程，學生僅透過小組討論進行預測、觀察、紀錄並完成第一部分與第二部分之學習單內容；第二次實驗則是清潔番茄汁污漬棉布，此次實驗則由各組進行實際操作、預測、觀察、紀錄並完成學習單第三部分，前二次的實驗步驟如下：首先，以葡萄皮汁作為天然指示劑，測試三種水溶液（小蘇打水、檸檬酸水和鹽水）的酸鹼性，接著進行清潔效果之「預測」並記錄於學習單上，預測後，將污漬棉布分別丟入三種水溶液中，進行「觀察」並將觀察結果記錄於學習單上，最後，教師以口頭方式調查觀察結過並「解釋」酸鹼中和之科學原理，接著，教師帶入第三項的實驗操作，教師拿出三種家用清潔劑，分別為洗碗精、洗衣精以及肥皂，使用天然指示劑（葡萄皮汁）進行測試其酸鹼性，以口頭方式與學生討論「為什麼這些家用清潔劑都是鹼性呢？」並再次說明酸鹼中和之科學原理。

三、綜合活動：教師帶領學生再次思考本節課所做的實驗，以及酸鹼中和的科學原理並總結課程。

本節次之課程評量以學習單紀錄、實作評量（實驗操作）以及口頭評量（小組分享、個別分享）作為掌握學生對於學科知識及雙語理解之評量工具。

• 教學情境準備與引導

本教學設計以貼近學生生活經驗作為起始點，透過衣服被噴到柳橙汁的生活情境導入主題，並強調酸鹼中和概念，此科學概念不僅讓學生了解科學不侷限於課堂，更是在生活中隨處可見。本節次使用兩次POE教學策略，以下分次說明之：

一、第一次POE教學策略實施：

(一)P (Prediction)：各組學生「預測」三種水溶液（小蘇打水、鹽水、檸檬酸水）之去污效果，並說明理由。

(二)(Observation)：教師將黑醋污漬棉布分別丟入三種水溶液中，各組進行「觀察」並將觀察結果記錄於學習單上。

(三)E (Explanation)：根據實驗結果，教師以口頭方式調查觀察結果，並「解釋」酸中和之科學原理，學生跟讀句型“Basic solution can clean acid stains. It’s because of neutralization reaction.”

二、第二次POE教學策略實施：

(一)P (Prediction)：各組學生「預測」三種水溶液（小蘇打水、鹽水、檸檬酸水）之去污效果，並說明理由。

(二)(Observation)：各組將番茄汁污漬棉布分別丟入三種水溶液中，進行「觀察」並將觀察結果記錄於學習單上。

(三)E (Explanation)：根據實驗結果，各組以口頭「解釋」酸鹼中和之科學原理。

教師透過兩次的POE教學步驟提高學生思考與求證經驗，運用多模態策略提供學習鷹架，融入生活情境並配合實驗活動，讓學生理解酸鹼中和去污之科學原理。首先，教師以黑醋污漬棉布進行示範並操作實驗，學生透過觀察與記錄理解酸鹼中和去污之科學原理；第二次，由學生以相同步驟清潔番茄汁污漬棉布，透過預測、觀察與解釋，理解酸鹼中和去污之科學原理。

• 實驗操作流程

本教學設計的實驗分為三部分進行，前二次實驗步驟皆相同，唯一不同之處為第一次實驗清潔黑醋污漬棉布，由教師示範以及操作實驗過程，學生僅透過小組討論進行預測、觀察、紀錄並完成第一部分與第二部分之學習單內容；第二次實驗則是清潔番茄汁污漬棉布，此次實驗則由各組進行實際操作、預測、觀察、紀錄並完成學習單第三部分，前二部分的實驗器材，如下：

實驗一與實驗二之實驗器材：黑醋污漬棉布、番茄汁污漬棉布、小蘇打水、鹽水、檸檬酸水、葡萄皮汁、紙盤、學習單

前二部分之實驗步驟，如下：

在進行實驗一與實驗二前，須先檢測三杯水溶液（小蘇打水、鹽水、檸檬酸水）的酸鹼性。教師將葡萄皮汁依序倒入小蘇打水、鹽水以及檸檬酸水中，學生觀察檢測結果，小蘇打水呈現藍色（鹼性）、鹽水呈現之顏色無改變（中性）以及檸檬酸水呈現紅色（酸性）。

• 實驗一之實驗流程：

步驟一：各組學生「預測」三種水溶液（小蘇打水、鹽水、檸檬酸水）之去污效果，並說明理由。

步驟二：教師將黑醋污漬棉布分別丟入三種水溶液中，各組進行「觀察」並將觀察結果記錄於學習單上。

步驟三：根據實驗結果，教師以口頭方式調查觀察結果並「解釋」酸鹼中和之科學原理，學生跟讀句型 “Basic solution can clean acid stains. It’s because of neutralization reaction.”

• 實驗二之實驗流程：

步驟一：各組學生「預測」三種水溶液（小蘇打水、鹽水、檸檬酸水）之去污效果，並說明理由。

步驟二：各組將番茄汁污漬棉布分別丟入三種水溶液中，進行「觀察」並將觀察結果記錄於學習單上。

步驟三： 根據實驗結果，各組以口頭「解釋」酸鹼中和之科學原理。

• 實驗三之實驗器材：葡萄皮汁、洗碗精、洗衣精、肥皂、學習單
• 實驗三之實驗流程：

步驟一：教師拿出三種家用清潔劑，分別為洗碗精、洗衣精以及肥皂，並口頭詢問學生：「這些家用清潔劑是酸性、中性還是鹼性呢？」

步驟二：教師使用天然指示劑（葡萄皮汁）進行測試，學生觀察洗碗精、洗衣精以及肥皂之酸鹼性

步驟三：教師以口頭方式與學生討論「為什麼這些家用清潔劑都是鹼性呢？」，再次說明酸鹼中和之科學原理。

• 學習單的設計

本教學設計的目標單字：baking soda, citric acid, salt, acid solution, basic solution, neutral solution, acid, neutral, basic, stains, black vinegar, ketchup juice, neutralization reaction

本教學設計的目標句型：

• __________ (Black vinegar/ Ketchup juice) stains are __________ (acid/neutral/basic).
• Cup A is ___________. It is(acid/neutral/basic).
• Basic solution can clean (acid/neutral/basic) stains. It’s because of the ___________.

教師透過觀察各組實驗操作、學習單書寫紀錄酸性、中性及鹼性水溶液的去污結果，以及口頭報告，檢核學生是否能從察覺生活上的問題，並利用生活周遭隨手可得的物質來解決問題。學習單內容依照目標單字及句型進行設計，為四個部分，分別為“What are those solutions?”, “Let’s clean black vinegar stains! ”, “Let’s clean ketchup juice stains! ”, “Are they acid, neutral or basic?”，分述如下：

第一部分 “What are those solutions?”: 教師將葡萄皮汁倒入三杯水溶液中，學生觀察其顏色變化後，填寫蘇打粉（baking soda）、鹽巴（salt）及檸檬酸（citric acid）於三杯水溶液空格中，再勾選出三杯水溶液之酸鹼性。

第二部分“Let’s clean black vinegar stains! ”：教師進行黑醋酸鹼性檢測，學生觀察並將黑醋之酸鹼性填入學習單中，接著，填寫三杯水溶液的性質及酸鹼性後，勾選P列，預測三杯水溶液的去污效果，經觀察教師操作實驗後，再勾選O列，最後，再完成E列，將實驗結果及原理（neutralization reaction）進行說明。

第三部分“Let’s clean ketchup juice stains! ”: 學生須自行實驗操作，並紀錄觀察到的實驗結果至學習單，其撰寫流程與學習單第二部分相同。

第四部分“Are they acid, neutral or basic? ”：教師透過家中不同的清潔劑（洗碗精、洗衣精、肥皂），引導學生理解家中的清潔劑大多數為鹼性後，完成學習單。

• 心得與檢討

在雙語自然教學演示後，深刻地了解CLIL教學法與POE教學策略在雙語自然的教學中，有著相輔相成的關係。CLIL教學強調學科內容的教學與學習，英語文則是作為輔助角色，教師盡可能地在教學的過程中，使用適合該學習階段的英語文進行教學，當遇到較困難的字彙或學科概念時，教師宜多運用多模態策略提供鷹架，必要時可使用中文進行說明，學生也可以自主地使用中文或英文進行回答，而POE教學法，則是以實驗操作，讓學生透過預測、觀察及解釋，深入地了解學科概念。除此之外，多模態運用為雙語自然教學中不可或缺的一環，教師透過圖片、簡報、影片、動作、示範、實物、手勢、表情⋯等方式，讓學生在雙語學習的過程中，能夠更容易理解學科概念，並且快樂學習。 以本節次解釋「酸鹼中和」科學概念為例，教師先以生活情境引發學生的學習興趣，再以有趣的科學實驗（去污實驗），讓學生實際操作，最後教師以中文說明「酸鹼中和」之科學概念。

此外，教師在設計課程及實驗的過程中，須經過多次的試驗，例如：在本節次的實驗中，教師挑選被去污的布料材質時，經過嘗試選擇多種布料，最後發現以棉布效果最佳。經歷了此次的雙語自然課程設計與教學後，理解「實驗永遠不會在第一次就成功」和「所有的課程皆需要經過縝密地設計」的道理，明白作為教師的責任是在每一次的教學設計中，不斷地精益求精，讓學生得以習得該領域的知能。

• 參考文獻

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要–語文領域英語文課程手冊。臺北市：教育部。

教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要-自然科學領域課程手冊。臺北市：教育部。

• 附錄

「廚房裡的科學—水溶液如何去除污漬」雙語自然教案設計

POE策略融入雙語自然教學設計：

以粉末溶解性探究為例

周秋亭*、李家綺、葉晨淩、許儷齡

文藻外語大學 師資培育中心

a0966179190@gmail.com

摘要：本研究旨在設計並實施一份以「調味品和粉末材料會溶解在水中嗎？」為主題的雙語自然教案，結合POE（預測 Prediction、觀察 Observation、解釋 Explanation）教學策略與CLIL（內容與語言整合學習）理念，透過生活化素材與實驗活動，引導學生在探究過程中同時發展科學素養與英語能力。課程設計以砂糖、食鹽、麵粉、胡椒等常見粉末材料為操作對象，讓學生從觸覺探索、實際操作、觀察記錄到成果發表，逐步建構溶解與溫度影響的科學概念。實驗中，學生透過學習單與英語句型（如 “Sugar can be dissolved in water.”）進行觀察與表達，並在小組合作中完成比較與歸納。教師則提供多模態鷹架（實物、圖片、句型提示），並以英語為主、中文為輔，協助學生理解專有詞彙與迷思概念。課程評量結合學習單、口語表達與小組討論，檢視學生在科學探究與語言運用上的表現。教學實施結果顯示，學生能在輕鬆互動的情境中提升觀察、分析與表達能力，並進一步培養對科學與英語的學習興趣與自信，突顯POE策略與雙語教學結合的有效性。

• 前言

我們在設計這份雙語國小自然科教案時，選定的課程主題為「調味品和粉末材料會溶解在水中嗎？」。在設計單元時，我們參考自然領域的課程綱要，從「學習表現」與「學習內容」兩大面向出發，設定好希望學生在課堂中學習到的重點，進而發展出合適的科學探究主題與實驗活動，再結合英語文，讓學生在認識自然現象的過程中，同時掌握課程與實驗相關的英語詞彙及用語，達成語言與內容整合學習（CLIL）的目標。

為激發學生對雙語自然課程的興趣，我們選取生活中常用的廚房調味品與粉末材料作為實驗素材，讓他們從觀察、預測、實驗、記錄到發表，一步一步實際操作與探索，循序漸進地培養觀察、比較與分析的能力。整個實驗過程中，學生能親身體驗科學探究的步驟，也能學習簡單的英語並與同儕交流，不僅培養對科學與語言的興趣，也增進學習的成就感與自信心。

