臺灣化學教育

化學探究教學

洪振方

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
[email protected]

n  探究是科學學習的核心

探究是科學學習的核心，在參與探究時，學生要描述物體和事件、問問題、建構解釋、根據目前的科學知識測試這些解釋、以及與其他人溝通他們的想法。學生要確認自己的假定（assumption），使用批判思考和邏輯思考，並且考量各種可能的解釋。如此，藉由結合科學知識與推理和思考技能，學生能夠主動地發展他們對科學的理解（NRC, 1996）。為使學生在課室中的探究反映像科學家般的活動，教師要提供一定的經驗和工具，讓學生參與科學活動，探索和建構科學知識。然而，科學家的探究與學生的探究有著基本的差異，探究式教學是以比科學家的活動簡化一些的形式，使學生能夠參與，能夠理解和相互溝通（Lee, 2002）。將科學探究簡化成課室中的科學教學形式，起關鍵作用的是教師。

在探究式教學中，教師要時常作出決定。例如，如何啟動探究；如何鼓勵學生討論；什麼時候從小組活動轉變成全班討論；什麼時候及如何面對學生的迷思概念；什麼時候直接教授科學知識；以及如何最好地模擬科學技能和科學態度。在整個探究學習過程中，教師要處理好強調知識學習與聚焦探究過程二者間的張力關係。同樣，教師還面臨著教學進度與給學生充分時間作探索的困難抉擇。

本期的專題是《化學探究教學》，共有七篇專文，包括東華大學課程設計暨潛能開發學系林靜雯教授的〈介紹一本化學探究教材的免費書籍 Inquiry in Action: Investigating Matter Through Inquiry〉；臺北市第一女中周芳妃老師等人的〈融入綠色化學於化學探究課程設計〉；高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所黃琴扉助理教授的〈引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程〉；高雄市左營國中林瑞文老師的〈思考才是關鍵—探究蠟燭之蕊〉；臺中市長億高中林宣安老師的〈氧化還原反應的國中探究教學〉；新北市錦和高中國中部鐘建坪老師的〈家政教室裡的化學探究—饅頭大賽〉；高雄師範大學附屬高中曾鶯芳老師的〈淺談探究式教學在化學科展上的應用〉。上述七篇專文的作者有些對化學探究教學有深入的研究，有些在化學探究教學具有豐富的經驗，他們的文章內容有助於教師在探究式教學中作出有效的決定。

n  本期專題文章導讀

第一篇林靜雯教授的〈介紹一本化學探究教材的免費書籍〉，是以美國化學會2007年出版的Inquiry in Action: Investigating Matter Through Inquiry一書作介紹，這本書是以引導式探究教學作為物質科學課堂活動設計的基礎，主要適合3至8年級學生學習。本文簡介該書之概念及其結構，並以第一單元「科學問題及其探究」為例說明教學活動之結構。林教授指出，這是一本容易入門的探究教學指導手冊，內容豐富詳實，同時具有彈性，教師們可以依據學生的學習需求，加以變化成不同開放程度的探究活動。

第二篇周芳妃老師等人的〈融入綠色化學於化學探究課程設計〉，針對科學探究課程與綠色化學的關係、如何設計科學探究課程、科學探究課程如何落實綠色化學精神等作說明，並簡介了「綠色化學—探究與實做(I)、(II)」課程。作者指出，北一女中化學科團隊設計的選修課程，持續採用探究式教學的化學課程，不斷發展出許多新的教案，目前是許多學生選課的第一志願。近三年來，他們將「探究式教學」及「綠色化學精神」融入教學設計，採用正課留餘的化學藥品以及家庭常見的安全物質做為實驗材料，降低執行教學活動的成本。在探究教學過程，學生不僅學會發現問題與找到影響事件的變因，更能深刻體會永續生態的重要性。

第三篇黃琴扉助理教授的〈引導國中生開發水災防治包專利作品的探究教學歷程〉，本文以作者與高雄市圓富國中合作的化學探究實務教學為例進行分享討論，作者以自行開創之環境問題本位學習（Environmental Problem-Based Learning, EPBL）教學模式進行探究式教學，引導國中生由紙尿布啟發水災防治包的研發。結果發現國中生不但可以從生活環境中觀察出需要解決的問題，並能運用科學探究的精神與方法，自行開創研發水災防治包專利作品。作者指出國中生的創意無窮，而採用探究教學對於啟發國中生的獨立與創意思考，有確切的幫助。

第四篇林瑞文老師的〈思考才是關鍵—探究蠟燭之蕊〉，針對以往臺灣的教育以「知識灌輸」為主，致使學生不擅於思考和提出及解決問題，作者以自行設計之蠟燭實驗教案，說明如何以實驗、觀察與論述表達為教學主軸，來促進學生的思考。本教案之系列實驗，都是以POE（預測、觀察、解釋）模式進行教學，每一實驗均設計一些思考的機會，啟發學生探索燭蕊在燃燒中扮演的角色及相關的科學概念。作者強調蠟燭實驗容易進行又安全，實驗的角色猶如鷹架，可以引導學生將注意力集中在細部觀察與深度思考。

第五篇林宣安老師的〈氧化還原反應的國中探究教學〉，作者指出教師對實施探究教學的困難就是時間與進度的壓力，因此他強調從調整課本的實驗出發，在課堂中形塑出一個討論與願意深入研究的學習氛圍，如此教師就不必擔心探究課程的時間與進度壓力，而在教材的設計上也輕鬆許多。本文提供以課本實驗為本的探究教學實例，改編課本「氧化銅被還原成銅」的實驗，簡化使用器材與實驗過程，將課程目的放在結果分析，而非實驗操作技巧，並安排結構型的探究情境，試圖讓學生去發現開放系統和密閉系統對氧化銅還原的影響，過程中也引發了學生對未知答案的好奇，進而變成了開放式探究。

第六篇鐘建坪老師的〈家政教室裡的化學探究—饅頭大賽〉，作者認為學校的探究教學主要以課本實驗的改良為主，此限制學生的學習遷移效果，他指出應強化學生在生活情境中的探究能力與思考智能。本文提供一生活情境的探究教學實例，將探究活動融入饅頭製作的過程，讓學生經由自己動手操作與反思的過程，逐步找出饅頭製成條件與口感的關係，最後製作出好吃的饅頭。作者發現讓學生進行生活情境的探究活動，學生更能體會學科知識與生活實踐兩者間的關係，也較能夠將所學知識轉化應用。

第七篇曾鶯芳老師的〈淺談探究式教學在化學科展上的應用〉，作者認為探究式教學與獨立研究的精神一致，因此他偏好在科展指導的過程中充分使用，本文即以作者指導學生作科展的實例作說明，此科展作品的主題是：「萬年垃圾」的保麗龍有另外的價值嗎？內容包括尋找保麗龍磺酸化的方法、如何將「保麗龍膠」拿來進行離子交換、如何處理已吸附銅離子的廢膠。作者發現這組學生經過二年從事科展的探究活動，他們的默契、心智、技巧、科學素養、面對挫折與解決問題等能力，早已優於同儕。

n  參考文獻

Lee, O. (2002). Science inquiry for elementary students from diverse backgrounds. In W. G. Secada (Ed.), Review of Research in Education, Vol. 26 (pp. 23-69). Washington, DC: American Education Research Association.

National Research Council.（1996）. National Science Education Standards. Washington, DC:  National Academy Press.

化學探究教學：介紹一本化學探究教材的免費書籍—
Inquiry in Action: Investigating Matter Through Inquiry

林靜雯

國立東華大學課程設計暨潛能開發學系
[email protected]

許多科學課程重視動手做，但學生投入科學活動的同時，其實對科學過程或所涵蓋的概念所知甚少。因此，美國國家研究委員會在1996年出版的「國家科學教育標準」（National Science Education Standards, NSES）中便強調以「探究」教學法來解決這種問題。在臺灣，無論九年一貫課程或即將實施的十二年國教課綱亦皆強調科學學習應以探究和實作的方式來進行。但，究竟探究教學應如何進行？即使是教學現場多年的資深科學教師，也不見得能掌握精要。若您對如何進行探究教學同樣一頭霧水，不妨一同探索一本化學探究的公開教材—Inquiry in Action: Investigating Matter Through Inquiry（以下簡稱Inquiry in Action），如圖一所示，整本書下載網址：http://www.inquiryinaction.org/pdf/InquiryinAction.pdf。此書由美國化學會（American Chemical Society）出版，公開在網路上，內容非常豐富，包含學生講義和教師手冊，提供了一整套詳細的物質科學課堂活動設計，手把手地帶著3至8年級科學教師回應這個重要問題。

圖一：一本化學探究的公開教材

（圖片取自：www.inquiryinaction.org/）

n  本書中探究的定義及特徵

對學生而言，「探究」指的是學生通過提問、觀察、測量、做實驗、基於證據進行邏輯推理，以及報導結果這個科學調查研究過程發展出來的一套能力與理解力。對於教師而言，「探究」或「探究式教學」指的是教師為了盡可能地讓學生參與科學調查研究所採用的策略和技巧。探究式教學最顯著的特徵是教師幫助學生識別並匯報研究，以及實施調查研究過程中，學生思維過程的展現。透過探究式教學，學生不但可以掌握學習內容，還可以學會進行科學探究的技能。Inquiry in Action這本書乃以引導式探究教學方法為基礎來設計課堂活動，其具有探究式教學的五項基本特徵：1. 學生藉由一個可用科學研究回答的問題開始進行研究；2. 學生仰賴證據嘗試解答問題；3.學生基於所搜集的證據來解釋對問題的解答；4. 學生評鑑自己的解釋；5. 學生就其提出之解釋進行溝通與辯證。

n  本書含括之概念及其結構

本書共包含1.科學問題及其探究、2.物理屬性、3.物理變化、4.固體、液體和氣體的溶解、5.化學變化、6.物質的狀態、及7.密度七個主題。這些主題的篩選乃基於美國「科學教育內容標準」（National Science Education Content Standards），以及對教師們進行問卷調查之結果。雖然這些基本概念主要適合3至8年級學生（7-12歲）學習，但教師還是可以藉由不同的提問策略、提供不同程度的引導，或調整詞彙難度，來加強中學10至11年級（14-15歲）學生對這些基本概念的理解深度。每個主題有數個活動，都圍繞著一個特定「調查研究」的主題。每一個「調查研究」之結構又包含1.「主要概念、課程目標和標準」、2.「活動材料」、3.「提供教師參考的科學背景知識」、4.數個詳細的教學「活動」、5.「評量規準」、及6.「複習與應用」等環節。

在「主要概念、課程目標和標準」中，本書又進一步區分出K-4年級及5-8年級兩種課程目標和標準，教師可以依據自己教學的需要，選定適合的學習目標。不過，這裡的課程目標和標準，為美國的課程，臺灣的教師仍需進一步參考九年一貫課程或十二年國教課程綱要進行轉換。而在「活動材料」部份，所有的材料都考量過安全性，且大部分的材料都是日常生活中就垂手可得的物品。此外，在進行實驗前，教師常需進行教學準備，例如：溶液的製備、準備小組使用的燒杯、在燒杯上貼標籤等等，這些繁瑣的事前準備，本書亦製作彩色書頁，特別將教師事前準備活動給獨立出來，是個貼心的小設計。而在提供教師參考的科學背景知識中，書中已經提供一些進階知識，但另有一些線上資源與影音資料供教師們參考選用。例如：分子模擬等補充資料，建議教師們有空時，不妨到此書的網站上探索。調查研究的最後，通常須對學生進行總結性的評量，在本書「複習與應用」一節中，提供了許多調查的回顧、動手做的活動和短篇文章閱讀等學習單，教師可以依據實際需求，選擇適合的活動進行評量。此外書中每單元皆有延伸的補充閱讀，標題為：「這是怎麼回事？」（“What’s going on here?”）此處的內容皆是在分子的層次解釋該單元中各項觀察，對小學生而言，這些解釋難度過高，但這些內容可以連結未來中學階段的延伸學習。

