化學教育的多元發展與應用：

化學與生活多面向的化學應用

 洪文東

華夏科際整合聯合總會常務監事

前國立屏東教育大學化學與生物學系教授

前美和科技大學護理系教授

前國家科學委員會副研究員
hung3893@yahoo.com.tw

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

• 前言

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

• 食：食品化學與風味的奧秘

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

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

• 衣：纖維與染料的化學應用

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

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

• 住：居家化學與安全守護

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

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

• 行：交通與材料化學的創新力量

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

• 環境：永續化學與生態守護

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

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

• 結語：生活即化學，化學即生活

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

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

• 參考文獻

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

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

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

AI 輔助科學申論題練習工具開發與課堂實作

鄭志鵬

臺北市立龍山國中

Email: jjpong@lsjh.tp.edu.tw

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

■      前言

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

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

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

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

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

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

■      申論題系統的開發與題目建置

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

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

■      系統的功能

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

圖1 學生介面看到的題目選單

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

圖2 本題呈現的外觀

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

圖3、學生將卡片的內容複製後貼到作答區

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

圖4、學生將自己的名字和答案寫好後，就可以按下提交評分按鈕

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

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

圖6、實驗步驟設計正確時，AI給予的評價

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

圖7、學生依照AI提問建議修改，獲得A+評價。

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

圖7、學生作答在C等級以下的，AI會給予直接回應

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

圖8、教師在後台看到的學生作答紀錄

■      題目開發的方式

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

■      排序工具

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

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

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

 表1實驗步驟排序工具中干擾項卡片的設計

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

■      評分標準

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

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

表2 AI評分標準的prompt

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

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

圖9 後台的題庫

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

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

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

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

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

■      課堂狀態

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

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

圖10 學生在課堂上使用本系統作答並觀看AI給予的建議與回饋

■      使用限制

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

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

■      結語

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

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

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

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

■      參考文獻

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

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

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^1*、鍾曉蘭²、鐘建坪³、游珮均⁴

¹康橋國際學校林口校區；² 新北市立新北高中

³新北市立錦和高中國中部；⁴桃園市立內壢高中

*shen58146111@gmail.com

摘要：本研究探討如何透過創新教學實踐，將查理定律由抽象公式轉化為具體可觀察的學習經驗。課程設計源自於觀摩外籍教師的課程啟發，融入實驗操作、模擬活動與數據分析，使學生能親自建構對氣體體積與溫度關係，進而理解與分辨真實氣體與理想氣體之間的異同。課堂中，學生從乒乓球、氣球體積如何隨溫度變化等生活情境引入，接著進行空氣柱實驗設計與實作，進行資料蒐集，透過Excel 作圖與操作PhET 模擬器建構體積與溫度的線性關係及如何找出絕對零度。過程中，學生不僅面臨裝置設置與縮減實驗誤差等挑戰，也在逐步改善操作與比較數據的過程中培養批判思考與科學探究能力。最終成果顯示，學生對查理定律有更深刻的理解，並提升數據分析、圖表製作與論證能力的，印證以探究實作為核心的教學確能促進深度學習與發展科學素養。

• 設計動機

2023 年，第一作者有幸觀摩一堂由外籍教師主導的自然科學課。這堂課的主題是查理定律，教師透過實驗具體呈現氣體體積與溫度之間的線性關係。第一作者關注學生在過程中主動觀察、記錄、分析並提出推論時，內心深受啟發，也反思自身對查理定律的教學方式過於偏重公式與理論，而忽略了學生對氣體「不可見」本質所產生的學習障礙。由於氣體行為難以直接觀察，學生往往只能死記氣體定律公式，而無法真正理解其意義。

因此，第一作者與其餘作者一起共備探究式教學教案，重新思考並設計查理定律單元的教學流程，加入更多「實驗設計與操作」與「模擬變因改變的探究實作」等環節，透過數據記錄蒐集、分析與建立關係圖(建模)，讓學生從操作中建構對氣體行為的科學理解。這次的課程目標不只是讓學生建構關係式，更希望他們能「觀察」氣體體積如何隨溫度改變，進一步推導出查理定律的實質意義與絕對零度的概念，並且從真實的實驗與模擬軟體的數據與關係圖，理解真實氣體與理想氣體之間的異同。

• 教學流程與課堂實踐

    共同備課完成之後，由本文第一作者實際進行教學與新北市化學課發中心的公開觀課，以下說明教學過程與反思。

一、課堂導入

課堂開始時，從生活中常見的情境切入：詢問學生一顆被壓凹的乒乓球，「怎麼讓它恢復原狀？」學生紛紛提出用熱水泡的方法(見圖1)。接著，讓學生觀看氣球在加熱後膨脹的實驗影片，並引導他們從粒子的角度解釋乒乓球的體積為何會增加。此活動可以幫助教師瞭解學生對於氣體粒子模型的先前概念，並藉由生生或師生的互動中，修正學生的另有概念。

圖1凹陷的乒乓球氣體行為示意圖

一、課堂實施

在這一階段，教師強調實驗的目的和重要性，並引導學生如何確認實驗變因、空氣柱製作、測量不同溫度下氣體的體積變化。學生們在小組中討論，確認實驗變因、制定實驗流程，並準備實驗材料(見圖2)。這一過程不僅讓學生們學會了如何設計實驗，還培養了他們的團隊合作能力和問題解決能力。

圖2 學生實驗操作過程

1.閱讀引導實驗設計

利用閱讀實驗內容引導學生進行實驗設計的變因判斷(見圖3)，在探究式教學中讓學生自學探究文本中的操縱、應變及控制變因是很重要的，有別於傳統教學直接告訴學生此探究式教學可讓學生印象深刻而進行深度學習。

圖3 實驗裝置說明及示意圖

2.空氣柱的製備

教師先播放自錄的空氣柱製作示範影片，並於影片播放過程中適時引導學生留意製作過程中的關鍵變化，同時思考其可能原因。教師透過提問檢查學生是否能有效觀察相關現象並進行初步解釋，並要求學生將觀察與推論書寫於學習單中(見圖4)。隨後，教師安排學生分享其思考與解釋，以促進同儕間的想法交流與修正。此設計旨在引導學生不僅停留於現象的紀錄層面，還能進一步探究背後的成因。在接續活動中，學生需自主規劃實驗裝置並實際操作，以建構與深化對相關科學概念的理解。

圖4 空氣柱製作提問

3.實驗裝置與實驗操作

在實驗裝置的規劃部分，教師為確保學生能正確掌握裝置的操作方法，提供實驗裝置的示意圖作為參考。同時透過引導式提問，促使學生思考並辨識操作過程中應注意的關鍵細節，進而理解如何藉由調整或改進裝置設計，以降低實驗操作可能產生的誤差(見圖5)。

圖5 實驗裝置提問

4.實驗數據分析及討論

鑑於現階段高中學生於實驗數據的圖像化表徵，與可視化處理能力方面仍然不足，本次教學特別設計學習任務，引導學生自主依據實驗數據進行圖表繪製與分析，期待能有效提升科學數據處理和解釋能力。這個實驗最終目的是希望學生對於空氣的體積如何受溫度影響及趨勢變化有更深的了解。如圖6所示，課堂中一組學生利用實驗數據作圖外延並利用公式找出絕對零度為攝氏34.4℃(圖6上)，另一組實驗數據則找出的絕對零度為攝氏-14.25℃(圖6下)。鑑於高中學生對於數據的選擇及作圖的不熟練，以及實際的數據實驗與理論值有相當差異，另讓學生操作PhET模擬器，名稱為「Gases Intro_氣體概念介紹」的實驗以模擬的方式找出絕對零度。

圖6 學生數據紀錄及作圖

三、PhET模擬器名稱「Gases Intro_氣體概念介紹」實驗

學生透過操作PhET 模擬器「Gases Intro_氣體概念介紹」，改變自變數以探討溫度對氣體體積的影響(見圖7)，並根據實驗數據進行繪圖，以推算絕對零度的溫度。在此歷程中，學生同時學習使用Excel進行資料視覺化與線性回歸分析，進而利用攝氏溫標下的氣體壓力-溫度關係，外推凱氏溫標零點(絕對零度) 。學生操作模擬器中的不同變因，包括：壓力、溫度、粒子個數與分子輕重，獲得容積寬度(對應為氣體體積)的數值，再利用Excel中的趨勢線求出方程式。如圖8的實驗編號1為例，操縱變因為溫度0至100 ℃，應變變因為容積寬度，控制變因為壓力25.6atm、輕分子、200個粒子分子。共取11個模擬數據進行作圖，求出Y=0.0337X+9.0684後，將氣體寬度為零(X=0)代入方程式並求得到Y= -270.4℃。學生共模擬4~6組實驗(每組11個數據)，並比較模擬結果，找出絕對零度最接近-273.15℃的條件。學生能從模擬結果理解真實氣體如果要接近理想氣體時的條件為高溫、低壓及輕粒子。

圖7 Gases Intro_氣體概念介紹

(網址：https://phet.colorado.edu/sims/html/gases-intro/latest/gases-intro_all.html?locale=zh_TW)

圖8: 學生實際操作其中一組實驗數據、全部數據整理及簡單討論

四、從實驗中所求出的絕對零度與模擬實驗所求出的絕對零度異同處與其背後的原因

在學習活動的延伸部分，教師引導學生比較實驗數據與模擬數據中所求得的絕對零度，思考其異同之處及背後的成因。透過閱讀補充文本(見圖9)，學生能進一步理解理想氣體模型與實際氣體行為的差異。教師透過提問引導學生釐清「理想化假設」與「真實狀況」的不同，並鼓勵學生將討論延伸至分子間作用力與實際氣體偏差的相關內容，藉此深化對氣體定律的理解。

圖9 閱讀文本

(文本綜合修改自維基媒體基金會，2023；ChemTeam, 2019；CK-12 Foundation, 2015)

• 教學與實踐中的困難與解決策略

一、空氣柱高度的修正

在實際教學中遇到一些挑戰。例如，空氣柱製作時，空氣柱太高，致使無法將全部的空氣柱都在水面下加熱，改進方法是當下將毛細管截短之後再製作空氣柱(見圖10與圖11)。另外也採購更短的毛細管，預計將在114學年度修正使用。

圖10 原毛細管空氣柱當加水至燒杯刻度1000 mL時，空氣柱無法完全浸入水中。	圖11 毛細管截短後製作的空氣柱當加水至燒杯刻度1000 mL時，空氣柱可完全浸入水中。

二、熱水降溫取代逐步增溫

實驗是採取加熱方式，但因加熱器剛開始加熱溫度變化小，後面溫度變化大，致使溫差與體積變化較不具規律性，因此後來改為熱水降溫方式進行，溫度變化比較平緩。

三、多組穩定模擬數據

在模擬操作階段，有些學生過於匆促地記錄數據，導致圖表偏差。教學時提醒學生在等待模擬器內粒子運動穩定後再進行數據記錄，並鼓勵他們做多組測量以取平均，避免單一數據誤導結果。這些修正過程，正是學生學習如何做「有效的科學觀察與記錄」的歷程。

• 教學後的反思與學生成果

這次的創新教學設計，顯著提升學生對查理定律的理解與學習動機。學生不再只是被動接受公式，而是透過「看見」與「操作」，主動發現氣體體積與溫度之間的線性關係。在反思提問中，多數學生提到「原來氣體也可以被觀察」、「實驗讓我理解公式背後的原因」、「我覺得自己真的做了一次小科學家的工作」。

有的學生利用Excel 將模擬器所得資料繪製折線圖，並主動外推氣體體積趨近於0°C 以下的點，進而推導出接近-273°C 的絕對零度。他們不僅學會了查理定律，更學會如何從觀察中提出推論，這正是探究與實踐核心素養的重要體現。

課後教學者亦反思：結合真實實驗與數字模擬的雙軌教學設計，不僅能補強單一方法的侷限，也能讓不同學習風格的學生都找到學習的切入點。同時，也看見學生對數據分析、圖表製作的能力有顯著成長，這對未來科學素養的培養有深遠的影響。

