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廢物利用：生質物氣化技術的前世今生

文/吳耿東 前言 生質能（biomass energy 或 bioenergy）的基本觀念來自利用反應過程的二氧化碳淨排放被視為零；當植物行光合作用，吸收陽光、二氧化碳及水分後，產生氧氣，並促進了植物的生長；而後再將植物取之作為燃料，在產生能源利用的過程中，其所釋放之二氧化碳再回到大氣中，形成一沒有增加二氧化碳淨排放的循環，因此，生質能被列為再生能源的一種（吳耿東，2008）。依我國「再生能源發展條例」（行政院，2019）第三條第二項的定義，生質能指「農林植物、沼氣及國內有機廢棄物直接利用或經處理所產生之能源」；但在第三條中屬再生能源的「國內一般廢棄物」（即家庭垃圾）與「一般事業廢棄物」（如工廠廢料）亦屬於廣義的生質能源，在國際上一般則以其組成為「生物可降解」（biodegradable）的部分作為認定標準。經由上述如農林植物等生質物（biomass）或廢棄物轉換為生質能的技術中，相較於國內較常見的垃圾直接燃燒的焚化發電或是養豬場的畜牧廢水沼氣發電，本文將介紹一項既古老又新穎的生質物氣化技術，在國內雖已研發超過20年，但目前在臺灣仍處於萌芽的階段。 壹、氣化技術的內涵 氣化程序是指在高溫下進行非催化性的部分氧化（partial oxidation）反應，將含碳的固態物質（如生質物、廢棄物或煤炭等）轉換成氣態燃料，即所謂的「合成氣」（syngas），主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等，可直接做為鍋爐與發電機組之燃料，產生所需之蒸汽及電力（吳耿東、李宏台，2001）；合成氣亦可經由觸媒反應合成生質燃油（biofuels）或化學品，圖1即是生質物氣化的流程圖。簡單的說，氣化就是把固體燃料先轉換成像瓦斯的氣體燃料，再進行利用。為什麼要這麼做呢？為什麼不直接燃燒呢？主要的目的還是在提昇燃料應用的能源效率。想像有一塊木頭及一根火柴，木頭容易點著嗎？如果木頭換成一瓶酒精呢？如果換成一桶瓦斯？顯而易見，大家都常聽過瓦斯氣爆的新聞，就知道氣體燃料的威力（當然也相當危險，請勿任意進行此類實驗）。一般固體燃料的能源效率約為15%~20%左右（如垃圾焚化爐），氣體燃料的能源效率可達35%以上；當然，轉換的過程中也會損失能源，約在5%左右，整體而言，能源效率提高了一倍。 圖1. 生質物氣化流程圖 前面提到，當固體燃料轉換為氣態燃料的過程是一種「部分氧化」的反應，而所謂的部分氧化就是提供反應的空氣量比完全燃燒所需的空氣量少。當碳氫化合物完全燃燒時，會產生二氧化碳及水，這時候的理論空氣量也就是化學計量空氣stoichiometric air），但在實際操作上，會比計量空氣（即100%）多出20%~50%，以確保可以燃燒完全。氣化則是使用了15%~40%左右的計量空氣，也就是造成燃燒不完全，但我們通常以空氣等值比（equivalent ratio，ER）表之，或稱空燃比、空氣因子，當ER為1時即為完全燃燒，氣化反應的ER值則通常在0.15-0.4之間。而大家所熟知的不全完燃燒，如瓦斯中毒事件，就是產生對人體有危害的一氧化碳。是的，氣化程序所產生的氣態燃料就是一氧化碳，還有氫氣、甲烷及二氣化碳等，因此稱為合成氣；上述除了二氣化碳外，其他如一氧化碳等皆是可燃的氣體燃料。氣化的主要反應是一種吸熱反應（endothermic reaction），所需的熱量則是來自放熱反應（exothermic reaction）的燃燒，所以氣化合成氣中才會含有二氧化碳，因此整個氣化過程可以說是「要先燃燒自己，才能照亮別人」。 一般氣化反應的程序主要可分為四個階段，第一階段為乾燥反應（drying），以蒸發反應物（即原料）所含之水氣，溫度約為100–150oC，在此階段，反應物並未被分解。第二階段為裂解反應（pyrolysis），係對反應物進行熱分解，溫度約為150–700oC，會產生氣體、揮發性焦油（tar）或燃料油及焦碳（char）殘留物。第三階段為氧化反應（oxidation），即是對裂解產生之焦碳、焦油及氣體進行氣化或部分氧化，為一種燃燒放熱反應，溫度約為700–2,000oC。第四階段為還原反應（reduction），在缺氧的狀況下進行高溫的化學反應，但因是吸熱反應，所以溫度較氧化反應階段為低，約為800–1,100oC。此部分的熱源可以由氧化（燃燒）階段來提供（吳耿東、李宏台，2001）。 以氣化技術處理生質物或廢棄物具有不少優點，除了上述提及以固體燃料先轉換成氣態燃料（合成氣）再利用，可以提昇能源效率外，還可有效回收及利用生質物或廢棄物所蘊藏之能源，而且進料彈性大，用途廣。氣化反應為部分氧化，所需空氣量較直接燃燒時少，除塵設備投資低，可大幅降低PM2.5，氮氧化物及二氧化碳產生量較少，污染較少；更重要的是，反應為部分氧化，剩餘氧量很少，可避免戴奧辛前驅物氯酚之產生。此外，一般生質物氣化的爐爐體構造簡單，操作相對容易（吳耿東、李宏台，2001）。 貳、氣化技術的前世 根據記載（Tata Energy Research Institute，2000），氣化技術始於17世紀中葉的歐洲，1669年Thomas Shirley首次以碳氫化合物進行了較粗略的氣化實驗；30年後，Dean Clayton由煤的熱裂解實驗得到合成氣。在歷經近百年的發展，Robert Gardner於1788年獲得了第一個關於氣化的專利，而1792年英國人默多克（William Murdock, 1754-1839）首次點燃合成燃氣供作屋內照明，此後氣化的合成氣即被用於烹飪及取暖等。1807年位於倫敦的Pall Mall道路以煤炭氣化產生的「town gas」（即煤氣）點亮了整條街道的街燈，如圖2所示（Rowlandson, 1809），成為全球第一條以合成氣街燈照明的街道，此後town gas的生產使用一直持續增加，並盛行於1850年代的倫敦，之後才被天然氣及較便宜的化石燃料（fossil fuel）所取代，但迄今仍可在倫敦找到這些煤氣燈座，目前也還有極少部分的煤氣燈仍在使用，例如位於倫敦西敏寺附近的史密斯廣場聖約翰堂（St. John's Smith Square）門口的街燈（如圖3所示），當然現在已經改用瓦斯作燃料了，並由英國天然氣公司（British Gas）負責維護。當時的合成氣（一氧化碳及氫氣）又稱為「水煤氣」（water gas），主要是由煤炭加上高溫的水蒸汽進行氣化反應而生成的，所以才有此稱謂，這個反應又稱為水煤氣反應（water gas reaction），屬吸熱反應： 全球第一個氣化爐則成型於1812年，係使用油作為燃料；到了1840年，世界首座商業用途的氣化爐建於法國，1878年首次成功地將合成燃氣用於引擎發電，1901年蘇格蘭人J. W. Parker更利用合成燃氣作為汽車引擎燃料，從此氣化技術便進入了一個新的紀元（吳耿東、李宏台，2001）。第一個工業化應用的氣化爐則始於1926年，德國Rheinbraun公司建置了世界第一個流體化床（fluidized bed）的氣化爐，即温克勒高溫氣化爐（high-temperature Winkler gasifiier，HTW），並以褐煤（lignite）為原料，生產合成氣作為鐵礦（iron ore）的還原氣體（reducing gas）。氣化技術及其應用在廿世紀初有相當不錯的發展，但不敵石油工業的興起，逐漸衰退，然而在兩次世界大戰中卻因石油的短缺而再次蓬勃發展，尤其是在第二次世界大戰時，氣化技術十分熱門（吳耿東、李宏台，2001）。 圖2. 1807年倫敦Pall Mall道路以煤炭氣化產生的合成氣點亮街燈（Rowlandson, 1809）（圖片來源：紐約大都會藝術博物館） 圖3. 倫敦史密斯廣場聖約翰堂門前的煤氣燈（圖片來源：取自：谷歌街景，2020年11月） 在1985年著名電影《回到未來》（Back to the Future）的最後一幕，瘋狂科學家布朗博士開來了一台迪羅倫（DeLorean）DMC-12跑車（您可以在環球影城看到這部車），他打開後車後的反應器，然後說：「我需要燃料！！！」 （I need fuel!!!），並將一堆香蕉皮、垃圾、啤酒等等置入反應器中（如圖4），然後車子就飛起來了！這個「反應器」就是一個標準的氣化爐概念，雖然在電影中，這個反應器還標示了「核融合」（fusion）的字樣。這個概念在現實世界中是真的，所不同的是，我們的車子不會飛。 在二戰期間，因為戰爭導致石油的短缺，當時很多運輸用的柴油車均加掛一個氣化爐，以木炭或木材作為原料，將其氣化後之合成氣則注入柴油引擎機，作為車輛的動力，例如，1939年（昭和14年）日本頸城自動車株式會社在二戰期間所生產的「薪車」（見圖5(左)）（日本頸城自動車株式會，2021）；員林客運公司也曾在二戰期間改裝原有的巴士為木炭車（見圖5(右)）（文化部，2018）。或許您也注意到了，那時候的柴油車怎麼沒有想到要使用生質柴油（biodiesel）呢？事實上1893年柴油引擎發明時，是使用花生油去驅動的，但直接利用這些植物油的缺點是分子太大、黏度過高。二戰期間確實有人使用過桐油代替柴油，但現代大量使用生質柴油是1980年代後才開始的，所以，當年的木炭車反而較為盛行。或許您還有一個疑問，使用汽油的汽車呢？在缺油的二戰期間就直接使用酒精代替了，也有人在情急不得以之下，把酒直接加入了汽車油箱；而今世界各國也開始添加生質酒精於汽油中供汽車使用，即酒精汽油（gasohol）。 圖4. 電影《回到未來》的場景 （圖片來源：環球影業，取自：網路電影資料庫（IMDb）） 圖5. 二戰時期的木炭車 （左）1939年日本的「薪車」（圖片來源：日本頸城自動車株式會社，2021） （右）員林客運公司的木炭車（圖片來源：文化部，2018） 以氣化合成氣直接作為車輛燃料，一直是一項未竟事業；1979年因伊朗革命造成第二次石油危機，油價在當時由每桶美金15元漲到美金39元（1981年2月）（EIA, 2021），於是可取代柴油的氣化技術再度復活，圖6即是1981年時掛氣化爐的柴油車（National Research Council, 1983）；即使在現代，仍有人在努力發展這種掛氣化爐的車子（Kurkela, 2010），如圖7所示。只是隨著油價的下降，這類車子就會被束之高閣。想像一下未來，當石油用罄之際，您也許買得起雙B的車子，但沒有汽柴油可用時，每天要開車出門，您必須倒一桶垃圾在您車子的氣化爐，沒有垃圾時，還需向鄰居借個一桶，屆時的垃圾都是寶貝。當然，受限於氣化爐的尺寸及重量，這個技術在短期內仍難以完全商業化，您現在不需太擔心，今晚就想開始囤積垃圾，那樣環保局會先來開罰單的。 如前所言，二戰之後，氣化技術的應用再因石油及天然氣的充裕而急遽下降，在 1950年代裡是一項被遺忘的技術。氣化技術的再次興起是在1970年代之後，肇因於能源危機，也使得煤炭氣化再度受到重視。而於此同時，因歐洲伐木等事業帶來環境的問題，使得氣化技術開始利用木屑等農業廢棄物，即生質物（biomass）作為氣化原料，開啟了廢棄物氣化技術的發展，更大量地被應用於能源較缺乏的發展中國家。在歷經近40多年的發展，現今廢棄物氣化技術已被認為是極具潛力的代替能源之一，可同時解決環境污染及能源短缺問題（吳耿東、李宏台，2001），表1為綜整氣化技術的發展歷程（吳耿東，2003）。 表1. 氣化技術發展歷程（吳耿東，2003） 圖6. 1981年能源危機時期掛氣化爐的柴油車（圖片來源：National Research Council, 1983） （左）菲律賓馬尼拉的吉普尼（Jeepney）木炭車，使用20 kg木炭進行氣化可跑160 km （右）美國邁阿密的林肯大陸豪華轎車（Lincoln Continental limousine），使用約50 kg的木材進行氣化可跑約137 km 圖7. 以氣化合成氣作為燃料的現代汽車 （左）日本岩國市的現代木炭車（圖片來源：フォートラベル株式会社（for Travel, Inc.），2007，取自：https://4travel.jp/travelogue/10187886） （中）（右）掛有氣化爐的現代芬蘭車輛，以130 kg泥煤（peat）為原料，可跑130 km（圖片來源：Kurkela, 2010） 參、氣化技術的今生 化技術則大都運用於發電利用，或作為供暖及供應製程蒸汽的熱利用，除了以煤炭為原料，少數大型的氣化複循環（integrated gasification combined cycle，IGCC）發電廠外，以生質物為原料的氣化發電系統也逐漸蓬勃發展，特別是在歐洲地區。 以芬蘭為例，最受矚目的是位於芬蘭拉第（Lahti）凱米耶爾維（Kymijärvi）發電廠內的70 MWth循環式流體化床（circulating fluidized bed，CFB）氣化混燒（co-firing）示範系統，在全球生質物氣化發展中最為成功。此氣化爐建於1998年，主要使用之生質燃料包括樹皮、木屑、廢枕木、廢輪胎等，其所產生之低熱值、粗合成氣直接注入現存的138 MWe燃煤鍋爐進行混燒，可取代15%之煤炭燃料，每年可節省130萬歐元（約合新台幣3,600萬元），投資回收年限約九年（吳耿東，2010），並在商轉20年後，於2019年正式除役（Isaksson et al., 2019）。此外，位於芬蘭西部瓦薩市（Vaasa）的瓦斯基洛托（Vaskiluoto）第二電廠建於1982年，原是一座供應230 MW電力及175 MW地區供熱的汽電共生廠，每年使用32至60萬公噸的煤炭，已於2013年在其粉煤鍋爐旁增設一座140 MW循環式流體化床氣化爐，為目前全球最大之生質物氣化爐，其以木質生質物料源，產生之氣化合成氣即注入既有之粉煤鍋爐內，可取代原有電廠25-40%的煤炭，每年可減少23萬噸CO2的排放（Isaksson, 2015），如圖8所示。上述電廠採用氣化混燒方式是因為原有的燃煤鍋爐是屬粉煤（pulverized coal，PC）鍋爐，即把煤炭磨成粉末再噴入鍋爐燃燒，但生質物較難進行研磨，若欲進行生質物的混燒，則適合先將生質物進行氣化後，再以產出之合成燃氣注入鍋爐內進行間接混燒（吳耿東、李宏台，2002）。 圖8. 全球最大循環式流體化床氣化爐所在的芬蘭瓦斯基洛托氣化混燒發電系統 （左）發電廠全景（圖片來源：Partanen, 2013） （右）140 MW氣化系統全景（圖片來源：Isaksson, 2015） 另外，隨著氣化技術的成熟，以及依循「循環經濟」理念的廢棄物處理方式，為接續已除役的芬蘭凱米耶爾維電廠，2012年在其原址建置了全球首座以「固體再生燃料」（solid recovered fuel，SRF）全氣化的凱米耶爾維第二發電示範廠（Kymijärvi II），如圖9所示（Isaksson, 2015），包括兩座CFB氣化爐，可提供50 MW電力及90 MW的熱能給拉第地區。 圖9. 芬蘭凱米耶爾維第二發電廠，為全球首座SRF全氣化發電示範廠（圖片來源：Partanen, 2013） 在國內方面，工業技術研究院曾於1999年至2004年在經濟部能源局的資助下，建置國內最大的900 kWth循環式流體化床生質物氣化先導系統（工業技術研究院，2004）；近來，在科技部「綠能科技聯合研發計畫」補助下，國立中興大學已建立一座100 kWe下吸式生質物氣化發電整合微電網系統（如圖10所示），屬商業化之原型系統，也是國內首座結合微電網的氣化系統，利用新式的小型下吸式氣化發電系統，將農業廢棄物轉換為可燃的合成氣後，直接進入新型發電機組進行發電，且無焦油及廢水問題；其所產生的電力經由充電區，進行可攜式熱插拔電池的充電，再將電池送至各小區域的微電網系統，供應個別社區電力之使用。此一技術之成功開發，不僅可大幅降低設置成本，並使生質能發電設施與微電網得以分離設置，增加分散式能源電力應用的廣度與深度（Wu et al., 2020; Wu et al., 2021）；正在進行推廣的這套系統不僅適用於國內的偏鄉地區，也適用於十分缺電的東南亞國家偏遠村落。 圖10. 國立中興大學生質物氣化發電微電網系統（圖片來源：Wu et al., 2020） 肆、氣化技術的未來 除了發電利用外，由氣化程序產生的合成氣（），可以再經由觸媒反應合成各種液態燃料（如汽柴油或航空用油）或各式化學品，成為氣化未來的發展重點之一，特別是在運輸用液態燃料的製造，即BtL（biomass to liquid）技術。過去這項由氣化延伸的應用技術中，最成熟，也最著名的就是費托（Fischer-Tropsch，F-T）合成技術。 F-T技術始於1920年代，由德國化學家費歇爾（Franz Fischer，1877-1947）與托羅普施（Hans Tropsch，1889-1935）在德國魯爾區穆爾罕（Mülheim, Ruhr）的煤炭研究所（Kaiser-Wilhelm Institute for Coal Research，KWI）利用一氧化碳及氫氣為原料，在鐵（Fe）、鈷（Co）及釕（Ru）基的觸媒作用下，成功地合成液態的碳氫化合物，即F-T燃料（柴油） (吳耿東等，2003)，並於1925年申請德國專利 （Fischer and Tropsch, 1925），開啟了由碳、氫元素合成長鏈碳氫液態燃料的新紀元，也引發了其他國家相繼投入研究，這項也算是有點古老的技術，但也影響了日後所有的化學合成反應。 在1930年代中期至1945年二次世界大戰結束前，德國即進行液態合成燃料（如柴油）之商業化的生產，總計建立了12座煤炭氣化廠（產製CO及）及九座F-T油品合成工廠（Stranges, 2003）。造成F-T技術之開發風潮，主要係德國本身並不產油，但卻擁有豐富的煤礦，使得德國科學家極欲反其道而行，雖不能取得原油進行汽柴油的精煉，但企望能藉由合成方式製造油品，於是大規模地將煤轉化為替代石油。而F-T技術的成功，使得在二次大戰期間急需油品的德國大量投入商業化開發，同時期的英、美、日等國亦加入競爭行列（吳耿東等，2003）。在二戰末期，因德國仍有油品可供戰爭使用，這使得同盟國十分緊張，於是美國中央情報局（CIA），以及英國軍情六處（MI6）（就是著名的007系列電影主角詹姆士龐德所屬的單位）均派員潛入德國，一探究竟，然後再由盟軍去轟炸這些F-T工廠，連費托兩位科學家所屬的煤炭研究所也在1944年被炸掉，後於1953年重建。 二次大戰後，F-T合成技術的發展除了在觸媒方面的改善外，製備原料也不限煤炭，天然氣亦是製備原料的重要來源。目前最大商業化規模的F-T燃料廠是在南非，Sasol公司早於1955年即在南非的Sasolburg建立一日產8,000 bbl的商業化F-T廠SASOL 1 Plant。這也有其歷史因素，因為南非因早年的種族隔離政策，導致受到一些經濟制裁，但南非產煤，可利用氣化及費托技術生產柴油，不受國際局勢的影響。 近年來全球因能源危機隱憂再起，使得這項古老的技術再度受到重視，並開始研發利用生質物或廢棄物作為氣化原料，進而產製F-T合成柴油，又稱之為「綠色柴油」（green diesel）（Boerrigter et al., 2003）。僅管費托技術十分成功，但當氣化原料由煤炭改為生質物或廢棄物時，因為生質物氣化合成氣中的氫氣與一氧化碳比例與煤炭氣化的合成氣組成不同，使得這項技術在目前的進展較為緩慢，但前景可期。 結語 以目前的發展現況，生質能氣化發電在臺灣要能成功推廣，必須同時整合（integration）法規（regulations）（含制度、獎勵措施等）、經濟（economy）（含成本效益）及技術（technology）的三個面向，亦即RETI法則（Wu et al., 2017），這亦適用於其他國家。另一方面，聯合國永續發展目標（Sustainable Development Goals，SDGs）的第七項，即確保所有的人都可取得負擔得起、可靠的、永續的，及現代的能源，而生質物氣化這項既古老又新穎的技術，有機會成為這項目標的關鍵技術，且讓我們拭目以待！ 參考文獻 工業技術研究院（2004）。廢棄物能源技術開發與推廣計畫（V）期末報告。經濟部能源局，台北。 文化部（2018）。北斗古文書老照片數位化建置計畫，新北新莊。 日本頸城自動車株式會社（2021）。社史No.5，新潟，日本。 行政院（2019）。再生能源發展條例，2019 年 05 月 01 日修正。 吳耿東（2003）。國外廢棄物氣化技術發展現況。2003廢棄物能源利用暨高溫氣體淨化技術研討會，台北，2003年10月29日至30日。 吳耿東（2008）。認識生質能源。物理雙月刊，30(4)，P377-388。 吳耿東（2010）。流體化床與生質能—以氣化技術為例。科學發展月刊，450，P20-25。 吳耿東、李宏台（2001）。廢棄物氣化技術。工程月刊，74(4)，P85-96。 吳耿東、李宏台（2002）。生質物發電利用技術現況與發展。台電工程月刊，651，P77-95。 吳耿東、萬皓鵬、李宏台（2005）。生質物利用Fischer-Tropsch反應轉換燃料技術。生質能源應用與展望研討會，台北，P67-78。 Boerrigter, H., H. den Uil, and H.-P. 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Developing a Distributed Community Power Plant via a Biomass Gasification Power Generation System Integrated with the Portable Microgrid Set. 2020 CSME Conference, Huwei, Yunlin, Taiwan, Nov. 20-21, 2020. Wu, K.-T., K. C. Yang, H. J. Lai, and T. K. Lee (2021) .Construct a Net-zero Carbon Emission Community via the Biomass Gasification-based Microgrid Power System. 45th National Conference on Theoretical and Applied Mechanics, New Taipei, Taiwan, Nov. 18-19, 2021. 吳耿東 國立中興大學森林學系副教授

