慶祝IUPAC100&2019國際週期表年在臺灣(IYPT in Taiwan) 活動成果展示: 從展示、演示與實驗跨出科教館在國際化學元素週期表年的盛宴 陳虹樺1*、陳雪玉2、林祝里3、李姤妤1、陳思羽1、周憶慈1 國立臺灣科學教育館實驗組教育人員1 國立臺灣科學教育館館長2 國立臺灣科學教育館實驗組主任3 irisnn@mail.ntsec.gov.tw1* 科學的發展,元素週期表扮演了相當重要的角色。第一個有規律性的元素週期表是在1869年由俄國化學家門得列夫(Dmitri I. Mendeleev)所提出,為表彰門得列夫對科學的貢獻,適逢2019年是第一張元素週期表提出的第150周年以及國際純化學及應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,簡稱IUPAC)成立100 周年慶,聯合國教科文組織便訂定2019年為「國際化學元素週期表年」(International Year of the Periodic Table of Chemical Elements,簡稱IYPT)。在此國際盛會下,國立臺灣科學教育館(後簡稱本館)秉持推廣科學教育的宗旨及本質任務,應邱美虹教授之邀請,與全臺相關推動化學教育、科學教育的館所、機構及中心,共同辦理各式推廣慶祝活動,從「發現週期表」、「認識週期表」到「應用週期表」的脈絡,規劃一系列的科學課程與科普活動,提供中小學師生或一般民眾體會化學元素週期表的奧秘與美麗。 壹、 發現週期表 世界各地推動的IYPT慶祝活動是為了引起世人重視元素週期表發現的歷史脈絡、科學發展與元素的密切關係、元素在生活上的價值以及稀缺元素對科學與生活永續發展的影響等。為此,國立臺灣師範大學、中國化學會及本館在6月1日至8月26日首波於科教館3樓公益特展區舉辦了「2019國際化學元素週期表年特展」,透過大型元素方塊堆疊的元素週期表,結合光雕投影和豐富的元素相關展覽品,讓民眾能對元素週期表有較深入的認識,及瞭解元素與生活其實是息息相關。本館展期結束之後,基隆國立海洋科技博物館、臺中國立自然科學博物館、高雄國立科學工藝博物館及屏東國立海洋生物博物館亦陸續展出結合該館特色的化學元素週期表特展,可逕至各館網頁查詢。有關臺北科教館的IYPT特展詳細介紹,可詳閱本刊2019年5月第31期由邱美虹教授主寫之「《2019國際化學元素週期表年特展》活動介紹」。 貳、 認識週期表 (一) 強調探究與實作的實驗營隊-IYPT元素營 在聯合國提出的17項「全球永續發展目標」(Sustainable Development Goals, SDGs)中,從經濟成長、環境保護及社會進步等三大面向探究永續發展的議題,也顯示國際間對「永續發展」議題的重視,其中「優質的教育(Quality education)」該項議題更與本館成立宗旨及本質任務相符,並致力提供各年齡層、不受宗教、種族、性別及社經背景等限制之優質的科學教育課程及活動。在「化學元素週期表」之主題下,本館邀請理化背景專長、實作經驗豐富的國高中職教師成立化學元素課程規畫小組,首先針對國小高年級以上學生發展從單一元素到結合相近性質多種元素的多元課程。同時,課程設計也呼應108新課綱強調學生探究與實作能力的培養,從生活中重要且常用的元素著手,將學科知識、實驗操作、生活應用等層面相互連結,特此規劃「電池與能源」及「生命大事記」兩大主題的科學營。 在「電池與能源」營隊中,以氫、銅、氮、矽的基本性質介紹與相關特色實驗操作,以及電池組成與金屬材料間關係探究,帶領學生認識電池與能源相關概念的課程設計;例如:「銅」元素帶入國中常見鋅銅電池與電能產生的關係、從「氫」元素及「矽」元素介紹氫能與太陽能的應用等。在「生命大事記」營隊中,以碳、氧、碘的基本性質介紹與相關重要實驗操作,以及鹼金族、鹼土族與鹵素族的化學性質測試與現象觀察,最後結合AR技術的元素擴增實境呈現與表達化學元素內容,也安排其中一堂課參觀位於本館3樓的IYPT特展,能以更系統性的欣賞元素發現歷史、重要科學家故事及各種類型元素週期表等內容,並依學習單的引導,進行重點觀察及紀錄(如圖一),讓學習場域從實驗室延伸到展場。 本次營隊的教學設計中,強調探究與實作的學習歷程,教師除安排各種元素相關實驗讓學生認識元素的性質及應用性之外,也在實驗的過程中提供學生觀察、實驗變因探索及實驗結果討論的引導式探究設計。另一方面,因應科展逐年重視實驗記錄在科學研究上的重要性,為從小紮根學生對實驗筆記的認識並培養紀錄的重點及習慣,本次規劃的營隊中在進入第一堂課元素主題課程前,先安排半小時的實驗筆記課程,並請授課教師在後續課程中加強學生進行實驗筆記的訓練,逐步培養學生在科學研究上的基礎能力。 本次課程實施在今(108)年的暑假期間,招收國小高年級學生共77位,透過課後課程回饋單的分析(採五分量表,分數1-5分,分數越高表示越滿意)得知,學員對講師的上課方式非常喜歡(M=4.41)、對課程內容非常感興趣(M=4.49)、參加後的學習收穫感到非常豐富(M=4.52),顯示學生喜愛本次課程的設計;另外,從學員的訪談中,學員自認瞭解課程中提到的科學名詞,如「氫H、銅Cu、Fe是鐵、矽是Si」,且在參加營隊後,對於化學元素的學習更感興趣,也會想要了解其他元素的特性。除了學生的回饋外,在營隊課程結束一個月內亦召開課程檢討會議,從教學者的回饋進行課程的調整,例如:建議在3小時的課程時間內,部分實驗可先準備半成品(例如: 容器先挖洞、電線先焊接好…等),以掌握課程進度;實驗操作設計如有實驗組與對照組時,要讓學生仔細觀察兩組設計的差異性,在實驗操作中也要留意勿因操作上的疏失,而讓數據結果被質疑 (例如:燃燒鋼絲絨時,學生常會因動作過大,讓部分鋼絲絨掉到容器外,造成數據差異);燃燒鹼金屬、鹼土金屬的實驗中,發現學員較難判斷金屬的燃燒狀態以及是否燃燒完全,建議可改為影片或圖片輔助教學;另外,化學實驗操作前必要的操作說明及安全注意事項要再三確認,讓學生了解正確的操作步驟後,再進行實驗,以確保課程安全性。透過學生與授課教師對課程的回饋,後續將對課程進行調整,作為本館特色營隊開放給更多學生有學習的機會。 圖一 「生命大事記」營隊中學生參觀IYPT特展並進行觀察及紀錄 (二) 從化學元素的發現歷史學習化學元素–化學元素報你知 「歷史」係指人類社會過去的事件和行動,以及對這些事件行為有系統的記錄、詮釋和研究。「化學元素報你知」的系列課程從單一化學元素被發現的科學歷史中,帶領學習者了解科學知識發展的脈絡,以及當時時空下的科學家們提出這些概念的想法,以協助學習者進一步地認識該化學元素的性質及應用。