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 ／ 陳楨鈺、劉璟儀、王秋雯、林靜雯

星期四 , 4, 12 月 2025 編輯助理 國內外化學教育交流, 第六十二期/2025年12月 在〈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 ／ 陳楨鈺、劉璟儀、王秋雯、林靜雯〉中留言功能已關閉

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

陳楨鈺1,2、劉璟儀1、王秋雯1,3、林靜雯1*

1國立臺北教育大學自然科學教育學系

2新北市民安國小

3桃園市永順國小

Email: jwlin@mail.ntue.edu.tw

摘要：本文以國小六年級「物質粒子模型」（Particle Model of Matter, PMM）課程為例，設計兩節結合生成式 AI 的建模課程，帶領學生建立（Generation）、評鑑（Evaluation）與修正（Modification）的建模循環歷程。課程中，學生先以語言建構初始類比模型，再透過 AI 生成圖像，使抽象概念得以具象化，進而比較並修正模型。在此過程中，教師適時提供引導與鷹架，提醒學生聚焦於「粒子運動」與「能量來源」等核心概念，並示範如何修正提示詞（Prompt），避免學生過度著重在圖像細節修正而忽略科學內涵。同時，學生靈活運用 PAD 評鑑標準：科學合理性（Plausibility，P）、經驗與想像的對齊性（Alignment，A）、圖像細節（Detail，D），特別是在後期建模階段，以圖像細節（D）成為主要策略，學生能積極提出修正指令，展現多次觀察與反思後的主動學習與後設認知發展。課程成果顯示，生成式 AI 的視覺回饋不僅降低了語言表達的門檻，也支持學生持續修正內部模型，深化對粒子概念的理解。本文提供具體的教學流程與策略，展現生成式 AI 在小學自然課程中輔助建模教學的可行性與價值，並為教師設計建模活動提供實務參考。

  • 前言

臺灣《十二年國民基本教育課程綱要》首次將「建立模型」列為國小自然領域的學習表現，並將「物質由微小粒子組成，且粒子不斷運動」等微觀概念下移至高年級（教育部，2018）。此一改革挑戰了傳統以觀察與操作為主的教學模式，也使教師必須重新思考如何設計建模活動，以協助學生理解看不見、摸不到的現象，並逐步發展以模型解釋現象的能力（Harrison & Treagust, 2000）。

物質粒子模型（Particle Model of Matter, PMM）作為科學的重要核心概念，主張所有物質由不斷運動的粒子組成。然而，學生往往難以從直觀的「物質連續觀」轉變為「粒子觀」，並傾向以巨觀經驗來解釋現象（Lee et al., 1993）。即使是資深教師，在 PMM 教學中也可能存在概念模糊（Chen & Lin, 2024）。為釐清教學重點，林靜雯（2024）提出八項核心粒子命題，並結合 Merritt和Krajcik （2013） 的心智模式分類，凸顯了類比建模在 PMM 教學中的潛力。然而，學生在語言表達上經常受到限制，導致難以清楚呈現其類比模型的結構，使教師難以判斷其理解（Harrison & Coll, 2008）。

隨著人工智慧技術的發展，生成式 AI（Generative Artificial Intelligence, GenAI）為此問題提供了新的解決途徑。AI 的圖像生成能將抽象概念具象化，成為學生理解與建構科學模型的視覺中介（Gilbert, 2005）。透過 GenAI 支援的類比建模，學生可以先以語言描述類比，再由 AI 轉換為圖像，降低語言表達門檻，並讓教師能獲得可視化依據以提供回饋。AI 的快速迭代特性亦能促進學生持續探索與驗證想法（Windschitl et al., 2008），同時透過圖像比較與修正激發後設認知（Murphy et al., 2025；Pluta et al., 2011）。

本文旨在設計並實踐一套以生成式 AI 為支持工具的類比建模教學，用以協助學生在學習物質粒子模型的過程中外化、評鑑並修正其心智模式。

  • AI輔助類比建模教學設計

一、傳統 GEM 歷程

科學教育研究指出，建模並非一次性的產物，而是持續建立、評鑑與修正的循環歷程。Khan （2007） 所提出的 建立—評鑑—修正（Generation–Evaluation–Modification, GEM） 模型發展歷程，即強調學生應在不斷比對與反思中逐步精煉模型。

在傳統的建模教學中，學生通常先觀察現象並以語言描述初步模型（建立），再透過與實驗證據或模擬的比較進行檢視（評鑑），最後依據差異調整模型（修正）。例如在「墨水於冷水與熱水中擴散」的活動中，學生可能初步以「墨水慢慢散開」描述現象，經過與影片對照後，發現需要補充「溫度影響粒子運動速度」的概念，於是修正語言模型，使之更具科學解釋力。這樣的 GEM 歷程提供了學生發展心智模式的基本框架。

二、AI 融入 GEM 的原則

然而，在實際操作中，學生經常因語言表達有限而難以完整呈現其心智模型，使教師不易辨識其理解。生成式 AI 的圖像生成技術，能將語言轉化為具體可見的表徵，成為學生進一步建構、比較與修正模型的中介。本課程選擇免費版本ChatGPT4o的圖像生成功能作為中介工具，學生能以免費額度獲得相對穩定的生成圖像，並搭配歸納出以下三項核心原則，分別對應 GEM 的三個建模階段。

原則一（對應 G：建立）——語言轉圖像，降低抽象門檻

首先，學生建立出語言初始類比模型，再透過 AI 將語言描述轉換為圖像。這個過程幫助學生把「腦中的想法」外化，減少語言表達上的障礙。

原則二（對應 E：評鑑）——視覺回饋中介，啟動評鑑與後設認知

AI 圖像不是正解，而是「鏡子」，忠實反映學生語言模型的不足。學生透過比較 AI 圖像與現象或學習單，能更快覺察概念缺漏，並提出修正依據。

原則三（對應 M：修正）——循環對照，深化科學概念

學生在語言模型、AI 圖像和實驗現象之間反覆對照與修正，逐步從巨觀直覺過渡到微觀粒子觀，並建構出更完整的科學模型。

GEM 架構中建模是持續演進與反思的歷程，而非一次性的活動。接著，本研究以G.E.M.三階段分別設計兩節以物質粒子模型為主題的教學課，以進行循環的建模歷程。

三、兩節課的設計實踐

依據上述的GEM架構，設計了兩個循環的 GEM 循環，分別安排於兩節課中（圖1），形成「語言模型 → AI 圖像模型」的進階歷程：

圖1：GEM圖

第一節課（傳統 GEM 循環）
課程開始前，教師先引導學生討論「什麼是模型」與「什麼是類比」，建立基本概念。接著進入正式活動，學生觀察「墨水在熱水與冷水中的擴散差異」，嘗試以語言描述其初步模型（建立，G）。在此基礎上，教師提供影片觀察與結構化學習單（圖2），幫助學生對照自身模型與現象，檢視其中的一致性與不足（評鑑，E）。學習單上方呈現現象，下方要求學生以類比對應填寫出自己的類比模型，並利用色塊標示關鍵概念，使學生更容易對應「能量來源」「運動行為」等核心元素。最後，在教師引導下，學生根據評鑑結果修正文句，補充粒子運動與能量來源等科學概念（修正，M）。本節課的產出是語言模型，為第二節課奠定基礎。