圖二：Inquiry in Action一書之教師資源網站

（圖片擷取自：www.inquiryinaction.org/）

n  教學「活動」之結構：以第一主題「科學問題及其探究」為例

其中，「活動」這個環節最是鉅細靡遺，藉此幫助學生：識別與控制變因、設計實驗、報導觀察結果、在證據與解釋之間建立邏輯連結，並評鑑結果。每一項活動的設計包括以下這些元素：調查研究之問題、研究流程、預期結果、活動單和評量。此書的網站（www.inquiryinaction.org，見圖二）上方另有「Classroom Activities」選單，分別對應到書中的七個章節，方便教師快速瀏覽使用。以下藉由第一主題「科學問題及其探究」舉例說明如下：

（一）調查研究之問題

每一項活動都始於一個「調查研究之問題」；這個問題引導後續試驗的設計與執行。在一個「調查研究」中常安排好幾項「活動」單元，這些活動共同協助學生達到該項調查研究的總體目標。第一單元「調查研究之問題」為學生設定的學習目標為：1.提出一個可以進行研究調查的科學問題，2.定義和控制變因，進而設計實驗以回答研究問題，3.可以進行預測、設計和控制檢驗，記錄觀察以及提供具邏輯性的結論，4.了解物質特徵屬性的意義，及5.定義影響溶解的變因。而相應的概念重點則是水的化學性質，包括極性、離子化合物之溶解、表面張力、密度和物體之浮沉等等。這一單元調查研究問題的主軸是：「當M&M巧克力浸濕時，彩色糖衣發生什麼變化？」其他次研究問題則例如：「不同顏色的M&M巧克力浸濕時，溶解的速度是否有快有慢？」「水溫會否影響M&M巧克力糖衣溶解的速率？」。

（二）研究流程

意指用來設計及進行實驗的範例。書中所提供的流程只是提供學生參考進行實驗的其中一種方式。教師可以鼓勵學生參與，讓學生部分或完全地修改研究流程。

（三）預期結果

本書並不把研究結果視為固定不可變的結果。相對地，「預期結果」僅是描述了當實驗完全如書中引導方式進行時，可能預見的結果。且由於學生可以修改研究流程，因此，相應的預期結果也可能因此不同。此外，書中常有提示句，鼓勵學生小組之間結果的比較，看看相同或相異，並嘗試請學生解釋為什麼結果一樣或不一樣。舉例而言，在「不同顏色的M&M巧克力浸濕時，溶解的速度是否有快有慢？」的調查活動中，預期結果用粗體寫著: 「不同顏色的M&M巧克力溶解速度快慢的結果並無定論，不同顏色似乎都以相近的速率溶解，因此你和你的學生可能會觀察到有些顏色略快，有些顏色略慢。」此時，快慢並非重點，重點在於教師須協助學生控制實驗的變因，並且協助學生提高實驗的敏感度。

（四）活動單

每一項活動都附有一張對應的「活動單」，以幫助學生安排實驗、記錄觀察結果、根據觀察結果做出結論、提供闡釋，並應用在學習上。在此網站的上方有「Classroom Activities」選單，共有七章，每章有數個「活動」，每個活動網頁的右藍欄可以很容易找到「學生活動單」和「複習與應用」。

（五）評量

每一個調查研究單元都附有評分表，用來評估學生在活動中的表現。除此之外，每個單元最後還有「複習與應用」一節，裡面的內容乃用以對學生的表現進行總結性的評量。例如：新調查研究問題為「其他糖果糖衣的顏色會像M&M巧克力那樣溶解於水嗎？」此外，本書於此單元除了固定會有的「這是怎麼回事？」外，還提供學生一份延伸閱讀教材—「路易·巴斯德（Louis Pasteur）與自然發生論」。路易·巴斯德是19世紀有名的微生物學者，在其著名的巴斯德實驗之前，人們並不知曉空氣中存有什麼致病或使食物腐敗的因子，例如：微生物、花粉、細菌等等，學生透過此篇科學史的短文閱讀，了解巴斯德如何調查空氣中的細菌是否導致食物腐敗，進而討論實驗設計以及變因的控制。

n  結語

對於不了解探究教學法該如何進行的教師們而言，這是本容易入門的指導手冊。內容豐富詳實，卻又具有彈性，讓教師們可以依據學生的程度、手邊容易取得的材料來加以變化不同開放程度的探究式教學。本文作者覺得唯一的缺點是這是本為美國學生設計的教材，因此在課程目標及綱要上，臺灣的教師們需要進一步的轉化。值得一提的是，這本書及其延伸的影音資源都是免費的。希望藉由本文之引介後，教師們能上網瀏覽，並將之轉化為適合臺灣學生適合的教材，再於《臺灣化學教育》的平台上分享，嘉惠更多教師。

n  參考資料

American Chemical Society (2007). Inquiry in action: Investigating matter through Inquiry. Retrieved from: http://www.inquiryinaction.org/

化學探究教學：融入綠色化學
於化學探究課程設計（上）

周芳妃^1, *、張永佶¹、詹莉芬¹、陳祖望¹、繆慧娟^2, *、
林依萱¹、王琳嘉¹、林采緹¹、鄭如芬¹

¹臺北市立第一女子高級中學
²工業技術研究院綠能與環境研究所
^1, *[email protected]、^2, *[email protected]

今年初受邀為《臺灣化學教育》的專題〈化學探究教學〉撰文，此時也正值北一女中化學科團隊受邀協助工業研究院辦理教育部專案計畫，籌備第二屆全國綠色化學教育種子教師培訓研習的工作，因此本文就一起引入本項研習工作的報導，也舉例說明本研習中的「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程。

n  科學探究課程與綠色化學有何關係？

很多人聽到「科學探究課程」這名詞，第一個想法往往是「帶學生做實驗」，其實探究課程的設計不是只有做實驗這件事，但是，科學探究課程的多元設計中，一定也要有「動手做實驗、動腦飆科學」的實驗課程，進行實驗課程又涉及到實驗資源與藥品管理的多層問題。如果缺乏謹慎設計的科學探究課程，以目前國內所有高中職學生人數的規模，課綱的設計要求全部週週進行動手做實驗的科學探究課程，後果可能又重新陷入學校物資過度浪費以及處理廢棄物之費錢費工、或是經費不足導致無法開課的我國科學教育的老問題。

在1992年里約熱內盧舉行的地球高峰會（Earth Summit）是聯合國重要會議之一，同年，聯合國設立永續發展委員會（The United Nations Conference on Environment and Development, CSD），自1992年起一直是每年舉辦的高級論壇，以落實里約高峰會議的後續行動。多年來，永續發展委員會的焦點主題包括能源永續發展、工業發展、空氣與大氣層污染以及氣候變遷等重要議題，都與化學產業發展息息相關。急速走入低碳社會與能源轉化及輸送的迫切研究議題，使全球的化學技術與化工產業整合發展出綠色化學（Green Chemistry）原則，許多國家都確立了環境保護、防止污染及資源再生的國策，發展採用最少資源和能源消耗，並產生最小污染排放的化學技術。我國的學術界與工業界很早就推動綠色化學議題與研究交流，經由國內多方力量的整合，教育部在民國104年也成立「綠色化學教育網」（見圖一），來協助國內高中職教育的實驗課程，並整合到我國107新課綱課程中的「探究與實作」課程與化學實驗課程中。

圖一：民國104年教育部成立綠色化學教育網（網址：http://chem.moe.edu.tw/green）。

n  如何謹慎設計科學探究課程？

進行探究式教學中，學生必須有假設、預測、操作、提出問題、追尋答案…等經驗，以便建構新的知識。學生在分組進行活動或討論的過程，過程本身就是一種學習。如果教師希望著手設計科學探究課程時，課程主題可涵蓋多元方式，但是在教與學的歷程，教師扮演著引導與協助的角色，進行的課程內容是由學生主動學習，主動建構知識。

在高中的科學實驗課程中，實驗教學設計可簡分為數種層次，這些層次的實驗教學設計，在在都要考量人、事、地、物、時間與經費等因素，才能落實課程的執行（見圖二）。高中實驗課本所介紹的課程設計大都是按照步驟操作，並且希望可驗證課本知識的教學策略，此策略就類似「食譜式」教學。國內也有很少數的中學科學教師們會承擔了指導學生參加科展的任務，每年也只有很少數的學生有機會接受教師的專題研究個別指導，科展指導就是高中科學實驗課程中最高層次的教學策略了。回顧我國四十多年來的高中科學實驗教學設計，大多教師就以這兩種教學策略為主。

圖二：我國四十多年來的高中科學實驗教學設計，大多教師就以食譜式及科展指導的教學策略為主，在在都要考量人、事、地、物、時間與經費等因素，才能落實執行課程。

因應我國中小學科學教育中，採取探究式教學對於我國未來人才培育工作益發重要，科學教師想要落實探究與實作課程時，教師應因學生的個別差異來提供引導，建議採用下列的科學實驗課程的設計指標做為參考，可收事半功倍之效。依據實驗問題、步驟、答案的分項控制，控制「給予」或是「開放」，可將科學實驗課程的設計指標分為四層（見圖三），有文獻指出第壹層為結構式探究（structured inquiry），第貳層為引導式探究（guided inquiry），第參層是開放式探究（open inquiry）。探究式教學課程的入門設計可以從第壹層、第貳層開始，科展指導教學策略通常屬於第參層的教學策略。基於因材施教、有教無類的教育宗旨，教師進行實驗課程設計時，務必考量學生程度與教學時間，也可將實驗教學設計的四個層次加以活用，搭配到不同教學進度之中。

圖三：著手進行實驗課程的設計指標，務必考量學生程度與教學時間，也可將四個層次的實驗教學設計加以活用，搭配到不同教學進度之中。

n  科學探究課程設計有校外教學的範例嗎？

科學探究是否一定要搭配實作課程？實作課程的設計是否一定就要在實驗室呢？在此介紹「北一女中鄰近的購物資源」的校外教學設計（見圖四A、B、C），簡單說明科學探究實作的課程設計富有很大的彈性。目前北一女中高一跨班選修的化學科選修課，一學期為單位，每週2小時課程，上、下學期共開了4個班級，學期課程名稱為「科學探究課程與創意關卡設計」， 其中校外教學的課程已經執行到第六年，目前在這門課中安排2次的校外教學課，套用實驗課程的設計指標如表一所示，表格中提及的科學創意關卡設計在此不詳細介紹，就欣賞一些活動照片（見圖五A、B）。

表一：套用實驗課程的校外教學課設計指標

圖四A：「北一女中鄰近的購物資源」的校外教學設計教案，評量方式為結束攝影活動的分組報告1分鐘。

圖四B：「北一女中鄰近的購物資源」的校外教學通勤。

圖四C：「北一女中鄰近的購物資源」的第二次校外教學設計，評量方式為當日需上傳書面到課程社群，介紹分組心得報告與活動照片合照1張。

圖五A：北一女中高一跨班選修的化學「科學探究課程與創意關卡設計」，學生在化學實驗室進行關卡佈置，準備執行驗收自己的創意設計。

圖五（B）：北一女中高一學生各式各樣的科學創意關卡設計。

〔續《化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（下）》〕

化學探究教學：融入綠色化學
於化學探究課程設計（下）

周芳妃^1, *、張永佶¹、詹莉芬¹、陳祖望¹、繆慧娟^2, *、
林依萱¹、王琳嘉¹、林采緹¹、鄭如芬¹

¹臺北市立第一女子高級中學
²工業技術研究院綠能與環境研究所
^1, *[email protected]、^2, *[email protected]

