第三十期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯盟(IUPAC)執行委員會常務委員
中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會(NARST)前理事長
[email protected]
為慶祝國際元素週期表年 (International Year of Periodic Table of Chemical Elements, IYPT),歐洲化學會(EuChemS)在2019年1月25日發表了一張稀缺元素(Element Scarcity)週期表,這張週期表依據元素在自然界的相對存量來呈現元素之間的關係。表中顯示,約佔空氣中21%的氧是含量充足的氣體,該慶幸的是這人類賴以維生的重要氣體含量充足,短時間內不會面臨短缺的危機。但是有一些金屬將在未來可能數十年或百年因人類過度使用3C科技產品,而使得這些金屬將逐漸在自然界中減量。根據歐洲化學會主席David Cole-Hamilton指出,大部分將面臨危機的元素大都是用在高科技產品的金屬元素,譬如銦(indium)是用來製作電腦或手機觸控式螢幕的金屬材料,由於人們不斷更新手機卻未有效的回收淘汰的3C產品,使得在自然界中存量本來就極微少的金屬,將面臨嚴重缺乏的威脅。手機中有超過30種的化學元素(表中有畫手機圖案者),其中大概有一半金屬元素可能都會在未來的一百年內會逐漸因為過度使用或是未適當回收而減少自然界中的存量。根據Cole-Hamilton理事長指出,英國每個月有100萬支手機被汰換而歐盟整體則是每個月就有將近1000萬手機在更換中。若沒有適當的回收方法與政策,那自然界中的某些元素將逐漸或甚至快速地減少,依此驚人的速度,大概20年後我們就會缺少可製作手機的銦元素和其他依些金屬,屆時是否會影響與威脅我們生活的便利性呢? 這實在是值得我們去深思的問題。David Cole-Hamilton呼籲大家別將不用的手機留在家中的抽屜裡,應該要讓它們回收,而且也不要常換手機,資源才不會越用越少。同理,他也呼籲大家別再用裝氦氣的派對氣球,氦氣可能會在空中散失,無法回收再利用,而氦氣卻是可用在核磁共振成像(MRI)掃描器和深海潛水(氦氧替代空氣)上的重要氣體。這張新的稀缺元素表實在值得好好認識與瞭解的。
圖一 繁體中文版EuChemS週期表由化學會和國立臺灣師範大學合作製作
本期專刊是以國小化學教育為主題,由周金城教授負責主編,其文章從周正秋的「美國中學化學教材—分子問題單元」在臺灣小學高年級實施現況分析談起,此次12年國教中首次納入粒子的概念,此文的介紹可做為教材設計之參考。莊真真的「低年級的學生也可以自己輕鬆製作標本」、張詩敏的「如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗」都是很實用的教學活動設計素材,老嘉琪的「國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究、黃郁芬的「國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動」。
常態性文章由多位作者賜稿,有原住民化學活動(傅麗玉)、針對學科內容的加深加廣(郭世文、周承志、洪振方、陳良瑞合著和李啟讓與洪振方合著)、科學本質的評介(范賢娟)、化學創意實驗的介紹(廖旭茂、王玉睿、梁書銘)、以及科技融入探究與實作(劉燕孝、廖家榮、趙君傑),每篇都精彩實用,值得細細品味。
參考文獻
Element Scarcity-EuChemS Periodic Table (2019)下載於https://www.euchems.eu/euchems-periodic-table/?fbclid=IwAR3yJVEpIzHdiSuhJMCLY3KJgNJtN7xD1fc8iuN8lsNginfx_ZvPQ4PArKs
Specktor, B. (2019). Europe’s “New” periodic table predicts which elements will disappear in the next 100 years. LiveScience, https://www.livescience.com/64596-new-periodic-table-shows-helium-scarcity.html
設計適合國小學生動手做的化學實驗
周金城
臺北教育大學自然科學教育學系
l 十二年國教自然領域課綱國小階段說明
十二年國教自然領域課綱之特色與原則,在國民小學教育階段是:1.強化以「主體經驗」為主,「客體經驗」為輔;2.著重觀察、親身體驗和具體操作;3.培養學習興趣、保有好奇心;4. 根據觀察體驗提出自己看法;5.從生活中察覺問題(十二年國教自然領域課綱,2018)。如何設計給國小學生可以動手做且生活化的科學實驗,並且可以在國小教室中能實際帶學生進行實驗,是許多國小教師的挑戰。許多有趣的科學實驗,受限於時間、經費、設備、場地、安全性、學生能力等考量,在國小的教室中進行並不容易,要如何轉化成為國小學生可以實際執行的科學實驗,若能有國小教師願意將實際帶學生進行科學實驗的教學經驗分享,則其他教師就可以據此加以修改減少摸索的時間。
參照十二年國教國民小學教育階段自然領域課綱,國小教師未來在設計科學實驗活動上,可以注意以下以幾個部分。國小自然內容選擇上,以日常生活可實際觀察的題材為主,並能引發學生的探索興趣。讓學生可以透過觀察、資料收集、比較分析與實驗等方法來找尋答案。國小自然實驗設計上,在「進行實驗探究時,學生能夠將實驗結果做描述性或數量化的分析,並利用合適的方式或型式表達探究之過程、發現或成果。」因此,設計實驗活動時,能讓學生展示與發表實驗結果是重要的,可以讓他們彼此觀摩與學習。國小自然議題的選擇上,「配合學生日常生活情境中所遭遇科學環境相關議題如:能源使用、環境汙染、生態破壞等,選擇合適議題,引導學生透過資料收集、論證、合作專題探究等多元學習方式,建立正確的認知,養成良好的態度與技能並落實於生活之中。」國小自然教學流程設計上,「可採結構式探究活動,循序漸進,由教師提出具體的研究問題,指導學生體驗從事科學活動的歷程,如設計研究流程、收集資料與分析、提出解釋與結論。透過實地操作探究活動,學生能認識和使用適當的測量工具,觀察自然事物的變化,思考造成變化的因素,進而選取其中的變因,設計實驗流程,實際操作,進行資料的收集與分析。」(十二年國教自然領域課綱 p67-74,2018)
l 本期專題文章簡介
本期專題共有五篇文章,都是有經驗的國小教師將常見的化學實驗轉化成在國小教室中可以實際讓學生動手進行實驗與討論的教學經驗分享。我們可以透過網際網路搜尋很多設計完整的化學實驗,但我們比較缺乏的是這些化學實驗在國小中該如何來修正與進行,以及學生在做實驗時常會有哪些操作上的錯誤問題,或是這個實驗所涉及的相關科學概念學生會有哪些迷思概念等。要知道這些問題的答案,在過去需要教師多年教學經驗的累積,而現在資深教師透過網際網路的社群分享,讓新手教師可以減少摸索的時間,並讓經驗得以累積。
第一篇”「美國中學化學教材—分子問題單元」在臺灣小學高年級實施現況分析”是周正秋老師利用美國化學學會所出版的中學化學實驗教材中有關分子實驗設計,在台灣的小學高年級的教室中進行教學的經驗分享,利用已經開發的國外教材,改編成在適合台灣教室中可以進行的教學設計,對國小教師而言是一個很重要的能力。
第二篇是莊真真老師所撰寫的”低年級的學生也可以自己輕鬆製作標本”,利用環氧樹脂的A劑與B劑,讓一年級學生將乾燥的昆蟲軀殼放入做成漂亮的水晶標本,藉由像美勞一樣的活動,從中體會環氧樹脂的A劑與B劑相加後放熱與硬化的化學反應過程,雖然沒有辦法清楚對國小一年級學生解釋化學反應,但也讓學生在動手做的過程中能觀察、親身體驗和具體操作。
第三篇文章是”如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗”,張詩敏老師設計一個讓國小五年級學生動手做探究與實作的活動,比較不同溶劑萃取葉綠素的效果,並讓學生進行實驗紀錄與比較。
第四篇文章是”讓國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究”,是由老嘉琪老師所設計改編自常見的非牛頓流體實驗,加入國小五年級所學的酸鹼溶液性質,探究對非牛頓流體性質的影響,是符合國小高年級學生能力的設計。
第五篇是”國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動”,由黃郁芬老師所設計改編電池打火機的實驗,讓學生重複操作網路上的實驗影片內容,確認網路影片實驗結果也是對學生很好的訓練,訓練學生思考網路上的影片是否真的都可以輕易完成,還是需要有一些要注意的實驗技巧,甚至發現網路實驗影片可能是假的。
以上五篇都是由國小在職教師所設計或改編的實驗活動,都在教學現場實際進行教學過,也對教學過程提出改進的省思,相信可以給其他對國小化學實驗設計有興趣的教師,提供一個國小化學實驗教學上的參考。
l 結語
要設計可以實際在國小進行的化學實驗並不容易,最難的部份是要能了解學生在實驗室中的各種突發狀況。最近筆者帶大四的國小師培生到國小進行三周教學實習,其中五年級自然實驗活動就是使用點燃的線香插入充滿氧氣的瓶中觀察氧氣的助燃現象,看似簡單的實驗,卻有五年級在實驗過程中因為疏忽導致被點燃的線香燙傷。如何設計安全有趣的化學實驗相當重要,在整個實驗活動的安全流程設計需要長期教學經驗的累積,藉由國小教師彼此間分享教學經驗,才能夠讓實驗教學能越來越精進。
參考資料
教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然領域課程手冊。台北市:教育部。
設計適合國小學生動手做的化學實驗:
「美國中學化學教材—分子問題單元」
在臺灣小學高年級實施現況分析
周正秋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臺北市立大安區仁愛國民小學
■前言
在十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域課程手冊初稿中的新舊課綱學習內容的對照表裡提到:在自然界的組成與特性的課題中學習內容Ina-III-1物質是由微小的粒子所組成,而且粒子不斷的運動。九年一貫課程綱要安排在第四學習階段之認識物質,以及次主題120物質的組成與功用第三學習階段物質可以分解與組合實施。新課程綱要則將此課程內容調移到第三學習階段實施,但以物質可以分解為更小的粒子,不必提及原子的概念(教育部,2017)。
目前的自然領域教材在國小六年級上學期關於「熱對物質的影響」的課程裡安排了多項實驗,如物質受熱後可以恢復原狀或無法恢復原狀的變化、物質三態皆有熱漲冷縮的現象、熱的傳播方式…,對於剛進入自然領域教學的菜鳥「老」老師–我而言,大多只能按照課本中的內容來進行教學活動,剛開始我會擔心面對學生在課堂上的臨時提問答不出來的窘境,因此在上課前便會將廠商提供的教師手冊、教師專用課本一看再看。即使在教過一年(7個班級)之後,對於教材與教法也只是處在較為熟稔的階段。
去年9月有幸進入國北教大自然教育研究所就讀,在化學特論周老師的課堂上,接觸到美國中學的化學教材,它的第一章就是在探討物質–固態、液態和氣態,因此萌生了想要把該章節中與六上「熱對物質的影響」有關的內容加入我的課堂教學之中的想法。在翻譯第一節分子重要性的過程中,讓我感受到臺灣與美國教材的差異,一開始便讓學生知道這個章節的重點概念是什麼,讓學生透過各種有系統的活動操作,從中去觀察、去紀錄自己看到的現象為何?如何解釋這種現象?並試著提出自己的看法。同時在教學過程中能利用現代的科技–網路媒體資源,讓學生能具體的體現水分子的各項活動。
因此,筆者試著將美國中學的化學教材(美國化學學會,2018)第一章第一課分子問題的教材內容翻譯,融入在自然課程康軒版國小六年級上學期的第二單元熱對物質的影響教學內容中來實施。希望藉由這樣的教學活動讓六年級學生對於物質的組成與特性能有更進一步的認識。
■物質的組成是什麼?
