參與國際研討會擴展國際視野 —新式化學週期表桌遊分享／鐘建坪、鐘君瑋

星期日 , 3, 12 月 2023 編輯助理國內外化學教育交流, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

參與國際研討會擴展國際視野

—新式化學週期表桌遊分享

鐘建坪¹*、鐘君瑋²

新北市立錦和高級中學國中部、新北市南山中學國中部
[email protected]

n 前言

每隔2年舉辦一次的NICE（The Network of Inter-Asian Chemistry Educators）研討會，由於COVID-19疫情關係，原定於2021年舉辦，延宕二年的時間之後，在2023年7月底於馬來西亞舉辦完成。與會人員來自臺灣、日本、韓國、馬來西亞、印度、新加坡等國家的大學教授、中小學科學教師，以及中學學生。大家齊聚在有「貓城」之稱的古晉市，共同分享與討論化學教育相關領域主題。本次第一作者發表2篇海報論文，其一為以探究與實作的方式在彈性學習課程協助學生發展探究能力，強調在國中階段的彈性課程，能夠以探究與實作的方式讓學生能夠經歷包含發現問題、規劃與研究、論證與建模、表達與分享等階段探究歷程，以發展學生的探究能力（鐘建坪，2023）；其二為與本文第二作者共同開發化學週期表桌遊，著重如何協助學生透過遊戲化的方式進行單元內容的學習（Chung & Jong, 2023）。本文著重在化學週期表桌遊開發、研討會報告內容與參與歷程的心得分享。

n 化學週期表桌遊遊戲

一、桌遊遊戲

桌遊遊戲是指以能在桌上進行的規則遊戲，例如：卡牌或棋盤。玩家在遊戲規則之下，進行策略思考，以其能夠獲得勝利。目前市面上的桌遊遊戲樣態與種類多元，但以科學概念為主題的遊戲則較為稀缺。以市售「動物園」與「演化論」為例，「動物園」以不同種類動物取代傳統數字大小，藉由類似「大老二」的遊戲規則，最快將手中的卡牌出完者獲勝，其主題雖然藉由動物園中常見動物作為主軸，但是模擬以食物鏈之間的不同階層獵食者的關係並未與實際生態模式相符。「演化論」以達爾文演化論為其科學理論基礎，強調性狀、獵食等概念，讓玩家能夠藉由遊戲歷程理解生物演化的歷程，但因遊戲設計與演化理論仍有些微出入，以及規則理解與實際遊玩需要較久時間才能完成，使得課堂的實際運用較為缺乏。

二、週期表桌遊遊戲

週期表是化學學習一項重要的概念，不僅涵蓋不同元素的物理及化學性質，亦牽涉相似元素之間的週期關係，例如：鋰、鈉、鉀皆為第1族，最外層電子為1個，其活性隨著分子量增加而增加。文獻上許多學者與教師曾設計化學週期表桌遊或卡牌遊戲，協助學生進行學習（e.g., Benedict, 2023; Franco-Mariscal & Cano-Iglesias, 2014），例如：Franco-Mariscal和 Cano-Iglesias設計填空讓學生以元素的相關物理性質進行填字遊戲，藉由Bingo的填字遊戲方式協助學生熟悉元素的性質與符號（Franco-Mariscal & Cano-Iglesias, 2014）。Benedit以週期表作為形成性評量，讓學生在學習完週期表的元素性質與週期性之後，以梯子與蛇「ladder and Snake」的規則，讓學生進行週期表桌遊的遊戲，若學生有錯誤時可掃描二維碼，透過擴增實境獲得答案的說明（Benedit, 2023）。

n 發想主題與新式週期表

一、新式週期表桌遊發想

週期表在國中、高中階段皆為重要的化學概念之一。自然領綱在第四階段的學習重點預期學生能夠理解元素與化合物有特定的化學符號表示法，以及元素的性質有規律性和週期性（國家教育研究院，2018）。國中學生在此階段需要理解元素符號、知悉其相關的物理與化學性質、質子數、電子數、質量數繪製而成的原子模型等內容。本文作者思考如果能夠以遊戲化（gamification）的方式整合相關的內容，則能促進學生的學習。

先前有一款桌遊相當熱門，名為「狼人殺」。遊戲規則主要藉由不同角色扮演並提供訊息，由眾角色判斷誰是狼人，過程中玩家需要記憶、整理，及判斷不同角色提供的訊息內容。基於先前帶領學生的經驗（Jong et al., 2017），如果將相關的判別內容作為學生的訊息背景，則當每位同學說出相關科學訊息，再讓其他同學思索與判斷哪一位與其他人不同，則是一項可以進行的互動桌遊。有此想法之後，開始與第二作者集思廣益，以設計思考的模式進行設計「Who is different?」週期表卡牌桌遊，並完成成品實作（見圖1），同時實際讓任教8年級學生學習完元素週期表單元之後，進行遊玩找出遊戲優點與缺失（見圖2）。學生的回饋幾乎都是正向的反應，包括：提升學習的趣味性、能夠幫助記憶與複習、成績良好的學生不見得一定分數最高等，缺失在於需要修正遊戲規則中思慮不周之處。

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圖1 新式週期表桌遊圖2 學生實際遊玩情形

二、新式週期表—誰是不一樣

(一)發牌

一組有6張元素卡牌（5張元素卡、1張主審卡），一開始每人發下一張元素卡與一張特殊卡牌。元素卡其中一張為主審，抽到主審者，當局作為裁判。一開始擔任主審者需要觀看所有人的牌，確認哪位玩家與其他玩家的元素卡牌不同，每組的元素卡牌有4張相同，1張不同。卡牌背面附有該元素的相關性質。

(二)確認順序

順序以擲骰子大小決定。由最大點數玩家順時針方向開始。

(三)說明自己持有元素的性質

實際拿到元素卡的每位玩家皆說出1項與自己抽到元素有關的事實內容(可參考元素卡提供的性質)，此遊戲玩家不能說謊。每局中玩家陳述過的事實，其餘玩家不能再重複。每位玩家需要根據其他玩家陳述的內容，暗自評估其他玩家拿到的元素與自己的是否相同。

(四)判斷哪位玩家的元素不一樣

每位玩家說完元素的性質之後，主審說「請判斷誰不一樣」，5位玩家指出與其他不同元素的人。主審說出「最多」被指出者的玩家「是否與大家不一樣」（除非判斷正確，否則無須掀底牌）。

(五)判斷正確

「最多」被指出者的玩家由主審說明判斷正確，結束此回合。正確判斷的玩家加1分，其餘錯誤者扣1分。主審加減完此回合的分數之後。重新開始第二局。

(六)判斷錯誤

「最多」被指出者的玩家，若由主審判定大家判斷錯誤，錯誤判斷者扣1分，被誤殺者蓋牌、不公開底牌，不需再玩下一回合。直到「不一樣者」被最多玩家指出才結束。持有「不一樣」元素的玩家，每躲過一回合即可加1分，該局結束後，由主審加分。

(七)特殊卡使用

每位玩家1開始即有1張特殊卡，依照特殊卡的說明確認使用時機（說明性質、判斷不一樣等時機）。特殊卡一旦使用，即失效，需要放回特殊卡牌中。每局第二回合可以抽卡，每位玩家有一次機會，當擲骰子點數必須四點以上才能再獲得一張新的特殊卡，若小於三點則不能獲得新卡。

n 參與研討會的收穫與感動

一、能與亞洲不同國家的學者、教師及學生共同交流

NICE研討會不同於其他學術研討會之處，在於NICE提供機會讓中小學教師與學生，能夠與專業專家學者一起互動。不同國家、不同學習階段的教師彼此交流，能夠理解不同國家的教育制度與目前作法。教科書是理解不同國家設定學習內容的有效方式之一，本文第一作者攜帶三套8年級理化課本，分別贈予日本小林館主編教授，廣島大學附屬高中國中部教師，以及馬來西亞化學教師，大家對教科書如何編排、學習概念內容有哪些、如何教導學生學習感到興趣。同時亦獲得對方回贈的教科書，讓自己能夠從不同國家的編輯內容，思索概念教學可能的創新之路。

研討會中，第二作者透過英文口說了解各國的文化，更結交許多與會者。在討論之中，了解到運用科學的原理，再加上新科技，使遊戲化可以變成一種新潮流，而遊戲裡涵蓋多元的素養，或許能與其他科目做出新的體驗，評量上能夠進行混合型試題，促使學生可以用科學來了解其他科目，並且運用遊戲的特色或創新流程，帶動學生的好奇心，而使學生在學習上，有更大的動力去學習、思考與反思。

二、探索與會者的報告主題內容，思考未來自身的教學與學習

與會一名馬來西亞教師Chin Chin Yip和學者Kah Heng Chua口頭報告利用化學巨觀、符號與次微觀表徵設計一款名為「Little Periodic」的桌遊，促進學生理解化學元素週期表（Yip & Chua, 2023）。設計內容將客觀元素性質事實作為巨觀表徵，化學元素符號作為符號表徵，而探討不同週期的原子數、原子半徑、原子量、游離能等作為次微觀表徵，讓學生藉由遊戲規則互動能夠理解週期表中不同表徵之間的關係，以及能夠記憶週期表的相關性質。本文作者與當場與會者在討論期間探討桌遊在正式課堂的教學處理模式，共識的內容在於桌遊可作為複習與形成性評量使用，不僅增加學生的記憶，亦強化學生的參與度。

三、與他國教師連結互動，產生進一步交流與合作的機會

研討會交流互動過程，會有些新的激發想法，例如：中學教師論壇、教科書的差異比較等。讓參與者能夠能深入理解不同國家的教育制度與學習之間的關係。本文作者於會後收到韓國學者的來信，尋求偕同探討亞洲區的資優教育制度。藉由協助找尋資料的過程，自己也深入理解臺灣對於資優教育的經費、人數比例，以及升學制度等。亦即透過進一步的合作與交流，不僅深入理解國內的教育制度內容，亦能比較不同國家的相關制度，以期能思考、反思，與發展更理想的學習模式。

n 結語

NICE研討會截至目前為止已經舉辦9屆，本文第一作者曾實際參與2013、2015、2017、2019以及2023年，分別在臺灣屏東、日本東京、韓國首爾、臺灣臺北，以及馬來西亞古晉舉辦的雙年會議。從一開始陌生只參與研討會的報告與聆聽，至目前期待能夠遇見相識的不同國家學者、中小學教師，進而一起交流，彼此分享對於化學學習與教學的想法。2023年為馬來西亞參與主辦NICE研討會的第一年，而作者們也能有此機會拜訪馬來西亞，了解馬來西亞的族群分布與文化底蘊，認識到回教國家的日常生活，體會到婆羅洲原住民族的多樣性，與其大自然景色的壯觀與遼闊。第10屆將在日本山形舉辦，期待能夠更多同好，帶領學生一起參與，以期增進學生的國際視野。

n 參考文獻

國家教育研究院（2018）。十二年國民基本教育課程綱要：自然科學領域。新北市：國家教育研究院。

鐘建坪（2023）。發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程。臺灣化學教育，53。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=43484

Benedit, T. A/P S. L. (2023). Periodic table of ladder: A board game to study the characteristics of group 1, group 17, group 18, and the transition elements. Journal
of Chemical Education, 100(2), 1047-1052. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00819

Franco-Mariscal, A. J., & Cano-Iglesias, M. J. (2014). Design and implementation of a bingo game for teaching the periodic table. School Science Review, 95(353), 55-59.

Jong, J. P., Fang, J. J., Wei, C. C., & Lu, Y. T. (2017, July 26-28). A novel chemical table game：Devoting students to learn organic compounds. Paper presented at the 7th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), Seoul, Korea.

Chung, C. W., & Jong, J. P. (2023, July 28-30). Integrating gamification into
periodic table learning: Designing a card game for students. Paper presented at
the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators
(NICE), Kuching, Malaysia.

Yip, C. C., & Chua, K. H. (2023, July 28-30). Developing little periodic for enhanced conceptual understanding of chemical representations in the periodic table of elements. Paper presented at the 9th International Conference of Network for Inter-Asian Chemistry Educators (NICE), Kuching, Malaysia.

威廉·普勞特的經典論文：關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係／游文綺、胡景瀚

星期六 , 2, 12 月 2023 編輯助理化學小故事, 第五十四期/2023年12月留言功能已關閉

威廉·普勞特的經典論文：

關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n 譯者導讀

威廉·普勞特（William Prout，1785年1月15日—1850年4月9日），英國化學家，如圖1左所示。他於1815年以匿名發表一篇名為On the Relation between the
Specific Gravities of Bodies in their Gaseous State and the Weights of their Atoms的論文在《哲學年鑑》（Annals of Philosophy）中，如圖1中所示，中文篇名譯為《關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係》（Prout, 1815）。該篇論文在1970年收錄在《經典科學論文—化學》（Classical Scientific Papers–Chemistry）中，如圖1右所示（Knight, 1970）。

圖1：威廉·普勞特（左）、發表的英文原文（中）及收錄的英文版本（右）

（圖片來源：William Prout, https://en.wikipedia.org/wiki/William_Prout; Annals of
Philosophy https://www.biodiversitylibrary.org/item/54028#page/5/mode/1up; Classical
Scientific Papers, https://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML）

1815年，普勞特以當時可得的原子量表為基礎，提出一項假說—現今他被人們所銘記的普勞特假說（Prout’s hypothesis）：許多元素的原子量都是氫原子的原子量的整數倍。儘管當時無法準確地測量這項假說，這個概念對於原子結構的基本理解卻具有重要意義。普勞特在此篇論文中以路易·給呂薩克（Joseph Louis Gay-Lussac）的理論為基礎，計算氣體的比重，例如：氧氣、氮氣、氯氣等；更進一步計算常溫下非氣態物質的比重，例如：碘、碳、硫等，如表A所示。比重是一個重要的物理性質，用於描述物質的體積和重量之間的關係。他在研究不同物質的氣態比重時，發現這些元素的比重剛好為氫氣比重的整數倍。後來，在1920年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）新發現的質子命名為“proton“，其原因就是為了紀念威廉·普勞特的貢獻。

普勞特以其對原子理論的先驅性工作而為人所知，他的貢獻為現代化學和物理學的發展奠定基礎，並對我們了解物質的本質有著深遠的影響。他的論文相當難懂，文中的一些假設也缺乏根據。因此，我們將論文中的部分數據和概念簡述於下。

普勞特整理出各種元素在壓力30英寸（76.2公分）汞柱，溫度控制在攝氏60度下，每100立方英寸（1.6387公升）中的氣體重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg），部分實驗數據見表A。相對於氫氣，各種氣體的比重都是氫氣的整數倍。當然，如今我們知道這些比例不完全是整數，例如：氯氣的比重是氫氣的35.6倍。普勞特的論文中所使用的數據與當時的某些數據不盡相同。他提出氧的相對比重為16，相對原子重量為8，如表A所示。我們猜測，在氫氣和氧氣化合成水蒸氣（2H₂(g) + O₂(g) →2H₂O(g)）的過程中，氧氣的體積變成兩倍體積的水蒸氣，這或許讓普勞特視氧氣為”容易膨脹”的氣體，因此其相對原子重量是相對比重的一半。

表A：普勞特提出各元素的比重、相對比重及相對原子重量

元素

比重

相對比重

相對原子重量

氫氣

0.0694

碳

0.4166

氮氣

0.9722

氧氣

1.1111

硫

1.1111

氯氣

2.5

對於化合物的分子，普勞特發現其相對比重也是氫氣的整數倍，部分實驗數據如表B所示。此表中第一欄的現代分子式為譯者所加，表中V_A, V_B,及V_tot分別是化合時元素A和B的體積及產物的總體積：

化合分子中的原子數目分別為

的分子量（普勞特視為原子重量）為

以水為例，氫氣：氧氣：水蒸氣的體積比為1：0.5：1，注意：表B中的分子式為譯者所加，普勞特的時代沒有這些知識。因此水中的氫和氧的原子數目分別為

水中氫和氧原子的數目比為1：1（普勞特的水分子組成為H₁O₁）。普勞特提出水的分子量（他視為原子重量）為

再以合成NO為例，氮氣、氧氣及NO的體積比為1：1：2，

其中氮和氧原子的數目比為1：2（普勞特的組成為N₁O₂）。普勞特NO的分子量（原子重量）為

普勞特認為空氣的體積組成是2倍的氮和0.5倍的氧，普勞特認為空氣的組成是2個氮和1個氧（N₂O₁）的粒子:

因此空氣的相對原子重量為36。

從表B中呈現的分子式，我們可發現普勞特提出的化合物中的元素原子數比例與大部分的現代分子式並不一致。這可能是當時科學家尚未建立有些元素以分子形式存在和化合物中元素含有多原子存在的觀念，而以氣體體積的膨脹或收縮的物理觀念來說明。

表B：普勞特提出其相對比重與其原子數比例之間的關係

現代分子式^a

相對比重

分子重量^b

原子數比例^c

H₂O

0.5

H₁O₁

0.5

C₁O₁

N₂O

0.5

N₁O₁

N₁O₂

N₂O₃

1.5

N₁O₃

N₂O₅

2.5

N₁O₅

H₂S

H₁S₁

空氣

14.4

0.5

2.5

N₂O₁

^a普勞特的論文無現代的分子知識，此為譯者加入。

^b普勞特的論文稱之為原子。

^c普勞特提出化合物中原子數比例。

為了易於閱讀的理解，在這篇翻譯論文中，譯者加註現代的化合物化學式和化學反應式在全形中刮號中，並以斜體字呈現，例如：磷酸（phosphoric acid）〔指氣態磷酸，PO₂〕，並放置部分原文註解於內文中；且加註英文的專有名詞和當時的物質名稱（俗名）在小刮號內，並以標準字形呈現，例如：碳酸鈣（carbonate of lime），以幫助讀者知道論文中提到的專有名詞和俗名。此外，普勞特當時可能對於化合物或分子中元素含有多原子的概念尚未建立，他統稱化合物或分子為原子（atom(s)），例如：他視碳酸鈣為原子（atoms）；而且在他的論文，以“the weights of their atoms”或“the weight of the atom”表示化合物的示量或分子量，為了避免與現今用語“atomic weight”（原子量）混淆，譯者翻譯其為「原子重量」。

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關於氣態物質比重與其原子重量之間的關係

威廉·普勞特

On the Relation between the Specific Gravities of Bodies in their
Gaseous State and the Weights of their Atoms.

