臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan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、陳佩琪、吳宛如
星期五 , 8, 1 月 2021 本期專題, 第四十一期/2021年1月 在〈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、陳佩琪、吳宛如〉中留言功能已關閉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
次單元(節數)
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學習內容
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主要的探究活動及學習表現
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(以翰林版為例)
4-1反應速率
(2節)
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Je-Ⅳ-1實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素，例如：本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。
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1.察覺影響反應速率的因素，並進行實驗設計(pe-Ⅳ-1)
2.進行實驗操作並分析實驗結果，運用結論來解釋新情境(pe-Ⅳ-2、pa-Ⅳ-1、2)
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表2 有關反應速率與學習目標及評量的呼應
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科學認知
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探究能力
(問題解決與思考智能)
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科學態度
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學習
目標
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經由實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素，例如：本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。
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1.能依據已有的經驗、知識，推測影響化學反應速率的因素，提出假設，並能以溫度、濃度為操作變因，設計實驗，且能操作、記錄實驗。(pe-Ⅳ-1、2)
2.將實驗結果分析、製圖，推導提出結論，再根據結論解釋新情境(pa-Ⅳ-1、2、tr-Ⅳ-1)
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透過動手實作，主動地以成品來分享自己構想的樂趣。
(ai-Ⅳ-1)
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評量
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能解釋、理解新情境:如硫代硫酸鈉反應的相關內容(tr-Ⅳ-1)
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1.能提出假設–溫度、濃度…能影響反應速率，並說明如此推測的理由。
2.能規劃實驗組別及記錄表格
3.實驗操作及記錄
4.將數據做出圖表
5.能和同學討論並做出結論
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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
國中自然科學探究與實作：燃燒的本質-氧化還原反應 ／ 鄭志鵬
星期四 , 7, 1 月 2021 未分類, 本期專題, 第四十一期/2021年1月 在〈國中自然科學探究與實作：燃燒的本質-氧化還原反應 ／ 鄭志鵬〉中留言功能已關閉國中自然科學探究與實作：燃燒的本質–氧化還原反應
鄭志鵬
臺北市龍山國中
- 簡介
本教學設計的目的，是讓學生了解物質燃燒的本質，是物質與氧結合產生劇烈的放熱反應。作者運用科學史中拉瓦節與史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材，讓學生學習科學的批判思辨必須以實驗事實為本，進行邏輯的推論。再藉由許多不同的氧化還原現象認識物質的活性不同，並從巨觀實驗結果中，推論物質在微觀分子層次上會因活性大小不同而發生氧元素的交換現象。
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教學設計理念
國中的化學課程，往往被視為「背科」，也就是純記憶性質的科目。學習化學反應時，「記憶」化學反應的現象、反應式和分類好像就是全部的學習目標。但是化學作為一門科學，難道在探究的層次上真的這麼薄弱嗎?其實以科學史中，拉瓦節探究燃燒本質為例，他也是進行了許多實驗，收集了許多實驗證據後，透過抽絲剝繭的方式逐步的找到燃燒的本質，這個過程絕對是高強度的探究。因此，在國中進行氧化還原單元時，其實可以以化學史作為背景架構設計課程，讓學生跟隨拉瓦節的腳步來探究燃燒的本質。接著延伸此一主題，觀察各種不同元素與氧元素進行交換的反應，從巨觀現象觀察、想像、猜測在微觀分子層次發生的變化，並且學習設計實驗驗證自己的假設，並在此過程中學習氧化還原反應的概念以及諸多探究能力。
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教學設計
作者利用物質的氧化與還原單元設計兩節課的探究活動。實施的對象為國中八年級的學生。此單元可於八年級下學期中段進行，在實施前學生對於化學反應已有初步認識，知道化學反應是原子的重新排列組合。他們也曾觀察過鎂帶在純氧中燃燒會產生白色的產物，對於一些元素的特性也有簡單的認識。除此之外，學生也需操作過燒杯、錐形瓶、酒精燈、燃燒匙等基本化學實驗器材。有操作實驗器材的基礎以及進行化學實驗的能力。
有關本單元如何與108年課綱所訂的學習內容目標，思考智能與問題解決目標，科學態度與本質目標的關聯，如下表：
(一) 評量方式：以課程中討論、實驗操作以及學習單內容表現作為評分依據
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教學流程
本單元的教學將分為兩節課分別介紹，每一節課均採用起、承、轉、合的階段介紹如何的實施此單元的探究教學。本教學流程的起、承、轉、合階段的構想來自於吳月鈴老師的研發構想。
第一節課燃燒的本質
一、起(導入與初步探究)：教師先引言說明人類知道「火」和「燃燒」已經歷史悠久，但人類直到近三四百年才有能力提出理論來說明燃燒現象。接著教師對學生提問：你們知道燃燒是怎麼回事嗎？（氧化）。你們怎麼知道是氧化？是看到氧氣了嗎？提出問題後，接著教師說明這堂課就是要來回答”我們怎麼知道燃燒是一種氧化現象？”的問題。之後，教師示範燃燒酒精燈與鋼絲絨過程中的質量變化，請學生觀察並紀錄。幫助學生聚焦兩種的燃燒現象其中相同處與相異處。學生會記錄到燃燒時同樣會發光發熱，但酒精燈燃燒過程，質量會變輕；鋼絲絨燃燒後則會變重。
二、承(進階探究活動)15分鐘：教師請學生閱讀學習單中描述史塔爾如何以「燃素」的觀點描述燃燒現象以及燃燒過程中質量變化。在閱讀中教師提醒學生學習分辨「證據」、「主張」與「推論」。要求學生學習以CER模式(Claim Evidence Reasoning Framework)做論述練習。例如：(1)練習使用燃素說解釋酒精燈燃燒與鋼絲絨燃燒的質量變化。重點是依據他人的主張，來解釋自己的實驗事實。(2)閱讀學習單中拉瓦節進行的實驗。使用繪圖方式轉譯拉瓦節的實驗結果。教學的重點在讓學生更仔細閱讀實驗結果，並學習將較難分析的文字，轉譯成較容易分析的圖片。並做為下一階段討論的依據。
三、轉(討論實驗結果)15分鐘：教師讓各組學生以燃素說這個主張解釋拉瓦節的實驗結果（證據），讓學生發現衝突矛盾之處。接著教師讓學生將主張改變為拉瓦節的氧化說，以此解釋相同的實驗證據。比較哪一個主張可以做出更好的解釋。最後教師要求學生學習論述的方式，以文章第二、三段作為範例，練習書寫或口說論述。
四、合(總結)5分鐘：透過上述的活動之後，最後教師進行總結，教師歸納：以燃素說解釋拉瓦節燃燒的現象時，有些難以解釋之處。但若以氧化的主張，則可以更完美的解釋許多燃燒現象。之後教師再提出燃素說和氧化論何者較佳?除了氧化說能解釋更多的實驗現象之外，拉瓦節實際找到氧氣作為直接證據，因而獲得極大的支持。但燃素觀點則一直沒有找到燃素因此逐漸沒落。依據上述的科學史的活動，教師提出人類對於科學現象的認識，是與時俱進的，不同的時代對於同樣的現象，可能會提出不同的觀點，但新的觀點往往能更完整的解釋更多現象。
第二節課活性與氧的交換
一、起(導入與初步探究)10分鐘：教師提示學生一些先備知識：鎂在純氧中燃燒會產生強烈白光，並產生白色的產物。根據化學反應前後不會產生新元素，只會將元素重新排列組合的規則來思考，白色物質必然是「氧化鎂」。接著教師將二氧化碳以排水集氣法灌滿廣口瓶，並將燃燒中的鎂帶放入，讓學生觀察燃燒現象，並記錄所觀察到的現象。透過此實驗可看出：
鎂帶可在二氧化碳中燃燒，並產生白色與黑色的產物。接著讓同學討論白色產物最可能是氧化鎂，黑色產物最可能是碳。接著重複上述的實驗，將鎂帶改為銅粉進行燃燒，發現高溫銅粉在空氣中會逐漸形成黑色氧化銅，放在排水及氣法所收集到的二氧化碳廣口瓶中，銅的燃燒現象會熄滅。
二、承(進階探究活動)15分鐘：各組學生進行觀察與推論：根據以上實驗結果，推論不同元素搶奪氧元素的能力有差異。從二氧化碳與鎂的反應可推論，鎂與碳相比，鎂有能力將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。代表鎂元素搶奪氧的能力勝過碳元素。在銅粉燃燒的實驗中透過觀察與推論可發現高溫銅粉在二氧化碳中會熄滅的結果，可推論出銅與碳元素搶奪氧的能力：銅無法將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。各組學生透過上述的兩個活動的觀察與推論，他們會提出下列的假設與推論：將碳與氧化銅混合加熱，是否會產生反應？教師也請學生提出他們認為會產生反應，或者無法產生反應的理由。接著教師要求各組學生進行計劃與執行：假如碳可以搶奪氧化銅的氧元素，將會產生二氧化碳。那可以用什麼方式檢驗二氧化碳？各組學生將混合粉末放入硬試管中，在單孔橡皮塞中插入玻璃管，塞住試管後，架設在鐵架上並用酒精燈加熱。玻璃管裝上橡皮管，並將橡皮管另一端放進澄清石灰水中。此階段如果時間或是器材不夠，也可由教師進行示範實驗。
三、轉(討論實驗結果)15分鐘：請學生根據觀察，寫下檢測結果：「氧化銅和碳粉在高溫下會反應產生氣體，氣體通入澄清石灰水中會產生混濁現象。另外將粉末倒出後會看到原本黑色的粉末產生了紅色物質」，透過此活動讓學生學習探究中的分析。接著教師請學生根據實驗結果討論氧元素在反應過程中會如何移動：氧元素會脫離氧化銅和碳結合，因此產生二氧化碳和紅色的銅金屬。代表碳和銅相比，碳搶奪氧的能力是更強的。透過此步驟讓學生發現他們探究的結果。教師提問學生：如果將鎂和氧化銅混合加熱，是否會發生氧元素交換位置的反應？會。因為搶奪氧的能力鎂>碳，碳>銅，因此可以推論鎂>銅。此步驟可讓學生進行探究歷程中的推論。教師可再透過提問，讓學生將探究的結果進行延伸。例如：已知水煤氣是將高溫的水蒸氣通過熾熱的碳後，會產生氫氣和一氧化碳。根據此結果，推論碳和氫相比，何者搶奪氧的能力更強？根據水煤氣的討論，判斷將高溫鎂帶放入熱水中，是否會產生氫氣？
四、合(總結)5分鐘：實驗活動進行後，教師進行總結：物質與氧結合反應稱為「氧化反應」；物質氧化物與氧脫離的反應稱為「還原反應」。不同元素與氧的結合強度不同。活性越大的元素，結合強度也越強。鎂可以搶走二氧化碳中的氧，也可以說鎂的活性大於碳。根據今天的活動我們可將實驗過的元素活性排列出來，可以得到Mg>C>Cu,C>H等等的結果。最後，科學家進行更多實驗，得到更完整的對氧活性序列。
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結論
化學作為基礎科學的一門學科，在學科知識建立與形成的過程，必然有許多探究的成分在其中。在化學教育上，可以運用科學史作為脈絡進行閱讀式的探究。讓學生置身於燃素說與氧化說爭執不休的時代，參與其中共同討論來學習化學的探究。另外也可以以一系列化學反應實驗的觀察與分析，認識到氧與其他元素的關係。學習在化學探究上，常常會從巨觀世界的實驗結果推論微觀世界的原理。化學學科有其獨特的探究手法和思考策略，我們應該可以藉由適當的課程設計來傳達此一概念。以上提供兩節課程示例，希望能拋磚引玉，提供現場老師參考。
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參考資料
南一出版社國中自然與生活科技課本(八下)，p86，(108年)。
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附錄
第一堂課學習單
壹、以實驗收集關於燃燒現象的事實
一、實驗觀察與紀錄
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實驗觀察與紀錄
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外觀現象
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燃燒前重量
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燃燒後重量
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蠟燭燃燒
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鋼絲絨燃燒
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二、問題與討論
(一) 請問蠟燭和鋼絲絨燃燒時，有那些現象看起來是類似的?我們有時候會將不同物質產生的相類似現象歸納，成為描述該現象的方式。例如歸納蠟燭和鋼絲絨燃燒中相類似的部分，就可以做為「燃燒」現象的粗略定義。
(二) 鋼絲絨和蠟燭燃燒時，重量的增減是否有不同?何者重量上升?何者下降?
