融入科技力提升化學探究與實作之問題解決 李易澄1、陳昱嘉2、洪士勛1、曾致豪2、黃琴扉1,＊ 1國立高雄師範大學 2P&C科學教育中心 ＊chinf1027@yahoo.com.tw n  摘要 為了讓學生具備面臨未來生活需要的科學能力，許多國家都在教育方向上作出調整，教育部108課綱–自然科學領域也以素養作為基本理念並藉由探究實作來建構學生的科學素養。本文在探討八年級學生在進行科學探究的過程中，從決定探究的主題、發現問題並以自身的科學知識解決問題，再輔以新科技將實驗結果由主觀的人為判斷進展到更為客觀的數據的歷程。研究結果發現，學生在探究實作過程中，主動融入日常生活中使用的新興科技，不僅提升學習意願、成就感，並能改變內在本質。 n  前言 身處在科技、資訊、社會變遷的時代，現代人面臨了許多需要具備科學知識去理解並解決的議題，為了得知學生是否具備因應未來生活上面臨問題與挑戰時的決策能力，經濟合作暨發展組織OECD(Organisation for Economic Co-operation and Development )所發展的國際學生評量計畫PISA(Programme for International Student Assessment )從閱讀、數學和科學素養來對15歲的學生進行評量，其中PISA2006和PISA2015以科學素養為主要評量的領域(彭開琼、張佳雯、李瑞生，2017)，而台灣學生的科學素養在國際間表現均十分優秀。 即使科學素養表現亮眼，但評量結果也指出，台灣學生缺乏在科學問題上延續探討的學習，對於將問題形成假設、找出變因、設計實驗的經驗較少(佘曉青、林煥祥，2017)，PISA執行研究團隊也針對台灣學生在PISA2015的成績上提出建議，認為在中學階段應該更加著墨於科學探究與實驗課程(林煥祥等，2016)，並應以解決生活上情境式的問題為架構(圖1)，來檢驗學生是否在既有的科學知識中具備解決問題的態度與能力，作為教育方向的改善參考依據。 除了PISA評量所帶來的啟發外，美國在2011年公佈了K-12科學教育架構(Framework for K-12 Science Education)，進一步於2014年發展出新世代科學標準(The Next Generation Science Standards，NGSS)，其內涵也是期望以情境學習為基本，藉由跨科實作來建構並理解科學知識。李驥與邱美虹(2019)更指出，「十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域」恰與NGSS具有相同的核心概念，都重視探究與實作的進行。 由上述國內外的資料分析中可以發現，教育部擬定之108課綱內涵，即是期許能透過教育模式引導學生在面對未來生活中和科學相關的資訊與問題時，能夠理解、思辨、分析，進一步使用科技來協助問題的處理，其中探究與實作的能力是學生建構科學素養的要素(教育部，2018)。探究實作是學生將學習內容以及科學能力展現的一種方式，藉由此歷程來建立學生智能思考與問題解決的能力(表1)，要讓學生認知到科學知識建構的方式，則必須對探究的過程、脈絡以及結論進行評量與建議(Driver, Newton, & Osborne, 2000;Duschl & Osborne, 2002;Kuhn & Reiser, 2005)。為了提供學生主動探究學習與解決問題的機會，教育部首先在高中階段增列必修學分數三分之一的自然科學探究與實作課程，期望學生在生活中發現問題，要讓學生了解現實生活的問題如何與科學知識連結，情境式的問題顯得重要(仰威融、林淑梤，2020)，再經由問題解決的探究過程培養科學技能與強化科學素養，進而提升科學態度以及學習動機。國中教育會考、大學學測、大學指考以及統測也因應新課綱的調整，除了一定比例的學科概念題型外，增加與生活情境相關的素養題型，在真實情境脈絡中融入跨領域的新議題以促進學校培養學生的科學素養(臺師大心測中心，2019、林淑梤，2019)，與PISA科學素養評量架構十分相似；下一步，也期待將探究實作的精神落實到中小學跨科教學中，讓科學教育跨域學習、從小紮根。 圖1 PISA科學素養評量架構圖(引自PISA科學應試指南，2011) 表1 探究能力學習表現架構表(改編自教育部，2018) 向度 智能思考 問題解決 內涵 想像創造 觀察與定題 推理論證 計畫與執行 […]

