臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan
微型實驗簡介（下）
方金祥
創意微型科學工作室
é 承【微型實驗簡介（上）】
n 國內有關微型實驗的發展現況
國內有關微型實驗之推廣正在積極努力當中，著者曾在國立高雄師範大學化學系及研究所中擔任微型化學實驗之設計課程，教學過程中每學期皆需要不斷補充新的教學資料，因而在多次研讀國外一系列微型化學相關的論著後，引發作者在微型實驗設計上的興趣，經過多年的努力後，在微型實驗設計方面有點心得與收穫。自一九八五年起陸續將相關的成果發表在科學教育月刊計四十二篇：(1)有趣的理化實驗—奇妙的自動變色噴泉（1985），(2)有趣的理化實驗—光泉與變色噴泉（1986），(3)電解中陽極與陰極酸鹼度之速測法（1987），(4)投影機在化學示範實驗教學上之設計與運用（1987），(5)簡易電解裝置之設計與製作（1988），(6)寶特瓶在理化實驗上之利用（1990），(7)投影機在化學實驗上立體投影之設計與運用（1990），(8)有趣的化學實驗—隱形墨水（1990），(9)彩色投影透明片製作—護貝機製作法（1991），(10)有趣的化學演示實驗—汽水變可樂，可樂變汽水（1991），(11)非偏光動態投影透明片教材在化學教學上之設計與製作（1992），(12)投影機之化學演示實驗—金屬的離子化趨勢（1992），(13)氫氣的簡易製法與氫氣槍（1999），(14)微型氫氧混合爆鳴器（1999），(15)多功能二合一水槍（1999），(16)銀樹書籤（1999），(17)耗氧噴泉（1999），(18)柳橙汁變可樂，可樂變柳橙汁（1999），(19)神奇的噴泉（2000），(20)另類化學槍—新型氫氣槍和酒精槍（2000），(21)神奇的化學魔術—冷沸與冷泉（2000），(22)簡易銅蝕雕（2000），(23)乾冰噴泉（2000），(24)減壓彩色噴泉（2001），(25)化學魔術畫板（2001），(26)微型電解與顏色變換（2001），(27)化學奇觀—水中煙火（2001），(28)低值免電池化學槍（2002），(29)低值迷你水火箭（2002），(30)科玩DIY—磁浮飛碟（2004），(31)兒童創意科學實驗設計—神奇日光燈（2004），(32)兒童創意科學實驗設計—電動小馬達（2004），(33)科玩DIY—化學魔術神秘紙杯（2004），(34)科玩DIY—水的電解與合成（2004），(35)科玩DIY—在注射筒中之發光噴泉（2004），(36)科玩DIY—化學日出與日落（2004），(37)科玩DIY—水在注射筒中之沸騰（2004），(38)科玩DIY—旋轉式立體飄浮魔鏡（2004），(39)科玩DIY—有趣的喝水鳥（2003），(40)科玩DIY—大氣壓力（2003），(41)科玩DIY—發光浮沈子（2003），(42)科玩DIY—環保化學鞭炮（2003）等。
一九九三年起在中國化學會「化學」雜誌中陸續發表十九篇化學教育論文：(1)簡易安全快速之氣體製備與其性質之檢驗（1993），(2)新型電解裝置之改良設計研究(三項專利)（1995），(3)可回收低污染化學實驗器具組合之設計研究（1996）(4)減量減廢低污染化學實驗之設計研究（1997），(5)中學微型化學教學實驗之設計研究（1998），(6)微型電解裝置之設計研究（1999），(7)新型微型滴定裝置之設計研究（2001），(8)微型電解裝置與微型水火箭（2001），(9)微型掌心雷（2001），(10)中學微型木材乾餾有機化學實驗之設計研究（2002），(11)創意趣味微型化學實驗之演示及中學師生之實做研習（2002），(12)大學普通化學實驗儀器微型化之設計研究低值微型滴定裝置（2002），(13) 微型環保電解裝置之設計與在中學化學教學應用之研究（2003），(14)零污染安全微型氯氣製備裝置之設計與中學化學教學演示之研究（2003），(15)零污染安全微型木材乾餾裝置之設計與中學化學教學演示之研究（2003），(16)微型電化學實驗之設計研究—水之分解與合成（2003），(17)多功能安全氣體製備裝置之設計研究（2003），(18)氫氧燃料電池之微型化設計及在電化學教學應用之研究(方金祥 游苑平2004)，以及(19)何夫曼電解裝置微型化及教學應用研究(2004) 等。
此外，著者在美國化學教育期刊（Journal of Chemical Education）中發表一篇空氣中氧氣百分組成之簡易測定法（Fang, 1998）。
除此之外，自一九九二年起將改良創新發明之微型化學實驗裝置，逐年提出參加中華民國發明與創新展覽，八、九年來皆受到評審委員們的肯定與青睞而連續獲獎，其中亦有五項作品已獲有經濟部中央標準局及智慧財產局新型專利：(1)簡易電解裝置（1993），(2)簡易環保電解裝置（1995），(3)簡易安全水電解器（1997），(4)簡易氧氣製造供應器（1998）及(5)可回收可調式滴定裝置（2000）。也曾以減量減廢化學實驗之設計研究之作品榮獲一九九七年歐普環保獎第一名。一九九八年於上海市華東師大的「化學教學」雜誌中發表「微型實驗之設計—電解、氣體製備及滴定」，此文已被收錄於「中華優秀科學論文集—教育卷」中（1999）。
此外，著者者在累積多年的微型實驗設計經驗之後，分別在一九九八年十月由高雄復文圖書出版社出版國內第一本微型化學書籍（1998，相片一），二OO二年八月由國立編譯館主編出版的一本大學用書（2002，相片二）。為使國內化學教師、大學生及研究生對微型化學實驗能有更深入的認識，於二OO二年十二月七日至十一日特別邀請中國大陸全國微型化學實驗研究中心主任（杭州師範學院化學系教授兼高新化工研究所所長）周寧懷教授蒞臨高雄師範大學化學系專題演講，並與著者者在高雄師大化學系共同舉辦一場「微型化學工作坊（Workshop on Microscale Chemistry）」，使學生對大陸及國內推展微型化學實驗有更進一步的瞭解，也讓與會師生獲益良多，並覺得微型化學實驗在現今的環境及自然與生活科技領域之教師，在創新教學設計與學生學習興趣之提升及創造力之培養等會有相當大的助益。
相片一：微型化學實驗設計與製作
相片二：微型化學實驗教學之理論與實務
n 自製微型實驗裝置舉隅
著者曾設計完成多項微型實驗裝置，由於篇幅關係僅舉以下十三種供化學教育同好及師生參考。(1)微型氫氣製備裝置，(2)微型氯氣製備裝置，(3)微型氧氣製備裝置，(4)微型電解裝置，(5)微型滴定裝置，(6)微型乙炔照明器，(7)微型木材乾餾裝置，(8)微型掌心雷，(9)微型化學水火箭，(10)微型化學鞭炮，(11)微型水中火泉，(12)微型燃料電池，以及(13)微型氫氣槍和酒精槍等等。這些微型實驗裝置如圖1所示。
圖1：十三項微型實驗裝置
n 結語
創意微型化學實驗動手做，可以幫助學生認識化學及獲取化學識，讓學生在快樂中學習化學。以創意微型化學實驗應用在化學教與學上可說是學生們操作實驗的最愛。
創意微型化學實驗在設計上應考慮到實驗之安全性、趣味性、啟發性之外，還要兼顧到器材簡單、容易取得（可以配合廢棄物回收再利用）、操作容易及可重複使用等原則。在以創意微型化學實驗裝置此實驗時，每位學生可擁有自己一套實驗裝置且能親自動手操作，俾能激發學生們的創意、培養學生獨立思考與科學態度、訓練解決問題的能力。基於此，為了讓化學教師們的化學教學及化學實驗更為安全有趣、生動活潑，使學生在化學之學習上也變為更有趣、更為安全及更為簡易，以增加化學實驗的趣味性及學生對化學原理的好奇與吸引力，使學生不再懼怕化學，在老師教導之下每位學生皆可以安全地親自動手做實驗，由動手做中來接觸化學及認識化學，因此簡易微型化學實驗裝置對各階層的學生在化學學習上將有莫大的幫助。
創意微型實驗
—微型氫氣製備與微型氫氣槍
方金祥
創意微型科學工作室
n 氫氣的特性
氫原子是所有元素中最輕的元素，氫原子也是最簡單的化學元素。氫原子（H）是由有一個帶正電荷的質子構成的原子核和原子核外之電子軌道上之一個帶負電荷電子所組成。原子序及原子量為1，通常是以三種同位素的型態存在於自然界中，分別為氫（H），氘（D），氚（T），氫原子非常活潑，由2個氫原子（H）組成雙原子分子，也就是氫氣（H2），氫氣是一種無色、無臭、無味、無毒的可燃性氣體物質，也是所有氣體中最輕的氣體。雖然氫在地球上的含量只佔第九位，約為地球質量的0.9%。但是氫在宇宙中是最豐富的元素，約佔所有物質質量的3/4。氫可與碳及其他元素形成化合物存在於所有動植物中，石油和煤中也含有氫，氫約佔水的質量的11%。
氫氣（H2）早在十六世紀初就被科學家利用在強酸加入較活潑的金屬實驗室製氫法製造出來，氫氣化性活潑、常溫常壓下易燃，燃燒時與氧氣作用生成水（2H2 + O2 → 2H2O），氫氣之原文為Hydrogen，其中Hydro是取自於拉丁文「hydrogenium」（即生成水之意）。
n 製造氫氣之原理與傳統氫氣製備裝置
（一）原理
利用活潑金屬如鋅（Zn）或鎂（Mg）等與強酸（鹽酸，HCl(aq)）作用會釋放出氫氣來（H2）。其反應是如下：
（二）傳統氫氣製備裝置
早期的氫氣製備裝置即所謂的氣體製備裝置，如啟普式氣體製備（Gipps Gas Generator），如相片一所示。
相片一：啟普式氣體製備裝置（左），傳統排水集氣法（右）
n 微型氫氣製備裝置與微型氫氣槍
由於早期的氫氣製備裝置皆為玻璃材質，在組裝及操作不慎時容易破裂受傷，藥品用量太多，反應時間也過長，最後檢驗時不方便或易有爆炸可能。如將氫氣製備裝置改以塑膠材質來設計改良而成的「微型氫氣製備裝置」時，會更為安全有趣。茲將微型氫氣製備裝置之設計與製作說明如下：
（一）材料
鎂帶（Mg）、鹽酸（清潔用）、火柴，如相片二所示。