圖2：結構化學習單內容舉例

第二節課（AI 融入 GEM 循環）
在第二節課中，學生以上一節課完成的語言模型為起點，透過ChatGPT生成式 AI圖像模型（建立，G）。學生觀察 AI 生成的圖像，並與語言模型與實驗影片對照，覺察圖像呈現與科學概念的落差（評鑑，E）。在這一過程中，教師會適時提醒學生檢查圖像是否能表現出「粒子運動變快」或「能量來源」等重點，協助他們重新聚焦於科學建模的意涵。同時提供語言鷹架支持，示範如何修正提示詞（Prompt），協助學生將對應的概念更清楚地描述說明在提示詞之中。透過這些策略，學生與 AI 的反覆互動中，能逐步調整圖像細節與科學概念，並持續回到現象影片與學習單作比對（修正，M）。這使學生能夠逐步將抽象的粒子模型外顯化，發現並補足概念缺漏，最終完成 AI 圖像最終模型。在此同時，AI 的視覺回饋不僅降低語言表達的門檻，教師的引導也促進學生對模型品質的反思與修正，進一步展現出後設建模知識的發展。

  • 課堂執行說明

本次教學分享的對象為桃園市某國小六年級學生，共九名，並分成三組進行課程活動，為了更能清楚觀察學生與AI的互動情形，此次選擇的學生來自自治市團隊與科學社團，這些學生平時在校內外已有豐富的課外活動與合作經驗，具備良好的互動默契，能促進小組間自然的對話與協作，有助於示範課程中建模與評鑑活動的順利推展與真實呈現。未來若推廣於課程中，則推薦參與人數為3人以下的組別，以減少學生被非課程內容吸引的可能性或是意見不同無法取得共識等情形發生。

一、課堂探究歷程：學生類比粒子模型的演變

透過上述學生進行的二節課類比建模課程任務，學生依序發展出四個模型：初始語言模型、AI圖像模型一、AI圖像模型二、AI圖像最終模型。在此建模歷程中，學生的思考以及概念是如何建構呢? 以及又是如何提出提示詞給AI以修改自己的模型呢?以下針對三組學生在這四個模型發展階段說明：

  • 初始語言模型

由圖3所示，觀察三組在初始語言模型中，多數的類比是先以巨觀的角度進行描述，並未將粒子概念融入其中。不過也發現設計的語言模型架構下，學生都能明確對應出「能量來源」的概念，也能描述到「運動」的行為，這也顯示模型架構的必要性，有利於學生清楚掌握到教師想要傳達的概念為何。透過階段式的引導，讓學生能在建模起始階段即清楚聚焦於關鍵概念的建構，為後續的模型修正與深化奠定基礎。

圖3 : 三組於PMM建模歷程中形成的模型圖例

（二） AI圖像模型轉變

接著加入了AI工具後，學生開始形成類比圖形模型: AI圖像模型一，學生檢視AI圖像，意識到語言模型的不足之處，並針對圖像中缺少的概念進行補充， 例如: 第一組學生發現AI圖像模型一的圖都是單獨一隻黑色的鳥，雖然給了四隻，但都是不同場景，單獨的，沒有數量以及運動的概念，所以認為是未給予【類比】概念的關係。因此修正給予生成式AI的對話，句尾增加:「沒有類比?說產生類比的圖」。而當AI 圖像模型二產生後，有學生發現圖像模型二缺少了粒子運動變快的相關概念，從學生互動的對話中可以看出嘗試在初始的語言模型增加語句「…加熱使墨水粒子運動加快… 」以及「黑色的鳥進入森林中，…運動變快活動變大」反覆進行修正。在「粒子運動變快」概念上，學生便再經過四次修正，最後獲得滿意的AI圖像最終模型（見圖4）。

圖4：第一組獲得AI最終模型的三次修正圖

    另外，在T3組，學生也發現到產生的AI圖像模型一缺少了初始語言模型概念，因此學生討論後給予AI指令描述為：「很多小螞蟻，糖果小一點」，在「螞蟻」、「糖果」兩個概念上學生與生程式AI來回互動了四次，產出四張圖像（如圖5），最後形成了AI圖像模型二。

圖5 : 第三組獲得AI圖像模型二的四次修正圖

     然而AI圖像模型二的圖形，學生又查覺到能量與運動概念未展現，於是給了提示語：「甜食使螞蟻運動變快」以及「要看起來快點」開始進行修正。經過與生程式AI互動了六次（有一次未產生圖，生成式AI呈現的是解釋甜食與運動的關係文字），共產出五張圖像（圖6），最後一張即為AI圖像最終模型。

圖6 : 第三組獲得AI最終模型的五次修正圖

如上述範例，圖像一二兩階段的圖像模型是在學生的反覆討論與互動後，不斷增加模型的概念完整度，而反覆修正後，學生在最終模型階段都能回歸到初始語言模型的框架進行對應，表示在與AI對話的過程中，透過視覺化的圖像補足缺乏的概念後，第一節課所提供給的「結構化學習單」，這時便發揮其連結的功能，幫助學生再次回到現象的彩色框進行對應，因此可以發現三組學生在此階段，均著重於強調「運動」的行為對應，這已突破了初始語言模型的巨觀概念，改變成具備微觀概念的「運動」。學生透過生成式AI將語言模型視覺化後，能進一步發現模型中的概念缺漏並進行修正，啟動了後設認知，明顯提升了心智模式。展現了 Schwarz 等人（2009）所稱的「後設建模知識」中關於模型本質、修正依據與限制的理解歷程。也補足了Schwarz和White（2005）指出學生在模型評鑑能力上的不足。生成式AI圖像提供了一個視覺化、可外顯的中介，有效促進學生進行模型品質的自我評估與調整。

二、學生如何使用PAD評鑑標準在建模歷程中的動態發展

在生成式AI輔助下，學生將語言模型表徵轉換成圖像後，更能發現到其模型所需要補足的概念，於是強化了其模型評鑑與修正，歷程中學生如何評判圖像以決定是否完成，我們從錄影中所轉錄的學生對話逐字稿，以及整理學生對AI所提出的指令，先行根據建立G、評鑑E、修正M三個建模階段分段後，再依據 Lemke（1998）所提出的語言功能架構，將上述資料中的語句從三個面向來觀察與評估。首先是科學合理性 (P)，強調生成圖像是否符合基本的科學原理與常識；其次是經驗與想像 (A)，關注圖像與學生自身生活經驗及預期想像的契合程度；最後是圖像細節 (D)，著重於學生對圖像中元素與視覺特徵的要求。這三種標準共同反映了學生在運用生成式 AI 時，如何在科學正確性、個人經驗連結與視覺呈現之間取得平衡。觀察結果如下：