我們鼓勵學生嘗試不同的學習策略，評量方式包含學習單與口語評量，也安排合作學習與討論活動，讓他們能與同儕分工合作，完成實驗與成果分享，如此有架構又富互動性的課程安排，讓學生能在輕鬆、有趣的情境中，同時發展科學素養與語言運用能力。

• 教案設計與實施說明

在設計與實施本教案時，我們將雙語與自然科學緊密結合，期望學生能在實際操作與互動中，同步發展科學素養與英語能力。因此，整體教學與評量規劃採取多元整合的模式，不僅聚焦於學科內容，也重視語言發展與溝通表達，讓學生能從不同面向完整學習與成長。

首先，在課程實施中，教師透過實驗操作活動，引導學生觀察與記錄實驗過程，讓他們能在動手實踐中清楚認識各類調味品與粉末材料的溶解現象，進一步加深對科學概念的理解。同時，課堂中安排分組合作與討論，鼓勵學生共同完成實驗記錄與表格整理，最後再向全班發表發現與結論。在發表過程中，教師適時運用口語評量，培養學生用英語描述實驗結果的能力；此外，也透過學習單記錄來追蹤與評估學生的實驗歷程與學習狀況，藉此檢視學生對課程內容與雙語詞彙的掌握程度，給予指導與回饋。

為協助學生順利理解課程內容，我們也特別重視語言鷹架的建立。教師在介紹廚房調味品與粉末材料時，會出示實物與圖片，讓學生能將英語詞彙與具體物品連結，有助於加深理解與記憶。當教師在實驗過程中反覆使用目標詞彙與句型，例如 “salt”、“sugar” 以及 “dissolved in water”，能夠幫助學生在情境中自然接觸英語文，並且內化語言。

最後，在成果發表環節，教師提供英語句型鷹架，協助學生清楚描述觀察結果，降低口說壓力，讓孩子能順利運用所學，培養用英語表達自然科學現象的自信與能力。此教案從設計到實施皆以循序漸進與雙語整合為核心，透過實驗探究與合作學習，不僅提升了學生對科學與英語的興趣，也為未來更廣、更深的學習奠定了穩固的基礎。

• 教學情境準備與引導

在本次雙語自然課程中，我們以「調味品和粉末材料會溶解在水中嗎？」作為探究主題，設計結合POE（預測 Prediction、觀察 Observation、解釋 Explanation）策略的學習情境，引導學生從生活經驗出發，建立溶解的基本概念。課程名稱為「廚房裡的科學」，主要探討溶解與溫度的關係，並搭配英語文學習進行語言與內容整合（CLIL）教學。

在預測階段（Prediction），我們設計觸覺探索活動，讓學生實際觸摸廚房常見的調味品（如砂糖、食鹽、麵粉、胡椒粒等），透過觀察材料外觀與觸感，進行小組討論與預測：哪些材料會完全溶解於水？哪些不容易溶解於水？哪些不能溶解於水?在此過程中，教師引導學生使用簡單英語句型（如：“I think salt will dissolve.”）搭配中英文詞彙鷹架（如：sugar, salt, flour, water, dissolve），並運用圖片與實物輔助說明，協助學生釐清語意並順利進入學習情境。

進入觀察階段（Observation）時，學生會實際將不同粉末加入水中攪拌，觀察其是否溶解，並記錄實驗現象。我們使用多元媒材，如學習單、圖片卡與操作材料，幫助學生在操作中學習。學生透過圖表紀錄結果，並在過程中使用關鍵句型（如：“Sugar can be dissolved in water.” / “Pepper cannot be dissolved in water.”），將語言應用與觀察活動結合。

最後，在解釋階段（Explanation），學生根據觀察結果進行歸納與口語分享，教師引導學生用英語簡單描述自己的發現，並透過中文補充概念說明（如「看起來消失的物質其實是溶解在水裡，不是真的不見了」），協助學生釐清迷思概念。學生在這個階段會進行小組發表，透過口頭說明訓練表達能力，並深化對溶解概念的理解。

整體設計以生活化情境為出發點，運用POE策略結合觀察與語言活動，在具體操作中建立學生的自然科概念，也強化英語應用能力。透過雙語支持與合作學習，學生在學習歷程中能逐步建構概念、應用語言，實現科學與語言的雙重學習目標。

• 實驗操作流程

本實驗設計以學生為中心，強調親自操作與合作學習，讓學生透過動手體驗深入理解溶解現象。首先，教師會準備好實驗所需的材料，如砂糖、食鹽、麵粉、小蘇打粉、檸檬酸、胡椒粒、米以及透明的水杯和攪拌棒。實驗開始前，教師會清楚說明每個步驟的操作方式及注意事項，並示範如何將粉末材料加入水中攪拌，提醒學生觀察攪拌後材料的變化及水的透明度。

學生以小組形式分配材料，每組依序進行實驗操作。教師在過程中持續提出引導性問題，例如：「你認為哪種材料會溶解？為什麼？」、「攪拌後水變得怎麼樣了？」以促進學生觀察與思考，培養他們的科學探究精神和分析能力。學生也透過學習單記錄每次實驗的結果，並用簡單的英語句型描述觀察現象，如 “Sugar can be dissolved in water.” 、 “Pepper cannot be dissolved in water.” ，實現科學內容與英語表達的結合。

在實驗的第二階段，學生將進一步探討溫度對溶解速度及程度的影響。教師準備冷水與熱水，指導學生分別將相同材料加入不同溫度的水中攪拌，觀察兩者溶解情況的差異。學生比較兩種條件下的實驗結果，並利用學習單記錄溶解速度與溶解度的變化。教師鼓勵學生用英語口語分享發現，例如 “Sugar dissolves faster in hot water.” ，進一步強化雙語學習效果。

整個實驗流程中，教師會靈活運用雙語教學策略，以英語為主，必要時以中文輔助，幫助學生順利理解實驗內容。課堂中強調合作學習，讓學生透過討論與分享，加深對溶解原理及實驗現象的認識。多元評量方式，如口語回饋、學習單檢核及小組報告，確保學生能掌握科學知識與英語應用能力。

透過這樣結合動手操作、語言練習與思考討論的流程設計，學生不僅能掌握「溶解」的科學概念，也能在真實情境中活用英語，達成自然科學與語言雙重學習目標。

• 學習單設計與說明

在雙語自然課程中，設計兼顧科學概念及語言學習任務對教師而言是重要的課題，本教案以「溶解」為主題，設計的學習任務核心在於引導學生透過觀察與紀錄進行歸納並理解其相關概念。此外在教案中學習任務設計，運用POE 預測（Prediction）、觀察（Observation）、解釋（Explanation）的教學策略，在預測階段激發學生想像力，在觀察階段透過學習單紀錄實驗結果，而在解釋階段則運用目標句型描述實驗現象。

此外，教師以「學科內容與語言整合教學模式」（Content and Language Integrated Learning, CLIL）作為課程設計核心，兼顧自然科學知識與英語語言學習。課堂中所選用之目標句型及單字，皆根據學生年級與語言能力進行調整，並其融入於實驗及學習單中，而學習單句型以填空方式呈現，例：(1) ____ can be dissolved in water. (2) ____ cannot be dissolved in water.。透過目標句型作為鷹架幫助學生進行討論、觀察及記錄，教師會依據學生理解情況適時以英語為主、中文為輔，幫助學生釐清相關概念，同時協助學生在語言與學科知識之間建立連結。

為確保評量能真實反映學生在學科知識與語言學習兩方面的學習成果，在實驗過程中，學生需運用英語文句型與組員進行討論，教師藉此觀察並評估其語言運用的能力與表現。同時透過學生對於實驗結果與觀察之分享，使教師能檢視其對學科內容的理解程度。最終，透過學習單的完成、口語報告及小組討論等多元學習歷程，學生不僅展現出觀察、紀錄與歸納的能力，也能運用適切的語言表達所學，讓評量結果更加全面地呈現其整體學習成效。

• 心得與檢討

在進行雙語自然教學的過程中，語言的選擇、教學策略的運用以及學習任務、評量方式的設計，皆對學生的學習成效產生深遠影響。以下針對實際教學經驗進行反思與檢討，並探討上述三個層面在教學歷程中的應用與成效。

首先，在課堂語言的選擇方面，本教學活動以英語為主要教學語言，中文作為輔助語言使用。此策略的目的是讓學生在自然科學學習中有更多接觸與使用英語的機會，進而提升語言輸出與理解的能力。當學生在理解上出現困難時，教師則適時以中文進行補充說明，有助於釐清專有名詞及較複雜之概念。

其次，關於教學策略的運用，教師運用CLIL學科內容與語言整合教學模式，然而在語言使用比例與切換時機的掌握上，尚有優化空間。為提升教學成效與語言習得的自然性，應進一步強化語言輸入與輸出的平衡，並依據學生語言能力調整教學語言的使用策略，以提升CLIL教學的整體效益與學習者的語言習得及運用能力。

最後，在學習任務設計及評量學生學習成果方面，本次教學設計融合了多元評量方式。包括課堂中使用口頭提問的即時回饋、實驗活動中的學習單檢核，及課程結束時的上台發表，用以評估學生的語言輸出與概念理解，也幫助學生從不同面向進行學習反思與表達。而在小組合作學習的設計中，若能融入差異化教學之理念，依據學生的能力、興趣或學習風格配置具挑戰性且適切的學習任務，不僅能提升學生的參與度與學習動機，也能促進個別潛能的發展與團隊互補性的展現，進而提升整體學習成效與合作學習之能力。

綜合以上三點，雙語自然教學的課程設計與實施，不僅須考量教學策略之選擇，也需適切應用語言轉換與多元評量方式，提升學生的學習動機與成效。未來在教學實務中，仍須持續調整與優化上述之教學內容，使語言與學科內容的學習能更緊密結合，發揮教學的最大效益。

• 附錄

「以粉末溶解性探究為例」雙語自然教案設計

POE策略融入雙語自然教學設計：

以空氣砲探究活動為例

陳怡君^*、黃書愛、王珍珍、許儷齡

文藻外語大學師資培育中心
rubychen56688@gmail.com

摘要：本研究以「空氣砲探究」為主題，設計結合POE（預測 Prediction、觀察 Observation、解釋 Explanation）探究策略與CLIL（內容與語言整合學習）理念的雙語自然課程，旨在提升學生的科學探究能力與英語表達能力。課程以生活化素材製作簡易空氣砲，透過操作實驗引導學生預測空氣砲射出的氣流效果，並實際觀察物體受氣流影響的現象，最後以討論與歸納方式解釋空氣壓力與流體運動的科學原理。在語言學習方面，課程設計納入關鍵英語詞彙與句型（如 “air cannon”, “push the air”, “the ball moves”），並搭配圖片、實物及手勢作為語言鷹架，協助學生在真實探究情境中進行口語表達與紀錄。課程評量採取學習單、口頭分享與小組合作成果發表，兼顧科學素養與語言表現。教學實施結果顯示，學生在實驗活動中能展現高度參與與合作，不僅增進對空氣運動與壓力的理解，也能運用英語描述觀察結果，逐步養成以雙語進行科學探究的自信與能力。研究結果突顯POE策略與雙語自然教學結合的可行性與實際價值。

• 前言

在推動自然科學雙語教育的過程中，如何兼顧科學探究與語言學習，成為課程設計的重要課題。本單元教案以「空氣砲」製作與操作為核心，旨在引導學生認識空氣的存在與物理性質，並透過觀察與應用活動，深化對空氣相關科學現象的理解。課程設計強調從生活情境出發，透過提問與探究活動，使學生意識到雖然空氣無形無色，卻對生活環境有深遠影響，並藉由實作體驗與競賽活動，提升學習動機與語言表達能力。

