109 年⼤專校院綠⾊化學創意競賽
組別：研究組
隊伍名稱：創意教具發想家
主題：綠⾊化學創意教具研究 - 可攜式泛⽤微型反應器
碩⼠研究⽣：
李易澄 國⽴⾼雄師範⼤學 科學教育暨環境教育研究所
指導教授：
⽬錄
摘要 ………2
壹、 研究動機 …………...………3
貳、 研究⽬的 …………...………3
參、 設備及器材 …………...………3
肆、 過程與⽅法 …………...………4
伍、 研究結果 …………...………9
陸、 討論 …………...………9
柒、 結論 …………...………10
捌、 參考資料及其他 ………...10
摘要
本研究以綠⾊化學⼗⼆項原則為基礎，檢視國中化學實驗課程中需要⽤到的器材與設備。
期望協助中、⼩學⾃然與⽣活科技教師於課室內落實推廣 STEAM 教育模式，並能更環保、
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，因此研發了⼀套STEM綠
⾊化學教具，稱為「可攜式泛⽤微型反應器」。
「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）。本研究以國中⾃然與⽣活科技第 四冊的酸鹼中和反應進⾏⽰實驗，以鹽酸（HCl）與氫氧化鈉（NaOH）作為反應物，利⽤酚 酞指⽰劑顏⾊變化作為中和完成的依據。
壹、研究動機
在學校進⾏科學實驗時，教師需要考量許多限制，例如：實驗器材的數量是否充⾜、器 材的完整程度、化學藥品庫存與經費、實驗廢棄物的處理、器材的整理與保存、實驗室的安 全以及教學時間是否⾜以進⾏實驗操作…等問題。
以⾃然與⽣活科技課程-酸鹼鹽單元中會進⾏酸鹼滴定實驗為例，實驗需要⽤到的器材，
例如：滴定管、鐵架體積較⼤，在使⽤、保存與搬運都不太便利。實驗時，需要⼀邊滴定並 不斷地搖晃錐形瓶，以分組⽅式進⾏實驗，較不容易整組同學同時觀察到變⾊。實驗後，廢 液的處理與器材的清洗不易且廢液較多，尤其是滴定管，清洗上較不⽅便且容易受損。因此，
本研究期望設計⼀組泛⽤式的微型實驗設備，在減輕教師進⾏實驗課的教學負擔的前提下，
以更環保、減廢減量、經濟、⽅便、容易觀察、安全地操作各種化學反應，不僅能提供教師 另⼀項實驗設備的選擇，更期望達到綠⾊化學⽬標。
貳、研究⽬的
⼀、評估磁⽯⾃動攪拌器是否能取代傳統⾃動攪拌器，達到不需插電並⽅便觀察的⽬的。
⼆、評估以雙向式藥品注料及收集管搭配洩壓閥與氣體收集孔，進⾏⼿動進料、氣體收 集與氣體體積測量的便利性與可能性。
三、評估「可攜式泛⽤微型反應器」是否達到攜帶⽅便、節省⽔量、設備、空間的功⽤。
參、設備與器材
⼀、器材：
25毫升針筒
單孔調節閥 四孔調節閥 雙層雙孔⾎清瓶 電⼦溫度計
磁⼒攪拌⼦
磁⼒攪拌器 快乾膠 電烙鐵 塑膠套管
電⼦秤 秤量紙 滴管 量筒 刮勺
⼆、藥品：
氫氧化鈉 鹽酸
酚酞指⽰劑 雙氧⽔
⼆氧化錳
圖⼀ 圖⼆ 圖三 圖四
雙向式⽴體注料及收集管 仿李必⽒冷凝管 磁⽯⾃動攪拌器 可攜式泛⽤微型反應器
肆、過程與⽅法
⼀、可攜式泛⽤微型反應器設計與製作：
1. 以電烙鐵在⾎清瓶蓋熔出兩個圓孔，將單孔調節閥與四孔調節閥固定於瓶蓋上。
2. 將電⼦溫度計穿過單孔調節閥。
3. 利⽤快乾膠固定。
單孔調節閥與溫度計 四孔調節閥
單孔調節閥與溫度計 四孔調節閥
塑膠套管
⼆、符合STEM概念的「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1) 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1所⽰：
表1問題導向學習(Problem based learning, PBL)歷程中所運⽤的能⼒表徵