  • 模型建立G階段

在將初始語言模型輸入給生成式AI指令時，雖然是依據第一節課的「結構化學習單」，但是輸入時，學生會將語句反覆斟酌，這時學生已經在進行自己初始語言模型的評鑑。三組學生在此時都聚焦在用什麼樣的語句準確的傳達所需要的類比模型，並設定條件。

比較三組學生在此階段的評鑑次數，第二組學生間互動次數明顯較多，透過組內設定的初始語言模型進行想像模型和圖像斟酌。例如: 「我希望你依據我們給的類比產出粒子模型的圖片以下是我們的類比:我們滴入墨水粒子進入熱水燒杯中。加了熱能造成墨水粒子運動變快，就像是憤怒鳥進入堡壘空間中。大爆炸使憤怒鳥運動變快。所以，粒子在熱水中運動較快」。雖然此階段（模型建立G階段）尚未產出完整圖像，三組卻皆能見到評鑑語言已呈現在輸入與互動過程中，顯示這操作歷程對於學生初始的語言模型產生的自我評鑑與檢視的作用。

  • AI圖像模型一階段

接著進入AI圖像產生歷程，學生呈現高度興趣與建模動機，其中最多的語句互動集中於評鑑E階段，其次為修正M階段。而學生使用評鑑方式中，又主要以圖像細節（D）及經驗與想像（A）為主，顯示在圖像模型一生成的階段，學生較傾向依據個人想像與視覺偏好進行評價，而較少運用科學概念進行推理與判準。

  • AI圖像模型二階段

進入此階段後，學生對生成式 AI 圖像的調整與修正行為明顯增加，開始更有策略地對照圖像與概念。此時，圖像細節（D）成為最常被使用的評鑑標準，學生積極針對數量、動作或畫面元素等細節提出修正，顯示他們已經累積了多次觀察與討論，並能主動檢視 AI 產出的圖像是否符合自己的建模意圖。例如「熱是比喻爆炸」、「順便解釋冷水和熱水中的差異」，說明他們已能將細節調整與概念對應結合起來。雖然科學合理性（P）的使用比例在此階段並未大幅提升，但仍發揮了支持性作用，幫助學生確認模型方向不至於偏離科學原則。當學生透過經驗、想像與現象的對齊性（A）及圖像細節（D）完成模型修正後，會再回過頭以 P 作為對照，檢視生成圖像是否符合基本的科學邏輯。從此可推論學生在生成式 AI 的圖像輔助下，傾向先依據細節與直觀經驗進行調整，再逐步引入科學合理性的檢核，形成了以 D 與 A 為主、P 為輔的評鑑模式。由此可見，圖像細節不僅是評鑑的起點，也成為學生進入後設認知歷程、展現主動學習與概念深化的重要契機。

  • 結論與反思

本文的建模教學課程透過與生成式 AI 的互動，逐步發展出多階段的視覺圖像模型歷程，並進一步分析學生在建模過程中對生成圖像的評鑑行為與標準。根據研究結果，歸納出以下結論與教學建議，以作為未來自然科學課程中應用生成式 AI 進行類比建模之參考。

一、生成式AI促進模型修正與科學概念建構

學生初始的語言模型大多停留在巨觀現象與直觀類比的層次，透過AI生成圖像後，有助於學生覺察模型概念的不完整性，並引發修正與學習遷移，逐步建立科學概念，達到心智模式更高層次。

二、生成式AI的視覺回饋中介角色，激發評鑑思維與後設認知

學生在建模歷程中，透過生成式 AI 的圖像回饋，展現出對評鑑標準的靈活運用，並逐步發展出後設認知能力。生成式 AI 作為一種「視覺回饋中介」，能在多模態的學習情境中，促進學生對模型的反思與調整，進而深化其科學意義的建構。

三、教學與研究建議

生成式AI在科學建模教學中能有效協助學生將語言轉化為圖像，讓抽象概念更具體易懂，提升理解與學習動機。然而，若缺乏課程架構與教師的適當引導，學生往往會被AI生成的圖像細節吸引，專注於修正或美化視覺呈現，而忽略了模型背後的核心科學意涵。因此，教師設計AI融入教學時，應能搭配課程引導與問題設計，並從中培養學生對於AI資訊的批判性思維與資訊判斷素養，唯有在足夠的教學框架下，AI才能真正發揮支持學習與深化理解的價值。

  • 參考資料

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要—自然科學領域。教育部。

林靜雯（2024）。以物質粒子模型類比建模為核心的自然與雙語自然教與學第二年成果報告（計畫編號 NSTC 112-2410-H-152-011-MY3）。國家科學及技術委員會。

顏榮泉（2024）。從認知處理觀點評論生成式 AI 對學習的影響。臺灣教育評論月刊，13(3)，144–153。

Chen, C. Y., & Lin, J. W. (2024, July 15–19). Unveiling elementary school teachers’ mental models: Utilizing the particulate nature of matter to explain water’s three states and constructing analogical models for their students [Oral presentation]. 27th IUPAC International Conference on Chemistry Education, Pattaya, Thailand.

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Harrison, A. G., & Coll, R. K. (Eds.). (2008). Using analogies in middle and secondary science classrooms: The FAR guide – An interesting way to teach with analogies. Corwin Press.

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Pluta, W. J., Chinn, C. A., & Duncan, R. G. (2011). Learners’epistemic criteria for good scientific models. Journal of Research in Science Teaching, 48(5), 486–511. https://doi.org/10.1002/tea.20415

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Windschitl, M., Thompson, J., & Braaten, M. (2008). Beyond the scientific method: Model-based inquiry as a new paradigm of preference for school science investigations. Science Education, 92(5), 941–967. https://doi.org/10.1002/sce.20259

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 ／ 鐘建坪、鐘奕勳

星期三 , 3, 12 月 2025 編輯助理 國內外化學交流, 第六十二期/2025年12月 在〈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 ／ 鐘建坪、鐘奕勳〉中留言功能已關閉

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

鐘建坪1*、鐘奕勳2

新北市立錦和高級中學國中部、新北市南山中學國中部
*hexaphyrins@yahoo.com.tw

摘要：本文分享參與第十屆NICE研討會的心得、想法，以及發表簡易有機化合物卡牌遊戲的設計與應用成果。作者們共同開發的簡易有機化合物卡牌遊戲，旨在以遊戲化方式幫助國中學生理解基本的有機化學分子。遊戲設計透過卡牌的元素組合與策略操作，使學生在遊戲中熟悉國中課本介紹的烷類、醇類、有機酸及酯類的基本特徵。研究結果顯示，65名國中八年級學生參與的試驗中，後測成績顯著高於前測，表明此份卡牌遊戲能夠提升學生對簡易有機化合物的記憶與理解。同時，參與者在遊戲愉悅性、規則易學性、科學概念融入及設計創新度等面向均給予相當高的正面評價，充分展現該遊戲的學習潛力。此外，透過國際研討會的交流，能擴展師生的國際視野，讓教師從不同國家的教育實踐中汲取經驗，讓學生能夠理解不同文化背景的科學學習。

