設計適合國小學生動手做的化學實驗:如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗 / 張詩敏

星期六 , 9, 三月 2019 Leave a comment

設計適合國小學生動手做的化學實驗:如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗

張詩敏

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
nice1040802@gmail.com

n  前言

學生在學習三年級上學期植物的單元時,對於不同植物的葉片作外部觀察,並依照葉子特徵(例如:「葉的形狀」、「葉的邊緣」、「葉的大小」、「葉的顏色」、「葉面紋路」)作的簡易觀察與分類。到了五年級學生學習到植物會行光合作用,當學生想深入探究關於葉子如何在內部行光合作用,教師需引導學生關於葉子的相關構造和反應機制。

自然界中充滿許多有趣的事物,等著我們帶領學生一起去參與和體會,並從中獲得不一樣的感動。在自然與生活科技領域的能力指標中提到「智能思考」──學生需培養批判、創造與解決問題的能力。為了能讓學生學習這些能力,我們需教導學生學習科學的方法,以提升學生觀察現象的技能、如何從觀察到的現象中提出假設、將假設設計成實驗、從實驗結果驗證觀察到的現象。

n  「葉綠素」介紹

    在植物中的葉綠體,含有許多不同種類的葉綠素,以葉綠素a和葉綠素b最常見。而在植物行光合作用時,葉綠素能使用大自然的太陽能將CO2H2O轉化為葡萄糖和O2,是一種非常重要的綠色色素。我們可以使用有機溶劑將植物中的葉綠素萃取出來變成葉綠素溶液,但不能使用水進行萃取,而葉綠素溶液能也行光合作用(陳昭錦,2013)

n  實驗目的

讓學生經由實驗比較不同水與酒精萃取植物葉片葉綠素的效果

n  實驗器材

實驗材料(全班共用)

    600 mL酒精、2000 mL熱水置於熱水瓶中、足量的福木與桑樹的葉片。

器材準備(各組使用)

打洞器5支、燒杯(250 mL)1個、燒杯(100
mL)4
個、抹布1塊、碼表1個、試管夾4支、三角架1個、酒精燈1個、陶瓷纖維網1個、透明玻璃觀察瓶(10 mL) 4個、培養皿4個、隔熱手套一雙。

n  教學活動設計

引起動機

教師說明植物行光合作用需用到葉綠素。

發展活動

活動一:比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀。

1.      概略複習、說明葉子的外形分類。

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(左圖:福木的葉片    右圖:桑樹的雌葉)

2.      介紹植物葉子的基本構造。

活動二:萃取葉綠素。

1.  萃取葉綠素方法的介紹。

2.  學生操作萃取葉綠素的實驗步驟:

步驟一:用打洞器在葉片上打100個相同大小的圓形葉錠。

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步驟二:把100個葉錠倒入100 mL的燒杯中,在分別加入40 mL的酒精(右圖)、水(左圖)。使用100 mL熱水加入250 mL的燒杯。將250 mL的燒杯置於陶瓷纖維網上,再把100 mL的燒杯放入250 mL的燒杯中,使用隔水加熱的方法加熱酒精。

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左圖:用水萃取        右圖:用酒精萃取

步驟三:經過5分鐘後,用試管夾取出100 mL的燒杯,並置於桌上冷卻。將冷卻後的葉綠素倒入10 mL的透明玻璃觀察瓶。

clip_image015  clip_image017

ø綜合活動

活動三:實驗結果討論

1.      觀察兩種植物的葉綠素,並與同組討論完成學習單。

 

玻璃觀察瓶

葉錠

福木

酒精萃取

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萃取

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桑葉

酒精萃取

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萃取

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   2.  實驗器材歸位與整理。

n  學生課後回饋

在本次實驗課結束後,筆者設計課程回饋學習單讓學生進行填答,以下分別敘述學生的回饋學習單填答內容摘要。其中學生填答最踴躍是「實際萃取葉綠素過程」和「觀察萃取出的葉綠素溶液」。

