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誰讓貝殼砂冒泡?一堂探究與動手做的科學課

利用一罐貝殼與沙,進行一場探究實驗

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2019-10-23 22:49:36 最後編修
2016-12-31 14:07:54 By zfang
 

上學期末(聖誕節前不久),第一次代二年級星期六的課,我送給每個學生一罐貝殼砂。告訴他們,『這是要給大家的見面禮。』但,請他們先不要打開軟木塞。『仔細看這小小一罐,裡頭有什麼呢?』


這罐小小的貝殼砂,裡頭有亮片、彩色砂粒,還有幾枚小貝殼。

『裡頭共有多少個貝殼?』雖然每罐不一樣,但請學生不可以打開蓋子來數。可以運用什麼方法?
咦,搖搖搖,貝殼浮出來了。『貝殼為什麼會浮出來?與什麼因素有關?密度差異、質量輕重,還是體積大小?』請學生舉手先預測。

國二學生多會說是密度,大概是因為之前學習過密度大小會影響浮沉。這個不是液體中的浮沉,固體顆粒的浮沉與其實顆粒大小有關,搖晃過程中,顆粒小的沙子跑到下方填滿空隙,顆粒大的貝殼就被抬起來了。若是應用於地球科學,探討顆粒大小對沉積物沉積情況的影響,還可以在裡頭裝水,搖搖再靜置,讓它沉澱。多了水,結果會如何? 誰在上誰在下呢?

玻璃罐加上彩砂,本身就已經很好看了,但我想送的不只是這個貝殼砂罐,真正的禮在後續的動手做活動中,透過一堂科學探索與動手做,由他們自己獲得。

 

第一罐~貝殼砂的冒泡

三人一組共三罐貝殼砂,請學生將軟木塞與緞帶收好不要弄濕。『請打開第一罐,先加2~3滴濃醋酸後再加水,注意:發生什麼變化?』選擇醋酸是因為較容易取得(市售醋精濃度恰好),且較鹽酸安全,可以在非實驗室操作的教室進行操作與觀察。

想到要把這麼可愛的貝殼砂罐破壞……女孩們大呼:『好可惜!』
『別擔心,先有破壞,後面我們才會有建設嘛!』請仔細觀察......

有反應耶,有氣體冒出來,而且整罐的砂開始長高了。但反應似乎又停下來,好像"太乾了",再加一些水看看結果......

……剛開始好捨不得將醋酸加進漂亮的貝殼沙瓶中,那時萬萬想不到它們起的反應變化這麼有趣。先膨脹、冒泡,然後砂居然浮在水面……(黃芩)


貝殼砂發了耶,慢慢長高,這像是椪糖實驗,慢慢地椪了起來。


沙與沙的空隙變大了,像麵包饅頭發了一樣膨脹,貝殼砂由半罐變成整罐。

『空隙為什麼變大?』請學生自由回答。

『顯然裡頭有氣體出現了,那麼這是什麼變化?』學生多答化學變化。
反問他們:『有氣體產生就是化學變化嗎?』

也有聰明的學生快速地回答:『因為這是酸與貝殼的反應,產生二氧化碳。』這批是國二的菁英學生,有一定的程度,先前理化第二章學過氣體(氧氣、二氧化碳)的製備。

『喔~二氧化碳呀,那是標準答案嗎?』提醒他們還得提出證據,『有哪些方法可以證明氣體是二氧化碳?』二氧化碳的檢驗多利用澄清石灰水,若含二氧化碳,則溶液會變混濁,這是因為二氧化碳與氫氧化鈣產生白色碳酸鈣沉澱的緣故。也能利用燃燒的線香,二氧化碳不助燃,線香會熄滅。

『如果說二氧化碳是產物,那麼~反應物是誰呢?』問一問學生,『裡頭明明有貝殼有沙,我也加了水加了酸,如何得知誰是反應的主角?怎麼證明?』有學生舉手了。
在普遍等待問題答案的國中生裡頭,有勇於舉手發表想法的學生實在是不簡單!『好,說說你有什麼想法? 』
『呃......其實我只是想說,瓶子裡面還有亮片,這個也應該被考慮進來!』亮片是否也會是產生二氧化碳的來源?甚至,空的罐子是否就會與酸反應,也可以試試看!

