當藝術遇見化學: 結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中 / 周芳妃、張永佶、詹莉芬、吳淑芳、陳祖望、李盈萱、吳和臻、陳怡孜

星期四 , 9, 十一月 2017 Leave a comment

當藝術遇見化學:
結合七彩焰色實驗於藝術與文學的教學中

周芳妃1, *、張永佶1詹莉芬1吳淑芳1陳祖望1李盈萱2吳和臻1陳怡孜1

1臺北市立第一女子高級中學
2上海華東臺商子女學校
*
ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw; fangfei7680@yahoo.com.tw

n  前言

五光十色的煙火常令人目眩神移,拍手叫好。當代創作藝術家蔡國強先生的作品中,結合了東方文化的美學和哲學,將煙火爆破與流放色彩做恣意不羈的創意奔流,發揮創意的熱情正是我教育轉型的典範,其內涵也孕育了探究與實作的精神。以「神奇酒精凍與七彩焰色實驗」的課程設計利用隨手可得的物品和簡易安全的化學藥品,把探究創作帶進實驗室,提供學生動手作的探索學習,透過互動式的自我探索,學習物質的採量、微觀世界的變因討論、色彩煙火的成因等團隊合作的學習模式,透過自評與他評的評量方式,尋找科學與藝術美學的脈絡,最後透過學生的內心世界結合課程發想,提起五彩的色筆繪出自我的浪漫色彩。學生體驗學習化學的精采與樂趣以及發表的文學設計,或許無法像蔡國強先生的創作能帶來對社會的省思與實踐,但這絕對不僅是一堂欣賞化學變化與多彩焰色的化學課,更是結合科學、人文與藝術的學習之旅。

本課程設計希望在中學實驗室中或一般教室裡,以安全簡單的裝置操作實驗,就可以呈現繽紛多樣的七彩焰色。本課程設計包涵兩項實驗,如圖1所示。第一項實驗為神奇酒精凍,將易燃的酒精燃料製做成固態的酒精膠體,大大提高燃燒實驗的安全,符合綠色化學精神。第二項實驗為七彩焰色,利用安全的酒精凍作為燃料,只要加熱微量的氯化銅固體與少量紙張,便能讓煙火的場景重現。

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1:五光十色的煙火表演與「神奇酒精凍與七彩焰色」實驗裝置

n  原理和概念

一、  神奇酒精凍實驗

臺北市立第一女子高級中學(北一女中)學生蔡孟儒等人在民國92年的全國科展得獎作品「芳香酒精帶著走探討促凝劑對酒精凝膠之影響」,研究發現以適當濃度的冰醋酸水溶液與氫氧化鈣固體中和,配製產生醋酸鈣飽和溶液,搭配一些植物香精、多元醇類或醣類,可以成功製作出固態的芳香酒精凍。酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用(見圖2),包括了離子鍵與分子間作用力,以及離子與分子間的溶合作用,當酒精凍各成份的濃度比例條件都很適當時,而且成分均勻混和,再加上適當的靜置時間,微觀系統的多種交互作用就可達到平衡,使液態的酒精與醋酸鈣溶液變成固態的膠體。

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2酒精凍的微觀系統中涵蓋了很多種粒子間的交互作用

二、  七彩焰色實驗

北一女中學生李映璇等人在1997年的國際科展得獎作品「Green Chemistry—當毛細管遇到煙火」,研究以一隻小小的毛細管裝置,完成化學課本中許多熱分解實驗,並應用開發七彩煙火配方。發現藉著酒精燃燒時的火焰高溫,可使氯化銅的銅(II)離子上的電子因躍遷而產生特殊的焰色。如果在可燃物中加入碳,使火焰中也有碳粒存在時(類似還原焰),銅(II)離子就被還原成銅(I)離子或是銅原子。若加入足量酒精,或是反覆加入酒精進行燃燒試驗,氯化物逐漸轉換為氧化物,整個過程多種價數和型態不同的銅化合物所產生的焰色,將漸漸改變。

