化學示範起始探究與實作：
流血電影特效與勒沙特列原理

 

陳芷誼¹、蔡欣展²、楊水平^1,*

¹國立彰化師範大學化學系
²彰化縣立鹿江國際中小學
*[email protected]

• 前言

本示範實驗主題為「流血電影特效與勒沙特列原理」，關於化學平衡和勒沙特列原理的學習內容，在12年國教課綱中編列於自然科學領域綱要的國民中學學習階段之主題「物質的結構與功能（C）」之次主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，其學習內容有「Je-Ⅳ-2 可逆反應」；以及主題「物質的反應、平衡及製造」之次主題「化學反應速率與平衡」，其學習內容有「Je-Ⅳ-3 化學平衡及溫度、濃度如何影響化學平衡的因素」。在新課綱中，關於勒沙特列原理，編列於普通型高級中等學校化學加深加廣選修課程的主題「物質的反應、平衡及製造（J）」之次主題「化學反應速率與平衡（Je）」，其學習內容有「CJe-Va-6 勒沙特列原理」。

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（discrepant event），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。本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。在化學示範方面有：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響，在學生實作方面有：濃度、溫度和添加物對化學平衡的影響。其中，溫度和部分添加物對硫氰酸鐵離子化學平衡的移動為作者所構思並試作結果效果明顯。

•  教師化學示範

一、  觀賞示範影片

影片網址：流血電影特效與勒沙特列原理，https://youtu.be/wwEjSJbRRqw。

二、  藥品和器材

示範實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、棉花棒1隻、塑膠刀1隻、燒杯若干、如圖一所示。

圖一：示範實驗用藥品與器材。

解說實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、氯化鈉（Sodium Chloride）1瓶、燒杯（500mL）2個、燒杯（100 mL）6個、錐形瓶（125 mL或250 mL）5個、玻棒1支、滴管5支，如圖二所示。

圖二：解說實驗需用藥品與器材

三、  事前準備

1.    配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.    配製飽和碳酸鈉溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中，有沈澱出現。

3.    配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

4.    配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

四、  現場示範：錯合物的形成及添加物對化學平衡的影響

(一) 創造歧異事件

1.   攜帶事前配製好的硫氰酸鉀溶液、氯化鐵溶液、飽和碳酸鈉水溶液、塑膠刀、棉花棒、至教室。

2.   在示範前，教師先在手掌上偷偷地塗抹硫氰酸鉀溶液，並且悄悄地塑膠刀沾取氯化鐵溶液。

3.   在示範時，教師向學生說等一下要使用塑膠刀切下手掌，如圖三所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片三：以塑膠刀從手掌切下。

4.   教師使用塑膠刀向手掌切下，請學生觀察變化現象。

5.   教師向學生說等一下要使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」，如圖四所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片四：使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」。

6.   教師使用事先已沾取碳酸鈉溶液的棉花棒，塗抹暗紅色「傷口」，請學生觀察變化現象。

7.   教師示範後，立即用水洗乾淨手掌。

(二) 揭開歧異事件使用的藥品

1.   教師拿出配製好的藥品，告知學生塗抹在手掌上的藥品是硫氰酸鉀溶液、塑膠刀沾染的藥品是氯化鐵溶液，棉花棒沾取的藥品是飽和碳酸鈉溶液，如圖五所示。

圖五：手掌塗抹硫氰酸鉀溶液（左）；塑膠刀沾染氯化鐵溶液（中）；棉花棒沾取飽和碳酸鈉溶液（右）。

2.   教師重複進行剛才示範歧異事件的過程，如圖六所示。

  

圖六：重複示範歧異事件的過程

3.   教師示範後，立即用水洗乾淨實驗的手掌。

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

(三) 另類方式重現歧異事件

1.   教師放置分別含有氯化鐵溶液、硫氰酸鉀溶液及飽和碳酸鈉溶液的三個燒杯在示範桌上，如圖七所示。

圖七：三個燒杯分裝三種不同的溶液

2.   以滴管，逐次地加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液中，用玻棒攪拌，如圖八所示，並請學生觀察變化情形。

圖八：加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液

3.   以滴管，逐次地加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液，用玻棒攪拌，如圖九所示，並請學生觀察變化情形。

 

圖九：加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

• 學生實作

一、  濃度和添加物對化學平衡的影響

(一)      配製溶液

1.   配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.   配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

3.   配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

(二)      分組實作

1.   用五個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。第一個錐形瓶當作對照組，如圖十所示。

2.   用四個相同大小的燒杯，分別裝入氯化鐵固體、硫氰酸鉀固體、碳酸鈉固體和氯化鈉固體的，並分別插入一支藥匙且小匙端朝下。

圖十：放置五個錐形瓶和四個燒杯在桌上

3.   從左邊第二錐形瓶開始，由左自右分別加入一小匙的固體氯化鐵、固體硫氰酸鉀、固體碳酸鈉及固體氯化鈉，觀察顏色的變化。

(三)      實驗結果

加入氯化鐵，顏色變深紅；加入硫氰酸鉀，顏色變暗紅；加入碳酸鈉，顏色變淡黃；加入氯化鈉，顏色變淡橙，如圖十一所示。

圖十一：從第二錐形瓶開始，分別加入氯化鐵、硫氰酸鉀、碳酸鈉、氯化鈉，溶液的顏色變化（由左而右）。

(四)      師生互動討論

1.   根據左邊第二杯和第三杯的變化情形，師生互動討論濃度對化學平衡的影響。

2.   根據左邊第四杯和第五杯的變化情形，師生互動討論添加物對化學平衡的影響。

3.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

二、  溫度對化學平衡的影響

(一) 配製溶液

與前面「濃度和添加物對化學平衡的影響」的配製溶液相同。

(二) 分組實作

1.   用三個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。中間的錐形瓶當作對照組，如圖十二所示。

2.   用三個大燒杯，左側第一個和第三個燒杯分別裝入約半杯的冰水和熱水，如圖十二所示。

圖十二：放置三個錐形瓶和兩個燒杯在桌上

3.    左側的錐形瓶放入冰水浴中並持續搖晃，右側的錐形瓶放入熱水浴中並持續搖晃，觀察顏色的變化。

(三) 實驗結果

在冰水浴中降溫後溶液顏色變深，在熱水中加熱後溶液顏色變淡，如圖十三所示。

圖十二：降溫後溶液顏色變化（左），加熱後溶液顏色變化（右）

(四) 師生互動討論

1.   根據在低溫和高溫的硫氰酸鐵離子溶液顏色變化情形，師生互動討論溫度對化學平衡的影響。

2.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

•  廢棄物處理

本實驗完成後，產物必須回收至無機廢液桶中，避免直接用沖掉造成環境汙染。

• 化學原理與概念

「流血電影特效與勒沙特列原理」的化學示範與學生實作是進行硫氰酸鐵離子的化學平衡及其移動，包括：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響、濃度對化學平衡的影響、以及溫度對化學平衡的影響，涉及的化學原理與概念說明如下：

一、 勒沙特列原理

勒沙特列原理（Le Chatelier  principle），又稱平衡移動原理，是一個定性預測化學平衡移動的原理，其描述為：化學平衡是動態平衡，若改變影響平衡的一個因素或條件，平衡就會朝向能夠減弱該因素或條件改變的方向移動，以抗衡該改變。亦即，對於一個特定條件下達到平衡的系統，若條件改變，則化學平衡就會朝向減弱該因素或條件改變的方向移動。

二、  錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響

當黃色的鐵離子（Fe³⁺, Ferric ion）與無色透明的硫氰酸根離子（SCN^‒, Thiocyanate）混合，反應生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺,Ferric(III) thiocyanate），其反應如式[1]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq)    [1]

當紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）加入半透明白色的碳酸根離子（CO₃^2‒）時，碳酸根離子與黃色的鐵離子（Fe³⁺）形成碳酸鐵（Fe₂(CO₃)₃）的沉澱物，以致鐵離子濃度降低，根據勒沙特列原理，鐵離子濃度降低會導致紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）往左方向進行反應，因此溶液由紅棕色變回黃色，其反應如式[2]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq) ←FeSCN²⁺(aq)    [2]

三、 濃度和添加物對化學平衡的影響

當溶液中加入氯化鐵或硫氰酸鉀時，會使鐵離子（Fe³⁺）或硫氰酸根離子（SCN^‒）的濃度升高。根據勒沙特列原理，為減弱鐵離子或硫氰酸根離子的濃度升高的因素，導致反應向右移動，生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變深，其反應如式[3]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq)    [3]

當加入碳酸鈉或氯化鈉時，碳酸根離子（CO^3‒）或氯離子（Cl^‒）會與溶液中的鐵離子（Fe³⁺）反應，生成碳酸鐵或氯化鐵，造成鐵離子濃度下降。根據勒沙特列原理，為降低鐵離子濃度下降的因素，以致反應向左移動，使得紅棕色硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變淺，其反應如式[2]所示。

四、 溫度對化學平衡的影響

硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的平衡移動亦受到冷熱溫度的影響，因為鐵離子與硫氰酸根離子反應生成硫氰酸鐵離子時發生反應熱的變化，其反應如式[4]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq) + heat   [4]

根據勒沙特列原理，當硫氰酸鐵離子浸泡於熱水時，為減弱溫度升高的因素，以致反應向左移動，其顏色轉向黃色，其反應如式[5]所示。當硫氰酸鐵離子浸泡於冷水時，為減弱低溫度下降的因素，其顏色轉向紅棕色，以致反應向右移動，其反應如式[6]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)← FeSCN²⁺(aq) + heat   [5]

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq) + heat   [6]

