臺灣化學教育

素養導向的化學設計課程：
多元選修—通識化學課程設計、實施與評量

蘇芳儀¹、王聖茹²、曹雅萍³

臺北市立中山女子高級中學
¹[email protected]、²[email protected]、³[email protected]

隨著時代的演變科學教育的重點也隨之改變，由知識和技能學習漸漸轉變成解決問題能力的科學素養的培養，為因應此一趨勢，並提升學生對自然科學的興趣，中山女高在104 至 106學年度，自然四科合開特色課程—生活中的科學，供高一學生選修，期待學生能藉由操作實驗的方式了解科學，從而建立邏輯性思考並能動手設計新實驗，且體驗到生活中處處是科學。

此特色課程由自然四科老師分別設計四週的課程，課程模組設計時的挑戰包括：需符合學生對課程的期待，需達成課程核心目標，需能兼顧趣味、學理深度及時間掌控等。在安排課程時，盡量多位化學老師參與，除可讓大家皆熟悉課程主題外，在四個學期中亦共同開發了多個課程模組，並為108課綱的化學科多元選修課程—通識化學，奠定了紮實基礎。

本文將介紹本校在多元選修中開設的通識化學，此課程開設的目的除了原生活中的科學所提到的目標外，更希望將主題聚焦在化學，讓學生可以了解化學在生活中的應用，並可提供學生後續加深加廣課程選修時的參考。以下分享則包含課程內容、評量方式和課程實施狀況等部分，期盼透過此分享對大家的化學課程開發有所助益。

n  通識化學課程簡介

108課綱實施後，通識化學的定位為高一多元選修課程（教育部，2018），考量科內人力分配，每學期開設1至2班。以下將依課程目標、全學期課程規劃、期末闖關活動作業說明與闖關活動計劃書及關卡說明評分規準逐項說明如下：

一、課程目標

根據教育部在103年11月發佈了12年國民教育課程綱要總綱（教育部，2014），本次課綱旨在培養學生「核心素養」，係指一個人為適應現在生活及面對未來挑戰，所應具備的知識、能力與態度，強調學習不宜以學科知識及技能為限，而應關注學習與生活的結合，透過實踐力行而彰顯學習者的全人發展。故本課程亦以此做為課程發展主軸，並依此歸納出課程目標如以下所列：

1.      學生能以觀察實作與邏輯推理等探究歷程，習得課程中所用到的化學概念與知識。

2.      學生能運用適當的圖表表達，並呈現實驗成果。

3.      學生能將所學到的實驗與化學概念，經自我轉化並設計規劃出新的實驗。

4.      學生能操作實驗，並將實驗說明清楚，與他人分享。

5.      學生能與他人合作探究科學，並欣賞科學之美。

而為了達成上述目標，課程的設計會分成兩大區塊，第一個區塊約12周課程，選取高中化學的主要概念如溶解度、界面活性劑、酸鹼、氧化還原、聚合物和分子結構等，並以結構式和引導式探究的架構設計課程，期望學生從做中學，並培養觀察實作、推理論整和圖表表達等學習表現。第二大區塊則以開放式探究的架構設計課程，期望學生可以將上述習得的能力和化學概念遷移，並經由探究設計出新的科學實驗闖關活動。而過程中則希望學生藉由合作的過程，習得溝通表達，並可欣賞科學，其課程目標和課程規劃方向對應如下表1。

表1  課程目標和課程規劃方向對應

周次	課程目標	課程規劃方向
第1~12周	l  學生能以觀察實作與邏輯推理等探究歷程，習得課程中所用到的化學概念與知識。   l  學生能運用適當的圖表表達，並呈現實驗成果。   l  學生能與他人合作探究科學，並欣賞科學之美。	化學學科概念學習：選用概念包括溶解度、界面活性劑、酸鹼、氧化還原、聚合物和分子結構。   課程設計：結構式探究和引導式探究
第13~18周	l  學生能將所學到的實驗與化學概念，經自我轉化並設計規劃出新的實驗。   l  學生能操作實驗，並將實驗說明清楚，與他人分享。   l  學生能與他人合作探究科學，並欣賞科學之美。	化學學科概念應用   課程設計：開放式探究

