新聞議題融入自然科探究實作- 環境用消毒水的製作 / 劉曉倩

星期六 , 2, 5 月 2020 Leave a comment

新聞議題融入自然科探究實作-環境用消毒水的製作

劉曉倩

 國立彰化高級中學
*
torrina01092002@yahoo.com.tw

前言

新型冠狀病毒疫情已經被聯合國稱為「第二次世界大戰後最大的危機」,在這場危機中國際政壇就病毒來源產生爭執及各種陰謀論。姑且不論新型冠狀肺炎(covid-19)的起源為何,截至目前為止,疫情持續擴散到全世界,而且因為極易傳染,市面上各種的防疫產品也變得搶手甚至是無法取得。

為了避免病毒擴散,其中最引起大家熱烈討論的就是各種消毒水的殺菌效果了。常用的殺菌劑有酒精、次氯酸水、次氯酸鈉及次氯胺水。濃度75%的酒精對於一般細菌雖有殺菌效果,但是目前受到政府管制,不易取得。家庭常用的漂白水(次氯酸鈉)是一種强而有效的消毒劑,能使微生物的蛋白質變質,有效殺滅細菌、真菌及病毒,價錢便宜,功效快速,但因為漂白水對黏膜、皮膚及呼吸道具刺激性,且容易與其它物質產生化學反應,消費者在使用上疑慮較多,因此刺激性較弱且仍有殺菌力的次氯酸水成了選項之一!

其實次氯酸水的製備並不困難,甚至只需應用日常生活中的器材即可完成,我們在課程設計上可以將週期表中的元素性質、製備及應用,融入教學設計中,提醒學生元素與生活密切相關。在實際進行教學活動時,帶領學生走出校園,讓學生自己思考自製儀器中所需的生活素材與工具,老師在引導者的角色,訓練學生系統性思考及動手做,藉著一個題材將學生的能力培養起來,讓學生不僅可以學知識而已,還可以「學能力」!

如此一來,以後學生遇到生活中的議題,會開始覺察,也會反思議題的真實性,接著就會提出問題,甚至設計實驗去論證。這種將生活化議題融入新課綱「自然科學探究與實作」的課程活動設計,對於學生科學素養的培養很有幫助。

此教學設計中,學生因為疫情而有更強的學習動機,透過有系統的教學活動設計,學生可以將市售漂白水及次氯酸水做酸鹼度測定及有效氯濃度做比較,接著自己動手自製次氯酸水製作機,並進行實驗比對自製的次氯酸水與市售的差異性,對於學生深化學習很有幫助。

設計理念

問題導向學習的起源

問題導向學習(problem-based learning,簡稱PBL)是一種課程設計與教學模式,主要是以學習者為中心並利用真實的議題來引發學習者興趣及討論,透過老師決定教學目標與進行問題的引導,藉由小組的架構培養學習者的思考、討論、批判與問題解決能力,有效提昇學習者自主學習的動機,並進行目標問題的知識建構、分享與整合。

問題導向學習的特色

1、以問題為學習活動的核心:

議題目標問題為學習活動的核心,「提出問題」對於引發探究十分重要,但是實際進行教學活動時並不容易,教師可以視學生程度決定目標問題廣度及深度。若是學生剛開始進入探究課程,則目標問題可以由教師決定。若是學生已經漸漸熟悉課程進行方式,可以由各組學生提出想法,相互分享,再由師生共同決定。其決定的問題核心必須具有一定程度的複雜度與挑戰性,並須具備有足夠的資訊及線索可以引導學習者進行資料的蒐集與積極參與。

2.以小組合作為學習模式:

學生針對所設定的問題透過小組合作方式進行討論與擬定解決策略。

3.以討論為主的學習過程:

在小組討論的過程中,學生依循所設計的目標問題進行批判與討論,藉以整合出能夠解決問題的方案,而教師在討論當中也可以適時參與及建議,以提昇學生進行更高層次的互動討論學習。

4.強調學生主動學習:

