學思達教學法融入國中自然領域課程設計 —以水的電解為例 / 張耕碩

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學思達教學法融入國中自然領域課程設計

以水的電解為例

張耕碩

宜蘭縣立中華國民中學

[email protected]

n  改變緣起

    多年前,國內開始興起翻轉教學,本文作者盼搭上這股浪潮,思考著如何翻轉教學?設計怎樣的課程與教學,可以讓孩子真正主動的學習,培養面對未來世界的能力?參加多場研習、工作坊與入班觀課(包括學思達創辦人張輝誠老師的課堂)後,開始嘗試設計學思達講義,結合學思達教學法,甚至再陸續融入探究教學、科學史等,自我期許從「知識的傳遞者」轉變為「知識的啟發引導者」,並以學思達教學講義平台上的一句話:「備一堂孩子喜歡且有效的課」,作為個人的教學信念

n  學思達教學法與其基本流程

    學思達教學法,是「以學習者為中心」的教學法,在每一堂課培養、訓練學生自「學」、閱讀、「思」考、討論、分析、歸納、表「達」、寫作等綜合多元能力的教學法(張輝誠,無日期)。

    教師的專業介入,製作以問答題為導向、補充完整資料的講義,掌控學生學習的最佳專注時間,不斷切換學習樣貌;透過小組之間「既合作又競爭」的學習模式,讓教師轉換成主持人、引導者、課堂設計者,將學習權交還學生。每一堂課、每一種學科都以促進學生學習興趣、增強學生學習能力為主要教學目的(張輝誠,無日期)。

    其具體的操作流程有五個部分:學生自學思考問題小組討論學生表達老師統整(張輝誠,2019

一、學生自學:

    學思達教學五步驟其中的「自學」,是學思達教學法與其他教學方法最大的不同之處。通常將情境設計或是任務說明編排在講義最前面,如果學生還沒有自學習慣與能力,建議教師先講解,再帶領學生自學,透過閱讀文本或觀賞影片進入自學狀態。

二、思考問題:

    學的學習本質,理當激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點,進行主動探索、實驗操作與多元學習。前面的設計情境或任務能引發好奇心與學習動機,接下來的提問則是促進學生思考的關鍵,探究式的課程設計,其問題及任務的設計依循著課程脈絡,引導學生建構知識鷹架,從中養成其素養及能力。

三、小組討論:

    探究與實作的歷程中,不論是現象的觀察、或是結果分析,教師透過小組的形式(同質性或異質性),鼓勵學生進行實質的討論,在這個階段,自學、思考與表達是複雜地交織、動態地進行,怎樣幫助學生的合作、思辨,創造好的互動經驗,教師的鼓勵、引導與陪伴給予很重要的幫助。

四、學生表達:

    表達的形式有「口語」、「文字」及「圖表」等,而內涵則是涵蓋分析歸納、製作圖表、提出疑問等。教師可由學生表達其如何思考或是具體陳述觀點,回饋檢視原問題設計是否達成學生學習目標,判斷是否尚需加入哪些提問鷹架,或是最後進到教師統整階段時的補充。

五、教師統整:

    除依據學生表達內容適時地再提出問題引導思考外,也可以再進行補充或是歸納、再次強調本單元關鍵的學習內容。這個階段,就仰賴教師的統整歸納及講述。課堂全部時間僅用講述,學生的學習效益並不高,因此在學思達教學法中,配合學思達課堂流程與學生專注力時間,教師的講述有著其比例及必要性。

n  以「水的電解」單元為例

       接著透過學思達策略實際以水的電解單元進行教學說明,讀者可查閱文末附錄的詳細流程規劃與學思達講義內容。

學生自學

    學生對於電解的概念應該不陌生,應可以連結八年級「元素與化合物」、「認識電解質」等單元概念於學思達講義,透過閱讀講義先讓學生自學複習(見圖1)。接著,以科學史脈絡建立情境:在伏打發明了人類史上第一顆電池後,整個科學界為之瘋狂,開始嘗試用電池電解各種物質,包括水,如將電池的兩極通入水中後,看看會發生甚麼現象?

思考問題、小組討論

    接下來就是透過一連串的提問設計並結合探究實作,引導學生觀察、發現、思考並試著歸納:純水是否容易導電(見圖2)?如果加入幫助導電的物質(氫氧化鈉)(見圖3),導電效果為什麼更好?還有甚麼可能的變因會影響氣泡產生的快慢?兩極產生甚麼變化?有何不同?如何檢驗連接正極與負極的試管所收集到的氣體(及其性質)(見圖4)?

    進行實作前,請學生可以先將講義問題先瀏覽一遍。而分組通常採隨機分組、異質性分組、同質性分組(三至四人一組為最佳)等,不論是哪一種方式,都是培養他們學習選擇與責任承擔的能力。如這節課的探究實作、小組討論比例稍重,則建議小組採併桌的座位安排,除方便觀察、操作外,也是營造合作、方便討論的環境。還可利用小白板、工具包,請各小組寫下指定的內容(見圖5),為接下來上台分享表達做準備。

學生表達、教師統整

    根據上個階段的提問設計,由自願回答的學生或是進行抽籤,依班級的屬性在座位上或是站上講台(見圖6),簡單地問好、複述題目後,回答所觀察到的現象、特別的發現,或是討論後的解釋、推論等。這個階段則特別考驗老師的功力,除回應學生的回答、報告外,更精簡的統整歸納,診斷出學生的迷思概念,或是精準地補充學生未提及的重要概念等,都是老師在這堂課最後必須使力完成的重要任務。課堂結束前,除提醒學生完成學思達講義,通常還以隨堂測驗、回家作業等形式作為學習評量的內容。

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1:閱讀講義自學

2:電解RO純水

3:電解NaOH溶液

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4:收集電解氣體

5:小組討論

6:學生上台發表

n  結語

    新課綱於自然領域當中提到的「學習表現」與「學習內容」,兩者的關係至為密切、互為表裡。前者為學生面對科學相關問題時,展現的科學探究能力與科學態度之學習表現。後者則為學生認識當前人類對自然界探索所累積的系統性科學知識,也是作為探究解決問題過程中必要的起點基礎。本文主要簡介將學思達教學法融入自然科學課程設計,並結合閱讀、探究及實作等多元方式,期望有助於國中教師面對新課綱,於課程與教學方面準備與設計之參考。

n  參考文獻

1.張輝誠(無日期)。學思達教學法簡介。檢自https://lte-taiwan.weebly.com/23416246053694825945234163177720171.html

2.張輝誠(2019)。學思達教學5步驟說明。檢自https://www.youtube.com/watch?v=xVi7NhbBYic

n  附錄

本文作者以「水的電解」單元為例,融入學思達教學法的課程設計流程及學思達講義內容:

 

「水的電解」課程設計內容

 

 

建議時間

 

 

學思達教學流程

 

(教學建議)

 

 

1.概念連結:

 

(1)八上「元素與化合物」

 

  十八世紀的科學家嘗試利用各種方法分解純物質。可以再被分解的純物質,稱為化合物;而無法以一般的化學反應再分解出其他物質的純物質,稱為元素。

 

(2)八下「認識電解質」

 

  可以讓燈泡發亮或碳棒附近產生氣泡者,皆代表其具有導電性質。

 

2.引入情境:

 

  在伏打電池發明後,將連接伏打電池兩極的兩條金屬線放入水中,觀察會發生甚麼事?

 

 

(第一節)

 

10

 

 

n   學生自學

 

(針對單元主題,教師可依個人專業決定學生自學方式:)

 

閱讀(課本或講義)

 

觀看影片

 

□QRcode連結

 

其他         

 

 

1.清點器材、任務說明。

 

2.探究問題:(對應學思達講義思考問題15)

 

(1)將下列物質進行電解,比較、紀錄所觀察到的現象:RO純水、礦泉水、自來水、氫氧化鈉溶液(0.1M)、氫氧化鈉溶液(0.5M)。(寫出可能的原因)

 

(2)試著找尋可能的變因:哪些變因會影響氣泡產生的快慢?

 

(3)請仔細地觀察:兩極的變化有何不同?

 

(4)嘗試收集、檢驗連接正極的試管內所收集到的氣體,它有什麼性質?

 

   嘗試收集、檢驗連接負極的試管內所收集到的氣體,它有什麼性質?

 

(5)比較連接兩極所收集到的氣體,體積相同嗎?試著測量兩者的體積比約為多少?其他各組得到的結果是否一樣?

 

 

(第一節)

 

30

 

(5分鐘清洗整理器材)

 

 

n   思考問題

 

(針對單元主題,可選擇適合的提問設計類型:)

 

問答(封閉式)

 

問答(開放式)

 

混合題型(選擇+非選)

 

是非題(迷思概念)

 

其他         

 

 

1.重新檢視上一節課的思考問題,進行組內討論,並將討論結果寫在小白板上。

 

2.進行小組發表(志願優先或抽籤或教師指定)

 

3.各小組發表觀察到的現象與討論結果

 

(可直接口頭或是運用小白板、海報紙、平板電腦等資源)

 

 

(第二節)

 

20

 

 

n   小組討論

 

兩兩討論

 

組內討論

 

其他         

 

n   學生表達

 

個人(抽籤或指定)

 

小組(抽籤或指定)

 

其他         

 

 

1.老師補充說明,歸納統整(使用簡報、心智圖等)

 

2.隨課評量

 

 

(第二節)

 

25

 

 

n   教師統整

 

重點重述

 

歸納統整

 

補充講解

 

其他         

 

 

學思達講義
單元名稱:電流的化學效應(電解水
)

學生自學1(閱讀、複習過去所學的概念:純物質、化合物、元素、電解質、非電解質)(3分鐘)

八上:元素與化合物

  十八世紀的科學家嘗試利用各種方法分解純物質。科學家依「是否可以經一般的化學反應(例如:照光、加熱、通電)再分解」的特性,將純物質分為元素與化合物兩類。可以再被分解的純物質,稱為化合物;而無法以一般的化學反應再分解出其他物質的純物質,稱為元素

八下:認識電解質

  溶於水後,可使溶液導電的化合物,稱為電解質,其他如氯化氫、氫氧化鈉和硝酸鉀等也是電解質。而像蔗糖、酒精這類溶於水形成的溶液不能使燈泡發光,無法導電者,稱為非電解質

學生自學2(閱讀情境說明、清點實驗器材)(7分鐘)

  在伏打電池發明後沒多久,就有人發現電流可以從溶液中通過。於1800年,英國尼可爾生(William Nicholson ,1753-1815)與卡利斯列(Anthony Carlisle,1768-1840),把連接伏打電池兩極的兩條金屬線放入水中,發現水的電解現象。接著,就請你們從電解水開始吧!

clip_image013[4]使用器材:

  £乾電池                   £小燒杯(50ml         £直尺大燒杯(毫升)

  £橡膠手套                 £塑膠試管               £導線(附鱷魚夾)線香

  £氫氧化鈉溶液(0.5M     £迴紋針(或碳棒或筆芯) £線香

 

思考問題(讀題、進行實作後寫下問題的答案(30)。實作後各組清洗、整理器材(5))

1.將下列物質進行電解,比較、紀錄所觀察到的現象:RO純水、礦泉水、自來水、氫氧化鈉溶液(0.1M)、氫氧化鈉溶液(0.5M)。(寫出可能的原因)

 

2.試著找尋可能的變因:哪些變因會影響氣泡產生的快慢?

 

 

 

 

3.請仔細地觀察:兩極的變化有何不同?

 

 

 

 

clip_image0154.嘗試收集、檢驗連接正極的試管內所收集到的氣體,它有什麼性質?

  嘗試收集、檢驗連接負極的試管內所收集到的氣體?它有什麼性質?

 

 

 

 

5.比較連接兩極所收集到的氣體,體積相同嗎?試著測量兩者的體積比約為多少?其他各組得到的結果是否一樣?

 

 

 

 

小組討論、學生表達(根據前面思考問題進行組內討論,將討論結果寫在小白板(10)。抽籤全組上台發表(10)。老師補充統整(10))

歸納、解釋上一節課的結果與發現:

 

 

 

 

 

《臺灣化學教育》第四十一期目 錄 / 2021年1月

星期二 , 12, 1 月 2021 在〈《臺灣化學教育》第四十一期目 錄 / 2021年1月〉中留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第四十一期(20211月)

 

 

 

n  主編的話

u  第四十一期主編的話/邱美虹〔HTMLPDF

n  本期專題【專題編輯/段曉琳】

u 國中自然科學探究與實作:新課綱的精神/段曉林HTMLPDF

u 國中自然科學探究與實作:教科書化學實驗的探究與實作轉化範例/賴志忠HTMLPDF

u 國中自然科學探究與實作:化學反應反應速率知多少吳月鈴、陳佩琪、吳宛如HTMLPDF

u 國中自然科學探究與實作:燃燒的本質氧化還原反應 鄭志鵬HTMLPDF

u 國中自然科學探究與實作:吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 林芬如、段曉林HTMLPDF

n  教學教法/化學課程與教材【專欄編輯/古建國】

u  設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材古建國〔HTMLPDF

n  教學教法/化學課程與教材【專欄編輯/黃琴扉】

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n  化學實驗/綠色化學實驗【專欄編輯/周金城】

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u  國小自然「水溶液」單元延伸實驗 —利用海藻酸鈉製作有色溶液的酸鹼指示晶球林沛瑩〔HTMLPDF

第四十一期 主編的話 / 邱美虹

星期一 , 11, 1 月 2021 在〈第四十一期 主編的話 / 邱美虹〉中留言功能已關閉

第四十一期 主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所特聘教授
國際純粹化學與應用化學聯合會(IUPAC)執行委員會常務委員
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]

自從聯合國在201512月宣布211日為國際婦女與女孩科學日後,每年到了二月世界各地都有慶祝活動,以表達對婦女和女孩得以平等的機會投入科學科技工程數學(STEM)領域的工作和學習的重視。聯合國也曾在永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)中的第四項和第五項中指出教育和性別平等的重要。因此藉著這個特別的日子,除要彰顯女性在科學領域的貢獻和重要性外,也應該透過各種管道強調STEM領域中多樣性和包容性,並鼓勵女性發揮她們的才能和創造力,積極參與科學與科技並貢獻個人的智能於社會中。