 

二、全學期課程規劃

延續上述的課程目標，並經幾年的課程試行所得的經驗，將全學期課程規劃如下。先由簡單的化學概念切入，例如：溶解度單元裡的熱冰石筍（飽和醋酸鈉溶液）和界面活性劑單元的保養品，讓高一學生不會因為先備知識的差異，導致學習上的困難；第一次段考後，學生熟悉課程進行模式後，再進到較為複雜的化學變化，例如：酸鹼及氧化還原單元；課程的最後一個月，則開放給各組自訂主題，進行小型實驗設計開發，上學期期末學生設計化學闖關活動，相互觀摩闖關進行互評，並依此為期末的總結性評量（表現任務）。

下學期課程則依上學期課程經驗進行微調，期末則因應疫情，將闖關活動改成以家中隨手可得的物品，進行實驗設計並拍攝影片，並於期末分享設計與所拍攝影片原理相關的學習單，讓參與期末線上發表的同學，更清楚實驗影片的重點。109學年度課程規劃可參考表2，上、下學期課程微調的部分，亦於表2中進行標註。

表2 109年學年度通識化學課程規畫表

週次	課程單元/主題	教學活動
第1周 相見歡	元素週期表	一人抽一元素，利用元素特性找彼此間關係來分組
	紙樹開花	利用市售的磷酸二氫鉀水溶液，觀察結晶情形
	認識器材(下學期)	介紹本學期使用到的實驗器材及實驗室安全守則(下學期)
第2周 溶解度	製作天氣瓶	以天氣瓶製作介紹溶解度，並觀察物質在不同溶劑間的溶解度的變化
	熱冰與石筍	以醋酸鈉為例介紹過飽和溶液，觀察過飽和溶液結晶析出時溫度變化
第3－5周   界面活性劑	製作保養品	1. 製作乳液、洗手乳、化妝水、防蚊液和紫草膏
	製作手工皂	以橄欖油、棕櫚油和椰子油與氫氧化鈉反應後製皂，並加精油、調色
	製作冰淇淋	1. 介紹常見的界面活性劑，並觀察市售冰淇淋成分，探討其關鍵成分   3. 混合鮮奶油、鮮乳、蛋黃和糖，加熱後放入自製冷劑中製得冰淇淋
第6－7周 酸與鹼	天然指示劑	1. 介紹pH值與指示劑，並學會計算並配製不同pH值的溶液   2. 利用生活中易取得的物質，如葡萄皮、紫甘藍菜、薑黃、蝶豆花和黑豆等，觀察於不同pH值的顏色   3. 將指示劑兩兩混合，觀察顏色變化，並製作指示劑彩環
	植物染	1. 認識植物染的染材、媒染劑和不同種類布料在染布時產生的差異   2. 學會基本的染布技巧   3. 將染完的布以自己的創意加工製作成品
第8－9周   氧化還原	硬幣電池(上學期)	1. 從電池的歷史出發，利用硬幣組裝電池，探討硬幣活性的大小。   2. 組裝鋁空氣電池，探討以不同鹽類當鹽橋時的電壓差異   3. 串聯鋁空氣電池使LED燈發光
	藍印術(下學期)	1. 定性檢測Fe2＋、Fe3＋與黃血鹽、赤血鹽及與氧化劑、還原劑反應   2. 氧化還原應用：藍印術
	電解筆	1. 以碳棒為電極，電解飽和食鹽水和碘化鉀水溶液   2. 利用酸鹼指示劑、澱粉液觀察顏色變化   3. 利用迴紋針當電極，觀察陰陽極的變化，在浸泡過不同電解液的濾紙上寫出各種顏色。

 

