• 教學成效

 利用上述的化學電池心智模式分類方式，將學生教學前後的心智模式分類後將心智模式分佈情形整理於表二，做為討論心智模型分佈情形討論之依據。

「一般教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖三所示，教學前，學生的心智模式幾乎集中於「電池概念不完整」高達96.3%，僅有一位同學之心智模式為「電極混淆模式」。透過一般文本教學後，學生的心智模式仍集中於「電池概念不完整」，但比例有下降達55.6%；亦有發展出新的心智模式，即為「電路雛型模式」其比例為25.9%，位居第二。若從圖4-3-0觀察可知，教學前，心智模式多集中於左方的心智模式(初始模式)；教學後心智模式朝右方的心智模式移動(綜合模式)，並且仍可看出教學前後於初始模式由96.3%降低至55.6%；綜合模式由3.7%提高於44.4%，但是，仍未觀察到有科學模式的產生。

圖三　「一般教學組」教學前後心智模式分佈情形

「建模探究教學組」心智模式的分佈情形如表二與圖四所示，教學前，學生的心智模式多集中於「電池概念不完整」高達70.8%，透過建模文本教學後，發現，「電池概念不完整」之心智模式已不存在，並且發展出在前測尚未有的心智模式：電路雛型模式、電路進階模式與類科學模式，教學後所發展出的心智模式其比例皆高於20%。若以圖三的分佈情形來看，教學前集中於左方之心智模式(初始模式)，透過教學朝右方的心智模式移動(科學模式)，並且教學前後於初始模式由87.5%降低至8.3%；綜合模式由12.5%提升至62.5%；科學模式由0%提升至29.2%，可知，透過教學有助於提升綜合模式與科學模式與降低初始模式的比例。

圖四　建模探究教學組教學前後心智模式分佈情形

由上述心智模式的分佈情形可提出以下三個現象：一、教學前，學生的概念過於破碎與不完整，因此，大部的學生於教學前皆屬於「電池概念不完整」的心智模式，透過教學，會發現次現象降低情形顯著，表是透過教學有助於學生改善破碎與不完整的概念；二、教學後，皆有助於降低初始模式，提升綜合模式甚至科學模式的比例，此現象正與第一個現象互相呼應；三、透過不同的教學方式，所達到的最高心智模式不相同。

•  教學反思

Schwarz(2009)提出關於建模本位教學將遭遇的挑戰，可分成兩部分，第一部分來自於教師對於科學課程的信念改變，教師必須從僅提供「固定」答案的教學方式，進而轉換成以證據為導向的知識建構方式進行教學，此教師信念的改變為建模教學現今所遭受的挑戰之一；第二部份來自於學生於科學學習中的情形，建模教學即為學生仿效科學家建立模型的過程，其中，科學家透過發表模型，並使用模型解釋或預測，因此，在建模教學中，必須著重於學生「發表」自行所產生的模型，使學生能夠有機會進行「口頭發表」。此兩部分皆為教學活動中極為重要的角色，因此，建模教學能夠落實，必須克服上述的挑戰。以下將提出本教學的反思內容：

一、建模文本與建模本位探究教學促進學生心智模式的改變

        增加不同情境的探究問題與以學生為中心的方式，屬於建模本位探究教學規劃中的一部份。使學生思考不同情境的問題，以及自行選擇探究的主題皆能夠使得學生的心智模式產生更大幅度的變化，並且擁有更複雜的變化情形。根據研究結果，透過建模教學的學生心智模式改變的情形要一般教學明顯。

二、教學內容的改變

        以學生為中心的教學方式，提供學生更多討論與反思的機會。針對研究問題與研究流程，皆由各小組自行討論與決定，與教師溝通後則開始蒐集資料。本研究中以白板的發表的方式，學生可使用各種表徵，發表各組的研究成果，透過小組間的比較與討論，增高了學生經歷模型效化的機會。從心智模式的改變情形可知，多元、彈性且以學生為中心的教學模式，有利於學生發生心智模式的改變，並且產生更為豐富的心智模式。

三、進行長期建模本位探究教學

        本研究的課程內容未完成完整的建模歷程，未來能討論學生經歷完整建模歷程時，心智模式變化的情形。因此，希望透過長期的建模本位探究教學，能夠使學生經歷更為完整的建模歷程，對於研究而言，亦有助於了解建模歷程的起點與限制(Schwarz,2009)。

參考資料

Chi, M. T. (2008). Three types of conceptual change: Belief revision, mental model transformation, and categorical shift. International handbook of research on conceptual change, 61-82.

diSessa, A. A., Gillespie, N. M.,& Esterly, J. B. (2004). Coherence versus fragmentation in the development of the concept of force. Cognitive Science, 28(6),843–900.

Gentner, D. (1983).Structure-mapping: A theoretical framework for analogy. Cognitive science, 7(2), 155-170.geology laboratory-based course. Science Education, 92(4), 631-663.

Schwarz, C. V., Reiser, B. J., Davis, E. A., Kenyon, L., Achér, A., Fortus, D., … & Krajcik, J. (2009). Developing a learning progression for scientific modeling: Making scientific modeling accessible and meaningful for learners.

兩岸化學教育高峰論壇:化學模擬實驗軟體在國中八年級理化的探究與實作應用

陳子聖*¹、周金城²

¹臺北市立敦化國民中學

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

*[email protected]

 

• 前言

科學教學的核心之一是幫助幫助學生培養解決問題的能力，無論在「九年一貫課程綱要能力指標」，或是即將實施的「十二年國民基本教育自然科學領域課程綱要」中，都提及探究教學中，教師需幫助學生學習如何具備問題解決的能力。若身為教師能落實平日教學課程中安排學生進入實驗室動手操作，學生才比較有可能藉由實驗操作的過程，培養問題解決的能力。但是由於部分實驗仍具有危險性，過去並不容易讓學生可以自行設計實驗，並自主測試實驗結果。利用商業化的Yenka Science軟體，教師可以設計物理、化學、數學與工程等主題的科學實驗，讓學生在電腦上親自進行科學模擬實驗操作，並且可以讓學生熟悉實驗步驟並收集數據，進而預測實驗可能的結果。

此次教學研究將以4個八年級上學期理化實驗內容，設計Yenka化學模擬實驗，並進一步比較使用Yenka融入實驗教學與一般教學的八年級學生在學習成效上是否有顯著差異。過程中學生約三人一組藉由觸控平板電腦來操作模擬實驗，熟悉實驗步驟並練習預測結果。透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現不論國小或是國中Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績進步達顯著差異。

• 研究背景與目的

2019年即將啟動的12年國民基本教育課程綱要(簡稱課綱)中的自然科學課程中，規劃每學期至少包含一個跨科單元，實施跨科主題整合的探究與實作學習，其主要目的並不是取代學科的實驗課程，而是讓學生可以動手將想法實際執行出來，以提升學習成效。因此，在本教學研究中，希望藉由Yenka實驗模擬軟體操作，透過學習單內容設計加入引導式探究的內容，以2~3人為一組進行小組討論，幫助學生在實驗過程中培養探究學習能力，並能解決所教師所設計的實驗問題，例如：在原有課本實驗內容中加入不同物質的溶解度觀察，以瞭解溫度上升是否均能增加溶解度等，延伸實驗的廣度與深度，以提升學生的科學學習成效。故本次教學研究目的有二：