我們會觀察相似現象中的差異，並思考造成差異的原因。從探討產生差異的原因，往往能獲得對該現象更進一步的發現。
接下來讓我們看一下過往的科學家，對於燃燒現象的觀察與理解。看看他們的思考以及辯證的過程，我們也一起來參與他們的研究討論吧。
貳、科學史上關於燃燒的證據、主張與推論
一、燃素派的觀點
我們發現燃燒不同的物質時，有些物質像是蠟燭，燃燒起來質量會減少；有些物質燃燒過後質量則會上升。
在1703年，德國的史塔爾（Georg Ernst Stahl, 1660-1734）提倡「燃素說」－他認為可燃的要素是一種氣態的物質，它存在於一切可燃的物質中，他把這種要素稱為「燃素」。
燃素派認為物質燃燒時，物質裡面的可燃成分（燃素），會從物質內逃逸出來，與空氣結合，從而發光發熱，這就是火，並且因為燃素從物質中釋放出來，重量就變輕了，釋放燃素的物質只剩下灰。但有些物質像是金屬它們內部的空隙就像容器一樣，裡面充滿了燃素。燃素與金屬分離後，空出來的容器會變空氣填滿，容器裝著比燃素重的空氣，重量自然就變重了。燃素派認為物質在加熱時燃素並不能自動分解出來，必須藉空氣來吸收燃素，才能將燃素釋放出來，而且越好的空氣吸收燃素的效果越好。
例如說普利士特利將俗稱「三仙丹」的紅色粉末加熱分解產生了汞和某種氣體。他蒐集產生的氣體，發現物體在該氣體中，能產生非常劇烈的燃燒。於是普利士特利將這種氣體稱為「脫燃素氣體」。他認為物體在該氣體中能劇烈燃燒的原因，是因為該氣體吸收燃素的氣體非常好的原因。
我們在論述一件事情的時候，會包含CER三個要素。分別是主張C(Claim)、證據E(Evidence)以及推論R(Reasoning)。主張，像是陳述的結論；證據是你握有的事實；推論則是連結證據和主張之間的論述。來想想看以下的問題：
二、關於燃素派的問題與討論
(一) 關於燃素說的內容中，哪些是關於燃燒的「證據」？請用紅筆標記出來；哪些是屬於「主張」？請用藍筆標記出來；哪些是屬於「推論」？請用黑筆標記出來。
(二) 試著用燃素說解釋我們實驗中，蠟燭和鋼絲絨重量改變的現象
三、反對燃素派的拉瓦節
拉瓦節先將汞在有空氣的密閉空間中加熱燃燒得到「三仙丹」，發現：
(一) 燃燒前後總重量並不會改變。但是金屬重量增加了一些，代表空氣的重量減少了一些。
(二) 他將密閉容器打開，發現空氣會從外面流進容器中。
接著他用了普利士特利的方式，將三仙丹加熱後產生氣體，經過測量他發現：
(三) 產生的氣體重量就恰好等於一開始空氣減少的重量。
於是他認為燃燒的關鍵並非來自物體內部的燃素，而是來自外面空氣的某種成分。這成分就是普利士特利所謂的「脫燃素氣體」也就是我們知道的「氧氣」。
四、關於拉瓦節觀點的討論
(一) 小軒讀了拉瓦節的發現，覺得很難懂。請幫他把上述拉瓦節的發現，用簡單的畫圖加上標示的方式呈現。
(二) 試著用燃素說解釋拉瓦節實驗的現象，有沒有什麼現象是燃素說難以解釋的呢？請注意這裡是討論拉瓦節的實驗結果，而非實驗方法。可以用剛剛畫的圖，輔助解說喔。
(三) 、拉瓦節主張物體燃燒的關鍵是因為物體與空氣裡的某種氣體結合。試著幫拉瓦節的主張提出解釋。論述的方式可以參考文章相關段落。
五、總結說明
與燃素說相比，拉瓦節的氧化說，能解釋更多實驗的現象以及測量到的數據。拉瓦節也找到了更多而且更直接的證據證明自己的主張。相反的，燃素說並無法解釋為何金屬的燃素釋放後，空氣可以填補進來造成重量增加，其他物體燃燒卻不會發生相同的事情，也無法解釋拉瓦節定量測量出來的許多結果。更重要的是燃素派也從來沒有真的找到他們聲稱的燃素，於是漸漸的式微。人類就捨棄了燃素的觀點，接受了燃燒是氧化現象的說法。
第二節課學習單
氧化與還原
記得我們曾經燒過的那些物質。我們了解燃燒的現象是物質與氧結合，產生高溫與火焰的現象。在這一節課中，我們將進一步探討物質與氧結合的現象。
■鎂帶(鎂元素)在純氧中燃燒後會產生強烈白光，產生白色物質。代表白色物質必然為___________
■酒精燈或蠟燭燃燒後，會產生二氧化碳，代表酒精和蠟燭裡都有__________元素
■紅褐色的銅燃燒時，反應較不劇烈，但會逐漸變成黑色的___________
壹、實驗觀察與分析
一、實驗步驟
(一) 以排水集氣法在廣口瓶中收集兩罐二氧化碳
(二) 把一小段鎂帶放在燃燒匙上，以瓦斯燈點燃後，放到裝滿二氧化碳的廣口瓶中，觀察鎂帶是否能在二氧化碳中燃燒?
(三) 火焰熄滅後，將殘餘的物質取出，觀察外觀並記錄。
(四) 將步驟二中的鎂帶替換成銅粉，重複步驟二~三。
二、實驗記錄
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物質
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是否可在二氧化碳中燃燒
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產物外觀
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鎂
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銅
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三、推論
(一) 從鎂帶在二氧化碳中燃燒之後的產物外觀，可以猜想產生了哪些產物?
(二) 從反應物和產物的關係，我們可以推論在燃燒的過程中，產生了氧元素的交換。代表鎂元素和碳元素，何者搶奪氧元素的能力更強?
(三) 從燃燒的銅粉會在二氧化碳中熄滅的現象，可以猜想銅是否有能力搶奪二氧化碳中的氧元素?銅與碳元素何者搶奪氧的能力更強?
(四) 根據(三)的猜想，請問如果將氧化銅粉和碳粉混合後加熱，是否會產生氧元素交換的反應?
(五) 假設氧化銅與碳粉加熱會產生氧元素交換的反應，請問會產生哪些產物?
四、以實驗驗證猜想
(一) ![clip_image002[4]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wp-content/uploads/2021/01/clip_image0024.gif "clip_image002[4]")
實驗步驟：將約一刮杓(平匙)的碳粉與氧化銅粉充分混合後，放入硬試管底部。依照上圖組組裝實驗器材。組裝完成後，讓老師檢查，確認了解所有安全注意事項後，請老師點燃酒精燈開始觀察實驗現象。
(二) 實驗結果
1. 澄清石灰水是否變色?代表產生什麼物質?
2. 倒出試管中的反應物，是否有觀察到紅棕色物質產生?代表產生什麼物質?
(三) 實驗推論：根據以上反應結果，我們可以推論銅和碳何者搶奪氧的能力更強?
(四) 進一步猜想：根據以上結果進行推論，如果將鎂帶和氧化銅混合加熱，是否會發生反應?為什麼?
五、延伸思考1：以前人會將高溫的水蒸氣通過熾熱的焦煤(碳)之後，蒐集產生的氫氣與一氧化碳，作為氣體燃料使用。根據水煤氣製造的過程我們可以知道，碳元素和氫元素相比，何者搶奪氧的能力更強?
六、延伸思考2：根據上述的資料判斷，若將鎂帶放入熱水中，是否會產生氫氣?為什麼?
國中自然科學探究與實作：吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 ∕ 林芬如、段曉林
星期三 , 6, 1 月 2021 本期專題, 第四十一期/2021年1月 在〈國中自然科學探究與實作：吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 ∕ 林芬如、段曉林〉中留言功能已關閉國中自然科學探究與實作：吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗
林芬如*1、段曉林2
國立彰化高級中學退休教師1
國立彰化師範大學科學教育研究所2
n 前言
108年課綱的精神在於重視每一位學生的資質均能得到造就與幫助，使其適才適性，質量並重，並能提升其科學素養。本探究活動依照108課綱所指「由各校依照學生興趣、性向、能力與需求開設」進行探究與實作教學的目標，以108課綱設計國中課程適用的探究教學教案範例，教案中教師以學習單引導，幫助學生完成此探究活動。
本教學活動的目的有二：(一) 利用動手做的探究活動促進國中學生的學習動機，增加學習樂趣。(二) 促使國中生在本活動中，仔細觀察日常生活中油脂化學變化的現象，驗證他們常聽說的”吃水果解油膩 ”的說法是否合理，在動手做的活動中將學校課程所學，融入日常生活中。本教學活動對應到108年新課綱的學習內容是「有機物的性質」為物質間的交互作用，「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。」。在學習表現上，希望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；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。
n 需用材料和器材
小試管（15mL-20mL）每人六支；三種不同種類沙拉油如花生油、橄欖油、葵花油等(每種每次3mLX2支）做成6支/人；新鮮檸檬數個擠成檸檬汁（250 mL供全班使用）；新鮮綠葡萄一串打成汁過濾果皮（250 mL供全班使用）；市售黑葡萄汁數瓶；某牌果菜汁數瓶；廚房水果醋250ml；廚房小蘇打粉數包。加熱設備如加熱器或小型瓦斯爐台數台、電子溫度計或玻璃溫度計數支、計時器、廣用試紙與石蕊試紙數盒，數字型電子pH計數支，酸鹼滴定裝置(若無可用乳頭滴管加上小量筒代替)。如圖一所示。
新鮮橘子
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數字型電子pH計數支
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乳頭滴管加上小量筒
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數字型電子加熱器
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n 課程介紹
(一)、本課程設計上盡量使國中學生接觸到的藥品毒性低，危險性低，便利性高，人人在家都可以做實驗，達成安全無毒的考量。(二)、本課程以108課綱所提(p.3)以「主題式探究教學」為課程內容，選取油脂的水解反應為主題，根據5 E教學架構，由教師提供的學習單引導探究的主題與學習內容，使學生在進行探究的過程中具備三種學習表現：思考智能、問題解決、科學態度與本質，符合前言所提的學習表現。
本教學活動採用5E教學法，詳細的教學步驟請參考下文，研究中教師的提問則請每一位學生都必須填寫在學習單(附錄一)。
一、參與(Engagement)
步驟1：教師先拿出一份花生油(A)，與家庭用水果醋3mL(B)及檸檬汁(C)，用廣用試紙單獨測試(A)，(B)與(C)後，將顯色後的試紙標註(A)(B)(C)，請學生運用自然與生活科技所學的基本酸鹼觀念，全體學生觀察何者為酸性；何者為鹼性或中性? 此時邀請一至兩位學生回答引起學生的參與動機：(問題一) 請分別描述酸性與鹼性溶液的性質？(問題二) 請嘗試由老師示範後的廣用試紙(A)的結果，觀察判斷花生油是酸、中性、鹼性？
二、探索(Exploration)
步驟2：待學生回答後，教師適時給予確認答案。此時，教師引入探究主題”吃水果可以解油膩？”，邀請學生分享自己的生活經驗，同意這句話嗎？
步驟3：教師可一邊示範將家庭用水果醋3mL倒入花生油中進行攪拌，此時出現乳化現象，然後靜置數分鐘，一邊以投影片講解油脂是有機物的酯類，而酯類是一種不易溶於水的化合物；它來自酸與醇類脫水化合而成，在人體中可視為維他命A與E的載體，產生的熱量可以維持體溫，衛生署建議國人每日攝取油脂3-5茶匙(約6-12ml)等等，使課程內容貼近生活，學生覺得淺而易懂。如圖二所示。
花生油與水果醋初期的乳化反應
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花生油與水果醋靜置後呈現澄清透明
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花生油與市售葡萄汁靜置後呈現澄清透明
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步驟4：油脂為非水溶液，當從沙拉油瓶中倒出時，油的初濃度可視為固定不變 (視為控制變項) 。此時，請學生們先預測甚麼可能是自變項？而甚麼是依變項? 當然，此時教師可以視自己學生程度給予提示。教師可視實際的需要提示學生：自變項是探究中實驗者所操弄的變項，例如：以檸檬汁，綠葡萄汁，市售黑葡萄汁、某牌果菜汁、家用水果醋等，在常溫或高溫與不同種類油脂作用，時間長短快慢等實驗者操弄的變項。依變項是受自變項的變化而改變的變項，本研究中依變項是指：乳化現象後，油脂水解的狀況。教師提出問題三：(問題三)油脂乳化靜置後，各種油脂在不同水果汁作用下，水解的狀況如何？外觀看起來是澄清透明還是不透明？你如何由外觀觀察油脂被水果汁水解的效果是最成功的？
老師可請同學想想，如何有效驗證從自己做的探究實驗”吃水果解油膩” 中看到油脂被哪一種水果汁(新鮮果汁或市售果汁)水解的效果最好？這些油脂水解的產物，每組學生用數字型pH計測出pH讀數是多少？這樣得出水解後pH的效果，進一步該怎麼用老師提供的藥品與器材實驗驗證？接著要求學生先進行研究假設，之後在學習單上設計實驗活動。(詳見附錄一)
步驟5：教師提醒探究時間是40分鐘。之後，請學生利用教師所提供的實驗藥品與器材，完成(問題三)所有的提問。
三、探索(Exploration)與精緻化(Elaboration)：規劃這個探究活動成為具有可信度與再現性的實驗
步驟6：學生將步驟5完成後，紀錄表格資料與觀察結果。經過分組討論後，請學生們試著由自己的表格紀錄進行分析，自己找出最佳實驗條件，在此條件下可快速重做一次實驗，驗證可以獨立建立自己的探究結論。全體學生指派一位組長上台回答(問題四)：
(問題四) 如何由本次探究活動中精確找出讓油脂水解的最佳實驗條件？ 包含(1)水果汁用量最少(2)水解時間最快，或(3)最短加熱時間？
四、解釋(數據與結果的整理)
步驟7：這一步驟重點是讓學生展現他們設計探究實驗的成果，老師邀請各組以小白板展示，並邀請各組組長一起上台將自己組員提出的探究步驟，寫在白板上，回答：
(問題五) 如何使用老師給定的小蘇打粉，將油脂水解產物進行酸鹼中和的分析？
進行到”解釋”這個步驟，是促進各小組上台溝通分享與成果發表的能力。
五、評量：分為第一次評量與第二次評量
第一次評量：在探究活動結束前，各組上台報告後，教師可提點出那些組的實驗技巧很精確，用量少，且水解效果最優。教師最後再快速彙整各組學生，在本活動中找出最解油膩的水果，最有探究的特點的組別做講評。
第二次評量：在探究活動結束後，教師依據：
1) 含小組學習單與小組上台報告錄影帶評量(任課教師與另一名資深探究教師)。
2) 評分方式：實作評量四段式給分。本文建議依照PISA問答題素養分數計算，根據學生的實際完成度考量，從不適切至完全適切止，可能編碼為0、1、2、3四段式給分。本文建議2分為學生對本次主題的基本學習水準。
以下說明評量方式：0分，學生沒有完成任何一項探究活動。1分，學生可以寫出食用油脂加入酸的基本中文化學反應式；或能說出生活中的水果、果汁、水果醋等的酸鹼性（利用試紙檢測說出酸性、中性或鹼性等，其中1項完成)。2分，完成油脂受到水果汁與水果醋水解的完整探究步驟的撰寫，可以對自己水解後的產物的外觀描述或酸鹼試紙的檢測結果描述說明，可以探究出水解反應的最佳條件如使用何種水果的反應時間，加熱時間等等，其中2項完成)。3分，完成完整探究步驟的撰寫，與完成各種水果、果汁、水果醋對水解反應的探究，可以對自己水解後的產物的外觀描述或酸鹼試紙的檢測結果描述說明；可以探究出本反應老師提供的食物中，最有利水解的最好條件如水果種類，反應時間或加熱時間等等。進一步可以提出自己推測使用生活中其它替代的水果(代表酸)或生活中的洗滌鹼 (代表鹼)。上述的成果其中3項或3項以上完成。
n 結語
透過此種生活化與趣味化的方式，將學生日常生活中常常用到的觀念”水果可以解油膩”，轉化成為探究活動，必透過實驗加以驗證，這就是科學素養的精神。此活動不但沒有任何實驗安全的疑慮，所有材料取得方便。同時也幫助學生訓練其觀察力，界定各種變項(自變項，依變項與控制變項)的能力。不但如此，透過設計與執行探究活動得到很好的解答，可以澄清過去生活上的觀念，也同時獲得正確的科學知識。許多化學老師常認為化學領域的活動不易設計出探究的活動。但是本教學活動提出很好的示範，幫助老師們重視生活中的資源，再透過系統化的探究教學步驟，不但幫助學生建構其學習表現的能力以及相關的有機化學知識，也幫助學生喜愛化學。
n 參考資料
1.國中自然與生活科技第四冊。南一書局。民國108年。
2.十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高中自然科學領域手冊。民國107年。
3.水果食物pH值：www.bbrazini.com
n 附錄一
吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗
n 設計來源根據：國民中學108課綱八年級有機化合物
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組別： 姓名：
一、 組員工作分配表
組員名字
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分配工作
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組員工作能力互評表(1~5分)
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組長
工作內容：
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組員1
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組員2
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組員3
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組員4
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二、 探究過程【各組自行設計將探究步驟分項一步一步說明，不足可自行添增行數】
1.
