透過變因探討「紙」色層分析
倪行健
臺中市立長億高級中學
[email protected]
n 前言
筆者試著以「是否一定要遵循實驗手冊按部就班(step by step)地操作實驗?」的想法,取代食譜式的實驗程序,嘗試不局限於「在封閉容器中」、「使用濾紙」、以及「實驗室內的溶劑當展開液」的濾紙色層分析實驗,放手讓學生有自己不同的想法融入此實驗之中。
各組學生在實驗前先討論、設計,思考在不同材質的紙上(見圖1),點上不同品牌、不同性質(油性或水性)的不同色筆(見圖1),放入不同的展開液中(見圖2),觀其層析狀況(見圖3),並紀錄之(見附件一和附件二)。因此,筆者將濾紙色層分析的「濾」字去掉,暫稱為「紙」色層分析。
圖1:各組學生自行引用不同的紙材和色筆進行層析
圖2:展開液部分由老師提供、部分由學生自己攜帶或提出要需求
筆者思考:濾紙色層分析一定要用濾紙、制式的展開液…等等嗎?讓學生有更多的參與感,有更多自己想法融入色層分析實驗中,在不同變因下,出現那些不同的實驗結果,並且嘗試解釋其原因。在定性的實驗過程中,除了融入學生的創意、想法及設計元素,首先還可以讓學生試著預測(prediction),各種不同色筆可能隱藏那些顏色(見圖3)的色素;在不同的展開液中,哪一種展開液的分離效果較佳?…等等。然後,學生開始實驗(experimentation)、觀察(observation)、紀錄(record)。最後,討論與結論(discussion & conclusion)。這種教學更能增添趣味與和變化?並讓相互觀摩的機會?這不也是一種自學、思考、表達的「學思達」呢?
圖3:在相同的材質紙上,點上相同各色的色筆,在不同展開液中層析的狀況
n 進行實驗
一. 實驗名稱:「紙」色層分析—誰的分離效果較佳?
二. 實驗原理:色層分析法係利用混合物在固定相及移動相中,因溶解度的不同而有不同的分布,亦即為利用不同的親和力來進行分離。
三. 實驗目的
1. 能利用混合物在固定相和移動相中,因溶解度的不同而有不同來分離混合物(色素)。
2. 瞭解混合物在固定相和移動相中,因溶解度的不同而有不同以達成分離混合物的原理。
3. 培養小組合作和討論的習慣,形成學習共同體,相互欣賞、學習、互助,產生1 + 1 > 2的效果。
4. 養成做中學(learning by doing)的習慣,藉以激發出創意與發明的潛能。
四. 實驗方法:控制變因實驗法/分組合作
五. 實驗變因:紙質、色筆、展開液(見圖1、2)
六. 實驗探討
1. 其它條件(實驗變因)都一樣的情況下,哪種展開液的分離效果較佳?
2. 其它條件(實驗變因)都一樣的情況下,哪種顏色的色筆的分離效果較佳?(甚至可探討不同品牌的同色筆層析的差別)
3. 其它條件(實驗變因)都一樣的情況下,哪種紙質上的顏色分離效果較佳?
七. 實驗材料:所用紙質、大小、形狀、色筆、展開液:各組自訂。
八. 進行實驗:操作步驟(見圖4)並紀錄實驗結果、拍攝影片並後製作,繳交。
圖4:色筆點上不同紙材(上)、置入不同展開液(中)和用影像記錄結果(下)
n 結語
筆者隨想:傳統嚴謹的實驗步驟,就像食譜,只要照本宣科,按圖索驥,自然順理成章,而且彼此差異不大,此種實驗過程少了學生的創意、想法、設計,但多了與眾不同的樂趣和可能產生意想不到的驚艷。因此,這樣的教學方法比食譜式的實驗更有趣。
n 附件
〔附件一〕
¡年¡班 化學實驗報告
指導老師:倪行健老師
組長:謝¡宏/組員:侯¡明、盧¡靖、游¡儁、鄒¡岱、謝¡婷
一. 實驗內容:水性筆染料的「紙」色曾分析
二. 實驗器材
1. 培養皿5個
2. 支架2個(為撐住長條狀紙張)
3. 清水、食鹽水、酒精、工業用酒精、食用醋各約10 mL
4. 至少4種紙(衛生紙、臘面紙、春聯紙、濾紙、雲彩紙)(自備)
5. 至少6枝水性筆(桃紅、粉紅、藍、靛藍、橘、綠、紫、黑)(自備)
6. 剪刀(自備)
7. 相機(自備)
三. 實驗方法
1. 先分別倒入實驗用液體於培養皿中(共五個)。
2. 把紙剪成條狀並在下方塗二種以上的顏色色塊。
3. 在同一時間把紙底端(有塗色塊那方)泡到液體裏。
4. 等紙被液體吸收後,觀察染上去的顏色狀況,並計時。
四. 實驗結果:寫於紙本上繳回。
五. 實驗過程:以照片紀錄實驗結果
A. 五種展開液,如圖5所示。
圖5:酒精、醋、水、食鹽水、工業酒精(由左至右)
B. 展開液倒入培養皿,如圖6所示。
圖6:醋、酒精、工業用酒精、水、食鹽水置入培養皿中(由左至右)
C. 色層分析用紙的準備,如圖7所示。
圖7:畫畫剪剪ing…
D. 主要實驗:濾紙色層分析,如圖8所示。
圖8:這些都是學生實作後的成果
E. 其他紙類的「紙」色層分析,如圖9所示。
圖9:其他紙類的「紙」色層分析
F. 全員大合照,如圖10所示。
圖10:耶~大家笑一個J,實驗圓滿結束囉!
六. 心得和感想
A. 侯¡明
這次的化學實驗其實有點可惜,因為材料(紙)沒有準備很多種,如果能有更多不同材質的紙,應該可以看到更多有趣的現象,但其實只有幾樣材料,大家還是玩得很開心啦!謝謝老師!也希望下次的實驗課早點到,可以做大象牙膏之類的、更有趣的實驗。
B. 盧¡靖
這一次的化學實驗我覺得很有趣,尤其是剪紙與畫紙的部分~讓我像個小孩一樣興奮!還有看著在紙張上暈開的色彩也讓人感到新奇、感到驚艷~原來水性筆的黑色不是單純的黑色墨水,暈開後居然還有著藍色墨水的顏色呢!
C. 謝¡宏
這次的實驗雖然沒有很精彩,但仍然讓我們很開心,看著自己所調配的顏色緩緩上升,與其他顏色產生變化,在這過程中是很開心的,雖然到後來有點處於玩樂,不過我們這組仍然做得很好,看著各組員做著各自的工作,就覺得與同學一同做實驗很不錯,能夠一同討論實驗的過程與結果的差異,這次的實驗很成功,期待下一次的實驗。
D. 游¡儁
這次的實驗超好玩,不同的紙配不同水溶液會有不同的效果,我們試了好多次才畫對那些點點。
其實大家都抱著玩樂的心情…..不過不亂試也不會知道有什麼結果,我自己亂點那些顏色也很開心。
衛生紙染色最酷了!藍色系暈在一起超美!最後還是跟上次的自走船一樣玩瘋~
E. 鄒¡岱
其實我們這組一開始的時候就已多災多難艱辛坎坷……
先是紙剪太細,再來是畫圓還畫點搞不清楚,接著色塊畫太上面水吸不到,紙一張一張的報銷,幸好大家都很慷慨的拿一整張來提供,不然紙會先宣告耗盡,實驗可以不用做了……
然後等紙放下去才發現……天啊要做一整組的同紙張對照啦!害得志明記錄得一個頭兩個大,心裡直冒問號,困惑叢生。
幸好最後有做出一組完整的「濾紙對照」,不然真的會白做工,真是的都是某組長領導方式怪怪的(這該怪別人嗎)。不過到最後大家瘋狂畫濾紙顏色時其實已經都沒再管顏色問題了,直接畫下去泡就對了這樣哈哈。
其實時間挺緊湊的,有些紙吸水超慢,一點時間泡不出個什麼顏色來,倒是衛生紙真的是非常盡責的猛吸水,染色很豐富漂亮。
很努力了啦,大家都拼命在拍照化顏色剪紙之類的,超級認真呵。希望下次還有一起做實驗的機會囉。
F. 謝¡婷
每次做實驗我都很期待,因為能真的動手去操作實驗的機會少之又少,但是每次做實驗我好像都在匆忙的一團混亂中度過。
不過匆忙中還是能體會到實驗的樂趣,也能在之後整理好的報告中,學到不少知識。
這次的實驗我覺得還蠻好玩的,看顏色被暈開,在紙上一直跑,還跑出本來沒有畫在上面的顏色,像變魔術一樣,超神奇的。
〔附件二〕
色層分析法實驗報告
組員:全¡展、艾¡宇、陳¡宇、謝¡辰、吳¡媮、邱¡婷、黃¡婷
工作分配
全¡展:著手實驗、資料查詢
艾¡宇:著手實驗、攝影、介紹實驗步驟
陳¡宇:著手實驗、資料查詢
謝¡辰:著手實驗、資料查詢
吳¡媮:著手實驗、製作影片
邱¡婷:著手實驗、彙整資料
黃¡婷:著手實驗、繪製小圓點
同組成員,如圖11所示。
圖11:同組全員大合照。
心得和感想
A. 全¡展
又到了歡樂實驗的時間,時間過得特別快,這次的實驗設備很簡單不過做起來可不輕鬆,我用素描紙加工業酒精,做了好久還是不成功,真不甘心,我發現做這實驗要用吸水性的紙比較好,成功的作品滿漂亮的,第一次看到顏色變色在眼前發生,看到有點不敢相信,大家都很驚訝又興奮,後來上網去找了一下實驗得資料發現這個簡單的小實驗有那麼多功能阿,前人的智慧好厲害,實驗學得比上課學的還要深刻。
B. 艾¡宇
終於又有實驗可以做了,繼上次的自走船後又一個好玩的實驗,而且,這次不像上次一樣閒閒沒事做只顧著玩,而是擔任了攝影師的角色,在攝影的過程中看到了大家的團結以及好到不行的默契配合,過程中沒有絲毫的爭吵及不愉快,我想這是比實驗成功還要更令人感動的事了,最後,還要感謝老師、後製影片的同學以及綜合統整的人,你/妳們辛苦了!當然,我還是很期待下次的實驗。
C. 陳¡宇
化學實驗可以讓我們體會大自然的原理,藉由實驗可讓原本艱澀難懂的課程內容變得輕鬆有趣,實驗過程因為同學生動的轉播變的更好玩,製作影片的同學也用心的把影片做得很棒,實驗結果一個顏色裡面包含許多顏色,如果少了其中一種顏色就無法構成這種顏色,多了一種顏色可能又成為另一種顏色,這就像我們一起做實驗一樣,每人出一份力缺一不可,謝謝大家讓實驗變的這麼精彩。
D. 謝¡辰
