第十一期

中正化學諮詢月刊

九十年八月三十一日

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內容:

[編者的話]

[科學新知]    [科學與生活]

[科學教育專欄]    [科學網站介紹]

　

最近國內經濟大幅衰退,不少學者提出知識經濟的理念,以因應我們未來在經濟上所受的挑戰。然而,許多學者也指出許多非經濟的因素也是造成經濟蕭條的原因。不可諱言的近年來國內政治上的紛擾的確對國家的發展造成很大負面的影響。我們覺得,知識政治的理念方是徹底解決政治問題的良方. 多年來國內政治紛擾的根源在於大部分的決策都是根據意識型態、權力鬥爭、與利害關係；雖然從古至今這些都是政治上免不了的醜態,但對客觀知識的取得與尊重一直也是在政治的黑暗中能將國家帶領向前的明燈。我們不敢奢求政治在一夕之間變的清明,但在國家重要決策的過程中只要能多落實一些知識政治的理念,我們就比較有能力去面對接踵而來的挑戰。不論是經濟或政治,要能真正進步必須要靠知識帶領,而知識的取得則要靠良好的教育,但又有多少人從事高等教育的人真正用心在利用知識來從事教育的改革呢?

本期之科學新知中為您帶來化學元素的起源的第二部分,在下二期的諮詢月刊中會對此有持續的報導。我們並要感謝于淑君老師實驗室所提供的螢光棒化學成分及原理的介紹。另外本期當中我們也要特別感謝嘉義家職的林義棟老師為我們提供的一些媒體教學的心得。

科學新知

化學元素的起源 (二)

國立中正大學化學系胡維平

在大約宇宙形成三分鐘後，質子與中子開始可以結合而成重氫的原子核而不立刻被光子所分解。接下來一連串的核反應將絕大部分的重氫很快的轉變成包含二個質子及二個中子的穩定氦原子核。然而，比氦更重的原子核此時不易形成因為自然定律中不容許有原子量為5或8的穩定原子核存在；而缺乏這些作為橋樑的原子核，更重的原子核不易快速的被製造出來，而宇宙仍持續的膨脹、冷卻。在大約宇宙生成30分鐘後，大爆炸所產生的核反應完全停止進行。此時，宇宙中的物質以質量而言約含75%的質子、25%的氦原子核、大量很輕的電子、以及非常微量的重氫及鋰原子核。此時的宇宙溫度仍然非常高 (10⁸K 左右)，強大的輻射線使電子無法停留在固定的原子核上，物質主要以單原子離子狀態存在。由於自由運動的電子很容易散射光線，此時宇宙是處於名符其實的混沌狀態；光子無法自由穿越，輻射場與物質間不斷的進行能量交換。這種情況一直持續到了大約一百萬年後，當宇宙的溫度降到了約一萬度以下，電子才開始能與原子核結合形成中性的原子，宇宙也在此時便成透明，輻射場與物質間的作用大幅降低，而重力的作用正開始逐漸朔造新的宇宙結構。

化學元素的製造如果到此結束的話這將是一個非常枯燥乏味的宇宙。此時宇宙中主要的元素只有氫和氦，實在沒有多少化學可言，任何人都可以把化學學得非常透徹，只不過在這種宇宙中是不會有任何生物存在的。我們生命所需得其他元素大都是數十億年後在我們銀河系恆星的演化過程中所產生的。至於宇宙是如何從早期物質均勻分布的狀態迅速的形成星系及恆星目前仍然不是非常清楚。一般認為很可能由於一些量子效應使得早期的宇宙在能量分布上就有一些不均勻；這些微的不均勻性經過會重力效應的放大作用使得物質迅速的向物質密度高的地方聚集而型成星系以及恆星。目前的證據顯示第一顆恆星可能在宇宙誕生後的一、二十億年就開始型成而發光，而在其內部的熱核反應中進行宇宙下一階段的元素合成。

(待續）

科學與生活

螢光棒

中正大學化學研究所

黃永吉、于淑君

譯自Elizabeth Wilson “Light Sticks” C&EN 1999, 77, 65.

