— 以「水之奧秘」為例
蔡采靜 莊偉民 張永達
國立臺灣師範大學 生物學系
一．前言
在這次教育改革以前，國內中小學的教 材編寫均由國立編譯館統一編篡發行，參與 編輯的人員為學者專家與各級學校的現任教 師，所規劃的課程內容有一定的規範，書籍 的費用也較為便宜，因此，學生與家長的負 擔較輕。然而，為了因應日新月異的科技發 展與不斷演進的時代潮流，同時適應當前的 社會環境需求，有必要將一些教材內容結合 最新的科技文化，重新統整、建構，期許能 培養學生具備充分的基本能力，學以致用， 提高其競爭力，以促進國家社會的發展。 本學年度由小一、小二、小四、國一開 始實施的「九年一貫」新制教育制度即是在 這樣的理念下全面推行實施。不可否認的， 在沒有經過縝密規劃與作業的情形下，冒然 推動新的改革是會令人恐慌的。由於教材開 發的權利下放給所有教師與民間業者，使得 教科書的內容、形式各異，不僅教師沒有充 份的時間準備與因應，學生也常適應不良。 站在教育的最前線，面對這一群尚懵懵 懂懂的學子，這樣的感受最是深刻，因此， 本文針對當前的教材內容，設計了一個模組 活動，期望能夠提供教師做為規劃課程輔助 性教材的參考。 本活動的主題為「水之奧秘」，內容主要 是針對水做統整性的介紹與分析，目前規劃 的適用年級為國中各階段，由於學生的需求 不同、程度有別，故教師使用時，可以針對 學生不足之處，選用某部分單元進行補救教 學，或是做為課外教學的研讀材料。二．模組活動內容：
水從那裡來？
星 期 天 的 下 午 ， 好 不 容 易 把 功 課 寫 完 了，小軒和婷婷興奮地坐在客廳門前穿鞋， 準備到外頭玩耍，突然間，屋外下起了傾盆 大雨…… 小軒：「哎呦！怎麼下雨了啦！我好不容 易才把功課做完的ㄟ……」 婷婷：「就是啊！老天爺最討厭了，偏要 在我準備出去玩的時候，下這麼大的雨。」 小軒：「唉！看來肯定是出不去了。」 婷婷：「哥…你知不知道空氣中的水是那 兒來的啊？它…很重要嗎？是不是真的會海 枯石爛啊？」 小軒：「嗯……我也不是很清楚ㄟ，我們 去查一查百科全書好不好？」 婷婷：「只好這樣囉！反正這會兒咱們也 沒辦法出去玩了。」聰明的小朋友，你知道答案了嗎？好像 不是很肯定喔！沒關係，我們現在就請水寶 寶來自我介紹，看看它有什麼大本領。
水的性質
水──真的很重要嗎？在回答這個問題 之前，我們先來談一談「水」所具備的幾項 特性。 「 原 子 」 是 構 成 自 然 界 物 質 的 最 小 單 位 ， 有 些 原 子 在 形 成 某 些 分 子 時 帶 有 正 電 性，例如水分子中的氫原子，有些則帶有負 電性，例如水分子中的氧原子；當兩種不同 的原子共同組成分子時，就可能產生某些部 位帶正電，某些部位帶負電的極性分子。水 之所以可以溶解大部分的物質，就是因為水 分子具有這樣子的特性，可以吸引其他性質 相同的分子與其結合的緣故。 水分子可以吸引許多的物質和它結合， 那麼，水分子與水分子之間會不會相互吸引 呢？答案是「會」的，這個吸引力我們稱之 為「內聚力」，它的力量有多大呢？我們來做 個小實驗：首先，拿 一 個 小 杯 子 置 於 桌 面，接著，盡你所能 地在裡面加水，直到 沒 有 辦 法 再 注 入 水 為止，然後，觀察水面，你看到了什麼呢？ 水面是不是鼓鼓的（如上圖）？為什麼水不 會溢出去呢？這就是表面張力造成的喔！科學小櫥窗
Q1：「毛細現象」是什 麼？ Ans：當我們把一根細 細的玻璃管插入水裡時，由於水分子與玻璃 管壁間具有吸引力，水便會沿著管壁上升， 形 成 一 條 長 長 的 水 柱 ， 我 們 稱 為 「 毛 細 現 象」。＊水黽的好功夫：
