第 23 頁 – 臺灣化學教育

高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享／張明娟、吳德鵬

星期五 , 5, 3 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

高中自然科學探究與實作：武陵高中自然科學探究與實作實施經驗分享

張明娟¹、吳德鵬²

桃園市立武陵高級中學

n 緣起

本校103學年度為期三年的高瞻計畫，以綠能為主題與中央大學合作開發課程，課程包含太陽能、風水力、地熱能、海洋能、生質能、燃料電池、碳封存等七大主題，計畫結束後適逢新課綱的發佈，各校須準備自然科探究與實作新型態的課程規劃，時任設備組長的物理科萬昌鑫老師號召當時參與高瞻計畫的老師繼續研發新課程，基於自然跨科合作經驗，且延續綠能想法，便以「全球氣候變遷」為主題（圖1），從氣候變遷的現象開始，探討氣候量測的數據分析，氣候變遷的成因，可能造成的影響，以及人類如何因應等作為課程設計的主架構，開啟每月定期共備研發課程，並在106至07學年度開設2學分多元選修試行，108學年度再讓未參與開發課程的教師於選修課試行，目前於109學年度由自然科教師在高二所有班級跨科協同授課。

圖1 武陵高中自然科探究與實作以全球氣候變遷為議題，四科教師共備後再由參與共備的各科教師，負責各模組教案的編寫

n 共備及試跑經驗

共備研發課程的初期，時間都是利用週四下午自然科共同時間（圖2），設計理念為全球氣候變遷為主題，為不偏重某一科的專業知識，特別於設計學習單時，各科老師讀到不甚了解的一些專業名詞或概念，就會運用素養導向的學習單題目作為鷹架，先引導學生成為背景知識，自然科各科教師初期也藉由此方式，了解不同科別的不同特性讓彼此增能，也因為如此，藉由此跨科的對話發現各科間的異同，開啟了更多教學的模式（圖3）。

課程的實施需要經過試行才能進行滾動式修正，也才能察覺課程實施的關鍵所在，所以研發初期在高一開設一個班2學分的多元選修課程試行，也請教學組將研發課程的7位自然科教師在該時段不排課，試跑過程是由一位老師主要負責開發課程模組的教學，其餘6位老師在教室後方觀課，課程結束後藉由午餐會議立即議課檢討（圖4），針對課堂中產生的問題及時修正，同時學生課後的問卷反饋也都成為修正課程的依據（圖5）。

n 圖2一位老師負責一項課程模組編寫圖3召開共備會議協調修正課程內容

圖4課程結束後午餐會議議課檢討圖5學生課後的問卷反饋，並藉以修正教案

■實施現況

課前每學年須協調一位同仁擔任協助行政（減授一節）負責協調跨科協同教學人員（物理、化學、生物、地科各依比例協調出7、7、3、1位老師來實施課程）、制定教學行事曆來安排各班課程（如圖6）、與設備組協調實施場所，以及準備教學器材。

本校先預訂分組教室及實驗室等各兩間作為課程教學場所，實驗器材由各課程研發教師幫忙整理所需器材及藥品，整理成實驗箱以方便後續取用。藉由國教署經費挹注與優質化計畫逐步完成30台筆電購買及頻寬1G的無線網路建置，再藉由召開共備會議（1~2次/月），來協調修正課程內容。課程研發教師也藉由社群網路分享各種教學資料，並交流課程實施經驗，來達到自發、互動、及共好的目標。

圖6 教學行事曆安排各班課程、本校安排2間分組教室或實驗室，每週五天固定時間，扣除學校活動後排定實施進度課程。

至於學期評分的部分，每學期由各課程選出6份學習單，交由6位老師來各批改其中1份全部課程實施的班級，再加上其他的分組報告、實驗成果及表達與分享的同儕評分單，共佔70%。學期末再由未批改共同學習單的教師，各出1題關於課程的素養試題題組(示例見附錄1)，交由協行教師完成1份期末考題，佔學期成績30%。

■教學模組

一般的綠色能源，如太陽能、風能、核能、生質能、地熱能、海洋能等，以及節約油電、增加效率為目前解決全球暖化的方法，「二氧化碳捕獲與封存（Carbon Capture and Storage,
CCS）」，是將原本排放到大氣的二氧化碳攔截下來（碳捕獲），再運用科學方法將二氧化碳與大氣隔絕（碳封存），如此便能有效減緩大氣中二氧化碳濃度持續升高，達成減碳目標，是全世界科學家公認有效的減碳技術。世界能源總署認為未來全球二氧化碳減量的關鍵技術之一就是「碳捕獲與碳封存」，預估在2050年該項技術組合對二氧化碳減量的貢獻度為總量的百分之廿（徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞，2009；林殿順，2010），相關資料亦可查詢相關網址：行政院環保署推動碳捕集及封存技術資訊網 (http://ccs.gov2.tw/)、二氧化碳捕獲與封存技術網 (http://ccs.tw/)。

本課程的規劃依照探究與實作四階段進行，初步課程規畫如表1，學習單引導學生探究實作如附錄。第一階段著重在發現問題，時間為第1節課前半段，強調導入任務、蒐集相關資訊與方法、形成可驗證的問題；第二階段著重在規劃與研究，時間設為第1節課後半段，強調如何協助學生設計與實際操作實驗；第三階段著重在論證與建模，時間預設為第2節課，強調協助學生實際操作驗證可行性、觀察實驗結果、推論建立模型等；第四階段在表達與分享部分，統計出各組實驗結果後，協助學生，對自己與他組的成果進行省思與評價。詳細的教案實施內容可以參考網站:自然科探究與實作心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存(http://naturalscience.colife.org.tw/mindmap.aspx)。