在本實驗設計中,採用安全的酒精凍、衛生紙、氯化銅三種容易取得的配方,就可觀察到依序多變的火焰顏色。從一開始先看到酒精和衛生紙燃燒產生的淡藍色、黃色、橘黃色火焰。接著,銅(II)離子產生綠色火焰,隨著衛生紙碳化過程,有些銅(II)離子也逐漸還原到較低氧化數狀態,就可以逐漸觀察到焰色由綠光轉變到藍光、紫光、白光等多層次的彩色光譜。若想要觀察到紅色火焰,則可以加入微量氯化鍶或硫酸鋰。

n  實驗器材與試劑

一、  神奇酒精凍實驗

每組用量:氫氧化鈣(每份0.5 g)、15~20%冰醋酸(10 mL,裝入小滴瓶中)、酚酞指示劑(一些)、95%酒精(25 mL,外觀無色)、工業酒精(25 mL,外觀粉紅色,含水量不確定)、混合酒精(25 mL,以95%酒精與工業酒精1:1混合,再加色素染成橘色,含水量不確定)、玉米塑膠杯(30 mL、有5 mL刻度線、2個)、塑膠滴管(1支)、玻棒或塑膠棒(1支)。

二、  七彩焰色實驗

每組用量:酒精凍(10~25 mL,一顆)、火柴或打火機(1個)、衛生紙(1張)、鋁罐(1個)、氯化銅固體(約綠豆大小的量)或大約1 M氯化銅水溶液5 mL(可用實驗回收的1 M硫酸銅加入氯化鈉固體調製)。化學試劑與相關的GHS安全資料,如圖3所示。

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3器材和試劑

(圖片來源:deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ

n  實驗步驟

一、  神奇酒精凍實驗

(一) 實驗步驟

1.        0.5 g(或任意1小匙)的氫氧化鈣加入杯中,再加入1滴的酚酞指示劑,然後在杯中漸漸滴入15~20%醋酸溶液,每5~10滴醋酸就暫停,先用玻棒攪拌20~30下,再繼續加入醋酸溶液,直到酚酞的粉紅色褪色,如圖4所示。

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4配製醋酸鈣飽和溶液

(圖片來源:deltaMOOCx化學鍵綠色化學實驗,https://www.youtube.com/watch?v=mvRq-gLwwtQ

2.        取自製的3 mL醋酸鈣溶液與15 mL酒精混合,來回互倒數次(3~10次),靜置30秒後,檢查液體是否凝固?嘗試將酒精凍倒立。圖5為混合酒精的範例。

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5:自製的醋酸鈣溶液與紅色的酒精混合,製作酒精凍。

(二) 神奇酒精凍的探究實作教學策略

1.        神奇酒精凍課程的教學策略運用,如圖6所示

A.  教案():教師事先做好自製醋酸鈣溶液。將自製醋酸鈣溶液與混合酒精溶液的體積比控制在1:5,學生操作以95%酒精與工業酒精搭配製作出混合酒精(可加色素染色),探究找出混合酒精配方對於酒精凍的影響。

B.  教案():依據教案(),學生操作製造醋酸鈣溶液,找出17%醋酸溶液的使用體積,探究找出混合酒精配方對於酒精凍的影響。

C.  教案():依據教案(),學生操作製造醋酸鈣溶液,找出醋酸濃度與體積,探究找出醋酸濃度對於酒精凍的影響。本教案原料醋酸溶液濃度低於35%,可大大提升實驗安全。

D.  教案():綜合上述所有教案,改變自製醋酸鈣溶液與混合酒精溶液的體積比,擴大添加物變因,學生進行新的實驗設計。

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6:教學策略運用各種變因進行探究與實作

2.        神奇酒精凍課程的探究精神與藝術,如表1所示:

1:神奇酒精凍課程的探究精神與藝術

 

探究精神

活動趣味與藝術

討論變因

問題標的

神奇
酒精凍

(1)反應物種類

(2)反應物比例

(3)混合方式

產物性質:

膠態、固態

兩種液態物質混合,比例不同、混合方式不同,居然可以讓產物的外觀狀態有液態、凝膠態、固態及其他不同表徵,留下許多科學的奧妙待探索。

(1) 課堂中的小組學習紀錄

A.      小組討論探究:燃料的物理與化學性質及對「用火安全」有何影響?提出問題並小組自行回答。

B.       小組實驗演示條件:實驗配方:取0.5克的熟石灰粉末需要加入17% 醋酸多少mL

C.       小組實驗演示內容:3 mL的自製醋酸鈣溶液與15 mL紅色酒精混合,來回互倒數次。靜置30秒後液體是否凝固?教師:拍片一分鐘紀錄,學生表演將酒精凍倒立在頭上,如圖7所示。

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7拍片一分鐘紀錄,學生表演將酒精凍倒立在頭上

D.      小組自主學習評量尺規,如表2所示:

2:小組自主學習評量尺規

 

表現優良

表現良好

表現尚可

尚待加強

自我設定

相信小組一定可完成酒精凍實驗

相信小組有能力完成酒精凍實驗

小組需要協助才能完成酒精凍實驗

小組不能完成酒精凍實驗

目標設定

設定精確的酒精凍實驗配方,且確訂的來回操作次數,達成表演成功。

設定精確的酒精凍實驗配方,且沒有確定的來回操作次數,仍達成表演成功。

沒有設定精確的酒精凍配方,且沒有確定的來回操作次數,尚能達成表演成功。

無法設定精確的酒精凍實驗配方,不能表演成功。

策略規劃

徹底檢視實驗的探究過程,可發現問題並成功找出解決方法。

徹底檢視實驗的探究過程,可發現問題並努力試著找出解決方法。

徹底檢視實驗的探究過程,無法發現問題,但模仿他組的解決方法。

徹底檢視實驗的探究過程,無法發現問題,也無法模仿他組的解決方法。

動機

展現解決問題的強烈企圖心,監控參與程度,發展廣泛多元策略以保持動力。

展現解決問題的企圖心,監控參與程度,發展多元策略以保持動力。

努力找出解決問題方案,沒有監控過程,沒有發展策略。

應付性解決問題方案,沒有監控過程,沒有發展策略。

(2) 個人學習單與返家作業

A.      先備知識:奈米是什麼?奈米材料定義是什麼?化學鍵有哪些種類?分子間作用力有哪些?

B.       實驗內容:實驗配方?操作方法?

C.       發散思考:關於酒精凍實驗,請說明酒精分子、水分子、醋酸分子、醋酸根離子、鈣離子等微粒之間的交互作用可能存在著哪些關係?可以依據這些微粒之間的交互作用,列舉一些範例嗎?

D.      歸納問題:今天我對酒精凍凝膠的想法?今天我發現哪些問題?今天課程中,以知識、技能、情境三方面思考,我想教給家人或朋友的事情是什麼?

二、  七彩焰色實驗

(一)      實驗步驟

1.        教師示範實驗「七彩火焰人亂舞」

將一張餐廳紙巾或兩張衛生紙摺成圓錐狀,站立在蒸發皿中,將大約5~10 mL70~95%酒精加入蒸發皿中,酒精可將紙巾一部分位置淋濕,但也要保留部分乾燥。點燃酒精,由於乾燥紙巾會先燒成黑炭,提供了還原劑,造成銅化合物成份不斷改變,因此會出現火焰顏色快速變化而且形狀跳躍亂舞得多種圖案。

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8:「七彩火焰人亂舞」的實驗裝置與配方

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9:千變變化的「七彩火焰人亂舞」圖像

2.        學生操作七彩焰色實驗

將空鋁罐底部朝上,再放置酒精凍。酒精凍上鋪上1~2小張衛生紙(4 cm * 4 cm),加上綠豆量的氯化銅固體(或1 M氯化銅數十滴),再點火引燃,如圖1011所示。

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10:鋁罐底部朝上並放置酒精凍

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11:學生進行七彩焰色實驗的流程(左),在右下方處紫光是最後出現的焰色(右)

 

(二)      七彩焰色的探究實作教學策略

1.        七彩焰色課程的探究精神與藝術,如表3所示:

3:七彩焰色課程的探究精神與與藝術

 

探究精神

活動趣味與藝術

討論變因

問題標的

七彩焰色

(1)反應物種類

(2)反應物比例

(3)焰色拍攝

燃燒火焰性質:

焰色、外型

隨著實驗條件的改變,物質燃燒時的火焰可以產生絢爛七彩顏色,學生都興奮關注火焰顏色的變化,進而探討其科學原理。

(1) 課堂中的小組學習紀錄

A.      學生須認識科學原理,並練習實驗技能,合作完成七彩焰色實驗。

B.       學生須練習用手機拍攝七彩焰色,掌握手機數位媒體功能與適當運用。

C.       學生須以彩色筆畫圖,完成海報作品(A4)大小,在課堂中繳交。

(2) 個人學習單與返家作業

12為課程設計向度,安排一份「化學與藝術」的學期作業,課程設計包含下列向度:實驗技能、科學原理、七彩焰色、數位媒體、文學創思、寫作技巧。學生作業也分成課堂中的小組作業與學期中的個人作業。學生在操作七彩焰色實驗的過程中,就能學習到諸多科學原理,若要求學生在實驗後將習得的原理與觀察到的現象寫成一份文學作品,類似電影劇本的編輯設計,則更能激發他們的觀察力、想像力和創造力。從實驗的操作、原理的學習、色彩的觀察、文字的敘述,學生不僅學到了科學,還能將科學與藝術結合,再進一步與文學結合!教師也能從學生們的作品中,欣賞到學生的創意,與文學造詣!

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12:「化學與藝術」的學期作業課程設計的向度

n  結果與討論

一、  神奇酒精凍實驗

1.        課堂中的小組學習紀錄範例,如圖13所示。

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13小組討論探究「用火安全」範例。

2.        個人學習單與返家作業範例,如圖14所示。

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14個人學習單範例

二、  七彩焰色實驗

1.        個人學習單與返家作業範例,如圖1516所示。

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15:「化學與藝術」的學期作業範例一

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16:「化學與藝術」的學期作業範例二。

以本文所列的兩份學生作品為例,怡孜的作品,敘述了幾種元素的焰色,結合生活經驗,將觀察到的火焰描述成花、舞孃、精靈、極光;和臻的作品除了觀察,還結合了易經和化學原理,把整個過程寫成了一篇故事。她將能量比喻成龍,潛伏在酒精內,點燃後,化成七彩焰色迸出。

2.        課堂中的小組學習紀錄範例,如圖17所示。

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17:小組以彩色筆畫圖完成海報作品(A4)大小,在課堂中繳交。

n  廢棄物處理和安全注意事項

本次實驗使用了易燃的酒精,注意安全,遠離火源。冰醋酸具腐蝕性,稀釋時小心操作。提醒學員操作時不可在實驗室中走動。固體廢棄物先集中到水槽中集中清洗,除去易燃的酒精之後,固體丟棄於垃圾桶,溶液皆稀釋排放即可。

n  教學提示

一、  跨科探究實作課程的執行

北一女中教師團隊累積多年課程發展的經驗,以學生學習為中心,翻滾式課程,從課程規劃設計、教學執行、評鑑省思與不斷修正,使每種課程更臻成熟,使學生適性揚才多元學習。自然科或化學科團隊長期在跨科課程設計或探究課程也有相當經驗,如圖18所示,以培養學生「批判探究、創意思考、團隊合作」為北一女中學生能力指標,並期望能符合十二年國教精神培養學生核心素養與能力。

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18北一女中化學科與自然科課程發展歷程

迎向108年新課綱,本校在跨科探究與實作課程中以「能量」為試行課程主軸,本校於106學年度正式於高一開設「探究能量,跨科實作」選修課程,讓學生可由「物理、化學、生物、地科」不同領域的角度與知識,更認識我們周圍無所不在的能量。本課程一學期分四個模組。藉由「分子間的能量、生物體的能量、自然界的能量、宇宙裡的能量」四個主題。課程的第一模組「分子間的能量」共計48小時,課程內容包括神奇酒精凍、七彩焰色及另外兩項實驗,以科學活動讓學生對探究有初體驗,讓巨觀現象能用微觀粒子做解釋,搭配化學反應中最迷人的地方:物質狀態變化、反應顏色變化、聲光效果等,讓學生對於科學探究有初體驗,並刺激學生的好奇心與挑戰性。本校108年試行課程受到臺北市教育局的矚目,學生受邀到臺北市教育局舉辦高中職課程博覽會記者會,如圖19所示。