表一  學生填寫回饋單之部分內容

代號

實際萃取葉綠素過程

觀察萃取出的葉綠素溶液

學生a

我覺得使用酒精就可以萃取出葉子的葉綠素非常神奇。水居然完全不行萃取出葉子的葉綠素,我以為水是萬能的溶劑。

葉綠素的顏色很漂亮,還有不同深淺的綠色,福木的葉綠素顏色比桑葉的葉綠素顏色深,而且福木的沉澱物較桑葉多。用水萃取葉綠素時,葉錠全部都浮在水面上,而且都不會出現葉綠素,皆呈現透明無色。用酒精萃取葉綠素時,葉錠全部都沉在底下,而且不用加熱就已經有葉綠素出現了。

學生b

要控制葉片的面積相同的步驟,我的方法是將葉子的邊緣剪成長方形,再計算每一片葉子的面積使兩種葉片的面積相同。我覺得我想的方法很困難,經由老師提點原來可以使用打洞器就好,真方便!

用酒精萃取葉綠素前葉錠的顏色比較綠,萃取葉綠素後葉錠的顏色比較淺。桑葉的葉錠幾乎呈現半透明的狀態,摸起來軟軟的,等酒精蒸發完後,葉錠會呈現捲曲狀、脆脆的,好像茶葉一樣;福木的葉錠中間綠色幾乎沒變,而周圍有點白色的,摸起來比較還是硬的,但是有比萃取前的葉錠軟一些,等酒精蒸發完後,葉錠形狀沒變,只是比較脆。用水萃取完後的葉錠,摸起硬硬的,跟萃取前沒有太大的差別

學生c

使用隔水加熱法時,我發現水都不會呈現沸騰的狀態,而裡面的酒精一直有氣泡產生。

葉綠素為什麼是綠色的?有別種顏色嗎?

學生d

在操作實驗時,我很害怕,因為很少使用這麼久的酒精燈,所以要非常小心,一定要遵守老師的步驟,聽從老師的指令,才不容易發生危險。

在觀察瓶中,除了有葉綠素之外,還有一些沉澱物,福木的沉澱物比桑葉多。這些沉澱物有可能是葉子的哪一個構造呢?

從問卷的回饋中可以發現,大多數的學生非常喜歡萃取葉綠素的實驗, 對於葉子的構造充滿了好奇。除此之外,學生還想了解花朵的顏色原因、葉子在四季會有不同的顏色原因、葉子的構造是否都一樣。

 

n  課程實施問題與困境

本次教學活動設計,可區分為「葉子概念的說明」、「萃取葉綠素實驗」、以及「實驗觀察與紀錄」三個部分,完成整個教學活動大約需要一節課的時間。若再加上器材、採集植物葉片的準備時間,建議要預留兩節課的時間以便課程能完整進行。以下依照三項活動的課程內容和實施困境描述。

 

課程內容

實施困境

活動一

葉子概念的說明:學生了解植物會運用葉綠素行光合作用,而葉綠素是存在植物細胞中。

在介紹葉子的剖面圖之前,學生認為葉綠素是塗在葉面上的一層塗料,沒有細胞的概念。介紹完葉子的構造後,學生無法想像葉子會呈現綠色是因為細胞內的葉綠素,因為綠色很密集。

活動二

萃取葉綠素實驗:使用相同面積的葉片,置於酒精中,再用隔水加熱法,萃取葉綠素。

葉片形狀大小不同,葉片過大實驗器材無法配合,也無法使用定量的酒精,因為有些地方無法泡在酒精中,難免在萃取葉綠素的速度有所差異。如果每片葉子的形狀不一樣,葉子與酒精接觸的面積也會有一些不同,有可能會影響實驗結果。

活動三

實驗觀察與紀錄:將萃取完的汁液置於不同的觀察瓶中,葉錠置於不同培養皿中,請學生觀察並比較紀錄。

將萃取完的葉綠素不倒出來,觀察時容易受葉錠的顏色影響,較不容易比較出來。實驗前後除了可以看到葉綠素被萃取出來之外,還可以觀察到葉子顏色不一樣來證明葉子中的葉綠素有減少。

 

n  課程設計修正

針對前述的問題,修正課程設計如下:

1.        在數葉錠數時,可以20個葉錠放一起,讓學生減少實驗誤差。

2.        教師可以教導學生使用顯微鏡,讓學生實際觀察葉子的構造。

3.        詳細的介紹每一個實驗步驟,並提示在實驗時要注意的事項。

4.        可在課程中加入延伸的挑戰任務:教師可以示範色層分析法,讓學生了解葉子中的色素不是只有葉綠素,還有其他種色素會影響葉子呈現的顏色。

n  結語

除了基本操作顯微鏡的技巧之外,還可以將植物細胞內的葉綠體萃取出來觀察,也就是本次實驗課程的內容。學生操作本次實驗時,常會去死記硬背操作方法與實驗結果,很少對於不同植物葉片萃取出的葉綠素作觀察與比較,筆者認為這是我們應該要引導學生要學會觀察與比較的能力。

大自然是我們學習的寶藏,我們能從大自然中觀察到許多有趣的風貌,而利用大自然各式各樣的現象讓學生產生好奇心,引起學生學習的動機。自然與生活科技的課程除了引導學生觀察自然現象,也會引導學生設計實驗並操作,讓學生能對大自然的植物能有進一步的了解,不會再霧裡看花。

n  參考資料

1.     陳昭錦(2013)。葉綠素。科學Online 高瞻自然科學教學資源平台,20190325擷取自http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48452

2.     學習吧-國中_生物_9-3 實驗:日光對光合作用的影響http://lms.learnmode.net/flip/video/12797

n  謝誌

衷心感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106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  附錄

附錄一、教學活動設計

教學領域

自然與生活科技領域

教學單元

萃取葉綠素

教材來源

自編

教學年段

五年級

教案設計

張詩敏

教學時間

40分鐘

教學者

張詩敏

教學目標

學生經驗

1.  對「葉子」構造有基本的認識。

2.  對實驗設計的概念有基本的認識。

3.  對實驗器材的使用方式與安全注意事項有基本的認識。

本節具體目標

1.  能理解不同植物的葉綠素含量不同。

2.   能透過推理、思考、討論,理解不同植物萃取出的液體內容物不同。

教學流程概述

Ø 引起動機

教師說明植物行光合作用需用到葉綠素。

Ø 發展活動

活動一:比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀。

1.  概略複習、說明葉子的外形分類。

2.  介紹植物葉子的基本構造。

活動二:萃取葉綠素。

1.  萃取葉綠素方法的介紹。

2.  分別使用「酒精」和「水」操作萃取葉綠素的實驗。

Ø 綜合活動

活動三:實驗結果討論

1.  觀察兩種植物的葉綠素和不同的萃取液,並與同組討論完成學習單。

2.  實驗器材歸位與整理。

 

教學活動

教學時間

教學媒體

壹、準備活動

一、課前準備

1. 教學用PPT、實驗學習單。

2.  600 mL酒精、2000 mL熱水、足量的福木與桑葉的葉片、打火機、熱水瓶。

3.   實驗器材(每組):打洞器*5、燒杯250 mL*1、燒杯100 mL*4、抹布*1、碼表*1、試管夾*4、三角架*1、酒精燈*1、陶瓷纖維網*1、透明玻璃觀察瓶10 mL *4培養皿*4隔熱手套*2

二、引起動機

(一)教師說明植物的生理作用光合作用。

1.  請小組討論並發表人與植物吸收養分時有何不同。

2.  統整歸納:人必須吃植物或其他動物才能生存,植物只需要陽光、水、空氣就可以運用光合作用自製養分活下去。

3.  教師提問:植物行光合作用時需要用到哪一種特別的構造?

4.  統整歸納:植物運用葉子行光合作用。

5.   教師提問:植物行光合作用是用葉子的哪一個部分呢?

貳、發展活動

活動一、比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀

(一)複習葉子外形特徵。

1.  教師提問:福木的葉片與桑葉的外觀有何不同?

2.  請小組討論並發表,兩種葉片的相異處。

(二)介紹葉片的內部構造。

1.  教師介紹葉片的內部構造:

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圖:葉子的內部構造(來源:https://s0024037.weebly.com/33865303402241124907122892708336896332872115133021.html)

2.  教師提問:請學生猜測福木的葉子與桑葉的內部構造會一樣嗎?

3.  學生發表:

 (a)葉子外觀雖然不同,但是內部構造會一樣。

   (b)植物品種不一樣,內部構造也會不一樣。

4.  請學生將觀察到葉子的樣貌繪製於學習單上。

5.  請學生預測萃取完葉綠素後,葉子的構造會如何?