相片二：鎂帶（上左）、鹽酸（上右）及火柴（下）
（二）微型氫氣製備裝置之設計與組裝
1. 微型氫氣製備裝置之設備很簡單，包括塑膠罐、橡皮管、單孔塑膠塞及塑膠注射筒，如相片三所示。
相片三：塑膠罐、橡皮管、塑膠注射筒（左）及單孔塑膠塞（右）
2. 在塑膠罐之蓋子中央處鑽一個小孔，用熱熔膠將一粒單孔塑膠塞固定在孔中，如相片四所示。
相片四：蓋子中央小孔（左）及單孔塑膠塞用熱熔膠固定（右）
3. 在單孔塑膠塞下方接一條長約8 cm橡皮管，如相片五所示。
相片五：單孔塑膠塞下方接橡皮管
4. 再將一支塑膠注射筒插在塑膠蓋上之單孔塑膠塞中，即組成『微型氫氣製備裝置』，如相片六所示。
相片六：微型氫氣製備裝置
（三）動動手
1. 將微型氫氣製備裝置之塑膠罐之塑膠蓋打開。
2. 將30 mL之3 M稀鹽酸溶液（可以洗廁所用的無煙鹽酸加水稀釋一倍替代）倒入微型氫氣製備裝置之塑膠罐中，然後再將微型氫氣製備裝置之塑膠罐之塑膠蓋蓋緊，如相片七所示。
相片七：稀鹽酸溶液塑膠罐中裝入
3. 把5 cm長之鎂帶（Mg）對摺再對摺至約為1 cm長之大小，如相片八所示。
相片八：折疊的鎂帶
4. 打開塑膠注射筒之活塞，將已折疊好的鎂帶放入塑膠注射筒中，然後再將塑膠注射筒之活塞塞入塑膠注射筒中，如相片九所示。
相片九：鎂帶放入注射筒中後再將活塞塞入注射筒中
5. 將裝有鎂帶的塑膠注射筒插在塑膠罐蓋子上的單孔塑膠塞上，準備製備氫氣，如相片十所示。
相片十：塑膠罐中裝入稀鹽酸
n 做做看（「鎂」的冒泡）
1. 將微型氫氣製備裝置之塑膠罐之塑膠蓋稍微鬆開一點點。
2. 將塑膠注射筒之活塞慢慢地往上抽取，此刻在塑膠罐中之稀鹽酸即會經由接在塑膠蓋子下面的橡皮管上升至塑膠注射筒中，如相片十一所示。
相片十一：活塞往上抽取稀鹽酸
3. 被抽至塑膠注射筒中之稀鹽酸與注射筒內之鎂帶接觸之同時，會即刻發生化學反應而產生許多氣泡。
4. 此氣泡是由鎂與稀鹽酸作用所產生的，故謂之「鎂」的冒泡，此氣泡會自動上升至塑膠注射筒的上方，所上升的氣泡也會將注射筒中之稀鹽酸向下排出而進入塑膠罐中，直至注射筒中之稀鹽酸完全被排出，即表示在塑膠注射筒中已收集滿氣泡，此氣體收集法乃是一種自動排水集氣法，如相片十二所示。
相片十二：自動排水集氣
n 試試看（氣體測試）
要確定被收集在塑膠注射筒中之氣體是不是氫氣，就必須經由簡單的化學性質檢驗 — 點燃測試（利用火柴引燃與氫氣槍引爆）。
一、火柴引燃測試
1. 小心地將塑膠注射筒上方的塑膠活塞拔出。
2. 塑膠活塞被移開約2~3秒鐘之後，再將已點燃的火柴以水平方式靠近塑膠注射筒之筒口（注意：請勿將點燃的火柴丟入塑膠注射筒中），如相片十三所示。
相片十三：點燃的火柴水平靠近注射筒口
3. 火柴引燃時會產生一聲小小爆鳴聲，如果有此一現象產生時，即可證明所收集在塑膠注射筒中之氣體就是氫氣。
二、氫氣槍引爆測試
1. 實施多年的李遠哲科學實驗競賽中曾有「氫氣槍」之比賽項目：看誰射得遠？看誰射得準？看誰最有創意？
2. 本實驗所採用之「氫氣槍」有別於李遠哲科學實驗競賽中所用氫氣槍，此氫氣槍是本創意微型科學工作室所設計，由市售各種類型之電子打火機、玩具槍與底片空盒子所組成的「微型氫氣槍」，如相片十四所示。
相片十四：各種造型的微型氫氣槍
3. 利用微型氫氣槍引爆氫氣時，只需將收集再注射筒中之氫氣打入微型氫氣槍之底片空盒子內即可引爆，引爆的步驟如下：
A. 將微型氫氣製備裝置上收集滿氫氣之塑膠注射筒拔離，如相片十五所示。
相片十五：將注射筒拔離塑膠罐
B. b. 打開微型氫氣槍上的底片空盒子的蓋子，並將蓋子朝上且置於桌上，如相片十六所示。
相片十六：打開底片空盒子的蓋子
C. 將微型氫氣槍上的底片空盒子開口朝下，裝有氫氣之塑膠注射筒朝上，如相片十七所示。
相片十七：將氫氣打入底片空盒子中
D. 將塑膠注射筒中10 mL氫氣慢慢地打入微型氫氣槍上的底片空盒子（30 mL）中，底片空盒子中之氫氣與空氣體比約為1：2（10 mL氫氣：20 mL空氣），並迅速地將底片空盒子的蓋子蓋緊在微型氫氣槍上的底片空盒子，如相片十八所示。
相片十八：將底片空盒子的蓋子蓋緊
E. 手持裝有氫氣的『微型氫氣槍』朝空況且無人之處，槍頭朝上用食指扣上微型氫氣槍之扳機（原電子打火機之按扣），瞬間會發出一聲非常「ㄅ一ㄤ、」的爆鳴聲，並將底片空盒子的塑膠蓋擊出，如相片十九所示。
相片十九：微型氫氣槍之擊發
n 微型氫氣製備裝置之特點
本微型氫氣製備裝置具有如下之特點：
1. 塑膠材質組裝，塑膠注射針筒，大小皆可適用，輕便易攜帶及保管。
2. 製備氫氣操作容易且安全，實驗室、教室以及戶外等任何場所皆可進行。
3. 氫氣檢驗容易且安全，以微型氫氣槍來演示更具震撼且有趣。
4. 利用微型氫氣製備裝置配合微型氫氣槍進行實驗教學更為生動活潑有趣。
5. 鹽酸可用清洗廁所用之鹽酸替代，鎂帶可用回收乾電池鋅質外殼來替代更為方便。
n 結語
氫氣是大家耳熟能詳的一種氣體，實驗室製造氫氣，不呼用強酸如硫酸或鹽酸與活潑金屬作用來產生氫氣。而實驗裝置早期大多用相片一的啟普式製備氣體裝置或傳統的排水集氣裝置，甚至在七十年代前後國中理化課本也曾用塑膠臉盆裝稀鹽酸，將鎂帶置入膠囊中保護起來，然後再投入裝滿稀鹽酸的玻璃量筒中，以排水集氣法收集氫氣，然都由於用藥太多，反應時間過長，最後檢驗時引燃氫氣時有可能爆炸，因此在懼怕之下在還沒檢驗時常常會把玻璃量筒推倒而破損，基於上述原因，目前國中及高中都以把氫氣製備實驗刪掉，如此有趣的氫氣實驗被刪掉，學生無法親自動手操作實覺可惜。如能將氫氣製備裝置改以塑膠材質來設計改良而成的「微型氫氣製備裝置」時，在化學教學與實驗操作會更為安全有趣且生動活潑，更能提昇化學教學成效。
行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作
廖旭茂*、黃維靜
國立大甲高級中學
*[email protected]
n 影片觀賞
本實驗影片由國立大甲高中提供。
影片網址：行動電化學蝕刻──印台和金屬書籤的製作，http://youtu.be/r5Ei3VAOrnE，YouTube。
n 簡介
早期的蝕刻（Etching）是應用在版畫上，畫家可以在金屬板上先塗上一層蠟，然後以針等尖銳器具，在板上作畫，畫出的線條或輪廓，蠟隨即被刮除，最後將此金屬板製入硝酸或腐蝕液中，除去蠟的部分隨即被侵蝕凹陷；再將蠟清洗乾淨，凹陷的線條可以塗佈各種不同的顏料，完成創作。今天可以強酸腐蝕、電化學電解以及物理電漿蝕刻的方式，進行各種材質的表面加工。透過化學濕式的蝕刻，通常需要用到強酸或強鹼等高腐蝕的溶液，在美麗的背後通常都要付出不小的代價。
電化學蝕刻是利用外加電壓的方式，讓金屬（通常為活性小或不易氧化的合金）在電解質溶液中氧化，慢慢溶解，進而使金屬表面出現具有立體凹凸的圖案。本實驗之教具的開發，可免去消耗大量腐蝕液以及處理的顧慮，符合減量、減廢的綠色化學原則。
n 藥品與器材
本實驗所需相關材料，如圖1所示。
圖1：本實驗所需相關材料
1. 矽利康膠
2. 電鑽
3. 彈簧（直徑8 mm x 長10 cm）
4. 鐵鉗（90 mm，斜口）
5. AB膠
6. 中形博士端子（寬1.3cm x 長3.6 cm） 1個
7. 石墨塊（長6.2 cm x 寬2.0 cm） 1塊
8. 原子章（約與印台大小相當）
9. 橡皮筋
10. 電源導線（黑線一端為香蕉插頭，一端為鱷魚夾子；紅線兩端皆為夾子）紅黑各1條
11. 棉花棒
12. 砂紙（200#）一張
13. 磷酸鋰鐵電池（13.2V，2.3Ah） 1組
n 實驗步驟
一、蝕刻印台的製作
1. 用電鑽，在原子章把手的頂部鑽出一個洞，直接貫穿此把手。接著裝入一個博士端子當電源插座，並以AB膠黏著固定，如圖2所示。
圖2：博士端子插座接合到把手的圓洞
2. 用鐵鉗剪一小段適當長度的彈簧，插入此把手的洞內，此彈簧有一端接觸到博士端子且有一小段突出把手的外面，如圖3所示。
圖3：裁剪一段適當長度的彈簧，連接插座與印台
3. 準備一個與原子章的印台大小相當的石墨塊，經適當砂磨後，塗上矽利康膠，裝入印台內面的塑膠殼內。此時，突出的彈簧頂住石墨塊，四周以矽利康膠固定，用橡皮筋綁住，如圖4所示。
圖4：印台塗上矽利康固定並防水
4. 在連接插座與石墨印面，以膠布壓緊，暫時固定，以AB膠黏著穩固連接處。
5. 乾燥後，移去橡皮筋和膠布。
6. 製作完成的蝕刻印台，如圖5所示。
圖5：組裝完成的蝕刻印台
二、金屬書籤的製作
1. 取一片事先印製設計的卡典西德膠膜，貼在一個金屬片（鐵或銅合金）的表面，行動電源電源的負極（黑線導線）與蝕刻印台的插座連接，電源的正極（紅線）以鱷魚夾夾住金屬片。本次實驗使用的電源為磷酸鋰鐵電池，圖6為電解時電源兩極與插座和金屬片連接的方式。
圖6：電池的負極連接蝕刻印台（黑線），正極連接金屬片（紅線）
2. 於金屬片上放置一塊化妝棉，並以裝有硫酸鈉溶液的點滴瓶沾濕棉布，隨即以印台輕壓棉布，電解時間約2分鐘，仔細觀察電解過程。圖7為電化學蝕刻的過程。
圖7：在電化學蝕刻中，棉布上出現泡泡，應為氫氣。
3. 移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留藍色及棕色的字跡。以乾棉布輕拭金屬片表面，接著撕去卡典西德膠膜。以乾棉布沾少許粗臘，沿同一方向推拭至金屬表面光亮即可。圖8為蝕刻完成時，掀起棉布時的，棉布表面的外觀。
圖8：銅合金的蝕刻正極反應殘留的藍色與棕色的字跡外觀
n 實驗結果
圖9和10為不同材質的書籤作品。
圖9：不鏽鋼材質的書籤
圖10：黃銅材質的書籤
n 原理與概念
本實驗係利用電化學電解原理，使用一個自製的蝕刻印台，在一塊事先貼好膠膜的金屬表面上，隔著以鹽水沾濕的棉布，數分鐘內隨即完成電化學蝕刻實驗。若蝕刻的金屬為銅片，則其兩極的反應，如式[1]和[2]所示：
