化學示範起始探究與實作

 

楊水平

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

《臺灣化學教育》第40期的專題為〈化學示範起始探究與實作〉，延續第37期的專題〈中學化學示範〉，繼續出版之前未出刊的文章，並邀請中小學教師撰寫透過化學示範起始探究的文章，以豐富本期的內容。除了本篇領頭文章之外，這期的專題文章計有六篇，都有化學示範起始科學探究與實作的內涵，大部分符合十二年國民基本教育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的標準，這些符合新課綱規範的文章都在其「前言」處有條目編碼的具體描述。期望這些文章對中小學化學教學有所助益，並能立即可用於小中學的現場教學。

本文首先介紹化學示範教學的理論；接著，整理十二年國教自然科學領域課剛中的化學示範；然後，探討化學示範起始科學探究；最後，概述本期專題的文章導讀。

n  化學示範教學的理論

Liem (1987) 提到：藉由引人注意的示範和歧異事件，教師精心規劃教學策略來喚起學生的學習。Kibler (2019) 提到：歧異事件使學生產生興趣和好奇心為了探究有關特別的現象。歧異事件（discrepant event）創造認知失調（cognitive dissonance），因為歧異事件的觀察與學生先前經驗是直覺相反的，使得學生迅速地產生疑問。Cini (2018) 提到：歧異事件是藉由呈現非期望的結果而無視我們對世界理解的事件。這些現象經常被用於科學示範，以吸引觀眾的注意力並吸引視覺學習者。

Shakhashiri (1989) 提到：課堂示範能夠幫助學生在化學反應和化學性質上的注意力，並且增進學生的化學知識和體認。課堂示範應該是一個過程，而不是一個單一事件（作者按：歧異事件）。

化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿。化學示範（Chemical demonstrations）是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力，在教學中常創造歧異事件以互動方式來引起學生對化學的興趣，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略。

n  十二年國教自然科學領域課剛與化學示範

根據「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」，其實施要點提到「教材編選時應依十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要精神與內容，鼓勵學生動手實作體驗，合適安排各年段的實作課程，以達到規定的時數，其中國民中學教育階段應有三分之一節數為實作體驗課。為提高學生學習興趣，增進學習效果，得適時設計示範實驗、戶外教學等活動。」。因此，化學教師設計化學示範實驗是有其需要性。自然科學領域課程綱要在「學習內容說明」有明確地提到教學實施的方式以「示範」來進行，在第四學習階和第五學習階段的綱要描述中，有關化學示範方面整理如下。

(一)      在國中自然科學方面

表一：第四學習階段涉及化學示範的學習內容

(二)      在高中化學方面

表二：第五學習階段涉及化學示範的學習內容

n  化學示起始探究與實作

有效的化學示範能夠聚焦學生的注意力，在課程或單元中激發學習的動機和興趣，解說重要的概念和原理，以及起始科學探究和問題解決。示範實驗可以有效地展現教師的熱情，激發學生的學習興趣，發起科學探究以及在教室中展示科學現象。

建構主義學習模式包含數種意涵，5E學習環（5E Learning Cycle）是其中之一。5E學習環的模式是一種建構主義的教學策略，它包含在學習發生時5個與認知理論一致的階段：參與（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、精緻或延伸（Elaboration or Extension）、評鑑（Evaluation）。在5E學習環的第一階段—參與階段，教師為學生的學習開始著手，此階段也是吸引學生注意力的時機。藉由引人注意的示範（demonstrations）和歧異事件（discrepant events）（Liem, 1987），教師創造方法去「鉤住」學生的學習。歧異事件使學生產生興趣和好奇心為了探究有關特別的現象。歧異事件創造認知失調（cognitive dissonance）或皮亞傑所說的失衡（disequilibrium），因為如此事件的觀察不真正地同化學生既有的理解。

根據「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」，在「基本理念」方面，在學習自然科學的過程中，學生應培養對自然科學的興趣，成為自發主動的學習者，以符合「自發」的理念。在參與探究與實作的過程中，學生應積極與他人及環境互動，並能廣泛的運用各種工具達到有效的溝通，以符合「互動」的理念。透過 對科學本質的了解，學生應學習欣賞大自然之美，善用並珍惜自然資源，以符合「共好」的理念。在「學習重點」方面，自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。

在第五學習階段「自然科學探究與實作」課程的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。探究與實作學習內容各項目未必有固定的步驟順序，可依探究的主題和實作活動採循環或遞迴等方式進行 。

n  本期文章導讀

本刊第四十期的專題為〈化學示範起始探究與實作〉，除領頭文章外，還有六篇文章。這些文章的簡介如下：

1.  〈「紙火鍋不著火」的教師示範與學生探究〉：此文章由林秀貞（桃園市立大業國民小學）、林碧玲和周梅雪（桃園市立同德國民小學）撰寫。本文提到：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。本文主要描述教師以示範引導學生發展探究主題「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。對學生而言，真是一個很有趣的探究！

2.  〈「愛玉成凍」教師示範起始學生探究〉：此文章由李祥菁（臺中市立大道國民中學）、李易儒（新竹縣立東興國民中學）、何莉芳（臺中市立福科國民中學）撰寫。本文提到：本課程設計的探究活動教學，分為兩階段：(一)教師示範教學：此階段採用KWL策略中的K＋W策略，透過科學示範，引入學生到學習情境之中，激發他們的學習興趣和動機。(二)學生科學探究：此階段以5E學習環的探究教學策略並採用KWL策略中的L策略，學生在教室中體驗完成探究活動，引導學生建立科學知識。

3.   〈「蝶豆花漸層變色飲料」的示範和探究〉：此文章由李妙瑟（國立嘉義大學數理教育研究所）、翁秀玉（國立嘉義大學附設實驗國民小學）、段曉林（國立彰化師範大學科學教育研究所）、陳均伊（國立嘉義大學數理教育研究所）撰寫。本文提到：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。

4.  〈快速製造肥皂的教師示範和學生實作〉：此文章由賴愉方（國立彰化師範大學化學系）、施麗姍（國立彰化師範大學化學系）、楊淩宜（臺南市立歸仁國民中學）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：透過冷製法的皂化反應，學生可以學到化學計量的限量試劑和過量試劑之概念。利用冷製法以人工搖動方式可以快速製造肥皂，可以讓學生學習符合新課綱的學習內容—反應速率。再者，親自體驗製造肥皂的樂趣。

5.   〈流血電影特效與勒沙特列原理〉：此文章由陳芷誼（國立彰化師範大學化學系）、蔡欣展（彰化縣立鹿江國際中小學）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：本示範實驗的設計是融入常見於電影和電視的流血特效在課堂上，教師創造歧異事件，使學生的直覺經驗發生衝突，以引起學生學習的動機，進而增強他們對化學平衡和勒沙特列原理的內容知識感到興趣，並以師生互動討論的方式進行示範教學。此示範實驗和學生實作都是藉由硫氰酸鉀與氯化鐵反應，形成紅棕色的硫氰酸鐵離子作為探討化學平衡移動和勒沙特列原理的關鍵物質。

6.   〈漂亮結晶的教師示範和學生實作〉：此文章由顧展兆（國立彰化師範大學科學教育研究所）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：本教材規劃兩階段：(一)教師示範實驗，(二)學生實作實驗。這兩階段作者成功測試結晶法的四種方式產生漂亮的結晶，修飾或設計「黃金雨」、「窗戶上的雪花」、及「瓶中生環」等實驗，吸引學生學習結晶法的興趣，以作為中學教師教學的參考。本教材期望藉由教師示範和學生實作，讓學生瞭解結晶法的原理，並欣賞科學之美。

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.  中學化學示範，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=38925。

3.  Chemical Demonstrations in the Classroom, https://bit.ly/3liAkMQ.

4.  Cini, S. (2018). A List of Discrepant Event Science Activities. https://bit.ly/37kW9Gl.

5.   Liem, T. L. (1987). Invitations to Science Inquiry. Massachusetts: Ginn Press.

6.  Shakhashiri, B. Z. (1989). Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry. Univ of Wisconsin Press.

7  Douglas Llewellyn, Teaching High School Science Through Inquiry: A Case Study Approach, 2005, Corwin Press, A Joint Publication With the National Science Teachers Association, Chapter 3, pp. 46-50.

