中學以下的素養教育與經驗談:國三下自然科,電熱流效應與電化學

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國三下,理應最大魔王的關卡,許多家長求學時代的惡夢,即將在各位的寶貝身上降臨。

呃,並沒有。

108課綱後已經修改了,筆者遇到一堆老師抱怨,不知道怎麼教。因為呢,計算的部分幾乎都拿掉了,只剩下非常簡單的概念計算,以及了解什麼是電化學這些東西。


是的,計算拿掉了。

計算拿掉了、計算拿掉了、計算拿掉了。

筆者覺得這是好事,理由有三。

  • 第一,國三下開學沒多久就要會考,實際上就沒那麼多時間磨練。
  • 第二,現在自然科學中的理化節數已經變少,本就沒足夠時間細講。
  • 第三,又不是每個人都要當工程師,中學階段運算太繁複沒意義。

不過說是這樣說,108課綱的學生是到了111年才第一次遇到新式課本,依照筆者經驗,絕大多數的老師都是照著原本方法教,考試的題目也不會有太多修正,私校更是會如此。

但繼續照筆者經驗來說,108課綱前,為了會考準備的話,國三下的課程投入太多,效益是很低的。

電流的熱效應與電化學

以自然科來說,要考的有生物、理化、地科,理化大概是60%的分量,平均到每一章節,大約是1~2題,會考歷屆試題中,屬於國三的電流熱效應與電化學,大概就是2題左右,1題談電熱、另1題談電化學,且幾乎沒有複雜計算。

筆者的意見是,這邊會就會,不會就不會,快要會考了,除非你家寶貝A以上,正在追求A++,不然沒有必要為了學校出刁鑽題目,在那邊傷神。

聚焦在怎樣看電功率與簡單計算

首先請家長留意,三下第一章前半「電流的熱效應」,計算只剩下兩個。

電功率計算:電功率(P)=電能(E)/耗費時間(t)

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題型1:有一盞燈的電功率是20W,開了一整個上午4小時,請問消耗了多少能量?

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P=E/t,E=P×t=20W×(4×60×60)=288000J


題型2:有一隻手壓式手電筒的電功率是20W,想使用5分鐘,倘若每壓一次可以提供20J的能量,總共要壓幾次?

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E=P×t=20W×(5×60)=6000J,6000J÷20J=300次


就這樣,是的就這樣。傳統上還有各種如電流平方乘以電阻,現在這些都沒了,放到高中去,國中只要知道「怎樣看電功率與簡單計算即可」。

其課綱邏輯是,絕大多數的人,一輩子都要與電器相處,當然需要看得懂什麼是「瓦特數」跟相關意義。至於如何計算電流跟電阻,這應該是念理工科的人該會的,所以放到高中去,國中只是基礎。

各位認不認同,筆者沒意見,小弟是很認同。經驗上若要把 I^2R=V^2/R 這些帶進來算,大概就只有理化A以上的人聽得懂,換算現在一個班30人,約3個人上課不會睡著。說實話,筆者帶過中產菁英學區,一個班一半以上進前三志願那種,沒睡著的大概5到8人。

這節重點要放在電流會產生能量,若轉換成熱能就可以用在烤箱、吹風機中,而能量的計算是電功率,也就是我們常見到電器上面的瓦特數,而時間單位是秒。

有層次的安排題目,銜接度數、電費的計算

好了,電流熱效應的第二個計算,就是算電費,也就是了解幾度電怎麼算出來的。

在此之前,會先讓學生了解生活用電,從電廠出來經過高壓變電所、電塔,一路降壓到家用的110V。請不要執著在教國中生,懂怎樣降壓的道理,目前只需要讓學生理解「電廠發出的是超高壓電,高壓輸電比較能夠降低損耗,當中則是需要變電所轉換」。

再來,講解直流跟交流電的差別,以及因為交流電比較容易升降壓,所以插座出來的電都是交流電。這樣就可以了,不需要特別講授怎樣轉換,應該多放在生活案例,像是插座的孔代表什麼意思,火線跟中性線、地線的意義,之後好接著去學怎樣算電費。

電費的單位是度,幾度電這個度,對學生來說會有點難理解,請不要執著在標準定義「每1千瓦的電器使用1小時的電能」,會有人弄不清楚。直接用題目去轉換比較容易。


題型3:一台100W的電扇,連續使用10個小時,耗費多少度電?

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100W×10hr=1000W.hr=1度


用題目帶,要求學生務必把單位「W」跟「hr」帶進去,然後最後除以1000即可。筆者的經驗,用題目帶電費容易懂,用定義去帶題目很痛苦。


題型4:教室總共裝了20根20W的燈管,每節上課開45分鐘,每天8節課,上了5天,總共耗費幾度電?

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20×20W×45mins×8×5/60=400W×30hr=12000W.hr=12度


接著題目上用分鐘換小時,建立「時間單位都是小時」的概念,最後才是算電費。


題型5:承上題,每個學期有30週的課程,每度電的電費3元,請問這學期的電燈電費多少?

