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化學元素週期表環島之旅 元素實驗動手做設計與活動辦理分享 / 廖旭茂

Wednesday , 1, July 2020 Comments Off on 化學元素週期表環島之旅 元素實驗動手做設計與活動辦理分享 / 廖旭茂

化學元素週期表環島之旅 元素實驗動手做設計與活動辦理分享 廖旭茂1, 2 1台中市立大甲高級中等學校2教育部高中化學學科中心nacl880626@hotmail.com n  前言 IYPT環島巡迴展覽結束了,心裡面除了如釋重負外,更有滿滿的回憶。從去年六月初在台北科教館的開幕典禮上,進行電解水實驗演示活動開始,到八月初的亞洲化學研討會NICE8th,12月初在東京的閉幕式活動,一直到現今的IYPT環島巡迴展覽,終於告一段落,主辦單位周備的思慮、充滿創意的巧思、加上過人堅韌的意志,各式各樣的參與者,串連在一起,而每一個片段也格自發展出跌宕起伏的不同故事,長留心中(圖1)。 圖1:IYPT環島巡迴展甲中站合照 五月中承諾接辦IYPT環島巡迴展覽甲中站的活動,自五月底辦完漢口國中科學宅急便後,立馬投入這次活動的籌畫。為提升同學參與展覽活動的意願,除了原來的靜態展品外,也規劃了五個元素相關的實驗動手做的活動與四項展品。最後還設計了一個跟展覽相關的學習單,讓學生回答參展心得。 在美虹教授的建議下,將每一個活動元素實驗寫成文章,分享出來,希望幾個實驗設計等相關活動,可以提供後續舉辦者一個參考。 n  元素實驗動手做介紹 五個實驗動手做,實驗最重要的是場地,考慮擺攤的地點在校內藝之鄉周邊,並沒有水龍頭,因此實驗的內容都是偏向微型、綠色的實驗設計,不需要使用大量用水,而且多與最近開發的實驗內容有關。微型、綠色實驗的相關內容近年在國際上風行,演示的過程總是吸引眾多的目光。 此次擔任志工的都是自科社的學生,他們剛剛在5月底參加過市內漢口國中的科學宅急便活動,所以彼此間相當熟悉,也有比較多的實作的經驗;老師僅提供實驗的內容,至於活動如何進行包裝,由志工學生討論決定,相關元素實驗內容分述如下: 一、綠色蝕刻鑰匙圈製作 第一個體驗活動為綠色電化學蝕刻,主要的任務是引導同學體驗自行開發的綠色電化學蝕刻教具。選取一塊方形的黃銅板上,黃銅板上事先貼上了一層膠膜,膠膜上利用割字機「繪」出LOGO圖案,實驗前將「繪」出LOGO圖案以鑷子挑除,造成鏤空的LOGO,藉由直流電與鹽水產生的電化學反應,讓黃銅氧化,蝕刻出LOGO文字凹洞,並將完成蝕刻的黃銅片與印有校徽的相片紙,合一製作成鑰匙。相關電化學類似的製作的原理與方法可參考臺灣化學教育網站1。下圖為綠色電化學蝕刻關的實作過程。 圖2:電化學蝕刻的過程及鑰匙圈的完成圖 實驗所需的藥品材料很簡單:包括9V乾電池(亦可使用可重複充電的18650鋰離子電池及鉛蓄電池)、正方形壓克力鑰匙圈(內徑35×35 mm)、厚0.2mm的黃銅片、可列印相片紙,1M食鹽水。 二、猜猜我是誰–焰色反應     第二個為焰色關,因為金屬氯化物原子化的溫度較低,首先利用金屬氫氧化物與氯化銨反應製造金屬氯化物(製作如步驟1~2)。金屬氫氧化物在酒精凍(製作如步驟3)的燃燒下,發出各種不同顏色的火焰,同學可以根據驗色來判斷金屬氫氧化物的身分。相關步驟如下: 1.      以咖啡攪拌刮勺取未知物氫氧化物M(OH)n和氯化銨,其比例為3平匙的M(OH)n,與1平匙的氯化銨。加入紅蓋試劑瓶中,蓋上紅瓶蓋,觀察兩者的狀態,隨後手持樣本瓶在桌上畫圈,並上下搖晃30秒後,觀察粉末的外觀與瓶身的變化。 2.      打開瓶蓋,以手在瓶蓋上方緩緩揮動,聞聞看是否有特別的氣味。這氣味像什麼?。 3.      取2毫升的飽和醋酸鈣溶液倒入小鋁杯中。隨後以量筒取10毫升的酒精到入小鋁杯中觀察鋁杯中溶液的變化。 4.      撕開一小張衛生紙放置小鋁杯中,覆蓋面積約8~9成。 5.      以刮勺挖取取試劑瓶內的白色物質,放置在衛生紙上,以打火機點燃酒精凍,觀察火焰的顏色。 6.      根據焰色試判斷M的身分。答對後,可以得到小禮物。 圖3:焰色反應–猜猜我是誰闖關活動 實驗所需的藥品材料:包括氫氧化物(氫氧化鋇、氫氧化鈣、氫氧化鍶、氫氧化鋰)、氯化銨、飽和醋酸鈣溶液、95%藥用酒精、衛生紙、咖啡攪拌匙、空試樣瓶、小鋁杯。 三、強取毫奪–微型金屬取代反應 1.      擲骰子決定金屬A與溶液B,先預測可能發生的反應,並將預測結果寫在便條紙上,貼在展示板上。 2.      取B溶液2滴在微孔盤上,並用鑷子夾取一根金屬絲,貫穿液滴後將孔盤放置於顯微鏡下(顯微鏡事先連接電腦螢幕)。 3.      調整焦距後,從螢幕觀察溶液的變化,並判斷孔盤中發生的反應。 4.      比較實際發生的結果與自己的預測是否相符。 5.      相符者可獲的精美小獎品。 圖4:圖左為擲骰子決定A、B,圖中為預測單,圖右為透過螢幕進行觀察 實驗所需的藥品材料:工業用顯微鏡、21吋液晶螢幕、自製微孔盤2、鑷子、便利貼、簽字筆、五種金屬絲(鎂、鋅、鐵、錫、銅)、五種0.5M的鹽溶液(硫酸每、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硝酸鉛、硫酸銅)。 四、氫鈷碘鋅銅氯元素提煉_水溶液電解反應 1.      抽籤或抽擲骰子(氫鈷碘鋅銅氯)抽取欲電解的四種電解質溶液。並提問欲製備的元素會在哪一極析出? 2.      氫氣的製備:取10毫升的硫酸鈉溶液倒入電解器中。裝置完成,隨後通入電流,觀察針筒中溶液的變化。3分鐘後停止電解,分別吸取針筒底座正、負極附近的溶液,加入兩支試管中,隨後滴入廣用指示劑2滴,觀察溶液的顏色變化。接著以針筒通過三向閥吸取兩極的氣體,針筒前端接矽膠管將氣體打入泡泡水中。打火機點火靠近泡泡,觀察泡泡變化。猜猜看這氣體是甚麼? […]