在電化學蝕刻後移去電源，以鑷子夾起棉布，上殘留藍色及棕色的字跡，研判應為陰極（負極）生成的氫氧根離子與銅等金屬離子生成氫氧化物的沉澱，其反應如式[4]所示。
n 安全注意及廢棄物處理
l 本實驗使用完畢的化妝棉，因沾有少許重金屬，請依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。
n 參考資料
1. Ectching, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Etching.
2. 柯賢文。民國84年。腐蝕及其防制。初版，193-208。全華科技圖書。
3. 廖旭茂，家庭化學實驗：行動電化學蝕刻。科學研習月刊，2013，卷52，期11，頁16~19。
在網路，遇見教材
謝祿適
高雄市立瑞祥高級中學
高雄市政府教育局資訊教育中心
[email protected]
n 前言
近來「翻轉教室」的概念甚為風行，這一概念的源頭可溯自2007年美國科羅拉多州洛山磯山林地公園高中（Woodland Park High School）的化學老師John Bergmann與Anaron Sams [1]，這二位老師利用數位工具記錄上課的簡報與旁白做成簡短的影片並上傳至YouTube網站，供學生自行利用時間觀看並自主學習。
在臺灣此一新的教育理念廣為社會大眾注目，各種不同屬性的報章雜誌也多有報導，例如：國內著名的科普雜誌「科學人」在2013年11月專文介紹[2]，老牌的財經月刊「天下雜誌」在2014年2~3月的刊物中多次介紹相關教育理念[3]；甚至教育部也在不同的教育階段大力引進相關的計畫，如在高等教育領域的「磨課師」計畫[4]；但考量中、小學教育現場的實況，鼓勵教師們引用網路上的各式影音教材、自由軟體，編輯成一系列的授課教材、教案似乎更可能落實到教學場。本文嘗試性的對現行高中一年級化學科課程內容，提出一些網路上風行多時的e化素材及模擬實驗，與所有教學現場的教師同仁分享。
n 可汗學院
可汗學院（Khan Academy）創辦人薩爾曼‧可汗（Salman Khan）一開始為了幫助在遠方的親人學習數學，把自己製作的教學影片上傳至網路（大部分是放在YouTube）[5]，供親人學習，意外地這些影片在網路受到非常多人的喜愛，於是他在2006年正成立了一所非營利教育機構[6]也就是可汗學院，該機構在網際網路上提供眾多的免費教材，到現今這些教材的內容含蓋數學、歷史、醫療衛生及醫學、金融、物理、化學、生物、天文學、經濟學、宇宙學、有機化學、美國公民教育、美術史、總體經濟學、個體經濟學及電腦科學等，到目前為止己經提供300,000,000個以上的課程影片。
這些影片中有二大項目與化學教學相關，分別是化學及有機化學，而與台灣高中一年級化學課程內容較為相近的部份，為可汗學院網站內Chemistry的選項。使用登入可汗學院網站後（見插圖1），在頁面下方可以找到Science項目下的Chemistry選項的圖示，點選該選項後即可進入化學課程。
插圖1：Khan Academy進入後畫面
進入化學課程後，可以見到化學課程提供了Introduction to the atom、Orbitals and Electrons、Periodic table, trends, and bonding、Chemical reactions (stoichiometry)、Ideal gas laws、States of matter、Reaction rates 、Acid and bases、Oxidation reduction、Radioative decay等不同課程。筆者把與高中一年級化學課程相關的部份整理如表格1。
表格1：現行高中一年級課程對照Khan Academy課程
|
高中一年級課程 |
Khan Academy課程 |
|
物質的組成與性質 |
Introduction to the atom |
|
元素構造與元素週期表 |
Introduction to the atom; Orbitals and electrons; Periodic tables, trends, and bonding |
|
化學反應 |
Chemical reactions (stochiometry) |
|
常見的化學反應 |
Acids and bases, Oxidation reduction |
在Chemistry內選擇任一課程進入後，可以見到該課程的學習地圖，學習地圖清楚的標示學習該課程的進度安排，通常每一個進度就會有一段長度15分鐘以內的影片供學習者觀看。舉Acids and bases課程為例，進入課程後可以見到如插圖2所示。筆者認為這裡的學習地圖，可以當成教師備課時安排教學進度的重要參考，適當地加入教師的自我教學經驗後，必定可以為自己的學生編排出合宜的學習路徑。
插圖2：Khan Academy學習地圖
若選擇其中的任一子項目進入，則可見到課程影片（如插圖3），而在影片的下方則可以見到眾多的讀者（含老師及學生）提問及討論的小短文。筆者覺得這裡可以找到眾多學生們常見的迷思概念，教師們備課時這些內容會是很好的參考資料；但這些是用英文寫成的內容，假若讓高中學生自行閱讀這些內容或許有困難，反之學生們若能克服閱讀障礙，了解這些短文對學習化學應很有幫助，且同時兼收學習化學及英文的效果。
值得一提的是影片大部份有中文字幕，可以讓閱聽者在播放時自行選擇，相信有中文字幕的影片更適合引介給國內的高中學生閱灠。
插圖3：Khan Academy課程影片
n YouTube
YouTube [7]是目前網際網路上最大的線上影片網站，可汗學院的影片大多都上傳至YouTube，如果想把可汗學院的影片引用到日常的教室教學中，其實直接引用YouTube的超連接網址（URL）會相對的快速方便。YouTube有提供使用者訂閱頻道的功能，請讀者參閱參考資料[8]中的短片學習如何在YouTube訂閱頻道；只要在YouTube中訂閱Khan Academy（可汗學院）頻道後，每次使用者登入後，就會在畫面的左邊見到「訂閱項目」裡有Khan Academy選項，選點此項目就會見到Khan Academy頻道首頁，但可惜的是在「khan Academy首頁」裡Chemistry項目並沒有直接顯現出來，這時可以在畫面（如插圖4）的中間可以找到一個灰色的「放大鏡」圖示，點按該圖示後會顯示出一個灰色的方框。
此時就可以在這個方框中，打入課程內容關鍵字（請使用英文）搜尋課程影片，按了鍵盤的Enter鍵後，就可找到許多相關的影片（如插圖5）。搜尋結果出現後只要直接點選各個圖示，就可以直接觀看該課程影片或記下該URL供日後課堂上教學活動引用。
插圖4：在YouTube中Khan Academy頻道
插圖5：搜尋Khan Academy頻道的結果
n PhET互動式教學
PhET是2002年起美國科羅拉多大學（Colorado University，Boulder）物理系所發展的互動式教學主題[9]。本項計畫的主持人Carl Wieman為1995年諾貝爾物理獎得主，網站中的各項教學主題是使用Java或Flash等技術開發，近來為了迎向行動學習的熱潮，也逐漸改採HTML5的技術，互動式教學主題程式的原始碼用GPL授權，而教學主題採創用CC（姓名標示）授權，所以教師同仁們在課堂上可以放心使用。這些教學主題包括數學、物理、化學及生物等領域，其中所有的教學主題都有中文翻譯，內容適合台灣的國、高中課程，而中文化的使用界面更方便學生們自行動手操作。
以現行的高中一年級化學課程為例，筆者整理出合用的教學主題，如表格2所示。
表格2：PhET教學主題對照表
|
高中一年級課程 |
PhET 教學主題 |
|
物質的組成與性質 |
Atomic Inteactions, Concentration, Gas Properties, Isotopes and Atomic Mass, Molarity |
|
元素構造與元素週期表 |
Build a Molecular, Atomic Inteactions, Models of the Hydrogen Atom |
|
化學反應 |
Balance Chemical Equations |
|
常見的化學反應 |
PH Scale, Salts & Solubility, Sugar and Salt Solutions |
假若使用MS Windows的電腦，來檢視PhET所提供的教學主題，必需在電腦中安裝有Java和Flash環境才能正常使用。在電腦中安裝Java請詳閱參考資料[10]，而安裝Flash請參閱參考資料[11]。安裝上述軟體後，使用瀏覽器（IE、Firefox或Chrome）進入PhET的官方網站（英文版[9]或中文版[12]），即可順利使用這些教學主題，本文使用英文版網頁為例，進入後可以看見如插圖6的頁面。
插圖6：PhET首頁
進入首頁後，請選擇畫面中紅色Play with sims的圖示，畫面會轉進入各式教學主題的主畫面，再選按Chemistry則會見到所有化學相關的教學主題插圖7。這時候只要選按任一教學主題圖示，就會轉進入該主題頁面。
插圖7：PhET教學主題頁面
在這裡選Acid-Base Solutions為例，進入教學主題後的頁面會如插圖8所示，這時候就可以選按畫面中，Run Now! 的圖示來執行互動式教學主題，若選擇Download圖示則可以下載該教學主題，老師們可以利用這個功能把特定的主題下載到自己的電腦中，然後帶到教室裡演示給學生們觀看，相信會增強學生們的學習印象，如果想要在行動載具（如iPad、iPhone或Android）中使用該則教學主題，則可以選按Run in HTML5的選項使用，不過目前為止，整個PhET網站中只有16個教學主題有HTML5選項可以選用。
插圖8：Acid-Base Solutions教學主題
現今，PhET中所有的互動式教學主題，在國內各級學教師及大學院校熱心同學努力下，完成了全部中文的翻譯工作，唯採用HTML5技術製作互動式教學主題還未正式開放供各界進行翻譯，這樣的中文翻譯進度，一直排在世界上各種語言翻譯工作中的第一位，若有老師願意在未來加入新的翻譯工作，或修定目前的譯作，請跟筆者聯絡。
n 均一教學平台
均一教學平台是由財團法人誠致教育基金會創辦[13]。可以想成是台灣版的Khan Academy，這個網站的教學內容及早期網站程式均取至可汗學院，並進行中文化的翻譯工作而成，不過近年來誠致基金會大力號召國內各界有心人士加入後，內容及網站的程式大部份是由均一教學平台的團隊自行原創開發，而不僅只是中文化的可汗學院。
均一教學平台可以由參考資料[14]中的網址進入，該網站提供的課程包含了數學、科學、英文及一些教師教學資源，目前提供超過5,000段以上的影片，進入該網站首頁可選擇「課程主題」下「科學」選項中「化學」的選項，進入如插圖9的畫面。目前化學課程有超過150部影片，包含物質的組成、化學反應、原子結構與元素週期表的單元，幾乎完全符合高中一年級化學課程的內容。有很多習題及例題說明的影片為均一教學平台化學內容的特色，整體而言，非常適合提供高中學生們自學使用，也非常適合教師們選為補救教學之用。
插圖9：均一教育平台
均一教學平台如同可汗學院般把大多數的影片放在YouTube上，所以可以使用如本文YouTube一節所提的方法來訂閱這些教學影片。
有心分享自行製作教學影片的教師同仁們，可由Facebook上的均一教學平台網頁聯絡誠致教育基金會[13]。
n 小結
本文介紹的教學資源，如可汗學院、YouTube、PhET、均一教學平台等，只是整個網路教學資源中的滄海一粟，網路上還有數量眾多的教材和自由軟體等非常實用的e化資源可以供大家取用。希望本文介紹的這些網路資源可以減輕教育同仁們日常的備課壓力；實務上應用這些資源於教學現場，可望加強學生們的自學能力及提高其學習與趣。期待本文介紹的這些優質教材，可以引起國內化學教育同仁們對網路資源的注目，共同在網路上尋找更多好用的教學資源，甚或公開自製的教材於網路上，分享給全世界工作於教學現場的教師們，一起讓優質的網路教材資源發揮最大效用。
n 參考資料
[1] “翻轉教室（flipped classroom）– 教育Wiki” [Online]. Available: http://content.edu.tw/wiki/index.php/翻轉教室（flipped_classroom）. [Accessed: 10-Jun-2014].
