臺灣化學教育

化學示範起始探究與實作：
「紙火鍋不著火」的教師示範與學生探究

 

林秀貞^1, *、林碧玲²、周梅雪²

¹桃園市立大業國民小學
²桃園市立同德國民小學
*[email protected]

 

n  前言

紙火鍋的紙不會燃燒的原因是火鍋中水的沸點是100℃度，紙杯的燃點約160℃，烘焙紙燃點約220℃，當溫度達到100℃時，熱能供給汽化需要，使溫度暫停於100℃，直到水沸騰，蒸發殆盡，溫度才會繼續上升達到紙杯的燃點，引發紙的燃燒。

本活動主要的教學目標是使學生了解燃燒三要素中的燃點，物質未達燃點不會燃燒。然而，在國小教學現場，試問學生紙火鍋不會燃燒的原因，許多學生會猜測，例如：燭火的高度過高、使用防火紙等原因而使紙不會燃燒，往往沒有注意到紙的燃點高低。因此，本課程設計者試圖轉換此主題成為科學探究的課程設計，讓學生觀察後寫下問題和假設，設計實驗並進行實驗，以實驗結果支持或否決假設，並下結論。體會假設需由結果支持或否決，若實驗結果不支持假設，則假設不成立。本文主要描述以探究教學流程呈現教師如何引導國小學生的探究學習的情況。

在108課程綱要「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」中，提到學習主題2：「自然界的現象、規律及作用」，跨科概念「交互作用（INe）」，第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-3 燃燒是物質與氧劇烈作用的現象，燃燒必須同時具備可燃物、助燃物、並達到燃點等三個要素。」此探究實驗旨在幫助學生探究物質的燃點。再者，實驗加熱過程中水溫的改變，可讓學生經歷：課題1：「自然界的組成與特性」，跨科概念「物質與能量（INa）」，第三學習階段的學習內容「INa-Ⅲ-8 熱由高溫處往低溫處傳播，傳播的方式有傳導、對流和輻射，生活中可運用不同的方法保溫與散熱。」此探究實驗可讓學生經歷熱的傳播使水溫上升。

在108課程綱要「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」中，提到學習表現：「po-Ⅲ-2能初步辨別適合科學探究的問題，並能依據觀察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，提出適宜探究之問題。」、「pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備與資源。能進行客觀的質性觀測或數值量測並詳實記錄。」、「pa-Ⅲ-1能分析比較、製作圖表、運用簡單數學等方法，整理已有的資訊或數據。」、「pc-Ⅲ-2能利用簡單形式的口語、文字、影像（如攝影、錄影）、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模型等，表達探究之過程、發現或成果。」本探究課程可讓學生在活動中察覺紙火鍋不著火的問題，猜想影響因素，進行實驗設計，並透過操作獲得結果，全班討論分享、溝通表達，獲得結論。

n  教師示範實驗

一、  觀看示範實驗影片

影片網址：今天來吃紙火鍋示範篇，https://youtu.be/WnAn92yW1EA。

n  教學前準備

一、需用器材和材料

每班用量：不鏽鋼濾網勺（細的，4吋） 1個、不鏽鋼濾網勺（粗的，4吋） 1個、紅色小蠟燭（10入） 3盒、紅色大蠟燭（10入） 3盒、紙杯（150-200 mL） 12個、圓馬芬杯（薄的，可耐高溫220℃、紙質比紙杯薄） 1個、圓馬芬杯（厚的，可耐高溫220℃，紙質比紙杯厚） 1個、食鹽 1包、溫度計（200℃） 12支、打火機 1只（教師保管）、鐵絲或木夾（固定紙杯用） 12支、計時器 6個、蛋糕底紙╱烘焙紙（50張入，可耐高溫220℃） 1包（或萬用調理紙 1捲），水（100
mL） 6杯。註：可視各組研究主題，自由領取不同材料，教師可多準備。需用器材和材料，如圖一所示。

     

     

圖一：需用器材和材料

n  學生探究活動

一、  教師提問紙不會燃燒的原因

(一)   教師提問

1.  你們有沒有用過紙火鍋煮食物？有用過紙火鍋的請舉手…..