答:上題,每週12度電

12度×30=360度

360×3=1080元


這並不難處理,學習單安排5題,有層次跟說明的題目,效果就很好。

生活用電不用焦慮在計算

生活用電的後半講述有關短路的現象,比較像是老師要對學生解釋,因為電會走電阻小的路徑,從這邊出幾題圖形,讓學生走看看就曉得。像是並聯兩條線,一條有燈泡另一條沒有,電自然都想走沒燈泡的那條路。

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至於為何用電不當會起火。此時的說明,請緊扣著前兩節計算電能跟短路的概念,讓學生明白,因為同時使用大量電器,電的熱能太多,若電線外皮劣化,溫度上升就可能點燃。短路則是因為大量的電通過電阻低的地方,但因為太好走了,所以通過的電流太大,一樣會讓溫度上升。

這樣就可以,這節的另一個重點是用電安全,請老師多講一些概念,如更換具有保護功能的新型延長線,或附有開關的延長線,較容易建立不用就關掉的習慣。盡量不要在同條延長線上差太多電器,帶一兩題就可以。


題型6:延長線上面的標記最大2000W,若已經確定用掉800W,那麼下列哪項電器,使用就會啟動保護跳電?

  • A. 吹風機1500W。
  • B. 電風扇 100W。
  • C. 微波爐800W

答:A. 吹風機,因為2000W-800W=1200W,只有吹風機會超過。


總之,108課綱這邊很簡單,家長不要陷入焦慮。不會算也沒關係,會考不會考那麼煩的,只會基礎概念的一點延伸,更可能配合敘述出閱讀素養題。

電化學不再是大魔王,當成常識應用講解

三下這章的後半,在講電化學,以往是讓學生痛苦萬分,難以理解的題目,課綱更改後很單純了,到底多單純?主要概念如下:

一、直流電通電後,電流方向是固定的,所以接上電解質水溶液後,兩片電極代表的電性不同。至於要不要解釋把電子透過電解質水溶液傳接球的概念,這應該二年級就要講,忘了就再講一次也可以。

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二、承上圖,所以正極那邊有很多正電,負極有很多負電。故,電解質水溶液中的正離子會跑去負極,負離子跑去正極,如下。這邊都一直用正負相吸的概念即可。

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三、所以金屬離子都帶正電荷,會往負極跑,故我們如果要讓某個東西附著金屬,就要接到負極上。反過來說,就是正極的金屬會變成金屬離子溶到水溶液中。

標準範例是鋅銅電池,電化學反應式如下:

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請用國二的氧化還原去解釋,要立刻把活性大小的概念帶入,因為鋅的活性比銅大,所以「鋅會把銅氧化」、「銅被鋅還原」。此時,電解質水溶液中的正離子會跑去負極,負離子會去正極。

到此為止,什麼會出現氧氣,或是硝酸鉀溶液的哪個離子跑去哪,不需要講太多,當前課綱著重在現象。接下去講的是各種電池,一樣不用講太多,當成常識去教就可以,應當把重點放在應用,像鉛蓄電池用在車輛上,所謂的二次電池指的是可以充電的電池。

整套電化學是電子跑來跑去的融會貫通

後面則是電解跟電鍍,教學上是有順序,顛倒會很麻煩。

首先,根據前面的電化學反應,水溶液通電後,兩極會跑出氫氣跟氧氣,氫是正離子H+所以出現在負極,氧是負離子O2−故在正極。怎樣測試?可以點火確認自燃性跟助燃性。

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H2O → 2H2+O2

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一樣,到此為止,現在沒有要教怎麼算體積,幾價電所以產生氣體幾比幾並非重點。時間也不夠講那麼多,請進入硫酸銅電解。

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重點放在硫酸銅水溶液中有銅離子,所以正電的銅離子會在負極上被還原,而水溶液中的氧離子則會跑去正極變成氧氣。

這邊會有學生困惑,那個硫酸銅水溶液的負離子怎麼回事?就不要想太多,電化學中太多活性問題,國中根本就沒教,此時教下去只是徒增困擾,筆者經驗上能懂的人也沒幾個,所以建議講現象,就用硫酸根離子的活性較差,故優先把水電解出氧氣的解釋即可。

其他的重點在於外顯現象,像是用碳棒當電極,由於碳不會被溶解出正負離子,故藍色的硫酸銅水溶液只會因為少了銅離子變淡。若改成銅片電極,則會因為正極的銅被溶入水溶液中,然後又被還原到負極上變成銅,整體重量跟顏色都不會變,只有正極的銅片越來越少、負極銅片變重。

筆者要再次強調,電化學真的就只有這樣,教科書要求就到此,學校老師很擔心、補習班很憂心,那是另一回事。課綱這樣講,課本這樣寫,會考就不會考。

請放在閱讀素養,整套電化學是電子跑來跑去的融會貫通,遠遠比計算重要。
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