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這篇是參與104 學年度自然與生活科技探究教案設計比賽的作品， "這是我們喝的水嗎？破解商人電解水的秘密" 探究教案的整理。
之前曾分享過投影片內容( 這是我們喝的水嗎？破解商人電解水廣告的秘密@zfangの科學小玩意 )，這裡將教案裡較細微的地方一併整理。
電流的化學效應~電解水的現象與生活應用
- 配合單元：電流的化學效應
- 科學概念：電解、電解質、電極
- 適用對象：常態分班，國中三年級、小六國一國二也適用
- 先備知識：酸與鹼、電解質
- 教學時間：90 分鐘
- 人數：35 人 (分 7 組，每組 5 人)
- 教學方式：分組合作學習、探究教學、POE
教學準備材料
- 每組一份學習單(分次給)
- 實驗器材：七格調色盤*1、塑膠杯數個、鱷魚夾*2、碳棒(或粗鉛筆心)*2、 空針筒*2(吸水用)、鐵釘或迴紋針數個、鋁箔紙、衛生紙
- 實驗材料：RO 水、自來水、NaOH、NaCl
- 直流電源：9V 電池，電壓較高，反應較快，觀察一分鐘或有變化即可。 或使用直流電源供應器。
課程規劃
- 第一節：電解水真的可以使用一些方法使其產生黃渣。
- 第二節：電解水產生黃渣的原因、綜合整理與比較。
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亦可按班級屬性與實驗， 拉成三節課。
二節課版本：第一節做 1234，第二節做 56+綜合討論
三節課版本：第一節做 12，第二節做 345，第三節做 6+綜合討論(著重的重點)
分段能力指標
- 1-4-1-1 能由不同的角度或方法做觀察
- 1-4-4-1 藉由資料、情境傳來的訊息，形成可試驗的假設
- 1-4-4-2 由實驗的結果，獲得研判的論點
- 1-4-4-4 能執行實驗，依結果去批判或瞭解概念、理論、模型的適用性
- 1-4-5-3 將研究的內容作有條理的、科學性的陳述
- 1-4-5-4 正確運用科學名詞、符號及常用的表達方式
- 2-4-1-1 由探究的活動，嫻熟科學探討的方法，並經由實作過程獲得科學知識和 技能
- 2-4-5-1 觀察溶液發生交互作用時的顏色變化
- 2-4-5-4 瞭解化學電池與電解的作用
- 3-4-0-1 體會「科學」是經由探究、驗證獲得的知識
- 6-4-5-1 能設計實驗來驗證假設
- 7-4-0-1 察覺每日生活活動中運用到許多相關的科學概念
- 7-4-0-2 在處理個人生活問題(如健康、食、衣、住、行)時，依科學知識來做決 定
- 7-4-0-3 運用科學方法去解決日常生活的問題
設計理念
國三學習電解(電流的化學效應)這個單元，以往都強調電子得失(廣義的氧化 還原)觀念與記憶主要產物。但我們認為，電解是一種能力，特別是針對電解水， 如果只是為了記憶或操作證實氫氣與氧氣的比例為 2 比 1，實在是相當可惜。因 此本課程設計重點：讓學生透過「水」進行電解實驗，並藉由合作討論來學習「如 何進行探究」！
生活中有沒有用到電解的概念呢？有，我們在乎的水質就有。先閱讀一段短 文，並未搭配影片或示範實驗，因此先造成學生對結果內心存疑。
「…市場上出現了一種淨水裝置。為了能夠說明水中確實含有一些雜質， 銷售人員還在現場以礦泉水、純淨水以及自來水為實驗物件用水電解器來 做電解水的實驗。只見銷售人員打開開關幾秒鐘，水中便出現了黃褐色的 絮狀物質，還有的出現綠色絮狀物質。這時他們解釋說，水中含有大量的 有害物質,並開始推銷自己的產品。但事實的真相果真如此嗎? 」