今年總共發展3件教案,分別為「百變碳元素」、「氫」及「氧」。 碳元素是在有人類活動以來,就有存在痕跡的古老元素之一,存在形式多變,包含八種同素異形體,應用範圍廣泛,從奈米碳的特性探索、巴克球製作及有機物與無機物的實驗中,初探碳元素的百變性質(如圖二)。氫及氧的發現,則與燃燒現象息息相關,從17世紀的波以耳、史塔爾,到18世紀的舍勒、普利斯力、卡文狄西、拉瓦節等科學家的科學研究中,科學家們逐步建構出氫及氧的輪廓,並各自提出燃素說、氧化說等不同的科學理論。在課程中教師從介紹這些科學知識發展的歷史背景引導學習者說出科學家們提出理論時的依據及證據,透過提問,讓學習者能思考站在不同角色立場時對提問的回答為何,認知及理解科學知識的產生會依自我的立場及觀點而不斷的改變,培養學習者批判思考的能力。 「化學元素報你知」課程實施在假日上午,每堂課3小時,共有61位4-9年級學生參與,雖然學生的年齡層差異較高,但教學者以明確具體示範操作步驟,大多數學生仍可完成實驗;惟深入以化學方程式來解釋觀察到的現象時,七年級以下學生因沒有理化基礎,會先簡單說明元素符號及化學方程式的意義,建立學生對化學反應的基本概念,八年級以上學生因已開始學習國中理化內容,但因學習進度略有差異,會先請他們說明該堂課中出現的化學方程式代表的意思,便於教學者判斷該班學生對化學符號理解的程度,以決定加強補充說明或僅帶過此部分的內容即可,得以掌握課程進度。 在氧元素的課程最後半小時,嘗試讓學生自行設計題目的「快問快答」做為學習成果檢核的方式。首先讓學生將該堂課中學習到的內容設計成題目,讓其他小組搶答,設計題目及答對的小組都可以得分。從學生設計的題目與答案,教學者可以了解他們對元素的理解程度,再者,也請其他小組學生判斷這個題目的設計是否正確及合宜?若他們可以再次修正,他們會如何修改?提供學生進行後設思考的機會,是值得推薦非制式場域進行課程設計者之參考。 圖二 「百變碳元素」中學生觀察白糖及鹽巴燃燒後的產物探究有機物與無機物的差異 […]
設計適合國小學生動手做的化學實驗:如何帶國小五年級學生動手進行萃取植物葉綠素實驗 張詩敏 國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班 nice1040802@gmail.com n 前言 學生在學習三年級上學期植物的單元時,對於不同植物的葉片作外部觀察,並依照葉子特徵(例如:「葉的形狀」、「葉的邊緣」、「葉的大小」、「葉的顏色」、「葉面紋路」)作的簡易觀察與分類。到了五年級學生學習到植物會行光合作用,當學生想深入探究關於葉子如何在內部行光合作用,教師需引導學生關於葉子的相關構造和反應機制。 自然界中充滿許多有趣的事物,等著我們帶領學生一起去參與和體會,並從中獲得不一樣的感動。在自然與生活科技領域的能力指標中提到「智能思考」──學生需培養批判、創造與解決問題的能力。為了能讓學生學習這些能力,我們需教導學生學習科學的方法,以提升學生觀察現象的技能、如何從觀察到的現象中提出假設、將假設設計成實驗、從實驗結果驗證觀察到的現象。 n 「葉綠素」介紹 在植物中的葉綠體,含有許多不同種類的葉綠素,以葉綠素a和葉綠素b最常見。而在植物行光合作用時,葉綠素能使用大自然的太陽能將CO2和H2O轉化為葡萄糖和O2,是一種非常重要的綠色色素。我們可以使用有機溶劑將植物中的葉綠素萃取出來變成葉綠素溶液,但不能使用水進行萃取,而葉綠素溶液能也行光合作用(陳昭錦,2013)。 n 實驗目的 讓學生經由實驗比較不同水與酒精萃取植物葉片葉綠素的效果 n 實驗器材 實驗材料(全班共用) 600 mL酒精、2000 mL熱水置於熱水瓶中、足量的福木與桑樹的葉片。 器材準備(各組使用) 打洞器5支、燒杯(250 mL)1個、燒杯(100 mL)4個、抹布1塊、碼表1個、試管夾4支、三角架1個、酒精燈1個、陶瓷纖維網1個、透明玻璃觀察瓶(10 mL) 4個、培養皿4個、隔熱手套一雙。 n 教學活動設計 引起動機 教師說明植物行光合作用需用到葉綠素。 發展活動 活動一:比較「福木」與「桑葉」的葉子外觀。 1. 概略複習、說明葉子的外形分類。 (左圖:福木的葉片 右圖:桑樹的雌葉) 2. 介紹植物葉子的基本構造。 活動二:萃取葉綠素。 1. 萃取葉綠素方法的介紹。 2. 學生操作萃取葉綠素的實驗步驟: 步驟一:用打洞器在葉片上打100個相同大小的圓形葉錠。 步驟二:把100個葉錠倒入100 mL的燒杯中,在分別加入40 mL的酒精(右圖)、水(左圖)。使用100 mL熱水加入250 mL的燒杯。將250 mL的燒杯置於陶瓷纖維網上,再把100 […]
國中學生進行有趣的酯化反應實驗 黃義傑1, *、張自立2、辛懷梓2 1臺北市立龍門國民中學2國立臺北教育大學自然科學教育學系*huangphy@gmail.com n 前言 自然與生活科技應重視學生進行實驗的品質,即杜威主張做中學的觀念,學生經由動手做實驗看到不一樣的現象、能了解操作技巧、儀器使用方式並能撰寫實驗報告。至少,科學實驗是會吸引學生目光,有趣的科學實驗會讓學生驚呼連連,在他們身上默默的種下科學種子,相信對於化學人才的培養是很有助益的。 國中自然與生活科技課程(簡稱自然科)在八年級下學期,會向學生介紹一個很著名的化學實驗「酯化反應」,由於自然科在八年級下學期課程有很多實驗(有物理實驗與化學實驗)且時間安排比較緊湊,以翰林版本來說,會把酯化反應放在示範實驗中,其實動手做的學習一定比教師口述式教學還有印象,在此分享自己教學上的實務經驗給有興趣的教師參考,讓學生親自動手做聞聞看酯類的不同味道。 n 教學對象 由於酯化反應會使用濃硫酸,有一定的實驗危險性,本次課程教學的對象設定是八年級下學期的學生,他們對於基礎的化學實驗有一定的熟悉與認識,也能在教師的指導下安全地使用化學藥品與操作本次的實驗設備。 本次進行酯化反應的學生為我自己帶的四個班學生,對於基礎的有機化合物單元有一定的概念,能分辨說明酸類與醇類的不同。此外,學生在進入實驗室之前也學習過酯化反應的原理,可以按照教師設計的實驗操作單進行實驗。 n 教學設計 簡單來說,酯化反應的原理是醇與酸的有機化學反應,生成酯和水。教學的設計簡單分為以下步驟,不需要多設計其他特殊的教具,用現有教學資源即可,不會增加教師教學負擔。 步驟 內容 補充說明 一 教師在課堂上把化學反應的通式寫在黑板上,對於國中學生而言,酯化反應的原理是容易理解。 搭配課本上的圖片來說明講解酯化實驗。 二 推薦各校教師可以使用各家版本的電子書,電子書搭配的實驗動畫或是示範影片,這些均為免費的教學資源,教師在教學上可以用盡情使用。 