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。

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^1, *、李易儒²、何莉芳³

¹臺中市立大道國民中學
²新竹縣立東興國民中學
³臺中市立福科國民中學
*[email protected]

 

n  前言

在108年「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—自科學領域課程綱要」中揭示學習重點包含學習內容與學習表現。過去傳統教學模式多著重於科學認知（學習內容）的傳達，新課綱在學生面對科學探究能力與科學態度（學習表現）則有更多強調。

本探究課程的科學內涵符合在「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—自科學領域課程綱要」中學習內容相關描述，如表一所述。本探究課程的科學探究亦符合新課綱的學習表現相關描述，如表二所述。

表一：「愛玉成凍」的學習內涵符合新課綱的學習內容

表二：「愛玉成凍」的探究學習符合新課綱的學習表現

透過生活中的情境素材—愛玉，以過濾法分離混合物，透過手搓洗方式分離出愛玉中的甲基酯酶，將愛玉的果膠去酯化，再與水中所含的2價陽離子（鈣離子和鎂離子）產生交聯作用，使愛玉結凍，探究各種影響愛玉結凍化學反應的各種變因（傅麗玉，楊水平，2015）⁷以理解相關科學概念。從真實情境中體驗探究歷程與熟練探究技巧，藉以培養學生的科學探究能力。

本課程設計的探究活動教學，分為兩階段：(一)教師示範教學：此階段採用KWL策略中的K＋W策略，透過影片示範製作愛玉凍，引入學生到學習情境之中，激發他們的學習興趣和動機。(二)學生科學探究：此階段以5E學習環的探究教學策略並採用KWL策略中的L策略，學生在教室中體驗完成愛玉凍製作的探究活動，引導學生建立愛玉凍的科學知識，學生應用學到的原理和概念作為「創意愛玉凍」的研發基礎。學生的學習評量採用學習單的紙筆評量（評量規準）、愛玉凍的實作評量以及課後問卷的省思評鑑。

n  教學方法

此次探究教學活動使用KWL策略和5E學習環教學策略，分別描述如下。

一、    KWL策略

1.  What I Know (K)：經過體驗後，讓學生思考關於愛玉，「我已經知道甚麼？」讓學生連結舊經驗與思考後寫下自己的已知於學習單和便利貼上。

2.  What I Want to know (W)：關於愛玉，「你還想知道甚麼？」讓學生連結舊經驗與思考後寫下自己想要知道什麼，想要探究的問題寫在學習單和便利貼上。

3.  What I Learned (L)：在愛玉凍的探究之後，「我學到了甚麼？」及「你有什麼新發現？」在探究的過程中「你有沒有遇到什麼困難的狀況？」「你如何克服？」

二、    5E學習環

1.  Engagement（投入）：此階段學生觀看示範影片以觀察製作愛玉凍的流程，透過KWL的提問策略引起學生探究學習的動機。

2.  Exploration（探究）：此階段學生提出探究的問題，訂定小組探究的假設，寫出影響愛玉結凍的變因，設計與規劃探究的流程、執行探究實驗、紀錄實驗結果。

3.  Explanation（解釋）：此階段分析實驗結果，轉化實驗結果成為圖或表並解釋實驗結果，實驗結果是否支持假設，進而學生發展科學概念和原理。此階段每組成員與他人分享實驗結果，透過交流過程思辯彼此探究過程中的疑問並加以釐清科學觀念。

4.  Elaboration（精緻化）：根據全班的探究結果，各組思考如果你們想要參加「創意愛玉凍大賽」。規劃愛玉凍的專題研究或科學展覽。

5.  Evaluation（評鑑）：此階段學生省思在探究過程中的收穫和科學態度的養成，並填寫評鑑問卷使學習表現具體化。

n  教學前準備

一、  示範需用器材和材料

愛玉子 4 克、電子秤（200 g，0.01 g） 1台、滷包袋（茶包袋） 1個、礦泉水240mL、透明塑膠杯（150 mL） 2個、碗或容器（1100 ml） 1個、愛玉凍（1000ml） 1 個。

(一)   製作愛玉凍

1.  教師事先製作愛玉凍，提供學生觀察與品嘗，如圖一所示。

 

圖一：愛玉果實（左），愛玉凍（右）

2.  教師準備閱讀文本—愛玉結凍的化學原理，用於解釋階段學生的概念建立。

二、  拍攝「愛玉凍」的示範影片

教師教學前拍攝製作愛玉凍的示範影片，用於投入階段的引起學生探究的動機，以下是製作愛玉凍的過程：

1.  準備240 mL的礦泉水，放置在一個大碗或容器中。

2.  取適量（約4克）的愛玉子裝入滷包袋網袋中綁好，放入大碗的礦泉水中搓洗，如圖二所示。建議：愛玉子與水的比例為1 mL：60~80克）。

  

圖二：準備器材和材料（左），稱重4克的愛玉子（中），取240 mL的礦泉水（右）

3  搓洗到手感由滑嫩變成乾澀為止（約5-8分鐘），如圖三所示。

  

圖三：礦泉水倒入容器中（左），愛玉子倒入滷包袋中（中），愛玉子放到礦泉水中搓揉（右）。

4.  放置20分鐘即可（放入冰箱中可縮短時間）。

5.  加入糖水或蜂蜜增加風味。

n  學生探究活動第一階段—Engagement（投入）

此階段主要是教師播放事先製作的示範影片，引導學生到學習情境之中，激發他們的學習動機，以起始學生的科學探究。

一、  「愛玉凍」示範實驗影片

影片：愛玉凍製作過程的示範實驗（影片網址：https://youtu.be/USloBFqfBPI）

二、  KWL教學策略融入教師示範

1.   學生品嘗愛玉凍，體驗愛玉凍的口感，氣味…。引導學生回想吃愛玉凍、果凍等生活經驗。

2.  觀看「愛玉凍製作過程的示範實驗」及「愛玉戀小蜂」( https://youtu.be/Tt_1n0ue7cw ）影片，讓學生認識愛玉的生態。透過親身體驗，建立課程與學生的生活情境連結。接著，讓學生摘要愛玉凍的製作流程，思考過程中有哪些影響愛玉結凍的變因，作為後續探究的問題。

3.  以KWL教學策略，透過PowerPoint，利用圖文和影片方式，教師提問讓學生思考問題，引起愛玉凍探究的興趣，如圖四所示。教師引導與提問以及學生想知道什麼，如下所示：

(1)  黏貼便利貼在A4紙上，每人以30秒的時間彼此分享，聆聽他人經驗，並提出「你還想知道甚麼？」

(2)  學生會想要知道什麼？例如：愛玉樹長什麼樣子？長在哪裡？愛玉凍要怎麼做？怎麼做出來的愛玉凍會很好吃？

 

圖四：學生觀察愛玉子（左），教師介紹愛玉植物（右）。

  

圖五：組內分享關於愛玉的已知與想知（左），學生寫下關於愛玉的已知與想知（右）。

 

