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慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示:第21期CASE探索基礎科學講座 /陳竹亭

Tuesday , 12, November 2019 Comments Off on 慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示:第21期CASE探索基礎科學講座 /陳竹亭

慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示: 第21期CASE探索基礎科學講座   陳竹亭 臺大化學系名譽教授/遠哲科學教育基金會董事長  陳竹亭 jtchen@ntu.edu.tw 1869年俄國的門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)(圖1)率先發表了第一個週期表。(圖2)週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列,總計有67個元素,其中有4個是預測了尚未發現的元素,到今年剛好是150週年。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)也正逢100週年,正好慶祝化學史上極重要的週期表150年(PT150)。聯合國科教文組織(UNESCO)也共同慶祝推廣週期表與化學教育,就訂定2019年為國際化學元素週期表年(International Year of Periodic Table of Chemical Elements),簡稱為2019IYPT。 圖1、門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834-1907)  圖2、週期表依原子量和元素化學、物理性質的週期性排列 為紀念此國際盛事,中國化學會(Chemical Society Located in Taipei, CS和臺師大科教所聯合推動臺灣的慶祝推廣活動(2019IYPT in Taiwan)。臺大科學教育發展中心(CASE)決定共同響應,就邀請了臺灣大學化學系的陳竹亭、蔡蘊明名譽教授,和牟中原講座教授共同擔任顧問,來規劃2019年春季的第21期「探索基礎科學講座」。這一季的主題訂定為「元素週期表150週年―化學的革新和進化」。主旨在闡明週期表的發明帶給化學領域發展的革新和進化。從3月16日到6月15日共規劃了9個講座,分別紀錄於下。 【第一講】是由陳竹亭教授開啟序幕,題目是「發現元素新大陸」。早在西元前3世紀,亞里斯多德提出包括「土、水、氣、火」的四元素論,直到17世紀,波以耳認為元素是物質不可再分解的部分,且堅信元素具有粒子性質。18世紀的拉瓦節透過燃燒實驗,主張燃燒乃是物質與氧反應,水是氫與氧化合的產物。他用實驗釐清了元素與化合物的概念,在1790年出版了《化學基本原理》,推動化學革命,被譽為現代化學之父。 19世紀眾多化學家發現新元素。如戴維(Humphry Davy)是第一位用電解法分離出鹼金屬與鹼土金屬的化學家;伯齊里斯(Jöns Jacob Berzelius) 發現矽、鋁、鈹;本生(Robert Bunsen)和克許霍夫(Gustav Robert Kirshhoff)發明了本生燈與光譜分析儀,並且發現了銫和銣;拉姆齊(William Ramsay)與雷立爵士約翰·斯特拉特 (John Strutt, Lord Rayleigh)則在19世紀末發現惰性氣體。 稱為「原子之父」的道耳頓於1803年提出「原子論」,坎尼乍若(Stanislao Cannizzaro)在1860年的國際化學會議裡演講,釐清了混亂的原子量,啟發了當時在座的俄國年輕化學家門得列夫。門得列夫最顯著的成就便是於1869年發表「元素週期表」,他預測的鎵、鈧及鍺陸續被發現,成就了他化學先知的地位。瑪里居禮也發現了釙和鐳。20世紀,最後一種天然元素─錸和第一個實驗室裡合成的人造元素─鎝相繼問世。科學家們藉著認識原子結構,終於明白元素週期表正是原子中電子組態的外顯。時至今日,元素依原子序排列,我們熟知的元素週期表上已有118個元素。門得列夫的洞見及創作,也是歷史上眾多化學家們合作與傳承而開展的化學革新。 【第二講】是胡維平教授的「傳說到傳奇,原子真的存在嗎?」原子的概念從哲學觀點逐步變成人人確信的科學。西元前400多年,德莫克利特(Democritus)提出原子理論,認為物質是由無法再分割的粒子所組成。18世紀的法國化學家拉瓦節,做出了第一份現代元素表,徹底推翻四元素理論和燃素理論,說明燃燒反應就是物質和氧的化合。普魯斯特的定比定律、給呂薩克的氣體反應體積定律、道耳頓的倍比定律、亞佛加厥提出分子概念,門得列夫發表週期表,然而他們都不知原子的構造。 直到十九世紀末,倫琴在研究陰極射線管時發現X光。之後貝克勒發現鈾礦就算沒有照射陽光依然能讓底片感光。居禮夫婦發現鈾礦放射性的強度,只和鈾的量有關,和化學環境無關。他們認為放射性來自原子的內部,這也暗示原子不是最基本的粒子。發現X光的年代,湯姆森發現了電子。他建立梅子布丁原子模型。拉賽福在1908-1913年,用α粒子撞擊金箔片的實驗推翻布丁模型,證明了原子的質量集中在一個非常小帶正電的核心,而電子在核外環繞,於是提出行星原子模型。當人們知道原子裡面還有質子、中子,就衍伸出它們能否再繼續分割?後來發現質子、中子也不是最基本的粒子,而是由夸克構成。 宇宙生成30分鐘後,原子核僅含75%的氫和25%的氦。大約40萬年後,電子才與原子核形成中性的原子。2~3億年後,才有恆星產生。太陽內部進行核融合反應,4個質子融合成氦原子核、3個氦融合成碳原子核、碳和氦融合成氧原子核。質量大的恆星能形成鈉、鎂、矽、磷、硫、鈣、鐵、鎳等原子核,超新星爆炸才能產生比鐵重的元素;中子星之間的碰撞合併爆炸,則可以產生金、銀、鉑等等貴重元素。 【第三講】由于淑君教授主講之「從西伯利亞到聖彼得堡—門得列夫築夢週期表之路」。150年前排列出元素週期表的門得列夫,終其一生致力尋求科學在自然界中的規則與真理,使更多人能依循這份美麗的秩序而前進。門得列夫生於俄國西伯利亞,具有韃靼血統的母親帶著他與姊姊一路跋涉到莫斯科,再輾轉到聖彼得堡,讓門得列夫進入聖彼得堡大學中央教育學院就讀。取得碩士學位的門得列夫,步入教職及研究的工作,於1861年編寫了《有機化學》教科書,1868年發表《化學原理》第一卷。 這段期間,科學家們不斷透過實驗發現新元素並研究其性質。徳貝萊納(J. […]