親子時光：是藥，還是毒？淺談家庭中的化學物

文/潘愷 前言 聯合國永續發展目標（Sustainable Development Goals, SDGs）包含了17項目標（Goals）及169項細項目標（Targets），其中在3個細項目標中提及到化學品，包括在西元2030年以前，大幅減少死於危險化學品、空氣污染、水污染、土壤污染以及其他污染的死亡及疾病人數；在西元2030年以前，改善水質，減少污染，消除垃圾傾倒，減少有毒物化學品與危險材料的釋出，將未經處理的廢水比例減少一半，將全球的回收與安全再使用率提高；在西元2020年以前，依據議定的國際架構，在化學品與廢棄物的生命週期中，以符合環保的方式妥善管理化學藥品與廢棄物，大幅減少它們釋放到空氣、水與土壤中，以減少對人類健康與環境的不利影響。因而，發展綠色化學將讓環境保護的使命更進一步，通過要求化學家和工程師設計友善環境的化學品，低污染的化學製程和永續的商業產品，避免產生有毒物質和廢棄物，從源頭思考化學的角色。 只是，在永續目標尚未達標，綠色化學未能完全落實前，我們要怎麼去面對現有的化學品？它們都是危險的嗎？隨著疫情變化，孩子停課待在家裡的時間變長了；好動的他們，難免開始對家中的一些「禁地」或「禁物」，產生了好奇心，就怕按捺不住，想去一探究竟；或許，讓家長瞭解家中各類化學品可能潛藏的風險，會是化解危機的第一步；只是，大家可能會想，家裡可以有「不危險」的化學品嗎？ 壹、我們自己就是化學物 從科學家的觀點來看，所有的化學物都是由原子所組成的，原子的數量可能是一個、兩個到幾十萬個；所以，不管是天然的，抑或是人造的化學物，在本質上其實是沒甚麼不同的。我們的身體，生活的世界，全部都是由簡單到複雜的各類化學物所組成，使用化學物更是我們生活的日常。說真的，我們自己本身就是化學物！ 有很多人主觀上認為「化學物」就是「毒物」，而且都是人造的，例如殺蟲劑、多氯聯苯或是戴奧辛，但我們吃進肚裡的糖和鹽，某種程度來說，也都經過人工處理的化學物；還有很多化學物是天然生成的，例如植物類的罌粟花裡含的海洛因，菸草裡含的尼古丁，動物類中的眼鏡蛇、蠍子、河豚所分泌出的毒液，甚至在地底下自然生成的重金屬鉛、鎘等，毒性可強的很。因為化學物各有不同存在的型態與來源，所以，化學物不會因是人造的就有害，也絕非因為它是天然的就無害。 我們生活的世界裡，到處都是化學物，所以我們隨時都在攝取或接觸到成千上萬的化學物，其中原本不在我們身體內的化學物，究竟會對我們造成那些影響呢？ 貳、劑量決定了一切 人體外的化學物，多來自於食物內，不論葷食或素食，多為食物本身的天然成分，也可能是天然產生的汙染物或是烹煮過程中產生的有毒物質；在地球上歷經數百萬年的生存歷程，人體其實也發展出如何解除這些化學物毒性的方法，一般來說就是盡快把它們排出體外，當然，經驗與知識的累積，也讓人類學會辨識那些植物或動物是有毒性，聰明的避開受到這類化學物的傷害。 只是，現在社會發展的工業化及居住環境的密集，各式的人造化學物混雜充斥在我們的週遭；我們喝的水也許含有些重金屬或礦物質，可能是流經岩層時自然產生，若水流經農地時，可能就會夾帶有殺蟲劑或肥料，若流經工業區則有可能溶入工業汙染物。而我們賴以生存所呼吸的空氣，似乎也越來越不純淨；在戶外可能有季風帶的塵霾、工廠燃煤或車輛排放的廢氣，在室內則有工作場域排放出之溶劑、辦公室影印機的碳粉、甚至因通風不良，換氣不足而有過多的二氧化碳或一氧化碳；另外，還有我們自己服用的藥物、喝的咖啡、酒精性飲料或抽菸等。 當化學物作為藥物時可用來治療疾病；作為塑膠可製成許多日常方便使用的產品；做成防腐劑或人工色素時，可添加入食物中延長保存期限或提升食用的慾望；做成清潔或消毒劑，可促使環境的衛生；當作肥料與殺蟲劑，可以提升農作物的產量，減少飢荒與滅絕昆蟲傳播的疾病。但，上述這些有利於我們的化學物，其生產上游的原物料或生產過程中的副產物，恐怕會有潛在的危險，即便最終無害的化學物，若未能被運用在正確的目的上，一旦被誤用或濫用，其危險性絕對是存在的。 化學物已是我們日常生活非常重要，且無可避免、不能分割的一環，我們每天都暴露或接觸到許多已知、未知的化學物，到底對我們身體會有甚麼影響？是否會對我們造成危害？被後世譽為「毒理學之父」的Paracelsus（1493~1541）（中文翻譯為帕拉塞爾蘇斯或帕拉塞爾斯）說過：「Poison is in everything, and no thing is without poison. The dosage makes it either a poison or a remedy.」（中文翻譯：所有化學物質都有毒性，世界上沒有不毒的化學物質，惟，劑量的多寡，能決定它是毒還是藥）；這說明了所有的化學物，不論是來自天然或人造，在某種劑量下，都有可能產生毒性；換言之，所有的化學物在某種劑量之下（也許是極低的劑量），都有可能是安全的。 《左傳．襄公十一年》中引用《尚書》：「居安思危。思則有備，有備無患 …。」原為春秋戰時，晉國大臣魏絳向國君晉悼公的諫言：「處於安樂的時候，要想到危險可能隨時會出現。這樣才能及早做防備，有了防備就不怕災難…。」現今，科技的進步與經濟的富裕，讓我們享有了便利、舒適的生活與豐裕、多元的物資；只是，我們身處在如同化學物的海洋之中，或許『居安思危』是我們在面對潛在風險應有的警覺。而《孫子．謀攻》：知彼知己者，百戰不殆…；能夠確切掌握我們週邊化學物與自身間的平衡關係，才能免於過度恐懼且能夠避免危險，保護自己。 參、化學物與人體之戰 一般來說化學物有三種管道與我們的身體接觸：從嘴巴及消化道攝入，例如吃東西或吃藥；經由呼吸吸入，例如家中牆面或家具上的油漆，會讓呼吸的同時吸入油漆的溶劑，在戶外空間吸入汽機車排放出來的廢氣，其中可能有鉛粒子或其他多種混合物；以及透過皮膚吸收，例如在實驗室工作時使用的藥劑、清洗機具時的清潔劑或溶劑，或是我們所穿的衣物因洗衣粉或芳香劑的殘留物。 化學物可能是固體、液體或氣體；固體也許可以溶於水性或油性的液體中，而液體在常溫是也許容易揮發成氣體。所以，化學物其物性與化性的不同，會影響到它如何存留於人體內以及對人體所造成的效果；換言之，化學物不同的特性會影響暴露的組織部位及後果，當然，暴露時間的長短、劑量的多寡也都有影響。 家中可能會出現的除鏽劑（含甲酸）、電池液（含鹽酸）、漂白水（含次氯酸）等會對皮膚、眼睛、消化道造成嚴重甚至永久性的傷害。家中的空氣清淨機所釋放出的臭氧，工廠或汽機車排放出的廢氣中所含有二氧化硫、氮氧化物等，都是屬於比較刺激性的氣體，當濃度較高時，吸入時可能就會造成呼吸道的不適。而平常穿戴的珠寶、飾品（內含某些重金屬）或衣服（殘留洗衣劑內所含的某些成分），也可能會與皮膚有較貼切的碰觸而造成過敏或紅腫現象。除了上述對人體有立即或明顯性損傷的化學物之外，其他如藥物、食品添加物、空氣中的粉塵、水中的重金屬等化學物，則會因為它是否易溶於水？或脂肪？分子的大小等物性及化性的差異，分別透過腸子或肺臟（因為它們都有較大的表面積）被吸收進入血液，然後藉由血液送入肝臟、心臟及腦部。 化學物可能和血液中的蛋白質相互作用或是擴散進入其他器官或組織的細胞，並一直停留在那兒。若是滯留的時間較長，就容易產生一些不好的影響；例如鉛金屬最終會留在骨骼中並成為骨骼結構的一部分，這對兒童骨頭的成長會有影響。有些較大分子（如石綿纖維）經由呼吸吸入後，會沉澱在肺臟細胞內而不會被轉移至血液，因停留在此也會導致肺臟的病變。其實，化學物分子會在體內停留多久，決定於它有多容易被排出去；最常是被排入尿液經由腎臟排出，有些則會在呼氣時或是被排入膽汁中。 肝臟是人體內最大的腺體，通常負責人體內大部分的新陳代謝活動，其中一項重要的功能，就是將蛋白質分解時所產生有毒性的氨氣（大家熟知的阿摩尼亞）轉成尿素，因為阿摩尼亞聚積在體內時，會嚴重傷害腦部，造成痙攣或昏迷；而藥物或其他化學物也都會在肝臟中被代謝成易溶於水的物質（包括原是脂溶性的化學物，也將代謝成較易溶於水的成分），然後經由尿液排出，以減少在體內滯留的時間。所以，肝臟堪稱是人體的「解毒工廠」，絕非浪得虛名！ 也有些天然的解毒劑，如維生素C、E或一些含硫醇類的分子，可以幫忙人體除去一些活性的氧或自由基，而某些特定的酵素也可以幫忙除去如超氧化物類的活性化學物；這些保護性物質有些可以在飲食中發現，例如維生素、含硫的胺基酸（如牛磺酸等硫醇物的前身），存在於人體中的量，通常足夠用來除去在自然情況下遭遇到的有害化學物質，但恐怕不足以應付當大量化學物產生時。 有太多的因素會影響人體的化學物的吸收、傳遞、代謝與排出，包括個人的年紀、健康狀態、基因差異、生活型態、飲食習慣等；整體來說，化學物對人體的影響主要還是在「劑量」的多寡，以飲酒為例，低劑量（一杯酒）對受試者的行走能力幾乎都沒有影響，但到了高劑量（一杯酒）時，受試者的行走能力百分之百會受到影響；類似這樣實驗曲線圖的走向趨勢，可以用來解釋化學物對人體的影響。其中，不良的影響或是毒性效果通常會出現在生理狀況（血壓、心跳或呼吸的改變）、組織器官（細胞蛋白質體受到自由基的破壞）、代謝過程（某些路徑受阻礙又無法即時有代償作用能遞補，輕則細胞或器官受損，重則導致死亡）、免疫系統（引起發炎或氣喘，但也可能壓抑住免疫系統，使其無法發揮功能而造成更易受感染），乃至胚胎或胎兒（流產、畸形、胎兒生長緩慢或出生時重不足，甚至影響到出生後的行為與成長）、基因（與細胞核內DNA或染色體作用，導致基因突變，造成重大功能失常或是造成遺傳疾病）及致癌性（若破壞了細胞核內DNA，可能會造成細胞不斷地重複分裂而不受控，進而出現所謂非良性或惡性的細胞）。 肆、殺蟲？除草？還是殺人？ 人類為了尋求更合宜的生活品質，始終努力著在改善環境，運用各種不同的方式去控制或消除被認為對人有害的生物，從早期比較暴力的手段（焚燒或徒手去除）到現代使用科學的方法；例如人類很早就知道硫磺類化合物有殺死植物上黴菌的效果（泡硫磺溫泉是長癬的黴菌感染者治癒之途），所以農夫會用含硫酸銅成分的藥劑來去除植物上的黴菌。而菸葉中的菸鹼（尼古丁）或菊花內的除蟲菊素，也都發現有好的殺蟲效果。直到二十世紀，各類化學物開始以特定害蟲作為攻擊標的而製造出來；一般所說的殺蟲劑，係泛指所有可以被用來消滅活著的有機體的物質，有機體可能是植物（除草劑）、昆蟲（殺蟲劑）、哺乳動物（滅鼠藥）或黴菌（殺菌劑）。 或許在許多人的印象中，DDT這個字似乎等同是環境汙染，然而這還真是段轉折的故事。DDT是化學學名為二氯二苯三氯乙烷（dichlor-diphenyl-trichloroethane，分子式：這種殺蟲劑的縮寫，其分子結構中含有五個氯原子，是所謂的有機氯化合物（圖1）。它在1874年被製造出來，1939年被發現是種有效的殺蟲劑，而在二次大戰期間（1939-1945）被廣泛用來控制蝨子與蚊子（斑疹傷寒及瘧疾的帶原者），效果極佳，眾多士兵的生命得以獲救；之後仍持續使用，大量減少上述兩項疾病，同時增加了農作物的產量，減少飢荒問題。直到1971年止，世界衛生組織估計在這25年當中，因為使用DDT而讓超過十億的人免遭於瘧疾感染的恐懼。在第二次大戰期間，幾乎沒有因為DDT的使用而出現的不良副作用，不論是故意暴露於DDT下的自願測試者或是一般環境中的人類或野生動物；但美國在戰後開始將DDT廣泛用來消滅多種環境害蟲，因為DDT長期在環境中累積下來而慢慢達到產生毒性的分量。 圖1. 二氯二苯三氯乙烷 DDT與其他有機氯類的殺蟲劑都不易溶於水，但卻可溶於脂肪；當動物（包括人）暴露在這些物質下時，就有機會被傳送到含有脂肪的組織中；雖然它可以被代謝與排出體外，但仍會有部分殘留，若一再暴露，累積情況將會持續發生。魚、蝦或浮游生物會在汙染了DDT的河水中累積其含量（生物累積效應），當生物鏈上層的生物吃了這些下層生物後，透過生物放大作用，其體內DDT含量恐倍增百倍，甚至千倍。1954年後，開始有越來越多對DDT使用疑慮的聲音產生，尤其當有鳥類的死亡被發現其體內脂肪DDT含量偏高時，開始讓科學家憂心DDT的生物放大效應更擴大，而除了對生物產生直接與致命的影響外，DDT還有一些間接或較微小的作用被證實，包括對某些鳥禽、魚類的生殖機制（強化雌性激素及降低雄性激素功能）等。 DDT剛開始使用時，不僅效果良好且看來並無任何害處，或許基於這些原因才致使人類過量使用，長期下來的首當其衝的是野生動物；環境生態專家提出警訊，一般民眾開始憂慮，發生在野生動物身上的情形，是否也同樣會發生在人類身上呢？有些國家因此開始禁用DDT。然而，禁用DDT後，消滅瘧蚊的行動受阻，使得全球的瘧疾病例又再度升高；更糟糕的是，其他取代DDT的殺蟲劑，毒性似乎又更強。 有機磷類的殺蟲劑，化學結構主要是磷酸酯（phosphoric acid esters），它或多或少可以溶於水，也可溶於脂肪。和有機氯殺蟲劑不同的是有機磷的化性較不穩定，大部分可以被生物分解或是被細菌及其他有機物分解，有機磷在水中的半衰期不到十天。有機磷主要是會干擾神經傳導物質乙醯膽鹼（2-Acetoxy-N,N,N-trimethylethanaminium）的分解，造成它在體內累積，進而影響到神經系統正常運作，造成瞳孔收縮、淚液或唾液增加，焦慮、口齒不清、腹瀉、嘔吐等症狀發生；當累積量多時則會有抽蓄、呼吸困難及肌肉麻痺等較嚴重症狀出現。若是暴露過度造成急性中毒，容易從上述症狀發現，若能即時就醫且有解毒劑可以緩解；但若延遲就醫使解毒劑無法發揮解毒效果，或是長期暴露於低劑量有機磷殺蟲劑環境下，恐怕會出現遲發性的神經病變，通常會從腿或手臂週邊神經慢慢開始退化開始，最後可能造成四肢的癱瘓。 園藝工作者或一般家庭中常用的除草劑是一種含有巴拉刈（paraquat）成分的農藥，學名為1,1'-二甲基-4,4'-聯吡啶氯化物 （1,1′-Dimethyl[4,4′-bipyridine]-1,1′-diium dichloride；分子式：）（圖2.），它屬於接觸性的除草劑，會藉由干擾與破壞草的光合作用來殺死草與它的接觸面，其結構本身並不活耀，噴灑後通常就附著在草皮或土地表面，也不會被吸收而破壞草根或土壤，所以後續仍可繼續種植新的植物或作物。且巴拉刈是中性的藥劑，並非強酸或是強鹼，若不幸噴灑到皮膚上，儘快用清水沖洗就可以，基本上它對人與環境是相對安全的。只是，若巴拉刈一旦進入體內，它不會隨著血液系統被送往全身，反而是集中在肺臟，雖然不會立即死亡，但會造成進行性肺纖維化，最終導致呼吸衰竭而死亡！以往園藝工作者會把巴拉刈細粒先溶於水中泡成溶液，暫時存放在舊的飲料容器內備用，然不知情的兒童會誤以為是飲料而誤食，再者就是有人刻意將它當作自殺或殺人的工具；為了防止誤食，在某些國家的農藥強制性國家標準中，要求在巴拉刈生產時必須染成墨綠色，增加臭味劑使其聞起來很噁心，除增加催吐劑作用於大腦中樞神經，如果入口在很短的時間內，會導致人體強烈嘔吐。【附記：台灣自2019年2月起全面禁止販售與使用巴拉刈農藥】 圖2. 1,1'-二甲基-4,4'-聯吡啶氯化物 任何殺蟲劑（包括除草劑、殺蟲劑、滅鼠藥或殺菌劑等）具有毒性這本就是設計的初衷，但它們的毒性是有選擇性的，只會對其目標物有效。在正確使用殺蟲劑之餘，不可避免仍會有意外中毒發生的風險，而殘留於食物中疑慮，始終也是大家所擔憂的。就如同任何化學物的情況一樣，劑量的多寡是關鍵的因素，唯有長期暴露在大量殺蟲劑之下或是錯誤的使用，才會在人體身上產生毒性反應。 伍、氣體是家中隱藏的高風險 家中一定都有各種市面販售的浴廁及廚房清潔劑，這些產品當中有超過8成是具有強酸或強鹼性。各類清潔劑的成分中，浴廁清潔劑常含有鹽酸、硫酸、磷酸、草酸等強酸性物質，而除銹劑具有氫氟酸或草酸；廚房清潔劑則有強鹼性的氫氧化鈉、小蘇打、三磷酸鈉等，並且添加幫助去油污的有機溶劑，如：酒精、丙二醇、丁醚。由於強酸或強鹼具有腐蝕性，若誤食這類清潔劑時，會造成口腔及腸胃道的疼痛、潰爛，伴隨燒灼的感覺與紅腫。然，酸鹼種類或濃度也會影響症狀發生的早晚，例如：氫氟酸的酸性雖不及鹽酸、硫酸，一旦接觸到，不會立即產生不舒服，使人疏忽了它的毒性，等延遲數小時後症狀發作才發現，就會錯過救治的時機。因此若接觸強酸強鹼清潔劑，應立刻沖洗，若誤食更要及早送醫院檢查治療。強酸或強鹼這類清潔，若皮膚直接接觸會有灼傷的危險；若遇到水時則經常產生白煙，如鹽酸或硫酸遇水會產生嗆人的氣體，吸入會造成呼吸道輕微燒傷；漂白劑則通常含有次氯酸鈉或過氧化氫，濃度較高時吸入就會有不適，其中氯系化學物質，更會與清潔劑中常見的「鹽酸」或「阿摩尼亞」成分發生化學反應，產生氯氣或氯胺等有毒氣體，濃度低時會直接刺激眼睛、呼吸道，產生紅腫、熱、痛等不適症狀，濃度高時還可能引發氣喘、化學性肺炎、肺水腫、呼吸衰竭等嚴重性的傷害，因此使用時務必讓空間通風，帶上塑膠防水手套，並避免腳部接觸沖洗後的污水。 以上這些是大家所熟知也都會特別去注意的家中化學物，反倒是我們分分秒秒都離不開，時時刻刻都在呼吸的空氣中，潛藏著一些可能讓我致病，甚至致命的氣體；我們先來談常見但會致命的一氧化碳。 一氧化碳因為無臭、無味、無色又無刺激性，吸入時完全沒有自覺；一氧化碳與氧在結構與化學特性上有某種程度的相似性，一旦進入體內也會和紅血球中的血紅蛋結合，但是它與血紅蛋白的的結合力比氧強上220倍；所以，即使每一個血紅蛋白分子可以結合四個氧分子，但在達到中毒濃度的情況下，至少會有二個一氧化碳分子結合上血紅蛋白，如此一來，不但沒有足夠的氧可以傳送到身體需要的地方，而且結合有一氧化碳的血紅蛋白其構形會受到改變，造成其他位置的氧氣也無法釋出，這一整個結果就是造成器官與組織的缺氧。當吸入者血中一氧化碳含量超過10%以上後，心理與體力上可能就會受到一些影響。一氧化碳中毒的第一個症狀是嚴重頭痛，接著會出現噁心、嘔吐和呼吸急促，之後會出現意識混亂、肌肉無力，一旦用力會頭暈，此時吸入者身體虛弱而無法移動，脫離中毒環境現場；最後則導致喪失意識和昏迷，可能因心律不整或心臟、腦部受損而死亡。 血中一氧化碳含量和身體出現症狀的關聯性整理如表一；我們能夠清楚了解一氧化碳中毒的主要症狀，是因為量測血中一氧化碳含量相當簡易，所以治療上也相當明確。一氧化碳雖然會與血紅蛋白強力結合，但它是可逆的作用，所以當中毒者開始呼吸未受汙染的空氣時，氧氣就可以取代一氧化碳；一氧化碳中毒者應盡快移出中毒現場，讓他呼吸新鮮空氣；狀況較嚴重者則需直接施以氧氣，甚至需有高壓氧設施的協助。 表1. 人體血液中一氧化碳含量和臨床症狀 什麼情況下會讓自己暴露於一氧化碳中？通常是處在燃燒瓦斯和煤炭的工廠、在煙霧繚繞或是在有大量汽車排放廢氣的地方（車流繁忙的路口、隧道內、室內或地下停車場）工作，吸入由安裝或過濾不完全的爐灶、熔爐、加熱器和發電機產生的氣體或呼吸的空氣含有汽車排放的廢氣、香菸煙霧等。在家中最大的風險就是因為通風不良，讓煮飯或洗澡時，瓦斯爐具或熱水器的燃燒不完全，尤其天冷時緊閉門窗煮飯、洗澡或使用木炭、煤油暖爐時最危險。近年來，熱水器多已安裝於空氣流通的陽台戶外，但在陽台晾曬衣服時過於擁擠或陽台加裝的窗戶未開，同樣會造成通風不良。在車庫內熱車或先開冷氣運轉，在露營車或露營帳篷中使用可攜式的丙烷加熱器，或在家中或車中點燃芳香精油或檀香，常常會忽略而未開啟部份門窗來保持適度通風狀態，若長期未注意而造成一氧化碳累積，可能會有低度中毒的風險。現階段對低濃度一氧化碳的長期暴露會造成甚麼影響尚無確切的定論，但有週邊血管疾病、慢性肺部阻塞性病患及胎兒都較易受到空氣汙染中低濃度一氧化碳的影響。 家中另一個風險危害的氣體就是臭氧，而且往往是我們自己製造出來的。大氧中的臭氧層能吸收太陽光中大部分的紫外線，保護地球上的生物免於受到過多紫外線的傷害，對於地球生態非常重要。但在我們生活的環境中的臭氧，則與「光化學煙霧」有關，通常是工業、汽車排放的廢氣，經過一連串化學反應後產生的二次汙染物，具體而言，工業廢氣之中，VOCs （有機揮發物）和 （氮氧化物）遇到強烈陽光照射後，會和空氣中的氧氣結合形成臭氧： 臭氧是很強的氧化劑，除可以氧化較鈍性的金屬，如銀與鉛，也能氧化各種有機物質，如空氣中的懸浮微粒，使之分解。臭氧的高氧化性也使它具有滅菌的功能，若使之瀰漫於密閉空間內，能殺死所有病菌，因此臭氧機的滅菌原理即是利用其高氧化性的特性，用來氧化分解細菌內部葡萄糖所需的酵素，使細菌活性降低死亡，或是直接氧化細胞體如病毒、細菌，使細胞膜、細胞壁破裂，進一步破壞細胞核裡面的 DNA或 RNA，達到抑制繁殖的效果。 近年來因各類過敏源充斥，家中為了防蟎、除菌、防疫等因素，幾乎都準備有各式空氣清淨的相關設備。凡是使用紫外線或是可以導致空氣離子化的設備都可能產生臭氧空氣清淨機在產出負離子時會產生臭氧，部分業者也都會強調臭氧的殺菌功能；基本上臭氧對各種病菌如細菌、真菌、病毒、黴菌、支原體、衣原體、陰道滴蟲等致病微生物都有殺滅作用。臭氧濃度達一定程度後， 可在數秒至數分鐘之間殺滅病原微生物，且相對於其他化學消毒劑如甲醛、過氧乙酸、二氧化硫等較無殘留性。臭氧急性毒性實驗顯示濃度0.1ppm以下是屬於無毒的，若能維持在規範內含量的臭氧，對人體健康細胞是無毒無害的，包括臭氧殺死病菌或汙染物後所產生的副產物氧氣分子與水分子也是。臭氧破壞的是病菌的遺傳物質，不會使病菌再度復活，是不可逆的死亡，不同於抗生素及抗菌藥膏可能會產生抗藥性。另外臭氧的殺菌力為氯的3,000倍，可以取代氯來消毒，臭氧用來處理飲用水已超過90年，廣泛應用於自來水、游泳池、食品的殺菌處理，以及包裝水、醫藥食品製程用水和空氣品質淨化等。 但長時間使用空氣清淨機要小心臭氧濃度，建議使用附有活性碳濾網的空氣清淨機，可以吸附臭氧及有機揮發物，減少臭氧的危害。臭氧聞起來有些魚腥味（空氣中臭氧濃度達0.15ppm時即可嗅出），是活化性極強的氣體，雖可殺菌，但直接吸入卻會危害健康。當其濃度為0.1 ppm時，口乾舌燥的現象會發生，也會引發鼻腔和喉嚨黏膜的刺激，偶會咳嗽；0.1~0.2 ppm時會引起氣喘發作，並刺激眼睛，使視力降低；大於2 ppm以上會引起頭痛、胸痛、呼吸道發炎、思維能力下降，嚴重時引起肺水腫。故要使用臭氧來消毒環境時，必須是在無人的條件下進行，消毒後至少超30分鐘後才能進入，並要迅速開窗保持通風。 另外辦公室或家中的影印機、雷射印表機、傳真機若以高壓線作為影像合成系統元件，使用過程中，會使周圍空氣中的氧分子產生電離，形成原子態的氧，原子態的氧再與周圍氧分子結合便會形成臭氧。較好的設備多半具有濾網以捕捉或分解所生成的臭氧，但是濾網必須定期維護更新，否則便會失去其功能。臭氧的比重為空氣的1.66倍，常集聚在辦公室的下層空間。所以若影印室狹小、又有數台一同運作，室內的臭氧濃度就會高些。除了臭氧外，影印機在高速運動下會有部分碳粉外逸，產生粉塵，而其發熱所產生的有機廢氣更是一種致癌物質，會引發各類癌症和心血管疾病，且容易蓄積在人體，不易排除。 陸、你怎麼看待風險？ 人的一生都暴露在不同程度的風險下，日常生活、娛樂活動、室內戶外、走路搭車、喝水用餐、健康疾病等等，作任何事或事不做任何事，其實都不可能有絕對的安全，所以要證明某種化學物、食品添加物或藥物是否絕對安全，基本上是不可能的。然一般民眾認知的風險，不一定跟專家或政府認定的風險相等，而每一個人所認知的風險彼此也都不會一樣；教育程度以及對某種風險其科學背景的瞭解程度，都會影響到對某種風險的認知。而媒體在解釋與介紹相關資訊時也扮演了重要的角色，過度誇大或刻意隱瞞，都會影響到民眾的認知；有人可能對於抽菸可能致癌的風險並不太理會或輕忽，但是對無線電磁波的影響感到焦慮；有人會忽略垃圾焚化爐清理掉垃圾，同時產生熱氣或電力供社區使用這樣的優點，卻無法容忍燃燒釋出的廢氣中，會伴隨有戴奧辛等微量汙染物（即便都已滿足法規要求的環境安全排放標準）。有人無法接受水中加氯所帶來的風險，因為它會產生微量可能會致癌的三氯甲烷，但水中加氯可減少飲用水被細菌汙染的風險，這個好處遠遠超過加氯後可能致癌的風險。 凡事總有利與弊兩面，化學物可以產生有用與有益的效果，但從不同情況或不同的觀點下來看，它可能會變得有害。先前提過的DDT其實是個很好的例子，說明了當誤解和扭曲化學物的毒性資料，而且未仔細權衡其危險與利益之比重，最後造成原本救人無數的化學物遭到禁用；DDT雖普遍存於環境之中，可能已累積在各類生物體內（包括人體），但當時仍有學者提出，在美國人體內累積的含量和那些自願服用者的劑量比起實微不足道，而且這些自願者服藥後，也無造成任何不良影響或傷害的證據；英國的致癌物質委員會1999年提出的報告指出：沒有證據證明DDT會增加罹患乳癌的風險。甚至，死亡的野生鳥禽類體內脂肪組織中有測得DDT含量，也有學者質疑無明確證據說明這兩者間的關聯究竟是巧合還是互為因果？當然，化學物，如DDT若長期停留在環境之中，究竟會有何種「緩效性作用」會發生，確實需要長期的研究證據來證實。 另一個案例是先前談過的除草劑：巴拉刈；不少人只要聽到巴拉刈，第一個印象就是「毒藥」；大家反對巴拉刈的原因就是因為「喝」下去是劇毒，幾乎無藥可醫，而且痛苦至極，許多處理過喝巴拉刈自殺病人的醫生描述：看病人以那樣的方式死去，永生難忘，甚至心裡有陰影。但在臺灣，絕大部分的農民其實都是支持使用巴拉刈，因為對農民來說，施用巴拉刈的成本較低，效果較好，更重要的是，它不會在土地上留下太大影響，可以持續耕種下去，是CP值極高的除草藥劑，而且它很「安全」，因為巴拉刈是中性藥劑，不是強酸或是強鹼，若不幸噴灑到皮膚上，用清水沖洗就沒事了。若要從消費者食安的角度來看，巴拉刈也真的是種相對「安全」的農藥，它的半衰期短，一個禮拜後就失去藥效，比起其他年年春、紅龍、嘉磷塞之類的除草劑，在安全殘留的考量上面，反而會讓人更有疑慮。 農業要考量的層面很廣，不只是單純食物安全，還得考量到施用完，土地的殘留會不會對後續耕種造成影響，巴拉刈可以在世界暢銷超過一甲子，美、日等先進國家，也都還繼續使用。所以，巴拉刈，真的有「毒」到「萬惡不赦」需要禁用嗎？ 從醫療的角度來看，醫師在治療病患上所使用的各類藥物，只要在適當管理與施用下，對病人是有幫助的，但若被不當使用或濫用，後續當然就會引發出不良的後果。反對巴拉刈的原因，就是因為「喝」下去是劇毒，幾乎無藥可醫，而且痛苦至極。但，巴拉刈存在的目的中，從來就沒有要給人喝下去的這一個選項啊？農業是一門專業技術，農藥的販售、管理、噴灑，當然也是一門專業。若是想避免誤食的問題，或許可透過源頭嚴謹的掌控，就像醫院管理藥物那般才是。禁用巴拉刈固然可以解決部分問題，當農民無法使用巴拉刈而改用其他除草藥時，伴隨生產成本增加及環境可能遭受的傷害，最終可能還是我們得要去承受。 柒、化學物的迷思 化學物可以產生有益的效應，但在不同的情境下，同樣的化學物卻可能變得有害。現今的生活中，我們不斷會接觸到各種混亂與令人不安的資訊，但唯有客觀與科學性的資訊，才能讓我們做出正確的決定，在危險與利益中求得平衡。正確地認識化學物，可以讓我們不需要對周遭潛在的化學危險產生過度的擔憂，但我們仍需清楚沒有一種化學物是絕對安全的。或許就如同Paracelsus所說的：世界上沒有不毒的化學物質，只要劑量正確，毒物也能變仙丹！ 參考資料 陳健民（2013）。環境毒物學（第三版）。新文京開發出版。 John Timbrell（2011）、莊勝雄譯。毒物魅影：了解日常生活中的有毒物質。商周出版。 田中真知（2013）、陳伯傑譯。認識毒物的7堂課。辰星出版。 潘愷 國立臺北護理健康大學嬰幼兒保育系 副教授