國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)第一次辦理全球女性化學家早餐(Global Women’s Breakfast, GWB)是在2011年為慶祝聯合國宣告的化學年(International
Year of Chemistry, IYC)
,全世界從太陽第一個升起的國家紐西蘭開始上線,然後由東向西如接力賽般地展開令人難忘的GWB。記得當年化學會吳嘉麗教授共襄盛舉也辦了一場連線早餐會報,我幫忙借了敝校科教中心的場地作為會議地點和宣傳工作,會議開始先與澳洲GWB創辦人Mary Garson教授連線,再與新加坡女性科學家連線,就這樣以網路與其他國家的女性科學家互動,特別感動,不似今日因COVID-19疫情影響,線上會議已是常態,在當時可是一項創舉令人難忘,且佩服發起人澳洲女化學家Mary Garson教授的創意啊。之後2019因慶祝國際化學元素週期表年,又再啟動這項連結全世界女性科學家的活動,反應熱烈,2020持續辦理,盼能透過這活動引起全球各地對女性科學教育的重視與關心,尤其是開發中國家女性人力資源的開發更為重要。今年(2021)因為考慮到東方華人慶祝農曆年(212)的習俗,特別將全球女性早餐(Global Women’s Breakfast)活動提前到29日舉行,希望能有更多人共襄盛舉。雖然慶祝活動僅為一日,但是其辦理的精神乃是喚起各國對女性人才培育的重視,與創造友善工作和學習的環境,希望在社會觀感或政府及組織中的政策,對職場和學校的女性可以更具包容性與多樣性。

根據聯合國教科文組織在一本2015年出版的「邁向2030科學報告」(UNESCO, 2015)中指出,女性科學研究員僅占全球總人數不到30%大學女性教師人數較少;同時,獲得高級職稱的女性人數也較少,對女性研究人員不利的環境使她們很難發表具有高影響力的論文或是嶄露頭角,這些都反映出科學領域中存在明顯的性別差距。雖然另一份研究報告顯示雖然發表化學論文的女性作者比例穩定上升,尤其是在應用領域和合作領域中則發現較多女性的貢獻,然而在數學和理論物理的指標性期刊中論文的比例,仍停滯不前,維持在10%左右(Guillopé&Roy, 2020)。受COVID-19疫情影響,也影響職場女性的工作,根據研究報告顯示,女性投稿學術論文的篇數也呈現下降的情形(Kibbe, 2020)。為提升國家競爭力女性人才的培育以及友善的研究環境都需要更多關注與努力。逢此國際女性和女孩科學日,希望決策者、教師、家長等都能更加鼓勵與強化對女性從事STEM教育和工作的支持與肯定。

本期專題由彰化師範大學科學教育研究所段曉林教授規劃「國中自然科學探究與實作」專題,其中包括段教授的領頭羊一文,介紹12年國民基本教育中探究與實作的意義與價值,另外四篇文章皆以介紹如何設計探究與實作的課程與教學活動為主,如賴志忠老師的設計是從教科書內容進行轉化,對教師而言容易融入課程中;吳月鈴、陳佩琪和吳宛如老師設計的雙氧水和紅蘿蔔反應製氧的實驗讓學生探究溫度、濃度和化學反應速率的關係,實驗雖然是學生熟悉的,但深化學科內容的討論,延伸學習;鄭志鵬老師從科學史的角度談國中的燃燒概念,再帶入探究活動,可以加強學生對科學本質的認識;最後是林芬如老師和段曉林教授的油脂反應探究活動,以5E環為教學方法並介紹評量方法;以上各篇所呈現的教案皆可立即在學校內使用或轉化,提供有興趣研發與實施探究教學的化學教師參考。至於一般性文章有古建國教授的從閱讀沈括夢溪筆談中的解州鹽池與陵州鹽池介紹岩鹽,到以連結數學和科技等設計酒精自動噴灑器,可視為跨領域教材設計。黃琴扉教授團隊指導的由科技力讓學生進行提高比色法的客觀性的探究活動,文章緊扣12年國教中自然科探究與實作的指標:「觀察現象」、「規劃與研究」、「論證與建模」以及「表達與分享」,使教學流程符合期待廖旭茂老師和陳許玉鈴老師的臺灣土肉桂的探究活動設計,作者從起心動念的到親至屏東請益,再編製成探究課程,一如以往,創意十足,生活處處是化學。文末對教學提問的建議,從問WhatHow逐步引導,落實探究與實作的精神與做法。第四篇是陳美智老師以口罩實驗來探討預防空汙的問題,該文呈現教學中學生的實驗表現以及評量的規準,並將學習表現分出等級,對於教學與評量的方向有具體的助益。最後,第五篇是林沛瑩老師利用海藻酸鈉加氯化鈣變成有色溶液的海藻酸鈉晶球,作為酸鹼指示劑的設計,乃是在延伸國小自然科水溶液單元實驗。作者收集學生的回饋一來可以瞭解教學成效,二來可以做為改進教學的參考,這種行動研究的方式可以提供教師們參考。

參考文獻

Guillopé, C., &Roy, M-F. (2020, Eds).A Global Approach to the Gender Gap in Mathematical, Computing and Natural Sciences: How to Measure It, How to Reduce It.Full report of the project: https://doi.org/10.5281/zenodo.3697222

Kibbe, M. R. (2020). Consequences of the COVID-19 Pandemicon Manuscript Submissions bywomen. Journal of the American Medical Association,Surgery, 155(9), 803-804.

UNESCO (2015).UNESCO Science Report: Toward 2030.

國中自然科學探究與實作:新課綱的精神/段曉林

星期日 , 10, 1 月 2021 在〈國中自然科學探究與實作:新課綱的精神/段曉林〉中留言功能已關閉

國中自然科學探究與實作新課綱的精神

段曉林

國立彰化師範大學科學教育研究所
[email protected]

  • 前言

108年新課綱的精神強調探究與實作,很多老師會納悶,難道自己以前帶的化學實驗活動不是探究嗎?也是實作啊?為何還要創造一個新的名詞來攪動老師們既有的教學型態。

首先教師們須了解教育的目的是教導學生成為具有各種素養(科學、數學、讀寫等)的公民,使其不但在職場上有好的發揮,更能將這些素養運用在其一生的生活中。也因為科技不斷的演進,資訊大量的產生,因此未來的公民所需要的知識與能力就需要不斷的與時俱進的改變。其實台灣在九年一貫課綱中就強調科學探究能力的養成,例如:過程技能,科學認知,科學本質,科學態度,思考知能等。因此在國小與國中自然科領域的教科書在設計實驗活動時就有一些探究的內涵。而108年課綱則是強調十二年一貫,且強調跨科,跨領域的課程設計。因此探究與實作不僅僅只是落實在國小階段與國中階段,到高中階段也需要進行探究與實作的活動。這樣的課程綱要能讓我國的國民由國小到高中的學習階段均能操練到探究與實作所需的能力。在作者執行七年的教育部全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫的經驗,發現到自然科相關領域的國小與國中老師透過一起參加研習與分享的過程中,均能由相互學習到探究活動的設計以及教學法。因此新的課綱落實,如能加入高中教師的群體,會讓各階段教師透過互動學到多元的教學活動設計以及教學法的執行。而學生們透過相類似的科學活動在國小,國中與高中階段,透過背景經驗的熟悉(曾在國小或國中操作過),學到內容的深入(學科知識的加深,實驗技能的精緻),反而能深化學生的探究能力與學科知識的深化。以下將探究與實作的意義,教師執行探究教學所須具備的能力,教育部委辦的全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫,獲獎化學探究教案的介紹,最後針對本期的五篇探究教案進行特色的介紹。期盼能幫助化學老師在落實探究教學時有所幫助。

  • 探究與實作的意義

段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)介紹探究與實作課程的發展與理論架構。其中提到科學探究課程的發展可追朔到六十多年前蘇聯發射的史波尼克號事件,此事件讓全美開始重視科學教育,也期盼培養學童從小具備科學家的思考,因而發展出十三種的科學過程技巧:觀察,運用時空關係,分類,運用數值,測量,溝通,預測,推理,確認變因,下操作型定義,確認可驗證的假說,數據與圖形的解釋,設計實驗。接著美國2061計畫則強調科學的世界觀,探究的科學方法,以及科學企業。1996年美國國家科學標準開始對科學探究下定義:「這是一個多面向的活動,包含觀察,提出問題,驗證課本或其他資源、了解已知的知識,設計探究歷程,按照實驗證據回顧已知的知識,利用工具來蒐集,分析分析與詮釋資料,提出回答,解釋以及預測,溝通研究發現。」(NRC, 1996, p.23)。最後是下一個世代科學標準(Next Generation Science Standards, NGSS)計畫(NRC, 2011),強調實務操作(practice)跨領域概念,以及各領域核心概念。有關實作的內涵包括:提出問題和確認問題(工程或是科學),發展以及應用模型,設計以及執行探究,分析以及詮釋資料,運用數學以及計算的思考,在科學與工程問題的解答中建構科學與工程知識,獲得,評鑑與溝通所研發出的資訊(段曉林等,2020, p.15)。透過這些探究課程發展史中,可看出探究與實作的真正精神是讓學生透過探究的活動體驗科學家如何發現問題,建立假設,設計實驗,收集與分析資料,建立研究結論的思考歷程。而實作(或是實踐)(practice)的真正意涵應該是探究以及實踐所習得的學科知識。因此探究與實作不是只有「做」實驗,「做」活動而已,真正重要的是新課綱中學習表現的思考智能。

  • 探究教學應具備的知能

       我們瀏覽探究課程發展史中對探究與實作的意義理解後,接著需要思考老師要具備哪一些的能力才能進行探究實作教學。作者以為教學牽涉的是教育,因此我們需要理解當前有哪一些的教育理論影響著探究教學。作者認為基本上支持探究教學的教育理論有建構主義,社會建構主義以及情境學習。建構主義強調學習者要主動建構對自己有意義的知識,因此探究必須是學習者自己透過現象的觀察找到有意義的問題以及探討解決問題的方法。社會建構主義強調鷹架,論證的重要性,因此教師可在學生進行探究歷程中,適時的提供基本知識與技巧,幫助學生能主動建構其有意義的知識。而論證的過程則是學生必須要收集足夠有說服力的客觀資料,在小組討論或是全班討論中澄清自己研究的論點與立場。情境學習表示所有的探究活動都是與生活情境有所關聯,透過情境體驗探究的歷程,學生可與其小組成員相互幫忙共同的學習,共同完成其探究任務。當老師們明白探究教學的理論依據時,在教學上就會更能掌握重點,營造好的探究情境以及小組組員間的學習,提供學生進行探究所需的鷹架能力或是知識,提供相關的資源(資料或是專家群),而不是努力地掌控教與學,扮演知識的權威者的角色。所以教師要先熟悉探究與實作的真正精神,接著思考如何將課本的實驗活動轉化為探究與實作導向的課程活動,多收集其他老師的探究實作教學活動或是教案,教師自己本人要累積自己的探究活動實作經驗,能於日後轉換探究活動為教學活動。

  • 全國中小科學教師探究課程設計與執行能力提升計畫

       本計畫在七年前開始執行,目前已培養約300多位獲探究種子教師證的教師,以及探究教練。本計畫執行的方式是由探究教練與36名種子教師組成一個專業成長團隊,每一個團隊見面十次,由教練帶領幫助種子教師學習探究教案的設計以及探究教案的執行,反思以及改進的歷程。除了專業成長團隊的活動之外,本計畫在九月時會在台北,彰化,高雄三個地區舉行探究種子教師招募會議,在會議中介紹108年課綱的精神以及介紹本計畫的實施方式。接著由參加的種子教師或是教練相互的配對組成專業成長團隊。每一年約有35-40的專業成長團隊。在十一月份前計畫會在台北,彰化,高雄與宜蘭辦理第二階段的研習活動,主要的目的是介紹探究教案撰寫的方法,以及實務的演練。第三階段則於三月前在台北,彰化,高雄與宜蘭舉辦,主要的研習重點是探究教學的反思策略與方法,以及實務的演練。三次的研習活動目的是提供鷹架,幫助每個專業成長團隊的教練,種子教師能熟悉探究的精神,探究教案的設計原則以及探究教學的反思。除此之外,本計畫也在寒假結束後進行探究教案的競賽活動以及五月底進行探究教學專業成長的競賽活動。這兩個活動的主要目的是鼓勵參與本計畫的老師能共同設計探究教案,也能落實其所設計的探究教案並進行深度的反思。兩種競賽活動均由探究領域的專家進行審查並提供具體的建議給參加競賽的教師們。許多的老師對於本計畫所提供的專家回饋意見均表示獲益良多。最後計畫於八月底辦理成果發表會,鼓勵優秀的教練以及種子教師們,並讓教師相互學習與討論所設計的探究教案。由於計畫執行數年,所以種子教師的種類也慢慢的演變為初階種子教師,進階種子教師到高階種子教師。獲得高階種子教師證的老師也轉換角色為探究教練,目前已經有一些教師成為探究教練。作者期盼有更多的化學老師能參與本計畫,也能為台灣培養更多具備探究教學知能的領導型科學教師。對本計畫有興趣的教師可上網(http://120.107.169.113)閱讀相關的資訊。有意願參與本計畫的國中小科學教師也可與作者聯繫。

  • 化學領域探究教案

        由於化學領域要進行實驗活動所需的裝備比較多,也應相對的設備費用比較貴,因此在上述的教育部委辦計畫我們執行數年後獲獎的化學領域教案相對於生物領域與物理領域為低。以下為獲獎的化學領域探究教案:

105-108獲獎教案名稱(獲獎年分):口水之王(105),化學反應-質量變不變(105),如何增進伏打電池的效能(106)認識生活中的氧化還原(107),以食品色素檢視酸鹼,由酸鹼挑選天然色素(107),原子的<微積分>(107),元素分類王(107),化學反應速率(108),召喚黑龍!碳酸氫鈉的探究實驗(108)。這些獲獎教案可於下列網址(http://120.107.169.113)獲得,請先註冊會員(免費)後即可閱讀。

       除此之外,本期探究與實作專刊,特別邀請幾位科學教師為大家示範探究教案的撰寫。賴志忠教師為大家示範如何將課本的乾餾實驗活動轉化為探究導向的活動;吳月鈴、陳珮琪與吳宛如三位教師則示範如何將國小的實驗活動融入國中化學反應速率的單元,使得原先的課本實驗活動能加深加廣凸顯探究教學的精神;鄭志鵬教師則示範如何融入科學史中拉瓦節史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材,訓練學生科學的批判思辨以及以證據為本的精神,融入在課本的既有實驗活動中,訓練學生的探究思考能力。最後林芬如與段曉林的吃水果解油膩活動,則示範如何由生活化,趣味化的活動轉化為具備探究精神的化學探究活動。

  • 結語

探究與實作的教學其實是有趣的,也是需要花時間構思與研發的活動。期盼各位教師能找尋有志一同的夥伴,透過跨年級,跨領域的合作可設計出許多具備深度與廣度的探究教學活動。教師們如果有興趣理解探究與實作的更多資訊,也可研讀段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)所撰的中學自然科學領域探究與實作教材教法,此書除介紹探究課程的沿革,相關理論之外,也介紹許多探究教學法,相關的探究教學活動以及可參考的網路資訊。

  • 參考資料

段曉林、林淑梤、靳知勤(2020)。中學自然科學領域探究與實作教材教法。台北市:五南圖書出版有限公司。

National Research Council (1996). National science education standards. Washington, DC: National Academy Press.