當我還只是個小孩子的時候，沒有比看到一個物體在黑暗中會發光還高興的事。在那時候，這一類物品還不是很常見之前，我會巡視各玩具店尋找那些令人難以理解的磷光球、磷光塗料和磷光橡膠蟲等會發光的玩具。而在一段時期之後，我則是很快的跳脫出對那些常見的螢光（fluorescent）玩具的迷思𠲸]為我很清楚地知道是那些在黑暗中持續不斷自然發光的機制讓我著迷。而當我是個青少年的時候，另一種令人感到驚奇的發光物，開始出現在演唱會及戶外的慶典活動中。而那些東西就是充滿著神秘液體，且可以發出色彩豔麗的綠色、黃色和藍色的項鍊及繩索。這些物品的發光時間只會持續幾個小時，並不像磷（phosphorescent）玩具一樣；因為一旦它們產生的光逐漸消失，就不可能再恢復了。我和我的朋友曾經把這些東西放到冰箱裡去，試著延長他們的發光時間，然而只是多延長了一點發光的時間而已。而在一般的藥局也可以買的到這些會發光的棒子。它們是以塑膠製成的短棒小容器，裡面則是含有神奇且亮亮的綠色液體。當這個塑膠棒輕輕地被彎折時，可以聽到一個充滿液體的小玻璃膠囊被打碎所發出的輕脆聲響。而此時棒內的兩種成分可充分混合，神秘且明亮的綠色光便會透過這根棒子向四面八方發散開來。

現在，各種顏色及形狀的化學發光（chemiluminescence）的產品到處可見，所以這些東西已不再那麼新奇。但是，且不管一般人對這些無所不在的化學發光物質的著迷的程度有多深；相信大多數人從來不曾瞭解這些發光物質為何會發光，以及它們所發出各種不同顏色光時背後所隱藏的化學變化。即使綠色光棒及藍色項鍊在市面上流通時日已久，科學家對於它們究竟是如何放出亮麗炫目的光亮至今依然存有疑慮。

人類早就因為螢火蟲在黑暗中所發出的光而對「冷光」的產生與機制感到興趣。螢火蟲的發光機制（取決於螢火蟲中螢光素的氧化作用）具有令人難以置信的發光效率 ?100個反應分子中，有80個會參與反應產生光子。在1960年初期，當科學家開始在實驗室中製造「化學螢火蟲」時，他們就已經掌握了螢火蟲的發光機制中的必備要素：（一）當分子被激發時，具有放光不發熱的特性；（二）一種能量來源來激發這類型分子。當然有很多種能量來源，如：光、熱，以及電。而在化學發光（chemiluminescence）中，能量的來源就是依靠化學反應所產生的。但是，螢火蟲在黑暗中發光所依賴的化學反應必須產生很大的有效能量，也就是說能量完全被轉移到螢光分子上，並不以「熱」的型式將能量釋放出來。不過，就目前所知道的例子中，如此完美協調的化學發光反應是非常少見的。

同樣也是在1960年早期，Edwin A. Chandross（新澤西州Murray Hill貝爾實驗室的一位年輕的化學家）則是正在尋找解釋化學發光的機制。而Chandross認定過氧化物（perxoide）（在某些化學反應中，已知具有可以釋放巨大能量的潛力）有可能是讓實驗室版本的「化學螢火蟲」發光的要素之一。在Chandross所嚐試的一連串實驗之中，他發現了令他感到非常興奮的事 ?當草酸醯氯（oxalyl chloride）和過氧化氫及螢光染料混合時，會產生化學反應並且發光。雖然此反應的效率只有大約0.1\，但是此反應卻是現代化學發光萌芽的基礎。Chandross在當時並不知道他的發現非常具有發展性，所以並未取得這項發現的專利。大約在相同的時期，另一位化學家 ?Michael M. Rauhut（在康乃狄克州，史丹福的American Cyanamid公司擔任探索研究部的經理）和他的同僚，則向Chandross請教有關草酸醯氯這一方面的化學研究，並繼續研究這類型的化學反應，以期尋找出一個具有實際應用價值，亦即可以產生足夠強度的化學發光體。Rauhut和他的同僚 ?Laszo J. Bollyky發展出一系列的草酸酯（oxalate ester）。最後，他設計了一個苯基草酸酯（phenyl oxalate ester），當這個酯類化合物和過氧化氫及螢光染料混合時，可以產生量子產率（quantum yield）為5\的發光效率。雖然這個實驗室製造出的「化學螢火蟲」所發出的光沒有真實的螢火蟲那麼有效率，但是已經是非常具有應用性的了。所以他們就把這個酯類化合物稱做Cyalume，而且它很理所當然的變成了American Cyanamid’s公司化學發光產品的註冊商品名。