表1 碳捕獲實作的課程規劃表

節次	探究歷程	內容說明
1	發現問題	l 蒐集資訊：前一週認識碳捕獲與封存課程中，其中台泥花蓮廠鈣循環，是利用氧化鈣（CaO）與低濃度二氧化碳結合，產生的碳酸鈣（CaCO₃）再經過控制條件下的高溫處理，將高濃度的二氧化碳釋放出來，剩餘的物質回復為氧化鈣，在吸放之間重複循環使用，達到捕獲二氧化碳的目的。其中可能發生的化學反應為何? 藉以引發探究的動機。 l 形成或訂定問題：探究定量氧化鈣與碳捕獲的影響因素與可能關係，提出Why及How等不同類型的研究問題，以實作方式改善碳捕獲效率。 l 提出可驗證的觀點：請學生說明所挑選控制的影響因素，吐氣時間、溶解水量等推測影響實驗結果的原因？
1	規劃與研究	l 尋找變因或條件: 依據碳捕獲實驗可能發生的反應，找出影響碳捕獲的可能原因，寫下研究的實驗假設，說明控制的影響因素，是如何影響實驗結果的？ l 擬定研究計畫: 依據本實作30分鐘操作時間，使用提供器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以求得最多的碳捕獲，開始設計一個實驗：完整寫出實驗流程以及要如何驗證與檢測實驗解果。 l 蒐集資料數據：紀錄實驗過程的變化與結果。
2	論證與建模	l 解釋和推理：詳細描述實驗過程中所觀察的現象，如溶液中沉澱的多寡與酸鹼指示劑的顏色變化可以看出其蘊含的意義；討論結論背後可能的因果關係或影響因素，並形成解釋。 l 提出結論或解決方案：由探究結果形成結論或論點，針對自己或他組的數據、量化關係、檢核自己、同學的實驗結果的異同。 l 建立模型：沉澱的多寡與酸鹼指示劑的顏色變化是否可以幫助控制碳捕獲效率? 還有其他的輔助方式可以改善?
3	表達與分享	l 合作與討論：上週實驗後由教師統一將過濾沉澱的濾紙，標籤組別後烘乾1小時(80^oC)，記錄各組捕獲量評分。在各小組分享的過程中，提出問題與回饋。 l 表達與溝通：請各組整理上周實驗記錄的資料，並準備1分鐘為限的口頭發表，分析實作過程的心得。 l 評價與省思：在聽取各組提供的回饋後，針對各組的回饋與問題進行回覆，進而反思修正自己的各階段內容。

■評量方式與工具

評量方式以多元評量方式，包含：期末紙筆測驗、碳捕獲實驗學習單、化學碳捕獲實驗競賽（闖關評比）、小組報告（學生評比）以及主題學習單（教師評比）進行多面向的評量（因篇幅所限，後兩項請參閱心智圖之課程模組示例–碳捕獲與封存）。

紙筆測驗

紙筆測驗共分七個題組（示例參見附錄1）：題組一至題組四，均為單選題；題組五為 2 個單選題，1個非選題；題組六為 2 個單選題、1 個非選題；題組七為 2 個單選題、2 個多重選題。測驗時間：70 分鐘測驗分數：單選每題4分，答錯不倒扣；多重選題，每題4分，依指考方式計分;非選題共計10分。最高分數為100分。

實驗學習單

含四大問題（內容參見附錄2）：發現問題、規劃與研究、分析數據、論證與建模。

實驗競賽(闖關評比)

化學碳捕獲實驗競賽規則（內容參見附錄3）包含四部分：實驗原理、器材與藥品、比賽方式與評分標準。

■結語

未來氣候變遷我們有影響嗎? 面對未來環境的變遷，我們沒有人會知道發生什麼事，沒有人是局外人，沒有人可以視而不見。如何永續地與生存環境有著和諧共生的關係，是本課程共同關心的。本課程以全球氣候變遷為主題，統整跨領域概念之學習內容包括：｢自然界的組成與特性｣、｢自然界的永續發展｣、｢資訊與科技｣，引導學生以小組合作的學習方法去觀察、查找、驗證、整合相關資料，或是實驗設計、架設及後續的數據分析，實際從事一系列的試驗、探索和尋求問題解決的過程；期望提升學生對科學學習興趣與科學探究技能，並培養科學態度與正確價值觀，更進一步整合所學習到的科學概念與資訊技能，規劃出國際與國內對氣候變遷的應對措施。

■參考資料

1.林殿順（2010）。國內 CO₂ 封存的潛能與安全性。2017年10月20日引自 http://www.cier.edu.tw/ct.asp?xItem=13309&ctNode=12&mp=1

2.徐恆文、黃欽銘、柳萬霞、陳威丞（2009）。利用CaO/CaCO₃ 循環製程捕獲CO₂技術。台電工程月刊，第729期。

■附錄1

探究與實作期末紙筆測驗試題示例

題組一 :

地球的71-72%表面都是海洋，海洋表面積約為3.6×10⁸ km²孕育了無數的生命。然而，溫室氣體的增加為全球氣候變暖的主要原因，而溫度上升導致格陵蘭冰原和南極冰蓋，以及山地冰川和北極海冰的加速融化。據估計，格陵蘭冰原過去十年平均每年融化的冰原約有24300億噸左右，南極冰蓋平均每年融化11700億噸，過去十年全球平均氣溫上升約0.2度，水溫每增加1℃，水層就將會膨脹約5毫米使得全球海平面不斷上升。請回答下列問題：

1.過去十年格陵蘭冰原及南極冰蓋的融冰造成全球海平面每年上升約多少毫米?

(A)10 (B)0.1 (C)0.2 (D)1

2.過去十年氣溫上升使水層膨脹所造成的海平面上升約多少毫米?

(A)1.5 (B)0.01 (C)0.023 (D)1

3.過去十年造成全球海平面上升的最主要原因是?

(A)氣溫上升使水層膨脹 (B)海冰融化的水使海平面上升 (C)格陵蘭冰原融化

(D)南極冰蓋融化 (E )海冰融化使反照率下降而導致氣溫上升

■附錄2

碳捕獲實驗學習單

Q1、二氧化碳捕獲的鈣循環技術，實驗中可能發生的相關化學反應方程式如下:

CaO_(s)+H₂O_(l)Ca(OH)_2(aq)

Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq)CaCO_3(s)+H₂O_(l)

CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l) Ca(HCO₃)_2(aq)

將氧化鈣0.2克與20 毫升蒸餾水倒入燒杯並利用玻璃棒充分攪拌，製成的溶液，過濾後平均加入四個錐形瓶，各滴入2滴酚酞指示劑，並吹入不同時間呼吸作用的氣體得到如附圖，左到右的顏色分別:深紅(甲)→紅(乙)→粉紅(丙)→白色粉濁(丁)，試以代號排列出何者碳捕獲的量最多? 原因為何? (發現問題)

Q2、利用氧化鈣0.2克，控制適當的吐氣時間，產生最多的沉澱(碳酸鈣)理論值應為多少? (求得最大的碳捕獲量)。(分析數據)

Q3、本實作需在30分鐘內利用鈣循環的二氧化碳捕獲技術，使用器材與藥品(氧化鈣0.2克)，控制適當的吐氣時間，以產生最大沉澱量來求得最多的碳捕獲。(規劃與研究)

(1) 請問適合的水量大約為多少?

(2) 如何控制適當的吐氣時間?