在學習目標設定上，課程依據領綱所訂定之「學習表現」與「學習內容」，訂定明確可達成之目標，包括：學生能透過實驗辨識空氣的基本特性並舉例其生活應用；能以中英文描述觀察結果與科學概念；並能理解空氣在日常生活與環境保護中的重要性。為激發學生學習興趣，本課程設計納入實驗操作、生活應用討論及創意設計三大元素。學生在參與空氣砲製作與競賽過程中，不僅能培養動手操作與手眼協調能力，亦能在雙語環境中提升科學語言的運用與表達。

在課程節次安排上，考量內容的邏輯進展與學生語言負荷，採取分段學習與逐步深入的方式。課程分為三個階段：第一階段引導學生認識空氣特性；第二階段進行空氣砲的製作與操作；第三階段結合生活應用與創意設計活動。每節課均安排適度的語言複習與預習活動，以促進學生雙語能力的鞏固與延伸。

此外，本教案強調多元學習策略的運用，如合作學習、實驗觀察、圖像式整理及假設驗證等，鼓勵學生在小組合作與問題探究中發展批判思考與問題解決能力。期望透過本單元的學習，學生能同時提升科學探究素養與雙語表達能力，並在真實情境中培養持續探索自然現象的興趣與動機。

• 教學實施過程與成果

本教案以雙語融入自然科學教學為設計核心，藉由具體實作活動引導學生理解抽象概念，同時促進英語表達能力的培養。教學過程中，透過「空氣砲」實驗活動，學生能直接觀察並體驗空氣的流動性與壓縮性，將科學原理與生活經驗連結，提升學習動機與理解深度。

為支持學生同步掌握學科內容與雙語能力，本教案設計多層次的教學與評量策略。教學活動採用生活情境導入、實驗操作與分組討論，並搭配心智圖及關鍵詞彙（如 “colorless,” “movement,” “pressure” 等），作為語言鷹架，幫助學生建構知識與語言表達能力。語言支持方面，教師先以中文引導學生進行觀察與推論，再逐步轉換為簡單英語句型，並透過句型練習與示範，如 “Air has pressure.”，協助學生在科學討論中使用適切的語言結構。

評量設計則結合口頭問答、小組討論回饋與學習單書寫。學習單設計引導學生進行預測、觀察與解釋，並以簡單英文記錄結果與推論，作為形成性評量的依據。此外，在競賽活動中，學生的分組表現（如合作態度、語言使用、科學推理表達）亦納入整體評估，促進其積極參與與綜合表現。

教學實施結果顯示，學生能在操作過程中主動運用英語描述觀察現象，並能以科學語言說明氣流與壓力的影響。多數學生能準確使用句型進行簡單推論，如 “The balloon is smaller because air is compressed.” 此外，小組討論中學生積極提出假設與驗證，顯示語言鷹架有效降低英語溝通焦慮，並促進科學概念的深度理解。整體而言，本教案有效實現學科內容與語言能力同步提升的教學目標，具良好的教學推廣價值。

• 教學情境準備與引導

隨著雙語教育的推動，自然科學課程強調實驗與探究，適合結合生活經驗與體驗式學習，幫助學生建構知識與發展語言表達能力。以「空氣特性」單元為例，課堂從空氣砲競賽作為引導，學生親手製作簡易器材進行比賽，藉由操作體驗感受氣流推動力，激發學習動機並奠定後續探究的基礎。課程也延伸至空氣污染議題，透過影片、圖表與小組討論，引導學生思考科學知識的應用與環境保護的連結，提升公民意識與批判性思維。

教學設計融入多元媒材，促進多感官學習與概念理解，例如以心智圖協助整理空氣相關知識，操作實驗器材觀察空氣性質，並透過生活案例與短影片使抽象原理具象化。課堂語言引導則強調中文引導、英語過渡，讓學生先以母語討論，再逐步用英文表達觀察結果，如 “Air is invisible.” “Air pushes objects.”，並藉由專有名詞、句型架構輔助學生雙語學習。此外，針對專有名詞以簡單生活例子說明，降低語言理解門檻，使學生能順利掌握內容。

課程注重生活化學習設計，選用日常用品如氣球、紙杯，進行空氣流動與推動力實驗，幫助學生在熟悉材料中體驗科學現象；並介紹扇子、吸塵器等生活用品，強化科學與日常生活的連結。最後透過創意設計任務，鼓勵學生應用所學提出與空氣特性相關的新產品構想，並以英文簡述設計理念，進一步培養創新思維、語言能力與環保意識，將學習拓展至科學知識、語言學習與永續發展的跨域整合。

• 實驗操作流程

在雙語自然課堂中，透過精心設計的互動與提問，能有效促進學生深度參與並培養科學與語言雙重素養。例如在「空氣砲」活動中，教師先提出開放性問題（如「你覺得氣球會朝哪個方向移動？」或「如果我們改變氣球大小，結果會一樣嗎？」），鼓勵學生預測與推理，啟發批判性思考。學生觀察並分享結果時，教師給予即時回饋（如 “Good observation!”、”Interesting idea!”），並進一步追問（如 “Why do you think so?”），引導學生持續深入思考與雙語表達，使課堂互動更具啟發性與參與感。

課程設計強調提升學生的高層次思維與科學探究素養，藉由挑戰性問題啟發學生假設與推理（如「空氣有什麼看不見的力量？」）。學生透過操作空氣砲觀察氣流推動紙杯的現象，討論空氣壓縮與推動力的關聯，並進行變因控制實驗（如改變氣球拉伸力度、調整紙杯距離），比較結果差異。課程同時結合生活應用，讓學生討論風扇、冷氣機等原理，協助學生從假設、觀察、解釋到應用，逐步建構完整的認知結構。

親身實作與體驗是幫助學生理解抽象科學概念的重要途徑。課堂中學生自製空氣砲，觀察壓縮空氣推動紙杯的過程，並進行變因比較實驗，理解因果關係與控制變因的重要性。此外，課程鼓勵學生運用所學進行創意設計，如節能風扇或氣流遊戲裝置，並用簡單英文說明設計原理。透過這些實作活動，學生不僅將抽象概念具體化，增強探究精神與學習動機，更提升以雙語表達科學知識的能力，實踐知識與語言的跨域整合。

• 空氣砲教學操作流程（POE）

【第一次預測 Predict】

1. 教師展示空氣砲材料（寶特瓶、氣球、膠帶），引導學生推測即將製作的物品及其功能。
2. 問題引導：”我們要製作什麼呢？” “這會跟空氣有關嗎？”
3. 教師說明活動目標：每組製作一個空氣砲。
4. 教師展示成品並提問：”如果拉動氣球後放開，會發生什麼？”

學生討論並預測，例如「空氣會噴出」、「寶特瓶會爆炸」。

5. 學生在學習單上記錄預測紙杯是否會被推動。
6. 教師分發材料並指導空氣砲的製作流程。

【第一次觀察 Observe】

1. 教師指示每組學生以空氣砲對準紙杯進行發射。
2. 學生觀察紙杯是否被推動，並記錄觀察結果。
3. 教師巡視指導，鼓勵學生完整紀錄現象。

【第一次解釋 Explain】

1. 教師示範以點燃線香的煙觀察空氣流動，強化視覺印象。
2. 教師說明：

“拉動氣球後放開，瓶內空氣被快速釋放，形成氣流推動力。”

“空氣的流動性與壓縮性導致推動現象。”

3. 問答確認學生理解：”為什麼紙杯會被推動？”引導學生使用簡單英文回答（如：”Air pushes the cup.”）。

【第二次預測 Predict】

1. 教師提出延伸問題：”你認為有哪些因素會影響空氣砲的力量？”
2. 學生討論與分享可能影響因素，如：寶特瓶的大小、拉氣球的力度。
3. 學生在學習單上預測改變不同條件後的可能效果。

【第二次觀察 Observe】

1. 學生改變拉氣球的力度，觀察對紙杯推動力的影響，並記錄結果。
2. 學生使用不同大小的寶特瓶重複實驗，觀察並記錄變化。
3. 教師提供必要協助，確保操作安全與完整紀錄。

【第二次解釋 Explain】

1. 教師引導各組分享觀察結果：「使用較大的寶特瓶推動力較強。」「拉得越大力，氣流推動力越強。」
2. 教師總結說明：拉氣球的力度愈大，壓縮空氣的量愈多，推動力愈強；寶特瓶體積愈大，儲存的空氣量愈多，推動效果也更明顯。
3. 學生在學習單上完成總結與反思。

透過兩輪POE循環（預測→觀察→解釋），學生能在直觀操作中掌握「空氣流動性與壓縮性」的核心科學概念，並進一步理解影響推動力大小的關鍵因素。整個學習過程中，學生同步練習英語表達與科學推理，有效促進雙語自然科學素養的發展。

結合實驗操作、提問引導與實作體驗的雙語自然課堂，不僅深化了學生對自然科學知識的理解，也同時促進其語言應用與認知思考能力的整合成長。教師透過多樣化的互動設計與有策略的語言支架安排，營造真實且有趣的學習情境，激發學生好奇心，培養探究精神，並建立面對未來挑戰所需的跨域素養。展望未來，自然雙語課堂應持續深化體驗式學習與跨領域整合設計，為學生開拓更廣闊的學習視野與全球競爭力。

• 學生紀錄與歸納

空氣無所不在，是我們生活中不可或缺的存在，然而如此熟悉的事物，我們卻未必具備有意識的認識。為了讓學生更深入了解空氣的概念與特性，本課程及學習單設計以POE教學法(Predict 預測、Observe 觀察、Explain 解釋)為核心架構，透過老師設計的一系列引導性問題，逐步帶領學生探索「什麼是空氣？」以及「空氣有哪些特性？」

課程一開始，老師先透過引導暖身活動，讓學生對空氣產生好奇心與學習動機。接著，學生將親手製作小學生最喜愛的科學玩具之一「空氣砲」，並藉此觀察空氣的特性。實驗活動中，學生實際操作與觀察空氣的流動與壓縮，進一步理解空氣雖無形卻具備力量的本質。

學習單第一部分，設計以英文問句 “What can air do in our daily life?” 為引導核心，表格中分別呈現「空氣流動」與「空氣壓縮」的兩種圖示，並請學生思考並舉出日常生活中相對應的例子，藉此將科學知識與生活經驗做出連結，加深理解。

第二部分則進入POE核心：預測與觀察。在教師說明完兩種空氣特性後，引導學生思考「若將流動與壓縮兩種特性結合，會產生什麼現象？」並以問題 “Can the air cannon push the paper cup?” 帶領學生進行預測，再藉由製作空氣砲實驗實際觀察。學生最後需以自己的方式記錄實驗結果並進行解釋，歸納得出空氣兩種特性結合後，會產生「力」(force)的概念，完成學習單。

進一步地，老師再透過提問進階問題，引導學生思考：「寶特瓶的大小是否會影響產生的力量？」「拉氣球的力道是否會影響空氣砲的效果？」學生透過空氣砲吹紙杯的競賽活動，比較不同裝置與操作方式之下所產生的推進效果，驗證並深化對空氣特性的理解。

整體課程設計不僅讓學生透過動手實作感受空氣的存在與力量，也在觀察與討論的過程中逐步建立科學探究的能力，實現生活情境與科學知識的有效整合。

• 心得與檢討

在本學期的雙語教學演示結束後，我們更加深刻體認到老師在自然教材教法課堂中一再叮嚀的 POE 教學法(預測 Predict、觀察 Observe、解釋 Explain)的價值。唯有先引發學生的興趣，促使他們提出預測，再透過親身操作與實際觀察、記錄現象，最終引導學生運用自身語言表達出對科學概念的理解，這樣的學習歷程才能真正讓學生建構起屬於自己的知識體系。老師在教學過程中，除了傳授科學知識，更不忘引導學生思考：生活中有哪些現象也能應用所學的科學原理？藉此讓學生將抽象概念與生活經驗連結，使學科知識自然地內化為生活的一部分。