瞧 ！ 水 黽 的輕功好厲害 呀！居然能停 在水面呢！其 實，水黽雖然 很厲害，牠腳下的水也提供了幫忙喔！這是 因為水可以形成表面張力，所以能夠托住輕 盈 的 水 黽 ， 使 它 不 會 掉進水裡的緣故。 純 水 的 另 一 項 特 性 就 是 密 度 約 等 於 1，而且，在4°C時的密度最大，高或低於此 溫度時，密度則較小；而海水則因為有許多 大家好，我是水寶寶，我 是由 2 個氫原子＋1 個氧 原子構成的喔！歡迎你 們來認識我。請看……物質溶解於其中，所以在2°C時密度最大。 我們一般常見的木頭、浮板等物質因為密度 較水小，所以能夠浮於水面上，而鐵塊、鉛 管等物質密度則較水大，所以會沉於水面下。 用相同的能量讓 1g 的物質上升1°C的 難易程度，我們稱為「比熱」。要讓同質量， 但比熱不同的兩種物體皆上升1°C，則加熱 比熱較大的物體所需要的能量比較多。由於 水的比熱比較大，所以與多數其他的物質比 較起來，溫度的上升會比較緩慢；而一些金 屬類的物質則由於比熱較小，所以溫度的上 升比較快速。
科學小櫥窗
Q3 ： 為 什 麼 從 冰 箱 拿 出 來 的 食 品 會 冒 汗 呢？ Ans：這是因為從冰箱拿出來的食品，其溫 度較周圍的空氣低，當空氣中的水蒸 氣 遇 到 冰 冷 的 食 品 時 會 凝 結 成 小 水 珠，看起來就像是食品在冒汗了。活動 1：神奇的密度
活動目的： 藉由本活動學習密度的概念，並能推論 不同情況下的活動結果。 材料與設備： 250mL 燒杯數個、50mL 量筒 1 個、蒸 餾水 250mL、 10% 鹽水 250mL、 20% 鹽 水 250mL、30% 鹽水 250mL、沙拉油 250mL、 未知溶液 250mL、秤 1 個、標籤紙數張、紅 墨水 2mL。未知溶液可以配製任意濃度的鹽 水使用。 活動步驟： 1. 將燒杯分別標記代號，並秤重記錄。 2. 在 各 個 燒 杯 內 分 別 盛 裝 蒸 餾 水 、 10% 鹽 水、20% 鹽水、30% 鹽水、未知溶液與沙拉 油各 100mL。 3. 將盛裝各種溶液的燒杯稱重，並扣除燒杯 原本的重量，記錄結果。 4. 比較各種溶液的密度大小，並排序。 5. 取 50mL 蒸餾水倒入已盛有 50mL 沙拉油 的燒杯中，觀察變化。 問題與討論： 1. 在實驗步驟 5 中，將 50mL 的蒸餾水倒入 已盛有 50mL 沙拉油的燒杯中，靜置一段 時 間 後 ， 會 發 生 什 麼 樣 的 變 化 呢 ？ 為 什 麼？ 2. 承上題，若將 50mL 的蒸餾水染成紅色， 倒入已盛有 50mL20% 鹽水的燒杯中，又會 發生什麼樣的變化呢？為什麼？ 3. 承第一題，若將染為紅色的 50mL 蒸餾水 倒入已盛有 50mL 未知溶液的燒杯中，則 會發生什麼樣的變化呢？為什麼？ 腦筋急轉彎： 根據此次的實驗結果，假設現在有四種 彼此不會互溶的溶液，目前僅知其密度介於 0.5∼1.5g/cm3，請在無法稱重的情形下，設 計一個實驗比較出其密度大小。活動 2：比熱與溫度變化的關係
活動目的： 藉由本活動了解物質的比熱大小與其溫 度變化間的關係，並能用以解釋日常生活中 的現象。 材料與設備： 250mL 的蒸餾水、不銹鋼製湯匙 1 支、 木頭 1 塊、50mL 量筒 1 支、250g 的砂、加 熱板 1 個、溫度計 3 支、250mL 燒杯 3 個、 秤 1 個、碼錶 1 個、2L 大燒杯 2 個。 活動步驟： 《活動 2-1》 1. 量取 100mL 的蒸餾水置於燒杯中。 2. 將不銹鋼製湯匙與木頭分別秤重並記錄。 3. 測量室溫並記錄。 4. 將 蒸 餾 水 、 湯 匙 與 木 頭 置 於 加 熱 板 上 加 熱，記錄每上升 10℃
