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設計適合國小學生動手做的化學實驗:如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗
張詩敏
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
[email protected]
n 前言
學生在學習三年級上學期植物的單元時,對於不同植物的葉片作外部觀察,並依照葉子特徵(例如:「葉的形狀」、「葉的邊緣」、「葉的大小」、「葉的顏色」、「葉面紋路」)作的簡易觀察與分類。到了五年級學生學習到植物會行光合作用,當學生想深入探究關於葉子如何在內部行光合作用,教師需引導學生關於葉子的相關構造和反應機制。
自然界中充滿許多有趣的事物,等著我們帶領學生一起去參與和體會,並從中獲得不一樣的感動。在自然與生活科技領域的能力指標中提到「智能思考」──學生需培養批判、創造與解決問題的能力。為了能讓學生學習這些能力,我們需教導學生學習科學的方法,以提升學生觀察現象的技能、如何從觀察到的現象中提出假設、將假設設計成實驗、從實驗結果驗證觀察到的現象。
n 「葉綠素」介紹
在植物中的葉綠體,含有許多不同種類的葉綠素,以葉綠素a和葉綠素b最常見。而在植物行光合作用時,葉綠素能使用大自然的太陽能將CO2和H2O轉化為葡萄糖和O2,是一種非常重要的綠色色素。我們可以使用有機溶劑將植物中的葉綠素萃取出來變成葉綠素溶液,但不能使用水進行萃取,而葉綠素溶液能也行光合作用(陳昭錦,2013)。
n 實驗目的
讓學生經由實驗比較不同水與酒精萃取植物葉片葉綠素的效果
n 實驗器材
實驗材料(全班共用)
600 mL酒精、2000 mL熱水置於熱水瓶中、足量的福木與桑樹的葉片。
器材準備(各組使用)
打洞器5支、燒杯(250 mL)1個、燒杯(100
mL)4個、抹布1塊、碼表1個、試管夾4支、三角架1個、酒精燈1個、陶瓷纖維網1個、透明玻璃觀察瓶(10 mL) 4個、培養皿4個、隔熱手套一雙。
n 教學活動設計
引起動機
教師說明植物行光合作用需用到葉綠素。
發展活動
活動一:比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀。
1. 概略複習、說明葉子的外形分類。
(左圖:福木的葉片 右圖:桑樹的雌葉)
2. 介紹植物葉子的基本構造。
活動二:萃取葉綠素。
1. 萃取葉綠素方法的介紹。
2. 學生操作萃取葉綠素的實驗步驟:
步驟一:用打洞器在葉片上打100個相同大小的圓形葉錠。 |
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步驟二:把100個葉錠倒入100 mL的燒杯中,在分別加入40 mL的酒精(右圖)、水(左圖)。使用100 mL熱水加入250 mL的燒杯。將250 mL的燒杯置於陶瓷纖維網上,再把100 mL的燒杯放入250 mL的燒杯中,使用隔水加熱的方法加熱酒精。 |
左圖:用水萃取 右圖:用酒精萃取 |
步驟三:經過5分鐘後,用試管夾取出100 mL的燒杯,並置於桌上冷卻。將冷卻後的葉綠素倒入10 mL的透明玻璃觀察瓶。 |
ø綜合活動
活動三:實驗結果討論
1. 觀察兩種植物的葉綠素,並與同組討論完成學習單。
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玻璃觀察瓶 |
葉錠 |
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福木 |
酒精萃取 |
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水 萃取 |
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桑葉 |
酒精萃取 |
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水 萃取 |
2. 實驗器材歸位與整理。
n 學生課後回饋
在本次實驗課結束後,筆者設計課程回饋學習單讓學生進行填答,以下分別敘述學生的回饋學習單填答內容摘要。其中學生填答最踴躍是「實際萃取葉綠素過程」和「觀察萃取出的葉綠素溶液」。
表一 學生填寫回饋單之部分內容
代號 |
實際萃取葉綠素過程 |
觀察萃取出的葉綠素溶液 |
學生a |
我覺得使用酒精就可以萃取出葉子的葉綠素非常神奇。水居然完全不行萃取出葉子的葉綠素,我以為水是萬能的溶劑。 |