2.
3.
4.
5.
三、探究實驗數據參考表格(以花生油為例)
三種不同種類沙拉油如花生油、橄欖油、葵花油等(每種每次3mLX2支）
花生油
(3mLX2支)
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反應時間
紀錄
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花生油+3mL檸檬汁之外觀描述
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花生油+3mL綠葡萄汁之外觀描述
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花生油+3mL市售黑葡萄汁之外觀描述
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花生油
+3mL某牌果菜汁之外觀描述
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花生油
+3mL廚房水果醋之外觀描述
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A. 一支室溫25度
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起初:
30秒
1分鐘
1.5分鐘
2分鐘
2.5分鐘….
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乳化呈黃褐色
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B. 第二支調整隔水加熱溫度為40度
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起初:
30秒
1分鐘
1.5分鐘
2分鐘
2.5分鐘…
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四、探究任務：學生回答問題
(問題一) 請分別描述酸性與鹼性溶液的性質？
學生回答：
問題二)
請嘗試由老師示範後的廣用試紙(A)的結果，觀察判斷花生油是酸、中性、鹼性？
學生回答：
(問題三) 油脂乳化靜置後，(1)各種油脂在不同水果汁作用下，水解的狀況如何？(2)外觀看起來是澄清透明還是不透明？(3)你如何由外觀觀察油脂被水果汁水解的效果是最成功的？
學生回答(1)：
學生回答(2)：
學生回答(3)：
(問題四) 由本次探究活動中，你怎麼精確找出讓油脂水解的最佳實驗條件？ 包含(1)水果汁用量最少(2)水解時間最快，或(3)最短加熱時間？
(表二) 最佳實驗條件
油脂種類是mL
相對水果汁種類mL
最佳實驗條件下油脂水解照片(圖二)
兩者最佳反應時間，最短為 分鐘
(圖二)
最佳反應溫度 度
學生回答(1)：
學生回答(2)：
學生回答(3)：
(問題五) 你如何使用老師給定的小蘇打粉，將油脂水解產物進行酸鹼中和的分析？請試著畫一個實驗設計的表格。(老師可以依照自己學生程度提示：酸+醇→酯+水，酯的水解是這個方程式的逆向反應，產物回到酸加醇。油脂水解後的溶液以數字型pH計測定度數，若低於pH=7，請用0.5M小蘇打水溶液慢慢滴定到pH=7。小蘇打水用的越多，代表油脂水解程度大，產生的酸多，因此可以將探究出來的結果推論，此類果汁它的解油膩效果是好的。)
學生回答：
五、小組內部檢討：
1. 實驗結果為成功或失敗，檢討原因可能有哪些？
2. 本次活動測試過程中自認最自豪探究方式是什麼？
3. 若還有機會試驗，下次準備用什麼方法進行探究？
設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材 ／ 古建國
星期二 , 5, 1 月 2021 化學課程與教材, 第四十一期/2021年1月 在〈設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材 ／ 古建國〉中留言功能已關閉設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材
古建國
臺北市立大學 應用物理暨化學系
[email protected]
中學提到鹽概念有再結晶與酸鹼反應之產物，食鹽是生活必需品，而酸鹼概念與生活關係密切，舉凡食物的酸鹼、衣服染色的條件或是清潔作用等，尤其酸遇到鹼之後產生鹽類與水。小學自然課程談到鹽的溶解與中學鹽的濃度計算（包括溶解度的介紹），實驗部分有鹽的再結晶與純化，以及談到化學反應會得到鹽類，例如醋與小蘇打的反應或是鹽酸與氫氧化鈉的反應。
本文閱讀的跨領域教材設計首先是以沈括《夢溪筆談》中的解州鹽池與陵州鹽池介紹岩鹽，以探討先人獲得食鹽的方式與相關知識，進而延伸探討食鹽的取得與精鹽製備，接著介紹酸與鹼反應產生鹽類的方式（科學），以及連結數學中的邏輯概念與資訊科技撰寫自動滴定裝置所需的設計，利用繼電器、紅外線感應器與外置抽水馬達製作酸鹼滴定裝置，進行酸鹼滴定產生鹽類，融入藝術領域，設計具有美感的自動滴定器，並藉由此設計模式延伸應用在生物中的植物澆灌與生活科技中的防疫科技應用之酒精自動噴灑器。
n 簡介
108課綱強調跨領域學習，以理科之科學與數學為例，融入人文藝術元素，透過主題式單元設計出發，以建構學生的學習思維，讓學生知道學習的來源已經不能只透過教師或書本，尤其加入科技領域內容，可以提升學生問題解決能力，其中人文藝術導入課程過程中，閱讀扮演重要角色，二十一世紀除了是一個資訊爆炸的時代，閱讀是吸收新知首要步驟，提升閱讀能力有助於各領域知識或技能的學習與表達。
1. 酸鹼與鹽
中小學科學學習中，酸、鹼、鹽是很重要的學習單元，以108課綱自然科學領域提到的學習內容說明如下:
第二學習階段學習內容：INe-Ⅱ-4常見食物的酸鹼性有時可利用氣味、觸覺、味覺簡單區分，花卉、菜葉會因接觸到酸鹼而改變顏色。
第三學習階段學習內容：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。
第四學習階段學習內容：Jd-Ⅳ-3實驗認識廣用指示劑及pH計。Jd-Ⅳ-6實驗認識酸與鹼中和生成鹽和水，並可放出熱量而使溫度變化。
學生在學習過程中，小學學習階段是認識與判斷酸與鹼，以及知道食鹽則是來自於自然界的岩鹽或海鹽。中學學習階段延伸到酸與鹼作用會產生鹽類，並進行相關議題探究。
STEAM是指科學（S）、科技（T）、工程（E）與數學（M）教育中加入藝術（A）領域（Arts），強調綜合的學科知識，有別於STEM是因為加入了藝術元素，增加學童表達與詮釋的學習（Sharapan,2012），這樣的跨領域學習更能激發學生的創造力和合作學習，讓學生學習更貼近生活。例如：周佳萩（2018）發展國小簡單機械STEAM統整課程之歷程研究，或李坦營（2017）以STEAM為本建構海洋教育新興議題融入視覺藝術之課程模式。
日前透過政府與民間的資源投入中小學推動閱讀，除了需要提升教師閱讀專業知能與教學能力之外，更需要培養學生閱讀習慣，增進學生閱讀素養及理解能力，於是有學者認為應該在STEAM中加入閱讀（Reading），DeBoer、Carman和Lazzaro（2010）認為跨領域中要有閱讀（Reading）與寫作（Writing），Ali
Trachta（2018）將閱讀和寫作融入STEM和STEAM以推廣STREAM，提供學生跨領域學習。與日前國內108課綱重視「跨領域學習」理念相呼應，期待學生能整合這些學科知識應用於解決生活問題。
n 跨領域（Reading-STEAM）教材設計
以科普閱讀導向之STEAM（Reading-STEAM）教材可採取探究式的教學方式進行。教學活動分為議題探究、發現問題、實作討論和探究延伸四個部分，以鹽為主題Reading-STEAM設計見表1。
表1以鹽為主題之Reading-STEAM教材設計
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單元 |
閱讀（Reading） |
STM |
EA |
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1. 議題探究 |
「夢溪筆談」之鹽池 |
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2. 發現問題 |
鹽的來源與特性 |
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3. 實作討論 STEAM探究 |
酸鹼鹽 |
再結晶與酸鹼滴定 |
設計與製作自動滴定裝置 |
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4. 探究延伸 |
吳又可之《瘟疫論》 植物生長 |
酒精自動噴灑 植物自動澆灌 |
酒精自動噴灑器 植物自動澆灌器 |
1.議題探究~閱讀：沈括「夢溪筆談」之陵州鹽池
解州鹽澤，方百二十里……大鹵之水，不得甘泉和之，不能成鹽。唾巫咸水入，則鹽不復緒，故人謂之「無鹹河」，為鹽澤之患。築大堤以防之，甚於備寇盜。原其理，蓋巫咸乃濁水，入鹵中則於澱鹵脈鹽遂不成，非有他異也。
原意為：解州鹽池方圓一百二十里…….鹽池中間有淡的泉水，使鹽鹵結晶。當巫咸水流入，就無法得到鹽鹵，所以人們稱這條河為「無鹹河」，解決這問題的方法就是修築堤防，防止此河水流入鹽池，其原因是因為水濁，流入鹽池後會沉澱堵塞鹽鹵脈，無法繼續產鹽….。
陵州鹽井，深五百餘尺，皆石也。上下甚寬廣，獨中間稍狹，謂之“仗鼓腰“，……後有人以一木盤，滿中貯水，盤底為小竅，釃水一如雨點，設於井上，謂之“雨盤“，令水下終日不絕，如此數月，井幹為之新，而陵井之利復舊。
原意為：陵州鹽井深五百多尺，井壁全是岩石。井的上部、下部較廣，中間較窄，又稱為“杖鼓腰“……井的木頭腐爛，需要整修換新，但受到井中陰氣襲人，無法下井施工，只能等到下雨天，陰氣較少才稍微可以下井施工，後來，有人製作木盤，木盤裝滿水，並在盤底鑿了許多小孔，讓木盤中的水從這些小孔中灑出，產生類似下雨情景，又稱為“雨盤“，這種人造雨水方式降低陰氣危害，就能下井修理與更換木頭，恢復陵州鹽井原狀。
(2)發現問題
a. 為什麼會有岩鹽?
b. 為什麼解州鹽澤需要甘泉水而不要巫咸水?
c. 陵州鹽井修復需要雨盤作用原因是什麼?