1.      利用Yenka科學實驗軟體融入科學教學活動，幫助學生科學成效是否能有所提升。

2.      利用Yenka科學實驗模擬軟體融入實驗課程時，學生所遇到的問題與解決方式。

•  研究設計

為了確認實驗模擬軟體在國中教學效果，我們選擇台北市某國中八年級學生，將自然與生活科技的四個主題的融入Yenka活動，分別是1.密度的測定、2.混合物的分離、3.溫度對固體溶解度的影響、4.氧氣的製備及性質。研究期程共計共 6 週，每周 4 節課，合計 24 節課，教學對象的２班學生均為常態編班，其實驗組 26 人，控制組 27 人，合計 53 人，實驗模擬軟體均採用Yenka
Chemistry，而實驗影片內容採用康軒版電子書所附內容，每次課程進行前，先進行前測，兩組進行相同時間的教學，再進行後測。茲將教學流程說明如表一所示。

表一：每次實驗課程之教學流程

實驗組   (26人)	前測	概念教學	Yenka模擬軟體操作+ 小組討論	進實驗室   動手實作	後測
對照組   (27人)			觀看實驗影片+   師生問答

每次實驗均將以上述流程重複實施乙次，其前後測內容選擇與本次實驗相關的試題進行編修，每回施測內容會包含實驗記錄結果的預測及延伸試題，實驗設計內容主要為八年級上學期康軒版自然與生活科技第三冊課本所附實驗教材，部份實驗亦加入延伸課題，讓不同程度學生均能有學習躍遷機會，合計４個實驗標題如下所示：

1. 實驗 1-2 密度的測定

2. 實驗 2-1 混合物的分離

3. 實驗 2-2 溫度對固體溶解度的影響

4. 實驗 2-3 氧氣的製備及性質

教師進行實驗設計過程中，若部分實驗器材無法在Yenka實驗模擬軟體找到相同的物件，會改用其他替代器材配合相同的實驗方法，儘量讓實驗組學生在使用模擬軟體的過程中同步完成課本實驗步驟與練習器材使用技巧，除了可讓學生熟悉實驗流程外，有利於在真實的實驗室中的操作過程更加安全流暢。

• 教材內容

以下僅列出本次教學研究部份實驗模擬軟體的畫面與搭配實驗所設計的學習單截圖，並非全部教學內容，謹供讀者參考，若有意瞭解全部過程及內容，歡迎私訊討論。

圖1-1　實驗1-2密度的測定	圖1-2 實驗1-2學習單
圖2-1　實驗2-1混合物的分離	圖2-2　實驗2-1學習單
圖3-1　實驗2-2 硝酸鉀溶解度	圖3-2　實驗2-2學習單
圖4-1　實驗2-3 氧氣的製備	圖4-2　實驗2-3學習單

學習單設計過程中，教師可以將不同操作變因依據學生學習能力，調整增加可探究的項目，故可藉此進行差異化教學，讓不同學習能力的學生，可在課本既有的實驗教材中，追加挑戰延伸的實驗課題，充分發揮模擬軟體的可再現性與安全性之優勢。

• Yenka融入八年級自然與生活科技教學能提升學生學習成效我們將實驗組與對照組的前後測成績以統計軟體SPSS進行比較，結果如表二所示。

表二：八年級學生融入Yenka活動前後測成績共變數分析結果

組別	人數	前測	後測	前測成績調整	後測成績調整	前測共變數分析
八年級實驗組 yenka融入教學	26	54.8	72.3	63.2	79.1	F=8.709*   p=.005<.05
八年級對照組 一般教學法	27	71.2	79.7	63.2	73.1

使用SPSS 20分析後，確認前測成績具有同質性 (F=1.129, p=.293>.05)，可進行共變數分析。兩組後測成績差異達顯著 ((F=8.709,p=.005<.05) ，顯示實驗組成績優於對照組。

本次教學研究上，參與Yenka融入實驗教學中，有八成以上學生藉由學習單的結構式引導，均可形成模型並解決問題。且透過Yenka融入的實驗組與一般教學的對照組進行比較，發現Yenka融入的實驗組教學成效都優於一般教學對照組，且成績差異達顯著差異。

• 學生回饋內容

全部教學結束後一周內，對實驗組26位學生實施問卷調查，採五等第量表，其問卷內容設計如下：

1.  Yenka科學實驗模擬軟體操作很方便。

2.  我喜歡老師利用Yenka科學實驗模擬軟體所設計的科學實驗。

3.  透過Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以產生出如同動手做科學實驗的結果。

4.  用Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以提升我科學學習的興趣

5.  透過Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以測試我的科學實驗假設。

6.  利用Yenka科學實驗模擬軟體做實驗，可以收集實驗數據。

7.  利用Yenka科學實驗模擬軟體，可以幫助我建立科學模型觀念。

8.  透過Yenka科學實驗模擬軟體，也會像真的動手做實驗一樣，會產生實驗誤差。

9.  我會想要利用Yenka科學實驗模擬軟體，來設計科學實驗。

10.   我喜歡以小組的方式來使用Yenka科學實驗模擬軟體。

11.   我喜歡以單獨個人的方式來使用Yenka科學實驗模擬軟體。

12.   在教室內利用觸控平板電腦操作Yenka科學實驗模擬軟體很方便。

統計作答結果如圖 5 所示，可得知有近8成的學生對於使用模擬軟體融入實驗課程學習，均感到滿意認同。

圖5 實驗組學生使用模擬軟體進行實驗學習之滿意度調查結果

在回饋問卷中，亦進一步瞭解實驗組學生在課堂中利用Yenkadk 科學實驗模擬軟體協助學習的看法，知道學生同意藉此學習方式能預測實驗結果並熟練實驗步驟，可增加學習成就感與提高真實實驗結果的準確性，茲將部份學生回饋單內容呈現，如圖6-1~6-2所示：

圖6-1 實驗組學生在實驗課程中使用模擬軟體學習的看法1

圖6-2 實驗組學生在實驗課程中使用模擬軟體學習的看法2 

 

• 模擬實驗與一般實驗教學的差異比較整理本次教學研究的學生看法與教學實施過程省思後，可得知模擬實驗軟體融入學習中的優、缺點，分別如表三、表四所示：

表三：模擬實驗軟體融入實驗學習中的優點

學生觀點	教師觀點
易於反覆操作	時間運用彈性
縮短實驗時間	減少干擾因素
結果具再現性	可精熟實驗操作步驟
所需成本較低	容易瞭解變數間關係
數據即時回饋	建立解決思維習慣
精熟實驗操作步驟	驗證概念及知識點
協助預測真實結果	現象直觀化
提高實驗學習興趣	可觀察微觀粒子變化
無需處理廢液，環保	適合實施差異化教學

表四：模擬實驗軟體融入實驗學習中的缺點

學生觀點	教師觀點
難以完全表達真實情境	操作自由度高，若無適當引導可能建立錯誤印象
效果不一定明顯	需引導觀察重點
結論不一定可靠	材料開放性不足，無法自行擴增或增購
圖示字體偏小	實驗設計難度高
操作熟練需再練習	預設模組太少
程式會偶爾卡頓不順	資料庫數據出處不明
按鍵過小，容易誤按	尚無中文化
	無法完全替代真實實驗

 

• 教師的教學省思

經由此次教學研究後，細讀學生填寫的回饋單內容與回想教學歷程時，可以觀察到多數學生都喜歡動手做的課程，對於能進入實驗室也都能抱持較高的學習熱忱，只是在以往的教學方法中，通常難以在一堂課中讓學生很快的熟悉該次實驗的流程與操作技巧，經由Yenka實驗模擬軟體融入教學中，讓學生在進入實驗室前有動手做的機會，便能更加熟悉操作中技巧，瞭解可能遇到的困難；而實際上，實驗組學生相較於對照組學生，因為有多一次操作實驗的機會，打破器皿機會變低，所需實驗時間也縮短，對於實驗結果有事先以軟體預測數值，故實驗紀錄的數據也較能符合預期目標。