William Prout

Annals of Philosophy 6, 321-30 (1815)

n 前言

這篇文章的作者以謙遜的心向大眾公告：儘管我盡了最大的努力去求得真相，但還是對自己的能力沒有足夠的信心，也無法強制要求其他更優秀的人去證實或推翻文章的結論。期望更多人能夠看到這個主題的重要性，並且希望有人能夠進行檢驗，從而驗證或推翻這個結論。如果結論被證明是錯誤的，調查過程中可能揭示新的事實，或更好地確立舊的事實；但如果結論得到證實，就會為整個化學界帶來新的有趣觀點。

即將提出的觀察是基於給呂薩克先生（M. Gay-Lussac）的體積學說所建立的，至少據我所知，這個學說在當時已被化學家普遍接受。

n 關於基本氣體的比重

1. 氧氣和氮氣（azote）：先前的化學家們似乎沒有將大氣視為由一種化學原理形成的單一化合物，或者對於大氣沒有太大的重視。然而，科學家長久以來已經知道大氣主要由四個體積的氮氣和一個體積的氧氣組成；如果我們將氧原子重量定為10，氮原子重量為17.5，那麼根據質量計算，我們會發現大氣可以視為由一個氧原子和兩個氮原子組成的物質〔〕，是一種含氧重量百分比為22.22%，含氮重量百分比為77.77%的化合物〔1 × 10：2 × 17.5 = 10：35 = 22.22：77.77〕。

正如許多實驗結果，只有假設大氣為一種純物質化合物，才能夠解釋數據的一致性。〔普勞特視空氣為N₂O₁化合物，並假設空氣的分子是一個氧原子和兩個氮原子。該論文中的計算似乎假設等體積的氣體包含相同數量的分子（除氧體之外，一定體積的氧原子所含的數量是其他氣體的兩倍）。〕從這些數據可以發現氧氣的比重為1.1111，氮氣的比重為0.9722 （大氣的比重為1.0000）（原註1：令氧與氮的比重分別為x和y，(x + 4y) / 5 = 1，且x：4y = 22.22：77.77，得x = 1.1111、y = 0.9722）。

2. 氫氣：由於氫氣有極大的流動性以及它與氧氣結合成水的穩定性，一直被認為是相較於其他氣體中最難取得的，因此它的比重比其他氣體更難以測量。於是我從氨氣著手，藉由已知比例的化合物比重計算，可以更準確地獲得氫氣比重。因為漢弗裡·戴維爵士（Sir H. Davy）已經謹慎地測量氨氣的比重，而且氨氣的比重與水蒸氣的比重之間只有微小的差異，誤差的機會大大減少。Biot和Arrago獲得的結果幾乎與戴維得到的結果一致。根據戴維的測量，氨氣的比重為0.590164，大氣的比重視為1.000。由於Biot和Arrago給出的比重比戴維爵士略高，因此我們合理地視氨氣的比重為0.5902。氨氣由三個體積的氫氣和一個體積的氮氣壓縮成兩個體積〔3H₂(g) + N₂(g) → 2NH₃(g)〕。因此計算的氫氣比重為0.0694〔(2 × 0.5902 – 1 × 0.9722) / 3 = 0.0694〕。根據上面的結果，氧氣的比重正好是氫氣的16倍〔1.1111 / 0.0694 = 16.01〕〔以現今文獻值觀之，在STP下氧氣的密度為1.429 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氧氣的密度為氫氣的15.9倍，普勞特計算氫氣的比重與事實很接近。〕，而氮氣的比重正好是氫氣的14倍〔0.9722 / 0.0694 = 14.01〕。〔在STP下氮氣的密度為1.2506 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氮氣的密度為氫氣的13.9倍，普勞特計算氫氣的比重與事實很接近。〕

3. 氯氣：根據戴維的實驗，我們可以知道鹽酸（muriatic acid）〔指氣態鹽酸，HCl(g)〕的比重為1.278，與Biot和Arrago的實驗完全吻合。如果我們假設這個比重的錯誤率與我們發現氧氣與氮氣比重的錯誤率相同的話，氣態鹽酸的比重約為1.2845（原註2：Biot和Arrago給出的比重與戴維的比重之差異，在氧氣方面：當1.104：1.1111 ＝ 1.278：1.286（從下面表二查知，實驗得出氧氣的比重為1.104，氧氣的比重為1.1111）；在氮氣方面：當0.969：0.9722 ＝ 1.278：1.283（從表二查知，實驗得出氮氣的比重為0.9722，氮氣的比重為0.969）。1.286 + 1.283的平均值為1.2845），由於氣態鹽酸是由一體積氯氣和一體積氫氣的化合物組成〔Cl₂(g) + H₂(g) → 2HCl(g)〕，透過計算可得氯氣的比重為2.5〔氣態鹽酸比重為1.2845；氯氣的比重為2 × 1.2845 – 0.0694 = 2.4996〕，湯木森博士（Dr. Thomson）指出2.483更接近真實值，並且與給呂薩克的實驗結果相同，因此我們有充分的證據可以得出結論：氯氣的比重與 2.5相差不大。根據這個假設，氯氣的比重正好為氫氣的36倍〔2.4996 / 0.0694 = 36.02〕。〔以現今文獻值觀之，在STP下氯氣的密度為3.2 g/L，氫氣為0.08988 g/L，氯氣的密度為氫氣的35.6倍。普勞特計算氯氣的比重與事實之間的誤差不大。〕

n 在常溫下非氣態的基本物質之比重

1. 碘：我有理由懷疑在給呂薩克先生的論文中，對於碘這個原子重量評估有點過高。為了證明這一點，我用30格林（grain）〔1格林 = 64.79891毫克〕非常純淨的鋅片，並從石灰中蒸餾出來50格林的碘，一起進行加熱反應，所形成的溶液是透明無色的。我們發現已經溶解12.9格林的鋅。因此，根據這個實驗，100份的碘與25.8份的鋅結合〔碘與鋅的重量比為50：12.9 = 100：25.8〕，假設鋅的原子重量是40，從這些數據計算得出碘的原子重量為155〔不論是以氣態物質等體積化合或是現代化學計算方法：莫耳數 = 重量 / 原子量，碘的原子量計算皆為155。現今文獻值，鋅的原子量是65.38，碘的原子量為126.9。〕，透過計算，發現碘在氣態狀態下的比重為8.611111，恰好是氫氣的124倍。（原註3：根據給呂薩克的說法，一體積的氫氣僅與半體積的氧氣結合，但能與一體積的氣態碘結合。因此，氧和碘之間的體積比為1/2：1，重量比為1：15.5。現在，半體積氧氣的比重為0.5555，乘以15.5，得到8.61111，並且8.61111 / 0.06944 = 124。）

2. 碳：假設碳的原子重量為7.5。根據計算，一體積的氣態碳比重為0.4166，恰好是氫氣的12倍。〔此處或許為筆誤，應為6倍。〕

3. 硫：硫的原子重量為20〔普勞特假設氧的原子重量為10〕。氣體硫的比重與氧氣相同，即1.1111，恰好是氫氣的16倍〔1.1111 / 0.0694 = 16.00〕。

4. 磷：為了確定這種物質的原子重量，我已進行許多實驗，但最終未能讓自己滿意，目前沒有更多的時間讓我繼續研究這個問題。我得到的結果接近沃拉斯頓博士（Dr. Wollaston）給出的結果，我相信這些結果是正確的，或者接近正確的。目前我採用的原子重量是在實驗中獲得的，磷（phosphorus）大約為17.5，磷酸（phosphoric acid）〔指氣態磷酸，PO₂，氣態磷酸元素重量比例應為2氧＋1磷〕定為37.5。

5. 鈣：馬塞特博士（Dr. Marcet）發現，碳酸鈣由43.9%的碳酸（carbonic acid）〔指氣態碳酸，CO₂(g)；原子重量為7.5 + 10 × 2 = 27.5〕和56.1%的氧化鈣（lime）組成〔CO₂(g) + CaO(s) → CaCO₃(s)〕。因此，由碳酸氣體與氧化鈣的比例關係為43.9：56.1 = 27.5：35.1〔等號左邊為重量比，右邊為原子重量比；CO₂的原子重量為27.5〕，可以得出鈣的原子重量為35 – 10 = 25。一體積的鈣氣體的比重為1.3888〔相同體積下，重量比 ＝ 比重比；鈣氣體與氧氣的重量比 = 25：20 = 鈣氣體的比重：1.1111，得到鈣氣體比重為1.3888〕，恰好是氫氣的20倍〔1.3888 / 0.06944 = 20.00〕

6. 鈉：100格林稀鹽酸可以溶解18.6格林碳酸鈣（Carbonate of lime）〔CaCO₃ + 2HCl(aq) → CO₂(g) + CaCl₂(aq)+ H₂O(l)〕，而在等量且相同的稀鹽酸中事先添加30格林非常純淨晶體的亞碳酸鈉鹽（crystallized subcarbonate of soda）〔Na₂CO₃·nH₂O〕〔Na₂CO₃·nH₂O(s) + 2HCl(aq) → CO₂(g) + 2NaCl(aq)
+ (n+1)H₂O(l)〕，只能溶解8.2格林碳酸鈣。根據實驗結果，30格林碳酸鈉晶體相當於10.4格林碳酸鈣，即10.4：30 = 62.5：180〔碳酸鈣與含結晶水碳酸鈉之重量比等於其原子重量比；CaCO₃的原子重量為25 + 7.5+ 10 × 3 = 62.5；經過計算，Na₂CO₃·nH₂O的原子重量是180。〕。經過加熱後，100格林碳酸鈉晶體失去了62.5格林的水分。因此，180格林的碳酸鈉晶體包含112.5格林的水〔(180 × 62.5) / 100 = 112.5〕和67.5格林的乾燥亞碳酸鈉鹽（dry subcarbonate of soda）〔Na₂CO₃〕，而且氧化鈉（soda）的原子重量為67.5 –
27.5 = 40〔Na₂CO₃的原子重量為67.5；CO₂的原子量為27.5〕，得到鈉的原子量為40 –10 = 30。因此，鈉氣體的比重為1.6666〔鈉的原子量：氧氣的原子量 = 30：20 =鈉氣體的比重：1.1111，得到鈉氣體的比重為1.6666。〕，恰好是氫氣的24倍〔1.6666 / 0.06944 = 24.00〕。

7. 鐵：100格林的稀鹽酸可以溶解18.6格林的碳酸鈣；同樣100格林的稀鹽酸中，可以溶解10.45格林的鐵〔Fe(s) + 2HCl(aq) → H₂(g) + FeCl₂(aq)〕。由比例關係18.6：10.4 = 62.5：35.1〔CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鐵原子重量為35。在氣態狀態下，這種金屬的比重為1.9444〔鐵的原子量：氧氣的原子量 = 35：20 = 鐵氣體比重：1.1111，得到鐵氣比重為1.9444〕，正好是氫氣的28倍〔1.9444 / 0.06944 = 28.00〕。

8. 鋅：使用100格林的稀釋酸，分別溶解18.6格林的碳酸鈣和11.85格林的鋅〔Zn(s) + 2HCl(aq) → H₂(g) + ZnCl₂(aq)〕。由比例關係18.6：11.85 = 62.5：39.82〔CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鋅的原子重量為40。在氣態狀態下，這種金屬的比重為2.222〔鋅與氧氣的原子重量比 = 40：20 = 鋅氣體的比重：1.1111，得到鋅氣體的比重為2.222〕，正好是氫氣的32倍〔2.222 / 0.06944 = 32.00〕。

9. 鉀：如同之前一樣，使用100格林的稀鹽酸，溶解18.6格林的碳酸鈣；若加入20格林鉀氧化物的超碳酸鹽（super-carbonate of potash）〔一種含KO₂的混合物，譯者簡稱之為鉀鹽〕後，只有溶解8.7格林碳酸鈣。因此，20格林鉀鹽相當於9.9格林碳酸鈣；由於9.9：20 = 62.5：126.26〔碳酸鈣與鉀鹽的重量比 = 它們的原子重量比；CaCO₃的原子重量為62.5〕，得到鉀鹽的原子重量為126.26。現在，126.26 – (55 + 11.25) = 60〔從表二查知，55可能是氯酸鹽的原子重量，11.25可能是水的原子重量〕，60為氧化鉀（potash）〔K₂O〕的原子重量，而60 – 10 = 50，50為鉀的原子重量。因此，在氣態狀態下，它的比重為2.7777〔鉀與的氧氣原子重量之比 = 50：20 = 鉀氣體的比重：1.1111，得到鉀氣體的比重為2.7777〕，正好是氫氣的40倍〔2.7777 / 0.06944 =40.00〕。

10.鋇（barytium）：使用100格林的稀鹽酸，完全溶解與碳酸鈣相同量的碳酸鋇（carbonate of barytes）。因此，碳酸鋇的原子重量為125；並且125 – 27.5 = 97.5〔BaCO₃(s) → BaO (s)+CO₂(g)；27.5是CO₂的原子重量〕，此值為氧化鋇的原子重量，而97.5 – 10 = 87.5，此值為鋇的原子重量。因此，在氣態狀態下，鋇氣體的比重為4.8611〔鋇與氧氣的原子重量之比 = 87.5：20 = 鋇氣體的比重：1.1111，得到鋇氣體比重為4.8611〕，正好是氫氣的70倍〔4.8611 / 0.06944 =70.00〕。

我極其謹慎地進行這些實驗，並且其中大部分實驗都被重複進行多次，得到的結果幾乎完全一致。

以下表格呈現上述結果的總體概述，同時顯示它們與氧氣和氫氣結合的體積或重量比例；此外，基於類比原則，其他未嚴格檢驗的物質重量也在這裡。

表1：基本元素

名稱

比重(氫=1)

原子重量(兩體積氫=1)

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

比重(空氣=1)

實驗得出的比重(空氣=1)

原子重量^*

實驗得出的原子重量

觀察

氫

1.25

1.32

0.06944

0.073⁽¹⁾

2.118

2.23

(1)Dr.Thomson. See Annals of Philosophy,
i. 177.

碳

7.5

7.54⁽²⁾

0.4166

—

12.708

—

(2)Dr. Wollaston, from Biot and Arrago.
Phil. Trans. civ. 20. Dr. Thomson makes it 7.51. Annals of Philosophy,
ii. 42.

氮

17.5

17.54

0.9722

0.969⁽³⁾

29.652

29.56

(3)Dr. W. from Biot and Arrago.

磷

17.5

17.4⁽⁴⁾

0.9722

—

29.652

—

(4)Dr. W. from Berzelius and Rose.

氧

1.1111

1.104⁽⁵⁾

33.888

33.672

(5)Dr. Thomson, from a mean of several
experiments.

硫

20⁽⁶⁾

1.1111

—

33.888

—

(6)Dr. W. from Berzelius.

鈣

25.46⁽⁷⁾

1.3888

—

42.36

—

(7)Dr. W. from experiment.

鈉

29.1⁽⁸⁾

1.6666

—

50.832

—

(8)Dr. W. from Davy.

鐵

34.5⁽⁹⁾

1.9444

—

59.302

—

(9)Dr. W. from Thenard and Berzelius.

鋅

41⁽¹⁰⁾

2.222

—

67.777

—

(10)Dr. W. from Gay-Lussac.

氯

44.1⁽¹¹⁾

2.5

2.483⁽¹²⁾

76.248

—

(11)Dr. W. from Berzelius. (12)Quoted
from Dr. Thomson, Annals of Philosophy, iv. 13.

鉀

49.¹⁽¹³⁾

2.7777

—

84.72

—

(13)Dr. W. from Berzelius

鋇

87.5

87⁽¹⁴⁾

4.8611

—

148.26

—

(14)Dr. W. from Berzelius and Klaproth.

碘

124

155

156.21⁽¹⁵⁾

8.6111

—

262.632

—

(15)Gay-Lussac. Ann. de Chim. xci. 5.

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

表2：與氧結合

名稱

比重(氫=1)

原子重量(兩體積氫=1

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

比重(空氣=1)

實驗比重(空氣=1)

重量*

實驗重量**

元素體積比例

結合後體積數

元素重量比例

觀察

水

11.25

11.32

0.625

0.6896⁽¹⁾

19.062

21.033

0.5氧 + 1氫

1氧 + 1氫

(1)Trales,
Dr. Thomson, Annals, i. 177.