[2] “科學人雜誌–翻滾吧！教室” [Online]. Available: http://sa.ylib.com/MagCont.aspx?Unit=featurearticles&id=2270. [Accessed: 10-Jun-2014].
[3] “老師上線 十年教出十億學生–天下雜誌542期” [Online]. Available: http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5056396. [Accessed: 10-Jun-2014].
[4] “磨課師分項計畫辦公室” [Online]. Available: http://taiwanmooc.org/. [Accessed: 10-Jun-2014].
[5] “可汗學院–維基百科，自由的百科全書” [Online]. Available: http://zh.wikipedia.org/wiki/可汗學院. [Accessed: 10-Jun-2014].
[6] “Khan Academy” [Online]. Available: https://www.khanacademy.org/library. [Accessed: 10-Jun-2014].
[7] “YouTube” [Online]. Available: https://www.youtube.com/. [Accessed: 10-Jun-2014].
[8] “如何訂閱YouTube頻道 – YouTube” [Online]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=7OEkF_BoBkY. [Accessed: 10-Jun-2014].
[9] “PhET: Free online physics, chemistry, biology, earth science and math simulations” [Online]. Available: https://phet.colorado.edu/. [Accessed: 10-Jun-2014].
[10] “如何安裝Java？” [Online]. Available: https://www.java.com/zh_TW/download/help/download_options.xml. [Accessed: 10-Jun-2014].
[11] “Adobe – 安裝不同版本的 Adobe Flash Player” [Online]. Available: http://get.adobe.com/tw/flashplayer/otherversions/. [Accessed: 10-Jun-2014].
[12] “PhET：自由的線上物理、化學、生物、地球科學及數學模擬教學” [Online]. Available: https://phet.colorado.edu/zh_TW/. [Accessed: 10-Jun-2014].
[13] “均一教育平台|Facebook” [Online]. Available: https://zh-tw.facebook.com/JunyiAcademy. [Accessed: 10-Jun-2014].
[14] “均一教育平台” [Online]. Available: http://www.junyiacademy.org/. [Accessed: 10-Jun-2014]
設計國中教材—細數原子與分子
李志鴻
新北市立錦和高級中學
n 前言
目前國中教材有關物質組成的部分，從原子結構單元開始進入微觀粒子的介紹，而之後銜接的教材即為細數原子與分子單元，內容嘗試說明原子量、分子量與莫耳數的關係。本文作者的經驗顯示有相當大比例的學生是未學先「懼」，甚至學過放棄。因此如何讓國中學生在學習這個單元時不會感覺抽象，容易接受與學習是一項困難的挑戰。有鑒於此，本文作者針對現行審定的教材進行探討，進而設計輔助說明的學習單以幫助學生學習原子量、分子量與莫耳數的關係。
n 目前教科書的內容安排
在學習「細數原子與分子」單元，一般教科書大致上是以下述的方式來說明原子量、分子量與莫耳數的關係：
1. 先告訴某一純物質物體質量與此物體中有多少個原子，讓學生計算一個原子質量大約是多少。如康軒版以「壹元硬幣的質量約為3.7公克，若是純銅所製，應含有約3.5 × 
個原子」的例子帶入1個銅原子質量很小。
2. 再說明為了比較各種不同元素的原子質量是不同的，訂定原子量作為比較各種原子質量的依據，並以質量數為12的
原子之原子量為12。
3. 接下來定義亞佛加厥數：「1個原子是如此的小如此的輕，為方便計量，科學家制訂一個龐大粒子數的單位—莫耳。經過科學家實驗測得1莫耳 ＝ 6 × 
個。」
n 學生可能產生的學習困難
雖然教科書簡略陳述原子量、分子量與莫耳的意義，但是從教科書內容邏輯脈絡的陳述而言，原子量與原子真正質量之比較卻無法從中簡單看出，以至於學生仍無法了解原子量與真正質量的關係。同時，科學家為何選定6 × 
個，而非其他數值作為1莫耳，再加上學生對於「莫耳」一詞的陌生，並無法從莫耳兩字看出其含意。因此學生在此單元面對眾多的名詞勢必充滿疑惑，加上需要計算質量極小、數量極大的原子與分子，對數學理解能力稍差的學生，在學習上出現問題的機會即會大增。
n 教材設計分享
本文作者在此提供已經實際運用在教學上並獲得不錯的學習成效的6個學習單作為教師教學時的輔材內容，提供教育現場教師參考。
一、 轉換基本粒子質量的表示法
如表1所示，將質子、中子與電子的質量透過數學運算轉換（註1），得到表中三種基本粒子的質量，其中質子質量約與中子相等為電子1840倍，而1個質子的質量為1.67× 
g。
表1：三種基本粒子的質量
二、 複習原子的質量等於質子、中子與電子質量和的概念
接著從第三冊學過的原子結構帶入，原子的質量即為質子、中子及電子質量的總和。如表2所示，透過讓學生寫出三種基本粒子的數量，進而導引出不同原子的質量即為三種粒子質量的總和。最後將實際質量的數值帶入，以數學式子計算並得到一個原子的質量與不同原子之間的質量比。
表2：原子質量與其數值的關係
三、 由學生自己計算出的原子質量，看出每種原子的質量比、並從中了解原子量及亞佛加厥數
由表2的計算結果得到一個
，一個
原子質量 =
原子質量 =
。如表3所示，可知實際上原子的質量是非常小的，而為了可以簡單地比較不同種類原子的質量比例，取其計算式中的分子訂為所謂的原子量。原子量的訂定是先以某一原子當基準，訂出量值之後，再以相同數目的其他原子做出質量的比較而求得。目前定與原子相比，得到其對應的原子量，又稱相對原子質量。
舉個例子來說明不同人體重之間的比例關係：胖虎重量有100公斤重，小夫有50公斤重，兩人均知彼此體重，一天大雄問胖虎和小夫體重，胖虎不想告知真實體重，告知「我體重60」，在旁的小夫則立刻算出和胖虎體重的比例關係，回答「我體重30」。體重60與體重30，相當於原子量的描述，只能顯示兩人體重的比例，當我們確認其中一人的體重之後，即可按照比例獲得另一人的體重，而100公斤重、50公斤重才是兩人的真實體重，因此不管胖虎所報的數值是否為60，都不能改變真實體重為100公斤重的事實。
表3：原子量的定義與概念
四、 介紹亞佛加厥數
從表1至表3觀察所計算出來的原子質量，學生不難看到分母都有一個共同的數值，即為6 × 。從表3得知每個原子質量都如此的小，需堆積多少個，質量才能有整數的數值呢？如表4所示，讓學生思考如何消除每種原子質量中共同的分母數值，意即將每種原子質量同乘6 × 可將每種原子皆獲得整數的克數，因此6 ×即為亞佛加厥數，而具有此數量的物質即為1莫耳。
表4：亞佛加厥數與物質質量的關係
至此學生較容易了解，不管哪一種原子，都可以用數量6 ×個為基本單位，堆放成一堆，此堆的名稱在科學上即稱為莫耳。由這樣的教材設計帶入1莫耳 ＝ 6 × 個的概念，學生印象更加深刻，而且6 × 個是學生自己思考建構的數值，可以具體而不抽象、不疑惑且不陌生。接著再利用表5所示的練習，亦能讓學生思考後算出答案而不需死記公式。
表5：物質質量、原子數量與莫耳數的關係
五、 分子量與原子量的關係
如表6所示，分子由原子所組成，故分子質量即為原子質量的總和，由前面所得原子質量，計算出下列分子質量，將所得分子質量數值的分子訂為分子量，而同樣可以用6 × 個 ＝ 1莫耳，這個數值關係，來計數分子的個數與其對應的質量。
表6：分子質量大小的比較
n 結語
「細數原子與分子」單元向上承接原子結構概念並作為化學反應單元的知識基礎。目前國中教科書的內容只簡單描述原子量、分子量、亞佛加厥數、質量與莫耳之間的關聯，因此若能透過學習單的輔助說明與練習，可以提供機會讓學生更加理解名詞意義與單元之間的關聯性，而非只是單純記憶片段的名詞與公式。因此，本文作者野人獻曝提供自行設計的學習單作為教育夥伴相關教學之參考資料，若有相關建議歡迎共同討論指教。
n 附註
1. 