在自然課中融入 CLIL(Content and Language Integrated Learning)雙語教學元素，一直是我們投注最多心力研究與準備的部分。由於 CLIL 教學法強調「以學科為主，語言為輔」，因此在課程設計上必須不斷在學科知識與語言輸出之間取得平衡。為了讓學生更順利地理解課程內容，我們在教學演示中特別注重使用實體教具進行操作，並設計內容清楚、步驟分明的學習單作為鷹架，搭配明確的肢體語言與重複性的句型架構，幫助學生逐漸熟悉教學語言與步驟。這樣的設計不僅幫助學生吸收科學概念，也讓他們在潛移默化中熟悉並運用英文，真正達到語言與學科知識並重的學習目標。

許多人常誤解雙語教學僅僅是「用英文來教自然科目」，然而實際上，其背後牽涉的教學設計更為複雜且縝密。教師除了需深入理解學科內容外，還需掌握語言結構的特性與學生的語言程度，並據此設計出合適的教學語言與課堂活動。透過這次的教學演示，我們也更清楚地體會，雙語教學不只是語言的轉換，更是對「如何設計教學活動讓學生學得更好」的一種深層思考與實踐。

• 附錄

「以空氣砲探究活動為例」雙語自然教案設計

透過顯現隱形指紋解開密碼鎖—結合實驗導向與問題解決取向的教學實例

蔡家興¹、遊文綺²、許榮成²、陳芷誼²、李忠家²、楊水平^3, *

¹國立彰化女子高級中學
²國立彰化師範大學化學系（時任教學助理）
³國立彰化師範大學化學系
* yangsp@cc.ncue.edu.tw

摘要：本教學設計結合實驗導向與問題解決取向，分為兩部分四階段的教學。第一部分採用「先做後講」（先做實驗後講解原理）的實驗導向教學，先認識指紋類型和特徵和識別系統（亨利分類及IAFIS/NGI），再操作四種顯現技術（粉末法、寧海準法、硝酸銀法、氰丙烯酸酯法），然後教師引導學生學習原理和概念。第二部分則強調問題解決取向，包括聚斂性結構良好問題（指紋密碼開鎖競賽）和擴散性創意問題（局部修改或創意設計指紋顯現技術並進行試作與發表）的任務。此教學設計已在大學和高中實施，重視理論與實際的教學；以及在國中小科學教育推廣實施，偏重技術操作的教學。

• 簡介

人的汗水組成有水、有機成分（脂肪酸、乳酸、尿素和尿酸等）及無機離子（氯化鈉等），手指也會沾黏來自皮脂腺分泌的油脂（脂質和類固醇等）。汗液含有機和無機化學成分及其顯現指紋的技術與原理可以融入在各課程中教學，如基礎無機、有機、分析、物理及生物化學。舉例說明：指紋顯現的粉末附著在汗液的水分或油性成分上，可視為表面化學中吸附作用；顯現汗液中的氨基酸和氯化鈉成分涉及有機和無機化學反應，可以納入定性分析；再者，指紋粉末法還與極性和非極性分子的溶解度、沉澱反應及氧化還原反應等有關，並涉及分子之間的靜電吸引力。此外，指紋的類型與細節特徵、指紋的識別也是化學和指紋學強調知識學習的可應用價值。

本教學設計結合實驗導向（Experiment-based）與問題解決取向（Problem-solving oriented）的兩種教學法，分為四階段教學，分述如下：(一)在實驗導向方面：採用「先做後講」(Do-then-explain / activity-before-concept）的教學模式，【第一階段】的重點：(1)熟知指紋的類型與特徵，和(2)理解指紋的識別（電腦化前的亨利分類系統與電腦化後的IAFIS/ NGI電腦系統）；【第二階段】的重點：(1)四種指紋法的操作技術（法盤、海準法粉末、硝酸寧法顯現(2)，以及壓克基因的操作技術（法盤、海準法、硝酸鹽法顯現(2)，以及壓克烯的方法。 (二)在問題解決取向方面：【第三階段】的重點：(1)教師設計結構良好的問題，以「聚斂性問題解決：顯現隱形指紋密碼開鎖獲得金幣」為主題，和(2)提供具體的材料和試劑、指紋競賽規則、四個拉鏈收納袋的內容物與其開鎖獲得金幣」為主題，和(2)提供具體的材料和試劑、指紋競賽規則、四個拉鏈收納袋的內容物與其開鎖獲得金幣」為主題，和(2)提供具體的材料和試劑、指紋競賽規則、四個拉鏈收納袋的內容物與其開鎖獲得金幣”為主題，和(2)提供具體的材料和試劑、指紋競賽規則、四拉鏈收納袋的內容物與其開鎖獲得金幣」為主題，以及(2)提供具體的材料和試劑、指紋競賽規則、四拉鏈收納袋的內容物與其開鎖獲得金幣”為主題，及(2)提供具體的材料與試劑、指紋競賽規則、四拉鏈收納袋的內容物與其開鎖取得金幣」為主題，及(2)提供具體的材料與試劑、指紋競賽規則、四張拉鏈收納袋的內容物與其開鎖取得金幣」為題標【第四階段】的重點：(1)教師設計結構不良的問題，以「擴散性問題解決：修改設計並試作指紋顯現技術」為主題，和(22 )規劃兩項教學設計：設計一：「局部修改並試用指紋顯現技術」，包含學生搜尋現有指紋顯現技術的資料、提出修改構想、試作修正構想及試作圖形本教學設計已在彰師大化學系「一般化學實驗」及彰化女中「高三多元課程共修技術操作與推廣課程並重修技術的教學課程的研究。

• 指紋的類型與特徵

一、指紋—摩擦脊紋與指印

摩擦脊紋（Friction ridge patterns）是指人類手掌、指尖、腳掌與腳趾表皮上由脊線與溝線所形成的自然皮膚結構圖案，用以增加摩擦力、防止滑動。指印（Fingerprint）是指手指與物體接觸時，留下隱形的摩擦脊線痕跡。摩擦脊紋與指印互為鏡像，如圖1所示。摩擦脊紋與指印本質不同，但常被「指紋」（Fingerprint）一詞混用，可以指「指紋的結構」或「指紋的印記」。

圖1：摩擦脊紋（左）和指印（右），兩者互為鏡像。

（圖片來源：Fingerprint, https://en.wikipedia.org/wiki/Fingerprint）

指紋採集是法醫學中的關鍵程序。手指分泌的水分和油脂會在光滑表面留下隱形痕跡，經過墨水或顯色劑處理後，能被轉印並觀察。指紋結構極細且相當穩定，不易改變，即使同卵雙胞胎也不相同，因此指紋可作為可靠的識別方式。

二、指紋的類型

美國聯邦調查局（Federal Bureau of Investigation, FBI）自20世紀初建立指紋檔案系統以來，採用系統化指紋分類系統，便於快速查詢並比對大量指紋。在電腦化之前，這套系統主要依靠紙本卡片與人工歸檔。 FBI的分類系統源自亨利分類系統（Henry Classification System），最早由英國愛德華·理查·亨利爵士（Sir Edward Richard Henry）於1896年在印度提出，美國後續修訂並擴展。在1924年美國司法部合併軍方與民間的指紋檔案後，FBI建立世界最大規模的指紋檔案庫，並對亨利系統加以簡化與擴展，成為FBI指紋分類系統。 FBI系統是依照指紋圖形特徵（Pattern types）與數值分類公式（Numerical Classification Formula）進行歸類。主要圖形類型初步分為三種：(1)迴旋紋（Loops）、(2)弓形紋（Arches）及(3)漩渦紋（Whorls）（Behind the Crime, nd），如圖2所示。

圖2：FBI初步分類指紋主要類型為三種：迴旋紋（左，編號1）、弓形紋（中，編號2）及漩渦紋（右，編號3）（註：此處編號僅作為後續學習的開鎖碼）

美國聯邦調查局又細分指紋為八種紋型（Palm Reading Perspectives, 2011）：平弓紋（Plain Arch）、帳篷弓紋（Tented arch）、尺側回形（Ulnar loop）、橈側回圖（Radial loop）、平渦紋（Plain whorl）、中央回波（CDoublebt）、中央紋頁

圖3：FBI細部分類指紋為八種紋型及其編號。 （註：此處編號僅作為後續學習的開鎖碼）

（圖片來源：https://ar.pinterest.com/pin/737112664007042690/）

三、指紋的細節特徵

手指末端、手掌與腳底的脊線構成明顯的圖案，這些圖案可依其整體結構進一步分類。單一脊線常呈現多樣的方向變化、不連續性及分支等特徵，稱為細節特徵（minutiae features）。這些微觀結構構成自動指紋辨識系統（Automated Fingerprint Identification System, AFIS）比對與辨識的核心依據，廣泛用於指紋取證與識別。

指紋的細節特徵主要是各種脊線變化，大致有十一種常見的特徵（Champod et al., 2004 ; Wikipedia, nd）：(1)脊線終端（Ridge ending）：距離脊線在某點突然中止；(2)短脊線（Short ridge)：停止兩分線距離指紋分/(3)分別為岔點/(Dur)；島）：短小、獨立的脊線，兩端為脊線終止，且不與其他脊線相連；(5)湖泊/眼睛/封閉（Lake / Eye / Enclosure）：兩條脊線分開後再合併，形成的環狀結構； Spur）：自脊線延伸出短似小鉤（Bridge/Bridge）；十字）：兩條脊線間由短脊線連接，或彼此交叉；(8)三角形（Delta）：脊線形成三角形區域，通常位於核心點的下方或側邊；(9)核心（Core）：脊線中心區域的點，常為環狀或螺旋狀圖案的中心（1147）。

圖4：常見的指紋細節特徵及其編碼。圖示說明，如前所述。編號(11)三叉分叉（未呈現）；此外，(12)傷痕不列入脊線特徵。 （此處編號僅作為後續學習的開鎖碼，編碼10視密碼為0，編碼11視為1）

（圖片修改自圖3）

• 指紋辨識原理與應用

每枚指紋大約有50個左右的細節特徵點，取得特徵點的位置與方向，就能用於指紋辨識。一般指紋辨識技術並非完整記錄整枚指紋的圖案，而是僅僅儲存指紋的特徵點。分析時會比對指紋特徵點的方向和位置是否相同。根據亨利分類系統，指紋被歸類為二部八類，其中只要13個特徵點相同，即可確認是相同的指紋。

一、電腦化之前—亨利分類系統

在電腦自動化之前，美國聯邦調查局對於傳統的指紋分類系統是以亨利分類系統為基礎，該系統以索引方式把大量的十指指紋分類編碼，以便快速從大量的檔案中尋找對應的指紋記錄。此系統將指紋的主要類型（迴旋紋、弓形紋及漩渦紋）數值化為分類碼（Henry, 1900），成為早期世界各地指紋比對系統的基礎。在20世紀初被英國蘇格蘭採納並廣泛使用，後來成為許多國家指紋資料庫與自動系統發展的歷史基礎（National Institute of Justice, 2011）。關於亨利分類系統的二部和八類、指紋數值分類公式及13特徵點標準，請詳見附錄〈第一階段：指紋類型與特徵、指紋辨識原理與應用_上課講義及學習單》的說明。

二、電腦化之後—IAFIS/NGI電腦系統

現代科學與標準（例如：NIJ指紋手冊／各國實驗研究）傾向不再強調單一固定數字，而是評估：指印的品質、特徵的分佈、比對的整體一致性與隨機吻合機率（probability of random correspondence, PRC）。也就是說，有時少於13個高質量的吻合加上其它支撐證據，也可能被認為足夠；反之，13個低質量、近距離聚集且易錯認的點也不足以確定（National Institute of Justice, 2011）。關於隨機吻合機率，請詳見附錄〈第一階段：指紋類型與特徵、指紋辨識原理與應用_上課講義與學習單”的說明。