• 結語

查理定律是一個容易被學生視為抽象、難以理解的氣體定律。然而，透過生活情境引導、實踐活動、數字模擬與圖像分析的多元結合，學生能夠在具體操作過程建構對抽象原理的理解，並從數據中提取有意義的訊息以形成科學結論。這樣的教學活動呈現出科學建模的內涵，亦即讓學生經由實際實驗操作獲得數據，再進行模擬實驗，並比對分析實際實驗與模擬實驗的差異，親身經歷科學模型的建立、驗證與修正，學習從複雜現象萃取核心規律的能力。

實驗結束的同時，可以引導學生深入思辨「實際實驗」與「模擬實驗」在科學本質的異同之處。例如，實際實驗讓學生體會真實世界的變異性與測量誤差，學習處理不完美的數據；而模擬實驗則提供一個理想化的情境，幫助學生清晰地掌握變因間的數量關係。透過辨析兩者的差異與功用，學生能更深刻地理解科學探究的本質以及模型在科學發展中的角色與限制，從而建立更成熟的科學觀。

未來，作者們將持續優化探究式的教學模式，嘗試更多跨科整合與生活應用，讓學生在自然科學的世界中，不只是學習知識，更能學會如何「做」科學，成為擁有觀察力、分析力與實踐的探究者。

• 參考文獻

維基媒體基金會。（2023 年 10 月 2 日）。查理定律。維基百科。取自 https://zh.wikipedia.org/zh-tw/查理定律

科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder) (2025)。氣體概念介紹 (Gases Intro)。PhET互動模擬教學 (PhET Interactive Simulations)。https://phet.colorado.edu/zh_TW/simulations/gases-intro

ChemTeam (2019). Charles’s Law. http://www.chemteam.info/GasLaw/Gas-Charles.html

CK-12 Foundation (2015). Charles’s Law. Introductory Chemistry. LibreTexts.  https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/Introductory_Chemistry_(CK-12)/14%3A_The_Behavior_of_Gases/14.04%3A_Charles’s_Law

羅存德的元素名詞

張澔

義守大學通識教育中心

Email:changhao1975@gmail.com

摘要：我們現在所使用的單一西音形聲字是徐壽與傅蘭雅在1871年出版的《化學鑑原》所提出來。但在此之前，來自德國路德會的羅存德(Wilhelm Lobscheid)已經在他所編輯的《英華字典》(English and Chinese Dictionary, 1869)為元素名詞以「行」字為主體造新字，他在「彳」與「亍」中插入所翻譯的字，如同中文的街、銜與衡等字。當時元素被翻譯為元行。羅存德所創制的化學元素命名未能在近代中國得以廣泛傳播和應用，其核心原因在於當時中國知識階層普遍缺乏英語語言能力，導致這些術語無法被有效接收和使用。然而，這些新造名詞卻出現在日本的科學書籍之中。

■  前言

中文化學元素名詞從第一次鴉片戰爭(1840-1842)逐漸發展形成，是被討論最多的其中一種科學術語，也是最難被整合之一的中文科學名詞，曾擔任益智書會會長的美國長老會傳教士狄考文 (Calvin W. Mateer) (Fryer, 1896)就很感慨的說：

這個問題誠然困難重重，令人為難。其中最大的困難在於化學命名法。如果我有權力，我會派一名警官逮捕嘉約翰博士、傅蘭雅博士、丁韙良博士和洪士提反博士，把他們鎖在房間裡，只給麵包和水，直到他們對化學命名法達成協議。(Fryer, 1896, 164)

美國醫學傳教士嘉約翰 (John Kerr)在1870年出版《化學初階》。在江南製造局擔任翻譯工作的傅蘭雅(John Fryer)與徐壽在1871至1883年之間著有《化學鑑原》（傅蘭雅、徐壽，1871）、《化學鑑原續編》（傅蘭雅、徐壽，1875）、《化學鑑原補編》（傅蘭雅、徐壽，1882）、《化學考質》（傅蘭雅、徐壽，1883）與《化學求數》（傅蘭雅、徐壽，1883）等書。在北京同文館擔任總教習的美國傳教士丁韙良 (William Alexander Parsons Martin)在1868年著有《格物入門》，其中第六冊是化學內容。美國醫學傳教士洪士提反(Stephen A. Hunter)在1890年編譯《萬國藥方》。在他們自己所著的化學相關著作中，都提出了一套自己的化學元素名詞，因此在十九世紀的時候對引進化學都有不同程度的影響力。

■  簡介中文化學元素名詞

我們現在所使用的鈉、鉀、鎂、鈣、鋁、鋇與錳等元素名詞，是徐壽與傅蘭雅在《化學鑑原》所造的新字（傅蘭雅、徐壽，1871），這種單一字的元素命名方法很快就被同時期的翻譯者所採用。但在當時社會上比較習慣義譯名詞，加上大眾幾乎沒有基礎英文能力的狀況下，這種以西音所創造的形聲字就受到很大的批評(Fryer, 1890)。然而這種大部分沒有化學味道的元素名詞在國立編譯館成立後，最終成為了官方化學名詞 (國立編譯館，1933)。

我們現今所使用的元素名詞大部分是從西文發音的一個音或者第二音而來的新造字，所能翻譯的空間就是第一音或第二音，其次大家能關心的是，哪一個中文字比較恰當，因此討論的空間就變的非常少，但是當這個名詞是意譯的時候，不論是西文原意或者化學性質而來，翻譯的可能性就提高了非常多，就會引起更多的討論與爭辯。有趣的是，在徐壽與傅蘭雅提出單一字元素名詞之前，德國傳教士羅存德 (Wilhelm Lobscheid)已經在他所編的《英華字典》中出現不少單一字元素名詞。

每一個名詞的誕生都與翻譯者的學識背景息息相關，也與當時的語言、社會背景與文化密不可分，另外也與曾經被翻譯的名詞有關連，當然也與西文字源息息相關。我們希望透過對羅存德元素名詞的分析，讓大家瞭解，每一個元素都有一個傳奇的故事(Weeks, 1933)，也希望讀者有機會對於中西化學交流有初步的認識。也許無法舒解大家背元素名詞的枯燥，但希望能夠協助大家對化學元素的學習與理解。

羅存德是德國路德會的信徒，1848年被派遣到中國傳教。在1851-52年之間返回倫敦學習醫學知識，透過醫療服務，他有更多在中國南方傳播上帝福音的機會。後來自覺受到基督教會的不公正對待，羅存德於1857年辭職，轉而為香港政府以及荷屬西印度移民公司工作。在1870年他移居加州舊金山(Mason, 2020)。

    羅存德為元素名詞所造的字，就是將「行」字拆開成兩部分，即「彳」與「亍」，然後在它們之間加入一個意譯字，就如同中文的街、銜與衡等字(Lobscheid, 1866-1869)。在明末清初的時候，耶穌會士將元素翻譯成元行，以便區分中國的五行與西方四元素的差異(徐光台，1997)。

圖1 羅存德在字典中特別說明元素造字(引自 Lobscheid, 1869)

    羅存德所造的元素字可以分為幾類。有些從傳統名詞而來，如炭(碳)、硝(氮)。其次就是採用英國醫學傳教士合信 (Benjamin Hobson)的名詞，如養(氧)與鹻(鉀)(Hobson, 1858)。有些造字從元素化學性質或顏色而來，如綠(氯)，按 chlorine 的西文原意而來。黃(氟)則是按它在標準條件會形成淡黃色氣體而來。水(氫)依英文 hydrogen 的意思而來。藍(碘)按澱粉與碘水溶液結合會產生藍色反應而來，這是在1814年德國化學家Friedrich Stromeyer做實中觀察到的現象(Mann, 1902)。光(磷)則是按phosphorus帶光意思而翻譯。紅(硒)按元素有深紅棕色而產生(Solly, 1849)。比較特別是莎金(鈉)這個名詞，它是從sodium 音譯而來。火石(矽)，我們找不到直接與火石有關的文獻，也許是筆述有誤，或者刻板錯誤，也許是來自「砂岩」(sandstone)，即以二氧化矽為成分的沙子所形成的岩體(Wells, 1862)。白(鍶)是一種白色金屬元素。灰(釷)字按元素的顏色而來。紅(鈦)之由來，因為元素具有紅色。重石(鎢)的元素名為 tungsten，瑞典語為「重石」(heavy stone)之意(Bloxam, 1903)。天(鈾)是由天王星(uranus)簡稱而來。1789年德國化學家Martin Heinrich Klaproth發現鈾元素，為了紀念發現天王星偉大的貢獻，便將此元素稱之為uranium (Dahlkamp, 2013)。皓 (釩) 元素是一種白色、銀色、易碎的金屬。白金(釔)是一種銀白色金屬。黑(鋯)元素呈現一種黑色或鐵灰色固體。

圖2 羅存德所造的21個元素名詞(引自 Lobscheid, 1869)

    羅存德表示「根據這個原理，我們很難用最簡單的形式來表示大多數元素的行列。」(Lobscheid, 1866-1869) 。他翻譯了21個元素名詞，但其中兩個字紅(硒)與紅(鈦)卻重複。除了新造字外，他的元素名詞部分來自傳統名稱，如金、銀、銅、鐵、錫、汞與白鉛(鋅)，還有兩個音譯名詞，如嘧呢唦金(magnesium, 鎂)與哥倫邊金(niobium, columbium )。至於其他元素，若是金屬，只被翻譯為「金類」、「金類名」與「金名」。

羅存德的元素幾乎沒有對中文元素名詞產生任何影響，但卻出現在日文化學元素名詞中。其中之一，就是日本著名啟蒙家西周在明治三年(1870)所編譯的《百學連環》，他使用了藍(碘)、臭(溴)與黃(氟)等三個新造字。另外就是由田維四郎翻譯，田中芳男校閱的《金石學》(1876，博物館藏版)使用了羅存德的16個元素名詞(菅原國香、板倉聖宣，1989)。

■  結語

我們現在已經很習慣西音而來的形聲元素名詞，也把它們的存在視為理所當然，在這種情況下，也許我們會非常不習慣羅存德所翻譯的元素名詞。我們之所以有如此的感覺，其實是教育所造成的結果。其實在清末的時候，不論是意譯或音譯名詞，所造字的元素名詞對中國人而言都是很陌生，尤其這些音譯名詞既不符合當時的習慣，甚至也被視為洋味太重。換句話說，徐壽與傅蘭雅的元素名詞被普遍接受並非是一路順遂，反而是坎坷曲折。它們經歷了不同科學名詞會議的檢驗，許多學者專家提出不同取代的名詞，化學名詞委員也發表不同的意見。從1871年被提出，直到1933年國立編譯館公布《化學命名原則》才確定了它們的歷史地位。

羅存德的元素名詞幾乎沒有在中國產生任何影響力，主要原因之一，就是當時大部分的中國學者幾乎不懂英文，但是卻被懂得外文的日本學者與翻譯家所使用。另外，很重要的一點，為何羅存德會提出如此多的元素名詞，這與他的醫學背景有很大的關連。為了培養中國醫療人員，教會組織需要編輯中文醫學相關教科書籍，化學是醫生必備的基本知識之一，嘉約翰的《化學初階》就是為了培養中國醫療人員所需要的化學知識而出版。

■  參考文獻

徐光台(1997)。明末西方四元素說的傳入。清華學報，27(3)，347-380。

國立編譯館(1933)。化學命名原則。上海：正中書局。

傅蘭雅、徐壽 (1871)。化學鑑原。上海：江南製造局。

傅蘭雅、徐壽 (1875)。化學鑑原續編。上海：江南製造局。

傅蘭雅、徐壽 (1882)。化學鑑原補編。上海：江南製造局。

傅蘭雅、徐壽 (1883)。化學考質。上海：江南製造局。

傅蘭雅、徐壽 (1883)。化學求數。上海：江南製造局。

菅原國香、板倉聖宣(1989)。幕末·明治初期における日本語の元素名 (I)- 元素の日本語名の成立過程の研究 (1)。科學史研究。28，193-202。

Bloxam, C. L. (1903). Bloxam’s chemistry: inorganic and organic with experiments. John Churchill and Sons.

Dahlkamp, F. J. (2013). Uranium ore deposits (6th ed.). Springer Science & Business Media.

Fryer, J. (1890). Scientific terminology: Present discrepancies and means of securing uniformity. In Records of the General Conference of the Protestant Missionaries of China Held at Shanghai, May 7-20, 1890 (pp. 531–551). American Presbyterian Mission Press.

