臺灣化學教育

共同備課的意義：話學思享佳之探究與實作課程共備開發之經驗分享

 陳慧真¹*、陳家蓉¹、 藍偉瑩²

台北市立育成高中¹ 

台北市立麗山高中²

[email protected]*

自102學年度成立共同備課社群

台北市化學跨校社群自102學年度成立後一直以化學必修與選修課程為範疇，進行共同備課，並在104學年度完成各單元的學習共同體學習單設計。105學年度起，除了延續課程實施的經驗分享外，為了幫助每一位成員面對新課綱上路後的課程變化，所以社群展開了新的計畫，那便是完成自然探究與實作的課程設計。

話說，自從108課綱(以前是107課綱)被提出來之後，許多人對於其中的授課時數下降都憂心忡忡。對於自然科教師來說，這刀砍下去還真的是蠻痛的。因為我們必修基礎科學學分數從現今的16減為12學分，而這12學分當中，屬於基礎科學課程的只有8學分，但另外4學分卻變成了探究與實作課程。乍聽到這個課程名稱，我想很多人心裡也許都會跟我有一樣的疑問是”那是要每個學校都來教如何做專題的意思嗎?”然後就一頭霧水的等待專家學者跟我們解說到底探究實作要教些甚麼、做些甚麼。

因為知道大家的困惑與不安，所以在105年8月1日的全臺北市自然科跨校社群暑期研習辦理了一場關於探究與實作的課程介紹。一開始，我們依照自己的學科認知將領綱中關於探究與實作的「課程目標」部分進行文字的修改，希望藉此能讓大家在設計課程時，能夠選出更合適的課程目標來規劃課程。這樣的活動由討論、整理再到發表，大概就要花上一、兩個小時。然後將各科、各社群分組，針對探究與實作設定一個主題來開發、設計課程，最後再集合進行發表。

發展水的探究與實作課程

在那次的活動中，我們社群也選定了「水」作為我們探究與實作的課程主題。當時我們要完成的工作是這樣的：我們要在兩個小時內設計出一個為期九週的課程雛形，然後每一週都有不同的目的，在當週課程中還要說明概念分析。這樣的工作剛聽到時很令人感覺慌張，因為探究與實作對我這樣沒有長期在帶專題或科展的老師來說，真的很難想像到底要如何完成課程設計。但因為有著麗山高中藍偉瑩老師與龍山國中鄭志鵬老師當年度帶領學生在科教館進行的水質檢測實驗計畫可以參考，所以我們很快速地訂出每週的課程單元與概念分析，參見表一。

                                              表一 水的探究與實作的九週課程主題表

當開學後回到社群準備繼續要發展這個課程時，我們的規劃是這樣的：每次共備的前半段就是先分享之前設計的學習單的使用狀況，後半段的時間才是進行探究與實作課程的小組討問。一開始因為大家對於學習單還是有很多教學上的狀況想要討論，所以都大概只能留下約莫半小時時間給探究與實作。以我自己所參與的小組為例，我們在每次的討論中，都會從原來的雛型中，找到一個關鍵的概念或目標，然後針對這個觀念或目標進行課程與問題的設計。由於我們這組的夥伴老師們很多都有多重的身分在身上，以至於無法每次都參與課程討論，所以我們會把這次修改過的部分以其他顏色標記，再將設計理念以小方框進行說明。這樣，就可以讓每位夥伴即使缺席了也能了解大家的設計結果。

另外一方面，我們也要隨時關注前一週的小組夥伴老師所設計的課程，因為如果他們有提過的概念，那我們就可以繼續發展或省略不提，因此，後半年開始，我們就逐漸拉高小組設計課程在共備中的比例，然後利用最後的半小時時間進行各組的報告。雖然我每次遇到這種時間就備感壓力，一方面擔心我們設計的課程不夠有深度，另外一方面是感覺自己似乎一直抓不到探究與實作課程的理念，所以擔心設計得不好。每次報告時，夥伴們總會提出許多問題，比如說「這樣做得完嗎?」、「實驗器材清單要學生多久以前繳交?」、「來得及準備嗎?」…等等這類很實際的問題。這些問題我們在設計課程時或許曾有夥伴提出來，可是大家意見不一，所以還是規劃進去了。可是當我們發表時被提問，就會發現我們的想法可能太過天真，在實際操作面上也會有困難。大家或許在聽到別人對自己努力設計的課程有這樣的提問時，會有點感到不開心。但事實上，我們的小組夥伴在聽到這些意見時，我們沒有不舒服的感覺，因為過去這些年共備的經驗讓我們知道，夥伴們提出來的，是因為已經在想像當他們要操作這些課程時，有可能遇到的困境。所以他們所提出的意見是擔心而不是批評。但也因為有這些疑問的提出，我們才能知道要怎麼樣設計才能減少學生在時間上的浪費，然後也能思考如果這個課程真的要應用時，我們要先做哪些準備才不至於手忙腳亂。

我們也會把大家有興趣且方便操作的實驗設計想法搬到共備的現場來操作看看。比如說，因為我們課程中探討水質時有提到一個名詞叫做「TDS」(Total dissolved solids，總溶解固體)，而坊間有可以測量TDS的簡易檢測器材，所以我們就準備了檢測筆及各項的飲料與溶質來測試各種溶液的TDS質。因為這是很新的議題與觀念，所以夥伴們都感覺很有趣，有些數據所得到的結果還與我們想像的不一樣，當場就又是另外一種腦力激盪的時刻了。也有夥伴將製造氣泡水的機器帶來，除了製作氣泡水，還可以討論酸鹼性及氣體的性質。

參與探究與實作發表會能加速進度

就這樣，當我們的教案還在緩慢但穩定的前進時，有一天，藍偉瑩老師詢問大家要不要來辦理一場探究與實作課程設計的發表會。大家一時間似乎也想不到不要辦的理由，然後就決定在106年6月13日辦理研習活動。這個發表會除了很有挑戰性之外，也是讓大家的進度快速前進很大的動力。雖然在發表前的最後兩三次共備時，許多老師因為忙於校內外各項活動，而無法來參加共備，但大家還是輪流付出時間與心力，像我們這一組就是利用6月初的某個下午，請兩位暖暖高中的林芙蓉老師及王嘉萍老師來到台北市一同進行討論，完成了最後的課程設計，而其他小組的夥伴老師則是必須利用深夜時分，小孩都睡著了之後才能進行課程設計或修改。這段期間中，我感覺最為焦慮的則是我們在發表前的最後一次共備活動。因為那次共備時，不但藍偉瑩老師無法出席，連我們另一位元老蘇淑菁老師也不能來，我被指派要擔任主持人，完成最後綜整工作。這對於不善於指導研究的我來說，真的是蠻大的挑戰。在那次的共備中，我請夥伴們將看似完成的教案依照我們原先設計的格式整理好，並且請大家務必將學習單一併完成。說出這樣的希望時，其實我有點擔心，一方面是因為我們的成果在三天後就要發表，可是大家要修改的東西看起來還不少。另一方面是不知道大家能否接受這樣的建議。但就如同先前所提到的，我們的夥伴間信任度很夠，所以對於大家的建議，都是往「希望能做到更好」的方面去思考，也因此即使是預期可能要熬夜才能完成，大家都能夠接受意見並努力完成。

