中小學「氧化與還原」主題概念單元的深廣度研究

(1)

中小學「氧化與還原 J 主題概念單元的海廣度研究

中心、學「氧化與還原」主題概念

單元的深廣度研究

理學院化學系

王澄霞楊永莘

本研究收集與分析國內外(中、美、英、日')各階段(小學至高中)自然課程中關於「氧化與還原 J 主題概念之實驗，研討其所包含的化學概念，建立主題概念的發展順序 o 分析與比較其所含的科學技能、科學過程與科學態度，並探討實驗活動與概念的銜接問題。特別針對有關「量的處理」的實驗活動進行實做評鑑'獲得具體結果並提供建議。

壹、前百

化學課程中的概念學習常贊藉助實驗活動的實施，讓學習者經由質做過程而形成概念。此外，實驗活動也能培養學習者的科學技能，培育其科學過程和科學態度。這些功能為目前盛行的「培養全民科學素養」的敬有理念所冀求者。因此，世界各國的化學課程皆安排實驗活動以達成此一目標。再者，各國各階毆皆有實驗活動配合該階段的概念學習。但是，間一階段的概念層次是否相同?不同階段的實驗活動所包含的概念內容是否能合理而周延的銜接?以消除重援學習，此為化學謀程設計方面之重要謀題。因此，吾人將隸屬同→概念系統範圍內的各種次概念加以統整處理，組織成為「主題概念 J 0 r 氧化與還原」主題概念是化學頒域中重要的主題概念之一，它包含日常生活中常見的現象(如生銳、電飯、化學電池等) ，也包含重要的學理(如法，拉第電解定律)。本主題單元敢相除提供具體現象的學

l瘤，也兼備科學研究的要素一-~~量" '1 可以藉"、量化"的實驗活動經由「做中學」過

程培育學生的科學知能、技能與科學過程，進而培養其科學素養，符合本文前段所敘述的學習目標 o 本研究針對中、美、英、日諸國各階段'c小學至高中〉之「氧化與還原 J 主題概念之實驗活動，建立其主題概念發展體系，分析與比較其概念內容。特別就「氧化與還原」主題單元中關於「量的處理 J 的實驗活動，根據下列七項原則評估其連貫性與實用性 (1)實驗活動的結果能否提供足夠的實驗證據以形成主題概念?不同階段的主題概念是否連貫?

-

725 一

(2)

師夫學報第卅一期的實驗內容能否配合學生的認知能力? 的)實驗內容能否與學生之舊有經驗(含技能)配合? (4)實驗的安全性? (5清驗所需的器材是否價廉而且容易獲得? (6) 實驗能否在適當的時間內完成I? 佇)實驗費用是否合乎經濟原則? 本所研究經由試做後，再由小組試做與班融試教中獲致具體研究成果，提供實驗改進之依據及編寫教材之參考。

黨、實施方式

J.肢集國內外(中、美、英、日〉各階段(小學至高中〉關於本主題單元之實驗活驗活動，分析各實驗活動所包含的化學概念，建立其主題概念發展體系。 2 分析並比較各實驗活動所舍的技能、科學過程與科學態度，異同分類處理方法等，建立各國實驗活動內容分析表。 3. 探討主題概念在各階設的適用性與實用性，評估概念的銜接問題。 4. 選出或設計適合本主題單元之各階段實驗活動。 E經由試傲、小組試教及班級試教等實做過程，評估實驗活動的成殼。

譽、結果與討論

「經由分析與整理過程獲得各國有關「氧化與還原 J 之實驗活動分析內容，分別列於表

1 、 2 、 3 與 4 。

各國「氧化與還原J.主題概念發展順序之流程對照圖如圖 1 。由圖 1 得知各國之本主題單元概念之發展順序各異，但大致包含率單元之主要概念，去日氧化、活性次序、氧化還原反應及電儷等。弓-針對「氧化與還原」主題單元實驗活動涉及 f 量的處理」者. ，列舉於表 5 0 茲說明如

下:

'H 在國小階段，各國皆無有關「量的處理 J 實驗活動。口在國中階暐開始發展有關「氧化與還康J 的最化實驗活動(如電解) ~t探討電極的質量變化與逼入電流數量的關係。國中階段以「質量」和「電流 J 為量的測量基準。臼高中階搜延伸國中階段獲得的概念，其實驗活動擴展至有關氧化與還原反應的電佐變北和氧化還原滴定。高中階殷的量的測定基單為氧你還原反應的無反應電位。三三本主題單位各國的實驗活動各具特色，茲以我國的實驗活動為中心，外國教材則只列舉其特色的方式進行研討: 村小學階段:

-

726 一

(3)

中小學「氧化與還原」主題概念單元的深廣度研究 1.中國:小學階段的學習要項在於了解:空氣能夠幫助燃燒、鐵(鋼絲絨〉的生錫、蠟燭燃燒等自然界常見的現象，屬於 E觀現象的觀察和學習。 Z 美國:了解空氣可使岩產生「風化作用」。‘ 3. 日本:與我國大致相同。臼國中階段: 1.中國:除了繼續發展小學階段的概念，如物質燃燒需要氧氣(氧氣的助燃作用)

、鋼氧化(了解氧是發生氧化作用的必要物質〉箏，並以粒子(原子〉的知識闡

釋這些概念。國中階段進一步了催金屬元素的氧化，了解元素活性大小，電解與電憊的原理和應用。 2. 美國: (1) 將有顏色的離子置於濾紙並通以電流，觀察離子游動的方向。 (2) 在硫酸銅溶液中以二銅片分別做為正負極，通入電流並觀察與比較正負電極的質量變化。 (3) 製作鉛電池。 3. 英國:英國本階段的實驗活動以電館及電鍍為主其特色為 (I)電解海水，觀察反應及其產物。 (2)電解熔融的漠化辦(需注意所生成的澳氣具有毒性)。 4. 日本:依照是否具有導電性質，將物質區分為解質與非電解質(此一實驗活動和「物質的粒于概念 J 主題單元相關。〉臼高中階段: 1.中國:分為「基礎理化」和「高中化學」兩階段實施。 mr 基礎理化 J

:

「基礎理化 J 中有關本單元之實驗活動為「電儷」、「電鍍， J 與「氧 fp 還原滴定」。前者介紹氧化還原、半反應電位及電鍛原理。後者為應用氧化還原滴定技術測定溶液的濃度，為定量分析的技術。

(2)

r 高中化學 J

;

@在「化學電池」實驗活動中介紹計算化學反應標準電位的方法。 @本階段質驗活動所包含應用技術及原理，去日電解碘化合物以製造碘。 @包含定量實驗:以氧化還原指示劑實施氧化還原滴定。 2. 美國:不分階段，其特色為:

(1糊定電極~(金屬〉生成之質量與電手莫耳數之崗的關保h

(2) 在 U 型管中電解碘化餌，觀察陰陽極所發生的變化現象。 (3) 測量化學半電位的電壓值，建立還康半電位值。 3. 英國:測定陰離寺(氯、澳、碘)之間的電子轉移方向，由此建立陰離子之氧化還原活性次序。 4. 日本: r 理化」階毆無本主題單元教材。

-

727 一

(4)

師大學報第卅一期「化學」階殷:在 U 型管中電解氯化亞鐵溶液晶，觀察陰極與陽極的變化。個就本主題單元諸實驗活動所發展的技能，在小學階段為實施與觀察物體的燃燒;國中階段為加熱，使用導電裝置，操作電解與電鍍裝置。國中階段的實驗活動涉及電的原理，須與物理科取得聯繫。高中階段為綜合國中階段的技能，使用電位計(測半反應電位) ，以及實施氧化還原滴定技術。 4 個本單元多數實驗活動使用電氣裝置(如電流計、電壓計) ，所需設備費用較多;而且，為增進實驗教果或精密度，則須使用精密度較高的電子器材(費用更昂貴)。因此，經費充足以利購置所需儀器，為本單元實驗成功達成的要件之一。的本單元多數實驗活動以溶液型態實施，其實驗所需時問約為一節課，在時間方面向稱合適。

的由於部分實驗活動使用電子儀器，除了必讀訓練學生操作儀器，並須指導學生做好

維護措施，及防範意外傷害(如觸電〉。

四經由分析與比較各階殷「氧化與還原 J 主題單元優良的實驗活動，修正其內容以配合概念發展，做為適用教材，並經由試做後，再由各階段學校小規模實施，以評估其效益。抖本主題單元所選出或設計之適用教材，其所含知能、技能、精密度及性質分顯處理方法列於表 6 。此適用教材是依「定性至定量、具體至抽象、巨觀至微觀 J 的原則編排而成，以銜接圈中與高中兩階股的知能與技能，使教材連貫一致。臼本主題單元適用教材經學校小規模實施後，其成教如下:

海之\

實驗﹒活動名稱學生數平均值標 i 準差國氧會幫助燃燒嗎

16

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2.2

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16

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₁₀

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₄

」

肆、結論

一綜觀世界各國「氧化還原」主題單元實驗活動，其在小學階段為認識物質所發生的變化(如燃燒、生錫) ，並形成其操作型定義。國中階段繼續擴展小學階駛的概念，以

-

.728 一

(5)

中小學「氧化與還原」主題概念單元的深廣度研究 E 觀方式了解物質的變化現象，並開始以微觀方式認識氧化與還原的本質和理論，並以定量方式探討諸如電解之概念。高中階段則綜合國中階段所發展的概念，並以定量方式探究電懼、電鍍與氧化還原滴定等實驗活動所包含之概念。 ※我國高中階段的「基礎理化 J 和「高中化學 J 皆安排「氧化還原滴定」實驗活動，兩者所要求的實驗技能相間，但在過程上稍有差異。( r 高中化學 J 在滴定過程中須使用氧化還原揭示劑)。三毛世界各國之本主題單元實驗活動與概念之配合方式為: r 由具體至抽象、巨觀至微觀、定性至定量」。而且，各實驗所要求之精密度水準是由粗略至精密，符合學生認知能力的發展。三三各國之本主題單元實驗活動內容以日常生活中常見的物質與現象為主，如燃燒、鍋綿的氧化等，以及現代工業常用的電解與電鍍技術'是為一個配合日常生活需要的單元。因此，本主題單元多數實驗活動的內容可以兼顧學生的學習興趣。用各國有關「量的處理 J 之實驗活動自閩中階殷開始質施，其數量較高中階段多。各國各階段實驗活動所要求之精密度水準大致相間，顯示各國對學生學習成就之期望水準相近，並無文化與社會背景差異的影響。豆豆我國本單元實驗活動內容與數量都相當豐富，其所發展概念的銜接方式亦適宜，並安排數量頗今的定量實驗。美國教材在層次與數量方面均遜於我國同一階段的教材;英國教材在質與量方面和我國相近;日本教材在數量與內容均不及我國，而且，其在本主題單元的概念發展簡徑。 7"\本主題單元在概念橫向聯繫方面涉及溶液、能量、元素等概念，在技能方面和酸鹼滴定有關。在科際統合方面涉及物理學科(以電的原理、電池等概念為主) .在課程安排上應注意聯繫。有本研究所設計之適用教材，經實做評估成殼，其平均值高於一般水準，堪供各階段在課程設計時參考。

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中小學「氧化與還原 J 主題概念單元的潔廣度研究各國「氧化還原」主題單元概念發展順序流程對照圖玲:中國 →:美國 →:英國 <:~令:日本 @:概念發展起點

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(9)

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(10)

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(12)

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(13)

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(14)

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(15)

小小1}~ r 常化研!i\;1 R;í J ~:.閥概念嗯，元的 1?l'W1 度研究

內容 _技能

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Stage E Stage 1 & 1 Stage 1

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熱 1. 11察:無泡 1.客觀 2.傳達 Z精 IJ月 1.觀察:氣泡 1.客制製氫 2.佛遠 2會.，.心 3j~佳作 i~!定義 1.的'~;~ : nl枷 1.第制導倦裝體( Z傳遠 2.1M;、 3綠f'F型定義『一一一一 1.觀察:電領 1客觀海惜裝trl: 2.傳這 2 信心 3線作型定義 1.觀察:電擷 1.客觀草草電裝情 Z傳達 2耐』心 3操作型定義 1.概察:電槓 1.客翱導 11裝骰 2傳這 2綺明 3j榮作 ~1定畫畫 1.觀察:電報 1.客的e 海市裝frì: 2 傳連 2 耐心 3.t:於 I'(i呻j定誰 1.使用天平 1.刺耳笑:溶液 1.吾爾一一- IJI年問 ::!::1 秒 2耳~tli~長們 Z側有青:1li:纜、傳流、時 rrll 2.j尉，心 1電流:士 0.01A 3.傳違 3噩噩::!::0.1 g 1.觀察 1.客觀導電裝街 2ÖP.揖 Z僧，心 3.傳遍 4.操作哩!定義 UI!察 l 客觀祖m電流 _淵。最 2.電車軍學理結構 3.操作型定義 -T|ECEUE i Znz+| 1.觀察:電動勢 1.客棚， +

