國小學生製作科學玩具「整人墨水」 / 江志宏、張自立、辛懷梓

星期三 , 2, 十一月 2016 Leave a comment

國小學生製作科學玩具「整人墨水」

江志宏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
新北市立新莊區民安國民小學
*
smallcannon@ntpc.edu.tw

n  前言

「自然課」與「趣味科學實驗活動」都同屬於科學領域方面的課程,然而對國小階段的孩子們來說,這兩種課程是截然不同的。在學校幾乎所有的孩子們都很喜歡玩科學玩具、熱衷於動手操作趣味科學實驗,但是孩子們卻不見得都喜歡上自然課。當然我們都很清楚,這並不是一個好現象!在趣味科學實驗活動的背後,是許多學校自然課程內容的知識延伸或應用,自然課跟趣味科學實驗活動也許本該就要「混為一談」,因為兩者之間是互相有關聯的。究竟是什麼原因造成了孩子們對這些課程反應產生了差異?值得我們深思。

另外,筆者認為還有一個更嚴重的問題是「老師到底教會了孩子什麼?」在教育部所頒佈的自然與生活科技之分段能力指標中提及「科學是經由探究、驗證獲得的知識的過程」。探究、驗證其實就是一種科學方法,「如何去觀察到現象?」、「如何從現象中提出假設?」、「如何將假設設計成實驗?」等等,這些科學方法是我們應該要教會孩子的能力。但不管是學校的正式課程,或者是每年寒假、暑假必定場場客滿的科學營隊,在這些課程中,孩子們是否真的學會了這些能力?我想答案是否定的!許多學校的自然課常淪為知識背誦活動;人滿為患的科學營隊,也常淪為孩子們的一種遊戲活動孩子們只是在「玩實驗」。

當然,「科學知識(技能)」的重要性是無庸置疑的;而「趣味科學實驗」活動本身也具有「能高度引起學生興趣」的優點。於是我嘗試將兩者結合,並以新莊區某國小六年級班級學生共24人為對象,班級中每4人一組,共分為6組,結合了「整人墨水」與「科學實驗設計」,並實際在學校進行教學、紀錄。

n  「整人墨水」介紹

「整人墨水」是一種藍色液體,在接觸空氣一段時間後,顏色會慢慢轉為透明無色。通常會將整人墨水噴在別人的衣服上,造成衣服被暫時染色,達到「整人」的目的。

ø墨水成分

氫氧化鈉、酒精、百里酚酞、水。(百里酚酞可在化工材料行購得,25 g裝約1000元)

ø變色原理

百里酚酞:是一種鹼性指示劑,pH9.3(無色)~10.5(藍色)。

藍色整人墨水:溶解百里酚酞於酒精中,並加入氫氧化鈉水溶液。

空氣中的二氧化碳溶入墨水中:clip_image002clip_image004是碳酸(弱酸)。

碳酸與氫氧化鈉酸鹼發生酸鹼中和反應:藍色百里酚酞(pH > 10.5無色百里酚酞(pH < 9.3)。

n  課前準備

ø準備時間:40分鐘

ø配製溶液(全班共用)

1.      500 mL的氫氧化鈉溶液(0.01%):取0.05 g的固態氫氧化鈉,放入一個錐形瓶中,加水至500 mL,攪拌均勻。

2.      50 mL的百里酚酞酒精溶液(0.2%):取0.1 g的百里酚酞粉末,放入一個燒杯中,加酒精至50 mL,攪拌均勻。(見圖一)

3.      參考配方:10 mL的氫氧化鈉溶液(0.01%)與0.5 mL的百里酚酞酒精溶液(0.2%)均勻混合。(變色時間約90~120秒)(見圖一)

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圖一:百里酚酞(左),整人墨水成品(右)

ø器材準備(各組使用)

試管架 1個、試管 4支、塑膠滴管 6支、量筒(20 mL 2支、碼表 1個、衛生紙 1張。

n  教學活動設計

ø引起動機

示範科學小玩具-整人墨水

ø發展活動

活動一:水溶液的酸鹼性與pH

1.        介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位—pH值。(見圖二)

2.        概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。(見圖三)

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圖二:pH值介紹

(右圖來源:http://goo.gl/RkECem

活動二:pH值的測量

1.        酸鹼指示劑的介紹。

2.        鹼性指示劑百里酚酞。(見圖三)

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圖三:說明溶液濃度計算及稀釋溶液的方式(左),百里酚酞介紹(右)