現在已經退休的Rauhut天真的回憶說：那真是一項偉大的計畫，在那裡頭有很多令人驚奇的事。Rauhut和其他研究人員對於此發光過程所假設的反應機構依然是目前最被科學界所接受的解釋。當草酸酯和過氧化氫在水楊酸鹽（salicylate）催化劑的幫助之下，會反應形成過氧酸酯（peroxyacid ester）和酚（phenol）。而過氧酸酯則會分解形成更多的酚，以及最重要的一個高能量中間產物 ?一個被認為是以二氧化碳所形成的四圓環CO₂雙體。當這個環狀雙體分解為兩個CO₂分子時，他會釋放出能量給在一旁等待的染料分子，而此染料分子在接受能量之後就產生了螢光。這個團體一直在尋找可以產生不同顏色的螢光染料。例如，在大部分的螢光棒中，最常見的綠色螢光就是從9,10-雙苯乙炔基恩（9,10-bis(phenylethynyl)anthracene）來的；而9,10-雙苯基恩（9,10-diphenylanthracene）則會產生藍色螢光。Rauhut記憶猶新的說：我們也同時製造出一個漂亮的黃色化學螢光。American Cyanamid公司最後在1993年的時候，將他們化學發光部門賣給了麻薩諸塞州，春田的一家化學發光產品製造商 Omniglow。而Omniglow公司研發部門的領導人E. Earl Cranor則是繼續在化學發光上發展新的商業用途。他最近的一項計畫是發展在凝固點溫度以下能夠發光的螢光棒。Omniglow公司也同時一直在尋找更高的發光效率以及更漂亮的螢光顏色。Cranor說：最難製造出的顏色中，最具代表性的就是紅色和藍色；至於紫色，因為必須結合三種染料，所以是所有顏色中最棘手的。另外，Cranor指出，其實綠色和黃色對目前的技術而言只是小意思而已。

有人聲稱冷光科學的知識奪走了令人感到浪漫的情懷。現在，化學發光的秘密已經完完全全的被揭露，這項魔術會就如此的消失嗎？我想應該不盡然吧！站在黑暗中，手裡拿著綠色螢光棒；對筆者而言，因為光所造成的興奮依然清楚可見。

科學教育專欄

淺談媒體教學應用於職校自然科學教學

國立中正大學化學研究所

林義棟

(現任教於嘉義家職)

教學媒體是指運用於教學過程中之各種與教學內容有關的教材、教具，以增進教學為目的；亦即有效的運用視聽媒體和方法，可增進教師的『教』與學生的『學』之間最佳效果。媒體教學應用於自然科學教學過程中的影響甚大，其主要的功能不僅能將抽象的物質符號與概念具體化，亦可集中學生的注意力及提高學生學習興趣，可使學生獲得整體的學習及作為提示、綜合、複習等的工具。更因經由視、聽、觸覺等感官的同時參與，提昇學生與大自然及現實生活的直接聯繫，而且配合媒體的教學活動，事先往往都經過周詳的策劃，故能使教學效果因而提高。

目前我國教師使用媒體教學的比例甚低，仍以教科書、參考書、黑板等，以講授式的教學為主。近幾年來，電子科技的發達，導致視聽教育的興起，以及各種媒體的創新與應用。筆者希望能藉著教學媒體的有效運用，導正學生正確的自然科學概念及提昇學習成效。筆者目前任教於職業學校擔任自然科學概論科的教學，發現長久以來職校學生在數理方面普遍有低成就現象，對自然科學更是排斥，推究原因，主要是長久以來我國教育都以升學主義掛帥，且課程內容過多，造成大部分老師僅能利用講述式教學而無暇使用其他教學媒體，讓學生覺得自然科學索然無味；另外發現少部分老師對後段班學生學習興趣不高而有敷衍（讓學生自修）或課本唸一唸的現象。筆者曾嘗試讓自然科學與生活結合，使自然科學生活化，並使用輔助教學媒體，發現學生學習興趣濃厚，且有顯著學習成效。在學校設備及經費考量下，提供一些在自然科學教學上常用的媒體供參考：

一、投影片：

在教室上課時，常常有需要對全班展示一些圖片或文字，文字部分可用板書立即呈現，但對圖片，使用手繪，不但耗時，且可能與實物相差甚遠，學生不易瞭解，易產生錯誤概念，利用投影片則沒有此缺點，可以直接影印課本或電腦製作完整的呈現圖片與實物的原貌，如此不但清楚，且省時效率又高。目前一些出版社亦有製作一些教學或補充的彩色投影片，可供斟酌使用，對學生的學習有很大助益。

二、錄影帶：

錄影帶在教學尚有其相當重要的地位，它可以呈現許多連續性的現象，雖然只有短短的25~30分鐘內容，卻能適當地引發學生學習的興趣及引導學生對整個單元的概念。

三、實物或模型：

實物或模型運用於地球科學的教材有不錯的成效，例如：岩石、礦物、化石、摺皺模型、板塊模型等。學生較少見到的實物或景觀，若上課時能提供實物或模型供其傳閱觀察，將有助其學習及記憶。

