國中自然科學彈性課程設計與教學: 自然科學領域彈性學習課程:細菌檢測 /曾茂仁、王秀勻、楊全琮

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國中自然科學彈性課程設計與教學:

自然科學領域彈性學習課程:細菌檢測

曾茂仁*、王秀勻、楊全琮

臺北市立大直高級中學
*[email protected]

n  前言

    十二年國民基本教育課程綱要的實施,促使各校盤點與審視既有的課程設計,並且鼓勵各校在符合新課綱的基本理念與課程目標下,發展呈現學校願景、連結學生生活經驗的與需求的課程,藉此強化學生知能整合與生活運用能力(國家教育研究院,2014)。因此,以跨領域科目、結合各類型議題,發展統整性主題、專題與議題探究類型的彈性學習課程能夠作為各校發展特色課程的依據。近年來,無論是教師社群自行發起課程共備工作坊或由學科輔導團辦理的增能研習,都能看見彈性學習課程的落實能夠呈現各校特色,也替學生增加多元的學習經驗。

    然而,針對中學教師發展與實施彈性學習課程仍存在許多問題(曾善美,2022)。從課程設計的觀點來看,教師需要跳脫過去設計領域學習課程的習慣,需要契合自然科學領域綱要與學校願景的方向、搜尋符合學生生活經驗的議題與尋求不同學習科目教師的合作。換句話說,教師設計課程的經驗、跨領域(科目)課程設計架構與相關統整性議題的學習資源,都會增加教師設計課程的挑戰。另外,從評量學習表現的觀點來看,彈性學習課程能夠促進學生知能整合與生活運用的能力,難以透過紙筆測驗評量學生多元的學習表現。因此,教師如何設計適切的評量工具提供學生理解自己的學習成果,用以調整與修正未來學習方向的依據,則是鼓勵學生持續投入學習的關鍵。

    為了鼓勵學生投入科學學習並積極參與當代社會議題的討論,科學教育研究者提出專題式學習(Project-based learning, PjBL)的課程架構,此架構整合情境學習(situated learning)、主動建構(active construction)、社會互動(social interaction)與認知工具(cognitive tool)等理論基礎(Krajcik & Shin, 2023),由教師考量學生生活經驗設計課程,並在解決真實世界問題的過程中,提供學生需要的學習鷹架、協助學生應用既有知識理解與解釋現象。過程中,教師與同儕的互動提供學生修正學習成果的機會,最終學生學習成果即是解決真實世界問題的行動方案或成品等多元的成果表現。因此,本校以PjBL的課程架構為基礎,發展八年級自然科學領域發展之彈性學習課程,並歷經多次調整與修正課程設計。其中,本篇以「細菌檢測」之學習主題分享本校自然科學團隊發展之彈性學習課程與評量學生學習表現的評量設計。

n 專題式學習

    十二年國教課綱的倡議與科學教育研究成果的支持,科學實踐的課程設計逐漸由食譜式探究(教師為中心)轉向引導式探究(學生為中心),換句話說,學習者為中心的科學課程設計以是當代的共識。科學教育相關實徵研究指出,PjBL呈現學習者為中心與探究取向的課程設計特徵,教師能夠促進學生科學學習(Bielik et al., 2022)。此外,PjBL課程以解決真實世界問題為核心(情境學習),由教師引導學生連結既有生活經驗或科學知識(主動建構),並鼓勵使用科技工具幫助學生解釋與表達想法(認知工具)。當學生參與調查與探究的過程中,學生則需考量教師與同儕則提供不同觀點的想法,提升解決方案或成品的品質(社會互動)。

    KrajcikShin (2015, 2023)針對PjBL課程提出六項教學特徵:一、教師使用驅動問題開啟課程:驅動問題幫助教師設計一致性的學習活動,而學生經歷各學習活動時則是回應與解釋驅動問題;二、課程設計聚焦學習目標:選擇學課程自然科學領域綱要的內容作為學習目標;三、學生透過科學探究理解問題情境:學生使用科學探究的方法分析問題情境,並設計出特定的解決方案,而教師則須提供適合的鷹架協助學生投入科探究活動;四、師生透過協作活動回應驅動問題:知識的建構與發展是透過社群成員經歷特定活動所形成的共識,而協作活動則是透過教師與同儕的互動過程精緻原有的成品;五、學生應用科技工具幫助學習:學生透過科技工具蒐集、產生與分析資料或是建構模型,用以表達與分享想法;六、發展學習成品:學生發展外顯化的表徵(例:模型或繪圖等)回答驅動問題,能夠呈現學生對於特定科學知識的理解,並能夠考量教師與同儕的建議,修建原有的學習成品。

n  課程設計與發展

    本校自然學科研究團隊考量十二年國教課綱、自然科學領域綱要與學校願景,規畫與發展本校自然科學領域彈性學習課程「阿河你好嗎?」,此彈性課程以引導學生投入探究與實踐科學活動為課程為核心目標,並參考學生的生活經驗彙整適合的議題作為課程內容,最後,以專題式學習課程的教學特徵作為設計彈性課程的架構。此外,本課程會根據學生的課程回饋修正部分學習內容,貼近學生學習需求。

    本次分享的課程內容起源於Covid-19疫情四起(20202021間),量測體溫與消毒教室環境,已是校園生活每日例行公事。此外,學生是否理解消毒教室環境的目的與效果,進一步連結過去學習經驗表達自己的觀點,是促進學生投入課程的關鍵。因此,本研究團隊以「細菌檢測」為課程主題,透過科學實踐探討校園環境的乾淨程度與消毒效益,並鼓勵學生以政策決策者的角度詮釋科學實踐的證據,最後自製短片的方式呈現學習成果。雖然,各組學生選取情境不同,發展的研究流程也略有差異,教師在過程中提供相關的學習單,幫助學生設計研究流程與檢核成品所具備的要素。另外,為了穩定呈現細菌生長的效率,教師提供學生滅菌培養皿與培養基,協助學生順利採樣、觀察與紀錄細菌的數量。

    根據學生於本課程活動任務的不同,可分為三個階段:一、研究規劃與執行:學生挑選特定情境(圖一),並針對特定情境規劃研究流程、採樣地點與執行研究;二、資料分析與詮釋:學生分析滅菌培養品中細菌生長情形、規劃影片拍攝的腳本與剪輯影片;三、成果呈現與評鑑:教師彙整學生影片,學生觀賞各組影片成果並填寫同儕互評表與提出建議。最後,本課程會參考學生課程回饋修正部分活動內容,例如:採集材料的嚴謹性、影片製作時間等因素。


表一:細菌鑑測課程內容


階段


週數

 


活動內容

 

第一階段

研究規劃

1

 

學生選定情境、規劃研究流程與組內分工

 

研究執行

1

 

教師說明細菌採樣流程、學生執行校園細菌採樣

 

第二階段

資料分析

1

學生分析培養品中細菌生長情形(計算細菌於培養皿內生長面積)

資料詮釋

2

學生規劃影片拍攝的腳本、拍攝與剪輯影片

第三階段

成果呈現

1

學生觀看各組同學製作的影片並給予回饋

一、細菌檢測課程發展

本課程將專題式教學的六項特徵做為課程發展的基礎,以下則以驅動問題、教學鷹架與學生學習成品說明本課程內容:

(一)驅動問題

本團隊發展六項情境(圖1),由學生興趣根據選取一項情境作為本課程的待解決任務。以情境A為例:「國外COVID-19疫情未見降溫,臺灣營業場所備有酒精讓民眾消毒手部,身為疫情決策小組的你,如何建議營業場所選用何種濃度的酒精呢?」。教師所提供的情境描述包含驅動問題(營業場所應選用何種濃度的酒精?),能夠作為學生設計與執行研究規劃的依據。因此,學生執行各項任務是以回答此驅動問題為首要任務,包含拍攝與剪輯影片亦需考量以何種觀點回答此驅動問題。另外,學生執行活動任務時,教師為了聚焦學生討論「研究分析方法」或「提升學生研究設計品質」,則會使用課堂問題引導學生關注相關的主題,例如:如何確定培養皿上生物種類(細菌或黴菌)、數量的計算?;除了校園各處採樣之外,需要設計對照組嗎?。


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1:不同情境的驅動問題

(二)教學鷹架設計

    考量學生缺少自行設計研究流程的經驗,本課程透過教學鷹架協助學生根據特定情境設計研究流程。因此,本課程藉由兩類型的教學鷹架幫助學生設計與檢視研究品質。首先,當學生確定情境後,教師引導學生討論關於此情境的操縱、控制與應變變因,協助學生分析驅動問題與研究設計(圖2)。此外,學生製作影片時,為了得到同儕的認可而加入過多的趣味橋段,而減少呈現以科學觀點分析情境的內容。因此,教師提供檢核表幫助學生掌握影片關鍵要素,並且此檢核表和之後續同儕評分的指標相近,能夠協助學生聚焦以科學觀點呈現學習成品的學習目的(圖3)。

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2:引導學生分析驅動問題與研究設計

3:幫助學生掌握影片關鍵要素

(三)學生發展的學習成品

考量課程屬於自然科學領域彈性學習課程,因此,課程研發團隊選擇以多媒體的方式(照片、影片的剪輯)呈現學生的學習成品。為了協助學生製作影片,本課程提供相關的設備,例如:iPadChromebookSurface Pro等。此外,也事先詢問教師與學生習慣使用的剪輯軟體,並安裝於設備中提供學生使用。除了設備與軟體的協助之外,顧及製作影片的時間規劃,教師也使用學習單協助學生設計影片腳本、規劃拍攝進度與剪輯內容。根據本次實施的經驗,學生發展學習成品的過程需要教師提供充足的時間與充分的溝通,例如:學生需要離開教室至校園其他處採集、學生需要教師提醒分工情形與進度掌握。

二、同儕互評評量設計

由於本課程的學生成品為影片,因此,藉由同儕互評的方式作為評量學生影片的依據(評量為四點量表:不認同(1)、認同(2)、相當認同(3)、超出預期的認同(4))。此份同儕互評的評量(表2),學生根據影片內容的符合程度評分,其內容可分為三部分:一、研究設計:影片中是否呈現研究實施的過程;二、研究成果:使用不同的方式呈現研究成果;三、研究情境:考量不同的研究情境,並且提出符合該研究情境的結論。為了協助學生製作符合課程方向的影片內容,在規劃影片階段由教師提供檢核表,確保學生影片製作的品質。

2:同儕互評問卷


一、研究設計


1.      我認為影片的有呈現操作、控制與應變變因


2.      我認為影片的有呈現如何設定控制變因


3.      我認為影片的有呈現如何設計對照組與實驗組


4.      我認為影片的有呈現實驗操作流程


二、研究成果


5.      我認為影片的有呈現文字敘述說明描述黴菌或細菌生長的情形


6.      我認為影片的有呈現數字敘述說明描述黴菌或細菌生長的情形    


7.      我認為影片的有呈現比較不同條件黴菌或細菌生長的情形


三、研究情境


8.      我認為影片內容的情境說明清楚       


9.      我認為影片的有呈現提出特定條件下黴菌或細菌生長情形的結論


10.   我認為影片的有呈現以官員或決策者的口吻回答問題


11.   我認為影片的有呈現有考慮現實因素,不僅只有呈現科學證據

n  學生學習成果

一、學生影片製作

學生影片成果如圖4所示,各小組上傳完整影片製教師所指定的雲端硬碟,由教師彙整後,製作同儕評分線上問卷,作為學生的學習成品評量。以本課程最佳影片為例(圖5,線上平台影片網址為:https://youtu.be/rP4DXB-DRck),學生能夠結合照片、照片與背景音樂等不同影音媒體的優勢呈現研究器材、流程與討論等內容,並且針對流程中需要詳細說明的內容以文字方式呈現,例如:研究器材與研究成果。雖然,此影片未加入許多趣味的片段且僅有一分鐘,但是,呈現內容完整且清楚描述研究流程,因此,獲得同儕認可,評選為該班級最佳影片。整體而言,本課程影片長度約為三分鐘,大部分影片內容強調說明研究流程,例如:清潔桌面與採集過程,關於影片品質的同儕評分成果於下一個部分說明。除此之外,根據圖6所示,學生為了呈現培養品中細菌的生長情形,在製作影片的過程當中使用不同的拍攝角度呈現適合的畫面,教師也能夠觀察小組分工的情形,作為學生課程投入程度的依據。因此,多元活動的彈性學習課程也能夠看見學生有別於課堂上學科學習的表現。


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4:學生影片呈現成果


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5:最佳影片呈現

6:學生製作影片過程

二、同儕互評

根據學生互評結果顯示(圖7),各影片在「研究設計」的平均表現皆在認同以上,其中,實驗操作流程則是得到相當認同的肯定。而「研究情境」各項度的表現也落在認同以上,而以官員或決策者的口吻回答問題則落在認同邊緣,最後,「研究成果」的表現皆低於或在認同邊緣。根據簡單的同儕互評成果可知,此課程學生成果影片能夠清楚呈現與說明研究歷程,但在成果的呈現上卻不夠完整,並且缺少特定觀點提出建議。此次的成果能夠作為課程發展團隊修正原有課程的參考。 


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 7:同儕互評成果

n  結語

一、專題式學習的課程設計促進學生發展運用知識

學校教育不再僅強調學科知識的培養,更需著重學生素養的展現,而專題式學習能夠鼓勵學生運用過去的學習經驗或知識解決問題。舉例來說,學生透過驅動問題與教室提供的教學鷹架協助下,除了能夠協助學生投入各項學習活動,並且透過教師的引導學生能夠使用適合的探究方式分析問題情境、設計研究流程,也能夠在過程中與同儕討論分享自己的想法,取得小組內的共識。上述課程進行的歷程即是讓學生經歷建構與評鑑知識的過程,也從此歷程中看見教師是課程的引導者,提供學生所需要的資源與協助學生完成任務,學生則是課程進行的主要參與者亦是課程的中心。最後,學習成品的呈現,各組則是揉合組員與教師的建議,呈現小組成員運用過去學習經驗與知識解決問題的學習表現。

二、課程反思:教師如何引導學生應用科學知識與實踐解釋現象

根據學生的自評結果,學生在「研究成果」與「研究情境」的表現需要教師提供協助,例如:引導學生量化資料的呈現方式、以不同觀點的角度思考問題。關於本次課程學生缺少量化資料的呈現,主要原因可能是學生認為僅需要呈現細菌生長的質性描述,而忽略量化結果的說明,因此,能夠在腳本設計的過程中教師再次提醒質性與量化資料共同呈現的必要性。另外,不同觀點角度思考問題的能力,本團隊認為學生少有以不同觀點思考問題的機會,因此,在原有自然科學領域彈性學習課程規劃下,則需較加入此類型的課程內容,例如:拉馬克與達爾文對於演化論與進化論的觀點、賈法尼與伏打對於化學電池的詮釋。此課程並非呈現當代科學所支持的理論,而是讓學生理解在不同的年代、情境下,科學家不同角度的推理過程,則會形成不同的結論。

n  參考資料

曾善美(2022)。新課綱國中彈性學習課程實施的問題與解決策略。臺灣教育評論月刊,11(7), 161-165

國家教育研究院(20141128日)。十二年國民基本教育課程綱要:總綱。查詢日期:2023401日,取自https://www.naer.edu.tw/upload/1/16/doc/288/%E5%8D%81%E4%BA%8C%E5%B9%B4%E5%9C%8B%E6%95%99%E8%AA%B2%E7%A8%8B%E7%B6%B1%E8%A6%81%E7%B8%BD%E7%B6%B1.pdf

Bielik, T., Finnie, K., Peek-Brown, D.,Klager, C., Touitou, I., Schneider, B., & Krajcik, J. (2022). High schoolteachers’ perspectives on shifting towards teaching ngss-aligned project based learning curricular units. Journal of Science Teacher Education, 33(4), 413-434.