Fryer, J. (1896). The present outlook for Chinese scientific nomenclature. In Records of the Second Triennial Meeting of the Educational Association of China Held at Shanghai, May 6-9, 1896 (pp. 155–167). American Presbyterian Mission Press.

Hobson, B. (1858). A medical vocabulary in English and Chinese. Shanghai Mission Press.

Lobscheid, W. (1866–1869). English and Chinese dictionary: With the Punti and Mandarin pronunciation. Fujimoto.

Mann, G. (1902). Physiological histology: Methods and theory. Clarendon Press.

Mason, L. (2020). Wilhelm Lobscheid 1822–1893. Biographical Dictionary of Chinese Christianity. http://bdcconline.net/en/stories/lobscheid-wilhelm

Solly, E. (1849). Syllabus of a complete course of lectures on chemistry. Longmans, Green and Co.

Weeks, M. E. (1933). Discovery of the elements. Journal of Chemical Education.

Wells, D. A. (1862). Principles and applications of chemistry. Ivison, Blakeman, Taylor and Co.

《臺灣化學教育》第六十期（2025年6月）

目錄

• 主編的話

• 第六十期主編的話／周金城〔HTML｜PDF〕

• 本期專題【專題編輯／鄭宏文】

• 「輻射+化學」：燃起人類文明的第三把火炬／鄭宏文〔HTML｜PDF〕
• 「輻射+化學」：輻射普拉斯／趙自強〔HTML｜PDF〕
• 「輻射+化學」：放射治療有利於臨床免疫療法： 從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞／程俊嘉〔HTML｜PDF〕
• 「輻射+化學」：質子治療的輻射化學機轉與模擬探索： 從能量沉積到奈米尺度自由基反應／卓奕均〔HTML｜PDF〕
• 「輻射+化學」：個人化精準質子治療新視野： 從物理影像到在線生物影像導引／詹美齡〔HTML｜PDF〕
• 「輻射+化學」：超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術／謝憬儀〔HTML｜PDF〕

• 教學教法／家庭化學實驗【專欄編輯／楊水平】

• 自製常用的黏合劑並測試其黏合效果／楊水平〔HTML｜PDF〕

• 教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／何家齊】

• 過碳酸鈉取代雙氧水產生氧氣於國小製造氧氣實驗之可行性探討 ／ 周佳誼、周欣誼、何家齊〔HTML｜PDF〕

第六十期 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

感謝各位長期以來對臺灣化學教育網站的支持與愛護！本站致力於推動化學教育資源的分享與交流，能獲得來自教師、學生及教育研究者的肯定，我們深感欣慰。然而，近日網站受到駭客攻擊影響，導致部分網頁出現顯示異常等情形，對於造成使用上的不便，我們深表歉意。目前技術團隊已積極進行檢測與修復作業，並同步強化資安防護機制，以避免類似事件再次發生。過程中若有造成大家困擾，懇請見諒。我們也歡迎使用者回報發現的異常狀況，以利我們加速修復與優化。再次感謝您的包容與支持，未來我們將持續努力，提供更穩定、安全且優質的化學教育平台。

• 本期專題「輻射與化學」簡介

隨著醫學科技的發展，輻射早已不再只是原子能或核武的代名詞，而成為現代醫療中不可或缺的利器。無論是用於診斷的電腦斷層掃描（CT）、正子斷層掃描（PET），還是治療用的質子放射線與放射治療，這些應用都建立在輻射與化學的深厚基礎上。當輻射與人體組織、特定藥物或造影劑發生作用時，牽涉的不僅是物理能量的傳遞，更是分子層級的化學變化與生物反應。從了解癌細胞的代謝活動，到啟動免疫系統的分子訊號，再到個人化放療的精準導引，輻射與化學的結合正開啟醫學治療與影像診斷的新視野，為人類文明照亮智慧醫療的下一道光芒。

本期專題主題是「輻射+化學：燃起人類文明的第三把火炬」，專題客座主編是邀請國立臺北教育大學自然科學教育學系鄭宏文教授擔任，一年前邀約鄭教授賜稿時，很感謝他很爽快的答應，並且擬定了這個醫學科技中輻射與化學的主題，並很快邀請長庚大學放射醫學研究中心的團隊來介紹輻射與化學在醫療領域的結合，從歷史發展、質子治療原理、腫瘤免疫調控機轉、個人化治療影像技術，到超極化磁振造影應用，展現臺灣在放射醫學與化學跨域整合的研究成果與教育價值，且各篇專題文章都是很專業的內容，希望中學生讀者進入到大學後未來可以投入此領域的相關工作與研究中。

第一篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心趙自強主任所撰寫《輻射普拉斯》，探討游離輻射的科學原理、歷史發展及其在醫學、動物實驗、太空科技與安全設計等領域的應用，強調輻射本無好壞，關鍵在於用途與管理。文中亦介紹臺灣在質子治療與輻射模擬研究的最新成果，展現跨域整合的教育與社會價值。

第二篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心卓奕均博士所撰寫《質子治療的輻射化學機轉與模擬探索：從能量沉積到奈米尺度自由基反應》，介紹質子治療時，質子進入人體後會和水產生作用，產生具破壞力的自由基，進一步傷害癌細胞的DNA。文章也說明金奈米粒子有機會幫忙控制這些自由基的生成與作用方式，讓治療更有效率。此外，也提到一種模擬軟體Geant4-DNA，能幫助研究人員了解這些反應在細胞內是怎麼發生的，進一步提升治療的準確度。

第三篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心程俊嘉博士所撰寫《放射治療有利於臨床免疫療法：從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞 》，說明放射治療除了殺死癌細胞，還能幫助免疫系統對抗癌症，特別是對某些基因正常的腫瘤效果更好。後續說明放射治療會刺激身體產生訊號分子，吸引免疫細胞（像是T細胞）進入腫瘤附近，有機會讓免疫系統更容易認出並攻擊癌細胞，進而提升免疫療法的效果，也讓更多癌症患者有機會獲得幫助。

第四篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心詹美齡博士所撰寫《個人化精準質子治療新視野：從物理影像到在線生物影像導引》，說明放射治療邁向精準與個人化，傳統僅依賴解剖影像難以掌握腫瘤內部的生物異質性，尤其是缺氧狀態可能造成輻射抗性。生物影像導引放射治療（Bio-IGRT）結合PET等分子影像技術，可監測腫瘤生理變化並調整劑量。質子與重粒子治療具備自發性正子訊號來源，無需注射顯影劑，搭配原位PET與創新影像重建技術（如sc-MLEM），有效克服有限角度與訊雜比挑戰，提升影像定量準確性，為實現精準放療提供重要支持。

第五篇專題文章是長庚大學放射醫學研究中心謝憬儀博士所撰寫《超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術》，說明超極化核磁技術是一種先進的醫學影像技術，能大幅提升偵測特定分子的能力，特別是碳-13這類不容易觀察的原子。利用「溶解動態核極化」的方法，研究人員可以強化碳-13的訊號，讓我們能清楚看到體內的代謝活動。例如，透過觀察超極化[1-13C]丙酮酸的變化，可以即時了解身體裡乳酸與碳酸氫鹽的產生過程。這項技術對癌症等疾病的診斷與治療監控非常有幫助，為未來醫療帶來新希望。

• 化學實驗主題

本期化學實驗主題有兩篇，第一篇是由國立彰化師範大學楊水平教授所撰《自製常用的黏合劑並測試其黏合效果》，本文介紹三種可由學生親手製作的家庭黏合劑：白色漿糊、甜味膠水與透明膠水，並透過紙張與木材測試其黏合效果。實驗過程設計簡易，材料安全易得，適合於家庭或學校場域進行。作者強調透過動手操作，讓學生體驗生活中化學原理的應用，並提供教學指引與延伸探究問題，有助於激發學生的學習動機與探究能力。本實驗亦對應108課綱自然領域的學習表現與內容，適合國小至高中各階段課程教學，展現化學教學與日常生活的有效結合。看到此文章讓回想到我國小的時候曾看過父親在修補家中脫落壁紙時，在瓦斯爐上加熱煮出漿糊，當時的我覺得好驚訝，原來漿糊可以在家自製。

第二篇是國立中科實驗高級中學化學科何家齊老師與指導科展學生周佳誼和周欣誼，將高中科展報告改寫投稿，本研究旨在尋找安全、簡便且高效的製氧替代方法，以取代傳統雙氧水製氧實驗。實驗選用過碳酸鈉作為「固體雙氧水」，探討其與不同水量、溫度及催化物（如多種金屬與金針菇）反應時的產氧效果。結果顯示，1公克過碳酸鈉加入10–15 mL水最適合，溫度愈高氧氣產生愈快；銅片及金針菇具催化效果，其中金針菇效果最佳但高溫會抑制其酵素活性。進一步實驗顯示，60℃水中加入4枚1元硬幣及10克過碳酸鈉，15分鐘內可產生520 mL氧氣，符合中小學實驗需求。此方法安全、材料易得，具實用推廣價值。

• 結語

本期專題聚焦於「輻射與化學」在醫療與教學上的創新應用，從放射診斷、質子治療、免疫調控到代謝影像技術，不僅展現臺灣在跨域整合研究上的深厚實力，也勾勒出化學教育未來可發展的多元方向。透過這些精彩文章，我們期盼能激發更多師生對於輻射科學、醫藥化學與實驗探究的興趣與投入。同時，本期兩篇化學實驗文章也回應生活情境與教學需求，讓化學不只是課本上的知識，更能走進學生的生活與實作教學中。未來，我們將持續致力於推動優質的化學教育資源，邀請大家一同參與化學教育的無限可能。

「輻射+化學」：燃起人類文明的第三把火炬

鄭宏文

國立臺北教育大學　自然科學教育學系
Email: hongwen@tea.ntue.edu.tw

• 前言

化學是探究物質的科學，而生活中的化學則無處不在，與人們的食衣住行育樂習習相關。所謂的「輻射」係指除傳導與對流之外，能量傳遞的另外一種形式。以能量足夠高的輻射（>10 eV）照射物質，即可游離該物質分子的價電子，此類輻射則稱之為游離輻射，例如高能量的中子射線（中子）、質子射線（質子）、a射線（氦原子核）、b射線（電子）、X射線（光子）與伽瑪射線（光子）等，實務上，因為10 keV 以下的光子穿透力太弱，要超過此限才會稱為游離輻射；而日常生活中人們所面對能量較低的諸如：紫外線、可見光、紅外線等光子則稱之為非游離輻射。過去，因為發現了前述高能量游離輻射、以及鈾、釙與鐳等輻射源，倫琴（Wilhelm Röntgen）、貝克勒（Henri Becquerel）與居禮夫人（Marie Curie）等科學家先後獲得了1901與1903年的諾貝爾物理獎、以及1911年的諾貝爾化學獎。以此高能量游離輻射作為探究工具，科學家們遂得以更深入地瞭解物質乃至於原子結構的奧秘，甚至可將科學探究歷程之中所累積的這些科學技術與相關經驗遷移、推廣並應用在：材料分析、分子診斷、癌症治療、放射醫療、質子治療等領域，進一步促成了現代化學、醫學與物理等跨越領域的深度融合。職是之故，「輻射＋化學」所帶來的革命性影響，實可謂人類歷史進程中繼「用火」與「用電」後，推動文明發展的第三把火炬。

• 放射醫學的研究與發展

根據衛福部的統計資料顯示：癌症（惡性腫瘤）已連續多年蟬聯國人十大死因之首，雖然放射治療是一種有效的癌症治療手段，但唯有透過醫學影像的精確診斷與定位才能夠發揮其最大效能，故「醫學影像」與「放射治療」兩者實相輔相成且缺一不可。其中「醫學影像」技術係透過影像判斷疾病的類型、程度與位置，在療程前可用以瞭解病灶，精確定位放射治療的目標，在療程中亦可藉以觀察或追蹤腫瘤的變化以評估其治療效果；而「放射治療」則使用高能量輻射以摧毀腫瘤細胞或抑制其生長並阻止其向周圍組織擴散。舉例來說：X光、電腦斷層掃描（CT scan）、核磁造影（MRI）即為常見的醫學影像技術；而光子放射治療（可利用X光或伽瑪射線）則是傳統常見的放射治療手段。

