一位高中生的電化學物理研究之旅 —科學究探與實作的自主學習案例分享


文/李柏翰


自主學習需要學生能夠主動積極,根據自身的興趣與能力,進行自我探索研究的一種學習過程,這是108課綱中重大的變革項目之一,目前這項變革在各中學實施,大家還是在學習摸索之中,操作面上有一定的挑戰。事實上,在新課剛實施前兩年,我們在台灣師大附中(以下簡稱師大附中)已經開始嘗試進行這項學習活動,以個別學生為主體,師生一起合作研究與討論,根據學生所喜好的項目進行加深及加廣的探索。嘗試兩年多以來有一些成效與心得,將在本文中詳細地說明與探討,也希望能夠拋磚引玉給更多的師長當作參考案例。本文將介紹陳柏翰同學自主學習的過程,希望提供各位師長未來在引導學生進行自主學習活動時,可以作為參考。

 背景探討--陳柏翰同學的國中時代

本文所舉的案例發生於108課綱實施前,當時陳柏翰同學所在的學習環境,仍然是考試為主的年代,陳同學毅然決然選擇進入科學探究的自主學習歷程,確實是一項重大決定,這個重大的轉變需要時間一點一滴的淬鍊,陳同學在自傳中提到一段歷程:「自從我國中接觸到化學後,便對物質組成十分感興趣,於是便接觸了量子力學相關的科普書,對基本粒子的標準模型十分著迷,但由於其內容過度艱難而且苦於數學程度不足,遲遲沒有著力點……。」這段科學種子萌芽的階段,一些新奇的名詞、一些古怪拗口的專業術語,已經慢慢地滲入陳同學的科學探究的夢想之中,面對世界的變化之下,已經逐步建立起一個具有個人特色的研究行為模式。當然陳同學也跟一些玩電腦的年輕人相仿,也有涉獵Ardunio、Scratch、C等程式語言,也開始碰觸簡單的IoT (Internet of Things/物聯網),加上陳同學自己的父親是資工領域,也給予陳同學不少幫助,就這樣帶著一點程式基礎,也曾參加過網頁比賽獲獎,對著原子科學探索有著極大的熱情與執著的狀況下,進入了師大附中普通班1462就讀。

 觸動心靈的特色課程--「量子力學之美,電腦叢集計算」

陳同學到師大附中後,在高一的特色課程選擇中看到了「量子力學之美,電腦叢集計算」的課程,該課程是由本人開設,陳同學在課程中首次接觸到所謂的氫原子模型等理論演進的基礎,量子力學的濫觴見證於其演化軌跡,其中一些拗口的專業術語,也都在課室中的推導證明之下,一一清楚詳述,於是乎陳同學心中的原子科學的概念漸漸開始漸漸地清晰,連測不準原理介紹都在此課程之中,甚至連線到國家高速電腦中心,進入電腦叢集計算的課程,學習一些量子力學計算的方法,這些嶄新的研究探索步驟著實打開陳同學的心扉,不只如此,在這個課程中,還有常常一些有令人驚艷的想法與做法,比如說實驗的過程,我們提供開放式實驗課,讓學生分組一起討論;例如在電子荷質比實驗中,讓學生親自操作儀器,如圖1所示,學生自己看到圓形綠色的電子弧線,然後自己根據實驗現象,量測電子荷質比,實驗後開始各組提出問題,試著將自己組別研究成果嘗試向全班發表,當然其他同學也可以不斷地提問,經過此實驗初步探索,讓學生回家查資料,然後實驗再重複進行一次,再進行分組討論,這個過程便是傳統課程所欠缺的環節。學習面對問題、學習面對未知的挑戰,而不是一昧的照本宣科陳述課本知識,在這個實驗學習的過程中,重點是各組回答錯誤也沒有關係,就是讓學生自己在探就過程中找到自己的定位,進行開放式的討論,也是讓孩子運用同儕力量乘風飛翔,而且因為實驗可以重複很多次,每一次的實驗就是在建立一種科學思考的情境,面對新的面向總是會有新的發現,團隊的合作學習也可以幫助練習修正自己的想法,利用表達自己的邏輯推理的發表,知道自己的研究上知識的不足,進而刺激自己去尋找資料以加強自身的能力,如此便能進入一個良好的學習模式,老師站在輔導的立場,引導學生發現科學、喜愛科學探究。另外,此課程也會有一些IoT的電子線路的訓練(如圖2),讓學生可以進行實際的焊接線路練習。這些務實的動手做實驗也讓陳同學開了眼界,原來要認識原子世界的方式,有很多的面向可以進行,這些經驗的建立都不是傳統的課堂上可以傳授的,這門課的知識學習上有著各種方式的進行痕跡,都慢慢地在引導陳同學對科學的專業的訓練與啟發,當這門課完成基礎訓練後,陳柏翰同學將學習研究心得寫出〈量子力學導論〉,投稿旺宏科學閱讀獎比賽,最後獲得評選為優選獎的佳績,如圖3所示,由師大附中王淑麗校長親自頒獎給陳柏翰同學,給予陳同學極大的鼓舞。


