臺灣化學教育

國中自然科學探究與實作：化學反應–反應速率知多少

吳月鈴^1*陳佩琪²吳宛如³

¹宜蘭縣立復興國中

²宜蘭縣立頭城國中

³宜蘭縣立宜蘭國中
*[email protected]

n  前言

作者在國中理化課程中任教多年的經驗發現，反應速率在三個版本的課本中，都選用硫代硫酸鈉溶液加鹽酸的反應，做法是以產生的硫沉澱物達到足以遮住瓶底+字記號所需的時間，紀錄為反應時間。操作變因則以溫度為主，探討溫度對反應速率的影響。此實驗在教學上有些困難點，其一是實驗後的產物硫味道較為刺鼻；其二實驗的紀錄為反應時間，要再轉化為時間倒數，對學生而言較為困難；其三硫沉澱物遮住記號的判定方式較為主觀；其四此反應只操作溫度對反應速率的影響，但在實際教學上，若能用一個反應，全班分組操作不同的變因，如濃度、表面積、催化劑…等來全盤了解各因素對反應速率的影響，則學習會更統整而全面。因此我們選用小學、七年級、八上已學過的化學反應 (雙氧水+紅蘿蔔製造氧氣的實驗)來連結學生舊經驗，設計探究活動；並且利用全班同學分組合作方式，在一堂課中同時探討溫度、濃度化學反應速率的影響。而課本的硫代硫酸鈉溶液加鹽酸的反應則作為學生自主學習的題材，並進行評量。整體教學設計使學生有更多實作、探究，但比目前的設計更省時，同時解決了教學進度的困擾。

n  設計理念

       探究與實作能力的培養一直是自然科學教學的重要目標，雖因各種因素，在教學現場常被被忽視，但6年前新課綱實施前，我們有機會參加彰化師範大學段曉林教授主持的探究教學增能計畫，在有系統的工作坊、教師社群共備、教案寫作、觀議課實作下，探究教學能力確實獲得提升，也獲得獎項(吳月鈴、陳珮琪、吳宛如，2016)。為了使這個教案更容易執行，易被複製，我們修改與精進此教案，在教學設計上更明確也更易執行。本篇文章我們採用起承轉合的教學模板分配上課時間，這種起承轉合教學模板(簡稱四格教案)最早源自於十多年前日本的教師手冊，由林如章教授轉譯成中文模板。林如章教授曾帶領2梯次的自然輔導團團員至日本參訪，回台灣後，許多教師在研習場合介紹此四格教案，目前，在台灣甚至有其他科目的教學設計使用此模板。而本篇文章所採用的模板是透過第一作者與林教授一起到日本參訪後，不斷地研發改進至目前的教學模板。而為了讓老師們願意進行探究教學，我們覺得在實驗材料、器材的準備上要更簡單、安全，學習活動要明確，且能在部定的教學時數內完成，所以我們的實驗活動選擇即使不進實驗室都可進行，且無安全疑慮，在教案中明確寫出探究步驟與學習重點，且時數也控制在2節內完成。

n  教學設計

       本次的教學活動單元，我們選擇化學反應–反應速率知多少，實施的對象為國中八年級的學生，預計兩節課即可完成。教師在進行此活動時須先確認學生具備下列的知識與能力：

學生在國小時已學過：雙氧水和胡蘿蔔生成氧，在7年級上學期學過生物具有酵素，酵素可催化反應，在8年級上學期也學過氧氣的製備及性質，使用雙氧水和二氧化錳製備氧氣，導入催化劑概念。此外在此單元，可著重探究過程，經由觀察、實驗等過程，認識溫度、催化劑…等會影響反應速率的定性概念，再應用這些知識，解釋、解決生活中的問題(如食物保存、塵爆…等現象)，不必要求反應速率的定量實驗及計算等。