一氧化碳

17.5

17.54

0.9722

0.956⁽²⁾

29.652

29.16

0.5氧 + 1碳

1氧 + 1碳

(2)Cruikshanks,
quoted by Thomson.

一氧化二氮

27.5

—

1.5277

1.614⁽³⁾

46.596

49.227

0.5氧 + 1氮

1氧 + 1氮

(3)Sir H. Davy.

空氣

14.4

—

1.000

30.5

30.5⁽⁴⁾

0.5氧 + 2氮

2.5

1氧 + 2氮

(4)Sir G. S. Evelyn

一氧化二氯

3.0555

2.409⁽⁵⁾

93.192

73.474

0.5氧 + 1氯

1 ?

1氧 + 1氯

(5)Sir
H. Davy.

氧化鈣

35.46

1.9444

—

59.304

—

0.5氧 + 1鈣

1氧 + 1鈣

二氧化碳

27.5

27.54

1.5277

1.518⁽⁷⁾

46.596

46.313

1氧 + 1碳

2氧 + 1碳

(7)Saussure.

一氧化氮

37.5

1.0416

1.0388⁽⁸⁾

31.77

31.684

1氧 + 1氮

2氧 + 1氮

(8)Berard.

二氧化磷

37.5

37.4

2.0832

—

63.54

—

1氧 + 1磷

1氧 + 1磷***

二氧化硫

2.2222

2.193⁽⁹⁾

67.777

66.89

1氧 + 1硫

2氧 + 1硫

(9)Sir
H. Davy.

三氧化氮

47.5

2.6388

2.427⁽¹⁰⁾

80.484

74.0234

1.5氧 + 1氮

3氧 + 1氮

(10)Sir
H. Davy.

三氧化硫

2.7777

84.72

1.5氧 + 1硫

3氧 + 1硫

五氧化氮

67.5

67.54

3.75

114.372

2.5氧 + 1氮

5氧 + 1氮

See Gay-Lussac’s memoir on iodine above referred to.

五氧化二氯

5.2777

—

160.968

2.5氧 + 1氯

5氧 + 1氯

五氧化碘

164

205

11.3883

347.352

2.5氧 + 1碘

5氧 + 1碘

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^**體積100立方英寸的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^***磷酸元素重量比例應為2氧＋1磷。

表3：與氫化合

名稱

比重(氫=1)

原子重量(兩體積氫=1

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

比重(空氣=1)

實驗比重(空氣=1)

重量*

實驗重量**

元素體積比例

結合後體積數

元素重量比例

觀察

甲烷

8.75

8.86

0.5555

0.5555⁽¹⁾

16.999

2氫 + 1 碳

1氫 + 1碳

(1) Dr. Thomson.

乙烯

16.25

16.4

0.9722

0.974⁽²⁾

29.652

29.72

2氫 + 2 碳

1氫 + 2碳

(2)Ditto.

氨氣

8.5

15.5

19.375

21.5⁽³⁾

0.5902

0.59⁽³⁾

18.003

18.00

3氫 + 1 氮

1.5氫 + 1氮

(3)Dr. Wollaston.

硫化氫

16.5

20.625

20.66

1.1805

1.177⁽⁴⁾

36.006

35.89

1氫 + 1硫

0.5氫 + 1硫

(4)Sir H. Davy.

氯化氫

18.5

36.5

45.625

45.66

1.284

1.278⁽⁵⁾

39.183

38.979

1氫 + 1 氯

0.5氫 + 1氯

(5)Ditto.

碘化氫

62.5

124.5

155.625

155.66

4.3402

4.3463⁽⁶⁾

132.375

1氫 + 1碘

0.5氫 + 1碘

(6)Gay-Lussac.

^*體積100立方英寸，壓力30英寸汞柱，溫度攝氏60度下的重量（重量單位為 grain = 64.79891 mg）。

^**體積100立方英寸的重量（重量單位為grain = 64.79891 mg）

^***欄九兩體積的氫原子量為1，以甲烷為例：氫碳體積比為2：1，氫碳重量比為。

表4：類比得出的物質，但尚未用實驗確定

元素名稱

比重(氫=1)

原子重量(氫=1)

原子重量(氧=10)

實驗原子重量(氧=10)

發現.

鋁

10.68⁽¹⁾

(1)Berzelius.

鎂

14.6⁽²⁾

(2)Henry. Berzelius makes
it 15.77.

鉻

22.5

23.6⁽³⁾

(3)Berzelius.

鎳

36.5⁽⁴⁾

(4)Ditto.

鈷

36.6⁽⁵⁾

(5)Rolhoff.

碲

40.27⁽⁶⁾

(6)Berzelius.

銅

40⁽⁷⁾

(7)As deduced by Dr.
Thomson.

鍶

59⁽⁸⁾

(8)Klaproth.

砷

60⁽⁹⁾

(9)Berzelius.

鉬

60.13⁽¹⁰⁾

(10)Bucholz and Berzelius.

錳

71.15⁽¹¹⁾

(11)Berzelius.

錫

73.5⁽¹²⁾

(12)Ditto.

鉍

89.94⁽¹³⁾

(13)Ditto.

銻

110

111.11⁽¹⁴⁾

(14)Ditto. Dr. Thomson
makes it 112.49.

鈰

115

114.87⁽¹⁵⁾

(15)Hisinger.

鈾

120

120⁽¹⁶⁾

(16)Bucholz.

鎢

120

121.21⁽¹⁷⁾

(17)Berzelius.

鉑

120

121.66⁽¹⁸⁾

(18)Ditto.

汞

100

125

125⁽¹⁹⁾

(19)Fourcroy and Thenard.

鉛

104

130

129.5⁽²⁰⁾

(20)Berzelius.

銀

108

135

135⁽²¹⁾

(21)Wenzel and Davy.

銠

120

150

149.03⁽²²⁾

(22)Berzelius.

鈦

144

180

180.1⁽²³⁾

(23)Ditto.

金

200

250

249.68⁽²⁴⁾

(24)Ditto.

n 觀察

表1：在第一欄中，我們呈現不同物質在氣體狀態下的比重，其中氫的比重為1。假設體積為47.21435立方英寸〔773.7毫升〕，這些數字同時代表每個氣體這個數量所佔的相對重量。第三欄是修正後的數字，假設氧的原子重量為10，是根據湯姆森博士、沃拉斯頓博士等的觀察。第四欄則是實驗獲得的數據，以顯示它們的接近程度。對於提到的各個物質，我沒有任何特別的評論，除了對於碘有一點說明。我只進行一次實驗來確定碘物質的原子重量，因此所述的結果可能只能被認為有些不太可靠；事實上，情況確實如此，就連給呂薩克的實驗結果也不會每一次都相同。

表2：該表展示理論與實驗幾乎一致的許多驚人實例。我們採納給呂薩克定律的觀點，實際上在我有機會看到那位化學家關於碘的論文的後半部分之前，就已經編制這張表格的大部分內容。該表格還展示對於體積學說和原子學說之間的關係不清楚而產生的一、兩個錯誤明顯的例子。例如：曾經聲稱氨是由一個氮原子和僅有1.5個氫原子組成，這些被壓縮成兩個體積，因此等於一個原子；這就是為什麼這種物質與其他一些物質一樣，表面上以雙倍比例結合的原因。

表3：這個表格同樣展示一些引人注目的巧合例子。在我開始研究這個主題之前，我經常觀察到許多的原子重量接近整數的現象。湯姆森博士似乎也做出同樣的觀察。值得注意的是，正如湯姆森博士所指出的，這三種磁性金屬（magnetic metals）〔指鐵、鈷及鎳；鐵在表二呈現，鈷和鎳在表四呈現。〕的重量〔原子重量〕相同，正好是氮的兩倍。通常具有相同重量〔原子重量〕的物質似乎容易結合，並在性質上有些相似。

對於這些表格的整體回顧，我們可以注意到以下幾點：

1. 所有的基本數字，假設氫的數字為1，可以被4整除，除了碳、氮和鋇，這些可以被2整除，因此似乎表明它們的重量受到比單位數字或氫更高的數字修飾。另一個數字是16，或者氧嗎？所有的物質都是由這兩個元素組成的嗎？因此，這似乎表明它們的重量被比單位或氫更高的數量修飾。

2. 氧似乎不以兩個體積或四個原子的比例進入化合物。

3. 所有的氣體，在盡可能乾燥之後，仍然含有水，假設目前的觀點是正確的，那麼可以最準確地確定其含量。

—————————————————————————

n 參考文獻

Prout, W. (1815). On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. Annals of Philosophy, 6, 321-330. Retried from https://www.biodiversitylibrary.org/item/54028#page/5/mode/1up

Knight, D. M. (1970). Classical Scientific Papers–Chemistry, Second Series: Papers on the nature and arrangement of the chemical elements. London: Mills & Boon. Retried from https://web.lemoyne.edu/~giunta/PROUT.HTML

William Prout. (2022, December 22). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved
December 14, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/William_Prout.

以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程／廖旭茂、施上芸、李忻慈、陳冠愷

星期五 , 1, 12 月 2023 編輯助理第五十四期/2023年12月, 綠色化學實驗留言功能已關閉

以氧化還原電位計探究BR振盪反應的過程

廖旭茂^{1, 2,}*、施上芸¹、李忻慈¹、陳冠愷¹

¹台中市立大甲高級中等學校

²教育部高中化學學科中心

[email protected]

■ 簡介

高二「探索化學」的選修課堂上老師帶我們實際進行BR振盪反應（Briggs-Rauscher reaction），並要我們利用手機錄影，在一定時間內，以目測的方式紀錄黃、藍色出現的時間、變化次數，以及反應在什麼時間終止等，課後我們對BR振盪的過程，心中仍很多疑問，於是上網進行相關文獻的搜尋，發現幾個事實：1.振盪實驗非常艱澀、複雜，一直吸引著很多專家參與研究。2.BR振盪牽涉到自由基的生成與消耗，屬於氧化還原反應。3.反應過程中，溶液呈現藍色，代表碘分子生成，溶液無色代表碘分子還原成碘離子，碘離子濃度則呈現週期性變化（”Briggs–Rauscher reaction”, 2022）。4.當反應結束時，黑褐產物中推測含有碘的存在。5.可拿來做食物抗氧化測試（Farusi, 2009）。我們對於振盪反應「週期性的變化」感到興趣，因此嘗試以常見的氧化還原電位感測器（Oxidation reduction potential, 簡稱ORP），取代光電比色計，調查不同反應物濃度（如丙二酸、雙氧水等）、澱粉存在與否、溫度等條件下，氧化還原電位的變化。過程中亦結合Arduino程式板，紀錄振盪過程氧化還原的變化。

■ 器材與藥品

1、器材：

所需器材包括：光碟型電磁攪拌實驗模組（包含光碟片、冰棒棍、可變電阻、USB電源插頭、磁石、可調式固定環等）1個、Gravity氧化還原電位感測器模組、4mL樣本瓶1個、20 毫升玻璃樣本瓶、4毫升玻璃樣本瓶、安全吸球、5毫升分度吸量管。尺寸直徑3mm，長度8mm磁攪拌子1個。

2、藥品：

BR振盪反應所需溶液，包括：A溶液（0.20M碘酸鉀 +0.077 M硫酸）、B溶液（0.15M丙二酸 + 0.02M硫酸亞錳 + 0.03%可溶性澱粉）、C溶液（4.0M雙氧水）。

■ 研究方法與步驟

1、實驗原理：BR振盪反應機構：經文獻探討（Farusi, 2009），整個反應系統可能涉及自由基與非自由基兩個過程，每個過程都涉及相當多的反應式。自由基過程涉及錳等相關自由基中間物的自動催化反應，可使碘酸根與雙氧水反應生成碘分子與氧氣；而非自由基過程是丙二酸以較緩慢的速率與游離的碘分子作用，還原成碘離子。

總反應預估為

2、氧化還原電位感測器模組：

1. 氧化還原電位計：由鉑電極與參考電極Ag/AgCl/KCl組合成複合電極，可用以測量氧化還原電位（Oxidation-Reduction Potential，簡稱ORP）。ORP是氧化還原能力的測量指標，代表溶液氧化性或還原性的相對程度，其單位是mV。本實驗使用的Gravity感測器模組是一款類比式的ORPR計，具BNC接口，相容於Arduino控制板，並附參考程式碼；標準溶液mV 值：222 ± 15mV（25 ℃）。當振盪反應發生時，電位上升最高點，溶液呈黃色，歷經時間較短；電位自高點下降至最低點時，過程溶液呈藍色，歷時較長。下圖為ORP計與Arduino連接的示意圖。圖1：ORP 計與Arduino控制板接線圖

2. Arduino ORP感測模組的設定：

(1) 首先將模組附贈的ORP感測程式碼檔案ORPSensorSample.ino打開，即為Arduino檔。下圖Arduino上ORP程式碼。

圖2：ORP感測程式碼示意圖

(2) 數據收集：使用Excel外掛數據收集程式「PLX-DAQ 」，讓excel直接抓取arduino數據，將excel外掛程式碼嵌入ORP感測程式碼中。配合實驗所需，我們將取樣率調至5樣本/秒，相當於執行完程式內容後，命令感測器延遲200毫秒後再次收集數據；隨後將程式碼上傳到程式板上。使用Excel外掛程式收集數據，可參閱筆者上一期在《臺灣化學教育》上的文章說明（廖旭茂、陳冠愷，2023）。

3、實驗步驟：

1. 將20毫升樣本瓶放置在光碟型電磁攪拌平台上，並將ORP計放入瓶中，利用兩個固定環，分別將樣本瓶與ORP計固定在金屬支架上；隨後以分度吸量管分別吸取5毫升的A溶液與5毫升的B溶液置入樣本瓶中，瓶中再放入一個磁攪拌子，接著啟動電源，開始攪拌；接著取一支塑膠針筒，筒內預置5毫升的C溶液，針筒端將C溶液注入樣本瓶內，開始記錄反應過程ORP的變化。下圖為ORP監測裝置圖。

圖3：ORP感測器監控BR振盪反應的實況

2. 振盪週期長短會發生改變嗎？嘗試以上述可程式氧化還原電位計法（簡稱ORP法）探究各種變因如反應物濃度、澱粉的存在與否、溫度等條件對BR振盪次數與週期長短的影響。

(1) 雙氧水（C液）濃度的變因探究：A、B兩液的濃度為控制變因，維持不變，將雙氧水的濃度由4.0M改為2.0M、1. 0M、0.5M，分別進行BR振盪反應，以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。

(2) 丙二酸（B液）濃度變因探究：因為振盪反應中，碘分子的消耗速與與丙二酸的濃度有關（Gianluca Farusi, 2009），因此A、C兩液的濃度為控制變因，維持不變，將丙二酸的濃度由0.15M改為0.20M、0.10M、0.075、0.05M，分別進行BR振盪反應，以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。

(3) 溫度的變因探究：A、B、C三液的濃度為控制變因，將反應樣本瓶置入100毫升燒杯容器以水浴法分別將溫度調整為10℃、20℃、40℃，燒杯以厚玻璃纖維布包裹保溫，進行BR振盪反應。以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。下圖為ORP測定實驗裝置圖。

圖4：溫度變因探究實驗過程

(4) 指示劑澱粉的存在與否會對BR振盪反應造成影響嗎？比較無添加澱粉、添加0.03%、添加0.3%的澱粉下，以ORP法，測量120秒內振盪次數及振盪週期變化。

■ 研究結果與討論

1. 利用數位編程的氧化還原電位計(ORP meter)，記錄120秒反應過程ORP的變化。

【實驗發現】：溶液呈琥珀黃色時，ORP在波峰高點，當溶液轉為藍色時，ORP下降至波谷區駐留；振盪過程中顏色、ORP呈現週期性變化，約介645~700mV 之間。振盪結束前，振盪速率變慢，週期拉長，當溶液呈現深褐時，ORP振盪停止。下圖5、6分別為ORP隨時間的變化圖、與振盪過程周期長短的變化。

圖5：ORP隨時間的變化

圖6：振盪週期的長短隨振盪次數的變化

【推測】：ORP上升至高峰，呈現黃褐色，應該是三碘離子濃度的增加；ORP至高峰下滑過程時，呈現藍色，應該是碘離子生成碘分子，碘分子與碘離子快速結合成三碘離子，三碘離子與澱粉錯合，溶液變為藍色；振盪反應的後半期，每一周期時間拉長應該與反應物濃度下降，速率變慢有關。

2. 振盪週期長短會發生改變嗎？探究各種變因對BR振盪行為的影響。

(1) 雙氧水濃度的變因探究：將雙氧水的濃度由4.0M改為2.0M、1. 0M、0.5M，以ORP感測法，測量120秒內振盪次數及振盪週期的變化。

【實驗發現】：濃度越低，第一次振盪起步時間越晚，振盪週期時間拉得越長，振盪次數越少，振幅越大；濃度越高，振盪越快，振盪週期越短(速度越快)，振盪次數越多，振幅越小。不同濃度的H₂O₂下，縱座標為ORP(mV)，橫坐標為時間(sec)，BR振盪模式如下圖所示：

圖7：不同濃度的H₂O₂，BR振盪行為的比較

若以濃度與振盪次數作圖，可以發現120秒內的振盪次數：4M>2M>1M>0.5M。下圖為120秒內振盪週期次數與雙氧水濃度的關係。圖8：120秒內振盪週期次數與H₂O₂濃度的關係