• 教學提示

l  本實驗安全性較高，可直接在教室中進行示範，然而過程中仍須使用熱水，必須注意安全，避免燙傷。

l  進行化學平衡移動時，配製硫氰酸鐵離子溶液應該特別留意溶液的顏色，其配製方式：取300mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

l  由於本實驗的危險性較低，因此可直接使用的藥品在手掌上塗抹，使教師在課堂上創造歧異事件，增強示範的逼真效果。

l  示範這個實驗，教師應實行適當的風險評估。

• 結語

本實驗設計的主要目的是使用危險性較低且操作簡易的化學藥品和器材，直接且短暫地塗抹藥品在手掌上，增強逼真的電影特效來創造歧異事件。歧異事件會導致學生在支持概念理解方面的科學事件中先驗知識和經驗中出現意想不到的矛盾或認知衝突，以致在他們的腦海裡產生疑問而增強學習的興趣。再者，透過師生互動討論方式，強化學生的學習成效，加深國中和高中學生對化學平衡反應及勒沙特列原理的理解。

本教學設計以創造歧異事件為教學的起點；接著學生實作三項實驗：濃度對化學平衡的影響，添加物對化學平衡的影響，溫度對化學平衡的影響；最後根據實驗結果，進行師生互動討論，增進學生對化學平衡的移動和勒沙特列原理更深入的學習。

• 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.  微量化學實驗：鋁熱反應的微量示範實驗，林聖揚、顧展兆、楊水平，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=19084。

3.  淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應，王瓊蘭，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=7309。

4.   Best Teaching Practices – Discrepant Events,https://bit.ly/2ZLflLs.  

5.  Discrepant Events, https://bit.ly/2B8lR4u.  

6.  Chemistry Lecture Demonstration, https://bit.ly/2TOeaqI.  

7.  How to make realistic fake blood (“Chemical cut” experiment), https://www.youtube.com/watch?v=scN6_LItWqo.

8.  Iron III Chloride Reaction With Potassium Thiocyanate (FeCl3 + KSCN), https://www.youtube.com/watch?v=lEraxU3r1ko.

9.  Bleeding Iron Nail Home Experiment – DIY Iron Thiocyanate, https://www.youtube.com/watch?v=o-0OdYsOigk.

10. E710: Complex Ion – Shifting Equilibrium,https://bit.ly/2MbEjLR.  

11. Le Chatelier’s principle, https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Chatelier%27s_principle.

化學示範起始探究與實作：
漂亮結晶的教師示範和學生實作

顧展兆¹、楊水平^2,*
¹國立彰化師範大學科學教育研究所
²國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  前言

關於混合物的分離，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，第四學習階段提到主題「物質的結構與功能（C）」和次主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及學習內容「Ca-Ⅳ-1 實驗分離混合物，例如：結晶法、過濾法及簡易濾紙色層分析法。」。再者，第五學習階段提到主題「物質的結構與功能（C）」和副主題「物質的分離與鑑定（Ca）」，以及學習內容「CCa-Ⅴc-1混合物的分離過程與純化方法：蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。」

近年來，臺灣中小學科學教師和學生風靡天氣瓶，其原理主要是樟腦在水與乙醇、硝酸鉀及氯化銨混合溶液內的溶解度會隨著溫度變化。當溫度降低時，樟腦析出羽毛狀的結晶，其結晶形狀實在引人入勝；當溫度升高時，樟腦的結晶溶解。本文作者設計混合物分離方法之一—結晶法—的教材，分為兩階段：(一)教師示範實驗，(二)學生實作實驗。在教師示範方面，規劃影響溶解度的兩項因素：溶劑減少和溫度下降促使晶體析出。(1)前者是使用吹風機快速帶走水分，促使硫酸鎂溶液在大塊玻璃片上快速析出美麗的結晶；和(2)後者是溫度下降促使碘化鉛晶體析出，猶如飄下著「黃金雨」。在學生實作方面，規劃四項結晶方法：(1)硫酸鎂溶液溶劑減少促使結晶析出，製作「窗戶上的雪花」；(2)尿素溶液溫度下降促使結晶析出，觀看尿素美麗針狀結晶的過程；(3)添加晶種到尿素過溶液中促使尿素快速結晶；(4)以溶劑對促使硫酸鎂晶體析出，製作「瓶中生環」；以及一項學生實作的純化苯甲酸的問題解決。本教材的設計重點是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  教師示範一：溶劑減少促使硫酸鎂結晶

一、  觀看示範影片

影片網址：溶劑減少使硫酸鎂結晶，https://youtu.be/yACeoBZVug0。

二、  事前準備

(一) 材料藥品與器材

大片玻璃（30 cm × 30 cm） 1片、電熱板 1台、燒杯（100 mL） 1個、電子天平 1台、廚房量匙 1組、七水合硫酸鎂（Magnesium sulfate heptahydrate, MgSO₄ž7H₂O） 60克、清潔劑 1瓶、衛生紙 3張、吹風機 1台、刷子（小型） 1支。

圖一：所需器材與藥品

(二) 製備硫酸鎂溶液

1.  稱取60克七水合硫酸鎂和量取40 mL蒸餾水，放在燒杯中混合均勻，用電熱板加熱，如圖二左所示。〘或用廚房量匙取得硫酸鎂和蒸餾水，以3：2的比例混合均勻。〙

2.  在完全溶解後，立即停止加熱，靜置冷卻，備用，如圖二右所示。〘燒杯可移到桌面，靜置快速冷卻。〙

  

圖二：七水合硫酸鎂和水混合（左）；加熱促進溶解（右）

三、  示範過程

1.  用衛生紙沾少許的清潔劑，在乾淨的玻璃上均勻地塗抹一層薄薄的清潔劑，如圖三左所示。〘稍微用力塗抹清潔劑，使之形成薄層。〙

2.  用刷子吸取適量的硫酸鎂溶液，均勻地塗抹於這片玻璃上，如圖三右所示。

 

圖三：先塗抹薄層的清潔劑（左）；後塗抹硫酸鎂溶液於玻璃上（右）。

3.  傾斜地放置這片玻璃在書架上，玻璃塗抹面朝向學生。用吹風機，均勻地吹乾塗抹面上的硫酸鎂溶液，如圖四所示。

圖四：傾斜地放置玻璃片，吹乾硫酸鎂溶液。

4.  仔細地觀察當溶劑揮發時，硫酸鎂結晶的過程和形狀，如圖五所示。

 

圖五：硫酸鎂的結晶，左右兩圖為在兩次不同示範時結晶拍攝的照片

5.  教師透過直播串流媒體以直播方式局部放大硫酸鎂晶體，讓學生近距離觀看結晶的過程和形狀，如圖六所示。

 

圖六：手機直播方式局部放大，讓學生近距離觀看。

n  教師示範二：溫度下降促使「黃金雨」生成

一、  觀看示範影片

影片網址：溫度下降促使碘化鉀結晶，https://youtu.be/kFwTPTAJyEo。

二、  事前準備

(一)  材料藥品與器材

錐形瓶（250 mL） 2個、硝酸鉛（Lead nitrate, PbNO₃） 10克、碘化鉀（Potassium iodide, KI） 10克、錐形瓶（500 mL） 1個、漏斗（7 cm） 1支、濾紙（11-13 cm） 1張、加熱板 1台、透明玻璃瓶（如酒瓶，600 mL以上為佳）、大燒杯（1000 mL，含半杯室溫水） 1個。

(二)  製備碘化鉀溶液

1.  配製約4%硝酸鉛溶液：稱取10克的硝酸鉛，放入一個250 mL的錐形瓶中，加蒸餾水到250 mL的刻度線，搖晃均勻。

2.  配製約4%碘化鉀溶液：稱取10克的碘化鉀，放入一個250 mL的錐形瓶中，加蒸餾水到250 mL的刻度線，搖晃均勻。

3.  混合兩溶液到一個500 mL的錐形瓶中，此時生成金黃色的碘化鉛溶液，如圖七左所示。

4.  加熱錐形瓶中的碘化鉛溶液，直到溶液變成澄清透明。

5.  用漏斗和濾紙，盡快地趁熱過濾熱的溶液到一個透明玻璃瓶（如酒瓶）中，如圖七右所示。

 

圖七：混合硝酸鉛和碘化鉀溶液（左）；趁熱過濾熱的溶液（右）

6.  放置熱的金黃色溶液在保溫箱（簡易的保麗龍箱亦可）中保溫，備用。〘註：此熱的碘化鉛溶液不宜長時間放置，以免冷卻析出晶體，最好在示範前查看是否有金黃色沈澱物出現。〙

7.  取一個大燒杯中，裝入半杯的室溫水，備用。

三、  示範過程

1.  放置裝有熱的碘化鉛溶液之透明玻璃瓶在講台（或示範桌）上，玻璃瓶後面放置一片黑色的塑膠PP板當作背景，如圖八左所示。請學生仔細觀察透明玻璃瓶內的現象變化。

2.  當觀察時，若降溫速率太慢，無法在一分鐘內看到結晶析出，則放置此玻璃瓶於一個大燒杯內，用室溫水快速降溫，如圖八右所示。請學生仔細觀察透明玻璃瓶內的現象變化。

 

圖八：放置玻璃瓶在講台上（左）；放置玻璃瓶於室溫水中快速降溫（右）。

3.  在溫度下降的過程中，金黃色的碘化鉛晶體會從溫度較低的底端開始緩慢地析出，如圖九左所示。

4.  接著，拿起玻璃瓶並搖晃數次促使溫度快速下降，碘化鉛晶體會在整個溶液中析出，如圖九右所示。

 