在研習發表當天，雖然參與的人是社群夥伴多於其他老師，看起來好像只是將共備的場景搬到其他學校而已。可是，當看到社群夥伴們陸續上去發表我們的教案，並且有邏輯且有規劃的傳達探究與實作課程的內涵，我覺得這一年中，每個月一次的時間付出很值得。並且，透過這樣的課程設計，也讓我對於未來即將面對的課程不用感到害怕。目前，我們打算將把這些課程設計融入在育成高中高一實驗班課程中進行，也預計辦理公開觀課與議課，邀請社群的老師一起來觀課。透過實際觀察學生們的施做，來驗證我們備課時的想像，進而將課程設計的更流暢完整，讓有興趣利用這個課程設計的老師能夠安心的使用。

共同備課的意義：參與化學跨校共備社群的歷程及其影響 

 蘇芳儀¹ *、詹簾恩²

台北市立中山女子高級中學¹

新北市立清水高級中學²

[email protected]*

●緣起

各自表述一：

        筆者(蘇芳儀)擔任化學教師多年來，教學方式以講述式為主，自知仍有不足及需精進之處，一直盼望有個機構或團隊能與其一起成長、學習，加上近年來學生學習動機有逐年下降的趨勢，適逢三年前帶高三畢業考完，上網找些研習，看到當時麗山高中辦了許多有趣的研習，猶記當時參加高雄瑞祥高中莊福泰老師科學閱讀的課程分享、藍偉瑩老師以學習者為中心的話學思享佳共備，讓我印象深刻，例如：講者分享著自己是如何設計課程、學生及老師遇到哪些瓶頸、如何突破與未來期望等，內容有許多都是我想再更深入了解及參與，在得知話學思享佳每個月有一次週六共備，即報名參加了。參與了幾次高一基礎化學的共備後，發現社群中大家對於學習單當中內容難易度及問題的設計，踴躍提出諸多疑問及想法，大家共同討論並解決，整個氣氛是知性且和諧融洽的，讓我萌生了持續參與的意願。

各自表述二：

        筆者(詹簾恩)目前執教已經六年了，在代理學校已有參加跨科的學共共備社群，當中社群增能研習，有請到偉瑩老師來分享，才知道北市化學有這個共備團，又恰好考回新北的學校就加入了共備社群。而加入前的教育理念與教學則是關懷陪伴孩子們進行學習、培養孩子們的科學精神，但較多紙本上的觀念統整與講述，很擔心孩子聽不懂，會一直想塞東西給孩子。剛進社群時的身分，是一個代理三年終於考上正式教師的我，加入社群只是想看看到底社群內的運作與實際內容是什麼，而我屬於一個觀察者、一個被動者。

    經由參與的過程中，感受到大家的認真努力以及想為教育付出的心，我隨著社群的大家一起設計課程、一起分享課程，慢慢地從觀察者轉變成參與者。在社群最大的感受是大家互相信任與溝通協調，這是一個溫暖互助且專業的社群。

●參與化學共備社群的階段性

第一階段：化學課程設計

    在設計學習單之前，先於共備時討論各章核心觀念，大家一起討論、逐章繪出心智圖並分配各節授課時數，建立起各章課程架構與基本共識，如此下來每章平均花了2-3小時；於開學前，則先擬定本學期共備時程、預定要完成哪些事項、分組認領自己欲設計的章節，於開學後的每月共備時，依章節順序與大家分享並說明已設計的課程。

    我們這組第一學期認領設計的章節為基礎化學(二)有機化合物，先參考已建立好的本章節心智圖架構，組員雙方再分享自己認為重要的有哪些、學生先備知識、以前如何教…等，從各自表述中找到共識，分節寫出初版學習單；進一步從初版學習單，共同思考問題設計的模式是否具多重表徵且保有核心，依此邏輯進行教案修正。最後，模擬學生可能的答覆，以及衍生的問題老師如何因應，進行教案微調並產出最終版學習單，也才能於社群共備時發表。

這是一個非常棒的經驗，在沒有任何的外力阻饒下，單純就課綱內的課程激盪想法，因為一開始大家花了很多時間討論心智圖，把核心概念完整確立後，於分組設計完課程學習單，回到共備社群討論時才不至於大家意見太分歧。也因有了第一次的經驗，後續再合作產出共備教材，顯得較為駕輕就熟。而這種由教師自發性參與共備，合作設計問題導向教材的模式，提供教師在有同好的情況下，較有勇氣跨出舊有的教學框架，與夥伴共同學習、成長。

第二階段：觀課、議課與說課

   跨校共備設計出問題導向的學習單，回到各個老師的教室，學生學習的情況有何差異，教師如何因應，是我們接著關心的部分。於是，社群開始推動大家進夥伴教室觀課。觀課前，任課教師會先提供授課教材並簡單說明觀課班級的特性、預計如何帶領此單元、希望夥伴觀課時特別注意哪些部分。每次進夥伴教室觀課時，需記錄自己觀看到的組別學生使用學習單討論的過程，學生的神情、參與討論狀況、因討論而產生的疑問…等，將於課後議課時討論。

議課的部分，教師們針對觀課時所見到學生學習的狀況，提供給授課教師，並將課堂中發現的問題，大家進行討論並交換意見，且思考學習單於下次使用時應增修的項目；由於大家是建立在信任基礎上，了解觀課教師們所看的是學生上課學習的狀況，不會評論老師授課，而是幫助授課教師更加了解孩子們的學習狀況。每次議課後，對於授課教師或觀課夥伴的學習，都超越了共備時僅紙上談兵的收穫。

    當高一至高三的問題導向的學習單設計告一段落後，社群的共備進入了下一個階段：說課，主要是快速的瀏覽教材、說明期望學生在此單元學習到的能力、分享學習單在課堂上使用的狀況，並發展教師版的學習單，試著加入學生在課堂上較常出現的問題以及因應方式。這部分的聚焦，給予不同時期加入社群的夥伴、未能進教室觀課的夥伴以及未真正在教室使用學習單的夥伴，快速了解問題導向學習單的設計及操作面，讓大家能在使用學習單前，更加明白我們需要引導學生具備什麼樣的能力，同時搭配心智圖就能夠更了解學習單所有的設計脈絡。對於授課者而言，清楚的知道一份教材的脈絡，並且有系統的使用是很重要的。

第三階段：進行探究實作課程設計

面對108新課綱的變革，共備社群的夥伴們在2016的年暑假，一同了解探究實作課程是什麼，透過工作坊理解探究實作課程的素養指標，並且擬訂共備探究與實作課程的主題：水與水質相關的探討。在開始設計課程之前，於工作坊先針對課綱訂定的自然科學探究與實作四大項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等內容，逐條理解之外，也針對一年內社群需產出九週的探究實作課程教案達成共識，再分配各週需習得的核心能力，夥伴們分五組後著手進行課程設計。

        共備夥伴們一方面需依自己負責週次的核心能力，設計一系列問題導向的課程；另一方面，大家對於學生學習了九週的探究與實作課程後，需完成報告的樣貌達成共識，以終為始。而為了避免各組設計的課程重複或斷層，在社群共備時，夥伴們即可互相交流進度及內容，以確認學生學習的脈絡是否順暢。除了設計課堂上使用的學習單外，我們也發展了教師手冊，內容涵蓋學習單中的問題、對應能力指標、學習表現、教學說明等項目，如此一來，應可讓欲使用此套課程的教師們能夠更加清晰架構與發展。

        我們這組主要負責設計第一、二週課程，學生需習得的核心能力是：資料檢索與彙整、形成研究問題的能力，亦即學生在這兩週內要學會找可靠資料、讀資料、擷取重點，並從中發展出可研究的問題；關於每個項目用何種內容、方式切入，在組內大家花了許多時間討論，評估各種方式的優劣，凝聚共識後才產出課程。

