中學化學示範: 葉肉消蝕術的化學示範與探究實驗設計 / 吉佛慈

星期一 , 11, 5 月 2020 Leave a comment

中學化學示範:
葉肉消蝕術的化學示範與探究實驗設計

吉佛慈

國立臺灣師範大學附屬高級中學
focusjyi@gmail.com

n  前言

「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域課程綱要」著重學習跨學科與跨領域整合概念,其中國中新增的校訂課程(即彈性學習課程)包含跨領域統整性主題專題議題的課程、社團活動、技藝課程等;而高中新增的「自然科學探究與實作」課程,也明訂須由自然科教師進行跨學科協同教學,兩個學習階段均重視學生探究能力的培養,以及強調跨學科和跨領域概念整合的重要性。

108新課綱有提到主題「物質的結構與功能(C)」和副主題「物質的分離與鑑定(Ca)」,以及相關的學習內容「CCa-c-1混合物的分離過程與純化方法:蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等」。「葉肉消蝕術」的內涵除了符合上述自然科學領綱的化學科學習內容之外,也符合自然科學領綱生物科的學習內容BDb-Va-9 植物體的組成層次」及「BGb-Vc-5 演化證據對生物分類系統演變之影響」。此外,進行消除葉肉後的葉脈染色和裝飾品製作也符合高中藝術領域的學習內容「美E-V-2 繪畫性、立體性、複合性媒材與表現技法」。

為了解開學生對食譜式實驗所受的禁錮,同時消除超前學習者對部定課程已提早掌握之優勢,本活動是以不同於部定化學課程內容的「葉肉消蝕術」為主題,在八年級彈性課程的第一週,採取POECPrediction, Observation, Explanation, and Comparison)教學策略,藉以檢視學生的先備知識和概念基礎;接著第二週開始讓學生自訂探究主題並設計研究步驟,最後再進行實驗收集資料並分析結果等。

n  過去的實驗與示範實驗的構想

一、過去的實驗設計

葉脈書籤是部分國中生物教師曾經帶領學生進行課程的延伸實驗,由於材料和設備需求簡單,只要提醒學生挑選合適的葉片、注意強鹼試劑的危險性、使用加熱裝置並加強防護設備等實驗安全,通常可在一到兩節課的時間內完成步驟引導和操作、成品製作(如圖一)、乾燥及美化。

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圖一:傳統上在實驗室以強鹼製成的葉脈書籤

在網路上(御品賞健康莊園的臉書想享學網頁)有人使用肥皂或洗滌鹼(碳酸鈉,Sodium carbonate,俗名蘇打)取代燒鹼(氫氧化鈉,Sodium hydroxide)的製作方法,以遠離強鹼的威脅,並提升實驗的安全性。然而受限於加熱時間較長,較不適合於課堂上當作延伸活動,也較少讓學生進行驗證。

二、本次示範實驗的設計構想

本示範實驗係扮演一學期探究與實作活動的前導實驗,可以是國中階段專題探究課程的第一節課活動,也可以是高中階段探究與實作的初期體驗活動。教師可預先準備或讓學生到校園自由拾取想做成葉脈書籤的葉片,在上課中進行整學期課程說明、實驗準則要求和評量方式說明的同時,就將各組學生蒐集到的葉片加入原先配製濃度(5 %)正加熱中的燒鹼溶液共煮。接著,教師運用POEC流程進行教學,如圖二所示。在預測(P)階段:學生預測加入葉片到混合溶液共煮將會發生什麼變化現象;在觀察(O)階段:挑選適當的葉片以水龍頭的水流除去葉肉,以實物投影機同步呈現給學生觀察,徵求兩名自願示範的學生,各組任意挑選一片預備的葉片設法進行葉肉分離操作。最好能凸顯出不同葉片去除葉肉的難易程度和效果不同的結果。在解釋(E)階段:學生嘗試解釋實驗的結果;最後在比較(O)階段:小組討論並比較比較原先預測(P)與觀察(O)之間的現象與前後解釋(E)的異同處。 clip_image006

