化學

穿越150年淺談金屬元素

文/古建國 科學是先人的發現和經驗的不斷累積與持續研究發展而來。以元素為例，先發現不同種類元素，再瞭解每種元素的特性，累積其基本知識，透過分類與歸納，找出規則性，最後可以得到系統性成果。 1869年門得列夫（Dmitri Mendeleev, 1834-1907）根據當時已知的原子量大小，依據其大小順序排列，同時將性質相近且原子價相似的元素上下排成縱列（即為現在所稱的同族），探究其元素的週期性並排列成表，完成現在我們看到的元素週期表，並根據此表預測12種尚未被發現的元素。門得列夫並於1868~1870年發表《化學原理》，用此週期說明了無機化學的基本原理。在這段年間，中國出版了兩本化學的書，第一本為1870年（清穆宗同治九年）化學書籍《化學初階（第一、二卷）》(見圖1)，這本書是由美國嘉約翰(John Kerr)口譯，羊城何瞭然筆述，並由廣州博濟醫局出版，內容屬化學的無機部分，1874年出版第三、四卷，內容是實驗教學內容。第二本本是1875年由徐壽所寫的《化學鑑原補編》(以下簡稱第二本書)，也是談無機化合物,敘述到1875年發現的新元素鎵 (Ga)，這兩本書雖然沒有用到化學式或反應式說明化學反應，但閱讀時同時參考週期表各元素的相對位置，更能領悟文字對化學原理的描述。 圖1. 化學初階（二卷）(來源：翻拍於內蒙古師範大學) 在這兩套書出版近150年前夕，本文配合聯合國大會將2019年定為「國際化學元素週期表年(IYPT)」以彰顯門得列夫在1869年的重大發現對全球文明進展的貢獻，淺談幾則當時對金屬理解程度，使更能體會週期表是很多人努力由來。因緣巧合下，筆者於2017年到內蒙古師範大學交流，偶遇這兩本書，列舉兩本書(以下簡稱第一本書)提到金屬和部分金屬元素與現行國中自然科介紹相關內容的對照，讓現在國中學生一窺兩本書中的 奧秘，並了解原來現在談到金屬其化合物反應相關內容，早在近150年前化學書籍就出現了，希望能引起學生對元素學習興趣。 1. 金屬 化學初探談到當時的金屬共有44種，半數是化學家所用，在日常生活中通用的金屬不多，約14種，例如金銀銅鐵……，但比太古以前所知七種還多。第一本書中說： 金之類四十四種，世間恆用者不多品也，四十四中，半歸化學家所用，然亦非日所恆需，其外為世通用止十四種，如金銀銅鐵等是也，太古僅知金類七種，即華之金銀銅鐵錫鉛汞是也。 金屬有別於非金屬，並列舉金屬的性質，包括金屬會造成光的反射：「金之類能返光，返光以鋼與水銀為最佳」。 金屬具有較佳的導電與導熱特性以及比重概念：「金之類不過光而傳熱電、重數或比水較輕，或比水較重……」。 另外也談到金屬具有質硬性質：「論剛硬首推鈦與錳，此二物比鋼硬有加，……」。 以及金屬型態，包括液態的金屬：「流質者汞」。 第一本書也提供一些實驗裝置，例如製鐵爐和鍊熟鐵等(見圖2)。另外也介紹檢驗金屬的方法，例如驗氧化銅(見圖3)。 圖2. 冶鐵爐與鍊熟鐵(來源：翻拍於內蒙古師範大學之《化學初階》) 圖3. 驗銅養(來源：翻拍於內蒙古師範大學之《化學初階》) 2. 黃金 第一本書談到黃金具有展性，可以將黃金打成薄片，同時黃金具有延性，可以將黃金拉成線，第一本書還比較黃金與其他金屬延展性的順序：「能開片張最多者，則如黃金等，今列級如下：金銀銅錫…，扯線最佳者列級如下：金銀鉑鐵……」。 另外，第一本書特別談到黃金的延性，一兩黃金可以拉210里長：「黃金每兩能扯二百一十里之線」。 3. 銀 第二本書卷六中描述銀於空氣中並不活潑，加熱亦同，但會與一些物質反應形成化合物： 銀雖不收空氣內之養氣……銀綠此質之取法用鐵綠，遇銀即成其式……銀溴為知李國所產之礦，係罕見之物，……遇乾空氣或溼空氣俱不能收養氣，雖加大熱亦不收養氣，若遇電臭氣，即收養氣，或遇輕硫氣，色乃變暗，因成銀硫……。 另外銀的質地軟而容易磨損，所以製造銀幣時候必須要加銅，不同國家銀幣加的銅也不同，例如英國與法國就不一樣：然其質軟而易致消磨，故以銀造器必加純銅少許，若製錢幣又有定率，英國之例， 每一千分，銀居九百二十五分，銅居七十五分，法國之例，銀居九百分，銅居一百分』。 第二本書卷六中談到鍍銀，採用電鍍法，將欲鍍物放在陰極之銀離子溶液中進行電鍍： 鍍銀之法：將賤金類作器而浸於銀水之內，外面即黏銀一層……將欲鍍之器接連於發電器之鋅片，即負極點，電氣能分開其鉀衰與銀，故銀必在器面粘結……。 第二本書卷六談到銀有很好傳導性，與第一本書描述(見圖4)一致：「銀為傳電氣最易之質」。 圖4. 《化學初階（二卷）》所繪鍋銀(來源：翻拍於內蒙古師範大學) 第二本書卷六談到銀硫為黑色物質，若將銀和硫一起裝在罐內，蓋緊蓋子並加熱會形成銀硫，俗名是亮銀礦，外型包括方形顆粒與八面顆粒且質軟可塑： 產銀之礦，五種最多，俗名亮銀礦，其光色極美觀，有方形顆粒……凡含銀之水遇輕硫即變銀硫，為黑色之質……銀硫其質軟而可打薄，又可用模打成杯形或錢形……。 4. 鉛 第一本書（二卷）對鉛也多所描述(見圖5)，例如介紹元素符號為Pb，鉛來自於礦石，藉由採礦鍊成鉛：「礦多鉛，鉛礦，中華所產，甚盛，此等鑛長兼產銀、鍊法以礦泥研細置倒燄爐中，所傾銷而成」。 圖5. 《化學初階（二卷）》之鉛與製鉛粉(來源：翻拍於內蒙古師範大學) 鉛柔軟，顏色藍白，有不錯延展性：「成薄片，牽為線」。 鉛受熱至攝氏三百多度即成液體，冷卻後會縮第一本書也談到鉛具有毒性，可由飲食進入人體：「鉛雜質入身，毒極酷烈厥毒漸積至十年或數十年乃發，疾劇者軟腹痛軟風癱等症」。 因為鉛具有毒性，特別提醒從業人員，例如油漆工，常會有機會接觸鉛化合物，要特別注意：「凡鉛作油漆等匠及藉由管透汲者均應加倍留意」。 第一本書中還特別介紹如何檢驗水中是否含鉛，列出幾種檢驗方式，例如其中一種是加入硫酸根離子形成白色物沈澱，因水不能溶解：「將其水加磺養數滴，若果函鉛則磺氧合鉛而成白粉墜底，此物即鉛磺養」。 5. 錫 第一本書談到錫元素符號為Sn，產地不多，分布於英國及孟加拉、中國雲廣等地方。質地不硬具延展性：「質不甚硬能搥成極薄之片」。 錫的顏色為銀白色，具有反光性，屬於不活潑金屬：「色白如銀、返光、與養氣不甚牽合，常熱非濕不易發繡」。 錫的熔點不高，受熱會融化成液體，燃燒的時候會發出白光並形成氧化錫：「易鎔為液……受熱至二百二十八分則鎔……焚時發白光而化為錫養」。 6.汞 汞在常溫為唯一的液體金屬，於負39度為固體，660度為沸點：金類之質能在平熱度內鎔為流質者祇此一種，受冷負三十九度使結定質，故最宜於寒暑表並風雨表之，其沸點界為六百六十度……。 英國不產汞礦，產汞礦國家有奧地里、西班牙、中國與舊金山等，其礦為汞硫，即朱砂，而純汞在土石之地會結成小圓粒：「汞硫即朱砂，或在土石內之四處結成小圓粒，間有純汞」。奧地理國將汞硫加在窯內加熱處理(見圖6)，會形成硫氧與汞。 圖6. 製汞之窯(來源：翻拍於內蒙古師範大學) 汞與氧作用可以得到兩種的氧化汞：一種是紅色氧化汞，一種是黃色氧化汞：「汞與養化合有二種，為己知者即汞養與汞養，此二質能與配質合成鹽類質」。 汞如果加熱溫度低於分解溫度，汞與空氣結合，生成黑色物質，即為氧化汞，取出冷卻後顏色轉為紅色：「汞久加熱至沸借再令多遇空氣，面上生黑色之質，即汞養，取出待冷變為紅色……」。 7. 其他金屬與化合物 第一本書也提到多種金屬及其氧化物，說明如下： （1） 含鉀和氮與氧原子的硝酸鉀：「 鉀養淡養俗名硝，鉀養淡養再漸化分而發出淡氣與養氣，餘賸者即為本質」。 （2） 含鈉和氮與氧原子的硝酸鈉，又名秘魯硝：「 鈉養淡養俗名方粒硝，又名秘魯硝」。 （3） 其他還有：「 鎴養淡養俗名紅火硝……鉍養淡養輕養俗名片白……銀養淡養俗名月色各息的」。 兩本書也描述非金屬元素，例如炭（碳）、淡（氮）、輕（氫）、養（氧）、綠（氯）、溴、碘等的基本性質、化合物與相關反應，尤其是這些元素看似彼此獨立，但有些元素卻彼此相似，若能參考門得列夫所提出的週期表，會有眼睛一亮感覺，更能理解書中對化學原理的描述。故建議剛接觸化學的學生，在學習的時候能參考週期表，當然心中也要好好感謝門得列夫。 古建國 臺北市立大學應用物理暨化學系教授

環島、巡迴、國際元素週期表年

文/王伯昌 高憲章 今(2019年)是門得列夫（Dmitri Mendeleev）於1869年提出元素週期表的150周年，國際間的化學及物理界人士，藉對門得列夫的感謝與紀念，特別透過聯合國科教文組織(United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, UNESCO)及國際純粹及應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)提出國際週期表年( International Year Periodic Table 2019, IYPT 2019)。這是暨國際物理年、國際天文年、國際化學年之後，科學界再度舉辦的跨國慶祝活動，希望藉著各種各樣的週期表相關活動，喚起人們對於元素的重視。 在化學的發展中，元素的概念由拉瓦傑(Antoine Lavoisler)開始，經由道爾吞(John Dalton）的原子說及門得列夫的週期表提出後，這些元素理論開始有原子序的概念，當年門得列夫是以原子量去排列元素。在那個年代，科學家們大約認識了70個元素，門得列夫在排列元素的時候，依據他所設定的排列規則，在原始週期表中預留空格，讓之後的科學家得以根據電子排列的概念去填入，時至今日，這些空格不只一個個地被填滿，更證實他那大膽假設的正確性，即使是近年新發現的，僅在實驗室中存在的那些新元素，依舊遵循著當初門得列夫訂定的規則，元素週期表到目前已經有118個元素，這些都顯示當年門得列夫理論的前瞻性。 2019年國際元素週期表年，國際間的活動在一月的時候，於巴黎有一個盛大的開幕，同時開始舉辦一個週期表知識的線上大考驗，完成這個考驗可以得到一張諾貝爾獎得主簽名的認證。作為國際間化學界的成員之一，臺灣當然也要參與IYPT 2019的活動，在政府的協助下，中國化學會與臺灣師範大學科學教育中心設計了一系列與元素週期表相關的活動，藉此宣傳及紀念門得列夫，並藉由活動促使人們對週期表有更深一層的認識。 中國化學會是臺灣的組織，是由臺灣在各種產業界與研究單位中的化學家們所組成的一個團體，學會已經成立了近90年，國內化學界許許多多的大小事，都有學會在支持運作著。學會也是IUPAC 的正式會員，協助各國化學界之間的交流，也因此，國際元素週期表年這樣一個充滿化學的紀念活動，化學會當然占了非常重要的一個角色，國內各種各樣與 IYPT 2019相關的活動，都將透過化學會所建立的網站平臺，讓大家可以透過這個網站找到所有相關的活動與連結，以下是幾個與化學學會密切相關的活動 : 1. 中國化學會與中華民國維基媒體協會-維基繁體中文化 由中國化學會所策劃最重要的活動之一，是關於維基百科上元素資料的繁體中文化。相信有非常多的人在網路上找資料的時候，除了Google或Bing這些搜尋介面，最常閱讀資料的網站可能就是維基百科，在這上面的資料非常多，有的寫得非常精確詳盡，有的則是一看就知道不怎麼樣。而在科學領域上的維基資料，更是良莠不齊，雖然在研究領域上，正式的期刊論文是不能用維基百科作為引用的參考資料，但是在一般撰寫資料或教案的時候，維基百科仍舊是許多人查詢的首選，尤其是當外文資料閱讀困難的時候，繁體中文的維基百科看起來就親切得多。 維基百科的文章其實是有分等級的，根據維基百科所訂立的規則，資料編寫有條理，內容真實準確可供查證、資料涵蓋面廣泛、觀點中立、內容穩定及遵守版權規定的情況下，這個主題的維基百科資料就會有機會通過審查而成為優良條目。元素週期表上目前有118個元素，繁體中文版本的優良條目確只有13個，接近十分之一，一些最生活的元素如氧、碳、氫等等都不屬於優良條目的資料，比較一下中文與英文的版本，更可以發現內容豐富程度相差蠻多的。 適逢元素週期表年，中國化學會和中華民國維基媒體協會展開合作，將舉辦一系列維基資料撰寫的訓練工作坊，一方面進行維基百科資料撰寫的教學，一方面也解釋如何讓這些資料可以有系統、有依據地條列，學會將以各種管道進行宣傳，鼓勵老師與學者們共同參與，將目前維基百科元素週期表各元素條目的資料進行繁體中文化，並以讓這些資料成為維基百科優良條目為目標，希望能夠在今年內就能大幅增加目前元素週期表在維基百科上的中文資料，讓未來需要這些資料的人們，可以在不需擔心資料有誤的情況下，快速地認識這些元素們。 2. 巡迴全臺的化學車活動 化學學會所支持的科普活動之一，是從2011年起由淡江大學承辦的化學遊樂趣活動，這八年來透過化學車的巡迴，已經在臺灣各地舉辦了超過四百個場次的化學推廣活動。透過臺灣默克、臺橡以及許多國內化學產業界的協助，更在去年由一台化學車增加了一台分析車，而變成一個化學車隊(見圖1、2)。作為一個對偏鄉學校與資源缺乏地區的巡迴服務，淡江大學科學教育中心負責推動化學遊樂趣活動的團隊，也打算在IYPT 2019這一年開始，帶入更多跟元素相關的實驗。 圖1.化學車與分析車巡迴至臺東大武國中前合影，在前頭比較小台的是分析車，在後頭比較大台的是化學車。 圖2.當有特殊需要的時候，化學車與分析車會全部展開來組合成舞台的陣型，是一組非常有氣勢的舞台。 化學遊樂趣活動的主軸是由兩台貨車所組成的化學車隊，包含了一台進行化學科普活動的化學車，和一台進行專業儀器分析實驗教學的分析車，兩台車子的功能不同，可以同時進入校園進行活動，或是分開至不同學校服務。化學車的活動主軸由三個不同的節目所組成:時事分析與化學史的故事時間、化學實驗與互動表演的魔術秀以及科普化學實驗動手做，由於空間有限，化學車上裝備的攜帶量是以服務中小型的學校為主，一場活動約可容納百人左右的學生參與，通常都是整個年級或是全校一起參加。分析車上所搭載的則是以化學分析實驗的器材以及攜帶式的光譜儀為主，活動主軸以介紹化學分析標的、分析實驗方法以及儀器分析操作等課程所組成，服務國、高中的科學社或是科展相關社團，希望藉著完整的邏輯訓練，來讓這些已經對科學有興趣的學生們能更進一步地認識科學界的發展與技術(見圖3、4)。 化學遊樂趣團隊檢視目前化學遊樂趣活動所準備的表演秀與讓學生操作的實驗，發現目前活動所推廣的化學科普實驗，不論是使用的反應物，或是反應過後得到的產物，幾乎都是以化合物的形態被使用著，愈是在顏色表現上變化豐富，愈容易引起學生共鳴的反應。往往使用的化學藥品不是廢液處理困難的金屬離子，就是化學結構複雜的染料或色素。由於化學實驗必須絕對注意藥品的安全性，更要顧慮活動後實驗廢棄物與廢液的回收，雖然化學車團隊有淡江大學化學系的全力支持，這些困難都可以透過化學系的專業處理而解決，但是以純元素狀態相關的化學反應可以讓學生們操作的，仍舊十分稀少。因此，從今年起，化學車團隊設計了一系列與元素關聯性較強的實驗，從巨觀一直到奈米等級的實驗與表演，希望能夠讓未來參與化學車活動的學生，可以非常清楚地體會什麼是化合物、什麼是分子、什麼是在奈米尺度的情況下才會發生的現象。 圖3. 2016年新北科學日時，新北市27所國中近千位同學同時進行實驗測量新北市各地的水質硬度。 圖4. 2019年分析車活動中，同學在進行傳統分析實驗後，繼續使用儀器分析進行結果比對。 化學車團隊更新的實驗與表演內容主要是以下所述這幾個實驗：完全以元素型態出現的是銀原子的氧化還原實驗--銀鏡反應(見圖5)，這是一個非常經典的化學科普實驗，只要有適當的管道處理廢液，在玻璃器材上鍍上一層光亮的銀原子是極度吸睛的。在臺灣化學教育楊水平教授的文章中，提供了新的配方，讓試劑的使用上(尤其是硝酸銀與氨水)有極大的改良，化學遊樂趣的團隊將這個實驗加以包裝成互動型的表演，讓學生可以很歡樂又很安全地欣賞到這個實驗的操作過程。 圖5. 化學車團隊的表演者正在把在利用銀鏡反應在圓底瓶中鍍上一層銀的反應裝置取出。 另一個實驗表演則是碘化鉛晶體的黃金雨(見圖6)，當碘化鉛均勻的從溶液中析出時，若降溫過程控制得當地分布在溶液的各個角落的。當降溫過程開始時，它們也會從溶液的各個角落均勻析出。而當溶液析出晶體的時候，它會按照自己規則的晶體結構生長，再加上析出的顆粒在很小的時候是不會沉底的，因此整個溶液中便出現了這種一閃一閃的碘化鉛晶體，學生在驚嘆的同時，非常容易透過解說讓學生理解晶體與固體的差別。 圖6. 碘化鉛水溶液，在配置好之後緩慢的降溫析出，很像是在瓶中下起黃金雨。 另一個與尺度有關的實驗，是利用帶有孔洞的碳材料吸附酒精的實驗，利用在瓶子中先製造出具有許多孔洞的碳粒子，以這些粒子吸附酒精後，讓火焰得以沿著碳粒子中吸附的酒精，燃燒至瓶內，是一個具有強大視覺效果的簡單實驗，在安全操作的情況下，學生很容易理解什麼是孔洞與吸附的原理。 繼續縮小尺度，化學車團隊選擇的是奈米金溶液的顏色變化實驗(見圖7)，以水相合成法透過檸檬酸還原四氯金酸後，可得到奈米金的母液，接著在實驗中改變奈米金粒子大小，觀察顏色的變化。一般的科普實驗中，顏色變化多半由酸鹼指示劑來決定，但是在這個實驗中，從溶液的製備到顏色變化後的成果，都是由奈米金的大小尺寸來決定顏色，團隊利用這樣的實驗操作來進行奈米尺度的教學。 圖7. 兩個大小不同的奈米金溶液，左邊偏紅色的是20~30奈米左右的奈米金溶液，右邊則是聚集之後長大到超過50奈米的奈米金溶液。 除了實驗之外，化學車的塗裝也是化學遊樂趣活動的一個特色，在化學車設計的時候，雖然因為交通與使用便利性而捨棄了使用大型貨櫃車那極佳的視覺宣傳效果，不過化學車仍舊很堅持每一年都要改變塗裝，也許是搭著該年度的熱門話題，或者是選擇前一年諾貝爾化學獎的得獎主題(見圖8)。除了用非常高彩度的配色來吸引路人指指點點，更重要的是這些塗裝非常適合在化學車進入校園之後，作為一個超大的海報看板，讓工作人員進行教學。在IYPT 2019，理所當然要把週期表放到化學車的車廂上，不過，只有週期表的話那就跟課本一樣了，所以化學車團隊的工作人員把自己也給畫了上去，希望在介紹週期表的這一大堆元素的時候，能用另類的方法，讓那些不喜歡理化的孩子們發現其實週期表中也可以有非常有趣的表達方式，雖然化學車一年四季都在巡迴，不過這個和元素相關的實驗將在5月10日新北市科學日時亮相，化學車的新衣也會配合臺灣活動開幕的時候一起亮相喔! 圖8. 2016-2018年化學車的不同塗裝，自2016年起，分別選了 DNA 修復、分子電梯以及低溫電子顯微鏡等三個諾貝爾化學獎的主題。 3. 繞行台灣的科普列車活動 提到巡迴臺灣的化學車，就不能不提到另外一個巡迴臺灣的活動，只是這個載具更誇張，活動的規模更大。這個活動就是由科技部主辦的科普列車活動(見圖9、10)，科普列車是一台四節車廂的電聯車，在每年四月底的時候從北發車，自新北市板橋站開始一路南下，在四天的時間內環繞全臺灣一圈最後回到臺北站。科普列車在每一個縣市停靠一至二站，也在每個縣市輪替上車的學生，也就是說，在臺北站上車的學生們，會在新北市的板橋站下車，讓新北市的學生從板橋站上車，當列車抵達桃園站，新北市與桃園市的學生交接，然後繼續往下個縣市輪替下去，南投縣的學生們搭乘集集線的火車到彰化與大家會合，在離島的學生則是搭乘輪船到臺灣，一起參與這個科普盛會。科普列車不只是一台環島的電聯車，在車上會有來自各地高中與產業界帶領上車的學生進行科普活動，而在每一個科普列車的停靠站，則是有科技部科普計畫的執行單位，負責承辦停靠站點的科普活動並進行交接，經過這幾年的經營，每個車站動輒二、三十個科普體驗攤位，科普列車活動已經是臺灣最重要也最具名氣的科普活動了。 為了配合IYPT 2019，科普列車今年發車的時候，每一個停靠的車站都加了代表該縣市的化學元素，車站的活動也將依這個代表元素設計科學體驗活動。以臺北市而言，負責臺北市的臺師大團隊選擇了鈷為代表，在臺北市這樣的大都會地區，可以找到非常多含鈷的工具與建材，此外在3C產品中的電池裡，也可以找到大量與鈷相關的材料，團隊將以鈷相關的化學實驗表演，讓在臺北車站參加科普列車活動的社會大眾，認識鈷這個元素；而在隔壁的新北市，選擇了金這個元素，當然是因為新北市擁有九份、金瓜石這個曾經創造出臺灣東北角黃金盛世的著名景點，金瓜石曾有亞洲第一貴金屬礦山的美名，即使已經停止採礦，這邊仍有知名的觀光景點黃金博物館。因此，在新北市板橋站活動的淡江團隊，當然選擇了金作為代表元素，並設計了以金為主的化學實驗讓參與的民眾操作。 圖9. 2017年淡江科教中心團隊在科普列車第三節車廂的實驗，藉著列車環島一週的機會，與各地學生民眾在列車上一起分析全台各地的水資源。 圖10. 2017年淡江科教中心團隊在科普列車第三節車廂的實驗，藉著列車環島一週的機會，與各地學生民眾在列車上一起分析全台各地的水資源。下圖 : 環島一週後，在科普列車上所收集到各地的實驗結果。 科普列車今年將於4月29日發車，在這幾天內會在臺灣各地停靠共24個車站，每一個站都有屬於該地的代表元素，有些是與當地的物產文化相關，有些則是和當地的產業相關，化學元素被從另外一個角度去切入我們的生活，藉著科普列車的活動，民眾在這幾天內有機會去認識出現在自己周遭的元素，看見這些元素被使用的各種科技，或是與元素相關的歷史故事和社會文化。 4. 三科館的展覽與研習 國內最重要的科學教育推廣單位，首推常被民眾稱為「三科館」的國立臺灣科學教育館、國立自然科學博物館、國立科學工藝博物館，三科館有臺師大團隊所製作的元素週期表盒子光雕展示是再適合不過的展場。週期表上的多個元素之中，有一些元素雖然應用的範圍很廣泛，但是都是以化合物的狀態存在我們生活的四周，實際上的這些元素的樣子很少機會看到，但在三科館中都有機會可以找到這些收藏，換句話說，如果你想看｢實物元素週期表｣，在三科館是最有機會找到的 ! 三科館除了是老師們校外教學的好地方，也是個辦研習的專業場所，有很多老師可以討論他們教學的心得，或是學習最新的教材，這次在IYPT 2019，三科館當然也設計準備了很多跟元素週期表相關的課程，也包含了表演用的教材，希望能讓更多的人學到這個週期表的各種知識。 5. 學科中心與課發中心的工作坊、教案發表、公開觀課以及設計競賽 提到教師與化學課程，就一定要提到各課程發展中心，課發中心在課程綱要公布之後，就會主辦各樣的活動，協助學校把各種資源整合在一塊兒，讓教師們更容易依據新的課綱調整教學方式、修正教學內容，課發中心通常也是協助學校發展特色的重要角色；在高中端，協助教師的單位則是學科中心，不只協助教師們的課程發展與訓練，很多校際之間的比賽，也是由學科中心負責主辦或是協辦的! 在元素週期表年，不論是課發中心或者是化學學科中心，都會舉辦很多的教師工作坊，甚至舉辦週期表教案大賽，週期表有獎徵答活動，把國內各種跟化學元素相關的課程資源收集起來，讓教師們有更廣泛的教學資源，再加上許許多多跟週期表相關的比賽，在一般學校內的教學上，學科中心與課發中心是卯足了全力要讓老師們補充很多的元素週期表教學方式! 除了化學學會所協助的活動，臺灣還由臺灣師範大學科學教育中心主持了各種大大小小的活動，另外還有各大學科教中心、中學的輔導團等等所主辦的演講、比賽、科普活動，都與元素週期表相關。IYPT 2019就是希望藉著各種各樣大大小小跟元素週期表相關的活動，讓人們更加了解依據門得列夫的規則排列成的元素週期表，它們有一定的規則與特性是化學的入門，也是我們食衣住行與構成世界萬物的最基礎，也希望這些活動能帶給更多人不同的啟發，為人類的未來做出更大的貢獻。 淡江大學研究發展處 研發長 王伯昌 教授 淡江大學理學院科學教育中心 執行長 高憲章 博士