圖六：學生寫出KWL教學策略中的K和L的描述。

n  學生探究活動第二階段—Exploration（探索）

探索階段包括閱讀觀察、變因歸納、觀察定題、確定假說、規劃設計、執行計畫、分析數據、發現結果等學習表現。

一、  提供各組需用器材

1.  各組器材：愛玉子（12公克）、電子秤（200 g，精稱到0.01公克） 1部、塑膠碗 3個/組、滷包袋（茶包袋） 3個、塑膠碗（1100mL） 3個。

2.  共用器材（放在講桌上自行選用）：礦泉水、鹼性水、RO逆滲透純水、乳酸鈣、汽水、麥茶舒跑、砂糖、紅糖、冰塊、油、牛奶。

3.  小組發表器材：白板筆、便利貼 1疊/組、或百格紙 1張/人。

二、  學生觀賞示範影片並寫出實驗流程

學生觀看製作愛玉凍的流程，如圖七所示。

  

圖七：學生觀看製作愛玉凍的流程

學生寫出條列式實驗流程，一組學生撰寫的流程如下所示：

1.  準備水240 mL和愛玉子4 g裝入網袋綁好。

2.  放入水中搓洗5-8分鐘。

3.  搓到手感由滑嫩變乾澀為止。

4.  加入糖水或蜂蜜增加風味。

三、  觀察實驗與變因歸納

1.  學生思考下列問題後，寫出所有影響愛玉結凍的可能變因。此時教師引導與提問如下所示：

(1)  在影片中有提到哪些因素會影響到愛玉凍的凝固？

(2)  為什麼在水裡搓愛玉子一段時間就會結凍？水質、油及搓洗時間會影響愛玉凍的形成嗎？

2.  小組間討論那些物質或因素可能與愛玉結凍有關，如圖八所示。

 

圖八：學生思考（左）並寫出（右）哪些物質或因素可能與結凍有關

四、   觀察定題與確定假說

學生練習選出影響愛玉結凍的變因並轉化成可實驗操作的假設，提出預期可能產生的實驗結果，如圖九所示。〘假設用語：如果我增加、減少、改變….因素，那麼愛玉會、不會結凍…。因為…的原因，所以…的結果。〙

  

圖九：組內分享自己的想法（左），學生練習觀察定題與形成假說（中和右）

五、  規劃設計與執行計畫

1.  各組針對提出的各種變因，討論出一個可探究的變因，並進行實驗規劃，如圖十所示。

2.  實驗設計修正：各組分享實驗設計、檢核他組實驗設計是否有不妥之處，透過團體思考引發產生問題，設計探究實驗並進行滾動式修正，如圖十一所示。

3.  各組依照設計的實驗計畫，進行愛玉凍的探究並記錄實驗結果，如圖十二所示。

 

圖十：學生練習實驗規劃

 

圖十一：學生分享實驗規劃

 

圖十二：學生進行愛玉凍的探究

六、  探索階段教學提示

(一)  關於實驗的變因

1.  操縱變因（又稱自變因）只能有一個。若操縱變因為濃度差異，請學生至少做3個不同濃度並且每個濃度重複3次。

2.  操縱變因（又稱自變因）和應變變因（又稱應變因或依變因）需要下操作型定義，亦即需要有量化的測量方式與客觀的描述。

3.  若教師發現學生無法有效的討論，可適時協助釐清操縱變因、應變變因等。

(二)  實驗操作

1.  混合物分離方式有過濾法和色層分析法…。透過用滷包袋（或茶包袋）過濾，學習常用的實驗操作技巧。學生也可思考不同材質或孔隙對於過濾的影響。

2.  提醒同學思考在愛玉搓洗的過程中，搓洗溫度和搓洗速度等物理因素對於「愛玉結凍」化學反應速率的影響。

(三)  實驗結果如何記錄

  1.  除了以愛玉結凍與不結凍的方式表達實驗結果，有沒有其他更客觀的方法來表達實驗結果。

2.  要細心觀察可能有原先沒有考慮到的變因。

3.  教師巡視以便指導各組實驗結果的紀錄表。

4.  教師巡視各組給予認真參與同學口頭表揚。

(四)  分析數據與發現結果

1.  教師引導與提問：「要如何紀錄實驗結果？」「你們做的愛玉凍吃起來口感如何？」學生觀察實驗結果，如圖十三所示。

2.  實驗結果統計分析的重要性：若結果紀錄中對照組與實驗組的結凍次數皆為3次，但對照組進行了3重複，實驗組重複了5次，可否依照結凍次數直接下結論為兩者的結凍效果相同?

3.  針對實驗結果進行簡單的統計分析，選用適當的圖或表來呈現，如圖十四所示。

 

圖十三：學生觀察實驗結果

 

 

圖十四：學生紀錄實驗結果並分析資料

n  學生探究活動第三階段—Explanation（解釋）

此階段包含溝通傳達、推理論證。

一、  溝通傳達與推理論證

1.  請各組簡短分享探索的進度並提出新發現的問題，如圖十五所示。

2.  教師引導與提問：「你們如何呈現實驗結果？用別人看得懂的方式跟他人分享。」

3.  各組依照實驗結果給予科學性（合乎邏輯、有足夠實驗結果證明、有科學原理支持…）的實驗結論。

4.  教師引導與提問：「你們要如何下結論？」

  

圖十五：學生分享實驗結果（左和中），品嘗愛玉凍（右）

二、  愛玉結凍的化學原理

教學提醒：在探索階段，師生互動討論或教師引導學生方式發展愛玉結凍的科學知識。此原理不強調化學結構，僅讓學生理解酵素和果膠與鈣離子是影響愛玉結凍的主要因素。愛玉結凍的化學原理如下所示：

愛玉種子外含有果膠、原果膠酶、果膠甲基酯酶以及少量的無機礦物質。當愛玉種子在水中被搓洗（破壞種皮）時，會釋出「甲基酯酶」使果膠分子上許多的甲基酯（‒COOCH₃）去酯化成為羧基（‒COO^‒）。此時，若水中含有二價金屬離子，離子就可嵌入果膠分子之間形成價橋，進而使果膠長鏈間連結形成果凍（林讚標，1991），如圖十六所示。

圖十六：愛玉結凍的化學原理

三、  解釋階段教學提示

(一)   實驗結果的分享表達

1.  「你要如何分享你們的實驗結果？用別人看得懂的方式表達」，圖像記憶優於文字記憶，善用圖表有助於溝通。因此學生要學習選用適當的書面表達工具，以利於書面溝通與結論建立、研究結果傳播。

2.  適時簡單複習長條圖，圓餅圖，折線圖…，說明常用圖形的使用時機與方式。若教師發現有學生或組別遲遲無法進行圖表繪製，可用討論的方式引導學生做出適合的圖表

3.  提醒學生注意在繪製圖表時座標軸和單位的標示。

(二)   要如何下結論？

1.  合理嚴謹的結論來自於：(1)嚴謹實驗設計後累積的大量實驗數據；(2)有力的學理支持；(3)合乎邏輯的證明。

2.  請學生依照各組的實驗結果，寫出科學性（合乎邏輯、有足夠實驗結果證明、有科學原理支持…）的實驗結論。

n  學生探究活動第四階段—Elaboration（精緻化）

1.  根據全班的探究結果，各組思考如果你們想要參加「創意愛玉凍大賽」，你們要如何設計口味獨特又好吃的愛玉凍？各組進行組內討論，開發創意愛玉凍，各組製作海報或簡報推銷自己的愛玉凍，訓練學生創意與溝通表達力。

2.  規劃並進行愛玉凍的專題研究或科學展覽。

n  學生探究活動第五階段—Evaluation（評鑑）

一、  寫出學習回饋

省思評鑑回饋與創意分享—L（What I Learned）我學到了什麼？教師引導與提問如下所示：

1.  在探究的過程中，你有什麼新的發現？（以前你不知道的）

2.  在實驗的過程中，你有沒有遇到什麼困難的狀況？你們如何克服？

學生學習回饋的例子，如圖十七所示：

 