圖1. 電子荷質比實驗過程中學生操作儀器         


圖2. 電子線路研究--RGB LED彩燈製作之學生成品         


圖3. 陳柏翰同學將學習心得投稿旺宏科學閱讀獎比賽(題目是「量子力學導論」)獲得優選獎,師大附中王淑麗校長頒獎給陳柏翰同學         

 自主學習啟動,正式進入Lorenz Lab 實驗室研究

本人除了開設「量子力學之美,電腦叢集計算」課程學習之外,還義務地開設了Lorenz Lab 實驗室的meeting研究,時間至今已然有四年的光景,在平常星期一晚上6:30-9:30的物理實驗室裡(如圖4),我們對這個meeting有著科學探索的堅持,因為本人平時仍然進行國際學術期刊的論文的研究與發表,因此特別感受到中小學教育現場與實際科學環境的落差,有時因為看到學生為了升學考試,什麼都不敢進行探究。但是世界的科研環境又是如此劇烈變化,深感憂心。例如AI、機械學習、IoT、程式設計、環境環保議題等,這些議題的改變已然成為科學界非常重要的課題,然而高中的升學教育下,僅僅反覆的解題訓練,這與科學研究的探索能力開發的距離卻是越來越遠,有感於此,本人義無反顧開設了這個Lorenz Lab 實驗室,主旨在於開發一些對於科學有興趣的學生,提供科學研究的自主學習討論空間,學生都可以自由參加。陳柏翰因為是研習過量子力學特色課程學生,對於科學研究有著極大的熱情,陳同學當時向本人表明自己是個十足研究型的孩子,於是陳柏翰同學在高一時以學期成績全班第四名成績進入Lorenz Lab研究團隊進行自主學習,陳同學自己形容自己「是有點討厭在教室待一整天的小孩,可是如果整天待在實驗室,將會變得很開心」。在陳柏翰開始自我探索的階段,我們在meeting時候常常聊天討論,分享心得,本人發現陳柏翰具有程式設計的天分,於是開始設計為期兩年的自主學習的研究計畫,在研究階段初期,本人著重於程式設計能力的培養,於是拿實驗室的藏書給陳柏翰研讀,培養一些基礎的技巧,在程式學習逐步有進度後,總覺得參加比賽是一條不錯的正向激勵途徑,於是找了一個2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽,和科學教育館(科教館)的蘇萬生博士合作,利用程式或者是IoT比賽磨練陳同學的程式能力,成立一個重力波隊,讓陳同學擔任隊長挑戰 MorSensor無線感測積木設計競賽,經過半年培訓以及準備Android studio IoT code開發(如圖5所示),團隊以光舞密碼機進入決賽,最後成功開發手機App接收MorSensor打出摩斯密碼,獲得銅牌獎,獎金三萬元整,這個比賽重力波隊是唯一入圍的一組高中生隊伍,其他決賽隊伍大部分是由大專院校所組成。其實比賽的結果並不重要,重要的是讓陳同學利用比賽來檢驗自我學習的成果,也讓陳同學離開了舒適的高中校園,開始參與全國性的IoT競賽(如圖6),遠赴新竹國家實驗室參加比賽的過程中,學習到團隊研究合作的重要性,以及開拓了科學研究的眼界,與世界接軌,這才是本人設計此活動的初衷,所以自主學習的第一步,不妨立一個學習的小目標,讓學生有一個前進的動力。