社群媒體、傳統新聞在食安議題扮演的角色

文/黃佰璋 前言 民以食為天，農業社會時代，老一輩的人見面問候的話語：「吃飽沒？」以前的人關心的是有沒有的吃？肚子填的飽嗎？現在的人關心的是…等一下午餐吃什麼？晚餐吃什麼？假日到哪裡聚餐？要吃什麼？衣食不虞匱乏的年代，眾人關心的是，吃的健不健康？食品安全議題躍升為全民關心的大事。然而，民眾透過媒體報導來了解食品安全議題，媒體能否稱職扮演資訊提供者的角色？從網路2.0發展以來，社群媒體傳遞訊息之速度，遠遠勝出傳統媒體，遑論其深度及廣度。 傳統媒體vs.社群媒體 傳統媒體泛指電視、廣播電台、報紙等，或稱平面媒體。拜網路2.0之賜，新興媒體崛起，每個人都可隨性地發表個人意見，無遠弗屆，地球這端發生的大事，幾乎可即時性的在地球另一端報導，從個人的電子郵件、部落格、網頁，到Facebook(臉書)、Twitter(推特)、Instagram、Line等應用程式，也造就了許多網紅。 傳統平面媒體的新聞報導文章，透過專業的媒體報導者(記者)採訪、撰稿，再由主編審稿、潤飾，之後將新聞發佈，優點是新聞稿的內容有經過專業審核、查證，缺點是常常無法反應新聞事件的即時性。而新興媒體流行的當下，人人都可以是記者，都可以是主編，訊息可以得到即時性的傳遞，但是訊息內容的品質及真實性，則是本篇文章要關注的重點。 手機從1980年代發展至此，人手一機甚至多機，手機的功能從簡單的通話功能，傳送文字簡訊功能，進化到能傳送圖片，錄影直播，任何時間、任何地點，只要能連上網路，人人都可以扮演新聞台主播的角色，也因此便利性，在彈指之間，年輕人顛覆了專制政權。2010年12月17日，一名26 歲青年穆罕默德•布瓦吉吉被警察索賄，因為沒有錢可以給警察，被以沒有擺攤執照的理由，沒收了這名青年的蔬果和推車，之後穆罕默德•布瓦吉吉以自焚抗議，突尼西亞的記者哈尼在採訪這個事件後，以標題為「茉莉花革命」的事件發表於部落格上，隨後，臉書和推特用戶之間不斷轉貼這則貼文，引爆更多的衝突與血腥鎮壓之後，即便政府當局控制了平面媒體，真實事件仍透過網路媒體傳遞到全世界，在聯合國的關注及各國領袖譴責之下，執政23年的總統流亡海外。 「茉莉花革命」在阿拉伯世界掀起骨牌效應般，規模空前的反政府運動，接續的「阿拉伯之春」，波及利比亞、埃及、葉門、敘利亞、阿爾及利亞、蘇丹、巴林、沙烏地阿拉伯、阿曼、伊拉克、茅利塔尼亞、約旦、摩洛哥、科威特、黎巴嫩等國。 新興媒體的影響力之大，已非傳統平面媒體所能及，但是當新興媒體被不當的使用，惡意訊息被大肆傳播，網路鄉民無法辨別消息真偽，甚至還盲目轉傳於社群媒體之上，所造成的災難，將會非常慘重。表1列出各社群軟體的熱門程度，以全球的註冊人數來看，臉書(Facebook)的使用人數最多，在2004年就有23億人之多，推特(Twitter)次之。 表1. 各社群軟體熱門程度 下圖顯示2021年各社群媒體應用程式的使用者數量，臉書跟YouTube高居前兩位，可以想像透過社群媒體訊息傳遞，其影響之廣，受眾群遠勝於傳統媒體。 圖1. 各社群媒體平台使用者數量 (https://datareportal.com/social-media-users) 臺灣的主流社群媒體與全球的不太一樣，前三名依序為Line, Facebook, YouTube,臺灣民眾接收新聞訊息有近五成的來源是從這前三名媒體平台(圖2)。 圖2. 臺灣的主流社群媒體 (reference 2) 而傳統的平面媒體，影響力則是逐年遞減(圖3)，2017-2020主流媒體的變化趨勢，印刷紙本(報紙類)呈現顯著的下降，這點從近幾年的幾家媒體停止發行紙本刊物可見一斑。同樣的，透過電視獲取新聞訊息的閱聽大眾，也從2017年的77%，下降到2020年的62%，使用社群媒體及透過網路閱讀的大眾，則呈顯著上升趨勢。 圖3. 2017-2020主流媒體的變化趨勢 (reference 2) 從NCC的業務量報告(圖4)，臺灣有線電視訂戶戶數，從2017年第二季的527萬戶，到2021年第一季的483萬戶，觀看有線電視的民眾，少了8.3%，而且用戶數呈現逐年遞減的趨勢，顯然電視媒體的影響受眾，逐漸被其他媒體所取代。 圖4. 臺灣的有線電視訂戶逐年變化趨勢 食品安全與媒體報導 前述談及傳統媒體及新興社群媒體的消長變化，很顯然地，傳統媒體對閱聽大眾的影響力正逐漸式微，而觸及率廣泛的社群媒體，在傳遞訊息的速度上，與傳統媒體，有多大的差別？2008年12月，媒體揭露一家愛爾蘭的飼料供應商受到戴奧辛及多氯聯苯的污染，導致該地豬肉被驗出的戴奧辛濃度，比歐盟訂出的食用安全標準，高出80至200倍之譜，愛爾蘭食品安全局追溯下架9/1至12/6這段期間生產的豬肉，愛爾蘭的豬肉出口到23個國家，亞洲國家包括中國、南韓、日本，以及新加坡。而在愛爾蘭下架豬肉的新聞發布開始，接下來的36小時，全球超過1700家報紙報導此一污染事件。 有學者針對此戴奧辛污染豬肉危機事件，進行英國及愛爾蘭的媒體報導分析，在搜尋英國及愛爾蘭當地的傳統媒體及社群媒體的報導標題及內容之後，由下圖可看出，在官方於12/6發布新聞稿之後，社群媒體（實線）及傳統媒體(虛線)，迅速反應這個事件，從放大圖可以看到，社群媒體比傳統媒體報導的速度更快，而且訊息量在傳統媒體達到高峰之後，社群媒體的訊息量隨後達到更高峰，很顯然，在傳遞訊息的速度及觸及率上，社群媒體是佔上風的。媒體報導的熱度來的快，也去得快，這個豬肉危機事件的報導，在12/10達到高峰之後，熱度很快就退燒了。 圖5. 愛爾蘭豬肉受戴奧辛污染事件的媒體報導時間序列 媒體報導與群眾的風險認知 當群眾面對新的事件，例如塑化劑、戴奧辛、毒奶粉等食品安全事件，最直接的資訊來源便是傳統媒體，透過電視、報紙、廣播節目，閱聽大眾可以獲得資訊及事件發展，但是媒體的報導品質，若未能據實呈現，做到平衡報導，將會影響閱聽大眾對事件的風險認知，媒體報導本身就須擔負教育的責任。 有關媒體報導如何影響社會大眾的風險認知，筆者在2018年的一篇著作，就指出媒體報導的品質及報導數量，與群眾對電磁波的風險認知有一致的變化趨勢。該篇研究以電磁波敏感症的盛行率為風險認知指標，電磁波敏感症是一種病因不明的症狀，有此症狀者在接近或看見基地台、高壓電塔、電纜線、手機、筆記型電腦、電視等會逸散電磁波的電器時，會產生頭痛、耳鳴、心悸、焦慮、失眠等症狀不一，且嚴重程度因人而異的電磁波敏感症。在以電磁波為關鍵字，收集並解析2005年到2012年臺灣各大報紙，有關電磁波的新聞報導後，比對臺灣兩次電磁波敏感症盛行率的調查結果，發現很有趣的現象。 圖6的Y軸是媒體報導的數量，X軸是年代，綠色虛線箭頭顯示臺灣的電磁波敏感症盛行率，從2007年的13.3%(全球最高)下降到2012年的4.6%(接近全球平均值)，而在2007年的前一年，媒體報導電磁波新聞的數量達到最高峰，之後逐年急遽下降，顯示電磁波新聞報導的數量多寡，會影響群眾的風險認知，造成電磁波敏感症盛行率的變化。 而圖7顯示，佔所有電磁波新聞報導比例最高的(將近五成)，是衝突事件的報導，例如基地台抗爭、包圍雷達站等等，環保團體有關的新聞次之，而環保團體對電磁波的態度，也是持質疑態度居多。分析新聞報導的標題及內容所傳達的電磁波與健康的關係，由圖八可以得見，衝突事件與環保團體的意見，一面倒的呈現電磁波有害身體健康，回應到圖6的趨勢，在2006年大量新聞報導的隔年所做的電磁波敏感症盛行率調查，達到13.3%的世界紀錄，但是隨著媒體不再關注，新聞報導數量急遽遞減到每年100件以下，盛行率也就跟著下降了。 圖6. 臺灣媒體報導數量與電磁波盛行率的關係 圖7. 電磁波相關新聞報導的分類比例 圖8. 電磁波新聞報導內容對電磁波影響健康的正負面態度 臺灣的食品安全事件 回顧2000年以來，在臺灣發生的幾件重大食品安全事件，見底下事件簡表。 表2. 臺灣食品安全事件簡表 這些食品安全事件，在國人心中，想必是歷歷在目，特別是攙偽造假的毒奶粉事件，以及塑化劑。而食品安全事件，往前追溯，1979年發生在臺灣的米糠油污染(多氯聯苯)事件，2013年的食用油事件等，一直到去年政府開放含瘦肉精的美豬進口，引起社會輿論熱烈討論，但是也隨著武漢肺炎疫情的升溫，焦點又轉移到疫情上面。在臺灣，這些與民生息息相關的食品安全事件，沒有類似愛爾蘭豬肉污染事件的研究來探討媒體的報導。 以文字探勘分析食品相關事件的大數據 從網路的搜尋量，可以了解群眾(網路鄉民)對事件的關注程度，使用社群媒體的網路鄉民遠比傳統媒體來的廣，但是社群媒體多數屬於封閉性社團，像是Facebook的粉絲團，或者是Line的群組，需要取得權限才能進行分析，這是另外一層技術上的挑戰，礙於篇幅，先不在此討論。 若以Google網路搜尋介面針對特定食品相關事件搜尋，比如「美豬」進口事件，在2020年8月28日，政府宣布自2021年1月1日，將開放含有萊克多巴胺 (Ractopamine) 的美國豬肉與30月齡以上的美國牛肉進口，在臺灣社會引起熱烈的討論，由圖九可以看到，當政策宣布之後，接下來一週的新聞搜尋量暴增，反應了鄉民關注的熱度。 圖9. Google網路搜尋趨勢 若是要進一步看新聞標題及新聞內容，各大新聞網站有提供關鍵字搜尋功能，但是逐家去找，曠日費時，且恐有遺珠之憾，若以文字探勘(text mining)方式，從Google News去搜尋，是不錯的方法。下圖就是以「美豬」為關鍵字，搜尋2020/01/01至這篇文章截稿時間，以Python及R這兩套軟體，下載374則相關的新聞，以文字雲呈現標題關鍵字，字體越大的代表出現頻率越高(圖十)。圖十一顯示，美豬開放政策一宣布，媒體報導此新聞的數量延續將近十天的熱度，從圖十二可觀察到各家媒體對美豬新聞的關心程度也不同，至於新聞標題及內容是否帶給閱聽大眾正向或負向的觀感，暫不在本文討論。 圖10. 美豬新聞標題的文字雲 圖11. 美豬新聞報導數量變化 圖12. 媒體報導美豬新聞數量 面對資訊量爆炸的時代，該如何面對 哈佛大學前校長Jeremy Knowles在2017年的開學典禮，對新鮮人的演說中，談到高等教育的目標之一：The most important goal of higher education: it was to ensure that graduates can recognize when “someone is talking rot.”意思就是，高等教育最重要的目標是讓畢業生能分辨誰在胡說八道。 面對資訊量爆炸的時代，真假新聞泛濫，在未能判斷消息真偽時，不亂傳遞訊息，是基本的態度，謠言止於智者，教育的目的之一就在於培育具有獨立思考能力的個體。 參考文獻 Priyanka Meel, Dinesh Kumar Vishwakarma, Fake news, rumor, information pollution in social media and web: A contemporary survey of state-of-the-arts, challenges and opportunities, Expert Systems with Applications, Volume 153, 2020. Shan L, Regan Á, De Brún A, et al. (2014). Food crisis coverage by social and traditional media: A case study of the 2008 Irish dioxin crisis. Public Understanding of Science. ;23(8):911-928. Po-Chang Huang, Kun-Hua Li, How-Ran Guo. (2018). Association between media coverage and prevalence of idiopathic environmental intolerance attributed to electromagnetic field in Taiwan, Environmental Research, Volume 161, Pages 329-335 http://pub.cjps.ntpc.edu.tw/~cjie/image/Primary%20school%20students%20look%20at%20the%20world/The%20World/茉莉花革命.pdf https://www.digitalnewsreport.org/survey/2020/ Hootsuite, Social WA. Digital 2019 Global Digital Overview. 2019. https://www.ncc.gov.tw/chinese/files/21050/5326_46024_210506_1.pdf 黃佰璋 國立成功大學食品安全衛生暨風險管理研究所 助理教授

