理解日常的化學挑戰：探究真實問題之化學素養教育—國小「食物電池」全民科學週 教案設計與闖關實作 柯凱珮 花蓮縣北埔國小 Email: chchch68@gmail.com 前言 在國民小學自然科教學裡，檢驗水溶液性質是高年級學童踏入化學領域裡，基礎且重要的一步，其內容以觀察物質溶解現象、探討酸鹼性、自製天然指示劑及測試水溶液導電性為主。筆者在教學過程中經常延伸導電性的教學實驗，讓學童以易取得的食物中嘗試發電，並學習變因控制的科學方法。一方面滿足孩童喜歡動手操作的天性，另方面在十二年國教課綱自然科學探究與實作的趨勢裡，勢必從國小階段就開始培養孩子「發現問題而去尋求解答」的能力。 本教案設計是2021年第七屆「北花蓮全民科學週」參與教案甄選入選「國小組」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，探究自然科學中許多與「食物」相關的現象，透過物理、化學、仿生、生活科技等跨領域的動手操作，理解食物在科學中蘊含的奧妙（仿生與環境實驗室，2024）。本教案結合並強調「動手做」與「趣味性」，同時融入教育部十二年國教課程綱要的學習內涵及表現指標，以實驗探究式教學啟發學童了解某些食物中含有導電物質的事實，引導學童從操作中認識化學電池的正負極，進而啟發學童對生活環境產生好奇心及觀察力（柯凱珮、沈敬堯， 2021）。 教學實施過程與成果 一、教學情境準備與引導 （一）以食物汁液為電解質 由於在課本裡已學過利用食鹽水、小蘇打水、糖水、醋等溶液，連接發光二極體並觀察是否發亮，在延伸學習的活動中，筆者讓學生思考：食物裡含有的汁液是否具備可導電的媒介？學生提出的食物種類五花八門，師生共同討論並慢慢聚焦，在容易取得的前提下，從健康課本裡提到的飲食金字塔來選擇我們的食物。最後，我們選擇了馬鈴薯(五穀根莖類)、紅蘿蔔(蔬菜類)、柑橘(水果類)、牛奶(奶蛋類)、醬油(油脂堅果類)等，亦可視實際狀況更換食物。 （二）兩種活性不同的金屬作為正負極 在情境引導的過程中，筆者播放均一教育平台影片「伏打電池」，約2分36秒，講述1800年義大利人伏特製作伏打電池的過程，並根據影片內容提出問題，引發學生思考正、負極金屬與電解液的關係： Q1：伏特利用何種物品作為正負極？ Q2：伏打電池的電解質溶液是哪一種液體？ 學童從影片中瞭解：化學電池是利用兩種活性不同的金屬作為正極(Cu)與負極(Zn)，它們之間還需要電解質；當兩種不同的金屬碰觸到電解質，形成氧化還原反應，產生電子轉移；化學電池即是將化學能轉換成電能的一種裝置。筆者請學生回溯中年級時利用電線、電池、燈泡接通電路的舊經驗，使用學生熟悉的學習內容、生活現象或實際經驗，減少認知負擔。 師生討論後，決定第一階段模擬伏打電池，以銅片及鋅片作為正負極，如果成功，第二階段就將正負極物質改成容易取得的「壹圓錢幣」(＋) 與鋁箔(－)。 圖1：器材準備 二、實驗操作流程 本實驗需組員分工合作，建議以異質能力分組為佳，教師可在黑板上畫電路圖進行講解，並指導各組學生按步驟操作： 圖2：教師手繪的電路圖 表1 第一階段：指導學生基本實驗之操作流程 (1)各組在桌上鋪好報紙。 (2)將電子時鐘的紅線接上正極物質，藍線接上負極物質。(本範例正極為Cu，負極為Zn)。   (3)另取一條電線，一端接銅片，一端接鋅片。 (4)組長至講台前切開食物，並依電路圖正確插上正負極物質與電線，觀察電子時鐘是否出現數字? 【補充說明】 能夠啟動電子時鐘所需之電壓為0.9V。 (照片中之儀器為數顯可調式電源供應器) 實驗結果：如果電子時鐘沒有亮，請學生檢查是否接錯或鬆脫現象，立即著手修正；如果順利成功，則進入第二階段，更換正負極再行測試： 表2 第二階段：指導學生更換正負極物質之操作流程 將原本的正極Cu改為壹圓硬幣，原本的負極Zn改為廚房鋁箔紙。 觀察電子時鐘是否出現數字? 學生在練習更換正負極物質之後，若能成功發電，第三階段教師可進階開放，讓學生使用不同食物搭配不同正負極物質來進行食物發電。教師提供市售粗筆心(石墨)作為正極物質，迴紋針作為負極物質。 表3 第三階段：學生自主探究不同食物的電解質之操作結果 【食物】紅蘿蔔 石墨(＋)，迴紋針(-) 【食物】地瓜 石墨(＋)，迴紋針(-) 【食物】牛奶 石墨(＋)，迴紋針(-) 三、學生紀錄與歸納 大部分的小學生對於「食物」有莫名的期待，而食物結合發電，更能引起學生高度興趣。筆者鼓勵學童在動手操作後，立即畫下或寫下操作過程，而食物電池很適合以畫圖方式重現實驗，如圖3及圖4： 圖3：學生手繪的檸檬電池(正極-壹圓硬幣，負極-鋁箔) 圖4：學生手繪的柑橘奇異果電池(正極-壹圓錢幣，負極-迴紋針)     從學童的繪畫中，筆者邀請孩子說說看：如何連接電線與壹圓錢幣？如何連接電線與迴紋針？如果壹圓錢幣與迴紋針碰在一起會發生什麼事？你們這組的食物電池讓電子時鐘亮多久？操作中你覺得最困難的是什麼？如果正負極不小心碰在一起，電子時鐘還會亮嗎? […]