所需要的時間，記錄 3 次。 5. 比較三者的比熱大小。 《活動 2-2》 1. 量取 150g 的砂石與 150mL 的蒸餾水分別 置於 2L 的大燒杯中。 2. 置於陽光下曝曬，每間隔 10 分鐘測量一次 溫度並記錄，記錄 3 次。 3. 比較何者溫度上升速率較快，並推測何者 比熱較大。 問題與討論： 1. 加 熱 同 種 物 質 每 次 上 升10°C 所 需 的 時 間 都大約相同嗎？為什麼？ 2. 根據實驗的結果推測，加熱哪一種物質使 其上升1°C所需的熱量最多？ 3. 想一想：為什麼活動步驟中必須使用加熱 板加熱？如果直接使用酒精燈加熱有什麼 利與弊呢？ 4. 根據活動 2-1 的結果，請你推論：為什麼 常見大湯勺的握柄大多設計為木製的材質 呢？ 5. 根據活動 2-2 的結果推測，中午時分陸地 和海洋何者的溫度可能較高？夜晚時分何 者的溫度可能較高？為什麼？水對生命的重要性
女人是水做的嗎？其實，男人也是水做 的喔！生物都是由細胞構成的，而水是細胞 內 含 量 最 多 的 物 質 ， 佔 有 細 胞 大 部 分 的 體 積，將生物體內所含的水分加起來，其質量 約等於生物體總質量的 70%呢！想一想：缺 乏水，生物會 變 成 什 麼 樣 子呢？ 水 除 了 是構成生物體的主要物質之外，還有什麼了 不起的本領呢？它的本領可大囉！首先，細 胞為了維持生存，必須進行一些化學反應來 合成所需要的物質，或是用以產生能量，而 這些化學反應進行的場所，就是以水為主要 成份的細胞質，這是因為水能夠溶解大部分物質的緣故。 動動腦 Q1：人體內何種細胞的水含量最多？何種細 胞的含水量又最少呢？ Ans：人體內含 水量最多 的細胞是 我們的腦 細胞，大約 有 80%的體積為水分；而含水量最少 的細胞是我們的骨細胞，僅有 20%的 體積為水構成。 動動腦 Q2：為什麼冬天湖 水結冰時，湖 泊 的 魚 不 會 凍死呢？ Ans：這是因為 4℃的水密度最大，會沉於湖 泊的底部，所以冬天湖水由湖面開始結 冰時，在冰的下方仍然有液態的水可供 生物生存。 為什麼環境的溫度總是這麼穩定，適合 我們生存呢？為什麼我們的體溫總是能維持 在 37℃左右呢？喔……原來這些都和水有 關呦！由於水的比熱很大，在地球表面與生 物體內又佔有大部分的體積，所以能夠幫助 維 持 溫 度 的 穩 定 ， 使 我 們 不 會 變 得 忽 冷 忽 熱，而且有一個良好的環境可以生存。 動動腦 Q3：我們一天 該 喝 多 少 水 才 夠呢？ Ans：有些人認 為 一 天 至少該喝二公升的水，也有些人認為 一天要喝三公升的水才會健康，究竟 該喝多少水才算是健康寶寶呢？醫生 伯伯說：「喝多、喝少都會造成腎臟的 負擔，渴了就喝最健康。」 除了上述的本領之外，水還有一項你意 想不到的特異功能呦！那就是「支持」。你一 定會懷疑：怎麼可能？水是很柔軟的物質， 怎麼能用來支持呢？想一想，我們之前是不 是談到：水分子間具有「內聚力」呢？我們 常 吃 的 小 白 菜 ， 路 邊 常 見 的 倒 地 鈴 （ 如 上 圖），就是靠著這股水分子間相互吸引連結的 力量，才能夠站得直挺挺的，不會倒下來呦！ 我有 80%的 體積是水喔！ 腦細胞 我只有 20% 骨細胞 呵呵…有水就舒服多了！ 沒有水，白天好熱，晚上好冷喔！
水資源與水循環
「水」不僅是生物體內的主要成份，也 是地球表面分布最廣的物質，約覆蓋地表總 面積的十分之七左右，所以，從太空中遠望 的地球就像一顆美麗的藍色水球。 存在於地球上的水具有很多面貌，第一 種是氣態的水，我們稱之為水蒸氣，主要存 在於大氣中；第二種是液態的水，包含了我 們常見的海洋、溪流、地下水、湖泊……等 等；而第三種則是固態的水，例如：雪花、 冰河與冰山，我們將地球上這三種不同形式 的水合稱為「水圈」。 科學補給站 Q：海水為什麼會鹹鹹苦苦的？ Ans：海水之所以會鹹鹹苦苦的，是因為其 內含有兩種物質──氯化鈉與氯化鎂 的緣故；氯化鈉會使海水嚐起來鹹鹹 的，而氯化鎂則會使海水嚐起來苦苦 的。 你知道嗎？我們常吃的鹽巴就是由海 水裡提煉出來的氯化鈉呦！ 