臺灣化學教育

化學示範起始探究與實作

 

楊水平

國立彰化師範大學化學系
[email protected]

《臺灣化學教育》第40期的專題為〈化學示範起始探究與實作〉，延續第37期的專題〈中學化學示範〉，繼續出版之前未出刊的文章，並邀請中小學教師撰寫透過化學示範起始探究的文章，以豐富本期的內容。除了本篇領頭文章之外，這期的專題文章計有六篇，都有化學示範起始科學探究與實作的內涵，大部分符合十二年國民基本教育國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域課程綱要的標準，這些符合新課綱規範的文章都在其「前言」處有條目編碼的具體描述。期望這些文章對中小學化學教學有所助益，並能立即可用於小中學的現場教學。

本文首先介紹化學示範教學的理論；接著，整理十二年國教自然科學領域課剛中的化學示範；然後，探討化學示範起始科學探究；最後，概述本期專題的文章導讀。

n  化學示範教學的理論

Liem (1987) 提到：藉由引人注意的示範和歧異事件，教師精心規劃教學策略來喚起學生的學習。Kibler (2019) 提到：歧異事件使學生產生興趣和好奇心為了探究有關特別的現象。歧異事件（discrepant event）創造認知失調（cognitive dissonance），因為歧異事件的觀察與學生先前經驗是直覺相反的，使得學生迅速地產生疑問。Cini (2018) 提到：歧異事件是藉由呈現非期望的結果而無視我們對世界理解的事件。這些現象經常被用於科學示範，以吸引觀眾的注意力並吸引視覺學習者。

Shakhashiri (1989) 提到：課堂示範能夠幫助學生在化學反應和化學性質上的注意力，並且增進學生的化學知識和體認。課堂示範應該是一個過程，而不是一個單一事件（作者按：歧異事件）。

化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿。化學示範（Chemical demonstrations）是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力，在教學中常創造歧異事件以互動方式來引起學生對化學的興趣，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略。

n  十二年國教自然科學領域課剛與化學示範

根據「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校‒自然科學領域」，其實施要點提到「教材編選時應依十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要精神與內容，鼓勵學生動手實作體驗，合適安排各年段的實作課程，以達到規定的時數，其中國民中學教育階段應有三分之一節數為實作體驗課。為提高學生學習興趣，增進學習效果，得適時設計示範實驗、戶外教學等活動。」。因此，化學教師設計化學示範實驗是有其需要性。自然科學領域課程綱要在「學習內容說明」有明確地提到教學實施的方式以「示範」來進行，在第四學習階和第五學習階段的綱要描述中，有關化學示範方面整理如下。

(一)      在國中自然科學方面

表一：第四學習階段涉及化學示範的學習內容

(二)      在高中化學方面

表二：第五學習階段涉及化學示範的學習內容

n  化學示起始探究與實作

有效的化學示範能夠聚焦學生的注意力，在課程或單元中激發學習的動機和興趣，解說重要的概念和原理，以及起始科學探究和問題解決。示範實驗可以有效地展現教師的熱情，激發學生的學習興趣，發起科學探究以及在教室中展示科學現象。

建構主義學習模式包含數種意涵，5E學習環（5E Learning Cycle）是其中之一。5E學習環的模式是一種建構主義的教學策略，它包含在學習發生時5個與認知理論一致的階段：參與（Engagement）、探索（Exploration）、解釋（Explanation）、精緻或延伸（Elaboration or Extension）、評鑑（Evaluation）。在5E學習環的第一階段—參與階段，教師為學生的學習開始著手，此階段也是吸引學生注意力的時機。藉由引人注意的示範（demonstrations）和歧異事件（discrepant events）（Liem, 1987），教師創造方法去「鉤住」學生的學習。歧異事件使學生產生興趣和好奇心為了探究有關特別的現象。歧異事件創造認知失調（cognitive dissonance）或皮亞傑所說的失衡（disequilibrium），因為如此事件的觀察不真正地同化學生既有的理解。

根據「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校‒自然科學領域」，在「基本理念」方面，在學習自然科學的過程中，學生應培養對自然科學的興趣，成為自發主動的學習者，以符合「自發」的理念。在參與探究與實作的過程中，學生應積極與他人及環境互動，並能廣泛的運用各種工具達到有效的溝通，以符合「互動」的理念。透過 對科學本質的了解，學生應學習欣賞大自然之美，善用並珍惜自然資源，以符合「共好」的理念。在「學習重點」方面，自然科學課程應引導學生經由探究、閱讀及實作等多元方式，習得科學探究能力、養成科學態度，以獲得對科學知識內容的理解與應用能力。

在第五學習階段「自然科學探究與實作」課程的學習重點分為「探究學習內容」和「實作學習內容」兩部分。「探究學習內容」著重於科學探究歷程，可歸納為四個主要項目：發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享。「實作學習內容」為可實際進行操作的科學活動，例如：觀察、測量、資料蒐集與分析、歸納與解釋、論證與作結論等。探究與實作學習內容各項目未必有固定的步驟順序，可依探究的主題和實作活動採循環或遞迴等方式進行 。

n  本期文章導讀

本刊第四十期的專題為〈化學示範起始探究與實作〉，除領頭文章外，還有六篇文章。這些文章的簡介如下：

1.  〈「紙火鍋不著火」的教師示範與學生探究〉：此文章由林秀貞（桃園市立大業國民小學）、林碧玲和周梅雪（桃園市立同德國民小學）撰寫。本文提到：本活動主要的教學目標是使學生了解燃燒三要素中的燃點。本文主要描述教師以示範引導學生發展探究主題「紙火鍋不著火」的科學概念和原理，師生互動討論引導學生找出燃點是探究學習的關鍵。對學生而言，真是一個很有趣的探究！