四、電腦網路教學媒體：

學生在所有教學媒體中，最喜歡的就是電腦。目前一些研究單位或學校已製作教學專業網站，如果教師能引導學生上網，並說明在哪裡可以找到本單元相關的輔助教材；或教導學生使用網路資訊檢索與搜尋工具，對學生的學習將有助益。而且，電腦網路讓學生滿足了其求知的慾望與發表其想像空間的機會。透過電腦的學習，不但使教學生動化，更讓學生會自動去操作尋找自己想要的資料與資訊互惠共享，是一個值得推廣的教學媒體。此外，為了激發學生探討問題以及收集、分析資訊的能力，教師亦可以提出一些大自然面臨到的開放性問題，讓學生在網路上搜尋相關的資料，並讓學生在課堂上討論他們收集到的資料。

在筆者教學過程中，曾經使用過且成效不錯的媒體提供參考。在全球環境變遷章節中，課本大部分都在介紹形成原因及預防對策，僅使用文字與圖形的說明，學生很難深入了解。而筆者藉助「地球的溫室效應、臭氧層的破壞」；「熱帶雨林減少、酸雨」等兩卷錄影帶輔助教學，不僅在原理方面說明很清楚，又能加入一些全球環境改變的畫面，活生生的例子，讓學生感受到其嚴重性，並威脅人類的生存，再向其說明防治對策，成效很好。在能量與生活章節中，主要在說明我們所使用能源的發電原理及優缺點、替代能源等。台電公司發行「發電在台灣」一卷影帶，除了讓學生明白各種發電原理外，亦能了解台灣能源的來源及替代能源發電原理，如風力、海水潮汐發電等，是非常好的輔助教材。在生物圈的生命及生活環境章節，以前學生對微小的細胞構造（尤其是細胞質內多種胞器）及有絲分裂等不易觀察，若使用植物細胞模型、有絲分裂模型，將可讓學生以立體方式清楚看到細胞的完整結構，及清晰看到分裂的五個階段，並從模型中清楚分辨出細胞核、染色體絲、紡絲體等構造。在燦爛的星空一章中，可藉助星座盤的使用觀察台灣上空四季星座的變化，進而了解星座命名的法則及黃道十二宮與季節變化的關係。另外，指導學生上網查詢相關資料，如在成功大學物理系網站蘇漢宗及許瑞榮老師的網頁中，亦可得到許多星座訊息，學生都很有興趣學習。

媒體理論專家麥克魯漢（Mcluhan）提出媒體是訊息（The media are the message），這個觀點提示了教學媒體本身是教材的一部份，是教學過程中必備的條件，學習過程不但要根據認知結構，也要配合媒體結構。一個有意義的教學活動，應該是師生互動，教學內容適合學生認知結構，以及學生具備了學習動機，且融入適切的媒體學習情境。因此，教師對媒體的認知是影響教學效益基本要件之一。媒體教學也非一成不變的，必須根據教材內容，並以最適當的時間呈現，且最好各種不同的媒體能交互使用，將得到最佳的效果。

職校的自然科學雖僅四學分（上、下學期各每週兩節課），時間雖少，如何讓學生習得正確的概念，並使每位學生具有科學素養，是每位教學者應該認真思考的。希望能讓學生學習帶得走的知識外，更期盼能解決問題並應用於日常生活中。

參考文獻：

中國視聽教育學會主編（民83）。教學媒體的企劃製作與運用。正中書局。

徐照麗(民89)。教學媒體---系統化的設計、製作與運用。五南。

張霄亭總校閱（民84）。教學媒體與教學新科技。心理出版社。

張霄亭著（民77）。視聽教育與教學媒體。五南圖書公司。

張玉燕著（民83）。教學媒體。五南圖書公司。

郭重吉（民81）。從建構主義的觀點探討中小學數理教學的改進。科學發展月刊，20(5)，頁548-570。

　

科學網站介紹

The Night Sky in the World
介紹地球上各地光害的情況,包含各種詳細的資料，值得對天文觀測有興趣的人及專業研究人員使用。

Shark School
美國佛羅里達大學自然歷史博物館的鯊魚教育網站。內容包含了各種鯊魚的相關資訊與許多精采的圖片,非常值得一遊。

Rice Virtual Lab in Statistics
美國Rice大學的一個基礎統計學教學網站。內容包含了線上的教科書與模擬,極具教育價值。

　