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化學特色課程 首部曲

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Chemistry 2016 特色課程全面啟動:

化學特色課程 首部曲

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

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前言

有別於一成不變的教學模式,我更喜愛創 新,不只是為了學生,更是為了自己!從 95 暫 綱、 99 課綱、 103 課綱微調到即將面臨的 107 課綱,課綱內容已大幅修正,複雜的計算不再是 考試的主流,取而代之的是迷思概念的澄清、探 究式及 PISA 試題。根據國際調查顯示,臺灣學 子「閱讀素養」排名大幅下滑,落後於上海、

香港、韓國、新加坡等國家與城市,主要原因在 於臺灣學生只是「悅」讀,卻沒有「有效的閱 讀」,缺乏深度、重點與策略。根據 PISA 資料 庫的分析報告指出,臺灣學生喜歡閱讀的程度,

在全球僅次於上海,但閱讀素養的排名明顯落 後,原因就出在沒有真正「讀到重點,言之有 物」。臺灣的老師教得太多太細,甚至還幫學生 畫重點及整理考題攻略,反而讓孩子失去空間與 機會建立屬於自己的科學能力。學科中心研發工 作團隊以研發創新實驗為主,並且每年必須出版 論文,筆者平日除了教學以外就是喜歡蒐集、嘗 試各種稀奇古怪實驗,以及發展特色課程,在學

科中心的十年間,剛好有了一展身手的機會!

臺灣學生雖很會考試,但整合實驗及表達能 力普遍不佳。也許有些老師會不服氣,在國際化 學奧林匹亞競賽中,臺灣學生表現皆十分優秀,

一點也不輸西方國家,但我們都知道那只限於 少數神級的學生,普羅大眾對於化學其實是害怕 的。筆者周遭許多朋友,一提及食安問題,就會 認為學化學的人都好可怕,不是會做毒品害人,

就是會做合成油或精煉油給人喝……,足見鄉民 基礎化學知識及實驗能力仍是十分不足的。

有鑑於學生學習化學成就感低落,政府推動 十二年國教,國中生致力於閱讀的加深與加廣,

高中要培養主動學習、「做中學」實驗及歸納整 理的能力。然而學生能力的培養有賴於教師在教 學方法上的突破及改變,推動科學教育改革是勢 在必行的工作。

有些人或許認為目前的教育體制如同「市 場」,學校教育就是一種「商品」,學校及老師 是商品的提供者,而學生是「客戶」,「發展 學校特色」即是符合這樣的思考邏輯。發展學 校特色為十二年國民基本教育計畫重點之一,因

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Chemistry 2016 特色課程全面啟動: 科學探究 MIT - 化學

化學特色課程 首部曲

此各校莫不競相發展特色課程。所謂的特色課 程,定義是「學校能夠以創新思維,在十二年國 民基本教育與課程綱要之架構下,考量其校史、

內外部優勢條件、願景目標及社會需求,為全體 學生所規劃有助於提升學習成效之課程內容或實 施方式」。雖然各校並不一定要特色招生,但 是皆應發展特色課程,這符合市場區隔(market segmentation)的行銷原則,好讓個別的學校能 夠繼續找到客源而生存。但是,我們要了解商業 最終以「利益」為導向,但教育不是,教育最基 本的是理念是「堅持及創新」,以唐吉軻德的精 神為下一代追求更好的教育環境而努力。

新科總統蔡英文說:「謙卑是我們的態度,

堅定是我們的立場,改革是我們的方向」,同樣 的,我們老師收到這張聘書背後最大的意義,就 是有義務要做好做滿這份神聖的工作,教育改革 是一條回不去的道路,所以我們只能勇往直前,

期許給學生更好的未來!

本專欄會陸續提供特色課程教材,課程規畫 對象是以高一新生為主,提供一開始從事特色課 程之初課程規劃參考及簡單易懂、容易操作的家 庭化學實驗,提升學生的實驗操作能力及加強化 學與日常生活的連結。

課程設計為每週兩小時特色課程,配合基礎 化學課程設計實驗,學生從「認識研究」開始,

逐步接受基礎探究能力的訓練,激發學生研究興 趣,培養學生體察周遭環境、發現問題、蒐集資 料、設計實驗、操作驗證、撰寫報告等實驗研究 的能力。

第一週上課時,第一堂課介紹常用的實驗器 材及實驗安全規則,完成「看誰乒乓球撐得久」

的實驗;第二堂課是實地操作實用的「家庭化 學」。筆者曾在 2014 年拍攝神奇植物染的實驗 影片,運用棉布以洋蔥表皮為染劑原料,當小男 孩使用了「神奇豆子」時,染布效果大增!過程 中主要強調媒染劑對於染布的神奇功效,並介紹 植物染原理。

一、看誰乒乓球撐得久

實驗目的:

此實驗使用實驗室家用洗碗精及催化劑(碘 化鉀)放入量筒後,小心地在量筒內放入乒乓 球,緩慢倒入高濃度的雙氧水,立即快速地產生 柱狀的許多泡沫,此時乒乓球會因為泡沫的產生 而從量筒內衝出。

