第 3 頁 – 臺灣化學教育

新課綱粒子觀點教學的挑戰：從理論、教科書編輯到教學實踐 —新課綱粒子觀點教學的挑戰／曾振富、林靜雯

星期二 , 11, 6 月 2024 編輯助理本期專題留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：

從理論、教科書編輯到教學實踐—新課綱粒子觀點教學的挑戰

曾振富^1,2、林靜雯*³

¹臺北市立幸安國小

²臺北市自然領域輔導團

³國立臺北教育大學
自然科學教育學系
[email protected]

n 前言

自從教育部在2019年開始實施12年國民基本教育課程綱要以來，強調素養導向的課程、教學與評量，在自然科學領域課程中揭櫫科學知識、科學能力及科學態度同等重要。在這次自然科學領域的課程綱要中，特別將原來在國中學習階段的「粒子」概念，提早至國小學習階段來建立。從許多研究文獻都顯示，學生不容易從平常生活的巨觀現象，來察覺與體驗次微觀的粒子想像，學習粒子概念對國小學生來說，是相當困難的，也會產生許多直觀上的迷思概念。因此，這是對國小自然科學領域教學的一項新挑戰，也是較無前例可循的課程設計與教學嘗試。

n 特刊的目的與結構

因此，本期臺灣化學教育與國小自然領域教材教法中心合作，特別規劃「新課綱粒子觀點教學的挑戰」一特刊，邀請專家教授、教科書編輯主編、縣市自然科學領域輔導團團員，以及現場的自然教師，就不同課程與教學的位置，從理論到實踐中探討有關粒子單元的內容，可以怎麼規畫安排及如何教學，才能讓國小學生對粒子建立正確的概念，奠定未來學習階段進一步探究粒子概念的基礎。本期特刊共有八篇專文，先從理論架構著手，接著以教科書編輯觀察與觀點，作為理論架構與教學實務的連結，最後介紹多位自然領域輔導團團員及資深教師的教學實踐。感謝這些作者撥冗將自己多年對物質粒子概念寶貴的教學理念與實務，轉化為文與社群同好分享與交流。

n 理論架構與課程設計

第一篇文章為國家教育研究院吳文龍與黃茂在兩位研究員站在新課綱規劃的角度，提及微觀世界的認識對於提升奈米技術和量子力學這些新興議題，納入課程具有銜接及啟發學生好奇心和創造力的重要地位，因此有必要下放至國小進行教學。但因為這些概念十分抽象，因此在教學方法上需要有配套措施。例如應用模型和建模的教學策略，開發有效教學模組，協助教師設計課程，並且與國中和高中階段一起深化、擴展形成連貫性的學習經驗，都是此主題下放至國小階段進行教學時應一併考量的重點。

接著，林靜雯教授的《跨越門檻概念進入微觀世界–規劃國小物質粒子課程之文獻引介與啟發》一文，引介三個國外有關粒子方面的重要研究，分別是Merritt和Krajcik(2013)、Wiser、Frazier和Fox(2013) 以美國為課程背景的研究，以及一個英國與希臘共同合作，以物質本位（Substance-based）的架構切入提供了一個有別於由物質三態切入之架構的研究(Johnson & Papageorgiou, 2010)。林靜雯教授將臺灣課綱的規劃與上述三篇研究對照，認為臺灣目前國小的領綱規劃與國中相同，皆是採用「固態、液態和氣態」標準學派的框架，沒有因應不同學習階段學生的認知能力進行再概念化，因此迫切需要對科學知識結構、課程知識的理解，及小學生認知發展與概念改變歷程有清楚的掌握，考量以Johnson 和Papageorgiou 的作法，另規劃其他適合國小學童的物質粒子框架有其必要性！

n 教科書編輯的觀點

教科書部分，《教科書如何引導國小學童認識粒子概念》作者盧秀琴教授本身亦是教科書的主編，她從編輯教科書的理念與經驗中，點出「引導學童認識空氣和水，溫度影響水的三態」的學習重點。並轉化成編輯教科書中年級的「空氣和水」、「蒸發、凝結、凝固、融化」、「毛細現象」等單元，以及高年級的「植物體內水的運輸」、「空氣的組成」、「天氣變化」等單元，這些都是粒子概念的重要連結活動。特別是在「水的三態變化粒子模型」中，嘗試透過「繪圖模擬，了解水分子（粒子）會不斷的運動，固態的冰，粒子排列整齊，有固定的形狀；液態的水，粒子排列鬆散，可自由移動；氣態的水蒸氣，粒子運動更劇烈，彼此距離變大。」提供學生有別於傳統指導學生認識水的三態變化教學。由上述理論及教科書編輯觀點，其實都隱藏著較為長期規劃的觀點來看物質粒子的教學設計。

n 教學實踐案例

而在教學實務端，本期共有五篇專文，其中三篇由空氣的特性、熱脹冷縮或與燃燒之間的關係帶入粒子的觀念：臺北市輔導團員陳淑苾教師與沈白玲教師，於《用多元表徵方式促進學生建構物質的粒子概念–以國小三年級「空氣的特性」為例》一文中，思考如何將粒子概念轉換成小學生能理解的教學設計與學習活動。她們根據文獻及「奇妙的空氣」的教材內容，設計了一堂「學生能理解及解釋空氣可以被壓縮」教學活動。整個教學設計引用林如章教授「起、承、轉、合」四個階段的探究歷程，發展出中年級學生粒子概念的學習活動。經教學實作結果，作者推介透過多元表徵教學以提升學生的學習興趣，並幫助學生粒子模型概念的建立。」新北市輔導團的王亭雅老師，於《國小粒子建模教學課例分享–以熱脹冷縮教學為例》一文中，分享她選擇空氣熱脹冷縮這個主題進行建模課程設計時，如何引導學生建立模型。她的重點在於觀察「學生在學習粒子概念時會遇到哪些問題」、「學生在建立模型時老師要如何給予協助」以及「學生是否能夠自己修正模型」這幾個問題。實施過程中，她反思認為欲實施建模課程帶領小學生認識物質粒子的概念，教師需能敏銳地外化並觀察學生建立的模型，時時思考「學生的模型涵蓋什麼概念」及「學生的模型缺乏什麼概念」，方能幫助學生安排活動或鷹架，讓學生能藉由活動或鷹架啟動自我修正模型的模式。老師在此過程中是連結者或說是關係建立者，協助連結複雜概念和模型、連結巨觀和微觀的現象，也協助學生連結與評鑑自己和他人所建模型的不同。另一篇《促進學童對『燃燒與空氣』單元學習成效之教學活動設計》，是臺北市自然領域輔導團的楊世昌教師所著。他指出學生學習「空氣的組成與反應」單元，和教導燃燒和鐵生鏽時，發現會有「蠟燭熄滅是由於氧氣耗盡」的迷思概念。因此，參考粒子概念的內涵、皮亞傑的認知發展理論、及科學概念的邏輯發展階段與學習歷程，進行本文的教學活動設計。希望可以透過現象觀察、動手操作及影片觀看，導引學生從粒子模型的建立中，探討燃燒過程中空氣成分的變化，進一步轉化於解釋鐵生鏽過程中的氣體成分變化。並在教學省思中提出「強化探究活動建構科學概念、善用粒子模型提升學習成效、善用行動載具提高學生參與」的建議。

緊接著，施春輝教師以《108課綱國小自然科粒子概念教學研究–以水溶液單元為例》一文，從粒子的三種表徵面向，設計國小學生探究溶解的概念。在巨觀層面的「溶解的觀察–你溶我溶」、次微觀層面的「溶解的顆粒大小–誰能穿透」和符號層面的「認識微小粒子–神奇粒子」三個教學活動中，讓學生體驗與建立溶解過程中的粒子模型。最後，桃園市輔導團的王秋雯老師，亦選擇模型與建模的教學策略，在《國小自然科物質粒子觀點建模課程設計與教學》一文中，介紹其如何於符合學生生活經驗及思考邏輯下，嘗試將微觀粒子的概念融入原有六年級「熱」與「天氣」單元教材脈絡，藉由繪圖及文字表徵方式蒐集學生之粒子模型，觀察學生逐步建立粒子觀點模型之歷程，從而幫助學生接近科學家的粒子模型。

n 結論與建議

總結以上，面對粒子概念要提早在國小教授，無論是在教材的呈現、教科書的轉化、教學組織的設計與學習活動的內容與安排，需要長期、一貫性的課程規劃及創新的策略與方法，這些，在在都是教育工作者全新的挑戰。現場教師可能會感到陌生和疑慮。本期特刊的內容則嘗試以學理基礎、教科書內容，及專家教師的教學經驗與設計案例，提供了在教導粒子概念時的課程規劃與教學活動設計時的寶貴參考。希望能引導現場教師找到有效的方向，協助大家在教學中順利應對這一挑戰，為學生建立扎實的粒子概念奠定基礎。

n 參考文獻

Johnson, P., & Papageorgiou, G. (2010).Rethinking the introduction of particle theory: A substance‐based framework. Journal of Research in Science Teaching, 47(2), 130-150.

Merritt, J., & Krajcik, J. (2013). Learning progression developed to support students in building a particle model of matter. In G. Tsaparlis & H. Sevian (Eds.), Concepts of matter in science education (pp. 11-45). Springer.

Wiser, M., Frazier, K. E., & Fox, V. (2013). At the beginning was amount of material: A learning progression for matter for early elementary grades. In G. Tsaparlis & H. Sevian (Eds.), Concepts of matter in science education (pp. 95-122). Springer. DOI 10.1007/978-94-007-5914-5_5

新課綱粒子觀點教學的挑戰：連接微觀世界：十二年國教課綱中粒子概念教學的挑戰與策略／吳文龍、黃茂在

星期一 , 10, 6 月 2024 編輯助理本期專題, 第五十六期/2024年6月留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：

連接微觀世界：十二年國教課綱中粒子概念教學的挑戰與策略

吳文龍¹、黃茂在²

國家教育研究院課程及教學研究中心
¹[email protected]; ² [email protected]

前言

現今科學教育中，培養學生理解微觀世界的能力成為重要課題，特別是奈米技術和量子力學等新興議題的引入，更進一步提升了微觀尺度下科學教育發展的重要性。奈米技術涉及物質在奈米尺度下的特性與應用，而量子力學則探討物質和能量在極小尺度下的行為，這些概念雖然高度抽象，但對現代科技的發展有著至關重要的影響。科學課程中將這些影響到生活事物的新興議題納入課程，不僅能夠啟發學生的好奇心和創造力，還能讓他們更早接觸前沿科學發展，為未來的學習打下堅實基礎。

在國小教育階段，科學概念的引導對於未來的學習具有深遠影響。根據十二年國民基本教育總綱（教育部，2014）與自然科學領域課程綱要（教育部，2018）（以下簡稱新課綱），新舊課綱的差異包括粒子概念、細胞概念與能量形式與轉換等方面，這些調動不僅影響課程內容的安排，也對教學策略提出了新的挑戰（教育部，2019）。本文標題所提到的挑戰即是學生認知發展與教材開發之間的平衡，為了有效地引導學生理解抽象的微觀粒子概念，教學策略採取了以模型與建模為核心的方法，並結合科學探究與實作，提升學生在學習過程中的思考智能與問題解決能力。這些策略不僅幫助學生逐步適應未來的科學學習，還能增強他們的科學素養和探究能力。

綜合上述，本文的動機與目的將探討為何需要在中小學教育中引入微觀粒子概念，以及在新課綱中如何逐步引入微觀粒子概念，進而銜接高國中小各教育階段。搭配教材與教學模組研發計畫的一系列成果，引導讀者理解應對新課綱中微觀粒子概念教學的需求與資源配套。

粒子概念的理論基礎與課綱定位

一、粒子概念的理論基礎

科學教育歷來注重學生對科學知識的學習歷程，尤其是涉及科學知識的本質及其認知過程（Chi, 2005; Posner et al., 1982; Vosniadou, 1994）。科學知識體系具有高度的抽象性和邏輯性，特別是在微觀表徵方面，常對日常生活中的巨觀現象提供不同的解釋。Novick和Nussbaum（1981）指出，粒子本質應包括以下特徵：1. 物質由粒子組成；2. 粒子非常小（不可見）；3. 粒子之間沒有任何東西（真空）；4. 粒子不斷運動；5. 粒子之間有交互作用。由於粒子無法直接觀察且其運動不可見，學生即使經過相關教學，仍常存在另有概念或迷思概念，有些甚至由教學內容產生。

物質三態變化中常見的另有概念，整理過去文獻後（吳文龍等，2019），可從「物質組成面向」（Benson et al., 1993）、「物質性質面向」（Johnson, 1998）、「三態物質的結構」（Stavy, 1990; Tsai, 1999）及「物質三態變化」（Coştu et al., 2010）四個面向進行相關概念探討。

（一）物質組成面向：學生常在物質組成與結構上出現連續觀與粒子觀。而隨著教學進行，學生逐漸轉為粒子觀，但有些學生仍會混合兩種觀念。

（二）物質性質面向：三態物質的微觀粒子運動速率與距離不同，導致各自不同的性質。但學生容易將物質性質直接視為粒子性質，例如：認為冰塊的較硬，造成組成冰的粒子也較硬。

（三）三態物質的結構：物質在三種物質狀態的不同結構，常見另有概念，例如：因溫度高時物質外觀、重量或大小變化，認為消失的水蒸氣重量較輕。

（四）物質三態變化：對於物質三態變化過程中，學生無法只以運動速率快慢來解釋，而產生的另有概念，還會與粒子間作用力造成能量轉換有關，需透過教學逐步澄清。

總結來說，粒子概念的教學需要從多個角度出發，包括從巨觀到微觀的轉換，以及從抽象的科學知識到實際生活的應用。透過模型與建模的教學方法，幫助學生建立起對粒子結構和行為的理解，並且將其應用到日常生活和科學研究中。此外，課程中還需要重視學生對於科學知識的認知過程，及時澄清他們可能存在的另有概念或迷思概念，從而培養學生的科學思維能力和解決問題的能力。

二、粒子概念的課綱定位

（一）教育階段的概念銜接

隨著十二年國教總綱於2014年底的發布，自然科學領域新課綱也隨之展開研修，並於2018年9月完成審查。為了確保新舊課綱之間的順利銜接（教育部，2019），特別關注國中小階段的課程差異，並探討未來教學的銜接策略。其中微觀粒子概念在新課綱中尤為突出，國中階段原本較為抽象的粒子概念被提前至國小高年級教授，用意以減少國中與國小之間的概念落差。這一改變旨在使學生在進入國中之前，已經具備基礎的微觀粒子概念，從而能夠更好地理解和應用這些知識。微觀粒子概念不僅提供了解釋巨觀世界的模型基礎，也銜接了從原子到宇宙的教學單元，形成一個完整的科學知識體系。

因此，粒子概念的教學不僅是讓學生記憶粒子運動的各種特性，更重要的是提供學生理解科學現象的思考工具和方式。透過對粒子概念的強調，並調整呈現方式適切的納入國小階段學習內容，在國小階段強調「主體經驗為主，客體經驗為輔」的前提下，由教學實務回饋對國小中、高年級不同階段學習內容做必要之調整。學生能夠以新的視角理解從微觀的原子結構到宏觀的宇宙現象，逐步建立起一個從基礎到高階的完整知識體系，為未來高中教育階段深入學習奈米技術和量子力學等新興科學領域建立基礎。

（二）抽象概念的具體化模型思考工具

模型在日常生活上經常是對應到實體、可操作的物品，而在科學研究上，科學家會用以探討自然現象的運作模式，預測觀察或實驗的結果（張志康、邱美虹，2009）。在國小階段對模型概念多數以實體模型為主，提供不同比例觀察、視覺化或實物操作的學習經驗。而在粒子概念模型上，進一步將科學中抽象概念具體化，強化學生對於抽象概念的分析思考。以粒子相互間的運動和微觀結構為例，粒子概念模型做為學生抽象概念的思考模型工具，由微觀的角度（粒子運動）解釋巨觀的現象（三態變化）。且學生對微觀念建立具體化模型後，也易能與其他人分享所學，促進使用更多科學語詞或方式溝通。由上可知，透過科學模型（model）與建模能力（modeling ability）同時提供「系統思考」與「溝通傳達」，這兩方面能力也是總綱核心素養的重要發展方向。

表1 建立模型之學習表現說明表 (整理自教育部，2018)

類別	學習階段	內容
建立模型（m）	第二學習階段	tm-Ⅱ-1 能建立簡單模型的概念，並能理解形成自然界實體模型的特性，進而與其生活經驗連結。
	第三學習階段	tm-Ⅲ-1 能經由簡單的探究與理解建立模型，且能從觀察及實驗過程中，理解到有不同模型的存在。
	第四學習階段	tm-Ⅳ-1 能從實驗過程、合作討論中理解較複雜的自然界模型，並能評估不同模型的優點和限制，進能應用在後續的科學理解或生活。
	第五學習階段（必修課程）	tm -Ⅴc-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型，並能使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象，進而了解模型有其局限性。
	第五教學階段（選修課程）	tm -Ⅴa-1 能依據科學問題自行運思或經由合作討論來建立模型，並使用如「比擬或抽象」的形式來描述一個系統化的科學現象。進而能分析各種模型的特性，且了解模型可隨著對科學事物複雜關係的認知增加來修正。

在表1中，國小階段包括第二學習階段的中年級與第三學習階段的高年級。中年級時的簡單模型以實體化的模型為主，理解模型在自然界中的相互對應，並且能在生中應用該模型來解釋現象；立基於前一階段的實體模型，到高年級時則透過探究與實作活動來操作模型，理解除了實體對應的模型外，也能有抽象化的模型，在不提到原子結構前提下，微觀粒子概念就可以做為解釋現象的模型，學生立基於過去溫度、壓力對物質狀態改變的先導經驗下，進一步理解微觀粒子概念為不同的解釋模型，達到有不同模型存在的學習目標。

國中階段的第四學習階段開始引入更複雜系統的科學模型，接續國小階段巨觀現象的學習經驗，導入科學的微觀角度來解釋自然世界的運作，模型從實體對應更進一步到現象與機制的探討，模型成為實驗過程與合作討論的工具之一。最後，高中階段更強調科學家理解這個世界的方式，且學生也具備理解微觀、運算與理論推導的能力，因此提出多種形式的科學模型，並透過製作不同模型、科學史了解模型發展過程、使用符號與數學式推導來建立更全面的模型概念。邱美虹（2016）指出科學實作是強調科學家如何探討與使用模型，且如何運用理論來描述自然現象。透過上述課綱學習表現的銜接達成建模教學的終極目標。

本次自然領綱因應科學教育的發展，將科學模型與建模能力的理論納入三至十二年級的學習中，做為未來所有學生必備的能力之一。微觀粒子概念在這過程中起到了關鍵角色，在國小高年級時預先接受非實體模型的思考智能培養，提供了未來解釋巨觀世界的模型與建模基礎，並且銜接到國中階段的從原子到宇宙的教學單元之中。

十二年國教自然領綱內容與新舊課綱比較

一、各教育階段課程內容分析

(一)微觀粒子概念的學習內容

在新課綱中，某些抽象概念經過轉化或簡化後，從國中移到了國小教育階段，減少兩階段間的概念落差及銜接問題。以九年一貫課程為例，微觀粒子的教學主要安排在國中三態變化單元，多數在八年級進行。然而，由於缺乏相關的微觀粒子概念，許多七年級學生難以理解呼吸作用（氧氣O₂與二氧化碳CO₂）和擴散原理等概念。

在新課綱中，粒子概念相關條目為「INa-Ⅲ-1物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動」。這一內容旨在讓學生理解物質的基本組成及其運動特性，強調在固、液、氣三種物質狀態下微觀粒子的不同排列結構與運動。在國中階段的學習內容，例如：「Aa-Ⅳ-1原子模型的發展」與「Ab-Ⅳ-1物質的粒子模型與物質三態」，其說明為「1-1從粒子觀點來描述物質三態與變化」。這一安排的目的是在國小階段先引導學生理解物質是由微觀粒子組成的，並且這些粒子不斷運動。隨著學生進入國中，他們將進一步學習粒子模型，並能透過模型的方式描述物質在三態中的差異。

(二)模型與建議的學習表現

在科學教育中，模型與建模是培養科學思考與溝通能力的關鍵，特別是面對更複雜的系統和不同尺度的科學模型。例如：真核細胞模型的製作（BDa-Ⅴc-5）、臺灣地體構造模型的建立、以及拉塞福的原子模型的理解，這些都是學生在學習過程中需要掌握的具體例子。此外，科學史的探討也在課程中占據重要位置，例如：「BMb-Ⅴa-1從科學史的觀點，探討生物膜的模型之發展歷程」和「BMb-Ⅴa-6從科學史的觀點，探討DNA分子結構模型之發展歷程」。這些內容旨在讓學生了解科學家形成科學模型的過程及其演變。

在公式推導方面，新課綱加入了科學家如何運用微觀和數學模型進行研究的內容，例如：「PKd-Ⅴa-6拉塞福提出正電荷集中在核心，電子分佈在外的原子模型」、「PKd-Ⅴa-7波耳假設角動量的量子化，提出氫原子模型，成功解釋氫原子光譜」、「CAa-Va-2波耳氫原子模型解釋氫原子光譜與芮得柏方程式」，以及「CEc-Va-1理想氣體粒子模型」。這些內容安排在加深加廣選修課程中，為學生提供更深入的科學理解和為未來大學及相關工作的學習打下基礎。

此外，了解模型的本質，包括其限制與可變性，也是新課綱的重要部分。自然科學領域的課綱在高中階段安排了這些內容，如「CMb-Va-3科學模型的特性與演變」，強化學生對模型的可驗證性和可變性的認識。這些概念和思考工具的調整和銜接，有助於學生從國小到國中的科學學習過程更加順暢，使他們能夠更好地理解和掌握微觀粒子概念與建模能力。

這種逐步深入的科學教育策略，不僅讓學生掌握微觀粒子概念，還使他們能夠透過模型與建模應用於解釋微-巨觀現象，從而提供了解釋世界的模型基礎。隨後銜接到國中階段「從原子到宇宙」的教學單元，並瞭解存在有不同模型，且各有其應用與限制。透過這些階段性的教學安排，學生能夠在自然科學領域中獲得扎實的知識基礎和科學探究能力，為未來的學習和發展建立合適的基礎。

二、新舊課綱比較與實施配套

（一）新舊課綱比較

九年一貫課程將物質的認識安排在國中階段，主要涵蓋物質的組成與用途（編號120）。該課程內容於國小高年級進行，教學重點在於讓學生認識物質可以分解成更小的粒子，但不必提及原子的具體概念。這樣的安排用意以概念為主，在使學生逐步接受和理解粒子概念，但受限於概念學習，如何擴展到科學解釋與應用的學習上，又或連結到日常生活中，並未在課綱中明示。

相較之下，新課綱的調整反映了對學生科學教育抽象思考的重視與銜接，特別是對微觀粒子概念與建立模型的引導，使學生在國小高年級便開始接觸並理解物質的基本組成與運動，逐步熟悉微觀模型與建模歷程，這不僅有助於減少國中與國小之間的概念落差，也為後續更加複雜的科學跨科概念奠定了基礎。

（二）課綱實施配套

民國103年至民國107年國家教育研究院進行課綱實施配套之課程研發計畫（張俊彥等，2016；黃茂在、吳文龍, 2018），主要為針對自然科學領綱研修過程與實施後之課程配套與示例，這些教學模組涵蓋多樣化的科學主題，針對高國中小三個教育階段的學生。特別在國小階段，模組包括能量轉換、光合作用、粒子的微觀世界等，旨在通過實作和觀察活動讓學生理解基本的科學概念。在國中階段，教學模組則重點探討自然界的變動與穩定、粒子的世界、從原子到宇宙、以及物質與能量的交互作用，強調跨學科概念的應用與理解。其間並配合科技部科學教育實作學門研究計畫，模組研發過程中的專利包括微觀粒子運動之專利（吳文龍，2016；吳文龍，2017；吳文龍等，2019），應用擴增實境技術到微觀粒子學習中，旨在以視覺化和模型化的方式引導國中小學生學習微觀尺度的科學內容。

與粒子概念相關的教學模組分別為：「國小高年級 – 微乎其微」「國小高年級 – 小粒子大世界」、「國中 – 從原子到宇宙」、「國中 – 粒子的世界」、「國中 – 從原子到宇宙II-牡蠣體內的小世界」。可參考國家教育研究院愛學網，網頁：

https://stv.naer.edu.tw/teaching/design/teach_module.jsp?domain=D&grade=elem

。上述內容將在下節中進一步分析說明。

教學模組設計

一、設計理念

（一）鼓勵學生以開放的態度進入微觀想像世界，認識物質由微小粒子組成。

在國小階段高年級的教案中，研發團隊引入科學家對物質由微小粒子組成的概念，透過實際觀察經驗激發學生的創造性思考能力。在教學模組運用圖像化和連結等創造性思考策略，幫助學生察覺和思考微觀現象中的最小單位（微觀粒子）存在。教學活動設計包括以下步驟：首先，學生觀察日常現象，如溶解、蒸發等（如圖1）；接著，透過想像和建構微觀粒子模型，思考這些現象背後可能的微觀過程；最後，學生比對觀察到的現象和想像的粒子模型，逐步深化對粒子概念的理解。這種教學方法旨在引導學生以開放的態度進入微觀想像世界，從而增強他們的科學學習經驗。