        在大家的努力下，探究與實作的九週課程於今年六月產出且公開發表，我們也從分享中發現該套課程一些需調整的地方，待修改完畢後，將可先在夥伴學校試行。

●跨校共備對教師專業發展的影響

        加入跨校共備社群，學習到從核心概念出發，架構並設計出完整的問題導向課程，且藉由校際之間的交流、專業新知的注入還有創新教學方法的分享，使我們體會到聆聽與分享的可貴；也了解到在互信的前提下，良好的溝通協調較能相輔相成產出理想的教材。

        將這些習得的能力，帶回到各自學校，依據學校特色與學生程度，有利協助各校發展適合的課程，不論是校定必修課程、多元選修或是探究與實作課程，讓夥伴們有信心面對新課綱的改革。

共同備課的意義：跨科社群發展歷程  

林百鴻

前鎮高中

[email protected]

早期社群主要扮演學科教學進度編排、教學內容釋疑、教材教法分享等功能，對於教學尚未熟稔的新手教師來說，是教學成長的重要來源，不過隨著教學現場的改變，社群的組成方式和功能性勢必要有所回應。

八年前，本校自然科教師從「學生」和「教師」兩個層面分析發現：「學生」雖然具備基本的科學學科知識，但是對於科學的學習日漸被動，在沒有特別給予獎勵的情況之下，越來越少主動與教師談論科學議題，參與科學實作活動的學生也大量減少，大都是被動等老師給予套裝式的答案，也被動的等著老師教授課本內的知識，在學習動機普遍低落的情況下，學生學習科學的效果不彰；另外，「教師」部分雖然在師培過程中都受過專業科目的增能，但是跳脫專業知識外，對素養能力、真實情境議題、跨科整合議題卻是陌生的。

就因為當時不佳的科學學習情況是一個大家都有意識、且急迫要解決的問題，因此增加了共同組成社群的意願，期望能解決日益惡化的現狀。但一個能解決問題的社群，是需要時間磨合和專業成長，本文將針對本校跨科社群的發展做一分享。

一、初探期

初探期，社群的存在有明確的目標，因此社群教師皆具極高的動能想要解決困境，但在經驗不足、系統未整合以及教師須增能等因素下，這個階段通常只能處理問題的表象，因此後續還需要透過反思和回饋才能使社群成員能發現根本問題，進而實際解決問題並且推動社群成長。

本社群教師一開始先閱讀相關文獻，發現科學遊戲具有引發思考、趣味性等優點(楊明獻,2007)。另外，科學遊戲中的魔術，更能夠引起學生探究原因的動機。基於以上，大家決定以科學魔術的方式刺激學生的學習動機，並期待學生在探究原因過程中，能夠統合自身所學，提升學生問題自主解決的能力。為使大部分的學生都能夠有機會受到影響，社群教師們決定拍攝成影片，做為有獎徵答的素材。

社群教師當時候無法綜整各項能力指標來設計活動，所以大多憑藉著多年累積的經驗和素材來拼湊。為避免僅只於有趣，大家對科學魔術影片有三個主要共識：扣合課程內容、物品易取得、具可探討性。在這樣前提下，社群教師輪流展示適合拍成影片的科學魔術。經過一輪展示和蒐集後，大家找出八段能提取學生探究能力、解釋能力的橋段，並討論拍攝細節和問題設計。

活動結束後，社群進行了反思和檢討，大家發現短期加溫雖然有助於提升科學學習的動機，卻無法讓學生對科學探究的動機持續不斷，活動結束後，學生對於事物探求的好奇心迅速的衰減，就算有也僅止於影片中的內容，因此我們想解決幾個關鍵問題：1.科學魔術如何有系統的幫助學生?  2.學生回應熱烈，但能力普遍不足 3.科學素養能力不足  4.科學魔術的內容仍單屬某一科目。

二、教師增能期

經歷過初探期的反思，社群教師認為提升科學素養才是問題的核心，需要相應的科學素養課程才能扎根。不過大部分的社群教師都是理工專業背景，對於科學素養一詞是很陌生的，所以這個時期社群成員對於專業成長有急迫的需求。根據文獻，教師專業成長可以藉由「自我發展」和「相互學習」兩個途徑完成(歐用生,1996)，因此在社群教師討論後，決定朝著PISA評量試題的共讀和分享做起，讓大家對於科學素養有進一步的理解。

1.PISA科學素養專題分享：筆者與社群的另一位教師具備科學教育的專業背景，因此透過專題分享的方式，讓社群教師對科學素養有粗淺的認識。

2.PISA試題分享：社群成員從PISA範例試題中挑選有興趣的部分，自我研讀後做成PPT，再與社群其他教師做試題的深度分享。

3.外部專家增能：邀請科學教育方面的專家，進行科學教育理論和實務方面的分享，並透過專家的指導，調教大家對於科學素養的認知。

4.仿PISA試題創作：透過模仿和分享，讓社群教師嘗試素養導向的試題設計，體驗和平日習慣的出題方式之間的差異。依序將創作的試題透過焦點討論的方式，看到彼此試題的優點和不足。

這段時期走得很緩慢，沒有具體的產出成果，但卻是整個成長歷程中最重要、也最關鍵的時期。因為透過PISA試題的共讀和分享，以及PISA試題的模仿，讓教師們了解科學素養能力的核心觀念，藉此轉變課程設計的內涵和目標。不過，這個時期的我們經過反思後，發現了幾個問題：

1.分析時太過強調PISA評量架構，反而讓教師覺得困惑，出現很長的撞牆期。後來只做能力向度的分類，降低了不少困難，但教師對於素養概念的增長其實是相同的。

2.選擇分享試題時，教師習慣以自己的專業領域考量，分析時仍加入大量知識面探討。所以若能改用非自己學科的題目來做分析，可能會讓教師對於科學能力和科學知識有更進一步的區隔。

3.教師認同PISA的評量方式，但要遷移至素養導向試題設計的嘗試，出現很大困難。後來嘗試從PISA的文本繼續衍生試題，降低不少困難。

三、發展期

教師經過專業增能後，社群教師開始著手素養課程的發展。有了科學素養的基本認知後，教師設計的課程已經異於以往制式的架構。以教學內容來說，科學知識的灌輸已非主要，以教學目標來看，也已經不是「熱鬧」取向的課程，取而代之的是安靜、紮實的能力養成；社群教師各自完成了「科學遨遊」、「生活化學」、「生物採集」和「物理探索」等課程，雖然課程設計上已經有了突破，學生在學習過程也給了正面的回饋，不過透過反思我們也看到以下問題：

    1.教師設計的課程以自身專業領域出發，仍會不自覺地參雜許多知識性的內容，透過反覆在社群中分享和回饋，才能逐步修正為素養導向的課程。

    2.發展的課程由社群教師各自在自己的課堂上試行，因為授課對象的不同，教師在難易度的設定上也有很大的落差，因此成效難統一分析。

    3.因彼此的課程缺少橫向的聯繫，部分能力的培養課程在不同素材間重複出現，部分能力又鮮少人特別注意，因此課程目標紊亂。

四、盤整期

課程發展期，社群教師採取各自發展、領域時間分享和回饋的方式進行，雖然課程具有多元性、也有素養課程的雛型，但是缺乏整體性，也不具系統主軸，因此社群教師開始課程的盤整與整併。整併過程中，教師們發現彼此的課程要跨科授課會有很大的困難，主要的原因還是在於課程的設計裡仍涵蓋太多學科知識，甚至當其他科目教師提出修正建議時，該科目的教師會堅持是學生該具備的背景知識，因此造成設計者認為課程有需要、其他社群教師認為教授太多知識內容的矛盾，學科本位的衝突造成教師的焦慮，甚至部分成員退縮、萌生退出社群之意。