2.  〈「愛玉成凍」教師示範起始學生探究〉：此文章由李祥菁（臺中市立大道國民中學）、李易儒（新竹縣立東興國民中學）、何莉芳（臺中市立福科國民中學）撰寫。本文提到：本課程設計的探究活動教學，分為兩階段：(一)教師示範教學：此階段採用KWL策略中的K＋W策略，透過科學示範，引入學生到學習情境之中，激發他們的學習興趣和動機。(二)學生科學探究：此階段以5E學習環的探究教學策略並採用KWL策略中的L策略，學生在教室中體驗完成探究活動，引導學生建立科學知識。

3.   〈「蝶豆花漸層變色飲料」的示範和探究〉：此文章由李妙瑟（國立嘉義大學數理教育研究所）、翁秀玉（國立嘉義大學附設實驗國民小學）、段曉林（國立彰化師範大學科學教育研究所）、陳均伊（國立嘉義大學數理教育研究所）撰寫。本文提到：其設計理念為「酸鹼指示劑的蝶豆花水在飲料中能產生漸層變色」的概念，進行自製漸層變色飲料之探究活動，體會「酸鹼指示劑在生活中的應用」，並增加學生藝術創作的驚奇，最後再享用自製漸層變色飲料之興奮與滿足感。

4.  〈快速製造肥皂的教師示範和學生實作〉：此文章由賴愉方（國立彰化師範大學化學系）、施麗姍（國立彰化師範大學化學系）、楊淩宜（臺南市立歸仁國民中學）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：透過冷製法的皂化反應，學生可以學到化學計量的限量試劑和過量試劑之概念。利用冷製法以人工搖動方式可以快速製造肥皂，可以讓學生學習符合新課綱的學習內容—反應速率。再者，親自體驗製造肥皂的樂趣。

5.   〈流血電影特效與勒沙特列原理〉：此文章由陳芷誼（國立彰化師範大學化學系）、蔡欣展（彰化縣立鹿江國際中小學）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：本示範實驗的設計是融入常見於電影和電視的流血特效在課堂上，教師創造歧異事件，使學生的直覺經驗發生衝突，以引起學生學習的動機，進而增強他們對化學平衡和勒沙特列原理的內容知識感到興趣，並以師生互動討論的方式進行示範教學。此示範實驗和學生實作都是藉由硫氰酸鉀與氯化鐵反應，形成紅棕色的硫氰酸鐵離子作為探討化學平衡移動和勒沙特列原理的關鍵物質。

6.   〈漂亮結晶的教師示範和學生實作〉：此文章由顧展兆（國立彰化師範大學科學教育研究所）、楊水平（國立彰化師範大學化學系）撰寫。本文提到：本教材規劃兩階段：(一)教師示範實驗，(二)學生實作實驗。這兩階段作者成功測試結晶法的四種方式產生漂亮的結晶，修飾或設計「黃金雨」、「窗戶上的雪花」、及「瓶中生環」等實驗，吸引學生學習結晶法的興趣，以作為中學教師教學的參考。本教材期望藉由教師示範和學生實作，讓學生瞭解結晶法的原理，並欣賞科學之美。

n  參考資料

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  中學化學示範，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=38925。

3.  Chemical Demonstrations in the Classroom, https://bit.ly/3liAkMQ.

4.  Cini, S. (2018). A List of Discrepant Event Science Activities. https://bit.ly/37kW9Gl.

5.   Liem, T. L. (1987). Invitations to Science Inquiry. Massachusetts: Ginn Press.

6.  Shakhashiri, B. Z. (1989). Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry. Univ of Wisconsin Press.

7  Douglas Llewellyn, Teaching High School Science Through Inquiry: A Case Study Approach, 2005, Corwin Press, A Joint Publication With the National Science Teachers Association, Chapter 3, pp. 46-50.

化學示範起始探究與實作：
「紙火鍋不著火」的教師示範與學生探究

 

林秀貞^1, *、林碧玲²、周梅雪²

¹桃園市立大業國民小學
²桃園市立同德國民小學
*[email protected]

 

n  前言

紙火鍋的紙不會燃燒的原因是火鍋中水的沸點是100℃度，紙杯的燃點約160℃，烘焙紙燃點約220℃，當溫度達到100℃時，熱能供給汽化需要，使溫度暫停於100℃，直到水沸騰，蒸發殆盡，溫度才會繼續上升達到紙杯的燃點，引發紙的燃燒。