第10－11周   聚合物	鼻涕蟲與   QQ球	1. 介紹聚合物的分類與特性   2. 利用硼酸水溶液加膠水，探討改變不同變因時， QQ球的特性變化
	酒精凍	1. 複習酸鹼中和，以醋酸加氫氧化鈣水溶液配製醋酸鈣水溶液   2. 自行設計實驗製作酒精凍，並燃燒酒精凍，觀察Cs2+、Cu2＋的焰色
第12周 分子結構	製作碳-60(上學期)   製作碳-20(下學期)	介紹奈米科技與巴克球串珠   介紹VSEPR與分子結構，串出碳-20
第13-15周   期末實驗設計試作	期末活動分組討論   闖關活動(或實驗演示)設計及試做	1.   期末表現任務：設計化學闖關活動，並規劃及試做實驗(上學期)   2. 期末表現任務：拍攝實驗影片，並設計學習單 (下學期)
第16－17周   期末評量	實驗或影片發表   與回饋單	1.       進行闖關活動(下學習：實驗影片分享報告)   2.       填寫回饋單與學習歷程檔案撰寫事項說明

 

三、期末闖關活動作業說明

我們希望學生能用學期末四週的課堂時間，運用所學到的化學概念和實驗的特性，自訂研究問題，設計實驗並執行，進而檢討修正，解決遇到的問題，最後設計成關卡供同學闖關。

學期初於課堂上即說明上述闖關活動設計為本課程的的總結性評量。此階段的課程依序為學生在第一週訂定實驗主題，完成「闖關活動計畫書」 初稿，再請同儕依評分規準對計畫書初稿給予互評，教師則是提供計畫修改建議。第二週學生修訂計畫書，並根據修正計畫執行並試作實驗；第三周則是進行口頭報告，教師則依計畫書最終版和口頭報告進行評分。

下學期因應疫情，總結性評量改為各組線上實驗演示，採預錄影片方式，內含原理說明、演示實驗、和過程中遇到的困難和因應解決方式，演示時間為6分鐘。而計畫進行期間，會請學生繳交計畫書初稿和修正後的計畫書，並確認每個周工作進度與計畫執行狀況。

計劃書的作業內容需包含下列七項：

1.      動機與目的：須說明闖關計畫主題是由課程中哪些實驗主題引發延伸及闖關活動目的。

2.      原理：須說明此闖關活動所用到的實驗原理。

3.      器材：須依實驗計畫完整列出器材種類、規格與數量，且需盡量符合綠色化學12項原則，若實驗室無法提供的器材須自行準備。

4.      藥品：依實驗計畫完整列出藥品項目、濃度、數量，且需需盡量符合綠色化學12項原則，若實驗室無法提供的藥品須自行準備。

5.      實驗流程：實驗設計說明中需列出操縱變因、控制變因與應變變因；亦須列出完整實驗測試流程與步驟。

6.      參考文獻：所列參考資料需與實驗確實相關，資料來源除須具備可信度外，亦須儘量豐富完整。

此外，為了闖關可以順利進行，也須於關卡攤位處放置關卡說明的輔助媒材（例如：海報、平板動畫或是演示道具等），和闖關進行時的解說內容，故亦提供相關內容項目的說明如下：

1.      關卡說明輔助媒材：需列出關卡設計、闖關步驟，與成功闖關時需產生的實驗結果、實驗變化或條件。

2.      口頭解說內容：說明闖關成功時需產生的實驗結果、實驗變化或條件。

四、闖關活動計劃書及關卡說明評分規準

學生撰寫闖關活動計劃書有了初步架構後，老師即可提供評分規準供學生參考使用，學生利用評分規準組內進行檢視、分組相互審視後即修改，可降低下一週試作實驗時教室現場的混亂程度，也緩解老師批改計畫書上的困難。