學生必須主動思考學習目標,了解自我能力,學習擬定計劃或階段性學習目的,並主動地與他組進行討論與分享。

5.教師是學習的引導者

教師需以引導者角色適時介入小組的學習過程,參與問題解決討論過程,並提供適當的回饋,以幫助學生釐清思考過程產生的問題,並協助解決問題,進而提昇思考的層次。

表一教學計畫表

週次 具體目標 教學內容
第一週 1.      引導學生對於新聞議題的探究學習

2.      建立學習目標所需的相對應知識,並針對所討論的議題進行實驗設計。

3.      實驗中所使用的儀器與原理介紹

1.引導學生了解冠狀病毒與一般病毒的差異。為何冠狀病毒比較會突變?

2.市售消毒水的種類及殺菌效果。

3.市售自製次氯酸水製作機是否真的產生次氯酸水?

4.將市售機製作的次氯酸水進行酸鹼度檢測

5.介紹酸鹼度計及酸鹼試紙的測定原理及進行實作測試。

 

第二週 1.      氧化還原的原理說明

2.      氧化還原在電解的應用

3.      學生自行組裝電解裝置,進行實作結果討論

4.      教師引導學生運用生活用品自行完成實驗設計

1.教師介紹氧化還原及電解原理

2.將舊的手機充電器改良為直流電電解裝  置的電源供應器,完成簡易型電解裝置。

3.進行電解食鹽水實作。

4.探討實驗結果中出現的異常因素,進行改進 。

 

第三週 1.引導學生運用生活用品改良電解實驗裝置

2.將自製儀器中實作結果出現的問題與同學相互討論

3.學生探討操縱變因不同(電壓大小、電解時間…)對於實驗結果產生的影響

 

1.學生設計自製次氯酸水製造機。

2.教師帶領前往學校附近書局及雜貨店進行採買,利用生活中的材料進 行改裝及設計。

3.在學校實驗室進行實作,並進行操縱變因的探究實作。

第四週 1.學生將自製次氯酸水製作機的實驗結果與其他組同學分享。

2.教師進一步引導學生探究酸性與濃度的關係。

 

1.學生使用自製機器實際電解食鹽水進行測試。

2.將市售漂白水、次氯酸水及自製次氯酸水進行有效氯的檢測。

3.學生完成自製次酸水機最佳食鹽水濃度及電解時間,並能舉出實驗數據論證。

第五週 1.學生了解探究主題的先備知識、相關科學原理及設計實驗流程的準確性。

2.學生進行實驗時,遇到問題的解決能力。

3.學生在學習過程中是否印證了自己想要的結果。

1.各組學生將所做的實驗結果,使用電腦做數據分析或圖表比較,並做成簡報發表。

2.學生聆聽其他組別簡報準備的充份度、口語表達能力及分析統整能力,進行互評

3.學生提出對於發表組別的未來研究方向建議。

教學流程分享

新聞議題融入自然探究實作教學活動,教師在課程規劃上可以從最新的新聞議題開始,引起學生學習動機,學生分組上網查閱相關資料、政府因應政策及作法、學生相互分享新聞來源的正確性、哪些主題適合深入實驗探究及實際進行的可行性等。最後引導學生能夠自己設計實驗,自己組裝儀器及實驗驗證,並分組以PPT發表互相評分。筆者除了列出教學計畫表提供教師參考外,下面會將每週實際進行的實驗活動與大家分享,每位老師可以依照開課需求與學生程度稍加調整。

一、新聞議題的介紹及市售消毒水實驗檢測

1.引導學生了解新型冠狀病毒議題。

1)什麼是冠狀病毒?

2)冠狀病毒會造成什麼樣的人類疾病?

3)動物的冠狀病毒感染會傳染給人類嗎?

4)動物的冠狀病毒如何傳染給人類嗎?

5)新型冠狀肺炎是從哪裡來?怎麼被發現?

6)新型冠狀肺炎在哪裡傳播?

7)我怎麼預防新型冠狀肺炎?

8)居家檢疫跟自主健康管理的差別

9)其他爭議性的議題

2.市售消毒水的種類及殺菌效果。

1)酒精、次氯酸水、漂白水對抗病毒的效果比較

2)消毒殺菌劑比溼洗手更好?