『科學探究最重要的是解決問題的過程,我們來透過實驗來找答案吧!』

 

第二罐~砂罐加水的反應

『請寫下你的預測,剛剛的變化是誰造成的?貝殼還是沙?』調查一下,很多人認為是貝殼,也有一些人認為是砂。

剛剛是三個人一組,所以有三罐星沙,已經用完一罐了,還剩二罐。『請取出二罐的貝殼,並將它們集中在一罐,而另一罐則是半罐砂。』多餘的砂與亮片回收到講台,不同顏色的砂被堆疊在廣口瓶裡。而亮片這項變因,則是被我暫時排除了。


於是,桌上有半罐貝殼、半罐沙。

『現在請在砂罐中加水~觀察有什麼變化?』水量比砂量多,並請學生先不要搖晃。

咦,水居然下不去!甚至還在交界面形成類似不沾的情況。『為什麼?』原來這是因為表面張力,在乾燥缺水的花盆中加水,也會發現土壤有一時之間無法吸水的情況發生。如果土壤有些潮濕,則會因為毛細現象將水拉進來!

『不要搖晃,輕敲瓶子的側邊,讓水慢慢滲入。再看看有什麼變化?』

水慢慢滲下去,而同時有一個大氣泡慢慢浮出,甚至還帶有些細砂附著在氣泡上,然後氣泡浮出水面後破掉。

 

『砂加水,有沒有氣體產生?』有。『氣泡的成份是什麼?』空氣。那麼,這是什麼變化?為什麼?

看到氣泡的產生不要認為一定是化學變化。水會把乾燥砂石或泥土空隙的空氣擠出來,因此小泡泡是空氣,但當所有空隙都被水充滿時,就不會有氣泡再繼續跑出來了。

『有水才看得到砂裡的空隙,水才能hold住氣泡。』 這是物理變化。

……我最喜歡單純的砂加水的時後,冒的泡泡上面帶點殘餘的砂,砂還突然彈跳到水面上……這讓我聯想到著名動漫航海王中的一個場景~夏波蒂諸島,它是由樹脂構成的泡泡,也跟這個實驗的泡泡很像。總之~就是超可愛的啊!(劉冠怡)

 

 

還是第二罐~砂罐加酸的反應

接著,我們要驗證砂與酸是否會發生反應了。
先將水與砂搖勻,不要讓裡頭再有空氣,再請學生加入醋酸。

『有氣泡!』學生驚呼:『這個泡與原來加水的泡有什麼不同?』仔細觀察,這種氣泡綿綿密密地產生,不同於剛剛的大泡泡!


更令人訝異的是,砂居然分層了。

『所以,請大家告訴我,這種砂會不會與酸反應產生氣泡?』會。注意:先將水與砂搖勻趕走空氣再加醋,才能確認這罐許願砂與酸反應真的會冒泡。『這是什麼變化?』
綿密的氣泡是酸與接觸面碰撞反應,這是化學變化。

常見的砂有二種,一種是二氧化矽,不會與酸反應;另一種是珊瑚砂,主成分是碳酸鈣,而碳酸鈣會與酸起反應產生二氧化碳。

所以透過實驗我們知道,這罐的砂粒是會和醋酸起反應產生氣泡,而且這種砂極可能是珊瑚砂!

聽到我這麼說,之前選砂的少數學生非常得意,我看到有一些學生"動手"改答案了。提醒他們,忠於自己:『學習單上的答案不要改~』

 

第三罐~貝殼的反應

接著來觀察貝殼,模仿前面的步驟。首先是貝殼加水~有變化嗎?


稍微搖搖~哦,貝殼口有小氣泡出來了,這也是空氣,所以是物理變化。

貝殼加酸呢?仔細看。

不只是綿密的氣泡產生,而且還看見貝殼還會隨著氣泡而上浮,一會兒又下沉!就像是汽水中的葡萄乾實驗,這呀~是浮浮沉沉的貝殼。貝殼的重量恰恰好。氣泡產生浮力大於貝殼的重量,貝殼浮起被氣泡撐起,當氣泡逸散貝殼重量大於浮力,則又沉了下來。不只是酸與貝殼的化學變化, 也是氣泡在接觸面聚集產生浮力對抗貝殼重力而上浮的物理現象。 

某些無敵貝殼"居然"完全無動靜,所以呢,加入更多的酸。

發現,如果再將酸調更濃,氣泡產生的速度更快了,可以比較反應速率與醋酸濃度的關係。甚至還可以觀察到,隨著氣泡產生,溶液的顏色變得有些白白的,這是"物理的光學現象"呢!


因為大量氣泡,溶液也看起來白白的,這像清涼的"貝殼"汽水呢!

貝殼會不會與酸反應呢?貝殼也會!

結果是二種通通會!於是在這罐貝殼砂罐裡,無論是貝殼也好,砂也好,都會跟酸反應產生氣泡(化學變化),也會被水擠出間隙中的空氣呢(物理變化)。

 

番外篇  空罐大變身~彩鹽許願罐

實驗結束,三罐美麗的貝殼沙被我們的實驗給毀了……『好可惜喔!』學生說。

『剛剛的探索實驗與現象觀察就是老師送給大家的禮物,』對他們說:『接下來,你們要為自己做一份特別的耶誕禮物!』

請學生將罐子洗淨,並擦拭乾淨……然後捲起袖子。發下免費贈閱的*報,倒上一些鹽,拿來幾隻短短的粉筆(紅黃藍),花30秒示範並解說著….『動手吧!』


然後,在好聽有氣氛的音樂放送下,大夥認真工作,製作送給自己的禮物。


配合調色觀念與色彩搭配,一瓶瓶用彩鹽堆疊出的小小許願罐,為這堂課畫了很美麗的句點。

 

……在第一個活動時,覺得把貝殼沙毀了很可惜,但沒想到主題二的彩鹽更加美麗。這堂課讓我學到如何運用生活中所見到的日常用品DIY成了美麗的東西,希望以後還有機會學到這些東西。(曾庭筠)

……兩個活動都很有意義,我比較喜歡第二個活動,因為第一個活動我被嚇到了!想著貝殼砂就這樣毀了真可惜。還好第二個活動讓許願罐又有了色彩,能裝進彩色的夢。希望我也有解決事情的方法,如果一件事看似毀了,不完美。要想辦法把不完美變成完美。(吳子憫)

……本以為被醋酸摧殘的的貝殼砂瓶已經沒有用了,沒想到用非常普通的食鹽、斷掉的粉筆就能混出美麗的彩色細砂。從來不知道用隨手可得生活中的小東西,把他們湊一湊就能做出科學實驗。這堂課讓我最驚喜的就是”化腐朽為神奇”!(黃芩)

……小小的砂罐卻有這麼多的科學在裡面,讓我嚇了一大跳。這二堂課的實驗和探究,不僅讓我學了很多知識,還讓我更加確定~科學俯拾皆是,只要懂得提出疑問,對周遭的一切持有好奇心,就能發現科學無所不在。(司徒美惠)

 

 

後記:
前半部的化學實驗技巧是謝迺岳老師分享的,他那時在嘉義北興國中演講,我特地帶三個孩子去看,雖然錯過了他帶學生進行實驗的過程,但謝老師後來在速食店特地再以口述方式指導做法。隔一個月才有機會帶學生親自試做,對結果、現象與反應大開眼界~這麼有趣,而且變化豐富,學生反應也很好。難怪~謝老師這麼急切地希望與我們分享。謝老師說這活動可以教生物化學物理(甚至地科),我自己又搭了許願鹽,變成這樣的動手做課程。包含活動講解整理收拾,二節課恰恰好。隔了二個多月,終於整理好,能在部落格上將此實驗過程分享。

許願砂罐做法請參考之前分享的文章:五光十『色』(5)~彩鹽許願瓶(色料的混合) 。一個班三十多個小玻璃彩鹽罐,用不到一包鹽,鹽多少錢?一包15元。這個實驗材料費150元左右,算是便宜又實惠。還有一種砂罐裝的是星砂,具有四角、五角與六角的星狀物,星砂其實是有孔蟲的屍體(?),請見阿簡的文章:阿簡生物筆記: 你撿過星砂嗎? 

小小一罐許願彩罐~這是與他們動手做的第一次見面禮。至於,『還能怎麼運用可愛的玻璃空瓶呢?』一起動動腦吧!

 

 

     
分類:創意教學與科學活動 2012/02/21 13:30

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