然而高能量輻射在摧毀腫瘤細胞的同時，亦會對其周圍健康的正常組織造成傷害。但由於光子束（例如：X光）與物質粒子束（例如：質子束）的物理特性不同，因此質子治療（利用質子束）或重粒子治療（利用碳離子束）之中，高能量的物質粒子射線強度在穿透進入人體組織的臨界深度之後便會急遽地衰減（稱之為「布拉格峰（Bragg Peak）」，請見後文詳述），使物質粒子束的輻射劑量能精準沉積於腫瘤區，進而大幅降低周圍正常組織的照射劑量而降低療程的不適與副作用，達成精準治療的目標。因此，質子束與重粒子束也就成為了放射治療工具多元選項之中，除了傳統光子束以外的另外一種新興的選擇。

自2015年林口長庚醫院啟用第一座質子中心、臺北榮總於2023年成立第一座重粒子癌症治療中心以來，時至本文截稿之日止，臺灣已有6間粒子（質子/碳離子）中心投入營運，使臺灣粒子治療技術蓬勃發展，更讓臺灣成為全球粒子治療人均密度最高的國家之一。以長庚醫院為例（Chao, 2024），其質子中心時至2024年6月已累計治療病人逾7,500人，涵蓋肝癌、肺癌、頭頸癌、小兒腫瘤、乳癌等多種癌症類型，展現其醫療體系臨床與技術的雙重實力。在全球質子醫療快速發展之際，台灣相對密集的質子治療設施布局，已成為亞洲甚至全球注目的焦點。此外，長庚大學於2018年所成立的放射醫學研究中心（Chao, 2024），整合了物理、醫學、工程與化學領域並推動輻射相關研究，使該中心為全臺唯一設有高能質子束實驗平台之研究單位，不僅與太空中心合作開展微電子元件抗輻射測試，更建立輻射標準程序，與國際接軌。此外亦與臨床代謝體核心實驗室合作，探索放射與代謝路徑之交會處，深化輻射化學於診斷與治療中的角色，展現放射化學教育與應用的高度整合。本期邀請臺灣於前述相關領域從事前沿研究之專家學者，撰文闡述並介紹其研究成果以與讀者共享。

• 本期專題文章簡介

一、《輻射普拉斯》—從歷史觀點談化學、輻射與倫理的融合

本篇文章由趙自強教授撰寫，回顧從倫琴發現X光、居禮夫婦分離出釙與鐳，到現代放射醫學與化學應用的歷程，強調輻射本無好壞，關鍵在於應用的智慧與倫理。普拉斯，也就是「+」符號象徵輻射與各種學科的融合與可能性。此文能啟發讀者反思化學技術背後的社會責任與風險溝通。

二、《質子治療的輻射化學機轉與模擬探索》

卓奕均助理研究員深入介紹質子射束在細胞與水介質中所誘發的自由基反應，涵蓋從能量沉積到奈米尺度化學過程的關鍵機轉，突顯氫氧自由基（·OH）在DNA損傷中所扮演的間接作用角色。同時亦說明金奈米粒子在自由基動力學中的潛在調控效應，以及模擬軟體如 Geant4-DNA 在建構放射化學與生物效應模型中的應用價值，為理解輻射化學與生物損傷間的連結提供了具體而全面的視角，亦是學生學習放射治療相關跨域知識的優良素材。

三、《放射治療調控腫瘤微環境免疫細胞的化學分子機轉介紹》

程俊嘉助理研究員以化學與免疫分子機制的角度，解釋輻射如何經由cGAS-STING路徑活化免疫反應，並探討自由基、細胞激素在腫瘤免疫環境中的功能轉化。這篇文章建立起放射與免疫化學間的教育連結，展現化學在現代腫瘤免疫療法發展中的關鍵地位。

四、《走向個人化精準質子治療：從物理影像到在線生物影像導引》

詹美齡副研究員深入探討Bio-IGRT的應用，說明質子/重粒子治療透過特有的在線生物影像，可在分次治療期間的觀察腫瘤對輻射的反應，並配合個人化治療計劃進行劑量調整。此文介紹先進的質子/重粒子治療在線生物影像技術研發現況，亦比較其與傳統核子醫學利用¹⁸F-MISO缺氧顯影劑的差異。 文章內容融合放射影像、生物化學與臨床策略，是跨學科教學與放射化學教育的極佳素材。

五、《超極化碳-13磁振造影：即時代謝可視化技術》

謝憬儀助理研究員介紹如何透過動態核極化技術(DNP)，大幅提升13C磁振影像的靈敏度，進而以丙酮酸等探針觀察體內代謝變化，廣泛應用於腫瘤學與代謝疾病研究。此文連結物理化學、磁振造影與臨床應用，是當代化學教育不可或缺的重要題材。

• 結語

當年居禮夫人因探索放射性元素而跨越了物理與化學的領域疆界，今日臺灣的質子醫療與放射研究則延續了這份精神，將科學實踐推向了跨領域整合與醫療臨床應用。這五篇文章從輻射化學、免疫、模擬、影像到代謝探針，具體展現了輻射與化學的深度結合，是臺灣多年來持續推動化學教育走向跨域融合與整合應用的另外一個重要示例。

• 參考資料

Chao, T. C. (2024, Sep 20-22). Particle therapy in Taiwan: Past, current status, and future prospects [Conference presentation]. The 10th Japan-Korea Joint Meeting on Medical Physics, Nagoya, Japan.

「輻射+化學」：輻射普拉斯

趙自強

長庚大學 放射醫學研究中心
Email: chaot@gap.cgu.edu.tw

摘要：本文探討游離輻射在科學與應用領域的多元結合與影響。從居禮夫人與倫琴的開創性研究談起，說明輻射如何成為現代物理、化學與醫學發展的重要推手，進一步延伸至癌症治療、太空科技、動物臨床研究與安全標誌設計等實際應用。輻射本無絕對的好壞，關鍵在於其使用方式與風險管理。透過「+」的觀點，本文強調輻射加上跨領域的整合應用，不僅能帶來創新突破，也具備教學與社會溝通的潛力。文中亦介紹臺灣在質子治療與輻射模擬平台上的進展，展現我國在放射科學與產業應用的實力。輻射是一把雙面刃，既蘊藏風險，也蘊含機會，唯有秉持科學倫理與安全原則，才能善用輻射帶來的正向價值，造福人類社會。

• 前言

輻射普拉斯這個題目，輻射很好理解，指的是游離輻射，游離輻射是指能量足以將原子或分子游離，也就是把原子中的電子擊出，使其成為自由粒子與正離子的輻射(Lechner, 2018)。常見的游離輻射包括X光、γ射線、α粒子、β粒子、質子、重離子和中子等。由於其具有高能量，游離輻射可與生物組織發生作用，引發細胞損傷或遺傳物質破壞，因此在醫療、核能與科研應用上，必須嚴格控制曝露量並落實防護措施。

普拉斯指的是「+」，此符號常常有一個更好的涵義，例如A+代表比A更好，C++代表比C更好的語言。然而，輻射本身沒有好壞之分，關鍵在於「如何使用」。用得對，它可以用來診斷疾病、治療癌症、保存食品、監測設備、探索宇宙；但若濫用或疏忽管理，則可能造成傷害甚至災難。就像電與火一樣，都是人類生活中不可或缺的能量來源，妥善運用就能造福社會，用錯了就會釀成風險。

因此，本文題目之「+」，並不是指更好的輻射，而是當游離輻射加上一個不同的應用，可能帶來教學研究的機會，或給人類帶來更美好的生活，這些種種源自於游離輻射的發現。

• 居禮夫人與輻射的發現

瑪麗・居禮（Maria Curie，圖1左）是近代科學史上最具代表性的女性科學家之一，其科研歷程與對輻射的發現對物理、化學與醫學領域產生深遠影響。她於1891年前往法國巴黎就讀索邦大學 (Sorbonne University)，展現卓越的數理能力，並與物理學家皮耶・居禮(Pierre Curie)結為伴侶及研究夥伴(Rockwell, 2003)。1896年，居禮夫婦延續安東尼・亨利・貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel)對鈾放射性的研究，發現天然礦石中存在放射性更強的未知物質。他們透過電荷測量與化學分離實驗，成功分離出兩種新元素：釙(polonium)與鐳(radium)，奠定放射性研究的基礎。1903年，兩人與貝克勒爾共享諾貝爾物理學獎；1911年，瑪麗再度因研究鐳的化學性質獲得諾貝爾化學獎，成為史上首位兩度獲獎者。她的研究不僅揭示原子內部結構的奧秘，也促成放射線在醫學診斷與治療上的應用，對後世科學與社會發展產生重大貢獻。

鐳屬於第2族鹼土金屬，化學性質類似鋇（Ba），具高反應性，能與水劇烈反應產生氫氣與氫氧化鐳。最常見的同位素為Ra-226，半衰期長達1600年，會進行α衰變並產生氣態的氡（Rn），具高度放射性。20世紀初鐳廣泛應用於癌症治療與發光錶面，但由於輻射防護意識不足，造成工人（如「鐳女孩」(Gunderman & Gonda, 2015)）罹患骨癌、貧血等傷害，現已被其他放射源所取代，僅用於科研與歷史教育。

釙是由居禮夫婦於1898年從鈾礦中首次分離出的放射性元素，化學性質與碲（Te）相似。釙最重要的同位素為Po-210，為強烈的α粒子發射源，具有高揮發性與劇毒性，進入人體後會集中於肝臟、骨髓並造成嚴重輻射傷害。雖然Po-210可應用於靜電消除器與太空探測器的微型放射電源，但因其高毒性與放射性風險，目前多用於實驗研究與輻射防護訓練中。

釙與鐳的發現不僅開啟了放射化學的研究，也促進了醫學影像與治療的發展。這兩種元素都屬於天然放射性核種，具有高度學術與教育價值，有助於提升科學素養與風險意識，亦能激發對放射線科技與科學倫理議題的關注。

威廉・倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen，圖1右)更比居禮夫婦早些年發現游離輻射，他是一位德國物理學家，以發現X射線聞名於世。1895年，他在實驗陰極射線管時(圖3左)，偶然發現一種肉眼無法見的「看不見的光」，可穿透紙張與薄金屬，並使螢光屏發亮。他最著名的成果是拍攝了世界上第一張人體X光影像——他妻子手部的骨骼與戒指(圖3右)，這項突破為醫學診斷開啟全新視野。倫琴並未為此發明申請專利，反而開放全球使用，展現其科學家的道德胸懷。他於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在新型輻射研究上的開創性貢獻。倫琴的發現促進了放射物理學、醫學影像與現代診斷學的發展，也奠定後續居禮夫人、貝克勒爾等人對放射性元素研究的基礎。他是一位將實驗觀察與理論推論完美結合的典範，其對科學與人類健康的貢獻影響深遠。

圖1：居里夫人(左)；威廉·倫琴(右)

• 輻射 + 標誌

現今常見的輻射警告標誌（三葉形符號）源自1946年美國加州大學柏克萊分校的輻射實驗室。當時研究人員為了標示放射性物質的危險性，設計出一個三葉向外擴散的圖樣，象徵放射線自中心源頭發散。最初此標誌採用粉紅色圖案搭配白色底色，因粉紅色在當時顯眼且不易與其他符號混淆。隨著國際標準的建立，現今通用版本改為黃色背景配黑色三葉圖案，更具警示效果。此符號廣泛應用於醫療、核能、工業與太空等領域。

然而，為了更有效傳達「此處有潛在輻射危險」的訊息。讓不同歷史、文化背景的人即便不了解放射線的原理，也能看到符號也能立即意識到風險，2007年國際原子能總署進一步推出補充標誌，加入紅底、骷髏與逃跑人形等圖像，用於高度危險源的容器。放射線標誌不只是科學符號，更體現了風險溝通與安全設計的整合，是核子時代最具代表性的視覺語言之一。

圖2：輻射警告標誌的演進

• 輻射 + 物理/化學/醫學

自19世紀末放射性被發現以來，輻射成為推動現代科學發展的關鍵力量，廣泛應用於物理、化學與醫學三大領域。在歷屆諾貝爾獎得主的研究成果中，輻射技術不僅展現其基本科學意涵，更反映其對人類健康、能源、材料與生命科學的革命性影響。