推廣化學活動「哈利波特—科學與魔法的奧秘」/Lydia W.L. Chen and Colin N. Yates

Thursday , 16, October 2014 Comments Off on 推廣化學活動「哈利波特—科學與魔法的奧秘」/Lydia W.L. Chen and Colin N. Yates

推廣化學活動「哈利波特—科學與魔法的奧秘」 Lydia W.L. Chen1* and Colin N. Yates2 1布魯克大學,聖凱瑟琳市,安大略省,加拿大 2滑鐵盧大學,滑鐵盧市,安大略省,加拿大 *lchen5@brocku.ca n  緣起 誰不想親眼目睹炫麗的化學實驗?讓魔幻的火花點燃你對知識的渴望。推廣化學活動是種既有趣又具備教學價值的挑戰。讓熱愛學習的朋友們一起來盡情地體驗對科學的感動。當我還在位於加拿大西部的阿爾伯塔大學(University of Alberta)攻讀分析化學的博士學位時,我有幸在多位對推廣化學教育悉心竭力的教授們的指導下學習,耳濡目染的薰陶讓我對化學教育有著深刻的感觸。我盼望可略盡棉力,透過《臺灣化學教育》和大家做學術的交流。一同分享我對推廣化學活動「哈利波特—科學與魔法的奧秘」策畫與實施的心得。 選擇活動的主題是首當其衝的話題。既然是要讓大眾都能接受的範疇,就得選擇一個能讓大家都願意去多了解的題材。還有什麼比神秘的魔法和科學的結合更能觸動人們對未知的求知慾呢?J.K. 羅琳的《哈利波特》旋風從1997年出版第一部的「哈利波特—神秘的魔法石」便讓全球的讀者為之瘋狂。加拿大的國中必修的英文課程更將其引進為官方教材。所以我才大膽的以「哈利波特」為主題,進而設計一系列的化學實驗更多人熟悉電影中神祕的魔法往往與化學原理有著千絲萬縷的牽連。再者,通過推廣此項活動能讓更多就讀偏遠地區的學子有更多的機會接觸並實際操作化學實驗。活動的所在地設於加拿大東部的安大略省的亨茨維爾鎮(Huntsville)(人口約一萬九千人)和繁忙的台北市比起(人口約二百六十二萬人是屬於小型的城鎮)。 n  策畫三部曲 第一部:申請資金 加拿大化學研究院(The Chemical Institute of Canada, CIC)內的化學教育基金(Chemical Education Fund)是一個提倡化學、化學教育、和化學工程的公益團體。當我在阿爾伯塔大學就讀時是CIC的愛德蒙頓市(Edmonton)分支的學生代表,所以我深知公益團體有些鮮為人知的資金等著你去申請。我個人的觀點是 "It never hurts to ask!" 也就是說「不問默宰羊(請用台語發音),問了才知道」。在申請化學教育基金時,我希望有人能為我指點迷津,要如何增加成功申請的機率。二話不說,我一通電話打到CIC位於加拿大首都渥太華(Ottawa)的總部去詢問。我把得到的資訊和個人申請的經驗在以下做了個整理。首先務必詳細的列出每一項支出,不僅是購買化學物品的總和,而是每一項化學物品的單價和數量。為了能讓基金會的委員們更能較輕鬆的了解申請活動的內容和對社會的貢獻,最好能引用相關的媒體報導,包括平面媒體及記者的採訪。若活動的主旨是極明確的對社會大眾有教育的性質,而不是為了某所學校招生之嫌,那活動申請被批准的比率也大大得提升了。我照上面列的重點去申請,而在兩個月內,我的活動資金被成功的全額批准。 第二部:設計與宣傳 資金與實驗室的空間是決定學生人數的首要條件。