(3)實作討論~STEAM探究
a. 科學探究:
(a) 有哪些方法可以製備食鹽?
(b) 岩鹽與海鹽製備有何差異?
(c) 設計如何以不用天然方式製備食鹽。
b. 數學探究:如何設計一池永遠不會下沉（永遠浮在水面上）的浴池?
c. 科技/工程/藝術探究: 設計與製作酸鹼自動滴定器。
(a) 材料
使用材料見表2。
表2: 使用材料
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紅外線避障模組 |
外置抽水馬達 |
單電路繼電器 DC5V |
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Microbit |
電池盒 |
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(b) 連結電路
連結電路與完成圖請見圖1與圖2。
圖1 酸鹼自動滴定器電路連接
圖2酸鹼自動滴定器電路連接完成圖
(c) 撰寫程式
圖3酸鹼自動滴定器程式碼
(d) 工程與美學:思考如何從美學觀點設計自動滴定器。
(4)探究延伸~
a. 植物議題之Reading-STEAM教材元素
利用本課程延伸至植物單元，並進行植物澆灌，其STEAM課程元素說明如下，見表3，相關程式碼見圖4。
表3植物議題之Reading-STEAM教材元素
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元素 |
說明 |
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閱讀 |
「天工開物」之「稻田灌溉」……天澤不降，則人力換水以濟。凡河濱有制筒車者，堰陂障流，繞於車下，激輪使轉，挽水入筒，一一傾於見內，流入畝中。晝夜不息，百畝無憂。不用水時，拴木礙止，使輪不轉動。…… |
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科學(S) |
Bc-Ⅳ-4日光、二氧化碳和水分等因素會影響光合作 用的進行，這些因素的影響可經由探究實驗來證實。 |
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科技(T) |
設計自動澆灌器之程式 |
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工程(E)/藝術(A) |
製作自動澆灌器與規劃種植區域 |
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數學(M) |
探究不同植物種類的需水量以及計算節能效率 |
圖4自動澆灌之程式碼
備註:1. 其中在邏輯中(如果…..那麼……)關於類比信號讀取之參數修正，有別於紅外線感測器，自動澆灌採用土壤濕度計，視土壤濕度計偵測數字修正，若無水時候是約1020左右, 則設>800，若土壤濕度計偵測數字無水時候約20左右, , 則設<100。
備註:2. 與酸鹼自動滴定差別在於程式執行中暫停時間不同，酸鹼自動滴定中馬達通電時80毫秒(0.8秒)，自動澆水中馬達抽水時間為5000毫秒(5秒)。
b. 生活科技防疫議題:
製作酒精自動噴霧器或自動給皂機，閱讀部分則是吳又可之《瘟疫論》。利用紅外線避障模組感應手部，經Microbit與馬達抽取適當75%酒精量進行噴灑手部，免接觸消毒瓶即可達到消毒作用。
表4生活科技防疫議題之Reading-STEAM教材元素
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元素 |
說明 |
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科學(S) |
認識細菌、病毒及微生物 |
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科技(T) |
設計酒精自動噴霧器之程式(將酸鹼溶液改成75%酒精) |
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工程(E)/藝術(A) |
製作自動噴霧器 |
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數學(M) |
預估一天噴霧器使用量與充填次數 |
n 結論
目前課綱強調跨領域學習，以主題式進行跨領域學習，可以培養學生具備問題解決能力，另一方面也提供學生合作學習機會，因為小組成員中，有人學科背景好，可以轉化所學科學知識給小組其他成員，有人程式設計能力強，可以完成程式撰寫，成員中有人美術設計能力佳，可以做出令人激賞作品，建立小組成員每人貢獻一樣重要的概念，就能體會合作重要，所以跨領域學習有其必要性。
n 參考資料
周佳萩（2018）。發展國小簡單機械STEAM統整課程之歷程研究。未發表碩士論文。高雄市: 高雄師範大學。
李坦營（2017）。以STEAM為本 建構海洋教育新興議題融入視覺藝術之課程模式。未發表碩士論文。臺北市: 臺灣師範大學。
DeBoer, G., Carman, E., & Lazzaro, C. (2010). The role of language arts in a successful STEM education program. College Board Project 2061. Retrieved from http://files.eric.ed.gov/fulltext/ED563458.pdf.
Lindeman, K., & Anderson, E. M. (2015, May). Using Blocks to Develop 21st Century Skills. Young Children, 70(1), 36-43.
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融入科技力提升化學探究與實作之問題解決 ／李易澄、陳昱嘉、洪士勛、曾致豪、黃琴扉
星期一 , 4, 1 月 2021 多元教學法, 第四十一期/2021年1月 在〈融入科技力提升化學探究與實作之問題解決 ／李易澄、陳昱嘉、洪士勛、曾致豪、黃琴扉〉中留言功能已關閉融入科技力提升化學探究與實作之問題解決
李易澄1、陳昱嘉2、洪士勛1、曾致豪2、黃琴扉1,＊
1國立高雄師範大學
2P&C科學教育中心
＊[email protected]
n 摘要
為了讓學生具備面臨未來生活需要的科學能力，許多國家都在教育方向上作出調整，教育部108課綱–自然科學領域也以素養作為基本理念並藉由探究實作來建構學生的科學素養。本文在探討八年級學生在進行科學探究的過程中，從決定探究的主題、發現問題並以自身的科學知識解決問題，再輔以新科技將實驗結果由主觀的人為判斷進展到更為客觀的數據的歷程。研究結果發現，學生在探究實作過程中，主動融入日常生活中使用的新興科技，不僅提升學習意願、成就感，並能改變內在本質。
n 前言
身處在科技、資訊、社會變遷的時代，現代人面臨了許多需要具備科學知識去理解並解決的議題，為了得知學生是否具備因應未來生活上面臨問題與挑戰時的決策能力，經濟合作暨發展組織OECD(Organisation for Economic Co-operation and Development )所發展的國際學生評量計畫PISA(Programme for International Student Assessment )從閱讀、數學和科學素養來對15歲的學生進行評量，其中PISA2006和PISA2015以科學素養為主要評量的領域(彭開琼、張佳雯、李瑞生，2017)，而台灣學生的科學素養在國際間表現均十分優秀。
即使科學素養表現亮眼，但評量結果也指出，台灣學生缺乏在科學問題上延續探討的學習，對於將問題形成假設、找出變因、設計實驗的經驗較少(佘曉青、林煥祥，2017)，PISA執行研究團隊也針對台灣學生在PISA2015的成績上提出建議，認為在中學階段應該更加著墨於科學探究與實驗課程(林煥祥等，2016)，並應以解決生活上情境式的問題為架構(圖1)，來檢驗學生是否在既有的科學知識中具備解決問題的態度與能力，作為教育方向的改善參考依據。
除了PISA評量所帶來的啟發外，美國在2011年公佈了K-12科學教育架構(Framework for K-12 Science Education)，進一步於2014年發展出新世代科學標準(The Next Generation Science Standards，NGSS)，其內涵也是期望以情境學習為基本，藉由跨科實作來建構並理解科學知識。李驥與邱美虹(2019)更指出，「十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域」恰與NGSS具有相同的核心概念，都重視探究與實作的進行。
由上述國內外的資料分析中可以發現，教育部擬定之108課綱內涵，即是期許能透過教育模式引導學生在面對未來生活中和科學相關的資訊與問題時，能夠理解、思辨、分析，進一步使用科技來協助問題的處理，其中探究與實作的能力是學生建構科學素養的要素(教育部，2018)。探究實作是學生將學習內容以及科學能力展現的一種方式，藉由此歷程來建立學生智能思考與問題解決的能力(表1)，要讓學生認知到科學知識建構的方式，則必須對探究的過程、脈絡以及結論進行評量與建議(Driver, Newton, & Osborne, 2000;Duschl & Osborne, 2002;Kuhn
& Reiser, 2005)。為了提供學生主動探究學習與解決問題的機會，教育部首先在高中階段增列必修學分數三分之一的自然科學探究與實作課程，期望學生在生活中發現問題，要讓學生了解現實生活的問題如何與科學知識連結，情境式的問題顯得重要(仰威融、林淑梤，2020)，再經由問題解決的探究過程培養科學技能與強化科學素養，進而提升科學態度以及學習動機。國中教育會考、大學學測、大學指考以及統測也因應新課綱的調整，除了一定比例的學科概念題型外，增加與生活情境相關的素養題型，在真實情境脈絡中融入跨領域的新議題以促進學校培養學生的科學素養(臺師大心測中心，2019、林淑梤，2019)，與PISA科學素養評量架構十分相似；下一步，也期待將探究實作的精神落實到中小學跨科教學中，讓科學教育跨域學習、從小紮根。
圖1 PISA科學素養評量架構圖(引自PISA科學應試指南，2011)
表1 探究能力學習表現架構表(改編自教育部，2018)
| 向度 | 智能思考 | 問題解決 |
| 內涵 | 想像創造 | 觀察與定題 |
| 推理論證 | 計畫與執行 | |
| 批判思辨 | 分析與發現 | |
| 建立模型 | 討論與傳達 |
此外，在新興科技快速發展的二十一世紀，使用新興科技來驗證並解決科學問題是科學學習的趨勢，在科學、科技教育中融入新科技的使用並且提升新科技帶來的相關議題的判斷能力需要被重視(何妙桂，2014)。以下就一組八年級學生進行科學探究與實作活動的過程進行討論，並說明科技運用在探究與實作上的助益：
n 學生透過探究與實作過程進行問題解決
科學研究的方法為七年級自然與生活科技課程的內容，本文內參與探究活動的學生皆對其有基本概念；在探究活動開始之前，教師與學生討論過程中需要注意的部分，為了讓學生在實驗過程中以及活動結束後能有重新檢視的依據，特別提醒實驗流程與數據記錄的方法。教師與學生討論後，發給學生不同顏色的便利貼，上面需要記錄想研究的主題名稱、簡述內容、吸引自己探究的亮點以及實驗操作上有哪些優點及限制。每位同學至少提出一個主題，並蒐集相關資料留待討論(表2)。
表2 探究活動準備流程
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本探究活動由表2啟動問題意識，協助學生凝聚科學問題，並引導學生探討可行的解決策略。學生們經過文獻回顧與思索後，自行擬定「如何提高無字天書實驗中比色法的客觀性」問題，以下將進行詳細說明。
(一) 學生自行擬定之探究主題–如何提高比色法的客觀性
在本探究活動中，講師引導學生提出各自想做的主題，並進行組內說明以及討論，學生在蒐集相關資料的過程中發現「無字天書」有許多實驗資料以及相關討論，但實驗的過程以及記錄的方法並不夠嚴謹，因此產生對實驗結果信度的疑慮。尤其在實驗結果記錄中的優劣排序常用的是字形或是圖形的清晰程度作為判斷標準，通常以顏色越深代表效果越好，但對於烤紙後顏色深淺判斷多是傳統肉眼比色的主觀排序，實驗結果較不準確。接著以比色法作為討論重點，提出幾項提高比色客觀性的方法，包含：請更多同學協助比色評分，再將同學判斷結果平均後排序、利用色卡進行比對、使用電子設備協助比色…等，其中使用電子設備的客觀程度較高，再經過資料收集後決定成本較低的平板搭配app應用程式作為比色工具。 (表3)。
表3 學生探究與實作學習歷程–發現問題(改編自教育部，2018，p40)
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(二) 學生自行擬定之問題解決策略–運用手機科技提高比色法的客觀性
產生沉澱物、產生氣泡、顏色變化…等，是國中階段常用來判斷化學反應的條件，其中顏色變化多以傳統的目視比色法為主，在教師的挑戰與引導下，學生均認同在顏色變化程度不大的狀況下，容易形成誤差，所得的實驗結果也無法進行量化比較。由於八年級理化課程中有教到三原色的背景知識概念，為了讓實驗結果更具說服力，學生討論後決定以具有照相功能的手機輔以colour軟體進行RBG顏色分析。
實驗流程如下：在白紙上均勻塗抹果汁後，距離桌面19公分處來回加熱相同時間，利用平板拍照後，以colour軟體針對顏色最深處進行RBG顏色比對，記錄數值後，將三項數值加總，並以總分作為比較數值，顏色越深則總合值越小(表4)。
表4 學生探究與實作學習歷程–規劃與研究、論證與建模(改編自 教育部，2018，p40-41)
n 教師引導探究與實作活動之反思回饋
本活動與108課綱「探究能力學習表現架構表」進行比對(表5)，符合國民中學教育階段學習重點－第四階段學習表現。教師作為協助以及引導學生進行思考與討論的角色，而學生則是知識的主動建構者。在本活動中，學生自行討論並設計學習內容，從過去實驗中發現問題並在過程中學習如何使用新科技colour應用程式解決問題，符合探究導向的教學模式(Wheeler,2000；Anderson,2002；Bybee,2006)。在書面審查與口頭報告時，教師以108課綱–自然科學課程綱要中，科學探究歷程的四個項目：「觀察現象」、「規劃與研究」、「論證與建模」以及「表達與分享」對學生進行書面審查以及口頭簡報作為評量(教育部，2018，p40-41)。
表5 學生探究能力學習表現與架構表(改編自 教育部，2018)
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課程中，學生雖然在訂定主題、實驗時遇到操作上或數據量化的困難，但在教師的協助下，組員們一起想辦法解決而不是抱怨與放棄是最大的進步。學生並不只是學習到了多專業領域的內容，更強化了獨立思考與解決問題的能力，我們期望藉由科學探究與實作的過程，讓學生主動融入生活週遭所運用之新興科技素材與能力，提升學生的科學學習知能並改變學生的內在本質。
108課綱強調以素養導向教學為基本理念，其中探究與實作課程是自然科學領域的核心概念之一，從學生天馬行空的想像中，教師的思維也跟著擴展開，學生的想法不再被立即性的標準答案否定，師生間的互動關係、上課的氣氛、學生的學習意願以及成就感都有所提升是最大的收穫。
n 謝誌
感謝國立高雄師範大學產學合作團隊P&C科學教育中心舉辦科學探究與實作競賽，本文由得獎作品「迷蹤道－隱之水果斬」指導教師共同參與撰稿，感謝得獎團隊學生：黃士豈、林子源、王奕翔、陳泓翰，以及指導教師：陳昱嘉、曾致豪老師授權同意將實驗過程作為本文的範例作品。
n 參考資料
1. 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.
