化學教室活動:國小學生製作彩色麵條 / 陳皇州

星期二 , 15, 五月 2018 Leave a comment

化學教室活動:國小學生製作彩色麵條

陳皇州

國立屏東大學應用化學系
kelvin@mail.nptu.edu.tw

          前言

我們的日常生活中充滿許多化學,事實上,學習化學對於提昇人類生活品質有著非常直接的關係。然而,一般民眾對於化學卻未必持有正面的看法,尤其是近年來食安問題層出不窮,致使此一負面形象更形雪上加霜。因此,如何以新世代化學關懷環境永續發展,深化綠色化學的理念於人類的未來世代,將是極具意義的重要教育工作。筆者基於國立屏東大學動手做科學教育中心化學創造力工作站的基礎與資源,設計結合Maker(自造者)元素之創新課程活動,搭配綠色化學議題與教育部頒之國小自然與生活科技課程綱要,規劃以POE〚預測(Prediction觀察(Observation解釋(Explanation)〛教學策略為基礎的課程與活動,透過各種富含遊戲與趣味的教學活動引發學生學習興趣,進而學習化學與環境的相關科學知識。為了讓學生們充分體會動手做實驗的驗證式學習,並展現創新課程的重要精神指標:「動手做、做中學」,因此本創新課程活動的內容以「生活」為導向,藉由提供實作的原料,實施動手做化學實驗等活動,鼓勵學生在親手操作化學實驗後,深入思索實驗進行的過程,在結合創意思考與實務操作的情境下,使學生能充分發揮創意與想像,並將這些創意的想像轉化為實際能夠看見或觸摸的實物。

          實驗學習目標

在這次的國小教室化學活動設計中,我們挑選了在五年級下學期自然與生活科技課本的第三單元:酸鹼變色,作為本次國小教室化學活動的設計基礎,聚焦於基礎化學概念的認識與學習。從認識化學酸鹼性質的基礎概念建立開始,經由科學遊戲中的情境提出問題並引導學生經由自主探索的方式來進行並引起小學生學習興趣,經由動手操作、觸摸及觀察活動引發小學生對於化學變化的知覺與敏感度並進行推理。最後以現象解釋的方式灌輸正確的知識與觀念,幫助小學生對於現象與概念之間關係的認知,讓小學生應用其自主完成的實驗結果來推理並解釋預測和觀察結果的不同,使小學生在活動中真實體驗化學的奧秘,延伸其對大自然探索的價值觀與態度。

          認識花青素

花青素(anthocyanidins)是花色苷(anthocyanins)的無糖對應物,目前已被正確鑑定者有31種單體花色素,大多數花色苷是由花青基(30% cyanidin),花翠素(22% delphinidin)和天竺葵素(18% pelargonidin)所組成的,以及其他成分。隨花果和蔬菜的不同,花色苷的組成會不同。花青素會隨著所處環境的酸鹼值而有不同顏色的變化,相當適合作為檢測酸鹼值的天然指示劑。以紫色高麗菜為例,在不同的酸鹼度的顏色變化如圖一所示,其顏色在強酸性環境下呈現紅色,在弱酸性環境下呈現紅紫色,在中性環境下呈現藍紫色,在弱鹼性環境下呈現藍色,在強鹼性環境下呈現綠色或黃色。

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圖一:紫色高麗菜在不同的酸鹼度的顏色變化

(圖片來源:Red cabbage pH series.jpg, http://goo.gl/qQ1QNV

花青素是一種水溶性的植物色素,存在於茄子、櫻桃、藍莓、紫色高麗菜及紫色火龍果等深色的植物細胞中。花青素的營養價值高,是一種天然的抗氧化劑,具有清除自由基及抗發炎的能力,可以提升身體的免疫力及降低組織的氧化壓力。

          課前準備材料與器材

在彩色麵條這個國小教室化學活動主題中,以花青素為天然酸鹼指示劑,依據不同的食物酸鹼值,利用酸鹼變化而使食物改變顏色,進而由食物顏色察覺其酸鹼性質,以吸引小學生的目光,並理解酸鹼變色這個有趣的化學學習單元。