2.  在哪裡用過？有些日本料理店有賣紙火鍋……1940年，日本人發展出雪雁火鍋，用紙的來吸收雪雁肉的油脂，讓口感比較清爽不油腻，很受歡迎。

3.  你們覺得這個紙火鍋與一般的小火鍋比起來什麼部份最神奇？（讓學生能自己察覺紙不會燃燒）

4.  紙火鍋的紙真的不會燒起來嗎？為什麼紙火鍋的紙不會燒起來？你們猜想可能的原因是什麼？並提出假設。（各組討論並在學習活動單上寫下可能的原因，最好限定時間，避免討論失去焦點或聊天。）

(二)   學生可能的想法

1.  紙是某種防火紙、燭火的高與低有影響、網子會隔熱、有沒有加水會有影響、火大小會有影響、有加鹽會有影響，沒加鹽……等，如圖二左所示。

2.  首先各組學生的可能想法（如紙的材質、水的容量等）寫在學生活動學習單上，然後各組派代表寫在黑板上，如圖二右所示。

 

圖二：學生可能的想法（左），各組學生寫在黑板上（右）

二、  學生設計探究實驗

(一)   各組初步設計實驗

1.  各組認領實驗的操縱變因（自變因），每組實驗不同。亦可安排兩組做相同的實驗，互相比較探究的實驗結果。

學生探究的操縱變因有：紙的厚度、紙的材質、鐵網的密度、水的多寡、火的大小等。

2.  舉例一組學生共同討論的探究實驗設計。

3.  各組製作海報，上台展示海報並口頭說明。如果別組對該組的想法或實驗設計有爭議，教師可考慮讓學生論辯，或引導做出實驗證明。

(二)   全班討論實驗設計

1.  各組全部組員上台報告實驗設計，包含控制變因（控制一致性）、操縱變因（自變因）、應變變因（依變因），並描述實驗方法的設計和紀錄表格的規劃。學生的實驗設計，如圖三所示。

2.  台下聆聽的同學一起當偵探，看看哪裡有缺漏，有沒有缺少實驗器材？實驗組與對照組的控制變因是否一致？提醒實驗時要安全注意的事項……等，也可以提出發現同學實驗設計的優點。

3.  教師仔細聆聽，讓學生討論。若有爭議，由教師說明，並給予建議和鼓勵。

4.  要求學生依照實驗設計進行實驗，不可中途變更，養成先思考再行動的好習慣。

 

圖三：兩組學生探究的實驗設計（圖中不包含表格內的實驗數據）

三、  師生共同討論實驗注意事項

1.  討論在紀錄表中應該紀錄的項目。

2.  控制變因討論：教師提問各組蠟燭燃燒時間是否要相同？如何讓實驗組與對照組的結果可以互相比較？設定實驗停止條件為漏水、水燒乾了或紙著火了……，其他例如：統一燃燒時間為10分鐘，以比對別組實驗結果。

3.  控制變因注意事項：要等溫度顯示穩定再讀數據，溫度計必須同時放下，並且不可交叉使用。

4.  提供溫度計給各組以便測量並記錄水溫變化，記錄燃燒的情形及額外的發現，例如：有沒有冒煙？水看起來有什麼變化？

5.  提醒學生注意用火安全，每組在實驗裝置旁，準備一桶水和一塊濕抹布，以便不時之需。

四、  工作分配建議

1.  建議給每位學生都有參與的機會，以異質性分組為佳。

2.  建議每位學生可工作的分組方式：拿取材料、裝置設備、操作溫度計並看顧火源、紀錄結果。

五、  各組學生觀察與記錄

教師巡視學生實驗的情形，若學生在探究的過程有困難，教師才給予提示或引導。圖四為學生操作探究實驗的情形。

 

圖四：學生操作探究實驗的情形

六、  學生分析結果並下結論

1.  引導學生依據實驗結果，進行討論並下結論。圖五為兩組學生的實驗結果和結論。

2.  教師提問舉例：為什麼有些組只能觀察到水溫上升，紙火鍋的紙卻不會著火？

3.  學生回答舉例：

(1)  使用粗蠟燭使水溫上升24℃，使用細蠟燭使水溫上升19℃。火焰大，溫度上升多。

(2)  杯子中加水10 mL，水溫上升42℃；杯子中加水30 mL，水溫上升14℃。加水愈少，溫度上升愈多，但紙杯還沒有著火。

(3)  厚紙杯組水溫上升18℃，薄紙杯組水溫上升20℃，差異不大。

(4)  水中加鹽組使水溫上升10℃，水中不加鹽組使水溫上升9℃，差異不大。（此組加入鹽巴不多）。

(5)  水中加鹽組使水溫上升30℃，水中不加鹽組使水溫上升20℃，相差10℃。（此組加入鹽巴較多，鹽巴沈澱在底部）。

4.  教師引導下結論：加熱只會使水溫上升，必須達到紙的燃點，紙才會著火。

 