可以結合步驟一,增加教學的有趣程度,提升學生對實驗的期待。 三 進入實驗室進行實驗與完成指定作業。 藥品先準備好放在教室前方的準備桌上,以利實驗流暢。 四 酯化反應的實驗以濃硫酸當作催化劑,當各組的器材、藥品等準備好後,教師到各組去協助滴濃硫酸。 各組需要特別找一個組長特別幫教師注意各組的操作安全。 五 設計的一份簡單的實驗操作單,只有A5的大小(A4紙的一半大小),這張的好處是可以讓學生依照步驟檢查實驗器材,各組只要按照步驟進行酯化反應的實驗。 實驗操作單請見下面的「實驗操作單」。 六 回到課堂上要請各組學生發表自己的想法,教師也可以進行實驗檢討或課後討論與分析。 教師可以把寫得很棒的作業分享給各班,讓學生互相觀摩學習 備註:每個步驟時間可以依照教師與各個班級學生的互動情形進行調整,我們實際進行教學時,各班的情況都不盡相同。 n 教學教案(簡案) 單元名稱 酯化反 應 教學對象 八年級學 生 教學重點 認識酯化反應原理與酯化實驗操作 教學活動 教材教具 評量 時間 一、實驗前 1. 認識酯化反應原理。 2. […]
感熱紙的熱致作畫和酸鹼多段變色實驗 廖旭茂1, 2, *、黃家均1、林群耀1、廖心妍1 1國立大甲高級中學2教育部高中化學學科中心*nacl880626@hotmail.com n 影片觀賞 感熱紙的簡單測試實驗曾經出現在教育部高中化學學科中心所研發的實驗影片—感熱酸鹼試紙(註1),當觀看該影片時對其中的呈色原理不是很清楚,經過一番文獻探討,並經實驗測試後,終於釐清其中的來龍去脈。本影片是由作者在國立大甲高中化學實驗室拍攝,並提供其製作的詳細過程。 影片網址:感熱紙測試,https://youtu.be/91XnuKONm7I n 簡介 傳真紙又稱感熱紙或熱敏紙,其變色的過程常引發高中學生的濃厚興趣,除了背後隱藏的化學原理外,加上傳真紙的塗層中所使用的化學物質—雙酚A,可能是一種環境荷爾蒙等問題,近年來也有很多中小學生把傳真紙的議題選為科展的題目,進行探究。傳真紙如何變色?經文獻探討發現傳真紙塗層結構傳真列表機內有一個小型加熱元件,當傳真紙與加熱頭接觸時,傳真紙內的熱敏染料會發生化學變化,因而變色(註2)。大部分的熱敏染料多屬於內酯類的隱型染料(leuco dye),因酸鹼改變、氧化還原、紫外線照射與否,甚至壓力改變而改變顏色(註3)。傳真紙中含有四種不同類型的成像化合物,包括:隱型染料,發展劑,敏化劑和穩定劑,最後還有一層保護層,可減少因暴露於UV光、水、油脂、塑化劑等原因而造成熱圖像的褪色(註4)。 本實驗演示利用焊錫用的烙鐵,熱風槍以及盛裝於指甲油瓶的酸與鹼溶液,活潑地將傳真紙的特性呈現出來,並說明反應發生的原理。 n 藥品與器材 熱風槍、30 W烙鐵、指甲油罐、呈色孔盤、傳真紙、6 M氫氧化鈉10毫升、12M濃鹽酸10毫升、15M濃磷酸10毫升、冰醋酸。 n 實驗步驟 一、演示規劃A:利用烙鐵在傳真紙上作畫 1. 取一張傳真紙,大小約15 Ï 15 cm,若紙張捲曲,以書本壓5分鐘後,平鋪在桌上。 2. 取一支30 W焊錫用烙鐵,插上電源,預熱3分鐘後,試以烙鐵頭接近紙面,觀察紙面上有何變化? 3. 練習以烙鐵頭輕輕劃過紙面,隨即可在傳真紙上作畫。 4. 作畫完畢後,拔掉插頭,將烙鐵至於烙鐵架中,避免誤觸燙傷。圖 1為完成的一幅畫。 圖1:傳真紙的熱致變色作畫 二、演示規劃B:利用熱風槍和酸鹼溶液在傳真紙上玩圈叉遊戲 1. 取一張傳真紙,大小約A4紙大小,若紙張捲曲,同前,以書本壓5分鐘後,平鋪在桌上。 2. 將冰醋酸及配製好的6 M氫氧化鈉溶液倒入指甲油的空玻璃瓶內,備用。 3. 先以玻璃瓶的毛刷沾取少許冰醋酸,在傳真紙上寫下「Thermal paper」,觀察紙面的顏色變化。 4. 取一預熱過的熱風槍,輕輕靠近傳真紙面(四個角落事先以膠帶固定住),觀察紙面變化。持續靠近紙面3秒鐘觀察紙面顏色的變化。 5. 利用熱風槍的熱風吹拂在紙面的空白處,讓紙面全部變色後,用指甲油的毛刷沾取少許氫氧化鈉,在紙面上畫出九宮格線,觀察紙面上顏色的變化,另一同學同樣取一個盛有氫氧化鈉的指甲油瓶,以瓶口的刷子沾取少量的氫氧化鈉溶液,接著在九宮格內開始玩起圈叉遊戲。 6. 待溶液稍乾後,沾少量冰醋酸,毛刷延著之前打叉的筆跡畫過,觀察紙面顏色的變化。 7. 演示結束後,沖洗毛刷,並將指甲油瓶中剩餘的酸鹼溶液倒回原來的塑膠試劑瓶中儲存。待下次實驗再用。圖2為演示實驗結果。 圖2:冰醋酸在傳真紙上留下的字跡(左),在傳真上的圈叉遊戲(右) […]
青蛙腿實驗與化學電池的發明 賴羿蓉1, *、洪振方2 1吳鳳科技大學幼兒保育系2國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所*yrlai@wfu.edu.tw n 賈法尼的青蛙實驗 在1786年以前,當時尚無法產生穩定的電流,只有經由磨擦生電的「電火花」而已。話說1786年的某一天,義大利醫生賈法尼(Luigi Galvani, 1737-1798)在實驗室中解剖青蛙,只見他手中的解剖刀一刀下去切開青蛙的腰部,再一刀下去剝出了腰部的神經,然後拿起一把精巧的黃銅小鉤,一鉤穿了過去並順手將其掛在實驗桌上的一根橫鐵樑上。當賈法尼正準備再解剖第二隻青蛙時,忽見剛剛解剖的那隻青蛙抽動了起來。開始,賈法尼認為這可能是青蛙還沒死透的緣故,但過了一段時間之後,蛙腿仍持續的抽動著,絲毫沒有停止的跡象;此時,賈法尼開始覺得異常,於是又解剖了一隻青蛙,同樣的,也以銅鉤倒掛在橫鐵樑上,結果同前次一模一樣。經過反覆的觀察研究,他突然發現,這可能是電在作怪。於是,賈法尼提出一個大膽的假說—「電能是來源於活的肌肉」,並在不同的前提假設下進行各種實驗。最後,賈法尼推斷,使蛙腿抽動的電是來自青蛙自身的,而二種不同的金屬則是蛙腿放電的導體。他把這種電稱之為「動物電」,以區別於靜電。 圖1:Luigi Galvani(賈法尼) (圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani) 圖2:賈法尼的青蛙實驗 (圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Luigi_Galvani) n 伏打電堆的發明 1793年,賈法尼在英國皇家學會上發表了他的新發現,與會的學者無不表示喝彩與贊同。然而,在大家都接受並認同賈法尼的發現時,有位義大利帕多瓦大學物理學教授伏打(Alessandro Volta, 1745-1827),眼見做醫學解剖的賈法尼竟在皇家學會大談電學發現,他哪能服氣,因此,又自行重覆賈法尼的實驗,毫無疑問的,他亦得到相同的結果。