威廉・倫琴於1901年成為第一屆諾貝爾物理學獎得主，肯定其在輻射研究上的開創性貢獻。之後，在物理領域，1903年諾貝爾物理學獎頒給亨利・貝克勒爾與居禮夫婦，肯定他們對天然放射性的發現與量測方法建立，開啟原子物理與核子物理的研究時代。1935年詹姆士・查德威克 (James Chadwick) 因發現中子而獲獎，這一粒子成為核分裂理論與核能應用的基礎。1944年，奧托・哈恩 (Otto Hahn) 的鈾核分裂實驗則促成核能與武器發展，也使人類對輻射風險有了深刻反省。

在化學領域，1911年瑪麗・居禮因成功分離鐳與釙，揭示放射性元素的化學性質，榮獲諾貝爾化學獎。此後的放射化學研究推動了同位素標定技術、核反應合成與新元素的發現。1960年，美國科學家威拉得·法蘭克·利比 (Willard Frank Libby) 因建立碳-14放射性定年法而獲化學獎，為考古與地球科學提供了可靠的年代測定工具。

在醫學與生理學領域，輻射應用改變了人類對健康與疾病的認識與處理方式。1927年赫爾曼・穆勒 (Hermann Müller) 因證明X射線可誘發遺傳突變而獲獎，奠定輻射生物效應與癌症成因的理論基礎。1946年，美國放射生物學家赫爾曼·約瑟夫·馬勒 (Hermann Joseph Muller) 進一步揭示DNA損傷與輻射劑量的關係。2001年，李察・蒂姆・亨特 (Richard Timothy Hunt) 等人獲得醫學獎，研究細胞週期與DNA修復機制，促進放射線治療（如質子或重離子治療）的精準化與個人化。

此外，正子斷層掃描（PET）則結合放射性同位素與分子影像技術，讓臨床醫師可追蹤腫瘤或神經疾病的生理變化。2003年諾貝爾醫學獎表彰針對MRI (Magnetic Resonance Imaging)原理與應用的研究，也進一步擴展了非侵入式影像診斷的安全性與解析度。

從這些科學家的研究歷程可見，輻射不僅是一種物理現象或能量型態，更是促進跨領域合作與創新的核心技術。它既可用於破壞腫瘤細胞，也可能對健康造成風險，突顯科學倫理與風險溝通的重要性。未來，隨著粒子加速器、核醫材料與太空輻射模擬技術的進步，輻射科學將持續為能源、健康與材料科學開創新局，為人類生活帶來更多可能。

圖3：左側為倫琴於1895年拍攝的第一張X光影像，顯示其妻子手部骨骼與戴著的戒指；右側為X光管示意圖，描繪電子自陰極發射，經高電壓加速後撞擊陽極金屬靶產生X射線。此原理奠定現代醫學影像技術的基礎。

• 輻射 + 治療

1899年，瑞典醫師塔格・謝爾根 (Tage Sjögren) 成為最早嘗試以X光治療癌症的先驅之一。在倫琴於1895年發現X光僅四年後，謝爾根便開始將這種新型輻射應用於皮膚癌與狼瘡性結節病患的治療。他透過局部、控制劑量的X光照射，觀察到腫瘤明顯縮小與症狀改善的成效。這項成果雖然在技術上仍屬初期階段，但卻提供了放射線可用於「治療」而非僅作影像診斷的關鍵證據。謝爾根的臨床實驗被視為現代放射腫瘤學的雛形，開啟了以輻射治療癌症的新紀元。

放射治療是利用高能輻射破壞癌細胞的治療方式，已成為現代癌症治療的三大主軸之一，與手術、化學治療並列。傳統放射治療以光子為主，雖能有效殺死癌細胞，但同時也會影響周圍健康組織，可能引發不良副作用。隨著科技進步，質子治療因具備優越的劑量分佈特性，逐漸成為放射治療的新趨勢。本期另有四篇文章描述質子治療的發展與其在醫學影像、輻射生物、微劑量學的研究發展。

質子治療的原理是利用質子在人體內沉積能量的布拉格峰 (Bragg peak)效應，能將最大劑量集中於腫瘤位置，顯著降低對周圍正常組織的照射傷害，尤其適用於兒童癌症、顱底腫瘤及難以手術的深部腫瘤。臨床研究顯示，質子治療在降低復發率、減少併發症、提升生活品質等方面均具優勢。

臺灣自2015年長庚紀念醫院設立首座質子治療中心以來，粒子治療逐漸普及。目前已啟用的治療中心包括林口長庚、高雄長庚、台北醫學大學、臺北榮總(碳離子)、中國醫藥大學附設醫院、與台大癌醫中心，建置中者如彰化基督教醫院等等。各中心採用不同機型與配置，包括Sumitomo、IBA ProteusONE與Varian Probeam360等，提供1至4條治療光束軌道。根據統計，長庚醫療體系由2015至2024年中已累積治療超過7,500名病患，適應症涵蓋頭頸癌、乳癌、肝癌與肺癌等。

整體而言，質子治療在臺灣的快速發展，不僅擴大癌症治療的選擇，也帶動影像導引、劑量優化、生物標靶追蹤等技術的進步。未來隨著個人化精準醫療的深化，結合生物影像的質子治療可望成為癌症放療的新標準，為患者提供更安全、有效與客製化的治療方案。

• 輻射 + 動物

動物在輻射臨床前研究中扮演重要角色，主要用於探討放射線對生物體的影響機制、治療效果與安全性。這些研究通常利用動物模型（如小鼠、大鼠、犬、貓等）模擬人體疾病狀態，評估新型放射線治療策略的有效性與潛在風險。臨床前實驗可觀察腫瘤對不同劑量與粒子類型（如質子、重離子）的反應，並分析放射線對特定器官（如腦、肺、肝、骨髓）造成的急性或慢性影響，是推動精準放療與生物標靶治療設計的基礎。在此應用下，正子攝影（Positron Emission Tomography, PET）、單光子電腦斷層（Single-Photon Emission Computed Tomography, SPECT）與磁振造影（MRI）等多模態影像技術可用於追蹤腫瘤代謝變化、血流分布與治療反應。其中，正子影像能顯示腫瘤缺氧、細胞增殖或DNA損傷等生物特徵，成為評估放射線效果與劑量設計的重要依據。結合即時影像與病理驗證，寵物模型不僅能驗證放療新技術的可行性，也有助於推動人醫與獸醫放射治療的跨界合作，發展更貼近臨床需求的治療策略。

近年來，寵物影像學的引入為輻射研究開啟新方向。犬與貓等中大型哺乳動物與人類在生理、腫瘤發展與治療反應上更為相似，成為介於小動物實驗與人體試驗之間的「轉譯研究橋梁」。許多臨床前放射治療計畫開始納入患有自然發生腫瘤的犬貓病患，利用臨床級放射線設備（如質子治療機、影像導引系統）進行治療，同步搭配影像追蹤、組織分析與長期觀察，提供極具臨床價值的資料。

從經濟面來看，寵物治療已成為一個潛力龐大的醫療服務市場。隨著全球飼養犬貓等伴侶動物的家庭逐年上升，飼主對寵物健康的關注也趨於人性化與高端化，願意投資先進醫療（如放射影像診斷、放射治療）的比例大幅提升。這樣的市場需求推動獸醫腫瘤學快速發展，投入放射影像與治療設備於寵物醫療不再僅止於科研用途，也具備商業可行性。因此，結合臨床前輻射研究與寵物醫療市場，不僅可加速新療法的發展與驗證，亦符合現代社會對動物福祉與高品質照護的期待。透過寵物經濟的支持，其輻射醫學研究正朝向更具實證性、轉譯性與產業價值的方向邁進。

許多患有自然發生性腫瘤的寵物病患，如犬隻的鼻腔癌、腦瘤與骨肉瘤，與人類癌症在生物學行為、放射反應與病程發展上高度相似。透過這些寵物個體進行放射治療臨床前驗證，科學家能收集與人體更接近的治療效應與毒性資料，彌補傳統小鼠模型的不足。相對於人類臨床試驗面臨的倫理與招募困難，寵物病患提供了一個高價值、具真實世界參考性的轉譯研究平台。

• 輻射 + 太空環境/電子可靠度

太空是一個充滿遊離輻射的環境，包括宇宙輻射與太陽風，由質子、電子、重粒子…組成，對太空機電、材料與人體帶來了顯著風險(Simonsen et al., 2020)。由於半導體技術日新月異，台灣也在半導體先進製程居於國際領先地位。隨著元件體積所小，其輻射敏感性急劇增加。自動化系統與AI平臺都必須有對輻射損傷有足夠的耐受力(Balasubramanian & Maskell, 2023; Kochendarfer & Pabst Jr, 1971)。

電子元件的輻射損傷可分為三種：例如單一事件效應(Chiang et al., 2021; Dodd et al., 2004; Liu et al., 2023)，是指單一高線能粒子擊中電子元件的空乏區，產生電流造成資料錯誤，可能導致系統誤推、動作異常、甚至電路燒毀；總游離劑量效應，多半發生在氧化層，使元件逐漸遠離其動態設計範圍最後導致失效；位移損傷，發生在所有晶格，因為晶格位移損傷造成能階改變，並改變半導體電性(Poulin & Bourgoin, 1980)。這些損傷是太空安全系統設計之基礎，為了準確預測這些效應，必須依靠成熟的計算模型。

長康大學與日本富山高級專門學校合作，建立了「PTSIM-Space」太空環境模擬平臺，用於預測分析太空輻變對電子元件與人體的影響。該平臺添加了元件模擬、對應模擬及LET資料量等功能，也展開了對電子元件細節的模擬。此系統基於GEANT4 (GEometry ANd Tracking, V4) (Agostinelli et al., 2003)，能模擬不同輻射對半導體、人體、動物、材料的輻射損傷。從而推動我國在太空安全與先進製程設計上的發展，進一步與國際接軌。

於太空中作業的人類，還對輻射劑量特別敏感。更多的研究顯示，不僅是骨質減少、視力變化、記憶力衰退等。對於未來的月面移民、火星人類任務，都必須建立太空人輻射劑量與健康風險的評估與管理方案。PTSIM-Space也有模擬人類與動物在太空環境曝露劑量的評估功能。

此外，該系統也考量材料降解模擬(Garoli et al., 2020; Olano-García & Montero, 2020)。成熟的材料是達到太空變環機車作業長期維持緊急機能的重要之一。

• 輻射 + 傷害

2011年美國西維吉尼亞州一間醫院就因腦部CT(computed tomography)過度曝光，導致數十名病患接受到超量輻射，引發輿論關注與監管機構的調查。該事件突顯醫療輻射曝露風險絕非理論，而是真實存在的危害。

輻射傷害是指人體受到過量游離輻射（如X光、γ射線、質子、重離子等）曝露後，產生的組織傷害或生理異常。這些輻射會對細胞造成直接或間接傷害，例如直接打斷DNA雙股結構，或透過水分子產生自由基，進而破壞細胞內的重要蛋白質與遺傳物質(Incerti et al., 2010)。

根據曝露時間與劑量不同，輻射傷害可分為急性與慢性兩類。急性輻射傷害常見於大量短時間曝露，例如核災現場或醫療事故，可能出現噁心、嘔吐、掉髮、皮膚潰爛、造血功能抑制等症狀。若劑量過高，更可能導致死亡。慢性傷害則可能在多年後發生，包括白內障、不孕、免疫功能下降，甚至癌症或基因突變等長期影響。

為了保障人員健康，輻射安全的核心原則是「合理可行最小化曝露」。醫療院所或研究機構需配備個人劑量計，監控輻射工作人員的劑量累積情況；定期接受職業健康檢查，並安排輪值與休息時間，以降低長期累積風險。

針對職業曝露而言，台灣《游離輻射防護法》已針對放射線工作人員訂有明確規範。例如全身年劑量不得超過20毫西弗，孕婦輻射工作人員更需調整工作崗位以保護胎兒健康。相關單位如原能會、勞動部等亦有持續修訂技術指引，落實源頭管理與事後追蹤。

若發生核災或輻射外洩事件，例如福島核災、車諾比事件，則需立即啟動「去污」與「管制區設置」措施，並依情況進行人員撤離、碘片服用、全身污染監測等作業。在台灣，原能會與衛福部、消防署已有制定緊急應變計畫，各地也會定期舉辦演練，以強化災害應變能量。

總之，輻射是一項可怕但可控的有用工具，只要遵守防護原則、落實教育訓練與制度管理，不論在醫療、工業、科研或太空領域，輻射應用都能達到「高效、低風險」的平衡點，為人類社會帶來實質助益而不致造成危害。