有關本單元的節次，以及配合108年課綱的學習內容以及主要的探究活動與學習表現如下表1與表2(教育部，2018)：

表1 學習重點

表2 有關反應速率與學習目標及評量的呼應

n  教學流程

第一節課：

一、起：導入情境、連結舊知識經驗、察覺問題(10分鐘)：教師幫助學生回想以及複習八年級上學期所學過雙氧水+二氧化錳的製氧反應。並寫出雙氧水變成水的反應式：

2H₂O₂→2H₂O + O₂接著幫助學生回想 MnO₂當催化劑，有催化劑反應速率快，沒有催化劑則反應慢。接著教師讓學生觀察火煤棒與竹筷燃燒的差異，讓學生能演練觀察與比較的能力。並要求學生能找出兩者的差異，並推測原因(空氣、接觸面積….)。此活動進行後教師幫助學生連結到紅蘿蔔+雙氧水的反應。讓學生能推論到)紅蘿蔔是催化劑，紅蘿蔔加入雙氧水會產氧氣。

二、承：提出假設(10分鐘)：教師要求各組學生根據紅蘿蔔加雙氧水的實驗，提出如何能增加反應速率的假設。此時學生需要根據已知的原理或經驗，提出假設，預測可能的結果。在此活動階段，教師可鼓勵每組學生提出不同的假設，若學生程度較好，可請他們寫出”預測”的理由。以下是學生可提出的假設以及理由範例：

假設1:如果把紅蘿蔔切細，增加接觸面積，則氧氣產生會比較快

 (理由:從火媒棒經驗知道切得越細接觸面積越大，反應越快，所以…)

假設2:如果……則反應越快

圖1試管上貼刻度

三、轉：規劃驗證的實驗或觀察活動(15分鐘)：學生進行變因的分辨，並規劃與設計其探究的實驗活動要如何地進行。老師和學生確認各種變因，例如：操縱變因是：紅蘿蔔的表面積，則應變變因是：氣泡產生的高度。接著教師示範或解說反應速率測量的方法，例如：紅蘿蔔+雙氧水後，滴入2滴清潔劑，以利氧氣形成氣泡，方便觀察。教師提示學生下列資訊：在試管上貼”刻度”(如圖1)或用針筒來收集氣體(不用加清潔劑)以利定量。(1)氧氣產生較快—達到固定氣泡量(如5毫升)所需的時間 (紀錄t)。(2)氧氣產生較多—在固定時間(如5分鐘)內產生的氣泡量(紀錄v)。(3)分時段測量產生的氧氣量(如:第2,4,6,8分鐘各測量一次) (紀錄t & v)。

教師提醒學生還有其他因素會影響反應速率，在實驗時要維持不變，稱為控制變因。最後教師以”接觸面積”為例，示範實驗設計及記錄表格。接著鼓勵學生自己設計探究紀錄表格(例如表1與表2)。

表一實驗設計表格                                                   表二實驗記錄表格

 

四、分享與統整(10分鐘)：各組學生設計好其探究活動之後，教師開始執行世界咖啡屋的小組分享活動。進行的方式為：每組2個同學到另一組，其餘的同學留守在本組。各組留守者(主人)起立，以學習單和白板對來訪者(客人)解說，來訪者(客人)聆聽並記錄。來訪者和留守者討論，提供建議或修改。如此進行兩三組的訪問與討論後，最後各組進行探究設計的修正，之後老師進行統整及訂正。

第二節課

一、起：複習已知，分工合作、規劃實驗(5分鐘)：教師開始上課時先複習上一節的實驗設計，接著教師說明實驗所需要的材料(以組為單位)：

(1)紅蘿蔔(或其他植物材料)。(2)貼好刻度的試管3隻、試管架1個、燒杯3個。(3)雙氧水(3%，6%，9%)，市售濃度35%的雙氧水可自行調配。(4)洗髮精一小瓶。(5)方格紙一張。

教師介紹好器材之後，可.分配各組的操作變因及負責組別，例如：1.2.3組負責濃度—(3%，6%，9%三組)，每隔一分鐘紀錄氣泡體積變化；4.5.6組負責溫度—水浴方式(室溫t、t+20℃(泡在熱水中)，t-20℃(泡在冰水中))，每隔一分鐘紀錄氣泡高度變化(圖2)。建議教師在進行此活動時可全班共同操作兩個變因，如此可以節省時間且可互相比較結果。此外教師對於小組的分工需先規定，以便進行有效的分工合作，例如：主要操作者、計時、紀錄者。在進行小組實驗前，教師可先做實驗操作的示範、解說注意事項(如:清潔劑最好是處置好後再滴入、雙氧水不能噴到人…)。