當伏打正在納悶時,突然,他像想到了什麼似的立即又再一次的重覆賈法尼的實驗,只是這次他將實驗中的橫樑與掛鉤以相同的金屬製造,實驗的結果竟是一個出人意料之外的現象:青蛙腿立即停止了抽動。 圖3:Alessandro Volta(伏打) (圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta) 此一截然不同的結果深深地震憾了伏打,他因而推斷,蛙腿抽動的能量確實是來自一種新的電能,但這種電能並不是由動物細胞組織所產生的,而是與解剖時所使用的金屬的種類有極大的關係。換言之,並無所謂的動物電,蛙腿會發生抽動乃是因為鉤住青蛙腰部神經的鉤子與橫樑是二種不同的金屬(例如二種金屬分別為銅和鐵)所造成的。 賈法尼聽到了伏打的實驗結果之後,非常震驚,但他仍相信確實有動物電的存在,他也不願接受伏打的觀點。就這樣,賈法尼主張確實有動物電存在,而伏打則主張蛙腿抽動乃是因兩種不同的金屬接觸而產生的,二者均不甘示弱的各為自己的理論找尋證據,因而開始了一場科學論戰。首先在論戰中找到了證據的是賈法尼,他找到了一些電鰻,並發現這些魚所發出的電都是由魚本身所產生的。由此,賈法尼證實了自己的理論是正確的:動物電是動物自身所產生的,不是因兩種不同的金屬接觸而產生的;當然,他亦據此大大的批評了伏打的理論。顯然,此一發現對伏打確實是一大打擊,因為依據伏打所提出的推論根本無法解釋此一現象,但伏打並不因此而退縮,他在眾人的嘲諷下仍持著自己的推論繼續進行實驗。 由於伏打認為,蛙腿會抽動乃是因為兩種不同的金屬和蛙腿內的液體接觸所引起的,因此他以各種不同的金屬相互接觸,中間隔上濕的硬紙、皮革或其他海棉狀的東西,經由不斷嚐試及修改實驗之後,終於得到一個結果,即不論有無動物細胞組織,都會有電產生。 之後,伏打又更進一步改進了自己的設計。他首先以幾碗水代替蛙腿溶液做電解質(Electrolyte),然後把連接起來的幾種不同金屬片浸入水中,從而產生了電流。不久,伏打又對這裝置進行改進,將一個金屬鋅板(Zinc)放在一個銅板(Copper)上,再用一塊浸透鹽水的紙或呢絨板壓上,構成一個單元(Element);再放上鋅板、銅板,如此重覆下去,十次、二十次、三十次….,由很多個單元堆積疊成一個柱狀,便產生了明顯的電流。即我們所稱的伏打電堆或伏打電柱,亦是今日電池的雛型。 圖4:伏打電堆 (圖片取自:https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta) n 科學理論不是永恆不變的真理 由上文可知,如果賈法尼沒有注意到蛙腿抽動的現象並對外發表,則此一現象可能至今仍被忽視;如果伏打沒有對賈法尼所提出的理論產生疑問,則將不可能有何特殊的發現;如果伏打受不了外界的冷嘲熱諷,而不能堅持自己的想法並停止實驗,則即使再多的人去重覆賈法尼的實驗,人們除了看到蛙腿跳動外,就不會再看到什麼了。此外,如果伏打不提出蛙腿為何會收縮的理論,就不可能發明伏打電堆,而在科學史上只不過是增加了一個怪異現象的記錄罷了。由此可見,科學理論的建立是始於問題的發現,且在解決此一問題的過程中,多半會再新生一些問題。針對相同的問題,不同的人往往會提出不同的理論,而真正能為人們所接受的理論,往往是能對這些問題做出最佳解釋者。 可能有人會問:「那麼,在這場論戰中,到底誰贏誰輸呢?」讓我們再仔細回憶一下這場論戰的主要論點,即賈法尼主張有動物電的存在,認為使蛙腿抽動的主要原因乃是因為動物電的關係;而伏打則主張並無動物電的存在,蛙腿之所以會抽動乃是因為兩種不同的金屬和蛙腿內的液體接觸所引起的。然而,在論戰的過程中,賈法尼確實找到了證據證明確實有動物電的存在(例如電鰻);而伏打也依其所提出的理論發明了伏打電池。若我們以動物電是否存在的觀點來評判這兩種理論,則可發現,賈法尼所主張之確實有動物電存在的觀點是正確無誤的;而我們若以化學電池的觀點來評判這二種理論,則似乎伏打所持的觀點才是正確的。由此可見,科學家們在面對同一現象時,常會因所持的觀點不同而發展出不同的理論。 現在,我們已經有一套非常完整關於電池的理論。不過,在觀察肌肉、神經和動物機體的電流這一方面,新的假說仍然不斷的取代舊的假說,我們仍然不曾完成賈法尼的第一個實驗,但我們已完成了伏打的發現。原來的爭端集中在一個問題上:動物身體內真有電嗎?有所謂「動物電」這種東西嗎?時至今日,這樣的問題大致上已經不再是問題了。但是,為了尋求這問題的答案,伏打卻因而發明了電池。在這個歷程中,我們可以清楚的看出,在科學發展的進程上,並不僅僅是單純的發現問題及解決問題而已,每每會在解決原來問題的過程中,又發現了另一個問題。而科學理論的誕生,往往是由於該理論能對所有的問題做出最佳解釋,且具有最強的說服力者。當然,一個科學理論形成之後,並不表示該理論即為不變的真理,這個理論往往會因新的現象的發現而被修改,甚至會被另一個新的理論所取代。由此可知,科學理論並無絕對的對與錯,更不是永恆不變的真理,我們只能藉由不斷創造新的科學理論,使人類能更瞭解自然界的種種現象,並對其做出更加合理的解釋。
結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中— 創意影片拍攝心得分享(上) 劉曉倩 國立彰化高級中學 教育部高中化學學科中心 torrina01092002@yahoo.com.tw n 緣起:我的少女時代 十年前意外接到教育部高中化學學科中心(以下簡稱學科中心)雅雯邀請加入其工作團隊,憶起第一次參加會議時的戒慎恐懼,一個如此強大的學科中心指派的任務可能非同小可,脖子上的毛都快豎了起來,資深大家長龔自敬老師除了將階段性工作事項一一說明外,還播放了學科中心資深教師製作的創意實驗影片,專業的裝扮和實驗設備,前輩實驗動作十分精準,口齒清晰三言兩語就能把實驗精髓完整呈現,內心折服外,潛伏多年的雄心及表演慾也激出渴望的火花,遠目少女時期的自己—運動舞社社長,從劇本編寫、組編舞曲、編舞、到成為表演者,沉寂多年,隨著時光之河容顏及熱情已成乾枯的典藏,如今有了伸展的舞台,內心熱血流竄,即使賣老臉也應兩肋插刀賣力演出,一方面深思創意實驗影片以研發實驗為主,太搞笑恐會失焦,太正經又擔心鄉民在點閱YouTube時,一看到學科中心的招牌音樂就直接按叉忽略,枉費學科中心教育普羅大眾的美意,因此尺寸拿捏端看個人本事。 初期拍攝主題以研發創新實驗為主,筆者平日除了教學就是喜歡蒐集各種稀奇古怪實驗,一次偶然機會跟學生分享拍攝影片經驗,他們覺得很新鮮,想參與拍攝,也因此有了主題呈現的表演方式。