物質是一個科學上沒有明確定義的詞,一般是指靜止質量不為零的東西。物質也常用來泛稱所有組成可觀測物體的成份。所有可以用肉眼看到的物體都是由原子組成,而原子是由互相作用的次原子粒子所組成,其中包括由質子和中子組成的原子核,以及許多電子組成的電子雲。一般而言科學上會將上述的複合粒子視為物質,因為它們具有靜止質量及體積。原子本身並非靜止不動,而會因溫度影響不斷做熱運動(振動)。物質中的原子由於電力的作用而產生鍵結,此鍵結使得原子間會保持在某一特定的平均距離(穩定距離),當原子間距太近時會有排斥力,太遠時則會產生吸引力(信望愛文教基金會,2017)。
美國物理學家費曼在教學時使用的《物理學講義》(The Feynman Lecture on Physics) 第一冊第一章曾說:假如由於某種大災難,所有的科學知識都弄丟了,只有一句話可以傳給下一代,如何才能使用最少的詞彙來傳達最多的訊息?就是:「所有的物體都是由原子所構成。」(科學園,2010)
表一有關物質的三態的微觀解釋
物質 |
金屬的晶體結構及混合物 |
化合物 |
組成 |
物質由同類原子或不同類原子聚集而成 |
物質由同類原子或不同類原子結合而成 |
成因 |
原子之間主要以電磁力的交互作用,使彼此間維持適當的距離。原子不停地運動著,當彼此略微離開時會相互吸引,而當彼此靠近時則會相互排斥。 |
例如:兩個氧原子結合成為一個氧分子,或兩個氫原子與一個氧原子結合成為一個水分子。原子之間形成化學鍵,將分子內的原子束縛成為一定的形狀,但原子不停的振動,動態地維持一定的平均距離。 |
固態 |
a. 固體內的原子呈現規則的排列。 b. 原子在各自的平衡位置附近作凌亂無序的微小振動,這種原子的運動現象與溫度有關,稱為熱運動。 c. 當溫度不高時,在電磁力的強力束縛下,原子間無法產生結構性的改變,故固體有一定的體積及一定的形狀。 |
a. 在熔點以下的溫度時,物質呈現固態。 b. 原子與分子形成排列整齊的晶體結構並維持一定的相對位置。 c. 原子與分子僅能在其排列位置上振動而不能自由移動,因此固體有一定的體積及一定的形狀。 |
液態 |
a. 溫度升高時,原子的熱運動加劇,振動現象變得較為激烈,原子可以掙脫在固定位置上的束縛,此時固體將熔化成為液態。 b. 液體有一定的體積,但沒有一定的形狀。
|
a. 溫度高於熔點、又低於沸點時,物質呈現液態。 b. 分子內原子的振動速度增大,分子的運動速度也增大,打破晶體結構的束縛,使分子可以自由移動,但分子間仍有電磁力的約束,使相鄰分子間仍保持一定的平均距離。 c. 液體有一定的體積,但沒有一定的形狀。 |
氣態 |
a. 溫度再升高時,原子的振動更為激烈,可以掙脫彼此間的束縛,每個原子可以不受拘束的自由運動,此時的狀態稱為氣態。 b. 氣體沒有一定的體積,也沒有一定的形狀。 |
a. 溫度高於沸點時,物體呈現氣態。 b. 分子的平均運動速度甚大,使得分子間不再相互束縛,每個分子皆可自由運動,因此氣體沒有一定的體積、也沒有一定的形狀。 c. 分子內的每個原子不斷在振動,分子也在快速的移動與旋轉,與器壁發生碰撞時產生壓力。當溫度增高時,分子的運動速度增大,即可使氣壓增大。 |
資料來源:科學園(2010)。高中物理(高一)Chap2-1物質由原子所組成。
■本課程實驗器材
一、每組的材料:小杯水、滴管、兩根冰棒棍、蠟紙、2張大型的索引卡(5×8”)、膠帶
二、演示材料:高透明塑膠杯、室溫水、白紙、食用色素(紅色、藍色或綠色)
■教學流程
壹、準備活動(引起動機)
1. 討論一下化學和物質
你可以透過簡短的討論來開始上課。詢問學生他們的想法–關於化學的研究可能是甚麼。你可以感受到學生以前的知識,找出一些迷思概念,並試圖讓學生在“同一層面”。告訴學生化學是研究關於物質及其作用為何的一種學習。你也可以這麼說,化學是關於物質如何在一個非常小的狀態下產生作用的研究。詢問學生,地球上常見的三種物質型態(固體,液體和氣體)。
(1) 向學生提問如下,以引導他們的思考:
•什麼是物質的一些例子?
告訴學生,物質被定義為有質量並占有空間的任何物品。以水為例繼續討論。
•水是否有質量,是否佔用空間?
一桶水是非常重的。它天生就有質量,它也佔用桶子的空間。由於它有質量和占用空間,所以水是一種物質。但是,這只是一開始,在化學方面,我們想要更深入地了解物質是如何形成和如何作用的。
(2) 給每個學生一個活動表
學生將記錄他們的觀察結果並回答有關活動表上的相關問題,不論是以一個班級、分組或單獨的方式來完成,完全取決於教學者的指示。他們可以原子和分子來解釋它或者採取進一步的部分活動表來完成,並且可以從活動手冊的教師版本中發現問題和答案。
貳、發展活動
l 探索
1.設計一個活動來探索水分子間彼此的引力
在這個活動中學生仔細觀察一滴水及其在蠟紙上移動的情形,他們會看到水滴很容易聚在一起卻不容易分開的現象。目的是要讓學生開始思考關於水或是任何實體,在分子水平上得到水分子彼此間互相吸引的結論,產生這些吸引力的原因會在後面章節中討論。
進行問題調查
水是否容易結合在一起?
每組材料
裝水的小杯子、滴管、2根冰棍棒、蠟紙(wax paper)、2張大的索引卡片(5×8”)、膠帶
教師準備
用蠟紙將索引卡完全覆蓋住,並在蠟紙邊緣處用膠帶固定,為每組準備兩張卡。
操作步驟
(1) 使用滴管輕輕擠壓出一滴水,但不要讓這滴水完全從滴管中落下。在不讓懸掛在滴管上的水掉落下來的狀態下,看看你可以移動多遠。
(2) 將4或5滴水放在蠟紙上,使它們聚集成一滴中等尺寸的水珠。
(3) 輕輕地將蠟紙向不同方向傾斜,以使上述活動中的水珠移動。
(4) 使用你的冰棒棍在蠟紙上慢慢移動你的水珠,並嘗試使用你的冰棒棍將水珠分成兩個。
(5) 用你的冰棒棍將兩滴水珠移近彼此。只要移動其中之一,就可以讓兩滴水珠合一。
3.紀錄和討論學生的觀察
在回答後續問題活動之前,讓學生有時間記錄他們的觀察結果。一旦他們開始回答問
題,必須以整組的方式來進行討論。
(1) 當你從滴管中擠出一滴水時,水是否破裂?還是在一起的?
(2) 當你傾斜蠟紙時,水珠是分散或是在一起的?
(3) 當你在蠟紙上拉起水珠時,水珠看起來是聚合在一起還是容易分開的樣子?
(4) 當你試圖分開你的水珠時,它很容易被分開嗎?
(5) 當兩滴小水珠碰在一起時發生了什麼事?
預期結果
當蠟紙傾斜或移動時,水珠會堆在蠟紙上並保持在一起的型態,要把這樣的水珠分成兩個是很困難的。當水珠一接觸到彼此,便會快速且容易的結合在一起。
4.做一個實驗證明水分子是在運動
材料
高透明塑料杯、室溫水、白紙、食用色素(紅色,藍色或綠色)
步驟
(1) 加室溫水至杯中,大概到3/4杯。
(2) 讓學生仔細觀察,當你添加一到兩滴食用色素到水杯時,別太快,讓顏色慢慢地混入水中。
(3) 拿起杯子,並在杯子後面放上一張白紙,讓學生更容易看到顏料在水中移動和混合的情形。
預期結果
一滴食用色素會慢慢移動並混入水中,最後所有的杯子中的水分會被均勻著色。
詢問學生
你的觀察如何支持水分子正在移動的想法?
幫助學生理解,由於水分子移動並將顏色向各個方向推動,因此食用色素混入水中,同時食用色素本身的分子也正在運動。
注意:在美國中學化學教材第五章中,學生將會知道水分子和著色分子對彼此是相互吸引的。這些吸引力也有助於解釋水中顏色的混合。
l 說明
5.展示在液態水中顯示分子的動畫。
顯示液體的分子模型動畫粒子。
www.middleschoolchemistry.com/multimedia/chapter1/lesson1#particles_of_a_liquid
解釋一下,小球是代表水分子,讓學生知道,現在,你將使用圓或球來表示分子和原子,但最終他們會使用更詳細的模型。現在,學生應該關注分子的運動,它們如何相互作用,以及它們之間的距離。這就是為什麼他們相互移動,但彼此距離不遠。
6.讓學生在分子水平上繪製自己的水模型和完成活動表。
繪製或投影插圖水分子
www.middleschoolchemistry.com/multimedia/chapter1/lesson1#water_molecules
向學生解釋這是一個水分子模型。指出這些分子沒有任何確切的順序,但彼此靠近。它們有一彎曲的“運動線”來顯示分子正在移動。讓學生在他們的活動表單上繪製分子水平的模型。他們應該使用之前教學者顯示的模型來做為引導。
學生的圖畫應該顯示分子是:
圖五繪圖顯示分子運動方式
確保學生認識到這個模型顯示的水分子比實際上大得多。水分子不僅體積小,它們的數量也非常多。一滴水是由超過十億億個極小的水分子所組成。
為了讓學生了解水分子是多麼小,你可以告訴學生以下幾點:在大約1湯匙的水裡,大約有6000億億個水分子。如果你能每秒鐘計算一百萬個水分子,那就需要大約2億年的時間才能計算出一大湯匙水中的所有分子。原子和分子數量巨大,規模卻小得令人難以置信。
l 延伸
7.展示影片,讓學生看到一個水分子互相吸引的例子
顯示慢動作彈出的水氣球的影片。
www.middleschoolchemistry.com/multimedia/chapter1/lesson1#water_balloon
詢問學生
•你為什麼認為在氣球爆裂的時候,水保持了它的形狀?
學生們應該意識到,水很好地保持在一起,因為水分子是相互吸引的。
•想像一下,你的手指上掛著一滴水。氣球彈出後,這與水一起怎麼樣?
這也可以藉由水分子彼此間極具引力的現象來解釋。
額外的延伸
如果你有時間,讓學生有機會玩水滴遊戲。
1.水滴,團結力量大(見附錄三)
教師準備
給每組2張「團結力量大」表。
程序
(1) 把一張蠟紙粘在「團結力量大」表上。
(2) 在外面的每個小圓圈裡放5滴水。
(3) 盡快地用你的吸管將每一個小圈裡的水滴拖到中心的大圓圈裡。當所有水滴都聚集在大圓圈裡,就表示你完成了。
(4) 挑戰你的伙伴,看看誰能最快地把所有的水滴團結在一起。
2.水珠競速比賽(見附錄四)
教師準備
為每組準備2張水珠競速比賽(Race Drop Raceway)表。你和夥伴可以跟著下面的方向來和對方比賽。
程序
1. 將“Race Drop Raceway”表單放在一張硬紙板上加以固定。
2. 在“Race Drop Raceway”表單上粘上一張蠟紙。
3. 在「開始」處滴上2-4滴水,讓它成為一個較大的水滴。
4. 把紙板傾斜,引導表單上的水滴沿著賽道盡快的滾落到「終點」處。盡量不要碰
到賽道的邊緣,最快完成的便是勝利者。
參、綜合活動
■學生課程回饋單
筆者在學習單背面設計了一份問卷,調查學生對此次實驗與活動的看法及收獲,回答問卷的六年級學生共28人,男15人、女13人,問題與摘錄如下。
問題1你對這個活動所感受到的喜愛程度如何?
表二:學生回答問題的答案統計
選項 |
非常喜歡 |
有點喜歡 |
普通 |
不太喜歡 |
非常不喜歡 |
人數 |
18 |
9 |
1 |
0 |
0 |
比率 |
64.29% |
32.14% |
3.57% |
0% |
0% |
由表一可知道,有64.29%的學生在教學活動結束後,對於此課程的感受是「非常喜歡」,32.14%感到「有點喜歡」,有1位學生回應喜愛程度「普通」,因為這位學生對這個活動沒有那麼感興趣的緣故。因此,整體而言,對六年級的學生而言,這樣的課程設計是他們能夠接受而且是受到喜愛的。
問題2 承上題,為什麼你會勾這個選項?因為…
根據參與學童的問卷回饋,他們之所以會勾選喜歡的原因是對課程活動感到好玩、可以競賽和玩遊戲,對於日常隨處可見的水珠竟然有不易分開卻可以輕易的聚合在一起的現象感到很新奇。本次進行實驗的學生班級共有28位學生,以S01~S28為代號,摘錄幾位同學特別的學習感受,分享給大家(如下所示)。
S02:有點喜歡,因為我喜歡自然科的活動,而且很好玩。
S06:非常喜歡,因為我覺得這些水珠的實驗很有趣。
S10:非常喜歡,因為我覺得這個活動是在生活中不難見到的,但是卻沒有深入瞭解。
S11:非常喜歡,因為水分子的活動在家裡也可以玩。
S14:有點喜歡,因為活動中的遊戲很好玩。
S15:有點喜歡,因為我覺得水有很多種變化,令人感到有趣。
S21:非常喜歡,因為我本來就喜歡觀察水分子。
S25:非常喜歡,因為我覺得這個活動很好玩,可以競賽和玩遊戲。
S27:非常喜歡,因為它很有趣又可以學到豐富的知識,我喜歡這樣的課程。
S28:非常喜歡,因為覺得這活動非常棒,讓我增加很多知識。
問題3 在這次的課程中,你學到了什麼?