National Research Council (2011). A framework for k-12 science education: Practices, crosscutting concepts, and core ideas.Washington, DC: National Academies Press.

國中自然科學探究與實作:教科書化學實驗的探究與實作轉化範例 /賴志忠

星期六 , 9, 1 月 2021 在〈國中自然科學探究與實作:教科書化學實驗的探究與實作轉化範例 /賴志忠〉中留言功能已關閉

國中自然科學探究與實作:教科書化學實驗的探究與實作轉化範例

賴志忠

台中市立忠明中學
[email protected]

 

n  前言

探究與實作是108課綱所強調的課程內容,對於教學現場的教師而言,如何設計出符合探究精神的實驗是相當不容易的。許多教師對探究教學的觀感常認為需要很多時間,透過不斷操縱各種實驗變因,來幫助學生學習科學。此外教師除了要進行教學外,還要擔任班級導師或行政工作,若要設計探究與實作的實驗課程,需要耗費額外的時間進行課程設計。這也是導致許多自然科老師不願進行探究教學或實驗活動的原因。本文分享現有課程中有機化學單元的乾餾實驗,示範如何簡易修改課程教材中現有的實驗,成為引導式探究的實驗教學,幫助現場教學者更有效率地進行實驗活動教學。

n  課程實驗內容

國中二年級下學期的有機化學單元竹筷乾餾實驗,此實驗常採用鋁箔紙包住竹筷,再利用酒精燈燃燒筷子進行乾餾,進而觀察乾餾過程所產生不同的固、液、氣體,並透過燃燒與酸鹼指示劑檢測乾餾所產生物質之性質(圖1至圖3)。

108自然科領綱中,關於有機化合物的學習內容,建議教師使用麵粉、糖及食鹽等物品進行實驗(教育部,2018)。

然而就筆者多年的教學經驗中,使用竹筷進行實驗的優點是方便操作。但較難幫助學生聯結現實生活中的許多物品,也無法幫助學生進一步對科學現象進行較深入的探究,有些可惜。

 

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1:竹筷乾餾圖2:乾餾產生物性質檢驗圖3:乾餾實驗操作

n  課程單元與目標

課本的竹筷乾餾實驗,如何幫助學生與生活中的情境聯結,同時深入思考與實驗相關的科學原理呢?本文將示範如何由乾餾實驗轉化成符合探究教學精神的實驗活動,同時也引導學生進行較深入思考的學習,以竹筷乾餾實驗為例說明教學流程,教學單元為國中二年級的有機化合物章節,建議教學時間為12節課,實驗的教學學目標為瞭解有機化合物的由來及特性。

本乾餾探究教案的教學流程呼應108課綱的學習表現,教學範例可達成的學習表現面向如下:1.探究能力的思考智能:如推理論證子項中的tr-Ⅳ-1、批判思辨子項中的tc-Ⅳ-12.探究能力的問題解決:如計劃與執行子項中的pe-Ⅳ-2、分析與發現子項中的pa-Ⅳ-2、討論與傳達子項中的pc-Ⅳ-13.科學的態度與本質:如培養科學探究的興趣子項中的ai-Ⅳ-1(教育部,2018)。

實驗活動紀錄表的設計,可以視教學內容進行調整。以本實驗為例,教學者希望學生聚焦在物質乾餾的過程,產生的現象及物質變化。其次乾餾的方式能否分辨出有機化合物?是否有機化合物都適合使用乾餾方式進行?請學生可以在實驗過程紀錄並討論。教學者也可視教學時間長短設計題目數量與深淺。透過動手實作解決問題或驗證自己想法,也可以幫助學生獲得成就感。

 

n  課程如何轉化成探究形式

以下依據教學流程步驟,說明教師可以使用的教學策略。教師事先進行異質性分組,例如全班分成六組進行實驗,會將學業成就較好同學分別分到不同組,學業成績較差同學也會平均分散到不同組別中,並分配每一位組員不同的工作職責,比如較具領導力的同學擔任組長,較不擅於邏輯思考但實作較佳的學生可以負責器材的操作,文字能力較佳同學可以負責實驗記錄,口語表達較佳同學可代表小組發言,讓成員都有機會表現及有負責的工作。學生則配合教師指揮進行分組教學活動。

1.引起動機:教師提問舊經驗概念,如化合物如何分類,再引入有機物。學生能思考問題並提出自己的想法。此步驟教學者可以使用實際生活物品,比如木炭或使用網路圖片說明,以引起學習動機,時間若不夠也可以利用口述說明或提問方式進行。

 

2.原理導入:教師以課本說明有機化合物的歷史發展過程及科學的定義。學生能聆聽並回答有機化合物定義。教師可以讓學生事先回家搜尋實驗資料或參考課本原理說明,因為學生若具有實驗相關的先備知識,可幫助學生在進行實驗操作較知道如何操作,或實驗後的討論比較能夠有相關概念進行較深入的討論。若教學時間足夠,也可進行實驗後再介紹相關科學原理。

 

3.探究現象引入:教師舉例說明生活中常見物質,讓學生思考如何判別是否為有機化合物,並提出自己的想法。透過生活情境鋪陳,帶出實驗的目的,比如利用木炭的製造與使用,引入不同的物質如何透過乾餾分辨是否為有機物?乾餾過程的現象有哪些?

 

4.探究活動變項與設計:教師引導學生思考,如何設計實驗以區分物質是否為有機化合物?學生能回答使用物理及化學方法或性質來分辨有機化合物。並能回答如何使用物理及化學方法或性質來分辨有機化合物(核心素養-J-A3)

此部分為探究活動的核心,學生如何進行實驗操作變因的選取和應變變因的蒐集。教學者可以依據教學時間調整探究教學活動的開放程度,如果在正式課程因有時間和進度壓力,建議使用引導式探究。以乾餾實驗為例,可讓每組攜帶三種不同食物或物質到學校,進行乾餾後可以相互進行比較(圖4至圖7)。有時候學生會攜帶不適合的物品要進行乾餾,教學者可以適當的進行篩選,比如說西瓜或蘋果,因水分過多很難在時間內完成乾餾。

 

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4:各種乾餾食材圖5:不同乾餾食材圖6:洋芋片乾餾前後 7:餅乾與吐司乾餾

 

5.探究活動進行:教師講解課本內容,說明如何將物質進行乾餾,簡易檢測是否為有機化合物。學生能聆聽教師說明,並能夠正確地進行乾餾實驗。實驗進行過程與課本教材較大的不同,是取用學生生活中的物品進行實驗。實驗過程的操作與課本說明相似,但因為實驗物品不同,學生實驗過程卻驚呼連連,原來生活常吃的物品,乾餾後會變成這樣。可以明顯感受學生在實驗中的驚訝與新奇感,能提升學生對於實驗的學習動機。乾餾過程會產生固體、液體及氣體,學生都必須進行檢測,每組須做三種不同物品,不同的物質也會出現不同的現象,比如燃燒是否旺盛,液體也未必如竹筷乾餾為酸性(圖8至圖10),學生可以有許多討論空間,這就是探究與實作的價值之一,讓學生體驗科學家一般在現象中進行思考與討論。

 

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8:氣體燃燒檢驗 9:液體酸鹼性檢驗圖10:乾餾後固體檢驗

 

6.資料蒐集與分析:教師請學生攜帶常見各種不同餅乾類及食物,攜帶的份量可供六組進行乾餾實驗,並到各組間巡視,指導學生進行實驗,比如實驗儀器的操作、實驗資料的紀錄重點、解決學生操作上遇到的困難,甚至是班級秩序的維持,因有時小組成員會玩鬧或意見不合而鬥嘴等。學生能從實驗檢測酸鹼性及觀察實驗現象,進行溝通與推論是否為有機物(核心素養自-J-C2、自-J-B1、學習表現pe-Ⅳ-2ai-Ⅳ-1)。並能將蒐集與觀察的資料記錄下來,本實驗會提供紀錄表給學生(參見附錄)

一般實驗結果的蒐集,可能是數據或是現象的論述。但因對象為國中階段學生,建議以質性現象或文字描述為主,不要有過多化學計量或數據的計算。若學生有簡易的圖表呈現或數據轉換成圖表也是很好的分析訓練。乾餾實驗中每一組學生要選用三種物質進行實驗,並記錄下列表格中問題。不同組別有時會選用到相同物品進行乾餾,可以比較過程及產物的差異。此外,學習單中也會讓小組成員進行一些問題的討論,幫助學生釐清實驗現象(參見附錄)

 

7.溝通與成果分享:教師請各組派一位學生發表小組討論的實驗結果,但建議全組都能一起上台。學生能與同儕討論實驗結果及如何進行檢測,上台學生能提出具體證據說明小組的假設與結果,其餘學生能聆聽分享(核心素養自-J-C2、自-J-B1、學習表現tr-Ⅳ-1tc-Ⅳ-1pa-Ⅳ-2pc-Ⅳ-1)

學生小組間的實驗溝通,從選取實驗的材料就開始進行。實驗操作過程,學生也會溝通討論與提醒注意事項,比如乾餾過程操作失敗時,組員間也會討論可能的失敗原因。在實驗現象與數據的蒐集,學生也會互相提出質疑與彼此解釋,有時也會尋找老師進行確認自己的主張。

    各組上台報告,會請學生先將數據或現象寫在白板上,並分享實驗過程遇到的困難及操作過程,當然還會有許多個人情意及態度面向的正向回饋與表達。比較課本的乾餾實驗與轉化後的引導式探究,可以發現引導式探究與實作的方式,較能提升學生的學習興趣,以及引發學生思考更多問題。這就是108課綱中,想要培養學生獲得的核心素養與學習表現能力。

 

8.總結與歸納:教師能總結與歸納學生報告內容,並澄清學生報告內容中可能有的錯誤科學概念。學生能思考並專心聆聽。學生進行實驗過程,總會有許多操作上的問題或是人為誤差,容易導致實驗結果與課本不同或錯誤的數據。老師的角色除了實驗過程的引導與協助,在實驗活動後引導學生分享與討論,對學生的科學學習可達畫龍點睛的功效。許多探究教學活動,經常只是做了活動卻缺少討論與反思,學生不知實驗的目的?不知哪裡操作錯誤?不知實驗活動與生活有何關聯?因此,老師要透過實驗後的討論幫助學生進行釐清常見的迷失概念,比如可以燃燒的氣體未必就是氧氣或不正確的操作過程,比如乾餾時沒有不斷移動讓物質均勻受熱。

老師在總結時,未必要給學生完整的答案,當然,明顯錯誤的實驗數據或結果,老師應該能夠立即提供觀念的澄清,如廣用試紙的酸鹼檢測顏色判斷錯誤。但很多實驗問題或實驗操作方式,可能沒有絕對的答案,或因素過於複雜,連老師也難以立刻釐清,比如乾餾時鋁箔紙包覆的形狀是否會影響乾餾速度快慢、乾餾產生的氣體雖可燃燒,僅能判斷可能含有可燃燒氣體,無法如課本說明知道氣體中含有氫氣、甲烷、一氧化碳等可燃氣體,而液體也僅能從感官判斷顏色及酸鹼性,無法如課本所說能立刻判別含有醋酸及焦油,老師可以跟學生說明這些都是需要進一步作更深入的檢測才有可能知道其成分。透過實驗討論,學生更能了解實驗分析,不是如課本實驗所說那麼簡單。但老師應提供學生分析現象與解決問題的訓練,協助學生去思考可能的問題在哪裡,幫助學生有思考的習慣,對學生培養正確科學態度也是有幫助的。同時對於學生能夠努力完成實驗過程,給予肯定與讚揚。

n  探究活動的評量

探究活動的進行,建議使用多元評量的方式進行,比如說批閱學生所撰寫的學習單、老師走動巡視時可以檢視學生個人與小組的操作投入程度、乾餾實驗後的分組報告、實驗過程小組成員之間的互評。在科學知識的檢測,可利用一份小的試卷,選擇題或問答題形式都可,檢測實驗過程學生的操作步驟與科學概念的正確性。

n  其他可進行探究活動的課程

因為108課綱中,自然科正課時間縮減成每周三節,造成許多教學現場老師授課時間的壓力與實施探究教學的恐慌。本實驗通常使用一節課進行,另外大約需要20分鐘進行分組討論。我會讓學生進行實驗後,回家完成學習單,組員利用下課時間討論。建議下一節課分享前,利用下課找負責報告的同學先進行初步討論,確保學生有利用課後進行討論。探究與實作活動,可以搭配彈性課程,或社團活動與科展進行更深入的探究教學。此外,寒暑假的輔導課程或是國三會考後,也可以規劃課程相關的探究教學活動。至於探究與實作的教案設計,也可以在網路上搜尋到許多相關資源,參考現有的探究設計,修改成符合自己授課內容或時間的探究設計,如彰師大科教所所架設的探究教學競賽網、台中教育大學科學應用學系的科學遊戲實驗室(適合小學)、國立彰化師範大學化學系的中學化學示範實驗網站(適合中學)

n  結語

108課綱上路,授課時間常是現場教學中最大的限制,透過課程轉化成引導式探究教學可以幫助學生有較深的科學學習,不僅能有效率的完成課綱要求的探究與實作,也能設計讓學生使用生活中常見物品進行實驗,培養科學探究的興趣,亦符合108課綱核心素養所強調幫助學生與真實生活情境連結。本文使用有機化學單元中,教師經常進行的乾餾實驗為例,示範如何轉化成符合探究與實作的教案,期望對現場教學者在進行探究與實作教學時能有實質裨益。

n  參考資料

教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要:自然科學領域。臺北:教育部。取自:https://bit.ly/2WPsz6I

n  附錄

實驗紀錄與討論

學習單中的實驗觀察

(1)乾餾的物質____________________________________

(2)乾餾前外觀描述________________________________

(3)乾餾過程產生的現象描述________________________

(4)乾餾後生成物質紀錄

固體(外觀顏色、可否燃燒等)_________________

液體(外觀顏色、酸鹼性等)___________________

氣體(外觀顏色、可否燃燒、氣味等)___________

(5)乾餾前後質量變化?前__________變化____ (公克)

(6)如何判斷是否為有機物質?_______________________

 

學習單中實驗分析與討論問題

(1)在本實驗中,操縱變因為_____________  應變變因為________________

(2)完成三種物質的乾餾後,請與同學討論後歸納你們如何分辨有機物化合物?(如外觀顏

色、可否燃燒、酸鹼性或其他方式等)

 (3)本實驗老師請大家攜帶較乾燥的食物進行乾餾,如果水分較多的物質,適合乾餾嗎?