  • 前言

每隔2年舉辦一次的NICE（The Network of Inter-Asian Chemistry Educators）研討會，於2025年7月26至28日在日本山形縣舉行。本次為第十屆，由山形大學主辦，與會人員來自臺灣、日本、韓國、馬來西亞等國家的大學教授、中小學科學教師，以及中學學生。大家齊聚一堂，共同分享與討論化學教育相關主題。本次第一作者發表3篇海報論文，其一為以探究與實作的方式在彈性學習課程協助學生開發科學桌遊，並以設計思考架構，讓學生歷經同理心、界定問題、創意發想、製作原型，以及測試等探究歷程，以發展學生的設計思考能力（Jong, 2025）；其二為與鐘君瑋共同發表，利用環境部水質資料庫的資料進行分析，探討淡水河長年水質的變化趨勢，以確認淡水河水質是否有所改善(C. W. Chung & Jong, 2025)；其三為與本文第二作者共同開發簡易有機化合物桌遊，著重如何協助學生透過遊戲化的方式進行國八下有機化合物單元內容的學習（Y. H. Chung & Jong, 2025）。本文主要說明在簡易有機化合物的桌遊開發、學生學習的成效與評價、研討會報告內容與參與歷程的心得分享。

  • 簡易有機化合物卡牌遊戲

一、桌上遊戲

桌上遊戲（Tabletop Games）是一個廣泛的類別，泛指所有以桌面或特定平面為互動場域，並藉由實體物件（如圖板、卡牌、模型、骰子等）進行的遊戲或活動。範疇涵蓋傳統圖板遊戲、策略卡牌遊戲、棋子遊戲等。與數位遊戲相較，桌遊的核心特質在於其「面對面」的互動性與「實體操作」的體驗。遊戲規則提供一個結構框架，玩家必須在此框架內進行策略思考、資源管理與決策判斷（鄭秉漢等，2019；Cheng et al., 2019）。科學桌上遊戲（Science Tabletop Games）是一種將科學概念與遊戲機制融合的教學工具。主要是將抽象的科學概念，轉化為具體的遊戲規則、組件與互動機制（鐘建坪、鐘君瑋，2023；Cheng et al., 2019）。科學桌上遊戲已出現在教科書，以協助學生學習相關概念，例如：化合物卡牌配對遊戲，利用記憶的方式配對出能夠形成化合物的陰陽離子，讓學生在遊戲中逐漸熟悉不同的陰陽離子如何形成離子化合物（南一書局，2024）。

二、有機化合物遊戲

有機化合物的學習內容廣泛，包含：定義、分子式、鍵結、結構、命名、反應，以及性質等內容。目前已有多款主題各異的有機化合物桌遊運用於實際教學(Crute, 2020; Farmer & Schuman, 2016; Molvinger et al., 2021; Triboni & Weber, 2018)。這些遊戲著重不同面向，以協助學生學習有機化合物的相關概念。在命名與結構部分，Crute (2020)以賓果（BINGO）遊戲為架構，協助學生認識烷類的命名。Molvinger等人(2021)以桌遊方式讓學生學習共價鍵，在組合原子卡牌時，必須確保中心原子滿足八隅體等規則。在反應與合成部分，Farmer和Schuman (2016) 設計卡牌遊戲讓學生思考如何策略性地改變化學鍵的斷裂與生成，以學習化學反應的合成，而非只是單純背誦反應式。系統整合應用層面，Triboni和Weber(2018)設計卡牌遊戲模擬一個真實的有機化學實驗室環境，玩家不僅要完成合成反應，還需管理資源、控制溫度與pH值等反應條件。雖然已有許多有機化合物桌遊提供不同的教學目標，但是專為國中學生初次接觸有機化合物的入門款桌遊仍未多見。

  • 發想主題與遊戲內容介紹

一、簡易有機化合物卡牌遊戲發想

有機化合物在國中、高中階段皆為核心的化學概念之一。自然科學課程綱要在第四階段的學習重點中，期望學生能夠理解生活中常見的烷類、醇類、有機酸及酯類（國家教育研究院，2018）。國中學生在此階段需要掌握有機化合物與無機化合物的重要特徵，了解有機化合物可能組成元素與數量相同，但不同結構即影響其化學性質差異，以及認識生活中常見的有機化合物種類及其應用。為了幫助學生更有效地記憶與理解這些化合物名稱與結構，本文作者們思考，若能以遊戲化（gamification）的方式整合有機化合物的學習，應可促進學生的學習動機與理解相關的學習概念。

作者們以設計遊戲的思考模式：從遊戲目標的選定、規則的制定到卡牌內容的設計進行反覆討論與優化，最終完成「Simple Organic Compounds」。此過程包含三個核心面向：首先，在融入科學概念上，我們聚焦於國中範圍，精選出烷、醇、酸、酯等基礎的簡單有機化合物。重點在於讓國中學生認識其元素組成與分子式，而不牽涉化學鍵結理論；其次，為確保規則簡單易懂，遊戲機制以設計「組合元素、完成目標分子」為架構，讓玩家能快速上手，並思索如何讓學生在遊戲過程，同時習得科學概念，而非只是著重遊戲的娛樂層面；再者，遊戲透過強化特殊卡牌增加娛樂性，加入如「指定抽卡」或「阻止卡」等攻防卡牌，為過程注入策略與互動樂趣。

   圖1 簡易有機化合物卡牌遊戲 圖2 學生實際遊玩情形

二、簡易有機化合物卡牌遊戲

(一)參與人數

遊戲適合一組3至4人進行，建議12歲以上玩家參與。

(二)發牌

遊戲卡牌分為3種類型：

1.元素卡(如圖3)：包含有機化合物的基本構成元素（碳、氫、氧）。

2.線索卡（Hints）(如圖4)：提供玩家出牌的參考，內容為有機化合物的名稱、分子式與結構式特徵。

3.計分卡(Scores) (如圖5)：作為每位玩家計分使用。

遊戲開始時，將元素卡分為兩部分，一半作為抽卡牌堆，另一半平均分配給每位玩家；線索卡則每位玩家各獲一張，作為出牌時參考的依據。

 
圖3 簡易有機化合物元素卡 (碳、氫) 圖4 線索卡
  
圖5計分卡 圖6 特殊卡舉例

(三)決定順序

所有玩家擲骰子，以點數最大者先行，並按照順時針方向依序進行遊戲。

(四)出牌

玩家每回合需根據線索卡，推出一種尚未被使用過的有機化合物，並將其放置在桌面上。遊戲過程中，每位玩家每回合只能執行以下其中一種操作，若無法執行則停止回合並換下一位玩家：