【推測】：H₂O₂濃度越高，振盪速率越快。

(2) 丙二酸（B液）濃度變因探究：

【實驗發現】：隨丙二酸濃度的增加，120秒內的振盪頻率增加，週期縮短；120秒內的振盪次數的多寡為0.3M（21次）> 0.15M（17次）> 0.075M（8次）> 0.03M （3次）。下圖為濃度與振盪次數的關係。

圖9：振盪次數與濃度的關係圖

【推測】：丙二酸的濃度越高，振盪頻率越快；碘酸鉀濃度為0.2M，0.15M以下，丙二酸的濃度與振盪次數有較好的線性關係。

(3) 溫度變因探究： 10℃、25℃、40℃不同溫度下，測量180秒內振盪過程變化。

【實驗發現】：隨溫度的增加，180秒內的振盪頻率增加，週期縮短，振幅變小；120秒內的振盪次數的多寡為40℃（20次）>25℃（13次）>10℃（1次）。下圖為濃度與振盪次數的關係。下圖為不同溫度下，BR振盪ORP隨時間變化。

圖10：不同溫度下振盪ORP隨時間的變化圖

【推測】：溫度降低，分子動能降低，反應速率變慢，振盪週期拉長；溫度升高，分子動能升高，反應速率變快，振盪週期縮短。

(4) 指示劑澱粉的探究：比較無添加澱粉、添加0.03%、添加0.3%的澱粉條件下，測量180秒內振盪過程的變化。

【實驗發現】：振盪次數與振盪時間隨澱粉添加濃度的增加而增加，振盪週期時間長度亦是如此。ORP與澱粉的添加量的關係如下圖所示：

圖11：ORP與澱粉的添加量的關係圖

【推測】：與不含澱粉的混合物相比，存在澱粉的情況下，振盪時間變久，週期時間也拉長。推測澱粉與三碘離子錯合與解離，使碘分子還原丙二酸的速率發生延遲。

■ 結論

1. 雙氧水濃度越高，振盪越快，次數越多，振盪的振幅越小，振盪週期越短；振盪次數： 4M>2M>1M>0.5M。

2. 丙二酸的濃度越高，振盪頻率越快；丙二酸濃度 0.15M以下，濃度與振盪次數有較好的線性關係。

3. 溫度降低，分子動能降低，反應速率變慢，振盪週期拉長；溫度升高，分子動能升高，反應速率變快，振盪週期縮短。120秒內的振盪次數的多寡為40℃（20次）>25℃（13次）>10℃（1次）。

4. 添加澱粉濃度越高，振盪時間變久，週期時間也拉長。澱粉與三碘離子錯合延遲了碘分子還原丙二酸的速率有關，澱粉不僅僅是扮演反應中碘的指示劑而已；經文獻搜尋發現，澱粉可能充當碘和碘化物的儲藏庫；澱粉的存在，澱粉與三碘離子的錯合平衡須列入考慮，從而改變BR振盪反應的動力學(Csepei & Bolla, 2015)。

5. 光電比色計，反應是在黑色不透光的環境中進行，無法讓學生實地觀察反應過程溶液顏色的振盪變化，亦不清楚反應何時為反應終點；加上光電比色計的光電二極體對不同波長有檢測上敏感度的差異，因此利用ORP 感測器來監測BR振盪反應，確實優於光電比色法。

■ 安全注意及廢棄物處理

1. 廢液依本實驗建議方法進行減毒、前驅物碘晶體的提煉、回收，其他的依規定傾倒置廢液回收桶。

■ 參考文獻

Briggs–Rauscher reaction. (2023, June 6). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved August 15, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction

廖旭茂、陳冠愷（2023）。以可程式微量光電比色法監控振盪反應顏色週期性的變化。臺灣化學教育電子期刊，52。網址http://chemed.chemistry.org.tw/?p=43002

Farusi, G. (2009). Looking for antioxidant food. Science in School, 13, 39-43. https://www.scienceinschool.org/wp-content/uploads/2014/11/issue13_antioxidants.pdf

Csepei, L. I., & Bolla, C. (2015). Is starch only a visual indicator for iodine in the Briggs-Rauscher oscillating reaction? Studia Universitatis Babeș-Bolyai. Chemia, 60(2), 187–199.

《臺灣化學教育》第五十三期目錄／2023年9月

星期一 , 25, 9 月 2023 編輯助理第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

《臺灣化學教育》第五十三期（2023年9月）目錄

n 主編的話

u 第五十三期主編的話／邱美虹〔HTML｜PDF〕

n 本期專題【專題編輯／鐘建坪】

u 國中自然科學彈性課程設計與教學／鐘建坪〔HTML｜PDF〕

u 國中自然科學彈性課程設計與教學：校訂課程精進作為：以一所國中自然彈性學習課程為例／張純寧〔HTML｜PDF〕

u 國中自然科學彈性課程設計與教學：三峽區自然探究與實作課程向下扎根計畫／陳育仁〔HTML｜PDF〕

u 高中化學銜接教材如何轉化為國中彈性課程／鍾曉蘭、鐘建坪〔HTML｜PDF〕

u 國中自然科學彈性課程設計與教學： 108課綱下龍山國中彈性課程的樣貌／鄭志鵬〔HTML｜PDF〕

u 國中自然科學彈性課程設計與教學：自然科學領域彈性學習課程：細菌檢測／曾茂仁、王秀勻、楊全琮〔HTML｜PDF〕

u 國中自然科學彈性課程設計與教學：發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程／鐘建坪〔HTML｜PDF〕

n 教學教法／多元教學法【專欄編輯／周金城】

u 新北市自編雙語自然教材課程實踐 —The Fire Triangle／簡敏如〔HTML｜PDF〕

n 課程教材／化學小故事【專欄編輯／楊水平】

u 以現代化學觀點詮釋一篇給呂薩克定律的回憶錄／游文綺、胡景瀚〔HTML｜PDF〕

第五十三期主編的話／邱美虹

星期三 , 20, 9 月 2023 編輯助理主編的話, 第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

第五十三期主編的話

邱美虹

國立臺灣師範大學科學教育研究所名譽教授
國際純化學暨應用化學聯合會（IUPAC）執行委員會常務委員

國際理事會(International Science Council)治理委員會委員及Fellow

中國化學會（臺灣）教育委員會主任委員
美國國家科學教學研究學會（NARST）前理事長
[email protected]

2023年國際純化學暨應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)雙年會於8月17日-8月25日在荷蘭海牙舉辦，因為新冠疫情所致，此次是事隔四年後再次以實體會議的方式來辦理，相識(見圖1)與不相識的人皆以雀躍的心情來出席這次的會議，彷彿歷劫歸來喜獲重生，話語和眉目之間不時流露出喜相逢之感。

話說本文作者與IUPAC的結緣，源自於牟中原院士在2002年將我引進IUPAC擔任化學教育委員會國家代表，屈指一算至今已21個年頭了，歲月總是在不經意中從指間滑過。在過去這段期間，個人有幸參與IUPAC各類型計畫案和擔任不同職位，因而有了服務社群和向同行學習的機會，基本上算忠誠度很高，也感謝化學會多年來給予的支持與信任，讓我有機會更深入瞭解這個組織的結構與使命以及認識一群來自世界各地熱心化學事務的志工，展開一趟繽紛的化學教育之旅。

上過理化課的人可能知道世界上有個組織負責化學元素的命名，也有可能有些人知道那個組織是IUPAC，但可能僅止於元素命名的工作項目而已。IUPAC在1911年由一群化學家於巴黎所成立，主要是體認到化學標準的重要性與必要性，針對元素和化合物命名、單位、符號等要進行標準化，以使世界各國的科學家可以有一個共同遵行的準則。2011年還由聯合國宣稱該年為化學國際年(International Year of Chemistry)慶祝IUPAC成立100年以及瑪麗居禮獲得化學諾貝爾獎100年。IUPAC有50多個國際組織所組成，設有理事會、八個常設委員會(以學科內容屬性分類，如無機化學、高分子化學、分析化學、化學與環境等)和14個委員會(如化學教育、化學和工業、專有名詞、命名和符號的跨組委員會等)，IUPAC除了透過各委員會在運作外，同時也經由各類型的計畫案來推動化學教育、化學安全、永續與綠色化學、新興科技、環境與化學、女性平權以及協助年輕學者成長等等，讓世人可以更加瞭解化學與生活的密切關係、以及化學對藥物、環境、能源、科技發展及人才培育等的貢獻，尤其是針對開發中國家提供化學教育和化學專業知識與實驗技能的服務更是不遺餘力。目前IUPAC有大約1200-1400位志工協助各項計畫的執行。在過去的20年間，本文作者因緣際會先後參加年輕化學大使(Young Ambassadors for Chemistry, YAC)計畫培訓種子教師，帶領學生和社會大眾一起進行簡易、安全且具知識性的化學實驗活動，進而推廣生活中的化學，降低社會對於化學的距離感與迷思。此外，也負責和參與IUPAC化學教育委員會，不定期透過邀請學者(Flying Chemistry Educators Program, FCEP)前往開發不同區域的國家推展化學教育並強化教師專業知能，足跡遍及菲律賓、斯里蘭卡、緬甸、衣索比亞、泰國、巴拿馬、墨西哥、克羅埃西亞、南非、模里西斯、蒙古等十多國。同時，亦代表IUPAC參與國際科學理事會(International Science Council)的性別差異全球調查計畫，並以該計畫共同主持人的身分和11個科學組織的代表們合作，執行女性在科學、科技、工程、數學（Science-Technology-Engineering-Mathematics，簡稱STEM）領域中參與研究及在職場上所面臨的問題之差距、論文發表趨勢以及相關的影響因子的分析，並提出建議方案，以作為改善工作、求學和研究的環境和條件之參考。

如今在服務年資屆滿的情況下，終於要說再會了，天下沒有不散的宴席，回首望向來時路，從以前對IUPAC只是教科書中的名詞–是化學元素命名的組織，是那麼遙遠那麼崇高不可及的學術團體，到成為臺灣在IUPAC化學教育委員會的國家代表、化學教育委員會的主席、IUPAC理事到成為理事和最高執行委員會委員(理事選舉是由各國代表團投票分別以第二和第一高票榮任兩屆八年的委員)，這些不同層次的職位給予個人能力與見識的磨練與成長外，一路認識來自世界各地的朋友們，更是啟發與支持我的貴人，從他們身上看到的是無私的奉獻–犧牲個人研究與私人時間，有時甚至是冒著風險為事，而這些工作都不會算在升等或學術貢獻的關鍵績效指標(Key Performance Indicator, KPI)中，但無怨無悔付出的人生價值觀，都是我終身學習的對象。雖捨不得離開卻也很快就放下了!這個旅途上必定還有更多年輕學者會貢獻他們的才智與時間、讓世界變得更好。

最後，面對12月即將卸下所有職位，感恩之外還是感恩，這一路走來的所見所聞令人難忘!希望大家對IUPAC有些許的認識後，有機會也能為這個社群或是更廣大的群眾服務，讓旁人感受化學人的努力與付出，是為下一代創造一個更美好的未來。

本期專刊是邀請新北市立錦和高級中學(國中部)鐘建坪化學教師針對「國中自然科學彈性課程設計與教學」進行專題論述，專刊共計6篇文章，分別以國中階段的議題或主題設計探究學習課程和從行政角度看課程落實的問題，如新北市錦和高中張純寧校長的校訂課程說明國中自然彈性學習課程如何面對跨領域教學的挑戰、新北市明德高中教務陳育仁主任推動協作平台及教師共備發揮資源與人才共享的功能、新北市立新北高中鍾曉蘭與新北市錦和高中國中部鐘建坪兩位教師針對國高中課程銜接可採取的策略加以評析、臺北市龍山國中鄭志鵬教師跨越學科的範疇，推動跨領域議題式課程發俺學校特色環境課程、臺北市大直高中國中部曾茂仁、王秀勻、楊全琮三位教師以專題式學習(Project-based learning, PjBL)發展讓學生體會化學就在身邊的課程、以及新北市錦和高中國中部鐘建坪老師發展並落實探究與實作取向的水質檢測活動，強化學生探究問題與實際操作相互結合的科學素養。另外，還有一篇常態性文章由新北市安坑國小簡敏如教師以燃燒三要素作為雙語教學的主題，以不同的中英文用語比例進行教學，雖有重重困難，但終究在學校的支持下得以克服語言與學習內容的挑戰，並反思為來如何落實有效雙語教學。本期內容應可提供教師立即可以借鏡並運用於教學上的素材。

圖1 2021年IUPAC 四位傑出女性化學與化工獎(IUPAC 2021 Distinguished Women in Chemistry or Chemical Engineering)得獎人因當年疫情未能合影，此次特別合影留念

(由左而右: 美國Marcy Towns, 以色列Rachel Mamlok-Naaman,泰國Supawan Tantayanon, 臺灣邱美虹)

國中自然科學彈性課程設計與教學／鐘建坪

星期六 , 9, 9 月 2023 編輯助理第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

國中自然科學彈性課程設計與教學

鐘建坪

新北市立錦和高級中學
[email protected]

n 彈性課程設計與教學

十二年國民基本教育課程類型區分為「部定課程」與「校訂課程」。部定課程由國家統一規劃，其中國民中、小學稱為「領域學習課程」，高級中等學校(包括：普通型高級中等學校、技術型高級中等學校、綜合型高級中等學校、單科型高級中等學校)則為「部定必修課程」，包含有一班科目、專業科目，以及實習科目(國家教育研究院，2014)。

校定課程是指由學校安排，目的在形塑學校願景，以促進學生的適性發展。總綱規劃高級中等學校的校定課程涵蓋有「校訂必修課程」、「選修課程」、「團體活動時間」及「彈性學習時間」，不同類型高級中等學校團體活動為每週2至3節，彈性學習時間為每週1至3節，而校訂必修與選修為3年修習62學分(普通型高中)、42-79學分(技術型高中)、132學分(綜合型高中、單科型高中)。國民中、小學的校訂必修課程教學時數依不同學習階段有所不同，國民小學階段最少每週2至4節，最多4至7節，而國民中學則為每週3至5節或3至6節，其主題可以涵蓋統整性主題/專題/議題探究課程、社團活動與技藝課程、特殊需求領域課程、其他類課程(國家教育研究院，2014)。彈性學習課程強調跨域、適性、選修，不得為部定課程單一科目的重複學習(教育部，2023；黃琇屏，2020)。

本期的專題是《國中自然科學彈性課程設計與教學》，著重國中彈性課程的規劃與設計，以自然領域為核心結合其他領域，進行議題或主題式的探究學習課程，內容包括行政領導與教師課程設計。共有六篇專文，包括：新北市錦和高中張純寧校長《校訂課程精進作為：以一所國中自然彈性學習課程為例》、新北市明德高中教務陳育仁主任《三峽區自然探究與實作課程向下扎根計畫》、新北市立新北高中鍾曉蘭老師與新北市錦和高中國中部鐘建坪老師《高中化學銜接教材如何轉化為國中彈性課程》、臺北市龍山國中鄭志鵬老師《108課綱下龍山國中彈性課程的樣貌》、臺北市大直高中國中部曾茂仁、王秀勻、楊全琮老師《自然科學領域彈性學習課程：細菌檢測》、新北市錦和高中國中部鐘建坪老師《發展探究與實作取向的水質檢測彈性課程》。

上述六篇專文的作者群對課程規劃，或有深入的研究，或有豐富的執行經驗，他們的文章內容將有助於教師在國中彈性課程設計符合自然與其他領域進行跨領域探索或是議題探討的施行方針。

n 本期專題文章簡介

第一篇張純寧嘗試在新課綱課程發展脈絡下，觀察一所國中校訂課程的規劃轉變。藉由訪談個案學校教師，找出該校如何改變原有組織動能以達到落實新課綱彈性課程理念，說明學校如何發展符合自然領綱要求的跨領域統整性主題探究課程。作者發現國中彈性學習課程發展跨領域學習之困境在於沒有進行跨領域的統整，且通常是避免教師超額開設的課程。經由該校校長帶領操作型的課程設計工作坊，將學校願景與課程設計連結，開發出科學閱讀議題「錦中森生」及聯合國永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)議題的「能源好好玩」等課程。

第二篇陳育仁介紹新北市教育局新課綱行動協作平臺推動的高中端向下與國中端合作的扎根計畫。計畫目的藉由新北市資源共享的理念，由高中與附近國中合作，進行教師共備，以自然探究與實作課程作為媒介，協助國中端開設自然探究與實作課程。作者親力親為籌組共備社群，並辦理探究與實作教材教法研習，同時帶領社區國中學校合作開發課程教材，並由新北大聯盟計畫提供課程所需之設備與耗材經費。期待能夠協助開設國中、國小探究與實作課程，以完成自然探究與實作課程推動的一貫性。

第三篇鍾曉蘭與鐘建坪嘗試將進入高中學習基礎化學之前的高中化學銜接教材進行轉化，設計以適合國中彈性課程使用。作者首先說明高中化學銜接課程的由來與概念內容，接著將重心設定在原子結構的歷史發展，嘗試以問題導向的探究模式，協助學生思考原子是否能夠分割，並佐以實驗影片、模擬動畫的方式協助學生建構不同原子模型的發展歷程。學生在授課過程需要找尋證據，推理不同原子模型的主張。藉此學生不僅可以學習科學模型的轉變歷程，亦可獲得初階的論證能力。