這些不同風貌的水都永遠不會改變嗎？ 並不是這樣的，它們彼此之間可以不斷地相 互轉換，我們稱之為「水循環」。舉個例子來 說：海洋裡的水接受太陽光照射後，可以藉 由蒸發作用形成水蒸氣，隨著比重較輕的熱 空氣上升，一旦遇到上方較冷的空氣便會凝 結為小水滴，形成我們常見的雲，雲朵被風 吹到陸地上，當遇到適宜的環境時，就可能 沿著重力的方向，以雨或雪的形式降落到地 面，形成溪流或地下水，再流到湖泊或海洋， 進行下一次的循環。 科學家們估計：地球上可供人類使用的 淡水資源還不及整個水圈的 0.4%，但是，由 於人為污染過於嚴重，使得水的品質愈來愈 差，能夠被利用的比例也就愈來愈少了。因 此，為了使大家都有潔淨的水可用，我們應 該減少水源區周遭的環境開發，降低會造成 污 染 的 行 為 與 活 動 ， 並 廣 植 林 木 以 涵 養 水 源；當然囉！最重要的是必須教育大眾，使 人人都有環境保護的觀念，並落實於生活中。 科學補給站＊還我清白──污水處理廠大探險
用過的水到那裡去了？直接排放到溪流 或是大海裡嗎？當然不是囉！那就太不環保 了，不論是家庭或是工廠產生的廢水，都必 須先經過污水處理廠的處理之後，才能將較 為 乾 淨 的 水 回 歸 到 自 然 界 再 循 環 利 用 ， 現 在，我們就來看看污水處理廠是怎麼樣還水 清白：污水→ 攔污柵 → 沉澱池 → 氧化池 → 沉澱池 2 → 消毒池 →排放至自然界
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(分離垃圾) (分離泥沙) (分解有機物) (分離污泥)活動 3：自製水質過濾器
活動目的： 藉由水質過濾器的製作讓學生了解水質 淨化的過程，並培養其珍惜水資源的正確觀 念與習慣。 材料與設備： 1250~2000mL 的寶特瓶 1 個、45x45cm2 的麻布 1 塊、細砂 1 小桶、直徑約 0.5cm 的 碎石子 1 小桶、直徑約 1cm 的小石子 1 小桶、 剪刀或美工刀 1 把、絕緣膠布 1 卷、混有泥 沙的污水 1 小桶。 活動步驟： 1. 將細砂、碎石子與小石子洗淨。 2. 將麻布剪為 15x15cm2的方塊（約可剪為 9 塊）。 3. 小 心 地 以 剪 刀 或 美 工 刀 去 除 寶 特 瓶 的 底 部，並於切割邊緣黏貼一層絕緣膠布以防 肢體接觸時割傷。 4. 將寶特瓶倒置，丟棄瓶蓋，並取 3 塊麻布 塊相疊，置於底部（不需對齊，效果較佳）。 5. 在寶特瓶內置入 1 層約 3cm 高的細砂。 6. 重覆步驟 4、5 的方法 2 次。 7. 在寶特瓶內置入 1 層約 4cm 高的碎石子。 8. 在寶特瓶內置入 1 層約 4cm 高的小石子。 9. 取一大杯混有泥沙的污水（約 1000mL）倒 入過濾器，觀察其過濾效果。 問題與討論： 1. 在步驟 4 中，為什麼相疊的麻布塊不需對 齊反而效果較佳呢？ 2. 若污水經過過濾後，其效果不如預期，可 能的原因為何？該如何處理才能夠得到更 好的效果呢？ 3. 我們可以用何種方法判斷水質過濾器已經 過長期的使用，而效果不佳了呢？ 4. 承上題，該如何改善此種情形，使水質過 濾器恢復以往的過濾能力呢？活動 4：環保小尖兵
活動目的： 藉 由 本 活 動 學 習 使 用 電 腦 網 路 資 源 搜 尋、處理資料，並培養其發現問題、解決問 題的能力。 材料與設備： 製 圖 工 具 、 電 腦 、 網 際 網 路 系 統 、A 4 紙張、色筆……。 活動步驟： 1. 分組討論，訂定主題（各種污染的探討）， 並進行工作分配。 2. 從書籍、雜誌、報紙、網路……等處尋找 相關資料。 (下轉第 30 頁)個鄰居（臺東、高雄縣和海），高雄市則只有 2 個鄰居（高雄縣和海）。澎湖、嘉義市、臺 中市和臺北市則呈現海島現象，只有 1 個鄰 居。 圖六
