應用微型實驗在國中小二氧化碳製備之比較 葉瀚陽1、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班 2國立臺北教育大學自然科學教育學系 1tony81yhy@gmail.com   ■前言     在現行國中小自然與生活科技領域課程中，皆有二氧化碳氣體的製備實驗，國小實驗方式主要是用燃燒蠟燭產生二氧化碳，或在塑膠袋中加入小蘇打加醋收集氣體。但上述方式卻有收集氣體的純度不足或實驗操作不易之處。     國中課程則改用排水集氣法來收集二氧化碳，其優點是可以大量收集二氧化碳，且收集過程中即驗證二氧化碳難溶於水的特性，對於定性的驗證較為方便。但在「產量」的控制上，排水集氣法無法精準觀察產量變化。本篇旨在以微型實驗「針筒集氣法」比較蠟燭產氣法、塑膠袋集氣法以及排水集氣法等實驗方式之不同處，保留優點並修正不足之處。   ■微型實驗的目標及應用     微型實驗發展已有一段時間，最主要訴求是希望比起一般實驗操作，可以達到更環保、簡便及安全的目的，力求簡化實驗的複雜度，並對環境造成最小汙染（方金祥，2014a）。     本篇針筒集氣法即微型實驗的一種應用，以學生易於取得的器材，簡化實驗的器材裝設與操作步驟，且反應後產生的廢棄物及汙染也極少，相當符合微型實驗的精神。文獻指出，方金祥（2014b）曾利用針筒進行氯氣製備實驗的相關研究，本篇參考其裝置設計，將其應用於其他氣體的製備實驗，再與傳統排水集氣法進行教學比較。    民國106年的新北市國小組科學展覽會中，即有一篇是以「針筒集氣法」來收集氣體，解決傳統「排水集氣法」無法量化紀錄缺點，並以針筒集氣法測定不同反應物的重量、濃度與溶液種類的氣體生成實驗比較。然在此篇科展的結論中，僅說明針筒集氣法之優點，未詳細與蠟燭集氣法、塑膠袋集氣法與排水集氣法進行優缺比較，也未在教材的延續上做說明。本篇將詳細比較上述各種實驗方法之器材與反應物的準備、操作步驟以及反應後剩餘物的差異，以作為國中、小教師未來在進行氣體製備單元教學時的參考。   ■二氧化碳製備實驗的重要性與教學目標     國小階段的二氧化碳製備主要是定性實驗，教學目標主要為帶領學生學會設計實驗流程、決定控制與操作變因以及認識二氧化碳的基本特性，例如助燃性或比空氣重等等。     國中則包含定性與定量，除了再次驗證二氧化碳的基本性質外，主要的教學目標是要讓學生了解二氧化碳製備背後的化學反應，包括化學式的認識以及反應物與生成物的劑量計算。可惜的是現行國中課程雖有化學計量的課程編排，卻因定量實驗的精準度要求高、操作工具繁雜及實驗討論困難，導致多有忽略。 十二年國教強調「探究與實作」，旨在培養學生的操作與辯證、處理數據、資料合理度判斷與檢核等能力。因此本篇研究希望對學生自然領域的核心素養培養、國中小自然領域課程設計、教師教學操作與實務討論等面向皆能有所貢獻。   ■傳統製備二氧化碳之實驗討論 一、國小： (一) 方法：蠟燭集氣法、塑膠袋集氣法。 (二) 討論： 1. 上述的兩個實驗主要說明物體燃燒及小蘇打加醋皆可以產生二氧化碳；接著透過加入澄清石灰水產生白色沉澱，檢驗燃燒後產生的無色、無味氣體為二氧化碳。 2. 蠟燭集氣法的耗時取決於廣口瓶的大小，小容量廣口瓶不方便學生操作，選擇大容量卻又可能導致時間不易掌握。 3. 實驗後廣口瓶及塑膠袋內不僅有二氧化碳，因此無完整驗證是否為二氧化碳造成澄清石灰水產生沉澱。 二、國中： (一) 方法：排水集氣法。 (二) 討論： 1. 此實驗相較國小的方法可以收集到較純的二氧化碳，且同時也在實驗過程中證明了二氧化碳難溶於水。 2. 但實驗流程中對「中段氣體」的說明卻不精準，學生不知何時該開始收集。以及此反應容易準備過多反應物，導致實驗後的殘餘反應物較多。 3. 本實驗可精準測量反應物的量，但對氣體生成量的計算，因收集氣體的操作流程中會釋放些許氣體而顯得困難。   ■微型實驗「針筒集氣法」製備二氧化碳實驗的器材、流程與比較 一、實驗器材（以小蘇打加醋為例）： 塑膠針筒、玻璃針筒、三轉活塞、小蘇打水溶液、醋、澄清石灰水。   […]