第四篇鄭志鵬首先分析108課綱的挑戰，再描述龍山國中的區域特性，並介紹塑膠議題的「不塑之課」，以及生態平衡的「北極熊怎麼了」，兩門跨領域議題式課程。作者提出適切的環境議題課程規劃與施做方向，包括：認識問題、思考與規劃解決問題的方案，以及採取行動與反思，並以兩門課程進行實際的說明。

第五篇曾茂仁等人在Covid-19期間，藉由每天消毒、擦拭殺菌行為，發想以專題式學習(Project-based learning, PjBL)為基礎的課程架構，發展八年級自然科學領域之彈性學習課程。經由規劃與研究、資料分析與詮釋，以及學生成果呈現等階段，讓學生回應營業場所應選用何種濃度的酒精。

第六篇鐘建坪嘗試以自然領綱探究與實作為課程發展架構，介紹學校周圍溝渠環境，促進學生對於環境議題的理解，並以水質檢測為主題，進行二個循環的探究歷程，包含：發現問題、規劃與研究、論證與建模，以及表達與分享，讓學生探索校園附近溝群的水質，並實際分析環保署網站的公開資料，判定不同地點新店溪的水質，藉此過程培養學生相關的能力，進而促進學生整合相關領域的機會。

n 參考文獻

國家教育研究院（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。新北市：國家教育研究院。

教育部（2023）。高級中等學校課程規劃及實施要點。網址：https://edu.law.moe.gov.tw/LawContent.aspx?id=GL001729

黃琇屏（2020）。國中小校訂課程規劃與實施之思考。臺灣教育評論月刊，9(8)，1-14。

國中自然科學彈性課程設計與教學：校訂課程精進作為：以一所國中自然彈性學習課程為例／張純寧

星期五 , 8, 9 月 2023 編輯助理第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

國中自然科學彈性課程設計與教學：

校訂課程精進作為：以一所國中自然彈性學習課程為例

張純寧

新北市立錦和高級中學
[email protected]

n 前言

自2014年公告十二年國民基本教育課綱（以下簡稱108課綱），108學年度正式實施迄今，回顧過去108課綱的推動歷程，在落實十二年國民基本教育課程的整體架構下，讓國、高中成為實踐素養導向學習的場域，培養學生成為未來多元創新的人才，仍是當前教學現場的一大考驗。

地方政府在課程與教學上，為了給予學校教師更多的支持，並能以系統性思考整合各項外部資源，協助學校建構「以學習者為中心」的課程規劃，藉由國教輔導團，希冀將課綱政策推動至學校現場，然而學校本身組織文化，以及教師接收外部資源訊息、時間點與內在轉化過程，究竟是如何影響教學現場對108課綱課程的理解與實施？值得進一步分析探討。

本文嘗試分析在108課綱課程發展脈絡下，觀察一所國中校訂課程的規劃轉變，以自然領域彈性學習課程為例，探討個案學校如何改變原有組織動能以達到落實108課綱課程理念。

n 文獻探討

一、108課綱國中階段自然科學領域綱要

十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域（以下簡稱自然科學領域領綱），談到「科學學習的方法，應當從激發學生對科學的好奇心與主動學習的意願為起點，引導其從既有經驗出發，進行主動探索、實驗操作與多元學習，使學生能具備科學核心知識、探究實作與科學論證溝通能力。」（教育部，2018）。

國中階段的自然科學課程提供學生統整的學習經驗，強調跨學科之間的整合，綜合運用七項跨科概念（物質與能量、構造與功能、系統與尺度、改變與穩定、交互作用、科學與生活、資源與永續性），希望能達到學理與實踐相互為用。從科學教育的角度來看，授課教師了解領綱內涵與具備「課程發展與設計」的教學內容知識（pedagogical content knowledge, PCK）是實施這門課程的重要影響因素（陳竹亭，2016）。

回顧國高中教學現場，教師協助學生進行科學探究，自實作中獲得科學知識與技能，培養自然領域領綱的核心素養是重要科學教育目標（張珮珊，2018）。國中階段，自然領域教師設計彈性學習課程多結合生活科技、閱讀教育、食農教育或是戶外教育等議題，配合校訂課程方向與特色，發展出各式各樣課程設計。例如，在各縣市審定通過的國中校訂課程計畫裡，許多由自然領域教師授課的彈性學習課程，多選擇Science( 科學)、Technology( 技術)、Engineering( 工程)、Arts( 藝術)和Mathematics( 數學)（STEAM）、專題研究、地理實察、戶外教育、探究與實作、科學閱讀、食農教育或是實驗課程等主題。然而，國中教師如何配合108課綱規劃實施校訂課程，則是需要進一步探討。

二、108課綱國中階段彈性學習課程

108課綱的校訂課程規劃，鼓勵學校能結合願景與各種資源，發展校本位的特色課程。在國中小階段主要是在「彈性學習課程」的時數內，藉由辦理全校性、全年級或班級活動，達到落實學校本位以及特色課程。透過彈性學習課程與時間的規劃，讓學校發展各自特色，同時增加培養學生自主學習的機會（洪詠善、范信賢，2015）。

校訂課程在國民中學階段，稱為「彈性學習課程」，在國中時數規劃為3至6節。可規劃之課程類型包括：(1)跨領域統整性主題探究課程；(2)社團活動與技藝課程；(3)特殊需求領域課程；(4)其他類課程，包括本土語文新住
民語文、服務學習、戶外教育、班際或校際交流、自治活動、班級輔導、學生自主學習以及領域補救教學等各式課程（教育部，2014）。自110學年度後，本土語課程已納入國七與國八彈性課程規劃必修一節。

一般而言，校訂課程主要希望提升學生學習興趣，另一方面鼓勵學生能適性發展，學校可依據學校特色與學生需求規劃校訂課程，同時，校訂課程強調跨領域、適性學習以及自由選修，為讓學生能多元學習，所有四類課程不得為部定課程單一科目的重複學習（教育部，2014）。

然而許多學校在實際發展與實施關於自然與其他領域的跨領域彈性課程之際，皆有內部發展對應108課綱要求的疑慮。有鑑於此，本文作者藉由訪談一所完全中學的國中部教師，觀察該校在發展校定彈性學習課程的困境，與如何發展符合自然領綱要求的跨領域統整性主題探究課程式進行探討。

n 研究方法

一、個案學校介紹

個案學校為新北市一所國中，學生來源為新北市中和區、永和區、土城區(部分)、板橋區(部分)在地就學為主。學校依據108課綱規劃校訂課程彈性學習時數6節，分別為跨領域統整性主題探究課程3節、社團活動1節、班級活動1節與本土語1節。

二、資料收集方式

本次研究資料利用文件分析及參與者訪談進行。

（一）文件分析

使用文件內容包括：個案學校彈性學習課程計畫、課程發展委員會議記錄與領域教學研究會議記錄等，透過文字資料觀察學校課程規劃歷程與自然領域彈性學習課程轉化，藉由參與者訪談形式，描述學校現場的實務面貌。

（二）參與者訪談

本次訪談對象有二，Ａ教師為個案學校國中部自然領域理化科教師，現為負責國七彈性學習課程教學。Ｂ教學組長負責國中部彈性學習課程計畫規劃與繳交、課程節數安排，以及師資員額調度等相關行政問題。進行訪談可以由客觀的角度，瞭解事件發展的過程與還原當時景況，是質性研究最重要的研究工具之一。實施參與者訪談，得以讓研究者不停修正研究假設與問題意識，找出更適合對該個案的詮釋（簡菲莉，2019）。

本研究在訪談前，已提供訪談大綱給參與受訪者，訪談問題係以108課綱實施時程為經、個案學校實際進程為緯，盡可能讓參與受訪者陳述己身經驗感受，以及對外部環境與內部條件之剖析，讓研究者在訪談過程中，描繪出學校自然領域彈性學習課程轉變的關鍵時刻以及後續帶來的影響。受限於參與受訪者僅為開課教師與行政人員代表各一人，研究資料詮釋有一定的侷限性。此外，為顧及研究倫理，相關參與受訪者均以代號命名呈現。

表1：個案學校參與受訪者資料表

代碼

性別

職稱

經歷

年資

訪談日期

受訪時數（分）

Ａ

男

理化教師

專任教師、專案協行、組長、主任

112.05.01

40分鐘

Ｂ

女

教學組長

專任教師、導師、組長

112.05.01

40分鐘

資料來源：研究者自行整理

n 研究發現

一、國中彈性學習課程發展跨領域學習之困境

由受訪者回應可知，自108學年度起，教育局為提升國中校訂課程計畫撰寫品質，由國教輔導團資深輔導員與聘任督學、課程督學，合作辦理多次計畫撰寫工作坊與說明會議，主要針對總體課程計畫與彈性學習課程，對學校端進行輔導與協助檢視工作。學校會薦派開課領域之相關教師代表出席，回校撰寫彈性學習課程規劃表。

實際上從學校108-110學年度開設的彈性學習課程來看，均為單領域課程延伸內容為主，這一點明顯表現在國七的彈性學習課程規劃。根據受訪者Ｂ回顧學校發展彈性學習課程規劃歷程，最初僅是讓要開課的領域學科「各科寫自己的，沒有跨領域的概念」。因為沒有太多外部研習資訊，且108課綱縮減時數已經讓各科無法教完因應國中教育會考。當108學年度上路時，學校決議以各科加一節原有課程內容延伸，例如：讓生物科有時間做實驗課程。

受訪者Ａ則表示，教師希望可以利用彈性學習課程，補足不夠的課程時數，不會去顧及108課綱精神，「最現實的情況，常常是因為課不夠的學科教師避免超額，不得不去開彈性學習課程。如果課務是足夠的，那麼也不會有人想去開課。」Ａ教師認為在國中現場，授課的節數太少，會讓學生的學習理解力下降，變成「本科學習能力都不保」。

二、教師課務繁重缺乏參與外部研習動機

學校教師是否有主動參與外部研習，了解國中階段彈性學習課程規劃？受訪者Ｂ表示學校老師因為課務繁重，以及擔任導師較忙不習慣外出，加上當時學校傾向先回補課務需求，因此，行政端跟教師並沒有針對彈性學習課程內涵跟實際教學模式有過深入對話，「甚至一開始會是朝著原班老師授課的模式」。

受訪者Ａ回答相似，「知道教育局辦的研習，但是場次太遠，並不方便教師出席」，且教育局不一定知道學校課程實質發展到什麼程度。大致而言，學校教師知道教育局有辦理相關研習，但主要還是根據過去的授課經驗為主，至110學年度為止，校內老師對於彈性學習課程並沒有真正的聚焦討論。

另外，由於學校教師在過去108-110年相關研習次數偏低，而學校領域教學研究會以分工的方式處理課程規劃表，也合乎受訪者Ａ說明以過去的經驗與學校現有的師資條件，先滿足授課節數為主，教師並未關注與討論課堂中怎麼進行教學。學校依循過去經驗重製對彈性學習課程的規劃，至於外部資源對學校幾乎沒有太多影響性。

三、學校重構彈性學習課程的關鍵

受訪者Ｂ談到學校調整彈性學習課程計畫的原因，最主要是教學正常化未通過。這件事情讓學校行政與教師們備感壓力，也幾次被教育局訪視，但是教師沒有方向，也不知道要怎麼更正相關內容。直到110學年度新任校長就職後，才比較有明確的調整課程發展方向。

受訪者Ａ表示，校長會說明彈性學習課程的設計理念與108課綱的內涵，直接帶領操作型的課程設計工作坊，「讓教師理解設計跨領域統整性主題探究課程不是食譜式的堆疊」，應該要有主題、議題去涵蓋原來的學科知識，而在設計課程時，知道找對一個主題，就可以縱向串連各項學科知識內容。

從學校110學年度彈性學習課程相關資料，可以看到第一次辦理工作坊讓各科代表共同出席，將學校願景與課程設計連結，在不影響教師超額以及納入本土語教學的雙重前提下，重新打散彈性學習課程配置，以議題融入領域學科知識，讓自然領域有了在國七授課的機會。學校依據108課綱概念及學校願景，在校訂課程的整體規劃，以國七彈性學習課程為例，強化跨領域、適性學習，包括語文領域合開「英閱視界」、自然領域的科學閱讀議題「錦中森生」及聯合國永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)議題的「能源好好玩」等三門課程。

整體而言，在彈性學習課程的修正歷程，看到學校教師在過往「108課綱就是由現有課程延伸加一節概念」的歷史脈絡，經過教學正常化的外部檢視，加上校長運用課程發展策略，改變教師氛圍及實際運作增能，才修正國中跨領域彈性學習課程規劃，111學年度國七實施調整過的彈性學習課程後，教師改變過去課程發展慣性，選擇新的模式落實彈性學習課程。

n 精進校訂課程—發展自然領域SDGs議題彈性學習課程

一、培養學生學習能力為主的議題課程

為了符合國中校訂課程提升學生學習興趣與鼓勵學生適性發展之精神，且必須具有跨領域、適性學習之規劃，由學校課程發展委員會會議記錄，可以看出110學年度彈性學習課程規劃表內容有明顯的調整，特別是自然領域彈性學習課程。以議題為主規劃三門課程，其中自然領域教師有意願開兩門課程，分別是「錦中森生」跟「能源好好玩」。

以「能源好好玩」課程為例，設計課程教師以國七學生在小學階段已有的知識背景，銜接到國中階段，為了要讓學生理解自然領域的學科知識，結合生活科技的動手實作與SDGs永續發展議題，開發「能源好好玩」這門課程。課程架構依據自然領域課程綱要學習內容，將國九理化科教授能源課程，利用SDGs永續發展議題，設計新的實驗課程，帶領學生從實際生活例子了解功跟能量之間的轉換，以及能源到能量的概念改變。例如：從能源危機這個議題，引導學生討論能量轉換的功率問題，同時設計操作節能工具，讓學生更容易理解什麼是功率的應用。

此外，引導學生做很多議題討論，透過心智圖與繪畫，讓學生慢慢學會以自然科學知識為題材，運用生活科技創作小型物件及手工繪本，在作品裡得到更多生活美感體驗。

圖1：自然領域彈性學習課程「能源好好玩」課程示意圖

二、結合學校願景的教學活動設計

學校願景「智慧、創意、優雅與國際」，在設計校訂課程時，融入願景概念，期待強化學生多元智慧與創意思考。由於國小銜接至國中階段，理化科學習內容多是抽象理論，特別是國八、九的理化課程比較抽象，像力學、微觀粒子的概念，都不是學生可以輕易理解的，更遑論引起學生學習動機與激發創意思考。

為了彌補這部分學生學習困境，設計課程教師在上下學期的教學活動裡，以「再生能源」、「能源危機」與「永續發展」三大主題，循序漸進安排設計思考活動，引導學生了解再生能源，再經由觀察與實作，討論今日能源濫用帶來的災難，同時結合科技教育AR（Augmented Reality）& VR（Virtual Reality）軟體製作各種能源辨識圖片或影片，最後繪製永續發展桌遊劇本、設計桌遊發表。

設計課程教師表示「規劃議題式的課程教學活動，學科知識只是課程素材，不是課程運作的全部。」少了課本與紙筆測驗，透過分組活動與開放式討論、產製作品，都會引起學生的興趣，並且增進團隊合作、觀察實作能力及科學素養，對於未來在自然領域其他課程的學習極有幫助。

圖2：個案學校國七「能源好好玩」彈性學習課程剪影

三、運用科技輔助增加學生學習興趣

學校為智慧學習典範基地學校，長年發展科技教育，「以科技向未來學習」做為校訂課程架構主軸，自110學年度起，配合教育部「生生用平板」政策，在彈性學習課程設計上，均大量融入平板教學與虛擬AR、VR實作。以「能源好好玩」彈性學習課程規劃上課空間為例，即是利用圖書館科技輔助自主學習廣場，課程中提供學生使用科技輔助數位學習，並結合永續環境的情境空間，讓學生經由教師課程引導能自主學習探索。

同時，教師也因應課程內容不時穿插利用Kahoot、因才網教學平台，檢視學生理解程度，增加教學互動外，讓學生更熟捻相關資訊平台的檢索資源及運用策略。在下學期後半段的課程內容，也會利用永續發展公民議題，讓學生發展簡易繪本，未來也規劃掃描放置學校網站展示。

n 結語、未來展望與建議

本文探討一所國中彈性學習課程在既存的課程發展脈絡下，如何改變原有組織動能與達到落實108課綱理念。在學校的案例中，發現改變的關鍵時刻始於校內教師正確了解校訂課程的定義與操作方式，同時在兼顧授課節數下，願意重新形成共識設計議題為主的跨領域彈性學習課程。教師改變過去課程發展的慣性，跳脫原有的課程思考框架，出現改變課程規劃的驅力。

以自然領域彈性學習課程「能源好好玩」為例，結合SDGs議題與生活科技跨科概念，培養學生學習能力的議題課程規劃，並能設計符合學校願景的教學活動，導入科技輔助善用數位教學平台，均已跳脫原有的學科課程領域，又能加深加廣讓學生有動手實作與訓練表達力的學習體驗，充分符合108課綱校訂課程強調跨領域、適性學習的精神。

實際上，教育現場的外部環境與內在因素均會影響課程教學，學校長期用既有的學科教學處理校訂課程規劃，從舊課綱過渡到108課綱沒有產生太大變動，可以見得當教育當局對學校沒有採取有效的實質督導時，僅止於課程計畫的書面形式審查，或是地方輔導團辦理研習，都會讓學校推動108課綱校訂課程的落實度有限。為了精進國中校訂課程設計規劃，有以下兩點建議：