PBL歷程 能⼒表徵
發現問題
對於問題情境的發展，能保持⼀個正向、積極、求好的⼼態。
⾯對問題能先做出合理的評估，並且具有承擔的⼼態。
藉由批判思考，察覺情境中可以拓展的地⽅。
確定問題
能由情境脈絡的演變，確定問題的定義。
能準確評估問題的起始狀態，並察覺解決問題的關鍵點。
可以分析問題的每個層次結構。
能評估解決問題時可運⽤的資源與受到的條件限制。
遇到問題時，能有考量、了解、規劃的習慣。
形成策略 具有推論能⼒來拓展問題的發展空間。
擬訂多種解決問題的策略，最後也能果斷判斷合適的問題解決策略。
執⾏實現
親⾃動⼿實做，以⾏動來解決問題。
能有條理的處理問題，並具有⾼⾏動⼒。
能隨機應變，處理未預料中的問題，使⼯作能持續進⾏。
制訂出欲達成的⼯作⽬標。
能與其他⼈分⼯來完成解決問題的⼯作。
整合成果
對於所獲得的資訊，能統整出合理的評價。
能從事情的發展中，由前因後果看出意義並做出詮釋。
察覺到處理問題過程中的瑕疵，並提出改進的⽅式。
推廣應⽤
能體會到處理問題實所產⽣的影響，並做適當的調節。
觀察到問題後續的發展，並做出合理的處置。
從此次經驗中，推廣應⽤於解決其他的問題上。
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（Problem-
based learning）問題導向學習(如表2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2「可攜式泛⽤微型反應器」教材教法說明表
PBL歷程 內涵 STEM統整
發現問題 確定問題
為了在課室內更⽅便進⾏酸鹼中和反應 實驗，因此設計出「可攜式泛⽤微型反 應器」，讓學⽣能更⽅便操作實驗。
科學(S) 科技(T)
⼯程(E)
形成策略 執⾏實現
利⽤「可攜式泛⽤微型反應器」加⼊化 學藥品後，並運⽤電動磁⽯攪拌後，學
⽣可以完整觀察指⽰劑顏⾊變化與溶液 攪拌現象。
科技(T)
⼯程(E) 數學(M)
整合成果 推廣應⽤
利⽤「可攜式泛⽤微型反應器」進⾏酸 鹼中和反應實驗後，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。透過此實驗與教具操作讓
科學(S)
⼯程(E)
三、酸鹼滴定實驗測試：
實驗以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，過 程中採⽤酸性的鹽酸（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
1. 將0.08g的NaOH加⼊裝置中，利⽤針筒量取純⽔20mL注⼊裝置中，再以磁⽯⾃動
攪拌器攪拌，如圖五所⽰。
2. 在裝置中滴⼊酚酞指⽰劑，再以磁⽯⾃動攪拌器攪拌，如圖六所⽰。
3. 將已知濃度1M 的 HCl加⼊針筒中，打開調節閥，將 HCl 緩緩注⼊同時以磁⽯⾃動 攪拌器進⾏攪拌，觀察酚酞指⽰劑之變化，待顏⾊由淡紅⾊轉為無⾊時，⽴即停⽌實 驗，如圖七∼圖九。
圖五 圖六
圖七 圖⼋ 圖九
四、氧氣製備實驗測試：
實驗以國民中學⾃然與⽣活科技第三冊(⼋年級上學期)的雙氧⽔分解反應進⾏⽰範，過 程中採⽤雙氧⽔（H2O2）作為反應物，⼆氧化錳（MnO2）作為催化劑進⾏實驗。該實驗的反 應式為：
2H2O2 !"#!⎯⎯#! 2H2O + O2
1. 將⼆氧化錳（MnO2）加⼊裝置中，並將⽔注⼊裝置中，以磁⽯攪拌器攪拌，如圖⼗
和圖⼗⼀所⽰。
2. 在四孔調節閥的左側置放⼀個空針筒，並使針筒對其刻度0，並將調節閥調⾄關閉檔 位。