〔承《化學探究教學：融入綠色化學於化學探究課程設計（上）》〕

n  科學探究課程設計如何落實綠色化學精神？

在北一女中高一跨班選修的化學科「科學探究課程與創意關卡設計」課程中，都是儘量使用正課回收留餘的化學試劑。另外，北一女化學科從民國99年起，首創在每年的校慶活動中也辦理「化學宅急便嘉年華」，接待來賓操做實驗關卡與闖關活動（見圖六）。每年接待人數也是都達到千人規模，因此，善用回收資源與化學試劑，以及落實「低毒」、「物盡」、「防廢」…等的綠色化學的原則，也都是辦理化學宅急便活動要事先考量的注意事項。綠色化學的原則也強調「保安」與「思危」，因此在實驗相關的課程設計中使用到化學試劑時，也要引導學生操作使用「化學品全球調合制度」（簡稱GHS）網頁，閱讀GHS網頁資料中的「危害物質危害數據資料」（見圖七）。

圖六：北一女中「化學宅急便」嘉年華的【綠色化學與永續能源】闖關活動。落實多項綠色化學的原則：防廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危。（詳見《臺灣化學教育》之報導，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=5138）

圖七：使用「化學品全球調合制度」GHS網頁資料中的「危害物質危害數據資料」畫面（網站：http://ghs.osha.gov.tw/frontPage/index.html）。

經由國內多方力量的整合與推動國內的綠色化學教育，教育部也從民國104年起辦理「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」（見圖八），協助高中職的化工科與化學教師未來進行課程設計時，也能納入綠色化學的多項原則。研習活動成功引起國內教育界眾多迴響，再加上民國103年教育部首創的「綠色化學創意競賽」，教育部也就順勢設置了「綠色化學教育網」。

民國105年第二屆的綠色化學教育種子教師培訓課程研習營今年四月底時也圓滿落幕，研習課程中特別安排介紹了「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程，也現場體驗一些探究與實作課程的進行方式。「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程包含：

課程（I）：彩幻珠實驗，校內實務授課時數為6~8小時。

課程（II）：小綠綠晶體與藍印術，校內實務授課時數為6~8小時。

圖八：教育部自104年起，辦理「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」（詳見綠色化學教育網：http://chem.moe.edu.tw/green）。

圖九：105年第二屆「綠色化學教育種子教師培訓課程研習營」（詳見綠色化學教育網：http://chem.moe.edu.tw/green）。

上述的「綠色化學—探究與實作（I）、（II）」課程中，也設計了每人發放綠色化學實驗寶盒1套及一個24格–細胞培養皿（見圖十），綠色化學實驗寶盒使用一般PE材質餅乾盒做為外盒，可反複使用，也可做為小水盆，內裝一些滴瓶、塑膠小盒、PE材質小滴管，都可以反複使用，另外也放了一些玉米塑膠杯。玉米塑膠杯材質為聚乳酸（PLA），可在環境中分解，又稱環保塑膠。這三年來校內實驗教學與進行化學關卡服務的經驗發現，24格–細胞培養皿是非常耐用的器材，塑膠材質透明度非常高，容易清洗，而且即使在格子內操作製造氣體泡沫再點火燃燒的實驗，也不會發生損壞，而且安全度高，不會出現以往玻璃容器碎裂傷人的困擾。細胞培養皿中每格容量約2 mL，一個輕薄短小（手掌大小）的24格–細胞培養皿就可操作有24支小試管才可進行的實驗工作 （見圖十一） 。「綠色化學–探究與實做（I）、（II）」課程中，另外也利用養晶的廢棄溶液重新設計趣味實驗「藍印術」，結合文化與藝術素養，採用微量（1 mL）容器Eppendorf裝置，及低廉價錢的化學試劑進行探究的課程，涵蓋學習四大化學反應類型（酸鹼中和、氧化還原、光化學、配位化學、沉澱養晶）（見圖十二）。

圖十：「綠色化學—探究與實作」課程中的綠色化學實驗寶盒及24格–細胞培養皿。

圖十一：24格–細胞培養皿的應用，相當於操作有24支小試管才可進行的實驗工作。

圖十二：設計趣味實驗「藍印術」，結合文化與藝術素養，採用微量（1 mL）容器Eppendorf裝置，及低廉價錢的化學試劑進行探究的課程。

n  結語

民國99年起，北一女中的課程發展委員會決議依照當時課綱的安排，啟動了高一跨班選修課程，過了兩年之後，進而發展成特色課程。經過這六年來，北一女中化學科團隊設計的校內跨班選修課程，持續採用探究式教學的化學課程，也不斷發展出許多新的教案，透過課程滾動式執行與省思，由於教學相長，本校化學科團隊教學與課程設計的能力也更加精進，且化學科的選修課程在綠園中的學姐學妹口碑相傳，目前仍是許多學生的第一志願選課。近三年來，我們進一步將「探究式教學」及「綠色化學精神」融入教學設計，採用正課留餘的化學藥品以及家庭常見的安全物質做為實驗材料，大大降低執行教學活動的成本，在探究教學過程，學生不僅學會發現問題、找到影響事件的變因，學生更深刻體會永續生態的重要。目前我們也積極主動協助教育部探究課程與綠色化學教育的推廣，希望與國內熱愛科學教育的老師們一起努力，綠色化學教育更蓬勃發展。

n  師生心得和感想

在105年綠色化學教育種子教師培訓課程中，協助籌備並且擔任講師與小助教的北一女中師生的心得和感想，整理如下：

〔莉芬老師的格言〕

科學探究課程設計的精神：累積面對小挫折的態度，才有勇敢面對大挫折的勇氣。累積解決小問題的策略，才有勇敢解決大問題的能力。將科學的理論「學以致用」以解決問題。「心想」與「事成」之間執行力的培養。

〔阿佶老師的格言〕

綠色化學精神：減毒減廢減量，用行動愛地球。

感恩的話：感謝教育部，工研院繆慧娟研究員，還有高工職的化工學群中心工作人員及楊其煜主任，當然還要感謝花蓮美菊老師及所有演講者，及我們北一女中團隊阿妃老師，莉芬老師，祖望師，阿佶老師，還有四位準大學生的高三小綠綠，二天的研習帶給來自臺灣各縣市的高中職老師們，減毒減廢減量的創意實驗，順利圓滿成功。期待下一次相聚，感恩。

〔祖望老師的格言〕

傳承與創新精神：難得的機會讓來自全國各地的化學老師們聚在一起，綠色化學的推廣實在是需要大家一同努力。每位老師都有不同的創意和聯想，匯集起來就是一個了不起的計畫！同樣一個實驗，有的人想到如何行銷，有的人想到如何與家庭親情聯結，有的人想到如何跟國際接軌，真正是集思廣益，團結力量大！

愛地球格言：人類已經生產太多垃圾與汙染，保護地球需要大家一起來努力！

〔小助教依萱的心得〕

綠色化學理念：環保、節能、減量，這些概念在現今社會已是人人都能朗朗上口的概念，除了在日常生活中落實，究竟還有哪些方面可以努力的呢？令我十分意外的，竟然是化學。
這次參加綠色化學種子教師研習營的我，事前分裝實驗器材的過程非常有趣，一個小小的餅乾盒內裝著小滴管、小瓶子等各種迷你版的實驗器材，藥品更是每人份都在1毫升上下，這麼少量做出來的結果卻和傳統實驗的效果不相上下，甚至多了攜帶方便的優點，也減少了大量藥品消耗和有毒物質使用的汙染，這真是值得大大推廣的綠色化學概念，身為一個學生的我，能一齊和來自全臺各地的老師們，了解綠色化學在生活、在教育、在產業的重要性與發展性，實屬難能可貴！很感謝北一女中化學科老師的邀請！也盼望老師們能多多舉辦類似活動，宣傳綠色化學理念！

〔小助教琳嘉的心得〕

交流與分享的快樂：這次綠色化學的實驗讓我深深體驗到減廢減量的重要性，並且瞭解利用原本多餘的廢液竟然也能做出另外一項有趣的實驗，它讓我開始思考平常有哪些東西是我們可以多節省的，又有什麼是我們可以重複再利用而非直接丟棄。參加這次的研習活動我也體悟到交流的影響力，除了能夠瞭解別人在做些什麼還能從中學習到新的知識與認知。這次研習的其中一位演講者許景翔科技公司總經理也說：「我從不害怕分享，反而認為分享能提高自己的能力。」我認為分享是很可貴的，因為分享，我們才有可能激盪出更亮麗的火焰，也因為分享，我們才能讓整個社會一起進步，造就雙贏的局面。參加這次綠色化學的活動，我不單單是學到了許多化學的新知，更體認到人生重要的道理，真的是獲益良多，也非常感謝為這個活動付出甚多的老師們以及工作人員們！

〔小助教采緹的心得〕

精彩課程回顧：這次被北一女中化學科老師邀請去幫忙綠色化學教育種子教師培訓課程，從事前的學習練習和器材分裝搬運，到4/21、4/22活動時的攝影助理任務，不乏疲累和埋怨，收穫卻是更多的。

在操作由北一女中主持的兩個實驗「七彩幻珠」和「藍印術」時，我從簡單的實驗步驟和原理中體驗到樂趣的取得不需要繁複的知識和設計，只需要一些創意和巧思。一個簡單的酸鹼中和搭配不同指示劑就能創造出無限的色彩，激發思考，使參與者們聯想到多元成家、尊重包容等。藍印術運用了草酸鐵鉀的感光性質，讓自己的創作能被印在浸了染液的濾紙上，結合藝術、養晶廢液和綠色化學。將此實驗指導給其他學生、老師操作，都能引起他們了解化學原理的興趣，甚至產生新發現。我和其他三位夥伴自行操作時便發現配置染料時加入原料的順序會大大影響藍印術的顯色效果。活動當天，也有老師意外發現蘇打粉能夠將濾紙上的藍色轉變成淺黃色，非常有趣。藉由動手實驗，我培養了追根究柢、自發探究的精神。

活動中的精彩演講也帶給我許多啟發。中國化學會趙奕姼秘書長在第一天的演講詳細的解釋「綠色化學原則與願景」給不懂綠色化學就傻傻地來幫忙的我。同日晚間，擁有豐富生態農業經驗的廖美菊老師娓娓道來眾多自身經歷，談真正健康而無毒的農業。最令我印象深刻的便是他在自己農場上觀察到的生態現象。「生命是不穩定而不斷在尋求動態平衡的系統」，廖老師語重心長地向聽眾們傳遞自然、不求最大營利、細膩了解生態系統的農業方法才能健康無毒、永續發展。第二天，研習活動邀請劉宏信教授和吳重霖廠長來分享他們在實驗室安全和廢液回收的專業，讓常常做實驗的我意識到做實驗前後的安全和廢液處理的重要性。下午，許景翔總經理為我們介紹urban mining的潛力並操作神奇的貴金屬剝除技術。我們所丟棄的電子垃圾其實是最具價值的貴金屬礦坑，配合許總經理所研發的貴金屬剝除技術，我們將能點石成金，重複利用稀有的地球資源。

經過綠色化學研習的洗禮，我對於資源的珍惜和重複利用有了清楚的概念，期望自己能和來自全台各縣市參與此活動的老師一起為green chemistry的推廣努力，同時也慶幸自己有著個難得的學習機會一探綠色化學的世界。