國小學生萃取天然酸鹼指示劑來製作彩色水餃 劉宜衡 新北市瑞芳區瑞亭國小 臺北教育大學自然科學教育學系科學探究與實作碩士在職專班 masha950121@gmail.com 前言 筆者在瑞芳區的國小擔任自然科教師，這是一所原本要實施混齡教育的學校，這學期先進行混材，也就是將五、六年級課本的單元打散，分配到混齡教材A、B版中，所以我的學生六上才學到五年級的水溶液。我在上這單元時就想到，六年級的學生已具備實驗基礎，對於實驗操作也大致熟悉，是否可以多加入一些活動，使課程更為豐富有趣？於是設計了一連串的活動，最終以煮出變色水餃為成果，帶領學生探討酸鹼指示劑的妙用。初步介紹水溶液具備酸鹼性後，以一連串的探究活動，讓學生從做中學，激發學習興趣之餘，也能讓學生自己歸納出酸鹼指示劑變色的規則，最後將酸鹼指示劑運用在生活中。課程中學生經常驚呼連連，從他們眼中看到的是無限的驚喜與好奇，這無非是科學教育中最重要也最振奮人心的一刻了吧？  課程目標 本次課程的學習目標如下:1.認識酸鹼及酸鹼指示劑；2.能以不同指示劑測試各種水溶液；3.能自製酸鹼指示劑；4.能以酸鹼指示劑調配出美麗的漸層溶液；5.學習製作出可以酸鹼變色的水餃。 活動所需器材 課程活動所需物品器材如下： 1. 石蕊試紙2. 試管3滴管4. 乾淨塑膠杯或紙杯5. 學生自備餐具6.鍋子7. 湯勺8. 砧板9. 刀子10.撈網11.電磁爐或卡式爐12. 紫色高麗菜13.蝶豆花14. 食用小蘇打粉15.蝶豆花16.雪碧汽水17.白醋18.醬油19. 烏醋20.冷凍水餃21.糖水22.鹽水23. 檸檬汁24.洗碗精25.沐浴乳26. 汽水27. 養樂多28.牛奶29. 小蘇打水30. 澄清石灰水 要特別注意，因最後煮出來的水餃是希望可以讓學生真正吃下肚的，所以在此活動進行時不要使用實驗室中的實驗器材。因為那些燒杯、試管、量筒與滴管都是先前其他實驗用過的器材，無法確認是否有其他物質殘留。因此這堂課的容器要由從學校廚房或是家中廚房帶來的，乾淨可以烹調使用的器材。 教學活動 本次教學由基礎到應用，共設計五個活動，每一次的活動大約需要1~2節課來進行。 【活動一：認識酸鹼及酸鹼指示劑】 1. 以白醋、肥皂水及自來水向學生介紹水溶液酸性、鹼性及中性的特質。 2. 請學生以感官觀察，以視覺和嗅覺，加上自身經驗，預測各種常見水溶液的酸鹼性。 圖1:學生觀察溶液的外觀與氣味 3. 介紹石蕊試紙，並以自來水、醋及肥皂水做檢測，學生自行設計表格紀錄實驗結果，如下表一所示。 表1: 學生紀錄之結果 紅色石蕊試紙 藍色石蕊試紙 自來水 不變色 不變色 醋 不變色 變紅色 肥皂水 變藍色 不變色 4. 讓學生自行歸納出石蕊試紙變色的酸鹼規則。   【活動二：以不同指示劑測試不同水溶液】 準備各種水溶液給學生測試，並提供石蕊試紙及廣用試紙，實驗結果如以下表2。 表2:學生測試各種溶液酸鹼性紀錄結果 溶液名稱 […]

利用雷射雕刻技術使不鏽鋼與鈦板變成色彩繽紛的畫布 張佑祥*、楊捷、林冠廷、陳玠錡 工業技術研究院 機械與機電系統研究所 *yhchang@itri.org.tw 摘要 不鏽鋼與鈦都是日常生活中很廣泛被應用的材料，其中不鏽鋼是含有鉻的鐵合金之總稱，則鈦是被認為是一種稀有金屬。由於不鏽鋼與鈦的具有良好的耐腐蝕性、機械強度、延展度與加工性。然而，不鏽鋼的組成大多以鐵合金為主體，通常是含有10%~30%的鉻以及含有不同比例的鎳、鉬、鈦、鋁、銅、氮、硫、磷和硒元素所組成的合金鋼，因此一般工業界會依照各種應用的需求調整其在合金中的比例，來符合相關之應用。鈦則有「太空金屬」的美譽，因為鈦除了具有耐腐蝕等特性之外，更重要的是鈦還具有重量輕、強度高、生物相容性、具金屬光澤等特性，因此被廣泛利用在航太工業、醫學界、汽車工業與建材和塗料產業，應用程度可算是十分多元。