本活動主要的教學目標是使學生了解燃燒三要素中的燃點，物質未達燃點不會燃燒。然而，在國小教學現場，試問學生紙火鍋不會燃燒的原因，許多學生會猜測，例如：燭火的高度過高、使用防火紙等原因而使紙不會燃燒，往往沒有注意到紙的燃點高低。因此，本課程設計者試圖轉換此主題成為科學探究的課程設計，讓學生觀察後寫下問題和假設，設計實驗並進行實驗，以實驗結果支持或否決假設，並下結論。體會假設需由結果支持或否決，若實驗結果不支持假設，則假設不成立。本文主要描述以探究教學流程呈現教師如何引導國小學生的探究學習的情況。

在108課程綱要「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自然科學領域課程綱要」中，提到學習主題2：「自然界的現象、規律及作用」，跨科概念「交互作用（INe）」，第三學習階段的學習內容「INe-Ⅲ-3 燃燒是物質與氧劇烈作用的現象，燃燒必須同時具備可燃物、助燃物、並達到燃點等三個要素。」此探究實驗旨在幫助學生探究物質的燃點。再者，實驗加熱過程中水溫的改變，可讓學生經歷：課題1：「自然界的組成與特性」，跨科概念「物質與能量（INa）」，第三學習階段的學習內容「INa-Ⅲ-8 熱由高溫處往低溫處傳播，傳播的方式有傳導、對流和輻射，生活中可運用不同的方法保溫與散熱。」此探究實驗可讓學生經歷熱的傳播使水溫上升。

在108課程綱要「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自然科學領域課程綱要」中，提到學習表現：「po-Ⅲ-2能初步辨別適合科學探究的問題，並能依據觀察、蒐集資料、閱讀、思考、討論等，提出適宜探究之問題。」、「pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備與資源。能進行客觀的質性觀測或數值量測並詳實記錄。」、「pa-Ⅲ-1能分析比較、製作圖表、運用簡單數學等方法，整理已有的資訊或數據。」、「pc-Ⅲ-2能利用簡單形式的口語、文字、影像（如攝影、錄影）、繪圖或實物、科學名詞、數學公式、模型等，表達探究之過程、發現或成果。」本探究課程可讓學生在活動中察覺紙火鍋不著火的問題，猜想影響因素，進行實驗設計，並透過操作獲得結果，全班討論分享、溝通表達，獲得結論。

n  教師示範實驗

一、  觀看示範實驗影片

影片網址：今天來吃紙火鍋示範篇，https://youtu.be/WnAn92yW1EA。

n  教學前準備

一、需用器材和材料

每班用量：不鏽鋼濾網勺（細的，4吋） 1個、不鏽鋼濾網勺（粗的，4吋） 1個、紅色小蠟燭（10入） 3盒、紅色大蠟燭（10入） 3盒、紙杯（150-200 mL） 12個、圓馬芬杯（薄的，可耐高溫220℃、紙質比紙杯薄） 1個、圓馬芬杯（厚的，可耐高溫220℃，紙質比紙杯厚） 1個、食鹽 1包、溫度計（200℃） 12支、打火機 1只（教師保管）、鐵絲或木夾（固定紙杯用） 12支、計時器 6個、蛋糕底紙╱烘焙紙（50張入，可耐高溫220℃） 1包（或萬用調理紙 1捲），水（100
mL） 6杯。註：可視各組研究主題，自由領取不同材料，教師可多準備。需用器材和材料，如圖一所示。

     

     

圖一：需用器材和材料

n  學生探究活動

一、  教師提問紙不會燃燒的原因

(一)   教師提問

1.  你們有沒有用過紙火鍋煮食物？有用過紙火鍋的請舉手…..

2.  在哪裡用過？有些日本料理店有賣紙火鍋……1940年，日本人發展出雪雁火鍋，用紙的來吸收雪雁肉的油脂，讓口感比較清爽不油腻，很受歡迎。

3.  你們覺得這個紙火鍋與一般的小火鍋比起來什麼部份最神奇？（讓學生能自己察覺紙不會燃燒）

4.  紙火鍋的紙真的不會燒起來嗎？為什麼紙火鍋的紙不會燒起來？你們猜想可能的原因是什麼？並提出假設。（各組討論並在學習活動單上寫下可能的原因，最好限定時間，避免討論失去焦點或聊天。）

(二)   學生可能的想法

1.  紙是某種防火紙、燭火的高與低有影響、網子會隔熱、有沒有加水會有影響、火大小會有影響、有加鹽會有影響，沒加鹽……等，如圖二左所示。

2.  首先各組學生的可能想法（如紙的材質、水的容量等）寫在學生活動學習單上，然後各組派代表寫在黑板上，如圖二右所示。

 

圖二：學生可能的想法（左），各組學生寫在黑板上（右）

二、  學生設計探究實驗

(一)   各組初步設計實驗

1.  各組認領實驗的操縱變因（自變因），每組實驗不同。亦可安排兩組做相同的實驗，互相比較探究的實驗結果。

學生探究的操縱變因有：紙的厚度、紙的材質、鐵網的密度、水的多寡、火的大小等。

2.  舉例一組學生共同討論的探究實驗設計。

3.  各組製作海報，上台展示海報並口頭說明。如果別組對該組的想法或實驗設計有爭議，教師可考慮讓學生論辯，或引導做出實驗證明。

(二)   全班討論實驗設計

1.  各組全部組員上台報告實驗設計，包含控制變因（控制一致性）、操縱變因（自變因）、應變變因（依變因），並描述實驗方法的設計和紀錄表格的規劃。學生的實驗設計，如圖三所示。