色層分析,這是我之前完全沒聽過的一種實驗,我沒有想過我們看到的顏色,竟然可以利用液體將他分出不同於我們所想像的顏色,我小時候只知道紅色加藍色等於紫色這種簡單的調色,而這次的實驗卻完全是逆向操作,整個令我嘆為觀止!希望老師以後能繼續帶我們去做不同的實驗,從實驗中學習,我想這才是真正我們體會到的。
E. 吳¡媮
又一個令人驚嘆的實驗!從來沒想過生活中的筆也有這麼神奇的時刻。橘色裡面有著粉紅色,真是意想不到呀!更驚訝的是,水竟然可以這樣沿著紙張的纖維往上竄。
而這次因為影片需要剪接加上一些後製的部分,所以嘗試了新的軟體。一開始真的非常懊惱,從不懂開始一點一滴的摸索。又因為軟體版本跟現上有的教學影片又不同,真的是讓我一度想放棄,就這樣把影片交出去。可是,在摸索的過程中,發現了它的有趣所在。於是,就這樣忘記時間,一心一意想完成我的影片處女作。終於,皇天不負苦心人,我完成了影片也摸索完這個新軟體,並且得到同組的讚賞。
其實,摸索軟體跟做實驗差不了多少。在未知的事物裡,發掘它的好玩之處。剛做完一個實驗,卻又躍躍欲試下一個新實驗了!
F. 邱¡婷
終於又可以做實驗了,每次做實驗完都會了解新的知識,不是透過書本,也不是老師口頭引述,而是我們親手做實驗而得到的。而顏色,本來就是我比較有興趣的一塊,以前的知識就只有顏色的組合,這次實驗讓我們用反推回去的方式了解並非是橘色變粉紅色,而是橘色裡本來就有粉紅這個色,然後藉由色層分析清楚地展示在我們面前。喜歡做實驗,留下的記憶總是深刻!不論是科學上的知識還是和組員一起努力的過程都是我最喜歡學習的成果。
G. 黃¡婷
第一次聽到色層分析這個實驗,而參與實驗的過程裡看到了好多從未看過的新奇畫面,雖然我只擔任了畫點點,但在大家的合作下,實驗非常成功,顏色完全呈現不同的那一面,而每種水的實驗速度也不盡相同,重要的是大家都樂在其中,這真的是一次既充滿新奇又溫馨的經驗呢。
《臺灣化學教育》組織與成員
2015.05~2016.04(第7期~第12期)
發行單位:中國化學會(臺灣)化學教育委員會
發行人:陶雨臺理事長
顧問:王瑜、王文竹、李賢哲、林煥祥、洪振方、段曉林、連啟瑞、陳竹亭、陶雨台、傅麗玉、
彭旭明、黃萬居、葉名倉、趙奕姼、劉陵崗、蕭次融 (依姓名筆畫順序排列)
主編:邱美虹/國立臺灣師範大學科學教育研究所
執行編輯:楊水平/國立彰化師範大學化學系
專欄編輯:方金祥/國立高雄師範大學化學系、祥和園創意微型科學工作室
林如章/國立臺灣師範大學化學系
林靜雯/國立東華大學課程設計與潛能開發學系
周金城/國立台北教育大學自然科學教育系
祁明輝/台北市市立龍山國民中學
施建輝/國立新竹科學園區實驗、教育部高中化學學科中心
洪文東/美和科技大學
洪振方/國立高雄師範大學科學教育研究所
翁榮源/靜宜大學應用化學系
張一知/國立臺灣師範大學化學系
傅麗玉/國立清華大學師資培育中心
楊水平/國立彰化師範大學化學系
廖旭茂/國立大甲高級中學、教育部高中化學學科中心
鍾曉蘭/新北市立新北高級中學、教育部高中化學學科中心
顏瑞宏/高雄市立高雄高級中學、教育部高中化學學科中心
鐘建坪/新北市立錦和高級中學
(依姓名筆畫順序排列)
網站建置:周金城/國立台北教育大學自然科學教育系
網站管理:游輝宏/國家高速網路與計算中心
編輯助理:陳姿穎/國立臺灣師範大學科學教育研究所
Logo設計:邱美虹/國立臺灣師範大學科學教育研究所
Banner設計:唐尉天/國立臺灣師範大學科學教育研究所
《臺灣化學教育》組織與人員/2014.05~2015.04 (第1期~第6期)
看插畫也能學化學
張庭婷1、周金城2, *
1國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士班科學教育組
2國立臺北教育大學自然科學教育學系
*[email protected]
我(第一作者)在擔任補習班化學教師三年多的經驗中,發現高二的學生感到最困難的單元就是二上化學第一單元的「氣體」了。學生下課後來到補習班,除了問課本習題,也常請教關於該單元如何準備,或是要怎麼樣才能將氣體五大基本定律—波以耳定律、查理定律、給呂薩克定律、波查定律以、及亞佛加厥定律的內容「記起來」等問題。身為化學教師,當然不希望自己的學生使用死背的方法,因為背得了一時,背不了一世,短時間的記憶對他們的幫助不大,一不小心還可能產生迷思概念。但是要真正的理解,能使用什麼方法呢?這個小小的想法,開啟了我和科學插畫的緣分。
n 學生晤談紀錄
在上課前,我先詢問三位學生:「你們仔細閱讀課本上的文字敘述後,對於氣體這個單元的想法是什麼?」
(以下三位高二學生以S1、S2和S3代稱)
S1(女生):「在看完波以耳定律的簡介後,我在腦袋裡想像一間教室和一個操場兩個地方都擠了同樣多的人,因為教室會比較擠,所以教室裡的壓力比較大。因此可以說明當氣體溫度和莫耳數恆定的時候,體積越小的容器,壓力會越大。」
S2(女生):「我腦袋裡第一個浮現的圖像是氣球,如果吹氣進去,氣球會膨脹起來,隨著氣球慢慢地充大,證明氣體的量越多,體積就會越大。」
S3(男生):「目前為止我只有把這些定律的公式背起來,沒有試著去理解,因為我怕太仔細地去讀反而會忘記這些符號的位置。」
師:「很好,那你們對於這五項氣體定律最大的疑惑是什麼?」
S1:「我不太能理解查理定律和給呂薩克定律內描述的,溫度和壓力以及體積的關係,我想用實際存在的物品去解釋,但是沒有辦法。」
S2:「我覺得困難的地方也是大致相同,不了解溫度和壓力、體積的關係。」
S3:「我覺得這有一點太難了,可能需要用其他的方式學習我才能理解。」
經過晤談後,發現學生在學習這個單元時,只要看到公式出現,就自然而然地想要將這些公式與生活經驗連結(如S1和S2的回答),如此可以幫助他們在學習新概念上擁有教學鷹架(instructional scaffolding)的輔助,同時在思考時也會使用具體看得見的物品來當作例子,幫助記憶。
同時也發現,其實氣體單元中的五大定律,描述的視角皆是十分微觀的,在國中和高中一年級時尚未要求學生使用分子動力論的角度來看壓力、體積、莫耳數甚至能量上的變化,就這樣一頭栽進微觀的世界,也難怪他們會無所適從了。
n 進行文獻探討
我(第一作者)目前正在就讀研究所,因為大學時期就對科學繪本非常有興趣,因此也決定進行這方面的研究,非常幸運地,有一天正在進行論文的文獻探討時,在期刊論文中尋找到關於科學繪本的幾篇文章,裡頭提到人類接收的外界刺激,有80%是經由視覺傳遞,在實際見聞的狀況下,有30%的大腦皮層會參與,透過具體圖像的視覺傳遞加上閱讀時使用語言聯合區,將能使學童更加能理解文中所要傳達的意涵,且對於學生的科學詞彙理解、描述性概念、學習動機以及課堂參與皆有顯著的提升。利用卡通形式設計科學教材內容,能吸引學生進一步去理解科學本質或複雜科學概念(Chin & Teou, 2009; Cil, 2014; Dalacosta, Kamariotaki-Paparrigopoulou, Palyvos, & Spyrellis, 2009)。若能使用具體圖像和容易閱讀的文字來進行氣體單元的教學,或許也能有成效也說不定,不失為可以嘗試的辦法。
需要具體圖像和容易閱讀的文字,我直覺想起了國小自然課本經常會有的可愛插圖,或許高中課本、講義中,有那麼一本是我需要的。但是,在進行各大書商化學課本、講義的分析比較之後,發現大部分都是利用文字敘述來解釋氣體定律,且其中刊載的插畫皆是化學家發現氣體定律前進行實驗的觀察結果(見圖一),這類插圖雖立意良好,但卻因為出現了J型管這項不常見的實驗器材,反而造成學生認知上的困擾,於是在遍尋不著理想中的科學插畫教材後,我決定自己繪製一套氣體定律的插畫。
圖一:書商既有插畫示意圖—以波以耳定律為例
(資料來源:南一高中學習網,http://www.nani.com.tw/nani/slearn/slchem/chem_a/2_year/chem_a_2y1.jsp)
n 作品展示
經過大量閱讀高中化學書籍以及參考大二時期修習的物理化學這門課的講義後,我繪製了五大氣體定律的科學插圖,這些作品展示如圖二~六所示。
圖二:化學插畫—波以耳定律
圖三:化學插畫—查理定律
圖四:化學插畫—給呂薩克定律
圖五:化學插畫—波查定律
圖六:化學插畫—亞佛加厥定律
n 感想
融入這些插圖於教學中,發現透過可愛插圖(具體圖像)的教學法,普遍受到學生的歡迎,以下附上三位高中學生利用化學插圖學習後的心得。
S1:「使用這幾張插圖學習後,解決了我原本對於氣體溫度和壓力以及體積關係的疑問,而且很可愛,我很喜歡。」
S2:「原來溫度提昇會造成氣體分子能量的變化,這是我在閱讀課本時無法了解的,有插圖可以讓我理解氣體發生改變的前因後果,不過如果會動就更好了。」
S3:「現在我覺得可以不用硬背也能理解這些氣體定律了。」
很開心學生們因為這些化學插圖在學習上的疑惑都得到解決,雖然進行科學插圖的繪製前後都花了很多時間,但是如果能將這項教學方法進行推廣,相信會有更多學生受惠,因此將我繪製這套插圖的動機和過程以及成果撰寫成文章投稿至《臺灣化學教育》,以期有更多人能使用這項化學教學資源,如有任何意見,也歡迎您來信指教。