模型本位之合作學習教學模式
鐘建坪
新北市立錦和高級中學
n 前言
民主的真諦在於社群中的每個人都能體會組織成員具有不同長處與能力，並且能夠為社群的表現與發展提供具體貢獻。合作學習即為不同特質的學生藉由課室的學習活動，強化概念進而發展溝通與論證能力，讓學生從中體驗不同學習風格與能力的成員皆能為小組提供貢獻，以體現民主社會真諦的教學模式。雖然熟悉合作學習教學序列能夠讓老師體會合作學習的具體成效，然而可惜的是過度強調特定步驟的順序易讓教師流於完成特定流程而忽略學習活動真正需要學習的概念與期望發展的能力。因此，有必要找出合作學習的精髓以利課室的教學活動。有鑒於此，本文期望以模型與建模學習觀點提出模型本位之合作學習教學模式（model-based collaborative teaching strategy），提供教育現場教師參考。
n 模型與建模學習觀點
人類對於自然知識的探索往往透過對自然世界的觀察而得，而為了將相似的現象做出整體說明，科學家會使用文字與符號描述想法，透過此想法模擬自然世界的各種現象。因此模型不單單單指稱玩具或是課堂呈現的具體模型，尚包括描述抽象想法的概念內容。簡單地說，模型指稱欲呈現的事物或現象，並描述內部物件與物件之間的關聯性，而此事物與想法可以是具體的物體亦可以是內心的想法。例如：心臟模型即說明心室、心房與血管之間的關係，它可以是眼睛看見的模擬心臟、模子刻出的塑膠樣品亦可以是教師與學生腦中對應的心臟想法。教學過程中即為透過具體或是模擬動畫的模型增加或是修正學生對於心臟概念的理解，透過練習或是學習遷移讓學生對於解剖豬隻心臟有深層的理解。因此，每個人都會藉由內在想法（即心智模型）與其對應的外在事物（即外顯模型）對於觀察或說明的現象進行交互作用（Buckley & Boulter, 2000），得以進一步進行修正與重建的行為，心智模型、外顯模型與現象關係如圖1所示。
圖1：心智模型、外顯模型與現象關係圖（Buckley & Boulter, 2000；引自鐘建坪，2013）
n 合作學習的意涵
一、合作學習的學理依據
合作學習（Cooperative learning或collaborative learning）除了強調學生個人認知領域的主動建構之外，尚且包含社會建構的意涵，即透過相同組別或不同組別的成員之間會進行不同程度的社會互動，小組成員之間分享已經建構的暫時性模型，當成員之間具有不同想法時會進行協商，以至於進行原先錯誤模型的修正，甚至重新建構新的完整地心智模型。因此合作學習不單只強調個別學生的學習，而是強化如何透過社會性互動的過程協助學生產生、建立、修正與重建新的心智模型。
二、合作學習與個別學習的差異
合作學習意旨透過小組間或小組成員間相互模仿、討論、辯駁與激盪進而產生學習的一種學習模式（Hsu, 2004; Topping & Ehly, 1998），強調學生之間彼此共同互助合作完成學習任務，而個別學習指學生個人自行而非與同儕互動進行學習，強調個人獨立自主完成。傳統演講式的教學模式通常由教師一個人主導教學活動的進行，而學生只是被動學習的角色，而在合作學習教學模式中，雖然可能會有部分時段進行統整說明，但是教師的角色與演講式的傳統教學不同，教師須從主動灌輸學生科學知識的角色改變為促進學生主動建構科學概念模型的輔助者。
n 合作學習的效益
截至目前為止，以合作學習為主題的研究論文已具上萬篇（註1），本文在此並非提供完整的文獻回顧，而是將文獻中合作學習強調的學習與教學效益做出整理，而唯有透過文獻的整理才能細數合作學習的優點，也才能從中學習精隨作為教學的參考依據。
一、強化不同概念的學習
合作學習不同於以往單純由老師講解再讓學生進行練習的講述教學模式，而是讓學生主動進行學習，再經由社會互動歷程，由能力高者輔助能力低者進行學習或是由能力低者向能力高者請益，過程中不僅小組成員間可以進行協商整合概念意義，而不同小組間的學生亦可相互挑戰與捍衛自身的想法，最後根據概念遷移的合理性進行強化或是修正（Lonning, 1993; Lumpe & Staver, 1995; Topping, Thurston, Tolmie, Christie, Murray & Karagiannidou, 2011）。
二、促進各種能力的提升
在合作學習過程中，學生並非是透過講述教學型態地被動接收訊息，而是不同學生彼此之間針對特定概念進行想法的交流互動，在社會互動過程中直接或間接促使學生思考特定想法的合理性並且為自己的想法進行辯駁。研究顯示社會互動的歷程可以增加學生溝通、論證以及付諸實際行動的能力（Evagorou & Osborne, 2013; Hsu, 2004; Lemke, 2001）。
三、提升學生情意與態度
不同於個別學習單獨強調個人對於學習的態度與情意面向的提升，合作學習過程中，學生之間進行良性的社會性互動，建構出特定的話語內容，使得彼此間能夠體認或尊重不同見解與立場的言論。也就是說合作學習不僅可以提升個人亦促進同儕間良性互動產生情意的正向連結（Hsu, 2004; Järvelä, Volet & Järvenoja, 2010; Johnson, Johnson & Anderson, 1976; Topping et al., 2011）。
n 合作學習歷程
合作學習教學模式具備多種形態，本文介紹最普遍且較簡易的施行方式—小組成就區分法。小組成就區分法是合作學習教學模式中最普遍施行的方法，主要是將學生依照不同能力進行異質性分組，每組人數約3至5人。雖然小組成員具有各自的工作任務，但是研究顯示同組人數多時，組員間依賴的程度相對提高（佐藤學，2012）。小組成就區分法主要區分為5個要素，分別是(1)全班授課；(2)分組學習；(3)實施測驗；(4)計算進步分數；(5)進行表揚（黃政傑和吳俊憲，1996）。而這些要素即為提供合作學習教學步驟的實施流程，包括進行班級授課說明該節課主要內容，接著分配任務進行分組學習，接著進行評量測驗，透過學生進步分數而非原始分數進行個人與小組比較並表揚進步分數顯著者。然而教學現場實施時，並非每個單元或是整節課的時間都適合使用小組合作學習，即使實施合作學習，整節課真正讓小組成員之間互動的時間也有限，因此為了避免教師與小組間場域的轉化困難，有必要萃取小組合作學習的精神從而建立出強調模型本位合作學習教學模式，讓教師可以在整節課的時間內，可以隨著課程內容進度轉化教師授課或是小組學習，而避免學生長時間分組卻只有少數時間真正進行合作學習的窘境。
n 模型本位之合作學習教學模式
一、 將產生、修正與重建心智模型的歷程納入學生的合作學習
(一)施行理念
為了讓教師依照實際授課進度與內容作出適切的決定，本文作者認為施行合作學習除了特定步驟之外，應該也需要考量教學活動歷程中學生對於工作（task）所需涵蓋的知識、技能與態度的認知。施行步驟以學生認知為中心，強調如何透過教學步驟的施行，讓學生能夠獲得知識、技能以及態度的提升，如圖2所示。而此法含攝模型與建模觀點，教師透過學生暫時性模型的掌握，隨時可以進行小組討論與全班教學的轉換。
![clip_image002[6]](https://5319e9.p3cdn1.secureserver.net/wordpress2/wp-content/uploads/2014/06/clip_image0026.png "clip_image002[6]")
圖2：模型本位之合作學習架構
(二)實施步驟
因合作學習教學模式具備多種形態，本部分仍以小組成就區分法作出說明。強調模型本位之合作學習教學的準備工作與原始小組成就區分法相同，教師首先根據學生能力進行異質性分組，將學生區分成每組3人左右。然而與一般合作學習施行方式不同的是此版本可以不需要進行班級課桌椅調整，學生可以組長為中心圍成小組進行討論工作任務，並可與他人分享想法內容。實施步驟雖然以順序形式呈現，然而事實上教師可以依照單元內容與進度來回往復進行，幫助學生建構出特定的概念知識、能力以及情意面向獲得提升。說明如下：
1. 授課（協助學生產生模型）—教師進行班級課程引導，不僅在初期提供學生將欲學概念與能力與其舊有經驗作連結，在學生討論過程監控學生工作任務的進行，以及討論結束評析與整合學生想法以進行想法的精煉。
2. 討論（協助學生修正與重建模型）—教師設計相關問題作為小組討論的依據，而小組討論可以是封閉性與開放式問題。開放性問題可以激發組內與不同組間成員進行想法交流，而封閉性問題可以提供學生將既有的想法進行遷移。在師生共同討論進行建構的歷程中可以協助學生修正與精煉學生舊有想法。
3. 表揚（協助學生反思建構模型的歷程以強化內在學習動機）—教師提供機會鼓勵學生進行建構歷程的反思，讓學生藉由反思的歷程掌握先前的建構過程的優缺點並思考如何精進，同時教師對於在課程中勇於表達想法與努力完成學習任務的學生，都應該給予學生適度的讚美與鼓勵，不僅提供學生外在動機，亦藉由不同階段的形成性多元評分給予學生學習的回饋機制，誘導內在動機的強化。
n 參考教學案例
本文提供自然領域的溫度與溫度計單元參考。教學元素、對應的策略與學生建模的內容如表1所示。首先授課部分強調協助學生產生模型，透過提問學生冷熱需要如何度量？讓學生左右手分別放置在不同溫度的冷熱水中一段時間再同時將左右手放置在溫水中，此時左右手對於相同的水卻有不同的感覺，因此有需要建構量測溫度的標準。目前台灣生活中使用的溫標為攝氏溫標，但是英、美等國家卻常使用華氏溫標。教師提問觀看王建民在美國職業棒球比賽時該如何轉換華氏溫標成為熟悉的攝氏溫度？接著教師說明溫度計設計原理與不同溫標之間如何轉換。
表1：模型本位合作學習之教學元素、相關策略與學生概念建模說明
接著讓學生自行練習基本溫標的轉換，若是不懂之處可以離開座位請教小組長。此時教師在教室內走動觀察每個小組長是否已經學會攝氏與華氏溫標轉換。接著教師要求學生進行討論「如何透過華氏或攝氏溫標自行設計溫度計」，並讓學生上台發表想法。教師逐一提供建議並統合說明如何自行設計溫度計，接著提供液體溫度計的轉換試題讓學生練習以修正學生錯誤的溫度計原理模型。
最後教師針對不同組別學生之小組合作與討論學習情形進行檢討讓學生能夠從中反思個人與小組成員間如何建構正確的科學概念模型，緊接著教師表揚表現優良之合作學習小組，讓其他組別成員能夠模仿學習。藉由反思學生的歷程強化學生對於溫標模型建構歷程的轉變，並藉由表揚的方式增強正向的學習以提升內在的學習動機。
n 結語與建議
合作學習不僅可以提供個別學生學習甚至可以促進小組或是全班學習共同體的提升，然而如果只有強調教學步驟而忽略小組成員認知的建構歷程，教學通常只會流於形式而忽略學生如何實際進行認知、能力與情意的提升。本文將模型與建模觀點納入小組成就區分法中，將施行步驟整合至授課、討論以及表揚的歷程，並且透過模型與建模的思考架構監控學生在歷程中的學習成果。最後，基於本研究架構與施行策略建議如下：
一、掌握學生學習的關鍵因素而非只著重特定步驟
教師進行課室教學時應該掌握學生學習的關鍵因素，而非只是沉浸在特定步驟中，深知需要往復來回地監控學生模型想法以及施行策略間的關聯性，如此才能夠隨時掌控學生的學習表現，並且依據學生表現進行教學內容的轉換。
二、透過多種型態的方式提供學生合作學習的機會
合作學習能夠與其他教學策略相互融合，在課程中皆須強調學生心智模型的產生、建立、修正與重建的歷程，因此在授課與討論過程中建議教師可以透過多種型態的視覺工具並且以多元方式提供學生合作學習的機會。
n 附註
1. 本文作者在民國102年11月12日以cooperative learning以及collaborative learning以聯集方式在Web of Science查詢，獲得近12000篇。
n 參考文獻
黃政傑、吳俊憲（2006）。合作學習發展與實踐。台北：五南。
黃郁倫、鐘啟泉（譯）（2012）。學習的革命—從教室出發的改革。（原著：佐藤學）。台北：天下。
鐘建坪（2013）。模型本位探究策略在不同場域學習成效之研究(未出版之博士論文）。國立臺灣師範大學科學教育研究所，台北市。
Buckley, B. C. & Boulter, C. J. (2000). Investigating the role of representations and expressed models in building mental models, In J. K. Gilbert & C.J. Boulter (Eds.), Developing models in science education (pp.119-135). Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
Evagorou, M., & Osborne, J. (2013). Exploring young students’ collaborative argumentation within a socioscientific issue. Journal of Research in Science Teaching, 50(2), 209–237.
Hsu, Y. S. (2004). Using the internet to develop students’ capacity for scientific inquiry. Journal of Educational Computing Research, 31(2), 137–161.
Järvelä, S, Volet, S, & Järvenoja, H. (2010). Research on motivation in collaborative learning: moving beyond the cognitive–situative divide and combining individual and social processes. Educational Psychologist, 45(1), 15–27.
Johnson, D. W., Johnson, R. T., & Anderson, D. (1976). The effects of cooperative learning vs individualized instruction on student prosocial behavior, attitude toward learning and achievement. Journal of Educational Psychology, 68(4), 446–452.