圖九：碘化鉛晶體開始從底端析出（左）；後來碘化鉛晶體在整個玻璃瓶析出（右）。

5.  取出「黃金雨」的玻璃瓶，並讓學生近距離觀看碘化鉛晶體的形狀。〘註：此「黃金雨」的溶液可以重複使用，不必當作廢棄物處理。〙

n  學生實作一：溶劑減少促使結出「窗戶上的雪花」

一、  材料藥品與器材

玻璃窗戶（大於40 cm × 40 cm） 1片、燒杯（或錐形瓶，100 mL） 1個、電熱板 1台、七水合硫酸鎂（瀉鹽，MgSO₄ž7H₂O） 40克、蒸餾水 35 mL、95%乙醇 15 mL、噴霧罐（60-100 mL） 1個、清潔劑 1瓶、衛生紙 3張。

二、  製備硫酸鎂溶液

1.  稱取40克的七水合硫酸鎂和量取35毫升的蒸餾水，放入一個燒杯（或錐形瓶）中。

2.  加熱促使硫酸鎂溶解，當完全溶解後，停止加熱，如圖十左所示。〘燒杯可移到桌面，靜置快速冷卻。〙

3.  當硫酸鎂溶液冷卻後，加入15 mL的95%乙醇，裝入噴霧罐中，如圖十右所示。〘在加入95%乙醇後，會有明顯地分層。〙

4.  蓋緊噴霧罐的瓶蓋，搖晃均勻，備用。〘使用前，需要搖晃均勻。〙

 

圖十：加熱硫酸鎂溶液促進溶解（左）；硫酸鎂溶液裝入噴霧罐中（右）

三、  溶劑減少促使結出「窗戶上的雪花」

1.  用清潔劑和水，擦拭窗戶上的玻璃使之乾淨。

2.  用衛生紙沾少許的清潔劑，在乾淨的窗戶玻璃上均勻地塗抹一層薄薄的清潔劑。〘稍微用力塗抹清潔劑，使之形成薄層。〙

3.  在噴灑之前，搖晃噴霧罐使硫酸鎂溶液和乙醇混合均勻。

4.  立即均勻地噴灑混合溶液在窗戶的玻璃上，如圖十一所示。

圖十一：均勻地噴灑硫酸鎂溶液在窗戶的玻璃上。

5.  仔細地觀察當溶劑揮發時，硫酸鎂結晶析出的過程和形狀，如圖十二所示。

 

圖十二：硫酸鎂結晶的過程，隨時間變化結晶顆粒越來越大。

6.  近距離觀看硫酸鎂結晶析出的過程和形狀，如圖十三所示。

 

圖十三：近距離觀看硫酸鎂的結晶形狀（針狀晶體）

7.  若使用較稀的硫酸鎂溶液或不加乙醇，則析出的結晶呈現雪花狀，但是需要較長的結晶析出，如圖十四所示。

 

圖十四：近距離觀看硫酸鎂的結晶形狀（雪花狀晶體）。

n  學生實作二：溫度下降促使尿素結晶

一、  材料藥品與器材

尿素（Urea, (NH₂)₂CO） 30克、蒸餾水 15 mL、錐形瓶（125 mL） 1個、樣品瓶（長圓型，容量7-8 mL） 1瓶、量筒（25 mL） 1支、電熱板 1台、坩鍋夾 1支、金屬鑷子（或衛生筷） 1支（1雙）。

二、  製備75%尿素溶液

1.  稱取30克的尿素並量取15毫升的蒸餾水，放入一個錐形瓶中，搖晃使之混合均勻。此時尿素的質量百分比為75%。

2.  用電熱板，加熱使尿素固體完全溶解。當完全溶解後，立即停止加熱，如圖十五左所示。

3.  用坩鍋夾或合適的工具，夾住錐形瓶的頸部，以大瓶口對著小瓶口的方式，小心地趁熱倒入尿素溶液到樣品瓶中。這尿素溶液大約可裝5-6個樣品瓶（約八分滿），分給每組或每人一瓶。

4.  蓋緊的瓶蓋，放在熱水浴中，備用，如圖十五右所示。

 

圖十五：尿素固體完全溶解（左）；樣品瓶放在熱水浴中備用（右）

三、   溫度下降促使尿素結晶

1.  在實作前，若樣品瓶內有出現尿素結晶，用沸水浴加熱使結晶完全溶解或幾乎溶解。

2.  用金屬鑷子（或衛生筷），取出一瓶樣品瓶（裝有熱的75%尿素溶液），放置在桌上，如圖十六所示。

 

圖十六：沒有尿素結晶在樣品瓶中（左）；若有結晶出現，用廢水浴加熱使之溶解。

3.  仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀。〘若短時間內沒有出現結晶，偶而搖晃促使結晶出現。一旦出現微小結晶，立即停止搖晃。〙

4.  放置樣品瓶在手機的手電筒的燈光上，仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀，如圖十七所示。

  

圖十七：觀察尿素結晶的過程和形狀（左和中）；局放大的結晶（右）

5.  放置樣品瓶在一般手電筒的燈光上，仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀，如圖十八所示。

 

圖十八：觀察尿素結晶過程和形狀（左）；局部放大的結晶（右）

6.  本樣品瓶的尿素溶液可重複使用。用沸水浴加熱使尿素晶體完全溶解或幾乎完全溶解，用金屬鑷子（或衛生筷）從沸水浴中取出，重複步驟2-6。

n  學生實作三：添加晶種促使尿素結晶

一、  材料藥品與器材

尿素（Urea, (NH₂)₂CO） 25克、蒸餾水 25 mL、錐形瓶（125 mL） 1個、樣品瓶（長圓型，容量7-8 mL） 1瓶、量筒（25 mL） 1支、電熱板 1台、坩鍋夾 1支、微量藥匙 1支。

二、  製備50%尿素溶液

1.  稱取25克的尿素並量取25毫升的蒸餾水，放入一個125 mL的錐形瓶中，搖晃使之混合均勻。此時尿素的質量百分比為50%。

2.  用電熱板，加熱使尿素固體完全溶解，當完全溶解後立即停止加熱，如圖十九左所示。

3.  用坩鍋夾或合適的工具，夾住錐形瓶的頸部，以大瓶口對著小瓶口的方式，小心地趁熱倒尿素溶液到樣品瓶中。這尿素熱溶液大約可裝5-6個樣品瓶（約八分滿），分給每組或每人一瓶。

4.  蓋緊瓶蓋，靜置冷卻，備用，如圖十九右所示。

 

圖十九：加熱使尿素固體完全溶解（左）；裝有熱的尿素溶液樣品瓶（右）

三、   添加晶種促使尿素結晶

1.  分別取一瓶尿素晶體和一瓶裝有50%尿素溶液的樣品瓶，如圖二十左所示。

2.  加入非常少量的尿素晶體（當作晶種）到樣品瓶中，如圖二十右所示。

 

圖二十：右側瓶裝尿素溶液（左）；加入尿素晶體到尿素溶液中（右）

1.  在加入尿素晶體後，立即蓋緊瓶蓋。

2.  仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀。〘若短時間內沒有出現結晶，以間斷地搖晃方式促使結晶出現。一旦結晶出現，立即停止搖晃。〙

3.  利用手電筒從旁邊照射，有利於觀察和拍攝晶體形成的過程和形狀，如圖二十一所示。

  

圖二十一：觀察尿素結晶的過程和形狀。

4.  放置樣品瓶在手機的手電筒的燈光上，仔細地觀察尿素結晶的過程和形狀，如圖二十二所示。

 

圖二十二：放置樣品瓶在手機的燈光上，觀察結晶的過程和形狀。

5.  本樣品瓶的尿素溶液可重複使用。用沸水浴加熱使尿素晶體完全溶解，用金屬鎳子（衛生筷）取出，添加晶種到尿素溶液中，重複步驟2-4。本樣品瓶重複次數有限，若加入尿素晶體過多會造成尿素溶液形成飽，則不需添加晶種熱溶液就會析出晶體。

n  學生實作四：溶劑對促使「瓶中生環」

一、  材料藥品與器材

七水合硫酸鎂（Magnesium sulfate heptahydrate, MgSO₄ž7H₂O） 20克、蒸餾水 17.5 mL、錐形瓶（125 mL） 1個、樣品瓶（長圓型，容量7-8 mL） 6瓶、量筒（25 mL） 1支、電熱板 1台、坩鍋夾 1支、乙醇（95%） 20 mL、PE滴管（3 mL） 1支、金屬鎳子 1支、衛生筷 1雙。

二、  製備硫酸鎂溶液

1.  稱取20克的七水合硫酸鎂並量取17.5毫升的蒸餾水，放在錐形瓶中混合均勻。

2.  用電熱板，加熱促使硫酸鎂固體完全溶解，當完全溶解後停止加熱，如圖二十三右所示。

3.  用坩鍋夾（或合適的工具），夾住錐形瓶的頸部，以大瓶口對著小瓶口的方式，小心地趁熱倒入硫酸鎂溶液到樣品瓶中。這硫酸鎂溶液大約可裝5-6個樣品瓶（約六分滿即可），分給每組或每人一瓶。

4.  蓋緊的瓶蓋，靜置冷卻，備用，如圖二十三左所示。

 

圖二十三：加熱七水合硫酸鎂和蒸餾水（左）；可裝5-6個樣品瓶（右）

三、  溶劑對促使「瓶中飄雪」

1.  分別取一瓶95%乙醇和一瓶裝有硫酸鎂溶液的樣品瓶，如圖二十四左所示。

2.  用PE滴管，吸取1-2 mL的95%乙醇，逐滴地慢慢滴加乙醇到樣品瓶的中央位置，如圖二十四右所示。

 