圖1 在咖啡溶解實驗中觀察物質組成

教學模組的活動設計旨在豐富學生的科學探究主體經驗，引領他們進入微觀世界，為未來更深入的微觀粒子概念學習做準備。

（二）以現象觀察、探究實作、文本閱讀等策略，豐富學生的科學探究經驗。

在國中階段時，教學模組以跨科概念「系統與尺度」為主軸（如圖2），特別強調了連結國小階段的微觀粒子概念學習。這使得學生在探索自然現象時，能夠更深入地理解物質組成的微觀世界。透過以學生為主體的學習方式，教師引導學生進行探究與實作，培養其探究精神和解決問題的能力。教學活動涵蓋多元的學習形式，包括使用手機顯微鏡觀察微小物品、閱讀科學家的故事和研究報告等，透過不同方式的學習，豐富學生的學習經驗。

同時，這個教學模組提供多樣的教學資源，例如：模組架構、教學活動略案、四格教案、教學簡報、閱讀資料等，有助於教師更有效地進行教學。此外，除了尺度觀點為主，教學模組還融合了各科學科的概念，例如：生物科的酵素作用、消化作用，以及理化科的原子模型等。這樣的跨科學習設計，不僅讓學生更深入地理解自然界的運作，也培養了他們的跨學科思維能力。

圖2 引入科學計量單位與各類事物尺度大小排列

上述的跨科概念學習設計不僅加強了學生對自然界運作的理解，也培養了他們的跨學科思維能力，提升教育中的統整學習基礎。

二、模組亮點與省思

（一）關注學習情境脈絡，讓學生以解決問題的思維探究自然現象。

在教學引導中，教師的角色至關重要。他們應該反思自己在教學中的角色，如何引導學生以解決問題的思維來探究自然現象，以及如何創造情境脈絡讓學生能夠主動參與學習。特別是在引入微觀粒子概念時，教師需要設計具有挑戰性的問題，讓學生透過解決問題的思維來探究現象，例如：透過體驗氣味如何傳到鼻子、咖啡如何溶解到水中等現象，引導他們思考氣味粒子和溶解粒子的模型。同時，教師還需要思考如何提升學生的參與度，引導他們積極參與到解決問題的過程中，例如：透過觀察微小物品的手機顯微鏡活動等方式。透過省思以上方面，教師可以更好地關注情境脈絡，並設計相應的教學策略，讓學生能夠以解決問題的思維來探究現象，提升他們的科學素養和解決問題的能力。

（二）以圖像化、高階觀察工具、想像連結等策略強化學生觀察力，理解各種現象。

在學生為主體的學習中，教師需要兼顧學生的想像力和觀察力，在觀察現象的基礎上透過想像力建立更深入的抽象理解。這包括引導學生應用高階觀察工具來擴展他們的觀察範圍，例如：粒子動畫或粒子擴增實境軟體。同時，也要幫助他們意識到這些工具的限制。教師可以鼓勵學生以開放的態度探索並理解現象，提倡開放性思考，勇於提出疑問、挑戰現有觀念，並透過觀察和想像來尋找答案。此外，教師還應該引導學生建立模型來描述他們觀察到的現象，並鼓勵他們將想像力應用於建構模型的過程中，從而深化對現象背後原理的理解。透過這些方法，教師可以培養學生的觀察力和想像力，促進他們在科學探究中的成長和發展。

（三）反思學習內容對應學習階段及學生學習主體之適切性

澄清學習內涵的符合學習階段

在教學模組的開發過程中，課程研發團隊面臨了一些挑戰，其中之一是確定粒子相關學習內容的適切學習階段。這涉及確定在國小階段，學生應發展到何種程度才能理解「物質是由粒子組成」的概念，且再擴展到三態物質的運動狀態。最初，團隊專注於粒子間的交互作用，並設計了多個觀察現象的活動，建立了粒子間交互作用的各種可能性。然而，後來隨著課程開發的進展和反思，研發者逐漸意識到國小階段「主體經驗為主，客體經驗為輔」，為避免了超越課綱內容的情況，在舉例與教學方式必須與國中階段相互配合與銜接，以確保學生在理解該概念時能夠處於主體經驗為主的學習理解範圍內。

強調問題情境的營造及學生學習主體的呈現

另一個困難是如何在教學中營造問題情境，並展現學生做為學習主體的挑戰。由於粒子是無法直接觀察到的，且有其在科學知識系統下的規則與限制，這對教師和學生都是一個全新的挑戰。在模組開發的早期階段，嘗試將積木的概念融入教學活動中，期望學生可以利用積木的組合作為思考工具。同時，試圖通過放大鏡觀察肉眼看似單色的色塊，切割黏土到最小體積的活動，藉以體會觀察的限制。然而，這些活動似乎缺乏連貫性，學生反應也不夠積極，因此對課程進行了調整。將焦點轉移到溶解咖啡、聞咖啡氣味、糖溶解等常見的生活現象，讓學生通過觀察咖啡渣懸浮在水中的現象，想像物質由許多微粒組成。這些調整強調了想像與現實的符合，並讓學生通過自己的想像建立模型，再通過巨觀現象來檢驗其合理性。此外，安排了其他模型相關的文本閱讀，提供科學家對磁力模型的解釋，包括：磁力線方向與密度等，讓學生習慣應用解釋力更大的科學模型來理解世界和解釋現象。

結語或結論

一、綜合討論

(一) 強化各學習階段的銜接

在新舊課綱比較中，可知微觀粒子概念從國中移至國小高年級，主要為減少國小與國中之間的概念落差，更能提供學生連貫的科學學習經驗。此外，為避免模型只是知識學習的載體，透過探究與實作等教學策略，學生可以在模型操作與思考中逐步理解抽象概念的解釋，例如：讓學生親自操作三態變化或物質溶解的活動，配合微觀粒子概念與模型，有助於將抽象的概念轉化為具體的感知與操作。這樣的教學方式不僅提供了直觀的學習體驗，也為學生建立了學科的學習基礎。

(二) 強調問題情境與學習主體性

創造具有意義的問題情境能夠引發學生對微觀世界的好奇心，激發其探究精神，使其更主動地學習微觀粒子的抽象概念。透過設計適當的學習情境，例如：探索看不見的微小粒子如何構成物質，學生能夠從中獲得實際的觀察和抽象思維，並將這些體驗與所學的粒子模型相關聯。這種以問題情境為導向的教學方法，能夠擴展學生的思維視野，讓他們更深入地理解粒子概念的本質和特性。同時，學生在這樣的學習情境中能夠發揮主動性，自主探索和思考，培養其科學思維與溝通能力，從而成為能夠主動探索微觀世界的學習者。

(三) 課程調整與反思的重要性

課程調整與反思對於教學實務上十分重要性。微觀粒子概念作為自然科學領域的基礎概念之一，對於學生理解物質組成和性質至關重要。因此，在教學過程中，教師需要不斷地反思學生對粒子概念的理解程度和學習效果，以便即時調整教學策略。透過收集學生對粒子概念的認知和理解的反饋，教師可以發現學生可能存在的誤解或困惑，並相應地調整教學內容和方法，以更有效地幫助學生理解和掌握粒子概念。同時，反思教學過程中學生對粒子概念的學習情況，能夠幫助教師發現學生的學習需求和困難，進而針對性地設計教學活動和資源，提供更有針對性和有效性的教學支援。因此，粒子概念的教學需要教師持續進行調整和反思，以確保學生能夠充分理解和應用這一重要的科學概念。

二、未來展望

(一) 深入探討粒子概念教與學策略

進一步研究不同教學策略（例如：模擬、動畫、虛擬實境等）對於學生理解粒子概念的影響，以找到最有效的方法。探討如何在現有的教學資源中融合這些策略，提升學生對微觀世界的理解和興趣。

(二) 跨學習階段的概念銜接研究

對於不同學段間概念學習的銜接研究，特別是在國中小學階段，以這次課綱對微觀粒子概念調動的經驗為例，探討大概念或跨科概念的課程架構（例如：課綱中能量轉換、全球氣候變遷等跨科主題），減少重複學習，建立合適學習的鷹架。瞭解不同教育階段教師對於銜接教學的需求和挑戰，並提供相應的培訓和支持。

參考文獻

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附錄

教學模組資源與出處

愛學網：教學模組-自然，國小階段與國中階段

https://stv.naer.edu.tw/teaching/design/teach_module.jsp

新課綱粒子觀點教學的挑戰：跨越門檻概念進入微觀世界— 規劃國小物質粒子課程之文獻引介與啟發／林靜雯

星期日 , 9, 6 月 2024 編輯助理本期專題留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：

跨越門檻概念進入微觀世界—規劃國小物質粒子課程之文獻引介與啟發

林靜雯

國立臺北教育大學自然科學教育學系
[email protected]

n 前言

在科學教育的領域中，物質粒子模型不僅是重要的核心概念，亦被認為是許多化學概念的「門檻概念」（threshold concept）。這意謂著，如果學生能充分理解這個概念，其他相關的概念也能順利理解與遷移，反之，則圍繞著此核心的概念學習皆會有所阻礙(Ayas et al., 2010；Karataş et al., 2013)。過去，我們多將此概念規劃於中學學習，但因為粒子肉眼不可見，以及個別粒子行為經由各種組合，卻形成和微觀個別粒子行為截然不同的巨觀物質性質，這樣的抽象性使得中學生的學習狀況一直不盡理想。學界對此結果的因應持有不同見解，有的學者主張將這樣的抽象概念學習移往更高年級（例如：Fensham, 1994; Harrison & Treagust, 2002），有的學者則主張只要「好好規劃」學習進程（Learning Progressions, LPs），即使是小學生也有機會成功理解該模型（例如：Johnson & Papageorgiou, 2010; Merritt & Krajcik, 2013）。最近的教育改革趨勢傾向於將這一概念提前於國小高年級課程引入，以儘早建立孩子們對自然界基本結構的理解。臺灣的108課綱亦呼應提早教授此門檻概念的改革潮流，首次將物質粒子模型的概念納入國小高年級課綱。因此接下來，我們勢必得詢問：怎樣架構此門檻概念的理論架構可以稱之為「好好規劃」呢？本文將引介重要文獻希冀給臺灣物質粒子模型的課程規劃一些啟發。

n 引介國外K-6階段物質粒子模型之相關研究

本文主要引介三個研究，前兩個研究來自於《Concepts of Matter in Science Education》（Tsaparlis
& Sevian, 2013）一書中以美國為課程背景的研究，另一個研究則是英國與希臘共同合作的研究，此研究以物質本位（Substance-based）的架構切入提供了一個有別於由物質三態切入的架構。

一、美國課程背景下的學習進程

2013年Tsaparlis與Sevian主編了《Concepts of Matter in Science Education》一書。這本書大部分的章節來自2010年11月5日至8日在希臘雅典大學舉辦的“Particulate and Structural Concepts of Matter”研討會。為使論文集更加完整，後續大會主辦者還邀請了此領域重要的學者亦撰寫了相關的論文。這使得《Concepts of Matter in Science Education》這本書能深入體現全球科學教育研究者在此領域的努力，並有機會以一個橫跨多個學習階段的方式讓我們以更全面的方式來審視此門檻概念的課程設計。由於臺灣有關小學階段物質粒子模型的相關研究與教學才剛起步，書中若干觀點皆深具啟發。

（一）較低年級物質學習進程的規劃

許多學者提到此物質粒子模型為一重要的核心概念，應以LPs的方式規劃（Johnson
& Papageorgiou, 2010; Merritt & Krajcik, 2013）。LPs是描述學生在一段長時間中，可能達成科學知識和/或實踐終點(End
Point)所安排的路徑。此路徑與課程及相應的評量連結，並經過實徵證據的驗證。但由於學生的表現與教學相關，因此LPs不是固定不可變動的，但都須要實徵加以驗證（Merritt & Krajcik, 2013）。Wiser、Frazier和Fox（2013）認為物質的學習進程（Learning Progression of Matter, LPM）十分複雜，包括了物質的質量、重量、體積、物質及其轉變等一系列相互關連概念，以及認識觀方面的變化，這些變化使得我們能於巨觀和亞微觀（submicroscopic）層面重新認識物質。具體而言，LPM是連結兒童質樸的物質概念，與科學性巨觀/亞微觀層次上理解的重要橋樑。

Wiser等人為小學低年級學生提出了一個LPM，他們認為學生的再概念化及其發生方式相嵌於學生學習的內容和學習方式中。再概念化乃為「與理解相關的大知識網絡進行深層和根本性的重組」。其LPM中的構念不僅僅包括核心概念，還包括其他一起連動的槓桿概念。核心概念又區分為二，其一為：構成科學理論本身（for the scientific theory itself），科學上用以定義物質的重要概念（例如質量、體積、密度和物質的三態），另一則為：學生科學性理解物質理論過程中（for learning the scientific theory）扮演重要角色的概念（例如材料、材料的數量、重量、大小和粒子）。槓桿概念的例子若針對K-2年級，可能包括物體（Objects）、非固體（non-solid，例如液體）和大小；針對中年級可能包括材料（material）、材料的數量（material amount）、重量（weight）和大小（size）。有時某學習階段的核心概念可能在另一個學習階段是槓桿概念，具體的安排取決於重新概念化一LP的規劃尺度及經歷的時間長短。

Wiser等人將幼兒的想法稱為LPM的下錨點（lower anchor）並將原子–分子理論視為K-12這個大的LPM的終點。因此，小學LPM的終點被視為通向原子–分子理論這個大LPM的墊腳石（stepping stone）。他們還將2年級結束時的系統狀態稱為2年級的墊腳石。所謂的墊腳石是一種新、但「相對平衡」的狀態，在這種狀態下，每階段的墊腳石之內容和結構與先前的都不同，且在概念上會逐步接近科學理論。Wiser等人列舉了下錨點、2年級墊腳石和5年級墊腳石中的核心概念。最後，他們報告了一個針對幼兒和學前兒童所進行的小規模預試之成果。該研究成果顯示：基於LPM的教學介入可以在兩週這麼短的時間內，改善幼兒的數量守恆（amount conservation），並將物質概念應用於固體物體。Wiser等人認為完整的K-2課程，應讓學生探索一系列以聚合方式結合的物體（aggregates），以及液體。這個設計將如同一座橋，將小學生對非固體物體的大小（bigness of a sample）與對固體物體的量化計數以更為直覺的方式連結起來。接著，藉由像是拆開LEGO™積木一樣的活動，將固體平分成若干等分，這樣的活動設計，則有機會使得量化固體物體更為容易。藉由使用天平，小學生們會發現液體（或更大的孩子可以探索氣體）等非固體是有重量的，這樣的活動設計有助於破除他們最初覺得非固體是沒有重量的想法，且物體重量大小與物質數量的多寡有關。最終，他們亦將習得重量是跨不同形態進行相變時不變的特質。這些概念改變的歷程將成為材料（material）和物質（matter），兩個本體類別發展的一部分。整體而言，物質的再概念化非常複雜——它牽涉許多細小但協調的步驟，以及許多概念合併、區分、概括、更嚴格的規範、打破一些舊的聯繫，並創建新的聯繫的歷程。這種重新概念化的過程必然是緩慢的，須要時間跨度較長的課程支持，以便有充足的時間在更廣泛和更寬廣的背景下，結合更複雜的認識論知識，多次重新審視概念之間的關係。

（二）較高年級學生物質學習進程的規劃

另一個例子來自於Merritt和Krajcik(2013)針對六年級學生（11-12歲）設計粒子模型LP的研究，歷時15堂課。他們的觀點結合建模的實踐，主張物質粒子模型是理解物質狀態、相變和物質性質的基礎。除了作為科學的核心概念之外，理解粒子理論還須要學生經歷科學建模的實踐。已經累積許多研究證據顯示傳統的教學模式僅關注物質粒子模型的內容，而不是模型和建模的本質，和/或不強調建模在發展已知的物質化學行為中的作用，亦容易讓學生感到困惑，而混淆了模型和現實。因此Merritt與Krajcik（2013）主張需考慮學生的先備知識，透過關鍵教學經驗設計LP，及早採取序列性、發展性的方法讓學生隨著時間推移建立和評價學生自己對物質粒子的想法和模型，並讓學生有機會重新應用這些想法和模型來解釋現象，否則學生無法順利發展適當的概念。

他們透過Investigating and Questioning our World through Science and Technology（IQWST）課程中設計給六年級的單元–「我如何聞到遠處的氣味（Merritt et al., 2012）？」使學生透過使用模型以及修正模型使之更完善的歷程，來解釋物質狀態、相變和屬性等現象，從而加深對物質模型的粒子性質的理解。例如，粒子模型可用於解釋沸點等屬性。物質的沸點發生在特定的溫度時。液體在加熱過程中，粒子獲得能量並移動得更快，且達到沸點時，這些分子的能量足以克服其他液體分子的吸引力，使其從液態變為氣態。我們也可以用粒子模型來解釋蒸發。研究結果報告了使用物質粒子模型的LP及其中的構念，追踪了三名不同教師班級中，122名六年級學生的學習情況，同時也旨在提供洞察力，了解教師的教學策略如何支持學生發展物質粒子模型。研究結果顯示：學生對物質粒子模型的理解不斷提升，從「混合模型」進步到「基本粒子模型（Basic Particle Model）」，最終達到「完整粒子模型（Complete Particle Model）」。此外，Merritt和Krajcik亦認為，經過驗證的LP、進程中的構念和評量能讓我們更詳細地觀察教學與評量之間的關係，獲得教師是否遵循課程，或他們對課程進行了哪些修改，以及他們如何利用嵌入式評量來獲悉他們的實踐結果，評估學生的進展並向學生提供反饋的完整圖像的資訊。值得一提的是，此研究中的六年級為美國系統中學階段的第一年，因此在這個LP中，學生已經探討了不同C、H、O原子的排列組合如何形成各種不同氣味的分子化合物。

（三）連結兩研究成為K-6的學習進程

綜觀上述兩個不同尺度的LPM，Wiser等人K-5的LP可以和Merritt和Krajcik(2013)設計給6年級的LP銜接。因為如果Wiser等人於5年級所設定的終點可以對應到Merritt和Krajcik的起始點，那麼整個就可以連結為一個K-6的LPM，原來為5年級的終點，會變成整個K-6年級LPM的墊腳石。而這個LPM始自質量、體積、密度和物質三態等科學上用以定義物質的重要概念，微觀粒子的概念在5年級前尚未進來，但Wiser會藉由類似讓學習對照固體顆粒狀的材料和液體材料佔據空間、氣體是可壓縮的，其體積取決於容器大小，以及當物質進行三態轉變時，其重量不變的物質重量守恆等情形讓學生逐漸形成物質是由粒子構成的概念，而在6年級時，微觀粒子的概念在Merritt和Krajcik的研究中，以我們如何聞到遠處氣味的驅動問題正式登場。一系列由幼兒到六年級同時考量科學知識結構與學生認知發展及概念改變歷程的作法，可以供我們新課綱考量LPM時參考。

二、英國與希臘合作的研究

Johnson和Papageorgiou (2010)指出標準學派的物質粒子模型通常在「固態、液態和氣態」框架內運作，許多國家也以此框架作為課程設計的理論框架，例如：英國和希臘。本文作者審視臺灣新課綱，也的確發現臺灣課綱亦遵循物質三態這樣的理論框架架構物質的學習。但Johnson和Papageorgiou認為引入該理論的概念架構可能正是導致學生學習困難的問題之一。透過對物質科學概念的分析和對學生概念的研究，Johnson和Papageorgiou確定了：「固態、液態和氣態」框架中可能存在的限制，包括：它未能解釋不同物質為何具有不同的熔點和沸點，忽略了須要先界定與區別物質的問題。其次，這個框架可能導致學生著重於討論固態、液態和氣態三種不同類型的物質和粒子，而非一種物質在固態、液態和氣態三種不同的狀態，因而產生學習的誤解。第三，「固態、液態和氣態」的標準模型未能調和沸騰和室溫蒸發這兩種情境，這可能導致學生無法遷移而確立模型的實用性。最後，這個模型未能充分關注物質本身的重要屬性，這可能導致學生以粒子觀點和粒子行為解釋何謂純物質？何謂混合物時遇到困難。這樣的限制對於低年級的小學生而言，更具挑戰！

Johnson和 Papageorgiou也透過分析，提出了物質本位（substance-based）的新概念框架，並據此進一步提供物質粒子模型的課程規劃建議。具體而言，此框架建議應該使用「熔化行為」來區分純物質和混合物，並且應該引入熔點作為識別物質的手段。其中包括以下要點：

不同的物質由於各自的粒子之間存在不同的引力作用，因此擁有不同的熔點。
粒子之間的引力作用越強，物質的熔點就越高；粒子之間的引力作用越弱，物質的熔點就越低。

總體而言，Johnson和Papageorgio認為物質本位的框架提供了一種更準確且在科學上更可行的方法進行物質相關主題的課程，有望提高學生的理解。緊接著，他們以英格蘭兩所小學中9至10
歲的兒童為研究對象，使用物質本位架構進行的兩項探索性研究。他們對每個學校的一個班級進行短暫的教學介入後，又針對其中12 名學生進行單獨晤談，藉此收集學生對不同室溫狀態下共存的物質以及涉及狀態變化和混合的現象之理解。研究結果顯示，學生們對物質粒子的想法令人鼓舞，據此，Johnson
和Papageorgiou建議值得以物質本位的框架進行更大規模的測試，特別是針對較低年級的課程規劃。

n 臺灣108自然領綱中國中、小物質粒子模型的規劃與建議

翻開臺灣108自然領綱（教育部，2018），有關物質粒子模型的規劃首先出現於「INa-Ⅲ-1
物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動。」的學習內容，並於學習內容說明提及：

1-1 可觀察實作並討論日常生活中水的蒸發現象，並可透過模型或動畫引導理解物質是由肉眼看不見的小粒子組成。

1-2 可透過模型或動畫模擬，了解粒子會不斷的運動。水的三態變化也可以用粒子運動的模型來理解和解釋。

1-3 不涉及原子的概念。

對照國中的學習內容最為直接相近的指標，則為：「Ab-IV-1 物質的粒子模型與物質三態。」、「Ab-IV-2 溫度會影響物質的狀態。」相應的學習內容說明則為：

1-1 從粒子觀點來描述物質三態與變化。

1-2 以水的三態變化為例，描述溫度會影響物質的狀態。

綜觀國中與國小的學習內容說明，對照上述三篇研究，筆者認為臺灣目前國中與國小於物質粒子這個門檻概念之間的差異不易凸顯，不僅皆是採用「固態、液態和氣態」標準學派的框架（Johnson & Papageorgiou, 2010），亦沒有因應不同學習階段學生的認知能力進行再概念化，因此容易讓我們覺得是相同的內容於小學先行教授一遍，若然，這便對小學生的認知能力提出了挑戰。因為物質粒子的模型十分抽象，原本國中生都抽象難學的概念，若直接將相同架構提早教授，勢必讓學生感到怯步與困難，而影響了小學生未來科學學習的興趣與信心、折損了提早打開微觀世界堂奧的美意。

臺灣課綱的學習內容說明，建議以同一種物質—「水」的三態串起物質的三態變化，雖然能夠讓學生於利用「固態、液態和氣態」標準學派的框架時，不致於以三種不同的物質來分別認識「固態」、「液態」和氣態，但由於水分子之間以氫鍵連結，而有序的氫鍵網絡所佔的空間比無序的大，所以當溫度變低時，水的體積和一般物質一樣會變小，但當溫度接近凝固點，有序的氫鍵網絡增多，體積反而變大（沈元壤，2019）。氫鍵因素的加入，使水的三態變化無法在不涉及原子、分子的區別下，單純以基本的物質粒子模型來解釋。此點是108課綱規劃國小物質粒子模型的學習內容說明時，須要格外注意的地方。筆者建議，考量以Johnson和Papageorgiou（2010）的作法，另規劃其他適合國小學童的物質粒子框架有其必要性！