葉綠素的顏色很漂亮,還有不同深淺的綠色,福木的葉綠素顏色比桑葉的葉綠素顏色深,而且福木的沉澱物較桑葉多。用水萃取葉綠素時,葉錠全部都浮在水面上,而且都不會出現葉綠素,皆呈現透明無色。用酒精萃取葉綠素時,葉錠全部都沉在底下,而且不用加熱就已經有葉綠素出現了。 |
學生b |
要控制葉片的面積相同的步驟,我的方法是將葉子的邊緣剪成長方形,再計算每一片葉子的面積使兩種葉片的面積相同。我覺得我想的方法很困難,經由老師提點原來可以使用打洞器就好,真方便! |
用酒精萃取葉綠素前葉錠的顏色比較綠,萃取葉綠素後葉錠的顏色比較淺。桑葉的葉錠幾乎呈現半透明的狀態,摸起來軟軟的,等酒精蒸發完後,葉錠會呈現捲曲狀、脆脆的,好像茶葉一樣;福木的葉錠中間綠色幾乎沒變,而周圍有點白色的,摸起來比較還是硬的,但是有比萃取前的葉錠軟一些,等酒精蒸發完後,葉錠形狀沒變,只是比較脆。用水萃取完後的葉錠,摸起硬硬的,跟萃取前沒有太大的差別 |
學生c |
使用隔水加熱法時,我發現水都不會呈現沸騰的狀態,而裡面的酒精一直有氣泡產生。 |
葉綠素為什麼是綠色的?有別種顏色嗎? |
學生d |
在操作實驗時,我很害怕,因為很少使用這麼久的酒精燈,所以要非常小心,一定要遵守老師的步驟,聽從老師的指令,才不容易發生危險。 |
在觀察瓶中,除了有葉綠素之外,還有一些沉澱物,福木的沉澱物比桑葉多。這些沉澱物有可能是葉子的哪一個構造呢? |
從問卷的回饋中可以發現,大多數的學生非常喜歡萃取葉綠素的實驗, 對於葉子的構造充滿了好奇。除此之外,學生還想了解花朵的顏色原因、葉子在四季會有不同的顏色原因、葉子的構造是否都一樣。
n 課程實施問題與困境
本次教學活動設計,可區分為「葉子概念的說明」、「萃取葉綠素實驗」、以及「實驗觀察與紀錄」三個部分,完成整個教學活動大約需要一節課的時間。若再加上器材、採集植物葉片的準備時間,建議要預留兩節課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。
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課程內容 |
實施困境 |
活動一 |
葉子概念的說明:學生了解植物會運用葉綠素行光合作用,而葉綠素是存在植物細胞中。 |
在介紹葉子的剖面圖之前,學生認為葉綠素是塗在葉面上的一層塗料,沒有細胞的概念。介紹完葉子的構造後,學生無法想像葉子會呈現綠色是因為細胞內的葉綠素,因為綠色很密集。 |
活動二 |
萃取葉綠素實驗:使用相同面積的葉片,置於酒精中,再用隔水加熱法,萃取葉綠素。 |
葉片形狀大小不同,葉片過大實驗器材無法配合,也無法使用定量的酒精,因為有些地方無法泡在酒精中,難免在萃取葉綠素的速度有所差異。如果每片葉子的形狀不一樣,葉子與酒精接觸的面積也會有一些不同,有可能會影響實驗結果。 |
活動三 |
實驗觀察與紀錄:將萃取完的汁液置於不同的觀察瓶中,葉錠置於不同培養皿中,請學生觀察並比較紀錄。 |
將萃取完的葉綠素不倒出來,觀察時容易受葉錠的顏色影響,較不容易比較出來。實驗前後除了可以看到葉綠素被萃取出來之外,還可以觀察到葉子顏色不一樣來證明葉子中的葉綠素有減少。 |
n 課程設計修正
針對前述的問題,修正課程設計如下:
1. 在數葉錠數時,可以20個葉錠放一起,讓學生減少實驗誤差。
2. 教師可以教導學生使用顯微鏡,讓學生實際觀察葉子的構造。
3. 詳細的介紹每一個實驗步驟,並提示在實驗時要注意的事項。
4. 可在課程中加入延伸的挑戰任務:教師可以示範色層分析法,讓學生了解葉子中的色素不是只有葉綠素,還有其他種色素會影響葉子呈現的顏色。
n 結語
除了基本操作顯微鏡的技巧之外,還可以將植物細胞內的葉綠體萃取出來觀察,也就是本次實驗課程的內容。學生操作本次實驗時,常會去死記硬背操作方法與實驗結果,很少對於不同植物葉片萃取出的葉綠素作觀察與比較,筆者認為這是我們應該要引導學生要學會觀察與比較的能力。
大自然是我們學習的寶藏,我們能從大自然中觀察到許多有趣的風貌,而利用大自然各式各樣的現象讓學生產生好奇心,引起學生學習的動機。自然與生活科技的課程除了引導學生觀察自然現象,也會引導學生設計實驗並操作,讓學生能對大自然的植物能有進一步的了解,不會再霧裡看花。
n 參考資料
1. 陳昭錦(2013)。葉綠素。科學Online 高瞻自然科學教學資源平台,20190325擷取自http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48452。