於是，以電解水與破解商人電解水實驗花招的方向進行設計，培養學生觀 察、分析、推理的能力。引導學生進行探究之外，過程中也讓同學採取小組合作 (合作學習式的探究教學)先討論，激發學生的探究精神，由學生討論出可進行的操作變因，然後依循學生提出的變因，發下相對應的學習單，再操作下一個實驗，並進一步預測可能結果，以實驗進行驗證。帶領學生逐一推理探究，一一釐清整個商人實驗的關鍵。
我們所設計的探究教學，看似以實驗為主切入，其實是要讓學生小組討論， 讓他們去思考各變因的相關性，才去進行下一個步驟！並能藉由以往所學概念，將實驗逐一分析，分成電解質、電極材料與水樣三大部分進行實驗與討論，每個探究實驗僅討論一個變因。過程中，一次只發一張學習單，讓學生聚焦在一個實驗上，技巧性地在學生充分推理討論完後，才發下一張學習單進到下個探究實驗，讓學生享受探索及發現的樂趣。過程中，若學生有提出其他可行的實驗，教師也可視情況讓學生操作。也許學生的討論結果不一定按照學習單的順序，那也無妨，要營造一個學生能自由討論的情境，並讓學生覺得自己有能力想出老師希望他們提出的想法，提升學生的成就感。
教學過程中設計具有可探究性和發散性的問題情境，使學生在小組討論後提 出假設、對假設證實或證偽、獲得正確結論的過程。註：此實驗雖有大致流程脈絡，但若學生提出的想法可行，也可不需拘泥於各實驗的順序性，時間狀況允許的話，也可視情況讓學生有更多的發揮。
教學流程〈第一堂〉、學生回饋及注意事項
引起動機與討論
教學內容
- 課前準備：坐定小組座位、學習單、實驗器材準備
- 引起動機：閱讀短文
- 小組討論：短文討論
第一題：看完這段敘述，請寫下小組討論後的想法？如果要破解業者促銷伎倆，有哪些方向可以設計？請小組討論，寫或畫出你的方法。- 小組發表想法 1~2 組即可
教師活動(備註)
- 確認學生坐定分組座位，桌面清空(不須 課本)，過多書本易造成干擾。
- 場地使用，實驗室雖方便但場域教師不 易控制，是各校依實際情況調整。
- 器材準備：塑膠杯上先標註 RO 水、自 來水。調色盤是為了減少用量，用 6 格 分別進行六項實驗，順便進行比較觀察。
- 引導學生靜下心來閱讀短篇文章，培養 閱讀思考、辨認真假的能力。請學生依目前所學，試著討論想法，但 此時學生想法大多天馬行空，較無法聚 焦，讓 1~2 組發表即可。待實驗後第二 堂課再討論，學生較有感覺。
- 活動中，某些特別的學生，可賦予拍照 的任務，他不會睡覺，且若遇到感興趣 的實驗或話題，也會主動參與。雖然看 起來是走來走去，但比起原來睡覺完全 沒參與課堂好多了。
探究實驗一
教學內容
- 領取學習單：電解實驗注意事項、探究實驗一
- 領取小組實驗器材、材料、電源
- 分配每一實驗、題目的主要記錄員
- 進行探究實驗一：RO 水的秘密與導電的關係 請學生先預測通電後的結果。 實際進行實驗，通電時間不超過 1 分鐘。 觀察兩極與溶液的變化並詳細記錄在學習單上。
- 討論探究一問題、思考題。 以蒸餾水清洗電極及器材。
- 小組發表探究一的討論問題、思考題：RO 水能否會讓電極上產生化學變化？如何讓 RO 水發生反應，或是讓反應更激烈呢？
教師活動(備註)
- 事先分配好負責範圍，可確保時間內， 每個學生都能輪流擔任記錄員，記錄工作不致淪於同一人。
- 進行實驗時，教師巡視各組，提醒實驗 細節：鱷魚夾不碰在一起造成短路、不泡在溶液中、電解時間不超過一分鐘等。
- 每次實驗約一分鐘。結束後將鱷魚夾自 電池上拆開，以免隨手放置造成電極接觸而短路。
- 有些學生會想電久一點，或對滴管或用 來吸水的注射筒非常好奇，會有玩耍的情況，教師要注意此情形。
- 選用 9V 的電池，優點是可以帶入教室， 而學生也能回家複製實驗方法。
- 國二酸鹼鹽課程中已有先備知識：電解 質的概念。學生在第一個實驗部分，大多能討論出需添加電解質才能導電。
- 電解質以氯化鈉為主，主要是食鹽無 毒。但食鹽在電解時會在正極產生氯氣，因電解時間較短，所以影響不大。