理由為何?

 (4)乾餾產生的液體,酸鹼性相同嗎?若有不同可能原因有哪些?

 

 

國中自然科學探究與實作:化學反應-反應速率知多少 / 吳月鈴、陳佩琪、吳宛如

星期五 , 8, 1 月 2021 在〈國中自然科學探究與實作:化學反應-反應速率知多少 / 吳月鈴、陳佩琪、吳宛如〉中留言功能已關閉

國中自然科學探究與實作:化學反應反應速率知多少

吳月鈴1*陳佩琪2吳宛如3

1宜蘭縣立復興國中

2宜蘭縣立頭城國中

3宜蘭縣立宜蘭國中
*[email protected]

n  前言

作者在國中理化課程中任教多年的經驗發現,反應速率在三個版本的課本中,都選用硫代硫酸鈉溶液加鹽酸的反應,做法是以產生的硫沉澱物達到足以遮住瓶底+字記號所需的時間,紀錄為反應時間。操作變因則以溫度為主,探討溫度對反應速率的影響。此實驗在教學上有些困難點,其一是實驗後的產物硫味道較為刺鼻;其二實驗的紀錄為反應時間,要再轉化為時間倒數,對學生而言較為困難;其三硫沉澱物遮住記號的判定方式較為主觀;其四此反應只操作溫度對反應速率的影響,但在實際教學上,若能用一個反應,全班分組操作不同的變因,如濃度、表面積、催化劑等來全盤了解各因素對反應速率的影響,則學習會更統整而全面。因此我們選用小學、七年級、八上已學過的化學反應 (雙氧水+紅蘿蔔製造氧氣的實驗)來連結學生舊經驗,設計探究活動;並且利用全班同學分組合作方式,在一堂課中同時探討溫度、濃度化學反應速率的影響。而課本的硫代硫酸鈉溶液加鹽酸的反應則作為學生自主學習的題材,並進行評量。整體教學設計使學生有更多實作、探究,但比目前的設計更省時,同時解決了教學進度的困擾。

n  設計理念

       探究與實作能力的培養一直是自然科學教學的重要目標,雖因各種因素,在教學現場常被被忽視,但6年前新課綱實施前,我們有機會參加彰化師範大學段曉林教授主持的探究教學增能計畫,在有系統的工作坊、教師社群共備、教案寫作、觀議課實作下,探究教學能力確實獲得提升,也獲得獎項(吳月鈴、陳珮琪、吳宛如,2016)。為了使這個教案更容易執行,易被複製,我們修改與精進此教案,在教學設計上更明確也更易執行。本篇文章我們採用起承轉合的教學模板分配上課時間,這種起承轉合教學模板(簡稱四格教案)最早源自於十多年前日本的教師手冊,由林如章教授轉譯成中文模板。林如章教授曾帶領2梯次的自然輔導團團員至日本參訪,回台灣後,許多教師在研習場合介紹此四格教案,目前,在台灣甚至有其他科目的教學設計使用此模板。而本篇文章所採用的模板是透過第一作者與林教授一起到日本參訪後,不斷地研發改進至目前的教學模板。而為了讓老師們願意進行探究教學,我們覺得在實驗材料、器材的準備上要更簡單、安全,學習活動要明確,且能在部定的教學時數內完成,所以我們的實驗活動選擇即使不進實驗室都可進行,且無安全疑慮,在教案中明確寫出探究步驟與學習重點,且時數也控制在2節內完成。

n  教學設計

       本次的教學活動單元,我們選擇化學反應反應速率知多少,實施的對象為國中八年級的學生,預計兩節課即可完成。教師在進行此活動時須先確認學生具備下列的知識與能力:

學生在國小時已學過:雙氧水和胡蘿蔔生成氧,在7年級上學期學過生物具有酵素,酵素可催化反應,在8年級上學期也學過氧氣的製備及性質,使用雙氧水和二氧化錳製備氧氣,導入催化劑概念。此外在此單元,可著重探究過程,經由觀察、實驗等過程,認識溫度、催化劑等會影響反應速率的定性概念,再應用這些知識,解釋、解決生活中的問題(如食物保存、塵爆等現象),不必要求反應速率的定量實驗及計算等。

有關本單元的節次,以及配合108年課綱的學習內容以及主要的探究活動與學習表現如下表1與表2(教育部,2018)

1 學習重點


次單元(節數)

 


學習內容

 


主要的探究活動及學習表現

 


(以翰林版為例)

 

4-1反應速率

 

(2)

 


Je-Ⅳ-1實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素,例如:本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。

 


1.察覺影響反應速率的因素,並進行實驗設計(pe-Ⅳ-1)

 

2.進行實驗操作並分析實驗結果,運用結論來解釋新情境(pe-Ⅳ-2pa-Ⅳ-12)

 

 

2 有關反應速率與學習目標及評量的呼應


 

 


科學認知

 


探究能力

 

(問題解決與思考智能)

 


科學態度

 


學習

 

目標

 


經由實驗認識化學反應速率及影響反應速率的因素,例如:本性、溫度、濃度、接觸面積及催化劑。

 


1.能依據已有的經驗、知識推測影響化學反應速率的因素,提出假設,並能以溫度、濃度為操作變因,設計實驗,且能操作、記錄實驗。(pe-Ⅳ-12)

 

2.將實驗結果分析、製圖,推導提出結論,再根據結論解釋新情境(pa-Ⅳ-12tr-Ⅳ-1)

 


透過動手實作,主動地以成品來分享自己構想的樂趣。

 

(ai-Ⅳ-1)

 


評量

 


能解釋、理解新情境:如硫代硫酸鈉反應的相關內容(tr-Ⅳ-1)

 


1.能提出假設溫度、濃度能影響反應速率,並說明如此推測的理由。

 

2.能規劃實驗組別及記錄表格

 

3.實驗操作及記錄

 

4.將數據做出圖表

 

5.能和同學討論並做出結論

 


 

 

n  教學流程

第一節課:

一、起:導入情境、連結舊知識經驗、察覺問題(10分鐘):教師幫助學生回想以及複習八年級上學期所學過雙氧水+二氧化錳的製氧反應。並寫出雙氧水變成水的反應式:

2H2O2→2H2O + O2接著幫助學生回想 MnO2當催化劑,有催化劑反應速率快,沒有催化劑則反應慢。接著教師讓學生觀察火煤棒與竹筷燃燒的差異,讓學生能演練觀察與比較的能力。並要求學生能找出兩者的差異,並推測原因(空氣、接觸面積….)。此活動進行後教師幫助學生連結到紅蘿蔔+雙氧水的反應。讓學生能推論到)紅蘿蔔是催化劑,紅蘿蔔加入雙氧水會產氧氣。

二、承:提出假設(10分鐘):教師要求各組學生根據紅蘿蔔加雙氧水的實驗,提出如何能增加反應速率的假設。此時學生需要根據已知的原理或經驗,提出假設,預測可能的結果。在此活動階段,教師可鼓勵每組學生提出不同的假設,若學生程度較好,可請他們寫出預測的理由。以下是學生可提出的假設以及理由範例:

假設1:如果把紅蘿蔔切細,增加接觸面積,則氧氣產生會比較快

 (理由:從火媒棒經驗知道切得越細接觸面積越大,反應越快,所以…)

假設2:如果……則反應越快

圖1試管上貼刻度

三、轉:規劃驗證的實驗或觀察活動(15分鐘):學生進行變因的分辨,並規劃與設計其探究的實驗活動要如何地進行。老師和學生確認各種變因,例如:操縱變因是:紅蘿蔔的表面積,則應變變因是:氣泡產生的高度。接著教師示範或解說反應速率測量的方法,例如:紅蘿蔔+雙氧水後,滴入2滴清潔劑,以利氧氣形成氣泡,方便觀察。教師提示學生下列資訊:在試管上貼刻度”(如圖1)或用針筒來收集氣體(不用加清潔劑)以利定量。(1)氧氣產生較快達到固定氣泡量(5毫升)所需的時間 (紀錄t)(2)氧氣產生較多在固定時間(5分鐘)內產生的氣泡量(紀錄v)(3)分時段測量產生的氧氣量(:2,4,6,8分鐘各測量一次) (紀錄t & v)

教師提醒學生還有其他因素會影響反應速率,在實驗時要維持不變,稱為控制變因。最後教師以接觸面積為例,示範實驗設計及記錄表格。接著鼓勵學生自己設計探究紀錄表格(例如表1與表2)

表一實驗設計表格                                                   表二實驗記錄表格

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四、分享與統整(10分鐘):各組學生設計好其探究活動之後,教師開始執行世界咖啡屋的小組分享活動。進行的方式為:每組2個同學到另一組,其餘的同學留守在本組。各組留守者(主人)起立,以學習單和白板對來訪者(客人)解說,來訪者(客人)聆聽並記錄。來訪者和留守者討論,提供建議或修改。如此進行兩三組的訪問與討論後,最後各組進行探究設計的修正,之後老師進行統整及訂正。

第二節課

一、起:複習已知,分工合作、規劃實驗(5分鐘):教師開始上課時先複習上一節的實驗設計,接著教師說明實驗所需要的材料(以組為單位)

(1)紅蘿蔔(或其他植物材料)(2)貼好刻度的試管3隻、試管架1個、燒杯3個。(3)雙氧水(3%6%9%),市售濃度35%的雙氧水可自行調配。(4)洗髮精一小瓶。(5)方格紙一張。

教師介紹好器材之後,可.分配各組的操作變因及負責組別,例如:1.2.3組負責濃度(3%6%9%三組),每隔一分鐘紀錄氣泡體積變化;4.5.6組負責溫度水浴方式(室溫tt+20℃(泡在熱水中)t-20℃(泡在冰水中)),每隔一分鐘紀錄氣泡高度變化(2)。建議教師在進行此活動時可全班共同操作兩個變因,如此可以節省時間且可互相比較結果。此外教師對於小組的分工需先規定,以便進行有效的分工合作,例如:主要操作者、計時、紀錄者。在進行小組實驗前,教師可先做實驗操作的示範、解說注意事項(:清潔劑最好是處置好後再滴入、雙氧水不能噴到人…)

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圖2不同濃度與溫度條件比較

二、執行實驗或觀測活動(15分鐘):學生進行實驗設計,完成後進行實驗操作,在操作過程中學生將實驗結果記錄在表格中。

三、轉:數據處理討論、結論(15分鐘):學生進行資料收集時,需將實驗數據轉化成座標圖,要標示橫軸和縱軸的項目、間距(畫在方格紙上,3)。在此階段,老師最好巡視學生製圖時,在橫軸和縱軸的項目、間距等的決定是否有困難,適時給予指導。以下為學生透過方格紙做出的圖表範例:


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圖3 將實驗數據轉化成座標圖

各組學生將圖表展示在黑板,全班同學自由觀摩。之後,教師主持實驗結果討論,討論的題目可為:(1)實驗結果是否支持假設?此實驗的結論為何?(2)哪一個圖最能表達:溫度(濃度)和反應速率的關係?你怎樣解讀?(3)哪一個圖最能表達:反應速率隨時間的變化而改變,你怎樣解釋? (如反應初期,反應速率較快,後期反應速率變慢)?討論後,各組學生提出其結論,最後教師再進行總結。總結的內容可包含:(1)紅蘿蔔內有酵素,擔任催化劑功能。(2)溫度較高反應速率較快。(3)酵素和雙氧水的接觸面積越大,反應越快。(4)反應物(雙氧水)濃度越高,反應越快。

四、合:確認新知、探索未知(10分鐘):教師進行結論後,可透過下列的問題檢核學生對此單元的理解:

1.相同材質的鐵釘、鋼絲絨、鐵粉何者最容易燃燒?為什麼?

2.君君購買一瓶牛奶,開封後倒出一杯來喝,其餘則放進冰箱,他說:這樣才不容易變壞,關於影響下列反應速率快慢的因素,何者與君君保存牛奶,使牛奶不易變壞的主要因素最接近?

(A)
酯化反應時,將反應物隔水加熱比沒加熱的反應快

(B)
加熱金屬銅與金屬鎂,後者的反應會比前者激烈

(C)
以雙氧水製氧時,有加二氧化錳比沒加二氧化錳反應快

(D)
大理石與鹽酸反應時,用 1 M 鹽酸反應比用 0.1 M 鹽酸快

接著教師可鼓勵學生將本單元所建構出的知識運用在解決新的問題。例如:

1.教師統整,發布課後延伸閱讀:請閱讀課本實驗,並討論下列問題:

硫代硫酸鈉+稀鹽酸氯化鈉 + + 二氧化硫 + 水實驗後的習作討論:

(1)
本實驗的控制變因、操縱變因、應變變因各為何?應變變因是什麼?如何測量?
(2)
最後的圖為何以時間的倒數(1/t)表示而不使用時間(t)

教師可和學生討論,教科書將硫的產生量列為控制變因,是否正確?因為反應速率本身是應變變因,只是因測量方便而將硫的產生量固定(至其顏色可遮住瓶底記號)”,不可因此而將產物的量列為控制變因。此部分也許需比較長的時間,所以本單元所需時間可估計2-3節。最後,教師可請同學提出學習過程中有何新發現或待解決的問題。

n  結語

課程在執行過程中,學生可學習到不僅是溫度對反應速率的影響,更能學習到濃度、表面積等各種影響反應速率的因素。經由顯而易見應變變因的觀察,實際操作一次反應速率的實驗,分析繪圖各項因素與反應速率的關係圖,進而推論出結果,學生的反應是對與這個課程的內容更為深刻。

而原有的溫度影響反應速率實驗(硫代硫酸鈉+稀鹽酸氯化鈉 + + 二氧化硫 + )是目前各版本都有安排的實驗內容,若我們以雙氧水這個實驗來代替則讓學生透過閱讀來做為評量學生能否將所得知識運用來解決新問題,且也可解決教科書內容要上完的問題。

n  參考資料

1.吳月鈴、陳佩琪、吳宛如(2016):化學反應知多少。105年探究教學教案競賽網。https://ppt.cc/fhyLUx

2.教育部(2018)。十二年國民基本教育課程綱要:自然科學領域。台北:教育部。https://ppt.cc/f0S9Gx

國中自然科學探究與實作:燃燒的本質-氧化還原反應 / 鄭志鵬

星期四 , 7, 1 月 2021 在〈國中自然科學探究與實作:燃燒的本質-氧化還原反應 / 鄭志鵬〉中留言功能已關閉

國中自然科學探究與實作:燃燒的本質氧化還原反應

鄭志鵬

臺北市龍山國中

[email protected]