活動三:整人墨水

1.        整人墨水的製作與原理。

2.        實驗整人墨水的變色等待時間。

ø綜合活動

活動四:實驗結果與討論及分享。

1.        實驗成果發表。

2.        反思與學習單的填寫。

3.        實驗器材的收拾與整理。

n  學生實驗操作過程

課程進行的過程中,有一部分的學生小組順利在計算過質量濃度後,調配出所需要的NaOH水溶液;但有一部分小組的學生無法在課堂中掌握質量濃度的計算方式,因而造成實驗的過程中,配製NaOH水溶液的部分產生了困難。

為了要解決這個困難,計算出現困難的學生小組在實驗設計的部分做了調整,他們將操作變因「NaOH水溶液濃度」調整為「加入NaOH水溶液(0.01%)的水量」,因此降低了實驗的難度。

在此情況下,學生的實驗操作就分為兩大組同時進行,A組:具備質量濃度計算能力的小組。B組:對質量濃度計算產生困難的小組。學生實驗操作過程如圖四和五所示。

實驗目的

NaOH濃度對整人墨水顏色持續時間長短的影響

控制變因

1.      百里酚酞的濃度

2.      滴加百里酚酞的量

3.      衛生紙的厚度

操作變因

A

B

NaOH水溶液濃度

加入NaOH水溶液(0.01%)的水量

實驗步驟

1.      NaOH水溶液的調配

實驗組一:NaOH0.01% 10 mL

實驗組二:NaOH0.005% 10 mL

實驗組三:NaOH0.001% 10 mL

2.      加入百里酚酞(0.2%10滴,並攪拌均勻。

3.      將溶液滴1滴在衛生紙上,用碼表計算變色時間。每組測3次。

1.     NaOH水溶液的調配

實驗組一:NaOH0.01% 10 mL + 2 mL

實驗組二:NaOH0.01% 10 mL + 4 mL

實驗組三:NaOH0.01% 10 mL + 6 mL

2.     加入百里酚酞(0.2%10滴,並攪拌均勻。

3.     滴加1滴溶液在衛生紙上,用碼表計算變色時間。每組測3次。

 

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圖四:器材使用方式說明(左),小組進行實驗設計討論(中),實驗溶液調配紀錄(右)

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圖五:稀釋氫氧化鈉溶液(左),配製墨水(中),變色時間測試(右)

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進行填答,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:

學生a:喜歡。因為在這堂課中我學到很多沒聽過的東西,像是百里酚酞、質量濃度等。

學生b:不喜歡。因為質量濃度十分難算。

學生c:我學會計算稀釋溶液的方法,並能實際動手操作。

學生d;我還是不清楚整人墨水的變色原理,為什麼會變成透明無色?

從問卷的回饋中可以發現,大多數的學生非常喜歡整人墨水的實驗,喜歡本實驗的原因不外乎能學習到課本以外的科學知識、可以自己動手製做出市面上商品化的玩具以及實驗本身的效果;但也有少數學生因為面臨質量濃度計算的困難而感到興致大減。

另外,學生在這堂課中也理解了溶液酸鹼值與pH值間的關係、溶液稀釋的方式以及實驗遭遇瓶頸時的應對方式;但在質量濃度的計算方式以及百里酚酞變色的原理,學生還是充滿了許多疑惑。

n  課程實施問題與困境

本次教學活動設計,可區分為「酸鹼概念的說明」、「實驗設計撰寫」、以及「實驗操作與紀錄」三個部分,完成整個教學活動大約需要三節課的時間。若再加上器材、藥品的準備時間,建議要預留半天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之。

 

課程內容

實施困境

活動一

演示「整人墨水」實驗,引起學生的學習興趣。再進行酸鹼概念的說明、pH值的介紹、酸鹼指示劑(試紙)的使用說明,讓學生建構足夠的背景知識,為接下來的實驗做準備。

1.      學生初次接觸「pH值」概念,對於新名詞的接受度較低。

2.      學生對於酸鹼試劑、試紙的變色原理倍感興趣,但受限於學生背景知識不足,變色原理的說明十分不容易。

活動二

進行整人墨水變色原理的說明,讓學生進行實驗設計的討論與撰寫,依序寫出實驗目的、實驗裝置的設置方式、實驗步驟、實驗器材、操作變因、控制變因、預期結果等。

1.      實驗變因考慮的不夠全面、完整。

2.      實驗步驟不夠明確。

3.      學生對於「溶液濃度計算與稀釋」的概念普遍難以接受。

活動三

進行實驗的操作與實驗結果的記錄,並討論出實驗的結論。

1.      缺乏實驗記錄的技巧。(例如:裝有不同濃度溶液的試管都擺在試管架上,但沒有標記,造成混淆)