Krajcik, J., & Shin, N. (2023). Student conceptions, conceptual Change, and learning
Progressions. In K. Sawyer (Ed.),Handbook of Research on Science Education: Volume III (pp. 37-xxx). Routledge.
 

國中自然科學彈性課程設計與教學:發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程 ∕ 鐘建坪

星期日 , 3, 9 月 2023 在〈國中自然科學彈性課程設計與教學:發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程 ∕ 鐘建坪〉中留言功能已關閉

國中自然科學彈性課程設計與教學:發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程

鐘建坪

新北市立錦和高級中學
[email protected]

n  前言

   環境永續發展是全人類應該重視的課題,其牽涉的範圍涵蓋經濟、社會與環境。聯合國於2015年發布永續發展目標Sustainable Development Goals, SDGs),期待人類在滿足現今需求的同時,又不損害後代人類的發展模式。透過教育,以素養進行推動,讓學生能夠面對當代環境議題,擴展國際視野,並進行在地行動UN, 2018)。

12年國教期待學生成為終身學習者,著重「自主行動」、「溝通互動」,以及「社會參與」。總綱揭示在社會參與面向期待學生具備環境意識,主動參與公益活動與關懷生態環境。自然領綱更進一步認為可以透過相關議題的學習,了解生活周遭的居住環境,以增加學生主動探索的機會(國家教育研究院,20142018)。

彈性學習課程為學校規劃之全校、全年級或班群的學習活動,主要希望提升學生的學習興趣以及落實學校本位特色課程。彈性學習課程可以跨領域/科目結合各項議題,發展「統整性主題/專題/議題探究課程」,能夠強化不同的知能與議題整合能力(國家教育研究院,2014)

自然領綱設定的探究與實作課程著重學生能夠進行問題的發現、實驗的規劃與研究、數據結果的論證與建模,以及師生、生生之間表達與分享,透過這些歷程進行科學探究主題的課程。雖然國中沒有將探究與實作設定為實際的科目,但是自然領綱強調國中小應該發揮探究與實作的精神進行主題探究。因此,本研究嘗試讓學生透過對環境議題的理解,發展彈性學習課程,以水質檢測為主題,培養學生相關的能力,以促進學生整合相關領域的機會。

n  探究與實作取向水質檢測彈性課程

一、探究與實作

    科學的學習方法著重探究歷程,讓學生從發現問題、確認變因關係、搜尋資料、尋找器材組織設備,接著進行資料收集與數據分析,最後形成論點與結果,讓學生從中統整學習相關概念知識、探究能力與正向的科學態度。因此,自然領綱期望各學習階段應該重視並貫徹「探究與實作」的方法,提供學生學習自然科學(國家教育研究院2018)。名義上國中課程沒有探究與實作的科目,但是可以藉由彈性課程的設計進行議題式的探索與實踐,讓學生發展探究與實作的機會。

二、水質檢測相關教學研究

    河川與我們生活息息相關,但因工業發展、垃圾增量等因素影響,造成水質下降。為確保河川水質,目前使用河川汙染指標監測河水的水中溶氧量Dissolved Oxygen, 簡稱DO)、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, 簡稱BOD)、懸浮固體Suspended Solids, 簡稱SS),以及氨氮NH3-N等四項水質參數之濃度值,經計算轉化數值之後判定為未受汙染、輕度汙染、中度汙染以極重度汙染(行政院環境保護署全國環境水質監測資訊網,2020)。

    目前國內進行水資源學習的相關教學設計仍屬少數,其進行的方式主要以高中校定必修課程為主(張明絹、吳德鵬,2020;鍾曉蘭,2015)。張明絹與吳德鵬以桃園地方文化特色,發展以埤塘為主題的跨領域課程,藉由試劑與導電度計測量埤塘的溶氧量與導電度大小,以確認埤塘水質汙染程度(張明絹、吳德鵬,2020)。鍾曉蘭則以淡水河左岸為主題的跨學科課程,在學校附近進行生態調查以及水質檢測,探討許多因素,包括:優養化、熱污染、濁度、酸鹼度、導電度、溶氧量等地改變對生態的影響(鍾曉蘭,2015)。然而,目前文獻中所研發的課程較著重在技能的學習,缺少以國中學生程度的課程開發。

三、理念與架構

    探究與實作包含發現問題、規劃與研究、論證與建模,以及表達與分享等階段步驟,每個階段並非直線歷程,而是可依照主題穿插轉換不同階段順序。教師在教學上提供議題為主的探究學習能夠協助學生深入主題的概念內容、發展相關的探究能力,以及促進正向的科學態度NRC, 1996; 2000)。

    本課程模組區分2個階段,首先嘗試讓學生預測學校附近溝渠水質情況出發,導入環境永續議題讓學生對生活周遭溝渠的地理環境有所認識,藉由探究與實作的架構進行探究學習,讓學生設計簡易的導電度計與水質收集器,並與數位導電度計收集到的數據進行確認、比較,並進行分享回饋。接著再以環保署資料庫的資料分析確認不同水質收集地點的水質狀況(圖1)。

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1:課程架構(引自Jong, 2023)

四、教學規劃與實施

    教學設計主要依據議題式教學進行,強調讓學生在學習歷程進行探究學習。首先進行環境永續指標與淡水河紀錄影片的介紹,說明環境議題的重要性,讓學生具有環境意識,並對居住地附近的河川進行認識(2)。接著讓學生思索影響學校附近溝渠水質的影響因素,繪製變因關係圖(3),確認相關研究問題,進行問題確認。

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2 觀看淡水河歷史紀錄片

3 進行心智圖繪製

4 簡易導電度計設計圖

為結合STEM(Science, Technology, Engineering, Mathematics),從眾多的影響因素中,選擇導電度因素進行水質探討。學生在有限的材料提示下,需先繪製簡易導電度的設計圖(4),過程中教師逐步提示(5),而非直接給予材料包讓學生組裝。當學生完成設計圖之後,才能開始組裝簡易導電度計(6)

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5小組討論設計圖

6 組裝簡易導電度計

7 測試簡易導電度計

因為學生對於電阻接點仍未熟悉,因此簡易導電度計的工具實作需要時間進行組裝(7)。經過簡易導電度計的設計與組裝,學生對於集水器較能駕輕就熟,並實際練習收集水體的可行性(8),練習後實際採集並收集(9)相關數據進行分析(10)

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8 設計與實作簡易撈水器

9 實際至溝渠撈水

10 簡易導電度計量測

由於簡易導電度計只具有質性亮與暗程度的區別,因此,學生會進行數位導電度計的水質檢測以進行比較(11、圖12)。接著依據結果進行說明(13)。因為溶氧量的數位計與檢測方式昂貴或其原理超過國中學生程度,但為求學生能有系統的了解,接著利用環保署實際收集的資料庫進行不同地點水質的分析與比較(14、圖15),讓學生知悉水質檢驗的項目與過程,並讓學生上台分享分析結果(16)

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11 數位導電度計量測

12 測量不同組別的樣品

13 上台發表試驗結果

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14 分析資料庫數據

15 進行數據分析

16 上台口頭報告

n  教師如何規劃學活動與協助學生優化學習內容

一、提供與學生經驗連結的探究題材

    本研究以探索受試學生校園附近溝渠水質出發,進行水質預測、設計工具、進行組裝、實際收集資料,並進行數據分析,讓學生能夠藉由校園附近溝渠的水質,並且經由環保署公開的資料庫數據讓學生分析新店溪不同取水地點的水質差異,讓學生知悉環保署有持續在監控河川水質,並且藉由分析知道不同地點的水質情形。

二、依據探究歷程設計不同階段的探究活動

    本研究以自然領綱探究歷程為基礎,規劃發現問題、規劃與研究、論證與建模,以及表達與分享四個階段為基礎。在發現問題部分,先讓學生觀看淡水河相關歷史,並藉由google map讓學生知悉二八張溝的流向與新店溪、淡水河的關係。接著讓學生繪製心智圖,提供學生思考不同影響二八張溝水質的關係。再以導電度為例讓學生實際設計一個簡易的導電度計與撈水器,並進行組裝。從取得的溝渠水,進行簡易導電度計與數位導電度計的試驗,讓學生分析結果並上台進行發表。再說明環保署資料庫的數據,讓學生實際分析不同地點收集到的數據進行比較分析,評估不同地點水質差異的原因。

三、搭配學習單,讓學生有所依循並紀錄所學內容

    因為探究的時程並非只是13節課的簡單實驗活動,而是期待能夠呈現給學生完整的探究歷程,因此教學的過程中,搭配學習單,讓學生在課堂中記錄不同階段的學習成果,一方面教師能夠藉由學習單輔助說明教學的內容,另一方面學生亦能夠藉由學習單紀錄自己的學習成果。

四、設計與組裝所需器材,教師著重鷹架提供,而非單純材料包組裝

    簡易導電度計與撈水器的設計與組裝,主要是在有限的材料之中,由教師每次逐步提供線索,先讓學生思考可行的設計方案,再開放小組討論,而非單純教師直接教導學生如何組裝材料包的器材。經由學生主動思考過後再進行小組討論,學生能夠更加深入思考彼此間的想法與設計的異同。

五、注重差異化,讓每位學生在課堂皆能夠積極投入

    本探索活動有思考心智活動,亦有動手操作的組裝活動。過程中教師採用逐步增加線索的方式協助學生思考設計方向,能力佳者能在教師提供的前12次線索中思索到設計的方向,而能力中、低者亦能在後續的線索中大致知悉完整的規劃方向。在進入小組討論前,每位同學皆是有初步想法能夠貢獻自己的觀點。

n  課程實施後學生想法與收穫

    整學期的課程圍繞在如何進行水質的檢測,包括:利用變因關係圖協助探討影響二八張溝水質的因素,以水體的導電度為例,設計並實作簡易導電度計,設計並實作水體收集器,再讓學生實際比較簡易導電度計與數位導電度計的差異,並將數位導電度計的檢測結果繪製關係圖,小組討論整理之後進行報告。學生認為整學期的課程是有趣不枯燥,能夠協助他們發現問題與解決問題,尤其對於簡易導電度計的設計與實作印象極為深刻,能夠從中理解不同元件之間的關係。另外,學生認為極有助益的在於小組合作,一起進行資料蒐集與報告,藉由報告過程反思自己整個學期的學習歷程。

一、發現問題階段

    學生針對影響學校附近二八張溝水質進行發想,並將相關影響因子繪圖呈現彼此之間的連結關係。學生陳述在此階段「學到了如何畫圖」、「了解如何進行假設」,以及「把流程先擬定好」等內容。因此,藉由視覺化的過程能夠協助學生統整影響水質的相關因素,確認出不同因素之間的影響關係,以作為研究假設的基礎。

二、規劃與研究階段

    雖然學生探討許多影響水質的因素,課堂的活動引導主要探討水質的導電性,讓學生能夠在有限的材料範圍內,基於自己先前對於電解質的概念,在教師逐漸引導與提示之下,能夠設計並製作出簡易的導電度計與水質收集器。學生認為過程中不僅可以透過設計進行學習「實驗的設計和手作能力提升」,亦促進手做能力「透過實作來發現一些事情」、「知道該如何製作簡易導電度計與水質收集器」、「學習規畫與研究檢測二八張溝的水質簡易導電度計」。同時,過程中學生亦能針對組裝進行修正與不斷地進行改善「組裝後發現不良,然後改善」。

三、論證與建模階段

    學生初始藉由簡易導電度計收集質性數據,再藉由數位導電度計實際測量導電數值,能夠評估工具的效度。接著讓學生實際分析環保署資料庫的數據,評估學校附近新店溪華中大橋與秀朗大橋的水質差異情形。學生認為過程中可以「比對預期和實際的差別」了解粗略估計與實際檢測之間差異,並且能夠「學會整理數據」、「學會依照表格,觀察出數據之間的關聯」,甚至在分析時「學到可能影響水質的原因」。

四、表達與分享階段

    當學生實際收集完二八張溝水質並進行分析之後,學生進行第一次上台發表,學生認為透過發表的過程能夠「思考變因之間的關係」、「將實驗數據完整的報告」,使得學生能夠思考數據結果與假設之間的差異「讓我能透過數據實證假設」、「學會去做比較,也知道其他水溝水的數據」,同時,也促進學生自己分析數據與上台發表的能力「學會與大家分享自己的所做的成果」、「分析數據和上台報告能力提升」。

n  結語與建議

    本課程以水質檢測作為主題,以探究與實作架構進行課程發展,以發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享交互進行,讓學生學習水質檢測的概念並培養相關的探究能力。本課程為一個具體實踐的方案,可作為國中彈性課程進行跨領域或是探究與實作課程的參考。未來實施相關建議如下:

一、如何有效協助不同能力學生,積極投入課程學習

    本課程設計的主題式探究涵蓋探究歷程的心智訓練與手動操作,雖然期待能夠符應不同學生的學習準備度,但是實際操作時,授課教師仍需思考如何在課堂之內,能夠讓每位學生不僅動機能夠增長,而且涵蓋相關知識、技能與態度的促進。

二、如何透過探究歷程外顯化,協助學生將探究形成思考架構

    探究不僅是學生探索科學的歷程,也應該是能夠內化於心的思考架構。雖然課程所設計的學習單有外顯化探究歷程,但是如何評量學生探究思考架構,以及學生如何將探究與其相關的議題探索結合需要更細緻的探討。

三、讓學生探索居所附近議題,結合在地化與全球化的概念,形成在地全球化的思考模式

    探索學生能夠接觸的議題,則能引起學生較大的關注。本課程嘗試以探究模式讓學生針對自己學校附近溝渠水質的好壞進行工具設計、製作與實測,再結合環保署水質調查資料讓學生進行相關分析。讓學生從學校附近的溝渠水質出發,進而提升對臺灣河川等水源品質進行關注。

n  參考文獻

行政院環境保護署全國環境水質監測資訊網2020)。河川汙染指數(RPI)。檢索日期:202245日。取自https://wq.epa.gov.tw/EWQP/zh/Encyclopedia/NounDefinition/Pedia_37.aspx  

國家教育研究院2014)。十二年國民基本教育課程綱要總綱。新北市:國家教育研究院。

國家教育研究院2018)。十二年國民基本教育課程綱要:自然科學領域。新北市:國家教育研究院。

張明絹、吳德鵬2020)。武陵高中校定必修:千塘桃花源。臺灣化學教育,35。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=36337

鍾曉蘭2015)。跨學科科學課程設計—「淡水河左岸」專題研究課程。臺灣化學教育,7。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=6973

Jong, J. P. (2023, July). Implementing inquiry-oriented school-development curriculum to develop students’ inquiry abilities regarding water quality. Paper presented at the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), July 28 – July 30, Kuching, Malaysia.