2. 學習吧-國中_生物_9-3 實驗:日光對光合作用的影響http://lms.learnmode.net/flip/video/12797
n 謝誌
衷心感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106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 |
萃取葉綠素 |
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教材來源 |
自編 |
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教學年段 |
五年級 |
教案設計 |
張詩敏 |
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教學時間 |
40分鐘 |
教學者 |
張詩敏 |
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教學目標 |
學生經驗 |
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1. 對「葉子」構造有基本的認識。 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. 能理解不同植物的葉綠素含量不同。 2. 能透過推理、思考、討論,理解不同植物萃取出的液體內容物不同。 |
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教學流程概述 |
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Ø 引起動機 教師說明植物行光合作用需用到葉綠素。 Ø 發展活動 活動一:比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀。 1. 概略複習、說明葉子的外形分類。 2. 介紹植物葉子的基本構造。 活動二:萃取葉綠素。 1. 萃取葉綠素方法的介紹。 2. 分別使用「酒精」和「水」操作萃取葉綠素的實驗。 Ø 綜合活動 活動三:實驗結果討論 1. 觀察兩種植物的葉綠素和不同的萃取液,並與同組討論完成學習單。 2. 實驗器材歸位與整理。 |
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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。 2. 600 mL酒精、2000 mL熱水、足量的福木與桑葉的葉片、打火機、熱水瓶。 3. 實驗器材(每組):打洞器*5、燒杯250 mL*1、燒杯100 mL*4、抹布*1、碼表*1、試管夾*4、三角架*1、酒精燈*1、陶瓷纖維網*1、透明玻璃觀察瓶10 mL *4、培養皿*4、隔熱手套*2。 二、引起動機 (一)教師說明植物的生理作用—光合作用。 1. 請小組討論並發表人與植物吸收養分時有何不同。 2. 統整歸納:人必須吃植物或其他動物才能生存,植物只需要陽光、水、空氣就可以運用光合作用自製養分活下去。 3. 教師提問:植物行光合作用時需要用到哪一種特別的構造? 4. 統整歸納:植物運用葉子行光合作用。 5. 教師提問:植物行光合作用是用葉子的哪一個部分呢? 貳、發展活動 活動一、比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀 (一)複習葉子外形特徵。 1. 教師提問:福木的葉片與桑葉的外觀有何不同? 2. 請小組討論並發表,兩種葉片的相異處。 (二)介紹葉片的內部構造。 1. 教師介紹葉片的內部構造: 圖:葉子的內部構造(來源:https://s0024037.weebly.com/33865303402241124907122892708336896332872115133021.html) 2. 教師提問:請學生猜測福木的葉子與桑葉的內部構造會一樣嗎? 3. 學生發表: (a)葉子外觀雖然不同,但是內部構造會一樣。 (b)植物品種不一樣,內部構造也會不一樣。 4. 請學生將觀察到葉子的樣貌繪製於學習單上。 5. 請學生預測萃取完葉綠素後,葉子的構造會如何? 活動二、萃取葉綠素 (一)介紹萃取葉綠素的方法 1. 把相同面積的葉片放入100 mL的燒杯中,再加入40 mL的酒精。 2. 使用100 mL的熱水加入250 mL的燒杯。 