    不過這時期的衝突是很棒的成長歷程，因為衝突帶來了新的對話，也帶大家離開自己身處的舒適圈，開始思索對方的堅持以及自己的焦慮來源；換位的思考模式讓我們從最難以突破的本位主義中跳脫，重新定位素養課程。經過討論，我們從決定從兩個方向解決爭議：

1.引入焦點討論法的教學模式：課堂的中心從原本老師的角色轉變成學生，老師在課室中變成引導者，以有意義的提問，引導學生發現問題、討論問題、回答問題和反思問題。只要有良好的課程設計，學生可以從文本中獲取所需的知識，而老師著眼在能力的提取和提升。

2.閱讀國中理化領綱：從領綱中理解國中生所接受的自然教育，作為高一學生科學背景知識的重要依據。在以此為基礎，以不超過為原則，設計能力導向的課程。

   這兩項方式的導入，讓原本課程設計陷入僵局的情況有了實質的改善，課程內容也依據課程試行的現況和社群教師的需求做滾動式的修正。

五、成熟期

經過衝撞和磨合，大家重新思考素養課程的真正目的。經過討論，一致認為結合生活情境，讓學生具問題解決的能力才是最終目的。因此教師們改以鄰近的環境為出發點，鏈結學生關心的議題。另外，為避免重蹈太過專精於某些學科的知識，議題的研究尺度變得更寬，旨在培養學生以科學素養能力面對生活議題，甚至讓學生從數據的收集和分析，對公共政策提出建議。

也因為有了這些的轉變，大家課程設計朝著降低知識面的需求、增加科學素養能力面的培養，課程內容朝著發現問題、科學解釋和科學論證等方向規劃。因為這些核心的能力是所有自然領域教師所具備，因此教師不再懼怕跨科的課程，課程設計也漸趨成熟。

後記

「我要退出」，這是社群發展歷程中讓人最震撼的一句話。教師當時想退出的理由其實很單純：因為覺得難理解「跨領域」設計課程的方法和價值。這也才讓大家驚覺其實一直向前突破的過程中，總以為大家都跑在同一條線上，卻忽略了每一個夥伴的感受和接受度不見得一樣；也幸好有了這樣一句話，讓我們放慢步調重新啟動深度的對談，透過彼此的分享了解對方的擔憂和困惑。當然有了這樣的經驗，社群變成能安心對話與陪伴的環境，穩健的成長和共榮的氛圍變成了社群最重要的宗旨。

武陵高中自然科探究與實作前哨站 – 溫室氣體對全球氣候變遷之影響

吳德鵬

國立武陵高級中學

教育部高中化學學科中心

[email protected]

壹、前言

     依照十二年國民基本教育課程綱要–自然科學領域草案¹裏指出，科學學習的方法，應當從激發學習者對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學習者能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力，並強調跨領域學科之間的整合，以綜合理解運用自然科學。為強化上述目標，教育部於高中教育階段增列自然科學探究與實作課程必修學分，這門課不限單一科目授課、不限主題及方式，但是必須引導學生懂得自己發現問題、蒐集資料並進行分析、找出解決方案；有些教師沒有相關經驗，對開課感到焦慮。筆者學校武陵高中自然科的教師，曾以綠能科技為主題共同執行高瞻計畫，結束計畫後組成了共備社群，為期一年的社群運作討論出以『全球氣候變遷』為主題，作為108學年度開設的探究與實作課程的基礎，並將於106學年度在高一開設多元選修課程以試跑此課程，筆者在此先提供目前本校的規畫架構，並詳述其中溫室氣體影響的實作單元的操作方式，以提供老師作為一個討論的實例。

貳、開課架構

     目前本校預計開設的選修課程為2學分，是由物理、化學、生物、地科等共8位教師共同開課，分別授課兩班每班各24位學生，授課主題內容大致上如下:

1. 氣候變遷的聯想:(1)『便利貼』活動(2)影片介紹 (3)分組（訂定報告主題）
2. 科學文章閱讀：《農業排放氣體與溫室效應的關係》與《北極植物也覺得熱了》兩篇，教師挑選及擷取適當的文章，並共備設計學習單，引導學生閱讀學習基本概念。
3. 溫室氣體影響實驗: (1)CO₂(2)H₂O。
4. 顏色與融冰關聯實驗。
5. 分組主題報告，讓學生報告有興趣的相關主題，並共同討論。
6. 科學文章寫作教學，小論文產出。
7. 氣候變遷辯論賽，『川普是對的嗎?』為主題，仿青年尬科學方式進行。

叁、溫室氣體的影響之探究與實作

    二氧化碳目前存在大氣的比例，以及預估未來會排放的量，對全球暖化的影響可能最大，到底全球暖化是否是個騙局?又二氧化碳的濃度與溫室效應的影響程度有何關係?以下提供了相關課程，讓學生能進一步探討這疑問。

     首先實驗裝置使用了一個大型密閉樂扣箱，準備兩個寶特瓶放在兩側，在兩個寶特瓶內相對應的位置，再各裝置一個可測量溫溼度的傳感器，利用Arduino套件收集兩個密閉寶特瓶的溫濕度變化，此對照實驗組可以一邊充填溫室氣體，另一邊為正常空氣，並在兩個寶特瓶正中間裝置燈泡模擬太陽能，實驗裝置如圖一。此裝置是筆者藉由化學學科中心與高師大自造者基地合作辦理，於去年年底至今年年初一系列的研習活動所製作的，也歡迎老師們參加由化學學科中心，為探究與實作所舉辦的一系列教師增能研習，交流相關教學經驗。

圖一、定性分析的實驗裝置，設定每10秒偵測一次寶特瓶內的溫濕度變化

以下說明溫室氣體的影響之探究與實作兩節課的教學流程。

第一節課

(1)   先由教師示範實驗操作，步驟為左邊以鋼瓶充入CO₂ 40秒，右邊為空氣對照組，轉緊瓶蓋並將大樂扣箱加蓋後，ARDUINO主機連接電腦，觀察兩個密閉寶特瓶內讀取的溫溼度是否平衡達一致，然後開燈25分鐘後再關燈，由電腦紀錄過程的溫溼度數據變化。

(2)  再請各組討論並上網尋找相關資料15分鐘，預測左右兩組寶特瓶，開關燈後可能的溫度變化情形，並請各組先將討論結果填寫在黑板上，後再請各組說明預測的理由，並在FB群組分享找到的參考資料，過程如如圖二~四，讓學生學習小組討論、蒐集有用資料以及訓練表達能力。本過程大致上使用了POEC的教學策略²，藉由此相關活動讓學生預測、觀察、解釋、比較，溫室氣體對溫室效應的影響。

圖二、學生分組預測，填充溫室氣體與空氣的寶特瓶，哪一個開關燈後，溫度上升及下降較快?