給有志採用此一方法提升實驗成效的教師夥伴們幾點建議：

1.   學習單設計儘量以表徵可見為主，避免概念性問題。

2.   應善用微觀粒子模型表徵工具，引導建立微觀思維。

3.   前後測試卷設計，不宜直接使用題庫資料，須根據模擬實驗步驟採用更適性化提問。

4.   對照組學生於後測實施後，仍可藉此模擬實驗軟體補充說明加強學習印象。

•  結語

身為教育未來世界公民的教師，已無法只使用板書或精彩的講義教材進行教學活動，若能善加運用影音媒體或電腦科技，讓複雜的現象或實驗結果透過模擬軟體、影片示範，再加上親自動手作的過程，所獲得的資訊量絕非單純講述或書面資料所能呈現，實驗模擬軟體絕對無法取代真實的實驗操作課程，僅能輔助學習者能在接觸具危險性藥品之前，提供安全、有效率且變動性上的便利優勢，教師們要以身作則，喜歡做實驗、設計實驗、探究未知事物，才能激勵學生們在未來不可知的環境中保持挑戰的熱情。

• 參考資料

1.   周金城(2018)。軟體與平台在中小學化學教學上的應用。台灣化學教育，24期。http://chemed.chemistry.org.tw/?p=27197

2.   康軒書局(2019)。國民中學自然與生活科技第三冊（第六版）。臺北市：康軒。

3.   Chou, C. C. (2017). The Course of Modeling based Inquiry Chemistry and Physics Simulation Experiments for Preservice Elementary School Teachers. The 7th International Conference for Network for Inter-Asian Chemistry Educators, Seoul, Korea. 2017/7/26-28. (oral presentation)

4.   Chou, C. C. * & Lin Y. L. (2018). Modeling based Inquiry Chemistry Simulation Experiments for Elementary School Students. 25th International Conference on Chemical Education, Sydney, Australia, 2018/7/10-14. (oral presentation) 

兩岸化學教育高峰論壇: 公開觀課：同題異構—週期表

鍾曉蘭

新北市新北高中

新北市化學科課程發中心執行秘書

[email protected]

一、     前言

2018年12月4日新北市化學科課程發中心受國立臺灣師範大學科學教育研究所邱美虹教授邀請，協助辦理「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課研習，研習由新北高中倪靜貴校長主持開幕，敬邀新北市教育局何茂田致詞，總參與教師與貴賓近80位。參與同題異構的主要教授有國立臺灣師範大學邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授、東北師範大學鄭長龍教授、美國紐約州立大學柳秀峰教授、國立臺灣師範大學化學系張一知教授、國立臺北教育大學周金城教授及林靜雯教授，教師有北京海淀教師進修學校支瑤副校長、東北師大附中孫磊老師、台北市立中山女中曹雅萍老師及新北市立新北高中鍾曉蘭老師。

二、     公開觀課之同題異構

    隨著十二年國教新課綱的發展，近年來，教師社群發展與共同備課(以下簡稱共備)也日益重要，教與學的歷程中有許多需要教師關注的議題，如哪些概念屬於核心概念？學生在不同的核心概念中持有何種類型的迷思概念？不同類型的核心概念適用的教學策略/教學活動/教學評量為何？這些問題都亟待教師們共同研究與解決。

    公開觀課是近年來教師社群共備方式之一，過程包括三部分：說課、觀課與議課。本次公開觀課的概念為週期表與化學反應速率，特別請兩岸具多年教學經驗的四位化學教師，各自以五分鐘說課：如何根據不同的教學鷹架或活動引導學生探究與建構相關概念，接著觀課：進行25分鐘的同題異構教學，在觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課(專家點評)。詳細說明如下表1：

表1  同題異構之觀課主題、分享教師及點評專家

三、     週期表的規律性—游離能公開觀課

(一)        教學設計理念

本次公開觀課引導學生以建模歷程為學習鷹架，經由數據分析的過程以建立週期表中元素游離能的規律性，讓學生在探究活動中，學習分析、歸納數據的邏輯、關聯或規律，以建立質性或量化關係的模型(如概念圖、關係圖或數學關係式)，用以描述觀察的現象，並依建立的模型用以解決問題或預測新的發展。

科學家在建立科學模型時，有一定的思考過程，稱之為建模歷程(Modeling process)(引邱美虹，2016，參見圖1)。概分為四個階段：(1)模型發展階段；(2)模型精緻階段；(3)模型遷移階段；(4)模型重建階段。

(1)   模型發展階段：科學家經歷多次相類似的生活現象後，便開始從先前概念中選擇適當的物件(成份)、或基本模型；再建立所選物件(成份)、或基本模型的關係或結構

(2)   模型精緻階段：利用已建立的模型之關係與結構進行效化，以判斷、檢驗、或比較模型內部的一致性；利用已效化的模型分析問題，並解釋其適當性(數據演算或推理)

(3)   模型遷移階段：能利用已效化的模型應用於相似情境的問題(近遷移)或運用於新情境的問題(遠遷移)

(4)   模型重建階段：當察覺已效化的模型失效，須增加或減少物件(成份)與關係，以修正為新的模型(弱重建)；最後，察覺已效化的模型整體失效，以重新建立為新的模型(強重建)

 

圖1  建模取向的教學

 

(二)        公開觀課活動照片

研習當天活動照片見圖2.1-2.8。

圖2.1近80位化學教師參與公開觀課	圖2.2 新北市教育局何茂田致詞
圖2.3  支瑤副校長公開觀課	圖2.4  公開觀課：學生發表想法
圖2.5  鍾曉蘭老師說明教學設計理念	圖2.6  公開觀課：師生互動
圖2.7  倪靜貴校長主持專家點評	圖2.8  王磊教授專家點評

(三)        游離能學習單

週期表的規律性－游離能

一、     建立基本概念(發展基本的概念模型，此部分可請學生以小組查詢相關資料後，再行回答問題)

1.      游離能的定義：為移出氣態原子最高能階軌域之一個電子所需的能量(ionization energy ，常簡稱為IE)，而從原子中移出電子其過程必須______能量，為_____熱反應，因此反應熱ΔH ___0。

2.      從氣態的原子移出束縛最鬆的第一個電子所需的能量稱為第一游離能 (first ionization energy，以  IE₁表示，若無特別聲明，一般所說的游離能均指第一游離能而言)依次移去第二個、第三個、…、第n 個電子所吸收的能量稱為第二游離能(IE₂)、第三游離能  (IE₃)、……、第n 游離能。

Q1：請同學預測，影響游離能最重要的因素為何？

A：

 

二、分析數據與效化概念模型(模型精緻)

