兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見— 以在客廳可以實作的化學反應為例 / 蕭次融

星期一 , 8, 七月 2019 Leave a comment

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見
以在客廳可以實作的化學反應為例

蕭次融

國立臺灣師範大學化學系(退休教授)
gshiau@ceec.edu.tw

 

n  摘要

教師演示點燃的火柴使黃褐色的液體褪為無色,引起學生探究其因的興趣。教師提示可用化合物替代點燃的火柴,於是學生上網找相關資料。在探討火柴頭和優碘的成分以及其性質後,並以二級研究(secondary research)的方式探究其化學反應。然後學生設計一個問題解決的實作實驗,如何使黃褐色的液體褪為無色並使其顏色復現的方法,並解釋其原理。

n  簡介

對於以往的科學教學偏重知識概念的講授,依據十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域課程手冊,著重科學探究能力培養,強調科學素養的養成,注重與日常生活的連結。新課綱的教學要以主題的方式,注重「探究學習」和「實作學習」,並且要以學生為主。教師的任務在「探究與實作」的活動中,應扮演引導者的角色,引導學生觀察現象、形成問題、提出可驗證的觀點、尋找變因、收集與分析資料、解釋與推理、歸納結論、提出建議以及預期的發展等等。

雖然新課綱強調自然科學教育法,但是多數教師期望有可參考的教材內容和教學指引。高中「自然科學探究與實作」是包含在十二年課綱新設必修的領域課程,占自然科學領域部定必修12學分的三分之一,分成「探究」與「實作」兩個面向,教師必須執行,實作是學習的過程,而探究能力的培養才是目標。

本文提出「在客廳可以實作的化學反應」,作為設計探究與實作的參考。首先教師演示點燃火柴使碘酒褪色的實驗,以引起學生探究其化學變化的興趣,進而搜尋相關資料和進行二級研究,教師引導學生發展出「氧化還原反應」的概念。接著,教師提出優碘褪色和復現的問題,分發實驗器材:碘酒、雙氧水、白開水、餅乾、火柴與透明玻璃杯,以及標籤為XY的兩支無色液體的點滴吸管,要求學生分組討論並利用所分發的實驗器材,自行設計實驗步驟並進行實作,找出問題的答案並發表其實驗結果。最後,教師引導學生發展出「氧化還原反應」的延伸「自身氧化還原反應」的概念,並理解其異同。(註:X是約1 MNaOH溶液,Y是約1 MHCl溶液。以上所述純屬個人看法,僅供同好參酌。)

二級研究涉及現有研究的總結整理和/或綜合。二級研究與一級研究形成對比,主要研究涉及數據的生成,一級研究資料作為二級研究分析數據的來源。二級研究可以從教科書百科全書、回顧文章已發表的學術論文統計數據庫和歷史記錄中提取數據。

本文的內容:一、教師演示實驗(點燃火柴,碘的褪色);二、學生用二級研究的方式探究碘液褪色的原因(火柴頭藥的成分碘的性質以及發生化學反應);三、學生以問題解決的方式實作碘液褪色又復現的作法;四、學生實作後的問題與評量;五、參考資料;六、附錄:()108指考化學試題(可供問題解決試題的參考)()2018遠哲科趣全國競賽(可供問題解決實作試題的參考)和()各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號(作為這次二級研究和問題解決的參考)。

n  教材設計

一、教師演示實驗

教師點燃的火柴,立即放入盛有碘溶液的透明塑膠杯中,學生用肉眼可分辨的現象發生!

()  實驗器材

1.優點液(1瓶),2.雙氧水(1瓶),3.鹽酸(約1 M),4.氫氧化鈉(約1 M),5.澱粉液(0.01%或餅乾),6.火柴(1盒),7.透明塑膠杯(8個),8.鐵絲(直徑約1毫米,長25公分)

1:碘酒和雙氧水:取自急救箱,如照片1的中間兩瓶所示。

〔註2〕:第345項的溶液,均裝於5毫升的點滴瓶(也可裝於3 mL的點滴吸管),如照片1右邊所示。

3:鹽酸可用食醋或酸性浴廁清潔劑替代,氫氧化鈉則可用管路疏通劑替代,但用量(濃度與滴數)要調整。

4:演示神奇的七個杯子,需要另加酚酞溶液(0.4%)或紫色高麗菜汁。

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照片1:演示碘褪色使用的器材

 

()  教師演示與學生觀察

1.        教師倒清水約10毫升於透明塑膠杯中,滴入碘酒數滴直到溶液呈現黃褐色為止。

2.        一手拿黃褐色溶液的塑膠杯和火柴盒,並用第二個空透明塑膠杯的杯底當作杯蓋,如圖1所示。

 

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1:一手拿好相疊的兩個透明杯和火柴盒,另一手拿火柴準備點燃火柴。