活動二、萃取葉綠素

(一)介紹萃取葉綠素的方法

1.  把相同面積的葉片放入100 mL的燒杯中,再加入40 mL的酒精。

2.  使用100 mL的熱水加入250 mL的燒杯。

注意:將實驗器材放置整齊,準備濕抹布。使用酒精燈前,要將酒精裝八分滿,點火時請由教師操作,請勿讓學生操作。

3.  250 mL的燒杯置於陶瓷纖維網上,再把100 mL的燒杯放入250 mL的燒杯中,使用隔水加熱的方法加熱酒精。

4.  由於葉綠素是酯溶性的,只能溶在有機溶劑中,所以使用酒精。

5.  經過3分鐘後,用試管夾取出100 mL的燒杯,並置於桌上冷卻。

6.  冷卻後的綠色液體倒入10 mL的玻璃觀察瓶,剩下的葉錠置於培養
皿中觀察。

7.  使用水當葉綠素萃取劑,分別再萃取兩種葉子的葉綠素。

(二)操作萃取葉綠素的實驗

1.  教師提問:請問「秤重法」與「面積法」哪一種方法較容易萃取等量的葉綠素?

2.  學生回答:如果使用「秤重法」葉子中的無葉綠素的角質層、維管束的重量都要計算進去;如果使用「面積法」就與葉片平時行光合作用的方法一樣,則較容易計算相同單位量可萃取出的葉綠素量。

3. 學生分別使用水和酒精當萃取液,萃取兩種葉片的葉綠素觀察。

參、綜合活動

活動三、實驗結果討論

(一)觀察兩種植物的葉綠素,並與同組討論完成學習單。

1.      請各組觀察比較兩種植物的透明玻璃觀察瓶(例如:汁液顏色不同、沉澱物量不同)

2.      請根據觀察的結果上台發表。

  3.      請學生將實驗後,觀察到葉子的樣貌繪製於學習單上,並比較實驗前後的差別。

(二)實驗器材歸位與整理。

1.      將實驗器材清洗、整理並歸位。

注意:酒精燈、陶瓷纖維網、三角架與裝熱水的燒杯,需要使用隔熱手套
     
進行整理,以免燙傷。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 min

(計:5’

 

 

 

 

 

 

5 min

(計:10’

 

 

 

 

5 min

(計:15’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 min

(計:20’

 

 

 

 

 

 

 

  15 min

(計:30’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 min

(計:40’

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PPT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PPT

 

 

 

 

 

 

 

PPT

教師示範器材

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PPT

實驗學習單

 

 

 

 

 

實驗器材、實驗學習單

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

實驗學習單

 

附錄二、實驗課程學習單

繪製葉子外型:

 

實驗目的()

使用「酒精」當萃取液,萃取福木與桑葉的葉綠素。

組別

實驗組一  (葉片:         )

 實驗組二  (葉片:         )

預期結果

 

實際結果

1.玻璃瓶內的液體顏色:

 

2.葉錠:

1.玻璃瓶內的液體顏色:

 

2.葉錠:

實驗目的()

使用「水」當萃取液,萃取福木與桑葉的葉綠素。

組別

實驗組一  (葉片:         )

 實驗組二  (葉片:         )

預期結果

 

實際結果

1.     玻璃瓶內的液體顏色:

 

2.葉錠:

1.玻璃瓶內的液體顏色:

 

2.葉錠:

 

附錄一、實驗課後回饋單

Q1:請問本次實驗課你認為自己的表現如何?(每一項最高得三分)

    (     )(1)注意聆聽老師說明

    (     )(2)幫助同學完成任務 

    (     )(3)認真參與實驗課程

    (     )(4)勇於發言

    (     )(5)實驗結束後協助整理

    J總共得到(      )分,我下次要改進                                            

 

Q2:請分別描述你對本次實驗課的感想或提出疑問。

1.介紹葉子的構造

 

2.用顯微鏡觀察葉子構造

 

3.介紹萃取葉綠素的方法

 

4.實際萃取葉綠素

 

5.觀察萃取出的葉綠素

 

 

Q3:請問你最喜歡本次實驗課的哪一個部分?並說明原因?

 

 

 

Q4:請問你對於植物的葉綠素,還有哪些問題尚待解決?

 

 

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