圖十七：學生填寫學習回饋：我學到了什麼以及遭遇的困難和如何克服

二、  探究學習任務的評量規準

三、  課後問卷

(一)  課後問卷題目

(二)   同意度分析

n  結語

愛玉凍的示範實驗起始科學探究活動的優點有：與生活連結、科學概念豐富、所需材料方便取得、愛玉凍可食用、活動有趣學生喜愛，使用材料對環境友善、安全性高…。此外教師和學生可以在課堂進行活動不需要到實驗室，打破傳統化學實驗場地的侷限性。探究的內容與學生的生活經驗連結，從學生的體驗出發，思考並探索愛玉凍的製作，研發獨特口味愛玉凍，激發學生創意、學習動機和學習興趣，探索更廣泛的跨領域知識和技能。此教學設計除了可發展成專題研究的學習，讓學生研發特殊口味愛玉凍外，還可延伸探討搓愛玉方式（收搓、機械破壞種皮..）、搓洗溫度、水中離子濃度及水中pH值等變因，作為後續探究教學的題材。

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：「食在好玩─愛玉成凍」，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。「食在好玩─愛玉成凍」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  附錄

下載學習單：探究「愛玉成凍」學習單。

n  參考文獻

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.  林讚標（1991）。愛玉子專論。行政院農委會林業試驗所。

3.  愛玉製作過程。https://www.youtube.com/watch?v=7uYJEf9AmTI。

4.  「凍」裡乾坤—愛玉凝膠因子之探討。第50屆全國科展。https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/50/pdf/030804.pdf。

5.  愛玉子，維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh/愛玉子。

6.  愛玉與薜荔的私密世界（上）（下）。科博館館訊。http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/178/05.htm
http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/179/05.htm。

7.   李祥菁、李易儒、張維倫、蘇斐虹、李俊穎。2019。食在好玩愛玉成凍。彰化師範大學提升教師探究能力計畫107學年度作品集‒化學、生物。http://120.107.169.113/main.php?fid=04a&page_name=product_detail&prod_id=108。

8.  愛玉說愛玉凍的化學，臺灣化學教育。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=11897。

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。

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¹、施麗姍¹、楊凌宜²、楊水平^1,*

¹國立彰化師範大學化學系

²臺南市立歸仁國民中學
*[email protected]

n  前言

根據十二年國教自然科學領域課程綱要，在國中學習階段提到主題「物質的反應、平衡及製造（J）」之次主題「有機化合物的性質、製備及反應（Jf）」，其學習內容明確地列出「Jf-IV-3酯化與皂化反應」，且在學習內容說明提到「3-1 以示範實驗或實作方式進行酯化與皂化反應。並實際體驗酯類的特殊氣味及肥皂的清潔能力。」。此外，在國中學習階段提到該主題的次主題「化學反應速率與平衡（Je）」，其學習內容明確地列出「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。」本文作者設計一套不同於九年一貫課程綱要在國中理化課本裡的熱製法製造肥皂，而改為冷製法使用寶特瓶快速地製造肥皂，此設計不僅能夠從實驗中學習到皂化反應及其反應式，也能學到影響反應速率的因素，尤其是影響異相溶液反應速率的因素。

九年一貫課程綱要國中理化教科書編輯使用熱製法來製造肥皂，此方法使用酒精且需要加熱，不但消耗藥品而且浪費能源，危險性高且無法達到環境保護的需求。本實驗設計皂化反應的構想：使用冷製法來製造肥皂，使用的藥品只有氫氧化鈉和油酯，不需要添加酒精也不需要加熱。再者，依據不同的油酯具有不同的皂化值，學生在網際網路上可以找到皂化價計算器，藉由計算器來查知使用油脂、氫氧化鈉和水的重量。透過計算器的皂化值，有利於學生學習肥皂的相關科學概念和原理。

n  化學示範實驗

一、  觀看示範實驗影片

影片網址：快速製造肥皂，https://youtu.be/fqERZgcgcVg。

二、  示範藥品與器材

橄欖油 200克、大豆沙拉油 200.克、氫氧化鈉 26克、蒸餾水 58.2毫升、玻璃杯或燒杯（100毫升） 3個、冰塊 若干（或可無）、玻棒 1支、溫度計（100℃） 1支、寶特瓶（600毫升） 2個、食用色素 1盒（或可無）、香精 若干瓶（或可無）、模具 1個（廢棄的塑膠盒亦可）、保鮮膜 1卷、實驗衣 1件、手套 1副、護目鏡 1副，如圖一所示。

圖一：教師示範所需器材和藥品

三、  事前準備

(一)   查詢皂化值和配方

本示範實驗是利用橄欖油來製造肥皂，根據網際網路的製造肥皂計算器得知（見下面的超連結），橄欖油的皂化值（皂化價）為0.134 g NaOH / Olive oil g。

l   手工皂配方計算表 Helen’s Aromatherapy Lye calculator，https://bit.ly/36GdvgR。

l   Lye Calculator and Fragrance Calculator, https://bit.ly/2UzJvxb.

為了製造的肥皂有潤滑的質感，作者設定本次製造肥皂的超脂（superfatting）或減鹼（lye discount）為5%。由上面第一個計算器查知，若使用橄欖油重量為200.克時，且預設減鹼為5%，則氫氧化鈉用量為25.5克，所需水量（2.4倍）為61.2克（此網站誤植為64.3克）。由上面第二個計算器（示範影片用此計算器）查知，若使用純的橄欖油重量為200.克時，且預設超脂為5%，則氫氧化鈉用量為26.03克，所需水量為58.21克。另類地，以手動計算：使用橄欖油製造肥皂需用氫氧化鈉用量 = 200.克 × 0.134 × 95% = 25.5克。

(二)   準備油脂和配製溶液

教師事前準備示範的油脂（橄欖油）和配製氫氧化鈉溶液。〘配製溶液時，務必戴護目鏡和乳膠手套，穿實驗衣。〙

1.  使用燒杯或玻璃杯，稱取200克的油脂（橄欖油）。

2.  使用燒杯或玻璃杯，稱取26.0克的固體氫氧化鈉。

3.  使用燒杯或玻璃杯，稱取58.2克的蒸餾水。

4.  配製氫氧化鈉溶液：慢慢地倒入固體氫氧化鈉到裝有蒸餾水的燒杯中，小心地攪拌均勻，如圖二左所示。

5.  測量橄欖油與氫氧化鈉溶液的溫度，如圖二中所示。

6.  放置裝有氫氧化鈉溶液的燒杯在冰水塑膠盆中，促使溫度快速降低，如圖二右所示。當氫氧化鈉溶液與油脂的溫度相差小於5℃時，即可進行混合。〘若不急於製造肥皂，則以水浴降溫即可，不必準備冰塊。〙

  

圖二：配製氫氧化鈉溶液（左）；剛剛配製氫氧化鈉溶液的溫度在76-78℃之間（中左，透明液體），橄欖油的溫度為室溫（中右，黃色液體）；放置氫氧化鈉溶液在冰浴中冷卻（右）

四、  正式示範

(一)      使用橄欖油和大豆沙拉油製造肥皂

1.  教師攜帶示範用的油脂（橄欖油）和氫氧化鈉溶液、以及需用藥品和器材到教室，放置在示範桌上，如圖三所示。

圖三：模具、寶特瓶、油脂、固體氫氧化鈉、已稱重的油脂及已配製的氫氧化鈉溶液

2.  首先，倒入已稱重（200克）的油脂（橄欖油）到一個寶特瓶中，如圖四左所示。

3.  然後，倒入已配製氫氧化鈉溶液到寶特瓶中，如圖四右所示。此時油脂在上層，氫氧化鈉溶液在下層。

 