圖4. 本人開設的這個Lorenz Lab 實驗室,在平常星期一晚上6:30-9:30的物理實驗室裡,進行科學探究自主學習,有時則來點微課程的訓練         


圖5. 在科學教育館舉辦的2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽培訓課程,重力波隊全程參與         


圖6. 2018 MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽,新竹決賽現場,評審以極其專業的眼光詢問重力波隊問題         

 進行遠程目標的自主學習、更大型的環保議題研究計畫

對於達成初步訓練目標的成果,我們其實有一個更大型的研究合作計畫,想要引導陳同學進行學科深入學習的探討,這個計畫是關於環保議題關於塑膠的生物分解感測器的開發以及光觸媒分解污染物質的研究,這個議題是本人在日本參與國際會議時,遇到逢甲大學翁于晴教授所激盪出來的點子,非常適合陳柏翰同學的自主學習,與加深加廣的科學探究,結合翁于晴實驗室的電化學場域,Lorenz Lab 實驗室的固態材料的研究,應該有機會開啟陳同學探索尖端電化學的眼界,經過一番深談,陳柏翰接受本人科學研究的建議,暑假時本人帶著陳柏翰同學前往台中逢甲大學與翁于晴教授碰面,商談自主學習合作研究的可能性,如圖七所示,而且也順道參訪翁于晴教授實驗室(如圖8),感受一下尖端研究的環境氛圍,感受一下台北到台中的交通狀況,也為日後的一些規畫行程,並且將未來所需要補強的論文、書籍資料備齊,預備好好進行一場電化學探究活動。


圖7. 左邊起為重力波隊洪軾凱、逢甲大學與翁于晴教授、李柏翰老師、陳柏翰同學於台中逢甲大學旁小吃店         


圖8. 參訪逢甲大學與翁于晴教授的實驗室,實驗室研究生親切地介紹電化學實驗         

當時的研究的題目發想於一次拜訪養蜂農場的經過,我們發現養蜂人的天敵「蠟蟲」會在蜂房內產卵,其幼蟲會吃蜂蠟、破壞蜂巢。因此,本人連想到蜂巢或許和塑膠有點像,於是對於這種台灣的蠟蟲吃蜂蠟的行為產生了濃濃的興趣,上網一查發現”Current Biology”有一篇論文[1],報導牠們也可以分解聚乙烯(PE)製品,並分解成乙二醇,這篇論文闡述了鱗翅目的蠟蛾(Galleria mellonella)的幼蟲對PE能夠快速消化降解,產生乙二醇(如圖9和10),我們都知道塑料是石油的合成聚合物的衍生物,而PE和聚丙烯(PP)約占塑料總產量的92%,這是很難被生物分解的聚合物。因此,這個意外發現開啟了一個實驗議題。試想如果可以開發偵測乙二醇感測器,那麼是不是有機會偵測蠟蛾幼蟲分解PE產物,這個偵測器或許可以解開環保上塑膠分解的困境呢? 所以藉由感測乙二醇之濃度分析小蠟蛾幼蟲分解塑膠的可能性便油然而生,於是開始開發乙二醇感測器,研讀文獻發現乙二醇之應用性包含車輛冷卻系統的防凍劑、飛機上液體防冰機制,當乙二醇與過冷水結合後,冰點低於表面溫度,從而達到防結冰效果(如圖11和12)。


圖9. 鱗翅目Galleria mellonella幼蟲可對聚乙烯(PE)進行生物降解[2]         


圖10. 小蠟蛾         


圖11. 乙二醇(ethylene glycol)又名甘醇,化學式HOCH2-CH2OH,屬於最簡單的二元醇[3]        


