理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國、高中「五色仙女，降落！」全民科學週教案設計與闖關實作／謝佶霖

星期二 , 10, 12 月 2024 編輯助理本期專題, 第五十八期/2024年12月留言功能已關閉

理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國、高中「五色仙女，降落！」全民科學週教案設計與闖關實作

謝佶霖

前言

「北花蓮全民科學週」自2015年發起，至今邁入第十年，透過「探究式學習」、「動手做」、「教中學」及「合作學習」等方式，促進學生學習科學的興趣與動機。活動每年徵選主題教案，結合教育部十二年國教課綱，聚焦於實驗設計的「知識性」、「動手操作」與「創新趣味」，讓科學探究融入課堂。活動由國立東華大學北花蓮科普團隊主導，自然資源與環境學系楊悠娟教授領導，攜手物理學系曾賢德及葉旺奇教授，聯合科普推廣夥伴共同開發一系列探究實作活動，目的是透過趣味與實踐，讓學生在課堂中體驗科學探究的魅力，提升學習成效與素養（仿生與環境實驗室，2024）。

本教案節錄自2022年第八屆「北花蓮全民科學週」參與教案甄選入選「國中組」最佳教案設計（如附錄所示），透過微量焰色實驗融入教學的活動過程，讓學生們更能連結焰色與觀賞煙火的真實情境，從美好的生活經驗切入，結合科學原理的學習，促進學生學習科學的樂趣（劉曉倩、謝佶霖，2022）。

課程設計理念

在人們的節慶與活動中，時常看見五光十色的煙火，煙火秀在各地一直都是眾所期待的跨年節目之一，象徵著迎接新年與邁向新氣象的儀式。此外，在春節、中秋節等節慶時，也能看見民眾一家團圓，一齊施放煙火或舞動著仙女棒的和樂場景；而澎湖縣政府舉辦的國際海上花火節，更是澎湖縣最具代表性的大型觀光活動。在孩子們的生活歷程中，或多或少都有施放或觀賞煙火的經驗，而煙火色彩絢爛繽紛的色彩背後，蘊含許多科學原理；本教案由此切入，引導學生理解其中關連，透過實作促進學生思考背後的成因，並連結焰色與原子光譜的相關概念。

煙火原理

煙火的組成主要包含發光劑、燃燒劑、花火劑及其他助劑，各成分共同作用，創造出絢麗的光影與聲音效果。發光劑負責產生火焰的亮度與顏色，通常包含提高火焰溫度與增加光效的鐵粉（Fe）、製造強烈的光芒效果的鋁鎂合金，以及提供各式焰色的金屬鹽類。燃燒劑負責提供燃料與氧化劑以維持高溫燃燒，常見的成分有黑火藥、石油燃燒劑及金屬燃燒劑，而氧化劑則包含硝酸根（NO₃^－）、氯酸根（ClO₃^－）及過氧酸根（ClO₄^－）等含氧化合物，用於提升燃燒效率。花火劑主要產生絢麗的火花效果，常添加鎂粉（Mg）、鋁粉（Al）或碳粉（C）等亮光劑；同時使用聲響劑，如過氯酸銨（NH₄ClO₄）與硝酸鉀（KNO₃），來創造響亮的聲音效果，增添施放煙火的視聽震撼。此外，其他助劑（如催化劑、抑制劑及膠黏劑）則用於調節燃燒速率、穩定反應及製作煙火結構。

焰色反應原理基於電子激發與能量釋放的過程，當金屬鹽類置於火焰中加熱時，金屬鹽類中的電子吸收熱能，從能量較低的基態躍遷至能量較高的激發態。然而，激發態的電子不穩定，會迅速回到基態，並釋放多餘能量。這些能量以光子的形式發出，光子的波長取決於電子躍遷過程中的能量差；若釋放的光波波長位於可見光範圍內（約380至760奈米），肉眼即可看到火焰呈現特定顏色。由於不同金屬鹽具有特定的能階結構，其電子躍遷釋放的能量和對應的光波長也不同，因此每種金屬鹽類都具有專屬的焰色，這些焰色即是金屬元素的光譜特徵。表1為常見的金屬鹽類焰色，因為金屬鹽類焰色的獨特性，除了應用於絢爛繽紛的煙火外，焰色反應亦可作為辨識特定金屬元素的依據，是一種快速、簡便的元素檢測方法。

表1 常見的金屬鹽類焰色及波長

金屬鹽類	鋇鹽	鍶鹽	鈉鹽	鉀鹽	銅鹽
焰色	綠色	緋紅色	黃色	紫色	青綠色
波長(nm)	536~554，614	640~707	589	404	515~529

資料來源：What salts change the colour of flames? https://stason.org/TULARC/science-engineering/chemistry/18-8-What-salts-change-the-colour-of-flames.html

微量焰色實驗

一、設計理念

在教授高中選修化學II第一章原子結構時，常提及能階與電子躍遷的概念，並探討不同元素在此過程中釋放的特定光波，進而解釋絢爛煙火的色彩來源。然而，僅靠口頭講解對學生而言難以直觀理解，因此，本文以微量焰色實驗，透過燃燒產生各色可見光，幫助學生透過肉眼觀察焰色現象。若教學時數允許時，除了本文中的微量焰色實驗外，建議可搭配微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒（賴亭伶、陳斾玎，2016），帶領學生動手DIY，進一步從做中學，掌握煙火色彩的發光原理。