酒精的創意科學活動

圖文／謝迺岳 酒精學名乙醇，是老祖宗在醱酵果實中發現的物質；吃了含有酒精的食物會讓人暈淘淘的，於是老祖宗們（傳說是酒聖杜康）就開始釀造各種酒來賣。酒會使人興奮並成癮，比大麻和搖頭丸毒性還強，卻沒有遭禁，真是奇怪。 除了飲用，酒精有許多用途，如殺菌、防腐、降溫、溶劑、脫水、燃料、做香水等，可見物體本身沒有善惡，它的價值要由人們來決定。酒精有一些醇類的朋友很常見，例如甲醇（木精）、異丙醇與丙三醇（甘油），其中甲醇的毒性很強，卻被不肖業者用於假酒，飲用後會讓人失明或喪命，使用時一定要小心。 酒精為易燃易揮發液體，容易發生燃燒跟氣爆，實驗操作時具有危險性，建議教師於教學示範時，請戴上護目鏡、手套等護具，並準備大量的水、濕抹布、滅火器等用品以防意外發生，並確切告知學生或小朋友，不可單獨自行實驗，務必要有師長、家長陪同，嚴禁個人自行操作！ 活動一：酒精槍 酒精的閃燃點是13℃，它和木精都很容易揮發且易燃，所以在酒精的附近要注意，絕不可在充滿酒精蒸汽的廠房內點火，甚至在吃火鍋時加酒精都必須很謹慎。 在一個寶特瓶蓋上鑽一個孔，並插入點火槍；把蓋子蓋住一支多多罐，點火就能把多多罐發射出去，這是點火槍內的丁烷和氧氣的反應。在多多罐內吹一口氣補充氧氣，然後滴入酒精或木精，再次發射就能射到更遠的地方（圖1）。 活動二：酒精燈 酒精常被作為燃料，因為它容易取得、無毒且燃燒完全。如果找不到酒精燈，可以用一個鐡罐來代替，點了火後會呈現淡紫色的光芒，這是酒精的特性焰色。在酒精內加入一些食鹽或硫酸銅，火焰會呈現亮黃色與藍綠色的光，非常美麗，而且讓我們看得到火焰，操作就會更安全（圖2）。 要熄滅酒精的火焰可以用水，這一點大大的衝擊許多人的知識；因為酒精的密度比水小，但是酒精可以溶於水（所以有各種濃度的酒），會被水稀釋且降溫，這和油類著火的情況完全不同，因為油水不互溶！ 圖1. 在多多罐內滴入酒精再搖一搖，就可以發射酒精槍了。 圖2. 加了廣用指示劑後，自來水變為藍色（弱鹼），而酒精與木精則呈現黃色（弱酸）。 活動三：酒精魔術 把酒精和水以1:1的比例混合，並加入一些食鹽使火焰能明顯。把一張紙鈔的下半部浸入稀釋酒精後，橫向拿著紙鈔（避免火焰燒到手），點火後會發現火焰很快就熄滅了。 被稀釋為50%的酒精可以燃燒，但是產生的熱量剛好把水蒸發，因此火焰熄滅後可見鈔票沒有受損，而且紙面是乾的，是個非常吸引人的魔術。這個活動雖然不困難，操作時也很安全，仍然要小心不要讓燃燒中的酒精滴落地面，使別的東西燒起來。 圖3. 用50%酒精水溶液沾濕假鈔，點火後紙不會燒著。 活動四：殺菌劑 酒精溶於水，而且很親水，因為它的結構式是，包含一個羥基OH。有羥基的有機分子能溶於水，是因為水也有羥基，互有好感（氫鍵），就能互溶了。 把蛋白液倒進兩個透明杯中，在其中一個杯裡倒入95%酒精（99.5%酒精更好，但是價格貴了三倍），在另一個杯裡倒入75%酒精，會發現濃酒精使蛋白液上層變白了，而較稀的酒精使蛋白液變白的量更多。原來蛋白質分子的內層也有羥基，遇到酒精時會翻轉，而且再也翻不回來，這個過程像是把蛋煮熟，稱為蛋白的變性（圖4）！ 對細胞而言，酒精不只會使蛋白質變性；酒精被氧化時會變成乙酫，再氧化則變為乙酸。用廣用指示劑去測試，酒精往往呈現黃色，就是酒精在空氣中氧化的結果。好處是，我們可以酒精氧化去釀醋；壞處是，喝酒使人有醉意。濃酒精無法滅絕細菌，因為它會使細胞壁立刻變性；而75%酒精能鑽進細菌體內，不只變性，還可以用氧化後的乙醛和乙酸毒殺牠們，從而保護人體的安全。 活動五：熔岩燈 酒精的密度為，水的密度為，而蠟是混合物，密度介於水和酒精之間；因此把蠟塊投入酒精中會沈，而在水中會浮。 找一支羊奶瓶（啤酒瓶也可以，但須確定耐熱且防爆），把酒精和水混合至比蠟的密度小一點點，使蠟沈入瓶底。接著在瓶底加熱，由於蠟的膨脹率比水和酒精的膨脹率大，於是熔融的蠟就會從瓶底浮升。 加熱這種熔岩燈的方式可以選用蠟燭，但是火力不容易控制；用燈泡也可以，但是支架較難製作。在控制良好的情況下，蠟塊在瓶底被加熱20分鐘後就會融化成一顆透明的大球，緩緩從瓶底浮升；到達瓶口處被外界空氣冷卻，又緩緩下降。夜間點亮蠟燭或燈泡，看著熔岩燈內的液體蠟浮浮沈沈，並讓光影投射在四周的牆上，非常療癒（圖5）。 活動六：天氣瓶 酒精兼具有羥基與碳鏈，因此是很好的溶劑，黑白通吃。例如食鹽能溶於酒精，成為加鹽的米酒，是做菜的好幫手，就是羥基的功勞。油類不溶於水，卻能溶於酒精，就是小碳鏈的幫忙。一些完全不溶於水的有機化合物，如樟腦與松香，也能溶於酒精而成為環境消毒的利器（圖6）。 樟腦可以防蟲，天然樟腦對人無害，但是假樟腦（萘）會使蠶豆症患者產生溶血現象，應避免接觸。松香不只能防蟲，還可以作為竹蟬童玩與琴弦的止滑粉。把樟腦或松香溶解在酒精裡，裝在噴霧罐中，噴在屋內牆角，蟑螂螞蟻就再也不敢靠近了。 把氯化銨和硝酸鉀溶解在水裡，再把樟腦溶解在酒精中，兩瓶液體一混合，就會有白濁的樟腦被析出。原來酒精遇到水就和水結合，樟腦在酒精中達到過飽和，就成為細小的結晶。把這瓶混合物加熱至樟腦結晶消失，然後使這瓶液體緩慢變涼，樟腦會重新結晶（藉著氯化銨和硝酸鉀的幫助），形成較為大顆且漂亮的羽毛。這個活動稱為天氣瓶，在氣溫緩慢或快速變冷時，結晶的大小與形狀不同，但都很美麗。 圖4. 把75%（左）和95%酒精倒在蛋白上，發現75%酒精更能深入蛋白內。 圖5. 用羊奶瓶做熔岩燈。調配水與酒精的比例，使蠟塊受熱時能升升降降，看了很療癒。 圖6. 樟腦可溶於酒精，卻不溶於水，因此可以製作天氣瓶。 活動七：酒精膏 把醋酸鈣（可用蛋殼泡在醋中製成）溶解在水中形成飽和溶液，接著倒在酒精或木精內，醋酸鈣就會結塊。原來酒精或木精很親水，遇到飽和醋酸鈣水溶液就把醋酸鈣給沈澱出來了；然而鬆散的醋酸鈣晶體之間吸附了許多酒精，就像仙草或愛玉凍一樣，不同之處是酒精膏可以燃燒。甲醇和乙醇都可以製成酒精膏，保障了使用的安全，也使得燃料不致於消耗太快（圖7）。 在地面或鐡罐上，把酒精膏捏成愛心或英文字母，再灑一些食鹽或硫酸銅，點火後就形成火舞。也可以在一支透明杯或管中，把染色的酒精膏依次填入，看著很美麗，點火後更詩意。 活動八：焰色 把酒精或甲醇作為燃料很方便，但是淡紫色的火焰常讓人看不清楚，因此必須在其中摻一些鹽類，利用焰色反應來保障操作時的安全。 用鐡線沾一些金屬鹽類放在火焰上燒，就可以看到各種焰色（圖8）。常用的金屬離子有明顯焰色的為鈉（黃）、銅（綠）、鈣（紅）、鉀（紫）等。非金屬物質也會呈現焰色，例如硼（綠）、磷（青綠）等；不過含硼的硼砂或硼酸必須溶在甲醇中燃燒才有焰色，是因為硼酸和甲醇形成硼酸三甲酯（酯類是由酸和醇縮合而成），而且聞起來有一點香味喔（圖6）！ 焰色實驗對於物質的檢驗雖然很粗略，但是使用的質量甚微，對於環境的傷害較小；而且配合光譜分析，就能推測出岩石樣本中的某種物質含量，甚至可以用來觀察遙遠星球的物質成分喔！ 圖7. 醋酸鈣溶於水，卻不溶於酒精；因此可以用來製作酒精膏。 圖8. 硼砂可溶於木精，燃燒有綠光；製成硼砂珠也很漂亮。 活動九：香水 酒精和木精是醇類，它們和酸結合成香香的酯類。我們可以使用各種醇與酸結合，嘗試製成香水。但是真正的香水仍然須使用植物的花與果，溶解在酒精或油脂之中。 在酒精中滴入濃硫酸，然後和等量的冰醋酸混合，靜置一天後就成為乙酸乙酯，有香味出現。若是用甘油（丙三醇）與醋1：2混合，再加入四份水，則成為沒有香味的爽膚水，靜置一天後就可以擦在皮膚上了，養顏、美容又保濕（圖9）。 酒精的沸點是78.3℃；而汽化熱為210cal/g，在常見物質中僅次於水與氨．所以人們在發燒時，可以用30%的酒精退燒。同理，在香水中摻酒精，擦在皮膚上使人覺得涼爽，同時使香水揮發更快，能夠立即達到迷人的效果喔！ 圖9. 酸加醇變成香香的酯類，所以木精和酒精都能製香水喔。 謝迺岳 國立新竹高級中學退休物理教師

麗山火箭飛

文/鄒語騏、吳明德 前言 108課綱以學習者為中心，培養核心素養落實課程的理念與目標。在十二年國民基本教育課程綱要總綱裡有提到，「『核心素養』是指一個人為了適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度。核心素養強調學習不局限於學科知識及技能，而應關注學習與生活的結合。」，因此在進行課程設計時，更應與生活議題做結合。 109學年度麗山高中探究與實作課程，校內教師共備群組開始進行課程的規劃與討論，跨科領域以「物質與能量」、「系統與尺度」的方向進行設計。其中「物理＆化學」合科，是由物理吳明德與化學鄒語騏老師合作開課。上學期主題以「電」為知識議題，物理是發電機與電磁感應，而化學則是探究電池的電極與電解質。但實際執行免不了分頭教學的弊病，並未達到真正統整，僅有萬用電表成為雙方所使用的共同工具。所以下學期不採以知識單元作合科教學議題。 下學期主題原以「氣體」為議題，後改為「火箭」作為目標導向。源於鄒語騏老師看Space X火箭的回收紀錄影片，認為以前只能做到將火箭送上外太空，現在卻能連火箭回收的都可以做到如此精確。從那時，鄒老師變成一位火箭迷，便與一同合作的吳明德老師談到這個想法，他一口答應地說：「那我們就做吧！」。於是這門火箭課程就此有了開端。 壹、課程規劃 麗山火箭飛的課程設計採目標導向，主題圍繞在氣體，此章節在物理與化學課程內著重的方向不同，而內容的整合還須仰賴跨科合作與討論。 課程規劃最需考量的部分為（1）課程目標、（2）課程內容、（3）評量規準與方式。明確的課程目標能夠幫助學生瞭解該門課程的核心價值，而課程內容的訂定可檢視是否對應到學習目標，至於評分規準可幫助學生在學習過程中能隨時檢視自我，離目標還差多少、應該如何做才能達成目標，且給予老師一個較為公正、客觀的評分方式，避免流於主觀意識。 本課程係透過化學及物理科教師協同教學，以引導式探究方式結合物理摩擦力、做功及化學氣體燃燒、化學計量、理想氣體方程式等概念，並以目標導向的課程設計方式，讓學生在實作中體驗探究歷程。 一、物理部分 將塞了管套的注射筒，活塞向外拉出，讓筒內形成真空，緊接放開活塞，受外界大氣壓力作用，依據功能定理活塞獲得動能，撞擊筒形成合體，再由動量守恆計算合體速度，最後注射筒垂直升空。由運動學公式以及藉錄影分析運動軌跡得到飛行高度。至於筒身與活塞摩擦力實驗、用iPad內PhyPhox App測量大氣壓力實驗等，皆讓此研究能更加完整，方便學生分析各變因，而不是沒有根據隨意猜測。 物理注射筒火箭實驗步驟如下： 1.首先利用手機或平板的PhyPhox App測量大氣壓力。大氣壓力會隨環境、高度等狀態而變動，其數值大約在1000百帕（1000hPa）的數值上下附近。 2.其次測量注射筒與活塞之間摩擦力。將注射筒針口處蓋上塞子，並且擠壓活塞使筒內氣體體積減小，但因摩擦力活塞未恢復原來位置，由波以耳定律，計算得到壓縮後的氣體壓力，並由靜力平衡，最終計算得到注射筒與活塞之間的摩擦力數值。 3.以注射筒進行馬德堡半球實驗。假設當注射筒內為真空，活塞受向下砝碼重力mg，以及向上的大氣壓力及摩擦力f，藉由實驗結果比較先前測量的摩擦力與大氣壓力。 4.塞著注射筒針口，活塞與注射筒間並無空氣。先將活塞下拉並隨即釋放，因注射筒內為真空，活塞同時受向上大氣壓力作用上升，以及向下的摩擦力與注射筒重力，由功能定理合力作功等於動能變化，求出注射筒末速，並當上升至最後撞擊了注射筒，由非彈性碰撞計算得到合體的速率。最後由鉛直上拋計算得到理論的上升高度，並與實際的上升高度加以比較。 圖1. 使用PhyPhox App的壓力應用程式，測得大氣壓力為1005.446百帕 圖2. 注射筒蓋上塞子擠壓活塞，因摩擦力活塞未恢復原來位置，藉此計算摩擦力值 圖3. 注射筒內真空，活塞受向下砝碼重力mg，以及向上的大氣壓力P0A及摩擦力f 圖4. 將活塞下拉隨即釋放，活塞受大氣壓力作用上升，撞擊注射筒形成合體並鉛直上拋 二、化學部分 1.實驗原理 化學注射筒火箭，是參考常見的酒精炮彈的原理再加以改良，其原理為酒精液體混合空氣填充在塑膠瓶（通常為養樂多瓶）內，套在點火槍前端，再將養樂多瓶置於熱水中使酒精液體完全汽化後進行點火，塑膠瓶伴隨爆炸聲噴射出去。 乙醇燃燒反應式如下： 雖趣味性十足，但考量到液體未完全汽化時則點火，會造成液體噴濺與起火，危險程度較高，以及不同溫度下飽和蒸氣壓不同，液體汽化的量也有所差異，在探究討論上會較為困難，因此改以製備氫氣取代酒精作為本課程的火箭燃料。雖然氫氣燃燒較為危險，但給予一個安全使用範圍進行操作，相較酒精炮來說較為安全。氫氣燃燒反應式如下： 圖5. 發射火箭時，應做好防護措施 2.火箭主體 主體部分從塑膠瓶及點火槍，改為20mL（或30mL）塑膠注射筒和自製點火裝置，優點在於注射筒上方有刻度，可以觀察到氣體使用量，並在此筒活塞安裝兩針尖，連接導線與壓電材料，按壓產生電弧為火箭點火。以鐵架台搭配三叉鐵夾作為火箭發射台，可將火箭固定於上方進行發射，可以輕易飛行超過 6米以上高度，如同真實火箭一般，具視覺、聽覺的刺激，安全且有趣。 圖6. 火箭置於發射台 圖7. 火箭主體 圖8. 點火裝置 3.氣體置備與收集 取兩個大注射筒（60mL），一個用於收集氫氣，另一個收集氧氣，首先在注射筒尖端套上三向閥，將閥門關緊，接著放置1M氫氧化鈉10mL與4cm x 4cm鋁箔紙，並將內部的空氣經由閥門排出，此時會生成氫氣與偏鋁酸鈉，另一大注射筒步驟皆與收集氫氣相同，放置4mL 35%雙氧水與5mg二氧化錳，產生氧氣與水，最後氫、氧氣體分別藉由三向閥，導入另一作為火箭主體中。 置備氫氣反應如下： 置備氧氣反應如下： 圖9. 氫氣置備 圖10. 將氣體導入火箭筒中 三、探究學習內容 表1. 探究學習課程內容 四、評分規準 表2. 評分規準 貳、課程實施 一、實體課程 1.第一週發現問題：火箭如何起飛？ 首先示範發射物理及化學注射筒火箭，讓學生體驗後，引導發想發射原理、火箭裝置如何做、可能的問題及變因。問題如：火箭如何發射？、火箭裝置涵蓋哪些部分？、要能使火箭飛得愈高需要考量哪些問題？培養學生熟悉科學的探究方法及歷程，以科學探究方式解決未知問題，以及體認科技發展及未來趨勢。 圖11. 示範物理火箭發射 圖12. 示範化學火箭發射 圖13. 小組討論 2.第二～三週規畫與研究：如何自製火箭？ 課程開始時，再檢查一次第一週製作的火箭，查看是否有需要改良的地方，以確保該火箭能成功點火發射。接著開始設計各種變因，如討論氣體的比例，瞭解基本化學反應與化學計量的概念，再實際進行氣體製備與收集，進而探討摩擦力與做功與高度的關係，及其對生活中的意義與重要性。實驗過程中可使用軟體輔助解決問題，並隨時在實驗紀錄簿記錄現象及數據。也會強調實驗危險性做好安全防護措施，在安全條件下進行操作也能享受其燃燒爆炸帶來的刺激。 圖14. 實驗操作 圖15. 軟體輔助測量 圖16. 實驗紀錄 3.第四～五週論證與建模：火箭飛高高 利用理論與實際飛行高度差異，計算摩擦力所造成之影響。以及建立化學反應及物理模型，論證可能的飛行結果並提出改進方案。 該週目標：利用推、拉活塞觀察注射筒內氣體的變化，計算摩擦力大小，接著再用砝碼拉動活塞計算摩擦力大小，觀察兩方法之間的差異，接著計算火箭理論飛行高度，進而探討理論值與實際值的差異，給出一個結論。 圖17、圖18. 數據分析與討論，進行建模 4.第五週歷程檔案：火箭飛行科學大揭密 引導學生收集每週課程資料與照片，依據科學論文模式編輯歷程檔案。內容要求包含封面、目的、原理、器材、步驟、數據呈現與分析及結論。而評分的方式採用Rubric的評分規準，將每項內容的標準訂為優良、普通、差，以此進行評分。 圖19. 歷程檔案製作 5.第六週表達與分享：火箭發表會 各組上台報告6分鐘，並回答聽眾問題。此時教師進行教學回饋，給予改進建議。 圖20、21. 成果發表 二、線上課程 由於今年5月中爆發疫情的關係，因此最後6週同學並無法實際到校參與實作課程，與明德老師討論之下，決定以軟體模擬的方式進行探究。 物理部分利用Algodoo軟體，請同學自己設計一個火箭裝置，並自己設計變因，如阻尼、摩擦力、活塞質量等等，並錄成50秒的影片，於下週上課時進行發表，而此軟體的優勢在於，它跟真實條件是極為相似的，且非常容易獲得數據，像是火箭在發射過程中，可以將其高度與時間的關係以座標軸方式呈現。 圖22. Algodoo軟體模擬物理火箭發射 化學方面則使用NB化學實驗室的軟體進行模擬，學生必須自己設計氫氣、氧氣的製備及收集方式，並利用軟體操作出來，還要進一步檢驗氣體。 化學火箭並非像物理火箭那般容易製作，也因此無法模擬該實驗進行，於是給予好幾筆數據，請同學進行數據判讀以獲得結論。 同學們雖無法實際進行操作，我與明德老師進行線上課程過程中也曾擔心過是否無法訓練到探究的能力，所幸我們擔心是多餘的，我們看見了學生的潛力是無限的，最後呈現的書面報告品質與含量一點也不亞於實體探究的學生，這也是我們感到很欣慰的地方，同時也為線上進行探究課程增加了一點可行性。 圖23. NB化學實驗室模擬氣體置備與收集 圖24. 氣體檢驗 圖25、26. 利用試算表進行數據分析與處理 參、同學成果分享與課後心得 一、成果分享 二、課後心得 1.主動發現問題 (1)「燃料用量要剛剛好，才能達到理想高度」 (2)「如何安全配置藥品」 2.成功引起動機 3.文組學生能積極參與探究課程！ 「我是文組，但並不代表我學不來」 4.享受過程、獲得學習成就感 (1)「深深的參與其中，我感到很開心」 (2)「理解所有過程和原理讓我很有成就感」 (3)「自然科學就在我們生活周遭」 5.自我反思、延伸學習 「學生自行針對延伸討論問題，提出可能解釋」 肆、感想與結語 器材部分尚需克服的困難點在於火箭筒材質發射次數越多，筒壁與活塞間的摩擦力越大，會影響實驗結果，造成誤差，且發射或降落時，針筒突起處易斷，火箭筒壽命約發射5~10次左右。 學生在實驗操作上尚無太大困難，小組合作互相討論，教學相長，惟製作氣體過程中，需老師多注意，安全上無太大疑慮。 如探究與實作課程週數更長，可更深入探討如何解決火箭筒與活塞間摩擦力、針筒突起處易斷等問題。亦可討論加裝降落傘探討降阻力、降落效果及改良。 如遇不可抗力之因素需進行線上探究課程，可思考學生亦取材的主題進行課程設計，也可使用軟體模擬方式進行探究，亦可達到學習目標。 本課程在操作後的學生回饋，即使對理科較不擅長的學生也反應發射火箭課程十分好玩，而數理認知高層次的學生更能領悟理論與技術統整的價值。藉由分享此注射筒火箭課程，期望能對同樣在教授探究課程的老師們有所幫助並進行推廣。 伍、附錄 下列有兩部影片是因為COVID-19，探究與實作課程必須採取線上教學模式，給高二修課同學的課前教學影片範例，其中影片（一）為使用NB化學實驗室進行實驗模擬。而影片（二）利用Algodoo軟體進行操作，要求每一個同學能自己完成一個50秒以內的彈力火箭模擬影片。 一、鄒語騏（2021），氧氣製備實驗模擬，YouTube/騏騏化學教室/https://youtu.be/88w3TlqYLro 二、吳明德（2021），注射筒彈力火箭，YouTube/搞飛機學物理/https://youtu.be/5Fu4yxZkYmI 鄒語騏 桃園市立桃園高中化學科教師 （107~109學年度任教於臺北市立麗山高中） 吳明德 臺北市立麗山高中物理科教師