〔小助教如芬的心得〕

小綠綠感恩的心：升上高二時，就被化學科多元多彩的各式活動給吸引，便自願擔任了校慶化學宅即便的關主。培訓時的我看著阿妃老師就像魔術師一樣，端出了一個又一個如玩具一般的小道具，接著就把課本上的實驗ㄧ個個都做出來了。當時的我驚訝的說不出話來，覺得這老師真的是絕頂聰明啊！而後我也就這麼踏上了和阿妃老師南征北討的生活；從校慶，均質化計畫到臺北科學日，雖然每次都累到不行，但就是想將這些迷你板的化學實驗介紹出去。因為我知道不是所有的學校都做得起實驗，但其實很多學子們心裡都存著一個化學的種子，只是缺少一個可以萌芽的機會。

而這次又跟著阿妃老師出門了，這是最遠的一次，也是意義重大的一次；不僅是因為我已經高三了，這會是我最後一次的出征；同時，這次與前些活動十分不一樣的就是，推廣的對象都是各個高中職的化學老師，也就是現在站在化學高中教育第一線的各個戰士們。

在操作實驗時，看到老師們都像老頑童一樣，興致滿滿的仔細的調配著酸鹼指示劑和蘇打。甚至有點老師笑說，只不過是酸鹼中和，竟然也可以讓這群老大人玩得這麼開心。而老師們也發揮各自的創意，像是有位老師在晒印藍印術時，利用手邊可得的葉子做出了令人驚艷的作品，葉脈還會因為透光性的不同，完好的保留在濾紙上。大家一起研習的腦力碰撞，可撞出了不少別出心裁的巧思。看著老師們都鬥志滿滿的，不斷詢問具體實驗教學的細節，或是器材取得的方法；忽然覺得這次來得值得了！因為大家的熱情就像一粒粒化學的種子撒在了個縣市高中職老師的心中，而且因為每個老師的熱心付出；那些種子都在迅速萌芽著！

化學探究教學：引導國中生開發
水災防治包專利作品的探究教學歷程

黃琴扉

國立高雄師範大學科學教育暨環境教育研究所
[email protected]

n  前言

教育部（2003）公布的「科學教育白皮書」中明確提及，科學教育的主軸是透過科學性的探究活動培養學生獨立的科學思考；由2003年至今，國內外也有許多科學教育學者透過大量研究證實探究教學對學生科學學習的重要性（Blatt, 2015; Schank & Abelson, 2013）。然而，許多職場教師們對於如何落實探究式教學以啟發國中生科學學習仍有諸多疑問，更擔心探究式教學會花費許多時間或精力，本文即以筆者與高雄市圓富國中合作的化學探究實務教學為例進行分享討論，期盼能與職場教師或相關教學、研究人員交流，以激起更多科學教育的火花。

n  以融合環境教育的問題本位學習（EPBL）進行化學探究教學

探究式教學的理念，可以追溯到Deway（1910）的哲學觀，Deway認為知識存在個體與環境的交互作用間，若是要啟發學生的主動學習，必須給予學生適當的問題情境（陳毓凱、洪振方，2007），而當問題的結構較為模糊，學生必須進一步重新定義與釐清問題後，才能擬訂解題策略時，即稱為問題本位學習（problem-based learning, PBL）；換句話說，問題本位學習就是一種建立在探究取向上的教學模式之一。本文參考Delisle （1997）、Lambros （2004）、陳毓凱和洪振方（2007）以及王紅國（2015）的問題本位學習教學理論，並於實務教學中融入環境教育因素，由筆者自行開創之環境問題本位學習（Environmental Problem-Based Learning, EPBL）教學模式，如圖1所示。

圖1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式

筆者於圓富國中進行教學時，即根據圖1的教學模式進行引導，協助學生進行與環境議題相關的化學探究活動，並成功協助國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）。

n  教師進行探究教學歷程之教學立場與角色定位

在說明教學歷程前，筆者希望以理論基礎與教學經驗之整合，分享給教師們進行探究教學時的心態轉換：

一、   教師應協助學生從生活環境的問題解決著手，以提升學習動機

在EPBL的模式中，融入環境教育因素是重要的一環。教師應該協助學生從生活環境中的問題解決進行發想，以誘發學生強烈的探究與學習動機。以本文為例，參與本探究活動的學生都居住於高雄市旗山區，每位學生共同的經驗都是「水災」。每逢颱風，家中必會淹水，而同學們共同的經驗就是幫家裡堆沙包；因此，學生們很容易凝聚共識，因而擬定了開發水災防治包的主題。

二、   教師為教學引導者，並非知識傳遞者

引導國中生進行探究的過程中，教師應以學習者為中心，協助學生建構自己的知識（Lawson, 2002），而不是著重於教師對學生的知識傳遞。教師應以開放而熱忱的心態與學生一同探究、學習與成長，而非僅是提供專業知識或協助資料查詢。

三、   教師應協助學生提升後設認知

雖然探究式教學可以提升學生的主動思考能力，但國中學生對於思考上的自我監控能力尚不成熟，時常無法察覺自己在假設與證據詮釋上的矛盾，或對於變因的控制不夠精準，此時教師應協助學生反思，進而提升學生的後設認知能力，以強化學生獨立思考的純熟。

n  以EPBL引導國中生由紙尿布啟發水災防治包專利研發的探究教學歷程

本節將詳述筆者採用EPBL探究教學模式成功引導國中生開發水災防治包專利作品（於經濟部審核中）的探究教學歷程（見表1）。

一、   學生來源

參與本文的EPBL探究課程的學生共有三位（男生二位，女生一位），均為國中二年級自願參加的學生，學生均自願於中午午休或早自習時間參與本課程。經過家長、學生本人、學校行政人員、導師等同意後，始進行本課程。

二、   課程時間

本課程每次授課時間為40分鐘，每週授課一次，共計一學期，扣除段考時間與國定假日等，共計上課12週。

三、   探究教學實務歷程說明

本課程結合環境教育概念，讓高雄市旗山區的國中生，以解決家鄉水災問題出發，從紙尿布高分子化學材質的高吸水特性開始發想，進而開發出水災防治包專利作品（經濟部審核中），以下將進行探究教學實務歷程說明（見表1）。

表1：環境問題本位學習（EPBL）教學模式實務應用歷程

n  結語

本文以筆者自行開創之環境問題本位學習教學模式進行國中生探究式實務教學，其結果發現國中生不但可以從生活環境中觀察出需要解決的問題，並能運用科學探究的精神與方法，自行開創研發可申請專利的作品，由此可見國中生的創意無窮，而採用探究教學對於啟發國中生的獨立思考，在教學實務上也有確切的幫助。而教師們擔心的教學時間問題，以本研究的課程時間來看，每次授課時間為40分鐘，每週授課一次，扣除段考時間與國定假日等，共計上課12週，相信若將探究課程延長於一學期內逐步授課完畢，在一般的國中都是可以運用某些特色課程或實驗輔助課程完成的。本文以筆者親自執行的化學探究實務教學為例進行分享討論，期盼能引發更多教師或相關教學、研究人員的多元思維，為科學與化學教育更添新的探究里程碑。

n  致謝

本文特別感謝科技部對本研究計畫（計畫編號：104-2511-S-017-006-）的經費補助與支持，並再次感謝高雄市圓富國中黃柏蒼校長對教育的熱忱付出與對本計畫課程執行的全力支持。

化學探究教學：思考才是關鍵—探究蠟燭之蕊

林瑞文

高雄市立左營國民中學
[email protected]

n  前言

有一回主持教師研習時，我請在場各組國中自然教師分組討論後，在小白板上寫出自己認為在學科教學時，學生應該要學到的「最重要的能力」，之後我將各組小白板貼在黑板上，然後找出出現最多次的答案，結果是「思考」，表示大部分的自然教師都認同思考能力是科學教學中最核心的能力。反觀現在自然科教學中佔最多時間的卻是灌輸知識，就如同可汗學院的創辦人所說的：學生在學校花12年的時間，學習在Google 0.02秒就可以找到的知識。這實在是很荒謬的事情，因為化學的學科特性，學生必須先習得較多的基本知識，才可以進入化學的學習，所以在國中階段許多學生對化學的認知，就是需要背誦一堆東西，還有一些計算題。事實上我們都知道基本知識是學習化學的起點，但絕不是全部，本教案的設計希望學生藉由實驗觀察與討論啟動思考的本能，引發探究現象背後原因的動力。

n  蠟燭燃燒實驗

蠟燭燃燒現象是很容易進行的實驗，沒有繁雜的實驗過程，學生可以將注意力集中在觀察與思考，也能藉此擺脫食譜式實驗的陰影，以實驗為蒐集證據的方法。在本教學方案中，實驗的問題全是教師所提供，學生設計簡易的實驗步驟後自行尋找答案，這是一種引導式探究教學。在考量國中生的程度和授課時間限制下，這應是可行的選擇，因為一味要學生自己想出實驗，恐將使學生因壓力過大而退縮。在本教案中，實驗的角色猶如鷹架，引導學生進一步思考並觀察到之前錯過的細節。文中的系列實驗，都可以讓學生自己動手，原本用於示範教學的POE（prediction–observation-explanation）策略，本活動則轉變為學生學習科學的模式，使得每一項實驗都提供學生多一點思考的機會，幫助學生探究燭蕊所扮演的角色及相關科學概念。筆者期待以學生為本的POE學習策略，能夠讓學生成為科學實驗教學的學習主體，實驗並不單用以驗證教科書上的理論，更能提供學習情境，以作為探究科學的起點。

筆者知道許多科學教師閱讀教學實務文章時，都著眼於「看到可以拿來用的實驗」，但建議讀者看本文中的實驗應以「實驗可以激起怎樣的思考與討論」為重心。是以本文中不像一般教案，以鉅細靡遺的方式寫明每一步驟，而以「教學重點」提出教學心得與建議。

n  教學流程

此教學過程的學習單，內含四項思考性問題和三項實驗如下所述，亦可參見附錄。

一、   首先讓學生用蒸發皿做一個好像永遠不會燒完的蠟燭（見圖一），請學生討論這樣的蠟燭是否能一直燒下去？

圖一：在蒸發皿中的蠟燭好像燒不盡

教學要點：此活動主要讓學生比較蒸發皿中的蠟燭與一般蠟燭的相異之處，進而思考永遠燒不盡的蠟燭這樣的說法是否合理。教師可鼓勵學生說出自己的觀察的心得，先不做任何評斷。

二、   讓學生思考下列問題：如果蠟燭沒有燭蕊可不可以燃燒？請說明原因，你回答的依據是甚麼？

教學要點：此問題的目的是刺激學生思考燭蕊在蠟燭燃燒中所扮演的角色，要求學生不經分組討論，單獨寫出對此問題的看法，之後留作課程最後再檢視修正。

三、   讓學生操作實驗一：用打火機火焰燒蠟燭的燭身，觀察是否可將其點燃（見圖二左）。當打火機火焰燒到燭蕊時（見圖二右），情形又是如何？

圖二：以火焰直接燒蠟燭（左），以火焰燒燭蕊（右）

教學要點：此實驗讓學生看到蠟油無法直接點燃，但燒到燭蕊卻能點燃，讓學生思考燭蕊在蠟燭燃燒的功用。

四、   讓學生操作實驗二：將蠟燭切碎，放入試管中（量約半試管），以試管夾夾住後在酒精燈上加熱，待蠟油完全變成液態時，傾斜試管讓管口沾上一些蠟油，再將管口置於火上加熱，觀察發生的現象（見圖三）。

