臺灣化學教育

國小學生製作美麗的天氣瓶

李燕玲

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
新北市立新莊區光華國民小學
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n  前言

自然與生活領域課程在國小階段的孩子對於化學相關的實驗學習實在不多，無意間發現了「天氣瓶」這個有趣又美麗的化學實驗，小學六年級上學期的自然課程正好有關於天氣的單元，以此為延伸學習課程，讓學生可以認識以前的天氣預報裝置，希望學生藉由天氣瓶的製作複習水溶液的相關概念並進行天氣瓶結晶的觀察與紀錄。

n  天氣瓶簡介

天氣瓶，又稱為風暴瓶（Storm Glass），是一種19世紀用來做天氣預測的工具（見圖一），知名天氣學家羅伯特·菲茨羅伊（Robert FitzRoy）在他的航海紀錄上，記錄了如何用天氣瓶來預測天氣。但是後來日本科學家長島和茂（Kazushige Nagashima）進一步研究證實影響天氣瓶中結晶型態的因素主要為環境溫度及溫度變化的速度，與氣壓、濕度、電場及磁場沒有關係，因此瓶內的結晶型態皆為隨機分布，並沒有天氣預測的功能，所以在進行教學時盡量不要強調天氣預測的功能，以免誤導學生。

圖一：天氣瓶

（圖片來源：作者製作）

天氣瓶內結晶的變化，主要是由於溶液內的樟腦、硝酸鉀、氯化銨在水與乙醇混和溶劑內的溶解度會隨著溫度變化。配方中的硝酸鉀、氯化銨及純水主要是促使樟腦晶核的形成，因此瓶中見到的是樟腦的結晶；當溫度變化的時候，三種物質的結晶析出、溶解速度有交互作用。而溫度的變化速率，則會影響結晶的成長大小與結構，當溫度下降的速度較快時（例如：放入冰箱冷藏室），因為有許多晶核形成，會有許多小的樟腦結晶，最後就像雪花一樣（樟腦晶體與冰一樣是六方晶系），而溫度下降的速度很慢時，沒有形成晶核，結晶會慢慢往四周成長，最後像葉子或樹枝狀。

n  天氣瓶參考配方和實驗器材

網路上可以找到的天氣瓶配方有兩種，一種於溫度較低的環境會有明顯結晶，一種則為適合夏季時製作的配方，本次因應教學進行的時間，筆者使用冬季配方，為讓學生觀察天然樟腦粉的含量是否影響結晶高度或形狀，因此將學生分為兩組製作天氣瓶，一組的天然樟腦粉設定為10 g，另一組則為8.5 g，其餘配方和實驗器材則相同。

此次實驗藥品在一般化工原料行都可以買到，價錢上也算平易近人，因此可就近找化工行詢價後購買，甚至有天氣瓶製作組合包（大約150元，只有硝酸鉀、氯化銨及天然樟腦粉，其他材料及器材必須自行準備，且成品約只有80~85 mL），若只是少量製作也可作為選擇；至於盛裝的容器則因藥品有輕微腐蝕性，所以盡量使用玻璃瓶，蓋子則須避免是金屬材質，可到一般五金生活百貨尋找適合的容器，筆者在台北後火車站附近看到不少賣瓶瓶罐罐的商家，玻璃瓶種類眾多、造型各異其趣、容量也有許多選擇，比較容易滿足需求，不妨到此尋寶。

一、冬季配方

硝酸鉀（Potassium Nitrate） 2.5 g（500 g大約170元）、氯化銨（Ammonium Chloride） 2.5 g（500 g大約80元）、天然樟腦粉（Camphor Powder） 10 g（250 g大約250元）、蒸餾水（純水） 33 mL （可以使用泰山純水）、藥用酒精（95% Ethyl Alcohol，Ethanol） 40 mL（500 mL大約75元，在藥局也可購得）（資料來源：城乙化工，http://www.meru.com.tw/index.php）

二、夏季配方

硝酸鉀（Potassium Nitrate） 2.3 g、氯化銨（Ammonium Chloride） 2.3 g、天然樟腦粉（Camphor Powder） 4.4 g、蒸餾水（純水） 16 mL （可以使用泰山純水）、藥用酒精（95% Ethyl Alcohol, Ethanol） 40 mL（資料來源：親子手作DIY，http://pinbox.tw/box/10149）

三、全班器材

紅黃藍水性染料 一組（大約50元）、電子磅秤（最小可秤0.1 g） 一台、溫度計 一支、鍋子（隔水加熱） 一個、微波爐 一台

四、每組器材和藥品

玻璃燒杯兩個（分1、2號杯）、攪拌湯匙 一支、手套 四個、口罩 四個、含蓋可密封玻璃瓶四個，約100 mL（塑膠瓶蓋，一個約20元）。

※採四人一組分組製作及配合玻璃瓶容量，因此筆者將每組配方以五倍的數量先行量配妥當後裝在夾鏈袋中讓學生使用，如圖二所示。

圖二：燒杯、攪拌湯匙、手套、口罩、玻璃瓶、硝酸鉀、氯化銨、天然樟腦粉

n  教學流程

教學準備：教師先行製作天氣瓶數瓶，以便展示給學生觀看。

一、   引起動機

1.        教師將先行製作完成的天氣瓶帶至教室引起學生的興趣，如圖三所示。

2.        教師向學生簡單說明天氣瓶原理與製作方法，並表示將帶領學生製作個人的天氣瓶。

圖三：教師製作天氣瓶數瓶

二、   發展活動

活動一：溶解

1.        以簡報檔複習溶解的概念。

2.        介紹飽和溶液和結晶的概念，如圖四左所示。

活動二：介紹天氣瓶

1.        介紹天氣瓶。

2.        介紹蠶豆症，如圖四右所示。

 