1.使用特殊卡(如圖6)：進行卡牌交換或攻擊其他玩家（其他玩家可選擇回擊）。

2.推出有機化合物：根據線索卡提示，選擇尚未推出過的有機化合物卡牌。

3.抽取卡牌：從抽卡牌堆中抽取新卡，補充手牌。

玩家需注意，同一局中所有玩家不得推出線索卡中相同的有機化合物。

(五)特殊卡使用

特殊卡需依照卡牌上的說明使用，包含交換卡牌、攻擊其他玩家等功能。一旦使用，特殊卡即失效並需放回牌堆。若玩家無法推出有機化合物，可選擇抽取新卡進行補充。

(六)遊戲結束

當某位玩家手中的所有元素卡（不包括特殊卡）已成功組合並推出，或線索卡中的所有有機化合物已被全部推出，則該局遊戲結束。

(七)紀錄得分

每局得分規則如下：

1.最快出完所有卡牌的玩家獲得5分。

2.每位玩家推出一張元素卡皆可獲得1分。

3.將玩家得分紀錄在計分卡。

(八)獲勝條件

遊戲共進行3局，積分最高者獲勝。

  • 卡牌遊戲的學習成效與評價

一、學習成效

為評鑑本文的簡易有機化合物卡牌遊戲成效，以一所完全中學的65位八年級學生為對象，進行兩節課的教學試驗。評量採用單組前測-後測的紙筆測驗，參與的學生需在遊戲前、後，分別完成一份10道關於有機化合物分子名稱與結構式的測驗（試題如附錄）。結果顯示，學生的後測平均答對題數（6.8題，S. D. = 2.1）高於前測平均答對題數（4.1題，S. D. = 2.1），達到顯著水準（p = .000 < .05），表明這款卡牌遊戲能幫助學生記憶與理解有機化合物的名稱與結構之間的對應。

二、卡牌評價

為評價參與學生對於所設計之卡牌的感受，作者設計六個面向的李克氏七點量表，包括：遊玩卡牌時的愉悅程度、卡牌設計規則易學程度、卡牌融入科學概念的程度、卡牌設計的創意程度、卡牌能夠協助預習/複習科學概念的程度、對於卡牌遊戲整體評價。結果顯示，設計的簡易有機化合物卡牌遊戲，在各個方面均獲得學生正面評價，充分展現此份卡牌遊戲在促進化學學習的潛力。

遊玩時的愉悅程度和易於理解的規則分別獲得平均5.8 分（S.D. = 1.23）和5.3分（S.D. = 1.49）（滿分7分），顯示本卡牌遊戲不僅能吸引學生投入，還能讓學生快速掌握遊戲規則，降低額外學習門檻。科學概念的融入以及科學概念的複習/預習分別獲得了5.5分（S.D. = 1.29）和5.1分（S.D. = 1.42），突顯出所設計的卡牌遊戲能將娛樂效果與化學知識相互結合。此外，遊戲的創新設計和整體評價分別為平均5.5分（S.D. = 1.51）和5.7分（S.D. = 1.15），凸顯所設計的卡牌遊戲不僅能吸引學生的注意力，還能藉由有趣的特殊卡設計，提升學生課程的互動與參與。這些結果顯示，該卡牌遊戲的設計模式，在促進化學學習的應用具有廣泛的可能性。

表1簡易有機化合物桌遊李克氏自評量表描述性統計（N = 65）

桌遊評量面向 平均分數(標準差)
愉悅程度 5.78  (1.23)
易於理解的規則 5.29  (1.49)
科學概念的融入 5.51  (1.29)
學習或複習相關科學概念 5.09  (1.51)
遊戲的創新設計 5.49  (1.42)
卡牌整體評價 5.72  (1.15)
註：評分採李克氏7點量尺（1 = 非常不同意，7 = 非常同意）
  • 參與研討會的收穫與感動

一、觀摩不同口頭報告與海報主題發表的作品深度，思索自身作品的完成度

參與者在研討會能夠仔細觀摩口頭報告與海報發表，能從優秀的發表中，看見如何將完好的研究成果展現給其他與會者，進而能夠知悉研究背景、相關學理基礎、研究設計架構，以及數據詮釋的意義。無論是口頭報告或是海報發表，發表者皆需要有沉穩的台風與對答如流的自信，須在有限的時間或是有限版面中呈現研究的精華。例如：馬來西亞教師Hassim，將手指的姿勢與週期表的性質規律結合，加上幽默的肢體動作，使聆聽者留下深刻印象(Hassim, 2025)。學者、教師與學生透過觀摩發表皆能有所助益，從而反思自身發表的口說條理與研究的深度與廣度。

二、能與參與的學者、教師、學生進行互動討論不同國家的教育發展情形

國際研討會提供參與者彼此互動的機會，讓人得以了解不同國家的制度與文化。第二作者透過與日本高中生的私下討論，瞭解他們的上課內容、上課時的情況，以及放學後的日常活動，從而對日本高中生的學習模式和生活習慣稍微有所認識。另外，參訪山形縣立山形西高等學校時，發現有些設施與臺灣學校不同，令人印象深刻。例如：校內的地板是鋪設木質地板，入校需要更換拖鞋，學生打掃會使用靜電吸塵布進行擦拭。這些細節展現了參訪學校對於規範及公共空間的重視。

三、探索與會者的報告主題內容，多篇著重人工智慧在化學教學的運用

生成式人工智慧(AIGC, Artificial Intelligence Generated Content)已經對學生的學習與教師教學產生衝擊。與會學者與教師嘗試利用AI在課程設計、教學與評量輔助進行探討（Chiu, 2025; Hu, 2025; Samejima, 2025）。例如：邱美虹教授嘗試利用生成式AI，Gemini 2.0模型進行學生的評量分析（Chiu, 2025）。胡詔閔老師利用AI模型，分析小學化學科展作品優缺點，並評估科展作品能否能夠獲獎（Hu, 2025）。日本教師Samejima探討生成式AI協助學生化學實驗報告撰寫時，學生適切與不適切的行為（Samejima, 2025）。這些研究顯示，AIGC不僅是一種提升效率的工具，更深刻改變了教師的教學方式與學生的學習模式。未來如何引導學生善用AI工具促進其學習，將是無可迴避的重要議題。

  • 結語

NICE國際研討會迄今已成功舉辦10屆，成為亞洲化學教育學者與教師交流對話的重要平台。本文第一作者有幸能參與其中，自2013年起，歷經2015、2017、2019、2023，以及日本山形落幕的2025年會議，足跡遍及臺灣屏東、日本東京、韓國首爾、臺灣臺北，以及馬來西亞古晉等地。這段歷程從初期單純的學術發表與聆聽，提升為對國際學術社群的認同，並藉由會議與相關學者及第一線教師交流，共同探討如何優化化學教學與學生的學習。

本屆（2025）會議地點山形縣位於日本東北地區，鄰近福島、宮城與秋田等縣，除了學術議程，主辦方更結合在地特色，引領與會者參訪擁有悠久歷史的慈恩寺（Jion-ji Temple），並深入了解山形紅花文化（Safflower, 學名Carthamus tinctorius）與科學教育的連結，讓我們看見科學教育如何與地方文史脈絡共融共生。第11屆NICE研討會將移師澳洲墨爾本，期許能偕同更多對化學教育抱持熱忱的夥伴，共同參與盛會。