圖二:POEC教學策略應用(邱美虹等人,2005

n  藥品和器材

大燒杯(1000 mL 1個、氫氧化鈉NaOH30.0 g、漂白水(含NaClO 20 mL、肥皂 1塊、蒸餾水 適量、各類葉片(包含桂花葉、馬拉巴栗葉及其他校園常見葉片) 數片、舊牙刷 數枝、鑷子 1支、玻璃棒 1個、護目鏡 1個、手套 1雙、淺水盤 數個、加熱攪拌器 1台、報紙或吸水紙 數張。

n  示範前的測試

一、  葉片與燒鹼溶液共熱

1. 秤取30.0 g的氫氧化鈉放入裝有400 mL溫水的大燒杯中,用玻璃棒攪拌以促進溶解,再加水到溶液總體積為600 mL,如圖三所示。

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圖三:氫氧化鈉(左)和配製5%氫氧化鈉溶液(右)

2. 分開馬拉巴栗的葉片並用自來水洗淨,放入已配製的氫氧化鈉溶液中加熱,如圖四所示。

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圖四:馬拉巴栗葉(左)和燒鹼溶液共熱處理(右)

二、  葉片與肥皂水共熱

1. 效法網路流傳的作法,以家中廚房容器取代實驗室設備,以肥皂取代燒鹼藥品,將肥皂切碎,放入裝有熱水的不鏽鋼鍋中攪拌以促進溶解,再加入10片洗淨的葉片,如圖五所示。

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圖五:肥皂切碎放入煮鍋中溶解,並加入葉片共熱

三、   葉片與燒鹼和漂白水共熱

1. 葉片與燒鹼和漂白水共熱,如圖六所示。

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圖六:馬拉巴栗葉(左)和燒鹼和漂白水溶液共熱處理(右)

四、  葉肉清除測試

1.    在葉片與燒鹼溶液共熱以及葉片與肥皂水共熱的過程中,每隔10分鐘取出一片葉片放進盛有水的淺底盤中,用牙刷進行葉肉的清除測試,過程中燒杯和煮鍋必須不斷加水以補充煮沸時減少的水量,直到所有葉片的葉肉清除測試完畢為止,如圖七所示。

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圖七:葉片與肥皂水在瓦斯爐上持續加熱(左);用牙刷進行葉肉清除測試(右)

2.    比較測試的結果與網路影片的成品,教師在示範之前可事先得到下列參考數據:(1)同種葉片,同種鹼液(燒鹼或肥皂水),在煮沸時間不同時,比較葉肉消蝕程度的差異。(2)同種葉片,同種葉肉消蝕程度相同時,在不同鹼液中,比較所需煮沸時間的差異。(3)同種鹼液,相同煮沸時間,比較不同葉片的葉肉消蝕程度的差異。

n  正式示範

1. 各組學生派代表到校園撿取葉片,洗淨葉片。若樹枝和多個葉片,剪成單一葉片。

2. 葉片放入裝有鹼液(氫氧化鈉溶液)中共熱,如圖八所示。

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圖八:各組挑選的葉片(左);葉片與氫氧化鈉溶液共熱(右)

3. P-預測階段在加熱的階段,教師告訴學生燒杯中的鹼液如何事先配製,並提醒學生觀察燒杯中溶液的顏色變化。然後,倒入20 mL熱漂白水繼續共熱,如圖九所示。

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圖九:加熱漂白水(左);葉片與鹼液和漂白水共熱(右)

4. P-預測階段請學生預測在20分鐘後,取出葉片並平放在戴手套的手掌上,到水龍頭下方沖洗會出現什麼結果,可能的原因是什麼,並填寫在學習單上。

5. O-觀察階段等待學生填寫完學習單的預測階段部分後,教師戴上手套,用鑷子夾出一片馬拉巴栗的葉片平放手掌上,到水龍頭下方沖水;並請學生觀察沖水前後的差異,如圖十所示。請填寫學生學習單。

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圖十:葉片沖水前(左);葉片沖水後(右)

6. 在加熱的階段,由於需時較長,因此教師利用此時間簡介葉片的結構及其成分,以及鹼液和漂白水的基本性質,幫助學生在解釋階段有基本的先備知識,但是不談及葉片與鹼液和漂白水如何發生化學反應。

7.O-觀察階段取出全部葉片,放到大水盆中,請學生推派代表出來體驗,任意選一片葉子示範,可用牙刷除去葉肉,或是直接沖水;並請其他學生觀察結果,如圖十一所示。請填寫學生學習單。請填寫學生學習單。

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圖十一:軟化後的葉片(左);學生去除葉肉(右)

8. O-觀察階段〕請學生傳閱除去除葉肉的葉片。請填寫學生學習單。

9. O-觀察階段〕教師用報紙吸去葉片的多餘水分,再用吹風機快速吹葉片,請學生傳閱觀察葉片的結構與外觀,如圖十二所示。請填寫學生學習單。

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圖十二:乾燥後的葉片(左馬拉巴栗葉片;右桂花葉片)