第八屆亞洲化學教育國際研討會 ∕ 周金城

Sunday , 8, September 2019 Comments Off on 第八屆亞洲化學教育國際研討會 ∕ 周金城

第八屆亞洲化學教育國際研討會  周金城 臺北教育大學自然科學教育學系 ccchou62@tea.ntuie.edu.tw n   前言 由韓國、日本與台灣所發起的亞洲化學教育國際研討會(International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, NICE)今年7/30~8/1日已完成第八屆NICE研討會三天活動的辦理,各國參加的人數也趨於穩定,常常可以看到許多熟識的面孔,包含各國的大學教授與高中老師,於第八屆馬來西亞也加入了核心國家的行列中。而我也自NICE籌備會開始參與,每一屆NICE研討會都參與,也擔任過台灣辦理NICE研討會大會秘書,一直到這次擔任大會主席,要負責申請校內外經費,並籌畫整個活動的進行。每一屆參與NICE也都在吸收各屆辦理的優點,思考要如何避免缺點的發生,這是一個漫長的學習歷程。 n   留下活動的軌跡 辦完NICE研討會後,將NICE研討會辦理的軌跡留下,提供給以後想辦理的夥伴參考也是重要的,因此邀請參與的核心夥伴分別撰文將這些紀錄留下。 第一篇由我所撰寫的文章是〈亞洲化學教育國際研討會辦理回顧與第八屆活動特色介紹〉,先描述由NICE研討會籌備到後續七屆辦理的NICE研討會的情形,且寫出比較不一樣的活動設計,以及設計這些活動時的背後考量。經費是活動設計上的最大考量,本屆的研討會由註冊費收入的經費大約總經費的四分之一,也就是四分之三的費用並須由其他管道申請。在有限的經費下要辦理有特色的研討會,是相當不容易的事。親力親為可以減少人力費用的支出,例如大會網站就是由我親自建置,就可以省下好幾萬的費用,但也耗去我相當多的時間。 第二篇由台北教育大學自然科學教育學系的林靜雯教授所負責撰寫〈第八屆亞洲化學教育研討會論文發表情形速寫〉針對本次研討會的文章進行分析整理,除了有各國參與的人數,針對投稿發表類型是口頭發表、海報發表或是示範實驗進行分析。也針對投稿的主題進行分析,發現本次NICE研討會上的投稿是以教室對話分析與教學策略與日常生活中的化學主題為最多,可以讓我們對整體的學術活動輪廓有一個清楚的圖像。 第三篇是大甲高中廖旭茂老師撰寫〈指導學生參加2019年亞洲化學教育研討會擔任科學志工心得分享〉一文,則是針對他為設計研討會所設計的化學闖關遊戲前後歷程,並帶學生全程參與NICE研討會三天兩夜的整個心得。NICE研討會創造了給高中學生的舞台,而廖老師則把握的這個機會,大力的推了學生們一把讓他們有機會參與國際學術活動。由他文章中的學生心得,可以看出他的學生可以在參與研討會的過程前後,獲得許多成長的機會。 第四篇是新北市立新北高中的鍾曉蘭老師撰寫〈亞洲化學教育國際研討會之高中參訪活動–讓高中生變成主角〉一文,針對如何安排NICE研討會的高中參訪活動流程與訓練學生擔任英文導覽解說員與化學實驗活動的英文助手,都有詳細的說明。最重要的是讓高中生由活動參與者,變成活動的執行者,創造給學生舞台,也盡力幫助學生在舞台上發光發熱。 第五篇是由台北教育大學自然科學教育學系的何慧瑩教授所撰寫〈第八屆亞洲化學教育國際研討會之場地與議事組準備經驗交流〉一文,則是將繁雜的事務工作規劃做一個紀錄,讓大家了解研討會是有很多工作要同時規劃處理。找學生幫忙工作是目前大學困難的任務,因為要事先辦理保險並繳費,但是學生後來臨時有事不能來,但是保險費早已繳納,也無法向學生求償,這是找尋協助研討會人力上最大的困難點。 n   結語 第八屆亞洲化學教育國際研討會網站上,有詳細的會議議程與論文手冊資料,有關學術活動部分是比較容易了解的,但是其他沒有在網站上出現的內容才是更需要被了解。這次的第八屆亞洲化學教育國際研討會投審稿系統,是採用中華民國計算機語言學會所建置的線上會議管理系統,除了投審稿系統也有這註冊繳費的金流系統可以繳費租用,可以節省大量的時間與精力。租用系統所需繳納的費用不會很多,聯繫接洽上也不複雜,問題提出與解決都是透過網站聯繫,處理問題相當有效率,非常推薦使用,聯繫的窗口地址是位於中央研究院的資訊研究所內,若有興趣辦理國際研討會者,在經費有限的情況下,可以多加利用此管道來建置線上投審稿系統與線上繳費金流系統,應該是相當安全的,畢竟駭客也隨時隨地在等待綁架我們網站。