  • 參考文獻

南一書局（2024）。自然科學二下（再版2刷）。台南：南一書局。

國家教育研究院（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。新北市：國家教育研究院。

鄭秉漢、李文獻、張俊彥（2019）。模型化科學桌遊。科學教育月刊，419，1-19。

鐘建坪、鐘君瑋（2023）。參與國際研討會擴展國際視野 —新式化學週期表桌遊分享。臺灣化學教育，54。https://reurl.cc/daa8Yy

Cheng, P. H., Yeh, T. K., Tsai, J. C., Lin, C. R., & Chang, C. Y. (2019). Development of an issue-situation-based board game: A systemic learning environment for water resource adaptation education. Sustainability, 11(5), 1341. https://doi.org/10.3390/su11051341

Chiu, M. H. (2025, July 26-28). Applying generative AI in student assessment: Insights from Google Gemini 2.0 [Oral Presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Chung, C. W., & Jong, J. P. (2025, July 26-28). Long-term water quality trends (1994–2024) in the Tamsui River basin: Application of the Mann-Kendall test and Sen’s slope estimator [Poster presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Chung, Y. H., & Jong, J. P. (2025, July 26-28). Integrating gamification into organic chemistry learning: Designing a card game for junior high students to master simple organic molecules [Poster presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Crute, T. D. (2000). Classroom nomenclature games—BINGO. Journal of Chemical Education, 77(4), 481. https://doi.org/10.1021/ed077p481

Farmer, S. C., & Schuman, M. K. (2016). A simple card game to teach synthesis in organic chemistry courses. Journal of Chemical Education, 93(4), 695–698. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00646

Hassim, S. (2025, July 26-28). Enhancing science learning through gesture-based teaching [Oral presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Hu, C. M. (2025, July 26-28). Exploring the feasibility of AI-based analysis of primary chemistry science fair reports in Taiwan [Oral Presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Jong, J. P. (2025, July 26-28). Designing and developing science board games: Engaging senior high school students as designers to foster design thinking skills [Poster presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Molvinger, K., Lautier, G., & Ayral, R.-M. (2021). Using games to build and improve 10th grade students’ understanding of the concept of chemical bonding and the representation of molecules. Journal of Chemical Education, 98(2), 319–329. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c01287

Samejima, T. (2025, July 26-28). Instruction on high school chemistry lab reports using generative AI -Developing the ability to distinguish between appropriate and inappropriate use [Oral Presentation]. 10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference, Yamagata, Japan.

Triboni, E., & Weber, G. (2018). MOL: Developing a European-style board game to teach organic chemistry. Journal of Chemical Education, 95(5), 791–803. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.7b00408

  • 附錄

前、後測概念試題

(   )1.甲烷的分子式為何？

A. CH₃-CH₃ B. CH₄ C. CH₃-O-CH₃ D. CH₃OH

(   )2.乙烷的結構式為何？

A. CH₃-CH₃ B. CH₄ C. CH₃-O-CH₃ D. CH₃COOH

(   )3.丙烷的分子式為何？

A. CH₄ B. C₂H₆ C. C₃H₈ D. CH₃OH

(   )4.以下哪一種化合物是甲醚？

A. CH₃-CH₃ B. CH₃-O-CH₃ C. CH₃OH D. CH₃COO C₂H₅

(   )5.以下哪一種化合物是甲醇？

A. CH₃OH B. CH₃-O-CH₃ C. C₂H₆ D. CH₃COOH

(   )6.乙醇的分子式為何？

A. CH₃OH B. CH₃COOH C. C₂H₅OH D. CH₃OCH₃

(   )7.以下哪一種化合物是甲酸？

A. CH₃COOH B. HCOOH C. CH₃OCH₃ D. C₂H₅OH

(   )8. CH₃COOH的化學名稱為何？

A. 甲酸 B. 乙酸乙酯 C. 乙酸 D. 甲醚

 

(   )9.以下哪一種化合物是乙酸乙酯？

A. CH₃OH B. CH₃COOC₂H₅ C. CH₃COOH D. CH₃-O-CH₃

 

(   )10.以下哪一種化合物在分類屬於有機酸？

A. CH₃COOH B. CH₃OH C. CH₄ D. CH₃OCH₃

 

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

星期二 , 2, 12 月 2025 編輯助理 國內外化學教育交流, 第六十二期/2025年12月 在〈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〉中留言功能已關閉

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*

嘉義縣立永慶高級中學

*thebestsky829@hotmail.com

摘要：自2006年成立的亞洲化學教育國際研討會，是兼具學術及實務性整合、專為大學及中學師生舉辦的交流活動，三天學習之旅是走出舒適圈的寶貴經驗。學生以英文進行海報發表與STEAM工作坊活動，展現科學實驗與數位學習設計的多樣性，並與不同國籍的師生互動，提升語言表達能力與自信心。會議內容分享不少創意教學方法及案例，包括AI教學應用、探究學習等主題，其中紅花染的實作和奈良墨的報告分享，更是啟發文化和科學融合的可能性，也明確感受到跨領域協作的重要性。第10屆NICE研討會，不僅開拓視野增廣見聞，也促進師生間的合作與成長，為未來的教學實踐與學習樣貌注入更多可能。

  • 前言

學校裡有群喜愛做中玩、玩中學的老師及學生，長年投入科學教育推廣活動，參與互動的體驗者有學齡前兒童、小學生、中學生及成年人，我們的足跡遍及嘉義縣市、宜花東等地區。在2023年暑假，首度嘗試以科學玩具及闖關方式進行國際交流活動。在2024年收到國立嘉義大學應用化學系連經憶教授的熱情分享及溫馨鼓勵，學生對於能夠出國發表展現出異常興奮，老師則是帶著忐忑不安的心情，陪伴他們展開充滿挑戰的冒險之旅。

  • 研討會見聞

在日本東北地區夏日傳統盛大祭典-山形花笠祭前夕，我們來到風光明媚的山形縣，參加7/26-7/28為期三天的第10屆亞洲化學教育國際研討會（10th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference，10NICE）。活動場地主要是在山形國際飯店（Yamagata Kokusai Hotel），位處山形市中心區，在新幹線車站、街角一隅或神社旁，不乏有多彩繽紛的紅花斗笠或透出暖光的成串紙燈籠，做為妝點祭典的代表性元素。

一、NICE概述

過去20年來，NICE致力於促進亞洲地區的教師交流，交換各國推動化學教育的策略與方法，分享創新實踐和研究成果。這次研討會聚焦在三大議題融入：STEAM、SDGs （Sustainable Development Goals）、探究學習（Inquiry Based Learning）。大家透過專題講座、口頭發表、海報展示、教具示範、工作坊等形式，進行不同主題的知識分享(圖1、圖2)。