本實驗製作彩色麵條所需材料與器材如表一所示。

表一:本實驗所需材料與器材

品名(規格)

品名(規格)

品名(規格)

果汁機

50毫升量筒

雪碧汽水

酸鹼度計

塑膠杯

麵條

電子磅秤

塑膠漏斗

紫色高麗菜

燒杯(可用塑膠杯代替)

不鏽鋼鍋

小蘇打粉

石蕊試紙

玻棒

食用醋

乳膠手套

鳳梨

沖洗瓶

塑膠滴管(3毫升)

奇異果

過濾濾紙(直徑約10公分)

塑膠樣本瓶(50毫升)

檸檬

無塵吸水紙

          教學活動設計

一、  課程引導

1.      以石蕊試紙認識酸鹼:教師說明石蕊試紙顏色所代表的意義,並以食用醋和小蘇打溶液進行測試並要求學生觀察石蕊試紙的顏色變化。

2.      請學生提出生活經驗以引起研究動機本次協助實驗預作的學童所表達的研究動機如下:『以前看到許多不同顏色的飲料、食物,雖然很漂亮,但是聽說大部份是利用添加人工色素而來,好像不太健康。有一次與家人去吃蔬菜麵,看到麵條竟然是綠的,覺得很好奇。在詢問爸爸之後,由爸爸的解釋我才知道原來是老闆將蔬菜打成汁後拌進麵糰裡,再製作成麵條。因此我們吃的蔬菜麵才有蔬菜的綠色,吃起來就給人很健康的感覺。恰好我在這學期(五年級下學期)自然與生活科技課本的第三單元內發現酸鹼變色這個有趣的單元,於是我想到如果麵可以加上各種顏色,或許可以讓它變得色香味俱全,又可以檢測食物的酸鹼值,那一定會非常有趣!讓人吃完回味無窮,還想再多吃一些』。

3.      說明酸鹼度計可偵測水溶液中的酸鹼值,並以pH值表示酸鹼值。當pH小於7時,溶液呈酸性;當pH大於7時,溶液呈鹼性,當pH等於7時,溶液呈中性。帶領學生實地進行酸鹼度計的操作使用。

二、  教學活動進行

u 活動一:花青素會不會被高溫破壞呢?

  預測(P):依照先備知識了解哪些食物具有花青素,並思考看看哪一種方式可以溶出花青素?

  觀察(O):比較以攪碎過濾法與水煮溶出法獲得花青素的效果與差異。

〚實驗步驟〛

(1)   攪碎過濾法:取100公克的紫色高麗菜並切碎,與水以1:1的比例放進果汁機裡打成泥狀,再將鋪好濾紙的漏斗放置於燒杯(可用塑膠杯代替)上,把剛打好的紫色高麗菜倒入燒杯(可用塑膠杯代替)中過濾(見圖)。

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:攪碎過濾法取得花青素

(2)   水煮溶出法:將紫色高麗菜切碎,與水以1:4的比例加熱至沸騰5分鐘後,把紫色高麗菜水溶液到倒出並使其冷卻(見圖)。

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:以水煮溶出法取得花青素

 

(3)   在塑膠杯A1中,置入10公克的麵條,再加入以攪碎過濾法獲得的30毫升紫色高麗菜汁,浸泡10分鐘,每2分鐘觀察一次,記錄結果。

(4)   在塑膠杯A2中,置入10公克的麵條,再加入以水煮溶出法獲得的30毫升紫色高麗菜汁,浸泡10分鐘,每2分鐘觀察一次,記錄結果。

〚實驗結果〛

花青素會不會被高溫破壞呢?結果是不會的,以水煮溶出法獲得花青素及攪碎過濾法所獲得的花青素均可以用於染色麵條(見圖四)。

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製作彩色麵條:以攪碎過濾法(左圖,A1)和水煮溶出法獲得花青素(右圖,A2

 