圖二十四：右側瓶裝乙醇，左側瓶裝硫酸鎂溶液（左）；滴加乙醇到硫酸鎂溶液中（右）

3.  乙醇與硫酸鎂溶液之間會形成界面，仔細地觀察硫酸鎂結晶的過程和形狀，如圖二十五所示。

   

圖二十五：在乙醇層的下方出現硫酸鎂晶體。

4.  利用手電筒照射，有利於觀察和拍攝硫酸鎂結晶的過程和形狀，如圖二十六所示。

  

圖二十六：用手電筒照射，觀察硫酸鎂結晶的過程和形狀。

5.  當觀察硫酸鎂結晶時，若短時間內沒有晶體析出，則搖晃促使結晶出現，如圖二十七所示。〘一旦結晶出現，立即停止搖晃。〙

  

圖二十七：搖晃促使硫酸鎂結晶，出現晶體排列凌亂。

6.  這樣品瓶的混合溶液可重複使用。在沸水浴中加熱，使尿素晶體完全溶解，用金屬鑷子（或筷子）從沸水浴中取出，重複步驟2-5。

n  學生實作五：問題解決

一、  情境問題

一位學生不慎打翻裝有苯甲酸（Benzoic acid, C₆H₅COOH）的藥瓶，粉末狀的苯甲酸灑落地面，他細心地收集苯甲酸在一個小燒杯中，卻含有少量的灰塵污染物，稱重為0.5053克。這位學生試圖利用結晶和過濾的方式來純化苯甲酸，以獲得較純的苯甲酸。若你是這位同學，你要如何解決這問題？

二、  網路搜尋溶解度

事先網路搜尋資料，苯甲酸對水的溶解度：1.7 g/L (0℃)、2.7 g/L (18℃)、3.44 g/L (25℃)、5.51 g/L (40℃)、21.45 g/L (75℃)、56.31 g/L (100℃)。由此資料得知，在25℃時，每100 mL的水溶解0.344克苯甲酸，在75℃時，每100 mL的水溶解2.145克；在25℃時，每50 mL的水溶解0.172克，在75℃時，每50 mL的水溶解1.072克。

三、  藥品與器材

不純的苯甲酸（含少量的灰塵） 0.5053克、燒杯（50 mL） 1個、錐形瓶（125 mL） 2、藥匙 1支、漏斗（6 cm） 1支、迴紋針 1支、濾紙（110 mm） 1張、蒸餾水 100 mL、金屬坩堝夾 1支、電熱板 1台，主要的藥品與器材如圖二十八所示。

 

圖二十八：主要的藥品與器材

1.      取0.5053克的不純苯甲酸，放入一支125 mL的錐形瓶，加入50.0 mL的蒸餾水。

2.      放在電熱板上加熱，直到苯甲酸完成溶解，如圖二十九所示。

 

圖二十九：加熱到水苯甲酸完成溶解

3.      用坩堝夾夾住錐形瓶的頸部，趁熱過濾此熱溶液到漏斗內的濾紙，如圖三十所示。

 

圖三十：趁熱過濾（左），濾紙上的不純物（右）。

4.      靜置錐形瓶，直到熱溶液降溫到室溫。觀察結晶出現的情形，如圖三十一所示。

 

圖三十一：降溫過程的結晶（左），降到室溫的結晶（右）。

5.      利用重力過濾，收集苯甲酸晶體，如圖三十二所示。

 

圖三十二：重力過濾（左），含有水的苯甲酸晶體（右）。

四、  實驗結果

1.      靜置隔天，獲得乾的苯甲酸晶體重量為0.3468克，回收率約為69%。

2.      苯甲酸的晶體形狀為針狀，如圖三十三所示。

 

圖三十三：苯甲酸在水中的晶體和苯甲酸乾的晶體

n  實驗注意事項

l  製備尿素溶液完成後，有些示範和實作應該盡快進行，避免溫度下降時晶體析出。

l  當製備熱溶液時，例如碘化鉛溶液和尿素溶液，必須小心地移轉溶液避免燙傷。

l  有些溶液在示範後可重複使用，勿以廢液處理，避免浪費。

l  若碘化鉛溶液欲以廢液處理，應遵照廢棄物傾倒指示進行廢液處理。硫酸鎂溶液和尿素溶液對環境無害，可用大量的流水沖掉。

n  原理和概念

一、  溶劑減少促使結晶

硫酸鎂通常以水合硫酸鎂的形式（MgSO₄·nH₂O）出現，n在1～11之間。最常見的是七水合硫酸鎂（MgSO₄·7H₂O），稱為瀉鹽，是具有許多傳統用途的家用化學品，包括沐浴鹽。本實驗使用MgSO₄·7H₂O，其對水的溶解度（100 mL水）為：無水硫酸鎂：26.9 g（0℃）、35.1 g（20℃）、50.2 g（100℃）；而七水合硫酸鎂對水的溶解度為113g（20℃），其對乙醇微溶。

本實驗使用七水合硫酸鎂，在20℃下，其飽和溶液的質量百分比為53.1%（20℃）。本實驗使用溶液的質量百分比為60.0%。由於硫酸鎂加熱易形成過飽和溶液，因此在示範和實作的過程不易出現結晶。硫酸鎂溶液添加少量乙醇的主要的目的是當乙醇揮發時可以帶水水分，加速水分的蒸發，當溶劑減少時可以快速地觀察到硫酸鎂晶體在玻璃上析出，看起來好像「窗戶上的雪花」。

二、  溫度下降促使結晶

多數物質會隨溫度上升而其溶解度增加，隨溫度下降而下降。本示範實驗選用碘化鉛作為示範的結晶析出物，透過溫度下降促使碘化鉛溶液析出黃金色的晶體。碘化鉛的合成方法是利用硝酸鉛與碘化鉀進行置換反應，其反應如式[1]所示：

Pb(NO₃)₂(aq)+ KI(aq) → KNO₃(aq) + PbI₂(s)    [1]

在示範前，需要加熱碘化鉛沉澱物的溶液，當溫度上升時其溶解度增加而使得碘化鉛溶液呈現澄清透明。在示範時，在溫度下降的過程，碘化鉛的溶解度下降使得晶體緩慢析出，產生金黃色晶體猶如「黃金雨」的效果。

在不同溫度下，尿素對100 mL水的溶解度為108 g（20℃）、167 g（40℃）、251 g（60℃）、400 g（80℃）、733 g（100℃）。由上述數據得知，尿素對水的溶解度隨溫度變化其溶解度變化量非常大。在學生實作時，在短時間就看到大量晶體的產生而達到較佳的效果。尿素晶體的形狀呈現長針狀，其晶體成長過程令人驚艷。

三、  添加晶種促使結晶

根據尿素其對水的溶解度，尿素在不同溫度下的飽和溶液之質量百分比，51.9%（20℃）、62.5%（40℃）、71.5%（60℃）、80.0%（80℃）、88.0%（100℃）。亦有文獻（PubChem）提到尿素對水的溶解度（25℃）：545000 mg/L，亦即54.5 g/100 mL。在25℃下，尿素飽和溶液的質量百分比為35.3%。

本實驗配製尿素溶液的質量百分比為50%，在20℃下，此尿素溶液為過飽和溶液（文獻指出飽和溶液為35.3%）。由於此溶液以加熱方式促進溶解，容易使尿素溶液成為過飽和溶液。過飽和溶液可以添加尿素晶種促使尿素結晶析出。

四、  溶劑對促使結晶

由於有時找不到令人滿意的單一溶劑進行再結晶，因此使用溶劑對（solvent pairs）或混合溶劑（mixed solvents,）是其方法之一。使用一對溶劑進行再結晶，可以先溶解晶體在較加的溶劑中，然後添加較差的溶劑到熱的飽和或未飽和溶液中，直到變得渾濁為止；若添加較差的溶劑到冷的過飽和溶液，出現多量的結晶為止。溶劑對的選擇必須是兩種溶劑為互溶，常用的溶劑對為：水‒乙醇、水‒甲醇、水‒乙酸、甲醇‒乙醚；甲醇‒二氯甲烷、乙醚‒丙酮。

本實驗使用的硫酸鎂溶液加熱促進溶解，容易形成過飽和溶液。添加乙醇（乙醇為較差的溶劑）到硫酸鎂過飽和溶液（水為較加的溶劑），而形成溶劑對，因而促使硫酸鎂結晶析出，製作「瓶中生環」的效果非常明顯。

n  結語

天氣瓶吸引中小學科學教師和學生的主要原因是當溫度降低時，樟腦析出漂亮的羽毛狀晶體，結晶形狀實在令人驚艷。天氣瓶是利用結晶法的溫度下降使純物質從混合物分離出來，除此之外，結晶法還利用溶劑減少、添加晶種及溶劑對等方式從混合物來分離純物質。本教材規劃兩階段：(一)教師示範實驗，(二)學生實作實驗。這兩階段我們成功測試結晶法的這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」等實驗以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.   How to Paint With Epsom Salt，https://www.ehow.com/how_5701668_paint-epsom-salt.html

2.  中學化學示範實驗Chemical Demonstrations: 沉澱現象—透明溶液變不同顏色的沉澱http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26626

3.  尿素https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_CN_CB5853861.htm

4.  如何在 Facebook 進行現場直播？https://www.facebook.com/help/iphone-app/1636872026560015?helpref=platform_switcher&rdrhc

5.  如何在Instagram上開始直播https://www.facebook.com/help/instagram/292478487812558?helpref=hc_fnav