  • 簡介

本教學設計的目的,是讓學生了解物質燃燒的本質,是物質與氧結合產生劇烈的放熱反應。作者運用科學史中拉瓦節史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材,讓學生學習科學的批判思辨必須以實驗事實為本,進行邏輯的推論。再藉由許多不同的氧化還原現象認識物質的活性不同,並從巨觀實驗結果中,推論物質在微觀分子層次上會因活性大小不同而發生氧元素的交換現象。

  • 教學設計理念

國中的化學課程,往往被視為「背科」,也就是純記憶性質的科目。學習化學反應時,「記憶」化學反應的現象、反應式和分類好像就是全部的學習目標。但是化學作為一門科學,難道在探究的層次上真的這麼薄弱嗎?其實以科學史中,拉瓦節探究燃燒本質為例,他也是進行了許多實驗,收集了許多實驗證據後,透過抽絲剝繭的方式逐步的找到燃燒的本質,這個過程絕對是高強度的探究。因此,在國中進行氧化還原單元時,其實可以以化學史作為背景架構設計課程,讓學生跟隨拉瓦節的腳步來探究燃燒的本質。接著延伸此一主題,觀察各種不同元素與氧元素進行交換的反應,從巨觀現象觀察、想像、猜測在微觀分子層次發生的變化,並且學習設計實驗驗證自己的假設,並在此過程中學習氧化還原反應的概念以及諸多探究能力。

  • 教學設計

作者利用物質的氧化與還原單元設計兩節課的探究活動。實施的對象為國中八年級的學生。此單元可於八年級下學期中段進行,在實施前學生對於化學反應已有初步認識,知道化學反應是原子的重新排列組合。他們也曾觀察過鎂帶在純氧中燃燒會產生白色的產物,對於一些元素的特性也有簡單的認識。除此之外,學生也需操作過燒杯、錐形瓶、酒精燈、燃燒匙等基本化學實驗器材。有操作實驗器材的基礎以及進行化學實驗的能力。

        有關本單元如何與108年課綱所訂的學習內容目標,思考智能與問題解決目標,科學態度與本質目標的關聯,如下表:

 

節次

 

 

學習內容目標

 

 

思考智能與問題解決目標

 

 

科學態度與本質目標

 

 

第一節

 

燃燒的本質

 

 

Jc-IV-2
物質燃燒實驗認識氧化。

 

 

1.pa-IV-2
能從簡單的燃燒質量變化數據和學習單(如附錄)文本提供的實驗結果,形成對燃燒現象的解釋。

 

2.tm-IV-1
能從實際實驗數據以及科學史文本中取得的資訊,比較史塔爾與拉瓦節對燃燒概念的差異

 

 

1.ah-IV-1對於權威解釋,如:史塔爾的燃素說能抱持懷疑的態度,評估推論證據是否充分。

 

2.an-IV-2能分辨科學知識(如燃素說)的確定性會因科學研究的時空背景不同而有所變化

 

 

第二節

 

活性與氧的交換

 

 

Jc-IV-3
不同金屬元素燃燒實驗認識元素對氧氣的活性。

 

Jc-IV-1
氧化與還原的狹義定義為:物質得到氧稱為氧化反應;失去氧稱為還原反應。

 

 

1.pa-IV-2
能比較鎂、鋅、銅在空氣中燃燒的劇烈程度,認識不同元素對氧的活性大小不同。

 

2.tr-IV-1
觀察高溫的鎂和銅在二氧化碳中反應的現象。根據產物的顏色及性質推論產物,並以活性大小來解釋反應的現象。

 

3.tr-IV-1
能依據活性大小與是否產生反應的概念,推論氧化銅是否能和碳產生反應。並設計實驗驗證。

 

 

1.ai-IV-1動手實作解決問題或驗證想法,獲得成就感

 


(一)
  
評量方式:以課程中討論、實驗操作以及學習單內容表現作為評分依據

  • 教學流程

本單元的教學將分為兩節課分別介紹,每一節課均採用起、承、轉、合的階段介紹如何的實施此單元的探究教學。本教學流程的起、承、轉、合階段的構想來自於吳月鈴老師的研發構想。

 

第一節課燃燒的本質

一、(導入與初步探究):教師先引言說明人類知道「火」和「燃燒」已經歷史悠久,但人類直到近三四百年才有能力提出理論來說明燃燒現象。接著教師對學生提問:你們知道燃燒是怎麼回事嗎?(氧化)。你們怎麼知道是氧化?是看到氧氣了嗎?提出問題後,接著教師說明這堂課就是要來回答我們怎麼知道燃燒是一種氧化現象?的問題。之後,教師示範燃燒酒精燈與鋼絲絨過程中的質量變化,請學生觀察並紀錄。幫助學生聚焦兩種的燃燒現象其中相同處與相異處。學生會記錄到燃燒時同樣會發光發熱,但酒精燈燃燒過程,質量會變輕;鋼絲絨燃燒後則會變重。

二、(進階探究活動)15分鐘:教師請學生閱讀學習單中描述史塔爾如何以「燃素」的觀點描述燃燒現象以及燃燒過程中質量變化。在閱讀中教師提醒學生學習分辨「證據」、「主張」與「推論」。要求學生學習以CER模式(Claim Evidence Reasoning Framework)做論述練習。例如:(1)練習使用燃素說解釋酒精燈燃燒與鋼絲絨燃燒的質量變化。重點是依據他人的主張,來解釋自己的實驗事實。(2)閱讀學習單中拉瓦節進行的實驗。使用繪圖方式轉譯拉瓦節的實驗結果。教學的重點在讓學生更仔細閱讀實驗結果,並學習將較難分析的文字,轉譯成較容易分析的圖片。並做為下一階段討論的依據。

三、(討論實驗結果)15分鐘:教師讓各組學生以燃素說這個主張解釋拉瓦節的實驗結果(證據),讓學生發現衝突矛盾之處。接著教師讓學生將主張改變為拉瓦節的氧化說,以此解釋相同的實驗證據。比較哪一個主張可以做出更好的解釋。最後教師要求學生學習論述的方式,以文章第二、三段作為範例,練習書寫或口說論述。

四、(總結)5分鐘:透過上述的活動之後,最後教師進行總結,教師歸納:以燃素說解釋拉瓦節燃燒的現象時,有些難以解釋之處。但若以氧化的主張,則可以更完美的解釋許多燃燒現象。之後教師再提出燃素說和氧化論何者較佳?除了氧化說能解釋更多的實驗現象之外,拉瓦節實際找到氧氣作為直接證據,因而獲得極大的支持。但燃素觀點則一直沒有找到燃素因此逐漸沒落。依據上述的科學史的活動,教師提出人類對於科學現象的認識,是與時俱進的,不同的時代對於同樣的現象,可能會提出不同的觀點,但新的觀點往往能更完整的解釋更多現象。

 

第二節課活性與氧的交換

一、(導入與初步探究)10分鐘:教師提示學生一些先備知識:鎂在純氧中燃燒會產生強烈白光,並產生白色的產物。根據化學反應前後不會產生新元素,只會將元素重新排列組合的規則來思考,白色物質必然是「氧化鎂」。接著教師將二氧化碳以排水集氣法灌滿廣口瓶,並將燃燒中的鎂帶放入,讓學生觀察燃燒現象,並記錄所觀察到的現象。透過此實驗可看出:

鎂帶可在二氧化碳中燃燒,並產生白色與黑色的產物。接著讓同學討論白色產物最可能是氧化鎂,黑色產物最可能是碳。接著重複上述的實驗,將鎂帶改為銅粉進行燃燒,發現高溫銅粉在空氣中會逐漸形成黑色氧化銅,放在排水及氣法所收集到的二氧化碳廣口瓶中,銅的燃燒現象會熄滅。

二、承(進階探究活動)15分鐘:各組學生進行觀察與推論:根據以上實驗結果,推論不同元素搶奪氧元素的能力有差異。從二氧化碳與鎂的反應可推論,鎂與碳相比,鎂有能力將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。代表鎂元素搶奪氧的能力勝過碳元素。在銅粉燃燒的實驗中透過觀察與推論可發現高溫銅粉在二氧化碳中會熄滅的結果,可推論出銅與碳元素搶奪氧的能力:銅無法將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。各組學生透過上述的兩個活動的觀察與推論,他們會提出下列的假設與推論:將碳與氧化銅混合加熱,是否會產生反應?教師也請學生提出他們認為會產生反應,或者無法產生反應的理由。接著教師要求各組學生進行計劃與執行:假如碳可以搶奪氧化銅的氧元素,將會產生二氧化碳。那可以用什麼方式檢驗二氧化碳?各組學生將混合粉末放入硬試管中,在單孔橡皮塞中插入玻璃管,塞住試管後,架設在鐵架上並用酒精燈加熱。玻璃管裝上橡皮管,並將橡皮管另一端放進澄清石灰水中。此階段如果時間或是器材不夠,也可由教師進行示範實驗。

三、轉(討論實驗結果)15分鐘:請學生根據觀察,寫下檢測結果:「氧化銅和碳粉在高溫下會反應產生氣體,氣體通入澄清石灰水中會產生混濁現象。另外將粉末倒出後會看到原本黑色的粉末產生了紅色物質」,透過此活動讓學生學習探究中的分析。接著教師請學生根據實驗結果討論氧元素在反應過程中會如何移動:氧元素會脫離氧化銅和碳結合,因此產生二氧化碳和紅色的銅金屬。代表碳和銅相比,碳搶奪氧的能力是更強的。透過此步驟讓學生發現他們探究的結果。教師提問學生:如果將鎂和氧化銅混合加熱,是否會發生氧元素交換位置的反應?會。因為搶奪氧的能力鎂>碳,碳>銅,因此可以推論鎂>銅。此步驟可讓學生進行探究歷程中的推論。教師可再透過提問,讓學生將探究的結果進行延伸。例如:已知水煤氣是將高溫的水蒸氣通過熾熱的碳後,會產生氫氣和一氧化碳。根據此結果,推論碳和氫相比,何者搶奪氧的能力更強?根據水煤氣的討論,判斷將高溫鎂帶放入熱水中,是否會產生氫氣?

四、(總結)5分鐘:實驗活動進行後,教師進行總結:物質與氧結合反應稱為「氧化反應」;物質氧化物與氧脫離的反應稱為「還原反應」。不同元素與氧的結合強度不同。活性越大的元素,結合強度也越強。鎂可以搶走二氧化碳中的氧,也可以說鎂的活性大於碳。根據今天的活動我們可將實驗過的元素活性排列出來,可以得到Mg>C>Cu,C>H等等的結果。最後,科學家進行更多實驗,得到更完整的對氧活性序列。

  • 結論

化學作為基礎科學的一門學科,在學科知識建立與形成的過程,必然有許多探究的成分在其中。在化學教育上,可以運用科學史作為脈絡進行閱讀式的探究。讓學生置身於燃素說與氧化說爭執不休的時代,參與其中共同討論來學習化學的探究。另外也可以以一系列化學反應實驗的觀察與分析,認識到氧與其他元素的關係。學習在化學探究上,常常會從巨觀世界的實驗結果推論微觀世界的原理。化學學科有其獨特的探究手法和思考策略,我們應該可以藉由適當的課程設計來傳達此一概念。以上提供兩節課程示例,希望能拋磚引玉,提供現場老師參考。

  • 參考資料

南一出版社國中自然與生活科技課本(八下)p86(108)

  • 附錄

第一堂課學習單

 

壹、以實驗收集關於燃燒現象的事實

一、實驗觀察與紀錄

 

實驗觀察與紀錄

 

 

外觀現象

 

 

燃燒前重量

 

 

燃燒後重量

 

 

蠟燭燃燒

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

鋼絲絨燃燒

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


二、問題與討論

(一)  請問蠟燭和鋼絲絨燃燒時,有那些現象看起來是類似的?我們有時候會將不同物質產生的相類似現象歸納,成為描述該現象的方式。例如歸納蠟燭和鋼絲絨燃燒中相類似的部分,就可以做為「燃燒」現象的粗略定義。

(二)  鋼絲絨和蠟燭燃燒時,重量的增減是否有不同?何者重量上升?何者下降?

我們會觀察相似現象中的差異,並思考造成差異的原因。從探討產生差異的原因,往往能獲得對該現象更進一步的發現。

接下來讓我們看一下過往的科學家,對於燃燒現象的觀察與理解。看看他們的思考以及辯證的過程,我們也一起來參與他們的研究討論吧。

、科學史上關於燃燒的證據、主張與推論

一、燃素派的觀點

        我們發現燃燒不同的物質時,有些物質像是蠟燭,燃燒起來質量會減少;有些物質燃燒過後質量則會上升。

        1703年,德國的史塔爾Georg Ernst Stahl, 1660-1734)提倡「燃素說」-他認為可燃的要素是一種氣態的物質,它存在於一切可燃的物質中,他把這種要素稱為燃素」。

        燃素派認為物質燃燒時,物質裡面的可燃成分(燃素),會從物質內逃逸出來,與空氣結合,從而發光發熱,這就是火,並且因為燃素從物質中釋放出來,重量就變輕了,釋放燃素的物質只剩下灰。但有些物質像是金屬它們內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿了燃素。燃素與金屬分離後,空出來的容器會變空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。燃素派認為物質在加熱時燃素並不能自動分解出來,必須藉空氣來吸收燃素,才能將燃素釋放出來,而且越好的空氣吸收燃素的效果越好。

        例如說普利士特利將俗稱「三仙丹」的紅色粉末加熱分解產生了汞和某種氣體。他蒐集產生的氣體,發現物體在該氣體中,能產生非常劇烈的燃燒。於是普利士特利將這種氣體稱為「脫燃素氣體」。他認為物體在該氣體中能劇烈燃燒的原因,是因為該氣體吸收燃素的氣體非常好的原因。

        我們在論述一件事情的時候,會包含CER三個要素。分別是主張C(Claim)、證據E(Evidence)以及推論R(Reasoning)。主張,像是陳述的結論;證據是你握有的事實;推論則是連結證據和主張之間的論述。來想想看以下的問題:

二、關於燃素派的問題與討論

(一)  關於燃素說的內容中,哪些是關於燃燒的「證據」?請用紅筆標記出來;哪些是屬於「主張」?請用藍筆標記出來;哪些是屬於「推論」?請用黑筆標記出來。

(二)  試著用燃素說解釋我們實驗中,蠟燭和鋼絲絨重量改變的現象

三、反對燃素派的拉瓦節

拉瓦節先將汞在有空氣的密閉空間中加熱燃燒得到「三仙丹」,發現:

(一)  燃燒前後總重量並不會改變。但是金屬重量增加了一些,代表空氣的重量減少了一些。

(二)  他將密閉容器打開,發現空氣會從外面流進容器中。

著他用了普利士特利的方式,將三仙丹加熱後產生氣體,經過測量他發現:

(三)  產生的氣體重量就恰好等於一開始空氣減少的重量。

        於是他認為燃燒的關鍵並非來自物體內部的燃素,而是來自外面空氣的某種成分。這成分就是普利士特利所謂的「脫燃素氣體」也就是我們知道的「氧氣」。

四、關於拉瓦節觀點的討論

(一)  小軒讀了拉瓦節的發現,覺得很難懂。請幫他把上述拉瓦節的發現,用簡單的畫圖加上標示的方式呈現。

(二)  試著用燃素說解釋拉瓦節實驗的現象,有沒有什麼現象是燃素說難以解釋的呢?請注意這裡是討論拉瓦節的實驗結果,而非實驗方法。可以用剛剛畫的圖,輔助解說喔。

(三)  拉瓦節主張物體燃燒的關鍵是因為物體與空氣裡的某種氣體結合。試著幫拉瓦節的主張提出解釋。論述的方式可以參考文章相關段落。

 

五、總結說明

與燃素說相比,拉瓦節的氧化說,能解釋更多實驗的現象以及測量到的數據。拉瓦節也找到了更多而且更直接的證據證明自己的主張。相反的,燃素說並無法解釋為何金屬的燃素釋放後,空氣可以填補進來造成重量增加,其他物體燃燒卻不會發生相同的事情,也無法解釋拉瓦節定量測量出來的許多結果。更重要的是燃素派也從來沒有真的找到他們聲稱的燃素,於是漸漸的式微。人類就捨棄了燃素的觀點,接受了燃燒是氧化現象的說法。

 

第二節課學習單

 

氧化與還原

 

記得我們曾經燒過的那些物質。我們了解燃燒的現象是物質與氧結合,產生高溫與火焰的現象。在這一節課中,我們將進一步探討物質與氧結合的現象。

 

■鎂帶(鎂元素)在純氧中燃燒後會產生強烈白光,產生白色物質。代表白色物質必然為___________

 

■酒精燈或蠟燭燃燒後,會產生二氧化碳,代表酒精和蠟燭裡都有__________元素

 

■紅褐色的銅燃燒時,反應較不劇烈,但會逐漸變成黑色的___________

 

壹、實驗觀察與分析

一、實驗步驟

(一)    以排水集氣法在廣口瓶中收集兩罐二氧化碳

(二)    把一小段鎂帶放在燃燒匙上,以瓦斯燈點燃後,放到裝滿二氧化碳的廣口瓶中,觀察鎂帶是否能在二氧化碳中燃燒?

(三)    火焰熄滅後,將殘餘的物質取出,觀察外觀並記錄。

(四)    將步驟二中的鎂帶替換成銅粉,重複步驟二~三。

二、實驗記錄

 

物質

 

 

是否可在二氧化碳中燃燒

 

 

產物外觀

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三、推論

(一)    從鎂帶在二氧化碳中燃燒之後的產物外觀,可以猜想產生了哪些產物?

(二)    從反應物和產物的關係,我們可以推論在燃燒的過程中,產生了氧元素的交換。代表鎂元素和碳元素,何者搶奪氧元素的能力更強?

(三)    從燃燒的銅粉會在二氧化碳中熄滅的現象,可以猜想銅是否有能力搶奪二氧化碳中的氧元素?銅與碳元素何者搶奪氧的能力更強?

(四)    根據()的猜想,請問如果將氧化銅粉和碳粉混合後加熱,是否會產生氧元素交換的反應?

(五)    假設氧化銅與碳粉加熱會產生氧元素交換的反應,請問會產生哪些產物?

四、以實驗驗證猜想

 

(一)    clip_image002[4]

實驗步驟:將約一刮杓(平匙)的碳粉與氧化銅粉充分混合後,放入硬試管底部。依照上圖組組裝實驗器材。組裝完成後,讓老師檢查,確認了解所有安全注意事項後,請老師點燃酒精燈開始觀察實驗現象。

(二)    實驗結果

1.   澄清石灰水是否變色?代表產生什麼物質?

2.   倒出試管中的反應物,是否有觀察到紅棕色物質產生?代表產生什麼物質?

(三)    實驗推論:根據以上反應結果,我們可以推論銅和碳何者搶奪氧的能力更強?

(四) 進一步猜想:根據以上結果進行推論,如果將鎂帶和氧化銅混合加熱,是否會發生反應?為什麼?

五、延伸思考1:以前人會將高溫的水蒸氣通過熾熱的焦煤()之後,蒐集產生的氫氣與一氧化碳,作為氣體燃料使用。根據水煤氣製造的過程我們可以知道,碳元素和氫元素相比,何者搶奪氧的能力更強?

六、延伸思考2:根據上述的資料判斷,若將鎂帶放入熱水中,是否會產生氫氣?為什麼?

國中自然科學探究與實作:吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 ∕ 林芬如、段曉林

星期三 , 6, 1 月 2021 在〈國中自然科學探究與實作:吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗 ∕ 林芬如、段曉林〉中留言功能已關閉

國中自然科學探究與實作:吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗

林芬如*1、段曉林2

國立彰化高級中學退休教師1

國立彰化師範大學科學教育研究所2

*[email protected]

n  前言

108年課綱的精神在於重視每一位學生的資質均能得到造就與幫助,使其適才適性,質量並重,並能提升其科學素養。本探究活動依照108課綱所指「由各校依照學生興趣、性向、能力與需求開設」進行探究與實作教學的目標,以108課綱設計國中課程適用的探究教學教案範例,教案中教師以學習單引導,幫助學生完成此探究活動。

本教學活動的目的有二:() 利用動手做的探究活動促進國中學生的學習動機,增加學習樂趣。() 促使國中生在本活動中,仔細觀察日常生活中油脂化學變化的現象,驗證他們常聽說的吃水果解油膩 的說法是否合理,在動手做的活動中將學校課程所學,融入日常生活中。本教學活動對應到108年新課綱的學習內容是「有機物的性質」為物質間的交互作用,「物質的反應、平衡與製造(J)」和次主題「酸鹼反應(Jd)」,以及第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性,水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。」。在學習表現上,希望培養科學探究的興趣(ai)、應用科學思考與探究的習慣(ah)等態度;培養學生問題解決中的觀察與定題(po)、計劃與執行(pe)、分析與發現(pa)、討論與傳達(pc)的能力;思考智能中的想像創造(ti)、推理論證(tr)的能力。

n   需用材料和器材

小試管(15mL-20mL)每人六支;三種不同種類沙拉油如花生油、橄欖油、葵花油等(每種每次3mLX2支)做成6/;新鮮檸檬數個擠成檸檬汁(250 mL供全班使用);新鮮綠葡萄一串打成汁過濾果皮(250 mL供全班使用);市售黑葡萄汁數瓶;某牌果菜汁數瓶;廚房水果醋250ml;廚房小蘇打粉數包。加熱設備如加熱器或小型瓦斯爐台數台、電子溫度計或玻璃溫度計數支、計時器、廣用試紙與石蕊試紙數盒,數字型電子pH計數支,酸鹼滴定裝置(若無可用乳頭滴管加上小量筒代替)。如圖一所示。


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新鮮橘子

 


clip_image004新鮮檸檬

 


clip_image006 新鮮綠葡萄

 


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數字型電子pH計數支

 


clip_image010clip_image012

 

乳頭滴管加上小量筒

 


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數字型電子加熱器

 

 

n  課程介紹

()、本課程設計上盡量使國中學生接觸到的藥品毒性低,危險性低,便利性高,人人在家都可以做實驗,達成安全無毒的考量。()、本課程108課綱所提(p.3)以「主題式探究教學」為課程內容,選取油脂的水解反應為主題,根據5 E教學架構,由教師提供的學習單引導探究的主題與學習內容,使學生在進行探究的過程中具備三種學習表現:思考智能、問題解決、科學態度與本質,符合前言所提的學習表現。

本教學活動採用5E教學法,詳細的教學步驟請參考下文,研究中教師的提問則請每一位學生都必須填寫在學習單(附錄一)

一、參與(Engagement)

步驟1:教師先拿出一份花生油(A),與家庭用水果醋3mL(B)及檸檬汁(C),用廣用試紙單獨測試(A)(B)(C)後,將顯色後的試紙標註(A)(B)(C),請學生運用自然與生活科技所學的基本酸鹼觀念,全體學生觀察何者為酸性;何者為鹼性或中性? 此時邀請一至兩位學生回答引起學生的參與動機:(問題一) 請分別描述酸性與鹼性溶液的性質?(問題二) 請嘗試由老師示範後的廣用試紙(A)的結果,觀察判斷花生油是酸、中性、鹼性?

二、探索(Exploration)

步驟2:待學生回答後,教師適時給予確認答案。此時,教師引入探究主題吃水果可以解油膩?,邀請學生分享自己的生活經驗,同意這句話嗎?

步驟3:教師可一邊示範將家庭用水果醋3mL倒入花生油中進行攪拌,此時出現乳化現象,然後靜置數分鐘,一邊以投影片講解油脂是有機物的酯類,而酯類是一種不易溶於水的化合物;它來自酸與醇類脫水化合而成,在人體中可視為維他命AE的載體,產生的熱量可以維持體溫,衛生署建議國人每日攝取油脂3-5茶匙(6-12ml)等等,使課程內容貼近生活,學生覺得淺而易懂。如圖二所示。


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花生油與水果醋初期的乳化反應

 


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花生油與水果醋靜置後呈現澄清透明

 


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花生油與市售葡萄汁靜置後呈現澄清透明

 

 

步驟4:油脂為非水溶液,當從沙拉油瓶中倒出時,油的初濃度可視為固定不變 (視為控制變項) 。此時,請學生們先預測甚麼可能是自變項?而甚麼是依變項? 當然,此時教師可以視自己學生程度給予提示。教師可視實際的需要提示學生:自變項是探究中實驗者所操弄的變項,例如:以檸檬汁,綠葡萄汁,市售黑葡萄汁、某牌果菜汁、家用水果醋等,在常溫或高溫與不同種類油脂作用,時間長短快慢等實驗者操弄的變項。依變項是受自變項的變化而改變的變項,本研究中依變項是指:乳化現象後,油脂水解的狀況。教師提出問題三:(問題三)油脂乳化靜置後,各種油脂在不同水果汁作用下,水解的狀況如何?外觀看起來是澄清透明還是不透明?你如何由外觀觀察油脂被水果汁水解的效果是最成功的?

老師可請同學想想,如何有效驗證從自己做的探究實驗吃水果解油膩中看到油脂被哪一種水果汁(新鮮果汁或市售果汁)水解的效果最好?這些油脂水解的產物,每組學生用數字型pH計測出pH讀數是多少?這樣得出水解後pH的效果,進一步該怎麼用老師提供的藥品與器材實驗驗證?接著要求學生先進行研究假設,之後在學習單上設計實驗活動。(詳見附錄一)

步驟5:教師提醒探究時間是40分鐘。之後,請學生利用教師所提供的實驗藥品與器材,完成(問題三)所有的提問。

三、探索(Exploration)與精緻化(Elaboration):規劃這個探究活動成為具有可信度與再現性的實驗

步驟6:學生將步驟5完成後,紀錄表格資料與觀察結果。經過分組討論後,請學生們試著由自己的表格紀錄進行分析,自己找出最佳實驗條件,在此條件下可快速重做一次實驗,驗證可以獨立建立自己的探究結論。全體學生指派一位組長上台回答(問題四)

(問題四) 如何由本次探究活動中精確找出讓油脂水解的最佳實驗條件? 包含(1)水果汁用量最少(2)水解時間最快,或(3)最短加熱時間?

四、解釋(數據與結果的整理)

步驟7:這一步驟重點是讓學生展現他們設計探究實驗的成果,老師邀請各組以小白板展示,並邀請各組組長一起上台將自己組員提出的探究步驟,寫在白板上,回答:

(問題五) 如何使用老師給定的小蘇打粉,將油脂水解產物進行酸鹼中和的分析?

進行到解釋這個步驟,是促進各小組上台溝通分享與成果發表的能力。

五、評量:分為第一次評量與第二次評量

第一次評量:在探究活動結束前,各組上台報告後,教師可提點出那些組的實驗技巧很精確,用量少,且水解效果最優。教師最後再快速彙整各組學生,在本活動中找出最解油膩的水果,最有探究的特點的組別做講評。

第二次評量:在探究活動結束後,教師依據:

1) 含小組學習單與小組上台報告錄影帶評量(任課教師與另一名資深探究教師)

2) 評分方式:實作評量四段式給分。本文建議依照PISA問答題素養分數計算,根據學生的實際完成度考量,從不適切至完全適切止,可能編碼為0123四段式給分。本文建議2分為學生對本次主題的基本學習水準。

以下說明評量方式:0分,學生沒有完成任何一項探究活動。1分,學生可以寫出食用油脂加入酸的基本中文化學反應式;或能說出生活中的水果、果汁、水果醋等的酸鹼性(利用試紙檢測說出酸性、中性或鹼性等,其中1項完成)2分,完成油脂受到水果汁與水果醋水解的完整探究步驟的撰寫,可以對自己水解後的產物的外觀描述或酸鹼試紙的檢測結果描述說明,可以探究出水解反應的最佳條件如使用何種水果的反應時間,加熱時間等等,其中2項完成)3分,完成完整探究步驟的撰寫,與完成各種水果、果汁、水果醋對水解反應的探究,可以對自己水解後的產物的外觀描述或酸鹼試紙的檢測結果描述說明;可以探究出本反應老師提供的食物中,最有利水解的最好條件如水果種類,反應時間或加熱時間等等。進一步可以提出自己推測使用生活中其它替代的水果(代表酸)或生活中的洗滌鹼 (代表鹼)。上述的成果其中3項或3項以上完成。

n  結語

透過此種生活化與趣味化的方式,將學生日常生活中常常用到的觀念水果可以解油膩,轉化成為探究活動,必透過實驗加以驗證,這就是科學素養的精神。此活動不但沒有任何實驗安全的疑慮,所有材料取得方便。同時也幫助學生訓練其觀察力,界定各種變項(自變項,依變項與控制變項)的能力。不但如此,透過設計與執行探究活動得到很好的解答,可以澄清過去生活上的觀念,也同時獲得正確的科學知識。許多化學老師常認為化學領域的活動不易設計出探究的活動。但是本教學活動提出很好的示範,幫助老師們重視生活中的資源,再透過系統化的探究教學步驟,不但幫助學生建構其學習表現的能力以及相關的有機化學知識,也幫助學生喜愛化學。

n  參考資料

1.國中自然與生活科技第四冊。南一書局。民國108年。

2.十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高中自然科學領域手冊。民國107年。

3.水果食物pH值:www.bbrazini.com

n  附錄一

吃水果解油膩?油脂的水解反應探究實驗

 

n   設計來源根據:國民中學108課綱八年級有機化合物


學生學習單

 

 

 

組別:   姓名:

一、        組員工作分配表


組員名字

 


分配工作

 


組員工作能力互評表(1~5)

 


 

 

 

 


組長

 

工作內容:

 

 

 


 

 


 

 

 

 


組員1

 


 

 


 

 

 

 


組員2

 


 

 


 

 

 

 


組員3

 


 

 


 

 


組員4

 


 

 

 

 

 

二、        探究過程【各組自行設計將探究步驟分項一步一步說明,不足可自行添增行數】

 

1.                                                                                              

 

2.