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

       National Research Council. (2000). Inquiry and the National Science Education Standards. Washington, DC: National Academic Press.

       UN. (2018). The sustainable development goals report 2018. https://
unstats.un.org/sdgs/files/report/2018/TheSustainableDevelopmentGoalsReport2018-EN.pdf

以現代化學觀點 詮釋一篇發表給呂薩克定律的回憶錄 / 游文綺、胡景瀚

星期六 , 2, 9 月 2023 在〈以現代化學觀點 詮釋一篇發表給呂薩克定律的回憶錄 / 游文綺、胡景瀚〉中留言功能已關閉

 以現代化學觀點

詮釋一篇發表給呂薩克定律的回憶錄

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*
[email protected]

n  譯者導讀

在中學自然科學和大學化學的教科書中,常見到給呂薩克定律(Gay-Lussac’s law),此定律是學生不可或缺的學習內容。給呂薩克定律是指在同溫同壓下,氣體反應物相互之間依照簡單體積比例進行反應,並且產生的任一氣體產物也與氣體反應物的體積成簡單整數比。此定律由法國化學家約瑟夫·路易·給呂薩克Joseph Louis Gay-Lussac, 1778-18501808年發現,其畫像如圖一左所示;並且他於1809以法文發表一篇論文名為Mémoire sur la combinaison des substances gazeuses les unes avec les autresGay-Lussac, 1809),如圖一中所示。這篇英譯名Memoir on the Combination of Gaseous Substances with Each OtherHenry A. B. etc., 1966),如圖一右所示。這篇論文筆者中譯為《關於氣態物質相互結合的回憶錄》,如見附錄。在此論文中,並沒有提到「給呂薩克定律」一詞,此定律是後人對給呂薩克的研究貢獻以他的姓氏作為科學定律的尊榮。

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圖一:路易·給呂薩克(左)、原文法文版本(中)和英譯版本(右)

(圖片來源:http://belkihistory12.blogspot.com/2015/http://www.numdam.org/item/?id=ASENS_1886_3_3__89_0 https://web.lemoyne.edu/~giunta/gaylussac.html

18-19世紀,化學界主要研究項目為物質在不同狀態下的特性和對壓力、熱量的反應。1808年之前,給呂薩克參與當時一個重要的問題:「確定化合物是否以各種比例形成?」與馬塞爾·普魯斯特(Marcel Proust)、克洛德·路易·貝托萊(Claude-Louis Bertholle)、約翰·道耳頓(John Dalton)等人相繼提出觀點。

給呂薩克在發現200份體積的水蒸氣為氧氣和氫氣以100200份體積比反應,他懷疑氣態物質之間的化合物是以非常簡單的體積比例形成的,經由一系列的實驗發現,氣態物質結合的比例為111213,在固體或液體物質中,這種比例無法觀察到。此外,道耳頓原子說認為由兩種物質組成的化合物中的元素有一定的結合比例。

給呂薩克的《回憶錄》論文提到利用氟硼酸氣體、鹽酸氣體和碳酸氣體,分別與氨氣結合,證明出相等體積的酸和鹼結合會導致中性化;分析氮氧化合物的元素比例得出氣體在相互作用時總是以最簡單的比例結合,這些成果揭示氣態物質在對壓力和熱量的反應存在著規律性。

給呂薩克的《回憶錄》論文有些描述過於精簡或計算過程省略,以致不易理解他發現定律的前後關系。為易於閱讀上的理解,筆者在這篇中譯論文中加註現代的化合物分子式和化學反應式,以斜體字呈現在全形中刮號中,例如:碳酸氣體〔CO2(g)〕,以便詮釋該論文的重要內涵和探究氣體結合的體積關係;並且加註英文的專名詞和當時的物質名稱(俗名)在小刮號內,以標準字形呈現,例如:鹽酸氣體(muriatic gas),以幫助讀者知道論文中提到的專有名詞和俗名的意思。筆者加註的分子式和反應式,對當時的給呂薩克來說,他不知道所做實驗化合物的分子式和進行的反應式,也不知道在反應式中的係數是他進行實驗的「體積比」、更不知道是「分子數比」或「莫耳數比」。以下是該文的中英文翻譯的標題;在內文中,除「結論」的次標題之外,其他為筆者所添加。

給呂薩克《回憶錄》論文有多方面的價值:(1)透過給呂薩克的實驗結果,發現一項科學定律的過程,值得閱讀並理解科學定律的建立;(2)科學定律的建立是基於定量實驗的測量和結果與討論,值得閱讀並仿效其科學方法和過程;(3)透過200多年前的論文,值得閱讀並初探早期科學原理的建立,知道科學歷史的發展過程。

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關於氣態物質相互化合的回憶錄

約瑟夫·路易·給呂薩克

Memoir on the Combination of Gaseous
Substances with Each Other

Joseph Louis Gay-Lussac

Mémoires de la Société d’Arcueil 2, 207 (1809)

n  前言

無論是固態、液態還是氣態下的物質,有一些與內聚力無關的特性;但是這些物質似乎受到某種力量的影響,影響的程度並不確定,也沒有明確的規律。雖然不同物質在受到相同壓力作用下體積改變量是不同的,但是當我們〔指給呂薩克在其論文的第一人稱,以下同〕對所有彈性流體施加相同的壓力時,它們會呈現相同的體積減少,這類結果也適用在熱量對物質膨脹的特性。這個現象暗示著物質在不同狀態下對壓力或熱量的反應不盡相同,且受到其他因素的影響。可能包括分子間的相互作用力、分子排列的結構性特徵以及物質的物理性質等等。我們對於這種力量的影響程度仍需進一步的研究和瞭解。

固體和液體中分子的吸引力是改變其特殊性質的原因,只有當吸引力完全被破壞時,如在氣體中,或是類似條件下的物體,才會服從簡單而有規律的定律。我〔指給呂薩克,以下同〕打算解釋氣體中的規律性來支持這一點。藉由說明物質以非常簡單的方式彼此結合,它們在結合時經歷的體積收縮也遵循規律,使人們瞭解氣體中的一些新特性。希望藉由這種方式來證明一些傑出化學家提出的先進觀點,也許離能夠把大部分化學現象提交給「計算」的時候不遠了。

n  等待解答的事實

「確定化合物是否以各種比例形成?」這本身就是一個非常重要的問題,也是化學家之間討論最多的問題。普魯斯特先生(M. Proust)是第一個注意這個問題的人。他認為金屬只有兩種氧化程度,即最小和最大氧化程度。但是在這個假設下,他被迫接受與物理學相反的原則,才能將同一種金屬的所有氧化物僅僅化約為兩種氧化物。另一方面,貝托萊先生(M. Berthollet)從一般的狀況下和他的實驗中推理:「化合物的形成往往以非常不固定的比例進行,除非受到特殊因素的影響,如結晶、不溶性或彈性。」最後,道耳頓提出這樣一個觀點:「兩種物質的化合物是以這樣一種方式形成的:一個原子與另一個原子的一個、兩個、三個或更多原子結合。」若按照這種方式來看化合物的話,就會發現它們是以恆定比例形成的,且不存在中間體,從這個角度來看,道耳頓的理論就與普魯斯特的先生理論相似,但貝托萊先生在為湯姆森的《化學》(Thomson’s Chemistry)撰寫的引言中強烈反對這一點。我們將會看到,實際上它不是完全正確的,它仍然未得到解決,我希望現在要陳述的這些事實,是一些被化學家所忽略的事實,將有助於闡明這個問題。

n  氣體實驗的結果與討論

根據洪堡先生(M. Humboldt)和我的觀察,我們已經確定水蒸氣的比例為100份氧氣對200份氫氣結合〔O2(g) + 2H2(g) → 2H2O(g)〕,我懷疑其他氣體也可能以簡單的比例結合。為此,進行以下實驗,我準備氟硼酸、鹽酸和碳酸氣體(fluoboric, muriatic, and carbonic gases),分別將它們與氨氣結合。100份鹽酸氣體〔HCl(g)〕體積恰好飽和(saturate)〔完全結合或化合之意100份氨氣體積,它們所形成的鹽是完全中性的〔NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s)〕,無論哪一種氣體使用過量都是如此。相反地,氟硼酸氣體〔HBF4(g)〕以兩種比例方式與氨氣結合。其一:如果先將氟硼酸氣體放入刻度管中,然後再通入氨氣,可以發現兩種氣體以相等體積結合,所形成的鹽也是中性的NH3(g) + HBF4(g) → NH4BF4(s)可能的原因是氣態NH3的密度比HBF4小很多,且相互結合的速率慢,以致在下層的HBF4只能與適量的NH3反應而產生NH4BF4,其溶液pH值略低於7.0。其二:如果我們先將氨氣放入刻度管中,然後在單一氣泡中引入氟硼酸氣體,第一種氣體〔NH3(g)〕將會相對於第二種氣體〔HBF4(g)〕過量,所以得到的鹽就會帶有過量的鹼,它由100份氟硼酸氣體和200份氨氣組成〔先反應:NH3(g) +HBF4(g) →NH4BF4(s),後反應:NH4BF4(s) + NH3(g) NH3BF4NH4+(s),或以氫鍵結合而形成NH4BF4·NH3(s)可能的原因是氣態NH3的密度比HBF4小很多,引入的HBF4會下沉,且生成的NH4BF4也會下沉,以致NH4BF4與下層的NH3繼續結合而產生NH4BF4·NH3或形成NH3BF4NH4+其溶液pH是鹼性〕。

如果碳酸氣體〔CO2(g)〕和氨氣接觸,不論先通入碳酸氣體或氨氣管中,最後都會形成由100份碳酸氣體和200份氨氣組成的亞碳酸鹽sub-carbonate)〔(NH4)2CO3〕〔CO2(g) +2NH3(g) + H2O(l) → (NH4)2CO3(s)〕。然而,可以證明的是,中性的碳酸銨〔碳酸氫銨,(NH4)HCO3其溶液的pH 7.4-7.6低於(NH4)2CO3pH 10.3〕由相等體積的這兩種成分組成〔CO2(g) + NH3(g) + H2O(l) → (NH4)HCO3(s)〕。貝托萊先生將碳酸氣體通入亞碳酸銨中進行分析〔(NH4)2CO3(s) + CO2(g)+ H2O(l) 2NH4HCO3(s)〕,發現它的組成重量為73.34份的碳酸氣體和26.66份的氨氣。現在,如果我們假設它由等體積的成分組成,根據已知的比重〔二氧化碳氣體密度為1.5196 kg/m3、氨氣氣體密度約為0.5902 kg/m3,本文氣體密度皆相對於空氣密度〕,我們可以計算出它的重量百分含量〔等體積組成,密度比即為重量比〕為碳酸氣體約占71.811.5196 / (1.5196 +0.5902) =0 .7203〕;氨氣約佔28.190.5902 / (1.5196 +0.5902) = 0.2797,這與前述的比例僅有些微的不同。

如果碳酸氣體和氨氣的混合可以形成中性的碳酸銨〔(NH4)HCO3〕,那麼其中一種氣體和另一種氣體將被等體積吸收,但事實上只能藉由水的介入來獲得中性的碳酸銨,因此得出結論,水與氨的親和力競爭,克服碳酸氣體的彈性。只有透過水的介入,中性的碳酸銨才能存在。

因此我們可以得出結論鹽酸、氟硼酸和碳酸氣體皆需要相等體積的氨氣來形成中性鹽〔例如:NH4BF4(NH4)HCO3〕,而氟硼酸和碳酸氣體可以由兩倍的氨氣來製成亞鹽(sub-salts)〔例如:NH3BF4NH4+NH4BF4·NH3(NH4)2CO3〕。可以看到不同的酸能夠與相等體積的氨氣中和。因此我懷疑,如果所有的酸和所有的鹼都能以氣態形式獲得,那麼相等體積的酸和鹼結合將導致中性化。

還可以看出一個有趣的現象,無論得到一個中性鹽或者是亞鹽,它們的元素都是以簡單的比例結合在一起,這可以被視為對元素比例的限制。因此,如果接受由比奧先生(M. Biot)和我確定的鹽酸氣體比重,且由比奧和阿拉戈先生(M. Biot and Arago)所提供的鹽酸氣體和氨氣的密度可以發現氨的中性鹽〔NH4Cl〕的氨氣體對鹽酸氣體重量比為100.0160.7,與貝托萊的結論100.0213相差甚遠〔給呂薩克使用的中性鹽(NH4Cl)密度誤差非常大,因此得到錯誤的結果,氨氣與鹽酸氣體正確的重量比為100214〕。

同理,可以發現氨鹽類的重量比〔氨氣的密度:二氧化碳的密度 × 體積倍數 

鹽類

氨重量比

碳酸氣體重量比

亞鹽〔(NH4)2CO3

100.0

127.3

中性鹽NH4HCO3

100.0

254.6

根據前面的結果,可以很容易確定氟硼酸、鹽酸和碳酸氣體的容積比(ratios of the capacity)〔即體積比〕。因為這三種氣體飽和相同體積的氨氣,考慮到鹽酸中含有的水,這些氣體的相對容量〔即相對體積〕與它們的密度成反比〔密度=質量/體積,當質量固定,體積與密度成反比〕。根據上述可以得出結論:「氣體以非常簡單的體積比相互結合」。

根據貝托萊先生的實驗,氨氣的組成的體積比為100份氮氣加上300份氫氣〔N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)〕。在《阿爾斯日爾曼學會論文集》第一卷中發現,硫酸(sulphuric acid)〔指硫酸氣體,SO3的組成為100份含硫氣體(sulphurous gas)〔SO2(g)〕和50份的氧氣〔SO2(g) + 1/2O2(g) → SO3(g)〕。當50份氧氣和100碳氧化物carbonic oxideCO(藉由鋅氧化物與高溫鍛燒的木炭蒸餾製成),這兩種氣體被消耗,並產生100份碳酸氣體。因此,碳酸氣體可被視為由100份碳氧化物氣體和50份氧氣組成〔CO(g) + 1/2O2(g) → CO2(g)〕。