Q4、觀察實驗的結果，請推論以下(A)(B)兩個反應式，室溫下何者反應較利於向右方進行? 原因為何? (論證與建模)

(A) Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq) CaCO_3(s)+H₂O_(l)

(B) CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l)Ca(HCO₃)_2(aq)

■附錄3

化學碳捕獲實驗競賽規則

一、實驗原理：

請參考以下化學反應的相關方程式，將個人吐出的CO_2(g)，轉變成固體封存，以減少排放至大氣中。

CaCO_3(s)CaO_(s)+CO_2(g)

CaO_(s)+H₂O_(l)Ca(OH)_2(aq)

Ca(OH)_2(aq)+CO_2(aq)CaCO_3(s)+H₂O_(l)

CaCO_3(s)+CO_2(aq)+H₂O_(l)Ca(HCO₃)_2(aq)

Ca(HCO₃)_2(aq) CaCO_3(s)+CO_2(g)+H₂O_(l)

二、器材與藥品：

器材: 錐形瓶250mlx4、量筒100mlx1、燒杯150mlx3、漏斗x1、刮勺x1、攪拌棒x1

藥品: 3M HCl_(aq)、酚酞或廣用指示劑、氧化鈣0.5克

耗材: 吸管、棉花、濾紙

三、比賽方式：

1. 利用現有器材與藥品，以控制適當的濃度、溫度，及吐氣時間，等條件，以產生最大重量沉澱為主，求得最大量的碳封存。

2. 聽取評審指示開始，操作時間為30分鐘，包括氧化鈣溶解，吐氣，及沉澱過濾操作時間。

3. 每隊可製作一份以上的石灰水，以求在有限時間內，得到最大量的沉澱。

4. 操作結束後，請交出過濾沉澱後的濾紙，並貼上各組別標籤後，由評審統一置入烘箱，乾燥1小時後秤重，評分。

四、評分標準：

1. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第一名，得分數100分。

2. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第二名，得分數 97分。

3. 乾燥後固體質量達參賽班級隊伍的第三名，得分數 94分。

4. 依此類推。

高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享／蘇芳儀、許哲瑜、曹雅萍

星期四 , 4, 3 月 2021 編輯助理本期專題, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

高中自然科學探究與實作：中山女高自然科探究與實作實施經驗分享

蘇芳儀¹、許哲瑜²、曹雅萍³

臺北市立中山女子高級中學

¹[email protected]、²[email protected]、³[email protected]

緣起

本校於106學年度開始，為因應新課綱的改革趨勢，而於106學年度開始，由生物科與化學科合力，進行為期兩年的課程模組研發，並於高一開設多元選修課試行。歷經兩年蒐集經驗，並彙整相關資料於108學年修正後，109學年度則在高二的探究與實作課程正式實行。

本課程經生物與化學教師共同討論後，決定以生活息息相關的「食物」為主題，並以此主題共備，釐清各主題的課程大綱與各自課程設計重點。而後再由各科老師分別負責課程模組的教案編寫，底定課程的主要內容。109學年度則由兩位生物老師與兩位化學老師協同授課，並可以各自的上課模式與節奏，在課程主軸與主要內容不變的條件下，進行課程的微調與編排，以下則針對各階段的課程試行與修正經驗進行說明。

探究與實作學習重點了解與分析

為因應自然科的探究與實作課程實施，所以在106學年度時以特色課程的方式，自然領域四個科別分別設計課程模組並試行，以了解課程設計與實施時，可能遇到的狀況，與待解決的難題。課程設計之初，安排了增能研習讓所有老師都對探究與實作的學習重點有所了解，而依據課綱自然科學探究與實作的學習重點分為「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、論證與結論等。

而過程中，大家也意識到雖然探究學習內容是一致的，但是實作學習內容卻有許多種變化，故在同樣的探究主軸下，應該可使用不同的實作學習內容，避免所需培養的學習表現與技能，不斷重複的問題(共備情形見圖1)。以下則為討論並分析後，不同主題下的學習內容重點主要差異(參見表1)：
表1 不同主題下的學習內容重點主要差異比較

探究學習內容

化學科實作學習內容著重點

生物科實作學習內容著重點

發現問題

1. 運用感官辨識物體和現象的特性。

2. 整理並提取適當的資訊。

3. 當有多個問題同時存在時，能分辨並選擇優先重要之問題

1. 著重從學習活動進行多方觀察。

2. 依據觀察所得，進一步提出適合科學探究的問題。

規劃與研究

除完整的實驗規畫與研究流程外，著重流程圖的敘寫，和實驗紀錄方式規劃。

除完整的實驗規畫與研究流程外，著重定量實驗設計與器材設計選擇。

論證與建模

除完整論證與建模歷程，著重於實驗記錄與描述。

除完整論證與建模歷程，著重於實驗數據的處理，和平均值、標準差等概念呈現。

表達與分享

製作海報分組分享，即以文字、圖像呈現自己的研究成果。

製作投影片分組分享，即以口語呈現自己的研究成果。

圖1：社群增能研習與共備

特色課程實施與修正

當對學習重點有了認識後，即開始討論並確認課程主題。經協調後決定生物與化學科合科教學，且討論過程希望能以兩科可共同涵蓋的部分為主題；且此科目為不分文理組學生皆需修習的科目，故亦希望主題並非太過艱深的科學概念，且可引發學生學習興趣。故經討論後決定以「料理科學」為主題，生物科和化學科分別以「愛玉」和「海藻酸鈉晶球」做為探究對象。

而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，故此次的課程模組設計先以結構式探究和引導式探究為主，各四週的課程規劃如下(參見表2)：

表2 四週的課程規劃表

科別	生物科課程模組	化學科課程模組
第一周	實驗設計的介紹愛玉實驗試作提問：如何做出硬度較高的愛玉？根據問題設計實驗，並提出器材清單	分子料理簡介與摘要試寫晶球試吃，經由觀察進行提問練習分辨何為可探究的問題將分子料理食譜改為實驗步驟流程圖
第二周	根據問題試作愛玉凝膠硬度實驗的測試實驗修改並提出修正計畫書	晶球製作根據上週所提出的可進行探究問題，分組設計實驗，並提出器材清單
第三周	進行實驗	執行實驗
第四周	結果報告	說明與分享

經過一學期的課程試行後，發現幾個需要調整的部分，在生物科的課程部分發現，受限於學生經驗，若要定量的測量愛玉的硬度，需要更多的時間思考設計，而以目前的課程時間無法讓學生收集到具有足夠可信度的定量數據。而在化學科部分，則是因為學生有發現問題出發，所以課程時間不足，學生也無法足夠時間修正實驗。故針對以上的不足，再次進行課程修正，並擴大加入以學生為主體的開放式探究課程。

修正後多元選修模組設計

107學年度擴增為18週課程再度試行課程，此次課程針對上階段試行時的問題，主要進行以下兩點修正：

1. 生物科為了解決難以蒐集量化數據的問題，所以將主題改成「醃漬－滲透壓」，學生較容易發揮創意，以質量、體積等定量滲透壓的變化。

2. 而為了讓學生可以循序漸進的培養探究實作的能力，並可將此能力真正應用於真正的科學任務上，故將課程依不同探究類型循序漸進，由基本能力養成，再進階到結構式探究與引導式探究，最後階段則是學生自行主導的開放式探究。以下則依時間安排分為四個階段，課程內容大綱說明如下表3：：
第一階段：基本探究能力養成(3週)
第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週)
第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週)
第四階段：課程統整與應用(3週)