課程結束後,學生是否學習到課程中的核心概念,是教學者設計課程的主要目標,本次進行課程的學生學到了什麼,根據參與學童的問卷回答,他們在課程活動中的主要學習收穫是了解如何利用水分子的拆分、聚合來理解物質是由極小的粒子所組成;水分子會碰撞產生運動,因此物質中的粒子也可以運動。筆者摘錄如下:
S02:我學到了水分子的特性。
S06:水珠的分子會因為相互碰撞,而分開。
S10:我學到了水分子的運動和特性。
S11:我學到了水滴聚在一起是容易的。
S14:我學到了:1.水分子的運動2.水分子會互相吸引3.水分子有擴散的性質。
S15:我學到水分子會互相聚集,所以氣球破掉時,水會維持一樣的形狀。
S21:水分子的碰撞和路線,和水不容易分散。
S25:我學到了水分子容易聚集且不易分散,還有水分子會運動。
S27:我學到水分子易聚合但不易分散。
S28:我學到了原來水很難拆分,但很容易加入在一起。
圖六學生填寫課程回饋單
■教師的教學省思
經由學生們在完成上述課程後所填寫的課程回饋單,讓筆者可以了解學生們心中對此課程活動的真實想法。只要能結合他們的生活經驗、有趣又能動手做的課程,即使是用問答式的課程內容來進行教學,學生也能透過實際的操作、觀察與紀錄來了解教材內容所欲傳達的知識。在自然科學課程當中多給與學生實際動手做的教學方式會比講述式的教學來得活潑有趣,較能吸引學生的注意力,也更能讓學生體悟「做中學」的重要性,對於提升學生的學習成效是有助益的。
在現代科技一日千里的今天,身為老師的我們,不能只單靠一本教科書或者是一本教師手冊來進行教學活動,我們應該善加運用影音媒體或電腦科技,讓一些不易在課堂上呈現的現象或實驗結果可以透過影片、動畫、互動式的教學媒材,具體的呈現在學生眼前,幫助他們去了解、去分析課程內容所欲傳達的知識,甚至能激勵學生們做更進一步的探究。
■課程實施過程及注意事項
一、本次主要課程活動設計大約需一節課的時間,在進行探索活動前先發下活動紀錄表給學生,讓學生能對此活動實施的目的、步驟與要觀察的事物加以瞭解,並在活動過程中詳實記錄下所看到的現象。
二、因為在進行此實驗前尚無法取得蠟紙(wax paper),故而此實驗中的蠟紙先以塑膠膜暫代(水滴可在膠膜上移動);為了避免紙張受潮,已在課前事先將各種表單加以護貝;為了易於觀察水滴在紙上的移動情形,因此以藍色紙張來印製表單。
三、因為室溫中的水滴是透明無色的,不易觀察它的各種變化,因此,事先在水裡添加紅色顏料,讓學生容易看到滴管中擠出的水滴形態與水滴在表單上的移動情形。
四、筆者試著利用五種不同材質的紙張來進行水滴移動及分合的活動,結果發現,效果最佳的是蠟光紙,水滴在蠟光紙上可以輕易移動與進行分合,不易留下水漬;其次是烘焙紙,易讓水滴移動與分合,但容易留下水漬;至於表面有覆膜的牛皮紙、卡典西德紙(膠膜)及護貝過的紙,雖然不會被滲透,但容易在移動過程中留下水痕,因此水滴移動與分合的實驗成效不如使用蠟光紙和烘焙紙(圖七~圖十)。
圖七:實驗前 |
圖八:進行實驗中 |
圖九:進行實驗中 |
圖十:實驗後 |
■結語
很高興能順利的在自己的教學課堂上完成這個課程,雖然目前只有在一個班級中實施。但能看到學生們驚奇且樂於學習的表情,也讓我備感欣慰。誠如S10學生所言:這個活動是在生活中不難見到的,但是卻沒有深入瞭解,期望藉由此課程的進行能讓同學們了解到生活中處處皆科學的道理。
■參考資料
1. 教育部(2017)。十二年國教自然科學領域課程手冊(初稿)。2018年 1月15日,取自:
https://www.naer.edu.tw/ezfiles/0/1000/img/67/196757124.pdf
2. 美國化學學會(2018)。美國中學化學教材。2018年 1月14日,取自:
http://www.middleschoolchemistry.com/lessonplans/chapter1/lesson1
3. 信望愛文教基金會(2017)。項少龍老師物理1進階講義。2017年12月29日,取自:
https://www.learnmode.net/flip/book_reader/423
4. 科學園(2010)。高中物理(高一)Chap2-1物質由原子所組成。2017年12月29日,取自:
http://enjoy.phy.ntnu.edu.tw/mod/resource/view.php?id=20561
5. 康軒書局(2016)。國民小學自然與生科技教師手冊第七冊(第三版)。臺北市:康軒。
■謝誌
在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106學年度第1學期化學特論(一)周金城教授與全體同學協助,提供本文架構調整與內文修正之意見,讓本文可以更好,在此謹深摯謝忱。
「附錄」
設計適合國小學生動手做的化學實驗:
低年級的學生也可以自己輕鬆製作標本
莊眞眞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新北市立板橋區海山國民小學
n 前言
在4年級下學期的自然課程中,有一個認識昆蟲的單元,學生們養了紋白蝶的幼蟲,養了鍬形蟲和獨角仙,這些昆蟲的生命都是精彩又短暫的,這些紀錄觀察死亡後的蟲體就這樣隨意丟棄豈不是很可惜,如果可以將這些蟲體製作成標本,不但可以永遠的欣賞牠的美,學生在製作過程中,必須長時間仔細觀察昆蟲,因此,對昆蟲的了解也會有所精進,有了這些原因及想法,讓我決心帶著我今年帶的國小一年級學生來製作水晶昆蟲標本。
n 「水晶昆蟲標本」介紹
將最喜愛的昆蟲,讓牠的美麗化為永恆,由於水晶標本是透明的,蟲體的每一個細節都可以看得非常清楚,非常方便日後再仔細的觀察研究。
n 課前準備
材料:
1.環氧樹脂(主劑A膠)+B膠(硬化劑)2.乾蟲體(自行準備,也可用貝殼或乾燥花替代)
3.攪拌棒(實心)4.塑膠透明杯5.矽膠模具6.電子秤
圖1 實驗材料 |
圖2 實驗藥品 |
圖3 模具 |
模具也可以使用製冰盒或保鮮盒〈好脫模的容器都可以使用,請勿使用紙類的容器裝。
n 教學活動設計
一、引起動機
小朋友,四年級的哥哥、姊姊們上自然課,有養很多小昆蟲,昆蟲的單元即將結束,四年級的哥哥、姊姊們所養的獨角仙相繼死去,有沒有同學想過,這些辛苦養的獨角仙死去後要如何處理?我們是否可以想一想,要怎麼做才可以不讓獨角仙及其他昆蟲成為螞蟻或蟑螂的美食?
二、發展活動
活動一:處理蟲屍及乾燥蟲體
1. 先將已經死亡的蟲體置於保麗龍板上,然後在身體的兩邊用昆蟲針固定,並調整其附肢的姿勢,使看起來像站立休息或走動栩栩如生的樣子,同時以昆蟲針固定附肢在保麗龍板上。
圖4 將死亡的甲蟲固定姿勢
2. 將此標本連同保麗龍板放在烘乾箱或通風有陽光的走廊及陽台邊風乾,製作過程注意不要被螞蟻或蟑螂吃食。如果蟲體體型較大,烘的時間要較久才能保持乾燥。
活動二:介紹 AB膠
說明環氧樹脂之主劑A膠與硬化劑B膠以適當比例混和後,會開始硬化與放熱。不同的比例會影響成品的好壞。
圖5 環氧樹脂A膠主劑 |
圖6 環氧樹脂B膠硬化劑 |
活動三:模具介紹
這種類似的軟矽膠膜,脫膜快又平整漂亮。(保鮮盒及製冰盒也很好脫膜)
圖7 適合使用的模具範例 |
活動四:如何調製比例剛好的AB膠
1. 完美比例的水晶膠調製。
製作步驟:
(1) 將水晶膠依正確比例的重量比例倒入杯子中。
(2) 以實心的攪拌棒慢速攪拌AB膠,使A膠和B膠充分混勻。
注意事項:攪拌時動作要輕柔,避免產生氣泡,否則包埋的成品會有氣泡。
若氣泡過多,可以將杯子放到溫水中浸泡趕走氣泡,但水溫不宜超過55℃,否則膠體會迅速硬化,無法使用。
活動五:灌模
1. 將乾燥完成的蟲體放入模具內完成灌模。
圖8 灌模製作過程 |
注意:在第一次灌模不可以一下倒太多AB膠,因為浮力的關係,標本會到處飄移,要先倒一點,放入標本等AB膠乾後,再倒入第二次AB膠進行包埋,這樣標本才會再固定在中間。
活動六:結果與討論及分享
1. 水晶標本成果發表。
2. 反思與學習單的填寫。
3. 器材的收拾與整理。
圖9學生製作的成品(一)
圖10學生製作的成品(二)
圖11學生製作的成品(三)
圖12學生開心的展示製作的成品
n 學生實驗操作過程
市售的環氧樹脂(主劑)+硬化劑一共有多款型號,最常用到的是E-700+H-190另一組是E-120C+H-100,在製作的過程中學生提問:如果不照廠商配好的編號去調AB膠,那會變成怎麼樣?這二款到底差別在哪裡呢?
我們將水晶膠的調配做了些調整,我們將操作變因分別讓學生用不同款的型號環氧樹脂去調配,看看哪一款的環氧樹脂製作出來的水晶標本最成功。(圖二)(圖三)
警語:環氧樹脂和硬化劑(AB膠)為化學物品,學生在操作時應戴上口罩及護目鏡,以免學生吸入有毒氣體或是被AB膠噴到眼睛。
操作時的環境應選擇在有窗戶的通風地點,老師一定要在旁邊隨時提醒學生。
實驗目的 |
製作出最完美的水晶標本 |
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控制變因 |
1. 環氧樹脂(主劑3)+硬化劑(1),以3:1的量下去調配。 2. 使用一樣大小及材質的透明塑膠杯。 3. 使用一樣的模具。 |
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操作變因 |
A組 |
B組 |
C組 |
D組 |
E-700+H-190 |
E-700+H-100 |
E-120C+H-190 |
E-120C+H-100 |
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實驗步驟 |
1.先將塑膠杯E-700主劑10g+H-190硬化劑3g。 2.慢慢的攪拌直至混合,液體清澈透明。 3. 將混合的AB膠慢慢的灌入模具,等待凝固硬化。 |
1.先將塑膠杯E-700主劑10g+H-100硬化劑3g。 2.慢慢的攪拌直至混合,液體清澈透明。 3. 將混合的AB膠慢慢的灌入模具,等待凝固硬化。 |
1.先將塑膠杯E-120C主劑10g+H-100硬化劑3g。 2.慢慢的攪拌直至混合,液體清澈透明。 3. 將混合的AB膠慢慢的灌入模具,等待凝固硬化。 |
1.先將塑膠杯E-120C主劑10g+H-190硬化劑3g。 2.慢慢的攪拌直至混合,液體清澈透明。 3. 將混合的AB膠慢慢的灌入模具,等待凝固硬化。 |
實驗結果 |
可以硬化(時間很長) |
可以硬化(24h內) |
可以硬化(時間很長) |
可以硬化(24h內) |
圖13剛調好的AB膠是液態狀,C 組明顯混濁,起很多泡泡 |
圖14在1個小時後,AB膠還是液態狀,牙籤都還可以插入,C組還是混濁狀。 |
圖15在6小時後,A組和C組牙籤依然無法站穩,A組的AB膠比C組更為Q軟,B組和D組已經有些硬化,D組硬化程度比B組好,D組的牙籤已快無法全部插入杯底處。 |
圖16 在12小時後,A組和C組牙籤已經可以站立,A組的AB膠還是比較沒那麼黏稠,C組比 A組稍微黏稠些,B組和D組已經都硬化牙籤已經都插不進杯底。 |
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用畫圖的方式或書寫的方式填寫,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:
從問卷的回饋中可以發現,小朋友們都非常喜歡自己動手做的課程,對可以把昆蟲或乾燥花及貝殼整個標埋起來,把不起眼的東西變成美麗的藝術品,它們都覺得非常新奇、有趣。另外,小朋友可以利用二組不同編號的AB膠進行交叉配對,初次嘗試實際動手操作實驗,這對才小一的學生來說,更是開啟他們對科學探索的興趣。
n 課程實施問題與困境
本次教學活動設計,大致可分為「乾標本製作」、「AB膠介紹及調配」、「灌模完成作品」等3步驟,整個課程上完約需7-10天的時間,因需等待蟲體乾燥才能進行灌膠,灌模要分2次完成,整個程序時間太長,對小一的學生來說,做完第一階段到第二階段時,前面的先備知識已經有些遺忘,講師需再花一些時間再講解一次之前的概念,每次的下一階段課程都還要再述說一次,時間花費太多。
小一的學生用電子秤來量AB膠的重量,因小肌肉還未完全的到達成熟,很多時候無法量得很精準,在調膠時老師也要跟學生們叮嚀,不可以攪拌太快,太快會起很多泡泡,那做出來的水晶標本就不會好看,這些都是老師們要很注意的地方。
對小一的學生來說,這些體驗是非常難得的,需老師在旁小心的協助,畢竟年紀還是小了些,這課程放在四年級的學生來上,我想效果會更好,更容易顯現出成效,上課的時間也可以縮短很多。
n 課程設計修正
針對前述的問題,修正課程設計如下:
1. 昆蟲標本製作過程繁瑣,學生年紀太小操作過程中問題會比較多,如只做貝殼和乾燥花標本,時間可縮短1周。
2.可以將水晶標本改成藝術工藝品製作,可做成貝殼墜子,自己DIY變成貝殼項鍊,這樣學生們會更覺得有趣。
3.在使用AB膠時,可以全部由老師統一用電子秤量好協助分裝到各組。
n 結語
當化學的東西碰到了自然界的生物體,產生了另一種讓人無法想像的美麗,那種像水晶般的透亮,那麼清澈,未經雕琢,通透晶瑩,小一的學生初次體驗化學,就可以接觸到如此温潤而優雅的作品,這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
筆者參加國立台灣大學行動展示盒推廣講師培訓課程,包埋標本實作講義。
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 |
生活領域 |
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教學單元 |
生活第三單元和自然做朋友 |
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教材來源 |
自編 |
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教學年段 |
一年級 |
教案設計者 |
莊眞眞 |
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教學時間 |
160分鐘 |
教學者 |
莊真眞 |
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教 學 目 標 |
1. 可以讓學生更接近大自然,會處處留意身旁的一草一木及生活在周遭的小動物。 2. 可以近距離的觀察小昆蟲,讓學生發現昆蟲的美。 3. 生命教育的延伸,讓昆蟲的美一直延續下去。 4. 化腐朽為神奇,學會欣賞及自己動手製造一件藝術品。 |
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引 起 動 機 |
教學流程 1. 帶著學生至學校花園觀察學校的花草樹木,跟學生討論校園裡可以看到哪些昆蟲。 2. 觀賞蝴蝶的一生成長影片。 3. 跟學生討論如何讓昆蟲的美一直延續下去 |
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發 展 活 動 |