戴維(Davy)從對氮氣與氧氣的各種氧化物中分析,找出以下重量比。〔中括號內的分子式和現代數字為譯者所標示 

氮氧化物

重量比

重量比

氧化亞氮Nitrous oxide)〔N2O

63.363.65

36.7036.35

亞氮氣體(Nitrous gas)〔NO

44.0546.68

55.9553.32

硝酸氣體(Nitric acid)〔NO2

29.5030.45

70.5069.55

我們可以承認下表內數字表示氮氣與氧氣的化合物的體積比:氣體的體積等於重量除以密度,再相對於氮氣為100

氮氧化物

重量比

重量比

氧化亞氮Nitrous oxide)〔N2O

100

49.5

亞氮氣體(Nitrous gas)〔NO

100

108.9

硝酸氣體(Nitric acid)〔NO2

100

204.7

這些比例中,第一項和最後一項的結果與整數比10050100200只有微小的差異;只有第二項的結果與整數比100100有些偏差。不過這差異不是很大,符合這類實驗的標準誤差,而且我向自己保證,這種差異實際上是0。當100份體積的亞氮氣體〔NO(g)在來自新可燃物質中的鉀燃燒時,產生50份體積的氮氣〔NO(g) + 2K(s)
1/2N2
(g) + K2O(s)
〕。根據測量的亞氮氣體(由阿爾克伊的貝拉爾先生(M. Berard at Arcueil)精確測定)的重量,減去氮氣的重量,實驗結果表明:這種氣體由等體積的氮氣和氧氣組成〔N2(g) + O2(g) → 2NO(g)〕。

因此,我們可以接受以下數字,即氮氣與氧氣的化合物的體積比例: 

氮氧化物

體積比

體積比

氧化亞氮Nitrous oxide)〔N2O

100

50

亞氮氣體Nitrous gas)〔NO

100

100

硝酸氣體Nitric acid)〔NO2

100

200

根據我的實驗,含氧鹽酸(oxygenated muriatic acid18世紀化學家將氯化合物稱為含氧鹽酸或氧化鹽酸,直到1811年,戴維博士才將其確認為氯氣,Cl2(g)〕的重量百分比由氧氣比鹽酸氣體為22.9277.08組成轉換成莫耳數比為1.0002.987,可能的反應是O2(g) + 3HCl(g) →2HClO·HCl(g),此產物是HClOHCl以氫鍵結合,後面會繼續談到,這與舍內維克斯先生M. Chenevix的實驗幾乎沒有什麼不同。上述重量換算成體積體積=重量/密度〕,我們發現含氧鹽酸是由以下物質形成的。〔1772年,化學家認為氧是酸中不可或缺的組成,並定義氧為酸生成者,直到1811年,戴維博士才證明部分酸中未含氧原子(高憲章,2015〕。

氮氧化物

氧氣體積比

鹽酸氣體體積比

含氧鹽酸〔實驗計算值

103.2

300.0

含氧鹽酸〔趨近值

100

300

        我們可以得出結論:氣體在相互作用時總是以最簡單的比結合。在前面的所有例子中,我們看到體積結合的比例是111213。非常重要的觀察是,在考慮重量時,任何一種化合物的元素之間沒有簡單和有限制的關係。在相同元素之間出現第二種化合物時,已加入元素的新比例才是第一種數量的倍數〔例如:上述的三種氮氧化物〕。相反地,無論氣體以什麼比例結合所產生的化合物的元素體積為彼此的倍數。

氣體的結合體積不僅以非常簡單的比例,正如我們剛才所看到的那樣,而且它們在結合時所經歷的體積外觀收縮也與氣體的體積有關係,或者至少與其中一種氣體的體積有著簡單的關係。

上述曾提到,根據貝托萊先生的研究,當由蒸餾鋅氧化物和強鍛燒木炭製備而成的100份碳氧化物氣體CO(g)50份氧氣結合,會產生100份碳酸氣體〔CO(g) + 1/2O2(g) → CO2(g)〕。由此可以得知,這兩種氣體的收縮量(1 + 1/2) – 1 =1/2正好等於添加的氧氣體積1/2。因此,碳酸氣體CO2(g)的密度等於碳氧化物氣體CO(g)的密度加上氧氣密度的一半;或者反過來說,碳氧化物氣體的密度等於碳酸氣體氣體的密度減去氧氣密度的一半。以空氣密度為單位,我們發現碳氧化物氣體〔CO(g)〕的密度為0.9678原文提到密度都沒有寫出單位(kg/m3)。氧氣密度為1.10359 kg/m3;二氧化碳氣體密度為1.5196 kg/m3,因此一氧化碳氣體密度為1.5196 – (1/2 × 1.10359) = 0.9678 kg/m3,而不是由克魯克尚克斯(Cruickshanks)實驗測得的0.9569。我們還知道,相同體積的氧氣可以產生相同體積的碳酸氣體〔C(s) + O2(g) → CO2(g)〕。因此,氧氣體在與碳結合形成碳氧化物氣體時體積雙倍〔O2(g) + 2C(s) → 2CO(g)〕。由於氧氣可以產生相同體積的碳酸氣體,而且碳氧化物氣體的密度是已知的,因此可以容易地計算這元素的重量比例。藉由這種方式,我們發現碳酸氣體〔CO2(g)〕的碳:氧重量百分比為27.3872.62 12/(12+16×2)16×2/(12+16×2)正確值為27.2772.73〕;碳氧化物氣體〔CO(g)〕的碳:氧重量百分比為42.9957.01 12/(12+16)16/(12+16)正確值為42.8657.14〕。

進一步研究,我們發現若硫需要100份氧來製造亞硫酸(sulphurous acid)氣體〔S(s) + O2(g) → SO2(g)〕,則需要150份氧來製造硫酸sulphuric acid氣體〔S(s) + 1.5O2(g) → SO3(g)〕。實際上,根據克拉普羅斯、布霍爾茨和里克特先生(M. Klaproth, Bucholz, and Richter)的實驗,硫酸氣體由100份硫重和138份氧重組成〔莫耳數比為100/32.07138/32.00 = 3.124.31 = 100138,與上面反應的係數比1.01.5比較,有些許的誤差〕。

也可以說2硫酸氣體是由2份體積的亞硫酸氣體和1份氧氣組成〔2SO2(g) + O2(g)→ 2SO3(g)〕。2份的硫酸氣體的重量與2份亞硫酸氣體重量和1份氧氣的重量相加應該相同,即2 × 2.265加上1.10359,得到5.63359原文提到重量都沒有寫出單位(g〕;亞硫酸氣體比重為2.265,是根據基爾萬Kirwan的說法。但是從硫酸氣體的100份硫與138份氧氣的體積比中,硫酸氣體重量包含3.26653份的氧重〔5.63359 × 138/238 = 3.26653 (g)〕,如果從中減去1.10359的氧重,那麼還剩下2.16294亞硫酸氣體重量〔3.26653  – 1.10359  = 2.16294 (g)〕,此重量為亞硫酸氣體中的2份氧重,或者在1份亞硫酸氣體重中含有1.08147份氧重。〔由於這份氧的重量之值約等於氧氣的密度之值,原文作者在下一段文字中嘗試說服讀者,與定量的硫反應,形成100份亞硫酸氣體和硫酸氣體所需的氧氣體積分別為100份和150

由於這最後一個量〔1.08147份氧重〕只比代表氧氣密度的1.10359少了2%。因此得出結論,氧氣在與硫結合形成亞硫酸氣體時,只會經歷其體積的1/50的減少,如果使用的數據更精確,這可能為零。在這最後一個假設下,使用基爾萬對亞硫酸氣體密度之值〔2.265〕,我們發現亞硫酸氣體是由100.00份的硫重和95.02份的氧重組成〔重量比為 (2.2650 – 1.10359)1.10359 = 10095.02〕。但是,如果我們採用前述的硫酸氣體比例,並假設100份亞硫酸氣體中含有100份氧氣,並且產生亞硫酸氣體後,還需要再加入50份氧氣才能轉化為硫酸氣體,那麼我們可以得出亞硫酸氣體的重量比為100.0份的硫重和92.0份氧重〔100.0(138 × 2/3) = 10092.0〕。以相同假設計算其比重,並參照空氣比重,得到亞硫酸氣體比重是2.30314100.092.0 = (亞硫酸氣體密度 – 1.10359)1.10359,得到亞硫酸密度為2.30314 kg/m3〕,而不是基爾萬直接測得的2.2650

磷和硫有非常密切相關,因為它們的比重幾乎相同。磷在轉變為亞磷酸(phosphorous acid)〔4P(s) + 3O2(g) + 6H2O(l)→ 4H3PO3(l)〕,需要吸收的氧氣量是亞磷酸轉變為磷酸phosphoric acid)〔4H3PO3(l) + 2O2(g) → 4H3PO4(l)所需氧氣量的兩倍〔理論上應為3/2 = 1.50倍,磷酸與亞磷酸所需氧氣比為1.51,這與硫與氧結合成硫酸與亞硫酸相似〕。根據羅斯(Rose)的實驗,磷酸的組成為100.0份的磷重和114.0份的氧重〔應155份重,(16.0 × 3) / 31.0 = 1.55份重〕,亞磷酸氣體包含100.0份的磷重和76.0份的氧重〔理論上應為103份重,(16.0 × 2) / 31.0 = 1.03份重,誤差很大〕。

我們已經看到,100份體積的氮氣需要50份體積的氧氣來形成氧化亞氮Nitrous oxideN2O(g)N2(g) + 1/2O2(g)N2O(g)〕,而需要100份體積的氧氣才能形成亞氮氣體nitrous gasNO(g)N2(g) + O2(g) → 2NO(g)〕。在第一種情況下,體積收縮量略大於添加的氧氣體積理論上,體積收縮量為(1
+ 1/2) – 1=1/2
份,氧氣體積為1/2。根據這假設計算氧化亞氮的比重1.520921份氮氣密度加上1/2份氧氣密度即可得出氧化亞氮氣體密度〕,而戴維給出的密度為1.61414。但是從戴維的一些實驗中可以很容易地證明,體積收縮量恰好等於添加的氧氣體積。當100份氫氣和97.5份氧化亞氮的混合物通過電火花時,氫氣被破壞,留下102份氮氣〔H2(g) + N2O(g) → N2(g) + H2O(l)〕,包括幾乎是與氫氣混合的那些氮氣〔體積比為係數比 = N2ON2 = 11〕,以及一些逃逸的未燃燒的氫氣剩餘物,在所有的修正後,幾乎等於所使用的氧化亞氮的體積。同樣地,當100份磷化氫phosphorated hydrogenPH3250份氧化亞氮的混合物通入電火花時,生成水和磷酸phosphoric acidH3PO4恰好留下250份氮氣〔PH3(g) + 4N2O(g) → H3PO4(l) + 4N2(g),此反應式的係數比(PH3N2O = 100400)與上述實驗使用體積(100250)比差異很大,可能的原因是PH3O2敏感而降低其含量,且N2O對水蒸氣的親和力大而降低其對PH3的活性〕。另外明顯的證據表明〔2N2(g) + O2(g) → 2N2O(g)〕,氧化亞氮的元素外觀收縮量(2 + 1) – 2 =1等於添加氧氣的全部體積1。由此看來,與空氣相比,氧化亞氮的比重為1.52092

另一方面,亞氮氣體Nitrous gas)〔NO(g)的元素外觀收縮似乎是零。如果我們假設它由氧氣和氮氣的等量組成〔N2(g) + O2(g) → 2NO(g)〕,那麼在假設不存在收縮的情況下,其密度應為1.036(1.10359 + 0.9722)/2 = 1.036〕,而實際測得的密度為1.038。氨氣是由三份氫氣和一份氮氣組成〔3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)〕,與空氣相比,氨氣的密度為0.5963份氫氣密度加上1份氧氣密度再除以2即可得〕。但是如果我們假設其元素的外觀收縮量〔(3 +1) – 2 = 2〕是整個體積〔3 +1 = 4〕的一半,我們會發現氨氣的密度為0.594。因此,這種近乎完美的一致證明,其元素的收縮量恰好是總體積的一半,或者說是氮氣體積的兩倍。

我已經證明含氧鹽酸氣體是由300份鹽酸氣體和100份氧氣組成的此反應可能是3HCl(g) + O2(g) → 2HClO·HCl(g),此產物可能是HClOHCl以氫鍵結合的物質。如果我們假設這兩種氣體的外觀收縮量是整個體積的一半,那麼它的密度就是2.468戴維提供鹽酸氣體密度為1.278(3 × 1.278 + 1.10359)/2= 2.468 kg/m3,而實驗值為2.470。我還進行幾個實驗來確認含氧鹽酸的元素比例,發現它與金屬形成中性鹽。例如:如果我們通過氧化鹽酸氣體oxygenated muriatic gas)〔HClO·HCl在銅上,就會形成微酸性的綠色鹽,而且還會沉澱出少量的銅氧化物,這種鹽不能完全中性化HClO·HCl(g)+ Cu(s) CuCl2(s) + H2O(l) → 2HCl(g)+ CuO(s)CuCl2(aq)為綠色且弱酸性,CuO為銅氧化物。由此可見,在所有的酸鹽中,例如在氧化鹽酸中,酸與氧氣的體積比為31。對於碳酸鹽和氟化物來說也是如此,它們的酸在相同體積下具有與鹽酸相同的飽和容量saturation capacity)〔完全結合或化合體積量之意〕。

n  體積變化與比例的解釋

透過這些各式各樣的例子,我們可以看到:「兩種氣體在結合時經歷的收縮與它們的體積幾乎完全相關,或者說與它們其中一種氣體的體積相關。」計算所得化合物的密度與實驗結果之間只存在非常微小的差異,而且有可能在進行新的研究時,這些差異會完全消失。