實踐國中卓越科學情境體驗報導

文/廖純英 前言 2019年1月29日聯合國教科文組織在法國巴黎舉行「化學元素週期表國際年」開幕式，以紀念俄國化學家門得列夫(Dimitri Mendeleev）編製化學元素週期表誕生150週年，並訂定2019年為「化學元素週期表國際年」。台北市立實踐國中自然領域團隊為了趣味化科普知識，並預告週期表全球150週年慶，遂於2018年申請台北市國中卓越科學計畫之子計畫--營造科學體驗情境計畫」以「向科學經典致敬--門得列夫週期表行動列車」的系列教學設計「週期表的奇幻世界」，開啟全校師生對於科學家門得列夫的崇敬與週期表相關知識的理解之門。 台北市自2014年起啟動「中小學卓越科學教育推動計畫」(台北市教育局，2014)，2018年度卓越科學計畫以「向科學經典致敬」為主軸，鼓勵各校提出競爭型的科創計畫。實踐國中的週期表教學設計，是以遊戲的方式，將各個元素知識融入活動中，兼顧知識記憶、理解、應用、分析，讓抽象艱澀的化學元素符號更有親和力、更具體，學生的學習也更方便了解。教師們透過自行開發的週期表翻翻樂教具、運用APP技術設計QR-code，以及運用ipad平板電腦等行動載具，設計「歡樂對對碰」等一系列創意教學，引導學生對科學知識發現歷程的了解，進而引起對科學知識學習、研究與探索的興趣，以啟發學生對週期表的認識以及科學的喜好，提高對化學知識及其應用等相關概念的瞭解，深化科學素養。實踐國中自然領域教學團隊為了推廣科普知識，更以可愛的胖卡車等行動列車的方式，將週期表教學帶到社區小學進行教學與分享，讓門得列夫週期表的種子，走入小學校園，向下扎根，埋下科學的希望種子，期望更多下一代能提早開展科學興趣及培養科學素養(見圖1)。 圖1.「向科學經典致敬」活動剪影 教學設計 (一)教學目標 1.透過介紹科學家探究各種科學原理概念形成過程，引發學生對科學家的楷模學習，提升科學探究與實作的動機與興趣。 2.透過科學探究情境之設計，發展移動式科學設備及教具，營造移動式的科學教學情境，提供學生可操作的科學體驗學習機會。 3.透過教學設計的歷程，提供科學教師對話平台，進行共備，凝聚科學教學團隊共識，建構科學教師專業學習社群。 4.鼓勵師生動手操作，創造激發探究科學的有趣情境與學習機會，推動素養導向的學習。 6. 藉由有趣的科學體驗活動，了解門得列夫週期表，學會元素符號及中文名稱、並了解各元素的排列規則從而認識元素性質。 7. 配合12年國教培養科學素養的精神，透過科學探究體驗活動，營造為學生可操作、可發現、可移動、可推廣分享之科普課程。 (二)教學理念 元素週期表是國中生進入化學學習領域的入門主題課程。在過去傳統的教學方法中，通常會教導學生以諧音順口溜的方式，方便記憶週期表的元素符號，進而對於其性質加以記憶與應用。在面對12年國教新課綱強調素養導向的教學時代，實踐國中自然領域團隊決定要改變傳統方式，設計一套帶得走的教具，使週期表變成可觸摸的、有趣的、帶得走的科學玩具，讓學生透過觸摸、探索、記憶、理解等方式，對週期表各元素的特質、7週期與18族元素間關係，能有所了解。在學習過程中，不但可以建構週期表的整體圖像，而且可以透過平板電腦數位行動載具的操作，獲得學習的樂趣。 (三)週期表創意教學設計架構 實踐國中自然領域教學團隊透過共同備課、對話、分析討論，將課程架構以心智繪圖的方式呈現出其關聯性和系統性，整體課程以「週期表的奇幻世界」為主題，包含：(1)拼一下、(2)翻翻樂、(3)歡樂對對碰、和(4)樂高疊疊樂。主題架構圖如圖2，教學設計網址。 圖2. 週期表的奇幻世界創意教學設計架構圖 (四)實施方式與內容 1. 拼一下—週期表拼圖(見圖3、 4) 學生要能對整體週期表的架構一次看懂並且記憶，並不容易。因此，我們設計週期表拼圖遊戲，讓學生在規定的時間內拼出正確的圖形，並提供獎品。 操作 在拼圖過程中，學生先看懂週期表圖形，然後進行拼圖遊戲，採取時間競賽的方式，可分組或個人賽。提供精美獎品。 觀察/師生回饋 原本預測學生只是以色塊和圖案方式去進行拼圖，結果發現學生其實是按照週期表的序位(原子序的順序)進行排列，可在時間限定的情況下完成，如此即達到週期表的學習目標，特別是對原子序的規律性能夠充分了解。此外，在學習特質上，發現女生比男生更有耐心去比對和排列原子序。而小組成員彼此間的提醒與分工合作，可以達到小組競賽的目標。 圖3. 教師設計的自製週期表拼圖 圖4. 「拼一下」活動剪影 2. 樂高疊疊樂—積木組合週期表(見圖5) 操作 1. 透過積木的組合，讓學生對於週期表各族元素之間的排列關係，有更清楚的認識。用週期圖表製作好玩拼圖，共40片。 2. 透過小組競賽，以時間完成的長短，決定競賽成績。此外，由於完成的難度較高，較為繁複，因此，能完成的學生就算成功，也是一種考量。通常對於小學生，則只要完成疊疊樂，即給獎勵。 3. 提供國中學生整組的積木。而對於小學生，則只要排出A族元素即可(當然，若是時間夠長，也可以調整難易度和複雜度)。 觀察/師生回饋 1. 小學生對英文單字的認識較為不足，因此，在排列積木時，速度較慢，對元素符號的理解與搜尋對應較慢。有些學生能觀察到原子序數字順序進行排列，有些會觀察中文、符號、中文部首進行分類，也增加專注及觀察力。 2. 對於沒有學過週期表的學生而言，只能按圖索驥，一個一個元素符號去堆疊積木，而對於學過週期表的國中生而言，則能夠按照記憶中的概念架構，快速地組出一組完整的疊疊樂週期表。 圖5. 週期表疊疊樂積木組 3. 翻翻樂—自製設計木製翻牌組，以QR-code將元素符號的相關特性連結(見圖6、7) 圖6-1. 週期表翻翻樂52個元素 操作 1. 召開自然科領域會議，討論自然領域課程中所常見52個元素，分配領域教師，每個教師分配日常可見8~9個元素，根據元素常見用途或特殊功能性質，設計國中小學童的學習內容，並製作投影片PPT，上傳雲端，並製作QR Code，掃描QR code即可進行觀看。 2. 再以QR-Code聯結大型立體教具翻牌架，增加趣味性，讓學生翻至元素背面，以平板掃描QR Code進行學習。週期表QR Code資料庫網址為https://reurl.cc/eXW5M。 觀察/師生回饋 1. 翻翻樂牌架設計精美，顏色亮麗，且可以帶著走。對學生來說，每一個翻牌接觸摸得到，有翻牌的樂趣，非常獲得學生的喜愛。 2. 引起學生好奇，用掃描QR Code方式讓學生進行探索科學知識領航。讓學生對於原本陌生的元素或似曾相識的名詞變得更了解。 3. 用手機或平板電腦直接掃描QR Code，學生運用3C產品行動載具的樂趣，可以讓學生更願意學習，效果非常好。 4. 週期表52個常用元素如下表所示: 參考網址 圖6-2. 週期表翻翻樂翻牌板 圖7. 翻翻樂活動剪影 4. 歡樂對對碰—使用平板電腦APP(Quizlet平台)設計flash卡(見圖8, 9)，網址如下 國小對對碰 國中對對碰 中英對對碰 操作 1. 自然科教師透過社群對話，依據日常生活常見的元素整理出來，將元素符號及其性質配對後，製作成對對碰的題目群組，為了因應不同程度學生需求，題庫分成「國中對對碰」、「國小對對碰」和「中英對對碰」三組。 (1)中英對對碰（元素符號）：53題 (2)國小猜一猜：21題 (3)國中元素益智問答：118題 2. 運用平板電腦APP(Quizlet平台)設計flash卡，學生透過平板電腦或手機APP隨機選題，進行連連看配對。 3. 因元素週期表單元教學，屬於國中課程，因此為了讓國小學生更容易上手，因此另製作答案卡，讓國小學生先進行學習後再作答，並可以看答案卡進行作答。 4. 可以採小組競賽或個人競賽方式。每班分小組，每小組2~3人，進行比賽(在最短時間答題成功者獲勝，題目是隨機出現)。 5. 只需將題目與正確答案在平板電腦上個別點選，即可消除flash卡，直到flash卡完全消除(即配對完成)，且配對所花費時間最少者，可得到精美獎品。 觀察/師生回饋 1. 對學生而言，一組新的記憶性資料要完成，需要反覆練習，透過歡樂對對碰的設計，讓學生第一次完成大概花30~50秒，隨著重複練習，而降低完成所需時間。 2. 學生會因為時間因素，想要挑戰自我紀錄，一個畫面總共12格(可配對成六題)，最快完成紀錄是9.8秒。在遊戲中，學生因此達成記憶元素符號和相對應簡單性質的教學目標。 3. 透過平板的運用，學生幾乎都主動要求要嘗試第二次以上的機會，旺盛企圖心，欲罷不能。 4. 透過行動載具的運用，提高學生學習興趣。 圖8. 平板電腦歡樂對對碰畫面 圖9. 平板電腦歡樂對對碰活動剪影 教學省思與展望 面對12年國教浪潮，12年國教新課綱對學生科學素養的期許，不斷要求科學教師教學要推陳出新，講究創意與實驗性，使翻轉教學成為主流，加上資訊化社會數位學習已成為孩子們的基本素養，若能在化學科枯燥的週期表教學上運用行動載具，例如平板電腦、觸控式液晶螢幕、動手操作從做中學、APP、QR-code等融入整合運用，則不但可以提升學習興趣，貼近生活經驗、同時可以讓孩子在不斷操作、反覆練習中，內化科學知識，並培養探索、挑戰極限、超越自我的科學態度與素養。 「週期表的奇幻世界」教學活動(行動列車部分活動見圖10〜12，不但能讓學生在遊戲中喜歡科學，讓科學不會那麼遙遠。在貼近學生生活經驗之外，且讓學生可以在遊戲中，真正習得週期表各種元素符號，看到孩子們目不轉睛、發揮團隊合作，不斷自我練習地挑戰各種活動項目，我們相信「週期表的奇幻世界」創意教學設計，已經成功地將週期表介紹給孩子們，且啟發學生科學學習興趣，培養科學的態度，埋下科學教育的種子。 圖10. 實踐國小週期表行動列車 圖11. 大豐國小週期表行動列車 圖12. 週期表行動列車活動剪影 致謝 本計畫的執行與撰寫，要特別感謝臺北市政府教育局提供的補助，以及臺北市自然科輔導團林如章教授的指導。尤其是在活動設計與教學計畫研發與創意，以及數位資料的形成，仰賴林教授給與提點甚多。此外，更要感謝實踐國中自然領域教學團隊以及教務處蔡帛娟主任、謝蘊珠組長、輔導室鄭迪文主任、資訊組蘇龍服組長等，共同規劃設計並至社區學校進行推廣教學，有一群如此熱愛推廣科學教育的夥伴，真是孩子們的福氣。 廖純英 臺北市實踐國中校長