(一)整合式自動指紋辨識系統與下一代身分識別

在1999年之後，FBI建立整合式自動指紋辨識系統（IAFIS），於2014年升級為下一代身分識別（Next Generation Identification, NGI）。在電腦自動化後，傳統的分數分類公式不再是必要的查詢方式，但仍具有歷史和教育價值。現在主要依靠基於細節特徵的比對，透過紋線端點、分叉點等細節自動比對。這套方法是指紋史上重要的里程碑（Hutchins, 2010）。關於IAFIS和NGI，詳細的說明請見附錄〈第一階段：指紋類型與特徵、指紋辨識原理與應用_上課講義與學習單》的說明。

(二)指紋感應的運作過程

在數字世界中，指紋是由傳感器板以電子方式讀取的。手指的摩擦脊紋是不連續的，並形成具有顯著細節特徵的圖案（Nandakumar & Jain, 2010）。細節的圖案可以被繪製並連接起來形成一個模板，可以儲存並在未來與指紋進行比較（Singh et al., 2023）。指紋感應的運作過程如下：(1)生物識別（Biometric）：手指放在傳感器上，取得原始指紋圖案的圖像；(2)特徵點（Minutia Points）：出現在指紋脊線的起點、終點、分支和匯合處，並在每個點上沿著脊線畫一條線；(3)特徵點地圖（Minutia Map）：這些點被映射到特徵點地圖上，並在每個點之間畫一條線，顯示每個點與其他點之間的關係；(4)數據流（Data Stream）：然後，該映射將作為稱為細部模板的數據流存儲在數據庫中，以便將來與其他指紋進行比較，做出認證／識別決策，如圖5所示。

圖5：指紋感應的運作過程：生物辨識（Biometric）à 特徵點（Minutia Points）à 特徵點圖（Minutia Map）à 資料流（Data Stream）

（最左邊指紋圖案來源：https://www.pngegg.com/en/png-nvgzd）

• 指紋顯現的操作步驟

以下描述常見指紋顯現的試劑配方及操作步驟，涵蓋四種方法：粉末法、寧海準法、硝酸銀法及氰丙烯酸酯法。

一、粉末法

顯現指紋最簡單且最常用的方法是粉末法（Powder-based method），它依賴於指紋顯現的配方對皮膚沉積物的水分和油性成分的吸附作用。常見的指紋粉末是由著色劑和載體組成。載體被指紋中的水分或油性成分吸附，著色劑被吸附在載體上。常用的著色劑有活性碳粉、二氧化錳及氧化鐵常用的有機物載體有矽膠、玉米澱粉、滑石粉及松香，典型的不溶性無機鹽載體有碳酸鋅、碳酸鋇及碳酸鎂。

(一)收集指紋

用手指輕捏紙張（或塑膠等物體）的邊緣或角落，避免手指碰觸到預留指紋處。選定一個手指，先用手指摩擦前額，再輕輕地放置指腹的左側在紙面上且右側朝上，慢慢地向右滾動到右側觸到紙面並立即抬起手指，即可在紙上留下隱形指紋。若有化妝或皮膚較為油膩，用手指摩擦手掌取代前額。若出汗困難，在原地快跑增強汗量，用手指摩擦前額而不是手掌。重複操作，直到指紋顯現後獲得清晰的指紋。

(二)注意事項

在配製試劑和操作步驟時，必須配戴安全眼鏡和乳膠手套。指紋中的水分或油脂會在兩三天內乾涸，不宜用粉末法顯現指紋。

(三)藥品和器材

配方一：白紙、黑色粉末〔如活性碳、石墨筆芯或二氧化錳（MnO ₂）〕、紅色粉末〔如三氧化二鐵（Fe ₂ O ₃）〕、有機聚合物（如矽膠、玉米澱粉、滑石粉及松香）、不溶性無機鹽〔如碳酸鋅（BaCO3 鋇 32 13 13 13 13913 139923 109223 12923_{32 132}13923 139223 139223 1392923 碳酸鋅）（BaCO3 12_13碳酸））〕。配方二：熒光素（Fluorescein, C₂₀H₁₂O₅, CAS: 2321-07-5）、氫氧化鈉（NaOH）、蒸餾水、紫外光手電筒。共同：攜帶型電子秤、樣品瓶、鵝毛棒、透明膠帶、剪刀、口紅膠。

(四)配製試劑

配方一：稱取3公克以下著色劑粉末之一：（A1）三氧化二鐵、二氧化錳；（A2）活性碳粉、石墨筆芯粉。稱取9公克以下載體粉末之一：（B1）碳酸鎂、碳酸鋇、碳酸鋅；（B2）澱粉、矽膠、松香。混合A1和B1或A2和B2均勻。在混合物中加入100毫克滑石粉（Friesen, 2004），如圖六左所示。配方二：直接使用熒光粉末（如熒光素），如圖六右上所示；抑或配製成溶液：溶解0.1克氫氧化鈉於20毫升蒸餾水中，在該溶液中加入熒光素，直到溶液飽和並變成棕色（MEL Science, nd）。儲存在密封的且貼有標籤的瓶子中，如圖6右所示。 [註：若粉末較粗，使用研缽研磨混合物成為細粉狀​​。 〕

圖6：粉末法所需器材及試劑，配方一（左）及配方二（右）

(五)操作步驟

配方一：使用鵝毛棒，在鵝毛處沾一些粉末，如圖七左上。旋轉鵝毛棒，輕觸在隱形指紋的紙面上，如圖七右上所示。然後去除多餘的粉末（可用手指輕彈紙張的背面）。用一片透明膠帶貼住指紋以保護它，剪裁合適大小，用口紅膠貼在指定處。配方二：使用熒光劑顯現指紋，其操作與配方一相同，如圖7左下和右下所示。使用紫外光照射。

圖7：粉末法所需的材料和試劑：配方一（上）和配方二（下）。先用鵝毛棒沾少許的粉末（左上和左下），再來回地輕觸隱形指紋（右上和右下）。

二、寧海準法

在1954年，寧海準法或茚三酮法（Ninhydrin method）開始使用檢測指紋。茚三酮是一種有機化學粉末，在室溫下可溶於乙醇、丙酮或非極性有機溶劑。當茚三酮溶液塗抹或噴霧在隱形的指紋時，茚三酮與指紋殘留物中的氨基酸發生反應，產生一種深紫色的複合物。在室溫下，茚三酮和潛在的胺基酸之間反應可能需要幾天時間，但使用熱量和濕度可以加速反應（Powers Scientific, Inc., nd）。

(一)收集指紋

如前“粉末法”所述。

(二)注意事項

在配製試劑和操作步驟時，必須配戴安全眼鏡和乳膠手套。不慎觸碰到寧海準溶液，在長時間後弄髒衣服、桌面及皮膚。建議試劑現場新鮮配製，因為放置過久的溶液可能會降低顯色效果。待顯現隱形指紋的紙張放在大紙箱內，避免噴霧後污染桌面或物體的表面。

(三)藥品和器材

配方一：茚三酮（Ninhydrin, C ₉ H ₆ O ₄ , CAS: 485-47-2）、乙醇（CH₃CH₂OH）。配方二：茚三酮、異丙醇（C ₃ H ₈ O）、冰醋酸（CH ₃ COOH）、正己烷（CH ₃ (CH ₂ ) ₄ CH）。共同：小燒杯、攪拌棒、噴霧瓶、大紙箱、加熱裝置（烘箱或電磁攪拌器）、膠帶、口紅膠、剪刀，如圖8所示。

(四)配製試劑

配方一：稱取0.5克的茚三酮，放在小燒杯中，加入30毫升的乙醇（或可再加少量的醋酸作為安定劑），攪拌使其混合均勻。將此溶液轉移到貼有標籤的噴霧瓶中（Sodhi & Kaur, 1999），如圖八所示。配方二：放入125毫升的燒杯在電磁攪拌器上，加入30毫升的異丙醇和10毫升的冰醋酸。攪拌使之混合均勻。緩慢地加入5克的茚三酮晶體，並持續攪拌，直到茚三酮完全溶解。此過程可能需要長達兩個小時。加入正己烷直至100公毫升的刻度線，並攪拌均勻（Idaho State Police, 2025）〔註：此溶液可長久保存。若溶液靜置後底部出現黃色沉澱，應避免使用該部分溶液〕。

圖8：寧海準法所需的材料與試劑（配方一）

(五)操作步驟

配方一：準備一個大紙箱，放置隱形指紋的紙張在大紙箱內，如圖9左邊所示。從大約15公分的距離，噴灑茚三酮溶液到紙上，如圖9所示。噴塗溶液的液滴一定要非常的細小，否則指紋脊線易連在一起而難以觀察。稍等片刻，直到大部分溶劑蒸發，然後再次噴塗。讓它完全乾燥。只有在紙面完全乾燥後才會顯現指紋，這可能需要一個小時或更長時間（Sodhi & Kaur, 1999）。 〔快速方式：紙張放入50-70°C的烘箱中或用加熱裝置加熱會加快發生反應，如圖九右所示。 〕配方二：使用浸泡、噴灑或刷塗的方式，應用此溶液於待測物品上。處理後的物品放置於溫暖（約80°C）或濕潤（約65%相對濕度）的環境中，促進指紋的顯現（Idaho State Police, 2025）。

 

圖9：隱形指紋紙放在紙箱中（左）；用茚三酮溶液噴在隱形指紋的紙面上（中）；放在溫熱的電熱板上加熱（右）

三、硝酸銀法

硝酸銀法（Silver nitrate method）的化學反應是指紋中的氯離子與試劑中的銀離子反應生成氯化銀（AgCl），在陽光（紫外光）照射下氯化銀的銀離子（Ag ⁺）還原為金屬銀（Ag ⁰），形成棕褐色的微小銀簇而使隱形的指紋顯現。

(一)收集指紋

如前“粉末法”所述。

(二)注意事項

在配製試劑和操作步驟時，必須配戴安全眼鏡和乳膠手套。不慎接觸硝酸銀溶液，長時間後弄髒衣服、桌面及皮膚。使用紫外線燈必須非常小心，務必無法照射到自己或他人的眼睛。

(三)藥品和器材

配方一：硝酸銀（silver nitrate, AgNO ₃）、蒸餾水。配方二：硝酸銀、蒸餾水、乙醇（CH₃CH₂OH）、冰醋酸（CH ₃ COOH）。共同：報紙或白紙、燒杯、噴霧瓶（可遮光的不透明瓶）、大紙箱、紫外光（太陽、紫外光燈或紫外光手電筒）、膠帶、口紅膠、剪刀。

(四)配製藥品

配方一：125毫升的燒杯中，放入2.5公克的硝酸銀，加入45毫升的蒸餾水，攪拌使其混合均勻。轉移溶液到貼有標籤的噴霧瓶中，如圖10所示，放置在避光處保存（Sodhi & Kaur, 1999）。配方二：在一個125毫升的燒杯中，放入3.0克的硝酸銀，加入10毫升的蒸餾水和90毫升的乙醇，並加入少量冰醋酸，攪拌使之混合均勻，此試劑適用於蠟紙（Illinois State Police, 2024）。

圖10：硝酸銀法配方一所需的材料與試劑

(五)操作步驟

配方一：準備一個大紙箱，放置隱形指紋的紙張在大紙箱內，如圖11左側所示。從距離大約15公分處，噴灑硝酸銀溶液到紙上，如圖11所示。噴塗溶液的液滴一定要非常的細小，否則指紋脊線易連在一起而難以觀察。放置噴塗溶液的紙張在紫外光下（用太陽光或紫外線燈照射），如圖11右所示，在10-15分鐘後指紋即可見到指紋（Sodhi & Kaur, 1999）。配方二：滴加或噴塗硝酸銀溶液待測物體的表面上（適用於多孔性表面，如紙張）。放置於陽光或紫外線光源下照射（Friesen, 2014）。

   