2.彭開琼、張佳雯、李瑞生(2017)。OECD國家與臺灣之教育績效比較：以PISA科學素養為例。教育科學研究期刊，62(4)，145-179。
3. 李驥、邱美虹(2019)。NGSS和12年國民基本教育中探究、實作和建模的比較與分析。科學教育月刊，421，19-31。
4. 林煥祥、洪振方、佘曉清、李松濤、李暉、秦爾聰(2016)。PISA 2015。發表於 第三十二屆科學教育國際研討會。臺中市:中華民國科學教育學會。
5. 佘曉青、林煥祥(2017)。PISA2015台灣學生的表現。心理。
6. 林淑梤(2019)。探討學生科學能力與教師探究教學實務的關係。科學教育學刊，27(4)，251-274。
7. 何妙桂(2014)。以計劃行為理論探討國小學生新興科技使用意圖。工業科技教育學刊，7，60-69。
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9. Duschl, R. A.,& Osborne, J. (2002). Supporting and promoting argumentation discourse in science education.Studies in Science Education, 38(1), 39-72.
10. Kuhn, L., & Reiser, B. (2005). Students constructing and defending evidence-based scientific explanations. Paper presented at the annual meeting of the National Association for Research in Science Teaching, Dallas, TX.
11. Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A., et al. (2006). The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO: BSCS.
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13. Anderson, R. D. (2002). Reforming science teaching: What research says about inquiry. Journal of Science Teacher Education, 13(1), 1-12.
跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇
廖旭茂1, 2,*、陳許玉鈴1
1台中市立大甲高級中等學校
2教育部高中化學學科中心
n 簡介
數千年前，中國神農氏，嘗百草，解救了千千萬萬黎民眾生，形形色色的植物的根、莖葉、果實，成了華人醫療保健、養生飲食的首選，更進一步發展成獨具特色的中醫。本實驗模組研究肉桂、豆蔻、香草、檸檬、柑橘等具有特殊香氣的芳香植物，與其體內所含的精油理化性質的探究與鑑定1。
肉桂是古老的香料植物，也是長久以來最常用的中藥材之一；特殊的香氣，是五香之一，常用於燉肉提味上；近年來，肉桂皮研磨的粉末多用於風味麵包、甜點與調味咖啡的製作；肉桂在醫藥上可以增強消化功能，幫助排除消化道的積氣，甚至可以降低血糖的功用1。肉桂的氣味與功效主要來自製肉桂精油中的肉桂醛（含有90 %以上），學名為2-丙烯醛，結構中含有烯基與醛基，這兩個官能基在化學上可進行加成、氧化還原反應。本實驗利用自製的電熱式微型蒸餾器2，透過加熱酒精蒸氣，分離出土肉桂葉中的肉桂精油等成分；隨著運用薄層層析TLC鑑定經由中肉桂醛的存在，並檢測其分子不飽和的結構與反應性。肉桂醛因具令人愉悅的天然香氣，並具有殺菌功能，常用於口香糖，冰淇淋，糖果，飲料中。下圖為常見的肉桂。
圖1：由左而右依序為肉桂皮、肉桂粉與土肉桂葉
本單元是學校高二生物化學跨科探究與實作的課程的一部份，會選土肉桂做為題材，起因於2010年前後，筆者參加的一場演講說起，當時中央大學的洪蘭教授在會中分享了一個有關屏東縣新埤國中將肉桂葉變黃金的故事3，這麼一個有溫度、在地的故事深深吸引筆者，跟自然科討論後，列入探究與實作的主題。台灣土肉桂屬於樟科的常綠喬木，跟中國、東南亞的肉桂不同，其肉桂精油分布在土肉桂葉片而不是樹皮，取精油時，不用剝除其樹皮，傷其樹幹，因此適合作為探究的主題。本課程另一部分生物篇將探討抗菌設計的部分課程，有機會待下回再分享。
n 原理與概念
本實驗的設計分為精油的提煉、性質檢測，以及TLC鑑定三個部分，其原理和概念分述如下：
大部分的植物精油是疏水性的，密度也多比水輕，以水蒸氣蒸餾法來提煉法居多，為避免高溫影響精油的結構，也有一些使用溶劑萃取，或CO2超臨界流的方式萃取4；肉桂醛，微溶於水，密度為1.05g/mL，略重於水，可與酒精完全互溶，沸點為248℃。為避免高溫蒸餾，影響結構，先以酒精萃取肉桂葉粉末，並以超音波震盪，破壞細胞壁，促使精油提煉效率提高。下圖為肉桂醛的結構式。
圖2：肉桂醛的結構式
肉桂醛的結構中，有烯基、醛基，若欲檢測烯基，可使用溴水溶液，溴可與烯2-丙烯醛的烯基產生加成性反應，轉為2, 3- 二溴苯丙醛；若欲檢測醛基的存在，實驗室中最方便的可先以KMnO4(aq)溶液的酸性溶液反應，轉變成丙烯酸，而使紫紅色褪色；不過使用高錳酸鉀液來檢驗肉桂醛情況可能有些複雜，高錳酸鉀在酸性環境可與醛基反應，產生無色的亞錳離子與肉桂酸，但也有可能與酒精作用，只是反應速率較慢，此外高酸酸鉀亦有可能與烯基作用，生成二醇類與二氧化錳沉澱。下圖左、右發現第一排最左邊的對照組靜置5分鐘後，發生紫紅色褪色，且有黃褐色沉澱物，判斷為二氧化錳。
圖3：圖左為剛加入試液的顏色，圖右為5分鐘後的顏色，對照組的紫紅色發生褪色
有鑑於此，多侖試液可以用來檢驗醛基，產生銀鏡反應，似乎是比較適合的檢測試劑，下圖為肉桂醛與多侖試液作用。
圖4：左邊孔穴為對照組，右邊是肉桂醛標準液發生銀鏡反應
TLC的鑑定，展開液的選擇是一個大問題，考量點有二，一是從溶劑的極性考量，根據文獻5溶劑的相對極性的大小：醋酸（1.049）>水（0.998）>甲醇（0.762）>乙醇（0.654）>乙酸（0.648）>丙酮（0.355）>氯仿（0.259）>乙酸乙酯（0.228）>乙醚（0.117）>苯（0.111）>四氯化碳（0.052）>正己烷（0.009）。二是方便性，容易取得，三是安全考量，毒性越低的適當。因此選了正己烷與乙酸乙酯。
展開結束後，以殺菌用254nm的紫外光照射事先塗布螢光劑的TLC片，標準肉桂醛溶液會出現紫黑色信號，如果蒸餾液也在相同位置出現信號，則可確認蒸餾液中含有肉桂醛。下圖為紫外光下的肉桂醛信號。
圖5：UVC光下TLC片出現的肉桂醛吸收光的情況
n 器材與藥品
1. 藥品：乾的肉桂葉0.5克、試藥級肉桂醛（>98 %）、乙醇5毫升、0.01 M高錳酸鉀（KMnO4）溶液 (盛裝於10毫升樣本瓶中）、1.0 M硫酸（H2SO4）溶液（盛裝於10毫升樣本瓶中）、0.5M硝酸銀（AgNO3）溶液(盛裝於10毫升樣本瓶中）、乙酸乙酯2毫升、正己烷6毫升。
2. 器材：微型電熱式蒸餾模組、陶瓷孔盤（3ⅹ4）1個、TLC薄層層析片（3 cm × 7 cm）/組、120毫升樣本瓶/組、毛細管（10 cm）2支/組、塑膠滴管（3毫升）3支、強力磁鐵（Φ=5mmⅹ2mm）、L型鍍鋅角鐵。
n 建議實施實施步驟
l 建議實驗活動步驟-1：利用微型蒸餾萃取土肉桂中的精油
1. 事先摘取土肉桂葉，曬乾後（亦可用烘箱60℃低溫烘乾），撕裂成碎片後，以研磨機(或磨豆咖啡機器)打成粉末，備用。下圖為研磨成品。
圖6：研磨成品的肉桂粉及肉桂葉
2. 取自製的電熱式蒸餾瓶2，打開瓶蓋，以刮勺取約0.5公克的肉桂葉粉末，加入瓶中，再加入10毫升的酒精，隨後以玻棒適當攪拌均勻，蓋在瓶蓋，隨後以超音波震盪約5~10分鐘，水溫設定50℃。下圖為震盪過程。
圖7：多組肉桂液試液一起震盪的過程
3. 震盪結束，將微型電熱式蒸餾器組裝好，冷凝管循環水杯中放入少許冰塊與自來水，以冷卻凝結蒸餾出蒸氣。再取一直流電源供應器，將紅、黑鱷魚夾線導線分別連接微型蒸餾器的兩個卡扣（作法如筆者前一篇文章所述，請參見台灣化學教育期刊1），下圖為微型蒸餾與收集瓶的裝置圖。
圖8：微型蒸餾與收集瓶的裝置
4. 將變壓器電源打開，開始加熱。幾分鐘後觀察玻璃管中開始產生蒸氣與凝結的蒸餾液滴，仔細觀察收集瓶中液滴的顏色，記錄第一滴液滴餾出的時間及數位溫度計上的溫度。
5. 10分鐘後，關閉電源，停止蒸餾。移開收集瓶的矽膠塞，觀察蒸餾液，並以手在瓶口揮動，聞聞蒸餾液的味道，是否有肉桂的味道。
6. 將餾液倒入10毫升的量筒中，讀取餾液的的體積。
l 建議實驗活動步驟-2：肉桂醛性質的檢測–官能基的測試
1. 於陶瓷孔盤，利用滴管吸取0.3 %Br2(aq)溶液，依序於第一排最左邊、中間及右邊的孔洞中，各滴入1滴Br2(aq)溶液，觀察溶液的顏色為何？
2. 接著以滴管吸取1滴乙醇，滴入最左邊的孔洞中，作為對照組，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？
3. 隨後於孔盤第一排中間的孔洞滴入一滴體積百分比5 %（5毫升的肉桂醛溶於95毫升的乙醇）的肉桂醛標準液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？
4. 隨後於孔盤第一排右邊的孔洞滴入一滴蒸餾液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？
5. 承上，若觀察溶液的顏色若有變淡，但黃褐色色尚未完全褪色，繼續滴入蒸餾液直到黃褐色完全褪去，紀錄滴入的蒸餾液滴數多少？
6. 於上述的陶瓷孔盤，利用滴管吸取0.005 M KMnO4(aq)溶液，依序於第二排最左邊、中間及右邊的孔洞中，各滴入1滴KMnO4(aq)溶液。隨後以滴管吸取1.0M的硫酸溶液，於上述三個孔洞各滴入1滴硫酸溶液，觀察溶液的顏色為何？
7. 接著以滴管吸取1滴乙醇，滴入最左邊的孔洞中，作為對照組，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？
8. 隨後於孔盤第二排中間的孔洞滴入一滴體積百分比5 %（5毫升的肉桂醛溶於95毫升的乙醇）的肉桂醛標準液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？
9. 隨後於孔盤第二排右邊的孔洞滴入一滴蒸餾液，孔盤貼著桌面輕輕搖晃，觀察溶液的顏色為何？
10. 承上，若觀察溶液的顏色若有變淡，但紫紅色尚未完全褪色，繼續滴入蒸餾液直到紫紅色完全褪去，紀錄滴入的蒸餾液滴數多少？下圖為性質檢測過程。
圖9：肉桂醛性質檢測過程
l 建議實驗活動步驟-3：肉桂精油中肉桂醛的鑑定–薄層色層TLC鑑定
1. 以滴管吸取上述5 %的肉桂醛標準液1毫升，滴入1個5毫升的樣本瓶中，以標籤標示為A （代表肉桂醛標準品，cinnamaldehyde），肉桂蒸餾液滴入另一個5毫升的樣本瓶中，標示為B靜置備用。
2. 配置展開液：取乙酸乙酯與正己烷體積比1:3的展開液8毫升，倒入110毫升的樣本瓶中作為展開劑，蓋上瓶蓋讓展開液充分蒸發，控制液面高度約0.5公分。
3. 取一片裁剪好的TLC片（3 cm × 7 cm），平放在桌上，分別在長邊的兩邊距離上、下邊界各約1.0公分處，輕輕地以鉛筆各畫出一條直線，作為展開劑的起始線與終點線。接著，在其中一直線均分3等分，並用鉛筆輕輕地畫上2個點作為點樣本的標記點。在裁剪和標記各點的過程，盡可能避免手指碰到TLC片的矽膠表面而導致污染。下圖為TLC片的標記過程。
圖10：做好標記的TLC片
4. 準備2根毛細管，依序放進標準品瓶A、與蒸餾液瓶B中，先以毛細管A吸取A瓶內的液後，點在第1個標記點上，樣點直徑大小約2~4 mm。點樣本之前先將毛細管前端接觸衛生紙，讓衛生紙吸走毛細管的內部分溶液，控制毛細管液面的高度不高於0.5公分。承上，接續將樣本瓶B點樣在TLC片起始線上的另一點上，待乾備用。
圖11：TLC片的點樣過程
5. 為維持TLC片在展開過程中，能保持垂直挺立，先取一個L型的鍍鋅角鐵，將 TLC片水平、放置在角鐵上，隨後以直徑5mm的強力磁鐵放置在TLC片靠近起始線的底部，吸住角鐵，將TLC片固定在角鐵上，下圖為強力磁鐵的位置。
圖12：以磁鐵固定的TLC片