圖1：參加者與NICE創設委員大合照

圖2：臺灣代表團與大會主席合照

二、海報展示及高中生工作坊

雖然在期末考結束後，距離出發日仍有三週時間，但要以英文型態進行專題發表，對我們來說，還是頭一遭！除日常生活用語外，生澀的學科專業詞彙也著實讓大家燒腦有感，還好有英文老師及生成式AI工具（ChatGpt、Gemini、酷英語音合成工具）的協助，得以及時完成海報印製和口述草稿。無論是在前往日本途中或晚上抵達飯店後，學生總是手拿小抄、耳聽音檔，一次又一次練習，只為了能順利和外國人進行成果分享及交流。

大會活動的第一天下午，有大學研究生／中學教師及高中生海報展示（Poster），依據編號分為奇、偶數兩梯次，來自不同國家的專家學者、中學老師及學生，能自由地走到感興趣的攤位前，除聽取專題成果報告外，是可以和發表者進行更多互動。

這次學生帶來發表的專題成果，分別對應至以下的主題類別：實驗室活動（Lab activities）有3件、學生概念與概念變遷（Students’ conceptions and conceptual change）有2件，分別以A、B、C、D、E組標示，學生作品內容如下。

（一）A組學生運用自製裝置及縮時影片陳述：如何從硬度測量找出愛玉成凍的最佳化條件，在凝膠反應過程中不僅可以同時觀察到布朗運動和廷得耳效應，還可以透過相變所造成的黏性改變來一窺關鍵轉捩點。

（二）B組學生手拿數張不同顏色的漸層圖卡賣力解說：天然植物汁液（薑黃、桑葚、枸杞和菠菜）能做為光敏材料，只要塗抹在日本水彩紙上，經過長時間陽光曝曬，是可以取代藍晒法的化學藥品。

（三）C組學生則是分享如何製作出有漸層效果的果凍花：在天然食物萃取液中加入椰奶和吉利丁粉等物質，可以適度增加色素黏度和降低顏色移轉的可能；在不同的酸鹼條件下，花青素是可以創造出一朵鮮艷且有漸層的果凍花。

（四）D組學生運用程式設計專長，以互動式賽車機制結合元素週期表相關知識，讓學生可以在遊戲中學習，教學設計融入ARCS（Attention, Relevance, Confidence, and Satisfaction）動機模式，利用時間壓力和排行榜挑戰來激發學習興趣，並促進學生的自主參與。

（五）E組學生則是設計一個推理導向的數位教學輔具，運用五個依序的任務層級：配對、記憶、模擬、推理，以及真實生活應用，協助體驗者完成有關酸鹼指示劑和 pH 值的概念性知識建構和科學推理的過程。

站在海報攤位前的學生，用眼神靦腆地搜尋著，只要他人有駐足的可能，學生就鼓起勇氣開口講英文，雖然剛開始只是照著稿子說重點，但隨著時間一分一秒地流逝，學生的緊張情緒慢慢地和緩下來，無論是來自日本、台灣或澳洲的教育工作者，在認真傾聽學生解說之餘，也不吝給予學生高度的情緒價值，於是內心感覺到被支持的學生就更能夠自信從容地以英文回應他們的詢問及建議(見圖3與圖4)。

透過海報展示和第二天上午的STEAM工作坊，讓不同文化背景的高中生可以彼此互動和學習，或許是提出疑問、分享觀點，也或許是動手做、解決問題、完成指定任務（機器人競走），每組學生幾乎都能自在地交流著，而不是因尷尬而微笑度過，對於增進彼此的外語能力是有很大的幫助(圖5)。

 

圖3：學生專題成果發表（第一梯次海報編號奇數）

   

圖4：學生專題成果發表（第二梯次海報編號偶數）

圖5：NICE提供學生實際交流體驗

三、山形的古法染色技藝

大會活動的第二天下午，大家分批搭乘遊覽車前往河北町紅花資料館（Kahoku Town Benibana Museum），進行紅花染布體驗與見習。紅花（Safflower）是山形縣的縣花，自江戶封建時代起，人們從花瓣中萃取珍貴的紅色染料，為「神道」儀式服裝染色，並作為浮世繪木版畫的顏料，時至今天，仍然被用於和服和唇彩，這是一個傳統獨特且與歷史文化緊密連結的傳統工藝，於2019年2月被指定為日本重要農業遺產(圖6)。

圖6：紅花也可作為改善血液循環的藥材（引自「山寺與紅花」推進協議會 https://yamadera-benibana.jp/experience/story/story1/）

    通常是在瀰漫著薄霧的清晨摘採紅花的花瓣，用水洗淨後、早晚用手搓揉，經過三天的自然發酵，在第四天將花瓣搗碎、再用手捏製定型，待風乾後，就成了易於保存且方便運輸的「紅餅（Benimochi）」。

當天由在地的老奶奶們帶領我們完成紅花染的體驗。他們預先將紅餅和碳酸鉀浸泡在水中，（傳統方法是用草木灰代替鹼性溶液來提取天然紅色素），我們僅需用橡皮筋將小竹筷和白色絲巾綑綁在一起，然後放入染劑裡用手搓揉，沒多久布料從黃褐色轉變成紅色，隨著洗滌次數的增加，布料顏色會越染越深。

稍後，老爺爺帶著我們走入偌大的老宅院及博物館，透過最上紅花及女兒節人偶的資料展示等，希望可以加深我們對於紅花相關歷史和文化的理解。同一時間，有位年輕人接手了大家的未完成品，除將紅色染劑加熱外，還加入檸檬酸進行中和，（傳統方法是用李子醋等酸性溶液來讓紅色素沉澱），再放入含有少量醋的水中輕輕漂洗。最後，大家都有拿到一塊自己手做的紅花染織物，開心地和園區工作人員道別(圖7)。

圖7：個人專屬的山形縣紀念品

四、承襲古代墨（墨條）的探究與實作

這是日本奈良縣立西和清陵高校（Nara Prefectural Seiwa Seiryo High School, Japan）早川純平老師（Junpei Hayakawa）的口頭報告內容，曾於2023年榮獲東麗科學教育獎（文部科學省主辦）。以「奈良墨」做為膠體及其特性的代表，進行跨學科的探究教材開發。配方只需要三種原料，水、碳源（壁爐的黑色粉末、燒烤炭、鉛筆芯）和輔助物質（膠水、明膠/吉利丁），遵循簡單易懂的混合步驟，學生就能製作自己的墨水或固體墨條。

一般來說，碳粒子是無法與水充分混合，靜置後會產生沉澱。但當學生在混合物中加入膠（Glue）後，情況就改變了。原本具有疏水性的碳粒子，會被具有疏水端和親水端的蛋白質物質包覆，因此變得可分散在水中，形成穩定的分散體（溶膠，Sol），這就是墨汁。學生可以透過簡單的實驗來觀察和體驗膠體的各種性質和現象：用市售雷射筆照射，可清楚確認廷得耳現象；在光學顯微鏡下觀察適當稀釋的膠體，可清晰確認碳膠體粒子在活躍地進行布朗運動；以銅板為電極，對墨溶液通電2小時後，可觀察到墨被吸引至陽極，（溶液顏色變得比陰極更深），這說明做為膠體的墨是帶有負電荷。