圖11：放置隱形指紋的紙張在大紙箱內（左）；用硝酸銀溶液噴灑隱形指紋紙面上（中）；噴灑後照射紫外光（右）

四、氰丙烯酸酯法

氰丙烯酸酯法或強力膠熏煙法（Cyanoacrylate method / Super glue fuming method）是氰丙烯酸酯在加熱或潮濕環境下發生氣相聚合反應。指紋殘留物中的水分或胺基酸可作為反應催化劑，促使單體開始聚合形成聚氰丙烯酸酯，白色固體沿著指紋脊線沉積，使隱形指紋顯現。

(一)收集指紋

如前“粉末法”所述。

(二)安全注意

在操作步驟時，必須配戴安全眼鏡和乳膠手套。液態瞬間強力膠（如三秒膠）在使用時所釋放的氣體對呼吸系統有刺激性，務必戴上防護口罩避免吸入。

(三)藥品和器材

配方一：透明塑膠片（或透明寶特瓶）、剪刀、液態瞬間強力膠〔俗稱三秒膠，含氰丙烯酸酯（如Methyl Cyanoacrylate, CH ₂ =C(CN)COOCH ₃）〕、熱水（70-80℃）、透明塑膠盒（小型）、飲杯、膠帶、口紅膠、水（70-80℃）、透明塑膠盒（小型）、飲杯、膠帶、口紅膠、水杯、剪刀，配方二：與配方一相同，增加加熱裝置（小型）。

圖12：氰丙烯酸酯法所需的材料與試劑

(四)操作步驟

配方一：剪裁透明塑膠片（或稱透明寶特瓶）成為合適大小（如3公分× 5公分）的塑膠片。輕輕地按壓指紋在此塑膠片上。準備一個可密封的透明塑膠盒，以斜躺方式放置塑膠片在盒內。在盒中放入兩個試飲杯，其中一杯放入適量的（約1毫升）液態強力膠，在另一杯中放入半滿的熱水，如圖13左所示。蓋上盒蓋。約5-10分鐘後，觀察指紋是否顯現〔拿取塑膠盒或塑膠片，對準燈光易於查看〕，如圖13中和右所示。若未顯現，延長時間繼續觀察。待顯現後，取出這塑膠片。配方二：放置物證（適用於非多孔性表面，如玻璃、塑膠、金屬）在密閉盒中。加熱氰丙烯酸酯至約80–100℃，使其蒸發。蒸氣會與指紋殘留物中的水分或胺基酸反應，生成白色聚合物沉積物，勾勒出指紋（Friesen, 2014）。

 
圖13：氰丙烯酸酯一的指紋顯現裝置（左）；對準燈光易於查看是否顯現指紋（中和右）

• 指紋顯現的原理

一、指紋與汗水

指紋是手指末端（指腹）由凹凸皮膚形成的脊椎圖案，能增加手部摩擦力，使抓握物體更穩固，是人類進化自然形成的特徵。汗水是從指紋脊線的汗孔流出來的，汗水的主要成分其實非常單純，幾乎全部是水（約98–99%）和鹽分〔約1%，鈉離子（Na⁺）和氯離子（Cl⁻）〕，其它成分有鉀離子（K⁺）、鈣離子（Ca²⁺）、鎂，其它成分有鉀離子（K⁺）、鈣離子（Ca²⁺）、鎂酸鹽酸離子（Caaker、C.1%，血酸、1%）、血酸、鎂Wolfe, 2020）。皮膚表面感到黏膩或油膩，其實是因為手指接觸到皮脂腺分泌的油脂，這些油脂混合汗水，而不是汗水本身有油性成分。指紋脊線上有許多小汗腺開口，手指經常碰到臉部、頭髮和鼻翼等皮脂腺豐富的區域，讓油脂轉移到指尖。手指和手掌幾乎沒有皮脂腺（Merlo, 2023），因此指紋殘留物其實是一種混合分泌物。法醫化學家常分類指紋殘留物為三大類：(1)水溶性成分：含鹽類、胺基酸、乳酸等（適合以茚三酮法顯現）；(2)脂溶性成分：含三酸甘油酯、角鯊烯、蠟酯（適合以粉末法或溶劑萃取分析）；以及(3)固體與外來微粒：如灰塵、金屬、藥物（如灰塵、金屬、可分析）。

二、指紋顯現的原理

(一)粉末法

指紋顯現的粉末法是藉由粉末吸附在隱形指紋的殘留物上，粉末對水分和油性成分之間有靜電吸引力，以提供良好的可見度和指紋細節的清晰度。影響吸附力的因素有：粉末的顆粒大小、形狀、相對表面積和電荷等。另外，透過混合熒光染料在有色粉末可以克服少量的粉末吸附在指紋上的問題。以下分別以宏觀的粉末層次和微觀的分子層次說明指紋顯現的吸附作用和靜電吸引力，

甲、宏觀層次—以有色粉末吸附水分

紙張（接觸物）、水分（指紋汗）、無機鹽類粉末（載體）及有色粉末（著色劑）之間的宏觀表面吸附作用的示意圖，如圖14所示。

圖14：宏觀層次—以有色粉末吸附水分的表面吸附作用

乙、宏觀層次—以有色粉末吸附油性成分

紙張（接觸物）、油性成分（手指觸摸臉部等部位）、無機鹽類粉末（載體）及有色粉末（呈色劑）之間的宏觀表面吸附作用的示意圖，如圖15所示。

圖15：宏觀層次—以有色粉末吸附油性成分的表面吸附作用

丙、微觀層次—以有色粉末靜電吸引水分

紙張（如纖維素分子）、水分（水分子）、無機鹽類粉末（如碳酸鎂）及紅色粉末（如三氧化二鐵）相互之間微觀的靜電吸引力，如圖16所示。

圖16：微觀層次—以有色粉末靜電吸引水分的靜電吸引力

（纖維素圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose）

纖維素（Cellulose）是由β-D-葡萄糖單元以β-1,4-糖苷鍵連接而成的線性多醣。每個葡萄糖單元上含有三個羥基（–OH），這些官能基是形成靜電作用的關鍵，形成分子內氫鍵（Hydrogen bonding）。

纖維素與水分子之間的靜電吸引力主要來自氫鍵，這些吸引力使纖維素具有良好的親水性與吸水能力。水分子的氫原子（δ⁺）可與纖維素上的羥基氧原子（δ⁻）形成氫鍵。此外，纖維素的羥基氫原子（δ⁺）也可與水分子的氧原子（δ⁻）形成氫鍵。這種雙向氫鍵網絡使水分子能牢固地吸附在纖維素表面或滲入其微孔結構中。羥基與水分子皆具有永久偶極，彼此間可產生偶極–偶極作用力（Dipole–dipole interaction）的取向力，進一步穩定吸附作用。

碳酸鎂（MgCO₃）與水分子之間的靜電作用力主要來自：(1)Mg²⁺與水分子之間：鎂離子帶正電（+），會吸引水分子中偏負電的氧原子（δ⁻），形成強烈的離子–偶極作用力（Ion–dipole interaction）。 (2)CO₃²⁻與水分子之間：碳酸根離子帶負電（–），會吸引水分子中偏正電的氫原子（δ⁺）形成離子–偶極作用力。 (3)CO₃²⁻的氧原子與水分子之間：雖然碳酸根本身不含氫，但碳酸根上的氧原子帶負電荷（δ⁻）可與水分子的羥基的氫原子帶正電荷​​（δ⁺）形成氫鍵（O–H···O=C），這種氫鍵有助於穩定水合結構。

Fe₂O₃中的Fe³⁺是高電荷密度的陽離子，具有強烈的靜電吸引力。 MgCO₃中的碳酸根（CO₃²⁻）有偏負電的氧原子（O²⁻），可與帶正電的鐵離子（Fe³⁺）產生靜電吸引力。此外，Fe³⁺可視為路易斯酸（電子接受者），而碳酸根中的O ²⁻原子可視為路易斯鹼（電子提供者）。在某些條件下（如水合），可能形成弱配位鍵或表面絡合物，這種作用本質上仍是靜電吸引力。

丁、微觀層次—以有色粉末靜電吸引指紋的油性成分

紙張（如纖維素分子）、油性成分（如棕櫚酸分子和油酸分子）、澱粉細粉（如支鏈澱粉分子）、黑色粉末（如活性碳）相互之間微觀的靜電吸引力，如圖17所示。

圖17：微觀層次—以有色粉末靜電吸引油性成分的靜電吸引力

（纖維素和支鏈澱粉的圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose & https://i.sstatic.net/G4ZrU.png）

汗液中含有微量代謝產物（乳酸、尿素及棕櫚酸等），汗腺本身不會分泌油酸（oleic acid），若汗液中混入來自皮脂腺的油酸，這些油酸幾乎全部是順式–油酸（cis-9-octadecenoic acid）。棕櫚酸分子與油酸分子之間會形成三種靜電作用力：(1)兩種羧基（–COOH）之間可形成分子間氫鍵；(2)兩者都擁有長碳鏈，非極性部分之間形成倫敦分散力（London dispersion），特別是油​​酸的雙鍵稍微改變分子形狀，使凡得瓦耳力略減；以及(3)碳氧鍵（C=O）有明顯的偶極（電子密度偏向氧），使整個–COOH區域能產生穩定的永久偶極，且長碳鏈幾乎不帶永久偶極，但在永久偶極偶極子誘導電能極偶極子誘導電能電極或電極偶極子誘導電能電極或電極偶極子誘導電能電極或電極）。

油酸分子（或棕櫚酸分子）與支鏈澱粉分子之間形成兩種靜電吸引力：(1)羧基（–COOH） 的氧氫（O–H）或羰基（C=O）的氧原子（δ⁻）可與澱粉的羥基（–OH）形成氫鍵（O···O–H）；(2)棕櫚酸的極性端（–COOH）可誘導澱粉中非極性碳鏈（–C–H）形成偶極–誘導偶極力。

活性碳的主要成分是碳元素（C），其含量通常高達90%以上，但它並不是純碳。活性碳並非單一化合物，而是一種非晶質碳（amorphous carbon），其結構可視為：許多不規則排列的類石墨層（graphitic layers）堆疊而成，類石墨層之間形成倫敦分散力。類石墨層的π電子雲可瞬時偏移產生短暫偶極，支鏈澱粉中的–OH產生永久偶極，兩者之間形成偶極–誘導偶極力。

(二)寧海準法

寧海準或茚三酮試劑可顯現老舊的隱形指紋。茚三酮與汗水中的胺基酸反應生成紅紫色產物，此反應為寧海準檢測胺基酸的化學基礎，產生特徵性的紫色化合物，同時伴隨二氧化碳、醛與水等副產物，如式[3]所示。

茚三酮與胺基酸的反應機制有三個步驟：(1)形成希夫鹼（Schiff base）中間體：茚三酮與氨基酸在加熱條件下發生縮合反應，失去水分子，形成一個不穩定的中間體，其中茚三酮分子上羰基的碳原子與氨基酸的胺基氮原子形成碳氮雙鍵（CbaseNiff），即希鹼夫）。 (2)中間體分解：形成的中間體希夫鹼會進一步分解，產生二氧化碳、醛及還原的茚三酮分子。 (3)兩分子結合反應：還原的茚三酮分子與第二個茚三酮分子反應，形成一個深紫色的化合物，稱為魯赫曼紫（Ruhemann’s purple）。這個紫色化合物是茚三酮試驗的特徵性產物。

(三)硝酸銀法

硝酸銀可用於顯現隱形指紋的顯色試劑。硝酸銀與汗液中的氯化鈉發生離子沉澱反應，生成固態的氯化銀（AgCl），如式[4]所示。暴露在陽光（紫外光）下，在固態的AgCl上的Cl ^–產生氯自由基（Cl·）和電子，如式[5]所示，並且銀離子（Ag⁺）被還原成金屬銀（Ag ⁰），如式[6]所示，這些銀原子會形成微小銀簇（Ag₂、Ag₃…等短暫的暗色），最終可見的銀色金屬色/銀簇（Ag₂、Ag₃…等短髮色/合併成整體的反應式，如式[7]所示（Singh et al., 2019）。