6. 隨後利用鑷子穩定夾住TLC片，緩慢地平放進展開劑中；務必小心輕放，否則濺起水花，沾濕TLC片，必須重來。當展開劑因毛細作用上升至上邊界線時，用鑷子夾出TLC片，終止層析。相關展開過程如下圖所示。
圖13：展開液上升過程
7. 等待溶劑揮發後，放置到UV殺菌燈下觀察。用鉛筆描出TLC片上的黑點形狀，並在最黑處，以鉛筆標記。相關結果如下圖所示。
圖14：標記TLC片上樣品上黑點的位置
n 教師教學提示與建議
l 提問建議：
實驗課程前，學生對土肉桂必須要有一些基本的認識。於此提供教師幾個問題，可用來對學生提問，包括：
1. 生活中那裡可以看到肉桂的身影？
2. 肉桂皮有哪些特點？
3. 肉桂精油的主要成分是甚麼？
4. 如何透過物質分離的方法提煉出肉桂精油？
5. 如何檢測精油中的主要成分肉桂醛的化學性質？
6. 如何鑑定精油中肉桂醛的存在？
7. 肉桂醛抗菌效果如何？
問題1~7，教師可以適時的提問，請同學進行資料搜尋外，教師亦可以事先提供土肉桂葉、桂皮、或肉桂粉（可購自中藥店），供同學視覺，甚至味覺的體驗，以提高學生的學習動機。接下來的活動主要針對問題4~6，而進行實驗設計，可參考之前的實驗步驟
l 實驗提示
1. 角鐵不可為不鏽鋼材質，否則強力磁鐵無法靠吸力夾住TLC片。
2. 沉水馬達須事先浸泡在水中，再啟動電源；若在無水的狀況，啟動馬達，馬達極可能在30秒內燒毀。水杯最好放置冰塊，以提升冷卻效果。
3. 肉桂葉中含有糖甘類的皂素，加熱過程會產生泡泡，避免泡沫被蒸出，可加入數滴沙拉油消泡；同時體積最好少於10毫升，以免過熱產生的突沸，液體衝入收集瓶。若發生突沸現象，必須拆下冷凝管，以蒸餾水清洗、擦乾再用。
n 安全注意及廢棄物處理
1. 電熱式加熱可達100℃以上，實驗中或實驗剛結束，不可直接碰觸，以免燙傷。若一定要移動裝置，請戴上防熱手套，以免燙傷。
2. 殺菌燈管為短波高能紫外線，觀察時最好戴上護目鏡，亦不可直視太久，以免光灼傷。
3. 所有實驗後的廢液，依規定回收處理。
n 參考資料
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2. 廖旭茂（2020）。綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作。臺灣化學教育，2020年11月，期40，取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=39263。
3. 郭芷瑄（2010年11月04日）。肉桂樹煉精油 新埤國中活教育。台灣英文新聞。民110年1月17日，取自：https://www.taiwannews.com.tw/ch/news/1422868。
4. Essential oil（2021, January 12）. In Wikipedia. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Essential_oil。
5. Properties of Organic Solvents（2021, January 12）.In Millers Home. Retrieved from https://sites.google.com/site/miller00828/in/solvent-polarity-table 。
分組學習單：肉桂精油的微型蒸餾與檢測(小組學習單)
n 實驗前資料蒐集
一、請說出自然界中具有特殊香氣，可提煉作為香水、食用香料、驅蟲的植物，及其主要成分。
功能
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實例（舉出一個）
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成分
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香水
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食用香料
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驅蟲
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二、查詢資料，將肉桂葉中肉桂醛的物理、化學性質及結構式，填入表格並以紅筆圈出官能基。
分子式
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沸點
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熔點
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水溶性
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酒精溶解度
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結構式：
三、試問本校台灣土肉桂的位置〈請簡繪地理位置，並標出經緯度〉
四、本實驗的酒精萃取液必須再經過超音波震盪約10分鐘，再進行蒸餾，請各組討論推敲一下用超音波震盪的理由是：_________________________________________________
〈建議答案〉：超音波震盪，破壞細胞壁，促使精油提煉效率提高。
五、蒸餾開始計時，第一滴蒸餾液出現的溫度為________。實驗終了，本組總共花了多少時間？_________分，收集到的蒸餾液是多少體積？_____毫升。
六、請將在紫外光燈下TLC片上的紫黑色信號的位置，核實騰入下圖中。並自行畫上起始線與展開終點線。
七、測量標準品與蒸餾液訊號的位置，並測量標準品紫黑色最大訊號A與展開液起始線的距離，藉此計算肉桂醛的Rf值。並將結果填入下表中。
待測藥物編號
紫色信號與起始線的距離
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展開液起始線與終點線距離
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訊號A與起始線距離
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標準品
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5.00
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蒸餾液
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5.00
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u 計算標準品肉桂醛的Rf值=___________。蒸餾液肉桂醛的Rf值=___________(小數點後2位)。
〈建議答案〉：標準品肉桂醛的Rf值=0.73，蒸餾液肉桂醛的Rf值=0.72
八、請根據實驗的結果，判斷並說出蒸餾液是否含有肉桂醛？根據研判，您收集到的蒸餾液中，濃度比標準液_______（高或低）
初探口罩實驗—預防空汙的探究
陳美智1 、謝百淇2
國立中山大學氣膠科學研究中心1
國立中山大學教育研究所及暨國立中山大學氣膠科學研究中心2
■前言
2020是新冠肺炎的一年，全球75.9億人口中，目前得病接近9千萬人，死亡人數接近200萬人，更有多個國家元首得病（BBC NEWS中文，2020；國家高速網路與計算中心，2020）。目前許多場所建議佩戴口罩，主要在於口罩能提供基本的飛沫等防護效果（Cowling et al.,2020）。為讓學生能夠更加體會口罩結構性質與防護效果，本文初步提供與口罩相關的教學活動案例，作為教師課程規劃與設計參考。
■教學流程
本實驗使用引導探究，培養學生在教師給予的鷹架下，觀察現象發現問題，進而理解解析問題，形成需探討的問題，並提出可驗證的觀點，再透過規劃與研究，擬定研究計畫，建立控制變因形成自變項與依變項，並找到控制變因與操縱變因的方法，在合作學習中收集數據，學習定性或定量分析等的方法以蒐集資料，實驗過程能理解數據分析，以尋找可以解釋的科學原理並與他人的研究發現比較以提高信、效度，再討論修正以建立模型，最後學習如何把結果發表給同學或專家學者，依照證據以推理論證，形成結論以創新應用。以下將提供5個示範設計，教師可依照自己課室的真實情境，提供有脈絡化的教學實驗。教師也可依照介紹的不同活動主題先進行基礎學理的說明，以補充學生先備知識的不足。
■示範設計活動內容
依照食藥署法令公告內容提及醫用口罩主要可區分為最外層的防水層，主要功能用以阻隔飛沫等；中間層為過濾層，主要藉由不同孔隙的材質對細菌等進行過濾；最內層為吸水層，讓人配戴時能感到舒適（衛服部食藥署，2019）。活動規劃即探索防水層、靜電層、過濾層（利用活性碳）、吸水層以及整體口罩過濾效果。詳細說明如下：
（一）活動1—探索防水層
1. 發現問題
教師先示範把藍色墨水滴在口罩的最外層及最內層（圖1、圖2），讓學生觀察有何不同？此時教師可提問口罩的最外層有塗蠟或有薄膜嗎？若有塗臘或有薄膜需要如何檢測？若學生無想法時，教師可展示生活中塗上奈米防撥水劑的物質，如加奈米二氧化矽處理過的砂子在水中聚成一團，為什麼不會散開又不會變濕？（圖3、圖4）。進階可探討的問題，如口罩不同接觸層與水滴接觸角關係等（圖5、圖6）。
2. 規劃與研究
此時學生可依據假設，規劃實驗蒐集數據，如接觸角的研究問題，及如何測量接觸角？不同紙張材料的接觸角有何不同？接觸角與什麼力有相關？內聚力、附著力、表面張力？
3. 論證與建模
學生經由實作與實驗證明塗上防水劑之後的物質，不同於可吸收水分的材料。小組依據實驗結果進行討論形成解釋，可由蒐集的數據中，找出與口罩外層設計的關聯性。
4. 表達與分享
實驗結束後，學生可嘗試說明實驗結果並補充相關資訊。例如：口罩的最外層並非塗蠟或有薄膜，而是使用一種高分子材料的奈米防水劑。奈米防潑水抗污噴霧可用於布料，防霧眼鏡，防水雨傘，及鞋子玻璃、磁磚、馬桶等。
圖1：墨水滴在最外層 圖2：墨水滴在最內層
圖3：奈米沙 圖4：奈米沙在水中
圖5：水滴在口罩最外層形成的液滴 圖6：接觸角的研究
（二）活動2—探索靜電層
1. 發現問題
教師可先示範把口罩中間層靠近撕碎的衛生紙，讓學生觀察到衛生紙可被吸引，再讓學生預測是否能吸引咖啡渣或碳粉？此舉即讓學生思索口罩的中間層是否帶有靜電？接著教師可先讓學生看熔噴不織布的影片，再提問靜電的大小如何偵測，是帶正電還是負電？靜電為什麼用手觸摸，卻不會消失？教師示範口罩接近靜電偵測器，讓學生觀察LED燈明亮狀態（圖7、8、9、10）。
圖7：場效電晶體及LED燈 圖8：口罩靠近，則LED燈熄滅
圖9：毛皮摩擦過的塑膠棒（或氣球）靠近，則LED燈熄滅 圖10：毛皮靠近，則LED維持亮度或更亮
2. 規劃與研究
引導學生規劃實驗進行靜電驗證，如尋找N或p通道場效電晶體JFET（junction gate field-effect transistor）的功能，及物質帶電的序列，以判定靜電的電性。也可以使用驗電瓶檢驗電性（圖11、12），甚至可探究靜電有多大？
圖11：驗電瓶檢驗電性 圖12：驗電瓶鋁箔張開角度越大，電量越大
3. 論證與建模
引導學生從實驗證明，口罩靠近靜電偵測器，因為場效電晶體是一個感應電場作動的高速微型開關，所以負電讓開關關閉，LED燈熄滅，即判別口罩帶負電。與毛皮摩擦過的塑膠棒帶負電，故塑膠棒靠近LED燈也熄滅。毛皮帶正電，場效電晶體N通道上面的閘極感應到微弱正電壓時，通道就會開啟，LED亮度就會上升。電量的大小亦可由驗電瓶中鋁箔張開的角度來判斷。最後小組討論分享並形成解釋，判別口罩是否具有靜電效果。
4. 表達與分享
實驗結束後，讓學生嘗試依據實驗結果說明口罩的中間層是帶負電。或者能查找資料陳述靜電在生活中有很多的應用，例如：靜電除塵拖把、空氣清淨機，工廠靜電除塵、燃煤電廠除塵等。
（三）活動3—探索活性碳層
1. 發現問題
教師可先複習課本中活性碳的製法，及吸附有機氣體及濾水器的原理，亦可讓學生看活性碳吸附的影片，再提問實驗的假設及問題，例如：活性碳的材料及面積是否會影響吸附不同極性氣體及不同大小的分子？溫度及濕度是否會影響吸附的效能？污染氣體的種類或是活性碳的顆粒大小是否對吸附效果造成影響（圖13、14、15、16）。
2. 規劃與研究
此時學生可依據前述階段的問題進行假設，規劃實驗設計，並準備所需的器材及藥品。