稀土元素及其在染料敏化太陽能電池之應用

文/李權倍 本文介紹稀土元素、稀土元素之應用背景、太陽能電池背景及染料敏化太陽能電池、和以稀土發光材料提升染料敏化光電極性能。 稀土元素 於化學元素週期表中，稀土系列元素大致上可分爲「輕稀土元素」和「重稀土元素」。其中「輕稀土元素」指原子序數較小的鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪；「重稀土元素」則為原子序數比較大的釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鎦。值得一提的是，稀土元素在地殼的含量並不稀少鉕除外，甚至比部分貴金屬元素金、銀、鉑等要豐富得多。其中鈰元素於地殼元素含量排行更高居第，其含量相近於眾所熟悉且廣為使用的銅、錫元素。然而稀土元素於地殼蘊藏較為分散，因此富集成礦區之處較為稀少，若能形成礦床，稀土元素大多以離子化合物形式存在礦物晶格中並被稱為稀土礦物。由於稀土元素最早是從瑞典生產的稀有似「土」狀礦物中發現，故而得名；實際上它們並非「土」，而是典型的金屬元素。稀土元素的金屬活潑性僅次於鹼金屬和鹼土金屬元素。由於稀土所具有的獨特的化學及物理性質，它們已經廣泛地應用於石油化工、冶金、軍事、電子、化學、鋼鐵、玻璃陶瓷、農業、新科技材料等領域，因此常被稱譽為「世間神奇之土」、「工業維他命」、「新材料之母」或「二十一世紀黃金」等名稱。本文中除了簡要介紹稀土元素在上述各領域的應用背景外，也將介紹其於新世代染料敏化太陽能電池dye-sensitized solar cellDSSCDSC DYSC之應用。 稀土元素應用背景 在冶金領域，使用稀土元素已有30~40多年的歷史。稀土元素及其氟化物或矽化物加入煉鋼程序中具有精煉作用與提升鋼的加工性能；添加至鎳、銅、鋅、鎂、鋁等有色合金中，可提高其合金於室溫及高溫下的機械性能。若同時結合稀土元素具有的優異光電磁等物理特性，將可大幅度提高其應用產品的品質和性能。因此相關產品常用於製造軍事用途的鋼材與合金以及高科技相關的領域(如：電子、雷射、核工業、超導等)。稀土元素在石油催化裂化過程可用來製成分子篩催化劑，具有高選擇性、高活性、抵抗重金屬毒化等優點，因而取代了傳統上常用的矽酸鋁催化劑。於氨的生產過程中，僅需使用少量硝酸化稀土作為催化劑，其處理量為使用傳統鎳鋁催化劑的1.5倍；複合稀土氧化物可以作為內燃機排氣淨化催化劑；環烷酸鈰則可用作油漆催乾劑等。稀土氧化物或經過加工處理的稀土精礦，可作為拋光粉廣泛用於光學玻璃、眼鏡片、顯像管、示波管、平板玻璃、塑膠及金屬餐具的拋光；在熔製玻璃過程中，可利用二氧化鈰對鐵有很強的氧化作用，降低玻璃中的鐵含量，來達到脫除玻璃中綠色的目的；添加稀土氧化物可以製得不同用途的光學玻璃和特種玻璃(如：能通過紅外線、吸收紫外線的玻璃、耐酸及耐熱的玻璃、防X-射線的玻璃等)；在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以減輕釉的碎裂性，並能使製品呈現不同的顏色和光澤。部分研究還發現，稀土元素可以提高植物的葉綠素含量，增強光合作用，促進根系發育，增加根系對養分吸收。稀土元素還能促進種子萌發，提高種子發芽率，促進幼苗生長。此外還具有使某些作物增強抗病、抗寒和抗旱的能力。適當濃度稀土元素能促進植物對養分的吸收、轉化和利用。稀土釹鐵硼永磁材料，則被廣泛用於電子及航太工業和驅動風力發電機；稀土六硼化物可用於製作電子發射的陰極材料；鑭鎳金屬可作為貯氫材料；鉻酸鑭是高溫熱電材料；此外稀土元素也能以螢光粉、增感屏螢光粉、三基色螢光粉、複印燈粉等方式廣泛用於照明光源、投影電視、平板電腦等電子產品；在紡織工業中，稀土氯化物則廣泛應用於鞣製毛皮、皮毛染色、毛線染色及地毯染色等方面。稀土元素除了上述種種應用外，近年來在光電能源轉換的應用方面，以下介紹太陽能電池的背景與稀土元素在新世代染料敏化太陽能電池之應用。 太陽能電池背景及染料敏化太陽能電池 隨著工業文明的迅速發展，現今世界對能源的需求量逐年大增，使得地球上能源的儲存量逐年快速銳減，因而引發嚴重的能源危機。並因過度使用化石燃料，導致全球溫室效應，致使全球暖化問題日趨嚴重，進而對人類所居住的地球環境造成無可復原的污染。因此再生能源的研究與開發已成為全球性刻不容緩的努力方向。在多種再生能源中，除被看好的風力發電之外，現階段太陽能發電被認為是較具發展潛力和應用價值的再生能源之一。太陽每年灑向地球的能量為3×1024焦耳，是目前人類年需能量的一百萬倍。太陽能儼然已成為21世紀最有發展前景的新能源之一。因此，如何將大自然源源不絕的太陽能有效率地轉換為電能，即成為人類解決能源危機和環境污染的重要途徑和希望。近來太陽能發電的技術受到市場矚目，這是因為矽晶太陽能技術已經成熟(如：單晶矽太陽能電池實驗室效率已達~25%)，但因其原料成本偏高(如：單晶矽所使用矽原料純度須為99.999999999％)、製程設備昂貴等因素致使尚未普及化，因此市場仍期待有更新穎、簡單製程且原料成本低的太陽能電池技術。其中染料敏化太陽能電池很早就被人們發現。1960∼1970年代Gerischer及Tributch等人把光電轉換應用到太陽能電池上，但是早期的光電轉換研究都是在平滑電極上進行，然而平滑電極上的染料單層面積小，吸收太陽光量很低且染料多層吸附，電荷轉移效率低，致使總效率極低。自從瑞士科學家M. Grätzel在1991年發表出以染料敏化奈米多孔性二氧化鈦光電極組成效率超過7%的染料敏化太陽能電池，便引起了全球能源界的關注以及熱烈投入發展。近年來染料敏化太陽能電池受到關注，最大原因在於製程簡單，不用投入昂貴設備及無塵室廠房等設施，加上二氧化鈦、電解質等原料價格便宜也是一大關鍵要素。此外染料敏化太陽能電池可使用具有可撓性且質輕的電極基材，應用端可大幅擴張，比起目前主流結晶矽太陽能電池只適用於大型戶外、屋頂等少數應用場合，有較大的應用空間。經過這幾年的發展，已經有學者研發出可達到14.30%效率的染料敏化太陽能電池，未來仍持續看好中。 染料敏化太陽能電池之結構可略分為透明導電玻璃(如：FTO或ITO導電玻璃)、二氧化鈦多孔性薄膜(圖1)、染料光敏化劑(圖2)、電解液以及含電觸媒之對電極。其主要結構以及運作機制分別如圖3及圖4所示，太陽光由導電玻璃端入射，通過二氧化鈦多孔性薄膜後直接被染料吸收，待染料吸收適當波長的光後，將使其電子由基態被激發至導帶的激發態，在導帶的電子是可以自由移動的，且激發態的電子不穩定，會以一定的機率注入較低導帶能階的二氧化鈦層，但也可能會回到染料的基態或傳遞到電解質。此電子經二氧化鈦層的傳導，再注入導電玻璃並通過外部電路則造成發電。當染料的電子被激發之後，電解質會提供電子以還原染料，此動作可降低激發電子由染料或二氧化鈦的激發態直接回到染料基態的機率，亦即增加電子注入外部電路的效率，電解質還原染料之後，本身因為少了一個電子，而轉變成氧化態，此時已鍍有高活性白金薄膜的對電極可將電解質還原，最後，通過外部電路的電子流到對電極並將白金還原，即形成一個循環。 圖1. 二氧化鈦多孔性薄膜高解析掃描電子顯微鏡影像圖 (圖片來源：李權倍老師) 圖2. 市售之N3染料(左圖)及N719染料(右圖)分子結構圖 (圖片來源：李權倍老師) 圖3. 染料敏化太陽能電池照片(上圖)及其剖面結構示意圖(下圖) (圖片來源：李權倍老師) 圖4. 染料敏化太陽能電池運作機制流程示意圖 (圖片來源：李權倍老師) 以稀土發光材料提升染料敏化光電極性能 於整個染料敏化太陽能電池元件中，其染料敏化二氧化鈦光電極部位是光－電轉換的重要樞紐，因此相關研究採用稀土元素參雜來提升光電極性能。主要是因為稀土元素具有豐富的能級及4f軌域電子的躍遷特性，此特殊的電子構型使稀土化合物在從真空紫外光到紅外光這一範圍內具有優異的發光特性。而稀土發光材料具有許多優點：發光譜帶窄、色純度高、光吸收能力強、轉換效率高、發射波長分佈區域寬、螢光壽命長以及物理和化學性能穩定。 稀土發光材料作用形式主要包括上轉換發光和下轉換發光兩種類型。上轉換發光材料可吸收長波段的光轉而輻射出比原本較短波段的可見光，如圖5所示。下轉換發光材料則可吸收高能量的紫外光(短波段的光)而發出多個低能量的可見光(比原本較長波段的光) ，如圖6所示。上述兩種轉換類型發光材料的發射光譜主要位於波段為400 nm~700 nm之間(即為可見光波段區間)，這一波段區間恰恰可被太陽能電池高效利用。所以這些經稀土發光材料轉換出的可見光發射光譜將被引入太陽能電池中，使其對更多光線充分地吸收和利用。因此，稀土發光材料是一種有效提高太陽能電池光－電轉換效率的方法。 圖5. 以YF3:(Er3+，Yb3+)為例之上轉換發光材料的運作機制示意圖 (圖片來源：許曉玉，王蒙，林琳，趙斌，何丹農(2015)。稀土發光材料在染料敏化太陽能電池中的研究進展。材料導報，29(1):61-65。) 圖6. 下轉換發光材料的運作機制示意圖 (圖片來源：許曉玉，王蒙，林琳，趙斌，何丹農(2015)。稀土發光材料在染料敏化太陽能電池中的研究進展。材料導報，29(1):61-65。) 於稀土發光材料上轉換應用方面，有研究利用高溫固相法合成Er3+與Yb3+共同參雜的LiYMo2O8上轉換發光粉粒，研究發現所製備出來的LiYMo2O8粉粒能有效吸收900 nm~1050 nm波段範圍的光，並發射出490 nm左右的可見光。進而有學者合成製備一種具備核－殼結構的NaYF4: Er3+, Yb3+/TiO2奈米粒子粉粒作為染料敏化太陽能電池的光電極材料，研究結果發現與使用無參雜的TiO2光電極之電池相比，其電池元件的光－電轉換效率足足提升了23.10%。 在稀土發光材料下轉換應用方面，相關研究發現Dy3+和Eu3+等稀土元素離子因具有變成二價離子的趨勢而在紫外光區具有電荷遷移吸收帶，因此容易被220 nm~320 nm波段範圍的紫外光所激發，並發射出可見光。此特性除了可以有效提升染料敏化太陽能電池的光電極效率外，對於整個元件的長效穩定性提升將有莫大的幫助，主要是因為：紫外光的照射會降低染料敏化太陽能電池的化學穩定性，在紫外光照射下組裝於TiO2表面的染料分子層會受光催化作用而不穩定，另外電解質中的添加劑則會因為紫外光的照射發生很大變化，同時電解質中的碘離子氧化還原對也會被很快消耗。若能利用稀土元素離子進行下轉換發光，將紫外光轉換成可見光將可以有效解決這些問題，進而提高電池元件的穩定性和光－電轉換效率。有研究學者合成LaVO4:Dy3+下轉化發光粉粒進行研究，研究發現其所製備的LaVO4:Dy3+粉粒能吸收213 nm和290 nm的紫外光，並分別發射出477 nm和569 nm可被染料敏化光陽極利用的可見光，其所促進的光電流密度可達6.70%。此外，其他相關研究曾使用溶膠凝膠法製備了La2O2S:Eu3+下轉化發光粉粒，並將其應用於染料敏化太陽能電池的光電極中，結果發現與使用無參雜La2O2S:Eu3+的光電極之電池相比，其電池元件的光－電轉換效率足足提升了25.00%。 參考文獻 [1] 維基百科: 稀土金屬。 [2] 陳登銘(2011)。工業的維他命－稀土金屬。科學月刊，42(4)，2-7。 [3] 何恭算，鍾坤煒。稀土礦:新科技的寵兒。國立自然科學博物館，館訊第323期。 [4] 許曉玉，王蒙，林琳，趙斌，何丹農(2015)。稀土發光材料在染料敏化太陽能電池中的研究進展。材料導報，29(1):61-65。 [5] Lee, C.P., Li, C.T., & Ho, K.C. (2017). Use of organic materials for dye-Sensitized solar cells. Materials Today, 20(5), 267-283. doi: 10.1016/j.mattod.2017.01.012 李權倍 臺北市立大學應用物理暨化學系助理教授

從化學的材料本質思考循環經濟

文/陳立基 化學原料的產品應用與現代人生活息息相關，舉凡：食(容器、肥料、餐具)、衣(纖維、眼鏡、鞋子)、住(傢俱、隔板、管線)、行(輪胎、道路、燃料)、育(運動器材、瑜珈墊)、樂(3C產品、面板)，皆扮演不可或缺的關鍵角色，並衍生相關產業(汽車、電器用品)創造源源不絕的龐大經濟價值；因此可以說，化學特性應用的恰當，產品就可以賣的出去，產業就一定會發大財。 綜觀全球化學相關產業的發展近程，皆因掌握住最源頭的化學原料生產技術，所以可以獲利穩定，這點可以從全球前10大化學企業年度之產品銷售額皆超過200億美金(2018/07/30美國化學與工程新聞)，不難看出這樣的事實持續發生(如表1)。而目前全球經濟產值為799,800億美金(2018國際貨幣基金報告)，前10大化學企業就提供了接近0.5%的貢獻度，足見化學產業對於全球經濟具備其舉足輕重的地位。 表1. 全球前10大化學企業年度產品銷售額(資料來源：2018/07/30美國化學與工程新聞) 目前全球化學產業已經透過產業上、中、下游的功能性整合，建構出上游端原料、中游端原料合成、下游端產品應用之完整供應鏈體系。上游端從原油開採及純化，可提煉出輕油、汽油、柴油、煤油、潤滑油、石蠟，以利中、下游端之產業做相關之產品/製品/能源應用。中游端也同時承接經過輕油裂解後所產生之基本原料：如乙烯(C2)、丙烯(C3)、丁二烯(C4)、苯(C6)等其他化學原料(C5以上)，透過在化學工廠中進行聚合、酯化、烷化等化學反應，以達到符合經濟效益之量產行為，並藉此製造出大量的塑膠、橡膠、人造纖維等化學材料。下游端便透過化學原料的工廠加工，可製造出各式食、衣、住、行、育、樂中所用之日常用品(橡塑膠製品、人造纖維、界面活性劑、染料、化學藥品......)。 然而，在促成經濟蓬勃發展的精細產業分工之下，每一個人(包含生產製造者及使用者)都著眼於在產品的使用過程中，功能展現的實務體驗之中，且相關產業供應鏈也都盡責的提供對應功能與展現價值。但是，大家都共同地忽略掉，在相關產品走完自己的生命週期之後，後續棄置處理所衍生的環境問題，對於大家共處的地球環境，其實會造成實質上的傷害。相信大家都曾在網路上看過海龜從鼻孔拔出吸管、海鷗屍體充滿塑膠用品的影片，橡、塑膠微粒入侵食物鏈、環境賀爾蒙讓孩童提前發育、地球暖化危機、臭氧層破洞也都是真實發生的事實，層出不窮的化學工業後遺症就是某種形式的大自然反撲，享受經濟美味果實的同時，所有的人類也同時在服用慢性毒藥戕害自己。 但是，這並不全然是化學工業的錯誤，某種程度而言，是與經濟體系整合失常的系統性錯誤。每一個可以成為大宗化學原料，且能夠被進行相關產品應用，其本身一定具備特定程度的物化特性優勢，且符合產品生產經濟競爭力。可是在現行商業模式體制之下，卻逐步地累積了一點點的些小錯誤，積小敗而成大敗，最終造成無法抹滅的環境災害。目前產業供應鏈所代表的「線性經濟」(如圖1)，是從第一次工業革命後所帶動成功方程式，讓產業發展陷於「製造、使用、廢棄」的成功模式窠臼；其實對於地球的自然生態系而言，「循環經濟」才是永續經營之道，大自然之中沒有「廢棄物」，所有的原物料都一定會有其他用途。 圖1. 「線性經濟」產業發展關聯圖(以壓克力為例) 可是要能夠讓化學原料符合「循環經濟」的商業模式，中間還有許多需要努力的知識技術必須加以考量，在此以聚氯乙烯(PVC)為參考案例，期望可以藉此帶動思考「循環經濟」的核心價值，讓產業發展與環保意識取得平衡，協調共生。 聚氯乙烯(polychloroethylene, PVC)是氯乙烯(化學式：C2H3Cl)經加成聚合反應所得到的高分子材料，不易被酸、鹼腐蝕，成本具產業競爭力，是臺灣上一波經濟奇蹟，臺塑的代表性生產產品(目前仍為全球前十大化學企業)。其產品加工製造，可藉由添加塑化劑來改變柔軟度，因此生產技術門檻與成本不高。PVC原料是僅次於PE原料的第二大泛用塑膠，五大泛用塑膠(PE、PVC、PP、PS、ABS)之中唯一含氯的塑膠，也因為含氯的因素，具備優異的耐燃性質。因此PVC製品被廣泛應用在各種類型的產品中，例如：家具、動漫公仔、食品保鮮膜、電線外皮、鞋子、袋子、廣告牌、裝潢用品、門版、手套......。 從「經濟」與「科學」兩個面向看來，PVC是一個非常優秀的化學原料，同一材料可以做「硬的產品」與「軟的產品」，用途非常廣泛，但是目前卻被國際綠色和平組織稱為「毒塑膠」，這中間一定是產生了某種誤會，而到底是怎麼回事?誰是誰非?請聽我一一道來。 一、成本便宜 PVC原料每公斤價格約12-26元(新臺幣)，從原料成本的觀點看來，實在是非常划算的選擇(如表2)，價格就是產品競爭力是不變的定理。但是，從1950年塑膠開始被工業化大量生產製造之後，全球目前已經累積製造了91億噸以上的塑料，而一般塑膠製品在經過平均約4年的生命週期過後，最終都只能被丟棄或者焚燒。根據喬治亞大學的研究指出，全球91億噸的塑膠廢料中，有70億噸已經沒有在使用，其中只有9%有機會被回收再利用，12%將被焚燒，其他剩下的55億噸，在陸地與水中持續累積。 表2. 五大泛用塑膠原料價格(會依照市場需求變化) 因為塑膠本身就是價格較為便宜，所以在其被廢棄之後，並不會被進行商業化的回收，以及系統性的再生製造處理，且因為本身性質優異並不會被環境完全分解；甚至可以說，除了被燒掉的塑膠，自1950年以來製造的塑料，至今仍然存在於我們的環境之中。大宗塑料之中的PVC原料，在燃燒不完全的情況下，甚至還會產生所謂的「世紀之毒」戴奧辛(dioxin)，根據國際癌症研究所(International Agency for Research on Cancer, IARC)的研究指出，早在1997年對四氯聯苯戴奧辛(2,3,7,8-TCDD)的評估報告中，依據人類流行病學研究方法顯示，戴奧辛被分類為「人類已知致癌物」(Group 1)。 物化性優異的PVC原料在進入廢棄的階段之後反而兩面不討好，因為本身無法自然分解，丟棄後會造成環境負擔，並累積成生態浩劫，焚燒後還有很高的機會產生致癌物質；雖然有識之士在評估整體影響之後，也極力推動PVC原料回收處理系統，但是因為其原料成本價格實在過於便宜，最終都會面臨商轉不易的困境。如果，今日PVC原料的價格跟黃金或其他稀有貴金屬一般的貴，相關的回收再利用機制商轉，一定都會運作的很順利，運用經濟手段來推動環境改善，長期以來一直都是一種成功的手法(如圖2)。 圖2. 稀有貴金屬「循環經濟」產業發展關聯圖(以銠為例) 二、加工添加 PVC原料加工添加塑化劑以利加工是工業上習知的方法，一般而言，半硬質PVC需添加10-30%的塑化劑，軟質PVC則需添加30-70%的塑化劑。鄰苯二甲酸酯類(DEHP)的加入，可以在加工過程中，讓PVC柔軟、易於彎曲、摺疊、富有彈性。但是，PVC製品在用於接觸人體的環境之中，DEHP會因為擴散遷移的關係，接觸後造成人體將其吸收而成為所謂的「環境賀爾蒙」，對發育中的孩童造成過敏及其他(女生性早熟、男生性器官不明顯)不良後果，對成人也會導致慢性病(硬皮病、膽管癌、血管肉瘤、腦癌、肢端骨溶症)。此外，PVC原料在太陽照射或高溫的情況下熱安定性不佳，會釋放出少量鹽酸(HCl)，因此過去PVC常添加少量重金屬(鉛、鎘、鋅等)安定劑，同樣的重金屬也會因為擴散遷移的關係，接觸後造成人體將其吸收產生人體器官(肝、腎)中毒。因此從2006年開始，歐盟已經明文禁止販售未附檢測報告之PVC產品，並增列PVC原料相關之添加劑規範(禁用DEHP、無重金屬溶出)。 因此可以了解PVC並不單單只是PVC，其在產品化的加工過程之中，還被添加了一些對健康與環境有害的塑化劑與安定劑，所以不能將所有的錯誤怪罪在PVC的身上；因此完全不添加任何東西的PVC，可以保證原料本身並無任何毒性，但是也將會沒有任何經濟價值。過去，臺灣各地許多知名的污染事件，都疑似會與PVC原料扯上一丁點關係，這也同時說明了臺灣過去為了成就化學工業，已經不知道默默付出了多少代價，化學原料在發展經濟與環保意識的相互較勁之下，也因為不被了解而背負了一些不白之冤。 但是，隨著臺灣化學產業知識的累積，技術能力的成長，進入下一階段「循環經濟」模式的化學產業，已經是不能夠抵擋的潮流，即使是PVC原料目前也正在努力尋找與建立循環再利用的出路。依據「循環經濟」的基本原則，無論是發展新產品或改進舊製程，都將朝向降低成本、能耗、毒害、風險和零廢棄物為目標；甚至導入高價值材料之租賃模式，也是未來推動「循環經濟」的一種手法。 下一世代的橡/塑膠化學原料，如果能夠符合「循環經濟」的先天布局，具備優良物化性且高價值，以及零加工添加助劑，應可讓產業發展與環保意識取得平衡，從共生中取得雙贏。綜觀目前在市場中已經被開發的化學原料，熱可塑性彈性體(thermoplastic elastomer, TPE)，將很有機會在化學產業中成為「循環經濟」的明日之星，其原料價格大於200元(新臺幣)/公斤，具備優異物化特性。 TPE原料之成份組成包含硬質段及軟質段，在單一材料之中可以同時做「硬的產品」與「軟的產品」，具備多樣化的化學結構與產品泛用性。TPE原料可以在特定高溫中塑化變形，硬質段在常溫時可以發揮架橋點的作用，以防止塑性變形；但當溫度上升時，硬質段的塑膠成分會熔融，失去作為架橋點的作用，進而可以進行塑性變形，所以可如同塑膠一般，於加工時進行相關成型操作。因此TPE原料可以沿用塑膠原有的加工機器，進行終端產品的製作無須添購新設備，如：注塑成型、擠出成型、吹塑成型、壓延成型、押出成型等，且材料本身具備環保(燃燒無毒)、零浪費(邊料可回收)、質輕(密度低)、使用壽命長(較傳統橡塑膠達5-10倍以上)、加工變化度大、製品總成本低等優點。 目前已開發成功的TPE原料有很多種類，包含：熱塑性聚氨酯(TPU)、聚烯系彈性體(TPO)、動態加硫聚烯彈性體(TPV)、聚苯乙烯系彈性體(TPS)、聚醚酯彈性體(TPEE)、聚醯胺系彈性體(TPA)，全球各化學大廠無不積極佈局，從化學原料端到產品端，用途逐漸擴大。從化學原料的本質，逐漸走向與大自然和諧共存的「循環經濟」，零資源浪費，就不會有污染產生；同時也需要所有人的消費觀念，共同往好的方向改變。 陳立基 工業技術研究院材料與化工研究所研究員