【表1-1】週期表前20號元素的連續游離能（kJ/mol）

	第一	第二	第三	第四	第五	第六	第七	第八
H	1,312
He	2,372	5,250
Li	520	7,298	11,815
Be	899	1,757	14,848	21,006
B	800	2,427	3,660	25,025	32,826
C	1,086	2,353	4,620	6,223	37,830	47,276
N	1,402	2,856	4,578	7,475	9,445	53,265	64,358
O	1,314	3,338	5,300	7,469	10,989	13,326	71,333	84,076
F	1,681	3,374	6,050	8,408	11,022	15,164	17,867	92,036
Ne	2,081	3,952	6,122	9,370	12,177	15,238	19,179	23,269
Na	496	4,562	6,912	9,543	13,353	16,610	20,114	23,489
Mg	738	1,451	7,733	10,540	13,030	17,995	21,703	25,655
Al	578	1,817	2,745	11,577	14,831	18,378	23,294	27,459
Si	786	1,577	3,232	4,355	16,091	19,784	23,786	29,251
P	1,012	1,903	2,912	4,956	6,274	21,268	25,397	29,854
S	1,000	2,251	3,361	4,564	7,013	8,950	27,106	31,669
Cl	1,251	2,297	3,822	5,158	6,542	9,362	11,018	33,604
Ar	1,521	2,666	3,931	5,771	7,238	8,781	11,995	13,841
K	419	3,051	4,411	5,877	7,975	9,049	11,343	14,942
Ca	591	1,145	4,912	6,474	8,144	10,496	12,321	14,206

資料來源：C.E Moore,“Ionization Potentials Ionization Limits from Atomic Spectra,”NSRDS-NBS34,1970

Q2：請同學根據上表，比較同一元素連續游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q3：根據上表，比較同一族的元素第一游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q4：根據上表，畫出第二週期的元素第一游離能與原子序的關係圖。

 

Q5：根據上圖，同一週期的元素第一游離能大小之關係為何？提出可能的解釋？

 

Q6：推測出週期表中第一游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______。

 

Q7：第二週期中，第一游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______；第二游離能最大的元素為_____，最小的元素為_______。

 

推論出：同一週期主族元素之第n 游離能以第______族最小，第______族元素最大。

Q8：鹼金屬族在第幾游離能大幅度增加？原因為何？

 

 

推論出：

*補充資料：過渡金屬元素同一週期從左至右，由於有效核電荷增加不多，原子半徑減小緩慢，故游離能大小相差不大。

＃結論:

影響游離能大小的因素：

 

四、    結語

這次「亞太化學教育研討會」同題異構之公開觀課為兩岸高中化學教育開啟分享與交流的極佳管道，不僅是學界與高中教學現場的融合，也是兩岸教學方式的分享與交流，讓我們看到不同的教學策略與思維，值得國內多舉辦與老師們多參與這類型的公開觀課，將有助於現場老師們教學精進與教師增能。

 

五、    參考資料

邱美虹(2016)。科學模型與建模：科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育電子期刊2016年1月專刊。

兩岸化學教育高峰論壇:公開觀課：同課異構–濃度對反應速率的影響

曹雅萍

國家教育研究院測驗與評量中心研究教師

中山女子高級中學

[email protected]

一、前言

2018年12月4日眾多化學老師與教授齊聚新北市立新北高中，參加「亞太化學教育研討會」。研討會中分別由北京海淀教師進修學校支瑤副校長和新北市立新北高中鍾曉蘭老師以「週期表」為主題；東北師大附中的孫磊老師與台北市立中山女高以「反應速率」為主題，進行同課異構之公開觀課活動。活動中每位老師分別以五分鐘說課，以解釋課程設計的者要理念；再進行25分鐘的同課異構教學，並於觀課後商請兩岸知名的化學教育專家進行議課，點評教授包括國立臺灣師大邱美虹教授、北京師範大學王磊教授、華東師範大學王祖浩教授和東北師範大學鄭長龍教授。

二、反應速率－濃度對反應速率的影響公開觀課

(一)課程理念與設計說明

反應速率的傳統教學方式，多為寫出反應速率定律式，再以許多題目不斷練習應用，讓學生在練習過程中，熟悉並背下反應速率定律式，但對於反應速率式的本質，與反應速率定律式為何出現的理由並不清楚。

為了以因應素養導向教學，並希望學生於知識學習過程中，同時培養解決問題的能力，故本課程設計時，溶入形成性評量的概念，希望從學習評量中建構學生在化學課堂上的學習。形成性評量的理論基礎則強調教學歷程要與評量歷程相互結合，才能達到改進教學的目的，進而提高學習效果。亦即「評量本身就是學習或教學活動」，當評量本身就是一個學習任務，藉由評量引導學習才會發生，若提問本身對教師就是評量活動，則回答教師的問題，對學生就是學習活動。

此外，實驗設計的概念亦為本次新課綱探究實作課程的重點之一，故本課程亦融入了實驗設計的概念，希望學生在學習過程中同時了解，探討反應物濃度對反應速率的影響時，一次僅能探討單一物質濃度(單一變因)對反應速率的影響，亦即於教學中同時澄清操縱變因與控制變因的概念，有助於實驗設計能力的培養。

下表為本課程設計簡述，希望藉此引入科學家設計實驗與思考解決問題的歷程，讓學生經由一系列有組織的提問後，可以自行理解並歸納出反應速率級數的意義。

單元主題	反應速率－濃度對反應速率的影響
單元目標	能從一系列的反應速率實驗中，取得反應速率的數據，並有效整理反應速率的數據，進而寫出濃度和反應速率的數學函數關係。
核心問題	如何以一個適當的函數關係，表示濃度和反應速率的關係呢？
學習內容	CJe-Va-1 反應速率定律式	學習表現	tr-Ⅴa-1 能運用一系列的科學證據，理解並推導自然現象的因果關係。 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。
教學流程與提問設計	1.      示範丙酮碘化實驗，並引起學習動機。 2.      學生討論並說出反應速率如何計算。 3.      由上述的觀察中推論，可以用來測量反應速率的對象，需要具備哪些特性？並舉例說明。 4.      如果反應物的濃度會影響反應速率，那妳可以如何確認呢？ [H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]的影響分別為何？ 請求出反應速率，並分別寫出反應速率和各物質濃度的關係。 5.      如何將[H＋]、[(CH3)2CO]和[I3－]和反應速率的關係以一個數學函數表示呢？
感謝師大化學系張一知教授提供第四十四屆國際化學奧林匹亞實驗競賽試題。

 

(二)開觀課活動照片

研習當天活動照片下圖。

圖1  孫磊老師公開觀課	圖2曹雅萍師公開觀課
圖3  學生課堂參與情況	圖4  王祖浩教授專家點評

(三)「濃度對反應速率的影響」課程流程與學習單

1. 實驗原理說明並進行實驗演示，已引起學生學習動機，並由實際的實驗演示中，觀察並推論出可以如何測量反應速率。

2. 研究設備及器材

3. 教學歷程提問與學習單：

 
(1)學生可由實驗觀察中，並經老師的引導後了解，計算反應速率測量時間時，需要有一個觀察標的，而此標的必須要有明確的變化，並可經眼睛或是儀器等測量其用量。

(2)當學生了解反應速率的測量方法後，即可運用此方法探討物質濃度對反應速率的影響。故以下的學習單提問，以表格方式提示學生，如果探討丙酮濃度對反應速率的影響時，操縱變因與控制變因應該如何設計才可得到所需的實驗結果。

(3)當得到實驗結果後，引導學生如何以數學的關係式表達濃度與反應速率之間的關係，亦即簡單的建模概念。

(4)當由實驗中可以得到不同物質對濃度的影響後，繼續引導學生討論，如何將不同物質的影響以單一個數學等式表示。當了解一個化學反應其反應物的濃度和反應速率的關係，可以由單一數學式表示後，再引導學生進一步以通式表示所有反應之反應物濃度對反應速率的影響。

三、結語

這次「亞太化學教育研討會」吸引了海峽兩岸的許多化學第一線教師積極參與，除了打開交流的管道外，更可針對同一個教學主題，進行不同的教法與課程設計的比較與討論，這是目前國內較少見的觀課模式，可做為後續教育現場推行教師共備課程設計時的方法之一，應可激發更多的動能，並帶來更多的創意。

此外，此次觀課與一般觀課研習不同的地方在於，有學界教授針對教學主題與方式，提供更具科學教育理念的指導與點評，有助於現場老師將實務教學經驗與學理比較、結合，讓現場老師以新的視角解讀自己的教學方式，有助於突破教學盲點，進而有效提升老師教學效能，此模式亦可作為後續觀課研習模式的參考。

四、參考資料

第四十四屆國際化學奧林匹亞競賽實作試題

兩岸化學教育高峰論壇:綠色創客-2：霍夫曼微型電解水模組的設計與應用

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

*[email protected]

• 影片觀賞

本實驗影片由大甲高中提供，微型電解水器的設計、製作以及教學應用過程介紹。

影片網址：https://youtu.be/QaE1Ymuv6FU,YouTube.

