北京化學教學交流:北京101中學「同課異構」化學教學紀實 / 王瓊蘭

星期五 , 11, 十一月 2016 Leave a comment

北京化學教學交流:
北京101中學「同課異構」化學教學紀實

王瓊蘭

新北市立新店高級中學
教育部高中化學學科中心
wang7581@ms22.hinet.net

n  前言

今年524日很高興能到北京市第101中學參加「兩岸化學教師同課異構教學研討會」,並且幸運地擔任授課教師之一。(見圖一)

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圖一:兩位來自臺灣的授課教師,新北市立新店高中王瓊蘭老師(左),新北市立新北高中鍾曉蘭老師(右)(邱美虹拍攝)

第一次聽到「同課異構」,不知它的意涵是什麼?我所能理解與想像得到的,大概是如同化學的同分異構物,是擁有相同分子式,但結構式卻不相同的多種分子。例如:結構異構物、官能基異構物、幾何異構物等,亦即分子之間並非擁有相同的物理與化學性質,除非它們的官能基相同,性質才有可能類似,卻絕對是具有不同的個別性質。因此,這次用在教學裡,上的都是同課「元素週期律表複習」;但是,不同的教師,有不同的風格,取材也不相同,就好像教師間的「賽課」一般;因此,應該是到北京打擂臺,化學論戰呀!

說實在的「元素週期律表複習」到底有什麼好教的呢?週期表不就長那個樣子,每個元素的原子序,所在週期與族數,皆已固定,不能改變。怕沒講兩分鐘,大家都睡著了。也許會顧及我是遠道而來的老師,勉強打起精神來聽看看。若是能與同學們互動,讓他們動動手,做做實驗,看到真實的元素面貌,以及探索該元素化學反應的特質,或許可以幫助他們認識元素。

n  介紹元素

既是元素週期律表複習,最簡單的就是考試啦!我原本準備的學習單,就是臺灣近年來,有關元素週期律表,學測與指考題的經典集錦。嗯!這當然不可以,太便宜行事,會被直接轟下台的。我也想當場露一手,用紅、藍、黃、綠、白的粉筆,邊講,邊寫,帥氣地畫出整個週期表。但是,那似乎挺稀疏平常,沒有什麼好神氣的。說不定,教室可接網路,直接上網看最新的互動式週期表就行了。所以,我還是乖乖的作了簡報檔。

首先,我問:「第一週期氫和氦,氫是宇宙間含量最多的元素,具有舉足輕重的地位;氦是鈍氣,是在真實氣體裡最接近理想氣體的氣體,它們兩個,哪一個元素比較昂貴?為什麼?」

同學們回說:「是氦比較貴,因為氦是稀有氣體,物以稀為貴。」

我又問:「第二週期,哪一個元素最貴?為什麼?」

有一男同學說:「是氧。」

我說:「是碳,因為碳的同素異形體中的鑽石價格昂貴。」

此一男同學又說:「我還是認為是氧。」

我說:「視情況而定,你沒錯。」

接著,我問:「中國的首都在哪?」

同學們回說:「北京。」

我再問:「美國的首都在哪?」

同學們回說:「華盛頓。」

我說:「答對了,你們知不知道,在華盛頓有個華盛頓紀念碑,在它的頂端有個鋁製金字塔,在拿破崙時代(1799–1815)鋁是比銀還貴的金屬,它曾經放在紐約市的「蒂芬妮」(Tiffany)珠寶店展示。但現在鋁很便宜,因為它是地殼中含量最高的金屬元素,等一下我們拿鋁來做實驗。」

我又問:「臺灣的首都在哪?」

同學們無言

我說:「在臺北」並指著螢幕上的PPT說:「那是臺北的101,歡迎大家來臺北玩。很巧的,你們是北京市第101中學,你們知道第101號元素的名稱是什麼?它是為了紀念週期表的創建人門得列夫,代表著打開元素的大門,承先啟後,科學家會不斷地製造出更多人造的新元素。請同學上來寫看看101號元素的符號,好嗎?」

一位女同學在黑板上寫出了:「Md」(作者註:鍆Mendelevium

我於進校門的石牆上看到:北京101中,校訓:百尺竿頭,更進一步;心想,地靈人傑,這所學校一定會人才輩出的。

最後,收課前我特意問同學們:「知不知道,新的113號元素是由日本的科學家製造出來的,猜看看,它即將命名為什麼符號呢?」

由於113號元素是第一個以亞洲國名,命名的元素,算是石破天驚,足以震撼北京,展現出日本化學家,傲視全球的實力,因此,我故意讓一位男同學用日本製,含油性墨水(其中的溶劑是Xylene,二甲苯)的麥克筆,將Jp寫在氣球上,果真很有聲效的融爆了。此現象代表著非金屬的碳和氫元素,所形成的化合物作為溶劑,會溶解天然乳膠所製成的氣球,也就是同類互溶(like dissolve like,對岸翻譯成相似相溶)。但若寫在鋁製的氣球上,鋁是金屬元素與非金屬元素的性質不同,是不會被油性麥克筆的墨水所融爆。