STEM領域女力崛起--讀出女孩超能力

文/劉淑雯、孫俐婷、郭妍希、蔡佳蓁 STEM領域包含科學(Science)、科技/技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)。這四個領域充斥在我們的生活中，天天都會接觸到。每天醒來，搭車出門工作或上學，需要技術與工程，每天使用的手機和電腦，也是經過精密的科學、數學運算。還有許多偉大的發明像是電腦程式、天文觀測、海底探勘等等，使我們的生活更加便利。 然而，刻板印象總是認為，STEM這些領域，常是由男性一手包辦，相對而言，女性在STEM領域中，並無太大發揮，甚至認為是潛力不足。可是，事實則非如此。從古至今，歷史上有許多偉大的女科學家，她們運用自己的好奇與興趣，創造出許多不可思議的發明。若我們可以帶領孩子，認識這些女科學家、瞭解她們的故事，勢必能給孩子們在STEM領域一個典範支持的力量。 從繪本讀出女性在STEM領域力量 閱讀繪本是親子和師生間良好的互動方式。繪本中一則則有趣生動的故事和插圖，孩子深受吸引。不僅如此，透過繪本，孩子還可以從中看見典範，模仿學習。以下推薦幾本，講述偉大女科學家的故事，看她們如何突破困境，打破世人對女性的印象，勇於在STEM領域，追逐自己的夢想，並發揮出足以改變世界的力量。孩子也可以藉著閱讀推薦的繪本，超越性別框架，從中發覺自己的潛能。 ㄧ、科學類繪本中的女力 在科學類文本方面，推薦兩本繪本分別是《小人物大夢想－居禮夫人》(Little People, BIG DREAMS ─ Marie Curie)以及《看天空！首位女天文學家－漢麗埃塔·萊維特》(Look up! ─ Henrietta Leavitt, Pioneering Woman Astronomer)。兩本繪本皆在講述在有限的資源下發現新事物的女性，儘管過程雖苦，不放棄與相信信念的精神值得我們學習。 圖1.《小人物大夢想－居禮夫人》(Little People, BIG DREAMS ─ Marie Curie) 出處： Green Tots 英文繪本館 這本繪本中記述了居禮夫人(Marie Curie)的一生。從小便立志成為科學家的她，毅然地到了法國求學。在與先生的共同努力下，居禮夫人(Marie Curie)成為了歷史上第一位獲得諾貝爾獎的女性。儘管在一次意外中失去了丈夫，她並因此沒有放棄，更鼓勵了更多和她一樣對科學抱有熱忱的女孩投入科學研究的領域。 您的學生是否好奇過X光機的原理是什麼呢？其實放射性物質並沒有想像中的那麼可怕，生活中常常會有輻射物質存在，「輻射」並不是如此觸不可及。那我們能夠用什麼來幫助孩子瞭解新知識呢？ 探索活動可以參考「夜光小精靈」：請小朋友先將自己喜歡的圖案繪製在空白設計的小夜燈上。由老師塗上螢光塗料後，靜置小夜燈等塗料完全乾燥，再將小夜燈放置在陽光下吸收紫外線，小夜燈就能發出美麗的螢光。材料主要包含螢光塗料、畫筆，以及小夜燈本體。可讓孩子建立一些與輻射相關的基本科學知識。 圖2.《看天空！首位女天文學家－漢麗埃塔·．萊維特》(Look up! ─ Henrietta Leavitt, Pioneering Woman Astronomer) 出處：Green Tots 英文繪本館 女科學家漢麗埃塔．萊維特(Henrietta Leavitt)在一次又一次的探索中，發現了星星閃動的奧妙。經過不斷的研究，她發現星星的光閃動的方式跟頻率都是不一樣的，由此可以更精確地推算出星星和地球的距離。若因當時的限制而侷限了自己的發展，漢麗埃塔．萊維特可能不會有今天的這般成就。 從繪本延伸相關的學習活動，老師不妨考慮讓孩子製作自己的星空地圖。可在網路上下載簡易的星星分布圖，和孩子一起找出各星座的所在位置。除此之外，也可以讓孩子將星星與星星之間相互連接，「發現」一個全新的、獨一無二的星座，給予孩子自由創作的無限空間。 問題與討論： 1. 當時認為女生做不到的事情，居禮夫人(Marie Curie)做到了嗎？她是如何做到的？ 2. 如果你是漢麗埃塔．萊維特(Henrietta Leavitt)，只能在小房間工作，你會有什麼感受呢？ 3. 你覺得科學家或天文學家是適合女生的工作嗎？為什麼？ 4. 如果你的朋友或同學想成為一位科學家或天文學家，你會如何支持她/他？ 二、科技/技術類繪本中的女力 在技術類文本方面，推薦兩本繪本分別是《海底拼圖：地理學家瑪麗．薩普的故事》(Solving the Puzzle Under the Sea- Marie Tharp Maps the Ocean Floor)以及《敢為風前：埃莉諾和飛雲號的航海創舉》(Dare the Wind)。這兩本繪本都是女科學家在大海上，運用自己的相關知識、好奇心與想像力，來發現問題、著手行動、不斷嘗試，最後克服困難。 圖3.《海底拼圖：地理學家瑪麗．薩普的故事》(Solving the Puzzle Under the Sea- Marie Tharp Maps the Ocean Floor) 出處： Green Tots 英文繪本館 老師可以跟孩子一同閱讀，看這位女科學家瑪麗．薩普(Marie Tharp)是如何運用她的好奇心來打破世人的觀點，並畫出屬於海洋的地圖。由於瑪麗．薩普從小就熱愛地圖，且獨獨對未知的海域充滿好奇。因此，運用聲納的數據，她一筆筆繪出了世人所不知的海底樣貌，甚至提出了大陸漂移說。書中，瑪麗．薩普堅持自己的夢想與興趣，從而發現世界的奧妙，是很值得孩子閱讀與仿效的。 與孩子共讀完瑪麗．薩普的故事後，老師可以帶著孩子做一個小活動，讓他們運用自己的想像力，畫出海底的風貌。首先，老師可以用網路展示幾張深海地圖的照片。讓孩子用鉛筆和色筆勾勒出海底樣貌。完成後，老師可以跟孩子討論，想像深海的地底還會有什麼存在，發揮想像力畫在紙上。屬於自己的深海地圖就完成了。 圖4-1.Detailed Maps of Ocean Floor Relief 圖4-2.Indian Ocean Floor - Published in 1967 by National Geographic 圖5.《敢為風前：埃莉諾和飛雲號的航海創舉》(Dare the Wind) 出處： Green Tots 英文繪本館 繪本中的女主角埃莉諾．普倫蒂斯(Eleanor Prentiss)從小就嚮往大海，當其他女孩在家刺繡或做家事，她則到岸邊追逐大浪、海風、看著大船駛向無邊無際的大海。後來，在一趟重要的航行旅程中，運用她所學到的航海相關知識及她過人的膽識，僅由太陽、月亮和星星當嚮導，克服了航行中所遇到的大小困難。在這本書中，孩子可以清楚看到埃莉諾·普倫蒂斯勇於做自己、相信自己，並且運用她所學克服所有難關，這些精神都是值得孩子去學習的。 看完這本書後，老師可以和孩子一起進行活動，例如，紙船大比拚。紙船、紙飛機等一直都是孩子們童年的好玩伴。不僅材料唾手可得，作法又十分簡易。更是充滿樂趣。讓孩子們自由選擇不同材質的紙來做成紙船，可以是瓦楞紙、雲彩紙、或是水彩紙等……。讓孩子研究並記錄：那種紙張材質做成的船可以漂浮在水中最久呢？改變風力的大小，使用不同的風扇，再試試看結果會如何？ 問題與討論： 1. 瑪麗．薩普(Marie Tharp)在繪製地圖時，發現了什麼，提出大陸漂移說？ 2. 大陸漂移說這個新論點，有馬上被大家接受嗎？為什麼？ 3. 航行時，面對種種困境時，埃莉諾．普倫蒂斯(Eleanor Prentiss)是怎麼克服的呢？ 4. 想想看，你覺得埃莉諾．普倫蒂斯(Eleanor Prentiss)，有哪些特質是你很欣賞的？ 5. 對於女生從事航海，你有什麼看法？ 三、工程類繪本中的女力 在工程類的文本方面，推薦三本繪本分別是《勇敢飛行家－露絲和她的雙翼機》(Fearless Flyer ─ Ruth Law and Her Flying Machine)、《小人物大夢想－愛蜜莉亞．艾爾哈特》(Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart)以及《不簡單女孩 2：有數學頭腦的女孩--工程師瑞．蒙特固的故事》(The Girl With a Mind for Math: The Story of Raye Montague)。前兩本繪本皆在描述女飛行員的故事，她們的勇氣及韌性讓她們飛出自己的一片天。第三本繪本帶著孩子了解女船艦工程師瑞．蒙特固(Raye Montague)的故事，看她如何打破性別框架，勇於追夢。 圖6.《勇敢飛行家－露絲和她的雙翼機》(Fearless Flyer ─ Ruth Law and Her Flying Machine) 出處： Green Tots 英文繪本館 這是一名不怕冒險的女子，和她心愛飛機的翱翔之旅。露絲(Ruth Law)非常喜歡飛行，在當時，長途飛行是一件非常困難的事情，周遭的人都不看好露絲，然而露絲在某天的清晨準備好，起飛了。風非常的大、非常地冷。飛越俄亥俄州的克里夫蘭，中途歷經種種困難，露絲終於抵達了紐約。這次旅程不僅打破了歷史紀錄，也讓露絲突破了自己。如何訂下自己的目標，並有計畫地去執行，都是孩子們可以從中體悟並學習的良好精神。 最簡單、最貼近孩子的遊戲素材便是紙飛機了。可以讓孩子嘗試運用不同種類的紙張，甚至是不同的折法，來看看那一種紙飛機能夠飛得更遠。除了讓孩子有機會接觸不同的媒材，也能在製作、玩耍途中讓孩子理解飛機飛行是依靠空氣氣流的基本原理。在紙飛機上放上不同的小物品，例如小迴紋針或一塊錢硬幣等等，看看那一種承載重量最高，也能讓活動變得更豐富有趣。 圖7-1.《小人物大夢想－愛蜜莉亞·艾爾哈特》(Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart) 出處：Green Tots 英文繪本館 在這本繪本中，可以看到愛蜜莉．艾爾哈特(Amelia Earhart)在發掘自己對飛機及飛行的興趣後，是如何摒棄世俗對於女飛行員的眼光，勇敢追逐自己的夢想的。她不僅僅創下女子飛行員駕駛飛機的高度紀錄，更勇於迎接各種不可能的任務。 圖7-2.《小人物大夢想－愛蜜莉亞·艾爾哈特》(Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart)內頁 出處： Green Tots 英文繪本館 與孩子共同閱讀這本書後，老師可以與孩子共同研究現代飛機起飛原理--白努力定律。實驗所需器材有杯子一個、吸管一隻、剪刀一把。首先，將杯子裝滿水，水位接近杯口將吸管放入水中，略高於杯口之處剪斷後，將兩吸管緊靠，相對位置如右下圖。接著用力吹氣，看看發生了什麼事情呢？ 圖8.《不簡單女孩 2: 有數學頭腦的女孩- 工程師瑞．蒙特固的故事》(The Girl With a Mind for Math: The Story of Raye Montague)感 謝 字畝文化 授權提供 瑞．蒙特固從小便是個充滿夢想的女孩，特別是在數學與科學領域，有濃厚的興趣，且立志要成為工程師，為海軍設計潛水艇。當時，她必須對抗種族歧視和性別不平等的環境，隱藏自己的才華與能力，只為了完成夢想。她堅持信念，最終成為美國海軍史上第一位女性船艦設計者。瑞．蒙特固勇於對抗種種逆境，且不輕言放棄，是我們與孩子們的楷模。 老師可以帶著學生一起製作橡皮筋動力船。製作橡皮筋動力船是一個簡單易上手又十分有趣的活動。進行這個活動，需要準備的用具有尖頭利樂包、筷子一雙、橡皮筋三條、剪刀、打動機和膠帶等。準備好這些材料後，就可以帶著孩子製作出以彈力為動力的橡皮筋動力船囉！ 製作方式參考： 蟲蟲老師的科學教室-橡皮筋動力船 問題討論： 1. 當初愛蜜莉亞．艾爾哈特(Amelia Earhart)夢想開飛機時，遇到了什麼樣的困難？ 2. 你所知道的航空業有那些相關的工作？ 3. 當飛行員需要什麼能力？有什麼樣的限制呢？ 4. 你認為不同性別的人擔任機師、空服員、維修員、艦長、船員會有什麼差異嗎？說說你的想法。 5. 你對於女船艦工程師的看法是什麼呢？ 四、數學類繪本中的女力 在數學類文本方面，推薦三本繪本分別是《小人物大夢想－愛達．勒芙蕾絲》(Little People, BIG DREAMS ─ Ada Lovelace)、《愛達的想像力：世界上第一位程式設計師》 (Ada’s Ideas)以及《愛達．勒芙蕾絲－科學的詩人》(Poet of Science)，來看看故事中的主角愛達．勒芙蕾絲(Ada Lovelace)是如何在電腦科學領域造就偉大貢獻，並造福後人。 圖9.《小人物大夢想－愛達．勒芙蕾絲》(Little People, BIG DREAMS ─ Ada Lovelace) 出處： Green Tots 英文繪本館 圖10.《愛達的想像力：世界上第一位程式設計師》 (Ada’s Ideas) 感謝 臺灣麥克 授權提供 圖11.《愛達．勒芙蕾絲－科學的詩人》(Poet of Science) 出處：Green Tots 英文繪本館 小時候的愛達會發揮自己的想像力，在紙上天馬行空各種發明。由於母親的影響，往數學領域發展。儘管14歲時生了一場大病，臥病在床的愛達仍不斷地讀書、想像、發明。因緣際會下，遇到了她生命中的貴人，除了了解到計算機的原理，更使用數字作為一連串的密碼，隨後成了我們現今電腦的共通語言。她對數學的熱愛造就了她在電腦程式上的偉大貢獻，也為電腦科學領域奠下了基礎。世界上首位電腦程式工程師愛達．勒芙蕾絲，可說對我們現在的生活影響深遠。 與孩子共讀完繪本後，老師可以帶領孩子接觸電腦程式。這裡推薦一款遊戲網頁，讓孩子嘗試接觸與電腦程式相關的概念。 網站名：Blockly Games 網址：https://blockly-games.appspot.com Blockly Games 是一款讓孩童嘗試撰寫、並理解電腦程式概念的遊戲。遊戲有分不同的關卡：Puzzle, Maze, Bird, Turtle, Movie, Music, Pond Tutor, Pond. 這些關卡都有不同的任務，需要孩子給予電腦指示才能完成。例如，在關卡Maze裡，孩子必須要給予電腦不同的指示，讓電腦中的人可以走到目的地。其中孩子需要告訴電腦中的人如何左轉，又該何時右轉。如此，孩童在不斷嘗試給予指示後，讓電腦依他們的需要完成任務。 問題與討論： 1. 你對「男數理，女人文」的說法，意見如何？ 2. 你對愛達(Ada Lovelace)媽媽限制她上課內容的看法為何？ 3. 在探索活動，完成網站任務時，必須給予電腦指示，有沒有遇到什麼困難？ 4. 目前電腦工程師都是男生居多，你對女生成為一個優秀的電腦工程師的看法如何？ 誌謝：再次感謝Green Tots 英文繪本館、字畝文化與臺灣麥克出版社授權或提供精美繪本封面照片，為推動科普繪本提供助力 ! 參考書目 1. Little People, BIG DREAMS ─ Marie Curie by Isabel Sanchez Vegara (作者), Frau Isa (繪者) 2. Look up! ─ Henrietta Leavitt, Pioneering woman astronomer by Robert Burleigh (作者), Raúl Colón (繪者) 3. Solving the Puzzle Under the Sea- Marie Tharp Maps the Ocean Floor by Robert Burleigh (作者), Raúl Colón (繪者) 4. Dare the Wind by Tracey Fern (作者), Emily Arnold McCully (繪者) 5. Fearless Flyer ─ Ruth Law and her flying machine by Heather Lang (作者), Raul Colon (繪者) 6. Little People, BIG DREAMS ─ Amelia Earhart by Isabel Sanchez Vegara (作者), MARIADIAMANTES (繪者) 7. 《不簡單女孩 2: 有數學頭腦的女孩- 工程師瑞．蒙特固的故事》 by Julia Finley Mosca(作者), Daniel Rieley(繪者) 8. Little People, BIG DREAMS ─ Ada Lovelace by Isabel Sanchez Vegara (作者), Zafouko Yamamoto (繪者) 9. 《愛達的想像力：世界上第一位程式設計師》 by Fiona Robinson (作者/繪者) 10. Poet of Science by Diane Stanley (作者), Jessie Hartland (繪者) 劉淑雯 臺北市立大學師資培育中心 孫俐婷 臺北市立大學英語教學系 郭妍希 臺北市立大學英語教學系 蔡佳蓁 臺北市立大學英語教學系