• 簡介

水是醞釀生命的泉源，對於生物體來說是不可或缺的無機物質，為了瞭解水的組成，國中理化課程中，透過電解水實驗，以排水集氣法分別收集陰、陽兩極的氧氣與氫氣，觀測兩極的氣體體積比。

早期的電解水裝置是由德國的化學家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann ^[1]）於1866年所發明，電解器外型似H型玻璃製的聯通圓管，金屬電極貫穿橡皮塞，與帶刻度的圓柱形玻璃管底部相連接，兩極中間連接一根細直型的玻璃漏斗，供添加電解液並維持水位；陰陽兩極是由兩根白金棒，貫穿橡皮塞塞住玻璃管底部所組成，隨後以直流電源連接白金電極進行電解。今日玻璃製的霍夫曼電解器因為安全性與不方便考量，慢慢被塑膠的電解槽所取代的，下圖為電解水裝置。

 

圖2：圖左為霍夫曼電解器，圖右為塑膠製電解水裝置

傳統的電解器體積較大、使用的電解液不管是氫氧化鈉或硫酸鈉，都需要數百毫升的體積、過量的廢液處理問題，加上白金電極價格昂貴，總總因素讓目前中學做過電解水實驗，有實際動手做實驗且正確量測出氫氣與氧氣體積比的學生寥寥可數。因應潔淨能源–氫能的崛起，電解水的相關研究風起雲湧^[2],[3]，如何改良電解水器，讓國高中的理科教師們都能方便地帶領學生進行電解水實驗，成了此次研發的重點。

延續之前在科學研習月刊的撰文（綠色創客：微型電化學電池的設計與應用 ^[4]）風格，應用跨領域的技術，從無到有，一步一步地完成新式的微型電解水裝置的設計，以及實驗模組的教學應用；微型的設計中以1毫升塑膠針筒取代傳統的玻璃管，進行陰陽兩極氣體的收集；應用雷射切割技術，壓克力製的電解槽具組裝容易，不易摔破、攜帶方便的優勢；陰、陽電極固著於塑膠螺絲上，螺絲電極可旋入電解槽底部螺孔，方便自由拆卸、更換；不受限於傳統電極固定性結構，提供進行電解的變因探究，目前可使用碳纖維、鐵、不鏽鋼、鎳鈦合金、黃銅以及純銅六種電極；除可透過USB行動電源進行電解實驗，實際節省98%化學試劑使用量，使用後的溶液亦可回收循環使用。下圖為學生在選修課進行微型電解水實驗操作圖。

圖3：本校微型電解水實驗的操作

本文除描述「微型電解水裝置」的製作方法外，亦提供電解水模組的教學使用示例，與教學的設計與應用，並且詳細地說明此實驗所涉及的原理與概念，以及教師教學的提示。期盼透過本刊物的分享，提供讀者瞭解電解水實驗的參考；落實實驗減量、減廢，實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

• 器材與藥品

1.      功率80W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60cm × 40 cm，厚度8mm一塊（約可切出20組微型電解水裝置）

3.      螺絲攻牙器1組（含5.0mm的螺絲攻鑽頭）【購自五金材料行】

4.      鑽孔機1台（含1.4mm鑽頭）

5.      PP塑膠一字螺絲（Φ＝6mm，長12mm）數個【購自五金材料行】

6.      雙面矽膠帶（寬＝5mm、寬10mm，各一捲）兩捲

7.      塑膠針筒包括：1毫升針筒3支、2.5毫升針筒1支

8.      塑膠三通閥2個、雙通閥1個【購自醫療用品店，亦可使用3個三通閥】

9.      紅、黑鱷魚夾線各一條

10.  六種電極包括：碳棒2支(碳纖維)、鎳鈦合金棒、不鏽鋼棒、鐵棒、銅棒以及黃銅棒各1支（直徑Φ＝1.5mm，長6mm）

11.  止洩帶1捲

12.  0.5M硫酸鈉溶液、溴瑞香草酚藍指示劑（簡稱BTB）、0.5M硫酸銅（Copper sulfate, CuSO₄）溶液、0.5 M碘化鉀（Potassium iodide, KI）溶液各10mL。

• 製作微型電解水裝置

1.      概念發想：在可攜式、減量及電極可替換性用的原則下，設計改良的重點五個方向：

(1)  如何縮減電解槽的空間大小，減少電解液的使用量。

(2)  如何取代玻璃管，方便收集陰、陽兩極的產物。

(3)  如何取代大型的鐵製支撐架，固定整個電解器機構。

(4)  如何設計可拆卸式電極。

(5)  如何完成防漏水、防漏氣設計，提供定量探究電解反應的空間。

2.      數位繪圖：利用Adobe CS3 Illustrator繪圖軟體，設計繪製電解器，機構規劃包括四個部分：

(1)  兩根塑膠針筒注射口朝上，作為陰、陽極反應的空間，並藉此觀測兩極的氣體體積變化。

(2)  方形電解槽：使用8 mm壓克力板構建電解槽的底部與四邊，電解槽底部陰雕出兩根針筒壓柄的橢圓外型（紫色區域），針筒垂直放置於內；壓柄置中留兩個圓孔，以連接陰陽兩電極之用。

(3)  針筒固定橫桿：中間兩圓型穿孔，針筒筒身可穿越圓孔，針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合；兩端各有一個卡榫（深綠色區域），橫桿的卡榫可與水槽邊框的榫洞接合，固定在電解槽上（紅色區域）。

(4)  電解槽的支撐腳：為節省材料，電解槽的邊框內的方型區域，扣除橢圓形區塊（淡藍色區域），作為電解槽的兩支的支撐腳。下圖為微型電解水裝置的設計圖。

 

圖4：圖左為微型電解水裝置示意圖，圖右電解槽各部位元件的電腦設計圖

3.      雷射加工：打開雷射切割軟體Rdworks中，導入機構設計的數位檔案，依照需求調整雷射切割的速率與功率的設定，接著取一塊大小為60 cm × 40 cm，厚度為8mm的透明壓克力板，放置雷射切割機平台，進行雷射加工。下圖為雷切機切割的過程。

圖5：雷射光切割過程圖

4.      底板攻牙：將壓克力電解槽底板放置在方形的模具裡，並用虎鉗夾具夾緊，固定在桌面；接著一支M6螺絲攻，牢固地夾持在電鑽的夾頭，隨後將電鑽固定在固定支撐架上。啟動電鑽電源，鑽頭順時針方向旋轉，下壓支撐架把手，在預先雷切的中心孔位（直徑5 mm）緩慢地攻出一個直徑6 mm，深8 mm的螺牙；切換鑽頭轉向開關，拉起支撐架把手，完成攻牙程序。下圖為攻牙的過程。