一、結合地方輔導團規劃各校校訂課程教師社群陪伴機制

以個案學校為例，行政及領域教師利用過去的經驗與學校現有的師資條件，並未產出對應學校願景及教師社群共備預先規劃的意識形態，僅止於領域學科回填課務，顯示學校依循過去經驗再重製對彈性學習課程的安排。儘管教育局安排相關課程研習，對學校現場擾動有限。然而，若能讓地方輔導團針對各校發展方向，規劃到校陪伴校訂課程教師社群，不僅可以提供較新的課程研發資訊，且能給予課程共備的支持與諮詢，陪伴教師課程教學的不斷修正。

二、自然領域可依學校條件發展議題課程取代食譜式實驗規劃

在個案學校彈性學習課程發展歷程，看到學校文化脈絡、師資條件會影響教師對108課綱課程規劃的理解，外部資源並非是線性的進入學校內部。值得注意的是，國中教師在學科教學普遍仍有課程時數不足的焦慮，加上若缺乏課程設計的先備知識，往往會對於跨領域課程躊躇不前，甚至心生恐慌。

以自然領域為例，若能妥善引導教師理解領綱課程架構與學習內容，檢擇學習較弱或抽象的概念，規劃議題式課程設計，往往可以收到加深加廣之效，比食譜式實驗規劃更符合108課綱校訂課程精神，且能發展學校特色教學。只是要達到此一目標，除了外部資源持續有效挹注外，更需要教師社群形成制度化運作，方可以穩定學校校訂課程規劃。

n 參考文獻

洪詠善、范信賢主編（2015）。同行–走進十二年國民基本教育課程綱要總綱。取自http://ws.moe.edu.tw/001/Upload/23/relfile/8006/51171/2e43a379-fee8-43a3-a027-0f98bb59cabb.pdf

張珮珊（2018）。發展與實施「自然科學探究與實作」課程之研究（未出版之博士論文）。國立彰化師範大學，彰化。

教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學總綱綱要。臺北：國家教育研究院。

教育部（2018）。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域。臺北：國家教育研究院。

陳竹亭（2016）。探究是實事求是的第一步！。科學研習，55-02，2-4。

簡菲莉（2019）。十二年國教課綱高中自主學習建制化之實踐研究（未出版之博士論文）。國立臺灣師範大學，臺北。

國中自然科學彈性課程設計與教學：三峽區自然探究與實作課程向下扎根計畫／陳育仁

星期四 , 7, 9 月 2023 編輯助理本期專題, 第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

國中自然科學彈性課程設計與教學：

三峽區自然探究與實作課程向下扎根計畫

陳育仁

新北市立明德高級中學
[email protected]

n 向下扎根計畫的萌芽

新北市教育局新課綱行動協作平臺於110學年度第2學期開始，積極推動社區學校大聯盟計畫，除了向上與大學端積極合作之外，更推動高中端向下與國中端合作的扎根計畫（資源共享計畫）。新北市立明德高級中學（以下簡稱明德高中）也藉由本次新北市大聯盟之資源共享計畫（以下簡稱大聯盟計畫），自111學年度開始召集了區域內的國中學校，籌組高、國中自然科教師共備團體，以自然探究與實作課程作為媒介，積極協助國中端開設自然探究與實作課程，開啟社區內高中及三所國中的合作序幕。

n 推動國中自然探究與實作課程的契機及可行性

為因應十二年國教課綱強調的核心素養具體內涵與學生學習表現，心理與教育測驗研究發展中心曾說明未來教育會考評量探究能力的試題比例會適度增加（心理與教育測驗研究發展中心，2020）。隨著近兩年國中會考自然考科的試題開始融入探究與實作模式、較為靈活的考題後，國中自然科教師對探究與實作教學內涵了解的需求漸趨迫切。再者108課綱所推動的「探究式學習」更是未來世界對人才需求的基本素養，我國教育在高中以前並沒有探究與實作類型的課程，因此為了教育的一貫性而言，向下扎根推動國中探究與實作課程有其需求與必要性。

加上國中彈性時間的課程規劃，甚至是社團時間的知識性社團的課程設計等，都提供了自然探究與實作課程在國中端推動的機會，也提高了課程推動的可行性。

n 國中推動自然探究與實作課程可能面對的挑戰

為了提高計畫推動成功的機率，先行盤點可能面對的困難並擬訂克服策略至關重要。故明德高中在推動大聯盟計畫之前，分析了國中現行的教學現況、課程推動限制及需求，彙整了以下五項在國中推動自然探究與實作課程時可能面對的挑戰：

一、國中老師對本課程之教材教法並不熟悉

國中教師一般都是依照部定課程的內容在教學，比較少有自創課程教學的經驗。特別是在自然探究與實作課程上，因為108課綱並未將之編列在國中的課程教學中，所以國中教師很可能並未去瞭解、弄清楚本課程主要的教學目標是什麼。在課程設計上也比較不知道如何去讓課程對應到教學的目標。對於不熟悉的教學目標，以及對教材及教學方法的不瞭解，難免會使國中教師對本課程之執行產生疑慮或恐懼的心理，甚至排斥本課程。

二、因本課程非國中必修課程而可能使教師在推動時積極度不足

（一）在國中階段，自然探究與實作課程並非必修課程，所以只能在彈性課程中爭取開課。一般上國中階段的彈性課程，欲開課的教師是需要每學期提報課程計畫以爭取下一學期的課程開設機會，而且盡管108課綱對國中彈性學習課程有發展「統整性主題/專題/議題探究課程」等要求（教育部，2014），但在國中教師的普遍認知中彈性課程的開設更希望是能直接對應到必修課程的學習或補強，開發這樣一個相對與必修課程較無明顯直接關聯的課程之動力相對薄弱，比較少老師願意去嘗試這種全新的課程。

（二）雖然近幾年的國中教育會考，在自然科的考題已經相當靈活，也更接近自然探究與實作的目標概念，但一般國中教師因為對於本課程的教學目標等，沒有足夠的認識，所以並不會對本課程之影響與重要有所體悟，也未提高大家對於推行本課程之動力。

三、若教師不改變傳統的教學模式，108課綱減少國中學科課程時數將成教學壓力

國中教師若還是停留在過去的學習或教學經驗中，還是由大量練習、背誦、記憶等讓學生熟練典型的問題為主要的教學方式，教師在教學上將覺得現行教學時數嚴重不足。在教學上並沒有引導學生養成自主探究與論證，及自主學習等習慣與概念。在課程時數嚴重不足的認識前提下，一般國中教師在開設彈性課程後，就容易導致把彈性課程用在補充部定必修課程的教學上，並未想要去真正的創造一門不一樣的彈性學習課程。

四、國中學習階段並沒有額外的經費可以提供推動本課程所需的耗材費用。

承上所述，本課程並非國中階段之必修課程，所以在國中階段開設這門課程並沒有額外的經費補助，而且在學生的學雜費中尚需要研究有沒有辦法加收這門課程的一些耗材費用。再加上國中的實驗室設備擴充等經費需求，國中學習階段並沒有額外的經費提供確實限縮了這門課程開設的可能。

五、國中學習階段並沒有一個明確的時間可以用來推動本課程

在國中學習階段推動本課程比較欠缺一個明確可推動的時間，國中的彈性課程大部分以單節方式分散在各個不同的時間，所以較需要以兩節課連堂的實作課程相對不容易達成。再者本土語課程佔去了國一及國二各一節彈性課後，彈性課程每學期的開課競爭更加激烈，當課程開課及延續性不易確定時，課程也相對不容易設計。

除了彈性課程外，在國中學習階段另一個較有可能開設本課程的時間是社團活動時間，但在社團課開設面對的另一挑戰則是受益學生數會受限，無法讓學生普遍受益，而且上、下學期選習的學生可能不同，課程延續性也會受到限制。

n 三鶯區推動國中自然探究與實作課程的策略與規劃

有鑑於上述各種在國中學習階段推動自然探究與實作課程可能面對的各項挑戰分析，明德高中在推動三鶯區大聯盟計劃上，擬訂了以下的四個策略與規劃，希望在推動上能夠有所助益，並確保成功。

一、籌組高、國中自然探究與實作跨校共備社群並辦理探究與實作教材教法研習

首先明德高中複製了新北市高中自然科跨科跨校核心教師共備小組的成功經驗，籌組了一個三鶯區的高國中自然科跨校教師共備社群（以下簡稱共備社群），每月固定辦理一場聚會共備研習，直接由高中端的經驗來協助國中端開設自然探究與實作課程。同時在共備社群中針對國中教師開設了自然探究與實作教材教法工作坊，並且提供了高中開設課程的經驗，以及各種教學的策略與技巧，讓國中教師可直接用在國中的教學上。藉此提高國中教師對本課程學習功效的信心、對課程目標的瞭解和對教學技巧的掌握，進而降低對開設本課程的疑慮。

二、編列提供社區國中辦理本課程所需之設備、耗材等經費

在協助國中端的經費取得上，明德高中借助新北大聯盟計畫，協助社區內有意開設自然探究與實作課程的國中學校編列所需的耗材以及各種設備費用，以新北大聯盟計劃的經費完全協助開設本課程之社區國中學校解決在經費上面對的各種困難。甚至配合開設本課程之社區國中學校改善實驗室設備的需求。現行的新北大聯盟計畫就可以透過高中端的計畫撰寫，將經費挹注到合作國中學校，來改善國中學校經費不足的現象。這種做法在很大程度上補足了國中學校在開課經費上面對的短缺。

三、帶領社區國中學校合作開發課程教材並共編課程計畫

由明德高中每月辦理一場共備社群的共備會，上學期辦理完整之自然探究與實作教材教法工作坊，讓社群教師熟悉本課程之目標與教學內涵。下學期則開始分組研發國中適用教材，提供課程研發所需各項耗材，並由高中教師依高中執行課程的經驗提供建議，再由各小組共編課程計畫，提供各校共用。新北市在112學年度對國中學校有關彈性學習課程的開課要求，希望是非學科延伸或單科課程，且學校至少有一門為跨學科、領域之統整課程等要求（李惠銘，2023），確實讓不少有意開設彈性學習課程的老師感受到不小的壓力。明德高中推動的跨校共編課程計畫，在很大程度上減少各校老師獨立創作的壓力與工作量。而且更能開發真正以科學活動為媒介，以概念學習為目標的統整性課程。

然而在開課時間的不確定上也讓共編工作帶來一些挑戰，畢竟以１節課或２節課來編的課程計畫是有一定的差異的，所以在課程計畫設計上必須考慮各校在使用時能方便依開課節數做必要的調整，也計畫附上申請開課時向課程發展委員會提供之說明參考。

四、辦理社區國中教學實例分享以及成果展覽

在下學期每月辦理一場共備社群的共備會中，安排社區中有開始實施或嘗試實施本課程，或類似自然探究與實作課程的國中教師分享教學實例，以及教學上的成功經驗、面對的難題等。讓社區學校能觀摩各種教學成果，也能夠對各校所面對挑戰集思廣益，尋求更好的解方，以達成社區學校共好的理想。未來亦規劃修正調整後的課程推動成果對外發表，讓探究教學得以推廣，也更加鞏固共備社群教師們推動探究教學的使命。

n 對未來的展望

近期open AI的Chat GPT聊天機器人問世，更突顯學生的探究能力會是未來人才的必備條件。所以在教學上以培養學生探究與論證的習慣及素養為主要目標的自然探究與實作課程更有其執行的必要。在推動本課程向下扎根的計畫上，可以規劃出以下三個對未來的展望。

一、完成自然探究與實作課程推動的一貫性

依現行108課綱的學習規劃來說，在國中學習階段並沒有類似自然探究與實作的課程內容，然而到了高中學習階段卻出現了本課程的必修課（教育部，2021）。學生在學習上等於是從零開始學習。如果能讓學生從小就學習、養成探究與論證的習慣及素養，或是熟悉探究式的學習模式，則學生升上高中後就會相對比較容易接受探究式的學習，並更進一步的加深加廣學習。

但本課程之教材需由學校教師自行研發編訂，為了避免國中端與高中端課程取材雷同，在執行層面上希望國中學習階段所學能夠是高中學習的基礎，而非重複性的學習浪費。要達成這一目標，國、高中教師的跨校聯繫共備就是一個成功與否的關鍵因素。讓合作學校來共同擬定本課程在不同學習階段的教學目標，也讓社區國、高中學校能更進一步的緊密垂直整合起來，組建成共同學習社區學校，讓區域內學生學習一貫化。

二、推動國中學習階段學科的探究式教學

希望藉由國中自然探究與實作課程的教學，能讓國中教師更熟悉探究式教學的訣竅，進而推動學科課程的探究式教學。依據108課綱，國中學習階段的探究式課程並不限自然科，所以本課程可算是一個開端，未來更希望可以引領國中其他學科的老師一同投入到探究式教學上。期許探究式教學這個有別於過去較偏重記憶或背誦式的教學方式，能夠在培養學生的探究能力、思考與創意上取得一些成效，更貼近未來所需人才的培育。

國中自然探究與實作課程可看成是為國中探究式教學方法埋下了一顆種子，最終的期望還是希望探究式教學方法能夠發芽、茁壯成為國中學習階段普遍的教學和學習方法。

三、再向下札根推動國小端的自然探究與實作課程

一貫化的學習一般能達成更大的成效，所以要提升學生的學習效果以及養成了學生探究、論證的習慣，讓學習往下札根當然會是有效的方法。希望未來自然探究與實作課程，亦如語言、數學課程等，推動向下札根到國小學習階段，在國小開設較簡易的探究與實作課程，讓學生自國小開始接受探究式學習的啟蒙。使得人類天生的好奇能夠得以維持與鼓勵，對於未知與知識能夠保持探究的習慣與態度。

n 對主管機關的建議

課程推動的成功，教育現場第一線工作教師的努力當然相對重要，但是課程推動所面對的一些困擾與限制，往往卻是只有教育主管機關才能給予有效的協助與排除。以下就合作學校共備教師的反映，歸納出兩項希望教育主管機關能給予支持與協助的建議：

一、學校校長、教務主任應給予教師開設本課程的穩定時間

當課程沒有穩定的開課時間時，在課程設計上會產生不小的困擾。若自然探究與實作課能獲得學校的支持，每學期可以有兩節課連排，就算是與其他科目對開式的兩節課連排，在課程設計上就會更加明確可規劃多少內容。若未獲得學校的支持而需要由教師自行與其他科目協調，這種要教師去處理其相對不擅長的行政協調工作，通常是磨滅教師開課熱忱最有效的方法。

若學校主管能在學校課發會推動讓特定年級固定在彈性學習課程開設本課程，使得課程能夠永續經營，並且鼓勵老師有效投入、參與課程的推動。相信不難達成以自然科出發而終將引入各科參與的規劃，以及引導一般部定課程以探究式教學法進行授課的目標。且成為學校辦學的鮮明特色。若一個學區中的各合作學校能夠做到從國小到高中的垂直整合，展現教學上的一貫化，則學區的學習特色必油然而生，而且拉高了其他學區參與競爭之門檻，也相信會對人才培育提供正向的助益。

二、教育主管機關應提供參與的學校推動課程的必要資源

不論是願意嘗試推動本課程之國中學校，還是努力推動垂直整合的社區學校，都免不了必須要有一定經費與資源的投注。對推動課程的老師們、積極參與的學校主管、參與推動之人員等，主管機關能夠提供足夠的經費與資源，是最直接、有效的鼓勵與支持。也最能保證可以維繫相關人員之熱忱與動力。

針對欲開設本課程的國中學校，改善其實驗室設備及部分耗材的補充，乃至於教師協同上課的新增鐘點費等，都是必要的經費投入。在有意合作垂直整合的社區學校，提供開辦課程教材教法、探究式教學方法等研習，或是召開各合作學校推動人員之共識、工作會議等，亦都是必要的經費投入。

除了經費之外，主管機關的政策支持等也是必要的資源投入。例如給予參與教師會議、研習時之公假，適度關心、掌握合作學校之進度，並給予公開發表之舞臺。甚至是提供合作學校更彈性的升學方式等，都是有效的政策資源投入。

n 參考文獻

心理與教育測驗研究發展中心（2020）。111年教育會考自然科試題評量目標說明。臺北市：心測中心。

李惠銘（2023）。國中課程計畫協作審閱工作坊。創新教育定義未來–課綱2.0／校訂課程再進化。新北市：北大高級中學。

教育部（2014）。十二年國民基本教育課程綱要總綱。臺北市：教育部。

國中自然科學彈性課程設計與教學：高中化學銜接教材如何轉化為國中彈性課程／鍾曉蘭、鐘建坪

星期三 , 6, 9 月 2023 編輯助理本期專題, 第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

國中自然科學彈性課程設計與教學：

高中化學銜接教材如何轉化為國中彈性課程

鍾曉蘭^*、鐘建坪

新北市立新北高級中學^*、新北市立錦和高級中學
*[email protected]

n 前言

十二年國教自然領綱，考慮學生巨觀到微觀的認知發展歷程，將高一必修化學部分的概念移至國中理化。因108課綱從108年於國、高中同步施行，故從108至110年，有三年學習九年一貫課綱的國三畢業生，在修習108課綱的高一必修化學之前，需將部分重要的概念與實驗重新學習，以利新、舊課綱的銜接。

為此，高中化學學科中心邀請四位大學化學系教授與四位高中化學教師，為期一年的時間，以多次共備會議進行高中化學銜接教材的內容與課程設計。除了協助高中教師與學生，進行自然領綱的學習內容銜接之外，更以素養導向教學理念融入課程設計，期能以實例說明十二年國教的教學理念與精神。

隨著銜接課程的任務結束，若將相關教材束之高閣實屬可惜，考量教材內容的設計與深度相當於國中學習階段的加深加廣課程。因此，若將原有的銜接教材進行轉化並符合探究與實作精神，不僅可作為國中教師在規劃彈性課程的取材內容，亦可發揮銜接教材的後續應用。

n 簡介高中化學銜接教材

國中階段新增加四個概念或實作：(1)原子模型的發展、(2)百萬分點濃度(ppm)表示法與電子pH計、(3)濾紙色層分析法，以及(4)透過實作來認識有機物與無機物的差異。銜接教材整體概念圖如圖1所示。因篇幅所限，本文僅簡介「原子結構與科學史」的課程，其主要概念包含道耳頓原子說、陰極射線實驗與西瓜模型、α散射實驗與核型原子模型、質子與中子的發現、原子模型發展的演變。此單元主要以科學史角度介紹原子模型發展，期待學生能從歷史上相關重大的實驗，探索電子、質子與中子的發現歷程，了解科學家如何依據證據修正模型，並能分辨科學知識的確定性和持久性會因科學研究的時空背景不同而有所變化(教育部高中化學學科中心，2018)。

圖1 高中化學銜接教材整體概念圖

(引自教育部高中化學學科中心，2018，p.6)

「原子結構與科學史」的課程，主要以「問題導向的學習（problem-based
learning，簡稱PBL）」作為課程設計的架構（鍾曉蘭，2021）。教師以一系列的問題引發學生探討原子的結構與原子模型在科學史中發展的歷程，提問與對應的概念詳見表1。詳細的教材內容、提問與參考答案、教案等，請參閱高中化學108課綱銜接教材教師手冊(網址https://reurl.cc/GA7Ne3)。

表1 「原子結構與科學史」課程中的提問 (整理自教育部高中化學學科中心，2018)

提問

對應的概念

你認為物質是由什麼基本粒子所組成的？試著提出你的想法？

希臘哲學家德謨克利特提出原子的概念、道耳頓原子說的內容。

原子真的不可分割嗎?