圖四：先倒入橄欖油，再倒入氫氧化鈉溶液到寶特瓶中

4.  蓋緊瓶蓋，以上下左右搖晃寶特瓶的方式，促使瓶內的溶液均勻混合，如圖五左所示。當溶液變成均勻的乳黃色且沒有分層濃稠狀的肥皂時，即可停止搖晃（一般而言，需時約2分鐘，時間依搖晃的頻率和大小而有差異）。

5.  倒入寶特瓶內的液體至模具中，如圖五右所示。使用迷你咖啡豆巧克力模具，可製造小塊的肥皂。

 

圖五：搖晃寶特瓶內的混合溶液（左）；倒入濃稠狀肥皂到模具中（右）

6.  在模具中的肥皂半成品，如圖六右所示。

7.  一般而言，肥皂於倒入模具中七日後即可進行脫模，取得肥皂成品，如圖六左所示。大塊的肥皂適合在家中使用，小顆的肥皂可以裝在塑膠盒中隨身攜帶外出使用。

 

圖六：用橄欖油製得的肥皂半成品（左）和肥皂成品（右）

n  學生實作—製造肥皂

一、  實驗用藥品和器材

每組製造肥皂用量：橄欖油100.克、大豆沙拉油 100.克、氫氧化鈉 31.3克、蒸餾水 75.3毫升、燒杯或塑膠杯（250毫升） 3個、冰塊 若干（或可無）、玻棒 1支、溫度計（100℃） 2支、寶特瓶（約300毫升） 2個、食用色素 1盒4色（或可無）、香精 若干瓶（或可無）、模具 2個（廢棄的塑膠盒亦可）、保鮮膜 1卷、實驗衣 1件、手套 1副、護目鏡 1副，如圖七所示。

圖七：學生分組實作需用的藥品與器材

二、  查詢皂化值和氫氧化鈉用量

在學生實作方面，利用橄欖油和大豆沙拉油製造肥皂，根據網際網路的製造肥皂計算器得知（提供兩超連結如前面「查詢皂化值和配方」所示），橄欖油的皂化值（皂化價）為0.134 g NaOH / Olive oil g，而大豆沙拉油的皂化值為0.135 g NaOH / g大豆油。

為了製造的肥皂有潤滑的質感，油脂的用量設定超脂或減鹼為5%。由上面第一個計算器查知，若使用橄欖油重量為100.克，並設定減鹼為5%，則氫氧化鈉用量為12.7克，所需水量（以2.4倍計）為30.6克（此網站誤植為32.2克）。若使用大豆油重量為100.克，並設定減鹼為5%，則氫氧化鈉用量為12.8克，所需水量（以2.4倍計）為30.8克（此網站誤植為32.4克）。由上面第二個計算器查知，若使用純的橄欖油重量為100.克時，且預設超脂為5%，則氫氧化鈉用量為13.02克，所需水量為29.10克，氫氧化鈉溶液為42.12克。若使用大豆油重量為100.克時，且預設超脂為5%，則氫氧化鈉用量為13.02克，所需水量為29.10克，氫氧化鈉溶液為42.12克。另類地，以人工手動計算：(1)使用橄欖油製造肥皂：需用氫氧化鈉用量 = 100.克 × 0.134 × 95% = 12.7克；(2)使用大豆油製造肥皂：需用氫氧化鈉用量 = 100.克 × 0.135 × 95% = 12.8克。

經作者實際測定皂化值，大豆沙拉油的皂化值為275.3 mg KOH/g油，亦即275.3 mg × (40.00 g/mol / 56.11g/mol) NaOH/g油 = 275.3mg × (1/1.403)NaOH/g油 = 275.3 mg × (0.7129) NaOH/g = 196.3 mg NaOH/g油 = 0.1963 g NaOH/g油（莫耳質量：NaOH = 39.997 g/mol；KOH = 56.106 g/mol）。實驗測得的皂化值（0.1963 g NaOH / g大豆沙拉油）與計算器查知的的皂化值（0.135 g NaOH / 大豆油）兩者差異很大。

本實驗依照大豆沙拉油的皂化值為0.1963 g NaOH/g油來製造肥皂，100.克大豆沙拉油皂化需用氫氧化鈉重量 = 100.克 × 0.196 × 95% = 18.6克。

三、  準備油脂和配製溶液

事前準備油脂（橄欖油和大豆沙拉油）並配製氫氧化鈉溶液。〘注意：氫氧化鈉易腐蝕皮膚和眼睛，配製時務必戴護目鏡和乳膠手套，穿實驗衣。〙

1.  使用燒杯（或塑膠杯），稱取油脂（100.克的橄欖油；100.克的大豆沙拉油）。

2.  使用燒杯（或玻璃杯），稱取固體的氫氧化鈉（12.7克用於橄欖油；18.6克用於大豆沙拉油）。

3.  使用燒杯（或玻璃杯），稱取蒸餾水（30.6克用於橄欖油；44.7克用於大豆沙拉油）。

4.  配製氫氧化鈉溶液：慢慢地倒入固體氫氧化鈉到裝有蒸餾水的燒杯中，並且小心地用玻璃棒攪拌均勻，如圖八所示。

 

圖八：配製氫氧化鈉水溶液，用於橄欖油（左）和大豆沙拉油（右）的皂化。

5.  測量油脂與氫氧化鈉溶液的溫度，如圖九所示。

  

圖九：剛剛配製氫氧化鈉溶液的溫度在75-80℃之間（分別在兩圖左側的透明溶液），

而橄欖油和大豆沙拉油的溫度為室溫（分別在兩圖右側的黃色溶液）

6.  放置裝有氫氧化鈉溶液的燒杯在冰水或室溫水的塑膠盆中，促使快速降低溫度。當氫氧化鈉溶液與油脂的溫度相差小於5℃時，即可混合，如圖十所示。

〘若不急於製造肥皂，則靜置自然降溫即可，不必準備冰浴或水浴。〙

 

圖十：放置氫氧化鈉溶液在冰浴（左）或水浴（右）中快速冷卻

四、  使用油脂製造肥皂

1.  首先，倒入已稱重的油脂（100.克的橄欖油或100.克的大豆沙拉油）在一個小寶特瓶中，如圖十一所示。

 

圖十一：首先倒入橄欖油（左）或大豆沙拉油（右）在小寶特瓶中。

2.  然後，倒入已配製氫氧化鈉溶液到此寶特瓶中，如圖十二所示。

〘此時油脂在上層，氫氧化鈉溶液在下層，有明顯的分界。〙

 

圖十二：倒入氫氧化鈉溶液到裝有橄欖油（左）或大豆沙拉油（右）的寶特瓶中

3.  再來，先上下搖晃而後左右搖晃寶特瓶。每次搖晃約半分鐘後，仔細地觀察瓶內肥皂流體的稠度和小氣泡下降的流速。當皂化接近結束時，混合物呈現像優酪乳黏稠狀的流體且有小氣泡沿著寶特瓶內壁會緩慢下降，如圖十三所示。
〘一般而言，需時約2分鐘，時間依搖晃的頻率和大小而有差異。〙

 

圖十三：當皂化接近結束時，呈現黏稠狀的流體。

4.  當皂化接近結束時，加入4-5滴的食用色素或/和2-3滴的香精，如圖十四所示。
〘若想要製得天然的肥皂，則可不加入食用色素和香精。〙
〘注意：若過早加入食用色素或香精，因氫氧化鈉濃度過高而使得食用色素的顏色和香精的香氣發生變化。〙

 

圖十四：視自己的需要，加入食用色素（左）和香精（右）。

5.  蓋緊瓶蓋，先上下而後左右搖晃寶特瓶，促使瓶內的溶液混合均勻，如圖十五所示。當瓶內的溶液變成像洗潔精的濃稠狀流體時且有小氣泡向下流速非常緩慢時，立即停止搖晃。