簡易減量潔手裝置

文/牛其源 市面上不少酒精洗手產品，若選擇70〜75%的濃度，可溶解細菌外膜，方便又快速有效達到殺菌效果。但得注意，酒精洗手不是萬能，也有許多病毒是酒精無法殺死的，例如曾創下一週14萬人腹瀉求診的諾羅病毒，還有引起嬰幼兒腹瀉最常見的輪狀病毒、同樣產生腹瀉、下腹疼痛的星狀病毒，以及A肝、E肝等等。無法用酒精有效殺死的，還有腸病毒群，包括各種類型的克沙奇病毒A型、伊科病毒、小兒麻痺病毒等。另外有水痘病毒、引發感冒的鼻病毒、引起發高燒的腺病毒、B19微小病毒等，由於這些些病毒沒有外套膜，用75%酒精也無法有效杜絕。 醫師提醒，想要拒絕病毒，最有效的方法還是最傳統的方式「洗手」，而且強調乾洗手無用，必須是「濕洗手」，用水、用清潔液搓揉，把細菌病毒降到最低。 教學構想概述 生活中我們常常會遇到一些不環保的事，例如大量的水洗手、洗碗盤，原因只是因為清潔劑濃度過高，清潔手之後，需要大量的水清除手上殘留的清潔劑，這樣一來一往之間，耗費了的是大量的水及產生了大量汙染物(界面活性劑)。所以我們結合環保和惜物的概念，做這作品，來減少不必要的浪費，希望能推廣給大眾使用。用剛剛好的清潔劑濃度來洗手、洗碗盤，減少搓揉的時間和減少把殘留在碗盤上的清潔劑沖掉的水量，並強化殺菌的效果，將人為因素減到最低，給我們的地球有個休養的空間。 世界各城市的飲用水逐漸枯竭，費用也節節高升。新式多段淨化法能協助解決這個問題，把廢水淨化成乾淨的自來水。美國加州聖地牙哥市已發展出最先進的污水淨化系統。如果主管機關允許把處理過的廢水直接送到住家，將替許多城市與國家立下標竿。儘管資料證明處理過的廢水比目前的飲用水還乾淨，但如何說服大眾接受處理過的廢水，依然是最大阻礙。 以我國現有54 座污水處理廠（統計至103年底）為例，實際處理水量為每日285 萬噸，政府為了促進水資源永續利用、提高整體供水可靠度、帶動再生水相關產業 亦為了讓一滴水變成兩滴水，政府已擇定臺中、臺南及高雄等地區共６座公共污水處理廠辦理放流水回收再利用示範推動計畫。你可知道一座污水處理廠價格動不動就五、六億元(54座*5億=270億)，這是一筆相當大的開銷，就只是為了淨水。 教學材料說明 達95％以上界面活性劑(洗潔精)、水、小瓷盤、油性奇異筆、滴管、試管、碼錶、廣用示紙、水桶、燒杯、相機、量筒(10ml) 、抹布、游標尺、20公升節水閥水桶、75％酒精、5ml定量裝置。 教學實驗活動說明 近幾年地球暖化更趨嚴重，在台灣因熱島效應影響，原先只有北部夏秋季節有缺水問題，近二年連中南部都出現缺水問題，淡水資源是很珍貴的，生活中洗澡、洗碗盤、洗車等，都會用到大量的水，而大量的清潔劑排放至水中，也會造成水的污染。因此，想從生活中會用到水來清潔進而殺菌的事情來研究，如何用最少量的清潔劑和水來達到清潔殺菌的效果，一切以減量、環保、救地球的觀念，來為地球盡一份心力。 希望能從作品中讓大家了解坊間常用的清潔劑 (界面活性劑)最佳清潔效果的濃度比，於日常生活中有效的利用，期望能用最少的水量，同時達到完全清潔殺菌的效果。 (一)個人採樣實驗 先配好(水：洗碗精)各種比例的清潔劑濃度放在試管中備用(如圖1)。利用固定長度的游標尺(如圖2)，在瓷盤上以油性奇異筆畫2公分長的痕跡，靜置約30秒讓其乾燥。 然後取不同濃度的清潔劑，滴一滴於油性奇異筆的痕跡上，接著以碼錶計時，看油性奇異筆痕跡溶解的狀況。 接著將大燒杯中的水倒入小量筒，記錄整個清潔過程中所用的水量。 圖1. 配好各種濃度的清潔劑 圖2. 固定2公分的游標尺 第一次溶解實驗 圖3-1. 畫線的瓷盤 圖3-2. 第一次實驗溶解的狀況: 30秒未完全溶解 第二次(沖水量)實驗 第三次(溶解秒數)實驗— (力量=第二次)重複再做一次 圖4-1. 油性奇異筆溶解痕跡 圖4-2. 清水沖洗後廣用示紙檢測情形 第四次(洗手)實驗―將油性奇異筆畫2公分在手背上，以三種濃度清潔的結果如下表: (二)團體採樣實驗 一組五人，先在每位組員手心及手背劃上約二公分(油性奇異筆)直線，然後取(水：洗碗精=9：1)濃度的清潔劑，滴一滴於奇異筆痕跡的手心上，接著以碼錶計時，以滴管吸取清水，滴在溶解的油性奇異筆痕跡上，將污漬和清潔劑及水沖入大燒杯中，直到手心及手背沒有清潔劑的滑膩感時，以廣用指示紙檢驗是否有清潔劑的殘留。看油性奇異筆痕跡溶解的狀況，完成所有組員清洗工作，採計5位組員總用水量及時間。 以 (水：洗碗精 = 9：1)濃度的清潔劑測試成果： 教學實驗結果與討論 (一)個人採樣實驗 第一次溶解實驗時，當滴入清潔劑後，計時約30秒以指腹畫圓搓洗油性奇異筆的痕跡，若沒有完全溶解則停止計時，將瓷盤置於水龍頭下方，以小水流一邊沖洗，一邊搓揉，發現很快就溶解、洗掉了，因此發現第一次溶解實驗不同濃度的清潔劑，對溶解油性奇異筆色素的效果，以(水：洗碗精=9:1>7:3>8:2)濃度越低，溶解效果越佳。 第二次(沖水量)實驗進行清潔的操作，發現不同濃度的清潔劑，大都可以在30秒內將油性奇異筆色素溶解，當奇異筆的痕跡都被溶掉後，停止計時，以滴管吸取清水沖洗瓷盤上的清潔劑，並以手指來回搓揉，以觸覺來感受是否清潔乾淨，主觀的觸覺來判斷結果前三名：(水 : 洗碗精 = 6:4水量1.1ml ) 第三次(溶解秒數)實驗進行清潔的操作，發現不同濃度的清潔劑，大都可以在30秒內將油性奇異筆色素溶解，當油性奇異筆的痕跡都被溶掉後，停止計時，以滴管吸取清水沖洗瓷盤上的清潔劑，並以手指來回搓揉，以觸覺來感受是否清潔乾淨，主觀的觸覺來判斷結果前三名： ( 水 : 洗碗精 = 7:3時間11”03水量1.3ml ) 第四次(洗手)實驗―將油性奇異筆畫2公分在手背皮膚上，以三種濃度清潔的結果只有水：洗碗精 = 9:1溶解，其他未溶解的狀況，結果發現在皮膚上和瓷盤上，清潔劑溶解色素的效果不同，顯示同樣的汙漬，在不同的物體表面，溶解所需的清潔劑濃度不同。但可確定清潔劑(界面活性劑)低濃度，溶解速率快，得此證明。 由以上的數據資料可以知道，實驗操作的目的是要探討界面活性劑濃度對清潔、乳化、溶化等作用關聯。從實驗的操作中，大概可看出洗碗精主要是靠溶化作用來溶解奇異筆色素(圖6)，要溶解油性奇異筆的色素需要有水的參與，因此推論濃度太高的清潔劑，溶解效果反應較差。雖有些實驗數據可能受到溫度或壓力等因素影響到結果。但在所有實驗項目結果，還是可以確定，清潔劑(界面活性劑)濃度高低及溶解速率快慢是成反比的。因此，我們可以大膽提出清潔劑(界面活性劑)濃度越高其反應溶解速率越慢，反之濃度越低其反應溶解速率越快。 接下來就清潔的用水量來討論，從第一、三及四次實驗的清潔用水量來看，當溶解完後，將沖洗後的水倒入10毫升的小量筒中，測量清洗所耗費的水量，發現濃度越高的清潔劑溶解完後，清洗所需水量較大相對也花較多的時間，但濃度較低的清潔劑在洗清時，耗費的水量明顯較少，時間相對也少，以( 水：洗碗精 = 9：1 )濃度比為例，皆有前三名的表現。因此可以得知，清潔劑(界面活性劑)濃度高低與清潔用水量是成正比的，因此我們可以大膽提出清潔劑(界面活性劑)濃度越高其清潔用水量越高，反之濃度越低其清潔用水量越低。 (二)團體採樣實驗 最後我們以 ( 水：洗碗精 = 9：1 ) 濃度的清潔劑來測試成果，最主要是希望能夠測出最精確清潔劑(界面活性劑)與水的濃度比率，此次是以(水：洗碗精=9：1)濃度的清潔劑測試，就得到完整驚人的數據：5人10組共50人，所需用水量只需要1,711克，約1.7公升的水就可以洗淨50人的手，所以我們可以大膽提出清潔劑(界面活性劑)濃度越低，其清潔用水量越低(註：團體採樣實驗中前幾名隊伍很技巧地將水開關調整到最小的出水量，由一名同學負責水流量開關，在完全不浪費一滴水的情況下，才能有如此驚人的節水量)。 (三)未來的應用潛能如何？ 我們可以製作一套簡易減量潔手裝置(如下圖)，它包含：(1)殺菌 ( 75％酒精) ，(2)清潔 ( 10％清潔劑) ，(3)洗清 ( 自來水裝置) ，(4)儲水裝置四部分，除上述清潔節水之外，還加強環保殺菌，它可運用在除了醫院學校外，一般飲食製備環境(如餐廳飲料業)，人員衛生環境需更加注重的單位。它讓一般大多只兼顧到清潔節水的環境，提升到環保殺菌醫療衛生水準，而這樣的裝置卻非常便宜便利，何樂而不為呢？ 結論與建議 本次教學實驗活動最重要的是讓學生參與活動中瞭解到，界面活性劑的雙性分子結構特性一端為親油性（較易溶於油），另一端為親水性。藉由展著、濕潤、乳化及懸浮粒等特性，降低界面活性劑水溶液與餐具表面的接觸角，使其能鋪展於餐具及油質污物表面；再藉由界面活性劑，同時具有親油性及親水性之基團，親油基的部分吸附於油性污物表面，及親水基的部分吸附於玻璃陶瓷餐具表面，使油性污物及餐具間的附著力降低，配合手洗揉搓，導致油污自餐具表面剝離，最後利用界面活性劑的乳化力或懸浮力將污物以微胞(micelle)形式包覆後，懸浮於水溶液中，配合清水沖洗後，含污物之微胞即可去除。 利用以上原理及簡易減量潔手裝置採樣實驗結果得知：在實驗中，以 (水：洗碗精 = 9：1 ) 濃度的清潔劑測試50人，所需用水量只需要1,711克，約1.7公升的水就可以洗淨50人的手，所以我們可以提出清潔劑(界面活性劑)濃度越低其清潔用水量越低的說法。這說法進一步告訴我們，只要日常生活中清潔劑(界面活性劑)降低濃度，再以少量、適量的使用水清洗，我們的用水量將大幅度減少，讓水資源充份利用在更需要的地方。 展望未來，整個實驗雖沒有在一個穩定、實驗誤差頗大環境下做到完美，還有許多可以再加強及繼續探討的地方，如清潔是否完全，在不同的材質的清潔上，找出更精確適合的清潔劑濃度。但我們相信只要大家能從以減量、少量、適量的使用水資源做起，進一步找出最適當的節水觀念，地球的永續將不是夢想，來作生活中的守護者，為達到環保及愛護地球盡一份心力，最後告訴大家：拯救地球不困難，就差你的一大步。 經過各種實驗後，以下為建議大家的節水洗手兩種方法： 第一種：一般只有清潔劑 (請調製水 : 洗碗精 = 9：1 ) 濃度時，圖5為六大洗手步驟示意圖。 圖5-1. 步驟1：奇異筆畫2cm在手心手背 圖5-2. 步驟2：滴一點 ( 水：洗碗精 = 9：1 ) 濃度的清潔劑 圖5-3. 步驟3：迅速的清理汙垢 圖5-4. 步驟4：小水量清洗，以求100%接觸手面 圖5-5. 步驟5：水龍頭下方以水桶接水(可再利用) 圖5-5. 步驟6：測試，清潔乾淨！ 第二種：簡易減量潔手裝置含 ( 75％酒精 ) 清潔劑 ( 請調製水 : 洗碗精 = 9：1 ) 濃度時。 圖6是簡易減量潔手裝置(完成裝置)與4大潔手步驟示意圖。 圖6-1. 簡易減量潔手裝置(完成裝置) 圖6-2. 步驟1：殺菌(壓取1ml 75％酒精迅速搓洗) 圖6-3. 步驟2：清潔(壓取1ml 10％清潔劑反覆搓洗) 圖6-4. 步驟3：洗清(轉開自來水閥，以小水量洗淨為止) 圖6-5. 步驟4：接收的汙水可用於澆花、洗地、沖馬桶等，充分利用不浪費 參考文獻 刈米孝夫原著，王鳳英編繹（1993）。界面活性劑的原理與應用。 新北市：高立圖書。 三雲次郎原著，陳溫其編譯（1962）。肥皂與合成清潔劑。臺北市：台灣區肥皂清潔劑工業同業公會。 界面活性劑的作用（2018）。 污水變飲水（2018）。 水資源如何充分利用? （2018）。 開學恐爆感染高峰 這些病毒「酒精洗手」殺不掉 （2018）。 食品用洗潔劑管理（2018）。 食品用洗潔劑衛生標準（2018）。 清潔劑特性及其清洗原理（2018）。 國立臺北科技大學技術及職業教育研究所研究生 牛其源