• 結語

輻射沒有好壞之分，關鍵在於我們怎麼用。從診斷疾病、治療癌症，到探索宇宙、發展新材料，輻射在各領域的應用早已深植人類生活。然而，每一項科技進展的背後，也提醒我們需謹慎面對潛在風險、強化防護機制、維持科學倫理，才能讓輻射有更多應用，物理、化學、醫學、生物與太空等不同場域，展現其廣泛的應用潛力與教育價值。長庚大學放射醫學研究中心將把握這些跨領域議題，啟發學生對科學的興趣與風險意識，讓輻射不只停留在教科書或實驗室，而是成為理解自然、造福社會的橋梁。未來，期待臺灣能持續發揮研究能量與產業優勢，培育出能在輻射科學與應用領域中，結合理性與人文關懷的新世代人才。

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「輻射+化學」：放射治療有利於臨床免疫療法：

從化學與分子機制探討放射治療如何調控腫瘤微環境的免疫細胞

程俊嘉

長庚大學放射醫學研究中心
Email: cccheng1201@mail.cgu.edu.tw

摘要：放射治療透過造成癌細胞DNA的傷害達到癌症治療的目的，尤其放射治療對於TP53野生型腫瘤具有療效敏感性，臨床上觀察到放射治療可於部份癌症中活化免疫細胞，此現象被稱為免疫「遠端效應」，此現象亦支持臨床上放射治療合併免疫治療進而增加癌病人存活率的結果。然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知。本文回顧並討論了放射治療驅動免疫活化的潛在機制，包括促使巨噬細胞及T細胞的活化，其中放射治療造成cGAMP及干擾素的產生，尤其對於放射療法具敏感性的TP53野生型癌細胞中，或可誘發巨噬細胞M1抗癌極化，並後續聚集T細胞於腫瘤微環境中，有效將「冷」腫瘤變成「熱」腫瘤，而有利於臨床癌症免疫療法。

• 前言

放射治療是一種常見的癌症治療方法，在臨床實踐中利用高能量輻射來抑制癌細胞的增殖和存活，目前約有50%的初診癌症患者會接受放射治療，放射治療通常與手術或化療相結合，用以緩解癌症患者的腫瘤(Bradley et al., 2015)。根據癌症的類型和位置，放射治療可以從外部或內部進行，主要機制為透過直接或間接效應破壞癌細胞中的DNA來發揮作用，使癌細胞難以細胞分裂和生長。過去研究顯示放射治療可在部分癌症中活化免疫細胞，此現象被稱為免疫「遠端效應」，然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知。

因為免疫活性攸關臨床另一新興癌症療法：免疫療法，此技術獲得2018年諾貝爾生理與醫學獎，由美國James Allison博士及日本Tasuku Honjo博士共同獲得，此技術針對免疫檢查哨蛋白分子(immune checkpoints)開發抗體藥物，例如針對programmed cell death protein 1 (PD-1)、programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1)、及cytotoxic T lymphocyte- associated protein 4 (CTLA4)，可於部分癌症病人上持續活化免疫並增進抗癌效果。然而臨床上只有10-30%的癌症病人對這類藥物有顯著療效反應，故找尋能合併及提升免疫療法的其他抗癌技術或藥物就變得很重要。因為放射治療的免疫「遠端效應」，故放射治療被認為具調控免疫力的方法之一，而且在2018年的文獻發現放射治療確實有效提升肺癌病人CTLA4免疫抗癌療效(Formenti et al., 2018)，因此確定放射治療於某些癌症適用於合併臨床免疫療法。本文回顧並討論了放射治療驅動免疫活化的潛在機制，特別是化學分子部分的介紹，並依據過去研究推斷那些腫瘤接受放射治療後會產生「遠端效應」，了解詳細機制後，於臨床端便容易驗證哪些類型的腫瘤將有利於放射治療合併免疫療法。

• 放射治療損傷DNA及誘發的修復機轉

放射治療可以從外部或內部進行，體外放射治療包括：(1)3D適形放射治療(3D conformal radiation therapy)，主要使用CT掃描和電腦軟體來創建腫瘤的3D 模型，並以此模型引導放射束瞄準癌症部位；(2)調強放射治療 (Intensity-modulated radiation therapy , IMRT)， 是一種使用多種劑量強度不同的放射束對腫瘤施加較高的放射劑量；(3)影像導引放射治療 (Image-guided radiotherapy, IGRT) ，在每次治療前都會先以CT掃描，並以此影像輔助用以對準治療部位，從而實現更精確的放射治療；(4)粒子治療，例如採用質子的放射療法，質子放射線具有布拉格尖峰（Bragg peak），可以於腫瘤深處傳遞高能輻射劑量，並減少對表層健康組織的輻射劑量，為目前有效治療癌症方法之一；(5)立體定位放射治療 (SBRT)，例如伽瑪刀手術，使用高劑量的聚焦放射線來摧毀腫瘤。而體內放射治療包括：(1)將固體放射源植入腫瘤內部或旁邊，此輻射源會向小區域釋放輻射以殺死癌細胞；(2)將液態放射性物質送入血液，全身性尋找並摧毀癌細胞，例如放射免疫療法。而介紹那麼多放射技術，其主要目的皆為有效地破壞腫瘤細胞的DNA，以抑制腫瘤細胞生長及複製。

目前已經很清楚知道放射線可以抑制腫瘤細胞生長，主要是破壞腫瘤細胞核內DNA的完整性，其過程可分成直接及間接效應，直接效應便是放射線直接攻擊細胞雙股DNA，這部分因放射線種類不同而有所差異；臨床常用的高能X光較易穿透人體組織，比較無法直接攻擊DNA，故X光所造成的DNA損傷主要由間接效應的自由基所造成的，例如放射線使水分子產生的OH自由基。而粒子治療，例如質子治療帶有正電，因粒徑較大，故可同時直接及間接造成DNA損傷。而DNA損傷包括幾類，其中DNA斷裂(double strand breaks, DSB)是導致腫瘤生長抑制的主要損傷，過去研究指出相較於低 linear energy transfer (LET)的X射線照射，高LET的質子治療會產生較多DSB (Hagiwara et al., 2019)，故理論上質子治療應當所得到的抗癌療效較好。然而在實際臨床應用上，質子治療大約只比X光照射多10%的relative biological effectiveness (RBE)，推測主要是腫瘤細胞中DNA損傷會誘發一系列DNA損傷反應（DNA Damage Response, DDR），用以幫助腫瘤細胞從放射線損傷中恢復(Groelly et al., 2023)。整個過程包括DNA損傷感知、早期訊息傳導途徑、細胞週期停滯、以及最終的DNA修復。在DDR中，DNA 損傷感測器是由 Mre11、Rad50 、和 Nbs1 形成的 MRN 複合物負責將 DSB 修復與細胞週期檢查點功能連結起來(Huang and Zhou, 2020)。MRN 複合物是第一個接觸DNA損傷位點的蛋白質，可辦識損傷訊號並觸發細胞訊號傳導途徑，透過活化Ataxia-telangiectasia mutated (ATM) 到 DNA 損傷位置以活化 DDR 路徑，而此機轉推測為DDR 可能造成腫瘤放射抗性的原因之一，主要是根據過去文獻指出 DDR 抑制劑可增強對放射治療的敏感性(Deland et al., 2021; Qiu et al., 2022)，尤其是在放射治療的情況下，ATM 基因缺失可提高了TP53 突變型腫瘤鼠的存活率，但對TP53 野生型腫瘤鼠的存活率則沒有影響(Deland et al., 2021)，這樣的結果顯示TP53基因突變型腫瘤中ATM為造成放射治療抗性的原因之一。

一般而言，放射治療可抑制腫瘤進展，特別是有報告指出野生型 TP53 與放射治療敏感性有關(Kong et al., 2021)。TP53 基因是一個腫瘤抑制基因，在調節細胞週期、細胞凋亡、和細胞壓力（包括輻射）的 DNA 修復中扮演著核心作用。在其野生型中，TP53 對於啟動受損細胞的凋亡至關重要。然而，p53 突變在各種癌症中經常被觀察到(Chen et al., 2022; Wang et al., 2023)，而p53的表達和突變狀態會影響腫瘤對放射治療的反應。文獻顯示，約有55.52%的非小細胞肺癌患者、72.69%的大腸癌患者和27.32%的肝膽癌​​患者出現p53基因突變(Chen et al., 2022)，因此，在上述腫瘤類型中，腫瘤確實存在30-70％野生型p53。輻射造成的DNA損傷活化野生型p53，可以抑制後續腫瘤惡化(Gudkov and Komarova, 2003)，特別是 p53下游調控的p21（CDKN1A）和 PUMA（BBC3），其分別導致細胞週期停滯和細胞凋亡(Huang et al., 2019; Thangavelu et al., 2024; Wang et al., 2021)。這樣的實驗結果也顯示如果臨床上可區分TP53基因型，則可用以設計個人化放射治療策略。

• 放射治療促進免疫系統的化學分子機轉，或有利於臨床免疫療法

在接受放射治療的患者中觀察到「遠端效應」，這意味著當用放射治療治療原發性腫瘤時，不同的腫瘤也會受到抑制(Craig et al., 2021; Rodriguez-Ruiz et al., 2018)。遠端效應所造成的抗癌效果很大程度源自於免疫系統的激活，特別是T淋巴細胞的活化，目前所了解的機轉是放射治療增強腫瘤細胞中第一型干擾素和趨化因子的表達和分泌(McLaughlin et al., 2020)，該理論也支持了臨床試驗觀察結果，即放射治療與免疫治療相結合可提高肺癌患者的整體存活率(Foster et al., 2019)。推測其主要因素為放射治療造成的DNA損傷片段與cGAS分子結合後，後續導致ATP與GTP分子形成2’3’-cGAMP分子，此分子在腫瘤細胞內可誘發癌細胞內質網STING的活化與後續增加第一型干擾素的表現及釋放(圖1)；而且cGAMP不只作用於腫瘤細胞本身，此分子亦會被腫瘤細胞SLC19A1蛋白釋放於腫瘤微環境中，促使巨噬細胞的活化及產生細胞激素，合併干擾素的作用，或可誘發巨噬細胞M1抗癌極化(圖1)、並釋放更多干擾素及細胞激素，其中CXCL9及CXCL10可聚集T細胞於腫瘤微環境中，增加T細胞的浸潤，有效將「冷」腫瘤變成「熱」腫瘤，而有利於免疫療法。

圖1 放射治療活化腫瘤微環境中免疫系統的分子機轉。在腫瘤細胞中，放射治療對於TP53野生型腫瘤具有療效敏感性，主要是p53蛋白受到DNA損傷機制所磷酸化，故可啟動後續腫瘤細胞生長抑制及細胞凋亡。而DNA損傷片段與cGAS結合會導致ATP與GTP形成2’3’-cGAMP分子，此分子可誘發癌細胞內質網STING的活化與後續增加第一型干擾素的表現。在腫瘤微環境中，被腫瘤細胞SLC19A1蛋白釋放的cGAMP會促使巨噬細胞的活化及產生細胞激素，合併干擾素的作用可誘發巨噬細胞M1抗癌極化。後續巨噬細胞M1可將抗原呈現給naïve CD8+ T細胞，並最終變成effector CD8+ T細胞(毒殺型)釋放酵素酶GZMB進入腫瘤細胞內造成生長抑制及細胞凋亡，故放射治療在臨床上合併抗PD-(L)1抗體的免疫療法可增加部分癌病人的存活率。MRN: 包括Mre11、Rad50 、和 Nbs1 蛋白；ATM: Ataxia-telangiectasia mutated；GZMB: granzyme B酵素酶。