實驗準備、試做都是由學生負責,拍攝當天大家集思廣益,學生時期情景重現,小幸運的是,這些孩子雖然來自普通班,卻是靈活手巧的孩子,他們創意無限,也因為此次影片拍攝,他們發現自己,找到自己,意外促成這幾個學生日後參與全國化學創意闖關比賽都有十分傑出的表現。 本文共提供兩則實驗內容及其影片,主要是以家庭化學實驗為主,所謂家庭化學實驗是指在家裡做化學實驗,使用的藥品和器材可以從家裡取得,購自五金行、百貨行、文具店、藥局等,或取自廢棄物,而不使用化學實驗室的場地以及藥品和器材。但因拍攝方便起見此兩個實驗都在實驗室中進行,一是學科中心2012年創意闖關比賽影片「關公賣豆腐」,以三國時期大將關公原先是賣豆腐的小販切入主題,介紹豆漿是膠體溶液,當遇到生石灰或硫酸鈣時會達到蛋白質等電點而沉澱,呈現古人的生活智慧。另一則是2014年拍攝的「神奇的植物染」,片中小男孩所使用布為棉布,洋蔥是染劑原料,當小男孩使用了乞丐給的〝神奇豆子〞時,染布效果大增。過程中主要強調出媒染劑對於染布的神奇功效,並介紹其原理。 n 影片觀賞 一、 關公賣豆腐 本實驗影片是2012年化學學科中心拍攝,提供其製作的詳細過程。 影片網址:https://www.youtube.com/watch?v=EjQpbEoxcRI, YouTube. 二、 神奇植物染 本實驗影片是2014年化學學科中心拍攝,提供其製作的詳細過程。 影片網址:https://www.youtube.com/watch?v=40J1tKBW5xs, YouTube. n 器材及藥品: 加熱板 1 台、保鮮膜 、玻棒 1 支、燒杯(500毫升) 1 個、燒杯(250毫升) 1 個、培養皿 3 個、餐巾紙 1 張、豆漿、硫酸鈣(食品材料行有販售) 1 克、洋蔥表皮 10克(約兩顆的量)、5%的明礬(KAl(SO4)2‧12H2O)水溶液(食品材料行有販售) 。 n 實驗步驟 一、 關公賣豆腐 1. 配製硫酸鈣飽和溶液:取50毫升的蒸餾水,加入適量的硫酸鈣,建議比例:硫酸鈣與水的重量比例是1:7。 2. 取一個250毫升的燒杯,放入豆漿(無糖豆漿較佳),隔水加熱至80℃。再加入硫酸鈣飽和溶液,稍加攪拌後靜置十分鐘。 3. 靜置10分鐘(必要時可以先加熱再靜置),為加速豆腐沉澱生成,可以再以冷水浸泡5分鐘,加速冷卻。此時豆漿分成兩層,上層為水,下層沉澱物質即為豆腐。 4. 將上層澄清液倒掉,將豆腐倒入鋪有保鮮膜的培養皿,可以餐巾紙輕壓液面吸水。 […]
結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中— 創意影片拍攝心得分享(下) 劉曉倩 國立彰化高級中學 教育部高中化學學科中心 torrina01092002@yahoo.com.tw 〔承《結合微電影於製作豆腐和植物染實驗中—創意影片拍攝心得分享(上)》〕 n 微電影拍攝心得 一、 創意不設限 隨著大眾生活忙碌,使用平板和手機的習慣頻繁,微電影(Microfilm)儼然成為一般民眾消遣娛樂的主流,所謂微電影其實是「微型電影」的簡稱。指的是運用在各種新媒體平台上播放,適合在移動狀態或短時間休閒狀態下觀看的、具有完整策劃和系統製作體系支持的完整故事情節的「微(超短)時(30-300秒)」放映。這類短片週期製作時間不長,內容融合了幽默搞怪、時尚潮流、公益教育、商業定製等主題,可以單獨成篇,也可以系列成劇。 教育部於2013年因應主流,加強培養「會說會寫會玩會演科學故事的人才」,使科學、原理及意涵等艱澀知識,藉由影音、圖像等數位媒體與闖關活動創意方式,變成社會大眾容易閱讀吸收的資訊。希望透過學生擔任關主親手實作解說實驗原理,提昇科學素養,落實國內科普教育之推動與發展。 為避免學生拍片主題流於鬆散,學科中心蒐整各校學生實作課程教學優良示例與學科中心教學資源研發推廣小組研發創意趣味實驗,以提供參賽學生參考。 筆者的學生對於參加創意闖關比賽及拍攝影片興致一開始並不高,筆者先將闖關主題的詳細實驗步驟及實驗試做成果供學生參考,科學班利用專題課的科展空檔,普通班利用午休及社團活動時間,試做實驗及拍攝。印象最深刻的是其中一組學生所做的闖關題目是「水果酵素炸彈」(見圖3),逗趣的對白及生動的配樂,彷彿帶著魔法吸引了在場所有同學的目光。其中一位學生是設計專才,另外一位則是動漫迷,兩個不同專才領域的組合,在化學領域激盪出火花! 圖3:學生練習創意闖關比賽影片拍攝 透過一次又一次的拍攝過程激發多元思考,從怯生生的面對鏡頭,到以劇情串連實驗甚至以幽默的方式呈現刻板的實驗流程,學習團隊合作及邏輯思考之能力,進而完成闖關活動創作,享受操作實驗之樂趣。 二、 老師只是配角 「如果要拍個有關化學微電影,你會怎麼寫劇本吸引一般大眾去觀賞?」一次上化學課,跟大家聊到微電影時,一時興起問學生的看法。開放性的問題引起大家熱烈回響,化學實驗就像是一道最頂級的美味,「食材」(實驗藥品和儀器)可以由老師準備,但如何燒出好菜(實驗流程)讓顧客(鄉民)賞臉,就是主廚(學生)的本領了。 以下是幾位參與2014及2015年學科中心影片拍攝的學生訪談。 問:當初參與拍攝學科中心影片的動機是什麼? 郭承賢(簡稱郭):覺得好玩,拍攝主題是「家庭化學」,因為家住鹿港菜市場旁,常會看到有小販賣洋蔥,聽老師說洋蔥表皮可以染色覺得很新鮮,想做看看,之後試做了其他果皮染色,但效果不如預期,尤其是火龍果顏色好紅,染布卻無法上色,覺得染布學問大不簡單,要做得好是真學問。 吳秉儒(簡稱吳):設計實驗很新鮮,以前都是照著實驗紀錄本做,對於結果幾乎都可以預期,但是拍攝實驗影片不同,自己不僅對實驗原理和內容要熟悉,實驗步驟還要自己構思,覺得很有挑戰性。 梁佑任(簡稱梁):想嘗試新的事物,上網查實驗資料,實驗數據整理及配合時事撰稿,覺得很有成就感!圖4、5、6及7為學生進行實驗影片拍攝過程。 圖4:2014年學科中心影片「神奇植物染」染布過程 郭碩修(簡稱修):覺得微電影很潮,自己寫劇本當主角,很有趣!手工抄紙不如想像中好做,做了十幾次,常常不小心烤焦,因為研究主題的關係,所以特別上網查廣興紙寮發展史,了解台灣造紙業的興衰,覺得傳統產業真的很辛苦,需要政府支持及維護,並找出新的發展契機。 圖5:2014年學科中心影片「可以吃的手工抄紙」 王彥之(簡稱王):以前看教學影片,不是很在意,這次有了拍攝機會,當然想去試試看,做實驗儘量找有把握的,想拍一些較有趣的主題,讓朋友及家人了解家庭中化學處處可見,親近化學可以讓自己活得更健康。 蕭然駿(簡稱蕭):自己是被動被說服進來拍攝,但在跟其他組員討論時,覺得將課本生硬的主題設計成劇本很有挑戰性。