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素養導向的化學課程設計:
跨科的實作課程:飲水思源之創意骨牌
張明娟
教育部高中化學學科中心
桃園市立武陵高中
[email protected]
■前言
每年的思源科學創意大賽,是喜歡動手做學生的競賽殿堂,期間雖然換過不同的主辦單位,但其宗旨都是:
培養年輕學子喜愛基礎科學,激發創意思考能力,發展團隊合作精神及領略實際動手操作之樂趣(財團法人光電科技工業協進會,2021)。競賽的方式為學生組4-6人團隊(其中一位為隊長),設計出四個關卡,其中包含兩個物理概念較多的物理關與兩個化學概念較多的化學關,其詳細參賽細則請參閱競賽網站https://www.springcontest.org.tw。
在一般的高中物理及化學課程中,除食譜式的實驗課有機會實作,思源科學創意賽需將所學應用並動手實踐,其中又牽涉跨科概念的比賽,筆者試著在多元選修課開設來引導學生,並藉由協同教學模式讓物理及化學科老師同時進入課室,一起解決學生可能會遇到的問題,並選擇在高三開設課程,是因高三的學生已養成自然學科的基本概念,此時應用所學科學概念轉化為實際關卡較能理解,並培養學生解決問題的能力。
■從競賽到課程設計
一、比賽的經驗分享
筆者在2015年任教科學班時,發現科學班的學生手做能力很強,企圖心也強,就利用班週會時間與該班導師(物理老師)合作,讓學生準備此競賽,在這期間更向此競賽的發起人新竹實中施建輝老師求教,老師也都傾囊相授比賽經驗,讓筆者獲益良多,那時候施老師更建議我向當時候的主辦單位申請課程所需的材料費,讓學生可以在銀彈較充足下盡情發揮創意,經過一個學期的腦力激盪,順利闖進決賽,獲得銅牌獎的佳績。
隔年筆者為下一屆的科學班導師時,就讓學生從高一開始準備這個競賽,學生利用高一升高二的暑假期間,除了要準備科學班的重要活動科學推廣隊,同時也一併準備此競賽,暑假期間實驗室就成了他們的「戰場」,甚至連實驗室外的走廊也都慘不忍睹!
經過整個暑假的奮鬥,也順利闖進決賽,雖然最後只得到了佳作,但對高一的學生而言已是莫大的殊榮了。經由這兩次的參賽經驗發現:高一、二的學生對基本的科學概念還不夠充實,以致在關卡的設計上創意及完成度較不足,因此筆者在第三次準備帶學生比賽的時候,就鎖定高三學生,但高三學生課業壓力繁重,根本就招募不到學生願意參加,只能在任教班級學生宣傳這個比賽,到了高三下學期三月底大學繁星放榜後,剛好筆者任教的班級有一位已錄取清大的學生,就遊說這位學生來參加比賽,再由這位學生去找隊員,後續的申請入學放榜後,快到五月底我們這一隊的隊員才算找齊了。因為全組隊員都是準大學生了,除了沒有升學壓力有較多的時間可以設計關卡,進行關卡測試,他們也具備較充足的科學概念,設計的關卡較具創意,在決賽時多媒體關卡說明的部分也獲得裁判的青睞,最後得到了全國賽的金牌以及最佳創意物理關卡獎(圖1〜圖3)。這幾次帶學生參加比賽的經驗發現:如果都要用課餘的時間來準備比賽,對老師對學生都是很辛苦及沉重的負擔,因此才會在新課綱實施的時候,在高三開設這一門的多元選修,又可利用協同教學的方式讓兩位教師同時授課。
圖1:學生參加複賽時專心討論及實作現場 圖2:實驗室外走廊也成為學生的工作場
圖3:2019年思源科學創意大賽Plus金牌獎 武陵高中關卡示意圖
二、研發多元選修課程
筆者研發此多元選修課程一學期2學分,選修這門課程的學生設定為理工學群與電資學群學生,人數上限為24人,因此期初將學生六人分為一組,選定一位為組長,組長每週需負責工作報告回報,化學與物理教師一起在化學實驗室協同教學。老師在這堂課的角色就是支援前線,學生在測試關卡時,所需的藥品與器材就帶著學生進準備室尋找,如果準備室找不到就讓學生自行去購買,利用學校計畫支應材料費,每組材料費上限一千元,每週的教學內容如下表1:
表1 飲水思源之創意骨牌課程規劃表
週次
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課程內容及目標
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第1週
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分組與比賽規則說明
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第2週
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藉由歷屆比賽影片觀摩,確定該組別的比賽方向
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第3週
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藉由歷屆比賽影片觀摩,確定該組別的比賽分工
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第4週
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藉由搜尋YOUTUBE的趣味科學實驗,將可行的實驗放入比賽說明書
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第5週
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藉由搜尋YOUTUBE的趣味科學實驗,將可行的實驗放入比賽說明書
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第6週
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第一次月考
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第7週
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比賽說明書內的設計關卡一進行測試
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第8週
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比賽說明書內的設計關卡一進行測試
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第9週
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比賽說明書內的設計關卡一進行測試
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第10週
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比賽說明書內的設計關卡二進行測試
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第11週
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比賽說明書內的設計關卡二進行測試
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第12週