  

圖十五：當溶液變成像洗潔精的濃稠狀流體時，停止搖晃。

6.  倒入寶特瓶內濃稠狀的流體至模具中，如圖十六左和中所示。使用迷你咖啡豆巧克力模具，以便製造小塊的肥皂，如圖十六右所示。

  

圖十六：倒入濃稠狀流體到模具中，橄欖油（左）和大豆沙拉油（中）製得有造型的大塊肥皂；大豆沙拉油（右）製得的小顆肥皂。

五、  分組實作的肥皂成品

一般而言，肥皂於倒入模具約七日後即可進行脫模，如圖十七所示。大塊的肥皂適合在家中使用，小顆的肥皂可以裝在塑膠盒中隨身攜帶，在外出時使用。

 

圖十七：使用橄欖油（左）和大豆沙拉油（右）製得的肥皂成品。

圖十八左和中為展示有美觀的成品，以下肥皂皆用橄欖油製造。此外，大塊肥皂可切成小塊肥皂，放在小塑膠盒中，易於隨身攜帶外出使用，如圖十八右所示。

  

圖十八：藍紫色（左）和粉紅色（中）；切成小塊的肥皂（右）

n  學生實作二—檢驗肥皂

一、  檢驗用藥品和器材

每組檢驗肥皂需用藥品和器材及其用量：石蕊試紙（酸式和鹼式） 各4張（或pH試紙 4張）、試管 1支、玻棒 1支、油脂（橄欖油或大豆沙拉油） 20毫升、氯化鈣 少量、蒸餾水 100毫升、自來水 50毫升、飲用水 50毫升、燒杯或透明塑膠杯（100-150毫升），如圖二所示。

二、  檢驗肥皂的性質

(一) 酸鹼度測試

分別放置蒸餾水（2滴）、自來水（2滴）、剛剛製造的肥皂（2滴）、皂化三個月的肥皂（少量，滴加少許的水）及合成清潔劑（洗潔精，2滴）在一張黑色的塑膠板上，然後用石蕊試紙或pH試紙接觸這些待測物。觀察石蕊試紙或pH試紙的變色並比對其對應的pH值，如圖十九所示。

 

圖十九：pH試紙未接觸到（由左而右）蒸餾水、自來水、剛剛製造的肥皂、皂化三個月後肥皂及合成清潔劑（左）；pH試紙接觸到待測物（右）

檢驗結果：蒸餾水、自來水、剛剛製造的肥皂、皂化三個月後肥皂及合成清潔劑的pH值分別為6（淡綠色）、7（綠色）、>10（紫紅）、9（深綠色）、7（綠色），亦即分別為弱酸、中性、強鹼、弱鹼、中性。

(二) 油水分離測試

在一支試管中，裝入水與油脂，使其呈現分離狀態，如圖二十左所示。然後加入製造的肥皂並加以搖晃，觀察油水之間沒有界面，如圖二十右所示。

 

圖二十：油水分離（左）；油水之間無界面（右）

檢驗結果：未加入製造的肥皂到水和油脂中無明顯的界面，加入製造的肥皂到水和油脂中有明顯的界面。

(三) 硬水和軟水測試

準備四個燒杯，分別裝入硬水（加少許的氯化鈣至自來水中）、自來水、飲用水及蒸餾水，然後加入剛剛製造的肥皂，用玻棒攪拌，觀察變化現象，如圖二十一所示。 

圖二十一：硬水、自來水、飲用水、蒸餾水（由左至右）的硬度檢驗

檢驗結果：硬水產生沉澱最多，自來水與飲用水相差不多，蒸餾水則無沉澱。

n  安全注意事項

l  在進行實驗時，務必戴上乳膠手套和護目鏡並穿上實驗衣，避免化學物質接觸到皮膚及眼睛。

l  氫氧化鈉具有腐蝕性，高濃度溶液可能會導致皮膚和眼睛灼傷。

n  原理與概念

一、  皂化反應

植物和動物的油脂是皂化的傳統材料，這些油膩的三酯物質，稱為三酸甘油酯（triglycerides），是衍生自多種脂肪酸的混合物，圖二十二是常見的三酸甘油酯之一—硬脂酸酯。

圖二十二：硬脂酸酯的結構式

（圖片來源：Saponification, https://en.wikipedia.org/wiki/Saponification）

在傳統的方法中，三酸甘油酯使用強鹼（例如：氫氧化鈉溶液）製造肥皂，鹼性溶液會裂解酯鍵（ester bond），釋放出脂肪酸鹽（即肥皂）和甘油，如反應式[1]所示。此方法也是生產甘油的主要工業方法。在某些肥皂製造中，甘油留在肥皂中；但是如有必要，可透過添加食鹽（氯化鈉），以鹽析法來沉澱肥皂並取得甘油。

[1]    （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/File:SaponificationGeneral.svg）

二、  皂化值

在指定條件下，皂化值（Saponification value，又稱皂化價）表示1克脂肪皂化所需的氫氧化鉀毫克數（或克數）。此數值是特定油脂中所有脂肪酸的平均分子量（或鏈長）的量度。皂化值可用於比較平均脂肪酸的鏈長。在脂肪中具有長鏈脂肪酸的皂化值較短鏈者為低，因為與短鏈脂肪酸相比，每單位質量的脂肪中羧酸官能基的數量相對較少。若需要更多莫耳數的鹼來皂化相同質量的油或脂肪，則表示存在更多莫耳數的油或脂肪，且脂肪酸的鏈長相對較小，這取決於關係式[2]：

油脂莫耳數 = 油脂質量/油脂平均分子量    [2]

手工肥皂製造者利用各種油脂的皂化值來確定使用NaOH（氫氧化鈉）所需的用量。目前，有一些線上計算器表列各種油脂的NaOH（氫氧化鈉）和KOH（氫氧化鉀）皂化值。NaOH的皂化值可透過KOH的皂化值轉換而得到，亦即用KOH的皂化值除以KOH和NaOH的式量之比（56.11 g/mol / 40.00 g/mol = 1.403）而得到。使用NaOH可製成固體肥皂（鈉皂，一種硬肥皂），使用KOH可製成糊狀、凝膠狀或液體肥皂（鉀皂，一種軟肥皂）。

由於不同的油酯具有不同的皂化價，因此在實驗前需要透過的皂化值來計算氫氧化鈉或氫氧化鉀的用量。目前有很多線上計算器，只要輸入指定油脂的種類及其用量，即可輸出鹼量和水量。這些計算器不僅可以改變油脂與重量，而且可以設定超酯或減鹼的百分比，超酯或減鹼的大小代表製得肥皂的潤滑程度。

三、  肥皂性質檢驗

剛剛製造的肥皂，由於皂化不完全而有殘留氫氧化鈉，因此這類肥皂測得的pH值較高，鹼性較強；而製造多日的肥皂，由於皂化幾乎完全而沒有殘留氫氧化鈉，因此這類肥皂測得的pH值相對較低，鹼性較弱。

肥皂浮渣（Soap scum）是由於硬水中的鈣和鎂離子加到肥皂而產生的白色固體。在反應式[3]中，肥皂中的鈉陽離子被鈣取代形成硬脂酸鈣。

2C₁₇H₃₅COONa(aq)+ Ca²⁺(aq) → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca(s) + 2Na⁺ (aq)    [3]

