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國小自然教室裡的化學探究與實作─以製作天氣瓶為例
葉雅婷
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
n 前言
一百零八學年度開始,十二年國教的新課綱即將上路,為配合十二年國教課程的連貫性,相關的課綱內容也進行了些微的調整。在自然科學領域當中,制定了核心素養的三大內涵:(一)提供學生探究學習、問題解決的機會,並養成相關知能的「探究能力」;(二)協助學生了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究習慣的「科學的態度與本質」;(三)引導學生學習科學知識的「核心概念」。從核心素養可以發現,新課綱希望培養學生在學習「核心科學概念內容」之外,同時重視學生在 「探究能力」和「科學的態度與本質」兩方面的「學習表現」,使學生知而後能行。因此,筆者希望藉由課外的課程–天氣瓶的製作,讓學生從觀摩前人的設計中,來培養探究的能力。讓學生從自己動手操作的過程中,發現問題進而解決問題,並建立實作的能力。
n 「天氣瓶」介紹
天氣瓶在歷史上又被稱為風暴瓶(Storm Glass)。在18世紀〜19世紀的歐洲,曾被當作天氣預報的工具。天氣瓶是在密閉的玻璃容器中,裝入多種化學藥品組成的透明溶液,它會根據外界的溫度變化,呈現出不同型態的結晶,舊時被用來預報天氣的變化,現在則為美麗的科學裝飾品。
圖一 自製的天氣瓶
n 課前準備
一、藥品
名 稱 |
容 量 |
數量 |
1.硝酸鉀(KNO3) |
500 g |
1 |
2.氯化銨(NH4Cl) |
500 g |
1 |
3.天然樟腦粉(Camphor,C10H16O) |
500 g |
1 |
4.蒸餾水(純水,H2O) |
2500 mL |
1 |
5.酒精(95%, C2H5OH) |
500 mL |
5 |
二、器材
名 稱 |
數量 |
1.燒杯(500 mL) |
12 |
2.玻棒 |
12 |
3.量筒(100 mL) |
8 |
4.藥品匙 |
2 |
5.電子天平 |
1 |
n 教學活動設計
本次教學活動時間為連續兩節課80分鐘,先觀看影片引起學生動機,觀察天氣瓶縮時攝影影片(https://www.youtube.com/watch?v=zMERMaTxECA )。接著進行以下四個發展活動。
活動一:探討生活中的結晶體
1.介紹結晶的概念。
2.請學生分享生活中看過的結晶。
活動二:介紹天氣瓶原理
1.簡介天氣瓶的歷史及展示天氣瓶。(見圖二)
2.介紹製作天氣瓶的相關藥品與器材。
3.介紹天氣瓶的製作原理。
圖二 學生製作天氣瓶成品展示
活動三:動手製作天氣瓶
1.說明天氣瓶的藥品比例
2.提出假設,並以「酒精加入的容量」為操作變因,分為實驗組(3組)與對照組(3組),進行實驗。將一般市售的天氣瓶酒之酒精比例(40ml)為對照組。
表一 實驗組與對照組之藥品配置量
藥品 |
實驗組 |
對照組 |
硝酸鉀 |
2.5g |
|
氯化銨 |
2.5g |
|
天然樟腦粉 |
10g |
|
蒸餾水 |
33ml |
|
酒精 |
50ml |
40ml |
3.請學生以小組人數(4人)為單位,計算出小組的藥品重量。
4.學生自行動手秤量、操作,共同製作後再進行分裝。
活動四:實驗結果討論和分享
1. 發下學習單,進行小組討論及填答。
2.說明之後的實驗觀察記錄方式。
3.發下回饋單,並請學生填答。
4. 提醒學生將器材清洗乾淨並歸位。
n 學生實驗步驟及操作過程
一、實驗步驟
1.A杯:硝酸鉀10 g加氯化銨10 g置入燒杯中,並加入132ml的蒸餾水,攪拌至完全溶解。(見圖三)
2.B杯:天然樟腦粉40 g加入95%酒精160 ml當作對照組,天然樟腦粉40 g加入95%酒精200 ml當作實驗組,置入燒杯中,並攪拌至完全溶解。
3.將A杯和B杯的溶液倒入同一燒杯中混合。(見圖四)
4.混合後,再將混合的溶液放置於40℃溫水中隔水加熱並靜置,待白色沉澱逐漸溶解至形成澄清透明溶液為止。
5.將澄清溶液倒入觀察用的玻璃瓶中,等其冷卻後加蓋。
6.製作完成的天氣瓶靜置3〜5天,等天氣瓶內的結晶穩定後,即可進行晶體觀察。
圖三 秤量藥品重量
圖四 將A、 B杯混合
n 實驗過程的發現及討論
請學生在操作的過程中,將觀察到的現象記錄下來並進行討論,可探究討論的問題如下:
一、學生在操作的過程中,發現在調配A杯溶液時,杯壁會變的冰涼,請問學生這是什麼原因造成的?讓學生進行分組討論後發表。
二、將A杯和B杯混合後,學生發現無法讓混合液攪拌至澄清狀態,請學生討論有什麼方法可以解決這個問題?將討論結果寫在小白板上,並進行分享說明。
三、隔水加熱攪拌至澄清狀態後進行分裝,學生在相互觀察的過程中發現,雖然藥品比例皆相同,但盛裝完的溶液仍有澄清及些微混濁的分別,請學生討論可能是什麼原因造成的?
四、將分裝後,澄清及些微混濁的成品進行標記,進行結晶觀察,發現澄清的混合液所產生的晶體較細小,而些微混濁的混合液所產生的晶體卻相對較粗大,有可能是什麼原因造成的?
五、請學生進行實驗後的觀察,比較對照組與實驗組的結晶狀況,請學生詳述兩組不同實驗的結果代表的意義為何?(實驗發現對照組的結晶較多,實驗組的結晶較少。(見圖五))
六、請學生討論,綜觀整個實驗流程,若要再進行一次實驗,則哪些細節須要特別注意並進行修正,才可讓實驗更完善?
(圖五) 對照組(左)與實驗組(右)比較
n 學生課後回饋單
筆者任教的國小,家長的社經背景偏向工業,平日較無機會安排學生參與相關的科學營隊;因此,學生除了學校課程外,較無機會進行課外的實驗操作。此次進行實驗的學生有24人,12位男生及12位女生。
在課程結束後,筆者發下教學回饋單請學生進行填答,以作為未來教學改進之參考。學生的回饋內容摘錄如下:
學生a:喜歡。因為可以自己動手操作,而且看到成品很美麗的時候很有成就感。
學生b:喜歡。但是配置藥品的時候,味道好重,讓人有點難受。
學生c:喜歡。因為做出來的結晶很漂亮。
學生d;喜歡。原來生活中有這麼多的結晶體,希望我的天氣瓶也能這麼美麗。
從回饋單中可以發現學生喜歡製作天氣瓶實驗的原因,因為不僅可以自己動手操作,還能藉由實驗的成品進行結晶的觀察,甚至有學生希望回家後,能自行購買材料,帶家人一同製作天氣瓶。
n 課程實施問題與困境
教學活動設計,主要分為三個部分:「生活中的結晶體」、「天氣瓶原理」以及「天氣瓶製作」。以下依照三項活動的課程內容和實施困境進行簡單描述。
表二 國小學生製作天氣瓶之課程內容和實施困境
|
課程內容 |
實施困境 |
活動一 探討生活中的結晶體 |
1.和學生解說結晶的原理。 2.請學生舉生活中常見的例子。 |
1. 因為學生的背景知識較不足,所以在解釋結晶的現象時,只能用較淺顯的說法來說明。 2. 學生能舉出生活中結晶的例子,但對原理卻無法運用學習過的鹽結晶實驗來進行說明。 |
活動二 介紹天氣瓶原理 |
1.進行天氣瓶的歷史介紹,讓學生對天氣瓶的過往有個簡單的了解。 2.天氣瓶的藥品及器具介紹,讓學生對今日使用的藥品有個初步的認識,並了解器具在操作時應注意的事項。 3.進行天氣瓶的原理說明,讓學生對於天氣瓶的結晶過程及原理能有基本的了解。 |
1. 硝酸鉀、氯化鈉及天然樟腦粉是學生過去沒有接觸過的藥品,因此對他們而言相當新奇,但受限於學生的學習經驗,所以只能簡單說明帶過。 2.學生對器具的名稱和使用方式不是非常正確,導致實驗產生誤差。例如:測量溶液容量時,沒有平視液面。 |
活動三 動手製作天氣瓶 |
1.說明市售的天氣瓶比例。 2.提出假設後,請學生找出操作變因及控制變因。 3.進行分組,並請學生計算出各組藥品的重量後開始製作。 |
1. 操作變因和控制變因的定義,只有少數學生能簡單說明。 2. 配置溶液需要花費一些時間,少數學生會耐心不足而不斷詢問。 3. 實驗過程中,各組使用相同份量的藥品,但成品卻仍有差異。 |
n 課程設計修正
針對上述所產生的問題,進行課程設計的修正:
一、可先使用鹽結晶實驗來喚起舊經驗,輔以相關的影片欣賞,再以此來解釋結晶的現象及原理。
二、在進行實驗步驟說明前,可先幫學生複習五年級學過的假設、操作變因及控制變因的定義。
三、 實驗操作前,先 詳細的介紹各器材的使用方式及注意事項。例如:測量溶液容量時,需平視液面,方可減少誤差。
四、可增加天氣瓶結晶形狀的說明,讓學生在觀察時能更清楚、明確的界定結晶形狀,降低各組之間紀錄的誤差。
五、根據學生的討論結果,要避免相同配比卻有不同澄清度的結果,在實驗細節上可進行以下的設定:
1.在進行A、B杯及A+B混合液的攪拌時,可規定攪拌的方向、次數及速度。
2.隔水加熱的溫度及時間要統一。
3.加熱後裝瓶的時間要一致。
n 結語