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比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
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第13週
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第二次月考
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第14週
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比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
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第15週
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比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
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第16週
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比賽說明書內的設計關卡一與二連接進行測試
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第17週
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成果發表
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第18週
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高三期末考
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此課程為一門實作的選修課程,故評量方式採取多元評量,評分的項目與百分比參見圖4,每組須完成包含物理及化學兩個關卡的說明書(60%),完成關卡後並拍攝成影片(至少90秒)上傳雲端(10%),評量成績還包括出席率(20%)與加分關卡(10%),透過這樣的方式鼓勵學生參加比賽,充實學生的學習歷程檔案。
三、課程內容成果
每週學生就關卡摘要說明總覽表(如表2),將設計的關卡畫出示意圖,並簡述其關卡涉及的科學概念,下課前上傳至Line群組,下表為學生在某週所上傳的關卡說明書,第七週課程學生就所設計的關卡進行測試(參見圖5),以此組所交出的說明書為例:學生要將自行組裝的鋅銅電池推動馬達使葉扇轉動,卻發現自行組裝的鋅銅電池內電阻太大,電流量太小,根本無法推動馬達,這也是學生常忽略的問題,認為只要三用電表能夠測得到電壓與電流,就能作為動力來源推動骨牌,在真正關卡測試連結的時候,才會發現很多沒考慮到的因素才是真正的關鍵。後來建議學生再連接串連多顆電池,才解決這個的問題!因此課程尚在進行中,預計在12月底,各組學生將其關卡展示,並邀請另一選修其他課程的班級評分,並列入學期末成績的計算。
表2 學生之關卡摘要說明總覽表
關卡順序
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關卡科別
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關卡名稱
(自行命名)
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原理屬性名稱
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關卡內容簡介
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一
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物理
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高斯槍:磁鐵 鐵球
溫度對氣體溶解度影響:氣泡水
動摩擦與靜摩擦力:
小木塞、乒乓球
PV=NTR:塑膠密閉容器
電流磁效應與熱效應:鐵片、交流電
漩渦離心力與吸引力:馬達、水
電磁砲:電磁鐵、鐵球
大氣壓力:兩個寶特瓶、水、吸管(寶特瓶裡有噴泉)
駐波:馬達、繩子
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1-1利用高斯槍打小球,小球彈起順著軌道上升推導骨牌,觸發另一小球
1-2 小球觸發加熱裝置,加熱瓶內液體,藉由壓力將軟木塞射出撞擊乒乓球
1-3 推動骨牌連出分支,觸發噴泉機關與冷次定律
1-4 冷次定律後觸發電容啟動電磁炮,射出小球啟動化學關卡
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二
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化學
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電解反應、達靈頓電路、螢光、鋅銅電池、電流磁效應、氧化還原反應
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2-1由物理部分射出的鋼珠推倒骨牌,骨牌推動小球,小球抵達木片前方,鋅銅電池接成通路運轉,馬達帶動木片轉動,使小球通過並加速,小球推動設置好的蠟燭(正在燃燒),待蠟燭燒斷固定木船的細繩,且船的開關啟動,木船開始運動。
2-2在木船上放置馬達推動風扇運轉,使木船推倒骨牌(骨牌排列成三個分支)。
2-2-1其中一分支骨牌推倒裝有螢光物質(蒽類芳香烴螢光物質、雙氧水)的容器,將螢光物質倒入設計好有樹狀凹槽的木板(上方蓋有黑色玻璃紙,使螢光較易顯現)
2-2-2
2-3主支骨牌推倒裝有過錳酸鉀的容器,使過錳酸鉀固體與甘油混合,產生火焰。
硫酸銅 硫酸鈉
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圖5:第七週課程學生就所設計的關卡進行測試
■結語
選修此課程的學生認為:高三目前開設的選修課中,大多屬於靜態課程,只有這一門選修課是讓他們可以真正動手動腦的選修課,藉由關卡的設計可統整所學過的科學概念,課程產出除了關卡說明書外,還有多媒體的剪接製作,最後擴充實驗後更可參加下學期的思源骨牌創意大賽,這麼豐富的學習歷程,是他們在高三繁重課業中的一個重要的調劑!聽到學生如此肯定此課程深感欣慰。
但是指導這門課程時,老師除了擔任支援前線角色外,更要常常個別訓練學生不同的實驗技能,比正規實驗課程有更多的挑戰,與筆者協同教學的物理老師更說,未來課程也能讓其他同仁嘗試。在108課程架構下,老師也面臨更多的考驗,常需練就十八般武藝的教學技巧,如果你也願意接受挑戰,也可以試試這樣的以指導比賽為選修課程的方式。
■參考資料
財團法人光電科技工業協進會(2021)。思源科學創意大賽。網址:https://www.springcontest.org.tw
■附錄
2019年思源科學創意大賽Plus金牌獎 武陵高中關卡多媒體資料