爆玉米花實驗與科學思維的訓練

| 葉家棟

【文 / 課程及教學研究中心副研究員 葉家棟】

玉米花（popcorn）不僅是小孩的最愛，更是大人回憶的起點，因為總是可以藉著它濃濃的味道，看到逝去歲月的熟悉蹤影。為什麼玉米粒會爆開？這一直是個很奇妙的問題。在課堂裡，可藉玉米粒爆開的過程，作為訓練學生科學思維的教材，整個教學過程如下：

一、說明實驗裝置及提出問題

實驗器材包括：錐形瓶、奶油、玉米粒（市售經乾燥處理）、陶瓷纖維網、三角架、本生燈或登山用瓦斯燈。整個實驗裝置如下圖所示。

         

以板書或投影片方式，使學生注意到「為什麼玉米會爆開呢？」的問題。

二、操作實驗及收集學生觀察記錄

提醒學生注意觀察實驗過程並記錄觀察到的現象。加熱約三分鐘後，使用隔熱手套，左右搖動錐形瓶使受熱均勻，錐形瓶內開始有玉米花爆跳聲。

在黑板上，列出所有學生的觀察記錄：

a. 需要加熱。

b. 玉米花體積增加。

c. 產生噪音。

d. 過程短暫。

e. 有些玉米粒不會爆開。

f. 有味道。

g. 爆開前的玉米粒密度較高。

h. 爆開後的玉米粒密度較低。

i. 形狀改變。

j. 需要油。

k. 玉米粒獲得動能。

l. 在錐形瓶內有水的凝結。

m. 顏色改變。

n. 外殼撕裂並向外掀開。

o. 外殼由堅硬變柔軟。

三、建立解釋模型、推想可檢驗的預測及設計實驗

在此階段，可以家庭作業的方式，要求學生完成的作業包括：（1）寫出可以解釋「為什麼玉米粒會爆開？」的假說（hypothesis）；（2）根據假說，推想出可檢驗的預測（testable predictions）；（3）設計實驗。

根據所有的觀察到的現象後，學生可得到一概括的解釋（或假說）如「玉米粒是被蒸氣所爆開的」。其它相關的解釋包括：「玉米粒的外殼必須具緊密、堅硬及可伸縮性的性質」、「在玉米粒內部必定含有水」等。在綜合所有相關的解釋後，可整理出一個完整的解釋模型（explanation model）：

1.            當溫度上升，玉米粒內部的水成為水蒸氣。

2.            當持續加熱，玉米粒堅硬外殼內部的水蒸氣壓力逐漸增加。

3.            在外殼的較脆弱處處開始發生撕裂。

4.            外溢的蒸氣瞬間將玉米粒爆開一個大洞，同時發生（1）將玉米粒裡面的物質如花絮般的推擠出來，（2）使玉米粒外殼向外掀開，（3）使玉米粒受到反作用力。

上述的解釋模型與觀察記錄a-d、g-i、k-l、n等項相當的符合。

根據解釋模型，可推想得可檢驗的預測包括「爆開的玉米粒重量會減少」，而所建議的實驗主題包括「測量玉米粒爆開前後的重量」。

當實驗結果不符合預測時，學生必須重覆進行建立解釋模型、推想可檢驗的預測及設計實驗等步驟。這種融入生活情境的教學活動設計的特色包括：（1）可激勵學生的學習動機；（2）可幫助學生在生活中建立更多成功的經驗，並加強學生的自信；（3）提供科學思維訓練的輔助教材。