 

圖6：圖左為攻牙電鑽與支撐架，圖右為螺絲功牙過程

5.      可拆卸式螺絲電極的製作：取數個PP塑膠螺絲，固定在壓克力模具上接著取一支1.4 mm鑽頭，牢固地夾持在電鑽的夾頭上，下壓電鑽把手，；在塑膠螺絲的一字溝槽中央鑽出一個圓孔。取出螺絲，螺絲一字溝圓頭朝下放置在木板上，以鐵鎚輕輕敲打電極，隨後將電極貫穿螺絲約1公分。下圖為拆卸電極製作的過程。

  

圖7：圖左螺絲鑽孔，圖中為螺絲安裝貫穿電極，圖右為完成的拆卸電極

6.      電解槽組裝：包括電解槽黏合、螺絲電極安裝兩個部分：

(1)  電解槽底板雕刻區朝上，取寬度5 mm的雙面矽膠帶，依四邊長度裁剪適當長度，並沿邊界黏貼在電解槽底部四週。撕開雙面膠帶離形紙，取電解槽邊框與底部對齊，隨後適度用力壓合約1分鐘，確保兩者緊密黏合，降低漏水的機率。

(2)  取出兩根螺絲電極與一捲止洩帶，止洩帶自螺絲圓頭起依順時針方向纏繞，環繞2-3圈後剪斷，接著裝入M6規格的塑膠墊片，隨後依序將兩根螺絲電極自電解槽底部螺孔順時針轉入並旋緊。下圖為電解槽黏合、螺絲電極的安裝過程。

圖8：電解槽組裝

7.      氣體收集針筒的固定：取兩根針筒與壓克力固定橫桿，針筒壓柄朝下，固定橫桿的卡榫亦須朝下，貫穿固定橫桿的兩圓孔；下壓橫桿，讓兩端的卡榫與水槽邊框兩對邊的卡合部緊密崁合，此時針筒壓柄與水槽底部的橢圓形凹陷處接合。隨後將兩個三通閥緊密接在針筒的前端，控制閥一個朝前，一個朝後。螺旋母接口以較大的藍色塑膠塞塞住後，完成電解器組裝。下圖為針筒的固定過程。

圖9：氣體收集針筒的固定

• 教學應用

1.      0.5 M Na₂SO₄水溶液的電解

(1)  先以紅(+)、黑(─)鱷魚夾導線，夾住電解槽底部的鎳鈦合金電極與碳纖維電極，後將電解槽翻正(見圖10為電極與電源的連接)。

圖10：電極與鱷魚夾導線的連接

(2)  取約5mL的飽和 Na₂SO₄(aq)，倒入電解槽內，約八分滿，在滴入5滴的BTB指示劑。隨後取一支5mL的針筒，緊密連接上三通閥的側邊接口，三通閥呈T字型；將針筒的拉桿往後拉動，將電解槽內的溶液往上吸。當溶液上升至針筒刻度為0時，停止拉桿，接著將三通閥翻轉成⊥字型，使針筒與外界呈隔絕狀態。下圖為氣體收集裝置安裝。

 

圖11：電解氣體收集裝置圖，電解前溶液呈黃綠色。

(3)   以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極顏色是否發生變化？圖12為電解的過程。

圖12：電解30秒後，陽極溶液變為黃色(酸)，而陰極變為藍色(鹼)。

(4)  3分鐘後停止電解，仔細觀察兩極氣體體積的變化，試比較兩極氣體的體積比值為多少？

2.    0.5 M CuSO₄水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為硫酸銅，不須添加BTB指示劑，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察陰、陽極是否發生變化？

(2)   3分鐘後停止電解，紀錄正極收集氣體的體積；回收電解液，以清水稍加沖洗，仔細觀察電極上的變化。下圖為電解後的變化。

圖13：負極發現紅棕色的緊密的附著物，預估是銅的析出

3.    0.5 M KI水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，將溶液改為碘化鉀，以紅黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後，觀察並記錄陰、陽極所發生的變化。下圖為兩極的反應變化。

圖14：陰極發現大量氣泡的產生，陽極附近溶液出現紅棕色

(2)  3分鐘後，停止電解，接著取一根塑膠針筒，自負極的三通閥吸取液體，滴1~2液體在餐巾紙上，隨後入滴加1~2滴的BTB指示劑，觀察顏色是否發生變化；再取一根塑膠針筒，自正極的三通閥吸取液體，滴加在餐巾紙的另一隅，隨後入滴加數滴的澱粉試劑，觀察溶液是否會發生什麼變化？下圖為檢測結果。

圖15：餐巾紙的上方顏色由黃變藍(鹼性)；下方由紅棕色變為藍黑色(含碘)

4.    飽和食鹽水溶液的電解

(1)   同上之操作方法，因陽極產物易與鎳鈦合金中的鈦金屬作用，故將兩電極的位置互換，並將溶液改為飽和食鹽水，以紅、黑鱷魚夾導線連接9伏特方形的乾電池，開始電解並計時，30秒後觀察兩極發生的變化？

(2)   3分鐘後停止電解，取一根1毫升塑膠針筒，針筒前端連接一個雙通閥；接著將碘化鉀澱粉試紙放入針筒中，推入拉桿後，利用兩通閥連接三通閥吸取陽極的氣體，仔細觀察試紙顏色的變化，根據觀察到的現象以及你原有的科學知識，請嘗試推測該氣體的成分是什麼？打開雙通閥，將針筒靠近鼻子，以手揮動，聞聞看像甚麼氣味？

(3)   隨後再取另一支2.5毫升針筒，將長約2公分的廣用試紙置入針筒內，輕推壓柄將試紙推至注射口；接著與三通閥連接自三通閥吸取陰極的液體後，廣用試紙會發生什麼變化？下圖為正負極產物的檢測結果。

 

圖16：圖左澱粉試紙發生的變化(陽極)，圖右廣用試紙發生的變化(陰極)

•      原理與概念

本微型電解水實驗教具可提供數種類型的電解反應與教學應用，包括一般的電解水、電解質的參與、電解電鍍等，茲將類型分述如下：

1.      一般電解水，以硫酸鈉為電解質：

   只有水參與反應，電解質宜使用強酸、強鹼，如硫酸或氫氧化鈉，亦可用不參與反應的中性電解質，如硫酸鈉等；此狀況下，電極基本不參與反應，陰極發生水還原，可使用抗腐蝕的材料，如石墨、不鏽鋼；陽極發生水氧化，宜使用活性小的鈍性的金屬或導體，如白金、純鎳^[5]、或石墨。本文電解硫酸鈉溶液，陰極使用碳纖維^[6],[7]電極取代易折斷的石墨，電解產生氫氣，溶液呈鹼性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈藍色；陽極因白金價格過高，改採抗腐蝕力強，可用於人體心血管支架的鎳鈦合金電極^[8]，電解時產生氧氣，溶液呈酸性，可使溴瑞香草酚藍指示劑呈黃色。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

2.    電解質參與反應：

(1)  以電解質硫酸銅溶液為例，Cu²⁺的還原電位為0.34 V，比水的還原電位-0.83 V高，故在陰極發生還原，金屬銅析出；H₂O在陽極發生氧化反應，產生氧氣。陰陽極的反應如下：