圖三、藉由小組討論，分別上網找尋相關資料，以提供預測的相關證據。

圖四、上台解釋目前預測的依據，並上傳相關的參考資料於臉書等社群分享。

第二節課
(1)   在實驗前藉由兩個保特瓶都裝入正常空氣，開關燈後觀察，兩邊溫溼度變化是否相同，以此作為實驗器材校正的依據，並確定實驗數據的可信度，例如圖五的測試發現兩邊的溫濕度變化幾乎是一致的。

圖五、在實驗前教師須先校正實驗器材，並先作圖觀察。

(2)   為實驗數據整理的部分，將上節課ARDUINO偵測的實驗數據，整理成EXCEL的檔案給各小組，請各小組將兩寶特瓶內溫度及相對溼度隨時間變化的數據，利用EXCEL作圖分析(如圖六)，實驗後的結果大致上可以觀察到，含有較高濃度的CO₂寶特瓶，在開燈後溫度的上升(橘色線)比一般空氣(黃色線)高，若實驗的結果與各小組預測的不同時，可使用學習單規劃，請其討論是否為實驗器材與操作條件的問題，用以完成POEC教學策略裡觀察、解釋與比較的部份。

圖六、讓學生分析溫濕度變化的情形，並輔導其製作圖表，以利實驗數據的分析與判讀。

目前設計了三週，每週各2節的課程，分別探討以下溫室氣體及其交互的影響:

1. 乾燥二氧化碳與乾燥空氣對照實驗組:比較CO₂對溫室效應的影響。

2. 潮濕空氣與乾燥空氣對照實驗組:可藉由加入少量水，來比較H₂O對溫室效應的影響。

3. 潮濕與乾燥二氧化碳對照實驗組:比較CO₂混合H₂O對溫室效應的交互影響。

     本課程還能加入CO₂濃度感測器(圖七)，讓有興趣的學生，更進一步作定量分析，也能再擴充感測器的數目及種類，讓學生組裝設計不同的實驗。其中創客技術的使用，使得實驗器材的選擇更自由，能隨所需的實驗目的而調整及擴增，並且還有便宜而易於推廣等優點。

圖七、定量分析的實驗裝置，除了溫溼度的偵測外，再增加CO₂濃度的感測器。

肆、結語

     本教學內容參與了在2017年7月26~28日，在韓國首爾舉辦的亞洲化學教育研討會(NICE)的海報展示與解說³，本校的吳雙同學也跟與會的師生解說關於實驗裝置的設計與課程的流程(如圖八)，交流的過程有教授建議鎢絲燈泡的部分，可以改用LED燈泡，目前測試的結果是開燈1小時後，溫度僅上升約10度，兩邊的溫差不夠明顯，在定性實驗要在短時間，有較大的溫差才比較以利學生觀察分析與課程進行，但此建議在定量實驗部分，卻可能延伸出更多不同的研究方向。也有老師詢問了裝置的費用，目前整組花費大約新台幣一千兩百元，其實是相當便宜的，只是老師要較費心的製作與校正器材，但這就是創客(Maker)的精神所在。

圖八、海報展示並現場解說交流

圖九、2017亞洲化學教育研討會(NICE)與會人員

     最後分享一下規劃心得，這種特定主題的教學方式，比較類似老師藉由指導科展或其他的相關經驗，進而擴大影響指導更多的學生；且此課程將成為武陵高中自然科教師作為未來探究與實作開課的模組之一，所以方法及內容應該要盡量簡化並易於操作，也藉由降低難度，能讓更多的學生實際參與討論與實驗，練習預測與觀察的能力，並讓學生學習整理資料產出結果，過程也會讓學生經歷探索自己的能力與興趣，對科學研究的流程有初步的概念；然後如果再引導學生參加相關主題的小論文比賽，培養應用於生活中的能力，也是我們更需要注入學生的能力；先開始開個選修課吧!
任何事都是做中學，動手做才是自然科學習的王道!

參考資料:

1.  國家教育研究院，國民中小學及普通型高中–自然科學領域課程綱要草案。20170909擷取自http://www.naer.edu.tw/files/15-1000-10469,c639-1.php?Lang=zh-tw

2.   鍾曉蘭(2014):差異化教學化學科示例–POEC策略。臺灣化學教育，第二期。20170909擷取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2055

3.    2017 Network for Inter-Asian Chemistry Educators(NICE)July 26-28, Seoul, Korea. 網址http://nice2017.snu.ac.kr/top.html

綠色法拉第–微型氣體蒐集裝置的設計與應用

廖旭茂*、廖心妍、林群曜

臺中市立大甲高級中等學校

*[email protected]

n  影片觀賞

實驗影片「綠色法拉第(二)：微型氣體蒐集裝置的設計與應用」於2016年10月拍攝，由臺中市立大甲高級中等學校提供。

YouTube影片網址：https://youtu.be/X6K8FQkg8AY

n  簡介

電鍍產品廣泛應用在日常生活中，大至汽車用的鍍鋅防銹鋼板、機車美觀用的鍍鉻飾條、雨傘鍍鎳的傘骨，小至五金業的螺絲、耳環，甚至半導體製程；但電鍍廢液也往往造成很嚴重的汙染問題^[1],[2]。在高中的課本中，長久以來都是藉著電解電鍍的實驗，探討電流強度I、通電時間t與電鍍金屬增加的重量W之間的線性關係，並求得法拉第常數F，進而印證法拉第電解定律^[3]；但電鍍層上的金屬晶體容易剝落加上烘乾不易，往往造成實驗結果與極可觀的誤差。本文嘗試藉由自行設計的微型氣體收集裝置，固定電流強度I下，探討電解過程中氣體的體積變化ΔV與通電時間t的關係，並推算法拉第常數。結果顯示，氣體體積變化量ΔＶ與通電時間的相關係數達0.999，兩者呈線性的正相關，所求出法拉第常數與理論值間的誤差約+6.4%~-1.7%，亦相當準確。下圖為高中電鍍實驗中兩極的變化。                                 

                         圖1 電鍍實驗中陰極電鍍層金屬剝落的狀況

本實驗的微型氣體蒐集裝置，從生活的取材，僅使用數滴無毒的硫酸鈉溶液，電解時間更短、更節能，實驗所有的微量廢棄物，可利用鉛筆與一般的鑰匙，透過電解方法將化妝棉上微量的銅離子還原成銅，進行回收。

本實驗亦嘗試透過雷射切割機的輔助，超越手做極限，發揮現代maker的精神，將教具製作帶往更精準、更安全的方向。

n  藥品與器材

一、器材：

兒童塑膠積木、化妝棉、30mL塑膠注射筒、1mL塑膠吸量管、銅片、砂紙一張、長約20公分的紅與黑(或藍色)單芯線各一條、直流電源供應器、鐵架、塑膠PP(瓦楞)板、熱熔膠與熱熔膠槍一組、80W雷射切割機一台、5 mm厚透明壓克力板。

二、藥品：

0.5
M硫酸鈉(aq) 1 mL。

n  實驗步驟

以下介紹兩種微型氣體蒐集裝置製作，第一種是兒童積木版，第二種是雷射切割壓克力版。

一、微型氣體蒐集裝置製作一:兒童積木版

1.      首先取一支30mL塑膠針筒，拉出推桿備用。取兩片雪花狀塑膠積木片作為正、負極金屬片的載台；先將第一片積木片為負極載台(上方)，以熱熔膠將圓型金屬片黏著在一起，金屬片預計與一條黑色單芯導線焊連在一起
(圖2出現的金屬片為9V電池外殼裁修而成，本實驗可直接用0.5 mm厚的銅片取代)。

2.      重複上述步驟，第二片積木片為正極載台(下方)，金屬片預計焊連一條紅色導線。

3.      分別在注射筒最前端及筒身側邊，以螺絲釘鑽出兩圓孔。紅色的單芯線從針頭前端的圓孔穿出，而黑色單芯線從針筒側邊預先鑽好的小圓孔穿出。把推桿壓回，即完成微型氣體蒐集裝置。圖2為微型氣體搜集裝置的裝置圖。

圖2 圖左為正負極金屬載台裝置，圖右為針筒蒐集裝置圖

二、微型氣體蒐集裝置製作二:雷射切割壓克力版

1.      以游標尺測量30毫升注射筒的內徑，並在illustrator軟體中繪製正負極金屬載台設計圖後，以壓克力為材料，由雷射切割機輸出。下圖為正負極金屬載台設計圖。