 

3.

 

4.

 

5.

 

三、探究實驗數據參考表格(以花生油為例)

三種不同種類沙拉油如花生油、橄欖油、葵花油等(每種每次3mLX2支)


花生油

 

(3mLX2)

 


反應時間

 

紀錄

 


花生油+3mL檸檬汁之外觀描述

 


花生油+3mL綠葡萄汁之外觀描述

 


花生油+3mL市售黑葡萄汁之外觀描述

 


花生油

 

+3mL某牌果菜汁之外觀描述

 


花生油

 

+3mL廚房水果醋外觀描述

 


A.   一支室溫25

 

 

 


起初:

 

30

 

1分鐘

 

1.5分鐘

 

2分鐘

 

2.5分鐘….

 


乳化呈黃褐色

 


 

 


 

 


 

 


 

 


B.     第二支調整隔水加熱溫度為40

 

 

 


起初:

 

30

 

1分鐘

 

1.5分鐘

 

2分鐘

 

2.5分鐘

 


 

 

 

 


 

 


 

 


 

 


 

 

四、探究任務:學生回答問題

 

(問題一) 請分別描述酸性與鹼性溶液的性質?

學生回答:

問題二)
請嘗試由老師示範後的廣用試紙(A)的結果,觀察判斷花生油是酸、中性、鹼性?

 

學生回答:

 

(問題三) 油脂乳化靜置後,(1)各種油脂在不同水果汁作用下,水解的狀況如何?(2)外觀看起來是澄清透明還是不透明?(3)你如何由外觀觀察油脂被水果汁水解的效果是最成功的?

學生回答(1)

 

 

學生回答(2)

 

 

學生回答(3)

 

(問題四) 由本次探究活動中,你怎麼精確找出讓油脂水解的最佳實驗條件? 包含(1)水果汁用量最少(2)水解時間最快,或(3)最短加熱時間?

(表二) 最佳實驗條件

 

油脂種類是mL

 

相對水果汁種類mL

 

 

 

 

 

最佳實驗條件下油脂水解照片(圖二)

 

兩者最佳反應時間,最短為 分鐘

 

 

 

(圖二)

 

最佳反應溫度

 

 

 

 

學生回答(1)

 

學生回答(2)

 

學生回答(3)

(問題五) 你如何使用老師給定的小蘇打粉,將油脂水解產物進行酸鹼中和的分析?請試著畫一個實驗設計的表格。(老師可以依照自己學生程度提示:酸++水,酯的水解是這個方程式的逆向反應,產物回到酸加醇。油脂水解後的溶液以數字型pH計測定度數,若低於pH=7,請用0.5M小蘇打水溶液慢慢滴定到pH=7。小蘇打水用的越多,代表油脂水解程度大,產生的酸多,因此可以將探究出來的結果推論,此類果汁它的解油膩效果是好的。)

學生回答:

 

五、小組內部檢討:

1.      實驗結果為成功或失敗,檢討原因可能有哪些?

2.      本次活動測試過程中自認最自豪探究方式是什麼?

3.      若還有機會試驗,下次準備用什麼方法進行探究? 

設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材 / 古建國

星期二 , 5, 1 月 2021 在〈設計以「鹽」為主題的Reading-STEAM跨領域教材 / 古建國〉中留言功能已關閉

設計以為主題的Reading-STEAM跨領域教材

古建國

臺北市立大學  應用物理暨化學系
[email protected]

 

中學提到鹽概念有再結晶與酸鹼反應之產物,食鹽是生活必需品,而酸鹼概念與生活關係密切,舉凡食物的酸鹼、衣服染色的條件或是清潔作用等,尤其酸遇到鹼之後產生鹽類與水。小學自然課程談到鹽的溶解與中學鹽的濃度計算(包括溶解度的介紹),實驗部分有鹽的再結晶與純化,以及談到化學反應會得到鹽類,例如醋與小蘇打的反應或是鹽酸與氫氧化鈉的反應。

本文閱讀的跨領域教材設計首先是以沈括夢溪筆談中的解州鹽池與陵州鹽池介紹岩鹽,以探討先人獲得食鹽的方式與相關知識,進而延伸探討食鹽的取得與精鹽製備,接著介紹酸與鹼反應產生鹽類的方式(科學),以及連結數學中的邏輯概念與資訊科技撰寫自動滴定裝置所需的設計,利用繼電器、紅外線感應器與外置抽水馬達製作酸鹼滴定裝置,進行酸鹼滴定產生鹽類,融入藝術領域,設計具有美感的自動滴定器,並藉由此設計模式延伸應用在生物中的植物澆灌與生活科技中的防疫科技應用之酒精自動噴灑器。

n  簡介

108課綱強調跨領域學習,以理科之科學與數學為例,融入人文藝術元素,透過主題式單元設計出發,以建構學生的學習思維,讓學生知道學習的來源已經不能只透過教師或書本,尤其加入科技領域內容,可以提升學生問題解決能力,其中人文藝術導入課程過程中,閱讀扮演重要角色,二十一世紀除了是一個資訊爆炸的時代,閱讀是吸收新知首要步驟,提升閱讀能力有助於各領域知識或技能的學習與表達。

1.     酸鹼與鹽

中小學科學學習中,酸、鹼、鹽是很重要的學習單元,以108課綱自然科學領域提到的學習內容說明如下:

第二學習階段學習內容:INe-Ⅱ-4常見食物的酸鹼性有時可利用氣味、觸覺、味覺簡單區分,花卉、菜葉會因接觸到酸鹼而改變顏色。

第三學習階段學習內容:INe-Ⅲ-5常用酸鹼物質的特性,水溶液的酸鹼性質及其生活上的運用。

第四學習階段學習內容:Jd-Ⅳ-3實驗認識廣用指示劑及pH計。Jd-Ⅳ-6實驗認識酸與鹼中和生成鹽和水,並可放出熱量而使溫度變化。

學生在學習過程中,小學學習階段是認識與判斷酸與鹼,以及知道食鹽則是來自於自然界的岩鹽或海鹽。中學學習階段延伸到酸與鹼作用會產生鹽類,並進行相關議題探究

 

2.     STEAM閱讀融入STEAMSTREAM

STEAM是指科學S、科技T、工程E與數學M教育中加入藝術A領域Arts,強調綜合的學科知識,有別於STEM是因為加入了藝術元素,增加學童表達與詮釋的學習Sharapan,2012,這樣的跨領域學習更能激發學生的創造力和合作學習,讓學生學習更貼近生活。例如:周佳萩2018發展國小簡單機械STEAM統整課程之歷程研究,或李坦營2017STEAM為本建構海洋教育新興議題融入視覺藝術之課程模式。

日前透過政府與民間的資源投入中小學推動閱讀,除了需要提升教師閱讀專業知能與教學能力之外,更需要培養學生閱讀習慣,增進學生閱讀素養及理解能力,於是有學者認為應該在STEAM中加入閱讀(Reading),DeBoerCarmanLazzaro2010)認為跨領域中要有閱讀(Reading)與寫作(Writing),Ali
Trachta
2018將閱讀和寫作融入STEMSTEAM以推廣STREAM,提供學生跨領域學習。與日前國內108課綱重視「跨領域學習」理念相呼應,期待學生能整合這些學科知識應用於解決生活問題。

 

n  跨領域(Reading-STEAM)教材設計

以科普閱讀導向之STEAMReading-STEAM)教材可採取探究式的教學方式進行。教學活動分為議題探究、發現問題、實作討論和探究延伸四個部分,以鹽為主題Reading-STEAM設計見表1

 

1以鹽為主題之Reading-STEAM教材設計

 

單元

閱讀(Reading

STM

EA

1. 議題探究

「夢溪筆談」之鹽池

 

 

2. 發現問題

鹽的來源與特性

 

 

3.      實作討論

STEAM探究

酸鹼鹽

再結晶與酸鹼滴定

設計與製作自動滴定裝置

4. 探究延伸

吳又可之瘟疫論

植物生長

酒精自動噴灑

植物自動澆灌

酒精自動噴灑器

植物自動澆灌器

 

1.議題探究~閱讀:沈括「夢溪筆談」之陵州鹽池

解州鹽澤,方百二十里……大鹵之水,不得甘泉和之,不能成鹽。唾巫咸水入,則鹽不復緒,故人謂之「無鹹河」,為鹽澤之患。築大堤以防之,甚於備寇盜。原其理,蓋巫咸乃濁水,入鹵中則於澱鹵脈鹽遂不成,非有他異也。

原意為:解州鹽池方圓一百二十里…….鹽池中間有淡的泉水,使鹽鹵結晶。當巫咸水流入,就無法得到鹽鹵,所以人們稱這條河為「無鹹河」,解決這問題的方法就是修築堤防,防止此河水流入鹽池,其原因是因為水濁,流入鹽池後會沉澱堵塞鹽鹵脈,無法繼續產鹽….

陵州鹽井,深五百餘尺,皆石也。上下甚寬廣,獨中間稍狹,謂之仗鼓腰……後有人以一木盤,滿中貯水,盤底為小竅,釃水一如雨點,設於井上,謂之雨盤,令水下終日不絕,如此數月,井幹為之新,而陵井之利復舊。

原意為:陵州鹽井深五百多尺,井壁全是岩石。井的上部、下部較廣,中間較窄,又稱為杖鼓腰“……井的木頭腐爛,需要整修換新,但受到井中陰氣襲人,無法下井施工,只能等到下雨天,陰氣較少才稍微可以下井施工,後來,有人製作木盤,木盤裝滿水,並在盤底鑿了許多小孔,讓木盤中的水從這些小孔中灑出,產生類似下雨情景,又稱為雨盤,這種人造雨水方式降低陰氣危害,就能下井修理與更換木頭,恢復陵州鹽井原狀。

 

(2)發現問題

a.    為什麼會有岩鹽?

b.    為什麼解州鹽澤需要甘泉水而不要巫咸水?

c.    陵州鹽井修復需要雨盤作用原因是什麼?

 

(3)實作討論~STEAM探究

a.       科學探究:

(a)    有哪些方法可以製備食鹽?

(b)   岩鹽與海鹽製備有何差異?

(c)    設計如何以不用天然方式製備食鹽。

b.      數學探究:如何設計一池永遠不會下沉(永遠浮在水面上)的浴池?

c.       科技/工程/藝術探究: 設計與製作酸鹼自動滴定器

(a)    材料

使用材料見表2

 

2: 使用材料

紅外線避障模組

外置抽水馬達

單電路繼電器 DC5V

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Microbit

電池盒

 

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(b)     連結電路

連結電路與完成圖請見圖1與圖2

 

clip_image012

1 酸鹼自動滴定器電路連接

clip_image014

2酸鹼自動滴定器電路連接完成圖

(c)      撰寫程式

clip_image016

3酸鹼自動滴定器程式碼

 

(d)     工程與美學:思考如何從美學觀點設計自動滴定器。

 

(4)探究延伸~

a.     植物議題之Reading-STEAM教材元素

利用本課程延伸至植物單元,並進行植物澆灌,其STEAM課程元素說明如下,見表3,相關程式碼見圖4

 

3植物議題之Reading-STEAM教材元素

元素

說明

閱讀

「天工開物」之稻田灌溉……天澤不降,則人力換水以濟。凡河濱有制筒車者,堰陂障流,繞於車下,激輪使轉,挽水入筒,一一傾於見內,流入畝中。晝夜不息,百畝無憂。不用水時,拴木礙止,使輪不轉動。……

科學(S)

Bc-Ⅳ-4日光、二氧化碳和水分等因素會影響光合作 用的進行,這些因素的影響可經由探究實驗來證實。

科技(T)

設計自動澆灌器之程式

工程(E)/藝術(A)

製作自動澆灌器與規劃種植區域

數學(M)

探究不同植物種類的需水量以及計算節能效率

clip_image018

4自動澆灌之程式碼

備註:1. 其中在邏輯中(如果…..那麼……)關於類比信號讀取之參數修正,有別於紅外線感測器,自動澆灌採用土壤濕度計,視土壤濕度計偵測數字修正,若無水時候是約1020左右, 則設>800,若土壤濕度計偵測數字無水時候約20左右, , 則設<100

備註:2. 與酸鹼自動滴定差別在於程式執行中暫停時間不同,酸鹼自動滴定中馬達通電時80毫秒(0.8),自動澆水中馬達抽水時間為5000毫秒(5)

 

b.   生活科技防疫議題:

製作酒精自動噴霧器或自動給皂機,閱讀部分則是吳又可之瘟疫論。利用紅外線避障模組感應手部,經Microbit與馬達抽取適當75%酒精量進行噴灑手部,免接觸消毒瓶即可達到消毒作用。

 

4生活科技防疫議題之Reading-STEAM教材元素

元素

說明

科學(S)

認識細菌、病毒及微生物

科技(T)

設計酒精自動噴霧器之程式(將酸鹼溶液改成75%酒精)

工程(E)/藝術(A)

製作自動噴霧器

數學(M)

預估一天噴霧器使用量與充填次數

 

n  結論

目前課綱強調跨領域學習,以主題式進行跨領域學習,可以培養學生具備問題解決能力,另一方面也提供學生合作學習機會,因為小組成員中,有人學科背景好,可以轉化所學科學知識給小組其他成員,有人程式設計能力強,可以完成程式撰寫,成員中有人美術設計能力佳,可以做出令人激賞作品,建立小組成員每人貢獻一樣重要的概念,就能體會合作重要,所以跨領域學習有其必要性。

n  參考資料

周佳萩(2018。發展國小簡單機械STEAM統整課程之歷程研究。未發表碩士論文。高雄市: 高雄師範大學。

李坦營(2017)。以STEAM為本 建構海洋教育新興議題融入視覺藝術之課程模式。未發表碩士論文。臺北市: 臺灣師範大學。

DeBoer, G., Carman, E., & Lazzaro, C. (2010). The role of language arts in a successful STEM education program. College Board Project 2061. Retrieved from http://files.eric.ed.gov/fulltext/ED563458.pdf.