3)酒精濃度越高越好?

4)酒精無法殺死冠狀病毒?

5)次氯酸水比漂白水(次氯酸鈉)更好?

3.市售漂白水及市售次氯酸水製作機產生的次氯酸水進行實驗檢測

1)學生將市售漂白水(次氯酸鈉)進行酸鹼度檢測

2)市售次氯酸水製作機產生的次氯酸水進行酸鹼度檢測

2)將市售漂白水及次氯酸水製作機檢測結果進行討論及分析。

4.課程實施心得分享

1)學生對於課程參與度高且對於新聞議題討論熱烈。

2)老師可以採取快問快答方式讓學生搶答相關議題的了解程度,以組別加分的方式提高學生學習參與度。

3)將市售某牌漂白水稀釋(漂白水:水=1100mL/mL))後測其pH值為10.13

4)將食鹽5克加水500毫升放入市售某牌次氯酸水製作機中電解5分鐘,測其溶液pH值為8.55

5)理論上次氯酸水應為酸性(pH值應小於7),但是製作機產生的次氯酸水實測結果卻是鹼性(pH值大於7),所以研判市售製作機利用前述方法所產生水溶液和次氯酸水的性質不同。

6)課程安排上有議題探究,培養學生閱讀、理解、分析資料的能力,同時有實驗實作,培養學生敏銳的觀察力並找出證據來支持論點,如此一來可以訓練學生做系統性思考。

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二、實驗原理及應用,自組裝電解裝置測試

1.引導學生了解氧化還原原理

1)氧化還原的原理說明。

2)氧化還原在電的應用(鹼氯工業、電解食鹽水

3)電解水溶液時,電源的要求、電極的種類及電解液對陰陽兩極所得電解產物的影響。

2.教師引導學生自組裝電解裝置

1)教師引導學生運用生活用品自行完成實驗設計

2)將舊的手機充電器改良為直流電電解裝置的電源供應器,完成簡易型電解裝置。

3)進行電解食鹽水實作。

4)探討實驗結果中正負極中溶液所出現的異常顏色,進行改進

3.課程實施心得分享

1)學生將舊的手機充電器改良為直流電電解裝置的電源供應器。

使用器具及器材

廢棄不用的手機充電整流器

IMPUT:110VAC                  60Hz

OUTPUT:9~12VDC               500mA

(並非各種手機充電整流器都可以改裝來使用,非專業人士勿任意嘗試改裝,可以使用多個乾電池串聯)

鱷魚夾紅色及黑色                    各1包
剪刀                                  1把 粗鉛筆心2B以上                       2支
塑膠滴管                              2支 不鏽鋼鑽子                            1支
小試管                                2支 燒杯                            250mL 2個

 

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2)學生使用碳棒為電極,食鹽水當作電解液進行電解測試,發現氣泡產生速率較快(產生氫氣)的應為負極(陰極),氣泡產生速率較慢(產生氧氣)的應為正極(陽極)。

3)將鱷魚夾連同電極(碳棒)放入電解槽內時,隨電解時間增長,溶液漸漸出現黃色。經過觀察與討論後,研判鱷魚夾的主要材質為鐵,鐵的氧化電位高,會在陽極失去電子氧化成黃色的鐵離子。