回顧化學親和力的偉大定律,即每一種組合都牽涉到基本分子的近似性(approximation)〔親和力不盡相同〕,很難理解為什麼碳氧化物氣體(carbonic oxide gas)〔CO(g)比氧氣輕〔比氧氣的密度小〕。事實上,這是導致貝托萊先生假定氫存在於這種氣體中,並因此解釋其低密度的主要原因。但是我認為,困難來自於假設基本分子在氣體中的近似性是由它們在結合時體積收縮的變化來表示。這種假設並不一定每次都成立,我們可以舉出幾個氣態化合物的例子,它們的分子組成非常接近,有些體積不僅沒有減少,甚至還會膨脹。例如:亞氮氣體(nitrous gas)〔NO(g)〕,無論我們認為它是由氮氣和氧氣直接形成〔N2(g) + O2(g)→ 2NO(g)〕,還是由氧化亞氮(nitrous oxide)氣體〔N2O(g)〕和氧氣形成〔N2O(g) + 1/2O2(g)→ 2NO(g)〕。在第一種情況下,體積不會減少〔理論上,2 – (1 + 1) = 0〕;在第二種情況下,混合100份的氮氧化物和50份的氧氣會產生200份的氧化亞氮,因此會有膨脹〔理論上,2 – (1 + 1/2) = 1/2〕。我們也知道,碳酸氣體(carbonic gas)〔CO2(g)〕代表完全相同體積的氧氣〔與碳氣結合〕,並且其元素結合的親和力非常強大〔C(g) + O2(g) → CO2(g)〕。然而,若我們承認元素的凝聚condensation)〔收縮之意〕與體積的凝聚之間存在著直接關係,則與實驗結果相反的結論是,碳酸氣體並不會經歷凝聚。否則,我們將不得不假設如果碳處於氣態,那麼它與氧以相等的體積(或其他比例)結合,而且外觀收縮量〔(1 +1) – 1 = 1〕等於整個氣態碳的體積〔1〕。但是如果我們對於碳酸氣體做此假設,也可以對於碳氧化物(carbonic oxide)〔CO(g)〕做出同樣的假設,例如:假定100份的氣態碳與50份的氧氣結合會產生100份的碳氧化物〔C(g) + 1/2O2(g) → CO(g)〕。儘管這些假設能夠使氧氣與固體物質結合產生比自身輕〔比氧氣密度小〕的化合物變得可行,我們仍必須承認一個經過多次觀察而成立的事實,那就是在兩個物質,特別是兩種氣體結合時,對體積的凝聚沒有直接的關係。因為我們經常看到其中一個變化很大,而另一個變化很小甚至沒有變化。

根據道耳頓巧妙的想法,即結合是從原子到原子形成的,兩種物質可以形成的各種化合物,由一種物質的一個分子與另一種物質的一個分子,或兩個或更多的分子的結合而產生。但是始終沒有中間化合物。事實上湯姆森(Thomson)和沃拉斯頓(Wollaston)已經證實這理論的實驗。湯姆森發現鉀氧化物的超草酸鹽(super-oxalate of potash)〔草酸鉀(K2C2O4),它是一種超酸鹽(super-acid salts〕含有的酸是使鹼飽和所需酸的兩倍〔K2O(s) + 2KHC2O4(s) 2K2C2O4(s) + H2O(l),此反應式依照(Wollaston, W. H., 1808)撰寫;依照此反應式,莫耳數比K2OKHC2O4 = 12〕;另一方面,沃拉斯頓認為鉀氧化物的亞碳酸鹽(sub-carbonate of potash)〔碳酸鉀(K2CO3),它是一種亞酸鹽(sub-acid salts)(Dharavath, A., 2023〕含有的鹼是使酸飽和所需鹼的兩倍〔K2CO3(s) + 2HCl(aq) CO2(s) + H2O(l)+ 2KCl(aq)此反應式依照Wollaston, W. H., 1808)撰寫;依照此反應式,莫耳數比K2CO3HCl = 12〕。

在這篇論文中,我提出的很多結果也非常有利於這一理論。但是貝托萊先生認為結合是連續形成的,他引用酸式硫酸鹽、玻璃合金、各種液體混合物等來證明他的觀點—這些都是比例變化很大的化合物,並且主張產生化合物和溶液有相同的結合力。因此,這兩種看法都有大量事實支持,儘管它們表面上是完全相反的,但很容易加以解釋。

首先,我們必須像貝托萊先生一樣承認,無論物質的數量和比例如何,化學作用都是無限持續地在物質的分子之間發生,並且通常我們可以得到具有非常多變比例的化合物。但是我們同時也必須承認,— 除了不溶性、凝聚力和彈性之外,這些傾向於形成固定比例化合物;— 當元素之間以簡單的比例或倍數比例存在時,化學作用會更加強烈,並且產生較容易分離的化合物。藉由這種方式,我們調和這兩種觀點,並且維護重要的化學定律,即當兩種物質相互存在時,它們會根據其質量在它們的活性範圍內進行作用,通常產生具有非常多變比例的化合物,除非這些比例由特殊情況所確定。

n  結論:簡單比例與體積的相關性

我在這篇《回憶錄》論文中表明氣態物質之間的化合物總是以非常簡單的體積比例形成,以致可以用統一術語〔指氣態物質之間的化合物〕來表示其中一項,另一項比例數值為12,或至多3指簡單的體積比例〕。這些體積比例在固體或液體物質中無法觀察到,當我們考慮重量時也不會有這種情況,這證明只有在氣態狀態下,物質處於相同的環境並遵守這個定律。值得一提的是,氨氣體恰好能中和其自身體積的氣態酸;而且如果所有的酸和鹼都處於彈性狀態,那麼它們將以相等的體積結合形成中性鹽是可能的。藉由體積測量,酸和鹼的飽和容量〔完全結合或化合的體積〕將會相同,這也可能是測定酸和鹼的真正方式。氣體在結合時所受到的外觀體積收縮也與其中一種氣體的體積有簡單的相關,這種特性同樣是氣態物質所特有的。

n  誌謝

承蒙彰化師大化學系楊水平副教授許多寶貴的建議與指正,以迄本文之撰寫,不斷地予以指導與啟迪,更對初稿逐字斧正,使得本篇文章得以順利完成,謹致以最深的謝意。

n  附錄

給呂薩克的論文《關於氣態物質相互結合的回憶錄》中文版

n  參考文獻

Dharavath, A. Potassium Carbonate. 2023. Source: https://protonstalk.com/chemistry/potassium-carbonate/.

Gay-Lussac, J. L. Mémoire sur la combinaison des substances gazeuses les unes avec les autres. Mémoires de la Société d’Arcueil 2, 207-234 (1809). Source: http://www.numdam.org/item/?id=ASENS_1886_3_3__89_0.

Henry A. Boorse and Lloyd Motz, eds. Memoir on the Combination of Gaseous Substances with Each. Other. The World of the Atom, vol. 1 (New York: Basic Books, 1966) (translation: Alembic Club Reprint No. 4). Source: https://web.lemoyne.edu/~giunta/gaylussac.html.

Hijmans, S. and Llored, J.-P. How to investigate the underpinnings of sciences? The case
of the element chlorine.
Foundations of Chemistry. 2022, 22, 447–456.

Wollaston, W. H. On Super-Acid and Sub-Acid Salts. Philosophical Transactions of the Royal Society of London , 1808, Vol. 98 (1808), pp. 96-102.
Source:
https://www.jstor.org/stable/107284.

高憲章。酸還要更酸下第一酸。552期,201511月,科學月刊。https://www.scimonth.com.tw/archives/3902

新北市自編雙語自然教材課程實踐 —The Fire Triangle /簡敏如

星期五 , 1, 9 月 2023 在〈新北市自編雙語自然教材課程實踐 —The Fire Triangle /簡敏如〉中留言功能已關閉

新北市自編雙語自然教材課程實踐The
Fire Triangle

簡敏如

新北市安坑國小科任教師

[email protected]

n  新北市自編雙語自然教材

     《新北市自編雙語自然教材》是新北教育局為達成「2030新北雙語城」目標,由新北市英語資源中心與自然輔導團研發之自編雙語自然教材,透過科學探究法讓學生觀察周遭自然現象,提出問題假設、實驗操作、探究理論,讓學生浸潤在學科及語言的素養學習(新北市政府教育局,2022)。新北市於110學年起自編雙語教材,於110學年度研發雙語自然五年級教材,111學年度研發雙語綜合活動五年級教材,下一學年則是持續研發雙語其他領域的五年級教材。,並於20228月將電子教材開放於新北市親師生平台(註1),提供新北市家長及教師透過新北市校務帳號登入後下載使用。教育局亦辦理18小時國小雙語自然教材模組研習,提供現職自然領域教師及英語領域教師雙語教學增能、教材活用研習及實踐訓練。

     本文作者在研習培訓後,將此教材實踐於新北市安坑國小六年級學生,本套教材雖是為五年級學生設計,然因本文作者教學班級為六年級,因此將課程實踐於六年級,後文會再詳細分析課程調整方式及學生背景。

n  課程設計與教學策略

本課程以《新北市自編雙語自然教材》學生課本為教材,依據教材內容設計一個單元共三節課程,本次授課單元為:單元一The Fire Triangle

本單元為自然科學領域五年級課程,並融入防災教育議題,透過CLIL Content and Language Integrated Learning)教學法,將學科和語言共同納入教學活動,將英語學習整合在學科內容學習中,以英語做為學習學科的工具,促進學科知識和語言的學習,讓學生所學的英文能實際應用於課堂及未來學習中。

課程設計中,作者將分為「學科部分」及「語言部分」介紹。

一、學科部分

 「燃燒三要素」是國小階段五年級課程,本課程讓學生透過POE模式,以科學探究的方法,理解燃燒需要:可燃燃料combustible fuel)、空氣(air)和燃點/熱(heat,並延伸至生活中應用,將燃燒三要素原理運用於生活與災害防治中。

本單元共三節,分別為:

(一)    第一節 認識燃燒三要素

    透過問答及照片,引導學生觀察日常生活中例如:中秋烤肉(barbeque)中的煤炭燃燒三要素,完成學習單,將生活中常見的物品分類成可燃燃料combustible fuel)、空氣(air)和燃點/熱(heat),組合使其能產生燃燒。本課學科學習標如下:

1. 能知道燃燒需要「可燃燃料」、「空氣」和「燃點(熱)」。

2. 能分辨不同物品分別屬於「可燃燃料」、「空氣」或是「燃點(熱)」。

3. 能知道生活中的燃燒三要素。

螢幕擷取畫面 2023-09-19 002534

1 學習單將物品分類

(取自新北市英語資源教學中心編纂之新北市自編雙語自然教材模組)

(二)    第二節 燃燒!缺一不可!

複習燃燒三要素,透過「模擬紙火鍋實驗」,提出預測「Will the paper cup burn?」,觀察並解釋實驗結果,最後引導學生知道「Combustion cannot occur when one of the three elements is removed.」最後讓學生認識「Fire Triangle」。

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2 模擬紙火鍋實驗

  實驗所需的器材有:紙杯、衛生紙、蠟燭、常溫水、鐵絲及打火機,學生用鐵絲纏繞紙杯製作出好拿的支架,衛生紙的作用是包住鐵絲防止燙傷,再將紙杯裝水,放在點燃的蠟燭上(由教師協助點火),觀察紙杯是否會燒起來。

在實驗記錄中除了預測、觀察及解釋之外,學生須找出燃燒需要的三種要素,將「紙杯」、「空氣」及「燭火」分別配對到學習單中可燃燃料combustible fuel)、空氣(air)和燃點/熱(heat)的位置,藉此和學生討論為什麼紙杯不會燒起來,是因為水會吸收熱量,使紙杯溫度無法達到燃點,無法形成燃燒,這個現象常被應用在日式紙火鍋上。

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3 觀察記錄紙,每組一張

最後向學生介紹「Fire Triangle」,並和學生討論如果拿掉其中任何一個要素(element),都不會產生燃燒。

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4 The Fire Triangle

(取自新北市英語資源教學中心編纂之新北市自編雙語自然教材模組)

本課學科學習標如下:

1. 能透過紙火鍋的實驗,了解「燃點(熱)」與燃燒的關係。

2. 認識燃燒與可燃物、助燃物(空氣)、燃點(熱)等要素的關係。

3. 知道麼是「Fire Triangle

(三)    第三節:燃燒三要素的生活應用

複習「Fire Triangle」及其中一個要素被移除後會發生的現象,在生活中找找看哪裡有運用到燃燒三要素,並討論如何將「Fire Triangle」應用於生活中預防災害以保護家園及環境,將學生所想的創意繪於學習單上。

螢幕擷取畫面 2023-09-19 002546

5 燃燒三要素與滅火於生活中的應用

取自新北市英語資源教學中心編纂之新北市自編雙語自然教材模組)

二、語言部分

CLIL雙語教學中強調「語言」也是學習目標之一,因此在教學過程中教師須先設定目標單字及句型,為了讓學生所學的英文能實際應用於課堂及未來學習中,教師將教學目標分成「Language of learning(知識的語言)」及「Language for learning(溝通的語言)」,在教學中教師會重複目標單字及句型,讓學生能精熟目標語言並鼓勵學生主動運用於學習中。

Language of learning(知識的語言)」以單字為主,本課主要教學目標為: combustiblefuelairheat,這些單字會在課本、教學PPT、學習單單等文本及教學過程中大量出現,學生除了需聽懂、認出,也需在口頭回答及課堂任務中書寫,在練習中學生會精熟這些詞。

Language for learning(溝通的語言)」是在課程不同活動中會重複的句子,例如:What do you see in the picture? 在不斷的提問中,學生可以嘗試以英語或中文回答,教師會再進一步以英語(為主)追問及為學生梳理答案,並在過程中視情況引導學生嘗試用英語表達自己。

雙語教學並非全英語教學,需平衡「學科學習」與「語言學習」,教學中須注意避免淪為「英語教學」,所以在引導學生重複單字、或是以英語表達時,不可執著於文法或是用詞,英語使用以「溝通」為主,只要能將一開始設定的教學目標精熟即可。在英語與中文的使用比例上,視各班及個別學生程度,在不同的教學環節隨時調整,本次教學在第一課問題引導中,幾乎是全英講述,課程中,目標單字與圖片配對的形成性評量能發現學生大部分能理解目標句型( 6),在教師的引導下主動嘗試用目標單字及句型回答提問( 7),小組討論學習單時教師在行間巡視中也發現,學生能主動嘗試運用中文及英語雙語進行溝通與討論,第二課實驗實作及第三課創意發表則是70% 英語、30% 中文,教學過程中老師會以學生的反應進行差異化調整,使用圖片、手勢、或是鼓勵同學解釋給同學聽,盡量不直接未有疑問的學生翻譯,以達到英語環境的時空營造,學生也會很自然地在溝通及書寫中以英語作為主要工具。

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6 課程形成性評量中,大部分學生能透過手舉OX、回答等呈現對目標字句的理解

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7 學生嘗試以目標單字、句型及雙語分享自己的學習單作品

n  教學實施與教學成效

由於本文作者任教於六年級,在本課程實踐時無法媒合到五年級進行教學,因此在教學時,將學生五年級時已經學過的學科部分「燃燒需要熱、助燃物及可燃物」以全英語教授,讓學生將學習焦點放在語言目標的精熟及應用,及過去沒有學過的「Fire Triangle」繪製與配對。另外,過去學生並沒有看過「紙火鍋」及做過「模擬紙火鍋實驗」,因此讓學生以此實驗學習Combustion annot occur when one of the three elements is removed.這個概念。