6.   Magnesium sulfate, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium_sulfate.

7.  Urea, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Urea.

8.  Urea, PubChem, https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Urea.

9.  Recrystallization (chemistry), https://en.wikipedia.org/wiki/Recrystallization_(chemistry).

第三十九期 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盟（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]

120年前的庚子年（1900），八國聯軍侵華，留下極大的恥辱，而次年所簽下的「辛丑條約」喪失主權，更是被迫付給各國賠償金四億五千萬兩白銀，分三十九年償還，連本帶利合計約10億，此即為後人所稱的庚子賠款。然而這一筆庚子賠款，後來在諸多中外人士的極力爭取下，有半數退還給中國作為資助留美學生之用，其中不乏民國初期的大師，如北京大學校長胡適、漢語言學家趙元任、前教育部長及清華大學校長梅貽琦、以及後來的中國飛彈之父錢學森和諾貝爾物理獎得主楊振寧等人（第一次庚子賠款留美學生列表，2020），皆曾受惠於庚子賠款而赴美留學，展開新的求學旅程並學成回饋社會與人類，真應驗了福禍相依之說。

2020年是庚子年，也是亂世之秋，從年初起全球蔓延的新冠肺炎（COVID-19），至今（WHO計算到2020年9月9日）全球確診案例約2,750萬，其中約90萬人死亡（WHO, 20200910），彷彿是一場21世紀的黑死病。近日（8月4日）黎巴嫩首都貝魯特在市中心港口工業區發生大爆炸事件，死傷數千人，此乃肇因於倉庫中所囤積長達六年高達將近3000噸的硝酸銨（Ammonium Nitrate）所引起的劇烈燃燒所致。這場大火的起因既是硝酸銨引起，那硝酸銨是什麼呢?硝酸銨是常用的肥料之一，也是礦場或採石場常用的爆炸物，硝酸銨和燃油的混合物可以做為氧化劑會幫助其他物質燃燒。純的硝酸銨其實是不會爆炸的，但在230⁰C時就會分解，且加熱到260-300⁰C時就會爆炸產生大量氣體，如氮氣、水蒸氣、氧氣，當時產生蕈狀般的爆炸就是大量氣體的產生，而橘紅色火焰則是相伴其他物質的化學反應（Compound Interest, 2020）。爆炸事件總拖不了化學反應，因而化學總予人負面的印象!

不僅是這起爆炸案再度帶來人們對化學的負面觀感，緊接著的是九月政府公布將於2021年引進美國含瘦肉精的牛肉與豬肉，為何這顆震撼彈讓老百姓們實在不知所措而引起社會動盪呢?瘦肉精究竟是何物可以引起如此大的騷動呢?所謂瘦肉精，顧名思義就是讓動物產生瘦肉的化學藥品，萊克多巴胺（Ractopamine）通常就是用來減少體脂肪而產生瘦肉的物質。目前除美國外，全世界核准於牛隻飼料中添加萊克多巴胺的國家，包括加拿大、墨西哥、印尼等27國，其中日本、韓國、紐西蘭等認為對健康無慮。然除歐盟外，目前大約有160個國家（包括俄羅斯、中國等）仍禁用此類添加物，以減少對人體可能產生不可預期的副作用(Ractopamine, 2020; Randox Food Diagnostics, 2018）。

上述這兩例都是屬於社會的科學議題（Socio-Scientific Issues, SSI），他們就發生在人們的周遭，所牽涉到的不僅是生活上的不便，也面臨對生命的威脅。而其中最主要的「肇事者」都是化學，但細想一下，又讓人不禁有種「匹夫無罪，懷璧其罪」之感，譬如，其實純的硝酸銨是沒有危險性的，只因其混合其他化學品才造成傷害，是否這樣的科學議題可以提供學生去探討這個讓人又愛（肥料）又恨（爆炸)的化合物的性質?究竟如何可以提高其使用安全性，降低其危險性?或是從它為何可以做為肥料出發去認識這個化合物。而在萊克多巴胺可以探討化學與食安問題以及風險評估，透過辯證、資料蒐集、實驗、舉證、下結論去做更具說服力的科學論證。

最後，此次專刊是由國立臺灣科技大學王嘉瑜教授負責，王教授在指導高中端實施科技部的高瞻計畫下，接觸第一線教師，瞭解師生在進行科學探究活動時，所面臨的挑戰以及所看到的機會，這些文章正好可以提供教師實施108課程綱要中強調探究與實作課程最佳的鐵證與經驗分享。而常態性文章中，鐘建坪探討三版本教科書內容在跨科議題上的特色，並指出教材內容多著重於學習重點與實作，較少強調探究的歷程，顯然教材設計仍著重在知識產生的結果而缺乏知識建構的過程；張佑祥的核心素養導向的評量，亦嘗試以108課綱目標出發設計適切的評量工具，可供現場教師參考，除此之外，廖酉鎮和夏小雅辦理元素週期表借展的經驗分享與介紹門得列夫元素之旅，此三篇為本期增加延伸性的閱讀。

 

參考文獻

Compound Interest (2020.08.05). What is ammonium nitrate and what happens when it explodes? Retrieved September 10, 2020, from https://www.compoundchem.com/2020/08/05/ammonium-nitrate/?fbclid=IwAR3yInDhp8M0x8sbjQmZ9Z7mcS4XgGuaxQJ3EmiaAJ7K1YPHE6PmooRmvZs

Randox Food Diagnostics(2018.01.23). What is it and why is it banned in over 160 countries? Retrieved September 10, 2020 from https://www.randoxfood.com/ractopamine-what-is-it-and-why-is-it-banned-in-over-160-countries

World Health Organization (2020.09.10). WHO coronavirus Disease (COVID-19) Dashboard. Retrieved September 10, 2020 from https://covid19.who.int/

第一次庚子賠款留美學生列表（2020年6月25日）。中文維基百科。檢索日期：2020年9月10日。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/第一次庚子賠款留美學生列

「高瞻教師專業社群發展」專題導讀

王嘉瑜

國立臺灣科技大學 數位學習與教育研究所暨師培中心

[email protected]

2006年，科技部（當時稱國科會）推動高瞻計畫，直接補助高中職學校與大學院校共同進行課程研究，希望透過高中職學校研發前瞻領域科學與科技課程、提供學生探究的學習情境，以引發高中職生對科技的興趣和培養科學探究能力，進而提升高中職科學與科技教育的品質（羅珮華，2011）。有別於由專家主導的課程研究，高瞻計畫強調「由下而上」，由高中職團隊提出計畫申請與執行，賦予高中職教師「課程研究者」的角色，提供教師專業成長的動能。

我在研究所開設「科學教師專業成長研究」多年，因為參與國立苗栗農工的高瞻計畫，看到科學探究教學和教師專業成長模式等理論，落實深根於教學現場。我也得以近距離地看到，由於參與高瞻，一群老師如何在校內推動一場由下而上、草根性的改革，這些改變如：科學教師的角色從課程消費者轉變為課程開發者，除了授課者之外，還多了課程研究者和計畫執行者的身分，我也看到老師們的學科教學知識豐富了，教學信念改變了也更堅定，連帶也看到學生能力的提升，令我非常印象深刻。

學校要依各校本有特色發展自訂科學課程或專題研究（製作）課程等，皆會面臨：沒有標準教科書和課綱內容可依循、需要資金、資源、和學科專家及課程專家的支持等挑戰，且教師須自行編寫教材和發展評量工具，負擔頗大。苗栗農工高瞻計畫教師團隊的特色在於：他們了解自己的學區、學校與學生特性，能開拓、串聯和運用資源與人脈，也善於團隊經營而能發揮社群的力量，最終甩開傳統地區性技術型高中的舊形象，展現自己獨特的亮點。

然而如同專題系列文章中提到的，課程和教學的變革成功，需仰賴團隊教師能分析和掌握諸多要素，並克服許多困難。本期專題特別邀請苗栗農工高瞻團隊的核心成員，分享他們於執行計畫、以及發展和實施新興科技探究課程和科學閱讀素養課程等校本課程的經驗。各篇的作者們在文中皆無私地分享他們所掌握的成功要素、也說明曾遭遇過的困難以及嘗試解決問題的歷程與策略，我衷心希望能夠透過他們的撰文分享，吸引和協助更多的科學教師專業社群投入課程研究並進行教學改變。以下說明本期專題各篇的內容與特色：

第一篇「苗栗農工高瞻計畫學習社群緣起」，說明團隊教師如何分析並依據學區、學校、教師和學生的特性，思考如何發揮既有的特色和長處，很有巧思地量身打造出兩期共7年，具有特色、高度可執行性、以及可直接落實於教學現場的計劃藍圖。相當值得有意申請科技部或教育部團隊計劃的老師或學校借鏡、參考。

第二篇「發展新興科技生質能源學校本位課程之歷程」和第三篇「搭建真實的科學舞台──發展科學閱讀素養課程」，則是介紹苗栗農工在執行高瞻計畫第一期和第二期期間所開發的一系列特色校本課程。文中除了說明系列課程背後的理念、內容單元架構和使用方式，供有興趣採用的老師參考；作者們也分享了教師團隊於課程發展過程中的設計考量、開發流程、遭遇的困難和解決方法。想自行開發科學特色課程或校本課程的教師或團隊，可參考文章所分享的經驗，思考課程設計的要素和課程發展與實行時的問題解決關鍵。

