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
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)
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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。
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》的《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X與Y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 M的NaOH溶液,Y是約1 M的HCl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:(一)108指考化學試題(可供問題解決試題的參考)、(二)2018遠哲科趣全國競賽(可供問題解決實作試題的參考)和(三)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)。
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!
(一) 實驗器材
公分)
的中間兩瓶所示。
右邊所示。
: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。
)或紫色高麗菜汁。
:演示碘褪色使用的器材
(二) 教師演示與學生觀察
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。
所示。
: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。
所示。
所示。
數次,直到無色為止。
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。
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。
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 |
觀察現象 |
觀察碘液發生褪色。 |
作用。 |
形成問題 |
為什麼會褪色? |
發生化學變化。 |
提出可驗證的觀點 |
提出碘與亞硫酸發生氧化還原反應。 |
具有氧化性;兩者發生氧化還原反應。 |
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。 |
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)。 |
。 。 |
解釋與推理 |
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。 |
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。
),使黃褐色復現。
所示
:學生問題解決的方法之流程圖
四、問題與評量
(一)討論的問題
(二)評量的問題
碘液為什麼會褪色?顏色為什麼會再現?
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)
(三)實作評量
實作評量包含動態評量和靜態評量,如下所示:
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)。
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 |
2 |
HCl |
2O |
2O2 |
2SO3 |
KI |
NaOH |
答案 |
|
|
|
|
|
|
|
未知液體
|
2
|
HCl
|
2O
|
2O2
|
2SO3
|
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」。
「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」。
參考資料
。
蕭次融,可在客廳演示的化學遊戲,《科學月刊》,2014,5月號,頁340~6。
附錄
一、108學年度指定科目考試化學科試題(2019年7月1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(2018年12月23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
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。
①加入X試劑,黃褐色褪去,溶液呈現無色。 ②加入雙氧水,黃褐色復現。
③加入Y試劑,黃褐色褪去,溶液呈現無色。 ④加入鹽酸溶液,黃褐色復現。
其流程如右圖,①②③④為反應過程序號,依據實驗回答6-7題:
6. 是什麼?
7. 是什麼?
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
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。
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。
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)
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。
實作命題二
未知液體7種:I2、KI、H2O、HCl、H2O2、NaOH、H2SO3,裝於編號0~9的10支3 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。
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。
實驗操作方法舉例
1. 在墊板上,滴下1滴1號的未知液體,然後在其上,滴下1滴2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1滴3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1滴4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。
實際操作:(學生自行設計)
仿照上述方法繼續操作,鑑定各未知液體。(共10支)
鑑定完畢後,必須一支一支地確認未知液體
答案寫在答案紙上。
附錄三
表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 |
-1,1,3,5,7 |
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。 |
表2:未知溶液的編號
未知液體 |
2 |
HCl |
2O |
2O2 |
2SO3 |
KI |
NaOH |
號碼 |
1 |
5 |
7 |
0、3 |
2、8 |
6、9 |
4 |