置頂

物理與化學是很有趣的兩門學科,對我來說這兩類的學問幾乎就是許許多多有趣的遊戲。也許有人覺得物理與化學太專門或者太嚴肅,對這一點我想說得是:當你很喜歡這個遊戲的時候,你自然就會慢慢變得很專門,你也會很認真,甚至有時候會很嚴肅。
但是別忘了其中的樂趣,這些樂趣是吸引了許多人投入這個領域的極大誘因。 如果你喜歡這兩門學科那很好,請好好的玩它!如果你沒有那麼喜歡,那也無妨,你還是可以從中獲得一些樂趣。

2017年2月17日

質量守恆定律教學思考

質量守恆定律,是化學發展初期,發現的重要定律之一。以化學來說,定律描述的內容是化學反應前後,質量不變。原本質量是多少,後來就是多少。在國中理化課裡面,有一個小節在介紹這個觀念。這個觀念並不難懂,也容易接受。其實不太需要花太多時間說服學生化學反應前後的質量是不變的。既然如此,那課要怎麼上?要上什麼?

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課本通常一開始就會放一個實驗,例如碳酸鈉和氯化鈣溶液反應,產生白色沉澱。測量反應前後的質量。

課本會寫用這個實驗來「證明」質量守恆定律,好,這個實驗當然沒有辦法「證明」質量守恆定律。事實上國中課程進行的過程中,沒有任何一個實驗可以證明什麼定律的。只是我們當然不需要對國中課程這麼嚴格,要嚴謹的完備的研究歷程和論述才能說明些什麼的話,那國中就不用玩科學課程了。

那從課程設計的角度來看,這個單元要用「證明」的方式來做好嗎?想想看,這個階段的學生,實驗的態度和技巧,其實都還不算太好。他們有沒有辦法所有的組別,都能做到反應前後的質量真的測量到不變,因此證明的質量守恆定律呢?

相信許多老師遇到的問題都是,學生測到的質量就是不守恆啊,變少了變多了。如果是這樣,還能證明嗎?還是反而讓學生對定律產生懷疑呢?

那如果不用證明的方式來處理課程,有沒有別的方式呢?有,那就是把質量守恆定律當做相信的已知,並且嘗試重現實驗結果。

這有什麼差別?如果我們已經知道一個理論,並且相信一個理論是正確的,那我們是拿這個理論來用。如果我們實驗的時候,測量到反應前後質量不變。我們會說:那ok,沒問題;如果發現反應前後質量改變了,我們會說:那不是定律的問題,我們來回頭檢視實驗過程中哪裡犯了錯。

例如A燒杯裡面的液體倒入B燒杯時,總是不可能倒乾淨。那會造成最後的質量略低於初始的質量。類似這種對誤差的分析就會變成課程的目標。

直接把質量守恆當做已知,那就可以利用這個已知來幫助我們分析實驗結果。用法上就不太一樣。把碳酸鈣加上鹽酸之後,減少質量的分析,也是利用質量守恆定律作為已知。

那這個定律,能不能像課本設計的這樣,用證明的方式來進行課程?其實還是可以的,方法是,把測量器具的精準度調低。也就是用精密度比較差的秤來進行實驗。

假設學生實驗的能力夠好,能讓反應前後的質量差距在0.04g以內。如果你用300g/ 0.01g 的秤來做實驗,只要實驗過程中,質量差異在0.01g以上,儀器就能察覺。這時候犯錯的量是0.04g,就會被秤抓到。

如果我們給學生的秤,精密度是0.1g,就會看到質量守恆了。也就是如果你的教學目標,是讓學生經由實驗去證明質量守恆定律,那在儀器的挑選上,就應該能讓學生比較容易看到質量守恆。如果你的教學目標,是讓學生運用質量守恆定律去分析可能造成質量前後改變的原因,那在儀器的挑選上,就要能讓學生比較容易看到質量改變,也就是比較精密的儀器。

一定有人會說,真的可以刻意用精密度差的儀器來實驗嗎?教學上是可以的。但是我們要怎麼去談論實驗結果呢?假如我們用一個精密度為0.1g的秤,測量反應前後的質量為128.4g和128.4g,我們該怎麼陳述實驗結果?

簡單的方式當然就是:根據以上的實驗結果,證明質量守恆定律成立。這樣的話,教學目標大概就是放在質量守恆定律內容的理解和眼見為憑的觀念強化。

我覺得可以再藉由這個機會,多談一點論述和測量的觀念。這邊可以由老師或讓學生對這個論述提出挑戰。當我陳述「反應前後的質量都是128.4g的時候,我聲稱我證明了質量守恆定律」這樣的問題會在哪裡?想辦法找碴的過程,是一種教學的方式。

如果能夠談到「秤的精密度是0.1g ,若反應前後質量差距小於0.1g的話,這個秤就無法分辨」所以我們只能說,以約100g的尺度在反應的時候,反應前後的質量差距小於0.1g。這樣大約是0.1%的精準度。

談到這個就是把課程目標加上數據分析的內容了

如果還進一步的談,0.1%的精準度,能不能說服你質量守恆定律,那又是另外的科學能力。
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