5分鐘完成的STEM簡易科學實驗－自製炸彈包

文/蘇子珺、黃琴扉 教育的主軸包含了「教」與「學」，目前國內的教育走向積極推動十二年國教核心素養實踐，因此許多中小學教師開始進行教學革新與翻轉，期許在教學過程中能培養與建立學生的探究能力與問題解決能力。因此，開發適合中小學的教材教案，是台灣科學教育領域迫切急需的工作。本活動的設計，是透過從「理論教學」和「探究式實作」雙主軸進行創意課程之規劃，並視問題解決為目標導向開發的簡易活動教案，期盼能提供教師自然科教學之多元素材。 承上所述，培養學生問題解決能力或採用探究式教學法的引導，是目前教育界的當務之急，但是在實務教學過程中，教師們常發生的執行困難主要有四項。第一，要進行探究活動，通常會花費較多時間，影響課程安排；第二，活動的趣味性若不足，無法引發學生想解決問題的動機；第三，探究活動必須與課程內容相關，但又能引發更多思考面向；第四，場域如果一定要在實驗室或戶外，容易降低教師執行的意願。為了解決上述四個問題，本活動所設計的「自製炸彈包」，包含表1所列特色。 表1. 「自製炸彈包」活動特色 本文介紹的課程是希望以提升學生問題解決能力為目標而設計，改良一般食譜式的教學模式並透過生活中的情境、簡單可取得的器材帶入教學及實作，課程之詳細內容說明如下： 使用器材與步驟 一、器材 各組需小蘇打粉、檸檬酸、盛裝水之容器、滴管、湯匙、2-3號夾鏈袋、塑膠淺盤或塑膠籃等可盛裝之容器（如圖1）。 圖1. 實驗器材 二、5分鐘可完成的實驗教學過程與實驗步驟 (一) 第一部分：老師先示範一次炸彈包操作，引導學生觀察與發現問題 在自製炸彈包實作前，老師先示範一次自己做的炸彈包，並用爆炸後的物件，引導學生觀察、思考並提出問題（例如：為什麼會爆炸？爆炸後袋中白白的東西是什麼？）。 (二) 第二部分：器材介紹與觀察 進行實驗前，待各組領完器材後，請他們觀察這次實驗使用的材料（小蘇打粉、檸檬酸），可在未告知的情況下先讓他們猜猜這兩項是什麼東西，再引導觀察並記錄兩者的外觀、顏色……等項目。這項活動結束後再公布答案並介紹使用的器材。 (三) 第三部分：實驗進行與記錄 示範一次實驗給學生看，請各組開始動作，試試看怎麼樣才能成功讓炸彈包爆炸，不管成功或失敗都要記錄每次加小蘇打粉、檸檬酸與水的量。另外，透過這個實驗要請各組想出兩個問題（不可重複）。 (四) 第四部分：問題解決思考 在操作過程中，許多學生的炸彈包會發生「膨脹很大，卻沒氣爆」、「氣爆的速度比其他組同學的慢」、「氣爆點與其他組同學的不同」等各種問題；此時，教師必須引導學生進行問題解決、變因控制討論，以及各種誤差存在的可能性。 (五) 第五部份：結果討論 操作完後，請各組派人上台分享自己炸彈包成功的配方與問題並寫在黑板上，來看看大家是如何配製這個炸彈包的。最後老師再根據學生提的問題進行討論與解答。 (六) 本次實驗之步驟（圖2為示意圖） 1. 取2.52g(約3克)小蘇打粉與1.92g(約2克)檸檬酸粉末放入夾鏈袋中。 2. 將夾鏈袋密封好留一個小縫（注入水用）。 3. 擠5c.c.水注入袋中並迅速將小縫密封。 4. 放入塑膠籃前可搖一搖，使其混合均勻並加速其反應。 5. 等待「爆」的聲音出來，且撐破夾鏈袋，則表示炸彈包製作成功。 圖2.實驗步驟示意圖 圖3.爆炸成功與失敗之示意圖（爆炸瞬間GIF(自製的)） 原理和概念 一、 化學反應-酸鹼中和 由上述反應式中可以發現，若要產生1莫耳(mole)的檸檬酸鈉，就需要使用1莫耳檸檬酸與3莫耳小蘇打共同反應。若以莫耳數搭配分子量進行計算，則可採用下列公式： 莫耳數(mole) = 質量(g)/分子量 舉例來說，倘若要取用3莫耳小蘇打，則數學計算方法如下： 3= X/(23+1+12+48) X= 252 (g) 透過數學計算方式，學生將了解：若要取用3莫耳小蘇打，則需要252公克。但本實驗經過多次反覆實驗與用量的計算，僅需要2.52g(約3克)小蘇打粉與1.92g(約2克)檸檬酸粉末即可完成實驗。 本活動的主要概念，是透過小蘇打(弱鹼)與檸檬酸(弱酸)的酸鹼中和反應，產生些許的水及二氧化碳，由於反應過程中會持續產生二氧化碳，當二氧化碳累積到密封的夾鏈袋無法承受時，則產生氣爆效果。 二、 酸鹼中和是放熱反應，但炸彈包的產物卻是冰的，為什麼呢? 小蘇打粉與檸檬酸分別為弱鹼性的鹽類和弱酸，其水溶液除了會各自分解出微量的氫氧根離子及氫離子，也會反應生成「檸檬酸鈉」。當「檸檬酸鈉」鹽類溶於水時，其所「吸收的熱量」大於微量的氫氧根離子與氫離子之酸鹼中和所「放出的熱量」，因此最後的結果表現出「整體溫度降低」的現象。 STEM整合式概念 本實驗活動的STEM概念如表2所示。 表2. 本實驗活動的STEM概念 可探索的問題延伸及對應的教學策略 本文提供部分可探索的延伸問題如表3，以供教師們引導學生討論。 表3. 可探索的延伸問題 實驗注意事項 一、 小蘇打粉及檸檬酸為弱鹼與弱酸，在反應過程中均屬於較為安全的化學藥品。但實驗結束後，還是必須提醒學生洗手，並提醒學生勿將化學藥品放置口中食用。 二、 操作過程必須提醒學生在較遠處觀察氣爆現象，避免爆炸時內容物噴濺到眼睛內，引發不適。 結語 本活動的設計，是利用生活中容易取得的材料，進行一項簡單的化學實驗！並透過教學策略的引導，協助教師深化活動的教學意涵；透過改良式的教學，讓學生學習觀察事物及學習提問，也能進一步協助教師同步深化自己的問題解決能力，裨益課程與教學的反思。 除了進行活動外，另外可從清潔小幫手與廚房的科學帶入及延伸，讓學生們認識這兩樣萬用的東西，既是環保的清潔劑，也是我們常見的食品添加物。不論是廚房與用具的污垢清潔、浴室污垢清潔……等都是可應用的！ 謝誌：本教案開發與執行，感謝教育部「大專校院教學實踐研究計畫」支持。 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所研究生 蘇子珺 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授 黃琴扉

STEM綠色化學教具研發與教學

文/黃琴扉、葉凡愉 前言 由於全球環境變遷，全世界的人們為了學習與現今的地球共生共存，並達到永續發展的平衡，跨領域教育及統整思惟被高度需求，並快速獲得重視(Ballew, Omoto, & Winter, 2015; Chankrajang & Muttarak, 2017)，從聯合國(UN)於2015年提出人類未來可持續發展之17項方針中可以發現，未來世界的每一個問題，都是錯縱複雜的，無法以單一面向進行問題解決。以第七項的「可負擔能源」為例，能源危機問題的背後，涉及了現有能源的盤點(例：科學、科技)、人類對能源使用狀況的統計(例：科學、科技、數學)、替代能源的開發(例：科學、機械、科技)、經濟利益的平衡(例：科技、數學)、生活美學與創意發想、社會共享機制與政治管理等各種層面，這些真實世界的問題無法用單一面向進行思考與決策。換句話說，未來人們若要邁向此永續發展，勢必要強化跨領域統整能力，而STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics)即是培育跨領域人才重要核心教育策略之一。 所謂的STEM意指整合科學、科技、機械、美學、數學多元化知識面向與概念，形成融合式基礎教育，讓學習者能將知識進行統整與應用；許多研究發現，學生採用STEM方式進行整合式學習時，其學習動機與認知能力均有長足的進步(Cromley, Kaplan, & Perez, 2017)。為了協助中、小學自然與生活科技教師於課室內落實推廣STEAM教育模式，並且更環保、減廢減量、方便、安全地操作各種化學反應，達到綠色化學目標，因此本團隊自行研發了一套STEM綠色化學教具，稱為「可攜式泛用微型反應器」。 由於許多化學反應需要攪拌、冷卻、洩壓、收集氣體等。因此，開發一套泛用型微型化學反應器，將是化學實驗課十分重要的教具需求。有鑑於此，本團隊自行研發了「可攜式泛用微型反應器」，其特色包含： (一)減量減廢：運用微型裝置，讓化學反應物、產物及廢棄物減少，達到綠色化學環保概念。 (二)攜帶方便：該裝置體積小、好攜帶，讓授課老師攜帶方便，有助於實驗演示的便利性。 (三)泛用實驗：本裝置整合多項化學實驗需求，可使用一套教具演示多項化學實驗，對教師演示實驗將有極大助益。 (四)符合STEM特色：本團隊整合科學、科技、工程、數學多元化STEM知識面向，並融入問題解決歷程為教學模組，讓「可攜式泛用微型反應器」與教材教法，可以使學習者能將知識進行統整與應用。 「可攜式泛用微型反應器」教具說明 為了協助教師於課室內更環保、方便、安全地操作各種化學反應，本團隊開發了符合STEM概念的「可攜式泛用微型反應器」。透過「可攜式泛用微型反應器」搭配中、小學的自然與生活科技課程，讓學生更能理解一些艱深的科學原理，並且能清楚觀察到實驗結果與化學反應的現象，在此課程中培養學生探究實作與問題解決的能力。 「可攜式泛用微型反應器」其核心觀念，包含酸鹼中和化學反應的科學原理(S:科學)、電動磁石攪拌系統(T:科技)、熱水式緩速加熱、洩壓、氣體收集等多功能化學及化學工程反應(E:工程)，以及測量壓力與溫度數值的變化(M:數學)，分析如表1。 表1. 本課程教具、核心原理及STEM連結對照表 「可攜式泛用微型反應器」教材教法設計 在本課程教材教法的設計上，運用問題導向學習(problem-based learning, PBL)歷程(表2)為教學模組，以強化STEM課程的適切性。綜觀許多國內外學者都廣泛的研究解決問題步驟，因此，問題解決的歷程已被改良出多樣化的模式，但主軸都圍繞著以下這幾個階段：發現問題、確定問題、形成策略、執行實現、整合成果、推廣應用（黃茂在、陳文典，2004），其各階段問題解決歷程中所運用的能力表徵如表2所示。 表2. PBL歷程中所運用的能力表徵 學生在透過問題解決的過程中，可以將學過的知識重新組合、以科學的方法搜尋證據以及評鑑其結果，這是有助於學生學習經驗的遷移（楊坤原，1999；Helgeson, 1992）。學生根據一個問題的初始情境運用其先備知識、技能和理解能力來滿足此情境的需要，並且重組自己擁有的所有資訊，發展新的方法來解決問題，此解決問題的過程即是問題的中間狀態；若學生能達到問題解決的目標狀態，則表示學生已完成此問題解決，而這整體的過程即稱為問題解決歷程（黃琴扉，2012；楊坤原，陳建樺，張賴妙理，2011；張俊彥、翁玉華，2000；Robertson, 2001; Sternberg & Lubart, 1999）。 「可攜式泛用微型反應器」之教材教法設計，採用以STEM活動融入PBL問題導向學習(如表3所示)，探討STEM課程統整模式運用於國中自然與生活科技教學上，培養學生良好溝通技巧、實驗操作、解決問題及創意能力，更透過實驗操作，進而設計出一個問題解決的對策，讓科學、科技、工程、數學相結合，成就創新行為。 表3.「可攜式泛用微型反應器」教材教法說明表 本課程運用國民中學自然與生活科技第四冊(八年級下學期)的酸鹼中和反應進行示範實驗，實驗採用酸性的鹽酸(HCl)與鹼性的氫氧化鈉(NaOH)進行實驗。該實驗的反應式為： HCl + NaOH → NaCl + H2O + 熱 在使用「可攜式泛用微型反應器」時，可先將圖1中的上蓋打開，並以刮勺加入0.08g NaOH，並利用最上方的針筒量測純水的體積，注入80mL的水；透過電動磁石攪拌，使NaOH均勻溶解，完成1M濃度的氫氧化鈉水溶液。接著，再於溶液中加入石蕊指示液，並運用電動磁石攪拌，使溶液呈現淡藍色，並可看出攪拌的漩渦，如圖2，讓學生可以完整觀察顏色變化與溶液攪拌現象。 接著，再由圖1的另一個針筒處，注入1M的HCl，並運用電動磁石攪拌，透過HCl緩慢注入後，觀察石蕊指示液的變化，待看到顏色由淡藍色轉為淡粉紅色時，立即停止實驗。學生即可進行表格數據紀錄，並推算鹽酸的用量、莫耳濃度與誤差值。 結語 隨著環境變遷、知識與科技爆炸，生活中存在的資訊量瞬息萬變，人們對於環境保護的意識獲得高度重視，因此微型化學與綠色化學概念廣被重視。如何運用多元、跨領域的創意思維，將化學反應微型化、環保化、安全化、便利化，以服膺環保意識、落實課室教學，將是化學教育未來備受重視的課題之一。本文以自行研發之「可攜式泛用微型反應器」為例，將攪拌、冷凝、抗高壓、抗酸鹼等功能集聚一體，協助教師方便攜帶與教學，減少反應用量、提升安全性，並運用透明玻璃讓學生可以完整觀察到內部化學反應狀態，期望此一設計分享拋磚引玉，引發更多化學教育先進的互動交流，以推廣微型化學。 黃琴扉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授 葉凡愉 國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所碩士

讀繪本習料理科學

文/劉淑雯、楊志文 十二年國教新課綱提出「素養」的概念，內涵包含態度（attitude）、技能（skill）與知識（knowledge），讓孩子在學習中培養解決問題的能力、運用知識與技能的能力，並且進一步的促成學生養成自發、互動、共好的學習，培養終身學習的習慣。 這樣的新思維，投射在現行的國民教育課程架構上，「料理科學繪本課程」是一條可行的嘗試。教學者可先以故事性的繪本故事引領學習者進入情境中，接著再復刻書本中的料理場景，與孩子共同動手實現書中主角的美味菜色，同時聚焦於廚房中的科學概念，最後再鼓勵孩子回到家中與家長共同進行「學習遷移」，即是不同場合再次進行學習活動，活動中學生是主導者，在家長協助下將料理活動帶回家庭生活中。 兩本料理繪本 本文以「石頭湯」和「鬆餅鬆餅」兩本料理繪本帶出課程(學習單與活動照片如表1)，簡述如下： 圖1. 石頭湯 Stone Soup: An Old Tale Marcia Brown(1947)、譯／楊茂秀、出版社／青林國際出版(2003)、圖源／青林國際出版 一、石頭湯 1.繪本內容導讀與作/繪者簡介 美國作家瑪西亞．布朗(Marcia Brown)重新描繪一則古老的法國故事，情節的開端是三名又餓又累的士兵，想在一個農村中好好地吃一頓晚餐，於是他們邀請村民一起烹煮一鍋「石頭湯」。在這鍋香味四溢的石頭湯中，瀰漫著分享與同理的滋味，是一本雋永清新的繪本作品。 我們在閱讀時，可以運用簡單的預測與推論、因果關係、比例與數量等科學概念來看文本中的圖畫與文字，讓繪本閱讀瀰漫科學概念的討論。 2.分享提問問題 分成下列情意討論與科學概念二部分: (1)情意方面，在朗讀故事前，告訴學習者書中隱藏了6個關鍵性的問題，是等一下要討論的題目，請學習者留意。諸如：1.村民們真的沒有食物給士兵吃嗎？2.為什麼村民們都不給士兵們食物呢？3.請問石頭湯所需要的食物有那些？(共有9項，包括了石頭、鹽、胡椒、紅蘿蔔、甘藍菜、牛肉、馬鈴薯、大麥、鮮奶等)4.石頭湯真是用「石頭」做出來的嗎？5.為什麼最後村民都願意讓士兵過夜了呢？6.石頭湯的故事寓意是什麼？最後，教學者統整故事的寓意為「當每個人付出一點小小的貢獻時，就能成就一件大事！」。 (2)科學方面，配合自然學習概念中探討的浮力，也就是任何物體在水中，都會受到一個向上的力量。可以「糊化反應」影片與學習者探討湯圓浮起來的原因是因為加熱後體積膨大，排水量增加，浮力也增加了；再加上湯圓裡面的空氣也膨脹了，使得湯圓密度變小、變輕了。可以共同討論諸如：1.會浮起來的物體一定比較小嗎？2.會沉下去的物體一定比會浮起來的重嗎？3.將物體的大小或形狀改變，會改變物體原先浮或沉的狀況嗎？4.煮熟的湯圓會浮起來，是因為體積變大、浮力增加的原因嗎？5.煮熟的湯圓會浮起來，是因為湯圓內的空氣受熱膨脹，密度變小的原因嗎？ 3.探究活動設計分享 採用BSCS 5E指導模式，包含了參與、探索、解釋、精緻化、評量等階段，讓學習者在學習科學的過程中，能解釋及評估自己的學習狀況。 (1)【參與階段】讀讀石頭湯：三名士兵引導村民共享一鍋石頭湯的故事，並進一步思考故事內涵的深層寓意。 (2)【探索階段】煮煮石頭湯：在課堂中煮一鍋石頭湯，觀察各種材料在水中浮和沉的狀態，最後一起共享一鍋石頭湯。 (3)【解釋階段】討論浮力：讓學習者試著說出物體的浮沉與材質及形狀有何關係。 (4)【精緻化階段】糊化反應：播放發現科學「糊化反應」，讓學習者進一步的認識浮力與密度之間的緊密關係。 (5)【評量階段】浮力評量單：以總結性的浮力評量單檢測學習者對浮力相關概念進一步認知的程度。 4.與家庭連結 親子共讀是家庭生活中最甜蜜的時光之一，從打開繪本的封面開始，獨特的標題與手足舞蹈的士兵圖像就抓住了學生的眼睛，可以跟學習者進行預測與推論；接著是故事的發展中的情節，可以用表格整理出村民先後不同的反應對比；最後可以探討這本書在情意方面的延伸，以討論的方式歸結作者的創作旨意。 在閱讀之後，可以有更多真實情境的加入，例如可以在家長的幫助下再煮一次石頭湯，並請家長與孩子一同記錄在家操作石頭湯的照片與心得，相信在家長的配合之下，學習的觸角與學習的成效都會進一步的提升。 二、鬆餅鬆餅 1.繪本內容導讀與作/繪者簡介 美國作家艾瑞．卡爾(Eric Carle)以兒童繪本為主要創作的類型，代表作是”The Very Hungry Caterpillar” (好餓的毛毛蟲)，這也是一本受到孩子們喜愛的繪本書。Eric Carle創作了許多充滿著趣味感、想像力豐富的作品，每每都令讀者會心一笑。 本書中，小男孩傑克一大早想吃鬆餅，溫柔的媽媽分身乏術，又不忍心讓他期待落空，因此讓傑克幫忙準備所有製作鬆餅的材料，讓他明白：即使是一片薄薄的鬆餅，也是得之不易的呢！ 我們可以隨著故事情節的鋪陳，將百年前的農家生活與現今社會型態做一比對【型態】，也可以跟學習者討論：書中的鬆餅配方與平常吃的鬆餅配分有什麼不同？【比較】進一步地，還可以在實作中，探究不同材料的增減，將使得最後的成品有什麼樣貌的改變？【比例與數量】透過這一些思維的討論，會讓料理活動更有學習的意義喔！ 2.分享提問問題 分成下列繪本情境與科學概念二部分： (1)繪本情境方面，講鬆餅繪本時，教學者可以讓學習者念小男孩傑克所說的話，營造較佳的互動。故事中每個關鍵點都可以提出問題讓學習者思考、深究情境，舉手嘗試解答。例如：農人搬運小麥為何不養馬而是養驢，還有比驢更好的牲畜嗎？農人養5隻母雞，沒有公雞，母雞還會生蛋嗎？生乳和鮮乳的脂肪差異？果醬為何要放在地窖裡？……。 (2)科學概念方面，進行傑克的扁鬆餅操作時，請學習者觀察及討論：1.攪拌傑克的鬆餅、科學的鬆餅兩組麵糰。記錄下「麵糰」的狀態。2.進行鬆餅料理時，請學習者描述觀察到的變化，並記錄在「料理中」的欄位。3.將鬆餅切成四等份讓學習者分享，描述鬆餅成品，並記錄在「料理後」的欄位。4.請學習者注意被困在鬆餅內的泡泡，詢問這些泡泡是什麼？是如何形成的？ 石頭湯 3.探究活動設計分享 (1)故事分享：介紹農家男孩傑克品嘗鬆餅的繪本故事，讓學習者認識一塊鬆餅需要的材料以及烹調的過程。 (2)傑克的扁鬆餅：教學者示範、學習者動手煎出書中主角傑克配方的鬆餅和一般配方的鬆餅，讓學習者發現二者的異同。 (3)出現泡泡：讓學習者將醋水溶液與鬆餅粉攪拌在一起，認識產生二氧化碳的過程，而這也是讓麵團變鬆軟的原因。 (4)鬆軟的概念圖：比較酸鹼中和與發酵作用的重要概念。 4.與家庭連結 閱讀繪本故事時，從展示繪本書的封面開始，就可以帶領學習者進行故事情節的預測，從書名與插圖等線索中拼湊出故事的梗概；接著是故事的發展中關鍵詞的提取，可以用六何法去形塑故事的主軸；最後可以用流程圖的方式讓故事像卷軸一般地鋪陳出脈絡性。 鼓勵學生在家中與家長再一次試作，將鬆餅課程帶入家庭生活當中，相信能帶來更多甜蜜的家庭回憶。 生活處處有科學，廚房就是實驗室 科學學習的場域處處都可以進行，如果在日常生活中，帶著孩子一起在家裡進行親子料理，用實際可以動手做的簡單烹調，讓平凡的家庭生活增添更多的科學性和趣味性。在廚房中，家人共同一邊捲起袖子製作香味四溢的美食、一邊七嘴八舌地討論著可能的變化與概念，讓烹飪的過程中更為清晰、享受美食也能享受科學，不是一件很棒的事情嗎？ 圖2. 好餓的毛毛蟲 The Very Hungry Caterpillar Eric Carle(1969) 譯／鄭明進 出版社／上誼文化實業股份有限公司(1990)、圖源／上誼文化實業股份有限公司 表1. 繪本教學 誌謝 再次感謝 青林國際出版 與 上誼文化實業股份有限公司 授權或提供精美繪本封面照片，為推動科普繪本提供助力 ! 臺北市立大學師資培育中心 劉淑雯 臺北市文化國小教師 楊志文