Lemke, J. L. (2001). Articulating Communities: Sociocultural Perspectives on Science Education. Journal of Research in Science Teaching, 38(3), 296–316.
Lonning, R. A. (1993). Effect of cooperative learning strategies on student verbal interactions and achievement during conceptual change interaction in 10th grade general science. Journal of Research in Science Teaching, 30(9), 1087–1101.
Lumpe, A. T., & Staver, J. R. (1995). Peer collaboration and concept development: Learning about photosynthesis. Journal of Research in Science Teaching, 32(1), 71–98.
Topping, K. J., & Ehly, S. (1998). Peer-assisted learning. Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum.
Topping, K. J., Thurston, A., Tolmie, A., Christie, D., Murray, P., & Karagiannidou, E. (2011). Cooperative learning in science: Intervention in the secondary school. Research in Science & Technological Education, 29(1), 91–106.
差異化教學化學科示例—POEC策略
鍾曉蘭
新北市立新北高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 差異化教學的意義
差異化教學（Differentiated instruction）針對傳統式教學的缺失作一些必要的調整，讓不同程度的學生都能同時在課堂上學到適合他們能力的學習內容，為不同程度的學生調整教學環境與教學實況，以開創因應不同學習需求的適應性學習經驗。差異化教學是一種持續運用多元的教學方法，不斷的調整課程的內容、過程和成果，以回應學生在學習準備度、興趣與學業成就上的差異。差異化教學是根據持續性的評量以提供教師進行計畫並運用於課程當中，來幫助學生瞭解基本重要的原則、運用基礎的知識及技巧、持續在較高程度上維持機動並且在真實情境中運用所學。差異化教學的重要意義在於為不同能力、興趣、學習風格以及經驗背景的學生創造多元的學習途徑。
n POEC的教學理念與簡介
White & Gunstone（1992）所發展的預測－觀察－解釋（prediction – observation – explanation）策略，簡稱POE策略，主要步驟是要求學生對科學現象進行預測並提出理由，然後進行觀察實驗，再對所觀察的實驗結果提出解釋，教師試圖去調解學生在預測與觀察之間的衝突，設法使兩者達到一致。POE廣泛運用在中小學科學教育上，用來評測學生先前概念及應用知識的能力，協助教師瞭解學生的先前概念以促進科學學習，讓學生有更多空間去建構自己的想法與理解，也較能探測出在真實情境中，學生的認知結構及應用知識之能力，POE除了可作為評測方法，也是一種很有效的教學策略（White & Gunstone, 1992；Kearney, Treagust, Yeo & Zadnik，2001）。
進行POE時應注意的是（White & Gunstone, 1992）：（1）要提供一個學生可以預測，而且能基於個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測則將失去其價值；（2）要提供真實情境與問題給學生，才有助於POE的效果，至少也要提供學童一些支援的線索或說明；（3）要讓學童的觀察是直接可行的，亦即觀察的實驗結果是清晰可見的；（4）可以用勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學童做預測，用開放的反應模式，讓學童自己表達想法。
邱美虹教授在學生學科學習與評量其中提到在教學中運用POE模式時，應增加比較的部分，提出POEC（Prediction預測－Observation觀察－Explanation解釋－Comparison比較）模式的實驗活動與評量，提倡學生應再將所觀察的現象與之前的預測作一比較，以便下結論（邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜，2005）。POEC模式強調問題情境與觀察現象之間的互動，針對爭議之處再思考，以達成概念的一致（邱美虹等人，2005）。
在許多POE的活動，學生經常以日常生活的經驗去支持他們的理由，或者應用與科學原理相異的觀念去解釋自然界現象，因此運用POE策略能有效的鼓勵學生應用自己原有的知識進行推理及解釋，也能探測出在真實情境中學生運用其原有概念及認知結構的情形（許良榮、劉政華，2004；許良榮、蔣盈姿，2005）。使用POEC模式教學時，發現由於作「預測」較少受到「什麼是正確／標準的答案？」的想法影響，較一般的課室活動更能鼓勵內向不善表達的學生投入討論活動，進而發表個人的想法，教師也能從學生的預測結果了解學生的先有概念或迷思概念。而在實驗的活動過程中，學生的投入度與生生之間的互動亦有所提昇。所以將POEC模式運用在實驗活動中以及教學單元中，可以提昇合作學習之教學成效，並能改進目前學校「食譜式」的實驗教學。
本活動旨運用POEC模式在教學中聚焦於學生對實驗活動的了解，並藉其結果呈現科學概念的內容與關聯，期望未來教師將POEC模式運用在教學上能獲致正向的成效。
n POEC的實施程序
POEC的實施程序如下：
P（Prediction，預測）：向學生說明實驗裝置與實驗程序，請學生填寫預測的實驗結果，並寫下預測的理由（也可以利用小組的討論，讓他們分享彼此的看法）。
O（Observation，觀察）：進行實驗，請學生觀察並詳細紀錄觀察現象，並判斷是否與預測的情形符合。
E（Explanation，解釋）：無論是否符合，請學生再次提出解釋的理由。
C（Comparison，比較）：再將所觀察的現象與之前的預測做一比較，填寫學習單，再做學習總結討論，比較原先預測與觀察之間的現象與前後解釋的異同。
n 本活動設計理念
(ㄧ)序列性POEC (Sequential Predict-Observe-Explain-Comparison, S-POEC)
本活動參考許良榮教授提出之序列性POE (S-POE: Sequential Predict-Observe-Explain)與邱美虹教授提出之POEC（Prediction預測－Observation觀察－Explanation解釋－Comparison比較），設計ㄧ系列有關鎂帶的小實驗，三個活動設計依序為（詳見表1）：（1）鎂帶在二氧化碳中會燃燒嗎？；（2）鎂帶在水中會反應嗎？；（3）鎂帶在硫酸銅水溶液中會跳舞嗎？
序列性POEC整體活動設計原則為：（1）POEC中所涵括的實驗，必須具有相互關連性，其現象的解釋涵蓋相同的科學概念；（2）所有實驗所涵蓋的科學概念，總計以不超過三個為原則，以達到探求學生之「科學解釋能力」的目標。因為涵蓋的科學概念過多，將不容易歸納、推理學生的前後之解釋的一致性；（3）每一個後續實驗，只改變前一個實驗的一個變因，以達能深入探討學生對於單一變因的科學解釋能力；（4）在學生完成一個實驗（POEC）的說明之後，必須明確讓學生知曉每一個POEC確實之「實驗結果」，以避免學生對後續實驗落入單純的「猜測」，而失去探究學生之「解釋一貫性」的目的；（5）每完成一個實驗（POEC），才進行後續的實驗（POEC），並要求學生不可再修改先前實驗（POEC）已完成的作答（許良榮，2005；許良榮、羅佩娟，2009）。
本活動的主旨是讓學生從實驗中觀察並瞭解活性對燃燒／氧化還原反應的影響，從鎂帶在二氧化碳會燃燒的小實驗，讓學生瞭解物質並非僅在氧氣中才會燃燒，到鎂帶在熱水中也會反應，最後以鎂帶在硫酸銅水溶液反應的特殊情形，引導學生探討鎂帶的活性、溫度等對鎂帶反應的影響。
表1：POEC實驗活動設計理念
(二)本活動融入差異化教學設計之理念
設計理念參考自Johnstone（1991）提出在學習化學有三個層次的表徵：巨觀（macro），次微觀（sub-micro），和符號（Symbol）。化學上的巨觀表徵如看見顏色變化、形成沉澱、氣泡產生與等肉眼可直接觀察的現象；次微觀表徵則藉由分子、原子、次原子粒子的排列或運動（粒子之間的交互作用）來解釋；而符號表徵則藉由符號、數字、分子式、方程式、結構式或反應式來表徵，例如：
2H2 + O2 → 2H2O
本活動將三個層次的表徵應用在差異化教學的核心目標評估：
初階：學生能對巨觀現象（macro）進行現象的預測、觀察、解釋與比較
中階：學生能對巨觀現象（macro）寫出化學符號（如反應式）的預測、觀察、解釋與比較
進階：學生能對巨觀現象（macro）提出次微觀（粒子層級）之解釋或反應機制的預測、觀察、解釋與比較
各種level學生學習核心目標判準如表2所示：
表2：POEC差異化教學核心目標
n 活動內容與學習單範例
活動一：鎂帶在二氧化碳會起火燃燒嗎？
※教師示範活動
教師將點燃的線香分別放入氧氣瓶與二氧化碳瓶中，請學生觀察線香燃燒情形。教師接著提出問題：「如果將燃燒的鎂帶放在二氧化碳瓶中，會發生什麼現象？」
※器材及藥品
碳酸鈣／1瓶、濃鹽酸／1瓶、鎂帶／一包、氣體收集裝置／每組、酒精燈／每組一個、火柴／每組一盒
※學生進行POEC實驗活動
※共同討論
1. 當鎂帶製造工廠起火時，能否以二氧化碳來滅火呢？原因為何呢？
※差異化教學核心目標
活動一的差異化教學核心問題與初階、中階與進階核心目標詳見表3：
表3：活動ㄧ差異化教學核心問題與核心目標
n 教學活動剪影
n 參考資料
邱美虹、林世洲、湯偉君、周金城、張榮耀、王靜璇合著（2005）。科學創意實驗書。台北市：洪葉文化。
許良榮（2005）：序列性POE 之特色與設計。國教輔導，45(2)，6-12。
許良榮、劉政華（2004）：中小學生之溶解概念的形成與發展。科學教育學刊，12(3)，265-287。
許良榮、蔣盈姿（2005）：以POE策略探究中小學生對物質「可燃性」的另有概念。科學教育研究與發展季刊，38，17-30。
許良榮、羅佩娟（2005）：以序列性POE 探究學生的科學解釋能力：以「大氣壓力與表面張力」為例。屏東教大科學教育，30，42-55。
Johnstone, A. H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7, 75–83.
Kearney, M., Treagust, D. F., Yeo, S., & Zadnik, M. G. (2001). Student and teacher perceptions of the use of multimedia supported Predict-Observe-Explain tasks to probe understanding. Research in Science Education, 31(4), 589-615.
White, R., & Gunstone, R. F. (1992). Prediction-observation-explanation. In R. White & R. F. Gunstone, Probing Understanding ( pp. 44-64). London: The Falmer Press.