2.      實驗過程中,各組使用相同濃度實驗時,反應時間卻差異甚大。

n  課程設計修正

針對前述的問題,修正課程設計如下:

1.        可簡單的用化學反應過程,解釋酸鹼指示劑在酸鹼中的變色現象。

2.        更詳盡的說明「酸鹼」與「pH值」的定義,更緊密連結兩者概念。

3.        讓學生練習濃度的計算,先從簡單的數字(整數)開始練習,再代入小數的濃度計算。

4.        詳細的介紹各器材的使用方式,並提示實驗技巧。(例如:墊一張白紙在試管架下,可直接將試管中的溶液濃度記錄在紙上)

5.        介紹「實驗誤差」的概念,並指導學生處理誤差的方式。

6.        可在課程中加入延伸的挑戰任務:指定各實驗小組不同的變色秒數作為目標,讓學生找出其比例。(例如:第一組在第30秒時讓墨水變色、第二組在第60秒時讓墨水變色)

n  結語

自然科學與其他學科在本質上有著一個很大的差異,就是有各種「現象」可供觀察。有些現象因為在日常生活中不易被觀察,因而在課堂上呈現時,能有效激發學生的好奇心與興趣。在本課程中,利用趣味科學實驗的現象(整人墨水的變色),引起學生的學習動機,再引導學生進行實驗設計、操作,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

1.        pH值,維基百科,https://goo.gl/ktcgML

2.        臺灣酸雨資訊網,http://goo.gl/RkECem

3.        百里酚酞,百度百科,http://goo.gl/v8on4D

4.        質量濃度,維基百科,https://goo.gl/9586Cc

n  謝誌

衷心感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系104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

教學單元

神奇的整人墨水(酸鹼指示劑)

教材來源

自編

教學年段

六年級

教案設計

江志宏

教學時間

80分鐘

教學者

江志宏

教學目標

學生經驗

1.      對「酸鹼」概念有基本的認識。

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。

本節具體目標

1.      能理解酸鹼值(pH值)的意義。

2.      能透過推理、思考、討論,理解整人墨水的製做原理。

3.      能設計實驗探討「整人墨水的顏色改變時間長短」與「氫氧化鈉水溶液濃度」間的關係(現象-變項的關係),並在進行實際操作過後,提出適切的結論。

教學流程概述

Ø 引起動機

示範科學小玩具-整人墨水。

Ø 發展活動

活動一:水溶液的酸鹼性與pH值。

1.    概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。

2.    介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位—pH值。

活動二:「pH值」的測量。

1.    酸鹼指示劑的介紹。

2.    鹼性指示劑百里酚酞。

活動三:整人墨水。

1.    整人墨水的製作與原理。

2.    實驗整人墨水的變色等待時間。

Ø 綜合活動

活動四:實驗結果討論與分享。

1.    實驗成果發表。

2.    學習單的填寫與器材整理。

 

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、整人墨水(成品)。

2.      百里酚酞酒精溶液(0.1%100 mL*1、氫氧化鈉100 g*1

3.      實驗器材(每組):滴管*5、量筒50 mL*1、燒杯50 mL*5、抹布*1、碼表、衛生紙*1包、試管*10、試管架*1

4.      實驗器材(共用):電子秤、刮勺。

二、引起動機

(一)示範科學小玩具整人墨水。

1.      邀請一位自願受試的學生至台前。

2.      用滴管將少量整人墨水噴在學生的衣服上。

3.      Q:觀察到了什麼現象?

4.      統整歸納:噴到衣服上的藍色整人墨水溶液,過了一段時間後顏色逐漸變成透明的,且受試的同學還聞到了一些酒精的味道。

5.      Q:這個玩具運用了什麼原理做的?

貳、發展活動

活動一、水溶液的酸鹼性與pH

(一)概略複習、說明水溶液的酸鹼性質。

1.      Q:生活當中常會聽到「酸鹼」,說說你們對酸鹼的認識?

2.      統整:「酸鹼」就好比我們學過「體積」、「重量」、「溫度」一樣,是溶液中的一種性質。

(二)介紹在科學上表示酸鹼濃度的單位-pH值。

1.      科學家們嘗試測量這些性質,或用數學計算,例如:

體積 用立方公分、立方公尺等表示。

重量 用公克、公斤、公噸等表示。

溫度 用華氏clip_image002、攝氏clip_image004等表示。

2.      Q:溶液的酸鹼度是怎麼表示的呢?

3.      統整:溶液的酸鹼性是用「pH值」來表示,pH值是一種單位,用來判斷液體是酸性、中性還是鹼性。pH值的範圍通常介於0~14之間,pH值等於7的時候為中性,pH值大於7為鹼性;pH值小於7則為酸性。