「楨」探教室－由廚餘桶的柚香事件說起

文/黃晴楨 前言 廚餘桶、柚香事件到底跟生物課有何相關？如果你因為這個柚香事件的標題而點了這篇文章，那我的目地就達到了，我喜歡在課堂上用一些生活實例引起學生的好奇心。 教改、課綱、素養……，不論是九年一貫或者是素養導向的12年國教，當教改一次又一次地襲來，當各式教學方法在坊間如雨後春筍般林立時，你是否也曾像我一樣瘋狂地上一堆課，唯恐錯過任何一堂，就趕不上這一波教改而無法與時俱進？且讓你我靜下心來，回歸教學的初心。我的初心是希望能將自己對人生的觀察、探索、閱讀、收穫與學生分享，希冀打開學生的視野，讓他們有更多看待事物不同面向的能力，讓學生盡情地享受在課堂裡。 於是我把這樣的想法運用在我的教學現場上，相信很多老師都有自己既有的一套想法和做法，也相信有人想在既有的想法裡嘗試一些新的改變，以下是我分享自己的一些小做法。每當教授新單元或想要有一些教學新改變時，會嘗試思考三個課程設計的面向，分別是「確立以學生為主體的教學目標」、「培養課程設計的能力」以及「採用多面向及多元評量」。以下就這三個面向一一向大家說明與分享，或許並非最棒的，但是當火車駛離原地時，課室裡的學生就已經看見不一樣的教學風景。教師改變的勇氣像一道光，可以點亮教室小宇宙，照亮教室裡無數顆眼睛閃爍的小星星。 確立以學生為主體的教學目標--學生才是課堂上的主角 求學的生涯裡曾出現過一個很特別的國文老師，上課不帶課本，每次進教室總是說故事，教到詩詞就唱歌，教到白話文就演舞台劇，教到文言文就角色扮演，教到人物吵架時就辯論，國文老師說這樣教我們班，是因為考量到好動靜不下來的特質，這樣的教法讓好動的班級上到她的國文課就變專注，成績也提升了，可見衡量班級學生特質來設計課程是第一要務。審視現在的學生，好動、坐不了一節課、難以忍受挫折、喜歡發言卻抓不到重點……，不過別擔心，缺點運用得當恰恰也是可以發揮的優點，要知道這一班的學生喜愛何種方式學習，可以嘗試使用下面幾項方式檢測，嘗試暸解後就可以在教學現場做一些調整，相信各位教師們會有意外的收穫。 1.好動班：專注度較差的班級，課程設計適合以15分鐘為限，亦可穿插現在教育部正在推行的TAKE 10活動。 2.繪圖班：請學生以一堂印象深刻的生物課為主，將該堂課以繪圖呈現，喜靜愛繪圖的班級，顏色表現對比特別強烈，視覺學習效果也最棒。實作班：丟下一個與課程相關的簡易剪貼實作，完成度快而美的班級適合手作課程，例如在課程中找一些模型，這種班級可用立體模型學習。 3.討論班：意見特多，喜好發表，丟下一個主題，可以你一言我一語辯論不休，這樣的班級，適合在課程裡加入角色扮演或辯論活動，我曾經試著讓這樣的班級進行「我要當老師」活動，也就是在每個小單元結束後，徵求要當老師的人上台總結該堂課的重點，反應踴躍效果極佳。 4.品嚐班：平時一陣沈默，說到美食台灣道地小吃眼睛為之一亮，適合在教學裡加入製作美食，用吃來學習。 5.混合班：不特別典型，這種班級每種教學方法都可以融入。 培養課程設計的能力--教師是讓課堂變有趣的魔法師 確定學生學習強項後便是設計課程，在核心素養的新課綱之下，教科書已經不是一位教師的唯一選項，那麼該如何讓自己的教學更加精彩，既符合時下的年輕學子又符合核心素養的新課綱，於是培養課程設計的能力便是時下的教師該做的一件事。 回歸到文章最初，我們提到的廚餘桶與中秋吃柚撥柚，在日常生活中再常見不過，究竟如何將生活實例、科學探究融入於教學現場中？生活實例、科學探究與課程設計和教學現場到底有何相關？以下分別舉兩個實施過的課程實例來說明 一、生活實例融入教學之中--讓學生身歷其境勝過說理說教 有天中午經過學生午飯後倒廚餘的場地，滿滿的三桶廚餘著實令人震驚，問問工作人員每天都是這種狀況嗎？他無奈的回答：「是的！」此時兩名學生抬來整個沒拆封過的桶餐，工作人員驚訝的問著：「學生！學生！來不及吃嗎？叔叔等你們，吃好再拿來。」 學生回說：「不是啦！天氣太熱了吃不下。」，就這樣完整22人份桶餐進了廚餘桶，我無法形容當時的心情，反思並反問自己：「「一位生物教師能做什麼呢？一人不能減少三桶廚餘桶的量，但總能點亮課堂讓我眾多的學生去減量吧！」 在會考的壓力下，思索平時我們最常享用的稻米，有那些我們視為理所當然而未解開的謎底？不但是「會考」出題的內容也是值得我們探究的問題？以每日進食的「米」為對象串起這次課程主軸，藉由「米知米學」」、「米歷米遊」、「一掃就知米蹤」「POEC探究米底」與「米食米思」等五個主題來進行課程(圖1)。於是，因應12年國教素養導向政策及順應國中生的學習興趣與習慣，本課程希望透過在地食材—稻米的主題課程實踐，在既有的教學模式中，嘗試置入POEC（Prediction/預測、Observation/觀察、Explanation/解釋、Comparison/比較）科學探究模式教學，並進行跨領域與主題教學的可能性。以「稻米」主題課程為例，從學生的生活經驗中取材，進而豐富國中生的在地生活文化經驗，亦可建構國中生對在地文化的認同，擴展其生活經驗與學習的結合。 此課程在教學上共結合了四個科目，分別是生物科、健教科、家政科和生活科技科，共實施了兩個班級，這兩個班級的學生都好動善辯、喜歡戶外、喋喋不休、富有正義感，在聽到老師說：「你們知道學校一天要丟掉多少廚餘嗎？每天有多少的難民會死亡？要不要為全球做一些有意義的事呢？」這些話題一出，加上帶他們看過桶餐廚餘處的場景後，立即引來許多共鳴，以下便是此課程的整體概念與主題細項。 圖1. 藉由「廚餘桶減量』談生活實例融入課程設計、教學架構與教學現場實作 二、科學探究融於教學之中--善用學生的好奇心 另一則教學實例是2019年9月1號，同事送給我一顆柚子，當我一切開柚子，香味陣陣襲來，撥開柚皮滿手沾了綠色的汁液，那一刻我反問自己：「汁從何來？香自何處？那個部位是細胞？遲疑很久，我自己都答不上來」，於是我開始切、玩、揉、吃、拍攝及探索柚子，一邊玩一邊思考，那個單元可以融入柚子？我可以做怎樣的教學轉變與課程設計？如果讓學生像虎克(Robert Hooke, 1635－1703)一樣用顯微鏡自己探索細胞該多好，剛好有兩個班級非常喜歡繪圖與實作，於是探究的課程因此而生。課前一樣要引起學生的興趣，我的說法是：「同學們看過細胞、切過細胞、玩過細胞、堆過細胞嗎？這些玩細胞的事項你每天都在做耶！」學生驚訝的表情顯示教師已激起他們科學探究的意願。 此課程包括四個部分，從(1)觀察、(2)實作、(3)探究、到(4)創作，希望學生能像虎克一樣從生活中去發現細胞（甘蔗比軟木塞更容易看見細胞壁的模樣，所以在此用甘蔗薄片），像許萊登(Matthias Schleiden, 1804－1881)一樣驗證每一個植物部位都是由細胞所構成，像達文西(Leonardo da Vinci, 1452－1519）一樣為了繪出肌肉紋理努力實驗探究，像畢卡索(Pablo Picasso, 1881－197)一樣創作，用糖漬檸檬的實作方式來聯結科學與生活情境，引發學生學習的興趣，希望運用各種方法讓學生明白生活中處處是知識，以培養應用科學所學知識來解決生活中所遭遇問題的能力。此課程的整體概念與主題細項如圖2。 圖2. 藉由「柚香事件」談科學探究融入課程設計、教學架構與教學現場實作 採用多面向及多元評量--激發學生不同面向的潛力 每名學生都是不一樣的天才，如果只用一種評量方式，將使學生陷入沮喪，甚至不想學習，到現在我都還記得自己在國文課上演岳飛滿江紅怒髮衝冠的模樣，如果國文課可以如此生動有趣，教師為何還要使用又單調又無趣的紙筆測驗呢？雖然紙筆是一個可以快速看見學生學習效果的方法，但不同的評量方式可為課堂增添樂趣、引發學生思考，考試後再引發學習動機，同時也讓學生展現不同的能力。 為了讓學生有多元的表達其對學習內容的感受與學習成效，教學課程中最好實施多元評量，上述教學課程採用的評量共有小組分享發表、舉手問答、小組討論、動手操作、繪圖、自我表達意見（含他評）等評量方式很多，全依課程而選擇。其中評量的設計最好以簡單到艱難排序，能力有待加強的學生可以只完成初階版，能力中等的可以完成進階版，能力佳的學生可以持續高階版或挑戰版。以下介紹一個在廚餘桶減量的課程裡用過的多元評量方法，學生最喜歡疊杯的那個測驗，而且該單元的學習成效相對地高。這個測驗是在學生學得健康飲食的知識後，進行三種不同層次的評量，分別是簡易評量、中等評量、高等評量，「食物碟對碟」屬於簡易評量，「食物疊對疊」屬於中等評量，「食物諜對諜」屬於高等評量，透過由簡而深的 評量，讓學生在主題課程下仍然能與會考接軌，真正達到學會考。 在廚餘桶減量的課程裡用過的多元評量方法 評量：貼牌「食物碟對碟」 評量方式： 1.準備食物卡牌且將黑板分成三個版面 2.每人取得一張卡牌 3.上台將食物卡牌歸類 評量結果： 圖3.將黑板分成醣類、蛋白質、脂質三個版面 圖4. 學生拿到食物卡牌後上台張貼，將卡牌歸類於正確的營養分類版面 圖5. 全班共同討論有疑問的卡牌並加分。可邀請同學上台協助將卡牌歸於正確位置，並說明原因 缺點： 貼牌時太擁擠（可採組別上台而不是每名學生） 優點： 1.每人的食物卡牌不同，判斷分類全依靠自己。 2.全班討論卡牌分佈，每貼一次再學習一次。 3.弄懂分類的好方法。 評量：疊杯「食物疊對疊」 評量方式： 1.準備疊杯和響鈴 2.比貼牌難一點，要記顏色分類，還要判斷題目是那一類 評量結果： 圖6. 利用不同色的疊杯代表不同食物種類，例如看到高麗菜舉藍色疊杯 圖7. 由一杯考起最難五杯，先練習，四杯起計分，每班最多1組答錯 圖8. 各組依據教師投影片的題目以相對應食物的各色疊杯作答，時間到後公佈答案、檢討與計分 缺點： 一次只有六人參與，動作慢的學生易受異樣眼光 優點： 1.學生愛遊戲，將之融入評量，多元又有趣。 2.可將同組的人依程度分級，讓每組同等級的人PK來改善上述缺點。 評量：白板「食物諜對諜」 評量方式： 1.將活頁夾透明內頁放入白紙當作是小白板 2.每名學生有小白板、油性筆可以作答搶答 評量結果： 圖9. 考題：同份量下，請排列「蛋白質」的量誰多？45人中7人答錯 圖10. 考題：下列三種食物在口腔胃和小腸的分解順序？45人中4人答錯 圖11. 學生依教師投影片的題目作答並舉起白板，在老師公布答案後依然舉著白板的答對學生加分 缺點： 若座位太近時易看見同學的答案 優點： 1.可依學習狀況隨時測驗。 2.教師縮短作答時間，使學生多發表意見但無暇顧及所有學生來改善上述缺點。 3.無3C產品時的方法。 其他評量方式與成效 圖12. 校園嗅覺踏查 圖13. 紙牌服裝競賽 圖14. 上台發表 圖15. TAKE 10 活動 圖16. 各類學習單紀錄 圖17. 分組演說競賽 圖18. 自評和他評 圖19. 3D拼圖 圖20. 模型製作 圖21. 校外野戰競賽 圖22. 翻牌配對競賽 圖23. 學生繪圖寫作 教學省思 為了教學，作者去學習更多的方法，融會貫通後教學生。教學生時又從學生的表情裡獲得成就感，繼而觸發作者下一次創新教學的原動力。為了教而學，學後去教，教的過程中再學，教學的過程中，看似利益學生，實則是帶來教學功力的成長，當教師努力地教學，其目的不是為了感動誰，而是讓自身的教學有另一種選擇，教師不是在滿足一個喜歡教的過程，而是在努力讓學生享受在學的探究過程，重點不是在學什麼，而是學生如何學習、如何探索解決問題的過程。生物這門學科教材隨手可得，讓學生有機會去想、去摸、去看、去觀察、去說出自己的感覺，是教學最迷人之處。 你從事教育的初心是什麼？ 有人說未來AI人工智慧將取代所有的人工包括教師。我卻以為教學的初心不變，教師將無從被取代。 15年了，依稀記得有個羞澀的女孩，拿著圖24的這朵花束卡片在畢業前夕送到我面前的模樣，她輕聲地說：「你的用心我看見了，你對教學的熱情感染我了，我喜歡在你的課堂上，雖然我以後還是不會走向生物專科，但上過你的生物課後，我從怕生物到愛上了自然、喜歡探索自然……」，這些話猶言在耳。從那一刻起，這朵花一直在我的辦公桌前提醒著我……教育的初心、教學的熱情，讓學生實作探索，不怕失敗，勇於嘗試創新改變。 在各位教師的心中以及教學現場中是否也有過這樣一件激勵你的教學實例呢？反問自己的教學初心，相信各位教師要將生活、探究與時事融於課程中絕不是一件困難的事。 時光荏苒，如果你走得太急太快，如果你被柴米油鹽磨得忘了當時教書的初心，請回到最開始最空的地方安坐，你會找到自己，時刻保持著探索教學的熱情，你也可以感動自己、撼動學生。 我的教室裡布滿小星星，一眨一眨，多麽晶瑩，一眨一眨，閃著光明，那不是星星，是我學生的眼睛，老師在講課，學生正在聆聽，老師在提問，學生正在動腦筋(摘錄兒歌《教室裡的星星》）。 圖24. 學生致贈的花束卡片 附記 感謝景美國中郭淑妙老師的邀稿!在撰寫的過程中，作者再次回顧求學與教學的歷程，感恩這一路走過來的許多貴人相助，影響我教學最深的恩師—文揚教師、美鳳教師以及張子文教授，感謝教學過程中一路相伴與共備的老師，文章中所舉的兩個實例也分別在兩個教案比賽中得獎(見下圖)。 生活實例融入教學之中 比賽標題： 素養導向教學之「米」思謎思 得獎項目： 榮獲2018年第19屆行動研究創新教學活動設計特優獎 科學探究融於教學之中 比賽標題： 像「科學家」一樣「思考」從「實作」中發現「探索」生物細胞的「樂趣」 得獎項目： 榮獲2019年有效教學教案設計徵件比賽優等獎 黃晴楨 臺北市立明德國民中學自然科學(生物)教師