  解釋(E):依據實驗結果,因為以水煮溶出法和攪碎過濾法所獲得花青素均可以成功地將麵條染色,證明花青素並不會因為水煮加熱的過程中而被破壞。我們也發現經過果汁機絞碎並過濾後紫色高麗菜汁濃度較高,如果以水煮的方式所獲得的紫色高麗菜汁容易因為需要大量的水煮沸而產生稀釋的效果。

u 活動二:以酸鹼度計測量各種水溶液的酸鹼值

  預測(P):以先備知識與生活經驗預測各種水溶液的酸鹼性質,並預估酸鹼度計與加入花青素水溶液後的顏色變化。

  觀察(O):操作酸鹼度計量測pH值,並仔細觀察各種水溶液加入紫色高麗菜汁以後的顏色變化。

〚實驗步驟〛

1.    取各10毫升的檸檬汁、食用醋、雪碧汽水、鳳梨汁、椰子水、茶葉水、牛奶、奇異果汁、小蘇打水及漂白水,分別倒入不同的50毫升塑膠樣本瓶內(見圖)。

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:取待測樣本到塑膠樣本瓶內

2.    用沖洗瓶將酸鹼度計電極沖洗乾淨並使用無塵吸水紙擦乾(見圖)。

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:沖洗瓶酸鹼度計電極

3.    把沖洗過後的酸鹼電極插入要測量酸鹼值的水溶液,測量並記錄pH值,重複上述沖洗步驟並以此類推進行其他水溶液測量。

4.    在完成pH值的測量各個水溶液後,分別加入10毫升的花青素溶液,並觀察水溶液顏色變化。

〚實驗結果〛

以酸鹼度計測試出下列日常生活中常見溶液的酸鹼值,及其對應花青素酸鹼指示劑之結果如表二所示:

表二:日常生活中常見溶液的測試酸鹼值

項目

酸鹼值(pH值)

加入紫色高麗菜汁後的顏色

檸檬水

2.39

紅色

2.62

紅色

雪碧

3.16

淡紅色

鳳梨汁

3.59

淡紅色

椰子水

5.07

淡紫色

飲用水

7.00

紫色

牛奶

6.79

淡藍色

奇異果汁

6.79

淡藍色

小蘇打水

8.39

綠藍色

漂白水

12.84

綠色

  解釋(E):依據酸鹼度計所測得的pH值,可以對照出各個水溶液加入紫色高麗菜汁後的顏色,酸性的環境呈現紅色,中性環境則維持紫色,鹼性環境則變為藍色甚至綠色(參見圖一),實驗結果顯示紫色高麗菜汁中的花青素確實具有檢驗酸鹼值的能力。

u 活動三:彩色麵條製作

  預測(P):預測彩色麵條浸入酸鹼值不同水溶液後所呈現的顏色。

  觀察(O):觀察變色後的麵條,並記錄顏色,討論分類,並歸納酸鹼的強度。

〚實驗步驟〛

1.    在編號A3A4A5A6的四個塑膠杯中,分別置入10公克的麵條,分別加入以攪碎過濾法獲得的30毫升紫色高麗菜汁,浸泡10分鐘。

2.    分別取10毫升的雪碧、小蘇打水、開水及檸檬汁,分別以滴管滴入A3A4A5A6的塑膠杯中,觀察並記錄其結果(見圖七)。

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圖七:製作彩色麵條的過程

 

〚實驗結果〛

製作彩色麵條的結果如圖八所示:

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圖八:製作彩色麵條的結果:由左而右依序為雪碧(A3)、小蘇打水(A4)、開水(A5)、檸檬汁(A6)後麵條的顏色變化結果。

 

  解釋(E):紫色高麗菜汁主要含有水溶性的花青素,花青素會受到酸鹼影響改變顏色,酸性環境下會變成鮮紅色,而鹼性環境下是藍綠色(參見圖一),這些麵條看起來顏色非常鮮艷而特別,也證明了可以利用花青素檢驗具有不同酸鹼值的食物,可以作為天然的食物酸鹼偵測劑,以後只要加入含有花青素的水溶液,就可以知道我們所吃的食物中的酸鹼性質了!