3. 將另外三個調節閥的檔位調⾄開啟後，在四孔調節閥的右側置放⼀個裝有 35%雙氧
⽔（H2O2）針筒，輕推針筒將雙氧⽔注⼊裝置中，關上調節閥。
4. 裝置內開始冒出⼩氣泡，此時尚不可收集氣體，使氣體由中間兩個調節閥排出，⼤約 30秒後，開啟左側調節閥，關閉中間兩個調節閥，由左側針筒進⾏氣體收集。
5. 實驗結束後，利⽤濾紙過濾裝置中的液體，將⼆氧化錳（MnO2）回收。
伍、結果
⼀、可攜式泛⽤微型反應器的製作過程簡單且材料容易取得，若有損壞，更換的成本相 對較低。針筒、仿李必⽒冷凝器、磁⽯⾃動攪拌裝置，都可以拆下來分別保存，在 器材管理、搬運以及清洗上都⼗分便利。溫度計的位置可以更換為其他測量儀器，
例如：壓⼒計…等。
⼆、磁⽯⾃動攪拌器在實驗時不僅能達到均勻攪拌的⽬的，攪拌器不需要插電且攪拌器 底座與仿李必⽒冷凝器能分開使⽤在移動與清洗時更具便利性。
三、無論是酸鹼滴定實驗或是氧氣製備，利⽤針筒進⾏藥品注料都很順暢。在送料時可 以微量控管，若要調整送料更加微量，只需要更換更⼩隻的針筒即可。
四、在氣體收集上，可利⽤調節閥控制瓶內空氣排出後，再收集反應產⽣之氣體。若要 以排⽔集氣法收集氣體，也可外接延伸之橡⽪管。
五、實驗結束後，可攜式泛⽤微型反應器的清洗簡單，可以達到省⽔的效果，反應後產
⽣的廢棄物，如⼆氧化錳，可回收再利⽤。若是無法回收者，也可因反應物減量⽽
減少廢棄物的製造。
陸、討論
為了達到減量減廢的⽬標，實驗進⾏時會盡量投⼊少量的反應物，因此在可攜式泛⽤微 型反應器製作時，溫度計探針的⾧度與⾎清瓶尺⼨選擇時，溫度計探針的⾧度需要盡量接近 瓶底較容易進⾏溫度測量。由於需要進⾏攪拌，使⽤縮⼝的玻璃瓶可以避免意外噴濺的可能。
在酸鹼滴定實驗中，利⽤針筒注⼊藥品以及指⽰劑變⾊的觀察都⼗分⽅便且容易觀察，
且反應物的⽤量少，實驗結束後的清洗與器材保存也很⽅便。利⽤針筒進⾏注料時，可能會 有藥品存在調節閥的集中位置上，會造成滴定體積的判斷，若是兩種以上反應物聚集，可能 會在調節閥內產⽣反應，可以改⽤單孔調節閥或傾斜式的調節閥減少注⼊藥品殘留以及停留 的時間。
柒、結論
傳統化學雖然已經為⼈類提供了許多新的物質，改善了⼈類的⽣活品質，然⽽卻未能有 效的利⽤資源，對⾃然界採取掠奪式的開發，無節制的消耗資源，忽視⽣態環境的平衡，在
⽣產的過程中產⽣⼤量的有害物質造成了嚴重的環境污染與資源的浪費。(吳嘉偉、劉守靜、
⿆富德，2007)
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。本研究以⾃⾏研發之「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，期許運⽤此設計拋 磚引⽟，更多化學教育之先進有更多的互動交流，以推進微型化學之廣⽤性。
捌、參考資料及其他
1. ⿈琴扉、葉凡愉（2020）。STEM綠⾊化學教具研發與教學。台灣網路科教館。
2. ⿈琴扉、劉嘉茹 (2012)，利⽤結構式引導反思⼯具探討在職科學教師之專業成⾧，教 育實踐與研究，25(2)，163-193。
3. 楊坤源、陳建樺、張賴妙理（2011），問題本位學習對四年級學童的問題解決與批判思 考之影響，科學教育學刊，19(3)，185-209。
4. 吳嘉偉、劉守靜、⿆富德（2007），綠⾊化學在藥物上的應⽤，化學，65(4)，377- 384。
5. ⿈茂在、陳⽂典 (2004)，問題解決的能⼒，科學教育⽉刊，273，21-42。
6. ⽅⾦祥（2003），微型電化學之實驗設計研究－⽔的分解與合成，化學，63(1)，483-490。 7. ⽅⾦祥（2003），零污染安全微型氯氣製備裝置之設計及化學教學演⽰之研究，化學，63(1)，
