臺灣化學教育
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設計適合國小學生動手做的化學實驗: 「美國中學化學教材–分子問題單元」 在臺灣小學高年級實施現況分析 ／ 周正秋、張自立、辛懷梓
Monday , 11, March 2019 未分類, 本期專題, 第三十期/2019年03月 Comments Off on 設計適合國小學生動手做的化學實驗: 「美國中學化學教材–分子問題單元」 在臺灣小學高年級實施現況分析 ／ 周正秋、張自立、辛懷梓設計適合國小學生動手做的化學實驗: 「美國中學化學教材—分子問題單元」 在臺灣小學高年級實施現況分析 周正秋1,3,*、張自立2、辛懷梓2 1國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班 2國立臺北教育大學自然科學教育學系 3臺北市立大安區仁愛國民小學 jou2384@ms79.hinet.net ■前言 在十二年國民基本教育課程綱要自然科學領域課程手冊初稿中的新舊課綱學習內容的對照表裡提到:在自然界的組成與特性的課題中學習內容Ina-III-1物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動。九年一貫課程綱要安排在第四學習階段之認識物質，以及次主題120物質的組成與功用第三學習階段物質可以分解與組合實施。新課程綱要則將此課程內容調移到第三學習階段實施，但以物質可以分解為更小的粒子，不必提及原子的概念(教育部，2017)。 目前的自然領域教材在國小六年級上學期關於「熱對物質的影響」的課程裡安排了多項實驗，如物質受熱後可以恢復原狀或無法恢復原狀的變化、物質三態皆有熱漲冷縮的現象、熱的傳播方式…，對於剛進入自然領域教學的菜鳥「老」老師–我而言，大多只能按照課本中的內容來進行教學活動，剛開始我會擔心面對學生在課堂上的臨時提問答不出來的窘境，因此在上課前便會將廠商提供的教師手冊、教師專用課本一看再看。即使在教過一年(7個班級)之後，對於教材與教法也只是處在較為熟稔的階段。 去年9月有幸進入國北教大自然教育研究所就讀，在化學特論周老師的課堂上，接觸到美國中學的化學教材，它的第一章就是在探討物質–固態、液態和氣態，因此萌生了想要把該章節中與六上「熱對物質的影響」有關的內容加入我的課堂教學之中的想法。在翻譯第一節分子重要性的過程中，讓我感受到臺灣與美國教材的差異，一開始便讓學生知道這個章節的重點概念是什麼，讓學生透過各種有系統的活動操作，從中去觀察、去紀錄自己看到的現象為何?如何解釋這種現象?並試著提出自己的看法。同時在教學過程中能利用現代的科技–網路媒體資源，讓學生能具體的體現水分子的各項活動。 因此，筆者試著將美國中學的化學教材(美國化學學會，2018)第一章第一課分子問題的教材內容翻譯，融入在自然課程康軒版國小六年級上學期的第二單元熱對物質的影響教學內容中來實施。希望藉由這樣的教學活動讓六年級學生對於物質的組成與特性能有更進一步的認識。 ■物質的組成是什麼？ 物質是一個科學上沒有明確定義的詞，一般是指靜止質量不為零的東西。物質也常用來泛稱所有組成可觀測物體的成份。所有可以用肉眼看到的物體都是由原子組成，而原子是由互相作用的次原子粒子所組成，其中包括由質子和中子組成的原子核，以及許多電子組成的電子雲。一般而言科學上會將上述的複合粒子視為物質，因為它們具有靜止質量及體積。原子本身並非靜止不動，而會因溫度影響不斷做熱運動(振動)。物質中的原子由於電力的作用而產生鍵結，此鍵結使得原子間會保持在某一特定的平均距離(穩定距離)，當原子間距太近時會有排斥力，太遠時則會產生吸引力(信望愛文教基金會，2017)。 美國物理學家費曼在教學時使用的《物理學講義》(The Feynman Lecture on Physics) 第一冊第一章曾說：假如由於某種大災難，所有的科學知識都弄丟了，只有一句話可以傳給下一代，如何才能使用最少的詞彙來傳達最多的訊息？就是：「所有的物體都是由原子所構成。」