圖三：直接點燃蠟油的實驗

教學要點：蠟油可以直接燃燒嗎？當學生看到管口的蠟油以酒精燈加熱一段時間就會產生火焰，藉此引導學生思考蠟油在那些條件下（變蠟蒸氣）可以燃燒。然後再提問：蠟油要燒一陣子才有火焰，為甚麼我們很容易就點燃蠟燭？

五、   讓學生操作實驗三：用剪刀的雙刃緩慢地靠近燃燒中蠟燭的燭蕊，但不要碰觸燭蕊（見圖四），對蠟燭的燃燒有何影響？試著解釋其原因。

圖四：以剪刀的雙刃靠近燭蕊

教學要點：此實驗要讓學生感受到蠟蒸氣沿燭蕊上升。當剪刀的雙刃靠緊燭蕊時，雙刃以下的燭火會消失，代表燭蕊下半端的蠟蒸氣需靠上端火焰來引燃。

六、   讓學生操作實驗四：同時點燃一根火柴和一支固定好的蠟燭，把火柴拿在蠟燭的上方，將蠟燭吹熄後立刻以火柴靠近（但不碰觸）燭蕊，試著讓蠟燭再被點燃（見圖五）。

圖五：蠟燭復燃現象

教學要點：有人稱此現象為「跳火」，對沒見過的學生而言，是非常神奇的事。當蠟燭剛被吹熄時，上方仍有蠟蒸氣（白煙），學生多嘗試幾次就可以知道燃燒的火柴要靠近白煙，就能輕易使蠟燭復燃，老師可以提問：白煙產自何處？（燭蕊）

七、   討論：經過之前的實驗、思考與討論，你可以寫出燭蕊在蠟燭燃燒時所扮演的功能嗎？請註明你推論的依據（哪一個實驗）。

教學要點：在臺灣現今的教育中，學生較常寫國文的作文，但很少寫與科學有關的論說文句。此階段教學重點在訓練學生將想法寫出來，特別需在文字中言明推論的依據，這是訓練學生論述能力的好機會。學生完成後教師可以分享一些同學的寫法（不具名），讓大家一起來聽聽其中的論述是嚴謹有理或有需補強的地方。

八、   進階問題：有哪些可以代替燭蕊的功用？

圖六：用蠟油浸溼的衛生紙蕊可燃燒半小時

教學重點：教師先讓同學討論依燭蕊的功用，思考具有哪些特性的材質可能作為燭蕊。之後教師拿出衛生紙捲（見圖六），讓學生立刻進行測試，學生多會以為衛生紙會很快就燒完，但事實上衛生紙捲若先用蠟油浸溼後，在蠟油中固定好，燒半小時都沒問題（見圖六）。剛開始點燃衛生紙蕊時，教師還可以提醒學生觀察蠟油在衛生紙蕊中流動的情形，這是使用一般燭蕊看不到的現象。

九、   重新檢視學習單中第一、二題的答案，若有新的想法就用紅筆加以修正。

教學重點：經過教學後讓學生檢視課程剛開始時寫下的想法，促進學生反思從學習得到的新知識與概念。

n  學生學習表現

進行此教學活動時，我發覺拋出開放性問題後，學生先期的反應都較被動，以為不久老師就會公布正確答案，因為傳統教育讓學生習慣以為標準答案才是學習的目的，也養成只重結果輕過程的學習風格。當課程進行一段時間，學生明白從老師的口中不可能得到他們想要的正確答案後，可喜的是他們就自然會轉向由實驗與現象中尋求解答，顯示好奇與求知本是人類學習的本能。在教學的最後讓他們修正自己先前寫的答案時，可讓學生反思過程中所學到的知識與概念，是符合後設認知需求的教學設計。

n  結語

2014年諾貝爾物理獎得主中村修二在他的著作中引用保羅葛蘭素的話說：「即使在最好的高中裡學到的知識，和大學相比也是微不足道的。」，以往臺灣的教育內涵以「知識灌輸」為大宗，因此「知識灌輸」效率最高的講述法盛行，著重讓學生知道許多（把進度上完、超前），至於學生是否慣於思考、擅於提出與解決問題就退居二線了，這與現今「以培養能力」為主軸的教育潮流多有違拗。

本教學活動以促進學生思考為宗旨，安排實驗、觀察與論述表達為教學主軸。蠟燭實驗容易進行又安全，筆者多次對中小學生進行此課程，學生反應都很熱烈，可見有適當的引導設計，學生還是可以樂在思考。

n  附錄：學習單

1.        你認為蒸發皿做成的蠟燭可不可以一直燒下去？理由是甚麼？

2.        蠟燭如果沒有燭蕊可不可以燃燒？請說明原因回答的依據是甚麼？

3.        實驗一：用打火機點燃蠟燭燭身結果如何？當打火機燒到燭蕊時，結果又是如何？由上述實驗我得到那些知識？

4.        實驗二：加熱傾斜試管口的蠟油，你觀察到甚麼現象？由上述實驗我得到那些知識？

5.        實驗三：當剪刀雙刃緩緩靠近燃燒中蠟燭的燭蕊中央處（但不要碰觸燭蕊），對蠟燭的燃燒有何影響？

此現象的原因應該是___________________________________________。

6.        實驗四：要怎樣才能不碰觸燭蕊，而讓蠟燭再被點燃？由上述實驗我得到那些知識？

7.        綜合以上的實驗結果，你可以試著寫出燭蕊在蠟燭燃燒時所扮演的功能嗎？請註明你推論的依據（哪些實驗）。

8.        你認為可以做為燭蕊的物質，應該具有哪些特性？

9.        用紅筆修正學習單前兩題你所寫的答案。

化學探究教學：氧化還原反應的國中探究教學

林宣安

臺中市立長億高級中學國中部
[email protected]

n  緣起

在實施探究教學的過程中，最常聽到教師的困難就是時間與進度的壓力，這的確是現場國中教師的難為之處，或許是因為許多教師都把探究教學與科展或是發明展之間畫上等號，因此一提到探究教學，直覺這是規模很大的教學活動，學生沒這樣的能力，這樣的教材需要教師自編，不可能有足夠時間等等的想法。

然而，在課堂裡的探究並不是要培養出可以獨立研究的科學家或發明家，而是希望讓更多的孩子（包含非自然科屬性，或根本不喜歡自然科學的孩子）了解分析事情與看待問題的邏輯方法，以及如何找到問題的答案。因此，筆者希望直接從課本的實驗來出發，一方面不會讓教師有必須獨立出探究課程的時間與進度壓力，另一方面在教材的設計上也輕鬆許多，期望在課堂中形塑出一個討論與願意深入研究的求學氛圍，不一定希望學生可以有什麼了不起的結論或應用（這不是科展、也是不發明展），而是訓練孩子問題解決的能力，也許成果不亮麗，但只要教師願意嘗試，兩年或三年的學習下來，相信孩子們會有不一樣的感受。

n  設計理念

改編原來課本氧化銅被還原成銅的實驗，簡化使用器材與實驗過程，課程的目的放在結果分析，而非實驗操作技巧，並利用紀錄單引導學生分析事情的方法與邏輯概念，比較與預期結果有何不同，嘗試解釋這當中的異同，且提出說明與解釋，再進一步驗證你的說明。藉由這些衝突經驗，引發學生討論的學習空間，並激發孩子進一步的主動探索的動機。

教師只要形塑出一個探究的氛圍，學生之間就會產生主動的討論，並與教師進一步說明驗證想法和操作過程，這已經是延伸到課室外的學習，真正將主動學習的發球權無形中讓學生主導。

n  教學設計

一、課本的實驗改良

原來課本設計的氧化銅被還原成銅實驗，在實驗操作之前其實學生已經知道氧化銅和碳反應所產生的物質，基本上是屬於已知結果的驗證型實驗，並無太多相關的變因探討。再加上所使用的器材較為繁複，對部分自然科較無興趣的學生，這樣單純觀察與訓練實驗技術的活動也是一種煎熬。

因此，筆者嘗試簡化實驗所使用器材與流程，捨去二氧化碳的檢驗步驟（這方面學生已經操作過許多次），將課程的目的放在結果分析，利用學習單（見附錄一）引導學生分析事情的方法與邏輯概念，同時也鼓勵學生提出自己的說明與解釋，再進一步驗證提出的說明。

二、實驗流程

1.        反應前的物理觀察記錄

確認學生所拿到的藥品種類，並能觀察紀錄物質的外觀，同時也訓練學生在實驗室中沉靜與細心的氛圍。

2.        反應中的操作

同一實驗桌分成兩大組進行實驗，一組將氧化銅與碳粉包在鋁箔中加熱（密閉系統），另一組則將氧化銅和碳粉直接混合在蒸發皿中直接加熱（開放系統），實驗進行時相互觀察不同實驗的結果並比較，如此便可以在有限的教學時間內進行更多不同變因的觀察（見圖1）。

實驗操作前先讓學生說明兩組實驗的目的與預期反應，目的是讓學生先對自己之前所學的知識作一個反思，並能從這些知識中推理出一個可能的解答，再來針對這些解答進行實驗設計與驗證。

教師並沒有給予詳細的實驗步驟（例如：如何加熱？如何包覆成密閉系統等等），只有給予學生一個實驗的指令，其餘就交給學生自行設計操作。

實驗過程中教師扮演一個觀察者的角色，適時的針對每一組的操作流程加以詢問與安全維護。

圖1：學生分組針對不同變因進行實驗操作

3.        反應後的觀察

將氧化銅與碳粉包在鋁箔中加熱（密閉系統）可以明顯觀察到原本黑色的反應物變成紅色（見圖2左），若在開放系統加熱幾乎維持原本的外觀（見圖2右），讓學生詳述兩組不同實驗的結果，顏色改變代表的意義為何？不變的原因又是什麼？並嘗試解釋和原本預期的落差在哪裡，再重新設計一個實驗來支持自己的解釋與論點。

圖2：密閉系統加熱後變成紅色（左），開放系統加熱後維持黑色（右）

三、善用學習單的討論

探究課程要能夠深入，不僅僅是過程中的實驗操作，更重要的是實驗後的討論與反思，這個部分通常會佔據許多正常進度的時間，也因此讓許多教師卻步。但如果沒有更深入的師生互動，就讓探究的意涵失色許多，因此筆者使用了一個折衷的方法，利用課後學習單的填寫，節省上課討論的時間，教師批改後，點出學生的問題，發回學習單後讓學生再一次反思，利用不同顏色的筆回應教師的問題，如此可能進行2~4次的來回討論（見圖3），讓學生有機會作更深入的思考，教師也能針對學生個別的問題給予協助，如此的模式意外引發了許多學生迫不急待想要和教師討論的思緒，成功引起了班級主動探究的氛圍。

圖3：教師課後利用學習單和學生討論實驗細節，節省上課時間

四、延伸到課室外的實驗

在挑起孩子們的探究本能之後，部分學生開始主動要求教師允許他們可以針對設計的驗證步驟進行實驗，當然這時候就是順水推舟，將課室內的活動延伸到課室外的加強。學生開始跨組合作，共同討論可行的實驗方案（見圖4），教師此時只幫忙整理與引導，對於進階實驗預期的結果與設計不加評論，並提供必要的設備與陪伴。

這部分不強求全班都要參與，只針對有興趣的學生鼓勵他們進一步研究，這也是教師本身必須自我調整的地方，再好的課程設計也不可能讓每個孩子都會想要學習，教師的責任除了知識的傳遞，還有另一個更重要的責任就是找出那些隱藏喜歡某些學科的孩子，帶領他們進入專業研究的殿堂。