本文希望以科普的角度，來說明雷射加工技術在不鏽鋼與鈦材料上的技術簡介與工業應用，並搭配實際樣品的製作，讓讀者了解不鏽鋼與鈦材料也是可以透過雷射雕刻技術變成色彩繽紛的美麗畫布。       雷射加工簡介 雷射器依照產生雷射的媒介物質可分為液體雷射、氣體雷射和固體雷射，又可依照工作狀態區分為連續雷射或是脈衝雷射，應用於加工領域時則依照工件特性及加工類型選擇對應的雷射機台。然而，應用於工業領域的低功率雷射機台多用於雷射雕刻、材料改質、材料固化及非接觸性量測等領域；高功率雷射機台則使用於鑽孔、切割、焊接等破壞性加工為主。因此，雷射加工在加工領域中屬於擁有較高客製化之彈性及易於調整製程參數，但其缺點在於量產的速度較慢，須由特殊的雷射機台設計來增加生產效率。雷射加工尤其在精密鑽孔及雕刻上佔有舉足輕重的地位，其高精密度特性及穩定輸出能力，使其能廣泛應用於工業產業，且不易被取代。       樣品製作 實驗器材與雷射參數表(示範) 1.     304不鏽鋼板(厚度0.8mm) 2.     鈦板(第2級) 3.     雷射機台參數 雷射光源：Nd:YVO4 頻率：75kHz 雷射能量：2.5W 雷射光波長：1064nm 雷射光點大小：38um 點雕刻時間：0.1ms 雷射脈衝寬度：10ns 雷射雕刻路徑間距：20um 雷射掃描速度：45~190mm/s 實驗步驟 1.     先將304不鏽鋼板與鈦板分別利用75%的酒精水溶液進行表面擦拭。 2.     將圖形利用AutoCAD程式，將圖形繪製完成。 3.     再將圖檔匯入雷射機台內，並設定雷射雕刻加工參數。 4.     將304不鏽鋼板與鈦板分別進行雷射雕刻加工。 5.     樣品完成製作。   實驗機台架構簡介 本實驗使用的機台為工研院機械所與廠商共同開發的實驗用雛型機台，機台的內部結構包含雷射源(Radiation source)、電源供應器與控制模組(Power & control module)、光纖模組(optical fiber)、雷射擴束器(Beam expander)、導引雷射模組(Guide laser module)、掃瞄控制模組(Scanner control unit)、旋轉鏡組(Rotating […]

      鈣迴路捕獲二氧化碳技術與實驗 郭世文1、周承志2、洪振方3、陳良瑞4 國立科學工藝博物館1 工業技術研究院綠能所2 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所教3 國立彰化師範大學科學電機工程學系4 swkuo@mail.nstm.gov.tw1 壹、前言 國立科學工藝博物館（以下簡稱「科工館」）「啟動創新實驗場」常設展示廳，展出工業技術研究院（以下簡稱「工研院」）所研發的34項創新技術，觀眾經由操作平板電腦與展品互動認識各技術展項，科工館並經常與工研院聯手設計延伸學習活動，讓有興趣的觀眾進一步認識這些新興科技的內涵。 本文紀錄2019年1月所舉辦的第一場「與研究員有約」活動，由工研院的傑出研究員引導觀眾認識「啟動創新實驗場」展場中介紹的新興科技–「鈣迴路二氧化碳捕捉技術」，並且帶領參加學員分組進行二氧化碳的科學實驗，認識何謂溫室氣體、如何將二氧化碳捕獲及利用，深刻大家的學習經驗。 貳、溫室氣體與溫室效應 「溫室效應」是地球大氣層呈現的一種物理現象，也是使地球表面維持溫度穩定的重要機制。大氣層好比溫室的玻璃罩，當太陽的能量通過大氣層達到地球表面，使得地球變熱，這些熱量會以紅外線輻射回大氣中，其中一部分散逸到外太空，大部分的紅外線會被大氣層中的「溫室氣體」吸收，再輻射回地表，維持了地球的溫度。如果沒有大氣層的保護，地球表面的平均溫度可能會低至-18°C，而不是現在合適人類居住的15°C。 在大自然環境中主要透過水蒸氣及其他氣體來維持大氣環境的溫度，其所產生的溫室效應大約占整體溫室效應的60-70%，其次是二氧化碳大約占26%，另外還有臭氧、甲烷、氧化亞氮等。