表3 十五週課程內容大綱說明

週次	第一階段：基本探究能力養成(3週、共六節)
第一週	濃度	理解生活中常見的濃度表示法認識實驗室常見器皿學習配製特定C_M濃度溶液練習序列稀釋特定溶液
第二週	迷思探究	理解事實與觀點的差異閱讀富氫水文章，判斷事實與觀點以科展國小組飲用水PK賽–找出好水來，部份實驗與富氫水文章中的觀點比較學習圖表呈現方式與判讀
第三週	閱讀理解	閱讀分子料理文章、寫摘要：起–問題何在、承–有何對策、轉–實施效果、合–個人意見針對閱讀分子料理文章時產生疑問–搜尋資料，將看過的資料記錄在文獻篩選資料表中。
	第二階段：探究食品中的物質變化–晶球(5週、共十節)
第四週	發現問題－觀察現象－形成或訂定問題－提出可驗證的觀點	利用市售晶球，描述五感觀察及體會到的現象．測試在不同環境中晶球的狀況，並記錄．由上述的實驗，提出假說
第五週	規劃與研究－尋找變因或條件－擬定研究計畫－收集資料數據	延續自己組別前一週的假設提出問題設計變因提出實驗器材清單撰寫實驗步驟、規劃實驗表格
第六週第七週	論證與建模－分析資料呈現證據－解釋和推理	修正計畫、執行計畫
第八週	表達與分享－表達與溝通	製作海報並報告
	第三階段：探究食品中的生物學–滲透(4週、共八節)
第九週	發現問題－訂定問題規劃與研究－尋找變因或條件－擬定研究計畫－收集資料數據	活動：紫高麗菜與小黃瓜灑鹽巴，觀察並比較其變化。學生預測變化，並說明原因。滲透與滲透壓基本概念教學簡介等張溶液濃度測定方法了解重量改變法設計進階實驗：挑素材、選擇溶液、設定水分進出量化標準，並完成實驗設計。
第十週第十一週	論證與建模－分析資料呈現證據－解釋和推理－提出結論	進行實驗，並紀錄數據與結果初步整理原始數據，必要時進行數據轉換．利用Excel繪製圖表與趨勢線了解標準差的意義利用Excel計算平均值與標準差
第十二週	表達與分享	每組報告ppt 5分鐘+提問2分鐘
	第四階段：課程統整與應用(3週、共六節)
第十三週第十五週	開放式探究－學生自行決定題目，設計實驗，進行專題研究，完成後繳交報告，並做分享。
評量	課程中學習單、各階段期中分享、各階段期末分享

有別於一般的化學和生物課，學生雖然很忙、很累，但因為自己是學習的主角，所以都全神貫注樂在其中，不會出現發呆與空白的時刻。而這堂課對老師最大的挑戰除了不間斷的學習單，更有各組不同的實驗設計，需要耗費授課教師大量精力批改，並給予合適的建議，學生上課情形參見圖2至圖6。

圖2：探究食品中的生物學–滲透課程剪影圖3：探究食品中的物質變化–晶球課程剪影

圖4：學生實驗設計學習單圖5：學生海報分享報告圖6：學生口頭發表分享

學生作品分享

當三個階段的課程完成，學生對於探究實作有了一定了解後，第四階段的課程則以開放式探究的形式，讓學生自行尋找有興趣的問題，自行設計實驗，蒐集足夠的資訊去下結論，並於期末進行分享。

為了讓學生可以比較有方向找到可以探究的題目，所以提供了幾個可行的方向：

一、從第一階段的事實和觀點的學習中，找出日常生活中有趣的迷思想法，自訂題目驗證迷思。

二、從第二和第三階段的主題實驗過程中，找到可以進一步延伸研究問題。

三、從第二和第三階段的期中報告中，根據老師和同學提供的修改建議，設計驗證實驗回應。

四、從科展作品中找到晶球相關的作品，進行作品解析，並比對自己的實驗設計討論可行的修正方式，茲摘錄學生的作品如附錄。

結語

最近常有人在twitter上轉傳這句話：

Students don’t need a perfect teacher. Students need a happy teacher, who’s gonna make them excited to come to school and grow a love for learning.

學生不需要一個完美的老師，學生需要的是一個快樂的老師，他會讓他們興致勃勃地來到學校，增長對學習的熱愛。

探究與實作課程，即是這樣的一個課程。

在課程執行的過程中，老師並未教導學生太多的科學概念，但提供了很多機會，讓學生實作、練習，學會學習的方法，和自學過程中所需要的工具和能力，學生懷抱探索的熱情，再將所學的一切，投注在有興趣的主題上。

雖然作品並不成熟，但學生確實學會了如何分辨事實與觀點，並將之運用在日常生活中，有助於養成批判思考的習慣；也學會了如何蒐集資料，運用別人的智慧，解決自己面臨的問題；而在進行專題探究時，也懂得如何將所學到的實驗技巧、數據處理方式，用在結果的表達與溝通上，而這些都是適應現代生活所需的能力。

課程進行中最大挑戰則是老師負擔問題，授課老師在過程中除了改不完的學習單外，如何針對學生個別的實驗發想，給予最適當的回應與討論，而能鼓勵學生繼續前行，不至於因為無助而放棄，是老師急需面對的課題。目前109年高二探究與實作課程的大規模實施，即發現了當學生人數急遽上升時授課教師的為難與窘境。如何讓學生可以有最適當的成長，但又不會讓授課老師疲於奔命？這將是之後授課與配課的重要議題之一。然而治本的方式，則更需要有關單位仔細思考配套措施，以讓此有意義的探究實作課程不只是施行，而能確實出現成效。

附錄

跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇／陳許玉鈴、廖旭茂

星期三 , 3, 3 月 2021 編輯助理化學課程與教材, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

跨領域的台灣土肉桂探究之旅–抗菌設計篇

陳許玉鈴^1*、廖旭茂^1,2

¹台中市立大甲高級中等學校、²教育部高中化學學科中心

*[email protected]

■ 前言

本刊上期文章「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」（廖旭茂，2021）一文中提到選用台灣土肉桂作為自然科學探究與實作課程設計的對象，利用台灣土肉桂開發出「精油微型蒸餾」、「薄層層析TLC鑑定」等課程，做為跨科課程的教材研發夥伴，筆者認為，身為台灣特有種的台灣土肉桂，因其極易與外來種陰香混淆（張上鎮、林群雅，2014；陳正豐、尹華文、呂勝由，2008），且葉部含精油等特性，在生物課程中，不管是植物分類、型態、生理等領域，都有很多值得讓學生深究的價值，是一個適合開發課程的好材料。

■課程設計概念與教學目標

根據研究顯示台灣土肉桂葉部精油具有極佳的抑菌（周佳頤，2016）、抗螨、抗蚊…等生物活性，同時也具有抗氧化、降血糖、抗發炎、抗癌等人體生理功效（林鍵男，2011；吳淑靜，2005；張育維，2014）。針對肉桂或是台灣土肉桂精油抑菌能力進行探討的研究頗多，總括而言肉桂精油對不同的微生物抑制能力不同（何振隆、蘇裕昌，2008），且因台灣土肉桂不同品系中的精油成分差異（鄭森松、林群雅、王亞男、許原瑞、張上鎮，2008），故不同品系的抑菌能力也有所差別，以肉桂醛型台灣土肉桂的抑菌效果明顯較佳（張上鎮、林群雅，2014）。