Ag ⁺ ( aq ) + Cl ^– ( aq ) → AgCl( s ) [4]

Cl ^– ( aq ) + hν → Cl⋅( g ) + e ^–     [5]

Ag ⁺ ( aq ) + e ^‒ → Ag ⁰ ( s ) [6]

2AgCl( s ) 2Ag( _s ) + Cl ₂ ( g ) [7]

(四)氰丙烯酸酯法

強力膠是一種由氰丙烯酸酯（cyanoacrylate）製成的液體化合物，幾乎可以立即形成牢固的粘合。氰丙烯酸酯分子在其他物質存在下會迅速反應，尤其是水。由於幾乎在任何物體上都可以發現一些水痕跡，因此強力膠幾乎可以立即牢固地粘合到任何物體上。甲基、乙基及丁基氰丙烯酸酯是最常見的市售強力膠產品。由於氰丙烯酸酯與水分接觸時幾乎立即發生反應，因此添加少量添加劑（通常是酸）以稍微減緩硬化過程。

在指紋中氨基酸與水分的催化作用下，氰丙烯酸酯單體開始聚合反應，生成帶負電的氰丙烯酸酯陰離子（cyanoacrylate anion）和氫離子（陽離子），然後此陰離子與第二個氰丙烯酸酯分子反應，如此繼續發生聚合反應，形成長鏈的聚合物，聚合脊鏈殘留成堅固的白色塑料網，覆蓋於指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的在指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的在在指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的指紋殘留物的表面上，然後顯示出指紋殘留物的指紋殘留物的指紋。此聚合反應過程的宏觀層次示意圖，如圖18所示。

 

圖18：在指紋中水分子的催化作用下，氰丙烯酸酯發生聚合過程的示意圖。

氰丙烯酸酯發生聚合反應，以分子結構式表示，微觀層次的反應過程，如式[8]和[9]所示。

+ H ⁺     [8]

  [9]

(五)熒光發光的原理

光致發光（Photoluminescence）是指物質吸收光或其他電磁輻射後再度放出光的現象。許多物質在紫外光照射下會發出有色可見光，即所謂的熒光（fluorescence），它是光致發光的主要形式之一。發射光的顏色取決於物質的化學組成。當分子吸收入射光的能量後，會激發至較高能階；當其回到低能狀態時，就會釋放光。由於放射光的波長通常較長、能量較低，因此熒光物質常吸收紫外線並發出可見光，呈現明亮色彩（Öztürk & Tezcan, 2022）。

在1933年波蘭物理學家亞歷山大·賈布隆斯基（Aleksander Jabłoński）提出賈布隆斯基圖（Jablonski diagram），說明分子在吸收光能後，電子從基態（S ₀）躍遷到激發態（S ₁、S ₂），並且隨後如何通過各種過程（如熒光、磷光、如圖19）所示。圖式說明如下：吸收（Absorption）：電子吸收光子能量，從基態（S ₀）躍遷到激發態（S ₁、S ₂）。在熒光（Fluorescence）方面：電子從激發單重態（S ₁）直接回到基態（S ₀），並發射光子，這個過程通常很快。在磷光（Phosphorescence）方面：電子從激發三重態（T ₁）回到基態（S ₀），並發射光子，這個過程比熒光慢。熒光和磷光放射光涉及的過程有三種形式：(1)內轉化（Internal conversion）：電子在同一個自旋多重態內（如S ₁到S ₀或S ₂到S ₁）的無輻射躍遷的過程；(2)系間穿越（Intersystem crossing）：電子輻射在不同的自旋階段之間（如S 1T _{113 ）}；relaxation）：電子在激發態內，透過與周圍分子碰撞，以熱能形式釋放多餘的振動能量的過程（Straughan & Walker, 1980）。

圖19：賈布隆斯基圖

熒光放射的過程由三個重要過程控制（Zeiss Campus, nd）：(1)開始過程：入射光激發敏感分子的電子，發生時間在飛秒（10 ^-15秒）內。 (2)中間過程：激發態電子以振動弛豫的形式釋放能量到較低能階的過程，發生時間在皮秒（10 ^-12秒）。 (3)最後過程（熒光放射線）：放射波長較長的光子，並釋放能量使分子返回基態，發生時間在相對較長的奈秒（10 ^-9秒）內。

• 聚斂性問題解決：顯現隱形指紋密碼開鎖獲得金幣

一、競賽前教師準備材料及物品

1.指紋顯現所需的材料及試劑，有四類：粉末法、寧海準法、硝酸銀法及氰丙烯酸酯法，如「指紋顯現的操作步驟」一節所述。

2.事先改善收納袋：拉鍊收納袋（不同尺寸，可依大小依序放入袋內；若拉鍊拉片與掛環扣之間的連接過於鬆散，可打結拉鏈頭的連接繩一至兩次來縮短長度） 4個、PP瓦楞板（其面積應略小於收納袋並可置入袋中，以防止未依規定打開左收納袋） 4片、密碼鎖（每個鎖有​​三個數字碼，教師須依提示單的提示預先設定並記錄密碼） 4個，如圖20右所示。

圖20：四個大小不同的收納袋、四片PP瓦楞板及四個密碼鎖

3.每組競賽所有物品：除上述改善收納袋的三件物品外，還有競賽規則和開密碼鎖過程說明1張、指紋開鎖提示單4張、指紋競賽紀錄表（用於記錄成功開鎖的時間及名次，詳見第三階段的學習單的內容） 1張、對折小紙（教師預先準備好每張內頁的兩頁

圖21：每組開鎖的組合物：放入PP瓦楞板在袋內，其餘放在袋外（左）；放入3張提示單、2張指紋紙和1片塑膠片以及4個巧克力在金幣袋內，其餘放在袋外（右）

4.收納袋組合物：依收納袋大小，逐一地最小袋_次小袋_次大袋_最大袋，如圖22左所示。在開始競賽時，發給每組四種張紙和一套收納袋組合物件，如圖22右邊所示。

圖22：一套收納袋組合物件（左）；開始競賽時，發給每組四張紙和一套收納袋組合物件（右）

5.每組獎品：四個巧克力金幣〔每人一個，放在最小袋（最內層）內，用PE夾練袋包住，避免污染〕、競賽獎品（依名次給予不同等級的獎品），教師事先準備，放在公共區域。

二、競賽規則

1. 本指紋競賽的各組有四個不同大小的拉鍊收納袋，第一袋（最大袋）放在最外層，第四袋（最小袋）放在最內層。每一個收納袋都被一個號碼鎖住。
2. 在開始競賽時，直接發給各組第一張隱形指紋紙和第一張開鎖提示單，不放在袋內；其餘有隱形指紋的二張紙張和一片塑料片、三張開鎖提示單分別放在第一袋（最外層）、第二袋（中外層）及第三袋（中內層）內；四個巧克力塊放在第四袋（最內層金幣）內。
3. 依照指紋顯現的指定方式和提示單的提示，找到開鎖的密碼，依序打開第一袋（最外層）、第二袋、第三袋及第四袋（最內層）的密碼鎖。
4. 成功打開第四袋密碼鎖的組別，每人有獲得一個巧克力金幣；在規定的時間內，未成功開鎖第四袋的組別不可獲得金幣。此外，成功開鎖的前三名給予不同等級的獎品。

三、解開密碼鎖過程

解開密碼鎖的過程如圖23所示：

1. 在開始競賽前，發給每組一張競賽規則和開密碼鎖過程及一張競賽紀錄表，並且教師解說競賽規則和開鎖過程；
2. 在開始競賽時，發給每組第一張隱形指紋紙和第一張開鎖提示單；
3. 經過顯現指紋後，利用第一張開鎖提示單解開第一袋（最外層）的密碼鎖；
4. 取得第一袋內的第二張隱形指紋紙和第二張鎖提示單；
5. 經過顯現指紋後，利用第二張鎖提示單解開第二袋（中外層）的密碼鎖；
6. 取得第二袋內的第三張隱形指紋紙和第三張鎖提示單；
7. 經過顯現指紋後，利用第三張開鎖提示單解開第三袋（中內層）的密碼鎖；
8. 取得第三袋內的第四張隱形指紋塑膠片和第四張鎖提示單；以及
9. 經過顯現指紋，利用第四張鎖提示單解開第四袋（最內層）的密碼鎖，獲得巧克力金幣。

圖23：解開四道密碼鎖取得金幣的過程

四、隱形指紋紙和開鎖提示單

1.第一張隱形指紋紙和第一張鎖提示單（不放在袋內，直接發給）

直接發給各組（不放在袋內）第一張隱形指紋紙和第一張開鎖提示單。此指紋紙對折內頁的兩邊分別有三個不同的隱形指紋（兩邊相同），限制以「粉末法」顯現指紋。在顯現指紋後，利用第一階段上課講義的圖二指紋初步分類類型（有三種）作比對，找到下面三項提示的編號作為第一袋（最外層）開鎖密碼。 （註：指紋的圓弧處為上方）

• 左邊的指紋類型編號為開鎖的第一碼。
• 中間的指紋類型編號為開鎖的第二碼。
• 左邊的指紋類型編號為開鎖的第三碼。

2.第二張隱形指紋紙和第二張鎖提示單（裝在第一袋內）

在成功打開第一袋（最外層）之後，取得在袋內第二張隱形指紋紙和第二張開鎖提示單。此指紋紙對折內頁的兩邊分別有一個隱形指紋（兩邊相同），限制以「寧海準法（或茚三酮法）」顯現指紋。在顯現指紋並比對後，利用第一階段上課講義的圖2、圖3及圖4作比對，找到下面三項提示的編號作為第二袋（中外層）開鎖的密碼。 （註：指紋的圓弧處為上方）

• 以圖2的指紋初步分類類型（有三種）作比對，找出對應的編號作為開鎖的第一碼。
• 用圖3的指紋細部類紋路（有八項）作比對，找出該指紋有幾個符合細節特徵點，符合項數作為開鎖的第二碼。
• 以圖4的指紋細節特徵作比對，用直尺測量此指紋的三角形（Delta）與核心（Core）的之間的距離，用其毫米（mm）數的個位數作為開鎖的第三碼。

3.第三張隱形指紋紙和第三張鎖提示單（裝在第二袋內）

在成功打開第二袋（中外層）之後，取得袋內第三張隱形指紋紙和第三張鎖提示單，該指紋紙對折內頁的兩邊分別有一個隱形指紋（兩邊相同），限制用「硝酸銀法」顯現指紋。在顯現指紋後，利用第一階段上課講義的圖2和圖4作比對，找到以下三項提示的編號作為第三袋（中內層）的開鎖密碼。 （註：指紋的圓弧處為上方）

• 以圖2的指紋初步分類類型（有三種）作比對，找出對應的編號作為開鎖的第一碼。
• 以圖4的指紋細節特徵作比對，用直尺測量核心（Core）與最近核心的三角形（Delta）之間的距離，用其毫米（mm）數的個位數當作開鎖的第二碼。
• 以圖4的指紋細節特徵作比對，用直尺測量兩點/島（Dot / Island）之間最近的距離，用其毫米（mm）數的個位數作為開鎖的第三碼。

4.第四張隱形指紋塑膠片和第四張開鎖提示單（裝在第三袋內）

在成功打開第三袋（中內層）之後，取得袋內有一片隱形指紋塑料片和第四張開鎖提示單，這塑料片的左右兩側分別有一個隱形指紋（兩側相同），限制用“氰丙烯酸酯法”顯現指紋。在顯現指紋後，利用第一階段上課講義的圖4作比對，找到下面三項提示的編號作為第四袋（最內層）的開鎖密碼。 （註：指紋的圓弧處為上方）