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19:神奇酒精凍與七彩焰色實驗上課實景(甲)。本課程學生受邀到臺北市教育局舉辦高中職課程博覽會記者會現場演示神奇酒精凍(乙)(106.10.27

二、  科學嘉年華活動的關卡實驗課程設計

近五年來,本校校慶化學宅急便嘉年華的闖關課程中,每年都有安排神奇酒精凍與七彩焰色實驗關卡。在105學年度上學期的北一女中校慶第七屆化學宅急便活動中,慶祝本校學珠樓的落成,先在學珠樓的多功能一樓室內展覽廣場周圍安排很多站的神奇酒精凍實驗關卡,以本文前述的圖6教案()為執行內容。闖關者成功完成酒精凍之後,須自行帶著自製酒精凍穿過廣場,再走到四樓化學實驗室,繼續操作七彩焰色實驗關卡。本活動的動線圖與活動照片如圖2021所示。

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20105學年度上學期北一女中校慶第七屆化學宅急便嘉年華活動的動線圖

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21105學年度上學期北一女中校慶第七屆化學宅急便嘉年華活動照片

北一女中自然科教師指導學生,連續三年都有參加臺北市科學日活動,其中有兩屆化學科都是推出在本校校慶中廣受大人小孩都喜愛的神奇酒精凍與七彩焰色實驗關卡。2016臺北科學日於528日假臺灣師範大學公館校區舉辦,本校數十名高二同學擔任闖關活動之關主,帶領來賓進行化學實驗,深獲各界好評,如圖23所示。招募、培訓關主與演示注意事項如下:

A.      本校高三化學教師推薦數位已甄選上大學之高三應屆畢業同學,由指導教師為這些高三同學進行關卡實驗助教培訓工作。實驗助教將負責培訓關主志工以及所有活動器材準備與現場指揮工作。

B.       高二化學任課教師於五月初,在高二理組各班招募臺北市科學日關主志工,有興趣且能參與培訓課程和驗收課程的同學自行填寫報名表。(報名表上已載明培訓和驗收的時間,以上課期間的中午時間為主)

C.       高二關主志工至化學實驗室參加培訓課程並填寫聯絡資料、勾選活動當日欲服務之時段。培訓課程由高三學姊擔任實驗助教,以1~2日中午時段演示各個關卡的實驗,然後高二各小組自由選擇自己有興趣實驗進行初步練習。化學教師於培訓課程中均全程指導並監控實驗室安全。

D.      3~4日中午時段開放實驗室,高二同學可自行前往練習,高三學姊於練習時間均在實驗室擔任助教工作。關主也必須自行製作闖關內容之講板或海報。

E.       3~4日中午時段在實驗室驗收成果,進行關主預演與修正工作。驗收時,關主必須能流暢地依照講板或海報講解闖關內容並操作實驗。通過驗收者可領取行前通知,並帶回打包整套實驗器材及藥品,負責在臺北市科學日攜帶到臺灣師大分部的指定會場。

F.        關主於活動當日至師大分部布置場地,進行服務,如圖22所示。

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22本校數十名高二同學擔任2016臺北科學日闖關活動之關主,進行神奇酒精凍與七彩焰色實驗關卡

n  結語

我們很榮幸能承擔《臺灣化學教育》「當藝術遇見化學」專題的文稿創作與教學策略的分享,我們面對這個主題而誠惶誠恐,也都思量很久,決定團隊分工合作,推出我們發展多年的選修課程教案與科學實驗關卡活動,以「神奇酒精凍與七彩焰色實驗」的課程設計,終於完成這項投稿作品。撰文期間,在忙碌的教學工作之餘,我們也不斷思考著化學、藝術、文化與哲學的關聯性,點燃彼此的創思課程設計,落實探究實作的學習策略。最後,希望我們幾位作者發揮創意的熱情以及拋磚引玉的動機,能與大家並肩迎向我國十二年國教新課綱的教育轉型契機。

 

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