臺灣化學教育

國小自然教室裡的化學探究與實作─以製作天氣瓶為例

葉雅婷

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班

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n 前言

一百零八學年度開始，十二年國教的新課綱即將上路，為配合十二年國教課程的連貫性，相關的課綱內容也進行了些微的調整。在自然科學領域當中，制定了核心素養的三大內涵：（一）提供學生探究學習、問題解決的機會，並養成相關知能的「探究能力」；（二）協助學生了解科學知識產生方式和養成應用科學思考與探究習慣的「科學的態度與本質」；（三）引導學生學習科學知識的「核心概念」。從核心素養可以發現，新課綱希望培養學生在學習「核心科學概念內容」之外，同時重視學生在 「探究能力」和「科學的態度與本質」兩方面的「學習表現」，使學生知而後能行。因此，筆者希望藉由課外的課程–天氣瓶的製作，讓學生從觀摩前人的設計中，來培養探究的能力。讓學生從自己動手操作的過程中，發現問題進而解決問題，並建立實作的能力。

n 「天氣瓶」介紹

天氣瓶在歷史上又被稱為風暴瓶（Storm Glass）。在18世紀〜19世紀的歐洲，曾被當作天氣預報的工具。天氣瓶是在密閉的玻璃容器中，裝入多種化學藥品組成的透明溶液，它會根據外界的溫度變化，呈現出不同型態的結晶，舊時被用來預報天氣的變化，現在則為美麗的科學裝飾品。

圖一 自製的天氣瓶

n 課前準備

一、藥品

名   稱	容   量	數量
1.硝酸鉀（KNO3）	500 g	1
2.氯化銨（NH4Cl）	500 g	1
3.天然樟腦粉（Camphor，C10H16O）	500 g	1
4.蒸餾水（純水，H2O）	2500 mL	1
5.酒精（95%， C2H5OH）	500 mL	5

二、器材

名   稱	數量
1.燒杯（500 mL）	12
2.玻棒	12
3.量筒（100 mL）	8
4.藥品匙	2
5.電子天平	1

n 教學活動設計

本次教學活動時間為連續兩節課80分鐘，先觀看影片引起學生動機，觀察天氣瓶縮時攝影影片（https://www.youtube.com/watch?v=zMERMaTxECA ）。接著進行以下四個發展活動。

活動一：探討生活中的結晶體

1.介紹結晶的概念。

2.請學生分享生活中看過的結晶。

活動二：介紹天氣瓶原理

1.簡介天氣瓶的歷史及展示天氣瓶。(見圖二)
2.介紹製作天氣瓶的相關藥品與器材。

3.介紹天氣瓶的製作原理。  

圖二 學生製作天氣瓶成品展示

活動三：動手製作天氣瓶

1.說明天氣瓶的藥品比例

2.提出假設，並以「酒精加入的容量」為操作變因，分為實驗組（3組）與對照組（3組），進行實驗。將一般市售的天氣瓶酒之酒精比例（40ml）為對照組。

 

表一 實驗組與對照組之藥品配置量

藥品	實驗組	對照組
硝酸鉀	2.5g
氯化銨	2.5g
天然樟腦粉	10g
蒸餾水	33ml
酒精	50ml	40ml

3.請學生以小組人數（4人）為單位，計算出小組的藥品重量。

4.學生自行動手秤量、操作，共同製作後再進行分裝。

 

活動四：實驗結果討論和分享

1. 發下學習單，進行小組討論及填答。

2.說明之後的實驗觀察記錄方式。

3.發下回饋單，並請學生填答。

4. 提醒學生將器材清洗乾淨並歸位。

 

n 學生實驗步驟及操作過程

一、實驗步驟

1.A杯：硝酸鉀10 g加氯化銨10 g置入燒杯中，並加入132ml的蒸餾水，攪拌至完全溶解。(見圖三)

2.B杯：天然樟腦粉40 g加入95%酒精160 ml當作對照組，天然樟腦粉40 g加入95%酒精200 ml當作實驗組，置入燒杯中，並攪拌至完全溶解。

3.將A杯和B杯的溶液倒入同一燒杯中混合。(見圖四)

4.混合後，再將混合的溶液放置於40℃溫水中隔水加熱並靜置，待白色沉澱逐漸溶解至形成澄清透明溶液為止。

5.將澄清溶液倒入觀察用的玻璃瓶中，等其冷卻後加蓋。

6.製作完成的天氣瓶靜置3〜5天，等天氣瓶內的結晶穩定後，即可進行晶體觀察。

圖三 秤量藥品重量

圖四 將A、 B杯混合

 

n 實驗過程的發現及討論

請學生在操作的過程中，將觀察到的現象記錄下來並進行討論，可探究討論的問題如下:

一、學生在操作的過程中，發現在調配A杯溶液時，杯壁會變的冰涼，請問學生這是什麼原因造成的？讓學生進行分組討論後發表。

二、將A杯和B杯混合後，學生發現無法讓混合液攪拌至澄清狀態，請學生討論有什麼方法可以解決這個問題？將討論結果寫在小白板上，並進行分享說明。

三、隔水加熱攪拌至澄清狀態後進行分裝，學生在相互觀察的過程中發現，雖然藥品比例皆相同，但盛裝完的溶液仍有澄清及些微混濁的分別，請學生討論可能是什麼原因造成的？

四、將分裝後，澄清及些微混濁的成品進行標記，進行結晶觀察，發現澄清的混合液所產生的晶體較細小，而些微混濁的混合液所產生的晶體卻相對較粗大，有可能是什麼原因造成的？