皮亞傑認知發展理論應用在平板電腦化學學習工具之研究／翁榮源、陳治元
星期五 , 11, 7 月 2014 第2期／2014年7月, 行動學習 在〈皮亞傑認知發展理論應用在平板電腦化學學習工具之研究／翁榮源、陳治元〉中留言功能已關閉
皮亞傑認知發展理論
應用在平板電腦化學學習工具之研究
翁榮源*、陳治元
靜宜大學應用化學系
n 前言
我們藉由皮亞傑式平板電腦學習系統的特色，將水的化學學習內容透過輕鬆、活潑的方式再搭配多媒體的文字、影像、聲光、動畫、遊戲等特性，發揮出該理論的特色，進而提升學習者的學習興趣與動機，並提升學習成效。內容強調水的化學觀念的統整及教學方式的互動性。本研究流程圖如圖1所示。
圖1：本研究流程圖
n 研究工具
（一）課程內容
水的化學單元的內容，主要以「水的組成」、「水的性質」、「水的三態」、「水的循環」、「環境與水」五大概念為主，如圖2所示。
圖2：水的化學涵蓋五大概念
(二)團體藏圖測驗
團體藏圖測驗（Group Embedded Figures Test, GEFT）是由Witkin、Oltman及Karpy在1971年提出，本研究採用吳裕益（1987）所修訂的測驗。
(三)課程前後測
本研究的前後測題目以教學單元課程內容相關觀念為主，命題取材自美國「ACS Test Item Bank」其ACS測驗試題的信度係數為0.90及大學學測題目，測驗編製時經由三位科學教育專家共同檢驗，以求其效度。
(四)網路學習系統
在網路學習系統的設計上是以動畫呈現學習內容外；在介面的設計以超連結方式來將課程內容整體化的呈現，含有語音、影片、圖片、概念陳述等多樣化教材。針對部分課程內容會提供生活實例來幫助學生做進一步的學習及理解，如圖3所示。
圖3：網路學習系統的頁面之二
(五)皮亞傑式平板電腦學習系統
本學習系統中是使用Adobe InDesign CS6編輯製作Apple App應用程式，透過蘋果平台（APP Store）提供免費下載，提供自我學習機制，在設計上最主要的部份會著重在觸控操作介面達到動手操作的互動機制，以及教學互動，像是互動按鈕、影音、上下滑動流覽的課程設計，來吸引學習者的興趣，如圖4所示。
圖4：平板電腦學習系統
n 結果與討論
本研究的學習成效分析如下：
(一)兩組學習成效比較
學生分別進入兩組學習系統裡學習後進行測驗，兩組學習系統學生的前測驗、後測驗成果，如表1所示。
表1：兩組學習系統學生的前測驗、後測驗成績
實驗組學生（N = 30）前測平均分數67.33分，後測平均分數94.00分，平均進步26.67分；控制組學生（N = 30）前測平均分數66.00分，後測平均分數83.00分，平均進步17.00分。實驗組在後測平均進步分數明顯比控制組高，接著將兩組學習系統學生學習後的測驗成績進行單因子變異係數分析，分析結果顯示F = 7.461；p值為.008小於.05，達顯著差異，顯示學生在「皮亞傑式平板電腦學習」下學習之學習成效會優於「一般網路學習」。兩組學習系統學生後測驗之單因子變異數分析，如表2所示。
表2：兩組學習系統學生後測驗之單因子變異數分析
研究結果發現在水的組成單元中藉由水分子的聯想思考使學生很快能加深對水分子結構的印象，再採用簡單圖片的方式分析題意，依皮亞傑認知發展理論提到「由做中學」的學習方式，學生學習時往往聽了就忘，看了不明白，唯有實際動手操作，學生才能真正明白，再配合學生的認知結構，透過簡單的重複而建立，我們在課程設計加入許多觸控操作達到動手操作的互動機制，而每一個步驟和過程的思考要能有上下概念與邏輯的銜接，在每單元課程設計由最簡單的生活知識甚至從生活中能觀察到的現象，重覆來學習水的化學概念，學習過程中加入很多互動按鈕、影音、上下滑動流覽等互動機制，並在單元學習後，設計與概念相關的問題，讓學生利用平板電腦觸控點選功能來回答問題，答對者能直接獲取相關知識；答錯者會針對其知識建構的矛盾，然後在答案後面解釋為什麼錯誤，讓學生嘗試錯誤，真正了解學習的重點，達到學習成效提升的效果。
(二)依認知型態比較兩組的學習成效
不同認知型態的學生分別進入實驗組與控制組中學習，如表3所示。
表3：場地獨立型學生在各組的前、後測成績
場地獨立的學生進入兩組學習系統，結果顯示實驗組學生（N = 11）前測平均分數63.68分，後測平均分數90.00分，平均進步33.16分；控制組學生（N = 15）前測平均分數60.00分，後測平均分數79.33分，平均進步29.09分。場地獨立的學生在實驗組的後測平均進步分數明顯比控制組高，接著將兩組學習系統學生學習後的測驗成績進行單因子變異係數分析，分析結果顯示F = 5.262；p值為.031小於.05，達顯著差異，顯示場地獨立的學生在「皮亞傑式平板電腦學習」下學習之學習成效會優於「一般網路學習」，如表4所示。
表4：場地獨立型學生在不同學習系統的單因子變異數分析
「皮亞傑式平板電腦學習系統」的課程內容可下載至平板電腦中，教材的「可重覆瀏覽性」，意味著學生可以重複性地閱讀相關教材，直到瞭解為止，可不受空間、時間上的限制，獨立依照自己的進度完成所要學習的課程內容。依皮亞傑認知發展理論提到「由做中學」的學習方式，學生學習時往往聽了就忘，看了不明白，唯有實際動手操作，學生才能真正明白，再配合學生的認知結構，透過簡單的重複而建立，課程設計加入許多觸控操作達到動手操作的互動機制，像是互動按鈕、影音、上下滑動流覽的課程設計，讓學生學習時覺得簡單又很有趣，每單元課程設計由最簡單的生活知識甚至從生活中能觀察到的現象，像水的性質單元中水的密度，利用晚餐桌上的湯，油水分離及彩虹水與宴客雞尾酒分層情況來了解密度在生活上現象，貼近生活的方式，重覆來學習水的化學概念，獨自學習就很容易理解，達到提升學習成效的結果。
(三)依性別比較兩組學習系統的學習成效
分配男、女生進入實驗組與控制組中學習，男生在各組的前、後測驗成績，如表5所示。
表5：男生在各組的前、後測驗成績
男生進入兩組學習系統，實驗組學生（N = 12）前測平均分數62.30分，後測平均分數95.20分，平均進步32.90分；控制組學生（N = 15）前測平均分數63.40分，後測平均分數93.30分，平均進步29.90分。男生在實驗組的後測平均進步分數明顯比控制組高接著將兩組學習系統學生學習後的測驗成績進行單因子變異係數分析，分析結果顯示F = 5.217；p值為.031小於.05，達顯著差異，顯示男生在「皮亞傑式平板電腦學習」下學習之學習成效會優於「一般網路學習」，如表6所示。
表6：男生在各組的單因子變異數分析
在皮亞傑式平板電腦學習系統中，發現男生對於平板電腦有較高喜愛程度，男生心理上認為使用平板電腦進行學習時能滿足其虛榮感，男生無非是想提升其在同儕間的社會形象地位，在使用平板電腦時，加重其好學不倦之形象，而且男生在化學的知識吸收及理解能力較好，再配合皮亞傑認知發展理論提到「由做中學」的課程互動性設計激發思考的學習方式，更能有效建立觀念，充分理解、吸收水的化學的知識，突顯學習成效。
(四)依學院比較兩組學習系統的學習成效分析
將理學院與非理學院學生分配進入實驗組與控制組中學習，發現理學院學生進入實驗組學習後其後測成績明顯高於控制組，如表7所示。
表7：理學院學生在各組的前、後測成績
理學院進入兩組學習系統，實驗組學生（N = 10）前測平均分數67.78分，後測平均分數97.78分，平均進步30.00分；控制組學生（N = 15）前測平均分數65.00分，後測平均分數83.13分，平均進步18.13分。理學院學生在實驗組的後測平均進步分數明顯比控制組高，接著將兩組學習系統學生學習後的測驗成績進行單因子變異係數分析，分析結果顯示F = 5.172；p值為.033小於.05，達顯著差異，顯示理學院學生在「皮亞傑式平板電腦學習」下學習之學習成效會優於「一般網路學習」，如表8所示。
表8：理學院學生在各組的單因子變異數分析
理學院的學生接收新資訊較快速，對於新事物比較感興趣、接受度也比較好。理學院學生原本已具有較多之化學知識背景，對課程較為熟悉且較具有該課程的相關基礎並對課程內容較能理解與進行，容易找到需要的相關資料，導致此類學習背景的學習者具有較好的學習成效。皮亞傑式平板電腦學習中，發現理學院學生在使用平板電腦學習時，互動觸控介面設計的教學方式並配合課程內容裡會舉例一些生活週遭所發生的化學現象加以解說，像是水的組成單元講解氫鍵，我們利用赤腳能走過火紅的木炭（過火）原因，來講解氫鍵存在的重要性，對他們而言不但新鮮又可加強抽象觀念的理解，且平時在校學習各系上科目，有較多實驗型學科和他們動手做實驗的模式類似，對於使用皮亞傑設計之平板電腦學習模式自然駕輕就熟，明顯的提升學習成效。
n 結論
本研究旨分析不同學習模式在水的化學單元學習上之學習成效差異性，並探討認知型態、性別及學院等不同背景學生在不同學習模式的影響及差異情形。依據蒐集之資料統計結果發現皮亞傑式平板電腦學習比一般網路學習之學習成效較佳。場地獨立、男生及理學院學生特別適合使用皮亞傑式平板電腦學習。
食品安全及其風險分析
張一知
國立臺灣師範大學化學系
民以食為天，吃是大事，近年每隔一段時間就會爆發食品安全的問題。從麵包添加劑到混合食用油，在一片風聲鶴唳之下，衍生出許多不必要的恐慌。
在現代的生活環境中，若要完全使用傳統的方式得到農產品，是無法提供全球對食物的需求。因此許多農藥，防腐劑，添加物等等的使用，都屬於優缺點，利弊，孰重孰輕，比較出的選擇。本文簡略說明世界衛生組織（ＷＨＯ）對食品安全及其風險分析的方法，並引其法來討論我國政府近年對幾次食品安全問題的作法。
世界衛生組織（ＷＨＯ）和聯合國農糧組織（FAO）對於食品風險分析的方法，是將風險評估發展成為可降低公眾健康危害的食品管理。而所用的方法就稱為風險分析，它是由三個部分組成：風險評估、風險管理、風險溝通。圖1說明風險分析的三個組成之間的關係。
圖1：風險分析的三個組成之間的關係
n 風險評估
風險評估是使用科學方法評估，當人體接觸到與食物相關的危害，會造成已知或潛在的不良健康影響。該過程應由以下步驟組成：
確認危害：確認特定物質與已知或潛在的有害健康之關聯。
危害特徵：用定性和／或定量的方式評估任何可能存在於食物中，和不良反應相關的生物，化學，物理的物質。若是化學物質，必須測試不同劑量的反應。對於生物或物理物質，若可以測試不同劑量的反應，也應該測試。
接觸評估：用定性和／或定量評估可能發生食用危害物的可能性。
風險特徵：綜合確認危害，危害特徵和接觸評估整體，估計不利的影響可能發生在某特定人群之機率（含不確定性）。
一般的定量風險評估，雖強調用數值表達風險，但仍對有不確定性之風險用定性的方式說明。
n 風險管理
風險管理是權衡各種政策，含接受、降低或最小化評估風險，並選擇及實施適當選項的過程。
風險管理可概括在下列四個部分：