圖4：學生跨組合作並共同討論實驗方案

以下是學生設計的實驗過程紀錄：

學生初步假設開放系統中碳粉會和空氣中的氧氣反應，因此氧化銅不會有變化。實驗設計利用酒精燈分別將碳粉1克和氧化銅3克放在蒸發皿上加熱約7分鐘（與原先實驗的加熱時間差不多），再以電子天平量測減少的質量，結果碳粉只減少不到0.1克（在電子秤的誤差範圍內），氧化銅完全沒改變（見圖5）。因此學生認為碳粉和氧化銅在蒸發皿中直接加熱，可能因為加熱時間不夠久且溫度不夠高，導致根本什麼事都沒發生，而不是我們預期的碳粉和空氣中的氧氣反應

圖5：加熱蒸發皿中的碳粉和氧化銅，結果質量幾乎沒有變化

根據上述的實驗結果，學生提出第二個假設，若是加熱的溫度不夠高，我們利用燃燒匙直接在酒精燈中加熱碳粉，應該就會反應（燃燒）。結果發現粉末掉落時會產生火花，且在燃燒匙上的碳粉質量也減少。因此學生認為碳粉直接加熱會燃燒是確定的，但溫度必須夠高且時間必須夠久才可以。因此到目前為止幾乎可以肯定教師原本的實驗設計（開放系統在蒸發皿上加熱約7分鐘）是有瑕疵的。

接下來，學生設計利用燃燒匙直接在酒精燈中加熱碳粉0.1克和氧化銅0.8克的混合物，結果發現當燃燒匙放在火焰中央時，明顯看到產生紅色的氧化銅，移到火焰上方時，紅色氧化銅馬上卻又馬上變回灰黑色。學生認為當燃燒匙放在火焰中時溫度夠高，但可能反而製造了一個缺氧的環境，因此產生紅色的銅，移到火焰上方時，高溫的銅和空氣的氧氣馬上又反應變回氧化銅。

若直接利用瓦斯噴燈加熱，則可以提供更高的溫度，而且瓦斯噴燈的火焰小，應該不至於會在周圍產生一個缺氧的環境，因此實驗設計分別利用酒精燈和瓦斯噴燈加熱（見圖6），結果如表1所示。

圖6：直接利用瓦斯噴燈加熱，提供更高的反應溫度

表1：用酒精燈和瓦斯噴燈加熱燃燒匙中的碳粉、氧化銅及混合物之結果

實驗結果顯示，當我們嘗試延長加熱時間和利用瓦斯槍加熱，讓反應的溫度提高，的確使得碳粉可以和空氣反應，減輕質量，而氧化銅確實也無法在空氣中產生反應。因此回到一開始我們進行的實驗，在開放空間中加熱碳粉和氧化銅的混合物，我們無法觀察到紅色的銅析出，但總質量確實也有減少，推測就是碳粉和空氣反應的結果。

但教師原始的實驗設計因加熱時間不夠，因此碳粉和氧化銅在開放空間中根本什麼事都沒發生，實驗的方法有瑕疵。

碳粉反應後產生的黃色物質是什麼還有待釐清，是否可能藥品不純？

五、學生心得

這次的實驗與以前的實驗完全不同，教師開放了許多想法讓我們進行測試，也從中學習了如何掌控實驗的變因，自己重新設計實驗，從推測到驗證到下結論的過程，真的讓我們學習了很多，這樣的學習方式讓我永遠都不會忘記！

n  教學評量

在探究教學的過程中，我們儘量不以一般知識測驗型的總結性評量來評論學生的學習成果，而是以討論與合作學習過程中的參與程度來酌予加分，並鼓勵發表自己的想法，透過實驗結果來幫助學生釐清問題解決的邏輯方式，即使沒有得到所謂的標準答案，我們仍給予學生高度的肯定。

我們依學生的實驗過程、紀錄單填寫情況與第二次修正、參與討論、修正實驗的情況等給予口頭獎勵，學生在沒有實質分數激勵的情況下仍有強烈學習動機，足以肯定此探究學習對學生的幫助。

n  課後反思

學生經由探究過程發現，原先教師設計在蒸發皿中的碳粉和氧化銅混合後直接加熱的實驗可能是錯誤的，因為利用酒精燈的加熱溫度不夠，碳粉根本和空氣中的氧氣不會反應，因此重新設計實驗方法，建議教師們未來改良此實驗的方向。

探究教學就是如此的耐人尋味！或許可以是教師引導的結構式探究，就好比在教練場上學習開車，教師幫忙鋪設一條找尋答案或科學方法的路徑，讓學生自己去探索尋找，又或者是開放型探究，由教師指導學生去進行一個獨立研究。不管是哪一種探究教學的模式，我們都希望在這樣的學習過程中，學生是不斷的在找尋問題解決的方法，而非等著教師給一個標準答案。

筆者原先安排的情境就是一個結構型的探究，試圖讓學生去發現開放系統和密閉系統對氧化銅被還原成銅的影響，過程中也引發了學生對未知答案的好奇，進而變成了開放型探究，這些都是原先沒有預期的結果，卻讓我們的教學處處充滿了驚奇與樂趣。探究不難，有所為，有所不為而已。

化學探究教學：家政教室裡的化學探究—饅頭大賽

鐘建坪^1, *、何建中^2, *

^{1, 2}新北市立錦和高級中學國中部
^1, *[email protected]; ^2, *[email protected]

n  前言

探究是擷取科學家進行科學研究的思索歷程，透過觀察、假說、反思與提出證據作為觀點陳述的基礎，讓學習者能夠構思問題、界定問題以及能夠利用已知的概念架構而提出有可能解決方案（教育部，2003、2015；National Research Council, 2000）。一般而言，學校的探究教學活動主要以課堂實驗的改良為主，經由增加變因的探討強化學生進行探究的能力養成。然而，強調課本實驗為主的修正模式仍與學生生活經驗相去甚遠，限制學生的學習遷移的效果，因此強化學生生活周遭情境中探究能力與思考智能的養成是可行的操作模式。

廚房是現代一般家庭生活料理食物的必備場所，而菜餚的料理過程更是牽涉生物、物理與化學等學科概念。例如：一道簡單的炒空心菜，過程中需要清洗減少汙泥與農藥殘留，透過炒鍋傳導的熱量讓細胞壁破裂軟化，並且加入調味料增加味覺的口感。廚師完成一份料理需要考量的因素非常多樣，才能推出因地制宜且因人而異的客製化內容，因此料理的多樣性正是貼近生活情境的探究學習活動之一。有鑑於此，本文嘗試將探究的意涵納入廚房的料理活動，讓九年級參與寒假學藝活動的學生，經由自己動手操作與反思的過程，逐步找出饅頭製成條件與口感的關係，進而完成一份理想而好吃的饅頭。

n  實施流程與步驟

一、材料項目

主要材料包含麵粉、酵母粉與糖。一般市售麵粉區分高筋、中筋與低筋麵粉，高筋麵粉是用於麵包、披薩等，低筋麵粉作為甜點與蛋糕使用，而中筋麵粉才是作為小籠包與饅頭的原料。酵母的功用在發酵之後產生二氧化碳可以作為天然的膨鬆劑，並使麵筋擴展而有嚼勁。糖作為酵母發酵的物質之一，並提供味覺甜度。

二、先前試驗

本文作者先前引領學生進行的探究活動多屬於由學科知識切入的實驗研究，在廚房環境中完成饅頭製作的探究活動尚屬第一次。因此，在課堂實際讓學生操作之前，自己即先至超商購買麵粉與酵母粉等材料，並試作二次特定條件下的饅頭口感，以確認自己能夠獨自從揉麵粉、發酵至蒸熟時間，並且控制在1.5小時內完成時，才算放下心中教學前緊張的心情。

三、正式操作

饅頭製作的探究活動分為三天，每天2節課，共6堂課時間。

（一）第一天∕依據學生討論並設定的條件製作饅頭

課堂一開始先讓學生填寫課前問卷（見附件一），題目除了涵蓋製作饅頭的巨觀影響變因之外，亦嘗試讓學生連結微觀酵母的發酵機制等。待學生完成課前問卷之後，即發放學習單（見附件二），並開始說明三天的教學活動任務，接著分組進行饅頭試做。教學場所是在家政教室進行，各組依據學生自己設定的條件進行饅頭製作。過程中教師的角色即引導學生思考想要探索的變因，例如：麵粉與水比例、揉麵團力道、發酵時間等，並讓學生實際操作。如圖一所示，剛開始學生對於饅頭製作的流程都是陌生的，因此在麵粉與水比例的拿捏上就費了一段時間。雖然每位同學都非常緊張，並深怕做出不能吃的饅頭，但卻又興致勃勃想要看見變因測試的結果。當然第一次的嘗試可能在外觀與口感與實際的販售的饅頭有所差距，但可作為第二天改進的基礎。

圖一：第一天學生實際操作的過程與成品

（二）第二天∕依據學生反思並修改的變因製作饅頭

第二天課堂一開始，各組學生必須反思第一天饅頭製作的過程與成果，以評估第二天小組將會如何改進。此時學生小組討論並思索如何進行變因條件的修正，以得到心目中理想的饅頭（見圖2）。接下來實際操作中，學生對於麵團與水比例的拿捏已經能夠較快掌握，因此各組成員開始強調酵母是否充足、甜度是否適當以及發酵時間的多寡等因素，並且使用家政教室可觸及的工具。最後成品部分已經能夠掌握饅頭的外觀與口感（見圖2）。

圖二：第二天學生實際操作的過程與成品

（三）第三天依據學生反思並找出最佳比例製作饅頭並比賽

課堂一開始與第二天相同地讓同學報告第二天的成果與改進之道，並說明將會以何種比例做為評比作品的依據。第三天時，各組學生已經熟練基本操作流程，迅速地完成麵團，各自作出屬於自己的饅頭形狀（見圖3），並將數據整理（見圖4）。最後，各組需要完成自己與作為評審審查的饅頭。各組的饅頭經由三位評審老師試吃作為小組評比成績。經由三位老師評比與試吃結果反映，雖然只有短短3天的嘗試，但已有部分小組學生已經能夠掌握相似於外面商家販賣的外觀與口感。

圖三：第三天學生實際操作的過程與成品

圖四：學生三天實際數據的範例

n  學生表現與回饋

雖然只有短暫三天共6堂課的實際操作，學生能夠熟悉製作饅頭的基本操作過程，而這些過程並沒有出現在學習單上面，而是學生們憑藉著想像、蒐尋家政教室可用的器具以及授課教師的引導下完成。學生的表現方面以變因探索、微觀化學發酵反應以及心得進行說明。

一、影響製作饅頭的變因

前測時，幾乎所有學生皆強調影響饅頭製作的因素有蒸煮的時間、溫度與發酵，其餘尚有揉麵團的力道以及師傅的技術等。後測時，學生在變因項目上多能針對實際操作過程影響的因子做出說明，例如：麵粉與水的量、製作饅頭順序、酵母發酵時間、加入糖的比例以及蒸煮時間等。

(1)前測時

S1：製作饅頭的人的做法、時間、溫度。

S2：蒸煮的時間、發酵的時間、蒸好後不能直接拿出來，要看蒸煮食的熟度，不然會扁掉或黏在鍋子（蒸籠）上，就失敗了。

(2)後測時

S1：水量、糖、酵母、麵粉的多寡、製作的順序、發酵的時間、揉麵團的力道、溫度。

S2：蒸煮時間、食材的量要拿捏、溫度以及發酵時間。

二、酵母發酵的微觀化學反應

國三學生在無預警前測的測試下，幾乎都能知道製作饅頭的科學原理是經由酵母發酵作用產生二氧化碳的結果，然而若要讓學生實際寫出化學反應式，則多數空白無法寫出，亦可能學生不清楚題意是否需要寫出化學反應式。在後測時，經由學習單的說明、實際操作流程以及教師原理機制的解釋，除了知悉酵母發酵之外，學生尚能寫出酵母發酵的反應式。此處舉兩位學生為例。

(1)前測

S3：發酵，饅頭中的小孔洞是空氣進入麵團之中。

S4：利用酵母發酵產生氣體，氣體鑽出小洞使麵團更蓬鬆。

(2)後測

S3：酵母將葡萄糖經發酵作用分解成CO₂與H₂O；C₆H₁₂O₆ →2CO₂ + CO₂。

S4：利用酵母發酵、酵母菌在發酵過程中會產生二氧化碳，氣體鑽出饅頭就會產生小洞，讓饅頭鬆軟。

三、如何運用原理協助製作饅頭

雖然多數學生知道做出一顆好吃饅頭的影響變因，以及會運用到的化學反應，但是全數學生皆未實際操作過饅頭的製作，因此皆不清楚如何藉由科學原理協助自己做出好吃的饅頭。待實際操作過之後，認為從嘗試中掌握適切的麵粉、溫度、發酵時間等因素，才是協助自己完成好吃饅頭的成功要素。此處舉兩位學生為例。

(1)前測

S5：不知道。

S6：不知道。

(2)後測

S5：多試幾次，比較不同比例的差別，找出最好比例的那組〔條件〕。

S6：需要考量麵粉、發酵粉、水、糖的比例。

四、實際操作過後的心得感想

由於學生先前都有吃過饅頭，但卻完全沒有實際做過一次饅頭，甚至揉過麵團的經驗也都沒有，因此這次的活動嘗試不僅讓學生實際動手操作之外，亦透過不給標準操作流程與比例，讓學生從試誤中找出影響變因間的彼此關係。而這樣的歷程即為實務性的探究歷程，透過觀察、假說、試驗、反思與證據回饋等步驟讓學生可以獲得製作出一個好吃饅頭的比例。此處舉五位學生為例。：

S1：在製作之前先算好比例再去做，做不好再重新配比例。雖然第一天做的饅頭不怎麼好吃，但經過3天下來，愈做愈好，也終於有饅頭的樣子，蠻有成就感的！哈哈！同組的人也都很認真的做，沒想到還得到第一名！

S2：一開始老師甚麼都不講，讓我們自己摸索。我覺得這樣很好，有實驗精神。〔因為〕自己做的成品自己一定要吃，所以有著絕對不能失敗的精神，千萬不能拿命開玩笑！

S5：第一次做的成果很差，但是後來就改進了。〔我覺得〕這種教學很有趣，也更容易吸引同學認真上課。〔但是〕實際做的時候比想像中的難，然而真的做出一個有點接近饅頭的食物時，是很有成就感的！

S6：第1天做的時候甚麼咚咚也不會，只會隨便做，第1天做的時候糖放得夠。〔但是〕第二天有吃到麵粉且發酵粉也加的不夠。第3天是進步很多，形狀也很像，但還是沒有說很好，〔我〕終於知道饅頭怎麼做了。

S7：這是我第一次做饅頭，覺得還蠻好玩的。雖然第一次做得有些失敗，吃起來的口感跟發糕差不多，但是後來做第二、三次之後，就因為知道要改的地方在哪裡，所以最後還不錯。

從學生文字心得的分享中可以看出學生嘗試摸索的喜悅與滿足。例如：S8認為由老師提供基本器具之後，後續由自己獨立尋找變因條件是不錯的學習方式。而S1與S5認為整個實際動手操作與思索如何做的歷程，在事後仍然清楚記得摸索的歷程與成果。對於此活動全數參與的學生都認為是非常深刻的學習體驗。

n  結語與意涵

一、結語

不管是九年一貫或是107課綱都不斷強調科學學習中探究能力的重要性。探究能力不僅涵蓋觀察現象、提出問題、設計實驗、歸納數據與溝通想法，更需整合邏輯推理、批判思考以及想像創新的內涵與提升。本文嘗試只提供九年級學生需要的基本食材，而比例、數量、時間皆需要自行思考與摸索的情況下，讓學生進行生活經驗相近的廚房化學探究活動。結果顯示學生對於饅頭製作的能力有所提升，並且經由製作饅頭的活動中促進觀察、推理、設計、溝通與合作能力的發展。

二、意涵

（一）廚房化學反應眾多，嘗試捉住幾項變因，做出深入探索

廚房是現代人不可或缺的生活場所，其中的料理活動具備許多化學現象與反應的內涵。讓學生進行實際生活經驗的探究活動，能夠讓學生更加體認學科知識與生活實踐之間的關係，而學生也才較能夠將所學知識轉化應用。因此，具體實踐上可以嘗試以不同料理變因改變的方式，讓學生摸索進行實際探究。

（二）不僅巨觀現象的探索，應該同時著重巨觀現象與微觀機制整合

學生學習化學不僅對巨觀現象進行觀察與操作，更應該理解微觀世界的運作機制。本文活動嘗試將學生7、8年級時即學過發酵反應與其反應方程式納入巨微觀表徵的整合，以提供學生動手操作與思索的框架，期望學生能夠在進行問題解決的動手操作的同時與相關思考智能整併發展。

n  參考資料

教育部（2003）。國民中小學九年一貫課程綱要自然與生活科技學習領域。臺北：教育部。

教育部（2015）。十二年國民基本教育自然領域課程綱要草案。臺北：教育部國家教育研究院。

National Research Council. （2000）. Inquiry and the National Science Education Standards: A Guide for Teaching and Learning. Washington, DC: National Academy Press.

n  附件

附件一：課前（後）問卷

原始班級： 姓名：         座號：       

1.      請問你覺得要做出一個好吃的饅頭，其影響的因素會有哪些？

2.      製作饅頭的科學原理是什麼？

3.      饅頭中會有小孔洞，請問原因是甚麼？

4.      請問如何藉由製作饅頭的科學原理幫助自己做出好吃的饅頭？

5.      請寫下這六堂課的心得想法。（此題單純屬於課後問卷）

附件二：饅頭大賽學習單

一、食材：麵粉（中筋）、砂糖1包、酵母粉

二、器材：電子秤、蒸籠、小碗、電鍋、碼表

三、原理說明

發酵過程中，酵母菌將葡萄糖代謝生成CO₂和H₂O，其反應如式[1]所示。

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂    [1]

四、製作過程

1.        各組繳交評分的饅頭。

2.        饅頭必須使用電鍋熟製。

3.        製作過程以手揉製麵糰。

五、實驗記錄

化學探究教學：淺談探究式教學在化學科展上的應用

曾鶯芳

國立高雄師範大學附屬高級中學（退休教師）
[email protected]

n  應用探究式教學在科展指導過程的緣由

探究式教學與一般我們在課堂以講述為主、教師是主角的教學完全不同，是以學生為主體的一種學習，藉由學生自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、充分的討論及發表等途徑去獨立探究，使學生體會並學習到科學知識、科學態度及科學技能。這樣的學習方式是由學生自己建構知識，自己尋找解決問題的方法，跳脫填鴨式的教學，學生不再強記及僵化，會思考、會批判、會解決問題，學生的自主能力得到了加強。然而，探究式教學的缺點是：較不適合現行的大班教學，班級人數一多自會拖長教學時間，使得教學進度落後，定期考試的進度壓力大增，師生多無法承受。另外，由於是透過學生自主學習，因此知識和能力的建構較耗時，教師若想實施探究式教學，只能選擇性應用。

由於探究式教學的精神與獨立研究的精神一致，我喜歡在科展指導的過程中充分使用，以下就是指導科展範例說明。

n  指導科展範例：「萬年垃圾」的保麗龍有另外的價值嗎？

民國87年我考入國立高雄師範大學附屬高級中學，這是一所完全中學，我的二名子女正就讀國小六年級和四年級，那時的校長正在推行「獨立研究」教學，就讀小六的女兒找了同學二人來找我指導，這些夥伴就從小六做科展直到國三因升學考量才拆夥，而小女則持續獨立研究至高二。這夥人在升國二時正好政府大力宣導推行「不用保麗龍免洗餐具」活動，他們在高師大餐廳的垃圾桶中看到許多保麗龍餐碗，就拿著保麗龍餐碗跑來問我，這種號稱「萬年垃圾」的東西，可以讓它有另外的價值嗎？由於國二生的化學知識有限，因此是由我開書單讓他們閱讀，有國中理化、高一基礎化學、聚合物化學…等書目，同時請他們挑看得懂或有人可以諮詢弄懂的內容閱讀，因為知識必須咀嚼內化後才能活用為智慧。

n  尋找保麗龍磺酸化的方法

一段時間後他們發現保麗龍的本質是「聚苯乙烯」，與高一基礎化學中提到的一種陽離子交換樹脂「磺酸化聚苯乙烯」（見圖1），差別只在多了一個「─SO₃H」；我告訴他們這叫作磺酸基，把磺酸基加到結構上的做法就叫「磺酸化」。只要找到可以將保麗龍磺酸化的方法，就可以把這個號稱「萬年垃圾」的頭痛東西，變成可以拿來吸附陽離子的離子交換樹脂了，不僅實用還極富創意呢！

圖1：聚苯乙烯（左）和磺酸化聚苯乙烯（右）的結構式

孩子們受到我的鼓舞，開始積極進入圖書館，分頭尋找聚苯乙烯磺酸化的方法。這時間歷經一個多月，終於在徐氏基金會出版的「實驗高分子有機化學」一書中找到磺酸化的方法；可是他們立刻面對第一個問題：書中用的是顆粒狀的聚苯乙烯，而聚苯乙烯顆粒外觀與保麗龍不同，如何將保麗龍打碎變成顆粒狀？直接擊碎保麗龍產生的靜電拍也拍不掉；正好國中學過丙酮可以溶解保麗龍，他們興沖沖地把一個包裝大冰箱的保麗龍溶成一個足球大小的固體，可是體積太大怎麼變成小顆粒？

首先，學生嘗試使用各種重物敲碎這固體，過程中甚至還敲斷了一隻大榔頭。幾經失敗挫折後，他們變聰明了，在丙酮揮發之前先撕成像穀片大小的片狀，等風乾後再用研磨機磨成粉末狀就可以了。

其次，磺酸化裝置設置好以後（見圖2），便開始進行保麗龍的磺酸化過程。只是黏呼呼的膠體物質（即磺酸化聚苯乙烯）與過程中溫度需維持在100℃三小時，都讓他們吃足苦頭！也因為沒有人這麼做過，所以磺酸化好了的產物（像極了平常食用的仙草（見圖3），我們姑且叫它做「保麗龍膠」），怎麼把它拿來進行離子交換呢？這是他們面對的第二個問題。

圖2：保麗龍磺酸化的裝置

圖3：保麗龍磺酸化前後樣貌：包裝用保麗龍（左），磺酸化後的保麗龍膠（中），顯微鏡下的保麗龍膠呈鏈狀結構（右）

n  如何將「保麗龍膠」拿來進行離子交換

第一年，他們採用靜置與碘滴定法（見圖4），來檢測透過保麗龍膠交換實驗室廢水中的銅離子，雖然有結果，卻十分折磨這三個小孩，每個人的手指常常呈現泡水過久後皺皺的樣子。