2.  台下聆聽的同學一起當偵探，看看哪裡有缺漏，有沒有缺少實驗器材？實驗組與對照組的控制變因是否一致？提醒實驗時要安全注意的事項……等，也可以提出發現同學實驗設計的優點。

3.  教師仔細聆聽，讓學生討論。若有爭議，由教師說明，並給予建議和鼓勵。

4.  要求學生依照實驗設計進行實驗，不可中途變更，養成先思考再行動的好習慣。

 

圖三：兩組學生探究的實驗設計（圖中不包含表格內的實驗數據）

三、  師生共同討論實驗注意事項

1.  討論在紀錄表中應該紀錄的項目。

2.  控制變因討論：教師提問各組蠟燭燃燒時間是否要相同？如何讓實驗組與對照組的結果可以互相比較？設定實驗停止條件為漏水、水燒乾了或紙著火了……，其他例如：統一燃燒時間為10分鐘，以比對別組實驗結果。

3.  控制變因注意事項：要等溫度顯示穩定再讀數據，溫度計必須同時放下，並且不可交叉使用。

4.  提供溫度計給各組以便測量並記錄水溫變化，記錄燃燒的情形及額外的發現，例如：有沒有冒煙？水看起來有什麼變化？

5.  提醒學生注意用火安全，每組在實驗裝置旁，準備一桶水和一塊濕抹布，以便不時之需。

四、  工作分配建議

1.  建議給每位學生都有參與的機會，以異質性分組為佳。

2.  建議每位學生可工作的分組方式：拿取材料、裝置設備、操作溫度計並看顧火源、紀錄結果。

五、  各組學生觀察與記錄

教師巡視學生實驗的情形，若學生在探究的過程有困難，教師才給予提示或引導。圖四為學生操作探究實驗的情形。

 

圖四：學生操作探究實驗的情形

六、  學生分析結果並下結論

1.  引導學生依據實驗結果，進行討論並下結論。圖五為兩組學生的實驗結果和結論。

2.  教師提問舉例：為什麼有些組只能觀察到水溫上升，紙火鍋的紙卻不會著火？

3.  學生回答舉例：

(1)  使用粗蠟燭使水溫上升24℃，使用細蠟燭使水溫上升19℃。火焰大，溫度上升多。

(2)  杯子中加水10 mL，水溫上升42℃；杯子中加水30 mL，水溫上升14℃。加水愈少，溫度上升愈多，但紙杯還沒有著火。

(3)  厚紙杯組水溫上升18℃，薄紙杯組水溫上升20℃，差異不大。

(4)  水中加鹽組使水溫上升10℃，水中不加鹽組使水溫上升9℃，差異不大。（此組加入鹽巴不多）。

(5)  水中加鹽組使水溫上升30℃，水中不加鹽組使水溫上升20℃，相差10℃。（此組加入鹽巴較多，鹽巴沈澱在底部）。

4.  教師引導下結論：加熱只會使水溫上升，必須達到紙的燃點，紙才會著火。

 

圖五：兩組學生的實驗結果和結論

七、  說明發表方式和各組發表情形

(一)   教師說明發表方式

1.  各組學生製作上台報告的海報。

2.  全組同學一起上台報告。分工合作：展示海報、展示實驗物品、一人負責或輪流報告。（給予小組1~2分鐘討論如何發表。）

3.  每組報告時間3分鐘。請班上同學手錶計時。

4.  依照報告組的結果與結論，教師引導台下的同學提出看法，報告的同學必須回答同學的提問。

(二)  各組發表情形

除了報告實驗數據以外，獲得結論如下，如圖六所示。

1.  火焰大，水溫上升較多。

2.  紙杯厚度對水溫上升的影響差異不大。

3.  不論濾網粗細，加熱後只能使水溫上升，紙杯並不會著火。

4.  鹽加些許，紙火鍋溫度差異不明顯。

5.  粗細鹽加太多，沈積在杯底，會聚熱使紙杯著火。

圖六：一組學生上台報告的情形（學生發表水量不同使水溫變化的情形）

八、  學生發展科學原理和概念

(一)   教師示範實驗並提問相關問題

1.  教師示範紙火鍋內有裝水和未裝水的燃燒實驗，如圖七所示。〘注意：用打火機加熱乾紙杯約2-7秒著火。在旁邊準備一桶水，以便滅火。〙

2.  教師示範有裝水和未裝水氣球的燃燒實驗，如圖八所示。〘注意：如步驟1所示。〙

3.  教師提出兩個問題並透過師生互動討論，使學生發展與本探究實驗的科學原理和概念。

(1)  提問一：說說看熱怎麼傳導？

(2)  提問二：各組的假設成立嗎？假設一定要正確嗎？假設發生錯誤時，該怎麼做？

  

圖七：有裝水的紙火鍋燃燒不起來（左），水接近乾但紙未著火（中），水乾了使紙著火（右）

  