1. 蒐集撿拾製造標本的蟲體(乾燥花及貝殼也可以)。 2. 乾燥標本。 3. AB膠的型號配對實驗。 4. 製造水晶標本。 5. 展示水晶標本成品。 6. 填寫回饋單。 |
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教學活動 |
教學時間 |
教學資源 |
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壹. 準備活動 一.課前準備 1. 教學用的昆蟲標本成品。 2. 蝴蝶一生成長紀錄影片。 3. 製造標本器材: 材料: (每生一份) 1.環氧樹脂(主劑A膠)+B膠(硬化劑) 2.乾蟲體(自行準備,也可用貝殼或乾燥花替代) 3.攪拌棒(實心) 4.塑膠透明杯 5.矽膠模具 6.電子秤(每組一個) 貳.發展活動 活動一、蒐集標本,標本初步處理 (一) 小朋友假日跟家人去爬山,一路上如有看到死掉的昆蟲或是家裡有貝殼和乾燥花都可帶來學校。 (二) 小朋友帶來學校的蟲體或貝殼,經過最基本的清洗(貝殼),蟲體需插針固定在保麗龍上,帶學生去走廊或窗戶邊曬太陽及通風,讓蟲體及貝殼和乾燥花乾燥。 (乾燥時間約一周7天)
活動二、介紹AB膠及做調出完美比例的AB膠實驗。 (一)將2組不同編號的主劑及硬化劑交叉調配。 A組(E-700+H-190) B組(E-700+H-100) C組(E-120C+H-190) D組(E-120C+H-100) 1.環氧樹脂(主劑3)+硬化劑(1),以3:1的量下去調配。 2.使用一樣大小及材質的透明塑膠杯。 3.使用一樣的模具。 (二)調好的AB膠,經過在校6小時的紀錄觀察,每組的AB膠都有不同的變化。 實驗結果發現B組及D組的AB膠硬化程度非常好,A組及C組硬化程度就很不好,A組最差。 (三)實驗結果證明B組(E-700+H-100)和 D組(E-120C+H-100) 這二組編號的AB膠製作出來的水晶效果最優。 活動三、製作標本 (一) 將水晶膠依正確比例的重量比例倒入杯子中。 (二)以實心的攪拌棒慢速攪拌AB膠,使A膠和B膠充分混勻。 (三)注意事項:攪拌時動作要輕柔,避免產生氣泡,否則包埋的成品會有氣泡。 (四)若氣泡過多,可以將杯子放到溫水中浸泡趕走氣泡,但水溫不宜超過55℃,否則膠體會迅速硬化,無法使用。 (五)先將調好的AB膠倒入一點點在模具內,再將已經乾燥完成的蟲體或貝殼放入,等待稍乾再倒入第二次AB膠,完成標埋,再等待AB膠全乾。 (六)進行脫模,完成水晶標本。
活動四、成品分享及完成回饋單 (一) 請小朋友拿著自己的作品,一一上台跟大家分享自己的完美作品。 (二)完成回饋單。 |
40分鐘
40分鐘
10分鐘
30分鐘
40分鐘 |
蟲體 貝殼 乾燥花 昆蟲針 保麗龍板
2組不同編號主劑及硬化劑 透明塑膠杯 攪拌棒 電子秤
AB膠 透明塑膠杯 攪拌棒 電子秤 模具 乾標本
回饋單 |
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附錄二:學生回饋單
水晶標本好好玩
1.小朋友,你們喜歡這製作標本的課程嗎?
2.小朋友,這次製作標本的課程你最喜歡哪一個過程?
3. 小朋友,你們可以將你們製作的美麗標本畫下來嗎?
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:
|
||
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 |
|
|
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。 |
|
組別 |
實驗組一 (葉片: ) |
實驗組二 (葉片: ) |
預期結果 |
|
|
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 |
|
2.用顯微鏡觀察葉子構造 |
|
3.介紹萃取葉綠素的方法 |
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4.實際萃取葉綠素 |
|
5.觀察萃取出的葉綠素 |
|
Q3:請問你最喜歡本次實驗課的哪一個部分?並說明原因?
|
|
Q4:請問你對於植物的葉綠素,還有哪些問題尚待解決?
|
|
設計適合國小學生動手做的化學實驗:
國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究
老嘉琪
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
暑假期間,筆者無意間在電視上看到有關玉米漿的新聞,覺得相當新奇有趣,上網查了有關玉米漿的資料,發現玉米漿在特定比例時,居然有輕功水上飄的功用,因此我們想帶著學生更深入研究它的特性。五年級康軒版第五冊第三單元「水溶液」曾介紹水溶液的酸鹼性質的特性,因此我們想利用不同的酸鹼溶劑、不同的濃度,嘗試分析玉米漿的擴溶現象情形。網路提到玉米漿的最佳比例為玉米粉和水是4:3,因此想帶學生探究玉米粉和水的比例為3:2、7:5及4:3時,其中溶劑改用酸性、中性與鹼性水溶液,而溶劑濃度分別在1%、3%、5%、7%及9%時,玉米粉的擴溶情形是否相同?
n 擴溶現象是什麼?
擴溶現象(非牛頓流體):過飽和玉米粉水溶液中的分子,受到外來強大力量時,會緊密地排列,抵擋外力,有類似固體(圖一)的效果;若外力一旦解除,或遇到緩慢的力時,分子則呈現鬆散的狀態,有類似液體(圖二)的效果。
n 研究設備及器材
一、澱粉:玉米澱粉。
二、藥品:純水、砂糖、食鹽、小蘇打粉、石灰水、檸檬酸、冰醋酸。
三、設備:電子秤、手機、相機、攜帶型pH計。
四、器材:燒杯、玻棒、量筒、小湯匙、滴管、抹布、衛生紙、橡皮筋、透明膠帶、乳膠檢驗手套。
圖1 實驗器材照片 |
n 實驗過程
【實驗一】不同濃度下,玉米粉在酸性水溶液
方法:
(一)用電子秤取42g的玉米粉十五次,分別置入十五個量杯中。
(二)取檸檬酸,調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的酸性水溶液,並以pH檢測器確認其酸鹼性。
檸檬酸(ml) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
純水(ml) |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
濃度(%) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
(三)在步驟(一)的量杯中分別加入步驟(二)1~9%的檸檬酸各是28ml、30ml及31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:
組別 |
一 |
二 |
三 |
玉米粉(g) |
42 |
42 |
42 |
溶劑(ml) |
28 |
30 |
31.5 |
粉與水重量比 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
(四)觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
(五)將檸檬酸改成冰醋酸,重複步驟(一)至步驟(四)。
結果:
(一)酸性水溶液之pH值
1.檸檬酸
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
2.8 |
2.4 |
2.1 |
1.9 |
1.7 |
2.冰醋酸
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
3.0 |
2.5 |
2.5 |
2.3 |
2.2 |
(二)玉米粉在酸性水溶液中之情形
1. 玉米粉:檸檬酸
檸檬酸濃度 玉米粉:檸檬酸 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
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Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
™ |
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™ |
Í |
Í |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:檸檬酸水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在檸檬酸水溶液中之情形 |
2. 玉米粉:冰醋酸
冰醋酸濃度 玉米粉:冰醋酸 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
™ |
™ |
™ |
Í |
Í |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
r |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:冰醋酸水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在冰醋酸水溶液中之情形 |
發現與討論:
(一)濃度1%、3%、5%、7%、9%的檸檬酸水溶液之酸鹼值:1%>3%>5%>7%>9%。
(二)濃度1%、3%、5%、7%、9%的冰醋酸水溶液之酸鹼值:1%>3%=5%>7%>9%。
(三)酸性水溶液的濃度越高,其酸鹼值越小,表示越酸。
(四)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(五)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,受濃度之影響。溶劑濃度較低者,玉米漿越容易形成擴溶現象;溶劑濃度較高者,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
【實驗二】不同濃度下,玉米粉在中性水溶液
方法:
(一)用電子秤取42g的玉米粉十五次,分別置入十五個量杯中。
(二)取砂糖,調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的中性水溶液,並以pH檢測器確認其酸鹼度。
砂糖(g) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
純水(ml) |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
濃度(%) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
(三)在步驟(一)的量杯中分別加入步驟(二)1~9%的砂糖水各是28ml、30ml及31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:
組別 |
一 |
二 |
三 |
玉米粉(g) |
42 |
42 |
42 |
溶劑(ml) |
28 |
30 |
31.5 |
粉與水重量比 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
(四)觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
(五)重複步驟(一)至步驟(四),將砂糖改成食鹽。
不同濃度的食鹽水溶液 |
不同濃度的砂糖水溶液 |
不同濃度的砂糖水溶液與與玉米粉 |
用電子秤量取玉米粉 |
測試酸鹼性 |
|
圖3 學生進行實驗二的過程 |
結果:
(一)中性水溶液之pH值
1.砂糖水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
7.5 |
7.3 |
7.0 |
7.4 |
7.5 |
2.食鹽水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
7.3 |
7.2 |
7.2 |
7.1 |
7.2 |
(二)玉米粉在中性水溶液中之情形
1.玉米粉:砂糖水
砂糖水濃度 玉米粉:砂糖水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
r |
r |
r |
r |
r |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:砂糖水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在砂糖水溶液中之情形 |
2.玉米粉:食鹽水
食鹽水濃度 玉米粉:食鹽水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
r |
r |
r |
r |
r |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:食鹽水水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在食鹽水溶液中之情形 |
發現與討論:
(一)濃度1%、3%、5%、7%、9%的糖水水溶液之酸鹼值:1%=9%>7%>3%>5%。
(二)濃度1%、3%、5%、7%、9%的食鹽水水溶液之酸鹼值:1%>3%=5%=9%>7%。
(三)中性水溶液的酸鹼值呈現無規律性,表示不受濃度的影響。
(四)玉米粉在糖水及食鹽水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(五)玉米粉在中性水溶液時,不受到濃度之影響,但與溶劑的量有很大的關聯性。
【實驗三】不同濃度下,玉米粉在鹼性水溶液
方法:
(一)用電子秤取42g的玉米粉十五次,分別置入十五個量杯中。
(二)取小蘇打粉,調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的鹼性水溶液,並以pH檢測器確認其酸鹼度。
小蘇打粉(g) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
純水(ml) |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
濃度(%) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
(三)在步驟(一)的量杯中分別加入步驟(二)1~9%的小蘇打水各是28ml、30ml及31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:
組別 |
一 |
二 |
三 |
玉米粉(g) |
42 |
42 |
42 |
溶劑(ml) |
28 |
30 |
31.5 |
粉與水重量比 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