圖12. 乙二醇無色無臭、有甜味液體,能與水以任意比例混合。用作溶劑、防凍劑以及PETE等的原料,是化纖產業的基礎原料之一[3]         

因為翁于晴教授願意全力協助陳柏翰同學研究此電化學議題,本人考慮到實際狀況,擔心逢甲太遠,人手不足,剛好參加教育物理年會認識了中科實中兩位優秀的同學張茵荏、許馥沄,她們願意加入乙二醇感測器研究計畫,而且學校就在逢甲大學附近,非常方便實驗材料的準備,經過翁于晴教授同意之後,跨校三人研究小組便正式成立,如圖13所示,這支跨校的生力軍開始研究乙二醇的性質,為了確實偵測乙二醇,他們利用電化學三種測量方法來測量當氫氧化鈉為背景、鎳為工作電極、白金為對電極時,測量在不同濃度、不同電壓下乙二醇的電化學現象,進而求出偵測乙二醇之最佳方法,三位志同道合的同學,便開始進入開發乙二醇偵測器實戰。



圖13. 左起中科實中許馥沄同學、師大附中陳柏翰、中科實中張茵荏同學,合影於逢甲大學翁于晴教授實驗室         

 實驗方法與設備介紹

實驗計畫是利用儀器檢測不同濃度乙二醇的表現,最後要量測極化曲線,應答曲線等,如圖十四的流程,所需研究器材及藥品如表1所示,儀器材料:對電極(圖15),鎳為工作電極(圖16)、自製參考電極(圖17)、VersaSTAT3恆電位儀(圖18),圖19〜22是實驗設備裝置。