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739 一

(16)

師大學報第卅一期異同分類處JIIl方法 "，'f自1 自語材 _安全學生能力俯就 (分餅〉 ~-一一一一一一一化學定性 50

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74。一

(17)

小小學「寄電化與道路[J主題概念環元的游!只度研究

表 4 日本

概念發展順序

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741 一

(18)

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月1 連接愕地使使用電池 1.縛，發:髏光 2.傳違 1.觀察:燈光製作彎路 2 傳連砂糖，氣化納，分唱起電離 J.iI串連氯化銅水持每激之質與非電 2 觀察:電流計導電性解質 3.分類氯化餅與食關水操作導電 l.觀察:電概溶液之導電(並裝置 2 傳達互換lE負織) 3線作規定務 l.加熱 1. 椒察:筒械硝酸艸儲備國後泊喀 2草草嚐技術 Z傳達 3.推卸 Cu2₊_{, Ag+,}_Fe₂₊ 1.翱寄電分別單單 Cu 或 Fe.反 2.傳達配製溶液 3.分類憊'.#價換物為何 ? 4.線J!I! 過話酸富甲與氯化纖 1.觀察:顏色以硫酸訓為鹽橋，操作導電裝 2.傳違過電看MnO.. 之移體 _3推瑾動方向氣化纖之電僧，在 1. 暫且察:電領 U 形管 '11_進行導電裝研 2傳這 3.樵同一 742

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(19)

小小取「情化研li且即 j 主題概念單元的 f.1! 服度研究

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J.精明化學定性

-

743 一

(20)

師大學報第卅一期表 5 各國「氧化還原 J 主題單元有關「量的處理 J 之實驗內容

汗司國

中高 _中中

11. r

*-之電解 J :捌氫與氧之體積 1 1. 測定化學反應電位(基礎理化國美。 )。

2. r 電話軍 J :求銀生成量和通入電 12. 化學電池(測定電位)。

流量之關係。 13.電解碘化餅。 4. 氧化還原滴定。一一一一一一-←一一一一一一質量生成關係: 在同一杯硫酸鍋溶液中，使用二鍋 1.電解:鍋與銀之生成質量與電流之關係。極做為正極具負極，通入電流，觀 12. 化學雷池:捌電位。國 l 察並測量此二個電極質量變化。英 Ir 電解 J :生成一克原子的鉛須使 1 1.各種電池的電動勢。用多少電? 2. 標準半電位。國

(3. 氧化還原反應。

-744 一

(21)

丑斗 J

_{個「幽-今洒備用叫」卅函薄除個凶}

3 抽油油桶單明問「氧化還原 J 主題單元適用實驗活動內容分析

洛夫

實驗活動名稱!知能 _實驗主要內容 _技 _能 _精聖哲度 _{異同分類處理方法} 國氧會幫助燃燒酒精、木琪、蝶、硫的燃燒亮光程助燃使用燃燒勻化學定性嗎? 燃燒情形

_度

1.金屬對氧的活性。金屬和氧燃燒的難易程化學定性金屬的氧化

(度

使用燃燒勻顏

_色

主氧化。元素對氧的活 1.氧化物。 1 比較蝶、碳、錯三種金燃

燒

顏

_色

化學定性性 Z氧化與還原。屬的活性電

解 l 電極的化學反應

電極上的變化 _導電裝置 _電極顏色 _化學定性電 _{鍍電鍍原理}

_{|學習電鍍原理與技巧}

_電鍍技術 _化學定性中晶化學雷池一 1.化學電池

|溶液之間的電壓值

!伏特計士 0.1 伏特物理、化學定量錚鍋電池 2. 半電位過猛酸重申溶液與亞鐵離 _{1. 顏色。}

化還原滴定|

終

子之滴定滴 _定 _{i 化學定量} 中 2.滴定點

_2.+0.1ml

表 6

lyha!

(22)

A STUOY ON IMPROVEMENT OF CHEMISTRY EXPERIMENTS IN

THE OXIOATION-REOUCTION CONCEPT CONCERNING ITS OEPTH

by

Yong-Hwa Yang

&

Cheng-Hsia Wang

Abstract

A study on improvement of experimental activities in the chemistry curricula of

primary school through senior high school has been made. The correlation and the