在教學實施前後,教師會進行各一次施測,分為「學科(科學)」與「語言」兩部份,兩次測驗內容相同,課程實施前做前測,課程結束後做後測。測驗兩部分分別計分,第一部分滿分5分,答對一題得1分,第二部亦為分滿分5分,每答對一題得1分,如下圖:

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7 前測(後測)

測驗結果如下表:

1 學生前後測平均分數與標準差


向度

 


人數

 


前測

 


後測

 


進步分數

 


平均數

 


標準差

 


平均數

 


標準差

 


科學部分

 


24

 


4.2

 


0.77

 


4.58

 


0.65

 


0.37

 


語言部分

 


24

 


2.66

 


1.16

 


4.7

 


0.85

 


2.04

 

在表中可以看出,第一部分因學生五年級曾學過部分燃燒課程,前測平均分數為4.2,後測為4.58,進步分數為0.37,進步幅度不大。測驗中第三題,「裝水的紙杯是否會燃燒」是新的概念,作者進一步分析,前測答對率為50%後測則進步為85%,因此可知道學生在教學後,答對率提高。第二部分,因是學生完全沒有學過的單字和句型,前測分數2.66,在課程中不斷精熟後,後測分數為4.7,進步分數2.04,可以知道在教學後,此部分學生成績提高。由此結果可知,「科學部份」及「語言部份」在學生學習後都有進步。

n  教學省思與結語

本次教學是作者第一次嘗試雙語自然教學,雖為兼任英語科任,第一次設計自然領域學,十分有趣,學生事後也回饋覺得活動很有趣,雖然有覺得困難的地方。

學生覺得困難的部分主要還是語言部分,這屆六年級過去較少有雙語或是全英上課的經歷,在面對英語較多的環境時,一開始容易覺得緊張或是難以理解,相信許多教師在課程實施上也會有相同的困境,但放慢說話速度、適時輔以中文、或是肢體、圖片輔助,加上同儕協助,學生能慢慢進入狀況,並主動嘗試以英語溝通。另外,本次課程中有許多課本中的詞、句對高年級學生來說偏難,例如:combustion occur elementscombustiblefuel⋯⋯等,單字過長、較不生活化,也會讓學生對英語感導緊張甚至恐懼,更甚者可能會失去學習動機。

在實驗器材準備上,教師須特別注意「紙杯」的選購,市售紙杯有一圈底座是接觸不到水的,因此無法被水降溫,學生在實驗中很容易不小心把紙杯點燃,此次實驗中有一組差點把紙杯點燃,教師協助滅火後也引導學生和其他「紙杯沒有燒起來」的組別討論兩組實驗操做上的差異,以免學生學的到錯誤的概念,教師應該在實驗前應想辦法避免這個狀況。

最後,感謝新北市英語資源中心提供本次教材及辦理教學增能研習,讓教師有機會使用到這套精美的教材及學習單,並在本次實踐中提供教材支援及專業諮詢,讓教師受益良多。感謝安坑國小陳校長、教務處陳主任、曾助理及609周老師提供行政支援、感謝此次公開觀課蒞臨備觀議課的老師們及609學生、家長,也感謝國立台北教育大學自然系111學年期化學特論()課程中周金城教授與全體同學協助,提供本文架構調整與內文修正之意見,在此謹深摯謝忱。

n  附註

1.目前新北市親師生平台只提供新北市親師生以校務行政帳號登入。平台網址:https://pts.ntpc.edu.tw/#!/welcome

n  參考文獻

新北市政府教育局(主編)(2022)。新北市自編雙語自然教材 五年級(初版)。編者。

《臺灣化學教育》第五十二期(20236月)

 

n  主編的話

u  第五十二期主編的話/邱美虹〔HTMLPDF

n  本期專題【專題編輯/陳皇州、李賢哲

u  科學展覽指導經驗談/陳皇州、李賢哲HTMLPDF

u  科學展覽指導經驗談:指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享/蔡名峯HTMLPDF

u  科學展覽指導經驗談:如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域/蕭妃茹HTMLPDF

u  科學展覽指導經驗談:由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享 / 王昕芸〔HTMLPDF

n  綠色化學/微型化學實驗【專欄編輯/廖旭茂

u  以可程式微量光電比色法監控振盪反應顏色週期性的變化 /廖旭茂、陳冠愷HTMLPDF

n  課程與教材/化學小故事【專欄編輯/楊水平】

u  貝采利烏斯的微粒理論 /游文綺、胡景瀚HTMLPDF

第五十二期 主編的話 /邱美虹

星期三 , 7, 6 月 2023 在〈第五十二期 主編的話 /邱美虹〉中留言功能已關閉

第五十二期 主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所名譽教授
國際純化學暨應用化學聯合會IUPAC
執行委員會常務委員

國際理事會(International Science Council)治理委員會委員及Fellow

中國化學會(臺灣)教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會NARST前理事長
[email protected]

 

        在化學史上瑪里·居禮(Marie Curie)的地位相當崇高,除了獲得兩項(物理和化學)諾貝爾獎外,同時被世人所推崇的就是她高尚的品德,在經濟拮据的情況下也不爭取製造純鐳的專利。無獨有偶,被稱為鋰電池之父的約翰·古德納夫(John Goodenough)(又被戲稱為「夠好了」先生),在2019年以97歲高齡與惠廷厄姆(M. Stanley Whittingham)和吉野彰(Akira Yoshino)共同獲得諾貝爾化學獎,創下諾貝爾獎最高齡得獎人的紀錄。古德納夫57歲才開始研究鋰電池,剛開始時是與日本學者水島公一(Koichi Mizushima)等人將鈷酸鋰(LiCoO2)作為鋰離子電池的陽極材料,後來發現錳尖晶石(錳酸鋰,時年為61)是更好的鋰離子電池的陽極材料,分解溫度高、氧化性低於鈷酸鋰,爾後再研發出磷酸鐵鋰電池(時年為75),除成本較低外,此外材料充足可以達到永續的目的,即使出現短路或是過度充電的現象,也不至於造成爆炸和燃燒的危機。90歲開始研究全固態電池。這一連串的研究,奠定現代人們生活中廣泛使用鋰離子電池的基礎,尤其是在手機上的使用,提升人類生活品質的便利性與安全性。研究電池長達40年的他卻不曾擁有一台手機,僅因為不想被他人打擾,其理由似乎也不令人驚訝「夠好了」先生本可因研發鋰電池而致富,但無欲則剛的他表示,Being able to satisfy your curiosity is fun. 做研究就是Have fun! 這和瑪莉居里的觀點-<科學的探究,本身就含有至美,它給人的愉快就是報酬;所以我在我的工作裡尋得了快樂>,不謀而合。這位自小有閱讀障礙卻走出一條自己的路改變人類的生活,他曾說: “We compete against problems, not against people.” 是人們學習的榜樣,也是勵志的楷模。一代偉大的化學家,在2023625日去世,享壽100歲。哲人日已遠,典型在夙昔。

        本期專刊由國立屏東大學陳皇州教授客座主編和李賢哲教授客座副主編共同邀請三位作者針對科學展覽撰稿分享給本期刊讀者,專刊中有蔡名峯分享從教師角度如何輔導學生發想、設計實驗步驟到完成實驗的經驗分享,也有王昕芸以曾參加過科學展覽的經驗,以傳承的角度分享學習的態度與方法,以及蕭妃茹以食安結合STEM進行科展主題,提供學生探究與實作的經驗與具體成果。三位作者的經驗提供不同的視野與觀點讓有興趣帶學生進行科展的教師參考。

        在常態性文章有兩篇,一篇是廖旭茂和陳冠愷以黃光LED為光源的麵包板式的簡易光電比色計,結合Arduino IDE進行監測振盪反應中溶液顏色週期性的變化,為一綠色化學實驗;另一篇則是游文綺和胡景瀚引介貝采利烏斯從質疑道耳頓的論點到給呂薩克的氣體化合體積定律,其推理與論證的過程去檢視化學家理論發展的歷程。在108課綱強調培養學生論證與建模的思考智能之際,此文應可作為教學的事例

科學展覽指導經驗談 / 陳皇州、李賢哲

星期二 , 6, 6 月 2023 在〈科學展覽指導經驗談 / 陳皇州、李賢哲〉中留言功能已關閉

科學展覽指導經驗談

1陳皇州2李賢哲

國立屏東大學應用化學系
1[email protected]  2[email protected]

n  前言

    首先感謝本期(52)擔任執筆的作者們,在百忙之中完成科學展覽參與及指導心得之分享的文章,客座主編與副主編謹此對同在教育工作崗位上辛勤付出的教師們,致上最高的敬意與感佩。參加科學展覽對於培育學生們科學素養的幫助是顯而易見的。由於在各項的科學展覽中,總是能夠看到同學們發揮創意與想像力,帶給大家許多引人入勝的科學探究題目以及有趣的發現。

科學展覽為參與活動的學生們營造了一個富含互動和實踐的學習環境,讓參展的學生可以親自進行科學實驗、觀察實驗結果現象和探索科學原理。而將這樣的科學探究過程、團隊合作精神,並於最後以有系統的方式將研究成果展示於閱聽大眾眼前的一段科學之旅,將充分地引導出學生對科學的興趣與熱情,激發他們進一步探索和學習科學的動機。而科學展覽最為重要的意義,莫過於學生能夠對於科學方法加以實踐,包括前期的參與觀察、提出問題、設計實驗、收集數據和分析結果。後期則通過參加展覽,瞭解科學領域的基本概念、原理和應用,拓寬科學知識面,從而培養學生的科學思維和解決問題的能力。

n  本期專題文章簡介

    本期專題的第一篇文章,是由彰化縣立陽明國民中學的蔡名峯老師所主筆,其由一位國中科展指導老師的角度出發,以『把每位學生帶起來,不放棄任何一位學生』的信念為基礎,細數過去二十年來走過科展之路的點點滴滴,文章涵蓋如何將參與科展的機會,推廣到不同學習成就學生的學習歷程上,讓不同背景的學生有機會認識及參與科展活動,而非成為少數資優班學生的專利。其作法包含了擴大學生參與管道、家長參與的科展分享研習、結合理化實驗單元並設計創意科學實驗、成立社團時間並利用假日進行經驗傳承等具體措施。正如同蔡老師所說,「創意科學經營」方法無他,唯「教育愛」與「教學熱忱」而已,如此教育哲理的實踐,的確非常值得我們學習與借鏡。

    本期的第二篇文章主要介紹的是以一位參與科學展覽的學生的角度,陳述了在學生時期參加科展競賽的心路歷程,以及後來成為科展作品指導者的心境轉變,更體驗了教學相長的真諦。這是由目前就讀國立臺灣師範大學的王昕芸同學所撰寫。由筆者所分享的科展作品實例中,將數學與音樂結合的創新領域及探究過程,著實令人印象深刻,也令人想起國立臺灣大學化學系戴桓青教授曾經帶領以感應耦合電漿質譜儀定量,分析一把愛因斯坦曾使用過的義大利小提琴的組成元素,也藉此揭示了名琴樂聲悠揚之秘密的研究。這兩個科學探究的例子發生於不同的教育現場,但卻是有著異曲同工之妙。而我們認為這就是科學展覽將有效增加公眾與科學相互理解與對話的證據。

本期專刊第三篇文章,由高雄市左營區舊城國民小學的蕭妃茹老師撰稿,分享以高雄市舊城國小的『自造者廚房』,提供舊城國小教師及學生一個學習食品營養與安全的食物自造基地,並搭配教育部108課綱中食安領域的課程,強調從最基礎的食物營養成分及特性開始,透過自造者廚房融合食物營養成分運算思維,以及置入STEM精神的課程與活動,啟發學生其對於製作安全且營養的食品具有正確的概念,因而獲致具有健康概念的飲食內容。在以「廚房裡的科學」為基底,發展食安領域的學習成長的理念下,蕭妃茹老師以食物中的天然化學為師,發想適合國小學童動手實作的科展主題,無論是傳統食物、流行食品、特色料理或是農產品再利用等主題,都成為孕育學生參與科學展覽作品製作及研究的主題。誠如蕭老師所述,在民以食為天的龐大吸引力下,學生們自然而然地對於探索食物相關的科學有著高度的興趣,而學生經由參與實驗的設計、操作及數據分析的過程中,學習了科學探究的思考能力與邏輯批判,其所呈現之富含色香味俱全的健康食品,更能夠讓所有的科展參與者與參觀者體悟到原來科學就在你日常生活的每一天。

n  結語

    再次感謝本期專刊的作者們,藉由分享參與或指導科展的經驗,說明了科學展覽除了能夠將科學知識與概念,以最為直覺的方式呈現給閱聽大眾外,也能夠進一步啟發參觀者的創新思維,消除科學知識的隔閡,提高公眾對科學的認識和理解並促進科學與社會之間的溝通,進而激發公眾對周遭重要議題的關注。綜上所述,我們深信科學展覽在科學教育傳播、創新和社會影響力方面具有重要的意義,包含能夠啟發人們對科學的興趣和探索精神,促使人們思考和行動,培養現代公民的科學意識等。我們希望藉由本專刊的分享,對於即將或已經參與科學展覽相關活動的教師及學生們,提供有價值的經驗分享,為科學教育的未來一起攜手向前,開創新局。

科學展覽指導經驗談:指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享 /蔡名峯

星期一 , 5, 6 月 2023 在〈科學展覽指導經驗談:指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享 /蔡名峯〉中留言功能已關閉

科學展覽指導經驗談:指導學生參加全國科展國中組19年之經驗與成果分享

蔡名峯

彰化縣立陽明國民中學
[email protected]

 

n  前言把每位學生帶起來

有一句在教學上常聽到的諺語:「讓我用聽的,我隨後就忘了;讓我用看的,我就能記得住;讓我親身去做,我才能真正的了解。」(I hear and I forget. I see and I remember. I do
and I understand.
)。這句至理名言燃起我對科學教育認知的那把火,重新思考要如何去耕耘學生們的科學活動,也逐漸影響學生們為了自己的生涯目標而奮鬥的決心。

對我而言,老師不是職業,而是一項「人生志業」。我的母校也是我長期任教理化的陽明國中,在這20年來對科學教育及科展活動的推廣,也促使我榮獲101年全國師鐸獎(附錄1)、特殊優良教師金質獎、創新教學金像獎等獎項,並獲得大愛電視台「專輯報導我的老師這樣教」的殊榮(附錄2)。且已三度獲頒「全國科展滿15屆優良指導教師」(已滿19屆)獎章(見圖1和圖2),更讓我堅定「把每位學生帶起來,不放棄任何一位學生」的信念,凡事只要盡全力必能「創造出唯一」,讓科學的種子萌芽茁壯,並依學生自己的長才御風而扶搖直上。