n 參考文獻
1. 盧秀琴、陳月雲(2006),互動式繪本電子書融入教學提升國小學童對科學的態度,中華民國第22屆科學教育學術研討會。
2. 盧秀琴、陳月雲(2008),應用電子繪本提升學童動物生長之描述性概念,教育實踐與研究,第21卷第 2 期,33-62。
3. 盧秀琴、石佩真、蔡春微(2006),融入國小自然與生活科技領域的繪本電子書之製作與應用,國立臺北教育大學學報,第19卷第2期,1~30。
4. 理想氣體方程式,維基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/理想气体状态方程。
5. Chin, C., & Teou, L. Y. (2009). Using Concept Cartoons in Formative Assessment: Scaffolding students’ argumentation. International Journal of Science Education, 31(10), 1307-1332.
6. Cil, E. (2014). Teaching Nature of Science through Conceptual Change Approach: Conceptual Change Texts and Concept Cartoons. Journal of Baltic Science Education, 13(3), 339-350.
7. Dalacosta, K., Kamariotaki-Paparrigopoulou, M., Palyvos, J. A., & Spyrellis, N. (2009). Multimedia application with animated cartoons for teaching science in elementary education. Computers & Education, 52(4), 741-748.
「食物的養分」動手做教學活動(上)
蔡孟錡
新北市立新泰國民中學
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士班科學教育組
[email protected]
在自然科的教學中,有許多的知識會因為在教學現場的設備或是限於學生的先備知識不足的問題,導致只能以口述或是以影片輔助的方式講解,或者是有部分太過抽象的概念對於學生來說很難學習,變成學生只能夠以記憶的方式學習,不僅無法從中真正了解其意義所在,也常常在測驗過後就忘得一乾二淨,作者認為這樣的學習對學生而言是沒有實質上幫助的,例如:在國中生物的3-1食物中的養分,養分的分子對學生來說是看不見的,而糖類的別稱碳水化合物這個概念學生也只是死記而已,因為學生無法真的看到碳與水結合成醣類,自然也就無從理解為什麼醣類 = 碳水化合物。
實際上,食品的養分與我們的生活息息相關,並且當中也有許多化學的概念,因此筆者設計了這樣一個動手做操作性強的實驗教案[1],以期能夠加強學生對養分的概念,並且把以往認為只能在實驗室中操作的化學實驗利用簡單的方式呈現,讓食物中的各樣化學分子藉由簡單的燃燒,呈現出不同的物質特性,進而讓學生學習到不同的物質分子在高溫下的不同反應,讓學生能夠連結自己的生活經驗與實際上的化學知識,並引起他們對食物養分的好奇心,進而關注自己每天所吃的食物,也希望能以此拋磚引玉,讓更多的好點子可以被激發出來。
n 介紹醣類、脂質及蛋白質
醣類,又稱為碳水化合物,主要是由碳、氫、氧三種元素組合而成,可依照糖的數目分為單醣、雙醣與多醣,其中單醣最為人所熟知的就是葡萄糖,它同時也是身體最主要的能量來源,每公克可產生4大卡的能量,當加熱時會產生碳和水[2]。葡萄糖的結構式與其加熱反應式,如圖一所示。
C6H12O6 → 6C + 6H2O
圖一:葡萄糖的結構式與其加熱反應式
蛋白質是一種由胺基酸所組合而成的大分子有機化合物,胺基酸的主要結構為碳、氫、氧及不同的官能基組成,並且在結構的兩端分別形成氨基與羧基,胺基酸之間在以肽鍵連結,目前胺基酸的種類一共有20種,分別具有不同的功能與特性,而蛋白質每公克可產生4大卡的能量,但由於蛋白質式組成身體的重要分子,且身體在分解蛋白質時會產生含氮廢物,因此蛋白質並非身體最佳的能量來源[3]。
脂質的主要結構為碳、氫、氧所形成的長鏈脂肪酸與甘油所組成,並依照其結構與碳鏈的長短可分為飽和脂肪酸、單元不飽和脂肪酸、多元不飽和脂肪酸,脂肪每公克可產生9大卡的能量,並且在高溫時相對於醣類與蛋白質來的穩定,因此在身體內主要作為養分儲藏的主要形式之一[4]。
n 實驗材料
每一組用量:葡萄糖粉 15 g、白砂糖 10 g、太白粉 10 g、蛋白質粉 10 g(動物性或植物性蛋白皆可)、油脂 10 g、花生 1小包、洋芋片 1包、小型塔模 15個(蛋塔塔模)、點火槍 1把、鑷子 1把、小型平口點滴瓶 3個(分別裝入水、本氏液、碘液)、紙杯 2個、白紙 1張、2號夾鏈袋 4個(裝葡萄糖、砂糖、太白粉、蛋白質粉之用)、衛生紙一包。
n 教學實施過程
1. 若時間充足,則以講述法進行教學,讓學生能夠對本章節有初步的認識,以便於接下來的實驗操作。若是時間不充足的話,則可以利用影片,例如:教科書廠商所製作的教學資源光碟或是上網搜尋影片資源(https://www.youtube.com/watch?v=qU3Y-CT-u5k),讓學生先進行預習的工作,在課堂上就直接讓學生完成知識的產出與學習。
2. 先小考確認學生的先備知識(小考考卷請見附錄二)。若是學生預習不足,則快速地把養分的概念講述一次,再正式地進入實驗的課程。
3. 說明今日的實驗步驟。
4. 發下使用的材料,進行第一個實驗—加熱醣類、蛋白質、及脂質。
5. 實驗結束後,讓學生舉手分享剛剛的觀察結果並分組搶答加分。
6. 進行第二個實驗—加熱花生與洋芋片,待花生與洋芋片起火燃燒後加熱水,如圖二所示。
圖二:學生以打火槍實際加熱食物養分的狀況
7. 學生進行實驗,並相互討論與紀錄,如圖三所示。
圖三:學生進行實驗並討論與紀錄
8. 讓學生舉手,分享剛剛觀察結果並分組搶答加分。
9. 提醒學生下次要帶自己想測定的食物,並結束第一堂課程。
10. 第二堂課程開始時發下三種醣類(葡萄糖、砂糖、太白粉)讓學生嚐試甜度並排序。
11. 讓學生舉手分享結果。
12. 利用本氏液和碘液測定醣類。
13. 讓學生測定他們帶來的食物有哪些醣類。
n 教學注意事項
l 整個教學流程和使用材料可以參閱〔附錄一〕的教案,並依據各校不同的狀況作修改使用,其中所使用到的材料大部分都可以在食品材料行買到,打火槍在傳統市場或是大賣場都有,葡萄糖和小罐子可以在藥妝店買到。
l 在進入實驗課程前先讓學生分組坐下,並將接下來課程所要完成的步驟寫在黑板上。
l 以「是否所有的有能量的養分皆可以起火燃燒?」作為開場,由於學生已經有對於燃燒法計算熱量的概念,在加上日常生活中的經歷,此時大多數的學生對此問題都會抱持著肯定的態度回答,雖然會有少數同學會提出某一類或甚至某兩類養分無法燃燒,但是學生們對於「有能量的養分可以燃燒」這件事則是肯定的,而在實驗完成後可以在次提問一樣的問題,讓學生查覺自己的迷思概念,並且由教師加以澄清並非有能量的養分皆可燃燒。
l 實驗開始前請各組先準備一條濕毛巾避免危險,並且可以先把各項材料直接分成小包裝分給學生,減少領取實驗材料的時間。
l 可以多準備幾支打火槍和專用瓦斯,避免臨時打火槍出問題或是瓦斯不足。
l 實驗中加熱的方式有兩種,可以讓學生都嘗試看看(從上方加熱與從塔模下方加熱)
l 提醒學生在實驗中要特別注意不只是運用眼睛觀察,還有使用鼻子、耳朵去感覺。
l 實驗開始後,教師可以適當的在各組走動巡視,並且提醒學生該注意甚麼、該寫學習單…等,此處實驗時間約10~15分鐘。
l 糖類與蛋白質變黑可以連結到中秋節烤肉變黑的經驗,學生們就可以聯想到這些黑黑的物質是碳,而液體則可以連結到水,就可以引導出醣類的別稱是碳水化合物的原因。
l 蛋白質與醣類有著類似的結構,但是蛋白質因為還有其他物質,因此加熱時會有味道(此處若使用植物性蛋白質則有燒紙類的氣味,若使用動物性蛋白質,則有燒頭髮的味道)。
l 加熱脂肪無明顯變化(只有顏色稍微改變)的現象,可連結到日常生活中炒菜時爆香或是加熱為什麼要使用油的原因,以及動物使用較穩定的養分來儲藏能量。
l 以食物燃燒加熱水後觸摸裝水的塔模可引導學生思考為什麼燃燒法計算熱量不準確(因大量的熱量會散失)。
l 從燒完的結果引導學生思考兩者分別有哪些養分。
l 脂質可以利用白紙把花生及洋芋片壓碎後觀察。
l 實際上,醣類的甜度排序為蔗糖、葡萄糖、澱粉,但有少數同學會覺得葡萄糖比較甜,這種情況可以用來說明人類的感官並不準確,因此要使用特定的藥品來檢測糖類。
l 進行本氏液檢測醣類之時,只要使用飲水機的熱水倒在塔模內就可充當隔水加熱的熱源,而本氏液約5滴,有蓋過糖類本身即可完成檢測。