圖3 圖左為壓克力正極載台，圖右為壓克力負極載台

2.      取長20公分長的單芯線，前端剝除約5公分長的塑膠外皮後，裸露電線尖端由兩極載台的背面的細孔穿入後，再由另一細孔穿出。長方形的雷雕區域即為金屬片黏貼處。取兩片尺寸為10 mm×15 mm 的銅片，經水砂紙磨光後，以酒精沖洗，乾燥後以熱熔膠黏貼於壓克力載台上。下圖4為壓克力載台。

圖4 穿線前後的壓克力載台及完成裝置圖

三、「電解產物氫氣體積的變化量可以用來印證法拉第電解定律嗎？」使用微型電解蝕刻氣體搜集裝置，在定壓、定電流強度0.1安培下，利用氣體體積變化量ΔＶ與通電時間Δｔ的關係，並藉此推算出法拉第常數。相關氣體蒐集裝置的實驗步驟如下：

1.   兒童積木版作法：取一直徑2cm的銅金屬片，置入30mL塑膠針筒內，用水砂紙磨光後，再以酒精擦拭，並放入烘箱烘30秒。將小銅片先放入針筒內，與第二片正極載台接觸，將一片大小與圓型金屬片相同的化妝棉，以兩滴硫酸鈉水溶液沾濕，與負極載台貼緊後，放入針筒內壓入推桿置定位後，以膠帶固定。

2.   雷射切割壓克力版法：將一片大小與長方形金屬片相同的濾紙或化妝棉，以兩滴硫酸鈉水溶液沾濕，與正極金屬載台貼緊，再將連接正極載台的紅色單芯線穿過注射筒前端的細孔，穿過細孔後由外拉緊單芯線，將正極載台拉至注射筒前端；接著將連接負極載台的藍色單芯線伸入針筒，電線尖端由側邊細孔穿出後，拉緊藍色單芯線，讓負極載台緩慢進入注射筒內，與原先的正極載台接觸，壓入推桿至定位後，讓正負極兩載台完成嵌合固定。詳細作法請參閱以下連結影片:綠色創客2:微型氣體收集裝置，網址 https://youtu.be/T9BsqL6hcV0

3.   將針筒上電線穿過的孔補上熱熔膠，並在橡膠管的兩個連接處塗上凡士林，以防氣體洩漏。

4.   將連接針筒及塑膠吸量管的矽膠管裝滿水，並使水的高度超過吸量管的刻度，紀錄水面的位置V₁。

5.   打開電源開關，固定電流強度為0.1安培，接著實驗開始，紀錄電解蝕刻時間分別為10、15、20、25、30、35、40、50、60、80秒時水面的位置V₂。探討氣體體積的變化量ΔV(V₂-V₁)，與時間Δt的關係。並藉此印證法拉第電解定律。接著進行漏氣偵測，電解80秒完畢後，關掉電源，讀取水位高度，靜置50秒鐘後再讀取水位高度，計算漏氣率(mL/sec)為多少？相關氣體微型裝置如下圖5所示。

圖5 圖左微型氣體裝置示意圖、圖右為實驗過程

n  實驗結果與討論

一、電解產物氫氣體積的變化量可以用來印證法拉第電解定律嗎？

利用微型電解蝕刻氣體搜集裝置，在定壓、定電流強度0.1安培下，探討氣體體積變化量 ΔＶ與通電時間Δｔ的關係。實驗結果顯示所得的實驗數據，與理論值相當接近，呈現相當相當小的誤差，約6.4%~-1.7%，大部分呈現正偏差值，而漏氣率不大，約0.0001mL/sec。實驗數據結果如下表1所示：

表1：氣體體積變化量ΔＶ與通電時間Δｔ的關係

至於ΔV與是否與通電時間Δt成線性的正比關係？若以通電時間t為橫坐標，氫氣的生成量ΔV為縱座標作圖，經EXCEL數據處理探討，兩者的相關係數達0.9989，其結果如下圖6所示：

圖6 定電流0.1A下，ΔV與通電時間Δt的正比關係

二、實驗所得的法拉第常數與理論值的偏差不大，但都是比理論值略高，而且電解的時間越長，有越大的趨勢，若由上式觀察，應該是ΔV變小，合理的解釋有二，一是漏氣的發生，時間越長，漏氣越多；二是時間越長，水量越少，反應產生的銅離子與氫氧根產生難溶於水的氫氧化銅，阻礙離子、電荷的傳導。另外定電流下，電源供應器上電壓的逐漸上升，得知內阻不斷在上升，代表極化現象越明顯。

n  原理與概念

一、利用電解產物氫氣體積的生成量來印證法拉第電解定律是一件精細的工作，等於把電解蝕刻裝置微型化，搬進針筒裡頭進行反應；其中電解蝕刻載台分成正極與負極兩個，針筒中負極載台在最上層，依序是潮濕的化妝棉、最後是正極載台。通入定電流後，氣體由針頭處通過矽膠管，推動水柱上升。一定時間後，計算通電前後分度吸量管上水柱的高度差即為ΔV。根據當時氣溫、壓力，利用理想氣體方程式換算成氣體莫耳數，再與通入電量Q=IÏt相比較，求出法拉第常數，相關計算式如下所示：

安全注意及廢棄物處理

l   所有的經過電解法回收銅離子的化妝棉，請再沾取少量小蘇打粉後(殘餘離子可保持在鹼性的氫氧化物狀態，減少游離態銅)，依一般實驗室廢棄物回收。

l  本實驗過程會產生少許銅離子廢液，依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。

參考資料

1.【年度調查報導】髒工廠的告白！頂番婆電鍍污染農地專題，參考上下游News&Market新聞市集。2017年8月，取自https://www.newsmarket.com.tw/electroplating/

2.郁仁貽編著(民79)。電池的科學(初版)。臺南市：復文出版社。

3.葉明倉(民105)。高中選修化學(上)。臺南市：南一出版社，頁234~254。

有關氧化還原滴定─過錳酸鉀滴定法的幾個問題

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]

 前言

      在進行氧化還原滴定_過錳酸鉀滴定法時，為何配製的過錳酸鉀溶液需經過標定？又為何進行標定時，是將待確定濃度的過錳酸鉀溶液滴入已知濃度的草酸鈉溶液以進行標定，而不是將草酸鈉溶液滴入過錳酸鉀溶液中？在進行標定的過程中，有時會見到溶液先是呈現淡棕色，隨後才褪去，是因為加入的硫酸使溶液呈酸性的濃度不夠嗎？以上三個問題是有些細心的學生會提出的問題，本人也曾經接到高中化學教師們的詢問。本文試著說明以上三個問題為有這些疑惑的學生們與教師們解惑。在文章末段，本人提供自己在氧化還原滴定_過錳酸鉀法所開發的示範實驗供各位教師參考，以幫助學生們在這個學習單元能有更好的學習成果。

為何配製的過錳酸鉀溶液需經過標定？

過錳酸鉀（KMnO₄）是深紫色晶體，照光或加熱時容易分解，其反應如式[1]所示：

2KMnO₄(s)→K₂MnO₄(s)+ MnO₂(s) + O₂(g)    [1]

因此配製過錳酸鉀溶液時，常會看到溶液底部會有難溶的顆粒，這就是式[1]中的MnO₂，也由此可知，配製出來的過錳酸鉀溶液的濃度一定會有誤差，因此需要進行標定（standardization），以得到其正確的濃度。