免疫療法目前已應用於臨床，對部分癌症例如肺癌患者取得了良好的治療效果(Kerr and Chisholm, 2019)，CD8+ T細胞是主要抑制癌細胞的免疫細胞之一，免疫療法是透過抗體阻斷CD8+ T細胞上的 PD-1 和 CTLA4 免疫檢查點來活化CD8+ T細胞(Kalbasi and Ribas, 2020)，然而，CD8+ T細胞仍需透過TCR-MHCI與抗原交互作用來辨識腫瘤細胞，才可有效分泌顆粒酶和穿孔素，引發腫瘤細胞凋亡和死亡(Cullen et al., 2010)(圖1)。這部分的抗原呈現或可經由放射治療來加以提供，主要是因為巨噬細胞也是抗原呈現細胞(antigen-presenting cells)的一種，故巨噬細胞M1在吞噬腫瘤細胞後，可將腫瘤細胞上的特別抗原呈現給naïve CD8+ T細胞(圖一)，例如突變蛋白或大量表現蛋白，後續將變成具有抗癌能力的effector CD8+ T及memory CD8+ T。而且放射治療所造成的第一型干擾素除了在腫瘤微環境中誘導免疫療法特定標記PD-L1之外，還會誘導腫瘤細胞中的 MHCI表達及抗原呈現(Shirayoshi et al., 1988; Zhou, 2009)，所以從理論上講，放射治療也會增強了CD8+ T對腫瘤細胞的識別和活化。故臨床試驗顯示干擾素及PD-L1的表現與癌症患者接受免疫療法的存活率呈正相關(Giannopoulos et al., 2003; Windbichler et al., 2000)。

• 結語

放射治療包括光子治療及質子治療長期以來一直被用作癌症的標準或輔助治療方式，研究顯示放射治療不僅能直接抑制癌細胞，還能間接活化免疫細胞，因此，放射治療具有被稱為「遠端效應」的免疫抗癌活性，遠端未經放射治療的腫瘤可間接受到抑制，此種現象或可合併免疫療法提高某些癌症患者的總體存活率。然而，那些腫瘤具有放射治療的「遠端效應」目前未知，在本文章中，我們簡介並推測腫瘤基因突變多樣性(例如TP53野生型)有可能影響放射治療療效及後續的「遠端效應」。 闡述放射治療活化腫瘤微環境免疫細胞活性的機轉，因CD8+ T 細胞是抗腫瘤免疫的關鍵參與者，本篇作者依據過去的研究綜述討論了目前放射治療對CD8+ T 細胞協同作用機制，推測主要因素為放射治療造成的DNA損傷與cGAS分子結合後，導致ATP與GTP分子形成2’3’-cGAMP分子，誘發癌細胞內質網STING的活化與後續增加第一型干擾素的表現及釋放；而且cGAMP不只作用於腫瘤細胞本身，亦會被腫瘤細胞釋放於腫瘤微環境中，促使巨噬細胞的活化、M1抗癌極化、並釋放更多干擾素及細胞激素。放射治療造成這些腫瘤微環境中的分子改變，後續可增加CD8+ T細胞的浸潤、活化、及辨識，從而殺死腫瘤細胞，因此放射治療有助於臨床抗PD-(L)1或CLTA4免疫治療療效。

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「輻射+化學」：質子治療的輻射化學機轉與模擬探索：

從能量沉積到奈米尺度自由基反應

卓奕均

長庚大學 放射醫學研究中心
Email: iccho@mail.cgu.edu.tw

摘要：質子治療因具備獨特的深度劑量分佈特性，能將高劑量精準集中於腫瘤區域，同時有效降低正常組織的輻射暴露，已成為國內放射腫瘤治療的重要技術之一。本文深入探討質子束進入生物體後所引發的一系列輻射化學反應過程，起始於皮秒等級的能量沉積與游離事件，進而引發水分子輻射分解，產生如氫氧離子（·OH）與水合電子（e⁻aq）等具生物活性的自由基，最終導致DNA結構損傷。相較於傳統光子射束，質子屬於中高線性能量轉移（LET）粒子，所誘發的自由基密度更高、擴散範圍更集中，因此具更強的生物破壞能力。文中亦介紹金奈米粒子於質子治療中對自由基生成與傳遞路徑的調控潛力，並指出模擬工具如Geant4-DNA在跨尺度建構放射化學反應模型方面的重要價值，有助於提升我們對奈米尺度放射效應的理解。

• 前言

自2015年臺灣首座臨床質子治療設施啟用以來，國內在粒子治療領域的發展迅速進展，迄今已成為全球質子治療密度最高的地區之一。事實上，臺灣早在1990年代即展開質子治療技術的政策規劃與可行性評估，但直至21世紀第二個十年，方正式邁入臨床應用階段。2015年，林口長庚紀念醫院率先設立國內第一座質子治療中心，標誌臺灣質子治療臨床時代的開啟。隨後，北、中、南部多家醫學中心陸續投入設置與營運，逐步建構出區域均衡的粒子治療網絡。截至2023年底，衛生福利部已核准15家醫療機構設置粒子治療中心，涵蓋22間質子治療室與8間重粒子治療室。若全數投入運轉，臺灣將達到平均每150萬人即擁有一座粒子治療中心的水準，位居世界之首。

質子治療的概念最早可追溯至1946年，當時美國物理學家Wilson 在《Radiology》期刊中首次提出，質子射束獨特的深度劑量分布特性，能在腫瘤內集中沉積能量、同時最大限度地保護周邊正常組織，此即為今日臨床應用所倚賴的「布拉格峰（Bragg peak）」原理 (Wilson, 1946)。然而，受限於當時加速器技術的可近性與成本，能產生高能質子束的設施多集中於國家級高能物理實驗室，使這項構想在相當長的時間內僅止於理論層面。質子治療的首次臨床應用始於1954年，美國加州勞倫斯柏克萊實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory）以340 MeV質子束進行腦下垂體照射，用於治療26位乳癌患者 (Lawrence, 1957; Tobias et al., 1955)。該計畫由 Tobias 與 Lawrence 領導，開啟了質子應用於人體放射治療的先河。儘管早期治療目標並非腫瘤本體，而是透過內分泌調控來間接干預腫瘤進展，但其技術與生物學基礎為後續發展奠定了關鍵起點。真正促成質子治療由實驗走向臨床的關鍵轉折，發生於1990年。當年，美國加州 Loma Linda University Medical Center 建立全球首座設於醫院內、專為腫瘤放射治療設計的質子治療中心，標誌質子治療進入制度化與常規臨床應用的新紀元(Slater et al., 1992)。此後，日本筑波大學、德國海德堡離子治療中心（HIT）、瑞士 Paul Scherrer Institute 等地也陸續設置臨床質子設施，推動質子治療由實驗走向成熟應用。進入21世紀，質子治療技術持續精進，不僅加速器設備更為小型化，亦整合多方向旋轉機械臂（gantry）、影像導引系統（IGRT）、以及強度調控質子治療技術（IMPT），使其逐漸成為實用且可規模化部署的癌症治療選項。根據 Particle Therapy Co-Operative Group（PTCOG）統計，截至2023年，全球已有超過120座質子治療中心投入營運，累計治療人次已超過35萬人(Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG), 2025)。

• 質子治療的物理劑量沉積機制

質子治療最具代表性的物理優勢，在於其獨特的深度劑量分布特性。與傳統 X 光（光子）治療所呈現的指數式能量衰減不同，質子束在穿透物質（如人體組織）時，其能量沉積曲線具明顯的非線性特徵，並在射程終點產生一個尖銳的布拉格峰（Bragg Peak）。此現象代表質子於穿透初期僅緩慢損失能量，當其速度逐漸降低至接近終點時，單位距離內的能量沉積（即線性能量轉移，Linear Energy Transfer, LET）急劇上升，並於峰值後迅速降至接近零。這項特性使質子治療得以在腫瘤區域精準釋放高劑量，同時有效降低對周圍正常組織的輻射暴露，實現「高劑量集中、低劑量保護」的理想治療目標。臨床上，為因應腫瘤體積與形狀的複雜性，常透過調整質子束的初始能量，並重疊多個布拉格峰（形成展寬布拉格峰，Spread-Out Bragg Peak, SOBP），以覆蓋整個腫瘤範圍，進而提供均勻且可精確控制的劑量分布，如圖1所示。

圖1 質子與光子射束於水中之劑量沉積曲線。藍色曲線為單一能量質子射束所形成之布拉格峰（Bragg Peak），橘色虛線則為臨床常用多重能量質子射束所形成之拓展布拉格峰（Spread-Out Bragg Peak, SOBP），灰色曲線則代表光子射束於水中呈現的能量沉積分布，具有典型的指數衰減特性。

質子與物質之庫倫力交互作用可依撞擊參數（impact parameter, b）與原子半徑（a）之關係，概略分為三類，如圖2所示。當質子自原子遠距穿越時，會以庫倫場微幅擾動整個原子，造成原子激發、變形，或使價電子游離。此類作用每次轉移的能量極少（僅數電子伏特），但發生頻率極高，佔總交互作用數的絕大多數，亦約貢獻一半的總能量沉積。在凝聚態物質中，軟碰撞同時也引發極化效應（polarization effect），進一步影響能量耗散。若條件允許，部分能量將以契忍可夫輻射(Cherenkov radiation)的形式被釋放，其雖在放射物理中的能量占比極低，卻在粒子偵測應用上具實質價值。當質子與原子電子距離接近時，其交互作用會轉變為近距離的硬碰撞，電子將被帶出原子外並形成高動能的 δ 射線。這些 δ 射線擁有足夠能量可在不同路徑上再次引發游離作用，對周圍組織造成進一步的微觀破壞。這些被擊出的電子軌跡稱為副軌跡（spur），與主質子軌跡呈發散狀。若電子來源為內層軌域，其游離會伴隨特徵 X 射線與歐傑電子的釋放，導致能量於更廣範圍內分佈 (Attix, 1986)。這些現象強調了游離在放射損傷形成中所扮演的連鎖角色，不僅限於主粒子直接作用之範疇。當質子進一步接近原子核，其交互作用將以核子層級為主。與電子不同，質子具有較大質量且不易受到劇烈偏折，因此其與原子核之間的庫倫散射多為小角度偏折。雖然大多數情況下仍屬彈性散射，但當質子具有足夠高的動能（如超過100 MeV）時，也可能發生非彈性的核反應，進而產生次級中子、質子或其他核碎片。這些反應不僅可能改變局部劑量分布，也可能對遠端組織造成次級輻射效應。然而在一般臨床能量條件下，此類反應機率較低，其對總體能量沉積之貢獻相對有限。前述物理層級交互作用是在10⁻¹⁵至10⁻¹²秒內發生，然而質子束與物質的能量轉移並未止於初步的游離與激發。這些高速事件所留下的自由電子、離子與激發分子，將引發一連串時間尺度更長的後續化學反應。從10⁻¹²秒開始進入化學作用階段，反應介質（主要為水）中的自由基生成、再結合與擴散反應成為輻射損傷演化的重要關鍵，最終導致可觀測的生物效應。

圖2 質子與物質交互作用之示意圖。(A) 當質子的撞擊參數（b）遠大於原子半徑（a）時，屬於遠距離軟碰撞。此時質子僅對原子造成微幅擾動，可導致原子激發或輕微游離。(B) 當質子接近原子電子，產生近距離硬碰撞，電子可能被強烈擊出，形成高動能的 δ 射線。(C) 當質子進一步靠近原子核，除可能引發中子（n）逸出與回跳核子的產生外，亦可能因原子核由激發態返回基態時放射出加馬射線（γ-ray）。

• 質子治療中的水輻射分解機制與自由基動力學

當質子束進入細胞並在水分子中沉積能量後，約從 10⁻¹² 秒起，將觸發一連串水輻射分解反應（water radiolysis）。在初期階段，水分子受到游離與激發，產生高度反應性的中間產物，包括水合電子（e⁻aq）、氫氧自由基（·OH）、氫自由基（·H）及如過氧化氫（H₂O₂）等分子。這些物種會進一步經由再結合、轉化或與生物大分子作用，對細胞中的 DNA、蛋白質與脂質造成間接損傷 ( International Atomic Energy Agency, 1996; Spinks & Woods, 1990)。