l 由於學生在本氏液的部分測定沒那麼快,因此熱水可以多取幾杯,並提醒學生換水。
l 當學生自行測定他們帶來的食物時,可以直接銜接課本的活動3-1,作為實驗紀錄的結果並討論。
n 安全注意事項
l 加熱燃燒花生和洋芋片時,因為會起火燃燒,學生經常會只注意火忘記其他部分,要不斷提醒學生。
n 學生的實驗結果
l 學生可能的回答結果如下:
編號 |
物質名稱 |
燃燒中與燃燒後的狀況 |
1 |
糖類 |
變黑、結塊、有液體出現、有黏稠狀 |
2 |
蛋白質 |
變黑、起泡、有液體出現、有臭味、有黏稠狀 |
3 |
脂肪 |
變黃、脂肪量減少 |
l 學生填答的學習單之舉隅,如圖四所示。
圖四:學生填答的學習單
l 食物養分的燃燒實驗拍照,如圖五~九所示。
圖五:醣類(葡萄糖粉)在燃燒前(左)、燃燒中(中)、燃燒後(右)
圖六:蛋白質(小麥蛋白粉)在燃燒前(左)、燃燒中(中)、燃燒後(右)
圖七:脂質(沙拉油)在燃燒前(左)、燃燒中(中)、燃燒後(右)
圖八:洋芋片在燃燒前(左)、燃燒中(中)、燃燒後(右)
圖九:花生在燃燒前(左)、燃燒中(中)、燃燒後(右)
「食物的養分」動手做教學活動(下)
蔡孟錡
新北市立新泰國民中學
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士班科學教育組
[email protected]
n 結語
以燃燒加熱養分的方式讓學生學習過後,學生們普遍對於養分都有更多的認識,學生們藉由這個實驗可以學習到經過簡單的實驗方法,就可以讓不同的食物呈現出不同的狀況,進而歸納並推理其他的食物含有那些養分,讓學生可以將學科知識與實際生活經驗連結。此外,可以讓學生思考在生活中的某些食物為什麼會出現特定的狀況(例如焦糖),也可以讓學生發現當物質有相似的組成狀態時期表現出來的特性也會有類似的狀況(例如醣類與蛋白質),並且讓學生直接看見醣類中的碳與水,此處不僅可以連結健康與體育、生物、化學的部分,讓學生對食物中的養分有更多的認識與概念,也可以讓學生更關心自己每天所吃喝的食物的成分究竟是甚麼。若是此種觀念可以繼續發揚下去,相信吵得沸沸揚揚的食安問題可以更加減少,讓每個人吃得更健康。
n 參考資料
1. 阿簡生物筆記。2011教學紀錄:食物中的養分,http://a-chien.blogspot.tw/2011/10/2011.html。
2. 糖類,維基百科,自由的百科全書,http://zh.wikipedia.org/wiki/糖类。
3. 蛋白質,維基百科,自由的百科全書, http://zh.wikipedia.org/wiki/蛋白质。
4. 脂肪,維基百科,自由的百科全書,http://zh.wikipedia.org/wiki/脂肪。
n 附錄
附錄一:教學活動設計
「生物體的養分」教學活動設計
教學主題 |
南一版自然與生活科技第一冊3-1生物體的養分 |
設計者 |
蔡孟錡 |
教學對象 |
國中七年級學生 |
教學時數 |
135分鐘 |
教學對象分析 |
國中七年級學生,在學習該章節之前已完成細胞構造、細胞層級的課程學習。 |
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教材來源 |
南一版自然與生活科技第一冊 自編教材-3-1學習單 |
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設計理念 |
因為學生對於養份的概念只停留在書本上的知識,因此經由實驗與討論將學生在書本上認識的六大類養分從抽象概念轉變為可見的實際概念。 |
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教學內容分析 |
透過小組內的討論,讓學生對於六大類養分(尤其是醣類、蛋白質、以及脂質)更熟悉。此外,也透過燃燒食物來判定所含的養分種類,另外也帶入燃燒食物計算熱量的實驗,並討論此實驗可行與不可行的部分(燃燒食物計算熱量為課本實驗,此處沒有實際計算熱量,只有使用這個觀念以及讓學生討論此實驗是否可行與為什麼),最後在藉由實際品嘗各種糖,並利用本氏液、碘液測定醣類的實驗讓學生對養份有更完整的概念。 |
教 |
單元目標 |
具體目標 |
一、認知部份 |
l 能說出六大類養分的特點。 l 能說出六大類養分之間的異同。 l 能利用成份資料計算食物熱量。 l 能說出本氏液的反應狀況。 l 能說出碘液的反應狀況。 l 能經由本氏液或碘液的反應狀況判斷食物中所含的醣類。 |
|
二、情意部份 |
l 願意主動學習六大類養份的特點。 l 能夠與小組夥伴合作做實驗。 l 能夠與小組夥伴一起討論問題。 l 能夠和平理性的彼此分享各自觀點。 l 願意分享自己的成果。 l 對自己要帶來的材料負責。 l 能夠主動協助學習能力較弱的小組夥伴。 |
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三、動作技能部份 |
l 實驗過程中注意安全,不作危險動作。 l 能夠正確使用本氏液測量葡萄糖。 l 能夠正確使用碘液測量澱粉。 |
節次 |
教學活動流程 |
時間 |
資源 |
評量 |
第 一 節 |
準備階段 |
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(一)課堂準備 六大類養份的各項相關知識、掛圖。 (二)引起動機 利用學生每天都必須吃食物引入養分概念,並配合時事(如地溝油事件,起雲劑事件),與學生討論養分與食物的關係,在帶入生物應該取得的真正養分,藉此開始講解六大類養份。 |
5分鐘 |
課本 |
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發展階段 |
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(一)達成目標 1. 學生能夠說出六大類養份的特點。 2. 學生能夠計算食物的熱量。 (二)主要內容/活動 1. 講述六大類養份及其特點。 2. 提供相關例子使學生日常生活經驗與知識連結。 3. 利用現場的食物或飲料實際計算熱量。 |
35分鐘 |
課本 |
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總結階段 |
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l 複習六大類養份。 l 預告下堂課的實驗活動。 l 若課堂時間不足,則可以使用影片取代,例如各家廠商的教學資源光碟中的影片或是網路上的學習資源,例如:生物養分與能量(好讀No179),YouTube。 |
5分鐘 |
課本 |
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節次 |
教學活動流程 |
時間 |
資源 |
評量 |
第 二 節 |
準備階段 |
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(一)課堂準備 實驗器材(葡萄糖粉 40 g、白砂糖 30 g、太白粉 30 g、蛋白質粉 30 g、油脂 30 g、花生 1小包、洋芋片 1包、小型塔模 100個、點火槍 6把、鑷子 6把、小型平口點滴瓶 13個、本氏液 1瓶、碘液 1瓶、紙杯 2個、白紙 6張、2號夾鏈袋 6個、衛生紙 1包)。學習單(附錄三),小考考卷(附錄二)。 (二)引起動機 1. 小考測驗:瞭解學生對於上一堂課「六大類養份」的概念熟悉程度。 2. 若小考結果有人無法得到滿分,則簡單複習六大類養份以及可提供的能量。 3. 發下各組的實驗器材(小型塔模 6個、點火槍 1把、鑷子 1把、白紙 1張、裝有葡萄糖夾鏈袋 1個,裝有蛋白質粉夾鏈袋 1個,裝有花生及洋芋片夾鏈袋 1個) |
10分鐘 |
學習單、實驗器材 |
小考 |
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發展階段 |
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(一)達成目標 1. 觀察醣類、蛋白質、以及脂質的燃燒情況並記錄。 2. 討論各類養分燃燒的狀況並與上一堂課的知識連結。 3. 觀察花生、洋芋片的燃燒情況並記錄。 4. 利用剛剛醣類、蛋白質、脂質的燃燒情況來判斷花生與洋芋片所含的養分。 (二)主要內容/活動 1. 發下學習單、醣類(葡萄糖粉)、蛋白質(小麥蛋白粉)、脂質(沙拉油)給各組學生,並且先請學生預測這三個養份可否燃燒,燃燒狀況如何,接著在黑板上寫下今天預定的實驗步驟。 2. 利用點火槍實際燃燒三種物質,並且於各組巡視,提醒同學注意燃燒時的顏色、聲音、氣味以及燃燒後物質的狀況。 3. 燃燒完後開始填寫學習單,讓各組討論3分鐘後分別提出一種物質燃燒中或燃燒後的一種狀況,並且予以小組加分。 4. 各組發表完後總結並將所有的狀況寫在黑板上,讓學生看見他們沒討論到的部分,並帶入碳水化合物的概念、蛋白質和糖類的異同、焦糖的概念、脂質可以儲存能量的原因。 5. 讓同學預測洋芋片及花生中有哪些養分,並依據剛剛燃燒三類養分的結果來猜測會有哪些狀況發生。 6. 燃燒花生及洋芋片,並且利用花生及洋芋片燃燒的火焰燒水(此時水可滴入10滴左右,讓學生能把水燒乾)。 7. 提醒學生注意燃燒時的各種狀況。 8. 讓各組討論3分鐘後分別提出花生與洋芋片燃燒中或燃燒後的一種狀況,以及如何依這個狀況判斷具有何種養分,並且予以小組加分。 9. 利用白紙對折夾花生和洋芋片在其中,並用力壓碎可看見有油脂。 10. 利用剛剛燃燒完的食物殘渣和塔模,說明食物均含有複合性的養分,並且有很多都會額外添加其他添加劑,另外也可說明以燃燒方式計算熱量在實際操作上會有許多誤差的原因(此部分採引導問答的方式進行,並未實際進行實驗)。 |