國中自然「熱的傳導」單元延伸實驗 ——運用紙箱烤雞活動落實綠色化學精神，引導國中生探討降低空氣懸浮污染物排放之課程範例

文/謝昆宏 前言 筆者在國二理化「熱的傳播」課程中，曾遇過學生提問：「烹煮食物一定要使用大量的熱源嗎？如果烤肉的時候，不使用過多炭火，降低能源使用與空氣污染，是否能達到將食物煮熟之相同目的？」沒想到當學生提出這個問題時，多數學生都很有興趣，一片嘩然地討論著。 細細想來，許多民眾都喜歡在戶外烤肉，尤其中秋節更是國內烤肉活動盛行的節日，然而，在戶外烤肉會產生大量的煙霧，這些煙霧(例如PM2.5)對環境空氣會造成巨大的污染。近年來，環境污染霧霾的狀況越來越加劇，其中霾是懸浮在大氣中的大量微小塵粒、煙粒或鹽粒的集合體，例如：空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等，使大氣層混濁、能見度惡化並影響生物的健康。 為了解決「能否運用更環保的方式烤肉，降低能源使用與空氣污染」的問題，達到綠色化學概念上的「防廢」、「節能」、「可解」、「監控」之落實，於是筆者參考國立高雄師範大學黃琴扉教授團隊所設計的紙箱烤肉課程，融入筆者教授的中學食品科學的課程，將國中理化「熱的傳播」、「空氣汙染」等概念融入課程中，讓學生透過實作的過程，進而了解紙箱烤雞與日常生活中烤肉造成的空氣汙染物的差異性。 課程目標 本次課程的學習目標如下： 1.學生能以所學的理化概念「熱的傳播」來減少熱量散失(達綠色化學概念的「節能」)。 2.學生能自行製造出特殊構造的紙箱。 3.學生能透過將鋁箔紙放入紙箱中，打造成一個隔熱良好的加熱環境。 4.學生能確實減少紙箱裝置之熱量散失(達綠色化學概念的「節能」)。 5.學生能了解在加熱過程中，炭火可能會產生的空氣汙染物(達綠色化學概念的「防廢」)。 6.學生能設計可降解氣體產物之實驗器具：氣體產物在實驗後，應可降解，而不會在環境之中累積(達綠色化學概念的「可解」)。 7.學生能全程觀察並降低氣體污染：在過程中進行全程監控，以減少或消除氣體產物的生成(達綠色化學概念的「監控」)。 活動所需器材 課程活動所需物品器材如下： ※小提醒：由於最後製作出來的食物會讓學生進行試吃，故使用之物品與器材應符合衛生與食品安全條件（如使用全新鋁箔紙和乾淨紙箱）。 教學活動 本次教學活動從基礎到應用，共設計五個活動。 活動一、認識加熱方式 1.教師準備幾種生活中常見的加熱方式圖片，例如：木炭燒烤、瓦斯爐、烤箱、氣炸鍋…等。 2.請學生用視覺來觀察加熱方式，再請學生進行口頭發表：哪一種加熱方式所造成之空氣汙染物較少。 活動二、紙箱和鋁箔紙的裝置（讓學生先自行操作裝置鋁箔紙） 1.教師在課堂中發下鋁箔紙，讓學生自行將紙箱和鋁箔紙進行加熱容器的製作，如圖1所示。 2.請學生記錄紙箱包覆鋁箔紙的實作結果，教師在旁講解紙箱的鋁箔紙如何包覆，才能有效降低熱量的散失。 3.使用器具（串肉的鐵叉子）在紙箱上較低處穿刺小洞，並請學生思考、探究此步驟目的為何，如表一所示。 圖1. 學生使用鋁箔紙包覆紙箱內部 表1. 學生進行穿刺紙箱的原因探究 活動三、製作紙箱烤雞容器（教師示範操作紙箱裝置鋁箔紙） 1.教師示範包覆鋁箔紙過程：將鋁箔紙平整地與紙箱黏貼，內部和上蓋都要包覆著鋁箔。 2.請學生回想生活中自身烤肉的經驗，並請學生口頭發表。待引導學生回溯生活體驗後，再進行紙箱烤雞實驗，此實驗中使用鋁箔紙包覆紙箱之原理與國二上理化課程「熱的傳導」相關（保溫杯內部為什麼是光滑和銀色的原因）。在此階段最後，本課程將播放紙箱烤肉製作的影片，讓學生更了解紙箱內部鋁箔製作的過程。 （影片：https://www.youtube.com/watch？v=tsuS5XwWeeA） 3.請學生思考加熱的原因，讓學生小組討論並進行預測，最後記錄下來。 4.讓學生進行探究實驗。根據實驗中，學生的討論與發表，可以發現多數學生提到「隔絕熱量散失」是加熱食物的主要原因，之後本課程請學生選擇不同的變因，以驗證自己提出的觀點。其中，有組別的學生選擇「紙箱完整包覆有穿刺小洞」來進行實驗；而有些組別學生認為「只用炭火加熱」是加熱成功的主要原因，因此他們選擇「紙箱不封蓋有穿刺小洞」的設計，如圖2所示。 5.本課程的最後，也請學生分享實驗結果，再由教師歸納出加熱食物成功與否的主要成因，以及觀察在加熱過程中產生的空氣物染物的多寡（白煙）。 圖2. 學生加熱食物時加蓋 圖3. 學生加熱食物時未加蓋 6.最後，筆者帶領學生共同反思，鋪鋁箔紙的目的有二：第一是鋁箔紙熔點和燃點高，能有效把紙箱和火隔開，避免紙箱燒起來；第二是運用鋁箔紙反光的材質，將木炭以熱傳導散發出的熱能，全都包在紙箱內，且不斷反射，運用熱輻射烤熟食材。 活動四、探討加熱過程中汙染物的形成 1.將木炭直接放在烤盤下面加熱食材，觀察其產生煙霧的多寡。 2.將木炭放置紙箱中加熱食材，觀察其產生煙霧的現象，如圖4圖5所示。 3.將食材放置開放空間烤盤上以及紙箱烤雞內，觀察加熱過程產生煙霧的變化，並記錄在學習單上，如圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示。 圖4. 學生製作密封紙箱烤雞 圖5. 紙箱烤雞直接加熱中（沒有密封） 圖6. 食材放入開放空間中 圖7. 加熱炭火中 圖8. 食材放入密閉紙箱中 活動五、實驗結果來檢測食材是否有加熱成功 1.請學生自行記錄食物加熱後的狀況，如圖9、圖10、圖11所示。 2. 實驗結果： 圖9. 加熱食物狀況 圖10. 烤盤加熱食物 圖11. 確認食物熟成度 圖12. 直接烤盤加熱食物 表2. 學生進行有用紙箱烤雞及烤盤烤肉檢測煙霧的描述和食物成熟度 表3. 紙箱烤雞實做課程與綠色化學關聯性 學生在學習單上之回饋，大部分以正向居多，大部分學生提到製作紙箱烤雞是很有趣的，透過實作的課程，讓學生可以了解熱的傳播以及如何降低空氣汙染，從生活中進行學習，同時豐富教學的內容。 教師教學省思 筆者引導學生進行紙箱烤雞的過程中，發現該活動可以引導的科學與環保議題十分豐富，學生也覺得非常有趣，而在活動帶領中需要關注的是「此實驗在鋁箔紙的包覆」、「炭火的高度」還有「空氣流通的狀況」，這些細節都是學生易比較容易忽略的，但如果上述變因控制不良，將會導致結果不夠準確，建議未來辦理此活動的老師，在前置作業與實驗過程需多費心思指導學生。 此外，筆者建議在實驗過程中可跟學生說明，所產生的氣態物質造成環境之危害和影響，以及直接烤盤烤肉和紙箱烤肉，氣體汙染物的明顯差異，如此不但可以提升學生的觀察力，更是綠色化學概念的落實；再者，在實驗的熱源部分，烤盤烤肉的消耗木炭要比紙箱烤肉來的多，也就是能量利用的有效率是不一樣的，筆者從活動過程中發現，紙箱烤雞的能量效能較高，可提高能源效率，符合綠色化學的要素。 若要提升趣味度，並瞭解熱源與食材的交互作用，也可以讓學生自製紙箱烤雞活動時，帶各種不同的食材來進行比較，這樣的過程不但同時可以讓學生多了解食材本身的食物特性，也可以探討食材表面積、加熱時間、加熱位置等也會影響食材的熟成度快慢。例如雞翅和雞腿的加熱時間不相同，可以增加實驗的豐富度，也可以讓學生從生活中觀察科學，將食物和科學做結合。 結語 在國中二年級上學期理化的熱傳導實驗，大多是加熱液體測量上升溫度，而減少熱量散失單元，是以講解保溫杯內部構造來說明。實際在課堂上操作實驗後發現，學生對於熱傳導的觀念無法完全明瞭，只知道加熱液體會有溫度上升，以及單純背誦熱傳播的方式分為傳導、對流、輻射三個方式，並沒有特別注意到熱量散失的部分。 但是，在紙箱烤雞的實驗中，不論是減少熱量散失，或探討提供冷空氣會導致加熱效率提升等概念，學生都可以直接感受到，不但提高了學習動機，也讓學生更容易理解熱傳播的概念。在規劃這個課程時，筆者蒐集了相關的科展資料，找到有關紙箱烤雞的文章，同時也回想起自己本身每年在教導國中學生熱的傳播單元過程中，學生對於熱的概念太過於抽象。鑑此，筆者將紙箱烤雞內容融入到「熱的傳播」單元中，讓學生實際操作體驗，實驗結果也可以讓學生食用增加成就感。之後，筆者再設計了一系列的食品科學的課程（分子料理以及乾冰水果），讓學生在對於食品跟科學之間的（物理和化學）關聯性可以緊密的結合。讓學生有更高的學習動機，進而提升學習成效，以達到內化成自己的知識。 身為教師的我，最有成就感的就是在課堂中，學生們露出專注的眼神；當學生願意注意每個實驗步驟，認真和細心的操作，且在過程中驚呼聲不斷時，所有的辛苦都消失了。我想教學的樂趣就是讓學生能樂在學習中，這也是筆者在教學過程中最大的動力來源。 謝誌 本文特此感謝國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所黃琴扉教授，提供本文架構調整與內文修正之意見，和高雄餐旅大學附屬高級中學國中部802班和803班學生參與此實驗，在此謹深摯謝忱。 參考資料 一、書面資料 張智翔、鄭竹吟、陳信宏、林政儀 （2007）。快意陽光下-節能又環保的太陽能烤肉。 中華民國第四十七屆中小學科學展覽優勝作品專輯。國立台灣科學教育館。 二、網路資料 LIS實驗室。超懶人烤肉法大公開！用紙箱來烤雞？！。取自https://www.youtube.com/watch？v=tsuS5XwWeeA 高雄師範大學團隊和國立台灣科學教育館合作研發紙箱烤肉法。取自https://www.cna.com.tw/news/ahel/201909130166.aspx 聯合新聞網。高師大團隊科學新教案「獨創紙箱烤肉」。取自https://udn.com/news/story/6885/4045489 謝昆宏 高雄市小港區高雄餐旅大學附屬高級中等學校 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所

農漁村地方創生環境永續綠色化學應用實例

文/施君翰、曾宗德、呂友銘、高偉傑 前言 由於全球資源逐漸短缺，人類生產和消費活動對環境造成的影響日益明顯。 為了追求人類和環境的可持續發展，除了加強傳統的環保措施外，綠色生產和綠色消費的重要性也越來越高，由此產生的綠色貿易商機也成為不容忽視的新機遇。綠色貿易的廣義定義是「有利於環境和生態可持續發展的商品、服務、資源、權利等的跨國交易」，狹義的定義是綠色商品和服務的貿易。無論是一般民眾、企業或政府單位，綠色消費與綠色化學產品採購的進行大多仰賴綠色採購制度與標章系統的協助（行政院環境保護署毒物及化學物質局，2021）。 傳統上，農漁村地區是主要生產糧食和飼料的地區。如今農漁民也在將生物資源，如生物質和生物廢物轉化為生物能源，這創造了額外的收入。新型紡織材料，來自魚鱗的升級回收，已經製造出來。該材料由從魚鱗中提取的膠原蛋白肽氨基酸成分構成，用於通過超分子方法製造膠原蛋白改性聚酯(Hou et al., 2021)。新型改性聚酯的過程包括兩個步驟：從魚鱗中提取膠原蛋白肽和改性形成膠原蛋白聚酯。從養魚場回收的虱目魚魚鱗經過清洗、乾燥、冷凍乾燥、粉碎，然後使用從細菌菌株中獲得的酶（蛋白酶 7307-1）分解成短氨基酸 (Pan et al., 2010; Hou et al., 2021)。最後，過濾後獲得膠原蛋白肽(Hou et al., 2021)。 農漁村地區的農業產生了大量的各種生物物質，包括廢物和殘留物，在以下段落中將其概括為生物資源。已經有相當多實務研究成果可以從生物資源中生產的各種材料和化學品，它們有助於農漁村地區的價值創生價值創造（Koutinas et al., 2014; Go et al., 2019）。經濟的生物化不僅依賴於糧食、飼料或生物能源的生產，而且還依賴於生物資源潛力的整體利用。然而，有待證明的是，農漁村地區是否也運用在當地在物質上利用生物資源，這需要在預處理、轉化和下游獲得選擇的產品方面的知識經濟。2014 年大約13%的世界貿易源於農業、林業、食品、生物能源、生物技術和綠色化學產品等生物來源，僅歐洲生物經濟每年就產生數千億歐元的產值。就資源效率而言，建立生物經濟被認為是有益的，但這是否是對農漁村地區具有產業價值？過去幾十年開展的研究活動促進了生物資源的有效利用和經濟的綠色化學。 由於缺乏知識或技術，生物廢棄物經常未被充分利用。 壹、大學走進農漁村產學研合作 近年來教育部積極補助大學善盡社會責任USR計畫、農委會食農教育與校園共創計畫及環保署綠色化學計畫，大學及研究機構可積極作為中介者為產業和農民創造合作機會，可根據不同農漁村的特性發展出各種不同特色的綠色化學產品創生研發。這些過程可以使用簡單的技術進行，例如農村昆蟲栽培，將各種生物資源直接轉化為生化定義的生物質，並有可能獲得經濟效益（Pleissner & Smetana, 2020）。特別是對於農村與漁村各自發展具特色的綠色化學產品研發，從生物資源到創生生物質的研發專利，創造未來產值。 貳、農漁村地方創生農遊十項主張 農漁村與業界形成的思考與產品順應消費者需求，臺灣的農漁村及民間業者其實長期以來都有不少農漁村地方創生體驗式旅遊之行程。不過基於提供「綠色服務」的思潮與環境直至近年才漸漸形成，故目前具有前瞻性之業者、學界，組成環境永續綠色產業及綠色標章等等認證商品及體驗遊程，根據美國加州大學全球綠色旅遊研究中心對綠色旅遊定義為:業者透過綠色化學原則研發相關商品，而旅客以對環境衝擊最小的旅遊型態，秉持「節能減碳」的精神，享受「生態人文」的遊程體驗。本研究提出農漁村地方創生農遊下述十項主張: 一、食：有機友善當季-用餐以環保有機與當季農漁村在地食材為原則，餐具盡量避免使用塑膠製品，降低土地污染及減少運輸的耗費。 二、衣：輕便舒適-穿符合綠色標章輕便環保功能服裝，舒適透氣，以便行李減量，降低運送清洗，減少農漁村水資源過度使用清潔劑耗能。 三、住：使用綠色環保建材，綠色建築節能在地-住有環保節能概念，且優先使用在地建材及在地員工的符合綠色標章認證的農漁村民宿或旅館。 四、行：農漁村公共交通減碳-旅遊期間農漁村業者提供自行車或農遊客優先選擇大眾運輸、單車健行、低碳節能的交通工具。 五、育：推廣食農教育及食魚文化尊重自然友善種植教育-不去違反自然的旅遊地，以環保3R（Reduce、Reuse、Recycle）的精神。 六、樂：農漁村體驗點或遊程申請綠色旅遊標章-目前國際上主流的國際組織或大學機構開辦申請的相關標章讓農遊客走入山海城鄉、社區聚落、農場森林、田野濕地去關心環境生態及人文風情。 七、購：農漁村當地特產減少過度不適當的包裝-購買旅遊當地農特產及工藝紀念品，以增加當地業者收益，又可以減少運輸耗能。 八、回饋：農遊客到農漁村體驗後可以善盡社會責任，網路上填寫回饋單或公眾平台分享最環保的旅遊心得。 九、正義 : 於旅遊進行當中做到社會公義。旅遊無論類型與程度，總是耗費能資源的活動。藉由旅遊消費過程中進行碳補償例如植樹，或購買碳匯卷等，以做到補償性質之社會公義。 十、防疫農漁村生活 : 全球各種產業遭受新冠肺炎（COVID-19）衝擊，防疫觀念成為新主流。 依上述綠色旅遊十項主張原則，在綠色化學的觀念下發展農漁村旅遊。 參、農漁村地方創生綠色化學應用 政府提出「地方創生」（振興地方經濟）口號，開始籌劃制定旨在啟動地方經濟活力和解決人口減少問題的綜合戰略計劃，推進吸引年輕人的魅力城鎮建設、提升人口、創造就業機會。政府未來輔導臺灣休閒農漁業走向產業六級化之概念，納入二級、三級產業，提高初級產業的主體性，形成1×2×3=6之效益，活用地方資源，展現農漁業新方向（施君翰等，2017）。農漁村地方創生綠色化學應用最主要符合四個步驟階段，萃取、轉譯、成果、反饋。本研究提出農村使用綠色化學產品，「防蚊蠟燭」萃取程序包括萃取剪枝廢棄的植物葉片製作精油的綠色化學程序；轉譯包括廢棄物再利用轉化成為防蚊利器的農創商品，最後運用層面為2級至4級（加工－農創產業）。另外漁村「虱目魚鱗膠原蛋白胜肽」萃取程序包括萃取要加工的魚鱗，處理程序相當繁瑣，必須先洗淨、乾燥、打碎，再加入酵素作分解；再經過純化，成為小分子胺基酸，淘汰不要的，取其要用，進行重組，成為胜肽。再將胜肽分別與不同原料進行「仿生高分子聚合反應」，這一套難以仿效的專利技術的綠色化學程序。轉譯包括廢棄物再利用轉化成為虱目魚鱗，以生物技術萃取出「膠原蛋白胜肽」，做成仿生纖維，再經由設計，製成時尚服飾的農創商品。目前臺灣最主流的紗線纖維的研發者，侯二仁站在紡織產業的最上游，憑著Umorfil品牌，創造出與整個產業鏈千絲萬縷的龐大商機。運用層面包括服飾包包及寢具。 圖1. 防蚊蠟燭 圖2. 以「虱目魚鱗膠原蛋白胜肽」萃取程序製成之圍巾 綠色化學在臺灣農漁村及產業界之推廣已行之有年，許多農企業也在各個場域發表相關綠色化學的相關知識與相關研究成果，本研究針對臺灣農漁村綠色環保經驗進行彙整陳述，了解「農漁村地方創生環境永續綠色化學應用」可以帶動臺灣農漁村產業優質化的目標。 致謝 本文感謝環保署毒物及化學物質局補助計畫「110年度補（捐）助民間團體及學校綠色化學計畫-社區防疫新觀念-綠色化學好生活」給予的支持。 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。20210707檢索自https://www.tcsb.gov.tw/cp-305-2972-75e5e-1.html。 施君翰（2017）。離島休閒漁業地方創生景點遊程熱點規劃與旅遊策略之研究。休憩管理研究。4（2）：31-54。 Hou, EJ., Huang, CS., Lee, YC., Chu, HT. Upcycled aquaculture waste as textile ingredient for promoting circular economy (2021). SM&T. e00336. Koutinas, AA., Vlysidis, A., Pleissner, D., Kopsahelis, N., Lopez Garcia, I., Kookos, IK., Papanikolaou, S., Kwan, TH., Lin, CS. (2014). Valorization of industrial waste and by-product streams via fermentation for the production of chemicals and biopolymers. Chem Soc Rev. 21;43(8):2587-627. Go, LC., Fortela, D.L., Revellame, E., Zappi, M., Chirdon, W.M., Holmes, W., & Hernandez, R. (2019). Biobased chemical and energy recovered from waste microbial matrices. Current opinion in chemical engineering, 26, 65-71. Pan, MH., Tsai, ML., Chen, WM., Hwang, A., Sun, PanB., Hwang, YR., Kuo, JM. (2010). Purification and characterization of a fish scale-degrading enzyme from a newly identified Vogesella sp. J Agric Food Chem. 8;58(23):12541-6. Pleissner, D., Smetana, S. (2020). Estimation of the economy of heterotrophic microalgae- and insect-based food waste utilization processes. Waste Manag. 1;102:198-203. 施君翰 樹德科技大學休閒與觀光管理系 副教授 曾宗德 樹德科技大學通識教育學院暨餐旅與烘焙管理系 教授兼院長 呂友銘 臺南市七股區溪南休閒農業區 總幹事 高偉傑 社團法人臺灣休憩管理學會 祕書長兼設計師