圖4：辛苦地重複操做碘滴定法

第二年進行進階研究時，他們已經國三了，有了生活科技課程的加入，當中一個小孩就提出將裝置自動化的構想。Great！好棒的提議！怎麼做？這是他們面對的第三個問題。為了攜帶方便，他們規畫的電化裝置朝向微型的方向，也開始再度分頭尋找資料、諮詢相關教授老師，最後在高苑學報（民86第六卷 第一期）找到「離子交換指示儀應用於銅離子廢水之測試研究」的文章，他們學習它的電路裝置以及用電位高低表示離子濃度的原理，再加入以底片外包裝的塑膠盒自行設計陽離子交換吸附槽（見圖5），組裝成自動化「相對電位檢測」裝置（見圖6，吸附槽即位於圖中C部份）。

圖5：自製保麗龍膠吸附槽（單一吸附槽與多重吸附槽）

圖6：自動化「相對電位檢測」裝置

新方法經過初步測試，他們立刻面對了第四個問題：放在吸附槽中的保麗龍膠通通從槽中上方的溢出口流失了（見圖5）；正當大家都一籌莫展之際，一位男同學囁嚅地說：用媽媽穿的絲襪當攔網試試看。結果這個問題居然就在這男孩的巧思下迎刃而解了。

這件作品所遇到的問題當然不只這四個，但我始終站在旁觀者的角度，要求他們先提出解決問題的方法，或許不成熟但絕不先否定答案，而採用引導思考的方式讓方法逐漸可行。

n  如何處理已吸附銅離子的廢膠

這個研究主題初期進行了二年，累積不少已吸附銅離子的廢棄保麗龍膠，這些孩子有了環保概念，當然不會將廢膠直接丟棄，於是再提出如何處理廢膠的構想；經過二年的訓練，這些孩子已經習慣先構思做法再來找我討論，絕不會兩手空空就過來的，他們提出的方法是仿照紙黏土的配方，其中組成的膠部份就以廢棄保麗龍膠取代，同時添加紙漿減輕重量，再在風乾的廢膠紙黏土表面漆上亮光漆以防銅離子再釋出，後方黏上磁鐵成為「造型磁鐵」或製作成巴克球（C₆₀）分子模型（見圖7）；別小看學生的能力，天馬行空的想像裡，有許多值得我們去開發的內容。我更喜歡學生自己製作與研發研究方法、研究器材和裝置，讓孩子從中了解其中細節與原理。

圖7：廢棄保麗龍膠製作的各式造型磁鐵與巴克球（C₆₀）分子模型（右上圖）

n  在做科展的過程培養學生面對挫折與解決問題的能力

這組孩子（見圖8）經過二年的訓練，默契、心智、技巧、科學素養、面對挫折與解決問題…等能力，早已優於同儕，這就是我喜歡長期指導同一件作品的原因。其實一件作品要發光發熱也常見於第二年，因為第一年常處於「嘗試錯誤」中，第二年則因為熟能生巧而常常可以將作品中值得深入之處加以靈活運用。

值得一提的是，科展團隊可以是學長學姊和學弟學妹組成，優點是：

1.      課程壓力小的學弟學妹，可以分擔課業較繁重的學長學姊在實作時的工作時間。

2.      經驗傳承；資深的學長學可以將寶貴的經驗，包括實驗技巧、科學邏輯…等，利用長時間相處的過程，一點一滴毫不遺漏的教給學弟學妹，下一屆科展不論是另起爐灶還是做相關研究，學弟學妹很快便能上手。

3.      實驗團隊人手多，較易發展龐大且深入的研究架構，可以使研究主題深入且完整。

圖8：參與團隊於參展作品前合影留念

n  班級小班化或者發展特色課程有利於推行探究式教學

礙於課程進度與升學壓力，探究式教學實在難以在一般課程中推行；近年來少子化造成超額教師的壓力漸漸浮上檯面，如果可以趁此機會將班級小班化，則大有機會推行探究式教學；或者將探究式教學融入特色課程中，在學期中長期經營，這課程無關升學，著重科學精神與科學技巧的培訓。例如：高師大附中小學部每周三下午有獨立研究課程、高中部每周四有專題研究課程；還有，所有的高一新生每人都需參與科展的製作，學期中定期或不定期安排專業教師或教授進行輔導，注重研究過程能力的培植，這樣不僅能執行探究式教學的精神，更可以激發學生的創見與潛能，這些能力將使學生在未來的人生路上受用無窮！

武陵高中跨科選修課程：科學生活家

張明娟^1,2, *、李嘉芳¹、張美慧¹

¹國立武陵高級中學
²教育部高中化學學科中心
*[email protected]

n 緣起

為因應教育部107課綱，武陵高中開設〈跨科選修的課程：科學生活家〉，此課程的開設源自104年10月1、2日的「健康與護理學科中心、家政學科中心暨化學學科中心」辦理的策略聯盟研習；在這次的研習中三個學科中心的種子教師一同激盪出開設跨領域的課程，在當時的研習中發現：家政與化學有相當多的適合協同教學之處，例如：在食品部分，家政科著重於做出美味的佳餚，但是在食品安全檢驗方面，其化學原理就可由化學科補其不足。在研習後，筆者與本校的家政種子教師李嘉芳老師便研擬開設跨科合作課程，我們將這個想法在武陵高中的五育五感教師社群分享，在這個跨科的教師社群中國文科張美慧老師也願意與我們共同開發跨科課程，於是〈科學生活家〉的跨科選修課程就誕生了！

n  合作開設跨科課程

我們以三次段考作為分界，研發出三大主題的課程：手工豆腐、手工肥皂、食用油的應用與檢驗。在這時，本校課程發展委員會早已將全年度的課程開設完畢，無法在104學年度下學期開設這門選修課程，恰好筆者擔任科學班主任，可以將這門課在科學班一年級的專題研究課程時間抽出兩次作為嘗試開設此跨科課程，而班級人數30人也剛好符合我們的需求，就這樣開始了我們的跨科課程〈科學生活家〉的合作開設。

以下介紹家政科、化學科及國文科的「手工豆腐」和「手工肥皂」課程規劃和實施情形：

一、手工豆腐

(一) 家政科方面

先由家政科李嘉芳老師直接帶學生到烹飪教室，進行手工豆腐的製作，其需要器材、製作流程及上課PPT分述如下：

A.      需要器材

以一組為單位：托盤 1個、湯鍋（3L） 1個、湯勺 1支、漏勺 1支、量杯 1個、量匙1支、料理秤 1台、木製豆腐模具 1個、豆腐紗布巾 1片、溫度計  1支，如圖一所示。

圖一：手工板豆腐所需器材

B.        製作流程

1.        2000 mL濃豆漿放入鍋中，煮至大滾。

2.        大滾後，降溫至85℃，倒入鹽鹵水（5g鹽鹵+100 mL冷水）。

3.        攪拌後，靜置10分鐘。

4.        撈起豆花到製作豆腐的模型中。

5.        加壓，完成豆腐的製作。

C.       上課PPT

家政科李嘉芳老師上課使用的PPT，如圖二所示。

圖二：家政科老師上課使用的PPT

(二) 化學科方面

A.        在豆腐的製作原理方面

膠體溶液（豆漿）加入少許電解質或插入兩電極並通電，則膠質粒子所帶的電荷，立即被電性相反的離子或電荷中和而凝聚析出，例如：加石膏（CaSO₄）於豆漿中，則其中的蛋白質即凝聚成豆腐。

B.         在豆腐的檢驗方面

在2015年10月19日的新聞事件中，位於屏東市大溪路的豆干工廠「立成商行」，涉嫌在黃豆干的製作過程中，違規添加「非食品級添加物的過氧化氫」（俗稱雙氧水），以漂白、改變豆干外觀顏色。有關食品級加物法規，低濃度的過氧化氫可用來當作食品的殺菌劑，不可用來當作漂白劑。在豆腐的非法食品添加物雙氧水的檢驗方法中，衛生福利部食品藥物管理署採用硫酸鈦溶液，作為檢驗豆腐中雙氧水含量的試劑，其原理是利用四價鈦（Ti⁴⁺）於酸性環境下與過氧化氫反應而生成黃色的次鈦酸（H₂TiO₄）化合物，且其顏色的改變會隨過氧化氫存在的濃度增加而加深，其反應如式[1]所示：

Ti⁴⁺(aq) + H₂O₂(aq) + 2H₂O(l) → H₂TiO₄(aq) + 4H⁺(aq)    [1]

用硫酸鈦溶液偵測雙氧水含量的極限為30 ppm，如圖二所示。

圖二：用硫酸鈦溶液偵測雙氧水含量

由於高中實驗室並沒有硫酸鈦溶液，因此筆者就將檢驗試劑改為碘化鉀硫酸水溶液，一樣可作為雙氧水的檢驗試劑，其反應如式[2]所示：

H₂O₂(aq) + 3I^–(aq) + 2H⁺(aq) → 2H₂O(aq) + I₃^–(aq)    [2]

用碘化鉀硫酸水溶液偵測雙氧水含量的極限為＜30ppm，如圖三所示。

圖三：碘化鉀硫酸水溶液偵測雙氧水含量

在高中實驗室容易取得的碘化鉀澱粉試紙，就可拿來當作檢驗豆類製品中是否有添加雙氧水的試紙，其檢驗的結果如圖四所示。

圖四：用碘化鉀澱粉試紙偵測雙氧水含量

二、手工肥皂

家政科李嘉芳老師利用兩節課帶領學生製作「清爽綠石泥皂」、「護膚渲染皂」；化學科張明娟老師則利用兩節課帶領學生進行油脂的簡介與乳液的製作；國文科張美慧老師利用兩節課進行「手工肥皀製作和檢驗的電子報」的教學。

下面僅簡述此電子報的課程教學和學生的電子報作品。

一、電子報的課程教學

在此課程操作前，張美慧老師利用20分鐘的時間説明電子報的涵蓋內容、排版方式、注意事項，並進行選組、安排工作。

(一)製作電子報的範例

運用Word或Pages中的文件樣板，填入文字並貼上照片即可，亦可運用PPT中的直式海報製作，圖五為電子報的製作範例。

圖五：電子報的製作範例

(二)學生分組

學生分組分五組，每組六人，分擔工作如下。

1.        主編：電子報標題統整、風格確立。

2.        美編：電子報格式安排設計。

3.        攝影記者：活動拍照紀錄。

4.        講座編輯（第一大節）。

5.        過氧化氫檢驗编輯（第二大節）。

6.        手工肥皀製作編輯（第三大節）。

(三) 學生的電子報作品

n  結語

教育部修訂107課綱高中必修課程降為118學分，選修有54到58學分，開放更多探索課程。為因應107課綱，相信每個學校都正在摩拳擦掌，預備開設各種新的選修課程。對高中教師來說，一開始就要獨力完成18週的選修課程的確壓力不小，合力協同開課分擔工作是良策，教師不該再單打獨鬥了！本文提供跨科合作的開課模式，先開設六週課程開始，開課的壓力減輕為原本的三分之一，讓教師不再害怕開設選修課程，以實現107課綱中的｢一生一課表｣目標！

n  參考資料

1.        基礎化學課程綱要，教育部高中化學學科中心，http://chem.kshs.kh.edu.tw/。

2.        食品中過氧化氫之檢驗方法，http://www.fda.gov.tw/upload/133/Content/2013091016532032261.pdf。

3.        屏東豆干工廠添加雙氧水 5年銷售近10萬公斤，http://www.storm.mg/article/69640。

4.        107課綱上路倒數計時，台灣高校準備好了嗎？天下雜誌，http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5072686。

5.        十二年國民基本教育課程綱要總綱（教育部發布版），http://www.naer.edu.tw/files/15-1000-7944,c639-1.php?Lang=zh-tw。