3.        用另一支手點燃火柴,立即移入第一個塑膠杯中,但是切勿碰觸到溶液,如圖2A所示。

4.        以第二個空塑膠杯的杯底輕蓋第一個塑膠杯,然後搖動塑膠杯,立即觀察到黃褐色的碘液褪為無色,如圖2B所示。

5.        如果碘液不褪為無色,重複步驟34數次,直到無色為止。

6.        在無色的溶液中,加入雙氧水數滴,靜待一會兒,碘的黃褐色復現。

7.        加入少許的澱粉液或餅乾屑,溶液慢慢地呈現藍色或藍黑色。

 

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2:點燃火柴,使碘液黃褐色褪色。(A)點燃的火柴,立即移入杯內。(B)輕蓋杯子後搖動杯子,碘液由黃褐色變為無色。

二、學生「探究」碘液褪色的原因:二級研究*2

學生進行二級研究:教師提醒學生上網搜尋火柴的頭藥成分與碘的性質,並解釋為何點燃的火柴可使碘液變為無色。探究的結果,學生知道火柴頭藥的成分含有硫,點燃後氧化為二氧化硫,溶於水成為亞硫酸,具有還原力,可使碘液褪色,碘分子被還原為碘離子。

學生觀看教師的演示實驗後,教師引導學生利用「二級研究」來探究下列事項:

探究過程

主要探究事項

學生二級研究的重點

1.     觀察現象

觀察碘液發生褪色。

碘液與H2SO3(aq)作用。

2.     形成問題

為什麼會褪色?

發生化學變化。

3.     提出可驗證的觀點

提出碘與亞硫酸發生氧化還原反應。

碘具有還原性,H2SO3具有氧化性;兩者發生氧化還原反應。

4.     尋找變因

找出化學反應的種類。

知道化學反應的種類及其概念

種類一:化合反應、分解反應、置換反應和複置換反應。

種類二:化合反應、分解反應、有機反應、酸鹼反應、氧化還原反應和燃燒反應。

5.     收集與分析資料

找到碘和亞硫酸的性質(外觀顏色和氧化數)。

碘分子:黃褐色,氧化數為0;碘離子:透明無色,氧化數為‒1

亞硫酸:透明無色,硫的氧化數為+4;硫酸:透明無色,硫的氧化數為+6

6.     解釋與推理

碘具有還原性,H2SO3具有氧化性;兩者發生氧化還原反應。

碘的化合物均為無色,由此推測碘在演示過程中的優碘中碘分子被還原為碘離子。

7.     歸納結論

歸納碘與亞硫酸發生氧化還原反應。

 

三、學生「實作」碘液褪色的作法:問題解決

教師提出問題:使用提供的藥品,如何使碘液褪色又復現來回循環兩次的實驗?

學生首先設計一個可以在客廳或教室操作的簡而有趣的化學(Plain and Attractive Chemistry,簡稱PAC)實驗,並且動手操作碘液褪色又復現的實驗。接著,學生理解碘液褪色又復現是碘發生自身氧化還原反應。

學生的問題解決的方法之一:(1)先以亞硫酸使碘液褪色;(2)然後加雙氧水,使黃褐色復現;(3)再加氫氧化鈉(X),使黃褐色又褪色;(4)最後加鹽酸(Y),使黃褐色復現。

學生的問題解決的方法之二:使用的溶液分成兩部分AB做比較實驗,其實驗流程如圖3所示

2019-07-31_160948

3:學生問題解決的方法之流程圖

四、問題與評量

()討論的問題

2019-07-31_161243

()評量的問題

1.    碘液為什麼會褪色?顏色為什麼會再現?

2.    承上,這發生什麼反應?(答:碘的氧化與還原以及碘的自身氧化還原)

()實作評量

實作評量包含動態評量和靜態評量,如下所示:

1.    動態評量(學生操作實驗時,教師現場評量學生動手操作實驗的下列項目)

(1)器具以及藥品的取用;(2)動手操作實驗(實驗步驟與方法)。

2.    靜態評量(實驗後寫在紙面的項目)

(3)實驗結果;(4)實驗報告:鑑定結果,填寫未知液體的編號在空格內。

未知液體

I2

HCl

H2O

H2O2

H2SO3

KI

NaOH

答案


 


 


 


 


 


 


 

 


未知液體

 


I2

 


HCl

 


H2O

 


H2O2

 


H2SO3

 


KI

 


NaOH

 


答案號碼

 


1

 


5

 


7

 


3

 


2

 


6

 


4

 

註:*1.本文純屬筆者之「我見」,有關探究與實作的評量方式,請參考大考中心即將公布的「考試說明」以及「參考試卷」。

*2.「二級研究」一詞係審查人加上的,意指「透過資料搜尋和整理的非實驗探究」。

n  參考資料

1.   國立臺灣師範大學化學研究所,火柴頭成分的探討,國中理化,教師示範實驗1986,頁5~10

2.   蕭次融,可在客廳演示的化學遊戲,科學月刊》,20145月號,頁340~6

n  附錄

一、108學年度指定科目考試化學科試題(201971日,可作為實作評量的參考)