10.O-觀察階段〕以浸泡染料或塗抹的方式,教師著色乾燥葉脈,請學生傳閱觀察葉片的顏色覆蓋情形,如圖十三所示。請填寫學生學習單。

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圖十三:上色後的葉脈(左單色上色;右多色上色)

11.E-解釋階段〕請學生傳閱著色的葉脈後,學生分組互相討論並解釋葉片與鹼液和漂白水共熱能去除葉肉的變化現象背後的化學原理。

12.C-比較階段〕請學生比較原先預測(P)與觀察(O)之間的現象異同處,並比較預測(P)可能的理由與解釋(E)的理由之間的異同處。請填寫學生學習單。

13. C-比較階段〕教師總結葉肉消蝕術的化學原理,學生據以在個人學習單上進行修改或補充解釋。

n  廢棄物處理

染色的葉脈可做為造型書籤使用,也可拼組成一幅藝術畫作,或貼上卡紙護貝作為萬用卡片使用;使用的化學藥品無毒性,液體廢棄物可用大量放流水沖洗排放。

n  科學原理和概念

判斷哪些植物的葉片能夠成功地分離葉肉與葉脈,必須了解支持葉片的主要成分為何,以及選擇一種合適的反應試劑,且此試劑具有不會溶解葉片的支持成分,而會溶解葉肉的成分。葉片的三大構成成分是纖維素、半纖維素和木質素,其中纖維素是由葡萄糖聚合而成的多糖類(見圖十四),半纖維素是雜聚的多糖類,主要的成分是木聚醣(見圖十五),而木質素則是交叉連結的酚聚合物(見圖十六)。

clip_image052圖十四:纖維素的化學結構

(圖片來源:維基百科)

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圖十五:半纖維素(木聚醣)的化學結構

(圖片來源:維基百科)

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圖十六:木質素的化學結構

(圖片來源:維基百科)

根據Buranov Mazza2008)的研究,當葉片與NaOH共熱時,木質素與半纖維素兩種成分之間的阿魏酸鍵(Ferulic Acid)是與NaOH反應的關鍵位置(見圖十七)。

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圖十七:木質素與半纖維素間的阿魏酸鍵

(圖片來源:Modenbach & Nokes (2014)

阿魏酸(Ferulic Acid,學名是4-羥基-3-甲氧基肉桂酸,化學結構如圖十八所示)是一種廣泛存在於植物種子和葉片中的酚酸,能和多醣和蛋白質結合成為細胞壁的骨架。阿魏酸與碳水化合物(許多‒OH)之間形成的酯鍵極容易受到NaOH的降解,因為從NaOH解離出來的氫氧根離子提升酯類發生水解反應的速率。

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圖十八:阿魏酸的化學結構

(圖片來源:維基百科)

n  化學科跨學科與跨領域的課程設計

一、化學科探究的問題

葉肉消蝕術有三個階段:讓葉片經由化學反應的分離階段,漂白葉片殘留成分的氧化還原反應階段,以及用染料染色的滲透作用階段。筆者曾經帶領過國中生(見圖十九左)與高中生(圖十九右)分別進行葉肉消蝕術的探究實驗,匯集一些學生提出來的問題;也曾有幸跟新北市樹林高中自然科教師們(見圖二十)以「玩探究,拚實作葉肉消蝕術」為題,針對新課綱的探究與實作課程進行實作分享和意見交流。

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圖十九:中學生體驗:國中生(左);高中生(右)

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圖二十:高中自然科教師體驗:進行葉肉消蝕(左);消蝕成品大合照(右)

在學生在POEC的學習過程中,從第一次的學習經歷到經驗反差、失敗或是挫折,是激起學生發現問題,尋找解決方法,重新出發的一大動力。這些問題包括:學生發現某些葉片一取出便隨葉肉一同消蝕瓦解、或是刷再久也無法順利完全去除葉肉、或是染色效果不佳等等。作者歸納出中學生的五大主要疑惑(見圖二十一)包含:葉片的種類有限制嗎?不同葉片的葉肉分離效果相同嗎?有沒有比肥皂更好的消蝕藥劑替代品呢?軟化葉片可以不使用熱源嗎?不加熱的軟化時間一定比較長嗎?有快速去除葉肉的好方法嗎?染色的試劑有哪些?是否有方便快速的好方法?以上可提供各組同學參考,或由各組同學自行挑選一個想探究的問題,再設計實驗步驟去求解。