圖13：乾淨的空氣及空汙鼻偵測器當基準點 圖14：加入點燃線香氣體
圖15：再加入活性碳 圖16：經過一段時間
3. 論證與建模
學生可學習如何藉由軟體將數據製成圖表（如EXCEL），如何選擇數據圖形的種類？圖、表要如何呈現？如何判斷橫坐標、縱座標、間距和單位？如何找出科學型態、樣式或模型？如何判斷誤差大小及偏離值？最後由實驗證明，活性碳確實可以吸附有機氣體或色素及具味道的分子，各小組討論分享並形成解釋，並呈現表格及圖形（例如：圖17、18、19及表1）。
4. 表達與分享
小組形成活性碳吸附的結論，上台發表並依據找尋到的資料說明生活中的應用，例如：製成布料、口罩、香菸濾嘴、排氣吸附處理、廢水回收前處理等。
表1 活性碳吸附線香，由空汙鼻偵測數據
| 時間 | TVOC
(ppb) 揮發性有機物 |
PM2.5
(μg/m3) |
PM10
(μg/m3) |
eCO2
(ppm)
|
溫度
(℃) |
濕度
(%) |
註 |
| 9:00 | 23 | 8 | 11 | 704 | 25.3 | 73 | 乾淨的空氣及空汙鼻偵測器 |
| 9:11 | 6095 | 3976 | 4970 | 14762 | 25.5 | 73 | 加入線香及活性碳 |
| 9:15 | 2413 | 3968 | 4960 | 4689 | 25.6 | 73 | 同上 |
| 9:28 | 737 | 2076 | 4900 | 740 | 25.4 | 72 | 同上 |
| 10:12 | 25 | 2268 | 4817 | 432 | 24.9 | 72 | 同上 |
| 10:15 | 11 | 1941 | 3810 | 407 | 25.0 | 71 | 同上 |
| 10:43 | 17 | 612 | 977 | 423 | 24.7 | 71 | 同上 |
| 11:21 | 13 | 84 | 119 | 473 | 24.7 | 71 | 同上 |
| 11:50 | 11 | 20 | 29 | 479 | 24.3 | 71 | 同上 |
（四）活動4—探索吸水層
1. 發現問題
教師先讓學生看親膚層的吸水性，再提問實驗的可能假設及實驗的問題。問題可能是吸水性能要如何表示或擴散快慢要如何決定？是否與材質有關？或與液體分子的大小或極性有關？
2. 規劃與研究
此部分可參考楊水平等人（2020）提出的濾紙色層分析的示範實驗和教室活動。學生小組依據假設，規劃設計實驗及蒐集數據方法，提出可驗證的假設以進行實驗，例如：相同溶劑、相同色筆，用不同的紙類其色素擴散的情形。
3. 論證與建模
學生由實驗可發現，分子大小的不同，分子極性的不同，材質吸水性能或擴散快慢會如何的有影響，並思索可能的原因，讓小組討論以形成解釋。
4. 表達與分享
小組針對實驗結果形成不同材質對水分子吸附的結論，並根據資料查詢觸及生活中的應用，如吸濕排汗衫和紙尿褲等。
（五）活動5—探索口罩過濾效果
1. 發現問題
教師先讓學生看許多不同的口罩，再由先前所學到的口罩科學，提問不同的口罩過濾效果的可能假設及實驗問題。問題可能是：不同的汙染源，所需的口罩是否不同？不同的口罩，過濾效果是否不同？口罩吸附是否有飽合臨界點？不同的場域口罩到底戴幾個小時最適當，或如何判定何時要換新的口罩？
2. 規劃與研究
學生可以依據問題提出相關的假設，建立所需的藥品器材及步驟，規劃實驗設計、蒐集數據（圖20、21、22、23、24、25）。可以使用科學日誌，或其他工具及統計製圖，以建立證據概念，證據概念是探究與實作的基礎，也是確認探究品質的可信度及有效性最有說服力的主張。
圖20：瓶蓋挖洞 圖21：乾淨空氣(基準點)
圖22：放入線香 圖23：中間放入口罩（一側有線香，另一側是乾淨空氣）
圖24：經過一段時間後乾淨空氣的偵測數據 圖25：重複實驗，以相同口罩重複吸收線香
3. 論證與建模
學生經由實驗的操作能夠理解，不同汙染物，因為分子大小的不同，被吸附快慢會有差異。口罩吸附線香中懸浮微粒PM2.5及PM10的模式很相似（圖26），相同口罩重複使用，第一次的吸附效果比第二次好（圖27）。
4. 表達與分享
學生形成對不同口罩及不同汙染物吸附的結論，及可能生活中的應用，例如：判別不同廠牌口罩的吸附效果或不同材質口罩的防護效果。
圖26：口罩吸附線香中懸浮微粒PM2.5及PM10的模式相似
圖27：相同口罩重複使用，第一次的吸附效果比第二次好
■結語
新冠肺炎的全球蔓延加重人們對於醫療保健的重視，口罩的使用與時機更是肺炎傳播初期爭論的焦點。本文主要初步探索與醫用口罩結構相關的科學探索活動，讓學生從中體會口罩具備的防水、靜電、過濾與吸附功能，有興趣的讀者可調整相關的活動內容以適應不同年級與能力的學生。
■參考資料
1. BBC NEWS中文（2020年4月8日）。肺炎疫情：英國首相約翰遜病情好轉但繼續重症加護https://www.bbc.com/zhongwen/trad/world-52179005
2. Leung, N. H. L., Chu, D. K. W., Shiu, E. Y. C., Chan, K. H., McDevitt, J. J., Hau, B. J. P., Yen, H. L., Li, Y., Ip, D. K. M., Malik Peiris, J. S., Seto, W. H., Leung, G. M., Milton, D. K., & Cowling, B. J. (2020). Respiratory virus shedding in exhaled breath and efficacy of face masks.Nature Medicine, 26, 676-680.
3. 國家高速網路與計算中心（2020）。COVID-19全球疫情地圖。取自https://covid-19.nchc.org.tw/index.php
4. 場效電晶體簡介（無日期）。檢索日期：2020年12月10日。取自https://jupiter.math.nctu.edu.tw/~weng/courses/IC_2007/PROJECT_MATH_class2/MOS_TR.pdf
5. 彭郁惠、謝佶霖、陳宜玫、陳昱璇、楊水平（2020）。中學化學示範：濾紙色層分析的示範實驗和教室活動。臺灣化學教育，37。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=37703
6. 衛服部食藥署（2019）。醫用面(口)罩製造工廠品質管理指引。取自https://www.fda.gov.tw/TC/siteListContent.aspx?sid=310&id=30392
國小自然「水溶液」單元延伸實驗
—利用海藻酸鈉製作有色溶液的酸鹼指示晶球
林沛瑩
新北市三重區五華國小
臺北教育大學自然科學教育學系科學探究與實作碩士在職專班
■前言
在課堂實驗的過程中，學生偶然的發現紫色高麗菜汁滴在可樂中，顏色還是黑色，此時，學生一片嘩然地討論著，並思考如何用紫色高麗菜汁來觀察到可樂的酸鹼性。
因為可樂是含有顏色的飲料，所以使用紫色高麗菜汁會較難觀察，而我們也較難將可樂變成透明無色的，於是靈光乍現，突然想到之前指導的科展作品有做過「海藻酸鈉晶球」，若是利用晶球包覆的原理，應該可以使可樂的色素不會影響到紫色高麗菜汁，進而讓顏色的變化更加明顯。
於是本文作者設計了一系列的酸鹼課程，將海藻酸鈉晶球融入在國小課程中，讓學生再觀察水溶液的酸鹼性時，不會受到水溶液本身顏色的限制，進而可以透過日常生活中的指示劑來進行觀察。
■課程目標
本次課程的學習目標如下：
1. 學生能以安全的方式觀察未知溶液。
2. 學生能運用器材檢測水溶液的酸鹼性。
3. 學生能製作出海藻酸鈉晶球
4. 學生能說出製作海藻酸鈉晶球的原理
5. 學生能製作出紫色高麗菜汁晶球
6. 學生能運用紫色高麗菜汁晶球檢測水溶液的酸鹼性
7. 學生能運用紫色高麗菜汁晶球製作出變色晶球果汁
■活動所需器材
課程活動所需物品器材如下：
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l 小提醒：最後製作出來的晶球讓學生可以吃看看，所以在活動六進行時要使用一般廚房使用的廚具來進行實驗。因此這堂課的容器要使用乾淨且全新的塑膠杯來進行。
■教學活動
本次教學活動從基礎到應用，共設計六個活動。
【活動一、認識酸鹼】
1. 教師準備幾種生活中常見的水溶液，例如：醋、小蘇打水等。
2. 請學生用視覺、嗅覺來觀察水溶液，接著再請學生進行發表。
(實驗安全提醒：不知名的水溶液，千萬不能用口嘗或與皮膚接觸)
【活動二、檢測酸鹼】
1. 教師準備不同酸鹼性的水溶液，例如：醋、汽水、食鹽水、食鹽水、小蘇打水等。
2. 發下紅色、藍色石蕊試紙讓學生進行水溶液的檢測，如圖1所示，並讓學生將實驗結果紀錄下來，如表1所示。
3. 請學生將石蕊試紙的實驗結果分成三類，教師講解這三類的含意，並對酸性、中性、鹼性下操作型定義。
(1) 酸性：紅色石蕊試紙不變色，藍色石蕊試紙變紅色。
(2) 中性：紅色石蕊試紙不變色，藍色石蕊試紙不變色。
(3) 鹼性：紅色石蕊試紙變藍色，藍色石蕊試紙不變色。
4. 接著，再使用紫色高麗菜汁、廣用試紙來進行水溶液的檢測，並讓學生將實驗結果紀錄下來，如表1所示。
圖1、學生使用石蕊試紙檢測酸鹼性
表1：學生進行水溶液酸鹼性檢測的實驗結果
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【活動三、製作海藻酸鈉晶球】
1. 教師示範實驗：將海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣溶液中，學生即可觀察到一顆一顆的晶球。
2. 請學生回想生活中自身的經驗，並請學生發表。接著，播放海藻酸鈉晶球成形的影片，讓學生更了解海藻酸鈉形成晶球的過程。
(影片：https://www.youtube.com/watch?v=_dQ9QIHdQqI)
3. 請學生思考會形成晶球的原因，讓學生小組討論並進行預測，最後記錄下來。
4. 讓學生進行探究實驗，認為「鈣」是形成晶球的主要原因的小組，可以選擇「乳酸鈣」來進行實驗；認為「氯」是形成晶球的主要原因的小組，可以選擇「氯化鈉」，如圖2所示。
5. 接著，請學生分享實驗結果。最後，教師歸納出海藻酸鈉與氯化鈣的反應。
圖2、學生製作海藻酸鈉晶球
6. 此原理是高分子海藻酸鈉中的鈉離子被鈣離子取代，讓海藻酸鈉分子之間的羧酸離子，在分子間有更強的聯結性(交聯作用，cross-linking），形成一種具有半透膜的結構。
【活動四、製作紫色高麗菜汁晶球】
1. 將海藻酸鈉溶液混合紫色高麗菜汁，調配出紫色高麗菜汁的海藻酸鈉溶液。
2. 將紫色高麗菜汁的海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣中，製作出紫色高麗菜汁晶球，如圖3所示。
3. 將紫色高麗菜汁晶球放在酸性、中性、鹼性溶液，觀察顏色變化，並記錄在學習單上，如圖4、圖5、圖6、圖7所示。
圖3、學生製作紫色高麗菜汁晶球圖4、紫色高麗菜汁晶球放入不同水溶液中
圖5、放入鹼性溶液中圖6、放入中性溶液中圖7、放入酸性溶液中
【活動五、用紫色高麗菜汁晶球來檢測水溶液】
1. 請學生製作紫色高麗菜汁晶球，如圖8、圖9所示。
2. 準備各種不同有顏色的飲料，如圖10所示。
3. 將紫色高麗菜汁晶球泡在可食用且有顏色的飲料中，使晶球變色，並將實驗結果紀錄下來，如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。
4. 使用石蕊試紙及廣用試紙檢測飲料的酸鹼性，並記錄下來，如表2所示。
圖8、學生製作紫色高麗菜汁晶球圖9、滴入情形圖10、有顏色飲料
圖11、晶球放入果汁中圖12、放入果汁後，變成偏紅色
圖13、晶球放入奶茶中圖14、放入奶茶後，變成偏藍色
圖15、晶球放入沙士中圖16、放入沙士後，變成偏紅色
表2、學生進行有顏色飲料酸鹼性檢測的實驗結果
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【活動六、用紫色高麗菜汁晶球製作晶球飲料】
1. 請學生使用塑膠杯裝紫色高麗菜汁，加入海藻酸鈉後，進行攪拌，如圖17所示。
2. 使用乾淨的杯子調配氯化鈣水溶液，並用全新的滴管或湯匙製作出紫色高麗菜汁晶球。
l 小提醒：要使用乾淨且全新的杯子來裝紫色高麗菜汁，且要使用全新的滴管來滴成晶球。