(四)觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
(五)重複步驟(一)至步驟(四),將小蘇打粉改成石灰水。
不同濃度的小蘇打水溶液 |
量取小蘇打粉 |
測量水溶液的酸鹼性 |
調配不同濃度的石灰水溶液 |
不同濃度的石灰水溶液 |
|
圖4 學生進行實驗三過程 |
結果:
(一)鹼性水溶液之pH值
1.小蘇打水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
7.3 |
7.5 |
7.5 |
7.7 |
7.8 |
2.石灰水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
9.9 |
10.7 |
11.2 |
11.4 |
11.9 |
(二)玉米粉在鹼性水溶液中之情形
1. 玉米粉:小蘇打水
小蘇打水濃度 玉米粉:小蘇打水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
r |
r |
r |
r |
r |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:小蘇打水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在小蘇打水溶液中之情形 |
2. 玉米粉:石灰水
石灰水濃度 玉米粉:石灰水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
™ |
™ |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
™ |
™ |
r |
r |
Í |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:石灰水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在石灰水溶液中之情形 |
發現與討論:
(一)濃度1%、3%、5%、7%、9%的小蘇打水溶液之酸鹼值:9%>7%>5%>3%>1%。
(二)濃度1%、3%、5%、7%、9%的石灰水溶液之酸鹼值:9%>7%>5%>3%=1%。
(三)鹼性水溶液的濃度越高,其酸鹼值越大,表示越鹼。
(四)小蘇打水溶液較少時,玉米漿無法形成擴溶現象;小蘇打水溶液較多時,玉米漿越容易形成擴溶現象。
(五)玉米粉在小蘇打水溶液時,不會受到濃度之影響,但與溶劑的量有很大的關聯性。
(六)石灰水溶液較少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象;石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(七)玉米粉在石灰水溶液時,受到濃度之影響。石灰水濃度越低,玉米漿越容易形成擴溶現象;石灰水濃度越高,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
(八)澱粉對鹼的抵抗力強,不易被分解(繼光清1988)。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中,不易形成擴溶現象。
n 結語
一、不同濃度下,玉米粉在酸性水溶液
(一)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(二)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,受濃度之影響。溶劑濃度較低者,玉米漿越容易形成擴溶現象;溶劑濃度較高者,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
(三)澱粉顆粒結構含有不定型區(amorphous region)和結晶區(crystalline region)。澱粉顆粒經酸水解作用會先從結構鬆散處水解,並且進入澱粉顆粒的中心,水解其不定型區,導致澱粉結晶顆粒結構不穩,最後破壞成小片段,使分子量變小;另一方面剩餘的小片段則為較不易被酸水解的結晶區,其結晶強度、熱穩定性和抗解澱粉含量皆會增加(張亙翔2012)。
二、不同濃度下,玉米粉在中性水溶液
(一)玉米粉在糖水及食鹽水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較
多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(二)玉米粉在中性水溶液時,不受到濃度之影響。
三、不同濃度下,玉米粉在鹼性水溶液
(一)小蘇打水溶液較少時,玉米漿無法形成擴溶現象;小蘇打水溶液較多時,玉米漿越容易形成擴溶現象。
(二)玉米粉在小蘇打水溶液時,不會受到濃度之影響,但與溶劑的量有很大的關聯性。
(三)石灰水溶液較少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象;石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(四)玉米粉在石灰水溶液時,受到濃度之影響。石灰水濃度越低,玉米漿越容易形成擴溶現象;石灰水濃度越高,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
(五)澱粉對鹼的抵抗力強,不易被分解(繼光清1988)。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中,有的可形成擴溶現象,有的卻無法形成擴溶現象。
n 心得感想
第一次帶學生進行科學探究活動,很多事情都懵懵懂懂、跌跌撞撞的,好在同事間願意互相幫忙,才能讓整個過程都相當順利。經過這次經驗,我學到帶領學生進行科學探究的第一步是引起孩子們的「動機」和「好奇心」,有了這兩樣法寶,才能帶領孩子熬過一些枯燥的計算,還有找資料、整理數據及繪製表格的艱辛過程。因此身為老師的我的任務即是不斷地激發孩子們的動機,時時鼓勵他們可以有一些天馬行空的想法(大膽假設),再按照某些原理原則去設計實驗尋求答案(小心求證)。有了這次愉快的經驗,我想下次若有機會,我會大聲的說;「科學探究我來囉!~」
n 謝誌
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 參考資料
一、繼光清(1988/06/22)。食品化學。財團法人徐氏基金會科學圖書大庫。
二、陳淑華(2001/11)。食物學原理。華香園出版社。
三、陳偉民、林金昇、江彥雄(2004)。3D理化遊樂場Ⅱ。天下文化書坊。
四、鍾逢彧。作品名稱:「泡膜」雲起「膜」登寶「澱」—澱粉起泡、成膜性質的探討及應用,新北市102學年度中小學科學展覽成果專輯。
五、莊雅雯、古明萱(2007)。葛鬱金與澱粉作物的澱粉性質比較。作物、環境與生物資訊4:77-87。
取自http://web.tari.gov.tw/csam/CEB/member/publication/4%281%29/008.pdf
六、趙瑩珊。非牛頓流體的奧妙。
取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111422421588.pdf
七、蕭子平、林彥宏、林展諒。非牛頓也瘋狂。
取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2013/11/2013111220080915.pdf
八、芶芡。科技部–科技大觀園。
http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/Audio/C/2/10/1/535.htm
十、木薯粉。有健康網。
http://www.uuuwell.com/mytag.php?id=52442
十一、科學不一樣,「非牛頓流體」暫時固體記憶效應,TVBS新聞。
http://news.tvbs.com.tw/entry/542572
十二、黃芊惠、黃欣怡、黃暐家、陳宥瑾、蔡岳霖(2011)。作品名稱:遇強則強的玉米漿。科展群傑廳,臺灣網路科教館。http://www.ntsec.edu.tw/index.aspx
十三、張進宏、何儼存、楊弋潔、孫欣瑜、葉子揚(2011)。作品名稱:『澱』力公司—探討常見澱粉溶液的阻力」。金門地區第51屆科展。
取自http://passport.tc.edu.tw/contest/file/99_kinmen/a101/a101_00310.pdf
十四、張亙翔(2012)。碩士班專題討論:酸水解對澱粉物化性質的影響
十五、康軒版自然與生活科技五上第三單元「水溶液」。
十六、康軒版自然與生活科技五下第四單元「聲音」。
設計適合國小學生動手做的化學實驗:
國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動
黃郁芬1, 3, *、辛懷梓2、張自立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新北市立土城區安和國民小學
■前言
在國小自然與生活科技五下課程「燃燒與生鏽」單元中,小朋友認識到燃燒的三要素應具備可燃物(紙張)、助燃物(氧氣)及達到燃點(燃燒的溫度)。因為錫箔紙表面存有可供燃燒的碳化物質,可以作為發火的材料,並且檢驗市售物品包裝錫箔紙,例如:青箭口香糖、菸盒內層錫箔紙…等。在網路電池取火的影片中,提及利用電池與錫箔紙取火當材料;另外,生鏽實驗中的材料鋼絲絨也可以作為電池取火的發火材料。因此再配合綜合活動野外取火的主題下在任教班級內進行課程的延展,藉由電池取火「燃燒火種」活動讓六年級學生複習燃燒與生鏽單元,以另一種方式認識燃燒。
■錫箔紙、鹼性乾電池取火原理和概念
目前市售的片裝口香糖都是包一層錫箔紙,錫箔紙的用途是在於防潮,避免口香糖上的糖粉會潮濕、並沾黏,此外也提供基本的隔熱效果,因為溫度會使口香糖膠變軟,相同方式也運用在市售菸盒內以防止香菸受潮。另外,鋼絲絨是由柔軟、有彈性的低碳少於2%鐵細線所組成,亦是很好的發火材料,鋼絲絨主要用在木工的曲面研磨及玻璃的清潔,在國小自然與生活科技五下課程「燃燒與生鏽」單元中,拿來進行生鏽實驗器材。兩者共通性都具有導電性適合進行本次實驗活動。
鹼性乾電池是日常中常見的物品,在實驗中將兩端寬中間窄的錫箔紙連接電池正負極上,會形成短路,過程中產生高溫。紙條中間窄處,是電阻最大的地方,溫度也是最高的地方,因為錫箔紙另一面存有可供燃燒的碳化物質,達到燃點時容易將其引燃,進而產生短暫燃燒。所以,實驗中可以用這種方法,引燃需要點燃的可燃物當成火種,如衛生紙或洋芋片。
■本課程實驗器材
1.厚手套4個2.錫箔盤4個3.青箭口香糖 3條4.1.5V三號乾電池3顆5.衛生紙1包6. 洋芋片1包7.濕抹布4條8.方形9V電池 1顆9.鋼絲絨1捲10.玻璃盤4個11.剪刀3把12.盒裝錫箔菸紙金銀兩色各1張
■教學流程
壹、準備活動
1.教師在課堂上播放YouTube電池取火影片讓全班學生觀察欣賞,並加入以洋芋片燃燒當火種的網路影片與鋼絲絨燃燒,引起學習動機。
2.介紹電池和電阻的關係,並說明電池生火原理。
3.說明電池取火可以應用範圍,非必要避免於日常生活中使用,遇到不同材質如市售口香糖錫紙及盒裝菸紙會有不同的結果的變化。
貳、發展活動
活動一:市售口香糖錫箔紙遇到3號鹼性乾電池
1.分組進行影片實驗,將市售口香糖錫箔紙剪出兩端寬中間窄約2~3mm,如圖九所示。
2.實驗學童戴上厚手套進行試驗,學生依照影片所示,將口香糖錫箔紙亮面接連至鹼性電池正負兩極,如圖八所示。學生會發現接觸兩極產生溫度,在溫度瞬間變高時,只造成中間窄處有燒黑情形、並未產生火焰燃燒效果,如圖七所示。
活動二:市售盒裝菸紙遇到3號鹼性電池
1.分組進行影片實驗,將市售菸盒錫箔紙兩種顏色,各剪出兩端寬中間窄約3~2mm。
2.實驗學童戴上厚手套進行試驗,學生如影片所示,將市售菸盒錫箔紙黃色亮面接連至鹼性電池正負兩極。學生會發現接觸兩極產生溫度,在溫度瞬間變高時只造成中間窄處有燒黑情形、並未產生火焰燃燒效果,如圖十所示。
3.實驗學童戴上厚手套進行試驗,學生依照影片所示,將市售菸盒錫箔紙銀色亮面接連至鹼性電池正負兩極,如圖十四所示。學生會發現接觸兩極產生溫度,在溫度瞬間變高時只造成中間窄處有火焰燃燒效果,如圖十三所示。
4.實驗學童在此整理出相同條件下,三種材質的錫箔紙試驗下只有一種會如影片所呈現出現高溫燃燒情形,教師於綜合活動實驗結果討論。
活動三:以鋼絲絨配上9V方形乾電池製作簡易「火種」
1.分組進行影片鋼絲絨燃燒實驗,將市售鋼絲絨放於玻璃盤中以9V方形乾電池輕觸表面引火,如圖十六所示。學生加入扇子搧風增加助燃,如圖十七所示。
2.再次引燃鋼絲絨並搧風增加助燃也利用燃燒中的鋼絲絨輕易點燃衛生紙,如圖十八所示。
3.最後,再直接加入洋芋片進行助燃,如圖十九所示。
4.教師提問:是否修正擺放洋芋片方式呢?(解答:可以利用夾子直立洋芋片,因為洋芋片整片覆蓋在燃燒的鋼絲絨不易燃燒,如圖十九所示。)
參、綜合活動
1.對於實驗結果分項討論,對於口香糖錫箔紙及盒裝黃色菸紙不易引火實為包裝材質的更改不單純只有錫箔加紙更多暸膠黏的材質需要更高的燃點火直火才容易被點燃,所以目前這樣的網路實驗造成結果不同。
2.另外,盒裝銀色菸紙還是如同以往材質,上述實驗中也只有此種錫箔紙被乾電
池點燃。如圖二十、二十一所示。
3.指導學生填寫課程學習單及課程回饋單。並將實驗器材清洗乾淨歸位並妥善處理垃圾。用電池取火需在比較緊急的情況下進行,不可有玩火的行為。
■學生課程回饋單
連同學習單並填寫課程回饋單,調查此次實驗學生對活動的想法及學習心得,課程回饋單填寫的是六年級學生共25人,男13人,女12人,問題回饋摘錄如下。
問題1: 你對這個活動所感受到的喜愛程度如何?
表一:學生填寫課程喜愛程度統計
選項 |
非常喜歡 |
有點喜歡 |
普通 |
不太喜歡 |
非常不喜歡 |
人數 |
14 |
6 |
2 |
2 |
1 |
百分比 |
56% |
24% |
0.8% |
0.8% |
0.04% |
由表一資料顯示,有56%的學生對於此課程的想法是「非常喜歡」,24%的覺得「有點喜歡」,「普通」及「不太喜歡」的選擇各佔兩位,1位學生表示「非常不喜歡」,教師因此訪問這五位同學,其中表示非常不喜歡的同學因為沒有親自做實驗而覺得不喜歡,但對於觀看實驗過程感覺很有趣。另外,普通及不太喜歡的學生則是因為整個實驗下來無法點燃錫箔紙感到無力。最後在學生心中鋼絲絨引火的課程設計,對此有高度興趣因為教學活動中引燃火苗的機率頗高,過程記憶深刻。
問題2: 承上題,為什麼你會勾這個選項?因為…
根據參與學童填寫課程回饋單。本次進行實驗的學生班級共有25位學生,以S01~S25為代號,摘錄幾位學生的學習感受(如下所示)。
S02:非常喜歡,對於鋼絲絨引火的方式感到新奇,原本看影片還半信半疑,不過經由老師指導實驗真的可以使用在緊急時間。
S08:非常喜歡,依照網路影片試試鋁箔紙及乾電池引火,雖然自己操作沒有成功但是還是很有趣。
問題3: 在這次的課程中,你學到了什麼?