而所謂的再概念化如Wiser等人所言，是非常複雜的過程，須要對科學知識結構、課程知識的理解、學生認知發展與概念改變歷程有清楚的掌握，通常不僅涉及一條指標，而是多個指標、跨年段之間的長時間規劃，因此以108課綱目前的架構，恐無法直接提供各家教科書編輯一個明確的方向。執行時間的急迫，也很難讓教育研究者有充分的時間能夠進行實徵性的研究與設計驗證後再交由教科書編輯進行進一步的轉化。因此，筆者呼籲更多研究者投入物質粒子LP規劃的研究，並擴及其他核心概念的LP研究，使未來118課綱進行調整時，能有實徵證據得以依循。另一方面，LP涉及學生概念與課程、教學之間的互動，教學方式的調整，也可能影響到LP課程構念之間的安排。目前國際針對物質粒子模型的教學，傾向於以建模的方式，考慮學生認識觀點與一系列概念之間的互動，讓學生有機會產生模型，並於不同但相關的情境中反覆應用與修改這個模型，是極有潛力的作法。但國內教師普遍對於建模本位的教學認識不足，亦使得相關教學設計難以推展。整體而言，筆者支持將物質粒子模型這樣的核心與門檻概念延伸至小學教學，但在課程、教學與教師專業成長的各項配套上，我們顯然還有許多努力須要進行。否則，只是將原本應引領學生跨入微觀奇妙世界的門檻概念，提前移到小學成為絆倒小學生科學學習的門檻而已！

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新課綱粒子觀點教學的挑戰：教科書如何引導國小學童認識粒子概念／盧秀琴

星期六 , 8, 6 月 2024 編輯助理本期專題, 第五十六期/2024年6月留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：教科書如何引導國小學童認識粒子概念

盧秀琴

國立臺北教育大學
[email protected]

中年級引導學童認識空氣和水，溫度影響水的三態

一、空氣和水

為了引導國小學童認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小中年級的學習內容，包含：INa-Ⅱ-2在地球上，物質具有重量，佔有體積。INa-Ⅱ-4物質的形態會因溫度的不同而改變。INc-Ⅱ-5水和空氣可以傳送動力讓物體移動。INc-Ⅱ-6水有三態變化及毛細現象。學習表現包含：pe-Ⅱ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源並能觀察和記錄。pc-Ⅱ-2能利用簡單形式的口語、文字或圖畫等，表達探究之過程、發現。tc-Ⅱ-1能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。tm-Ⅱ-1能經由觀察自然界現象之間的關係，理解簡單的概念模型，進而與其生活經驗連結（教育部，2019）。

因應108新課綱的需求，教科書編輯先讓國小學童認識「空氣和水」，從大概念入手。即透過操作與觀察，了解空氣雖然看不見，卻充滿在我們的四周；例如：把紙團塞入透明杯底，然後杯口朝下直直壓入水中，觀察到紙團沒有濕掉，是因為杯子裡充滿了空氣，證明空氣佔有空間。然後在微量天平的兩邊各放置「未吹氣的氣球」和「裝滿空氣的氣球」，發現微量天平的桿子會往「裝滿空氣的氣球」傾斜，證明空氣佔有重量。之後，國小學童操作實驗，將水和空氣各自裝入各種形狀的容器中，發現水和空氣都沒有固定的形狀，才能充滿在各種形狀的容器中。最後，引導國小學童利用「空氣的力量或水的力量」來移動自製的玩具，了解「空氣和水」皆可以傳送動力，使物體移動（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2021）。

二、蒸發、凝結、凝固、融化

在進階的單元中，引導國小學童探討「溫度影響水的三態變化」，先從自然界的現象著眼，觀察水的蒸發與凝結，例如：學童觀察桌面上的水漬在一段時間就不見了，是因為水變成水蒸氣散佈在空氣中，稱為蒸發，但我們肉眼看不見水蒸氣。引導學童觀察日常生活「水的蒸發」，例子有：曬乾衣服、吹乾頭髮…等。其次，在煮開水的過程中，發現水煮沸了會冒白煙，白煙是怎麼產生的？引導學童操作實驗觀察，利用塑膠袋收集白煙，結果發現白煙是水蒸氣遇冷凝結成小水滴，我們雖然看不見水蒸氣，但水蒸氣凝結成小水滴時，我們就能看見了。國小學童隨著做實驗，探討「冰品容器」外側的小水滴是怎麼形成的？最終能歸納空氣中的水蒸氣遇冷或碰到較冷的物品就會變成小水滴，這個現象稱為凝結（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

為了讓國小學童認識水的凝固和融化，引導國小學童操作實驗製作冰棒，發現水遇冷降到攝氏零度以下會變成冰的現象，稱為凝固；並初步觀察自然界水凝固的現象，例如：下雪、結霜、下冰雹、結冰柱。接著，引導國小學童操作實驗，觀察放在盤子裡的冰塊，放在空氣中會越變越小，然後盤子中產生越來越多的水，進而瞭解到冰遇熱會變成水的現象，稱為融化。最後，國小學童學習到的科學概念模型為「水的形態會因溫度的不同而改變」，即冰（固態）遇熱融化成水（液態），水遇熱蒸發成水蒸氣（氣態）；反過來水蒸氣（氣態）遇冷凝結成水（液態），水遇冷凝固成冰（固態）。在整個學習過程中，很重要的科學技能就是教導國小學童如何正確的使用溫度計來測量溫度（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

三、毛細現象

中年級「水的移動」單元，學童在自然界的觀察，看見水的移動方向大多是由高處往低處流動，例如：瀑布、下雨，但也觀察到水會沿著縫隙中移動，這時水的移動方向就可能由低處往高處爬，例如：溫度計中的紅色酒精。引導國小學童操作實驗，發現當縫隙越小時，水的移動爬升越高。因此，國小學童能定義水可以在縫隙中移動的現象稱為毛細現象，並說出日常生活中如何應用毛細現象，例如：寫毛筆字、使用擴香棒、…等（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2022）。

高年級引導學童認識植物體內水的運輸、空氣組成、天氣變化

一、植物體內水的運輸

引導國小學童進一步認識粒子概念，十二年國民基本教育課程綱要，自然科學領域課程手冊提出國小高年級的學習內容，包含：INa-Ⅲ-1物質是由微小的粒子所組成，而且粒子不斷的運動；其學習內容說明為：可透過模型或動畫模擬，了解粒子會不斷的運動。水的三態變化也可以用粒子運動的模型來理解和解釋。INa-Ⅲ-4空氣由各種不同氣體所組成，空氣具有熱脹冷縮的性質。氣體無一定的形狀與體積。INb-Ⅲ-7植物各部位的構造和所具有的功能有關。INd-Ⅲ-11氣溫下降時水氣凝結為雲和霧或凝華為霜、雪。學習表現包含：tm-Ⅲ-1能經由提問、觀察及實驗等歷程，探索自然界現象之間的關係，建立簡單的概念模型，並理解到有不同模型的存在。pe-Ⅲ-2能正確安全操作適合學習階段的物品、器材儀器、科技設備及資源。能進行客觀的質性觀察或數值量測並詳實記錄。pc-Ⅲ-2能利用簡單形式的口語、文字、影像、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（教育部，2019）。

接續毛細現象，在高年級「植物世界」單元中，觀察植物體內水的運輸，引導國小學童實驗發現植物澆水後，植物吸收水分後會由根輸送到莖，再輸送到葉，因為植物體內有微細的管子稱為導管，縫隙非常小，水分子可以藉著毛細現象將水分傳送到植物身體的各部位，並呈現「水分子手牽著手在導管中往上爬」的圖片；最後，水分由葉子的氣孔以水蒸氣的形態蒸散到空氣中，成為蒸散作用，科學技能是教導國小學童正確使用顯微鏡觀察葉子的氣孔構造（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

二、空氣的組成

高年級「認識空氣」單元中，觀察到空氣看不見也摸不著，引導國小學童蒐集資料，了解空氣組成主要含有氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳。接著，引導國小學童探究實驗，發現燃燒需要空氣，證明助燃物為氧氣，氧氣也能提供生物呼吸；二氧化碳會使點燃的線香熄滅，沒有助燃的特性，因此可以製成滅火器。最後，引導國小學童操作實驗，將金針菇加入雙氧水製造氧氣；將醋加入小蘇打製造二氧化碳，二氧化碳會使澄清的石灰水變混濁（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

在空氣和人類的關係中，引導學童了解空氣雖然看不見也摸不著，但其中的氧氣就是氧分子，會和鐵製品緩慢作用而生鏽，潮濕環境和酸性環境會加速鐵的生鏽。在我們的日常生活中，含碳的物質燃燒會產生二氧化碳，二氧化碳也是一種分子，屬於一種溫室氣體，如果人類大量燃燒化石燃料（例如：汽油、煤炭）就會產生過多的溫室氣體，加劇全球暖化；我們要多種樹木，當植物行光合作用時，除了製造氧氣外，還能將二氧化碳轉化成有機物質儲存在植物體內，稱為固碳作用（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2023）。

三、天氣變化

高年級「多樣的天氣變化」單元中，首先引導國小學童觀察雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，說明水受到溫度的影響會改變形態，自然界的水有氣態（水蒸氣）、液態（雨、露、雲、霧）和固態（雪、霜和冰雹）。並以小知識介紹空氣中的水蒸氣是由肉眼看不見的微小粒子所組成的，而且會不斷的運動，當水蒸氣冷卻凝結為小水滴時，空氣中必須有微小的顆粒供水蒸氣附著，這些微小的顆粒稱為「凝結核」（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

接著，引導國小學童認識水蒸氣遇冷附著在灰塵或微小顆粒會凝結成小水滴或冰晶，若飄浮在空中就稱之為雲、若飄浮在地面附近就稱之為霧。當雲中的小水滴或冰晶變得又大又重，向地面墜落，就是下「雨」；當溫度低於0℃時，水蒸氣直接凝華成冰晶，變成雪花形狀，向地面墜落沒有融化，就是下「雪」，冰晶屬六方晶系，故雪花為六角形對稱結構。氣溫較低時，空氣中的水蒸氣附著在物體表面，凝結成小水滴，則稱為「露」；氣溫低於0℃時，空氣中的水蒸氣直接凝華成冰晶，附著在物體表面，稱為「霜」。晚春或初夏流雲層強烈，隨雷雨落下的球狀或不規則的冰塊，稱為「冰雹」。然後，使用粒子運動的模型提出水的三態變化（見圖1）說明，水在不同壓力和溫度下，會呈現固態、液態和氣態，稱為水的三態。固態的冰，粒子排列整齊，不會任意移動，有固定的形狀；液態的水，粒子排列較鬆散，可以自由移動，形狀會隨容器改變；氣態的水蒸氣，粒子運動得更劇烈，彼此距離變得很大（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

圖1：水的三態變化粒子模型

（資料來源：南一書局，2024）

此單元的科學技能是引導國小學童操作實驗，觀察水蒸氣的凝結和凝華現象。凝結實驗：在錐形瓶中裝熱水，加入點燃線香的煙當作凝結核，再將裝有冰塊水的塑膠袋覆蓋在錐形瓶上方以降低溫度，一段時間後可以在錐形瓶口看見白煙狀雲的形成。另外，在杯子中倒入加冰塊的冷水，觀察杯壁的外側慢慢形成小水珠，即水蒸氣凝結成露。凝華實驗：在杯子中倒入冰塊水，再加入50克食鹽緩慢攪拌以降低溫度到攝氏0度以下，一段時間後觀察杯壁外側慢慢形成冰晶，即水蒸氣直接凝華成霜，並觀察冰箱冷凍庫的霜作為對照（南一書局、康軒文教事業、翰林出版事業，2024）。

結語

教科書引導國小學童認識粒子概念，從大概念入手，中年級引導學童認識空氣雖然看不見也摸不著，卻充滿在我們的四周，具有體積和重量，但沒有固定的形狀；到高年級認識空氣中有氧分子和二氧化碳分子，各具有不同的特性。其次，中年級引導學童認識水會因溫度不同而改變形態，了解水的蒸發、凝結、凝固、融化之定義，並知道水蒸氣是看不見的；到高年級觀察水分子在植物體內的導管中往上或橫向運輸，並了解自然界的雲、霧、雨、雪、露、霜和冰雹，是水受到溫度和壓力的影響而改變形態。最後，透過繪圖模擬，了解水分子（粒子）會不斷的運動，固態的冰，粒子排列整齊，有固定的形狀；液態的水，粒子排列鬆散，可自由移動；氣態的水蒸氣，粒子運動更劇烈，彼此距離變大。

參考文獻

南一書局（2021）。國民小學自然科學3上。臺南市：南一書局。

南一書局（2022）。國民小學自然科學3下，4上。臺南市：南一書局。

南一書局（2023）。國民小學自然科學4下，5上。臺南市：南一書局。

南一書局（2024）。國民小學自然科學5下，6上。臺南市：南一書局。

教育部（2019）。十二年國民基本教育課程綱要– 自然科學領域課程手冊。臺北市：教育部。

康軒文教事業（2021）。國民小學自然科學3上。新北市：康軒文教事業。

康軒文教事業（2022）。國民小學自然科學3下，4上。新北市：康軒文教事業。

康軒文教事業（2023）。國民小學自然科學4下，5上。新北市：康軒文教事業。

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新課綱粒子觀點教學的挑戰：國小粒子建模教學課例分享— 以熱脹冷縮教學為例／王亭雅

星期五 , 7, 6 月 2024 編輯助理本期專題留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：國小粒子建模教學課例分享—以熱脹冷縮教學為例

王亭雅

國立臺北教育大學自然科學教育學系(所)

新北市國民教育輔導團
國小自然輔導小組

新北市板橋區沙崙國小
[email protected]

n 前言

十二年國民基本教育課程綱要的自然領域中，首次「建立模型」下放至國小階段的指標內容，國小階段的自然老師們皆須開始思考如何在課堂中培養學生「建立模型」的能力，本文作者嘗試以建模設計課程，並選擇以肉眼看不見的「物質粒子概念」，讓學生嘗試自己建立模型。

本文作者在實施課程的同時，也想在觀察「學生在學習粒子概念時會遇到哪些問題」、「學生在建立模型時老師要如何給予協助」以及「學生是否能夠自己修正模型」這幾個問題，後續將分享課程設計、教學實施語教學成效及省思。

n 課程設計

一、物質粒子概念重要性

所有國小教師在十二年國民教育課程綱要下，需先面臨思考如何讓學生探究眼睛看不見的粒子，且大多數教師會疑惑對學生來說要學習看不見的現象是否太困難。

首先，化學家對化學概念分為三個概念層級－巨觀、次微觀和符號，巨觀指實驗及經驗；次微觀指基於物質的粒子理論以解釋巨觀；而符號只是為了表現這些巨觀的現象，化學家較普遍使用的符號表徵(Johnstone, 1991)。有學者認為往往低估了學生抽象思考的能力，學好科學概念應該要妥善發展巨觀、次微觀和符號三種概念表徵之間的轉換(謝秉桓等，2014)，而Samarapungavan等人(2017)也提出二年級學生也能學會簡單的粒子模型說明不同狀態的物質和特性，並且能解釋相變化。

因此能得知物質粒子概念在國小階段透過巨觀的現象去想像思考是能夠學習且重要的。

二、建模教學理念

關於讓學生自主建模的過程，Clement(2008)提出教師在課堂討論中，學生的正確或不正確想法被認真對待時，可以培養學生主動學習和推理。學生從形成粗略的初始模型，再慢慢逐步接近目標模型，這過程中學生的模型可能有一些是不正確、還有一些則是部分正確，為了幫助老師在這複雜的組合中進行決策，老師需要設計討論活動，協助學生判斷應該先處理什麼，其次處理什麼，所以教師在任何特定時刻都在處理這些想法，提供溫和或更強的鷹架，以促進學生建構，引發學生對模型的一部份進行修正或補充，從錯誤的部分正確再到更正確的模型會被逐步的發展，這個過程會繼續形成更多中間模型，直到達到目標模型(如圖１)。

Clement(2008)同時也提出教師須幫助學生相互交流，將學生描述的內容(無論正確與否)都畫在黑板或海報上，或者讓學生畫出自己的模型，在小組作業中提供一個視覺上以及口頭上的交流。當討論陷入僵局，教師須提供足夠的鷹架、引導性問題、提示、新的觀察、先前的評論、不一致的問題或訊息等，使學生的推理可以進行。

根據以上內容，本文作者認為老師在建模中的角色不是「幫學生評價模型的優缺」，而是設計活動幫助學生「將模型可視化」，以及在課堂中「視學生的需求給予鷹架」的角色。因此本文作者在課程中不會直接給予孩子的模型進行是否正確的評價，而是安排鷹架，讓學生在建模時嘗試自己修正模型。

圖1模型演化、鷹架和共建的圖解(Clement,2008)

三、教學對象與學習目標設定

本文設計的課程結合「熱脹冷縮」的巨觀現象，讓學生認識微觀的「物質粒子概念」。教學對象為校內科學社團高年級學生，依十二年國民教育課綱自然領綱為第三階段，故分別選擇與「熱脹冷縮」及「物質粒子概念」相關的學習內容，及與「建立模型」及「用繪畫表達模型」相關的學習表現，使用矩陣的方式設計學習目標(如下表1)。

表1學習目標

四、概念圖

本文認為授課教師需清楚巨觀及微觀之間的連結，才能在課程中確認學生目前的模型具備哪些概念，或缺少了哪些概念，進而利用文本、問句或學生彼此的模型作為鷹架，幫助學生評量自己的模型是否還有需要修正的部分，因此繪製概念圖如圖2。

由概念圖可以得知造成巨觀現象「熱脹冷縮」的主要原因是「因熱能增加，使粒子運動速度變快，粒子間的距離變大，使得整體體積變大；而反之熱能減少，粒子運動速度變慢，粒子間的距離變小，使得整體體積變小」。

圖2熱脹冷縮之粒子概念圖

五、教材選擇

在教課書中，是由「錐形瓶上套氣球，放入熱水中觀察氣球膨脹，放入冷水中觀察氣球縮小」的實驗證明「氣體熱脹冷縮」的現象。但本文作者認為將套氣球改成抹上泡泡膜，泡泡的膨脹和縮小能直觀氣體體積範圍的變大和變小(如圖3)，更能幫助學生理解氣體的熱脹冷縮，故實驗教材改使用「錐形瓶口抹上泡泡膜，放入熱水中觀察泡泡膨脹，放入冷水中觀察泡泡縮小」的實驗來證明「氣體熱脹冷縮」的現象。

圖3泡泡可看出氣體體積範圍變大變小
註:紅色斜線為氣體體積範圍

n 教學實施

本文之建模教學課程設計是依據林靜雯與李宜諺(2024)整理文獻提出的「建模本位探究(Modeling-based Inquiry, MBI)循環的教學鷹架」做為架構(見圖3)，以下說明各階段實施內容。

圖4熱脹冷縮建模教學流程圖

觀察定題的階段，教師以「錐形瓶口抹上泡泡水，依序放入熱水及冷水中，觀察泡泡膨脹縮小」的巨觀現象，讓學生親自操作，並以此現象定題「為什麼放入熱水和冷水後，泡泡會變大和縮小呢?」，並讓學生解釋原因。

圖5觀察定題階段之學習單紀錄

模型建立的階段，教師以問句「假設如果用超級大放鏡可以看到很微小的顆粒，可能可以看到什麼變化呢?」提問，讓孩子依看到的現象，利用繪圖的方式表達自己的初始模型來解釋現象。

圖6模型建立階段之學習單紀錄

調查研究的階段，因粒子太微小沒辦法直接觀察，無法使用實驗驗證，本文作者使用粒子觀點的文本及PhET當作探究的鷹架，提供孩子思考的線索依據，同時也讓學生以小組協作繪圖的方式進行對話討論，再讓各組的分享。分享時，教師會協助於黑板記錄學生提到重要的概念，並提醒學生「建立的模型」與「提出的概念」是否互相符合。

藉由組間分享，教師引導學生察覺同樣的現象之下，不同的人建立出的模型也會不同，也能多方面讓學生思考自己的模型跟別人哪裡不同?哪部分正確？哪部分錯誤？進而能自己修改模型。

圖7調查研究階段提供的PhET氣體特性和文本資料

圖8調查研究階段互相聆聽彼此的模型

模型評鑑的階段，教師再次提供類似的巨觀的現象，讓學生利用前面學習的粒子模型嘗試遷移到新的現象進行解釋。本課程以「將尿尿小童放到熱水中將空氣排出，再次放到冷水中吸水，澆熱水將水噴出」的現象，讓學生再次進行模型評鑑。

圖9模型評鑑階段，學生再次使用模型解釋尿尿小童的現象

n 教學實施成效

課程實施後，作者將每位學生在課堂中各個階段繪製的個人模型進行整理，觀察中間模型的差異，統整建立物質粒子模型時學生可能會遺漏的概念，以及在哪個時刻才開始自我修正，本文作者分享以下幾點發現。

一、每個學生物質粒子模型的建構過程不相同

學生在建模的過程中，模型從「沒有粒子概念」，慢慢開始加入「空氣是由微小粒子組成的」、「粒子數量恆定(物質守恆)」、「溫度上升，粒子運動速度變快」及「粒子之間的距離，造成巨觀的熱脹冷縮」，但每個人加入的順序不一定會相同，進而最後推論到「空氣間粒子的距離會改變而影響整體體積大小」。

以圖4學生模型變化的歷程來看，初始模型時已使用粒子來解釋熱脹冷縮的現象，具有「空氣是由微小粒子組成的」的概念，且認為「粒子本身會變大變小而造成氣體熱脹冷縮」。在經由小組協作繪圖及組間分享後，自我修正「粒子大小沒有改變」，並增加了「熱空氣往上，冷空氣往下」的概念在模型中。

接著本文作者提供粒子觀點的文本給學生閱讀，藉由文本中的資訊，可以看到學生的模型開始以粒子旁邊兩個點點的方式表示「溫度上升，粒子運動速度變快」，而以粒子旁邊一個點點表示「溫度下降，粒子運動速度變慢」，但此圖中常溫下沒有點點，此時尚未察覺「常溫時粒子就會運動」。在經由小組協作繪圖及組間分享後，此學生模型又修正了「粒子數量恆定(物質守恆)」、「常溫時粒子就會運動」的概念。

最後本文作者提供PhET，可以看到此學生的模型未改變。在經由小組協作繪圖及組間分享後，全班學生討論出「粒子之間的距離，造成巨觀的熱脹冷縮」，因此此學生的模型將模型中的距離修正了，但「粒子的運動」卻不見了。

圖10個人物質粒子模型的變化過程

註:左側表示個人繪製模型之間，教師安排的鷹架與小組討論，右側表示個人物質粒子模型建立的順序。

二、學生模型建立後，可以遷移到類似情境進行解釋

有研究指出，當學生學會使用微觀的粒子概念解釋巨觀現象，往後依然會使用粒子觀進行解釋，就算概念有可能部分錯誤，但並不會放棄使用微觀現象解釋
(謝秉桓等，2014)。在本課程模型評鑑階段，選擇利用熱脹冷縮原理但較為複雜的「尿尿小童」，將寶特瓶底部戳一個洞，先放入熱水中，因瓶內氣體溫度上升體積變大，而會看到在熱水中氣體跑出瓶外有冒泡的現象，接著放入冷水中，瓶內氣體溫度下降體積縮小而吸入冷水，最後再寶特瓶上沖熱水，主要因寶特瓶內溫度上升導致氣體體積變大，將冷水向瓶外推擠，因此會看到水從底部的洞口噴出去(吳仲卿，2017)。

在課程最後，讓學生操作「尿尿小童」並觀察整個過程寶特瓶會冒泡、吸水又噴水的過程，實驗完再思考造成的原因，並利用畫出微觀的變化去解釋看到的現象。結果8位同學中，有6位同學仍然可以使用粒子模型去進行解釋，確實相符合。

圖11學生使用粒子模型解釋「尿尿小童」的原理

三、學生可以不透過老師直接評價而自己逐步修正模型

整個課程中，因此課堂中都沒有直接對學生的模型進行正確或錯誤的評價，只有提醒「你們提出的概念是不是都畫進去了呢」，並在中間給予文本及PhET作為跳躍的鷹架，然後再次回到個人建模。藉由課堂中發現學生真的能夠比較自己模型和鷹架之間差異，進行自我模型評鑑，逐步修正自己的模型。此部分與Clememt(2008)所提出「學生的每一個正確或不完全正確的想法都被重視，老師需要設計討論活動，提供溫和或更強的鷹架促進學生建構，引發學生對模型一部分進行修正或補充」互相符合。

而課堂中小組繪圖討論讓學生能將想法視覺化在彼此之間，組間分享的安排也讓學生的模型能夠呈現在螢幕上，提供視覺和口頭的交流，同時也發現學生真的能藉由比較自己模型和他人模型之間差異，再次的修正自己的模型。此部分也與Clememt(2008)所提出「教師須幫助學生相互交流，讓學生在小組中提供視覺上即口頭上的交流，將學生描述的內容畫在黑板上，或讓學生畫出自己的模型，使學生的推理可以進行」互相符合。

n 結論與教學省思

本研究發現設計建模教學的課程前需先對「模型」及「建模歷程」有所了解，已能正確選擇想要學生建立的模型。在實施建模課程時，教師需能觀察學生建粒的模型，並思考「此模型涵蓋什麼概念」及「此模型缺乏什麼概念」，而給予幫助學生的活動安排或鷹架，讓學生能藉由活動及鷹架自我修正模型。而課程實施完後，分析以下幾點自我省思：

一、在熱脹冷縮時會產生「粒子本身變大變小」的誤解

粒子建模的文獻很多，因此設計的文本以為能盡量解決學生在建立粒子模型時可能會遇到的另有概念，但在學生討論時才發現學生會有「因粒子本身會膨脹縮小，所以整體體積才會變大變小」的觀點，而此為設計課程時未預期的會出現的想法。後來有同學彼此在觀察PhET後提出「因PhET中看到溫度改變時，氣體粒子也沒有變大變小，所以粒子本身不會改變大小」而自行解決疑惑。因此未來再次實施課程時，會將文本內容加入「粒子不會變大變小」相關訊息。

二、老師的角色為連結者

在MBI循環的教學鷹架中，作者發現「模型建立階段」及「調查研究階段」是學生建模或修正模型的時候，此過程需要連結巨觀現象和微觀現象，還需要連結不同的表徵，也需要連結自己的模型和他人的模型比較異同，對國小學生來說都是較為困難的。實施中查覺到若教師沒有適時使用問句引導學生思考，學生幾乎不會自行連結兩者不同的模型，因此認為教師在整堂課中的角色為「連結者」。

以下為課堂中使用的引導問句：

表2引導問句

問句目的

功能

引導問句

MBI建模階段

連結複雜概念和模型

學生評鑑自己的模型

你的模型和文本、PhET哪裡相同？哪裡不同呢？

你提出的粒子概念和你畫的粒子模型一致了嗎？

建立模型

調查研究

模型評鑑

連結不同人建立的模型

學生進行模型之間的比較

你的模型和其他人的模型哪裡相同、哪裡不同呢？

哪個同學建立的模型較適合用來解釋現象呢?