(科學園，2010) 表一有關物質的三態的微觀解釋 物質 金屬的晶體結構及混合物 化合物 組成 物質由同類原子或不同類原子聚集而成 物質由同類原子或不同類原子結合而成 成因 原子之間主要以電磁力的交互作用，使彼此間維持適當的距離。原子不停地運動著，當彼此略微離開時會相互吸引，而當彼此靠近時則會相互排斥。 例如：兩個氧原子結合成為一個氧分子，或兩個氫原子與一個氧原子結合成為一個水分子。原子之間形成化學鍵，將分子內的原子束縛成為一定的形狀，但原子不停的振動，動態地維持一定的平均距離。 固態 a. 固體內的原子呈現規則的排列。 b. 原子在各自的平衡位置附近作凌亂無序的微小振動，這種原子的運動現象與溫度有關，稱為熱運動。 c. 當溫度不高時，在電磁力的強力束縛下，原子間無法產生結構性的改變，故固體有一定的體積及一定的形狀。 a. 在熔點以下的溫度時，物質呈現固態。 b. 原子與分子形成排列整齊的晶體結構並維持一定的相對位置。 c. 原子與分子僅能在其排列位置上振動而不能自由移動，因此固體有一定的體積及一定的形狀。 液態 a. 溫度升高時，原子的熱運動加劇，振動現象變得較為激烈，原子可以掙脫在固定位置上的束縛，此時固體將熔化成為液態。 b. […]
分子的永久偶極與分子結構對稱性之關係 洪敬明 國立交通大學應用化學所物化組國立交通大學教育學程 kusoer1017@hotmail.com n 前言 本人於2016年參加【高中基礎科學研習會】，聽到一位化學教師（教師甲）於分科研習的「教學疑難問題討論」時段，提出有關「丙烷分子具有極性的解釋」。該名教師轉述其同事（教師乙）的觀點，教師乙認為若以「極性鍵的向量和」來預測分子極性，則理想結構的丙烷分子應不具有極性，理想結構是指分子內所有相鄰原子的夾角皆為109.47°且所有C−H鍵長皆固定的結構。教師乙認為丙烷分子的極性是來自於真實結構的丙烷分子的鍵偶極無法完全抵銷，因此丙烷分子具有些微極性。而教師甲則認為理想結構的丙烷分子是具有極性的，且因丙烷分子的真實結構更接近平面，使鍵偶極矩部分抵銷，造成真實結構的丙烷分子極性反而較理想結構為低，即是以「分子對稱性」來預測分子極性。 由於以上兩個教師提出不同的論點，對於丙烷分子是否具有分子極性有不同的預測結果。本人對這個懸而未決的問題很感興趣，於研習結束後，查閱《高級中學選修化學課程綱要》（99課綱）高中三上物質構造的「鍵極性與分子極性」，找到一段文字敘述：「多原子分子的極性，由鍵極性與分子的幾何形狀決定。非極性分子指分子的偶極矩為0者，即鍵極性的向量和為0」，此處極性是指永久偶極（permanent dipole）。本人也進行簡易計算和資料蒐集，期望能釐清此一問題。以下為該次研習所提出的兩個論點和本人針對此一問題提出的新論點。 n 論點一：從極性鍵的向量和決定分子極性的觀點出發，推測理想結構的丙烷分子應該是沒有極性的。 分子偶極矩與極性共價鍵 分子是由原子所組成，當組成分子的原子不只一種時，因不同原子的電負度（electronegativity, EN）有所差異，造成形成鍵結時電子於不同原子間的分布不均勻。電負度較小的原子對電子的吸引力較小，一般帶部分正電（）；反之，電負度較大的原子則帶部分負電（），這種正負電荷相距一段距離的狀態稱為電偶極（electric dipole），而電偶極的大小一般使用分離的正、負電荷（庫倫）的絕對值大小，乘以正、負電荷的距離（公尺）來表示，稱為電偶極矩（electric dipole moment），單位為debye，簡寫為D（ C．m），方向由正電方位指向負電方位。大致而言，電負度差小於1.7的原子所形成的鍵結為共價鍵，等於0者或趨近於0者為非極性共價鍵，偏向1.7者為極性共價鍵，大於1.7者為離子鍵。但有少數例外；例如氟與氫間的鍵結，其電負度差為1.9，但H−F鍵仍被認為是極性共價鍵。而分子的極性大小與方向可由分子內極性共價鍵的電偶極矩（以下將共價鍵的電偶極矩簡稱為鍵偶極矩）的向量和來描述。 丙烷分子的極性討論 本人利用以下分子模型簡單闡述教師乙所提出的「論點一」。圖1左為甲烷分子的模型，因其結構的高對稱性（點群：Td）使得甲烷被歸類為非極性分子。