實驗原理與概念:

以碘化鉀催化過氧化氫的分解反應涉及兩個 反應,如反應式

[1]

[2]

,過氧化氫分解的總反 應如反應式

[3]

實驗中加入碳酸鈉(Na2CO3),是為了去 除反應所生成的碘(I2)。由於碘在鹼性環境

(碳酸鈉溶液含 OH)中會產生自身氧化還原反 應,可避免碘蒸氣的產生。其反應如式

[4]

器材及藥品:

1. 碘化鉀(Potassium iodide)10 克 2. 碳酸鈉(Sodium carbonate)10 克

3. 35% 雙氧水(Hydrogen peroxide)50 毫升 4. 家用洗碗精 1 瓶

5. 量筒(500 mL) 1 個 6. 燒杯(25 mL) 1 個 7. 淺底塑膠盤 1 個 8. 乒乓球 1 個 實驗步驟:

1. 準備上述的藥品和器材,並配製(或購買)不 同濃度的雙氧水。

2 . 取一個 500 mL 的大量筒,放置在淺底塑膠盤 的中間位置或直接放入實驗桌旁水槽中。

H

2

O

2 ( a q )

+ I -

( a q )

→ H

2

O

( l )

+ I O -

( a q )

[1]

H

2

O

2(aq)

+ IO-

(aq)

→ H

2

O

(l)

+ O

2(g)

+ I-

(aq)

[2]

總 反 應 : 2 H

2

O

2(aq)

→ 2H

2

O

(l)

+ O

2(g)

[3]

3I

2(s)

+ 6OH

-(aq)

→ 5I-

(aq)

+ IO

3

-

(aq)

+ 3H

2

O

(g)

[4]

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Chemistry

3. 加入約 5 mL 的洗碗精到量筒中,再加入碘化 鉀 10 克,輕輕地搖晃使其充分混合,並將乒 乓球放入量筒內。

4. 緩慢倒入雙氧水後,手部立即移開量筒(勿靠 近量筒)。

6. 加入後,立即產生大量泡沫,此時乒乓球會被 泡沫衝出。

7. 在實驗過程中,請同學注意觀察泡沫冒出的快 慢。

評量方式:

1. 能很快的找出老師要求的實驗器材,並能說 出如何使用。

2. 能成功的改變雙氧水濃度,控制量筒內泡沫

  圖一:將乒乓球放入500毫升量筒中再將雙氧水倒 入,此時化學反應產生的泡泡會將乒乓球頂至瓶 口。

  圖二:學生觀察所冒出泡泡的速率快慢及顏色感 到十分好奇。

產生的快慢,使乒乓球衝到量筒口卻不溢出 就算過關。

實驗過程注意事項:

1. 實驗後量筒溫度很高,請勿立即觸摸量筒的 管壁。

2. 取用過氧化氫必須戴乳膠手套。過氧化氫為 強氧化劑,具有強腐蝕性,若不小心接觸到 皮膚,應以大量清水沖洗。

3. 實驗時若事先加入碳酸鈉,雖然會使實驗時 產生的碘分解,較不會因為量筒高溫產生有 毒的碘蒸氣,但同時也會使實驗容易失敗,

效果下降。

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Chemistry

科學探究 MIT - 化學

  圖三:2014 年學科中心影片詳細介紹植物染的製作過程。

(影片網址:https://www.youtube.com/watch?v=40J1tKBW5xs, YouTube.)

實驗目的:

運用家庭廚房常見的廢棄物洋蔥表皮從事 植物染,讓學生了解廢棄物可再利用的環保概 念,希望學生在家裡就可做化學實驗,使用的藥 品和器材可以從家裡取得,或購自五金行、百貨 行、文具店、藥局等,或取自廢棄物,而不一定 要使用化學實驗室的場地以及藥品和器材。

二、神奇植物染

本實驗影片是 2014 年化學學科中心拍攝,將提供其製作的詳細過程。

器材及藥品:

1. 洋蔥表皮(10 克,約兩顆的量)

2. 5% 的明礬水溶液 3. 燒杯(500 mL) 1 個 4. 玻棒 1 支

5. 加熱板 1 座

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Chemistry

實驗原理與概念:

明礬,通常是鉀明礬(硫酸鋁鉀,化學式 為 KAl(SO4)2.12H2O)的簡稱,為硫酸鋁與硫 酸鉀的複鹽,常用於自來水的淨水(凝聚劑)及 媒染劑。什麼叫作媒染劑?原來當纖維缺乏與染 色劑之間的親和力時,染色時顏色會不明顯,這 時需用一種藥劑,作為纖維與染料間的媒介,以 達到染色的目的,這種藥劑稱「媒染劑」。常用 的媒染劑分為天然的(鐵鏽、烏梅、稻草灰、木 灰、茶花)及合成化學的(醋酸酮、醋酸鋁、醋 酸鐵、明礬等)。

本次實驗染色的洋蔥表皮內含有色素檞皮 黃酮,當纖維上的檞皮黃酮與媒染劑的鋁離子發 生配位共價作用時,會形成金屬錯合物,此即鋁 的媒染作用。此錯合物吸收光線並反射時,會使 顏色變得更加鮮艷 (因為光譜變得尖銳且吸收 的光更多)。除了布的顏色更加鮮艷以外,經明 礬水溶液浸泡後,染料的附著力會比原本只浸泡

  圖四:洋蔥表皮染色完成,顏色鮮麗且圖案可以自己創造,十分具有創意。

洋蔥表皮的水溶液還要更加穩固,而且即使經日 曬其牢固度也不變。此外,若媒染劑使用硫酸銅 則呈黃褐色,用三氯化鐵則呈黑褐色(無論是哪 一種媒染劑其濃度均只要 3% 就夠了)。

實驗步驟:

1. 取一個 500 mL 的燒杯,內裝水約八分滿,剝 開兩顆洋蔥的表皮,約 10 克重,放入燒杯 中,於加熱板上加熱約 10 分鐘,過程中以玻 棒不時攪拌,待洋蔥表皮的色素溶於水中至 溶液的顏色呈黃色為止。

2. 將一塊折捲成圓柱形、以橡皮筋固定的方形棉 布,放入熱溶液中,靜置 10 分鐘。

3. 將 2.3 克的明礬粉,加水至 250 mL,配製5%

的明礬溶液作媒染劑備用。

4. 10 分鐘後,將棉布取出,鬆開橡皮筋,置入 裝有明礬溶液的燒杯中,以鑷子夾著棉布在 溶液中漂洗,3 分鐘後染色隨即完成。

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Chemistry

科學探究 MIT - 化學

教師與學生心得分享

教師:

1. 很多高一新生在國中時並未接觸過任何化學 實 驗 , 對 於 實 驗 室 安 全 及 玻 璃 器 材 都 不 熟 悉,有些學生不知如何使用量筒量取液體溶 液,甚至有不少同學用燒杯量取溶液,教學 現場什麼狀況都可能發生。

2. 倒入高濃度的雙氧水於大量筒時,產生的清 潔劑泡泡瞬間衝出,有時甚至衝到空中,提 醒同學最好戴上安全眼鏡及注意安全。

3. 選 修 學 生 組 成 來 自 不 同 班 級 , 彼 此 間 不 熟 識,團隊力量薄弱,做實驗的默契還有待培 養,而且此門課為選修課程,學生多數抱著 玩化學的心態,也因此安全規則十分重要。

4 選課時並沒有特別規定或限制,學生程度屬 於中下,有些同學從未看過實驗器材,所以 實驗前一定介紹實驗器材及其使用。

5. 第一次上課時就出現學生程度與自己教學目 標有落差,不過想想身為老師就是要用熱情 融化他們,只要願意學習就是好孩子,我們 都不應該放棄!

6. 教師的心態要下修,以鼓勵代替說教,以行 動代替口條,兩堂課下來如同陀螺一樣滿場 跑,真的很累,但我相信學習過程會漸入佳 境。

7. 下課後學生彼此聯絡不易,所以若下次上課 需要學生準備藥品或器材須提前一週交代。

8. 說好的科展呢?嗯∼還是先訓練基礎實驗能 力,相信學生有能力及興趣後就會自己再去 聯想如何從事科學研究,一開始還是不要先 設定目標才好,免得學生一做錯實驗,老師 的玻璃心碎滿地。

學生:

1. 老師介紹了實驗安全規則及學長發生意外的 實例,覺得做實驗真的要注意安全,同時對 器材的放置位置及使用要熟悉,可以使自己 實驗進度加快很多。

2. 化學實驗很有趣,以前只能在網路上看示範 實驗影片,沒想到有機會自己動手做,看到 泡沫衝上來真的很神奇!

3. 洋蔥表皮染色很有趣,一開始將未上漿的棉 布放入洋蔥表皮的水溶液中煮時,棉布的顏 色好醜,沒想到煮了十分鐘後將其撈起,放 入明礬溶液中浸泡時,棉布的顏色轉成銘黃 色,十分鮮麗,成品還可以帶回家保存做紀 念,覺得很有成就感!

參考資料

1Elephant Toothpaste Chemistry Demonstration, About.com.

2How to Make Elephant Toothpaste, wikiHow.

3Elephant toothpaste, Wikipedia.

419.7 The Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide, Chemistry Department, Purdue University.

5Rates of Reaction, Catalysts used for the Decomposition of Hydrogen Peroxide, Dr. Colin France.

6阿拉丁神燈與大象的牙膏,2007白沙化學驚奇秀,中學化學示範實驗

7科學on Line科技部高瞻自然科學教學資源平台 http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=46774

8明礬,國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯,科學Online科技部高瞻自然科學教育資源平台,http://highscope.

ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=2950。

9Alanine, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Alanine.

參考文獻

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