為何進行標定時，是將過錳酸鉀溶液滴入草酸溶液以進行標定，而不是將草酸溶液滴入過錳酸鉀溶液中？

在進行酸鹼滴定時，一般而言是以已知濃度的酸（或鹼）滴入未知濃度的鹼（或酸），加入適當的指示劑以得到滴定終點，並據以求得未知濃度的鹼（或酸）之濃度。但是在氧化還原滴定–過錳酸鉀法中，是將待確定濃度的過錳酸鉀溶液滴入草酸鈉溶液中以進行標定並求得過錳酸鉀溶液的濃度，這個操作程序造成部分學生與教師的困惑，以下將解釋如此操作的原因。

在酸性溶液中，將過錳酸鉀溶液滴入草酸鈉溶液中，其最終產物為Mn²⁺，其反應如式[2]所示：

2MnO₄⁻(aq) +8H⁺(aq) + 5C₂O₄²⁻(aq)→2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) +4H₂O(l)    [2]

當草酸鈉完全反應時，溶液中存在的是淡粉紅但近乎無色的Mn²⁺，再多加1滴過錳酸鉀溶液，溶液將呈現淡紫色，表示已達滴定終點，可將滴定結果代入式[2]，求得過錳酸鉀溶液的濃度。若將草酸鈉溶液滴入過錳酸鉀溶液中，反應生成的Mn²⁺會與MnO₄⁻再度發生反應，使其最終產物為MnO₂，其反應如式[3]所示：

3Mn²⁺(aq) + 2MnO₄⁻(aq) +2H₂O(l) →5MnO₂(s) + 4H⁺(aq)    [3]

此時溶液呈棕色，有時甚至會出現二氧化錳的沉澱。圖1的燒杯A為濃度較低的過錳酸鉀溶液與硫代硫酸鈉溶液反應，可看到溶液呈棕色；燒杯B則為濃度較高的過錳酸鉀溶液與硫代硫酸鈉溶液反應，可看到深棕色沉澱物；燒杯C是燒杯B的近照，可明顯看到沉澱物。這個反應發生時，我們將無法確定過錳酸鉀有多少與草酸鈉反應，又有多少是與Mn²⁺反應，也就是這個定量實驗的操作方式是不正確的，這就是為什麼過錳酸鉀溶液的標定必須將過錳酸鉀溶液滴入酸化的草酸鈉溶液。

圖1：過錳酸鉀溶液與草酸鈉溶液反應

在進行標定的過程中，有時會見到溶液先是呈現淡棕色，隨後才褪去，是因為加入的硫酸使溶液呈強酸性的濃度不夠嗎？

為了回答這個問題，本人特地在實驗室進行各種測試，以普通化學原理之實驗手冊（Laboratory Manualfor Principles of General Chemistry）為實驗基準，實驗步驟與結果如下：

1. 配製待標定的0.020M過錳酸鉀溶液。

2. 計算與15mL 0.020 M過錳酸鉀溶液反應所需的草酸鈉大約質量，精確秤量至0.001g。

3. 以50mL 0.9 M的硫酸溶解草酸鈉。

4. 將酸化後的草酸鈉溶液加熱至60℃，向草酸鈉溶液慢慢加入過錳酸鉀溶液，持續搖盪錐形瓶，使過錳酸鉀滴定液褪色。當滴入過錳酸鉀滴定液一滴後，溶液不再褪色且呈現的淡紫色最少持續30秒，停止滴定並讀取滴定管讀數。

5. 實驗結果：過錳酸鉀溶液慢慢滴入，邊滴邊搖盪，等淡紫色褪色後再繼續滴入，則不會出現淡棕色，但若是滴入速率太快，則溶液呈淡棕色，需繼續搖盪才能呈現透明無色，但不會影響實驗結果。結論是溶液滴入的速率為是否出現棕色的主要因素，於進行實驗時，教師可提醒學生滴入過錳酸鉀溶液的速率不要太快，而且要在搖盪至呈現透明無色後才繼續滴入過錳酸鉀溶液。本人再以教科書上的實驗步驟重做，結果並無不同，可見實驗手冊所建議的硫酸使用量是夠的，問題並非出於硫酸加入的量。

教學設計與心得分享

在氧化還原反應這個章節會上到氧化劑或還原劑的半反應式，其中一定會在常見的氧化劑中看到以下三個半反應，如式[4]~[6]所示：

MnO₄⁻(aq) +8H⁺(aq) + 5e⁻ →Mn²⁺(aq) + 4H₂O(l)    [4]

MnO₄⁻(aq) +2H₂O(l) + 3e⁻ →MnO₂(s) + 4OH⁻(aq)    [5]

MnO₄⁻(aq) +e⁻ →MnO₄²⁻(aq)    [6]

化學教師在教學上會引導學生如何寫出這三個半反應式，然後強調：在強酸性溶液中，KMnO₄會反應生成Mn²⁺，Mn²⁺是淡粉紅色；在中性、微酸性或微鹼性溶液中， KMnO₄會反應生成MnO₂；在強鹼性溶液中，KMnO₄會反應生成K₂MnO₄（錳酸鉀），K₂MnO₄是墨綠色。這是標準的教學法，教師也盡到教學應有的努力，但是學生可能要在心裏呧咕：又要背這些無聊的內容了。我自己有個作法，效果還不錯，在此與大家分享。以下是我在上課進行示範實驗的實驗步驟和實驗操作要領：

1. 示範實驗以所需器材與藥品容易準備，示範效果明顯為原則。圖2是建議使用的器材與藥品，分別是5個塑膠燒杯、1個塑膠量杯、1支塑膠刮勺、過錳酸鉀、草酸鈉、硫酸亞錳、硫酸亞鐵各1瓶，以及以點滴瓶盛裝的3M硫酸、3M氫氧化鈉溶液、1M硫代硫酸鈉溶液。

圖2：示範實驗建議使用之器材與藥品

2. 配製過錳酸鉀溶液時可直接以刮勺取一小匙過錳酸鉀晶體，溶入裝有九分滿純水的塑膠燒杯中，攪拌、靜置，將上層澄清液倒入另一塑膠燒杯中，此燒杯稱燒杯A。進行示範實驗前，教師需先測試過錳酸鉀溶液濃度是否合適，原則以50 mL過錳酸鉀溶液加入氫氧化鈉溶液鹼化後，滴入硫代硫酸鈉溶液使過錳酸鉀溶液呈墨綠色（或綠色）所需滴數為1~2滴，若滴數超過1~2滴，則加入硫酸酸化的過錳酸鉀溶液至少需滴入10滴，示範實驗的效果將降低。若發現過錳酸鉀溶液濃度太高，應先稀釋，再度測試，直到過錳酸鉀溶液的濃度適宜進行示範實驗。

3. 以量筒量取50mL的過錳酸鉀溶液，倒入另一燒杯B中，重複以上步驟，得燒杯C和燒杯D，如圖3所示。燒杯A因為溶液體積較多，所以顏色較深。

圖3：4個裝有過錳酸鉀溶液的燒杯

4. 在燒杯B中加入3M的硫酸1mL，使溶液呈酸性，在燒杯D中加入3M的氫氧化鈉溶液1mL，使溶液呈鹼性。燒杯C維持中性。

5. 開始以點滴瓶盛裝的硫代硫酸鈉溶液滴入燒杯D，邊滴邊搖，直到溶液呈墨綠色（或綠色），記錄硫代硫酸鈉溶液的滴數。

6. 同步驟4，但改滴入燒杯C，直到溶液呈棕色。

7. 同步驟4，但改滴入燒杯B，直到溶液變成淡粉紅色（或無色）。

8. 將實驗完成後的四個燒杯並列，如圖4，燒杯A~D分別為淡紫紅色、淡粉紅色（或無色）、棕色、墨綠色（或綠色）。

圖4：不同pH值的過錳酸鉀溶液與硫代硫酸鈉溶液反應

9. 燒杯D呈綠色或墨綠色視原有過錳酸鉀溶液的濃度而異，如圖5所示。D₁為濃度較低的過錳酸鉀溶液與硫代硫酸鈉溶液反應，可看到溶液呈綠色；D₂則為濃度較高的過錳酸鉀溶液與硫代硫酸鈉溶液反應，可看到溶液呈墨綠色；D₂’是將D₂斜放所拍的的照片，可看到溶液呈墨綠色。