- 為避免讓學生事先知道要做什麼，學習 單一次發送一張，可控制實驗時間、與討論時間。可以請小幫手幫忙發。
探究實驗二
教學內容
- 領取學習單，以蒸餾水清洗電極及器材。
- 進行探究實驗二：電解質與電解的關係 預測加入電解質~食鹽後的結果 實際進行實驗，通電時間不超過 1 分鐘。 觀察兩極與溶液的變化，並詳細記錄在學習單上。
- 討論探究二問題、思考題：根據實驗結果，是否能導電的關鍵在哪裡？這個實驗有出現黃褐色浮渣嗎？能否解決為什麼會出現黃褐色的浮渣？
- 小組發表探究二的討論問題。
- 引入可能是「電解溶液」的問題，改變變因，使用「自來水」當電解液。
教師活動、備註
- 整個實驗設計並非一定要對電化學很了 解。實驗過程中對於實驗結果與其中的 反應機制，老師先不要做過多回答。請 他們先把問題寫下來。
- 教師活動主要是觀察，協助如何設計實 驗，引導討論並且記錄。
- 是否允許學生跨組討論？可以的話，希 望同學以同組組員互動為主。
- 若時間允許，讓幾組發表。各組討論結 果不同。教師進入各組引導之後，可以 適時將學生特別的討論結果分享。
探究實驗三
教學內容
- 領取學習單，以蒸餾水清洗電極及器材。進行探究實驗三：是誰造成黃渣？part1
- 預測以自來水電解的結果
- 實際進行實驗，通電時間不超過 1 分鐘。 觀察兩極與溶液的變化，並詳細記錄在學習單上
- 討論探究三問題：有黃色浮渣出現嗎？為什麼會這樣？要如何再修正這個實驗？
- 教師巡視，觀察引導學生實驗或討論，發現特別的討 論結果可以請學生發表。
- 小組發表探究三的討論問題。
- 引入可能是「電極」的問題，改變變因，使用日常生 活中常見的迴紋針(鐵)當電極，進行電解。
教師活動、備註
- 觀察、注意學生實驗過程，陪伴參與討 論活動。
- 學生會驚訝為什麼電解自來水也沒有黃 渣出現？商人到底是用甚麼手法、伎倆 讓水電出黃渣？
- 引導學生觀察發現問題，鼓勵學生思考 並提出自己的想法，自行設計實驗，藉 由實驗從中驗證自己的想法。
- 若有時間，給予空間讓學生嘗試他們想 到能改變的變因。
- 電解質「鹽」，有需要再加，有些組會先 做無電解質的實驗，再做有電解質的。 各組加的鹽量不一樣，結果不同。
- 學生討論的答案多元，各組提出的意見 不同，教師進入各組引導，若學生無法 提出要修正「電極」，教師不要急著給答 案，可讓有想到的組別發表意見，詢問 大家的想法，再引入改變電極的實驗。
探究實驗四
教學內容
- 領取學習單，以蒸餾水清洗電極及器材。進行探究實驗四：是誰造成黃渣？part2
- 預測改變電極的結果是否會產生黃渣
- 實際進行實驗，通電時間不超過 1 分鐘。 觀察兩極與溶液的變化，並詳細記錄在學習單上。
- 討論探究四問題：有黃色浮渣出現嗎？為什麼會這樣？跟之前用碳棒的實驗一起比較。小組討論後覺得如何？這樣就解決問題了嗎？
- 教師巡視，觀察引導學生實驗或討論，發現特別的討 論結果可以請學生發表。
- 小組發表探究四的討論問題 1.2。
- 教師收尾總結，預告下次準備事項，清洗整理器材。
教師活動、備註
- 此實驗開始會有黃渣出現，學生對此會很興奮，隨著加入不同量的 NaCl，產生的浮渣顏色略有不同，此時學生的動機 會非常高。
- 延續學生發現新事物的新奇感，引導學 生想想看可能原因，能破解商人的伎倆 對學生來說是很大的成就感。
- 若時間允許，老師可以操控，在全班實 驗停止後，讓不同組同學分享。因為已經寫在學習單上了，讓學生用念的也可以，因此報告的壓力小，學生會較願意 分享。
- 時間夠才讓學生上台書寫結果。
- 這份科學活動是讓學生試著討論如何藉由實驗去驗證想法。
- 結束在剛好製造出變色，會讓學生對此議題的興致延續至下一堂課程。
第一堂課結束
續篇“第二堂課”，請見：電解水探究教案分享(下)驗證與破解、補充影片、教學心得@zfangの科學小玩意
