臺灣化學教育

化學示範起始探究與實作：
「蝶豆花漸層變色飲料」的示範和探究

 

李妙瑟^1, *、翁秀玉²、段曉林³、陳均伊¹

¹國立嘉義大學數理教育研究所
²國立嘉義大學附設實驗國民小學
³國立彰化師範大學科學教育研究所
*[email protected]

n  前言

近來市面上興起「蝶豆花漸層變色飲料」，此與國小高年級「水溶液的酸鹼性」單元相關，可做為延伸教材。坊間或網站出現許多製作漸層變色飲料的教學，但大部分為食譜式教學，也就是學生跟著教師的指示調配出漂亮的漸層變色效果。本教學活動是第一作者參與段曉林教授的「全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫」下研發出此教材，希望以科學探究教學模式來引導學生探索「蝶豆花漸層變色飲料」的調配方法。

「蝶豆花漸層變色飲料」調製成功的關鍵有二點：(一)材料放入的順序：蝶豆花水要最後再加入，如果是其他材料最後加入會引起液體的混合，無漸層變色效果。(二)冰塊要多：當蝶豆花水一開始倒入先遇到檸檬汁會變成紅紫色，再來，因蝶豆花水有冰塊阻擋減緩了衝擊力，變成緩慢的往下流，不攪亂底層的檸檬汁，使後面加入的蝶豆花水維持原來的藍色。

「蝶豆花漸層變色飲料」的教學設計分為兩階段：

（一）化學示範：教師展示坊間調配成功的「蝶豆花漸層變色飲料」，並現場示範調配出一瓶失敗的，引發學生想要調配成功的學習動機。

（二）科學探究：學生由蝶豆花飲料的材料中，討論可能影響漸層變色的因素，冰塊、果糖、蝶豆花水濃度、材料放置順序…等，再讓學生針對其中一個變因，實驗設計後進行驗證，有可能在這一輪的探究歷程中，有小組調製的對照組與實驗組都是失敗的，可以讓學生討論後再修正實驗設計，進行第二輪探究活動。

其設計理念為「酸鹼指示劑的蝶豆花水在飲料中能產生漸層變色」的概念，進行自製漸層變色飲料之探究活動，體會「酸鹼指示劑在生活中的應用」，並增加學生藝術創作的驚奇，最後再享用自製漸層變色飲料之興奮與滿足感。

本教材的學習內容是「水溶液的酸鹼性」為物質間的交互作用，在108課綱中，明確地提到主題「物質的反應、平衡與製造（J）」和次主題「酸鹼反應（Jd）」，以及第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性，水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」

本教材在學習表現方面，希望培養學生問題解決中的觀察與定題（po）、計劃與執行（pe）、分析與發現（pa）、討論與傳達（pc）的能力；思考智能中的想像創造（ti）、推理論證(tr)的能力；培養科學探究的興趣（ai）、應用科學思考與探究的習慣（ah）等態度。

n  需用材料和器材

離心管（50 mL） 6支/組、長型透明罐（500 mL） 6罐/組、豐年果糖（500 g） 1罐、檸檬汁（250 mL） 1罐、圓柱冰塊（600 g） 1包、蝶豆花（50 g） 1包、蝶豆花水（蝶豆花浸泡於熱水中），如圖一所示。

圖一：「蝶豆花漸層變色飲料」所需材料

n  教師化學示範

一、  示範前準備

教師於課前事先自製一瓶成功的「蝶豆花漸層變色飲料」（視為坊間販賣的飲料），其製作流程如下：先在500 mL的長型透明罐內倒入果糖，再倒入檸檬汁，其總量不超過瓶身的1/5，搖晃均勻後，加入冰塊至瓶口，再緩緩倒入蝶豆花水於冰塊縫隙中，最後完成「蝶豆花漸層變色飲料」，如圖二左所示。

二、  教師示範

教師說明目前市面上流行新的飲品「蝶豆花漸層變色飲料」，材料有果糖、檸檬汁、冰塊與蝶豆花水，該如何做出色彩繽紛的漸層變色飲料呢？教師現場製作一瓶失敗的「蝶豆花漸層變色飲料」，使瓶內無產生漸層變色，其製作流程如下：先在500 mL的長型透明罐內倒入蝶豆花水後，再依序倒入檸檬汁、果糖與冰塊，最後完成「蝶豆花變色飲料」，如圖二右所示。

 

圖二：成功的（左），失敗的（右）配製的「蝶豆花漸層變色飲料」

n  學生科學探究

一、  引起動機

教師將課前準備的「蝶豆花漸層變色飲料」與故意錯誤示範的飲料，讓學生做兩者的比較，如圖三所示。學生進一步思考蝶豆花飲料漸層多色的原因，了解「蝶豆花水原來顏色是藍色，遇酸偏紅紫色，遇鹼偏綠色，分別在酸性、中性、鹼性會有三種顏色的變化，是一種酸鹼指示劑。」透過蝶豆花水的酸鹼變色，製造出漸層多色的飲料。

圖三：失敗的（左）與成功的（右）的「蝶豆花漸層變色飲料」

二、  探討影響漸層變色飲料的因素

學生以小組合作方式，利用便利貼討論哪些因素可能會影響漸層變色，並進行分類。完成後請學生上台發表，發表後教師引導台下同學提出質疑，如：寫「冰塊」指的是有無碎冰塊或碎冰塊量？最後教師統整與回饋「影響漸層變色的因素」，如冰塊、糖量、檸檬汁濃度、蝶豆花濃度、瓶身高度、倒入方式與加入順序等，如圖四所示。