圖14. 測量在不同濃度、不同電壓下乙二醇的電化學現象實驗設計流程         


表1.偵測乙二醇研究器材及藥品         


圖15. 對電極         


圖16. 鎳為工作電極         


圖17. 自製參考電極         


圖18. VersaSTAT3恆電位儀         


圖19. 器材架設設備,俯視圖         


圖20. 燒杯溶液和磁石攪拌棒         


圖21. 器材架設設備,側視圖         


圖22. 整體實驗裝置        

這個電化學偵測器需要用到循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)以及極化曲線(polarization curve),所謂的循環伏安法就是一種改變電位以得到氧化還原電流方向之方法。藉由起始電位以固定速率施加到終點電位,再以相同速率改變回起始電位,不斷進行循環,繪製成可逆氧化反應物分析曲線圖,當從低電位往高電位掃瞄時,會使分析物產生一氧化電流的氧化峰(anodic peak),此CV圖可幫助我們判斷在何種電位時會發生氧化反應。而極化曲線方法是利用電極電位與電極上電流密度之間變化關係的曲線;極化曲線愈陡,電位偏移程度愈大、極化愈強,即電極過程受到阻礙愈大。曲線愈平緩,說明極化程度愈小,電極過程順利。
陳柏翰同學在台北與台中之間往返研究的日子中,為了節省時間,都是搭高鐵往返,每周兩天,進行了一年多的各種電化學研究,首先進入實驗室後,一切都要學習,例如乙二醇感測實驗,要學習循環伏安法(如圖23),這個反覆電壓變化循環的曲線是需要時間等待,在實驗等待的過程中,陳同學就翻翻論文,讀一下實驗室手冊,這樣一點一滴地累積電化學知識,然後實驗多次結果確認了在0.4~0.5V時有較大的淨電流值,便可以適當區間內在繪製圖形(如圖24),接下來進行測量不同濃度乙二醇之應答電流(如圖25),最後做出線性分析濃度與淨電流之關聯(如圖26),經過與翁教授和本人討論後,認為濃度與淨電流分析數值相當不錯,確認了辛苦的代價,這些實驗成果就是探究與實作的最好的例子,成果在實驗室中學習和討論而得來,以及與學長姐請益而來,當然有了辛苦得付出,總是會有收穫的,之後陳同學與中科實中合作一起打拼乙二醇的科展,題目是「醇,在嗎--乙二醇電化學感測器之應用感測器之應用」,除了獲得校內科展特優,也獲得參加台中市的科展比賽的機會,經過一番激烈的競賽,最後獲得佳作的獎項(如圖27,李本人收到奇特的台中市市長的獎狀),再者陳同學也參加師大附中的高瞻計畫研究,參加2018學年度全國高級中等學校高瞻專題成果聯合發表會(在國立中山大學附屬國光高級中學舉辦),這個高瞻專題成果與中科實中一起榮獲金牌獎,跨校合作研究的成果,在辛勤的汗水下逐漸成長茁壯,因為是一起探索學習,而且是離開校園的實驗,返回學校在和老師討論,所以這些奇特的研究經驗,也給予陳同學必須自主的掌握實驗進度和實驗流程,有時候難免面臨實驗失敗的打擊,這時候適當的討論與分享就非常重要,本人會在Lorenz Lab 和學生meeting,討論實驗狀況與進度,而關於研究費的補助,本人以「電子線路中看到聲學物理」申請到2018年度中等學校科展指導結合探究與實作課程實施計畫,所以對於研究計畫有一些補助金額,最後本人也將上課的鐘點費全部都給陳柏翰同學搭高鐵交通費用,雖然不多,但總是一些補助,在計畫的支持下,陳同學半年後漸漸找到電化學實驗的竅門,行有餘力之餘遂提出光觸媒另一個研究課題,勇於挑戰新題目。之後的研究開始是自己獨力完成,之前的研究計畫的訓練讓陳同學越來越進入狀況,可以深入理解探究其原因,經過了數個月無數次的失敗實驗,最後總算找到幾種有效的配方,其中以光觸媒研究--以p-n型複合光觸媒之光電催化特性探討獲得第18屆旺宏科學獎佳作(如圖28),而氧化銅與氧化鎢複合光觸媒之電化學性質探討更是獲得臺北市2019年中等獎助計畫化學科首獎(一等獎) (如圖29和30),陳同學優異的表現並獲選為本校高瞻計畫學生代表,參與日本學術交流SAKURA Science High School Program 2019 (SSHP 2019)國際學術活動,為國爭光,這些後來的榮耀,實在是來自對科學的堅持--沒有自律極佳的態度,很難在一連串的實驗失敗的挑戰下孕育出下一次的成功。