35分鐘 |
學習單、實驗器材 |
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總結階段 |
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l 完成學習單第一題的一部分空格,第二題全部。 l 燒水以後,讓同學觸摸一下剛剛用來燒水的塔模,並討論為什麼利用燃燒計算食物熱量的方式很不準確。(此部分採引導問答的方式進行,並未實際進行實驗)。 l 提醒學生攜帶他們有興趣測定的食物,下次進行本氏液與碘液的實驗時可一併測定。 |
(二) |
學習單、實驗器材 |
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節次 |
教學活動流程 |
時間 |
資源 |
評量 |
第 三 節 |
準備階段 |
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(一)課堂準備 發下各組的實驗器材(葡萄糖粉 2 g、白砂糖2 g、太白粉 2 g、小型塔模 10個、小型平口點滴瓶 2個(分別裝入本氏液與碘液)。 (二)引起動機 經由上一堂課的實驗繼續帶到日常生活吃的醣類與醣類的測定方法。 |
5分鐘 |
學習單、活動紀錄本、實驗器材 |
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發展階段 |
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(一)達成目標 1. 能把葡萄糖、蔗糖、以及澱粉依甜度排序。 2. 能學會利用不同藥品測定不同糖類。 3. 能說出本氏液和碘液的變色狀況。 4. 利用本氏液和碘液測定身邊的食物含有哪種糖類。 (二)主要內容/活動 1. 把三種糖(葡萄糖、蔗糖、以及澱粉)分別發給各組並讓他們實際嘗嘗看三種糖並依甜度排序。 2. 嚐完後,給予正確答案。 3. 討論人類的主觀感覺是否準確。 4. 利用人類感覺的主觀性與不精確性,帶入利用藥品測量糖類的方式。 5. 發下三種糖類以及本氏液,讓學生分別取極少量的糖,加入4-5滴的本氏液,接著以紙杯裝飲水機的熱水,把熱水倒入一個空的塔模中,在把裝有待測糖類與本氏液的塔模放在裝有熱水的塔模上使之浮在水上,靜待約2分鐘後觀察本氏液是否有變色並記錄在學習單中。 6. 利用碘液滴在三種醣類上觀察碘液是否有變色並記錄在學習單中。 7. 完成學習單後使用各組自己帶來的食物進行測定,並將結果紀錄在活動紀錄本上完成活動3-1。 |
40分鐘 |
學習單、活動紀錄本、實驗器材 |
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總結階段 |
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l 討論各組所帶的食物有甚麼養分。 l 統整六大類養份知識後結束這個章節。 |
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學習單、活動紀錄本、實驗器材 |
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附錄二:小考測驗題
3-1生物體的養分 班級: 座號: 姓名:
完成下列表格,每格10分,滿分100分。
養分種類 |
是否能提供能量 |
每公克可提供的能量 |
醣類 |
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大卡 |
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否 |
大卡 |
脂質 |
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大卡 |
礦物質 |
否 |
大卡 |
水 |
|
0大卡 |
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是 |
大卡 |
附錄三:燃燒實驗紀錄表
3-1生物體的養分班級: 座號: 姓名:
1. 寫下你觀察到食物的燃燒狀況和所含物質。
編號 |
物質名稱 |
燃燒中與燃燒後的狀況 |
1 |
醣類 |
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2 |
蛋白質 |
|
3 |
脂質 |
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4 |
花生 |
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5 |
洋芋片 |
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2. 把下列三種糖依甜度排序,嚐起來最甜的寫1,中等的寫2,最不甜的寫3。
葡萄糖: 蔗糖: 澱粉:
3. 完成下列表格。
藥品名稱 |
待測定的食物 |
原本的顏色 |
反應後的顏色 |
特殊處理 |
本氏液 |
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碘液 |
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阿美族用草木灰進行植物染
傅麗玉1, *、楊惠媖2
1國立清華大學師資培育中心
2國立玉里高級中學
*[email protected]
豐年祭期間走訪花蓮河東部落,連續好幾天都在秀姑巒溪河床,想親近瞭解河東部落特有的部落文化。看到雀、白鷺鷥、芒草、水芹菜、銀合歡樹、沙堆及大小石頭。此部落離秀姑巒溪河岸邊有幾百公尺,那外頭擺放著一艘木筏,前方的草屋工舍(taloan)炊煙裊裊,裡面有三位mamo(奶奶)們正在烤魚,還有將濕的衣服曬乾。走上前去,看到小小的火紅通通地燒著,樟樹、九芎樹和蘆葦草的香味撲鼻而來,草木灰的顏色漂亮極了!右岸的楛楝樹下,一群耆老族人正等著我們,原來他們正開始製作阿美族人古老的傳統技藝竹筏。希望教導族裡年輕的一代,傳承竹筏的傳統技藝。阿美族有豐富的傳統文化智慧,一定要傳承下去。
n 阿美族的植物染與草木灰文化智慧
為了傳承阿美族草木灰與植物染文化,帶著孩子跟著耆老上山砍柴。木柴完全陰乾後,經過祖靈託夢而選定地點,選擇乾燥晴天的日子染布(見圖一)。染布地點在溪岸或空曠地,先煮染材,利用不同溫度的水,將天然植物色素充分溶解,行程濃縮液,做成染液(見圖二)。將棉蔴布綁成所要的圖樣。基本的準備工作完成,燒柴點火前,所有參與人員先一起祭祀祖靈,驅趕邪惡靈(阿美族語mifetik),以保佑染布成功。但是前晚有做惡夢者、放屁、打嗝、打噴嚏者,不得參加。
祭典完成後,點燃芒茅草與木頭。燒灰過程,茅草、五節芒、龍眼小樹枝為底部,再放置木頭。燒製時間大約二十四小時或一天一夜,須全程在場守護,以便隨時控制火勢以及維持火候,保持燃燒木灰的均衡度。等待茅草、五節芒、樹枝、木頭都燒成灰(見圖三)。等降溫後,再一次祭祀感謝祖靈保佑,才可取草木灰。將草木灰與山泉水混合後過濾(見圖四),倒回去再過濾一次,重複至少三天每天至少三遍(見圖五)。將最後過濾的草木灰水與染好的棉蔴布浸泡之後覆蓋於土壤內隔絕氧氣,使染布成形。最後用無患子植物做皂洗過程,將染成的布洗過(見圖六),陰乾後即可,所染出的顏色非常獨特(見圖七)。
圖一:選擇乾燥晴天的日子染布,小朋友正在曬檳榔和薑黃染材(楊惠媖提供)
圖二:將綁好圖樣的棉蔴布放在染料進行染煮(楊惠媖提供)
圖三:燒製降溫後的草木灰(楊惠媖提供)
圖四:草木灰與山泉水混合後過濾(楊惠媖提供)
圖五:草木灰水倒回去再過濾(楊惠媖提供)
圖六:用無患子植物做皂洗過程的浸泡搓揉染好的布(楊惠媖提供)
圖七:用熟曬的薑黃、檳榔萃取植物色素染出獨特的顏色(楊惠媖提供)
n 草木灰的化學