陽極（接正極，氧化反應）：H₂O(l) → 1/2 O₂ + 2H⁺(aq)+ 2e^－   E^o_ox = -1.23V

陰極（接負極，還原反應）：Cu²⁺(aq) + 2e^－ → Cu(s)E^o_red= 0.34 V

(2)  以電解質碘化鉀溶液為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；碘離子I^－的氧化電位  -0.54V比水的氧化電位-1.23V高，陽極發生氧化反應，產生碘。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2I^－(aq) →I₂(aq) + 2e^－   E^o_ox = -0.54V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

(3)  以電解質飽和食鹽水為例，H₂O在陰極發生還原，產生氫氣；而陽極哪一個物質發生氧化呢？氯離子Cl^－的氧化電位為-1.36 V比水的氧化電位-1.23V低，照理說，是水發生氧化，但因高濃度氯離子使反應利於向右進行使然，氯離子在陽極發生氧化反應，產生氯氣。陰陽極的反應如下：

   陽極（接正極，氧化反應）：2Cl^－(aq) →Cl₂(g) + 2e^－   E^o_ox = -1.36V

   陰極（接負極，還原反應）：2H₂O(l) + 2e^－ → H₂O(l) + 2OH^－(aq)  E^o_red= -0.83 V

3.    電極參與反應：陽極發生氧化，可進行金屬的精煉，或合金金屬組成的分析，以銅的精煉為例，純銅做為陰極，黃銅（鋅銅合金）作為陽極，陽極氧化，產生銅離子，銅離子游向陰極，析出金屬銅，可由陰、陽兩極重量的增減，推算黃銅中不純物的含量百分比。

•      安全注意及廢棄物處理

1.          本次實驗所用的CO₂雷射切割機，為高能灼熱的熱線，眼睛不可直視，切割加工過程切勿離開現場，以免起火燃燒，引發火災；產生的氣體與粉末可能對健康有害，加工前後，務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

2.          在螺絲上鑽孔，或在壓克力板上攻牙，都必須以夾具夾緊後再施工。

3.          氯氣對黏膜有極大的刺激性，雖產量極少，亦不可將收集針筒的注射口直對人的眼睛或鼻腔；實驗結束，宜用該針筒直接吸取少量陰極的鹼性溶液，輕輕搖晃筒身後，廢液依規定回收。

4.          每次實驗後，應以自來水清洗壓克力電解器，擦乾置入封口袋保存。

5.          所有實驗後的廢液，依規定回收處理。

•      教師教學提示與建議

1.          鎳鈦合金，鈦金屬易形成氧化鈦鈍化膜，抗腐蝕性強，一般產氧的電解水實驗中，可作為陽極使用；尤其表面黑化處理的鎳鈦合金效果更好，鎳鈦合金棒可購自釣具用品店。

2.          碳纖維高彈性，不易折斷的特性^[6]，可取代石墨碳棒，不過碳纖維在強酸的環境易與氧氣發生氧化作用^[7]，以硫酸鈉為電解質，進行電解水實驗時，不宜當陽極使用。

3.          碘化鉀澱粉試紙，對光與空氣相當敏感，宜用黑色或深褐色的5毫升玻璃試劑瓶盛裝。

4.          雙通閥亦可用三通閥取代，為實驗前宜先讓學生孰悉三通閥的操作，免得電解結束，收集氣體時控制閥轉錯方向，造成實驗結果錯誤。

5.          收集氣體用的1mL針筒管徑較小，電解生成的氣泡有可能堆積在管內，造成氣泡中隔，進而影響數字讀取時的誤差，若改以2.5mL針筒時，情況可大幅改善。

6.          螺絲電極體積較小，拆卸不便，可設計輔具作為拆卸螺絲電極之用，下圖為螺絲電極拆卸輔具的參考。

 

圖17：螺絲電極拆卸輔具

•  特別致謝：

    筆者曾經於2018年在雪梨舉辦的國際化學教育討會(International Conference on Chemistry Education )，參加英國CLEAPSS教育機構學者Bob Worley的工作坊，從中得到啟發與激勵，特向他致謝；Bob是國際級的微型化學實驗大師，有興趣可以參考他的網站^[9]。

•  參考資料

1.      Hofmann voltameter, https://en.wikipedia.org/wiki/Hofmann_voltameter。

2.      Electrolysis of Water, http://www1.lsbu.ac.uk/water/electrolysis.html。

3.      Koponen, Joonas (2015), Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems.https://goo.gl/jsWEur。

4.      廖旭茂，綠色創客：微量電化學電池的設計與應用。科學研習。2017年11月，No.56-11期，頁54-62。

5.      Daniel Symes, Connie Taylor-Cox, Leighton Holyfield, Bushra Al-Duri, Aman Dhir. Feasibility of an oxygen-getter with nickel electrodes in alkaline electrolysers. Mater Renew Sustain Energy (2014) 3: 27. https://doi.org/10.1007/s40243-014-0027-4。

6.      Carbon fibers, https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers。

7.      黃博雄，碳纖維原本不是一根碳。科學發展。2018年5月，545期，頁36-41。

8.      陳怡安，鎳鈦合金設計及製程技術。2019年5月參考經濟部工業局地區產業整合發展計畫網站，www.srido.org.tw/attach/3088324512.doc。

9.      Microchemuk, https://microchemuk.weebly.com/。

科技大學學生對化學的學習信心和學習興趣

丁信中
嘉南藥理大學休閒保健管理系
[email protected]

•  研究探討
  

國際學生能力評量計畫2006 (Programme for International Student Assessment, PISA)的資料顯示，臺灣中學生對科學興趣與科學樂趣高於OECD國家平均值，但是臺灣中學生的科學自信心程度仍明顯低於OECD國家平均值(OECD, 2007)。在一份國內的調查報告中顯示，約70%學生表示喜歡科學，然而中學生的科學學習興趣與其在學校科學課程的學習經驗卻有所落差；天下雜誌(2010)以國、高中生為調查對象，資料顯示：國中生最不喜歡的科學學科是數學，高中生則最不喜歡化學；其前兩名的原因分別是「太難了」69.8％、「要背很多公式」43.9％。調查同時發現，整體學生有39%的比例「都沒做過」科學實驗，「每週低於1次」的比例也還有37.1％。與學生的期待相比有所差距，高達45.5％學生希望平均「每週做1到2次」實驗，這表示，學生是喜歡做實驗的，但是學校的科學課程內容似乎無法回應學生的期望。

臺灣中學生仍面臨著極大的升學壓力，在國中教育會考獲得好成績與進入名校就讀，是多數中學生的重要學習目標；同時，這也是家長對於中學教育的期待。天下雜誌(2013)對國中教育現場的調查顯示，12年國教強調免試升學，但仍有高達43.1%的學生，感到高度壓力；進一步分析，考試壓力(40.2%)、父母期待(26.9%)為中學生的前兩項的課業壓力來源。在測驗成就與升學主義的考量，傳統式教學與頻繁的筆紙測驗仍是多數中學科學教師的主要教學方法。如此頻繁筆紙測驗的教學方式與升學壓力等外在學習因素或許是造成臺灣中學生相對缺乏科學解釋與科學探索能力的可能原因。

相關研究發現，學生對科學、科學教學以及科學學習經驗的感受與態度，有隨著年級的升高而降低的現象(Hadden & Johnstone, 1983; Yager & Penick, 1986)。此外，學生的學習動機影響其對科學知識的理解程度，Hanrahan(1998)提到學生對學科內容有著先前知識和興趣，進而形成的內在動機，會較容易形成深層的認知參與；相對的，藉由外在因素，例如得到好成績、滿足父母的期待等，所形成的成就動機取向，僅能引發淺層的認知參與，無法獲得科學知識的理解。國外的研究發現，許多學生在進入學校課室教學後，學習動機反而變得低落，不再對學習感到興趣，甚至產生反抗的心理與行為(Lee & Brophy, 1996)。