生活中其實處處是科學,從天氣瓶的歷史可以發現,當人們面臨自然中的相關問題時,很多都需要藉由科學探究的方式來進行解決;因此,從日常生活中的現象和問題,培養學生探究與問題解決的能力,讓學生將所學運用在實際生活中,將是非常重要的課題。在本課程中,利用前人設計的天氣瓶來進行實驗操作,讓學生在操作的過程中能更加了解實驗過程的相關流程,還能培養學生實作的能力,從而建立起對科學的興趣。
謝誌
感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系105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 參考資料
1.十二年國教課綱草案。http://12cur.naer.edu.tw/main/showNews/297。
2.十二年國教自然科學領域Q&A。
http://web.cmgsh.tp.edu.tw/mediafile/20290013/knowledge/176/19/239/2015-11-30-11-52-35-nf1.pdf 。
3. 許良榮 (2015)。改良式天氣瓶。臺灣化學教育,第七期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6866。
4. 李燕玲 (2016)。國小學生製作美麗的天氣瓶。臺灣化學教育,第十四期。 http://chemed.chemistry.org.tw/?p=18688 。
5. 天氣瓶,維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh-tw/天氣瓶 。
6. 黑熊老師的實驗室。http://2013taiwanblackbear.blogspot.tw/2015/05/blog-post.html 。
7. 天氣瓶縮時攝影影片。https://www.youtube.com/watch?v=zMERMaTxECA。
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 |
國小自然教室裡的化學探究─以製作天氣瓶為例 |
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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 |
葉雅婷 |
|
教學時間 |
80分鐘 |
教學者 |
葉雅婷 |
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教學目標 |
學生經驗 |
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1. 對「溶解」和「結晶」概念有基本的認識。 2. 有基本的實驗設計概念。 3. 對實驗器材有基本的認識,能正確操作並注意安全。 |
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本節具體目標 |
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1. 能了解溫度的改變會影響結晶的多寡。 2. 能透過聆聽、運算、思考、操作,了解天氣瓶的製作原理和方法。 3. 能透過觀察及操作,發現不同的酒精量會影響結晶的結果。 |
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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、天氣瓶(成品)。 2. 硝酸鉀、氯化銨、天然樟腦粉、蒸餾水(純水)、酒精。 3. 實驗器材(每組):燒杯500 mL*2、玻棒*2、抹布*1。 4. 實驗器材(共用):電子秤、湯匙*2、量筒100 mL *2。 二、引起動機 (一)欣賞天氣瓶縮時攝影影片 (https://www.youtube.com/watch?v=zMERMaTxECA ) 貳、發展活動 活動一、生活中的結晶體 (一)結晶是什麼? 1. Q:說說你們對結晶的認識? 2. 統整:利用各種方法,產生出有一定幾何形狀或內部分子整齊排列成晶體的過程。這些晶體在自然環境中很常見例如:鹽。此外,也可以藉由實驗來獲得,例如:人工鑽石。 (二)請學生分享生活中看過的結晶。 活動二、天氣瓶原理 (一)天氣瓶的歷史 1.