草木灰中含有碳酸鉀(potassium carbonate),碳酸鉀的化學式為K2CO3,外觀是無色結晶或是白色顆粒,可溶於水,水溶液呈弱鹼性。草木灰加水攪拌、加熱讓碳酸鉀溶解於水。趁熱過濾並蒸乾水分,可得碳酸鉀結晶。不同植物的草木灰碳酸鉀含量不同。自古以來,許多不同的族群文化,已經知道利用草木灰的「草鹼」(即碳酸鉀),亦即利用火爐中留下的炭灰或草木灰,當作去油污的清潔劑。過去在平地稻田收割後,會就地把稻桿燒成灰,利用稻桿的草木灰所含的碳酸鉀當作鉀肥。泰雅族用炭灰水漂白苧麻線並除去油質,使苧麻的纖維更易染色。
在國外,化學的「鹼」的英文字alkali是從阿拉伯文「植物的灰燼」演變而來。日文的「石鹼(せっけん)」就是肥皂的意思。十八世紀德國科學家Heinrich Diesbach最早發現把草木灰和牛血加熱反應的產物再與氯化鐵(FeCl3)溶液混合,可以得到一種的藍色沉澱物,就是深藍色的顏料普魯士藍(Prussian blue)。因為草木灰中的碳酸鉀和牛血中含氮化合物,加熱以後形成氰化物,再與血中的鐵發生反應,得到黃色的亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6] (黃血鹽),與氯化鐵反應後,產生亞鐵氰化鐵(Fe4[Fe(CN)6]3)也就是普魯士藍。普魯士藍經常用來與其他顏料混合成許多不同的顏色,是很重要的基本顏料。
以草木燒成的草木灰含有鹼性的碳酸鉀,溶到水中呈現鹼性反應,炭灰加水煮成鹼性的炭灰水pH值大於7,能使紅色石蕊試紙變成藍色,鹼性的炭灰水可以洗去油污是因為碳酸鉀在水中解離成鉀離子(K+) 和碳酸根離子(CO32–) ,碳酸根離子與水作用(H2O)產生氫氧根離子(OH–),使得溶液呈現鹼性,其反應如式[1]所示。而一般油污主要成分是油脂類,又稱為三酸甘油酯化學式是CH2COOR-CHCOOR'-CH2COOR",其中R、R'、R"為長鏈烷基或烯基。在碳酸鉀鹼性環境下水解,三酸甘油酯生成脂肪酸鉀(鉀皂)和甘油,亦即產發生皂化作用,其反應如式[2]所示,鉀皂具有除去油污的功能。
K2CO3(aq) + H2O(aq) → HCO3–(aq) + OH–(aq) + 2K+(aq) [1]
CH2COOR-CHCOOR'-CH2COOR"(l) + 3OH–(aq) + 3K+(aq) →
R-COO–K+(aq) + R'-COO–K+(aq) + R"-COO–K+(aq) + HOCH₂CHOHCH₂OH(l) [2]
n 植物染的化學
大部分植物含有色素,植物色素分佈於植物的各個部位,一種植物可能含有不同種類的色素。天然植物的色素中,葉綠素最為普遍。植物染成的顏色以棕色、褐色或淡黃居多,紅色、黃色甚至藍色、紫色則較少,紫色染料是最珍貴的染料(何子樂,2000)。染布的過程就是要讓染料色素經由化學作用,滲入布料並附著在所有纖維上,耐洗不褪色。台灣可以取得的植物染料種類很多,常見的芭蕉汁、荔枝葉、荔枝殼、相思樹皮、洋蔥皮、芒果樹皮與葉、石榴果皮、梅樹樹枝,甚至地瓜葉都可以做染料。
隨著染布過程中,不同因素的影響,同一種植物的色素,會變化出不同顏色。同一種植物染料因布料材質(植物性或動物性纖維)、加入的染媒劑不同、酸鹼、濃度、溶解度、溫度、光照、空氣接觸以及時間長短等多種因素,而染成不同色調。南投中寮媽媽們染製的四朵玫瑰胸花都是用地瓜葉染絲布,卻出現不同的顏色(見圖八)。同樣用洋蔥皮染的兩條絲巾,卻出現不同的色調(見圖九)。這是因為染媒劑在布料纖維與色素之間扮演「聯繫者」的角色。染媒劑會與纖維產生鍵結,同時也與染料的色素產生鍵結,於是將纖維與色素兩者緊緊地結合,達到染色的效果。通常植物染的布料以天然纖維的染色效果最好,像棉、麻、蠶絲等,尤其是蠶絲的效果最好,棉的效果最差。因為植物製染料可和動物蛋白質分子如蠶絲,彼此產生吸引力而讓色素與纖維緊密結合。植物染的布料在使用一段時間後,色澤會更自然,尤其是一、兩年後,色澤最美(陳碧棠,2001)。
圖八:都是用蕃薯葉染成的不同顏色的蠶絲布花(傅麗玉攝,2001)
圖九:同樣用洋蔥皮染成的不同色調蠶絲巾(傅麗玉攝,2001)
染媒劑種類繁多,現代的染色技術只需最少的時間與人力就可染出想要的任何顏色,成本又很低,但是經常用到有毒化學物質,容易造成水質污染,傷害人體皮膚,甚至可能致癌。原住民族用草木灰作為染媒劑幫助固色,讓布料纖維與染料容易結合。而且天然的染媒劑所染成的顏色有獨特性,其欣賞價值顯然高於一般化工量產的化學染布。原住民族傳統植物染的技術非常值得研發。
n 參考資料
1. 何子樂(2000)。染料傳奇。科學月刊,31(2),154-163。
2. 孫秉棚、楊惠媖、黃寬雄、王子恩、葉瑋萍、黃瑜柔、夏偉紘(2010)第二屆 原住民華碩科教獎金牌獎。「穿上彩虹衣.阿美族植物染」研究報告。取自:http://yabit.et.nthu.edu.tw/2014yabit/post_award/award_detail.php?tid=2011034&award_year=2011(2015/02/01)。
3. 馬芬妹(1999)。青出於藍–台灣藍染技術系譜與藍染工藝之美。南投:台灣省手工業研究所。
4. 高憲章(2014)魔術般分子結構的配位化學:維爾納獲諾貝爾獎百周年。科學月刊。取自:http://scimonth.blogspot.tw/2014/01/blog-post_740.html(2015/02/12)。
5. 陳千惠(2002)。台灣植物染。台北:大樹文化事業股份有限公司。
6. 陳碧棠(2001)。台灣植物染料。染化資訊。
7. 傅麗玉(2004)。原住民生活世界的科學 ─ 泰雅染料。原住民教育季刊,36,5-32。
「膠體溶液的帶電性與凝聚」的回饋與補充
施建輝
國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 簡述回饋、更正及補充
針對《臺灣化學教育》第五期「膠體溶液的帶電性與凝聚」一文,簡述回饋、回應、更正及補充如下:
A. 回饋-1:以硫化砷說明「金屬的硫化物則帶負電」有不妥之處,因為砷為非金屬,不宜以此例說明「金屬的硫化物則帶負電」。
回應:非常感謝,應改為硫化鎘或硫化鋅等金屬硫化物才合適。
B. 回饋-2:膠體溶液的帶電性以吸附層、擴散層說明是膠體化學常有的說法,但是文中所附圖片都是呈現「單一離子」,似乎不妥,應該有其他離子被吸附,只是有量多量少的區別罷了。
回應:除膠核之結晶態結構僅能吸附特定粒子,吸附層與擴散層確實應該有帶不同電荷的離子被吸附,僅是數量有多有少,詳見圖5。
C. 回饋-3:「氫氧化鐵溶膠:氯化鐵溶於水可製得氫氧化鐵溶膠」描述太簡略,因為將氯化鐵溶於水無法製得氫氧化鐵溶膠,應該是「氫氧化鐵溶膠:氯化鐵溶於沸水可製得氫氧化鐵溶膠。
回應:謝謝告知,藉此各位讀者可了解如何配製氫氧化鐵溶膠,非常感謝。
D. 回饋-4:金屬的氫氧化物帶正電,金屬的硫化物則帶負電」不適用於某一反應物過量的情況,例如Fe(OH)3膠體溶液,以FeCl3與KOH配製時,若是FeCl3過量,則氫氧化鐵溶膠帶正電;若是KOH過量,則氫氧化鐵溶膠帶負電。
回應:可參考課本原文「金屬的氫氧化物帶正電,金屬的硫化物則帶負電」僅適用於「氯化鐵溶於沸水製得氫氧化鐵溶膠」這種特例,若某一物質過量,即不適用此段文字。此一回饋將於後文中詳加論述。
E. 更正:膠核(colloidal nucleus)應包括結晶態(aggregate)吸附層中緊密吸附之與結構有關之離子,詳見圖6。
F. 專有名詞英文更正:膠粒(granule),詳見圖6。
G. 專有名詞英文增列:膠團(micelle or colloidal particle),詳見圖6。
n 翔實說明
「拋磚引玉」這句成語,在《臺灣化學教育》第五期「膠體溶液的帶電性與凝聚」一文獲得見證。該文章發表後,不久即收到我多年的老友,在高中化學老師中可說是學養相當豐富的老師,該老師對我的文章內容頗多肯定,但也指出一些闕漏之處,如上述回饋內容,對我有震聾啟聵之效,並提供參考文章供我閱讀,本人非常感佩。基於該位老師的特別叮嚀:「低調」,只好姑隱其名。本文將就這位老師提供的參考文章進行補遺的工作。
根據Panet-Fajans’s rule: Only these ions, which are included in the structure of the insoluble salt crystal or those, that form insoluble compounds with the ions of opposite sign, included into the structure of crystal, can be adsorbed on the surface of an insoluble salt from solution.(見參考資料1),此規則描述:僅僅被包含在難溶鹽結晶的結構中的離子,或者形成難溶化合物具有相反電荷的離子,能夠從溶液中被吸附在難溶鹽類的表面上。例如:AgNO3(aq)與KI(aq)形成AgI(s),K+與NO3−不會被吸附在AgI(s)的膠核表面。若是AgNO3(aq)過量,則AgI的膠核表面會吸附Ag+,如圖1所示。此時此一粒子帶正電,因此吸附溶液中帶相反電荷的離子,即NO3−,而NO3−又分成吸附層中的NO3−(此稱為bound counter ions)和擴散層中的NO3−(此稱為free counter ions),如圖2所示。可見前者是「緊密」吸附而後者是「鬆散」吸附。