第八屆亞洲化學教育國際研討會辦理回顧與第八屆活動特色介紹 ∕ 周金城

Saturday , 7, September 2019 Comments Off on 第八屆亞洲化學教育國際研討會辦理回顧與第八屆活動特色介紹 ∕ 周金城

第八屆亞洲化學教育國際研討會辦理回顧與第八屆活動特色介紹  周金城 臺北教育大學自然科學教育學系 第八屆亞洲化學教育研討會大會主席 ccchou62@tea.ntue.edu.tw n   前言 亞洲化學教育研討會(International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators,簡稱NICE)是兩年辦理一次的會議,目前的主要核心國家是日本、韓國、台灣與馬來西亞。前八屆都是由韓國、台灣與日本輪流主辦,第七屆研討會時NICE委員會開會決定讓馬來西亞加入委員會,並決定讓馬來西亞主辦第九屆亞洲化學教育研討會,而第十屆則是再度回到日本主辦。要申辦NICE研討會必須在四年前向NICE委員會提出申請,若有興趣辦理的其他國家可以於第九屆NICE研討會時向委員會申請辦理第十一屆亞洲化學教育研討會。辦理的日期最好能配合主要核心國家的學校暑假時間來辦理,由於日本暑假開始的時間是在七月下旬,所以研討會辦理的時間主要是在七月底,以利日本的教授、高中老師與學生參與。 表一 第一到第八屆亞洲化學教育研討會與舉辦資料 地點 主辦學校 日期 大會主席 第一屆* 韓國首爾 淑明女子大學 2006/8/14-16 Prof. Choon H. Do 第二屆 臺灣台北 臺灣師範大學 2007/30~8/1 邱美虹教授 第三屆 日本東京 東京學藝大學 2009/7/29-31 Prof. Masahiro Kamata 第四屆 韓國首爾 首爾大學 2011/7/26-28 Prof. Choon H. Do 第五屆 臺灣屏東 屏東教育大學 2013/7/25-27 李賢哲教授 第六屆 日本東京 […]

第八屆亞洲化學教育國際研討會論文發表情形速寫 ∕ 林靜雯、李宜諺

Friday , 6, September 2019 Comments Off on 第八屆亞洲化學教育國際研討會論文發表情形速寫 ∕ 林靜雯、李宜諺

第八屆亞洲化學教育國際研討會論文發表情形速寫 林靜雯*、李宜諺 國立台北教育大學自然科學教育學系 jwlin@mail.ntue.edu.tw   n   前言 第八屆亞洲化學教育研討會(The 8th International Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators)於2019年7月30日到8月1日於國立台北教育大學舉辦並已順利結束活動。本次研討會報名人員,總共有206 人,橫跨11個國家,依序為:台灣133 人、日本28 人、韓國15 人、菲律賓13 人、馬來西亞5 人、美國4 人、中國2 人、越南2 人、南非2 人、尼泊爾1 人、泰國1 人。本文之主旨希冀報告研討會論文的發表情形,藉此描繪亞洲各國於化學教育方面所關注的焦點與貢獻。以下將先介紹本次整體投稿文章於大會八大主題下的分布狀況,接著說明各國,以及不同學習階段於此八大主題關注的情形。最後,本文也分享本次研討會中特殊的亮點,包括:因應國際化學週期表年的相關發表,以及獲得最佳海報獎的發表特色,希望藉此讓未能與會的化學教育同好能一窺究竟,也讓參與此次盛會的社群伙伴們再次回味。 一、整體投稿主題的分布情形 研討會論文分為三種形式發表,包含口頭、海報與實驗示範,而本次研討會論文分為八大主題,分別為1.跨學科化學的遠景(Vision of inter-disciplinary chemistry)、2.教室對話分析與教學策略(Analysis of classroom discourse and instructional strategies)、3.各國化學教科書的表徵與呈現(Representation of textbooks)、4.日常生活中的化學(Chemistry in daily life)、5.微型實驗(Micro-scale experiments)、6.多媒體教材在課室中的使用(Use of multimedia as instruments in classrooms)、7.學生對化學的態度(Attitude toward chemistry)、8.各國優秀科展作品觀摩與分享(Sharing / […]

兩岸化學教育高峰論壇:創造性探究模型在探究與實作教學的應用範例分享 / 林芬如、段曉林

Tuesday , 9, July 2019 Comments Off on 兩岸化學教育高峰論壇:創造性探究模型在探究與實作教學的應用範例分享 / 林芬如、段曉林