而學生自訂闖關活動的相關原理通常是國中或高一學過的，因此本活動計畫書在評分權重分配上，著重在兩大部分，第一部分為規劃與研究，主要是闖關活動計劃書的撰寫，從試作實驗的藥品、器材和實驗流程設計等，共佔70%的成績；第二部分為為溝通表達，主要是闖關活動進行時的說明，以協助將試作實驗轉換成闖關活動，並於當天供不同組別流暢的進行實驗，包含關卡說明輔助媒材及口頭解說內容，共佔30%的成績，詳細內容請參考表3。

表3 闖關活動計劃書評分規準

n  多元選修實施現況

以下則以酸鹼主題的課程為例，介紹並說明如下。此課程可分為兩大部分，第一部分為天然指示劑，介紹天然指示劑，並體會到身邊有多種物質會因為酸鹼變色；第二部分的染布課程，則以隨手可得的天然色素染布，並發揮創意利用植物染後的布料製作出不同的成品。

(一) 第六週：天然指示劑

本課程為必修化學課程的延伸，實驗流程如下：

1.      配製pH=1、3、7、11和13的溶液

2.      預測並觀察市售指示劑在pH=1、3、7、11、13的顏色

       以實驗室所有的甲基橙、溴瑞香草酚藍、酚酞等指示劑，以12孔盤為反應容器，觀察不同指示劑在不同pH值顏色變化，並可自行混搭多個指示劑，觀察其顏色變化。

3.      製作天然指示劑，並觀察市售指示劑在pH=1、3、7、11、13的顏色

        以生活中可得的食材，例如紫甘藍菜、葡萄皮、紅鳳菜、紅莧菜、黑豆、蝶豆花和薑黃粉等，配製指示劑溶液。上述物質除了薑黃需用酒精萃取，其餘皆取少量撕碎加熱水即可萃取出色素。

4.      製作指示劑彩環

        先在試管中加約4 mL飽和碳酸鈉水溶液，再由上述實驗中所得的觀察結果，自行選擇一種或多種指示劑，加數滴至飽和碳酸鈉溶液中，而後再以滴管從試管上方加入1 M鹽酸並攪拌溶液。而因試管中溶液從上方的酸性，會見轉變成下方的鹼性，再加上指示劑的多種組合，即可呈現多種顏色，顏色愈多的組別分數愈高。

為符合綠色化學的精神，本課程的設計做了以下幾點改變，其一，將指示劑由一開始的多種市售指示劑，改為常見的酸性、中性和鹼性變色指示劑各一種，減少指示劑的用量；其二，將最初進行指示劑呈色實驗的試管，改為12孔盤，以減少用量（如下圖1）；其三，彩環實驗原先是在大量筒中加入碳酸鈉固體，但由於過量碳酸鈉易變成固體硬塊難以清洗，並造成藥品的浪費，因而改在試管中進行實驗，並將碳酸鈉固體改為飽和碳酸鈉水溶液（如下圖2）。另外，選用的新鮮食材必須搭配季節，若有紫色地瓜也是不錯的選擇；而為搭配下一週的染布課程，也可將染材放入自行配製的指示劑選項中。

本課程化學概念的難度不高，且有助於讓學生熟悉實驗的操作。學生在此部分最大的學習挑戰，有以下兩點：（1）理解pH與氫氧根離子濃度間互換、稀釋及操作；（2）彩環實驗挑戰時，學生需評估滴入酸的滴數、理解指示劑變色範圍及其顯色狀況，才能達到成功調出5種顏色以上的結果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1  各種指示劑的呈色結果：上方為以試管進行實驗，下方為以12孔盤進行實驗。

圖2 指示劑彩環：左圖為以量筒進行實驗，右圖為以試管進行實驗

（二）第七週：植物染

課程從Perkin合成苯胺紫開啟染料科學，人工合成與天然染料間的優劣，帶入天然染材的選擇。讓學生藉由生活中可取得的染材，以明礬為媒染劑，分別染天然纖維與人工合成纖維。植物染主要有四種染色法，染前媒染、染後媒染、染間媒染、多媒多染，課堂中採染後媒染，即煮染→媒染→水洗→晾乾（馬毓秀，2013），課程實驗流程如下：