跨校社群的經營和經驗移轉，是執行高瞻計畫最具挑戰的環節之一。苗栗農工的跨校教學專業社群經營相當成功，第四篇「建立跨校教師課程開發社群」即說明苗栗農工與友校為期三年的跨校經驗移轉過程，其中特別分享跨校社群的經驗移轉項目和內容、以及移轉進行的方式與目的，希望能鼓勵成立更多校內跨科別或跨校經驗分享的專業學習社群。

資源再多、再用力鼓吹，仍需要教師們動起來，願意在教學現場做出改變！第五篇「高瞻經驗的自我省思與蛻變」即是由最初苗栗農工高瞻計畫的發起人，與團隊成員一起，回顧和說明苗栗農工執行高瞻計畫兩期共7年的時間，為教師團隊所帶來的教學專業改變、以及學生成長和學校之改變，希望能提供讀者們動力和信心。

l   參考資料

羅珮華（2011）。「高」聲遠播「瞻」向未來成果推廣與評估計畫—子計畫二：飛揚全國─優良高瞻計畫成果推廣。行政院國家科學委員

會專題研究成果報告（編號：NSC 99-2514-S-003-004-），未出版。取自http://rportal.lib.ntnu.edu.tw/bitstream/20.500.12235/42723/1/ntnulib_tp_C0701_04_077.pdf

高瞻教師專業社群發展：我們組了一個高瞻團隊─苗栗農工高瞻計畫學習社群緣起

鍾武龍

國立苗栗高級農工職業學校

[email protected]

回想起來，從開始投入高瞻計畫至今，已經是13年前的事情了。時光荏苒，當初這群熱血執行高瞻計畫的教師年紀不到40歲，現在則年紀已將近50歲。那是一段充滿理想與抱負的美好時代，現在想起仍然熱血沸騰、意猶未盡，在落筆之際，許多畫面又重回眼簾，歷歷在目。

2007年底，面臨教育現場力求改革的呼聲，苗栗農工也思索要如何轉型，才能獲得家長及學生的青睞，而就在此時契機出現，當時擔任實驗研究組組長的林孟郁老師得知當時仍稱為國科會的科技部正在推動高中職申請「高瞻計畫」，而計劃徵求書中「推展學校教師研發創新課程」、「引發高中生對科技的好奇心和興趣」以及「培養高中生能主動探索新興科技發展」等關鍵字吸引了他的目光，倘若本校能申請到此計畫，對於校內教學的創新（例如融入新興科技議題或啟發學生多元思考與批判能力）、設備資源的挹注、師生研究風氣的提升等方面，皆會帶來翻轉的機會。孟郁老師認為，以苗農擁有12個科別、6種類群、200餘位教職員工的規模，絕對有機會可以試試看。抱持著「做，就對了！」的信念，他開始尋找一群志同道合的老師，展開了一趟為期7年的高瞻計畫和科學教育奇妙之旅。

苗栗農工是一所擁有76年悠久歷史的傳統區域型高職，學生大多來自傳統的苗栗客家子弟，孩子們入學的程度不高（PR值約30-50），老師們也就安穩扮演著傳統「傳道、授業、解惑」者的角色，至於「探究式教學」、「合作學習」等名詞可能曾在學校被提起，但始終無法真正落實。直至2007年左右，學校面臨少子化、生源減少的威脅，也面臨了不得不轉型的危機。但危機就是轉機，檢視本校擁有的科系類別及人力資源，包括農業群（畜產保健科、森林科、園藝科及農場經營科）、食品群（食品加工科）、家政群（家政科）、化工群（化工科）、機械群（機械科、板金科、生物產業機電科）、電機群（電機科、電機空調科）以及國文、英文、數學共同科等領域之教師，我們發現苗農這所「傳統」農工學校也可以「得天獨厚」，於是高瞻團隊成立了。我們體認到善用學校自身資源和打團體戰，絕對是致勝的關鍵。匯集了熱情的專業師資後，校長也完全授權，給予本團隊高度的自主性。有了學校行政端的適時支援、活化行政體系效能、並尋求充沛的外部資源（產、官、學的跨界合作）後，在天時、地利、人和的條件之下，我們的高瞻團隊已充分掌握了教師專業社群運作與經營的成功要素。

第一期四年計畫（2007年至2010）我們以「生質能新興科技課程發展與教學實驗計畫」為主題，共包含三個子計畫，如表1所呈現。團隊以「培育未來科技人才」為目標，課程主題鎖定在提升學生探究能力和科學素養，利用本校跨科、跨領域豐沛的資源研發生質能源課程；教學則採用以學生為中心的探究教學法，培養學生進行探究與解決問題的能力。教師也藉由教學觀察與教學反思等方式獲得回饋，進行滾動式修正，從以「教學為主體」轉變為「學習成效導向」的教學模式，這對苗栗農工的教師和學生而言，都是一項全新的嘗試和挑戰。

表1苗栗農工高瞻計畫第一期三項子計畫之主題及課程與任務

	計畫主題	課程單元／主要任務
子計畫一	l植物資源生質能系統建置   l課程發展與教學實驗研究	ê生質柴油   ê生質酒精
子計畫二	l動物及微生物資源生質能系統建置   l課程發展與教學實驗研究	ê畜產廢棄物產沼氣   ê微生物產氫   ê生質燃料電池
子計畫三	l生質能源科技課程與教學評鑑實驗研究	ê輔導課程發展   ê課程評鑑

（資料來源：作者自行整理）

團隊教師多以各科專業課程教師為主，但有一位英文科老師也加入，共有14位成員，分為「行政服務」、「課程研發」及「課程評鑑」三大任務，依據各教師的專長分工。在計畫初期每一位成員都能清楚明瞭自己的任務角色，讓計畫更見效率。

由於高瞻計畫第一期要求課程研發需符合「新興科技」與「主動探究」二大主軸，挑戰教師須具備研發實驗和操作教具的能力，教具之設計也需具備多樣操縱變因，且要讓學生在操作上擁有更高的自主性，才能符合科學探究的精神。此外還要兼顧實驗需求和製作成本低廉以利推廣等原則，因此，本計劃教師在課程發展上優先以教具開發為起點。執行高瞻計畫第一期期間，除了獲得國科會科教處最高榮譽的「評審團獎」及「特色獎」、「創新獎」、「課程評鑑獎」共4項大獎的肯定外，也成為全國高瞻計畫的「亮點學校」。

但最重要的是師生們多了不同的教學景緻，例如我們在全校一年級推動校定課程─專題導論，並配合該課程舉辦「尋找下一個達文西」科學專題競賽，要求學生撰寫小論文等，教師也透過教案開發，讓學生藉由實際操作看見了生質能源的未來性；校際與國際交流的機會也共同打開師生的眼界，感受到科學的世界因此不同。由於高瞻計畫第一期的成果給予我們很大的信心和成就感，於是苗栗農工更有勇氣繼續邁入高瞻計畫第二期。

高瞻計畫第二期（2011-2014）三年期間，我們以（一）高瞻經驗移轉與課程推廣、（二）生質能源新課程開發與舊課程精緻化 兩大主題為發展重點。此期計畫共有16位成員。與一期不同的是，除了延攬第一期具備有理工背景的教師成員之外，更加入了2位國文老師以及1位輔導老師和1位英文教師，共同開發一門新的科學閱讀素養課程。

配合高瞻計畫第二期的徵求重點，本期計畫的內容包含建立跨校教師專業學習社群，將本校的高瞻計畫執行經驗轉移給其他非參與第一期高瞻計畫之學校，並在校內建置教學資源中心辦理各項校際學術交流活動。我們亦完成一套完整的科學閱讀素養課程和精緻化既有的生質能源課程，供給有興趣的學校使用，達區域資源共享之目標。生質能新興科技課程方面，我們亦開發「藻類生質能」與「微生物燃料電池」兩項新課程，同步協助合作學校開發該校可應用探究教學精神之新興科技課程，減少友校高瞻團隊執行計畫的摸索期與不安，達成共好之境界。計畫第二期工作項目整理如表2。

表2苗栗農工高瞻計畫第二期兩項子計畫之主題及課程與任務

	計畫主題	任務重點	說明
子計畫一	建立跨校教師專業學習社群	˜建置生質能源教學資源中心   ˜建置數位教材並從苗栗地區鄰近學校開始，進行課程分享及移轉	ê經驗轉移合作學校有麗山高中、東勢高工、中科實中   ê開發之6套生質能課程教具   ê校際推廣課程
子計畫二	開發生質能新興科技課程	˜開發藻類生質能源教學模組   ˜開發H型微生物燃料電池教學模組   ˜發展生質能新興科技課程教學內容   ˜成立教學實驗班進行課程研究以精修課程   ˜開發2套生質能源課程之評量工具，並做質性與量化之成效分析	ê新課程開發與舊課程精緻化   ê積極同步申請課程模組專利

（資料來源：作者自行整理）

苗栗農工高瞻團隊，一路上從教師的專業自我精進，團隊共同研發生質能源課程，利用新興科技議題啟發了學生多元思考與推理能力，成果令人驚艷。會選定生質能源領域搭配探究教學做為本校高瞻計畫的主軸，也非一蹴可及，而是透過成員間的腦力激盪，再三考量學校的特質、學生的先備知識和能力、以及師資人力與設備資源才底定。苗栗農工的高瞻團隊一共參與二期，7年的時間，雖然尚稱順利，但也並非一鏡到底，人員在過程中的進出，行政工作上的挫折都在所難免，但最重要的是團隊如何創造出共同的信念以維繫彼此之間的熱度，才能一路走來共創師生豐景。

本期專題將分別就「生質能新興科技課程的發展歷程」、「科學閱讀素養課程發展歷程」、「跨校社群經驗分享」與「高瞻經驗的反思」這四大重點進行分享，呈現苗農團隊的經驗和省思成果，提供各位讀者參考或借鏡。