跨領域科學閱讀之教學研究 ──以〈To The Stars! The First American Woman to Walk in Space〉為例

文/劉淑雯、游舒媛 壹、課程設計背景 為了因應科技技術變化萬千的社會、給予生活在未來的孩子們最適切的教育，我國於2019正式實施的108課程綱要（以下簡稱108課綱），將「核心素養」作為課程發展的主軸。 素養，即是將知識活用、實踐於生活中的能力，也就是在適應生活、面對未來挑戰時所應具備的知識、態度及能力。素養導向的課程設計，是以學生為主體，關注的重點在於學科與生活的連結，而學科之間不再是壁壘分明，而是相互結合、融合，也就是所謂的「跨領域課程」。而在跨領域課程中，你會發現其中暗藏著一組密碼「S-T-E-M」──也就是科學（Science）、技術（Technology）、工程學（Engineering）及數學（Mathematics），這四個領域我們在如今的生活中，每天都會接觸到 （劉淑雯，2019）。 在我國國小階段的科學教育，歸屬在「自然與科技領域」，縱然強調探究活動的教學、實作，但卻是以「學科知識」為主軸設計的課程，與學生生命、生活的連結不強，因此產生了知識與實踐的斷層。 在我國體制內學校，學生學習自然科的主要途徑為教科書，也就是自然課本，如此教條式的教材、知識內容較無法激起學生動機與興趣。而主題及故事豐富的繪本，不只小孩喜歡，連大人都愛不釋手 （劉淑雯、洪文徽，2020），且繪本中的情境、角色困境與成長等，則是教師可以帶領學生進行「跨域教學」的最好素材。 以下為研究者以科學家傳記繪本《To The Stars! The First American Woman to Walk in Space》（Van Vleet、Sullivan與Wong，2016）設計之跨領域科學閱讀教學課程，希望藉由此課程讓學生學習科學家之探究性格，進而發現自身的科學家性格，提升對科學探究的興趣。 貳、教學活動設計理念 因應我國十二年國民基本教育課程綱要之素養、跨領域課程設計的需求，本研究希望以科學家傳記繪本作為科學文本，並依此設計相關探究活動，發展成跨領域科學閱讀課程。於學習表現上分別對應至國語文領域中「閱讀」與自然科技領域之「探究能力──問題解決」，而在議題融入方面則結合了閱讀議題。 本次科學家傳記繪本與教學設計參考並改寫自《Eureka, Again!: K-2 Science Activities and Stories》（Farland-Smith、Thomas，2018），希望藉由科學典範人物經歷、探究歷程以及性格探討，讓學生理解並發現自己的科學家性格；並且，能從繪本發展出的探究活動中，學習到「像科學家一樣思考、進行探究」等問題解決能力。 本單元所選定的科學家傳記家繪本為《To the Stars: The First American Woman to Walk in Space》，內容描述凱西（Kathy）一路從她童年時探究興趣到她成年後探究經歷，帶領著讀者了解凱西探究的心路歷程、體會她對外界源源不絕的好奇與探究動機。而在閱讀文本之後，為了讓學童能更進一步、有機會能親身體驗科學家的探究歷程，研究者根據繪本內容設計了延伸的科學探究活動，讓學生能透過實際經驗、親身探索，而學習到如何「像科學家一樣思考、進行探究」，進而培養學生的科學探究精神與科學思考邏輯。 圖1. 本單元之科學家傳記繪本封面 參、教學活動設計 此課程根據我國十二年國教課綱素養導向之學習重點設計，課程結構（學習週期）分為三個部分：預測（predict）、觀察（observe）、解釋（explain），為Page參考自《Eureka, Again!: K-2 Science Activities and Stories》（Farland-Smith、Thomas，2018），為Keeley （2014）所提出之predict–explain–observe （P–E–O）策略的改編版本。 一、學習重點 根據十二年國教課綱「國語文領域」及「自然科學領域」之課程綱要擬定學習重點，分述如下表1： 表 1. 本研究之課程學習重點 二、教學架構 本研究教案設計之教學架構如下圖2所示： 圖2. 本研究教案設計架構圖 肆、教學活動實施流程及特色 一、「預測階段」指導閱讀與溫度預測 （一）學習目標： 1.指導閱讀：師生共讀《To the Stars: The First American Woman to Walk in Space》繪本，引發學生探究興趣。 2.溫度預測：了解物質接觸熱源後會有的溫度變化現象，並進行預測。 （二）課程進行方式 1.請學生兩兩一組使用平板共讀凱西的故事《To the Stars: The First American Woman to Walk in Space》繪本。 2.師對故事內容進行提問，根據教師提問與全班共同的分享結果，請學生完成ORID學習單O（客觀性層次）、R（反映性層次）的部分。 ※備註：若能提前完成的同學，則可請學生可以先試著依照學習單上的提示，嘗試完成I （詮釋性層次）的部分。 3.讀完繪本後，告訴學生接下來我們將和主角凱西一樣進行探究活動。在開始探究活動前，請學生小組討論，在學習單中圈出他們認為在相同時間下，於電暖器受熱下後「最熱」的物質、離開電熱器冷卻後「最冷」的物質。 ※備註：原先課程設計為在「太陽照射下」一小時、在陰影下冷卻一小時之溫度上升及下降預測，然受實施課程季節限制，將太陽改為電熱器。 （三）學習歷程與活動剪影 1.學生兩人一組共讀繪本，完成ORID學習單O （客觀性層次）與R （反映性層次）部分。 圖3. 學生兩人一組共讀繪本 圖4. 教師以觸控螢幕指導學生習寫ORID學習單 圖5. 其中一位學生完成之學習單（O、R部分） 2.教師說明本次探究活動內容，並請學生先完成「預測」階段之學習單。 圖6. 教師以觸控螢幕指導學生完成學習單之「預測」部分 二、「觀察階段」升溫、冷卻觀察 （一）學習目標 1.能夠與小組成員互助合作，並專心參與探究活動。 2.在探究活動進行中，能仔細觀察並記錄觀察結果。 （二）課程進行方式 1.邀請學生分享他們的預測結果，並告訴學生接下來將針對這三個物質──沙子，土壤和水──進行調查。 2.在開始進行調查活動前，師生共同制定調查時間流程表，並請各組進行工作分配：溫度測量人員、記錄人員、更換測量物質人員、電熱器切換人員等。 3.工作分配確認後，請同學開始分別觀察三項物質，並將觀察記錄詳細記錄於溫度記錄表格上。 （三）學習歷程與活動剪影 1.學生以小組為單位進行探究調查活動 圖7. 各組調查活動活動歷程 2.請小組根據調查結果將溫度記錄於表格內 圖8. 其中一組調查活動時記錄的溫度變化表 三、【解釋階段】物質與比熱 （一）學習目標 1.能夠以小組合作方式進行觀察結果發表，並說明觀察過程的發現。 2.藉由探究活動歸納，能認識並了解「比熱」的概念。 （二）課程進行方式 1.小組觀察結果發表與分享：將小組的觀察結果拍照傳至觸控螢幕上，與全班一起討論各組發表的觀察結果，討論觀察結果是否有異同，並請小組嘗試說明其原因。 2.教師歸納小組觀察結果，並連結至科學概念「比熱」： (1)歸納小組觀察結果，土壤的升溫和降溫速度都比水快、沙子和土壤的升溫和降溫的速度都比水快。 (2)教師向學生介紹與此次探究活動有關的科學概念「比熱」，並邀請學生分享日常生活中出現有關「比熱」概念的例子。 3.向科學家致敬： (1)教師帶領學生討論主角凱西（Kathy Sullivan）具有那些科學家性格特徵，並歸納說明為何此單元選擇以「探索者」作為凱西的性格特徵。 (2)請學生根據全班共同討論內容，參考學習單上提示「對凱西來說，為什麼該特質（探索家）很重要？這個特質如何幫助她？」，並完成ORID學習單的I （詮釋性層次）部分。 (3)請學生根據全班共同討論內容，參考學習單上提示「這個特質，在日常生活中重要嗎，為什麼？請舉例說明如何應用在生活中。」完成ORID的D （決定性層次）部分。 4.給學生時間參觀不同組別的研究日誌，並給予學生時間將自己的日誌補充增添得更完整。 （三）學習歷程與活動剪影 1.教師以觸控螢幕示範，請各組同學將上次觀察結果的「溫度變化表格」畫成折線圖，並完成「溫度預測學習單」觀察結果填寫的部分。 圖9. 教師引導並示範如何將表格資料轉換為折線圖 圖10. 學生完成之「觀察結果折線圖」以及「溫度預測學習單」 2.教師以觸控螢幕展示學生觀察解果，歸納並解釋「比熱」概念。 圖11. 教師以學生觀察結果歸納並解釋「比熱」概念 3.教師帶領學生討論主角凱西的「探索者」科學家性格特徵與生活實際運用，並請學生完成其記錄在ORID學習單D （決定性層次）部分。 圖12. 其中一位學生完成之ORID學習單 伍、學生學習心得 在課程結束後，教師請學生填寫回饋單（如下圖13），以了解學生對此課程的感受，本課程回饋單參考翁淑容（2006）研究設計而成。該班學生人數26人，1人請假，共計收回25份回饋單，以下分述之： 圖13. 其中一位學生之科學閱讀回饋單 一、對課程的喜好程度 在對課程喜好程度的部分，請學生針對本堂課程勾選喜好程度，分數區間為1至5分，5分為喜好程度最高，1分為喜好程度最低。本次實施課程班級勾選之課程喜好程度情形如下圖14： 圖14. 課程喜好程度情形 本次回收之回饋單共25份，課程喜好程度平均分數為3.96分，而從上圖也可看出大部分的學生是喜歡這個課程的。 二、印象最深刻的部分 有關於最喜歡、印象深刻的課程部分，教師請學生勾選在本單元中最喜歡或最深刻的部分，各部份分別為：「繪本、ORID學習單（O＆R）」、「預測」、「觀察」、「解釋」、「ORID學習單（I＆D）」，最多勾選三項，下圖15為學生勾選情形： 圖15. 學生對於課程印象深刻部分之勾選情形 由上圖可發現學生對於課程中「預測」部分印象最為深刻，接著便是「繪本、ORID學習單（O＆R）」部分，再來便是「解釋」與「ORID學習單（I＆D）」。 三、學生回饋 研究者整理學生回饋單內容如下表2： 表2.學生回饋整理表 從上表我們可以發現，在課程內容學習的部份，有12位學生寫了有關「學科知識（認知）」的學習內容，例如：「土、水、沙子哪一個冷卻較快？」、「溫度變化」；有9位同學寫到了有關「探究步驟與過程（技能）」方面的學習內容，例如：「學會了如何觀察，還有如何解決問題。」、「除了預測，也要實際觀察。」；而有5位同學則寫到了「情意」方面的學習內容，例如：「要有偉大的夢想」、「我學到要永不放棄，要朝自己的夢想邁進。」等，茲將以上項目整理為下圖16：學生自評課程學習內容分類： 圖16：學生自評課程學習內容分類 而在課程建議項目中，有9位學生覺得課程是「新奇」、「有趣」及「好玩」的，有5位學生覺得課程「很棒」，有1位學生表示ORID學習單較難。此外，也有針對課程內容的建議，希望課程教學中增加「影音」內容的學生有2位，希望課程中增加「實驗」的學生有3位，希望課程能增加互動性（遊戲、平板融入）的學生有1位。 陸、教師教學觀察與省思 一、教學觀察 在往常的圖書館利用課程中，閱讀課時常是學生在圖書館自由閱讀、借書，而教師考察、檢核學生的成效則以每學期幾篇的閱讀心得來評定。而若當其他課程進度緊迫、學校活動忙碌時，閱讀課也往往最容易被挪作他用，因為「閱讀」是無法依靠量化測驗表現的能力，更無法僅從借書量來判定閱讀能力。因此，每當研究者看著明明有著豐富資源的圖書館，卻無法讓孩子好好利用時，總是感到萬分遺憾。 這次的科學閱讀課程，是由閱讀作為起點，引發孩子科學探究的精神、興趣，並且實際實踐之。以下分別以「閱讀」以及「科學探究」兩部分來討論： （一）閱讀部分 本次選用的科學文本為科學家傳記繪本，希望學生能藉此對科學家以及科學家所從事的工作有更深入的了解，並且能從「了解科學家的科學性格」進一步地「發現自身的科學家性格」。 本單元是研究者實施之第三個科學閱讀課程，每個單元都以一位科學家傳記繪本作為主軸發展課程。在上到本單元時，研究者發現學生對於傳記故事的閱讀越來越熟練，能夠快速的抓到故事的脈絡（起因、經過、結果），並且在科學家性格判斷上也越來越豐富、精準。例如，原先在描述性格時，很多同學都只描述「他很厲害」這般模糊的敘述，並未能說明理由或者舉出故事情節對應。 此外，研究者也發現，學生常常將「成就」與「個人性格」的描述混在一起，將「個人特質」發展到及極致將可能獲得「成就」，反之，未能獲得成果並不代表不具備該特質。到了本單元，研究者發現學生逐漸能夠了解「特質」跟「成就」之間的差異，在描述科學家性格時變得更準確了。 （二）科學探究部分 本次科學閱讀課程架構為「預測」、「觀察」和「解釋」，即為科學探究之步驟。「預測」的部分希望學生從舊經驗出發，嘗試以舊經驗去對所需探究之對象或項目進行結果「預測」；接著以小組為單位進行探究活動，並「觀察」探究的過程並記錄下來；最後分享各組的觀察結果，教師帶領學生進行統整，「解釋」探究過程的發現，並且適時地引入科學名詞、概念的介紹。 然而研究者在進行課程時的觀察發現，學生對於「預測」不太主動。也就是說，當教師提出問題請學生根據經驗推理並進行大膽預測時，學生反而顯得很被動，面無表情、目光渙散，似乎在等待老師直接給出答案，這個現象在進行第一個科學閱讀單元時尤為明顯。研究者推測這可能受到國內長期有「標準答案」的考試形式所影響，因為答案只有對錯之分，從而讓學生可能因為「害怕答錯」而放棄嘗試，或因為想「避免失敗」而對於稍微有挑戰的問題拒而遠之。 此現象讓研究者起初感到有些喪氣，但當進行到第三個單元「凱西」時，學生已經逐漸習慣科學探究的流程，發現除了「結果」，探究的「過程」也很重要。因此，無論是在一開始「預測」階段，或者後來的「觀察」、「解釋」階段，研究者發現學生之「課堂參與度」與「學習興趣」有明顯的提升，並且愈來愈願意提出不同的假設。而在提出自己看法時，學生中開始有愈來愈多人能夠提出證據或以觀察結果進行說明。 二、教學省思 在本課程的每個階段，教師皆會設計對應的學習單讓學生記錄學習過程，最後每位學生將學習單們依序排列整理成該生的「科學日誌」。而在研究者批閱學習單、整理學生回饋單時，研究者也同步進行教學回顧與省思，以下分述之： （一）閱讀指導部分 1、閱讀部分ORID學習單的功效與目的 原先研究者加入ORID學習單的目的，是希望學生能夠在閱讀完後記錄自己的所得所感，主要是希望學生能夠從中發現「科學家性格」並且與自身性格連結。而在實施後，研究者發現學生花了蠻多時間在「O（事實性層次）」，也就是紀錄的是故事的流程；而實際學生心得的「R（反映性層次）」與「I（詮釋性層次）」紀錄的反而比較少。至於「D（決定性層次）」，學生習寫的狀況與科學探究相關的實踐較少，多半與學校生活、考試相關。 因此，若以本次科學閱讀的課程目的來討論，ORID學習單的功用似乎作用不大。考量研究目的，研究者認為或許可以調整成以與「科學家性格」相關的問題進行提問統整的學習單，這樣帶領學生討論閱讀時，或許更能夠幫助學生聚焦在「科學家性格」與「自身性格」的連結上。 2、有關女科學家故事與性別意識 此單元科學家傳記繪本的主角為女性，由於這是研究者班級進行的第三個單元──每個單元模式相同，都先閱讀完一本科學家傳記繪本後，進行延伸科學探究活動──故學生在閱讀時，起初並沒有覺得因為「性別不同」有什麼差別，就覺得一樣試在閱讀一個科學家的故事。直到閱讀到了某一面（下圖17），他們才忽然意識到「對欸，凱西是女生」。而在研究者收回學生的閱讀紀錄單時，也發現有部分學生記錄到相關的想法，茲將其整理如下圖18： 圖17. 繪本中有關性別意識的頁面 圖18. 學生閱讀紀錄單中關於「性別意識」的部分整理 而後在與學生的討論過程中，研究者詢問學生的讀後心得時，有一位女同學就說：「她覺得凱西旁邊的同學很奇怪，為什麼一定要當護士或老師？」接著全班就針對「是凱西旁邊的同學問的問題很奇怪，還是凱西很奇怪？為什麼呢」稍微進行了討論。 全班大致有一半的同學皆認為，凱西旁邊同學會這樣說的原因，是因為「感覺男生比擅長開飛機、修機器」，所以像凱西這樣會開飛機的女生比較少見。接著，研究者便接著詢問：「很少見就是很奇怪嗎？」然後同學們沉默幾秒陷入思考，接著一開始表示凱西同學很奇怪的女生就大聲回答：「哪裡奇怪？比較少又不是奇怪，可能只是沒看過而已啊！」 於是研究者便順勢往下問，「那為什麼凱西旁邊的同學覺得女生要當老師或護士？」大家思考了一下，便不約而同的回答：「感覺好像是爸爸媽媽（長輩、親戚）或電是什麼的，都說／聽過類似的話，所以才有這種感覺。」 最後研究者從看繪本的心路歷程，和學生討論「為什麼一開始沒有意識到凱西是女生，後來才突然發現的原因」，最後與學生歸納結論：特質跟性別沒有關係，所以一開始才沒特別留意凱西的性別，因為不論性別如何，每個人都可以喜歡、擅長不同的東西。而凱西同學、大家覺得性別應該做特定職業的想法，是後來「因為別人說（聽別人說）」才出現的，所以像是一種經驗的累積，「沒有一定要這樣」。 研究者於教學後省思，覺得這樣的討論是頗具意義的，因為正規課程中並無法有充裕時間進行這般的討論，且「讓學生發現認知矛盾再進行的討論」遠比「直接以性別平等教育角度切入的討論」來的更有價值，並且更能促進思考與降低說教意味。因此，若是這樣的跨領域閱讀課程能繼續發展下去、發展成熟，或許除了科學家特質外，學生還能在閱讀中潛移默化地學習到性別的實質平等。 （二）探究活動學習單的設計 目前的探究活動學習單，設計形式比較接近「紀錄單」，原先研究者是希望學生能藉此紀錄探究活動的歷程與結果。實際實施後，的確學生有依照學習單進行紀錄，但是由於記錄單設計的方式是以表格、勾選等方式記錄，使得學生紀錄的內容基本上相似，無法顯示出不同學生間學習歷程的差異。 因此，研究者覺得可將活動紀錄單的形式做調整，除了記錄探究結果外，應可以加上更多提供學生創意紀錄歷程的部分，讓學生的學習歷程能夠以更多元的方式留下紀錄，並展現不同學生獨特的歷程。 （三）學生回饋單的項目設計 在研究者整理學生回饋單時，發現由於回饋單設計的方式都以「勾選」為主，故即便得到對應的量化數字，卻缺乏了學生對不同活動環節的實質性反映，因此研究者認為可以在設計學生回饋單題目上進行調整，增加開放式作答的提問，讓學生能夠更具體的敘述自己的所得與建議。 此外，在課程心得部分，研究者在思考是否能夠結合平板進行語音輸入，這樣一來在有限的課程時間內，學生能夠表達更多的個人意見，較不會受限於寫字速度、國字不會寫等等因素影響。不過，「融入平板進行心得記錄」本身需要花費一定時間讓學生進行操作練習，而「每生是否能夠分配到一台平板電腦」也是考量的因素之一，故還需要綜合評估實施的可行性。 （四）課程規畫的流程與時間安排 本課程為科學閱讀課程，預定以每週一堂40分鐘的「閱讀課」進行課程實施。然在進行探究活動時，有時候需要一次性較長時間進行活動，不適合分段、分周進行，在目前現有的課程規劃下，研究者就必須與導師「調課」，好讓需要連貫的課程內容不至於被分開。 然，若此課程做為全校性的閱讀課程實施，若常需要「調課」以配合課程需求，是否反而會讓實施難度提升？又或者，學校的「閱讀課」在課程安排上，能夠有機會以校本課程的方式一次安排兩堂課，好讓需要連貫的活動得以順利進行？目前研究者只在一個班級進行科學閱讀課程的嘗試，希望若是此科學閱讀課程能夠推行至全學年，或許可以融入校本課程進行整學年的規劃，好讓課程進行上時間能更充裕，同時也能使學生學習的歷程更豐富。 捌、結語 在變化快速的現代社會中，擁有單一的知識是不夠的，為了面對當下生活以及未來的挑戰，我們需要跨領域、跨學科的生活知識，並且擁有能將這些知識實踐、運用在生活的能力，而這也就是十二年國教所謂的「素養」。 而為了能終生學習，「閱讀」絕對是不可或缺的一部份。在目前小學教育現場的閱讀課程，大多都是以學生自由閱讀或一學期一兩次的講座型課程為主，且大抵是與國語文領域結合，因此研究者希望能嘗試進行與其他領域結合之跨領域閱讀課程，好讓學生的閱讀學習能夠更豐富。 在本次的科學閱讀課程中，研究者發現透過這樣的課程，能提升學生的學習興趣及動機，並且藉由進行繪本延伸的探究活動，讓學生實際體會知識與生活的連結。而透過閱讀科學家繪本，也讓學生更理解科學家及其性格，從而逐漸發現自身的科學家性格，於是乎能更主動地留意生活周遭事物，保持好奇與提問的精神，自發性地進行探究活動。而這也是本研究的主要目標與期望，希望能在這樣的跨領域科學閱讀課程中去啟發學童，培養學生的科學家思維與探究精神，最終能成為一位位小小科學家。 參考資料 Van Vleet, C.、Sullivan, K.、Wong, N.（2016）。To the Stars!: The First American Woman to Walk in Space。Charlesbridge。 Farland-Smith, D.、Thomas, J.（2018）。Eureka, Again!: K-2 Science Activities and Stories。National Science Teachers Association。 翁淑容（2006）。生命教育課程融入英語繪本教學對國小高年級學童自我概念、生命價值觀與生活態度影響之研究。國立高雄師範大學教育學系，高雄市。 劉淑雯（2019）。趣讀科普，昇華閱讀，活化STEM腦。科學研習月刊，58（01）。臺北：科教館。 劉淑雯（2020），可可冰之跨域教學研究，科學研習月刊，58（02）。臺北：科教館。 劉淑雯 臺北市立大學師資培育及職涯發展中心教授 游舒媛