圖1:AgI的膠核先吸附過量的Ag+
(圖片來源:參考資料1的Fig.17.1)
圖2:再吸附屬於相反電荷的NO3−,而NO3−分成內層的吸附層離子和外層的擴散層離子。
(圖片來源:參考資料1的Fig.17.2a)
當膠體溶液通電時,則內層的吸附層NO3−跟著膠核移向負極,而外層的擴散層NO3−移向正極,如圖3所示,可驗證兩者於膠體溶液中有差異性。也對本刊第五期「通電後,帶正電的氫氧化鐵溶膠移向負極」,如圖4所示,做出說明。
圖3:通電時,吸附層NO3−移向負極,擴散層NO3−移向正極
(圖片來源:參考資料1的Fig.17.2a)
圖4:通電後,帶正電的氫氧化鐵溶膠移向負極(第五期的「膠體」一文的圖12)
前述「回饋-2」提及:「除膠核僅能吸附特定粒子,吸附層與擴散層確實應該有帶不同電荷的離子被吸附,僅是數量有多少之別」。圖5為氯化銀(AgCl)在過量的硝酸銀(AgNO3)溶液與0.1 M硝酸中吸附各種離子的示意圖。圖中可看到結晶態的AgCl表面僅吸附與其結構相同的離子Ag+與Cl−,由於溶液中存在過量的硝酸銀(AgNO3),因此結晶態的AgCl表面吸附較多的Ag+而帶正電,此一膠核再吸引帶負電荷的NO3−,但同時也有Ag+、H+在其間,可說明實際吸附狀況。
圖5:膠核吸附粒子的示意圖
(圖片來源:參考資料2的Fig.8.2)
接著,說明當膠體溶液形成時,某一物質過量時的帶電情況。
A. 以氯化鐵(FeCl3)溶液與氫氧化鉀(KOH)溶液混合為例:
1. 若是FeCl3過量,則其化學反應,如式[1]所示:
FeCl3(aq, excess) + 3KOH(aq) → Fe(OH)3(s) + 3K+(aq) + 3Cl−(aq) [+ Fe3+(aq)] [1]
其膠團的示意圖,如圖6所示:
圖6:FeCl3過量時形成膠體粒子的中英文對照圖
2. 若是KOH過量,則其化學反應如式[2]所示:
FeCl3(aq) + 3KOH(aq, excess) → Fe(OH)3(s) + 3K+(aq) + 3Cl−(aq) [ + OH−(aq)] [2]
其膠團的示意圖,如圖7所示:
圖7:KOH過量時形成的膠體粒子
B. 再以氯化鋅(ZnCl2)溶液與硫化鈉(Na2S)溶液混合為例:
1. 若是ZnCl2過量,則其化學反應如式[3]所示:
ZnCl2(aq, excess) + Na2S(aq) → ZnS(s) + 2Na+(aq) + 2Cl−(aq) [ + Zn2+(aq)] [3]
其膠團的示意圖,如圖8所示:
圖8:ZnCl2過量時形成的膠體粒子
2. 若是Na2S過量,則其化學反應,如式[4]所示:
ZnCl2(aq) + Na2S(aq, excess) → ZnS(s) + 2Na+(aq) + 2Cl−(aq) [ + S2−(aq)] [4]
其膠團的示意圖,如圖9所示:
圖9:Na2S過量時形成的膠體粒子
總結上述內容,應該可說對「膠體溶液的帶電性」做了更詳細的說明。在此再度感謝該位「低調」的老師的回饋,使本文能更翔實,也期望其他讀者若對這方面有更好的見解,請繼續提供建議,讓我們這群任教於高中化學的老師,能對學生有正確的表述內容。
n 參考資料
1. A. Rauhvargers, General Chemistry for Medical Students I, Riga, 1993.
2. Daniel C. Harris, Quantitative Chemical Analysis, 3rd Ed., New York: M. H. Freeman and Company, 1991.
3. 膠體及界面化學入門(Introduction to Colloid and Surface Chemistry 4/e),Duncan J. Shaw原著,張有義、郭蘭生編譯,高立圖書有限公司。
國內外化學教育交流
林靜雯
國立東華大學課程設計與潛能開發學系
[email protected]
n 內容摘要
一、EC2E2N NewsLetter(2015年2月刊)搶先線上閱覽!
二、化學教育重要研討會期程
n 詳細介紹
一、EC2E2N NewsLetter(2015年2月刊)搶先線上閱覽!
EC2E2N NewsLetter由European Chemistry and Chemical Engineering Education Network於1999年創立的電子報,英文版,一年有五期,每兩月出一期。電子報通過電子郵件免費寄發給所有協會會員和註冊讀者。自2011年以來,每年至少出一期The International Year of Chemistry會議論文特刊,以關注某一地區之化學教育或化學教育之某一議題。
本期為2015年2月刊,是以“Chemistry teaching and learning, at secondary and tertiary levels of education and between them” 為主題的特刊,刊登的13篇文章,涉及以下四個議題:1.化學教育的多種層面和類型;2.品質之保障—教職員工的發展;3.教育尖端科學(如Nano-chemistry)和RRI(Responsible Research and Innovation approach,負責任的研究與創新途徑);4.致力科學與教育之非政府機構。
此期刊為免費的電子刊物,詳情請點閱網頁:http://www.ec2e2n.info/contact-us。此期刊邀請大家使用這個電子郵寄地址:[email protected],踴躍投稿到:http://www.ec2e2n.info/contact-us。請點閱Communication and NewsLetter(溝通與電子報)一節。
二、化學教育重要研討會期程
A. The 6th Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 6th NICE(第6屆亞洲化學教育言會)之國際研討會
地點:日本科學未來館,日本東京都江東區青海2-3-6
日期:2015年7月29-31日
相關網址:http://www.u-gakugei.ac.jp/~nice2015/
摘要投稿截止日:2015年6月25日
早鳥報名優惠截止日:2015年5月31日
B. The 45th IUPAC World Chemistry Congress(第45屆IUPAC世界化學大會)—「智能化學,讓生活更美好」
地點:韓國釜山
日期:2015年8月9-14日
摘要投稿截止日:2015年4月30日
早鳥報名優惠截止日:2015年6月30日
C. The 16th Asian Chemical Congress, 16th ACC(第16屆亞洲化學會議)
地點:孟加拉
日期:2015年11月18-21日(Chemistry Education in Taiwan 2014, 1上面刊登的時間為8月,已更動)。
網址:http://www.chemhome-bcs.org/16acc/
詳細訊息將於稍後公佈於網站。
D. Pacifichem 2015 (環太平洋國際化學會議)
地點:美國夏威夷檀香山
日期:2015年12月15-20日
相關網址:http://www.pacifichem.org/
摘要投稿截止日:2015年4月1日
早鳥報名優惠截止日:2015年11月11日
Pacifichem 2015年的主題是化學網絡:建立跨太平洋之連結,強調化學是為跨學科的科學之合作性本質,並強調於此會議中組織泛太平洋研究小組的機會。
關於議題「11. Connecting Chemistry to Society(化學與社會連結)」至少會安排五次研討會。
《臺灣化學教育》第五期(2015年1月)
目 錄
n 主編的話
n 本期專題【專題編輯/廖旭茂】
