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國小學生製作科學玩具「整人墨水」
江志宏1, 3, *、張自立2、辛懷梓2
1國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
2國立臺北教育大學自然科學教育學系
3新北市立新莊區民安國民小學
*[email protected]
「自然課」與「趣味科學實驗活動」都同屬於科學領域方面的課程,然而對國小階段的孩子們來說,這兩種課程是截然不同的。在學校幾乎所有的孩子們都很喜歡玩科學玩具、熱衷於動手操作趣味科學實驗,但是孩子們卻不見得都喜歡上自然課。當然我們都很清楚,這並不是一個好現象!在趣味科學實驗活動的背後,是許多學校自然課程內容的知識延伸或應用,自然課跟趣味科學實驗活動也許本該就要「混為一談」,因為兩者之間是互相有關聯的。究竟是什麼原因造成了孩子們對這些課程反應產生了差異?值得我們深思。
另外,筆者認為還有一個更嚴重的問題是「老師到底教會了孩子什麼?」在教育部所頒佈的自然與生活科技之分段能力指標中提及—「科學是經由探究、驗證獲得的知識的過程」。探究、驗證其實就是一種科學方法,「如何去觀察到現象?」、「如何從現象中提出假設?」、「如何將假設設計成實驗?」…等等,這些科學方法是我們應該要教會孩子的能力。但不管是學校的正式課程,或者是每年寒假、暑假必定場場客滿的科學營隊,在這些課程中,孩子們是否真的學會了這些能力?我想答案是否定的!許多學校的自然課常淪為知識背誦活動;人滿為患的科學營隊,也常淪為孩子們的一種遊戲活動—孩子們只是在「玩實驗」。
當然,「科學知識(技能)」的重要性是無庸置疑的;而「趣味科學實驗」活動本身也具有「能高度引起學生興趣」的優點。於是我嘗試將兩者結合,並以新莊區某國小六年級班級學生共24人為對象,班級中每4人一組,共分為6組,結合了「整人墨水」與「科學實驗設計」,並實際在學校進行教學、紀錄。
n 「整人墨水」介紹
「整人墨水」是一種藍色液體,在接觸空氣一段時間後,顏色會慢慢轉為透明無色。通常會將整人墨水噴在別人的衣服上,造成衣服被暫時染色,達到「整人」的目的。
ø墨水成分
氫氧化鈉、酒精、百里酚酞、水。(百里酚酞可在化工材料行購得,25 g裝約1000元)
ø變色原理
百里酚酞:是一種鹼性指示劑,pH值9.3(無色)~10.5(藍色)。
藍色整人墨水:溶解百里酚酞於酒精中,並加入氫氧化鈉水溶液。
碳酸與氫氧化鈉酸鹼發生酸鹼中和反應:藍色百里酚酞(pH > 10.5)→ 無色百里酚酞(pH < 9.3)。
n 課前準備
ø準備時間:40分鐘
ø配製溶液(全班共用)
1. 500 mL的氫氧化鈉溶液(0.01%):取0.05 g的固態氫氧化鈉,放入一個錐形瓶中,加水至500 mL,攪拌均勻。
2. 50 mL的百里酚酞酒精溶液(0.2%):取0.1 g的百里酚酞粉末,放入一個燒杯中,加酒精至50 mL,攪拌均勻。(見圖一)
3. 參考配方:10 mL的氫氧化鈉溶液(0.01%)與0.5 mL的百里酚酞酒精溶液(0.2%)均勻混合。(變色時間約90~120秒)(見圖一)
圖一:百里酚酞(左),整人墨水成品(右)
ø器材準備(各組使用)
試管架 1個、試管 4支、塑膠滴管 6支、量筒(20 mL) 2支、碼表 1個、衛生紙 1張。
n 教學活動設計
ø引起動機
示範科學小玩具-整人墨水
ø發展活動
活動一:水溶液的酸鹼性與pH值
1. 介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位—pH值。(見圖二)
2. 概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。(見圖三)
圖二:pH值介紹
(右圖來源:http://goo.gl/RkECem)
活動二:pH值的測量
1. 酸鹼指示劑的介紹。
2. 鹼性指示劑—百里酚酞。(見圖三)
圖三:說明溶液濃度計算及稀釋溶液的方式(左),百里酚酞介紹(右)
活動三:整人墨水
1. 整人墨水的製作與原理。
2. 實驗—整人墨水的變色等待時間。
ø綜合活動
活動四:實驗結果與討論及分享。
1. 實驗成果發表。
2. 反思與學習單的填寫。
3. 實驗器材的收拾與整理。
n 學生實驗操作過程
課程進行的過程中,有一部分的學生小組順利在計算過質量濃度後,調配出所需要的NaOH水溶液;但有一部分小組的學生無法在課堂中掌握質量濃度的計算方式,因而造成實驗的過程中,配製NaOH水溶液的部分產生了困難。
為了要解決這個困難,計算出現困難的學生小組在實驗設計的部分做了調整,他們將操作變因「NaOH水溶液濃度」調整為「加入NaOH水溶液(0.01%)的水量」,因此降低了實驗的難度。
在此情況下,學生的實驗操作就分為兩大組同時進行,A組:具備質量濃度計算能力的小組。B組:對質量濃度計算產生困難的小組。學生實驗操作過程如圖四和五所示。
實驗目的 |
NaOH濃度對整人墨水顏色持續時間長短的影響 |
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控制變因 |