初步風險管理活動為第一個過程。它包括建立風險的一個特定的範圍，在此範圍內廣泛的討論這問題，並盡可能提供大量的資料，以引導下一步的決議。在此過程中，風險管理可以委託獨立機構進行科學上的風險評估，而這些結果都將提交給決策單位。
評估各種風險管理方案，為決定如何管理食品安全，其評估的基礎是以科學觀點上的風險和其他相關因素，也可納入一些保護消費者的措施。最佳化的食品控制措施是以效率、效益、技術可行性、以及是否能在整個食品鏈中的某些特定點來執行與判斷。在這個階段就要進行成本效益分析。
實施風險管理的決策，通常會包含食品安全的管理辦法。對業界所選擇的特定指標應該保持彈性，最終要讓整體方法能以客觀地的方式顯示出既定目標的實現。持續不斷的檢驗現有食品安全指標執行的效益也是必要的。
監測和審查包含數據的收集和分析，能整理成食品安全和消費者健康的整體概述。經由監測食品污染和與食物相關之疾病，可判斷是否有新的食品安全問題出現。當有證據顯示，凡是沒有達到公共衛生的目標，就必須重新設計食品安全管理措施。
n 風險溝通
風險溝通是有關風險評估，風險管理，以及其他有關各方之間的風險信息和意見交換的一個互動的過程。
風險溝通是風險分析工作中的主軸，而且要不間斷的進行，從開始就要包含所有利益相關團體的參與。風險溝通能使利益相關者了解風險評估的各個階段。這將幫助所有的利益相關者能夠清楚地了解風險評估的邏輯、結果、意義、以及它的局限性。利益相關者亦可以提供相關資料。例如業內相關人士可能有未公佈的研究數據，它對於在進行風險評估時非常重要。將資料提供給利益相關者（包括企業和消費者），也是風險分析過程中的一環。
確認特別相關團體和他們的代表應包含在整體風險溝通策略的一部分。風險溝通的策略是由風險評估人員和管理人員儘早進行雙向溝通，並在決策過程中進行討論，當雙方達成一致意見時才能訂定。這策略還應該包括誰負責提供信息給大眾，以及如何提供。
風險溝通之決策，包括問題、對象、和方式，都是風險溝通策略的一部分。系統性的風險溝通是最有效的，一般從收集和風險相關的疑慮開始。因此風險管理者和風險評估者必須能夠在早期階段，簡單和清楚地總結這個議題所涵蓋的問題，如此可引起大眾的興趣和接受利益相關者所提供的意見。整個過程中都必持續溝通。一旦現有的資料已被充分分析，並被評估出適當的風險，就必須編寫和傳播這些訊息。之後將再與利益相關者進一步討論，並做適當的更正、修改和補充，以得到最後的風險評估和風險分析報告。
以此風險分析架構，來討論我國近年來所發生的案例，先從較早的毒奶粉案例：2008年大陸製造的奶粉中含三聚氰胺事件。此事在風險評估上相較簡單，危害確認是三聚氰胺。接觸的評估是大多數人都會食用，但有分為主食或非主食之區別。因而其風險特徵，是以奶粉為主食的小嬰兒風險最大，有可能產生腎結石，甚至致命。但對奶粉非主食的人，其風險不大。唯一較有疑慮的部分是在對大人的危害特徵，因三聚氰胺本非食品，因此也未曾對它進行危害特徵中，食用計量對健康的影響。
再以風險管理上來看，最初步的風險管理活動就是將風險範圍訂在所有使用大陸製奶粉加工而成的全部產品，其含概非常廣泛，從零食到飲料，反而因國內嬰兒奶粉多為國際知名大廠並未從大陸進口而不在範圍內。下一步理因評估各種風險管理方案，並進行成本效益分析，此時由衛生署署長林芳郁宣佈將可容許含量上限定為5 ppm，並將全面查驗。以風險管理以及成本效益甚至執行面來看，都是不錯的決定。但因風險溝通做得不夠，規定一出，舉國譁然，認為三聚氰胺既然不屬於食品就完全不能出現在食品內。此時宣佈風險管理的人：衛生署署長，理應說明如何得到此限量，但他可能不了解風險管理的全部過程，未能解釋清楚，最後辭職下台。新任署長宣佈三聚氰胺不得在食品中檢出，事件才較為平息。以分析的角度看，若未給定標準檢驗方法，「不得檢出」是無意義的。雖然數月後，歐盟也將三聚氰胺可容許含量上限定為5 ppm，但我國仍維持「不得檢出」。
但「不得檢出」的標準在當時，無法將所有應檢驗之樣品快速檢驗。因此「不得檢出」感覺很安全，但對維護全民健康而言，實在幫助不大。
我國在風險評估上，大多仰賴外國的數據，如美國、歐盟、日本和WHO，一般而言大多屬於科學上的研究，所以問題較少。因而在訂定的風險管理，也常常直接套用國外的方式，例如農藥殘留量檢驗方式及時間等，行之多年問題不大。但卻也因此而忽略了重要的整體風險分析，尤其是風險溝通。三聚氰胺可容許含量上限定為5 ppm是以食品安全為主，不會造成消費者健康上的風險。「不得檢出」則是比較以保護消費行為的方向出發，卽消費者花錢買食品，就不應該買到含三聚氰胺的食品。若在一開始就請消費者以及檢驗機構代表，互相溝通，尤其是對檢驗時間、以及人力等因素的考慮下，5 ppm也許對消費者健康上的保障更高。
天下沒有白吃的午餐，風險管理一定要考慮成本效益，不能只接受100分，而不考慮其它可能性。
2013年10月發生標示百分百的特級橄欖油被發現是使用摻了超過50%棉籽油的調和橄欖油。第一時間點，就有媒體強調「棉籽」中的「棉酚」，會使男性精蟲減少。甚至有人說一天兩匙的量，就會造成不孕。此時已有了許多食品安全爆料經驗的衛生署，首先強調「棉酚」是不可以出現在食用油中。後又有食品專家台大孫教授解釋在食用油精製的過程中，水溶性的「棉酚」，很容易從食用油中去除。「棉籽」中含棉酚，不代表「棉籽油」中含棉酚。雖然又有添加銅葉綠素為色素之問題，也只是含量很低，對健康的影響都很小。此時大眾對混合油在健康上的顧慮較少，因此風險管理活動就將風險範圍訂在標示不符、欺騙消費者。
因前幾次的經驗，越打擊無良商家，越能得到消費大眾的支持。雖然用棉籽油的混合油在健康上是無慮的，衛生署仍決定全數銷毀，完全不考慮業者希望的重新標示後，降價再賣。但銷毀近萬噸的油也會造成一些污染，若允許重新標示再賣，所得可作為賠償基金，也許更有效率。但這些可能的方式也都未被討論，在整個風險分析中仍缺乏風險溝通，以及成本考量。
在食品加工技術、添加物開發，幾乎是日日推陳出新之際，只仰賴外國的研究數據，已逐漸無法處理。而我國尚未建立風險管理之機制，每次事件發生，都是先政府由上而下的訂定規範，若民眾不滿意，則訴諸媒體。在媒體一面撻伐中，政府再修改政策。最後商家倒店，食品安全問題仍一再發生。在國民對食品安全的重視逐漸提高之際，我們期待能建立良好的風險分析，風險管理不是要民粹，而是要用較少的成本達到最佳的食品健康。
在政府即將成立「食品安全推動工作小組」之際，期盼科學界、尤其是化學界的讀者，大家一起推動以科學的態度來面對風險的評估，理想是非常好，但效益也要作為考慮的要素。
國中教育會考自然科（理化）試題分析
祁明輝
臺北市立龍山國民中學（退休）
臺灣首次國中教育會考（以下簡稱教育會考）於103年5月17、18日（六、日）舉行完畢，由國立臺灣師範大學心理與教育測驗研究發展中心（以下簡稱臺師大心測中心）負責命題、組卷、閱卷與計分，臺師大心測中心於6月2日至5日逐步公布各項結果，並提供考生教育會考成績查詢。
教育會考各項結果公布後，因涉及免試入學超額比序等相關問題，媒體、學者、家長（團體）、民意代表、教師與學生等紛紛提出不同意見與看法，然本文並不評論免試入學招生之超額比序制度等問題，除簡介教育會考的功能與評量結果外，將只針對103年教育會考自然科（理化）做試題分析，最後提出筆者個人的小小想法。
n 國中教育會考的功能與評量結果
依據教育部101年5月7日發布之「國民小學及國民中學學生成績評量準則」[1]第 13條：「為瞭解並確保國民中學學生學力品質，應由教育部會同直轄市、縣（市）政府辦理國中教育會考，……」，因此教育會考的主要功能為學生學力檢定機制。
教育會考與以往實施的國民中學學生基本學力測驗（以下簡稱國中基測）最大不同之處，教育會考採標準參照方式呈現學生各科結果，依據課程綱要及學科內涵，透過事先制定的標準，將各科評量結果分為「精熟」、「基礎」及「待加強」3個等級，表1為自然科（含生物、理化、地球科學）之三等級描述。
表1：教育會考自然科「精熟」、「基礎」及「待加強」三個等級描述
臺師大心測中心公布103年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計結果[2]，如表2所示。
表2：103年教育會考自然科各等級答對題數及人數百分比統計
n 國中教育會考自然科（理化）試題評析
103年教育會考自然科題本[3]總題數為54題，其中測驗內容歸屬於理化部分共28題，所占比例為51.85%，題型與國中基測相同，均為單一選擇題（單題、題組）。筆者參與教育部解題記者會時，與臺中市光德國中張文昭老師，共同分析理化試題28題中，21題含有圖表，與實驗相關的題目有10題，與計算相關的題目有10題，結合生活情境則有9題。〔補充說明：以上是根據各單題分析，故會重複〕
茲舉此次部分理化試題為例，並稍加說明。
〔例1〕
〔例2〕
〔例3〕
〔例4〕
〔例5〕
基本上，臺師大心測中心辦理國中基測命題、組卷已有豐富經驗，因此就此次教育會考理化試題而言，大多能掌握課程內容的基本、重要的知識與概念，測驗學生是否能理解所學知識與概念，加以運用、比較和轉換，即使學生最怕的計算題，少有需要繁雜計算的題目。唯部分題目的題幹或選項敘述稍長，同時還要注意題目中的「關鍵」字句，當然也考驗學生的閱讀理解能力。筆者參加教育會考自然科計分會議時，從臺師大心測中心提供的資料顯示試題的鑑別度都不錯。
n 小小想法
臺灣長期受「考試領導教學」的影響，當臺師大心測中心宣布教育會考試題的難度為「難易適中」時（國中基測為「中等偏易 」），筆者擔任輔導團員工作，常聽到各校教師們考慮是否要將學校的考試（如定期考試）難度提高，畢竟現行教育會考仍列為免試入學積分項目之一，在長期分分計較的考試方式與升學壓力的環境下，教師的考慮是可以理解的。但筆者建議絕不要將學校的考試難度提高，而要適當降低難度，能讓「評量引導學習」。
由表2顯示，此次教育會考中，約有四分之一的國中畢業生，無法達到「基礎」級，也就是答對題數不到自然科總題數的三分之一。試想：在學校定期考試中，若班上四分之一的學生只答對不到三分之一的題數，這份試題對學生是否難了些？對學生的學習科學的興趣與成就有幫助嗎？又是否真能檢測學生應具備基本、重要的知識與技能？同樣的問題，若回到教育會考的主要功能而言——學生學力檢定，則教育會考試題的內容與難度該如何，亦是可以深思的。
n 參考資料
1. 「國民小學及國民中學學生成績評量準則」已於民國103年4月25日修正發布，http://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?PCode=H0070019。
2. 103年國中教育會考各科計分與閱卷結果說明，http://www.cap.ntnu.edu.tw/history.html。
3. 103年國中教育會考自然科題本，http://www.cap.ntnu.edu.tw/files.html。