u 化學宅急便—掀起「科學動手做」新風潮/廖旭茂〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:化學學科中心推動「玩闖關學化學」/龔自敬、張雅雯〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:北一女中校慶化學宅急便嘉年華(上)/周芳妃、張永佶、詹莉芬、許名智、陳祖望、吳淑芳、江慧玉〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:北一女中校慶化學宅急便嘉年華(中)/周芳妃、張永佶、詹莉芬、許名智、陳祖望、吳淑芳、江慧玉〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:北一女中校慶化學宅急便嘉年華(下)/周芳妃、張永佶、詹莉芬、許名智、陳祖望、吳淑芳、江慧玉〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:林口高中Fun科學/林明祥〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:武陵高中綠能闖關活動/張明娟〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:竹園實中「來實驗玩實驗」/謝道任〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:彰化高中暑假科研營/劉曉倩〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:竹山高中為學生的科學點燈/馮松林〔HTML|PDF〕
u 化學宅急便:化學闖關活動在臺東/謝耀隆〔HTML|PDF〕
n 教學教法/化學小故事【專欄編輯/洪振方】
u 原子與電子理論的建立和發展(上)/李啟讓、陳文靜〔HTML|PDF〕
u 原子與電子理論的建立和發展(下)/李啟讓、陳文靜〔HTML|PDF〕
n 教學教法/K-6化學課程與教學【專欄編輯/洪文東】
n 教學教法/多元教學法【專欄編輯/翁榮源1、鐘建坪2】
u 化學學科行動學習翻轉式教學實例分享1/翁榮源〔HTML|PDF〕
u 學思達教學的啟示與登場—我在十四年教學生涯之後的全面革新2/羅勝吉〔HTML|PDF〕
n 化學實驗/微型化學實驗【專欄編輯/方金祥】
u 創意微型實驗—微型氧氣製備裝置/方金祥〔HTML|PDF〕
n 化學實驗/化學實驗含影片【專欄編輯/楊水平1、廖旭茂2】
u 「大象牙膏」變成「碘沖天泡」/倪行健1〔HTML|PDF〕
u 趣味化學玩具:神奇鐵磁流體的玩法與合成2/黃蕙君、邱姿蓉〔HTML|PDF〕
n 生活化學/多元文化的化學【專欄編輯/傅麗玉】
n 生活化學/化妝品DIY【專欄編輯/鍾曉蘭】
n 教學教法/高中化學教學疑難問題與解題【專欄編輯/施建輝】
主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所教授
國際純粹化學與應用化學聯盟(IUPAC)化學教育委員會主任委員
中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員
[email protected]
“Imagination is more important than knowledge. For knowledge is limited, whereas imagination embraces the entire world, stimulating progress, giving birth to evolution.”〝想像比知識重要,因為知識是有限的,而想像則擁抱全世界,它激發進步與孕育發展。〞
愛因斯坦(Albert Einstein)
2004年有幸在臺灣舉辦國際純粹化學與應用化學聯盟(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)化學教育委員會的「年輕化學大使」(Young Ambassadors for Chemistry, YAC)計畫案,臺灣成為在該計畫下全球第一個辦理促進大眾理解化學YAC活動的國家,然後第一期陸續在南美(阿根廷)、東歐(俄羅斯)、亞洲(韓國)、南非等地複製台灣經驗。當年臺灣的模式是先於臺灣師範大學進行教師培訓工作,採取Train the Trainers概念,然後再由培訓出來的種子教師帶領學生在臺北101大樓的廣場進行讓社會大眾參與的科普活動。活動內容以動手做化妝品為主,藉由一系列的活動讓社會大眾認識生活化學,並希望建立大眾對化學的正確觀點與態度。由此,這種大手、中手、小手一起牽手來推動科普的工作,陸續在世界各地展開。該計畫主持人是荷蘭籍的Dr. Lida Schoen,本人自2004年主辦此項工作後便與YAC結下一段長達十年的因緣。2006年正式成為IUAPC該計畫第二期的共同主持人。在這段期間到過韓國、菲律賓、馬來西亞、模里西斯、波多黎各、衣索匹亞、墨西哥、巴拿馬等地推廣化學教育培訓化學教師,並藉在地資源討論化學在生活中可能扮演的角色,及進行生活化學實驗。我們在資源非常匱乏的國家也看到令人感動的「窮則變、變則通」的實驗方式(見圖一),以及熱忱的化學教師展現許多潛能。去年11月和Dr. Schoen一同到泰國和柬埔寨進行該計畫的最後兩個國家的師資培育工作,到此時該計畫一共累積40次活動、36個國家的YAC推廣活動,足跡遍及歐洲、亞洲、中南美洲、非洲等地(見圖二)。然後Dr. Schoen再度回到臺灣參觀十年前所培育的教師在宜蘭和臺北繼續推廣YAC的教學。我們深感YAC已在臺灣開花結果,為該計畫劃下美好的句點。在歷次旅行中,我們遇到許多不同特質的教師,有對科普抱持懷疑的態度、有認為不易尋找具在地性的生活素材來建立與化學的關係、有被動的只期待我們提供所有的材料,但是我們總認為要讓科普生根就必須改變教師的教學知能、培養教師問題解決與創新思考的能力。因此我們設定所有活動從連絡教育主管機構與公共場域主管單位、準備化學藥品、器材、製作化妝品、行銷溝通、口頭報告等等都必須由教師自己完成,然後經由教師個人的經驗傳遞給學生,再由學生擔任化學大使傳遞給大眾,透過簡易的化學實驗常可以感動不同年齡層的普羅大眾,而教師也經由這樣的歷程而發展出具自信的教學知能。除此之外,最讓我們感動的莫過於在有限的資源條件下,主辦單位盡其可能為教師辦理專業知能工作坊、引起參與的教師的熱情與使命感、以及促進學生們對化學的高度興趣。在這過程中所有參與人皆超乎預期的投入與創意,在在讓我們驚艷,尤其是那些原來持質疑與觀望的態度而轉而為積極、參與、合作、認同的教師。這樣的轉變常讓我們覺得事前信件溝通問題、長途飛行的勞頓、以及陌生國境中旅途驚嚇等都不足以阻擋我們致力於推廣化學教育的決心與熱誠。
圖一:資源匱乏的國家「窮則變、變則通」的實驗方式
由左而右:台北101大樓(2004)、宜蘭友愛百貨公司前(2006)、台北火車站(2008)
由左而右:模里西斯(2008)、菲律賓SM百貨公司(2010)、墨西哥(IUPAC, ACS與墨國化學會理事長來訪, 2012)
由左而右:衣索匹亞阿迪斯阿貝巴(2011)、泰國曼谷科學館(2014)、柬埔寨金邊(2014)
圖二: YAC在36個國家推廣活動的舉隅
這一期的「本期專題」—「化學宅急便」相當精采,讓我聯想到上述YAC,同樣是一群熱心具使命感的化學教師促成化學教育推廣。「化學宅急便」介紹自2011年國際化學年起在化學學科中心推動下在各高中展開的化學動手做實驗活動,至今已邁進第五年。此次專題由各校負責的高中化學教師們為文介紹活動推廣的內容與成效,內容相當豐富可供他校參考。每篇文章介紹教師精心設計的活動與學生參與的喜悅,也讓我想到每次辦理「年輕化學大使」的活動,都覺得參與的教師、學生和大眾帶來遠多於我們所給的感動。此次專題由大甲高中的廖旭茂老師負責,他長期投入創意實驗教學、活化學校實驗生態、帶動校內各項活動並獲得許多獎項。廖老師邀請一群教師分享教室外的學習活動,而這些活動的設計和執行都是教師額外的工作。沒有熱情且使命感是無法衝出目前僵固和封閉的教育體制。
在本期的常態性文章中,實驗設計與活動規劃仍是重點,再加上創新教學法以及化學史的介紹。李啟讓與陳文靜兩位教師介紹「原子與電子理論的建立和發展」,透過原子模型發展史的敘述,展現科學本質的動態性。洪文東教授修正創造性問題解決的教材設計理念對國小「酸鹼」主題進行教學模組設計,其活動過程重視「產生困惑」、「發現問題」、「產生想法」、「選擇想法」、「評鑑結果」等認知能力的發展。翁榮源教授以〝化學學科行動學習翻轉式教學實例〞,分享介紹新興科技與教學的結合。羅勝吉老師的〝學思達教學的啟示與登場〞說明其對目前課程實施的現況提出另有方案,提供教師們參考。方金祥教授再度展現創意微型實驗設計。一般而言學校實驗經費與設備有限,簡易實驗的介紹時可改進學校實驗的現況。倪行健老師的〝「大象牙膏」變成「碘沖天泡」〞,變化原來既有的實驗操作,改成小科展,讓學生經歷控制變因、操縱變因。設計一個全新的實驗著實不易。若能將既有的實驗加以改良,未必不也是一種創意!傅麗玉教授以其擅長的原住民科學教育,介紹泰雅族的醃苦花魚,以食鹽濃度、滲透壓、發酵等的概念說明如何產生防腐效果。鍾曉蘭老師的化妝品實驗的介紹延續之前的主題再進一步說明。施建輝老師再次引經據典將高中易混淆的〝膠體溶液的帶電性與凝聚〞概念以深入淺出的方式解惑,對第一線教師在教學上的助益頗大。
本期介紹許多對化學教學與實驗設計的創新想法,在12年國教即將來臨之際,希望對未來的科學實驗設計與探究活動的規劃有其參考的價值,讓教師勇於嘗試新的教學策略,使學校的科學教學更加具有多元性與彈性、更能啟發與提升學生的創造思考與動手做的能力。