1. 百里酚酞的濃度 2. 滴加百里酚酞的量 3. 衛生紙的厚度 |
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操作變因 |
A組 |
B組 |
NaOH水溶液濃度 |
加入NaOH水溶液(0.01%)的水量 |
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實驗步驟 |
1. NaOH水溶液的調配 實驗組一:NaOH(0.01%) 10 mL 實驗組二:NaOH(0.005%) 10 mL 實驗組三:NaOH(0.001%) 10 mL 2. 加入百里酚酞(0.2%)10滴,並攪拌均勻。 3. 將溶液滴1滴在衛生紙上,用碼表計算變色時間。每組測3次。 |
1. NaOH水溶液的調配 實驗組一:NaOH(0.01%) 10 mL + 水2 mL 實驗組二:NaOH(0.01%) 10 mL + 水4 mL 實驗組三:NaOH(0.01%) 10 mL + 水6 mL 2. 加入百里酚酞(0.2%)10滴,並攪拌均勻。 3. 滴加1滴溶液在衛生紙上,用碼表計算變色時間。每組測3次。 |
圖四:器材使用方式說明(左),小組進行實驗設計討論(中),實驗溶液調配紀錄(右)
圖五:稀釋氫氧化鈉溶液(左),配製墨水(中),變色時間測試(右)
n 學生課後回饋
在課程結束後,筆者發下課後學習單讓學生進行填答,以作為教學者日後改進教學的參考。學生的學習單填答內容摘錄如下:
學生a:喜歡。因為在這堂課中我學到很多沒聽過的東西,像是百里酚酞、質量濃度…等。
學生b:不喜歡。因為質量濃度十分難算。
學生c:我學會計算稀釋溶液的方法,並能實際動手操作。
學生d;我還是不清楚整人墨水的變色原理,為什麼會變成透明無色?
從問卷的回饋中可以發現,大多數的學生非常喜歡整人墨水的實驗,喜歡本實驗的原因不外乎能學習到課本以外的科學知識、可以自己動手製做出市面上商品化的玩具以及實驗本身的效果;但也有少數學生因為面臨質量濃度計算的困難而感到興致大減。
另外,學生在這堂課中也理解了溶液酸鹼值與pH值間的關係、溶液稀釋的方式以及實驗遭遇瓶頸時的應對方式;但在質量濃度的計算方式以及百里酚酞變色的原理,學生還是充滿了許多疑惑。
n 課程實施問題與困境
本次教學活動設計,可區分為「酸鹼概念的說明」、「實驗設計撰寫」、以及「實驗操作與紀錄」三個部分,完成整個教學活動大約需要三節課的時間。若再加上器材、藥品的準備時間,建議要預留半天的時間以便課程能完整進行。以下依照三項活動的課程內容和實施困境描述之。
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課程內容 |
實施困境 |
活動一 |
演示「整人墨水」實驗,引起學生的學習興趣。再進行酸鹼概念的說明、pH值的介紹、酸鹼指示劑(試紙)的使用說明,讓學生建構足夠的背景知識,為接下來的實驗做準備。 |
1. 學生初次接觸「pH值」概念,對於新名詞的接受度較低。 2. 學生對於酸鹼試劑、試紙的變色原理倍感興趣,但受限於學生背景知識不足,變色原理的說明十分不容易。 |
活動二 |
進行整人墨水變色原理的說明,讓學生進行實驗設計的討論與撰寫,依序寫出實驗目的、實驗裝置的設置方式、實驗步驟、實驗器材、操作變因、控制變因、預期結果…等。 |
1. 實驗變因考慮的不夠全面、完整。 2. 實驗步驟不夠明確。 3. 學生對於「溶液濃度計算與稀釋」的概念普遍難以接受。 |
活動三 |
進行實驗的操作與實驗結果的記錄,並討論出實驗的結論。 |
1. 缺乏實驗記錄的技巧。(例如:裝有不同濃度溶液的試管都擺在試管架上,但沒有標記,造成混淆) 2. 實驗過程中,各組使用相同濃度實驗時,反應時間卻差異甚大。 |
n 課程設計修正
針對前述的問題,修正課程設計如下:
1. 可簡單的用化學反應過程,解釋酸鹼指示劑在酸鹼中的變色現象。
2. 更詳盡的說明「酸鹼」與「pH值」的定義,更緊密連結兩者概念。
3. 讓學生練習濃度的計算,先從簡單的數字(整數)開始練習,再代入小數的濃度計算。
4. 詳細的介紹各器材的使用方式,並提示實驗技巧。(例如:墊一張白紙在試管架下,可直接將試管中的溶液濃度記錄在紙上)
5. 介紹「實驗誤差」的概念,並指導學生處理誤差的方式。
6. 可在課程中加入延伸的挑戰任務:指定各實驗小組不同的變色秒數作為目標,讓學生找出其比例。(例如:第一組在第30秒時讓墨水變色、第二組在第60秒時讓墨水變色)
n 結語
自然科學與其他學科在本質上有著一個很大的差異,就是有各種「現象」可供觀察。有些現象因為在日常生活中不易被觀察,因而在課堂上呈現時,能有效激發學生的好奇心與興趣。在本課程中,利用趣味科學實驗的現象(整人墨水的變色),引起學生的學習動機,再引導學生進行實驗設計、操作,不僅讓學生對未來的科學課程更有興趣,也提升了學生的科學素養與實驗操作的能力。
n 參考資料
1. pH值,維基百科,https://goo.gl/ktcgML。
2. 臺灣酸雨資訊網,http://goo.gl/RkECem。