圖八：有裝水的氣球燒不破（左），未裝水的氣球（中），點火即破（右）

(二)   學生發展科學原理和概念

1.  學生知道燃燒三要素：可燃物（紙張）、助燃物（氧氣）和燃點。

2.  學生理解熱能傳導的原理，說明水和紙張會吸收熱能而發生水的蒸發和沸騰現象。

3.  學生理解蒸發和沸騰的水溫不會超過100℃，這溫度未達到紙的燃點（220℃）。

4.  學生理解直到水全部蒸發完畢，熱能使紙的溫度升高（超過100℃），當達到紙的燃點（220℃）才會使紙著火。

5.  只有「加水使紙杯不著火」的假設才成立。

6.  加熱只會使水溫上升，必須達到紙的燃點，紙才會著火。

九、  實施進階活動

1.  紙火鍋的燃燒與六年級學習內容—熱傳導相關，在探究燃點之後，學生可再探究紙火鍋熱傳導的過程和影響因素。

2.  探討引起氣爆或加油站火災的問題。如果環境中溫度升高，那麼揮發性物質所揮發出氣體加快，當揮發的氣體（可燃物）和空氣中的氧氣（助燃物）遇到火源（達到燃點）會發生閃燃現象，因而引起氣爆或火災。

3.  教師示範著名的「燒不破的紙鈔」，師生互動討論相關科學概念和原理，包括：燃燒三要素，酒精與水不同比例混合的燃燒溫度，比較紙鈔和混合物的燃燒溫度。

n  學生實作任務的評量

n  結語

引導學生做科學探究，最重要的事是學生內在本質的改變，尊重學生想法作為起點，以達成培養學生探究的能力。在紙火鍋的實驗中，學生往往不能立刻察覺「燃點」這件事，而做出誤判，因此做出錯誤的假設。假設可能會不成立，不成立仍應有科學人求是的精神，過程中要求學生確實依實驗設計執行，誠實表達實驗結果，分析不成立的原因、做假設時未考慮到的因素。最後教師以示範引導學生發展本次探究主題「紙火鍋不著火」的科學概念和原理，師生互動討論引導學生找出燃點是探究學習的關鍵。由於有學生對「紙火鍋不著火」的誤判，因此更能呈現科學態度的重要性，對學生而言，真是一個很有趣的探究！

n  後記與致謝

本文改編自作者參加國立彰化師範大學舉辦「106年探究教學教案競賽」的獲獎作品，該作品名稱：「紙火鍋的紙為什麼不會著火？」，在此感謝國立彰化師範大學科學教育研究所的授權同意該教案作品改編成本文。「紙火鍋的紙為什麼不會著火？」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  附錄：學生活動單

下載本次探究實驗的學生活動學習單—「探究紙火鍋不著火」

n  參考資料

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107 年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  國小自然【五上 / 第五冊】課本，南一版。

3.  紙火鍋的紙為什麼不會著火，106年探究教學教案競賽。取自：http://120.107.169.113/main.php?fid=04a&page_name=product_detail&prod_id=86。

4.  遇火不燃、盛水不破的紙鍋，科學人。取自：https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=easylearn&id=1308。

5.  Fire Water Balloon – Cool Science Experiment, https://youtu.be/qeDZQ9-gsjY.

6.  化學示範實驗：燒不破的紙鈔（Non-Burning Paper Bills）〔I〕，科學Online。取自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=40449。

7.  化學示範實驗：燒不破的紙鈔（Non-Burning Paper Bills）〔II〕，科學Online。取自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=40466。

化學示範起始探究與實作：
「愛玉成凍」教師示範起始學生探究

 

李祥菁^1, *、李易儒²、何莉芳³

¹臺中市立大道國民中學
²新竹縣立東興國民中學
³臺中市立福科國民中學
*[email protected]

 

n  前言

在108年「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中揭示學習重點包含學習內容與學習表現。過去傳統教學模式多著重於科學認知（學習內容）的傳達，新課綱在學生面對科學探究能力與科學態度（學習表現）則有更多強調。

本探究課程的科學內涵符合在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中學習內容相關描述，如表一所述。本探究課程的科學探究亦符合新課綱的學習表現相關描述，如表二所述。

表一：「愛玉成凍」的學習內涵符合新課綱的學習內容

表二：「愛玉成凍」的探究學習符合新課綱的學習表現

透過生活中的情境素材—愛玉，以過濾法分離混合物，透過手搓洗方式分離出愛玉中的甲基酯酶，將愛玉的果膠去酯化，再與水中所含的2價陽離子（鈣離子和鎂離子）產生交聯作用，使愛玉結凍，探究各種影響愛玉結凍化學反應的各種變因（傅麗玉，楊水平，2015）⁷以理解相關科學概念。從真實情境中體驗探究歷程與熟練探究技巧，藉以培養學生的科學探究能力。