建立模型

調查研究
模型評鑑

連結巨觀和微觀

學生思考微觀與巨觀的關係

怎麼用粒子（微觀）解釋泡泡膨脹和縮小（巨觀）呢？

建立模型

調查研究

模型評鑑

n 參考資料

吳仲卿[實作與探索計畫彰化師大吳仲卿教授](2017，8月3日)。自製尿尿小童–第一集。Youtube。https://www.youtube.com/watch?v=0LesgBQoDAY

林靜雯、李宜諺（2024）。模型/建模本位探究的階段與循環：回顧與啟示。邱美虹主編。科學探究與實作之理念與實踐（頁75-99）。高等教育出版社。

謝秉桓，林啟華，曾茂仁，鐘建坪，邱美虹（2014）。九年級個案學生粒子概念之探討—以擴散作用為例。科學教育月刊，367，2-23。

Clement, J. J. (2008). Student/teacher co-construction of visualizable models in large group discussion. In J. Clement & M. A. Rea-Ramirez (Eds), Model based learning and instruction in science (pp. 11-22). Dordrecht.https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6494-4_1

Johnstone, A. H. (1991). Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem. Journal of Computer Assisted Learning, 7(2), 75–83.

Samarapungavan, A., Bryan, L., & Wills, J.(2017). Second graders’ emerging particle models of matter in the context of learning through model‐based inquiry. Journal of Research in Science Teaching, 54(8), 988-1023.https://doi.org/10.1002/tea.21394

致謝感謝國小自然領域中心於本文教學與為文期間提供寶貴的建議，敬致謝忱。

新課綱粒子觀點教學的挑戰：用多元表徵方式促進學生建構物質的粒子概念— 以國小三年級「空氣的特性」為例／陳淑苾、沈白玲

星期五 , 7, 6 月 2024 編輯助理本期專題留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：用多元表徵方式促進學生建構物質的粒子概念—

以國小三年級「空氣的特性」為例

陳淑苾^１、沈白玲^２

¹臺北市大安區龍安國小

²臺北市大安區新生國小
¹N6671＠mail.laes.tp.edu.tw

² blshen＠snes.tp.edu.tw

n 前言

物質的粒子性質是自然科學學習過程中許多科學概念理解的基礎，學生透過粒子概念的學習，可以將觀察到的物質現象，進行一致性的解釋。因此，培養學生以粒子概念進行思考是有其重要性的。12年國教課綱強調大概念的學習，將部分粒子概念內容，由原先的國中階段移至國小進行學習（教育部，2018）。但是，國中、小學生的認知能力和學習特性並不相同，如何將粒子概念轉換為小學生能理解的方式，並進行有意義的學習，是本教學設計所欲達成的目標。

n 文獻探討

12年國教課綱中強調在國小第二學習階段，中年級的學生要能經由觀察自然現象之間的關係，理解簡單的概念模型，並進而與其生活經驗相連結。國小第三學習階段高年級的學生要能經由提問、觀察及實驗等歷程，探索自然界現象之間的關係，建立簡單的概念模型，並理解到有不同模型的存在（教育部，2018）。然而，國內過往粒子概念的模型教學並未在國小階段強調，因此以國、高中學生為對象的粒子概念相關研究居多（謝秉桓等，2007；張淑華，2020）。國小學生學習粒子概念的論述較少，其中大多偏重於第三學習階段的高年級課程。

顧炳宏（2007）曾經以國小高年級學生為研究對象，設計粒子觀點的引導式探究教學活動。該研究指出藉由五個由具體到抽象的教學活動，確能讓學生感受粒子的微小特性，但其教學活動設計與12課綱強調的素養教學不太一致，所使用的學習材料，例如氯化氫、重鉻酸鉀及氨等化學藥品，在現今國小教學現場上並不容易取得，因此有實施上的困難。周正秋等（2019）則以美國中學的化學教材，設計成適合臺灣國小高年級學生動手做的實驗課程。讓學生透過觀察水滴凝聚等相關現象來察覺水的特性，並輔以影片及教師講述方式進行粒子概念的教學。國家教育研究院（2017）所研發的教材示例也以國小高年級為對象，讓學生透過「黏土分分分」來認識物質大小的描述、操作積木來認識微小粒子組成較大物質等粒子概念，並應用於理解中年級「空氣特性、水的三態變化、物質溶解」等已學過的現象。這些課程設計的內容豐富多元，但教材內容大多是以觀察活動直接類比物質的粒子性質，學生少有探索想像的空間，若直接轉換應用於第二學習階段中年級的課程，能否讓認知能力仍處於具體運思期的中年級小學生建立簡單的概念模型與粒子概念，進而循序漸進並順暢地與第三學習階段的高年級學習內容銜接，整體的教學策略與設計值得進一步的試探。

根據國內外的相關教學研究指出，教師進行模型教學時，可以先營造問題情境喚起學生的先備經驗，並適時提供資訊促使學生提出可能解答，以引導學生建立趨向專家的模型，並可經由多次反覆的練習，使學生能內化成為能力 ( Hanke, 2008
)。教學過程中要連結學生的學習經驗並診斷學習狀況，以協助學生進行推理與解釋，同時也須建立表徵，讓學生的想法可視化（Visualizion），使模型結構和應變項間有連結關係及修正的機會（王嘉瑜，2016）。表徵的方式可分為具體、語言、視覺、數學和動作等五種類型
( Boulter
& Buckley, 2000 )，多項研究更指出以多元表徵的方式進行教學，能減輕學生認知負荷，同時也能修正學生的迷思概念、有效促進概念的深層理解、增進學生的解釋能力，使學生對學習具有較正向的看法（林靜雯等，2005；鍾曉蘭，2015）。因此，本教學研究構思讓中年級的學生透過擬人化的肢體動作來演示、比較現象，口語表達或畫小人偶來陳述其肢體動作的意涵，進而圓點貼紙類比小人偶來解釋觀察的現象。亦即，藉由多元表徵策略來提升學生探索想像的空間，培養其思考、判斷、表達的能力，促進他們建立初步的粒子概念。這教學構思先在三上期末放假前，以「空氣的特性」單元一節課試探學生對粒子概念的學習情形，進行教案修訂，期待能延伸應用到接下來的「物質溶解」及「水的三態變化」等單元的教學設計。

n 教學活動設計

一、教材

教材以國小康軒版三上自然課本第三單元奇妙的空氣，作為教學設計的主要參考資料。教學目標為「學生能理解及解釋空氣可以被壓縮」。教學時以LoiLoNote為教學平臺，將教學內容串接成投影片，如圖1所示。三上階段以實體學習單讓學生書寫，三下則預定試著利用平台傳送與繳交功能，讓學生在平台上書寫與繳交學習單，提升師生、生生之間互動的機會。

圖1：空氣可以被壓縮的相關教材內容

二、教案

教案以一堂課40分鐘的教學進行設計。教師先提供氣球充氣前、後變化的教學情境，再邀請學生扮演空氣角色以模擬所觀察的現象。肢體創作後，學生將演出內容以小人偶記錄在學習單中以鞏固概念。然後老師根據先前做過的空氣壓縮實驗，並輔以填充煙霧的注射筒在壓縮時產生濃淡變化的實驗影片，並提問學生思考空氣在壓縮前後所產生的變化。課程內容可分為起、承、轉、合四階段，分述如下:

表1
教學活動與學生學習流程

教學流程

學習情境與內容

學習狀況與表現

起

情境鋪陳、關鍵提問：

1.教師鋪陳讓學生觀察未打氣的氣球逐漸灌入空氣時的變化。

2.教師提問：空氣看不見，想一想若利用童軍繩當氣球，到幼兒園小朋友前表演，你們會怎麼呈現情境中氣球充氣的前後變化，合理地表現出空氣的特性？

比較異同、發現問題：

學生從教師的演示中，比較氣球充氣前、後的體積變化，連結生活經驗說出充氣量的差異、空氣佔有空間。構思可能的表演方式，來呈現氣球充氣前、後的差異與空氣的特性。

承

演一演、畫一畫：

1.教師邀請2位學生專門拿著童軍繩當氣球，做出氣球未灌入空氣的形狀，接著再慢慢加空氣(其他學童)進去呈現氣球逐漸打氣的樣子。進行擬人化肢體動作的角色扮演，來模擬觀察到的現象。

2.教師邀請孩子邊演邊表達想法，並透過提問，引導學生觀察細節，邊演邊修，愈演愈合理。

3.
讓學生比較學習單的圖示，把角色扮演時的情境利用畫小人偶的多寡來呈現童軍繩圍住不同人數的分布情形。

觀察實作、畫圖記錄：

1.學生進行擬人化肢體動作的角色扮演，並在老師的提問中進行修正。

(1)教師：沒吹氣的氣球裡面有空氣？

學生增派1-2位同學進到童軍繩裡，模擬尚未灌氣的氣球。

(2)教師：當空氣的小朋友都進到氣球中，氣球卻沒有變大？

原聚集在中間的學生都去拉開繩子。

(3)教師：氣球變大時中間都沒有空氣?

部分學生回到繩子圈圈的中間，適時地修正分布情形。

2.學生利用畫小人偶個數模擬充氣前後的人數分布情形，記錄在學習單的虛線圈圈內。

轉

視覺化實驗、分析比較：

教師複習「壓縮針筒裡的空氣」實驗，並觀察空氣混入線香煙霧的實驗影片(NHK,
2018)，視覺化的實驗讓學生比較異同，想一想針筒裡的空氣發生什麼事？與氣球充氣前、後角色扮演進行聯想。

尋找線索、賦予關係：

1.學生透過擬人化的肢體動作來模擬氣球充氣前後的變化，已理解童軍繩圍住不同人數的平均分布之意義。

2.學生透過觀察空氣混入線香煙霧的實驗影片，看到煙霧疏密的變化，與舊經驗聯想，構思如何將看不見的等量空氣，呈現在不同體積的空間中。

合

想一想、貼一貼：

1. 教師引導學生思考氣球充氣前、後小人偶的分布情形，進而說說看壓縮前後注射筒裡的空氣分布情形，並利用圓點貼紙來貼貼看。

2. 分享不同學生作品，讓學生比較異同、發現問題，選出比較合理的表達方式。

想像類比、討論分享：

1. 學生從小人偶的平均分布與煙霧的濃淡變化，聯想壓縮前、後注射筒裡的空氣分布變化。將小人偶類比成圓點貼紙來填寫學習單。

2. 比較同學的作品，能提出觀點，修訂各自的答案，正確表達空氣具有可壓縮特性的原因。

n 結果與討論

一、學生概念學習成效

在「演一演、畫一畫」活動中，藉由老師診斷鷹架的引導提問下，學生會主動地將角色扮演所呈現的粒子模型不斷修正，以合理對應氣球充氣變大的情形，並畫出如圖2所示小人偶平均分布的模型。同時，學生也能將此階段所習得的粒子概念，遷移到後續「想一想、貼一貼」的學習活動中，全班25人中僅有一個學生將貼紙排列整齊，96％的學生都能正確的表現出粒子的平均散布特性，並以個人學習單的圖3來說明原先針筒內的空氣較鬆散，壓縮時會使空氣變得較為密集。因此，學生能透過本教學設計的擬人化肢體動作、視覺化的實驗觀察、類比畫圖記錄等多元表徵方式，建立空氣的粒子概念來表達想法，並解釋相關現象。研究結果與林靜雯、邱美虹（2005）和鍾曉蘭（2015）一致，也呼應Renner
(1982) 認為提供具體操作期學生第一手經驗學習，除了學習成效較良好外，也可促進較佳的認知發展。

圖2：「演一演、畫一畫」的作答示例圖3：「想一想、貼一貼」的作答示例

二、學生學習興趣

以本教學設計進行教學時，學生很喜歡「演一演、畫一畫」的角色扮演（圖4）及「想一想、貼一貼」的貼紙活動（圖5），都能認真投入相關的學習活動。最後，學生還主動提出讓他們演出氣球洩氣的樣子，試圖呈現空氣粒子是活動著的。此教學活動是學生容易理解且喜愛的表徵方式，學生在老師引導之下，主動參與、逐步建構知識。因此，除了減輕學生的認知負荷外，也讓學生具有強烈的學習動機，願意投入學習活動的正向態度。

圖4：「演一演、畫一畫」的作答示例

圖5：「想一想、貼一貼」的作答示例

三、教師教學活動

本教學活動是以學生學習為中心來設計，在教學層次上先是學生觀察、實驗操作並歸納出物質特性後的巨觀層次學習，再導入微觀層次的粒子概念教學。在教學設計上有幾點原則：

1. 營造情境時，使用學生所熟悉的學習內容、生活現象或實際經驗，減少認知負擔，使學生專注於現象的思考與解釋。

2. 為符合學生心智發展，優先導入具體、動作與視覺化的表徵學習方式，並輔以語言表達的語言表徵，以減輕學生學習負荷。

3. 選擇適合學生學習的材料，以利學生參與學習時，能以適當的表徵發表、演示自己的想法與解釋。

4. 學習過程中，教師須不斷針對學生的表徵與真實現象提問，引導學生注意物質特性並比較異同以進行修正，幫助學生在過程中逐步建構正確的粒子概念。

本次表徵的運用考量學生發展，在角色扮演的動作表徵後，並沒有直接進入抽象的圓點符號表徵，而是先提供以小人偶標記表徵類比鷹架，除了再次鞏固學生的科學概念外，也提供學生在肢體動作表徵與抽象圓點符號表徵間的中介轉換。此外，教師選用以線香煙霧濃、淡的可視化影片，表現出空氣被壓縮時現象的視覺表徵，再加上學生先前壓縮注射筒空氣經驗的具體表徵，引導學生思考空氣被壓縮時所發生的改變。結果發現學生在老師循序漸進的教學設計引導，確實能順利的將具體角色扮演經驗遷移成抽象的粒子概念，並能提出相關的科學解釋。

n 結語

本研究是基於粒子模型大概念的課程設計，結果顯示經由多元表徵教學學習活動，除了能提升學生的學習興趣，也確實有助於學生粒子模型概念的建立。基於本次教學經驗，教師也構思進行「水的三態」教學時融入粒子性質的教學。教學設計仍考量三年級學生學習特質，仍是以多元表徵教學，透過「角色扮演的動作表徵→組合積木表徵粒子概念→以顯微鏡或影片進行粒子觀察→學生以寫作表徵粒子性質」循序建構。希望透過學習的累積，培養學生的科學思考和表達能力，同時也讓學生在更廣泛的框架中感受到自然的機制，進行「確實理解」和「深度學習」。

n 參考文獻

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國家教育研究院（2018）。106年自然科學領域教材及教學模組研發模式與示例研發計畫研發成果報告（二）國小高年級組課程設計「微乎其微教學模組」。取自 https://stv.naer.edu.tw/data/teach_module/114498758.pdf

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顧炳宏（2007）。粒子觀點之引導探究式教學活動設計。物理教育學刊，8(1),
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NHK
(2018)。ふしぎエンドレス
理科4年:第13回「とじこめられた空気」。NHK
for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/bangumi/?das_id=D0005110412_00000　　

此為完整教學影片，剪輯片段的實驗影片請參閱附註。

n 附註

教學使用之NHK影片，有興趣讀者可參閱以下剪輯片段的實驗影片：

空気をおしちぢめる実験（けむり）（壓縮空氣的實驗〜線香煙霧）。NHK
for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005300514_00000&p=box

影片內容摘要：

利用周遭熟悉的器材來觀察看看空氣被壓縮的情形。將點燃線香的煙霧加到注射筒內並套上活塞密閉，仔細觀察注射筒內的煙霧濃淡變化。當壓縮注射筒活塞時，裡面的空氣被壓縮範圍變小，煙霧變濃。而拉回活塞時，裡面的空氣存在範圍變大，煙霧變淡。從這煙霧的濃淡變化連想看看，注射筒裡的空氣分布有什麼變化？

n 謝誌

感謝臺北市國民教育輔導團國小自然輔導小組林如章教授提供日文影片與內文修正的寶貴相關建議，在此致上深摯謝忱。

新課綱粒子觀點教學的挑戰：促進學童對『燃燒與空氣』單元學習成效之教學活動設計／楊世昌

星期三 , 5, 6 月 2024 編輯助理第五十六期/2024年6月留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：

促進學童對『燃燒與空氣』單元學習成效之教學活動設計

楊世昌

臺北市中山區長春國小

臺北市自然科輔導團
[email protected]

前言

十二年國民基本教育課程綱要－自然科學領域將原安排在第四階段的「物質由粒子組成」的微觀概念，調整到第三階段，此一調整有助於國小和國中階段的課程銜接，但如何在課堂上建立學童的粒子概念，是教師的一項新挑戰。

國小課程中有關粒子概念單元並不少見，如空氣、風、溶解和水溶液等，筆者112 學年度使用康軒版國小自然科學第五冊，「空氣的組成與反應」單元探討燃燒和鐵生鏽，根據教學經驗，學生普遍認為「蠟燭熄滅是由於氧氣耗盡」，此次教學活動設計以此概念衝突為核心，透過現象觀察、動手操作及影片，引導學生以粒子模型探討燃燒過程中的空氣成分變化，並進一步應用於解釋鐵生鏽過程中的氣體成分變化。

粒子概念教學的相關文獻

科學家進行研究時，除巨觀現象觀察，也以微觀角度解釋實驗數據，以及透過分子式、方程式等抽象符號，紀錄及表達研究結果。根據謝秉桓等（2014）的研究彙整，指出Johnstone (1991)認為化學概念的學習可分為巨觀（可觀察現象）次微觀（如原子、分子）和符號（如符號、化學式）等三個層次。並且多個研究指出，理想的教學策略應適當地發展此三種概念層級，在各概念層級間建立連結，並協助學生的學習歷程，能在三種概念層級的表達方式間進行轉換（謝秉桓等，2014）。

根據皮亞傑認知發展理論，學童的認知發展分為感覺動作（0〜2歲）前運思（2〜7 歲））具體運思（7〜11 歲）及形式運思（11〜18 歲）等四個認知發展階段。日本學者野ヶ山康弘等（2017）認為，為了幫助學生逐漸能以抽象思考方式理解科學概念，進行教學時應配合學生的認知發展，設計適合的教學活動，如同表1科學概念的邏輯發展階段與學習歷程所示，不同層次的粒子概念藉由不同階段的學習歷程，從真實體驗、形式具體化逐漸發展到抽象概念化的模式，來學習與解釋科學現象。

表 1：科學概念的邏輯發展階段與學習歷程（修改自「Study on Systematic Curriculum of Particle Concept」，野ヶ山康弘，谷口和成，2017）

發展階段		具體運思考期（三〜五年級）	銜接期（六〜七年級）	形式運思期（八〜九年級）	形式運思期（十〜十二年級）
概念層次	模型	具體運思考期（三〜五年級）	銜接期（六〜七年級）	形式運思期（八〜九年級）	形式運思期（十〜十二年級）
微觀巨觀				能賦予形式化模型屬性，並用來解釋科學現象。	能使用專有符號、文字或數學方程式等抽象模型來解釋科學現象。
			使用形式化模型來解釋科學現象。
		能賦予模型（含圖片、擬人化肢體動作或積木）屬性，並用來解釋科學現象。
		能使用模型（含圖片、擬人化肢體動作或積木）來解釋科學現象。

國小三到五年級階段屬於具體運思期，此一階段學生較適合以具體的事物或擬人化的肢體動作，來理解科學現象。例如，由國家教育研究院（2018）所研發的教學模組中，以黏土和積木類比為物質粒子，從微觀角度理解水的三態性質，並以不同顏色的乒乓球類比為不同分子，用以解釋氣態及液態的擴散現象。本期文章以第二學習階段「空氣與水的性質」單元進行教學設計，透過比較打氣多寡的大小氣球體積，利用童軍繩圍住不同人數的擬人化肢體動作來扮演；比較注射針筒中的空氣、水的可壓縮與否，並觀察注射針筒中線香煙霧的疏密變化，將圓形貼紙類比成角色扮演的人數來成呈現疏密；及操作組合積木來類比寶特瓶中冰塊、水的狀態等多元表徵模式，協助學生瞭解水及空氣的性質（陳淑苾、沈白玲，2024）。

六、七年級學生剛進入形式運思期，可用具體化的圖示等模型進行學習，將氣體分子以不同形狀的圖形來表達。例如，周正秋等（2019）嘗試將美國中學化學教材中的分子單元，融入在國小高年級「熱對物質的影響」單元教學中，透過實際觀察水珠分開和結合現象，建構『水由微小的水分子組成』的概念，並利用電腦模擬動畫，讓學生知道水分子具有不斷運動的特性。沈昱穎（2021）以冰晶及3D 列印水分子的形式化模型，幫助國小六年級學生理解水分子距離、自由度與三態變化的關係。謝秉桓等（2014）以不同顏色的圓點代表水和顏料分子，讓學生以繪圖方式表達擴散過程，藉以探討國中學生的粒子概念。進入形式運算期的高中生，已具備利用化學符號或數學方程式等抽象模型來理解科學現象的能力。然而，粒子具有不斷運動的特性僅以電腦模擬動畫的模式來學習，國小學童可能不易聯想，僅能強記知識，並未真正理解正確的科學概念。再者，由已知的水分子模型讓尚未學習化學式、分子結構式的國小學童觀看，可能會產生「為什麼水會是長這樣子？」的疑問。這些抽象概念如何藉助適當的情境鋪陳、角色扮演、類比聯想、煙霧或牛奶膠體溶液的布朗運動觀察活動等多元表徵模式，來有效地促進學童粒子概念的學習，值得進一步的探討（林啟祥，2016）。

粒子概念對學生的科學學習扮演關鍵的角色，調整至國小階段實施，可讓學童不僅只是觀察外觀改變、數量增減等巨觀現象，亦能以微觀角度理解、建立正確概念，更為下一階段的抽象符號學習奠定基礎。此外，以模型表達粒子概念，除可用以解釋、理解科學現象外，王嘉瑜（2016）指出，粒子概念的模型可進一步作為探究工具。本教學活動中，以氣體圓點圖示的形式化模型，探討燃燒過程中的氣體成分變化。

教學活動設計的構思

本教學活動對象是臺北市某國小五年級學生，學生人數 25 人，使用的教科書是康軒版國小自然科學領域第五冊，在第三單元「空氣的組成與反應」的課程中，包括3個教學活動，分別是活動1：空氣與燃燒有什麼關係，活動2：燃燒的條件與如何滅火，活動3：為何會生鏽與如何防鏽。

本教學參考課本活動「1-1 燃燒需要空氣」及「1-2 氧氣與燃燒的關係」，活動設計聚焦於燃燒需要空氣、空氣中的氧氣可以幫助燃燒、以粒子觀點探討燃燒前後的空氣成分變化等，共5節課。並於單元活動3結束後，進行粒子概念的模型應用，「以形式化模型解釋鐵生鏽現象」的延伸活動1節課。此外，從「燃燒前後的空氣成分變化」活動，學童所產生的新疑問中，可以再探討「燭火熄滅究竟是氧氣不足還是二氧化碳太多」的延伸活動，目前該節課尚未實施，僅提供參考。