基於實驗的設計和安全的考量,我鎖定的學生是小學五年級到六年級。我從加拿大教育部的官方網上查出這個學區內的所有學校,並逐個打電話去宣傳活動。亨茨維爾鎮僅有五所小學。在短短的三天內,註冊的一百八十個名額已然全部爆滿,可見「哈利波特」的號召力不可小覷。為什麼去選擇用如此費工夫的宣傳方法去聯絡學校呢?要針對鎖定的對象去做適合的宣傳。人口較稀疏的城鎮更注重「人情味」。所以用更直接的談話方式可以讓宣傳達到事半功倍之效。尤於活動的日期是在上課的期間,所以實驗的長短得配合小學上下課的時間。加拿大的小學上學時間是早晨九點至下午三點,比台灣的小學上學時間短。活動的日期是在2014年的4月29日至30日,每天分三個時段:早晨九點到十點,十一點到正午,下午一點到二點。每個時段有三十個學生參與活動。活動的地點在位於亨茨維爾鎮的「滑鐵盧環境研究中心(Waterloo Summit Centre for the Environment, WSCE)」。還有一項不可不提的重點就是得向每個學校有關安全的部門諮詢並撰寫出一份學生安全的切結書。內容包括參與的學生得了解在實驗的過程中有可能潛在的危險,所以實驗袍及安全眼鏡得戴著,並得遵守實驗室的安全守則和聽從老師的指示。每個學生的家長都必須簽下切結書,以保障學校和學生的權益。 第三部:實施 活動的當天,學生們在「牧場看守人—海格」(Jody Andruszkiewicz, WSCE的教育專員)的帶領下充滿期待得走進「霍格沃茨魔法學校」(WSCE)的大門。迎接他們的是穿著黑色魔法師長袍的教授們。「鄧不利多教授」(Dr. Yates)除了歡迎新生們,更提醒有關的安全措施,和把學生們分別編入四個學院:格蘭芬多(Gryffindor)、斯雷瑟林(Slytherin)、雷文克勞(Ravenclaw)、赫夫帕夫(Hufflepuff)。每個學院代表著不同的實驗,是由兩位滑鐵盧大學的學生充當義工來領導最多八位小學生。每十五分鐘,學生們就輪流交替著不同的實驗。所以在一個小時後,每一位參與的學生都有機會親手操作四個不同的化學實驗。為了讓充當義工的滑鐵盧大學的學生有充分的實戰經驗,我給每一位義工都準備了一份詳細的實驗步驟和背景資料。我更親自訓練這些大學生們,讓他們可以有無數次實際操作的經驗,直到他們有信心去示範實驗並帶領大家討論如何解釋他們所觀察到的現象。 每個時段包含了兩個示範表演和四個學生可親手操作的實驗。示範表演包括「消失的鄧不利多教授」(液氮、滾水,請看圖一)和「靈蛇吐信」(過氧化氫、碘化鉀,請看圖二),分別由Dr. Yates和我親手操刀。而學生們親力親為的實驗則有「變大的咒語」(乾冰、甘油,請看圖三),「變色龍的詛咒」(酸鹼指示劑、日常生活的酸性和鹼性溶液,請看圖四),「巫婆的玻璃樽」(乾冰、洗碗精,請看圖五),和「滅光器」以及「碰!爆炸的魔力」(蠟燭、醋、小蘇打粉,請看圖六)。以上的化學實驗設計極適合融入平常的課堂教學,主題包括密度、氫鍵、相位變化、酸與鹼的反應。 圖一:「消失的鄧不利多教授」(液氮、滾水)。一群五年級和六年級的學生在「牧場看守人—海格」(Jody Andruszkiewicz, WSCE的教育專員)的帶領下充滿期待得往二樓的陽台遙望。難道鄧不利多教授來個「乾坤大挪移」把自己換影移形了? 圖二:「靈蛇吐信」(過氧化氫、碘化鉀)。我充當「麥格教授(Professor McGonagall)」。大家都迫不及待得舉手想當我的小助手。 […]