探討道耳頓提出的「原子不能分割」想法的正確性。

陰極射線是光還是物質?

觀察實驗結果，能說明陰極射線是電中性還是帶電粒子?

從三個陰極射線實驗影片中，學生歸納出陰極射線是帶負電的粒子束。

陰極射線實驗推論出實驗的重要發現與道耳頓原子說衝突之處為何？

根據陰極射線實驗結果，湯姆森的原子模型為何？並提出解釋原因。

修正道耳頓原子說的內容，原子是可分割成帶正電的球體與帶負電的粒子(電子)，並從證據中建立湯姆森的原子模型(西瓜模型)。

請學生預測依據湯姆森的原子模型，α粒子散射的實驗結果為何？

拉塞福試圖要證明湯姆森的原子模型─西瓜模型是正確的，以α粒子進行一連串撞擊極薄的金箔的實驗。根據西瓜模型預測α粒子散射的實驗結果，讓學生產生認知衝突。

α粒子散射實驗的發現與湯姆森的西瓜模型衝突之處為何？

原子的基本結構與組成方式，分為帶正電原子核與核外帶負電的電子。

根據α散射實驗的結果，拉塞福的原子模型為何？並提出解釋原因。

拉塞福的原子模型為核原子模型或稱行星模型

α散射實驗中湯姆森原子模型與拉塞福原子模型之差異為何?

學生繪圖說明湯姆森的原子模型與拉塞福原子模型α粒子撞擊金箔的差異。

(註1)

至今原子核中已有許多的微粒(質子與中子)陸續被發現。請學生根據以上各種發現及實驗結果，原子結構的組成圖為何?

(註2)

註1 原子模型比較圖引自高中化學學科中心，2018，p25；註2
原子結構分類引自高中化學學科中心，2018，p26

n 如何將銜接教材轉化為國中彈性課程

一、銜接教材轉化成國中彈性課程之課程規劃表

如果將銜節教材「原子結構與科學史」的內容全部納入國中理化教學，現場教師反映教學時間會大幅度增加，不符合教學現況，故筆者嘗試依據探究式教學的理念（問題導向的教學），將其轉化為六節課的國中彈性課程，課程設計簡介如附錄1。每週皆以驅動問題出發，讓學生在完成該週學習活動之後，能夠回應驅動問題。第一節主題為「原子真的不可分割嗎？陰極射線到底是什麼？」教師藉由提問學生導引思考道耳頓原子說的內容，進而引導觀看陰極射線的實驗，讓學生思考什麼是陰極射線，並發表各組討論結果。第二節主題為「湯姆森原子模型為何?」學生基於第一節課的討論，需要歸納出陰極射線實驗與道耳頓原子說衝突之處，並根據陰極射線實驗結果，推論哪種模型符合湯姆森的原子模型。第三節主題為「湯姆森原子模型是正確的嗎?」教師會藉由PhET電腦模擬實驗，讓同學模擬不同原子模型的差異。同學在開始模擬實驗前，需要依據湯姆森的原子模型──西瓜模型進行推測，實驗理論上應該會得到什麼結果。並歸納與推論出模擬實驗的發現與湯姆森的西瓜模型衝突之處。第四節主題為「拉塞福的原子模型為何?」讓學生根據拉塞福的α粒子散射實驗結果，進行推論以確認哪種模型符合拉塞福的原子模型。第五節主題為「原子真的不可分割嗎?」學生需要根據先前的學習內容與查詢相關資料，並嘗試以CER論證模式（claim,evidence, reasoning；主張、證據、推理）回答原子是否能分割的問題，協助學生檢視主張與證據之間的關聯。第六節為「原子模型是如何演變的?」教師引導學生使用軟體（如X-mind），以心智圖統整出前五次的學習內容與查詢的資料，以圖像與文字方式，呈現如何依據實驗的證據修正原子模型的歷程。

新設計的課程規劃與銜接教材不同之處有二：其一是引入PhET電腦模擬實驗，引導學生自行操弄不同的變因，統整實驗的結果，進而提出初步結論；其二是引導學生根據先前的學習內容與查詢相關資料，以CER論證模式回答原子是否能分割的問題。

二、應用PhET進行模擬實驗，協助學生理解不同原子模型的實證差異

PhET是由美國科羅拉多大學（University of Colorado, Boulder）建置的網站，其中的教學範例與模擬程式由其專業開發團隊製作，學習主題聚焦在自然科學，包括數學、生物、地球科學、物理和化學等模擬程式，教學主題包含聲音與波動、運動學、理想氣體等單元。在教育部校園自由軟體應用諮詢中心支持下，目前臺灣已建置了PhET中文網站（網址: https://phet.colorado.edu/zh_TW/），內含多樣性的中文的教學範例，PhET的模擬程式以Java或Flash多媒體製作，能夠支援不同平臺的執行系統（羅正漢，2010）。

本文應用的模擬實驗為「Rutherford Scattering_拉塞福散射實驗」(網址見圖2、圖3)，模擬實驗可幫助學生建立原子模型的微觀概念，先引導學生操作李子布丁原子的α粒子散射實驗，會觀察到α粒子會筆直穿過原子，沒有偏折的現象（見圖2）。接著學生操作拉塞福原子，會觀察到大部分α粒子會筆直穿過原子，但有少部分α粒子會產生偏折的現象，有極少部分會產生大角度（接近180度）的偏轉（見圖3），同學也可以改變中子與質子數目，讓同學觀察到原子核越重，α粒子產生偏折的現象越多。請同學儘量以科學的語詞描述所觀察的現象，嘗試下初步的結論，並進一步以圖像呈現並比較兩種原子模型的α粒子散射實驗差異。

圖2 PhET：拉塞福散射實驗_李子布丁原子

網址https://phet.colorado.edu/sims/html/rutherford-scattering/latest/rutherford-scattering_all.html?locale=zh_TW

圖3 PhET：拉塞福散射實驗_拉塞福原子

網址https://phet.colorado.edu/sims/html/rutherford-scattering/latest/rutherford-scattering_all.html?locale=zh_TW

三、設計適合國中生學習的論證模式，促進理解主張與證據之間的關係

常見的論證模式：蘇格拉底的反詰法、亞里斯多德的三段論模式、Toulmin
Argumentation Pattern（簡稱TAP模式）、Lawson架構（檢驗論證–演繹的有效性）（林志能、洪振芳，2008）。高中學習階段常使用TAP論證，此模式中有六個組成因子，分別為資料（data）、主張（claim）、理由（warrant）、支持（backing）、限制（qualifiers）與反駁（rebuttal），詳見圖4（Toulmin,1958）。論證過程如果能夠提及支持、限制以及存在的反駁條件，則論證的能力較單純提供理由者為高。但是高中以下的學生在自然科學探究過程，若以TAP模式進行「論證與建模」，學生需要同時理解科學實作內容與論證架構，歷程可能會太過複雜與困難，故探究與實作北區協作平台建議將TAP模式以較易理解的CER論證模式取代，將論證的架構聚焦在C為主張(Claim)：對問題的答案或假說；E為證據(Evidence)：事實、觀察或資料；R為推理或論述(Reasoning)：對於證據之所以能支持主張的解釋或科學原理（洪逸文，2023）。

學生初次論證時，往往以因為…所以…作為主張與證據之間的關係論述，但是提供架構能夠讓學生更加思索需要哪些證據才能佐證主張，而該如何進行推理才能適切地連結證據與主張之間的關聯（鐘建坪，2020）。因此本文建議國中教師以CER模式教導學生進行論證時，對於提出的問題、證據與推理需要儘量先以國中學過的科學現象為主，如「鎂粉燃燒後是否能使用二氧化碳滅火？」，CER論證的示例如下圖5所示(鍾曉蘭，2022)。當鎂粉工廠爆炸時，學生提出主張：不能以乾粉滅火器進行滅火，其證據在於先前學生學過點燃的鎂帶在二氧化碳之中仍可繼續燃燒，進行推理時，以鎂的活性比碳大，鎂與二氧化碳可持續反應，無法達到滅火的目的。

圖5 鎂粉工廠起火時，能否以二氧化碳滅火的CER論證示例(鍾曉蘭，2022)

接著以CER模式論證「原子真的不可分割嗎?」，由於國中學生可能無法提出證據或推理，或者無法區別證據與推理知的差異，建議老師可先聚焦在引導學生如何區別主張、證據與推理，示例如下圖6。當學生熟悉論證架構與細部的證據、主張與推理的內容之後，則可讓學生進行原子模型演變的完整相關論證。圖6 「原子真的不可分割嗎?」區分主張、證據與推論的教學示例

n 結語

本文轉化先前高中化學學科中心設計的銜接教材，嘗試設計以科學史的角度融入問題導向的學習模式，引導學生探究「原子模型」的發展脈絡，讓學生從活動中瞭解科學本質，學習將已習得的科學知識，連結到觀察的現象，進而提出初步的結論與合理的解釋。因為微觀粒子實驗無法讓學生實際操作，藉由觀看影片以及搭配電腦動畫的模擬實驗，將抽象的實驗轉化成巨象結果，讓學生能眼見為憑，學習從實驗結果中，逐步歸納變因與變因之間可能的關係，建立初步的質性模型，並且藉由CER模式培養學生初階的論證能力。

n 參考資料

林志能、洪振芳(2008)。論證模式分析及其評量要素。科學教育月刊，312，2-18。

洪逸文（2023）。用製作學習歷程檔案來檢驗ChatGPT(下)。檢索日期2023/4/10引自https://collego.edu.tw/Media/Article/746

教育部高中化學學科中心（2018）。十二年國教高中化學科銜接教材教師手冊。檢索日期2020/3/20引自https://reurl.cc/GA7Ne3

鍾曉蘭（2021）。高中化學教材教法專書導讀：第六章素養導向的教學與評量。臺灣化學教育，40。網址：http://chemed.chemistry.org.tw/?p=40994

鍾曉蘭（2022，3月）。如何從生活現象引導學生發現問題。中區探究與實作共備研習，忠明高中。

羅正漢（2010）。PhET自由授權教材網站讓教學更生動便利。iTHome新聞網站。檢索日期2023/7/26引自https://www.ithome.com.tw/article/93407

鐘建坪（2020）。文組學生議題導向論證教學模組規劃與實施—以基因改造食品為例。檢索日期2023/09/06網址：https://reurl.cc/ed5myR

n 附錄

「原子結構與科學史」轉化成國中彈性課程之課程規劃表

授課年段

國二或國三

節數

核心素養

A自主行動

■A2.系統思考與問題解決
■A3.規劃執行與創新應變

B溝通互動

■B1.符號運用與溝通表達
■B2.科技資訊與媒體素養

C社會參與

■C2.人際關係與團隊合作

學習目標

1. 自-J-A2：能將所習得的科學知識，連結到自己觀察到的自然現象及實驗數據，並能對問題、方法、資訊或數據進行檢核，進而解釋因果關係或提出問題可能的解決方案。

2. 自-J-A3：具備從日常生活經驗中找出問題，並能根據問題特性、資源等因素，善用生活週遭的物品、器材儀器、科技設備與資源，規劃自然科學探究活動。

3. 自-J-B1：能分析歸納、製作圖表、使用資訊與數學運算等方法，整理自然科學資訊或數據，並利用多元的形式，表達探究之過程與成果。

4. 自-J-C2：透過合作學習，發展與同儕溝通、共同參與、共同執行及共同發掘科學相關知識的能力。

學習表現

1. tc-Ⅳ-1：能依據已知的自然科學知識與概念，對自己蒐集與分類的科學數據，抱持合理的懷疑態度，並對他人的資訊或報告，提出自己的看法或解釋。

2. pa-Ⅳ-2：能運用科學原理與思考智能，從（所得的）資訊或數據，形成解釋、發現新知。並能將自己的探究結果和同學的結果或其它相關的資訊比較對照，相互檢核，確認結果。

3. an -Ⅳ-2：分辨科學知識的確定性和持久性會因科學研究的時空背景不同而有所變化。

教學大綱

節次

主題(驅動問題)

內容綱要

原子真的不可分割嗎?(起始問題)

陰極射線到底是什麼？

教師提問並引導學生思考與討論道耳頓原子說的內容。接著提問原子真的不可分割嗎?

進而引導學生思考陰極射線到底是什麼？請同學請學生從教師提供的實驗影片觀察陰極射線實驗，小組討論以下的問題，並發表各組的討論結果：

Ø陰極射線是光還是物質?

Ø實驗結果，能說明陰極射線是光還是物質?

Ø如果能，你提出的解釋為何?

Ø如果不能，你提出的解釋為何?

請學生反思：如何不做過度的推論？

湯姆森原子模型為何?

請學生從前次討論結果，接著討論以下的問題，並發表各組的討論結果：

Ø歸納出陰極射線實驗與道耳頓原子說衝突之處為何?

Ø根據陰極射線實驗結果，下列哪種模型符合湯姆森的原子模型？

Ø嘗試提出你的推論原因為何?

Ø請學生反思：你的解釋是依據實驗的證據還是先前的知識？

湯姆森原子模型是正確的嗎?

探討湯姆森原子模型的正確性?

Ø請同學在開始模擬實驗前，依據湯姆森的原子模型──西瓜模型進行推測，實驗理論上應該會得到什麼結果？

Ø請同學進行電腦模擬實驗：Rutherford Scattering_拉塞福散射實驗(https://phet.colorado.edu/zh_TW/simulations/rutherford-scattering)

Ø先以西瓜模型(網站上為李子布丁原子)，進行實驗，觀察實驗結果與學生預測的異同為何?

Ø再進行α粒子散射實驗，設定不同的原子，請學生觀察並紀錄模擬實驗結果。

Ø根據模擬實驗結果，推論出α粒子散射實驗的實驗結論為何?

Ø推論出實驗的重要發現與湯姆森的西瓜模型衝突之處為何？

拉塞福的原子模型為何?

如何從實驗推論建立拉塞福的原子模型?

Ø根據拉塞福的α粒子散射實驗結果，哪種模型符合拉塞福的原子模型？

Ø嘗試提出你的推論原因為何?

Ø請學生比較湯姆森原子模型與拉塞福原子模型之異同?(根據模擬實驗結果與紀錄，繪圖說明湯姆森的原子模型與拉塞福原子模型α粒子撞擊金箔的差異，可參見表1。)

原子真的不可分割嗎?

(CER論證)

學生根據先前的學習內容與查詢相關資料，以CER論證模式回答原子是否能分割的問題?學習CER論證模式，其中C為主張(Claim)：對問題的答案或假說；E為證據(Evidence)：事實、觀察或資料；R為推理(Reasoning)：對於證據之所以能支持主張的解釋或科學原理(理論)。

原子模型是如何演變的?