輔助教材的影片_燃燒前後氣體的成分變化

空氣是一種混合物，由多種不同氣體組成，氮氣和氧氣為主要成分，所占比分別為 78.1％和 20.9％。燃燒是一種氧化反應，會消耗氧氣而產生二氧化碳。李柏翰等人（2017）及歷屆科展的多件作品也利用氣體感測器觀測蠟燭燃燒過程的氣體成分變化，發現蠟燭熄滅後氧氣濃度並未降至 0％，而二氧化氮濃度則會上升至約 4％。這類實驗不易在國小的自然教室操作，選擇以NHK理科教學影片(2018)的部分片段作為實驗觀察活動。讓學生先從教師的演示實驗中，比較異同、發現問題，提出蠟燭燃燒前後的氣體成分改變了，並預測氣體成分比例的可能變化結果。再進入影片的實驗觀察活動，讓學生跟著東京筑波大學附小的學生透過氣體檢測器，量測出蠟燭燃燒前後，氮氣、氧氣和二氧化碳三種氣體的比例變化。蠟燭熄滅後，氧氣濃度由 21％降低至 17％，而二氧化碳濃度則由不到 0.04％上升至約 4％。進一步引導讓學生產生新疑問，蠟燭熄滅究竟是氧氣濃度不足，或是二氧化碳濃度過高所致，這問題超出國內課綱內容，但可作為延伸活動，讓學生想一想，如何設計實驗來驗證假設。接著才觀看影片的後半段，將蠟燭放入不同比例的混合氣體中，透過實測驗證假設、反思並提出結論，氧氣濃度不足是蠟燭無法燃燒的主要原因。

教學流程

教學時間：200 分鐘

1.燃燒需要空氣

(80分鐘)

2.氧氣性質與製備

(40分鐘)

3.燃燒過程的粒子觀點

(80分鐘)

4.延伸學

習活動

(鐵生鏽)

燃燒需要空氣

教學流程分為四個部分，簡述如下表，編號1為教師教學活動，2為學生學習活動，後續兩個教學活動亦以相同格式撰寫。

觀察實作

1.教師利用孔洞不同的杯子，引導學生依據前面操作結果提出預測，並操作實驗、驗證假設。

2.學生以平板寫下預測︰孔洞不同的杯子對燃燒的影響，觀察蠟燭燃燒情形，比較兩個杯子的結果。

導入活動

1.教師展示烤肉架、金紙桶圖片，引導學生思考孔洞功能。說明廣口瓶蓋住燃燒的蠟燭的操作注意事項。

2.學生依據燭火蓋住後熄滅，及連結生活經驗，思考燃燒過程與空氣關係。

統整與反思

1.教師回饋學生的分享，並以線香煙霧在杯內移動的實驗觀察，驗證學生的想法與結論。並引導學生發現新疑問。

2.學生能寫出︰燃燒需要空氣的結論及心得，並產生新疑問：空氣中哪一成分與燃燒有關。

討論推理

1.教師引導學生根據實驗結果，分組討論為何只有一個杯子的燭火會繼續燃燒，建立燃燒需要空氣概念。

2.學生從實驗結果進行推理，也從各組的分享中發現新的想法、修正原有觀念。

透過導入活動的實驗操作，學生能說出以廣口瓶蓋住後，蠟燭因缺少空氣而熄滅。接著觀察實作中，比較孔洞不同的A、B杯子蠟燭燃燒差異，24 位學生中有22 位預測將 A 和 B 蓋住蠟燭，都可以繼續燃燒。但結果只有 B 可讓蠟燭保持燃燒，學生對結果感到意外，該時段主要活動、學習歷程與學生的作答情形示例如圖1所示。

進一步分析各組討論的內容發現，學生具有「有孔就可以讓空氣進入」的迷思概念，這可能與五年級尚未學習「熱對流」概念有關。在解釋為何只有 B 杯的蠟燭會保持燃燒，部分學生根據「煙往上飄」的生活經驗，下面也需要孔洞，才能讓新鮮空氣進入杯子，使蠟燭保持燃燒，此時老師適時將線香靠近B杯底部洞口，讓學生觀察到線香煙霧會由底部進入杯中往上飄，驗證學生的想法，燃燒需要新鮮的空氣進入杯子。進而引導學生從已知的空氣成分比例產生新疑問，銜接下一節課的探討主題。


實驗使用的塑膠杯，A 底部有孔，B 則是底部和杯口側邊都有孔。	學生利用平板預測蠟燭燃燒情形

某位學生蓋住後蠟燭燃燒的預測	學生針對蠟燭熄滅說明空氣與燃燒關係

圖1：第1、2節課主要活動、學習歷程與學生的作答情形示例

氧氣性質與製備

觀察實作

1.提問︰還有其他檢測氧、二氧化碳的方法嗎？依課本製備氣體及進行檢測性質。

2.操作實驗︰於編號A~D廣口瓶中通入空氣、空氣、氧、二氧化碳，觀察B及C瓶燭火燃燒情形，及比較各瓶加入澄清石灰水變化。

導入活動

1.教師依前一節課的新疑問及課本介紹的空氣組成氣體比例，引導學生預測。

2.學生依生活經驗，提出預測。觀察示範實驗影片1(參考附錄)，確認蠟燭無法在氮氣、二氧化碳中燃燒，但可在氧氣中持續燃燒一段時間。

統整與反思

1.教師統整學生討論內容，根據實驗結果寫出氧氣及二氧化碳的性質及檢驗方式，及燃燒前、後的氣體成分變化。

2.學生寫出實驗的結論︰氧氣能幫助燃燒，二氧化碳能使澄清石灰水變混濁，燃燒的過程會消耗氧氣、產生二氧化碳。

討論推理

1.教師引導學生依據B、C瓶燃燒差異，及各瓶澄清石灰水變化，討論燃燒前後的氣體成分可能變化。

2.學生分享實驗結果、修訂想法。發現蠟燭在空氣、氧氣中燃燒，燃燒後澄清石灰水變混濁現象，含有大量二氧化碳。

透過第二部分的學習活動，學生建立了『氧氣具有助燃性』及『燃燒會產生二氧化碳』概念，為後續的粒子概念學習奠定基礎。

以粒子觀點探討燃燒前後空氣成分的變化

觀察實作

1.教師引導學生前面課程的學習經驗，思考第二次燭火立即熄滅原因，並以行動載具寫下想法。

2. 學生利用形式化模型表徵氣體，描述各自看法，說明燃燒前、後氣體成分的變化情形。

導入活動

1.演示實驗︰燃燒蠟燭放入廣口瓶中蓋住瓶口，熄滅後取出再點燃，放入同一瓶中，引導學生比較差異，並說出想法。

2.學生依經驗說出瓶內氧氣耗盡，產生二氧化碳等氣體的變化情形。

統整與反思

1.教師透過概念衝突，統整學生想法，以粒子觀點解釋蠟燭熄滅原因並非因瓶內已無氧氣。

2.引導學生思考，發現新疑問︰蠟燭熄滅主要原因為氧氣減少，或是因二氧化碳增加。

討論推理

1.教師透過影片驗證想法：播放 NHK示範實驗影片2，觀看有關蠟燭燃燒前、後氣體濃度變化的檢測結果。

2.學生根據影片『氧氣減少、二氧化碳增加』數據，反思並修訂原有想法。

在前一個學習活動中，學生已建立了『氧氣有助燃性』的概念，也知道澄清石灰水可用以檢測二氧化碳，燃燒後的氣體會讓澄清石灰水變混濁。但分析學生想法，24 學生中，23 位認為蠟燭熄滅是因氧氣消耗完了，1 位認為因二氧化碳增加造成蠟燭熄滅。進一步分析學生的氣體粒子的形式化模型，大部分學生以二氧化碳取代氧氣粒子，來說明燃燒前後的空氣成分變化。

在NHK 的影片中，透過檢測，蠟燭熄滅後氧氣濃度由約 21％降至 17％，二氧化碳濃度則是提高至 4％，看到這個結果，學生十分驚訝，原來氧氣並未全部消耗。

在學生的回答中，值得注意的，是大部分學生認為消耗的氧氣會轉變成二氧化碳，已經初步具備化學反應的概念，但有 5 位學生認為氮氣也會轉變成為二氧化碳。

蠟燭燃燒實驗操作並不困難，且很快就看到結果，不容易吸引學生興趣，透過概念衝突，可引起學生興趣，促使學生以形式化的模型，嘗試以粒子觀點解釋燃燒前後的氣體成分變化，不僅學習更深入，燃燒的概念也更容易轉為長期記憶。該時段主要活動、學習歷程與學生的作答情形示例如圖2所示。


學生解釋蠟燭兩次熄滅時間不同的原因	利用粒子模型表達燃燒前後氣體成分變化情形

以粒子模型模擬空氣中三種氣體	學生認為燃燒後氧氣會轉變為二氧化碳

以粒子模型說明生鏽過程中氣體濃度變化	學生針對生鏽造成水位上升提出解釋

圖2：第四、五節課主要活動、學習歷程與學生的作答情形示例

延伸學習活動
以形式化模型解釋鐵生鏽現象

本單元的另一活動為『鐵生鏽』，在『鐵生鏽是否消耗氧氣』的活動中，將鋼絲絨球放入廣口瓶底部，倒置放入水盤，觀察鐵生鏽過程的水位上升，並以點燃線香放入廣口瓶內，測試氧氣濃度。完成操作後，學生以粒子模型和文字解釋實驗發現，分析學生回答情形，學生能具體答出氧氣減少。

進一步探討蠟燭熄滅原因

此部分並不屬於現行課綱內容，但可利用期末考試結束後的延伸活動，或是做為科展探究主題。在前面活動中，學生已知燃燒會使氧氣濃度小幅降低，二氧化碳濃度大幅增加，可進一步引導學生提出新疑問，探討究竟是哪一個氣體的濃度變化造成蠟燭熄滅。因氣體取得問題，建議以觀看 NHK 的示範實驗影片3進行教學活動，看影片前讓學生先預測，再由學生提出實驗設計，接著觀看影片，驗證想法的正確性。

教學省思
強化探究活動，建構科學概念

本單元活動有許多的動手操作活動，學生的參與度高，觀察學生上課的情形，絕大多數學生都能專注在學習上。燃燒的巨觀現象並不難理解，但要能夠深入探討並不容易，受限於教學時間，課本原來設計並不容易讓學生深入理解燃燒需要空氣的相關概念，此次雖然有增加實驗活動，但初步操作時，並未透過線香煙霧讓學生觀察空氣在杯子中的流動情形，部分學生因而產生了迷思概念，修正教學設計後讓課程更趨完整。

關於空氣中氣體成分的比例，現行課程是以查資料方式獲得。燃燒前後的氣體成分變化之實驗，NHK 的影片中有使用氣體偵測器，目前臺灣尚未有相關的實驗儀器，根據影像，上述器材似乎不複雜，若有廠商願意開發，或價錢合適，可引進臺灣，讓學生實驗操作，測量氣體的濃度，更能提高學習興趣及成效。

善用粒子模型，提升學習成效

完整的探究活動應能在獲得實驗結果後，還要能提出合理的說明解釋，除了巨觀現象的觀察，教學過程中也應提供微觀的討論，讓學生更能理解科學概念。本次嘗試讓學生透過空氣的粒子模型，解釋蠟燭燃燒和鐵生鏽過程中的氣體成分變化。燃燒和鐵生鏽都是氧化反應，在國小階段，學生的主要學習在於了解空氣中主要成分的性質，以及氧氣具有助燃性，在第四、五學習階段，將會進一以符號及化學反應式學習，如能在國小階段建立粒子的微觀概念，相信將有助於後續的抽象模型學習。

善用行動載具，提高學生參與

近年來，教育部及臺北市教育局積極提供專案經費，以支援各校購置行動裝置及相關軟體，使學童對 3C 產品不僅熟悉，更具有強大的吸引力。若能善用這些科技工具於學習上，將更能發揮科技產品的價值。

使用行動載具有以下三點優勢。首先，部分學童可能不善於口頭表達，然而當使用行動載具時，他們更敢於將自己的想法表達出來。其次，教師能夠即時掌握每位學生的學習進度。此外，透過應用程式的分享功能，學生能清晰地看到其他同學的觀點，有助於進行更深入的討論。

參考文獻

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ふしぎエンドレス理科6年 NHK for School (2018)。第2回「火が消えるのは？」。檢索日期：2023年12月25日。取自 https://www2.nhk.or.jp/school/watch/bangumi/?das_id=D0005110442_00000

此為10分鐘完整教學影片，各剪輯片段的實驗影片請參閱附錄。

謝誌

在此感謝臺北市國民教育輔導團國小自然輔導小組林如章教授提供日文參考文獻與內文修正之寶貴建議，在此致上深摯謝忱。

附錄

教學使用之NHK影片，有興趣讀者可參閱以下的各剪輯片段的實驗影片：

實驗影片1.

燃えるのに必要な気体は。NHK for school。檢索日期：2023年12月25日。https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005300028_00000&p=box

影片內容說明：

空氣由氮氣、氧氣和二氧化碳組成。燃燒時需要三種氣體中的哪一種呢？讓我們來實驗看看。將3種氣體分別填充至廣口瓶中並加蓋。由左而右依序為：氮氣、氧氣和二氧化碳。將點燃的竹筷分別放入瓶中，只有在裝氧氣的瓶中持續燃燒，而在氮氣和二氧化碳的瓶中立即熄滅。

實驗影片2.

燃えたあとの空気を気体検知管で調べると…。NHK for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005301945_00000&p=box

影片內容說明：

為什麼將燭火再次放入蠟燭燃燒過後的瓶中會立刻熄滅呢？和先前的實驗比較，在只含有氧氣的瓶子會劇烈燃燒，那立即熄滅是因為氧氣耗盡了嗎？另在只有二氧化碳的瓶中會熄滅，那立即熄滅是因為二氧化碳增加嗎？為了驗證假設，讓我們使用「氣體檢測管」進行實驗。燃燒前，氧氣比例約21%，二氧化碳則不到0.1%。那燃燒後會發生什麼變化呢？如果第二次燭火熄滅是氧氣消耗，或是二氧化碳增加，那麼會發生什麼事？當我們測量燃燒後瓶子內的氧氣時，氧氣比例是17%，二氧化碳是4%，和燃燒前相比，氧氣減少約4%，二氧化碳增加約4%。從這個實驗的結果，我們可以做什麼推論呢？

實驗影片3-1.

酸素２１％　二酸化炭素４％に火を入れると…。NHK for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005301949_00000&p=box

影片內容說明：

為什麼將燭火再次放入蠟燭燃燒過後的瓶中會立刻熄滅呢？跟氧氣還是二氧化碳有關？假設主要是因氧氣的量減少，為了驗證假設，將點燃的蠟燭放入含有 83% 氮氣、17% 氧氣和 0% 二氧化碳的廣口瓶內。利用排水集氣法在廣口瓶分別填充氧氣至17%的紅線，接下來，加入 83% 的氮氣。將燃燒的蠟燭放入會有什麼變化呢？與燃燒前相比較，氧氣含量下降至17%。如果燭火熄滅與氧氣減少有關，那麼燭火會熄滅嗎？如果燭火熄滅與二氧化碳的增加有關，那麼燭火會發生什麼事呢？實驗結果是燭火熄滅了，由實驗的結果，我們可以如何推論呢?

實驗影片3-2.

酸素１７％　二酸化炭素０％に火を入れると…。NHK for school。檢索日期：2023年12月25日。取自https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005301948_00000&p=box

為什麼將燭火再次放入蠟燭燃燒過後的瓶中會立刻熄滅呢？跟氧氣還是二氧化碳有關？假設主要是因為二氧化碳的量增加，為了驗證假設，將點燃的蠟燭放入含有75% 氮氣、21% 氧氣和 4% 二氧化碳的氣體的實驗。的廣口瓶內。利用排水集氣法在廣口瓶分別填充氧氣至21%的紅線。接下來，依序加入 4% 的二氧化碳、75% 氮氣。將燃燒的蠟燭放入會有什麼變化呢？與燃燒前相比較，氧氣含量維持21%不變。如果燭火熄滅與氧氣減少有關，那麼燭火會發生什麼事呢？二氧化碳增加至4%，如果燭火熄滅與二氧化碳的增加有關，那麼燭火會發生什麼事呢？實驗結果是燭火繼續燃燒，由實驗的結果，我們可以如何推論呢?

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新課綱粒子觀點教學的挑戰：國小自然科物質粒子觀點建模課程設計與教學／王秋雯

星期二 , 4, 6 月 2024 編輯助理未分類留言功能已關閉

新課綱粒子觀點教學的挑戰：國小自然科物質粒子觀點建模課程設計與教學

王秋雯^{1, 2, 3}

¹桃園市永順國小

²桃園市國小自然領域輔導團

³國立台北教育大學自然科學教育學系博士生
[email protected]

108課綱的新考驗

物質粒子「模型」(Particle Model of Matter, PMM)是科學的核心概念(core idea)最核心的模型之一(Merritt & Krajcik,2013)，因此108課綱將此納為此次課程改革的新變革之一。對科學教育而言，建模是學生面對未來挑戰需要的能力，模型（Model）及建模（Modeling）是科學發展的重要元素（Gilbert & Justi, 2016；邱美虹，2008），物質粒子模型對學生是個挑戰，而對國小自然教師更是嚴峻的考驗，建模為本探究教學(Modeling based learning,MBI)進行物質粒子模型教學設計(邱美虹2024)，教師跳脫以往的教學思維，在符合學生生活經驗及思考邏輯中嘗試融入原有六年級「熱」與「天氣」單元教材脈絡，藉由繪圖及文字表徵方式蒐集學生之粒子模型，觀察學生逐步建立粒子觀點模型之建模歷程，從而幫助學生接近科學家的粒子模型。

課程模組設計理念

以下說明本課程模組之設計理念：

學習環教學符應學生思維邏輯

　　撰寫本文時六年級尚為九年一貫課綱之舊教材，其上學期自然科教學由天氣單元開始談到熱的單元，原有課程已提供了大量巨觀現象及實驗，這兩單元適合引導學生以能量與微觀物質粒子觀點思考進行探究與解釋。針對水的不同形態在自然界呈現的各種現象～雲、雨、霧、露、霜、雪引導學生以粒子觀點思考成因，並以投入、探討、解釋、精緻化及評量五個階段進行教學(顏弘志&段曉林，2006) ，順應學生思維邏輯，自然教師無須因此增加備課負荷。

建模為本探究逐步建立粒子模型

　　物質粒子模型對學生而言本就相當複雜，教材常以圖片示意，加上教師講述教學，學生對其一知半解，遑論了解模型限制及應用，建模為本教學讓教師能夠據此搭建教學鷹架，較其他探究更為適合協助學生建立物質粒子模型，為不同程度的學生撐起足夠學習空間。

體驗濃縮科學發展史

教學中常覺得學生接受物質粒子觀理所當然的，真實科學教室中往往發現學生在教學過程中常持有另有模型（Merritt & Krajcik, 2013），為提供學生學習鷹架，教師由學生原有的天真科學觀點開始～連續觀，亦即物質粒子觀點的初始模型~描述型粒子觀，學習目標貼合科學家對物質世界的觀點，進化為混合型粒子觀、科學基本型、類科學型，進而希望未來達到物質粒子觀點的最終模型~科學完整型粒子觀，逐漸建立模型中的各種學習概念，或許仍有其迷思，透過不斷練習，從建立假說開始，經歷實驗驗證到學說定義的歷程，感受科學家當初建立物質粒子模型的氛圍。

物質粒子觀點建模為本歷程設計探究活動架構

　　學習應從學生生活情境出發，藉由建模為本的課程鷹架協助建構學生物質粒子模型，讓學生逐步由初始模型（巨觀的連續觀）累積建立成完整的物質粒子模型，各種概念逐漸加入時，模型也逐漸清晰～「物質是由微小粒子組成」、「粒子不會變大變小」、「粒子間有真空距離」……等，發展出目標模型～微觀的粒子觀點，表1是根據此脈絡鋪陳教學內容及呈現學生在20節課過程中所展現之建模教學序列，並接續該段落之教學反思與建議。