地球大氣層內的氣體主要為氮氣、氧氣、水蒸氣等，它們的組成大致穩定變化不大；但是微量氣體卻無時無刻都在改變，其量雖微，卻對全球環境具有非常大的影響。而自工業革命以來，因人類大量使用煤炭、石油等化石能源，產生大量二氧化碳的排放。這些因工業發展所產生的氣體排放物快速地改變大氣中微量氣體的組成，尤其是化石燃料燃燒所產生的二氧化碳逐年增加，大量排放到大氣中吸收地表的紅外線長輻射波，造成人為的溫室效應，破壞了原本溫室效應的平衡穩定，使得地表的溫度逐漸增高，形成地球暖化的現象（邱宏志，2005）。 參、地球暖化對於環境的影響 過去100年間（1906~2005），地球的平均溫度上升了0.74°C（張泉湧，2012）。聯合國跨政府氣候變遷小組（Intergovernmental Panel on Climate Change；IPCC）估計，如果大氣中的溫室氣體持續增加，到2100年，全球平均氣溫將較1990年增加0.9°C至3.5° C；地球的溫度升高將導致高溫、暴雨、乾旱發生的頻率增加，造成生態系統被破壞、天然災害規模加劇、糧食能源水資源短缺；此外，全球平均溫度上升使得海水溫度上升，熱漲冷縮導致海水體積膨脹加上南北極冰雪溶化，將使海平面逐漸上升，預估 2100年時全球平均海平面將比1990年高出38公分至56公分，許多沿海低窪地區將沒入海中（許晃雄，1999）。 由於人類的活動使得大氣中的溫室氣體濃度大幅增加，改變了自然的溫室效應，將對自然生態系統和人類的生活環境產生不利的影響；聯合國於1997年12月制定了京都議定書，其目標是「將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上，同時確保生態系統能夠自然地適應氣候變化，糧食生產免受威脅，經濟發展能夠持續進行。」，與會國家依此議定書承諾將減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放量直到回復至1990年的標準（郭博堯，2001）。 肆、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹 大部分的工業化國家都把石油、煤炭、天然氣等石化燃料當成最重要的能源，而石化燃料燃燒就是人為二氧化碳的主要排放來源，因此，世界各國積極投入研究如何減少二氧化碳排放，又不降低生活水準的辦法。除了提高能源效率與再生能源的應用外，許多研究團隊都積極投入「碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,CCS）」的研究，這是一種把工廠中石化燃料所產生的二氧化碳（Carbon）分離並捕獲（Capture）起來，並傳送到適合的地質深層處封存（Storage）、以利生物吸收或再利用，避免二氧化碳排放到大氣中的一種技術，能有效減少碳排放（徐恆文、柳萬霞、黃欽銘，2012；曾榮樹、孫樞、陳代釗、段振豪，2004；李堅明，2015）。 依據工研院的報告(黃啟峰，2017)指出，水泥是國家建設發展的重要碁石，而水泥及相關製造業更是我國(2016年度)非金屬礦物製品製造業產值最大且能源消費最高的產業項目，然水泥的生產過程需要耗費大量化石燃料。因此工研院自2008年起積極研發利用石灰石進行二氧化碳捕獲之技術（徐恆文等人，2012），並於2012年起在台泥公司的花蓮縣和平水泥廠建立試驗廠，希望能藉此降低水泥生產過程的二氧化碳排放量，並思索二氧化碳再利用之可行路徑。 「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」是以稱為石灰石的碳酸鈣（CaCO3）作為原料，將所煅燒成的石灰–氧化鈣（CaO）作為吸附劑所進行的循環反應，氧化鈣（CaO）具有極高的吸附容量（理論值0.7857 kg CO2/1 kg CaO），是極佳的捕獲二氧化碳（CO2）吸附劑。