高瞻教師專業社群發展：發展新興科技生質能源學校本位課程之歷程

陳志魁¹、林唯潁²

國立苗栗高級農工職業學校

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       選擇「生質能源」作為苗栗農工的高瞻計畫主題，主要是因為考量學校位處苗栗農業大縣及「農工」特色的屬性。申請的高瞻計畫主題須符合「新興科技」，當時尋求替代能源議正方興未艾，生質能源開發正具有發展潛力，而且苗栗農工具有豐富農業及工業的相關資源，生質能源材料生產屬農科範疇，能源轉化屬工科範疇，不但能整合學校教學資源，亦能發揮教師們的專長。於是，在時任實驗研究組的林孟郁組長召集下，前圖書館主任陳有富老師、園藝科廖麗雅主任等參與討論的老師們共同訂定了「生質能源」為計畫發展的大方向。

    主題確定之後，孟郁組長開始招募有意願的夥伴加入計畫。當時單純憑藉一股熱忱組成的團隊，無論對「生質能源」或「課程開發」都是一知半解。生質能課程發展歷程歷時6年共三個階段：最初階段教師只能複製教授提供的知識，現學現賣地執行我們自以為是的探究教學；第二階段在實施一回合的課程後，教師們反思檢討並吸收融會專業知識，考量教學現場以及苗農學生的需求，設計出學校本位的教具、教案與教學活動；第三階段為循環教學後再次的精修，使其更符合引導式探究教學。開發團隊從最初的試誤摸索，到後來遵循專家學者帶領，穩定的按部就班發展，最後完成6套生質能源課程，包含完整的教材、教案、教具、實驗操作示範光碟與評量工具，其中的經歷與體驗深具傳承與反思的意義。 

• 跨科整合的課程發展團隊，建立學校本位特色課程
  

    生質能源課程開發的過程並沒有想像中順利。參與的教師雖然各個學有專精，對於教學都有一定程度的經驗與各自秉持的理念，但對於新課程的開發，大家都是新手，沒有篤定的流程與具公信力的做法，只能模糊地想到什麼就做什麼，且戰且走。

計畫最初較明確的任務，在於各課程主題的制定。除了各種常見的生質能源外，還需要融入燃料與能源之間轉換的方式，才能完整呈現能源課題。我們制訂了以下6個課程主題: 生質酒精、畜產廢棄物產沼氣、微生物產氫、生質柴油、藻類生質能、微生物燃料電池，同時根據校內各類科的特性、校內資源、教師專長，以及盡量讓全校各科參與的前提下，分配每個課程給各科教師負責開發和教授，於是苗農跨科模式的課程發展團隊正式啟動。

苗栗農工有畜產保健科，實習牧場動物所排放之糞尿廢棄物經厭氣發酵所產出的沼氣可用以發電，由筆者（陳志魁）發展「畜產廢棄物產沼氣」課程；加工科可利用食品發酵產酒精，並有微生物養殖的專長，於是由謝文斌老師發展「生質酒精」課程，以及劉碧雲老師負責「微生物燃料電池」；電機科擅長能源轉換，由邱宇捷老師發展「燃料電池」課程；化工科教師熟悉化學製程方式，由羅維真老師發展「生質柴油」及「藻類生質能」課程；將有機廢棄物透過微生物分解轉化可產生潔淨能源「氫」，由生物專長的筆者（林唯潁）發展「微生物產氫」課程。苗栗農工開發之生質能源課程內容簡述如表1。

表1、苗栗農工開發之生質能源課程內容簡述

課程名稱	內容簡述
生質 酒精	以糖質或澱粉質為原料，利用微生物發酵的方式產生酒精，自組酒精蒸餾設備完成生質酒精純化，並配合燃料電池的運用，將酒精化學能轉換成電能。
畜產廢棄物產沼氣	藉由畜產廢棄物的厭氧發酵，產生沼氣並加以收集，並配合燃料電池的運用，實際將沼氣轉換成電能。
微生物產氫	藉由厭氧產氫菌的採集與發酵培養，收集生成的氫氣並加以驗證，再藉由氫燃料電池將氫氣轉換成電能。
生質柴油	以動、植物油或廢食用油（三酸甘油酯） 為原料，利用鹼催化的方式產生生質柴油，配合柴油發電機的使用，實際將生質柴油轉換成電能。
藻類 生質能	藉由操作藻類活化、主培養、架設藻類生質能實驗模組、紀錄吸光度及pH值變化等實驗流程，建構學生對藻類生質能的知能。
微生物燃料電池	藉由架設微生物燃料電池、自由菌種培養、紀錄並計算產電量、轉換培養基（如廢水）等操作流程，來建構微生物燃料電池的知能。

計畫初期教師們擘劃了理想的藍圖，規劃學生體驗從原料生產到能源製造的完整歷程。園藝科從種子開始培育，在學校種植了一片向日葵田，歷經開花、收種、榨油；森林科彭宏源主任研究油桐花，主任帶著學生從油桐開花時節與雌雄花同株異株的田野調查做起，從種植管理或基礎的生物學調查，到收取葵花子或油桐種子榨油的經濟應用，儼然是森林科及園藝科學生最佳的本位課程。後續與生質能源課程相結合時，可以葵花油或油桐子油做為原料，結合化工轉酯化技術成生質柴油，再以柴油發電機轉換成電力探討能源轉換率。接續性的課程除了切中計畫主題外，更是跨科學習的好題材。

然而在不影響現有課程的情況下，實際能實施生質能源課程的時數實在有限，前述由源頭取得原料的課程設計難以施行，團隊得進一步思索課程的取捨與更具可能性的執行方式。最後團隊決定以每週2小時的聯課時間，對全校招募對生質能源課程有興趣的同學，以社團的形式施行試驗教學，同時對開發的課程進行初步評鑑。每個主題課程設計4週共8小時的活動，而必要的連續性實驗觀察紀錄則利用放學或下時間額外進行。6種課程在社團分成A、B兩班的情況下，以上下學期互換的方式進行。我們希望在盡量不影響學生常規課程的情況下，意圖讓學校裡最多科系的學生，接觸最完整的生質能源課程。達成這個共識後，所有的課程也朝著同樣的目標發展與設計。

• 與大學端密切合作的專家諮詢，成為課程發展與教師成長的最大助力
  

     課程走向決定後，教師們便分頭進行自己的課程開發。高瞻計畫執行過程中有「專家諮詢」的環節，讓高中職教師們可向大學系所、研究中心的教授專家們進行課程諮詢。本校課程發展子計畫主持人為交通大學生化所曾慶平教授及教育所的王嘉瑜教授（現任國立臺灣科技大學數位學習與教育所）共同協助。本團隊子計畫教師們遍尋研究生質能源相關大學及研究單位，可貴的是，無論是大學系所端教授還是研究單位的專家學者們，皆無私相助、知無不言，使團隊教師們獲益良多。

    以筆者二人的專家諮詢經驗為例，「畜產廢棄物產沼氣」課程是向財團法人農業科技研究院動物科技研究所蘇忠楨博士（現任國立臺灣大學動物科學技術學系）請教。筆者拜訪時，蘇老師帶著我們觀摩他的研究設施，甚至無私地告訴我們，其實驗器具的設計理念，可無償提供給計畫使用。在校內建置完成後，教授還親自到學校來指導，審視實驗器材的組裝及操作過程有沒有問題。「微生物產氫」課程則就教於國立成功大學化學工程學系張嘉修教授。張嘉修教授是研發生質能專家，對藻類生質能及微生物產氫等研究有嚴謹的實驗支持，實驗室中各種人才都有，對我們所諮詢的問題，實驗器具、步驟都悉心解說。張教授甚至曾到校演說，傾囊相授。專家諮詢讓教師在專業知識、實驗流程及教具的研發，都得到寶貴的協助。

• 鎖定高職實作特長，著重實驗教具模組開發

     雖然專家諮詢有如神助，但大量精深的學科知識需要教師們消化後再重組生成適合高職的內容。大學端著重的學術研究導向、給予精深的理論知識、嚴格的實驗條件與嚴謹的操作技術，實在不適合在高職的課堂操作。所幸我們在諮詢之初，已確立將課程的實施模式與課程重點鎖定於：強調實驗操作、課程從做中學、而課程開發則從研發教具入手，因此諮詢重點便多放在實驗操作的學習與器材設備的轉移。

苗栗農工高瞻計畫申請通過時，慢同期一年。當時申請計畫的多是明星高中，其中普通高中為數最多，他校又已起跑一年，如果遵循其他高中友校由學科理論為起點，專注書面教材的模式，本校似乎毫無競爭力。如何讓苗栗農工所發展的課程具有校本特色？讓團隊教師傷透腦筋。大家討論起苗栗農工的優勢，決定回到學校本位思考，苗栗農工是所職業學校，重視實務操作，著重課程與產業的連結。技職的學生多對抽象的理論較無耐心，但能動手實作的課程卻很能引發他們學習的動機。於是團隊決定拋開傳統以大量講述書面教材為開頭的課程設計，在課程一開始就直接進行實驗操作。結果顯示，這樣的教學設計實施於高職學生成效良好，而全套生質能源課程教具模組的開發（如圖1），也成了苗栗農工計畫成果的最大亮點。