Talton和Simpson(1986)的研究結果顯示，教室環境變項(包含教學與課程)可以解釋約46%-73%之學生科學態度的變異量，若再加上自我概念、家庭背景等變項，則可解釋的變異量達到62%-81%之間。

隨著臺灣少子女化的來臨，學生人數逐年下滑；2018年高中職畢業生為227,900人，其中，高中畢業生，包含普通科、綜合高中學術學程等計108,255人，高職畢業生，包含專業群(職業)科、綜合高中專門學程、實用技能學程等計119,645人；高職畢業生的比重從2011年56.98下降為2018年的52.50 (教育部統計處，2019)。以升學管道來看，高職畢業生多數就讀科技大學，雖然科技大學的系專業發展是以產業實務應用為導向，然而高職畢業生在中學階段的科學學習成就，多數屬於中低成就的一群，如何提升學生的科學學習動機，進而培育他們能擁有產業實務相關的科學能力，對於科技大學教師而言，是一項極大的挑戰。

• 研究工具

本研究開發「科學學習信心與學習興趣半結構晤談問卷」，此問卷分別從個人變項，家庭變項，學校變項，以及文化變項等四個角度，進行半結構晤談題目的設計，藉以瞭解科技大學學生對科學學習的信心與興趣，提供科技大學教師設計化學相關課程學習之參考。為了瞭解科技大學學生在專業化學學習是否受到中學理化學習經驗的影響，問卷的編製包含：第一部分中學的科學學習經驗，計11題，與第二部分科大專業化學的學習經驗，計10題等，編製完成的問卷共為21題。施測方式採半結構晤談，晤談時間為40分鐘。部分題目舉例如下：

1. 個人變項部份：你對於理化課程的學習動機是基於自己的興趣、還是為了得到好成績、或是滿足父母與老師的期待呢？

2. 學校變項部份：在中學的時候，你的理化老師上課的方式為何？你喜歡他的上課方式嗎？老師有沒有舉日常生活的例子來說明理化的生活用途呢？

• 施測對象

本研究的施測對象為中南部某2所私立科技大學的妝品、食品、環工等系的三年級學生，每系10位，合計晤談60位學生。選取科技大學三年級學生的原因，該階段的學生對於系相關專業化學的學習具備較多的修課經驗。

• 研究結果

一、中學科學學習經驗

發現一：多數學生表示喜歡小學的自然科學課程，然而對於中學的理化不感興趣，原因在於：課程無聊、考試太多、學習成就不佳、課程過於困難與太抽象而難以理解等。多數學生的學習動機屬於外在學習動機。參加課後補習的原因多是父母的要求。

—   62%學生喜歡小學時期的自然科學，原因在於：喜歡大自然、內容新奇有趣、日常生活用得到。然而，60%學生卻不喜歡中學時期的理化課程，原因則在於：課程過於困難與抽象而難以理解、考試太多、與成績不好。

—   40%學生喜歡他們中學老師的教學方法，例如：能將課程簡單化、應用到日常生活中、進行實驗活動教學。然而，僅有25%學生表示，他們的中學理化成績不錯或是優異。

—   53%學生的學習動機屬於外在學習動機，僅有10%學生為內在學習動機，其他則為兩者皆有。進一步分析顯示，35%學生表示他們的學業成績是受到補習與否、教師教學方法與父母期待的影響。

—   83%學生在中學時有參加校外補習。僅有10%學生表示，參加補習是自己的意願。多數的學生(45%)則為父母的要求。

二、專業化學學習經驗

發現二：約半數學生對於大學的基礎化學課程不感興趣，原因在於：他們的中學理化成績不佳、與課程內容有太多化學計算、太多抽象的概念與符號，然而他們對基礎化學課程的相關科學實驗是感興趣的。

—  40%學生對於基礎化學課程不感興趣。

—   43%學生表示在基礎化學課程的學習有所困難，例如：課程內容有太多抽象的概念與理論、化學方程式的計算、高職時期的課程學習缺乏相關的科學與數學科目、中學時期的理化成績不佳等。

—   僅有30%學生表示他們在基礎化學的學習成就為良好或是優異。

—   進一步分析顯示，57%學生表示他們在就讀系專業領域的相關專業化學課程的學習有所困難。此百分比高於學生對於基礎化學學習困難的陳述。

—   63%學生表示他們的學習信心受挫於中學時期理化課程的相關學習經驗。

—   然而，有72%學生表示他們喜歡基礎化學的相關實驗課程。

• 結語及建議

科技大學學生的科學學習興趣，在小學自然科學階段是正向的，但隨著中學課室教學的科學學習經驗，其學習動機卻逐漸下降，歸咎其原因包含：課程無聊、困難及過於抽象、學習成就不佳等；造成學生對於科學學習動機轉為外在學習動機，而不利於提升對科學知識的理解。若科學知識能應用於日常生活中，並進行相關的實驗活動，學生對科學學習仍持正向的態度。此一學習特質也反應在大學基礎化學的課程學習經驗，他們對化學相關課程不感興趣，然而卻喜歡實驗課程。依此來看，實驗課程活動可以提升學生對科學的內在學習動機。

為了培育科技大學學生能具備產業實務相關的科學能力，教師在基礎化學相關課程教學，應配合各系專業職能發展，以「Less is more」的原則，挑選相關的化學知識，改採主題式教學設計，並融入生活化議題或新聞事件，說明化學的概念與應用；同時，結合系專業領域相關的生活化學議題，設計化學實驗活動，如：自製天然精油防蚊液，說明精油成分、乳化劑的功能、製作的步驟等，並鼓勵微專題的創作，應能提高科技大學學生的科學學習興趣及其專業領域相關的科學能力。

• 參考文獻

天下雜誌（2011）。天下2010中學生科學教育大調查。天下雜誌。檢索日期 2019年6月28日。取自http://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5008245。

天下雜誌（2013）。「12年國教國中現場大調查」。天下雜誌。檢索日期2019年6月28日。取自https://www.cw.com.tw/article/article.action?id=5054089。

教育部統計處（2019）。高級中等教育高中職學生比查詢。檢索日期2019年7月1日。取自https://stats.moe.gov.tw/high/default.aspx。

Hanrahan, M. (1998). The effect of learning environment factors on students’ motivation and learning. International Journal Science Education, 20(6), 737-753.

Hadden, R.A., & Johnstone, A.H. (1983). Secondary school pupil’s attitudes to science: the years of erosion. European Journal of Science Education, 5(3), 309-318.

Lee, O. , & Brophy, J. (1996). Motivational Patterns Observed in Sixth-Grade Science Classrooms. Journal of Research in Science Teaching, 33(3), 303-318.

OECD (2007). PISA 2006 science competencies for tomorrow’s world volume1: analysis. Paris: OECD. 檢索日期2019年6月28日。取自 https://www.oecd-ilibrary.org/education/pisa-2006_9789264040014-en

Talton, E.L., & Simpson, R.D. (1986). Relationships of attitudes toward self, family, and school with attitudes toward science among adolescents. Science Education, 70(4), 365-374.

Yager, R.E., & Penick, J.E. (1986). Perceptions of four age groups toward science classes,teachers, and the value of science. Science Education, 70(4), 355-363.