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119年來指導全國科展和彰化縣科展獎座合影

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2:指導參賽全國科展滿15屆優良指導教師接受頒獎

n  科展可以是所有學生的舞台並非僅限學業頂尖者

在引導科展活動中,發現培養學生的創造力、意志力及團隊精神是有助於日後生涯的發展。第43屆科展學生群中,就有4台大醫科、3名台大電機,其他醫科10餘人。再者,陽明國中也打破科展的迷思,讓科展活動並非僅是學業頂尖者的場所,學生們只要能全心投入者,即使是後段班,亦能發揮長才,也能獲得荷蘭國際科展金牌獎、臺灣國際科展獎項及全國科展前三名佳績。筆者指導全國科展19年中,榮獲全國科展第一名者常是常態分班學生(第48屆全國科展理化科第一名「色彩變變變」的學生就是普通班,後來因科展推甄上台中女中資優班,進而推甄上台大醫科)(附錄3)。(第50屆全國科展作品:點「食」成金(附錄4),作者之一並非為頂尖的學生,卻是最積極投入者,他展現研究科展強烈的企圖心,深獲評審的青睞,終獲全國科展應用科第二名,也因科展技藝加分而申請就讀彰師大附工,進而就讀台北科技大學。科展帶給他的激勵效應,成就了他的科技之路,我也始終引以為傲!

n  陽明科展,揚名全國

10餘年來陽明國中更形成了「進擊的科展團隊」(見圖3),成立「自然科學博物館彰化陽明科學教育中心」、科展E化教室、科展看板展示走廊,出刊陽明歷屆科展得獎的作品集,成效卓著,10餘年來已三度獲得全國科展國中組團體第一名及TDK獎第一名(第485056屆),且兩度獲全國團體第二名(第5557屆)。第55屆科展曾有7件作品進軍全國,而第56屆全國科展(獲得2件全國第一名分別是「物理科電池跳、挑電池」及「應用科糞力而為」,1件全國第二名「地球科學科搶救台灣國寶石」)(附錄5),榮獲積分27分,更打破全國科展最佳積分紀錄,獲得蔡總統在總統府召見(見圖4),至今無其他學校能破此紀錄。

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3:陽明國中形成「進擊的科展團隊」指導科展

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456屆全國科展,榮獲物理全國第一名及應用全國第一名,與總統合影

更有榮獲臺灣國際科展二等獎,進而代表臺灣參加荷蘭國際科展榮獲金牌獎。還有學生參加國際化學奧林匹亞榮獲金牌獎,進而甄試上台大醫科,令人引以為傲(見圖5和圖6)。

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5:化學奧林匹亞金牌、荷蘭國際科展金牌、臺灣國際科展及全國科展活動照

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6:彰化縣科展頒獎陽明國中學生合照

n  經驗分享人人都是科學家

陽明國中連續20年榮獲彰化縣團體第一名,全校曾經最多送件近100件,推廣科展經驗分享,略述如下:

一、  在招收與推動學生參與科展管道方面

1.      吸引社區的小六學生參與科學活動

舉辦「金頭腦科學活動」,吸引社區小六學生來陽明國中參加科學活動,並用科學魔術(附錄6)來吸引小六學生的目光,例如:在金頭腦第一次活動中,設計聖火台表演「水火相容點聖火」(見圖七左),使用電石加水,並用點火槍引燃乙炔氣體,點燃科學的聖火,吸引學生們的目光與歡呼,效果十足。三個月的活動期間,共同參與科學實驗活動,例如:馬達刷刷車、光碟氣墊船、創意九龍公道杯、創意玄機杯、金幣銀幣變變變、油墨水中畫、棉線結晶開花等(見圖七右),讓學生們設計「創意科學作品」,並在「金頭腦Line群組」中分享,激發出更多的科學創意,並鼓勵就讀陽明國中後,進入科展社繼續從事科展研究。

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7:金頭腦科學活動~「水火相容點燃科展聖火」(左);金頭腦科學活動的眾多實驗,讓學生們親自動手操作(右)

2.      鼓勵校內和任課班級的學生加入科展

鼓勵全校學生和任課班級學生參與「科展活動」,並且鼓勵成績優異者能主動對弱勢或成績落後者邀請加入科展的組別。筆者指導彰化縣科展19年,共獲特優47件進全國,優等147件,甲等60件,佳作133件,共獲獎379件作品。

二、  假日辦理親師生科展活動與邀請畢業學長返校協助科展經驗傳承

利用假日辦理「科展分享研習」,鼓勵家長們一同來聆聽,每年近300人次進入校園了解科展活動,引進家長資源和職業的經驗分享,讓歷屆科展學長姐持續回母校協助科展的成功經驗分享,也引導學弟妹們進行科展研究,促使科展主題內容探討更新穎和多元化。因家長和歷屆科展學長姐們假日返校的協助陪伴,也使實驗室的安全把關更加完善。

三、   科展結合理化課程與成立科展社團

平時教學結合理化實驗單元,設計創意科學實驗,讓學生們當作理化課程作業進行報告,並將成果在班級Line群組中分享給同學及家長們,進而成立「創意科展研究社」(見圖8),利用社團時間和假日陪同,並秉持傳統邀請歷屆科展獲獎學長姐經驗傳承(見圖8),也激勵學弟妹們有學習的榜樣。

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8:創意科展研究社

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9:歷屆科展學長姐返校經驗傳承

四、  在指導科展分工合作方面成立資源共享與即時討論回饋的通訊群組

陽明國中成立大團體的「家長、歷屆獲獎科展學長姐及學生的科展Line群組」。在群組內進行「科展成功經驗和科展製作秘訣」的分段影片和資料教學,例如:如何尋找科展主題、如何收集科展文獻、如何進行科展實驗、如何製作科展的圖表、如何進行科展的數據分析、科展說明書編排、科展日誌繕寫、科展影片製作、科展口試口語化表達訓練、科展海報編排製作等,並將內容分段存在記事本中,讓學生們分段逐漸學習。並成立個別的「科展小群組」,讓組員們定時Line上研究內容共同討論,並由組長協助分配科展工作,家長們和指導老師可以在小群組中協助監督和引導,以控制科展進度。

在群組中協調約定晚上和假日課餘時間,開啟視訊會議共同討論目前進度、分享工作結果及遭遇到的困難,與指導老師、家長及歷屆科展獲獎學長姐們,共同討論問題的解決之道。

五、  在時程和場地安排方面建立科展E化教室與科展實驗室

1.       每週在「創意科展研究社」的社團時間,在「科展E化教室」直接面對面與指導老師進行溝通協調。

2.       利用中午午休時間,在「科展實驗室」,進行科展實驗。

3.       利用假日時間,在「科展實驗室」進行較長時間的科學實驗,並在「科展E化教室」進行科展說明書的實驗數據分析和科展報告製作。

4.       利用晚間和假日在家時間,使用視訊會議公開討論,並在各組的科展Line小群組上報告個人職責的研究成果。

六、  在遇到問題與解決方面設立即時通訊群組、線上會議討論和尋求大學支援設備

1.       這兩年因為疫情期間討論時間與空間受限,再加上每位學生的討論時間不一,因此常借助「Line群組」與「線上視訊會議」等科技來討論,解決了因疫情造成的討論困境。

2.       學生們分配工作在家各自實驗,再將彼此的實驗影片和數據成果,互相分享討論,讓製作科展進度不落後。

3.       由於學生們科展主題隨著科技持續進步,導致學校實驗儀器設備有時受限,因此會尋求鄰近大學的實驗設備儀器支援,或申請至大學實驗室來進行更高階的實驗。

七、  在推廣科展,向下紮跟方面積極到各學校辦理科展研習活動

筆者積極地到各縣市學校推廣科展教育工作,例如:到彰化縣科展研習、臺南市全國科展會場、國立自然科學教育館、國立自然科學博物館、彰化縣各國小(南郭國小、中山國小、民生國小、大成國小、忠孝國小、國聖國小、文開國小、湖北國小、媽厝國小等),分享科展製作經驗,並到國小擔任科展社指導教師,帶動彰化縣國小科展的蓬勃發展,曾協助多校獲得全國科展前三名的佳績,使得彰化縣多次獲得全國科展團體獎前三名,近十年來已獲得三次全國科展團體第一名的榮耀。

n  結語科展歲月,無怨無悔

埋首於科展歲月二十載中,感謝家人和長官的包容與支持,提供最佳的「創意科學舞台」,讓師生們能盡情揮灑科學的創意。今後更將秉持「企圖心創造非凡」的精神,戮力於科學教育,臨深履薄,無改初衷。學生們的科展創意屢屢創新,更有待教師們能夠適性揚才的引導,把每位學生帶起來。「創意科學經營」方法無他,唯「教育愛」與「教學熱忱」而已。

n  附錄

1.         師鐸獎教學分享,您就是教育魔法師~教學歷程及「科學實驗」活動~蔡名峯

https://drive.google.com/open?id=1rM2Moq7zN3-Z0Zb57MJFeuXQMhpAIetk

2.         大愛電視台~我的老師這樣教~教育魔法師。大愛對我的專訪專輯(來拍攝36天剪輯而成)https://www.youtube.com/watch?v=NPjlJYHHC08

3.        48屆科展國中組:理化科第一名,色彩變變變–自製重金屬檢測試紙及檢測流程研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/48/high/031628.pdf

4.         50屆科展國中組:生活與應用科學科第二名,點食成金–粗糠與常見材料的保溫,隔音及緩衝效能之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/50/pdf/030809.pdf

5.         56屆科展國中組物理科第一名:「物理科電池跳、挑電池」探討 3 號鹼性電池電量與彈跳及滾動行為之關聯性https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030111.pdf

56屆科展國中組應用科第一名:「應用科糞力而為」開發生物活體系統分解豬糞可行性之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030814.pdf

56屆科展國中組地球科學科第二名:「地球科學科搶救台灣國寶石」螺溪石的辨識及其特性之研究https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-1/56/pdf/030505.pdf

6.         蔡名峯老師的創意科學魔術表演  (一)

https://drive.google.com/drive/folders/1Omk3zwpkmWBUROPz2WuNjWjP790f5lU1?usp=sharing

蔡名峯老師的創意科學魔術表演(二)

https://drive.google.com/drive/folders/1dLojWBPmqjRLLuwkxrbwFSXm05WL0I4z?usp=drive_link

科學展覽指導經驗談:如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域 /蕭妃茹

星期日 , 4, 6 月 2023 在〈科學展覽指導經驗談:如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域 /蕭妃茹〉中留言功能已關閉

科學展覽指導經驗談:如何用「食物」帶領國小學童跨進科展領域

蕭妃茹

高雄市左營區舊城國小
[email protected]

 

      前言

筆者擔任高雄市舊城國小自然科教師,透過實作、「食」作學科學方式,以食物適當延伸課程內容,讓孩子將課堂學習的科學知識,靈活有趣的應用在生活中。當孩子學過「廚房裡的科學」後,會指導孩子做雞蛋布丁,觀察糖的溶解及認識雞蛋的變性作用(圖1):學過「認識酸鹼溶液」之後,帶學生運用酸鹼變色,動手調配出蝶豆花漸層飲料(圖2);學過「食物的保存原理」就來做做泡菜與果醬,認識醃漬與滲透壓的簡單原理。當科學教育連結到有趣的食農教育,學生展現滿滿的學習動力,所以許多的科展主題都是從學生在食物製作的經驗中取得。

要進行食物製作的場地需要考慮到安全、衛生及動線,儘量不要在實驗室裡做可食用的食物,以免誤導學生把實驗做出東西與可吃的食物混淆了,造成學生誤食;所以一開始就是在教室裡,用課桌椅拼湊著用,用具也都是簡易型,有時需要麻煩學生自備器具與材料,雖然不方便,但看見孩子專注參與,我認為這樣的學習是無法用紙筆評量的(圖3)。俗話說「戲棚下站久就是你的」,這樣的堅持,在105學年至106學年出現了轉機,學校參與屏東大學的研究計畫,建置一間以「自造者廚房」為發想的「焙客創課基地」,主要宗旨是以食育教育為基石,創客教育為實踐,希望啟發學生生活科學新思維,孕育具有人文科技新素養的學生。此間創客基地有別於其他以新興科技為主的設備,設置一些日常生活常用的食品製造工具,讓學生由最原始的食材,學習組合與創作出記憶中的味道或是創新的食物(圖4)。有了這樣的硬體設備,學校教師透過參與食育教育教案設計及規劃校訂課程,讓本校學童在安全的環境下,認識食物的原貌,了解食物美味的科學原理。烘焙教室是一個享受學習的場所,在這裡,孩子們可以盡情發揮自己的創意和想像力,製作出屬於自己的美食作品。教師們希望透過烘焙課程,能夠培養孩子的興趣,同時也能夠啟發孩子們對化學的興趣與好奇心。

                      

圖1三年級雞蛋布丁DIY                                                              圖2五年級夢幻蝶豆花DIY

                     

圖3在教室裡動手做泡菜,環境空間很陽春,但孩子很專注        圖4專業的設備與空間,孩子們捏著自己調配的蘿蔔絲餅,架式十足

      如何找出適合的科展主題

每年帶領46年級學生進行科展探究實驗,並參加科學展覽競賽(參賽組別以化學科為主),近年來參賽作品比賽後,總會在評語中看到評審提出以下意見︰「研究內容中化學原理的著墨不深,建議加深化學原理」,我心中不免疑惑,國小學生我能帶他們做到多深的內容?我想這個問題應該困擾許多在前線指導的老師,如果仔細審察國小自然課程的內容結構,會發現在國小階段自然科學35年級108新課網規劃24個單元中,只有3個單元是與化學實驗或有介紹到簡單的化學原理,6年級目前使用9年一貫課程共7個單元,化學相關內容也只出現在一個單元(以某版本教科書為例),在如此的教學結構下,這些做科展的學生,他們現有的化學原理知識是不足夠的,學生只在低階的科學層次上,老師要如何幫學生從建構知識中跨過鴻溝及爬升到更高階的科學層次,正是教學者需要好好思考的。