細胞含水量高達約 80%，使得水成為輻射能量作用的主要靶標。當水分子吸收能量被輻射游離後，其游離反應可表示為：H₂O ⟶ H₂O⁺，其中的 H₂O⁺ 為離子自由基（ion radical），其特徵為外層軌域具有未成對電子，具有極高的反應性。會在數十飛秒(fs)內與鄰近水分子產生質子轉移與次級反應，進入放射化學階段(Jay-Gerin & Ferradini, 2000)。質子所誘發的放射化學反應進入後續階段時，e⁻aq、·OH 與 ·H 等粒子會在極短時間內迅速形成，並在擴散與反應過程中轉化為較穩定的分子產物，如 H₂O₂、H₂ 與 O₂等。水輻射分解的產物如表1及圖3所示，同時這些產物的生成動力學亦受到氧張力、pH 值、溶質濃度與劑量率等環境因子的影響(LaVerne & Pimblott, 1991)。在這些中間產物中，氫氧自由基（·OH）被視為生物活性最強的自由基，其具備高度游離能力與足夠長的存留時間，可擴散至 DNA 等關鍵結構，誘發分子層級的損傷(Halliwell et al., 2021; Kusumoto et al., 2021)。這些經由自由基所造成的損傷，屬於所謂的間接作用（indirect action），亦即輻射能量並非直接作用於目標生物分子，而是透過化學介質—自由基—傳遞其破壞力。根據實驗觀察，在哺乳類細胞中，約三分之二的低線性能量轉移（low-LET）輻射所致 DNA 損傷，是由 ·OH 所引起(Burns & Sims, 1981; Sage & Shikazono, 2017)。自由基清除劑的使用可顯著抑制這類輻射效應，進一步驗證了自由基在低 LET 輻射損傷中的關鍵角色。此機制與輻射直接撞擊目標分子所引起的直接作用（direct action）有所不同。間接作用亦可透過化學方式進行調控，如使用防護劑或增敏劑以干預自由基生成與反應途徑，這在氧化壓力與細胞信號傳導研究中具有高度應用潛力(Halliwell & Gutteridge, 2015; LaVerne & Pimblott, 1991; Spinks & Woods, 1990)。

表1 水輻射分解的產物及其反應時間軸(修改自Shcherbakov, 2022)

與低 LET 輻射相比，質子屬於中至高 LET 射束，其在微觀尺度上產生更密集的游離事件。這使得 ·OH 與 e⁻aq 等活性物種呈現空間上的高濃度聚集，降低了其與其他分子（如 DNA）間的擴散距離，增加了造成不可逆生物大分子損傷的機率。同時，高 LET 輻射傾向產生較多氧化性產物（·OH、H₂O₂），而還原性物種（e⁻aq、·H）所占比例相對較低，導致整體氧化壓力上升(Smith et al., 2021)。這些差異顯示，高 LET 質子束在化學劑量沉積與生物效應方面具有與低 LET 輻射顯著不同的行為特徵。對此類反應動力學的掌握，不僅有助於優化質子治療的劑量分佈與反應預測，更揭示了高 LET 射束在提升治療效益與精準性方面的潛力與挑戰。

圖3 水輻射分解的過程及其產物(修改自Le Caër, 2011)

• 金奈米粒子對輻射化學的影響

金奈米粒子（gold nanoparticles, GNPs）近年在放射治療中備受矚目，除了在 X 光照射下展現顯著的物理增敏效應，其對於輻射誘發水輻射分解與自由基反應路徑的調變能力也逐漸成為研究重點。在低能量輻射（如 keV X 射線）中，GNPs 可因高原子序（Z=79）引發光電效應與二次電子激發，提升局部能量沉積；然而，在質子與碳離子等高 LET 射束中，儘管傳統劑量增強比（Dose Enhancement Ratio, DER）變化不大，GNPs 仍可藉由改變周遭的自由基濃度與空間分佈，對放射化學層級之產物產生影響(Peukert, Kempson, Douglass, & Bezak, 2018)。水輻射分解反應為質子治療中最核心的化學機轉之一，當粒子束與水分子交互作用後，會迅速產生游離與激發態物種，進而產生水合電子（e⁻aq）、氫氧自由基（·OH）、氫自由基（·H）與過氧化氫（H₂O₂）等中間產物。當這些化學物質存在於 GNPs 周圍的奈米尺度空間時，其動力行為模式會受到 GNPs 表面物理屏蔽、表面電荷與化學催化特性影響。例如，GNP 表面可吸附水合電子或催化其與氧反應形成超氧陰離子（O₂⁻·），亦可能加速氫氧自由基的重組或轉化，進一步改變自由基壽命與反應範圍，如圖4所示(Shcherbakov, 2022)。這些自由基行為的改變已可透過 Geant4-DNA 與 TOPAS-nBio 所整合的模擬架構進行建模。Rudek 等人利用 TOPAS-nBio 搭配 Geant4-DNA 模組模擬不同 GNP 大小、濃度與聚集狀態下，自由基（特別是 ·OH）生成與時序行為。他們發現，在質子照射下，GNP 雖對總吸收劑量的增幅有限（DER ~1.01），但對自由基濃度可造成高達 23% 的差異；尤其小粒徑（2 nm）GNP 所產生的自由基反應量是大粒徑（50 nm）GNP 的 46 倍。模擬亦顯示，當 GNP 聚集成團簇時，表面可接觸自由基的面積下降，導致整體自由基反應性降低約 3–4 倍，顯示 GNP 分散狀態對化學微環境極為敏感(Rudek et al., 2019)。更進一步地，Shcherbakov於博士論文中透過實驗系統地分析金奈米粒子在水溶液中對自由基動力學的催化效應，指出金表面可促進自由基氧化反應，並對 ESR（電子自旋共振）與螢光探針的檢測結果產生非預期干擾。例如，GNP 可催化 α-hydroxyisopropyl radical氧化為acetone，或與常用自由基探針（如 APF、HPF）直接反應，影響自由基的實驗定量，這對於傳統使用自由基清除劑或偵測分子來估算放射化學效應的實驗設計帶來挑戰(Shcherbakov, 2022)。

圖4 金奈米粒子參與下之放射化學反應機制示意圖。質子輻射與水分子作用產生初級自由基（如·OH）與水合電子（e⁻aq），並進一步生成過氧化氫（H₂O₂）等次級產物。圖中顯示金奈米粒子（GNP）可吸附自由電子並催化自由基反應，調變其生成速率與擴散行為，影響整體活性氧物種（ROS）平衡。這些自由基可能與 DNA 分子發生氧化反應，導致結構損傷。

• 從粒子傳輸到生物效應建模：Geant4 與 Geant4-DNA

然而，若要具體而可視化地研究輻射與水分子之間的交互作用，進一步探討自由基的產生、擴散，以及最終對生物分子造成的作用，則需仰賴電腦模擬技術的輔助與導入。Geant4（Geometry and Tracking）是一套建立於蒙地卡羅方法之上的開源粒子傳輸模擬平台，最初由歐洲核子研究中心（CERN）所主導開發，其設計目標在於支援高能物理實驗中複雜探測器幾何與粒子交互作用過程的模擬。隨著計算能力的進步與應用範疇的拓展，Geant4 已被廣泛應用於醫學物理與輻射治療等生物醫學領域，並逐漸發展成為不可或缺的模擬工具之一 (Geant4_Collaboration, 2018)。Geant4 採取高度模組化的程式架構，能夠模擬多種帶電與中性粒子，如電子、質子、中子與重離子，在任意三維幾何物質中的交互過程，涵蓋的能量範圍從電子伏特（eV）至兆電子伏特（TeV）以上。其模擬結果可輸出如能量沉積（energy deposition）、劑量分佈、粒子射程、次級粒子產生機率與路徑等多項重要參數。在放射治療與放射生物學的應用中，Geant4 不僅能進行巨觀劑量分佈模擬，也可建構治療裝置的三維模型、模擬質子或重離子束在不同材料中的傳輸軌跡與遮蔽效果，甚至可延伸應用至核醫影像模擬與儀器校正等用途。

然而，傳統 Geant4 所能模擬的主要仍是粒子與物質在「物理層級」上的交互過程，包括激發、游離與散射等事件的發生位置與能量沉積。但實際上，這些物理交互作用後所留下的高能電子、激發分子與游離物種，會進一步引發時間尺度更長、反應鏈更複雜的化學與生物效應，例如水輻解產生自由基、自由基擴散與再結合、DNA 分子的損傷與修復等。傳統 Geant4 雖可精準模擬初始游離事件，卻無法涵蓋後續的放射化學與生物反應。為了彌補這一模擬落差，Geant4 開發團隊自 2007 年起推出專為模擬低能輻射與生物介質交互作用的擴充模組，Geant4-DNA。該模組設計目標在於建構自物理事件至化學與分子層級反應的多階模擬架構，特別適用於模擬低能粒子（通常 <10 MeV）在液態水或細胞內環境中的作用機制(Incerti et al., 2010, 2016; Meylan et al., 2017)。

Geant4-DNA 的模擬架構由三個相互銜接的階段組成。第一階段為物理階段（physical stage），主要模擬粒子在小於10-15秒間與水分子所發生的激發與游離作用，包括產生自由電子與離子對、激發態水分子與其他初級反應物，如 H₂O⁺ 與低能電子（e⁻）。此階段確立所有反應事件的三維位置、能量與時間資訊，作為後續模擬的空間與動力學起始條件。第二階段為物理-化學階段（physico-chemical stage），涵蓋約 10-15秒至 10-12 秒間的反應過程，模擬初級物種（如 H₂O⁺）的質子轉移、電子捕捉與轉化反應，進一步產生水合電子（e⁻aq）、氫自由基（·H）、氫氧自由基（·OH）等高度反應性自由基。此階段也是輻射化學中自由基生成效率（G 值）與早期空間分佈的關鍵期。第三階段為化學階段（chemical stage），其模擬時間可延伸至10-6秒，主要處理自由基之間的再結合、擴散，以及與 DNA之間的反應。Geant4-DNA 提供完整的反應速率常數、碰撞截距與分子間作用範圍參數設定，使用者可根據模擬目標調整反應模型以模擬不同氧張力、pH 或溶質濃度條件下的化學反應路徑與產物分佈，如圖5所示。

圖5 Geant4-DNA 模擬 1 MeV 質子入射對 DNA 造成影響之示意圖。圖中藍色線條代表入射質子的軌跡，黃色點顯示能量沉積的位置，而紅色線條則為因碰撞而產生的電子軌跡。

此外，Geant4-DNA 模組亦支援多種 DNA 分子模型，可匯入參數化 B-form 雙股螺旋、染色質結構或核內分佈模型，並可追蹤自由基與 DNA 分子中不同原子間的交互作用，以判斷是否造成單股斷裂（single-strand break, SSB）或雙股斷裂（double-strand break, DSB）。模擬結果可進一步與實驗資料，如 γ-H2AX foci 分布，進行比較，以驗證模擬準確性或評估防護劑與增敏劑對損傷型態的調控效果。隨著模擬技術整合與交叉應用的發展，Geant4-DNA 已廣泛應用於質子與碳離子治療中自由基生成熱點分布建模、輻射化學反應分析、奈米增敏粒子的模擬評估、以及複合治療方案（如同步增敏與免疫調節）設計等新興應用。其亞奈米級的空間分辨率與時間尺度解析力，賦予研究者在多尺度模擬中銜接物理事件與最終生物效應的能力，亦成為促進個別化、機轉導向放射治療設計的重要工具與平台。

• 結論

自質子治療概念問世以來，其優勢在於獨特的物理劑量分布特性，極大限度地減少對周圍正常組織的傷害。因此，它長期被視為放射腫瘤學中最具發展潛力的治療選項之一。隨著臨床應用技術日益成熟，研究也逐步深入質子束於體內能量沉積後所引發的一連串化學與生物效應，包括水輻射分解、自由基的生成與擴散，以及 DNA 分子的損傷機轉。這些現象揭示，質子治療的效益並非僅止於物理劑量控制，而是建立在一套橫跨時間與空間、多尺度耦合的動態反應鏈上。在此背景下，模擬工具如 Geant4 及其延伸模組 Geant4-DNA 提供了跨越物理、化學乃至分子生物層級的模擬能力，使我們能夠具體描繪游離事件發生的時序與自由基分布的空間結構，並進一步預測這些化學種與生物大分子間的互動結果。這些模擬平台的價值已不限於理論分析，更成為開發新型治療策略、評估奈米級增敏劑（如金奈米粒子）效應，以及設計個別化放療計畫的核心工具。面對未來，質子治療的深化與精準化將有賴於我們對化學微環境的演化、自由基的傳遞行為，以及分子損傷與修復動態的更深入理解。這不僅仰賴實驗手段的進化，更需跨領域模擬模型的整合與優化，讓治療設計從「劑量分佈」進化為「效應導向」，真正實現個體化精準粒子治療的願景。

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