為延續「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」（廖旭茂，2021）的課程設計，筆者選擇以「肉桂精油的抗菌功效」為主題，設計微生物培養實作課程，因先前課程中已向學生介紹肉桂精油的抗菌功效，故不應再以「驗證肉桂醛的抗菌能力」來作為學生實驗設計的主題，所以本教案設計的主要教學目標訂為讓學生學習「如何有效進行數據量化」，由學生自行設計量化分析方式，學習黴菌培養的方法，並希望學生能利用自己所設計的量化方式，進行實驗結果的數據分析，完成科學性實驗報告的撰寫。

■器材與藥品

每組所需的器材與藥品可能會因各組的設計不同而有所差異，但老師所需要的與需準備的必須包括以下各項：

1. 儀器：滅菌鍋、無菌操作台、電子天平、電磁加熱器（含攪拌子）。

2. 器材：微量吸管（含tip）、微量離心管、三角塗抹棒、滅菌袋、移植針（解剖針）、1000ml燒杯、油性簽字筆、塑膠培養皿、錫箔紙

3. 藥品：葡萄糖、胰化蛋白腖、瓊脂、70-75%酒精、蒸餾水（已滅菌）、肉桂醛（標準品）、青黴菌（固態培養）

■課程實施步驟

一、課前教師的準備工作

因是大班教學的分組實作，且整個黴菌培養實驗的所有步驟不可能讓學生在兩節課的時間內完成，所以為了讓整個課程能在有限的時間內如期完成，老師的課前準備項目非常重要。
必須由老師完成的項目有：

（一）黴菌菌種培養

雖然肉桂精油對多種微生物都有抑制效果，但考慮學生操作的方便性與安全性，筆者選用能讓學生帶離實驗室自行培養的黴菌。筆者建議至少於課前7-10天開始進行菌種培養。學生實作時建議老師提供的菌種是為1盤/組，若培養基中的黴菌數量夠多，則可沿用至下一班，若授課班級數眾多，則菌種培養盤數則需再增加。

圖1：黴菌菌種（青黴菌）培養

（二）學生實作用培養基

筆者選擇固態培養基而捨棄液態培養主要是考量有兩點，第一點學生不具有使用塗抹棒與無菌操作的先備知識與技巧，故為使實作過程能簡單易懂、好上手，實作時讓學生以塗抹棒塗抹精油，菌種則改採用接種針接種的方式，避免學生混淆、汙染器材。第二點接種菌後，學生需自行培養黴菌一星期，故為了讓學生培養、攜帶方便，使用固態培養會比液態培養適合。

為了簡化學生需要實作的步驟與減少學生因實作技巧不純熟而干擾實驗結果的風險，筆者採用由教師事先製備好培養基後再供各組使用的方式。在此課程中，學生每組能獲得2盤培養基，所以學生設計實驗時，必須考量培養基數量有限的條件。若學生塗抹精油時導致培養基破裂時，學生可向老師索取新的備用培養基重新施作。

配置培養基時，每1公升的蒸餾水中，添加葡萄糖等原料，約可製作65-75盤的固態培養基，相關培養基配方如下表1所示：

表1：培養基原料配方

培養基製備步驟：

1. 量取上述各種成分放入1000ml燒杯中。

2. 上述配方使用電磁加熱器攪拌溶解、煮沸後，以錫箔紙加蓋，經121 ℃、1.1atm 滅菌15分鐘，冷卻至約為50 ℃後。

3. 將滅完菌的培養基（約15ml/盤左右）倒入至無菌塑膠培養皿中，於室溫下靜置、凝固後冷藏備用。（倒培養基需在無菌操作台進行）

（三）器材滅菌與分組

本實驗所使用的微量吸管頭尖、固態培養基、接種針、塗抹棒等器材與蒸餾水都必須事先進行高溫高壓滅菌。理想情況是讓學生在無菌操作台中進行所有步驟，但因實驗室的操作台數量與空間都有限，故筆者採用的簡便方式是直接在一般實驗桌進行各項步驟。各組需要的溶液或材料實驗前均已分發到各組實驗桌上，實作前學生需先以75%酒精消毒實驗桌面與手，戴上口罩後，盡可能不再走動，且打開培養皿操作的步驟也要盡可能快速完成，期望能盡量減少雜菌汙染的機會，實驗完後實驗桌也要再酒精消毒一次。

圖2：抗菌實驗學生小組器材

（四）稀釋精油

本課程設計共有5種不同濃度的溶液（肉桂醛標準品原液、肉桂醛標準品原液等倍稀釋、肉桂醛標準品原液十倍稀釋、肉桂醛標準品原液百倍稀釋、已滅菌蒸餾水）供學生挑選，溶液的稀釋由老師進行的優點是老師可以使用無菌操作台進行無菌操作，控管精油的精準用量避免浪費，最重要的是節省學生實作的操作時間。

二、教學過程

本課程設計與「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」屬於同單元的不同探究主題，又因老師準備黴菌培養實驗材料需一週以上的時間，故本教案的設計採取與「跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇」穿插進行的方式。本課程每週兩節連排，共100分鐘/週，「跨領域的台灣土肉桂探究之旅」總教學時間需歷時5週，每次課程都是由兩位老師進行協同教學。

（一）第一週

本週化學科老師以在台灣屏東新埤國中發生過的故事為起頭，引發學生的學習動機，並介紹肉桂精油傳統的提煉的方法，及如何使用本校開發的微型蒸餾器，來提煉土肉桂精油；生物科老師的教學活動包括介紹台灣土肉桂與南洋肉桂的差異、並協助各組討論出實驗目的、說明本實驗的質性分析與量化分析等項目，特別是量化分析，必須由各組自行繪製量化設計圖並決定量化的方式。學生設計種菌的量化設計圖時，老師須提醒學生要留意（1）必須設置對照組且能清楚表現出實驗目的（2）要考慮得到結果（黴菌生長照片）後的量化方式（3）實驗重複次數。本實驗每組只有兩盤培養基，但學生必須在有限的材料中，做出「得到多次數據」的情形。以下是筆者學生們所設計的量化圖形A至E：

1. 圖A：此培養盤中可每個小圓為一觀察範圍，也可以圖中每一橫排為一組，共算成四個重複。在直徑１公分的小圓圓心處種菌，種完菌後每天觀察黴菌生長情形，因此圖所設定觀察的面積不大（直徑１公分的小圓），故量化方式可以選擇「計算單位時間內黴菌累計生長面積（%）」，也可以選擇「計算單位面積內黴菌生長所花時間（小時）」。雖然量化方式可有雙重選擇，但此設計的缺點是學生的操作時間會因種菌位置多（16處）而較長。