在適當條件下，將碳源（Soot）和濃縮膠混合，經過塑形和乾燥後，可以製成的乾凝膠（xerogel），也就是固體墨條。有趣的是，如果改以富勒烯C60​、單壁碳奈米管（Single-Walled Carbon Nanotube，簡稱SWCNT）、多壁碳奈米管（Multi-Walled Carbon Nanotube，簡稱MWCNT）做為碳源，在有許多大學教授的協助下，得以對它們的表面形態、壓痕硬度、表面電阻率及其他物理性質進行了檢測，除成為具有應用潛力的電極材料外，也強調出：將傳統材料與現代科學原理相結合的教學潛力。

  • 啟發與收穫

NICE是一個由亞洲化學教育工作者組成的網絡，主要是高中和大學教師，但是各自專精的方向不同。在短短的10-15分鐘內，要如何讓別人理解自身的研究成果及未來價值，發表者得用淺顯易懂的方式解說給大家聽。雖然主要的溝通語言是英文，但透過圖文並茂的簡報或海報展示，教具操作或實作體驗，大家是能夠大致理解彼此的論點，畢竟，在化學課程中所使用的公式和符號是世界通用的。

一、教師省思

在三天的研討會議中，無論是口頭發表（Oral Session）、海報展示及工作坊，相關主題內容不乏與臺灣現行的十二年國教課程綱要有關，試著啟動學生的思考，找到學得更好的可能。如果教師將眼光放到生活中無所不在的化學反應，同時再納入人類文化發展的深厚底蘊，運用巧思規劃出不同的探究與實作模組，比如：植物染、發酵作用、交聯作用…透過巨觀的觀察行為與微觀的化學反應推導，是可以協助學生將理論與實際應用聯繫起來，進而對化學產生興趣、甚至願意和化學玩成朋友。

二、學生回饋

難得有機會可以至國外發表自己的研究，而且聽眾是除了跟自己年紀相近的學生之外，也有來自各地對於自己研究感興趣的老師和教授。全英文溝通的關鍵在於自信與真誠，而不是完美的文法，只要主動積極勇於開口，就能有機會和他人建立連結和交流。也許是得到能夠改進研究內容的意見和指導，也或者是被給予高度的肯定和讚賞，這些鼓勵消除了我們長達半年以來的疲累及焦慮，這次趁著年輕勇敢接受挑戰的特殊經歷，將持續滋養我們，讓我們在未來成為更好的人。

  • 結語

不一定要擅長某事才能開始做，只要有團隊合作和協作便能成就美好。有時要加一點傻勁和玩心，就有勇氣和決心去克服充滿變數的挑戰，但唯有如此，我們才有機會看到更廣袤的世界，去接觸那些與自己抱持不同觀點的人。

  • 後記

感謝國立嘉義大學應用化學系連經憶教授協助聯繫各相關單位，幫助我們完成經費申請表件，更重要的是連教授長期陪伴我們，無私地給予建議和支持。最後，感謝嘉義縣政府及榕懋股份有限公司提供經費補助與贊助，讓我們的生命變得更豐富多彩。

《臺灣化學教育》第六十一期 ／ 目 錄

星期二 , 30, 9 月 2025 編輯助理 第六十一期/2025年9月 在〈《臺灣化學教育》第六十一期 ／ 目 錄〉中留言功能已關閉

《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

星期三 , 10, 9 月 2025 編輯助理 主編的話, 第六十一期/2025年9月 在〈第六十一期 主編的話 ／ 周金城〉中留言功能已關閉

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

星期二 , 9, 9 月 2025 編輯助理 本期專題, 第六十一期/2025年9月 在〈創新教學 × 多樣實踐 ──化學教育的多元發展與應用 ／ 楊志強〉中留言功能已關閉

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、張育傑、黃琴扉

星期一 , 8, 9 月 2025 編輯助理 本期專題, 第六十一期/2025年9月 在〈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〉中留言功能已關閉

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

器材 份量 材料包特色
塑膠試管 5 個 1.  所有器材與藥品， 均為日常生活中容易購得，且均具備高度安全性。

2.  所有藥品的環境汙染性低，且未用完的藥品可置放保存。

3.  符合綠色化學中， 防廢、可解、保安、

低毒、思危等要素。

4.  為安全起見，需事先將竹籤尖端剪掉。

5.  活動過程中應提醒學生將筷子以磨砂紙磨光滑。
塑膠滴管(有刻度) 1 個
塑膠量杯(有刻度) 3 個
竹筷 1雙
便利商店免洗筷 1雙
中秋烤肉長竹籤 1支
牙籤 2支
磨砂紙 1片
塑膠咖啡匙 1個
碘酒(以小滴瓶盛裝) 1個
白醋(以小滴瓶盛裝) 1個

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

題目 答對率
1.什麼是綠色化學（green chemistry），何者描述錯誤? a.在不使用有害、有毒的物質，且有效減少產生廢物，是一種從源頭完全阻止環境污染的化學。

b.其使用的原料化學成分呈現綠色。（正答）

c.從源頭開始，就充分利用原料和能源，減少、甚至無有害物質釋放，以降低對環境的衝擊。

 81%
2.下列關於溶解的原理，哪一項最正確? a. 糖溶解之後，糖顆粒就完全消失不見了

b. 溶解是物質變小，均勻分布在水裡（正答）

c. 糖跟鹽會溶解，胡椒粉不會

d. 在一個限度內，溫度越高，糖的溶解度也會提高

 93%
3.酸雨的成份主要是哪一種酸? a. 鹽酸

b. 硝酸

c. 亞硫酸（正答）

d. 醋酸

 98%
4.我對於氧化還原的理解程度? 1. 非常不了解 2. 不了解 3.沒意見 4.了解 5.非常了解 4.6

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

星期日 , 7, 9 月 2025 編輯助理 本期專題, 第六十一期/2025年9月 在〈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〉中留言功能已關閉

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

星期六 , 6, 9 月 2025 編輯助理 本期專題, 第六十一期/2025年9月 在〈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〉中留言功能已關閉

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

溶液類型 外界溶液濃度 水分移動方向 細胞體積變化 比喻或觀察現象
高張溶液Hypertonic 外界溶液濃度高於細胞內部 水分從細胞流出 細胞縮小（皺縮） 水晶寶寶變小、葡萄變葡萄乾
低張溶液
Hypotonic		 外界溶液濃度低於細胞內部 水分從外界流入細胞 細胞膨脹（甚至破裂） 水晶寶寶變大、紅血球脹破（溶血）
等張溶液
Isotonic		 溶液濃度與細胞內部相等 水分進出達平衡 細胞體積不變 細胞正常狀態，水晶寶寶維持原狀

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

星期五 , 5, 9 月 2025 編輯助理 本期專題, 第六十一期/2025年9月 在〈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〉中留言功能已關閉

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

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