Lindeman, K., & Anderson, E. M. (2015, May). Using Blocks to Develop 21st Century Skills. Young Children, 70(1), 36-43.

Sharapan, H. (2012). From STEM to STEAM: How Early Childhood Educators Can Apply Fred Rogers’ Approach. Young Children, 67 (1), 36-40.

Tarnoff, J. (2010). STEM to STEAM – Recognizing the Value of Creative Skills in the Competitiveness Debate. Huff Post Education, Retrieved from https://www.huffingtonpost.com/john-tarnoff/stem-to-steam-recognizing_b_756519. Html

 

融入科技力提升化學探究與實作之問題解決 /李易澄、陳昱嘉、洪士勛、曾致豪、黃琴扉

星期一 , 4, 1 月 2021 在〈融入科技力提升化學探究與實作之問題解決 /李易澄、陳昱嘉、洪士勛、曾致豪、黃琴扉〉中留言功能已關閉

融入科技力提升化學探究與實作之問題解決

李易澄1、陳昱嘉2、洪1、曾致豪2、黃琴扉1,

1國立高雄師範大學

2P&C科學教育中心
[email protected]

n  摘要

為了讓學生具備面臨未來生活需要的科學能力,許多國家都在教育方向上作出調整,教育部108課綱自然科學領域也以素養作為基本理念並藉由探究實作來建構學生的科學素養。本文在探討八年級學生在進行科學探究的過程中,從決定探究的主題、發現問題並以自身的科學知識解決問題,再輔以新科技將實驗結果由主觀的人為判斷進展到更為客觀的數據的歷程。研究結果發現,學生在探究實作過程中,主動融入日常生活中使用的新興科技,不僅提升學習意願、成就感,並能改變內在本質。

n  前言

身處在科技、資訊、社會變遷的時代,現代人面臨了許多需要具備科學知識去理解並解決的議題,為了得知學生是否具備因應未來生活上面臨問題與挑戰時的決策能力,經濟合作暨發展組織OECD(Organisation for Economic Co-operation and Development )所發展的國際學生評量計畫PISA(Programme for International Student Assessment )從閱讀、數學和科學素養來對15歲的學生進行評量,其中PISA2006PISA2015以科學素養為主要評量的領域(彭開琼、張佳雯、李瑞生,2017),而台灣學生的科學素養在國際間表現均十分優秀。

即使科學素養表現亮眼,但評量結果也指出,台灣學生缺乏在科學問題上延續探討的學習,對於將問題形成假設、找出變因、設計實驗的經驗較少(佘曉青、林煥祥,2017)PISA執行研究團隊也針對台灣學生在PISA2015的成績上提出建議,認為在中學階段應該更加著墨於科學探究與實驗課程(林煥祥等,2016),並應以解決生活上情境式的問題為架構(1),來檢驗學生是否在既有的科學知識中具備解決問題的態度與能力,作為教育方向的改善參考依據。

除了PISA評量所帶來的啟發外,美國在2011年公佈了K-12科學教育架構(Framework for K-12 Science Education),進一步於2014年發展出新世代科學標準(The Next Generation Science StandardsNGSS)其內涵也是期望以情境學習為基本,藉由跨科實作來建構並理解科學知識。李驥與邱美虹(2019)更指出,「十二年國民基本教育課程綱要-自然科學領域」恰與NGSS具有相同的核心概念,都重視探究與實作的進行。

由上述國內外的資料分析中可以發現,教育部擬定之108課綱內涵,即是期許能透過教育模式引導學生在面對未來生活中和科學相關的資訊與問題時,能夠理解、思辨、分析,進一步使用科技來協助問題的處理,其中探究與實作的能力是學生建構科學素養的要素(教育部,2018)。探究實作是學生將學習內容以及科學能力展現的一種方式,藉由此歷程來建立學生智能思考與問題解決的能力(1),要讓學生認知到科學知識建構的方式,則必須對探究的過程、脈絡以及結論進行評量與建議(Driver, Newton, & Osborne, 2000;Duschl & Osborne, 2002;Kuhn
& Reiser, 2005
)
。為了提供學生主動探究學習與解決問題的機會,教育部首先在高中階段增列必修學分數三分之一的自然科學探究與實作課程,期望學生在生活中發現問題,要讓學生了解現實生活的問題如何與科學知識連結,情境式的問題顯得重要(仰威融、林淑梤,2020),再經由問題解決的探究過程培養科學技能與強化科學素養,進而提升科學態度以及學習動機。國中教育會考、大學學測、大學指考以及統測也因應新課綱的調整,除了一定比例的學科概念題型外,增加與生活情境相關的素養題型,在真實情境脈絡中融入跨領域的新議題以促進學校培養學生的科學素養(臺師大心測中心,2019、林淑梤,2019),與PISA科學素養評量架構十分相似;下一步,也期待將探究實作的精神落實到中小學跨科教學中,讓科學教育跨域學習、從小紮根。

1 PISA科學素養評量架構圖(引自PISA科學應試指南,2011)

1 探究能力學習表現架構表(改編自教育部,2018)

向度 智能思考 問題解決
內涵 想像創造 觀察與定題
推理論證 計畫與執行
批判思辨 分析與發現
建立模型 討論與傳達

  

此外,在新興科技快速發展的二十一世紀,使用新興科技來驗證並解決科學問題是科學學習的趨勢,在科學、科技教育中融入新科技的使用並且提升新科技帶來的相關議題的判斷能力需要被重視(何妙桂,2014)以下就一組八年級學生進行科學探究與實作活動的過程進行討論,並說明科技運用在探究與實作上的助益:

n  學生透過探究與實作過程進行問題解決

科學研究的方法為七年級自然與生活科技課程的內容,本文內參與探究活動的學生皆對其有基本概念;在探究活動開始之前,教師與學生討論過程中需要注意的部分,為了讓學生在實驗過程中以及活動結束後能有重新檢視的依據,特別提醒實驗流程與數據記錄的方法。教師與學生討論後,發給學生不同顏色的便利貼,上面需要記錄想研究的主題名稱、簡述內容、吸引自己探究的亮點以及實驗操作上有哪些優點及限制。每位同學至少提出一個主題,並蒐集相關資料留待討論(2)

2 探究活動準備流程

項目 內容
事前準備 了解實驗日誌的使用方法:要詳實保留研究推進歷程。

討論實驗限制:器材取得、研究時間、操作難度…。

蒐集資訊 藉由觀察或上網蒐集想探討的主題。

初步盤點探究主題需要的資源與協助。

提出觀點 各自說明主題內容以及想要探究的原因。

討論各主題的可行性與限制。

凝聚問題 表決選定主題後,蒐集更多相關資訊。

從蒐集到的資料中,找出與問題相關的變因。

 

    本探究活動由表2啟動問題意識,協助學生凝聚科學問題,並引導學生探討可行的解決策略。學生們經過文獻回顧與思索後,自行擬定「如何提高無字天書實驗中比色法的客觀性」問題,以下將進行詳細說明。

(一)                學生自行擬定之探究主題如何提高比色法的客觀性

在本探究活動中,講師引導學生提出各自想做的主題,並進行組內說明以及討論,學生在蒐集相關資料的過程中發現「無字天書」有許多實驗資料以及相關討論,但實驗的過程以及記錄的方法並不夠嚴謹,因此產生對實驗結果信度的疑慮。尤其在實驗結果記錄中的優劣排序常用的是字形或是圖形的清晰程度作為判斷標準,通常以顏色越深代表效果越好,但對於烤紙後顏色深淺判斷多是傳統肉眼比色的主觀排序,實驗結果較不準確。接著以比色法作為討論重點,提出幾項提高比色客觀性的方法,包含:請更多同學協助比色評分,再將同學判斷結果平均後排序、利用色卡進行比對、使用電子設備協助比色等,其中使用電子設備的客觀程度較高,再經過資料收集後決定成本較低的平板搭配app應用程式作為比色工具。 (3)

3 學生探究與實作學習歷程發現問題(改編自教育部,2018p40)

 
發現問題
探究學習內容 學生從資料分析與實際實作中發現問題
觀察現象

蒐集資訊

形成或訂定問題

提出可驗證的觀點

在資料蒐集的過程中發現,許多資料中對塗上果汁的紙加熱烤過之後,會出現黃褐色痕跡,痕跡越清楚代表效果越好,但顏色的深淺為實驗者目測結果,學生目測的感受與作者不同,因此產生疑惑。

(二)                學生自行擬定之問題解決策略運用手機科技提高比色法的客觀性

產生沉澱物、產生氣泡、顏色變化等,是國中階段常用來判斷化學反應的條件,其中顏色變化多以傳統的目視比色法為主,在教師的挑戰與引導下,學生均認同在顏色變化程度不大的狀況下,容易形成誤差,所得的實驗結果也無法進行量化比較。由於八年級理化課程中有教到三原色的背景知識概念,為了讓實驗結果更具說服力,學生討論後決定以具有照相功能的手機輔以colour軟體進行RBG顏色分析。

實驗流程如下:在白紙上均勻塗抹果汁後,距離桌面19公分處來回加熱相同時間,利用平板拍照後,以colour軟體針對顏色最深處進行RBG顏色比對,記錄數值後,將三項數值加總,並以總分作為比較數值,顏色越深則總合值越小(4)

4 學生探究與實作學習歷程規劃與研究、論證與建模(改編自 教育部,2018p40-41)


n 
教師引導探究與實作活動之反思回饋

本活動與108課綱「探究能力學習表現架構表」進行比對(5),符合國民中學教育階段學習重點-第四階段學習表現。教師作為協助以及引導學生進行思考與討論的角色,而學生則是知識的主動建構者。在本活動中,學生自行討論並設計學習內容,從過去實驗中發現問題並在過程中學習如何使用新科技colour應用程式解決問題,符合探究導向的教學模式(Wheeler,2000Anderson,2002Bybee,2006)在書面審查與口頭報告時,教師以108課綱自然科學課程綱要中,科學探究歷程的四個項目:「觀察現象」、「規劃與研究」、「論證與建模」以及「表達與分享」對學生進行書面審查以及口頭簡報作為評量(教育部,2018p40-41)

5 學生探究能力學習表現與架構表(改編自 教育部,2018)

108課綱架構 學生探究與實作過程對照
探究能力 智能思考 想像創造 藉由學長姊的實驗結果,經過小組討論後,藉由實驗並利用手機以及colour應用程式來得到更準確的數據。
推理論證 利用得到的數據來解釋實驗結果。
批判思辨 在蒐集資料的過程中,能提出疑問並思考解決的方式。
建立模型 在小組以及教師討論時,理解不同實驗主題的優點與限制,並能進行實驗的延伸討論。
問題解決 觀察與定題 小組成員提出各自的想法與主題,藉由討論並分析可行性後決定主題。在蒐集資料的過程中,觀察其他人的研究結果,提出適合探究的問題。
計畫與執行 討論影響實驗的變項有哪些,選擇影響較大的三個變項進行實驗設計。
分析與發現 利用新科技取得數據,能所得數據結果進行分析,並提出結論。
討論與傳達 在進行口頭報告時,能完整地將問題、研究方法、證據明確傳達。

 

課程中,學生雖然在訂定主題、實驗時遇到操作上或數據量化的困難,但在教師的協助下,組員們一起想辦法解決而不是抱怨與放棄是最大的進步。學生並不只是學習到了多專業領域的內容,更強化了獨立思考與解決問題的能力,我們期望藉由科學探究與實作的過程,讓學生主動融入生活週遭所運用之新興科技素材與能力,提升學生的科學學習知能並改變學生的內在本質。

108課綱強調以素養導向教學為基本理念,其中探究與實作課程是自然科學領域的核心概念之一,從學生天馬行空的想像中,教師的思維也跟著擴展開,學生的想法不再被立即性的標準答案否定,師生間的互動關係、上課的氣氛、學生的學習意願以及成就感都有所提升是最大的收穫。

n  謝誌

感謝國立高雄師範大學產學合作團隊P&C科學教育中心舉辦科學探究與實作競賽,本文由得獎作品「迷蹤道-隱之水果斬」指導教師共同參與撰稿,感謝得獎團隊學生:黃士豈、林子源、王奕翔、陳泓翰,以及指導教師:陳昱嘉、曾致豪老師授權同意將實驗過程作為本文的範例作品。

n  參考資料

1.      教育部.(2018).十二年國民基本教育課程綱要 自然科學領域. 臺北:教育部.

2.彭開琼、張佳雯、李瑞生(2017)OECD國家與臺灣之教育績效比較:以PISA科學素養為例。教育科學研究期刊,62(4)145-179

3.      李驥、邱美虹(2019)NGSS12年國民基本教育中探究、實作和建模的比較與分析。科學教育月刊,42119-31

4. 林煥祥、洪振方、佘曉清、李松濤、李暉、秦爾聰(2016)PISA 2015。發表於 第三十二屆科學教育國際研討會。臺中市:中華民國科學教育學會。

5.      佘曉青、林煥祥(2017)PISA2015台灣學生的表現。心理。

6.      林淑梤(2019)。探討學生科學能力與教師探究教學實務的關係。科學教育學刊,27(4)251-274

7.      何妙桂(2014)。以計劃行為理論探討國小學生新興科技使用意圖。工業科技教育學刊,760-69

8. Driver, R., Newton, P., & Osborne, J. (2000). Establishing the norms of scientific argumentation in classrooms.Science Education, 84, 287-312.

9. Duschl, R. A.,& Osborne, J. (2002). Supporting and promoting argumentation discourse in science education.Studies in Science Education, 38(1), 39-72.

10.    Kuhn, L., & Reiser, B. (2005). Students constructing and defending evidence-based scientific explanations. Paper presented at the annual meeting of the National Association for Research in Science Teaching, Dallas, TX.

11.    Bybee, R. W., Taylor, J. A., Gardner, A., Van Scotter, P., Powell, J. C., Westbrook, A., et al. (2006). The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, CO: BSCS.

12.    Wheeler, G. F. (2000). The three faces of inquiry. In J. A. Minstrell & E. H. van Zee (Eds.), Inquiring into inquiry learning and teaching in science (pp. 14-19). Washington, DC: American Association for the Advancement of Science.

13.    Anderson, R. D. (2002). Reforming science teaching: What research says about inquiry. Journal of Science Teacher Education, 13(1), 1-12.