中學化學App教材與教學:滑手機做實驗 / 陳斾玎

星期四 , 4, 一月 2018 Leave a comment

中學化學App教材與教學:滑手機做實驗

陳斾玎

國立花蓮女子高級中學
imeasternking@gmail.com

n  前言

一般高中教師欲進行化學實驗時,常常會遇到課堂不足、儀器老舊、經費短缺、安全顧慮等問題,因此不論在定性或定量實驗方面,常存在著諸多的限制,這些不便,導致學生咸少有動手做實驗的機會。即便現今的教育現場出現越來越多可攜式的數位實驗設備,方便帶到教室內進行,但是放學離開校園後,便很難再接觸到實驗,學生很難將實驗的探究精神落實在生活之中。

隨著手機日漸普及,以往危險性高而難以執行,或是需要特定儀器才能操作的實驗,皆有可能透過手機APP的模擬實驗 (例如燒杯APP),或是利用手機內建的感應器 (例如氣壓計、光照度計),搭配合適的APP,進行實驗測量與分析。以下將簡單分享筆者在課堂上使用燒杯、氣壓計、光照度計三種免費手機APP應用於教學及心得。

n  燒杯APP簡介與課堂模擬實作體驗:

2015年蘋果公司在Apple Store公佈的最佳APP名單中,燒杯(beaker)獲選為『最具創意的APP』的手機程式,驚訝四方1,2,3。此款軟體介面如同名稱一般,將手機畫面變成燒杯,讓使用者可在手機上進行化學反應。開啟這個App後,使用者可以自由選擇欲加入的藥品(150多種藥品可選),即可能發生『化學反應』,比如燃燒、爆炸、沉澱、變色等,除了有畫面之外,更有音效,螢幕上還會顯示反應式(內建約300多條反應式)。『燒杯』實驗結束後,不用清洗,只要將手機傾斜,就能把藥品『倒掉』,相當新奇。此App 亦提供android 系統手機體驗的App,燒杯(beaker)手機App圖示及連結如下:

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下載網址:Google play,https://goo.gl/GipR5a


除了一般的固態、液態藥品可以選擇外,還有加熱、點火等功能,另外更支援手機連線,可以將藥品由一支手機『倒入』另一支手機,詳細介紹及操作,可參考上列連結。下圖為部份部分實驗畫面展示,左至右分別為:酸鹼指示劑、燃燒、焰色。

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1:「燒杯」實驗畫面截圖

由於此應用程式並非針對特定主題,故在課堂簡介後,便開放學生分組自由使用,接著分享發現。有趣的是課堂上手機數量甚多,常常出現有人倒掉藥品,卻被附近手機接收之窘況,這是手機連線功能在設計時沒有想到的問題吧!下圖為學生操作情況。

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2 :燒杯APP體驗學習

n  手機內建感測器簡介

一般手機除了通話外,還有定位、照相、辨識(例如指紋辨識、虹膜辨識)等功能,這些豐富功能歸功於手機內建多樣感應器,搭配使用可達到更佳效果,像是相機對焦就需要距離感測器、環境光度感測則可辨識是否需開閃光燈。茲將感應器依照常用功能分類如下:

一、   相機相關:距離感測器、環境光源感測器

二、   屏幕方向切換:重力感測器、加速度感測器、磁感測器、霍爾感測器

三、   手機定位與導航GPS、氣壓感測計、陀螺儀

四、   健康相關:加速度感測(計步器)、心率感測、血氧感測、紫外線感測

(以上感測器為參考各家手機主要功能後條列,詳細配件則依照手機規格、等級而有不同)

透過多項感測器結合,使手機能達到預期使用目的,反過來講,由於感測器確實存在,亦可透過特定APP將其感測數據連結並由螢幕顯示,作為隨手可得之實驗儀器,無須成本(部分APP須付費,但通常可找到較初階的免費版本),教師即可進行相關課程設計,融入實驗教學之中。

n  氣壓計APP的介紹與波以耳定律實驗教學

氣壓計APP分為確實感測氣壓,與透過GPS定位接收氣壓數值兩種,由於手機系統差異,學生可以搜尋下載後,放入真空保鮮盒抽氣檢驗,同時培養自己找尋適合程式的能力。筆者使用的APP圖示及連結如下(ios系統)

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下載網址:https://goo.gl/sxuC3J

波以耳定律主要探討定量氣體在定溫下,氣體壓力與體積的關係,過去物理科使用的是一端封閉的J型玻璃管,內裝水銀,利用兩端水銀面的高度差來量測氣壓。由於玻璃器材造價較高,且易脆,使用的水銀藥品是管制品,且有安全疑慮,無法帶到課堂使用;化學科亦有相關氣壓測量裝置,不過是利用玻璃管內染色的食鹽水裝置,觀測水面的升降量來計算氣壓。當然時代進步,也可以使用一般的壓力計,甚至數位壓力感測器來進行氣體相關實驗。

本文透過手機安裝氣壓計APP作為氣壓感測器,再搭配真空保鮮盒及針筒,即可簡易、快速完成波以耳定律的驗證。實驗使用器材及步驟如下:

一、實驗器材:

智慧型手機(安裝氣壓計APP) 1台、真空之保鮮盒及抽氣棒(640mL以上) 1組、23號橡皮塞1個、5mL塑膠針筒1支、10mL塑膠針筒1支。

二、實驗步驟:

1.   將塑膠針筒拉至2mL位置,用橡皮塞封住開口端。

2.   打開氣壓計APP,關閉螢幕保護程式後,將手機連同塑膠針筒一同置入可抽真空之保鮮盒內,相關實驗裝置如下圖所示。

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3:波以耳定律實驗裝置

3.   紀錄起始氣壓及體積後,利用抽氣棒抽氣,讀取氣壓計讀數及塑膠針筒內氣體體積數值,最少紀錄8組數據,再以氣體壓力P(atm)分別對氣體體積V(L)及體積倒數(1/L)作圖。

4.   重複上面三個步驟,並將起始體積改為3mL

三、課堂實況與使用心得:

透過生活可得的器材,做出化學課本上的實驗,學生備感新奇。本次課程搭配其他氣體定律相關實驗進行,由於數據取得容易,故要求學生每個起始體積都做8組以上的數據。各組需自備筆電,或直接利用手機計算機來處理數據;經作圖後,可以發現正比、反比的趨勢皆非常明顯,其中正比的線性回歸線R平方值高達0.99以上。下圖為學生操作實況:

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4:學生進行波以耳定律實驗情形

早期教到波以耳定律時,除了直觀說明現象外,總是得花許多時間解釋J型管構造,甚至使用濃鹽水染色、搭配透明水管模擬J型管演示實驗,但水柱高度需轉換壓力單位、開口端需加上大氣壓等,往往造成學習上的困難。現在只需打開手機APP並置於密閉空間,透過抽氣過程,不僅可以觀察到體積的變化,還可以直接讀取各種不同單位的壓力數值,省卻了單位換算,非常方便。缺點是目前尚未找到簡易增壓裝置,所以僅用於減壓實驗驗證波以耳定律。

n  光照度計app應用於比色實驗

手機做為光學儀器,如照度計、手機顯微鏡等,並非新聞,搜尋APP時,更有多種搭配市售裝置的手機光譜儀。本次比色實驗使用非常初階的感光功能,相關適合的APP可輸入如照度計感光計光度計等關鍵字搜尋,可以找到不少的免費項目。筆者使用的「LUXAPP圖示及連結如下(ios系統)

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下載網址:https://goo.gl/f6uGYX

傳統的比色法實驗需用雙眼直視試管內的溶液,試管的下方則是日光燈管。不只實驗完成後學生會感覺『眼冒金星』,單憑肉眼判斷的實驗,精準度並不如想像中高!雖然手機並沒有直接分光的功能,我們卻可以透過光照度APP (以下簡稱照度計),感測透過液體後的照度變化,改良比色法裝置。

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由於筆者目前任教高二,尚未學習化學平衡,故本次實驗僅以照度計檢測有色離子(Fe3+)之濃度。其中標準液為0.2 M,未知液分別配置了0.1 M0.05 M供學生測量。

一、實驗器材及藥品

智慧型手機(光源及照度計APP)2台、試管4隻、塑膠滴管1隻、黑紙(包覆比色管用)適量、0.2M(標準液)與兩種濃度低於0.2M之未知濃度的硝酸鐵溶液各6mL左右。

二、實驗步驟

1.分別將裝有未知濃度溶液試管及標準濃度(0.2M)試管以黑紙包覆。

2.先測量未知濃度試管:在試管的下方安置一支開了手電筒的手機作為光源,若亮度太高,可以中間隔著一張紙。請注意固定每次實驗時光源位置,以免影響實驗結果。

3.在上端使用另一支手機,打開照度計APP,並將感測鏡頭對準試管開口,測量光照度的數據。請注意每次測量時對準的位置需相同,以免影響數據測量。裝置如圖:

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5:圖左直接用手機光源,圖右使用紙張降低手機光源強度

4.改以標準溶液做測量,並用滴管吸取溶液至光度至與未知液相等,打開包覆的黑紙,測量溶液高度比,並推算未知溶液的濃度。

三、課堂實況與使用心得:


單憑肉眼觀測,一般人可以明顯看出不同濃度的鐵離子溶液,其顏色的深淺差異,但無法說出正確的濃度。透過肉眼觀察並引入比色的概念後,學生大致可以接受液體高度與濃度的關聯,此時若引入照度計概念,學生就能更清楚的了解比色實驗的操作與原理。下圖為學生操作實況:

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6:學生利用手機照度感測器及相關APP進行比色實驗

雖然照度計的精準度不如預期,但配置濃度落差較大(本次課程為:標準液0.2M、未知液分別為0.1M0.05M),學生仍可大致測量出溶液的高度比分別為124,從而推算出濃度關係,比起只有肉眼觀測,數據測量後的結果更有說服力。

實驗中比較麻煩的部分是手機光源、鏡頭都比較集中,所以些微的偏移就會有不一樣的結果,單人操作較困難,需要2~3位同學分工合作,才能順利進行,若能使用固定架,相信實驗會更精準。

n  結語

化學實驗是化學學習中不可或缺的部分,隨著科技進步,手機功能日益強大,能做的事早已超乎傳統想像;像過去,教師只能用真空保鮮盒演示壓力改變下,氣體體積的定性變化,卻無法帶學生做到氣體定律的定量分析;今日,在智慧型手機強大的功能輔助下,實驗的測量變得更方便,也更準確了。

享受科技便利的同時,借助科技,與時俱進,相信可以讓基礎科學實驗更貼近生活!

 

n  參考資料

1.          蘋果年度創新App:「Beaker(104)。數位時代。民1081月,取自:https://www.bnext.com.tw/ext_rss/view/id/1140733

2.          實測2015年度最具創APP:燒杯 BEAKER (105)Life生活化學。民1081月,取自:https://www.lifechem.tw/blog/151205

3.          黃慧雯 (105)3C小學堂:手機感測器好多種 5分鐘搞懂原理。中時電子報。民1081月,取自:http://www.chinatimes.com/realtimenews/20160528001322-260412

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