生質酒精教學示範模組                      生質柴油教學示範模組

畜產廢棄物產沼氣教學示範模組        微生物產氫教學示範模組

藻類生殖能教學示範模組                微生物燃料電池教學示範模組

圖1、苗栗農工開發之生質能源課程實驗教學示範模組

即便從專家學者處轉移了幾乎全套的實驗設備方法，回到校內，團隊教師們得再依原型做修改。要在教學現場操作，教具的實用性及實驗操作的嚴謹度都需要調整。以筆者經驗為例，「畜產廢棄物產沼氣」教具改良數次，原版為壓克力材質，發酵槽因材質限制需黏合製作，後來發現黏合處容易漏氣，厭氣發酵需要完全閉密的厭氧空間，便改造成玻璃的材質，因玻璃具可塑性讓發酵槽可一體成形，改善了漏氣問題。又因為發酵槽體積太大難以搬運，於是將體積變小。容量變小後，為了讓實驗更嚴謹，厭氣發酵的環境溫度需控制成恆溫，所獲得的數據會更精準，於是將發酵槽修改成雙層設計的，內層為反應槽，外層可接水控制溫度、藉以調控發酵環境溫度，教具的研發歷經數次修改以因應不同的教學需求（如圖2）。

圖2、苗栗農工生質能源課程教具（厭氧發酵槽）改良史

與大學端的精密儀器相比，要在高中職課堂上進行教學實驗，同學分組操作時，至少需要六到七組的教具，教師除需控制教具成本外，還要簡化實驗步驟以利施行，才有後續推廣的效益。實驗步驟如經修改，還要花時間測試是否成功。又因部分實驗課程所設條件過於嚴苛，導致菌種培殖有困難度，所以必須放寬實驗設定條件。所以筆者曾花了半年時間找產氫菌，後因學生的實驗而有不同結果，再根據學生實驗的結果修正實驗步驟、修正發酵反應槽等，使其更接近能實施和推廣的課程模組，這又花了半年。

    改造，再改造，是團隊教師的心血結晶，也是課程成型的關鍵。

• 生質能源課程結合探究能力和科學素養的養成，課程修正以適應學生的差異化

    如同教師們對生質能議題從一知半解到了解其脈絡，進而設計課程，這歷程中所運用的是教師們的科學素養，我們憑藉自己的科學素養探索新興科技，留心時代變遷，並觀察與思考新興科技如何改變人類生活，又對人類與生態造成哪些影響。新興科技會依時變遷，而科學素養是我們理解世界、應用知識，因應變遷的能力。我們期望讓學生從課程中體驗並養成科學素養，以適應未來瞬息萬變的世界。但如何將探索新興科技的歷程以及科學素養的養成，轉化成為可實施的課程，又是進一步的難題。

    苗農高瞻課程是以「生質能源」為題材，以學生學習為中心設計教學活動，並以引導式探究為教學策略進行教學。透過一系列強調不同學習重點的實驗教學活動設計，期望培養不同層面的探究能力。經由合作學習的過程，提升學生溝通協調與實際解決問題的能力，提升高中職學生之科學素養。能源議題可延伸探討科技發展對生態的影響，更是引導學生關注社會議題與建立世界觀的啟蒙。

課程既然以學生學習為中心，教材在編撰上需有適度的彈性與延伸性，方便教師因應不同程度的學生調整教學活動設計。各課程教材皆分成基礎篇及應用篇。基礎篇涵蓋了完整課程的理論與知識，作為學生初步認識課程的基礎，進一步由此深入。應用篇包含了教具模組的建置與實驗流程，同時搭配操作教學光碟，作為學生實際操作的與探究學習的依據。搭配符合不同能力指標的對應教案、學習活動以及評量試題，供教師參考使用。每個課程各單元均採模組化設計，有利於推廣與融入國內現階段之高中職相關課程。

• 引導式探究教學的徹底執行，激盪出有別於傳統教學的火花

即使是有多年教學經驗的教師，面對只在修習教育學程時課程上聽過、教科書上看過的各種教學法，若不是親自施行過幾回，認真的思考反覆辯證過，對於各種教學法僅僅停留在字面的意思上，看似清楚明瞭，真正執行起來卻又模糊不清似是而非。如同我們執行高瞻計畫一期時對「探究式教學」的懵懂認知一樣。最初大家心想，既然以學生自行探索為主，教學活動只需便簡單明瞭：只給學生課程主題及討論題綱，由學生自行查閱資料、討論答案、上台發表。當次課堂的教案簡單，教師輕鬆，但學生忙亂慌張、東拼西湊應付發表，最後落下一句：生質能源課程好難，教師也感到挫敗。還好課程才開始就發現問題，我們急忙做了修正。

面對生質能源這樣嶄新的議題，實在不適合以全面開放的形式由學生自由探索，於是我們嘗試進行「引導式探究教學」。引導式探究教學須依學生能力的不同，開放不同程度的探索空間，在課堂上給學生適當的引導，建議學生查詢特定方向的資料，在限定的範圍內裡學生摸索。如此按部就班的探究新知，較不會讓學生產生挫敗與無力感。

生質能源的每個課程皆分成兩個階段進行。第一階段為學科知識的初步建立，透過教師的引導與說明，學生團隊合作收集資料、上台報告分享，共同建立基礎知能。第二階段以產生生質能的實驗為主，引導式探究的教學模式依然適用。科學實驗即包含了各種變因設計，不同變因會產生不同的結果。學生可進一步學習「控制變因和操縱變因」、「形成假設」、「設計實驗」、「形成圖表」、和「提出結論」等探究能力。學生可依教師的實驗設計進行，也可以自己設計實驗選擇不同的操縱變因（如圖3）。因為在課程中有了掌控權，所以須對實驗流程了然於胸。在6套生質能源課程中，不同課程的教學目標分別著重不同探究表現，讓學生上完6套課程後，可以養成完整的科學探究能力。例如:生質酒精課程著重於實驗設計、形成圖表的能力養成，而微生物產氫課程則著重於形成假設、提出結論的能力養成。微生物產氫課程中，學生於實驗操作過程常不按牌理出牌，偶有巧思，自選地點採集產氫菌，教師因勢利導，引導學生思考改變了什麼？影響了什麼？甚至依照學生的實驗數據修改了課程原本的操作流程。學生經過親身探索與獨立思考的學習，所學得的能力更深刻更能內化，也增強了學生的自信和成就感。

小組合作蒐集資料            自行組裝實驗器材        上台發表實驗結果

圖3、苗栗農工生質能源課程引導式探究教學課堂情況

引導探究式教學讓師生都沉浸在探索科學的歷程中，教與學會因師生的投入而有所變動，吸引人思考、接納變化。教師在觀察與記錄學生探究與合作的過程中，發現了許多令人振奮的現象：學科表現能力中等的學生，竟有著整合團隊帶頭發想的特質；數理科目表現優秀的學生，因為看文獻的速度慢過同組同學，開始認真上國文課；理論課總是坐不住想睡覺的學生，在額外時間的實驗觀察總是第一個到的。學生種種正面的表現深印在教師的心裏，成為老師往後在教學路上不斷自我改革、創新教學的初衷與動力。學生經過了半開放且循環數次的教學方式引導，不再一昧依賴教師給予，開始建立自己解決問題的能力與自信。學生從每個步驟都要鉅細靡遺問過老師否則不敢動手，進步到看到實驗器材會先自行觀察了解原理，再問出有深度的問題。最後參與課程的學生多數能將議題延伸發展成科展作品、參展比賽，探究教學的成效不言而喻。

• 開發精準評鑑認知能力與探究能力的評量工具，兼顧質性與量化評量

    苗栗農工開發的生質能源課程深受教授們認可的原因之一，在於我們針對了各課程原先設定的教學目標，發展出精準對應的評量試題。評量試題分別針對不同單元的學科知識，與不同層次的探究能力指標設計試題。例如：生質酒精課程的目標在養成學生實驗設計的能力，評量中就會設計需要進行實驗設計的情境試題，例如檢測學生是否了解控制與操縱變因，來評估學生實驗設計的能力，同時量化學生的學習成效。同時我們在課程進行中會實施課堂觀察及抽樣訪談。我們也設計了開放性試題，在課程實施後以問卷的形式讓學生填寫，作為質性評量的依據。

評量工具的順利開發，除了歸功於專家教授們有系統的指導推動，苗農團隊中進行課程評鑑的教師群更是功不可沒。在各課程發展的同時，負責課程評鑑的教師已同步規劃出評鑑工作的流程，促使相關評量工具的產生。評鑑工作包括了：於課程前，進行學生前測；課程中針對師生進行課堂觀察記錄；課程結束後，整理和分析學生的問卷與訪談紀錄；以及學生總結性的後測結果分析。這群課程評鑑的教師是課程發展的舵手，藉由他們回饋學生評量的分析結果，我們才能一次次的檢視及修正教材內容、教學活動和評量試題，讓課程更趨於完備。

• 教育路上有隊友相隨走得長遠，看見學生的需要為最終信念

在強調教師專業的現今，課程開發已然教師所必備的能力之一。無論你是如何謹慎地遵循某個課程發展的理論模式，在漫長的過程中仍常會有失焦、偏離方向、甚至窒礙難行的時候，此時團隊的支持或專家學者的提點就顯得可貴且必要。苗栗農工為開發生質能源課程所建立的教師專業成長社群，以及進行專家諮詢所連結起的資源網絡，便是最珍貴而永續的收穫。課程主題也許會換，計畫經費也許會斷，但團隊與教授們共同建立的能力與信念永遠存在。好比我們堅信永遠要以學生的需要作為優先考量，持續思考：什麼是現今學生必須學，對未來有幫助的能力？什麼教法才能讓學生學得會、記得久？在教育的路上秉持如此信念，學生也必能擁有獨立判斷、解決問題的能力，才能立足於日遠千里、瞬息萬變的未來。