兩岸化學教育高峰論壇:創造性探究模型在探究與實作教學的應用範例分享 林芬如1  段曉林2* 國立彰化師範大學科學教育研究所1,2 suhltuan@cc.ncue.edu.tw* 壹、緒論 十二年國教課程綱要(簡稱108課綱)的課程目標之一:「啟發科學探究的熱忱與潛能,使學生能對自然科學具備好奇心與想像力,發揮理性思維,開展生命潛能。」(頁1),且課綱(2018)強調,「科學學習的方法,應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點,引導其從既有經驗出發,進行主動探索、實驗操作與多元學習,使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力」(頁1)。為強化上述目標,教育部特於高級中等學校教育階段增列自然科學探究與實作課程內容,佔自然科學部定必修學分數三分之一,足見提升高中學生科學探究與實作能力是國家科學教育的重要方向。位於第一線教學現場的高中教師們是帶動進行探究與實作的領航者,既是課程設計者也是課室中實施探究教學的輔助者,需要參考不同類型的探究教學模型與應用的範例增進自身的教學知能,因此,本文擬分享一個可以應用在高中課室中的創造性探究教學模型與範例。 貳、創造性探究教學模型與科學創造力評量 本文採用洪振方(2003, 2017)提出的創造性探究教學模型(Creative Inquiry Model, CIM )作為本文依據的教學法,此外,本文所指的科學創造力指聚焦於學生的科學性產品(含實驗產出的數據)中開展的創意,內容包括新奇度、問題解決、精緻度與整合度等三個主面向的考量(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin )。以下分述說明: 一、提升創造力學習的CIM模型:CIM模型符合NRC(2000)強調的重點,且比NRC(2000)更多出了來自學習者自身與同儕小組的評價 (evaluation),強調學習者進行探究與思考、形成問題、寫下想法步驟、數據分析、探究過程利用語言說服(解釋與溝通),與將想法和結論與同學公開交流,同儕合作運用多種過程技能,例如操作、認知和程序性的過程技能。CIM包含七個步驟(Hung & Ko,2017): 步驟(一)學生參與科學問題,事件或現象; 步驟(二)另一方面,老師設法引起學生自己的想法的共鳴,激勵他們反思並抽出潛在的原因和假設; 學生通過設計實驗探索問題並檢驗他們的假設; 步驟(三)學生分析數據,並整合他們的觀點以建立模型; 步驟(四)學生用他們的科學知識闡述(提供原因和結論)問題; 步驟(五)學生在論證期間對同儕傳達他的解釋,進行最大的發散性思考; 步驟(六)學生通過其它解釋進行比較,特別是那些體現科學的解釋推理進而再評價自己的解釋,進行收斂思考。 步驟(七)學生和他們的老師一起審查和評價他們學到了什麼以及他們是如何學習的,進行思考的總結。 在上述階段(一)和階段(二)是探索的組成部分,階段(三)和階段(四)是解釋的組成部分,階段(五)是交流的組成部分,第(六)和第(七)階段是評價的組成部分。而探索、解釋、交流與評價的各步驟不必依線性程序進行,可以螺旋式的交互呈現而彈性使用,如下圖一之示意圖。    圖一、創造性探究教學模型(CIM) 二、科學創造力的評量:經由科學教師透過CIM 模型的教學設計使學生在探究過程中產生的科學創造力,可以進行形成性評量,例如:學習歷程檔案或是實作評量,對於學生的科學性產品中的創造力,以新奇度、問題解決、精緻度與整合度等三個主面向的考量(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, & Chin, 2017),三個主面向共包括八個子面向如表一。教師可以根據(Lin & Chin, 2018 ; Lin, Tuan, […]

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見— 以在客廳可以實作的化學反應為例 / 蕭次融

Monday , 8, July 2019 Comments Off on 兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見— 以在客廳可以實作的化學反應為例 / 蕭次融