圖四：各組學生提出後全班歸類，教師統整可能影響「蝶豆花漸層變色飲料」的因素

三、  實驗設計

本教材以50 mL的離心管取代長型透明罐，除了可少量化，離心管上有刻度也能讓學生明確看到數據。教師先請各組學生選定一種影響「蝶豆花漸層變色飲料」的因素作為操縱變因，並提出實驗假設，然後引導學生提出各變因（操縱變因、應變變因與控制變因）的實驗設計，強調控制變因的條件要控制一致，最後請學生在海報上畫下或寫下欲進行的實驗步驟與實驗表格。

四、  操作實驗

在小組準備實驗器材後，依各組的實驗設計來進行實驗，若實驗組與對照組的結果都未產生漸層變色，則修正實驗設計，再進行第二輪實驗，並將漸層變色的結果做紀錄。實驗時，教師巡視各組，適時提出問題引導學生思考，在操作時的控制變因要一致的細節。

五、  分析結果與成果發表

請各組學生依據實驗結果提出結論，並判斷假設是否成立。上台發表時，教師引導台下同學提問、給予建議或看法，製造互動討論的情境。各組發表完畢，學生發現「飲料漸層變色效果受到冰塊數量（量多）、加入順序（蝶豆花水最後）、糖的濃度（濃）、蝶豆花水的濃度（適中）的影響」。最後師生共同統整整個探究活動的結論，蝶豆花水底層會變色是因為遇到酸性的檸檬汁，由下而上的漸層變色，則與冰塊減緩蝶豆花水往下的衝擊力、檸檬汁與果糖的密度有關。

各組依操縱變因的不同，其實驗設計與結果舉例如下：

(一)      冰塊數量組

假設冰塊數量越多，漸層變色越明顯。實驗分為a組‒無冰塊，b組‒半瓶冰塊，c組‒加滿冰塊。結果顯示沒有加入冰塊（a組）則不易成功產生漸層變色，而且冰塊的量要夠多（c組），才會減緩水倒入時往下衝擊力，避免整瓶水都混合變同一種顏色，如圖五所示。

圖五：冰塊數量組的實驗設計（上）；實驗結果：c組‒加滿冰塊最容易成功（下）

(二)      加入順序組

假設蝶豆花水、冰塊與檸檬汁三種材料加入的順序，會影響漸層變色。實驗分為A、B、C、D、E與F共六組，結果顯示先倒入蝶豆花水於底層，再依序加冰塊或檸檬汁，則會混合同一顏色不易成功，因此最佳的加入順序由下而上為檸檬汁、冰塊與蝶豆花水（F組），如圖六所示。

依據實驗結果，學生認為冰塊加入的位置，如果沒有達到阻擋水流的功用，例如最後在最上層才加冰塊，也會容易混色不易成功，學生觀察到蝶豆花水與檸檬汁直接產生變色，無漸層現象。而檸檬汁在上方時會一直往下流，有學生提出密度的概念，說明整瓶混色的情況。

圖六：加入順序組的實驗設計（上）；實驗結果：最佳的加入順序為F組（下）

(三)      糖的濃度組

假設糖的濃度愈高，愈容易產生漸層。實驗分為甲組‒全糖；乙組‒半糖；丙組‒無糖，結果顯示沒有加糖，不易成功產生漸層變色（丙組），而且全糖的漸層變色最明顯（甲組），如圖七所示。

圖七：糖的濃度組的實驗設計（上）；實驗結果：甲組‒全糖的漸層變色最明顯（下）

(四)      蝶豆花水的濃度組

假設蝶豆花水的濃度愈高，愈容易產生漸層。實驗分為甲組‒濃度高，乙組‒濃度低。結果顯示蝶豆花水的濃度愈低，漸層效果愈好（乙組），如圖八所示。

圖八：蝶豆花水濃度組的實驗設計（上）；

實驗結果：乙組‒蝶豆花水的濃度愈低，漸層效果愈好（下）

六、  調配長型透明罐的「蝶豆花漸層變色飲料」

使用離心管進行少量化的「蝶豆花漸層變色飲料」科學探究後，學生了解其科學原理，知道漸層變色飲料的調製原則，各組以500 mL的長型透明罐取代離心管來製作漸層變色飲料。在各組完成製作飲料後，讓學生進行評選、欣賞與享用自製繽紛的「蝶豆花漸層變色飲料」，如圖九所示。

   

圖九：學生調配長型透明罐的「蝶豆花漸層變色飲料」

n  結語

「蝶豆花漸層變色飲料」的課程設計係以教師化學示範起始學生科學探究，內容貼近學生的生活經驗，引發學生的學習動機，讓學生經歷的探究流程：「發現問題 → 提出假設及各變因 → 設計實驗步驟及表格 → 操作實驗 → 分析結果 → 成果發表」。在探究的期間，學生各組極可能在第一輪都沒有成功調配出漸層變色效果，這失敗是引發學生修正實驗的契機，再進行第二輪實驗，最後發表成果。讓學生歷程失敗進而找到成功調配「蝶豆花漸層變色飲料」的配方和過程，培養學生解決問題的能力，這課程結合藝術相關領域，讓學生的學習更有趣且更寬廣。

n  後記與致謝

本文改編自作者參加教育部國民及學前教育署委託國立彰化師範大學科學教育研究所辦理「全國國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫」，舉辦「106年探究教學教案競賽」的獲獎作品，該作品名稱：「酸鹼變！變！變！」感謝教育部國教署的授權同意該教案作品改編成本文。「酸鹼變！變！變！」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  參考資料

翁秀玉、李妙瑟、陳威廷、蘇翰庭、李靜嫺（2018）：酸鹼變！變！變！。探究教學競賽網。線上檢索日期：2020年9月1日。取自：https://reurl.cc/k0QdKL。

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。臺北：教育部。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。