五、請學生進行實驗後的觀察，比較對照組與實驗組的結晶狀況，請學生詳述兩組不同實驗的結果代表的意義為何？(實驗發現對照組的結晶較多，實驗組的結晶較少。(見圖五))

六、請學生討論，綜觀整個實驗流程，若要再進行一次實驗，則哪些細節須要特別注意並進行修正，才可讓實驗更完善？

(圖五) 對照組（左）與實驗組（右）比較

n 學生課後回饋單

筆者任教的國小，家長的社經背景偏向工業，平日較無機會安排學生參與相關的科學營隊；因此，學生除了學校課程外，較無機會進行課外的實驗操作。此次進行實驗的學生有24人，12位男生及12位女生。

在課程結束後，筆者發下教學回饋單請學生進行填答，以作為未來教學改進之參考。學生的回饋內容摘錄如下：

學生a：喜歡。因為可以自己動手操作，而且看到成品很美麗的時候很有成就感。

學生b：喜歡。但是配置藥品的時候，味道好重，讓人有點難受。

學生c：喜歡。因為做出來的結晶很漂亮。

學生d；喜歡。原來生活中有這麼多的結晶體，希望我的天氣瓶也能這麼美麗。

從回饋單中可以發現學生喜歡製作天氣瓶實驗的原因，因為不僅可以自己動手操作，還能藉由實驗的成品進行結晶的觀察，甚至有學生希望回家後，能自行購買材料，帶家人一同製作天氣瓶。

n 課程實施問題與困境

教學活動設計，主要分為三個部分：「生活中的結晶體」、「天氣瓶原理」以及「天氣瓶製作」。以下依照三項活動的課程內容和實施困境進行簡單描述。

表二 國小學生製作天氣瓶之課程內容和實施困境

 

n 課程設計修正

針對上述所產生的問題，進行課程設計的修正：

一、可先使用鹽結晶實驗來喚起舊經驗，輔以相關的影片欣賞，再以此來解釋結晶的現象及原理。

二、在進行實驗步驟說明前，可先幫學生複習五年級學過的假設、操作變因及控制變因的定義。

三、        實驗操作前，先        詳細的介紹各器材的使用方式及注意事項。例如：測量溶液容量時，需平視液面，方可減少誤差。

四、可增加天氣瓶結晶形狀的說明，讓學生在觀察時能更清楚、明確的界定結晶形狀，降低各組之間紀錄的誤差。

五、根據學生的討論結果，要避免相同配比卻有不同澄清度的結果，在實驗細節上可進行以下的設定：

1.在進行A、B杯及A+B混合液的攪拌時，可規定攪拌的方向、次數及速度。

2.隔水加熱的溫度及時間要統一。

3.加熱後裝瓶的時間要一致。

 

n 結語

生活中其實處處是科學，從天氣瓶的歷史可以發現，當人們面臨自然中的相關問題時，很多都需要藉由科學探究的方式來進行解決；因此，從日常生活中的現象和問題，培養學生探究與問題解決的能力，讓學生將所學運用在實際生活中，將是非常重要的課題。在本課程中，利用前人設計的天氣瓶來進行實驗操作，讓學生在操作的過程中能更加了解實驗過程的相關流程，還能培養學生實作的能力，從而建立起對科學的興趣。

 

  謝誌

感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系105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 參考資料

1.十二年國教課綱草案。http://12cur.naer.edu.tw/main/showNews/297。

2.十二年國教自然科學領域Q&A。

http://web.cmgsh.tp.edu.tw/mediafile/20290013/knowledge/176/19/239/2015-11-30-11-52-35-nf1.pdf 。

3. 許良榮 (2015)。改良式天氣瓶。臺灣化學教育，第七期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6866。

4. 李燕玲 (2016)。國小學生製作美麗的天氣瓶。臺灣化學教育，第十四期。  http://chemed.chemistry.org.tw/?p=18688 。

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

6. 黑熊老師的實驗室。http://2013taiwanblackbear.blogspot.tw/2015/05/blog-post.html 。

7. 天氣瓶縮時攝影影片。https://www.youtube.com/watch?v=zMERMaTxECA。

n 附錄

附錄一、教學活動設計

 

 

附錄二、實驗觀察學習單

班級：_______   座號：_______  姓名：____________________
假設：
操作變因：
控制變因：
應變變因（結果）：
藥品名稱			實驗組藥品重量			對照組藥品重量
硝酸鉀
氯化銨
蒸餾水
天然樟腦粉
酒精
	實驗組	對照組		實驗組	對照組		實驗組	對照組
日期
溫度
結晶情形 (請畫出)

 

附錄三、實驗回饋單

一、你喜歡這堂課嗎？為什麼？

                                                                               

                                                                               

                                                                                

二、這堂課你學到了什麼？(至少寫兩項)

                                                                               

                                                                               

                                                                                

三、想說的話：