本身個性較害羞所以常會忘詞,覺得演員真的不簡單! 問:在課業繁忙的高中生活中,如何完成事前準備工作?自己是否有類似的拍片經驗?拍攝當天有什麼感覺? 吳:劇本是自己上網看Youtube影片找靈感,到學校後與同組夥伴一起順稿,實驗試做是利用專題課完成,自己不是第一次演戲,國小演過灰姑娘,國中參與過成發及外交小尖兵,但到拍攝現場面對鏡頭還是會緊張,尤其是新民高中實驗室設備很乾淨也很專業,導演很親切又會帶戲,覺得自己要多加油些。 郭:國中時是童軍團,常有機會演戲,拍攝實驗影片時恰好是期中考前幾天,所以準備不多,但因為稿子是自己花了好幾個晚上完成,所以印象特別深刻,覺得很有成就感! 王:劇本是利用下課時間與夥伴像聊天的方式順稿,老師提供好幾個實驗主題概念,我們先做自己較有把握的部分,上網查資料,並且在家裡的鏡子前練習,儘量練到不刻意的感覺。 拍攝當天現場很專業,導演很會演戲也給了很多寶貴意見,他通常不會強迫我們怎麼演戲,所以氣氛很輕鬆,演起來也自在。 圖6:2015年影片「高分子聚合物迷思」拍攝(左),導演和剪輯師以專業鏡頭檢視拍攝( 右) 梁:我們的劇本是配合時事撰稿,上網查相關的實驗內容和步驟,放學後利用通訊軟體聯絡並練習,有時利用LINE互相討論並順稿,我參與了兩次學科中心影片拍攝,雖然都是擔任搞笑的腳色,但拍攝主題不同,準備方向也不一樣,爾後看到YouTube實驗影片會更注意,對於其他老師拍攝的內容也會想多去了解。 修:我也是參與兩次的實驗影片拍攝,第一年拍攝時看到很專業的攝影機,不知道眼睛要看哪裡?導演很有耐心,會一次又一次的指導,第一次拍攝手工抄紙時,假裝踩到香蕉皮摔跤好幾次,結果影片剪輯完成時,居然被全剪光光,深深體會演員的甘苦。第二年拍攝時,導演一刀未剪,覺得自己已漸被肯定,覺得很開心! 圖7:2015年影片「魔法學老師吹毛求疵」拍攝(左),拍攝影片完大功告成師生合影(右) 問:影片剪輯完成後自己是否有推薦給家人和朋友觀賞,他們的看法如何?對於此類影片拍攝是否有些建議及心得? 吳:自己看了影片後,會希望影片趕快結束,哈哈~朋友說我的表情很有戲,但我知道他們很羨慕,能在學科中心的影片中出現覺得很驕傲,相信十年、二十年後會很懷念這段青春時光!以前刻板印象覺得學科中心影片都是老師在上課講解,所以在YouTube看到時都不是很注意,現在真正參與其中,發現其實其他老師拍攝內容十分有趣,而且題材生活化,對於普羅大眾了解化學很有幫助,我覺得宣傳很重要,希望透過大眾媒體廣為宣傳。 郭:能跟自己的好友一起拍攝真的很開心,同時也介紹給自己的家人及朋友一起去觀賞,覺得很有成就感,家人覺得「家庭化學」很有趣,希望學測完可以再去拍攝。 王:拍攝完自己不太敢看,覺得自己耍寶有些蠢,但一方面又很想讓同學去看自己的表演,未來想拍5~10分鐘長度的微電影,結合更多生活中的化學和搞笑的劇情,希望學測完可以全心全力來準備實驗劇本,為自已留下永恆回憶。 蕭:希望將來拍些結合時事的化學,尤其是有關油品檢測及食品添加物,讓一般人了解化學真的很重要,而且也很有趣! 修:同學幾乎都看過影片,覺得自己好像明星,明年希望有機會可以拍攝食安問題,覺得影片標題也很重要,會吸引一般人想去看,希望學科中心影片廣為宣傳,大鳴大放! 三、教師指導微電影拍攝心得—翻轉角色 在網際網路迅速發展的時代下,大眾使用網路的頻率也逐漸增高,尤其是青少年。在傳統媒體之外,網際網路提供了另一種廣告宣傳平台。這也使得微電影崛起,相對於一般傳統廣告,微電影以短片的模式將產品置入影片,利用影片中的演員、情節以及氛圍,更加深消費者對商品的印象。微電影沒有時效性、也不需要高額的傳播費用、直接利用YouTube就可以免費上傳影片,具有「病毒式傳播」的特性,同時微電影可以與觀賞者利用平台互動分享心得,有別於傳統廣告無法與消費者交流分享,吸引更多消費者注意,甚至達到廣告的目的。 化學微電影是除了臉書以外可以與讀者分享的有聲平台,有別於傳統教學實驗影片,同時也翻轉了傳統角色安排,以學生當主角,老師在輔導者的位置,畢竟真正的學習主體是「學生」,學生會比老師更了解時下年輕人想要知道的主題及表演方式。 指導學生實驗影片拍攝幾年下來,發現他們的頭腦很活,對於實驗也很有主見,雖然沒有酬勞、沒有獎盃,更無關升學,但參與的學生都樂在其中,無須彰顯。也許對學生而言,能參與化學奧林匹亞選訓營是求學時期的夢想;然而對老師而言,彰顯的卻不只是帶著一些有才的學生成為國家代表選手而已,而是能看到學生在自己的引領下慢慢地進步,享受學習,熱愛化學,如同當年戴維博士發現了法拉第,如璞玉般耐磨而漸漸散發出耀眼的光芒! n 參考資料 1. […]
綠色化學創意競賽:序曲—替代實驗的開發 繆慧娟1, *、周芳妃2、詹莉芬2、張永佶2、佘瑞琳3、謝幸娟4、黃潔瑩4 1工業技術研究院綠能與環境研究所 2臺北市立第一女子高級中學 3國立臺灣大學化學系 4臺北市立松山高級商業家事職業學校 *cmiao@itri.org.tw n 緣起 2006年11月,工業技術研究院綠能所團隊承辦教育部環保小組(資科司環境及防災教育科前身)化學品資訊化管理計畫,針對大專校院實驗室購買藥品的方式以及高中職以下學校無專責人員管理的現況,設計了一套簡便又能符合法規要求的「教育部化學品管理系統」,透過網際網路提供給全國各級學校免費使用。經由國立陽明大學在環安人員林晏夙小姐的努力推動下,全校使用此系統至今已持續8年。 2009年9月,因應學術機構運作毒性化學物質(以下簡稱毒化物)管理辦法修正公告,學術機構之運作單位運作毒化物,應逐月填寫毒化物運作紀錄申報表,並經委員會審核後,由學術機構採用網路傳輸方式,向毒化物所在地之主管機關申報前一年毒化物運作紀錄申報表。因此「化學品管理系統」升級為「化學品管理與申報系統」(網址:http://chem.moe.edu.tw/),並於2011年與環保署毒化物申報系統整合,學校實驗室只要落實填寫每日的毒化物運作紀錄,系統會自動彙整成全校的申報資料,學校負責申報的人員只要確認資料內容點選申報,即可同步將申報資料傳至環保署完成申報。教育部化學品管理與申報系統,如圖1所示: 圖1:教育部化學品管理與申報系統網站首頁 2010年9月,高中以下學校運作毒化物,因藥品採購年代久遠或管理人力不足,欠缺申請登記備查資料或採購核可文件,造成藥品廢棄時因文件不足導致無法聲明廢棄;有時廢棄數量過少或缺乏處理經費等原因,也增加學校辦理廢棄物處理作業困難。在教育部的積極協調與各縣市教育局處協助下,目前使用列管毒化物的學校已由444校遞減為241校,減少了46%。 n 替代實驗 2012年1月,我們開始思考若從實驗的源頭設計不使用列管毒化物,不僅能降低學生接觸高危害性化學品的風險,也能避免學校因違法而受罰。