當時以為113號元素將會被命名為「Japonium」,符號為Jp,跟日本的縮寫一樣,但此命名未被使用。卻約在兩週後,也就是201668日,IUPAC宣布計劃根據理化學研究所(Institute of Physical and Chemical Research,簡稱理研或RIKEN)的建議,將113號元素以日語中常用的一個羅馬字拼法「にほん」(Nihon),被命名為「Nihonium」,符號為Nh。此建議名已於118日,公眾評議期五個月後屆滿截止日,連同另外三個新元素,分別是:115號元素被命名為「Moscovium」,符號為Mc117號元素被命名為「Tennessine」,符號為Ts118號元素被命名為「Oganesson」,符號為Og;一塊兒發布。目前IUPAC網頁上的元素週期表中,已公告周知,用紅圈標示出它們的符號(見圖二)。(新聞稿的參考網頁:https://goo.gl/4Ynu63

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圖二IUPAC網頁上的元素週期表

週期表第七周期的元素,全部到位;嶄新的第八周期元素,正孕育著,何時誕生,令人拭目以待。

n  實驗教學

我思考著在同課「元素週期律表複習」的授課中,應該如何強調出元素的意涵,而不僅僅是該元素的化合物。也許可從日常生活中,發現元素,並區分出金屬、非金屬以及兩性元素,更進一步地做實驗,檢驗元素的性質,製造出元素。因此,我帶著臺灣啤酒的鋁製空罐子、鋁箔紙、彈珠汽水的空罐子以及乳膠氣球等器材,小瓶裝的鹽酸、氫氧化鈉,碳酸氫鈉以及雙氧水藥品,預定從鋁的靜電性、密度等物理性質,推演到鋁與上述藥品反應,以及製造出氫、氧、二氧化碳氣體,順便複習元素的金屬性、非金屬性與兩性元素的化學性質,拋問與引導學生思考,除了用火之外,如何檢驗製造出的三種氣體?結果限於時間不夠,並沒有實施上述的實驗。

不過,奈米硫的製備,則在裝有硫代硫酸鈉溶液的瓶中,加入少量清潔劑,蓋上瓶蓋,搖一搖,混合均勻後,打開瓶蓋,再加入數毫升的鹽酸,用雷射光照射穿透溶液時,慢慢地就會出現一條光徑,產生廷得耳效應,表示奈米硫生成了。如果整個反應試劑的濃度,預先調配得當,大約一、兩分鐘就可完成,整個瓶子會變成乳黃色,並且散發出硫磺溫泉的味道,那是二氧化硫的氣味;同學們憑藉著剛做出的實驗,以及自我的先備知識,根據「質量守恆定律」即可寫出此反應方程式:Na2S2O3(aq) + 2HCl(aq) → S(s) + SO2(g) + 2NaCl(aq) + H2O(l)

另外,不能只製造出非金屬元素,我還搶時間,很快的請在座漂亮、可愛的女同學們,幫我打開兩瓶裝有無色的多倫試劑(Tollens’ reagent)的瓶蓋;然後,細心地、小心地,分別加入些許葡萄糖粉末,蓋上瓶蓋,搖一搖,再傳給其他的同學們看;等傳回來時,兩玻璃瓶罐的內壁,都已鍍上了銀鏡。由於銀是惰性金屬,葡萄糖又名血糖(blood sugar)是可被人體直接代謝的還原劑,兩物質都是同學們所熟悉的元素與化合物;因此,銀鏡反應是用葡萄糖把銀氨錯離子,還原出銀原子;這在以前的製鏡工業和熱水瓶膽的鍍銀工藝中,曾經盛行過。同學們追古思今,不妨仔細思考,為何這麼簡單的工業和工藝會被淘汰,繼之而起的是變色的太陽眼鏡,抗菌材料等,含奈米銀的製品。再想看看,傳統金屬元素銀,除了做飾品、避邪、保值外,還有何新用途呢?

n  該下台了

俗話說得好:上台靠機會,下台靠智慧呀!