說明:天氣瓶在歷史上又被稱為風暴瓶(Storm Glass)。在18世紀〜19世紀的歐洲,曾被當作天氣預報的工具。天氣瓶是在密閉的玻璃容器中,裝入多種化學藥品組成的透明溶液,它會根據外界的溫度變化,呈現出不同型態的結晶,舊時被用來預報天氣的變化,現在則為美麗的科學裝飾品。 (二)介紹製作天氣瓶的相關藥品與器材的使用方法。 1.藥品:硝酸鉀、氯化銨、天然樟腦粉、蒸餾水(純水)、酒精。 2.器材:燒杯、玻棒、電子秤、湯匙、量筒。 (三)介紹天氣瓶的製作原理。 1.說明:天氣瓶內的結晶,主要來自於樟腦。樟腦難溶於水,易溶於酒精。當溫度上升時,瓶內樟腦的結晶會溶解;溫度下降時,樟腦的結晶會被析出。而瓶內的氯化銨、硝酸鉀和水,則是可以提升樟腦的結晶速度。 活動三、天氣瓶製作 (一)市售天氣瓶的藥品比例。 1. 說明: (1) 硝酸鉀 2.5公克 (2) 氯化銨 2.5公克 (3) 蒸餾水 33毫升 (4) 樟腦 10公克 (5) 酒精40毫升 (二) 實驗設計 1. 以「酒精加入的容量」為操作變因,分為實驗組(3組)與對照組(3組),以市售的天氣瓶酒精比例為對照組。 (1) 實驗組:酒精50mL (2) 對照組:酒精40mL 2.請學生以小組人數(4人)為單位,計算出小組的藥品重量。 3.實驗操作注意事項提醒。 4.學生自行動手秤量、操作,共同製作後再進行分裝。 參、綜合活動 活動四、實驗結果討論和分享 (一)討論並完成學習單及回饋單。 1. 發下學習單,進行小組討論及填答。 2.說明之後的實驗觀察記錄方式。 3.發下回饋單,並請學生填答。 (二)器材整理。 1. 提醒學生將器材清洗乾淨並歸位。 |
5 min
10 min
15 min
30 min
20 min
|
電腦
PPT
PPT
PPT 實驗器材 實驗藥品
實驗觀察學習單 實驗回饋單
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附錄二、實驗觀察學習單
班級:_______ 座號:_______ 姓名:____________________ |
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假設: |
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操作變因: |
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控制變因:
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應變變因(結果):
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藥品名稱 |
實驗組藥品重量 |
對照組藥品重量 |
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硝酸鉀 |
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氯化銨 |
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蒸餾水 |
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天然樟腦粉 |
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酒精 |
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實驗組 |
對照組 |
實驗組 |
對照組 |
實驗組 |
對照組 |
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日期 |
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溫度 |
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結晶情形 (請畫出) |
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附錄三、實驗回饋單
一、你喜歡這堂課嗎?為什麼?
二、這堂課你學到了什麼?(至少寫兩項)
三、想說的話: