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[電化學] 電解水探究教案分享(上) 設計理念與重現商人電解水實驗

這篇是[我們喝的水嗎?破解商人電解水的秘密]二節課的探究教案的整理。這篇是設計理念與重現商人電解水實驗

此文完整連結 http://n.sfs.tw/12214

複製連結 [電化學] 電解水探究教案分享(上) 設計理念與重現商人電解水實驗@zfangの科學小玩意
(文章歡迎轉載,務必尊重版權註明連結來源)
2019-10-25 13:03:10 最後編修
2018-02-27 08:52:11 By zfang
 

自動目錄

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

  1. 每組一份學習單(分次給)
  2. 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
  3. 實驗材料:RO 水、自來水、NaOH、NaCl
  4. 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。
  • 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

  1. 課前準備:坐定小組座位、學習單、實驗器材準備
  2. 引起動機:閱讀短文
  3. 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。
  4. 小組發表想法 1~2 組即可

教師活動(備註)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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

  1. 領取學習單:電解實驗注意事項、探究實驗一
  2. 領取小組實驗器材、材料、電源
  3. 分配每一實驗、題目的主要記錄員
  4. 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。
  5. 討論探究一問題、思考題。 以蒸餾水清洗電極及器材。
  6. 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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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

  1. 領取學習單,以蒸餾水清洗電極及器材。
  2. 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。
  3. 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?
  4. 小組發表探究二的討論問題。
  5. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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

  1. 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
  2. 預測以自來水電解的結果
  3. 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
  4. 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?
  5. 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。
  6. 小組發表探究三的討論問題。
  7. 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

  1. 觀察、注意學生實驗過程,陪伴參與討 論活動。
  2. 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?
  3. 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。
  4. 若有時間,給予空間讓學生嘗試他們想 到能改變的變因。
  5. 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。
  6. 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

  1. 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
  2. 預測改變電極的結果是否會產生黃渣
  3. 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。
  4. 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?
  5. 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。
  6. 小組發表探究四的討論問題 1.2。
  7. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 時間夠才讓學生上台書寫結果。
  5. 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。
  6. 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

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