圖23. 測量在不同濃度、不同電壓下乙二醇的電化學現象實驗設計流程         


圖24. 0.4~0.5V時淨電流值大幅提升,0.5V後出現平台         


圖25. 固定於0.6V連續測量不同濃度乙二醇之應答電流         


圖26. 線性分析濃度與淨電流之關聯         


圖27. 師大附中李柏翰老師指導中科實中許馥沄和張茵荏同學以及師大附中陳柏翰台中市科展競賽,榮獲佳作         


圖28. 陳柏翰同學以「光觸媒研究以p-n型複合光觸媒之光電催化特性探討」獲得第18屆旺宏科學獎佳作        


圖29. 陳柏翰獲得臺北市108年中等獎助計畫化學科頒獎合影,左起師大附中王淑麗校長、陳柏翰同學、李柏翰老師、臺灣師大化學系林文偉教授         


圖30. 陳柏翰同學以「氧化銅與氧化鎢複合光觸媒之電化學性質探討」 獲得臺北市108年中等獎助計畫化學科首獎(一等獎)。        


 意外的AI研究插曲

在達成了電化學研究的長期目標後,本人再給陳同學一個熱門的AI計畫,因為AI實在是太熱門了,陳柏翰也在本人邀約下又進入AI計算領域,研究目的為「綠繡眼叫聲之機器學習與其探討」,這些都是結合了GPU程式AI設計運算,因為陳柏翰本身已經有自主學習程式語言的熱身,研過程中利用C、C++和Python程式來撰寫學習上也算順暢,然而此研究雖然在青培計畫通過初選,但在複賽時沒能獲得評審的青睞,甚為可惜。就這一點本人也鼓勵陳同學勝敗乃兵家常事,雖然沒能通過挑戰,然而過程中所學到CNN的技巧,和傅立葉頻譜圖分析的技巧,未來仍然是有用的。果然沒多久在2019年暑假8月,透過選拔賽,陳同學獲選為聯發科技與科教館共同舉辦的「未來之星智慧科技夏令營」選手,經過培訓後,AI功力更上一層,如圖31所示,陳柏翰同學等組隊參加2019年11月30日2020「科技大擂台與AI對話」(Fun Cup)競賽,在Lorenz Lab集合比賽。
所以看著陳同學自主學習的歷程中,有關於程式設計、電化學功力一步一步的成長,本人在陪著陳柏翰同學一起研究的過程中,心中是最有感觸。其實課本上的知識都是死的,需要實驗去活用,才能真正了解到這些知識在科學上的真諦,而且自主學習研究成長的道路上需要有師長的眼界與陪伴,才能有機會走的更高更遠,108課綱探究與實作和自主學習的施行成敗與否,此點甚為重要。


圖31. 在2019年11月30日Lorenz Lab--2020「科技大擂台與AI對話」(Fun Cup)競賽中,陳柏翰同學等都聚精會神全力以赴        

 清華大學材料工程、中正物理特殊選才,均榮獲正取

記得陳柏翰同學在申請大學特殊選才上個人資歷問卷有一題是這樣問的:申請人逆境向上且具強烈學習熱誠之狀況簡述。陳同學回答如下:

「我在高中二年級時決定反抗目前的考試制度,全心投入研究,每週請假1~2天至台中逢甲大學實驗室做實驗,做研究的期間雖然要大老遠跑到台中、連續每天做實驗4、5小時、實驗閒暇時還要讀論文與補充電化學相關知識,但我一點都不覺得辛苦,每回走出實驗室都帶著一抹微笑想著:就算我沒有做出什麼突破性的重大成果,這種生活我也甘之如飴。在這段時間若有幸做出了一些成果,便想要用特殊選才的方式進入大學,脫離考試的束縛。」

 

陳柏翰同學,歷經了Lorenz Lab兩年扎實的自主學習訓練,逢甲大學實驗室的電化學薰陶,經過無數次的實驗失敗的挑戰,因為堅持,所以漸漸地獲得獎項回饋,由佳作演化成臺北市2019年中等獎助計畫化學科首獎。當陳同學面對所有與會的同學、師長、教授,豪不畏懼的完成首獎作品發表演說,獲得在場許多師長教授的肯定,其實陳同學已經具備了科學研究人員所需的潛力,他辛苦努力的過程感動了每一位師長的心靈,在2019年中正物理與清華大學材料工程的特殊選才中,陳柏翰同學均榮獲正取,這位普通班的高中生,因為熱愛科學的自主研究精神,為他自己也為國家開創出一條康莊大道,就以陳柏翰同學在北一女中參加中等獎助計畫化學科首獎演說結尾來結束本文:「沒有李柏翰老師,翁于晴教授的提攜,就沒有現在的我!」。

 參考文獻
1. Paolo Bombelli, Christopher J. Howe, Federica Bertocchini, Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria ellonella, Current Biology 27, R283–R293 (2017).
2. The News Lens 20170425關鍵評論,“意外發現:這種「蠟蟲」對蜜蜂有害,但能吃塑膠袋” 小蠟蟲
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/乙二醇。
4. J. Crovisier, D. Bockelée-Morvan, N. Biver, P. Colom, D. Despois and D. C. Lis, Ethylene glycol in comet C/1995 O1 (Hale-Bopp), A&A 418, L35-L38, (2004).
5. Zensor R&D Technology-1.2 Electrochemical Method
6. Yu-Ching Weng, Cheng-Tse Hsieh, Scanning electrochemical microscopy characterization of bimetallic Pt–M (M = Pd, Ru, Ir) catalysts for hydrogen oxidation, Electrochimica Acta, 56, 1932-1940 (2011).





李柏翰
國立臺灣師範大學附屬高級中學教師