1.      認識植物染的染材並進行熬煮

我們選用了黃褐色系的洋蔥皮、薑黃，紅色系的茜草、黃綠色系的福木葉、茶色系的茶葉、紫色系(加媒染劑後)的黑豆、紫甘藍進行植物染。由於各種植物色素含量差異甚大，很難有一定的比例；簡單來說，染材愈多、熬煮愈久，顏色愈深，相關用量列舉如表4。也因各項材料均需用乾布重換算所需用量，建議在前一週課堂上將須染色的棉布與聚酯纖維發給學生回家清洗、曬乾，除去布上的漿、漂白劑、螢光劑等雜質，再於實驗當天帶來。將染材與水依上述適當比例秤重後，即可進行熬煮，至少煮30分鐘。

表4 染材與染液用量估算表

添加物	染材	乾染材 (例：茜草)	新鮮染材 (例福木葉)	染液	媒染劑
添加物(W1)與乾布質量(W2)比值(W1/W2)	0.5 ~ 6	1 ~ 2	3 ~ 4	20 ~ 30	0.02 ~ 0.

 

2.      認識基本的染布技巧

在熬煮染材的等待時間，教師帶領認識各種折布方式，並利用夾染、綁染、絞染等技巧，學生自行設計擬染圖案，亦可在染液上色前，先塗上豆漿後吹乾，利用蛋白質來改變上色深淺，進而創造出不同的美感。設計處理完的棉布，即可放入染液中進行染布，至少煮30分鐘後加入明礬當媒染劑，再煮至少30分鐘後以清水沖洗晾乾。

3.      自行將染完的布加工做成品

回家後，每人各自設計不同的染布成品，課程成品如圖3。

本課程執行時須注意以下事項：（1）設計處理棉布時，若採用綁染，橡皮筋需綁緊圖案才會清晰；（2）明礬加入染液後，某些染液有明顯的顏色變化，教師可藉由此延伸廣義酸鹼概念；（3）染完的布必須完全晾乾，否則容易發霉。

圖3  學生染布作品

n  闖關活動（總結性評量）實施心得

通識化學的課程設計，預留約一個月左右的時間讓學生自主實驗，學生在討論期末研究主題之前，會重新思考本學期各項實驗的觀念及問題，主動和組員一起複習了一次課程。成果報告的形式，歷經過最初投影片簡報、海報展，到109學年的闖關、影片錄製，學生因需考量和觀眾的互動性、安全性及換場藥品器材的切換，需更謹慎評估各實驗執行難易度。

而運用期末闖關的關卡設計作為總結性評量，是個不錯的深化思考的方法之一。而學生第一週用評分規準給予別組闖關計劃書建議的過程中，熟悉評分的標準並欣賞別組的優點，對自己的活動計畫也會有幫助。學生從初稿、互評、同學教師給予建議、多次修正的過程，能優化自己的實驗設計。對教師而言，從學生的闖關主題設計中，也能發現與原本課程設計層面不同的部分，從而達到教學相長的目標。

■       結語

多元選修課程一開始的開發設計是辛苦的，因為大部分材料都不是課綱內實驗所需，所以，教師需從課前做功課規劃、試做修正、準備全班器材藥品…，但最忙亂的第一回經歷過，自己也成長許多，甚至能讓每個單位都延伸成一個探究的模組，而變成一學期的課程。

若能有一起努力共備、準備藥品器材、互相討論的同事，是可以讓課程不斷修正往前邁進的一大助力。而過程中，看見學生認真學習且每週開心滿足的神情，讓老師對課前課後的忙碌也能甘之如飴。

■       致謝

國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授、國立臺灣師範大學科學教育中心李哲迪教授，兩位教授對多元選修課程—通識化學課程評量規準開發給予的指導。

■       參考資料

教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。臺北市：教育部。

教育部（2018）。 十二年國民基本教育課程綱要：國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域。

馬毓秀（2013）。四季繽紛草木染。臺北市：遠流。