目前最常用的合成清潔劑為長鏈烷基苯磺酸鈉鹽，例如：十二烷基苯磺酸鈉。合成清潔劑為強酸強鹼鈉鹽，水溶液呈中性。

四、  皂化反應速率

影響反應速率的因素有反應物的性質、濃度、壓力、反應順序、溫度、溶劑、電磁輻射、催化劑、同位素、表面積、攪拌和擴散極限。反應物種的數量、它們的物理狀態（形成固體的顆粒的運動比氣體或溶液中的顆粒的運動慢得多）、反應的複雜性和其他因素會極大地影響反應的速度。攪拌對異質溶液的反應速率有很大影響，攪拌使反應物顆粒保持運動，增加碰撞的機會因而提高反應速度。本實驗用上下左右搖盪的方式促使皂化的反應速率加速。

n  附記—肥皂破壞病毒的活性

正值新冠肺炎（嚴重特殊傳染性肺炎，COVID-19）疫情嚴峻之際，戴口罩、勤洗手及避免到人群聚集之處等作法是避免感染新型冠狀病毒的良策。病毒本身是無生命的有機體，只有在生命體中才會進行複製並增生。病毒是由DNA（去氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）基因為核心和蛋白質為外殼所組成的，有些病毒的外層還有脂質構成的包膜，例如：新型冠狀病毒，主要結構由RNA、蛋白質、最外層由脂雙層包膜（Lipid Bilayer Envelope）所構成。因此，用肥皂洗手能夠破壞病毒的最外層的包膜，降低病毒的活性，而達到消滅病毒的效果。澳洲新南威爾士大學化學教授Palli Thordarson稱：肥皂比酒精能更有效地殺死冠狀冠狀病毒，濕洗手比乾洗手更有效果對付新型冠狀病毒。關於用肥皂洗手可破壞病毒的活性，請參閱「參考資料」第5和6文章的圖示說明以易於理解。

n  結語

由實驗結果觀之，利用冷製法以人工搖動方式可以快速製造肥皂，此實驗的作法可以作為學生學習符合新課綱的學習內容—皂化反應和反應速率—之用，透過減鹼和超脂的設定也可以學到化學計量的限量試劑和過量試劑之概念，並且親自體驗製造肥皂的樂趣。此外，用色素染製使肥皂更加美觀並用模具製造各式各樣的造型，學生學到藝術與化學的結合。使用較小的模具或切割成小塊肥皂，便於隨身攜帶，易於在戶外使用，有效果對付新型冠狀病毒。另外，作者設計的學習單可作為國中理化實驗教學的參考。

n  學生實驗手冊

下載學習單—「以冷製法快速製造肥皂」

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.  手工皂製作，https://bit.ly/3lwwW1O。

3.  手工皂配方計算表 Helen’s Aromatherapy Lye calculator，https://bit.ly/36GdvgR

4.  病毒，https://zh.wikipedia.org/wiki/病毒。

5.  為什麼用肥皂洗手能抗病毒？https://bit.ly/3lwxhl6。

6.  化學教授：殺滅冠狀病毒，肥皂比酒精更有效，https://bit.ly/38NNu1B。

7.  Lye Calculator and Fragrance Calculator, https://bit.ly/3pFHYUW.

8.  A History of Violence—How Soap Attacks a Coronavirus, https://bit.ly/3kyShGz.

9.  Why does soap work so well on SARS-CoV-2? https://bit.ly/3nwsLDP.

10. Soap scum, https://en.wikipedia.org/wiki/Soap_scum.

11. Reaction rate, https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_rate.

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¹、蔡欣展²、楊水平^1,*

¹國立彰化師範大學化學系
²彰化縣立鹿江國際中小學
*[email protected]

• 前言

本示範實驗主題為「流血電影特效與勒沙特列原理」，關於化學平衡和勒沙特列原理的學習內容，在12年國教課綱中編列於自然科學領域綱要的國民中學學習階段之主題「物質的結構與功能（C）」之次主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，其學習內容有「Je-Ⅳ-2 可逆反應」；以及主題「物質的反應、平衡及製造」之次主題「化學反應速率與平衡」，其學習內容有「Je-Ⅳ-3 化學平衡及溫度、濃度如何影響化學平衡的因素」。在新課綱中，關於勒沙特列原理，編列於普通型高級中等學校化學加深加廣選修課程的主題「物質的反應、平衡及製造（J）」之次主題「化學反應速率與平衡（Je）」，其學習內容有「CJe-Va-6 勒沙特列原理」。

本示範實驗的設計是融入常見於電影和電視的流血特效在課堂上，教師創造歧異事件（discrepant event），使學生的直覺經驗發生衝突，以引起學生學習的動機，進而增強他們對化學平衡和勒沙特列原理的內容知識感到興趣，並以師生互動討論的方式進行示範教學。本示範實驗和學生實作都是藉由硫氰酸鉀與氯化鐵反應，形成紅棕色的硫氰酸鐵離子作為探討化學平衡移動和勒沙特列原理的關鍵物質。在化學示範方面有：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響，在學生實作方面有：濃度、溫度和添加物對化學平衡的影響。其中，溫度和部分添加物對硫氰酸鐵離子化學平衡的移動為作者所構思並試作結果效果明顯。

•  教師化學示範

一、  觀賞示範影片

影片網址：流血電影特效與勒沙特列原理，https://youtu.be/wwEjSJbRRqw。

二、  藥品和器材

示範實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、棉花棒1隻、塑膠刀1隻、燒杯若干、如圖一所示。

圖一：示範實驗用藥品與器材。

解說實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、氯化鈉（Sodium Chloride）1瓶、燒杯（500mL）2個、燒杯（100 mL）6個、錐形瓶（125 mL或250 mL）5個、玻棒1支、滴管5支，如圖二所示。

圖二：解說實驗需用藥品與器材

三、  事前準備

1.    配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.    配製飽和碳酸鈉溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中，有沈澱出現。

3.    配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

4.    配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

四、  現場示範：錯合物的形成及添加物對化學平衡的影響

(一) 創造歧異事件

1.   攜帶事前配製好的硫氰酸鉀溶液、氯化鐵溶液、飽和碳酸鈉水溶液、塑膠刀、棉花棒、至教室。

2.   在示範前，教師先在手掌上偷偷地塗抹硫氰酸鉀溶液，並且悄悄地塑膠刀沾取氯化鐵溶液。

3.   在示範時，教師向學生說等一下要使用塑膠刀切下手掌，如圖三所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片三：以塑膠刀從手掌切下。

4.   教師使用塑膠刀向手掌切下，請學生觀察變化現象。

5.   教師向學生說等一下要使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」，如圖四所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片四：使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」。

6.   教師使用事先已沾取碳酸鈉溶液的棉花棒，塗抹暗紅色「傷口」，請學生觀察變化現象。

7.   教師示範後，立即用水洗乾淨手掌。

(二) 揭開歧異事件使用的藥品

1.   教師拿出配製好的藥品，告知學生塗抹在手掌上的藥品是硫氰酸鉀溶液、塑膠刀沾染的藥品是氯化鐵溶液，棉花棒沾取的藥品是飽和碳酸鈉溶液，如圖五所示。

圖五：手掌塗抹硫氰酸鉀溶液（左）；塑膠刀沾染氯化鐵溶液（中）；棉花棒沾取飽和碳酸鈉溶液（右）。

2.   教師重複進行剛才示範歧異事件的過程，如圖六所示。

  

圖六：重複示範歧異事件的過程

3.   教師示範後，立即用水洗乾淨實驗的手掌。

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

(三) 另類方式重現歧異事件

1.   教師放置分別含有氯化鐵溶液、硫氰酸鉀溶液及飽和碳酸鈉溶液的三個燒杯在示範桌上，如圖七所示。

圖七：三個燒杯分裝三種不同的溶液

2.   以滴管，逐次地加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液中，用玻棒攪拌，如圖八所示，並請學生觀察變化情形。

圖八：加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液

3.   以滴管，逐次地加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液，用玻棒攪拌，如圖九所示，並請學生觀察變化情形。

 

圖九：加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

• 學生實作

一、  濃度和添加物對化學平衡的影響

(一)      配製溶液

1.   配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.   配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