      從「食」出發

想要帶國小學童進行科展研究,光是要找到適合的主題,可能需要花費許久的時間,如果想要慢慢磨出研究方向,幾近停滯的研究進度,可能會讓孩子失去熱忱。再者如果指導老師每年都要花許多的時間慢慢建構孩子的基本能力,那麼探究的深度是無法前進的。所以一開始我會建議老師可以從自己有興趣的東西為研究主題發想的題材,設計一些活動讓學生不小心就掉進這個主題中。以我為例,本校學生一年級做過的湯圓、二年級做過地瓜圓、三年級做過雞蛋布丁,四年級甄選進來做科展的學生,就帶到焙客教室,讓他們動手做小點心,學生只要聽到要做東西吃,就會動力十足。因為他們不熟練的烹飪技術,做出的東西就可想而知了,當他們吃到不如預期美味的食物時,我們就有了討論的議題,食品種類琳瑯滿目,國小學童的烹飪基本能力不足,一面進行科學探究,還要一面教導簡易的烹飪技巧,所以配合國小學童的程度,選擇操作簡單,材料不多的點心著手比較適合,例如雞蛋布丁、湯圓等等,以下我提出這20年來曾經帶孩子踏進科學殿堂的四類食物主題,供老師參考發想。

1、    傳統食物

這裡說的傳統食物可能是以前家人曾經吃過,而現代的孩子沒有機會吃到的食物,或是這些食物已經改變名稱了,例如孩子喜愛的珍珠奶茶裡面的珍珠,其實與粉圓的材料大同小異,但是孩子很少親手做珍珠,所以帶學生參觀手工粉圓的做法,訪問業者,探討現做粉圓與市售粉圓的差異,更換澱粉種類進行粉圓質地探究,學生做完科展比賽,已經可以自己做粉圓了。另外「椪糖」是老一輩熟悉的零嘴,現在則是特殊場合才會出現的食物,這個題目可說是科展界裡的東方不敗,出現頻率很高,面對這樣的議題,首先,就要做足文獻資料搜尋,以免與前人研究重複。再來要試著從裡面找到新亮點,這樣的研究才會受青睞。

2、    時尚流行食物

現代小孩生長在資訊快速散播的時代,偶像代言或是流行影片中出現的食物,會是孩子有興趣接觸的食物,由這類食物開始,孩子會覺得很有興趣,例如之前流行一部韓劇魷魚遊戲,劇中有提到一種戳糖餅的遊戲,類似我們熟悉的椪糖,搭上流行議題的列車,所以我們就準備材料讓這群四年級的孩子做一做,吃一吃,讓他們討論做的過程中發生了什麼事,為什麼會有這樣的結果,孩子就有方向找資料,所以先讓孩子試著找一些資料,老師也要做功課評估孩子的能力及完成的可行性,心中有個底,慢慢幫孩子導方向,例如這組小孩做了幾次之後,發現糖液溫度高,不小心會燙到,糖漿很難清理,每一次煮出來的結果都不一樣….,遇到瓶頸,這時老師就可以試著讓孩子再分析流行的主題,研究的作品就會多,如何在「糖」這個主角中轉出另一個方向,有人就提到之前老師有教他們做過焦糖雞蛋布丁,煮過的焦糖和吃過的椪糖比一比,煮的過程哪裡不一樣,成品有什麼差異,開始慢慢從焦糖身上找到抗氧化的研究方向(有興趣者可參考62屆高雄市科展「糖」葫蘆裡賣的是什麼~探討各種醣類加熱後生成物的特性)。

3、在地特色料理

左營有一間傳統餛飩店小吃,吸引許多遊客前來品嚐,一碗清湯加入餛飩,再加上一顆水波蛋,讓人食指大動。帶學生吃一碗,再買回來讓學生試著煮,看似簡單的烹煮,卻是受到許多變因影響,學生認為最困難的是一顆顆完美的水波蛋是如何煮出來的,所以我們從濃、稀蛋白的變性溫度著手探討。實驗中學生除了探究如何讓蛋液完美成型的科學原理之外,更學會熟練的煮出一顆完美的水波蛋,學會科學研究的基本架構之外,更是培養學生帶著走的能力(有興趣者可參考54屆高雄市科展蛋白分家了~水波蛋輕鬆煮)。

4農產品及副產物再利用

臺灣物產豐富,各地都有特殊的農產品,善用各地盛產的食物進行探究,也是一個不錯的主題。除了進行食品類的研究之外,對於農業副產物的再利用,也是一個值得探主題。以左營地區為例,早期種植許多的菱角,所以產季時學校周圍許多老人家會協助去殼,這些菱角從果仁到外殼就成了我們研究的題材,我們將菱角果仁加工萃取出澱粉,利用菱角澱粉做湯圓,做米苔苜,剩餘的菱角渣,則讓加入餅乾中,看看是否能做出不一樣的餅乾,至於被丟棄的菱角殼,我們試著將它用來染布、造紙。所以一個主角可以發展出的研究主題就可以很多了(圖5)。

5以菱角為主題所發展出的科展作品

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      一步一腳印的經營科展活動

科展活動是要激發學生對科學研習之興趣與獨立研究之潛能,提高學生對科學之思考力、創造力,與技術創新能力,培養學生對科學之正確觀念及態度。帶學生找到研究的主題後,就要開始慢慢培養學生科學探究能力,尋找資料,如何分析文獻資料,設計實驗,研究記錄,數據分析,下結論,到完成作品說明書,口頭發表等等,我個人習慣由四年級學生開始培養,也會花較多的時間及精力在四年級的學生身上,一來學生時間較充裕,二來經過一年基本工的磨練,這些學生如果五年級再延續時,就能從事更深層的研究,但基本上需要孩子是經的起磨練的(有些孩子會因為犧牲許多玩的時間,結果未得獎,就不想再參加了)。以同時參加59屆及60屆兩件作品全國賽的學生為例,其中一位四年級開始做科展,一開始研究主題是老師給的參考主題,一路試做、修改實驗,完成作品說明書,可是此件作品在市賽時並未進入複賽,有些學生就覺得之前的努力都是白費力氣,所以五年級就不再參加了。但這些學生基本科展研究的歷程已完全經歷一次,包括完成作品說明書、海報及口說練習。其中二名學生並不氣餒,升上五年級,班級導師帶學生做發糕慶祝升上高年級的滿月禮,結果相同配方每組做出的成品均不相同,學生就從中間找到探討的主題,這一年學生間會互助合作,分工執行,會自己審視實驗數據的準確度,也會處理實驗數據,所以老師的工作量就減輕許多,再者進入複賽時要做口頭發表就很輕鬆了,所以累積2次的實際參賽經驗,到六年級時就自己從喜愛的食品~馬林糖中找到探究蛋白起泡性的研究,這件作品就能較深入的探討蛋白質結構與變化,也有能力運用分子模型來解釋蛋白的變性作用,一路走到六年級,已經可以將經驗分享給科展新手,對科展執行的邏輯性具有批判能力,對數據及圖表到作品說明書的完成都可以自己完成,這些能力正是科展比賽最終的目標。

      結語

108課綱強調學習是在生活情境下引導學生,培養核心素養能力,我認為食物對學生具有神奇的魔力,帶著學生從做吃的食物開啟科學之旅,學生學到的不只是科學探究的整個歷程,也從實驗過程中學習如何有效規畫、操作流程,最後回歸到學生具備健康飲食的基本素養。踏進科展指導一轉眼已過20個年頭,我把科展當企業用心經營,孩子努力再加上校長、主任們、及家長的大力支持與協助,帶著不同的學生參加市賽、全國賽,每一個參賽歷程對學生而言,都是能讓他們激發出各方面的潛能,培養團隊合作精神及具備挫折容忍的特質,而我則是在一張張獎狀的背後,看到孩子的進步與成長,由羞澀不敢在台前發言的小男生轉變成台上字正腔圓的演說者,由自我中心強烈,凡事我最大孤僻個性,到放下身段,為團隊爭取榮譽,容許更改意見的孩子,就是這股動力驅駛我一路走下去。找到自己經營科展的動力及模式,才有續航的動力,以上僅是個人小小拙見,若有思慮不周詳之處,請不吝指教

科學展覽指導經驗談:由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享 / 王昕芸

星期六 , 3, 6 月 2023 在〈科學展覽指導經驗談:由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享 / 王昕芸〉中留言功能已關閉

科學展覽指導經驗談:由參與國中科展到協助指導國中科展之歷程心得分享

王昕芸

國立臺灣師範大學數學研究所研究生

[email protected]

 

n  前言

作者從國小到高中參加過多次科展,在一次次的參賽過程中,學會了進行科學探究、發現並解決問題,也熟練了文書處理和口語表達能力。進入師大數學系就讀後,我修習資優教育學程,開始學習如何指導學生製作科展。

在母校彰化市陽明國中蔡名峯老師的邀請之下,我回到國中協助學弟妹製作科展,並分享了自己當時參賽的心路歷程(圖1)。在這個過程中,我發現教育不只是知識的傳遞,更是將自己的心得經驗分享給學弟妹,引導他們發掘問題,培養他們尋找答案的能力。同時,這也是一個挑戰自己的機會,讓我更了解如何有效地引導學弟妹,提高他們的探究和創新精神。

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圖1:收到蔡名峯老師(左3)邀請,與同學一起回母校協助指導科展

n  當年參與第53屆國中科展「音樂數學,數學音樂」的作品回顧

我對於科學探究很有興趣,很享受發現問題並解決問題的成就感,國中時在蔡名峯老師的鼓勵下,便與好友組隊共同進行研究。我們依照自己有興趣的主題「音樂與數學」,從大量的文獻中尋找相關資料,發現了音樂與數學的相關性,決定優先聚焦在「歌曲中的黃金比例」。

在整個研究過程中,我們花了不少時間討論歌曲分析的方法,例如:流行音樂與古典音樂的歌曲架構並不相同,計算黃金比例的段落定義也不太一樣。另外,我們在蒐集資料時,發現十二音列作曲法和數學的關係,但應用到部分高中數學的內容,所以也特別請教老師,協助我們理解。很幸運地,這件作品「音樂數學,數學音樂」榮獲了全國科展第53屆應用科學科第三名的佳績。

當時科展作品「音樂數學,數學音樂」透過數學的角度,剖析音樂中的奧妙規律,有以下幾個亮點。

第一,我們發現(請參照洪宇萱、王昕芸,2013)許多熱門歌曲的「第一段落總秒數」與「第一段落開始處至副歌結束處的總秒數」之比值,符合黃金比例。我們針對KKbox
2008
2011年度排行前10名的華語流行歌曲進行分析,發現大多數的曲子確實符合這樣的規律。特別地,我們觀察到,最接近黃金比例0.618的前10名中,前7
順位皆為華語流行歌曲,後面則是校園民歌和西洋經典歌曲。

    第二,我們嘗試觀察古典音樂是否有類似性質。由於古典音樂沒有「副歌」的概念,於是我們從小奏鳴曲的其中一個樂章,研究「呈示部」、「發展部」、「再現部」與總小節數的關係。最後,便驚喜地發現:「至再現部的小節數」與「第一樂章總小節數」的比值竟然也符合黃金比例!

    第三,我們研究了「十二平均律」的等比關係,以及樂器所需調音頻率的關係。在其中,我們發現,新維也納樂派的十二音列作曲法竟然也與數學矩陣有所關聯。這個作曲法,必須先創作一個「音列原型」,包含一個八度內所需的12個半音,每個音恰出現一次。而我們從數學的角度思考,發現12*12的數獨正可以解決這個要求。另外,這個作曲法中,除了音列原型,還有逆行、倒影、倒影逆行,這些方法透過數學矩陣的角度,其實皆可以用矩陣變換的觀點詮釋。

    第四,我們利用了以上發現的黃金比例奧秘,也創作了一首屬於我們自己的歌曲,發現在有著黃金比例的架構下,樂曲變得更加動聽。

對我來說,科展不僅是一個展示研究成果的舞台,更是一個提升自己各方面能力的機會。在科展的製作過程中,我學會了如何進行科學探究,也學會了如何表達研究成果,這些能力讓我在日後的學習中受益匪淺。總結而論,感性的音樂中,其實也存在著理性的數學元素。當我們結合了這樣的理性與感性,往往便能激盪出令人驚豔的生命樂章。

n  現在協助指導國中科展的經驗和成果分享

參與科展的身分從學生轉變為指導者,讓我能從不同角度體驗科學探究的過程,很開心能將自己所學,用於協助指導學弟妹的科展。

針對數學科的科展作品,我會請他們依照自己的研究主題查詢歷屆作品,協助他們在閱讀後簡單整理前人的研究內容及主要證明工具,再提供學弟妹修改方向。相較於理化、生物、應用科學等科別,數學科不用撰寫實驗流程,但需要寫清楚所有觀察、推理及證明的過程,我也會利用這個機會,讓他們知道如何撰寫嚴謹的數學推論。

針對其他科別的科展作品,我會提供一些作品架構與撰寫的建議,例如:研究過程、討論、結論部分是否有依照當初設定的研究目的條列式撰寫?每個實驗的控制變因、操縱變因、應變變因為何?是否有撰寫清楚?以及數據繪製的圖表的適用性(針對不同情況,使用長條圖、直方圖、折線圖或圓餅圖等不同圖表)。

在指導學生過程中,我注重與學生的互動,聆聽他們的意見和想法,並引導他們思考,使其成為獨立的研究者,我自己也從中獲得不少成就感(圖2)。

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2:協助指導學弟妹科展,聆聽他們的意見和想法,並引導他們思考

n  指導國中化學科(或理化科)科展實例分享

我曾協助指導學弟妹科展作品《手助健康》,該組的目標是研發一款既能消毒又可以保養手部的產品。在研究過程中,首先進行了大量的文獻探討,瞭解前人做過哪些相關研究。在設計實驗時,我會提醒學生要注意控制變因、操作變因、應變變因等關鍵因素,同時選定合適的實驗器材與材料,此外,也特別選擇適當的場地,以確保實驗的再現性。

在本研究中,該組利用酒精比重計,檢測酒浸液的酒精濃度;用pH計檢測酒浸液與膠質原液的酸鹼值;用肌膚測試儀,檢測敷手後皮膚白皙度、含水度、彈性。透過這項研究,學生不僅能掌握實驗設計技巧,同時也學會如何運用科學知識和技能,解決實際的問題。

該組最後利用酒浸液與膠質混合液的方法,成功地開發出了一種含有 75%酒精濃度的乾洗手液。這個作品也在今年(第63屆)的彰化縣科展競賽中,得到評審肯定,榮獲生活與應用科學科第一名,成功晉級全國賽。

n  結語

10年前全國科展獲獎到現在能夠協助指導,不僅能夠幫助學弟妹培養科學探究的能力和創新精神,同時也是對自己教學能力的一種挑戰。在這個過程中,我更像是學生並肩作戰的夥伴,他們在努力的同時,我也在學習。獲得滿滿成就感之外,也讓我更加熱愛我的教育事業。我相信,在未來的日子裡,我將繼續致力於科學教育的推廣和發展。

n  參考文獻

洪宇萱、王昕芸(2013)。音樂數學,數學音樂。中華民國第53屆中小學科學展覽會國中組生活與應用科學科參展作品(第三名)