圖5：濃度不同的過錳酸鉀溶液在強鹼中與硫代硫酸鈉溶液反應

註：呈墨綠色的錳酸鉀溶液不久就會變色，這是因為錳酸鉀溶液不穩定，會發生自身氧化還原反應，如式[7]所示：

3K₂MnO₄(aq)+ 2H₂O(l) →2KMnO₄(aq)+ MnO₂(s) + 4KOH(aq)    [7]

10. 進行燒杯B中反應時，肉眼所見溶液顏色為透明無色，但書上都以「淡粉紅色」描述，難免會引起學生們的質疑。我建議教師們以透明試劑瓶裝硫酸亞錳粉末（MnSO₄‧H₂O），如圖6所示，學生看到透明試劑瓶裝的硫酸亞錳粉末確實是淡粉紅色，教師才進一步解釋：溶液中的Mn²⁺濃度太低，我們肉眼是看不到其顏色，必須以粉末的狀態存在，才能看出淡粉紅色。

圖6：硫酸亞錳粉末（MnSO₄‧H₂O）的顏色

11. 結論：理論上燒杯B、燒杯C、燒杯D所滴入硫代硫酸鈉溶液的滴數比應約略為5：3：1，這就和式[4]、式[5]、式[6]中過錳酸鉀得到的電子數相同，可印證這三個半反應式。

12. 示範實驗結束後，將所有溶液倒在同一塑膠燒杯中，酸化，加入硫代硫酸鈉溶液（或雙氧水）使溶液褪色，進行廢液回收。

13. 延伸實驗：燒杯A剩餘的過錳酸鉀溶液可進行「影響反應速率的因素−本性與催化劑」的示範實驗。

(a) 將做為對照組的燒杯A以硫酸酸化後等分成三杯，分別標示為燒杯A₁、燒杯A₂、燒杯A₃，如圖7所示。

圖7：燒杯A分成三等份

(b) 分別在燒杯A₁與燒杯A₂中加入一小匙草酸鈉粉末，攪拌，觀察是否發生變化。在燒杯A₃中加入一小匙硫酸亞鐵粉末（FeSO₄‧7H₂O），攪拌，觀察是否發生變化。實驗結果為燒杯A₁與燒杯A₂仍可看到底部的草酸鈉粉末，且溶液顏色不變，表示尚未發生反應或反應速率甚慢，燒杯A₃一攪拌立即褪色，如圖8所示。燒杯A₃的反應如式[8]所示：

MnO₄⁻(aq) +5Fe²⁺(aq) + 8H⁺(aq)→Mn²⁺(aq) + 5Fe³⁺(aq) +4H₂O(l)    [8]

圖8：燒杯A₃已褪色

(c) 回頭在燒杯A₂中加入一小匙硫酸亞錳粉末，攪拌，觀察是否發生變化。燒杯A₂攪拌後呈淡棕色，實驗結果如圖9。燒杯A₃的反應如式[9]所示：

圖9：燒杯A₂呈淡棕色

(d)實驗說明

            i. 此示範實驗結果可用以說明過錳酸鉀溶液與硫酸亞鐵的反應速率遠大於過錳酸鉀溶液與草酸鈉的反應速率。以下為式[2]與式[8]並列：

2MnO₄⁻(aq) +8H⁺(aq) + 5C₂O₄²⁻(aq)→2Mn²⁺(aq) + 10CO₂(g) +4H₂O(l)   [2]

MnO₄⁻(aq) +8H⁺(aq) + 5Fe²⁺(aq)→Mn²⁺(aq) + 5Fe³⁺(aq) +4H₂O(l)    [8]

註：這兩個反應在反應速率這個章節常被當成考題，化學教師會解釋因為在同樣條件的過錳酸鉀酸性溶液中，式[8]不需破壞化學鍵（Fe²⁺反應生成Fe³⁺）而式[2]需要破壞化學鍵（C₂O₄²⁻斷鍵生成CO₂），所以式[8]的反應速率較式[2]大，這樣教學並無不可，但若能讓學生「看到」式[8]的反應確實比式[2]的反應快，再來進行教學，成效立即分出高下。

            ii. 燒杯A₂於加入硫酸亞錳粉末並攪拌後，溶液變成淡棕色，這項實驗結果可用以說明滴定過程中，一開始溶液的褪色比較慢，等到溶液中出現Mn²⁺後，Mn²⁺將扮演催化劑的角色，讓反應速率變快，褪色的速率變快。這個特別的「自催化反應」（反應產物做為反應的催化劑），可因這個示範實驗讓學生留下深刻的印象，當然，教學成效是非常好的。

            iii. 三個燒杯靜置一段時間後，全都呈現透明無色，一則可說明燒杯A₁並非不發生反應，只是反應慢，燒杯A₂則呼應本文前述：「滴定過程中，若滴加過錳酸鉀溶液的速率過快，則溶液會呈淡棕色，但最終會變成透明無色」，燒杯A₂是將Mn²⁺加入MnO₄⁻中，當然會呈淡棕色，但終將反應成近乎無色的Mn²⁺。此段示範，於完成添加硫酸亞鐵與硫酸亞錳之後，教師可繼續進行教學活動，但是在下課前，記得舉起燒杯A₁讓學生看，此時燒杯A₁內的溶液也呈透明無色了，教師向學生強調：過錳酸鉀溶液與草酸鈉還是會反應，只是比較慢。而且要仔細觀察燒杯A₁的底部，可看到燒杯底部聚集反應生成的氣泡，教師可跟學生說明：這就是草酸根（C₂O₄²⁻）反應後生成的二氧化碳（CO₂），再強調一次：教師又讓學生「看到」草酸根反應生成二氧化碳的事實，也由此證實草酸根確實需破壞化學鍵以生成二氧化碳。圖10左側圖可看到三個燒杯靜置後溶液都呈透明無色，為了拍照時能拍到無色的氣泡，特地在燒杯A₁下方放一張黑色的圖畫紙。圖10右側圖標示為A₁^’，則為燒杯A₁褪色後以近照呈現，底部明顯看到生成氣泡。

圖10：過錳酸鉀溶液與草酸鈉溶液反應生成二氧化碳

結語

以上內容詳細說明氧化還原滴定_過錳酸鉀法做實驗時常碰到的問題，同時提供本人在這個單元的教學設計，希望高中化學教師往後碰到實驗的問題時，能適切的回答學生，更希望高中化學教師能在課堂上適時的引進示範實驗，幫助學生從實際觀察來學習化學，以提升學生學習的興趣與動機。參考資料

1. 劉新錦、朱亞先、高飛編著，無機元素化學（第二版，2010），科學出版社。

2. J. A. Beran: Laboratory Manual for Principles ofGeneral Chemistry Sixth Edition, 1999, WILEY.

3. Lee R. Summerlin, James L. Ealy, Jr.：ChemicalDemonstrations：ASourcebook for Teachers, Volume1,Second Edition, 1988,American Chemical Society.