3. 讓學生將製作出來的紫色高麗菜汁晶球放入到自己帶來的飲料中，以製作出不同顏色晶球的飲料。
4. 請學生分享自己所做出的晶球飲料，並說出自己的製作過程，如圖18所示。
圖17、用乾淨的杯子裝水溶液圖18、學生分享自己的製作過程
■學生課後心得
小升：這個實驗讓我學到海藻酸鈉加氯化鈣會變成海藻酸鈉晶球，很有趣！以後我也可以在家裡嘗試做實驗，在海藻酸鈉中加入不同的水溶液，製作成不同的晶球。回家後，我可以跟家人分享這次的實驗，如果我做給他們看，他們一定會很驚訝！
小蘭：原來海藻酸鈉滴入氯化鈣中，會形成薄薄的膜狀。而含有紫色高麗菜汁的海藻酸鈉滴入氯化鈣中時，會形成一顆一顆的紫色高麗菜汁晶球，放在不同酸鹼的水溶液中，晶球就會慢慢變色，真的很神奇！最後，製作出彩色晶球飲料後，很開心！大家的飲料都不一樣耶！
小昀：之後，我們要挑戰製作一顆很大顆的晶球，若是使用超大的湯匙，在湯匙上放含有紫色高麗菜汁的海藻酸鈉，並放入氯化鈣中，應該可以形成很大顆的晶球吧！
小洋：在課堂上，可樂很難透過紫色高麗菜汁來觀察變色，當加入紫色高麗菜汁晶球後，可以發現晶球的變色較明顯。之後，我想試試看生活中其他有顏色的飲料有哪些可以使晶球變色。
小萱：紫色高麗菜汁晶球做成的果汁好有趣！看到晶球變色的瞬間，好驚喜！吃下去的感覺好特別，晶球內的汁會在嘴巴中流出來，之後我要偷偷加點糖，這樣晶球內的汁會比較甜。
小玲：我們這組偷偷製作一顆大顆的晶球，結果放入醋中，晶球的顏色變化很明顯，很好玩！我們最後將大顆的晶球壓破，發現裡面有汁跑出來，還有一層透明的薄膜。
從學生在學習單上撰寫的回饋中，大部分以正向的居多。很多學生都有提到製作晶球是很有趣的，觀察到晶球顏色變化的那一刻更是好玩。大部分學生提到製作晶球飲料很好玩，還可以測試飲料的酸鹼性。透過晶球結合水溶液的單元，讓學生可以使用簡單的酸鹼指示晶球來判斷水溶液的酸鹼性，讓學生從生活中來進行學習，同時豐富教學的內容。
■教師教學省思
紫色高麗菜汁與海藻酸鈉的混合較不容易，故可以先海藻酸鈉與少量的熱水混合，並持續攪拌使海藻酸鈉溶解，若是有些塊狀的海藻酸鈉較難溶解時，可以使用攪拌棒將塊狀的海藻酸鈉壓至杯子邊緣，也可以促使海藻酸鈉較快溶解。接著，使用瓦斯爐煮紫色高麗菜汁，熬煮出來的紫色高麗菜汁顏色會較深，再加到海藻酸鈉溶液中進行混合，即可調成含有紫色高麗菜的海藻酸鈉溶液。
在製作紫色高麗菜汁晶球時，需要叮嚀學生的衛生習慣，提醒學生要事先用肥皂將手洗乾淨，並用酒精消毒，過程中不可以碰觸到水溶液，以免汙染到水溶液。攪拌的容器需要選擇可食用且乾淨的容器，不要使用自然教室有做過實驗的燒杯，有可能燒杯會洗不乾淨而影響到學生的健康。建議選擇一次性的乾淨塑膠杯，用完即丟環保又衛生。
在講解「交聯反應」時，需要使用圖示搭配影片來進行講解，也可以透過肢體活動的部分，讓學生更了解晶球如何形成薄膜狀的。
在歷屆科展中，鄭元瑍、曹媛婷、鄭媛媜、曹宸浩(2020)他們製作不同酸鹼的果凍，他們的作法是將酸鹼指示劑加入到吉利丁中，在吉利丁還沒凝固的過程中，再加入不同酸鹼性的水溶液，使其顏色改變，最後再等果凍凝固後，即可完成不同顏色的果凍。該篇科展的製作方式是採取先讓含有吉利丁的酸鹼指示劑變色後，再製作出不同顏色的果凍。本次教學與這篇科展不同的地方是對於有色溶液檢測的即時性，酸鹼指示劑晶球可以檢測有顏色的溶液，但此篇科展先將含有吉利丁的酸鹼指示劑滴到不同的水溶液中，故顏色的變化還是會受到水溶液本身顏色的干擾。
讓學生自製晶球飲料時，可以讓學生帶各種有顏色的飲料，同時可以準備小塑膠杯，每組都可以分到一點不同的飲料，可以增加實驗的豐富度，也可以讓學生從生活中觀察科學。
■結語
課本上的酸鹼指示劑實驗大多是選擇透明的液體來進行測試，實際在課堂上操作後發現，將酸鹼指示劑滴入有顏色的液體中，有顏色的液體會因為自己本身的顏色而影響顏色的判斷，故有顏色的液體大多只能使用pH計或石蕊試紙來進行檢測。
於是，我蒐集了相關的科展資料，找到很多有關海藻酸鈉晶球的科展，同時也回想起去年帶的晶球科展，於是，我將科展內容融入到「水溶液」單元中，思考酸鹼指示劑應用在課堂的可行性。後來，我設計了一系列的課程，將海藻酸鈉晶球帶入到課堂中，除了讓學生可以了解到分子的概念外，也可以利用海藻酸鈉晶球膜是半透膜的特性，色素分子無法進入到海藻酸鈉晶球的膜裡面，進而可以觀察到海藻酸鈉晶球的變色狀況。
在課堂中，學生露出專注的眼神注意每個步驟，且認真的操作，過程中驚呼聲不斷。當海藻酸鈉滴入到氯化鈣中時，學生露出驚訝的表情，也樂在其中的參與實驗。最後，將紫色高麗菜汁晶球放入有顏色的飲料中時，學生露出開心的表情，當撈出晶球的那一刻，學生看到晶球的顏色不一樣時，露出訝異的表情。我想教學的快樂就是讓學生能樂在學習中。
透過不同的檢測材料，讓學生能熟悉實驗操作與了解各種生活中材料的酸鹼性，並且結合晶球實驗讓學生進行探究，從中發現指試劑晶球變色的狀況。
■謝誌
在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系109學年度第1學期化學特論(一)周金城教授與全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見，在此謹深摯謝忱。
■參考資料
一、書面資料
1. 黃姵瑀、曹家豪、吳沛璇、林璟醇(2003)。小小晶球真奇妙。中華民國的第 43 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/43/pdf/d/030201.pdf。
2. 周佳穎、徐芷齊、汪瑞環(2003)。「晶」益「球」精。中華民國第 43 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=640
3. 湯宣擎(2015)。晶球世紀。中華民國的第 55 屆全國中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10459
4. 吳佳蓉、陳彥劭、吳郁婷(2016)。目不轉「晶」－探討海藻酸鈉薄膜的形成與其相關應用。中華民國的第 56 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10817
5. 魏珮芯、吳政緯、王滋頎(2016)。彩虹晶球－鳳梨珍珠之研發。中華民國的第 56 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10981
6. 伍亭蓉、黃子恒、葉小嘉、陳苡亘(2018)。鈣多晶球。中華民國的第 58 屆中小學科學展覽作品。取自國立台灣科學教育館http://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=11962
7. 鄭元瑍、曹媛婷、鄭媛媜、曹宸浩(2020)。「凍」顏花漾–在地植物試酸鹼。中華民國的第 58 屆中小學科學展覽作品。取自國立台灣科學教育館https://reurl.cc/Oq2mn3
二、網路資料
1. 國立台中教育大學NTCU科學教育與應用學系科學遊戲實驗室。晶球原理。取自http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-019.html
《臺灣化學教育》第四十期（2020年11月）
目 錄
- 主編的話
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第四十期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕
- 本期專題【專題編輯／楊水平】
- 化學示範起始探究與實作／楊水平〔HTML｜PDF〕
- 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、林碧玲、周梅雪〔HTML｜PDF〕
- 化學示範起始探究與實作：「愛玉成凍」教師示範起始學生探究／李祥菁、李易儒、何莉芳〔HTML｜PDF〕
- 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、翁秀玉、段曉林、陳均伊〔HTML｜PDF〕
- 化學示範起始探究與實作：快速製造肥皂的教師示範和學生實作／賴愉方、施麗姍、楊凌宜、楊水平〔HTML｜PDF〕
- 化學示範起始探究與實作：流血電影特效與勒沙特列原理／陳芷誼、蔡欣展、楊水平〔HTML｜PDF〕
- 化學示範起始探究與實作：漂亮結晶的教師示範和學生實作／顧展兆、楊水平〔HTML｜PDF〕
- 教學教法／多元教學法【專欄編輯／吳國良】
- 自然科學探究與實作試題初探／翁群評、吳國良、周建儒〔HTML｜PDF〕
- 化學實驗／綠色化學實驗【專欄編輯／周金城】
- 綠色創客-3：微型電熱式蒸餾器的設計與製作／廖旭茂〔HTML｜PDF〕
- 課程教材／化學課程與教材【專欄編輯／鐘建坪】
- 大氣壓力實驗與建模課程／鄭志鵬〔HTML｜PDF〕
第四十期 主編的話
邱美虹
國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯盟（IUPAC）執行委員會常務委員
中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]
最近因辦理「元素週期表環島之旅」活動，有幸到各借展學校去參訪和演講，讓我有機會對都市型的學校和偏遠學校有進一步的認識，最讓我感動的是遇見一群熱心推廣科學的教師，從決定借展到訓練志工學生解說展品、設計與元素相關的實驗和Google問題表單、尋找相關書籍、網路元素資訊與影片，到布展和正式展出，都需要在教學之餘額外撥出時間和精力來策展，但是教師們大都表示在這過程中與同事一起努力的經驗很值得回憶，同時，看到孩子們對展品的好奇與讚賞，這一切付出似乎就都值得了。
但是，在這些拜訪中我也發現學校實驗教學的落實，還是與理想有一段距離的，尤其是越偏遠的學校，這樣的問題似乎就越加嚴重。實驗教學未能正常化，原因有很多，有的可能是因教學內容太多，時間不夠，犧牲學生做實驗的機會，以便趕上進度，忘了自己當初起心動念唸科學，就是對實驗的著迷。實驗是科學的核心，上課所教的許多內容都是從實驗的結果而來的，教學不重過程只重結果，如何培養學生思考、設計實驗、收集和分析資料，以及推理論證和建立模型的探究能力呢? 有的是沒有實驗室負責管理的人員或是教師，在沉重的教學已無法負荷的情況下，實驗活動的進行就不會是優先的考量。或者有的是沒有足夠的經費採購設備和藥品，於是僅拿粉筆上課述說實驗的結果以乾實驗的教學處理。個人認為這一波教改的側重點就是探究與實作，不論哪個階段都應積極改變學校自然科學的教學文化，回歸科學實驗是科學教學的靈魂，讓學生能經歷科學探究的歷程，嘗試瞭解科學家如何進行問題解決、如何跳脫既有的思維框架、如何根據證據進行推論和建立模型和科學理論。若是時間不夠，是否應先思考是否教太多了?若是沒有足夠的人力準備實驗器材和藥品，教育主管單位是否應該正視這個問題，提出解決的辦法? 若是經費不足，學校是否應該在經費調度上多考量科學基礎教育的資源分布?政府是否應重新評估科學與科技是國家競爭力之所，而多給予應有的發展空間與經費?
實驗如此重要，除學生親自操作外，若因特殊原因，教師演示實驗也是一個可以採取的策略。本期的專題為〈化學示範起始探究與實作〉，主要是延續第37期的專題〈中學化學示範〉以示範實驗為主，特約主編楊水平教授寫了一篇完整介紹各篇內容的文章，在此不贅述。基本上，七篇文章多為可以直接適用在學校課堂中，雖是示範實驗，但重點應是著重在引導學生進行有意義的觀察與紀錄，並瞭解探究問題與從觀察現象到推理與論證。示範實驗常受限於授課時間的不足、或是實驗的危險性，使得學生無法親自進行實驗，但雖是如此，也不至於影響學生的學習，示範實驗可以解決一些現場教學的問題，只要教師妥善設計，適時引導與提問，學生亦可從中受惠並得到啟發與靈感。
本期的常態性文章還有翁群評、吳國良和周建儒的「自然科學探究與實作試題初探」，文中說明設計符合課程綱要的試題所需考量的架構，並舉實例加以闡述，可供教師參考。廖旭茂的「微型電熱式蒸餾器的設計與製作」，目的在取代傳統式的玻璃裝置，降低成本、減少玻璃易碎的問題，但又不影響實驗結果，符合綠色化學的目標，值得教師參考。教師們心動後要能行動，期待學生因此而有更多做實驗的機會。鄭志鵬的「大氣壓力實驗與建模課程」，利用新興科技Arduino儀器測量大氣壓力以及以Algodoo模擬粒子碰撞的模型設計課程，讓學生透過數據、模擬與模型進行影響壓力大小因素的思考與論證，教學歷程的活動設計提供師生互動以及啟發學生創意與推理思考，符合自然領域課綱的內容，可提供教師參考。