表1 粒子概念建模課程設計內容階段

階段	節	活動內容
第一階段建模歷程~定題及模型建立
現象觀察～颱風的成因～粒子觀點初始模型~描述型粒子觀	2節	【教學鋪陳~投入】九月開學颱風連連，在外面狂風暴雨卻沒有颱風假的課堂，學生哀鴻遍野，學生思考海葵颱風到底該不該放颱風假，由放颱風假的數據，談到颱風成因，再藉由低氣壓為何產生上升氣流引發學生思考。驅動問題：從歷次颱風發生地想想看，為何颱風發生的地點都靠近赤道？溫度高？赤道，水多？海洋，為何水會從海面到天空，再從天空降下雨來？「熱」到底在看不見的地方發生了什麼事? 【課堂表現】藉由「科學筆記」收集學生關於粒子的初始模型(描述型粒子觀)，此時學生科學筆記的繪圖表徵關於水的粒子概念初始模型多是連續、線性的，沒有粒子特質，普遍認為物質被切成較小的單位時具有相同的特質。找出天氣與熱相關的證據，多數學生藉由教師驅動問題提問後，可以得到「雲」產生是因為「溫度（熱能）」及「水」，並順此思考脈絡設計出「自製雲霧實驗」。圖1 學生粒子觀念初始模型~描述型粒子觀，常畫出連續線條
自製雲霧露霜雪實驗~ 粒子觀點模型概念收集_ 描述型	2節	【教學鋪陳~探討】加入概念「物質是由微小粒子組成」，並強調概念「粒子不會變大變小」，在自製雲霧實驗（康軒版教科書六上第一單元）結束後以PhET模擬水的三態變化，此時教師可明確的跟學生討論粒子的表徵方式（以同樣的圓圈或點表示粒子），經由教師提問讓學生可以自行補充粒子模型不足之處（一樣大小的圈圈可以代表一樣的水粒子嗎？水粒子的數量在不同型態有差異嗎？），學生的粒子模型此時大多是混合型的（同時使用粒子觀跟描述性的觀念解釋和描述現象，圖2。【課堂表現】學生利用「自製雲霧實驗」觀察，特別針對雲到底是小水滴與水蒸氣產生討論，再次澄清水蒸氣與小水滴巨觀現象的不同。在鋼杯中放入冰水後，鋼杯外形成露水，接著加入冰塊鹽巴，鋼杯外產生的霜，思考同樣是水，水、水蒸氣跟冰相異之處（因為溫度不同造成形態不同），溫度造成水產生三態變化，遇冷會凝結凝固，遇熱會蒸發融化。而讓學生試著利用剛建立的描述型的粒子模型想像大自然界中露霜形成，並解釋為何鋼杯裝了冰水或冰水加鹽巴其杯壁外面會有小水滴凝結或霜凝固。圖2解釋水的三態變化時混和型有時用連續觀解釋液態，以粒子觀解釋氣態【教學反思與建議】*此時學生粒子模型大多為混合型，即使他們認識到不同物質具有不同的特性，他們對液態水的解釋仍停留在連續觀層面，氣態水則用粒子觀解釋(圖2)，由表徵中的固態冰及液態水的粒子間距離相同，甚至發現即使看完動畫模擬，不同形態的粒子間距離沒有改變，可見課本的呈現如果只是靜態的圖片，確實難以讓學生理解，學生無法認知肉眼不可見的「氣體」，很多學生普遍存在同一種物質的三態改變是「三種物質」的思維（Johnson & Papageorgiou, 2010）。對於肉眼可見的固態及液態現象溫度變化後形態改變的理解較為容易，先讓學生意識到冰和水屬於同一種粒子，固-液之間的型態變化順利學習遷移到固-液-氣之間。後續亦可透過「雨滴是圓的扁的」（中央氣象署數位科普網，2016）繼續深入跟學生討論科學的好奇需要科學資料驗證的重要性。
天氣現象討論～氣團與鋒面_混合型	3節	【教學鋪陳~探討】強調重要概念，其一為「瓶內的水粒子數量並沒有改變」，其二為「粒子會振動，越熱振動越大」，引導學生由特定區域的「氣象」嘗試解釋影響更廣更遠的「氣候」，此時學生沒有氣態的巨觀觀察經驗，是以無法理解氣態之體積變化與形狀改變，須由教師鋪陳學習情境鷹架，讓學生有共同討論機會，在加熱裝有熱水且套著氣球的錐形瓶時氣球膨脹實驗，再次利用PhET介紹科學家的粒子模型給學生，並引導學生兩點粒子重要概念，其一為「瓶內的水粒子數量並沒有改變」，其二為「粒子會振動，越熱振動越大」，接著討論讓冷熱兩種溫度的水分別代表赤道及極地海洋，讓學生將手放在上方，實際模擬當不同氣團發源地產生氣團性質不同時，空氣中的水蒸氣粒子有相似的性質，也據此討論為何冷暖氣團交界鋒面容易下雨的成因。 https://phet.colorado.edu/sims/html/states-of-matter-basics/latest/states-of-matter-basics_zh_TW.html 【課堂表現】學生開始設計氣體的熱對流實驗並實際執行，過程中觀察氣體受熱後，熱升冷降的變化，這個階段部分學生提到受熱後不同形態間粒子間的距離不一樣，另有部分學生產生當粒子距離變大時，粒子本身體積會變大的粒子模型(錯誤概念)，學生將此時的粒子概念模型以繪圖表徵記錄在科學筆記上，學生此時亦可以試著用粒子觀點解釋各種天氣現象成因。圖3 學生混合型粒子模型，已經有粒子間的距離會因為形態或溫度而改變，同時有不同型態下粒子數量不一樣的迷思概念【教學反思與建議】此時學生沒有物質守恆觀念，所以可以透過教師提問，讓學生看出不同型態間粒子的數量不變，雖然繪圖表徵無法呈現粒子振動的性質，但學生口語上近半能說明：「粒子不斷動來動去」，或許未來可以透過各種現象討論強化粒子振動。另外，由於巨觀現象中冰的體積較水大，所以學生會有固態粒子間距較液態粒子間距大的迷思概念。
第二階段建模歷程~模型解釋(透過探索、實驗以模型進行解釋)
設立「熱」的假說	0.5節	【教學鋪陳~解釋】「為什麼氣團會有熱升冷降的現象？」、「氣團受熱後為什麼會發生這些變化？」、「到底什麼是熱？」，讓學生試著對以為自己了解卻發現自己不懂的「熱」，以科學家角度為其設立假說，圖4 學生根據自己平日的現象觀察試著討論關於熱的假說，逐漸透過實驗現象驗證後逐步說明原因刪除自己覺得不適合的假說【教學反思與建議】假說希望學生能有其現象支持論點，接著，讓其他同學試著用論證方式刪除不合科學事實的假說，還沒刪除的假說課程中會一直留在黑板上，直到剩下2至3個假說因學生現象觀察經驗不足而無法刪除，讓學生體驗科學家熱質說與熱粒說論證經驗。
物質受熱後的變化可恢復不可恢復 ~科學基本型	1.5節	【教學鋪陳~解釋】強調重要概念「粒子間存有距離並不斷運動」，藉由觀察受熱後可恢復的變化（巧克力、奶油、養樂多冰沙、蠟燭）和不可恢復的變化（火鍋蛋肉青菜、爆米花、棉花糖），之後針對其中可恢復的變化（物質三態變化）思考物質粒子受熱後為何會產生氣態(體積大，形狀容易改變)、液態（體積小，形狀容易改變）及固態（體積小，形狀不容易改變）這些現象。【課堂表現】學生試著用已知的粒子觀點解釋為何水的三態會有體積變化並繪製在科學筆記上，此時學生的粒子模型逐漸接近科學基本型粒子模型，粒子間存有距離並不斷運動，解釋不同型態之間的距離差異仍有困難。圖5 學生未固定粒子數量【教學反思與建議】學生須經過教師提醒，才會有固定的粒子大小，未注意粒子數量，也能討論形態改變間的粒子間的距離變化，而粒子間不斷振動這個部分則不容易理解，此時學生需要更多實驗支持學生建立更貼近科學家的物質粒子模型。
熱的傳播方式_傳導、對流及輻射_類科學型	3節	【教學鋪陳~精緻化】加入概念「粒子受到熱的能量後，振動增加」，設計實驗驗證自己對熱傳播方向及熱在不同物質間傳播的速度有什麼不同的預測。傳導～學生觀察蠟油在鋁箔盒上的傳播，可以看到熱有傳播方向（高溫到低溫）及在金屬與非金屬的傳播速度不同。對流～之前的氣團熱升冷降實驗讓學生有舊經驗，足以讓學生可以推論到液體的熱對流也會熱升冷降，而輻射更可以產生認知衝突，讓學生以科學家的粒子模型思考「沒有空氣粒子要怎麼傳播能量呢？」，教師再次強調當粒子受到熱的能量後，振動會變多。【課堂表現】學生以粒子觀點說明，因振動多造成粒子間距離拉大，此時學生容易產生另有概念，會用「輕」、「容易飄」這些詞形容，需要在之後的教學設計中釐清學生錯誤認知，經過討論後，學生具備粒子數量必須保持一樣（物質守恆）的概念。圖6 學生以巨觀解釋微觀~認為熱的粒子輕，冷的粒子重
第三階段建模歷程~模型效化、測試/應用
物質受熱後體積的變化~熱脹冷縮_類科學型	6節	【教學鋪陳~精緻化】加入概念「不同型態的粒子，溫度越高，粒子間距離越大」，觀察固體（銅球銅環）、液體（液體溫度計）及氣體（自動吹氣裝置、尿尿小童、茶包天燈、跳舞瓶蓋）及日常生活中需要顧慮到安全問題的熱脹冷縮現象（橋梁的伸縮縫、懸垂的電線等），如學生能順利建構受熱後變化之粒子模型，可增加討論如改加熱銅環，其中空洞到底變大還是變小? 【課堂表現】學生以類科學型粒子觀點討論受熱後為什麼物質體積會變大，試著根據現象解釋，如果熱源將熱能傳給粒子，粒子間的距離就會變大，體積因此變大，但沒有粒子間是真空的概念。圖7 根據左圖及課堂討論發現學生認知到受熱後不斷振動造成距離變大，右圖則認為受熱後粒子本身膨脹而非距離增加(巨觀觀點) 【教學反思與建議】學生知道物質是由微小到看不到的粒子組成，多數學生也能夠在課堂上說：「粒子變熱之後凍得更厲害，所以距離比較遠」，大多數學生的粒子模型已十分接近科學家基本型(極少數學生固著的有受熱後粒子會膨脹的另有概念，亦即停留在混合型的粒子觀)，此時透過再次觀看模擬，提醒學生「重量沒有變輕」、「粒子不會變大變小」、「不同型態的粒子數量不變」可以幫助學生更完整自己的粒子模型，現象觀察讓學生能了解物體溫度跟粒子動能的關係。
確立「熱」的假說	1節	【課堂表現】教師協助學生根據曾做過的實驗及所建立的粒子模型協助思考，確立熱的假說，明白假說可依所收集到的證據被修正或推翻。圖8 學生共同討論後根據所觀察到的現象刪除不盡理想的假說【教師反思與建議】多次教學發現學生通常會剩下至少兩種假說，一種是熱(溫度，常見的迷思概念），另一種則是熱(能量)，學生順利自我建立能量的初始模型，並能依此解釋能量對粒子運動及距離改變的影響。
驗證熱的傳播_類科學型	1節	【教學鋪陳~評量】雪人穿衣服後會融化嗎? 教師用「雪人穿衣服後到底會不會融化?」的議題提供學生思考挑戰，學生分成兩派討論，並以自身熱與粒子模型的觀點進行辯證，很明顯的，有些學生的另有概念因此浮現而可以得到釐清機會，接著教師將冰棒發給各組學生，讓學生根據理論研究如何不要讓冰棒融化。圖9 學生針對自己的假設進行實驗驗證後上台說明
氣體體積的變化性_類科學型	1節	【課後延伸思考】課程結束後，其實學生的粒子模型已經接近課綱的目標要求，也很接近科學家的粒子模型，但仍有部分未盡完整。例如：學生對於「氣體具有體積改變性」在課程鋪陳中是沒有帶到的，也非國小應教學內容，當建模為本的學習活動在課程結束，學生的思考繼續發生，有孩子問到:「溫度計管柱上方的空氣當酒精受熱膨脹後，上方空間減少，原來的氣體到底發生了什麼事?」這時，其他學生也用已經建立的粒子觀點思考，如果粒子間的距離是可以改變，對於「氣體具有壓縮性」就有了較合理的解釋。

結語與建議

尊重科學教室裡的「不同步」

　　課程中常以靜態圖片展示粒子模型，對於學生建立粒子觀相對困難，是以藉由課程中原本安排的巨觀現象、實驗觀察及虛擬微觀粒子模型動畫，協助學生建構符合課綱要求微觀現象之粒子模型，其過程關注學生模型演進，由學科探究到模型／建模為本探究，容許學生以不同的學習順序，產生個別獨特性的建模歷程，當教學時程延長，教學範圍不限於單一主題時，學生的思考就不被侷限，教學後，有學生提到氣壓也是因為粒子間的距離不一樣而產生差異，能回應天氣單元中，高氣壓的空氣粒子距離比較小，低氣壓的空氣粒子距離比較大，發現學生順利將自己建立的粒子模型應用在另一情境中，佐證學生建模能力除對粒子模型學習的重要外，更能適當學習遷移至其他單元。

搭設有序學習鷹架，利用關鍵問句提示思考

　　教學歷程應重視學生原有認知基礎，教師鋪陳有序的鷹架，讓學生在使用原有模型解釋探索現象觀察實驗中，由描述型、混合型、科學基本型、類科學型，希望未來達到科學完整型，為協助學生建立粒子模型，教師在教學過程中提供重要關鍵問句，協助學生豐富原有粒子模型是必要的，教師不斷提醒學生關注重要概念~「不同型態間粒子大小、數量是否一樣?」、「形態改變間的粒子間的距離變化」、「粒子不斷振動」，透過關鍵問句提醒反覆的思考，讓學生在不同情境下評鑑、效化及應用粒子模型。

三、透過繪圖表徵及課堂討論，看見學生內在模型　　

藉由課堂討論及科學筆記外，亦可在原有的實驗單中增加「以粒子觀點思考」的欄位，讓師生都能「看見」學生內在粒子模型，階段性課程設計反覆檢視學生模型之發展情形，在學生模型概念有缺漏時，增加其現象實驗觀察及認知衝突機會，以完整其粒子模型概念。

建模為本粒子模型探究歷程搭建階段性建模鷹架，教師以關鍵性問句邀請學生有意識地在每個階段教學或實驗觀察時以原有的粒子模型思考，檢視內在粒子模型概念，補不足模型概念、移除錯誤模型，理解模型侷限，期望學生從初始模型（巨觀現象的連續觀_描述型粒子觀）建立完整且未來可供應用之目標模型（微觀現象的粒子觀_科學完整型粒子觀）。

參考文獻

中央氣象署數位科普網（2016年7月28日）。雨滴是圓的扁的。檢索日期：2024年1月26日。取自https://edu.cwa.gov.tw/PopularScience/index.php/video/observation/310-%E9%9B%A8%E6%BB%B4%E6%98%AF%E5%9C%93%E7%9A%84%E6%89%81%E7%9A%84

邱美虹（2008）。模型與建模能力之理論架構。科學教育月刊，306，2-9。

顏弘志、段曉林（2006）。建構主義取向教學的實踐-一位國小自然科教師信念、教學實務的改變。科學教育學刊，14(5)，571-595。

邱美虹(2024)。科學建模研究與教學實踐，載於邱美虹主編，科學探究與實作之理念與實踐(頁41-74)，臺師大出版中心.

Gilbert, J. K., & Justi, R. (2016). Modelling-based teaching in science education (pp. 171-192). Basel, Switzerland: Springer international publishing.

Johnson, P., & Papageorgiou, G. (2010). Rethinking the introduction of particle theory: A substance‐based framework. Journal of Research in Science Teaching: The Official Journal of the National Association for Research in Science Teaching, 47(2), 130-150.

Merritt, J., & Krajcik, J. (2013). Learning progression developed to support students in building a particle model of matter. Concepts of matter in science education. (pp. 11-45). Dordrecht: Springer Netherlands.

不飽和鍵結的教師示範與學生實作／張佑丞、楊水平

星期一 , 3, 6 月 2024 編輯助理化學實驗室, 未分類, 第五十六期/2024年6月留言功能已關閉

不飽和鍵結的教師示範與學生實作

張佑丞¹、楊水平^2,*

¹國立彰化師範大學化學系（當時大學生）

²國立彰化師範大學化學系

*[email protected]

簡介

關於化合物不飽和鍵結的學習內容，在十二年國教自然科學領域的普通型高中課綱中編列在化學科加深加廣選修課程，納入在「有機化學與應用科技課程名稱」，主題為「物質的反應、平衡及製造（J）」，次主題為「有機化合物的性質、製備及反應（Jf）」。此次主題列出與不飽和鍵結有關的條目有二：(1) CJf-Va-2 有機化合物組成。有機化合物的命名、結構及官能基的檢驗與其用途—烴、鹵化烴、醇、酚、醚、酮、醛、有機酸、酯、胺及醯胺；以及(2) CJf-Va-3 常見有機化合物的重要反應。在其學習內容說明方面，CJf-Va-2有二說明：(1) 2-3 示範實驗：常見官能基的檢驗；和(2) 2-4 實驗：醇、醛及酮的性質。而CJf-Va-3有一說明：3-3 苯：僅用示範實驗介紹芳香族與烯類（C=C）的差異（教育部，2018）。

關於化合物不飽和鍵結的實驗，在四家出版社的選修化學教科書中均以示範實驗呈現。其一為「示範實驗：芳香族與烯的差異」，甲苯與環己烯二者的物理和化學性質的異同（葉名倉等，2023）；其二為「示範實驗：常見官能基的檢驗」，以電石製備乙炔，並利用溴水與過錳酸鉀水溶液檢驗烴類的性質（蔡易州等，2023）；其三為「示範實驗：常見官能基的檢驗」，以電石製備乙炔，檢測飽和烴和不飽和烴的性質（張一知等，2023）；其四為「演示實驗：常見官能基的檢驗」，以碘酒分別與環己烯及甲苯反應，僅環己烯可使碘酒溶液褪色（張煥宗等，2023）。在檢驗試劑方面，前三者使用溴水，後一者使用碘酒。

溴水保存期限通常約為半年，褪色後就失去其效用；由出版社提供的影片觀看，使用碘酒的褪色效果短時間不明顯。為克服溴水保存不易的問題，本文設計在使用溴水之前幾週才配製，且依照實際使用量的多寡來配製溴水的體積。為增加示範不飽和鍵結加成反應的精彩度，本文設計在量氣管（或滴定管）裝入溴水和番茄汁，搖晃促使均勻混合，過程中可出現如彩虹般的管柱。本文也規劃學生檢驗不飽和鍵結的實驗，檢驗樣品有日常物品和實驗室藥品，強化與生活的連結，增加親自動手做的機會。

教師示範：示範不飽和鍵結
器材與藥品
- 器材：錐形瓶（250 mL，附血清塞或矽膠塞） 3個、燒杯（100 mL） 4個、PE滴管（3 mL） 2支、量氣管（50 mL，長度約63 cm，內徑12 mm）或滴定管（附矽膠塞） 1支、漏斗（直徑約9 cm） 1支、電子天平（或簡易天平） 1台、稱量紙 1張、果汁機 1台。
- 藥品：溴化鈉（Sodium bromide, NaBr）約0 g、漂白水（含次氯酸鈉溶液）約50 mL、濃鹽酸（Conc. hydrochloric acid, 12 M）約3.5 mL、藥用酒精（95% Ethanol）約10 mL。
- 材料：牛番茄 1顆、紅蘿蔔 1根。
製備溴水
- 1. 取得製備溴水的器材和藥品，如圖1所示。

圖1：製備溴水的器材和藥品

- 2. 在抽風櫃中，在一個錐形瓶中放入約0 g的溴化鈉。用燒杯量取約50 mL的漂白水，加到錐形瓶中。搖晃錐形瓶，促使固體溶解。此時瓶內的溶液由透明無色轉成淡黃色，如圖2所示。

圖2：漂白水加到溴化鈉中，搖晃後溶液呈現淡黃色。

- 3. 在抽風櫃中，在錐形瓶中滴加約70滴（約5 mL）的濃鹽酸（12 M），蓋上血清塞。搖晃後溶液轉成橘紅色，同時產生橘紅色氣體，如圖3所示。

圖3：滴加濃鹽酸後上層溶液轉成橘紅色（左），搖晃後產生橘紅色氣體（右）。

- 4. 在抽風櫃中，沿著錐形瓶內壁，加入約100至200滴（約5至10 mL）的藥用酒精，以洗下並降低溴氣體的揮發。蓋上血清塞，靜置一段時間後，可觀察到橘紅色的溴氣慢慢地褪去。錐形瓶內的水溶液即為溴水，如圖4所示。

圖4：滴加藥用酒精後橘紅色溴氣體慢慢地褪去

製備紅番茄汁和紅蘿蔔汁
製備紅番茄汁
- 1. 在果汁機中，放入一顆牛番茄（蒂頭要先去除），加入約80 mL的蒸餾水，攪碎打成泥漿狀，如圖5所示。

圖5：牛番茄加水攪碎打成泥漿狀

- 2. 倒出泥漿狀的番茄汁在一個錐形瓶中，並用血清塞套住錐形瓶的開口。得到橘紅色的番茄汁，如圖6所示。

圖6：製得橘紅色的番茄汁

製備紅蘿蔔汁
- 1. 取得一條紅蘿蔔（長約30至40 cm），用刀子切成2半或小塊狀，放入果汁機中，並加入約100至150 mL的蒸餾水，攪碎打成泥漿狀，如圖7所示。

圖7：紅蘿蔔加水攪碎成泥漿狀

- 2. 倒入泥漿狀的紅蘿蔔汁在一個錐形瓶中，並用血清塞套住瓶口。得到橘色的紅蘿蔔汁，如圖8左所示。番茄汁和紅蘿蔔汁的外觀顏色，如圖8右所示。

圖8：橘色的紅蘿蔔汁（左）；番茄汁和紅蘿蔔汁的外觀顏色，番茄汁的顏色較紅（右）。

示範影片

影片網址：番茄汁彩虹管—不飽和鍵結的加成反應，https://youtu.be/NagNr2nHdh0。

示範過程
示範番茄汁彩虹變色
- 1. 在示範桌上，放置「示範番茄汁彩虹變色」所需的器材和藥品，如圖9所示。

圖9：準備「示範番茄汁彩虹變色」所需的器材和藥品

- 2. 直立一支50 mL的量氣管（或滴定管）在示範桌上，在其開口處放置一支漏斗，先倒入約15 mL的溴水（新鮮製備為佳），再加入約30 mL的番茄汁，如圖10所示。

圖10：在量氣管中，先倒入溴水（左）後倒入番茄汁（右）。

- 3. 觀察量氣管內的溴水與番茄汁接觸處的顏色變化，如圖11所示。

圖11：溴水與番茄汁接觸處的顏色變化

- 4. 用矽膠塞，塞緊管口。用一隻手握住量氣管，且用其大拇指按住矽膠塞。以左右和上下傾斜方式搖晃量氣管，促使溴水溶液與番茄汁之間混合，觀察管內溶液的顏色變化，如圖12所示。

圖12：以左右和上下傾斜方式搖晃量氣管，促使溴水與番茄汁溶液混合，觀察顏色變化。

示範紅蘿蔔汁變色
- 1. 在示範桌上，放置「示範紅蘿蔔汁變色」所需的器材和藥品，如圖13所示。

圖13：準備「示範紅蘿蔔汁變色」所需的器材和藥品

- 2. 直立一支50 mL的量氣管（或滴定管）在示範桌上，在其開口處放置一支漏斗，先倒入約15 mL的溴水（新鮮製備為佳），再加入約30 mL的紅蘿蔔汁，如圖14所示。

圖14：在量氣管中，先倒入溴水（左）後倒入紅蘿蔔汁（右）。

- 3. 觀察量氣管內的溴水與紅蘿蔔汁接觸處的顏色變化，如圖15所示。

圖15：溴水與紅蘿蔔汁接觸處的顏色變化

- 4. 用矽膠塞，塞緊管口。用一隻手握住量氣管，並且用其大拇指按住矽膠塞。以左右和上下傾斜方式搖晃量氣管，促使溴水與紅蘿蔔汁之間混合，如圖16所示。學生觀察管內溶液的顏色變化。

圖16：以左右和上下傾斜方式搖晃量氣管，促使兩溶液混合，觀察顏色變化。

學生實作：檢驗不飽和鍵結
器材與藥品
- 器材：錐形瓶（250 mL，附血清塞或矽膠塞） 4個/組、錐形瓶（125 mL，附血清塞或矽膠塞） 2個/組、燒杯（100 mL） 1個/組、樣品瓶（20 mL以上） 5個/組、試管（容量約10 mL，附橡皮塞或矽膠塞） 12支/組、試管架 1座/組、PE滴管（3 mL） 12支/組、小刀（刮肥皂成屑） 1支。
- 藥品：肥皂 1小塊/組、大豆沙拉油（或其他植物油） 2 mL/組、蒸餾水少量/組、正己烷（n-Hexane） 1 mL/組、苯乙烯（styrene） 1 mL/組、α-萜品烯（或稱α-松油烯，α-Terpinene） 1 mL/組、p-二甲苯（p-Xylene） 1 mL/組、藥用酒精（95% Ethanol） 2 mL/組。
- 溴水：製備過程如上所述，以新鮮製備為佳，每組用量約12 mL。
- 製備日常用品溶液
  - 1. 紅番茄汁：製備過程如上所述，每組用量約2 mL。
  - 2. 紅蘿蔔汁：製備過程如上所述，每組用量約2 mL。
  - 3. 肥皂水：用小刀，刮下肥皂成為薄片狀或細粉狀在小燒杯中，加入適量的蒸餾水，攪拌促使快速溶解。使用高濃度肥皂水為佳，每組用量約2 mL。
  - 4. 大豆沙拉油酒精溶液：大豆沙拉油與藥用酒精的體積以1：1混合，並攪拌均勻，每組用量約2 mL。
檢驗步驟

檢驗日常物品的不飽和鍵結
- 1. 取得裝在容器內的溴水和五種液體狀的日常物品（番茄汁、紅蘿蔔汁、大豆沙拉油酒精溶液、肥皂水、及蒸餾水），如圖13後排所示。在各容器旁分別放置1支PE滴管。在試管架上，放置6支試管（附橡膠塞或矽膠塞），如圖17前排所示。

圖17：準備檢驗日常物品的器材和藥品

- 2. 取出試管架上的橡膠塞，放置在架前的桌上，方便後續的操作，如圖18左所示。用PE滴管，分別在6支試管中加入1 mL的溴水，如圖18右所示。

圖18：取下試管架上的橡膠塞（左），在各試管中加入溴水（右）。

- 3. 用PE滴管，在第2至6支試管中，分別加入約1 mL的紅番茄汁、紅蘿蔔汁、大豆沙拉油酒精溶液、肥皂水及蒸餾水，如圖19左上的所示。用橡膠塞蓋緊管口，以傾斜方式搖晃各試管內的溶液。觀察各試管內的溶液隨時間的顏色變化，依序為圖19右上、左下及右下所示。

圖19：加入待測樣品後，觀察各試管內的溶液隨時間的顏色變化。

- 4. 用PE滴管，在第2至6支試管中，再次地分別加入約1 mL的紅番茄汁、紅蘿蔔汁、大豆沙拉油酒精溶液、肥皂水及蒸餾水，如圖20左所示。在不搖晃的情況下，觀察各試管內的溶液隨時間的顏色變化，如圖20右所示。

圖20：再次地加入待測樣品（左），在不搖晃下，觀察溶液隨時間的顏色變化（右）。

- 5. 用蓋緊橡膠塞各試管的管口，以傾斜方式搖晃管內的溶液。觀察混合溶液的顏色變化，如圖21所示。

圖21：在搖晃下，觀察混合溶液的顏色變化。

檢驗實驗室藥品的不飽和鍵結
- 1. 取得裝在容器內溴水和五種液體狀的實驗室藥品（正己烷、苯乙烯、α-萜品烯、p-二甲苯及藥用酒精），並在各容器旁分別放置1支PE滴管，如圖22左所示。在一座試管架上，放置6支試管（附橡膠塞），如圖22右所示。

圖22：準備檢驗實驗室藥品的藥品（左）和器材（右）

- 2. 取下各試管的矽膠塞（或橡膠塞），放置在架前的桌上，方便後續操作。用PE滴管，分別在6支試管中加入1 mL的溴水，如圖23左所示。用PE滴管，在第2至6支試管中，分別加入1 mL的正己烷、苯乙烯、α-萜品烯、間-二甲苯及藥用酒精，如圖23右所示。

圖23：在各試管中加入溴水（左），在第2至6支試管中加入待測樣品（右）。

- 3. 用矽膠塞蓋緊試管口，如圖24左所示。以傾斜方式搖晃各試管，促使管內的溶液加速反應，觀察混合溶液的顏色變化，如圖24右所示。

圖24：用矽膠塞蓋緊試管口（左），搖晃各試管並觀察管內溶液的顏色變化（右）。

實驗原理
配製溴水所涉及的反應與其性質
配製溴水所涉及的反應

通常配製溴水（Bromine water）有兩種方法：(1)液態溴加到水中；(2)依序混合漂白水、溴化鈉及鹽酸（Flinn Scientific, 2024）（附記：本實驗配製溴水的藥品用量和濃度與此參考文獻不同）。使用第二種方法配製溴水，涉及兩項化學反應。第一反應為漂白水（含次氯酸鈉溶液，NaClO）與溴化鈉（NaBr）進行氧化還原反應。研究指出：透過紫外光譜分析，在漂白水中加入溴化鈉後，最大吸收從293 nm移動到330 nm，這表明這反應生成次溴酸鈉（NaBrO）（Watanabe, 1999），如式[1]所示。

NaClO(aq) + NaBr(aq) → NaCl(aq) + NaBrO(aq) [1]