設計課程的主要目標在活動中主要學習收穫是了解如何利用電阻大產生高溫讓可燃物達到燃點,並複習燃燒要素及安全用火,摘錄幾位學生的學習感受(如下所示)。
S012:我學到了方型電池可以輕易讓鋼絲絨引火,但非必要時不要使用這樣的方式引火以免發生意外。
S015:我學到了因為乾電池短路造成高溫以至於可以讓紙起火,但是要注意用火安全。
■教師的教學省思
國小自然課程的實驗讓學生親自動手更容易在學生心中留下印象。透過實際的操作和教師的指導,當然獲得的成效很大,惟須要求學生了解嚴謹實驗的的態度是重要的,而透過有趣且安全的實驗方法,能提升學生學習的動力。教師也可以引導學生探究自然的原理原則,更能增加學生學習意願。
■課程實施過程及注意事項
1.課程活動設計需一節課的時間,觀看影片的時間可依實際上課需求增刪,最後課程統整時可將學生實驗結果疑問一併討論。
2.也可以另一種方式取火,錫箔紙單邊剪成鬚狀,各連接乾電池的正負極,將兩側鬚狀接觸時也可以產生高溫以至於起火,也須提醒學生穿戴厚手套應避免高溫燙傷。
3.如進行課程延伸以探究與實作進行,可利用分組實驗跑檯方式來進行。
4.指導學生對廢棄物的處理,實驗後電池回收,錫箔紙及燃燒灰燼可以直接丟棄,並整理周遭環境。
■延展課程
1.配合新課程探索與實作增加國小高年級學生對自然實驗的量化紀錄,將電池取火中的錫箔紙裁剪大小配合實驗量化並透過紀錄的方式,提高學生探索不同的操縱變因下,是否影響實驗結果。
2.另外,此課程也可以發展讓學生比較鹼性電池、鋰電池及碳鋅電池之間對錫箔紙取火是否有影響,增加不同的化學課程。
3.延伸到國中課程,可以加入市面上不同錫箔紙測量電阻課程,以提高學生在電流、電壓與電阻三方面的學習興趣。
■結語
國小高年級學生對自然實驗的實作有高度的興趣,利用網路流傳的影片引起學生試試看的心理,讓學生複習五下「燃燒與生鏽」單元,也同時完成一個終結流言或是實用可應急的化學實驗,在教學過程中學生嘗試不同方式的引火,也發現原來不同錫箔紙會影響實驗結果,學生並提出疑問。此課程讓學生了解生活中有趣的自然現象,並試著加以應用,希望學生能以不同方式玩出不一樣的化學課程。
■參考資料
1.3D有趣實驗:鋁箔打火機,科學Online-科技部高瞻自然科學教學資源平台,https://www.youtube.com/watch?v=fTFRRt1pXWU。
2.電池取火,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=DWsRunuU28c
3.洋芋片燃燒,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=gUuHPDMkagk。
4.鋼絲絨燃燒,YouTube,https://www.youtube.com/watch?v=7WAYnpn8ZII
■謝誌
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)課程周金城教授指導及全體同學協助,提供本文調整與內文修正,在此謹深摯謝忱。
■附錄
附錄一:教學活動設計簡案
教學活動設計簡案
教學主題名稱 |
國小學童進行電池取火「燃燒火種」活動 |
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領域類別 |
自然與生活科技領域 |
教案設計 |
黃郁芬 |
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教學年段 |
六年級 |
教學時間 |
40分鐘 |
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教學目標 |
1.複習燃燒三要素。 2.能觀察並了解錫箔紙、鋼絲絨及乾電池取火的方式並了解安全的用火。 |
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先備經驗 |
1.學生在五年級學習過燃燒與生鏽等課程並了解燃燒的要素。 2.學生在日常生活中熟悉的物品,改變使用方式會產生不同的變化。 |
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評量方式 |
實驗操作、學習單、回饋單 |
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~ 教學內容設計 ~ |
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教學活動 |
教學時間 |
教學資源 |
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壹.準備活動 一、播放電池取火影片讓全班學生觀察欣賞。 二、介紹認識錫箔紙、乾電池取火原理和概念。 貮、發展活動 活動一:市售口香糖錫箔紙遇到AA鹼性乾電池 1.剪出兩端寬中間窄的錫箔紙條。 2.戴上手套連接乾電池正負極並觀察錫箔紙條變化。 活動二:市售盒裝菸紙遇到AA鹼性乾電池 1.繼續以盒裝菸紙,製作錫箔紙條重複相同實驗。 2.將分別採用黃色及銀色盒裝菸紙,實驗觀察變化。 活動三:以鋼絲絨配上9V方形乾電池製作簡易「火種」 1.取鋼絲絨,以9V方形乾電池輕觸引火,再試著以衛生紙或洋芋片助燃。 2.以濕抹布蓋熄已燒盡衛生紙及洋芋片。 參、綜合活動 1.統整課程內容及整理環境。 2.完成學習單上及課程回饋單。 |
10分鐘
5分鐘
10分鐘
5分鐘
10分鐘 |
教學影片
實驗器材
實驗器材
實驗器材
課程學習單 教學回饋單
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附錄二:課程學習單及教學回饋單
六年 ( ) 班 ( ) 號姓名:( )
一、燃燒原理概念複習
基礎概念:
1.燃燒三要件應具備可燃物(紙張)、助燃物(氧氣)及達到燃點(燃燒的溫度)。錫箔紙表面存有可以燃燒的碳化物質。錫箔紙缺口很細,故電阻較大。電阻愈大愈容易產生熱以至於達到燃點產生燃燒。
2.促進燃燒的方式:增加物體與火的接觸面積,增加助燃物。
3.滅火原理:移除可燃物,隔絕助燃物,降低溫度讓可燃物達不到燃點。
二、電池取火實驗步驟
實驗步驟:
1、取一錫箔紙連接在乾電池正負極,窄處是否有高溫燒黑現象? 。
2、用方形乾電池正負極碰觸少量鋼絲絨,鋼絲絨會不會燒起來? 。
想一想:
1. 實驗步驟2中的鋼絲絨為什麼會燒了起來? 可燃物是、助燃物是,如何達到燃點? 。
2. 生活上的發火材或助燃物有哪些? 。
我對電池取火「燃燒火種」活動心得教學回饋單
問題1.你對這個課程活動感受的喜歡程度如何?
□非常喜歡□有點喜歡□普通□不太喜歡□非常不喜歡
問題2.承上題,為什麼你會勾這個選項?
問題3.在此次的課程活動中,你學到了什麼?
魔法黑白變–解開苧麻線漂白的秘密
傅麗玉
國立清華大學
原住民族科學發展中心
[email protected]
織布在許多台灣原住民族的文化中是婦女一生非常重要的工作,尤其是泰雅族、太魯閣族與賽德克族傳統文化中,如果一位婦女不會織布則無法獲得文面的資格。文面是非常重要的榮耀,沒有文面的婦女將來是無法通過彩虹靈橋,因為在橋的入口處有一隻螃蟹守護著,螃蟹會檢查女子的手掌和文面,如果女子手掌沒有薯榔染色的痕跡,立刻會被螃蟹推入橋下的深淵中,永遠無法到橋上。苧麻線是最重要的傳統織布材料,但也有許多與苧麻相關的禁忌,都是要特別注意。例如不可在屋內剝麻與剮麻」的工作,否則會帶來不吉利。男子若碰觸苧麻線,打獵時就會打不到獵物。
圖1:1920年之前霧社巴蘭部落的文面婦女在織布(二南堂,1999)
n 取苧麻織布的基本步驟
圖2:在清流部落看到的全株苧麻
(傅麗玉攝,2006)
苧麻,英文名字是「Ramie」,在台灣俗稱為「袋仔絲」。在植物分類上,苧麻為蕁麻科苧麻屬,單葉互生,長葉柄,葉呈卵形而尖,葉緣有鋸齒狀,葉基為闊楔形,葉子表面粗糙。苧麻的葉和小枝上有濃密的細毛,葉子背面有白色絨毛,因此又稱為「裏白苧麻」。取苧麻織布的步驟相當費力費時。首先要選擇適當地點種植苧麻。從種植到收割至少六個月以上。苧麻收割後先進行「剝麻」,剝莖皮並刮莖皮。然後用剮麻器進行「剮麻」,將苧麻莖的表皮去除,取出苧麻莖皮內的纖維麻絲,用清水清洗粘液,曬乾後搓揉捻紗成可織布的線。接著用炭灰水煮麻線,完全去除晒乾後粘在麻線上的苧麻粘液,使麻線變成白色的素線。若有需要染色,則加入染料煮麻線。再清洗後曬乾。將麻絲放進舂米的臼,加入小米糠揉搓混合,並用杵舂麻線,讓麻線吸入小米糠的油份,讓麻線更柔軟光滑。在屋外將清水洗過的麻絲曬乾後,素線或染過的麻線曬乾後整經上架織成布。
圖3:1920年之前的泰雅族婦女曬苧麻(二南堂,1999)
n 將苧麻線漂白的傳統方法
用炭灰水煮麻線,使麻線變成白色的素線是苧麻的傳統漂白方法。炭灰水是用乾的山黃麻枝幹燒燼的炭灰加水拌勻,濾除液體中的粗粒與雜質後,將炭灰水放在大鐵鍋加熱,並將苧麻線放入大鐵鍋中煮。煮的時候,火的大小要適中,避免火勢太大,將苧麻線燒焦。同時要攪拌,使苧麻線受熱均勻,每一條苧麻線的每一個部分都能與炭灰水接觸,至少要煮3小時以上。然後將煮過的苧麻線用清水洗淨,再曬乾,就可得到漂白的苧麻線。再用不同的植物染料,將苧麻線染色。薯榔是經常使用的染料植物,其顏色漂亮,又可防止苧麻線被蟲咬或腐壞,是非常好的染料。經過薯榔染色的苧麻線其顏色呈現暗棕色。
圖4:苧麻線放入有炭灰水的鐵鍋中煮後拿到河邊清洗(擷圖自吉娃斯愛科學影片)
圖5:經過薯榔染色與未染色的苧麻線以及染色與未染色的苧麻線所織的布
(傅麗玉攝,2009)
n 將苧麻線漂白的化學原理
物質的顏色與物質本身的化學成分有關。物質本身的色素性質不同,加上酸鹼不同,會使物質的顏色發生變化。為什麼炭灰水煮過的苧麻線會變白呢?炭灰水能變魔術的關鍵,就在於炭灰裡面含有碳酸鉀(K2CO3)。在炭灰水中,炭灰所含的碳酸鉀溶在水中變成碳酸氫鉀(KHCO3)呈現弱鹼性。苧麻裡的葉黃素(C40H56O2)化學鍵結構被碳酸溶液(KHCO3)改變,苧麻原本色素的化學結構被破壞,苧麻看起來就是被洗白。
圖6:灰黑的苧麻線可以被洗成白色是因為不同的化學成分會使物質呈現不同的顏色 (擷圖自吉娃斯愛科學影片)
圖7:炭灰中有碳酸鉀(K2CO3)(擷圖自吉娃斯愛科學影片)
n 參考資料
1. 二南堂(1999)。人文相本:台灣原住民老照片輯。台北:二南堂工作室。
2. 李亦園、石磊、阮昌銳、楊福發(1997)。南澳的泰雅人。台北:中央研究院民族學研究所。
3. 曾秀英(2017)。穿梭經緯的靈魂符碼–太魯閣族五大圖織技法工具書。花蓮:花蓮縣秀林鄉公所
4. 國立清華大學與原金公司(2017)。吉娃斯愛科學DVD。台北:財團法人公共電視文化事業基金會。
鈣迴路捕獲二氧化碳技術與實驗
郭世文1、周承志2、洪振方3、陳良瑞4
國立科學工藝博物館1
工業技術研究院綠能所2
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所教3
國立彰化師範大學科學電機工程學系4
壹、前言
國立科學工藝博物館(以下簡稱「科工館」)「啟動創新實驗場」常設展示廳,展出工業技術研究院(以下簡稱「工研院」)所研發的34項創新技術,觀眾經由操作平板電腦與展品互動認識各技術展項,科工館並經常與工研院聯手設計延伸學習活動,讓有興趣的觀眾進一步認識這些新興科技的內涵。
本文紀錄2019年1月所舉辦的第一場「與研究員有約」活動,由工研院的傑出研究員引導觀眾認識「啟動創新實驗場」展場中介紹的新興科技–「鈣迴路二氧化碳捕捉技術」,並且帶領參加學員分組進行二氧化碳的科學實驗,認識何謂溫室氣體、如何將二氧化碳捕獲及利用,深刻大家的學習經驗。
貳、溫室氣體與溫室效應
「溫室效應」是地球大氣層呈現的一種物理現象,也是使地球表面維持溫度穩定的重要機制。大氣層好比溫室的玻璃罩,當太陽的能量通過大氣層達到地球表面,使得地球變熱,這些熱量會以紅外線輻射回大氣中,其中一部分散逸到外太空,大部分的紅外線會被大氣層中的「溫室氣體」吸收,再輻射回地表,維持了地球的溫度。如果沒有大氣層的保護,地球表面的平均溫度可能會低至-18°C,而不是現在合適人類居住的15°C。