火星探究的新任務：人類登陸火星的超前部署

文/吳育雅 尋找地球之外的太空生命是人類終極的好奇，也是太空生物學的烈火熱情。在地球之外尋找生命，首選目標即是火星。火星的探測計畫眼前著重的問題是：火星曾經有生命嗎？火星有支撐生命的條件嗎？從地質分析可了解多少火星的環境與氣候變遷？即使火星未找到生命痕跡，人類也想知道去火星選擇在哪裡降落？我們有機會在那裡生存嗎？火星表面是否可找到「適居」地點？人類上火星之後當如何就地取材？ 火星任務太空接力賽 在所有天文太空的研究中，火星是人類挹注資金最高額的項目，因為火星環境與地球最相似，過去60年來人類對於火星的認識與太空技術已經相當成熟，況且每兩年就有一次「發射窗口」的機會，想參與太空科技能力評比的國家都要先通過去火星的初賽。人類自從1960年代登月成功之後就開始探測火星的計畫，成功實現機率僅為半數。最大贏家是美國太空總署(NASA)，1964-2018年間共執行火星計畫21次，15次圓滿成功。前蘇聯最慘，從1960-1988年共計發射17次火星任務，僅有一次成功紀錄。 行星探測計畫有不同的進程：最容易的是飛越（flyby），只要能從地球軌道進入火星軌道，在近距離通過時速取得火星觀測資料。有了這個能力之後，第二階段是發展火星的軌道太空船（orbiter），換軌到火星後要降速到低於火星的脫離速度5公里/ 秒，被火星的重力束縛，成為繞火星運轉的人造衛星。之後繼續挑戰困難的任務--降落在火星表面（lander），因為火星大氣太過稀薄，地形崎嶇表面又布滿坑洞碎石，保障太空船安全登陸不至於墜毀或撞擊，需要創新的減速技術。登陸成功之後，更企圖在火星上開漫遊車（rover）四處移動，最好也在漫遊車安裝可伸縮的自拍器、配備可鑽探的長手臂和更多先進的分析儀器。 1960年最早的蘇聯「火星一、二號」（Ｍars 1, 2）， 1962-1964 美國的「水手號3, 4, 5, 8」先以「飛越」為任務目標可惜大多失敗，人類首次成功飛越是1964發射的水手四號，在通過火星高空（最接近火星表面時高度為9,844公里）取得22張影像傳回。此後蘇聯與美國又經歷數次失敗，1971年美國的水手九號成為火星的第一個軌道衛星，水手九號進入火星軌道之後，火星卻以鋪天蓋地長達一個半月之久的沙塵暴迎接這個外來的衛星，水手九號計畫耐心等候，終於成功達標獲得空前的勝利，在它圍繞著火星轉的十個多月期間，研究了火星的大氣壓、密度，火星表面的組成物質、重力場、地表起伏等，燃料用罄之前共完美傳回7,329張火星影像（參考資料1)。 除了美國與前蘇聯的太空較勁之外，日本於1998年也嘗試發射「希望號」（Nozomi）可惜任務失敗。到了21世紀，火星任務更是美國太空總署贏者全拿的局面，歐洲太空總署（ESA） 2003年首次計畫是雙重任務，包含火星快車 (Mars Express) 軌道太空船和登陸小艇「小獵犬2號」（Beagles2），可是小獵犬2號降落後渺無音訊，這項計畫僅能算一半成功。歐洲太空總署(ESA) 與俄羅斯2016年的「火星生物探測器」（ExoMars）也是軌道器成功、但登陸小艇再次失敗。俄羅斯與中國2011年的合作計畫失敗，最特別的是印度在2013年發射的火星軌道衛星(Mars Orbiter Mission) 軌道太空船，軌道十分特殊，距離火星最近時387公里，最遠則在8萬公里高，呈相當扁平的橢圓軌道。總結至今全球前後共有44次火星任務，成功的任務加起來18次。 火星軌道太空船就如同地球上空的觀測衛星，能全面性連續地收集火星表面的各種資料。在水手九號之後，1997年起NASA的火星全球探勘衛星（Mars Global Surveyor , MGO）取得廣角、解析度達6公尺的影像，且非常順利地運轉直到2006年為止，它搜遍了火星全球表面，對於火星的氣象模式特別是「沙塵暴」的發生季節與頻率建立了很好的觀測數據，它配備的雷射測高計的資料描繪出北極區冰帽的立體樣貌。而火星表面很多「山溝」的景象透露出火星有偶發「液態水」流出地表。火星漫遊號( Mars Odyssey) 自2001年出發後至今已工作將近20年，它的伽馬射線分光儀測出火星極區、阿拉伯地盤( Arabia Terra )、亞馬遜平原、艾里申等大片區域存在地下冰，也測出火星地表受到的輻射威脅比預期高出兩、三倍，同時也擔負傳遞火星漫遊車機會號和好奇號的訊息。ESA 火星快車軌道探測器，攜帶著OMEGA 分光儀、NASA的火星探勘軌道衛星 （Mars Reconnaissance Orbiter, MRO ) 分別都在火星上發現大區域黏土礦物，MRO軌道衛星在火星表面大約300公里的高空，配備的高解析度相機達30公分的清晰度，甚至比大家常用的地球地圖google map還要精細。另有兩個軌道衛星分屬ESA太空船（ExoMars Trace Gas Orbiter） 以及NASA的火星大氣與揮發性物質演化（MAVEN）主要針對火星大氣的微量氣體與高層電離的特徵。從火星軌道太空船收集到的數據截至目前實在太豐富了，然而這些數據需要更多適當理論才能建構出合理解釋。 根據我們對於生物的認識，以往認為生命的三要素是：陽光、空氣和水，20世紀晚期卻在地球上暗無天日的深海、火山熱泉與深入地底，發現依舊充滿活蹦亂跳的生命之後，才懂了不管高溫、高壓、高鹽等等極端環境，生命幾乎無所不在。人類深刻檢討生命的基本要素，原來「水」是生命最核心的需求。21世紀的火星探測即以「跟著水走（follow the water ）為目標，選擇登陸火星的位置依工程的考量則是：(1)比較低的海拔，以利在登陸時有較大的空氣阻力來減速；(2) 介於南北緯30度之間，以利太陽能發電，且終年溫度不至於過低至機械操作失靈。從科學的角度來說，選址考慮即是遵循「跟著水走」的目標，標定河谷、沖積扇、三角洲、濱海等環境優先。 火星登陸任務在地形、礦物、地層等的細微了解，是建立火星地表作用與氣候環境變遷理論的第一手資料。火星成功登陸任務至今共有八次（圖1 (a) )，全是由美國太空總署執行，1976年維京一號與維京二號分別在火星金色平原 （Chryse Planitia, 22.48°N, 49.97°W）, 烏托邦平原 (Utopia Planitia, 47.27°N, 225.99°W）兩地降落，1997年探路者號（Pathfinder）成功登陸後放出漫遊小車旅居者號（Sojourner）工作三個多月。本世紀以來，2004年到達火星的孿生兄弟精神號與機會號，以及2012年的好奇號，裝備齊全有如野外地質學家，都擊出了比漂亮全壘打更完美的驚人成果。登陸任務的選址除了2007年在北極附近著陸驗證地下水冰的「鳳凰號」（圖1 (b) )，2018年派出「洞察號」則監視「火星震」與火星地下物理現象。其他多次任務考量是尋找水和生命的蹤跡（圖1 (c) )，以地質調查為主，從2004年至今十餘年所發現的地質現象，讓我們對火星的過去環境與氣候非常豐富的收穫。 圖1. 火星登陸任務-- (a) 至今八次成功的任務，以及2020即將發射的毅力號選址（Mars 2020，黑粗方框標示) 。選址首先考量在南北緯30度（虛線）之內較溫暖的地表以利機械運作以及收集太陽能。(b)比較特殊的登陸位置為「鳳凰號」主要任務是為了探極區的地下水冰。(c) 登陸火星大多選在湖泊、海濱及河道終點等可能尋找水與生命蹤跡的環境(資料來源： NASA, google Mars)。 目前在火星上運轉的除了好奇號與洞察號，還有六個地球派去造訪的軌道衛星，日日夜夜為火星拍照、測量大氣、溫度、風（Ｍars Odyssey ＆MRO)、微量氣體與揮發物(MAVEN)，偵查那裡有沙塵暴、土石崩塌（MRO)，地球上的科學家因而可為火星預報天氣、發布火星震或雪崩、沙塵暴的消息。其中有些同時作為火星表面登陸小艇和地球聯繫的中繼站，為火星表面調查地質的好奇號、偵測火星震與火星內部結構的洞察號，傳遞他們所收集到的資訊（圖2）。 圖2. 21世紀在火星上的軌道衛星以及登陸任務，火星探測的目標從「跟著水走」、「探索適居居性」、「尋找生命蹤跡」到「為人類登陸火星部署」，2020年將出發的毅力號，可能在七月中旬到八月初的發射窗口啟程(資料來源： NASA)。 地質證據如何揭露火星的氣候環境變遷？ 1965年水手四號從距離火星地表將近一萬公里高空飛越，沒有看到河流、海洋、或是綠意盎然的世界，傳回的影像盡是乾枯死寂的荒漠礫石 ，雖然感到挫折卻依舊滿懷盼望的人類，歸咎於可能是太空船飛得太高了吧！因而企圖就近到火星表面查看清楚。1976年美國的維京一號、二號分別降落，兩艘維京號太空小艇成功傳回1,400 張影像，也就地進行了三項生物實驗，最終宣告兩處都沒有生命蹤跡，尋找火星生命的熱情因此略為被澆熄了。 但1984年一塊南極找到來自火星的隕石ALH84001含有磁鐵礦和碳酸鹽，代表這隕石是在火星曾是汪洋大海的環境中形成，磁鐵礦在地球也常與微生物作用有關。有些科學家更認為隕石中的微構造看來像是奈米化石，這個發現激起人類思索在火星上要找的生命是什麼？1997年派出第一艘可以移動的小車「旅居者號」伴隨駐站登陸小艇「探路者」號抵達火星，在阿瑞斯古 (Ares Vallis, 19.33N/33.55W)附近巡邏拍照，提供岩石照片與天氣資料，沒有生命蹤跡。但既然能夠成功在火星表面開車漫遊，也開拓了遣派機器地質家去火星進行調查的企圖，後來的精神號、機會號以及好奇號三艘火星漫遊車。 目前火星表面氣壓低到無法保留「液態水」，從軌道太空船建立的火星地表可以看到各種河流雕塑的地形，河道、峽谷、支流、沖積扇與三角洲，甚至大片範圍的洩洪道，充分顯示出這是一個曾經與地球一樣有到處液態水漫流的行星（參考資料 2）。火星上曾經有大量的水，有「水」出現，符合生命的基本條件。問題是火星上大量的水到那裡去了？是深藏在地底的地下水？還是高緯度的永凍土中？目前為止這兩種隱藏版的火星水都曾現出蛛絲馬跡，從火星軌道探測器的分析有不少發現。因此進一步要探究的問題是火星的水曾經有多少？是長期存在的現象，還是偶發的？在火星表面消失之前存在了多久？是否有足夠潮濕的環境，是否夠溫暖？足以讓生命出現、演化並保留在地層中？這些問題就需要從地質學去參透火星環境變遷了。 火星探勘軌道飛行器(MRO ) 在火星上發現了上千個位置有黏土礦物，大體可知火星上有過長期溫暖潮濕的氣候，因為黏土是長石經過水解轉變而成的，但究竟長石是在怎樣的環境下與水變化？是河岸、湖泊、海濱還是溫泉，確實情況還是需要派一部地質機器人小車登陸去找更多證據。登陸火星的漫遊車、實驗室，基本上都是地質探路先鋒。透過地質分析了解火星的環境與氣候變遷，在火星找到的礦物與地球上比對，是目前我們建立火星過去歷史的根據。 2004年兩艘孿生漫遊小車「精神號」「機會號」分別在火星赤道的兩端古瑟夫坑（Gusev crater at 14.5718°S, 175.4785° E.）及子午線高原 (Meridiani Planum at 354.4742°E, 1.9483°S），古瑟夫坑這個地點看起來像河道蜿蜒曲流進入的終點湖泊。但精神號開始探索之後，發現該地的地層被火山岩覆蓋。精神號且戰且走、遠眺附近尋找有價值的目標，爬上附近的哥倫比亞小丘(高度90公尺）在土壤中發現含有蛋白石（含水的二氧化矽），類似黃石公園的溫泉或噴泉活動的沈積物，這次發現讓科學團隊歡呼不已。火星另一端的機會號也在奮進坑(Endeavour Crater)發現蒸發而形成的石膏，暱稱「小藍莓」的赤鐵礦小球粒，還有黃鉀鐵礦(jarosite )，都是與水有關的礦物。這些含有「水」的礦物，說明火星確實到處都有水的遺跡。 2012年火星實驗室到達蓋爾隕石坑(Gale Crater)，從先前的軌道太空船知道這是一個厚達數公里黏土堆積的低窪坑洞，透過光譜分析得知有鐵鎂綠土（蒙脱石類，Fe/Mg smectite)和富鎂碳酸鹽等代表沖積河道中性環境的風化產物，說明黏土形成時這區域如同地球上的淡水湖一樣。從隕石坑邊緣流入的河水夾帶的細泥，是由附近岩石風化而來的黏土礦物，經年累月緩緩沉到湖底，一層又一層堆積，在火星的地表水消失後，現今蓋爾隕石坑是已經乾涸的古老河湖床沈積紀錄。在2015年之前好奇號在這一帶仔細鑽探、研究礦物組成，分析得出黏土礦物大多為含鐵皂石(Fe-saponite) ，這在地球大多是火成岩與熱水作用生成的，少量的三價鐵綠土代表較乾燥環境，發現氧化錳(MnO)，說明大氣曾有充足的氧氣，這些現象大致上與預期相去不遠。 意外的是2017年好奇號爬到隕石坑中的夏普山（圖3 ），看到一大片刻畫著「泥裂」的地表，像我們在水庫乾枯見底時，很容易看見底部泥巴曬乾後的裂痕。泥裂說明這些岩石形成時氣候開始變乾燥了，另一個支持的證據是在這150公尺厚的岩盤偵測高達將近有三分之一強到一半的重量百分比是硫酸鈣（石膏），石膏常出現在鹹水湖岸，因為溶解度低，在蒸發作用強烈時最容易從鹽水中析出，除了硫酸鈣，其他成分有硫酸鎂與氯酸鹽類（參考資料 3）。泥裂加上硫酸鹽類，可雙重確認這些岩層代表鹹水湖環境正經歷散失水、由潮濕發展為乾燥的氣候。那麼湖水是快速蒸發，還是經過很久才逐漸乾枯？從不同比例礦物的組合，能找出更多環境的指標。簡而言之，請想像曬鹽場在盛暑數週不見降雨，水中鹽類全結晶出來便能有純淨的曬鹽結晶。萬一天氣不夠晴朗，偶有陣雨，經過很多年才完全乾燥，這析出的鹽結晶中肯定夾雜了很多灰塵細沙。因此又能根據不同組合的礦物進一步了解，諸如欠缺硫酸鐵和碳酸鹽組成，代表是屬於酸鹼值中等的氧化環境等等，地質學家得以重建這個區域在不同年代經歷的變遷過程。 圖3. 夏普山上多呈水平層狀堆積的沈積岩，是河道進入湖泊的典型沈積岩層。其中不同薄層有差異比例的硫酸鹽礦物組合，更說明這個湖逐漸乾涸的變遷過程(資料來源： NASA)。 登陸漫遊車除了分辨組成岩層的成分，岩層的構造也能就近明察秋毫，沈積岩裡的細節透露出地層演化的時空，可分辨是海底沉積或是風搬運的堆積？是山麓的沖積扇、還是進入侵蝕基準面的三角洲？不同的作用就保留不同的構造。舉例來說，透過軌道衛星清晰影像來分析火星傑哲羅坑(Jezero, 18.9N, 77.5E)，從照片中整理出26層曝露的岩層都是向西側的傾斜，傾斜角度介於0.5～9度。終端沈積層傾斜低於休止角，代表懸浮物堆積，而不是由重力驅使的碎屑沈積，根據三角洲前緣斜坡的前積層(foreset)傾斜角較大，底層的底基層( bottomset)坡角較平緩。同時出現在高度越上方位置的岩層傾斜角越大，顯示該處是一個三角洲的堆積（圖4）(參考資料 4）。由於三角洲沉積物顆粒會比沖積扇細小，有較高的機會保存化石，目前這個地點已經被選為2020年火星毅力號選擇的登陸地點。 圖4. 從岩層不同層面的傾斜角推測火星的傑哲羅坑(Jezero)過去是三角洲堆積環境 21世紀的火星生命旅程 我們對於生物的認知全建立在對於地球生命的了解。最初人們幻想過最好火星上的小綠人願意現身、與我們交換想法。自從太空船到火星之後，這個願望降低到只求在火星的地層中發現微生物蛛絲馬跡，甚至只要確認火星是「可適居」的星球，都會讓人類感到安慰。這個願望從未消失，主要是太陽系可讓生命出現與繁衍的「適居帶」介於金星到火星之間，適居帶是依據恆星的表面溫度，以及行星與恆星的距離兩個條件決定，適居帶簡單來說就是適於「液態水」存在的範圍。我們已知金星表面濃厚的二氧化碳大氣籠罩，攝氏超過500度的高溫無法讓生命存活；地球生命豐富，因而我們好期望在火星找到生物伴侶，畢竟火星氣溫在攝氏零度上下，和地球有相似的四季變化，是符合生命適居的條件。 火星早期曾經有大量的水，從地表可以看到各種河流雕塑的地形，河道、峽谷、支流、沖積扇與三角洲，甚至大片範圍的洩洪道，充分顯示出這是一個曾經與地球一樣有到處液態水漫流的行星。 火星上的水到那裡去了？是深藏在地底的地下冰？還是高緯度的永凍土中？目前為止這兩種隱藏版的火星水都現出蛛絲馬跡，火星快車、火星探勘軌道衛星分析發現靠近極區，以及中緯度的地下可偵測到水冰，而且埋藏在一公尺深度以內。2008在北極區登陸的鳳凰號檢驗水冰是否存在於地下？用它的機械手臂挖出溝槽，有一處在抵達的第20個火星日(sol 20)到第 24個火星日(sol 24)的連續照片（圖5）中，可以看到照片中白色物變小或消失，說明這片白色物體是水冰，不是乾冰，因為乾冰昇華速率要快很多，四個火星日之後應完全消失無蹤。 圖5. 鳳凰號挖出的溝槽--左圖是在鳳凰號到達火星的第20日（一個火星日sol是24.6小時），請注意圖中溝槽的左下角，在陰影下有數塊將近兩公分(2/3”)的小冰塊。右側為第24個火星日照片，顯示左下角的小塊水冰已經蒸發，但是圖中上方較大的水冰尚能保留(資料來源： NASA)。 NASA為此也製作了一張火星「水」的寶藏圖（圖6），紫色區域代表最淺處的地下冰，登陸火星的太空人有機會在地表往下挖 2-3公分就能找到水冰。同時考慮地表溫度不會太低與地形平緩等條件，圖中白線框出的範圍是最適合太空人就地找到水源的區域。 圖6. 火星上的水冰寶藏圖--右側的色標顯示這些色彩代表在地下不到一公尺之內蘊藏著水冰，越冷的顏色覆蓋區域水冰躍進地表。黑色範圍標示為厚層細沙區域，太空船在這些地區降落可能沉陷，特別在寶藏圖上以黑色警示(資料來源： NASA) 目前在火星進行高空繞轉的除了兩個忠實的衛星（火衛一、火衛二）之外，有六個地球派去造訪的軌道衛星，日日夜夜為火星拍照、測量大氣、溫度、風（Ｍars Odyssey, MRO)、微量氣體與揮發物(MAVEN)，偵查哪裡有沙塵暴、土石崩塌（HiRISE/MRO)，讓地球上的科學家可以為火星預報天氣、發布火星震或雪崩、沙塵暴的消息。其中有些同時作為火星表面登陸小艇和地球聯繫的中繼站，為火星表面調查地質的好奇號、偵測火星震與火星內部結構的洞察號，傳遞他們所收集到的資訊。 那裡有適合生命存在的條件？火星軌道衛星檢測出火星的高輻射量、高氯酸鹽對生命具有威脅，或許因此火星目前是死寂的，但早期溫暖潮濕的環境是很有機會醞釀生命的。生命曾在火星出現嗎？太空生物科學家規劃了火星可能找到化石的地點，通常碳酸鹽保存化石的機會大，這也是2020年毅力號的登陸地點傑哲羅坑(Jezero) 為三角洲的水下沉積碳酸鹽，是尋找化石非常有希望的位置。這回火星任務還配給毅力號一架無人機，人類可能開啟在火星低層飛行的新旅程。 原定在今年七月接棒火星探測的不僅美國太空總署(NASA)的Mars 2020（Perseverance/毅力號）、歐洲太空總署(ESA)的 羅瑟玲·富蘭克林 （Roselind Frankline ），還有中國的火星一號。ESA的計畫近期因受新冠病毒COVID-19影響，已將火星任務延後到2022年。毅力號明年初抵達後會有什麼新的發現呢？讓我們拭目以待。 參考資料 李傑信 (2000) 。我們是火星人？ 台北：天下。 吳育雅(2012) 。尋找火星上的水。科學研習，51(9). 2-21。 Rapin, W. (2019). An interval of high salinity in ancient Gale crater lake on Mars. Nature Geoscience, 12, 889-895. DOI: 10.1038/s41561-019-0458-8. Goudge, T., Ralph E. Milliken, R. E., Head, J., & Mustard, J. F. (2016). Sedimentological evidence for a deltaic origin of the western fan deposit in Jezero crater, Mars and implications for future exploration. Earth and Planetary Science Letters. 458, 357–365. NASA Mars Program. Retrieved from https://science.nasa.gov/solar-system/programs/mars-exploration 吳育雅 國立臺灣大學師資培育中心支援教師