二、2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽(20181223日,可作為實作評量的參考)

三、各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號(作為此次探究與實作活動的參考)

附錄一

108學年度指定科目考試試題

6-7為題組

做完秒錶反應後,為了要同學探究實驗過程中的試劑與其化學反應,張老師又用一個燒杯,演示了一組實驗。簡要過程如下:取一個盛有去離子水100毫升的大燒杯,放置於攪拌器上,使燒杯內的水穩定攪拌,然後滴入碘酒,使溶液呈現黃褐色。

加入X試劑,黃褐色褪去,溶液呈現無色。     加入雙氧水,黃褐色復現。

加入Y試劑,黃褐色褪去,溶液呈現無色。     加入鹽酸溶液,黃褐色復現。

clip_image010其流程如右圖,①②③④為反應過程序號,依據實驗回答6-7題:

6.  的步驟中,加入的試劑X是什麼?

(A)clip_image012               (B)clip_image014           (C)clip_image016           (D)clip_image018            (E)clip_image020

7.  的步驟中,加入的試劑Y是什麼?

(A)clip_image012[1]               (B)clip_image014[1]           (C)clip_image016[1]           (D)clip_image018[1]            (E)clip_image020[1]

答:6 (B)7 (C)

 

附錄二

2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽

化學尋寶

(一)      器材

點滴吸管(10支、編號0-9號,含未知液體)。另外1支沒有編號的點滴吸管,內裝蒸餾水,供擦洗墊板之用。咖啡棒1支、墊板1張、面紙1包。

注意:先檢查器材是否齊全?若否,請舉手補全。

(二)      問題解決化學尋寶

化學尋寶是未知液體的分析,方法與尋寶相似。先找一個線索,然後用這個線索找別的線索,如此一直找下去。

優點:安全性高,簡而有趣,用量少,變化快,具有創造思考性,在教室的課桌上可操作。

(三)      實作命題一

下列五種無色液體,如何分辨?

KI(aq)H2O2(aq)H2SO3(aq)HCl(aq)NaOH(aq)

(四)      寫出尋寶計畫一

同隊的學生參考第2頁(背面)的資訊,互相討論、作筆記,寫出簡要尋寶計畫(方法)一。

(五)      實作命題二

未知液體7種:I2KIH2OHClH2O2NaOHH2SO3,裝於編號0~9103 mL點滴吸管(有3種液體重複)。試用上述未知液體互相作用,鑑定各未知液體。

(六)      學生寫出尋寶計畫二

同隊的學生參考第2頁(背面)的資訊,互相討論、作筆記,寫出簡要尋寶計畫(方法)二。

(七)      實驗操作方法舉例

1.  在墊板上,滴下11號的未知液體,然後在其上,滴下12號的未知液體,用咖啡棒攪一攪,觀察有何變化?

2.  在這無色的液體上,滴下13號的未知液體,攪一攪,觀察有何變化?黃褐色是否再現?

3.  再在其上,滴下14號的未知液體,有何變化?想一想1~4號的未知液體是什麼?

注意:(1)今天的實驗可說是點滴實驗,每次只用1滴至多2滴,多加反而無益。

(2)
每支液體只可滴出約18滴,用完不能補充。

4.  用面紙擦一下墊板上的液體,再用蒸餾水滴在墊板上兩三滴,用咖啡棒攪和後,擦乾就可繼續使用。

(八)      實際操作:(學生自行設計)

1.    仿照上述方法繼續操作,鑑定各未知液體。(共10支)

2.    鑑定完畢後,必須一支一支地確認未知液體

3.    答案寫在答案紙上。

附錄三

1:各液體與本活動有關的性質(供探究活動的參考)

液體

顏色

氧化數

化學反應

碘液

黃褐色

0

易被還原成無色的碘化物;與鹼液會發生自身氧化還原反應,生成無色的碘離子與無色的碘酸離子。

碘的化合物

無色

-11357

碘離子會被雙氧水氧化,生成黃褐色的碘液;碘酸離子會氧化碘離子為黃褐色的碘液。

亞硫酸

無色

其中硫的氧化數為4

會還原黃褐色的碘液為無色碘離子。

碘化鉀

無色

其中碘的氧化數為-1

會被雙氧水氧化成黃褐色的碘液。

氫氧化鈉

無色

氧化數不易變化

鹼性會使碘液產生自身氧化還原反應。

鹽酸

無色

同上

酸性,會產生上項自身氧化反應的逆反應。

2:未知溶液的編號

未知液體

I2

HCl

H2O

H2O2

H2SO3

KI

NaOH

號碼

1

5

7

03

28

69

4

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