若甲烷為非極性分子，表示其分子內各鍵偶極矩的向量和為0（鍵偶極矩 (1) + (2) + (3) + (4) = 0）。亦即，鍵偶極矩 (1) + (2) + (3) 的大小與鍵偶極矩(4)相同，且方向相反（鍵偶極矩 (1) + (2) + (3) = −(4)）。圖1右為乙烷分子的模型，其中兩個碳原子因電負度相同，因此C−C鍵為非極性鍵。同時明顯可知，乙烷兩個碳原子分別構成的CH3（此處視為甲基），其中一個甲基的鍵偶極矩（(1) + (2) + (3)），另一個甲基的鍵偶極矩（(4) + (5) + (6)），兩者的向量和的大小相等、方向相反，其鍵偶極矩的向量和必為0，因此可得知乙烷為非極性分子，實驗結果也顯示乙烷為非極性分子。 圖1：甲烷的分子結構（左）和乙烷的分子結構（右） 我們可以根據前面的結果來推測丙烷分子的極性。圖2左為丙烷分子的理想結構，丙烷上兩個甲基的碳原子與中心碳原子電負度相同，因此兩個C−C鍵應為非極性鍵（實際上並非完全沒有，請見後續討論）。以丙烷中間的碳原子當成中心原子，則左右分別鍵結兩個甲基，而其中一個甲基所造成的偶極矩為（(1) + (2) […]
設計國中教材—細數原子與分子 李志鴻 新北市立錦和高級中學 leho1272@ms54.hinet.net n 前言 目前國中教材有關物質組成的部分，從原子結構單元開始進入微觀粒子的介紹，而之後銜接的教材即為細數原子與分子單元，內容嘗試說明原子量、分子量與莫耳數的關係。本文作者的經驗顯示有相當大比例的學生是未學先「懼」，甚至學過放棄。因此如何讓國中學生在學習這個單元時不會感覺抽象，容易接受與學習是一項困難的挑戰。有鑒於此，本文作者針對現行審定的教材進行探討，進而設計輔助說明的學習單以幫助學生學習原子量、分子量與莫耳數的關係。 n 目前教科書的內容安排 在學習「細數原子與分子」單元，一般教科書大致上是以下述的方式來說明原子量、分子量與莫耳數的關係： 1. 先告訴某一純物質物體質量與此物體中有多少個原子，讓學生計算一個原子質量大約是多少。如康軒版以「壹元硬幣的質量約為3.7公克，若是純銅所製，應含有約3.5 × 個原子」的例子帶入1個銅原子質量很小。 2. 再說明為了比較各種不同元素的原子質量是不同的，訂定原子量作為比較各種原子質量的依據，並以質量數為12的 原子之原子量為12。 3. 接下來定義亞佛加厥數：「1個原子是如此的小如此的輕，為方便計量，科學家制訂一個龐大粒子數的單位—莫耳。經過科學家實驗測得1莫耳 ＝ 6 × 個。」 n 學生可能產生的學習困難 雖然教科書簡略陳述原子量、分子量與莫耳的意義，但是從教科書內容邏輯脈絡的陳述而言，原子量與原子真正質量之比較卻無法從中簡單看出，以至於學生仍無法了解原子量與真正質量的關係。同時，科學家為何選定6 × 個，而非其他數值作為1莫耳，再加上學生對於「莫耳」一詞的陌生，並無法從莫耳兩字看出其含意。因此學生在此單元面對眾多的名詞勢必充滿疑惑，加上需要計算質量極小、數量極大的原子與分子，對數學理解能力稍差的學生，在學習上出現問題的機會即會大增。 n 教材設計分享 本文作者在此提供已經實際運用在教學上並獲得不錯的學習成效的6個學習單作為教師教學時的輔材內容，提供教育現場教師參考。 一、 轉換基本粒子質量的表示法 如表1所示，將質子、中子與電子的質量透過數學運算轉換（註1），得到表中三種基本粒子的質量，其中質子質量約與中子相等為電子1840倍，而1個質子的質量為1.67× g。 表1：三種基本粒子的質量 二、 複習原子的質量等於質子、中子與電子質量和的概念 接著從第三冊學過的原子結構帶入，原子的質量即為質子、中子及電子質量的總和。如表2所示，透過讓學生寫出三種基本粒子的數量，進而導引出不同原子的質量即為三種粒子質量的總和。最後將實際質量的數值帶入，以數學式子計算並得到一個原子的質量與不同原子之間的質量比。 表2：原子質量與其數值的關係 三、 由學生自己計算出的原子質量，看出每種原子的質量比、並從中了解原子量及亞佛加厥數 由表2的計算結果得到一個 原子質量 = ，一個 原子質量 = ，一個 原子質量 = […]