也許,站在台上是會上癮的,當台上的燈光與台下的目光,都聚集在表演台上時,再加上現場採用多媒體全方位的攝影,隨時可將台上小區域的動作放大,諸如實驗操作時的動作,與學生提問時的特寫等;皆會同步呈現在台上正中央的大螢幕上,以及兩旁的小螢幕裡,讓各個在座的觀眾,也都能清楚地看到師生互動的情形(見圖二)

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圖二:透過大螢幕,學生能清楚地看到師生互動的情形(邱美虹拍攝)

我在臺灣教書,早已逾越三十年了,好不容易能有這個機會,來到中國的北京,登台授課,豈能不死命地抓緊麥克風,使出渾身數解地作秀嗎?這真是一場如夢似幻、明星般的教學;好在我可是有備而來,大陣仗地從臺北帶著一箱行李的實驗器材、藥品、分子模型、一本厚重的原文書(The Elements By Theodore Gray,臺灣有翻譯本,書名為看得到的化學:你一輩子都會用到的化學元素知識》╱西奧多葛雷著;吳瑤玲譯)以及一盒真實元素照片的硬紙卡。後來只有將書以及一盒卡片,匆匆地傳下去給同學看,然後再趕忙的傳回來。其實,我千里迢迢帶來此書的目的,是想讓同學們翻到金屬之王的金,打開裡面夾層中的一張薄薄金箔,看看是否能像水面般,將它吹皺後再吹平,這需親自體驗過,才能清楚感受到金的強勁延展性,很好玩的。

而為什麼要記週期表呢?一般人只需滑滑手機,就可看到週期表,並且還可按鈕般的,按住週期表座位上的元素,立刻就會連結到該元素的詳細介紹。可是,那種浮光掠影,看得快、忘得更快;我現在反而要求學生要把週期表的架構全畫出來,然後再一個一個,填入元素符號,中文名稱以及原子序,並進一步寫出元素原子內的電子殼層(electron shell)排布的情形,例如:鋁13Al原子的電子殼層排布是2, 8, 3,硫16S原子的電子殼層排布是2, 8, 6;猶如將貨品上架,編列條碼般,如此才能真正融會貫通「元素週期律表」。

已知週期表的元素有118個,能讓我信手拈來,拿到台上講授的,少說也超過8個以上呀!亦即前述依序提到的氫(H)、氧(O)、碳(C)、鋁(Al)、鍆(Md)、鈤(Nh)、硫(S)、銀(Ag)等,所揮灑出的元素,還不及十分之一,也就只有週期表中118分之8而已。雖然在台上,我拼命搶足了大約三十分鐘的授課時間。下台後仍舊是意猶未盡。

最令我難忘與陶醉的是午飯時,一位帥哥老師竟然趨前向我說:「老師,我喜歡你的教學。」真是受寵若驚,原來是與我較勁的康永明老師,至今還令人回味再三。而午後逛校園時,有學生迎面而來,很有禮貌的對我說:「老師好!」(哈哈!不是客人好喔!),這更鼓勵我,要認真教授化學了。下午的發表感言時,楊芳瑩教授說:「我現在知道了,北京101中,臺北101大樓,還有101號元素是鍆Md」果然,台上多說點,台下自會記得多。

下午暢遊圓明園時,和白光耀老師與康永明老師,短暫地繼續就當日上午的授課,作經驗交換。他們客氣地讚許我當場所做的幾個實驗,並提到「銀鏡的製作」,原本我的設計是一瓶可以產生銀鏡,一瓶不可以產生銀鏡,故意埋下一個小梗,讓同學們觀察、思考與提問;但是臨場太心急了,直接將葡萄糖粉末,加入剛剛調製好的銀氨錯離子鹼性溶液瓶裡(注意:銀氨錯離子鹼性溶液不可事先配製,因久置會產生爆炸物質,一定要在使用前再混合。),蓋住蓋子,輕輕搖動混合,立刻就析出像不鏽鋼的銀鏡了。我說:「其中有一瓶氨水的濃度過高,應該加水稀釋後,才會產生銀鏡的」。康永明老師立刻問說:「為什麼?」接著白光耀老師馬上解釋說:「嗯,可依據勒沙特列原理判斷,的確會發生這種現象。」。康永明老師聽了,也豪爽地說:「我知道了!」(註:銀鏡反應的反應式為2[Ag(NH3)2](aq) + RCHO(aq)+ H2O(l) D 2 Ag(s) + 3 NH4(aq) + NH3(aq) + RCOO(aq)大家想一想吧!)

n  後記

北京高中化學論戰,台上、台下不斷地過招、較勁。直到結束隔天,邱美虹教授特別和我解釋說:「因為台上觀摩的學生,下節還要回教室上課,所以才一再地提醒我,該下台了。」真是有夠不好意思的,準時下課是作為一位老師,應有的基本態度,與賽課、作客的禮貌。

我用元素符號在PPT的最後一頁寫著 “AsPIRe ReAl” Chemistry “ PLaY I WIn”

期待下次再到北京,觀課啦!化學論戰,YEs

〔註:AsPIRe(砷、磷、碘、錸),ReAl(錸、鋁),PLaY(磷、鑭、釔)、I(碘),WIn(鎢、銦),YEs(釔、鑀),以上六個英文字、句,皆是用該字後小括弧中的元素符號,拼湊成的。〕

 

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