4)學生進行自製電解裝置討論及設計更優質化的產品。

三、學生利用生活器材自組裝次氯酸水製作機及進行測試

1.學生上網蒐集資料,設計自製次氯酸水製造機

1)學生上網蒐集資料,並相互討論自製次氯酸水製作機的設計圖。

2)儘量採用生活廢棄物回收用品進行改裝,相互討論其可行性後列舉所需的用品。

2.教師帶領學生走出校園

1)教師帶領前往學校附近書局及雜貨店進行採買,利用生活中的材料進行改裝及設計。

2)學生可以就書局及雜貨店所提供的現有器材修正實驗及討論其實用性,做到低成本考量。

3.學生回實驗室組裝自製裝置並進行實驗測試

1)將自己採買的器材進行組裝。

2)學生探討操縱變因不同(電壓大小、電解時間)對於實驗結果產生的影響。

3)進行操縱變因的探究實作。

4.課程實施心得分享

1)學生完成紙本設計圖後,相互討論分享設計的原理及設計亮點。

2)教師帶領學生走出校園到附近書局及雜貨店進行採買,可以增進師生交流。

3)學生在書局採買看到各種文具時,意外激發出設計理念,進而優化實驗設計。

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圖七 學生使用的器材:2B筆蕊、600mL手搖杯、鑽子、熱溶膠、塑膠培養皿、三向閥、塑膠板薄片及塑膠滴管

圖八 學生自行組裝實驗裝置,設計重點在於將鱷魚夾放在塑膠杯子外側固定,只需將筆蕊電極插入杯子內,以免鱷魚夾在溶液中產生不必要的反應

 4)學生自製次氯酸水製作機的設計亮點,在於將正負極以塑膠隔板隔開,但是必須在底部留些縫隙否則不能導電,接著在正極的瓶側挖洞以熱熔膠黏上三向閥開關,收集電解產生的次氯酸水(HClO)。

正極:2Cl(aq) → Cl2(g)2 e      

Cl2(g)H2O—→HClO (aq)HCl(aq)

負極:2H2O(l)2 e→ H2(g)2 OH(aq)     

四、自組裝次氯酸水製作機測試

1.學生了解各種消毒水有效殺菌濃度的差異及做市售漂白水有效氯濃度的檢測

1)學生了解溶液常用的濃度表示法(體積莫耳濃度、體積百分率及百萬分點濃度)及市面上各種消毒水標示中有效濃度殺菌效果的差異。

2)將市售漂白水進行有效氯濃度檢測。

2.自製次氯酸水製造機進行實驗測試

1)學生規劃實驗流程,學習操縱變因(食鹽水濃度、電解時間)對於產生次氯酸水的酸鹼度及濃度的影響

2)分析實驗結果,舉出實驗數據論證。

3.課程實施心得分享

1)學生對於市售各種消毒水濃度的表示方法並不熟悉,藉由此教學活動可以更深入了解。

使用濃度 滅哪些菌 應用範圍 盛裝容器 注意事項
酒精 70~75% 有套膜病毒

(冠狀病毒、流感病毒)、細菌

人類及一般環境 HDPE(2號)

PP(5號)

皮膚敏感者略微刺激
漂白水

(次氯酸鈉)

1%

(500ppm)

有套膜病毒

(冠狀病毒、流感病毒)、無套膜病毒(腸病毒、諾羅病毒)、細菌

一般環境及常用物品 不透光HDPE(2號)或PP材質 不可用於熱水及鹽酸、避免陽光直射及接觸皮膚
次氯酸水 200ppm 有套膜病毒

(冠狀病毒、流感病毒)、無套膜病毒(腸病毒、諾羅病毒)、細菌

可以用於食器及一般環境 不透光容器且避免使用於含有金屬容器 不建議用於皮膚、用於食器時須待其風乾後或擦拭後再使用

2)學生查閱資料得知,漂白水中有效氯濃度測定法

參考資料如下:

一、Na2S2O3溶液的配製:

1.在燒杯內加入6.2克的硫代硫酸鈉(Na2S2O3)和0.1克碳酸鈉(Na2CO3),加水稀釋至250毫升。

2.將上述Na2S2O3溶液倒入滴定管內。

二、未知濃度Na2S2O3溶液的標定:

1.250mL錐形瓶精確0.14 gKIO3

2.加入50 mL蒸餾水,使KIO3完全溶解。

3.50 mL燒杯內加入3KI10 mL蒸餾水,攪拌使其完全溶解,再加入10mL 3M H2SO4溶液攪拌混合後,倒入上述錐形瓶溶液中,緩慢搖動使其均勻混合後,靜置約5分鐘

4.Na2S2O3溶液滴定上述錐形瓶內的混合溶液,直至顏色變淡。

5.加入5 mL澱粉溶液於上述混合溶液中,繼續以Na2S2O3溶液滴定,直到顏色消失為止,此即為滴定終點。記錄Na2S2O3溶液的使用體積 (Va)