用一個簡單的化學式表示： CaO + CO2 ⇌ CaCO3 當氧化鈣（CaO）遇到二氧化碳（CO2）就會形成碳酸鈣（CaCO3）；碳酸鈣加熱可還原成氧化鈣和二氧化碳，如此繼續不斷地進行循環反應，就可以捕獲CO2；倘若氧化鈣在捕獲過程中失去活性，可以送回水泥廠當作原料，如此就不會產生額外廢料。 台泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳系統，主要設備包括碳酸化爐、煅燒爐、集塵器和儲存槽；當水泥廠生產過程中排出含二氧化碳（CO2）的廢氣，將廢氣導入碳酸化爐後，二氧化碳（CO2）會和氧化鈣 （CaO）反應形成碳酸鈣（CaCO3），就是把生產過程中所排放的二氧化碳（CO2）捕捉；接著把碳酸鈣（CaCO3）送進入煅燒爐，在攝氏600-650度的高溫下，釋放出高濃度的二氧化碳（CO2），經過純氧燃燒形成氧化鈣（CaO）。此時，高濃度的二氧化碳（CO2）經過除塵、冷卻、壓縮後，便可封存起來再利用，而氧化鈣（CaO）回到碳酸化爐，再次作為吸附劑進行下一次的循環反應。透過這樣的循環反應，可以捕獲水泥廠所排放出的90%二氧化碳，有效降低二氧化碳的排放。工研院並且開發蒸氣水合反應器，可以將石灰（CaO）活化並且轉化為氫氧化鈣（Ca（OH）2），多階旋風塔的立體結構，可以讓石灰吸附劑粉體和所排放的廢氣充分接觸，以提升二氧化碳的捕獲率；未來這個技術還可應用在發電、水泥、石化、鋼鐵等工業製程中（工研院，2014；工研院，2018；黃欽銘等人，2016；談駿嵩、王志盈，2015）。 二氧化碳捕獲技術，是由排放源頭直接捕獲二氧化碳，阻隔二氧化碳排放到空氣中的機會，再將這些被捕獲的二氧化碳經過純化作為原料販賣、或是用來養殖微藻，不但不會造成空氣污染，還能創造經濟價值。 二氧化碳的回收利用範圍極廣。以養殖微藻為例，微藻是指1～10μm的單細胞藻類，可以生存在海水、淡水或潮溼的土壤中；微藻進行光合作用時，要吸收二氧化碳，也就是將二氧化碳固定，因此養殖微藻將有助於固碳及二氧化碳的減排。台泥公司和平水泥廠試驗廠，利用鈣迴路捕獲的二氧化碳做為微藻養殖所需的碳來源，由於二氧化碳之碳源純度高，可提高養殖效益培養具有葉黃素、DHA、EPA等衍生物質的微藻株，製作成高單價的營養食品創造高經濟價值。除此之外，美國、西班牙、荷蘭及以色列等國家，也利用微藻轉製成生物燃料如生質柴油、生質酒精、氫氣、焦炭等，或將微藻做為動物或水產的養殖飼料，改善糧食危機（張嘉修等人，2015）。 伍、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹與實驗活動 2019年1月所舉辦的「與研究員有約」活動，課程教案參考我國「碳捕獲與封存（CCS）」自有技術發展成果進行設計，內容包括「溫室氣體(二氧化碳)認識」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」兩大主軸，執行的方式包括簡報與實驗，教學目的為認識二氧化碳與地球暖化的關聯性、瞭解何謂二氧化碳的捕獲技術，以及二氧化碳的利用價值。以下紀錄活動的內容與過程： 教學主軸一、溫室氣體(二氧化碳)認識： 研究員首先透過教學簡報(如圖1所示)，讓學員將曾經聽聞溫室效應的資訊複習，並呈現有關溫室效應影響臺灣的內容，如：臺灣近百年氣溫的溫度變化、溫升對於臺灣登革熱好發地區之變化、溫升造成臺灣極端氣候的現象等；使學員體認到因全球溫室效應的關係，自身的生活環境(臺灣)也會受到一定程度的影響，全球暖化議題並非只是一個科學資訊，而是與日常生活息息相關的現象與問題。 完成簡報介紹，接著進行「二氧化碳與溫室效應的驗證實驗」，引導學員經由動手實驗了解高濃度二氧化碳較一般空氣更容易吸熱。  資料來源：本研究製作 圖1：溫室效應對臺灣的影響 實驗一、二氧化碳與溫室效應的驗證實驗 研究員從二個問題：「和地球暖化主要相關的氣體有哪些？」、「如何知道二氧化碳具有吸熱保溫的能力？」帶入實驗活動（如圖2），而這個實驗的目的為證實二氧化碳確實會使環境中的溫度提高。  資料來源：本研究製作 圖2：二氧化碳與溫室效應的驗證實驗  […]