圖五：兩組學生的實驗結果和結論

七、  說明發表方式和各組發表情形

(一)   教師說明發表方式

1.  各組學生製作上台報告的海報。

2.  全組同學一起上台報告。分工合作：展示海報、展示實驗物品、一人負責或輪流報告。（給予小組1~2分鐘討論如何發表。）

3.  每組報告時間3分鐘。請班上同學手錶計時。

4.  依照報告組的結果與結論，教師引導台下的同學提出看法，報告的同學必須回答同學的提問。

(二)  各組發表情形

除了報告實驗數據以外，獲得結論如下，如圖六所示。

1.  火焰大，水溫上升較多。

2.  紙杯厚度對水溫上升的影響差異不大。

3.  不論濾網粗細，加熱後只能使水溫上升，紙杯並不會著火。

4.  鹽加些許，紙火鍋溫度差異不明顯。

5.  粗細鹽加太多，沈積在杯底，會聚熱使紙杯著火。

圖六：一組學生上台報告的情形（學生發表水量不同使水溫變化的情形）

八、  學生發展科學原理和概念

(一)   教師示範實驗並提問相關問題

1.  教師示範紙火鍋內有裝水和未裝水的燃燒實驗，如圖七所示。〘注意：用打火機加熱乾紙杯約2-7秒著火。在旁邊準備一桶水，以便滅火。〙

2.  教師示範有裝水和未裝水氣球的燃燒實驗，如圖八所示。〘注意：如步驟1所示。〙

3.  教師提出兩個問題並透過師生互動討論，使學生發展與本探究實驗的科學原理和概念。

(1)  提問一：說說看熱怎麼傳導？

(2)  提問二：各組的假設成立嗎？假設一定要正確嗎？假設發生錯誤時，該怎麼做？

  

圖七：有裝水的紙火鍋燃燒不起來（左），水接近乾但紙未著火（中），水乾了使紙著火（右）

  

圖八：有裝水的氣球燒不破（左），未裝水的氣球（中），點火即破（右）

(二)   學生發展科學原理和概念

1.  學生知道燃燒三要素：可燃物（紙張）、助燃物（氧氣）和燃點。

2.  學生理解熱能傳導的原理，說明水和紙張會吸收熱能而發生水的蒸發和沸騰現象。

3.  學生理解蒸發和沸騰的水溫不會超過100℃，這溫度未達到紙的燃點（220℃）。

4.  學生理解直到水全部蒸發完畢，熱能使紙的溫度升高（超過100℃），當達到紙的燃點（220℃）才會使紙著火。

5.  只有「加水使紙杯不著火」的假設才成立。

6.  加熱只會使水溫上升，必須達到紙的燃點，紙才會著火。

九、  實施進階活動

1.  紙火鍋的燃燒與六年級學習內容—熱傳導相關，在探究燃點之後，學生可再探究紙火鍋熱傳導的過程和影響因素。

2.  探討引起氣爆或加油站火災的問題。如果環境中溫度升高，那麼揮發性物質所揮發出氣體加快，當揮發的氣體（可燃物）和空氣中的氧氣（助燃物）遇到火源（達到燃點）會發生閃燃現象，因而引起氣爆或火災。

3.  教師示範著名的「燒不破的紙鈔」，師生互動討論相關科學概念和原理，包括：燃燒三要素，酒精與水不同比例混合的燃燒溫度，比較紙鈔和混合物的燃燒溫度。

n  學生實作任務的評量

n  結語

引導學生做科學探究，最重要的事是學生內在本質的改變，尊重學生想法作為起點，以達成培養學生探究的能力。在紙火鍋的實驗中，學生往往不能立刻察覺「燃點」這件事，而做出誤判，因此做出錯誤的假設。假設可能會不成立，不成立仍應有科學人求是的精神，過程中要求學生確實依實驗設計執行，誠實表達實驗結果，分析不成立的原因、做假設時未考慮到的因素。最後教師以示範引導學生發展本次探究主題「紙火鍋不著火」的科學概念和原理，師生互動討論引導學生找出燃點是探究學習的關鍵。由於有學生對「紙火鍋不著火」的誤判，因此更能呈現科學態度的重要性，對學生而言，真是一個很有趣的探究！

n  後記與致謝

本文改編自作者參加國立彰化師範大學舉辦「106年探究教學教案競賽」的獲獎作品，該作品名稱：「紙火鍋的紙為什麼不會著火？」，在此感謝國立彰化師範大學科學教育研究所的授權同意該教案作品改編成本文。「紙火鍋的紙為什麼不會著火？」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  附錄：學生活動單

下載本次探究實驗的學生活動學習單—「探究紙火鍋不著火」

n  參考資料

1.  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，國家教育研究院，107 年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  國小自然【五上 / 第五冊】課本，南一版。

3.  紙火鍋的紙為什麼不會著火，106年探究教學教案競賽。取自：http://120.107.169.113/main.php?fid=04a&page_name=product_detail&prod_id=86。

4.  遇火不燃、盛水不破的紙鍋，科學人。取自：https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=easylearn&id=1308。

5.  Fire Water Balloon – Cool Science Experiment, https://youtu.be/qeDZQ9-gsjY.

6.  化學示範實驗：燒不破的紙鈔（Non-Burning Paper Bills）〔I〕，科學Online。取自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=40449。

7.  化學示範實驗：燒不破的紙鈔（Non-Burning Paper Bills）〔II〕，科學Online。取自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=40466。