生活科學補給站

化學

生物

健康教育

地球科學

數學

生活科技

物理

專題導言

STEAM

5分鐘完成的STEM簡易科學實驗－自製炸彈包

 


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