圖四：結晶概念介紹（左）；蠶豆症的介紹（右）

活動三：製作天氣瓶

1.        介紹天氣瓶的製作與原理。

2.        依序發下實驗器材及藥品，如圖五所示。

3.        讓學生進行天氣瓶的製作，如圖六～七所示。

4.        學生製作天氣瓶的成品，如圖八所示。

圖五：天氣瓶製作方式及實驗器材

  

圖六：小組進行天氣瓶製作

 

圖七：混合後的溶液進行隔水加熱（左）；加入色料並分裝完成（右）

 

圖八：天氣瓶成品（左）；天氣瓶置於教室一隅觀察（右）

三、   綜合活動

活動四：天氣瓶的觀察與紀錄

1.        介紹天氣瓶結晶的形狀。

2.        指導學生如何進行觀察與紀錄。

3.        學習單的填寫與心得分享。

n  學生天氣瓶觀察紀錄及學習單

筆者配合此次課程設計的「天氣瓶觀察紀錄學習單」共分為兩個部分，上半部為溶解及結晶概念、天氣瓶製作流程的填答，在課程進行後，立即讓學生填寫完畢，可檢視學生是否專心聽課，從學生填寫的結果發現大致都能全部答對，少數學生有錯字的情形，如圖九左所示。下半部則為本次教學重點的觀察紀錄及觀察心得，在製作課程進行後兩週左右才進行第一次觀察紀錄，因必須等待天氣瓶中的結晶穩定，又逢今年冬天氣候偏暖，天氣瓶中的結晶遲遲沒有明顯變化，筆者利用課餘大約10分鐘的時間，先請學生將日期、當天預測溫度、觀察當時的溫度寫下後，再讓學生將各自的天氣瓶取回（提醒學生勿過度搖晃天氣瓶，以免影響結晶形狀及高度）觀察形狀、量測高度後完成記錄，如圖十所示。在此之後，筆者利用天氣明顯變冷的時間，讓學生進行觀察，完成12次的觀察記錄大約花費一個月的時間，但每次的觀察不需花費太多時間，因此筆者都是利用課程進行後零碎的時間，並不會耽誤其他課程進行。筆者要求學生在最後的觀察心得部分至少寫下兩點發現及對課程以一到五分進行評分，越喜歡分數越高，多數學生都給了四到五分，從心得分享中也發現學生多數是喜歡此次課程的，如圖九右所示。

 

圖九：天氣瓶觀察紀錄學習單（左）；學生的天氣瓶觀察紀錄學習單（右）

  

圖十：2015.11.25，當時氣溫24℃（左）；2015.11.26，當時氣溫21℃（中）；2015.12.17，當時氣溫15℃（右）

n  學生課後回饋

筆者任教的學校位於新北市新莊區，為一所緊鄰工業區且超過100個班級數的大型學校，其中有三分之一強的學生人數為跨區前來就讀，家長的社經背景大多為工商類就業人口，多數平日忙於工作，因此學生較少機會可以接觸類似的化學實驗。筆者執教的班級中有30位學生，包含16名男生及14名女生，班級當中有一位罹患蠶豆症的學生（透過新生兒篩檢即可得知，導師在開始帶領學生時便會有相關資料，若是科任教師在實施本課程之前應先詢問清楚），因此在課程中加入關於蠶豆症的介紹，希望透過課程讓學生更了解如何與此類患者相處。而該名學生在天氣瓶製作時則必須暫時離開教室，由其他學生協助製作完成。以下為學生在完成相關課程之後的回饋摘要整理。