          教學評量與回饋

1.        各組依序上台進行口頭發表:彩色麵條如何製作呢?背後的原理是甚麼?

2.        小組討論:試試其他校園花材或食物,能否也可製成酸鹼指示劑?

3.        能與同學合作依步驟完成實驗並製作彩色麵條。

4.        引導學生口說回憶彩色麵條的製作過程與顏色變化。

5.        列出一些生活中其他常見的水溶液,並預測它的酸鹼性質及加入紫色高麗菜之後的可能會形成的水溶液顏色。

6.        想一想,若是天然酸鹼指示劑和天然色素比較健康,為甚麼大部分的食品廠還是使用人工色素添加在食品中呢?

          學童學習回饋

筆者透過口頭晤談進行學習成效評量,參與學童目前皆為小五階段,回顧當時做實驗的感受表示:『我們成功的製作出四種不同顏色的麵條,可以經由食物的顏色就知道酸鹼度,最後我們在收拾實驗桌和實驗藥品時,無意間發現若是將少量的小蘇打直接加入含有酸性水溶液的紫色高麗菜汁中,竟然會像汽水一樣起大量的泡泡,這個意想不到的現象讓我們又驚又喜,也引起了我們想要找出發生原因的興趣。在仔細查詢網路上的資料後,我們終於了解到原來小蘇打在酸性液體中(如果汁)與水結合後會快速的發生下列的反應,並且產生二氧化碳氣體,科學探究的實驗活動實在是太有趣了』。由以上的學童回饋意見可得知此一化學教室活動的確可以引發小學生的學習興趣,甚至由學童們不經意的混合添加,亦可產生意料之外化學反應且不具危險性,成為參與活動的小學生們最佳的課後作業題材。

          教師教學省思

本活動是以花青素作為指示劑,由紫色高麗菜中萃取青花素,學習製作天然酸鹼指示劑具有顏色變化的現象來辨識酸鹼值,學習使用天然酸鹼指示劑偵測酸鹼值,藉由呈現即時而豐富的色彩變化,提升國小學童學習動機與興趣。由於國小學童尚未接觸分子模型及對數計算概念相關的課程內容,因此建議授課教師應對於以酸鹼度計所量測之pH值所代表的意義先進行概念解說,協助學童建立並理解酸鹼度、pH值及花青素呈色的關聯性。

因為花青素主題的內容可與目前國小自然與生活科技課程中認識酸鹼的單元相互呼應,因此其實常見於各種科學教育活動體驗和科學展覽的活動中。製作彩色麵條活動的設計即為利用此一多數國小現職教師較為熟悉的青花素主題,再進一步發展以花青素是否容易被高溫破壞及其應用於檢測食物酸鹼性質的課程活動,除了酸鹼度計可能需要由學校購置或對外尋求借用外,其他器材均為相對簡單且在日常生活周遭經常接觸的物品或食品,以實現將單純的觀察體驗活動近一步衍生為生活應用科學的設計理念,並藉由小學生的體驗操作,闡述基礎化學酸鹼反應性質,進而製作具有趣味性的彩色麵條以展顯化學之美及其與食安議題的連結,期盼本活動設計能夠為目前的國小自然科學教育現場提供更多的分享與發想。

          參考資料

1.        國小五年級 自然與生活科技 第三單元:水溶液的性質,南一書局。

2.        徐月珠,科學實驗王1-酸鹼中和,2009,三采出版社。

3.        酸鹼指示劑,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/酸碱指示剂

4.        花青素,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/花青素

5.        Anthocyanidins, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Anthocyanidin.

6.        高喜貞(作者),蘇世甄(譯者),少年科學偵探CSI 24-CSl聲名大噪,臺灣麥克出版社。

7.        生活裡的科學-當酸哥遇上鹼妹,https://www.youtube.com/watch?v=Fdx67XNx030

8.        花青素抗氧化可提升免疫力,台灣新生報,2013318日報導。

9.        食物營養-花青素補眼睛,中國時報,20151212日報導。

 

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