圖3：學生設計圖A

2. 圖B：將一組同心圓分成四個象限，在同心圓中十字焦點處每一象限種一次菌，整盤共有4處種菌位置。種完菌後每天觀察黴菌生長情形，記錄黴菌所達同心圓中的積分線位置，換算成得分，以此做為黴菌生長的量化數據。每一象限為一筆數據，分別記錄後再計算平均值，代表當天所記錄到的黴菌累生長速度。另外也可以以各積分線為觀察目標，記錄黴菌生長達特定積分線所花的時間（小時）。此設計圖的最大優點是種菌處位置集中易操作，但常見的人為失誤是所加入的精油過多或是加入精油後靜置時間不足，導致培養基表面仍有多餘精油未被培養基吸收，在此情形下種菌會使得黴菌菌絲或孢子隨著表面液體流到他處，而出現黴菌起始生長部位不如預期的情形。

圖4：學生設計圖B

3. 圖C：繪製四組同心圓，每組為一個觀察範圍，此培養盤共有四個重複。種菌位置為圖中紅色圓形處，整盤共有4處種菌位置。種完菌後的量化方式與上述2.相同，使用黴菌生長所達之積分線位置來進行量化，或是計算黴菌生長達特定積分線所花的時間。此設計圖操作時亦須留意塗抹精油後，培養基表面是否仍有過多的液體。

圖5：學生設計圖C

4. 圖D：整盤分成9大格，每3大格為一個觀察範圍，此培養盤共有三個重複。種菌位置為圖中紅色圓形處，整盤共有9處種菌位置。種完菌後的量化方式為計算3大格中黴菌累計生長面積（%），或是以特定小格面積為觀察目標，記錄黴菌生長達特定面積所花的時間（小時）。使用此設計圖的優點是對於不會或無法使用電腦繪圖的學生而言，可以直接使用現成的方格紙作圖。

圖6：學生設計圖D

5. 圖E：將整盤培養基分成四個象限，讓培養盤共有四個重複。圖中每一個象限中的記號處（小正方形）種菌。將每天拍得的黴菌生長照片利用影像分析軟體「ImageJ」影像相減功能，扣除種菌前影像，計算黴菌所生長的累計面積（%）。使用此方法的好處是學生完全不需要繪製任何量化設計圖，且電腦軟體分析會比肉眼觀測來的更為精準，但先決條件是學生必須懂得影像分析軟體「ImageJ」的使用方式。

圖7：學生設計圖E

（二）第二週

本週化學老師主要肉桂精油的微型蒸餾提煉、肉桂醛TLC結構鑑定；老師提供的學習單中包括學生必須進行資料搜尋，調查常見精油的來源與用途，並先至校園摘種土肉桂樹的地點打卡，記錄其GPS經緯度位置，實驗進行結束後，完成老師提供的學習單。

生物老師則利用各組實驗等待時間到各組與負責微生物培養實驗的同學進行討論，針對上週各組所設計的量化方式，討論、決定出下週各組黴菌培養的步驟。討論時，老師在學習單中勾選出需進行的步驟與順序，再由學生將需要進行的實作步驟統整後書寫於學習單（請參見附錄）。

（三）第三週

因時間緊湊，本週學生分為化學組與生物組；化學科老師主要進行肉桂醛的化學性質檢測，老師先進行有機化合物官能基的介紹，複習並建立先備知識後，再開始實驗。介紹完官能基後，生物組同學隨老師至生物實驗室進行相關時作課程；

因固態培養基體積小（15-20ml液態培養液凝固形成），不適合倒太多精油，一般吸管或10ml量筒的量取會不精準，故本課程需使用1000μl或200μl的微量吸管量取精油，所需支數最好能1支/組或1支/2組。進行微生物培養的各個步驟前，老師需先教導如何使用微量吸管，並讓學生實際練習，確定學生已能精準、正確的使用，才能開始實作。

圖8：學生操作微量吸管的過程

本週課程是學生真正的微生物學實作課程，老師需訓練學生學習使用微量吸管。之後再依以下步驟讓學生進行實作。

1. 以70-75%酒精消毒、清理無菌操作台面與雙手。

2. 各組挑選所需的肉桂醛溶液，使用油性簽字筆於培養盤蓋外層標註日期、班級、組別與處理方式。

3. 之後的步驟細節會因各組選擇不同的量化方式而有不同，但大致上順序是：

（1）打開培養盤上蓋，於培養基上加入精油。

圖9：圖左從離心管吸取精油，圖右將精油加入培養皿

（2）使用三角塗抹棒將精油均勻塗在培養基表層。塗抹面積由各組的設計圖決定。

圖10：三角塗抹棒精油塗抹過程

（3）蓋上上蓋，靜置5分鐘後，將培養盤放在設計圖上方，並做上記號。

圖11：按設計標示種菌的位置

（4）打開培養盤上蓋，使用解剖針沾取黴菌，在設計圖所指定的位置上種菌。

圖12：圖左為沾取黴菌菌種，圖右在指定位置種菌

（5）蓋上上蓋，靜置30分鐘後，以略濕的紙巾包裹培養盤，之後放入夾鏈袋中保存，由學生自行帶回培養觀察5天。拍照時間間隔由各組自行考量量化方式而決定。

（6）整理清潔環境，完成並繳回學習單。

　　採取讓學生自行帶回培養的方式是因為考量學校恆溫培養設備有限，但「學生自行培養」對整體實驗的確是一大風險，為避免此做法成為影響實驗成敗的關鍵，老師須提醒學生，同一組的培養基必須放置在同一環境中培養，必須在同樣環境條件下討論實驗組與對照組的差別才具有意義。但若是不同組別或班級的學生，所使用的環境條件確實是需討論的變因之一。

（四）第四週

　　本週課程由生物老師主導。學生需將所帶回的培養盤與所拍的所有觀察照片帶至課堂，小組進行實驗結果的分析與討論。依不同設計圖種菌，黴菌生長分布情形當然會有所不同，所以老師主要的教學活動是使用學習單引導學生討論，並加入各組，實際確認各組成果，協助學生完成數據的量化分析與實驗結果的呈現。

圖13：學生黴菌培養結果。左圖與右圖都有發生黴菌未按預期種菌部位生長的情形。

由課堂各組學生實驗結果的回饋可知，肉桂醛的抗菌能力極好，以圖13中最右圖的觀察資料為例，使用「肉桂醛標準品原液」與「肉桂醛標準品原液百倍稀釋」進行培養，兩盤黴菌生長情形有顯著的差異（P<0.001）。

圖14：學生黴菌培養數據分析結果。

進行微生物學實驗時最怕學生養不出黴菌進而無法完成後續的討論，但筆者認為，只要教學前老師各項準備工作都已確實完成，則不管學生的成果為何，都有值得探討之處。以下舉幾項課程進行可能面臨到的問題與建議的調整方式，以供參考：