• 以圖4的指紋細節特徵作比對，用直尺測量這雙迴紋的兩核心（Core）之間的距離，用其公釐（mm）數的個位數作為開鎖的第一碼。
• 以圖4的指紋細節特徵作比對，用直尺測量這雙回形中順時針紋路的短脊線（short ridge）或點/島（Dot / Island）與其核心（Core）之間最短的直線距離，用其公釐（mm）數的個位數作為開鎖的第二碼。
• 以圖4的指紋細節特徵作比對，用直尺測量這雙回形中逆時針紋路的分叉（Bifurcation）與其核心（core）之間最短的直線距離，用其毫米（mm）數的個位數當作開鎖的第三碼。

• 擴散性問題解決：設計並試用指紋顯現技術

一、設計一：局部修改並試用指紋顯現技術

在設計一：「局部修改並試用指紋顯現技術」的活動中，首先要求每位同學通過網絡查詢並記錄一種現有的指紋顯現技術，包括方法名稱、概要、原理、來源、配方及步驟等，再由小組共同討論改良方案，考慮藥品器材取得與安全後提出可行建議，列出原版與修改版所需材料與試劑配製方式。完成討論後，小組實際操作兩種技術、記錄步驟並比較效果，然後發表成果（包括方法、試劑、步驟及品質），最後撰寫心得反思學習過程和收穫，同時於發表後銷毀已顯現出的指紋。具體詳細的內容，請見四個階段：擴散性問題解決：設計並試作指紋顯現技術_學習單>。

二、設計二：創意設計並試用自己組的指紋顯現技術

在設計二：「創意設計並試指紋顯現技術」的活動中，運用學到的指紋顯現知識，創新設計一種不同於以往方法的新顯現技術，詳細說明你的試劑配方、操作流程及注意事項，並闡述相關科學原理。小組合作進行試作，記錄和比較自製技術與現有方法的效果，然後依序發表成果，包括顯現操作步驟、試劑調製及成果的品質，最後撰寫個人心得與感想，反思所學與提出建議，同時於發表後銷毀已顯現出的指紋。具體詳細的內容，請見〈第四階段：擴散性問題解決：設計並試作指紋顯現技術_學習單」。

• 課綱條目與教學目標

1.在《十二年國民基本教育課程綱要》中，自然科學領域的學習表現主要聚焦於科學探究而非問題解決，而且兩者在本質上沒有嚴格的區分。雖然此課程強調理解自然現象、建立科學理論的探究歷程，但是對設計應用或實際技術問題解決描述相對較少，因此涉及問題解決的教學條目並不多（教育部，2018）。

• 在「觀察與定題」方面：〔必修〕po-Vc-2能依據觀察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，確認並提出生活周圍中適合以科學方式尋求解決的問題。 〔加深加廣〕Po-Va-2：與po-Vc-2大致相同。
• 在「計畫與執行」方面：〔必修〕pe-Vc-2 能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源，能適度創新改善執行方式。 〔加深加廣〕Pe-Va-1 有效率地規劃優化的實踐問題解決活動。 pe-Va-2：與po-Vc-2大致相同。
• 在「分析與發現」方面：〔必修〕pa-Vc-1 能合理運用思考智能、製作圖表、使用資訊及數學等方法，有效整理資訊或數據。 〔加深加廣〕pa-Vc-1：與pa-Vc-1大致相同。
• 在「討論與傳達」方面：〔必修〕pc-Vc-2 能利用口語、影像（例如攝影、錄像）、文字與圖案、繪圖或實物、科學名詞等，呈現探究之過程、發現或成果（註：這方面呈現問題解決的過程與科學探究雷同）。 〔加深加廣〕pc-Va-2：與pa-Vc-1大致相同，只是增加「選擇合適的發表方式和途徑」。
• 在「培養科學探究的興趣」方面：〔必修〕ai-Vc-1 透過成功的問題解決經驗，獲得成就感。 〔加深加廣〕無。
• 在「物質的結構與功能」方面：CCb-Va-4 分子形狀、結構、極性及分子間作用力。學習內容說明：4-1 鍵極性、鍵偶極與極性分子，不涉及鍵偶極矩的計算。 4-2 分子形狀與分子極性。 4-3 分子間作用力（氫鍵與凡得瓦力）。
• 在「有機化合物的性質、製備及反應」方面：CJf-Va-4 常見聚合物的一般性質與分類。學習內容說明：4-1 聚合物單體（同元與共聚物）。 4-2 聚合反應的種類（加成與縮合）。 CJf-Va-5 常見聚合物的結構與製備。學習內容說明：5-2 天然橡膠、澱粉、纖維素、蛋白質及核酸的結構。

2.預期達成四項學生學習目標：(1)從動手做實驗的過程中，學會顯現指紋的操作技術；(2)理解顯現指紋的原理和概念；(3)熟知指紋辨識原理與應用；以及(4)樂意地繼續進行聚斂性問題解決與擴散性問題解決。

3.本教學分為四階段進行，教學時間分配如下：

第一階段：（第1-2節）教師解說三種指紋初步類型、八種指紋細部分類、十一種指紋細節特徵及傳統與現今的指紋辨識系統，並寫出問題的答案。師生共同準備所需藥品及器材並配製試劑。

第二階段：（第3-4節）學生實際操作四種指紋顯現技術並熟知其原理，並寫出問題的答案。

第三階段：（第5-6節）進行「聚斂性問題解決：顯現隱形指紋密碼開鎖獲得金幣」，包括教師說明指紋遊戲的競賽規則和解開密碼鎖過程，學生實際操作步驟並撰寫問題的答案。

第四階段：（第7-8節）進行「擴散性問題解決：設計並試作指紋顯現技術」，包括兩種不同開放程度的設計：(1)局部修改並試做指紋顯現技術，和(2)創意設計並試作指紋顯現技術；各組分享成果並撰寫問題的答案。

4.關於「第三階段：聚斂性問題解決：顯現隱形指紋密碼開鎖獲得金幣」，強烈地建議教師自行設計四份提示單的提示描述當作開鎖密碼，不必完全依照作者的設計內容。

5.事先評估學生動手做實驗的風險是教師的責任。

• 結語與建議

一、學生學習心得歸納與彙整

作者逐一閱讀大一學生修習「普通化學實驗」的「指紋」學習心得，從他們的心得中歸納出多項反映經驗的概念。這些概念大致可係統化整合為六類：認知、情緒、行動策略、困難與挫折、合作互動，以及反思與態度。

(一)知識與認知建構：多數學生表示先前僅在影片中看過採集指紋，對於指紋類型、脊線特徵、比對方法均屬首次深入理解。有學生指出：「原來指紋不是只有迴旋紋與漩渦紋那麼簡單，各種細節會影響比對準確度。」（S14），此類描述顯示學生透過實踐活動「重新認識」指紋，不僅增強既有概念，也開始形成更精細的知識架構。

(二)技術操作與挑戰：幾乎所有學生在描述中都提到實驗過程的難度。尤其是硝酸銀與粉末顯現指紋兩項操作，常因噴灑量、距離、手汗量及紙張材質等變數導致結果不如預期。例如某學生寫道：「以為噴一噴就會成功，沒想到太接近噴會糊掉、太遠則完全沒有指紋。」（S7），許多學生也記錄自己多次嘗試後才逐漸掌握技巧，顯示出「反複調整策略」是典型的學習行為。

(三)情緒波動（從挫折到成就）：情緒是本次實驗中最豐富的主題之一。學生頻繁提及挫折、焦慮、沮喪，如「我以為會很快，但一開始完全做不出來，有點崩潰。」（S32）；但另一方面，一旦成功顯影或順利比對，情緒轉折也非常明顯，又如：「當指紋顯出來那一刻真的超級興奮，像破案一樣。」（S20），這些描述出實踐能帶來高強度參與的情緒。

(四)合作與互助：多數學生提到分工與互相觀察策略的重要性。尤其在困難階段，學生常「看別組怎麼做」、「討論有哪些細節需要修正」。有學生寫道：「本來都做不出來，是看到別組用不同角度噴，我才突然成功。」（S9）合作不僅提升效率，也形成一種「共同解題」的課室文化。

(五)競賽遊戲化任務帶來的投入感：在進行指紋比對競賽時，學生普遍表示緊張與刺激：「時間壓力讓我突然變得超專心。」（S3），遊戲化帶來的競爭與情境感，使學生在接近真實的任務中應用所學，而非僅停留在操作層次。

(六)反思與態度轉變：許多學生在回饋後段展現高度反思。例如：「做完才知道預報的重要，下次不敢再不看。」（S18）或「原來取證工作比想像中精細，要非常有耐心。」（S26），這顯示實踐與遊戲化任務不僅提陞技能，也促進學習態度的改變。

二、對各學習階段教學內容的建議

作者已完成四階段教學的教材與學習單之設計（詳見附錄），主要提供大學與高中教師作為教學參考。由於「顯現指紋」的技術操作稍有難度常有不完美，相關內容實質上相當多樣，而且涉及多項深度原理和概念。若作為不同學習階段的教材，適度選用教材和調整教學內容極為必要。以下為作者針對各學習階段給教師的教學建議：

(一)大學階段：大一學生已學過「分子形狀、結構、極性及分子間作用力」與「常見聚合物的結構與製備」，因此相當適合在「普通化學實驗」課程中實施此主題，作為結合理論與實踐的良好契機。然而，關於「類石墨分子結構」與「熒光發光原理」的部分，仍建議教師補充相關背景知識，或引導學生進行更深入的討論。

(二)高中階段：高二通常教授「鍵極性、鍵偶極與極性分子、分子形狀與分子極性、分子間作用力（如氫鍵、凡得瓦爾力）」；高三則教授「聚合物單體、常見聚合物的結構與製備，以及天然橡膠、澱粉、纖維素、蛋白質與核酸等大分子的基本結構」。若學生在接觸「指紋」主題前尚未學過上述的知識，建議教師安排於有充裕時間的「專題研究」、「微課程」、「主題式課程」、「多元選修」或「探究與實務」課程中實施；至於「類石墨結構」與「熒光發光原理」相關內容，則建議教師預留更多的教學時間。

(三)國中與小學階段：僅需著重於「指紋的認識」與「技術操作」兩部分；至於原理與概念方面，可配合本文提供的宏觀示意圖簡化講解；並建議省略第三與第四階段「問題解決取向」的較高層次學習活動。若有充裕時間的彈性課程（如國中「跨領域整合主題/專題/議題探究」和「社團活動」），建議增加第三階段「問題解決取向」的較高層次學習活動。

三、對教學策略的建議

強烈建議本實驗的教學採用「先做後講」（activity-before-concept），亦即「先動手做實驗再理解科學原理和概念」，讓學習者先動手做顯現隱形指紋的技術操作，激發學生從不可見可見指紋的好奇心與求知慾，然後回頭理解其背後的原理，培養學生對概念的直覺理解，而不是被動的直覺理解。美國教育家John Dewey強調「從做中學」，認為學習應該建立在直接經驗的基礎上，透過反思將經驗轉化為知識，強調在實踐中學習和反思的重要性（Cloke, 2025）。一項研究對象為中學及大學階段的科學課學生，比較「先講後做」與「先做後講」兩種教學順序。研究結果顯示：先動手操作的學生在後續的概念學習、遷移能力及批判思考上表現較佳。研究指出，實踐會創造「認知需求」（cognitive need），讓學生更願意理解背後的科學原理（Alphonso et al., 2021）。

• 附錄

第一階段：指紋類型與特徵與其辨識原則與應用_上課講義與學習單

第二階段：指紋顯現操作步驟和顯現的原理_上課講義和學習單

第三階段：聚斂性問題解決：顯現隱形指紋密碼開鎖獲得金幣_教師手冊及講義與學習單

第四階段：擴散性問題解決：局部修改和創意設計並試作指紋顯現技術_學習單

• 致謝

通訊作者感謝曾擔任國立彰化師範大學「普通化學實驗」的教學助理且積極付出者，包含方浩羽、鄭舜竹、何孟潔、曾育浩、徐佑武、王楨、張元宇、李錡峰、廖儷雯、覬覦木、賴澗、曾江緯、蔡紀。

• 參考文獻

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