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活動二、pH值的測量

(一)酸鹼指示劑的介紹

1.      Q:體積、重量、溫度可以測量嗎?

2.      Q:那酸鹼值有辦法測量嗎?

3.      統整:就如同其他的性質一樣,pH值也可以被測量出來的,通常測量pH值有以下幾種方式:

(a)    電子儀器:「pH值」檢測筆等。(可直接讀出數據)

(b)   試紙:石蕊試紙、廣用試紙等。(觀察顏色變化)

(c)    試劑:紫高麗菜汁、專用試劑等。(觀察顏色變化)

(二)鹼性指示劑百里酚酞

1.      Q:為什麼需要使用這麼多種試紙、試劑?

2.      統整:一般而言,除了電子儀器之外,試紙與試劑的種類繁多,且不同的試紙、試劑都有其合適的使用時機。例如:

紅色石蕊試紙 遇到鹼性溶液才會變色。

藍色石蕊試紙 遇到酸性溶液才會變色。

酚酞 只能檢測pH8.3~10.0的範圍。

酚紅只能檢測pH6.8~8.4的範圍。

3.      課程一開始的整人玩具,就是運用到酸鹼指示劑的原理製做而成的,使用的指示劑是百里酚酞。

百里酚酞試劑介紹

(a)    一種鹼性指示劑,測定的pH值範圍在9.4~10.6之間。

(b)   百里酚酞不能溶於水中,但能溶解在酒精當中。

(c)    pH值小於9.4的環境當中,會呈現無色的狀態。

(d)   pH值大於10.6的環境當中,會呈現藍色的狀態。

活動三、整人墨水

(一)整人墨水的製做與原理。

1.      Q:整人墨水是怎麼做的?

2.      統整:

(a)    百里酚酞酒精溶液:溶解百里酚酞於酒精中。

(b)   氫氧化鈉水溶液:溶解氫氧化鈉於水中。

(c)    混合上述兩種溶液均勻就製作完成了。

(d)   變色的過程:鹼性(藍色)酸性(無色)。

3.      Q:哪來的酸性物質造成pH值下降?

4.      統整:空氣中二氧化碳溶解在墨水中,造成pH值降低。

5.      化學反應:clip_image007clip_image009是碳酸(弱酸)。

(二) 實驗-整人墨水的變色等待時間。

1.      Q:整人墨水從藍色變成透明的等待時間,能不能改變?

2.      Q:如何讓整人墨水的變色等待時間增加或減少?

3.      統整:從先前說的化學反應過程來思考,有兩大項變因。

(a)    從空氣溶解在墨水中的二氧化碳。(酸性來源)

(b)   在墨水中本身就含有的氫氧化鈉。(鹼性來源)

綜合以上兩點,以墨水中氫氧化鈉溶液設為操作變因是個好方法!

4.      進行實驗器材的介紹與注意事項的提醒。

5.      讓各組開始進行實驗設計的討論,並操作實驗、進行記錄。

參、綜合活動

活動四、實驗結果討論與分享

(一)實驗成果發表。

1.      請各組依序進行實驗數據的分享報告。

2.      針對實驗數據提出結論。

(二) 學習單的填寫與器材整理。

1.      發下學習單請學生進行填答。

2.      提醒學生將器材清洗、整理、歸位。

 

 

 

 

 

 

 

5 min

(計:5’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 15 min

(計:20’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 min

(計:30’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 30 min

(計:60’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 20 min

(計:80’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 PPT

整人墨水

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 PPT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PPT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 PPT

實驗器材

實驗學習單

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

實驗學習單

 

 

 

 

 

 

附錄二、實驗課程學習單

實驗目的

                                                                                                                                               

組別

實驗組一

 

實驗組二

 

實驗組三

 

變因分析

操作變因

 

控制變因

實驗步驟

 

預期結果

 

實際結果

(應變變因)

 

 

實驗記錄

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附錄一、課後反思與回饋單

Q1:你喜歡本次課程嗎?為什麼?

 

 

 

 

 

Q2:在這次課程中,你有什麼收穫?

 

 

 

 

Q3:在這次課程中,你還有那些不懂的內容?

 

 

 

 

Q4:我還想說

 

 

 

附錄二、上課PPT

下載:https://drive.google.com/open?id=0B5MoVWBFwnG_ZjZJWjkwOEhwN2s

 

 

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