如何以心智圖統整出原子模型發展歷程，說明科學模型的演變情形？

Ø引導學生使用軟體(如X-mind)，以心智圖統整出前五次的學習內容與查詢的資料，以圖像與文字方式，呈現如何依據實驗的證據修正原子模型的歷程。

國中自然科學彈性課程設計與教學： 108課綱下龍山國中彈性課程的樣貌／鄭志鵬

星期二 , 5, 9 月 2023 編輯助理本期專題, 第五十三期/2023年9月留言功能已關閉

國中自然科學彈性課程設計與教學：

108課綱下龍山國中彈性課程的樣貌

鄭志鵬

臺北市立龍山國民中學
[email protected]

n 108課綱對自然領域的三大挑戰

說到教育改革，大多數人大概都對2004年開始實施的九年一貫課程與2019年開始的108課綱印象深刻。對國中自然領域而言，108課綱有三大挑戰。首先是必須更加落實自然科科學探究的學習，第二是跨科概念學習，第三則是跨領域的彈性學習課程規劃與執行。

探究是自然科課程核心，但在臺灣課堂中尚未徹底落實，許多科學教師還在持續摸索建構適合的科學探究課程架構與教法；跨科概念學習是在九年一貫原有的「課題」、「主題」、「次主題」學習內容架構上，在課題與主題之間，插入「跨科概念」的層級，希望用「物質與能量」、「構造與功能」、「系統與尺度」、「改變與穩定」、「交互作用」、「科學與生活」、「資源與永續」等跨科概念作為提供學生更宏觀、系統化的知識架構觀點。但就目前觀察，跨科概念學習的落實，甚至還更落後探究課程。

最後一項挑戰，就是彈性學習課程的規劃與執行。2004年的九年一貫課程已規範中小學每週有3至6節的彈性學習時數，課程內容由學校自行規劃全校性和全年級活動。但在九年一貫實施的十餘年中，教育現場的彈性學習課程大多規劃為考試科目補救或延伸課程，使彈性課程喪失原本希望適性、自主學習的教育願景。於是在108課綱中，不但保留彈性學習時數的設計，更清楚說明彈性學習課程包含「跨領域統整性主題／專題／議題探究課程」。

以一週35節的學習總節數來說，應包括6節的彈性學習課程。除了大多會開設的班會週會社團課程，佔用2-3節時數之外，剩餘的3-4節，就應以跨領域統整性的方式來規劃校訂課程，思考在地學生特性與需求，提供學生校本、跨領域素養導向課程。龍山國中也在這波教改的機會中，因應學生學習需求、在地特色和師資結構等狀態，經過許多討論，逐步規劃出數門彈性課程，並實施至今。

n 龍山國中的區域特性

臺北市龍山國中位於萬華區，鄰近百年古蹟龍山寺，在臺北市中屬於較早發展的區域，因而有較多老舊社區、古蹟和產業，學生家庭平均社經地位較臺北市其他地區低，全校約有1/3具有清寒或中低收身分。在這樣的家庭背景下，龍山國中家長們還是非常努力關心自己孩子的成長，所以龍山的學生們大多數都品行良好，但在學習內容的豐富度和深度上，就略差一點。部分基礎能力與認知，包括閱讀理解、資訊工具使用、表達分享等能力，或是對全球較為重要的議題，例如環保、生態的問題意識，都常是老師發現學生需要加強的。

龍山國中教師在規劃彈性課程時，考量學生特性，經由許多討論與思考，規劃許多課程並執行至今。舉例來說，「鈔寫故事」課程以「紙鈔」作為素材，讓學生認識各國鈔票設計，從這些設計中瞭解各國的歷史人文風情與地理環境特色（圖1）；並根據貨幣要素，結合藝文領域的課程教學，指導同學設計出具有臺灣特色的鈔票。這學期配合校慶活動，課程就調整為設計出具有龍山國中特色的鈔票，並在校慶時進行展覽。

圖1 彈性課程「鈔寫故事」課程中，學生設計的校慶紀念鈔

自然領域部分，則是結合科技領域，安排了「科技科學」與「科學魔法車」兩門彈性課程。結合科學原理與科技應用、電學基本原理與電子電路學的應用等等。可惜部分規劃好的彈性課程因本土語課程實施的緣故，必須讓出而取消。

上述舉出的課程，大多屬於「主題式」課程。除此之外，龍山國中還有談論塑膠議題的「不塑之課」，以及談論生態平衡的「北極熊怎麼了」兩門跨領域議題式課程。

彈性課程本來就是跨領域課程，亦即理論上不該有某一門彈性課程「屬於特定領域」。但在學校實務上，往往還是會把這些彈性課程劃分到特定領域，就像前述課程會被劃分到社會或自然領域一樣。但議題式課程，其實各科目屬性會更加弱化，更強調提升學生作為一般公民的綜合能力，不應將課程劃分至特定領域，也不需要由特定領域教師來授課，只要經過充分備課，教師發揮專業後都能上場。以本文主要介紹的「不塑之課」與「北極熊怎麼了」兩門課為例，授課老師有國文和自然科老師，但在每週常態共備下，課程皆能順利執行。

n 自然科在跨領域彈性課程扮演的角色

在跨領域的議題中，科學常常在其中扮演重要角色。跨領域議題必然是複雜的，要探討跨領域議題，常需要具備對基礎事實的認識、因果與相關性的釐清、利害的權衡、最後才能採取行動，並且要能對行動效益做出預測評估以及後續成效追蹤。若在討論議題時，缺乏對基礎事實的認識，或是不瞭解其中因果和相關性，往往在採取行動時，會做出無效甚至有反效果的決定；或是在與他人溝通時，難以理解意見不同的人，會因為取捨角度有異而做出不同決定。對問題的認識不夠全面時，就很難提出妥善的解決方案，也難以與意見不同的人溝通折衝。

當然，既然是「議題」，就不是單純的科學研究，目標也並非鑽研某個科學主題，而是要對想探討的主題有最基礎的認識，更重要的是要具備科學的方法、精神與態度來面對議題。在與他人討論時，能理解雙方都是基於相同事實基礎；在認識現象時，也要能具備基本科學解讀現象的能力。

n 不塑之課

「不塑之課」是龍山國中教師們自主規劃的跨領域彈性課程，也是以塑膠作為主題探討的環境教育議題課程，課程目標是希望學生在認識與討論塑膠問題的過程中，增進閱讀理解、資訊工具運用、討論與表達等能力，也能提高學生對塑膠使用的問題意識，並且採取自己可以做到的行動，落實在生活中（註1）。

環境議題類型的課程，大致上可以分成三個階段：第一階段是認識問題，第二階段為思考與規劃解決問題的方案，第三階段則是採取行動與反思。以本課程為例，第一階段要認識塑膠，並且要認識塑膠的貢獻與造成的問題。第二階段則是要基於對塑膠的認識，思考我們可以做些什麼來改善塑膠造成的問題？第三階段是實際執行行動方案，也同時回顧成果以及過程中的妥協與犧牲。我們不希望只讓學生覺得塑膠是一無是處的壞東西，說捨棄就能捨棄。捨棄了塑膠，要用什麼方式替代？替代方案是否真的更加環保？會不會反而造成更多問題？一廂情願的解決方案什麼都不能解決，塑膠之所以成為議題，就是因為它沒有簡單的正確答案，知道議題沒有正確答案，只有評估、權衡與選擇、行動與反思，是我們希望在課程中帶給學生的重要學習。

那麼科學在這樣的課程中扮演什麼角色呢？首先，要談論塑膠問題，當然要先認識塑膠。要認識多深才夠呢？先要知道什麼是塑膠，也要知道塑膠分成許多不同的類型；知道有些塑膠受熱後可以重新被塑形，稱為熱塑性塑膠；有些塑膠無法加熱重新塑形，稱為熱固性塑膠。前者能夠被回收再利用，後者則無法回收再利用。

學生於此階段，不需要認識塑膠的高分子結構，不需要認識分子層級的鏈狀、網狀結構，更不需要認識其化學式寫法與平均分子量等觀念。這些屬於塑膠的專業化學知識，是在理化課要學習的。但在議題類型課程中，認識常見塑膠名稱、代號與回收編碼，以及可回收塑膠的熱塑性，學生具備這些基礎認知，對於學習已經足夠。

所以在第一階段「認識問題」中，我們首先讓學生辨認哪些產品是塑膠製品，確認學生能分辨塑膠與非塑膠物質，然後以實驗展示塑膠的熱塑性。例如廢棄不用的牙刷，將刷頭附近的刷柄用打火機稍微加熱軟化，再將刷頭彎折九十度後，等待冷卻硬化，就變成可以用來刷容器底部髒污的小刷子。

有了這樣的經驗後，就可以連結學生資源回收的經驗，討論為什麼塑膠可以回收？為什麼塑膠要標示不同的號碼與名稱？這些可回收的塑膠，都是可以加熱塑形的，只要將廢棄的塑膠分別為單一材料，清洗乾淨後，就能切碎加熱，重新成為塑膠原料，並製作出全新產品。從這個角度看起來，只要有良好的回收習慣與系統，塑膠似乎是非常環保永續的材質，但實際上真的是這樣嗎？

接下來要認識的，是我們對於塑膠的重度依賴，甚至有人以「塑膠成癮」描述現在人類使用塑膠的狀態。課程中以「充滿塑膠的一天」活動，讓學生記錄一整天下來，使用了哪些塑膠製品，有哪些是可以重複使用的？有哪些是一次性用過即丟？一天當中使用多少塑膠，丟棄多少塑膠？讓學生學習設計表格來記錄，以實際數據認識生活中對塑膠的極度依賴（圖2）。並不是今天提出「拒絕塑膠」，明天就可以擺脫塑膠，我們的食衣住行育樂，生活各方面都重度依賴塑膠，已經習以為常、習慣成自然。希望藉由課程活動，讓學生對於使用塑膠產品產生意識，才有機會從中思考各種塑膠減量與替代的方案。

圖2學生在「不塑之課_充滿塑膠的一天」課程中整理自己使用塑膠的紀錄

本階段最後，我們希望學生能強烈感受到人類塑膠成癮帶來的危害。當塑膠危害並未在眼前發生，我們確實難以感受，於是在每學年度上學期第一次段考下午，我們安排淨灘活動，率領七年級全體學生驅車前往北海岸白沙灣至麟山鼻一帶，進行一個下午的淨灘活動（圖3至圖5）。學生們會發現：沙灘上絕大多數垃圾，都是難以在自然界中被代謝掉的塑膠，它們卻大量漂浮於海洋中，被海水潮汐帶上沙灘。沙灘上的塑膠來源與種類千奇百怪，有些看起來在海上漂流數百公里才到達臺灣，而這些漂上岸的塑膠，只不過是海上塑膠垃圾的冰山一角。讓學生體驗到塑膠垃圾量極為龐大，也認識到人類不負責任的行為影響的可能是全世界。認識塑膠的性質、重要性和問題之後，我們才開始進入到思考與規劃階段的課程。


圖3淨灘前課程讓學生了解淨灘要做的事情和意義	圖4實際淨灘感受塑膠問題的嚴重性	圖5淨灘後，分析廢棄物的數據

在第二階段「思考與規劃」課程中，我們希望學生以自己的角度出發，想想在自己目前的生活中，什麼行動可以幫助減輕塑膠對環境造成的負擔，於是規劃出「沒有塑膠的兩週」活動（圖6）。讓學生經過思考討論後，規劃如果要執行塑膠減量生活，可以怎麼做？大多數的學生，都能察覺到自己購買的餐食、飲料中使用許多一次性的塑膠，許多學生就提到可以自備水壺或餐盒來盛裝飲食，使塑膠減量；也有學生提出可以自備餐具、常在家中開伙或店內用餐，減少外帶也是減少塑膠的方式之一。透過發想與實踐，讓學生實際行動後，增進學生的感受與思考。學習也進入第三階段「行動與反思」。


圖6同學整理自己兩週的減塑的方案和挑戰成果並上台報告

行動實際執行兩週後，請學生將執行紀錄與經歷、感受，於課堂中進行統計、整理，彙整為投影片後，報告給同學聆聽，並進行自評、互評。課程最後，則是請同學將整個學期的課程經歷，運用塑膠廢棄物製作成海報，在一學期的學習匯集整理過程中，再次強化對塑膠問題的意識（圖7）。整學期的課程，有許多機會讓學生作資訊的整理、分類、表格規劃、討論、簡報製作與上台發表。這些能力的培養，也都有對應的課程培力。教師並非只是交辦任務而已，同時還需因應不同學習任務，安排對應課程來培養學生上述許多基本能力。


圖7課程結束前，讓學生用廢棄塑膠製作海報，回溯整學期的塑膠議題課程

「不塑之課」是以塑膠為議題設計的課程，讓學生認識此議題相關知識外，也讓學生體認到議題的複雜性、嚴重性，讓學生經由思考討論後，能採取自己能力所及的行動，並且評估檢視，未來希望能持續保持行動。

n 北極熊怎麼了？

接續塑膠議題的課程，下學期則是進行生態平衡相關的「北極熊怎麼了」課程（註2）。名稱雖然為北極熊，但只是作為我們關心的物種代表，許多物種都面臨絕種的危險，或因成為優勢物種造成生態失衡。這門課以一張媒體聲稱是飢餓瀕死的北極熊照片作為起點，照片標題為「這就是氣候變遷的模樣」，從照片引入我們想討論的，也就是生態物種平衡相關議題。

從這張照片，我們讓學生感受到媒體的圖片文字給我們強烈訊息，但這樣的訊息正確嗎？照片裡的北極熊確實是極度飢餓的嗎？若是，牠的飢餓，真的是全球氣候變遷造成的嗎？從一隻飢餓的北極熊，就能判斷整個北極熊族群的危機嗎？從一隻飢餓的北極熊，真的能推論出全球氣候變遷的急迫性嗎？

要討論這個議題，必須要認識科學中「改變與穩定」這個概念。有許多自然現象處於動態平衡的時候，雖然看起來正在改變，其實是穩定的狀態。當我們看到眼前有一隻北極熊死亡，當然不能就此推論整個北極熊族群都瀕臨危險，當我們看到今年北極熊族群比去年減少，也不能就此推論牠們將會持續縮小直到滅絕。如果沒有學習「改變與穩定」概念，很容易在討論生態保護的議題上，落入太過偏誤或主觀情緒判斷，因為一張圖片煽動或媒體報導，就採取錯誤的行動。

我們在課程中引用了國家教育研究院「改變與穩定跨科概念課程案例（曾世杰等，2016），運用其中一段討論二氧化碳濃度處於改變或是穩定的課程，讓學生在訊息中逐漸揭露，逐步討論過程中，去學習要判斷像是一個物種的變化或是全球二氧化碳濃度，這麼大尺度的自然現象變化時，必須要參照各種不同時間尺度的資料，才能做出較合理的判斷。

除了改變與穩定概念外，我們也在課程中引進一系列的媒體識讀課程，讓學生認識生活中常見的文字或影像，可能會產生哪些誤導的情況；分辨文章中事實與觀點的差異；也讓學生瞭解在網路上搜尋、閱讀資料時，哪些資料呈現的方式是更具有可信度的。

學習自然界中改變與穩定以及基本媒體識讀素養之後，接著就讓同學挑選幾樣我們關心的瀕危或強勢外來種，搜尋相關資料，篩選、彙整後製作成簡報。簡報中除了呈現物種狀態、問題與因應策略之外，還需要報告他們引用哪些資料，捨棄了哪些資料以及捨棄原因。一方面讓學生認識我們關心的生態問題與其複雜性，一方面學習辨認從較有可信度的網站取得資訊，彙整成自己的報告。

課程最後再以團隊設計的石虎桌遊，讓學生扮演人類、石虎、老鼠和雞等角色，以模擬的方式，讓學生體驗人類的選擇是如何影響自然界的物種變化，知道人類可以透過更聰明積極的方式，維持自然界的穩定與平衡。

n 結語

彈性課程是108課綱成功的重要關鍵，需要在地的學校教師，為在地學生提供量身打造的課程。國中生要面對複雜的未來，除了基礎知識能力要足夠之外，也要儘早提升對議題的理解、思考，增進討論與取捨決定的能力。有些議題是全球性的，有些則是具在地特殊性的，不論是哪一類議題，都需要有足夠的能力、態度以及對議題本質的理解，才有機會正確面對各項議題。

以自然科來說，生物課的生態系、理化課的塑膠和能源，都是非常值得以議題方式探討的單元，但受限於時數，老師往往很難在部定課程中讓學生討論議題，於是在108課綱架構下，老師們可以將科學專業內容留在科學課程中，議題的部分規劃於彈性課程中進行。在彈性課程中，將許多科學素養納入教學，讓學生學習科學的議題討論，並在過程中學習強化各種基本能力；同時知道這些議題不只是科學問題，還包括許多取捨，同時也能認知這些議題不可能脫離科學憑空討論。

許多學校藉由108課綱的機會，發展了許多精采的課程，龍山國中也是其中之一，希望藉由此文與更多人交流分享，彼此精進、提升課程，也讓下一代學子具備面對未來的能力。

n 附註

1.詳細的學習單等內容皆在曾世杰等(2016)可查閱，有興趣讀者可參閱。

2.同註1

n 參考文獻

曾世杰、張俊彥、黃博鴻、黃茂在、吳文龍（2016年3月31日）。十二年國民基本教育自然科學領域教學模組研發模式與示例研發計畫 104 年成果報告 (三) 國中組主題北極熊的處境「改變與穩定」跨科概念教學模組。取自https://www.naer.edu.tw/upload/1/16/doc/865/%E5%9C%8B%E4%B8%AD104%E6%94%B9%E8%AE%8A.pdf

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