本課程設計的探究活動教學，分為兩階段：(一)教師示範教學：此階段採用KWL策略中的K＋W策略，透過影片示範製作愛玉凍，引入學生到學習情境之中，激發他們的學習興趣和動機。(二)學生科學探究：此階段以5E學習環的探究教學策略並採用KWL策略中的L策略，學生在教室中體驗完成愛玉凍製作的探究活動，引導學生建立愛玉凍的科學知識，學生應用學到的原理和概念作為「創意愛玉凍」的研發基礎。學生的學習評量採用學習單的紙筆評量（評量規準）、愛玉凍的實作評量以及課後問卷的省思評鑑。

n  教學方法

此次探究教學活動使用KWL策略和5E學習環教學策略，分別描述如下。

一、    KWL策略

1.  What I Know (K)：經過體驗後，讓學生思考關於愛玉，「我已經知道甚麼？」讓學生連結舊經驗與思考後寫下自己的已知於學習單和便利貼上。

2.  What I Want to know (W)：關於愛玉，「你還想知道甚麼？」讓學生連結舊經驗與思考後寫下自己想要知道什麼，想要探究的問題寫在學習單和便利貼上。

3.  What I Learned (L)：在愛玉凍的探究之後，「我學到了甚麼？」及「你有什麼新發現？」在探究的過程中「你有沒有遇到什麼困難的狀況？」「你如何克服？」

二、    5E學習環

1.  Engagement（投入）：此階段學生觀看示範影片以觀察製作愛玉凍的流程，透過KWL的提問策略引起學生探究學習的動機。

2.  Exploration（探究）：此階段學生提出探究的問題，訂定小組探究的假設，寫出影響愛玉結凍的變因，設計與規劃探究的流程、執行探究實驗、紀錄實驗結果。

3.  Explanation（解釋）：此階段分析實驗結果，轉化實驗結果成為圖或表並解釋實驗結果，實驗結果是否支持假設，進而學生發展科學概念和原理。此階段每組成員與他人分享實驗結果，透過交流過程思辯彼此探究過程中的疑問並加以釐清科學觀念。

4.  Elaboration（精緻化）：根據全班的探究結果，各組思考如果你們想要參加「創意愛玉凍大賽」。規劃愛玉凍的專題研究或科學展覽。

5.  Evaluation（評鑑）：此階段學生省思在探究過程中的收穫和科學態度的養成，並填寫評鑑問卷使學習表現具體化。

n  教學前準備

一、  示範需用器材和材料

愛玉子 4 克、電子秤（200 g，0.01 g） 1台、滷包袋（茶包袋） 1個、礦泉水240mL、透明塑膠杯（150 mL） 2個、碗或容器（1100 ml） 1個、愛玉凍（1000ml） 1 個。

(一)   製作愛玉凍

1.  教師事先製作愛玉凍，提供學生觀察與品嘗，如圖一所示。

 

圖一：愛玉果實（左），愛玉凍（右）

2.  教師準備閱讀文本—愛玉結凍的化學原理，用於解釋階段學生的概念建立。

二、  拍攝「愛玉凍」的示範影片

教師教學前拍攝製作愛玉凍的示範影片，用於投入階段的引起學生探究的動機，以下是製作愛玉凍的過程：

1.  準備240 mL的礦泉水，放置在一個大碗或容器中。

2.  取適量（約4克）的愛玉子裝入滷包袋網袋中綁好，放入大碗的礦泉水中搓洗，如圖二所示。建議：愛玉子與水的比例為1 mL：60~80克）。

  

圖二：準備器材和材料（左），稱重4克的愛玉子（中），取240 mL的礦泉水（右）

3  搓洗到手感由滑嫩變成乾澀為止（約5-8分鐘），如圖三所示。

  

圖三：礦泉水倒入容器中（左），愛玉子倒入滷包袋中（中），愛玉子放到礦泉水中搓揉（右）。

4.  放置20分鐘即可（放入冰箱中可縮短時間）。

5.  加入糖水或蜂蜜增加風味。

n  學生探究活動第一階段—Engagement（投入）

此階段主要是教師播放事先製作的示範影片，引導學生到學習情境之中，激發他們的學習動機，以起始學生的科學探究。

一、  「愛玉凍」示範實驗影片

影片：愛玉凍製作過程的示範實驗（影片網址：https://youtu.be/USloBFqfBPI）

二、  KWL教學策略融入教師示範

1.   學生品嘗愛玉凍，體驗愛玉凍的口感，氣味…。引導學生回想吃愛玉凍、果凍等生活經驗。

2.  觀看「愛玉凍製作過程的示範實驗」及「愛玉戀小蜂」( https://youtu.be/Tt_1n0ue7cw ）影片，讓學生認識愛玉的生態。透過親身體驗，建立課程與學生的生活情境連結。接著，讓學生摘要愛玉凍的製作流程，思考過程中有哪些影響愛玉結凍的變因，作為後續探究的問題。

3.  以KWL教學策略，透過PowerPoint，利用圖文和影片方式，教師提問讓學生思考問題，引起愛玉凍探究的興趣，如圖四所示。教師引導與提問以及學生想知道什麼，如下所示：

(1)  黏貼便利貼在A4紙上，每人以30秒的時間彼此分享，聆聽他人經驗，並提出「你還想知道甚麼？」

(2)  學生會想要知道什麼？例如：愛玉樹長什麼樣子？長在哪裡？愛玉凍要怎麼做？怎麼做出來的愛玉凍會很好吃？

 

圖四：學生觀察愛玉子（左），教師介紹愛玉植物（右）。

  

圖五：組內分享關於愛玉的已知與想知（左），學生寫下關於愛玉的已知與想知（右）。

 