於是教育部召開「高中職及國中小課程中使用危害物質之替代方案」第一次專家諮詢會議,會議中決議邀請北一女中周芳妃老師團隊協助進行高中化學實驗使用毒化物的替代實驗,研究施行方法步驟: 1. 研擬實驗流程 2. 進行實驗試作 3. 完成交互實驗 4. 撰寫實驗報告 5. 審查實驗報告 6. 進行實驗或修改 7. 完成實驗報告 8. 進行專家諮詢會議 9. 提供替代實驗報告給教育部參考 後續在北一女中周芳妃老師、詹莉芬老師、張永佶老師和王美琴小姐、台灣大學佘瑞琳老師團隊與松山工農王麗華老師、謝幸娟老師和黃潔瑩老師及其學生們的協助下,共計完成了14個替代實驗。替代實驗的研發團隊如圖2~3所示: 圖2:替代實驗的研發團隊 圖3:替代實驗的研發團隊 研發團隊開發十四個替代實驗的名稱及其具體成果如下: 1. 平衡常數與勒沙特列原理/替代列管毒化物:使用氯化亞鈷水溶液替代列管毒化物鉻酸鉀和二鉻酸鉀。 2. 化學電池/減量減廢:所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍,且此試劑可以保存重覆使用。 3. 鋅銅電池/減量減廢:所有試劑體積減少為原實驗的0.1倍,且此試劑可以保存重覆使用。 4. 氧化還原之滴定/替代列管毒化物:使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 5. 含氯漂白水與鹽酸的不相容反應/認識實驗安全:以日常生活中市售商品設計實驗,學習認識含氯漂白水與鹽酸的不相容反應,並學習簡易消除毒性氯氣的方法。 6. 醇、醛、酮性質之探討/替代列管毒化物:使用低於24%的甲醛替代列管毒化物37%的甲醛。替代列管毒化物:使用過錳酸鉀替代列管毒化物二鉻酸鉀。 7. 簡單電解實驗/減量減廢:原使用試管試驗,現改用點滴實驗,實驗結果明顯且大幅降低藥品用量和廢污產量。替代列管毒化物:使用辛烷替代列管毒化物環己烷。認識實驗安全:使用塑膠針筒取代U型玻璃管,操作上較安全。 8. […]
綠色化學創意競賽: 中和高中學生改良目視比色法測定平衡常數 陳欣怡*、林聖揚、顏宏宇 新北市立中和高級中學 *shinekudo@gmail.com n 教師教學反思 回想我(通訊作者)初任教職之時,總是拿著一本課本,仔細的講解化學的原理、觀念和範例,再搭配學生課堂和課後的練習題,但一段時間後…,讓我越來越覺得索然無味,而同學的反應也是越來越無言。我明白這警訊是告訴自己:「需要改變了!」,於是我積極參與教育部高中化學學科中心、思源基金會以及工業技術研究院等舉辦的各種研習活動和競賽活動。在每次的研習活動中,都讓我感動萬分而且收穫滿滿,恨不得立刻能夠把所學用到教學上,讓同學們也能體會我的愉快和興奮。因此,即使課務再繁忙我也會抽空去參與研習,並且嘗試在課堂上使用。另外,我也積極帶領學生組隊參加各項科學競賽,包括遠哲科學趣味競賽、化學創意闖關比賽、旺宏科展、科學展覽、清華盃高中化學學科能力競賽……。不管競賽的結果如何,我相信透過這些活動,可以讓他們擴展視野,並學習克服競賽過程所遇見的各樣困難,這才是學生最重要的能力! n 擴展學生視野 在食安問題沸騰之際,於學校的網頁上看到綠色化學創意競賽的活動訊息,覺得化學和環保作結合的概念是十分重要的,我不想讓大家覺得化學不但破壞環境、而且爆炸害人。於是找了我任教的高二科學班的學生進行討論,科學班的學生,在一般的學業課程之外,另開設「專題課程」,其課程內容包含各種實驗、參訪(見圖一)、設計實驗(圖二)見、報告(見圖三)和分享所學給社會大眾(見圖四)。此課程的用意,除了訓練台風、促進思考、擴展視野及服務學習,但最重要的是—忠於科學,愛上科學。 圖一:專題課程—校外參訪:雙和醫院 圖二:專題課程—設計實驗:化學學科中心主辦〝我是闖關王〞 圖三:專題課程—成果發表:化學組 圖四:專題課程—分享所學:科學Live秀 我在帶領學生的過程中,從找尋主題到設計實驗,學生都能充分發揮他們專題所學的能力(如:蒐集資料、問題探究及分工合作的能力),而最後決定方法和理論結果後,就要開始驗證自己的推論,因此必須經常運用晚上跟假日時間留校實驗,在這期間他們除了課業、科展等事情都要兼顧,也更進一步把有效運用時間的這能力充分實踐。實驗過程雖然部分與預期不同,但是他們能夠利用自己特有的專長,與科學結合並應用在學科中,看到學生能在科學領域上的創意與進步,我備感欣慰以外,也深深的感受到代代都有人才出,自己也需要時時刻刻努力,才能跟得上這些未來的主人! n 設計理念與改良 一、 得獎作品 l 作品名稱:目視比色法之改良。 l 參賽學生:林聖揚、顏宏宇;指導教師:陳欣怡。 l 得獎名次:高中組綠色化學(減毒減量)創意競賽銀牌獎。 二、 設計理念 化學在生活之中處處可見,小至一粒塵埃、沙粒;大至一片叢林、土地,都能發現隱含於其中的化學世界。早在西元前數百年即有鍊金術士、煉丹術,人們開始嘗試控制生活周遭的化學。數千年來,人類對於「化學」這門科學的研究已步上軌道,並試著發展其他分支。但,當人們汲汲營營的探究、摸索化學時,卻也在不知不覺中傷害了地球環境,破壞了我們所擁有的一切。為了能延續整個世界,綠色化學成為近年來最重要的發展之一。 為了要達到綠色化學,許多的實驗必須改良,例如:溶度積常數測定的實驗(以前是用氯化鉛現在改草酸鎂……等)。綠色化學創意競賽的宗旨就是集思廣益讓更多實驗可以改良達到綠色化學的要求,於是我們改良了高中基礎化學(三)第三章化學平衡中常見的實驗—平衡常數與勒沙特列原理。我們的設計是原本具有毒性的硫氰化鉀置換成較不具毒性的草酸與鹽酸,而指示劑也是選用無毒性的紫色高麗菜和薑黃,再搭配原始實驗中的目視比色法,融入選修化學第四章水溶液中酸、鹼、鹽的平衡,和孟賽爾顏色系統,從原本計算鐵離子與硫氰化鉀的反應常數更換成草酸的第一解離常數。此一改良設計降低了原本反應物的毒性和具有毒性的產物—硫氰化鐵錯離子,大大的降低了整個實驗的毒性。 三、 涉及的原理和概念 (一)朗伯–比爾定律 朗伯–比爾定律(Lambert-Beer law),又稱作比爾定律。其內容為當光穿透溶液時,光的吸收度(A)與吸收係數(a)、光徑長(b)、濃度(c) 三者均呈正比例:A = abc。由於兩溶液在加入指示劑以前皆為透明澄清的溶液,且所加入的指示劑皆相同,故其吸收度可視為定值。在吸收係數方面,因為所使用的光源皆為固定波長,所以可視為定值。進而得知溶液的濃度與其高度成反比。 (二)酸鹼指示劑 酸鹼指示劑本身是一種弱酸或弱鹼的色素,在滴入溶液時色素會與H+或OH−結合,轉化成相應的酸式或鹼式,從而顯示不同的色澤。