3. 百里酚酞,百度百科,http://goo.gl/v8on4D。
4. 質量濃度,維基百科,https://goo.gl/9586Cc。
n 謝誌
衷心感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104學年度碩士在職專班碩一課程—化學特論(一)的周金城教授及全體同學協助,提供本文架構調整與內文修正之意見。
n 附錄
附錄一、教學活動設計
教學領域 |
自然與生活科技領域 |
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教學單元 |
神奇的整人墨水(酸鹼指示劑) |
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教材來源 |
自編 |
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教學年段 |
六年級 |
教案設計 |
江志宏 |
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教學時間 |
80分鐘 |
教學者 |
江志宏 |
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教學目標 |
學生經驗 |
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1. 對「酸鹼」概念有基本的認識。 2. 對實驗設計的概念有基本的認識。 3. 對實驗器材的使用方式與安全注意事項有基本的認識。 |
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本節具體目標 |
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1. 能理解酸鹼值(pH值)的意義。 2. 能透過推理、思考、討論,理解整人墨水的製做原理。 3. 能設計實驗探討「整人墨水的顏色改變時間長短」與「氫氧化鈉水溶液濃度」間的關係(現象-變項的關係),並在進行實際操作過後,提出適切的結論。 |
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教學流程概述 |
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Ø 引起動機 示範科學小玩具-整人墨水。 Ø 發展活動 活動一:水溶液的酸鹼性與pH值。 1. 概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。 2. 介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位—pH值。 活動二:「pH值」的測量。 1. 酸鹼指示劑的介紹。 2. 鹼性指示劑—百里酚酞。 活動三:整人墨水。 1. 整人墨水的製作與原理。 2. 實驗—整人墨水的變色等待時間。 Ø 綜合活動 活動四:實驗結果討論與分享。 1. 實驗成果發表。 2. 學習單的填寫與器材整理。 |
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教學活動 |
教學時間 |
教學媒體 |
壹、準備活動 一、課前準備 1. 教學用PPT、實驗學習單、整人墨水(成品)。 2. 百里酚酞酒精溶液(0.1%)100 mL*1、氫氧化鈉100 g*1。 3. 實驗器材(每組):滴管*5、量筒50 mL*1、燒杯50 mL*5、抹布*1、碼表、衛生紙*1包、試管*10、試管架*1。 4. 實驗器材(共用):電子秤、刮勺。 二、引起動機 (一)示範科學小玩具—整人墨水。 1. 邀請一位自願受試的學生至台前。 2. 用滴管將少量整人墨水噴在學生的衣服上。 3. Q:觀察到了什麼現象? 4. 統整歸納:噴到衣服上的藍色整人墨水溶液,過了一段時間後顏色逐漸變成透明的,且受試的同學還聞到了一些酒精的味道。 5. Q:這個玩具運用了什麼原理做的? 貳、發展活動 活動一、水溶液的酸鹼性與pH值 (一)概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。 1. Q:生活當中常會聽到「酸鹼」,說說你們對酸鹼的認識? 2. 統整:「酸鹼」就好比我們學過「體積」、「重量」、「溫度」一樣,是溶液中的一種性質。 (二)介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位-pH值。 1. 科學家們嘗試測量這些性質,或用數學計算,例如: 體積 → 用立方公分、立方公尺…等表示。 重量 → 用公克、公斤、公噸…等表示。 2. Q:溶液的酸鹼度是怎麼表示的呢? 3. 統整:溶液的酸鹼性是用「pH值」來表示,pH值是一種單位,用來判斷液體是酸性、中性還是鹼性。pH值的範圍通常介於0~14之間,pH值等於7的時候為中性,pH值大於7為鹼性;pH值小於7則為酸性。 