注意:將實驗器材放置整齊,準備濕抹布。使用酒精燈前,要將酒精裝八分滿,點火時請由教師操作,請勿讓學生操作。 3. 將250 mL的燒杯置於陶瓷纖維網上,再把100 mL的燒杯放入250 mL的燒杯中,使用隔水加熱的方法加熱酒精。 4. 由於葉綠素是酯溶性的,只能溶在有機溶劑中,所以使用酒精。 5. 經過3分鐘後,用試管夾取出100 mL的燒杯,並置於桌上冷卻。 6. 冷卻後的綠色液體倒入10 mL的玻璃觀察瓶,剩下的葉錠置於培養 7. 使用水當葉綠素萃取劑,分別再萃取兩種葉子的葉綠素。 (二)操作萃取葉綠素的實驗 1. 教師提問:請問「秤重法」與「面積法」哪一種方法較容易萃取等量的葉綠素? 2. 學生回答:如果使用「秤重法」葉子中的無葉綠素的角質層、維管束的重量都要計算進去;如果使用「面積法」就與葉片平時行光合作用的方法一樣,則較容易計算相同單位量可萃取出的葉綠素量。 3. 學生分別使用水和酒精當萃取液,萃取兩種葉片的葉綠素觀察。 參、綜合活動 活動三、實驗結果討論 (一)觀察兩種植物的葉綠素,並與同組討論完成學習單。 1. 請各組觀察比較兩種植物的透明玻璃觀察瓶(例如:汁液顏色不同、沉澱物量不同)。 2. 請根據觀察的結果上台發表。 3. 請學生將實驗後,觀察到葉子的樣貌繪製於學習單上,並比較實驗前後的差別。 (二)實驗器材歸位與整理。 1. 將實驗器材清洗、整理並歸位。 注意:酒精燈、陶瓷纖維網、三角架與裝熱水的燒杯,需要使用隔熱手套 |
5 min (計:5’)
5 min (計:10’)
5 min (計:15’)
5 min (計:20’)
15 min (計:30’)
5 min (計:40’) |
PPT
PPT
PPT 教師示範器材
PPT 實驗學習單
實驗器材、實驗學習單
實驗學習單 |
附錄二、實驗課程學習單
繪製葉子外型:
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實驗目的(一) |
使用「酒精」當萃取液,萃取福木與桑葉的葉綠素。 |
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組別 |
實驗組一 (葉片: ) |
實驗組二 (葉片: ) |
預期結果 |
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實際結果 |
1.玻璃瓶內的液體顏色:
2.葉錠: |
1.玻璃瓶內的液體顏色:
2.葉錠: |
實驗目的(二) |
使用「水」當萃取液,萃取福木與桑葉的葉綠素。 |
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組別 |
實驗組一 (葉片: ) |
實驗組二 (葉片: ) |
預期結果 |
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實際結果 |
1. 玻璃瓶內的液體顏色:
2.葉錠: |
1.玻璃瓶內的液體顏色:
2.葉錠: |
附錄一、實驗課後回饋單
Q1:請問本次實驗課你認為自己的表現如何?(每一項最高得三分)
( )(1)注意聆聽老師說明
( )(2)幫助同學完成任務
( )(3)認真參與實驗課程
( )(4)勇於發言
( )(5)實驗結束後協助整理
J總共得到( )分,我下次要改進
Q2:請分別描述你對本次實驗課的感想或提出疑問。
1.介紹葉子的構造 |
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2.用顯微鏡觀察葉子構造 |
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3.介紹萃取葉綠素的方法 |
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4.實際萃取葉綠素 |
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5.觀察萃取出的葉綠素 |
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Q3:請問你最喜歡本次實驗課的哪一個部分?並說明原因?
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Q4:請問你對於植物的葉綠素,還有哪些問題尚待解決?
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