本實驗設計時結合「綠色化學」理念，透過藥品減量及安全操作，實現資源有效利用與環境保護的雙重目標。焰色反應是一項經典且具有吸引力的化學實驗，但傳統實驗通常耗用較多藥品，可能增加廢棄物產生量。本實驗取用微量金屬鹽類，僅需2小匙藥匙的藥品量，大幅降低實驗過程中的資源消耗。藉由鑷子與藥用棉花球，可減少清理難度，同時降低對實驗器材的依賴。

二、實驗器材與藥品

(一)實驗器材

紙杯5個、鑷子1支、藥用棉花2球、打火機1支、藥匙5支、燒杯1個

圖1 微量焰色實驗的實驗器材

(二)實驗藥品

甲醇（CH₃OH）、氯化鋇（BaCl₂）、氯化鍶（SrCl₂）、氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）、硫酸銅（CuSO₄）

圖2 微量焰色實驗的實驗藥品

三、實驗步驟

(一)甲醇焰色觀察

將2個藥用棉花球分別3等分撕開，搓成小球備用。
以鑷子夾起一個棉花小球，沾取甲醇溶液。
以打火機點燃棉花小球，觀察甲醇溶液的焰色。
觀察完畢，將燃燒的棉球放入裝水的燒杯中滅火。

(二)金屬鹽類焰色觀察

以藥匙取2小匙的氯化鋇（BaCl₂），置入紙杯中。
以鑷子夾起一個小棉花球，沾取甲醇溶液後，再沾取金屬鹽類。
以打火機點燃，觀察焰色。
觀察完畢，將燃燒的棉球放入裝水的燒杯中，火即迅速熄滅。
改取氯化鍶（SrCl₂）、氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）、硫酸銅（CuSO₄），重複步驟1～4。

四、結果與討論

表2 常見金屬鹽類的焰色

金屬鹽類	氯化鋇（BaCl₂）	氯化鍶（SrCl₂）	氯化鈉（NaCl）	氯化鉀（KCl）	硫酸銅（CuSO₄）
焰色	綠色	緋紅色	黃色	紫色	青綠色

圖3 微量焰色實驗的結果

五、廢棄物處理和安全注意事項

(一)金屬粉末處理：燃燒後的金屬粉末屬於無機廢棄物，應集中於廢棄物收集瓶中，並按照實驗室危險廢棄物處理規範進行妥善處理，避免直接排放造成環境污染。

(二)焰色實驗棉花球：燃燒過後的棉花球應徹底熄滅，確認無高溫殘留後，投放於指定的實驗廢棄物容器中，以避免引發火災。

教學活動

(一)核心素養：

自S-U-B2 能從日常經驗、科技運用、社會中的科學相關議題、學習活動、自然環境、書刊及網路媒體中，適度運用有助於探究、問題解決及預測的資訊，進而能察覺問題或反思媒體報導中與科學相關的內容，以培養求真求實的精神。

(二)學習表現：

po-Ⅴa-1 能從學習活動、日常經驗及科技運用、自然環境、書刊及網路媒體中，進行各種有計畫、有條理、有效率的觀察，進而能察覺問題。

po-Ⅴa-2 能依據觀察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，確認並提出與生活周遭或學術探索相關，而適合科學探究或適合以科學方式尋求解決的關鍵問題（或假說）。當有多個問題同時存在時，能分辨並擇定優先重要之問題（或假說）。

(三)學習內容：

CCa-Va-1 常見物質的鑑定方法與原理。

CAa-Va-1 原子的結構是原子核在中間，電子會存在於不同能階。

CAa-Va-2 波耳氫原子模型解釋氫原子光譜與芮得柏方程式。

(四)教學活動：

引起動機（5分鐘）：

(1)課程開始時，播放「台北101跨年煙火」影片，讓學生回憶日常生活中對煙火的經驗，透過視覺衝擊引起學習興趣。

(2)影片結束後，教師引導學生觀察影片中煙火的色彩，並提問：

a.「你注意到影片中的煙火有哪些顏色？」

b.「與日常生活中常見的火光（如燭光或火焰）相比，為什麼煙火能呈現如此多樣且鮮豔的色光？」

發展活動（30分鐘）：

(1)教師準備簡單的微量焰色實驗器材，包括紙杯、金屬鹽類（如氯化鈉、硫酸銅等）及酒精燈，進行焰色實驗演示。

(2)教師依次燃燒不同的金屬鹽類，讓學生觀察火焰中不同顏色的變化。

(3)實驗結束後，教師帶領學生歸納現象，初步建立「不同金屬鹽類燃燒時產生特定顏色火焰」的概念。

(4)講解焰色反應背後的原理，包含電子激發、躍遷與焰色等。

綜合活動（5分鐘）：

(1)教師以口頭評量方式，檢驗學生對焰色實驗與原理的掌握情況，問題包括：

a.「為什麼金屬元素在焰色反應中會呈現特定的顏色？」

b.「不同金屬鹽類的焰色與電子的能階的關聯為何？」

結語

化學是一門與生活息息相關的科學，煙火的絢爛色彩正是化學原理的生動體現。微量焰色實驗結合了生活化學的趣味性，也融入了「綠色化學」的理念，透過藥品減量和簡化操作來降低環境影響，同時提升教學安全性與可行性，希望藉由觀察焰色實驗，學生更能具體地理解能階、電子躍遷與光譜的概念，結合課堂中的理論知識與日常現象，從而培養科學探究能力和問題解決的核心素養。

感謝「北花蓮全民科學週」提供豐富且多元的分享平台，讓師生和科普推廣夥伴能在這個舞台上交流創新教案與實驗設計，透過持續推動科學教育，活動不僅能激發學生的學習興趣，更能促進科學素養的提升。很榮幸能夠參與其中，見證科學知識在教室內外的傳播與實踐，讓科學更貼近每個人的生活與未來！