本實驗所採用的是天然的指示劑,由紫色高麗菜汁與薑黃混合而成。 紫色高麗菜汁的變色範圍如圖五所示,顏色隨著由酸到鹼變化,從紅色到紫色,再到藍色。然而紫色高麗菜汁在弱酸的環境下靈敏度並不高,因此我們選擇加入變色明顯且單純的薑黃如圖六所示,讓混合後的指示劑在比色的過程中有更好判讀。 圖五:紫色高麗菜汁的變色範圍(圖片來源:An Overview of pH, http://www.braukaiser.com/wiki/index.php/An_Overview_of_pH) 圖六:薑黃紙的變色 (圖片來源:化學示範實驗:在薑黃紙上畫圖和寫字,http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=11553。) (三)玻璃紙比色法 包覆有色玻璃紙在光桌的燈光上,使在目視比色時的可讀性增加之想法,是從孟塞爾顏色系統衍生出來的如圖七所示,在這個色彩坐標系中,色相、彩度及明度分別等於在比色實驗中的變色範圍、濃度及亮暗。不論任何色相,若彩度為零時,則剩下明度亮暗的差別;亦即在比色實驗中,不論任何顏色,若亮暗為零時,則剩下濃度高低的差別。我們利用玻璃紙濾光的性質,從光源中濾出與溶液顏色互補的色光,例如:紅色溶液使用綠色的玻璃紙,讓溶液顏色的彩度降到最低,如此一來便能依亮暗的差別來進行目視比色了。 圖七:孟塞爾顏色系統 (圖片來源:孟塞爾顏色系統,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/孟塞爾顏色系統。) 四、實驗過程 實驗的概要過程如圖八所示。 圖八:實驗流程 […]
綠色化學創意競賽: 光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動 陳恆毅*、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程 臺南市立光華高級中學 *yiyi945@gmail.com n 參賽緣由 自從我(通訊作者)從事教職以來,引導學生將所學知識應用在實驗上,就是我的教學理念之一。為此,即便課務繁忙,我仍積極帶領學生組隊參加各項科學競賽,包括遠哲科學趣味競賽、化學創意闖關比賽、思源科學創意競賽、科學展覽等。每次學生參與科學競賽,我指導他們親手設計並操作實驗,並針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道,這正是影響學生未來的重要能力,絕非紙筆測驗所能達成! 某次看到綠色化學創意競賽的宣傳海報,對於結合化學和環保的概念感到相當有趣,於是找了幾位高二多元智慧班的學生進行討論,並決定要設定題目來進行研究。學生很有意願接受挑戰,同時我們也覺得這是一個很有意義的活動。從一開始的實驗取材我們就選擇天然材料,並且以可以重複使用的設備作為實驗器材。如此,綠色環保的口號,便能在生活和教學中落實。 n 激發學生潛能 此次參賽的學生來自光華高中的特色班級—多元智慧班,在一般的學業課程之外,另有特色課程「自主學習」、「數位學習」、「創意課程」,課程以專題導向式學習為基礎的學習(project-based learning, PBL)方式進行,故能激發學生的學習潛能,使入學成績PR值不如明星高中的學生,仍能在各項競賽與全國好手同台。這次,綠色化學組隊的學生能和全國名校學生一起切磋學習,甚至一起上台領獎,對學生來說是很重要的一次成功經驗。 我在帶領學生過程中有很深的感觸,如果老師能看到學生課業以外的多元能力,並給予學生機會、養分,學生會有自主積極的學習行為,不但在多元智慧班的自主課程時間進行實驗,還願意主動利用自己晚上跟假日時間留校把實驗完成,在這當中也學習到時間管理的重要性。一開始雖然要花以較多時間帶領學生去討論、設計實驗、注意實驗安全等等,不過只要學生學習到這套科學方法,之後就可以自己設計實驗、購買材料、配製藥品、進行實驗、結果分析…。看到學生能在動手做科學上獲得成長與成就,常常對自然科學產生更大的興趣,就會對這些學科花更多時間去研讀,另一方面學科成績上也有顯著的進步!看到學生除了在自然學科成績上有所成長,更對動手做實驗有實務的經驗,我覺得這才是完整的科學教育,能讓我有更多的能量與熱情再去帶領學生學習! n 設計理念與改良 一、 得獎作品 l 作品名稱:觀察離子移動情形—以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗。 l 參賽學生:周育柔、陳冠綺、林千程;指導教師:陳恆毅、陳怡仁。 l 得獎名次:高中組綠色化學(減毒減量)創意競賽銅牌獎。 二、 設計理念 高中的化學實驗課程中介紹到電解水實驗,電解時觀察正極產生的氫氣和負極產生的氧氣;之後分別取出兩極附近的液體,再以酸鹼指示劑(石蕊試紙、酚酞指示劑、廣用指示劑…)檢驗其酸鹼性。不過此作法只能知道靠近兩極端的酸鹼性,並無法觀察到離子移動的狀況。我們希望設計一種可以觀察電解水時離子移動狀況的實驗! 在實驗器材和藥品方面,我們希望使用的是對環境沒有汙染的紫色高麗菜當作天然酸鹼指示劑,洋菜粉用來當作水溶液瞬間「凍結」起來的材質,導電材質是可反覆使用的惰性電極—石墨!本實驗所使用的器材都是日常生活用品在超商中就可以買到,而且操作簡單,試藥用量甚少,不具危險性。本實驗能達到教學的實驗目的,並符合綠色化學原則,落實永續教育的目標! 三、 涉及的原理和概念 常見的電解水實驗,如圖一所示:電解的產物在陽極(+)產生氧氣且周圍的液體呈現酸性,如[1]所示;在陰極(–)產生氫氣且周圍的液體呈現鹼性,如[2]所示。 陽極(+):2H2O(l)→ O2(g) + 4H+(aq) + 4e– [1] 陰極(–):2H2O(l) + 2e–→ H2(g) + 2OH–(aq) [2] 圖一:常見的電解水裝置 利用天然的紫色高麗菜汁作為指示劑,高麗菜汁加到煮沸後的洋菜粉溶液,菜汁和洋菜粉溶液混合成果凍狀的固體,在此狀況下,混合的溶液不會再流動;陽極電解時產生的H+會往陰極移動,陰極電解時產生的OH–會從往陽極移動,由指示劑的顏色可觀察到兩者會在中間相遇;依果凍狀的菜汁顏色改變,透過紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表(見表一),很容易得知電解水過程中的酸鹼值變化,如此即可觀察水中H+、OH–移動的狀況。 表一:紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表 pH 1-2 3 4 5 6 […]