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圖二十一:中學生對葉片消蝕術的五大疑惑

二、  跨學科的探究課程設計

化石是地表上生物演化的重要依據,根據考古學家的研究,植物化石通常只能保留葉脈、葉柄、葉緣等外型特徵(李慶堯,9810月),亦即葉肉消蝕後的葉片骨幹。對於地層質地較細緻的細砂岩或黏土,例如新竹關西的砂岩地層,如果有落葉飄落在地面印出痕跡,長時間後枝葉腐爛所留下的痕跡便稱為印痕化石。因此,以化學反應實驗進行葉肉消蝕的探究活動時,可延伸探究的觸角到葉片的組成成分(葉肉、葉脈、葉柄、葉緣等)與特性,或是利用植物化石的類別判別植物演進史,進行生物科探究;也可延伸探究的觸角到砂岩上的不同植物化石的印痕深淺比較,或是同種植物化石在不同部位的印痕深淺比較等,進行物理科探究;還可延伸探究的觸角到植物化石出現處的地層成分和年代分析,或由植物化石的物種推論出該地曾經出現的氣溫或雨量等氣候類型,進行地球科學科探究等。跨學科設計課程架構示意圖如圖二十二所示。

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圖二十二:葉肉消蝕術的跨科課程設計

三、  跨領域的課程設計

葉肉消蝕術是以自然領域概念之探究為主,無論是以化學反應分解植物葉片的部分成分,或是以漂白劑淡化物質的顏色,都是屬於科學(Science)能力的訓練範疇;觀察不同種類植物葉片的結構時,可以借助工業用X光機直接拍攝清楚的葉脈細節,也可以運用光學顯微鏡觀察植物化石表面特徵,此等工業X光機或是光學顯微鏡的操作使用,屬於科技(Technology)領域能力的培養;應用葉肉消蝕術於紙漿的製造或回收紙的再造時,相關技術可以讓學生學到製程的技術與設備操作,屬於工程(Engineering)技能的培養;製作消除葉肉剩下的葉脈成為書籤、賀卡、畫作、文創商品等,屬於藝術(Art)能力的展現;配製化學試劑的濃度配製,借助數學運算進行重量和試劑用量的換算,屬於數學(Mathematics)能力的熟練與應用。本課程期望效法STEAM教育的精神,培養學生具有五大領域的素養概念。跨領域STEAM課程架構示意圖如圖二十三所示。

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圖二十三:葉肉消蝕術的跨領域課程設計

n  結語

十二年國民基本教育新課綱的實施,趨動自然領域教學現場的教師合作規劃能引導中學生探究思考的主題,若要設計主題學校容易推動且學生容易操作,就必須具備實驗器材和設備的門檻不高的條件,實驗材料易於準備及方便取得等條件,能培養學生的探究能力才是最主要的課程目的。本文主題「葉肉消蝕術」的探究之前,以化學示範的方式,使用POEC教學策略,讓學生動腦預測、觀察、解釋及比較,教師儘量讓示範實驗更為生動、吸睛、奇異、衝突、且有趣,更能激發並驅使學生想要一探究竟的動力。

n  參考文獻

1. Alicia A. Modenbach & Sue E. Nokes. (2014). Effects of Sodium Hydroxide Pretreatment on Structural Components of Biomass, https://bit.ly/3eivETT.

2. Buranov,A. U., & Mazza, G. (2008). Lignin in straw of herbaceous crops. Ind. Crops and Products, 28(3), 237-259. http://dx.doi.org/10.1016/j.indcrop.2008.03.008.

3.Eero Sjöström 1993. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. San Diego: Academic Press. ISBN 978-0-12-647481-7.

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8.葉,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/

9.纖維素,維基百科。https://zh.wikipedia.org/wiki/纖維素

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11.木質素,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/木質素

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13.葉脈書籤,華人百科。取自:https://bit.ly/36sZaDL

14.葉脈書籤的製作方法。取自:https://bit.ly/3bUWBLS

15.葉脈標本的製作,國立台中教育大學NTCU科學遊戲實驗室。取自:https://bit.ly/36sxper

16.葉脈書籤DIY。取自御品賞健康莊園【蟬蘊茶】臉書。

17.透明系葉脈書籤自己作,獨一又無二,想享學。取自:https://bit.ly/3gq0ThF

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