然而，在漂白水中加入溴化鈉後，溶液由原本透明無色逐漸轉變成淡黃色。這反應可能是式[1]中的鹽類產物溶於水，使得次氯酸鈉發生低程度的逆反應而產生氯分子，如式[2]所示；接著，氯分子與溴離子發生反應生成溴分子，如式[3]所示。低濃度的溴水呈淡黃色。

NaCl(aq) + NaClO(aq) + H₂O(l) → 2 NaOH(aq) + Cl₂(aq) [2]

2NaBr(aq) + Cl₂(aq) → 2NaCl(aq) + Br₂(aq) [3]

第二反應是加鹽酸到鹼性的漂白水中，因進行酸鹼中和反應而降低水溶液的鹼性，迫使次氯酸鈉發生高程度的逆反應而產生氯分子，如式[2]所示。接著，多量的氯分子與溴離子發生反應生成多量的溴分子，如式[3]所示。高濃度的溴水呈橘紅色。

配製溴水溶液的全反應，亦即依序混合漂白水、溴化鈉與酸鹼的全反應，如式[4]所示。

2NaBr(aq) + NaOCl(aq) + 2HCl(aq) → 3NaCl(aq) + Br₂(aq) + H₂O(l) [4]

溴分子與溴水的性質

溴是一種化學元素（Br），其性質介於氯和碘之間。溴是極易揮發的液體，有尖銳而刺鼻的氣味。元素溴具有高氧化性，能迅速溶解在碳酸鈉或氫氧化鈉的溶液中並褪色，在自然界中以化合物存在，而不以游離元素的形式存在。溴分子微溶於水（在25℃，約3.41 g/100 mL），溴分子在水中會進行分解反應生成溴化氫（HBr）與次溴酸（HOBr），如式[5]所示，此溶液即為溴水，呈橙紅色；可溶於酒精（在25℃，約21 g/100 mL）。（Wikipedia, 2024a；維基百科，2024；ChatGTP, 2024a & 2024b）

Br₂(aq) + H₂O(l) → HOBr(aq) + HBr(aq) [5]

紅番茄和紅蘿蔔的成分與其顏色
紅番茄和紅蘿蔔的成分

番茄的紅色主要成分是它含有類胡蘿蔔素的茄紅素（lycopene），它是一種四萜烯（tetraterpene），有8個異戊二烯單元，其分子結構式如圖25所示。在食物中，紅番茄、紅西瓜、葡萄柚、木瓜等富含茄紅素。

圖25：茄紅素的分子結構式

（圖片來源：Licopene. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Licopene.jpg.）

紅蘿蔔汁的主要成分是它含有類胡蘿蔔素的β-胡蘿蔔素（β-carotene），它也是一種四萜烯（tetraterpene），有8個異戊二烯單元，其分子結構式如圖26所示。在食物中，胡蘿蔔、南瓜、菠菜、地瓜等含量豐富。

圖26：β-胡蘿蔔素的分子結構式

（圖片來源：β-Carotene. https://en.wikipedia.org/wiki/%CE%92-Carotene.）

茄紅素和β-胡蘿蔔素的吸收光譜

茄紅素和β-胡蘿蔔素的吸收光譜，如圖27所示。在吸收光譜圖的下方展現可見光範圍的吸收波長及其對應的色光。茄紅素和β-胡蘿蔔素在可見光區域都有三根吸收波峰，茄紅素最大吸收波長在471 nm，吸收綠光（偏向綠黃光），而β-胡蘿蔔素的最大吸收波長在450 nm，吸收綠光（偏向藍綠光）。

圖27：茄紅素和β-胡蘿蔔素的吸收光譜

（圖片來源：Lycopenem, https://www.chm.bris.ac.uk/motm/lycopene/lycopeneh.htm.）

紅番茄汁和紅蘿蔔汁的變色原理
分子的共軛系統與顏色

這示範實驗可用分子的共軛系統（conjugated systems）與顏色之間的關係來說明。由於茄紅素的共軛系統長度（見圖25），導致可見光譜的綠黃光區域的吸收，並賦予它獨特的紅橙色。若雙鍵被溴分子反應並除去，共軛系統長度會縮短，吸收波長會變小，吸收光譜會轉移到紫外線區域，導致化合物變成無色（MacBeath, etc. 1986）。亦即，當共軛系統與溴分子逐漸反應時，在圖27中的最大吸收波長與其對應的色光會逐漸往左移動。

當示範過程中，在反應的初始階段，可觀察到藍色層，這是因為茄紅素與溴分子之間開始發生反應的結果，茄紅素由原本的橙紅轉成綠色再轉成藍色。在反應的後面階段，可觀察到黃色層，這是因為茄紅素由藍色轉成透明無色，剩下過量的且低濃度的溴水而呈現黃色。在反應的中途階段，可觀察到綠色層，這是因為藍色層和黃色層混合的結果。在整個示範過程中，可觀察到有如彩虹般的顏色：橙紅色、黃色、綠色、藍色、藍色及靛色。

鹵素對不飽和雙鍵的加成反應

鹵素對不飽和鍵結的加成反應是鹵素分子加成到烯烴官能基的碳-碳雙鍵或三鍵上。烯烴溴化的反應機制有二步驟：在第一步驟中，溴分子接近富含電子的烯烴碳-碳雙鍵。因為溴的電子被雙鍵的電子排斥，使得靠近該雙鍵的溴原子帶有部分正電荷。此時該溴原子具有親電性，並受到烯烴碳-碳雙鍵的π電子的攻擊。此時兩個碳原子形成單一σ鍵而形成三元環，溴離子獲得正電荷，其反應如式[6]左側所示。在第二步驟中，當第一個溴原子攻擊碳-碳π鍵時，第二個溴原子得到電子而形成帶負電的溴陰離子，並被碳原子上的部分正電荷所吸引。當溴陰離子攻擊第一個碳並與其形成鍵結時，第一個溴原子與第一個碳原子之間的鍵結斷裂並與第二個碳原子形成σ鍵，使得每個碳原子都帶有溴原子取代基，其反應如式[6]右側所示。（Wikipedia, 2024b）

[6]

（圖片來源：Alkene-bromine-addition-2D-skeletal. https://en.m.wikipedia.org/wiki/File:Alkene-bromine-addition-2D-skeletal.png.）

學生實作：物質的不飽和鍵結

三酸甘油酯是動物脂和植物油的主要成分，它是由三分子的脂肪酸與一分子的甘油反應而得。三分子脂肪酸的組合可為：(1)三分子的飽和脂肪酸、(2)二分子的飽和脂肪酸加上一分子的不飽和脂肪酸、(3)一分子的飽和脂肪酸加上二分子的不飽和脂肪酸、或(4)三分子的不飽和脂肪酸。例如：含有二分子不飽和脂肪的三酸甘油酯（C₅₅H₉₈O₆），如圖28所示。圖的左半部：甘油；右側部分：由上至下是棕櫚酸（16個C）、油酸（18個C）、α-亞麻油酸（18個C）。

圖28：含有二分子不飽和脂肪的三酸甘油酯（C₅₅H₉₈O₆）

（圖片來源：Triglyceride. https://en.wikipedia.org/wiki/Triglyceride.）

肥皂是一種脂肪酸鹽，由三酸甘油酯與強鹼（如氫氧化鈉或氫氧化鉀）發生皂化反應，生成甘油和脂肪酸鹽（肥皂），其反應如式[7]所示。在此式中的R¹, R³, R³，可能為飽和或不飽和雙鍵的烴類。

[7]

（圖片來源：Saponification value. https://en.wikipedia.org/wiki/Saponification_value.）

正己烷（n-hexane）是一種含有六個碳原子的直鏈烷烴，分子式為C₆H₁₄，其結構式如圖29左一所示。它主要透過原油精煉獲得。正己烷是一種無色液體，純淨時無味，沸點約69℃，密度為0.661 g/mL。它被廣泛用作非極性有機溶劑（Wikipedia, 2024c）。

苯乙烯（Styrene）是一種含有一雙鍵的烯烴，分子式為C₆H₅CH=CH₂。其結構是由乙烯基作為苯上的取代基所組成，如圖29左二所示。苯乙烯是一種無色油狀液體，沸點約145℃，密度為0.909 g/mL。它很容易蒸發並具有甜味，但高濃度時氣味不好聞。有些植物和食物（如肉桂、咖啡豆、香脂樹和花生）中存在少量的苯乙烯。乙烯基使得它本身能夠聚合，商業上重要的產品包括聚苯乙烯（polystyrene, PS）等（Wikipedia, 2024d）。溴分子與苯乙烯能進行加成反應，而使溴分子的橙紅色變為無色。

萜品烯（Terpinene），中文亦稱松油烯，是一組含有二雙鍵的烯烴，常見有四種異構物，分為α-, β-, γ-, δ-萜品烯，其中α結構式如圖29左三所示，沸點約174-175℃，密度為0.838 g/mL。α-松油烯可從荳蔻油、馬鬱蘭油以及其他天然來源中分離出來，具有香料和調味特性（Wikipedia, 2024e）。溴分子與萜品烯能進行加成反應，而使溴分子的橙紅色變為無色。

二甲苯（xylene）是一種含有三個非定域化的π鍵芳香族化合物，分子式為(CH₃)₂C₆H₄，有三種異構物，分為o-, m-, p-，其中p-結構式如圖29左四所示。它是一種無色、易燃、略帶油膩的液體，每種異構體的密度約為0.87 g/mL。（Wikipedia, 2024f）

圖29：正己烷（左一）、苯乙烯（左二）、δ-萜品烯（左三）、p-二甲苯（左四）的結構式

教學指引和安全注意
- 在示範和實作時，應該注意安全防護，務必穿實驗衣、戴乳膠手套、安全眼鏡及口罩。
- 在操作實驗的區域，應該在有抽風設備之處或通風良好的地方。
- 技術人員（或教師）製備溴水時，務必戴上護目鏡和乳膠手套，並在通風櫃中操作。
- 在「學生實作：檢驗不飽和鍵結」方面，教師可自行選用該校化學實驗室現有的烷烴和烯烴的藥品。
- 規劃此示範和實作的教學，事先進行風險評估是教師的重要責任。
- 溴水對皮膚和眼睛有刺激性，並釋放出溴蒸氣，對呼吸管道有強的刺激性。若皮膚接觸，立即移除所有受汙染的衣物，並用水沖洗皮膚或淋浴。若進入眼睛，用水小心地清洗數分鐘。若不慎吸入後，立即移動傷者到空氣新鮮處。若接觸皮膚眼睛嚴重或吸入嚴重，立即就醫治療。
廢棄物處理
- 教師示範後，在量氣管內的殘留物可先轉移並集中到大容器內，然後逐次地加入少量的還原劑（如25%硫代硫酸鈉溶液）並攪拌之，使溴水完全被氧化，直到顏色不再改變。此溶液可用大量的水沖掉。
- 學生檢驗後，在試管內的殘留物先轉移上層液（有機層）到有標示「有機物廢棄桶」中。然後轉移下層液（水層）並集中到大容器內，處理方式如上所述。
- 剩下未用畢的溴水溶液，若短時間需用到，保存在棕色試劑瓶，放在陰暗處，避免光線照射。若長時間不用，加還原劑到溴水溶液中，處理方式如上所述。
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數位工具在科學探究課程中扮演的角色／鄭志鵬

星期日 , 2, 6 月 2024 編輯助理多元教學法, 第五十六期/2024年6月留言功能已關閉

數位工具在科學探究課程中扮演的角色

鄭志鵬

臺北市龍山國中
[email protected]

前言

隨著數位化世界到來，且逐漸成熟茁壯，加上ChatGPT橫空出世，讓所有的人，包含教育界，都在討論數位工具要如何運用。當然教育界在意的事情，就是如何在課堂中運用數位工具讓學生的學習更快、更深、更廣，期待能更符合學生的學習需求，希望隨著學習工具的進步，帶動學生學習的效果。和所有其他學習工具一樣，其使用的方向應該取決於學生學習目標；但也和其他工具一樣，教學者非常容易被工具牽著走，以至於在創新教學設計上，工具的使用常常模糊了學生學習的目標。

廣義來說，教學本來就是一直運用不同科技來輔助的，誰說黑板和粉筆、白紙和原子筆不是科技產品呢？如果一名國小中低年級的數學老師，在黑板上用粉筆隨機出10題二位數的加法問題，讓學生用白紙和原子筆計算，這時候觸控大屏加上平板與觸控筆，不見得是更好的教育科技產品。所以我們理所當然應該思考的事情是：

1.學生的學習目標是什麼？

2.要達到這樣的目標，最佳的工具是什麼？

3.有沒有可能因為工具的突破，以至能提升原本設定的目標？

教學技術、工具與學習目標

在談論教學技術和工具的革新時，有時技法和工具本身反而會成為新的學習目標，例如教師使用「合作學習法」來設計教學，學生運用合作學習學會了二位數的加法之外，我們也希望學生同時能學會許多和他人合作的方法與態度；教師使用「探究教學法」來教學生學習光與顏色的關係，學生不但應該要學會光與顏色的關係，還應該學會科學探究的某種概念、方法和態度。那麼在近年大家談論比較多的「科技運用」，其實是各種數位軟體硬體的運用，所謂的科技運用，是指數位科技運用。例如教師使用大屏搭配電子課本、使用iPad搭配觸控筆，使用Padlet、Google meet、classroom、酷課雲、均一等許多數位硬體或平台。大部分的情況下，我們並不會把「學會使用Padlet」設定為學生學習的目標。在這一波數位學習的浪潮中，和之前談論合作學習、翻轉學習或探究式學習略有些不同。

近幾年來，科學教育現場明確的將學習目標，從知識論逐漸擴大到方法論上了，學生應該學習的不只有科學知識，還應該學會科學方法、態度與科學本質。這樣的論述也很明確的寫在九年一貫乃至於十二年國教的領綱當中，也確實在近幾年中小學科學教育圈有大量的思考、討論與實踐，所以科學教師們，也應該逐漸將課程設定的目標，從學生習得知識慢慢調整成知識、方法和態度並重。

若要教師運用不熟悉的數位科技輔助時，常常會將科學教師打回只重視知識的課堂原形。如果科學教師正在轉型，嘗試設計探究式的課程，嘗試將科學的思考智能和問題解決的目標，有意識、有序的放入課程設計中，但還不熟練，此時如果再指派教師任務說：「給你一部大屏和30台iPad，請你設計教學讓學生運用數位工具來學習」，這時候往往教師能設計出來的課程，是運用這些工具來輔助學生科學知識的學習，而不是科學方法的學習。這就不免令人擔心數位工具的運用，對於科學探究學習的推動，暫時會是干擾而非助力。

所以教師設計課程時，首要思考這段課程的目標是什麼？例如我們希望學生「能以粒子模型思考物質三態」，其中「認識物質三態」是屬於科學知識上的目標，「能以模型思考」就是屬於課綱中「思考智能」的目標。目標定出來之後，老師可能會想要讓學生實際觀察物體巨觀的三態變化，於是用了冰塊加熱變成水進而沸騰成水氣，將碘加熱昇華成碘蒸汽，把蠟燭加熱熔化成蠟油。也可能想要讓學生看一下：水在低壓時候，會有低溫沸騰的情況。於是買了真空抽氣罐，將放置熱水的燒杯放進去之後，用溫度計監測溫度，並且開始抽掉空氣，讓學生觀察到水低溫低壓沸騰的情況，作為三態變化現象延伸學習。

接著老師跟學生討論：我們是如何定義物質三態的巨觀描述的？我們可以用物質的體積與形狀是否容易改變來區分三態。那麼如果將物質想像成由許多粒子組成，又要怎麼用粒子來解釋物質三態呢？這時老師可能覺得這樣的概念太過抽象，所以使用由科羅拉多大學開發的PhET網站，讓學生觀察可互動的動態粒子模型，讓學生看到物體的粒子彼此之間有吸引力，可以相互吸引聚集成一個群體。受熱時，粒子振動會變得劇烈，當振動劇烈到某種程度時，就會脫離彼此的吸引力而產生相變化。學生能以粒子思考，並以粒子模型來描述物質三態，可能就達成了「認識物質三態」以及「能以模型思考」的學習目標。

老師在巨觀現象的教學階段，運用了實體的實驗讓學生觀看真實的現象，並且想辦法運用非數位的科技工具ー真空罐，展示三態變化的延伸現象。接著運用數位工具扮演互動模型的角色，幫助學生學習較抽象的粒子模型，希望學生能以粒子來思考物質的組成與振動，甚至能以粒子振動猜想其他物質的現象。

這樣的教學設計，就是教師運用了數位工具幫助學生以粒子模型思考物質三態，將粒子模型連結到既有已知的經驗，預測未知的現象，並且運用實體的實驗來驗證想像的結果。教師以三態變化作為學習內容的目標，建立模型作為學習表現的目標，並且選用實體的真空罐作為取得實驗證據的器材，運用數位工具來輔助學生建模。若是缺少了數位工具，教師只能運用靜態的繪圖來表達粒子觀點，對於學生來說可能太過抽象，學習難度較高。此時引進數位科技的工具輔助建模，對於學習效率的提升就有加分的效果。

在數位科技的輔助下，我們有越來越多的數位科技工具可以輔助探究課程的進行，不同的課程內容搭配不同的學習目標，數位科技工具所扮演的角色也會不同。以下整理了一些在工具運用上的思考與使用的模式提供參考。

數位工具在科學探究課程中扮演的角色

科學探究因為探討的問題類型不同，層次不同，而會有不同的探究方式，可分為描述性、相關性和實驗性研究（洪振方，2024），也有人把研究分成探索性、描述性、相關性、解釋性研究（蘇宇暉、羅凱揚，2019）。有些研究，是對自己有興趣的自然事件或現象仔細的觀察後，進行描述；有些研究是嘗試找到現象之間的相關性；而有些研究可以以人為方式介入系統，操作變因來確認因果關係。這些研究，有可能只是為了認識或瞭解某個自然事物或現象，有些可能是想印證某些理論的真偽，但這些都是有價值的研究。

在國中小學科學課程的內容中，也會有不同的探究方式。例如：將高濃度的鹽酸打開後，會觀察到鹽酸的發煙性；將硫酸與水混合，可以觀察到硫酸溶解會釋放大量的熱；洋蔥表皮細胞有細胞壁；植物的葉片排列有不同的形式；光會有反射、折射的現象，這些類型的學習內容，大多是讓學生體驗、觀察，並將這些觀察到的現象作整理，就足以達成課程的目標。在這類型的課程中，我們就可以讓學生針對某特定主題仔細觀察後，察覺現象的特徵、比較差異、比較相似處或辨認趨勢。

如果我們希望學生瞭解不同物質吸收相同的熱，溫度上升的程度會有不同，學生可能就會需要學習設計實驗：如何在相同的加熱條件下，加熱不同種類的物質後，收集數據來進行分析。從實驗結果中看出不同物質吸熱之後，溫度上升的趨勢確實有不同。

又或者我們希望學生可以以粒子碰撞的模型來思考化學反應速率，我們就可以在課堂上運用粒子模型，請學生以模型來進行預測及推論，再進行實驗來作驗證。例如高濃度的鹽酸和低濃度的鹽酸，和小蘇打粉反應產生二氧化碳的速率何者較快呢？先以粒子碰撞的模型預測與說明後，再到實際的實驗室中觀看反應結果，取得支持或反駁粒子碰撞模型的證據。這類的課程，可以讓學生學習到以模型進行想像與預測、根據預測決定要進行的實驗或觀察的現象、從實驗結果或觀察到的現象來推論猜想是否正確。

將課程目標中的科學知識與其對應的探究知識與技能釐清後，再來思考如何運用數位科技來協助學生學習與課程進行是非常有幫助的。數位工具在科學探究上的運用，我認為大致上可以分為四個方向：實體實驗工具、展示工具、虛擬實驗、建模工具。另外運用WebQuest、Padlet這類的學習平台輔助學生自學或教師教學的工具，也是重要且廣泛運用的，但不在本篇文章討論的範圍。

一、實體實驗工具

實體實驗的意思，就是我們原本理解的，在實驗室中操作實驗器材，根據學習目標取得實驗數據或結果來達成學習目標。例如用酒精燈加熱100毫升的水，要用溫度計測量加熱過程中的溫度變化。我們可以選用傳統的煤油溫度計，讓學生讀溫度計的刻度，也可以用電子式溫度計，讓學生直接讀取數值，或是使用Arduino寫程式搭配數位溫度計，讓溫度數值直接呈現在電腦上，並且自動記錄。

數位工具作為實體實驗，大致可分為兩個方向，第一種是「輸入」，第二種是「輸出」。輸入的意思，就是感測、測量。例如測量環境溫度、濕度、亮度、壓力、聲音大小等等。輸出的意思就是產生現象或訊號，例如讓喇叭發生特定的聲音、控制馬達振動或轉動、讓LED燈發出特定顏色或強度的光、控制閘門開關或是釋放鐵球等動作。

以數位工具作為輸入測量工具的例子有很多，例如以手機、平板來說，可以作為「拍照」、「攝影」工具記錄現象，或是運用App來徵用手機平板裡面內建的許多感測器，例如：氣壓計、磁力計、加速度計、聲音感測（麥克風）、光強度感測（照相鏡頭），就可以將手機平板變成實驗器材，讓學生測量許多的數值，phyphox（註1）就是具代表性的App，在教學上也早有許多的應用，教學上也有顯著的成效（陳輝雄，2024）（吳泰煌、許勝源，2016）（曾耀寰，2018）。

再進階一點，就是使用arduino、esp32這類的微控制器，搭配適合的感測器與程式撰寫來取得實驗數據。這個方式的門檻比較高，使用者要學會微控制器的使用、感測器的挑選，還要有基本程式撰寫的能力才能運用自如，學生學習此工具的門檻也較高一些，教師使用此工具多是運用在科展專題這類課程上。但近年來由於scratch這類積木程式的普及，加上像是高師大跨域統整學習扎根計畫（註2）中，將scratch結合arduino，開發了相關的程式與硬體，在自然科課程運用上，就像是單純學習一種新的實驗器材一樣，將工具使用的學習門檻降低，讓教師和學生可以很容易的取得諸如溫度、壓力、加速度、相對亮度等數值。

數位工具也可以拿來做為輸出工具，例如我們可以讓phyphox輸出特定頻率的聲音，讓學生聆聽不同頻率的聲音聽起來有何差異。或是用arduino控制紅、綠、藍三種顏色的LED燈，讓學生用眼睛觀察不同顏色的組合可以混合出哪些不同的顏色。

數位工具作為實體實驗器材，能夠增進課程的面向通常在於「取得精準數據」、「提升取得數據的效率」、「節省取得數據的時間」、「方便儲存紀錄」、「方便轉譯成其他形式」、「方便與精準的控制與調整輸出訊號」等等。

數位實驗工具雖然方便，但在教學的運用上，也有需要提醒的部分。以加熱物體觀察溫度上升的探究活動為例，不管是哪一種讀取溫度的方式，目的都是讀取溫度之後，分析溫度上升的速度有何差異，所以數位工具扮演的角色，就會和傳統溫度計的角色相同。但由於數據的準確度高、取得數據、傳輸、儲存紀錄、轉譯為統計圖的方便性大增，數位工具就能夠增進課堂的效率。當然，這邊要提醒的事情是：如果讀取有「刻度」的數據，並且評估估計值，是學生尚未學會或熟練的技能，那麼這時候傳統煤油溫度計就變成必要的工具了，教師在課程的編排上，可能就需要花時間讓學生再多練習刻度的讀取與評估估計值。數位工具會便利地完成一些工作，同時也代表跳過了一些學習，教師挑選工具時。要注意這些被跳過的學習，是否屬於不重要、已精熟或是未來會訓練精熟的，才不會因為效率與便利而忽略重要的學習目標。

無論將哪一類的數位工具作為實驗測量器材，取得的大都是屬於「量化」的數值，也就是用數字來描述自然現象。若教師評估學生以數字來理解自然現象會更為清楚具體，或是希望學生能在實驗中取得量化數據來學習如何閱讀或分析數據，那麼引進數位化實驗工具，來大幅降低取得實驗數據的難度，就有可能讓教師有可能規劃更多實驗與數據分析的課程。不管是在描述性、相關性或是實驗性的課程內容，都有可能因為較方便的數位實驗工具的引入，而降低學習的難度。

但在國中小階段，許多學習內容都只停留在定性理解的階段，由於學生智能發展階段的限制，確實不宜太早運用數學模型來描述自然現象。但使用數位工具來取得實驗數據，不代表在課程中就要運用數學模型。在課程中也可以運用數字來觀察比較大小、趨勢的定性變化，設計符合學生發展階段的課程。

