1. 序言和课程简介

STEM是Science (科学) 、Technology (科技) 、Engineering (工程) 和 Mathematics (数学) 之英文释写首字母缩略词。教育局于2016年起资助中小学推动STEM教育。简而言之,本港学校推动STEM教育旨在强化科学、科技及数学教育,以培育相关范畴的多元人才,提升香港的竞争力。

创意 (creativity) 重思考,要不断挑战自己但可不用亲身实践。创新 (innovation) 重技巧,不仅要有创意,也需要实践技巧去创造未经面世之原型 (prototype)。课程 (1) 和 (2) 就这两范畴以DSE化学课课程Chem_C_and_A_Guide_updated_Chi_22082018.pdf (edb.gov.hk) 为本设计了一系列创新实验仪器,并介绍了相关的手工和电子技巧去实践构想。

课程 (1) 和 (2) 可作为老师和同学们化学科STEM教育的增润资料。

STEM 成果是一把两面刃,既有优㸃,也会有缺点。像19世纪发明之内燃机 (internal combustion engine) 及后发展之各种机械,不但带来交通,运输等各种各样方便,也引致今天之能源短缺,各类严重污染和极端气候变化。获得诺贝尔化学奖之齐格勒-纳塔催化剂 (Ziegler-Natta catalyst) 令大规模塑料聚合物生产得以膨胀式发展,使生活更现代化。但数十年后塑料垃圾产生之严重污染问题对地球上所有生物都带来生存威胁。今后 STEM 之成果应是适量可持续发展的,再令天人合一化。

课程 (2) 创新微型化学实验仪器设计

 STEM 教育以发挥学生创意潜能为目的。创意多元化,不能以单一学科或技巧作标准。化学科是中学科学必备一环。微型化学实验是近年中学理科创意之表表者,不但不脱离传统学习范围,也注入新颖元素,可视为化学科STEM之创 新发展 。本港化学仪器供货商只会提供一些通用微型实验套件 ,并不完全适用于 DSE 学科课程 。笔者经多年实践,设计了一系列创新定性和定量微型化学实验仪器,令传统 DSE 实验得以崭新体验。

课程推荐之定性和定量微型化学实验仪器皆可以自制,也可以购买零件自行组装。本课程介绍多款创新仪器 ,例如 (i) 微型无水蒸馏仪,收集实时冷却馏液,大大减少由冷却过程引起之产物损失;(ii) 微型 8 井穴反应条,使用 「下摇」 和 「1248」技巧,极速测定 (碘时钟反应) 反应级数 (kinetic order);(iii) 小型加热器:快速测定 (碘时钟反应) 活化能 (activation energy),从而确立反应速率与浓度和温度之量化关系 ,全面探讨 (碘时钟反应) 之速率机理 ;(iv) 微型气体摩尔容积套件:极速测试 rtp 摩尔容积 ; (v)「反应碟」:快速安全措施测试有害气体如 SO2氯气和氨之氧化还原反应 ;(vi) 熔度计 :快速测试有机衍生物熔点 ;(vii) 粉尘爆炸置:加强学生对极端反应速率与反应物粒子面积之关系,理解 2015 台北和 2018 香港发生引致伤亡之大规模尘爆事件等。

这系列创新微型化学实验仪器令传统DSE实验得以崭新体验,不但简单、反应量少 (一般只用十分一之传统反应用量)、安全措施、省时、符合实验要求,也能激发学生好奇心、对做实验之动机,并增强学生之环境保育意识,达至绿色意识 (Green Awareness) 之潜移默化。

不少学生对定量电子式仪器有恐惧感,尤其高级精密仪器之各类显示形式。虽然中学化学科实验只需要简单的电子式仪器如酸度计、电导计和比色计,但是它们必须进行校正才可作实验。校正手续或实验时出现显示单位如 Absorbance,μS/cm 都需要实验前花时间讲解,仪器不可以拿到手就用。

面对这些困窘情况,并基于 (i) 简单操作、(ii) 不需要认识显示单位和 (iii) 不牺牲灵敏度和同一数据重现原则,笔者以创新「DMM显示技巧」,计了一系列电子仪器,以DMM (数字万用表,便宜、合理灵敏度、多用途、易购买、未来还会风行之家用电子工具) 为单一显示工具,用作进行DSE 化学科多项定量实验。数字0 为测量开始值而数字100则为满度值,不带有单位之含意。显示pH 值沿用数字式,但比色计之“吸光率” 和电导计之 “μS/cm” 皆可以不理会。设计完全基于体现 “简单和用家友善” 原则。探测器和DMM之间要装置一台自制电子传感器 (sensor),参考图1。

(图1)「DMM显示技巧」整套装置

课程 (1) 提供之手艺和电子技巧可用来制作这课程设计之各类探测器和传感器。只要有一台廉价DMM配合对应之探测器和传感器便可进行定量测量化学反应变量。一个特别好处是亲手自制透彻明白线路工作原理,维修绝对没有问题。

 课程 (2) 主题7加入后记,是笔者从互联网信息及个人想象力,希望日后可实现之重大STEM成果。好像在二百多年前首先发现了电力,才在不断发展之电力基础下,实现今天数字电子技术之飞跃发展和冶炼技术不断创新带来之新颖物料。可见今天是电力时代。那么后电力时代又会是怎样的呢?会预见那些困难呢?