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見— 以在客廳可以實作的化學反應為例 蕭次融 國立臺灣師範大學化學系(退休教授) gshiau@ceec.edu.tw   n  摘要 教師演示點燃的火柴使黃褐色的液體褪為無色,引起學生探究其因的興趣。教師提示可用化合物替代點燃的火柴,於是學生上網找相關資料。在探討火柴頭和優碘的成分以及其性質後,並以二級研究(secondary research)的方式探究其化學反應。然後學生設計一個問題解決的實作實驗,如何使黃褐色的液體褪為無色並使其顏色復現的方法,並解釋其原理。 n  簡介 對於以往的科學教學偏重知識概念的講授,依據《十二年國民基本教育課程綱要》的《自然科學領域課程手冊》,著重科學探究能力培養,強調科學素養的養成,注重與日常生活的連結。新課綱的教學要以主題的方式,注重「探究學習」和「實作學習」,並且要以學生為主。教師的任務在「探究與實作」的活動中,應扮演引導者的角色,引導學生觀察現象、形成問題、提出可驗證的觀點、尋找變因、收集與分析資料、解釋與推理、歸納結論、提出建議以及預期的發展等等。 雖然新課綱強調自然科學教育法,但是多數教師期望有可參考的教材內容和教學指引。高中「自然科學探究與實作」是包含在十二年課綱新設必修的領域課程,占自然科學領域部定必修12學分的三分之一,分成「探究」與「實作」兩個面向,教師必須執行,實作是學習的過程,而探究能力的培養才是目標。 本文提出「在客廳可以實作的化學反應」,作為設計探究與實作的參考。首先教師演示點燃火柴使碘酒褪色的實驗,以引起學生探究其化學變化的興趣,進而搜尋相關資料和進行二級研究,教師引導學生發展出「氧化還原反應」的概念。接著,教師提出優碘褪色和復現的問題,分發實驗器材:碘酒、雙氧水、白開水、餅乾、火柴與透明玻璃杯,以及標籤為X與Y的兩支無色液體的點滴吸管,要求學生分組討論並利用所分發的實驗器材,自行設計實驗步驟並進行實作,找出問題的答案並發表其實驗結果。最後,教師引導學生發展出「氧化還原反應」的延伸—「自身氧化還原反應」的概念,並理解其異同。(註:X是約1 M的NaOH溶液,Y是約1 M的HCl溶液。以上所述純屬個人看法,僅供同好參酌。) 二級研究涉及現有研究的總結、整理和/或綜合。二級研究與一級研究形成對比,主要研究涉及數據的生成,一級研究資料作為二級研究分析數據的來源。二級研究可以從教科書、百科全書、回顧文章、已發表的學術論文、統計數據庫和歷史記錄中提取數據。 本文的內容:一、教師演示實驗(點燃火柴,碘的褪色);二、學生用二級研究的方式探究碘液褪色的原因(火柴頭藥的成分、碘的性質、以及發生化學反應);三、學生以問題解決的方式實作碘液褪色又復現的作法;四、學生實作後的問題與評量;五、參考資料;六、附錄:(一)108指考化學試題(可供問題解決試題的參考)、(二)2018遠哲科趣全國競賽(可供問題解決實作試題的參考)和(三)各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號(作為這次二級研究和問題解決的參考)。 n  教材設計 一、教師演示實驗 教師點燃的火柴,立即放入盛有碘溶液的透明塑膠杯中,學生用肉眼可分辨的現象發生! (一)  實驗器材 1.優點液(1瓶),2.雙氧水(1瓶),3.鹽酸(約1 M),4.氫氧化鈉(約1 M),5.澱粉液(0.01%或餅乾),6.火柴(1盒),7.透明塑膠杯(8個),8.鐵絲(直徑約1毫米,長25公分) 〔註1〕:碘酒和雙氧水:取自急救箱,如照片1的中間兩瓶所示。 〔註2〕:第3、4、5項的溶液,均裝於5毫升的點滴瓶(也可裝於3 mL的點滴吸管),如照片1右邊所示。 〔註3〕:鹽酸可用食醋或酸性浴廁清潔劑替代,氫氧化鈉則可用管路疏通劑替代,但用量(濃度與滴數)要調整。 〔註4〕:演示神奇的七個杯子,需要另加酚酞溶液(0.4%)或紫色高麗菜汁。 照片1:演示碘褪色使用的器材   (二)  教師演示與學生觀察 1.        教師倒清水約10毫升於透明塑膠杯中,滴入碘酒數滴直到溶液呈現黃褐色為止。 2.        一手拿黃褐色溶液的塑膠杯和火柴盒,並用第二個空透明塑膠杯的杯底當作杯蓋,如圖1所示。   圖1:一手拿好相疊的兩個透明杯和火柴盒,另一手拿火柴準備點燃火柴。 3.        用另一支手點燃火柴,立即移入第一個塑膠杯中,但是切勿碰觸到溶液,如圖2A所示。 4.        以第二個空塑膠杯的杯底輕蓋第一個塑膠杯,然後搖動塑膠杯,立即觀察到黃褐色的碘液褪為無色,如圖2B所示。 5.        如果碘液不褪為無色,重複步驟3、4數次,直到無色為止。 6.        在無色的溶液中,加入雙氧水數滴,靜待一會兒,碘的黃褐色復現。 7.        加入少許的澱粉液或餅乾屑,溶液慢慢地呈現藍色或藍黑色。   圖2:點燃火柴,使碘液黃褐色褪色。(A)點燃的火柴,立即移入杯內。(B)輕蓋杯子後搖動杯子,碘液由黃褐色變為無色。 […]

兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課:同課異構–濃度對反應速率的影響 / 曹雅萍

Wednesday , 3, July 2019 Comments Off on 兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課:同課異構–濃度對反應速率的影響 / 曹雅萍

兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課:同課異構–濃度對反應速率的影響 曹雅萍 國家教育研究院測驗與評量中心研究教師 中山女子高級中學 yapingtp@gmail.com 一、前言 2018年12月4日眾多化學老師與教授齊聚新北市立新北高中,參加「亞太化學教育研討會」。研討會中分別由北京海淀教師進修學校支瑤副校長和新北市立新北高中鍾曉蘭老師以「週期表」為主題;東北師大附中的孫磊老師與台北市立中山女高以「反應速率」為主題,進行同課異構之公開觀課活動。活動中每位老師分別以五分鐘說課,以解釋課程設計的者要理念;再進行25分鐘的同課異構教學,並於觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課,點評教授包括國立臺灣師大邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授和東北師範大學鄭長龍教授。 二、反應速率-濃度對反應速率的影響公開觀課 (一)課程理念與設計說明 反應速率的傳統教學方式,多為寫出反應速率定律式,再以許多題目不斷練習應用,讓學生在練習過程中,熟悉並背下反應速率定律式,但對於反應速率式的本質,與反應速率定律式為何出現的理由並不清楚。 為了以因應素養導向教學,並希望學生於知識學習過程中,同時培養解決問題的能力,故本課程設計時,溶入形成性評量的概念,希望從學習評量中建構學生在化學課堂上的學習。形成性評量的理論基礎則強調教學歷程要與評量歷程相互結合,才能達到改進教學的目的,進而提高學習效果。亦即「評量本身就是學習或教學活動」,當評量本身就是一個學習任務,藉由評量引導學習才會發生,若提問本身對教師就是評量活動,則回答教師的問題,對學生就是學習活動。 此外,實驗設計的概念亦為本次新課綱探究實作課程的重點之一,故本課程亦融入了實驗設計的概念,希望學生在學習過程中同時了解,探討反應物濃度對反應速率的影響時,一次僅能探討單一物質濃度(單一變因)對反應速率的影響,亦即於教學中同時澄清操縱變因與控制變因的概念,有助於實驗設計能力的培養。 下表為本課程設計簡述,希望藉此引入科學家設計實驗與思考解決問題的歷程,讓學生經由一系列有組織的提問後,可以自行理解並歸納出反應速率級數的意義。 單元主題 反應速率-濃度對反應速率的影響 單元目標 能從一系列的反應速率實驗中,取得反應速率的數據,並有效整理反應速率的數據,進而寫出濃度和反應速率的數學函數關係。 核心問題 如何以一個適當的函數關係,表示濃度和反應速率的關係呢? 學習內容 CJe-Va-1 反應速率定律式 學習表現 tr-Ⅴa-1 能運用一系列的科學證據,理解並推導自然現象的因果關係。 tm-Ⅴa-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型。 教學流程與提問設計 1.      示範丙酮碘化實驗,並引起學習動機。 2.      學生討論並說出反應速率如何計算。 3.      由上述的觀察中推論,可以用來測量反應速率的對象,需要具備哪些特性?並舉例說明。 4.      如果反應物的濃度會影響反應速率,那妳可以如何確認呢? [H+]、[(CH3)2CO]和[I3-]的影響分別為何? 請求出反應速率,並分別寫出反應速率和各物質濃度的關係。 5.      如何將[H+]、[(CH3)2CO]和[I3-]和反應速率的關係以一個數學函數表示呢? 感謝師大化學系張一知教授提供第四十四屆國際化學奧林匹亞實驗競賽試題。   (二)開觀課活動照片 研習當天活動照片下圖。 圖1  孫磊老師公開觀課 圖2曹雅萍師公開觀課 圖3  學生課堂參與情況 圖4  王祖浩教授專家點評 (三)「濃度對反應速率的影響」課程流程與學習單 1. 實驗原理說明並進行實驗演示,已引起學生學習動機,並由實際的實驗演示中,觀察並推論出可以如何測量反應速率。 2. […]

兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2:霍夫曼微型電解水模組的設計與應用 / 廖旭茂

Tuesday , 2, July 2019 Comments Off on 兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2:霍夫曼微型電解水模組的設計與應用 / 廖旭茂

兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2:霍夫曼微型電解水模組的設計與應用 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 *nacl880626@hotmail.com 影片觀賞 本實驗影片由大甲高中提供,微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。 影片網址:https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube. 簡介 水是醞釀生命的泉源,對於生物體來說是不可或缺的無機物質,為了瞭解水的組成,國中理化課程中,透過電解水實驗,以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣,觀測兩極的氣體體積比。 早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼(August Wilhelm von Hofmann [1])於1866年所發明,電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管,金屬電極貫穿橡皮塞,與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接,兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗,供添加電解液並維持水位;陰陽兩極是由兩根白金棒,貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成,隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量,慢慢被塑膠的電解槽所取代的,下圖為電解水裝置。   圖2:圖左為霍夫曼電解器,圖右為塑膠製電解水裝置 傳統的電解器體積較大、使用的電解液不管是氫氧化鈉或硫酸鈉,都需要數百毫升的體積、過量的廢液處理問題,加上白金電極價格昂貴,總總因素讓目前中學做過電解水實驗,有實際動手做實驗且正確量測出氫氣與氧氣體積比的學生寥寥可數。因應潔淨能源–氫能的崛起,電解水的相關研究風起雲湧[2],[3],如何改良電解水器,讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗,成了此次研發的重點。 延續之前在科學研習月刊的撰文(綠色創客:微型電化學電池的設計與應用 [4])風格,應用跨領域的技術,從無到有,一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計,以及實驗模組的教學應用;微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管,進行陰陽兩極氣體的收集;應用雷射切割技術,壓克力製的電解槽具組裝容易,不易摔破、攜帶方便的優勢;陰、陽電極固著於塑膠螺絲上,螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔,方便自由拆卸、更換;不受限於傳統電極固定性結構,提供進行電解的變因探究,目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極;除可透過USB行動電源進行電解實驗,實際節省98%化學試劑使用量,使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。 圖3:本校微型電解水實驗的操作 本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外,亦提供電解水模組的教學使用示例,與教學的設計與應用,並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念,以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享,提供讀者瞭解電解水實驗的參考;落實實驗減量、減廢,實踐環境友善與綠色永續的教學目標。 器材與藥品 1.      功率80W的雷射切割機。 2.      透明壓克力板60cm × 40 cm,厚度8mm一塊(約可切出20組微型電解水裝置) 3.      螺絲攻牙器1組(含5.0mm的螺絲攻鑽頭)【購自五金材料行】 4.      鑽孔機1台(含1.4mm鑽頭) 5.      PP塑膠一字螺絲(Φ=6mm,長12mm)數個【購自五金材料行】 6.      雙面矽膠帶(寬=5mm、寬10mm,各一捲)兩捲 7.      塑膠針筒包括:1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支 8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店,亦可使用3個三通閥】 9.      紅、黑鱷魚夾線各一條 10.  六種電極包括:碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支(直徑Φ=1.5mm,長6mm) 11.  止洩帶1捲 12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑(簡稱BTB)、0.5M硫酸銅(Copper sulfate, CuSO4)溶液、0.5 M碘化鉀(Potassium iodide, KI)溶液各10mL。 […]