圖2不同濃度與溫度條件比較

二、執行實驗或觀測活動(15分鐘)：學生進行實驗設計，完成後進行實驗操作，在操作過程中學生將實驗結果記錄在表格中。

三、轉：數據處理討論、結論(15分鐘)：學生進行資料收集時，需將實驗數據轉化成座標圖，要標示橫軸和縱軸的項目、間距(畫在方格紙上，圖3)。在此階段，老師最好巡視學生製圖時，在橫軸和縱軸的項目、間距…等的決定是否有困難，適時給予指導。以下為學生透過方格紙做出的圖表範例：

圖3 將實驗數據轉化成座標圖

各組學生將圖表展示在黑板，全班同學自由觀摩。之後，教師主持實驗結果討論，討論的題目可為：(1)實驗結果是否支持假設？此實驗的結論為何？(2)哪一個圖最能表達：溫度(濃度)和反應速率的關係？你怎樣解讀？(3)哪一個圖最能表達：反應速率隨時間的變化而改變，你怎樣解釋？ (如反應初期，反應速率較快，後期反應速率變慢)？討論後，各組學生提出其結論，最後教師再進行總結。總結的內容可包含：(1)紅蘿蔔內有酵素，擔任催化劑功能。(2)溫度較高反應速率較快。(3)酵素和雙氧水的接觸面積越大，反應越快。(4)反應物(雙氧水)濃度越高，反應越快。

四、合：確認新知、探索未知(10分鐘)：教師進行結論後，可透過下列的問題檢核學生對此單元的理解：

1.相同材質的鐵釘、鋼絲絨、鐵粉何者最容易燃燒?為什麼?

2.君君購買一瓶牛奶，開封後倒出一杯來喝，其餘則放進冰箱，他說:這樣才不容易變壞，關於影響下列反應速率快慢的因素，何者與君君保存牛奶，使牛奶不易變壞的主要因素最接近？

(A)酯化反應時，將反應物隔水加熱比沒加熱的反應快

(B)加熱金屬銅與金屬鎂，後者的反應會比前者激烈

(C)以雙氧水製氧時，有加二氧化錳比沒加二氧化錳反應快

(D)大理石與鹽酸反應時，用 1 M 鹽酸反應比用 0.1 M 鹽酸快

接著教師可鼓勵學生將本單元所建構出的知識運用在解決新的問題。例如：

1.教師統整，發布課後延伸閱讀:請閱讀課本實驗，並討論下列問題：

硫代硫酸鈉+稀鹽酸 → 氯化鈉 + 硫 + 二氧化硫 + 水實驗後的習作討論：

(1)本實驗的控制變因、操縱變因、應變變因各為何?應變變因是什麼?如何測量?
(2)最後的圖為何以時間的倒數(1/t)表示而不使用時間(t)？

教師可和學生討論，教科書將”硫的產生量”列為控制變因，是否正確?因為反應速率本身是應變變因，只是因測量方便而將”硫的產生量固定(至其顏色可遮住瓶底記號)”，不可因此而將產物的量列為控制變因。此部分也許需比較長的時間，所以本單元所需時間可估計2-3節。最後，教師可請同學提出學習過程中有何新發現或待解決的問題。

n  結語

課程在執行過程中，學生可學習到不僅是溫度對反應速率的影響，更能學習到濃度、表面積等各種影響反應速率的因素。經由顯而易見應變變因的觀察，實際操作一次反應速率的實驗，分析繪圖各項因素與反應速率的關係圖，進而推論出結果，學生的反應是對與這個課程的內容更為深刻。

而原有的溫度影響反應速率實驗(硫代硫酸鈉+稀鹽酸 → 氯化鈉 + 硫 + 二氧化硫 + 水)是目前各版本都有安排的實驗內容，若我們以雙氧水這個實驗來代替則讓學生透過閱讀來做為評量學生能否將所得知識運用來解決新問題，且也可解決”教科書內容要上完”的問題。

n  參考資料

1.吳月鈴、陳佩琪、吳宛如(2016)：化學反應知多少。105年探究教學教案競賽網。https://ppt.cc/fhyLUx

2.教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。台北：教育部。https://ppt.cc/f0S9Gx