問題1：經過這段時間的觀察，我發現了……

S04：天氣越冷，結晶越高越漂亮；天氣越熱，結晶越少。

S05：結晶會因為重力的關係造成高度越來越矮。

S09：結晶的形狀有很多種，也會隨著溫度變化。

S17：搖動過天氣瓶後，必須經過兩三天後天氣瓶的結晶才會穩定。

S27：即使當初小組內每個人使用的材料都一樣，但結晶的高度還是都不大相同。

問題2：你喜歡天氣瓶（    ）分，為什麼？

S02：我喜歡天氣瓶5分，因為我覺得天氣瓶裡的結晶好漂亮，又很特別，而且是個美麗的裝飾品。

S24：我喜歡天氣瓶5分，因為每天觀察到的結晶都不同，我覺得好有趣哦。

S28：我喜歡天氣瓶5分，因為天氣瓶可以讓我知道現在的溫度是冷還是熱。

S05：我喜歡天氣瓶4分，因為我覺得天氣瓶好有趣，但是我的結晶高度好像都比較矮。

S26：我喜歡天氣瓶4分，因為我覺得天氣瓶好漂亮，但是有時不是非常準確。

n  課程實施問題與注意事項

本次主要課程活動設計大約需兩節課的時間，第一節為複習溶解概念及介紹結晶與天氣瓶，複習溶解概念時學生大都能回答相關的提問，同時也能明白飽和溶液所代表的涵義，但筆者在進行「溫度降低使鹽的過飽和溶液析出鹽巴結晶」的操作並沒有完成，應該完成後續觀察或可利用相關影片協助學生更理解。經過學者研究發現天氣瓶並沒有預測天氣的作用，因此在教學過程中應盡量避免強調天氣瓶有預測天氣的功能，以免對學生產生誤導，可利用相關影片進一步釐清學生的觀念。

第二節則為天氣瓶實際製作及學習單討論與習寫。因實驗藥品有刺激性及輕微腐蝕性，在製作過程應避免讓學生直接接觸，所以全程須戴上口罩及手套，並將教室門窗打開使空氣流通，以免造成學生身體不適。此次製作天氣瓶時因考量實驗器材不足，因此將學生分為四人一組共同製作；筆者將藥品以等比例的方式先行配置並分裝完成，便於實驗操作。製作天氣瓶時，為避免學生操作過程發生錯誤，筆者將燒杯分為1、2號杯，先發下1號杯需要的材料（硝酸鉀、氯化銨及純水），待學生製作完後，再發下2號杯的材料（天然樟腦粉及乙醇），並指派學生依序製作，讓每位學生都有負責的工作。有學生在製作1號杯溶液時發現燒杯變得冰冰涼涼的，可簡單說明溶解的吸熱與放熱反應。

製作完天氣瓶後必須等待一週時間，於結晶穩定後再進行觀察記錄，後續記錄時間每次不超過10分鐘，可利用課餘零碎時間進行。觀察記錄天氣瓶結晶的高度需要扣掉瓶底厚度，學生容易忽略而直接從瓶底往上測量，因此必須指導及提醒。而今年冬天的氣溫常處於偏高的情況，比較不利於進行天氣瓶的觀察（沒有明顯的變化），因此筆者必須等到東北季風增強或大陸冷氣團南下時才讓學生進行觀察記錄，此次從開始進行教學到完成觀察記錄所花費的時間大約為一個半月。做觀察記錄時，學生對於結晶形狀常發出疑問，無法清楚界定結晶的形狀，筆者引導學生可以自行定義結晶的形狀，並沒有標準答案。經過學生的觀察發現使用10 g與8.5 g的天然樟腦粉對於天氣瓶的結晶的高度並無必然的影響，因為結晶高度會受到重力的影響而變低；但氣溫的變化確實會直接反映在結晶的高度上，氣溫愈低，結晶的高度愈高。此次製作的天氣瓶大多加入水性染料，導致有些顏色（如：紫色，因顏色過深）的天氣瓶比較不容易觀察，可以在觀察記錄都完成後再加入染料。最後「天氣瓶觀察記錄學習單」中對於學生反思及回饋的部分未加以規劃，可以增加這個面向的設計，讓學生思考從課程中的所得與困難之處，也可作為教學者進行教學檢討與改進的參考。

n  結語

國小階段的學生因為課程安排的關係，比較沒有機會接觸化學實驗，此次透過天氣瓶的製作讓學生自行完成一個絢麗又有趣的化學裝飾品，學生都顯得相當開心，在觀察的過程常常聽到學生驚呼連連，讚嘆天氣瓶的美麗與多變，希望透過這個教學活動讓學生更喜歡自然領域課程並懂得觀察生活周遭的各種現象。

n  參考資料

1.        天氣瓶配方：親子手作DIY。http://pinbox.tw/box/10149。

2.        天氣瓶，維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh-tw/天氣瓶。

3.        許良榮。改良式天氣瓶。臺灣化學教育，第七期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6866

4.        蠶豆症：高雄醫學大學維基學習網（KMU Wiki）。http://goo.gl/HYdrw。

5.        天氣瓶製作影片：HOKK fabrica。一起動手D.I.Y打造屬於你的天氣瓶。http://hokkfabrica.com/make-your-own-storm-glass/。

6.        TVBS新聞。【科學不一樣】樟腦附著晶核上 溫度變化讓天氣瓶結晶。http://news.tvbs.com.tw/old-news.ht mL?nid=577886。

7.        古時候的天氣瓶裝置：Museum of the History of Science。http://www.mhs.ox.ac.uk/from-stormglass-to-weatherglass/。

n  附錄

附錄一、教學活動設計

附錄二、天氣瓶觀察紀錄學習單

    製作我的天氣瓶   姓名：        

※有些物質加入水中後，會很均勻的散布在水中，看起來像是消失了，這種現象稱為           。

※被溶解的物質稱為「             」，水稱為「             」當「溶質」溶解在「溶劑」中，就形成了「             」。

※從飽和溶液中凝結出具有一定的幾何形狀的固體的過程叫做            。