2019國際元素週期表年(IYPT):開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」∕ 陳竹亭

Friday , 18, January 2019 Comments Off on 2019國際元素週期表年(IYPT):開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」∕ 陳竹亭

2019國際元素週期表年(IYPT):開啟化學與週期表的「萬應室之鑰」 陳竹亭 國立台灣大學化學系 jtchen@ntu.edu.tw (轉載自http://shs.ntu.edu.tw/shsblog/?p=32889, 2017年3月16日) (摘錄自週期表的故事(Periodic Tales, The Curious Lives of the Elements)導讀序/八期文化) n   前言 在近代化學中,元素概念由拉瓦節(Antoine Lavoisier, 1743-1794)在1780年間引上正途之前,是一條曲折蜿延的長路。煉金術昌行的時代,術士們口說元素,卻不知何為真元素!瑞典的席勒(Carl Wilhelm Scheele, 1742-1786)和英國的普利斯力(Joseph Priestley, 1733-1804)都較法國的拉瓦節(見圖一、圖二)更早發現而且分離了「氧氣」,卻都沒能正確述說氧氣的科學意義。17-18世紀,絕大部分的化學家都相信「燃素論」(phlogiston theory)2,甚至有的還沒放棄煉金術。 圖一、拉瓦節的實驗室1 所謂燃素就是可燃物在燃燒時釋出的物質,而週邊的物質就吸收燃素。這似是而非的道理碰到了精於會計和稅務平衡的拉瓦節(圖二),偏偏他又是對實驗的質量變化極為謹慎,錙銖必較。金屬礦燃燒時,礦渣變輕;碳或硫燃燒時,產物變重。所以燃素該有多重呢?拉瓦節不僅懷疑歷時逾百年之燃素論的正確性,更重要的是他認為需要新的燃燒概念,好比牛頓在運動、力學、數學中一樣的發現和發明:要用簡單、合理的邏輯,有系統且一致、連貫的理論,涵蓋、說明所有物質組成及變化的發現或發明。                  圖二、拉瓦節1                            圖三、拉瓦節著的《化學基本原理》  n   近代化學之父–拉瓦節的貢獻 拉瓦節在1789年出版的第一本近代化學教科書—《化學基本原理》(Traitéélémentaire de chimie)中(見圖三),根據當代能重複實驗之具體可靠的結果,整理出33個「元素」,就是不能再由化學反應分解出新物質的純物質,也包括替氧氣(oxygen)命名。還依照貝齊琉斯(Jöns Jacob Berzelius, 1779-1848)建議的英文元素符號,有系統命名了化合物,就是由兩種以上的元素結合的純物質。從此,要稱一個東西為純物質,就必須提出固定不變,且經得起檢驗的成分組成。(這就打斷了一群實驗混混的後路!)更重要的是他說明了「燃燒」—這從古至今迷幻、眩惑、震懾、驚恐…了多少人的神奇現象,就是物質和氧氣的化學反應,而且一切化學反應皆遵守質量守恆定律。 拉瓦節成為率先捨棄煉金術和燃素論,將化學整理在一個正確理論下的化學革命第一人,正是第一位企圖以系統科學了解化學的先知。他雖未正式提出「原子」,但自17世紀波以耳以降,化學家大多承襲世界是由微粒(Corpuscularianism)集合而成的機械哲學(mechanical philosophy)觀點。3,4拉瓦節雖未能如願的成為公認的氧氣發現者,事實上拉瓦節從未曾發現任何的新元素,但是拉瓦節追隨牛頓的腳步,終究是有集大成的化學洞見!他離世後未滿十年,道耳吞就發表了「原子說」(Atomic theory)。 n  元素週期表的發展簡史 今天的週期表是依「原子序」(atomic number)的正整數排列,週期表的終篇若是沒有莫斯利(Henry Gwyn Jeffreys Moseley, 1886-1915)發現原子序的故事就不夠完美。莫斯利曾經在英國曼徹斯特大學任教,由教齡略深的拉賽福(Ernest Rutherford, 1871-1937)督導。1912年,波爾(Niel Bohr, 1885-1962)也進入拉賽福的研究室擔任博士後研究員。拉賽福根據他指導的蓋格–馬斯登實驗(Geiger-Marsden experiment),就是用高速a–粒子撞擊金屬箔。從大量的a–粒子穿透直行,而極少量的a–粒子以大角度的模式散射,他歸納提出了一個不同於湯木生(Joseph […]