1. 黴菌生長的起始位置不在預設設計圖中種菌位置。此情形通常是因為加入的精油過多或是加入精油後靜置時間不足而導致培養基表面仍有多餘精油未被培養基吸收，才使得黴菌菌絲或孢子隨著表面液體流到他處。老師可建議學生數據分析時，將設計圖的種菌記號對準黴菌生長起始位置，校正後再做數據分析。

圖15：調整種菌與黴菌實際生長的位置

2. 黴菌生長分布的面積狀況已無法使用原先的設計圖進行數據分析。小組討論時，老師可引導學生探討「如何更改量化分析方法」例如使用「ImageJ」影像分析軟體，跳脫原先的設計圖，改以其他更合理、精準的方式量化實際觀察到的狀況。

3. 出現有創意但量化不夠精準的設計圖。筆者認為只要小組討論出來的設計圖能兼具「設置實驗組與對照組、能重複實驗、符合實驗目的」等原則，授課老師就應允許學生以所設計的圖進行實作，之後再就所得的實作成果讓各組自行評估、檢討自己的設計有何優缺點。

4. 學生兩盤培養盤都沒有任何黴菌生長。小組討論時，老師可引導學生往以下四個方向探討，依序為（1）黴菌生長的條件、（2）實驗操作時的注意事項、（3）實驗操作時的人為疏失、（4）實驗目的（設計）的調整。雖然實驗無法讓學生重作，但可以讓學生以書面的方式說明「改善實驗結果的方法」。

5. 實驗過程受其他雜菌汙染，以至於實驗結果出現其他菌種生長的菌落。因為本實驗實作過程與學生自行培養、觀察過程皆不是無菌操作，發生其他雜菌生長的機率很高，筆者的作法是第三週實作課時，提醒學生確實做好消毒工作，並且操作時盡可能快速完成。學生帶回自行培養時，提醒學生每次拍照不開培養皿上蓋，以避免汙染。若真有發生汙染情形，則計算黴菌生長數據時，只計算青黴菌（老師提供的菌種）生長的部分，但學生在書面報告中可以針對汙染部分加以討論，以「雜菌生長對本實驗結果的影響」為論點，提出他們的看法。

（五）第五週

本週的授課內容主要是讓學生進行小組報告與繳交書面報告，但為了讓學生能更專心聽各組的成果分享，也為了要讓學生能自己判斷、反省何謂「有效的量化方式」，筆者設計了兩項「票選活動」，第一項是量化最佳創意設計票選（每位投票人可投兩組），獲最高票的兩組勝選，第二項是精準量化票選（每位投票人可投1組），由老師根據該班各組的實驗結果，選出所設計的量化方式較為精確的組別，兩項票選獲獎的組別與支持它的投票者都能獲得加分的獎勵。

■結語

「跨領域的台灣土肉桂探究之旅」是結合化學科與生物科的跨科合作且進行協同教學的課程設計，利用台灣特有的台灣土肉桂為素材，設計出一系列的探究、實作課程。精油微型蒸餾、薄層層析TLC鑑定、微生物培養等看似各自獨立的課程，藉由對台灣土肉桂的探究而被緊密的連貫在同一個主題之中，顯見「台灣土肉桂」確實是個開發課程的好材料，再者，不同於其他肉桂植物的產油、儲油部位，肉桂精油的眾多功效，甚至是將肉桂精油應用於食品、醫藥、美容藥妝、環境衛生用品等領域（楊政川、李世傑、何坤益、林敏宜，2010），若針對這些面向進行探究，筆者相信「台灣土肉桂」一定能為高中自然教育作出更多的貢獻。

■參考文獻

1. 何振隆、蘇裕昌（2008）。精油之抗菌活性。林業研究專訊，15(3)，31-37。

2. 吳淑靜（2005）。祕魯酸漿抽出物及肉桂醛抗肝癌機制之研究。未出版之博士論文。高雄：高雄醫學大學天然藥物研究所。

3. 林鍵男（2011）。探討肉桂醛及肉桂醛衍生物之抗發炎活性及抗癌活性：分子結構與生物活性之評估。未出版之碩士論文。宜蘭：國立宜蘭大學生物科技研究所。

4. 周佳頤（2016）。肉桂醛處理對台農二號番木瓜果皮轉色、抗氧化物含量及抗氧化酶活性之影響。未出版之碩士論文。台中：國立中興大學園藝學系。

5. 陳正豐。尹華文。呂勝由（2008）。正視陰香對土肉桂的衝擊。台灣林業，12，26-30。

6. 張育維（2014）。土肉桂葉部揮發性成分及根部微生物多樣性之研究。未出版之碩士論文。嘉義：國立嘉義大學農學院森林暨自然資源研究所。

7. 張上鎮。林群雅（2014）。土肉桂簡易鑑別法及葉片驚奇功效。台灣林業，40(1)，63-68。

8. 楊政川。李世傑。何坤益。林敏宜（2010）。台灣森林特產物－土肉桂。科學發展，446，28-33。

9. 鄭森松、林群雅、王亞男、許原瑞、張上鎮（2008）。臺灣土肉桂種源庫之設置－葉子精油成分與化學多態性分析。臺大實驗林研究報告，22(1)，21-34。

10. 廖旭茂、陳許玉鈴（2021）。跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇。臺灣化學教育，41，取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=40042。