3.   配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

(二)      分組實作

1.   用五個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。第一個錐形瓶當作對照組，如圖十所示。

2.   用四個相同大小的燒杯，分別裝入氯化鐵固體、硫氰酸鉀固體、碳酸鈉固體和氯化鈉固體的，並分別插入一支藥匙且小匙端朝下。

圖十：放置五個錐形瓶和四個燒杯在桌上

3.   從左邊第二錐形瓶開始，由左自右分別加入一小匙的固體氯化鐵、固體硫氰酸鉀、固體碳酸鈉及固體氯化鈉，觀察顏色的變化。

(三)      實驗結果

加入氯化鐵，顏色變深紅；加入硫氰酸鉀，顏色變暗紅；加入碳酸鈉，顏色變淡黃；加入氯化鈉，顏色變淡橙，如圖十一所示。

圖十一：從第二錐形瓶開始，分別加入氯化鐵、硫氰酸鉀、碳酸鈉、氯化鈉，溶液的顏色變化（由左而右）。

(四)      師生互動討論

1.   根據左邊第二杯和第三杯的變化情形，師生互動討論濃度對化學平衡的影響。

2.   根據左邊第四杯和第五杯的變化情形，師生互動討論添加物對化學平衡的影響。

3.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

二、  溫度對化學平衡的影響

(一) 配製溶液

與前面「濃度和添加物對化學平衡的影響」的配製溶液相同。

(二) 分組實作

1.   用三個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。中間的錐形瓶當作對照組，如圖十二所示。

2.   用三個大燒杯，左側第一個和第三個燒杯分別裝入約半杯的冰水和熱水，如圖十二所示。

圖十二：放置三個錐形瓶和兩個燒杯在桌上

3.    左側的錐形瓶放入冰水浴中並持續搖晃，右側的錐形瓶放入熱水浴中並持續搖晃，觀察顏色的變化。

(三) 實驗結果

在冰水浴中降溫後溶液顏色變深，在熱水中加熱後溶液顏色變淡，如圖十三所示。

圖十二：降溫後溶液顏色變化（左），加熱後溶液顏色變化（右）

(四) 師生互動討論

1.   根據在低溫和高溫的硫氰酸鐵離子溶液顏色變化情形，師生互動討論溫度對化學平衡的影響。

2.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

•  廢棄物處理

本實驗完成後，產物必須回收至無機廢液桶中，避免直接用沖掉造成環境汙染。

• 化學原理與概念

「流血電影特效與勒沙特列原理」的化學示範與學生實作是進行硫氰酸鐵離子的化學平衡及其移動，包括：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響、濃度對化學平衡的影響、以及溫度對化學平衡的影響，涉及的化學原理與概念說明如下：

一、 勒沙特列原理

勒沙特列原理（Le Chatelier  principle），又稱平衡移動原理，是一個定性預測化學平衡移動的原理，其描述為：化學平衡是動態平衡，若改變影響平衡的一個因素或條件，平衡就會朝向能夠減弱該因素或條件改變的方向移動，以抗衡該改變。亦即，對於一個特定條件下達到平衡的系統，若條件改變，則化學平衡就會朝向減弱該因素或條件改變的方向移動。

二、  錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響

當黃色的鐵離子（Fe³⁺, Ferric ion）與無色透明的硫氰酸根離子（SCN^‒, Thiocyanate）混合，反應生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺,Ferric(III) thiocyanate），其反應如式[1]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq)    [1]

當紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）加入半透明白色的碳酸根離子（CO₃^2‒）時，碳酸根離子與黃色的鐵離子（Fe³⁺）形成碳酸鐵（Fe₂(CO₃)₃）的沉澱物，以致鐵離子濃度降低，根據勒沙特列原理，鐵離子濃度降低會導致紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）往左方向進行反應，因此溶液由紅棕色變回黃色，其反應如式[2]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq) ←FeSCN²⁺(aq)    [2]

三、 濃度和添加物對化學平衡的影響

當溶液中加入氯化鐵或硫氰酸鉀時，會使鐵離子（Fe³⁺）或硫氰酸根離子（SCN^‒）的濃度升高。根據勒沙特列原理，為減弱鐵離子或硫氰酸根離子的濃度升高的因素，導致反應向右移動，生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變深，其反應如式[3]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq)    [3]

當加入碳酸鈉或氯化鈉時，碳酸根離子（CO^3‒）或氯離子（Cl^‒）會與溶液中的鐵離子（Fe³⁺）反應，生成碳酸鐵或氯化鐵，造成鐵離子濃度下降。根據勒沙特列原理，為降低鐵離子濃度下降的因素，以致反應向左移動，使得紅棕色硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變淺，其反應如式[2]所示。

四、 溫度對化學平衡的影響

硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的平衡移動亦受到冷熱溫度的影響，因為鐵離子與硫氰酸根離子反應生成硫氰酸鐵離子時發生反應熱的變化，其反應如式[4]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq) + heat   [4]

根據勒沙特列原理，當硫氰酸鐵離子浸泡於熱水時，為減弱溫度升高的因素，以致反應向左移動，其顏色轉向黃色，其反應如式[5]所示。當硫氰酸鐵離子浸泡於冷水時，為減弱低溫度下降的因素，其顏色轉向紅棕色，以致反應向右移動，其反應如式[6]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)← FeSCN²⁺(aq) + heat   [5]

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq) + heat   [6]

• 教學提示

l  本實驗安全性較高，可直接在教室中進行示範，然而過程中仍須使用熱水，必須注意安全，避免燙傷。

l  進行化學平衡移動時，配製硫氰酸鐵離子溶液應該特別留意溶液的顏色，其配製方式：取300mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

l  由於本實驗的危險性較低，因此可直接使用的藥品在手掌上塗抹，使教師在課堂上創造歧異事件，增強示範的逼真效果。

l  示範這個實驗，教師應實行適當的風險評估。

• 結語

本實驗設計的主要目的是使用危險性較低且操作簡易的化學藥品和器材，直接且短暫地塗抹藥品在手掌上，增強逼真的電影特效來創造歧異事件。歧異事件會導致學生在支持概念理解方面的科學事件中先驗知識和經驗中出現意想不到的矛盾或認知衝突，以致在他們的腦海裡產生疑問而增強學習的興趣。再者，透過師生互動討論方式，強化學生的學習成效，加深國中和高中學生對化學平衡反應及勒沙特列原理的理解。

本教學設計以創造歧異事件為教學的起點；接著學生實作三項實驗：濃度對化學平衡的影響，添加物對化學平衡的影響，溫度對化學平衡的影響；最後根據實驗結果，進行師生互動討論，增進學生對化學平衡的移動和勒沙特列原理更深入的學習。

• 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.  微量化學實驗：鋁熱反應的微量示範實驗，林聖揚、顧展兆、楊水平，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=19084。

3.  淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應，王瓊蘭，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=7309。

4.   Best Teaching Practices – Discrepant Events,https://bit.ly/2ZLflLs.  

5.  Discrepant Events, https://bit.ly/2B8lR4u.  

6.  Chemistry Lecture Demonstration, https://bit.ly/2TOeaqI.  

7.  How to make realistic fake blood (“Chemical cut” experiment), https://www.youtube.com/watch?v=scN6_LItWqo.

8.  Iron III Chloride Reaction With Potassium Thiocyanate (FeCl3 + KSCN), https://www.youtube.com/watch?v=lEraxU3r1ko.

9.  Bleeding Iron Nail Home Experiment – DIY Iron Thiocyanate, https://www.youtube.com/watch?v=o-0OdYsOigk.

10. E710: Complex Ion – Shifting Equilibrium,https://bit.ly/2MbEjLR.  

11. Le Chatelier’s principle, https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Chatelier%27s_principle.