圖六：學生寫出KWL教學策略中的K和L的描述。

n  學生探究活動第二階段—Exploration（探索）

探索階段包括閱讀觀察、變因歸納、觀察定題、確定假說、規劃設計、執行計畫、分析數據、發現結果等學習表現。

一、  提供各組需用器材

1.  各組器材：愛玉子（12公克）、電子秤（200 g，精稱到0.01公克） 1部、塑膠碗 3個/組、滷包袋（茶包袋） 3個、塑膠碗（1100mL） 3個。

2.  共用器材（放在講桌上自行選用）：礦泉水、鹼性水、RO逆滲透純水、乳酸鈣、汽水、麥茶舒跑、砂糖、紅糖、冰塊、油、牛奶。

3.  小組發表器材：白板筆、便利貼 1疊/組、或百格紙 1張/人。

二、  學生觀賞示範影片並寫出實驗流程

學生觀看製作愛玉凍的流程，如圖七所示。

  

圖七：學生觀看製作愛玉凍的流程

學生寫出條列式實驗流程，一組學生撰寫的流程如下所示：

1.  準備水240 mL和愛玉子4 g裝入網袋綁好。

2.  放入水中搓洗5-8分鐘。

3.  搓到手感由滑嫩變乾澀為止。

4.  加入糖水或蜂蜜增加風味。

三、  觀察實驗與變因歸納

1.  學生思考下列問題後，寫出所有影響愛玉結凍的可能變因。此時教師引導與提問如下所示：

(1)  在影片中有提到哪些因素會影響到愛玉凍的凝固？

(2)  為什麼在水裡搓愛玉子一段時間就會結凍？水質、油及搓洗時間會影響愛玉凍的形成嗎？

2.  小組間討論那些物質或因素可能與愛玉結凍有關，如圖八所示。

 

圖八：學生思考（左）並寫出（右）哪些物質或因素可能與結凍有關

四、   觀察定題與確定假說

學生練習選出影響愛玉結凍的變因並轉化成可實驗操作的假設，提出預期可能產生的實驗結果，如圖九所示。〘假設用語：如果我增加、減少、改變….因素，那麼愛玉會、不會結凍…。因為…的原因，所以…的結果。〙

  

圖九：組內分享自己的想法（左），學生練習觀察定題與形成假說（中和右）

五、  規劃設計與執行計畫

1.  各組針對提出的各種變因，討論出一個可探究的變因，並進行實驗規劃，如圖十所示。

2.  實驗設計修正：各組分享實驗設計、檢核他組實驗設計是否有不妥之處，透過團體思考引發產生問題，設計探究實驗並進行滾動式修正，如圖十一所示。

3.  各組依照設計的實驗計畫，進行愛玉凍的探究並記錄實驗結果，如圖十二所示。

 

圖十：學生練習實驗規劃

 

圖十一：學生分享實驗規劃

 

圖十二：學生進行愛玉凍的探究

六、  探索階段教學提示

(一)  關於實驗的變因

1.  操縱變因（又稱自變因）只能有一個。若操縱變因為濃度差異，請學生至少做3個不同濃度並且每個濃度重複3次。

2.  操縱變因（又稱自變因）和應變變因（又稱應變因或依變因）需要下操作型定義，亦即需要有量化的測量方式與客觀的描述。

3.  若教師發現學生無法有效的討論，可適時協助釐清操縱變因、應變變因等。

(二)  實驗操作

1.  混合物分離方式有過濾法和色層分析法…。透過用滷包袋（或茶包袋）過濾，學習常用的實驗操作技巧。學生也可思考不同材質或孔隙對於過濾的影響。

2.  提醒同學思考在愛玉搓洗的過程中，搓洗溫度和搓洗速度等物理因素對於「愛玉結凍」化學反應速率的影響。

(三)  實驗結果如何記錄

  1.  除了以愛玉結凍與不結凍的方式表達實驗結果，有沒有其他更客觀的方法來表達實驗結果。

2.  要細心觀察可能有原先沒有考慮到的變因。

3.  教師巡視以便指導各組實驗結果的紀錄表。

4.  教師巡視各組給予認真參與同學口頭表揚。

(四)  分析數據與發現結果

1.  教師引導與提問：「要如何紀錄實驗結果？」「你們做的愛玉凍吃起來口感如何？」學生觀察實驗結果，如圖十三所示。

2.  實驗結果統計分析的重要性：若結果紀錄中對照組與實驗組的結凍次數皆為3次，但對照組進行了3重複，實驗組重複了5次，可否依照結凍次數直接下結論為兩者的結凍效果相同?