國際志工服務—在馬來西亞推廣化學驚奇實驗/李錡峰、李哲宇、許乃月、楊水平

Wednesday , 15, October 2014 Comments Off on 國際志工服務—在馬來西亞推廣化學驚奇實驗/李錡峰、李哲宇、許乃月、楊水平

國際志工服務—在馬來西亞推廣化學驚奇實驗 李錡峰、李哲宇、許乃月、楊水平* 國立彰化師範大學化學系 *yangsp@cc.ncue.edu.tw n  緣起 教育部為鼓勵國內大專校院學生參與國際志工服務,培養學生對國際社會人文關懷之使命感、責任感,拓展國際視野履行世界公民之義務,磨練學生所學專業知識與技術能力,並藉以增進臺灣與其他國家人民間相互瞭解及交流,特訂定「教育部補助大專校院學生參與國際志工服務要點」。在其要點的「國際志工服務項目」包括:有關教育輔導、社區營造、醫療衛生、生態保育、人道關懷與救援、協助第三世界友邦國家提升技能服務及其他國際志願服務等項目。 國立彰化師範大學依據教育部規定,特制定「國立彰化師範大學國際志工服務計畫獎補助要點」,並制定「103年度馬來西亞教育志工交流計畫」,其目的有四:(一)鼓勵本校學生踴躍參與本校國際志工服務學習活動。(二)鼓勵本校學生藉服務增進教學知能及專業素養,並經由體驗式學習與國際接軌。(三)鼓勵本校學生拓展國際視野,培養對國際社會人文關懷之使命感。(四)鼓勵本校學生將專業回饋社會,將愛心奉獻給人群,提升「服務學習」的範疇與視野。 在青輔會的支持下,2009年7月國立彰化師範大學首次舉辦「志」在四方海外國際志工「暑期創造思考研習營」,在吉隆坡臺灣學校禮堂舉行。參加此次志工服務有15位準中等學校教師,來自各個不同學系且接受完整的師資培育課程。對滿懷教育服務熱忱的志工們,經由參與此次研習營拓展其國際視野,培養出對國際社會人文關懷的使命感與教育愛心的奉獻精神。 n  交流目標與參與動機 近年來國立彰化師範大學積極推動國際教育志工,計畫旨在推動兩國之間的交流,並以數理科為基礎及課業輔導,推動科學教育,輔以協助學生品德、體能、生活及生涯規劃輔導之課程。此外,本校為師資培育之師範大學,針對具有師資培育資格之學生,能藉此以教育志工為基礎,從做中學,使彼此有所增益。103年彰化師範大學師陪生赴馬來西亞國際志工交流計畫的目標為:(一)培養並精進本校師資培育學生所學專業學科知識以及教學能力。(二)增進多方面教學經驗並增進學生與其他國家人民間交流,發展師資培育之學科能力。(三)培養學生對國際社會人文關懷之使命感、責任感,發揮史懷哲精神,實踐志工服務以及有教無類之理念。 化學是一門與生活非常貼近的學科,生活中處處有化學,把化學這門科目轉變為學生的興趣是我們此行最大的目標。對於馬來西亞的中學生來說,雖然化學是一門較乏味的、艱深的科目,但是中學生通常對於具有震撼性、爆炸性及驚奇性的化學實驗甚感興趣。因此,我們除了教授課本上的知識外,同時也規畫一些有趣的化學驚奇實驗於課程中,以激發學生對於化學的興趣,並期望透過化學活動讓學生獨立思考並探討化學的世界。 對於我們來說,能夠親臨馬來西亞的現場教學是非常難得的機會,而達到教學相長是我們最快樂的事情,希望帶給學生們更多不一樣的課程,讓學生不再害怕化學。