理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國中「化腐朽為神奇」全民科學週 教案設計與闖關實作 劉曉倩 國立彰化高級中學 torrina01092002@yahoo.com.tw 前言 花蓮縣自2015年起開始舉辦「花蓮縣全民科學週」（2017年更名為北花蓮全民科學週)，以「探究式」、「動手做」、「教中學」及「合作學習」等多元方式，積極推動 K-12 學生的科學學習興趣，並在各校間產生迴響。科學週每年徵選主題教案，強調「知識性」、「動手做」與「創新與趣味」的實驗設計，同時結合教育部十二年國民基本教育課程綱要的學習能力及表現指標，將實驗室外的探究體驗融入正式課堂中。 2024年是「北花蓮全民科學週」邁入第十年，活動彙整了過去110 個教案及實驗示範影片，並於「全民FUN科學」平台上發布，為師生與民眾提供豐富的自主學習資源。國立東華大學北花蓮科普團隊由環境暨海洋學院楊悠娟教授領導，並邀請物理學系曾賢德教授與葉旺奇教授協助，聯合來自東華大學、花蓮縣內外的科普推廣夥伴，共同開發並推廣一系列探究實作活動（仿生與環境實驗室，2024)。 科學週闖關活動的設計，目的是引發學生對科學的好奇心，激勵他們親身參與並動手實驗，進一步將所學轉化為知識與能力。闖關活動的設計通常配合關主的教育程度、參與活動的對象、場地環境及闖關活動進行時間，而有所調整。闖關活動設計看似為課綱實驗的簡化，甚至有些像是科學遊戲，實際上只要參與過設計闖關活動的教師及學生就會知道要注意的細節很多！闖關活動時，夥伴的合作協調都需要經過多次的活動前溝通及實作才能培養好的默契。但是參與過後，無論是闖關活動的關主或者參與實際闖關的師生或科學同好者都會留下難忘的成長回憶。 本教案設計是2021年參與教案甄選入選「國中組」最佳教案設計，主題為「餐桌上的科學」，由日常生活中最重要的「吃」談起，探究食物在科學中蘊含的奧妙。內容以實驗探究式教學啟發學生理解電解質的定義，並引導學生從實作實驗認識強電解質與弱電解質的差異，進而從電解質影響豆漿等膠體溶液產生沉澱的現象，啟發參與者對週遭生活環境產生好奇心及敏銳的觀察力（劉曉倩、謝佶霖，2021)。 課程設計理念 教案設計源起於結合花蓮的自然環境與特色文化，讓學生了解如何製作豆腐，並體會花蓮水土與傳統技藝的重要性。花蓮的「好山好水」孕育出高品質的黃豆與潔淨的水源，這些都是豆腐製作的關鍵。豆腐不僅是健康的食品，還是一種能從嬰兒到老年人都享用的「沒有牙齒吃到沒有牙齒」的美味，具有廣闊的市場潛力。在這個教案設計中，學生將學習認識黃豆的成份與凝固劑的作用，並了解電解質對豆腐製作的影響，藉此傳承「做久就知」的傳統技藝背後的科學原理，讓豆腐製作不再只憑經驗，而是一門有科學可循的工藝學問。 課程設計內容 一、引導發現問題 （一）引導問題的提出 讓學生觀察不同凝聚劑（如石膏、鹽滷等）對豆腐質地的影響，並引導學生思考：為什麼不同凝聚劑會產生不同的效果？豆漿的物質性質（真溶液、膠體溶液、懸浮液）如何影響凝固過程？ （二）知識基礎的建立：解釋「真溶液」、「膠體溶液」、「懸浮液」三者的主要差別 １.真溶液：均勻分布且溶質粒子小於1nm，光線無法產生散射。 2.膠體溶液：溶質粒子大小在1-100nm之間，能散射光出現廷得耳效應。 3.懸浮液：溶質粒子1000nm以上，會容易產生沉澱。 製作豆腐的原料豆漿為一種膠體溶液，膠體溶液能維持粒徑在10-9～10-7公尺是因表面帶有相同電荷（如圖１所示），相同電荷造成斥力使其不會沉降。  圖１： 膠體粒子因表面帶有相同電荷，相同電荷造成斥力使其不會沉降 製作豆腐過程中加入硫酸鈣，豆漿膠體粒子表面之負電荷被鈣離子所中和電性，導致凝聚而形成豆腐花。 （三）引導學生探索膠體溶液中最易觀察的現象 1.廷得耳效應及粒子分散於溶液中而不會沉澱。 2.引導學生設計實驗來檢驗豆漿的膠體溶液特性，如透過光束照射觀察廷得耳效應。 二、教學活動設計 （一）引起動機 發下各類豆腐食品（如豆乾、豆腐花）與學生分享，詢問學生對於豆腐製成過程和原理的認識，進一步引發他們的興趣。例如，可詢問學生：「你們知道豆腐是怎麼從黃豆變成的嗎？」或者「你們覺得豆腐和豆乾有什麼不同？」簡單介紹豆腐的種類及製作的基本原料，包括黃豆磨成的豆漿，並介紹傳統凝固劑石膏（硫酸鈣、氯化鎂）的作用。說明豆漿在加入石膏後發生的化學反應及產生凝固的過程，並引導學生思考豆漿是否是一般的液體？其內部結構有什麼特別之處？ （二）實驗活動一：光線散射實驗 1.步驟 分發一杯糖水和一杯豆漿給每組學生，使用雷射筆分別照射糖水和豆漿，讓學生觀察兩者的現象差異。 2.觀察與討論 引導學生描述觀察的現象：糖水中的光線似乎直穿而過，而豆漿中的光線則被散射。詢問學生：為什麼會有這樣的差別？ 3.概念建構 解釋觀察的現象為廷得耳效應，這是一種膠體溶液特有的光散射現象。讓學生思考，根據這個實驗，豆漿屬於哪種類型的溶液？（答案：膠體溶液） （三）實驗活動二：豆漿凝固實驗 1.步驟 （1）提供五種溶液（飽和葡萄糖、氯化鈉、硫酸鋁、食醋、硫酸鈣）和20 mL熱豆漿給每組學生。 （2）讓學生分別將五種溶液加入豆漿中，攪拌均勻，靜置5分鐘以進行冷卻，觀察豆漿是否產生凝聚反應，如圖２所示。 2.觀察與記錄 學生觀察並記錄每一種溶液加入後的變化，如是否出現凝固現象或結塊情況。 圖2： 從豆漿沉降情形中推測，陽離子價數愈高者，豆漿沉降情形愈明顯 3.討論與概念建構 引導學生比較並討論，哪些溶液導致豆漿凝固為豆腐。引導學生發現只有某些溶液能引起豆漿的凝固，這與溶液中是否含有電解質有關。 4.引入電解質與非電解質概念 進一步解釋，只有電解質溶液（如硫酸鈣）能夠使豆漿中的蛋白質分子凝聚成豆腐花，非電解質（如葡萄糖）則無此作用。 5.總結與反思 透過實驗和討論，學生理解溶液類型、膠體特性以及電解質對豆漿凝固的影響。最後讓學生總結學到的知識，並思考豆腐製作的科學原理如何應用於其他食品製程？（教案設計如附錄）。 […]