STEAM課程融入中學探究實作的案發現場

文/王冠智、黃琴扉 前言 2018年底英國「經濟學人智庫」（Economist Intelligence Unit, EIU）調查50國為培養學生未來生活與工作知能，教育體制所作的教育準備，公布「全球未來教育指數」（Worldwide Educating for the Future Index），其結果顯示台灣排名為第17名，並且指出臺灣學生的弱點在於課外實作經驗不足（EIU, 2018）。然而，在另一方面，近幾年台灣在國際學生能力評量計畫（PISA）中科學與數學的表現仍不遜色，這意味著臺灣學生在基礎科學領域的學習實力並不差，但是普遍在學與用之間有著落差，尤其面對未來快速變遷的社會思潮與科技的迅速發展，智能自動化浪潮的來臨，新世代的教育應當培養學生具有將知識轉換成活用的生活問題解決能力，並且具備正確的科學態度（黃琴扉、王冠智，2019；教育部，2014）。這也正是十二年國教中108課綱所強調的素養培養，要運用知識來解決生活問題（教育部，2019），108課綱致力將九年一貫的能力導向全面提升為素養導向，強調學生的知識、能力、態度三者揉合成一體的智能與陶冶，並且強化科目之間的連貫與統整，為面對未來挑戰增進跨領域應用的多元能力（邱美虹，2016；林慶隆，2016）。 在108課綱理念推行之下，科學教育將由知識本位導向逐步轉變成素養導向的教學，強調以「探究實作」來理解科學，帶領學生手腦並用學習科學內涵（鄭文星，2003；NRC, 2013），結合動手做（hands-on）和動腦想（minds-on）的探究學習策略來更有效地培養學生科學素養（NRC, 1996），並且素養導向的科學探究特別著重情境脈絡應用與知識的連結，期望學生藉由動手作習得真實世界解決問題的能力（詹惠雪、陳美如，2018），如此連結實際情境脈絡方能使科學學習產生意義。在教學的現場，針對108課綱的落實，素養導向的內涵也都逐步融入自然科學教材與命題，相對應地，教師們在教學現場執行探究實作的教學時，應當重視學生如何學而非單純的學知識（呂秀蓮，2018），因此，教師設計探究實作課程須注意其主題內涵必須生活化、跨領域、統整性、問題層次化、具有實作體驗等面向的統合，如此達成提升學習者在真實問題情境脈絡的探究能力（黃琴扉、王冠智，2019）。 執行探究實作課程其主題的選取與設計不僅要與生活情境緊密連結而且還要具備跨領域的多面向思維，掌握科學本質、科技應用、科學議題的社會性重點並且相互搭配，是推動素養導向科學教育的良好教學策略（Roberts, 2007），在此策略下符合對於探究實作精神內涵、生活情境脈絡應用與跨領域整合的STEAM課程，將是實踐108課綱素養導向的科學探究實作之一大利器。STEAM（Science,Technology, Engineering, Art and Mathematics）指的是在教學上整合科學、科技、工程、藝術、數學五大面向的知識及技能教學模式，教師在此模式之下引導學生活用知識和技能進行專題式學習（Project Based Learning），透過專題式學習，老師轉變為引導者，提供背景知識與跨領域的學習架構，針對所選定之專題進行探究實作，經由STEAM課程設計的探究實作課程，學生能有較多的設計、探究、分析、綜合評估的學習機會，建構完整統合與應用能力（范斯淳、游光詔，2016），並且提升在真實情境下的科學過程技能與跨領域整合能力，亦有助於豐富學生正向科學態度和藝術的社會性思維。 綜合上述，本文將探討本文作者親自於中學課程中嘗試融入STEAM理念執行的探究實作課程，並且搭配108課綱精神的科學教育實踐，在其事前的準備、進行中的所見所聞、事後的反思回饋，以教學現場所經歷作以下幾點整理與討論。 壹、教師執行探究實作的準備與章法 理想的探究型態為開放式探究，讓學生從無到有自行探究，但是這樣的探究屬於高學習動機與高科學興趣的學生，實屬不易，教師理應當以引導式探究執行實作課程，再者，教師對於探究主題的選定極為重要，這將決定了此主題的背景知識架構的深淺與層次發展，以及此主題能橫跨多少個科目領域。可以說好的主題是成功的開始，教師身為知識的守門人與轉化者，在提升學生科學素養的探究教學現場有著舉足輕重的影響，因此能否成功為落實108課綱理念的探究實作，其事前準備與執行章法上的構思，直接決定探究實作的學習品質，下列針對本文作者執行探究實作課室教學，提出應具備的思維與執行章法的建議。 一、選定具有統整知識脈絡的探究主題 探究主題需在教師的審慎思考下選定具有能統整知識發展脈絡的主題，並且此知識要能與課本所學作連結，讓學生感受到課堂所學是可以被實際應用，較有難度的知識內容經過探究實作後，學生更能理解此知識由淺到深、由理論到實務的學習層次。除此之外，探究主題要具備多元與跨領域的特性，學生才能全方面提升其科學素養，探究主題與生活的緊密連結更是不容忽視的重點，真實情境的探究實作能使學生具有學習遷徙的效果，在未來類似的社會場域也能自我探究思考解決問題。實際現場上筆者觀察到部分教育者會將舊課綱刪除的實驗直接變成探究實作內容，不可否認其主題的知識性充足，但是否有滿足素養導向的科學教育，培養學生科學的多向度能力，或許可以再進行修改審視。 二、教師應組織科學學習架構，引導學生探究科學 科學探究的過程包含提出問題、形成假說、設計實驗、論證與建模、表達分享的整套流程，但是在教學實務上最花時間的就是在一開始的提出問題，因此教師選定好的探究主題是很重要的第一步驟。接著，教師應向學生清楚說明問題的背景知識、時空情境，引導學生能快速聚焦問題本身，再進行符合科學態度與探究思考內涵的發散思考，如此一來可避免學生對主題思考的不切實際，教師也可同步加強科學學習的知識技能架構，讓學生學習如科學家般的思考之外，更能依循科學探究的歷程步步確實其學習歷程。 因此，教師事先構思好探究內容範圍由廣至狹的各階段表現，並且設定學生每一堂課指定完成的目標程度，表面上可能是某一個變因的實作探討或完成現象觀察學習單，但實際對教師而言，心中即已掌握學生探究的層次與學習的深淺，這樣在實際教學上能大幅幫助師生雙方科學探究的完成度。 三、教師時時反思科學內容，培養學生生活科學感知 科學探究主題要與生活作緊密結合，但是實務上教師要從無到有產出具有與生活高度連結又能落實探究的主題，實在不容易，發展一個科學探究主題不僅耗時又需要多人協助發想。因此，不仿從教科書中著手設計，畢竟科學與人文都是啟始於對大自然的觀察以及對社會互動的理解，是對各種現象統整後的精煉知識，而教師在設計探究主題上要反其道而行，「解壓縮」這些精煉知識，經過教師對科學知識內容的把守與轉化，建立成可執行探究的教學主題。教師在平時備課時即可對於教科書內整理出來的「生活應用」、「延伸思考」、「素養閱讀」這些方面所提及的內容進行如何能轉變成探究式教學的反思設計；同樣地，教師課室教學時應鼓勵學生對生活周遭所發生的事情進行科學性思考，並且蒐集這些生活時事，它們可能可以變成良好的探究素材。 綜合以上，本文作者就以曾授課過的「時鐘」為探究主題進行教學實例分享。此主題發想來自於物理教學中對於時間制定的反思，我們都知道現行一秒的定義是來自於銫原子鐘振盪頻率，但是觀望漫漫人類科技發展長河，教科書多只給現行結論，由此著手思考設計探究主題，整理其課程設計的各面向思維如下表1： 表1. 時鐘探究實作課程設計發想的各項內容 由上表1可知，將「時鐘」這個主題剖析後，具備跨領域應用亦可結合探究實作，又與課本知識高度連結，是在生活中顯而易見的一項科技產物，若能經由教師適當地安排組織後，將會是個良好的探究實作主題，事實上，有很多事物皆可經過科學性剖析後轉變成探究主題，由此提供一個範例作為參考。探究實作的教學整體流程參閱相關研究與筆者現場經驗後，整理如下圖1所示。 圖1. 探究實作的教學整體流程自製圖 貳、課室教學中落實STEAM融入課程的歷程 STEAM的教育理念和108課綱核心素養都強調要培養素養使學生能活用知識解決問題，STEAM課程本身就具有跨領域統合的特性，因此，將STEAM課程理念融入探究實作課程可使其相得益彰，能夠增進學生的科學素養，在實務經驗上也是很實用的教學策略之一，要能夠將科學、科技、工程、藝術、數學五大面向融入課程，必須掌握下列幾個重點。 一、拆分知識解構後再建構 一個科學事物本來都是許多面向的知識揉合在一起，教師須先將其拆分解構，將主題的科學知識拆解後分門別類，可運用概念圖整理其架構脈絡，接著再分別將STEAM五大面向的領域知識套入課程主題，依循其架構脈絡尋找STEAM五大面向的切入點，以筆者的實際經驗，這個步驟需要大量的資料搜尋與文獻探討，因為將科學、科技、工程、藝術、數學融入課程主題的過程並不是強塞或沾到邊就好，而是要將課程主題作知識架構的分析，分解出本來就藏身於內的科學智慧後，建構替學生的學習進程量身打造STEAM課程，此過程如同製作美味漢堡，分別找尋每一層的材料結合起來仍是美味健康的漢堡。 二、打破單一科目框架，跨領域整合思考 真實世界的科學很難以二分法畫定其知識科目，由其自然科學皆是源自觀察大自然後所收斂匯聚而得的知識，因此在將STEAM理念融入課程時，教師須打破單一科目的既定框架，才能擴展課程的豐富度，在此階段的實務經驗上，需要教師跨領域的相互合作，藉由科內共同備課和跨科合作產出相關教案，除此之外，因為STEAM課程設計內涵的深淺不一，在準備階段更需要向上的教學資源整合，才能根據學生適合的狀態設計STEAM概念融入課程。 三、教師與學生共同充實生活體驗 新時代的教學應是雙向進行的，然而我們只就針對教師本身，在其研習成長上應多充實生活體驗，STEAM課程是跨領域統整性的，要將其融入符合素養導向的科學教育中，必須要有豐富的生活體驗才能發想出與生活高度連結的問題，再者，STEAM理念的五大面向很難是單一教師能完全透徹掌握，因此，教師在此階段需參加相關得跨領域研習和統整性的應用講座，由此來充實教師設計STEAM課程的能力，經由內省轉化後變成備課素材。 綜合以上筆者再次以STEAM融入「時鐘」課程為例，說明實際如何設計STEAM課程，在此主題之下的內涵整理於下表2： 表2. STEAM融入時鐘課程之設計 由上表2可以看出來STEAM五大面向融入課程的良好結合，但是教學現場要落實STEAM融入課程沒有那麼容易，其困難一是在於發展巧妙融入STEAM設計的課程需要長期時間的發展，其二是正式學科課堂中有其進度壓力與時間分配的限制，因此較為適合的課程正是探究實作課，筆者的實際經驗是正式學科課堂和STEAM融入探究實作課程需要相互搭配，能夠有更好的教學成效。上述想法與筆者經驗對於STEAM融入課程的流程整理如下圖2。 圖2. STEAM融入課程的準備流程自製圖 參、探究現場學生的收穫與回饋 執行STEAM理念融入的探究實作課程，學生的收穫除了探究主題本身的知識之外，更重要的是習得如何學習探索未知時，該秉持的科學態度與分析的科學方法，而從學生收回的學習單和上課觀察中可以初步了解到，大多的回饋表達如「自己找出來了為什麼課本會寫這樣的結論」、「原來小小一個時鐘有這麼多我不知道也沒發現的事情」，從這樣的回應可以知道學生是主動建構知識，而非被動接收，並且能體悟到一項科學產品的跨域延伸與應用是很多面向的。 除了上述之外，執行科學探究實作學生能學到數據分析與科學論證的基本處理經驗，這是學習科學很重要的經驗過程，傳統知識教學上傾向直接講答案，然而透過探究實作，反其道而行讓學生在教師引導下自行找出答案，雖然現場經驗上，學生處理數據與科學論證尚未成熟，但這是培育學生正確科學態度與科學過程技能不可忽略的一個過程。進一步與學生互動後發現，探究實作過程學生可以鍛練問題解決與障礙排除的能力，甚至更深入互動問答下，學生會有優化探究步驟和產生如何作會更好的想法，代表學生已經習得認知領域的更高層次了，以上都是學生在探究實作真實的表現，也是珍貴的自我學習歷程。 肆、探究實作教學現場的待克服之處 108課綱推行探究實作課程以來，不乏看見許多老師致力分享與開設探究實作相關工作坊和研習，但另一方面，要在教學現場順利執行探究實作仍存在著許多困難等待克服，下列筆者以自身經驗將列出相關問題整理如下： 一、學校行政與設備問題 不同學校對於執行探究實作的支持度仍有落差，因此在後端設備與相關行政支援上造成各校不一的情況，對於探究實作的落實有很大影響。 二、探究主題選定困難 探究主題的選定的責任落在授課教師身上，然而良好的探究主題需要長時間經營試探，因此在主題的選定需要花更多時間討論與設計安排。 三、探究教學現場經營問題 探究實作的現場班級經營需要教師花更多心力，整體教學步驟流程與對各學生的學習狀況進度拿捏，班級秩序與互動都需要教師同步掌握，在只有一位教師的情況下，如何兼顧教學品質與學生投入程度，著實需要教師事前設想。 四、學生問題超出範圍困難 在現場經驗中，少數學生透過探究實作的體驗後引發學生有更深入的思考，也因此提出更深一層的問題，此時教師就必須向外尋找教學資源，理論上這是個好現象，但是實務上為求教師教學的整體便利性必須建立好探究的範圍，教師在此兩者間的取捨使得教師在有限時間下必須妥善安排。 五、建模完整度困難 由於真實世界的問題其難度深淺不一，因此在探究實作的最後一個步驟就是論證與建模當中，建模的完整度與呈現也不盡相同，有些主題能夠建立較為理想化的模型公式，但是有一些主題在學科知識架構下只能建立簡單的比較分析，因此建模步驟在現場實務上有一定的複雜與困難度。 上述五點困難與問題，會依據教師所處環境與學生狀況而有所不同，對於部分學校而言或許不是問題，正是因為這樣的差異，造成探究實作課程的品質與層次有所落差，而教師在當中需要不同種類的支持，可能很難兼顧或全面改善。 結語 本文以一位中學教師立場反思綜觀STEAM課程融入探究實作的現場，很能認同108課綱的素養導向科學教育，以及STEAM融入課程所要帶給學生的新時代思維與科學素養，也從學生的回饋中驗證了學習者可以領略探究實作的精隨；教師透過STEAM課程的融入，可以帶來跨領域學習與延伸思考的優點。但同時也點出了教學現場要完美落實這些課程的不易，以筆者本身而言，探究實作課程的缺點是在於執行面，學校端與教師能否提供充分支持，支持教師進行一連串長線的研習與培育，而非短期成效立刻產出一套教案，是關乎STEAM課程融入探究實作品質的重要指標，然而，以學校行政與各類成本的考量，要支持教師長期的研習進修與投入STEAM融入探究實作課程很難達成各校統一。由相關理論和研究都已經明確知道，STEAM課程融入探究實作是需要多位教師協助共備的，是需要教師廣泛跨域研習的，是教師要花時間對生活情境問題解構再建構的，因此，若要使理論和實務整合一起，則必須在教師支持系統的貫徹上統一一致，不應當將探究實作只視為一個新的知識考科，而是需將它當作學生與真實世界互動的科學素養成長過程。 致謝 本文透過教學歷程反思精煉，撰寫成教案參加「全國探究競賽-這樣教我就懂」競賽，很榮幸獲得佳作，特此感謝評審們給予的肯定與建議，促成了本文的創發。 參考文獻 教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要─自然科學領域課程手冊。臺北：教育部。 黃琴扉、王冠智（2019）。運用STEAM概念發展流籠運水創意課程。國立台灣科學教育館，生活科學補給站。取自：https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6844&a=0&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=15544 盧秀琴、馬士茵（2019）。設計STEAM課程培養國小學生的STEAM素養：以「動物模仿獸」為例。教育科學研究期刊，64（3），85-118。 張芬芬（2019）。素養是師生共構融會貫通的活知識-108課綱知識論。臺灣教育評論月刊，8（10），1-5。 詹惠雪、陳美如（2018）。自然科學素養導向課程設計與實踐－以國中理化能源主題為例。中等教育，69（4），90-104。 呂秀蓮（2018）。下世代教育─STEAM新素養。清華教育，95，1。 邱美虹（2016）。科學教育之發展與反思─從萌芽期、蓬勃期、挑戰期談起。科學研習，55，8-16。 林慶隆（2016）。國小自然教科書之知識論與課程觀演變。新北:國家教育研究院。 范斯淳、游光昭（2016）。科技教育融入STEM課程的核心價值與實踐。教育科學研究期刊，61（2），153-183。 教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。臺北：教育部。 鄭文星（2003）。美國科學教育標準對臺灣九年一貫課課改革的啟示。教育資料與研究，52，62-67。 EIU（2018）. 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科教館女性科技人才培育課程綜論與教學現場延伸運用之實踐

文／黃真瑱、佟冠誼、蘇萬生 圖／黃真瑱 圖1. 女性科技人才培育課程融入低年級課室，臺北市金華國小學生。 科技部「女性科技人才培育計畫」定義的目的為針對我國女性於STEM（Science, Technology, Engineering and Mathematics）領域之學習及參與現況，提出促進措施與活動或出版設計，以提升女性學習科學之興趣，並促進女性參與科學及從事科學工作。自民國103年起，科技部極力推廣女性科技人才培育（以下簡稱女培），很幸運地，國立臺灣科學教育館（以下簡稱科教館）於108年獲得科技部補助，開始進行為期1年（108年8月~109年7月）的首屆女培計畫—「嘿！女孩們！動手探索科學趣」。此計畫是利用學校晨光時間進行教學，透過學習科學相關的實作課程，激發國小女學生對科學研究的興趣，以提升探索科學的能力與科學素養，進而增進學生探究問題的能力。本文首先將科教館與臺北市四所學校合作入校推廣的實作課程、參觀「設計我們的世界-科技性別化創新」特展、親子共學課程與教師研習做一綜合論述後，而後分享金華國小黃真瑱教師藉此計畫之課程設計理念發展出適合低年級學童的探究與實作課程，並成功應用於教學現場之實踐。 壹、計畫發想 一、世界各國仍存在對性別的不平等 2018年歐洲核子研究組織（CERN）舉辦了一系列的講座中一位來自義大利的物理學家斯特魯米亞（Alessandro Strumia）在台上表示，「女性在物理學上的表現不如男性，但像他一樣的男性科學家卻被調職，由經驗不足的女科學家頂替他們的位置，真正受到性別歧視的應該是男性。」 （地球圖輯隊，2018）。2019年黑洞照片被公布後，協助團隊開發演算法的29歲女科學家布曼（Katie Bouman）被推舉為最大功臣，她雖然一再強調成果來自團隊合作，但卻因當時媒體的吹捧，使她受到很多與性別有關的攻擊（陳鈺臻，2019）。由此可見，就算女性科學家在各方面有卓越表現，也不免受到性別的不平等。 二、管漏現象 在性別與科技研究中常用的譬喻，用來描述女性在理工學科以及科技專業領域中，越往高層人數越少，就像會漏水的管子一樣，越往前進，水漏得越多，剩下在管子裡的水變少。根據教育部統計2014年至2018年，有關理工科女性畢業生人數發現，的確越往上就讀，人數越少，且是大幅變少（教育部統計處，2019）。 表1. 104-108學年度高等教育STEM女性畢業生人數統計表 說明：本表STEM領域係指「自然科學、數學及統計」、「資訊通訊科技」及「工程、製造及營建」領域。來源：教育部統計處。 三、性別刻板威脅 刻板印象威脅（stereotype threat effect）是 C. M. Steele 與 J. Aronson 於 1995 年以心理學角度提出的社會現象，指當某群體受到社會上的負面刻板印象影響時，會導致該群體的個人在行為表現上變差的現象，從此研究發展以來，已經在多個領域都證實此現象存在，而若此威脅現象與性別刻板印象相關，則稱為「性別刻板印象威脅」（陳皎眉、孫旻暐，2006），也因此在同性別較多的環境下，少數不同性別的人會懷疑自己的能力不足，對自己產生信心不足的現象。 貳、女培課程設計總論 一、入校課程規劃 （一）設計理念 以跨科學為架構，主要培養學生「探究與實作」以及未來面對生活中挑戰的能力，並讓學生透過「動手做」與小組合作來進行實踐。安排女同學接觸STEAM（Science, Technology, Engineering, Art, and Mathematics）的科學動手做課程活動，有助於提升女同學從事與科學相關的學習興趣以培養其及探究與實作的能力。 （二）課程設計大綱 十個課程主題設計融合的領域涵蓋自然科技、社會、綜合、語文、藝術人文、數學，搭配新課綱的核心素養，邀請各領域的優秀老師入校推廣探究與實作。 表2. 女培課程設計大綱表 二、教師研習活動 （一）研習活動目的 有計畫、有系統、有組織、有目標導向的研習活動，可以透過各種方法，來增進教師的專業知能。另一方面，教師研習活動的目的也因為隨著社會變遷、知識不斷進步和專業化的需求等，來提供教師更多面向的思考以及開拓教師教學上的視野。 （二）研習活動的規劃 研習活動的主題融入自然、藝術、語文、數學、社會等領域，理論與實作的相互應用，協助推廣學校教師指導學生的多面向題材。 表3. 女培課程教師研習活動規劃大綱 三、親子共學假日課和校外教學 （一）親子共學課程與校外教學目的 一般來說，小孩的學習深受父母的價值觀所影響，因此，透過親子的共同學習，小孩將從活動之中，體會到父母認真學習的態度以及面對挫折的容忍力，這樣的直接感受與學習，會是更為有效。另外，學生一向對於走出校門學習比坐在教室聽課要來得有興趣多，故透過校外教學等多樣態的學習途徑，可增進學生的學習意願。 （二）課程設計大綱 親子課程與校外教學搭配活潑生動的主題，讓家長與親子間都能輕鬆駕馭，尤其將親子共學的部份作為主要推廣內容，家長與學生將學習獲得的知識帶入生活當中，能夠獲得不一樣的視野。 表4. 女培課程親子共學及校外教學課程設計大綱表 參、女培課程概念實際在低年級課室中延伸教學應用 參與上述所有教學活動後，教師將原本在高年級女學生實施的女培課程概念，試著融入低年級的課室中作為教學延伸。以下就延伸教學的部分進行介紹。 一、臺灣傑出女科學家系列影片介紹 首屆「臺灣傑出女科學家獎」頒獎典禮於2008年1月舉行，目的在表揚女科學家的傑出成就及對社會的貢獻，並以此典範鼓勵更多女性參與科學，促使科學界兩性均衡，進而更加速科學精進。教師藉由此系列影片介紹女性科學家讓學生認識。 （一）實施時間：每週兩次晨光時間介紹女科學家系列影片，共三週，介紹六位女性傑出科學家。 （二）實施內容： 一次介紹一位女科學家。分別為第三屆傑出女科學家獎得主，研究B型肝炎及C型肝炎病毒領域的吳妍華博士；第三屆傑出女科學獎得主，新生兒膽道閉鎖的專家，嬰兒大便卡的發明者張美惠博士；第四屆傑出女科學獎得主，改寫臺灣地震理論的馬國鳳博士；研究類固醇功能調控、斑馬魚發育的鍾邦柱博士；研究超導、半導、磁性超晶格的郭瑞年教授；第五屆傑出女科學家獎得主，研究甲殼類疾病及免疫學的羅竹芳博士。 （三）實施方式： 由於題材的內容對於低年級的學生較為艱澀，每一部介紹影片只有不到十分鐘，但是很多部份需要老師一邊播放，一邊解說的方式進行，每一支影片的課堂使用時間約在35至40分鐘。在結束影片播放及解說結束後，會進行有獎徵答，測試學生是否有吸收到重點。另外，桌遊活動則在規則說明與熟悉卡牌之後，分別兩次讓學生進行實際玩桌遊。 圖2. 女科學家系列影片欣賞 （影片來自「臺灣傑出女科學家獎」網站） （四）學生回饋： 多數的女學生覺得透過女科學家的故事，原來也有這麼多很優秀的女科學家活躍在不同的領域當中。多數的男學生覺得更加佩服具有研究精神的女研究者，並想向她們看齊。 二、「傑出女科學家」系列影片與桌遊課程結合繪畫比賽 （一）實施時間：桌遊活動利用三次晨光時間；繪畫比賽使用兩節生活課，共200分鐘。 （二）實施內容：桌遊遊戲規則說明、實際分組練習玩桌遊、舉辦競賽、課堂繪畫指導。 圖3. 分組玩女科學家桌遊卡牌 （三）學生作品欣賞 圖4.學生作品1 圖5.學生作品2 圖6.學生作品3 圖7.學生作品4 圖8.學生作品5 圖9.學生作品6 （四）家長及學生的回饋： 舉辦繪畫比賽除了增加小朋友的主動學習外，也深受家長好評，家長表示老師在引導的過程，學生會無形中主動想去了解更多不同的學習領域。再進一步透過遊戲圖卡讓學生認識不同的研究領域，了解到原來研究一個小小的東西也能發光發熱。 三、設計搭配生活課程的科普文章閱讀 （一）實施時間：晨光時間，共五次，200分鐘。 （二）實施內容： 設計五篇閱讀科普小文章，內容涵蓋生活課本裡面「風而吹過來」、「一起來玩吧」、「聽，那是什麼聲音」單元，再加上，小朋友最喜歡的動物課程相關主題。五篇文章分別為「什麼是風」、「大氣壓力看得見」、「聲音是什麼」、「鳥類救傷知識」、「認識小刺蝟」。 （三）實施流程： 先讓小朋友安靜閱讀短篇科普文章，並先預先作答文章下方的題目。接著，帶著全班同學導讀每段重點，再請小朋友想一響剛剛回答的問題是否判斷正確或是讓孩子回家完成親子共作的作業。 圖10. 科普文章一 圖11. 科普文章二 （四）學生回饋： 透過短文的科普知識，學生大多表示他們更容易理解科學的原理和知識。對老師而言，必須嘗試將科學知識用簡單的文字來表達讓學生易懂，而當文字簡單呈現時，學生反而不覺得科學是門深奧的學問。 四、實作與勞作 低年級年紀較小，對於塗塗畫畫與勞作十分感興趣，因此，教師透過簡單的實作與勞作課程，將科學概念融入生活課程的勞作與實作中，增加課程的豐富性與趣味。 （一）實施時間：生活課十節，共400分鐘。 （二）實施內容： 1.製作風的玩具 帶著學生製作了多樣的風玩具，有龍捲風、風陀螺、迴旋飛機、十字球，學生完成作品之後，可以小試身手（圖12）。 2.測試壓力-變大的氣球 利用真空罐和氣球，與學生玩了一場測試壓力的小遊戲，將吹好鼓起的氣球放入真空罐當中，藉由抽出空氣的過程中，體驗氣球變大，驗證波以耳定律（圖13）。 3.製作壓力小玩具 使用塑膠小滴管、圖畫紙、彩繪用具等，製作出飛吧超人的小玩具，做完之後，學生可以將作品拿來玩遊戲，並進行競賽（圖14、15）。 圖12. 製作風的玩具（龍捲風） 圖13. 抽氣後變大的氣球 圖14. 壓力玩具（標靶製作） 圖15. 壓力玩具（小滴管） 4.製作聲音蛇 利用毛根、紙杯簡單的道具，製作出聲音蛇的小玩具，看著學生透過聲音的震動讓毛根蛇動了起來，體會聲音的傳導，過程中大家也都玩得很開心（圖16）。 5.拍翅鳥 利用西卡紙、吸管、彩繪用具等製作出自己的拍翅鳥，而學生透過拍翅鳥的製作過程中，觀察學習到鳥的翅膀運動方式（圖17）。 6.蛋糕盤刺蝟 利用蛋糕盤及彩繪用具製作出小刺蝟，過程中將觀察到的刺蝟身體特徵，如鼻子和身上的刺毛表現出來。 圖16. 體驗有趣的聲音蛇 圖17. 學生專注於製作拍翅鳥 圖18. 利用簡單材料蛋糕盤製作彩繪刺蝟 （三）學生回饋： 學生最喜歡動手實作，尤其小女生，對於手作課程內心自然雀躍不已，會主動分享作品並幫助其他拙於手作的男生，在彼此互動過程中，女生自信心不知不覺提升，而對於科學小玩具自然更能激起興趣；特別的是，女生在課餘時間也會製作其他科學小玩具與老師分享。 肆、結論與建議 根據在低年級班級之執行情形，提出下列結論與建議： 一、科學結合勞作，女孩兒更有自信 低年級的學生不管男生或女生都最喜歡塗塗畫畫和動手做，因此將簡單的科學原理搭配在生活課的勞作當中，更能讓學生提起興趣學習，邊觀察邊做邊玩，同時也發揮了更多的創意。同樣的，實作的部分也占課堂的絕大部分，讓學生邊做邊創作，尤其女生手比男生巧，科學加上勞作，女學生更是有自信。 二、利用晨光時間豐富科學內涵 教師協助高年級學生在晨光時間實施女培課程入校推廣，學生表示會期待下一次的晨光科學時間。因此，我將簡單的科學概念帶入低年級晨光時間，以不影響正常課程為主要目標，又能夠多給學生一些額外的科學概念，提早開啟他們將來喜歡科學，願意主動投入科學的一扇窗。 三、發展關於女科學家的繪本和動畫 宮崎駿的動畫為何能如此的暢銷，動畫老少咸宜，更何況越小的孩子越喜歡看卡通影片，若能夠將女科學家的奮鬥事蹟或是生平故事利用繪本表示或是動畫呈現，潛移默化，吸引小朋友，相信會更有助於推廣女生願意嘗試科學工作。 四、邊玩邊學的科學 學生在遊戲時，會產生想像力，會沒有壓力，會有與同伴自然的溝通能力。邊玩邊學的科學，就像在遊戲一樣，學生雖然是在遊戲，卻不知不覺的學到了知識，並且會與同伴用自己的語言說出學到的道理，回到家也會用自己的語言跟家長傳達學到的知識。 參考文獻 時時（2018）。「物理是男人一手打造的-義大利科學家發言惹議。地球圖輯隊。取自：https://dq.yam.com/post.php?id=10047 陳皎眉、孫旻暐（2006）。從性別刻板印象威脅談學業表現上的性別差異。教育研究，147：19-30。 陳鈺臻（2019）。科學界也難逃性別歧視歪風？世界首張黑洞照片「功臣」引發爭議，女科學家慘遭網軍攻擊。風傳媒。取自：https://www.storm.mg/article/1171562 教育部（2019）。性別統計指標彙總性資料－學生。教育部統計處。取自：https://depart.moe.edu.tw/ed4500/cp.aspx?n=DCD2BE18CFAF30D0 黃真瑱 臺北市立金華國民小學教師 佟冠誼 國立臺灣科學教育館推廣組行政專員 蘇萬生 國立臺灣科學教育館推廣組薦任編輯