本次化學教育推廣活動在馬來西亞的濱華中學(馬來西亞民辦的華文中學之一,也是巴生四獨中之一,位於雪蘭莪州巴生),以下為國際志工服務—在馬來西亞推廣化學教育的企畫流程圖(圖一),為了讓馬國學生有較佳的學習成效,我們根據不同面向去分劃課程,以隨時適應不同的教學環境及學生。化學驚奇實驗的示範教學是本次推廣化學教育的重要項目。 圖一:國際志工服務—在馬來西亞推廣化學教育的企劃流程圖 n  教學現場 化學示範教學不僅能製造令學生產生好奇和驚訝的感覺之外,更能讓學生對於化學發生變化印象留下深刻並激起學習的興趣,使學生更願意對其深入思考並進行深入的討論。 本次活動的授課教師有:國立彰化師範大學化學系學生李哲宇、李錡峰和許乃月,指導教授為楊水平老師。化學示範實驗的規畫以酒精為主軸,包含「燒不破的紙鈔」和「酒精槍」兩個單元,其優點為藥品在當地可以方便取得(化學藥品無法過境到馬來西亞),酒精較無毒性也較安全。 以下是本次活動的示範教學過程和教學說明,以「燒不破的紙鈔」為例。 1.        首先,教師取一張玩具鈔(假鈔),浸泡於95%酒精後,然後點火燃燒,玩具鈔立即燒毀(圖二)。 【教學說明】:學生對於火焰、或是爆炸的實驗感到興奮,當教師燃燒玩具鈔時,可以引起學生的注意。若沒有特別注意紙鈔是假鈔,有些學生會認為教師真的把「紙鈔」燒毀了。 圖二:教師點火燃燒紙鈔(假鈔) 2.        教師再拿出一張真鈔(當地的馬幣),浸泡於事先準備好的酒精溶液(各50 mL的水與酒精混合液、再加約30 g的氯化鈉固體,並攪拌促進溶解),然後點火燃燒,這次鈔票不會燒毀。 【教學說明】:對此階段的示範,學生可能會預期紙鈔(如同紙張一樣)會被燒毀,但是學生對此次「燒不破的紙鈔」的現象感到十分驚奇並產生疑惑(圖三)。 圖三:學生對「燒不破的紙鈔」感到驚奇和疑惑 3.        教師與學生互動討論,為何鈔票不會燒毀?(圖四)。 【教學說明】:透過學生對於示範實驗引起的好奇心,引導學生討論紙鈔為何無法被燒破的原因。利用小組問答的方式作為討論的基礎,讓學生思考與討論,然後讓學生進入動手做的階段。 圖四:教師與學生互動討論 4.        學生親自動手做,人人都可以成為「紙鈔燒不破」的魔法師(圖五)。 【教學說明】:教師向同學徵求真實的紙鈔(馬幣),讓學生親手操作「燒不破的紙燒」的實驗。當燃燒真鈔的幣值越大時(當時使用馬幣50元,相當於台幣約500元),台下的同學也會更加的興奮緊張,如此可以加深同學對於本實驗的印象。 圖五:學生親自動手做「燒不破的紙燒」 n  學生學習回饋 受限於時間和其他因素,以五個選項來分析學生對於我們的教學的滿意度:5表示非常滿意、4表示滿意、3表示普通、2表示不滿意、1表示非常不滿意,本次施測對象為高一理一和高一理二共兩個班,統計結果如表一所示: 表一:學生的學習感受分析結果 科目 教師上課的音量 教師教學的方式 課堂的理解程度 講義簡單明瞭 高一理一班 4.26 4.24 3.90 3.81 高一理二班 4.50 4.33 […]

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