6.空白實驗:在125 mL錐形瓶中,加入3KI10 mL蒸餾水,緩慢搖動使其完全溶解,再加入10mL 3M H2SO4溶液、50 mL蒸餾水,緩慢搖動使其均勻混合後,靜置約5分鐘。接著加入5 mL澱粉溶液,再以Na2S2O3溶液滴定至顏色消失為止,記錄Na2S2O3溶液的使用體積(Va0)

7.利用公式計算Na2S2O3溶液的標定濃度。

三、市售漂白水中有效氯含量測定

1.250 mL錐形瓶中,加入3KI10 mL蒸餾水,緩慢搖動使其溶解後,再加入10mL 3M H2SO4溶液、50 mL蒸餾水、2 mL市售漂白水,緩慢搖動使其均勻混合,靜置約5分鐘

2.Na2S2O3溶液滴定上述錐形瓶內的混合溶液,直至顏色變淡。

3.加入5 mL澱粉溶液於上述混合溶液中,繼續以Na2S2O3溶液滴定,直到顏色消失為止,此即為滴定終點。記錄Na2S2O3溶液的使用體積 (Vb)

4.空白實驗:Na2S2O3溶液的使用體積(Vb0)

四、實驗結果與討論

 (分子量Na2S2O3∙5H2O= 248; KIO3= 214; KI = 166; Cl2 = 71)

()硫代硫酸鈉溶液的配製與滴定

1.硫代硫酸鈉的使用重量:            

2.平衡與完成下列方程式:

(a)      I     I2 +           

(b)      I2 +    S2O32-           +            

(c)      IO3 +     I +     H+           +             

3.空白實驗中,Na2S2O3溶液使用體積Va0 =        mL

4.標定過程中,Na2S2O3溶液的使用量

Va =          mL

Va–Va0 =           mL

Na2S2O3溶液的標定濃度:               M(必須寫出計算過程)

市售漂白水的使用量:               mL

空白實驗中,Na2S2O3溶液的使用體積Vb0 =    mL

測定過程中,Na2S2O3溶液的使用量Vb=    mL

Vb–Vb0=    mL

市售漂白水中,Cl2的含量(w/v)              %

3學生將氯化鈉(NaCl1克加入100毫升水中,攪拌均勻後倒入自製次氯酸水製作機,將電解時間間隔固定,測所收集到的次氯酸水酸鹼性。由實驗結果得知,自製次氯酸水製作機在正極收集到的溶液為酸性,可能是次氯酸(HOCl)及氫氯酸(HCl)的水溶液。

2Cl(aq) → Cl2(g)2 e

Cl2(g)H2O—→HClO (aq)HCl(aq)

電解時間 30 60 90 120 150 180
pH值 6.28 6.14 5.54 4.12 3.88 3.70

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4)學生自製次氯酸水有效氯濃度測定。

Time(s) 30 60 90 120
VNaSO∙5HO 0.005mL 0.005mL 0.005mL 0.01mL

5)學生做市售漂白水中有效氯含量測定 (市售漂白水使用量2.0mL測定過程中,NaSO溶液的使用量

NaSO溶液的使用量(mL Vb VbV0
第一次 5.8mL 4.0mL
第二次 5.9mL 4.1mL

6)學生做自製次氯酸水有效氯濃度分析,發現不管通電時間多長,取正極收集到的次氯酸水2mL進行NaSO溶液滴定,發現滴定時總是使用不到0.1ml
Na
2S2O3
就達當量點?!學生感到很疑惑,為什麼pH值雖然隨著電解時間下降了,但是有效氯含量卻不多呢?