疫情下的線上營隊實踐與挑戰：科學屋塔房

文/高淑惠、林怡萱、劉軒齊 活動緣起 國立臺灣科學教育館執行台北科學藝術園區計畫，其項下子計畫中，屋頂11樓改善施作即將於110年暑期完工，此項更新將增添本館場域基地的使用經營範圍，有教學可用的場地、蜜蜂花園、景觀、休憩等空間，為促及更多的使用可能，開發創新有別以往的觀眾體驗，本館自3月起陸續發想與規劃在暑期辦理5天示範營隊活動，結合 STEAM 與動手做精神，從中培養學生觀察力、合作力與創造力，場域以本館、臺北科學藝術園區以及在地周遭為主，跨界邀請新北市青山國中小、臺東順天書屋以及史汀實驗室合作辦理，參與對象為臺東學子與青山國中小師生，期望透過此活動模式、教學內涵與教案、目標對象可作為本館未來營運參考，並透過此活動的紀錄，可作為本館的推廣素材。 活動目標： 1.開發本館場域營隊創新模式 2.創造城鄉孩童交流之體驗 3.跨部會與跨縣市合作之實現 4.製作宣傳本館活動影像 表1.「科學屋塔房」實驗營隊活動流程（調整前-實體版） 疫情衝擊下的執著 今年5-6月間，因新冠肺炎疫情影響，國內防疫警戒公布達三級，全國各級學校與社教館所進行封閉，以至於所規劃的活動將可能被迫遭受影響；經與團隊數次會議討論與觀察疫情動態，且台東順天書屋承辦人李小英女士積極表達，期望仍可透過數位的方式，使花東孩童參與，持續學習的期待不中斷。因此，將活動調整為線上辦理，並經與團隊溝通協調以及分工合作，仍為期5天，單天各自為上午與下午兩時段，調整前後時程如表1、2所示。 表2.「科學屋塔房」實驗營隊活動流程(調整後-線上版) 活動執行困難與其因應執行方法 以下就本次活動中，TINKERING教育課程之規劃與執行過程所面臨的困難，以及其因應執行方法做一研討說明： 一、使線上活動接近實體活動模式 本館於109年完成三樓「敲敲打打工作坊」常設展示，引進來自舊金山探索館Tinkering Studio概念，內容設計融合STEAM領域相關知識，期望觀眾在動手做及玩樂中，能夠主動探索、自我學習，同時透過共同協作、討論與分享，發展充滿創意、實踐自我的設計（參考文獻1、2）。本館歷年Tinkering 教育展示研發歷程請參考圖2。 圖1. 光影遊戲(左)、塗鴉機器人繪圖(右)示意圖 圖2. Tinkering 教育展示研發歷程 考量本次營隊活動採以遠距教學與線上互動的模式進行，本館以展示中的兩款TINKERING主題工作坊「光影遊戲」與「塗鴉機」，作為本館參與營隊TINKERING活動之內涵，更多主題工作坊請參考本館官方網站 。主要也在於考量孩童居家可獨立一人完成作品的可能性，「快樂城市」、「風管飛行器」、「連鎖反應」、「彈珠機」此4項工作坊則建議多人參與互動，或運用現場的機構裝置與材料其效果會是更適切的體驗。 在實體常設展廳內，提供了多元素材供參與者探索與使用；在居家執行遠距課程，規劃提供必須素材為最首要考量，另外就是「探索」這項體驗了；在模擬遠距教學過程中，並思考材料郵寄與份數等因素，本館提供建議清單，讓孩童課前居家探索尋找素材。 （一）滿足基本要件：提供基本或必須素材 提供兩主題工作坊所必須之素材，包含有紙膠帶、空白紙、塗鴉機材料包(3號電池座、膠條、馬達、電線)、賽璐璐片(A4)、油性麥克筆、食用色素，如圖3。 圖3. 主題工作坊必要素材 （二）居家探索體驗：請學員準備的材料 請學員於居家中探索與準備，塗鴉機需有紙製容器、可裝飾用紙張(色紙、報紙等)、剪刀等，而光影遊戲需準備照明設備(手電筒)、投影用白牆或白紙、色筆、以及可透光的物體(玻璃品、塑膠品)或其他覺得有趣的物件都可以，如圖4。 二、解決遠距教學數位落差 參與本次的孩童大多為國小5年級至國中程度，對於數位平台、寬頻網路、行動載具的準備與操作，並非完整與熟悉；台東順天書屋創辦人李女士，提供chromebook電腦供台東學員使用，以及在書屋環境設立良好通風空間，提供部分孩童可至現場參與課程，現場的輔導人員可從旁協助與指導 三、跨界領域合作與分工 參與團隊除了本館人員，有青山國中小老師、台東順天書屋以及史汀實驗室團隊，整體籌畫與執行過程中，線上課程的執行與研發、課程所需素材的尋找與配送、孩童的召集與管理、經費的申請與補助等等，參與團隊的成員各自發揮所長，以及共同努力完成此次示範營隊的目標相同。 四、線上引導孩童的動機分享 本活動的挑戰，除了將模擬實現現場動手操作感以及素材探索應用，另一項重要的就是在於互動引導的層面，採用了分小組的策略，安排了三位引導員進到線上分組內，除使學員感受互動性、陪伴感之外，亦可與現場引導員角色功能，適當提供詢問與引導，課程最終所有師生回到大教室，分組分享與綜合結論，盡量可顧及每位孩童的參與經驗。 結語 參與活動孩童的作品分享來看(如圖4)，創意仍是無限地發揮，雖為遠距非實體面對面教學，實作的價值仍是可見的，帶領者的角色與任務、學習者的動機與意願，都是促成本次活動能夠完成的重要因素，本館未來仍持續創意研發，聯結各界的量能，將展館資源價值擴散與推廣。 圖4. 本次活動孩童創作作品 (下為塗鴉機、上為光影遊戲) 參考文獻 1.林怡萱（2020）。科普動手做，索啟發思考 敲打科學力-國立臺灣科學教育館首創引入Tinkering教育模式。2020科普論壇。未出版。 2.林怡萱（2018）。為兒童創造敲敲打打（Tinkering）的博物館，博物館簡訊，85，頁16-21。 3.國立臺灣科學教育館官方網站，https://www.ntsec.gov.tw/。 高淑惠 國立臺灣科學教育館跨域策展小組 研究助理 林怡萱 國立臺灣科學教育館跨域策展小組 助理研究員兼組長 劉軒齊 國立臺灣科學教育館跨域策展小組 專任助理

後疫情時代的數位創新學習── 以國立臺灣科學教育館｢結合適性回饋機制之自主科學DIY數位創新學習｣為例

文/陳香微、賴秋琳、吳書豪、李致翔 前言 隨著十二年國教的推動後，108課綱的實施，以「素養導向」教學取代「能力導向」目標；鼓勵學生自發主動的學習，培養與自己能力或興趣相符之專長（洪詠善，2020）。同時，透過特色選修與加深加廣課程，培養學生達到學習目標，徹底改變教育的目的及學習的方法。學習越來越強調適性及個別化的需求，而自主學習也提升了以學生為中心學習的需求。 在自然科學領域課程中，增加了「探究與實作」課程。可知自然科學領域核心素養的內涵包含：提供學生探究學習、問題解決並養成相關知識與技能的探究能力。在博物館服務中，經常用科學手作（又名科學DIY）活動來提供民眾探究與實作的機會。在國立臺灣科學教育館，科學DIY活動以科學教具套件包為基礎，讓民眾從套件的組裝中體驗科學實作樂趣，進而引發對科學原理的探究，培養解決問題能力。 該活動自創辦以來既以團體為對象預約，體驗完成之作品，學生可以帶回家延續探究學習，每年參與人數約15000人，是本館受歡迎的活動項目之一。套件組裝內容有複雜及簡單之區分，但團體預約每次只可以擇一項目挑選，團體中之個人無法依個別興趣、適性或程度做個別選擇，在團體體驗時間內你必須完成套件組裝，但團體中恐有動作較緩慢的個人，勢必影響團體活動或耽誤行程。如果民眾非以團體形式報名，難以參加該活動並體驗。另一方面，因活動時間的限制，難提供民眾個人化的學習內容與完整科學學習時間。 隨著科技的發展，學習可以透過網際網路、以虛擬實境或擴增實境方式學習，教學方式也能更有彈性及變化（Wu等人，2021）。尤其，在疫情肆虐的情況下，民眾對於線上學習資源的需求越來越高。而教學者認為，因疫情而轉變的遠距教學，更需要重視「自主學習」、「探究能力」以及「實作能力」（Klein等人，2021；Jiang等人，2021）。因此，教學者乃至於博物館應提供更多元且更適性的課程活動（如探究教學、科普實作活動等），協助民眾了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究科學的本質。 在此契機底下，本館｢科學DIY活動」從實作的探究中培養解決問題能力，及吻合當今的教育理念，可以如何依循原本科學DIY活動本質且更重視個別化及互動需求，利用科技突破時空的限制，開創數位創新教學，以更符合現代人學習，是後疫情時代下之教學改變的契機。 壹、「DIY數位創新學習計畫」理念 「結合適性回饋機制之自主科學DIY數位創新學習計畫」是我們改變的開始，獲教育部的支持，計畫導入大學學術研究能量，透過產官學合作與永續推廣發展機制，利用既有 DIY活動優勢及機會並克服困難，本原有DIY教學材料及本館資源為素材，建置整合學習系統「DIY互動式電子書」，以幫助學習者透過載具及套件包運用，隨時能在館內與館外學習，並針對學習狀況之進度與差異，提供適性回饋。 本計畫之學習模式參照混合式學習模式設計。這是一種正式的教育模式（Rasheed等人，2020），學生會有一部分的時間是在線上進行學習活動。以某種程度來說，學生能自己控制學習的時間、地點、途徑以及進度。同時，需要有另一部分是在實體場所進行的學習活動，這些活動多半是在有監督的環境下，搭配人機互動、實作、討論等形式進行（Cheng等人，2020；Luo等人，2017）。Boelens等人（2017）分析了640篇關於混合式學習的研究，指出混合式學習的優勢在於提升教學靈活度、刺激師生互動、提升學生學習品質與學習氛圍。例如，Akgunduz與Akinoglu （2017）設計混合式學習活動，來支援學生的科學學習。他們的研究結果證實，透過該學習模式能提高學生的科學學術成績以學習動機。而Stockwell等人（2015）的研究，更提供了關於混合式學習導入科學學習的重要步驟。例如，安排學生個人化的線上學習活動，可以提高學生的參與度與滿意度；而在教室內的面對面實作活動，將有助於提高學生的學業成績。換言之，混合式學習活動對於提升學生科學學科學習有益。基於這樣的概念，本計畫學習模式設計概念如下 一、活動前（線上學習）：引發學習動機，啟動科學大哉問 本計畫在活動前，先整合本館各項學習資源，以提供民眾在家或在館外能獲取相關科學新知。當使用者登入後，系統會先提供使用者科學知識故事，以激發學習興趣。 問 二、科學DIY活動（面對面活動）：手作科學，探究學習 在民眾進行科學DIY手作體驗時，民眾不僅與本館提供之實體素材（套件包）互動，更使用本館提供之載具進行輔助學習。如果民眾是在館外體驗，可以逕行自本館網站下載電子書，配合宅配的套件包學習，不受時空限制。 三、活動後（線上延伸學習）：跨領域整合，培育科學素養 在民眾完成套件組裝後，系統可以推播推薦課程資訊以及相關科學新知，以幫助民眾將活動前、中以及後的學習連結在一起，如圖1。同時，本計畫在活動前與後提供的學習內容有所分級，活動前提供初步的概論，活動後提供該方面與生活連結的例子或者較深度的科學知識；幫助民眾進行深度學習以及科學應用，藉此養成民眾的科學素養。 圖1.學習情境流程 貳、「DIY互動式電子書」範例說明 基於上述的學習模式概念，本計畫將該模式導入於12套課程中；即為每一套活動設計活動前之線上活動、科學DIY活動以及活動後之線上延伸學習。各活動內容與教學重要觀念如表1。而在科學DIY活動的學習中，本計畫除了採用本館原本的科學DIY教材包外，更開發互動式電子書，來輔助民眾進行個人化之實作學習。換言之，民眾來到館內實驗室進行實作課程，亦可以進行自主學習，完成科學玩具。 表1. 互動式電子書文本科學概念彙整表 為了讓民眾在活動前了解科學基本概念，並引發學習動機，本計畫採用互動式故事設計模式，讓民眾在參與活動前可先行了解該科學知識。除此之外，本計畫設計之互動式故事更導入適性回饋機制，在教材中不時有提示詢問學生是否想要獲得更進階的知識，如圖2所示。 圖 2.互動式故事與適性回饋機制 以回聲筒DIY互動式電子書為例，民眾透過互動式故事了解回聲的原理；故事內提供動態提示，讓民眾得知回聲的原理；若民眾想要知道更多，可以點擊燈泡（補充資料）得知聲速的公式與人們聽得到回音的原因。又如空氣電池為例，互動式故事導入賈法尼的青蛙解剖活動，讓民眾知道電位差原理。此外，亦可以在問號（補充資料）中，獲得賈法尼發現電位差的進階知識。 在了解基本科學知識後，DIY互動式電子書會引導民眾進行手作學習。民眾可以在館內或電子書上將學到的科學知識應用，並實際做出成品。以魔術相機為例，在手作學習過程，民眾可以配合實作課程就現場材料中挑選適合者；當民眾手邊有了教材後，電子書會先帶領民眾做虛實整合互動活動。例如魔術相機，請民眾將凸透鏡放置於平板電腦上，觀察凸透鏡放置在系統指定位置時，呈現的影像為何。藉由讓民眾觀察，了解凸透鏡的原理；另外，提示機制也幫助民眾確認科學知識是否正確。在手作過程中，電子書會引導民眾觀看影片與導引進行模式相機製作。當民眾製作完成，電子書亦會引導將製作出來的成品與現場物體或平板上之資訊互動；如圖3所示。 圖3. 魔術相機互動式電子書活動 在民眾完成手作課程後，電子書會推薦民眾可進行進階學習的教材。例如，提供互動式知識測驗，讓民眾可以檢核自己的科學知識是否正確。除此之外，電子書會提供動態或非動態之細節提示，將虛擬的科學概念具象化。 最後，電子書還會推薦民眾參訪館內相似學習內容之館藏。同時，提供虛擬實境的引導內容，讓民眾可以獲得館藏資訊，增加民眾參觀館藏之興趣；並提升館內虛擬內容與實體館藏之整合性（如圖4）。 圖4. 館內資源連結延伸學習 參、成果與展望 計畫於2021年2月結束，為博物館的數位學習達成下列幾項里程碑。 一、建構結合適性回饋機制之學習環境，整合館內科學DIY活動資源，引導學習者進行科學實作，提供適性的學習內容，打造終身學習與親子學習環境。 二、透過科技輔助科學DIY以及示範活動，培養學習者核心能力素養、問題解決能力以及批判思考能力等高層次認知能力，使其所學得應用於生活中。 三、建構產官學合作與永續發展推廣機制，透過長期互利合作方式，持續建構智慧科學實驗教室，有效支持中小學教育，更推廣至成人教育，使科教館成為大眾生活中科學陶冶與親子養育之樂園。 四、研發自主科學DIY數位創新學習數位教案12件。 五、為進一步運用DIY 實作活動導入設計導向學習方法，鼓勵學習者進行科學DIY玩具創新，擬續提｢青少年科學DIY玩具開發創意競賽計畫｣。 計畫結束正當全面推廣之計，隨即碰到COVID-19疫情肆虐，在學校停課、博物館休館的期間，為了提供學生停課不停學的居家教育，DIY互動式電子書的開發成了超前佈署機制。目前，透過材料包的寄送及互動式電子書的開放下載，學生、家長可以跟著電子書的引導，輕意居家自主學習，透過適性回饋機制，引導自主加深、加廣探究。未來DIY互動式電子書意也將於館內常態經營，以滿足親子散客的客製化需求。 參考文獻 洪詠善（2020）。停課不停學：當自主學習成為日常。課程研究，15（1），15-33。 Akgunduz, D., & Akinoglu, O. 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