2019國際元素週期表年(IYPT):追尋元素週期表的歷史軌跡 蔡蘊明 國立臺灣大學化學系 ymtsai@ntu.edu.tw                                                    聯合國大會於2017年末宣佈2019年為“國際化學元素週期表年”,彰顯這個由蘇俄科學家門得列夫(Mendeleev, 1834-1907)在1869年的重大發現對全球文明進展的貢獻。這個化學元素週期性質的關鍵理論導致了更多新元素的發現,進一步醞釀了二十世紀初期量子力學的革命,不但催化了化學的進步,也間接地對生命科學、地球科學、醫藥、農業和能源等等領域的發展產生重大影響,也無怪乎化學元素週期表成為化學最重要的圖騰而為全人類所熟知。值此元素週期表發現的一百五十週年紀念時刻,讓我們回溯一下這個重要事件的發展軌跡(Brock, 1993; Hirota, 2016; Hudson, 1992),藉而瞭解早期科學家對於這個複雜世界的摸索,如何成就了現在的發展。元素週期表的發現絕非偶然,而是眾多對未知的科學探討最終導致的結果,門得列夫的卓越洞察力,理出了大自然中奇妙的規律,經過了一百五十年,越發顯示其輝煌的成就。 n  1860年之前的掙扎 剛進入十九世紀之時,一項重大的化學理論同時開展,英國科學家道耳頓(Dalton, 1766-1844)於1805年提出了現代版的原子學說,即便是現今如此重要的學說,在當時以及之後的一百年卻一直不斷的受到質疑,最主要的困難在於原子是如此的渺小,這讓早期的科學家很難想像如何的觀察它以及取得一顆原子的質量。道耳頓的原子學說主張不同的元素具有不同的原子,整個物質的世界乃由各種不同的元素之原子所組合而成,在無法量度一顆原子質量的困難下,採用相對質量的做法逐漸成形。由於氧元素能與眾多元素生成氧化物,因此氧的原子量成為相對的標準。  另一阻擋了理論進展的絆腳石,反諷的在於當時極具影響力的道耳頓本人。他基於最簡原則,堅信氧氣是單原子的,連帶使得他強烈質疑給呂薩克(Gay-Lussac, 1778-1850)的氣體研究之準確度,使得給呂薩克提出的氣體反應的物種體積具有簡單整數比的實驗結果受到懷疑。雖然亞佛加厥(Avogadro, 1776-1856)的理論,亦即同溫同壓下同體積的氣體具有相同粒子數的假說,能夠解釋給呂薩克的實驗現象,但是那必須接受當時已知的氣體均為雙原子分子的革新想法,可惜未能獲得當時多數學者的支持。這些狀況導致相對原子量的數值遲遲無法得到共識,阻礙了結構理論的發展。例如在1860年之前,一個簡單的有機化合物醋酸,就存在十九種不同的分子式。見微知著,化合物分子式的不確定使得有機化學的發展受到阻礙。  所幸理論的遲滯並未影響實驗技術的進步,新元素仍然不斷的發現,在1790-1830的四十年之間就有26個新元素的發現。然而傳統的技術亦有極限,自1830年至1859年卻僅有五個新元素被發現,此時元素的總數已經超越了60。話說回來,遠自希臘哲人開始思考萬物組成之謎時,普遍認為世界是由簡單的幾個元素組合而成,因此存在了六十種以上的元素實在是大大違反簡單原則的信念,這也使得道耳頓的學說難以接受。當然後見之明告訴我們,這世界的確是簡單的,各種原子最終的確回歸到幾個相同的基本粒子,但這樣的認知乃是基於無數科學家在十九世紀的努力,終於在二十世紀所結的果實。  n  關鍵技術的發明 於1860年之前科學家們已經知道一些金屬鹽類燃燒時會有不同焰色,透過三菱鏡的分光,可以觀察到各金屬的焰色具有特定的譜線。德國科學家本生(Bunsen, 1811-1899)在海德堡大學的新實驗室剛開始使用燃氣的設備,他想透過焰色研究硬水中所含有的鹽類,可是當時所使用的燃燒器放出太多的光而影響觀察,因此他與助手克希何夫(Kirchhoff, 1824-1887)於1860年發明了本生燈以及相關的光譜儀,隨即於該年發現了銫 (cesium, Cs)。這個關鍵技術的發明,使得元素的發現又得到了新的動力,最終導致十九世紀末鈍氣元素的發現,此乃後話。  n  1860年開始的原子量共識 這1860年另有一重大發展,那發生於德國西南部的卡爾斯魯厄(Karlsruhe)這個城市所舉辦的第一屆國際化學會議(deMilt, 1951)。在此會議中,一位年輕的科學家坎尼乍若(Cannizaro, 1826-1910)給了眾人一個印象深刻的演講。他針對當時毫無共識的原子量議題,主張接受亞佛加厥的理論,並認為氫氣為雙原子分子,因為氫為最輕的元素,定其原子量為1,則氫氣的分子量為2,既然同體積的氣體具有相同粒子數,則其它化合物之蒸氣與相同體積的氫氣來比較質量(即氣體密度比),可得到其它化合物相對的分子量。接著透過當時發表的眾多實驗數據來分析,得到一系列合理的原子量數值。 在此簡單的利用幾個碳化合物的質量百分組成來闡述坎尼乍若的分析(表一)(Cannizzaro, 1858),表中的五個化合物的氣體,可透過與氫氣密度相比取得相對分子量,接著由元素分析所得到的含碳質量百分比求得該分子量中碳原子總和的質量。例如甲烷相對於氫的分子量為16,而元素分析實驗顯示甲烷分子中的碳含量為75%,代表其分子中含有的碳相對質量為12。很明顯的於表一中所呈現,這五個碳化合物分子中碳原子的相對總質量均為12的倍數,但不會小於12,最合理的解釋就是一個碳原子相對於氫,其質量為12。 表一、五個碳化合物的質量百分組成分析   相對分子量 % C 相對碳質量 甲烷 16 75 12 乙烷 30 80 24 丙烷 44 82 36 丁烷 58 83 48 […]