7)學生深入探究發現,當我們電解收集正極的電解液時,產生的次氯酸在常壓下並不穩定,會很快自身氧化還原變成鹽酸和氯酸,而且pH愈低時,會促進此反應進行。

2HClO(aq)+ 2H++2e    Cl2(g) + 2H2O  E=+1.63V

註:次氯酸不穩定,會慢慢發生自身氧化還原反應而分解,降低pH會促進該反應的進行

其他相關反應方程式

2HClO2HCl+O2

3HClO2HCl+HClO3

由上述資料得知,市售次氯酸水中應該是以鹽酸(HCl)居多,具有殺菌效果的次氯酸含量應該不高。

8)學生與生物老師討論後得知,酸性溶液的殺菌效果比鹼性溶液好,所以電解自製的溶液仍具有相當的抑菌效果,且不像次氯酸鈉有刺鼻的味道。

9)學生與生物老師討論各種漂白水滅菌效果的檢測,進一步地做跨科的實驗探究。

五、學生學習成果分享

1.課前準備

1)教師準備「評量標準單」及「表達分享回饋單」,請小組在報告時互相評分並且給予具體回饋意見。報告結束後須整理回饋意見並提供小組改善方案。

2)「評量標準單」內容須包含:實驗題目是否與內容相符?實驗目的及原理闡述是否清楚?自製儀器設計的亮點、實驗流程(操縱變因有幾個?)、實驗結果是否符合實驗目的(分析數據、製作圖表及歸納結論是否正確合理?)、結論及未來展望與應用、參考文獻、組員口語表達能力、PPT簡報設計等。

3)「表達分享回饋單」內容須包含:對於發表組別的提問及建議

4)學生PPT表達分享「探究過程與成果」報告內容需要有:

   a)實驗題目

   b)實驗目的

   c)實驗原理

   d)研究過程(含自製儀器設計、實驗步驟、實驗結果、數據分析)

   e)討論與結論

   f)未來展望與應用

   g)參考文獻

2.小組報告

1)教師安排小組報告順序及學生控制時間,每組報告時間10分鐘,其他組提問或給建議5分鐘。

2)若是時間關係學生來不及提問,可以將提問或建議寫在表達分享回饋單。

3.檔案報告繳交及問卷

1)教師告知學生一週內將「表達回饋單」上所建議的事項在PPT簡報上補足,繳交完整的PPT簡報光碟檔案給老師,可以作為教師評分的依據。

2)教師可以發「問卷」讓學生填寫,參考學生問卷,改善課程內容。

結語

學生是探究實作課程的主角,教師的功能在於引導、鼓勵及陪伴。學生在課程進行時常常會有意外的發現及問題,而這些現象往往也是老師可能忽略或者沒有注意到的,有些老師會認為老師只要被動接納各種問題就好,絕不負責解決問題,這樣可以激發學生自己去探究,養成自己負責解決問題的習慣。但是對於習慣食譜式實驗及剛接觸探究實作的學生,若是老師可以多提點一些建議,甚至參與討論及一起尋找問題的答案,更可以讓學生感受老師的教學熱誠,同時在教學相長之下,教師可以意外獲得很多知識,產生成就感,這些都是始料未及的。

有些學生會將探究的成果參加小論文比賽,有些學生甚至進一步地規劃科展競賽,這些都是探究實作課程的收穫。若是有的學生無法順利找出操縱變因、控制變因與應變變因的關係,也沒有關係。學生至少已經在課程中學到了發現問題、實驗規劃、結果分析、歸納結論及表達分享,日後只要遇到類似的情境,應該就能掌握背後派絡,知道該如何聚焦探究主題、設計實驗及推理論證,這正是一零八課綱中期待學生成為終身學習者的終極目標!

參考資料

1.吳清山,林天佑。教育新辭書,臺北高等教育,2005

2.陳志銘,圖書館學與資訊科學大辭典,漢美公司,2012

3. Edens, K. M. (2000). Preparing problem solvers for the 21st century through Problem-based Learning. CollegeTeaching, 48(2), 55-60.

4.李佳玲,探究與實作主題教案,科學探究MIT,龍騰出版社,2018年十月

5.劉曉倩,探究點子王,龍騰出版社,20205

6.嚴重特殊傳染性肺炎本署Q&A,衛生福利部疾病管制署https://www.cdc.gov.tw/Category/QAPage/B5ttQxRgFUZlRFPS1dRliw

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