在大自然環境中主要透過水蒸氣及其他氣體來維持大氣環境的溫度,其所產生的溫室效應大約占整體溫室效應的60-70%,其次是二氧化碳大約占26%,另外還有臭氧、甲烷、氧化亞氮等。地球大氣層內的氣體主要為氮氣、氧氣、水蒸氣等,它們的組成大致穩定變化不大;但是微量氣體卻無時無刻都在改變,其量雖微,卻對全球環境具有非常大的影響。而自工業革命以來,因人類大量使用煤炭、石油等化石能源,產生大量二氧化碳的排放。這些因工業發展所產生的氣體排放物快速地改變大氣中微量氣體的組成,尤其是化石燃料燃燒所產生的二氧化碳逐年增加,大量排放到大氣中吸收地表的紅外線長輻射波,造成人為的溫室效應,破壞了原本溫室效應的平衡穩定,使得地表的溫度逐漸增高,形成地球暖化的現象(邱宏志,2005)。
參、地球暖化對於環境的影響
過去100年間(1906~2005),地球的平均溫度上升了0.74°C(張泉湧,2012)。聯合國跨政府氣候變遷小組(Intergovernmental Panel
on Climate Change;IPCC)估計,如果大氣中的溫室氣體持續增加,到2100年,全球平均氣溫將較1990年增加0.9°C至3.5° C;地球的溫度升高將導致高溫、暴雨、乾旱發生的頻率增加,造成生態系統被破壞、天然災害規模加劇、糧食能源水資源短缺;此外,全球平均溫度上升使得海水溫度上升,熱漲冷縮導致海水體積膨脹加上南北極冰雪溶化,將使海平面逐漸上升,預估 2100年時全球平均海平面將比1990年高出38公分至56公分,許多沿海低窪地區將沒入海中(許晃雄,1999)。
由於人類的活動使得大氣中的溫室氣體濃度大幅增加,改變了自然的溫室效應,將對自然生態系統和人類的生活環境產生不利的影響;聯合國於1997年12月制定了京都議定書,其目標是「將大氣中溫室氣體的濃度穩定在防止氣候系統受到危險的人為干擾的水平上,同時確保生態系統能夠自然地適應氣候變化,糧食生產免受威脅,經濟發展能夠持續進行。」,與會國家依此議定書承諾將減少二氧化碳和其他溫室氣體的排放量直到回復至1990年的標準(郭博堯,2001)。
肆、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹
大部分的工業化國家都把石油、煤炭、天然氣等石化燃料當成最重要的能源,而石化燃料燃燒就是人為二氧化碳的主要排放來源,因此,世界各國積極投入研究如何減少二氧化碳排放,又不降低生活水準的辦法。除了提高能源效率與再生能源的應用外,許多研究團隊都積極投入「碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage,CCS)」的研究,這是一種把工廠中石化燃料所產生的二氧化碳(Carbon)分離並捕獲(Capture)起來,並傳送到適合的地質深層處封存(Storage)、以利生物吸收或再利用,避免二氧化碳排放到大氣中的一種技術,能有效減少碳排放(徐恆文、柳萬霞、黃欽銘,2012;曾榮樹、孫樞、陳代釗、段振豪,2004;李堅明,2015)。
依據工研院的報告(黃啟峰,2017)指出,水泥是國家建設發展的重要碁石,而水泥及相關製造業更是我國(2016年度)非金屬礦物製品製造業產值最大且能源消費最高的產業項目,然水泥的生產過程需要耗費大量化石燃料。因此工研院自2008年起積極研發利用石灰石進行二氧化碳捕獲之技術(徐恆文等人,2012),並於2012年起在台泥公司的花蓮縣和平水泥廠建立試驗廠,希望能藉此降低水泥生產過程的二氧化碳排放量,並思索二氧化碳再利用之可行路徑。
「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」是以稱為石灰石的碳酸鈣(CaCO3)作為原料,將所煅燒成的石灰–氧化鈣(CaO)作為吸附劑所進行的循環反應,氧化鈣(CaO)具有極高的吸附容量(理論值0.7857 kg CO2/1 kg CaO),是極佳的捕獲二氧化碳(CO2)吸附劑。用一個簡單的化學式表示:
CaO + CO2 ⇌ CaCO3
當氧化鈣(CaO)遇到二氧化碳(CO2)就會形成碳酸鈣(CaCO3);碳酸鈣加熱可還原成氧化鈣和二氧化碳,如此繼續不斷地進行循環反應,就可以捕獲CO2;倘若氧化鈣在捕獲過程中失去活性,可以送回水泥廠當作原料,如此就不會產生額外廢料。
台泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳系統,主要設備包括碳酸化爐、煅燒爐、集塵器和儲存槽;當水泥廠生產過程中排出含二氧化碳(CO2)的廢氣,將廢氣導入碳酸化爐後,二氧化碳(CO2)會和氧化鈣 (CaO)反應形成碳酸鈣(CaCO3),就是把生產過程中所排放的二氧化碳(CO2)捕捉;接著把碳酸鈣(CaCO3)送進入煅燒爐,在攝氏600-650度的高溫下,釋放出高濃度的二氧化碳(CO2),經過純氧燃燒形成氧化鈣(CaO)。此時,高濃度的二氧化碳(CO2)經過除塵、冷卻、壓縮後,便可封存起來再利用,而氧化鈣(CaO)回到碳酸化爐,再次作為吸附劑進行下一次的循環反應。透過這樣的循環反應,可以捕獲水泥廠所排放出的90%二氧化碳,有效降低二氧化碳的排放。工研院並且開發蒸氣水合反應器,可以將石灰(CaO)活化並且轉化為氫氧化鈣(Ca(OH)2),多階旋風塔的立體結構,可以讓石灰吸附劑粉體和所排放的廢氣充分接觸,以提升二氧化碳的捕獲率;未來這個技術還可應用在發電、水泥、石化、鋼鐵等工業製程中(工研院,2014;工研院,2018;黃欽銘等人,2016;談駿嵩、王志盈,2015)。
二氧化碳捕獲技術,是由排放源頭直接捕獲二氧化碳,阻隔二氧化碳排放到空氣中的機會,再將這些被捕獲的二氧化碳經過純化作為原料販賣、或是用來養殖微藻,不但不會造成空氣污染,還能創造經濟價值。
二氧化碳的回收利用範圍極廣。以養殖微藻為例,微藻是指1~10μm的單細胞藻類,可以生存在海水、淡水或潮溼的土壤中;微藻進行光合作用時,要吸收二氧化碳,也就是將二氧化碳固定,因此養殖微藻將有助於固碳及二氧化碳的減排。台泥公司和平水泥廠試驗廠,利用鈣迴路捕獲的二氧化碳做為微藻養殖所需的碳來源,由於二氧化碳之碳源純度高,可提高養殖效益培養具有葉黃素、DHA、EPA等衍生物質的微藻株,製作成高單價的營養食品創造高經濟價值。除此之外,美國、西班牙、荷蘭及以色列等國家,也利用微藻轉製成生物燃料如生質柴油、生質酒精、氫氣、焦炭等,或將微藻做為動物或水產的養殖飼料,改善糧食危機(張嘉修等人,2015)。
伍、鈣迴路捕獲二氧化碳技術介紹與實驗活動
2019年1月所舉辦的「與研究員有約」活動,課程教案參考我國「碳捕獲與封存(CCS)」自有技術發展成果進行設計,內容包括「溫室氣體(二氧化碳)認識」與「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」兩大主軸,執行的方式包括簡報與實驗,教學目的為認識二氧化碳與地球暖化的關聯性、瞭解何謂二氧化碳的捕獲技術,以及二氧化碳的利用價值。以下紀錄活動的內容與過程:
教學主軸一、溫室氣體(二氧化碳)認識:
研究員首先透過教學簡報(如圖1所示),讓學員將曾經聽聞溫室效應的資訊複習,並呈現有關溫室效應影響臺灣的內容,如:臺灣近百年氣溫的溫度變化、溫升對於臺灣登革熱好發地區之變化、溫升造成臺灣極端氣候的現象等;使學員體認到因全球溫室效應的關係,自身的生活環境(臺灣)也會受到一定程度的影響,全球暖化議題並非只是一個科學資訊,而是與日常生活息息相關的現象與問題。
完成簡報介紹,接著進行「二氧化碳與溫室效應的驗證實驗」,引導學員經由動手實驗了解高濃度二氧化碳較一般空氣更容易吸熱。
資料來源:本研究製作
圖1:溫室效應對臺灣的影響
實驗一、二氧化碳與溫室效應的驗證實驗
研究員從二個問題:「和地球暖化主要相關的氣體有哪些?」、「如何知道二氧化碳具有吸熱保溫的能力?」帶入實驗活動(如圖2),而這個實驗的目的為證實二氧化碳確實會使環境中的溫度提高。
資料來源:本研究製作
圖2:二氧化碳與溫室效應的驗證實驗
實驗材料為小蘇打粉、檸檬酸、水、溫度計、600 ml寶特瓶一只、黏土一塊等。請五組學員在寶特瓶上分別寫下組別編號,將水倒入寶特瓶約1/5;用黏土包住溫度計塑形成可以封住寶特瓶口的大小;黏土拿起來,把小蘇打粉及檸檬酸倒入寶特瓶中,和水混和後開始產生氣泡,這些氣泡就是二氧化碳;經過30秒,確定瓶內充滿二氧化碳,趁二氧化碳還沒跑出寶特瓶,趕緊把溫度計插入寶特瓶不要碰到水,而且能清楚看見溫度計上的溫度顯示,再用黏土將瓶口封住,但注意不要封太緊,以免二氧化碳壓力過高且無法宣洩而導致爆炸。
完成裝置後,請組員們記錄目前溫度計顯示的溫度,再將寶特瓶放到「人造太陽」(電暖器)前面;研究員同時也製作一個只有水沒有加入小蘇打粉與檸檬酸的寶特瓶作為對照組,而五個小組所製作的寶特瓶為實驗組,放置等候,30分鐘後記錄一次,60分鐘之後,把寶瓶取回座位再記錄一次,紀錄的結果如下表;其中第3組和第5組的溫度計因為黏土沒有包緊溫度計,而使溫度計掉到水中。
表1 五個實驗組及一個對照組的溫度記錄
分析上述溫度記錄的數據,研究員對參與學員提出以下推論
一、
本實驗因利用電暖器充作熱源,然電暖器所散發之熱能會因電暖器送風方向,而發生局部溫度較高之情事,但整體而言仍可達到加熱之效果,因此本實驗考量局部受熱不均勻之現象,對於實驗之結果僅就整體現象變化進行討論之。建議未來如可以優先採用自然陽光,確保能在一個外部條件較為客觀的實驗環境進行。
二、將5組實驗組與對照組比較之,實驗組之最終溫升結果均高於對照組。
三、在第3組和第5組的溫度計掉到水中,所測量到的溫度是水的溫度而非寶特瓶中空氣的溫度,其所量測的溫度變化為水吸收電暖器所發出的輻射熱能,再進一步比較該兩組的溫度變化與其他其他組(第2組與第4組)溫度差異,可初步推論水的比熱容較高濃度的二氧化碳高,因此水的溫升變化會較二氧化碳氣體小。
四、第1組的團員自己表示,所放的檸檬酸和小蘇打粉分量很少;研究員表示,所以產生的二氧化碳不多,所以溫度變化不大,但溫度依然有提升,可見二氧化碳的濃度會影響到溫度的變化。
五、對照組的起始溫度較高,可能與研究員一開始一直握著溫度計進行講解,所以溫度計被研究員的溫度所影響到導致。
六、第2組和第4組是相對比較成功的實驗組,溫度計量測寶特瓶中空氣的溫度,30分鐘之後的溫度相較於對照組有明顯的提高,60分鐘之後,即便離開了電暖爐,溫度也還是維持高溫,並沒有很快速地下降。
經過這個實驗,我們可以證實,二氧化碳會吸熱,充滿二氧化碳的瓶子具有吸熱保溫的效果,由此可初步推論如果地球中二氧化碳的濃度增加,恐容易造成地球大氣環境之溫升。
圖3:五個小組完成實驗裝置連同對照組一起放在電暖器前
教學主軸二、鈣迴路捕獲二氧化碳技術:
完成溫室效應的概念與現況介紹後,再介紹「碳捕獲與封存(CCS)」的基本概念,研究員指出,科學家研究二氧化碳的封存,最常見的封存類型包括:地質封存、礦化封存、海洋封存;其中所謂「礦化封存」就是利用金屬氧化物、鈣、鎂等礦物與二氧化碳反應,形成固態的碳酸鹽或其他副產品,在臺灣針對減緩二氧化碳排放所發展的技術–「鈣迴路捕獲二氧化碳技術」就是屬於「礦化封存」其中一種。經由科學家的創新發明,除了被動地減少能源與資源浪費外,也可以有效地捕獲生產過程中所產生的二氧化碳並且加值利用。
為了讓學員更加了解上述概念,研究員帶領學員分組操作二個實驗,過程如下:
實驗二、二氧化碳的礦化封存
本實驗目的在於協助學員瞭解何謂二氧化碳的捕捉及封存,透過實驗把原本會排放到大氣中的二氧化碳捕獲並且封存起來(如圖4)。
圖4:二氧化碳礦化封存實驗
實驗開始之前,研究員提出一個問題請大家思考:「我們所呼出的氣體中含有比一般空氣濃度高的二氧化碳,請大家想想看,要如何才能回收我們所呼出的二氧化碳?」
本實驗的材料為石灰水,每位學員分到一個透明玻璃杯和一支吸管,將石灰水倒入玻璃杯中約4公分高,請學員觀察石灰水的狀態為澄清透明的,再請學員將吸管插入石灰水中開始吹氣,觀察石灰水的變化,發現石灰水開始變成混濁,並且產生沉澱物。研究員說明,一開始的澄清石灰水是氫氧化鈣(Ca(OH)2),用吸管吹氣就是將所呼出的二氧化碳灌入氫氧化鈣中,發生化學變化產生沉澱物,這個沉澱物就是二氧化碳(CO2)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)反應所產生的產物–碳酸鈣(CaCO3),把這個沉澱物回收就是把二氧化碳捉走,把二氧化碳礦化封存,也就是把二氧化碳收集捕獲。而這個實驗只需要一個杯子和吸管,加上石灰水(氫氧化鈣(Ca(OH)2)),就能輕易地空氣中的二氧化碳捉起來。但是要提醒的是,石灰水為強鹼具有腐蝕性,實驗結束後廢棄材料的回收要特別注意安全。