3.  針對實驗結果進行簡單的統計分析，選用適當的圖或表來呈現，如圖十四所示。

 

圖十三：學生觀察實驗結果

 

 

圖十四：學生紀錄實驗結果並分析資料

n  學生探究活動第三階段—Explanation（解釋）

此階段包含溝通傳達、推理論證。

一、  溝通傳達與推理論證

1.  請各組簡短分享探索的進度並提出新發現的問題，如圖十五所示。

2.  教師引導與提問：「你們如何呈現實驗結果？用別人看得懂的方式跟他人分享。」

3.  各組依照實驗結果給予科學性（合乎邏輯、有足夠實驗結果證明、有科學原理支持…）的實驗結論。

4.  教師引導與提問：「你們要如何下結論？」

  

圖十五：學生分享實驗結果（左和中），品嘗愛玉凍（右）

二、  愛玉結凍的化學原理

教學提醒：在探索階段，師生互動討論或教師引導學生方式發展愛玉結凍的科學知識。此原理不強調化學結構，僅讓學生理解酵素和果膠與鈣離子是影響愛玉結凍的主要因素。愛玉結凍的化學原理如下所示：

愛玉種子外含有果膠、原果膠酶、果膠甲基酯酶以及少量的無機礦物質。當愛玉種子在水中被搓洗（破壞種皮）時，會釋出「甲基酯酶」使果膠分子上許多的甲基酯（‒COOCH₃）去酯化成為羧基（‒COO^‒）。此時，若水中含有二價金屬離子，離子就可嵌入果膠分子之間形成價橋，進而使果膠長鏈間連結形成果凍（林讚標，1991），如圖十六所示。

圖十六：愛玉結凍的化學原理

三、  解釋階段教學提示

(一)   實驗結果的分享表達

1.  「你要如何分享你們的實驗結果？用別人看得懂的方式表達」，圖像記憶優於文字記憶，善用圖表有助於溝通。因此學生要學習選用適當的書面表達工具，以利於書面溝通與結論建立、研究結果傳播。

2.  適時簡單複習長條圖，圓餅圖，折線圖…，說明常用圖形的使用時機與方式。若教師發現有學生或組別遲遲無法進行圖表繪製，可用討論的方式引導學生做出適合的圖表

3.  提醒學生注意在繪製圖表時座標軸和單位的標示。

(二)   要如何下結論？

1.  合理嚴謹的結論來自於：(1)嚴謹實驗設計後累積的大量實驗數據；(2)有力的學理支持；(3)合乎邏輯的證明。

2.  請學生依照各組的實驗結果，寫出科學性（合乎邏輯、有足夠實驗結果證明、有科學原理支持…）的實驗結論。

n  學生探究活動第四階段—Elaboration（精緻化）

1.  根據全班的探究結果，各組思考如果你們想要參加「創意愛玉凍大賽」，你們要如何設計口味獨特又好吃的愛玉凍？各組進行組內討論，開發創意愛玉凍，各組製作海報或簡報推銷自己的愛玉凍，訓練學生創意與溝通表達力。

2.  規劃並進行愛玉凍的專題研究或科學展覽。

n  學生探究活動第五階段—Evaluation（評鑑）

一、  寫出學習回饋

省思評鑑回饋與創意分享—L（What I Learned）我學到了什麼？教師引導與提問如下所示：

1.  在探究的過程中，你有什麼新的發現？（以前你不知道的）

2.  在實驗的過程中，你有沒有遇到什麼困難的狀況？你們如何克服？

學生學習回饋的例子，如圖十七所示：

 

圖十七：學生填寫學習回饋：我學到了什麼以及遭遇的困難和如何克服

二、  探究學習任務的評量規準

三、  課後問卷

(一)  課後問卷題目

(二)   同意度分析

n  結語

愛玉凍的示範實驗起始科學探究活動的優點有：與生活連結、科學概念豐富、所需材料方便取得、愛玉凍可食用、活動有趣學生喜愛，使用材料對環境友善、安全性高…。此外教師和學生可以在課堂進行活動不需要到實驗室，打破傳統化學實驗場地的侷限性。探究的內容與學生的生活經驗連結，從學生的體驗出發，思考並探索愛玉凍的製作，研發獨特口味愛玉凍，激發學生創意、學習動機和學習興趣，探索更廣泛的跨領域知識和技能。此教學設計除了可發展成專題研究的學習，讓學生研發特殊口味愛玉凍外，還可延伸探討搓愛玉方式（收搓、機械破壞種皮..）、搓洗溫度、水中離子濃度及水中pH值等變因，作為後續探究教學的題材。

n  後記與致謝

本文改編自作者參加國立彰化師範大學舉辦「106年探究教學教案競賽」的獲獎作品，該作品名稱：「食在好玩─愛玉成凍」，感謝國立彰化師範大學科學教育研究所的授權同意該教案作品改編成本文。「食在好玩─愛玉成凍」的教案作品，請見「參考資料」一節內的超連結。

n  附錄

下載學習單：探究「愛玉成凍」學習單。

n  參考文獻

1.  十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107 年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.  林讚標（1991）。愛玉子專論。行政院農委會林業試驗所。

3.  愛玉製作過程。https://www.youtube.com/watch?v=7uYJEf9AmTI。

4.  「凍」裡乾坤—愛玉凝膠因子之探討。第50屆全國科展。https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/50/pdf/030804.pdf。

5.  愛玉子，維基百科。https://zh.wikipedia.org/zh/愛玉子。

6.  愛玉與薜荔的私密世界（上）（下）。科博館館訊。http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/178/05.htm
http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/179/05.htm。

7.   李祥菁、李易儒、張維倫、蘇斐虹、李俊穎。2019。食在好玩愛玉成凍。彰化師範大學提升教師探究能力計畫107學年度作品集‒化學、生物。http://120.107.169.113/main.php?fid=04a&page_name=product_detail&prod_id=108。

8.  愛玉說愛玉凍的化學，臺灣化學教育。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=11897。