5分鐘完成的STEM簡易科學實驗-自製炸彈包

資料來源
58-03
 


文/蘇子珺、黃琴扉


教育的主軸包含了「教」與「學」,目前國內的教育走向積極推動十二年國教核心素養實踐,因此許多中小學教師開始進行教學革新與翻轉,期許在教學過程中能培養與建立學生的探究能力與問題解決能力。因此,開發適合中小學的教材教案,是台灣科學教育領域迫切急需的工作。本活動的設計,是透過從「理論教學」和「探究式實作」雙主軸進行創意課程之規劃,並視問題解決為目標導向開發的簡易活動教案,期盼能提供教師自然科教學之多元素材。

承上所述,培養學生問題解決能力或採用探究式教學法的引導,是目前教育界的當務之急,但是在實務教學過程中,教師們常發生的執行困難主要有四項。第一,要進行探究活動,通常會花費較多時間,影響課程安排;第二,活動的趣味性若不足,無法引發學生想解決問題的動機;第三,探究活動必須與課程內容相關,但又能引發更多思考面向;第四,場域如果一定要在實驗室或戶外,容易降低教師執行的意願。為了解決上述四個問題,本活動所設計的「自製炸彈包」,包含表1所列特色。

表1. 「自製炸彈包」活動特色


本文介紹的課程是希望以提升學生問題解決能力為目標而設計,改良一般食譜式的教學模式並透過生活中的情境、簡單可取得的器材帶入教學及實作,課程之詳細內容說明如下:

 使用器材與步驟

一、器材

各組需小蘇打粉、檸檬酸、盛裝水之容器、滴管、湯匙、2-3號夾鏈袋、塑膠淺盤或塑膠籃等可盛裝之容器(如圖1)。


圖1. 實驗器材

二、5分鐘可完成的實驗教學過程與實驗步驟

(一) 第一部分:老師先示範一次炸彈包操作,引導學生觀察與發現問題
在自製炸彈包實作前,老師先示範一次自己做的炸彈包,並用爆炸後的物件,引導學生觀察、思考並提出問題(例如:為什麼會爆炸?爆炸後袋中白白的東西是什麼?)。

(二) 第二部分:器材介紹與觀察
進行實驗前,待各組領完器材後,請他們觀察這次實驗使用的材料(小蘇打粉、檸檬酸),可在未告知的情況下先讓他們猜猜這兩項是什麼東西,再引導觀察並記錄兩者的外觀、顏色……等項目。這項活動結束後再公布答案並介紹使用的器材。

(三) 第三部分:實驗進行與記錄
示範一次實驗給學生看,請各組開始動作,試試看怎麼樣才能成功讓炸彈包爆炸,不管成功或失敗都要記錄每次加小蘇打粉、檸檬酸與水的量。另外,透過這個實驗要請各組想出兩個問題(不可重複)。

(四) 第四部分:問題解決思考
在操作過程中,許多學生的炸彈包會發生「膨脹很大,卻沒氣爆」、「氣爆的速度比其他組同學的慢」、「氣爆點與其他組同學的不同」等各種問題;此時,教師必須引導學生進行問題解決、變因控制討論,以及各種誤差存在的可能性。

(五) 第五部份:結果討論
操作完後,請各組派人上台分享自己炸彈包成功的配方與問題並寫在黑板上,來看看大家是如何配製這個炸彈包的。最後老師再根據學生提的問題進行討論與解答。

(六) 本次實驗之步驟(圖2為示意圖)
1. 取2.52g(約3克)小蘇打粉與1.92g(約2克)檸檬酸粉末放入夾鏈袋中。
2. 將夾鏈袋密封好留一個小縫(注入水用)。
3. 擠5c.c.水注入袋中並迅速將小縫密封。
4. 放入塑膠籃前可搖一搖,使其混合均勻並加速其反應。
5. 等待「爆」的聲音出來,且撐破夾鏈袋,則表示炸彈包製作成功


圖2.實驗步驟示意圖


圖3.爆炸成功與失敗之示意圖(爆炸瞬間GIF(自製的))

 原理和概念

一、 化學反應-酸鹼中和


由上述反應式中可以發現,若要產生1莫耳(mole)的檸檬酸鈉,就需要使用1莫耳檸檬酸與3莫耳小蘇打共同反應。若以莫耳數搭配分子量進行計算,則可採用下列公式:
莫耳數(mole) = 質量(g)/分子量 舉例來說,倘若要取用3莫耳小蘇打,則數學計算方法如下:
3= X/(23+1+12+48)
X= 252 (g)

透過數學計算方式,學生將了解:若要取用3莫耳小蘇打,則需要252公克。但本實驗經過多次反覆實驗與用量的計算,僅需要2.52g(約3克)小蘇打粉與1.92g(約2克)檸檬酸粉末即可完成實驗。
本活動的主要概念,是透過小蘇打(弱鹼)與檸檬酸(弱酸)的酸鹼中和反應,產生些許的水及二氧化碳,由於反應過程中會持續產生二氧化碳,當二氧化碳累積到密封的夾鏈袋無法承受時,則產生氣爆效果。
二、 酸鹼中和是放熱反應,但炸彈包的產物卻是冰的,為什麼呢?

小蘇打粉與檸檬酸分別為弱鹼性的鹽類和弱酸,其水溶液除了會各自分解出微量的氫氧根離子及氫離子,也會反應生成「檸檬酸鈉」。當「檸檬酸鈉」鹽類溶於水時,其所「吸收的熱量」大於微量的氫氧根離子與氫離子之酸鹼中和所「放出的熱量」,因此最後的結果表現出「整體溫度降低」的現象。

 STEM整合式概念

本實驗活動的STEM概念如表2所示。
表2. 本實驗活動的STEM概念

 可探索的問題延伸及對應的教學策略

本文提供部分可探索的延伸問題如表3,以供教師們引導學生討論。
表3. 可探索的延伸問題

 實驗注意事項

一、 小蘇打粉及檸檬酸為弱鹼與弱酸,在反應過程中均屬於較為安全的化學藥品。但實驗結束後,還是必須提醒學生洗手,並提醒學生勿將化學藥品放置口中食用。
二、 操作過程必須提醒學生在較遠處觀察氣爆現象,避免爆炸時內容物噴濺到眼睛內,引發不適。

 結語
本活動的設計,是利用生活中容易取得的材料,進行一項簡單的化學實驗!並透過教學策略的引導,協助教師深化活動的教學意涵;透過改良式的教學,讓學生學習觀察事物及學習提問,也能進一步協助教師同步深化自己的問題解決能力,裨益課程與教學的反思。

除了進行活動外,另外可從清潔小幫手與廚房的科學帶入及延伸,讓學生們認識這兩樣萬用的東西,既是環保的清潔劑,也是我們常見的食品添加物。不論是廚房與用具的污垢清潔、浴室污垢清潔……等都是可應用的!


謝誌:本教案開發與執行,感謝教育部「大專校院教學實踐研究計畫」支持。






國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所研究生
蘇子珺

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所助理教授
黃琴扉