■附錄—「天然植物精油–微生物培養小組討論單」

此份討論單需使用4週的授課時間，每次上課完成不同的段落，待第4週各段書寫完畢時，老師將以此份討論單內容為依據，向學生說明如何書寫書面報告。以下是討論單內容：

天然植物精油—微生物培養小組討論單

班級組別

一、工作分配表

二、實驗設計：以下各細項的書寫內容請參考上課講義

（一）主題：肉桂醛對黴菌生長的影響（讓學生自行填寫）

（二）實驗目的：（讓學生參考下方三選項自行討論後擇一填寫）

1. 探討不同濃度的肉桂醛精油對黴菌生長的影響

2. 探討不同濃度的肉桂醛精油抑制黴菌生長的效果

3. 找出最有效卻也是最經濟的肉桂醛精油抑菌方法

Ø 補充說明：請選擇至少兩種不同濃度的液體進行黴菌生長測試

所選擇的液體請說明如此選擇的目的（理由）為何

實驗組：

對照組：

（三）實驗設備與材料：（各組依實際實作的情形列舉）

（讓學生自行填寫）

（四）量化設計：請小組討論後，寫下你們組想要「如何進行量化」，並畫下你們想要的畫菌（種菌）的設計圖

1.請選擇你們想要的量化方式：（請勾選）

□計算黴菌的累計生長面積（固定時間算面積）

□比較黴菌的生長時間快慢（固定面積算時間）

□其他

2.請畫出設計圖：每組會有兩盤固態培養基（在下次實作課前，請將以下草稿電繪並列印出來）

　　　請描述、說明設計圖的細節：

（五）實驗步驟：請參考上課講義

1. 以70-75%酒精消毒、清理無菌操作台面與雙手

2. 將肉桂醛標準品以無菌水進行不同倍率的稀釋備用（由老師統一提供，讓各組直接選用）

3. 使用油性簽字筆於培養盤蓋外層標註日期與組別

Ø 之後的步驟會因不同的量化方式而有不同，以下步驟的細節需由各組的設計圖決定施作的方式，下表各步驟的描述供各組參考，各組須在實作前討論出你們自己的操作步驟

（讓學生自行填寫）

我們的步驟順序（請依序寫出步驟流程）：

4. 靜置（請填入時間），待培養基表面液體乾後才能移動或將培養皿翻面培養，若液體一直未乾，則第一日先正立培養，第二日起再翻面培養

5. 將處理好的培養皿移置培養盒中，再次以70-75%酒精消毒、清理無菌操作台面。

6. 之後，每　　　　小時拍照觀察一次，計算　　　　　　　　　　　　　（填範圍）內黴菌生長的情形。拍照時，將培養皿置於設計圖上，對準記號後，開上蓋，以最快的速度拍照存證，完後蓋上上蓋，繼續培養。

7. 記錄，以此做為量化的指標

（六）實驗結果記錄

1.黴菌實際生長情形（每天拍照記錄）：拍照後請妥善保存照片檔，以供書面報告與上台報告之用（讓學生自行填寫）

生長天數	第0天（實驗當天）	第1天	第2天	第3天	第4天	第5天
拍攝日期
拍攝人員

2.結果彙整：請各組根據所選擇的量化方法，自行選用適合的表格（擇一即可）

（1）黴菌的累計生長面積：請先定義「黴菌的生長範圍」與「如何計算生長面積比例」

Ø 所要進行觀察黴菌的生長範圍：（讓學生自行填寫）

Ø 如何計算生長面積比例：（讓學生自行填寫）

Ø 表格內容供各組參考，實際進行結果量化分析時，各組需自行繪製更適合的表格

（2）累計生長面積下黴菌所需的生長時間：請先定義「黴菌的生長範圍」與「如何計算生長面積比例」

Ø 所要進行觀察黴菌的生長範圍：（讓學生自行填寫）

Ø 如何計算生長面積比例：（讓學生自行填寫）

Ø 表格內容供各組參考，實際進行結果量化分析時，各組需自行繪製更適合的表格

（3）不選擇以上兩種表的任一種者，請自行設計記錄用表格，並繪製於下方空白處

（讓學生自行填寫）

（七）實驗結果分析與討論（以下各項讓學生自行填寫）

1.本組將選擇圖（ex圓餅圖、長條圖、折線圖……）來呈現我們的實驗結果

繪圖區

2.根據每日所觀察到的黴菌生長照片與分析結果，我們認為（請為你們的實驗結果下一個結論，下結論前請注意你們當初的實驗目的!!）　

3.本組的實驗結果是否有符合實驗前的預測（或實驗目的）？

□有符合，理由是

□不太符合，導致結果不符合預測的可能原因是

4.評估我們設計的「量化」方法之優缺點

	說明
優點
缺點

5.其他討論事項：

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

星期二 , 2, 3 月 2021 編輯助理化學課程與教材, 第四十二期/2021年3月留言功能已關閉

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等進入自學狀態。

二、思考問題：

科學的學習本質，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，通常還會以隨堂測驗、回家作業等形式作為學習評量的內容。

圖1：閱讀講義自學

圖2：電解RO純水

圖3：電解NaOH溶液

圖4：收集電解氣體

圖5：小組討論

圖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分

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1～5)

(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？

(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分

(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分

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分

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！

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分)。實作後各組清洗、整理器材(5分)。)

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？

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分)。抽籤全組上台發表(10分)。老師補充統整(10分)。)

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 編輯助理第四十一期/2021年1月留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第四十一期（2021年1月）

目錄

n 主編的話

u 第四十一期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

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〔HTML｜PDF〕

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〔HTML｜PDF〕

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〔HTML｜PDF〕

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〔HTML｜PDF〕

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〔HTML｜PDF〕

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〔HTML｜PDF〕

n 教學教法／化學課程與教材【專欄編輯／黃琴扉】

u 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〔HTML｜PDF〕

n 化學實驗／綠色化學實驗【專欄編輯／周金城】

u 跨領域的台灣土肉桂探究之旅–化學篇／廖旭茂、陳許玉鈴〔HTML｜PDF〕

n 化學實驗／化學實驗室【專欄編輯／鐘建坪】

u 口罩科學實驗–預防空汙的證據探究 ∕ 陳美智、謝百淇〔HTML｜PDF〕

n 課程教材／化學課程與教學【專欄編輯／鐘建坪】

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〔HTML｜PDF〕

第四十一期主編的話／邱美虹

星期一 , 11, 1 月 2021 編輯助理主編的話, 第四十一期/2021年1月留言功能已關閉

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2015年12月宣布2月11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年)因為考慮到東方華人慶祝農曆年(2月12日)的習俗，特別將全球女性早餐(Global Women’s Breakfast)活動提前到2月9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What到How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的實驗。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 編輯助理本期專題, 第四十一期/2021年1月留言功能已關閉

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3至6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年-108年獲獎教案名稱(獲獎年分)：口水之王(105年)，化學反應－質量變不變(105年)，如何增進伏打電池的效能(106年)，認識生活中的氧化還原(107年)，以食品色素檢視酸鹼，由酸鹼挑選天然色素(107年)，原子的＜微積分＞(107年)，元素分類王(107年)，化學反應速率(108年)，召喚黑龍!碳酸氫鈉的探究實驗(108年)。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與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 編輯助理本期專題, 第四十一期/2021年1月留言功能已關閉

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）。

在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。

圖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1到2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-1。2.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-1。3.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(核心素養自-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。

圖4：各種乾餾食材圖5：不同乾餾食材圖6：洋芋片乾餾前後圖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。

圖8：氣體燃燒檢驗圖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-2、ai-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-1、tc-Ⅳ-1、pa-Ⅳ-2、pc-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_____後_____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 編輯助理本期專題, 第四十一期/2021年1月留言功能已關閉

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)：

表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節)

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-2、pa-Ⅳ-1、2)

表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-1、2)

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-1、2、tr-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(如5毫升)所需的時間 (紀錄t)。(2)氧氣產生較多—在固定時間(如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(如:第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

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t、t+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(圖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(如:清潔劑最好是處置好後再滴入、雙氧水不能噴到人…)。

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，圖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：

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 + 硫 + 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 + 硫 + 二氧化硫 + 水)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 編輯助理未分類, 本期專題, 第四十一期/2021年1月留言功能已關閉

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與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、起(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、承(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、轉(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、合(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、起(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、合(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年)。

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。

貳、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。

在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。

接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

鎂

銅

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(三)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)

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(碳)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?

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