上述實驗的反應化學式如下:
Ca(OH)2 + CO2→ CaCO3+H2O
將人體呼出的氣體灌入石灰水中時會產生乳白色沉澱物,這些沉澱物就是碳酸鈣(CaCO3)。如果再將把碳酸鈣收集再加熱,會就產生氧化鈣(CaO)和二氧化碳(CO2),經過純化過的二氧化碳可以拿來做成有價值的東西,而氧化鈣CaO則用來繼續捕捉二氧化碳:CaO + CO2
→ CaCO3。利用前述的方法可不斷收集二氧化碳並且循環回收再利用,此原理這就是鈣迴路捕捉二氧化碳技術的概念。
圖5:將吸管插入石灰水中吹氣,原本澄清的石灰水開始變混濁
實驗三、二氧化碳再利用實驗(壞氣好汽實驗)
「純化的二氧化碳有哪些用途呢?」研究員補充說明,二氧化碳是製造乾冰、汽水的原料。若尋求二氧化碳更有價值的運用,則可利用二氧化碳養殖藻類,再將藻類製成保養品、健康食品、生質燃料或飼料,產生更高經濟價值。
這個實驗(如圖6),我們要來製造汽水。實驗材料為檸檬汁和食用級的小蘇打粉。研究員針對小蘇打粉略作介紹,小蘇打粉學名為碳酸氫鈉(NaHCO3),俗稱「發粉」,經常用來作為麵包、油條等的膨鬆劑,也常用來當作發泡劑。當小蘇打粉遇到酸就會產生二氧化碳,也就是汽水中的氣泡來源。
請學員將一杯檸檬汁倒入少許小蘇打粉,攪拌,再加入冰塊,一杯冒著泡的清涼檸檬汽水就完成了。當小蘇打粉加越多,就會產生越多的氣泡,但也可能會影響口感,所以適量即可。
當學員們一邊享用著自製的汽水,研究員提出了另外兩個運用二氧化碳製造產品的配方,分別是跳跳糖和泡澡錠。因為時間的關係,沒有讓學員現場製作,但也鼓勵學員們回家自己動手做做看。
「跳跳糖」的基本材料為:砂糖、食用級檸檬酸或蘋果酸粉末、小蘇打粉、小夾鏈袋。將檸檬酸和小蘇打粉混和,放入夾鏈袋中保持乾燥;食用時從夾鏈袋中取出,當將前述混合粉末放入口中,口中唾液的水分和檸檬酸及小蘇打粉混和產生二氧化碳,口中有嗶嗶波波的感覺,就是混合粉末遇水產生二氧化碳所導致。
「泡澡錠」的基本材料為食用級檸檬酸、小蘇打粉、浴鹽等;同樣用糯米紙把材料充分混和包起來保持乾燥,加上香味、色素等就是泡澡錠。泡澡時將錠丟入水中,就會開始產生大量的泡泡。
圖6:二氧化碳再利用實驗(壞氣好汽實驗)
陸、學習心得與討論
利用前述的三個實驗操作,學員們充分體會到二氧化碳與溫室效應的關聯性,簡單的實驗操作就可輕易的將二氧化碳捕獲起來,也瞭解二氧化碳並非無法再利用的廢棄物,生活中也經常利用二氧化碳來生產日常所需的產品(汽水、滅火器、保冷用乾冰等)。
課程最後,研究員邀請學員針對當日的學習進行心得分享,學員們表示在活動中證實了二氧化碳將會造成地球暖化,所以從自己開始做起,多種樹、減少資源浪費、多搭乘大眾運輸交通工具等,以能減少二氧化碳的排放。研究員也建議大家多多選購經濟部能源局能源分級標示第一級的電器產品,雖然售價略貴,但使用的過程中可以節省更多的電能,也可以減少因為發電而產生的二氧化碳。
最後有一位學員提出問題:在執行鈣迴路捕捉二氧化碳的循環過程中需要加熱,是否也會因此產生多餘的二氧化碳呢?研究員回答說,這就是循環經濟設計的奧妙之處,目前位於臺泥公司和平水泥廠的鈣迴路捕獲二氧化碳試驗廠,是利用水泥生產過程中所產生的廢熱,來進行加熱,不會額外耗用能源,因為在循環的過程中有不同的溫度需求,所以要有整體性的思考,把現有生產製程的廢熱拿來利用,才能真正達到生產過程零廢料的目標。
參考資料
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華氏、攝氏、克氏溫標與自製簡易溫度計
李啟讓1, *、洪振方2
國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
*[email protected]
l 前言
在國中自然與生活科技課程的溫度與熱曾教過華氏溫標、攝氏溫標,學生會問老師為何水結冰的華氏溫度是32
℉,且在普通高中基礎化學(三)氣體定律學習克氏溫標,學生也常問老師絕對零度是怎麼訂出來的?因此本文簡單介紹華氏溫標、攝氏溫標、克氏溫標與溫度計的科學史,並從物質受溫度影響規律性的變化量,動手自製簡易溫度計用來量測自己體溫。
l 華氏溫標
德國物理學家華倫海特(Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686-1736)在1709年觀察了水的沸騰溫度、水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度;經過反覆實驗與核准,最後把一定濃度的鹽水凝固時的溫度定為0℉,把純水凝固時的溫度定為32℉,把一大氣壓下水沸騰的溫度定為212℉,用℉為華氏溫度的單位,這就是華氏溫標。目前全世界只剩巴哈馬、貝里斯、開曼群島、帛琉、美國及其屬地還在使用華倫海特的華氏溫標。華氏溫度與攝氏溫度的關係為華氏溫度(℉)=9/5*攝氏溫度(℃)+32 。
l 攝氏溫標
在華氏溫標製定的30多年後,瑞典天文學家攝爾修斯(Anders Celsius,1701-1744)於1742年改進了華倫海特溫度溫標的刻度,他把純水的沸點與凝固點劃分為100個刻度,攝爾修斯創新的刻度,比華倫特的簡便得多,所以更受到人們的歡迎,就成了現在的百分制溫度,即攝氏溫標,用℃為單位如圖1。攝氏溫度與華氏溫度的關係為攝氏溫度(℃)=5/9*(華氏溫度(℉)-32)。
圖1溫度計,外圈為華氏溫標,內圈則為攝氏溫標(取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/華氏溫標)
l 克氏溫標
在十七世紀末,法國科學家阿蒙頓(GuillaumeAmontons﹐1663~1705)開始探討氣體的壓力與溫度關係,後來的兩位法國科學家查爾斯(Jacques Charles﹐1746 ~1823)與給呂薩克(Joseph-Louis Gay-Lussac﹐1778~1850)接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力的變化和溫度呈線性的關係。後來的兩位法國科學家查爾斯與給呂薩克接續研究,發現密度甚低的定量氣體,在其體積保持不變的情況下,其壓力和溫度呈線性的關係。若以壓力對攝氏溫度作圖,可以看出壓力和攝氏溫度的關係為不通過原點的斜直線。不同量氣體的直線,其斜率也不相同,但與溫度軸相交於同一點;此值由各種實驗發現為-273.15°C。這是最低的溫度極限,稱為絕對零度,在這個溫度下,氣體壓力為0,如圖2。
圖2定容、定量的低密度氣體,其壓力與溫度之關係(姚珩等,2018)
西元1802年,給呂薩克參考查爾斯的研究後發現,定量的氣體在定壓下,當溫度升高時,則體積也會增加,且體積的增加量與溫度的增加量成正比。不同氣體的體積與溫度均有直線關係。若將各條直線向左下方延長﹐它們相交於一點﹐且此交點會落在溫度軸上,均可發現交點所在之值為-273.15
°C,如圖3。
圖3 定壓﹑定量的低密度氣體﹐其體積與溫度之關係(源自姚珩等,2018)
因此,在西元1848年,英國科學家克耳文爵士建議採用絕對溫標,規定每度之間的大小與攝氏溫標相同,但取-273.15°C為溫標的零度。此絕對溫標也稱為克氏溫標,其單位為克耳文,記為K;因此,絕對零度為0K,而0°C則為273.15K。絕對溫度和攝氏溫度之間的換算關係為絕對溫度(K )=攝氏溫度(℃)+273.15。
l 如何讓溫度接近絕對零度並加以測量?
溫度在科學上的意義是物質裡含有能量多寡的一種度量。空氣分子熱的時候移動得快,有較高的動能。分子越冷,速度就越低,能量也越少。溫度冷卻的過程需要從一個物體取出能量,然後將它排放到其他的地方。藉著結合雷射冷卻與蒸發冷卻,科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度,降到1nK(即1nanokelvin,10-9K)以下。現在的紀錄是450pK(1picokelvin為10-12K)。如何來測量這些原子的極低溫度?一個方法是直接觀看原子雲的大小。原子雲越大,原子內的能量一定越高,因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。另一種方法是測量原子的動能,將磁阱關掉,沒有磁力時原子會飛開,使得原子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大,這是一種觀測原子速度的直接方式,因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後,如果看到的原子雲較小,則意味著達到較低的溫度(凱特利,
2004) 。
l 伽利略溫度計
伽利略溫度計是義大利科學家伽利略(1564~1642)在1593年發明的,伽利略溫度計是一種由玻璃圓筒、透明液體及不同密度的重物所構成的溫度計。容器中的透明液體為乙醚或有機化合物等,對「溫度」非常敏感,當溫度改變時,液體的密度會隨之改變。根據阿基米德的浮力原理,液體密度越大(溫度越低),所提供的浮力越大,玻璃圓筒底下的球也能浮起。判讀溫度的方法是,由上方液面往下數最後那顆重物的溫度近似於待測的溫度,如圖4箭頭所指的溫度。
華倫海特在1709年利用酒精,在1714年又利用水銀作為測量物質,製成華氏溫度計。經過30多年,瑞典天文學家攝爾修斯於1742年改進了華倫海特溫度計的刻度製造了現行通用的攝氏溫度計。目前溫度計的種類很多,根據所用測溫物質的不同和測溫範圍的不同,有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫度計、輻射溫度計和光測溫度計等。
圖4伽利略溫度計(取自https://zh.wikipedia.org/zh/伽利略溫度計)
l 自製簡易溫度計
利用物質受溫度的影響加以量化其規律性變化量,便可以製成一個溫度計。酒精的凝固點是-114 ℃,沸點是78 ℃;水的凝固點是0 ℃,沸點是100 ℃;因為酒精體積改變較水顯著,因此,用較多量的酒精與較少量的水作為測量物質。以下我們利用熱漲冷縮的原理製成一個簡易溫度計(黃福坤,2011)。注意,酒精為易燃物質應盡量遠離火源。
一、器材如下:
自來水、優質酒精(95%)、透明容器、藍色食用色素、吸管(最好是管壁比較厚的不會彎折的吸管)、用於記錄溫度的紙和筆、直尺、有孔橡皮塞或手工陶土、透明膠帶。
二、實驗步骤第一步:因為酒精體積隨溫度改變優於水,管柱上升和下降改變會較顯著,可使觀察更方便。所以用優質酒精與自來水體積比約8:2配成混合溶液(測量物質),在混合溶液加入藍色食用色素。
第二步:混合溶液加滿透明容器,組合橡皮塞與吸管並封住瓶口,並使溶液高出橡皮塞。然後用手工陶土將吸管與容器頂部之間的縫隙封起來。注意,只要有縫隙或氣泡,溫度計就會不準,且吸管最好用透明且細長,較能看清液柱體積改變量。
第三步:標刻度。用透明膠帶將吸管固定直尺,如圖5。靜置透明容器一段時間液柱停穩處就是室溫(27
℃),直尺的液面刻度讀數為2.4cm;再將透明容器放入43℃的溫水中,直尺的液面刻度讀數為10.5
cm。此時,你已自創一個自己獨特的溫度單位的簡易溫度計。注意,管柱上升較慢要有耐心觀察,紀錄最高刻度。
第四步:測量溫度。先用市售溫度計測量自己雙手溫度(35℃),然後用雙手捂住自製溫度計約10分鐘測量自己雙手溫度?測得直尺的液面刻度讀數為5.4cm。應用比例關係的長度比例=溫度比例,(5.4-2.4):(10.5-2.4)=(x-27):(43-27),計算後得到x值(實驗值)=32.9℃。自製簡易溫度計的測量百分誤差= (35-32.9)/35 = 0.06 = 6 %。實驗時調配的酒精與水的比例不同數據也不同,以上實驗數據僅供參考。
圖5自製簡易溫度計
l 參考文獻
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5.黃福坤(2011)。用尺做簡易溫度計。http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=Notes/ruler/index