活動二、pH值的測量 (一)酸鹼指示劑的介紹 1. Q:體積、重量、溫度可以測量嗎? 2. Q:那酸鹼值有辦法測量嗎? 3. 統整:就如同其他的性質一樣,pH值也可以被測量出來的,通常測量pH值有以下幾種方式: (a) 電子儀器:「pH值」檢測筆…等。(可直接讀出數據) (b) 試紙:石蕊試紙、廣用試紙…等。(觀察顏色變化) (c) 試劑:紫高麗菜汁、專用試劑…等。(觀察顏色變化) (二)鹼性指示劑—百里酚酞 1. Q:為什麼需要使用這麼多種試紙、試劑? 2. 統整:一般而言,除了電子儀器之外,試紙與試劑的種類繁多,且不同的試紙、試劑都有其合適的使用時機。例如: 紅色石蕊試紙 → 遇到鹼性溶液才會變色。 藍色石蕊試紙 → 遇到酸性溶液才會變色。 酚酞 → 只能檢測pH值8.3~10.0的範圍。 酚紅→只能檢測pH值6.8~8.4的範圍。 3. 課程一開始的整人玩具,就是運用到酸鹼指示劑的原理製做而成的,使用的指示劑是百里酚酞。 百里酚酞試劑介紹 (a) 一種鹼性指示劑,測定的pH值範圍在9.4~10.6之間。 (b) 百里酚酞不能溶於水中,但能溶解在酒精當中。 (c) 在pH值小於9.4的環境當中,會呈現無色的狀態。 (d) 在pH值大於10.6的環境當中,會呈現藍色的狀態。 活動三、整人墨水 (一)整人墨水的製做與原理。 1. Q:整人墨水是怎麼做的? 2. 統整: (a) 百里酚酞酒精溶液:溶解百里酚酞於酒精中。 (b) 氫氧化鈉水溶液:溶解氫氧化鈉於水中。 (c) 混合上述兩種溶液均勻就製作完成了。 (d) 變色的過程:鹼性(藍色)→酸性(無色)。 3. Q:哪來的酸性物質造成pH值下降? 4. 統整:空氣中二氧化碳溶解在墨水中,造成pH值降低。 (二) 實驗-整人墨水的變色等待時間。 1. Q:整人墨水從藍色變成透明的等待時間,能不能改變? 2. Q:如何讓整人墨水的變色等待時間增加或減少? 3. 統整:從先前說的化學反應過程來思考,有兩大項變因。 (a) 從空氣溶解在墨水中的二氧化碳。(酸性來源) (b) 在墨水中本身就含有的氫氧化鈉。(鹼性來源) 綜合以上兩點,以墨水中氫氧化鈉溶液設為操作變因是個好方法! 4. 進行實驗器材的介紹與注意事項的提醒。 5. 讓各組開始進行實驗設計的討論,並操作實驗、進行記錄。 參、綜合活動 活動四、實驗結果討論與分享 (一)實驗成果發表。 1. 請各組依序進行實驗數據的分享報告。 2. 針對實驗數據提出結論。 (二) 學習單的填寫與器材整理。 1. 發下學習單請學生進行填答。 2. 提醒學生將器材清洗、整理、歸位。 |
5 min (計:5’) (計:20’) 10 min (計:30’) (計:60’) (計:80’) |
整人墨水 PPT 實驗器材 實驗學習單 實驗學習單 |
附錄二、實驗課程學習單
實驗目的 |
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組別 |
實驗組一 |
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實驗組二 |
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實驗組三 |
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變因分析 |
操作變因 |
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控制變因 |
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實驗步驟 |
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預期結果 |
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實際結果 (應變變因) |
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實驗記錄 |
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附錄一、課後反思與回饋單
Q1:你喜歡本次課程嗎?為什麼?
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Q2:在這次課程中,你有什麼收穫?
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Q3:在這次課程中,你還有那些不懂的內容?
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Q4:我還想說…
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附錄二、上課PPT
下載:https://drive.google.com/open?id=0B5MoVWBFwnG_ZjZJWjkwOEhwN2s。