二、展示工具

在自然科學中，若想要展示的物體尺度過大、過小，或不適合觀察實體的時候，我們常常會以繪圖的方式來呈現。例如地球板塊、細胞、原子、分子或人體循環系統中的心臟、血管等等。繪製的圖形常常是根據教學目標進行了簡化，讓想要呈現的訊息可以被突顯出來。實際以肉眼觀察細胞，當然無法看到，若以顯微鏡觀察細胞，其實也很難看到清楚的胞器結構。這時候使用圖片展示，經由簡化和調整過的細胞示意圖，就對學習很有幫助。我們也不可能讓學生實際觀察人體體內循環系統的運作，心臟的收縮以及血液的流動，所以常常需要繪製圖片來解說

在這個項目中，數位化工具和傳統工具的最大差異，應該就來自可操作性或互動性。以細胞為例，傳統工具僅能將畫面像是上圖一樣，清楚的呈現出來。但若是在iPad上操作就能旋轉不同角度，對局部畫面放大、縮小建構整合不同尺度的模型。下圖是Tinybop公司出品的人體探密app，其中一個功能是觀看人體的循環系統，可以在畫面中看到血液流動方向的示意圖，也可以操作讓主角跑步，觀看運動時心臟會有什麼反應。也可以點擊心臟，觀看心房、心室的搏動（圖1）。

圖1 人體心臟示意圖（引自tinybop的人體探秘app）

在PhET中的‪Build a Molecule_建立一個分子（註3），可以讓學生自行組合不同的原子成為分子，並觀看分子立體模型（圖2）。

圖2 甲烷分子模型（引自PhET，Build a Molecular）

這一類的工具在教學上，大多是用在幫助老師講述已知的發現或是科學表徵，也可以幫助學生建立想像中物體的型態、構造、功能或運作方式。如果傳統紙本、靜態的圖文表徵，還不足以讓學生快速認識了解所學的內容，那麼找到合適的數位化表徵，提高可操作性、互動性或是能展現更多不同樣貌，都有可能幫助學生了解對應的學習內容。

三、虛擬實驗

虛擬實驗的意思，是使用各類型的電腦程式，用程式中規劃好的環境來進行實驗。程式設計的實驗環境，依照設計的理念不同，操作的自由度也會不同。最受限制的設計，可能會把所有實驗參數都設定好，使用者無法調整，只能按下「開始」，觀看整個結果。也有一些程式，會提供較大的自由度，讓學生可以調整一些參數進行特定主題的實驗，例如由美國科羅拉多大學建置的，著名的虛擬實驗平台PhET，裡面的「繩波（註4）」單元，就是可以讓學生操作並觀察繩波的現象。若選擇裡面的「電路組裝套件：直流電（註5）」，則會看到一個相對更開放的電學實驗室，這個互動程式裡面提供了一些電學的元件，例如電源、導線、電阻、開關、迴紋針、保險絲、鉛筆、橡皮擦等等物件，可以讓學生進行不特定類型的電學實驗。從檢測不同物質是否導電到各種電路串聯、並聯的效果差異、歐姆定律、電流熱效應等實驗都可以進行。

除了以上這種專門為特定科學主題設計的程式可以進行虛擬實驗之外，還有一類的軟體是自由度更大的，可以讓使用者更自由的建構物理世界，依照需要建置不同的實驗環境，並且操作觀察實驗結果。以Algoryx（註6）公司出品的免費軟體Algodoo為例，你可以在這個具有重力、空氣阻力的2D物理世界裡面，自己設置實驗環境來進行運動學、單擺、虎克定律、摩擦力、碰撞、浮力、機械甚至光學實驗。這一類的軟體操作的自由度非常高，相對的學習和使用的門檻也會比較高。

以虛擬實驗來進行學習，有什麼好處呢？

（一）解決時間或空間跨距尺度過大的現象難以實驗的問題：有些尺度過大的自然現象，難以在教室中重現，更難以操弄實驗條件，可以用虛擬實驗的方式來讓學生操作探究。例如上面提到的「天擇」，天擇的概念常常跨越的時間尺度很長，也常常難以用人為的方式介入系統來觀察實驗結果，但藉由虛擬實驗的方式，就可以讓學生操弄環境變因，觀察改變之後的結果，用來了解自然界中的天擇是如何運行的。又例如地質作用、太陽系的行星運行等等，都是由於尺度過大，難以在課堂上進行實驗，學生也較難想像，這時候以虛擬實驗來模擬，可以降低學習難度。

（二）解決現象時間太短難以觀察的問題：有些現象的速度較快，在實體實驗中不容易仔細觀察，可以用虛擬實驗的方式來模擬，放慢速度或反覆的實施，讓學生可以較容易觀察到關鍵的現象，例如上面提到的「繩波」實驗。我們在中學實驗課中，有時候會用彈簧製造波，讓學生觀察波的現象。但波速常常會過快，學生難以仔細觀察介質振動和波傳遞的情況。若要進行較深入的波速探討，難度也頗高。這時候運用上述的「繩波」實驗來模擬，就可以在初步建立介質振動、波的傳遞等觀念時，降低學習門檻，也可以在虛擬軟體中操弄變因，來探究影響繩波波速的因素。

（三）降低取得良好實驗數據的難度：不管是哪一類的虛擬實驗，都會有容易獲得數據、實驗環境容易調控去除雜訊的優點。我們不需要擔心測量儀器太貴、太難架設，不用耐心等待數據穩定，也不用擔心儀器測量誤差或是儀器突然當機造成的種種問題。像PhET裡的電流組裝套件，就可以輕易的連接伏特計、安培計，可以任意的把電源、導線裡面的電阻去除，任意調出你想要的電壓，大幅降低在現實世界中，各種不完美電路造成的教學困境。如果今天我們課程設定的目標，是讓學生探究電阻器固定時，電壓和電流的關係，那麼使用虛擬電路來進行實驗，也可以達到目標。又例如在研究單擺週期的實驗時，會提到單擺受到擺長的影響，但其實重力大小也會影響單擺的週期。但在中學實驗室中，很難任意改變單擺環境重力，讓學生測量重力造成的差異，此時使用虛擬實驗也可以任意的將單擺從地球搬到月球、木星甚至太陽來測量單擺週期。

（四）免除失敗的焦慮：在探究與實作的課程中，本來就希望學生能經歷某種嘗試或失敗，並在其中找到更好的學習機會。但有時候嘗試或失敗，會造成危險，或是造成器材的損壞浪費，導致接下來的課程無法進行等問題。這時候採用虛擬實驗的方式，就能讓學生更大膽的嘗試。例如上述提到的電流組裝套件，就可以讓學生刻意將電壓調到很大或讓電路短路，因而看到電器或電路燒起來的動畫，讓學生瞭解這樣的操作可能帶來的危險性。

以虛擬實驗來進行學習，有什麼缺點呢？若是對平常就能把學生實驗環境和條件設置良好的老師來說，看到虛擬實驗的課程，一定會有一種反應就是：「能讓學生玩真的實驗，為什麼要玩假的？」這一點完全沒錯，在可以讓學生安全操作，學生能取得良好實驗結果，老師也能掌握課程進度的情況下，大多數的老師們都認為應該做真的實驗。原因很簡單，就是當虛擬實驗去除了大量的雜訊時，學生能接收到的訊息也會下降。

以前述電路的實驗為例，在良好設計的課程下，運用虛擬實驗，可以讓學生學習到電壓和電流的關係，並且成效良好，已經有許多的研究證明，若教師設定的學習目標，是科學概念的理解與精熟的話，學生在虛擬實驗室能夠學的跟真實的實驗室一樣好（鄭婷文，2017）（林勇成，2002）。先進行虛擬實驗再進行實體實驗，或是反過來先進行實體實驗再進行虛擬實驗，學生的學習成效也都和單獨使用實體或虛擬實驗一樣好(Zacharia & Olympiou, 2011)。

但是教師有時候會設定除了科學概念之外的其他學習目標，若單純使用虛擬實驗，學生額外的學習體驗就少了很多，虛擬實驗訊息理想、單純的優點也正是它的缺點。例如學生實際觀察小蘇打、食鹽、碳酸鈣粉末時，可以看到的晶體型態、色澤、觸感都會不同，這是虛擬化學實驗無法學習到的。在電學實驗中，學生摸不到電線電阻微微發燙的感覺、聞不到電阻或LED燒焦的味道。學生會因為感受不到嗅覺或觸覺的感受，而認為實體實驗比虛擬實驗更好(Tatli & Ayas, 2013)。在繩波的單元中，實際操作彈簧，看到彈簧的振動，感受能量的傳遞，這也是虛擬的繩波無法提供的。在適當的引導下，以實體實驗進行課程，會讓教師多了非常多機會讓學生感受額外的科學現象，也多了很多機會指導學生在實驗時評估誤差量值與降低實驗誤差的手段。有時候真實實驗耗費的時間或麻煩，並不是真的毫無意義，當老師們運用虛擬實驗來規劃更有效率的課程時，有時候要注意效率之下，是否犧牲什麼有意義的學習。反過來說，當教師運用了實體實驗進行課程時，就可以去思考如何設計課程讓學生在真實世界中，能夠多獲得的學習是什麼？

總結而言，實體或虛擬的實驗，都可以提昇學生科學概念的學習成效，在教師有適當設備可運用的情況下，虛擬實驗會比實體實驗更有效率。虛擬實驗可安全的、無成本的重複操作實驗是其優點，但虛擬實驗去除雜訊，讓實驗可以在理想環境下操作的特形，則是教師在規劃課程中，必須有意識的根據學生的學習目標來進行選擇的。

可以運用虛擬實驗來輔助的課程，其對應的知識類型，較屬於「描述性」或「相關性」研究，對應到的學習表現，則比較偏向「觀察、計畫、執行、分析、發現」這些問題解決技能。例如說，學生操作直流電實驗模擬，最後可以瞭解到「電阻兩端的電壓和電流會成正比，電阻會因材質改變而有不同」；操作「繩波」實驗，可以瞭解「繩波的波速會受到介質張力的影響，但振幅和頻率不影響波速」或是「單擺擺動的週期和擺長與重力加速度有關」等等。以單擺為例，學生在軟體中，可以隨意調整情境，觀察單擺週期的差異，並仔細設計實驗情境，控制對應的變因，找出影響單擺週期的因素，分析實驗數據，發現相關的模式。但這些軟體中，沒有提供學生進行抽象思考的工具，所以對「思考智能」部分的學習表現，能運用的空間就比較小。

四、建模工具

在科學教育上，「模型」的涵義很廣泛，在這邊我想將模型的範圍限縮在：「以模型作為抽象的思考工具，用以發展、建構、測試和評價想法。」雖然這是屬於科學家運用模型的層級（邱美虹，2016），但在國中階段，可以經由適當的課程設計，降低難度，讓學生能學習運用難度適中的模型來思考。

「建模工具」與「虛擬實驗」的差異是，虛擬實驗的設計，常常只有把對應的操作和現象呈現出來，但沒有原理的描述。所以對學生來說，虛擬實驗和實體實驗的功能是相同的，都是觀察現象，或是有意識的進行一些操弄，來看看操弄的結果，了解變因之間如何互相影響。但是在軟體設計中，沒有機會讓學生思考「為什麼」，或以內建的模型預測當情境改變時可能發生改變的理由與預測結果。假設有個軟體，設定一個電池與電阻串聯，電路接通時電阻發熱。軟體設計讓學生操作改變電壓的高低，然後觀察電阻溫度上升的情況，讓學生了解電壓越高電阻溫度上升越快的關係，這是虛擬實驗。但如果軟體呈現了電阻內部的模型，呈現電子流經電阻時，會因為撞到電阻內部阻礙電子流動的構造，造成振動而導致溫度上升的模型。那就屬於這一段想要討論的「建模工具」類型的數位工具。

在科學探究的歷程，常需要在心中建構模型，並且用實驗來驗證來決定是否要接受模型。但因為不同階段的學生能力不同，所以能夠運用的模型就不同。國中階段，仍然需要能以具體表徵呈現的模型，例如我們可以用圖像繪圖的方式來表達微觀粒子的排列、振動，並且用粒子模型來描述或預測巨觀現象，這是國中生經由學習就可以做到的。但大部分的國中生還沒有辦法運用數學模型來連結自然現象，所以對國中生來說，不適合運用數學式的科學模型來表達或推演科學理論。

在我們探究未知現象時，往往是先對現象進行描述性與相關性研究。對於可觀察到的現象，有了一定的瞭解，也進而理解影響現象的許多因素，以及這些因素如何影響現象，我們就一定會開始思考這些未知現象運作的機制原理。我們會從最表面的WHAT問題開始描述事物最外層的現象，慢慢進入到HOW的問題，探討影響這些現象的因素，然後就會想要問「為什麼會這樣呢」的WHY問題。直到我們能抽絲剝繭，去除許多迷霧之後，就有可能看清楚事物更深層的部分，得到一個新的WHAT。

要描述自然現象運作的機制原理，常常因為長度或時間的尺度過長或過短，造成難以在課堂中取得直接的證據，呈現在學生面前。我們常常需要藉由許多的想像，來推論在某個模型的描述下，改變實驗方法時，可能產生的結果是否與事實相符，並且能預測尚未進行的實驗其結果為何。甚至在評估不同模型時，能設計實驗獲得證據來作為評估模型優劣的依據。

例如粒子模型，就是我們最常用來以微觀角度說明物質巨觀現象的模型。將物質想像成許多的粒子組成的，不同物質粒子間有不同強度的吸引力，溫度越高，粒子振動得越劇烈。在國中階段，教師常常會運用類似這樣的模型，來說明許多物質的現象，也希望學生能以粒子模型來思考物質的特性或現象，幫助學生理解。

例如給學生二個體積相同的鋁塊和銅塊，讓學生拿在手上比較輕重，學生會馬上察覺銅塊比鋁塊重上許多。若讓學生在學習單上畫出兩個方形代表兩個金屬塊，並請學生以粒子的方式想像兩金屬塊內部結構有何差異，學生都能繪製出可呈現兩物質密度差異的表徵。雖然學生繪製來描述兩金屬內部的粒子模型，有許多明顯的問題，然而我們也知道所有的模型本來就僅能描述部分的事實，不可能百分之百正確，只要在討論的主題上能正確並且幫助學生理解，就是在課堂中適合使用的模型。

當教師使用粒子模型來說明現象，或是學生要在腦中建構粒子模型時，就可以使用例如PhET的物質三態（註7），在課堂中，由老師演示說明，讓學生觀察及理解粒子模型。這個互動動畫，同時是物質受熱溫度上升以及三態變化的實驗，也是物質內粒子振動與物質三態的模型。

一開始可以看到每一個粒子都在振動，但振動的劇烈程度還不足以讓粒子離開原本的位置。若遠遠的看，會看到一個方形的區域，區域的大小和形狀大致上都是維持固定的，也就是所謂「固體」的狀態。這些觀察以及微觀巨觀之間視角的轉換，教師可以藉由提問與對話來幫助學生學習。

師：「有沒有覺得粒子之間好像有一點吸引力把彼此拉住呢？」

生A：「好像有。」

生B：「一定有，不然這一堆粒子就會散落垮掉了。」

接著教師將溫度慢慢調低，讓學生觀察粒子有什麼變化？再把溫度調高，讓學生觀察粒子有什麼變化？

生A：「溫度越低，粒子振動得越慢；溫度越高，粒子振動得越劇烈。」

師：「粒子振動越劇烈，粒子之間的距離有什麼改變？」這裡提示學生觀察粒子之間的距離。

生A：「它們之間的距離變大了。」

師：「這樣外觀看起來，會有什麼變化？」這裡幫助學生切換視角。

生B：「應該會有點膨脹。」

師：「我們把溫度再調更高，你們看發生了什麼事？」這裡將溫度調整到方形形狀解構，但粒子大致尚未分散開的狀態。

生A：「粒子振動得更劇烈，開始亂跑了。」

師：「你覺得在巨觀的角度下，會是發生什麼現象？」這裡幫助學生切換視角。

生B：「這時候看起來就像冰塊融化變成水。」

有些學生，例如生A，可以觀察具體現象，也可以觀察到現象的變化，這是一個不錯的能力。更進一步，我們希望學生能以粒子模型進行思考、預測，將模型連結到實際的現象，例如生B的表現。運用互動式粒子模型動畫，應該可以幫助學生以粒子振動、吸引、排斥、碰撞等模型來思考巨觀的物質變化。

在認識靜電的課程中，我們希望學生能夠以絕緣體電子的轉移，來認識摩擦起電的現象，並瞭解不同絕緣體對電子束縛能力有差異，因此在摩擦的時候會產生電子轉移，形成靜電。若可以用電子轉移的模型來思考，就能得出兩物體摩擦起電後，必然帶有電性相反且量值相同電荷。雖然在國中階段並不需要記憶這個結果，但學習以微觀的電荷轉移來推得上述結果的「推理論證」、「建立模型」等學習表現，是可以利用這個單元來進行的。

圖3靜電示意模型（引自 PhET氣球和靜電引力的建模工具（註8））

在「波」的課程中，我們會希望學生瞭解：波的現象，是來自介質受到擾動時，介質會互相影響而將擾動傳遞出去。如果我們希望學生能在腦中用介質互相擾動來思考波的現象，並從中推得：波傳遞擾動但不傳遞介質、介質狀態改變時，可能對波速造成的影響等。那麼使用PhET繩波的模擬，將原本在實驗室中因為速度太快難以觀察的情境，用慢動作甚至逐格播放的方式，就能讓學生比較容易理解現象，並以此模型來思考繩波的現象。

圖4 繩波模型（引自PhET中的繩波模型）

Natural Selection_天擇（註9），也是屬於一種模型。由於要展示天擇理論，需要的自然環境條件無法人為自由的設定，所需要的時間尺度也遠大於學習限制，所以很適合以虛擬的方式來進行實驗。這樣的軟體操作，除了可以觀察到生物族群大小的變化，會受到哪些因素影響之外，也能建立天擇的理論模型。例如在冰天雪地時，由於白兔比棕兔更有保護色，所以生存的條件更佳。但某一天若氣候改變，雪地變成了沙地，那麼毛色的優勢就會因而顛倒。這些可以讓學生提出自己對於天擇的猜想，並以實驗驗證，就能讓學生學習以天擇理論來解釋自然界中生物族群的消長。

這些具有幫助抽象思考，可以發展、建構、測試和評價想法的虛擬軟體，就有機會讓教師規劃「思考智能」的課程。運用現成的模型，思考如何運用模型解釋現象？當條件改變時，以模型來預測實際狀況會有什麼改變。例如上述以粒子振動的角度描述物質三態的對話中，學生已經建立溫度越高，粒子振動越劇烈的模型。那麼接續往下發展，就可以請學生以此模式思考，若溫度再提高，會發生什麼事？若學生能用「粒子振動劇烈，所有粒子都分散開來，巨觀看起來就是液體氣化分散在容器中的情況。」這樣的語句來描述氣化現象，代表學生已經能以抽象的粒子振動來解釋三態變化了。

如果課程的知識點，是要運用理論來解釋的，就適合這類的虛擬實驗建模互動軟體來輔助學習。像是運用天擇解釋生物族群的變化、運用粒子碰撞解釋化學反應速率快慢、運用電子轉移來解釋摩擦起電的現象等。

但模型運用在提出解釋或預測之後，最好還能回到實驗室加以驗證。例如當學生能用粒子碰撞來解釋稀硫酸濃度越高時，稀硫酸與鎂帶反應產生氫氣的速率越快，並預測溫度越高也能讓反應速率變快時，就值得讓學生將稀硫酸水浴加熱後，再測試鎂帶在溫度稍高的稀硫酸中，產生氫氣的速度是否真如預測一樣變得更快。

具有模型功能的虛擬實驗，可以讓學生以軟體設定好的模型進行抽象思考、建構、測試和評價想法，提出猜想與在模型上驗證之後，再將想法帶入真實世界中，思考如何設計實驗在巨觀的現象下加以測試驗證。這樣的教學模式，是強度高且完整的科學探究課程（鄭志鵬，2020）。

當然，除了PhET之外，商業軟體YENKA化學模擬實驗也提供了許多建模軟體，在課堂上使用也幫助了學生學習（陳子聖、周金城，2019），或是中央大學研發的CoSci，也可以運用在科學建模的課程上（王亞喬，2023）。表1整理了不同數位工具類型運用的用途特性，限制與注意事項，讀者可以從表1中比較不同數位工具，並視自己課堂上的需求，挑選適當的數位工具來增進學生的學習效能。

表1 不同數位工具在教學上應用的用途特性，限制與注意事項

數位工具類型	用途與特性	限制與注意事項
實體實驗工具	用於科學實驗中作為感測器、測量儀器或控制器，可準確獲取實驗數據、提升效率、節省時間、方便記錄和轉換數據格式。	注意是否忽略了一些重要的實驗操作技能訓練。
展示工具	用於展示難以用肉眼直接觀察的物體或現象，具有較高可操作性和互動性，可自由從不同角度觀察。	缺乏真實的觀察體驗，無法感受更多細節。
虛擬實驗工具	模擬真實世界中的實驗環境，讓學生操作虛擬參數進行探究，可解決實驗條件受限或現象難觀察的問題，可安全的無成本的重複實驗，降低實驗難度並獲取良好數據。	無法獲得真實世界的雜訊與意外情況，缺乏一些真實實驗的訓練經驗。
建模工具	提供具體的模型輔助，讓學生進行抽象思考、建構模型、預測現象、驗證模型等高階認知活動。	過度依賴預設模型，缺乏自主建構模型的能力培養。

結語

108的自然領域課程綱要中，將學生的學習目標分成學習內容與學習表現，學習內容包含了自然的現象、科學描述自然現象的語彙、科學專有名詞、對自然現象分類定義等。學習表現則包含強調內在思考方式與策略的思考智能、外在具體行動方案的問題解決，以及屬於興趣、態度與習慣養成部分的科學態度與本質。不同的學習目標會對應到不同教與學的策略，也就會對應到不同的工具來提升學習效果。

如果學習目標是要認識瞭解科學專有名詞，對自然現象分類定義，或是理解科學用來描述自然現象的語彙，採取直接講述的方式，是最有效的。如果要以數位工具來協助，那就可以利用教學影片且搭配平台，讓學生可以以自己的速度節奏來複習、預習或反覆聆聽。

如果學習目標是要認識自然現象，有些自然現象是學生直接觀察可以習得的，例如洋蔥細胞的細胞壁、化學反應的沉澱現象、酸鹼中和的放熱等，那最好的方式就是在實驗室中呈現，直接讓學生觀察到。有時候搭配「實體實驗工具」，可以降低實驗難度或是得到更清楚的資訊，可以幫助學生學習這類的內容。或者是找到合適的「展示工具」，讓訊息能更清楚的呈現，提高可操作性、互動性以及更多不同的視角，也會有一些幫助。

如果要學習的自然現象，是可以操弄變因來探究的，例如「不同物質受熱後，其溫度的變化可能不同」，就應該藉由實際的實驗來進行探究，並且在探究的過程中同時學習問題解決的技能。這時候如果可以挑選適當的數位實驗工具或是虛擬實驗工具，都可以幫助學生學習對應的學習內容與問題解決的技能。用虛擬實驗來學習實驗室器材的操作，並不是太有效率的學習方案，在實驗室中實際操作器材仍然是更好的選擇。

如果要學習的自然現象，是可探究，並且有機會引進科學模型讓學生學習以模型思考、發展、建構、測試和評價想法的話，那麼以數位實驗工具輔助實體實驗，加上建模工具輔助學生建模。結合虛擬軟體、抽象思考建模與實體實驗取得事實來驗證或否決預測。這種虛實整合的工具，更能夠讓學生有機會進行高層次抽象思考。

引進數位工具，旨在補足現有的工具不足，或藉由數位工具提升學生的學習效能。若原本的學習方案就已經可以達成很好的學習成效，當然不需要刻意引進數位工具來輔助。但許多老師在教學講述時，有許多概念以圖形化能夠表達得更清楚；實驗進行時，有些數位工具能降低實驗操作的門檻並取得更清楚的結果；建模時如果有圖形化、動畫化的表徵輔助學生思考，這些都有可能大幅的提升學習成效，在這個數位化的時代，值得老師和學生學習並運用。

參考文獻

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附註

Phyphox：phyphox – Physical Phone Experiments
FabLab-NKNU 高師大數位跨域教育基地｜首頁
PhET互動模型：Build a Molecule_建立一個分子
PhET互動模型：Wave on a String_繩波
PhET互動模型：電路組裝套件：直流電
虛擬物理軟體：Algoryx
PhET互動模型：PhET的物質三態
PhET互動模型：PhET氣球和靜電引力的建模工具
PhET互動模型：Natural Selection_天擇

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發展階段		具體運思考期（三〜五年級）	銜接期（六〜七年級）	形式運思期（八〜九年級）	形式運思期（十〜十二年級）
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微觀巨觀				能賦予形式化模型屬性，並用來解釋科學現象。	能使用專有符號、文字或數學方程式等抽象模型來解釋科學現象。
			使用形式化模型來解釋科學現象。
		能賦予模型（含圖片、擬人化肢體動作或積木）屬性，並用來解釋科學現象。
		能使用模型（含圖片、擬人化肢體動作或積木）來解釋科學現象。

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參考文獻